用於操作電機的方法和設備的製作方法
2023-06-05 09:10:06 1
專利名稱：用於操作電機的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及電機，且更特定地涉及用於操作電機的方法和設備。
背景技術：
一般地，風力渦輪發電機包括具有轉子的渦輪機，轉子包括具有多 個葉片的可旋轉輪轂組件。葉片經由轉子將機械風能轉換為驅動一個或 者多個發電機的機械旋轉轉矩。發電機一般地，但不總是，通過齒輪箱 旋轉地聯接到轉子。齒輪箱提高用於發電機的轉子的本來低的旋轉速 度，以有效地將旋轉機械能變換為電能，其經由至少一個電氣連接件饋 給到實用電網。無齒輪直接驅動風力渦輪發電機也存在。轉子、發電機、 齒輪箱和其他部件典型地安裝在殼體、或者艙體內，其位於可以為構架或者管狀塔的基部的頂部上。一些無齒輪直接驅動風力渦輪發電機構造包括雙饋感應發電機(DFIG)。這種構造也可以包括電力變換器，其用於從連接件的一個到 電力實用電網連接件將發電機激勵電力輸送到繞線發電機轉子。在某些 環境下，可能經歷電網電壓波動，其可以包括帶有接近零伏的電壓波動 的低電壓瞬態。 一般地，電力變換器和發電機易於遭受電網電壓波動。 因此，這種電網電壓波動可能對風力渦輪發電機的連續操作是有害的。發明內容一方面，提供用於操作電機的方法。該方法包括聯接電機到電力系 統，使得電力系統構造為輸送至少一相電力到電機和從電機輸送至少一 相電力。該方法也包括構造電機，使得在電力系統的電壓幅值在事先確 定的範圍外操作未確定的時間段的期間和隨後，電機保持電聯接到電力系統。另一方面，提供用於電機的控制系統。電機構造為電聯接到電力系 統。電力系統構造為輸送至少一相電力到電機和從電機輸送至少一相電 力。控制系統利於在電力系統的至少一個電壓幅值在事先確定的範圍外
操作未確定的時間段的期間和隨後，電機保持電聯接到電力系統。又一方面，提供風力渦輪機。風力渦輪機包括至少一個構造為電聯 接到電力系統的電力發電機。電力系統構造為輸送至少 一相電力到發電 機和從發電機輸送至少 一相電力。風力渦輪機也包括至少 一個構造為電 聯接到電力系統的控制系統。控制系統利於在電力系統的至少 一 個電壓 幅值在事先確定的範圍外操作未確定的時間段的期間和隨後，電機保持 電聯接到電力系統。
圖1為示範性的風力渦輪發電機的示意圖；圖2為可以與圖1中顯示的風力渦輪發電機使用的示範性的電氣和 控制系統的示意圖；圖3為可以與圖2中顯示的電氣和控制系統相關的電網線路電壓-時間圖；圖4為可以與圖2中顯示的電氣和控制系統使用的示範性的鎖相環 (PLL)調節器的方塊圖；圖5為可以與圖4中顯示的PLL調節器使用的示範性的PLL狀態機 的方塊圖；和圖6為作為由圖5中顯示的PLL狀態機確定的PLL狀態的函數產生 的多個示範性的增益常數和頻率界限值的表格圖。
具體實施方式
圖1為示範性的風力渦輪發電機100的示意圖。風力渦輪機100包 括容納發電機(圖1中未顯示)的艙體102。艙體102安裝在塔104(圖 1中顯示塔104的部分)上。塔104可以為如在此描述的利於風力渦輪 機100的操作的任何高度。風力渦輪機100也包括轉子106，其包括三 個附接到旋轉輪轂110的轉子葉片108。可替換地，風力渦輪機100包 括如在此描述的利於風力渦輪機100的操作的任何數量的葉片108。在 示範性的實施例中，風力渦輪機100包括旋轉地聯接到轉子106和發電 機(圖1中未顯示)的齒輪箱(圖1中未顯示)。圖2為可以與風力渦輪發電機100 (圖1中顯示)使用的示範性的 電氣和控制系統200的示意圖。轉子106包括多個聯接到旋轉輪轂110
的轉子葉片108。轉子106也包括可旋轉地聯接到輪轂110的低速軸 112。低速軸聯接到增速齒輪箱114。齒輪箱114構造為提高低速軸112 的旋轉速度且傳遞該速度到高速軸116。在示範性的實施例中，齒輪箱 114具有大約70:1的增速比。例如，聯接到具有大約70:1增速比的齒輪 箱114的低速軸112以大約20轉/分(20)旋轉，產生大約1400rpm的 高速軸116速度。可替換地，齒輪箱114具有如在此描述的利於風力渦 輪機100的操作的任何增速比。同樣，可替換地，風力渦輪機100包括 直接驅動發電機，其中發電機轉子(圖1中未顯示)旋轉地聯接到轉子 106而沒有任何中間齒輪箱。高速軸116可旋轉地聯接到發電機118。