CN102142690B - 用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法 - Google Patents

用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法。提供了使用向量控制算法来控制由逆变器进行的DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备。控制器设备具有开环控制环路增益并包括：第一电流需求输入端；至少第二电流需求输入端；第一电流反馈输入端；第二电流反馈输入端；第一电压反馈输入端；第二电压反馈输入端；第一电压需求输出端；第二电压需求输出端；以及控制器，产生第一电压需求信号和第二电压需求信号。开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号中的频率。在第一电流反馈输入端出提供第一滤波器并在第二电流反馈输入端处提供第二滤波器。第一和第二滤波器每个滤波器特性。

Description

用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法
技术领域
本发明涉及使用向量控制算法来控制由转换器进行的DC功率至AC转换或相反转换的电流控制器设备，所述控制器具有频率相关开环控制环路增益。本发明还涉及功率转换器、诸如风力涡轮机的发电设备、诸如风电场的发电设施和用于控制将DC功率转换成AC功率或进行相反转换的向量控制方法。
背景技术
风力涡轮机通过使用风力来将风能转换成电能以直接或借助于齿轮箱来驱动发电机的转子。在发电机的定子端子处产生的AC功率的频率与转子的转速成正比。发电机端子处的电压还作为速度的函数并根据特定类型的发电机、根据通量水平而变。为了获得最佳功率，风力涡轮机的输出轴的转速将根据驱动风力涡轮机叶片的风速而改变。为了限制高风速下的功率，通过改变涡轮叶片的节距（pitch）来控制输出轴的转速。
功率转换器例如被用于使由发电机提供的变频AC功率与电网的标称恒频AC功率匹配。在此类功率转换器的第一级中，使用整流器来将从发电机递送的AC功率转换成DC功率。此DC功率被馈送到所谓的DC链路。在第二级、即其输入端被连接到DC链路的所谓逆变器中，DC功率被转换成与电网频率匹配的AC功率。
通常，逆变器是用于将DC功率转换成AC功率的电路。其装配有用于将逆变器相（phase）端子输出端连接到DC链路的正或负汇流排（busbar）的开关。基于定义用于将逆变器输出端通过各开关连接到高或低DC电压水平的定时的脉宽调制方案来提供用于断开和闭合开关的开关模式。在其中开关被断开的时间期间，电流从DC链路留到电网或相反。还可适用用于确定用于开关的开关方式（switchingregime）的其它方法，包括直接控制或预测控制。
可以根据表示由电网运营商请求的功率因数（powerfactor）的功率因数需求信号来控制逆变器，其中，由有功功率（realpower）与表观（apparent）功率的比来给出功率因数（表观功率是有功功率和无功功率的平方的和的平方根）。作为根据功率因数需求来控制逆变器的替代，还可以基于有功功率需求和无功功率需求来控制逆变器。此外，作为直接根据功率因数需求或有功功率需求和无功功率需求来控制逆变器的替代，还可以根据电流需求信号来进行控制，因为电压振幅在电网中通常是固定参数，使得可以由电流振幅和电流与电压之间的相角来定义由逆变器馈送给电网的功率。因此，可以将用于有功和无功功率的功率因数需求信号转换成随后被用于控制逆变器、即用于确定定义开关的开关时间的脉冲的电流需求信号。此类控制模式称为电流控制。
特别地，在电流控制模式下，可以有利地使用向量控制算法来控制DC功率到AC功率的转换。可以将在固定参考系中获取的平衡交流反馈信号表示为以旋转频率ω r 或相对于固定参考系α、β（比较图10）旋转的向量I的分量Iα和Iβ。在向量控制算法中，以随着转子的通量向量或随着电网电压旋转（与电网电压同步）的向量旋转的旋转参考系来表示这些旋转向量I，并且基于电流需求信号来在此旋转参考系中计算控制量。在此类旋转参考系中，可以由两个向量、即向量分量Id、Iq来定义平衡三相AC电流I，所述向量分量Id、Iq表示沿着通量向量的方向、即旋转参考系的所谓直轴流动的电流Id和与通量向量的方向垂直地、即沿着旋转参考系的所谓象限（quadrature）轴的方向流动的电流Iq。在将沿着通量向量或随着电网电压旋转的向量的方向流动的电流Id称为直轴电流的同时，将与通量向量或随着电网电压旋转的向量垂直地流动的电流Iq称为象限轴电流。直轴电流和象限轴电流是稳态下的DC量，并且通常借助于PI控制器来将状态误差控制为零。
例如在US5,083,039和US2009/0147549A1中描述了包括整流器和用于基于向量控制算法将风力涡轮发电机的变频AC功率转换成DC功率和将DC功率转换成电网的固定频率AC功率的逆变器的典型功率转换器。
所述控制器通常具有频率相关开环控制环路增益。在开环控制环路增益大于一（unity）并具有小于或等于负的180°的相位的情况下，控制系统被定义为不稳定的。
发明内容
相对于所述现有技术，本发明的目的是提供一种与现有技术相比以提高的稳定性使用向量控制算法来控制DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备。本发明的另一目的是提供一种有利的功率转换器、有利的发电设备和有利的发电设施。此外，本发明的目的是提供一种用于控制将DC功率转换成AC功率的逆变器的有利的向量控制方法。
