控制风力涡轮机转换器的制作方法

1.本发明涉及控制具有发电机转换器部分和公用电网转换器部分的转换器的方法和装置。进一步地，本发明涉及一种发电机系统且进一步涉及一种风力涡轮机。


背景技术：

2.传统地，在风力涡轮机的发电机与风力涡轮机的输出端子之间，连接转换器，该转换器将可变频率ac功率流转换成基本上固定频率ac功率流。风力涡轮机的输出端子可能经由多个其他风力涡轮机连接到的公共连接点以及可选地经由一个或多个风场变压器而连接到公用电网，该公用电网将电能提供给多个消费者。传统地，需要关于电气性质（诸如功率流量、电压相位角等等）控制向公用电网供给或与公用电网交换的功率流。由于传统转换器的配置由发电机部分、dc链路和公用电网部分组成，存在如何控制转换器的设计选项。
3.传统地，转换器可以从风力涡轮机控制器接收功率需求信号。传统地，该功率需求信号可以被直接用在将所需求的功率递送到公用电网的公用电网转换器部分中。类似地，发电机转换器部分也可以在传统系统中接收相同功率需求信号。对该功率需求，可以添加校正功率，诸如，从dc链路电压控制器导出的校正功率。发电机转换器部分然后可以将发电机功率控制到该经组合的值。因此，传统地，在稳定状态中，公用电网转换器功率信号和发电机转换器部分功率信号两者都等于所需求的值（忽略损耗），并且dc链路电压处于所需求的电压值。进一步的传统变体可以控制发电机的转矩而不是其功率。
4.当传统地发电机功率被保持为还在变化的发电机转速处恒定时，这可能对于减弱（damp）机械共振而言不是最优的。
5.因此，本发明所解决的技术问题可以被视为提供控制方法和对应的控制装置，其能够控制包括发电机侧部分和公用电网部分的转换器，以便有效地减弱机械振荡、减小速度波纹和/或对发电机和/或传动系的部件的负载、和/或改进功率产生的效率和性能。
6.该问题由独立权利要求的主题解决。从属权利要求指定本发明的特定实施例。


技术实现要素：

7.根据本发明实施例，根据独立方法权利要求，提供了一种控制转换器、特别是风力涡轮机的转换器的方法，所述转换器包括连接到发电机的第一（例如，发电机侧）转换器部分、dc链路和连接到公用电网的第二（例如，公用电网侧）转换器部分，所述方法包括：分别通过第一控制信号和第二控制信号来控制所述第一转换器部分和所述第二转换器部分，所述第一控制信号和所述第二控制信号两者都是基于所请求的功率信号和发电机转速来导出的，特别地，所请求的功率信号是所请求的有功功率信号，其中所述第一控制信号指示针对频率阈值以上的发电机转速的转速变化的基本上恒定的发电机转矩。
8.该方法可以由根据本发明实施例的一种用于控制转换器的装置执行，特别地，可以由一种风力涡轮机控制器执行。
9.可以测量或估计发电机转速，例如，根据如例如从“速度观察器”导出的发电机电
流和电压。因此，速度的物理测量不是必需的。
10.第一转换器部分还可以被称作发电机侧转换器部分，并且第二转换器部分还可以被称作公用电网转换器部分。每个转换器部分可以包括多个可控制开关，诸如igbt，其中例如对于每个相位（例如，可以支持总共三个相位），可控制开关中的两个可以串联连接（其他转换器拓扑是可能的）。可控制开关的导通状态可以由脉冲宽度调制信号控制。特别地，第一转换器部分可以包括或可以是ac-dc转换器部分，其能够将（可变）频率ac功率流转换成可存在于dc链路处的基本上dc功率流。公用电网转换器部分或第二转换器部分可能能够将dc功率流转换成固定频率（例如50 hz或60 hz）功率流。由第二转换器部分输出的功率流或功率可以进一步由变压器变换到更高电压，该变换是在将经变换的功率流供给到多个其他风力涡轮机或其他发电机所连接到的公共耦合点之前进行的。
11.第一控制信号和第二控制信号可以例如定义参考值，诸如与相应转换器部分或发电机的输出端子处的期望值相对应的有功功率、电流、转矩。相应第一控制信号和第二控制信号可以被供给到控制器。这些控制器的输出然后可能被供给到一个或多个栅极驱动器电路，该一个或多个栅极驱动器电路从那些控制信号生成分别被发送到第一转换器部分和第二转换器部分中的可控制开关的栅极的脉冲宽度调制信号。例如，可以应用空间向量调制方案。第一控制信号和第二控制信号可以被实现为电信号和/或光信号。
