JP2020505895A - 交流電流を給電するための方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、風力発電設備によって電力供給網に交流電流を給電するための方法に関し、風力発電設備は、電気インバータ電流を供給するためのインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータを含み、少なくとも１つのインバータは、インバータ出力部においてアクティブフィルタに結合されて、インバータ出力部において供給されたインバータ電流がフィルタ処理され、それによって、電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流が供給され、この方法は、インバータの少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作によってインバータ出力部において電気インバータ電流を供給するステップと、インバータのスイッチング動作を感知するステップと、インバータ出力部において供給されたインバータ電流をフィルタ処理し、それによって、フィルタ処理済み交流を作り出すために、感知されたスイッチング動作に応じてアクティブフィルタを制御するステップとを含む。

Description

本発明は、交流電流を電力供給網に風力発電設備によって供給するための方法、およびアクティブフィルタに結合されたインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータを含む風力発電設備に関する。
風力発電設備が、電気インバータを使用して交流電流を生成すること、および電気インバータによって電力供給網に交流電流を給電することが特に知られている。
この目的のために、風力発電設備は、通常、交流電流を生成するための少なくとも１つの発電機を備えている。電力供給網に給電するために、発電機によって生成された交流電流は、次いで、発電機によって生成された交流電流がそのとき電力供給網の要件を満たすように、少なくとも１つのインバータによって調整される。
電気インバータは、この場合、通常、多相形態のものであり、高電力出力を有する風力発電設備では、通常、モジュール設計のものである、すなわち、インバータは、多数のインバータモジュールを備えており、それらは、一緒に電気インバータを形成する。
しかしながら、電気インバータはまた、一連の欠点を有し、例えば、電気インバータによって供給される交流電流の高調波含有量は多い、すなわち、交流電流または電気インバータ電流は、電力供給網の観点から望ましくない多数の異なる次数の高調波を有する。
そのような特に望ましくない高調波を最小にするために、アクティブまたはパッシブフィルタが、例えば、電気インバータの出力部に設けられるかまたは配列されてもよく、その目的は、望ましくない高調波をフィルタ除去すること、または電気インバータによって供給される交流を平滑化することである。
最も簡単な場合には、パッシブフィルタは、キャパシタンス、インピーダンス、および／またはインダクタンスの組合せによって形成される。それゆえに、パッシブフィルタは、特定のキャパシタ、抵抗器、および／またはコイルとすることができる受動構成要素の組合せを含む。通常、そのようなパッシブフィルタはまた、使用分野に向けて１回構成される。
アクティブフィルタは、追加として、少なくとも１つのさらなる能動構成要素、すなわち、制御可能であり、アクティブフィルタの場合に、さらに制御される構成要素を備えている。この能動構成要素は、例えば、電力回路遮断器、すなわち、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとすることができる。その上、アクティブフィルタは、使用分野に向けて１回初期化され、運用の途中で適切に再構成される。それゆえに、アクティブフィルタの制御は、使用分野に継続的に新しく適応される。
今までに分かっているフィルタの欠点は、特に、パッシブフィルタの場合には動作範囲の制限であり、またはアクティブフィルタの場合には高い信号移動時間である。それらは、予防措置にもかかわらず、発電機によって生成され、インバータによって調整され、フィルタによってフィルタ処理された交流電流には、特に、特に弱い電力供給網を有する、高い要件を有する国々、例えばブラジルなどにおいて、電力供給網の要件を満たさない高調波があるという結果を有する。
ドイツ特許商標庁は、本出願に関連する優先権出願において、以下の先行技術を探索した。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５。
独国特許出願公開第１０ ２０１２ ２０３ ０１５ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２１９ ０５２ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０ ０３９ １００ Ａ１号明細書 米国特許第５ ８３１ ８４２ Ａ号明細書 特開２００３−２０９ ９７３ Ａ号公報
それゆえに、本発明は、前記の問題のうちの少なくとも１つに対処するという目的に基づく。特に、風力発電設備に好適な方法で交流電流または電気インバータ電流のフィルタ処理を可能にする解決策を提案することができる。しかしながら、少なくとも、以前より知られている概念への代替の解決策を提案することができる。
本発明によれば、その結果、請求項１に記載の、風力発電設備によって電力供給網に交流電流を給電するための方法が提案される。したがって、風力発電設備は、電気インバータ電流を供給するためのインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータと、インバータ出力部に結合されたアクティブフィルタとを含む。
その結果、インバータは、インバータ出力部において、インバータ電流、特に、多相インバータ電流を供給するかまたは送り出すように設計される。
アクティブフィルタはまた、インバータ出力部において供給されるインバータ電流をフィルタ処理して、特に、それによって、電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流を供給するか、またはこの交流を好ましくは変圧器によって電力供給網に給電するように設計される。その結果、アクティブフィルタは少なくとも１つの電気インバータと電力供給網との間に配列されることが好ましい。
特に好ましくは、風力発電設備は、このために、フルコンバータ概念を有し、フルコンバータ概念は、特に、電力供給網に給電される電流全体がインバータまたはいくつかのインバータもしくはインバータモジュールの配列を通過されているように、風力発電設備によって生成された電流全体がこのインバータまたはいくつかのインバータもしくはインバータモジュールのこの配列を介して渡されることを意味するとして理解されるように想定される。