由根据权利要求1的电流控制器来解决第一目的、由根据权利要求11的功率转换器、根据权利要求13的发电设备和根据权利要求16的发电设施来解决第二目的。由根据权利要求19的向量控制方法来解决第三目的。从属权利要求包含本发明的进一步发展。
根据本发明，提供了一种用于控制将DC功率转换成AC功率或进行相反转换的转换器的向量控制方法，其中，向电网输出或从电网接收AC功率。该向量控制基于第一电流需求信号、第二电流需求信号、第一电流反馈信号、第二电流反馈信号、第一电压反馈信号和第二电压反馈信号来计算第一电压需求信号和第二电压需求信号。所述开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号中的频率。根据本发明，开环控制环路增益将大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号的频率受到抑制。
本发明的方法是基于以下观察：
具有固定频率脉宽调制方案的电网连接的逆变器在被连接到类似于例如风电场式集电器（collector）系统时可能遭受闭环不稳定性。此类集电器系统、以及其它电网可能具有显著的电缆电容和/或架空线，并可能被连接到弱AC电气系统。当从逆变器的输出端子看时，此电缆电容与输入线电抗器和涡轮变压器一起形成在（不是故意地）经调谐的频率下具有最小阻抗的串联谐振电路，这又产生高导纳。
可以通过考虑电网或发电机、所连接的逆变器的开环增益来分析其闭环电流控制器。可以根据控制器传递函数C(s)和电网或发电机的导纳Y(s)的乘积来计算此开环增益。由在控制器中使用的控制算法来定义控制器传递函数C(s)。在一般的固定开关频率方案中，与发电机的或被同步至电网电压的旋转通量向量同步地执行控制。
在此类固定频率脉宽调制方案中，在对电流反馈和/或电压反馈进行采样与实现用来控制变压器输出端处的电流的逆变器输出电压之间存在延迟。此延迟引起具有随着频率的增加而增加的相位滞后的相位特性。如果开环控制环路增益在开环控制环路增益的相位小于或等于负180°时大于一，则所述电流控制系统被定义为是不稳定的。
特别地，如果许多逆变器被连接到由于例如集电器系统而具有显著电容的电网，则从逆变器输出端看到的导纳可能变得如此高，以至于开关控制环路增益增加至一以上，并且同时，开环控制环路增益的相位在某个频带或某些频带内小于或等于负180°。此组合将导致这些频带中的控制系统的不稳定性。
虽然通常只有被连接到电网的几个逆变器（例如两个或三个逆变器）也出现上述困难，但其随着被连接到电网的逆变器的数目增加而变得更加严重。
如果许多大功率转换器被连接到大型电缆阵列，则上述问题变得相关。此外，如果安装的表观功率与电网故障水平的比变高，则次级影响变得相关。以前没有注意这些关系，因为被连接到大型电缆阵列的许多大功率转换器和安装的表观功率与电网故障水平之间的高的比仅仅是目前将要达到的，因此上述问题在不久的将来将变得更加相关。
用本发明的向量控制方法，可以通过抑制向量控制的开环控制环路增益将变得大于一和/或其相位将小于或等于负180°时的第一和第二电流反馈信号的此类频率来使控制系统稳定。
在存在多个发电设备的情况下，至少其子集被电网连接在一起，所述多个发电设备中的每一个将DC功率转换成AC功率并包括电抗器和变压器。所述电网具有电网电容，例如集电器电缆阵列的电缆电容。可以根据电抗器、变压器、电网电容和电网阻抗的参数来确定开环控制环路增益将大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和电流反馈信号的频率。特别地，可以由作为电网的一部分并将所述多个发电设备的至少子集连接到中央设备的至少一个集电器电缆的电容来控制电网电容。
特别地，可以通过根据电抗器、变压器和电缆电容的参数来确定从逆变器的输出端所看到的导纳来进行确定频率。然后，根据向量控制方法的开环增益C(s)和所确定的导纳Y(s)的乘积来计算开环控制增益。可以根据计算的结果来确定开环控制环路增益大于一时和相位小于或等于负180°时的频率。
特别地，可以在产生在被再次转换成AC功率之前被转换成DC功率的AC功率的发电设备的背景下使用本发明的向量控制方法。
适合于执行本发明的向量控制方法的电流控制器设备使用向量控制算法来控制由转换器进行的DC功率到AC功率转换或相反的转换。其具有频率相关开环控制环路增益并包括用于接收第一电流需求信号的第一电流需求输入端、用于接收第二电流需求信号的至少第二电流需求输入端、用于接收表示AC功率的AC电流、例如转换器端子处的AC电流的第一电流反馈信号的第一电流反馈输入端、用于接收表示AC功率的电流、例如转换器端子处的AC电流的第二电流反馈信号的第二电流反馈输入端、用于接收表示AC功率的AC电压、例如转换器端子处的AC电压的第一电压反馈信号的第一电压反馈输入端、用于接收表示AC功率的AC电压、例如转换器端子处的AC电压的第二电压反馈信号的第二电压反馈输入端、用于输出第一电压需求信号的第一电压需求输出端、用于输出第二电压需求信号的第二电压需求输出端和用于基于所述第一电流需求信号、所述第二电流需求信号、所述第一电流反馈信号、所述第二电流反馈信号、所述第一电压反馈信号和所述第二电压反馈信号来产生所述第一电压需求信号和所述第二电压需求信号的控制器。在电流控制器中，所述开关控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号中的频率。在第一电流反馈输入端处提供第一滤波器并在第二电流反馈输入端处提供第二滤波器。两个滤波器每个具有被选择为使得降低开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负的180°的相位时的第一和第二电流反馈信号的频率的滤波器特性，使得所述某些频率下的开环控制环路增益在一以下和/或与所述频率相关的相位移位至负180°以上。
