公开/公告号CN101849350A
专利类型发明专利
公开/公告日2010-09-29
原文格式PDF
申请/专利权人 伍德沃德塞格有限责任两合公司;
申请/专利号CN200880103976.4
申请日2008-08-09
分类号H02P9/00;H02P21/00;F03D7/04;
代理机构中国专利代理(香港)有限公司;
代理人李永波
地址 德国肯彭
入库时间 2023-12-18 00:48:18
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-09-29
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02P9/00 授权公告日:20130220 终止日期:20160809 申请日:20080809
专利权的终止
2013-02-20
授权
授权
2012-11-21
著录事项变更 IPC(主分类):H02P9/00 变更前: 变更后: 申请日:20080809
著录事项变更
2010-11-17
实质审查的生效 IPC(主分类):H02P9/00 申请日:20080809
实质审查的生效
2010-09-29
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法以及一种根据权利要求8的前序部分所述的用于实施该方法的装置。
背景技术
双馈异步发电机优选作为轴传动发电机应用在转速变化的系统例如大功率风力发电机中,或者与飞轮储能器和不间断电源结合使用。一般而言,在这种设备中,异步发电机的定子与电网相连,而转子通过集电环与转换器相连。利用这样一种转换器,能够将电气参量的额定值供应给转子。通常,在现代设备中存在发电机侧的转换器与电网侧的转换器,它们通过中间电路互相连接。相对于其他可对比的系统,双馈异步发电机的优点在于转换器的设计功率跟供给到电网的总功率相比有了减小。因此,采用双馈异步发电机的系统具有相对较高的效率。
随着风力发电设备数量的不断增加以及与此关联的电网运行商需求的不断提高,双馈异步发电机在电网不对称状况下的性能越来越引人关注。由于在双馈异步发电机中发电机的定子直接与电网相连,因而电网的不对称会导致不对称的定子场分布,从而会对转子场以及转换器产生不期望的反作用。
在电网不对称的情况下,尤其会发生双重电网频率的谐波,特别是出现双重电网频率的谐波振荡,这会对机械装置产生不利的作用,因为由过度振荡引发的相应转矩振荡尤其会明显加重传动装置的负担。
除了在下文中主要讨论的双重电网频率的谐波振荡之外,还可能-伴随通常降低的振幅-出现不希望的更高的谐波;这里主要涉及第六及第十二谐波。
发明内容
本发明的目的在于,检测由不对称电网导致的谐波,并直接通过调节技术将其抵抗。
前述目的借助于具有独立权利要求1所述特征的方法以及借助于根据权利要求8所述特征相应地构造的调节单元得以实现。
本发明的有利实施例可从各从属权利要求中获知。
在本发明的范围内规定如下,即,测量和/或从发电机测量值导出至少一个当前的发电机参数,并将该至少一个发电机参数计算地分别分解成正序系统分量、负序系统分量以及任选的DC分量。
根据本发明的一个实施例(参见权利要求1中的步骤(c1)),针对所述至少一个发电机参数的正序系统分量、负序系统分量并且针对DC分量分别存在着独立的用于对调整参数加以调节的调节机构,发电机参数的各个分量作为输入分量被提供给所述调节机构,所述调节机构的输出值被叠加,其中如下地构造所述调节机构,即,如此调节调整参数,从而抵抗转矩振荡。
在本发明的一个根据权利要求4所述的优选实施例中,对双馈异步发电机的转子电压的调节是如下地实现的,即,在考虑DC分量或者在忽略DC分量的情况下消除模态的振动力矩(Pendelmomente)(参见权利要求4中的情况(c1 i)或(c1 ii)),其中该实施例当然也可以不依赖于之前权利要求地实现。
