具有分量分離的直接功率控制的製作方法

2023-10-09 17:53:09 3

專利名稱：具有分量分離的直接功率控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制雙饋感應電機到電網的功率輸出的方法，包括步驟-測量三相坐標系中的電網電壓和電網電流；-將電網電壓和電網電流轉換到定子架坐標系中；-將定子架坐標系中的電網電壓和電網電流分解到正序系統中和負序系統中；-計算正序和負序系統中的有效和無效功率；以及-控制正序和負序系統中的有效和無效功率。此外，本發明涉及一種控制雙饋感應電機(DFIG)到電網的功率輸出的設備、一種 使得處理器裝置能夠控制雙饋感應電機的功率輸出的電腦程式、以及一種對本發明方法 的有利使用。
背景技術：
雙饋感應電機或雙饋發電機(DFIG)在風力渦輪機中連同轉換器的使用提供了變 速操作、與較低轉換器開銷相結合的四象限有效和無效功率性能、以及與使用固定速度感 應發電機或具有全尺寸轉換器的全饋同步發電機的風力渦輪機相比減少的功率損失。雙饋 感應電機的控制通常基於通量導向的或定子電壓導向的向量控制。這兩種控制方法的目標 都是將轉子電流去耦成為有效和無效電流分量，並且利用轉子電流控制器控制由雙饋感應 電機提供的有效和無效功率。雙饋感應電機的功率輸出的連續性與類似風力渦輪機和風力 渦輪機廠的風能系統特別相關。為了能夠最大化地使用風力來產生電功率，目標在於甚至 對於失衡電網電壓也要優化DFIG的控制。因此，希望將連接到電網的發動機儘可能長地保 持，並且希望消除或減少失衡電網電壓的影響。然而，傳統控制方法未被優化來處理失衡電 網電壓，這是因為失衡電網電壓引起了產生轉子的轉矩脈動的失衡定子電流。這導致了較 高的機械元件(例如，風力渦輪機)的磨損。為了在失衡電網電壓的條件下提供DFIG的有 效禾口無效功率的控制，Young 等人在"Active and reactive power control of DFIG for wind energy conversation under unbalanced grid voltage，，， Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC 2006中建議將功率控制分解為正序分量和負序分量 的功率控制，從而使用功率控制器和次級電流控制器在正序系統和負序系統中產生操縱向 量，將這些操縱向量加在一起以便控制DFIG的轉子電流。儘管控制DFIG的功率輸出的已 知方法考慮了失衡電網電壓，但是可以對已知方法的動態(dynamics)加以改進。

發明內容
因此，本發明的一個目的在於提供一種用於控制雙饋感應電機的功率輸出的 方法，該雙饋感應電機提供良好的動態並且在出現失衡電網電壓時能夠允許故障穿越 (fault-ride-through)操作。並且，本發明的一個目的在於提供一種控制雙饋感應電機的 功率輸出的設備和電腦程式產品。最後，本發明提出了至少一種對本發明的有利應用。根據本發明的第一方面，通過如下方式來解決上述目的將正序和負序系統中的有效和無效功率用作狀態控制器中的獨立狀態變量，而在從狀態反饋得到的操縱向量被用 來設置轉子電壓之前，狀態控制器分別產生正序和負序系統中的操縱值，這些操縱值作為 操縱狀態向量隸屬於定子架坐標系中的狀態反饋，而沒有其它控制迴路。優選地，在轉子架 坐標系中進行對轉子電壓的設置。與上述現有技術的控制方法相反，本發明的方法不使用更多的次級控制迴路來產 生操縱向量，並因此本發明的方法為僅使用一個狀態控制器的直接功率控制方法。