具有電網故障調節的風力發電設備及其運行方法

專利名稱：具有電網故障調節的風力發電設備及其運行方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電設備，該風力發電設備具有由風輪驅動的發電機和用于 產生電能的逆變器以及控制裝置，其中所述電能被饋送到電網中。
背景技術：
在電能傳輸網絡或分配網絡中，必須始終考慮可能由于短路形成孤立電網。在孤 立電網中，電壓、頻率以及相位不再與主電網的相應參數同步運行。這尤其在排除電網故障 之后的重新接通時導致高補償電流，由此可能出現元件的過載或者損壞。此外，在具有同步 發電機的傳統發電站中存在以下危險孤立電網的偏差如此大，以至于發電機在接通到其 余電網時發生傾覆。風力發電設備往往設置在多風并且人口密度低的地方。在很多情況中，這決定了 風力發電設備通過能量傳輸網絡的相對較長且很少互連的饋線(AuslSufer)進行連接。 由于該設置，風力發電設備相對容易地由于孤立電網的形成而發生干擾情況。這既適用于單獨存在的風力發電設備也適用于組成風電場的多個風力發電設備。如果風力發電設備設置在該孤立電網中，則對于這些風力發電設備而言容易出現 電網頻率相對快速的升高。對此，一個重要的因素是風力發電設備_與在傳統發電站中所 使用的同步發電機不同-僅僅具有較小的慣性。由于更高的偏差，在重新接通時可能出現 更大程度的補償過程，由此產生損害風險。

發明內容
本發明的任務在于，對開始部分所述類型的風力發電設備進行改進，使得所述風 力發電設備在電網中短路時或者孤立電網形成時表現出更良好的特性。根據本發明的解決方案記載在獨立權利要求的特征中。有利的擴展方案是從屬權 利要求的主題。根據本發明，在風力發電設備中設有由風輪驅動的發電機和用于產生被饋送 到電網中的電能的逆變器以及控制裝置，其中所述控制裝置具有電網干擾模塊，所述電 網干擾模塊包括用于測量電網的至少一個電參數的測量裝置、用于識別電網干擾和輸 出開關信號的檢測器、基于由測量裝置所確定的參數而產生用于逆變器的替換引導向量 (Fuhrungsvektor)的參考發生器以及故障引導單元，所述故障引導單元具有故障分類器并 且與其它元件協作，使得在孤立運行時在欠壓情形中激活快速頻率調節器，所述快速頻率 調節器作用于逆變器，以便在電網頻率有偏差時改變有功功率饋送。本發明的工作原理如下借助于測量裝置測量電網的電參數并且由此確定頻率和 /或相位。測量裝置優選被構造為使得所述測量裝置在電網故障時繼續提供電網頻率或相 位。借助于所述檢測器可以根據所述信號以及在期望情形下的其它信號-如電壓或電流或 者從外部預給定的信號-確定孤立電網是否已經形成。如果檢測器根據信號識別到孤立 電網形成，則所述檢測器輸出相應的開關信號。參考發生器被構造用于產生參考值，所述參考值作為引導向量施加到逆變器上。在由檢測器所確定的電網干擾的持續時間的跨度上產 生所述參考值。該參考值在此例如是相位大小、旋轉指針或者固定指針。借助引導向量，可 以在電網故障時如電網引導的逆變器那樣運行所述逆變器。因此，也可以在具有非常低的 剩余電壓的嚴重的電壓驟降時(短路)_例如在低于為額定電壓的5-15%的閾值時-仍然 繼續向電網饋送電流，而在如此低的電壓下無法可靠識別相位的傳統的風力發電設備會調 節后續的饋電。因此，根據本發明可以在具有低剩余電壓的強電壓驟降情形中通過繼續饋 電來支持電網。 故障分類器被構造用于區分不同種類的電網干擾。如果故障分類器在與檢測器協 作的情形下識別到孤立電網形成，則通過故障分類器激活頻率調節單元。所述頻率調節單 元被構造用于以快速的時間常數(小于100ms)將由逆變器輸出的功率的頻率調節到期望 值。頻率調節單元通過以下方式實現以上所述特征頻率調節單元通過逆變器改變有功功 率饋送，更確切地說，如此改變有功功率饋送，使得電壓的頻率以及優選還有該電壓的相位 被調節到額定值。 以下闡釋一些所使用的概念“孤立電網”理解為電網故障，其中，電網的一部分-其中連接了相應的風力發電設 備-不再以相同的電壓特性和頻率特性占主導的方式與整個電網連接。“引導向量”理解為用于逆變器的控制信號，該控制信號包含一個或多個確定該逆 變器的開關特性并且因此確定由逆變器輸出的有功功率/無功功率的元素。“快速調節”理解為具有比傳統的頻率調節小至少一個數量級的時間常數的調節。 優選地，這涉及IOOms或更小的時間常數。