したがって、第１のステップにおいて、電気インバータは、少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作によって出力部においてインバータ電流を供給する。その結果、インバータは、発電機またはその一部によって生成された電流を調整して、インバータ出力部において交流を供給するかまたは送り出す。インバータ出力部においてこのように供給されたインバータ電流は、この場合、特に３相交流である。
このために、電気インバータは３相形態のものであることが好ましく、電気インバータには、電気インバータ電流を生成するために相の各々に対して少なくとも１つの上部スイッチと１つの下部スイッチとがある。インバータのスイッチは、この場合、例えば許容帯域法を介して活性化されて、インバータ電流を生成するか、またはインバータ出力部においてインバータ電流を供給することができる。
制御方法のタイプに関係なく、この場合、インバータの制御またはインバータのスイッチの制御は、コントローラによって引き受けられ、コントローラは、対応するインバータ電流がインバータ出力部において確立されるように活性化信号によってインバータのスイッチを活性化する。
第２のステップにおいて、本発明によれば、インバータのスイッチング動作が感知される。それゆえに、インバータの個々のスイッチのスイッチング動作がモニタされる。これは、例えば、対応するスイッチのスイッチング状態を直接感知することによって、またはコントローラからスイッチに送信される活性化信号を抜き取ることによって行うことができる。例えば、コントローラが活性化信号をインバータのスイッチに送る場合、この信号は、抜き取られ、特に、アクティブフィルタに供給または送信される。好ましくは、その結果、アクティブフィルタは、電気インバータのスイッチと同じ信号を受け取る。
続いて、アクティブフィルタは、感知されたスイッチング動作に応じて制御されて、インバータ出力部においてインバータによって供給されたインバータ電流をフィルタ処理し、特に、それによって、フィルタ処理済み交流が得られる。
次いで、このようにして得られフィルタ処理された交流は、例えば、さらなる交流に重畳され、変圧器を介して風力発電基地電力網および／または電力供給網に給電され得る。
その結果、特に、アクティブフィルタは、インバータのスイッチのための活性化信号に応じて直接制御されることが提案される。それゆえに、インバータまたはインバータのコントローラは、例えば、同じ信号を用いて直接的に、またはより好ましくは活性化信号から抜き取ることによって間接的に、スイッチのための活性化信号をアクティブフィルタに供給することが好ましい。そのような手順は、インバータのコントローラとインバータのスイッチとの間およびインバータのコントローラとアクティブフィルタとの間の信号移動時間がほとんど同じであるという効果を有する。そのような構成またはそのような手順は、特に、インバータ電流をフィルタ処理できるようにし、フィルタ処理されるべき交流とアクティブフィルタ処理との間で制御信号に時間遅延がない。その結果、アクティブフィルタは、インバータによって供給されるインバータ電流を、それを測定する必要なしに、フィルタ処理するように設計される。
特に、ここで、さらに、アクティブフィルタは、以前より知られている方法、または設定値からの偏りを感知するために電流を継続的に測定しなければならない場合のように初期化および再構成される必要がないことは有利である。
その結果、本発明に係る方法は、特に、インバータによって供給される交流を測定する必要なしにまたはアクティブフィルタを初期化および再構成する必要なしにインバータ電流の高調波を最小にするように、アクティブフィルタを制御することを可能にする。その結果、提案する方法は、少なくとも高調波をフィルタ処理する可能性をもたらし、その場合、アクティブフィルタを１回だけしか初期化する必要がない。初期設定は、ここでは、特に、対応する１つまたは複数のインバータに関連する初めてのアクティブフィルタの構成を意味するとして理解されるべきである。
アクティブフィルタの制御は、電力供給網に給電される交流電流の高調波成分が、電気インバータ電流に比べて減少するように行われることが好ましい。
その結果、アクティブフィルタは、電力供給網に給電されるフィルタ処理済み交流の高調波が、インバータによって供給されるインバータ電流よりも少なくなるように制御される。このようにして、例えば、供給されるインバータ電流の高調波のすべてまたは供給されるインバータ電流の特定の高調波のみを最小にすることができる。
その結果、特別におよび必要とされるときには、高調波を最小にする可能性が提供される。例えば、アクティブフィルタは、３次の高調波をフィルタ処理するように設計することができる。それに応じて、そのとき、他の次数の高調波は、同じである、および／またはさらに大きくなる。
その結果、アクティブフィルタは、電力供給網または電力供給網の要件に応じて構成することができ、および／または初期化することができることが好ましい。これは、所望の場所で風力発電設備を設置するのに必要とされものが、アクティブフィルタを１回初期化することだけであるので、様々な国または地域の要件に関して特に有利である。
好ましくは、少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作は、スイッチング周波数を有し、スイッチング動作の感知は、サンプリング周波数で行われ、サンプリング周波数は、スイッチの感知されるべきスイッチング動作のスイッチング周波数の少なくとも２倍、特に少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍である。
インバータ出力部において交流電流を供給するために、電気インバータのスイッチのスイッチング周波数は、例えば、２ｋＨｚである。その結果、インバータのスイッチは、インバータのコントローラから送信される毎秒少なくとも２０００個の活性化信号を受け取る。次いで、活性化信号自体は、サンプリング周波数によってサンプリングされるか、または増加したもしくはより高い周波数を有するアクティブフィルタに送られる。増加したもしくはより高い周波数は、スイッチング周波数の少なくとも２倍、好ましくはスイッチング周波数の１０倍である。
好ましくは、アクティブフィルタの制御は、少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作を開始する活性化信号に応じて行われ、さらにまたは代替として、アクティブフィルタの制御は、少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作を開始する制御電圧に応じて行われる。
