变流器的控制模块、控制单元和其控制方法以及风能设备

技术领域

本发明涉及变流器尤其风能设备的功率变流器的控制模块，所述控制模块设立用于操控变流器，使得变流器模仿同步电机的性能。

本发明还涉及一种具有这种控制模块的控制单元、一种具有这种控制模块的变流器以及一种用于控制该控制模块的方法和一种具有这种控制模块和/或执行这种方法的风能设备。

背景技术

由于传统的、通过同步发电机驱动的发电厂日益受可再生的、基于变流器的发生器排挤，经典的同步发电机越来越多丧失在供电网内的影响。

由于同步发电机的这种减少，同样引起传统的、稳定供电网的惯性的减少。

因为在供电网内的这种变化的影响几乎是未经研究的，所以存在如下考虑：将可再生的发生器的变流器运性能，使得所述变流器在供电网处如同步电机一样起作用。换言之，变流器应模仿同步电机的性能，而在此不会失去换流器技术的优势。这种如此运行的变流器也称为虚拟同步电机。

近年来，为此提出了各种各样的用于同步电机模仿的调控方法。

所述方法中的一些，例如在R.Rosso，J.Cassoli，G.Buticchi，S.Engelken和M.Liserre的“Robust stability analysis of LCL filter based synchronverterunder different grid conditions”(IEEE Trans.Power Electron，2018，doi：10.11 09/TPEL.2018.2867040)中所示出的那样，甚至相对于标准建立的变流器调控方法具有优点，尤其是在所谓的弱电网处，即短路功率低，例如短路比(short circuit ratio SCR)<4的电网。

迄今为止已知的用于借助于变流器模仿同步电机的方法的缺点在于，所述方法并非针对可能的在供电网中出现的电网故障来设计。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题中的至少一个，尤其要提出一种用于克制针对虚拟同步电机的电网故障的调控方法，优选用于即使在电网故障和变流器的硬件特性的边缘条件下也能够继续再现真实同步电机的特性。

因此，根据本发明提出变流器尤其风能设备的功率变流器的控制模块，所述控制模块设立用于操控变流器，使得变流器模仿同步电机的性能，所述控制模块包括尤其内部的调节回路，所述调节回路具有尤其可设定的虚拟导纳，借助于所述虚拟导纳操控变流器，以便模仿同步电的性能。

因此，控制模块设立用于如虚拟同步电机一样地运行变流器，尤其使得变流器在供电网处静态地和动态地看起来像同步电机一样。

如果在下文提到虚拟值，例如虚拟的凸极转子电压(Polradspannung)，那么尤其应将其理解为如下值，所述值在变频器操控中与正常同步电机的值相对应。对变流器的控制在此尤其经由或借助于虚拟导纳来进行，所述虚拟导纳例如在内部的调节回路优选电流调节回路中使用。

调节回路例如包括在变流器的连接点处检测到的电网电压和虚拟同步电机的虚拟凸极转子电压之间的电压平衡，其结果经由虚拟导纳引导，以便产生变流器的电流期望值。

通过使用虚拟导纳，尤其可行的是，将虚拟同步电机的电流幅度设定为，尤其使得在电网故障情况下由虚拟同步电机产生的电流幅度不超过变流器硬件的边缘条件。

这是基于如下假设：在模仿中，恰好如在真实的同步电机中一样，在电网故障期间可能会出现显著过高的(电流)幅度，所述幅度是定子电流的额定值的数倍。但是，只有当变流器相应地针对这些电流超规格设计时，才可能再现这种性能。

