專利名稱：用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)置式永磁體(IPM)發(fā)電機(jī)的功率效率是轉(zhuǎn)子和定子的幾何形狀的函數(shù)，并且最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)的一般規(guī)則對(duì)于每個(gè)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)不一定是最優(yōu)的。所導(dǎo)致的較低發(fā)電機(jī)效率可能嚴(yán)重影響功率曲線并且可能不利地影響能量成本(CoE)。較高的發(fā)電機(jī)損耗經(jīng)常導(dǎo)致對(duì)應(yīng)給定功率水平的較高電流需求，并且不利地影響變換器損耗。為了按照規(guī)范來(lái)保持發(fā)電機(jī)變換器系統(tǒng)的溫度，這導(dǎo)致了較高的冷卻功率，該較高的冷卻功率增加總體損耗。因此，期望用于減小在機(jī)電發(fā)電機(jī)中的功率損耗的改進(jìn)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法，該方法包括基于電磁功率基準(zhǔn)來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，該電磁功率基準(zhǔn)表示機(jī)電發(fā)電機(jī)的期望輸出；確定換算因數(shù)，該換算因數(shù)用于調(diào)整機(jī)電發(fā)電機(jī)的氣隙磁化水平以減小在操作機(jī)電發(fā)電機(jī)時(shí)的損耗；利用該換算因數(shù)來(lái)修改磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)；以及至少基于所修改的磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)來(lái)操作機(jī)電發(fā)電機(jī)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，利用換算因數(shù)來(lái)線性換算磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)是磁化通量基準(zhǔn)和磁化電流基準(zhǔn)中的任意一個(gè)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，確定換算因數(shù)以減小發(fā)電機(jī)銅損與發(fā)電機(jī)鐵損之和。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，確定換算因數(shù)以使發(fā)電機(jī)損耗最小化。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法還包括基于默認(rèn)的功率損耗最優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，該默認(rèn)的功率損耗最優(yōu)化準(zhǔn)則給出了機(jī)電發(fā)電機(jī)的退磁電流與場(chǎng)功率電流的比例。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)發(fā)電機(jī)銅損最小化準(zhǔn)則來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)的初始值(或者用于磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)的初始值)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該換算因數(shù)被確定為來(lái)自多個(gè)換算因數(shù)、在該多個(gè)換算因數(shù)的換算因數(shù)之中所確定的最小功率損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，確定換算因數(shù)，以便在利用換算因數(shù)換算后的磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)給出的退磁水平下運(yùn)行發(fā)電機(jī)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過修改由銅損最小化準(zhǔn)則給出的磁化電流與場(chǎng)功率電流的默認(rèn)比例來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)的換算，該銅損最小化準(zhǔn)則確定發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(例如，發(fā)電機(jī)的初始運(yùn)行狀況)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，確定換算因數(shù)和/或良好地調(diào)整換算因數(shù)以提升發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的效率包括將來(lái)自多個(gè)換算因數(shù)的換算因數(shù)確定為在該多個(gè)換算因數(shù)的換算因數(shù)之中所確定的最小功率損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)，并且包括以從最低換算因數(shù)到最高換算因數(shù)的次序來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)該換算因數(shù)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的溫度，其中當(dāng)換算因數(shù)的發(fā)電機(jī)溫度被測(cè)量為比針對(duì)之前的換算因數(shù)所測(cè)量的功率損耗更高的時(shí)候，停止該確定過程，并且將之前的換算因數(shù)確定為在換算因數(shù)之中所確定的最小發(fā)電機(jī)功率損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該多個(gè)換算因數(shù)在預(yù)先確定的換算因數(shù)區(qū)間之內(nèi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該多個(gè)換算因數(shù)中的最低換算因數(shù)被設(shè)定為小于I (unity)(例如略微小于I)，以便將發(fā)電機(jī)參數(shù)變化考慮在內(nèi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)指定了預(yù)先確定的初始退磁水平。