專利名稱：具有對(duì)于變化的轉(zhuǎn)子速度受到補(bǔ)償?shù)碾p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)以及用于 對(duì)于變化的轉(zhuǎn)子速度對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
一般而言，商業(yè)風(fēng)力渦輪機(jī)可被分為固定速度渦輪機(jī)和可變速度渦輪機(jī)。
對(duì)于固定速度渦輪機(jī)，電力的產(chǎn)生僅僅對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)速進(jìn)行最優(yōu)
化，而對(duì)于可變速度渦輪^L，可對(duì)于寬廣范圍的風(fēng)速實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電力輸出。
從九十年代后期以來，所實(shí)現(xiàn)的較大的風(fēng)力渦輪機(jī)的主要部分已經(jīng)為 可變速度渦輪機(jī)，其與固定速度渦輪樹目比需要更為復(fù)雜的電氣系統(tǒng)。另 外，新的電網(wǎng)要求增大了現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)的電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性。
為標(biāo)稱電網(wǎng)頻率的AC-AC轉(zhuǎn)換器(例如背對(duì)背轉(zhuǎn)換器或矩陣轉(zhuǎn)換器)連 接到電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)滿范圍的可變速度渦輪機(jī)。這樣的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，至 少在原理上，從0 RPM到出于安全原因允許的最大速度的滿速度范圍可用 于產(chǎn)生電力。另一方面，缺點(diǎn)在于AC-AC轉(zhuǎn)換器必須是額定的(rated)， 以便處理渦輪機(jī)的滿輸出電力。
為了減少對(duì)AC-AC轉(zhuǎn)換器的要求，已經(jīng)知道使用有限范圍的可變速 度系統(tǒng)，例如雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)。
在標(biāo)準(zhǔn)DF1G系統(tǒng)中，定子通常經(jīng)由變壓器直接連接到電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子 經(jīng)由滑環(huán)(slip rings)和AC-AC轉(zhuǎn)換器被連接到電網(wǎng)。系統(tǒng)速度范圍的 限制依賴于AC-AC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榻?jīng)過轉(zhuǎn)子的電力量與電氣轉(zhuǎn)子速度和發(fā)電機(jī)的同步速度(定子場(chǎng)速度)之間的差成比例。在這里以及在下文中， 術(shù)語"電氣轉(zhuǎn)子速度"指的是機(jī)械轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)的乘積。
DF1G系統(tǒng)具有公知的缺點(diǎn)，即由于有功與無功電流之間的交叉耦合 引起的通量動(dòng)態(tài)(flux dynamics )中的振蕩的不良阻尼，這使得系統(tǒng)可能 在某些情況下不穩(wěn)定，并使轉(zhuǎn)子電流控制器的工作復(fù)雜化，其中，轉(zhuǎn)子電 流控制器的主要任務(wù)是限制轉(zhuǎn)子電流，以便防止AC-AC轉(zhuǎn)換器脫扣或故 障。應(yīng)當(dāng)注意，盡管轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)際上為電流控制器，來自控制器的 輸出控制信號(hào)可包含一個(gè)或更多的電壓以及電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流可通過控 制轉(zhuǎn)子電壓間接地受到非常好的控制。
避免振蕩的傳統(tǒng)方法是，相比于系統(tǒng)中的電力環(huán)的帶寬，以某個(gè)^t， 減小轉(zhuǎn)子電流控制器的帶寬，然而，這使得轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電網(wǎng)條件變 化的反應(yīng)較慢。另夕卜，控制器性能(帶寬、上升時(shí)間等)依賴于轉(zhuǎn)子速度， 其在最好的情況下帶來高鑒定和測(cè)試成本，在最壞的情況下可引起控制器 不穩(wěn)定以及硬件故障。
論文"Control of a Doubly-Fed Induction Generator for Wind Energy Conversion Systems ，， ( F.Poitiers， M. Machmoum， R le Doeuff 和 M.E.Zaim, Ecole Polytechnique de l，Universiti de Nantes, Saint Nazaire, France )介紹了通過分別控制有功與無功電力對(duì)在定子與電網(wǎng)之間交換的 電力的控制。公開了 DFIG系統(tǒng)的模型，示出了電力控制的框圖。然而， 該論文中講到，有功與無功電力之間的交叉耦合具有小的影響且可被忽略， 其與現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)領(lǐng)域工作的大多數(shù)人的共有經(jīng)驗(yàn)不 一致。
