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CN114051692A - 用于使发电机振荡最小化的方法 - Google Patents

用于使发电机振荡最小化的方法 Download PDF

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CN114051692A
CN114051692A CN202080047602.6A CN202080047602A CN114051692A CN 114051692 A CN114051692 A CN 114051692A CN 202080047602 A CN202080047602 A CN 202080047602A CN 114051692 A CN114051692 A CN 114051692A
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generator
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stator
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CN202080047602.6A
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杰尔·卡索利
罗伯托·罗索
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Wobben Properties GmbH
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Abstract

一种用于借助于面向场的调节来控制与风能设施的定子电连接的有源整流器的方法，其中发电机具有带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承，所述方法包括如下步骤：为发电机的至少一个3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标；根据在发电机处的电功率振荡的所检测的幅值和所检测的相位为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定至少一个交流分量，其中为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定交流分量在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描绘转子相对于定子的机械位置；将对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量加至固定于转子的d坐标和/或q坐标得出改变的d坐标和/或q坐标；至少根据改变的d坐标和/或q坐标控制有源整流器。

Description

用于使发电机振荡最小化的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制风能设施的方法和一种风能设施的控制单元以及这种风能设施。
背景技术
风能设施通常具有发电机，所述发电机基本上由定子和转子构成。在定子和转子之间还存在气隙。
通过发电机的例如因构件公差引起的不规则的气隙，可能出现的是，在定子绕组处感生的磁极转子电压的幅值具有带有转子的机械频率的振荡。
所述振荡可以引起相同频率的气隙功率振荡，这又可以引起提高的声音发射和/或塔振荡。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：EP 2 485 388A1，EP 3 010 143 A1，EP 3 454 469 A1，EP 3 297 156 A1和Nezar ABOU-QAMAR等的文章“Cancellation of harmonic torque disturbance in permanent magnet synchronousmotor drives by using an adaptive feedforward controller”，在ET PowerElectronics中，第11卷，2018年，第14期，第2215-2221页，-ISSN 1755-4535。
发明内容
本发明的目的因此是，解决上述问题。尤其应实现减小发电机的电功率的振荡的可能性，尤其是因不规则的气隙引起的振荡。但是至少应对迄今的已知方案提出替选方案。
因此，根据本发明提出一种用于控制与风能设施的定子电连接的有源整流器的方法，所述有源整流器借助于面向场的调节来调节，其中发电机具有带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承。
发电机在此优选地构成为内转子，特别优选地构成为6相发电机，其具有两个以30°彼此偏移的3相系统。
根据提出的方法，在第一步骤中为发电机的至少一个3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标。这例如能够借助于任意的dq变换方法进行，如例如包括所谓的MEPA(Maximum Efficiency per Ampere(每安培最大效率))方法的dq变换方法。
在另一优选同时的步骤中，根据在发电机处的电功率振荡的所检测的幅值和所检测的相位为固定于转子的d和/或q分量确定至少一个交流分量。
为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定交流分量在此优选地在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描绘转子相对于定子的机械位置。
因此尤其提出，根据机械的转子位置产生对于d坐标和/或q坐标的交流分量。
在另一步骤中，随后将对于d坐标和/或q坐标的交流分量加至固定于转子的d坐标和/或q坐标，尤其得出改变的d坐标和/或q坐标。
因此尤其也提出，将d坐标和/或q坐标的直流分量以d坐标和/或q坐标的交流分量补充，使得得出改变的d坐标和/或q坐标，所述d坐标和/或q坐标具有直流分量和交流分量。
随后，至少根据所述改变的d坐标和/或q坐标来控制有源整流器。
