CN101680428A - 具有对于变化的转子速度受到补偿的双馈感应发电机的可变速度风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

公开了一种可变旋转速度风力涡轮机，其包含双馈感应发电机、用于控制发电机转子电流的转子电流控制器、具有计算装置的补偿装置以及用于向补偿装置提供输入的装置，输入至少表示发电机转子的瞬时角速度。计算装置被布置为依赖于发电机转子的所述瞬时角速度地计算瞬时补偿控制输出，并将补偿控制输出馈送到发电机转子，计算风力涡轮机运行中的所述补偿控制输出，以便至少部分地对发电机传递函数极点位置的转子角速度依赖性进行补偿，由此，使得结果得到的发电机传递函数实质上不依赖于风力涡轮机运行过程中转子角速度的变化。

Description

具有对于变化的转子速度受到补偿的双馈感应发电机的可变速度风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种包含双馈感应发电机的可变速度风力涡轮机以及用于对于变化的转子速度对发电机进行补偿的方法。

背景技术

一般而言，商业风力涡轮机可被分为固定速度涡轮机和可变速度涡轮机。

对于固定速度涡轮机，电力的产生仅仅对于一个特定的风速进行最优化，而对于可变速度涡轮机，可对于宽广范围的风速实现最优电力输出。

从九十年代后期以来，所实现的较大的风力涡轮机的主要部分已经为可变速度涡轮机，其与固定速度涡轮机相比需要更为复杂的电气系统。另外，新的电网要求增大了现代风力涡轮机的电气系统的复杂性。

通过将风力涡轮机的发电机的定子经过将电输出从发电机输出频率变为标称电网频率的AC-AC转换器(例如背对背转换器或矩阵转换器)连接到电网，可实现满范围的可变速度涡轮机。这样的系统的优点在于，至少在原理上，从0RPM到出于安全原因允许的最大速度的满速度范围可用于产生电力。另一方面，缺点在于AC-AC转换器必须是额定的(rated)，以便处理涡轮机的满输出电力。

为了减少对AC-AC转换器的要求，已经知道使用有限范围的可变速度系统，例如双馈感应发电机(DFIG)系统。

在标准DFIG系统中，定子通常经由变压器直接连接到电网，而转子经由滑环(slip rings)和AC-AC转换器被连接到电网。系统速度范围的限制依赖于AC-AC转换器，因为经过转子的电力量与电气转子速度和发电机的同步速度(定子场速度)之间的差成比例。在这里以及在下文中，术语“电气转子速度”指的是机械转子速度和转子极对数的乘积。

DFIG系统具有公知的缺点，即由于有功与无功电流之间的交叉耦合引起的通量动态(flux dynamics)中的振荡的不良阻尼，这使得系统可能在某些情况下不稳定，并使转子电流控制器的工作复杂化，其中，转子电流控制器的主要任务是限制转子电流，以便防止AC-AC转换器脱扣或故障。应当注意，尽管转子电流控制器实际上为电流控制器，来自控制器的输出控制信号可包含一个或更多的电压以及电流，因为转子电流可通过控制转子电压间接地受到非常好的控制。

避免振荡的传统方法是，相比于系统中的电力环的带宽，以某个参数，减小转子电流控制器的带宽，然而，这使得转子电流控制器对电网条件变化的反应较慢。另外，控制器性能(带宽、上升时间等)依赖于转子速度，其在最好的情况下带来高鉴定和测试成本，在最坏的情况下可引起控制器不稳定以及硬件故障。

论文“Control of a Doubly-Fed Induction Generator for Wind EnergyConversion Systems”(F.Poitiers，M.Machmoum，R le Doeuff和M.E.Zaim，Ecole Polytechnique de l’Universitéde Nantes，Saint Nazaire，France)介绍了通过分别控制有功与无功电力对在定子与电网之间交换的电力的控制。公开了DFIG系统的模型，示出了电力控制的框图。然而，该论文中讲到，有功与无功电力之间的交叉耦合具有小的影响且可被忽略，其与现代风力涡轮机领域工作的大多数人的共有经验不一致。