12.例如，（软件）控制器可以接收第1和/或第2控制信号，且可以输出所需求的转换器ac端子电压（分别针对发电机桥或网络桥）。ac端子电压需求信号可以是在pwm模式发生器处接收的，该pwm 模式发生器导出实现该端子电压所需的开关模式，开关模式可以被供给到栅极驱动器。
13.所请求的功率信号可以是或可以对应于期望由发电机或转换器输出的参考功率。特别地，发电机可以被实现为永久磁体同步机，例如三相永久磁体电机。发电机可以包括提供整个周界且具有一个（例如，三相）绕组集合的定子，或可以包括两个或更多个定子段，每个段提供整个周界的区段，诸如180
°
、90
°
、60
°
等等，并且每个定子段具有一个（例如，三相）绕组集合。潜在的多个绕组集合中的每一个可以连接到相应关联第一转换器部分。
14.所请求的功率信号可以例如是从风场控制器或公用电网的操作者接收的。所请求的功率信号可以定义所请求的有功功率。
15.第一控制信号可以直接定义期望发电机转矩，或可以例如指示与发电机转矩相关的信号，诸如电流信号，特别地，有功电流信号。
16.在发电机的操作期间，发电机转速可以变化。发电机转速的变化可以例如包括不同频率处的变化。随时间变化的发电机转速可以具有变化的不同频率分量。不同频率分量可以例如是通过在如随时间观察到的发电机转速上应用傅里叶变换来获得的。发电机转速的非常快的变化然后对应于高频分量，并且低变化的发电机转速对应于低频分量。在本技术中，发电机转速变化的高频分量可以例如被称作具有频率阈值以上的频率的那些频率分量。发电机转速变化的低频分量可以被称作频率阈值以下的转速变化的那些频率分量。
17.当针对频率阈值以上的发电机转速的转速变化存在（至少基本上）恒定的发电机转矩时，可以有效地减弱机械振荡。进一步地，可以改进效率并且可以减小负载。
18.第一转换器部分连接到发电机。控制第一转换器部分因而能够控制如发电机所生成的功率和电流。当发电机转矩基本上恒定、特别是变化小于5%或小于1%（对于恒定的所请
求的功率信号）时，发电机部件或传动系部件的负载或磨损可能减小。当发电机转矩对于转速变化的高频分量而言基本上恒定时，输出功率可以根据转速变化而变化。
19.在本技术的上下文中，第一转换器部分还可以被称作发电机桥，并且第二转换器部分还可以被称作网络桥。
20.根据本发明实施例，所述第一控制信号定义针对所述第一转换器部分的有功电流需求值，和/或所述第二控制信号定义针对所述第二转换器部分的功率需求值或有功电流需求值，和/或其中所述频率阈值处于0.01 hz与1 hz之间的范围内，特别是0.1 hz与1 hz之间的范围内。
21.当第一控制信号定义针对第一转换器部分的有功电流需求值时，可以在修改时利用传统地应用的控制方案以用于实现控制方法。进一步地，当第二控制信号定义功率需求值或有功电流需求值时，还可以采用和修改传统地已知的算法以用于实现控制方法。
22.发电机转速可以对应于在发电机内转动的转子的机械转速。在其他实施例中，所述发电机转速可以对应于与所述转子的转速成比例的电气转速。从而，从传统地已知的控制方案出发，可以实现本发明的该实施例。
23.根据本发明实施例，所述第一控制信号指示针对所述频率阈值以下的转速变化的变化的发电机转矩，特别地，指示根据所述转速变化而变化的发电机转矩。
24.当发电机转矩针对发电机转速的低频分量而变化时，机械振动的激励可以小于高频分量处的激励。此外，通过使发电机转矩发生变化，输出功率可以对于频率阈值以下的转速变化而言基本上恒定，以更接近地满足所请求的功率信号。
25.根据本发明实施例，所述第二控制信号和/或针对所述第二转换器部分的功率需求值针对所述频率阈值以上的转速变化而变化，特别地，所述第二控制信号和/或功率需求值针对所述频率阈值以上的转速变化、根据所述转速变化而变化。
26.随着转速发生变化，第一控制信号可以更恒定或更不恒定，而随着转速发生变化，第二控制信号可以变化。
27.特别地，可以利用兼容的控制信号对全部两个发电机部分进行控制，使得转换器部分不相互抵制。
28.根据本发明实施例，所述第二控制信号和/或针对所述第二转换器部分的功率需求值对于所述频率阈值以下的转速变化而言基本上恒定。
29.在低频处，取决于所请求的功率信号，第二控制信号和/或针对第二转换器部分的功率需求值可以基本上是常量。
30.根据本发明实施例，所述dc链路由dc链路控制器针对恒定dc电压而控制。dc链路控制器从而可以控制针对第二转换器部分的输入电压，即，dc电压。因此，可以确保第二转换器部分的输出电压处于期望范围内。
