DE102014016664A1

DE102014016664A1 - Method for operating a wind energy plant with complex inverter control and apparatus therefor

Info

Publication number: DE102014016664A1
Application number: DE102014016664.3A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Hermann Letas; Jens Fortmann
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage. Um zu erreichen, dass im Betrieb die Abgabe von Blindleistung und ggf. auch Wirkleistung schneller erfolgen kann in Reaktion auf Netzfehler ist die Windenergieanlage ausgestaltet mit einem von einem Windrotor angetriebenen Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung, einem Umrichter, einer Drossel und einen Ausgabeanschluss zur Abgabe der vom Generator erzeugten elektrischen Leistung an ein Netz, welches eine Sollfrequenz und Sollspannung aufweist, wobei der Umrichter einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen Zwischenkreis, einen netzseitigen Wechselrichter und eine Umrichtersteuerung für die Wechselrichter umfasst, sowie ferner ein erster Regler für den maschinenseitigen Wechselrichter und ein zweiter Regler für den netzseitigen Wechselrichter vorgesehen sind, die auf die Umrichtersteuerung als Stellglied einwirken, wobei zumindest der zweite Regler komplex ausgeführt ist mit einem Ausgang für ein komplexes Spannungsignal UWR* als Stellgröße, welche Signale enthält für eine Amplitude UWR der Sollspannung des Wechselrichters und eine Sollphasenlage phi_UWR, wobei diese Stellgröße angelegt ist an einen Stellgrößeneingang der Umrichtersteuerung zum Ansteuern zumindest des netzseitigen Wechselrichters.The invention relates to a method for operating a wind energy plant. In order to achieve that during operation, the output of reactive power and possibly active power can be done faster in response to network failure, the wind turbine is configured with a powered by a wind rotor generator for generating electrical power, an inverter, a throttle and an output port for delivering the electric power generated by the generator to a network having a target frequency and target voltage, wherein the inverter comprises a machine side inverter, an intermediate circuit, a grid side inverter and inverter control for the inverters, and further a first controller for the machine side inverter and a second controller are provided for the network-side inverter, which act on the inverter control as an actuator, wherein at least the second controller is made complex with an output for a complex voltage signal UWR * as manipulated variable, which contains signals for an amplitude UWR of the setpoint voltage of the inverter and a desired phase position phi_UWR, wherein this manipulated variable is applied to a manipulated variable input of the inverter control for driving at least the network-side inverter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer komplexen Umrichtersteuerung für eine Windenergieanlage, die einen von einem Windrotor angetrieben Generator mit einem Umrichter zur Abgabe elektrischer Leistung über einen Anschlusspunk an einem Netz umfasst. Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine entsprechende Windenergieanlage sowie Anwendung im Windpark.The invention relates to a method for operating a complex converter control for a wind power plant, which comprises a generator driven by a wind rotor with a converter for outputting electrical power via a connection point on a network. The invention further extends to a corresponding wind turbine and application in the wind farm.

Moderne Windenergieanlagen geben die von einem Generator, der von einem Windrotor direkt oder über ein Getriebe angetrieben ist, erzeugt elektrische Leistung über einen Umrichter an das Netz ab. Der Umrichter ist in der Regel voll steuerbar und ermöglicht sowohl die Abgabe von Wirkleistung entsprechend der vom Windrotor aus dem Wind gewonnenen mechanischen Leistung einerseits und die Abgabe von an sich frei einstellbarer Blindleistung andererseits. Grundsätzlich ist man beim Betrieb von Windenergieanlage bestrebt, ein Maximum an Wirkleistung in das Netz einzuspeisen. Jedoch ist anders als bei konventionellen Kraftwerken die abgebbare Wirkleistung nicht frei bestimmbar, sondern richtet sich vielmehr nach den vorherrschenden Windbedingungen.Modern wind turbines generate electric power from a generator powered by a wind turbine directly or through a gearbox to the grid via an inverter. The inverter is usually fully controllable and allows both the delivery of active power in accordance with the mechanical power gained from the wind by the wind rotor on the one hand and the delivery of self-adjustable reactive power on the other hand. Basically, one strives in the operation of wind turbines to feed a maximum of active power in the network. However, unlike conventional power plants, the deliverable active power can not be freely determined, but rather depends on the prevailing wind conditions.

In jüngerer Zeit hat auch die Abgabe von Blindleistung durch Windenergieanlagen größere Bedeutung erlangt. Es ist bekannt, dass zur Erreichung und Beibehaltung einer ausreichenden Netzstabilität die Abgabe von Blindleistung erforderlich ist, wobei die Abgabe gegebenenfalls schnell änderbar sein muss. Herkömmlicherweise wurde die Aufgabe der Netzstabilisierung durch konventionelle Kraftwerke und deren leistungsstarke Synchrongeneratoren übernommen. Bedingt durch einen umfangreichen Zubau von Windenergieanlagen wird dabei zunehmend nunmehr auch von diesen verlangt, dass sie ihren Beitrag zur Netzstabilisierung leisten. Dazu müssen die Windenergieanlagen befähigt werden, auf Anforderung – insbesondere durch den Netzbetreiber – Blindleistung in das Netz einspeisen zu können. Besondere Bedeutung kommt der Einspeisung von Blindleistung im Fall eines Netzfehlers zu, insbesondere im Fall eines Spannungseinbruchs. Eine schnelle Einspeisung von Blindleistung ist in diesem Fall zwingend erforderlich um das Spannungsniveau zu stabilisieren und so einem Zusammenbruch des Netzes entgegenzuwirken.More recently, the output of reactive power from wind turbines has become more important. It is known that in order to achieve and maintain a sufficient network stability, the release of reactive power is required, the charge may need to be changed quickly. Conventionally, the task of grid stabilization has been taken over by conventional power plants and their powerful synchronous generators. Due to an extensive expansion of wind turbines, they are now increasingly required to make their contribution to grid stabilization. For this purpose, the wind turbines must be enabled, on request - in particular by the network operator - to be able to feed reactive power into the grid. Particular importance is attached to the supply of reactive power in the event of a network fault, especially in the case of a voltage dip. Rapid feed-in of reactive power is absolutely necessary in this case in order to stabilize the voltage level and thus to counteract a breakdown of the network.

Durch den Zubau von Windenergieanlagen und die dadurch in Relation geringer werdende Bedeutung herkömmlicher Kraftwerke mit ihren Synchrongeneratoren müssen nunmehr im zunehmenden Maße auf die Windenergieanlagen größere Anteile an der Bereitstellung von Blindleistung übernehmen. Dies bringt zum einen das Erfordernis mit sich, auf Zuruf möglichst viel Blindleistung bereit zu stellen, zum anderen aber auch das Erfordernis, dies mit hoher Dynamik bewerkstelligen zu können. Im Grundsatz dazu gut befähigt sind Windenergieanlagen mit Umrichtern, die einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis sowie eine netzseitigen Wechselrichter umfassen, da solche Umrichter eine nahezu freie Einstellung des abzugegebenden Stroms in Bezug auf die Phasenlage ermöglichen. Dies gilt insbesondere für Bauarten von Windenergieanlagen, bei denen die gesamte von einem Generator erzeugte elektrische Leistung über einen Umrichter geführt wird. Bei dieser Bauart wird die gesamte von dem Generator erzeugte elektrische Leistung durch den Umrichter geführt. Man nennt diese Bauart daher auch „Vollumrichter”. Ebenfalls verbreitet und in Bezug auf die Einspeisung von Blindleistung auch sehr leistungsfähig ist die Bauart, bei der nur ein Teil der Leistung durch den Umrichter geführt wird. Hierbei wird ein doppelt gespeister Generator verwendet, dessen Statorwicklung meist direkt mit dem Netz verbunden ist und dessen Die Rotorwicklung ist angeschlossen an den Umrichter, genauer gesagt an dessen maschinenseitigen Wechselrichter. Der netzseitige Wechselrichter des Umrichters ist in der Regel über eine Drossel an das Netz angeschlossen. Bei dieser Bauart fließt nur ein Teil der von dem Generator erzeugten Leistung über den Umrichter, der zusätzlich zur Aufgabe der Leistungseinspeisung in das Netz noch die Aufgabe übernimmt, eine entsprechende Erregung für den Rotor des Generators bereist zu stellen.Due to the construction of wind turbines and the relative decreasing importance of conventional power plants with their synchronous generators must now increasingly take on the wind turbines larger shares of the provision of reactive power. On the one hand, this entails the requirement to provide as much reactive power as possible upon call, and on the other hand, the requirement to be able to accomplish this with high dynamics. In principle, well-equipped wind turbines with converters, which include a machine-side inverter, a (DC) DC link and a grid-side inverter, since such converters allow a nearly free adjustment of the current to be delivered in relation to the phase position. This is especially true for types of wind turbines, in which the entire electrical power generated by a generator is passed through an inverter. In this design, the entire electrical power generated by the generator is passed through the inverter. This type of construction is therefore also called "full converter". Also widespread and also very powerful with respect to the feed-in of reactive power is the type in which only a part of the power is passed through the converter. Here, a doubly fed generator is used, the stator winding is usually directly connected to the grid and the rotor winding is connected to the inverter, more precisely to the machine-side inverter. The line-side inverter of the inverter is usually connected to the grid via a choke. In this design, only a portion of the power generated by the generator flows through the inverter, which in addition to the task of power feeding into the network still takes on the task to travel a corresponding excitation for the rotor of the generator.

