專利名稱：以可變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)的輸出振蕩頻率恒定的發(fā)電裝置，尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能量生產(chǎn)裝置，尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置，包括與轉(zhuǎn)子連接的驅(qū)動(dòng)軸、 發(fā)電機(jī)，并包括具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)或從動(dòng)裝置的差動(dòng)傳動(dòng)裝置(Differenzialgetriebe)，其中第一驅(qū)動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)軸連接，從動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)連接并且第二驅(qū)動(dòng)裝置和電氣差動(dòng)裝置連接，并且其中差動(dòng)裝置(Differenzial-Antrieb)通過變頻器與網(wǎng)絡(luò)連接。本發(fā)明還涉及用于運(yùn)行能量生產(chǎn)裝置、尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置的方法，該能量生成裝置包括具有電氣差動(dòng)裝置的差動(dòng)傳動(dòng)裝置，其中差動(dòng)裝置通過具有直流中間回路的變頻器與網(wǎng)絡(luò)連接。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電站作為發(fā)電設(shè)備意義越發(fā)重大，用風(fēng)發(fā)電的百分比也因此逐漸提高。而這一方面催生了涉及電流質(zhì)量的新標(biāo)準(zhǔn)(尤其是考慮到在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)電壓擾動(dòng)的情況下的無功電流控制和風(fēng)力發(fā)電站的狀態(tài))，另一方面也引發(fā)了更大風(fēng)力發(fā)電裝置的潮流。同時(shí)，發(fā)展安裝功率至少5MW的近海風(fēng)力發(fā)電裝置的趨勢(shì)也清晰可辨。鑒于近海區(qū)域內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝置的基礎(chǔ)建設(shè)和維護(hù)的費(fèi)用高昂，不論裝置的效率還是生產(chǎn)成本，以及與此有關(guān)的中壓同步發(fā)電機(jī)的使用都意義重大。W02004/109157 Al示出了一種具有多個(gè)并列差動(dòng)級(jí)和多個(gè)可切換耦合器的復(fù)雜的靜壓“多路徑”設(shè)計(jì)，利用該耦合器可以在各個(gè)路徑之間切換。采用所示的技術(shù)方案，可以降低靜壓的功率以及損耗。然而其主要的缺點(diǎn)在于整個(gè)機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，饋入網(wǎng)絡(luò)的電能僅來自于差動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)。EP 1283359 Al示出了具有電氣差動(dòng)裝置的一級(jí)和多級(jí)的差動(dòng)傳動(dòng)裝置，其通過變頻器驅(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)耦合的同步發(fā)電機(jī)機(jī)械連接的電機(jī)。在該例中，饋入網(wǎng)絡(luò)的電能同樣僅來自于差動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)。WO 2006/010190 Al示出了包括具有變頻器的差動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電裝置的動(dòng)力系統(tǒng)，其以并列于同步電動(dòng)機(jī)的方式與網(wǎng)絡(luò)連接。該技術(shù)方案雖然允許將中壓同步發(fā)電機(jī)直接連接到網(wǎng)絡(luò)，但其公知實(shí)施方式存在缺陷，即，具有電氣差動(dòng)裝置的差動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)并不能可靠地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)電壓擾動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于盡可能地避免上述缺陷。在前述類型的能量生產(chǎn)裝置中，該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明以如下方式解決，即，變頻器在直流中間回路中具有電氣的蓄能器。在前述類型的方法中，該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明以如下方式解決，S卩，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)電壓擾動(dòng)或電壓消失或過電壓的情況下，借助于變頻器直流中間回路中的電氣的蓄能器向差動(dòng)裝置供電。
