專利名稱：具有可變旋轉(zhuǎn)速度特性的風(fēng)能設(shè)施的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)能設(shè)施，該風(fēng)能設(shè)施具有風(fēng)輪(wind rotor)、被風(fēng)輪驅(qū)動的雙 饋異步發(fā)電機，并且具有包括發(fā)電機側(cè)逆變器(inverter)和電網(wǎng)側(cè)逆變器的轉(zhuǎn)換器以及 控制器，該控制器被設(shè)計成確定用于操作旋轉(zhuǎn)速度的操作扭矩，該操作扭矩不超過最大扭 矩，并且進(jìn)而具有電網(wǎng)頻率探測器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代風(fēng)能設(shè)施被設(shè)計用于可變旋轉(zhuǎn)速度，并且為此目的設(shè)有轉(zhuǎn)換器。通常，它們具 有雙饋異步發(fā)電機，其定子被永久地連接到電網(wǎng)，并且轉(zhuǎn)子經(jīng)由轉(zhuǎn)換器而被連接到電網(wǎng)。這 允許發(fā)電機不僅在對應(yīng)于電網(wǎng)頻率的旋轉(zhuǎn)速度下而且還在比相應(yīng)于電網(wǎng)頻率的旋轉(zhuǎn)速度 更低的旋轉(zhuǎn)速度(或者由其決定的同步旋轉(zhuǎn)速度)下操作，或者在比相應(yīng)于同步旋轉(zhuǎn)速度 的旋轉(zhuǎn)速度更高的旋轉(zhuǎn)速度下操作。在實際旋轉(zhuǎn)速度和由電網(wǎng)頻率決定的同步旋轉(zhuǎn)速度之 間的相應(yīng)差異被稱作轉(zhuǎn)差率。士 30%或者在一些情形中甚至更大的轉(zhuǎn)差率數(shù)值對于現(xiàn)代風(fēng) 能設(shè)施而言是正常的。風(fēng)能設(shè)施因此能夠在寬的旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)操作。對于確定轉(zhuǎn)差率而言重要的同步旋轉(zhuǎn)速度在實際電網(wǎng)上的實際操作期間不是恒 定的，而是經(jīng)歷與電網(wǎng)頻率相同的波動。例如，當(dāng)在電網(wǎng)中發(fā)生過頻率(overfrequency) 時，則同步旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)地向上移位，并且反之亦然。如果結(jié)果轉(zhuǎn)差率數(shù)值變得太高或者太 低，則存在過載和損壞風(fēng)能設(shè)施構(gòu)件的風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，用以避免這點的各種補救區(qū)域 是已知的。第一措施是基于分別地最差的極端情形設(shè)計風(fēng)能設(shè)施的構(gòu)件，即對于最大容許電 網(wǎng)頻率差異加以考慮。最后，這導(dǎo)致對構(gòu)件的經(jīng)計劃的過度設(shè)計(overengineering)，并且 因此在生產(chǎn)成本方面是相應(yīng)地昂貴的。進(jìn)而，當(dāng)特性被與最差的情形匹配時，這導(dǎo)致在額定 頻率下的操作是低于最佳狀態(tài)的，從而產(chǎn)生產(chǎn)出損失。另外，基于極端情形的這種設(shè)計仍然 是完全地不充分的，并且進(jìn)而穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)速度范圍應(yīng)該被與電網(wǎng)頻率匹配從而當(dāng)實際欠頻率 (underfrequency)發(fā)生時在過度轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率的情形中、特別地在較重負(fù)載的情形中防止過 載。US 2007/069522A1公開了一種用于特性調(diào)整的不同的方案。電網(wǎng)頻率得以測量從 而確定是否存在過頻率或者欠頻率情況，從而作為其函數(shù)朝向同步點移位旋轉(zhuǎn)速度/扭矩 特性。這降低了實際上發(fā)生的轉(zhuǎn)差率。