Obwohl Windenergieanlagen dank ihrer Umrichter grundsätzlich in der Lage sind, Blindleistung nach Wahl abzugeben, so sind sie in der Praxis bisher jedoch kein adäquater Ersatz für Synchrongeneratoren am Netz. Das liegt darin begründet, dass die Umrichter von Windenergieanlagen in der Regel als stromgeführte Systeme betrieben werden, bei welchen der abzugebende Strom durch die Ansteuerung der elektrischen Schaltelemente in den Wechselrichter (Stromventile) quasi eingeprägt wird. Eine Reaktion auf Änderungen im Netz erfolgt nur indirekt, indem nämlich vorgeschaltete Regelungsfunktionen erkennen, dass eine Netzänderung stattgefunden hat und entsprechend Führungswerte verändert werden. Typischerweise werden in diesen vorgeschalteten Funktionen nicht die Momentanwerte der Netzgrößen verwendet, sondern aus einer Analyse stammende Werte (in der Regel sind diese Analysefunktionen über mindestens eine Periode der Netzspannung), beispielsweise Umrechnungen in Mit- und Gegensysteme. Dadurch entsteht eine Reaktionszeit auf Fehler im Netz, die in der Größenordnung von gut 40 Millisekunden liegt, bis bei dem Auftreten eines Netzfehlers mit einer entsprechenden Anpassung der Blindleistungsabgabe reagiert werden kann. Dies ist ein erheblich schlechteres Verhalten verglichen mit dem von Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke, welche bauartbedingt bereits innerhalb einer Zeitspanne von nur zwei bis drei Millisekunden nach einer Spannungsänderung in Folge eines Netzfehlers bereits einen signifikanten Blindstrom einspeisen können.Although wind turbines are basically able to deliver reactive power of their choice thanks to their inverters, in practice they have not yet been an adequate substitute for synchronous generators on the grid. This is due to the fact that the converters of wind turbines are usually operated as current-driven systems, in which the current to be delivered is quasi impressed by the control of the electrical switching elements in the inverter (flow control valves). A reaction to changes in the network takes place only indirectly, namely by virtue of upstream control functions recognizing that a network change has taken place and correspondingly changing management values. Typically, these upstream functions do not use the instantaneous values of the network variables but rather values derived from an analysis (as a rule, these analysis functions are over at least one period of the network voltage), for example conversions into positive and negative systems. This results in a response time to errors in the network, which is on the order of a good 40 milliseconds, until a network fault occurs with a corresponding adaptation of the reactive power output can be responded. This is a significantly worse performance compared to that of synchronous generators conventional power plants, which already design within a Time span of only two to three milliseconds after a voltage change as a result of a network fault can already feed a significant reactive current.

Es stellt sich daher die Problematik, dass die gute Netzstabilisierende Wirkung der Synchrongeneratoren nicht hinreichend durch die Windenergieanlagen mit ihren Umrichtern ersetzt beziehungsweise verstärkt werden kann.It therefore raises the problem that the good network stabilizing effect of synchronous generators can not be sufficiently replaced or enhanced by the wind turbines with their converters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Windenergieanlagen mit ihren Umrichtern dahingehend zu verbessern, dass im Betrieb die Abgabe von Blindleistung und ggf. auch Wirkleistung schneller erfolgen kann in Reaktion auf Netzfehler.The invention has for its object to improve wind turbines with their inverters to the effect that during operation, the release of reactive power and possibly active power can be done faster in response to network failure.

Die erfindungsmäßige Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The inventive solution lies in the features of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem von einem Windrotor angetriebenen Generator und einem Umrichter, der einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen Zwischenkreis, einen netzseitigen Wechselrichter und eine Umrichtersteuerung umfasst, einer Drossel und einen Ausgabeanschluss zur Abgabe der vom Generator erzeugten elektrischen Leistung an ein Netz, welches eine Sollfrequenz und Sollspannung aufweist, wobei der maschinenseitige Wechselrichter von einem ersten Regler und der netzseitige Wechselrichter von einem zweiten Regler kontrolliert wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest der zweite Regler als ein komplexer Spannungsregler ausgeführt ist mit einem Ausgang für eine komplexe Spannung U_WR* als Stellgröße, welche Signale enthält für eine Amplitude der Sollspannung des Wechselrichters und eine Sollphasenlage, welche angelegt ist an einen Stellgrößeneingang der Umrichtersteuerung zum Ansteuern zumindest des netzseitigen Wechselrichters.In a method of operating a wind turbine having a generator driven by a wind rotor and a converter comprising a machine side inverter, a link, a grid side inverter and a converter controller, a reactor and an output terminal for outputting the electric power generated by the generator to a network , which has a nominal frequency and nominal voltage, wherein the machine-side inverter is controlled by a first controller and the network-side inverter by a second controller, the invention provides that at least the second controller is designed as a complex voltage regulator with an output for a complex voltage U _WR * as a manipulated variable, which contains signals for an amplitude of the setpoint voltage of the inverter and a desired phase position, which is applied to a manipulated variable input of the inverter control for driving at least the network-side Wechselric hters.

Unter einer komplexen Spannung wird eine Spannung verstanden, die nach Amplitude und Phase definiert ist. Ein komplexer Spannungsregler ist demgemäß ein Regler, der zur Regelung einer solchen komplexen Spannung ausgeführt ist.A complex voltage is understood to mean a voltage which is defined in terms of amplitude and phase. A complex voltage regulator is accordingly a regulator designed to control such a complex voltage.

Bei der Drossel kann es sich um eine umrichtereigene Induktivität oder um ein Netzfilter, vorzugsweise der LCL-Bauart, in der Anschlussleitung handeln, oder um eine Kombination daraus.The throttle may be a converter-internal inductance or a line filter, preferably of the LCL type, in the connecting line, or a combination thereof.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass der Umrichter mit seinen stromeinprägenden Stromventilen (IGBT, GTO, etc.) in Kombination mit der Drossel als steuerbare Spannungsquelle zu betreiben. Im Gegensatz dazu werden herkömmlicherweise Umrichter – wegen ihrer Ausrüstung mit schaltbare Stromventilen – stromeinprägend, also als Stromquellen betrieben, wobei die Stellgrößen Stromwerte umfassen (in der Regel Inphasestrom I_d und Quadraturstrom I_q). Erfindungsgemäß wird nun der gegenteilige Weg beschritten und stattdessen eine Amplitude für eine Spannung vorgegeben, wie sie von einer idealen Spannungsquelle abgegeben würde, und ferner eine Phasenlage definiert, welche diese Spannung in Bezug auf Netzspannung haben soll. Damit werden als Stellgröße an den Umrichter Signale für Amplitude und Phase der von ihm abzugebenden Spannung angelegt, mithin also ein komplexes Spannungssignal.The invention makes use of the knowledge that the converter with its current-impressing current valves (IGBT, GTO, etc.) in combination with the choke to operate as a controllable voltage source. In contrast, conventionally converters - because of their equipment with switchable flow valves - current-impressing, so operated as current sources, the control variables include current values (usually inphase current I _d and quadrature I _q ). According to the invention, the opposite approach is now taken and instead an amplitude for a voltage given as it would be delivered by an ideal voltage source, and further defines a phase position, which should have this voltage with respect to mains voltage. Thus, signals for amplitude and phase of the voltage to be delivered by it are applied as manipulated variable to the converter, that is to say a complex voltage signal.

Durch diese auf den ersten Blick paradox erscheinende Maßnahme, den von Haus durch die Stromventile stromeinprägenden Umrichter zu betreiben wie eine ideale Spannungsquelle, werden (in Kombination mit der Drossel) in frappierende Weise signifikante Vorteile erzielt. So wird mit der erfahrungsgemäßen Regelung eine beträchtliche Verbesserung des Störverhaltens des Umrichters erreicht. Das gilt insbesondere in Bezug auf bisher problematische hochdynamische Störungen, wie sie durch Netzfehler entstehen. Ändert sich die Spannung im Netz aufgrund eines Netzfehlers, so wird durch das Absinken der Spannung im Netz die Spannungsdifferenz über der Drossel erhöht, sodass somit unmittelbar mehr übererregter Blindstrom eingespeist wird, ohne dass es dazu einer Veränderung der Stellgrößen bedarf. Die somit erhöhte Blindleistungseinspeisung führt zu einer Stabilisierung der Spannung im Netz. Das eigenstabile Verhalten des Umrichters wird dadurch erheblich verbessert.This seemingly paradoxical measure of operating the in-house current-carrying inverter through the current valves as an ideal voltage source achieves significant benefits (in combination with the choke) in an astonishing manner. Thus, with the control according to the invention, a considerable improvement in the disturbance behavior of the converter is achieved. This applies in particular with respect to hitherto problematic high-dynamic disturbances, such as those caused by network errors. If the voltage in the network changes as a result of a network fault, the voltage difference across the throttle is increased by the drop in the voltage in the network, so that more super-excited reactive current is directly fed in without requiring a change in the manipulated variables. The thus increased reactive power feed leads to a stabilization of the voltage in the network. The intrinsically stable behavior of the inverter is thereby considerably improved.

