CN113950785A - 两用转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率换流器(200)、尤其用于将电功率馈入到供电网中的风能设备的功率换流器，所述功率换流器至少包括：多个整流器(210)，所述多个整流器可以与第一交流电网(125)连接，以便将第一交流电压转换成直流电压；与多个整流器连接的直流电压中间回路(220)，所述直流电压中间回路设立用于引导直流电压；以及多个逆变器(230)，所述多个逆变器与所述直流电压中间回路连接并且与第二交流电网(126)连接，以便将直流电压转换成第二交流电压；以及可切换的变流器模块(240)，所述可切换的变流器模块至少包括：与直流电压中间回路(220)连接的变流器(242)和与变流器连接的开关单元(244)，所述开关单元可以与第一交流电网和第二交流电网连接，并且可以与第一交流电网连接，使得变流器构成为整流器，并且可以与第二交流电网连接，使得变流器构成为逆变器。

Description

两用转换器
技术领域
本发明涉及一种功率换流器、尤其用于将电功率馈入到供电网中的风能设备的功率换流器，并且涉及一种风能设备的中央变流器和一种具有这种功率换流器或中央变流器的风能设备。
背景技术
电能发生器、例如风能设备通常借助于功率换流器将所述电能发生器产生的电功率馈入到供电网中。
在此，功率换流器尤其具有如下任务：调整由电能发生器产生的电流，使得电流满足供电网的可能的标准，例如满足50Hz交流电流。
因此，功率换流器应尤其理解为具有整流器和/或逆变器和/或变流器的设备，所述设备设立用于引导和/或转换数百安培直至数千安培的电流。这种功率换流器的示例是风能设备的频率逆变器，所述频率逆变器在全功率变流器概念的情况下也可以称为中央变流器。
随着电能发生器的功率等级增加，功率换流器的功率等级从而其结构尺寸也不断增加。
在风能设备的领域内，这例如由于受限的吊舱尺寸可能引起问题。
此外，由于再生发生器对供电网的渗透率增加，在电网运营商方面对供电网的所有发生器提出越来越复杂的要求。因此，电网运营商例如要求发生器必须能够穿越(durchfahren)电压骤降。
这种要求大部分通过附加的运行模式和/或构件来满足，其中这同样引起功率电子装置的增大。
德国专利商标局已经在对于本申请的优先权申请中检索了以下现有技术：DE 102011 079 214 A1、DE 10 2014 219 909 A1和DE 10 2017 120 298 A1。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述问题中的至少一个问题，改进一般的现有技术或提供对于迄今已知方案的替选方案。尤其应提供一种功率换流器，所述功率换流器在仅小的结构体积的情况下满足电网运营商方面的不同的运行状态和/或要求。
因此，根据本发明提出一种功率换流器、尤其用于将电功率馈入到供电网中的风能设备的功率换流器，所述功率换流器至少包括：多个整流器，所述多个整流器可以与第一交流电网连接，以便将第一交流电压转换成直流电压；与多个整流器连接的直流电压中间回路，所述直流电压中间回路设立用于引导直流电压；以及多个逆变器，所述多个逆变器与直流电压中间回路连接并且可以与第二交流电网连接，以便将直流电压转换成第二交流电压；以及可切换的变流器模块，所述可切换的变流器模块至少包括：与直流电压中间回路连接的变流器，以及与变流器连接的开关单元，所述开关单元可以与第一交流电网和第二交流电网连接，并且可以与第一交流电网连接，使得变流器构成为整流器，并且可以与第二交流电网连接，使得变流器构成为逆变器。
因此，尤其提出呈频率变流器或频率逆变器(英文：AC-AC converter)形式的风能设备的功率换流器。
除了常用的整流器、常用的直流电压中间回路和常用的逆变器外，功率换流器还具有可切换的变流器模块。
在此，可切换的变流器模块包括与直流电压中间回路连接的至少一个变流器和与变流器连接的开关单元。
在此，变流器还设立用于不仅作为整流器运行而且作为逆变器运行。