全部特性因此作為實際電網(wǎng)頻率的函數(shù)得以調(diào)整。 這具有以下缺點，即，這個調(diào)整作用于整個操作范圍內(nèi)，由于不必要的降低，這能夠同樣地 產(chǎn)生產(chǎn)出損失，如已經(jīng)在上面關(guān)于基于極端情形的靜態(tài)設(shè)計描述地。進(jìn)而，這對于特定的操 作狀態(tài)例如對于過頻率和高負(fù)載組合僅給出并不充分的保護(hù)。特別地對于這種危急性操作情況不能保證足夠的保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上剛剛引用的現(xiàn)有技術(shù)的背景，本發(fā)明是基于以下目的，S卩，指定一種改進(jìn)的風(fēng)能設(shè)施和一種減輕了上述缺點的操作方法。根據(jù)本發(fā)明的方案在于獨立權(quán)利要求的特征。有利的改進(jìn)是從屬權(quán)利要求的主題。在這樣一種風(fēng)能設(shè)施的情形中，該風(fēng)能設(shè)施具有風(fēng)輪、被風(fēng)輪驅(qū)動的雙饋異步發(fā) 電機，并且具有包括發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器的轉(zhuǎn)換器，以及被設(shè)計成確定用于操 作旋轉(zhuǎn)速度的操作扭矩的控制器，該操作扭矩不超過最大扭矩，本發(fā)明提供一種頻率自適 應(yīng)扭矩限制器，該扭矩限制器具有用于容差范圍(tolerance band)外的過頻率或者欠頻率 的分類器、被設(shè)計成在頻率差異的情形中減小最大扭矩的扭矩移位器(toque shifer)，和 在欠頻率下阻止扭矩移位的抑制器(inhibitor)，以及用于頻率差異的信號被施加到其輸 入并且與分類器交互從而在過頻率下僅僅下限旋轉(zhuǎn)速度被增加并且在欠頻率下僅僅上限 被降低的頻率依賴旋轉(zhuǎn)速度限制器。本發(fā)明是基于以下思想，S卩，并不在整個操作范圍內(nèi)調(diào)整(adapt)操作扭矩，而是 僅僅相對于容許極限數(shù)值特別是最大數(shù)值執(zhí)行所述調(diào)整，但是這種調(diào)整并非是以靜態(tài)方式 執(zhí)行的，而是作為實際上發(fā)生的頻率差異的函數(shù)以動態(tài)方式執(zhí)行的。這使得關(guān)聯(lián)在前已知 的方案選項的在以前相矛盾的優(yōu)點并且因此減小它們的各自的缺點成為可能。特別地，動 態(tài)限制避免了總是發(fā)生的產(chǎn)出損失的缺點，例如在過去當(dāng)對于最差的情形進(jìn)行設(shè)計時已經(jīng) 在前地不可避免地發(fā)生的那些。因為僅僅極限數(shù)值而非整個特性在整個操作范圍內(nèi)移位， 所以損失能夠被進(jìn)一步降低。本發(fā)明以兩種方式操作。在一方面，容許旋轉(zhuǎn)速度范圍被與電網(wǎng)頻率中的相應(yīng)變 化匹配。這保證了并不偏離轉(zhuǎn)換器的容許操作范圍。當(dāng)過頻率發(fā)生時，容許旋轉(zhuǎn)速度范圍 的下限因此增加，從而在轉(zhuǎn)換器的操作極限內(nèi)保持轉(zhuǎn)差率。無需改變?nèi)菰S操作范圍的最大 極限，因為當(dāng)過頻率發(fā)生時，較低的轉(zhuǎn)差率數(shù)值在這里在任何情形中發(fā)生。相應(yīng)地，當(dāng)欠頻 率發(fā)生時，容許旋轉(zhuǎn)速度范圍的最大極限被改變，更加精確地，這是通過將其降低至這種程 度，即使得最大轉(zhuǎn)差率不被欠調(diào)(undershot)。在實踐中，這有利地是通過與電網(wǎng)頻率差異 成比例地實現(xiàn)降低而得以進(jìn)行的。容許旋轉(zhuǎn)速度范圍的最小旋轉(zhuǎn)速度并不需要被調(diào)整，因 為在欠頻率的情形中，較低的轉(zhuǎn)差率數(shù)值在這里將在任何情形中發(fā)生。對于在每一情形中 僅僅一個最大極限的變化的這個限制在一方面當(dāng)相應(yīng)的極端操作狀況發(fā)生時提供了保護(hù) 免于不可接受地高的數(shù)值，而在另一方面，操作方式在正常狀態(tài)中保持不變。