在前述類型的方法中，該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明以如下方式解決，即，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)電壓擾動(dòng)或電壓消失或過電壓的情況下，差動(dòng)裝置向變頻器直流中間回路中的電氣的蓄能器輸送電能。通過蓄能器以簡(jiǎn)單的方式保證了差動(dòng)裝置在網(wǎng)絡(luò)電壓故障期間可以保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與網(wǎng)絡(luò)電壓同步。其他從屬權(quán)利要求的內(nèi)容為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的5麗風(fēng)力發(fā)電裝置的功率曲線、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及由此得出的參數(shù)，如高速性系數(shù)Gchnelllaufzahl)和功率系數(shù)，圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有電氣差動(dòng)裝置的差動(dòng)傳動(dòng)裝置的原理，圖3示例性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電氣差動(dòng)裝置關(guān)于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速和功率特性，圖4示出了傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接，圖5示出了包括具有根據(jù)圖2的差動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接，圖6示出了在無功電流額定值跳躍時(shí)設(shè)置的無功電流隨時(shí)間變化的曲線，圖7示出了風(fēng)力發(fā)電裝置功率跳躍時(shí)設(shè)置的無功電流，圖8示出了組合無功電流控制的可能的控制簡(jiǎn)圖，圖9示出了在利用變頻器進(jìn)行無功電流補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)力發(fā)電裝置出現(xiàn)功率跳躍時(shí)設(shè)置的無功電流，圖10示出了在LVRT中差動(dòng)裝置的功率需求的例子，圖11示出了根據(jù)本發(fā)明具有中間回路存儲(chǔ)器的電氣差動(dòng)裝置，圖12示出了中壓同步發(fā)電機(jī)典型的電氣高次諧波，圖13示出了具有變頻器的有源高次諧波濾波可能的原理，圖14示出了包括具有變頻器的有源高次諧波濾波的中壓同步發(fā)電機(jī)的電氣高次諧波。
具體實(shí)施例方式風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)子的功率通過如下公式計(jì)算轉(zhuǎn)子功率=轉(zhuǎn)子面積女功率系數(shù)*風(fēng)速3 *空氣密度/2其中功率系數(shù)依賴于風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)子的高速性系數(shù)(=葉片端速與風(fēng)速的比例)。風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子是基于開發(fā)過程中待確定的高速性系數(shù)(其值大多數(shù)情況下在 7到9之間)而為最佳的功率系數(shù)設(shè)計(jì)的?；谶@個(gè)原因，在運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電裝置時(shí)，在部分負(fù)載范圍設(shè)置相應(yīng)小的轉(zhuǎn)速，以保證最佳的空氣動(dòng)力學(xué)效率。圖1示出了對(duì)于給定8. 0 8. 5的最佳高速性系數(shù)或轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速范圍，轉(zhuǎn)子功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高速性系數(shù)和功率系數(shù)的特征。從圖中可以看出，只要高速性系數(shù)偏離其 8. 0 8. 5的最佳值，功率系數(shù)下降，并且根據(jù)上述公式轉(zhuǎn)子功率根據(jù)轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力學(xué)特征也因此降低。圖2示出了由差動(dòng)級(jí)3或11到13、匹配傳動(dòng)級(jí)4和電氣差動(dòng)裝置6組成的用于風(fēng)力發(fā)電裝置的差動(dòng)系統(tǒng)的可能原理。位于主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2的驅(qū)動(dòng)軸9之上的風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子1驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2。主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2是具有兩個(gè)行星級(jí)(Planetenstufen)和一個(gè)圓柱齒輪級(jí)(Stirnradstufe)的三級(jí)傳動(dòng)裝置。差動(dòng)級(jí)3位于主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2和發(fā)電機(jī)8之間，由主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2通過差動(dòng)級(jí)3的行星輪架12驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)8—優(yōu)選是他勵(lì)中壓同步發(fā)電機(jī)一與差動(dòng)級(jí)3的齒環(huán)13連接并由其驅(qū)動(dòng)。差動(dòng)級(jí)3的小齒輪11與差動(dòng)裝置6連接。 差動(dòng)裝置6的轉(zhuǎn)速被控制，以便一方面在轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速變化時(shí)保證發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)速恒定，另一方面控制風(fēng)力發(fā)電裝置整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩。