用於多相ac電機的低速控制的系統和方法
2023-05-19 20:18:36 1
用於多相ac電機的低速控制的系統和方法
【專利摘要】公開了一種起動任何類型的多相AC電機的風力渦輪發電機的方法，包括但不限於無刷DC電機或永磁電機。電機從完全停止或從低速運行起動並且被加速到切入速度用於產生電力。啟動是利用也用於捕獲所產生的電力的公共的電導體組和電力變換器實現的。在初始運行下，電力變換器執行PWM調製技術來驅動電機。周期性地，所述PWM調製被停止來讀取所述發電機的電氣位置。
【專利說明】用於多相AC電機的低速控制的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2011年12月19日提交的序列號為61/577，447的美國臨時申請的優先權，該美國臨時申請的全部內容在此以引用方式併入。
[0003]發明背景
[0004]此處公開的主題涉及電力變換器，並且更具體地，涉及改善的在低速運行期間的多相交流(AC)電機的控制和改善的在低速運行期間的來自多相交流(AC)電機的電力變換。
[0005]近幾年，增加的能源需求和增加的對於化石燃料的供應和它們的相應汙染的關注已經導致對可再生能源的興趣增加。兩種最常見的和開發的最好的可再生能源是光伏能和風能。其他的可再生能源可能包括燃料電池、水電能源、潮汐能源、和生物燃料或生物發電機。然而，使用可再生能源產生電能提出了一系列新的挑戰。
[0006]例如，風力渦輪機，提供變化的能量供應。此供應依賴於風量。風力渦輪機通常配置為產生交流能量並且通常提供不同的電流等級的多相AC電壓。由於所供應的能量的變化性，如果運行不依賴於公用電網，電力變換器通常嵌入風力渦輪機和公用電網或電氣負載之間。電源變換器通常要求風力渦輪機以最小的速度旋轉，也被稱為速度，以便在電力變換器開始運行以前產生最小的電力等級。
[0007]然而，風力渦輪機具有很大的質量並且從停止到加速到使變換器可以開始獲得能量的切入速度要求大量的能量。此外，一些風力渦輪機可能具有慣性「拐點(knee) 」，意味著其需要比維持渦輪機旋轉需要的能量總量更大量的能量來克服比如靜摩擦力並開始旋轉。因此，慣性「拐點」可能，需要更高的初始風速來開始風力渦輪機的運行，但是，一旦初始速度已經被獲得，運行就可以在較低風速下維持。結果，風力渦輪機可能具有其在其中能夠產生能量但是如果風力渦輪機沒有已經旋轉該能量則消失的風速範圍。同樣，即使風強到足夠加速渦輪電機時，風力渦輪機的慣性也可能導致從停止緩慢加速到切入速度。緩慢加速可能導致不希望的大量時間來將渦輪電機加速到切入速度。在加速期間，在風速足夠用於能量產生的時間期間內風力渦輪電機再次不能產生能量。
[0008]為了從風力渦輪機獲得最高的潛在能量產生，期望的是使風力渦輪機儘可能經常地在變換器的切入速度以上運行。因此，期望提供能夠克服慣性「拐點」和/或幫助將所述風力渦輪機加速到切入速度的系統。
【發明內容】
[0009]在此公開的主題描述了用於控制低速運行期間的多相電機的系統和方法，並且更具體地，描述了用於起動沒有耦合到AC電機上的位置傳感器的多相AC電機的系統和方法。
[0010]根據本發明的一個方面，本發明提供了起動任何類型的多相AC電機的風力渦輪發電機的方法，包括但不限於，無刷DC或永磁電機。所述電機從完全停止或從低速運行起動並且被加速到切入速度以產生電力。啟動是利用公共的電導體組實現的，其也用於捕獲產生的電力。在初始運行下，PWM調製技術驅動電機。周期性地，所述PWM調製被停止以讀取所述發電機的電氣位置。需要類似的起動要求的例如飛輪的其他應用，同樣可以應用所述起動方法。
[0011]根據本發明的一種實施方式，電力變換系統包括:配置為連接所述電力變換系統到多相AC電機的端子組、具有正電壓軌和負電壓軌的DC總線、連接在所述端子組和所述DC總線之間並且配置為用於在所述端子組和所述DC總線之間的雙向電力傳輸的電力變換器、配置為儲存一系列指令的存儲設備、以及控制器。所述控制器被配置為執行所述一系列指令以在預設速度以下執行啟動控制模塊，其中所述啟動控制模塊控制所述AC電機的旋轉，並且在預設速度以上執行電流調節器以向所述DC總線傳輸所述AC電機所產生的電力。
