控制来自具有不平衡阻抗的发电机的能量流

摘要

控制来自具有不平衡阻抗的发电机的能量流。一种用于控制从具有不平衡阻抗的交流发电机到电网的能量流的方法，该方法包括：获得表示第一功率命令的第一功率信号；获得表示第二功率命令的第二功率信号；从交流发电机获得指示反馈电流的第一电流信号；从电网转换器获得指示反馈电流的第二电流信号；利用第一功率信号将第一内部信号确定为来自第一电流参考计算程序的结果；利用第二功率信号将第二内部信号确定为来自第二电流参考计算程序的结果；利用第一电流信号和第一内部信号将第一输出信号确定为来自第一电流控制器程序的结果；以及利用第二电流信号、第二内部信号和补偿计算程序将第二输出信号确定为来自第二电流控制器程序的结果。

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机领域，更特别地涉及永磁电机的领域。

背景技术

在大多数交流发电机中，阻抗是平衡的。因此，机器阻抗对于不同的相而言是相等的。然而，机器阻抗在某些特殊发电机（electricalmachine）中可能是不平衡的。

例如，为了尤其是针对海上风力涡轮机实现冗余，对大型风力涡轮机使用具有多个三相绕组的发电机。每组的三相绕组可具有分开控制的频率转换器。用这种装置（setup），即使所有其它绕组和转换器都中断，只要至少一组绕组及其转换器处于良好条件，风力涡轮机仍可以产生电。对于具有多个三相绕组的机器而言，绕组之间的互感可在一个绕组或其转换器被中断之后改变。这引起来自其余绕组的不平衡阻抗。不平衡阻抗可在机器定子和/或转换器处引起不平衡电流或电压。由于不平衡电压和/或电流，发电机的定子功率例如可具有处于发电机的电频率的两倍的谐波。由于正常地DC链路电压控制回路的带宽低于此频率，所以在这种情况下不能实现电网功率和发电机功率的平衡。定子功率中的谐波可在频率转换器的DC链路电容器处引起处于相同频率的谐波电压。这种情况下的DC链路电压波形可包括不想要的谐波，这不是优选的，因为DC链路电压下的高次谐波可引起频率转换器的过调制（over-modulation），并且最终使频率转换器跳闸（trip）。

因此，存在对驱动具有不平衡阻抗的发电机的需要。

发明内容

可用根据独立权利要求的主题来满足此需要。用从属权利要求来描述本发明的有利实施例。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制从具有不平衡阻抗的交流发电机、特别是风力涡轮机的交流发电机到电网的能量流的方法，该方法包括：获得表示第一功率命令的第一功率信号；获得表示第二功率命令的第二功率信号；从交流发电机获得指示反馈电流的第一电流信号；从电网转换器获得指示反馈电流的第二电流信号；利用第一功率信号将第一内部信号确定为来自第一电流参考计算程序的结果，该第一内部信号对应于用于交流发电机的电流命令；利用第二功率信号将第二内部信号确定为来自的第二电流参考计算程序的结果，该第二内部信号对应于用于电网转换器的电流命令；利用第一电流信号和第一内部信号将第一输出信号确定为来自的第一电流控制器程序的结果，该第一输出信号表示用于机器同步旋转框（rotatingframe）的第一轴的电压命令，用于第一轴的电压命令适用于控制从交流发电机特别地到电网的能量流；以及利用第二电流信号、第二内部信号和补偿计算程序将第二输出信号确定为来自第二电流控制器程序的结果，该第二输出信号表示用于电网同步旋转框的第二轴的电压命令，用于第二轴的电压命令适用于控制从交流发电机特别地到电网的能量流。

本概念的优点是其可允许多绕组交流发电机/涡轮机的故障后操作。

本发明的这个方面是基于这样的思想，即通过调节从交流电机到电网的能量传输，可在机器的不平衡阻抗的情况下将多绕组交流电机连接到电网而不对电网加压。

根据本发明的第一实施例，获得第一功率信号或获得第二功率信号包括：利用直流链路程序。

根据本发明的另一实施例，本方法此外包括：获得指示直流链路电压的电压信号；以及获得指示直流链路电压参考的参考电压信号。其中，直流链路程序利用电压信号和参考电压信号。

根据本发明的另一实施例，第一内部信号对应于用于同步旋转框的第一轴的电流命令。第二内部信号对应于用于同步旋转框的第二轴的电流命令。第一电流信号指示用于同步旋转框的第一轴的反馈电流。并且第二电流信号指示用于同步旋转框的第二轴的反馈电流。