因此尤其提出，功率换流器具有至少一个变流器，所述至少一个变流器不仅可以作为整流器而且可以作为逆变器工作或运行。
在一个特别优选的实施方式中，变流器还设立用于在持续运行时在功能：整流器与功能：逆变器之间变换。例如，这可以借助于下文中描述的开关单元来实现。
因此，尤其也提出在持续运行中根据需求使变流器作为整流器或作为逆变器运行。
因此，例如可能的是，在功率换流器的运行状态中，与必须从直流电压中间回路转换到第二交流电网中的视在功率或电流相比，必须从第一交流电网转换更多的视在功率或电流。
在这种情况下，现在提出借助于开关单元将变流器与第一交流电网连接，使得变流器构成为整流器。
在其他情况下，可能与运行状态相关地再次引起，与必须从第一交流电网转换到直流电压中间回路中的视在功率或电流相比，必须将更多的视在功率或电流从直流电压中间回路转换到第二交流电网中。
在这种情况下，现在提出借助于所连接的开关单元将变流器与第二交流电网连接，使得变流器构成为逆变器。
例如，功率换流器具有四个整流器和四个逆变器以及带有两个变流器和两个开关单元的可切换的变流器模块。
因此，根据本发明可行的是，运行功率换流器，使得功率换流器具有六个整流器和四个逆变器，或者具有五个整流器和五个逆变器，或者具有四个整流器和六个逆变器。
在一个特别优选的实施方式中，可切换的变流器模块的整流器、逆变器和变流器具有基本上相同的功率等级。
功率换流器优选地还包括控制单元，所述控制单元设立用于动态地切换开关单元和/或使变流器作为整流器和逆变器运行。
因此，尤其提出控制单元，所述控制单元设立用于动态地切换上文中或下文中描述的开关单元，使得可切换的变流器模块的变流器在功率换流器的持续运行中根据需求作为整流器或逆变器工作。
此外，尤其也提出，开关单元设立用于使可切换的变流器模块的变流器作为整流器和/或逆变器运行。
优选地，可切换的变流器模块具有尤其恰好两个变流器和两个开关单元，其中变流器可以同时作为整流器和/或逆变器运行。
因此，可切换的变流器模块具有尤其恰好两个变流器和两个开关单元，其中开关单元分别与变流器相关联。
此外，变流器可以同时作为整流器和/或逆变器运行。
这尤其也意味着，变流器不仅可以两者都作为整流器运行，而且可以两者都作为逆变器运行，并且变流器也可以分别作为一个整流器并且分别作为一个逆变器运行。
功率换流器优选地包括至少两个可切换的变流器模块。
因此，此外也提出，功率换流器具有多个上文中或下文中描述的可切换的变流器模块。
在一个优选的实施方式中，所述可切换的变流器模块中的每个变流器模块具有恰好两个变流器和两个开关单元，其中变流器可以同时作为整流器和/或逆变器运行。
功率换流器优选地具有多个扼流圈，所述多个扼流圈具有基本上相同的量级。
因此，此外也提出，功率换流器具有多个扼流圈，所述多个扼流圈设置在整流器的输入端或逆变器的输出端处，并且所述多个扼流圈设置在可切换的变流器模块的变流器的输入端或输出端处。
在一个特别优选的实施方式中，所述扼流圈具有基本上相同的量级，优选100微亨和1000微亨之间的范围内、特别优选200微亨和800微亨之间的范围内、特别优选基本上400微亨的量级。
此外，根据本发明，也提出一种风能设备的中央变流器，所述中央变流器包括多个可切换的变流器模块，其中每个可切换的变流器模块至少包括：与直流电压中间回路连接的变流器；以及与变流器连接的开关单元，所述开关单元可以与第一交流电网和第二交流电网连接，并且可以与第一交流电网连接，使得变流器构成为整流器，并且可以与第二交流电网连接，使得变流器构成为逆变器。
因此，尤其提出一种风能设备的中央变流器，如所述中央变流器例如在风能设备的全功率变流器概念的情况下应用。
中央变流器基本上具有多个可切换的变流器模块，如上文中或下文中所描述的那样。
因此尤其提出，中央变流器的各个变流器分别不仅可以作为整流器而且可以作为逆变器运行。
因此，本文中提出的中央变流器与本文中提出的功率换流器之间的差异尤其在于，中央变流器的所有变流器模块可以动态地适配于运行状态，相反，功率换流器具有多个整流器和逆变器，所述多个整流器和逆变器仅具有所述一个功能：即构成为整流器或逆变器。
