JP2020522215A - 過負荷対応コンバータを備えた風力タービン - Google Patents

Abstract

本発明は、グリッド接続ポイント（１１８）において電力供給グリッド（１２０）と電力を交換するために、風力タービン（１００）のコンバータシステムを動作させる方法に関し、コンバータシステムを通常の動作モードで動作させるステップと、コンバータシステムに影響を与える過負荷状況をキャプチャするステップと、過負荷状態がキャプチャされた場合には、コンバータシステムを過負荷動作モードに変更するステップと、次に、コンバータシステムを過負荷動作モードで動作させるステップを含み、出力電流を生成するための平均スイッチング周波数（ｆｓｗ）は、コンバータシステムの過負荷動作モードでは、通常の動作モードと比較して減少し、および／または、コンバータシステムへの過負荷、特に、温度の上昇および／または出力電流の増加は、コンバータシステムの過負荷動作モードにおいて、所定の最大過負荷期間の間、許可される。【選択図】図４

Description

本発明は、風力タービンのコンバータシステムの動作方法に関する。本発明はまた、コンバータシステムを有する風力発電所に関する。本発明はまた、風力発電所に関する。

これまでは、電力供給グリッドのトポロジは、石炭火力、ガス、原子力発電所等の大規模生産者が大量の電力を電力供給グリッドに供給し、同様にグリッド安定化の大部分を実行するという事実のために設計されていることが慣用的であった。再生可能エネルギーの割合が増加した結果、このグリッドトポロジも変化する可能性があり、その結果、通常は分散型生産者として機能する再生可能エネルギーが、グリッドをサポートするタスクを大幅に引き受ける。

さらに、グリッドオペレータは、分散型プロデューサがグリッド障害や過負荷／軽負荷等の特定のグリッドイベントに動的に反応する方法のルールを確立する。
この場合、風力タービン等の分散型生産者も、特に、電力供給グリッドの短絡の場合等の過負荷状況で、一時的に増加した電流を供給しなければならない状況が発生する場合がある。

過負荷状況は、同様に、電力供給グリッドにおける過渡的な負荷接続、または同様に分散型エネルギー生産者に影響を与える可能性のある電力供給グリッドにおける変圧器（変圧器突入）の接続によって生じる場合がある。
このような過負荷状況の結果、電力供給グリッドに電力を供給するために分散型生産者によって使用される分散型生産者、特に、そのコンバータシステムは、過度に高い電流または過度に高い電力によって危険にさらされるリスクがある。したがって、このようなコンバータシステムによって供給される電流は、通常、制限される。

しかしながら、この場合、電力供給グリッドに過負荷状況がある場合でも、分散型エネルギー生産者にとって、より多くの電力を供給するために使用できることは望ましく、そして、これらのエネルギー生産者にとって、それら自身の保護のためにすぐに制限されないように、またはこれらのエネルギー生産者にとって、過負荷状況でグリッドから切り離される必要がないようにすることが望ましいかもしれない。

追加の電力をコンバータシステムに供給する場合には、それ以外の場合、コンバータシステムのコンポーネントで過熱のリスクがあるため、コンバータシステムの欠点は、連続運転中に、安全マージン、通常は公称電力を持って提供される規定の最大電力で給電するようにしか準備されていないことである。
本願の優先権主張出願について、ドイツ特許商標庁は、以下の先行技術文献をサーチした：独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２７ ４６５号明細書、独国特許出願公開第１０ ２００８ ００３ ２９９号明細書、米国特許出願公開第２０１３／００２６８４１号明細書、国際公開第２０１０／０７９２３５号、中国特許出願公開第１０４ ５７８ ８２１号明細書。

独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２７ ４６５号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００８ ００３ ２９９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００２６８４１号明細書 国際公開第２０１０／０７９２３５号 中国特許出願公開第１０４ ５７８ ８２１号明細書

よって、本発明の目的は、上述した問題の少なくとも１つに対処することである。特に、その意図は、供給される電流または電力を少なくとも短時間増加させることを可能にする解決策を提案することである。その意図は、少なくとも既知の解決策に対する代替解決策を提案することである。
よって、本発明は、請求項１に係る方法を提案する。この方法は、グリッド接続ポイントにおいて電力供給グリッドと電力を交換するために、風力タービンのコンバータシステムを操作する目的で提供される。風力タービンは、この目的のためのコンバータシステムを構成する。コンバータシステムは、例えば、交流電流を生成し、それを電力供給グリッドに供給する１つ以上のインバータを備えてもよい。また、少なくとも短期的には、コンバータシステムが電力供給グリッドから電力を取得し、その結果、電力供給グリッドとの電力の交換が一般的に参照される状況が発生する場合があってもよい。

したがって、インバータは、そのインバータ出力において、インバータ電流、特に、多相交流を提供または出力できるように構成されている。したがって、インバータ電流の形で風から生成された電力は、一般にＰＣＣ（共通結合ポイント）とも呼ばれるグリッド接続ポイントにおいて電力供給グリッドに供給される。
よって、最初のステップでは、コンバータシステムは、通常動作モードで動作する。この場合、インバータは、この交流電流を電力供給グリッドに供給するために、発電機によって生成された電力または電力の一部から交流電流を生成する。

この目的のために、電気インバータは、好ましくは、三相設計を有し、電気インバータ電流を生成する目的のために、三相のそれぞれに対して少なくとも１つの上部スイッチおよび１つの下部スイッチを有している。この場合、インバータのスイッチは、例えば、インバータ電流を生成し、それをインバータ出力に提供するために、トレランスバンド法またはパルス幅変調法を使用して制御されてもよい。

さらに、コンバータシステムのコンポーネントで熱的な過熱が発生することなく、コンバータシステムが通常動作モードで永続的に操作される。この場合、通常動作モードは、公称動作ポイントにおける公称動作としても理解される。
通常動作モードでは、コンバータシステムまたは電力供給グリッドのいずれかに、コンバータシステムに関連する過負荷状態はないと想定されている。

次に、別のステップでは、コンバータシステムに影響を与える過負荷状況が捕獲される。よって、その状況は変化する。この場合、コンバータシステムは、まず最初に、まだ通常動作モードにあり、後で詳しく説明される規定の測定値または信号変数または入力を捕獲または監視する。例えば、過負荷状況は、コンバータシステムの動作中に一般的に連続的に捕捉される規定の限界値または他の所定の基準に基づいて識別または検出することができる。

冒頭ですでに説明したように、様々な理由で過負荷状態が発生する可能性があるため、したがって、コンバータの観点からの普遍的な基準は、過負荷状況を検出できるように規定されなければならない、および／または、様々な過負荷状況を捕獲できるように、様々な基準を慎重に確認することができる。この場合、過負荷状況の例は、変圧器が接続されているために短時間の電流の増加（突入効果）、過渡的な負荷接続および／または負荷切断の結果としてのグリッドの深刻な電圧変動である。さらに、グリッドオペレータは、例えば、グリッドの短絡等の障害が発生した場合に、コンバータシステムによって電力を短時間供給することが意図されている場合、コンバータを過負荷モードに切り替えるように要求することもできる。

通常動作中にいつでも過負荷状態が検出された場合には、コンバータシステムは、別の方法ステップで過負荷動作モードに切り替わる。よって、この過負荷動作モードでは、コンバータシステムは、過負荷状況で動作するように構成されている。特に、通常は避けられるべきであり、例えば、インバータシステムの公称電流を最大１０％以上、上回る過電流が許容されるようになった。

過負荷動作モードの場合には、出力電流を生成するための平均スイッチング周波数を下げることが提案されている。コンバータは、回路ブレーカのスイッチング動作によって電流または電圧を成形し、スイッチングアクションは平均スイッチング周波数を有している。この平均スイッチング周波数は、過負荷動作モードでは減少する。
追加または代替として、所定の最大過負荷期間の間、コンバータシステムの過負荷動作モードにおいて、コンバータシステムにより高い負荷、特に、温度および／または出力電流の増加を可能にすることが提案されている。このような増加した負荷が許容される場合があり、この増加した負荷が短期間のみ許容される場合には、影響を受けるコンポーネントは損傷を受けないことが認識されている。最大過負荷期間として、最大３０秒、好ましくは最大１０秒、特に、最大５秒の値が推奨されている。

したがって、特に、パワートランジスタにおける短時間の過熱が許容される。この場合、過熱とは、劣化効果、つまり経年変化がトランジスタですでに発生している、または発生する可能性のある温度を示す。温度の上昇を可能にするために、温度の上昇限界が事前に定義されていることが好ましい。出力電流の増加した電流上限は、好ましくは、増加した出力電流を制限するために事前定義される。その結果、コンバータは、通常動作モード中に最大出力電流を超える大きな出力電流をコンバータ出力で使用できるように準備される。

深刻なグリッド関連の過負荷状態は比較的まれにしか発生しないことが認識されている。それらは多くの場合、わずか１０ミリ秒しか続かないが、例外的な状況では、この時間が長くなることもある。この場合、サーキットブレーカの熱的予備負荷、熱容量、熱抵抗により、多くの場合、コンバータシステムの過負荷能力が決定的に決定される。さらに、同様に、グリッドをサポートする過負荷給電中に、コンバータシステムの他の稼働中のコンポーネントには、サーキットブレーカと比較して熱負荷がほとんどないことが認識されている。

この場合、コンバータシステムの平均スイッチング周波数を下げることにより、通常動作モードと比較して、過負荷動作モードで、いわゆるスイッチング損失が一時的に低減される。この場合、コンバータシステム内のパワー半導体のスイッチング損失とスイッチング周波数との比例関係は、次の関係に従って全体的に存在する。

ただし、Ｐ_ＳＷ＝スイッチング損失、Ｅ_ｏｎ＝スイッチオン損失、Ｖ_ＺＫ＝入力電圧（中間回路電圧）、ｆ_ｓｗ＝スイッチング周波数、Ｅ_ｏｆｆ＝スイッチオフ損失、Ｉ_ｏｕｔ＝出力電流、Ｔ_ｊ＝ジャンクション温度

式（１）から分かるように、周波数、電圧、および出力電流は、合計スイッチング損失を決定づける。Ｖ_ＺＫとＩ_ｏｕｔとを一定に保ち、スイッチング周波数を下げると、それに応じてスイッチング損失も低下する。ただし、逆に、スイッチング周波数を下げると、いわゆるオン状態損失も増加するが、周波数を下げた場合、スイッチング損失が大きくなるほど後者は大きくならない。したがって、Ｖ_ＺＫとＩ_ｏｕｔとが一定に保たれている場合には、パワートランジスタはより低い温度に加熱されるが、スイッチング周波数は低下する。したがって、パワートランジスタは、平均してあまり頻繁にスイッチングされず、したがってよりゆっくりと加熱されるため、スイッチング周波数を適切に選択することにより、追加の増加した電力または増加した出力電流を供給することができる。

より高い電流を短時間供給グリッドに利用できるようにする必要がある過負荷状態では、実際には状況で特に大量の電力を供給することが重要であるため、歪みが大きい正弦波電流を供給することができる。この場合、このグリッド障害の高調波の影響を大きく受ける電流を供給すれば十分である。
したがって、本発明による方法は、コンバータシステムが過負荷状態で過電力を短時間供給することを可能にする。

より低いスイッチング周波数の使用の結果として、より少ないスイッチング損失が生成され、その結果、コンバータは、より長い間過負荷状態で動作することができる。したがって、本コンバータシステムは、従来のコンバータシステムよりも長時間にわたって過負荷状態で動作させることができ、その結果、電力供給グリッドで利用可能な電力を一時的に増加させることができる。