而本发明提出，借助于虚拟导纳来设定这些电流。

在一个特别优选的实施方式中，虚拟导纳例如能够借助于导纳调节装置来设定，也就是说，虚拟导纳的值能够在持续运行中改变，并且尤其能够匹配于可能的电网和/或硬件要求。

在使用虚拟导纳时，还特别有利的是，既能够再现电压源的性能，又能够确保对变流器电流的控制。

优选地，虚拟导纳定义为：

其中Z

由此尤其可行的是，例如通过预设欧姆分量R

优选地，在此欧姆分量R

优选地，虚拟导纳Y

因此，尤其提出，虚拟导纳是电流调节回路的组成部分，所述电流调节回路优选用于产生变流器的电流期望值。

优选地，调节回路，尤其内部的调节回路还具有电压平衡，所述电压平衡形成虚拟的凸极转子电压e*和在变流器的连接点处测量的电压V

也就是说，虚拟导纳根据电压值产生电流期望值。

优选地，电压值在此由虚拟的凸极转子电压e*和在变流器的连接点处测量的电压V

虚拟的凸极转子电压e*能够例如通过外部调节回路，尤其如下所述的外部调节回路提供。

优选地，外部调节回路设立用于模仿虚拟同步电机，尤其用于预设或生成虚拟的凸极转子电压。

在变流器的连接点上测量的电压V

由虚拟导纳生成的电流期望值然后例如能够用于控制变流器，尤其由变流器产生的优选三个三相的交变电流。

此外，优选地使用电流检测，所述电流检测设立用于检测由变流器产生的电流，尤其下文所描述的电流i

优选地，调节回路尤其内部调节回路还具有电流调节装置，所述电流调节装置设立用于从第一或第二电流期望值i*，i**和由变流器产生的电流i

也就是说，调节回路尤其还包括平衡器，尤其另外的平衡器，所述平衡器将电流期望值i*，i**与由变流器产生的电流i

该平衡器也能够称为电流控制装置。

如果例如电流期望值i*，i**大于由变流器产生的电流i

如果例如电流期望值i*，i**小于由变流器产生的电流i

优选地，调节回路尤其内部调节回路还具有电流限制装置，尤其包括幅度和/或电流幅度限制装置，其将第一电流期望值i*限制为第二电流期望值i**。

因此，还提出，控制模块具有电流限制装置。

所述限制装置在此尤其用于限制由变流器产生的电流，尤其限制其幅度。

为此，例如第一电流期望值借助于变换，例如dq变换分解为角度和幅度，并且紧接着限制幅度。

这在如下情况下是特别有利的：例如外部的调节回路或内部的调节回路可能引起大于变流器的边缘条件尤其硬件边缘条件的电流。也就是说，在这种情况下，电流限制装置将通过内部的调节回路产生的第一电流期望值i*限制为第二电流期望值i**。