為了提高差動(dòng)裝置6的輸入轉(zhuǎn)速，在所示情況下，選擇兩級(jí)差動(dòng)傳動(dòng)裝置，其在差動(dòng)級(jí)3和差動(dòng)裝置6之間以圓柱齒輪級(jí)的形式預(yù)設(shè)匹配傳動(dòng)級(jí)4。這樣差動(dòng)級(jí)3和匹配傳動(dòng)級(jí)4構(gòu)成兩級(jí)差動(dòng)傳動(dòng)裝置。差動(dòng)裝置是三相電機(jī)， 其通過變頻器7和變壓器5以與發(fā)電機(jī)8并列的方式與網(wǎng)絡(luò)10連接。差動(dòng)傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速公式為轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)=X^轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子+y女轉(zhuǎn)速差動(dòng)裝置其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的，并且因子x、y可以從所選擇的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和差動(dòng)傳動(dòng)裝置的變速器速比推導(dǎo)出。轉(zhuǎn)子的扭矩通過當(dāng)前的風(fēng)和轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力學(xué)效率來確定。轉(zhuǎn)子軸處的扭矩和差動(dòng)裝置處的扭矩之比是恒定的，由此可以通過差動(dòng)裝置控制動(dòng)力系統(tǒng)中的扭矩。差動(dòng)裝置的扭矩公式為扭矩差動(dòng)裝置=扭矩轉(zhuǎn)子* y/x，其中尺寸因子y/x是差動(dòng)裝置必要設(shè)計(jì)扭矩的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。差動(dòng)裝置的功率基本上是和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與其基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速的百分比偏差乘上轉(zhuǎn)子功率所得的乘積成比例的，其中基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速為風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)子的的某一轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下差動(dòng)裝置保持靜止，也就是說轉(zhuǎn)速為零。相應(yīng)地，較大的轉(zhuǎn)速范圍原則上需要相應(yīng)大尺寸的差動(dòng)
直ο在圖3中示例性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)于差動(dòng)級(jí)的轉(zhuǎn)速或功率特征。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過連接到頻率固定的電網(wǎng)而恒定。為了可以相應(yīng)地充分利用差動(dòng)裝置，在小的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行該裝置而在大的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以發(fā)電機(jī)的形式運(yùn)行該裝置。這就導(dǎo)致了在電動(dòng)機(jī)形式的范圍內(nèi)功率被饋入差動(dòng)級(jí)而在發(fā)動(dòng)機(jī)形式的范圍內(nèi)從差動(dòng)級(jí)中獲取功率。在電氣差動(dòng)裝置的情況下，該功率優(yōu)選從網(wǎng)絡(luò)中獲取或者饋入網(wǎng)絡(luò)。發(fā)電機(jī)功率和差動(dòng)裝置功率的和得到具有電氣差動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電裝置輸入網(wǎng)絡(luò)的總功率。圖4示出了連接大量風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)一般是如何建造的。為簡(jiǎn)單起見， 這里只顯示了三個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的大小還可能在一個(gè)風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中連接例如多達(dá) 100或者更多的風(fēng)力發(fā)電裝置。在低壓實(shí)施例中，額定電壓例如為690VAC (大多數(shù)裝配所謂的兩側(cè)供電的三相電機(jī)或具有全功率變流器(Vollumrichter)的三相電機(jī))的更多的風(fēng)力發(fā)電裝置通過設(shè)備變壓器以例如20kV的電壓水平向母線饋電。在網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)之前連接風(fēng)場(chǎng)變壓器，該網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)通常是進(jìn)入供電公司網(wǎng)絡(luò)的傳輸位置，而該風(fēng)場(chǎng)變壓器將風(fēng)場(chǎng)中壓提升到例如IlOkV的網(wǎng)絡(luò)電壓?？紤]到無功電流因子和電壓常數(shù)，對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)存在需要遵守的通常由供電公司定義的準(zhǔn)則。為了能夠遵守關(guān)于電流質(zhì)量的不斷變嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，在中壓側(cè)以增多的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功電流補(bǔ)償裝置，其通過向網(wǎng)絡(luò)中饋入無功電流或者從網(wǎng)絡(luò)中提取無功電流而將網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)中的電壓保持在規(guī)定的限度內(nèi)。
