集成扭转模式减振系统和方法

专利名称：集成扭转模式减振系统和方法
技术领域：
本发明一^L涉及减少扭转振动(torsional vibration )。
背景技术：
包括涡轮发电机、电动机或压缩机的原动机和负载的轴系(string)中的 轴组件(shaft assembly)有时会表现出其频率也能够降低到网络同步频率以 下的弱阻尼机械共振(扭转模式)。如果电网在轴系统的一个或多个自然频率 处与发电机交换相当数量的能量，则随着时间的推移会发生机械损伤。针对 扭转共振现象的传统对策包括努力通过例如改变网络、操作或控制参数来消除共振激励源。当电力系统连接到具有数十亿瓦特发电功率的大型动力网络(utility network )日寸，该电力系统上的电负载仅仅具有可忽略的影响。相反，孤岛电 力系统没有到大型动力网络的连接，并且近似孤岛的电力系统仅仅具有到动 力网络的弱连接(例如借助于具有相对较高阻抗的长传输线)。在航海业(例 如大型船只的船载电力系统)、孤立的岸上装置(例如风力涡轮系统)和油气 行业中，普遍使用孤岛和近似孤岛的电力系统。在这些电力系统中，负载一 般与网络密切相关(从而负载能够潜在地影响网络)。随着这些系统中电动机 和驱动的额定值的增加，机械和电动力的联系日益增加，因此通过传统的应 对技术很难避免电动机或发电机驱动机组中的扭转振荡。在C. Sihler的 "Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424 — 1430 ( 2004 )(通过由晶闸管控制的设备抑制转子轴 系统中的扭转振动，IEEE第35届电力电子专家会议，第1424 - 1430页 (2004 ))中描述了一种用于抑制同步发电机中的扭转振动的方法。该方法包 括借助于包括六脉冲桥电路的附加晶闸管转换器(thyristor converter)电路施 加与被测扭转速度反相的扭矩。这一方法最适合用于安装有分离的电网换相 寿争才灸器系统(line commutated converter system)在冲支术上和经济上都可4亍的 实施例。大型电力驱动系统大多普遍包括负载换相逆变器(load commuted inverter, LCI)。在石油平台的特定例子中， 一般多个气涡轮发电机馈电给多 个电动机负载(通过LCI驱动)以及诸如动力钻(power driU )和电泵的设备。 期望能够增加电力系统的可靠性和鲁棒性，同时无需安装用于减少扭转振动 的附加晶闸管转换器系统。在近海和船载电力系统中，可用空间非常有限， 并且安装分离的高电压电路断路器、变压器、转换器模块和能量存储元件以 用于主动减振并非总是可行的。尽管LCI一般基于必须进行电网换相的晶闸管，但对于具有高标称功率 的大型驱动来说，它们仍是优选技术，特别是在要求高可靠性时更是如此。 在油气工业的特定例子中，具有54兆伏安标称功率的LCI被用来运转48兆 瓦压缩机驱动机组。电动机是以可变速度运转的同步机器。空气隙扭矩包含 能够导致压缩机驱动机组中的扭转振动的间谐波(inter-harmonics )和LCI谐 波。该机器具有两个相互相移30度的三相定子绕阻(stator winding),以便 减少总的空气隙扭矩波动(torque ripple )。在两个电动才几三相系统中安装两个 分离的晶闸管转换器将带来可观的经济和技术挑战。同步机器提供压控三相 系统，其直接连接到大型晶闸管桥，从而使得在以标称功率运行时，这些三 相系统中的电压高度畸变。这些三相系统不适于连接附加的电网换相转换器 系统。期望基于现有LCI驱动系统的扭转模式减振可用于这些应用。发明内容简单来说，根据本发明的一个实施例，提供一种集成的扭转模式减振系 统，用于调节包括输电线路网(grid)整流器和负载逆变器的负载换相逆变器 系统的DC线路中的电流。所述系统包括传感器，被配置为用于感测表示 负载侧轴上的扭矩的信号；以及逆变器控制器，被配置为用于使用所感测到 的信号来检测负载侧轴上的扭转振动的存在，并生成逆变器控制信号，以便 通过调节经由所述负载逆变器的有功功率来減少所述扭转振动。