作为所述第一和第二滤波器，可以使用带阻滤波器，每个具有被选择为使得降低频率相关开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号的频率的中心频率和带宽。
特别地，此类带阻滤波器通常将具有在150Hz或以上、例如在400Hz或以上或在600Hz或以上的中心频率。另外，此类带阻滤波器通常将具有至少50Hz且特别是至少200Hz的带宽。
在存在开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的不同频率范围的情况下，可以在第一电流反馈输入端与第一带阻滤波器之间提供至少第三带阻滤波器，并且可以在第二电流反馈输入端与第二带阻滤波器之间提供至少第四带阻滤波器。第三和第四带阻滤波器每个将具有150Hz或以上的中心频率和/或至少50Hz的带宽。
通过对每个电流反馈信号使用至少两个电阻滤波器，可以抑制将导致不稳定的不同频带，同时基本上不抑制将不会导致不稳定的此类频率。
所述控制器可以特别地包括连接到第一电流需求信号输入端和第一电流反馈输入端的第一减法器，该减法器适合于形成表示第一电流需求信号与第一电流反馈信号之间的差的第一误差信号。此外，此类电流控制器将包括被连接到第二电流需求信号输入端和第二电流反馈输入端的至少第二减法器，所述第二减法器适合于形成表示第二电流需求信号与第二电流反馈信号之间的差的第二误差信号。优选地为PI控制器的第一控制单元随后被连接到用于接收第一误差信号并适合于基于该第一误差信号来产生第一控制信号的第一减法器。优选地也为PI控制器的至少第二控制单元被连接到用于接收第二误差信号并适合于基于该第二误差信号产生第二控制信号的第二减法器。此外，第一乘法器被连接到第一电流需求信号输入端并适合于通过将第一电流需求信号与至少基频和电感值相乘来产生第三控制信号，并且至少第二乘法器被连接到第二电流需求信号输入端并适合于通过将第二电流需求信号与至少基频和电感值相乘来产生第四控制信号。另外，加法器布置（arrangement）被连接到第一控制单元、第二乘法器、第一电压反馈输入端和第一电压需求输出端。此第一加法器布置适合于通过将第一控制信号、第四控制信号和第一电压反馈信号相加来产生第一电压需求信号。加法器/减法器布置被连接到第二控制单元、第一乘法器、第二电压反馈输入端和第二电压需求输出端。第二加法器布置适合于通过用第二电压反馈信号减去第三控制信号并加上第二控制信号来产生第二电压需求信号。在此类电流控制器设备中，第一滤波器位于第一电流反馈输入端与第一减法器之间且第二滤波器位于第二电流反馈输入端与第二减法器之间。
本发明还提供了一种包括用于将DC功率转换成AC功率的逆变器的功率转换器和用于控制DC功率到AC功率的转换的发明电流控制器设备。由于本发明的电流控制器设备，功率转换器的控制系统显示出提高的稳定性。本发明的功率转换器另外可以包括用于AC功率到所述DC功率的转换的整流器。此类功率转换器可以特别地在发电机产生将被转换成第二频率的AC功率的第一频率（稳定或可变）的AC功率的情况下使用。
本发明的功率转换器可以特别地在类似于光伏电池的发电设备中使用，或者在功率转换器包括整流器、具有生成AC功率的发电机的发电设备的情况下使用，诸如风力涡轮发电机或两个AC电气系统之间的AC至AC互连系统，其可以具有也可以不具有标称上不同的基频。
根据本发明的另一方面，提供了一种发电设施，其包括类似于例如每个装配有变压器、电抗器和包括用于DC功率到AC功率的转换的逆变器的功率转换器的风力涡轮机的多个发电设备和用于控制由逆变器输出的AC功率的电流控制器设备。所述设施还包括发电设备被连接的到并具有电网电容的电网。所述电能发电设备的电抗器、变压器和电网电容形成谐振电路，其调谐频率导致促使逆变器控制器的开环控制环路增益变得大于一并具有小于或等于负180°的相位的高导纳。在此类发电设施中，本发明的电流控制器设备被用作发电设备的功率转换器中的电流控制器设备，使得能够抑制将由于所述谐振电路而引起不稳定性的频率。
特别地，所述电网包括至少一个集电器电缆，其将所述多个发电设备的至少子集连接到发电设施的中央设备，诸如，例如将内部电网连接到公用电网的主变压器，并具有电缆电容，其中，电网电容基本上由所述至少一个集电器电缆的电容来给定。此类集电器电缆通常在大型风电场中用于将风力涡轮机连接到中央变压器。此外，可以存在将具有与电缆电容类似的效果的功率因数校正电容器（correctioncapacitor）。
每个发电设备可以包括产生AC功率的发电机。在这种情况下，功率转换器还包括用于所生成的AC功率到所述DC功率的转换的整流器。整流器的使用允许生成AC功率，该AC功率的频率不与电网中的AC功率的频率匹配。整流器和逆变器的组合然后允许频率转换以使发电机的AC功率与电网的AC功率匹配。这种稳定化方法还可以应用于HVDC方案，其中，AC、DC、AC转换器提供AC电气系统之间的互连，而不是如上所述的发电机与AC系统之间的接口。
附图说明
通过结合附图的以下实施例说明，本发明的其它特征、性质和优点将变得明显。
图1示意性地示出风电场的典型结构。
图2详细地示出风力涡轮机的电气设备。
图3示出作为图2所示的风力涡轮机电气设备的一部分的逆变器。
图4示出图3所示的逆变器的电流控制器。