在示範性的實施例中，發 電機118為繞線轉子、同步、60Hz、三相、雙饋感應發電機(DFIG)， 其包括磁聯接到發電機轉子122的發電機定子120。可替換地，發電機 118為如在此描述的利於風力渦輪機100的操作的任何發電機。電氣和控制系統200包括控制器202。控制器202包括至少一個處 理器和存儲器、至少一個處理器輸入通道、至少一個處理器輸出通道， 且可以包括至少一個計算機(圖2中未顯示)。如在此使用的，術語計 算機並不限於僅本領域中稱為計算機的那些集成電路，而是廣泛地涉及 處理器、微控制器、微計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、專用集成 電路、和其他可編程電路(圖2中都未顯示)，且這些術語在此可互換 地使用。在示範性的實施例中，存儲器可以包括，但不限於，計算機可 讀介質，例如隨機存取存儲器(RAM)(圖2中都未顯示)。可替換地， 也可以使用軟盤、光碟-只讀存儲器(CD-ROM)、磁光碟(MOD)、 和/或者數字通用光碟(DVD)(圖2中都未顯示)。同樣，在示範性 的實施例中，附加的輸入通道(圖2中未顯示)可以為，但不限於，與 操作者接口相關的計算機外設，例如滑鼠和鍵盤(圖2中都未顯示)。 可替換地，也可以使用其他計算機外設，其可以例如包括，但不限於， 掃描器(圖2中未顯示)。而且，在示範性的實施例中，附加的輸出通 道可以包括，但不限於，操作者接口監視器(圖2中未顯示)。用於控制器202的處理器處理從多個電氣和電子裝置輸送的信息， 其可以包括，但不限於，速度和電力換能器。RAM和存儲裝置儲存且 傳遞信息和指令以由處理器執行。在處理器執行指令期間，RAM和存 儲裝置也能夠用於儲存且提供臨時變量、靜態(也就是不變化)信息和指令、或者其他中間信息給處理器。執行的指令包括，但不限於，存在 的變換和/或者比較器算法。指令序列的執行並不限於硬體電路和軟體指 令的任何具體組合。電氣和控制系統200也包括發電機轉子轉速計204，其聯接為與發 電機118和控制器202電子數據連通。發電機定子120經由定子總線208 電聯接到定子同步開關206。在示範性的實施例中，為了利於DFIG構 造，發電機轉子122經由轉子總線212電聯接到雙向電力變換組件210。 可替換地，系統200構造為本領域中已知的全電力變換系統(未顯示)， 其中在設計和操作方面類似於組件210的全電力變換組件(未顯示)電 聯接到定子120且這種全電力變換組件利於在定子120和電力輸送和分 配電網(未顯示)之間引通電力。定子總線208從定子120輸送三相電 且轉子總線212將三相電從轉子122輸送到組件210。定子同步開關206 經由系統總線216電聯接到主變壓器電路斷路器214。組件210包括轉子濾波器218,其經由轉子總線212電聯接到轉子 122。轉子濾波器218經由轉子濾波器總線219電聯接到轉子側、雙向 電力變換器220。變換器220電聯接到線路側、雙向電力變換器222。 變換器220和222大致相同。電力變換器222經由線路側電力變換器總 線223和線路總線225電聯接到線路濾波器224和線路接觸器226。在 示範性的實施例中，變換器220和222構造為三相、脈寬調製(PWM) 結構，其包括如本領域中已知的"激發"的絕緣柵雙極電晶體(IGBT) 開關裝置(圖2中未顯示)。可替換地，變換器220和222具有如在此 描述的利於系統200的操作的使用任何開關裝置的任何結構。組件210 聯接為與控制器202電子數據連通，以控制變換器220和222的操作。線路接觸器226經由變換電路斷路器總線230電聯接到變換電路斷 路器228。電路斷路器228也經由系統總線216和連接總線232電聯接 到系統電路斷路器214。系統電路斷路器214經由發電機側總線236電 聯接到電力主變壓器234。主變壓器234經由斷路器側總線240電聯接 到電網電路斷路器238。電網斷路器238經由電網總線242連接到電力 輸送和分配電網。在示範性的實施例中，變換器220和222經由單個直流(DC )鏈路 244聯接為彼此電連通。可替換地，變換器220和222經由獨立和分開 的DC鏈路(圖2中未顯示)電聯接。DC鏈路244包括正幹線246、負