這大大 地增強了控制方法的動態。能夠放棄更多次級控制迴路歸因於狀態反饋的使用，由狀態控 制器產生的操縱向量隸屬於該狀態反饋。失衡電網電壓狀態僅影響有關該控制器針對負序 系統產生的操縱值。因此，進入失衡電網電壓狀態的快速狀態控制是可能的。此外，獨立於 失衡電網電壓狀態的控制，能夠經由該控制器針對正序系統產生的操縱值來並行控制具有 高動態的功率輸出。「故障穿越」操作是可能的。從而，本發明的控制方法提供了一種具有 相當高的動態的控制，該控制額外地允許「故障穿越」操作。根據本發明的第一實施例，狀態控制器分別針對正序和負序系統產生操縱值，通 過這些操縱值分別針對正序和負序系統產生定子架坐標系中的狀態向量，以便簡化定子架 坐標系中的狀態反饋。為了減少對於狀態反饋的工作量，根據本發明的下一個優選實施例，在所得到的 單一狀態向量隸屬於狀態反饋之前，將正序系統的操縱狀態向量添加到負序系統的狀態向量。根據本發明的下一個優選實施例可以進一步改進本發明的控制方法，其中在狀態 反饋期間，將針對正序和/或負序系統和/或直流分量系統的狀態反饋向量添加到狀態向 量。將狀態反饋向量分為正序和負序系統以及直流分量系統的反饋向量，一方面，允許分別 針對不同分量的狀態反饋，其簡化了控制算法。另一方面，特別是直流分量系統的狀態反饋 向量允許對在電網故障處臨時發生的偏差進行反饋。此外，分別針對不同分量進行反饋更 加改進了本發明的控制方法的動態。與傳統的控制雙饋感應電機的功率輸出的方法相比，甚至能夠降低用於實現本發 明的控制方法的成本，其中優選地將定子電壓和轉子電流與轉子位置的值和轉子速度的值 一起用於計算正序和負序系統以及直流分量系統中的狀態反饋向量。對於DFIG的變速控 制，無論如何都需要相對昂貴的轉子側的直流電流測量裝置來保證在同步周圍的穩定性。 在定子側通常安裝有相對便宜的交流電流測量裝置。但是，為了在電網瞬變期間的精確控 制，必須考慮定子電流的直流分量的影響。因此，能夠避免使用昂貴的裝置來測量定子電流 的直流分量。由於使用定子電壓和轉子電流來計算狀態反饋向量，從而給出了本發明的精 確的控制方法。根據本發明的下一個有利實施例，狀態控制器接收針對正序和負序系統中的有效 和無效功率的預設值和測量值之差作為輸入值來產生操縱值，而可選地，通過單一控制器 產生每個操縱值。首先，這使得能夠以簡單的方式通過對特別是在正序系統中的有效和無 效功率的預設值進行簡單的預設，來預先設置DFIG的有效和無效功率輸出。通過對負序系 統中的有效和無效功率的值進行設置可以簡單地允許「故障穿越」操作。此外，如果通過單 一控制器產生每個操縱值，則可以進一步改進動態。優選地，根據本發明的下一個有利實施例，狀態控制器包括至少一個PI控制器。比例積分控制器是具有高動態的非常簡單的控制器。然而，也可以使用較複雜的控制器 (尤其是PID控制器)來為狀態向量產生操縱值。根據本發明的下一個實施例，將正序和負序系統中的有效和無效功率的預設值限 定為預設值。這允許對預設值的簡單限定，以便針對由於有效和無效功率的不適當的預設 值而引起的損害來保護DFIG。由於控制器的操縱值為狀態變量，優選地根據本發明的下一個實施例，利用定子 電壓向量和由狀態控制器產生的操縱值來分別計算定子架系統的正序和負序系統中的操 縱狀態向量。從而，將狀態向量轉換到定子架坐標系統，其可以簡單地隸屬於相同坐標系統 中的狀態反饋。根據本發明的又一優選實施例，對每個狀態反饋向量的分量的限制以及正序和負 序系統的狀態向量的分量的限制進行優先化，以便避免使用不可能的狀態向量對轉子電壓 進行設置。這可以進一步保護DFIG以使之免受損害。