因此在正常操 作期間無需擔(dān)心產(chǎn)出損失。第二方面在于除了容許旋轉(zhuǎn)速度范圍的調(diào)整之外的、另外的容許旋轉(zhuǎn)速度范圍的 扭矩極限、更加精確地是最大容許扭矩的調(diào)整。為此目的提供了扭矩移位器。扭矩移位器 作為實際旋轉(zhuǎn)速度和確定的過頻率的函數(shù)改變最大容許扭矩。這意味著即使當(dāng)過頻率發(fā)生 時轉(zhuǎn)差率依賴最大容許扭矩也不被過調(diào)(overshot)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)欠頻率發(fā)生時，抑制器 阻止所述調(diào)整，從而防止最大扭矩在欠頻率下升高，最大扭矩在欠頻率下升高能夠?qū)е缕?它構(gòu)件過載。這意味著，在此情形中，特意地非對稱調(diào)整得以實現(xiàn)，特別地僅當(dāng)過頻率發(fā)生 時，但是當(dāng)欠頻率發(fā)生時無任何調(diào)整得以實現(xiàn)。因為，再一次地，僅僅最大數(shù)值受到影響，而 非在正常條件期間的操作，本發(fā)明意味著與正常操作相比無任何產(chǎn)出損失。扭矩移位器優(yōu)選地與旋轉(zhuǎn)速度修改器交互，旋轉(zhuǎn)速度修改器被設(shè)計成產(chǎn)生經(jīng)修改 的旋轉(zhuǎn)速度信號，該經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號從實際操作旋轉(zhuǎn)速度改變了依賴于頻率差異的校正數(shù)值，并且經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號被施加到發(fā)出最大扭矩的旋轉(zhuǎn)速度依賴最大扭矩元 件。這特別地適用于其中例如利用查表或者特性元件而作為旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)確定最大容許 扭矩的實施例。為了避免改變表格或者特性元件(這可能涉及用于編程和調(diào)整的相當(dāng)?shù)某?本)本質(zhì)上未被改變的特性元件或者表格具有被施加于其的、經(jīng)改變(修改)的旋轉(zhuǎn)速度 信號。在此情形中，旋轉(zhuǎn)速度信號是作為頻率差異的函數(shù)而被修改的。當(dāng)頻率處于額定數(shù) 值時，則旋轉(zhuǎn)速度信號不被改變；在形式為過頻率的頻率差異的情形中，旋轉(zhuǎn)速度信號被相 應(yīng)地減小，并且當(dāng)欠頻率發(fā)生時，它被相應(yīng)地增加。這個技巧產(chǎn)生了相應(yīng)于作為在轉(zhuǎn)子的實 際旋轉(zhuǎn)速度和如由瞬時電網(wǎng)頻率限定的同步旋轉(zhuǎn)速度之間的差異而必須被轉(zhuǎn)換器補償?shù)?旋轉(zhuǎn)速度(或者頻率)的、經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號。因此，轉(zhuǎn)換器不僅最優(yōu)地獨立于電網(wǎng)頻 率地得以利用，而且還被保護(hù)而免于過載。旋轉(zhuǎn)速度修改器有利地具有用于最大容許頻率的輸入，并且提供了將旋轉(zhuǎn)速度修 改限制為最大容許頻率的飽和元件。這防止了能夠?qū)τ谠O(shè)施中的其它構(gòu)件產(chǎn)生損壞的過度 調(diào)整。在此情形中，有利地如此設(shè)計飽和元件，即使得應(yīng)用對于額定頻率的數(shù)值作為下限， 并且應(yīng)用對于最大容許電網(wǎng)頻率的數(shù)值作為上限。分類器優(yōu)選地被設(shè)計成在滿載下阻止旋轉(zhuǎn)速度修改。除了在非常的操作條件中例 如在陣風(fēng)的情形中的過度旋轉(zhuǎn)速度之外，在滿載下基本上存在過載的風(fēng)險。以此方式進(jìn)行 阻止因此使得保證在滿載下實現(xiàn)全產(chǎn)出成為可能。設(shè)計旋轉(zhuǎn)速度修改元件以使用額定電網(wǎng)頻率與實際電網(wǎng)頻率的比率從真實旋轉(zhuǎn) 速度形成經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號，并且有可能對于飽和元件加以考慮也是可能的。因此能 夠以特別簡單的和有利的方式修改旋轉(zhuǎn)速度。本發(fā)明進(jìn)而涉及一種相應(yīng)的方法。為了更加詳細(xì)的解釋，對于以上陳述進(jìn)行參考。


