CN106059416A - 带有次同步振动抑制的风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备带有风力转子(1)、由该风力转子驱动的带有变频器(5)的发电机(2)和变频器控制器(6)，该变频器用于产生电功率，该电功率通过连接导线(3)输出到网络(9)，该变频器控制器具有用于控制功率输出到网络(9)并且用于激励发电机(2)的第一调节通道(7)，其中，提供与第一调节通道(7)不同的第二调节通道(8)，该第二调节通道实施为场导向的调节器并且为此具有自身的坐标转换单元(82)，该坐标转换单元设置有在数值小于网络频率(θ)的频率下旋转的坐标系(θss)。本发明还涉及一种用于运行风力发电设备的对应的方法。

Description

带有次同步振动抑制的风力发电设备

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备带有一个风力转子、一个由该风力转子驱动的带有变频器(Umrichter)的发电机和一个变频器控制器，该变频器用于产生电功率，该电功率通过连接导线输出到一个网络，该变频器控制器具有用于控制功率输出到该网络并且用于激励发电机的一个调节通道。

背景技术

现代结构的风力发电设备承担了越来越大比例的电流供应。风力发电设备具有与一个变频器联接的发电机，其中，该变频器能够实施为所谓的全变频器或实施为所谓的部分变频器，尤其用于双馈异步机器。这些风力发电设备向该电气供应网络中馈电，该电气供应网络具有一定的网络频率(该网络频率在大多数国家为50赫兹，然而在一些国家也为60赫兹)。

已知的是，在运行中在一方面风力发电设备与另一方面网络之间能够出现低频的相互作用，更确切地说尤其当该传输系统得到串联补偿(reihenkompensiert)时。已知不同类型的次同步的振动，尤其次同步的共振(SSR)以及次同步的调节相互作用(SSCI)，和次同步的扭转相互作用(SSTI)。在此，次同步的共振(SSR)指的是在一个串联补偿的传输系统与一个发电机(尤其一个风力发电设备)之间的相互作用。相反地，SSTI涉及在一个发电机与一个功率电子控制器之间的相互作用，如在高压直流电传输系统可以见到的。相反地，SSCI指的是在一个串联补偿的传输系统与一个功率电子控制装置之间的相互作用，如设置为用于一个双馈异步发电机的相互作用。对这些相互作用而言共通的是，在此在网络与风力发电设备之间交替地交换能量。由此能够产生共振现象、扭矩振动或类似的现象，这些现象有损该设备的运行安全性并且在不利的情况中会导致提前的故障。

为了抵抗有害的影响，人们尝试在这些风力发电设备的变频器调节器中设置更大的缓冲。通过这种缓冲应该实现，次同步的振动不会变得太强。该缓冲越强烈，出现的关键性的次同步振动的极限频率就能够被推移得越高。然而，提升缓冲的一种此类的措施纯粹被动地起作用并且总体上随之带来了通常不希望的该变频器调节惯性的提升作为额外的缺点，即例如于是该变频器仅十分延迟地对已改变的功率需求进行反应。这对于运行特性而言是非常不利的。

发明内容

本发明所基于的目的在于，给出一种改善的系统和一种改善的方法用于避免或减少次同步振动。

根据本发明的解决方案在于下文中所描述的特征。有利的改进方案是下文中所描述的主题。

在一种风力发电设备的情况下，该风力发电设备带有一个风力转子、一个由该风力转子驱动的带有变频器的发电机和一个变频器控制器，该变频器用于产生电功率，该电功率通过连接导线输出到一个网络，该变频器控制器具有用于控制功率输出到该网络并且用于激励发电机的一个调节通道，根据本发明提出的是，设置一个与该第一调节通道不同的第二调节通道，该第二调节通道实施为一个场导向的调节器并且为此具有一个自身的坐标转换单元，该坐标转换单元设计为次同步的并且为此设置有一个在数值小于该网络频率的频率下旋转(umlaufenden)的坐标系。

本发明基于的构思在于，提供一个额外调节器，该额外调节器相对于该本来存在于该变频器控制器处的功率调节额外地进行安排。该额外调节器实施为一个场导向的调节器，该调节器形成为用于在d、q平面中进行调节。该额外调节器在此以如下方式形成，使得该调节器具有一个自身的(与该本来存在的功率调节器不同的)旋转的场向量。为此目的，该额外调节器具有一个自身的坐标转换单元，该坐标转换单元实现一个旋转的场向量，该场向量以一个比该网络频率更低的频率旋转。由此该额外调节器专门地形成为用于该次同步的范围。

