CN102119480B

CN102119480B - 发电机

Info

Publication number: CN102119480B
Application number: CN200980131014.4A
Authority: CN
Inventors: 理查德·安东尼·麦克马洪; 伊赫桑·阿卜迪·雅莉贝
Original assignee: WIND TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: WIND TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: EP2301143A1; WO2009150464A1; ATE535991T1; EP2301143B1; CN102119480A

Abstract

一种操作无刷双馈机(BDFM)的方法，所述无刷双馈机包括无刷双馈发电机，其具有转子、功率定子线圈和控制定子线圈，所述转子具有固有转速，该方法包括通过在高于所述转子的固有转速时驱动功率进入所述控制定子线圈以降低所述BDFM在高于所述转子的固有转速时的效率，从而增加所述无刷双馈机的损耗。优选地，驱动功率进入所述控制定子线圈包括以大于由所述无刷双馈机的特征曲线、所述转子的转速和所述转子的固有转速所限定的电压的电压驱动该控制线圈。该方法还包括补偿由于以所述增加的电压驱动所述控制定子线圈而使得所述功率定子线圈产生的增加的电抗功率。

Description

发电机

技术领域

本发明涉及发电机，更特别地涉及无刷双馈发电机。我们所描述的这项技术对于风力涡轮发电机是特别有用的，但是其应用并不限于这个领域。

背景技术

利用风力发电是一种已经证实的不释放二氧化碳获取能量的方法。风力涡轮机涵盖了从具有几兆瓦的峰值输出的大型机器到专用于家用的小型机器。对于家用来说，至少部分受叶片可用尺寸的限制，最大输出功率为1至2kW，在多数设计中该最大值产生在风速为大约30mph时。当风速变化时，平均输出会更小。

一些发电机用于对电池充电，这种系统例如应用于船艇。这种方法是面向独立电力系统的，不需要向电源(mains)供给功率。然而，向电源供给功率的小型涡轮机的使用越来越受到关注，其用于减少从电源抽取的功率甚至向供电公司回馈功率。这种应用的一个例子是被设计用于向单相位家用电源供电的“Windsave”(RTM)产品。关税制度在发展以奖励那些向电网提供电能例如绿色能量的消费者。

发电机是风力涡轮机的一个关键部件。对于最大2kW的中速运转的风力涡轮机来说，通常的选择是具有永磁体转子的ac机，其具有健壮性和紧凑性的优点，但是也具有包括成本在内的多个缺点。该发电机的输出是可变的电压和可变的频率，二者都与叶片转速成比例增长，当这些机器更紧凑时，多数发电机将产生三相输出。

有时可能制造以恒定速度运转的风力涡轮机，其获得可用功率的能力较差，实践中使用可变速度来获得可接受的性能。然而，预期输出是固定的频率和电压以输入到电源，在许多国家需要单相输出。使用功率电子设备可以实现电压和频率转换，并且在多种可能方式中的两种是无控制的三相整流器或受控三相整流器，其后接一单项逆变器；使用受控整流器将获得更好的性能。此外，该电子电路被设计成具有峰值输出功率以避免故障，但是这将导致该电路的性能在大多数时间内被低效利用。其结果是得到了一个较长回报周期甚至没有回报的相对昂贵的系统。这种系统的例子是包括(Windy Boy RTM)的功率转换系统。

还存在与电源功率供给相关的其他因素。目前的规范有一个2.5kW的阈值，高于该水平的话将适用应用更复杂的规定。然而，即使在2.5kW以下也具有严格的规管要求。在英国的一种规定形式是G83要求，其要求在电源故障事件中，风力涡轮机必须停止供电，这被称为反孤单要求求。此外，大多数地区都要求任何可接近部分都应当被电绝缘。

在大多数大型风力涡轮机中采用了一种不同的发电原理。可变速操作被采用以便在所有风速范围内都能获得满意的性能。一种可能是使用大型单相永磁机，但是其会产生可变的频率和电压输出。在应用到小型涡轮机上时得到了同样的结果，也就是说该输出必须被电子转换为固定的电压和频率。特别地，转换大量功率的需求是代价昂贵的。

因此，替代的方法被发展出来。最常用的是采用具有双馈的绕线转子感应电机。该电机的定子被直接连接到三相电源，并且该定子线圈是标准的。该电机的转子也是由三相线圈绕线，并且通过集电环连接它们。使用电子功率转换电路将该转子链接到电网——转换器将可变电压和频率施加到该转子并且能够向该转子供给功率或者从该转子向电网回送功率。该电机以一种同步模式工作，其中该电网频率(即定子频率)、转子频率和电机轴转速的关系是固定的。该关系在现有技术中被充分评述。进一步的考虑是，流入或流出该转子的功率、在电机同步速度以下向内流动和在同步速度以上向外流动的功率，与相对于同步速度的偏差成比例增加。例如，如果该感应发电机是4极电机，则同步速度是1500rpm。如果该速度增加到1650rpm，增长了10％，则从转子输出的功率是从定子直接供给的功率的10％。实际上，由于发生损耗而使得这种简单关系复杂化，当设置转换器和电机线圈的尺寸时必须考虑电抗功率(VArs)流的效应。然而，转换器的额定值可以是由涡轮机所产生总功率的适当的一小部分。

双馈绕线转子感应发电机的使用足以使得它们成为大多数风力涡轮机的系统选择。在大型风力涡轮机中，使用变速箱来将叶片处的轴转速例如从50rpm典型地增加到100到1500rpm，以允许使用4极或6极发电机。这些都是相对紧凑的机器。然而，其一个主要缺点是需要电刷装置的存在，因为需要维护费用特别是剧烈偏移(acute offshore)，并且电刷装置是该机器的一个昂贵的部件，也增加了其尺寸。近年来，无刷双馈发电机(BDFMs)受到越来越多的关注，因为正如其名称所示，它们不需要电刷。

在这些机器中有多个定子线圈，其中一个直接连接到固定频率电源，另一个被供给来自双向功率转换器的可变频率和电压，与双馈感应发电机的情况相同。并且，这些机器也是在同步模式下运转，两个转子频率和轴速具有固定关系。通过改变应用到第二定子的频率可以实现速度变化。供给可变频率定子线圈的转换器的功率额定值只需要是该发电机预期功率输出的一部分，从而获得了实际的经济效益。

BDFM，特别地为单框架(single frame)BDFM，具有不同极数的两个定子线圈；替代地，可以使用双定子结构。该极数被选择为使得在它们之间没有直接耦合，该转子与两个定子场耦合。该定子线圈中的一个集功率线圈(2p₁极)连接到具有固定电压和频率的电网，另一个即控制线圈(2p₂极)被具有可变电压和可变频率的频率转换器供电。驱动该控制线圈的频率取决于转子速度，并且被调节为使得该功率线圈输出的频率与电网输出的频率匹配，从而实现同步工作。