幹線248、和聯接在其間的至少一個電容器250。可替換地，電容器250系統200還包括鎖相環(PLL)調節器400，其構造為從多個電壓 換能器252接收多個電壓測量信號。在示範性的實施例中，三個電壓換 能器252的每個電聯接到總線242的三相的每一個。可替換地，電壓換 能器252電聯接到系統總線216。同樣，可替換地，電壓換能器252電 聯接到如在此描述的利於系統200的操作的系統200的任何部分。PLL 調節器400經由多個電氣導管254、 256和258聯接為與控制器202和 電壓換能器252電子數據連通。可替換地，PLL調節器400構造為從任 何數量電壓換能器252接收任何數量電壓測量信號，包括但不限於，來 自 一個電壓換能器252的一個電壓測量信號。PLL調節器400在下文進 一步討論。在操作期間，風力沖擊葉片108且葉片108轉換機械風能為機械旋 轉轉矩，其經由輪轂110旋轉地驅動低速軸112。低速軸112驅動齒輪 箱114，其隨後提高軸112的低旋轉速度，以用增加的旋轉速度驅動高 速軸116。高速軸116旋轉地驅動轉子122。在轉子122內感應旋轉f茲 場且在磁耦合到轉子122的定子120內感應電壓。發電機118將旋轉機 械能變換為定子120中的正弦、三相交流(AC)電能信號。相關的電力 經由總線208、開關206、總線216、斷路器214和總線236輸送到主變 壓器234。主變壓器234提高電力的電壓幅值且變壓的電力進一步經由 總線240、電路斷路器238和總線242輸送到電網。在雙饋感應發電機構造中，提供第二電力輸送路徑。電氣的、三相、 正弦、AC電力在繞線轉子122內產生且經由總線212輸送到組件210。 在組件210內，電力輸送到轉子濾波器218，其中電力被修改以用於與 變換器220相關的PWM信號的變化率。變換器220作為整流器且將正 弦、三相AC電力整流為DC電力。DC電力輸送到DC鏈路244中。通 過利於減輕與AC整流相關的DC脈動，電容器250利於減輕DC鏈路 244電壓幅值變化。DC電力隨後從DC鏈路244輸送到電力變換器222，其中變換器 222起逆變器的作用，其構造為將來自DC鏈路244的DC電力變換為 具有事先確定的電壓、電流和頻率的三相、正弦AC電力。這種變換經 由控制器202監測並控制。變換的AC電力經由總線227和225、線路9
接觸器226、總線230、電路斷路器228和總線232從變換器222輸送 到總線216。線路濾波器224補償或者調節用於從變換器222輸送的電 力中的諧波電流。定子同步開關206構造為閉合，從而利於連接來自定 子120的三相電力與來自組件210的三相電力。例如，當電流過多且能夠損害系統200的部件時，電路斷路器228、 214和238構造為斷開相應的總線。也提供附加的保護部件，包括線路 接觸器226，通過打開相應於線路總線230的每個線路的開關(圖2中 未顯示)，其可以被控制以形成斷開。組件210用於例如在輪轂110和葉片108處的風速改變時補償或者 調節來自轉子122的三相電力的頻率。因此，以這種方式，機械和電氣 轉子頻率分離且利於大致獨立於機械轉子速度的電氣定子和轉子頻率 匹配。在一些條件下，組件210的雙向特性，和具體地，變換器220和222 的雙向特性，利於將至少一些產生的電力反饋到發電機轉子122。更具 體地，電力從總線216輸送到總線232且隨後通過電路斷路器228和總 線230輸送到組件210內。在組件210內，電力通過線路接觸器226和 總線225和227輸送到電力變換器222中。變換器222作為整流器且將 正弦、三相AC電力整流為DC電力。DC電力輸送到DC鏈路244。通 過利於減輕有時與三相AC整流相關的DC脈動，電容器250利於減輕 DC鏈路244電壓幅值變化。DC電力隨後從DC鏈路244輸送到電力變換器220,其中變換器 220起逆變器的作用，其構造為將從DC鏈路244輸送的DC電力變換 為具有事先確定的電壓、電流和頻率的三相、正弦AC電力。這種變換 經由控制器202監測並控制。變換的AC電力經由總線219從變換器220 輸送到轉子濾波器218，隨後經由總線212輸送到轉子122。以這種方 式，利於發電機反作用電力控制。組件210構造為從控制器202接收控制信號。控制信號基於如在此 描述的風力渦輪機100和系統200的感測條件或者操作特性且用於控制 電力變換組件210的操作。例如，以發電機轉子122的感測速度的形式 的轉速計204反饋可以用於控制從轉子總線212的輸出電力的變換，以 維持合適和平衡的三相電力條件。