[0012]根據本發明的另一方面，所述電力變換系統包括配置為被連接到公用電網的輸出端和連接在所述輸出端和所述DC總線之間的轉換器模塊。所述轉換器模塊被配置為用於在所述輸出端和所述DC總線之間的雙向電力傳輸，並且所述控制器被配置為當所述啟動控制模塊正在執行時控制所述轉換器模塊保持所述DC總線上所需的DC電壓。
[0013]根據本發明的又一方面，所述電力變換系統可以包括能量儲存設備和配置為在所述能量儲存設備和所述DC總線之間傳輸能量的第二電力變換器。所述控制器被配置為當所述啟動控制模塊正在執行時控制所述第二電力變換器保持所述DC總線上所需的DC電壓。
[0014]還根據本發明的另一方面，所述啟動控制模塊可以包括配置為變換所述DC總線上的電壓為用於所述AC電機的AC電壓的調製模塊。所述控制器被配置為周期性地禁用所述調製模塊，並且當所述調製模塊被禁用時，所述控制器被配置為讀取出現在所述AC電機上的反電動勢電壓。
[0015]根據本發明的另一種實施方式，電力變換系統包括:配置為連接所述電力變換系統到多相AC電機的第一端子組、具有正電壓軌和負電壓軌的DC總線、配置為選擇性地連接所述第一端子組到所述DC總線的多個第一開關、配置為連接到公用電網的第二端子組、配置為選擇性地連接所述DC總線到所述第二端子組的多個第二開關、配置為存儲一系列指令的存儲設備、以及控制器。所述控制器被配置為在第一運行模式和在第二運行模式執行所述指令。在所述第一運行模式期間，所述控制器為每一個所述第一開關和第二開關生成門控信號以將所述AC電機加速到預設速度，並且在所述第二運行模式期間，所述控制器為每一個所述第一開關和第二開關生成所述門控信號以向所述公用電網傳輸所述AC電機產生的能量。在所述第一運行模式期間，所述第一開關可以被控制成在所述第一端子組上提供多相AC電壓，其中所述多相AC電壓具有可變幅值和可變頻率來控制所述AC電機的速度。所述第二開關被控制成在所述公用電網和所述DC總線之間傳輸能量以維持所述DC總線上的DC電壓基本恆定。
[0016]根據本發明的另一方面，所述的電力變換系統也包括多個電壓傳感器，其產生與存在於所述第一端子組上的電壓的幅值相應的信號。所述控制器進一步被配置為接收來自所述電壓傳感器的所述信號中的每一個信號，並且在所述第一運行模式期間，所述控制器周期性地禁用所述第一開關並且當所述第一開關被禁用時讀取所述信號中的每一個信號。在所述第二運行模式期間，所述控制器持續地控制所述第一開關組並且隨著(in tandemwith)控制所述第一開關組而讀取所述信號。所述控制器可以被進一步配置為根據從所述電壓傳感器上讀取的所述信號確定出現在所述第一端子組上的反電動勢電壓，並且根據所述反電動勢電壓確定出現在所述第一端子組上的電角度。
[0017]根據本發明的另一種實施方式，公開了加速風力渦輪機中使用的多相AC電機到大於所述風力渦輪機的切入速度的預設初始速度的方法。所述方法包括下列步驟:在第一運行模式下控制電力變換器來執行調製模塊以產生用於所述AC電機的電壓，其中所述電壓具有可變幅值和可變頻率來控制所述AC電機的旋轉速度。在所述第一運行模式期間，所述方法在周期性的間隔禁用所述調製模塊並且當所述調製模塊被禁用時確定出現在所述AC電機上的反電動勢電壓。根據所述反電動勢電壓確定所述AC電機的旋轉速度。當所述旋轉速度大於所述預設初始速度時所述電力變換器被控制在第二運行模式下，並且在所述第二運行模式期間，所述電力變換器從所述AC電機向所述電力變換器中的DC總線輸送能量。
[0018]根據本發明的另一種實施方式，用於將從AC發電源產生的能量傳輸給公用電網的電力變換系統包括:配置為連接所述電力變換系統到所述AC發電源的端子組、具有正電壓軌和負電壓軌的DC總線、連接在所述端子組和所述DC總線之間並且配置為用於在所述端子組和所述DC總線之間的電力傳輸的電力變換器、配置為存儲一系列指令的存儲設備、以及控制器。所述控制器被配置:為執行所述一系列指令，以在預設速度以上執行調製模塊，用於對所述電力變換器進行連續調製，來向所述DC總線傳輸所述AC發電源產生的電力，並且在預設速度以下配合所述調製模塊周期性地插入消隱時間，用於對所述電力變換器進行間歇性調製，以向所述DC總線傳輸所述AC發電源產生的電力。