根据本发明的另一实施例，第一输出信号用作到脉宽调制程序的第一输入信号。并且第二输出信号用作到脉宽调制程序的第二输入信号。

根据本发明的另一实施例，如果获得第一功率信号包括利用直流链路程序，则本方法此外包括：获得第一功率信号作为来自直流链路程序的结果；获得表示交流发电机的操作条件的第三功率信号；通过用于计算功率补偿值的补偿功率计算程序来确定第四功率信号，其中，该补偿功率计算程序对应于补偿计算程序；以及通过将第三功率信号加到第四功率信号来获得第二功率信号。

根据本发明的另一实施例，如果获得第二功率信号包括利用直流链路程序，则本方法此外包括：所述第一功率信号对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号；通过用于计算功率补偿值的补偿功率计算程序来确定第四功率信号，其中，该补偿功率计算程序对应于补偿计算程序；以及通过将第四功率信号加到来自直流链路程序的结果来获得第二功率信号。

根据本发明的另一实施例，该补偿功率计算程序包括：获得指示交流发电机的频率的频率信号；通过用于计算功率的功率计算程序来确定第五功率信号；通过利用频率信号和第五功率信号接收来自用于对第五功率信号进行滤波的滤波器程序的结果；从增益相位补偿程序接收第四功率信号，所述增益相位补偿程序用于根据来自滤波器程序的结果补偿增益和/或相位。

根据本发明的滤波器程序可包括至少滤波器或滤波器算法，从而以期望的方式对信号进行滤波。优选地，该滤波器程序包括带通滤波器或带通滤波器算法，特别是自适应带通滤波器。

本实施例具有对来自交流发电机的信号进行滤波、使得只有处于电频率的两倍的谐波功率可通过的优点。

根据本发明的另一实施例，该补偿功率计算程序包括：接收来自用于对第二电压信号进行滤波的滤波器程序的结果；接收来自用于调节来自滤波器程序的结果的谐振调节器程序的结果；接收来自功率计算程序的结果，所述功率计算程序用于根据来自谐振调节器程序的结果来计算功率；以及从增益相位补偿程序接收第四功率信号，所述增益相位补偿程序用于补偿来自功率计算程序的结果的增益和/或相位。

本实施例具有提供发电机功率与电网功率之间的增益相位差的补偿的优点。

根据本发明的另一实施例，如果获得第一功率信号包括利用直流链路程序，则本方法此外包括：获得第一功率信号作为来自直流链路程序的结果；所述第二功率信号对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号；利用第二功率信号接收来自第二电流参考计算程序的另一结果；通过补偿电流计算程序来确定第三电流信号，该第三电流信号表示补偿电流，其中，所述补偿电流计算程序对应于补偿计算程序；以及通过将第三电流信号加到来自第二电流参考计算程序的另一结果来确定第三内部信号；以及所述第二电流控制器程序此外利用第三内部信号。

根据本发明的另一实施例，如果获得第二功率信号包括利用直流链路程序，则本方法此外包括：所述第一功率信号对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号；获得第二功率信号作为来自直流链路程序的结果；利用第二功率信号接收来自第二电流参考计算程序的另一结果；通过补偿电流计算程序来确定第三电流信号，该第三电流信号表示补偿电流，其中，所述补偿电流计算程序对应于补偿计算程序；以及通过将第三电流信号加到来自第二电流参考计算程序的另一结果来确定第三内部信号；以及所述第二电流控制器程序此外利用第三内部信号。

根据本发明的另一实施例，所述补偿电流计算程序包括：获得指示交流发电机的频率的频率信号；通过用于计算功率的功率计算程序来确定第五功率信号；通过利用频率信号和第五功率信号接收来自用于对第五功率信号进行滤波的滤波器程序的结果；接收来自电流计算程序的结果，所述电流计算程序用于根据来自滤波器程序的结果来计算电流；以及从增益相位补偿程序接收第三电流信号，所述增益相位补偿程序用于根据来自电流计算程序的结果来补偿增益和/或相位。

根据本发明的另一实施例，补偿电流计算程序包括：接收来自用于对第二电压信号进行滤波的滤波器程序的结果；接收来自谐振调节器程序的结果，所述谐振调节器程序用于调节来自滤波器程序的结果；以及从增益相位补偿程序接收第三电流信号，所述增益相位补偿程序用于根据来自谐振调节器程序的结果来补偿增益和/或相位。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制具有不平衡阻抗的交流发电机、特别是风力涡轮机的交流发电机的操作的装置，该装置被配置成用于执行根据本发明的第一方面的前述实施例中的任何一个的方法。

本概念的优点是其可允许多绕组交流发电机/涡轮机的故障后操作。

本发明的这个方面是基于这样的思想，即通过向机器提供能量调节电路，可在机器的不平衡阻抗的情况下提供从交流电机到电网的能量传输而不对电网加压。

根据本发明的另一实施例，该装置包括用于基于至少一个值来计算电网转换器的补偿功率命令的补偿功率计算单元，其中，该值选自值组。值组的值分别地表示DC链路电压、发电机功率、发电机扭矩、发电机电流或发电机电压。该补偿功率命令是具有与交流发电机的电频率成比例的频率的谐波。该装置此外包括来自涡轮机控制器或DC链路电压控制器的电网功率参考和/或电网功率命令；以及求和元件，其被配置成用于将补偿功率命令加到电网功率参考和/或电网功率命令，以便实现电网功率命令控制信号。此外，该装置包括功率控制器，该功率控制器适于允许电网功率遵循电网功率命令信号。

