CN112272907A - 用于将电力变压器连接至电网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将电力变压器(160)连接至电网(170)的方法(200)，该电力变压器(160)位于风力涡轮机(100)的逆变器(150)与电网(170)之间，该方法包括以下步骤：借助于风力涡轮机(100)的逆变器(150)或者借助于辅助逆变器，将变压器的初级侧(161)的电压从低的起始电压(a)逐渐地增加至等于或接近于变压器(160)的标称电压的目标电压(b)，从而增加变压器(160)的次级侧(162)的电压，其中，电压的逐渐增加使用了内部能量存储设备(158)的能量；在已经达到了预定义的目标条件之后，将变压器(160)的次级侧(162)连接至电网(170)。

Description

用于将电力变压器连接至电网的方法

本发明涉及用于将位于风力涡轮机的逆变器与电网之间的电力变压器连接至电网的方法。本发明还涉及这样的变压器，并且本发明还涉及包括这样的电力变压器或者与这样的电力变压器连接的风力发电设施。

风力涡轮机通常借助于电力变压器连接至电网。这样的电力变压器将电压从风力涡轮机所连接的初级侧变换到电网所连接的次级侧。电力变压器也可以被简称为变压器。

当将电网连接至变压器时，经常发生涌入电流的问题。这样的涌入电流是在连接时变压器的磁状态与由电网施加的磁状态之间的差异的结果。

特别的问题是在该连接的开始时变压器的这种磁状态是未知的。根据该连接，即，向变压器随机地施加电网的电压，在很多时候会导致在那时变压器的当前磁状态与由电网施加的磁状态不匹配的状况。这样的变化导致所述涌入电流。这样的涌入电流可以至少如此之大以致于可能产生在所连接的电网中的干扰。

为了避免这样的涌入电流，存在已知方法，其精确地监视变压器的任何断开，使得可以知道这样的断开之后的磁特性。基于此，风力涡轮机可以以使得所述连接与这些已知的磁状态匹配的方式连接至变压器。然而，这样的方法相当复杂，并且还需要用于监视这样的断开的设备。这也使任何启动过程变得困难，因为这样的启动需要精确的触发。

欧洲专利EP 2 570 661 B1也提供了一种用于启动这样的变压器的解决方案。根据该文件中提供的解决方案，提供了一种特定的充电设备，其连接至变压器并且被特别地设计成启动变压器，使得涌入电流不会出现或者至少是小的。然而，这样的解决方案使得所述充电设备成为必需，并且因此增加了这样的系统的成本。这样的解决方案还具有以下缺点：它不提供黑启动能力，至少不是以有成本效率的方式提供黑启动能力。

欧洲专利局在本PCT申请的优先权申请中引用了以下现有技术文件：US 2012/139344 A1、WO 2017/167784 A1、WO 2017/135937 A1、WO 2012/163398 A1以及WO 2016/146403 A1。

因此，本发明的目的是解决上面提及的问题。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于将风力涡轮机经由变压器连接至电网的解决方案，其以尽可能地成本有效的方式避免了涌入电流或使这样的涌入电流保持为小的。本发明的至少一个目的是提供一种相对于已知解决方案的替选解决方案。

根据本发明，提供了根据权利要求1所述的方法。因此，提供了一种用于将电力变压器连接至电网的方法，该电力变压器位于风力涡轮机的逆变器与电网之间，该方法包括以下步骤：

-借助于风力涡轮机的逆变器或者借助于辅助逆变器，将变压器的初级侧的电压从低的起始电压逐渐地增加至等于或接近于变压器的标称电压的目标电压，

从而增加变压器的次级侧的电压，

-其中，电压的逐渐增加使用了内部能量存储设备的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将变压器的次级侧连接至电网。

因此，设置成逐渐地增加变压器的初级侧的电压。因此，电压从低的起始电压增加至目标电压。所述目标电压等于或至少接近于变压器的标称电压。因此，电压增加直至标称电压。然而，标称电压不一定需要被100％达到。例如90％或95％的较小的值也可以是足够的。起始电压可以为0。但是，起始电压也可以具有小的值，例如，多达以上说明的电压的对应标称值的5％或10％的值。通过这种方式，以小的值开始增加，因此在电流提供方面避免了使逆变器过载。

所述增加通过作为风力涡轮机的一部分的逆变器来完成。特别地，风力涡轮机包括至少一个逆变器，该逆变器用于将由风力涡轮机生成的电力馈送至电网中。因此，相同的逆变器(即，风力涡轮机的主逆变器或若干主逆变器中的一个主逆变器)也用于提供所述电压的增加。通过这种方式，由于避免了附加设备而提供了具有成本效率的解决方案。

然而，也可以使用辅助逆变器，该辅助逆变器被特别地设计成执行这样的电压的增加。然而，一旦风力涡轮机被完全地连接至电网并且由风驱动，这样的辅助逆变器也可以用于将电力馈送至电网中。