31.根据本发明实施例，所述dc链路控制器响应于dc电压误差而生成功率修改信号。dc链路控制器可以例如包括：pi或pid控制器，其接收dc电压误差（所测量的dc电压与参考dc电压之间的差）并依赖于dc电压误差来导出功率修改信号，使得dc电压误差减小得越来越多，理想情况下达到0。
32.根据本发明实施例，所述方法进一步包括确定所述第二控制信号，其包括：接收所请求的功率值；对所述发电机转速进行低通滤波；将所述发电机转速除以经滤波的发电机
转速，以获得除法信号；以及将所请求的功率信号与基于所述除法信号导出的信号相乘，以获得所述第二控制信号。
33.对发电机转速进行低通滤波可以利用具有适当设置的频率阈值的低通滤波器。经滤波的发电机转速可以不具有或可以仅具有转速变化的高频分量的减小的幅度。对于转速变化的高频分量，除法信号可以大于0，并且对于转速变化的低频分量，除法信号可以等于1。因此，第二控制信号可以在大于和小于针对高频分量的所请求的功率之间周期性地改变，且可以等于针对转速变化的低频分量的所请求的功率。
34.第二控制信号可以随着速度发生变化而在更高频率处变化，从而趋向于在值1周围变化。
35.因此，在高频体制中，公用电网功率需求（第二控制信号的特定实现方式）可以随发电机转速而变化。然而，从而，可以将发电机转矩保持为基本上恒定。
36.根据本发明实施例，基于所述除法信号导出的信号是通过下述各项之一来获得的：所述除法信号；通过对所述除法信号应用补偿滤波器，特别地，补偿所观察到（所估计）的转速信号和/或公用桥功率传递函数的相位误差和/或增益误差。
37.补偿滤波器可以被提供，主要是为了补偿仅速度观察器增益/相位误差和网络桥功率传递函数。
38.补偿滤波器还可以被称作超前/滞后滤波器，其可以接收经低通滤波的公用电网有功功率、经低通滤波的公用电网无功功率和经低通滤波的发电机转速作为输入。输入值可以定义相应操作点。从而，可以应对且可以考虑转速估计增益/相位误差和公用电网（网络桥）功率传递函数增益/相位误差。
39.根据本发明实施例，所述补偿滤波器是依赖于所述第一转换器部分和/或所述第二转换器部分和/或所述发电机和/或公用电网的相应操作点来调谐的。从而，可以进一步改进该方法并且可以减小测量相关误差或相移。
40.根据本发明实施例，所述方法进一步包括确定所述第一控制信号，其包括：接收所请求的功率信号；将所请求的功率值与所述功率修改信号（由所述dc控制器输出）相加，以获得发电机功率需求信号；对所述发电机转速进行低通滤波；将经滤波的发电机转速与关联于所述发电机的磁通量的（定子）通量信号相乘，以获得发电机反emf信号；将所述发电机功率需求值除以所述发电机反emf信号，以获得所述第一控制信号。
41.从而，可以以简单方式获得第一控制信号。通量信号可以对应于发电机的磁通量，该磁通量可以由于永久磁体所致且可以由于如发电机的定子的绕组所生成的磁场所致。通量可以例如被测量或确定，诸如根据其他已知的或所测量的量（诸如电流、电压、感应率等等）而计算。
42.可以从电压和电流的测量结果以及发电机参数（例如电感和电阻）的一些知识导出实际发电机通量的估计。
43.根据本发明实施例，所述第一控制信号和/或所述第二控制信号指示针对所述频率阈值以上的转速变化的变化的功率，特别地，指示根据所述频率阈值以上的转速变化的变化的功率；和/或其中所述第二控制信号指示针对所述频率阈值以上的转速变化的基本上恒定的转矩。
44.由于功率在相对较高的频率处变化，因此与所请求的功率的偏差还可以具有相对
较高的频率，从而基本上不扰乱功率输出。
45.应当理解，个体地或以任何组合在控制转换器的方法的上下文中公开、描述、应用或解释的特征也可以被个体地或以任何组合应用于根据本发明实施例的用于控制转换器的装置，并且反之亦然。
46.根据本发明实施例，提供了一种用于控制转换器、特别是风力涡轮机的转换器的装置，所述转换器包括连接到发电机的第一（例如，发电机侧）转换器部分、dc链路和连接到公用电网的第二（例如，公用电网侧）转换器部分，所述装置包括：输入部，用于接收包括所请求的功率信号、特别是所请求的有功功率信号和（所估计或所观察到或所测量的）发电机转速的输入信号；控制部，被适配成分别通过基于所述输入信号导出的第一控制信号和第二控制信号来控制所述第一转换器部分和所述第二转换器部分，其中所述第一控制信号指示针对频率阈值以上的所述发电机的转速变化的基本上恒定的发电机转矩。