圖5示出了風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的替代方案，其連接了大量具有差動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電裝置。 為簡(jiǎn)便起見，這里每組也僅顯示三個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置。在中壓實(shí)施例中，額定電壓例如為 IOkV(裝配有所謂的他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)并且并聯(lián)的電氣差動(dòng)裝置-例如圖2中所示)的更多的風(fēng)力發(fā)電裝置饋入母線，并(在風(fēng)場(chǎng)非常大的情況下)由該母線通過組變壓器以例如 30kV的電壓水平向另一母線饋電。這里，在網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)之前也連接風(fēng)場(chǎng)變壓器，其將風(fēng)場(chǎng)中壓提高到例如IlOkV的網(wǎng)絡(luò)電壓。在這個(gè)例子中，也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)無功電流補(bǔ)償裝置，其負(fù)有將輸送到網(wǎng)絡(luò)的電壓保持在規(guī)定的限度內(nèi)的任務(wù)。特別是由于風(fēng)暴或網(wǎng)絡(luò)故障引起的功率跳躍是高度動(dòng)態(tài)的過程，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)是不能由風(fēng)力發(fā)電裝置獨(dú)立補(bǔ)償?shù)?。這里不僅指對(duì)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置的持續(xù)的電壓控制。此外，包括導(dǎo)線和變壓器的后置連接的風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，只要前述動(dòng)態(tài)的無功電流補(bǔ)償裝置沒有提供無功電流部分，就需要待由風(fēng)力發(fā)電裝置提供無功電流部分，從而可以補(bǔ)償饋入點(diǎn)中由于風(fēng)力發(fā)電裝置的功率波動(dòng)形成的電壓波動(dòng)。待由風(fēng)力發(fā)電裝置提供的該無功電流部分還依賴于風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的阻抗和要傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的電功率，并且可以從這些參數(shù)中數(shù)學(xué)地計(jì)算出來。這就意味著，在優(yōu)選的實(shí)時(shí)方式中，對(duì)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置的控制為風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的功率波動(dòng)引起的補(bǔ)償計(jì)算例如由風(fēng)力發(fā)電裝置的功率波動(dòng)要求的無功電流部分，并且可以作為額外的無功電流需求傳送到風(fēng)力發(fā)電裝置的無功電流控制。作為替代的，中央控制單元可以計(jì)算這些風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)所需的無功電流需求，并且根據(jù)定義的分配密碼作為需求(無功電流額定值)傳輸?shù)礁鱾€(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置。該中央控制單元優(yōu)選地位于網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)附近，并且由所測(cè)量的風(fēng)場(chǎng)功率和/或所測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)電壓計(jì)算出恒定電壓所需要的無功電流需求。需要補(bǔ)充的是，大部分再生能量生產(chǎn)裝置如風(fēng)力發(fā)電裝置與例如熱電廠相比具有如下缺點(diǎn)，即，由于隨機(jī)積累的驅(qū)動(dòng)能量(陣風(fēng))，在短的時(shí)間常數(shù)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大的功率跳躍。 因此，對(duì)于再生能量生產(chǎn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功電流補(bǔ)償?shù)恼n題具有特別重大的意義。另一種用于改善風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)電壓控制的動(dòng)力學(xué)的可能性在于，測(cè)量風(fēng)速可以在優(yōu)選單獨(dú)豎立的測(cè)風(fēng)桿處進(jìn)行，或者作為替代的，測(cè)風(fēng)還可以在一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置處進(jìn)行。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電裝置輸出的功率根據(jù)隨機(jī)出現(xiàn)的風(fēng)速帶有或多或少的大量延時(shí)而發(fā)生變化，可以根據(jù)所測(cè)量的風(fēng)速的改變推導(dǎo)出所期待的風(fēng)力發(fā)電裝置的功率輸出。