用於風能變換系統的發電機的直接功率和定子通量向量控制的製作方法

2023-06-07 18:06:41

專利名稱：用於風能變換系統的發電機的直接功率和定子通量向量控制的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及功率變換器，並且更具體而言涉及可以連接到以可變速度操作的風力渦輪發電機(WTG)從而提供具有可變幅值和頻率的電壓和電流的功率變換器。
背景技術：
已經長期使用風力作為功率源並且近年來使用風力用於產生電功率變得非常普遍。為此，通過風力發電廠的一組葉片(通常為兩個或者三個)捕獲風力中的功率。由葉片捕獲的風力使得連接到葉片的軸旋轉。所述軸連接到發電機的轉子，因而該發電機的轉子以與軸相同的速度進行旋轉，或者在轉子經由齒輪箱連接到所述軸時以所述軸的速度的倍數進行旋轉。然後發電機將由風力提供的機械能變換為電能用於傳輸到電網。為了優化風力渦輪發電機的效率，優選的是使用可變速發電機，其中轉子的速度並且因而軸和葉片的速度取決於風速。這意味著，必須建立各種風力速度處WTG的最佳操作點。這通過控制由發電機傳遞的轉矩或者功率來實現。WTG中的控制系統通常控制在WTG 和電網之間互換的無功功率以及從WTG汲入的有功功率以跟蹤WTG的最佳操作點。有功功率是執行工作並且以瓦特測量的全部或者視在電功率的分量。由有功功率執行的實際工作與以伏特-安培無功測量的無功功率不同，並且建立和維持交流機器的電磁場。以伏特-安培測量的視在功率是有效功率(real power)和無功功率的向量和。WTG的功率和轉矩根據下面以下方程通過角速度相關(即，轉子的旋轉速度)P= cor。t。r · T這意味著轉矩和功率控制在應用到WTG時表現出不同的特性。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。由於兩種控制方法的瞬態響應不同，即在使用轉矩控制時，在應用適當的控制之前，功率改變將要求設置轉子速度和轉矩二者，因而在要控制的信號是功率時，功率控制優於轉矩控制。用於WTG的第一類控制系統與施加到發電機的三個定子相位的(通常)在空間上移位120°的三個正弦電壓的控制相關。正弦波的生成以發電機的屬性為基礎，即根據發電機的電特性和機械特性推導其在穩態下操作時發電機的等效模型，其中基於所使用的發電機的類型(例如異步或者同步)來設計控制系統。三相系統中正弦波之一的生成通常獨立於其它正弦波來執行，即該類型控制系統作為三個單獨的單個相位系統控制而不是三相系統的一個共同控制進行操作。該事實導致在該類型控制中將不考慮該三相系統中的任何不均衡或者相位之間的任何交互。而且， 明顯的是，發電機模型將僅在發電機的穩態操作期間有效。在發電機的瞬態操作(開始、停止、負載改變等等)期間，所述控制將因而允許高的峰值電壓和電流瞬變。這導致降低的功率變換效率，並且需要放大WTG系統的電子部件的尺寸以應對瞬變的浪湧電流和電壓。為了克服上述控制結構的缺點，引入了通常被稱為磁場定向控制(FOC)的替代控制結構。FOC的主要思想是通過使用電流的向量表示來控制發電機的定子電流。更具體而
這給出了
權利要求
1.一種用於生成定子通量基準向量的方法，所述定子通量基準向量用於控制包括定子和轉子的發電機，所述方法包括確定與所述發電機的期望幅值的磁化通量對應的第一定子通量基準向量分量，確定與所述發電機的產生功率和/或轉矩的具有期望幅值的定子通量相對應的電流等效量的幅值，確定實際定子電流，並且如果所述實際定子電流高於預定義的閾值則調節所述電流等效量的幅值，基於調節後的電流等效量來確定第二定子通量基準向量分量，以及基於所述第一定子通量基準向量分量和所述第二定子通量基準向量分量來確定定子通量基準向量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中如果所述實際定子電流高於所述預定義的閾值， 則限制所述電流等效量。
3.根據權利要求1或者2所述的方法，其中所述第一定子通量基準向量分量基於所述磁化通量以及所述轉子的角位置。
4.根據權利要求1-3中的任一項所述的方法，其中所述第二定子通量基準向量分量基於所述產生功率和/或轉矩的定子通量以及所述轉子的角位置。
5.根據權利要求1-4中的任一項所述的方法，其中所述第二定子通量基準向量分量超前所述第一定子通量基準向量分量90°。
6.根據權利要求1-5中的任一項所述的方法，包括確定與來自所述發電機的期望幅值的輸出功率相對應的功率基準值，將所述功率基準值與實際功率值進行比較，所述實際功率值與來自所述發電機的所述實際輸出功率相對應，以及基於所述功率基準值與所述實際功率值之間的差值來確定所述電流等效量的幅值。
7.根據權利要求6所述的方法，其中如果所述實際定子電流高於所述預定義的閾值， 則由零值代替所述功率基準值與所述實際功率值之間的所述差值，以用於確定所述電流等效量的幅值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中如果所述差值的符號改變，則恢復所述功率基準值與所述實際功率值之間的所述差值，以用於確定所述電流等效量的幅值。