這例如可以通過在頻率調節單元中保存有例如 隨著頻率升高而降低有功功率饋送的額定曲線、函數或者表來實現。本發明的核心基于以下構思，即將三個不同的方面進行組合。第一方面在于識別 電網故障并且因此識別可能的孤立電網形成。第二方面在于為風力發電設備提供關于電 網頻率或相位的自己的參考值，從而該電網頻率或相位不是基于通過電網的由于電網故障 而根本不存在的引導而指示的。第三方面在于在孤立電網形成時提供快速頻率調節，所 述快速頻率調節借助風力發電設備的逆變器調節風力發電設備，使得所輸出的電功率具有 與根據參考值的頻率相一致的頻率并且盡可能也具有與根據參考值的相位相一致的相位。 這意味著，頻率調節器改變有功功率饋送，使得調節差盡可能到零。因此實現，逆變器在暫 時形成孤立電網的情形中也包含與剩余電網同步的電網頻率(以及必要時的相位)。根據 本發明，補償電流-如在故障排除后出現的補償電流-不出現或者僅僅以較低的程度出現。 這與傳統的風力發電設備相比是顯著的優點，傳統的風力發電設備通常根本不能識別孤立 電網形成，并且由此逆變器在缺少通過電網的引導的情況下以及因為缺少慣性而不可能保 持剩余電網的頻率。這樣在故障排除之后出現頻率偏差和顯著的補償電流。因此，根據本 發明，具有逆變器的風力發電設備獲得相對于電網故障-如隨著孤立電網形成的電壓驟降 或者短路-的穩定性，該穩定性可與具有同步發電機的大型的傳統發電站的穩定性相比， 其中所述同步發電機由于其慣性而具有顯著的自然的頻率穩定性。因此，風力發電設備在 短路并且由此暫時形成孤立電網時(尤其是在風力發電設備連接到長的未互連的電網饋 線上時出現)可以與剩余電網幾乎同步地繼續運行。優選地，故障引導單元還包括電壓調節器，所述電壓調節器被構造用于通過改變
6無功功率饋送來調節由逆變器輸出的電功率的電壓。因此，可以將該電壓調節到額定值。在 此，適宜的是，該額定值是引導向量的一個元素，該元素由參考發生器確定并且約等于電網 故障出現之前電網中的電壓。如果未調節到這樣的值，則以適宜的方式設有用于電壓調節 器的輔助運行方式，其中電壓被調節到尚不導致逆變器過載的最大值上。適宜的是，故障引導單元被進一步構造為使得在短路情形中可以借助引導向量作 為替代來引導逆變器。電網跟隨單元可以與故障引導單元協作。所述電網跟隨單元可被構造用于限制電 網中的相位角與由風力發電設備的逆變器饋送的功率的相位角之間的角差。為此適宜的 是，所述電網跟隨單元具有角偏差檢測器和限制器，借助所述角偏差檢測器由電網處的頻 率的信號和逆變器處的頻率的信號形成差值并且由此確定角偏差，所述限制器將該角偏差 限制為可預給定的角差。如果在電網干擾時形成除風力發電設備外還包含其它發電裝置的 孤立電網，則電網中的頻率和相位不單獨由該風力發電設備確定，從而可能出現不同。在此 設置由風力發電設備饋送到孤立電網中的功率以及耗電器的類型和數量所確定的角差。可 以通過調節風力發電設備的逆變器向電網進行饋電所采用的角度來改變電網電壓的角度。 但是在此，電網角度的變化不允許過大，以便避免風力發電設備在所饋送的功率方面過載 以及避免由于過快的變化而導致的調節振蕩。有利的是，故障引導單元被構造用于識別電網故障的結束并且向故障引導單元輸 出第二開關信號。為此監視電網電壓的走向和/或相位的變化。在快速的重新上升或者跳 躍式的變化時可以結束快速頻率調節并且將有功功率重新調節到故障出現以前那樣。為了 在此實現盡可能均勻的過渡，故障引導單元優選具有轉換模塊，所述轉換模塊在結束快速 頻率調節時借助于傳遞函數、例如斜坡函數使有功功率回到預給定值。所述預給定值可以 是當前所要求的值，如在電網中存在的值，或者是電網故障出現以前的原始值。有利的是，故障引導單元具有輸入通道，在孤立運行時通過所述輸入通道至少可 預給定頻率和/或相位。因此，根據期望可以實現對風力發電設備的外部控制。這在不僅 一個風力發電設備而且具有多個風力發電設備的風電場應被控制或者風力發電設備應彼 此同步的情況下是尤其有利的。以相應的方式，故障引導單元還具有輸出通道，在孤立運行 時通過所述輸出通道輸出引導向量。因此可以告知外部的操縱臺或其它的風力發電設備關 于頻率、相位或者電壓的信息，以便使它們同步。優選地，故障引導單元具有時間模塊。所述時間模塊用于在電網故障出現之后控 制風力發電設備的特性，更確切地說，適宜地根據其它條件控制風力發電設備的特性。