[0019]根據詳細描述和附圖，本發明的這些和其他目標、優點、以及特徵對於本領域技術人員將變得明顯。但是，應理解的是，儘管給出的詳細描述和附圖僅表示本發明的優選實施例，但是其是以圖解的方式給出而不是限制。可以在本發明範圍內做許多變化和更改而不脫離其精神，並且本發明包括所有這些更改。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]在此公開主題的各種實施例以附圖的形式說明，在所有附圖中相同的參考數字表示相同的部分，並且其中:
[0021]圖1是根據本發明一種實施方式的變換器的示意圖；
[0022]圖2是根據本發明一種實施方式的轉換器的示意圖；
[0023]圖3是作為轉子速度和風速的函數的風力渦輪機所產生的電力的圖形表示；
[0024]圖4是本發明的一種實施方式的方框圖；
[0025]圖5是根據本發明的一個實施方式的一個調製周期的部分圖形表示；
[0026]圖6是連續脈寬調製下的操作期間出現在圖1的變換器的端子上的三相電壓的圖形表示；
[0027]圖7是具有周期性消隱時間的連續脈寬調製下的操作期間出現在圖1的變換器的端子上的三相電壓的圖形表示；以及
[0028]圖8是一個電壓周期內的圖7的三相電壓的一相的圖形表不；
[0029]在圖示的本發明的優選實施方式的描述中，為了清楚起見採用了特定術語。但是，這並不意味著本發明受限於所選擇的具體術語並且應理解為每個具體術語包括所有的技術當量，其用相似的方式操作以達到相似的目的。例如，術語「連接到」，「附接到」或另外的相似術語經常使用。其不限於直接連接而是包括通過其他元件的連接，這裡這樣的連接被本領域技術人員認為是等效的。
【具體實施方式】
[0030]參考下述的非限制性實施方式的詳細描述，在此公開主題的各種特徵和有利細節被更全面地解釋，。
[0031]首先轉到圖1，說明了包含於本發明的一種實施方式的典型的電力變換器10。電力變換器10被配置為用於在連接到電力變換器10的交流發電機6和存在於電力變換器10中的DC總線12之間的雙向電力傳輸。電力變換器10包括配置為連接到交流發電機6的三個輸入端子T1-T3。在一種運行模式下，圖示的實施方式的每個輸入端子T1-T3，被配置為從交流發電機6向電力變換器10的DC總線12轉換電力。交流發電機6可以由例如風的外部源驅動，並產生例如三相交流(AC)電壓V1-V3，每相連接到輸入端子中的一個。輸入濾波器28與每個端子T1-T3串聯連接。在另一種運行模式下，電力變換器10可以被配置為將存在於DC總線上的DC電壓轉換為端子T1-T3上的控制交流發電機6的旋轉的可變幅值和可變頻率的AC電壓。
[0032]當交流發電機6正在產生電力時，電力變換器10在端子T1-T3上接收多相交流輸入電壓V1-V3，並且輸出需要的DC電壓Vdc，其使用開關設備20和21存在於DC總線12上。DC總線12包括正電壓軌14和負電壓軌16，在其輸出端可獲得+Vdc和-Vdc。如本領域所理解的，正電壓軌14和負電壓軌16可以傳導關於公共電壓或中性電壓的任何合適的DC電壓勢並且不限於正的或負的DC電壓勢。此外，正電壓軌14或負電壓軌16中的任何一個可以被連接到中性點電壓勢。正電壓軌14通常傳導比負電壓軌16具有更高電勢的DC電壓。