Entsprechendes gilt in Bezug auf Störungen in der Wirkleistungsbalance des Netzes. Wird aus einem Netz mehr Leistung entnommen als eingespeist wird, so verringert sich die Netzfrequenz und es kommt somit als Folge zu einem Anstieg des Phasenwinkels. Da die von dem als ideale Spannungsquelle betriebenen Umrichters in das Netz abgegebene momentane Wirkleistung bestimmt ist durch das Produkt der an den beiden Enden der Drossel anliegenden Spannungen geteilt durch die Impedanz der Drossel, multipliziert mit dem Sinus des Phasenwinkels zwischen der Spannung im Netz und der Spannung des Wechselrichters, erhöht sich bei einem Anstieg des Phasenwinkels die Wirkleistungseinspeisung, da auch der Sinuswert des Phasenwinkels entsprechend ansteigt. Damit wird unmittelbar dem aus mangelnder Leistungseinspeisung entstandenen Ungleichgewicht im Netz entgegengewirkt. Es verbessert sich also auch die Eigenstabilität in Bezug auf die Wirkleistungsbilanz bzw. deren Defizite im Netz.The same applies with regard to disturbances in the active power balance of the network. If more power is taken from a network than is fed in, the network frequency is reduced and, as a consequence, the phase angle increases. Since the instantaneous power delivered by the ideal voltage source to the grid is determined by the product of the voltages applied to the two ends of the reactor divided by the impedance of the inductor multiplied by the sine of the phase angle between the voltage in the grid and the voltage of the inverter increases with an increase in the phase angle, the active power supply, since the sine value of the phase angle increases accordingly. This directly counteracts the imbalance in the network resulting from a lack of power supply. Thus, the intrinsic stability with respect to the active power balance or its deficits in the network also improves.

Insgesamt erreicht die Erfindung somit eine signifikante Verbesserung der Eigenstabiliät des Umrichters in Bezug auf Änderungen im Netz, so dass er deutlich dynamischer auf Störungen im Netz, insbesondere Netzfehler wie Spannungseinbruch oder Kurzschluss, reagieren kann. Die Reaktion ist viel schneller als sie bei den herkömmlichen betriebenen Umrichtern, welche die Signale erst am Eingang einer umfangreichen Regelung mit entsprechend hohen Signalverarbeitungszeiten auswerten und erst nach der Signalverarbeitungszeit reagieren können. Die Signalverarbeitungszeit erstreckt sich in der Regel über mindestens eine oder gar mehr Perioden der Netzschwingung, so dass häufig Verzögerungszeiten von meist mindestens 40 Millisekunden die Folge sind. Im Gegensatz hierzu kann erfindungsgemäß eine viel schnellere Reaktion dank der verbesserten Eigenstabilität erreicht werden, die im Bereich von zwei bis drei Millisekunden liegt. Mit einem solchen Umrichter versehene Windenergieanlage stellt somit im Betrieb einen ebenbürtigen Partner im Netz für die Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke da, welche bisher im Wesentlichen alleine die Stabilisierung des Netzes übernahmen. Mit der Erfindung kann nunmehr auch in von Windenergieanlagen dominierten Netzen eine hinreichende Eigenstabiliät erreicht werden.Overall, the invention thus achieves a significant improvement in the inverter's inherent stability with respect to changes in the network, so that he can respond much more dynamically to disturbances in the network, in particular network errors such as voltage dip or short circuit. The response is much faster than in the conventional power converters, which evaluate the signals only at the input of a comprehensive control with correspondingly high signal processing times and can only react after the signal processing time. The signal processing time usually extends over at least one or even more periods of the network oscillation, so that delays of usually at least 40 milliseconds are often the result. In contrast, according to the invention, a much faster reaction can be achieved thanks to the improved intrinsic stability, which is in the range of two to three milliseconds. With such a converter provided wind turbine thus provides in operation a peer partner in the network for the synchronous generators conventional power plants there, which so far essentially alone took over the stabilization of the network. With the invention, a sufficient Eigenstabiliät can now be achieved in networks dominated by wind turbines.

Es ist vorteilhaft, bei Einstellung der Stellgröße einen zulässigen Strom im Umrichter zu bestimmen mittels eines Stromprädiktors. So günstig es unter dem Aspekt eines schnellen Störverhaltens ist, auf Störgrößen im Netz mit einer schnellen Reaktion des Umrichters zu antworten, so wichtig ist es jedoch auch, dass der Umrichter dabei vor Überlastung geschützt wird. Mit dem Stromprädiktor wird erreicht, dass schnell ein Erwartungswert für den Stromfluss im Umrichter bestimmt werden kann, um festzustellen, ob dieser noch in zulässigen Grenzen (zulässiger Strom) liegt. Zweckmäßigerweise erfolgt bei Überschreitung einer einstellbaren Grenze, die der zulässige Strom sein kann oder gegebenenfalls zumindest dynamisch auch etwas darüber liegen kann, ein Begrenzen der Stellgröße. Vorzugsweise ist dafür ein Stromwächter vorgesehen. Der Umrichter wird damit vor Überlastung geschützt, ohne dass es dabei zu Verzögerungen kommt. Besonders zweckmäßig ist, beim Bestimmen des erwarteten Stroms und/oder der einstellbaren Grenze eine Referenzspannung zu berücksichtigen, die vorzugsweise von extern angelegt ist.It is advantageous to determine a permissible current in the converter when setting the manipulated variable by means of a current predictor. Although it is favorable from the aspect of a fast disturbance behavior to respond to disturbances in the network with a fast reaction of the inverter, it is also important that the inverter is protected against overload. The current predictor can be used to quickly determine an expected value for the current flow in the inverter to determine whether it still lies within permissible limits (permissible current). Conveniently, when exceeding an adjustable limit, which may be the allowable current or optionally at least dynamically also something may be above, limiting the manipulated variable. Preferably, a power monitor is provided for this purpose. The inverter is thus protected against overloading without causing any delays. It is particularly expedient to take into account, when determining the expected current and / or the adjustable limit, a reference voltage, which is preferably applied externally.

Mit Vorteil wird der zulässige Strom bestimmt mittels eines einstellbaren Verstärkungsfaktors. Um ein Überschießen zu vermeiden, sollte der Verstärkungsfaktor nicht zu hoch sein. Daher wird dieser zweckmäßigerweise kleiner als fünf gewählt, weiter vorzugsweise beträgt er höchstens drei.Advantageously, the allowable current is determined by means of an adjustable gain factor. To avoid overshoot, the gain should not be too high. Therefore, this is suitably chosen smaller than five, more preferably it is at most three.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Strom zur Vorsteuerung verwendet wird. Es kann so ein neuer Wert für die Amplitude U_WR bestimmt werden durch Multiplizieren eines Kehrwerts der normierten Impedanz der Drossel mit einer Differenz der Netzspannung zur Referenzspannung. Dadurch wird ein unmittelbarer Bezug zwischen einer Änderung der Amplitude der Spannung am Wechselrichter (Amplitude des Stellsignals) und den durch die Drossel fließenden Strom hergestellt. Da hierbei die Gefahr eines Überschießens bestehen kann, wird zweckmäßigerweise der sich hieraus ergebende Verstärkungsfaktor begrenzt, wie vorstehend beschrieben. Man erreicht damit einerseits eine schnelle Reaktion, vormeidet aber andererseits ein Übersteuern.It is particularly preferred if the current is used for precontrol. Thus, a new value for the amplitude U _WR can be determined by multiplying a reciprocal of the normalized impedance of the inductor with a difference of the mains voltage to the reference voltage. This establishes a direct relationship between a change in the amplitude of the voltage at the inverter (amplitude of the actuating signal) and the current flowing through the inductor. Since there is a risk of overshoot, the resulting gain factor is expediently limited, as described above. On the one hand, this achieves a quick reaction, but on the other hand it prevents oversteer.