因 此可以設置在可預給定的持續時間結束之后或者在低于與時間有關的電壓和/或頻率限 制特性曲線之后關閉風力發電設備或者將風力發電設備與電網分離。為此，時間模塊適宜 地與故障分類器協作。因此，時間模塊可被構造用于在持續的接近于零的低電壓情形下在 可調節的相對較短的第一持續時間之后才使風力發電設備與電網分離并且在此之前繼續 饋電。該情形在短路與風力發電設備非常接近時尤其重要，其中不考慮立即排除短路。通 過快速的分離可以確保不對風力發電設備附近的短路進行不可靠的長時間的饋電。反過 來，電壓上升一定的大小也是如此，這所給出的提示是故障位于距風力發電設備較遠的距 離處。這樣可以假定能夠實現故障排除，從而可以設置直到關斷風力發電設備的更長的持 續時間。在可預給定的第二持續時間之后檢查是否存在持續的欠壓(例如低于額定電壓的50%的欠壓)。由此認為存在嚴重的、未被排除的電網故障并且關閉風力發電設備。同 樣，在識別到孤立運行時，可以在確定的第三持續時間結束之后關閉風力發電設備；但不應 排除繼續運行并且僅僅根據外部的信號關閉運行。即隨后才關斷風力發電設備或者根本不 關斷風力發電設備。因此提高整個電網的運行可靠性，因為在電網故障時更多地饋送風力 發電設備。有利的是，當風力發電設備與其它風力發電設備相鄰時-如在一個風電場中，電 網干擾模塊可以具有同步模塊。同步模塊與故障引導單元和頻率調節器連接并且與故障引 導單元和頻率調節器協作，以便利用外部的站點來調整引導向量。借助所述調整可以識別 和補償風力發電設備之間的不期望的偏差，如由于信號檢測和信號處理之間因不理想的精 度而導致的不可避免的差異。為此，適宜地檢測頻率和相位并且必要時也檢測電壓，并且借 助時間戳將所述頻率和相位并且必要時的電壓作為向量存儲。因此可以確定風力發電設備 之間的角差。為此目的，同步模塊優選具有時間參考。但不應排除的是，同步模塊利用故障 引導單元的時間模塊。為了在建立風電場中的風力發電設備時與其它風力發電設備、電場 控制器聯系或者與外部的站點、例如電網運營商的操縱臺聯系，同步模塊有利地具有通信 單元。但為了避免高成本也可以與故障引導單元協作，從而將故障引導單元的輸入通道和 輸出通道用于同步。發電機本身可以具有任意結構，例如同步發電機、異步發電機或者優選地雙饋異 步發電機。雙饋異步發電機具有以下優點在需要時進行快速頻率調節甚至可以作用于逆 變器的兩個反相換流器，以便通過相應地接收或者饋送有功功率來實現快速頻率變化。此外適宜的是，可以實質斷路裝置(用于消除逆變器的中間電路中的能量的電 路)，其中快速頻率調節作用于該斷路裝置。通過控制斷路裝置來消除能量，即降低有功功 率，由此可以快速地并且高效地作用于頻率。附加地或替代地，也可以設置可控電阻作為耗 電器，該可控電阻同樣可被用于降低有功功率。本發明還涉及一種用于運行風力發電設備的方法，所述風力發電設備具有由風輪 驅動的發電機和用于產生被饋送到電網中的電能的逆變器，所述方法具有以下步驟測量 電網的至少一個電參數，檢測和輸出開關信號，基于所測量的參數生成參考值作為用于逆 變器的引導向量，在識別出開關信號時對故障進行分類，其中在短路故障情形中取代電網 而借助引導向量來控制逆變器以饋送電功率，并且在孤立運行時在欠壓故障情形中實施快 速頻率調節，其中通過改變有功功率饋送來調節電網頻率。為了詳細地闡述所述方法和有利的擴展方案參考以上實施例。本發明進一步延伸到具有多個風力發電設備并具有電場控制器的風電場以及用 于運行所述風電場的方法，其中所述電網干擾模塊設置在電場控制器中。為電場的各個風 力發電設備求得有功功率的值以及必要時求得無功功率的值，向風力發電設備傳輸這些值 并且以此方式實現所期望的頻率調節或電壓調節，如以上所詳細描述的那樣。為了使風力 發電設備同步，這些風力發電設備適宜地與電場控制器進行通信。但這些風力發電設備也 可以彼此通信，這提高了相對于電場控制器故障的運行可靠性。但也可以設置與電場外的 站點、如電網運營商的操縱臺進行通信并且同步到該電場外站點的值。這具有以下優點在 孤立電網持續較長時間的情況下也可以與電網同步地運行風力發電設備。
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以下參考附圖闡釋本發明，在這些附圖中示出本發明的有利的實施例。圖1示出根據本發明實施例的風力發電設備的示意圖；圖2示出風力發電設備連接至電網的示意圖；圖3示出根據本發明的電網干擾模塊的示意圖；圖4示出電網故障期間電網中的相位角的曲線圖；圖5示出根據圖3的電網干擾模塊的可選擴展。