根据本发明的另一实施例，该装置包括用于基于至少一个值来计算电网转换器的补偿电流命令的补偿电流计算单元，其中，该值选自值组。补偿电流是具有与发电机的电频率成比例的频率的谐波。该装置此外包括电网有功电流参考和/或电网有功电流命令。其中，电网有功电流参考和/或电网有功电流命令每个是从DC链路电压控制器和/或计算单元接收的。该装置此外包括求和元件，其被配置成用于添加电流命令以便实现电网有功电流命令控制信号。此外，该装置包括电流控制器，该电流控制器适于允许电流遵循电网有功电流命令控制信号。

根据本发明的计算单元可以是例如电网故障不间断（ride-through）。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于根据本发明的第二方面的前述实施例中的任何一个来处理物理对象的计算机程序，计算机程序在被数据处理器执行时适于控制和/或执行如在本发明的第一方面的前述实施例中的任何一个中阐述的方法。

本发明的这个方面是基于这样的思想，即可以以非常灵活的方式提供用于从机器到电网的能量传输的控制方法。

必须注意的是已关于不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已关于方法类型权利要求描述了某些实施例，然而已关于装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员从以上及以下描述将获悉，除非另外通知，除属于一个类型的主题的特征的任何组合之外，还认为与本文一起公开了关于不同主题的特征之间、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合。

根据下面要描述的实施例的示例，本发明的上文定义方面和另外的方面是显而易见的，并关于实施例的示例来解释。下面将关于实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的示例。

附图说明

图1示出了根据本发明的示例性实施例的提议方法的示意图。

图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。

图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。

图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的提议补偿功率/电流计算程序的示意图。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的图6的补偿功率/电流计算程序的提议调节块程序的示意图。

图8示出了根据本发明的另一示例性实施例的图6的补偿功率/电流计算程序的提议调节块程序的示意图。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件或特征提供相同的参考符号或仅在第一位数内与相应参考符号不同的参考符号。为了避免不必要的重复，在本描述的后面的位置处不再次阐述已经关于先前描述的实施例进行阐述的元件或特征。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的提议方法的示意图。在图1中示出了用于控制从具有不平衡阻抗的交流发电机、特别是风力涡轮机的交流发电机到电网的能量流的方法，该方法包括：获得表示第一功率命令的第一功率信号P1；获得表示第二功率命令的第二功率信号P2；从交流发电机获得指示反馈电流的第一电流信号I1；从电网转换器获得指示反馈电流的第二电流信号I2；利用第一功率信号P1将第一内部信号int1确定为来自第一电流参考计算程序crc1的结果，该第一内部信号int1对应于用于交流发电机的电流命令；利用第二功率信号P2将第二内部信号int2确定为来自第二电流参考计算程序crc2的结果，该第二内部信号int2对应于用于电网转换器的电流命令；利用第一电流信号I1和第一内部信号int1将第一输出信号OUT1确定为来自第一电流控制器程序cc1的结果，该第一输出信号OUT1表示用于机器同步旋转框的第一轴的电压命令，用于第一轴的电压命令适用于控制从交流发电机到电网的能量流；以及利用第二电流信号I2、第二内部信号int2和补偿计算程序将第二输出信号OUT2确定为来自第二电流控制器程序cc2的结果，该第二输出信号OUT2表示用于电网同步旋转框的第二轴的电压命令，用于第二轴的电压命令适用于控制从交流发电机到电网的能量流。

图2、3、4和5每个示出了根据本发明的示例性实施例的图1中所示的提供方法的另一实施例。

其中，获得第一功率信号P1或获得第二功率信号P2包括：利用直流链路程序dcl。

此外，图2至5的所示方法每个包括：获得指示直流链路电压的电压信号V1；获得指示直流链路电压参考的参考电压信号V2；以及直流链路程序dcl利用电压信号V1和参考电压信号V2。

其中，第一内部信号int1对应于用于同步旋转框的第一轴的电流命令。第二内部信号int2对应于用于同步旋转框的第二轴的电流命令。第一电流信号I1指示用于同步旋转框的第一轴的反馈电流。并且第二电流信号I2指示用于同步旋转框的第二轴的反馈电流。