47.此外，根据实施例，提供了一种发电机系统，包括：发电机；转换器，包括连接到所述发电机的第一转换器部分、dc链路和可连接到公用电网的第二转换器部分；以及根据前一实施例的装置，被连接以控制所述转换器。
48.此外，根据本发明实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：转子轴，多个叶片被安装在所述转子轴处；以及根据前一实施例的发电机系统。
49.本发明的以上定义的方面和进一步的方面从以下要描述的实施例的示例中变得明显，且参考实施例的示例加以解释。以下将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于实施例的示例。
附图说明
50.现在参考附图来描述本发明实施例。本发明不限于所图示或所描述的实施例。
51.图1示意性地图示了根据本发明实施例的风力涡轮机，包括根据本发明实施例的装置；图2示意性地图示了根据本发明实施例的用于控制转换器的装置；以及图3示意性地图示了根据本发明另一实施例的用于控制转换器的装置。
具体实施方式
52.附图中的图示以示意性形式存在。应当注意，在不同图中，类似或相同元件被提供有相同附图标记或者仅在第一个数字内与对应附图标记不同的附图标记。
53.图1中示意性地图示的风力涡轮机1包括具有轮毂5的转轴3，多个转子叶片7被安装在轮毂5处。转子轴3在输出三相（或不同数目的相位）功率流11的发电机9内旋转。发电机9可以是单通道或者双或多通道发电机，每个通道可以具有关联的转换器。发电机9的输出端子连接到转换器13，转换器13包括（第一）发电机侧部分15、dc链路17和（第二）公用电网部分19。公用电网转换器部分19输出三相功率信号21，三相功率信号21可以例如经由变压器而被供给到公共耦合点，该公共耦合点进而连接到公用电网。
54.转换器13由根据本发明实施例的用于控制转换器的装置100控制。进一步地，发电机9、转换器13和装置100形成根据本发明实施例的发电机系统，该发电机系统被加标签有附图标记25。
55.装置100包括由输入端子101、103形成的输入部，输入端子101、103用于接收包括所请求的功率信号105和由测量传感器109测量的发电机转速107的输入信号。在其他实施例中，测量传感器109是凭借观察器来实现的，该观察器间接地经由所测量的电量来导出转速。所请求的功率信号105可以例如是从风场控制器供给的。基于输入信号105、107，装置100使用控制部111来导出第一控制信号113并将第一控制信号113输出到转换器13的第一部分15，且导出第二控制信号115并将第二控制信号115输出到转换器13的第二转换器部分19。控制信号113、115可以定义参考值，诸如关于有功功率、无功功率、电流、转矩，该参考值然后由下述控制器使用：该控制器的输出是针对第一转换器部分15和第二转换器部分19内的多个可控制开关的脉冲调制信号。从而，第一控制信号113指示针对频率阈值以上的发电机9的转速变化的基本上恒定的发电机转矩。
56.图1中以示意性方式图示的装置100能够实施或执行根据本发明实施例的控制转换器的方法。
57.图2示意性地图示了根据本发明实施例的控制转换器的装置200，装置200可以例如被用作图1中图示的装置100。
58.应当注意，图1至3中在结构和/或功能方面类似的元件被加标签有仅在第一个数字中不同的附图标记。未参考特定附图而描述的特定元件的描述可以从另一附图或另一实施例中的描述取得。
59.在输入端子203处接收发电机转速107，在输入端子201处接收所请求的功率信号105。使用低通滤波器217，对发电机转速207进行滤波以移除高频分量，并且发电机转速207得到经滤波的发电机转速信号219。
60.将经滤波的发电机转速219与关联于发电机9的磁通量的通量信号221相乘，以便获得发电机反emf信号223。从而，使用乘法元件225来执行乘法。
61.使用除法元件227，将发电机功率需求值229除以发电机反emf信号223，以获得第一控制信号213，这里特别是发电机有功电流需求值或信号。
62.此外，接收所请求的功率信号205并使用加法元件231将所请求的功率信号205与功率修改信号233相加，以得到发电机功率需求信号229。使用接收dc电压误差信号237的dc链路控制器235来生成功率修改信号233。