在论文“Stability Analysis of Field Oriented Doubly-Fed InductionMachine Drive Based on Computer Simulation”(Song Wang和YunshiDing，Department of Electrical Drive Automation，Automation ResearchInstitute of Ministry of Metallurgical Industry，Beijing，People’s Republicof China，1993)中，给出了DFIG系统模型的不同运行特性的计算机仿真。该仿真模型介绍了电压前馈功能，其减弱了在分别沿d轴与q轴的电流之间的交叉耦合。然而，并没有公开实际的补偿方法。

博士学位论文“Analysis，Modeling and Control of Doubly-FedInduction Generators for Wind Turbines”(Andreas Petersson，Department of Electric Power Engineering，Chalmers University ofTechnology，

Sweden，2003)公开了用于交叉耦合补偿的多种不同的方法，所有方法处理振荡和带宽问题。所提到的所有方法均具有缺点，例如测量得到的信号的不必要的差分、转子电流控制器带宽的减小、对额外的变换器硬件的需要等等。

国际专利公开WO 2004/098261公开了一种具有DFIG的可变速度风力涡轮机，其转子电流控制器调节产生磁通的转子电流，以便保证风力涡轮机可在市电网电压波动和/或暂态的情况下保持连接(“穿越(ridethrough)”)。然而，该系统没有提供对上面提到的由于通量动态振荡引起的系统潜在不稳定的问题的解决方案。

由于人们认识到风力涡轮机传动系(drive train)中的振荡问题已有几年了，已经提出了不同的解决方案来解决或至少减轻这些问题。在国际专利申请WO 99/07996中公开了在具有DFIG的风力涡轮机中基于发电机转子速度控制传动系阻尼特征的一个系统。这里，具有前馈阻尼滤波器的转矩指令发电机用于响应于测量得到的发电机转子速度产生所命令的转矩，转矩经由转子电流受到转矩控制器的控制，PID控制器基于实际发电机转子速度与目标发电机转子速度之间的差进行桨距调节。

本发明的目的在于提供一种双馈感应发电机(DFIG)系统，其中，上面讨论的可能的振荡可以以改进的方式受到控制或实质上得到避免。

本发明的另一目的在于提供一种DFIG系统，其具有控制电力输出品质的改进能力，这对于满足最新的电网要求是必要的。

另外，本发明的目的在于提供被补偿的DFIG系统，与传统的DFIG系统相比，其不需要测量所得的信号的差分，也不需要额外的硬件。

发明内容

本发明涉及一种可变旋转速度风力涡轮机，其包含：

风力涡轮机转子，其包含一个或更多的叶片，

双馈感应发电机，其被耦合到风力涡轮机转子，

转子电流控制器，其被布置为对发电机转子的电流进行控制，

补偿装置，其具有计算装置，以及

用于向补偿装置提供输入的装置，输入至少表示发电机转子的瞬时角速度。

其中，计算装置被布置为依赖于发电机转子的所述瞬时角速度地计算瞬时补偿控制输出，并将补偿控制输出馈送到发电机转子，计算装置被布置为计算风力涡轮机运行过程中的所述补偿控制输出，以便至少部分地对发电机传递函数极点位置的转子角速度依赖性进行补偿，由此，使得风力涡轮机运行过程中结果得到的发电机传递函数实质上不依赖于转子角速度的变化。

应当注意，由此间接解决了发电机通量动态中的振荡问题，即通过控制发电机的结果得到的瞬时传递函数，所述传递函数主要由发电机的有功及无功转子与定子电流之间的关系构成。

表示转子瞬时角速度的补偿装置的输入可以为来自寄存风力涡轮机转子角速度的编码器的输出，或者，其可以为一个或更多的转子电流或电压或基准电流或电压，其频率反映发电机转子的角速度。

在本发明一实施例中，补偿控制输出被加到来自转子电流控制器的输出。

有利的是，转子电流控制器可影响补偿后的发电机系统的结果得到的发电机传递函数，因此，在控制器中不需要补偿装置。

在本发明一实施例中，用于向补偿装置提供输入的装置进一步提供表示例如电流和电压等电气量的输入。

在本发明一实施例中，所述输入包括转子基准。

在本发明一实施例中，所述输入还包括定子电流。

在本发明一实施例中，所述输入还包括转子电流。

被用作补偿装置的输入的定子与转子电流可以是有功的和无功的。输入可包括测量得到的定子与转子电流的任何组合，转子基准电流和/或从DFIG系统测量的其他电流和电压被用作补偿装置的输入。