根据本发明的相关方法实施例，所述方法包括感测表示负载侧轴上的 扭矩的信号；使用所感测的信号检测负载侧轴上扭转振动的存在；并通过调 节经由所述负载逆变器的有功功率来减少所述扭转振动。根据本发明的另 一个实施例，提供一种用于电流源转换器的集成的扭转 模式减振系统，该电流源转换器包括整流器、逆变器和耦合在该整流器和逆变器之间的DC线路电感器。所述系统包括传感器，被配置成用于感测表 示耦合到所述逆变器或整流器的轴上的扭矩的信号；以及控制器，被配置成存在，并且用于生成控制信号，以便通过调节经由相应逆变器或整流器的有 功功率来减少所述扭转振动。根据本发明的相关方法实施例，所述方法包括感测表示耦合到所述逆 变器或整流器的轴上的扭矩的信号；使用所感测的信号来检测对应于所述轴 的自然频率的轴上的扭转振动的存在；通过调节经由相应逆变器或整流器的 有功功率来减少所述扭转振动。根据本发明的另一个实施例，提供一种集成的扭转模式減振系统，用于 调节包括输电线路网整流器和负载逆变器的负载换相逆变器系统的DC线路 中的电流，该系统包括传感器，被配置成用于感测表示输电线路网侧轴上 的扭矩的信号；以及整流器控制器，被配置成用于使用所感测的信号来检测 所述输电线路网侧轴上的扭转振动的存在，并生成整流器控制信号，该信号根据本发明的相关方法实施例，所述方法包括感测表示输电线路网侧 轴上的扭矩的信号；使用所感测到的信号来检测所述输电线路网侧轴上的扭 转振动的存在；并通过调节经由所述输电线路网整流器的有功功率来减少所 述扭转振动。


当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优 点将被更好地理解。在所有附图中，相似的符号表示相似的部分。附图中图1是根据本发明一个实施例的用于减少扭转振动的系统的框图。图2是根据另一个实施例的减振系统的框图。图3是集成的扭转模式减振控制系统实施例的框图。图4是图示4艮据图2和图3的实施例的一方面，响应于感应逆变器延迟 角的DC线路电流、扭矩和有功功率的仿真变化的示图。图5是图示根据图2和图3的实施例的另一方面，响应于感应逆变器延 迟角的DC线路电流、扭矩和有功功率的仿真变化的示图。
图6是根据另一个实施例的减振系统的框图。图7是图6的实施例的几个方面的详细示图。图8是图示作为使用图7的实施例的预期结果，在输电线路网中和在电 动机中的仿真有功功率曲线的示图。图9是根据另一个实施例的减振系统的框图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的用于减少扭转振动的系统10的框图。 尽管参照图2-8描述的例子主要涉及具有负载换相逆变器系统的输电线路 网和负载实施例，但该原理也适用于包括整流器16、逆变器18、以及耦合在 整流器16和逆变器18之间的DC线路电感器13的任何电流源转换器66的 实施例。典型地，整流器16和逆变器18包括晶闸管型转换器。不管是在整流器侧(由轴52表示)对轴进行感测，还是在逆变器侧(一 般来说由轴20表示，更具体地说由轴部分48和50表示)对轴进行感测，都 可应用这些实施例。在一个实施例中，减振方法包括使用传感器22或30 (意 思是至少一个)来感测信号，该信号代表耦合到逆变器18 (—般在负载侧) 或整流器16 (—般在输电线路网侧)的轴上的扭矩(在这个上下文中，"或" 的意思是指两者或其中的任何一个)，使用所感测的信号来检测在该轴上是否 存在扭转振动，并通过调节经由相应逆变器或整流器的有功功率来减少扭转 振动。在轴的上下文中，"耦合"可以包括诸如经由电动机40或发电机34的 电耦合，或者诸如经由耦合到例如电动机的压缩机42的更加间接的耦合。这 里所使用的"控制器"或"控制"旨在包括任何用以完成指定控制功能的适 当的模拟、数字、或模拟和数字组合的电路或处理单元。当在输电线路网侧提供调节时，使用控制器29进行整流器调节控制，而 当在负载侧提供调节时，使用控制器28来进行逆变器调节控制。如下面所讨 论的，当调节发生在一侧、而不发生在另一侧时，可以在将逆变器或整流器 中的另 一个维持在基本恒定的功率的同时，进行通过调节有功功率减少扭转 振动，并且典型地，在感测到的信号指示轴的自然频率时检测到扭转振动的 存在。