規定された最大の過負荷期間の間、電気変換システムでは平均スイッチング周波数を下げることが好ましい。通常動作モードと比較して過負荷動作モードでコンバータシステムが恒久的に動作するのを避けるために、すでに述べた所定の最大過負荷期間と同義の最大過負荷期間を規定することが提案されている。
最大過負荷期間は、熱特性に基づいて規定されてもよいし、コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて規定されてもよい。これの基礎としてコンバータシステムのコンポーネント、特に、電流または電圧を整形するために使用される半導体スイッチを考慮する慣行も考慮される。

熱特性は、特に、関連するコンポーネントの最大熱容量または最大動作温度などの熱材料特性に関連している。これは、例えば、パワートランジスタの最大接合部温度Ｔｊであってもよい。熱伝導率と熱抵抗も考慮される。この場合、熱特性により、コンバータシステムが過負荷動作モードで動作できる時間を決定する。
さらに、コンバータシステムに適用される電流も最大過負荷期間を決定する。最大許容過負荷を決定するために、同義的に限界負荷積分とも呼ばれるｉ^２ｔ値を考慮することができる。それは、負荷の限界を事前定義し、この限界は、過電流ｉと、この過電流が発生する期間ｔで構成される。この方法で事前定義された限界は、期間にわたって積分された過電流ｉの二乗が事前定義された値を超えない場合に順守される。例えば、過電流が２倍になった場合、その期間の４分の１しか許可されない。同様に、既知または予想される過電流から最大期間を計算することもできる。過電流が発生する可能性のある最大期間が分かっている場合には、最大電流レベルが計算される。

特に、過負荷動作モードでは、パワートランジスタ等のコンポーネントの劣化効果がすでに許容されている相対温度限界を意図的に超えている。この点で、過負荷状態は比較的まれにしか発生しないため、劣化現象はコンバータシステムのコンポーネントの最大耐用年数にわずかな影響しか与えないことが認識された。
熱特性に加えて、最大過負荷期間を規定する際に、コンバータシステムの熱的予備負荷を追加的または代替的に考慮することも提案されている。コンバータシステムの熱的予備負荷は、過負荷状態が発生する瞬間の瞬間温度である場合がある。その結果、過負荷状態が捕捉された時点で温度が低いコンバータシステムでは、温度が高い暖かいコンバータシステムよりも長く過負荷動作モードで動作できる。これは、すでにより高い温度を持っている場合、つまり、すでに多くの熱を蓄えている場合よりも、クーラーコンバータシステムがエネルギーの形で、その熱容量でさらに多くの熱を吸収できることが認識されたためである。

あるパフォーマンス関数によれば、したがって、コンバータシステムは、コンバータシステム内のコンポーネントの熱特性と熱的予備負荷を考慮に入れるため、過負荷状態の熱容量を可能な限り効果的かつ最大限に使用できる。
したがって、温度制御または温度依存の平均スイッチング周波数を有するコンバータシステムが提案されている。

ただし、コンバータシステムのコンポーネントは、コンバータシステム内のすべてのコンポーネントであって、加熱および過熱する可能性がある。これらは、いくつかの例を挙げると、インダクタ、スイッチ、電源ユニット、ヒートシンク、コイル、整流手段などのコンポーネントが含まれる。
過負荷状態は、電流測定、温度測定、または電圧測定によって捕捉されることが好ましい。この場合、測定方法の組み合わせもバリエーションとして提供される。

この場合、特に、コンバータシステムを制御するためにこの測定値を捕獲する場合には、電流測定はコンバータシステムの出力で実行することが好ましく、したがって、追加の電流測定セクションを省くことができる。
温度測定は、ヒートシンクで、またはコンバータの稼働中のコンポーネントで、例えば、パワートランジスタで直接実行することが好ましい。ヒートシンクは、測定のために特に簡単にアクセスできるが、稼働中のコンポーネントでの測定は、過熱が発生する可能性がある場所での直接測定を可能にする。

同様に、過負荷状態は、好ましくはコンバータシステムの中間回路で、または直接電力供給グリッドで実行できる電圧測定によって決定される。この場合、その結果、コンバータシステムの中間回路での電圧測定の場合、ＤＣ電圧測定が実行される。この場合、特に、そこでの電圧振幅によって、過負荷状況に関して結論を引き出すことができる。対照的に、電気供給グリッドまたは電力発電所グリッドにおける電圧測定の場合には、グリッド電圧の振幅に加えて、グリッド電圧の周波数も測定することができる。

この場合、過負荷状況がコンバータシステムにさまざまな形で影響を与える可能性があるため、複数の測定および動作パラメータがそれぞれ捕獲されることが好ましい。
過負荷状態を捕獲する目的で温度測定を実行する場合には、通常、コンバータシステムの熱状態も捕獲した温度を使用して評価することができる。
一実施形態は、通常動作モードと過負荷動作モードとの間の切り替えが、以下を含むリストからの少なくとも１つの基準に基づいて行われることを提案する。
−コンバータシステムの稼働中のコンポーネントにおいて規定の限界温度値を超えている、
−コンバータシステムの出力において、規定された限界電流を超えている、
−コンバータシステムにおいて、規定された限界電圧を超えている、
−コンバータシステムが通常動作モードの電圧範囲内で動作している場合、電力供給グリッドの規定された電圧範囲を超えている、
−コンバータシステムが通常動作モードの周波数範囲内で動作している場合、電力供給グリッドにおける電圧の規定された周波数範囲を超えている、
−外部信号を用いて事前に定義されている、より高い電力を出力するための要求。

提案された実施形態によれば、コンバータの稼働中のコンポーネントで規定された限界温度を超えることは、特に、コンバータシステムのコンポーネントにおける温度測定に関する。この温度測定は、例えば、ＰＴ１００等の適切な温度センサを使用して実行され、特に、過負荷状態で、特に急速に加熱するコンポーネントにおいて測定が実行される。したがって、適切な温度測定ポイントは、例えば、パワートランジスタのヒートシンク上にある。

コンバータシステムの出力で規定された限界電流を超えることは、コンバータシステムの出力で実行できる上述の電流測定に関連することが好ましい。
コンバータシステムの出力での電流測定は、パワートランジスタの既存の制御のために多くの最新のコンバータシステムでとにかく必要であるため、特に有利であることが認識されている。

過負荷状態を捕獲するためのさらなる基準は、通常動作モードで定義された電圧範囲内でコンバータシステムを動作させ、オペラ電圧制限と電圧下限とを規定することである。瞬時の測定電圧がこの規定の電圧範囲を超えると、コンバータシステムは、これを過負荷状態と解釈し、過負荷動作モードに切り替わる。この場合、電圧範囲は、コンバータシステムの中間回路とグリッド電圧の振幅測定との両方について規定される。

規定の電圧範囲に加えて、別の可能性のある基準は、電力供給グリッドの電圧の規定周波数範囲であり、グリッド電圧の瞬間測定周波数値が規定周波数範囲を離れると、ここで過負荷状況も検出される。コンバータは、通常動作モードでこの周波数範囲内で再び動作する。そのような周波数測定は、コンバータの動作をトリガする周波数の動作を捕獲し、その結果として、過負荷状態が発生する場合、過負荷状態も予測することができる。

過負荷状態を検出するための別の基準は、より高い電力を出力する要求である。例えば、この要求は、外部信号によってコンバータシステムに送信することができる。この場合、過負荷状態は、コンバータシステムの計測によって必ずしも決定される必要はないが、むしろ、インバータが既に通常動作モードの上限で動作しているため、連続運転中にすでに最大電力出力を出力しているにもかかわらず、グリッド障害のために電力出力の増加を要求する場合がある。非常に一般的に、外部信号は、例えば、過負荷状態が予想されるがまだ発生していない場合には、任意のコントローラ構造によって、またはオペレーションセンタから手動で事前定義される。

したがって、特定の状況下において過負荷状態がまだ発生していない場合でも、例えば、より高い温度限界の形での熱的予備を有効にすることができる。
別の実施形態によれば、最大過負荷期間または所定のｉ^２ｔ値または限界負荷積分の所定の最大値に到達した場合には、電流制限が実行されることが好ましい。
したがって、過熱動作モードは恒久的に存在することを意図していないことが提案される。したがって、この熱的過負荷に対処するために、最大過負荷期間に達した場合には、コンバータシステムの電流制限を実行することを提案する。電流制限は、特に、加熱したコンバータシステムは、それ以上加熱したり、再び冷却したりすることはない。

したがって、コンバータシステムには、通常動作モードでの相対温度限界値を超える特定の絶対規定温度限界値に到達した場合にのみオンになる電流限界がある。したがって、コンバータシステムは、コンポーネントの熱容量を可能な限り使い果たすことができるが、完全な過熱を防ぐことができる。
本発明による方法の別の実施形態は、過負荷状態がもはや捕捉または検出されない場合、再び通常動作モードに戻ることの実践を提案する。

したがって、コンバータシステムにより、通常動作モードと連続動作に自動的に戻ることができる。その結果、特に、時間的に、歪みの大きい電流が供給される状態が可能な限り短く保たれる。
一実施形態はまた、過負荷動作期間とも呼ばれ得る最大過負荷期間、すなわち、コンバータシステムが過負荷動作モードにあることが許容される時間は、コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて決定されることを提案する。この場合、過負荷状態が捕捉された時点でコンバータシステムのコンポーネントに存在する動作温度は、熱的予備負荷として使用される。第２の変形例では、同様に、最大過負荷期間は、コンバータシステムの公称出力電流に対するパーセンテージ出力電流値に基づいて決定されてもよい。したがって、例えば、連続動作中に公称電力の２５％で動作していたコンバータシステムは、例えば、出力電流の公称値の９０％で以前に動作していたコンバータシステムよりも長く過負荷動作モードで動作できる。

よって、コンバータシステムは、温度測定に基づいてだけでなく、以前に供給された現在の公称値の知識に基づいて熱的予備負荷を決定することができる。最大過負荷期間は、それに基づいて決定される。
コンバータシステムは、過負荷状態で電力出力を短時間増加させるために、過負荷動作モードで減少したスイッチング周波数で増加した電力出力で動作することが好ましい。

よって、特に、電力供給グリッドに意図的に増加した電力を供給することが提案されている。特に、この増加した電力は、コンバータシステムの公称電力を超える場合がある。これは、少なくとも短期的には、より低いスイッチング周波数を使用することで有効になる。
電力グリッドの深刻な過負荷またはグリッドからの高電力の要求は、非常にまれにしか発生せず、多くの場合１０ミリ秒以内に存在しないため、例えば、説明した過負荷動作によって高い瞬間的な予備も提供できる。この場合、コンバータシステムは、独立して、またはグリッドオペレータの要求に応じて、いつでも過負荷動作モードに切り替える準備ができている。

比較的まれにしか発生せず、通常は１０ミリ秒より長く発生しない重度の過負荷に加えて、過負荷が発生する可能性があり、その場合には、より少ない電力を直接供給する必要がある。この場合、約１０ミリ秒から３０秒間、長時間続く過負荷が存在する場合がある。そのため、１つのバリエーションでは、１０ミリ秒から３０秒の範囲で過負荷を許可することを提案する。したがって、提案された方法は、主に、グリット欠陥および過負荷状況に対応できるようにするために、瞬時のリザーブ制御について示す。

したがって、一実施形態は、電力出力を変化させないが、それにもかかわらずスイッチング周波数を低減する実践を提案する。これにより、コンバータの負荷を軽減することができる。これは、出力が上昇しなくても、出力電流が上昇する状況にも対処できる。このような電流の上昇は、例えば、突入電流の結果として発生する可能性がある。
その結果、コンバータシステムを過負荷結合や過熱から保護するために、低いスイッチング周波数で過負荷を通過させることができる。