有三种原理类型的无刷双馈发电机，即无刷双馈感应发电机(BDFG)、无刷双馈磁阻发电机(BDFRG)(其具有磁阻型转子)和无刷双馈双定子感应发电机(BDFTSIG)。典型地，在BDFG中，操作通过在转子条中流动的电流实现，这不是BDFRG的情况(其中转子具有凸极)。在BDFG和BDFRG中，两个定子线圈通常都是在单个框架中，一般是在相同的槽中，而BDFTSIG具有双框架和位于共同轴上的两个转子。关于双馈机的详细分类和比较可以参考：B.Hopfensperger and D.J.Atkinson，“Doubly-fed a.c.machines：classification and comparison”in Proc.9th.European Conf.Power Electronics and Applications，August 2001，并且这里通过引用而结合该文献的内容于此。稍后我们描述的技术可以应用到所有三种BDFM上，但是它们对无刷双馈感应发电机(BDFG)特别有用。

发明人之一已经发表了关于BDFM设计的一些论文，其可以被参考作为背景信息。这些论文包括：

P.C.Roberts，R.A.McMahon，P.J.Tavner，J.M.Maciejowski and T.J.Flack.Equivalent circuit for the Brushless Doubly-Fed Machine (BDFM)including parameter estimation.In Proc.IEE B -Elec.Power App.，vol.152，Issue 4，pp932-942，July 2005；

R.A.McMahon，P.C.Roberts，P.J.Tavner，and X.Wang.Performance of BDFM as a generator and motor Proc.IEE B -Elec.Power App.，vol.153，Issue 2，pp289-299，March 2006；

P.C.Roberts，T.J.Flack，J.M.Maciejowski，and R.A.McMahon.Two stabilising control strategies for the brushless doubly-fed machine (BDFM).In Int.Conf.Power Electronics，Machines and Drives，pages 341-346.IEE，April 2002；

E.Abdi-Jalebi，P.C.Roberts，and R.A.McMahon.Real-time rotor bar current measurement using a rogowski coil transmitted using wireless technology.In 18th Intl.Power Systems Conf.(PSC2003)，Iran，volume 5，pages 1-9，October 2003；

P.C.Roberts，E.Abdi-Jalebi，R.A.McMahon，and T.J.Flack.Real-time rotor bar current measurements using bluetooth technology for a brushless doubly-fed machine(bdfm).In Int.Conf.Power Electronics，Machines and Drives，volume 1，pages 120-125.IEE，March 2004；

P.C.Roberts，R.A.McMahon，P.J.Tavner，J.M.Maciejowski，T.J.Flack，and X.Wang.Performance of Rotors for the Brushless Doubly-fed (induction)Machine(BDFM).In Proc.16th Int.Conf.Electrical Machines(ICEM)，5th-8th September 2004，Cracow，Poland；

P.C.Roberts，J.M.Maciejowski，R.A.McMahon，T.J.Flack.A simple rotor current observer with an arbitrary rate of convergence for the Brushless Doubly-Fed(Induction)Machine (BDFM).In Proc.Proc.IEEE Joint CCA，ISIC，CACSD，September 2-4 2004，Taipai；

X.Wang，P.C.Roberts and R.A.McMahon.Studies of inverter ratings of BDFM adjustable drive or generator systems Proc.IEEE Conf.Power Electronics and Drive Systems(PEDS)2005，Kuala Lumpur，Malaysia 28th Nov-1st Dec 2005；

X.Wang，P.C.Roberts and R.A.McMahon.Optimisation ofBDFM Stator Design Using an Equivalent Circuit Model and a Search Method Proc.Int.Conf.Power Electronics，Machines and Drives (PEMD)，vol.1，pp.606-610，Clontarf Castle，Dublin，Ireland，4th-6th April 2006；

R.A.McMahon，X.Wang，E.Abdi-Jalebi，PJ.Tavner，P.C.Roberts and M.Jagiela The BDFM as a Generator in Wind Turbines Int.Conf.Power Electronics and Motion Control Conference(EPE-PEMC)，Portoroz，Solvenia，30th August -1st September 2006；

P.J.Tavner，R.A.McMahon，P.C.Roberts，E.Abdi-Jalebi，X.Wang，M.Jagiela，T.Chick Rotor & Design Performance for a BDFM.hi Proc.17th Int.Conf.Electrical Machines(ICEM)，2nd-5th September 2006，Chania，Crete，Greece paper no.439；and

D.Feng，P.Roberts，R.McMahon Control Study on Starting of BDFM.In Proc.41st International Universities Power Engineering Conference (UPEC)2006，6th-8thSeptember 2006，Northumbria University，Newcastle upon Tyne，UK.

关于BDFG之外的无刷双馈发电机的更多背景信息可以参看：WO2005/046044；WO01/91279；WO00/48295；Seman S et al，“Performance Study of a Doubly Fed Wind-Power Induction Generator under Network Disturbances”，published 2005，IEEE；Basic D et al，“Transient Performance Study of a Brushless Doubly Fed Twin Stator Induction Generator”，published 2003，IEEE；Duro Basic et al，“Modelling and Steady-State Performance Analysis of a Brushless Doubly Fed Twin Stator Induction Generator”。更多的背景信息可以参看“A short review of models for grid-connected doubly-fed variable speed wind turbines”，M.Hokkanen，H.J.Salminen，T.Vekara。

WO03/026121中记载了用于双馈感应发电机的场定向控制技术。更多的背景技术可以参考US5029288和WO2008/150907以及US2004/217、US2003/0052643、US2001/0006335、US6850033、WO2006/017306和WO03/026121。Oregon State University在1980年代做了BDFG设计和操作方面的研究，发明人知道该研究得到了5项专利：US4994684、US5028804、US5083077、US5239251和US5798631。然而，尽管有了该研究，在获得适于商业应用的设计方面仍然存在问题。

因此需要对无刷双馈发电机进行进一步的发展。

发明概述

1.功率控制

泛泛地说，我们将描述一种在BDFM的控制定子线圈中故意消耗功率的技术，其中以高于该发电机固有速度的速度过激励该线圈。这一技术提供了预料不到的优点。

因而根据本发明，提供了一种无刷双馈发电机(BDFM)，用于耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线，该发电机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈发电机、耦合到所述ac电源功率供给线连接的控制器和耦合到所述控制器的传感器，所述无刷双馈发电机具有：转子，所述传感器被配置成检测所述转子的旋转；功率定子线圈，用于从该发电机向所述ac电源功率供给线连接提供ac电源；以及由所述控制器驱动的控制定子线圈；其中所述控制器被配置成向所述控制定子线圈提供可变频率驱动，其中所述无刷双馈发电机具有所述转子的固定转速，在该转速时所述驱动的频率为零；并且其中所述控制器被配置成，当所述转子的速度低于所述固有转速时从所述ac电源功率供给线获取功率以驱动所述控制定子线圈，以及当所述转子的速度高于所述固有转速时通过所述控制定子线圈消耗功率，从而使得当所述转子的速度高于所述固有转速时所述发电机消耗过多的能量，以通过降低所述发电机在高于所述固有转速时的效率而使得功率从所述ac电源功率供给线向所述控制定子线圈基本单向流动。