具體實施例方式根據本發明的第一實施例的風力發電設備包括塔10，該塔10具有可擺動地設置 在其上端的機器室11。在塔10的正面可轉動地設有風輪12，該風輪12通過輪軸(未示 出)驅動風力發電設備的發電機2。逆變器3與發電機2連接。此外，在機器室11中設置 有控制裝置4，該控制裝置4通過(未示出的)信號線路與發電機2和逆變器3以及與外部 的信號源(未示出)連接。由風驅動的風輪12通過輪軸向發電機2輸送機械能，該發電機2相應地產生電 能。發電機2優選地是具有定子繞組和轉子繞組的雙饋異步電機。在定子繞組上連接有連接線路16，該連接線路16通過塔10底部的中壓變壓器17 和接觸器18與能量分配網絡9連接。逆變器3借助其機器側的反相換流器31與發電機2 的轉子繞組連接，該反相換流器31通過中間電路32與逆變器3的電網側的反相換流器33 連接。逆變器3與連接線路16連接。此外，在中間電路32上連接有斷路裝置(Chopper) 34， 該斷路裝置34根據開關信號從中間電路32中攝取電能并且將其轉換成熱。控制裝置4被構造用于根據不同的預給定值來控制逆變器3，尤其是控制由逆變 器3產生的有功功率和無功功率。控制裝置4可由上級的運行控制裝置(未示出)和/或 電場控制器7供給控制量和/或引導量，控制裝置4與該電場控制器7通過(未示出的) 通信連接保持連接。此外可以設置例如借助于數據遠程傳輸(未示出)來接入外部的控 制信號。如在圖1中僅僅粗略地示意性示出的那樣，在圖2中詳細地示出風力發電設備 1(或者風電場；為了簡化僅僅參考風力發電設備)到能量分配網絡9的連接。風力發電設 備1通過其中壓變壓器和接觸器18連接到第一母線81。母線例如可以是風電場的內部連 接網絡，在該內部連接網絡上連接有其它風力發電設備1’。第一母線81通過多個-在所 示示例中兩個_連接線路83、84與第二母線82連接。連接線路83、84可以是短的，但在通 常情形中具有可觀的長度，使得連接線路83、84的有功電阻和無功電阻(在圖2中通過等 效元件示出)不可忽略。兩個連接線路83和84在它們母線81、82的端部處分別具有開關 元件85、86、87、88。第二母線82連接到能量分配網絡9，更確切地說，可能通過高壓變壓器 (未示出)連接到能量分配網絡9。此外，在圖2中通過閃電符號Fl和F2示例性地示出兩個可能的電網故障的地點。 以下簡短地闡述故障時的特性。觀察兩種類型的故障第一故障Fl在風力發電設備Fl附 近而第二故障F2在第二母線82附近。故障應在于出現短路。短路的結果是在該區域中 電壓驟降至接近于零，并且風力發電設備的發電機可能對短路進行饋電。
首先，詳細地闡述傳統的風力發電設備在兩種故障時的特性如果短路故障位于 區域Fl中，則風力發電設備處的剩余電壓顯著下降。該剩余電壓如此低，以至于可能發生 傳統的風力發電設備的關斷。傳統的風力發電設備在關斷之后才重新進行再同步并且隨后 在母線81的區域中達到足夠電壓水平時重新向電網饋電。現在假設在第二母線82中出現 故障F2。因為較遠的距離，風力發電設備處的剩余電壓還足夠高(高于約為額定電壓的5% 至15%的閾值)，從而風力發電設備的逆變器可以繼續向電網饋送電功率。但通常在風力 發電設備中存在問題，即由于與具有同步發電機的傳統發電站相比慣性較小而快速地出現 頻率變化或者相位偏差。這導致所涉及的風力發電設備的區域中的相位差異和頻率升高。因此，具有逆變器的傳統的風力發電設備在沒有附加措施的情況下不能使電網頻 率和相位與其余電網保持同步。這導致在故障排除之后由于偏差的頻率或相位可能產生顯 著的補償電流。為了抵消，根據本發明設有電網干擾模塊5。在圖3中示出該電網干擾模塊5。以下詳細闡述該電網干擾模塊5的結構和工作 原理。用于測量電網各相中的電壓或者電流的測量敏感元件(Messaufnehmer)50、50’設置 在電網側中壓變壓器17處。測量敏感元件50、50’的測量信號作為輸入信號施加到測量裝 置51上。測量裝置51由此確定電網電壓U、電網電壓的頻率f和相位φ的參數。電網電壓 U的信號以及電網頻率f的信號施加到檢測器52上。檢測器52包含用于輸入信號的差分 級52 ’，從而除電網電壓U的絕對值外還提供電壓變化信號Δ U并且相應地除電網頻率的絕 對信號外還提供電網頻率變化信號Af。應注意替代地，除電壓外也可以使用電網電流。 