專利名稱：用于控制ac發電機的方法和控制設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制連接到可控轉換器的多相交流(AC)發電機的方法，所述發電機具有轉子，所述轉子具有連接到至少一個風力渦輪機葉片的軸。本發明還涉及一種適用于執行所述方法的控制設備。
背景技術：
在US 5，083，039中公開了這樣一種方法，其描述了連接到功率轉換器的AC電感發電機。使用利用場取向操作的PI調節器來控制發電機的轉矩。然后控制功率轉換器以提供產生期望轉矩的定子電流。這使得控制器能夠完全消除靜止狀態下的誤差。然而，這種系統的一個缺點是相對復雜。
發明內容
本公開的目的在于完全或者部分克服上述問題，并且尤其是提供一種用于控制AC 發電機的不太復雜的方法和設備。通過如權利要求1所限定的方法或者如權利要求11所限定的執行所述方法的對應控制設備來實現所述目的。更具體而言，所述方法包括確定由所述發電機的轉子生成的轉子通量的旋轉速度和相位，確定所述AC發電機的電氣特性，基于所述轉子通量的所述相位來生成AC基準信號，確定代表所述AC發電機的所述電氣特性與所述AC基準信號之間的差異的誤差信號，將所述誤差信號施加至控制器以生成基準電壓，其中所述控制器具有反饋函數和諧振函數， 所述諧振函數具有設置成對應于所述定子通量基準的頻率的可變諧振頻率，并且將所述基準電壓施加到所述可控轉換器。具有諧振特性的控制器的使用意味著可以將定子電流以及定子通量控制為交變信號。因此，不需要將待控制的電流或者定子通量變換到旋轉坐標系(frame)中，這提供了不太復雜的控制器。由于諧振頻率根據基準信號并且最終根據風力渦輪機的旋轉而變化， 因此，即使在風速變化時，控制器也能夠正確地控制轉換器。可以基于與期望功率和實際功率之間的差異對應的誤差信號生成所述AC基準信號。然而，作為選擇，可以基于與期望轉矩和實際轉矩之間的差異對應的誤差信號生成所述 AC基準信號。所述AC基準信號可以是AC電流基準或者AC定子通量基準，并且所確定的電氣特性可以是AC電流信號或者AC定子通量估計。所述控制器可以是包括比例系數Kp和諧振系數K1的P+諧振控制器，其中Kp和K1 是常數或者可選地根據所述轉子通量的旋轉速度而變化，然而，在任何情況下，所述控制器的諧振頻率根據所述轉子速度變化。此外，所述基準電壓可以補償所述發電機的電磁力EMF。這提供了更加有效的控制。
根據所述方法設計所述控制設備。在本發明的一方面，提供一種用于連接到可控轉換器的多相交流(Ac)發電機的控制設備，所述多相交流發電機包括連接到至少一個風力渦輪機葉片的轉子，所述設備包括用于檢測由所述轉子生成的轉子通量的旋轉速度的第一檢測器裝置、用于確定所述AC發電機的電氣特性的傳感器塊、用于基于所述轉子通量的相位生成AC基準信號的基準生成器，所述轉子通量的所述相位基于所述旋轉速度來確定、 用于確定代表所述電氣特性和所述AC基準信號之間的差異的誤差信號的誤差信號生成器、以及適于基于所述誤差信號生成基準電壓的控制器，其中所述控制器具有反饋函數和諧振函數，所述諧振函數具有被設置成對應于所述定子通量基準的頻率的可變諧振頻率， 其中所述基準電壓適于控制所述可控轉換器。
圖1示意性示出了可以應用本公開的控制方法的情景。圖2示出了在永磁同步發電機(PMSG)中的電流向量。圖3A示意性示出了 P+諧振控制器。圖;3B示出了 P+諧振控制器的波特曲線。圖4示出了基于發電機功率調節渦輪機速度的外部環路。圖5示出了根據本發明一個實施例的控制設備。圖6示出了根據本發明另一實施例的控制設備。圖7示出了根據控制自然坐標系中的電流的實施例的控制設備。圖8示出了根據另一實施例控制自然坐標系中的電流的控制設備。圖9示出了根據本發明一個實施例用于異步機器的控制器。圖10示出了根據本發明另一實施例用于異步機器的控制器。圖11示出了 EMF的光學前向反饋補償。