その結果、アクティブフィルタは、好ましくは、インバータのスイッチの活性化信号を感知するか、またはアクティブフィルタは、インバータのコントローラによって直接送信されるインバータのスイッチのための活性化信号を受け取る。その結果、アクティブフィルタは、インバータのスイッチと同じ信号により制御される。
さらにまたは代替として、アクティブフィルタの制御はまた、スイッチの制御電圧に応じて行うことができ、例えば、このために、半導体のゲート電圧を感知または測定することができる。
好ましくは、少なくとも１つのインバータは、インバータ出力部においてインバータ電流を供給するために許容帯域法によって活性化され、アクティブフィルタは、許容帯域法によって生成された少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作に応じてインバータ電流の電流をフィルタ処理する。
その結果、電気インバータは、許容帯域法に応じて活性化されるか、または許容帯域法によって制御される。
許容帯域法では、下方帯域制限および上方帯域制限を有する許容帯域が、インバータの所望出力電流に対応する正弦波関数のまわりに配置される。許容帯域法を実行するために、さらに、生成された出力電流が、感知され、許容帯域、すなわち、下方帯域制限および上方帯域制限と比較される。電流が、正の半波にあり、下方帯域制限に達する場合、スイッチングパルスは、活性化信号によって開始され、インバータの対応するスイッチは出力電流を変更する。次いで、感知された出力電流が上方帯域制限に達する場合、スイッチングパルスは、さらなる活性化信号によって終了する。電流が、負の半波にあり、上方帯域制限に達する場合、スイッチングパルスは、さらなる活性化信号によって開始され、インバータの対応するスイッチは出力電流を変更する。次いで、感知された出力電流が下方帯域制限に達する場合、スイッチングパルスは、さらなる活性化信号によって終了する。その結果、電流は、許容帯域内において、規定の理想化された正弦波波形に従うパターンで変化し、インバータのスイッチは連続的にオンとオフを繰り返す。スイッチは、この場合、許容帯域の幅に実質的に依存する可変スイッチング周波数を有する。
許容帯域法を使用する場合、インバータ電流の高調波の発生振幅が、定格電流に対して１％未満であり、その結果、アクティブフィルタは、大きいピーク電流を、例えばパルス幅変調型インバータ電流よりもはるかに少なくしかフィルタ処理する必要がないことは特に有利である。
その結果、特に有利な相乗効果が、本発明に係る方法では、許容帯域法によって制御されるインバータに関して得られる。例えば、許容帯域法によって生成されたいくつかのインバータ電流をフィルタ処理するために、同じ全体サイズを有するアクティブフィルタを使用することができる。
アクティブフィルタの制御は、供給されるインバータ電流を考慮に入れることなく行われることが好ましい。
その結果、アクティブフィルタは、生成されるインバータ電流とは無関係に制御される。それゆえに、アクティブフィルタには、生成されたインバータ電流を感知するための主要手段がない。さらに、アクティブフィルタには、入力変数が、生成されたインバータ電流である入力がないことが好ましい。それにもかかわらず、許容帯域法を実行するために、生成されたインバータ電流を感知してもよい。しかしながら、それは、そのとき、本発明に係る方法を実行するためのアクティブフィルタに渡されない。
アクティブフィルタの制御は、第１の交流の少なくとも１つの高調波成分を減少させるために、特に、第１の交流の電流高調波成分を最小にするために、好ましくは、１番目の電流高調波から６０番目の電流高調波を含むリストから選択された電流高調波成分を減少させるために、感知されたスイッチング動作に応じて行われることが好ましい。
その結果、アクティブフィルタは、少なくとも１つの高調波成分を減少させるように設計される。その上、アクティブフィルタは、特定のスペクトルの周波数、特に、６０番目の電流高調波までの高調波を減衰させるように設計される。その結果、アクティブフィルタは、３ｋＨｚまで、すなわち、５０Ｈｚの基本周波数の６０番目の高調波までの高調波をフィルタ処理するように設計されることが好ましい。
これはまた、本発明に係る方法または本発明に係るフィルタの構成が、６０次までの高調波にとって特に好ましいことがさらに認識されているからである。
好ましくは、電気インバータは、インバータモジュール電流を供給するためのインバータモジュール出力部を有するいくつかのインバータモジュールを含み、インバータモジュール出力部は、インバータモジュール電流が重畳されてインバータ電流を形成するように相互接続され、集合的評価デバイスが、いくつかのインバータモジュールの活性化信号を感知および評価するために設けられる。集合的評価デバイスは、インバータ電流のフィルタ処理のためにアクティブフィルタを活性化する。
その結果、インバータは、いくつかのモジュールから構築される。モジュール自体は、さらに、完備したインバータで形成することができ、その結果、少なくとも１つのインバータは、多数のインバータをさらに意味するとして理解されるべきである。
その上、アクティブフィルタは、いくつかのインバータ電流から重畳されたインバータ電流をフィルタ処理するように設計される。このために、特に、集合的評価デバイスが設けられる。集合的評価デバイスは、フィルタ処理されるべきすべてのインバータまたはインバータモジュールの活性化信号を受け取る。例えば、３つのインバータまたは３つのインバータモジュールが、アクティブフィルタによってフィルタ処理される。各インバータが６つのスイッチを備えている場合、集合的評価デバイスは、１８個の活性化信号を受け取る。次いで、活性化信号は、集合的評価デバイス内で、例えばルックアップテーブルによって評価されて、それに対応してアクティブフィルタが活性化され、それによって、アクティブフィルタは全電流をフィルタ処理する。このために、集合的評価デバイスはインバータモジュールの個々のスイッチのスイッチング状態を感知することが好ましい。
アクティブフィルタは、感知されたスイッチング動作に応じて、ならびに少なくとも追加として少なくとも１つのインバータのＤＣリンク電圧および／または少なくとも１つのインバータのための電流設定値に応じて、制御されることが好ましい。
その結果、アクティブフィルタは、追加として、ＤＣリンク電圧と、好ましくは少なくとも１つのインバータのための電流設定値とを感知する。このようにして、リプル電流に一層明確に反応することおよび／またはアクティブフィルタを少なくとも１つのインバータに一層明確に合わせることが、特にアクティブフィルタによって可能になる。