图5示出风力涡轮机的输入线路和风力涡轮机集电器电缆的等效电路。
图6示出作为频率的函数的具有1至27个风力涡轮机的包括一个至三个集电器电缆的风电场的频率相关开环控制环路增益。
图7示出电流反馈中的具有陷波滤波器的C(s)。
图8示出系统的完整开环增益C(s)Y(s)。
图9示出本发明的电流控制器的替换实施例。
图10是举例说明固定坐标系和旋转场坐标系中的电流向量。
具体实施方式
通常，许多风力涡轮机1被连接在一起以限定风电场，诸如图1所示。风力涡轮机被集电器电缆15并联地连接到风电场变压器23。该风电场变压器又被连接到标称固定频率的公用电网（在图中标记为网络）。每个风力涡轮机1通过输入线电抗器19和风力涡轮机变压器21连接到集电器电缆15。
虽然在图1中仅示出四个风力涡轮机1被连接到的一个集电器电缆15，但集电器电缆15的数目以及被连接到集电器电缆的风力涡轮机的数目可以与图1所示的不同。例如，大型风电场通常包括不止一个集电器电缆。另外，连接到每个集电器电缆15的风力涡轮机的数目可以小于四个或特别地大于四个。
图2更详细地示出图1的风力涡轮机中的两个。特别地，该图示出用于控制发电机和涡轮机的功率输出的风力涡轮机的电气设备。
每个风力涡轮机1包括具有将转动的转子3的旋转动量（rotationalmomentum）传送到齿轮箱7的转子轴5的转子3。在齿轮箱7中，发生旋转以一定的传动比到输出轴9的传送。输出轴9被固定于AC发电机11的转子，其将由输出轴9的旋转提供的机械功率变换成电功率。AC发电机11可以是同步发电机或异步发电机（单馈送或双馈送）。在同步发电机中，转子以与由发电机的定子产生的旋转磁场相同的旋转频率旋转。相反，在异步发电机中，定子的磁场和转子的旋转频率是不同的。由发电机的滑动（slip）来描述旋转频率的差。发电机11是变速发电机，即允许转子的旋转速度根据风力条件而变。
为了为风力涡轮机被连接到的公用电网提供固定频率，每个风力涡轮机1装配有功率电子转换器13，其将由发电机11递送的变频电力的一部分或全部转换成具有适合于公用电网的固定频率的电功率。另外，功率电子转换器13控制由风力涡轮机1供应的电力的输出功率。稍后将描述功率电转换器13的细节。
各个风力涡轮机1被连接到集电器电缆15，其通常是内部中压电网17、采取电抗器形式的直通滤波器（throughfilter）19和变压器21的一部分。内部电网17经由包括变压器23的变电站连接到通常将以公共系统运营商所请求的某个功率因数进行操作的公用电网。
将结合图2和3来描述由风力涡轮机供应的电力的功率输出的调节。由单独风力涡轮机1的功率电子转换器13根据功率因数请求、或替换地根据有功功率请求或无功功率请求来控制功率输出。每个功率电子转换器13包括用于从由风力涡轮机1提供的变频AC电压产生具有高压水平和低压水平（诸如作为高压水平的正电压水平和作为低压水平的负电压水平）的DC电压的有源整流器25、从DC电压产生标称固定频率AC电压的逆变器27和将有源整流器25与逆变器27相连的DC链路29。每个功率电子转换器13还包括通过控制AC发电机11的定子电流或定子电压来控制由AC发电机11起作用的转矩的发电机控制器31和控制功率电子转换器13的输出电流以供应以由请求功率因数指定的角具有超前或滞后电流的三相AC功率的逆变器控制器33。
请注意，在调节由风力涡轮机供应的电力的功率输出的替换布置中，DC链路电压控制器输出可以确定发电机Iq基准（reference），即产生用于发电机的向量的功率或转矩，并且可以将有功功率基准馈送到网络Iq基准。然后由无功电流参考系（可以是固定值）或由另一AC网络电压控制环路来确定网络Id基准。
在本实施例中，逆变器控制器33从根据请求功率因数来产生电流需求信号的功率控制器41接收DC链路29上的电压水平、逆变器输出端37处的电流水平、滤波器19与变压器21之间的电压水平和电流控制信号。在图3中示出了逆变器27的结构和逆变器控制器33的一般结构。
逆变器27包括三对有源开关器件35，类似于绝缘栅双极晶体管（IGBT）、双极结晶体管、场效应晶体管、达林顿晶体管或栅极截止闸流晶体管（gateturn-offthyristor）。在本实施例中，每对有源开关器件35包括两个绝缘栅双极晶体管作为有源开关器件35。成对的有源开关器件35被连接在DC链路29的高压水平与低压水平之间。逆变器输出37的三个线路每个被连接到成对有源开关器件35中的不同的一个，在开关器件35之间的中间部分。通过切换有源开关器件35的适当方案，可以将电压链路29上的DC电压变换成具有电流水平的逆变器输出端37处的三相AC电压以便与请求的功率因数匹配。由逆变器控制器33的电流控制器设备43根据由作为逆变器27的一部分并接收电压需求信号的脉宽调制发生器（pulsewidthmodulationgenerator）39提供的脉宽调制整流（commutation）信号来进行该切换。
在图4中更详细地示出了逆变器控制器。如所述，逆变器控制器包括电流控制器设备43和脉宽调制发生器39。电流控制器设备43基于电流需求信号IQ_NET*和ID_NET*来确定电压需求信号VQ_NET*、VD_NET*。电压需求信号VQ_NET*和VD_NET*被脉宽调制发生器39用来确定用于逆变器27中的有源开关器件35的栅极驱动命令信号RU、RL、YU、YL、RU和BL，其定义开关器件35的开关时间。