9.根據權利要求1-8中的任一項所述的方法，其中基於所述發電機的旋轉速度來調節所述電流等效量的幅值。
10.根據權利要求6-9中的任一項所述的方法，其中所述發電機的所述定子連接到功率變換器中的開關，並且與所確定的總定子通量基準向量相對應地操作所述開關以適應至少一個定子電氣量，以便獲得所述期望的發電機功率幅值。
11.根據權利要求10所述的方法，包括估計所述發電機的實際定子通量向量，確定所確定的總定子通量基準向量與所估計的定子通量向量之間的定子通量差值向量，以及與所確定的定子通量差值向量相對應地操作所述開關，以適應至少一個定子電氣量， 以便獲得所述期望的發電機功率幅值。
12.根據權利要求1-11中的任一項所述的方法，其中所述發電機是永磁發電機、繞線發電機或者感應發電機。
13.一種用於生成定子通量基準向量的裝置，所述定子通量基準向量用於控制包括定子和轉子的發電機，所述裝置包括第一向量生成器，用於確定與所述發電機的期望幅值的磁化通量對應的第一定子通量基準向量分量，功率控制器，用於確定與所述發電機的產生功率和/或轉矩的具有期望幅值的定子通量相對應的電流等效量的幅值，電流限制器，用於確定實際定子電流，並且用於如果所述實際定子電流高於預定義的閾值，則調節所述電流等效量的幅值，第二向量生成器，用於基於調節後的電流等效量來確定第二定子通量基準向量分量，以及組合器，用於基於所述第一定子通量基準向量分量和所述第二定子通量基準向量分量來確定定子通量基準向量。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述電流限制器被配置為如果所述實際定子電流高於所述預定義的閾值，則限制所述電流等效量。
15.根據權利要求13或者14中的任一項所述的裝置，其中所述第一向量生成器被配置為基於所述磁化通量和所述轉子的角位置來確定所述第一定子通量基準向量分量。
16.根據權利要求13-15中的任一項所述的裝置，其中所述第二向量生成器被配置為 基於所述產生功率和/或轉矩的定子通量以及所述轉子的角位置來確定所述第二定子通量基準向量分量。
17.根據權利要求13-16中的任一項所述的裝置，包括用於使所述第二定子通量向量基準分量相對於所述第一定子通量基準向量分量超前90°的相位提前模塊。
18.根據權利要求13-17中的任一項所述的裝置，包括用於接收與來自所述發電機的期望幅值的輸出功率相對應的功率基準值的輸入端，用於將所述功率基準值與實際功率值進行比較的比較器，所述實際功率值與來自所述發電機的所述實際輸出功率相對應，其中所述功率控制器被配置為基於所述功率基準值與所述實際功率值之間的差值來確定電流等效量的幅值。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述功率控制器被配置為如果所述實際定子電流高於所述預定義的閾值，則利用零值代替所述功率基準值與所述實際功率值之間的差值，以用於確定所述電流等效量的幅值。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中所述功率控制器被配置為如果所述差值的符號改變，則恢復所述功率基準值與所述實際功率值之間的所述差值，以用於確定所述電流等效量的幅值。
21.根據權利要求13-20中的任一項所述的裝置，其中所述功率控制器被配置為基於所述發電機的旋轉速度來調節所述電流等效量的幅值。
22.根據權利要求18-21中的任一項所述的裝置，其中所述發電機的所述定子連接到功率變換器中的開關，並且所述功率變換器被配置為與所確定的總定子通量基準向量相對應地操作所述開關，以適應至少一個定子電氣量，以便獲得所述期望的發電機功率幅值。
23.根據權利要求22所述的裝置，包括通量計算器，用於估計所述發電機的實際定子通量向量，比較器，用於確定所確定的總定子通量基準向量與所估計的定子通量向量之間的定子通量差值向量，其中所述功率變換器被配置為與所確定的定子通量差值向量相對應地操作所述開關，以適用至少一個定子電氣量，以便獲得所述期望的發電機功率幅值。
24.根據權利要求13-23中的任一項所述的裝置，其中所述發電機是永磁發電機、繞線發電機或者感應發電機。
全文摘要
本發明公開一種用於控制可變速風力渦輪發電機的方法。所述發電機連接到包括開關的功率變換器。所述發電機包括定子以及連接到所述定子和所述功率變換器的開關的一組端子。所述方法包括確定與期望幅值的發電機功率相對應的定子通量基準值，確定與實際發電機功率相對應的估計定子通量值，確定所確定的定子通量基準值和所估計的定子通量值之間的差值，並且與所確定的定子通量基準值和所估計的定子通量值相對應地操作所述開關，以適應至少一個定子電氣量，以便獲得所述期望的發電機功率幅值。
文檔編號H02P21/00GK102246409SQ200980149244
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月27日 優先權日2008年10月27日
發明者A·H·約恩森, A·特裡帕蒂, L·赫勒, S·古普塔, 曹淑鈺 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司