之前关于制造用于风力涡轮机的无刷双馈发电机的尝试都集中在提高效率上。相反地，本发明人认识到，可以通过故意降低该无刷双馈发电机对于阵风(其相对较少发生)的效率而不是优化该设计以接近平均条件来获得重大改进。本领域技术人员众所周知的(稍后将列出)，无刷双馈发电机的转子具有固有转速，本发明人认识到，可以通过在转子速度大于该固有转速时故意损耗或消耗能量，更具体地通过增加对于控制定子线圈的驱动来做出改善。因此，在该转速大于其固有转速时，代替对于产生功率的线圈的控制，提供电压以抑制该线圈产生功率，更特别地是强制功率进入控制线圈。通过这种方式，能量被从ac电源功率供给线中抽取并且在该无刷双馈发电机中被控制和功率线圈消耗。通过增加进入控制线圈的电压以确保电流流入该线圈，该控制线圈的驱动电路可以被制成单向的，因为实际上没有功率从该控制线圈流回到该ac电源功率供给线。相应地，这就使得该驱动电路更简单、制造更廉价并且更可靠，从而便于在商用消费者产品中使用该无刷双馈发电机。

如技术人员将会理解的，无刷双馈发电机具有一特征曲线，其将转子转速与(三相)驱动该控制线圈的电压和频率相关联。因而在实施例中，当该转子的转速高于其固有速度时，一大于由该特征曲线所限定的电压的电压被施加到控制线圈，从而迫使电流进入该线圈。该施加的电压可以由一个将转速(或者等效地为频率)与所施加电压相关联的查询表来限定。该信息可以被存储在存储器中，或者例如硬导线连接到FPGA(现场可编程门阵列)中。在实施例中，可以通过改变输入到驱动该三相控制线圈的逆变器的dc供电电压来改变该施加电压。在一些优选实施例中，该施加到控制线圈的电压被限制为最大55伏的峰值，这有助于使用廉价的部件例如自动级MOSFET。

该三相控制线圈的驱动可以是正序驱动，或者可以应用零序电流，例如通过在每个线圈的驱动波形中增加第三、第九或其他三倍频成分。

为了便于该无刷双馈发电机的控制，优选地，该传感器提供多个脉冲每转，例如至少10或15个脉冲每转，合适的传感器包括光学编码器和霍尔传感器。在一些优选实施例中，通过使用该转子的瞬时速度中测量的变化来调节该波形的相位(拉伸或压缩正弦波形数据)，从而调节该控制线圈的驱动波形的频率。这可以增加稳定性。

在大于转子固有速度时增加控制线圈的伏特每赫兹驱动可以增加由发电机传输的电抗功率。因此，优选的实施例包括用于控制或减少该电抗功率的系统。它可以包括一个电路，用于检测该输出相位角并调节伏特每赫兹控制器的斜率，特别地，减小该斜率以输出(减少)电抗功率。当发电机以一滞后功率系数传输功率时(电网看起来感应/阻抗该发电机)——并且当该控制定子线圈被过激励时——该发电机看起来好像电容器。然而在实施例中，电容器还可以被耦合在功率定子线圈的输出两边，例如在1-100μF的范围内，比如10-20μF，从而当该无刷双馈发电机低于固有速度工作时协助提供VAR。

在一个相关方面，本发明提供一种操作无刷双馈机(BDFM)的方法，所述无刷双馈机包括无刷双馈发电机，其具有转子、功率定子线圈和控制定子线圈，所述转子具有固有转速，该方法包括通过在高于所述转子的固有转速时驱动功率进入所述控制定子线圈以降低所述BDFM在高于所述转子的固有转速时的效率，从而增加所述无刷双馈机的损耗。

优选地，以大于由该无刷双馈机的特性所限定的电压的电压驱动该控制线圈，以便当该无刷双馈机在高于其固有转速工作时迫使电流进入控制线圈。

在另一相关方面，本发明提供一种无刷双馈机(BDFM)，用于耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线，该无刷双馈机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈发电机、耦合到所述ac电源功率供给线连接的控制器和耦合到所述控制器的传感器，所述无刷双馈发电机具有：转子，所述传感器被配置成检测所述转子的旋转；功率定子线圈，用于从该发电机向所述ac电源功率供给线连接提供ac电源；以及由所述控制器驱动的控制定子线圈；其中所述控制器被配置成向所述控制定子线圈提供可变频率驱动，其中所述传感器被配置成以一转的一部分的方式检测所述转子的旋转以便提供关于所述转子每转的旋转速度的多个指示；并且其中所述控制器被配置成通过响应于来自所述传感器的指示所述转子的部分旋转的信号改变所述驱动的波形相位，从而改变所述控制定子线圈的所述驱动的频率。

在本发明的上述方面和实施例中，特别优选的是，该发电机是无刷双馈感应发电机(BDFG)。

2.BDFM控制

还有一个问题需要解决，就是BDFM典型地不是在所有条件下都开环稳定。实践中可以观察到，在突然失去同步后紧接着是噪声增加的操作。因此还需要改进无刷双馈机的控制方案。

因此根据本发明的另一方面，提供一种无刷双馈机(BDFM)，用于耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线，该无刷双馈机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈发电机、耦合到所述ac电源功率供给线连接的控制器和耦合到所述控制器的传感器，所述无刷双馈电动机或发电机具有：转子，所述传感器被配置成检测所述转子的旋转；功率定子线圈，用于从该发电机向所述ac电源功率供给线连接提供ac电源；以及由所述控制器驱动的控制定子线圈；其中所述ac电源供电包括三相功率供给；并且其中所述控制器包括：第一输入，用于接收来自所述功率定子线圈的电流信号和电压信号；第二输入，用于接收来自所述控制定子线圈的电流信号和电压信号；第三输入，用于接收来自所述旋转传感器的信号以提供所述转子的角位置数据和角旋转速度数据；第一控制模块，耦合到所述第三输入，并且配置成根据所述角旋转速度数据生成转矩需求信号和描述所述转子的目标角旋转速度的信息，并且具有转矩需求信号输出；转矩估计模块，耦合到所述第一和第二输入，并且配置成根据来自所述功率定子线圈的所述电流和电压信号以及来自所述控制定子线圈的所述传感电流和电压信号生成转矩估计信号，所述转矩估计信号取决于所述电动机或发电机施加的阻力转矩，所述转矩估计模块具有转矩估计信号输出；第二控制模块，耦合到所述第一控制模块的所述转矩需求信号输出以及所述转矩估计模块的所述转矩估计信号输出，并且具有正交电压(quadrature voltage)控制输出以提供正交电压控制信号；直流电压(direct voltage)控制信号源，具有直流电压控制输出；电压参考帧转换模块，耦合到所述正交电压控制输出、所述直流电压控制输出和所述第三输入，用于转换所述正交电压控制信号和所述直流电压控制信号的参考帧以在所述控制定子线圈的参考帧中输出正交和直流电压信号，并且具有输出；以及控制定子线圈驱动器，耦合到所述控制定子线圈和所述电压参考帧转换模块的所述输出以将所述控制定子线圈的参考帧中的所述正交和直流电压信号转换为三相电压控制信号，从而根据所述三相电压信号向所述控制定子线圈提供三相驱动。