由功率控制器基于功率因数请求来计算电流需求信号IQ_NET*和ID_NET*。在与电网电压同步地旋转的旋转参考系、即所谓的旋转场参考系中对其进行定义。在此参考系中，可以根据沿旋转通量向量的方向流动的直轴电流ID和沿垂直于旋转通量向量的方向流动的象限轴电流IQ来表示平衡三相电流。可以通过适当的坐标变换将两个非零电流分量变换成直轴电流ID和象限轴电流IQ。采取直轴电流ID和象限轴电流IQ形式的AC电流表示的优点是在旋转参考系中，由处于稳态的DC分量来表示这两个电流并可以由比例积分控制器（PI控制器）将稳态误差控制为零。
电流控制器设备43包括两个电流需求输入端、用于象限轴电流需求信号IQ_NET*的第一电流需求输入端和用于直轴电流需求信号ID_NET*的第二电流需求输入端、两个电流反馈输入端，即用于象限轴电流反馈IQ_NET的第一电流反馈输入端和用于直轴电流反馈ID_NET的第二电流反馈输入端。可以通过来自逆变器输出端处的输出电流的三个相位的测量的适当变换来导出两个反馈信号。此外，电流控制器包括两个电压反馈输入端，即用于象限轴电压反馈VQ_NET的第一电压反馈输入端和用于直轴电压反馈信号VD_NET的第二电压反馈输入端。类似于电流反馈信号，可以通过使用来自在滤波器19与变压器21之间测量的输出电压的三个相位的测量的适当变换来导出电压反馈信号。此外，可以对象限轴电压反馈VQ_NET和直轴电压反馈信号VD_NET进行滤波。在电流控制器43处存在用于接收网络电压波形的频率的另一输入端。
在第一减法器45中，用象限轴电流需求信号IQ_NET*减去象限轴电流反馈信号IQ_NET以形成随后被产生第一控制信号C1的PI控制器47接收的象限轴误差信号EQ。同样地，第二减法器49被连接到第二电流需求信号输入端和第二电流反馈信号输入端以便接收各信号。第二减法器49用直轴电流需求信号ID_NET*减去直轴电流反馈信号ID_NET以产生被输出到第二PI控制器51的直轴误差信号ED，第二PI控制器51基于直轴误差信号ED来确定第二控制信号C2。
此外，电流控制器设备43包括第一乘法器53和第二乘法器57，第一乘法器53被连接到用于接收象限轴电流需求信号IQ_NET*的象限轴电流需求信号输入端和用于接收网络电压波形的频率W的频率输入端。第一乘法器53将接收到的象限轴电流需求信号IQ_NET*与接收到的频率W和输入线电抗器的感应率（inductivity）L相乘。乘法的结果形成第三控制信号C3。同样地，第二乘法器57被连接到用于接收直轴电流需求信号ID_NET*的直轴电流需求信号输入端和用于接收网络电压波形的频率W的频率输入端。其将直轴电流需求信号ID_NET*与接收到的频率W和输入线电抗器的感应率L相乘以形成第四控制信号C4。
加法器布置59被连接到用于接收第一控制信号C1的第一PI控制器47、连接到第二乘法器57以接收第四控制信号C4并连接到用于接收象限轴电压反馈信号VQ_NET的第一电压反馈输入端。其通过将三个接收到的信号求和来计算第一电压需求信号VQ_NET*。然后通过到脉宽调制发生器39的第一电压需求输出端来输出所计算的象限轴电压需求信号VQ_NET*。
加法器/减法器布置61存在于被连接到第二PI控制器51以接收第二控制信号C2、连接到第一乘法器53以接收第三控制信号C3并连接到用于接收直轴电压反馈信号VD_NET的第二电压反馈输入端的电流控制器设备43中。其用直轴电压反馈信号VD_NET减去第三控制信号C3并将结果与第二控制信号C2相加以生成第二电压需求信号，即直轴电压需求信号VD_NET*。然后通过到脉宽调制发生器39的第二电压需求输出端来输出直轴电压需求信号VD_NET*。
脉宽调制发生器39建立通过各开关器件35将逆变器27的各输出线路R、Y、B连接到DC链路的上或正电压水平VU和DC链路的下或负电压水平VL的、开关器件35的各个开关命令。通过使用总电压幅值V_NET*＝SQRT（VQ_NET*2+VD_NET*2），角的和θNET=ARCTAN（VD_NET*/VQ_NET*）和作为网络电压角的度量的θMAINS和例如由三角形波发生器生成的脉宽调制频率来计算各个信号RU、RL、YU、YL、BU和BL。
可以将电流控制器设备43的开环增益计算为控制器开环增益C(s)与逆变器输出端37被连接到的电网的导纳Y(s)的乘积。在图5中示出用于连接到集电器电缆15的涡轮的示意性等效电路。当从逆变器输出端看时，集电器电缆15的电容63与输入线电抗器19和变压器21一起形成在图5中用虚线环绕的串联谐振电路。此串联谐振电路在调谐频率下具有最小阻抗，这导致电网的高导纳Y(s)。请注意，虽然在图5中仅示出被连接到集电器电缆15的一个风力涡轮机1，但表示涡轮机的等效电路的部分必须由被连接到集电器电缆15的涡轮机的数目缩放。另外，如果存在不止一个集电器电缆，则可以由集电器电缆的数目与被连接到每个集电器电缆的涡轮机的相应数目一起来缩放整个谐振电路。这产生系统导纳的合理表示。
在图6中示出从三个不同结构得到的开环控制环路增益。图6的上部分示出开环控制环路增益的幅值且下部分示出对电流反馈和/或电压反馈进行采样与实现用来控制（正常地）具有电网电压波形的频率的电流的电压之间的相位滞后。此延迟引起具有随着频率的增加而增加的相位滞后的相位特性。
如果开环控制环路增益的幅值在开环增益的相位滞后小于或等于负180°时大于一，则控制系统被定义为是不稳定的。该图示出三个不同的方案，即其中存在一个集电器电缆且一个至九个风力涡轮机被连接到电缆的第一方案（I）、具有两个集电器电缆且一个至九个风力涡轮机被连接到每个连接器电缆的第二方案（II）和具有三个集电器且一个至九个风力涡轮机被连接到每个集电器电缆的第三方案（III）。如从图6看到的，根据风力涡轮机和/或集电器电缆的数目，存在其中开环增益大于一且相位滞后小于-180度并因此不稳定的条件。