[0033]開關設備20和21是典型的固態功率器件。圖1不出了開關設備20和21,其為雙極性結型電晶體(BJTs);但是，可以預見的是根據應用的需要可以使用任何合適的開關設備，包括但並不限於，絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、場效應電晶體(FET)、可控矽整流器(SCR)、如集成門極換流晶閘管(IGCT)或可關斷晶閘管(GTO)的晶閘管、或其它受控器件。二極體22被並行連接到每個開關設備20和21，用於在開關設備20和21關閉時所需要的跨過開關設備20和21上的反向傳導。二極體22也可以是半導體開關的一部分。對於輸入的每相，正開關20被連接在輸入端子T1-T3和DC總線12的正電壓軌14之間，並且負開關21被連接在輸入端子T1-T3，和DC總線12的負電壓軌16之間。每個正開關設備20被正門控信號24控制並且每個負開關設備21被負門控信號25控制。正和負門控信號中的每一個24或25，被啟用或禁用以選擇性地允許分別通過正的或負的開關設備20或21傳導。電容50被連接在DC總線12的正電壓軌14和負電壓軌16之間。根據系統要求電容50可以是單個電容器或串聯或並聯的任何數量的電容器。電容50被配置為降低由輸入電壓和DC總線12之間的電壓變換產生的紋波電壓的大小。
[0034]控制器40執行一系列存儲指令以產生門控信號24和25。控制器40接收來自傳感器的反饋信號，其與遍布電力變換器10上的不同點的電壓和/或電流的幅值相對應。此位置依賴於在控制器40內正在被執行的特殊的控制程序。例如，輸入傳感器26a-26c可以提供存在於每個輸入端子T1-T3上的電壓幅值。可選地，輸入傳感器26a-26c可以可操作地被連接以提供在每個輸入端子T1-T3上傳導的電流的幅值。同樣地，電流和/或電壓傳感器28和30可以被可操作地分別連接到DC總線12的正電壓軌14和負電壓軌16。控制器40與存儲器42接口以獲取存儲的指令並且與通信埠 44接口以與外部設備通信。正如在此描述的，控制器40被配置為執行存儲的指令以控制電力變換器10。
[0035]接著參考圖4，典型的電力變換系統包括第一電力變換器10和由DC總線12相連的第二電力變換器60，這裡也稱為轉換器。可選地，能量儲存設備18可以被連接在DC總線12的正電壓軌14和負電壓軌16之間。例如風力渦輪機的發電機的交流發電機6，向電力變換器10提供電力，其被轉換成DC總線12上的DC電壓，而轉換器60反過來將來自DC總線12的電力提供給電氣負載4或公用電網(未示出)。存儲設備18也可以包括DC-DC變換器來根據儲存設備的要求將存在於DC總線12上的DC電壓轉換成合適的DC電壓等級。儲存設備可以是，例如，鉛酸電池、鋰離子電池、鋅溴電池、流體電池、或任何其它合適的能量儲存設備。DC-DC變換器運行以根據應用要求在DC總線12和存儲設備18之間傳輸能量。
[0036]現參照圖2，典型的轉換器60被連接到DC總線12。轉換器60可以被配置為用於在DC總線12和公用電網之間雙向電力傳輸。在一種運行模式中,例如,轉換器60轉換來自DC總線12的DC電壓為適合供應到公用電網或比如電機的電氣負載的AC電壓。在另一種運行模式中，轉換器60可以被配置為通過調節公用電網和DC總線12之間的電流來調節存在於DC總線12上的DC電壓。在每種運行模式中轉換器60的控制都利用其可選地連接正電壓軌14或負電壓軌16兩者中的任何一個到輸出62的一相的開關設備70來執行。開關設備70通常是固態功率器件。圖2表明開關設備70為雙極性結型電晶體(BJTs);然而，應考慮到根據應用要求任何合適的開關設備可以被使用，包括但不限於，絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、場效應電晶體(FET)、可控矽整流器(SCR)、例如集成門極換流晶閘管(IGCT)或可關斷晶閘管(GTO)的晶閘管、或其它受控設備。二極體72被並行連接到每個開關設備70上，以用於在開關設備70關閉時所需的跨過開關設備的反向傳導。二極體72也可以是半導體開關的一部分。每個開關設備70都由門控信號74控制。門控信號74被啟用或禁用以選擇性地允許通過開關設備70傳導。