在考虑振动力矩的DC分量的情况下,合成的转矩必然为零,从而不可能对转矩进行额外调节。
与此相反,在忽略摆动矩的DC分量时,可以对定子和转子间之间的可调相位差进行调节,从而使得合成的转矩不是必然为零,同时也能够对转矩实施额外的调节。
在本发明的一个根据权利要求5的可选实施例中设置了至少一个调节机构,正序系统参数或者说正序系统分量与负序系统参数或者说负序系统分量的叉积以及负序系统参数或者说负序系统分量与正序系统参数或者说正序系统分量的叉积作为输入参数被提供给所述至少一个调节机构,其中,该调节机构被如下地构造,即,如此调节调整参数,从而抵抗第二次序的转矩振荡。
附图说明
下面,借助于附图示例性地对本发明进行详细地解释。其中:
图1是具有所属的控制及功率电子电路的双馈异步发电机的示意图;
图2是双馈异步发电机的等效电路图;
图3a、b是根据本发明的调节方法的两个实施例的高阶图解(High-Level-Diagramm);
图4是磁通监测器的框图;
图5是以图解方式表示的模态分解框图;
图6是对负序系统分量进行磁通调节的框图;
图7是对本发明的一个可选实施例进行磁通调节的框图,其中将定子磁通正序系统和转子磁通负序系统的叉积的负值与定子磁通负序系统和转子磁通正序系统的叉积在数值和相位上尽可能调整成相等。
图8是用于获得虚拟空间向量的示意图。
具体实施方式
图1以简图的方式示出了一个具有双馈异步发电机的系统。双馈异步发电机1具有定子1a和转子1b。另外,在所述发电机上装配有位置传感器1c。双馈异步发电机的转子机械地通过轴2及传动装置3与驱动装置耦合。图1示出的驱动装置是风力发电设备的转子叶片4。定子1a通过电网变压器5与电网连接。转子1b与转换器6电气连接,而转换器6则通过限制器7及电源滤波器8与电网变压器5连接。发电机侧的转换器6a和电网侧的转换器6b通过电压中间电路6c互相耦合。所述转换器通过控制单元9触发。
另外,图1示出了用于转子电流9a、定子电流9b以及定子电压9c的测量位置。测量值被传递给控制单元9。同样,由位置传感器1c给出的转子位置也供控制单元所用。为保护转换器免于过载,在发电机侧的转换器6a与转子1b之间设置了所谓的过压保护装置(Crowbar)10。
异步发电机的模态描述:
就下文中调节技术方面的描述而言,在参考文献中公知的、如图2所示的异步发电机的通用线性等效电路图连同在参考文献中述及的假设及简化都是适用的。由于预设了线性这一前提,所以适用叠加原则,而且借助于模态转换(参见DIN 13321,多相电流网中的分量)能够更加直观地展示非对称过程。
此外,对于任意的定子频率,该发电机模型都是适用的;因而根据叠加原则也能够简单地对多频率系统进行说明,例如:
U1=U1p+U1n+U1dc (1)
U1p:正序系统分量
:负序系统分量
U1dc:DC系统分量
对于调节器设计而言,这意味着,对于各个在调节技术方面有意义的频率的模态分量可应用并行的调整电路。然后将并行的调整电路的调整参数累加成一个总调整信号。
该实施例描述了在由于瞬间的电网变化而导致电网频率不对称并出现直流分量的情况下削减振动力矩的转矩调节。
根据该调节器设计方案,共设置有三个并行的调整电路。
I.用于电网频率的正序系统分量的转矩调整电路
II.用于电网频率的负序系统分量的转矩调整电路
III.用于直流分量的转矩调整电路
图1示出的等效电路图以及下面对于转差率(“s”)这一变量的定义对所有调整电路都是适用的:
其中
sp:转差率正序系统
sn:转差率负序系统
sdc:转差率DC分量
ωN:电网电路频率
p:极对数
Ωmech:机械的回转圆频率
如果忽略串联阻抗上的电压降,那么从这些方程式中已可推导出发电机的一个很重要的特性:
U2p′≈spU1p
f2p=spf1=spfNetz
U2n′≈(2-sp)U1n
f2n=snf1=(2-Sp)fNetz (5a-c)
U2dc′≈(1-sp)U1dc
f2dc=sdcf1=(1-Sp)fNetz