上述控制器的实施例能够提供改进的稳定性和/或更高的工作效率。该第一和第二输入可以是单独的或共用的；技术人员将会理解有多种方式来确定和检测该功率和控制定子线圈上的电压和电流。在实施例中，该旋转传感器可以包括提供多脉冲每转的轴角编码器，例如光学编码器或Hall传感器。技术人员将会理解通过这种传感器能够同时获取角位置和角旋转速度数据。

在一些优选实施例中，该电压参考帧转换模块被配置成使用该角位置数据，将该直流和正交电压控制信号从功率定子线圈的参考帧转换为该转子的参考帧，然后从该转子的参考帧转换为该控制定子线圈的参考帧。

在另一些优选实施例中，提供功率系数控制回路，该转矩控制回路控制正交轴电压，功率系数控制回路控制直流轴电压成分。该功率系数控制回路可以采用固定参考功率系数或者具有功率系数输入；后者在中大型机器中特别有用，其中控制传输到电网的电抗功率是很重要的。在实施例中，该功率系数/电抗功率控制回路响应于所检测的功率定子线圈上的电流和电压，并且根据对功率定子线圈上的电抗功率成分与参考电抗功率的比较而控制直流电压轴成分，其可以是固定值或者从参考功率系数获取。

在一些特别优选的实施例中，该电抗功率比较会考虑由线转换器供给的电抗功率，这是由向控制定子线圈供给有效功率和/或从该控制定子线圈获取有效功率的转换器产生的(取决于该实施方式，转子是低于或高于其固有转速)。在另一些实施例中，例如在三角形或星形结构中的一组或多组电容器可以耦合在功率定子线圈两端以提供另外的电抗功率，并且功率系数/电抗控制回路还可以考虑这些电容器的效应(在实施例中，由于该电容器和/或线转换器的效应导致的电抗可以与根据功率定子线圈确定的电抗功率相结合，该结合被用于控制回路中以控制参考电抗功率/功率系数)。

因而在一个相关方面，本发明提供一种无刷双馈机(BDFM)，用于耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线，该无刷双馈机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈电动机或发电机和耦合到所述ac电源功率供给线连接的控制器，所述无刷双馈发电机具有：转子；功率定子线圈，用于将来自该发电机的ac电源提供到所述ac电源功率供给线连接；以及由所述控制器驱动的控制定子线圈，所述控制器具有耦合到所述ac电源功率供给线的转换器；并且其中所述控制器被配置成当耦合到所述ac电源功率供给线时，通过控制由所述转换器供给到所述ac电源功率供给线的电抗功率成分来控制所述无刷双馈机的功率系数。

优选地，该控制器包括电抗功率控制模块，用于实现上述的控制回路，响应于来自功率定子线圈和耦合到控制定子线圈的转换器的电抗功率成分的组合。(可选地为任何由于平行连接到该无刷双馈机的电容器的电抗功率成分)

在实施例中，该转换器包括耦合在所述ac电源功率供给线与该转换器内部的dc链接之间的逆变器，通过控制驱动所述逆变器的一组三相脉宽调制信号的有效振幅和相位中的一个或两个来控制供给到该ac电源功率供给线的电抗功率(事实上，该信号的振幅和/或相位由该PWM信号限定)。技术人员将会认识到，不论是从该ac电源输入或向该ac电源输出有效功率，该电抗功率都可以被供给到该ac电源。

特别地，对于中大型机，希望能够满足电网的预期目标功率系数，例如为0.9。当更多功率被传输到电网电源时，该需要会更大(因而该控制技术甚至可以是功率相关的，在更高的整体输出功率时应用更大的电抗功率控制)。利用所述技术的实施例，可以使用功率定子线圈或使用耦合到控制定子线圈的(线)转换器或者同时使用两者来生成电抗功率。这减轻了功率定子线圈传输所有电抗功率的负担。另外，该供给来自线转换器的电抗功率的能力提供了进一步的自由度，其可以被应用以减小该机器的损耗/增加效率，不论在设计阶段还是在工作期间。

因此在另一相关方面，本发明提供一种控制无刷双馈机(BDFM)的功率系数的方法，该无刷双馈机耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线，该无刷双馈机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈电动机或发电机和耦合到所述ac电源功率供给线连接的控制器，所述无刷双馈发电机具有：转子；功率定子线圈，用于将来自该发电机的ac电源提供到所述ac电源功率供给线连接；以及由耦合到所述ac电源功率供给线的、所述控制器中的转换器驱动的控制定子线圈；该方法还包括通过控制耦合到所述ac电源功率供给线的所述转换器来控制供给到所述ac电源功率供给线的电抗功率成分。

本发明还提供一种用于无刷双馈机的控制器，该控制器如上面本发明的任一方面和/或实施例所述。

如上所述的无刷双馈机可以与机械可再生能源例如风力涡轮机组合使用，在这种架构中，可以从该可再生能源获得转子的目标转速，例如用于最大化该能源的效率。该机器的优选应用包括但不限于与风力涡轮机组合。在一些优选实施例中，该发电机是无刷双馈感应发电机(BDFG)。

附图说明

现在将通过以仅仅示例性的方式参照附图进一步描述本发明的这些和其他方面，其中：

图1a-1c分别示出了根据本发明一个实施例的无刷双馈机，控制线圈功率输入/输出相对于BDFM的转子转速的曲线图，以及BDFM的整体结构；

图2示出了图1a的无刷双馈机的一部分的更详细示意图，其具有单向转换器；

图3示出了根据本发明的无刷双馈机的第二实施例，其应用了双向转换器；

图4示出了图3的BDFM所使用的控制器的示例；

图5示出了图4的控制器的控制系统的框图；

图6示出了用于图4的控制器的参考帧转换模块的框图；

图7示出了根据本发明第二方面的一个实施例的、用于BDFM中的电抗功率控制的系统的示意性框图，其中由该线转换器供给的电抗功率被应用以补充供给到电网的整体电抗功率；

图8示出了一个无刷双馈机的示意图，其具有直接连接到单相ac电网电源的功率定子线圈、由ac电源供给通过频率转换器驱动的控制定子线圈以及无刷转子；

图9示出了根据本发明一个实施例的无刷双馈机(BDFM)的示意性框图；

图10示出了在实施例中由图9的控制器实施的过程的流程图；和

图11a和11b分别示出了用于BDFM中的控制线圈功率输入/输出相对于转子转速的曲线图，和存储在图9的控制器的查询表中的电压-频率曲线的示例，其中示出了控制线圈的过驱动以用于消耗会从该控制线圈输出的功率。

优选实施例具体说明

图1a示出了根据本发明的无刷双馈机(BDFM)100的一个实施例的大致框图。该BDFM具有两个定子线圈：功率定子线圈(S1)，其在实施例中用于直接连接到三相电网电源102；和控制定子线圈(S2)，其通过(功率)转换器104连接到电源102。下面将描述具有3相功率定子线圈和3相控制定子线圈的实施例，该转换器可以是单向(从电源到控制线圈)或双向的。在小插图中示出了一个示例转换器，包括在该机器侧以可变频率工作(使得在这一侧能够进行频率控制)和在线路侧以固定频率工作(锁定到电网)的一对串联耦合的AC-DC转换器。该转换器例如可以包括在机器侧的3相逆变器，例如包括三个半桥的6开关逆变器，由DC连接链接到电源侧的全桥转换器；替代地可以采用切换模式结构；如果需要，可以使用变压器来隔离。