Vorzugsweise wird eine ideale Netzspannung U_Netz' bestimmt und mit der gemessenen Netzspannung U_Netz verglichen, ein Korrektursignal für die Stellgröße gebildet auf Basis dieses Vergleichs und das Stellsignal anhand des Korrektursignals modifiziert. Bei der idealen Netzspannung handelt es sich vorzugsweise um eine oberschwingungsfreie, sinusförmige Spannung. Durch den Vergleich mit der gemessenen, realen Netzspannung werden so Oberschwingungen aufgedeckt. Indem daraus ein Korrektursignal gebildet wird und das Stellsignal entsprechend modifiziert wird, kann auf elegante Weise gleichzeitig eine Reduktion störender Oberschwingungen erfolgen. Um gezielt eine Reduktion der störenden Oberschwingungen (die an sich frei vorgegeben werden können) zu erreichen, ist vorzugsweise ein Frequenzbandfilter vorgesehen, womit das Modifizieren des zu korrigierenden Frequenzbands selektiv durchgeführt wird. Damit kann gezielt eine Abschwächung der Oberschwingungen, und zwar wahlfrei je nach deren Ordnung erfolgen. Insbesondere ist damit auch ermöglicht, gewünschte Oberschwingungsbereiche, wie beispielsweise Signale von Rundsteueranlagen o. ä., ungehindert passieren zu lassen.Preferably, an ideal mains voltage U _network 'is determined and compared with the measured mains voltage U _network , a correction signal for the manipulated variable formed on the basis of this comparison and the control signal modified on the basis of the correction signal. The ideal mains voltage is preferably an harmonic-free, sinusoidal voltage. By comparing with the measured, real mains voltage harmonics are revealed. By forming a correction signal from this and modifying the actuating signal accordingly, a reduction of interfering harmonics can be carried out in an elegant manner at the same time. In order to achieve a targeted reduction of the interfering harmonics (which can be freely specified), a frequency band filter is preferably provided, whereby the modification of the frequency band to be corrected is selectively performed. This can be targeted attenuation of the harmonics, and that is done optionally depending on their order. In particular, this also makes it possible to allow desired harmonic ranges, such as signals from ripple control systems o. Ä., Pass unhindered.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden vorzugsweise Gegensystemspannungen und -ströme im Netz bestimmt, daraus eine zulässige Änderung für Blindstrom im Gegensystem auf Basis einer Gegensystemreferenzspannung U_{ref_g} ermittelt, und Korrekturwerte für das Stellsignal bestimmt, sodass die Stromänderung im Gegensystem noch zulässig bleibt. Durch das Bestimmen des Gegensystems können Unsymmetrien zwischen den Phasen aufgedeckt werden, wie sie sich durch symmetrische Belastungen oder aber durch einphasige Fehler im Netz ergeben können. Insbesondere letzteres ist von hoher praktischer Bedeutung und kann zu erheblichen Belastungen führen. Um dem entgegenzuwirken werden Korrekturwerte für das Stellsignal bestimmt, sodass die geänderten Ströme im Gegensystem noch innerhalb einer zulässigen Grenze bleiben. Dabei wird eine Überlastung auch im Fall von Phasenunsymmetrien, insbesondere einphasigen Kurzschlüssen vermieden.In accordance with a further aspect of the invention, negative sequence voltages and currents are preferably determined in the network, from which a permissible change for reactive current in the negative _{sequence is} determined on the basis of a negative _{sequence reference voltage} U _{ref_g} , and correction values for the _actuating signal are determined so that the current change in the negative sequence system still remains admissible. By determining the negative sequence, asymmetries between the phases can be revealed, as they can result from symmetrical loads or from single-phase faults in the network. In particular, the latter is of great practical importance and can lead to significant burdens. To counteract this, correction values for the actuating signal are determined so that the changed currents in the negative sequence system still remain within an admissible limit. In this case, an overload is avoided even in the case of phase imbalances, in particular single-phase shorts.

Zweckmäßigerweise weist zumindest der zweite Regler eine Blindleistungsregelung auf, die zweischleifig ausgeführt ist, mit einer langsamen äußeren Schleife und einer schnellen inneren Schleife. Unter schnell und langsam wir hier ein Unterschied in den Zeitkonstanten von mindestens einer Größenordnung (also Faktor 10 oder mehr) verstanden. Besonders bevorzugt ist es, wenn entsprechend auch eine zweischleifige Wirkleistungsregelung für den zweiten Regler vorgesehen ist, mit einer langsamen äußeren Schleife und einer schnellen inneren Schleife. Die langsame äußere Schleife dient primär zur Einhaltung von Führungsgrößen und zu Erreichung stationärer Genauigkeit. Sie kann vorzugsweise unter Einbindung eines Windparkreglers ausgeführt sein bei Windenergieanlagen, die Teil eines Windparks sind. Sie kann aber genausogut auch an der Windenergieanlage selbst vorgesehen sein – bei Verwendung der Windenergieanlage in einem Windpark ist dann zweckmäßigerweise noch eine weitere äußere Regelschleife am Parkmaster vorgesehen zur Koordination mit den anderen Windenergieanlagen im Windpark. Conveniently, at least the second controller has a reactive power control, which is made double-ended, with a slow outer loop and a fast inner loop. By fast and slow we mean here a difference in the time constants of at least one order of magnitude (ie factor 10 or more). It is particularly preferred if a two-loop active power control for the second controller is also provided accordingly, with a slow outer loop and a fast inner loop. The slow outer loop primarily serves to maintain command values and achieve steady-state accuracy. It may preferably be implemented with the involvement of a wind farm controller in wind turbines that are part of a wind farm. But it can just as well be provided on the wind turbine itself - when using the wind turbine in a wind farm then another external control loop is expediently provided on the park master for coordination with the other wind turbines in the wind farm.

Im Interesse einer besonders schnellen Reaktion sind es zweckmäßigerweise allein die inneren Schleifen, welche die Werte für Amplitude und Phase des komplexen Stellsignals ermitteln. Damit werden die langsamen äußeren Regelschleifen nicht benötigt, so dass sie nicht zu einer Verzögerung führen. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass ggf. noch optionale Korrekturwerte aufgeschaltet werden – obwohl dies aber nicht erforderlich ist.In the interest of a particularly rapid reaction, it is expedient to use only the inner loops which determine the values for amplitude and phase of the complex control signal. Thus, the slow outer control loops are not needed, so they do not lead to a delay. Of course, this does not preclude the option of adding optional correction values - although this is not necessary.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform fungieren eine oder beide inneren Schleifen als eine Störgrößenaufschaltung. Zweckmäßig ist eine Ausführung als Vorsteuerung. Damit kann auf direktem Weg sehr schnell auf Störgrößenänderungen reagiert werden. Somit erreicht die Windenergieanlage mit Umrichter Reaktionszeiten auf Störungen, wie sie bisher typischerweise klassischen Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke vorbehalten waren. Es ist sinnvoll, Störgrößenaufschaltung so auszulegen, dass sie dominanter ist als der Führungsgrößen verarbeitende Teil des Reglers. Unter ,dominanter' wird hierbei verstanden, dass zumindest in dynamischer Hinsicht die Störgrößenaufschaltung einen größeren Einfluss ausübt als der Führungsteil des Reglers. Dem Fachmann sind Mittel bekannt, die ,Dominanz' zu bestimmen, beispielsweise anhand der Eigenwerte der entsprechenden Regler-/Streckenmatrix im Zustandsraum.According to a particularly preferred embodiment, one or both inner loops function as a feedforward control. Appropriately, an execution as a feedforward. This allows you to react very quickly to disturbance variable changes in a direct way. Thus, the wind turbine with inverter reaches response times to disturbances, as they were previously typically reserved for classical synchronous generators conventional power plants. It makes sense to design feedforward control in such a way that it is more dominant than the command value processing part of the controller. By "dominant" is meant that, at least in dynamic terms, the feedforward control has a greater influence than the control part of the controller. The person skilled in the art knows means for determining 'dominance', for example based on the eigenvalues of the corresponding controller / path matrix in the state space.