有利的设计是具有包括多个逆变器的涡轮机，所有逆变器被设计并且准备成将电力馈送至电网中。所有这些逆变器可以相对于其输出端子并联连接。因此，这些逆变器被连接成使得它们的电流彼此相加以形成风力涡轮机的所得到的输出电流。然而，这些逆变器中的一个可以被设计为辅助逆变器，该辅助逆变器被特别地设计成能够提供所述的电压的增加。因此，即使使用辅助逆变器，也不需要附加设备。仅需要使逆变器中的至少一个适于执行所述的电压的增加。

所述的电压的增加使用内部能量存储设备的能量。特别地，使用了内部电池。这样的存储设备，尤其是这样的电池，可以是逆变器的一部分和/或风力涡轮机的一部分。

通过提供这样的内部能量存储设备，该方法甚至能够至少执行所谓的黑启动，即，在电网的一部分(即，连接至所述变压器的并且假定风力涡轮机要向其馈送电力的部分)不运行时执行启动。

因此，该方法可以通过增加电压来启动变压器，并且一旦所述电压已经增加，则变压器的次级侧可以连接至电网。为了做到这一点，还建议首先确保已经达到了预定义的目标条件，即，电网的预定义的目标条件。这样的预定义的目标条件可以是：所述电网正在正常地工作并且具有标称电网电压或至少接近于这样的标称电网电压的电网电压。在这种情况下，电网正在正常地运行。

然而，如果电网不是正常地运行，则还可以将变压器的次级侧连接至电网，但要这样做，还必须检查电网的预定义条件。在那种情况下，至少一个预定义的目标条件是电网没有电网故障，例如短路故障。还必须仔细检查什么类型的用户与电网连接(至少与电网的相关部分连接)。特别地，在这样的黑启动的这种情况下，不应连接任何用户或连接有限的用户。优选地，一旦变压器以其次级侧连接至电网，该方法还能够控制要连接至电网的用户。

因此，所述预定义的目标条件应当区分出电网是否可用。如果电网可用，则预定义的目标条件可以包括：在变压器的输出处(即，变压器的次级侧)的电压电平是否具有电网电压的电平或者至少具有大约电网电压的电平。也可以将测试频率是否与电网频率相匹配或者由逆变器提供的频率是否为至少大约电网频率作为预定义的目标条件。也可以将检查由逆变器生成的并且在变压器的次级侧可用的信号是否与电网相位同相作为预定义的目标条件。然而，这也可以包括小的偏差或偏差，以提供无功功率。

如果电网是不可用的，则一个预定义的目标条件可以是电压电平是否处于标称值或者至少大约这样的标称值。特别地，可以将检查变压器的次级侧的电压电平是否处于电网电压的标称值作为预定义的目标条件。一个预定义的目标条件也可以是频率是否具有标称值或至少大约标称值。特别地，这样的预定义的目标条件是由逆变器生成的频率是否具有电网频率的标称值，特别是50Hz或60Hz。

根据本发明的一个实施方式，能量存储设备在风力涡轮机的正常运行期间从风力涡轮机进行预充电。特别地，在电网恢复之后，能量存储设备不从电网进行缓冲。通过这种方式，能量存储设备的充电基本上不影响电网。由风力涡轮机产生的能量可以直接用于为能量存储设备、特别是电池设备充电，因此避免了风力涡轮机与电网之间的线路(包括用于充电的变压器)上的能量的任何损失。

根据一个实施方式，建议在电网中有过剩电力或者在电网中至少没有电力需求时，或者在电网中电力需求降低时，在风力涡轮机的正常运行期间为电池存储设备充电。通过这种方式，可以有效地使用这样的有过剩电力或电力需求降低的时段来为能量存储设备充电。因此，认识到，启动风力涡轮机的事件以及由此启动变压器的事件很少，并且尤其是通常可以少于一天一次。因此，有足够的时间来等待电网中的良好状况以便将由风力涡轮机产生的能量中的一些能量用来为电存储设备充电。

根据一个实施方式，建议执行逐渐地增加变压器的初级侧的电压的步骤，使得避免或减小逆变器的过载电流，特别是变压器中的涌入电流。最佳特征是完全地避免这样的涌入电流，否则该涌入电流至少应是小的。

为了避免涌入电流或为了仅具有减小的涌入电流，或者作为替选解决方案，建议将初级侧的电压逐渐地增加至预定义上升时间的目标电压。因此，存在给定的预定义上升时间，并且在这个预定义上升时间期间，初级侧的电压增加，并因此清楚地限定了增加电压的方式。这避免了不期望的电压阶跃。

特别地，上升时间在10ms至300s的范围内。特别地，上升时间从100ms至30s。考虑到要生成约50Hz或60Hz的频率，该10ms的最低限度提供了所生成信号的半个正弦周期的上升时段。因此，电压在正弦信号的半个周期内上升，并且电压上升相当快，但是仍提供了用于在电流方面限制逆变器的过载的解决方案。