本发明的基础在于，用该额外调节器在一个与在该功率调节器(该功率调节器在该网络频率层面工作)的情况下完全不同的频率范围内提供一个专门的、自身的调节。为此，这两个调节器的输出信号彼此联结，使得不仅该本来存在的功率调节器还有根据本发明的额外调节器协作地对该实际的变频器产生影响。

由此通过该额外调节器提供在额外的频率层面中的一种调节，该调节不同于该本来存在的功率调节器的调节。该额外的频率层面处于该网络频率之下。由此根据本发明的额外调节器能够专门地协调抵抗次同步的相互作用。该额外调节器能够主动抵制此类次同步的振动的产生，无需由此(如在现有技术中)使该常规的调节器变得迟缓。该常规的调节器保持完全未经改动并且根据本发明不负载额外的缓冲构件。

通过一个宽的、次同步的频率范围能够实现这样一种实质上改善的对次同步的振动的抵抗。该额外调节通过自身的调节通道相对于不同的运行状况是稳健的，因为该额外调节根本不需要处理不同的功率需求(例如由该网络运营商调节的)，因为这是该本来存在的功率调节器的任务(该功率调节器然而再次不被考虑用于抵抗这些次同步的振动)。

通过根据本发明提供的第二调节通道以主动的方式借助于一种自身的调节，整体上产生对这些次同步的振动的抵抗的明显改善，更确切地说没有对该整体的变频器调节的惯性产生负面影响。本发明的另一个优点在于，完全无需或仅用十分少的硬件耗费能够实现这些显著的功能性优点。本发明由此适用于更新现有的设备。

本发明的其他的优点在于对次同步的振动的有效抵抗，尤其是对这些次同步的共振(SSR)和这些次同步的调节相互作用(SSCI)，更确切地说以十分有效的方式。一般而言这些在此必要的装置能够用该变频器的已有的硬件实现，使得就此而言不出现额外的耗费。此外，通过用该第二调节通道实现的主动的调节实现了相对于次同步振动的频率偏移比在以经典的方式使用的方法的情况下借助于被动缓冲而可能实现的更大的稳健性。

该第二调节通道的坐标转换单元针对性地具有一个坐标转换器、一个调节核心以及一个提供该输出信号的坐标反向转换器，在该坐标转换器中施加用于该网络中的电流和电压的测量信号。由此得出该调节通道在结构上和功能上更有利的构造，该调节通道与用于该变频器的功率控制的本来设置的第一调节通道很好地协调。能够由此有效地抵制在这两个调节通道之间的相互作用的危险，这些相互作用在适当时可以导致出现带有对应的负载的调节器振动。一般而言，该第一调节通道同样实施为一个场导向的调节器，该调节器带有一个与网络同步旋转的坐标系。然而这对于本发明是不一定必要的。就此而言，该第二调节通道由于自身的坐标转换单元而自足(autark)。

该第二调节通道优选地在该第一调节通道的输出端处接通，更确切地说尤其直接地形成在用于操纵该变频器的电流阀的一个调制单元之前。该调制单元优选地实施为一个脉冲宽度调制单元(PWM单元)。由此得出该第二调节通道对该调制单元(该调制单元对于这些电流阀的功能是决定性的)的直接的访问，类似于该第一调节通道的访问。针对性地提供用于接通的加和构件。

该第二调节通道有利地具有一个自身的跟踪同步单元(PLL)，该跟踪同步单元形成为用于比该网络频率更低的频率范围。一个便利的频率范围位于该网络频率的10％与80％的范围内。在该范围中通常存在该次同步的振动，使得通过该跟踪同步单元对该频率范围的协调一方面实现对该第二调节通道的最佳的适配并且另一方面实现与该第一调节通道的解耦。该自身的跟踪同步单元针对性地输出一个次同步的场向量，该场向量的频率小于该网络中的频率，并且该场向量作为输入端指示器施加在该坐标反向转换器处。由此能够实现一种准确并且运行安全的坐标反向转换，使得该第二调节通道的这些输出信号和谐地加入到该本来存在的第一调节通道的输出信号中。

该第二调节通道针对性地这样形成，使得其调节核心优选地包括超前/滞后构件。由此能够以这样简单的同样也便利的方式实现用于减小这些次同步的振动的有效的调节。优选的是，一个低通连接在这些超前/滞后构件的上游。