典型地，发电机34耦合到输电线路网或母线(busbar)(示为输电线路 网32),而输电线路网或母线则通过变压器38耦合到整流器16。在一个例子中，输电线路网整流器16包括固定频率整流器，负载逆变器 18包括变频逆变器，并且电动机40包括变速三相同步电动机。图2示出了用于调节负载换相逆变器(LCI)系统14的DC线路12中的 电流的集成扭转模式减振系统10,该LCI系统14包括输电线路网整流器16 和负载逆变器18。系统10用于便利下述方法，该方法包括感测代表负载侧 轴20上的扭矩的信号，使用所感测的信号来检测负载侧轴20上的扭转振动 (指至少一个扭转振动)的存在，并且通过调节经由负载逆变器18的有功功 率来减少扭转振动。尽管出于示例的目的使用了术语发电机、整流器、逆变器和电动机，但 这些部件可被配置为工作在任何可用模式下。例如，在一些实施例中，电动 机40可以用作发电机，逆变器18可以用作整流器，而整流器14则用作逆变 器。在一个实施例中，代表扭矩的感测信号通过扭矩传感器22来获得，而其 它实施例也可以使用代表扭矩或可以用来确定扭矩的间接传感器(诸如速度 传感器)。在扭矩传感器的实施例中，选择了能够以足够的精确度测量指定组 件中的扭转振动的扭矩传感器22。例如，对于大直径驱动机组实施例来说， 由于刚性轴的高硬度，沿轴的扭转角通常非常小(几百分之一到几十分之一 度)，但导致的扭转应力很高。这种轴的小扭转角和高旋转速度使得如果应用 诸如速度传感器的传统测量设备，则很难准确地测量扭转振动。例如，从 Fraunhofer Institute可获得一种非接触式传感器，其提供对不同位置的扭矩的 感应测量。或者，接触型扭矩传感器的一个例子是变形测量(stain gauge )传 感器。在一个实施例中，通过调节经由负载逆变器18的有功功率来减少扭转振 动在将输电线路网整流器16维持在基本恒定的功率的同时进行。基本恒定被 定义为小于偏离标称功率的正负大约百分之二，更具体地说，在一个实施例 中，基本恒定被定义为小于偏离标称功率的百分之一的一半。在一个方面， 将输电线路网整流器16维持在基本恒定的功率包括感测输电线路网整流器 16上的DC电流和DC电压，并控制输电线路网整流器的开关操作，以使其 维持恒定的DC电流和电压的乘积。下面相对于图8的仿真图讨论一种用于 维持恒定乘积的技术。当输电线路网整流器16被维持在基本恒定的功率时，存储在DC线路 12中的^1能是主动减振(active damping )的主要源，并且这种减振不会影响
LCI 14的输电线路网侧。或者，如果以与负载逆变器18相同的方式控制输电 线路网整流器16，则有功功率主要从输电线路网32提供。典型地，当感测到的信号指示负载侧轴的自然频率(意思是至少一个自 然频率)时检测到扭转振动的存在。更具体地说，在一个实施例中，减振包 括对感测信号进行带通滤波以检测自然频率的存在。出于示例的目的，图3 示出了被设置为检测两个自然频率的信号处理器47内的两个带通滤波器24 和26。或者，也可以使用单个带通滤波器或额外的带通滤波器。在一个实施例中，负载包括直接或通过齿轮盒46耦合到压缩机(意思是 至少一个压缩^/L,并且出于示例的目的，示出了两个压缩才几42和44)的电 动机40。扭矩传感器22可以位于负载的轴上的任何位置，并且在图1中出 于示例的目的，该扭矩传感器22被示为存在于电动机和齿轮盒之间的负载侧 轴的部分48上。例如如图2所示，扭矩传感器的另外的或附加的位置为齿轮 盒与压缩机之间的负载侧轴的部分50上。当沿着轴在不同位置存在不同的自 然频率，且很难用公共传感器来检测时，多个传感器实施例可能是有用的。 在图3的实施例中，使用带通滤波器24来检测对应于出现在部分48中的自 然模式的频率(负载的第一自然频率，并且是最关心的频率)，并且使用带通 滤波器26来检测对应于出现在部分50中的自然模式的频率(第二自然频率)。 位于图1和图2中所示的任意位置的扭矩传感器22将获得与其它位置相关的 信号(尽管弱于使用多扭矩传感器的直接测量实施例)。集成扭转模式减振(ITMD)控制系统IO确定哪个或哪些模式有效，并 相应地-没置比所测量的扭转振动相位滞后90的相移。