根據所施加的信號，檢測器52基于頻率的大小或者變化和/或基于電壓U的大小或者變化 來確定是否已從風力發電設備1所連接的電網9中形成孤立電網。在識別出孤立電網形 成時，檢測器52向其輸出端輸出相應的開關信號。由測量裝置51產生的頻率f的信號和相位φ的信號作為輸入信號施加到參考發生 器53上。參考發生器53由此借助于振蕩裝置——如穩態振蕩器、PLL或者高精度無線電時 鐘——產生電網頻率的連續參考值。在此，參考發生器53被構造為使得在測量裝置52的 信號消失時也繼續產生該參考值。該參考值包括頻率信號fs以及相位信號<ps。該參考值作 為引導向量在參考發生器53的輸出端輸出并且通過開關元件73施加到逆變器3上。該開 關元件73根據所施加的控制信號接通引導向量。由檢測器52產生的針對孤立電網形成的開關信號被施加在故障引導單元54的輸 入端上。在其它輸入端上施加電網電壓的信號以及可選地電網中的電流以及所饋送的無功 功率Q的其它信號。另一輸入端可被設置為作為引導信號CMD的輸入通道，該引導信號CMD 例如用于關閉風力發電設備。故障引導單元54包括故障分類器55、時間模塊56以及轉換 模塊57。故障分類器55用于根據所施加的輸入信號來確定是否存在電網干擾以及必要時 存在哪種電網干擾并且選擇合適的運行方式。通過輸出通道OUT可以輸出運行狀態和/參 數，如電壓U和頻率f的參數。對于孤立電網形成時的運行設有快速頻率調節器64。該頻率調節器64包括差分 環節62，在該差分環節62的輸入端施加由測量裝置51所確定的電網頻率信號f和由參考 發生器53所產生的額定電網頻率的信號。頻率調節器64被構造用于在所測量的頻率與額 定頻率之間存在偏差的情況下以優選為10至50ms的快速時間常數來調節要由逆變器3饋 送的有功功率P。為此，頻率調節器64在其輸出端上提供額定有功功率的信號Ps，該信號通過開關元件74施加到逆變器3的控制輸入端上。此外，頻率調節器通過控制線路與逆變器 3的斷路裝置34連接。在需要時，該頻率調節器可以通過控制斷路裝置34消除能量，即快 速地降低有功功率，以便快速并且高效地防止頻率過度升高。此外設有電網跟隨單元67。該電網跟隨單元67包括角偏差檢測器68和限制器 69。角偏差檢測器68具有兩個輸入端，在這兩個輸入端上分別施加(如由測量裝置所確定 的)電網中的角度(相位)的信號以及逆變器3的相位(pr。由差值形成角偏差(角差)的 信號。該信號施加在限制器上，該限制器在大小方面并且必要時也在變化速度方面將該信 號限制在臨界值并且在電網跟隨單元的輸出端輸出該信號。輸出信號施加在參考發生器53 上。因此導致改變引導向量的相位，使得逆變器3以不超過臨界值的相位饋送電功率。此外設有可選的附加電壓調節器65。該電壓調節器65包括差分環節63，該差分 環節63由實際上所測量的電網電壓U和所施加的額定電壓隊形成一個差值。電壓調節器 63被構造用于基于該電壓差值確定額定無功功率Qs，該額定無功功率Qs作為控制信號通過 開關元件75施加到逆變器3上。以下參考圖3詳細地闡述運行方式。借助于測量裝置51測量電網的電流和電壓 并且由此確定電網頻率f以及相位φ的信號。基于如此確定的頻率信號和相位信號，參考發 生器53產生連續的參考值。該參考值可被用作為控制逆變器3的引導向量。此外，檢測器 52分析由測量裝置51所確定的電壓以及頻率或相位的信號并且在識別到孤立電網形成時 輸出一個輸出信號。只要沒有識別到孤立電網形成，則重復以上所述過程。如果識別到孤 立電網形成，則在故障分類器55上施加開關信號。該故障分類器55根據同樣被施加的電 壓U的信號確定電壓是否位于為可靠識別電壓而設置的閾值以下(該閾值例如是電網9 的額定電壓的5%至15% )。在此情形中，在故障分類器55的第一運行方式中接通開關元 件73，從而由參考發生器53所產生的引導向量施加到逆變器3上。因此，逆變器3繼續饋 送電流，而在現有技術中在電壓低于閾值的情況下停止繼續饋電。相反，如果電壓U高于預給定的閾值，則在由檢測器52識別到孤立電網形成的情 況下由故障分類器55激活根據本發明的快速頻率調節。為此，接通開關元件74。在進行快 速頻率調節時嘗試，借助幾十毫秒范圍內的時間常數將電網頻率重新調節到所期望的值。 頻率調節器64通過以下方式來實現以上特征通過控制信號來改變逆變器3的有功功率饋 送P。在此可選地設置，不僅對頻率f進行調節，而且也更多地考慮相位φ·相位的額定值可 以由參考發生器53提供。