よって、コンバータシステムは、スイッチング損失を減らしてコンバータシステムを過熱から保護するために、スイッチング周波数の低下の結果としてコンバータシステムのスイッチング損失が減少し、コンバータシステムによって通常動作モードよりも理想的でない正弦波出力電流が生成されるように動作する。
コンバータシステムは、好ましくは、通常動作中および過負荷動作モードにおけるコンバータシステムの構成要素の限界温度を含む第１パラメータセットおよび第２パラメータセットを有する。この場合、過負荷動作モードの最大限界温度は、通常動作モードの相対温度限界を超えている。上記の限界温度に加えて、設定する平均所望スイッチング周波数値および／または所望電力出力値等、過負荷動作モードでコンバータシステムに事前定義されている他の動作パラメータもパラメータセットに保存される。これらは一般に、過負荷給電の場合の増加した所望電流値、または変更された所望スイッチング周波数値等、コンバータシステムに別の方法で適合した所望の値等、制御方法の所望の値に適合している。別の特定の例として、トレランスバンド法またはパルス幅変調法の過負荷動作モードに特に適合した所望の値を、過負荷動作モードのパラメータセットに保存することもできる。

この場合、過負荷動作モードの最大限界温度は、通常動作モードの最大限界温度よりも高いこと、
過負荷動作モードでの平均所望スイッチング周波数値は通常動作モードでの平均所望スイッチング周波数値よりも小さいこと、および
第１所望電力出力値が第２所望電力出力値以上であること、が提案されており、
コンバータシステムをより高い最大限界温度で短時間動作させるために、コンバータシステムを過負荷動作モードに変更する場合には、第１パラメータセットから第２パラメータセットへの切り替えが行われる。

特に、提案されている第１パラメータセットから第２パラメータセットへの切り替えを切り替えた結果、過負荷モードでの操作が簡単に実装されるため、制御されていない遷移動作も回避される。
この場合には、通常動作時の温度限界は、短時間は超えることができる相対的な温度限界である場合があるが、コンバータシステムのコンポーネントにすでに劣化現象が生じる可能性がある。対照的に、過負荷動作モードでの温度制限は、特に、コンバータシステムの局所的な熱損傷が発生する可能性があるため、コンバータシステムのどのコンポーネントでも超えてはならない絶対制限を意味するものとして理解する必要がある。過負荷動作モードでの温度限界を熟練した方法で決定する場合には、コンバータシステムのコンポーネントが熱的に破壊される温度制限に関して安全マージンがあることが予防策として指摘されている。

提案された方法の結果として、インバータは、短時間だけ存在する必要がある通常動作に基づく相対温度制限を超える過負荷動作モードで短時間動作できる。よって、従来のコンバータシステムと比較して、提案されたコンバータシステムまたは提案された方法を備えたコンバータシステムは、使用可能な動作範囲が広く、公称動作の連続動作中に最大出力電力に基づいて出力電力の１００％を超える電力出力を短時間有効にする。

コンバータシステムが過負荷動作モードにある時間を記録することが好ましい。コンバータシステムの熱過負荷履歴を作成できるようにするために、好ましい変形例として、過熱値を時間とともに積分して過負荷積分を形成することが提案されている。この場合、過熱とは、コンバータシステムの任意のコンポーネントの温度が限界温度を超えていることを示す。これは、例えば、通常動作モードの相対的な温度制限を超えるとすぐに、温度値が時間とともに積分されることを意味する。この場合、コンバータシステムの温度が通常動作モードの相対限界温度を再び下回るまで、積分が実行される。したがって、通常動作モードでの相対限界値を超える温度値は、過熱値とも呼ばれる。

したがって、コンバータシステムの熱過負荷履歴を作成することが可能であり、この履歴により、過負荷の発生頻度を推定することができる。非常に大きな過負荷積分値の場合には、コンバータシステムのコンポーネントの過負荷に関連する劣化現象（劣化）に関して結論を出すことができる。
コンバータシステムは、通常動作モードと比較して、５０％、好ましくは７５％、特に９０％低下した周波数またはスイッチング周波数で過負荷動作中に動作することが好ましい。したがって、スイッチング周波数の大幅な削減が提案され、それにより過負荷動作中のスイッチング損失が大幅に削減され、その結果、同じ熱発生で少なくともより高い電流を適宜供給することができる。

コンバータシステムまたは電力供給グリッドにおける電流および電圧測定は、好ましくは、測定された電流および測定された電圧の周波数および振幅測定も含む。したがって、上記の実施形態の対応する測定変数をキャプチャすることが可能である。
したがって、コンバータシステムは、周波数または振幅の変化に基づいて過負荷状況またはグリッドイベントを検出または予測できるため、測定された電流または電圧の周波数または振幅測定に基づいて過負荷状況を実行するように構成されている。周波数および振幅の測定には、同様に、微分または勾配に基づいて発生する過負荷状況の大幅な減少を予測できるように、周波数と電流と電圧の振幅の変化率を測定できることが含まれる。

本発明はまた、請求項１４に記載されているように、グリッド接続ポイントにおいて電力を電力供給グリッドと交換するための風力タービンを提案する。
したがって、風力タービンは、電流および／または電圧を生成するためのコンバータシステムを備え、この場合、コンバータシステムは、複数のコンバータまたは複数のコンバータキャビネットを有してもよい。単一のコンバータの出力電力が風力タービンの発電機によって生成された電力を供給するのに十分でない場合には、複数のコンバータまたは開閉装置キャビネットも、コンバータと並列に接続することができる。

コンバータシステムを制御するための制御装置は、風力タービンのさらなるコンポーネントとして提案されている。この場合、制御装置は、プロセスコンピュータとして提供されてもよいし、そのようなプロセスコンピュータ上に実装されてもよい。したがって、制御装置をハードウェアとして、またはコンピュータプログラムの一部として実装することが提案されている。特に、制御ユニットは、通常動作と比較して低減されたスイッチング周波数で、過負荷状態でコンバータシステムを動作させるように準備されている。この目的のために、制御装置は、例えば、クロック周波数またはトレランスバンド幅を変更される。

制御装置に加えて、コンバータシステムに影響を与える過負荷状況を捕獲するための測定手段も提供される。この場合、測定手段は、使用場所に応じて異なる測定変数を捕獲することができる。例えば、第１の測定手段は、コンバータシステムの出力で電流測定を実行でき、第２の測定手段は、コンバータシステムの稼働中のコンポーネントで温度測定を実行するために使用できる。同様に、コンバータシステムの中間回路または電力供給グリッドの電圧測定が実行される。非常に一般的には、測定手段は、測定データまたは測定値を捕獲するために使用され、それに基づいて、過負荷状況が導出または検出される。例えば、測定手段が失敗した場合、または最初に説明され、一般的な過負荷状況を示す複数の基準が満たされた場合には、必要に応じて、複数の測定手段を同時に使用して測定データまたは測定値を捕獲し、過負荷状況も冗長に捕獲することができる。

制御装置に加えて、通常動作モードと過負荷動作モードとの間で切り替えることができる切替装置は、プロセスコンピュータ上に提供することも、コンピュータプログラムの一部として実装することもできる。切替装置は、制御装置の一部であってもよい。
よって、一実施形態は、風力タービン、特に制御装置は、上記の実施形態の１つによる方法を実行するように準備されることを提案する。

コンバータシステムは、好ましくは、温度耐性のあるパワートランジスタを備えており、パワートランジスタは、特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧＥ等の最新の半導体材料によって構成されている。特に、シリコンカーバイドをベースにした最新のパワートランジスタは、シリコンをベースにした従来のパワートランジスタと比較して、スイッチング速度、熱伝導率、臨界電界強度に関して正の電気特性を提供する。

したがって、耐熱性が優れているため、過負荷対応のコンバータシステムの能力を建設的に高める最新のパワートランジスタを使用するコンバータシステムが提案されている。
別の実施形態によれば、風力タービンには、第１パラメータセットおよび第２パラメータセットを有している。この場合、２つのパラメータセットは、通常動作モードと過負荷動作モードとで風力タービンを動作させるための動作パラメータ、例えば、コンバータシステムのコンポーネントの最大限界温度、各動作モードに対して設定される平均スイッチング周波数および／または所望の出力値を含む。この場合、パラメータセットは、風力タービンの制御装置に、つまり、上記のようにプロセスコンピュータに、またはコンピュータプログラムの一部として保存される。したがって、切替装置は、保存されているパラメータセット間で切り替えを行うことができるため、風力タービンまたはコンバータシステムを通常動作モードまたは過負荷動作モードで動作するように構成される。

本発明はまた、複数の風力タービンを有する風力発電所を提案し、この風力発電所は、別の実施形態によれば、上述の実施形態による少なくとも１つの風力タービンを有している。風力発電所は、このタイプの風力タービンだけを備えていることが好ましい。
したがって、風力発電所は、通常動作モードおよび過負荷動作モードを同様に有効にし、過負荷状態では、全ての風力タービンの追加の総電力を一時的に電力供給グリッドに供給することができる。この点において、風力タービンの種類が異なる風力発電所では、個々の風力タービンの過負荷能力が異なる可能性があることが指摘されている。この場合、各風力タービンは、その過負荷状態で、そのコンバータシステムで許可されているか、上記過負荷動作期間で規定されている範囲で、追加の電力のみを提供することができる。

したがって、過負荷状態で追加の電力が要求されない場合には、風力発電所も過負荷状態をパスできる。
ここで、添付の図面を参照して例示的な実施形態に基づいて、例として、本発明を以下により詳細に説明する。

風力タービンの概略図。 風力発電所の概略図。 過負荷状況が捕捉された場合の一実施形態に係る通常動作モードから過負荷動作モードへの第１制御ベースの切り替えを概略的に示す図。 過負荷状況が捕捉された場合の一実施形態に係る通常動作モードから過負荷動作モードへの第２制御ベースの切り替えを概略的に示す図。 一時的な過負荷状態におけるコンバータシステムの電力出力、スイッチング周波数、および温度変化のプロファイルを概略的に示す図。

図１は、タワー１０２およびナセル１０４を有する風力タービン１００を示す。３つのロータブレード１０８を有するロータ１０６とスピナ１１０とは、ナセル１０４に設けられている。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転させられ、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
図２は、一例として、同一または異なる３つの風力タービン１００を有する風力発電所１１２を示している。したがって、３つの風力タービン１００は、基本的に、風力発電所１１２における任意の所望の数の風力タービンの代表である。風力タービン１００は、電力、特に、発電電流を、電力発電所グリッド１１４を介して提供する。この場合、次に一般にＰＣＣとも呼ばれる給電ポイント１１８で供給グリッド１２０にそれを供給するために、個々の風力タービン１００からそれぞれ生成された電流または電力が追加され、通常、変圧器１１６が提供され、風力発電所における電圧を上げる。図２は、例えば、コントローラが自然に存在する場合であっても、コントローラを示さない風力発電所１１２の単純化された図にすぎない。発電所グリッド１１４はまた、例えば、変圧器により、例えば、各風力タービン１００の出力に存在することにより、他の１つの例示的な実施形態だけを挙げると、異なるように構成することができる。

図３は、コンバータシステムのパワートランジスタを制御し、規定の出力電流を生成できるようにするために、例えば、コンバータシステムでの好ましい制御方法として使用できるトレランスバンド法を概略的に示す。この場合、コンバータシステムによって生成された出力電流Ｉ_Ａは、図３の時間ｔに対してプロットされており、わかりやすくするために、１相の相電流の正弦波のみを示している。非常に一般的に、トレランスバンド法は、最適な正弦波の周りを走る上限（ＯＢ）と下限（ＵＢ）がコンバータシステムの出力電流Ｉ_Ａに対して規定されるという原則に基づいており、最適なサインは、目標値Ｉ_ｓｏｌｌとして事前定義されている。通常、コンバータシステムの出力で測定された出力電流Ｉ_ＩＳＴは、また、公差バンドと呼ばれる規定の許容範囲内で実行される。この場合、出力電流Ｉ_ＩＳＴの測定値が許容範囲の上限または下限に達すると、インバータのスイッチ位置の変更により、コンバータのパワートランジスタの切り替え動作が実行されるか、別の電流経路への転流動作が実行される。