优选地，这通过将改变的d坐标和/或q坐标再次变换成abc坐标进行。整流器在此优选地借助于面向场的调节来控制。
本发明因此实现用于调节方法的可能性，所述调节方法减小在机械频率的范围中的电功率振荡。
由此也可能的是，使在发电机处的振动和声学效果最小化，尤其是使因不规则的气隙引起的振动和声学效果。
优选地，根据转子位置产生对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量。
因此也提出，考虑发电机的机械转子位置。
在此特别有利的是，由此可以进行极其精确的调节，所述调节可以减小在发电机处的振动和声学效果，使得也可以降低可能的由此造成的塔振荡。
优选地，为了确定固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量，将形成扭矩的分量调节成零，尤其借助于PI调节器。
因此尤其也提出，执行方法，使得将形成扭矩的q分量调节成零。
此外，通过使用PI调节器可能的是，将气隙的机械不规则性以电学的方式描绘，使得所述机械干扰在电学方面不再重要。
根据本发明因此尤其也提出，以电学方式平滑将气隙的机械的不规则性。
优选地，为了确定固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量，将形成场的分量预设为零。
优选地，为了检测在发电机处的电功率振荡的幅值和相位，确定由发电机输出的实际功率和发电机的机械频率。
这例如能够借助于测量机构进行，所述测量机构设置在发电机处。
优选地，从αβ坐标中获得对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量。
因此尤其也提出，从αβ坐标中获得d坐标和/或q坐标。
这例如可以借助于通过变换单元的变换来进行。
优选地，有源整流器的控制借助于abc坐标进行，尤其使得出现发电机和/或塔振荡的减小。
此外，根据本发明提出一种风能设施的控制单元，其中风能设施具有至少一个发电机，所述发电机包括带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承，其中定子与有源整流器电连接，经由操控单元可操控所述有源整流器，所述控制单元至少包括：第一计算单元，用于为发电机的至少一个3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标；第二计算单元，用于根据在发电机处的电功率振荡的所检测的幅值和所检测的相位确定固定于转子的d坐标和/或q坐标的至少一个交流分量，其中确定固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描绘转子关于定子的机械位置；和连接元件，所述连接元件将第一和第二计算单元彼此连接并且设立成，将固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量加至固定于转子的d坐标和/或q坐标得出改变的d坐标和/或q坐标。
优选地，控制单元设立成，与卡尔曼滤波器和/或操控单元连接。
优选地，控制单元包括第一变换单元，所述第一变换单元可以根据转子位置产生形成扭矩的分量。
优选地，控制单元此外包括PI调节器，尤其以便将形成扭矩的分量调节成零。
优选地，控制单元还包括第二变换单元，所述第二变换单元设立成，在考虑转子位置的条件下从d坐标和/或q坐标的直流分量中生成d坐标和/或q坐标的交流分量，尤其是随着转子的机械频率振荡的d坐标和/或q坐标。
优选地，控制单元设立成，执行在上文中或在下文中描述的方法。
根据本发明此外提出一种风能设施，包括：发电机，所述发电机具有带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承；与风能设施的定子电连接的有源整流器，所述有源整流器设立成，借助于面向场的调节来控制；和在上文中或在下文中描述的控制单元。
在一个优选的实施方式中，发电机是具有两个以30°错开的三相系统的6相发电机。在这种情况下，在上文中和/或在下文中描述的方法对每个系统单独执行。
在一个特别优选的实施方式中，发电机构成为内转子。
优选地，风能设施包括卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器与控制单元连接并且此外或替选地，包括操控单元，所述操控单元设立成，操控有源整流器并且所述操控单元与控制单元连接。
附图说明
本发明现在在下文中示例性地根据实施例参照附图详细阐述，其中为相同的或相似的组件使用相同的附图标记。
图1示出根据一个实施方式的风能设施的示意图。
图2示出根据一个实施方式的风能设施的电支路的示意图。
图3示出根据一个实施方式的风能设施的控制单元的示意构造。
图4示出根据一个实施方式的风能设施的控制单元的优选部分的示意构造。
图5示出根据一个实施方式的方法的示意流程。
具体实施方式
图1示出根据一个实施方式的风能设施100的示意图。
风能设施100对此具有塔102和吊舱104。在吊舱104处设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学的转子106。转子106在运行中通过风置于转动运动并从而驱动吊舱104中的发电机。
为了运行风能设施此外设有在上文中或在下文中描述的控制单元。
发电机此外包括具有转动轴线的定子和转子，所述转子围绕所述转动轴线旋转，优选地构成为内转子，其中定子与有源整流器电连接，所述有源整流器可经由操控单元操控。
定子在此具有两个以30°相移的电绕组系统，所述电绕组系统分别与有源整流器的3相模块连接。发电机因此6相地构成。
这种电支路在简化图中，即尤其仅具有3相系统，可从图2中获知。
图2示出根据一个实施方式的风能设施的电支路200的示意图，尤其是如在图1中示出的风能设施100。
风能设施包括发电机210，所述发电机借助于变流器220与供电网1000连接。
发电机210包括带有转动轴线的定子212和围绕转动轴线支承的转子214。发电机210在此优选地构成为6相内转子。
变流器220包括有源整流器222、直流电压中间回路224和逆变器226，其中变流器220借助于有源整流器经由定子212与发电机210连接。
为了控制由发电机210产生的电功率，设有励磁装置230，所述励磁装置由直流电压中间回路224馈电。励磁装置230在此优选地包括至少一个直流调节器，所述直流调节器与风能设施的转子214连接。