本発明によれば、風力発電設備がさらに提案され、風力発電設備は、第１の交流を供給するためのインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータと、電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流を作り出すためにインバータ電流をフィルタ処理するための、インバータ出力部に結合されたアクティブフィルタであり、第１の交流をフィルタ処理し、それによって、フィルタ処理済み交流を作り出すために、インバータの少なくとも１つのスイッチの感知されたスイッチング動作に応じて制御されるように設計される、アクティブフィルタとを含む。
その結果、本発明に係る風力発電設備には、少なくとも１つのインバータがあり、それは、例えば許容帯域法によって生成されたインバータ電流を供給する。インバータの出力部には、アクティブフィルタがさらに配列される。アクティブフィルタは、インバータのスイッチのスイッチング動作に応じてインバータの出力部で供給される交流をフィルタ処理するように設計される。
その結果として、特に、交流電流を給電するための上述および下述の方法を実行するように設計された風力発電設備が提案される。
風力発電設備は、さらに、風力発電設備変圧器を備えていることが好ましい。風力発電設備変圧器は、アクティブフィルタによってフィルタ処理された交流を供給網電圧または風力発電基地電力網電圧まで上昇させるように設計される。例えば、インバータ電流の電圧は１ｋＶであり、風力発電基地電力網電圧は１０ｋＶである。それゆえ、風力発電設備変圧器の変圧比は１：１０である。
風力発電設備には、上述および下述の方法を実行するためにインバータを活性化するためのコントローラがあることが好ましい。
その結果、風力発電設備は、インバータ出力部においてインバータ電流を供給するためにインバータ、特にインバータのスイッチ、好ましくは上部および下部スイッチを活性化するように設計されたコントローラを含む。
この目的のために、コントローラは、特に、活性化信号を、インバータに、またはインバータもしくはインバータモジュールのスイッチに送信し、活性化信号は、同様に、アクティブフィルタに送信されて、インバータ出力部において供給されるインバータもしくはインバータモジュールのインバータ電流をフィルタ処理し、それによって、フィルタ処理済み交流を作り出すことが好ましい。
少なくとも１つのインバータは少なくとも６つのスイッチを備えており、それぞれ、２つのスイッチ、特に、上部スイッチおよび下部スイッチは、インバータ電流の各場合の相に対して電流を供給することが好ましい。
その結果、インバータまたはインバータモジュールは、出力部で３相交流を供給するように設計され、２つのスイッチがそれぞれ１つの相に対して設けられる。
インバータの少なくとも１つのスイッチまたはインバータの複数のスイッチは、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとして形成されることが好ましい。
その結果、インバータのスイッチは、理想的な正弦波波形に実質的に対応するインバータ電流、または理想的な正弦波波形からの偏りが定格電流に対して平均で５％未満であるインバータ電流を供給するために、特に高いスイッチング周波数で動作するように設計される。
その結果、インバータはまた、許容帯域法によって活性化されるように設計され、インバータのスイッチは、例えば、２０ｋＨｚまでのスイッチング周波数を有する。
少なくとも１つのインバータは、許容帯域法によって活性化され、アクティブフィルタは、許容帯域法によって生成された少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作に応じてインバータ電流をフィルタ処理することが好ましい。
インバータは、電力インバータ、特に、風力発電設備のフルコンバータ概念で使用されるように設計された電力インバータであることが好ましい。
その結果、インバータは、特に８ＭＷまでの電力出力を調整するように設計される。このために、インバータは、例えば、モジュール式に構築される。すなわち、インバータは、いくつかのインバータモジュールを備えており、それらは、インバータ電流を供給するために互いに並列に相互接続されることが好ましい。このように供給されるこのインバータ電流は、次いで、アクティブフィルタによりフィルタ処理される。風力発電設備は正確に１つのアクティブフィルタを備えていることが好ましい。しかしながら、例えば、風力発電設備が、電力キャビネットにそれぞれ収容されているいくつかの構造的に同一のインバータを備えている場合、いくつかのアクティブフィルタがあることも考えられる。そのとき、代替として、各電力キャビネットは１つのアクティブフィルタを備えている。好ましくは、アクティブフィルタの数は、風力発電設備から電力供給網に給電される交流が電力供給網の要件を満たすように選ばれる。
アクティブフィルタは、少なくとも１つの能動構成要素、特に、少なくとも１つのＩＧＢＴまたは１つのＭＯＳＦＥＴ、好ましくは少なくとも１つのシリコンカーバイドＩＧＢＴまたは１つのシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを備えていることが好ましい。少なくとも１つの能動構成要素は、好ましくは少なくとも１つのスイッチのスイッチング周波数よりも大きいか、またはスイッチのスイッチング周波数にインバータのインバータモジュールの数を乗算したものよりも大きいクロッキング周波数で動作するように設計される。
その結果、能動構成要素のクロッキング周波数は、インバータまたはインバータモジュールのスイッチの数に適合されており、インバータまたはインバータモジュールのインバータ電流をアクティブフィルタがフィルタ処理するように意図されている。
ここで、クロッキング周波数は、電力供給網の要件を満たすフィルタ処理済み交流を生成するために、スイッチのスイッチング周波数とインバータのスイッチの数の両方とともに増加させなければならないことが認識された。
特に、このために、能動構成要素のクロッキング周波数は、スイッチのスイッチ周波数にインバータモジュールの数を乗算したものよりも大きくなければならないことが提案される。
好ましくは、この目的のために、アクティブフィルタの１つまたは複数のスイッチは、特に、２０ｋＨｚを超えるクロッキングまたはスイッチング周波数で動作することができるシリコンカーバイドＩＧＢＴもしくはシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴ、または他のトランジスタによって形成される。例えば、アクティブフィルタが、５つのインバータを担当し、そのスイッチがそれぞれ２０ｋＨｚで動作する場合、アクティブフィルタ、特にアクティブフィルタのスイッチは、１００ｋＨｚを超えるクロッキングまたはスイッチング周波数を有する。その結果、アクティブフィルタのスイッチング周波数は、Ｎ個のインバータのスイッチ周波数の少なくともＮ倍に対応する。
