集成扭轉模式減振系統和方法

專利名稱：集成扭轉模式減振系統和方法
技術領域：
本發明一^L涉及減少扭轉振動(torsional vibration )。
背景技術：
包括渦輪發電機、電動機或壓縮機的原動機和負載的軸系(string)中的 軸組件(shaft assembly)有時會表現出其頻率也能夠降低到網絡同步頻率以 下的弱阻尼機械共振(扭轉模式)。如果電網在軸系統的一個或多個自然頻率 處與發電機交換相當數量的能量，則隨著時間的推移會發生機械損傷。針對 扭轉共振現象的傳統對策包括努力通過例如改變網絡、操作或控制參數來消除共振激勵源。當電力系統連接到具有數十億瓦特發電功率的大型動力網絡(utility network )日寸，該電力系統上的電負載僅僅具有可忽略的影響。相反，孤島電 力系統沒有到大型動力網絡的連接，并且近似孤島的電力系統僅僅具有到動 力網絡的弱連接(例如借助于具有相對較高阻抗的長傳輸線)。在航海業(例 如大型船只的船載電力系統)、孤立的岸上裝置(例如風力渦輪系統)和油氣 行業中，普遍使用孤島和近似孤島的電力系統。在這些電力系統中，負載一 般與網絡密切相關(從而負載能夠潛在地影響網絡)。隨著這些系統中電動機 和驅動的額定值的增加，機械和電動力的聯系日益增加，因此通過傳統的應 對技術很難避免電動機或發電機驅動機組中的扭轉振蕩。在C. Sihler的 "Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424 — 1430 ( 2004 )(通過由晶閘管控制的設備抑制轉子軸 系統中的扭轉振動，IEEE第35屆電力電子專家會議，第1424 - 1430頁 (2004 ))中描述了一種用于抑制同步發電機中的扭轉振動的方法。該方法包 括借助于包括六脈沖橋電路的附加晶閘管轉換器(thyristor converter)電路施 加與被測扭轉速度反相的扭矩。這一方法最適合用于安裝有分離的電網換相 壽爭才灸器系統(line commutated converter system)在沖支術上和經濟上都可4亍的 實施例。大型電力驅動系統大多普遍包括負載換相逆變器(load commuted inverter, LCI)。在石油平臺的特定例子中， 一般多個氣渦輪發電機饋電給多 個電動機負載(通過LCI驅動)以及諸如動力鉆(power driU )和電泵的設備。 期望能夠增加電力系統的可靠性和魯棒性，同時無需安裝用于減少扭轉振動 的附加晶閘管轉換器系統。在近海和船載電力系統中，可用空間非常有限， 并且安裝分離的高電壓電路斷路器、變壓器、轉換器模塊和能量存儲元件以 用于主動減振并非總是可行的。盡管LCI一般基于必須進行電網換相的晶閘管，但對于具有高標稱功率 的大型驅動來說，它們仍是優選技術，特別是在要求高可靠性時更是如此。 在油氣工業的特定例子中，具有54兆伏安標稱功率的LCI被用來運轉48兆 瓦壓縮機驅動機組。電動機是以可變速度運轉的同步機器。空氣隙扭矩包含 能夠導致壓縮機驅動機組中的扭轉振動的間諧波(inter-harmonics )和LCI諧 波。該機器具有兩個相互相移30度的三相定子繞阻(stator winding),以便 減少總的空氣隙扭矩波動(torque ripple )。在兩個電動才幾三相系統中安裝兩個 分離的晶閘管轉換器將帶來可觀的經濟和技術挑戰。同步機器提供壓控三相 系統，其直接連接到大型晶閘管橋，從而使得在以標稱功率運行時，這些三 相系統中的電壓高度畸變。這些三相系統不適于連接附加的電網換相轉換器 系統。期望基于現有LCI驅動系統的扭轉模式減振可用于這些應用。發明內容簡單來說，根據本發明的一個實施例，提供一種集成的扭轉模式減振系 統，用于調節包括輸電線路網(grid)整流器和負載逆變器的負載換相逆變器 系統的DC線路中的電流。所述系統包括傳感器，被配置為用于感測表示 負載側軸上的扭矩的信號；以及逆變器控制器，被配置為用于使用所感測到 的信號來檢測負載側軸上的扭轉振動的存在，并生成逆變器控制信號，以便 通過調節經由所述負載逆變器的有功功率來減少所述扭轉振動。