如上面所提到的，由于定子和转子电流均影响系统的通量动态，将它们用作补偿装置的输入和控制参数是恰当的。

在本发明一优选实施例中，补偿装置的传递函数还被设计为计算控制输出，使得转子电流被有效地解耦合为两个互相正交的分量，该分量可由转子电流控制器实质上独立地进行控制。

布置补偿装置传递函数以提供实现转子电流到两个互相正交分量的解耦合的控制输出是有利的，因为其使得电流能由转子电流控制器单独地进行控制，故可获得转子电流的更为精确的控制，并可由此获得定子电流以及传送到网络的电力的更为精确的控制。由于转子角速度不依赖性的提供，可获得电流分量的完全或至少接近完全的解耦合。

在本发明一优选实施例中，补偿装置包含用于提供控制输出振荡阻尼的装置。

在本发明又一优选实施例中，用于提供控制输出振荡阻尼的装置包含一个或更多的导前滤波器(lead filters)。

使用导前滤波器来增大潜在振荡频率附近来自补偿装置的输出控制信号的相位是有利的，因为其使得该频率附近的振荡最小化，因此在相当大的程度上使得控制系统的不稳定性最小化。

在本发明一实施例中，用于提供振荡阻尼的装置被设计为以从电网频率偏差小于5％的频率提供阻尼。

在本发明另一实施例中，用于提供振荡阻尼的装置可调谐到一个或更多的明确的频率。

在本发明另一实施形态中，涉及一种运行可变旋转速度风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有耦合到风力涡轮机转子的双馈感应发电机，该方法包含以下步骤：

提供到补偿装置的输入，输入至少表示发电机转子的瞬时角速度，

布置补偿装置的计算装置，以便计算在风力涡轮机运行过程中依赖于发电机转子的所述瞬时角速度的瞬时补偿控制输出，从而至少部分地对发电机传递函数极点位置的转子角速度依赖性进行补偿，因此，使得结果得到的发电机传递函数实质上不依赖于风力涡轮机运行过程中的转子角速度的变化，以及

将补偿控制输出馈送到发电机转子。

在本发明另一实施例中，该方法还包含这样的步骤：布置用于计算控制输出的计算装置，使得转子电流被有效地解耦合为两个互相正交的分量，该分量可由转子电流控制器实质上独立地进行控制。

在本发明一优选实施例中，该方法还包含这样的步骤：布置补偿装置，以便提供控制输出振荡阻尼。

在本发明又一优选实施例中，所提供的振荡阻尼可调谐到一个或更多的明确的频率。

附图说明

下面将参照附图介绍本发明一实施例，在附图中：

图1示出了从前方看的大型现代风力涡轮机；

图2示出了简化的机舱的截面图，其示出了从侧面看的传动系；

图3示出了标准双馈感应发电机的原理图；

图4示出了双馈感应发电机的标准稳态T等效图；

图5a示出了从平衡三相系统到平衡两相正交静止系统的向量Clarke变换；

图5b示出了从平衡两相正交静止系统到平衡两相正交旋转系统的向量Park变换；

图6示出了双馈感应发电机的模型，该模型被扩展为包括转子电流控制器和实际电流和电压可用的测量点；

图7示出了添加了补偿装置的情况下与图6一样的双馈感应发电机的同样的扩展模型；

图8示出了本发明所介绍的实施例的系统方程的极点和零点的位置；

图9示出了添加了导前补偿滤波器的情况下与图7一样的补偿双馈感应发电机的扩展模型；

图10示出了导前补偿滤波器的Bode图；

图11a示出了在没有导前补偿滤波器的系统中分别沿着d轴和q轴的转子电压对于100A脉冲的阶跃响应；以及

图11b示出了在具有导前补偿滤波器的系统中分别沿着d轴和q轴的转子电压对于100A脉冲的阶跃响应。

提供附图以便示出本发明一实施例，其不是为了对权利要求限定的保护范围进行限制。

具体实施方式

下面公开了本发明一实施例，其具有补偿装置，以便使发电机传递函数不依赖于变化的转子速度，该装置包含在电网频率附近对振荡进行阻尼的导前滤波器。

图1示出了现代风力涡轮机1，其包含塔架2和位于塔架2的顶部的风力涡轮机机舱3。包含三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4通过低速轴(未示出)被连接到机舱3，低速轴从机舱3的前方伸出。