该变频器优选地具有一个发电机侧的逆变器和一个网络侧的逆变器，其中仅该网络侧的逆变器设置有一个第二调节通道。特别便利的是如下实施方式，其中该发电机实施为一个同步发电机。由此在最小的耗费的情况下得出最大的结果。-然而也能够提供的是，该发电机实施为一个双馈异步发电机，其中然后针对性地不仅该发电机侧的逆变器而且该网络侧的发电机各自具有一个自身的第二调节通道。由此也能够用一个相对较小的变频器为抑制次同步的振动做出显著贡献。

此外，本发明延伸到用于运行风力发电设备的相应的方法，如前所述，其特征在于这些步骤：借助于一个第二调节通道对次同步的振动进行补偿，该第二调节通道实施为一个场导向的调节器，实施用于该次同步的频率范围的在该第二调节通道中的一个自身的坐标转换，借助于一个调节核心输出这些信号，在该调节核心的输出端处实施一个自身的坐标反向转换，并且将这些输出信号与该第一调节通道的输出信号联结。

为了进一步阐述，可以参考前述说明。

附图说明

接下来参考附图借助于一个有利的实施例来阐述本发明。其中：

图1：示出一个风力发电设备的框图；

图2：示出带有集中元件的串联补偿的传输导线的图示；

图3：示出带有第一和第二调节通道的一个变频器控制器的框图；

图4：示出一个第二调节通道的调节核心的详细图示；

图5：示出展示连接该第二调节通道与该变频器的一个网络侧的逆变器的一个连接图；

图6：示出将一个第二调节通道连接到该变频器的一个机器侧的逆变器的连接图；并且

图7：示出带有频率特性曲线的曲线图。

具体实施方式

图1中示意性地示出应用本发明的一个风力发电设备。该风力发电设备包括带有多个节距可调节的转子叶片10的一个风力转子1。该风力转子通过一个传动器12驱动一个发电机2，该发电机在示出的实施例中实施为带有一个定子20和一个转子21的双馈异步发电机。该定子20直接连接到一个设备变压器23处，一条传输导线3从该设备变压器引导至一个供应网络9。

一个变频器5连接到该发电机2的转子21处。该变频器5包括一个机器侧的逆变器51(该逆变器与该转子21连接)以及一个网络侧的逆变器52(该逆变器连接到该设备变压器23)。这两个逆变器51、52通过一个直流电压中间电路53彼此连接。该直流电压中间电路包括作为能量存储器的一个电容器54。此外，在该中间电路53处提供一个斩波器55。

由一个变频器控制器6控制该变频器5的运行。该变频器控制器包括两个单元，用于该机器侧的逆变器51的第一单元61和用于该网络侧的逆变器52的第二单元62。用于该变频器控制器6的引导信号由该风力发电设备的一个运行控制器11施加。该运行控制器向该变频器控制器6输出一个扭矩信号T_ref。此外，该运行控制器包括一个节距调节器，该节距调节器输出用于节距角度α的调整信号以调整该转子叶片10的节距角度。

在图2中进一步示出该风力发电设备通过一个连接导线3连接到一个网络处。这些用于连接的不同的部件划分为功能块。一个第一功能块包括带有该风力发电设备本身的设备变压器23的发电机2。这个功能块形成该传输导线或在该传输系统的更复杂的系统的情况下的开端。接收该功率的供应网络9在另一个末端处安排在一个自身的功能块中。其间存在两个功能块，其中靠近该风力发电设备放置的一个功能块描绘实际的传输导线3。在电气上，该功能块通过一个阻抗30表示，该阻抗具有一个显著感生的风力部分。为了对此进行补偿，提供该另一个中间的功能块，该功能块包括一个串联补偿4。该串联补偿通过一个集中的元件示出，该元件形成一个电容40。该风力发电设备与其发电机2和该设备变压器23到该网络9的连接组合地这样示出，使得额外提供一个电容40以用于补偿该连接导线的电感，该电容是以串联电路安排的。这被称为串联补偿的传输系统。一般地，在风力发电设备运行的情况下，次同步的相互作用(SSI)是易受影响的，其中能够导致干扰或损害运行安全性。