電気インバータは、インバータモジュール電流を送り出すためにインバータモジュール出力部を有するいくつかのインバータモジュールを含むことが好ましい。インバータモジュール出力部は、インバータモジュール電流が重畳されてインバータ電流を形成するように相互接続される。集合的評価デバイスが、いくつかのインバータモジュールの活性化信号を感知および評価するために設けられる。集合的評価デバイスは、インバータ電流のフィルタ処理のためにアクティブフィルタを活性化する。
その結果、風力発電設備は、いくつかのインバータまたはいくつかのインバータモジュールを備えており、それらの出力電流は、アクティブフィルタによってフィルタ処理される。
この目的ために、対応するインバータまたはインバータモジュールの活性化信号をすべて感知し評価する集合的評価デバイスが設けられる。
その上、集合的評価デバイスは、感知された活性化信号に応じて、アクティブフィルタによってフィルタ処理されたインバータ電流の高調波がインバータによって供給されるインバータ電流よりも少なくなるようにアクティブフィルタを制御するように設計される。
これは、例えば、インバータまたはインバータモジュールの数を考慮に入れながら以前に初期化されたルックアップテーブルまたは制御テーブルによって行われてもよい。
アクティブフィルタは、アクティブフィルタが第１の交流の少なくとも１つの電流高調波をフィルタ処理する、特に、減少させるように設計されるように、インバータ出力部に並列に相互接続されることが好ましい。
その結果、アクティブフィルタは、電流高調波をフィルタ処理するように設計される。
本発明が、次に、添付図を参照した例示的な実施形態に基づいて、以下で例としてより詳細に説明される。
１つの実施形態に係る本発明に係る風力発電設備の概略図である。 １つの実施形態に係る交流電流を給電するための本発明に係る風力発電設備の電気セクションの概略構成を示す図である。 許容帯域法によってインバータ電流を供給するためのインバータの構成を概略的に示す図である。 いくつかのインバータモジュールのスイッチへのアクティブフィルタの結合を概略的に示す図である。 本発明に係る集合的評価デバイスの制御テーブルを概略的に示す図である。
図１は、交流電流を電力供給網に給電するための風力発電設備１００を示す。
この目的のために、風力発電設備１００は、タワー１０２とナセル１０４とを備えている。３つのロータブレード１０８および１つのスピナ１１０を有する空力ロータ１０６が、ナセル１０４に配列される。ロータ１０６は、動作の間風によって回転させられ、それによって、ナセル１０４内の発電機を駆動する。発電機は６相リング発電機の形態であることが好ましい。
図２は、図１に示した本発明に係る風力発電設備の電気セクション２００を簡単に示す。
電気セクション２００は、６相リング発電機２１０を備えている。６相リング発電機２１０は、風力発電設備の機械ドライブトレインを介して風によって回転させられて、６相交流電流を生成する。
６相交流電流は、発電機２１０から整流器２２０に移送される。整流器２２０は、ＤＣ電圧リンク２３０を介して３相インバータ２４０に相互接続される。
同期発電機の形態である６相リング発電機２１０は、この場合、ＤＣ電圧リンク２３０から励磁部２５０を介して電気的に励磁される。
その結果、電気セクション２００はフルコンバータ概念を有し、電力網２７０は３相インバータ２４０によって給電される。この電力網２７０は、通常、風力発電基地電力網であり、それは、風力発電基地変圧器を介して電力供給網に給電する。しかしながら、発電基地電力網２７０の代わりに電力供給網に直接給電することも考慮に入る。
さらに、電力網２７０に給電するために、変圧器がさらに設けられてもよい。
相Ｕ、Ｖ、Ｗの各々に対して３相電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を生成するために、インバータ２４０は、許容帯域法により制御される。この場合、制御は、コントローラ２４２を介して行われる。コントローラ２４２は、インバータ２４０によって供給されるかまたは生成される３つの電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の各々を、インバータ出力部２４６において電流感知２４４によって感知する。
その結果、コントローラは、インバータの各相を電流感知２４４によって別々に制御するように設計される。この目的のために、コントローラ２４２は、電流設定値Ｉｓｏｌｌを規定することができ、それに応じて、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が制御される。電流設定値Ｉｓｏｌｌは設備内で内部的に相Ｕ、Ｖ、Ｗごとに別々に計算され規定されることが好ましい。このようにして生成された電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は、インバータ電流（an inverter current or inverter currents）とも呼ばれる。
インバータ２４０は、さらに、インバータ出力部２４６において供給されたインバータ電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をフィルタ処理し、それによって、電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３を供給するために、インバータ出力部２４６においてアクティブフィルタ２６０に結合される。
このために、アクティブフィルタ２６０は、インバータ２４０のスイッチの感知されたスイッチング動作に応じて制御される。アクティブフィルタ２６０がこれらのスイッチング動作に応じて制御されることは、信号ライン２６２によって示され、信号ライン２６２は、コントローラ２４２の活性化信号をインバータ２４０のスイッチに、さらに、アクティブフィルタ２６０に移送する。
集合的評価デバイス２６４がさらに設けられる。集合的評価デバイス２６４は、信号ライン２６２による活性化信号と、例えばＤＣリンク電圧ＵＤＣおよび電流設定値Ｉｓｏｌｌなどのさらなる信号ＡＳとを感知し、それらを評価するように設計される。次いで、集合的評価デバイス２６４は、このように感知され評価された活性化信号と、さらなる信号ＡＳとに応じて、アクティブフィルタ２６０を活性化する。
特に、６０次までの電流高調波をフィルタ処理するために、アクティブフィルタ２６０は、ローパス特性を有し、アクティブフィルタ２６０は、インバータ２４０のスイッチのための活性化信号によって制御される。
図３は、許容帯域法によってインバータ電流を供給するためのインバータの構成３００を概略的に示す。特に、図３は、図２で示された電気セクションの一部を示す。