在論文"Stability Analysis of Field Oriented Doubly-Fed Induction Machine Drive Based on Computer Simulation" (Song Wang和Yunshi Ding, Department of Electrical Drive Automation, Automation Research Institute of Ministry of Metallurgical Industry, Beijing, People's Republic of Chhm， 1993)中，給出了 DFIG系統(tǒng)模型的不同運(yùn)行特性的計(jì)算機(jī)仿真。 該仿真模型介紹了電壓前饋功能，其減弱了在分別沿d軸與q軸的電流之 間的交叉耦合。然而，并沒有公開實(shí)際的補(bǔ)償方法。博士學(xué)位論文"Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines ，， ( Andreas Petersson， Department of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology, Gdteborg， Sweden, 2003)公開了用于交叉耦合補(bǔ)償?shù)亩喾N不 同的方法，所有方法處理振蕩和帶寬問題。所提到的所有方法均具有缺點(diǎn)， 例如測(cè)量得到的信號(hào)的不必要的差分、轉(zhuǎn)子電流控制器帶寬的減小、對(duì)額 外的變換器硬件的需要等等。
國際專利^S開WO 2004/098261公開了一種具有DFIG的可變速度風(fēng) 力渦輪機(jī)，其轉(zhuǎn)子電流控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生磁通的轉(zhuǎn)子電流，以便保證風(fēng)力渦 輪機(jī)可在市電網(wǎng)電壓波動(dòng)和/或暫態(tài)的情況下保持連接("穿越(ride through)")。然而，該系統(tǒng)沒有提供對(duì)上面提到的由于通量動(dòng)態(tài)振蕩引 起的系統(tǒng)潛在不穩(wěn)定的問題的解決方案。
由于人們認(rèn)識(shí)到風(fēng)力渦輪機(jī)傳動(dòng)系(drive train )中的振蕩問題已有幾 年了，已經(jīng)提出了不同的解決方案來解決或至少減輕這些問題。在國際專
子速度控制傳動(dòng)系阻尼特征的一個(gè)系統(tǒng)。這里，具有前饋?zhàn)枘釣V波器的轉(zhuǎn) 矩指令發(fā)電機(jī)用于響應(yīng)于測(cè)量得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度產(chǎn)生所命令的轉(zhuǎn)矩， 轉(zhuǎn)矩經(jīng)由轉(zhuǎn)子電流受到轉(zhuǎn)矩控制器的控制，PID控制器基于實(shí)際發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 子速度與目標(biāo)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度之間的差進(jìn)行槳距調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的目的在于提供一種雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)，其中，上 面討論的可能的振蕩可以以改進(jìn)的方式受到控制或?qū)嵸|(zhì)上得到避免。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種DFIG系統(tǒng)，其具有控制電力輸出品 質(zhì)的改進(jìn)能力，這對(duì)于滿足最新的電網(wǎng)要求是必要的。
另外，本發(fā)明的目的在于提供^L補(bǔ)償?shù)腄FIG系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的DFIG 系統(tǒng)相比，其不需要測(cè)量所得的信號(hào)的差分，也不需要額外的硬件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種可變旋轉(zhuǎn)速度風(fēng)力渦輪機(jī)，其包含風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其包含一個(gè)或更多的葉片， 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其被耦合到風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子， 轉(zhuǎn)子電流控制器，其被布置為對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流進(jìn)行控制， 補(bǔ)償裝置，其具有計(jì)算裝置，以及
用于向補(bǔ)償裝置提供輸入的裝置，輸入至少表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角 速度。
其中，計(jì)算裝置被布置為依賴于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的所述瞬時(shí)角速度地計(jì)算 瞬時(shí)補(bǔ)償控制輸出，并將補(bǔ)償控制輸出饋送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，計(jì)算裝置被布 置為計(jì)算風(fēng)力渦輪才腿行過程中的所述補(bǔ)償控制輸出，以便至少部分地對(duì) 發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子角速度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償，由此，使得風(fēng)力 渦輪機(jī)運(yùn)行過程中結(jié)果得到的發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)實(shí)質(zhì)上不依賴于轉(zhuǎn)子角速度 的變化。