根據本發明的相關方法實施例，所述方法包括感測表示負載側軸上的 扭矩的信號；使用所感測的信號檢測負載側軸上扭轉振動的存在；并通過調 節經由所述負載逆變器的有功功率來減少所述扭轉振動。根據本發明的另 一個實施例，提供一種用于電流源轉換器的集成的扭轉 模式減振系統，該電流源轉換器包括整流器、逆變器和耦合在該整流器和逆變器之間的DC線路電感器。所述系統包括傳感器，被配置成用于感測表 示耦合到所述逆變器或整流器的軸上的扭矩的信號；以及控制器，被配置成存在，并且用于生成控制信號，以便通過調節經由相應逆變器或整流器的有 功功率來減少所述扭轉振動。根據本發明的相關方法實施例，所述方法包括感測表示耦合到所述逆 變器或整流器的軸上的扭矩的信號；使用所感測的信號來檢測對應于所述軸 的自然頻率的軸上的扭轉振動的存在；通過調節經由相應逆變器或整流器的 有功功率來減少所述扭轉振動。根據本發明的另一個實施例，提供一種集成的扭轉模式減振系統，用于 調節包括輸電線路網整流器和負載逆變器的負載換相逆變器系統的DC線路 中的電流，該系統包括傳感器，被配置成用于感測表示輸電線路網側軸上 的扭矩的信號；以及整流器控制器，被配置成用于使用所感測的信號來檢測 所述輸電線路網側軸上的扭轉振動的存在，并生成整流器控制信號，該信號根據本發明的相關方法實施例，所述方法包括感測表示輸電線路網側 軸上的扭矩的信號；使用所感測到的信號來檢測所述輸電線路網側軸上的扭 轉振動的存在；并通過調節經由所述輸電線路網整流器的有功功率來減少所 述扭轉振動。


當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優 點將被更好地理解。在所有附圖中，相似的符號表示相似的部分。附圖中圖1是根據本發明一個實施例的用于減少扭轉振動的系統的框圖。圖2是根據另一個實施例的減振系統的框圖。圖3是集成的扭轉模式減振控制系統實施例的框圖。圖4是圖示4艮據圖2和圖3的實施例的一方面，響應于感應逆變器延遲 角的DC線路電流、扭矩和有功功率的仿真變化的示圖。圖5是圖示根據圖2和圖3的實施例的另一方面，響應于感應逆變器延 遲角的DC線路電流、扭矩和有功功率的仿真變化的示圖。
圖6是根據另一個實施例的減振系統的框圖。圖7是圖6的實施例的幾個方面的詳細示圖。圖8是圖示作為使用圖7的實施例的預期結果，在輸電線路網中和在電 動機中的仿真有功功率曲線的示圖。圖9是根據另一個實施例的減振系統的框圖。
具體實施方式
圖1是根據本發明的一個實施例的用于減少扭轉振動的系統10的框圖。 盡管參照圖2-8描述的例子主要涉及具有負載換相逆變器系統的輸電線路 網和負載實施例，但該原理也適用于包括整流器16、逆變器18、以及耦合在 整流器16和逆變器18之間的DC線路電感器13的任何電流源轉換器66的 實施例。典型地，整流器16和逆變器18包括晶閘管型轉換器。不管是在整流器側(由軸52表示)對軸進行感測，還是在逆變器側(一 般來說由軸20表示，更具體地說由軸部分48和50表示)對軸進行感測，都 可應用這些實施例。在一個實施例中，減振方法包括使用傳感器22或30 (意 思是至少一個)來感測信號，該信號代表耦合到逆變器18 (—般在負載側) 或整流器16 (—般在輸電線路網側)的軸上的扭矩(在這個上下文中，"或" 的意思是指兩者或其中的任何一個)，使用所感測的信號來檢測在該軸上是否 存在扭轉振動，并通過調節經由相應逆變器或整流器的有功功率來減少扭轉 振動。在軸的上下文中，"耦合"可以包括諸如經由電動機40或發電機34的 電耦合，或者諸如經由耦合到例如電動機的壓縮機42的更加間接的耦合。這 里所使用的"控制器"或"控制"旨在包括任何用以完成指定控制功能的適 當的模擬、數字、或模擬和數字組合的電路或處理單元。當在輸電線路網側提供調節時，使用控制器29進行整流器調節控制，而 當在負載側提供調節時，使用控制器28來進行逆變器調節控制。如下面所討 論的，當調節發生在一側、而不發生在另一側時，可以在將逆變器或整流器 中的另 一個維持在基本恒定的功率的同時，進行通過調節有功功率減少扭轉 振動，并且典型地，在感測到的信號指示軸的自然頻率時檢測到扭轉振動的 存在。