構成３００は、整流器を介して風力発電設備の発電機に接続されるＤＣ電圧リンク３３０を備えている。ＤＣ電圧リンク３３０は、第１の電位ＵＤＣ＋および第２の電位ＵＤＣ−を中央タップＭとともに有する。さらに、ＤＣ電圧リンク３３０にエネルギーを蓄積し、対応してＤＣ電圧２ＵＤＣを平滑化するために、キャパシタンスＣ１、Ｃ２を有するキャパシタが、それぞれ、中央タップＭと２つの電位ＵＤＣ＋、ＵＤＣ−との間に配列される。
ＤＣ電圧リンク３３０に相互接続されたインバータ３４０は、それぞれ、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの各々に対して、別個の電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をインバータ３４０の出力部３４６において生成する。インバータ３４０は、それぞれ、このために、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの各々に対して、上部スイッチＴ１、Ｔ３、Ｔ５および下部スイッチＴ２、Ｔ４、Ｔ６を備えており、上部および下部スイッチＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６は、特に、許容帯域法によってコントローラ３４２を介して活性化される。
コントローラ３４２自体が、電流制御型許容帯域法により動作する。このために、コントローラ３４２は、インバータ３４０によって生成または供給される電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を、インバータ３４０の出力部３４６において電流感知３４４によって感知する。このように感知された電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は、設定値Ｉｓｏｌｌと比較されて、上部および下部スイッチＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の活性化信号ＯＢ１１、ＵＢ１１、ＯＢ１２、ＵＢ１２、ＯＢ１３、ＵＢ１３が決定される。
図４は、いくつかのインバータモジュール４１０、４２０、４３０のスイッチＯＢ１１、ＵＢ１１、ＯＢ２１、ＵＢ２１、ＯＢ３１、ＵＢ３１へのアクティブフィルタ４６０の結合４００を概略的に示す。インバータモジュール４１０、４２０、４３０のインバータモジュール電流Ｉ１１、Ｉ１２、Ｉ１３は重畳されて、相Ｕのインバータ電流Ｉ１が形成される。それゆえに、図４は、相Ｕ、Ｖ、およびＷを含む３相系の相Ｕについての単相の図を示す。
インバータモジュール４１０、４２０、４３０は、それぞれ、ＤＣ側で、クランプ電圧ＵＤＣ＋、ＵＤＣ−によって示されるＤＣ電圧リンクに接続される。
インバータモジュール電流Ｉ１１、Ｉ１２、Ｉ１３を供給するために、個々のインバータモジュール４１０、４２０、４３０は、活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１によって活性化される。活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１は、この場合、上部スイッチＯＢ１１、ＯＢ２１、ＯＢ３１および下部スイッチＵＢ１１、ＵＢ２１、ＵＢ３１に対して対応するスイッチング状態を規定する。
インバータモジュール４１０は、この場合、スイッチング状態＋１である、すなわち、上部スイッチＯＢ１１は活性であり、下部スイッチＵＢ１１は不活性である。
インバータモジュール４２０は、この場合、スイッチング状態−１を有する、すなわち、上部スイッチＯＢ２１は不活性であり、下部スイッチＵＢ２１は活性である。
インバータモジュール４３０は、この場合、スイッチング状態−１を有する、すなわち、上部スイッチＯＢ３１は不活性であり、下部スイッチＵＢ３１は活性である。
活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１と、さらにインバータモジュール４１０、４２０、４３０のためのＤＣリンク電圧ＵＤＣおよび電流設定値Ｉｓｏｌｌとは、集合的評価デバイス４６４に供給され、集合的評価デバイス４６４は、それらをアクティブフィルタ４６０の制御ユニット４６８に移送する。活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１は、スイッチング状態として、具体的には、例として３つのスイッチング状態＋１、−１、および−１として与えられている瞬間状態で、集合的評価デバイス４６４に移送される。
集合的評価デバイス４６４は、個々のインバータモジュール４１０、４２０、４３０の個々のスイッチング状態と、すべてのインバータ４１０、４２０、４３０の集合的スイッチング状態Σの両方を再生するように設計されることが好ましい。
今の場合、例として与えられる瞬間状態では、集合的スイッチング状態Σは−１である。集合的スイッチング状態Σに基づいて、次いで、アクティブフィルタの制御ユニット４６８は、インバータモジュール４１０、４２０、４３０の許容帯域法の対応フランク（flank）の立ち上がりを決定し、対応して、フィルタ処理済み交流ＩＣの高調波がインバータ電流Ｉ１よりも少なくなるように活性化信号ＳＦによってアクティブフィルタのスイッチを活性化することができる。
このために、制御ユニット４６８は、３つのスイッチング状態＋１、−１、および−１と、さらに、ＤＣリンク電圧ＵＤＣおよび電流設定値Ｉｓｏｌｌとに応じて、アクティブフィルタ４６０のスイッチＩＧ１１、ＩＧ１２に対してスイッチング状態＋１を同様に規定する活性化信号ＳＦによって、アクティブフィルタ４６０のスイッチＩＧ１１、ＩＧ１２を制御する。アクティブフィルタ４６０は、これに基づいて、直流電圧源ＣＦによって、フィルタ電流ＩＦを生成する。フィルタ電流ＩＦはインバータ電流Ｉ１と重畳されて、フィルタ処理済み交流Ｉ＊ １が形成される。
アクティブフィルタ４６０のスイッチＩＧ１１、ＩＧ１２の制御は、例えばルックアップテーブルによって行うことができる。ルックアップテーブルには、インバータモジュール４１０、４２０、４３０の上部および下部スイッチＯＢ１１、ＯＢ２１、ＯＢ３１、ＵＢ１１、ＵＢ２１、ＵＢ３１のスイッチング状態に応じたアクティブフィルタ４６０のスイッチＩＧ１１、ＩＧ１２のスイッチング状態が格納されている。
ルックアップテーブルは、この場合、集合的評価デバイス４６４またはアクティブフィルタ４６０の制御ユニット４６８のいずれかに格納することができる。制御テーブルとも呼ばれるそのようなルックアップテーブルは、例として以下で図５に示される。
図５は、本発明に係る集合的評価デバイスの制御テーブル５００を概略的に示す。特に、図５は、ここでは、図４に示した集合的評価デバイスの制御テーブルを示す。
最上部の行５１０には、上部および下部スイッチの活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１、集合的スイッチング状態Σ、およびアクティブフィルタの活性化信号ＳＦが入っている。