由此隨后可以提前為網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)處的恒定電壓計(jì)算無功電流需求，以便通過所給出的測(cè)量和控制時(shí)間常數(shù)盡可能好地補(bǔ)償延時(shí)。圖6示出了待傳輸?shù)臒o功電流的額定值跳躍時(shí)，他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的典型表現(xiàn)。在時(shí)刻1. 0處，無功電流需求從OA變?yōu)?0A，其導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)中的激勵(lì)電壓立刻提高。大約持續(xù)6秒鐘無功電流穩(wěn)定在了所要求的40A。發(fā)電機(jī)電壓根據(jù)設(shè)置的無功電流而變化。圖7示出了風(fēng)力發(fā)電裝置在時(shí)刻1.0處從60%的額定功率跳到100%的額定功率的功率跳躍的近似圖片。激勵(lì)器需要大約5秒的時(shí)間無功電流才再次穩(wěn)定在OA的原始的額定值附近。此處，發(fā)電機(jī)電壓也隨著設(shè)置的無功電流擺動(dòng)。在這種情況下，利用最佳調(diào)校的激勵(lì)電壓的控制還可能有所改善，然而圖6和圖7 所示的特性不足以滿足關(guān)于電流質(zhì)量的不斷提高的要求。由于這個(gè)原因，需要改善動(dòng)態(tài)無功電流補(bǔ)償。相比于靜壓差動(dòng)裝置或液壓差動(dòng)裝置，根據(jù)圖2的電氣差動(dòng)裝置的主要特性在于直接的能流從差動(dòng)裝置6經(jīng)過變頻器7流入網(wǎng)絡(luò)。該變頻器優(yōu)選為所謂的IGBT變頻器，其中輸入網(wǎng)絡(luò)或者從網(wǎng)絡(luò)中提取的無功電流可以任意地設(shè)置。為此，可以借助于可自由編程的控制實(shí)現(xiàn)不同的控制方式或者在可能的情況下，即便在運(yùn)行過程中將這些方法適配到風(fēng)力發(fā)電裝置的不同環(huán)境和/或運(yùn)行條件中。優(yōu)選使用高度動(dòng)態(tài)的變頻器，其可以在極短時(shí)間內(nèi)向網(wǎng)絡(luò)中饋入或者從網(wǎng)絡(luò)中提取大量無功電流(直至例如變頻器的額定電流，或者在變頻器降低的時(shí)鐘頻率時(shí)甚至超出)。由此可以補(bǔ)償他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要缺陷。圖8示出了滿足該要求的控制方法。原則上為風(fēng)場(chǎng)規(guī)定無功電流額定值，其例如由外部控制規(guī)定作為常數(shù)或作為變量。該無功電流額定值可以例如由上級(jí)的風(fēng)場(chǎng)控制單元根據(jù)固定或可變的分配密碼為各個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置規(guī)定為所謂的“無功電流-WKA”作為固定參數(shù)或者變量。這里優(yōu)選但不必須地為所有風(fēng)力發(fā)電裝置定義相同的值。對(duì)于必要地補(bǔ)償后續(xù)風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)所需要的無功電流部分“用于補(bǔ)償風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的無功電流”被添加到該“無功電流-WKA”上。由這兩個(gè)值的和得到“無功電流額定值”。該“無功電流額定值”被傳送到“PI 控制器無功電流額定值發(fā)電機(jī)”。圖8示出了 PI控制器，這里也可以替換為其他的控制器類型?！癙I控制器無功電流額定值發(fā)電機(jī)”通常以相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)工作，但是由于發(fā)電機(jī)的大功率容量可以持續(xù)提供大量無功電流，其中時(shí)間常數(shù)即周期時(shí)間，在該周期時(shí)間內(nèi)，無功電流值(在這種情況下)可能發(fā)生改變。比較器比較“實(shí)際無功電流”和“無功電流額定值”。相對(duì)功率較弱的變頻器7(圖2)在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充提供根據(jù)“無功電流額定值”缺少的無功功率，或者在無功電流過量時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中獲取該無功功率。“PI控制器無功電流額定值變流器”計(jì)算待由變頻器7提供的無功電流。兩個(gè)控制電路都優(yōu)選具有所謂的“限制器”，為發(fā)電機(jī)和變頻器限制可能的無功電流。圖9示出了該控制方法的效果。“無功電流變流器”疊加到由圖7可知的“無功電流發(fā)電機(jī)”的時(shí)間變化曲線上。這里假設(shè)變頻器在50ms內(nèi)可以將電流從0調(diào)高到額定電流。通過這個(gè)短的時(shí)間常數(shù)，變頻器可以相對(duì)快速地平衡“無功電流發(fā)電機(jī)”的不必要的偏差，由此“無功電流額定值”的最大偏差不再是之前的17A而僅為3A，其中時(shí)間常數(shù)即周期時(shí)間，在該周期時(shí)間內(nèi)，無功電流值(在這種情況下)可能發(fā)生改變。相應(yīng)的，這里只還可以識(shí)別出一個(gè)“WKA電壓”的不重要的波動(dòng)。通過變頻器可以如下方式更精確或者至少更快速地補(bǔ)償“無功電流發(fā)電機(jī)”，即只要基于風(fēng)力發(fā)電裝置控制的功率/扭矩/跳躍命令推導(dǎo)出改變的無功電流需求，并且在無功電流控制時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)阻抗和待傳輸?shù)墓β式柚跀?shù)學(xué)模型相應(yīng)地規(guī)定該無功電流需求， 則通過變頻器縮短用于無功電流補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間。