典型地，發電機34耦合到輸電線路網或母線(busbar)(示為輸電線路 網32),而輸電線路網或母線則通過變壓器38耦合到整流器16。在一個例子中，輸電線路網整流器16包括固定頻率整流器，負載逆變器 18包括變頻逆變器，并且電動機40包括變速三相同步電動機。圖2示出了用于調節負載換相逆變器(LCI)系統14的DC線路12中的 電流的集成扭轉模式減振系統10,該LCI系統14包括輸電線路網整流器16 和負載逆變器18。系統10用于便利下述方法，該方法包括感測代表負載側 軸20上的扭矩的信號，使用所感測的信號來檢測負載側軸20上的扭轉振動 (指至少一個扭轉振動)的存在，并且通過調節經由負載逆變器18的有功功 率來減少扭轉振動。盡管出于示例的目的使用了術語發電機、整流器、逆變器和電動機，但 這些部件可被配置為工作在任何可用模式下。例如，在一些實施例中，電動 機40可以用作發電機，逆變器18可以用作整流器，而整流器14則用作逆變 器。在一個實施例中，代表扭矩的感測信號通過扭矩傳感器22來獲得，而其 它實施例也可以使用代表扭矩或可以用來確定扭矩的間接傳感器(諸如速度 傳感器)。在扭矩傳感器的實施例中，選擇了能夠以足夠的精確度測量指定組 件中的扭轉振動的扭矩傳感器22。例如，對于大直徑驅動機組實施例來說， 由于剛性軸的高硬度，沿軸的扭轉角通常非常小(幾百分之一到幾十分之一 度)，但導致的扭轉應力很高。這種軸的小扭轉角和高旋轉速度使得如果應用 諸如速度傳感器的傳統測量設備，則很難準確地測量扭轉振動。例如，從 Fraunhofer Institute可獲得一種非接觸式傳感器，其提供對不同位置的扭矩的 感應測量。或者，接觸型扭矩傳感器的一個例子是變形測量(stain gauge )傳 感器。在一個實施例中，通過調節經由負載逆變器18的有功功率來減少扭轉振 動在將輸電線路網整流器16維持在基本恒定的功率的同時進行。基本恒定被 定義為小于偏離標稱功率的正負大約百分之二，更具體地說，在一個實施例 中，基本恒定被定義為小于偏離標稱功率的百分之一的一半。在一個方面， 將輸電線路網整流器16維持在基本恒定的功率包括感測輸電線路網整流器 16上的DC電流和DC電壓，并控制輸電線路網整流器的開關操作，以使其 維持恒定的DC電流和電壓的乘積。下面相對于圖8的仿真圖討論一種用于 維持恒定乘積的技術。當輸電線路網整流器16被維持在基本恒定的功率時，存儲在DC線路 12中的^1能是主動減振(active damping )的主要源，并且這種減振不會影響
LCI 14的輸電線路網側。或者，如果以與負載逆變器18相同的方式控制輸電 線路網整流器16，則有功功率主要從輸電線路網32提供。典型地，當感測到的信號指示負載側軸的自然頻率(意思是至少一個自 然頻率)時檢測到扭轉振動的存在。更具體地說，在一個實施例中，減振包 括對感測信號進行帶通濾波以檢測自然頻率的存在。出于示例的目的，圖3 示出了被設置為檢測兩個自然頻率的信號處理器47內的兩個帶通濾波器24 和26。或者，也可以使用單個帶通濾波器或額外的帶通濾波器。在一個實施例中，負載包括直接或通過齒輪盒46耦合到壓縮機(意思是 至少一個壓縮^/L,并且出于示例的目的，示出了兩個壓縮才幾42和44)的電 動機40。扭矩傳感器22可以位于負載的軸上的任何位置，并且在圖1中出 于示例的目的，該扭矩傳感器22被示為存在于電動機和齒輪盒之間的負載側 軸的部分48上。例如如圖2所示，扭矩傳感器的另外的或附加的位置為齒輪 盒與壓縮機之間的負載側軸的部分50上。當沿著軸在不同位置存在不同的自 然頻率，且很難用公共傳感器來檢測時，多個傳感器實施例可能是有用的。 在圖3的實施例中，使用帶通濾波器24來檢測對應于出現在部分48中的自 然模式的頻率(負載的第一自然頻率，并且是最關心的頻率)，并且使用帶通 濾波器26來檢測對應于出現在部分50中的自然模式的頻率(第二自然頻率)。 位于圖1和圖2中所示的任意位置的扭矩傳感器22將獲得與其它位置相關的 信號(盡管弱于使用多扭矩傳感器的直接測量實施例)。集成扭轉模式減振(ITMD)控制系統IO確定哪個或哪些模式有效，并 相應地-沒置比所測量的扭轉振動相位滯后90的相移。