將使用示例性實施例并且參考繪圖在以下文本中更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的風(fēng)能設(shè)施的概觀示意；圖2示出用于如在圖1中所示的風(fēng)能設(shè)施的控制的框圖；圖3示出如在圖1中所示的風(fēng)能設(shè)施的旋轉(zhuǎn)速度/扭矩圖表；圖4示出用于根據(jù)第二示例性實施例的控制的框圖；并且圖5示出可替代的旋轉(zhuǎn)速度/扭矩圖表。
具體實施例方式該風(fēng)能設(shè)施具有塔架10，在其上端處，容器11被如此布置，使得它能夠沿著方位 方向回旋。風(fēng)輪12被如此布置，使得它能夠在容器11的端面上旋轉(zhuǎn)，并且經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸13驅(qū) 動被設(shè)計成將機械能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機。在所示出的示例性實施例中，這是與轉(zhuǎn)換器15 交互的雙饋異步發(fā)電機14。由帶有轉(zhuǎn)換器15的發(fā)電機14產(chǎn)生的電力經(jīng)由連接線路16而 被發(fā)出到在風(fēng)能設(shè)施的塔架10的支腳處布置的變壓器17。變壓器17被連接到配電網(wǎng)9， 配電網(wǎng)9可以是用于風(fēng)電場的內(nèi)部電網(wǎng)或者公共電力傳輸電網(wǎng)。進(jìn)而，控制器2被布置于容器11上、經(jīng)由信號線路(未被示意)連接到風(fēng)能設(shè)施 的各種構(gòu)件并且控制它們。進(jìn)而，控制信號被施加到控制器2，這些控制信號是從上級控制實體、特別是風(fēng)電場控制系統(tǒng)或者供電公司的電網(wǎng)控制中心經(jīng)由基于電纜的或者無線的連 接鏈路21獲得的。控制器2被設(shè)計成根據(jù)支配性環(huán)境條件、特別是風(fēng)速而限定風(fēng)能設(shè)施的 操作點，風(fēng)能設(shè)施在所述操作點處進(jìn)行操作。特別地，這包括作為瞬時旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)確定 扭矩T并且經(jīng)由轉(zhuǎn)換器15作為電氣額定扭矩將其傳送到發(fā)電機14的功能性。另外的功能 性是作為旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)確定最大容許扭矩Tmax。在雙饋式異步發(fā)電機的情形中，例如在所示出的示例性實施例中使用的那些，在 操作期間轉(zhuǎn)差率s發(fā)生。這個轉(zhuǎn)差率依賴于發(fā)電機14的實際旋轉(zhuǎn)速度η和由以電網(wǎng)頻率 回轉(zhuǎn)的場的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的、所謂的同步旋轉(zhuǎn)速度nsyn。。這個轉(zhuǎn)差率是來自同步旋轉(zhuǎn)速度 的旋轉(zhuǎn)速度差異的幅度除以同步旋轉(zhuǎn)速度S
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)能設(shè)施，具有風(fēng)輪(12)、被風(fēng)輪(12)驅(qū)動的雙饋異步發(fā)電機(14)，并且具有 轉(zhuǎn)換器(15)和被設(shè)計成確定用于操作旋轉(zhuǎn)速度(η)的操作扭矩(T)的控制器(2)，所述操 作扭矩不超過最大扭矩(Tmax)，其中頻率自適應(yīng)扭矩限制器(3)具有用于過頻率或者欠頻率的分類器(31)、被設(shè)計成在 頻率差異的情形中減小最大扭矩(Tmax)的扭矩移位器(32)，和在欠頻率下阻止扭矩移位器 (32)的抑制器(32)，并且提供了頻率依賴旋轉(zhuǎn)速度限制器(4)，該頻率依賴旋轉(zhuǎn)速度限制器(4)與分類器(31) 