[0037]控制器90執行一系列存儲的指令以產生門控信號74。控制器90接收來自傳感器的反饋信號，其對應於遍布轉換器60的不同的點的電壓和/或電流的幅值。此位置依賴於在控制器90內正在被執行的特定的控制程序。例如，傳感器76a-76c可以提供存在於輸出62每相上的電壓的幅值。可選地，傳感器76a-76c可以可操作地被連接以提供在輸出62的每相上傳導的電流的幅值。同樣地，電流和/或電壓傳感器78和80，可以可操作地被分別連接到DC總線12的正電壓軌14和負電壓軌16。控制器90與存儲器92接口以獲取存儲的指令並且與通信埠 94接口以與外部設備通信。根據本發明的一種實施方式，第一電力變換器10和第二電力變換器60是獨立的模塊，具有獨立的控制器40、90和存儲設備42、92，其配置為控制各自的電力變換器的運行。可選地，單個控制器和存儲器設備可以被配置為控制兩個電力變換器的運行。
[0038]運行中，電力變換系統被配置為提高風力渦輪機的產生能量的可用性。正如前面所討論的，如果風力渦輪機被配置帶有慣性「拐點」，那麼電力變換系統被配置為首先加速交流發電機6到足以開始運行的初始速度並且然後開始向公用電網傳輸由交流發電機6產生的電力。可選地，風力渦輪機可以包括風速計，其向控制器40提供與風速相應的信號。當風速大於電力變換器10所要求的切入速度但小於為了交流發電機6的開始旋轉風力渦輪機所要求的初始速度時，控制器40可以運行以加速交流發電機6。即使風力渦輪機沒有慣性「拐點」，電力變換系統頁可以被配置為加速交流發電機6上升到切入速度以減少風力渦輪機開始運行所要求的時間量。在每個運行條件下，電力變換系統都被配置為在第一模式運行以控制交流發電機6的旋轉速度並且在第二運行模式運行以轉換從交流發電機6向電力變換器10的DC總線12提供的電力。
[0039]當第一電力變換器10被配置為從交流發電機6向DC總線12轉換電力時，隨後的能量儲存設備18或轉換器模塊60可以被連接到DC總線12，以分別存儲能量源所生成的電力或向公用電網傳送能量源所產生的電力。(仍參看圖4)。能量儲存設備18可以包括DC-DC變換器以控制DC總線12和能量儲存設備18之間的電力。交替地，當電力變換器10被配置為控制交流發電機6的旋轉時，DC-DC變換器和/或轉換器模塊60可以被配置為調節存在於DC總線12上的電壓。在任一運行模式下，根據電力變換所需的形式，每個電力變換器10、60的控制器40、90執行一個或多個控制模塊，其產生門控信號24、25或者74來選擇性地分別連接在DC總線12和任何一個輸入端子T1-T3、或者輸出62之間的開關20、21或者70。根據本發明的一種實施方式，風力渦輪機可以包括葉片，其以風的速度的函數的旋轉低速驅動軸。低速驅動軸是到變速箱的輸入，其反過來又旋轉其輸出是其傳動(gearing)的函數的高速驅動軸。高速驅動軸旋轉交流發電機6的轉子部分，在定子上產生AC電壓V1-V3。
[0040]接著參考圖3，圖100表明了對於典型的風力渦輪機在變化的風速下運行時作為轉子速度的函數的由交流發電機所6產生的電力之間的關係。例如，通過改變葉片的間距，渦輪機葉片的速度可以被控制。因此，對於恆定的風速，低速驅動軸的旋轉速度可以被改變，並且因此，交流發電機6中的轉子的旋轉速度也可以被改變。然而，可能存在不能以足夠快的速度調節葉片間距以應對變化的風力條件的情況。除了間距控制之外或可代替間距控制的是，電力變換器10可以通過調節從交流發電機6汲取的電流幫助調節交流發電機6的速度以便可變的制動力被施加到交流發電機6。因此，當前的電子控制可以補償風速中的變化來保持運行在最大功率點下。
[0041]如通過圖3中的虛線101進一步說明的，交流發電機6的運行可能遵循平方冪法貝U，其中渦輪機產生的功率隨風速的平方增加。對於每個風速，控制器40被配置為在最大功率點(MPP)運行，以便在那個風速下可能由交流發電機產生的最大功率被傳輸到DC總線
12。跟蹤產生了指數函數形式的平方冪曲線101的可變風速下的這些最大功率點，直到產生額定功率。在該點上，控制器40被配置為將功率產生限制到額定值以防止損壞交流發電機6或電力變換器10的組件。控制器40可以被配置為執行既控制葉片的間距又控制在交流發電機6和DC總線12之間傳導的電流的控制程序。可選地，可以使用每個執行控制模塊中的一個的單獨的控制器40。