为了控制风能设施和尤其变流器220，此外设有风能设施控制装置240。
风能设施控制装置240借助于测量机构242、244、246设立成，检测转子214的励磁电流、定子212的产生的电流和逆变器226的产生的电流，并且根据这样检测的值来控制所述电支路200。
此外，风能设施控制装置包括在上文中或在下文中描述的控制单元300，尤其如在图3中示出的那样。
图3示出根据一个实施方式的风能设施的控制单元300的示意构造，尤其是如在图1中示出的风能设施100。
控制单元300包括第一计算单元600、第二计算单元400、连接元件310和优选地操控单元320。优选地，控制单元借助电流变量i工作，尤其以便操控所述整流器。
第一计算单元600在此设为用于为发电机的至少一个3相定子电流、尤其如在图2中示出的发电机的3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标id1_soll、iq1_soll。
因此，第一计算单元600至少设为用于，将固定于转子的d和q分量id1_soll、iq1_soll以相同大小的形式、尤其作为基本振荡分量预设。对此，例如作为主输入变量可以使用功率期望值P_soll和转子转速n。此外，基本振荡分量例如可以通过算法计算成，使得优化发电机的效率。这种算法或这种优化方法的实例是“Maximum Efficiency per Ampere方法(每安培最大效率方法)”(简称为MEPA)。
第二计算单元400在此设为用于根据在发电机处的电功率振荡的所检测的幅值
Figure BDA0003438386500000061
和所检测的相位
Figure BDA0003438386500000062
为固定于转子的d坐标和/或q坐标id～、iq～确定至少一个交流分量，其中为固定于转子的d坐标和/或q坐标id～、iq～确定交流分量在考虑转子位置θm的条件下进行，所述转子位置描绘转子相对于定子的机械位置。
将第一和第二计算单元彼此连接的连接元件310设立成，将对固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量id～、iq～加至固定于转子的d坐标和/或q坐标id1_soll、iq1_soll得出改变的d坐标和/或q坐标id*、iq*。连接元件310因此优选地至少构成为加法部。
这样获得的改变的d坐标和/或q坐标id*、iq*随后优选地借助于操控单元320变换成abc坐标，以便操控整流器。优选地，所述变换在考虑电相位θe的条件下进行。
因此尤其提出，对基本上形成为直流分量的dq坐标id1_soll、iq1_soll加上交流分量id～、iq～，所述交流分量考虑发电机的机械的转子位置θm。优选地，坐标在此是电流坐标。
通过考虑相位可以实现，电补偿发电机的机械不均衡性，由此出现风能设施的、尤其发电机的特定的振动和声学效果的降低。通过这种方法也可以使通过发电机引起的塔振荡最小化。
第二计算单元400的一个优选的设计方案此外从图4中得出。
图4示出根据一个实施方式的风能设施的控制单元300的优选部分的示意构造400，尤其是如在图3中示出的控制单元的第二计算单元400。
第二计算单元400包括滤波器410、第一变换单元420、反馈装置430、PI调节器440和第二变换单元450。
滤波器410优选地构成为卡尔曼滤波器并且作为输入变量具有发电机的电功率Pist和发电机的机械频率fm。从所述变量中，卡尔曼滤波器确定电功率振荡的幅值
Figure BDA0003438386500000071
和相位
Figure BDA0003438386500000075
卡尔曼滤波器本身在此能够视作为可选的构件。幅值
Figure BDA0003438386500000072
和相位
Figure BDA0003438386500000076
也能够以其他方式生成。
第一变换单元420从αβ坐标、即幅值
Figure BDA0003438386500000073
和相位
Figure BDA0003438386500000074
中变换dq坐标，尤其以功率坐标Pq的形式。变换在此优选地在考虑发电机的机械的转子位置θm的条件下进行。第一变换单元因此设立用于，根据转子位置产生形成扭矩的分量。
这样获得的功率坐标Pq借助于反馈装置430和PI调节器440调节成零。从中获得的电流振荡q坐标iq_osc连同对应的电流振荡d坐标id_osc＝0一起输送给第二变换单元450。
第二变换单元450设立成，从d坐标和/或q坐标的直流分量iq_osc，id_osc＝0中在考虑机械的转子位置θm的条件下生成d坐标和/或q坐标的交流分量id～、iq～，尤其是以转子的机械频率振荡的d坐标和/或q坐标。
第二计算单元400因此设立成，从发电机的电功率Pist和发电机的机械频率fm中生成d坐标和/或q坐标的交流分量id～、iq～，其加至基本振荡分量，如例如在图3中所示，尤其以便衰减发电机的振动和声学效果。
本发明因此尤其能够实现在机械频率的范围中衰减电功率振荡，即通过气隙的不均匀性造成的功率振荡。
只要发电机构成为6相的，即包括两个3相的系统，那么将在上文中和/或在下文中描述的方法用于每个所述系统。
图5示出根据一个实施方式的方法的示意流程500。
在第一步骤中，为发电机的至少一个3相的定子电流产生固定于转子的d坐标和q坐标。这通过框510表明。
在另一尤其同时的步骤中，根据在发电机处的电功率振荡的检测的幅值和检测的相位为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定至少一个交流分量，其中为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定交流分量在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描述转子相对于定子的机械位置。这通过框520表明。
在下一步骤中，将对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量加至固定于转子的d坐标和/或q坐标，得出改变的d坐标和/或q坐标。这通过框530表明。
最后，在另一步骤中，至少根据改变的d坐标和/或q坐标控制有源整流器，尤其借助于abc坐标。这通过框540表明。