除了上述借助電氣差動(dòng)裝置的關(guān)于無功電流控制的措施之外，還有一個(gè)重要的為了一般要求的高電流質(zhì)量而需要考慮的方面。這就是，即使在網(wǎng)絡(luò)電壓故障的情況下，風(fēng)力發(fā)電裝置也應(yīng)該保持在網(wǎng)絡(luò)上。這個(gè)特性一般被稱為低電壓穿越 (Low-Vo 1 tage-Ride-Through, LVRT)或高電壓穿越(High-Vo 1 tage-Ride-Through, HVRT)， 其在不同的準(zhǔn)則(例如由E. ON網(wǎng)絡(luò)制定的)中被精確的定義。即便在LVRT事件中，在網(wǎng)絡(luò)饋入點(diǎn)電壓驟降到最不利的0V，或者是過電壓的HVRT事件中，風(fēng)力發(fā)電裝置也如前所述保留在網(wǎng)絡(luò)上，這就意味著，發(fā)電機(jī)8(圖2)的轉(zhuǎn)速必須在一定范圍內(nèi)保持恒定以使得在電壓返回時(shí)(即電壓返回到額定值)發(fā)電機(jī)8與網(wǎng)絡(luò)保持同步。此外，在HVRT事件中，只要例如所謂的過電壓放電器未提供足夠的防護(hù)，則變頻器在一定情況下可以取自網(wǎng)絡(luò)，以便防護(hù)難以承受的過電壓。
圖10顯示了在可能的LVRT事件中，一個(gè)5麗的風(fēng)力發(fā)電裝置的差動(dòng)裝置的功率變化曲線，在該事件中，網(wǎng)絡(luò)電壓在時(shí)刻0經(jīng)500ms降為零。參考差動(dòng)裝置6的實(shí)施方式圖 2，在LVRT事件一開始提供大概300kW的功率之后，在最短的時(shí)間內(nèi)該功率降到OkW。接著差動(dòng)裝置6接收了直到大概300kW的功率。由于在該時(shí)刻根本沒有或者至少?zèng)]有足夠的網(wǎng)絡(luò)供給，差動(dòng)裝置6不能維持足夠的轉(zhuǎn)速/力矩控制，并且風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子1可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)8傾覆(kippen)，這樣發(fā)電機(jī)8不再能保持要求的轉(zhuǎn)速，以便在電壓返回時(shí)與網(wǎng)絡(luò)同步。所示例子只是顯示了差動(dòng)裝置6功率隨時(shí)間變化的一種可能性。根據(jù)隨機(jī)的風(fēng)力表現(xiàn)和對(duì)于風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子1或差動(dòng)裝置6在LVRT事件開始時(shí)刻的當(dāng)前轉(zhuǎn)速/功率，在一開始差動(dòng)裝置6必須獲得功率也同樣是理所當(dāng)然的。為了避免發(fā)電機(jī)8傾覆，圖11根據(jù)本發(fā)明示出了具有下列配置的電氣差動(dòng)裝置。 該差動(dòng)裝置14連接到變頻器15，該變頻器由電動(dòng)機(jī)側(cè)的IGBT橋16和網(wǎng)絡(luò)側(cè)IGBT橋17以及支持電容的直流中間回路18組成。變頻器15的電壓借助于變壓器19與發(fā)電機(jī)電壓匹配。中間回路存儲(chǔ)器20與直流中間回路18連接，此外該中間回路存儲(chǔ)器優(yōu)選具有電容器 21。作為替代的，還例如可以使用蓄電池。電容器21優(yōu)選為所謂的超級(jí)電容器，其在風(fēng)力發(fā)電裝置中作為用于轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)的蓄能器已被廣泛使用。待使用的電容器21所需的容量由在網(wǎng)絡(luò)故障期間驅(qū)動(dòng)差動(dòng)裝置所需的能量之和求得。這里需要考慮，中間回路存儲(chǔ)器20必須既提供能量又存儲(chǔ)能量，其中哪個(gè)要求先出現(xiàn)是未知的。這就是說，中間回路存儲(chǔ)器20優(yōu)選地部分被加載，在這種狀態(tài)下就肯定有足夠的涉及最大必須的供給空間的容量和最大必需的存儲(chǔ)空間。由根據(jù)圖10的例子可以推導(dǎo)出，差動(dòng)裝置的能量產(chǎn)出一開始大概為10kJ，隨后的能量需求為大約50kJ。隨后，產(chǎn)出水平/需求水平逐漸平坦，或者LVRT事件最后在總共 500ms后結(jié)束。這就是說，設(shè)計(jì)為IOOkJ的中間回路存儲(chǔ)器20應(yīng)該預(yù)加載大概50kJ。出于優(yōu)化的目的，中間回路存儲(chǔ)器20的預(yù)加載可以根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)速在基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速以下時(shí)差動(dòng)裝置以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行，所以在該運(yùn)行區(qū)間內(nèi)首先從中間回路存儲(chǔ)器20中接收能量。這就是說，中間回路存儲(chǔ)器20必須根據(jù)最大的待傳輸能量需求而被加載。相反地，在風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)速高于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速時(shí)，差動(dòng)裝置以發(fā)電機(jī)的形式運(yùn)行，這就意味著，差動(dòng)裝置首先為中間回路加載，以便之后根據(jù)圖 10轉(zhuǎn)換為接收。這種情況下，預(yù)加載可以較少，由此中間回路存儲(chǔ)器20的最大必須存儲(chǔ)空間也降低。這就是說，為了能夠如圖10實(shí)施例中從中間回路存儲(chǔ)器提供足夠的能量，必須預(yù)加載大概40kJ。對(duì)于總需求仍然缺少的IOkJ將在LVRT事件開始時(shí)由差動(dòng)裝置加載。由于最小必需的存儲(chǔ)器能量原則上與風(fēng)力發(fā)電裝置的額定功率關(guān)聯(lián)，因此對(duì)于優(yōu)化過的變量，對(duì)于中間回路存儲(chǔ)器20最少需要的存儲(chǔ)器能量定義為大約8kJ/MWmM_ 置-額定_)，或者包括大約12kJ/MW(MA發(fā)電裝翻定_)的足夠的儲(chǔ)備。相反地，在一開始描述的設(shè)計(jì)變量中要求至少20kJ/MW(風(fēng)力發(fā)電裝置-額定功率)。此外應(yīng)考慮，在很多情況下LVRT事件最長(zhǎng)持續(xù)150ms，所要求的存儲(chǔ)器能量下降為上述最少需要的大概ma/MWrntiwa-g^；； )的存儲(chǔ)器能量的1/3，也就是降為大概