用于调节负序系统分量与DC分量的转子频率基本上要比用于调节正序系统的转子频率更高。因此,对于通常工作范围-0.33<sp<0.33,在负序系统与DC系统中用于补偿所属定子电压的模态分量所必需的调节器电压或者说转子电压明显比在正序系统中要高。
该系统的一个特殊约束条件在于通过级间耦合电路的最大容许电压来限制转子侧的调整电压(Stellspannung)。
这要求在负序系统或DC系统中出现更高的模态分量时将调整信号按比例地分配到需要调节的分量上。
转矩的确定:
用于双馈异步发电机的气隙矩的通用方程式为:
sinγ=cos∠(jI2′;I1) (6)
垂直于空间向量平面的单位矢量
上述方程式可变形为:
ψ1=L1I1+LhI2′(7a-c)
ψ2′=LhI1+L2I2′
这意味着在定子磁通和转子磁通同相时不会出现转矩,因为此时矢量积为“0”。
利用与(1)相应的模态分解可得矢量积(ψ1×ψ2′)为:
(ψ1×ψ2′)=((ψ1p+ψ1n+ψ1dc)×(ψ2p′+ψ2n′+ψ2dc′))
=ψ1p×ψ2p′+ψ1n×ψ2n′+ψ1dc×ψ2dc′
+ψ1p×ψ2dc′+ψ1dc×ψ2p′ (8)
+ψ1n×ψ2dc′+ψ1dc×ψ2n′
+ψ1p×ψ2n′+ψ1n×ψ2p′
分解所得的前三项乘积在瞬态振荡状态下构成恒定转矩,随后四项带有DC分量的乘积拥有电网频率;最后两项乘积产生双重电网频率的转矩。
消减非恒定转矩的最普通的方法是将转子磁通调整为“0”,然而这样会将总转矩调节成“0”,使得发电机进入严重的低励状态。
这种高的无功功率吸收通常是不希望或者不允许的。
有利于电网的方法是去掉模态分量中互补的乘积:
上述方程式可转化成:
利用下列各式可满足上述条件:
∠ψ2p′=∠ψ1p+φ0 (11b)
∠ψ2dc′=∠ψ1dc-φ0 (11c)
∠ψ2n′=∠ψ1n+φ0 (11e)
∠ψ2dc′=∠ψ1dc-φ0 (11f)
∠ψ2p′=∠ψ1p+φ0 (11h)
∠ψ2n′=∠ψ1n-φ0 (11i)
恒定的角度
下列两种情况必须加以区分:
a)电压发生改变之后立即出现DC分量,所有的振动力矩都应得到抑制。
b)在DC分量衰减之后或者在由于DC分量而忽略振动力矩之后出现不对称。
对于情况a)的解决办法:
各方程式只有在下列各式有效时才能同时成立:
φ0=0
∠ψ2p′=∠ψ1p (12a-e)
∠ψ2n′=∠ψ1n
∠ψ2dc′=∠ψ1dc
利用这种解决办法,恒定的转矩在任何情况下均被强制为“0”。
对转子电压的限制:
比值要在考虑转子电压的最大调整参数的前提下确定。
模态分量的总转子电压值不得超过最大值:
|U2|=|U2p+U2n+U2dc|≤U2,max (13)
在考虑方程式(5)并忽略漏电感的前提下,借助于通过由电网供入的定子磁通模态分量而感应得到并且几乎不变的转子电压对所述分量实施简化与充分的估计:
因此得到必要的调整参数为:
|U2p,ideal|≈2πf2p|ψ2p,ideal′|=2πspfNetz|ψ1p|
|U2n,ideal|≈2πf2p|ψ2n,ideal′|=2π(2-sp)fNetz|ψ1n| (15a-d)
|U2dc,ideal|≈2πf2dc|ψ2dc,ideal′|=2π(1-sp)fNetz|ψ1dc|
|U2,ideal|=|U2p,ideal|+|U2n,ideal|+|U2dc,ideal|
如果该电压比可供利用的要大,则必须对各分量加以缩减。缩减因数由下式得出:
由此出发,根据公式(12a)的磁通比现在可用下式计算:
这样,就明确确定了需要设定的转子磁通分量的值、频率以及相位,并在此基础上能够通过模态的转子磁通调节器对它们进行调节。
对于情况b)的解决办法:
∠ψ2p′=∠ψ1p+φ0 (18a-c)
∠ψ2n′=∠ψ1n-φ0
借助于偏差角可对具体的转矩进行调节,从而可以保持对转矩的调节。由于DC分量而引起的可能的振动力矩将不被抑制。