所述300s的上限提供了技术上相当缓慢的上升时段。因此，任何涌入电流甚至可以根据对应的测量设备的精度完全地避免涌入电流。然而，考虑到启动风力涡轮机所需的其他步骤，例如仅以调整转子叶片的位置、吊舱的方位位置作为两个示例，300s的时间段不是太长。

然而，特别地，100ms至30s为优选范围。100ms允许在正弦信号的5至6个周期内进行启动过程。考虑到风力涡轮机的启动过程，30s并不长。因此，这样的100ms至30s的时段允许进行快速启动过程，但是仍然能够在电流方面限制逆变器的过载。

对于起始电压，建议使起始电压在变压器的标称电压的0％至70％的范围内。优选地，在变压器的标称电压的0％至10％的范围内。特别地，起始电压是变压器的标称电压的0％，因此为0伏。为了防止逆变器提供过高的电流，优选地，将0电压作为起始电压。然而，如果这样的起始电压以略高的值(即，在标称电压的0％至10％的范围内)开始，则逆变器能够提供所需的电流，同时也避免了逆变器的过高的过载。

然而，即使为了减小或避免浪涌电流而优选小的起始电压，该起始电压甚至可以在变压器的标称电压(即，相对于变压器的初级侧)的0％至70％的范围内。认识到，为了在电流方面减小逆变器的过载，优选小的起始电压，但是以较高的电压开始更易于实现，或者以较低的成本实现，因此起始电压可以是一方面要容易或具有成本效率的实现而另一方面要减少逆变器的过载的折中方案。这通过0％至70％的范围来满足，该范围仍然限制了要由逆变器提供的电流。

根据一个实施方式，建议目标电压在变压器的标称电压的75％至110％的范围内，并且优选地，目标电压是变压器的标称电压。然而，目标电压也可以与标称电压略有相差，特别地，相差标称电压的2％至5％，因此在标称电压的95％至105％的范围内。

根据这些建议，目标电压接近于标称电压，因此该方法提供了一种用于将电压逐渐地增加至标称电压从而实现在没有涌入或具有有限的涌入的情况下能够连接至电网的状况的解决方案。

根据一个实施方式，一旦已经达到了目标电压，并且至少直到变压器的次级侧已经连接至电网之前，风力涡轮机以自维持模式运行。因此，增加电压以准备将变压器以及继而将风力涡轮机连接至电网。然而，认识到，风力涡轮机或变压器不能总是容易地连接至电网。特别地，必须首先确保已经达到了预定义的目标条件。可能要花费相当长的时间才达到了这些预定义的目标条件。另外，或者作为达到预定义的目标条件的一部分，电网的操作者可以指示风力涡轮机推迟连接到电网。

因此，变压器将保持在已经达到了目标电压的当前状况。根据该方面，这通过以自维持模式运行风力涡轮机来完成。根据该自维持模式，风力涡轮机从风中生成电力，并且特别地使用电力来使变压器准备好具有目标电压。一旦变压器以及继而风力涡轮机连接至电网，也还使风力涡轮机保持准备就绪。在这种情况下，风力涡轮机可以容易地将电力供应给电网，这是由于风力涡轮机已经按照自维持模式运行，并且仅需要将电力的量从自维持模式所需的量增加至待馈送至电网中的量即可。有利地是，馈送至电网中的量是由风力涡轮机产生的电力的量。

优选地，风力涡轮机在自维持模式期间还为内部能量存储设备再充电。根据该建议，认识到，在自维持模式期间，风力涡轮机产生尽可能少的电力，因此，建议略微增加从风中生成的这个电力，使得可以为内部电存储设备再充电。

根据一个实施方式，该方法的特征在于，如果在将变压器的次级侧连接至电网时电网处于运行中，则一旦变压器的次级侧连接至电网，有功功率就容易从电网消耗或者被注入电网中，以及/或者一旦变压器的次级侧连接至电网，无功功率就容易从电网消耗或者被注入电网中。

因此，一旦变压器以及继而风力涡轮机连接至电网，风力发电设施就可以容易地通过供应有功功率和/或无功功率来支持电网。这意味着电网处于运行中。供应电力还包括正供应和负供应，即，注入电力或消耗电力。供应有功功率和供应无功功率应彼此独立地被控制。这样，可以完成支持电网的不同任务。特别地，电压支持可以通过供应无功功率来实现，并且频率的支持可以通过供应有功功率来实现。

这些特征在变压器的启动以及继而将变压器与电网连接的方面特别地有用。变压器的启动，即，将电压增加至目标电压，可以因此与支持电网相互作用。特别地，根据该实施方式提出的解决方案提供了启动变压器，以便能够容易地支持电网。这可以在不产生任何涌入电流的情况下或者至少只有少量涌入电流的情况下实现，并且因此特别地适于支持电网，这是因为涌入电流也可能导致干扰电网。因此，如果风力涡轮机支持电网但是由于涌入电流而引起显著的干扰，这可能负面地影响电网，因此对该支持不利。换句话说，涌入电流这样的干扰可能使电网不稳定，而实际上电网需要支持以保持稳定。本发明避免了这样的干扰，并且因此可以在没有这样的干扰的情况下给予支持。