在一个优选的实施方式中，电流极限是可参数化的和/或在持续运行中可设定，尤其设定为最大允许电流值，所述最大允许电流值引起对应于第二电流期望值i**的电流。

优选地，电流限制装置还具有变换，尤其dq变换或αβ变换，所述变换将第一电流期望值i*分解为幅度I

因此，尤其提出，不仅限制第一电流期望值i*的瞬时值或即时值，而且还限制空间矢量的幅度。

这例如能够通过借助于对称分量法变换到αβ坐标中和/或变换到分解中来进行。

在这种情况下特别有利的是，通过所述变换能够实现限制装置的更高的精度，同时在调节技术上更少的干预，尤其因为优选保持限制装置不触及角度。

也就是说，在一个优选的实施方式中，仅幅度而不是角度或相位受到限制。

优选地，电流限制装置还具有逆变换，所述逆变换设立用于根据一个幅度或所述幅度I

因此，尤其还提出，借助于逆变换从受限制的幅度I

在一个特别优选的实施方式中，逆变换具有与所述变换相同的变换类型，例如dq变换或αβ变换。

优选地，电流限制装置还具有信号输入端，所述信号输入端设立用于接收另一调节回路，尤其外部的调节回路的频率或角度信号。

因此，尤其提出，电流限制装置利用内部基准，例如下文所述的基准角θ工作，尤其用于在电网故障情况中确定电流期望值，尤其第二电流期望值i**的正确的相位位置。

从外部调节回路中计算出的基准角θ例如用于将电流期望值i*，i**从abc坐标转换为dq或αβ坐标，尤其用于计算空间矢量的幅度和相位。

优选地，电流限制装置具有分量分解部，所述分量分解部设立用于尤其借助于内部的基准角θ将一个幅度I

因此，尤其也提出，电流限制装置在正序和负序中工作。

在这种情况下，特别有利的是，在非对称的电网故障的情况下也能够使用电流限制装置。

优选地，电流限制装置还具有分量组合部，所述分量组合部设立用于从一个幅度I

因此，尤其也提出将第一电流期望值i*分解成正序分量和负序分量，以限制幅度并且将由此所产生的系统反变换回第二电流期望值i**。

优选地，所述调节回路，尤其内部调节回路还具有导纳调节装置，尤其用于限制变流器电流，所述导纳调节装置设立用于改变虚拟导纳Y

导纳调节装置例如设立用于，计算欧姆分量R

通过提高虚拟导纳Y

优选地，导纳调节装置还具有比较器，所述比较器包括：虚拟导纳Y

因此，尤其提出，经由比较来设定虚拟导纳Y

导纳调节装置例如包括用于计算欧姆分量R

然后将如此计算出的值R

然后，例如如果电感分量的计算值L

例如如果欧姆分量的计算值R

优选地，导纳调节装置还具有滤波器，优选卡尔曼滤波器，其设立用于估计电网电压幅度V

因此，尤其提出，导纳调节装置基于电网电压幅度V

为此，导纳调节装置例如能够具有导纳计算机。

优选地，导纳调节装置具有导纳计算机，所述导纳计算机设立用于确定虚拟导纳Y

根据本发明，还提出变流器尤其风能设备的功率变流器的控制单元，所述控制单元设立用于操控变流器，使得所述变流器模仿同步电机的性能，包括：调节回路，尤其外部调节回路，所述调节回路用于产生内部的基准角θ和/或虚拟的凸极转子电压e*，至少具有开关，所述开关设立用于在供电网中存在电网故障的情况下闭合或断开，尤其用于提供具有恒定的幅度和恒定的相位角的空间矢量。

因此，控制单元具有至少一个开关，一旦识别到故障，所述开关就改变位置，使得虚拟同步电机的虚拟的凸极转子电压在具有恒定的幅度和相位角的空间矢量中可用。

然后，所述虚拟的凸极转子电压例如能够用作为凸极转子电压e*，尤其用于上文中或下文中描述的控制模块，尤其内部调节回路或所述内部调节回路。

优选地，空间矢量用作为控制模块的输入信号，所述控制模块产生控制值，以便控制变流器。

优选地，控制模块是上文中或下文中描述的控制模块。

根据本发明，提出一种用于控制变流器尤其风能设备的变流器的方法，所述方法包括以下步骤：检测变流器的连接点处的电压V

优选地，根据电流期望值i*，i**计算控制值S，其中所述方法还包括以下步骤：通过电流限制装置限制电流期望值i*。

优选地，这利用上文中或下文中描述的控制模块或上文中或下文中描述的控制单元来进行。

根据本发明，还提出一种变流器，尤其风能设备的变流器，其包括至少一个控制单元，尤其如上文或下文所描述的控制单元，其中所述控制单元设立用于利用虚拟导纳操控变流器，使得变流器模仿同步电机的至少一个性能。

在一个优选的实施方式中，变流器构成为逆变器并且设立用于将三相电流馈入三相电网，例如风电场电网或供电网中。

变流器也能够模块化地构成，也就是说，能够具有多个并联的变流器模块和/或逆变器模块。

优选地，变流器是可再生的发生器的变流器，所述发生器例如是风能设备或PV设备，或者是能量储存器或FACTS，尤其STATCOM或UPFC，其设立用于将三相电流馈入到电网中。