在一个实施例中，通 过负载逆变器18调节有功功率包括调节负载逆变器18的逆变器延迟角(示 为(3角(p))。调节逆变器延迟角卩导致调节逆变器DC电压，而这又造成对 DC线路电流的调节，并导致负载输入功率的有功功率振荡。更具体地说，为 了获得扭转模式减振而仅仅调节逆变器延迟角导致减振功率主要来自存储在DC线路12中的磁能。典型地，这种调节以这样的方式执行，即，DC线路 仅需要用作用于机械减振动作的磁能的緩冲存储器。对逆变器延迟角的调节 导致旋转能量被转换成磁能(旋转轴的电磁减速)以及磁能被再次转换成旋 转能量(电动机轴系统的加速)。在一个特定的例子中，利用19 Hz频率对扭转模式进行主动减振包括以 大约52毫秒的周期时间执行减速和加速动作，这对于晶闸管转换器实施例来
说不存在问题，并且能够通过稳定状态仿真示出(该仿真显示，在一个应用 中，将逆变器延迟角调节小于或等于大约3度，足以主动减少扭转振荡)。如 果减振系统IO被设计为仅将逆变器延迟角调节较小的量，则可以选择具有到 主控制系统的明确定义的接口的设计，该设计能够容易地防止故障。典型地，使用正弦波调节。如图4所示，调节的频率对应于自然频率， 并且程度对应于扭转振荡的幅度。使用带通滤波器24和26 (图3 )，以便从 扭距测量中获得表示扭矩的振荡分量的信号。滤波器的数目等于将被主动减 振的扭转模式的数目。在带通滤波器的输出端的信号为正弦波，其具有一个 定义的频率，该频率对应于轴组件的一个主自然频率。每个带通滤波器使用 一个移相器53、 55,以将每个正弦波信号的相移调整为正确的值。如果需要， 可以使用可调延时模块来代替移相器。为了进行最佳减振，反馈具有90°相 移(滞后)的正弦波信号。如果由于系统时间常数以及反馈环中的相位滞后(这有时由测量或滤波引起)而造成不能实现90。的滞后相位角，则移相器 可以被设置为在扭矩(其与表示扭转位移的扭转角同相)与ITMD控制器所 造成的有功功率(或空气隙扭矩)之间造成360° +90°的总相位滞后。典型 地，当在低功率电平执行开环测试时，通过实验的方式确定包括所有系统时 间常数的ITMD反馈电路的总相位滞后。在ITMD反馈环的每个支路中提供 可调增益(例如由ITMD控制器54的放大器57和58提供)使得能够调整不 同扭转模式减振所涉及的有功功率(高增益导致高度的调节，而这又导致较 强的减振效果)。因此，通过使减振的程度可电子调整，这个反馈环具有与增 加的对扭转模式的自然减振相同的效果。LCr被设计为以最佳的功率因子(典型为大约0.9)从供电输电线路网向 电动机(或相反方向)传送有功功率。典型地，以最佳功率因子从输电线路 网向DC线路传送功率涉及低于大约25。的输电线路网整流器16的延迟角cc(cos(25°) = 0.91 )。同时，典型地，逆变器延迟(卩)角大于大约150°(cos(150°) =-0.87),从而使几乎所有有功功率都被传送到负载(最佳效率)。逆变器具 有由卩角的最大值所定义的稳定性限制(逆变限制或(3限制)，为了防止过冲(shoot-through),设计为不能超过该卩角的最大值。如果使逆变器工作在接 近于该逆变器的稳定性限制(例如，给定大约153°的(3角)，则会达到最高效 率。典型地，在利用LCI或逆变器的应用中，当逆变器工作在接近其稳定性 限制时的逆变器(3角调节代表了一种挑战，除非这些系统工作在最大功率或
效率以下。为了使得能够在标称负载应用ITMD而不导致稳定性问题，双向 调节的幅度将典型地限制在驱动系统制造商所规定的值。如图3所示，双向 限制(-n°<A/ <^)可以筒单地通过在ITMD反^t赍环的末端(在信号相加元 件59之后)安装限制器模块56来实现。在一个实施例中，逆变器(3角的双 向调节被单向调节所替代。这可以借助于上限或下限被设置为0 ( <△/ <() 或0<么/ <"° )的相同的限制器模块56来实现。在单向实施例中，由于A"被 限制为一个(这里"一个"的意思是-^ 〈A/ 〈0或0〈A"〈"。，但不同时包括 这两者)最大允许增加值或最大允许降低值(例如4度)，因此只有正弦波的 正半周期或负半周期通过这个模块。