從其他傳感器的其他反饋也可以被系 統200使用，以控制組件210，包括例如定子和轉子總線電壓和電流反，和例如開關控制信號、定子同步開關控制信號和 系統電路斷路器控制(跳脫)信號可以以任何已知的方式產生。例如，對於具有事先確定的特性的電網電壓瞬態，控制器202將至少臨時地大 致地在變換器222內掛起IGBT的激發。變換器222的操作的這種掛起 將大致將被引通通過變換組件210的電力減輕到大約零。圖3為可以與電氣和控制系統200 (圖2中顯示)相關的電網線路 電壓-時間圖300。圖300包括代表電網線if各電壓的以百分比(％ )為 單位的縱坐標(y軸)302。 Y軸302在圖原點處圖示0%且向上延伸到 100%。 0%的電網線路電壓指示在總線242 (圖2中顯示)上的零電壓。 100%的電網線路電壓指示在總線242上為與系統200相關的標稱的事 先確定的電壓的100%的電壓。圖300也包括代表時間的以秒(s)為單 位的橫坐標(x軸)304。零電壓瞬態圖示為在時間等於O秒時開始。在 示範性的實施例中，在總線242上的零電壓條件為0.15秒，其中在瞬態 開始後大約3.5秒，在總線242上的電壓完全恢復到100%。可替換地， 零電壓條件的時間長度和電網電壓恢復的特性取決於本領域中已知的 多種因素。如圖3中圖示的，當電壓減少為零時，很可能存在阻止風力渦輪發 電機IOO輸送電力到電網的故障。如果風力繼續旋轉轉子106(圖1和2 中顯示)，風力渦輪發電機IOO繼續產生並不變換為電能的能量。相反， 能量加速轉子106直到跳脫特徵啟動，其包括但不限於，手工跳脫或者 自動超速跳脫。此外， 一般地，電力變換器組件210和發電機118 (都在圖2中顯 示)易於遭受電網電壓波動。發電機118可以存儲磁能，在發電機終端 電壓快速減少時，其能夠變換為高電流。這些電流能夠減少組件210的 部件，可以包括但不限於，例如在變換器220和222 (都在圖2中顯示) 內的IGBT的半導體裝置的壽命預期。圖4為可以與電氣和控制系統200使用的示範性的鎖相環(PLL) 調節器400的方塊圖。PLL調節器400構造為利於風力渦輪發電機100 的零電壓穿越(ZVRT)能力，使得在例如圖3中圖示的零電壓瞬態期 間，減輕風力渦輪發電機跳脫的可能性和對半導體裝置的相關的後果。 ZVRT與本領域中已知的低電壓穿越(LVRT )特徵對比，LVRT特徵在 其中電壓幅值迅速減少，但不減少到零伏的瞬態期間利於減輕風力渦輪發電機100跳脫。PLL調節器400經由用於電網總線242的A、 B和C相的電氣導管 254、 256和258聯接為與多個電壓換能器252電子數據連通。在示範性 的實施例中，導管254、 256和258為電纜。可替換地，操作在射頻(RF) 帶的事先確定的部分內的發射器和接收器的網絡可以用於限定導管 254、 256和258。正弦電壓測量信號從電壓換能器252分別輸送通過用 於A、 B和C三相的每個的導管254、 256和2化。在示範性的實施例中，PLL調節器400構造為在處理器(圖4中未 顯示)內的多個功能塊。為了清楚，PLL調節器400圖示為在控制器202 外面。可替換地，PLL調節器400構造為在與控制器202相關的處理器 內。PLL調節器400包括至少一個鎖相環(PLL) 402。典型地，PLL為 閉環反饋配置，其維持由PLL產生的信號與參考信號的固定相位關係。 PLL產生的信號被恆定地調節，以同相地匹配參考信號的頻率，也就是 PLL鎖住到參考信號。在示範性的實施例中，PLL402鎖住到總線242 的頻率。PLL調節器400也包括至少一個PLL狀態機404,其在下文進 一步詳細描述。PLL402包括相位檢測器功能塊406，其構造為接收從分別用於電網 總線242的A相、B相和C相的導管254、 256和258輸送的正弦電壓 測量信號。功能塊406也構造為接收相位角反饋信號407且隨後組合電 壓測量信號與信號407，以產生相位誤差信號408。信號408典型地以 弧度(r)測量。PLL402也包括比例-積分(PI)濾波器410。 PI濾波器410包括比 例增益功能塊412。功能塊412構造為接收信號408。功能塊412也構 造為從比例增益常數寄存器416接收比例增益常數信號414。寄存器416 被填充作為由下文描述的PLL狀態機404確定的PLL狀態(或者PLL 模式)的函數確定的值。功能塊412還構造為以信號414乘信號408, 以產生比例增益信號418且輸送信號418到求和功能塊420。信號418 典型i也以r/s測量。PI濾波器410也包括積分增益功能塊422。功能塊422構造為接收 信號408。功能塊422也構造為從積分增益常數寄存器426接歡積分增 益常數信號424。寄存器426被填充作為由下文描述的PLL狀態機404