该BDFM具有转子106，其可以由风力涡轮机通过通过变速箱(未示出)驱动。该BDFM例如可以是固有速度为500rpm的4极/8极机或固有速度为750rpm的2极/6极机。

一般地，(使用上述术语)，该转子轴的rpm(转每分)转速、N和逆变器频率x(即该控制线圈的驱动频率)之间的关系为：

N = \frac{60 . (50 + x)}{p_{1} + p_{2}} - - - (1)

其中p1和p2分别是功率和控制线圈上的极对数，系数60将转每秒转换为转每分，常数50是指电源供给的频率(因而可以根据该机器工作的特定国家来调整)。在固有转速时Nnat时x＝0，因而

N_{nat} = \frac{60 . (50 + 0)}{p_{1} + p_{2}} - - - (2)

该BDFM的特性是，控制线圈中的功率流和与固有速度的偏差相关，并且在理想的BDFM中，控制线圈中的功率与功率线圈中的功率乘以速度相对于固有速度的变化除以固有速度，即速度的偏差比成比例。在发电模式，功率流入固有速度以下的控制线圈，从固有速度以上的控制线圈流出。

这在图1b中示出，其中示出了相对于水平轴上的转子速度(rpm)，在垂直轴上的控制线圈的理想功率输入/输出。可以看出，在固有转速以上时，该控制线圈产生功率。

事实上，在BDFM中有阻抗损耗和其他损耗，其结果是使得该机器在其固有速度以上更高效。此外，在系统中有电抗功率。两个磁场都需要与电抗功率相关的磁化电流，并且在该机器中有与漏电抗相关的无功功率。而且，改变控制线圈上的激励将改变通过该机器的无功流，因为增加控制线圈激励将会导致在功率线圈上产生无功功率并且减少激励将导致吸收无功功率。

经验证明，存在“平衡”激励，其对于给定量的负荷转矩给出最小电流并进而得到电功率输出。这是用于获取最小阻抗损耗的优选条件，但是功率线圈的功率系数可能不是可接受的。在这种情况下，在损耗和功率系数之间将存在权衡(trade-off)。关于控制电抗功率的需要也会影响控制线圈的额定值。简单地说，要处理的电抗功率越大，给定尺寸机器的有效功率输出就越低。

现在参照图2，其中示出了具有单向转换器的无刷双馈机100的更详细示意图。该机器包括无刷双馈发电机202，其具有三相控制定子线圈204和被转子208耦合的三相功率定子线圈206。控制线圈204具有三个端子u、v、w(和p2极对)，功率线圈206具有三个端子A、B、C(和p1极对)用于连接到三相电源。

传感器212耦合到转子208以检测该转子的旋转并进而得到其旋转速度。传感器212例如可以包括光学或Hall效应传感器，优选地提供至少16脉冲每转以便于小相位角调节。这为控制器214提供了一个输入。控制器的更多输入由功率定子线圈的三相之一的被检测电流和电压(I1，V1)和控制定子线圈的三相之一的被检测电流和电压(I2，V2)提供(在每种情况下仅有一个相位需要被检测，假定该三个相位是平衡的)。技术人员将会知道可以应用许多技术来检测I1，I2，V1，V2。控制器214响应于所确定的该转子的瞬时位置和转速以及I1、I2、V1、V2，提供一控制信号输出，以用于控制应用到控制线圈204的端子u、v、w的三相正弦波形的电压和频率。

在所示实施例中，控制信号216被提供到脉宽调制模块220，其提供一组三相正弦波形用于驱动逆变器222(通过电平移动电路，在图2中未示出)，并进而驱动控制线圈端子u、v、w。该PWM正弦波形例如可以通过“on”脉宽表示正弦波形的瞬时振幅。通过改变PWM脉冲的宽度同时保持其“正弦分布”，可以改变该正弦波形的整体振幅(更短的脉冲使得“平均”PWM电压更低)。从而可以同时控制电压和频率。

逆变器模块222接收来自dc功率供给224的dc功率，相应地由该功率线圈所连接的ac电源供电。将会认识到，可以通过使用PWM控制器220改变正弦波形的振幅和/或通过控制dc连接线226上的电压来改变驱动控制线圈的三相波形的电压。因而在实施例中，可以通过从控制器214到dc功率供给224的电压控制连接来使得该控制器控制dc连接电压，从而控制施加到控制线圈上的电压。

如技术人员将会知道的，可以对PWM模块220、逆变器222和dc功率供给224应用多种不同电路。可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或微控制器来实现控制器214(以下将更详细描述)。

图3示出了根据本发明的无刷双馈机的第二实施例，其中应用了双向转换器。

转换器104包括一对AC-DC转换器104a、104b，在所示实施例中，每个都包括具有三个半桥的三相6开关逆变器，这些通过DC连接耦合。该开关可以是晶闸管，如图所示，或者优选为IGBT。第二控制单元300提供PWM信号以控制逆变器104a，其向电网电源提供功率；这就具有输入(Q^* _ref)用于控制供给到电网的电抗功率，例如通过控制PWM信号相对于三相电源电压的相移。

现在参照图4，其中示出了图3的控制器(控制单元I)214的细节。该控制器具有两个主要模块，第一个是控制模块402(方框A)，第二个是参考帧转换模块404(方框B)。在实施例中，控制模块402接收来自每个功率和控制定子线圈的电流和电压检测输入以及指示转子角旋转速度(ωr)的数据。控制模块402还接收目标角速度输入(ωref)以及可选的目标功率系数输入(pfref)，以及进一步可选的指示由控制单元300供给到电网电源的电抗功率的信号(Q^* _ref)，可选地考虑由连接在该机器两端的电容器供给的任何其他电抗功率。控制模块402提供直流和正交电压输出Vs12q和Vs12d(其中S 1表示定子1通量(flux)参考帧)，它们一起限定了被施加到控制定子线圈的一组三相电压V2a、V2b、V2c。参考帧转换模块404接收来自控制模块402的直流正交电压信号，以及用于转子的角位置测量信号，其被用于将该正交和直流电压信号转换为三相电压。

就这一点，稍微进一步解释一下直流和正交电压是有帮助的：因为三相表示中的冗余性，可以利用两组电压来表示预期的三相。从三相转换为直流和正交电压被称为Park-Clark变换，从直流和正交电压转换为三相电压作为该变换的逆变换来执行，这需要角位置信息。在d-q模型中，正交成分与磁通量相关，从而与转矩成比例，事实上与该发电机所应用的抗转矩或阻转矩(breaking torque)相关。(这可以被理解为考虑了对于增加或减小该磁场的转矩的效应)。直流电压成分控制该功率系数。