[0042]為了在正常運行條件下調節從交流發電機6中汲取的電流，控制器40可以實現本領域中已知的同步電流調節器。同步電流調節器接收電流參考並且使用測得的電流信號確定電流誤差值。同步電流調節器然後確定所需的被控電流以補償電流誤差值。控制器40然後確定適合的門控信號24和25，以選擇性地連接輸入端子T1-T3的每相到DC總線12以產生交流發電機6和DC總線12之間的所需的被控電流。[0043]因為交流發電機6產生AC電力，控制器40也需要存在於輸入端T1-T3的AC電壓的電角度的信息。當在最低速度以上運行時，控制器40可通過檢測存在於交流發電機6上的反電勢確定電角度。隨著交流發電機的旋轉速度增加，反電勢的振幅同樣增加。然而，反電動勢是交流發電機參數的函數也是轉子速度的函數。因此，在其上確定反電動勢的最小速度是本應用的函數。然而，反電動勢的幅值可能通常在交流發電機6的額定速度的約5%至約10%之間被可靠地檢測。
[0044]接著參考圖5，同步電流調節器使用所需的被控電流值和檢測到的交流發電機6的電角度來產生電壓參考信號154並且來產生門控信號24、25。在圖5中，表明了根據典型的正弦三角PWM調製技術150產生用於AC電壓的一相的一個周期部分的門控信號24、25。在正弦三角PWM調製技術150中，三角波152與電壓參考154相比以產生門控信號24和25。三角波152的一個周期是由PWM程序的切換周期156定義的。切換周期156期間，如果電壓參考154大於三角波152,那么正門控信號24被設置為高而負門控信號25被設置為低。如果電壓參考154小於三角波152，那么正門控信號24被設置為低而負門控信號25被設置為高。可以預見，本領域技術人員所周知的其它的調製技術也可以被用來產生輸出電壓，例如空間矢量切換或多級切換。另外，如圖4所示，調製技術可以通過比較模擬信號、數位訊號(例如被增加或減少的寄存器)、或它們的組合實現。
[0045]控制器40被配置為在如上所述的兩個運行模式上運行，即交流發電機6的電動運行模式和發電運行模式。因此，它可能需要在控制器40中提供啟動控制模塊。啟動控制模塊控制作為轉換器的電力變換器部分10，將交流發電機6作為電動機處理，以加速風力渦輪機上升到初始速度。一旦達到初始速度，控制器40就又能控制作為變換器的電力變換器部分10並且開始向DC總線12傳輸由交流發電機6產生的電力。通常風力渦輪機的交流發電機6不包括編碼器或解析器，以提供與交流發電機6的角位置相應的反饋信號。因此，當控制器40在電動運行模式運行時，必須採用開環電機控制技術。
[0046]隨著AC電機被旋轉，反電動勢被建立。反電動勢波形的幅值是交流發電機6的旋轉速度的函數。隨著旋轉速度增加，產生的反電動勢的幅值同樣增加。使用例如鎖相環的已知技術，控制器40可以周期性地米樣一相或多相的反電動勢來確定交流發電機6的電角度。電角度的信息是必要的以在電動期間提供交流發電機6的平滑控制並且在發電期間調節從交流發電機6向DC總線12傳輸的電力。
[0047]在電動模式控制交流發電機6要求控制器40根據調製技術分別產生門控信號24和25以控制電力變換器10的正開關和負開關20和21。因為風力渦輪機通常被連接到公用電網，如圖4所示的系統既包括電力變換器10又包括轉換器60。然而，當交流發電機6在電動模式下運行時，電力變換器10暫時作為逆變器被控制以從DC總線12向交流發電機6傳輸電力。同樣地，轉換器60暫時作為變換器被運行以從公用電網向DC總線12傳輸電力。可選地，通過DC-DC變換器能量可以從連接到DC總線12的能量儲存設備18傳輸以用於驅動作為電動機的交流發電機6。因此，無論是公用電網還是能量儲存設備18都提供了必要的電力來驅動作為電動機的交流發電機6。
[0048]調製技術控制正開關20和負開關21以交替地連接在DC總線12的無論是正電壓軌14還是負電壓軌16之間的每個端子T1-T3。通過控制電流的流動方向，控制器40使交流發電機6在電動運行模式或發電運行模式下運行。接著參考圖6，表明了從交替地連接在DC總線12的正電壓軌或負電壓軌14和16之間的每個端子T1-T3得到的調製波形。低速運行期間，調製的波形的幅值比交流發電機6產生的反電動勢的幅值大得多並且在試圖讀取反電動勢的值時引入顯著的噪聲或不確定性。