確定的PLL狀態(或者PLL模式)的函數確定的值。功能塊422還構造 為關於時間積分信號408且以信號424乘積分值以產生且輸送積分增益 信號428到箝位功能塊430。信號428典型地以r/s測量。功能塊430為 濾波器機構，如果信號428位於上限和下限之間，其允許箝位的積分增 益信號432輸送到求和功能塊420。信號432典型地以r/s測量。相反， 如果信號428位於由上和下限限定的範圍外，信號428被阻止進一步輸 送。功能塊430的上和下限分別輸送到且填充到上限寄存器434和下限 寄存器436內，其具有作為由下文描述的PLL狀態機404確定的PLL 狀態(或者PLL模式)的函數確定的值。功能塊420將信號418和432求和以產生PI信號438且將信號438 輸送到箝位功能塊440。信號438典型地以r/s測量。功能塊440為濾波 器機構，如果信號438位於上限和下限之間，其允許箝位的積分增益信 號442輸送到積分功能塊444。信號442典型地以r/s測量。相反，如果 信號438位於由上和下限限定的範圍外，信號438被阻止進一步輸送。 功能塊440的上和下限分別輸送到且填充到上限寄存器446和下限寄存 器448內，其具有作為由下文描述的PLL狀態機404確定的PLL狀態(或 者PLL模式)的函數確定的值。積分功能塊444構造為接收信號442且關於時間積分信號442。功 能塊444產生PLL相位角信號450，其輸送到用於控制組件210的控制 器202,以用於注入到總線216 (都在圖2中顯示)的電流的隨後的控 制。反饋信號407與信號450相同，且輸送到如上文描述的功能塊406。 信號450和407典型地以弧度(r)測量。電網電壓測量信號也從換能器252輸送到PLL狀態機404，以如下 文描述使用。提供用於操作發電機118的方法。該方法包括聯接發電機118到電 網，使得電網構造為輸送至少一相電力到發電機118和從發電機118輸 送至少一相電力。該方法也包括構造發電機U8為使得在電力系統的電 壓幅值在事先確定的範圍之外操作未確定的時間段的期間和隨後，發電 機118保持電聯接到電力系統。具體地，這種方法包括構造發電機118 為使得在電力的電壓幅值減少到大約零伏事先確定的時間段的期間和 隨後，發電機118保持電連接到電網，從而利於零電壓穿越(ZVRT)。 此外，在ZVRT事件期間，利於發電機118保持電連接到電網隨後利於
發電機118在瞬態期間繼續操作從而支持電網。具體地，圖5為可以與PLL調節器400 (圖4中顯示)使用的示範 性的PLL狀態機404的方塊圖。在示範性的實施例中，狀態機404構造 為將PLL調節器400轉到作為如上文描述接收的電壓信號的特性的函數 的四個操作狀態或者模式的至少 一個。可替換地，PLL狀態機404和PLL 調節器400包括如在此描述的利於風力渦輪機IOO操作的任何數量的狀 態。操作狀態的每一改變利於包含在寄存器416、 426、 434、 436、 446 和448 (都在圖4中顯示)內的侵略性(aggressive)的和非侵略性的增構造為本質上滑動、本質上離散的、或者它們的一些組合。因此，;個 操作狀態利於零電壓穿越(ZVRT)以及其他的電網故障，同時也利於 正常操作。這些特徵利於管理動態地作為PLL402 (圖4中顯示)企圖 鎖住到和/或者保持鎖住到的電網的電壓特性的函數的這種增益和箝位。狀態機404構造為接收從換能器252經由導管254、 256和258 (都 在圖4中顯示)輸送到PLL調節器400的電網電壓測量信號。狀態機404 進一步構造為在PLL調節器400成功加電(powerup)時接收"加電，， 輸入信號502。輸入信號502的接收啟動狀態機404轉換到狀態0。狀 態0特徵為狀態機404預調節一組值，以插入到寄存器416、 426、 434、 436、 446和448。圖6為作為由PLL狀態機404 (圖5中顯示)確定的PLL狀態的函 數產生的多個示範性的增益和頻率界限值600的表格圖。欄602代表多 個行O、 1、 2和3,其每個相應於PLL調節器400 (圖5中顯示)的操 作狀態。