在图4的控制器中，该直流和正交电压是在功率定子线圈(S1)通量的参考帧中，从而应用一个变换以转换为控制定子线圈的参考帧。这将在下面更详细地解释。

为了说明这一点，考虑向转子条输入25Hz电流的4极、8极机。由该转子产生的4极场以750rpm相对于该转子旋转，由该转子产生的8极场以375rpm相对于该转子旋转(在相反方向上)。当该机器处于同步状态时，该4极场与一个定子线圈例如功率线圈同步，8极场与另一线圈例如控制定子线圈同步。从而如果该转子以750rpm旋转，那么该4极场就以1500rpm旋转并且与控制定子线圈同步。因此该4极定子线圈频率是50Hz，8极定子线圈频率是25Hz。

现在参照图5，其中示出了图4的控制模块402的细节。控制模块402具有第一和第二输入502、504以分别接收来自功率和控制定子线圈的电压和电流检测信号，并且它们向用于该发电机的等效电路模型506提供输入，该等效电路模型506的输出508包括用于估计该发电机转矩的信号Test。关于一个合适的等效电路模型的例子和详细说明，可以参见P.C.Roberts，R.A.McMahon，P.J.Taver，J.M.Maciejjowski，and T.J.flack；“Equivalent circuit for the brushless doubly fed machine(BDFM)including parameter estimation and experimental verification”，Electrical Power Applications，IEE Proceedings，152(40)：933-942，July 2005。替代地但是次优选地，可以使用转矩传感器来检测该发电机的轴处的转矩。

控制模块402还具有来自角位置/速度传感器的第三输入510，用于提供测量的角旋转速度(ωr)。该模块还可以接收参考或目标角旋转输入(ωref)，并且差分器512确定该测量和目标旋转速度之间的差值。该信息被提供到第一PID(比例积分微分)控制单元514，其提供输出516，该输出516负载有限定了该发电机的目标或参考转矩(Tref)的信号。该估计或测量的转矩和目标或参考转矩在差分器518中作差分，并且提供到另一PID控制单元520，其提供用于控制定子线圈的正交电压输出522，从而应用一转矩以使得转子速度接近于该目标角旋转速度。

技术人员将会理解，可以用其他控制机构来替换上述(和下述)的PID单元，关于其有许多可用的类型。例如，可以省略该微分项，在其他实施例中可以应用模糊逻辑控制。

控制模块402的上述部件提供了转子速度控制系统500。可选地，功率系数或电抗功率控制系统501还可以被包含在控制模块402中。在实施例中，该功率系数控制系统被耦合到第一输入502以接收来自功率定子线圈的电流和电压检测信号，并且它们被输入到模块524以计算功率定子线圈的有效功率P1和电抗功率Q1。这些通过如下所示公式来确定(其中

是该电压和电流之间的相位角，假定为平衡的三相组)：

P₁＝|V₁||I₁|cosφ

Q₁＝|V₁||I₁|sinφ

pf₁＝cosφ

可选地，功率系数控制系统501还具有目标功率系数输入(pfref)，其与P1一起被模块526用于确定目标电抗功率Qref。例如使用以下公式：

Q_ref＝P₁ tan(cos^-1 pf_ref)

使用一个差分器来比较来自功率定子线圈的电抗功率与目标电抗功率Qref，并且这向另一PID单元530提供了信号，其相应地提供直流轴电压(direct axis voltage)输出V2ds1，其限定了该预期电抗功率的控制定子线圈电压。

可选地，如图5所示，差分器528可以具有另一输入532(Q*ref)，其限定了由转换器104供给到电网的电抗功率成分，可选地还包括由连接在该机器输出两端的电容器供给的任何电抗功率。该电抗功率成分可以与一机器中的功率定子线圈所供给的电抗功率一起从该目标电抗功率中减去，其中该转换器被用于补充供给到电网电源的总电抗功率。这将在稍后更详细地说明。

现在参照图6，其中包含了图4的控制器的参考帧转换模块404的细节。该转换模块404接收来自控制模块402的正交电压输入522和直流电压输入534，以及检测的转子角位置数据(θr)。如图所示，当用于参考帧变换时，该转子位置被乘以功率和控制定子线圈的极对数。该参考帧变换由两个参考帧变换单元600、602实现，第一个用于从功率定子线圈通量的参考帧变换为转子的参考帧(仍然使用d-q表示)，第二个用于从转子的转换帧变换为该控制定子线圈通量的参考帧。然后利用Park-Clark变换单元604将该d-q表示转换为三相电压表示V2a、V2b、V2c，其被用于控制施加到转换器104的PWM信号以驱动该控制定子线圈。

现在参照图7，其中示出了无刷双馈机700的一个实施例的简化方框图，其中该转换器被用于向电网电源供给电抗功率。在图7中，与前述相似的元件被表示为相似的参考数字。使用转换器104供给电抗功率减少了对于功率定子线圈上的电抗功率的需求并且有助于提高效率。

图7中的转换器104是具有有效功率P3的双向转换器，其随着图1b所示的旋转速度而变化。我们使用Q3来表示该转换器的电抗功率成分，使用cosφ3表示该转换器的功率系数。然后我们可以根据下式定义纯电抗功率和纯有效功率：

Q_net＝Q₁+Q₃+optional Q_caps

P_net＝P₁+P₃

其中Qcaps包括由连接在该机器两端的电容器供给的电抗功率，如图所示。然后可以通过控制器702使用该纯电抗功率Qnet、Q1和目标电抗功率Qtarget来控制由该转换器供给的电抗功率。该电抗功率控制器702向转换器104提供电抗功率控制信号以控制传输到电网电源的电抗功率。

再次参照图3，如果电网电压是V1，由来自控制单元II 300的PWM信号定义的(三相)是V2，逆变器104a与电网之间的有效电抗为X(可选地，可以通过添加串联电感来使其增加)，V1和V2之间的相位角是δ，则从电网供给或传输到电网的每个相位的有效功率为：

P = \frac{V_{1} V_{2} \sin δ}{x}

每个相位的电抗功率是：

Q = \frac{V_{1} (V_{1} - V_{2} \cos δ)}{x}

= Q_{ref}^{*} (t \arg et)

毫无疑问，技术人员将会做出其他许多有效的改变。例如可以使用相应的技术来控制被配置为电动机的BDFM的速度和/或转矩和/或电抗功率。

功率控制

现在我们将描述BDFM的应用，在这种情况下包括用于小型风力发电的无刷双馈感应发电机(BDFG)。参照图8，其中示出了BDFM(这里是BDFG)的整体结构：该BDFG的两个线圈中的一个，即功率线圈，其用于直接连接到该电源，被重新配置成单相线圈，因为大部分国内装置都是单相的。控制线圈被一较小的三相逆变器馈电。该BDFG的转子可以由风力涡轮机通过变速箱(未示出)来驱动。

更具体地，该BDFM具有直接连接到电源的单相功率线圈，该线圈将被设计用于主流的电源供给，例如230V、50Hz。三相控制线圈由逆变器供电，其可以是包括三个半桥的常规六开关逆变器。该控制线圈可以被绕线成用于任何适当的电压，并且有利地使用可以从采用最大不超过50V的系统得到的电压，以简化与规则的兼容性(compliance with regulations)。要注意的是，在功率线圈与控制线圈之间有电绝缘，并且该绝缘可以被设置成足够好以确保与规则的兼容性。实现这一点的一个可能方式是在线圈之间的缝隙中应用绝缘层。