在一個實施例中，通 過負載逆變器18調節有功功率包括調節負載逆變器18的逆變器延遲角(示 為(3角(p))。調節逆變器延遲角卩導致調節逆變器DC電壓，而這又造成對 DC線路電流的調節，并導致負載輸入功率的有功功率振蕩。更具體地說，為 了獲得扭轉模式減振而僅僅調節逆變器延遲角導致減振功率主要來自存儲在DC線路12中的磁能。典型地，這種調節以這樣的方式執行，即，DC線路 僅需要用作用于機械減振動作的磁能的緩沖存儲器。對逆變器延遲角的調節 導致旋轉能量被轉換成磁能(旋轉軸的電磁減速)以及磁能被再次轉換成旋 轉能量(電動機軸系統的加速)。在一個特定的例子中，利用19 Hz頻率對扭轉模式進行主動減振包括以 大約52毫秒的周期時間執行減速和加速動作，這對于晶閘管轉換器實施例來
說不存在問題，并且能夠通過穩定狀態仿真示出(該仿真顯示，在一個應用 中，將逆變器延遲角調節小于或等于大約3度，足以主動減少扭轉振蕩)。如 果減振系統IO被設計為僅將逆變器延遲角調節較小的量，則可以選擇具有到 主控制系統的明確定義的接口的設計，該設計能夠容易地防止故障。典型地，使用正弦波調節。如圖4所示，調節的頻率對應于自然頻率， 并且程度對應于扭轉振蕩的幅度。使用帶通濾波器24和26 (圖3 )，以便從 扭距測量中獲得表示扭矩的振蕩分量的信號。濾波器的數目等于將被主動減 振的扭轉模式的數目。在帶通濾波器的輸出端的信號為正弦波，其具有一個 定義的頻率，該頻率對應于軸組件的一個主自然頻率。每個帶通濾波器使用 一個移相器53、 55,以將每個正弦波信號的相移調整為正確的值。如果需要， 可以使用可調延時模塊來代替移相器。為了進行最佳減振，反饋具有90°相 移(滯后)的正弦波信號。如果由于系統時間常數以及反饋環中的相位滯后(這有時由測量或濾波引起)而造成不能實現90。的滯后相位角，則移相器 可以被設置為在扭矩(其與表示扭轉位移的扭轉角同相)與ITMD控制器所 造成的有功功率(或空氣隙扭矩)之間造成360° +90°的總相位滯后。典型 地，當在低功率電平執行開環測試時，通過實驗的方式確定包括所有系統時 間常數的ITMD反饋電路的總相位滯后。在ITMD反饋環的每個支路中提供 可調增益(例如由ITMD控制器54的放大器57和58提供)使得能夠調整不 同扭轉模式減振所涉及的有功功率(高增益導致高度的調節，而這又導致較 強的減振效果)。因此，通過使減振的程度可電子調整，這個反饋環具有與增 加的對扭轉模式的自然減振相同的效果。LCr被設計為以最佳的功率因子(典型為大約0.9)從供電輸電線路網向 電動機(或相反方向)傳送有功功率。典型地，以最佳功率因子從輸電線路 網向DC線路傳送功率涉及低于大約25。的輸電線路網整流器16的延遲角cc(cos(25°) = 0.91 )。同時，典型地，逆變器延遲(卩)角大于大約150°(cos(150°) =-0.87),從而使幾乎所有有功功率都被傳送到負載(最佳效率)。逆變器具 有由卩角的最大值所定義的穩定性限制(逆變限制或(3限制)，為了防止過沖(shoot-through),設計為不能超過該卩角的最大值。如果使逆變器工作在接 近于該逆變器的穩定性限制(例如，給定大約153°的(3角)，則會達到最高效 率。典型地，在利用LCI或逆變器的應用中，當逆變器工作在接近其穩定性 限制時的逆變器(3角調節代表了一種挑戰，除非這些系統工作在最大功率或
效率以下。為了使得能夠在標稱負載應用ITMD而不導致穩定性問題，雙向 調節的幅度將典型地限制在驅動系統制造商所規定的值。如圖3所示，雙向 限制(-n°<A/ <^)可以筒單地通過在ITMD反^t赍環的末端(在信號相加元 件59之后)安裝限制器模塊56來實現。在一個實施例中，逆變器(3角的雙 向調節被單向調節所替代。這可以借助于上限或下限被設置為0 ( <△/ <() 或0<么/ <"° )的相同的限制器模塊56來實現。在單向實施例中，由于A"被 限制為一個(這里"一個"的意思是-^ 〈A/ 〈0或0〈A"〈"。，但不同時包括 這兩者)最大允許增加值或最大允許降低值(例如4度)，因此只有正弦波的 正半周期或負半周期通過這個模塊。