对于这种根据本发明的风能设备的中央变流器特别有利的尤其是，中央变流器设立用于，可以随时穿越可能由供电网的运营商要求的所有运行状态，尤其在中央变流器的结构尺寸相对较小的情况下穿越可能由供电网的运营商要求的所有运行状态。
即根据本发明已经认识到，在中央变流器的这种构造中，可以节省高达10％的功率电子装置。
此外，根据本发明也提出一种风能设备，所述风能设备至少包括：用于产生交流电压的发电机；与发电机连接的功率换流器或中央变流器，如上文中或下文中所描述的那样；以及控制装置，所述控制装置设立用于在风能设备的持续运行中动态地切换可切换的变流器模块，使得变流器作为整流器和/或逆变器运行。
因此，在上文中或下文中描述的中央变流器的情况下，也可行的是，风能设备在电网侧切换所有变流器，以便在STATCOM运行、即具有双倍的无功功率控制范围(Blindleistungsstellbereich)的STATCOM运行中工作。然后将风能设备大致构成为STATCOM。
风能设备优选地具有不同的运行类型，其中控制装置根据所述运行类型切换可切换的变流器模块。
因此，尤其也提出，风能设备设立用于具有不同的运行类型，例如：
-声优化运行，
-功率提升，
-扩展的Q控制范围(Q-Stellbereich)，
-电网欠压，
-等等。
声优化运行(schalloptimierte Betrieb)描述如下运行：在所述运行中，风能设备以降低的转速运行，以便减少转子叶片的声发射。伴随于此，发电机端子处的感应电压降低，这仅能够通过转子的更高的电激励在受限的量度上来补偿。为了能够仍然将尽可能多的功率馈送到电网中，对应地在整流器侧需要多的电流。相反，电网侧的逆变器不受此影响，因为从中间回路开始设定正常比例。通过这种运行，通常在整流器侧需要更多的变流器电容。
功率提升描述如下运行：在所述运行中，风能设备实施超过风能设备的额定有功功率的有功功率的短时间馈入。这部分地利用热时间常数(例如在发电机的情况下)来实现。这在变流器尤其半导体的情况下是不可行的，因为时间常数处于下部毫秒范围内。作为折衷方案，可以在电网侧减少无功功率的馈入。在发电机侧不存在所述可行性。通过这种运行，在整流器侧需要更多的变流器电容。
扩展的Q控制范围描述如下运行：在所述运行中，风能设备以扩展的无功功率控制范围运行，以便(例如借助于感应加热装置)例如补偿工业设备的无功功率需求，并且可以理解为对于STATCOM设备的替选方案。电网侧的无功功率的提供对整流器没有影响。通过这种运行，在逆变器侧需要更多的变流器电容。
电网欠压描述如下运行：在所述运行中，电网电压低于标称电网电压下的一定值，由此，风能设备不再能够提供全部视在功率，因为达到电网侧的逆变器的电流界限。因此，为了减少产出亏损或减小的无功功率控制范围，在电网侧需要更大的额定电流。电网电压对整流器没有影响。通过这种运行，在逆变器侧需要更多的变流器电容。
因此，根据本发明也已经认识到，根据风能设备的运行，所需的整流器和逆变器的电容可以不同地分布。恰好为了所述目的，可切换的变流器模块不仅可以用作整流器而且可以用作逆变器，尤其根据需要使用。
因此，尤其也提出，在风能设备的持续运行中根据运行类型来切换可切换的变流器模块，因此，例如在具有十二个整流器、十二个逆变器和带有两个变流器的可切换的变流器模块的配置中，可设想以下分配方案：14个整流器、12个逆变器；13个整流器、13个逆变器；12个整流器、14个逆变器。
运行类型优选地至少包括声优化运行和/或电网故障运行。
因此尤其提出，风能设备至少具有声优化运行和/或电网故障运行。
所述声优化运行和/或电网故障运行例如可以在风能设备的控制装置中实现，所述控制装置优选地作用于可切换的变流器模块的开关单元。
声优化运行描述如下运行：在所述运行中，风能设备以降低的转速运行，以便减少转子叶片的声发射。发电机端子处的感应电压伴随于此降低，这仅能够通过转子的更高的电激励在受限的量度上来补偿。为了能够仍然将尽可能多的功率馈送到电网中，对应地在整流器侧需要多的电流。相反，电网侧的逆变器不受此影响，因为从中间回路开始设定正常比例。通过这种运行，通常在整流器侧需要更多的变流器电容。