该BDFM可以是固有速度为500rpm的4极/8极机。对于小型涡轮机，最大轴速存在于500-750rpm的范围内，从而使得该BDFM与该范围良好匹配。另一种替代的BDFM可以是固有速度为750rpm的2极/6极机。

一般地(使用上述术语)，该转子轴的rpm(转每分)转速、N和逆变器频率x(即该控制线圈的驱动频率)之间的关系为：

N = \frac{60 . (50 + x)}{p_{1} + p_{2}} - - - (1)

N_{nat} = \frac{60 . (50 + 0)}{p_{1} + p_{2}} - - - (2)

这在图11a中示出，其中示出了相对于水平轴上的转子速度(rpm)，在垂直轴上的控制线圈的理想功率输入/输出。可以看出，在固有转速以上时，该控制线圈产生功率。

事实上，在BDFM中有阻抗损耗和其他损耗，其结果是使得该机器在其固有速度以上更高效。此外，在系统中有电抗功率。两个磁场都需要与电抗功率相关的磁化电流，并且在该机器中有与漏电抗相关的无功功率。而且，改变控制线圈上的激励将改变通过该机器的无功功率流，因为增加控制线圈激励将会导致在功率线圈上产生无功功率并且减少激励将导致吸收无功功率。

经验证明，存在“平衡”激励，其对于给定量的负荷转矩给出最小电流并进而得到电功率输出。这是用于获取最小阻抗损耗的优选条件，但是功率线圈的功率系数可能不是可接受的。在这种情况下，在损耗和功率系数之间将存在权衡(trade-off)。

关于控制电抗功率的需要也会影响控制线圈的额定值。简单地说，要处理的电抗功率越大，给定尺寸机器的有效功率输出就越低。

流动在控制线圈中的功率是双向的，其含义是与该控制线圈相关的电子转换器是双向的。这可以被设想为在该机器侧的常规三相逆变器，其通过dc连接链接到电源侧的全桥转换器。然而，这种结构比较复杂，并且也存在与向电源返回功率的问题。此外，这种结构不提供因安全原因而需要的电化隔离。可以使用变压器来实现隔离，但是电源频率变压器是个较大并且昂贵的部件。替代地，可以使用切换模式配置，但是这会进一步导致电路的复杂性。

因此我们使用一种能够避免需要双向转换器的设置。该转换器是单向的，其中从电源抽取功率但是没有功率被返回到电源。当该BDFM低于其固有速度时，即当涡轮机缓慢转动时，驱动转矩以及功率减小(涡轮机转矩与风速的三次方成比例)。因此该来自功率线圈的功率流降低，并且即使该速度偏差比达到例如50％，该控制线圈所需要的实际功率也将仅仅是功率线圈额定值的八分之一。该功率可以很容易地由低压逆变器供给，其具有来自廉价消费型计算机功率供给的dc供给。

当该涡轮机以及该BDFM达到固有速度以上时，来自控制线圈的功率输出将变得可能，但是通过增加该激励，损耗会增加，这将吸收该过多的功率。作为一个副作用，该功率线圈功率系数将从滞后(lagging)向超前(leading)移动。

虽然这种策略看起来很浪费，但是它提供了一种处理相对少有的强风暴的经济的方式，使得该机器对于更为常见的低风速更优化。这种方法在整体上能够更好地开发可用的风力资源。

现在我们参照图9，其中用相似的参考数字表示与图2相似的元件。因而该图示出了根据本发明一个实施例的无刷双馈机200的示意图。该机器包括无刷双馈感应发电机202，其具有三相控制定子线圈204和通过转子208耦合的三相功率定子线圈206。控制线圈204具有三个端子u、v、w和p2个极对，功率线圈206具有三个端子A、B、C和p1个极对。如图所示，功率线圈的三个端子被连接以提供单相输出210用于直接连接到ac电网电源(所示结构等效于所示的单相线圈206’)。在一些国家例如德国，应用三相电源供给，在这种情况下，可以使用替代的功率线圈结构206a。

传感器212耦合到转子208以检测该转子的旋转，进而检测器旋转速度。传感器212例如可以包括光学或Hall效应传感器，优选地提供至少16脉冲每转以便于小相位角调节。这为控制器214提供了一个输入，其响应于所确定的该转子的瞬时转速提供一控制信号输出，以用于控制应用到控制线圈204的端子u、v、w的三相正弦波形的电压和频率。在实施例中，该控制器214耦合到查询表218，其存储电压值以及可选的频率值以便被控制器214使用，如下面将更详细地描述的。

在所示实施例中，控制信号216被提供到脉宽调制模块220，其提供一组三相正弦波形用于驱动逆变器222(通过电平移动电路，在图9中未示出)，并进而驱动控制线圈端子u、v、w。该PWM正弦波形例如可以通过“on”脉宽表示正弦波形的瞬时振幅。通过改变PWM脉冲的宽度同时保持其“正弦分布”，可以改变该正弦波形的整体振幅(更短的脉冲使得“平均”PWM电压更低)。从而可以同时控制电压和频率。优选地，该切换频率被选择为人类可听觉范围以上，例如大于18KHz。

逆变器模块222接收来自dc功率供给224的dc功率，相应地由该功率线圈所连接的ac电源供电。该来自dc连接线上的功率供给的dc输出电压优选为小于50伏，例如48伏。将会认识到，可以通过使用PWM控制器220改变正弦波形的振幅和/或通过控制dc连接线226上的电压来改变驱动控制线圈的三相波形的电压。因而在实施例中，可以通过从控制器214到dc功率供给224的电压控制连接来使得该控制器控制dc连接电压，从而控制施加到控制线圈上的电压。在实施例中，该PWM控制器220可以被配置成例如通过向驱动控制线圈204的波形中添加一些三倍频，从而向该控制线圈204施加零序电流。

如技术人员将会知道的，可以对PWM模块220、逆变器222和dc功率供给224应用多种不同电路。可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或微控制器来实现控制器214和查询表218。

现在参照图10，其中示出了一个过程的流程图，其被控制器214以软件或硬件或这两者的组合来实现，用于控制施加到控制线圈204的驱动波形的频率。在一个简单实施例中，可以使用上述公式(1)来确定该控制线圈驱动的频率，其中N是所检测的旋转速度，x是计算得到的PWM驱动的频率。然而，由于该机械相位角与磁相位角之间的差会依赖于负载而变化，所以优选地使用控制回路，其基于所测量的该转子的相位控制所施加的波形的相位(因而间接地控制其频率)。从而在图10的过程中，在步骤S300，基于检测的旋转速度来设置初始驱动频率，然后应用一个相位控制回路(步骤S302-S308)。