應(yīng)當(dāng)注意，由此間接解決了發(fā)電機(jī)通量動(dòng)態(tài)中的振蕩問題，即通過控
制發(fā)電機(jī)的結(jié)果得到的瞬時(shí)傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)主要由發(fā)電機(jī)的有功
及無功轉(zhuǎn)子與定子電流之間的關(guān)系構(gòu)成。
表示轉(zhuǎn)子瞬時(shí)角速度的補(bǔ)償裝置的輸入可以為來自寄存風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)
子角速度的編碼器的輸出，或者，其可以為一個(gè)或更多的轉(zhuǎn)子電流或電壓 或基準(zhǔn)電流或電壓，其頻率反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。
在本發(fā)明 一 實(shí)施例中，外卜償控制輸出^U&口到來自轉(zhuǎn)子電流控制器的輸出。
有利的是，轉(zhuǎn)子電流控制器可影響補(bǔ)償后的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)果得到的 發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)，因此，在控制器中不需要補(bǔ)償裝置。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，用于向補(bǔ)償裝置提供輸入的裝置進(jìn)一步提供表 示例如電流和電壓等電氣量的輸入。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述輸入包括轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述輸入還包括定子電流。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述輸入還包括轉(zhuǎn)子電流。
被用作補(bǔ)償裝置的輸入的定子與轉(zhuǎn)子電流可以是有功的和無功的。輸入可包括測(cè)量得到的定子與轉(zhuǎn)子電流的任何組合，轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)電流和/或從
DFIG系統(tǒng)測(cè)量的其他電流和電壓被用作補(bǔ)償裝置的輸入。
如上面所提到的，由于定子和轉(zhuǎn)子電流均影響系統(tǒng)的通量動(dòng)態(tài)，將它 們用作補(bǔ)償裝置的輸入和控制參數(shù)是恰當(dāng)?shù)摹?br> 在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，補(bǔ)償裝置的傳遞函數(shù)還被設(shè)計(jì)為計(jì)算控制 輸出，使得轉(zhuǎn)子電流被有效地解耦合為兩個(gè)互相正交的分量，該分量可由 轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)質(zhì)上獨(dú)立地進(jìn)行控制。
布置補(bǔ)償裝置傳遞函數(shù)以提供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流到兩個(gè)互相正交分量的解 耦合的控制輸出是有利的，因?yàn)槠涫沟秒娏髂苡赊D(zhuǎn)子電流控制器單獨(dú)地進(jìn) 行控制，故可獲得轉(zhuǎn)子電流的更為精確的控制，并可由此獲得定子電流以 及傳送到網(wǎng)絡(luò)的電力的更為精確的控制。由于轉(zhuǎn)子角速度不依賴性的提供， 可獲得電流分量的完全或至少接近完全的解耦合。
在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，補(bǔ)償裝置包含用于提供控制輸出振蕩阻尼 的裝置。
在本發(fā)明又一優(yōu)選實(shí)施例中，用于提供控制輸出振蕩阻尼的裝置包含 一個(gè)或更多的導(dǎo)前濾波器(lead filters)。
使用導(dǎo)前濾波器來增大潛在振蕩頻率附近來自補(bǔ)償裝置的輸出控制信 號(hào)的相位是有利的，因?yàn)槠涫沟迷擃l率附近的振蕩最小化，因此在相當(dāng)大 的程度上使得控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性最小化。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，用于提供振蕩阻尼的裝置被設(shè)計(jì)為以從電網(wǎng)頻 率偏差小于5%的頻率提供阻尼。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中，用于提供振蕩阻尼的裝置可調(diào)諧到一個(gè)或更 多的明確的頻率。
在本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)中，涉及一種運(yùn)行可變旋轉(zhuǎn)速度風(fēng)力渦輪機(jī)的 方法，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有耦合到風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，該方 法包含以下步驟