图2示出了风力涡轮机机舱3的从侧面看的简化的截面图。在所示出的实施例中，机舱3中的传动系6包含齿轮7、断开系统8、发电机9和AC-AC转换器10。

标准双馈感应发电机9的主要原理在图3中示出，其中，定子11经由电网变压器14被连接到电网15，转子12经由滑环13、AC-AC转换器10以及电网变压器14被连接到电网15。

图4示出了双馈感应发电机的标准稳态T等效图，其中，u_s、i_s、R_s、L_sl分别为定子电压、定子电流、定子电阻和定子漏电感。类似地，u_r、i_r、R_r、L_rl分别为转子电压、转子电流、转子电阻和转子漏电感。L_sr为磁化电感。所有发电机参数被转换到固定定子电压参照系(reference frame)。

下面，电流和电压均将在平衡正交两相旋转参照系中参照，即在所谓的dq坐标系中。图5a与5b示出了从平衡三相系统到dq系统的量的两个变换步骤。

第一步，其被称为Clarke变换，将平衡三相量转换为平衡两相正交量，如图5a所示。三相量(a、b、c)与两相量(α与β)之间的关系由公式给出：α＝a

$\mathrm{\β}=\frac{1}{\sqrt{3}}(b-c)---\left(1\right)$

0＝a+b+c

以及

a＝α

$b=-\frac{1}{2}(\mathrm{\α}-\sqrt{3}\·\mathrm{\β})---\left(2\right)$

$c=-\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+\sqrt{3}\·\mathrm{\β})$

第二步，被称为Park变换，将量从静止两相系统转换到旋转两相系统，如图5b所示。静止系统中的量(α与β)和旋转系统中的量(d与q)之间的关系由公式给出：

α＝q·cosγ+d·sinγ

(3)

β＝q·sinγ-d·cosγ

以及

q＝α·cosγ+β·sinγ

(4)

d＝α·sinγ-β·cosγ

其中，γ为静止和旋转系统之间的旋转角度。

使用下标_{_sf}来表示变量在定子电压固定参照系中给出，标准双馈感应发电机的暂态(动态)模型可在dq坐标中写作：

u_{ds_sf}＝-(R_s+L_ss)i_{ds_sf}-L_srsi_{dr_sf}+ω(L_si_{qs_sf}+L_sri_{qr_sf})

u_{qs_sf}＝-(R_s+L_ss)i_{qs_sf}-L_srsi_{qr_sf}-ω(L_si_{ds_sf}+L_sri_{dr_sf})

(5)

u_{dr_sf}＝-L_srsi_{ds_sf}-(R_r+L_rs)i_{dr_sf}+(ω-ω_r)(L_sri_{qs_sf}+L_ri_{qr_sf})

u_{qr_sf}＝-L_srsi_{qs_sf}-(R_r+L_rs)i_{qr_sf}-(ω-ω_r)(L_sri_{ds_sf}+L_ri_{dr_sf})

在上面以及下面的公式中，ω为定子场速度(电网频率)，ω_γ为电气转子速度。公式中使用的暂态定子电感L_s和暂态转子电感L_r可由图4所示的电感通过下面的公式计算：

L_s＝L_sl+L_sr

(6)

L_r＝L_rl+L_sr

在状态空间矩阵标记法中，公式(5)可具有下面的形式：

$s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=M_i\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+(-M_u)\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]$

(7)

$\left[\begin{array}{c}f{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ f{i}_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ f{i}_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ f{i}_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=I_{\{4\×4\}}\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+0_{\{4\×4\}}\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ u_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]$