图2还示出了 LCI闭环控制器37，其接收参考信号、来自速度传感器 33的电动机速度信号、以及来自电流传感器27的电流信号，并且其生成整 流器延迟角oc,整流器栅极控制器23将该整流器延迟角a与从电压传感器 31获得的电压信号组合使用。该速度和电流值还被逆变器延迟角控制39用 以建立基线(3值，然后，该基线p值在相加元件45与A/H直合并，然后被逆 变器栅极控制单元25所使用。栅极控制单元25还接收来自电压传感器35的 输入信号。激励电流控制器43从电流传感器3 6和电压传感器3 5接收电流和 电压信号，并且还接收来自控制元件41的基于电动机速度的AC电压设置值 信号。ITMD控制实施例没有妨碍(或负面影响)传统的LCI控制系统，因 为逆变器延迟角仅仅被以小幅度调节(典型地为小于大约3° ),并且该LCI 的卩角控制功能是前向控制功能。典型地，LCI系统工作在系统设计限制，以便以最佳功率因子传送用于 驱动负载的标称有功功率。如上面所讨论的，在一个实施例中，在标称负载 的情况中使用单向调节。与调节向0度的上和下两个方向延伸的双向实施例 相比，在该单向实施例中，调节延迟角包括在0度到延迟角最大增加值(由 图4中的A/ 线表示)或延迟角最大降低值(由图5中的A/ 线表示)的范围中 调节延迟角。图4是示出根据包括p角单向增加的图2和图3的实施例的一个方面， 响应于感应的逆变器延迟角的DC线路电流、4丑矩和有功功率的仿真变化的 示图。最大增加值将取决于系统设计，但预计一般不超过大约5度。为了更 好的证明ITMD的减-fe效果，卩调节在时间=2.5 s时开始工作(例如，在扭转 振荡的幅度超过预定义的值之后)。(3角的单向调节导致在电动机和LCI DC
线路之间交换的有功功率的双向调节。这是单向卩角调节的有用特征，因为 其结果是无需偏离驱动系统(在两个方向都交换有功功率)的工作点，无需 超过DC线路中的最大允许电流，并且基本无需与输电线路网交换脉沖有功 功率(这可能破坏输电线路网规则或导致孤岛网络中的稳定性问题)，就能够 实现有效的主动减振。图5是示出根据包括单向降低卩角的图2和图3的实施例的另 一个方面， 响应于感应逆变器延迟角的DC线路电流、扭矩和有功功率的仿真变化示图。 在标称负载，LCI逆变器有时工作在接近于逆变器稳定性限制([3限制)的逆 变器延迟角P，从而使如图4所示的利用A" >0的调节产生超过卩限制的风 险。替代地，可以应用在O度到逆变器延迟角最大降低值(在图5中由A/ 线 表示)的范围内调节逆变器延迟角的单向卩调节。如果以小幅度(一般小于 大约3°)调节逆变器延迟角，则这样的单向调节将导致可接受的短时间过电 流。这种单向调节方法的优点在于，它可以在现有驱动系统工作在接近其稳 定性限制(卩限制)的情况下应用，而不必改变现有驱动系统的控制。 一般 来说，单向延迟角调节使得可以将扭转模式减振器集成到现有的驱动系统中， 而无需改变它们的控制系统。如果使用单向调节，则对于单向调节应当基于 增加转换器延迟角还是应当基于降低转换器延迟角的判决主要取决于现有驱 动系统的设计以及调节是应用于逆变器还是整流器。尽管与双向实施例相比，单向实施例导致较低效的减振，但是单向调节方法会减少转换器系统的潜在不稳定性、通信误差和由所观'J量的过电流所51 起的月尤扣信号(trip signal )。单向调节方法的减4展效4M皮认为对于大多数减振 应用来说都是足够的，因为将由具有低幅度(往往但并非总是小于大约标称 功率的百分之一)的谐波导致对扭转振动的激励。图6是根据本发明另一个实施例的减振系统的框图，其中减振发生在系 统的输电线路网侧；图7是图6的实施例的几个方面的更详细的示图。以与 以上参照图2-5所讨论的相似的方式，除了测量和调整在输电线路网侧进行 之外，减振方法包括感测表示输电线路网侧轴52上的扭矩的信号，使用感测 信号来检测输电线路网侧轴上的扭转振动的存在，并通过调节经由输电线路 网整流器16的有功功率来减少扭转振动。因此，DC线路12中的电流由输电线路网整流器16控制，该输电线路 网整流器16典型地包括晶闸管整流器。电动机控制主要由逆变器利用逆变器