圖2還示出了 LCI閉環控制器37，其接收參考信號、來自速度傳感器 33的電動機速度信號、以及來自電流傳感器27的電流信號，并且其生成整 流器延遲角oc,整流器柵極控制器23將該整流器延遲角a與從電壓傳感器 31獲得的電壓信號組合使用。該速度和電流值還被逆變器延遲角控制39用 以建立基線(3值，然后，該基線p值在相加元件45與A/H直合并，然后被逆 變器柵極控制單元25所使用。柵極控制單元25還接收來自電壓傳感器35的 輸入信號。激勵電流控制器43從電流傳感器3 6和電壓傳感器3 5接收電流和 電壓信號，并且還接收來自控制元件41的基于電動機速度的AC電壓設置值 信號。ITMD控制實施例沒有妨礙(或負面影響)傳統的LCI控制系統，因 為逆變器延遲角僅僅被以小幅度調節(典型地為小于大約3° ),并且該LCI 的卩角控制功能是前向控制功能。典型地，LCI系統工作在系統設計限制，以便以最佳功率因子傳送用于 驅動負載的標稱有功功率。如上面所討論的，在一個實施例中，在標稱負載 的情況中使用單向調節。與調節向0度的上和下兩個方向延伸的雙向實施例 相比，在該單向實施例中，調節延遲角包括在0度到延遲角最大增加值(由 圖4中的A/ 線表示)或延遲角最大降低值(由圖5中的A/ 線表示)的范圍中 調節延遲角。圖4是示出根據包括p角單向增加的圖2和圖3的實施例的一個方面， 響應于感應的逆變器延遲角的DC線路電流、4丑矩和有功功率的仿真變化的 示圖。最大增加值將取決于系統設計，但預計一般不超過大約5度。為了更 好的證明ITMD的減-fe效果，卩調節在時間=2.5 s時開始工作(例如，在扭轉 振蕩的幅度超過預定義的值之后)。(3角的單向調節導致在電動機和LCI DC
線路之間交換的有功功率的雙向調節。這是單向卩角調節的有用特征，因為 其結果是無需偏離驅動系統(在兩個方向都交換有功功率)的工作點，無需 超過DC線路中的最大允許電流，并且基本無需與輸電線路網交換脈沖有功 功率(這可能破壞輸電線路網規則或導致孤島網絡中的穩定性問題)，就能夠 實現有效的主動減振。圖5是示出根據包括單向降低卩角的圖2和圖3的實施例的另 一個方面， 響應于感應逆變器延遲角的DC線路電流、扭矩和有功功率的仿真變化示圖。 在標稱負載，LCI逆變器有時工作在接近于逆變器穩定性限制([3限制)的逆 變器延遲角P，從而使如圖4所示的利用A" >0的調節產生超過卩限制的風 險。替代地，可以應用在O度到逆變器延遲角最大降低值(在圖5中由A/ 線 表示)的范圍內調節逆變器延遲角的單向卩調節。如果以小幅度(一般小于 大約3°)調節逆變器延遲角，則這樣的單向調節將導致可接受的短時間過電 流。這種單向調節方法的優點在于，它可以在現有驅動系統工作在接近其穩 定性限制(卩限制)的情況下應用，而不必改變現有驅動系統的控制。 一般 來說，單向延遲角調節使得可以將扭轉模式減振器集成到現有的驅動系統中， 而無需改變它們的控制系統。如果使用單向調節，則對于單向調節應當基于 增加轉換器延遲角還是應當基于降低轉換器延遲角的判決主要取決于現有驅 動系統的設計以及調節是應用于逆變器還是整流器。盡管與雙向實施例相比，單向實施例導致較低效的減振，但是單向調節方法會減少轉換器系統的潛在不穩定性、通信誤差和由所觀'J量的過電流所51 起的月尤扣信號(trip signal )。單向調節方法的減4展效4M皮認為對于大多數減振 應用來說都是足夠的，因為將由具有低幅度(往往但并非總是小于大約標稱 功率的百分之一)的諧波導致對扭轉振動的激勵。圖6是根據本發明另一個實施例的減振系統的框圖，其中減振發生在系 統的輸電線路網側；圖7是圖6的實施例的幾個方面的更詳細的示圖。以與 以上參照圖2-5所討論的相似的方式，除了測量和調整在輸電線路網側進行 之外，減振方法包括感測表示輸電線路網側軸52上的扭矩的信號，使用感測 信號來檢測輸電線路網側軸上的扭轉振動的存在，并通過調節經由輸電線路 網整流器16的有功功率來減少扭轉振動。因此，DC線路12中的電流由輸電線路網整流器16控制，該輸電線路 網整流器16典型地包括晶閘管整流器。電動機控制主要由逆變器利用逆變器