具體實施例方式圖1示意性示出了可以應用本公開的控制方法或者設備的情景。具有處于旋轉運動中的至少一個葉片2的風力渦輪機1經由可選的齒輪箱3連接到風力渦輪發電機 (WTG) 5，所述齒輪箱3用于增加所述運動的旋轉速度，所述風力渦輪發電機5將旋轉運動轉換為電功率。WTG 5旨在向固定頻率(典型地為50或者60Hz)的電網7供應功率。即使能夠與該電網同步地運行WTG，例如通過控制葉片2的槳距，但是更優選的是，允許風力渦輪機葉片2旋轉速度在某些范圍內變化。由于可以例如允許風力渦輪機葉片對于給定的風速以最佳速度旋轉，因此這提供了更高的能效。此外，出于整體改善的性能可以進行其它考慮。例如，可以降低風力渦輪機的部件易受影響的機械應力，以使得可以將維護成本保持為低。因此，允許WTG 5產生與電網7異步的交流(AC)功率。AC/DC轉換器9連接到WTG 5的定子繞組并且將其輸出AC功率轉換為直流(DC)功率。AC/DC轉換器9經由濾波電容器11連接到將直流(DC)功率轉換為與電網7同步的AC功率的DC/AC轉換器13。可以將變壓器(未示出)放置在DC/AC轉換器13和網7之間。在典型的示例中，對于給定的風速，期望以特定的期望旋轉速度ω*運行風力渦輪機1。然后可以在三個級聯環路中實現控制。首先，從期望旋轉速度ω*減去實際旋轉速度ω以提供速度誤差信號。將該速度誤差信號饋送到響應輸出期望功率信號P*的速度控制器15。其次，從期望功率P*減去實際功率P以提供功率誤差信號。將該功率誤差信號饋送到功率控制器17，所述功率控制器 17響應輸出定子功率生成電流信號f的期望幅值。作為使用功率作為控制參數的替代，如圖4所示，可以代替使用轉矩。然后速度控制器15’輸出與實際轉矩相比較的期望轉矩速度T*以提供饋送到功率控制器17’的轉矩誤差信號。作為響應，功率控制器17’輸出定子功率生成電流信號f的期望幅值。根據下面公式，WTG的功率和轉矩通過角速度(即，轉子的旋轉速度)相關P= ω 轉子· T這意味著，在應用于WTG時，轉矩和功率控制呈現不同的特性。更具體而言，在控制WTG的轉矩時，需要在控制環路中包括轉子速度。因此在待控制的信號是功率時功率控制優于轉矩控制，這是由于對于兩種控制方法來說瞬態響應不同，即在使用轉矩控制時，在可以應用正確的控制之前，功率的改變將要求解決轉子速度和轉矩二者。第三，返回到圖1，控制器19至少響應于WTG 5的電氣特性和基準信號而輸出定子電壓信號 。在本發明的實施例中，響應于期望的定子電流信號^和實際定子電流信號 i(i，i，i&)輸出定子電壓信號 。在本發明的替代實施例中，存在定子通量基準生成器18以基于期望的定子電流信號f輸出定子通量基準里氣之后控制器19至少響應于定子通量基準信號f和估計的定子通量而輸出定子電壓信號11。在當前實施例中，通量估計器20例如根據風力渦輪發電機5的實際定子電流信號(is，ife，ifi)來確定估計的定子通量。在全部實施例中，將定子電壓信號U饋送到相應地控制AC/DC轉換器9的PWM調制器21。本公開涉及這些控制環路中的第三環路，即調節定子電流或者定子通量的最內側環路。應該理解，可以按照其它方式實現較外側環路的功能，這將不再進行進一步描述。然而，一個示例將提供查找表，所述查找表響應于給定的風流或者葉片速度而提供期望的定子電流。此外，由于DC/AC轉換器13的操作是公知的，因此不再對其進行描述。參照圖2，將基于包括永磁同步發電機(PMSG)的風力渦輪機1給出下面的示例。 然而，利用在后面解釋的一些修改，本說明書的概念可應用于具有轉子線圈的同步發電機或者例如鼠籠型轉子發電機的異步發電機。參照圖2，通過下面的表達式給出三相發電機的三個端子a-b-c的電壓
權利要求
1.一種用于控制連接到可控轉換器的多相交流(AC)發電機的方法，所述發電機具有轉子，所述轉子具有連接到至少一個風力渦輪機葉片的軸，所述方法包括確定由所述轉子生成的轉子通量的旋轉速度和相位，確定所述AC發電機的電氣特性，基于所述轉子通量的所述相位生成AC基準信號，確定代表所述AC發電機的所述電氣特性與所述AC基準信號之間的差異的誤差信號，將所述誤差信號施加到控制器以生成基準電壓，其中所述控制器具有反饋函數和諧振函數，所述諧振函數具有被設置成對應于所述定子通量基準的頻率的可變諧振頻率，以及將所述基準電壓施加到所述可控轉換器。
2.根據權利要求1所述的方法，其中基于誤差信號來生成所述AC基準信號，所述誤差信號對應于期望功率和實際功率之間的差異或者期望轉矩和實際轉矩之間的差異。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述AC基準信號是AC電流基準或者 AC定子通量基準。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述電氣特性是AC電流信號或者AC 定子通量估計。