PLL調節器400在任一時間可以僅為一個操作狀態。欄604代 表多個可以存儲在寄存器416 (圖4中顯示)中的增益常數值。欄606 代表多個可以存儲在寄存器426 (圖4中顯示)中的增益常數值。欄608 代表多個可以存儲在寄存器436和448中的最小頻率界限值。欄610代 表多個可以存儲在寄存器434和446中的最大頻率界限值。例如，當PLL 調節器400為狀態0時，增益值A和C分別在寄存器416和426。在示 範性的實施例中，值A和C分別代表不同數值，例如但不限於，2.46737 和328.039。此外，在狀態O，值E在寄存器436、 448、 434和446中。 在示範性的實施例中，值E代表數值，例如但不限於，376.99。可替換
地，如在此描述的利於系統200操作的不同數值可以在寄存器436、 448、 434和446中。參見圖5，在示範性的實施例中，在事先確定的時間段(通常幾秒) 後，狀態機404獲得許可將調節器400轉換到狀態1。在風力渦輪發電 機100與電網成功同步時，例如由電路斷路器238的閉合確定，狀態機 404經由過渡路徑504將調節器400轉換到狀態1。可替換地，可以使 用如在此描述的任何利於系統200操作的條件。此外，在風力渦輪發電 機100從電網去同步時，例如由電路斷路器238的打開確定，狀態機404 經由過渡路徑506將調節器400從狀態1轉換到狀態0。參見圖6，當PLL調節器400在狀態1時，增益值A和C分別在寄 存器416和426中。在示範性的實施例中，值A和C分別代表不同的數 值，例如但不限於，2.46737和328.039。此外，在狀態l中，值F在寄 存器436和448中，且值H在寄存器434和446中。在示範性的實施例 中，值F和H分別代表不同的數值，例如但不限於，-1507.96和 1884.96。可替換地，如在此描述的利於系統200操作的不同數值可以在 寄存器436、 448、 434和446中。值A和C有時稱為"熱"值，而值F 和H有時稱為"寬"值。這種值利於PLL402初始地鎖住到電網頻率。參見圖5，在示範性的實施例中，在PLL402鎖住到電網頻率後的 事先確定的時間段後，狀態機404經由過渡路徑508將調節器400轉換 到狀態2。可替換地，可以使用如在此描述的任何利於系統200操作的 條件。在風力渦輪發電機IOO從電網去同步時，例如由電路斷路器238 的打開確定，狀態機404經由過渡路徑510將調節器400從狀態2轉換 到狀態0。參見圖6，當PLL調節器400在狀態2時，增益值B和D分別在寄 存器416和426中。在示範性的實施例中，值B和D分別代表不同的數 值，例如但不限於，0.039937和0.393601。此外，在狀態2中，值G在 寄存器436和448中，且值I在寄存器434和446中。在示範性的實施 例中，值G和I分別代表不同的數值，例如但不限於，94.2478和502.529。 可替換地，如在此描述的利於系統200操作的不同數值可以在寄存器 436、 448、 434和446中。值B和D有時稱為"冷"值，而值G和I有 時稱為"窄"值。這種值利於PLL402比在狀態1中更慢地調節到電網 上的頻率瞬態。該特徵利於系統200對電網電壓條件的正常的、較小的 波動的緩慢反應。此外，如下文進一步討論的，這種值利於對於更劇烈的電網擾動的狀態轉換。在正常環境下，風力渦輪發電機100同步到電 網的時間的大部分，調節器400在狀態2中。參見圖5，在示範性的實施例中，在非同步的電網故障、異常低(非 零)和/或者高的電網電壓幅值、和/或者PLL相位誤差信號450 (圖4 中顯示)超過事先確定的閾值的情況，狀態機404經由過渡路徑512將 調節器400從狀態2轉換到狀態1。可替換地，可以使用如在此描述的 任何利於系統200操作的條件。而在狀態l中，如上文描述的，合適的 增益和箝位值在合適的寄存器中。在電網電壓恢復到事先確定的值時， 在PLL402鎖住到電網頻率後的事先確定的時間段後，且PLL誤差信號 450保持在事先確定的閾值下事先確定的時間段，狀態機404經由過渡 路徑508將調節器400從狀態1轉換到狀態2。而在狀態2中，如上文 描述的，合適的增益和箝位值在合適的寄存器中且利於LVRT。當調節器400在狀態1時，經由過渡路徑514可以發生到狀態3的 轉換。類似地，當調節器400在狀態2時，經由過渡路徑516可以發生 從狀態2到狀態3的轉換。