根据一个实施方式，建议在不消耗或注入任何功率的情况下将风力涡轮机连接至电网。因此，风力涡轮机以及继而变压器连接至电网，并且可以供应(即，消耗或注入)有功功率以及无功功率，但是没有这样做。根据该建议，风力涡轮机可以在连接时以自维持模式运行，并且仅等待直到它可以供应有功功率或无功功率。

根据一个实施方式，建议使风力涡轮机根据主风以其转子的旋转速度来运行，特别地，以标称旋转速度运行，但是生成比根据主风能生成的电力少的电力。特别地，仅生成与自维持模式所需的电力一样多的电力，或者不产生电力。因此，风力涡轮机的转子的旋转速度比根据生成少量或零电力时的旋转速度要高的多。可以通过相应地使转子叶片倾斜来实现这样的操作模式，使得转子叶片从风中仅吸收很少的电力。具有如此高的旋转速度，风力涡轮机可以根据主风条件迅速地改变至产生尽可能多的电力的状况。如果风力涡轮机正在供应有功功率或无功功率或仅供应少量有功无功功率，则可以进行这样的切换，并且应增加其电力供应。

根据一个实施方式，建议如果电网不处于运行中，则在将变压器连接至电网之后，风力涡轮机以孤岛模式运行电网或电网的一部分。因此，变压器的启动和风力涡轮机的启动甚至进行启动电网或电网的至少一部分这一步骤。这以这样的方式来完成：在将变压器连接至电网之后，电网或电网的所述部分以孤岛模式运行。在这样的孤岛模式下，风力涡轮机提供电网或电网的所述部分的电压和频率。电网的所述部分也可以被称为部分电网或电网部分。因此，至少存在第一电网部分和第二电网部分。

因此，至少这样的部分电网可以以孤岛模式运行，因此其可以作为孤岛电网运行。可以将一些用户连接至孤岛电网，这大约消耗了风力涡轮机可以提供的电力的量。一旦这样的孤岛电网启动并且运行，就可以连接其他的用户和其他的能量产生者。如果这样的部分电网以孤岛模式运行，即作为孤岛电网运行，则也可以与其他部分电网重新连接。通过这种方式，在停电后可以重新启动包括多个部分电网的电网。

为了提供这样的孤岛模式的运行以及可能重启包括多个部分电网的电网，该方法提供了一种甚至避免由涌入电流引起的问题的有效的解决方案。认识到，这样的孤岛模式的运行是非常敏感的，因此至少避免了可能由涌入电流引起的干扰，并且相应地避免了电网或部分电网的另一故障的这种可能来源。还认识到，这样的电网或部分电网或电网部分在这样的启动操作期间对进一步发生故障特别敏感。

所提出的解决方案甚至提供了通过单个风力涡轮机启动至少小的部分电网的可能性，并且其甚至避免了涌入电流和对应的干扰。

根据另一实施方式，该方法的特征在于，如果电网分成第一部分和第二部分，并且在将变压器的次级侧连接至电网之后，变压器连接至第一部分，则风力涡轮机以孤岛模式运行第一部分，风力涡轮机将电网的第一部分同步至电网的第二部分以准备重新连接，以及特别地，一旦在电网的第一部分和第二部分被同步之后，发起电网的第一部分和第二部分的重新连接，以便重建电网或电网的部分。

因此，该实施方式是执行以上说明的电网的重启的一种可能性。在电网或电网的部分已经观察到停电的情况下，可以使用该方法。

特别地，在电网的第一部分和第二部分重新连接之后，可以将有功和/或无功功率供应至电网以提供支持。这可以对电网的第一部分进行，但是其他能量产生者可以向电网的第二部分供应有功和/或无功功率。

根据一个实施方式，逆变器被设置为电压源逆变器。在使用辅助逆变器的情况下，该辅助逆变器应被设置为电压源逆变器。电压源逆变器能够控制其输出处的电压电平，并且通过这种方式，经由变压器，电压源逆变器能够控制供应电网中或至少在其所连接的所述部分中的电压电平。风力涡轮机通常使用电流源逆变器，电流源逆变器根据电流的相位角相对于电网中存在的电压的相位角来控制适于将有功功率或无功功率馈送至电网中的电流。换句话说，如果馈送至电网中的电流与电网中的电压之间的相位角为0，则仅馈送有功功率。

这样的电流源逆变器不支持电压，至少是不直接地支持电压，而是使电流源逆变器的输出电压适应电网中存在的并且因此存在于变压器的初级侧的电压。这样的电流源逆变器不能提供和控制电网或电网的一部分的电压电平。

因此，如果电网或电网的一部分随后由风力涡轮机启动或运行，则使用电压源逆变器来启动变压器尤为有利。一旦这样的电压源逆变器提供电网中的电压电平，则可以连接其他逆变器，特别是可以并联连接其他逆变器。这样的其他逆变器未必是电压源逆变器。连接之后，可以使用电压源逆变器来启动变压器并且控制电网的第一电压电平，并且可以添加电流源逆变器以提供另外的电力。