図３で示される例示的な実施形態では、上限値ＯＢ１および下限値ＵＢ１は、上限値ＯＢ２およびＵＢ２よりも正弦波の目標電流値Ｉ_ｓｏｌｌに近い。実際の電流がトレランスバンド内でジグザグ形状のプロファイルを想定した結果、測定された実際の電流Ｉ_ｉｓｔがトレランスバンド限界に達した時点で、転流またはコンバータシステムの別のスイッチ位置への切り替えが行われる。ＯＢ１とＵＢ１とを比較するために、限界値ＯＢ２およびＵＢ２は、目的の電流値Ｉ_ｓｏｌｌから離れている。この結果、コンバータシステム内のパワートランジスタは、ｔ１の後の第２の期間よりも、第１の期間でｔ１に頻繁に切り替わる必要がある。したがって、パワートランジスタのスイッチング周波数は、ｔ１以降の期間で平均的に低くなる。例えば、通常動作モードは、時刻ｔ１まで、すなわち、過負荷状態を示す基準が満たされていないか、コンバータシステムによって検出されていない間、存在する。時間ｔ１において、上記の基準の少なくとも１つが例として満たされ、その結果、コンバータシステムによって過負荷動作モードへの切り替えが実行され、それぞれの場合に新しい上限ＯＢ２および新しい下限値ＵＢ２は、トレランスバンド法で事前定義されている。これらの限界値は、例えば、過負荷動作モードのパラメータセットに保存される。したがって、トレランスバンドの拡大の結果、平均スイッチング周波数が低下し、その結果、コンバータシステムのスイッチング損失が全体的に減少する。したがって、通常動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ１は、過負荷動作モードでの周波数ｆ_ｓｗ２よりも大きく、コンバータシステムからの電力出力はほぼ一定です。

しかしながら、トレランスバンド法に加えて、例えば、いわゆるパルス幅変調法などの他の制御法も提供されてもよい。この制御方法は、一般に当業者に知られている。
パルス幅変調法では、より低い平均周波数を生成するために、一般的には、直線的に上昇または下降するノコギリ波または三角波の信号の立ち上がりが非常に減少する。この場合、パワートランジスタを制御するためのＰＷＭ信号を生成するために、のこぎり波または三角波信号がキャリア信号とともに処理される。したがって、のこぎり波または三角波の周波数または立ち上がりが減少すると、このようなパルス幅変調方式では平均スイッチング周波数が低下する。

図４に示されるさらなる例示的な実施形態は、コンバータシステムにより高い負荷がどのように許容され得るかを示す。この場合、平均スイッチング周波数を変更することなく、過負荷モードのコンバータシステムにおいて、出力電流または出力電力を増加させることができる。この目的のために、２つのトレランスバンド限界ＯＢ２およびＵＢ２が増加し、過負荷動作モードでの新しい目標出力電流値Ｉ_{ｓｏｌｌ，２}が事前定義される。ＯＢ２、ＵＢ２およびＩ_{ｓｏｌｌ，２}の新しい値は、過負荷動作モードのパラメータセットに含めることができる。この場合、過負荷動作モードでは、トレランスバンド限界ＯＢ１からＵＢ１およびＯＢ２からＵＢ２の距離が変化しないため、通常動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ１は、過負荷動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ２に対応する。

よって、コンバータシステムは、過負荷動作モードにおいて、より高い出力電流Ｉ_{ｏｖｅｒｌｏａｄ}を生成する。しかし、この電流は、所定の最大過負荷期間だけ許可される。付加的にあるいは代替として、過負荷動作モードのコンバータシステムでは、短時間でより高い温度限界も許可される。これは、図４には示されていない。
よって、より高い電力要件が予想される場合、または外部信号がこれを要求する場合には、コンバータシステムは、過負荷動作モードで動作される。したがって、増加した所望の出力値は、簡単に事前定義または設定される。電力を増やす必要がない場合は、平均スイッチング周波数を下げることなく、過負荷動作モードで少なくとも１つの温度限界を上げることもできる。このような過剰な電力の増加は、短時間であれば許容されることが認められている。

図５は、グラフＡ、Ｂ、Ｃに基づいて、時刻ｔ１で過負荷状態が発生した場合のコンバータシステムの動作を示す。この場合、グラフＡは、連続運転中にコンバータシステムから供給できる最大公称電力Ｐ_{Ｎ，ｍａｘ}に基づいて、過負荷状態でのコンバータシステムの電力出力動作を示す。
時刻ｔ１で過負荷状態が検出された場合、周波数を５０％削減し、供給グリッドにあまり理想的ではない正弦波電流を供給することにより、提案された解決策に従って、より高い公称電力Ｐを供給グリッドに供給することができる。この場合、時間ｔ１での平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗの周波数低下が、曲線部ＯＬ２のグラフＢに示されている。追加または代替として、平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗを一定に保つことができる。これは、グラフＢの曲線部ＯＬ１で示され、それにもかかわらず、グラフＡの曲線部ＯＬ１で示される増加した電力を供給することができる。この点において、グラフＡの曲線部ＯＬ２は、方向として電力Ｐの変化していないプロファイルのみを示す。

増加した電力を短時間出力できるようにするために、スイッチング損失が低いためにスイッチング周波数を低くする可能性は、グラフＡのＯＬ１で示されている。示されている例示的な実施形態では、例えば、出力電流の二乗平均平方根の値は、通常動作モードと比較して、過負荷動作中にコンバータシステムによって生成される。ただし、これにより、コンバータシステムまたはコンバータシステムの稼働中のコンポーネントが熱的に加熱される。これは、グラフＣに示されている。

簡略化するために、グラフＣは、理想的な温度プロファイルＴＭを示す。例えば、ｔ１までの期間では、火力出力はコンバータシステムのコンポーネントで生成された火力に対応しているため、一定のプロファイルが存在すると想定される。この場合、温度Ｔ_Ｍは、好ましくは、過負荷状態で過熱が最も急速に発生するコンポーネントで決定される。過負荷状態で時間ｔ１に出力電力が増加すると、前述の仮定の下で、提供される冷却セクションまたはヒートシンクを介して出力できるよりも多くの熱エネルギーが結果的に生成される。これにより、時刻ｔ１で過負荷状態が発生した後、コンバータシステム内のコンポーネントの温度が上昇する。

グラフＣでは、３つの温度限界がＹ軸に示されており、この場合、温度制限Ｔ_{１，ｒｅｌ}は、通常動作モードの相対温度限界に関連し、温度制限Ｔ_{２，ｍａｘ}は、過負荷動作中の最大温度制限であり、温度Ｔ_ｋｒｉｔは、コンバータシステムのコンポーネントが熱的に破壊される臨海絶対最大温度に対応する。現在、測定された温度値Ｔ_Ｍが電力供給の増加の結果として温度限界Ｔ_{１，ｒｅｌ}を超える場合、コンバータシステムのコンポーネントで、またはコンポーネント内でエージング現象（劣化）が既に発生する可能性がある。したがって、コンバータシステムは、Ｔ_{１，ｒｅｌ}からＴ_{２，ｍａｘ}までの温度範囲で、望ましい過熱状態にある。

さらに、図５Ｃは、過負荷の頻度について結論を導き、コンポーネントの熱負荷プロファイルを作成できるように、適切な記憶媒体に過負荷履歴として記録および記憶できる温度時間領域Ａ_Ｔを示す。
同様に、出力電流ｉ_Ａ ^２の２乗を時間で積分することができ、積分、つまりそのようなｉ_Ａ ^２曲線の下の面積は、時間の経過とともに限界値を下回らなければならない。

本発明は、風力タービンのコンバータシステムの動作方法に関する。本発明はまた、コンバータシステムを有する風力発電所に関する。本発明はまた、風力発電所に関する。

これまでは、電力供給グリッドのトポロジは、石炭火力、ガス、原子力発電所等の大規模生産者が大量の電力を電力供給グリッドに供給し、同様にグリッド安定化の大部分を実行するという事実のために設計されていることが慣用的であった。再生可能エネルギーの割合が増加した結果、このグリッドトポロジも変化する可能性があり、その結果、通常は分散型生産者として機能する再生可能エネルギーが、グリッドをサポートするタスクを大幅に引き受ける。

さらに、グリッドオペレータは、分散型プロデューサがグリッド障害や過負荷／軽負荷等の特定のグリッドイベントに動的に反応する方法のルールを確立する。
この場合、風力タービン等の分散型生産者も、特に、電力供給グリッドの短絡の場合等の過負荷状況で、一時的に増加した電流を供給しなければならない状況が発生する場合がある。

過負荷状況は、同様に、電力供給グリッドにおける過渡的な負荷接続、または同様に分散型エネルギー生産者に影響を与える可能性のある電力供給グリッドにおける変圧器（変圧器突入）の接続によって生じる場合がある。
このような過負荷状況の結果、電力供給グリッドに電力を供給するために分散型生産者によって使用される分散型生産者、特に、そのコンバータシステムは、過度に高い電流または過度に高い電力によって危険にさらされるリスクがある。したがって、このようなコンバータシステムによって供給される電流は、通常、制限される。

しかしながら、この場合、電力供給グリッドに過負荷状況がある場合でも、分散型エネルギー生産者にとって、より多くの電力を供給するために使用できることは望ましく、そして、これらのエネルギー生産者にとって、それら自身の保護のためにすぐに制限されないように、またはこれらのエネルギー生産者にとって、過負荷状況でグリッドから切り離される必要がないようにすることが望ましいかもしれない。

追加の電力をコンバータシステムに供給する場合には、それ以外の場合、コンバータシステムのコンポーネントで過熱のリスクがあるため、コンバータシステムの欠点は、連続運転中に、安全マージン、通常は公称電力を持って提供される規定の最大電力で給電するようにしか準備されていないことである。
本願の優先権主張出願について、ドイツ特許商標庁は、以下の先行技術文献をサーチした：独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２７ ４６５号明細書、独国特許出願公開第１０ ２００８ ００３ ２９９号明細書、米国特許出願公開第２０１３／００２６８４１号明細書、国際公開第２０１０／０７９２３５号、中国特許出願公開第１０４ ５７８ ８２１号明細書。

独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２７ ４６５号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００８ ００３ ２９９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００２６８４１号明細書 国際公開第２０１０／０７９２３５号 中国特許出願公開第１０４ ５７８ ８２１号明細書

よって、本発明の目的は、上述した問題の少なくとも１つに対処することである。特に、その意図は、供給される電流または電力を少なくとも短時間増加させることを可能にする解決策を提案することである。その意図は、少なくとも既知の解決策に対する代替解決策を提案することである。
よって、本発明は、請求項１に係る方法を提案する。この方法は、グリッド接続ポイントにおいて電力供給グリッドと電力を交換するために、風力タービンのコンバータシステムを操作する目的で提供される。風力タービンは、この目的のためのコンバータシステムを構成する。コンバータシステムは、例えば、交流電流を生成し、それを電力供給グリッドに供給する１つ以上のインバータを備えてもよい。また、少なくとも短期的には、コンバータシステムが電力供給グリッドから電力を取得し、その結果、電力供給グリッドとの電力の交換が一般的に参照される状況が発生する場合があってもよい。