Claims (15)

1.一种用于借助于面向场的调节来控制与风能设施的定子电连接的有源整流器的方法，其中所述发电机具有带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承，所述方法包括如下步骤：
-为所述发电机的至少一个3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标；
-根据在所述发电机处的电功率振荡的所检测的幅值和所检测的相位为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定至少一个交流分量，其中为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定交流分量在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描绘所述转子相对于所述定子的机械位置；
-将对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量加至固定于转子的d坐标和/或q坐标得出改变的d坐标和/或q坐标；
-至少根据改变的d坐标和/或q坐标控制所述有源整流器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
-根据所述转子位置产生对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
-为了确定对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量，将形成扭矩的分量调节成零，尤其借助于PI调节器调节。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
-为了确定对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量，将形成场的分量预设为零。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
-为了检测在所述发电机处的电功率振荡的幅值和相位，确定由所述发电机输出的实际功率和所述发电机的机械频率。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
-从αβ坐标中获得对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
-所述有源整流器的控制借助于abc坐标进行，尤其使得出现发电机和/或塔振荡的降低。
8.一种风能设施的控制单元，其中所述风能设施具有至少一个发电机，所述发电机包括具有转动轴线的定子，所述转子围绕所述转动轴线支承，其中所述定子与有源整流器电连接，所述有源整流器能够经由操控单元操控，所述控制单元至少包括：
-第一计算单元，用于为所述发电机的至少一个3相定子电流预设固定于转子的d坐标和q坐标；
-第二计算单元，用于根据在所述发电机处的电功率振荡的所检测的幅值和所检测的相位为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定至少一个交流分量，其中为固定于转子的d坐标和/或q坐标确定交流分量在考虑转子位置的条件下进行，所述转子位置描绘所述转子相对于所述定子的机械位置；和
-连接元件，所述连接元件将所述第一计算单元和第二计算单元彼此连接并且设立成，将对于固定于转子的d坐标和/或q坐标的交流分量求和成固定于转子的d坐标和/或q坐标来得到改变的d坐标和/或q坐标。
9.根据权利要求8所述的控制单元，其中
-所述控制单元设立成，与卡尔曼滤波器和/或所述操控单元
连接。
10.根据权利要求8或9所述的控制单元，所述控制单元还包括：
-第一变换单元，所述第一变换单元能够根据转子位置产生形成扭矩的分量。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的控制单元，还包括：
-PI调节器，尤其以便将形成扭矩的分量调节成零。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的控制单元，还包括：
-第二变换单元，所述第二变换单元设立成，从d坐标和/或q坐标的直流分量中在考虑转子位置的条件下生成d坐标和/或q坐标的交流分量，尤其以所述转子的机械频率振荡的d坐标和/或q坐标。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的控制单元，
其中所述控制单元设立成执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
14.一种风能设施，所述风能设施至少包括：
-发电机，所述发电机具有带有转动轴线的定子，转子围绕所述转动轴线支承，
-与所述风能设施的所述定子电连接的有源整流器，所述有源整流器设立成，借助于面向场的调节来控制，和
-根据权利要求8至13中任一项所述的控制单元。
15.根据权利要求14所述的风能设施，还包括：
-卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器与所述控制单元连接并且此外或替选地，
-操控单元，所述操控单元设立成，操控所述有源整流器并且与所述控制单元连接。
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