本发明还涉及一种风力涡轮机系统，包括：

-风力涡轮机，其具有：

-逆变器，用于向电网供应由风力涡轮机生成的电力，以及

-内部能量存储设备，用于存储能量以供应给逆变器或辅助逆变器，

-电力变压器，其位于风力涡轮机的逆变器与电网之间，所述变压器具有：

-初级侧，用于连接至逆变器，以及

-次级侧，用于连接至电网，

其中，风力涡轮机系统、特别是风力涡轮机包括控制单元，该控制单元适于执行以下方法步骤：

-借助于风力涡轮机的逆变器或者借助于辅助逆变器，逐渐地将变压器的初级侧的电压从低的起始电压增加至等于或接近于变压器的标称电压的目标电压，

从而增加变压器的次级侧的电压，

-其中，电压的逐渐增加使用了所述内部能量存储设备的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将变压器的次级侧连接至电网。

根据这样的风力涡轮机，系统适于执行以上关于用于将电力变压器连接至电网的方法的至少一个实施方式所说明的方法。特别地，这样的方法在控制单元中执行，优选地借助于在控制单元的计算机上运行的计算机程序实现。

优选地，逆变器和/或辅助逆变器被设置为电压源逆变器。通过这种方式，系统特别能够控制电网中的电压。

本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括：

-逆变器，用于向电网供应由风力涡轮机生成的电力，以及

-内部能量存储设备，用于存储能量以供应给适于连接到的逆变器或辅助逆变器，

-电力变压器，位于风力涡轮机的逆变器与电网之间，该变压器具有：

-初级侧，用于连接至逆变器，以及

-次级侧，其用于连接至电网，

其中，该风力涡轮机包括控制单元，该控制单元适于执行以下方法步骤：

-借助于风力涡轮机的逆变器或者借助于辅助逆变器，逐渐地将变压器的初级侧的电压从低的起始电压增加至等于或接近于变压器的标称电压的目标电压，

从而增加变压器的次级侧的电压，

-其中，电压的逐渐增加使用了所述内部储能设备的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将变压器的次级侧连接至电网。

这样的风力涡轮机特别地适合用在关于至少实施方式说明的风力涡轮机系统中。优选的特征还在于，逆变器和/或辅助逆变器被设置为电压源逆变器。这使得风力涡轮机能够控制电网中的电压，这对于启动或重建这样的电网或电网的一部分特别有用。

这样的风力涡轮机优选地使用根据以上关于用于将电力变压器连接至电网的方法说明的至少一个实施方式的、用于将电力变压器连接至电网的方法。为了执行这样的方法，风力涡轮机包括控制单元，该控制单元适于执行这样的方法。特别地，这样的方法在控制单元中执行，优选地借助于在控制单元的计算机上运行的计算机程序来实现。

现在将使用至少一个实施方式和所附的附图通过示例的方式来说明本发明。

图1以示意图以及部分地以透视图示出了具有连接至电网的风力涡轮机的风力涡轮机系统。

图2示出了根据一个实施方式的用于连接电力变压器的方法的流程图。

图3示出了作为根据本发明的一个实施方式的用于连接电力变压器的方法的一部分的、随时间变化的电压值的图。

图1示出了具有塔架102和吊舱104的风力涡轮机100。在吊舱104处有转子106，该转子106具有三个转子叶片108和旋转器110。转子106在运行期间借助于风旋转，并且从而驱动位于吊舱104内部的发电机。

通过这种方式，生成电能并且将其作为DC电流提供给逆变器150。具有逆变器输出152的逆变器150连接至变压器160的初级侧161。逆变器150能够调节在其逆变器输出152处的输出电压U₁。通过这种方式，被供应至变压器160的初级侧161的逆变器输出152的输出电压U₁可以根据另一实施方式从0％或5％逐渐地增加至100％的标称值或者接近这样的输出电压的标称值。

为了实现这样的方法，借助于电压传感器154测量输出电压U₁，并且将该输出电压U₁作为传感器信号提供给控制单元156。控制单元156因此控制逆变器150。为了增加逆变器150的输出电压U₁，控制单元156为输出电压U₁提供设定值Us。该设定点电压Us也可以相对于标称电压U_N从0％逐渐地增加至100％。

控制单元156还可以提供本领域技术人员已知的其他控制信号。设置有存储设备158，该存储设备158在DC输入159处连接至逆变器150。存储设备158将能量传递至逆变器150以增加输出电压U₁。

然而，输出电压U₁以及继而设定点电压Us也可以逐步地增加。如果这样的步长足够小，则可以类似于逐渐地增加电压。

通过逐渐地增加输出电压U₁，变压器160的初级侧161的电压增加，这是因为它们是相同的电压。因此，逆变器输出152处的输出电压U₁也可以被描述为变压器160的初级侧161的初级电压U₁。通过增加变压器160的初级侧161的初级电压U₁，变压器160的次级侧162的次级电压U₂也增加。因此，逆变器150可以逐渐地或者以不同的方式增加供应至电网170的次级电压U₂。在图1所示的实施方式中，电网170至少包括第一部分171和第二部分172。该第一部分171和第二部分172可以借助于第二开关S₂分开或连接。变压器160可以借助于第一开关S₁连接至第一部分171。