したがって、インバータは、そのインバータ出力において、インバータ電流、特に、多相交流を提供または出力できるように構成されている。したがって、インバータ電流の形で風から生成された電力は、一般にＰＣＣ（共通結合ポイント）とも呼ばれるグリッド接続ポイントにおいて電力供給グリッドに供給される。
よって、最初のステップでは、コンバータシステムは、通常動作モードで動作する。この場合、インバータは、この交流電流を電力供給グリッドに供給するために、発電機によって生成された電力または電力の一部から交流電流を生成する。

この目的のために、電気インバータは、好ましくは、三相設計を有し、電気インバータ電流を生成する目的のために、三相のそれぞれに対して少なくとも１つの上部スイッチおよび１つの下部スイッチを有している。この場合、インバータのスイッチは、例えば、インバータ電流を生成し、それをインバータ出力に提供するために、トレランスバンド法またはパルス幅変調法を使用して制御されてもよい。

さらに、コンバータシステムのコンポーネントで熱的な過熱が発生することなく、コンバータシステムが通常動作モードで永続的に操作される。この場合、通常動作モードは、公称動作ポイントにおける公称動作としても理解される。
通常動作モードでは、コンバータシステムまたは電力供給グリッドのいずれかに、コンバータシステムに関連する過負荷状態はないと想定されている。

次に、別のステップでは、コンバータシステムに影響を与える過負荷状況が捕獲される。よって、その状況は変化する。この場合、コンバータシステムは、まず最初に、まだ通常動作モードにあり、後で詳しく説明される規定の測定値または信号変数または入力を捕獲または監視する。例えば、過負荷状況は、コンバータシステムの動作中に一般的に連続的に捕捉される規定の限界値または他の所定の基準に基づいて識別または検出することができる。

冒頭ですでに説明したように、様々な理由で過負荷状態が発生する可能性があるため、したがって、コンバータの観点からの普遍的な基準は、過負荷状況を検出できるように規定されなければならない、および／または、様々な過負荷状況を捕獲できるように、様々な基準を慎重に確認することができる。この場合、過負荷状況の例は、変圧器が接続されているために短時間の電流の増加（突入効果）、過渡的な負荷接続および／または負荷切断の結果としてのグリッドの深刻な電圧変動である。さらに、グリッドオペレータは、例えば、グリッドの短絡等の障害が発生した場合に、コンバータシステムによって電力を短時間供給することが意図されている場合、コンバータを過負荷モードに切り替えるように要求することもできる。

通常動作中にいつでも過負荷状態が検出された場合には、コンバータシステムは、別の方法ステップで過負荷動作モードに切り替わる。よって、この過負荷動作モードでは、コンバータシステムは、過負荷状況で動作するように構成されている。特に、通常は避けられるべきであり、例えば、インバータシステムの公称電流を最大１０％以上、上回る過電流が許容されるようになった。

過負荷動作モードの場合には、出力電流を生成するための平均スイッチング周波数を下げることが提案されている。コンバータは、回路ブレーカのスイッチング動作によって電流または電圧を成形し、スイッチングアクションは平均スイッチング周波数を有している。この平均スイッチング周波数は、過負荷動作モードでは減少する。
追加または代替として、所定の最大過負荷期間の間、コンバータシステムの過負荷動作モードにおいて、コンバータシステムにより高い負荷、特に、温度および／または出力電流の増加を可能にすることが提案されている。このような増加した負荷が許容される場合があり、この増加した負荷が短期間のみ許容される場合には、影響を受けるコンポーネントは損傷を受けないことが認識されている。最大過負荷期間として、最大３０秒、好ましくは最大１０秒、特に、最大５秒の値が推奨されている。

したがって、特に、パワートランジスタにおける短時間の過熱が許容される。この場合、過熱とは、劣化効果、つまり経年変化がトランジスタですでに発生している、または発生する可能性のある温度を示す。温度の上昇を可能にするために、温度の上昇限界が事前に定義されていることが好ましい。出力電流の増加した電流上限は、好ましくは、増加した出力電流を制限するために事前定義される。その結果、コンバータは、通常動作モード中に最大出力電流を超える大きな出力電流をコンバータ出力で使用できるように準備される。

深刻なグリッド関連の過負荷状態は比較的まれにしか発生しないことが認識されている。それらは多くの場合、わずか１０ミリ秒しか続かないが、例外的な状況では、この時間が長くなることもある。この場合、サーキットブレーカの熱的予備負荷、熱容量、熱抵抗により、多くの場合、コンバータシステムの過負荷能力が決定的に決定される。さらに、同様に、グリッドをサポートする過負荷給電中に、コンバータシステムの他の稼働中のコンポーネントには、サーキットブレーカと比較して熱負荷がほとんどないことが認識されている。

この場合、コンバータシステムの平均スイッチング周波数を下げることにより、通常動作モードと比較して、過負荷動作モードで、いわゆるスイッチング損失が一時的に低減される。この場合、コンバータシステム内のパワー半導体のスイッチング損失とスイッチング周波数との比例関係は、次の関係に従って全体的に存在する。

ただし、Ｐ_ＳＷ＝スイッチング損失、Ｅ_ｏｎ＝スイッチオン損失、Ｖ_ＺＫ＝入力電圧（中間回路電圧）、ｆ_ｓｗ＝スイッチング周波数、Ｅ_ｏｆｆ＝スイッチオフ損失、Ｉ_ｏｕｔ＝出力電流、Ｔ_ｊ＝ジャンクション温度

式（１）から分かるように、周波数、電圧、および出力電流は、合計スイッチング損失を決定づける。Ｖ_ＺＫとＩ_ｏｕｔとを一定に保ち、スイッチング周波数を下げると、それに応じてスイッチング損失も低下する。ただし、逆に、スイッチング周波数を下げると、いわゆるオン状態損失も増加するが、周波数を下げた場合、スイッチング損失が大きくなるほど後者は大きくならない。したがって、Ｖ_ＺＫとＩ_ｏｕｔとが一定に保たれている場合には、パワートランジスタはより低い温度に加熱されるが、スイッチング周波数は低下する。したがって、パワートランジスタは、平均してあまり頻繁にスイッチングされず、したがってよりゆっくりと加熱されるため、スイッチング周波数を適切に選択することにより、追加の増加した電力または増加した出力電流を供給することができる。

より高い電流を短時間供給グリッドに利用できるようにする必要がある過負荷状態では、実際には状況で特に大量の電力を供給することが重要であるため、歪みが大きい正弦波電流を供給することができる。この場合、このグリッド障害の高調波の影響を大きく受ける電流を供給すれば十分である。
したがって、本発明による方法は、コンバータシステムが過負荷状態で過電力を短時間供給することを可能にする。

より低いスイッチング周波数の使用の結果として、より少ないスイッチング損失が生成され、その結果、コンバータは、より長い間過負荷状態で動作することができる。したがって、本コンバータシステムは、従来のコンバータシステムよりも長時間にわたって過負荷状態で動作させることができ、その結果、電力供給グリッドで利用可能な電力を一時的に増加させることができる。

規定された最大の過負荷期間の間、電気変換システムでは平均スイッチング周波数を下げることが好ましい。通常動作モードと比較して過負荷動作モードでコンバータシステムが恒久的に動作するのを避けるために、すでに述べた所定の最大過負荷期間と同義の最大過負荷期間を規定することが提案されている。
最大過負荷期間は、熱特性に基づいて規定されてもよいし、コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて規定されてもよい。これの基礎としてコンバータシステムのコンポーネント、特に、電流または電圧を整形するために使用される半導体スイッチを考慮する慣行も考慮される。

熱特性は、特に、関連するコンポーネントの最大熱容量または最大動作温度などの熱材料特性に関連している。これは、例えば、パワートランジスタの最大接合部温度Ｔｊであってもよい。熱伝導率と熱抵抗も考慮される。この場合、熱特性により、コンバータシステムが過負荷動作モードで動作できる時間を決定する。
さらに、コンバータシステムに適用される電流も最大過負荷期間を決定する。最大許容過負荷を決定するために、同義的に限界負荷積分とも呼ばれるｉ^２ｔ値を考慮することができる。それは、負荷の限界を事前定義し、この限界は、過電流ｉと、この過電流が発生する期間ｔで構成される。この方法で事前定義された限界は、期間にわたって積分された過電流ｉの二乗が事前定義された値を超えない場合に順守される。例えば、過電流が２倍になった場合、その期間の４分の１しか許可されない。同様に、既知または予想される過電流から最大期間を計算することもできる。過電流が発生する可能性のある最大期間が分かっている場合には、最大電流レベルが計算される。

特に、過負荷動作モードでは、パワートランジスタ等のコンポーネントの劣化効果がすでに許容されている相対温度限界を意図的に超えている。この点で、過負荷状態は比較的まれにしか発生しないため、劣化現象はコンバータシステムのコンポーネントの最大耐用年数にわずかな影響しか与えないことが認識された。
熱特性に加えて、最大過負荷期間を規定する際に、コンバータシステムの熱的予備負荷を追加的または代替的に考慮することも提案されている。コンバータシステムの熱的予備負荷は、過負荷状態が発生する瞬間の瞬間温度である場合がある。その結果、過負荷状態が捕捉された時点で温度が低いコンバータシステムは、温度が高い暖かいコンバータシステムよりも長く過負荷動作モードで動作できる。これは、すでにより高い温度を持っている場合、つまり、すでに多くの熱を蓄えている場合よりも、クーラーコンバータシステムがエネルギーの形で、その熱容量でさらに多くの熱を吸収できることが認識されたためである。

あるパフォーマンス関数によれば、したがって、コンバータシステムは、コンバータシステム内のコンポーネントの熱特性と熱的予備負荷を考慮に入れるため、過負荷状態の熱容量を可能な限り効果的かつ最大限に使用できる。
したがって、温度制御または温度依存の平均スイッチング周波数を有するコンバータシステムが提案されている。

ただし、コンバータシステムのコンポーネントは、コンバータシステム内のすべてのコンポーネントであって、加熱および過熱する可能性がある。これらは、いくつかの例を挙げると、インダクタ、スイッチ、電源ユニット、ヒートシンク、コイル、整流手段などのコンポーネントが含まれる。
過負荷状態は、電流測定、温度測定、または電圧測定によって捕捉されることが好ましい。この場合、測定方法の組み合わせもバリエーションとして提供される。

この場合、特に、コンバータシステムを制御するためにこの測定値を捕獲する場合には、電流測定はコンバータシステムの出力で実行することが好ましく、したがって、追加の電流測定セクションを省くことができる。
温度測定は、ヒートシンクで、またはコンバータの稼働中のコンポーネントで、例えば、パワートランジスタで直接実行することが好ましい。ヒートシンクは、測定のために特に簡単にアクセスできるが、稼働中のコンポーネントでの測定は、過熱が発生する可能性がある場所での直接測定を可能にする。

同様に、過負荷状態は、好ましくはコンバータシステムの中間回路で、または直接電力供給グリッドで実行できる電圧測定によって決定される。この場合、その結果、コンバータシステムの中間回路での電圧測定の場合、ＤＣ電圧測定が実行される。この場合、特に、そこでの電圧振幅によって、過負荷状況に関して結論を引き出すことができる。対照的に、電気供給グリッドまたは電力発電所グリッドにおける電圧測定の場合には、グリッド電圧の振幅に加えて、グリッド電圧の周波数も測定することができる。