根據差值求得調節偏差，該調節偏差導致由逆變器3所饋送的有 功功率P的相應變化。如果附加地通過操縱開關元件75激活運行方式——電壓調節，則以 相應的方式測量實際電壓并將實際電壓與額定值進行比較。作為額定值，由測量裝置51所 確定的參考值可用于出現電網故障前的電壓。只要已經從出現電網故障前的電壓中獲得該 參考值，則該參考值例如可以是電網故障前的值在一個可預給定的時間段上的平均值，其 中已經測量出出現電網故障前的值并且已經將其存儲在風力發電設備的控制裝置中。電壓 調節器65根據所求得的電壓差值形成控制信號，該控制信號通過開關元件75施加到逆變 器3上，從而根據該電壓差值來改變由逆變器提供的無功功率。適宜的是設置，在電壓差值 過大的情況中被調節到一個確定的最大值，該最大值不導致逆變器的過載。如果電網故障被排除-這可以由故障分類器55例如根據電壓U的快速重新升高 或者相位φ的跳躍式變化來確定，則故障引導單元54通過關斷開關元件73、74、75來結束快速頻率調節并且由逆變器3饋送的有功功率被重新調節到故障出現之前的值或者外部的 預給定值。為此設有轉換模塊57，該轉換模塊57例如實現斜坡函數。由轉換模塊57產生 的相應的控制信號通過開關元件77傳輸到逆變器3，該開關元件77在此情形中被故障分類 器55接通。通過與時間模塊56的協作，故障分類器55檢查在可調節的、例如故障出現之后 150ms的第一持續時間內，是否盡管饋送無功功率但電壓一直保持在接近零的值上。如果情 形如此，則故障分類器識別到風力發電設備1附近的短路(故障情形Fl)，并且在該第一持 續時間結束之后輸出用于使風力發電設備1與電網分離的信號(例如斷開接觸器18)。因 此可以確保，不對風力發電設備1附近的短路不可靠地長時間饋送電功率。相反，如果電壓 U在饋送無功功率之后上升超過可調節的臨界值，則故障分類器55識別到在距風力發電 設備1的較遠距離處存在故障(故障情形F2)。隨后，風力發電設備1可在較長的時間段 上運行，由此向電網饋送附加的功率，這對于保持電網的運行可靠性是有利的。適宜的是， 故障分類器55隨后激活輸入通道。因此可以實現從外部預給定頻率額定值，隨后相應地 逼近(anfahren)該頻率額定值。因此可以實現孤立電網中的電物理量與電網9中的那些 電物理量的重新同步。此外優選設置故障分類器55通過輸出通道OUT輸出頻率和電壓 的實際值，以便可以使對孤立電網中的頻率和電壓的調節與其它發電裝置——如其它風力 發電設備——協調一致。此外，故障分類器55檢查電網電壓在可確定的第二持續時間、優 選400ms之后是否超過一個電壓閾值——例如額定電壓的50%。如果電網電壓沒有超過該 值，則故障分類器55識別到電網中的嚴重的、未被排除的故障并且輸出用于關閉風力發電 設備的開關信號。相反，如果可以用超過閾值的電壓來進行孤立運行，則風力發電設備在外 部的命令信號的情況下才被關閉。在圖4a和4b中示出在電網故障時根據本發明的快速頻率調節的運行的特征曲 線。圖4a示出電網電壓的角φ以及在電網干擾期間由參考發生器53所產生的參考角<Ps 通過電網電壓的角位置約15至20°的跳躍可以明顯看出在0.2s時發生干擾并且在3. 8s 時干擾結束。在圖4b中示出不具有(上方曲線)和具有(下方曲線)根據本發明的快速 頻率調節的電網電壓的角變化Δφ。可以看出相位角的額定值與實際值之間的調節差被 具有短的時間常數的快速頻率調節器64調節到接近于零的值。圖5示出電網干擾模塊5的可選補充。附加地設有同步模塊58，該同步模塊58通 過數據線路與故障分類器55、頻率調節器64以及電壓調節器65 (兩個調節器在圖5中未示 出)連接。同步模塊優選地包括自己的通信單元59和時間參考59’，但也可以通過故障分 類器55進行通信或接收其時間模塊56的時間信號。同步模塊58用于將風力發電設備與 電場控制器7或外部的控制站(如電網9的運營商的操縱臺)和/或與優選設置在同一風 電場中的其它風力發電設備1’連接。同步模塊58使自己的風力發電設備的引導向量與其 它風力發電設備1’或與電場控制器7(或者控制站)的引導向量均衡。為此，同步模塊56 被構造為使得該同步模塊為當前的引導向量配備由時間參考(或者時間模塊56)提供的時 間戳并且通過通信單元59輸出該當前的引導向量。反過來，同步模塊58接收其它風力發 電設備或電場控制器7 (或者控制站)的相應的信號。