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)指定了預(yù)先確定的初始退磁定子通量或預(yù)先確定的初始退磁電流。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該發(fā)電機(jī)是內(nèi)置式永磁體發(fā)電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了根據(jù)用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法和/或用于確定機(jī)電發(fā)電機(jī)的操作的退磁水平的方法的系統(tǒng)。在如上所述的用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法的上下文中描述的實(shí)施例對(duì)于用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)以及用于確定機(jī)電發(fā)電機(jī)的操作的退磁水平的方法類似地有效，并且反之亦然。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了包括如上所述的用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)。


在附圖中，類似的附圖標(biāo)記通常涉及不同視圖中的相同部分。附圖不一定是按照比例的，相反重點(diǎn)通常在于舉例說明本發(fā)明的原理。在下列描述中，基準(zhǔn)以下附圖來(lái)描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，其中圖I示出了風(fēng)力渦輪機(jī)的通常結(jié)構(gòu)；圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)的示例；圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的機(jī)電發(fā)電機(jī)的等效電路模型；圖4示出了根據(jù)實(shí)施例的流程圖；圖5示出了包括根據(jù)實(shí)施例的定子通量反饋控制系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)；圖6示出了根據(jù)實(shí)施例的包括定子電流反饋控制系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)；圖7示出了根據(jù)實(shí)施例的流程圖；圖8示出了電流軌跡圖。
具體實(shí)施例方式下列詳細(xì)說明基準(zhǔn)了附圖，所述附圖通過舉例說明的方式示出其中可以實(shí)踐本發(fā)明的特定細(xì)節(jié)和實(shí)施例。對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行足夠詳細(xì)的描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。在不超出本發(fā)明的范圍的情況下，可以采用其他實(shí)施例并且可以做出結(jié)構(gòu)上的變化、邏輯上的變化和電氣變化。各個(gè)實(shí)施例不一定是相互排斥的，因?yàn)橐恍?shí)施例可以與一個(gè)或多個(gè)其他實(shí)施例進(jìn)行組合來(lái)形成新的實(shí)施例。PCT申請(qǐng)PCT/SG2010/000338描述了一種控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的方法，其中對(duì)表示風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁功率的電磁功率基準(zhǔn)進(jìn)行確定，其中基于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的期望輸出來(lái)確定該電磁功率基準(zhǔn)。該申請(qǐng)的內(nèi)容在此通過引用的方式全部并入本文。
圖I示出了風(fēng)力渦輪機(jī)100的通常結(jié)構(gòu)，該風(fēng)力渦輪機(jī)100可以使用如下文描述的本發(fā)明的方法/系統(tǒng)。風(fēng)力渦輪機(jī)100被安裝在基座1002上，風(fēng)力渦輪機(jī)100包括具有若干塔段的塔1004。風(fēng)力渦輪機(jī)艙(nacelle) 1006被放置在塔1004的頂部。風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子包括葉轂1008以及至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片1010 (例如3個(gè)轉(zhuǎn)子葉片1010)。該轉(zhuǎn)子葉片 1010連接到葉轂1008，該葉轂1008又經(jīng)由低速軸連接到機(jī)艙1006，該低速軸從機(jī)艙1006 的前面延伸出來(lái)。圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)200的示例。軸10將來(lái)自能源(例如圖I中示出的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片1010)的機(jī)械能傳遞給變速發(fā)電機(jī)11的轉(zhuǎn)子。軸10連接到該至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片11，并且例如經(jīng)由齒輪箱連接到該轉(zhuǎn)子以便將軸10的轉(zhuǎn)速(即，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的速度)調(diào)節(jié)到適合發(fā)電機(jī)11的速度范圍。發(fā)電機(jī)11將經(jīng)由軸10提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并且在一組定子端子12a、12b、12c 處傳送電能。在該示例中，發(fā)電機(jī)11為內(nèi)置式永磁體(IPM)發(fā)電機(jī)。軸10的轉(zhuǎn)速依據(jù)風(fēng)速而變化。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)11的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與軸10的轉(zhuǎn)速成比例，所以由發(fā)電機(jī)11在定子端子12a、12b、12c處提供的電壓信號(hào)的振幅及頻率根據(jù)軸10的轉(zhuǎn)速進(jìn)行變化。