风能设备优选地还包括设备变压器，所述设备变压器与第二交流电网连接并且设立用于与供电网和/或风电场电网连接。
根据本发明，还提出一种风电场，所述风电场包括多个根据上述权利要求中任一项所述的风能设备和将风能设备彼此连接的风电场电网。
附图说明
以下参照附图更准确地描述本发明的其他优点和有利的设计方案，其中相同的附图标记用于相同的或相似的构件或组件。在此示出：
图1示意性和示例性示出风能设备的立体视图；
图2示意性和示例性示出根据本发明的功率换流器的优选的实施例；
图3示意性和示例性示出中央变流器的优选的实施例。
具体实施方式
图1示出风能设备100的立体视图。
为此，风能设备100具有塔102和吊舱104。在吊舱104处设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学的转子106。转子106在运行时通过风置于旋转运动并且由此驱动吊舱中的发电机。由此，发电机产生待馈入的电流，所述待馈入的电流借助于逆变器馈入到供电网中。
图2示意性和示例性示出根据本发明的功率换流器200、尤其如图1所示的风能设备的功率换流器的优选的实施例，所述风能设备借助于控制装置160来控制。
功率换流器200在发电机侧与风能设备的发电机120连接，并且在电网侧与风能设备的风能设备变压器150连接，所述风能设备变压器将风能设备与供电网或风电场电网连接。
功率换流器200包括多个整流器210、直流电压中间回路220、多个逆变器230、可切换的变流器模块240和控制单元250。
为此，整流器210例如具有大约350kVA和大约700kVA之间的功率等级。为此，直流电压中间回路例如具有大约950V和大约1200V之间的额定电压。为此，逆变器230例如具有大约350kVA和大约700kVA之间的功率等级。为此，可切换的变流器模块240例如具有大约350kVA和大约700kVA之间的功率等级。特别优选地，整流器210、逆变器230和可切换的变流器模块240具有基本上相同的功率等级。
多个整流器210经由第一交流电网125与发电机120连接，并且设立用于将交流电压转换成直流电压。
直流电压中间回路220设置在整流器210与逆变器230之间，并且设立用于引导直流电压。此外，直流电压中间回路220将多个整流器210与多个逆变器230连接。
此外，多个逆变器230经由第二交流电网126与风能设备变压器150连接。此外，逆变器230设立用于将直流电压转换成交流电压。
可切换的变流器模块240包括与直流电压中间回路连接的两个变流器242和与变流器242连接的各一个开关单元244，所述开关单元可以与第一交流电网和第二交流电网125、125连接，并且可以与第一交流电网125连接，使得变流器242构成为整流器，并且可以与第二交流电网126连接，使得变流器242构成为逆变器。
因此，变流器模块240基本上具有两个变流器，所述变流器具有双重功能，即不仅具有整流器的功能而且具有逆变器的功能。
因此，根据需求，可以优选地也在风能设备的持续运行中借助于风能设备控制装置160或对应的控制单元250选择两个功能中的一个功能。
控制单元250至少设立用于动态地切换开关单元244和/或将变流器242作为整流器和/或逆变器运行。
在一个特别优选的实施方式中，优选地包括两个变流器242和两个开关单元244的变流器模块安装在功率柜中。这通过虚线表明。
在另一优选的实施方式中，各一个整流器210和逆变器230也构成为功能单元和/或安装在功率柜中。这同样通过虚线表明。
在另一实施方式中，功率换流器200也具有多个可切换的变流器模块240。
在一个特别优选的实施方式中，控制装置160设立用于在风能设备的持续运行中动态地切换可切换的变流器模块，使得尤其根据上述运行类型使变流器作为整流器和/或逆变器运行。