其中，所包含的矩阵M_u和M_i由下式给出：

$M_u=\frac{1}{L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2}\left[\begin{array}{cccc}{L}_r& 0& -L_{\mathrm{sr}}& 0\\ 0& L_r& 0& -L_{\mathrm{sr}}\\ -L_{\mathrm{sr}}& 0& L_s& 0\\ 0& -L_{\mathrm{sr}}& 0& L_s\end{array}\right]---\left(8\right),$

$M_i=\frac{1}{L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2}\left[\begin{array}{cccc}-L_r\·R_s& \mathrm{\ω}\·L_s\·L_r-(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·{L_{\mathrm{sr}}}^2& L_{\mathrm{sr}}{R}_r& {\mathrm{\ω}}_r\·L_r{L}_{\mathrm{sr}}\\ -\mathrm{\ω}\·L_s\·L_r+(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·{L_{\mathrm{sr}}}^2& -L_r\·R_s& -{\mathrm{\ω}}_r\·L_r{L}_{\mathrm{sr}}& L_{\mathrm{sr}}{R}_r\\ L_{\mathrm{sr}}{R}_s& -{\mathrm{\ω}}_r\·L_s{L}_{\mathrm{sr}}& -L_s\·R_r& (\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_s\·L_r-\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^2\\ {\mathrm{\ω}}_r\·L_s{L}_{\mathrm{sr}}& L_{\mathrm{sr}}{R}_s& -(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_s\·L_r+\mathrm{\ω}{L_{\mathrm{sr}}}^2& -L_s\·R_r\end{array}\right]$

由上面的公式描述的标准DFIG系统的主要问题都在于M_i的对角线外的元素，M_i为表示系统的状态空间标记法中的不同电流之间的关系的动态矩阵。

首先，由于对变化的转子速度的依赖性，某些对角线外元素是非线性的，这意味着电流控制器不能通过线性控制理论来设计和分析。

第二，某些对角线外元素对电气转子速度的同样的依赖性是具有不受控信号的系统的不稳定性的潜在原因，特别是在高加速的情况下，这是因为由这些对角线外元素建立的系统的零点和极点随着变化的转子速度移动，并受到不良的阻尼。

另外，M_i的对角线外元素导致电流之间的交叉耦合，使得分别沿着d和q轴的电流不能独立受到控制。

根据本发明，补偿装置被添加到系统，以便移除或至少是减小当转子速度改变时极点和零点的移动。这里，必须认识到，由于电流控制器仅仅能改变转子电压，在系统的状态空间标记法(7)中，不是所有的对角线外元素均能从动态矩阵M_i中移除。

然而，在补偿装置能被添加之前，发电机模型必须被扩展到包括这样的测量点：其中，如图6所示，补偿中使用的实际电流和电压是可用的。对于发电机模型的这种扩展，必须考虑两件事。

首先，发电机绕组可以以星形构造或Δ形构造连接。构造的选择以因子

影响电压。因此，如果发电机以星形构造连接，在图6中标记为“YΔ”的缩放因子17具有值1，如果发电机以Δ形构造连接，其具有值

第二，如前面提到的，发电机公式是基于定子电压固定参照系的。因此，由于转子电流和转子电压实际上在发电机的转子侧测量，必须在扩展的发电机模型中实施表示从定子到转子电压的变换因子的、标记为“Ratio”的缩放因子18，也如图6所示。

在扩展发电机模型位于适当地方的情况下，根据本发明一实施例，提供将被加到转子电压基准的控制输出信号的补偿装置可被添加到模型，如图7所示。现在，对于补偿后的系统的结果得到的状态空间方程看起来像下面那样(注意，表示总体补偿装置19的矩阵G而不是内部补偿矩阵Gx20被用在方程中)：

$s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=M_i\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+\left({-M}_u\right)\·S_c\·\left[\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{drref}}\\ u_{\mathrm{qrref}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}\_f}\\ u_{\mathrm{qr}\_f}\end{array}\right]\end{array}\right]$

(9)

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]=S_c\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]$