Es sei angemerkt, dass nach einem Kerngedanken der Erfindung das komplexe Stellsignal in seinen Grundwerten direkt berechnet wird, d. h. ohne dass vorher aufwendige Regelungsstrukturen und/oder aufwendige Berechnungen involviert wären, wie sie für Mit-/Gegensystem erforderlich wären. Dadurch ergibt sich eine sehr schnelle Reaktion in der Art einer Vorsteuerung. – Die schnelle Erstreaktion schließt aber nicht aus, dass quasi im Nachgang noch Korrekturwerte berechnet, die dann auf die Grundwerte aufgeschaltet. Für solche nachgelagerten Korrekturen kann dann im Rahmen der Erfindung auch auf aufwendigere und zeitintensivere Funktionen, wie solche mit Bestimmung des Mit-/Gegensystems zurückgegriffen werden. Dies führt also lediglich zu einer Verfeinerung, keineswegs aber zu einer Verzögerung.It should be noted that according to a central idea of the invention, the complex control signal is calculated directly in its basic values, i. H. without previously complex control structures and / or complex calculations would be involved, as would be required for Mit- / Gegensystem. This results in a very fast response in the manner of feedforward control. - The fast Erstreaktion but does not exclude that quasi later calculated correction values, which then switched to the basic values. For such downstream corrections can then be used within the scope of the invention on more complex and time-consuming functions, such as those with determination of co-/ counter system. This leads only to a refinement, but by no means to a delay.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Windenergieanlage, deren Regler zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet sind. Ferner erstreckt sich auf eine Anwendung in einem Windpark.The invention further relates to a wind energy plant, whose controller are designed for carrying out the method. It also extends to an application in a wind farm.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:The invention will be explained by way of example with reference to the drawing. Show it:

1 eine Übersichtsdarstellung eines Ausführungsbeispiels mit einem Windpark zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 an overview of an embodiment with a wind farm for carrying out the method according to the invention;

2 ein Ersatzschaltbild zu einem Windenergieanlagen-Umrichter; 2 an equivalent circuit diagram to a wind turbine converter;

3 eine Übersichtsdarstellung für eine Windenergieanlage; 3 an overview of a wind turbine;

4 eine Darstellung von Stellgrößen am Eingang des Umrichters; 4 a representation of manipulated variables at the input of the inverter;

5 eine äußere Regelschleife für Wirkleistung; 5 an outer control loop for active power;

6 eine äußere Regelschleife für Blindleistung; 6 an external control loop for reactive power;

7 eine Übersichtsdarstellung der Blindleistungsregelung an der Windenergieanlage; 7 an overview of the reactive power control on the wind turbine;

8 eine erste Teildarstellung der Regelung gemäß 7; 8th a first partial view of the scheme according to 7 ;

9 eine zweite Teildarstellung gemäß 7 mit einer schnellen inneren Blindleistungsregelschleife; 9 a second partial view according to 7 with a fast internal reactive power control loop;

10 eine dritte Teildarstellung gemäß 7 mit zwei Begrenzungseinheiten; 10 a third partial view according to 7 with two delimiting units;

11 eine Darstellung zur schnellen inneren Regelschleife der Wirkleistungsregelung an der Windenergieanlage; 11 a representation of the fast inner control loop of the active power control of the wind turbine;

12 eine Detaildarstellung zu einer ersten Begrenzungseinheit; und 12 a detailed view of a first limiting unit; and

13 eine Detaildarstellung zu einer zweiten Begrenzungseinheit. 13 a detailed representation of a second limiting unit.

Ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. In dem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung in einem Windpark mit einem Parkmaster und mehreren Windenergieanlagen verwendet. Sie kann aber auch verwendet werden für einzelne Windenergieanlage, wobei dann die Funktionalitäten des Parkmasters an der Windenergieanlage selbst vorzusehen sind.An embodiment of the invention will be explained with reference to FIGS. In the exemplary embodiment, the invention is used in a wind farm with a parkmaster and several wind turbines. However, it can also be used for individual wind energy plant, in which case the functionalities of the park master on the wind energy plant itself are to be provided.

Der Windpark umfasst einen Windparkregler 1 als Parkmaster, der über ein parkinternes Netz 2 mit einer Mehrzahl von Windenergieanlagen 3 verbunden ist. Die Windenergieanlagen 3 sind über einen Anschlusspunkt 30 an das parkinterne Netz angeschlossen. Dieses wiederum ist über einen Verknüpfungspunkt 20 über einen Transformator 28 und eine Anschlussleitung 29 an ein Energieübertragungsnetz 9 angeschlossen ist. Die Impedanzen im parkinternen Netz 2 und die der Anschlussleitung 29 sind durch konzentrierte Elemente 21 bzw. 31 dargestellt.The wind farm includes a wind farm controller 1 as a parkmaster who has an in-house network 2 with a plurality of wind turbines 3 connected is. The wind turbines 3 are over a connection point 30 connected to the park internal network. This in turn is via a point of connection 20 over a transformer 28 and a connecting cable 29 to a power transmission network 9 connected. The impedances in the park internal network 2 and the connection line 29 are through concentrated elements 21 respectively. 31 shown.

Die Windenergieanlagen 3 im Windpark umfassen jeweils einen Windrotor 10 zum Antrieb eines Generators 12 über ein optionales Getriebe 11. Bei dem Generator 12 kann es sich beispielsweise um einen doppelgespeisten Asynchrongenerator 12' handeln. Hierbei ist dessen Stator unmittelbar mit einer Anschlussleitung 19 verbunden, die über einen Anlagentransformator 18 an das parkinterne Netz 2 angeschlossen ist. Der Rotor der doppelt gespeisten Asynchronmaschine 12' ist hingegen über einen Umrichter 4 mit einer nachgeschalteten Drossel 5 an die Anschlussleitung 19 angeschlossen. Der Umrichter 4 umfasst einen maschinenseitigen Converter 41, einen netzseitigen Converter 42 und einen sie verbindenden Gleichspannungszwischenkreis 43. Sein Betrieb wird kontrolliert von einer Umrichtersteuerung (in 1 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt), welche Schaltelemente in den Convertern 41, 42 betätigt und an die wiederum eine WEA-Regelung 14 angeschlossen ist. Es sei angemerkt, dass der Generator 12 auch eine andere Bauform aufweisen kann, beispielsweise als ein Synchrongenerator (s. 3), wobei dann der Umrichter 4 als ein Vollumrichter ausgeführt ist.The wind turbines 3 in the wind farm each include a wind rotor 10 for driving a generator 12 via an optional gearbox 11 , At the generator 12 For example, it can be a double-fed asynchronous generator 12 ' act. Here, the stator is directly connected to a connecting cable 19 connected via a plant transformer 18 to the park-internal network 2 connected. The rotor of the double-fed asynchronous machine 12 ' is on the other hand via a converter 4 with a downstream throttle 5 to the connection line 19 connected. The inverter 4 includes a machine-side converter 41 , a network-side converter 42 and a DC intermediate circuit connecting them 43 , Its operation is controlled by a converter control (in 1 not shown for reasons of clarity), which switching elements in the converters 41 . 42 and, in turn, a WEA control 14 connected. It should be noted that the generator 12 may also have a different design, for example as a synchronous generator (s. 3 ), in which case the inverter 4 is designed as a full converter.

Eine vom Betreiber des Netzes 9 unterhaltene Leitwarte 90 gibt Sollwertvorgaben an den Windparkregler 1 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es Sollvorgaben für die Sollspannung U, die bereitzustellende Blindleistung Q bzw. eine Leistungsfaktor cosφ und die von dem Windpark abzugebende Wirkleistung P_ref (letzteres ist der schwankenden Natur des Windes entsprechend nur als Maximalgrenze zu verstehen). Der Netzbetreiber erwartet, dass diese Sollwerte am Verknüpfungspunkt 20 anliegen.One from the operator of the network 9 maintained control room 90 gives setpoint specifications to the wind farm controller 1 out. In the illustrated embodiment, there are target specifications for the target voltage U, the reactive power Q to be provided or a power factor cosφ and to be delivered by the wind farm active power P _ref (the latter is to understand the fluctuating nature of the wind only as a maximum limit). The network operator expects these setpoints to be at the node 20 issue.

Um dies zu überwachen, sind an dem Verknüpfungspunkt 20 Sensoren 22 und 23 für Strom und Spannung angeordnet, deren Messsignale an Eingänge des Windparkreglers 1 angelegt sind. Der Windparkregler weist interne Regelungen auf (die später noch näher erläutert werden) und ermittelt aus den Messwerten der Sensoren 22, 23 sowie aus den Sollwerten des Netzbetreibers Führungsgrößen für die einzelnen Windenergieanlagen 3 des Windparks. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Größen für eine Sollspannungsabweichung ΔU_WT,Ref und die (höchstens) abzugebende Wirkleistung P_WT,Ref, welche als Führungsgrößen an die jeweilige WEA-Regelung 14 angeschlossen ist.To monitor this, are at the link point 20 sensors 22 and 23 arranged for current and voltage, their measuring signals to inputs of the wind farm controller 1 are created. The wind farm controller has internal controls (which will be explained later) and determined from the measured values of the sensors 22 . 23 as well as from the nominal values of the network operator, reference values for the individual wind turbines 3 of the wind farm. In the illustrated embodiment, there are sizes for a target voltage deviation .DELTA.U _{WT, Ref} and the (at most) to be delivered active power P _{WT, Ref} , which as a reference variables to the respective WEA control 14 connected.

Bei dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel wird der Umrichter 4 betrieben als eine ideale Spannungsquelle in Kombination mit der Drossel 5. Wie aus 2 zu erkennen ist, bildet der Umrichter 4 mit seinem netzseitigen Converter 42 eine ideale Spannungsquelle 42' mit der eingestellten Spannung u →_WR , der über eine Drossel 5 mit einer Impedanz X_D mit dem Netz mit der Spannung u →_Netz verbunden ist. Sind die beiden Spannung ungleich, so fließt durch die Drossel 5 ein Strom i →_Netz , der einen Spannungsabfall Δν → über der Drossel 5 erzeugt.In the embodiment illustrated here, the inverter 4 operated as an ideal voltage source in combination with the choke 5 , How out 2 can be seen forms the inverter 4 with its network-side converter 42 an ideal voltage source 42 ' with the set voltage u → _WR that has a throttle 5 with an impedance X _D with the mains with the voltage u → _Network connected is. If the two voltage are unequal, then flows through the throttle 5 a stream i → _Network that a drop in voltage Δν → over the throttle 5 generated.