在示範性的實施例中，從狀態1和2轉換到壓擾動。參見圖6，當PLL調節器400在狀態3時，增益值A和C分別 在寄存器416和426中。在示範性的實施例中，值A和C分別代表不同 的數值，例如但不限於，2.46737和328.039。此外，在狀態3中，值E 在寄存器436、 448、 434和446中。在示範性的實施例中，值E代表數 值，例如但不限於，376.99。可替換地，如在此描述的利於系統200操 作的不同數值可以在寄存器436、 448、 4M和446中。這些值利於PLL 相位角信號450被驅動到如果不存在電網擾動時有效的相位角值。這進 一步利於PLL402被驅動為以大致類似於標稱操作頻率的事先確定的頻 率振蕩，例如但不限於60Hz。在這些環境下，減輕風力渦輪發電機跳脫 的可能性且利於ZVRT。參見圖5,在電網電壓恢復時，調節器400經由過渡路徑518從狀 態3轉換到狀態1。可替換地，可以使用如在此描述的任何利於系統200 操作的條件。而在狀態l中，如上文描述的，合適的增益和箝,值在合 適的寄存器中。在電網電壓恢復到事先確定的值時，在PLL402鎖住到 電網頻率後的事先確定的時間段後，且PLL誤差信號450保持在事先確
定的閾值下事先確定的時間段，狀態機404經由過渡路徑508將調節器 400從狀態1切換到狀態2。而在狀態2中，如上文描述的，合適的增 益和箝位值在合適的寄存器中。從狀態3轉換到狀態1且然後轉換到狀 態2利於實現平滑的狀態轉換。在風力渦輪發電機100從電網去同步 時，例如由電路斷路器238的打開確定，狀態機404經由過渡路徑520 將調節器400從狀態3轉換到狀態0。如在此描述的用於風力渦專侖發電機控制系統的方法和設備利於風 力渦輪發電機的操作。更具體地，上文描述的風力渦輪發電機電氣和控 制系統利於有效率的和有效的發電和機械載荷傳遞配置。同樣，穩健的 電氣和控制系統利於發電機生產的效率和有效性。通過減少由於電網擾 動導致的跳脫的數量，這種控制系統也利於風力渦輪發電機可靠性和風 力渦輪發電機停機。與風力渦輪發電機相關的風力渦輪機電氣和控制系統的示範性的 實施例在上文詳細描述。方法、設備和系統不限於如在此描述的具體實 施例，也不限於具體圖示的風力渦輪發電機。儘管本發明已經以不同的具體實施例形式描述，本領域中的技術人 員將認識到，本發明能夠以在權利要求書的精神和範圍內的修改實施。 風力渦輪發電機100艙體102塔104轉子106轉子葉片108輪轂110低速軸112齒輪箱114高速軸116發電機118定子120轉子122控制系統200控制器202轉速計204定子同步開關206定子總線208電力變換組件210轉子總線212系統電路斷路器214系統總線216轉子濾波器218轉子濾波器總線219電力變換器220電力變換器222電力變換器總線223線路濾波器224線路總線225線路接觸器226總線227電路斷路器228變換電路斷路器總線230連接總線232 主變壓器234 發電機側總線236 電路斷路器238 斷路器側總線240 電網總線242 DC鏈路244 正千線246 負幹線248 電容器250 電壓換能器252 電氣導管254 電氣導管256 電氣導管258 圖300 Y軸302 X軸304鎖相環(PLL)調節器400P1X 402PLL狀態機404相位檢測器功能塊406相位角反饋信號407相位誤差信號408PI濾波器410功能塊412常數信號414寄存器416信號418求和功能塊420積分增益功能塊422積分增益常數信號424寄存器426積分增益信號428 箝位功能塊430 積分增益信號432 上限寄存器434 下限寄存器436 PI信號438 箝位功能塊440 積分增益信號442 積分功能塊444 上限寄存器446 下限寄存器448 PLL相位角信號450 輸入信號502 過渡^各徑504 過渡^各徑506 過渡if各徑508 過渡^各徑510 過渡路徑512 過渡路徑514 過渡^各徑516 過渡路徑518 過渡路徑520 頻率界限值600欄602 欄604 欄606 欄608
權利要求
1.一種用於電機的控制系統(200)，該電機構造為電聯接到電力系統，其中電力系統構造為輸送至少一相電力到電機和從電機輸送至少一相電力，在電力的至少一個電壓幅值在事先確定的範圍外操作未確定的時間段的期間和隨後，所述控制系統利於電機保持電連接到電力系統。