其等于：

$s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=M_i\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+(-M_u)\·S_c\·\left[\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{drref}}\\ u_{\mathrm{qrref}}\end{array}\right]-G\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]\end{array}\right]---\left(10\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]=S_c\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]$

其中：

$S_c=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{Y\Δ}& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{Y\Δ}& 0& 0\\ 0& 0& 1/\mathrm{Ratio}& 0\\ 0& 0& 0& 1/\mathrm{Ratio}\end{array}\right]---\left(11\right)$

现在，(10)可被分解为：

$s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=M_i\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{B}_l& B_r\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{drref}}\\ u_{\mathrm{qrref}}\end{array}\right]-G\·S_c\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]\end{array}\right]---\left(12\right)$

其中使用

$\left[\begin{array}{cc}{B}_l& B_r\end{array}\right]=-M_u\·S_c\⇒$

$B_r=\frac{1}{\mathrm{Ratio}\·(L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2)}\left[\begin{array}{cc}{L}_{\mathrm{sr}}& 0\\ 0& L_{\mathrm{sr}}\\ -L_s& 0\\ 0& -L_s\end{array}\right]---\left(13\right)$

或者，以重写形式：

$s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]=(M_i-B_r\·G\·S_c)\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+(-M_u)\·S_c\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{drref}}\\ u_{\mathrm{qrref}}\end{array}\right]$

(14)

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]=S_c\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{dr}\_\mathrm{sf}}\\ i_{\mathrm{qr}\_\mathrm{sf}}\end{array}\right]+0_{\{4\×4\}}\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]$

取决于补偿装置所需要的效果，补偿装置矩阵G 19可以以多种方式选择。

在本发明一实施例中，矩阵G 19以这样的方式选择：同时消除电气转子速度在补偿系统的结果得到的动态矩阵中的各出现，并有效地将电流解耦合为d和q分量。为此目的，G 19被设置为：

$G=\mathrm{Ratio}\·\left[\begin{array}{cccc}0& \frac{{\mathrm{\ω}}_r\·L_{\mathrm{sr}}}{\mathrm{Y\Δ}}& 0& -\mathrm{Ratio}\·((\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_r-\frac{\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^2}{L_s})\\ -\frac{{\mathrm{\ω}}_r\·L_{\mathrm{sr}}}{\mathrm{Y\Δ}}& 0& \mathrm{Ratio}\·((\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_r-\frac{\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^2}{L_s})& 0\end{array}\right]---\left(15\right)$

在G 19的这种选择的情况下，我们得到下面的矩阵乘积B_r·G·S_c：

$B_r\·G\·S_c=\frac{\left[\begin{array}{cccc}0& {\mathrm{\ω}}_r\·{L_{\mathrm{sr}}}^2& 0& -(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_r\·L_{\mathrm{sr}}+\frac{\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^3}{L_s}\\ -{\mathrm{\ω}}_r\·{L_{\mathrm{sr}}}^2& 0& (\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_r\·L_{\mathrm{sr}}-\frac{\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^3}{L_s}& 0\\ 0& -{\mathrm{\ω}}_r\·L_s{L}_{\mathrm{sr}}& 0& (\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_s\·L_r-\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^2\\ {\mathrm{\ω}}_r\·L_s{L}_{\mathrm{sr}}& 0& -(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)\·L_s\·L_r+\mathrm{\ω}\·{L_{\mathrm{sr}}}^2& 0\end{array}\right]}{L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2}$

当其被从M_i中减去时，给出了系统的下面的动态矩阵：

$M_i-B_r\·G\·S_c=\frac{\left[\begin{array}{cccc}-L_r\·R_s& \mathrm{\ω}\·(L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2)& L_{\mathrm{sr}}{R}_s& \mathrm{\ω}\·(L_r\·L_{\mathrm{sr}}-\frac{{L_{\mathrm{sr}}}^3}{L_s})\\ -\mathrm{\ω}\·(L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2)& -L_r\·R_s& -\mathrm{\ω}(L_r\·L_{\mathrm{sr}}-\frac{{L_{\mathrm{sr}}}^3}{L_s})& L_{\mathrm{sr}}{R}_s\\ L_{\mathrm{sr}}{R}_s& 0& -L_s\·R_r& 0\\ 0& L_{\mathrm{sr}}{R}_s& 0& -L_s\·R_r\end{array}\right]}{L_s\·L_r-{L_{\mathrm{sr}}}^2}---\left(17\right)$