この場合、過負荷状況がコンバータシステムにさまざまな形で影響を与える可能性があるため、複数の測定および動作パラメータがそれぞれ捕獲されることが好ましい。
過負荷状態を捕獲する目的で温度測定を実行する場合には、通常、コンバータシステムの熱状態も捕獲した温度を使用して評価することができる。
一実施形態は、通常動作モードと過負荷動作モードとの間の切り替えが、以下を含むリストからの少なくとも１つの基準に基づいて行われることを提案する。
−コンバータシステムの稼働中のコンポーネントにおいて規定の限界温度値を超えている、
−コンバータシステムの出力において、規定された限界電流を超えている、
−コンバータシステムにおいて、規定された限界電圧を超えている、
−コンバータシステムが通常動作モードの電圧範囲内で動作している場合、電力供給グリッドの規定された電圧範囲を超えている、
−コンバータシステムが通常動作モードの周波数範囲内で動作している場合、電力供給グリッドにおける電圧の規定された周波数範囲を超えている、
−外部信号を用いて事前に定義されている、より高い電力を出力するための要求。

提案された実施形態によれば、コンバータの稼働中のコンポーネントで規定された限界温度を超えることは、特に、コンバータシステムのコンポーネントにおける温度測定に関する。この温度測定は、例えば、ＰＴ１００等の適切な温度センサを使用して実行され、特に、過負荷状態で、特に急速に加熱するコンポーネントにおいて測定が実行される。したがって、適切な温度測定ポイントは、例えば、パワートランジスタのヒートシンク上にある。

コンバータシステムの出力で規定された限界電流を超えることは、コンバータシステムの出力で実行できる上述の電流測定に関連することが好ましい。
コンバータシステムの出力での電流測定は、パワートランジスタの既存の制御のために多くの最新のコンバータシステムでとにかく必要であるため、特に有利であることが認識されている。

過負荷状態を捕獲するためのさらなる基準は、通常動作モードで定義された電圧範囲内でコンバータシステムを動作させ、オペラ電圧制限と電圧下限とを規定することである。瞬時の測定電圧がこの規定の電圧範囲を超えると、コンバータシステムは、これを過負荷状態と解釈し、過負荷動作モードに切り替わる。この場合、電圧範囲は、コンバータシステムの中間回路とグリッド電圧の振幅測定との両方について規定される。

規定の電圧範囲に加えて、別の可能性のある基準は、電力供給グリッドの電圧の規定周波数範囲であり、グリッド電圧の瞬間測定周波数値が規定周波数範囲を離れると、ここで過負荷状況も検出される。コンバータは、通常動作モードでこの周波数範囲内で再び動作する。そのような周波数測定は、コンバータの動作をトリガする周波数の動作を捕獲し、その結果として、過負荷状態が発生する場合、過負荷状態も予測することができる。

過負荷状態を検出するための別の基準は、より高い電力を出力する要求である。例えば、この要求は、外部信号によってコンバータシステムに送信することができる。この場合、過負荷状態は、コンバータシステムの計測によって必ずしも決定される必要はないが、むしろ、インバータが既に通常動作モードの上限で動作しているため、連続運転中にすでに最大電力出力を出力しているにもかかわらず、グリッド障害のために電力出力の増加を要求する場合がある。非常に一般的に、外部信号は、例えば、過負荷状態が予想されるがまだ発生していない場合には、任意のコントローラ構造によって、またはオペレーションセンタから手動で事前定義される。

したがって、特定の状況下において過負荷状態がまだ発生していない場合でも、例えば、より高い温度限界の形での熱的予備を有効にすることができる。
別の実施形態によれば、最大過負荷期間または所定のｉ^２ｔ値または限界負荷積分の所定の最大値に到達した場合には、電流制限が実行されることが好ましい。
したがって、過熱動作モードは恒久的に存在することを意図していないことが提案される。したがって、この熱的過負荷に対処するために、最大過負荷期間に達した場合には、コンバータシステムの電流制限を実行することを提案する。電流制限は、特に、加熱したコンバータシステムは、それ以上加熱したり、再び冷却したりすることはない。

したがって、コンバータシステムには、通常動作モードでの相対温度限界値を超える特定の絶対規定温度限界値に到達した場合にのみオンになる電流限界がある。したがって、コンバータシステムは、コンポーネントの熱容量を可能な限り使い果たすことができるが、完全な過熱を防ぐことができる。
本発明による方法の別の実施形態は、過負荷状態がもはや捕捉または検出されない場合、再び通常動作モードに戻ることの実践を提案する。

したがって、コンバータシステムにより、通常動作モードと連続動作に自動的に戻ることができる。その結果、特に、時間的に、歪みの大きい電流が供給される状態が可能な限り短く保たれる。
一実施形態はまた、過負荷動作期間とも呼ばれ得る最大過負荷期間、すなわち、コンバータシステムが過負荷動作モードにあることが許容される時間は、コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて決定されることを提案する。この場合、過負荷状態が捕捉された時点でコンバータシステムのコンポーネントに存在する動作温度は、熱的予備負荷として使用される。第２の変形例では、同様に、最大過負荷期間は、コンバータシステムの公称出力電流に対するパーセンテージ出力電流値に基づいて決定されてもよい。したがって、例えば、連続動作中に公称電力の２５％で動作していたコンバータシステムは、例えば、出力電流の公称値の９０％で以前に動作していたコンバータシステムよりも長く過負荷動作モードで動作できる。

よって、コンバータシステムは、温度測定に基づいてだけでなく、以前に供給された現在の公称値の知識に基づいて熱的予備負荷を決定することができる。最大過負荷期間は、それに基づいて決定される。
コンバータシステムは、過負荷状態で電力出力を短時間増加させるために、過負荷動作モードで減少したスイッチング周波数で増加した電力出力で動作することが好ましい。

よって、特に、電力供給グリッドに意図的に増加した電力を供給することが提案されている。特に、この増加した電力は、コンバータシステムの公称電力を超える場合がある。これは、少なくとも短期的には、より低いスイッチング周波数を使用することで有効になる。
電力グリッドの深刻な過負荷またはグリッドからの高電力の要求は、非常にまれにしか発生せず、多くの場合１０ミリ秒以内に存在しないため、例えば、説明した過負荷動作によって高い瞬間的な予備も提供できる。この場合、コンバータシステムは、独立して、またはグリッドオペレータの要求に応じて、いつでも過負荷動作モードに切り替える準備ができている。

比較的まれにしか発生せず、通常は１０ミリ秒より長く発生しない重度の過負荷に加えて、過負荷が発生する可能性があり、その場合には、より少ない電力を直接供給する必要がある。この場合、約１０ミリ秒から３０秒間、長時間続く過負荷が存在する場合がある。そのため、１つのバリエーションでは、１０ミリ秒から３０秒の範囲で過負荷を許可することを提案する。したがって、提案された方法は、主に、グリット欠陥および過負荷状況に対応できるようにするために、瞬時のリザーブ制御について示す。

したがって、一実施形態は、電力出力を変化させないが、それにもかかわらずスイッチング周波数を低減する実践を提案する。これにより、コンバータの負荷を軽減することができる。これは、出力が上昇しなくても、出力電流が上昇する状況にも対処できる。このような電流の上昇は、例えば、突入電流の結果として発生する可能性がある。
その結果、コンバータシステムを過負荷結合や過熱から保護するために、低いスイッチング周波数で過負荷を通過させることができる。

よって、コンバータシステムは、スイッチング損失を減らしてコンバータシステムを過熱から保護するために、スイッチング周波数の低下の結果としてコンバータシステムのスイッチング損失が減少し、コンバータシステムによって通常動作モードよりも理想的でない正弦波出力電流が生成されるように動作する。
コンバータシステムは、好ましくは、通常動作中および過負荷動作モードにおけるコンバータシステムの構成要素の限界温度を含む第１パラメータセットおよび第２パラメータセットを有する。この場合、過負荷動作モードの最大限界温度は、通常動作モードの相対温度限界を超えている。上記の限界温度に加えて、設定する平均所望スイッチング周波数値および／または所望電力出力値等、過負荷動作モードでコンバータシステムに事前定義されている他の動作パラメータもパラメータセットに保存される。これらは一般に、過負荷給電の場合の増加した所望電流値、または変更された所望スイッチング周波数値等、コンバータシステムに別の方法で適合した所望の値等、制御方法の所望の値に適合している。別の特定の例として、トレランスバンド法またはパルス幅変調法の過負荷動作モードに特に適合した所望の値を、過負荷動作モードのパラメータセットに保存することもできる。

この場合、過負荷動作モードの最大限界温度は、通常動作モードの最大限界温度よりも高いこと、
過負荷動作モードでの平均所望スイッチング周波数値は通常動作モードでの平均所望スイッチング周波数値よりも小さいこと、および
第１所望電力出力値が第２所望電力出力値以上であること、が提案されており、
コンバータシステムをより高い最大限界温度で短時間動作させるために、コンバータシステムを過負荷動作モードに変更する場合には、第１パラメータセットから第２パラメータセットへの切り替えが行われる。

特に、提案されている第１パラメータセットから第２パラメータセットへの切り替えの結果、過負荷モードでの操作が簡単に実装されるため、制御されていない遷移動作も回避される。
この場合には、通常動作時の温度限界は、短時間は超えることができる相対的な温度限界である場合があるが、コンバータシステムのコンポーネントにすでに劣化現象が生じる可能性がある。対照的に、過負荷動作モードでの温度制限は、特に、コンバータシステムの局所的な熱損傷が発生する可能性があるため、コンバータシステムのどのコンポーネントでも超えてはならない絶対制限を意味するものとして理解する必要がある。過負荷動作モードでの温度限界を熟練した方法で決定する場合には、コンバータシステムのコンポーネントが熱的に破壊される温度制限に関して安全マージンがあることが予防策として指摘されている。

提案された方法の結果として、インバータは、短時間だけ存在する必要がある通常動作に基づく相対温度制限を超える過負荷動作モードで短時間動作できる。よって、従来のコンバータシステムと比較して、提案されたコンバータシステムまたは提案された方法を備えたコンバータシステムは、使用可能な動作範囲が広く、公称動作の連続動作中に最大出力電力に基づいて出力電力の１００％を超える電力出力を短時間有効にする。

コンバータシステムが過負荷動作モードにある時間を記録することが好ましい。コンバータシステムの熱過負荷履歴を作成できるようにするために、好ましい変形例として、過熱値を時間とともに積分して過負荷積分を形成することが提案されている。この場合、過熱とは、コンバータシステムの任意のコンポーネントの温度が限界温度を超えていることを示す。これは、例えば、通常動作モードの相対的な温度制限を超えるとすぐに、温度値が時間とともに積分されることを意味する。この場合、コンバータシステムの温度が通常動作モードの相対限界温度を再び下回るまで、積分が実行される。したがって、通常動作モードでの相対限界値を超える温度値は、過熱値とも呼ばれる。

したがって、コンバータシステムの熱過負荷履歴を作成することが可能であり、この履歴により、過負荷の発生頻度を推定することができる。非常に大きな過負荷積分値の場合には、コンバータシステムのコンポーネントの過負荷に関連する劣化現象（劣化）に関して結論を出すことができる。
コンバータシステムは、通常動作モードと比較して、５０％、好ましくは７５％、特に９０％低下した周波数またはスイッチング周波数で過負荷動作中に動作することが好ましい。したがって、スイッチング周波数の大幅な削減が提案され、それにより過負荷動作中のスイッチング損失が大幅に削減され、その結果、同じ熱発生で少なくともより高い電流を適宜供給することができる。

コンバータシステムまたは電力供給グリッドにおける電流および電圧測定は、好ましくは、測定された電流および測定された電圧の周波数および振幅測定も含む。したがって、上記の実施形態の対応する測定変数をキャプチャすることが可能である。
したがって、コンバータシステムは、周波数または振幅の変化に基づいて過負荷状況またはグリッドイベントを検出または予測できるため、測定された電流または電圧の周波数または振幅測定に基づいて過負荷状況を実行するように構成されている。周波数および振幅の測定には、同様に、微分または勾配に基づいて発生する過負荷状況の大幅な減少を予測できるように、周波数と電流と電圧の振幅の変化率を測定できることが含まれる。