此外，第一输出信号OUT1用作到脉宽调制程序的第一输入信号，并且第二输出信号OUT2用作到脉宽调制程序的第二输入信号。

图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。

在图2中，如果获得第一功率信号P1包括利用直流链路程序dcl，则本方法此外包括：获得第一功率信号P1作为来自直流链路程序dcl的结果；获得表示交流发电机的操作条件的第三功率信号P3；通过用于计算功率补偿值的补偿功率计算程序cpc来确定第四功率信号P4；以及通过将第三功率信号P3加到第四功率信号P4来获得第二功率信号P2。

图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。在图3中，如果获得第一功率信号P1包括利用直流链路程序dcl，则本方法此外包括：获得第一功率信号P1作为来自直流链路程序dcl的结果，该第二功率信号P2对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号P3；利用第二功率信号P2接收来自第二电流参考计算程序crc2的另一结果；通过补偿电流计算程序ccc来确定第三电流信号I3，该第三电流信号I3表示补偿电流；以及通过将第三电流信号I3加到来自第二电流参考计算程序crc2的另一结果来确定第三内部信号int3。其中，第二电流控制器程序cc2此外利用第三内部信号int3。

图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。在图4中，如果获得第二功率信号P2包括利用直流链路程序dcl，则本方法此外包括：所述第一功率信号P1对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号P3；通过用于计算功率补偿值的补偿功率计算程序cpc来确定第四功率信号P4；以及通过将第四功率信号P4加到来自直流链路程序dcl的结果来获得第二功率信号P2。

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的提议方法的示意图。在图5中，如果获得第二功率信号P2包括利用直流链路程序dcl，则本方法此外包括：第一功率信号P1对应于表示交流发电机的操作条件的第三功率信号P3；获得第二功率信号P2作为来自直流链路程序dcl的结果；利用第二功率信号P2接收来自第二电流参考计算程序crc2的另一结果；通过补偿电流计算程序ccc来确定第三电流信号I3，该第三电流信号I3表示补偿电流；以及通过将第三电流信号I3加到来自第二电流参考计算程序crc2的所述另一结果来确定第三内部信号int3。其中，第二电流控制器程序cc2此外利用第三内部信号int3。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的提议补偿功率/电流计算程序的示意图。

在图6中，补偿功率计算程序cpc包括：获得指示交流发电机的频率的频率信号w和/或获得第二电压信号V2；以及从增益相位补偿程序gpc接收第四功率信号P4和/或第三电流信号I3，所述增益相位补偿程序gpc用于根据来自调节块程序的结果来补偿增益和/或相位。

图7和8每个示出了根据本发明的示例性实施例的图6中所示的提供方法的另一实施例。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的图6的补偿功率/电流计算程序的提议调节块程序的示意图。

在图7中，图6的补偿功率/电流计算程序cpc包括：获得指示交流发电机的频率的频率信号w；通过用于计算功率的功率计算程序pc来确定第五功率信号P5；以及通过利用频率信号w和第五功率信号P5接收来自用于对第五功率信号p5进行滤波的滤波器程序f的结果。如果考虑到图7中的阴影块cc，图7此外示出了接收来自电流计算程序cc的结果，所述电流计算程序cc用于根据来自滤波器程序f的结果来计算电流。

图8示出了根据本发明的另一示例性实施例的图6的补偿功率/电流计算程序的提议调节块程序的示意图。

在图8中，图6的补偿功率/电流计算程序cpc包括：接收来自用于对第二电压信号V2进行滤波的滤波器程序f的结果；以及接收来自用于调节来自滤波器程序f的结果的谐振调节器程序rr的结果。

如果考虑到图8中的阴影块pc，图8此外示出了接收来自功率计算程序pc的结果，所述功率计算程序pc用于根据来自谐振调节器程序rr的结果来计算功率。

应注意的是术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。也可将与不同实施例相关联地描述的元件组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考符号解释为限制权利要求的范围。

应注意的是术语“附着”可包括两个材料的栓接、铆接、焊接或任何其它结合，这取决于被相互附着的材料和/或部分的使用。在可能且有用的情况下，焊接、栓接或铆接可相互取代。

应注意的是在本发明的进一步细化中将来自本文所述的不同说明性实施例的特征组合也可以是可能的。还应注意的是不应将权利要求中的参考符号解释为限制权利要求的范围。

为了概括本发明的上述实施例，我们可以说明：本发明可以允许多绕组发电机/涡轮机的故障后操作，可使由于不平衡机器阻抗而引起的DC链路电压振荡最小化，并且可减少由于过调制而引起的转换器跳闸。此外，本发明可几乎不引起附加成本，并且可不引起对市场中的可用产品的硬件的主要改变要求。

因此，本发明提供了用于DC链路电容器处的功率失衡问题的解决方案。该方法可以用于具有平衡阻抗的机器和具有不平衡阻抗的机器两者。该方法可主要在可变速度风力涡轮机中使用。尽管如此，将所提供发明的原理用于其它应用，比如用于马达驱动和电动汽车也可以是可能的。