从而在步骤S302，该过程接收来自旋转传感器的信号，其指示一个脉冲被检测到并且因而该转子轴转动了完整一转的一部分，例如1/16。该瞬时速度可以基于连续脉冲之间的间隔或者以一些更复杂的方式例如应用移动均值来计算。在步骤S304，该过程确定转子瞬时速度的变化，然后改变驱动波形的相位以进行补偿。从而在步骤S306，该过程从一个表中读取正弦波数据，并且每个时间段压缩该数据以获得预期的相位变化，例如在完整一周中提供满足公式(1)的频率变化的相位变化。如果瞬时速度中的变换小于一阈值变化，则可以不对驱动波形应用时间拉伸/压缩。然后在步骤S308，该正弦波数据被提供到PWM模块以生成相互异相120°的三个波形，从而向控制线圈204提供三相驱动。然后该过程返回到步骤S302。

现在参照图11b，其中示出了由控制器214使用查询表218实施的控制线圈驱动电压相对于控制线圈驱动频率的曲线图。该x轴上的零频率点对应于转子208的固有转速。该曲线图上这一点的左边的频率(“负”)对应于转子208的旋转速度低于其固有转速的情形，这一点的右边的频率(“正”)对应于旋转速度高于其固有转速的情形。

如图所示，在低于该转子的固有转速时，在驱动频率和应用到驱动上的电压之间存在大致的线性关系，其斜率(伏特每赫兹)是特定机器的特性，但是通过该机器内的离子饱和度来设定对于最大伏特每赫兹的限制。在零驱动频率处(进而在该点处的弯曲部分)施加到控制线圈的电压为最小电压Vmin。这是在dc下额定电流流经控制线圈所需的电压，对于具有5安预期电流的0.5Ω线圈，其示例值可以是2.5伏。该曲线的斜率典型地为1伏每赫兹的振幅级。

虚线1100表示高于转子的固有转速时的线性电压-频率关系，对应于如图11a所示控制线圈的功率产生。然而，在该机器的实施例中，我们描述了该电压-频率曲线1102被设置成使得在驱动频率大于零即转子速度高于固有转速时，施加到控制线圈的电压增加到线性电压-频率关系所限定的值以上，从而即使在速度高于该转子固有转速时也迫使电流进入该控制线圈。这就能够从ac电源供给中吸取能量，并且在该机器的线圈中消耗掉，有效地损耗了能量。然而，该机器仅仅是在风暴期间暂时在这种状态下工作，因此该能量损耗是可以容忍的，因为它使得逆变器222(和功率供给224)是单向的。

因此，这种类型的结构能够应用更简单、更廉价和更可靠经济的电路，其相应地对风力发电机的经济可靠性具有实质影响。

毫无疑问，技术人员将会做出许多其他有效的变体。可以理解，本发明并不限于所述的实施例，而是涵盖了在所附权利要求的精神和范围内的对于本领域技术人员显而易见的修改。

Claims

1.一种无刷双馈机(BDFM)(100)，用于耦合到ac电源功率供给线以便将功率传输到所述ac电源功率供给线(102)，该无刷双馈机包括ac电源功率供给线连接、无刷双馈发电机，所述无刷双馈电动机或发电机具有：转子(208)；功率定子线圈(S1)，用于从该发电机向所述ac电源功率供给线连接提供ac电源；控制器(214)，所述控制器耦合到所述ac电源功率供给线连接；由所述控制器驱动的控制定子线圈(S2)，以及耦合到所述控制器的传感器(212)；其中所述ac电源供电包括三相功率供给；以及

其特征在于，所述传感器被配置为检测所述转子的转速，其中所述控制器包括：

第一输入，用于接收来自所述功率定子线圈的电流信号(I₁)和电压信号(V₁)；

第二输入，用于接收来自所述控制定子线圈的电流信号(I₂)和电压信号(V₂)；

第三输入，用于接收来自所述旋转传感器的信号以提供所述转子的角位置数据(θr)和角旋转速度(ωr)数据；

第一控制模块(214；500)，耦合到所述第三输入，并且配置成根据所述角旋转速度数据生成转矩需求信号(Tref)和描述所述转子的目标角旋转速度的信息，并且具有转矩需求信号输出；

转矩估计模块(506)，耦合到所述第一和第二输入，并且配置成根据来自所述功率定子线圈的所述电流和电压信号以及来自所述控制定子线圈的所述传感电流和电压信号生成转矩估计信号(Test)，所述转矩估计信号取决于所述电动机或发电机施加的阻力转矩，所述转矩估计模块具有转矩估计信号输出；

第二控制模块(520)，耦合到所述第一控制模块的所述转矩需求信号输出以及所述转矩估计模块的所述转矩估计信号输出，并且具有正交电压控制输出(522)以提供正交电压控制信号；

直流电压控制信号源(501)，具有直流电压控制输出；

电压参考帧转换模块(404)，耦合到所述正交电压控制输出、所述直流电压控制输出和所述第三输入，用于转换所述正交电压控制信号和所述直流电压控制信号的参考帧以在所述控制定子线圈的参考帧中输出正交和直流电压信号，并且具有输出；以及

控制定子线圈驱动器(214；104b)，耦合到所述控制定子线圈和所述电压参考帧转换模块的所述输出以将所述控制定子线圈的参考帧中的所述正交和直流电压信号转换为三相电压控制信号，从而根据所述三相电压信号向所述控制定子线圈提供三相驱动。

2.如权利要求1所述的无刷双馈机(BDFM)，其中所述电压参考帧转换模块被配置成使用所述角位置数据，以将所述正交电压控制信号和直流电压控制信号转换为所述转子的参考帧，进而转换为所述控制定子线圈的参考帧。

3.如权利要求1所述的无刷双馈机(BDFM)，其中所述直流电压控制信号源包括第三控制模块，耦合到所述第一输入以控制所述直流电压控制信号，从而控制通过所述功率定子线圈供给到所述ac电源功率供给的电抗功率成分。

4.如权利要求3所述的无刷双馈机(BDFM)，其中所述直流电压控制信号源包括功率系数输入，用于接收目标功率系数信号，并且其中所述控制模块被配置成响应于由所述目标功率系数信号定义的电抗功率成分与根据所述来自所述功率定子线圈的电流信号和电压信号之间的偏差来控制所述直流电压控制信号。

5.如权利要求3所述的无刷双馈机(BDFM)，其中所述控制定子线圈驱动器包括转换器，用于驱动功率进入所述控制定子线圈或从所述控制定子线圈接收功率，其中所述第三控制模块被耦合到所述转换器以接收限定由所述转换器供给到所述ac电源功率供给的电抗功率成分的转换器电抗功率数据，并且其中所述第三控制模块被配置成响应于由所述转换器供给到所述ac电源功率供给的电抗功率成分而控制供给到所述ac电源功率供给的电抗功率。

6.如权利要求5所述的无刷双馈机(BDFM)，还包括连接在所述机器两端的一个或多个电容器或多组电容器，并且其中所述第三控制模块还被配置成响应于由所述一个或多个电容器或多组电容器提供的电抗功率成分而控制供给到所述ac电源功率供给的电抗功率。

7.一种用于无刷双馈机(BDFM)的控制器，该控制器如权利要求1所定义的。