延遲角來執行，該逆變器延遲角確定傳送到電動機的有功功率，并使能閉環 控制功能，例如對電動機的速度或扭矩控制。為了使圖7容易圖示，沒有示出這些閉環控制功能和其它控制功能(例如取決于實際電動機功率、基于DC 線路電流參考的修改的功率因子控制)。在對DC線路電感器中的電流進行調 節的過程中(通過控制整流器)，可以在輸電線路網側生成振蕩有功功率。在 LCI電路14和發電機34之間的有功功率交換有效地減少由扭矩傳感器30所 測量的扭轉振動。典型地，LCI電路僅與發電機交換少量的有功功率，從而 使現有的LCI電路能夠用于主動減振，而不會使系統過載。當發電機34的額定值大大超過電動機40的額定值時，或者當孤島網絡 中會發生過度的千擾時(例如當發電機也提供大脈沖負載時(圖7中未示 出))，電力系統中的一個LCI可以被設計成用于提供比驅動連接到逆變器的 電動機實際需要的功率高(諸如大約百分之十)的功率。因此，即使在電動 機以標稱負載工作時，也可以使用LCI標稱功率的額外的百分之十來進行主 動減少或穩定發電機軸組件中的扭轉振蕩。動機的有功功率可以被保持在恒定值。圖7圖示了用于維持恒定功率的一種 控制安排。通過在逆變器側測量DC電流(利用電流傳感器68 )和DC電壓 (利用電壓傳感器70)，以及通過有功功率控制器76應用控制規則以用于逆 變器指導這兩個測量信號的乘積保持基本恒定(這不影響控制到達電動機的 有功功率的能力)，在輸電線路網側可以實現對有功功率的高度調節，而不會 在機械上影響該LCI所驅動的電動機。圖8的仿真圖證明了這一控制實施例 的能力。在調節LCI和輸電線路網之間交換的高于3 MW的幅度的功率的同 時，逆變器與電動機交換恒定的有功功率。同時，逆變器有功功率參考可以 改變，例如從2.7MW到5.3MW。因此，保持乘積恒定的控制技術不會表現 出可能影響逆變器驅動系統的能力。圖6和圖7還示出了表示多發電機軸組件(出于示例的目的，通過發電 機34和134、軸52和152以及渦輪49和149圖示)中的扭矩的信號如何能 夠在ITMD控制系統的相加元件74處組合，以使得一個LCI電路能夠提供對 發生在饋給電力系統的不同渦輪發電機中的扭轉模式的主動減振。 一個或多 個整流器控制器29可以使用多個渦輪發電機軸上的多個傳感器30和130來 提供用于創建期望的調節的信號。圖7額外圖示了用于將限制器56的輸出信
號與DC電流參考相加的相加元件72和用于在將作為結果的信號發送到電流 控制器78之前從傳感器68減去DC電流信號的相加元件145。此外，在一些 實施例中，如圖6所示，可以存在附加的LCI耦合的電動機140和/或直接耦 合的電動機62。直接耦合的電動機對于向諸如例如冷卻單元、動力鉆和泵的 部件供電來說是有用的。出于示例的目的，圖6還示出了耦合在發電機總線 和較低電壓總線51之間的變壓器138。此夕卜，以上參照圖2 - 5討論的實施例還可應用于圖6和7的實施例，反 之亦然。例如，帶通濾波器124和移相器153可被配置為執行與以上參照圖 3的帶通濾波器24和移相器53所描述的類似的功能。再例如，在一個實施 例中，逆變器控制器28被配置為通過調節經由逆變器18的有功功率來減少 電動機上的扭轉振動，并且整流器控制器向整流器16提供控制信號(基于測 量的DC線路電流和整流器DC電壓的乘積)，以用于將輸入的有功功率維持 在基本恒定的電平。或者，如圖6和7所示的調節整流器延遲角可以可選地 包括在零度到整流器延遲角最大增加或降低值的范圍內進行調節。圖9是根據電動船64實施例的減振系統的框圖，其中，電動機40耦合 到槳60。盡管出于示例的目的減振系統被示為應用在輸電線路網側，但該減 振系統也可以應用在任意 一側或者兩側。之前描述的本發明的實施例具有許多優點，包括通過集中針對測量的扭 矩來提供集成的扭轉振動減少，以及無需檢測振動的原因。盡管此處僅示出和描述的本發明的特定特征，但本領域技術人員將會想 到許多修改和變化。因此可以理解，所附權利要求書旨在含蓋落在本發明真 正的精神之內的所有這些修改和變化。
權利要求
1、一種集成的扭轉模式減振系統，用于調節包括輸電線路網整流器和負載逆變器的負載換相逆變器系統的DC線路中的電流，所述集成的扭轉模式減振系統包括傳感器，被配置成用于感測表示負載側軸上的扭矩的信號；以及逆變器控制器，被配置成用于使用所感測的信號來檢測負載側軸上扭轉振動的存在，并生成逆變器控制信號，該信號用于通過調節經由所述負載逆變器的有功功率來減少所述扭轉振動。