根據又一實施例的優先化在於由於 最後對正序系統的狀態反饋向量進行了限定，所以可以在所有情況下都允許與定子架系統 一致的對有效和無效功率輸出的良好的調節控制。最後，根據本發明的又一實施例，狀態控制器產生正序和負序系統中的有效和無 效功率的電壓值作為操縱值。這允許簡單地使用正序和負序系統中的測得的定子電壓值將 由控制器產生的操縱值轉換到定子架坐標系統的正序和負序系統。當然，狀態控制器可以 產生與有效和無效功率值相關的電流值。然而，這會導致較昂貴地實現本發明的方法。根據本發明的第二方面，通過這樣的設備來解決上述目的，該設備用於控制雙饋 感應電機到電網的功率輸出，該設備實現了本發明的方法並且包括測量電網電壓和電網 電流的裝置；將電網電壓和電網電流轉換到定子架坐標系的裝置；至少對電網電壓和電網 電流的正序和負序系統分量進行分解的裝置；計算正序和負序系統中有效和無效功率的裝 置；狀態控制器，其分別產生正序和負序系統中的操縱狀態值，並且提供狀態反饋，以產生 用於對轉子電壓進行設置的操縱向量。根據本發明的下一個方面，通過這樣的電腦程式來解決上述目的，該計算機程 序使得處理器裝置能夠根據本發明的方法控制雙饋感應電機的功率輸出。雖然在大部分情 況下電腦程式實現了本發明的方法，但本發明的方法也可以部分地或全部地在硬體中實 現。至少根據本發明的第四方面，通過使用一種控制到具有雙饋感應電機的風力渦輪 機或者包括風力渦輪機的風力發電機組(wind park)的電網的功率輸出的方法來解決上述 問題。關於本發明的設備、電腦程式和本發明方法的發明使用的優點，可以參考關於 本發明的第一方面的敘述。有多種可能性來發展本發明的控制雙饋感應電機的功率輸出的方法、控制DFIG 的功率輸出的本發明的設備、本發明的電腦程式、或對本發明的使用。在此，參考了權利 要求1的從屬權利要求並參考了結合附圖的本發明的優選實施例的說明。


在單一的圖1中，以示意框圖的方式示出了本發明的方法的優選實施例。
具體實施例方式首先，圖1示出了實用電網1和縮寫為DFIG的雙饋感應電機2。為了提供本發明 的方法，示出了測量電網電壓3和電網電流4的裝置，電網電壓和電網電流都在三相系統 中。其後，利用裝置5、6將測量的電網電壓和電網電流轉換到定子架坐標系ab中。源自定 子架坐標系，定義正序系統和負序系統，並且將測量的電壓和電流值轉換到這兩個系統中。通常，正序系統中的電壓和電流向量在數學正向中分別以50Hz、60Hz循環，而在 負序系統中的這些向量在相反方向中也分別以50Hz、60Hz循環。在框7、8中對測量的電網 電壓3和測量的電網電流4的正序和負序系統的分量進行分解。可以通過使用適當的濾波器(圖中未示出)來實現正序系統和負序系統的分離或 分解。將正序和負序系統中的電網電壓和電網電流的值遞送到裝置9來計算正序和負序系 統的功率值Pp。s、％。s、Pneg和Qneg。在正序系統中，通過測量的電網電壓和電流值將Pp。s和Qp。s 的值確定如下
權利要求
1.一種控制雙饋感應電機到電網的功率輸出的方法，包括步驟 -測量三相坐標系中的電網電壓和電網電流；-將電網電壓和電網電流轉換到定子架坐標系中；-將定子架坐標系中的電網電壓和電網電流分解到正序系統中和負序系統中； -計算正序和負序系統中的有效和無效功率；以及 -控制正序和負序系統中的有效和無效功率，其中，將正序和負序系統中的有效和無效功率用作狀態控制器中的獨立狀態變量，而 在從狀態反饋得到的操縱向量被用來設置轉子電壓之前，狀態控制器分別產生正序和負序 系統中的操縱值，這些操縱值作為操縱狀態向量隸屬於定子架坐標系中的狀態反饋，而沒 有其它控制迴路。