解决办法a)或b)可根据偏好选择,尤其是可以在不对称出现后直接根据a)解法调节,随后,在DC分量衰减后根据b)解法来调节。
借助于图3a和图3b的概要图示,应首先对根据本发明的模态的转子磁通调节器加以解释:
对于图3a所示的调节器变型(相应于前面讨论的情况(a))而言,定子磁通和转子磁通的正序系统分量、负序系统分量以及DC空间向量分量被调节为使得各个分量各自在数值上仅仅以因数kred区别,而在相位上是互相重叠的。因数kred取决于转子电压的最大可利用调整参数。三个矢量调节器并行地工作,其输出量被累加后作为转子电压而供入。根据前面的推导,这种情况迫使气隙矩恒为0。因此这种情况下,就不可能对异步发电机的转矩进行并行的调节。
在图3b所示的与前面讨论的情况(b)相应的调节器变型中,只考察定子磁通和转子磁通的基本振荡的正序系统和负序系统分量,其中,所有在图3b示出的磁通分量都应在空间向量图上存在。如前所示,如果能调整转子磁通和定子磁通之间的角度,那么也将能够自由地调整发电机的平均气隙矩。
两个磁通分量ψ2p与ψ1p通过初级调节给出,而ψ1n的值则大致由供电网决定。图3b所示的与初级调节并行工作的矢量调节器以这样的形式给转子电压加上一个额外的量,即至少在转换器的调整范围所允许的范围内,矢量积ψ2p×ψ1n和ψ1p×ψ2n大小相等。由此消除双重电网频率的振动气隙矩。
用于抑制振动力矩的模态分量的确定将在下一部分中借助于图4至图8逐步进行说明。
磁通监测器:
磁通监测器包括图4所示的电流模型(Strommodell),其运行遵循下列方程式:
ψ1=Lh(I1+I2′)+L1σI1
ψ2=Lh(I1+I2′)+L2σI2′(19,20)
上述用于确定磁通的方程式在图4所示的框图中实现。
在一个另外实施例中,也可以选择采用双馈异步发电机的电压模型(Spannungsmodell)或者采用两种模型的组合形式。
图4中的输入参量是测得的定子电流I1和在涉及定子的坐标系中经过转换并且乘上了传动比(转子/定子)的、测得的转子电流I2′。这些参量被处理成矢量形式(在α/β-系统中)。
磁通的模态分量
模态分量的确定以图5中图示的方式实现。在满足前面所作假设的情况下,也就是假设磁通只拥有DC和电网频率份额,那么首先利用带通将电网频率份额从各磁通的总空间向量中过滤出去。当这一份额从原始信号剥离之后,DC份额即得以确定。
现在,通过适当的方法将电网频率份额分解成正序和负序系统。
这样的方法可以是例如在“在电网不对称时具有双馈异步发电机的风力发电设备的功率调节(Leistungsregelung vonWindkraftanlagen mit doppeltgespeister Asynchronmaschine beiNetzunsymmetrie)”,S.M.-Engelhardt,H.Wrede,J.Kretschmann,VDI-Berichte Nr.1963,2006中所描述的方法,其中,该文档有关所述方法的部分被引用作为当前的公开内容。尤其是在上述文档—下面略作概述—中提出了用于拆分成正序和负序系统的方法。
根据第一种方法实现对信号的滤波,方法如下:由于瞬时值不允许拆分为正序和负序系统,所以首先要以公知的转换到定子固定(statorfest)的α/β-系统的方法生成空间向量,在所述α/β-系统中,负序系统表现为在数学上负向旋转的50(或者60)Hz系统。为将负向及正向旋转的系统在时域上彼此分离,必须执行频率延迟,这是因为过滤器对此基本是不适合的。对于矢量而言,频率延迟能够非常简单地通过角度转换而执行。在此,选择将频率负向延迟50(60)Hz,因为于是负序系统为相等参量()。正序系统形成为100(120)Hz的分量。由此,一方面可利用低通滤波器来分离信号,另一方面在调节上也不存在特殊的动力学要求。为将在正序系统调整中的边缘效应(Seiteneffekte)降低到最小程度可以采用相对较慢的调节器。