[0049]接著參考圖7和圖8，控制器40在電動運行期間通過引入在此期間調製已經停止的短的時間間隔、或消隱時間120，執行控制交流發電機6。消隱時間120期間，控制器40可以讀取反電動勢電壓而不受調製電壓幹擾。消隱時間120足夠短以致交流發電機6和風力渦輪機葉片的慣性使交流發電機6很少或根本沒有放緩交流發電機6的旋轉。根據本發明的一種實施方式，消隱時間在1-3毫秒之間並且以相隔5-20毫秒之間的周期間隔重複。根據優選實施方式，消隱時間是大約2毫秒並且以大約10毫秒的間隔重複。調製周期期間，應用於交流發電機6的電力致使交流發電機6加速。隨著交流發電機6的速度增加，反電動勢的幅值增加。在某個點，通常大約是額定速度的5-10%，反電動勢的大小足夠大以致其在連續調製期間可以被讀出。因此，從停止和低速直到交流發電機6達到反電動勢可以被持續監控的速度，控制器40都使用消隱時間控制交流發電機6。在這個速度下，控制器40停止使用消隱時間並且持續調製到交流發電機6的電壓。
[0050]當交流發電機6已經達到所需的切入速度，控制器40從電動運行模式切換到發電運行模式。因此，電力變換器10停止作為轉換器運行並且重新作為變換器運行，即從交流發電機6向DC總線12傳輸電力。同樣地，轉換器60停止作為變換器運行並且作為逆變器再次運行，以從DC總線12向公用電網傳輸電力。
[0051]進一步設想為了讀取電動勢使用消隱時間可以被用來在低速運行期間擴大作為交流發電機運行的範圍。如前面所討論的，同步電流調節器需要由交流發電機6產生的AC電力的電角度的信息以控制從交流發電機6向DC總線12傳輸的電力。隨著轉子速度減慢，反電動勢幅值減小直到此幅值變得太小而不能在連續調製期間進行準確檢測。如上所述的消隱時間的引入，允許電力變換器10暫時不連續調製並讀取反電動勢。反電動勢的電角度被確定並且控制器40使用對角度所做的相應調節執行調製。開關20和21的調製在修正角重新開始以從交流發電機6向DC總線12傳輸電力。
[0052]應當理解，本發明並不將其應用中限制於本文闡述的組件的結構和安排的細節。本發明能有其他的實施方式並且能夠以各種方式被實踐或實施。前述的變化和修改在本發明範圍內。還應理解的是，此處公開和定義的本發明延伸到所有的來自文中和/或圖中提到的或證明的兩個或多個單個特徵的所有可選組合。所有這些不同的組合構成本發明的各種可選的方面。在此描述的實施方式解釋了實施本發明所知的最好的方式並且將使本領域其他的技術人員應用本發明。
【權利要求】
1.一種電力變換系統,所述系統包括: 端子組，其配置為將所述電力變換系統連接到多相AC電機； DC總線，其具有正電壓軌和負電壓軌； 電力變換器，其連接在所述端子組和所述DC總線之間並且配置為用於在所述端子組和所述DC總線之間進行雙向電力傳輸； 存儲設備，其配置為存儲一系列指令；以及 控制器，其配置為執行所述一系列指令以執行下列操作: 在預設速度以下執行啟動控制模塊，其中所述啟動控制模塊控制所述AC電機的旋轉； 在所述預設速度以上執行電流調節器來向所述DC總線傳輸所述AC電機產生的電力。
2.如權利要求1所述的電力變換系統，所述系統還包括: 輸出端，其配置為連接到公用電網；以及 轉換器模塊，其連 接在所述輸出端和所述DC總線之間，其中所述轉換器模塊被配置為用於在所述輸出端和所述DC總線之間進行雙向電力傳輸，並且其中所述控制器被配置為當所述啟動控制模塊正在執行時控制所述轉換器模塊以保持所述DC總線上所需的DC電壓。
3.如權利要求1所述的電力變換系統，所述系統還包括: 能量儲存設備；以及 第二電力變換器，其配置為在所述能量儲存設備和所述DC總線之間傳輸能量，其中所述控制器被配置為當所述啟動控制模塊正在執行時控制所述第二電力變換器以保持所述DC總線上所需的DC電壓。
4.如權利要求1所述的電力變換系統，其中: 所述啟動控制模塊包括調製模塊，所述調製模塊配置為將所述DC總線上的電壓變換為用於所述AC電機的AC電壓， 所述控制器被配置為周期性地禁用所述調製模塊，並且 當所述調製模塊被禁用時，所述控制器被配置為讀取出現在所述AC電機上的反電動勢電壓。