Bei der als Stellgröße an dem Umrichter 4 eingestellten Spannung u →_WR handelt es sich um eine komplexe Spannung, die nach Betrag U_WR und Phase phi_U_WR bestimmt ist (s. 4). Sie fungiert als Stellgröße an der Umrichtersteuerung, welche daraus in an sich bekannter Weise über eine Koordinationtransformation Signale in den drei Phasen eines Drehstromsystems zur Ansteuerung von Schaltelementen im Umrichter erzeugt.When used as a manipulated variable at the inverter 4 set voltage u → _WR it is a complex voltage, which is determined by the amount U _WR and phase phi_U _WR (s. 4 ). It acts as a manipulated variable at the inverter control, which generates signals in the known manner via a coordination transformation in the three phases of a three-phase system for controlling switching elements in the converter.

Näher dargestellt ist der Aufbau der WEA-Regelung 14 mit der Umrichtersteuerung in 3. Demnach sind ein erster Regler 46 für den maschinenseitigen Converter (MSC) 41 und ein zweiter Regler 6 für den netzseitigen Converter (LSC) 42 vorgesehen. Sie wirken über zwei Parameter auf die Umrichtersteuerungen von maschinenseitigem Converter 41 und netzseitigem Converter 42 ein, wobei zumindest für den netzseitigen Converter 42 die Stellgröße ein nach Amplitude und Phase bestimmtes komplexes Spannungssignal ist. Ferner dargestellt ist eine auf Rotorblätter des Windrotors 10 wirkende Pitchregelung 40 für die aus dem Wind entnommene mechanische Leistung, welche auch zu einer Abregelung der Leistungsabgabe ausgebildet ist. Der Windrotor 10 treibt einen Generator, hier einen Synchrongenerator 12, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung wandelt und an den Umrichter 4 ausgibt. Eingangssignale für die WEA-Regelung 14 und die Pitchregelung 40 sind Führungssignale für die Spannung ΔU_WT,Ref bzw. U_WR,Ref und für die abzugebende Wirkleistung P_WT,Ref bzw P_Ref. Nachfolgend ist exemplarisch der Aufbau des zweiten Reglers 6 beschrieben.The structure of the WEA control is shown in more detail 14 with the inverter control in 3 , Accordingly, a first regulator 46 for the machine-side converter (MSC) 41 and a second regulator 6 for the network-side converter (LSC) 42 intended. They have two parameters on the converter controls of the machine-side converter 41 and network-side converter 42 a, wherein at least for the network-side converter 42 the manipulated variable is a complex voltage signal determined by amplitude and phase. Also shown is one on rotor blades of the wind rotor 10 acting pitch control 40 for the removed from the wind mechanical power, which is also designed to trim the power output. The wind rotor 10 drives a generator, here a synchronous generator 12 , which converts the mechanical power into electrical power and to the inverter 4 outputs. Input signals for the WEA control 14 and the pitch control 40 are guide signals for the voltage ΔU _{WT, Ref} or U _{WR, Ref} and for the delivered active power P _{WT, Ref} or P _Ref . The following is an example of the structure of the second controller 6 described.

Zur Regelung der Wirk- und Blindleistungsabgabe sind jeweils zweischleifige Regelungen vorgesehen, die je eine äußere und eine innere Regelschleife aufweisen. Hierbei ist die äußere Regelschleife langsamer als die innere. Sie dient zur Erreichung stationärer Genauigkeit in Bezug auf die angelegten Führungsgrößen. Die von ihr ausgegebenen Signale sind an die inneren Regelschleifen angelegt, welche eine größere Dynamik als die äußeren aufweisen. Sie dienen insbesondere zum schnellen Ausregeln von Störungen oder anderen transienten Ereignissen.In order to control the active and reactive power output, two-loop control systems are provided which each have an outer and an inner control loop. Here, the outer control loop is slower than the inner loop. It serves to achieve stationary accuracy with respect to the applied reference variables. The signals that it outputs are applied to the inner control loops, which have greater dynamics than the outer ones. They serve in particular for the rapid correction of disturbances or other transient events.

Die äußere Regelschleife 64 für die Wirkleistung ist in 5 dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie im Parkregler implementiert; sie könnte aber genauso gut auch an der Windenergieanlage 3 selbst vorgesehen sein. Als Eingangsgrößen sind ein Vorgabewert für die abzugebende Leistung P_WRef von der Leitwarte 90 und Messwerte für abgegebene Wirkleistung p_WP und die Netzfrequenz f_WP, wie sie am Verknüpfungspunkt 20 gemessen sind, angelegt. Es handelt sich hierbei um normierte Größen. Der Vorgabewert P_WREf wird ergänzt (Summationsstelle 641) um einen aus einer Statik abgeleiteten frequenzabhängigen Korrekturwert, und es wird (Differenzstelle 642) eine Abweichung zu dem Messwert für die abgegebene Leistung gebildet. Die so gebildete Differenz ist an den Eingang eines Reglerkerns angelegt, der ein P-Teil 643 und eine I-Teil 644 aufweist, die über ein Summationsglied 645 verknüpft sind. Dessen Summenwert wird nach Begrenzung als Führungsgröße P_WT für die abzugebende Wirkleistung an die die Windenergieanlagen 3 ausgegeben.The outer control loop 64 for the active power is in 5 shown. In the illustrated embodiment, it is implemented in the parking controller; but it could just as well also at the wind turbine 3 be provided for yourself. The input variables are a default value for the output power P _WRef from the control room 90 and measured values for delivered active power p _WP and the network frequency f _WP , as at the point of connection 20 measured, created. These are standardized sizes. The default value P _WREf is added (summation point 641 ) is derived from a statically derived frequency-dependent correction value, and it is (difference point 642 ) formed a deviation from the measured value for the output power. The difference thus formed is applied to the input of a controller core, which is a P-part 643 and an I part 644 which has a summation element 645 are linked. Its summation value, after being limited, becomes the reference variable P _WT for the active power to be delivered to the wind turbines 3 output.

Die äußere Regelschleife für Blindleistung 65 ist in 6 dargestellt. Sie ist im Parkregler 1 implementiert, kann aber ebenfalls genauso gut auch an der Windenergieanlage vorgesehen sein. Als Eingangsgrößen können verschiedene Sollwertvorgaben für die Blindleistung vorgesehen sein. Die Sollwertvorgabe ist in der linken Hälfte von 6 dargestellt. Sie umfasst im Beispiel drei Pfade, das sind als erster Pfad 651 der Phasenwinkel φ_PCC,ref, als zweiter Pfad 652 die normierte Blindleistung q_PCC,ref und als dritter Pfad 653 eine Sollspannung v_PCC,ref. Die Auswahl des Pfads erfolgt mittels einer Schalteinrichtung 654. Nach Begrenzung erfolgt an einer Differenzsstelle 655 die Bestimmung der Abweichung des Sollwerts von einem gemessenen Wert q_PCC für die abgegebene Blindleistung. Diese Abweichung wird an den Eingang des Reglerkerns 656 angelegt. Er ist als ein PI-Regler ausgeführt. Als Ausgangssignal kann eine Führungsgröße für eine Spannungsänderung an der Windenergieanlage Δu_WT,Ref oder eine direktes Blindleistungssignal q_WT,Ref an die WEA-Regelung 14 ausgegeben werden. Diese und die äußere Regelschleife für die Wirkleistung sind beide mit großen Zeitkonstanten versehen, so dass sie langsam regeln.The outer control loop for reactive power 65 is in 6 shown. She is in the parking controller 1 implemented, but may also just as well be provided on the wind turbine. Various input values for the reactive power can be provided as input variables. The setpoint specification is in the left half of 6 shown. It includes three paths in the example, these are the first path 651 the phase angle φ _{PCC, ref} , as the second path 652 the normalized reactive power q _{PCC, ref} and as the third path 653 a set voltage v _{PCC, ref} . The selection of the path is made by means of a switching device 654 , After limitation takes place at a point of difference 655 the determination of the deviation of the setpoint from a measured value q _PCC for the delivered reactive power. This deviation is sent to the input of the controller core 656 created. It is designed as a PI controller. The output signal may be a reference variable for a voltage change at the wind energy plant Δu _{WT, Ref} or a direct reactive power signal q _{WT, Ref} to the WEA control 14 be issued. These and the outer control loop for the active power are both provided with large time constants, so that they regulate slowly.