63.对于生成第二控制信号215，使用除法元件239将发电机转速207除以经滤波的发电机转速219，以获得除法信号241。使用乘法元件243将所请求的功率信号205与基于除法信号241而导出的信号245相乘，以获得第二控制信号215。在图2中图示的实施例中，基于除法信号而导出的信号245等于除法信号241。
64.然而，在可替换实施例中，如图3中所图示，通过将补偿滤波器347应用于除法信号341来生成基于除法信号341而导出的信号345。从而，依赖于输入信号（诸如，与第一转换器部分15、第二转换器部分19的操作点相关）来调谐补偿滤波器347。在所图示的实施例中，补偿滤波器247接收经低通滤波的电网功率349、经低通滤波的电网无功功率351和经低通滤波的所观察到的速度319。
65.根据本发明实施例，dc链路控制器输出信号影响第一转换器部分，即，发电机侧转换器部分。可以在存在转速变化的情况下将发电机转矩保持为相对恒定。根据本发明实施例，dc链路控制器235在发电机桥处。外部需求信号205可以包括功率需求信号。公用转换器
部分19可以由以将转矩保持为基本上恒定的方式起作用的控制器来控制，其中功率可以响应于速度波动而有意地偏离于需求。可以对发电机侧转换器部分15进行控制，以尝试将转矩也保持为恒定。随着发电机速度发生变化，发电机功率可以与速度同相地（即，转矩趋向于被保持为相对恒定）变化（针对频率阈值以上的频率），这可能趋向于减弱机械共振。
66.如可从图2和3取得的那样，为了计算发电机有功电流需求（例如，图2和3中图示的第一控制信号213、313），将发电机功率需求信号229除以发电机反emf信号223、323。通过将滤波器217、317包括到用于计算发电机反emf 223的转速信号207中，这趋向于拒绝来自发电机有功电流需求的速度波动，即，可以趋向于在存在速度波动的情况下将发电机有功电流保持为相对恒定。由于发电机有功电流可以与发电机转矩密切相关，因此这可能引入在存在速度波动的情况下趋向于将发电机转矩保持为相对恒定的性质。
67.根据本发明实施例，在低通滤波器217、317的截止频率（例如，频率阈值）以上的频率处，创建恒定转矩类的特性，并且在低通滤波器217、317的截止频率（例如，频率阈值）以下的频率处，可以创建恒定功率特性。
68.如果该发电机侧转换器部分特征是仅有的修改，那么网络和发电机桥将具有失配的控制目的。网络桥将想要在存在速度波动的情况下将功率保持为恒定，而发电机桥将想要功率响应于速度波动而变化。这两个不同转换器部分（或桥）中的所得的失配的功率将导致dc链路电压误差，并且根据该电压误差，dc链路控制器将修改发电机功率需求。在这样做时，该附加功率需求将起作用以对抗在发电机转换器部分中引入的恒定转矩类的特性。
69.为了避免该问题，响应于速度波动而修改网络桥功率需求，如图2和3中所示。在可替换实现方式（具有类似或相同行为）中，可以修改下游净有功电流需求，而不是净功率需求。通过密切匹配网络和发电机桥两者中在存在速度波动的情况下修改功率（与外部请求的值相比）的方式，这趋向于防止dc链路在速度发生波动的频率处观察到电压误差，且因而趋向于防止dc链路控制器在速度发生波动的频率处创建对发电机功率需求的不想要的修改。
70.从而，根据本发明实施例，可以针对低通滤波器217、317的截止频率以上的频率处的速度扰动总体上实现与期望恒定转矩特性的接近。在速度扰动的所有频率处，网络桥和发电机桥两者中的功率可以非常类似，从而导致dc链路电压的固有地好的控制。
71.在图3中图示的可替换实施例300中，在到网络桥的功率需求计算路径中引入附加滤波器347，以潜在地进一步增强性能。该滤波器347可以是作为网络桥和/或发电机桥操作点的函数而适应性地调谐的，且可以补偿在所观察到的速度和/或网络桥功率传递函数中引入的增益和/或相位。
72.根据本发明实施例，随着发电机速度发生波动（特别地，具有针对高频的频率分量），对网络桥功率需求进行修改以创建（基本上）恒定转矩类的特性。进一步地，根据本发明实施例，随着发电机速度发生波动，可以对发电机桥电流需求进行修改以创建恒定转矩类的特性。dc链路控制器可以与发电机桥相关联。
73.应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求书中的附图标记不应当被理解为限制权利要求书的范围。