5.—種電力變換系統,所述系統包括: 第一端子組，其配置為將所述電力變換系統連接到多相AC電機； DC總線，其具有正電壓軌和負電壓軌； 多個第一開關，其配置為選擇性地將所述第一端子組連接到所述DC總線； 第二端子組，其配置為連接到公用電網； 多個第二開關，其配置為選擇性地將所述DC總線連接到所述第二端子組； 存儲設備，其配置為存儲一系列指令；以及 控制器，其配置為在第一運行模式和第二運行模式執行所述指令，其中: 在所述第一運行模式期間，所述控制器為所述第一開關和所述第二開關中的每一個生成門控信號，以將所述AC電機加速到預設速度，以及 在所述第二運行模式期間，所述控制器為所述第一開關和所述第二開關中的每一個生成所述門控信號，以向所述公用電網傳輸所述AC電機產生的能量。
6.如權利要求5所述的電力變換系統，其中在所述第一運行模式期間:所述第一開關被控制成在所述第一端子組上提供多相AC電壓，其中所述多相AC電壓具有可變幅值和可變頻率以控制所述AC電機的速度，以及 所述第二開關被控制成在所述公用電網和所述DC總線之間傳輸能量，以保持所述DC總線上的基本恆定的DC電壓。
7.如權利要求5所述的電力變換系統，所述系統還包括: 能量儲存設備；以及 DC-DC變換器，其連接在所述DC總線和所述能量儲存設備之間，其中在所述第一運行模式期間，所述DC-DC變換器被控制成在所述能量儲存設備和所述DC總線之間傳輸能量，以保持所述DC總線上的基本恆定的DC電壓。
8.如權利要求5所述的電力變換系統，所述系統還包括多個電壓傳感器，每個電壓傳感器產生與存在於所述第一端子組上的電壓的幅值相應的信號，其中所述控制器還被配置為接收來自所述電壓傳感器的所述信號中的每一個信號，其中在所述第一運行模式期間，所述控制器周期性地禁用所述第一開關並且當所述第一開關被禁用時讀取所述信號中的每一個信號，並且在所述第二運行模式期間，所述控制器持續地控制所述第一開關組並且隨著控制所述第一開關組來讀取所述信號。
9.如權利要求8所述的電力變換系統，其中所述控制器還被配置為: 根據從所述電壓傳感器上讀取的所述信號來確定出現在所述第一端子組上的反電動勢電壓，以及 根據所述反電動勢電壓確定出現在所述第一端子組上的電壓的電角度。
10.一種加速用於風力渦輪機的多相AC電機到大於所述風力渦輪機的切入速度的預設初始速度的方法，所述方法包括下列步驟: 在第一運行模式下控制電力變換器來執行調製模塊以產生用於所述AC電機的電壓，其中所述電壓具有可變幅值和可變頻率以控制所述AC電機的旋轉速度； 在所述第一運行模式下執行期間以周期性的間隔禁用所述調製模塊； 當所述調製模塊被禁用時確定出現在所述AC電機上的反電動勢電壓； 根據所述反電動勢電壓確定所述AC電機的所述旋轉速度；以及當所述旋轉速度大於所述預設初始轉速時，在第二運行模式下控制所述電力變換器，其中在所述第二運行模式期間，所述電力變換器從所述AC電機向所述電力變換器中的DC總線傳輸能量。
11.一種用於將從AC發電源產生的能量傳輸給公用電網的電力變換系統，所述電力變換系統包括: 端子組，其配置為將所述電力變換系統連接到所述AC發電源； DC總線，其具有正電壓軌和負電壓軌； 電力變換器，其連接在所述端子組和所述DC總線之間並且配置為用於在所述端子組和所述DC總線之間進行電力傳輸； 存儲設備，其配置為存儲一系列指令；以及 控制器，其配置為執行所述一系列指令以執行下列操作: 在預設速度以上執行調製模塊用於對所述電力變換器進行連續調製，以向所述DC總線傳輸所述AC發電源產生的電力，以及在預設速度以下配合所述調製模塊周期性地插入消隱時間，用於對所述電力變換器進行間歇性調製，以向所述D C總線傳輸所述AC發電源產生的電力。
【文檔編號】H02P9/08GK104025447SQ201280062918
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2011年12月19日
【發明者】傑弗裡·A·賴卡德, 內森·喬布, 託馬斯·艾倫·勞本斯特恩 申請人:Zbb能源公司