5.根據權利要求3所述的方法，其中在被變換到α-β靜止坐標系之前在d_q旋轉坐標系中生成所述定子通量基準。
6.根據權利要求3所述的方法，其中在被變換到a-b-c自然坐標系之前在d-q旋轉坐標系中生成所述定子通量基準。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中在任意步驟中不執行到所述d-q旋轉坐標系的變換。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述控制器是包括比例系數Kp和諧振系數K1的P+諧振控制器，其中Kp和K1是常數，并且其中所述控制器的諧振頻率根據轉子速度變化。
9.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其中所述控制器是包括比例系數Kp和諧振系數K1的P+諧振控制器，其中Kp和K1中的任意一個或者上述二者根據所述轉子通量的旋轉速度變化，并且其中所述控制器的諧振頻率根據轉子速度變化。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述發電機的電磁力EMF補償所述基準電壓。
11.一種用于連接到可控轉換器的多相交流(AC)發電機的控制設備，所述多相交流發電機包括連接到至少一個風力渦輪機葉片的轉子，所述設備包括用于檢測由所述轉子生成的轉子通量的旋轉速度的第一檢測器裝置，用于確定所述AC發電機的電氣特性的傳感器塊，用于基于所述轉子通量的相位生成AC基準信號的基準生成器，基于所述旋轉速度確定所述轉子通量的所述相位，用于確定誤差信號的誤差信號生成器，所述誤差信號代表電氣特性和AC基準信號之間的差異，以及適于基于所述誤差信號生成基準電壓的控制器，其中所述控制器具有反饋函數和諧振函數，所述諧振函數具有被設置成對應于所述定子通量基準的頻率的可變諧振頻率，其中所述基準電壓適于控制所述可控轉換器。
12.根據權利要求11所述的設備，其中基于誤差信號生成所述AC基準信號，所述誤差信號對應于期望功率和實際功率之間的差異或者期望轉矩和實際轉矩之間的差異。
13.根據權利要求11所述的設備，其中所述AC基準信號是AC電流基準或者AC定子通量基準。
14.根據權利要求11所述的設備，其中所述電氣特性是AC電流信號或者AC定子通量估計。
15.根據權利要求11所述的設備，其中所述傳感器塊進一步包括用于基于AC線電流信號來確定定子通量的估計的通量估計器。
16.根據權利要求11到15中任一項所述的設備，其中所述控制器是包括比例系數Kp 和諧振系數K1的P+諧振控制器，其中Kp和K1是常數，并且其中所述控制器的諧振頻率根據轉子速度變化。
17.根據權利要求11到15中任一項所述的設備，其中所述控制器是包括比例系數Kp 和諧振系數K1的P+諧振控制器，其中Kp和K1中的任意一個或者上述二者根據所述轉子通量的旋轉速度變化，并且其中所述控制器的諧振頻率根據轉子速度變化。
18.根據權利要求11到17中任一項所述的設備，其中所述發電機的電磁力EMF補償所述基準電壓。
全文摘要
本發明涉及一種用于控制AC發電機的方法和控制器，所述AC發電機結合具有可變速度的風力渦輪機使用。將多相發電機連接到可控轉換器并且對其進行控制以提供期望功率和期望轉矩。生成將提供期望功率或者轉矩的AC基準信號。可以考慮所述基準使用P+諧振轉換器通過向所述可控轉換器施加控制信號來控制所述發電機的電氣特性。從而，不需要將所述電氣特性變換到旋轉坐標系中，這能夠提供不太復雜的控制器。
文檔編號H02P9/48GK102197583SQ200980142968
公開日2011年9月21日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者H·鄧, K·B·拉森, Y·薄 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司