提供到補(bǔ)償裝置的輸入，輸入至少表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度， 布置補(bǔ)償裝置的計(jì)算裝置，以便計(jì)算在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行過程中依賴于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的所述瞬時(shí)角速度的瞬時(shí)補(bǔ)償控制輸出，從而至少部分地對(duì)發(fā) 電機(jī)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子角速度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償，因此，使得結(jié)果得
的變4匕，以及
將補(bǔ)償控制輸出饋送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中，該方法還包含這樣的步驟布置用于計(jì)算控 制輸出的計(jì)算裝置，使得轉(zhuǎn)子電流被有效地解耦合為兩個(gè)互相正交的分量， 該分量可由轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)質(zhì)上獨(dú)立地進(jìn)行控制。
在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包含這樣的步驟布置補(bǔ)償裝置， 以便提供控制輸出振蕩阻尼。
在本發(fā)明又一優(yōu)選實(shí)施例中，所提供的振蕩阻尼可調(diào)諧到一個(gè)或更多 的明確的頻率。


下面將參照附圖介紹本發(fā)明一實(shí)施例，在附圖中 圖1示出了從前方看的大型現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)； 圖2示出了簡(jiǎn)化的機(jī)搶的截面圖，其示出了從側(cè)面看的傳動(dòng)系； 圖3示出了標(biāo)準(zhǔn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的原理圖； 圖4示出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)T等效圖； 圖5a示出了從平衡三相系統(tǒng)到平衡兩相正交靜止系統(tǒng)的向量Clarke 變換；
圖5b示出了從平衡兩相正交靜止系統(tǒng)到平衡兩相正交旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的向 量Park變換；
圖6示出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的模型，該模型被擴(kuò)展為包括轉(zhuǎn)子電流控 制器和實(shí)際電流和電壓可用的測(cè)量點(diǎn)；
圖7示出了添加了補(bǔ)償裝置的情況下與圖6 —樣的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的 同樣的擴(kuò)展模型；
圖8示出了本發(fā)明所介紹的實(shí)施例的系統(tǒng)方程的極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置；圖9示出了添加了導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器的情況下與圖7 —樣的補(bǔ)償雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的擴(kuò)展模型；
圖10示出了導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器的Bode圖lla示出了在沒有導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器的系統(tǒng)中分別沿著d軸和q軸的轉(zhuǎn)子電壓對(duì)于100A脈沖的階躍響應(yīng)；以及
圖lib示出了在具有導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器的系統(tǒng)中分別沿著d軸和q軸的轉(zhuǎn)子電壓對(duì)于100A脈沖的階躍響應(yīng)。
提供附圖以便示出本發(fā)明一實(shí)施例，其不是為了對(duì)權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍進(jìn)行限制。
具體實(shí)施例方式
下面公開了本發(fā)明一實(shí)施例，其具有補(bǔ)償裝置，以便使發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)不依賴于變化的轉(zhuǎn)子速度，該裝置包含在電網(wǎng)頻率附近對(duì)振蕩進(jìn)行阻尼的導(dǎo)前濾波器。
圖1示出了現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)1，其包含塔架2和位于塔架2的頂部的
風(fēng)力渦輪才;i4M^r 3。包含三個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片5的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子4通過
低速軸(未示出)被連接到機(jī)艙3，低速軸從機(jī)搶3的前方伸出。
圖2示出了風(fēng)力渦輪^4fL搶3的從側(cè)面看的簡(jiǎn)化的截面圖。在所示出的實(shí)施例中，機(jī)搶3中的傳動(dòng)系6包含齒輪7、斷開系統(tǒng)8、發(fā)電機(jī)9和AC-AC轉(zhuǎn)換器10。
標(biāo)準(zhǔn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)9的主要原理在圖3中示出，其中，定子ll經(jīng)由電網(wǎng)變壓器14被連接到電網(wǎng)15，轉(zhuǎn)子12經(jīng)由滑環(huán)13、 AC-AC轉(zhuǎn)換器10以及電網(wǎng)變壓器14被連接到電網(wǎng)15。