频率转换本身利用相对没有谐波振荡的角度来实施,以便将干扰耦合降低到最小程度。预先确定转换频率当然是理想的;但是,在此后较弱的电网中可能会出现电网频率不等于50(60)Hz的情况,预先确定转换频率的话会使得负序系统不再为相等参量,而是低频的。这会对正序系统调节和负序系统调节的脱耦要求产生负面的影响,因为与标称频率偏差越大,相位持续时间的增加就明显,从而导致稳定性极限的减小。
较好的折衷方案是从电网空间向量的相位角出发产生转换角,并随后通过具有低的角频率的PLL(锁相环)进行平滑处理。
根据另一方法,滤波可以像H.Wrede在“用于通过功率电子运行机构来提高在电能传递和分布中的供给安全性和电压质量的措施(zurvon Versorgungssicherheit undin der und Verteilung elektrischerEnergie durch leistungselektronische Betriebsmittel)”,Aachen,Shaker Verlag,2004,Seite 45ff.中建议的那样得以实现。
作为对前述的信号分解的补充,按照方程式(15)和(16)计算缩减因数kred。
根据图3a的调节变例:
对于转子电压的实际调节,为正序系统分量、负序系统分量和DC分量分别使用磁通调节器,以图6所示的负序系统调节器为例,磁通调节器示例性地表现为具有预控制装置(Vorsteuerung)的数值/角度调节器(Betrags-/Winkelregler)。其他调节器形式同样也是可以的。用于正序系统和DC分量的调节器优选以类似方式设计。
在该实施例中,根据方程式(15)-(17)实施调节。
相应地,用于对减小的定子负序系统的磁通份额进行补偿的转子电压按下式计算:
U2n′=-j2π(2-sp)fNetzkredψ1n (21)
考虑到磁通的差异,通过PI调节器30将该被预调节的值调整成使得转子磁通分量具有前述数值。
尤其ψ2和ψ1kred的矢量分别作为标称值或实际值被输入PI调节器30中,以此实施到根据方程式(17)的额定状态的调节。
如此得到的用于对减小的定子负序系统的磁通份额进行补偿的转子电压最终通过转子侧的转子电压转换器6被供入。
如图3所示,其他的用于补偿定子正序系统磁通的分量以及定子磁通-DC分量以类似的方式确定和累加。
根据图3b的调节变例:
有关如何导出转矩分量的详细描述以及所需的磁通模型请参见前面的实施方式。
转矩比例分量按下列方程式计算:
t1=ψ2p,alpha·ψ1n,beta-ψ2p,beta·ψ1n,alpha (22a,b)
t2=ψ1p,alpha·ψ2n,beta-ψ1p,beta·ψ2n,alpha
这些是双重电网频率的正弦量。
为使这两个量在数值和相位上彼此一致,类似于按照Lê的方法分别产生一个虚拟空间向量,参见图8。
然后通过两个PI调节器消除数值和角度的差异,参见图7所示。
要获得更快的调节行为,合适的方法是对从定子磁通负序系统感应得到电压进行预调节。那么该电压只须在数值及相位上通过调节器就得以校正。
相应于前面的说明,出于稳定性考虑,并且对于正序系统和负序系统调节的优先级而言必要的是,为调节器设置调整信号极限。
不同调节模式的选取:
当调节的优先级处于系统传动系的最大负荷边界上并且出现大的会引起明显转矩负荷的直流份额(DC分量)时,根据图3a的调节模式优选地在供电网中出现大的扰动之后得以激活。在这种情况下并不是非要调节转矩。
在DC分量衰减后以及系统处于无缺陷运行状态时,对转矩的调节就很重要,从而激活根据图3b的调节。通过这些变例,就可以在固定的电网不对称状态下进行转矩调节并同时消除或者缩减双重电网频率的振动力矩。
机译: 在双馈异步电机中在电源不对称的情况下补偿振荡效应的方法和设备
机译: 双馈异步电机在电网不对称事件中补偿振荡影响的方法和装置
机译: 在特定的,预定类型的磁聚焦装置中,针对不对称情况下的强度,补偿制造光束发生器的效果的方法是运行时间弯曲