時間戳被提取并且當前的引導向量 在考慮時間信息的情況下被計算出來并且被輸出到故障分類器55。在此可以設置可選的不同變型方案。在第一變型方案中，電場控制器7中央地輸出用于電壓、頻率以及相位的引導量。在各風力發電設備處同樣檢測這些物理量并且由此 計算出偏差，所述偏差被存儲。在出現電網故障的情況下，對由電網干擾模塊5所確定的弓I 導向量與電場控制器7的引導向量進行協調。這在考慮所存入的偏差的情況下進行，使得 至少使頻率一致并且在需要時根據電壓和電流的當前值以及電特性——例如連接線路83 和84——來重新計算相位。在第二變型方案中，分布式地進行同步。為此，風力發電設備1 的同步模塊58與至少一個其它的風力發電設備1’進行通信。在此，通信結構可設置成簡 單的風力發電設備1、1’的串聯形式或者互連形式，其中風力發電設備1中的每一個與事先 確定的相鄰的風力發電設備1’進行通信。在第三變型方案中，該通信與風電場以外的外部 點進行。該點間隔的距離優選為使得該點在出現電網故障時不位于孤立電網中而是位于剩 余電網9中的概率很小。因此在這些變型方案中，也可以在持續時間更長的孤立電網形成 中使頻率和電壓與電網9中的頻率和電壓保持同步。
權利要求
一種風力發電設備，具有由風輪(12)驅動的發電機(2)和用于產生被饋送到電網(9)中的電能的逆變器(3)以及控制裝置(4)，其特征在于，所述控制裝置具有電網干擾模塊(5)，所述電網干擾模塊(5)包括以下裝置作為元件測量裝置(51)，用于測量所述電網(9)的至少一個電參數，檢測器(52)，用于識別電網干擾和輸出開關信號，參考發生器(53)，所述參考發生器(53)基于由所述測量裝置(51)確定的參數產生用于所述逆變器(4)的替代引導向量，以及故障引導單元(54)，所述故障引導單元(54)具有故障分類器(55)并且與其它元件(51 53)協作，使得在孤立運行時在欠壓情形中激活快速頻率調節器(64)，所述快速頻率調節器(64)作用于所述逆變器(4)，以便在電網頻率有偏差時改變有功功率饋送P。
2.根據權利要求1所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)進一步與電壓調節器(65)協作，以便在孤立運行時通過改變 無功功率Q來調節電網電壓。
3.根據權利要求1或2所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)被進一步構造為在短路情形中將所述替代引導向量接入到所 述逆變器⑶。
4.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)具有時間模塊(56)。
5.根據權利要求4所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障分類器(55)與所述時間模塊(56)協作，使得在持續的短路時在第一持續時 間之后不再向所述電網饋電。
6.根據權利要求4或5所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障分類器(55)與所述時間模塊(56)協作，使得在持續的欠壓時在第二持續時 間之后不再向所述電網重新饋電。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障分類器(55)與所述時間模塊(56)協作，使得在孤立運行時在第三持續時間 之后不再向所述電網(9)饋電。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，在電壓上升時，所述風力發電設備(1)在可調節的更長時間段的跨度上繼續向所述電 網(9)饋電。
9.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)具有輸入通道(CMD)，在孤立運行時通過所述輸入通道(CMD) 能夠預給定至少頻率和/或相位。
10.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)具有輸出通道(OUT)，在孤立運行時通過所述輸出通道(OUT) 輸出所述引導向量。
11.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述發電機(2)是雙饋異步電機。