圖4示出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)T等效圖，其中，us、 is、 Rs、L^分別為定子電壓、定子電流、定子電阻和定子漏電感。類似地，u" i"Rr、 Ln分別為轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子漏電感。Lw為磁化電感。所有發(fā)電才幾參數(shù)4皮轉(zhuǎn)換到固定定子電壓參照系(reference frame)。
下面，電流和電壓均將在平衡正交兩相旋轉(zhuǎn)參照系中參照，即在所謂的dq坐標(biāo)系中。圖5a與5b示出了從平衡三相系統(tǒng)到dq系統(tǒng)的量的兩個(gè)變換步驟。
第一步，其被稱為Clarke變換，將平衡三相量轉(zhuǎn)換為平衡兩相正交量，如圖5a所示。三相量(a、 b、 c)與兩相量(a與j8)之間的關(guān)系由公式給出
<formula>formula see original document page 11</formula>以及
<formula>formula see original document page 11</formula>第二步，被稱為Park變換，將量從靜止兩相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)兩相系統(tǒng)，如圖5b所示。靜止系統(tǒng)中的量(a與0)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的量(d與q)之間的關(guān)系由公式給出
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，Y為靜止和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間的旋轉(zhuǎn)角度。
使用下標(biāo)sf來表示變量在定子電壓固定參照系中給出，標(biāo)準(zhǔn)雙饋感應(yīng)
發(fā)電機(jī)的暫態(tài)(動(dòng)態(tài))模型可在dq坐標(biāo)中寫作
<formula>formula see original document page 11</formula>在上面以及下面的公式中，co為定子場(chǎng)速度(電網(wǎng)頻率)，coy為電氣轉(zhuǎn)子速度。公式中使用的暫態(tài)定子電感Ls和暫態(tài)轉(zhuǎn)子電感Lr可由圖4所示的電感通過下面的^^式計(jì)算<formula>formula see original document page 12</formula>
在狀態(tài)空間矩陣標(biāo)記法中，公式(5)可具有下面的形式<formula>formula see original document page 12</formula>其中，所包含的矩陣Mu和Mj由下式給出
<formula>formula see original document page 12</formula>
由上面的公式描述的標(biāo)準(zhǔn)DFIG系統(tǒng)的主要問題都在于Mi的對(duì)角線外 的元素，Mi為表示系統(tǒng)的狀態(tài)空間標(biāo)記法中的不同電流之間的關(guān)系的動(dòng)態(tài) 矩陣。
首先，由于對(duì)變化的轉(zhuǎn)子速度的依賴性，某些對(duì)角線外元素是非線性 的，這意味著電流控制器不能通過線性控制理論來設(shè)計(jì)和分析。
第二，某些對(duì)角線外元素對(duì)電氣轉(zhuǎn)子速度的同樣的依賴性是具有不受 控信號(hào)的系統(tǒng)的不穩(wěn)定性的潛在原因，特別是在高加速的情況下，這是因 為由這些對(duì)角線外元素建立的系統(tǒng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)隨著變化的轉(zhuǎn)子速度移 動(dòng)，并受到不良的阻尼。
另外，Mi的對(duì)角線外元素導(dǎo)致電流之間的交叉耦合，使得分別沿著d 和q軸的電流不能獨(dú)立受到控制。
根據(jù)本發(fā)明，補(bǔ)償裝置被添加到系統(tǒng)，以便移除或至少是減小當(dāng)轉(zhuǎn)子 速度改變時(shí)極點(diǎn)和零點(diǎn)的移動(dòng)。這里，必須認(rèn)識(shí)到，由于電流控制器僅僅 能改變轉(zhuǎn)子電壓，在系統(tǒng)的狀態(tài)空間標(biāo)記法(7)中，不是所有的對(duì)角線外 元素均能從動(dòng)態(tài)矩陣Mi中移除。然而，在補(bǔ)償裝置能被添加之前，發(fā)電機(jī)模型必須被擴(kuò)展到包括這樣
的測(cè)量點(diǎn)其中，如圖6所示，補(bǔ)償中使用的實(shí)際電流和電壓是可用的。 對(duì)于發(fā)電積^莫型的這種擴(kuò)展，必須考慮兩件事。
首先，發(fā)電機(jī)繞組可以以星形構(gòu)造或A形構(gòu)造連接。構(gòu)造的選擇以因 子V^影響電壓。因此，如果發(fā)電機(jī)以星形構(gòu)造連接，在圖6中標(biāo)記為"YA" 的縮放因子17具有值1，如果發(fā)電機(jī)以A形構(gòu)造連接，其具有值^。
第二，如前面提到的，發(fā)電機(jī)公式U于定子電壓固定參照系的。因 此，由于轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓實(shí)際上在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)測(cè)量，必須在擴(kuò)展 的發(fā)電才;i^莫型中實(shí)施表示從定子到轉(zhuǎn)子電壓的變換因子的、標(biāo)記為"Ratio" 的縮放因子18，也如圖6所示。