延迟角来执行，该逆变器延迟角确定传送到电动机的有功功率，并使能闭环 控制功能，例如对电动机的速度或扭矩控制。为了使图7容易图示，没有示出这些闭环控制功能和其它控制功能(例如取决于实际电动机功率、基于DC 线路电流参考的修改的功率因子控制)。在对DC线路电感器中的电流进行调 节的过程中(通过控制整流器)，可以在输电线路网侧生成振荡有功功率。在 LCI电路14和发电机34之间的有功功率交换有效地減少由扭矩传感器30所 测量的扭转振动。典型地，LCI电路仅与发电机交换少量的有功功率，从而 使现有的LCI电路能够用于主动减振，而不会使系统过载。当发电机34的额定值大大超过电动机40的额定值时，或者当孤岛网络 中会发生过度的千扰时(例如当发电机也提供大脉冲负载时(图7中未示 出))，电力系统中的一个LCI可以被设计成用于提供比驱动连接到逆变器的 电动机实际需要的功率高(诸如大约百分之十)的功率。因此，即使在电动 机以标称负载工作时，也可以使用LCI标称功率的额外的百分之十来进行主 动减少或稳定发电机轴组件中的扭转振荡。动机的有功功率可以被保持在恒定值。图7图示了用于维持恒定功率的一种 控制安排。通过在逆变器侧测量DC电流(利用电流传感器68 )和DC电压 (利用电压传感器70)，以及通过有功功率控制器76应用控制规则以用于逆 变器指导这两个测量信号的乘积保持基本恒定(这不影响控制到达电动机的 有功功率的能力)，在输电线路网侧可以实现对有功功率的高度调节，而不会 在机械上影响该LCI所驱动的电动机。图8的仿真图证明了这一控制实施例 的能力。在调节LCI和输电线路网之间交换的高于3 MW的幅度的功率的同 时，逆变器与电动机交换恒定的有功功率。同时，逆变器有功功率参考可以 改变，例如从2.7MW到5.3MW。因此，保持乘积恒定的控制技术不会表现 出可能影响逆变器驱动系统的能力。图6和图7还示出了表示多发电机轴组件(出于示例的目的，通过发电 机34和134、轴52和152以及涡轮49和149图示)中的扭矩的信号如何能 够在ITMD控制系统的相加元件74处组合，以使得一个LCI电路能够提供对 发生在馈给电力系统的不同涡轮发电机中的扭转模式的主动减振。 一个或多 个整流器控制器29可以使用多个涡轮发电机轴上的多个传感器30和130来 提供用于创建期望的调节的信号。图7额外图示了用于将限制器56的输出信
号与DC电流参考相加的相加元件72和用于在将作为结果的信号发送到电流 控制器78之前从传感器68减去DC电流信号的相加元件145。此外，在一些 实施例中，如图6所示，可以存在附加的LCI耦合的电动机140和/或直接耦 合的电动机62。直接耦合的电动机对于向诸如例如冷却单元、动力钻和泵的 部件供电来说是有用的。出于示例的目的，图6还示出了耦合在发电机总线 和较低电压总线51之间的变压器138。此夕卜，以上参照图2 - 5讨论的实施例还可应用于图6和7的实施例，反 之亦然。例如，带通滤波器124和移相器153可被配置为执行与以上参照图 3的带通滤波器24和移相器53所描述的类似的功能。再例如，在一个实施 例中，逆变器控制器28被配置为通过调节经由逆变器18的有功功率来减少 电动机上的扭转振动，并且整流器控制器向整流器16提供控制信号(基于测 量的DC线路电流和整流器DC电压的乘积)，以用于将输入的有功功率维持 在基本恒定的电平。或者，如图6和7所示的调节整流器延迟角可以可选地 包括在零度到整流器延迟角最大增加或降低值的范围内进行调节。图9是根据电动船64实施例的减振系统的框图，其中，电动机40耦合 到桨60。尽管出于示例的目的减振系统被示为应用在输电线路网侧，但该减 振系统也可以应用在任意 一侧或者两侧。之前描述的本发明的实施例具有许多优点，包括通过集中针对测量的扭 矩来提供集成的扭转振动减少，以及无需检测振动的原因。尽管此处仅示出和描述的本发明的特定特征，但本领域技术人员将会想 到许多修改和变化。因此可以理解，所附权利要求书旨在含盖落在本发明真 正的精神之内的所有这些修改和变化。
权利要求