2· 5kJ/l\W(風(fēng)力發(fā)電裝置-額定功率)。如果中間回路存儲(chǔ)器裝配有電容器，則可以根據(jù)下述方程設(shè)計(jì)能量[J]=電容量[F] *電壓[V] 2/2
此外，在變頻器的直流中間回路中的電壓典型地在電壓上限SpO = 1150V和電壓下限SpU = 900V之間搖擺。這就是說，在這種情況下，最大可用存儲(chǔ)器能量由下式得出可用存儲(chǔ)器能量=電容量* (SpO2-SpU2)/2。在裝置的正常運(yùn)行期間一也就是說，既沒發(fā)生LVRT事件也沒發(fā)生HVRT事件，中間回路存儲(chǔ)器20分別根據(jù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)加載其可用存儲(chǔ)器能量的20%到80%，由于這種加載狀態(tài)，對(duì)于所有可以考慮到的運(yùn)行狀態(tài)而言都有足夠的容量。需要補(bǔ)充的是，在專業(yè)的設(shè)計(jì)中，支持電容器的直流中間回路18的總體更小的電容器包可以被中間回路存儲(chǔ)器20取代。還可以使用蓄能器作為中間回路存儲(chǔ)器20，其大小被設(shè)計(jì)為使得其不僅可以承擔(dān)之前提到的中間回路存儲(chǔ)器20的功能還可以同時(shí)承擔(dān)蓄能器為其他技術(shù)裝置一如風(fēng)力發(fā)電裝置，例如轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)一供電的功能。變頻器15通過必須的控制用于適當(dāng)?shù)丶虞d中間回路存儲(chǔ)器20。出于該目的，優(yōu)選測(cè)量中間回路存儲(chǔ)器20的電壓。作為替代的，中間回路存儲(chǔ)器20還可以借助于單獨(dú)的加載裝置而被加載。為了最佳的電流質(zhì)量，還要處理他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的高次諧波的問題。圖12示出了他勵(lì)同步電機(jī)典型的高次諧波頻譜。這里3、5、7、13次(級(jí))諧波尤其突出。相比具有例如全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，這些諧波可以相對(duì)高度地且通過適當(dāng)?shù)姆绞浇档?。降低該諧波值的一種可能性是借助于所謂的轉(zhuǎn)子的傾斜和/或轉(zhuǎn)子和定子的節(jié)距縮短，相應(yīng)機(jī)械地設(shè)計(jì)同步電動(dòng)機(jī)。然而這種方法使得生產(chǎn)費(fèi)用提高，或者由于缺失技術(shù)前提而限制了可能的供貨商的可用性。為了最佳的電流質(zhì)量，還可以補(bǔ)充地處理他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的高次諧波的問題。圖 12示出了他勵(lì)同步電機(jī)典型的高次諧波頻譜。這里是3、5、7、13次(級(jí))諧波尤其突出。 相比具有例如全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，這些諧波可以相對(duì)高度地且通過適當(dāng)?shù)姆绞浇档?。降低該諧波值的一種可能性是借助于所謂的轉(zhuǎn)子的傾斜和/或轉(zhuǎn)子和定子的節(jié)距縮短，相應(yīng)機(jī)械地設(shè)計(jì)同步電動(dòng)機(jī)。然而這種方法使得生產(chǎn)費(fèi)用提高，或者由于缺失技術(shù)前提而限制了可能的供貨商的可用性。因此，現(xiàn)有的變頻器7被用于同步發(fā)電機(jī)諧波的有源濾波。圖13示出了已知的方法，所謂的頻率范圍方法，包括以下級(jí)坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、濾波器、控制器、限制器、去耦裝置 /預(yù)旋和反變換。由此可以通過變頻器產(chǎn)生諧波電流，其與所測(cè)量的電流反相，并因此有選擇地補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電流中諧波。除了發(fā)電機(jī)的諧波外，在網(wǎng)絡(luò)中還可能存在其他的諧波，其例如出自變頻器自身或者以其他方式存在并且其同樣降低電流質(zhì)量。通過測(cè)量網(wǎng)絡(luò)電壓采集全部的高次諧波并且可在有源濾波中予以考慮。圖14示出了經(jīng)有源濾波掉3、5、7、13次諧波的高次諧波頻譜的實(shí)質(zhì)改善。改善的質(zhì)量依賴于變頻器的所謂時(shí)鐘頻率，其中利用較高的時(shí)鐘頻率得到較好的結(jié)果。上述實(shí)施例可以同樣實(shí)現(xiàn)于技術(shù)類似的應(yīng)用中。這主要涉及充分利用水流和洋流的水電站。如用于風(fēng)力發(fā)電裝置的同樣的基礎(chǔ)條件適用于該應(yīng)用，即可變的流速。驅(qū)動(dòng)軸在這種情況下被由流介質(zhì)一例如水一驅(qū)動(dòng)的裝置直接或間接地驅(qū)動(dòng)。隨后，驅(qū)動(dòng)軸直接或間接地驅(qū)動(dòng)差動(dòng)傳動(dòng)裝置。
權(quán)利要求