2、 如權利要求l所述的系統，還包括整流器控制器，其被配置成用于生 成整流器控制信號，該信號用于將輸電線路網整流器維持在基本恒定的功率。
3、 如權利要求l所述的系統，其中，所述逆變器控制器被配置成在所述 感測到的信號指示所述負載側軸的自然頻率時，檢測到所述扭轉振動的存在。
4、 如權利要求3所述的系統，其中，所述逆變器控制器被配置成當檢測 到所述自然頻率時，調節所述負載逆變器的逆變器延遲角。
5、 如權利要求4所述的系統，其中，調節所述逆變器延遲角包括在零度 到逆變器延遲角最大增加值或逆變器延遲角最大減小值之一的范圍內進行調節
6、 如權利要求l所迷的系統，其中，所述負載包括電動機。
7、 如權利要求6所述的系統，其中，所述負載還包括直接耦合到所述電 動機或通過齒l侖箱耦合到該電動才幾的壓縮才幾。
8、 如權利要求7所述的系統，其中，所述傳感器所位于的位置使得感測 發生在所述電動機和所述齒輪箱之間的負載側軸的部分上。
9、 如權利要求7所述的系統，其中，所述傳感器所位于的位置使得感測 發生在所述齒輪箱和所述壓縮機之間的負載側軸的部分上。
10、 如權利要求l所述的系統，其中，所述輸電線路網整流器包括晶閘 管整流器。
11、 如權利要求l所述的系統，其中，所述負載逆變器包括晶閘管逆變器。
12、 一種集成的扭轉模式減振方法，用于調節包括輸電線路網整流器和 負載逆變器的負載換相逆變器系統的DC線路中的電流，所述方法包括感測表示負載側軸上的扭矩的信號；使用所感測的信號來檢測負載側軸上扭轉振動的存在；
13、 如權利要求12所述的方法，其中，在將所述輸電線路網整流器維持 在基本恒定的功率的同時，進行通過調節經由所述負載逆變器的有功功率減 少所述扭轉振動。
14、 如權利要求13所述的方法，其中，將所述輸電線路網整流器維持在 基本恒定的功率包括感測輸電線路網整流器上的DC電流和DC電壓，并控 弗'J該輸電線路網整流器的開關操作，以便維持所述電流和所述電壓的乘積'l"亙 定。
15、 如權利要求12所述的方法，其中，當所感測的信號指示所述負載側 軸的自然頻率時，檢測到所迷扭轉振動的存在。
16、 如權利要求15所述的方法，其中，減振包括對所感測的信號進行帶 通濾波，以檢測所述自然頻率的存在。
17、 如權利要求15所述的方法，還包括當檢測到所述自然頻率時，調 節所述負載逆變器的逆變器延遲角。
18、 如權利要求17所述的方法，其中，調節所述逆變器延遲角包括在零 度到逆變器延遲角最大增加值或逆變器延遲角最大減小值之一的范圍內進行 調節。
19、 一種用于電流源轉換器的集成的扭轉模式減振系統，該電流源轉換 器包括整流器、逆變器和耦合在該整流器和逆變器之間的DC線路電感器， 所述系統包括傳感器，被配置成用于感測表示耦合到所述逆變器或整流器的軸上的扭 矩的信號；以及控制器，被配置成用于使用所感測的信號來檢測對應于所述軸的自然頻 率的所述軸上的扭轉振動的存在，并且用于生成控制信號，該信號用于通過 調節經由相應逆變器或整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
20、 如權利要求19所述的系統，其中，所述控制器被配置成在檢測到所 述自然頻率時，調節相應逆變器或整流器的延遲角。
21、 如權利要求20所述的系統，其中，調節所述延遲角包括在零度到延 遲角最大增加值或延遲角最大減小值之一的范圍內進行調節。
22、 如權利要求19所述的系統，其中，所述輸電線路網整流器包括晶閘 管整流器，并且其中，所述負載逆變器包括晶閘管逆變器。
23、 一種用于電流源轉換器的集成的扭轉模式減振方法，該電流源轉換 器包括整流器、逆變器和耦合在該整流器和逆變器之間的DC線路電感器， 所述方法包括(a)感測表示耦合到所述逆變器或整流器的軸上的扭矩的信號； 轉振動的存在；(c)通過調節經由相應逆變器或整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