图3示意性和示例性示出根据本发明的中央变流器300尤其如在图1中示出的风能设备的中央变流器的优选的实施例，所述风能设备借助于控制装置160来控制。
中央变流器300如图2中的功率换流器那样设置在风能设备优选如在图1中示出的风能设备的发电机120与风能设备变压器150之间。
在一个特别优选的实施方式中，中央变流器300构成为风能设备的全功率变流器。
如上所述，中央变流器包括多个可切换的变流器模块240。
在此，每个可切换的变流器模块240包括与直流电压中间回路220连接的两个变流器242和与变流器242连接的各一个开关单元244，所述开关单元可以与第一交流电网和第二交流电网125、126连接，并且可以与第一交流电网125连接，使得变流器242构成为整流器，并且可以与第二交流电网126连接，使得变流器242构成为逆变器。

Claims (11)

1.一种功率换流器(200)、尤其用于将电功率馈入到供电网中的风能设备(100)的功率换流器，所述功率换流器至少包括：
-多个整流器(210)，所述多个整流器能够与第一交流电网(125)连接，以便将第一交流电压转换成直流电压，
-与所述多个整流器(210)连接的直流电压中间回路(220)，所述直流电压中间回路设立用于引导所述直流电压，以及
-多个逆变器(230)，所述多个逆变器与所述直流电压中间回路(220)连接并且能够与第二交流电网(126)连接，以便将所述直流电压转换成第二交流电压，
以及
-可切换的变流器模块(240)，其至少包括：
-与所述直流电压中间回路(220)连接的变流器，以及
-与所述变流器连接的开关单元，所述开关单元
-能够与所述第一交流电网和所述第二交流电网(126)连接，并且
-能够与所述第一交流电网(125)连接，使得所述变流器构成为整流器(210)，并且
-能够与所述第二交流电网(126)连接，使得所述变流器构成为逆变器(230)。
2.根据权利要求1所述的功率换流器，其还包括：
-控制单元，所述控制单元设立用于动态地切换所述开关单元和/或将所述变流器作为整流器和逆变器运行。
3.根据权利要求1或2所述的功率换流器，其中
-所述可切换的变流器模块具有两个变流器和两个开关单元、尤其恰好两个变流器和两个开关单元，其中所述变流器能够同时作为整流器和/或逆变器运行。
4.根据上述权利要求中任一项所述的功率换流器，其中
-所述功率换流器包括至少两个可切换的变流器模块。
5.根据上述权利要求中任一项所述的功率换流器，其还包括：
-多个扼流圈，所述多个扼流圈具有基本上相同的量级。
6.一种风能设备的中央变流器，其包括：
-多个可切换的变流器模块，其中每个可切换的变流器模块至少包括：
-与直流电压中间回路连接的变流器，以及
-与所述变流器连接的开关单元，所述开关单元
-能够与第一交流电网和第二交流电网连接，并且
-能够与所述第一交流电网连接，使得所述变流器构成为整流器，并且
-能够与所述第二交流电网连接，使得所述变流器构成为逆变器。
7.一种风能设备，其至少包括：
-用于产生交流电压的发电机，
-根据上述权利要求中任一项所述的功率换流器或中央变流器，所述功率换流器或所述中央变流器与所述发电机连接，以及
-控制装置，所述控制装置设立用于，在所述风能设备的持续运行中动态地切换所述可切换的变流器模块，使得所述变流器作为整流器和/或逆变器运行。
8.根据权利要求7所述的风能设备，其中
-所述风能设备具有不同的运行类型，并且其中所述控制装置根据所述运行类型来切换所述可切换的变流器模块。
9.根据权利要求8所述的风能设备，其中
-所述运行类型至少包括声优化运行和/或电网故障运行。
10.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其还包括：
-设备变压器，所述设备变压器与所述第二交流电网连接并且设立用于与供电网和/或风电场电网连接。
11.一种风电场，其包括多个根据上述权利要求中任一项所述的风能设备和将所述风能设备彼此连接的风电场电网。
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