1.一種能量生產(chǎn)裝置，尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置，包括與轉(zhuǎn)子(1)連接的驅(qū)動(dòng)軸、發(fā)電機(jī) (8)，并包括具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)或從動(dòng)裝置的差動(dòng)傳動(dòng)裝置(11到13)，其中第一驅(qū)動(dòng)裝置與所述驅(qū)動(dòng)軸連接，從動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)(8)連接并且第二驅(qū)動(dòng)裝置和電氣的差動(dòng)裝置(6，14)連接，并且所述差動(dòng)裝置(6，14)通過具有直流中間回路(18)的變頻器(7，15)與網(wǎng)絡(luò)(10)連接，其特征在于，所述變頻器(7，1幻在所述直流中間回路(18)中具有電氣的蓄能器(20)。
2.如權(quán)利要求1所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器00)與所述直流中間回路(18)并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器00)具有至少一個(gè)電容器01)。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)具有至少一個(gè)蓄電池。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)能夠由變頻器(15)加載。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)和單獨(dú)的加載裝置連接。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)具有可用的存儲(chǔ)器能量，所述存儲(chǔ)器能量根據(jù)如下公式計(jì)算存儲(chǔ)器能量=電容量* (SpO2-SpU2)/2，其中，SpO為電壓上限，SpU為電壓下限。
8.如權(quán)利要求7所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)具有的可用存儲(chǔ)容量為每至少為2. ^j，優(yōu)選至少為ma，特別優(yōu)選至少為UkJ，尤其至少為20kJ。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)在所述裝置正常運(yùn)行時(shí)加載程度為20%到80%。
10.如權(quán)利要求1至9之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述蓄能器OO)用于為所述能量生產(chǎn)裝置的其他技術(shù)裝置供電，所述其他技術(shù)裝置例如是轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述變頻器(7、15)的無功電流是可調(diào)節(jié)的。
12.如權(quán)利要求1至11之一所述的能量生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述變頻器(7、15)能被控制以對(duì)所述能量生產(chǎn)裝置的諧波、尤其是發(fā)電機(jī)(8)的諧波，進(jìn)行有源濾波。
13.—種運(yùn)行能量生產(chǎn)裝置的方法，所述能量生產(chǎn)裝置尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置，所述能量生產(chǎn)裝置包括具有電氣的差動(dòng)裝置(6、14)的差動(dòng)傳動(dòng)裝置(11到13)，其中所述差動(dòng)裝置 (6,14)通過具有直流中間回路(18)的變頻器(7、15)與網(wǎng)絡(luò)(10)連接，其特征在于，在網(wǎng)絡(luò)(10)中出現(xiàn)電壓擾動(dòng)或電壓消失或過電壓的情況下，借助于所述變頻器(7，1幻的直流中間回路(18)中電氣的蓄能器OO)向所述差動(dòng)裝置(6，14)供電。
14.一種運(yùn)行能量生產(chǎn)裝置的方法，所述能量生產(chǎn)裝置尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置，所述能量生產(chǎn)裝置包括具有電氣的差動(dòng)裝置(6、14)的差動(dòng)傳動(dòng)裝置(11到13)，其中所述差動(dòng)裝置 (6,14)通過具有直流中間回路(18)的變頻器(7、15)與網(wǎng)絡(luò)(10)連接，其特征在于，在網(wǎng)絡(luò)(10)中出現(xiàn)電壓擾動(dòng)或電壓消失或過電壓的情況下，所述差動(dòng)裝置陽(yáng)、14)向變頻器(7，15)的直流中間回路(18)中的電氣的蓄能器(20)輸送電能。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，中間回路存儲(chǔ)器Q0)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置的運(yùn)行狀態(tài)被加載。
全文摘要
一種能量生產(chǎn)裝置，尤其是風(fēng)力發(fā)電裝置，包括與轉(zhuǎn)子(1)連接的驅(qū)動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)(8)并包括具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置及從動(dòng)裝置的差動(dòng)傳動(dòng)裝置(11到13)，其中第一驅(qū)動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)(8)連接并且第二驅(qū)動(dòng)裝置和電氣差動(dòng)裝置(6，14)連接。差動(dòng)裝置(6，14)通過變頻器(7，15)與網(wǎng)絡(luò)(10)連接，其中直流中間回路(18)中的變頻器(7，15)具有電氣的蓄能器(20)。
文檔編號(hào)F03D9/02GK102405572SQ201080017362
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者格拉爾德·黑亨貝格爾 申請(qǐng)人:格拉爾德·黑亨貝格爾