1、一种集成的扭转模式减振系统，用于调节包括输电线路网整流器和负载逆变器的负载换相逆变器系统的DC线路中的电流，所述集成的扭转模式减振系统包括传感器，被配置成用于感测表示负载侧轴上的扭矩的信号；以及逆变器控制器，被配置成用于使用所感测的信号来检测负载侧轴上扭转振动的存在，并生成逆变器控制信号，该信号用于通过调节经由所述负载逆变器的有功功率来减少所述扭转振动。
2、 如权利要求l所述的系统，还包括整流器控制器，其被配置成用于生 成整流器控制信号，该信号用于将输电线路网整流器维持在基本恒定的功率。
3、 如权利要求l所述的系统，其中，所述逆变器控制器被配置成在所述 感测到的信号指示所述负载侧轴的自然频率时，检测到所述扭转振动的存在。
4、 如权利要求3所述的系统，其中，所述逆变器控制器被配置成当检测 到所述自然频率时，调节所述负载逆变器的逆变器延迟角。
5、 如权利要求4所述的系统，其中，调节所述逆变器延迟角包括在零度 到逆变器延迟角最大增加值或逆变器延迟角最大减小值之一的范围内进行调节
6、 如权利要求l所迷的系统，其中，所述负载包括电动机。
7、 如权利要求6所述的系统，其中，所述负载还包括直接耦合到所述电 动机或通过齿l仑箱耦合到该电动才几的压缩才几。
8、 如权利要求7所述的系统，其中，所述传感器所位于的位置使得感测 发生在所述电动机和所述齿轮箱之间的负载侧轴的部分上。
9、 如权利要求7所述的系统，其中，所述传感器所位于的位置使得感测 发生在所述齿轮箱和所述压缩机之间的负载侧轴的部分上。
10、 如权利要求l所述的系统，其中，所述输电线路网整流器包括晶闸 管整流器。
11、 如权利要求l所述的系统，其中，所述负载逆变器包括晶闸管逆变器。
12、 一种集成的扭转模式减振方法，用于调节包括输电线路网整流器和 负载逆变器的负载换相逆变器系统的DC线路中的电流，所述方法包括感测表示负载侧轴上的扭矩的信号；使用所感测的信号来检测负载侧轴上扭转振动的存在；
13、 如权利要求12所述的方法，其中，在将所述输电线路网整流器维持 在基本恒定的功率的同时，进行通过调节经由所述负载逆变器的有功功率减 少所述扭转振动。
14、 如权利要求13所述的方法，其中，将所述输电线路网整流器维持在 基本恒定的功率包括感测输电线路网整流器上的DC电流和DC电压，并控 弗'J该输电线路网整流器的开关操作，以便维持所述电流和所述电压的乘积'l"亘 定。
15、 如权利要求12所述的方法，其中，当所感测的信号指示所述负载侧 轴的自然频率时，检测到所迷扭转振动的存在。
16、 如权利要求15所述的方法，其中，减振包括对所感测的信号进行带 通滤波，以检测所述自然频率的存在。
17、 如权利要求15所述的方法，还包括当检测到所述自然频率时，调 节所述负载逆变器的逆变器延迟角。
18、 如权利要求17所述的方法，其中，调节所述逆变器延迟角包括在零 度到逆变器延迟角最大增加值或逆变器延迟角最大减小值之一的范围内进行 调节。
19、 一种用于电流源转换器的集成的扭转模式减振系统，该电流源转换 器包括整流器、逆变器和耦合在该整流器和逆变器之间的DC线路电感器， 所述系统包括传感器，被配置成用于感测表示耦合到所述逆变器或整流器的轴上的扭 矩的信号；以及控制器，被配置成用于使用所感测的信号来检测对应于所述轴的自然频 率的所述轴上的扭转振动的存在，并且用于生成控制信号，该信号用于通过 调节经由相应逆变器或整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
20、 如权利要求19所述的系统，其中，所述控制器被配置成在检测到所 述自然频率时，调节相应逆变器或整流器的延迟角。
21、 如权利要求20所述的系统，其中，调节所述延迟角包括在零度到延 迟角最大增加值或延迟角最大减小值之一的范围内进行调节。
22、 如权利要求19所述的系统，其中，所述输电线路网整流器包括晶闸 管整流器，并且其中，所述负载逆变器包括晶闸管逆变器。
23、 一种用于电流源转换器的集成的扭转模式减振方法，该电流源转换 器包括整流器、逆变器和耦合在该整流器和逆变器之间的DC线路电感器， 所述方法包括(a)感测表示耦合到所述逆变器或整流器的轴上的扭矩的信号； 转振动的存在；(c)通过调节经由相应逆变器或整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