在擴(kuò)H電初4莫型位于適當(dāng)?shù)胤降那闆r下，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，提 供將被加到轉(zhuǎn)子電壓基準(zhǔn)的控制輸出信號(hào)的補(bǔ)償裝置可被添加到模型，如 圖7所示?，F(xiàn)在，對(duì)于補(bǔ)償后的系統(tǒng)的結(jié)果得到的狀態(tài)空間方程看起來像 下面那樣(注意，表示總體補(bǔ)償裝置19的矩陣G而不是內(nèi)部補(bǔ)償矩陣Gx 20被用在方程中)
<formula>formula see original document page 13</formula>
其等于:<formula>formula see original document page 14</formula><formula>formula see original document page 15</formula>
取決于補(bǔ)償裝置所需要的效果，補(bǔ)償裝置矩陣G 19可以以多種方式選擇。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，矩陣G19以這樣的方式選擇同時(shí)消除電氣轉(zhuǎn) 子速度在補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)果得到的動(dòng)態(tài)矩陣中的各出現(xiàn)，并有效地將電流解 耦合為d和q分量。為此目的，G19祐:i殳置為<formula>formula see original document page 15</formula>
在G 19的這種選擇的情況下，我們得到下面的矩陣乘積Br.G.Sc:
<formula>formula see original document page 15</formula>
當(dāng)其被從Mi中減去時(shí)，給出了系統(tǒng)的下面的動(dòng)態(tài)矩陣:
<formula>formula see original document page 15</formula>
因此，使用依賴于電氣轉(zhuǎn)子速度c^的補(bǔ)償裝置矩陣G 19，可以得到 不依賴于—的、結(jié)果得到的動(dòng)態(tài)矩陣A=MrBr*G-Sc。
c^的不依賴性意味著，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度改變時(shí)，系統(tǒng)方程的極點(diǎn)和零點(diǎn)不再移動(dòng)，并可進(jìn)行專門的工作來對(duì)由于這些極點(diǎn)和零點(diǎn)引起的可能的振蕩 和不穩(wěn)定進(jìn)行阻尼，因?yàn)樗鼈兊奈恢矛F(xiàn)在是熟知的。
圖8示出了在補(bǔ)償裝置矩陣G 19的上面提到的定義下系統(tǒng)的極點(diǎn)x和 零點(diǎn)O的位置21。接近{-25， 0}的左邊的點(diǎn)21包含一個(gè)零點(diǎn)O和兩個(gè)極 點(diǎn)x，而接近穩(wěn)定性限制22的兩個(gè)復(fù)共軛點(diǎn)21各自包含一個(gè)零點(diǎn)O和一 個(gè)極點(diǎn)x。
接近穩(wěn)定性限制的上面提到的極點(diǎn)和零點(diǎn)可容易地成為振蕩的原因。 因此，本發(fā)明也包含專門用于對(duì)這種類型的振蕩進(jìn)行阻尼的阻尼裝置。
在本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)中，阻尼裝置包含導(dǎo)前濾波器23，其位于系統(tǒng)的 補(bǔ)償裝置環(huán)中，如圖9所示。
導(dǎo)前濾波器23的Bode圖在圖10中示出，其具有下面的傳遞函數(shù)， 其中LF為濾波器的導(dǎo)前因子(lead factor):<formula>formula see original document page 16</formula> (18)
如果LF被i殳置為值2,上面的傳遞函數(shù)在電網(wǎng)頻率處給出了大約35 °的相位超前。高頻增益為1， DC增益為A。 一般構(gòu)思為，導(dǎo)前濾波器
23應(yīng)當(dāng)在高頻下沒有影響，且轉(zhuǎn)子控制環(huán)快到足夠補(bǔ)償?shù)皖l下的較低增 益。
導(dǎo)前濾波器23的作用在圖lla和llb中示出。其示出了分別在具有和 不具有補(bǔ)償導(dǎo)前濾波器23的系統(tǒng)中q軸26和d軸27轉(zhuǎn)子電壓對(duì)100A脈 沖的階躍響應(yīng)。
實(shí)際上，導(dǎo)前濾波器常常包含分別作用在d以及q分量上的兩個(gè)獨(dú)立 的濾波器。
參考標(biāo)號(hào)列表
在附圖中，參考標(biāo)號(hào)和符號(hào)表示 1.風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2. 風(fēng)力渦輪才幾塔架
3. 風(fēng)力渦輪才A4M^r
4. 低速軸
5. 風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片
6. 傳動(dòng)系
7. 齒輪
8. 斷開系統(tǒng)
9. 發(fā)電機(jī)
10. AC-AC轉(zhuǎn)換器
11. 定子
12. 轉(zhuǎn)子
13. 滑環(huán)
14. 電網(wǎng)變壓器
15. 電網(wǎng)
16. 轉(zhuǎn)子電流控制器
17. 星形配置/A形配置的縮放因子
18. 定子與轉(zhuǎn)子電壓之間的變換因子
19. 補(bǔ)償裝置矩陣
20. 內(nèi)部補(bǔ)償矩陣
21. 系統(tǒng)方程的極點(diǎn)和零點(diǎn)
22. 穩(wěn)定性限制
23. 導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器
24. 導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器傳遞函數(shù)的量級(jí)圖