24、 如權利要求23所述的方法，其中，在將所述逆變器或整流器中的另 一個維持在基本恒定的功率的同時，進行通過調節有功功率減少所述扭轉振動。
25、 如權利要求24所述的方法，其中，調節經由相應逆變器或整流器的 有功功率包括調節經由所述整流器的有功功率，并且其中，將所述逆變器維 持在基本恒定的功率包括感測逆變器DC電流和DC電壓，并控制所述逆變 器的開關操作，以便維持所述DC電流和DC電壓的乘積恒定。
26、 一種集成的扭轉模式減振系統，用于調節包括輸電線路網整流器和 負載逆變器的負載換相逆變器系統的DC線路中的電流，該集成的扭轉模式 減振系統包括傳感器，被配置成用于感測表示輸電線路網側軸上的扭矩的信號；以及 整流器控制器，被配置成用于使用所感測的信號來檢測所述輸電線路網 側軸上的扭轉振動的存在，并生成整流器控制信號，該信號用于通過調節經 由所述輸電線路網整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
27、 如權利要求26所述的系統，還包括逆變器控制器，被配置成用于生 成逆變器控制信號，該信號用于將所述負載逆變器維持在基本恒定的功率。
28、 如權利要求26所述的系統，其中，所述整流器控制器被配置成當所 感測的信號指示所述輸電線路網側軸的自然頻率時，檢測到所述扭轉振動的 存在。
29、 如權利要求28所述的系統，其中，所述整流器控制器被配置成當檢 測到所述自然頻率時，調節所述輸電線路網整流器的整流器延遲角。
30、 如權利要求29所述的系統，其中，調節所述整流器延遲角包括在零 度到整流器延遲角最大增加值或整流器延遲角最大減小值之一的范圍內進行 調節。
31、 如權利要求26所述的系統，其中，所述軸包括發電機軸。
32、 如權利要求31所述的系統，其中，所述負載包括電動機。
33、 如權利要求26所迷的系統，其中，所述輸電線路網整流器包括晶閘 管整流器。
34、 一種集成的扭轉模式減振方法，用于調節包括輸電線路網整流器和 負載逆變器的負載換相逆變器系統的DC線路中的電流，所述方法包括感測表示輸電線路網側軸上的扭矩的信號；使用所感測到的信號來檢測所述輸電線路網側軸上的扭轉振動的存在； 通過調節經由所述輸電線路網整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
35、 如權利要求34所述的方法，其中，在將所述負載逆變器維持在基本 恒定的功率的同時，進行通過調節經由所述輸電線路網整流器的有功功率減 少所述扭轉振動。
36、 如權利要求35所述的方法，其中，將所述負載逆變器維持在基本恒 定的功率包括感測逆變器DC電流和DC電壓，并控制所述逆變器的開關操 作，以便維持所述DC電流和DC電壓的乘積恒定。
37、 一種系統，包括負載換相轉換器，包括輸電線路網整流器、負載逆變器和耦合在所述整 流器和逆變器之間的DC線路電感器；傳感器，被配置成感測表示耦合到所述逆變器或整流器的軸上的扭矩的 信號；以及控制器，被配置成用于使用所感測的信號來檢測對應于所述軸的自然頻 率的所述軸上的扭轉振動的存在，并且用于生成控制信號，該信號用于通過 調節經由相應逆變器或整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
38、 如權利要求37所示的系統，其中，所述負載換相逆變器耦合到電動 機，并且被設計成用于提供比電動機所需要的功率高的功率。
全文摘要
一種用于電流源轉換器的集成的扭轉模式減振方法，該電流源轉換器包括整流器、逆變器和耦合在該整流器和逆變器之間的DC線路電感器，所述方法包括感測表示耦合到所述逆變器或整流器的軸上的扭矩的信號；使用所感測的信號來檢測所述軸上的扭轉振動的存在；以及通過調節經由相應逆變器或整流器的有功功率來減少所述扭轉振動。
文檔編號H02P9/10GK101164225SQ200680013162
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月11日 優先權日2005年4月19日
發明者克里斯托夫·M·西勒, 約瑟夫·桑 申請人:通用電氣公司