Eine Übersichtsdarstellung zu einer schnellen, inneren Regelschleife 75 für Blindleistung ist in 7 dargestellt. Sie ist in drei Teile gegliedert, welche in der Figur mit römischen Ziffern I bis III im Kreis gekennzeichnet sind. Im Teil I-1 wird aus dem vom Parkregler übermittelten Führungswert für die Spannungsänderung durch Addition mit einem Wert für die Spannungsreferenz der Führungswert u'_WR für die einzelne Windenergieanlage erzeugt. Der Teil I-2 beschreibt eine optionale Umwertungseinheit, falls eine Regelung auf einen weiter entfernten Punkt im Netz angestrebt ist. Ausgabewert ist mit oder ohne die Option ein Signal für die Netzspannung u_Netz. Den eigentlichen Reglerkern der schnellen inneren Regelschleife bildet der Teil II. Er umfasst in Teil II-2 mit einer Vorsteuerungseinheit das Herzstück zu Bildung des Amplitudenwerts für das als Stellgröße fungierende komplexe Spannungssignal. Der Teil II-1 dient einer Berechnung von Strömen, um sie ggf. schon vorab prädiktiv zu begrenzen. Der Teil III umfasst eine frequenzbandselektive Korrektur und dient insbesondere zur Verringerung von Oberschwingungen.An overview of a fast, internal control loop 75 for reactive power is in 7 shown. It is divided into three parts, which are marked in the figure with Roman numerals I to III in a circle. In Part I-1, the command value u ' _WR for the individual wind turbine is generated from the command value transmitted by the parking controller for the voltage change by addition with a value for the voltage reference. Part I-2 describes an optional revaluation unit if control is sought to a more distant point in the network. Output value is with or without the option a signal for the mains voltage u _mains . The actual controller core of the fast inner control loop is formed by Part II. In Part II-2, with a feedforward control unit, it comprises the core element for forming the amplitude value for the complex voltage signal acting as a manipulated variable. Part II-1 is used to calculate currents in order to limit them in advance if necessary. Part III comprises a frequency band selective correction and is used in particular for the reduction of harmonics.

In Teil I wird der Sollwert vom Windparkregler 1 empfangen, genauer gesagt von dessen Blindleistunsregler 65 (s. 6). Es handelt sich bei dem Signal Δu_WT,REF um eine Differenzgröße, normalisiert um eine Grundspannung u_ref0. Mittels der Summationsstelle 711 wird somit wieder ein vollwertiges Spannungssignal gebildet und von dem Teil I ausgegeben als Signal U_WR'.In Part I, the set point is the wind farm controller 1 received, more precisely from its reactive power controller 65 (S. 6 ). The signal Δu _{WT, REF} is a difference _quantity , normalized by a _fundamental voltage u _ref0 . By means of the summation point 711 Thus, a full voltage signal is again formed and output from the part I as a signal U _WR '.

Im Teil II erfolgt die eigentliche Regelung, wie sie Gegenstand des Kerns der Erfindung ist. Über den Block „Vorsteuerung” wird ein neuer Wert (Grundwert) für die Amplitude der Stellgröße U_WR an den Umrichter 4 gebildet. Dies erfolgt unmittelbar anhand folgender Beziehung: U_WR = U_Netz + k·i_{qNetz_Soll} In Part II, the actual regulation takes place, as it is the subject of the gist of the invention. A new value (basic value) for the amplitude of the control variable U _{WR is sent} to the inverter via the block "feedforward control" 4 educated. This is done directly by the following relationship: U _WR = U _network + k · i _{q network_soll}

Hierbei ist k ein Verstärkungsfaktor. Im Grunde ist er gleich dem Kehrwert der normalisierten Impedanz der Drossel 5, also 1/X_D. Bei typischen Werten für X_D von ca. 0,1 bis 0,15 ergäbe sich aber ein Verstärkungsfaktor von bis zu k = 10. Das wäre aber zu viel, gewünscht ist eine einstellbare Verstärkung von beispielsweise k = 2. Es erfolgt daher eine Begrenzung in dem Block 721. Er umfasst einen Proportionalanteil 722 für schnellste Reaktion und einen Integralanteil 723 zur (nachgeordneten) Verbesserung der stationären Genauigkeit. Ferner ist noch ein Limiter 724 zur Begrenzung des Stroms zwischen zulässigen Grenzen (I_qmin, I_qmax) vorgesehen. Ausgegeben wird ein begrenzter Sollwert i_{qNetz_Soll} für den Blindstrom durch die Drossel 5. Er wird an die Vorsteuerung 725 angelegt.Here, k is a gain factor. Basically, it is equal to the inverse of the normalized impedance of the choke 5 , ie 1 / X _D. At typical values for X _D of about 0.1 to 0.15, however, an amplification factor of up to k = 10 would result. However, that would be too much, an adjustable gain of, for example, k = 2 is desired. Therefore, a limitation occurs in the block 721 , It comprises a proportional component 722 for fastest reaction and an integral part 723 for (subordinate) improvement of the stationary accuracy. There is also a limiter 724 to limit the current between allowable limits (I _qmin , I _qmax ). A limited setpoint i _{qNetz_Soll is output} for the Reactive current through the choke 5 , He gets to the feedforward 725 created.

Weiter sind Korrektureinheiten 736, 727 vorgesehen. Sie verändern den Grundwert für die Amplitude des Stellsignals U_WR bei Bedarf so, dass Stromgrenzen nicht überschritten werden. Dazu wird der aktuelle Strom im Netz i_Netz erfasst und mit dem Wert für den neuen Sollwert iqNetz_Soll addiert, und über eine PI-Regelblock 736 begrenzt. Optional ist ein Grundschwingungsfilter 50 Hz 726' vorgesehen. Ferner wird auf ggf. drohendes Überschreiten einer Maximalgrenze geprüft, und der Grundwert erforderlichenfalls reduziert mittels eines Korrekturwerts aus dem PI-Regelblock 727.Next are correction units 736 . 727 intended. If necessary, they change the basic value for the amplitude of the control signal U _WR so that current limits are not exceeded. For this purpose, the current current in the grid i _{grid is} detected and added to the value for the new setpoint iqNetz_Soll, and via a PI control block 736 limited. Optionally, a fundamental filter is 50 Hz 726 ' intended. Furthermore, checking is made for the possible impending exceeding of a maximum limit, and if necessary the basic value is reduced by means of a correction value from the PI control block 727 ,

Zur frequenzabhängigen Beschränkung von Oberschwingungen sind die Blöcke 73, 74. Der Block 74 ist im Detail in 13 dargestellt. Basierend auf einem Messwert für die Netzspannung u_Netz wird über einen Bandpass 741 eine wählbare Oberschwingung ausgefiltert. Ihr Energiegehalt wird über einen Effektivwertbildner 742 bestimmt, mit einem zulässigen Maximalwert 743 verknüpft und Überschreitungen von dem PI-Regler 744 ausgeregelt. Um hierbei entstehende Phasenverschiebungen zu kompensieren, ist ein Phasenkompensator 745 in einem Parallelzweig angeordnet, dessen Ausgang an der Multiplikationsstelle 747 mit dem Ausgang des PI-Reglers verknüpft wird. Für weitere Oberschwingungen können weitere entsprechende Blöcke 74' mit anderen Bandpässen vorgesehen sein. Ihre Ausgänge werden über die Summationsstelle 749 zusammengefasst, und als Korrekturwert auf den Grundwert gegeben.The frequency-dependent restriction of harmonics are the blocks 73 . 74 , The block 74 is in detail in 13 shown. Based on a reading of the mains voltage u _mains is via a bandpass 741 a selectable harmonic filtered out. Your energy content is about an RMS 742 determined, with a maximum allowable value 743 linked and exceeded by the PI controller 744 corrected. To compensate for the resulting phase shifts, is a phase compensator 745 arranged in a parallel branch whose output at the multiplication point 747 is linked to the output of the PI controller. For further harmonics can further appropriate blocks 74 ' be provided with other bandpasses. Their outputs are via the summation point 749 summarized, and given as a correction value to the basic value.

Es ist möglich, dass sich wegen dieser an sich gewünschten Beschränkung der Oberschwingungen übergroße Ströme ergeben können. Da dies zur Überlastung und Beschädigung führen kann, ist mit dem Block 73 eine frequenzabhängige Strombegrenzung vorgesehen. Sie ist funktional ähnlich zu dem Block 74 und umfasst funktionsähnliche Blöcke 731–737, verwendet als Grundsignal aber den Strom i_Netz im Netz (s. 12). Das Ausgangssignal wird über die Summationsstelle 739 als Korrekturwert auf den Grundwert gegeben.It is possible that because of this inherently desired restriction of harmonics, excessive currents may result. Since this can lead to overloading and damage, is with the block 73 provided a frequency-dependent current limit. It is functionally similar to the block 74 and includes functionally similar blocks 731 - 737 , uses as a basic signal but the current i _network in the network (s. 12 ). The output signal is via the summation point 739 given as a correction value to the basic value.