個々の列５２０、５３０、５４０、５６０は、さらに、活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１、ＳＦに関する対応するスイッチング状態を有する。列５５０は、対応する集合的スイッチング状態Σを再生する。
図４に対応して、行５７０には、スイッチング状態＋１、−１、および−１を含む活性化信号Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１は、スイッチング状態＋１をアクティブフィルタのスイッチに送信するという結果を有することが示されている。
表現を簡単にするために、ここでは、ＤＣリンク電圧ＵＤＣおよび電流設定値Ｉｓｏｌｌは、一定であり、テーブルの値に影響しないことが仮定されている。しかしながら、好ましい実施形態では、それらが考慮に入れられ、それは、ＳＦ（ＵＤＣ、Ｉｓｏｌｌ）によって示される。そのとき、制御テーブルは、対応して、ＤＣリンク電圧ＵＤＣおよび電流設定値Ｉｓｏｌｌの列を追加することによって補足されなければならないことになる。

Claims (18)

  1. 風力発電設備（１００）によって電力供給網に交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法であって、
    前記風力発電設備（１００）が、電気インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を供給するためのインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータ（３４０）を含み、
    前記インバータ出力部において供給された前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理し、それによって、前記電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を供給するために、前記少なくとも１つのインバータ（３４０）が前記少なくとも１つのインバータ（３４０）のインバータ出力部においてアクティブフィルタ（４６０）に結合され、
    前記方法が、
    前記インバータ（３４０）の少なくとも１つのスイッチのスイッチング動作によって前記インバータ出力部において前記電気インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を供給するステップと、
    前記インバータ（３４０）の前記スイッチング動作を感知するステップと、
    前記インバータ出力部において供給された前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理し、それによって、前記フィルタ処理済み交流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を作り出すために、前記感知されたスイッチング動作に応じて前記アクティブフィルタ（４６０）を制御するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記アクティブフィルタ（４６０）の前記制御は、前記電力供給網に給電される前記交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）の高調波成分が、前記電気インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）に比べて減少するように行われる、
    請求項１に記載の、交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  3. 前記少なくとも１つのスイッチの前記スイッチング動作が、スイッチング周波数を有し、
    前記スイッチング動作を感知する前記ステップが、サンプリング周波数で行われ、
    前記サンプリング周波数が、前記スイッチの感知されるべき前記スイッチング動作の前記スイッチング周波数の少なくとも２倍、特に少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍である、
    請求項１または２に記載の、交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  4. 前記アクティブフィルタ（４６０）を制御する前記ステップが、前記少なくとも１つのスイッチの前記スイッチング動作を開始する活性化信号に応じて行われる、さらに、または、代替として、
    前記アクティブフィルタ（４６０）を制御する前記ステップが、前記少なくとも１つのスイッチの前記スイッチング動作を開始する制御電圧に応じて行われる、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の、交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  5. 前記少なくとも１つのインバータ（３４０）が、前記インバータ出力部において前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を供給するために許容帯域法によって活性化され、前記アクティブフィルタが、前記許容帯域法によって生成された前記少なくとも１つのスイッチの前記スイッチング動作に応じて前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理する、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の、交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  6. 前記アクティブフィルタ（４６０）を制御する前記ステップが、供給される前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を考慮に入れることなく行われる、
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の、交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  7. 前記アクティブフィルタ（４６０）を制御する前記ステップが、前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）の少なくとも１つの高調波成分を減少させる、特に、前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）の電流高調波成分を最小にする、好ましくは、
    １番目の電流高調波から
    ６０番目の電流高調波