为了避免风力涡轮机的控制系统中的所述不稳定性，每个电流控制器包括第一陷波（notch）滤波器65和第二陷波滤波器67（参见图4）。第一陷波滤波器65位于象限轴电流反馈输入端与第一减法器45之间，第二陷波滤波器67位于直轴电流反馈信号输入端与第二减法器49之间。陷波滤波器65、67每个具有被根据风电场的配置选择为使得在相位滞后小于或等于负180°的同时导致大于一的开环控制环路增益幅值的那些频率受到抑制的中心频率和带宽。例如，在配置III的情况下，中心频率约为500Hz，带宽为至少100Hz。在配置I的情况下，中心频率可以约为750Hz，带宽至少为50Hz。在示出系统的完整开环增益C(s)Y(s)的图9中示出了开环控制环路增益的结果产生的幅值和相位滞后。可以看到消除了控制系统的不稳定性。特别地，开环控制增益的幅值遍及整个频率范围很好地在一以下。图7示出电流反馈中的具有陷波滤波器的C(s)。宽带陷波滤波器还使得本技术相对于例如涡轮机的数目、电网故障水平和谐振频率的变化而言是稳健的。可以根据风电场集电器系统和内部涡轮机电气组件的频域表示来确定所需陷波滤波器Q因数的识别。
到目前为止，已经考虑了变电站（参见图1）的中压侧的电缆电容。然而，在较大风电场的情况下，在图1中一般被命名为网络的变电站的高压侧还可能由于第二串联谐振的产生而导致谐振，该谐振损害风力涡轮机控制系统的稳定性和/或稳定裕度。具有显著高压电缆电容的此类风电场的电气系统的导纳可能导致将接近于150Hz和500Hz存在的高增益，其中的两者或任一者可以产生风力涡轮机控制系统的不稳定性。因此，可以存在用于抑制各频率的一个或多个附加陷波滤波器（69、71）。这些陷波滤波器将例如具有约150Hz和/或600Hz的中心频率和至少50Hz的相应带宽。可替换地，可以对具有大到足以覆盖约100与至少800Hz之间的频率范围的某个中心频率和带宽的每个电流反馈输入端使用单个陷波滤波器。
相对于图4，已经描述了使用两个电流需求信号IQ_NET*、ID_NET*来控制逆变器的电流控制器设备。然而，还可以使用使用四个电流需求信号以便计算电压需求信号的电流控制器设备。那些电流控制器设备允许电网连接的逆变器电流的正和负序列组件两者的解耦控制，这又提供特别地用于不平衡故障条件的优越的故障穿越能力。
在图9中示意性地示出了使用四个电流需求信号的控制器。此控制器是基于将三相电流表示为复数形式的相量表示。可以用随着通量向量的频率且以与通量向量相同的方式旋转的参考系中的直轴部分和象限轴部分来表示该和的第一被加数，同时用以与通量向量相同的频率但相反地旋转的直轴部分和象限轴部分来表示该和的第二部分。因此，可以用正（旋转）象限轴电流需求信号IQ_NET*_P、正（旋转）直轴电流需求信号ID_NET*_P、负（旋转）象限轴电流需求信号IQ_NET*_N和负（旋转）直轴电流需求信号ID_NET*_N来表示电流需求信号。提供了用于控制正旋转系中的量和用于控制负旋转系中的量的各个电流控制器设备部430A、430B。控制器部430A、430B中的每一个在其结构方面对应于图4所示的电流控制器设备43。然而，当两个电流控制器设备部430A、430B被一起使用时，这两者必须具有在两倍的基频（2×f0）下调谐的陷波滤波器以拒绝基频电流电压的+ve和-ve分量。作为本专利申请的主体的陷波滤波器是与此2×f0陷波串联的附加陷波滤波器。
第一电流控制器设备部430A输出正旋转系VQ_NET*_P和VD_NET*_P的电压需求信号，并且第二电流控制器设备部430B输出负旋转系VQ_NET*_N和VD_NET*_N的电压需求信号。负旋转系VQ_NET*_N和VD_NET*_N的电压需求信号被调平（levelling）单元431调平至正旋转系VQ_NET*_P和VD_NET*_P的电压需求信号，然后，将各正的和已调平负象限轴电压需求信号相加以形成随后被输出到脉宽调制发生器39的最后象限轴电压需求信号VQ_NET*。以相同的方式，将正和负直轴电压需求信号相加以形成随后被输出到脉宽调制发生器39的最后直轴电压需求信号VD_NET*。
已相对于电流控制器设备43描述的内容也适用于图9所示的电流控制器设备430的每个电流控制器设备部430A、430B。因此，未更详细地描述这些部以避免重复。
已经相对于本发明的示例性实施例描述的本发明是基于高系统导纳能够以使标准逆变器控制算法不稳定的方式起作用的认识。根据本发明，所使用的陷波滤波器用于使此类系统稳定。
虽然已在固定开关频率脉宽调制方案的背景下描述了陷波滤波器在电流反馈中的使用，但本发明通常在可变开关频率系统的背景中可能也是有益的。
另外，虽然本发明的所述实施例涉及风力涡轮机的网络，但本发明也适用于其它类型的分布式发电或互连电气系统，诸如波能发电机、太阳电池组、HVDC和其中在集电器系统中存在功率转换器和电容的任何应用。如果发电设备生成DC功率而不是AC功率，则功率转换器仅包括逆变器，因为不需要有源整流。
此外，遍及实施例的说明，已使用DC链路的正电压水平作为高电压水平并已使用负电压水平作为低电压水平。然而，高和低电压水平通常可以被实现为以下三个选项中的一个：
1.高压水平是正的且低压水平也是正的，但正得比高压水平小；
2.高压水平是正的且低压水平是负的；以及
3.高压水平是负的且低压水平也是负的，但负得比高压水平多。
已经通过特定实施例的图示相对于附图描述的本发明不仅在其中功率从发电机流动到电网的在实施例中存在功率流动的情况下适用，而且在功率流动反向的情况下也适用，例如，在用于被从可以包含谐振的电气系统供电的电动交通工具或HVDC方案的充电站的情况下。