本発明はまた、請求項１４に記載されているように、グリッド接続ポイントにおいて電力を電力供給グリッドと交換するための風力タービンを提案する。
したがって、風力タービンは、電流および／または電圧を生成するためのコンバータシステムを備え、この場合、コンバータシステムは、複数のコンバータまたは複数のコンバータキャビネットを有してもよい。単一のコンバータの出力電力が風力タービンの発電機によって生成された電力を供給するのに十分でない場合には、複数のコンバータまたは開閉装置キャビネットも、コンバータと並列に接続することができる。

コンバータシステムを制御するための制御装置は、風力タービンのさらなるコンポーネントとして提案されている。この場合、制御装置は、プロセスコンピュータとして提供されてもよいし、そのようなプロセスコンピュータ上に実装されてもよい。したがって、制御装置をハードウェアとして、またはコンピュータプログラムの一部として実装することが提案されている。特に、制御ユニットは、通常動作と比較して低減されたスイッチング周波数で、過負荷状態でコンバータシステムを動作させるように準備されている。この目的のために、制御装置は、例えば、クロック周波数またはトレランスバンド幅を変更される。

制御装置に加えて、コンバータシステムに影響を与える過負荷状況を捕獲するための測定手段も提供される。この場合、測定手段は、使用場所に応じて異なる測定変数を捕獲することができる。例えば、第１の測定手段は、コンバータシステムの出力で電流測定を実行でき、第２の測定手段は、コンバータシステムの稼働中のコンポーネントで温度測定を実行するために使用できる。同様に、コンバータシステムの中間回路または電力供給グリッドの電圧測定が実行される。非常に一般的には、測定手段は、測定データまたは測定値を捕獲するために使用され、それに基づいて、過負荷状況が導出または検出される。例えば、測定手段が失敗した場合、または最初に説明され、一般的な過負荷状況を示す複数の基準が満たされた場合には、必要に応じて、複数の測定手段を同時に使用して測定データまたは測定値を捕獲し、過負荷状況も冗長に捕獲することができる。

制御装置に加えて、通常動作モードと過負荷動作モードとの間で切り替えることができる切替装置は、プロセスコンピュータ上に提供することも、コンピュータプログラムの一部として実装することもできる。切替装置は、制御装置の一部であってもよい。
よって、一実施形態は、風力タービン、特に制御装置は、上記の実施形態の１つによる方法を実行するように準備されることを提案する。

コンバータシステムは、好ましくは、温度耐性のあるパワートランジスタを備えており、パワートランジスタは、特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧＥ等の最新の半導体材料によって構成されている。特に、シリコンカーバイドをベースにした最新のパワートランジスタは、シリコンをベースにした従来のパワートランジスタと比較して、スイッチング速度、熱伝導率、臨界電界強度に関して正の電気特性を提供する。

したがって、耐熱性が優れているため、過負荷対応のコンバータシステムの能力を建設的に高める最新のパワートランジスタを使用するコンバータシステムが提案されている。
別の実施形態によれば、風力タービンには、第１パラメータセットおよび第２パラメータセットを有している。この場合、２つのパラメータセットは、通常動作モードと過負荷動作モードとで風力タービンを動作させるための動作パラメータ、例えば、コンバータシステムのコンポーネントの最大限界温度、各動作モードに対して設定される平均スイッチング周波数および／または所望の出力値を含む。この場合、パラメータセットは、風力タービンの制御装置に、つまり、上記のようにプロセスコンピュータに、またはコンピュータプログラムの一部として保存される。したがって、切替装置は、保存されているパラメータセット間で切り替えを行うことができるため、風力タービンまたはコンバータシステムを通常動作モードまたは過負荷動作モードで動作するように構成される。

本発明はまた、複数の風力タービンを有する風力発電所を提案し、この風力発電所は、別の実施形態によれば、上述の実施形態による少なくとも１つの風力タービンを有している。風力発電所は、このタイプの風力タービンだけを備えていることが好ましい。
したがって、風力発電所は、通常動作モードおよび過負荷動作モードを同様に有効にし、過負荷状態では、全ての風力タービンの追加の総電力を一時的に電力供給グリッドに供給することができる。この点において、風力タービンの種類が異なる風力発電所では、個々の風力タービンの過負荷能力が異なる可能性があることが指摘されている。この場合、各風力タービンは、その過負荷状態で、そのコンバータシステムで許可されているか、上記過負荷動作期間で規定されている範囲で、追加の電力のみを提供することができる。

したがって、過負荷状態で追加の電力が要求されない場合には、風力発電所も過負荷状態をパスできる。
ここで、添付の図面を参照して例示的な実施形態に基づいて、例として、本発明を以下により詳細に説明する。

風力タービンの概略図。 風力発電所の概略図。 過負荷状況が捕捉された場合の一実施形態に係る通常動作モードから過負荷動作モードへの第１制御ベースの切り替えを概略的に示す図。 過負荷状況が捕捉された場合の一実施形態に係る通常動作モードから過負荷動作モードへの第２制御ベースの切り替えを概略的に示す図。 一時的な過負荷状態におけるコンバータシステムの電力出力、スイッチング周波数、および温度変化のプロファイルを概略的に示す図。

図１は、タワー１０２およびナセル１０４を有する風力タービン１００を示す。３つのロータブレード１０８を有するロータ１０６とスピナ１１０とは、ナセル１０４に設けられている。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転させられ、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
図２は、一例として、同一または異なる３つの風力タービン１００を有する風力発電所１１２を示している。したがって、３つの風力タービン１００は、基本的に、風力発電所１１２における任意の所望の数の風力タービンの代表である。風力タービン１００は、電力、特に、発電電流を、電力発電所グリッド１１４を介して提供する。この場合、次に一般にＰＣＣとも呼ばれる給電ポイント１１８で供給グリッド１２０にそれを供給するために、個々の風力タービン１００からそれぞれ生成された電流または電力が追加され、通常、変圧器１１６が提供され、風力発電所における電圧を上げる。図２は、例えば、コントローラが自然に存在する場合であっても、コントローラを示さない風力発電所１１２の単純化された図にすぎない。発電所グリッド１１４はまた、例えば、変圧器により、例えば、各風力タービン１００の出力に存在することにより、他の１つの例示的な実施形態だけを挙げると、異なるように構成することができる。

図３は、コンバータシステムのパワートランジスタを制御し、規定の出力電流を生成できるようにするために、例えば、コンバータシステムでの好ましい制御方法として使用できるトレランスバンド法を概略的に示す。この場合、コンバータシステムによって生成された出力電流Ｉ_Ａは、図３の時間ｔに対してプロットされており、わかりやすくするために、１相の相電流の正弦波のみを示している。非常に一般的に、トレランスバンド法は、最適な正弦波の周りを走る上限（ＯＢ）と下限（ＵＢ）がコンバータシステムの出力電流Ｉ_Ａに対して規定されるという原則に基づいており、最適なサインは、目標値Ｉ_ｓｏｌｌとして事前定義されている。通常、コンバータシステムの出力で測定された出力電流Ｉ_ＩＳＴは、また、公差バンドと呼ばれる規定の許容範囲内で実行される。この場合、出力電流Ｉ_ＩＳＴの測定値が許容範囲の上限または下限に達すると、インバータのスイッチ位置の変更により、コンバータのパワートランジスタの切り替え動作が実行されるか、別の電流経路への転流動作が実行される。

図３で示される例示的な実施形態では、上限値ＯＢ１および下限値ＵＢ１は、上限値ＯＢ２および下限値ＵＢ２よりも正弦波の目標電流値Ｉ_ｓｏｌｌに近い。実際の電流がトレランスバンド内でジグザグ形状のプロファイルを想定した結果、測定された実際の電流Ｉ_ｉｓｔがトレランスバンド限界に達した時点で、転流またはコンバータシステムの別のスイッチ位置への切り替えが行われる。ＯＢ１とＵＢ１とを比較するために、限界値ＯＢ２およびＵＢ２は、目的の電流値Ｉ_ｓｏｌｌから離れている。この結果、コンバータシステム内のパワートランジスタは、ｔ１の後の第２の期間よりも、第１の期間でｔ１に頻繁に切り替わる必要がある。したがって、パワートランジスタのスイッチング周波数は、ｔ１以降の期間で平均的に低くなる。例えば、通常動作モードは、時刻ｔ１まで、すなわち、過負荷状態を示す基準が満たされていないか、コンバータシステムによって検出されていない間、存在する。時間ｔ１において、上記の基準の少なくとも１つが例として満たされ、その結果、コンバータシステムによって過負荷動作モードへの切り替えが実行され、それぞれの場合に新しい上限ＯＢ２および新しい下限値ＵＢ２は、トレランスバンド法で事前定義されている。これらの限界値は、例えば、過負荷動作モードのパラメータセットに保存される。したがって、トレランスバンドの拡大の結果、平均スイッチング周波数が低下し、その結果、コンバータシステムのスイッチング損失が全体的に減少する。したがって、通常動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ１は、過負荷動作モードでの周波数ｆ_ｓｗ２よりも大きく、コンバータシステムからの電力出力はほぼ一定です。

しかしながら、トレランスバンド法に加えて、例えば、いわゆるパルス幅変調法などの他の制御法も提供されてもよい。この制御方法は、一般に当業者に知られている。
パルス幅変調法では、より低い平均周波数を生成するために、一般的には、直線的に上昇または下降するノコギリ波または三角波の信号の立ち上がりが非常に減少する。この場合、パワートランジスタを制御するためのＰＷＭ信号を生成するために、のこぎり波または三角波信号がキャリア信号とともに処理される。したがって、のこぎり波または三角波の周波数または立ち上がりが減少すると、このようなパルス幅変調方式では平均スイッチング周波数が低下する。

図４に示されるさらなる例示的な実施形態は、コンバータシステムにより高い負荷がどのように許容され得るかを示す。この場合、平均スイッチング周波数を変更することなく、過負荷モードのコンバータシステムにおいて、出力電流または出力電力を増加させることができる。この目的のために、２つのトレランスバンド限界ＯＢ２およびＵＢ２が増加し、過負荷動作モードでの新しい目標出力電流値Ｉ_{ｓｏｌｌ，２}が事前定義される。ＯＢ２、ＵＢ２およびＩ_{ｓｏｌｌ，２}の新しい値は、過負荷動作モードのパラメータセットに含めることができる。この場合、過負荷動作モードでは、トレランスバンド限界ＯＢ１からＵＢ１およびＯＢ２からＵＢ２の距離が変化しないため、通常動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ１は、過負荷動作モードでの平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗ２に対応する。

よって、コンバータシステムは、過負荷動作モードにおいて、より高い出力電流Ｉ_{ｏｖｅｒｌｏａｄ}を生成する。しかし、この電流は、所定の最大過負荷期間だけ許可される。付加的にあるいは代替として、過負荷動作モードのコンバータシステムでは、短時間でより高い温度限界も許可される。これは、図４には示されていない。
よって、より高い電力要件が予想される場合、または外部信号がこれを要求する場合には、コンバータシステムは、過負荷動作モードで動作される。したがって、増加した所望の出力値は、簡単に事前定義または設定される。電力を増やす必要がない場合は、平均スイッチング周波数を下げることなく、過負荷動作モードで少なくとも１つの温度限界を上げることもできる。このような過剰な電力の増加は、短時間であれば許容されることが認められている。