2. 根據權利要求1所述的控制系統(200)，其中所述控制系統在 電力的每一相的電壓幅值減少到大約零伏事先確定的時間段的期間和 隨後，利於電機保持電連接到三相交流電流電力系統，從而利於零電壓 穿越(ZVRT)。
3. 根據權利要求1所述的控制系統(200)，包括至少一個算法， 其構造為作為電力的至少一個電壓幅值的函數調節以下的至少一個至少一個增益常數數值； 至少一個最大界限數值；和 至少一個最小界限數值。
4. 根據權利要求1所述控制系統(200 )，包括至少一個鎖相環 (PLL)調節器(400)，其聯接為與電力系統的至少部分電子數據連通，所述PLL調節器包括包括至少一個相位檢測配置和至少一個比例積分(PI)濾波器 (410)配置的至少一個PLL;和至少一個PLL狀態機(404)，其聯接為與所述PLL (402)的至少部分電子數據連通。
5. 根據權利要求4所述的控制系統(200)，其中所述PI濾波器 (410)配置包括至少一個比例增益算法，其構造為作為電力的至少一個電壓幅值的 函數接收從多個比例增益常數選擇的至少 一個比例增益常數，所述比例 增益算法進一步構造為產生比例增益信號；至少 一個積分增益算法，其構造為作為電力的至少 一個電壓幅值的 函數接收從多個積分增益常數選擇的至少一個積分增益常數(424 )， 所述積分增益算法進一步構造為產生積分增益信號(428、 432、 442);至少一個積分濾波器算法，其構造為作為電力的至少一個電壓幅值 的函數接收從多個積分濾波器界限選擇的至少一個積分濾波器界限，所 述積分濾波器算法進一步構造為產生濾波的積分信號；至少一個求和算法，其構造為接收並求和所述比例增益信號和濾波的積分信號且產生求和信號；和至少 一個求和濾波器算法，其構造為作為電力的至少 一個電壓幅值的函數接收從多個求和濾波器界限選擇的至少一個求和濾波器界限。
6. 根據權利要求5所述的控制系統(200),其中所述PLL狀態機(404 )包括至少一個構造為確定作為電力的至少一個電壓幅值的函數 的所述PLL調節器(400)的狀態的算法和至少一個數值表，數值表包 括至少所述多個比例增益常數(414); 所述多個積分增益常數(424); 所述多個積分濾波器界限；和 所述多個求和濾波器界限。
7. 根據權利要求5所述的控制系統(200)，其中所述PLL狀態機 (404)構造為作為所述PLL調節器(404)狀態的函數輸送以下的至少從所述多個比例增益常數選擇的所述比例增益常數(414); 從所述多個積分增益常數選擇的所述積分增益常數(424); 從所述多個積分濾波器界限選擇的所述積分濾波器界限；和 從所述多個求和濾波器界限選擇的所述求和濾波器界限。
8. —種風力渦輪機(100)，其包括至少一個電力發電機(118),其構造為電聯接到電力系統，其中 電力系統構造為輸送至少 一相電力到所述發電機和從所述發電機輸送 至少一相電力；和至少一個控制系統(200),其構造為電聯接到電力系統，在電力 的至少 一個電壓幅值在事先確定的範圍外操作未確定的時間段的期間 和隨後，所述控制系統利於電機保持電連接到電力系統。
9. 根據權利要求8所述的風力渦輪機(100)，包括至少一個算法，其構造為作為電力的至少一個電壓幅值的函數調節以下的至少一個 至少一個增益常數數值； 至少一個最大界限數值；和 至少一個最小界限數值。
10.根據權利要求8所述的風力渦輪機(100)，其包括至少一個 鎖相環(PLL)調節器(400)，其聯接為與電力系統的至少部分電子數 據連通，所述PLL調節器包括包括至少一個相位檢測配置和至少一個比例積分(PI)濾波器配置 的至少一個PLL ( 400);和至少一個PLL狀態機(404)，其聯接為與所述PLL的至少部分電子數據連通。
全文摘要
用於操作電機的方法和設備，其提供用於電機的控制系統(200)。電機構造為電聯接到電力系統，其中電力系統構造為輸送至少一相電力到電機和從電機輸送至少一相電力，控制系統在電力的至少一個電壓幅值在事先確定的範圍外操作未確定的時間段的期間和隨後，利於電機保持電連接到電力系統。
文檔編號H02P9/00GK101166010SQ200710181618
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月19日 優先權日2006年10月20日
發明者A·克洛多夫斯基, E·拉森, G·德羅布恩亞克, J·達特爾, S·A·巴克 申請人:通用電氣公司