    を含むリストから選択された電流高調波成分を減少させるために、前記感知されたスイッチング動作に応じて行われる、
    請求項１〜６のいずれか一項に記載の交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  8. 前記電気インバータ（３４０）が、インバータモジュール電流を供給するためにインバータモジュール出力部を有するいくつかのインバータモジュールを含み、前記インバータモジュール出力部は、インバータモジュール電流が重畳されて前記インバータ電流を形成するように相互接続され、
    集合的評価デバイスが、前記インバータモジュールの活性化信号を感知および評価するために設けられ、前記集合的評価デバイスが、前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理するために前記アクティブフィルタ（４６０）を活性化する、
    請求項１〜７のいずれか一項に記載の交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  9. 前記アクティブフィルタ（４６０）が、追加として、前記少なくとも１つのインバータ（３４０）の少なくとも１つのＤＣリンク電圧（ＵＤＣ）、および／または前記少なくとも１つのインバータ（３４０）のための電流設定値に応じて制御される、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の交流電流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を給電するための方法。
  10. 電力供給網への給電のためのフィルタ処理済み交流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を作り出すために、第１の交流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を供給するためのインバータ出力部を有する少なくとも１つのインバータ（３４０）と、インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理するために前記インバータ出力部に結合されたアクティブフィルタ（４６０）とを含む風力発電設備（１００）であって、
    前記交流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理し、それによって、前記フィルタ処理済み交流（Ｉ＊ １、Ｉ＊ ２、Ｉ＊ ３）を作り出すために、前記アクティブフィルタ（４６０）が前記インバータ（３４０）の少なくとも１つのスイッチの感知されたスイッチング動作に応じて制御されるように設計される、
    風力発電設備（１００）。
  11. 前記風力発電設備（１００）が、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法を実行するために、前記インバータ（３４０）を活性化させるためのコントローラを備えている、
    請求項１０に記載の風力発電設備（１００）。
  12. 前記少なくとも１つのインバータ（３４０）は少なくとも６つのスイッチを備えており、２つのスイッチ、特に、上部スイッチおよび下部スイッチが、それぞれ、各場合に、前記インバータ電流の１つの相に対して電流を供給する、
    請求項１０または１１に記載の風力発電設備（１００）。
  13. 前記インバータ（３４０）の前記少なくとも１つのスイッチまたは前記インバータ（３４０）の複数のスイッチが、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとして形成される、
    請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
  14. 前記少なくとも１つのインバータ（３４０）が、許容帯域法によって活性化され、前記アクティブフィルタ（４６０）が、前記許容帯域法によって生成された前記少なくとも１つのスイッチの前記スイッチング動作に応じて前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理する、
    請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
  15. 前記インバータ（３４０）が、電力インバータ、特に、風力発電設備（１００）のフルコンバータ概念で使用されるように設計された電力インバータである、
    請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
  16. 前記アクティブフィルタ（４６０）が、少なくとも１つの能動構成要素、特に、少なくとも１つのＩＧＢＴまたは１つのＭＯＳＦＥＴ、好ましくは、少なくとも１つのシリコンカーバイドＩＧＢＴまたは１つのシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを備えており、前記少なくとも１つの能動構成要素が、好ましくは前記少なくとも１つのスイッチのスイッチング周波数よりも大きいか、または前記スイッチの前記スイッチング周波数に前記インバータのインバータモジュールの数を乗算したものよりも大きいクロッキング周波数で動作するように設計される、
    請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
  17. 前記電気インバータ（３４０）が、インバータモジュール電流を送り出すためにインバータモジュール出力部を有するいくつかのインバータモジュールを含み、前記インバータモジュール出力部は、インバータモジュール電流が重畳されて前記インバータ電流を形成するように相互接続され、
    集合的評価デバイスが、前記インバータモジュールの活性化信号を感知および評価するために設けられ、前記集合的評価デバイス（２６４）が、前記インバータ電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフィルタ処理するために前記アクティブフィルタ（４６０）を活性化する、
    請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
  18. 前記アクティブフィルタ（４６０）は、前記アクティブフィルタ（４６０）が、前記第１の交流の少なくとも１つの電流高調波をフィルタ処理する、特に、減少させるように設計されるように、前記インバータ出力部に並列に相互接続される、
    請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の風力発電設備（１００）。
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