根据本发明，还提出一种风能设备，其包括上文中或下文中描述的控制模块和/或上文中或下文中描述的控制单元和/或上文中或下文中描述的变流器和/或包括变流器的设立用于执行上文中或下文中所描述的方法的控制单元。

附图说明

现在在下文中参考附图示例性地根据实施例详细阐述本发明，其中相同的附图标记用于相同或相似的组件。

图1示出根据一个实施方式的风能设备的示意图。

图2示出根据一个实施方式的在连接点处的风能设备的示意图。

图3示出根据一个实施方式的变流器的控制模块。

图4示出根据另一实施方式的变流器的具有电流限制装置的控制模块。

图5示出根据一个优选的实施方式的变流器的具有导纳调节装置的控制模块。

图6示出根据一个优选的实施方式的变流器的具有另一电流限制装置的控制模块。

图7示出根据一个优选的实施方式的变流器的具有一个优选的电流限制装置的控制模块，所述电流限制装置尤其用于非对称的电网故障。

图7A示出根据一个优选的实施方式的变流器的具有一个优选的电流限制装置的控制模块，所述电流限制装置尤其用于非对称的电网故障，包括校正。

图7B示出根据一个优选的实施方式的变流器的具有一个优选的电流限制装置的控制模块，所述电流限制装置尤其用于非对称电网故障，包括在替选的设计方案中的校正。

图8示出一个优选的实施方式中的变流器的控制单元。

具体实施方式

图1示出根据一个实施方式的风能设备100的示意图。

为此，风能设备100具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。转子106在运行时通过风置于旋转运动并从而驱动吊舱104中的发电机。

发电机借助于变流器连接到电网上，例如风电场电网或供电网，以便馈入三相的交流电。

为此，风能设备包括上文中或下文中描述的控制模块和/或上文中或下文中描述的控制单元和/或上文中或下文中描述的变流器和/或变流器的设立用于执行上文中或下文中描述的方法的控制单元。

图2示出根据一个实施方式的在连接点200处的风能设备100的示意图。

风能设备100具有逆变器110和控制单元1000。

控制单元1000设立用于执行上文中或下文中描述的方法，并且尤其借助于控制值S操控逆变器110，使得该逆变器模仿同步电机。

为此，控制单元1000尤其具有电压检测装置和/或电流检测装置1002，所述电压检测和/或电流检测装置1002设立用于检测第一相的第一电压、第二相的第二电压和第三相的第三电压，尤其风电场电网300的三个相和/或由变流器产生的电流i

由变流器110产生的电流i

风电场电网300还经由变压器400和连接线路500与供电网600连接。

图3示出根据一个实施方式的变流器110的控制模块1100。

控制模块1100包括内部调节回路1150，所述内部调节回路具有可设定的虚拟导纳1160，借助所述虚拟导纳操控变流器以模仿同步电机的性能。

虚拟导纳1160，也能够称为Y

其中Z

优选地，虚拟导纳在变流器持续运行中，尤其如在上文中或下文中所描述的那样，借助于虚拟阻抗的欧姆分量R

借助于电压平衡器，虚拟导纳1160从虚拟的凸极转子电压e*和在变流器的连接点处测量的电压V

该电流期望值i*借助于电流调节装置1170转换为控制值S，尤其用于操控变流器。

也就是说，电流调节装置1170尤其设立用于从第一电流期望值i*和由变流器产生的电流i

电流调节装置1170在此尤其将电流期望值i*与由变流器产生的电流i

图4示出根据另一实施方式的尤其如在图3所示出的那样的变流器的控制模块1100，所述控制模块具有电流限制装置1180。

控制模块1100在内部调节回路1150中具有电流限制装置1180，所述电流限制装置设置在虚拟导纳1160和电流调节装置1170之间。

因此，电流限制装置同样是内部的调节回路的组成部分，并且优选地设立用于例如通过预设电流期望值i*的电流最大值和/或电流最小值将由虚拟导纳1160产生的第一电流期望值i*限制为第二电流期望值i**。