發(fā)電機(jī)11的端子12a、12b、12c連接到發(fā)電機(jī)側(cè)的功率變換器13。該變換器13例如包括一組開關(guān)，該開關(guān)例如具有MOSFET、GT0, IGBT或BJT的形式。變換器13在正常操作下作為將發(fā)電機(jī)11提供的變頻AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓的有源整流器?？梢允褂妹}寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)控制該轉(zhuǎn)換，其中將控制信號(hào)應(yīng)用到變換器13 的開關(guān)以便提供所期望的轉(zhuǎn)換功能。在一個(gè)實(shí)施例中，通過應(yīng)用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制該開關(guān)。對(duì)于給定的運(yùn)行速度(即，給定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)，電磁功率取決于定子通量矢量或定子電流矢量的量值以及其相對(duì)于轉(zhuǎn)子通量矢量的位置。如果已知轉(zhuǎn)子通量矢量或定子通量矢量的位置，則可以將電壓應(yīng)用于對(duì)定子通量矢量或定子電流矢量進(jìn)行安置的定子，以便在給定轉(zhuǎn)速下給出功率的期望量值。因此，通過控制定子通量矢量或定子電流矢量，可以根據(jù)期望獲得電磁功率，該電磁功率對(duì)應(yīng)于向負(fù)載供應(yīng)的功率。例如可以通過對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)的功率變換器13的適當(dāng)控制來(lái)控制定子通量矢量或轉(zhuǎn)子電流矢量。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)200包括定子通量控制器或定子電流控制器 20，定子通量控制器或定子電流控制器20控制發(fā)電機(jī)側(cè)的功率變換器13以使發(fā)電機(jī)11向電網(wǎng)18供應(yīng)的電力具有期望的量值。在一個(gè)實(shí)施例中，定子流量控制器或定子電流控制器 20需要關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息(例如轉(zhuǎn)子的相角θπ)和/或關(guān)于轉(zhuǎn)子的角速度(^的信息。變換器13的輸出連接到DC鏈路14，該DC鏈路14包括用于減小在DC鏈路上的電壓紋波的鏈路電容器。DC鏈路14連接到電網(wǎng)側(cè)的功率變換器15。電網(wǎng)側(cè)的功率變換器15的拓?fù)淇梢灶愃朴诎l(fā)電機(jī)側(cè)的功率變換器13。電網(wǎng)側(cè)的功率變換器15例如一般作為用于將DC鏈路 14上的DC電壓轉(zhuǎn)換為用于向電網(wǎng)18供應(yīng)有功功率和無(wú)功功率的穩(wěn)壓AC電壓的逆變器?？梢酝ㄟ^電感器16a、16b和16c對(duì)電網(wǎng)側(cè)的功率變換器15的輸出進(jìn)行濾波，以便例如從輸出功率信號(hào)中去除高次諧波。如果需要，可以通過諧波濾波器17來(lái)對(duì)該輸出功率信號(hào)進(jìn)行濾波，以便將干擾或諧波失真保持在低值。然后經(jīng)由變壓器19向電網(wǎng)18提供輸出功率信號(hào)。
對(duì)于在兆瓦級(jí)別的風(fēng)力渦輪機(jī)中的應(yīng)用，內(nèi)置式永磁體(IPM)發(fā)電機(jī)11可以被設(shè)計(jì)為針對(duì)較少重量和較小體積進(jìn)行最優(yōu)化。所得到的發(fā)電機(jī)11的鐵損因此通常與發(fā)電機(jī) 11的銅損處于相同量級(jí)。當(dāng)應(yīng)用最小銅損(MCL)規(guī)則以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)總損耗可能被極大地增加，這可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱問題。發(fā)電機(jī)11的銅損取決于發(fā)電機(jī)磁路設(shè)計(jì)、發(fā)電機(jī)速度、PWM切換方式以及通量/電流矢量分布。對(duì)于給定的轉(zhuǎn)速水平和給定的輸出功率水平，通常有利的是發(fā)電機(jī)11運(yùn)行在最優(yōu)化后的定子通量/電流分布軌跡上，以使鐵損和銅損的總損耗最小化。IPM發(fā)電機(jī)的鐵損包括磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗。假定正弦磁場(chǎng)分布并且忽略趨膚效應(yīng)，IPM發(fā)電機(jī)的每單位鐵損可以表示為
權(quán)利要求
1.一種用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法，包括基于電磁功率基準(zhǔn)來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，所述電磁功率基準(zhǔn)表不所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的期望輸出，確定換算因數(shù)，所述換算因數(shù)用于調(diào)整所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的氣隙磁化水平以減小在操作所述機(jī)電發(fā)電機(jī)時(shí)的損耗，利用所述換算因數(shù)來(lái)修改所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)；以及至少基于所修改的磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)來(lái)操作所述機(jī)電發(fā)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，利用所述換算因數(shù)來(lái)線性換算所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)是磁化通量基準(zhǔn)和磁化電流基準(zhǔn)中的任意一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，確定所述換算因數(shù)以減小發(fā)電機(jī)銅損與發(fā)電機(jī)鐵損之和。