25. 導(dǎo)前補(bǔ)償濾波器傳遞函數(shù)的相位圖
26. 轉(zhuǎn)子電壓的階躍響應(yīng)-q分量
27. 轉(zhuǎn)子電壓的階躍響應(yīng)-d分量
us定子電壓is定子電流 Rs定子電阻 Lsl定子漏電感 ur轉(zhuǎn)子電壓 ir轉(zhuǎn)子電流 轉(zhuǎn)子電阻 LSf轉(zhuǎn)子漏電感 Lsr磁化電感
a、 b、 c平衡三相參照系中的分量
on 平衡兩相正交靜止參照系的分量
d、 q平衡兩相正交旋轉(zhuǎn)參照系的分量
7靜止與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間的旋轉(zhuǎn)角度
(0旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與靜止系統(tǒng)相比的旋轉(zhuǎn)速度
uqs定子電壓-q分量
uds定子電壓-d分量
uqr轉(zhuǎn)子電壓-q分量
udr轉(zhuǎn)子電壓-d分量
iqs定子電流-q分量
ids定子電流-d分量
iqr轉(zhuǎn)子電流-q分量
idr轉(zhuǎn)子電流-d分量
Uqs一sf 固定定子電壓參照系中的定子電壓-q分量 udssf固定定子電壓參照系中的定子電壓-d分量
Uqr—sf
固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子電壓-q分量 udr—sf固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子電壓-d分量 iqs_sf固定定子電壓參照系中的定子電流-q分量 idssf固定定子電壓參照系中的定子電流-d分量iqr—sf 固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子電流-q分量
idr_sf固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子電流-d分量 iqrref轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)電5充-q分量 ldrref 轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)電流-d分量 iqrer,。r轉(zhuǎn)子誤差電流-q分量 idreir。r轉(zhuǎn)子誤差電i充-d分量
轉(zhuǎn)子電流控制器輸出電壓-q分量 udrref轉(zhuǎn)子電流控制器輸出電壓-d分量
Uqr—f轉(zhuǎn)子補(bǔ)4嘗電壓-q分量 Udr—f轉(zhuǎn)子補(bǔ)償電壓-d分量
Uqr一f一sf
固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子補(bǔ)償電壓-q分量
udr f sf 固定定子電壓參照系中的轉(zhuǎn)子補(bǔ)償電壓-d分量 x傳遞函數(shù)極點(diǎn)的位置
o傳遞函數(shù)零點(diǎn)的位置
權(quán)利要求
1.一種可變旋轉(zhuǎn)速度風(fēng)力渦輪機(jī)，其包含風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其包含一個(gè)或更多的葉片，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其被耦合到風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子電流控制器，其被布置為對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流進(jìn)行控制，補(bǔ)償裝置，其具有計(jì)算裝置，以及用于向補(bǔ)償裝置提供輸入的裝置，所述輸入至少表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度，其中，計(jì)算裝置被布置為依賴于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的所述瞬時(shí)角速度地計(jì)算瞬時(shí)補(bǔ)償控制輸出，并將補(bǔ)償控制輸出饋送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，計(jì)算裝置被布置為計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行中的所述補(bǔ)償控制輸出，以便至少部分地對(duì)發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子角速度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償，由此，使得結(jié)果得到的發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)實(shí)質(zhì)上不依賴于風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)子角速度變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，補(bǔ)償控制輸出凈^f口到來自轉(zhuǎn) 子電流控制器的輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，用于向補(bǔ)償裝置提供輸 入的裝置進(jìn)一步提供表示例如電流和電壓等電氣量的輸入。