Claims (22)

1.一种使用向量控制算法来控制由发电设备（1）的逆变器（27）进行的DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备（43、430），其中AC功率被输出到连接多个发电设备的至少子集的电网，其中所述电网具有电网阻抗和电网电容并且其中所述多个发电设备（1）中的每一个包括电抗器（19）和变压器（21），所述电流控制器设备具有开环控制环路增益并包括：
-第一电流需求输入端，用于接收第一电流需求信号（IQ_NET*）；
-至少第二电流需求输入端，用于接收第二电流需求信号（ID_NET*）；
-第一电流反馈输入端，用于接收表示AC功率的AC电流的第一电流反馈信号（IQ_NET）；
-第二电流反馈输入端，用于接收表示AC功率的AC电流的第二电流反馈信号（ID_NET）；
-第一电压反馈输入端，用于接收表示AC功率的AC电压的第一电压反馈信号（VQ_NET）；
-第二电压反馈输入端，用于接收表示AC功率的AC电压的第二电压反馈信号（VD_NET）；
-第一电压需求输出端，用于输出第一电压需求信号（VQ_NET*）；
-第二电压需求输出端，用于输出第二电压需求信号（VD_NET*）；以及
-控制器，用于基于所述第一电流需求信号（IQ_NET*）、所述第二电流需求信号（ID_NET*）、所述第一电流反馈信号（IQ_NET）、所述第二电流反馈信号（ID_NET）、所述第一电压反馈信号（VQ_NET）和所述第二电压反馈信号（VD_NET）来产生所述第一电压需求信号（VQ_NET*）和所述第二电压需求信号（VD_NET*），
其中，所述开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）中的频率，
其特征在于
在第一电流反馈输入端处提供第一滤波器（65）并在第二电流反馈输入端处提供第二滤波器（67），该第一和第二滤波器（65、67）每个具有被选择为使得降低频率相关开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）的频率的滤波器特性，
其中所述开环控制环路增益将大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）的频率根据电抗器（19）、变压器（21）、电网电容和电网阻抗的参数来确定。
2.如权利要求1所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
所述第一和第二滤波器（65、67）是第一和第二带阻滤波器（65、67），每个具有被选择为使得降低频率相关开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）的频率的中心频率和带宽。
3.如权利要求2所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第一和第二带阻滤波器（65、67）每个具有150Hz以上的中心频率。
4.如权利要求3所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第一和第二带阻滤波器（65、67）每个具有400Hz以上的中心频率。
5.如权利要求4所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第一和第二带阻滤波器（65、67）每个具有600Hz以上的中心频率。
6.如权利要求2所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第一和第二带阻滤波器（65、67）每个具有至少50Hz的带宽。
7.如权利要求6所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第一和第二带阻滤波器（65、67）每个具有至少200Hz的带宽。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
所述电流控制器设备（43、430）包括：
-第一减法器（45），被连接到第一电流需求输入端和第一电流反馈输入端，第一减法器（45）适合于形成表示第一电流需求信号（IQ_NET*）和第一电流反馈信号（IQ_NET）之间的差的第一误差信号（EQ）；
-至少第二减法器（49），被连接到第二电流需求输入端和第二电流反馈输入端，第二减法器（49）适合于形成表示第二电流需求信号（ID_NET*）和第二电流反馈信号（ID_NET）之间的差的第二误差信号（ED）；
-第一控制单元（47），被连接到第一减法器（45）以便接收第一误差信号（EQ）并适合于基于第一误差信号（EQ）来产生第一控制信号（C1）；
-至少第二控制单元（51），被连接到第二减法器（49）以便接收第二误差信号（ED）并适合于基于第二误差信号（ED）来产生第二控制信号（C2）；
-第一乘法器（53），被连接到第一电流需求输入端并适合于通过将第一电流需求信号（IQ_NET*）与至少基频和电感值（L）相乘来产生第三控制信号（C3）；
-至少第二乘法器（57），被连接到第二电流需求输入端并适合于通过将第二电流需求信号（ID_NET*）与至少基频和电感值（L）相乘来产生第四控制信号（C4）；
-加法器布置（59），被连接到第一控制单元（47）、第二乘法器（57）、第一电压反馈输入端和第一电压需求输出端，加法器布置（59）适合于通过将第一控制信号（C1）、第四控制信号和第一电压反馈信号（VQ_NET）相加来产生第一电压需求信号（VQ_NET*）；