包括逆变器150和控制单元156的风力涡轮机100形成包括变压器160的风力涡轮机系统180。

图2示出了描述根据一个实施方式的用于将电力变压器连接至电网的方法的流程图。根据该流程图200，该方法在开始框202处开始。当电力变压器、例如根据图1的电力变压器160未连接至电网并且未由任何电压供电时，开始该方法。

作为开始框202的一部分，可以检查变压器是否与电网断开。这可能尤其意味着，检查根据图1的变压器160是否借助于第一开关S₁与电网170的第一部分171分开。如果满足这样的开始条件，则可以根据增加框204来增加电压。因此，增加框204通过电压随着时间的增加来示出。可以通过使用相应的增加斜坡将电压从标称电压的0％增加至100％来完成这样的增加，所述增加斜坡限定了随时间推移线性且连续地增加电压的斜率。然而，也可以实现其他增加电压的方式。一种可能性是以低的电压值(例如标称电压的5％)开始。另外或替选地，可以建议电压不完全达到标称值的100％，而是略小值或略大值。可以使用许多其他策略，例如以小步长增加电压。

一旦完成了根据增加框204的增加过程，即，一旦达到了最终电压、特别是标称电压，则该过程继续进行，检查电网、特别是根据图1的电网170的第一部分171是否可用。这根据检查框206完成。电网是否可用特别是指，在所述电网中是否存在稳定的电压或者是否没有可用的电网。如果没有可用的电网，则这包括如下状况：根据图1，此时第二开关S₂断开，并且电网170的第一部分171不可用，即，具有为零伏的电压电平。如果这样的第二开关S₂断开，则检查框206不需要检查电网170的第二部分172是否可用。

取决于根据检查框206的检查结果，将检查或准备不同的预定义的目标条件。

因此，如果电网可用，则检查框206将分支进行到同步框208。根据同步框208，将连续地测量电网中的电压的相位和电压频率，特别是根据图1的电网170的第一部分171中的电压的相位和电压频率。基于这样的测量，风力涡轮机、特别是根据增加框204已经增加了电压的逆变器将调整在根据图1的逆变器150的逆变器输出152处的输出电压。据此，将调节输出电压U₁，使得在变压器160的次级侧162的次级电压U₂在电压电平、电压频率和电压相位方面与电网170的第一部分171中的电压相匹配。

如果所有同步都已经成功地完成，则该方法从同步框208继续进行至连接框210。根据连接框210，将会基本上闭合开关，例如根据图1中说明的实施方式的第一开关S₁。

在根据连接框210的连接之后，该方法进行至根据支持框212的电网支持。这样的支持特别地包括：尤其根据电网的状态和/或操作相应电网的电网操作者的要求馈送有功功率和无功功率。特别地，支持框212提供：根据电网中的频率馈送有功功率，以及根据电网中的电压电平馈送无功功率。

最后，如果电网和借助于逆变器向电网的馈送以基本上规则和稳定的方式运行，则该方法在结束框214中结束。因此，所提出的方法的结束意味着，此后风力涡轮机以规则的方式将电力连续地馈送至电网中。

在检查框206中，如果意识到电网不可用，则检查框206分支进行到黑启动框216。根据黑启动框216，电压电平被控制为标称值。特别地，这可能意味着：根据图1的实施方式的输出电压U₁也被控制为输出电压U₁的标称值，并且因此被控制为在变压器160的初级侧161的电压的标称值。这也可能意味着：在变压器160的次级侧162的次级电压U₂被控制为与电网的电压的标称值类似的值，特别是与电网170的第一部分171中的电压的标称值类似的值。

另外，在黑启动框216中，电压的频率被控制为标称频率。取决于特定电网，标称频率特别地为50Hz或60Hz。

一旦已经达到了电压幅度以及电压的频率和相位的这些值，就可以将变压器连接至电网或至少连接至电网的分离的部分。特别地，根据图1的实施方式，第一开关S₁可以闭合，通过这种方式，将变压器160、以及继而逆变器150以及继而风力涡轮机100连接至电网170的第一部分171。然而，还可以在此之前检查电网170的第一部分171是否准备好接收电压、即当连接第一开关S₁时的标称电压。这可以包括：检查用户是否断开连接，或者至少仅少量的用户连接至该第一电网部分171。还可以包括：检查是否没有例如短路的电网故障。根据第一步骤连接框218完成所有这些。