为了减小该次同步的相互作用的负面效果，该变频器控制器6根据本发明进行实施，如以下阐述的。参考图3。图3示出该变频器控制器6，该变频器控制器通过一个调制单元作用于该变频器5，该调制单元实施为一个脉冲宽度模块(PWM模块)56。由该PWM模块56控制的变频器通过该设备变压器23和该连接导线3输出功率。该变频器控制器6包括一个第一调节通道7。该第一调节通道形成为用于控制该风力发电设备到该网络9的实际功率输出并且用于控制该发电机2的激励。此外，根据本发明提供一个第二调节通道8，该调节通道与该第一调节通道7并联连接。该第一调节通道7和该第二调节通道8的这些输出信号通过一个加和构件89彼此联结并且以此方式共同地施加到该PWM模块56的一个控制输入端处。

该第一调节通道7以已知的方式实施有一个外部的调节回路71和一个内部的调节回路72。带有一个PLL模块70的测量单元连接在上游。该PLL模块产生用于一个旋转的场向量的角度值，该场向量同步于该网络频率旋转。该场向量的同步于该网络频率旋转的角度用字母θ标明。该内部的调节回路72实施为一个场导向的调节器，这意味着，该调节回路基于一个共同转动的坐标系。为此，一个坐标转换单元73连接在一个输入端处，该坐标转换单元将这些测量的量值转换到同步于该网络向量旋转的坐标系。从该坐标转换单元输出的输出信号被供应到一个反向转换单元74，该反向转换单元将一个反向转换从同步于该网络频率共同转动的坐标系反向转换成在多相电网的情况下用于进行控制的、常见的三相系统并且施加到该加和构件89的一个输入端处。

根据本发明提供的第二调节通道具有一个自身的场导向的调节核心84，该调节核心具有一个第二坐标转换单元82和一个第二坐标反向转换单元88。该第二坐标转换单元82和第二坐标反向转换单元88的特别之处在于，转换成一个自身的坐标系，该坐标系与该第一调节通道7的网络同步旋转的坐标系不同。该第二调节通道8的坐标系的频率位置和相位与该第一调节通道7的频率位置和相位不同。由此得出该第二调节通道8的一个完全独立的调节。该调节能够根据频率准确地与次同步的干扰协调，由此该调节与该第一调节通道7实质上不同，与此相反，该第一调节通道设计为用于网络频率的运行同步。

该第二调节通道8还包括一个跟踪同步单元81，该跟踪同步单元测定用于测定该次同步运行的坐标系的必要的角度值。代表该对应的次同步旋转的场向量的角度值被标明为θss并且施加到该坐标转换单元82和该坐标反转换单元88处。一个独立的调节器形成该第二调节通道8的实际的调节核心84。该调节核心在该示出的实施例中包括两个调节块86、87，这些调节块实施为超前-滞后构件。这些调节块使得用于控制次同步振动的快速且主动的调节成为可能。为了消除干扰性的更高的频率部分(尤其谐波振动)，在上游连接一个低通滤波器85。在该调节核心84的输出端处由此存在在一个次同步共同转动的坐标系中的信号，这些信号在反向转换到该转动的三相坐标系中后通过该坐标反向转换单元88作为调整信号施加到该变频器5处。这借助于该加和构件89完成，该加和构件将这些信号叠加到该第一调节通道7的信号上，并且将以此方式得到的加和值共同施加到该PWM模块56的一个控制输入端处。

在图5中的详细示图中示出该第二调节通道对该变频器5的网络侧的逆变器52的影响。用于常规调节的第一调节通道7在中间和在下部的图形区域中示出。在上部的图形区域中示出带有其自身的第二坐标转换单元82和自身的第二坐标反向转换单元88的根据本发明添加的第二调节通道8。可以清楚地看到，首先带有该专门产生的次同步场向量的反向转换后的坐标(通过该坐标反向转换单元88)然后在该三相系统中通过一个加和位置(未示出)与该第一调节通道7的这些输出信号共同接入脉冲宽度控制单元56。该图形通过该自身的第二调节通道借助于自身的主动的调节清楚地显示次同步振动的独立调节。由于带有该次同步(即比该网络频率更低)的旋转的场向量(该场向量的相位角为θss)的自身的第二坐标转换，该第二调节通道在一个与该第一调节通道完全不同的相位和频率范围内工作。如果一个同步发电机提供为发电机2，则为了实施本发明足够的是将该第二调节通道8设置在该网络侧的逆变器51处，如在图5中示出的。