2.根據權利要求1的方法，其中狀態控制器分別針對正序和負序系統產生操縱值，通過這些操縱值分別針對正序 和負序系統產生定子架坐標系中的狀態向量。
3.根據權利要求1或2的方法，其中在得到的單一狀態向量隸屬於狀態反饋之前，將正序系統的狀態向量添加到負序 系統的狀態向量。
4.根據權利要求1至3中任一項的方法，其中將針對正序和/或負序系統和/或直流分量系統的狀態反饋向量添加到狀態向量 作為狀態反饋。
5.根據權利要求1至4中任一項的方法，其中將定子電壓和轉子電流與轉子位置的值和轉子速度的值一起用於計算正序和負 序系統以及直流分量系統中的狀態反饋向量。
6.根據權利要求1至5中任一項的方法， 其中狀態控制器接收針對正序和負序系統中的有效和無效功率的預設值和測量值之 差作為輸入值來產生操縱值，而可選地，通過單一控制器產生每個操縱值。
7.根據權利要求1至6中任一項的方法，其中狀態控制器包括至少一個比例積分(PI)控制器。
8.根據權利要求1至7中任一項的方法，其中將正序和負序系統中的有效和無效功率的預設值限定為預設值。
9.根據權利要求1至8中任一項的方法，其中利用定子電壓向量和由狀態控制器產生的操縱值來分別計算定子架系統的正序 和負序系統中的操縱狀態向量。
10.根據權利要求1至9中任一項的方法，其中限定了操縱向量的分量的值以及添加到操縱向量的每個狀態反饋向量的分量的值。
11.根據權利要求1至10中任一項的方法，其中對每個狀態反饋向量的分量的限制以及正序和負序系統的狀態向量的分量的限 制進行優先化。
12.根據權利要求1至11中任一項的方法，其中狀態控制器產生正序和負序系統中的有效和無效功率的電壓值作為操縱值。
13.一種用於控制雙饋感應電機(DFIG)到電網的功率輸出的設備，該設備啟用根據權 利要求1至12中任一項的方法並且包括測量電網電壓和電網電流的裝置；將電網電壓和 電網電流轉換到定子架坐標系的裝置；至少對電網電壓和電網電流的正序和負序系統分量 進行分解的裝置；計算正序和負序系統中有效和無效功率的裝置；狀態控制器，其分別產 生正序和負序系統中的操縱狀態值並且提供狀態反饋，以產生用於對轉子電壓進行設置的 操縱向量。
14.一種電腦程式，其使得處理器裝置能夠根據權利要求1至12中任一項的方法控 制雙饋感應電機的功率輸出。
15.根據權利要求1至13中任一項的控制到具有雙饋感應電機的風力渦輪機或者包括 多個風力渦輪機的風力發電機組的電網的功率輸出的方法的使用。
全文摘要
本發明涉及控制雙饋感應電機到電網的功率輸出的方法，包括步驟測量三相坐標系中的電網電壓和電網電流；將電網電壓和電網電流轉換到定子架坐標系中；將定子架坐標系中的電網電壓和電網電流分解到正序系統中和負序系統中；計算正序和負序系統中的有效和無效功率；以及控制正序和負序系統中的有效和無效功率。由於將正序和負序系統中的有效和無效功率用作狀態控制器中的獨立狀態變量來解決提供一種控制雙饋感應電機的功率輸出的方法的目的，該雙饋感應電機提供良好的動態並且當發生失衡電網電壓時能夠允許故障穿越操作，而在從狀態反饋得到的操縱向量被用來設置轉子電壓之前，狀態控制器分別產生正序和負序系統中的操縱值，這些操縱值作為操縱狀態向量隸屬於定子架坐標系中的狀態反饋，而沒有其它控制迴路。
文檔編號H02P9/00GK102150356SQ200880131039
公開日2011年8月10日 申請日期2008年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者斯特凡·恩格爾哈特, 約爾格·克雷奇曼 申請人:伍德沃德肯彭有限公司