Mit all den Korrekturen und Begrenzungen wird aus dem Grundwert am Ausgang der Vorsteuerung schließlich der neue Amplitudenwert U_WR als ein Element der Stellgröße für den Umrichter 4.With all the corrections and limitations, the new amplitude value U _{WR is} finally converted from the basic value at the output of the pilot control as an element of the manipulated variable for the converter 4 ,

Zur Bestimmung des anderen Elements des komplexen Stellsignals, dem Phasenwinkel phi, ist der schnelle Wirkleistungsregler 8 vorgesehen (s. 11). Ein Block 81 bildet den eigentlichen Regelungskern. An ihm angelegt sind Meßwerte für die Netzspannung, Phasenwinkel im Netz und Netzfrequenz aus einem Signalverarbeitungsblock 811. Ferner angelegt ist ein Sollsignal für die Wirkleistungsabgabe der Windenergieanlage p_WT,Ref und der Amplitudenwert für das Stellsignal U_WR. Daraus wird mit dem Block 812 ein Maß für einen Referenz-Wirkstrom i_P,REF erzeugt. Ferner wird daraus mittels des Rechenblocks 813 und dem Arcsin-Block 814 ein Grundwert für einen Phasenwinkel δ bestimmt. Die Blöcke 813, 814 basieren auf dem Steuergesetz:

woraus sich nach Auflösung zu dem Winkel δ ergibt:

To determine the other element of the complex control signal, the phase angle phi, is the fast active power controller 8th provided (s. 11 ). A block 81 forms the actual regulatory core. Applied to it are measured values for the mains voltage, phase angle in the network and mains frequency from a signal processing block 811 , Furthermore, a desired signal for the active power output of the wind power plant p _{WT, Ref} and the amplitude value for the actuating signal U _{WR is applied} . This will be with the block 812 generates a measure of a reference active current i _{P, REF} . Furthermore, it is calculated by means of the calculation block 813 and the Arcsin block 814 a basic value for a phase angle δ determined. The blocks 813 . 814 based on the tax law:

which results in resolution to the angle δ:

Zu diesem Winkel δ wird an der Summationsstelle fortgeschriebene Netzwinkel hinzuaddiert (Stelle 815), so dass sich ein Grundwert für den Phasenwinkel als Stellgröße des Umrichters ergibt.At this angle δ, added net angles are added at the summation point (position 815 ), so that a basic value for the phase angle as the manipulated variable of the converter results.

Dieser Grundwert wird durch Block 82 modifiziert abhängig von dem Netzstrom i_Netz. Dazu wird ein Block 821 ein Mitsystem bestimmt und daraus ein Wert für dessen Wirkstrom i_P,Netz. Dieser wird mit dem im Block 81 bestimmten Referenz-Wirkstrom i_P,Ref verknüpft (Stelle 822) und über einen PI-Block 823 als Korrekturwert auf den Grundwert aufgeschaltet (Stelle 824). Ferner wird auf ggf. drohendes Überschreiten einer Maximalgrenze geprüft (Block 825), und der Grundwert erforderlichenfalls reduziert mittels eines Korrekturwerts aus dem PI-Regelblock 826, der über Stelle 828 aufgeschaltet wird.This basic value is determined by block 82 modified depending on the mains current i _network . This will be a block 821 determines a positive sequence system and from this a value for its active current i _{P, network} . This will be the one in the block 81 certain reference active current i _{P, Ref} linked (position 822 ) and via a PI block 823 as correction value to the basic value (position 824 ). Furthermore, it is checked for the possible impending exceeding of a maximum limit (block 825 If necessary, the base value is reduced by means of a correction value from the PI control block 826 That's about job 828 is switched on.

Somit ergibt sich schließlich Ausgang 829 von Block 82 ein modifizierter Wert, der als Signal für den Phasenwinkel des komplexen Stellsignals an den Umrichter 4 angelegt wird.Thus, output finally results 829 from block 82 a modified value that serves as a signal for the phase angle of the complex control signal to the inverter 4 is created.

Es sei angemerkt, dass nach einem Kerngedanken der Erfindung das komplexe Stellsignal in seinen Grundwerten direkt berechnet wird, d. h. ohne dass vorher aufwendige Regelungsstrukturen und/oder aufwendige Berechnungen, wie die für Mit-/Gegensystem erforderlich wären. Dadurch ergibt sich eine sehr schnelle Reaktion in der Art einer Vorsteuerung. – Die schnelle Erstreaktion schließt aber nicht aus, dass quasi im Nachgang noch Korrekturwerte berechnet, die dann auf die Grundwerte aufgeschaltet. Für solche nachgelagerten Korrektoren kann dann im Rahmen der Erfindung auch auf aufwendigere und zeitintensivere Funktionen, wie solche mit Bestimmung des Mit-/Gegensystems zurückgegriffen werden. Dies führt also lediglich zu einer Verfeinerung, keineswegs aber zu einer Verzögerung.It should be noted that according to a central idea of the invention, the complex control signal is calculated directly in its basic values, i. H. without previously consuming control structures and / or complex calculations, such as those required for co-/ counter system. This results in a very fast response in the manner of feedforward control. - The fast Erstreaktion but does not exclude that quasi later calculated correction values, which then switched to the basic values. For such downstream correctors can then be used within the scope of the invention on more complex and time-consuming functions, such as those with determination of co-/ counter system. This leads only to a refinement, but by no means to a delay.

Claims

A method of operating a wind turbine with a generator driven by a wind rotor for generating electrical power, an inverter, a throttle and an output terminal for outputting the electric power generated by the generator to a network having a target frequency and target voltage, the inverter being a machine side inverter , a DC link, a grid side inverter and inverter control for the inverters, and further comprising a first controller for the machine side inverter and a second controller for the grid side inverter acting on the inverter control as an actuator, characterized in that at least the second Controller is complex with an output for a complex voltage signal U _WR * as manipulated variable, which contains signals for an amplitude U _{WR of} the setpoint voltage of the inverter and a target phase position phi_U _WR , this St ellgröße is applied to a manipulated variable input of the inverter control for driving at least the network-side inverter.

A method according to claim 1, characterized by determining an allowable current in the inverter when adjusting the manipulated variable by means of a current predictor.

A method according to claim 2, characterized by limiting the manipulated variable when an adjustable limit for the expected current is exceeded by means of a current monitor.

A method according to claim 2 or 3, characterized by determining the expected current and / or the adjustable limit taking into account a reference voltage, which is preferably applied externally.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized by determining the allowable current by means of an adjustable gain factor, which is preferably less than 5, more preferably at most 3.

A method according to claim 4, characterized in that the allowable current is determined by multiplying a reciprocal of the normalized impedance of the inductor with a difference of the mains voltage to the reference voltage.

Method according to one of the preceding claims, characterized by determining an ideal mains voltage U _network and comparing with the mains voltage U _network , forming a correction signal for the manipulated variable on the basis of the comparison and modifying the actuating signal on the basis of the correction signal.

A method according to claim 7, characterized in that the Modifizierend based on the correction signal is frequency band selective, in particular depending on the order of harmonics.

Method according to one of the preceding claims, characterized by determining negative _{sequence voltages} and currents in the network, determining an allowable change for reactive current in the negative _sequence based on a negative _{sequence reference voltage} U _{ref_g} and determining correction _values for the control signal so that the current change in the negative sequence remains admissible.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least the second controller has a reactive power control, which is made double-ended, with a slow outer loop and a fast inner loop.

A method according to claim 10, characterized in that at least the second controller further comprises an active power control, which is carried out in a double-ended, with a slow outer loop and a fast inner loop.

A method according to claim 10 or 11, characterized in that preferably determine only the fast inner loops, the values for amplitude and phase of the complex control signal.

Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that at least one of the inner loops acts as a feedforward control, which is preferably designed as a pilot control.

A method according to claim 13, characterized in that the feedforward control is more dominant than a reference variable processing part of the controller.

Wind turbine with a generator driven by a wind rotor for generating electrical power, an inverter, a throttle and an output terminal for outputting the electrical power generated by the generator to a network having a nominal frequency and target voltage, the inverter comprising a machine-side inverter, a DC link, a grid-side inverter and a converter control for the inverters, as well as a first controller for the machine-side inverter and a second controller for the grid-side inverter are provided, which act on the inverter control as an actuator, characterized in that at least the second controller is made complex with an output for a complex voltage signal U _WR as manipulated variable, which contains signals for an amplitude of the setpoint voltage of the inverter and a desired phase position, this Manipulated variable is applied to a manipulated variable input of the inverter control for controlling at least the network-side inverter.

Wind energy plant according to claim 15, characterized in that the first and / or second regulator is designed for carrying out the method according to one of claims 1 to 14.

Wind farm with multiple wind turbines according to claim 15 or 16 and a wind farm controller as a park master, wherein the wind farm controller is designed in conjunction with controllers of the wind turbine for carrying out the method according to one of claims 1 to 14.