24、 如权利要求23所述的方法，其中，在将所述逆变器或整流器中的另 一个维持在基本恒定的功率的同时，进行通过调节有功功率减少所述扭转振动。
25、 如权利要求24所述的方法，其中，调节经由相应逆变器或整流器的 有功功率包括调节经由所述整流器的有功功率，并且其中，将所述逆变器维 持在基本恒定的功率包括感测逆变器DC电流和DC电压，并控制所述逆变 器的开关操作，以便维持所述DC电流和DC电压的乘积恒定。
26、 一种集成的扭转模式减振系统，用于调节包括输电线路网整流器和 负载逆变器的负载换相逆变器系统的DC线路中的电流，该集成的扭转模式 减振系统包括传感器，被配置成用于感测表示输电线路网侧轴上的扭矩的信号；以及 整流器控制器，被配置成用于使用所感测的信号来检测所述输电线路网 侧轴上的扭转振动的存在，并生成整流器控制信号，该信号用于通过调节经 由所述输电线路网整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
27、 如权利要求26所述的系统，还包括逆变器控制器，被配置成用于生 成逆变器控制信号，该信号用于将所述负载逆变器维持在基本恒定的功率。
28、 如权利要求26所述的系统，其中，所述整流器控制器被配置成当所 感测的信号指示所述输电线路网侧轴的自然频率时，检测到所述扭转振动的 存在。
29、 如权利要求28所述的系统，其中，所述整流器控制器被配置成当检 测到所述自然频率时，调节所述输电线路网整流器的整流器延迟角。
30、 如权利要求29所述的系统，其中，调节所述整流器延迟角包括在零 度到整流器延迟角最大增加值或整流器延迟角最大减小值之一的范围内进行 调节。
31、 如权利要求26所述的系统，其中，所述轴包括发电机轴。
32、 如权利要求31所述的系统，其中，所述负载包括电动机。
33、 如权利要求26所迷的系统，其中，所述输电线路网整流器包括晶闸 管整流器。
34、 一种集成的扭转模式减振方法，用于调节包括输电线路网整流器和 负载逆变器的负载换相逆变器系统的DC线路中的电流，所述方法包括感测表示输电线路网侧轴上的扭矩的信号；使用所感测到的信号来检测所述输电线路网侧轴上的扭转振动的存在； 通过调节经由所述输电线路网整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
35、 如权利要求34所述的方法，其中，在将所述负载逆变器维持在基本 恒定的功率的同时，进行通过调节经由所述输电线路网整流器的有功功率减 少所述扭转振动。
36、 如权利要求35所述的方法，其中，将所述负载逆变器维持在基本恒 定的功率包括感测逆变器DC电流和DC电压，并控制所述逆变器的开关操 作，以便维持所述DC电流和DC电压的乘积恒定。
37、 一种系统，包括负载换相转换器，包括输电线路网整流器、负载逆变器和耦合在所述整 流器和逆变器之间的DC线路电感器；传感器，被配置成感测表示耦合到所述逆变器或整流器的轴上的扭矩的 信号；以及控制器，被配置成用于使用所感测的信号来检测对应于所述轴的自然频 率的所述轴上的扭转振动的存在，并且用于生成控制信号，该信号用于通过 调节经由相应逆变器或整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
38、 如权利要求37所示的系统，其中，所述负载换相逆变器耦合到电动 机，并且被设计成用于提供比电动机所需要的功率高的功率。
全文摘要
一种用于电流源转换器的集成的扭转模式减振方法，该电流源转换器包括整流器、逆变器和耦合在该整流器和逆变器之间的DC线路电感器，所述方法包括感测表示耦合到所述逆变器或整流器的轴上的扭矩的信号；使用所感测的信号来检测所述轴上的扭转振动的存在；以及通过调节经由相应逆变器或整流器的有功功率来减少所述扭转振动。
文档编号H02P9/10GK101164225SQ200680013162
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月19日
发明者克里斯托夫·M·西勒, 约瑟夫·桑 申请人:通用电气公司