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，確定所述換算因數(shù)以使發(fā)電機(jī)損耗最小化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，還包括基于默認(rèn)的功率損耗最優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，所述默認(rèn)的功率損耗最優(yōu)化準(zhǔn)則給出了所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的退磁電流與場(chǎng)功率電流的比例。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，根據(jù)發(fā)電機(jī)銅損最小化準(zhǔn)則來(lái)確定所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述換算因數(shù)被確定為多個(gè)換算因數(shù)中的、 在所述多個(gè)換算因數(shù)之中所確定的最小發(fā)電機(jī)損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，確定所述換算因數(shù)，使得所述發(fā)電機(jī)在利用所述換算因數(shù)換算的所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)給出的退磁水平下操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或9所述的方法，其中，通過修改由所述銅損最小化準(zhǔn)則給出的磁化電流與場(chǎng)功率電流的默認(rèn)比例來(lái)確定所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)的換算，所述銅損最小化準(zhǔn)則確定所述發(fā)電機(jī)的初始運(yùn)行狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2或9所述的方法，其中，確定所述換算因數(shù)和/或精細(xì)地調(diào)整所述換算因數(shù)以提升發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的效率包括從多個(gè)換算因數(shù)中將所述換算因數(shù)確定為在所述多個(gè)換算因數(shù)之中所確定的最小功率損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)，并且包括以從最低換算因數(shù)到最高換算因數(shù)的次序來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)所述換算因數(shù)的發(fā)電機(jī)溫度，其中當(dāng)換算因數(shù)的發(fā)電機(jī)溫度被測(cè)量為比針對(duì)之前的換算因數(shù)所測(cè)量的發(fā)電機(jī)溫度高的時(shí)候，停止該確定過程，并且將所述之前的換算因數(shù)確定為在該換算因數(shù)之中所確定的最小功率損耗所對(duì)應(yīng)的換算因數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2或9所述的方法，其中，所述多個(gè)換算因數(shù)在預(yù)先確定的換算因數(shù)區(qū)間之內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2或9所述的方法，其中，所述多個(gè)換算因數(shù)中的最低換算因數(shù)被設(shè)定為小于1，以便將發(fā)電機(jī)參數(shù)變化考慮在內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、2或9所述的方法，其中，所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)指定了預(yù)先確定的初始退磁水平。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)指定了預(yù)先確定的初始退磁定子通量或預(yù)先確定的初始退磁電流。
16.—種用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的系統(tǒng),包括確定電路，所述確定電路被配置為基于電磁功率基準(zhǔn)來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，所述電磁功率基準(zhǔn)表示所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的期望輸出，所述確定電路還被配置為確定換算因數(shù)，所述換算因數(shù)用于調(diào)整所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的氣隙磁化水平以減小在操作所述機(jī)電發(fā)電機(jī)時(shí)的損耗，修改器，所述修改器被配置為利用所述換算因數(shù)來(lái)修改所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)；以及控制器，所述控制器至少基于所修改的磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)來(lái)操作所述機(jī)電發(fā)電機(jī)。
17.—種包括根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于操作機(jī)電發(fā)電機(jī)的方法，所述方法包括基于電磁功率基準(zhǔn)來(lái)確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)，所述電磁功率基準(zhǔn)表示所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的期望輸出；確定換算因數(shù)，所述換算因數(shù)用于調(diào)整所述機(jī)電發(fā)電機(jī)的氣隙磁化水平以減小在操作機(jī)電發(fā)電機(jī)時(shí)的損耗；利用所述換算因數(shù)來(lái)修改所述磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)；以及至少基于所修改的磁場(chǎng)基準(zhǔn)參數(shù)來(lái)操作所述機(jī)電發(fā)電機(jī)。
文檔編號(hào)H02P21/12GK102611379SQ20121001668
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者A·特里帕蒂, R·B·D-O·穆罕默德阿里夫, S·安德森, V·多內(nèi)斯庫(kù), 曹淑鈺 申請(qǐng)人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司