因此，电流调节装置1170还设立用于从第二电流期望值i**和由变流器产生的电流i

图5示出根据另一实施方式的尤其如在图4所示出的那样的变流器的控制模块1100，所述控制模块具有导纳调节装置1190。

控制模块1100在内部的调节回路1150中还具有导纳调节装置1190，所述导纳调节装置设立用于改变或设定虚拟导纳Y

尤其地，借助于导纳调节装置1190能够提高导纳Y

为此，导纳调节装置1190包括滤波器和/或积分器块1192，其设立用于对在连接点处检测到的电压V

优选地，滤波器和/或积分器块1192为此具有卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器设立用于估计电网电压幅度V

附加地或替选地，滤波器和/或积分器块1192优选具有积分器，优选二阶广义积分器，其设立用于估计电网电压幅度V

通过滤波器和/或积分器块1192确定的电网电压幅度V

导纳计算机1194设立用于：确定虚拟导纳Y

然后将这样计算的值R

比较器1194包括虚拟导纳Y

此外，比较器设立用于将受控值s1，s2与虚拟导纳Y

紧接着将该比较结果用于根据以下公式设定虚拟导纳Y

也就是说，尤其提出，在变流器正常运行时预设欧姆分量R

此外，设有附加的块，即导纳调节装置1190，所述块根据电压幅度V

图6示出根据另一实施方式的尤其如在图5中所示的那样的变流器的控制模块1100，所述控制模块具有另一电流限制装置1180。

电流限制装置1180包括变换部1182、幅度限制部1184和逆变换部1186。

变换部1182例如是dq变换部或αβ变换部，其设立用于将第一电流期望值i*或所述第一电流期望值i*分解成幅度I

幅度I

因此，幅度限制部1184将第一电流期望值i*的幅度I

紧接着，借助逆变换部1186将角度I

然后，将第二电流期望值i**输送给电流调节装置CC。

为了优化，还使用内部的基准角θ，所述内部的基准角例如通过外部的调节回路来计算，例如在图8中所示出的那样。

内部的基准角θ尤其在变换时使用，尤其用于在变换时获得更精确的幅度和更精确的角度。

图7示出根据另一实施方式的尤其如在图6中那样的变流器的控制模块的一个优选的实施方式，所述控制模块具有优选的电流限制装置，尤其用于非对称的电网故障。

当出现非对称的电网故障时会导致变流器非对称地承受负荷。这又导致每个相都具有不同的电流幅度。

为了有针对性地限制不同相的不同幅度，因此提出，允许滤波器和/或积分器块1192相位精度地工作。

为此，滤波器和/或积分器块1192例如具有卡尔曼滤波器KF，其估计相a，b，c的电压的各个幅度。

借助于比较运算器1193比较如此估计的值，其中然后将最低的瞬时值用于计算虚拟导纳Y

此外，电流限制装置1180除了例如通过αβ变换部执行到正序和负序中的变换的变换部1182外，还包括用于正序的分解单元1183、用于负序的分解单元1184、幅度限制部1185、用于正序的重建部1186和用于负序的重建部。

也就是说，尤其提出，借助于分解单元1183、1184将幅度和角度分解为正序分量和负序分量，然后借助于幅度限制部1185限制幅度并且紧接着将由此获得的分量借助于重建部1186、1187转换为第二电流期望值i**。