在将变压器160以及继而风力涡轮机100连接至第一电网部分171并且由此向该第一电网部分171提供标称电压值之后，电网部分171因此被基本上启动或重启。然后可以实现其他步骤，例如，将第一或其他用户连接至第一电网部分171，以及借助于风力涡轮机100同时增加馈送至该第一电网部分171中的电力。这可以包括：风力涡轮机100还连接其他逆变器或给其供电，其他逆变器可以特别地并联连接至根据图1所示的第一实施方式的逆变器输出152。

如果因此进一步使第一电网部分171进入基本上正常的运行状态，则类似于关于支持框212所描述的选择项，风力涡轮机以及继而逆变器150也可以支持第一电网部分171。然而，第一电网部分171的这样的支持将是不同的，这是因为该第一电网部分171仅是电网170的一小部分，因此与大的电网相比时可能会有不同的反应。可以针对这样的第一电网部分、特别是根据图1所示实施方式的第一电网部分171的特定特性调整与支持框212类似的步骤。

一旦该第一电网部分基本上正常地运行，就可以重新连接至电网的另一部分或连接至电网的其余部分。根据图1所示的实施方式，可以通过闭合第二开关S₂将第一电网部分重新连接至第二电网部分172。这根据第二步骤连接框220来完成。

当然，在第二开关S₂闭合之前，还必须注意使第一电网部分171和第二电网部分172是同步的。这样的同步基本类似于关于同步框208所说明的同步。然而，当然，关于重新连接第一电网部分171和第二电网部分172存在差异，逆变器150需要同步整个第一电网部分171。另一差异可以是，在闭合第一开关S₁之后但是在闭合第二开关S₂之前，除了逆变器150之外，还可能涉及其他逆变器。因此，所有这些逆变器然后都需要注意同步。也可能是，在此期间，其他的能量产生器已经连接至第一电网部分171，因此所有这些生成单元一起需要注意同步。然而，逆变器150可以引起这样的同步。也可能是，替选地或另外地，第二电网部分172被同步至第一电网部分171。

在根据第二步骤连接框220的这样的重新连接之后，整个电网、特别是整个电网170可以如关于支持框212所说明的那样被支持。因为支持通常可以是类似的，所以这由流程图200示出，从第二步骤连接框220继续进行至支持框212。

图3示出了输出电压U₁的图，其可以是根据图1所示的实施方式的输出电压U₁。因此，图3示出了针对在变压器160的初级侧161的初级电压U₁的图。然而，替代地，也可以使用在变压器160的次级侧162的次级电压U₂，但是当然其将具有更高的电压电平。

因此，该图示出了时间t的一些步骤。开始时，假设变压器、特别是变压器160没有被供电，因此初级电压U₁为0。然后，例如根据图2所示的开始框202，开始启动过程。在此时，电压可以保持在0伏的电平，但是根据另一实施方式，电压可以增加到小的值，例如标称值的5％。该实施方式在图3中示出。该5％的小的值由表示低的起始电压的变量a概括。

在基本上完成启动过程之后，该方法可以继续进行，在第一时间点t₁处开始逐渐地增加电压。从此处以a的小的值(即5％)开始，电压线性地增加至100％的最终电压电平。该最终电压值用表示目标电压的变量b来概括，因此该值也可能与100％稍有差异，例如，105％或95％。然而，该100％的标称电压值U_N是优选的，并且线性增加在第二时间点t₂处达到该最终值。

根据在图3中的图之下给出的公式，即，根据下述公式，可以限定利用线性函数从第一时间点t₁到第二时间点t₂增加电压的方式：

因此，该公式仅用于第一时间点t₁与第二时间点t₂之间的时间段。值a表示作为标称电压的百分比的最小值，并且变量b表示相对于标称电压的最大值。U_N表示标称电压。变量U₁表示在变压器的初级侧的初级电压。以相同的方式，可以通过用U₂替换U₁以相同的公式定义变压器的次级侧的次级电压U₂，而在这种情况下，U_N表示相对于电网中的电压的标称电压。

最终，在时间点t₂，电压U₁将保持在这个100％的优选电平，同时该方法以相对于图2的检查框206所说明的方式检查电网，并且还执行图2的流程图200中的接下来的框，直到到达结束框214为止。这在图3的图中由时间点t_E标识。

Claims (12)

1.一种用于将电力变压器(160)连接至电网(170)的方法(200)，所述电力变压器(160)位于风力涡轮机(100)的逆变器(150)与所述电网(170)之间，所述方法包括以下步骤：

-借助于所述风力涡轮机(100)的所述逆变器(150)或者借助于辅助逆变器，将所述变压器的初级侧(161)的电压从低的起始电压(a)逐渐地增加至等于或接近于所述变压器(160)的标称电压的目标电压(b)，

从而增加所述变压器(160)的次级侧(162)的电压，

-其中，电压的逐渐地增加使用了内部能量存储设备(158)的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)。

2.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，

所述能量存储设备(158)在所述风力涡轮机(100)的正常操作期间从所述风力涡轮机(100)预充电，特别地，在所述电网(170)的恢复之后，所述能量存储设备(158)不从所述电网(170)进行缓冲。