因此，使用依赖于电气转子速度ω_γ的补偿装置矩阵G 19，可以得到不依赖于ω_γ的、结果得到的动态矩阵A＝M_i-B_r·G·S_c。

ω_γ的不依赖性意味着，当转子速度改变时，系统方程的极点和零点不再移动，并可进行专门的工作来对由于这些极点和零点引起的可能的振荡和不稳定进行阻尼，因为它们的位置现在是熟知的。

图8示出了在补偿装置矩阵G 19的上面提到的定义下系统的极点×和零点O的位置21。接近{-25，0}的左边的点21包含一个零点O和两个极点×，而接近稳定性限制22的两个复共轭点21各自包含一个零点O和一个极点×。

接近稳定性限制的上面提到的极点和零点可容易地成为振荡的原因。因此，本发明也包含专门用于对这种类型的振荡进行阻尼的阻尼装置。

在本发明一实施形态中，阻尼装置包含导前滤波器23，其位于系统的补偿装置环中，如图9所示。

导前滤波器23的Bode图在图10中示出，其具有下面的传递函数，其中LF为滤波器的导前因子(lead factor)：

$\mathrm{Lead}=\frac{s+\mathrm{\ω}/\mathrm{LF}}{s+\mathrm{LF}\·\mathrm{\ω}}---\left(18\right)$