在此，优选分解为正序的电流幅度I

然后将第二电流期望值**输送给电流调节装置CC。

为了进一步优化，即使在分解成正序和负序时也考虑基准角θ，所述基准角例如通过外部的调节回路计算，例如在图8中所示出的那样。

在这种情况下特别有利的是，在变换时并且在分解时使用同一内部的基准角，由此在变换部1182和分解部1183、1184之间不需要同步单元。

图7A示出如在图7所示出的控制模块的另一实施方案。

控制模块1100附加地包括校正部1188，所述校正部设置在幅度限制部1185和导纳计算机1194之间，尤其呈反馈回路的形式。

校正部1188例如包括幅度确定部和校正因子。

因为虚拟导纳的计算根据所测得的电网电压的幅度和虚拟的凸极转子电压的幅度来进行，尤其用于能够限制变流器的最大电流，所以电网电压的精确的相位角是有利的。为此设有校正部1188。如果在调整虚拟导纳之后变流器电流的幅度仍然超过最大值，那么通过校正部1188相应地修正虚拟导纳的幅度，尤其以便能够将电流期望值限制在其最大值以下。图7A在一个替选的设计方案中示出如在图7所示出的控制模块的另一实施方案。

控制模块1100具有在图7A中描述的校正部1188，其包括幅度确定部AMP_EST和校正因子CT。

电流限制装置1180′具有相对于图7中的电流限制装置1180的替选的设计方案。

电流限制装置1180'借助于三个相位确定部EST

与以前的变型形式相比，优点在于，不必将三相系统的所产生的期望值分解为正序分量和负序分量。

图8在一个优选的实施方式中示出在变流器中，尤其在如图2所示的变流器110中的控制单元1000。

控制单元包括在上文中或下文中描述的控制模块1100，尤其包括：内部的调节回路、用于产生内部的基准角θ和虚拟的凸极转子电压e*的外部的调节回路1200以及切换设备1300。

控制模块1100如上文或下文中所述地构造，并且设立用于产生用于操控变流器的控制值S，尤其根据虚拟的凸极转子电压e*、内部的基准角θ、在变流器的连接点处检测到的电压V

为此，例如通过上文或下文中所述的电压和/或电流检测装置来检测在变流器的连接点处的电压V

为此，外部的调节回路1200包括计算单元1210、有功功率路径1220、无功功率路径1230和计算单元1240，其中有功功率路径也能够称为有功功率回路(英语是active powerloop)，并且无功功率路径也被称为无功功率回路(英语是re-active power loop)。也就是说，外部的调节回路1200具有两条分开的路径，即一条用于有功功率而一条用于无功功率。

计算单元1210设立用于，根据在变流器的连接点处检测到的电压V

有功功率P用作为有功功率路径1220的输入变量。

无功功率Q用作为无功功率路径1230的输入变量。

有功功率路径设立用于，根据有功功率期望值P

为此，首先根据有功功率期望值P

在考虑基准角速度ω

然后，利用放大器从角速度差ω中确定内部的基准角θ。

内部的基准角θ用作为计算单元1240的输入变量。

无功功率路径1230设立用于，从例如由风能设备控制装置预设的无功功率期望值Q

有功功率路径1220和无功功率路径1230分别具有开关S1，S2。

开关S1和S2例如由故障识别部1310触发。

开关S1在此设置在有功功率路径1220内，使得在触发开关S1时，有功功率路径1220仅将基准角速度ω

开关S2设置在无功功率路径1230内，使得在触发开关S2时，无功功率路径1230不再将任何值传送给计算单元1240。

也就是说，尤其提出，在故障情况下，外部的调节回路输出具有恒定幅度的虚拟的凸极转子电压e*，并且优选具有恒定的角度和恒定的角速度。

计算单元1240还设立用于，根据相关变量M

故障识别部1300设立用于，根据在连接点处检测到的电压V

也就是说，尤其对于外部的调节回路提出，在出现例如已经通过故障识别部1300识别到的电网故障时，改变开关S1，S2的状态，尤其断开所述开关，使得由此产生具有恒定的幅度和恒定的相位角的凸极转子电压。

换言之，提出，在故障情况下使用恒定的凸极转子电压。

为了限制由此产生的虚拟的定子电流，能够使用在上文中和下文中描述的内部的调节回路CR，尤其控制模块1100。