3.根据权利要求1或2所述的方法(200)，其特征在于，

-执行逐渐地增加所述变压器(160)的初级侧(161)的电压的步骤，使得：

-避免或减小所述逆变器的过载电流，特别是所述变压器(160)中的涌入电流，以及/或者

-所述初级侧(161)的电压在预定义的上升时间期间逐渐地增加至所述目标电压，其中，特别地，

-所述上升时间在10毫秒(ms)至300秒的范围内，特别地在100ms至30秒的范围内，以及/或者

-所述起始电压在所述变压器的标称电压的0％至70％的范围内，优选地在0％至10％的范围内，并且特别地，所述起始电压是0％，以及/或者

-所述目标电压在所述变压器的标称电压的75％至110％的范围内，并且优选地，所述目标电压是所述变压器(160)的标称电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，

-一旦已经达到了所述目标电压，以及

-至少直到所述变压器(160)的次级侧(162)已经连接至所述电网(170)之前，

-所述风力涡轮机(100)以自维持模式运行。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，

-如果在将所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)时所述电网(170)处于运行中，则：

-一旦所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)，有功功率就容易从所述电网(170)消耗或者注入到所述电网(170)中，以及/或者

-一旦所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)，无功功率就容易从所述电网(170)消耗或者注入到所述电网(170)中，或者

-在不消耗或注入任何功率的情况下，所述风力涡轮机(100)连接至所述电网(170)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，

-如果所述电网(170)不处于运行中，则在将所述变压器(160)连接至所述电网(170)之后，所述风力涡轮机(100)以孤岛模式运行所述电网(170)或所述电网(170)的一部分(171)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-如果所述电网(170)被分成第一部分(171)和第二部分(172)，并且在将所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)之后，所述变压器(160)连接至所述第一部分(171)，则：

-所述风力涡轮机(100)以孤岛模式运行所述第一部分(171)，

-所述风力涡轮机(100)将所述电网(170)的第一部分(171)同步至所述电网(170)的第二部分(172)以准备重新连接，以及

-在所述电网(170)的第一部分(171)和第二部分(172)被同步之后，特别是一旦第一部分(171)和第二部分(172)被同步，就发起所述电网(170)的第一部分(171)和第二部分(172)的重新连接，以便重建所述电网(170)或所述电网(170)的一部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，

所述逆变器(150)或所述辅助逆变器被设置为电压源逆变器。

9.一种风力涡轮机系统(180)，包括：

-风力涡轮机(100)，其具有：

-逆变器(150)，用于向电网(170)供应由所述风力涡轮机(100)生成的电力，以及

-内部能量存储设备(158)，用于存储能量以供应给所述逆变器(150)或辅助逆变器，

-电力变压器(160)，其位于所述风力涡轮机(100)的所述逆变器(150)与所述电网(170)之间，所述变压器(160)具有：

-初级侧(161)，用于连接至所述逆变器(150)，以及

-次级侧(162)，用于连接至所述电网(170)，

其中，所述风力涡轮机系统(180)、特别是所述风力涡轮机(100)包括控制单元(156)，所述控制单元(156)适于执行以下方法步骤：

-借助于所述风力涡轮机(100)的所述逆变器(150)或者借助于所述辅助逆变器，将所述变压器(160)的初级侧(161)的电压从低的起始电压(a)逐渐地增加至等于或接近于所述变压器(160)的标称电压(U_N)的目标电压(b)，

从而增加所述变压器(160)的次级侧(162)的电压，

-其中，电压的逐渐增加使用了内部能量存储设备(158)的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机系统(180)，其特征在于，

-所述逆变器(150)和/或所述辅助逆变器被设置为电压源逆变器，以及/或者

-所述控制单元(156)适于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(200)。

11.一种风力涡轮机(100)，包括：

-逆变器(150)，其用于向电网(170)供应由所述风力涡轮机(100)生成的电力，以及

-内部能量存储设备(158)，用于存储能量以供应给适于连接至的所述逆变器(150)或辅助逆变器，

-电力变压器(160)，其位于所述风力涡轮机(100)的所述逆变器(150)与所述电网(170)之间，所述变压器(160)具有：

-初级侧(161)，用于连接至所述逆变器(150)，以及

-次级侧(162)，用于连接至所述电网(170)，

其中，所述风力涡轮机(100)包括控制单元(156)，所述控制单元适于执行以下方法步骤：

-借助于所述风力涡轮机(100)的所述逆变器(150)或者借助于所述辅助逆变器，将所述变压器(160)的初级侧(161)的电压从低的起始电压(a)逐渐地增加等于或接近于所述变压器(160)的标称电压(U_N)的目标电压(b)，

从而增加所述变压器(160)的次级侧(162)的电压，

-其中，电压的逐渐增加使用了所述内部能量存储设备(158)的能量，

-在已经达到了预定义的目标条件之后，将所述变压器(160)的次级侧(162)连接至所述电网(170)。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，

-所述逆变器(150)和/或所述辅助逆变器被设置为电压源逆变器，以及/或者

-所述控制单元(156)适于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(200)。

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