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述輸入包括轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述輸入包括定子電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中任意一項(xiàng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述輸入包括 轉(zhuǎn)子電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3-6中任意一項(xiàng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，補(bǔ)償裝置的傳 遞函數(shù)進(jìn)一步被設(shè)計(jì)，以便計(jì)算控制輸出，使得轉(zhuǎn)子電流被有效地解耦合 為兩個(gè)互相正交的分量，所述分量可由轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)質(zhì)上獨(dú)立地進(jìn)行 控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7中任意一項(xiàng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，補(bǔ)償裝置包含用于提供控制輸出振蕩阻尼的裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，用于提供振蕩阻尼的裝置包 含一個(gè)或更多的導(dǎo)前濾波器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，用于提供振蕩阻尼的 裝置被設(shè)計(jì)為以從電網(wǎng)頻率偏差小于5%的頻率提供阻尼。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8-10中任意一項(xiàng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，用于提供振 蕩阻尼的裝置可調(diào)諧到一個(gè)或更多的明確的頻率。
12. —種運(yùn)行可變旋轉(zhuǎn)速度風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有耦 合到風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，該方法包含以下步驟提供到補(bǔ)償裝置的輸入，所述輸入至少表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度， 布置補(bǔ)償裝置的計(jì)算裝置，以便在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行過程中依賴于發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子的所述瞬時(shí)角速度地計(jì)算瞬時(shí)補(bǔ)償控制輸出，從而至少部分地對(duì)發(fā) 電機(jī)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子角速度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償，因此使得結(jié)果得到化，以及將補(bǔ)償控制輸出饋送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其還包含這樣的步驟布置用于計(jì)算控 制輸出的計(jì)算裝置，使得轉(zhuǎn)子電流被有效地解耦合為兩個(gè)互相正交的分量， 所述分量可由轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)質(zhì)上獨(dú)立地進(jìn)行控制。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其還包含這樣的步驟布置補(bǔ)償 裝置，以便提供控制輸出的振蕩的阻尼。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所提供的振蕩阻尼可調(diào)諧到一個(gè) 或更多的明確的頻率。
全文摘要
公開了一種可變旋轉(zhuǎn)速度風(fēng)力渦輪機(jī)，其包含雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、用于控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)子電流控制器、具有計(jì)算裝置的補(bǔ)償裝置以及用于向補(bǔ)償裝置提供輸入的裝置，輸入至少表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度。計(jì)算裝置被布置為依賴于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的所述瞬時(shí)角速度地計(jì)算瞬時(shí)補(bǔ)償控制輸出，并將補(bǔ)償控制輸出饋送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行中的所述補(bǔ)償控制輸出，以便至少部分地對(duì)發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子角速度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償，由此，使得結(jié)果得到的發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)實(shí)質(zhì)上不依賴于風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子角速度的變化。
文檔編號(hào)F03D9/00GK101680428SQ200880014347
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
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