-加法器/减法器布置（61），被连接到第二控制单元（51）、第一乘法器（53）、第二电压反馈输入端和第二电压需求输出端，加法器/减法器布置（61）适合于通过从第二电压反馈信号（VD_NET）减去第三控制信号（C3）并加上第二控制信号（C2）来产生第二电压需求信号（VD_NET*）；
-第一滤波器（65）位于第一电流反馈输入端与第一减法器（45）之间；以及
-第二滤波器（67）位于第二电流反馈输入端与第二减法器（49）之间。
9.如权利要求8所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
在第一滤波器（65）与第一减法器（45）之间提供至少第三带阻滤波器（69）并在第二滤波器（67）与第二减法器（49）之间提供至少第四带阻滤波器（71），所述第三和第四带阻滤波器每个具有在150Hz以上的中心频率和/或至少50Hz的带宽。
10.如权利要求9所述的电流控制器设备（43、430），
其特征在于
第三和第四带阻滤波器（69、71）每个具有在第一和第二带阻滤波器（65、67）的中心频率以上或以下至少100Hz的中心频率。
11.用于将DC功率转换成AC功率或进行相反转换的功率转换器包括根据权利要求1至10中的任一项所述的用于控制DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备（43、430）。
12.如权利要求11所述的功率转换器，
其特征在于
其包括用于AC功率到DC功率的转换的整流器（25）和用于DC功率到AC功率的转换的逆变器。
13.一种发电设备（1），
其特征在于
其包括根据权利要求11或权利要求12所述的功率转换器。
14.根据权利要求13所述的发电设备（1），
其特征在于
其包括产生AC功率的发电机（11）和如权利要求12所述的功率转换器。
15.根据权利要求14所述的发电设备，
其特征在于
所述发电设备是风力涡轮机（1）。
16.一种发电设施，包括：
-多个发电设备（1），每个装配有变压器（21）、电抗器（19）和功率转换器（13），功率转换器（13）包括用于DC功率到AC功率的转换的逆变器（27）和用于控制由逆变器（27）输出的AC功率的电流控制器设备（43、430），以及
-电网，发电设备（1）被连接到该电网且该电网具有电网电容；其中
-发电设备（1）的至少电抗器（19）、变压器（21）和电网电容形成谐振电路，该谐振电路的调谐频率产生高导纳，该高导纳促使电流控制器设备的开环控制环路增益变得大于一并具有小于或等于负180°的相位，
其特征在于
所述电流控制器设备是根据权利要求1至10中任一项所述的电流控制器设备（43、430）。
17.根据权利要求16所述的发电设施，
其特征在于
所述电网包括将所述多个发电设备（1）的至少子集连接到发电设施的中央设备（23）并具有电缆电容的至少一个集电器电缆（15），其中，所述电网电容基本上由所述至少一个集电器电缆（15）的电缆电容给定。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的发电设施，
其特征在于
每个发电设备（1）包括产生AC功率的发电机（11），并且所述功率转换器还包括用于AC功率到DC功率的转换的整流器（25）。
19.一种用于控制由发电设备的逆变器进行的将DC功率转换成AC功率的逆变器（27）的向量控制方法，其中：
-AC功率被输出到具有电网电容的电网，所述电网连接多个发电设备（1）的至少子集，其中所述多个发电设备（1）中的每一个包括电抗器（19）和变压器（21），
-基于第一电流需求信号（IQ_NET*）、第二电流需求信号（ID_NET*）、第一电流反馈信号（IQ_NET）、第二电流反馈信号（ID_NET）、第一电压反馈信号（VQ_NET）和第二电压反馈信号（VD_NET）来计算第一电压需求信号（VQ_NET*）和第二电压需求信号（VD_NET*），以及
-开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）中的频率，
其特征在于
开环控制环路增益将大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）的那些频率受到抑制，其中所述开环控制环路增益将大于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号（IQ_NET、ID_NET）的频率根据电抗器（19）、变压器（21）、电网电容和电网阻抗的参数来确定。
20.如权利要求19所述的向量控制方法，
其特征在于
所述电网包括将所述多个发电设备（1）的至少子集连接到中央设备（23）的至少一个集电器电缆（15），并且所述电网电容基本上由所述至少一个集电器电缆（15）的电容给定。
21.如权利要求20所述的向量控制方法，
其特征在于
-根据电抗器（19）、变压器（21）和集电器电缆的电容的参数来确定从逆变器（27）的输出端所看到的导纳Y(s)，
-根据所述向量控制方法的开环控制环路增益和所确定的导纳Y(s)的乘积来计算开环控制环路增益，以及
-根据计算结果来确定所计算的开环控制环路增益大于一时和其相位小于或等于负180°时的频率。
22.如权利要求19至21中的任一项所述的向量控制方法，在所述发电设备中的每一个中，产生AC功率且该AC功率被转换成所述DC功率。
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