如果LF被设置为值2，上面的传递函数在电网频率处给出了大约35°的相位超前。高频增益为1，DC增益为

一般构思为，导前滤波器23应当在高频下没有影响，且转子控制环快到足够补偿低频下的较低增益。

导前滤波器23的作用在图11a和11b中示出。其示出了分别在具有和不具有补偿导前滤波器23的系统中q轴26和d轴27转子电压对100A脉冲的阶跃响应。

实际上，导前滤波器常常包含分别作用在d以及q分量上的两个独立的滤波器。

参考标号列表

在附图中，参考标号和符号表示：

1.风力涡轮机或风力涡轮机系统

2.风力涡轮机塔架

3.风力涡轮机舱

4.低速轴

5.风力涡轮机转子叶片

6.传动系

7.齿轮

8.断开系统

9.发电机

10.AC-AC转换器

11.定子

12.转子

13.滑环

14.电网变压器

15.电网

16.转子电流控制器

17.星形配置/Δ形配置的缩放因子

18.定子与转子电压之间的变换因子

19.补偿装置矩阵

20.内部补偿矩阵

21.系统方程的极点和零点

22.稳定性限制

23.导前补偿滤波器

24.导前补偿滤波器传递函数的量级图

25.导前补偿滤波器传递函数的相位图

26.转子电压的阶跃响应-q分量

27.转子电压的阶跃响应-d分量

u_s定子电压

i_s定子电流

R_s定子电阻

L_sl定子漏电感

u_r转子电压

i_r转子电流

R_r转子电阻

L_sr转子漏电感

L_sr磁化电感

a、b、c平衡三相参照系中的分量

α、β平衡两相正交静止参照系的分量

d、q平衡两相正交旋转参照系的分量

γ静止与旋转系统之间的旋转角度

ω旋转系统与静止系统相比的旋转速度

u_qs定子电压-q分量

u_ds定子电压-d分量

u_qr转子电压-q分量

u_dr转子电压-d分量

i_qs定子电流-q分量

i_ds定子电流-d分量

i_qr转子电流-q分量

i_dr转子电流-d分量

u_{qs_sf}固定定子电压参照系中的定子电压-q分量

u_{ds_sf}固定定子电压参照系中的定子电压-d分量

u_{qr_sf}固定定子电压参照系中的转子电压-q分量

u_{dr_sf}固定定子电压参照系中的转子电压-d分量

i_{qs_sf}固定定子电压参照系中的定子电流-q分量

i_{ds_sf}固定定子电压参照系中的定子电流-d分量

i_{qr_sf}固定定子电压参照系中的转子电流-q分量

i_{dr_sf}固定定子电压参照系中的转子电流-d分量

i_qrref转子基准电流-q分量

i_drref转子基准电流-d分量

i_qrerror转子误差电流-q分量

i_drerror转子误差电流-d分量

u_qrref转子电流控制器输出电压-q分量

u_drref转子电流控制器输出电压-d分量

u_{qr_f}转子补偿电压-q分量

u_{dr_f}转子补偿电压-d分量

u_{qr_f_sf}固定定子电压参照系中的转子补偿电压-q分量

u_{dr_f_sf}固定定子电压参照系中的转子补偿电压-d分量

×传递函数极点的位置

O传递函数零点的位置

Claims (15)

1.一种可变旋转速度风力涡轮机，其包含：

风力涡轮机转子，其包含一个或更多的叶片，

双馈感应发电机，其被耦合到风力涡轮机转子，

转子电流控制器，其被布置为对发电机转子的电流进行控制，

补偿装置，其具有计算装置，以及

用于向补偿装置提供输入的装置，所述输入至少表示发电机转子的瞬时角速度，

其中，计算装置被布置为依赖于发电机转子的所述瞬时角速度地计算瞬时补偿控制输出，并将补偿控制输出馈送到发电机转子，计算装置被布置为计算风力涡轮机运行中的所述补偿控制输出，以便至少部分地对发电机传递函数极点位置的转子角速度依赖性进行补偿，由此，使得结果得到的发电机传递函数实质上不依赖于风力涡轮机运行过程中的转子角速度变化。

2.根据权利要求1的风力涡轮机，其中，补偿控制输出被加到来自转子电流控制器的输出。

3.根据权利要求1或2的风力涡轮机，其中，用于向补偿装置提供输入的装置进一步提供表示例如电流和电压等电气量的输入。

4.根据权利要求3的风力涡轮机，其中，所述输入包括转子基准电流。

5.根据权利要求3或4的风力涡轮机，其中，所述输入包括定子电流。

6.根据权利要求3-5中任意一项的风力涡轮机，其中，所述输入包括转子电流。

7.根据权利要求3-6中任意一项的风力涡轮机，其中，补偿装置的传递函数进一步被设计，以便计算控制输出，使得转子电流被有效地解耦合为两个互相正交的分量，所述分量可由转子电流控制器实质上独立地进行控制。

8.根据权利要求1-7中任意一项的风力涡轮机，其中，补偿装置包含用于提供控制输出振荡阻尼的装置。

9.根据权利要求8的风力涡轮机，其中，用于提供振荡阻尼的装置包含一个或更多的导前滤波器。

10.根据权利要求8或9的风力涡轮机，其中，用于提供振荡阻尼的装置被设计为以从电网频率偏差小于5％的频率提供阻尼。

11.根据权利要求8-10中任意一项的风力涡轮机，其中，用于提供振荡阻尼的装置可调谐到一个或更多的明确的频率。

12.一种运行可变旋转速度风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有耦合到风力涡轮机转子的双馈感应发电机，该方法包含以下步骤：

提供到补偿装置的输入，所述输入至少表示发电机转子的瞬时角速度，

布置补偿装置的计算装置，以便在风力涡轮机运行过程中依赖于发电机转子的所述瞬时角速度地计算瞬时补偿控制输出，从而至少部分地对发电机传递函数极点位置的转子角速度依赖性进行补偿，因此使得结果得到的发电机传递函数实质上不依赖于风力涡轮机运行过程中转子角速度的变化，以及

将补偿控制输出馈送到发电机转子。

13.根据权利要求12的方法，其还包含这样的步骤：布置用于计算控制输出的计算装置，使得转子电流被有效地解耦合为两个互相正交的分量，所述分量可由转子电流控制器实质上独立地进行控制。

14.根据权利要求12或13的方法，其还包含这样的步骤：布置补偿装置，以便提供控制输出的振荡的阻尼。

15.根据权利要求14的方法，其中，所提供的振荡阻尼可调谐到一个或更多的明确的频率。

Images