交互從而在過頻率下僅僅下限旋轉(zhuǎn)速度(Hmin)增加，并且在欠頻率下僅僅上限旋轉(zhuǎn)速度 (nmax)降低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)能設(shè)施， 其中提供了最大扭矩元件(23)，并且最大扭矩元件(23)具有特性元件或者查表的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的風(fēng)能設(shè)施， 其中提供了旋轉(zhuǎn)速度修改元件(38)，并且旋轉(zhuǎn)速度修改元件(38)被設(shè)計成產(chǎn)生經(jīng)修改的 旋轉(zhuǎn)速度信號(η*)，所述經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號(η*)從實際操作旋轉(zhuǎn)速度(η)改變了頻率 差異依賴校正數(shù)值，并且所述經(jīng)修改的旋轉(zhuǎn)速度信號(η*)被施加到發(fā)出旋轉(zhuǎn)速度的最大 數(shù)值的旋轉(zhuǎn)速度依賴最大扭矩元件(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)能設(shè)施， 其中旋轉(zhuǎn)速度修改元件(38)與頻率限制器(37)交互，最大容許頻率、額定頻率和實際頻率 的信號被施加到頻率限制器(37)的輸入。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求之一的風(fēng)能設(shè)施， 其中分類器(31)被如此設(shè)計，即使得當(dāng)存在在容差范圍內(nèi)的差異時，限制器件是不起作用的。
6.一種用于操作風(fēng)能設(shè)施的方法，所述風(fēng)能設(shè)施具有風(fēng)輪(12)、被風(fēng)輪(12)驅(qū)動的雙 饋異步發(fā)電機(14)，具有轉(zhuǎn)換器(15)和控制器(2)，操作扭矩(T)得以確定從而控制風(fēng)能 設(shè)施處于操作旋轉(zhuǎn)速度(η)，所述操作扭矩不超過最大扭矩(Tmax),并且電網(wǎng)頻率(f)得以 確定，包括確定任何頻率差異并且將其分類成過頻率或者欠頻率， 作為頻率差異的函數(shù)降低最大扭矩(Tmax),在欠頻率下阻止這種降低，并且 作為識別的頻率差異的函數(shù)限制旋轉(zhuǎn)速度，從而當(dāng)過頻率發(fā)生時，僅僅下限旋轉(zhuǎn)速度 被升高，并且當(dāng)欠頻率發(fā)生時，僅僅上限旋轉(zhuǎn)速度被降低。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法， 其中使用根據(jù)權(quán)利要求2到5之一的限制器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可變旋轉(zhuǎn)速度特性的風(fēng)能設(shè)施。本發(fā)明涉及一種風(fēng)能設(shè)施，具有風(fēng)輪、被風(fēng)輪驅(qū)動的雙饋異步發(fā)電機，并且具有轉(zhuǎn)換器和被設(shè)計成確定用于操作旋轉(zhuǎn)速度(n)的操作扭矩(T)的控制器。根據(jù)本發(fā)明，頻率自適應(yīng)扭矩限制器具有用于過頻率或者欠頻率的分類器、被設(shè)計成在頻率差異的情形中減小最大扭矩(Tmax)的扭矩移位器，和在欠頻率下阻止扭矩移位器的抑制器，并且提供了頻率依賴旋轉(zhuǎn)速度限制器，頻率依賴旋轉(zhuǎn)速度限制器與分類器交互從而在過頻率下僅僅下限旋轉(zhuǎn)速度(nmin)被增加，并且在欠頻率下僅僅上限旋轉(zhuǎn)速度(nmax)被降低。結(jié)果，僅僅相對于容許極限數(shù)值、特別是最大數(shù)值而非在整個操作范圍內(nèi)調(diào)整了操作扭矩。
文檔編號F03D9/00GK101994660SQ20101025420
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者T·克呂格爾 申請人:再生動力系統(tǒng)股份公司