如果该发电机2实施为一个双馈异步机器，则能够在机器侧的逆变器51处替代性地或额外地设置一个第二调节通道8'。这在图6中详细地示出。在该图形的底部中心区域又示出该常规的第一调节通道7，在此用于该机器侧的逆变器51。根据本发明添加该第二调节通道8'，该调节通道具有一个自身的主动的调节器84，该调节器在一个与该第一调节通道7不同的频域内工作。为此该第二调节通道8'除了其调节核心84之外包括一个自身的坐标转换单元82和坐标反向转换单元88，这些转换单元由角度为θss的自身确定的次同步旋转的场向量控制。

通过该主动的调节在一个自身的、平行的调节通道中实现的作用在抵抗次同步相互作用(SSI)的负面影响的情况下是显著的。示例性地在图7中示出这些特征曲线的移位，其中，用I标明的该特征曲线代表没有该第二调节通道8的根据本发明提供的安排并且用II标明的该特征曲线代表具有该安排的行为。可以清楚地看出该临界频率范围从15到足足25赫兹的显著提高。由此，能够实现运行安全性的显著的提升。

Claims (12)

1.风力发电设备，带有一个风力转子(1)、一个由该风力转子驱动的带有变频器(5)的发电机(2)和一个变频器控制器(6)，该变频器用于产生电功率，该电功率通过连接导线(3)输出到一个网络(9)，该变频器控制器具有用于控制功率输出到该网络(9)并且用于激励该发电机(2)的一个第一调节通道(7)，

其特征在于

提供一个与该第一调节通道(7)不同的第二调节通道(8)，该第二调节通道实施为一个场导向的调节器并且为此具有一个自身的坐标转换单元(82)，该坐标转换单元设计为次同步的并且为此设置有一个在数值小于该网络频率(θ)的频率下旋转的坐标系(θss)。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备，

其特征在于

该第一调节通道(7)实施为一个场导向的调节器，该调节器带有一个与网络同步旋转的坐标系。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，

其特征在于

该第二调节通道(8)在该第一调节通道(7)的输出端处接通，优选地在用于操纵该变频器(5)的电流阀的一个调制单元(56)之前。

4.根据权利要求3所述的风力发电设备，

其特征在于

提供一个用于接通的加和构件(89)。

5.根据以上权利要求之一所述的风力发电设备，

其特征在于

该第二调节通道(8)具有一个自身的跟踪同步单元(PLL)(81)，该跟踪同步单元形成为用于比该网络频率更低的频率范围，优选地在该网络频率的10％至80％的范围内。

6.根据权利要求5所述的风力发电设备，

其特征在于

该自身的跟踪同步单元(81)产生一个次同步的场向量(θss)，该场向量的频率小于该网络频率，并且该场向量作为用于一个坐标转换单元和一个坐标反向转换单元(82，88)的输入端参数而施加。

7.根据以上权利要求之一所述的风力发电设备，

其特征在于

该第二调节通道(8)具有一个调节核心(84)，该调节核心优选地包括超前-滞后构件(86，87)。

8.根据权利要求7所述的风力发电设备，

其特征在于

该调节核心(84)包括一个连接在上游的低通滤波器(85)。

9.根据以上权利要求之一所述的风力发电设备，

其特征在于

该变频器(5)包括一个发电机侧的逆变器(51)和一个网络侧的逆变器(52)，其中仅该网络侧的逆变器(52)具有一个第二调节通道(8)，并且该发电机(2)优选地实施为一个同步发电机。

10.根据权利要求1至8之一所述的风力发电设备，

其特征在于

该发电机是一个双馈异步发电机并且不仅该发电机侧的逆变器(51)而且该网络侧的逆变器(52)各自具有一个第二调节通道(8，8')。

11.用于运行风力发电设备的方法，该风力发电设备带有一个风力转子(1)、一个由该风力转子驱动的带有变频器(5)的发电机(2)和一个变频器控制器(6)，该变频器用于产生电功率，该电功率通过连接导线(3)输出到一个网络(9)，该变频器控制器通过一个第一调节通道(7)对该发电机(2)的功率输出进行调节，

其特征在于

借助于一个第二调节通道(8)对次同步的振动进行补偿，该第二调节通道作为一个场导向的调节器通过以下方式工作

-实施用于一个次同步的频率范围的自身的坐标转换，

-借助于一个调节核心(84)调节这些振动，

-实施一个自身的坐标反向转换用于产生调整信号，并且

-将这些调整信号与该功率调节器的输出信号联结以用于共同操纵该变频器(5)。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于

使用根据权利要求1至10之一所述的风力发电设备。