12.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述快速電壓調節器(64)附加地作用于耗電器。
13.根據權利要求12所述的風力發電設備， 其特征在于，所述耗電器是所述逆變器(3)處的斷路裝置(35)。
14.根據權利要求12或13所述的風力發電設備， 其特征在于，所述耗電器是可控電阻。
15.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，所述故障引導單元(54)具有轉換模塊(57)，使得在所述孤立運行結束時使施加在所 述逆變器上的用于有功功率的信號重新回到預給定值。
16.根據權利要求15所述的風力發電設備， 其特征在于，所述預給定值是電網故障出現前的原始值或者是當前所要求的值。
17.根據權利要求15或16所述的風力發電設備， 其特征在于，所述轉換模塊(57)具有斜坡函數。
18.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，設有電網跟隨單元，所述電網跟隨單元被構造用于限制角差。
19.根據權利要求21所述的風力發電設備， 其特征在于，所述電網跟隨單元具有角偏差檢測器和限制器。
20.根據以上權利要求中任一項所述的風力發電設備， 其特征在于，設有同步模塊(58)，所述同步模塊(58)與所述故障引導單元(54)和所述頻率調節器 (64)連接并且協作，以便利用外部的站點調整所述引導向量。
21.根據權利要求20所述的風力發電設備，其特征在于，所述同步模塊與時間參考(56)協作，以便為所述引導向量配備時間戳。
22.根據權利要求20或21所述的風力發電設備， 其特征在于， 所述同步模塊(58)具有通信單元(59)。
23.一種風電場，具有電場控制器(7)和多個風力發電設備(1)，所述風力發電設備具 有由風輪(12)驅動的發電機(2)和用于產生被饋送到電網(9)中的電能的逆變器(3)，其特征在于，所述電場控制器具有電網干擾模塊(5)，所述電網干擾模塊(5)根據權利要求1至19 中任一項構造。
24.根據權利要求23所述的風電場， 其特征在于，根據權利要求20至22中任一項所述的同步模塊設置在所述控制裝置(4)處。
25.一種用于運行風力發電設備的方法，所述風力發電設備具有由風輪(12)驅動的發 電機(2)和用于產生被饋送到電網(9)中的電能的逆變器(3)，其特征在于以下步驟 測量所述電網(9)的電參數， 檢測孤立電網形成，并輸出開關信號，基于所測量的參數為所述逆變器(3)生成參考值作為引導向量， 在識別到所述開關信號時對故障進行分類，其中，在孤立運行時在欠壓情形中進行快速頻率調節，在所述快速頻率調節時借助于 所述逆變器(4)通過改變有功功率P來調節所述電網(9)的頻率。
26.根據權利要求25所述的方法， 其特征在于，使用根據權利要求1至17中任一項所述的電網干擾模塊(5)。
27.根據權利要求26所述的方法， 其特征在于，運行根據權利要求18至20中任一項所述的同步模塊(58)。
28.根據權利要求27所述的方法， 其特征在于，使所述風力發電設備與電場控制器(7)同步。
29.根據權利要求27所述的方法， 其特征在于，與另一風力發電設備(1’ )同步。
30.根據權利要求27所述的方法， 其特征在于，接收電場外的預給定值并且與這些預給定值同步。
全文摘要
風力發電設備，具有由風輪(12)驅動的發電機(2)和用于產生被饋送到電網(9)中的電能的逆變器(3)以及控制裝置(4)。控制裝置具有特殊的電網干擾模塊(5)，其作為元件包括用于測量電網(9)的頻率的電參數的測量裝置(51)；用于識別孤立電網形成和輸出開關信號的檢測器(52)；參考發生器(53)，其基于由測量裝置(51)確定的參數產生用于逆變器(4)的替代控制向量；故障引導單元(54)，其具有故障分類器(55)并且與其它元件(51-53)協作，使得在孤立運行時在欠壓情況中激活快速頻率調節器(64)，快速頻率調節器(64)作用于逆變器(4)，以便在電網頻率有偏差時改變有功功率饋送P。本發明實現了識別電網故障并且可以在孤立運行時通過針對性的有功功率改變將頻率調節到出現干擾之前的重新確定的電網頻率的值。
文檔編號H02J3/38GK101897098SQ200880120290
公開日2010年11月24日 申請日期2008年10月9日 優先權日2007年10月12日
發明者J·福特曼 申請人:再生動力系統股份公司