図５は、グラフＡ、Ｂ、Ｃに基づいて、時刻ｔ１で過負荷状態が発生した場合のコンバータシステムの動作を示す。この場合、グラフＡは、連続運転中にコンバータシステムから供給できる最大公称電力Ｐ_{Ｎ，ｍａｘ}に基づいて、過負荷状態でのコンバータシステムの電力出力動作を示す。
時刻ｔ１で過負荷状態が検出された場合、周波数を５０％削減し、供給グリッドにあまり理想的ではない正弦波電流を供給することにより、提案された解決策に従って、より高い公称電力Ｐを供給グリッドに供給することができる。この場合、時間ｔ１での平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗの周波数低下が、曲線部ＯＬ２のグラフＢに示されている。追加または代替として、平均スイッチング周波数ｆ_ｓｗを一定に保つことができる。これは、グラフＢの曲線部ＯＬ１で示され、それにもかかわらず、グラフＡの曲線部ＯＬ１で示される増加した電力を供給することができる。この点において、グラフＡの曲線部ＯＬ２は、方向として電力Ｐの変化していないプロファイルのみを示す。

増加した電力を短時間出力できるようにするために、スイッチング損失が低いためにスイッチング周波数を低くする可能性は、グラフＡのＯＬ１で示されている。示されている例示的な実施形態では、例えば、出力電流の二乗平均平方根の値は、通常動作モードと比較して、過負荷動作中にコンバータシステムによって生成される。ただし、これにより、コンバータシステムまたはコンバータシステムの稼働中のコンポーネントが熱的に加熱される。これは、グラフＣに示されている。

簡略化するために、グラフＣは、理想的な温度プロファイルＴＭを示す。例えば、ｔ１までの期間では、火力出力はコンバータシステムのコンポーネントで生成された火力に対応しているため、一定のプロファイルが存在すると想定される。この場合、温度Ｔ_Ｍは、好ましくは、過負荷状態で過熱が最も急速に発生するコンポーネントで決定される。過負荷状態で時間ｔ１に出力電力が増加すると、前述の仮定の下で、提供される冷却セクションまたはヒートシンクを介して出力できるよりも多くの熱エネルギーが結果的に生成される。これにより、時刻ｔ１で過負荷状態が発生した後、コンバータシステム内のコンポーネントの温度が上昇する。

グラフＣでは、３つの温度限界がＹ軸に示されており、この場合、温度制限Ｔ_{１，ｒｅｌ}は、通常動作モードの相対温度限界に関連し、温度制限Ｔ_{２，ｍａｘ}は、過負荷動作中の最大温度制限であり、温度Ｔ_ｋｒｉｔは、コンバータシステムのコンポーネントが熱的に破壊される臨海絶対最大温度に対応する。現在、測定された温度値Ｔ_Ｍが電力供給の増加の結果として温度限界Ｔ_{１，ｒｅｌ}を超える場合、コンバータシステムのコンポーネントで、またはコンポーネント内でエージング現象（劣化）が既に発生する可能性がある。したがって、コンバータシステムは、Ｔ_{１，ｒｅｌ}からＴ_{２，ｍａｘ}までの温度範囲で、望ましい過熱状態にある。

さらに、図５Ｃは、過負荷の頻度について結論を導き、コンポーネントの熱負荷プロファイルを作成できるように、適切な記憶媒体に過負荷履歴として記録および記憶できる温度時間領域Ａ_Ｔを示す。
同様に、出力電流ｉ_Ａ ^２の２乗を時間で積分することができ、積分、つまりそのようなｉ_Ａ ^２曲線の下の面積は、時間の経過とともに限界値を下回らなければならない。

Claims (18)

1. グリッド接続ポイント（１１８）において電力供給グリッド（１２０）と電力を交換するために、風力タービン（１００）のコンバータシステムを動作させる方法であって、
   前記コンバータシステムを通常動作モードで動作させるステップと、
   前記コンバータシステムに影響を与える過負荷状況を捕獲するステップと、
   過負荷状況が捕獲された場合には、前記コンバータシステムを過負荷動作モードに変更するステップと、
   次に、前記コンバータシステムを前記過負荷動作モードで動作させるステップと、
   を備え、
   出力電流を生成するための平均スイッチング周波数（ｆ_ｓｗ）は、前記コンバータシステムの前記過負荷動作モードでは、前記通常動作モードと比較して減少し、
   前記コンバータシステムへの過負荷、すなわち、温度の上昇は、前記コンバータシステムの前記過負荷動作モードにおいて、所定の最大過負荷期間の間、許可され、
   前記平均スイッチング周波数（ｆ_ｓｗ）は、所定の最大過負荷期間の間、減少し、前記最大過負荷期間は、前記コンバータシステムの熱的予備負荷または前記コンバータシステムのコンポーネントの熱的予備負荷に基づいて決定される。
2. 前記コンバータシステムの前記過負荷動作モードでは、所定の前記最大過負荷期間の出力電流の増加が許可され、および/または、
   前記最大過負荷期間も、ｉ^２ｔ値に基づいて決定される、
   請求項１に記載の方法。
3. 過負荷状況は、電流測定および／または温度測定および／または電圧測定によって捕捉され、前記電流測定は、好ましくは、前記コンバータシステムの出力で実行され、前記温度は、好ましくは、ヒートシンクおよび／または前記コンバータシステムの稼働中のコンポーネントで実行され、前記電圧測定は、好ましくは、前記コンバータシステムの中間回路および／または前記電力供給グリッド（１２０）および／または発電所グリッド（１１４）において実行される、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記通常動作モードと前記過負荷動作モードとの間の切り替えは、以下を含むリストからの少なくとも１つの基準に基づいて行われる、
   前記コンバータシステムの稼働中のコンポーネントにおいて、規定の限界温度値を超えている、
   前記コンバータシステムの出力において、規定された限界電流を超えている、
   前記コンバータシステムにおいて、規定された限界電圧を超えている、
   前記コンバータシステムが前記通常動作モードの電圧範囲内で動作している場合、前記電力供給グリッドの規定の電圧範囲を超えている、
   前記コンバータシステムが前記通常動作モードの周波数範囲内で動作している場合、前記電力供給グリッドにおける電圧の規定された周波数範囲を超えている、
   外部信号を用いて、より高い電力を出力するための要求、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 最大過負荷期間に到達すると、前記コンバータシステムの電流限界が影響を受ける、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記過負荷状況が検出されなくなると、前記過負荷動作モードから前記通常動作モードに変化する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記最大負荷期間は、前記コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて決定され、前記熱的予備負荷は、捕獲された前記過負荷状況の時点での前記コンバータシステムのコンポーネントの動作温度に基づいて、および／または、前記コンバータシステムの公称出力電流に対するパーセンテージ出力電流値に基づいて、決定される、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記コンバータシステムは、過負荷状況で短時間出力を増加させるために、前記過負荷動作モードにおいて減少したスイッチング周波数で増加した電力出力で動作される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記コンバータシステムは、前記コンバータシステムにおけるスイッチングロスを減少させるために、前記過負荷動作モードにおける減少したスイッチング周波数で一定の電力出力で動作される、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記コンバータシステムは、
    前記通常動作モードにおける、前記コンバータシステムの前記コンポーネントの最大限界温度（Ｔ_{１，ｒｅｌ}）、および／または、第１平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，１）、および／または、第１所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，１}）を含む第１パラメータセットを有し、
    前記過負荷動作モードにおける、前記コンバータシステムの前記コンポーネントの最大限界温度（Ｔ_{２，ｍａｘ}）、および／または、第２平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，２）、および／または、第２所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，２}）を含む第２パラメータセットを有し、
    前記過負荷動作モードにおける前記最大限界温度は、前記通常動作モードにおける前記最大限界温度よりも大きく、
    前記過負荷動作モードにおける前記平均所望スイッチング周波数値は、前記通常動作モードにおける前記平均所望スイッチング周波数値よりも小さく、
    前記第１所望電力出力値は、前記第２所望電力出力値以上であり、
    より高い前記最大限界温度（Ｔ_{２，ｍａｘ}）で前記コンバータシステムを短時間動作させるために、前記コンバータシステムを前記過負荷動作モードへ変更する場合には、前記第１パラメータセットから前記第２パラメータセットへの切り替えが行われる、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記コンバータシステムの熱的過負荷履歴を作成することができるようにするために、前記コンバータシステムが前記過負荷動作モードにある時間が記録され、過熱値は、特に、過負荷積分値を形成するために、時間経過とともに積分され、過熱は、限界温度を超えている前記コンバータシステムの前記コンポーネントの温度値を示す、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 過負荷動作の間の周波数は、前記通常動作モードと比較して、５０％、好ましくは７５％、特に、９０％減少されている、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 電流および電圧測定には、測定電流および測定電圧の周波数および振幅測定も同時に含まれる、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. グリッド接続ポイント（１１８）において電力供給グリッド（１２０）と電力を交換する風力タービン（１００）であって、
    電流および／または電圧を生成するコンバータシステムと、
    通常動作モードまたは過負荷動作モードで動作するように、前記コンバータシステムを制御する制御装置と、
    前記コンバータシステムに影響を与える過負荷状況を捕獲する測定手段と、
    過負荷状況が捕獲されると、前記通常動作モードと前記過負荷動作モードとの間で切り替える切替装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、出力電流を生成するための平均スイッチング周波数が前記通常動作モードと比較して低減されるように、前記過負荷動作モードで前記コンバータシステムを動作させるように準備され、
    前記コンバータシステムへのより高い負荷、すなわち、温度の上昇は、前記コンバータシステムの前記過負荷動作モードにおいて、所定の最大過負荷期間の間、許可され、
    前記平均スイッチング周波数（ｆ_ｓｗ）は、前記所定の最大負荷期間の間、減少し、前記最大過負荷期間は、前記コンバータシステムの熱的予備負荷に基づいて、または、前記コンバータシステムのコンポーネントの熱的予備負荷に基づいて決定される。
15. 前記風力タービン、特に、前記制御装置は、請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法を実行するために用意される、
    請求項１４に記載の風力タービン。
16. 前記コンバータシステムは、耐熱性のあるパワートランジスタで構成されており、前記パワートランジスタは、半導体材料で構成されている、あるいは、少なくとも次のリストから選択された材料を備えている、
    −Ｓｉ、
    −ＳｉＣ、
    −ＧａＮ、および、
    −ＳｉＧＥ、
    請求項１４または１５に記載の風力タービン。
17. 前記コンバータシステムは、
    前記通常動作モードにおける、前記コンバータシステムの前記コンポーネントの最大限界温度（Ｔ_{１，ｒｅｌ}）、および／または、第１平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，１）、および／または、第１所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，１}）を含む第１パラメータセットを有し、
    前記過負荷動作モードにおける、前記コンバータシステムの前記コンポーネントの最大限界温度（Ｔ_{２，ｍａｘ}）、および／または、第２平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，２）、および／または、第２所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，２}）を含む第２パラメータセットを有し、
    前記過負荷動作モードにおける前記最大限界温度（Ｔ_{２，ｍａｘ}）は、前記通常動作モードにおける前記最大限界温度（Ｔ_{１，ｒｅｌ}）よりも大きく、
    前記過負荷動作モードにおける前記平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，２）は、前記通常動作モードにおける前記平均所望スイッチング周波数値（ｆ_ｓｗ，１）よりも小さく、
    前記第１所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，１}）は、前記第２所望電力出力値（Ｐ_{ｓｏｌｌ，２}）以上であり、
    前記風力タービン、特に、前記制御装置、および／または切り替え手段は、より高い前記最大限界温度（Ｔ_{２，ｍａｘ}）で前記コンバータシステムを短時間動作するために、前記コンバータシステムを前記過負荷動作モードへ変更する場合には、前記第１パラメータセットから前記第２パラメータセットに切り替えるように準備されている、
    請求項１４から１６のいずれか１つに記載の風力タービン。
18. 複数の風力タービン（１００）を有する風力発電所（１１２）であって、少なくとも１つの前記風力タービンは、請求項１４から１７のいずれか１つに記載のように設計されている。

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