CN102197583B - 用于控制ac发电机的方法和控制设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于控制AC发电机的方法和控制器，所述AC发电机结合具有可变速度的风力涡轮机使用。将多相发电机连接到可控转换器并且对其进行控制以提供期望功率和期望转矩。生成将提供期望功率或者转矩的AC基准信号。可以考虑所述基准使用P+谐振转换器通过向所述可控转换器施加控制信号来控制所述发电机的电气特性。从而，不需要将所述电气特性变换到旋转坐标系中，这能够提供不太复杂的控制器。

Description

用于控制AC发电机的方法和控制设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制连接到可控转换器的多相交流(AC)发电机的方法，所述发电机具有转子，所述转子具有连接到至少一个风力涡轮机叶片的轴。本发明还涉及一种适用于执行所述方法的控制设备。

背景技术

在US 5,083,039中公开了这样一种方法，其描述了连接到功率转换器的AC电感发电机。使用利用场取向操作的PI调节器来控制发电机的转矩。然后控制功率转换器以提供产生期望转矩的定子电流。这使得控制器能够完全消除静止状态下的误差。然而，这种系统的一个缺点是相对复杂。

发明内容

本公开的目的在于完全或者部分克服上述问题，并且尤其是提供一种用于控制AC发电机的不太复杂的方法和设备。

通过如权利要求1所限定的方法或者如权利要求11所限定的执行所述方法的对应控制设备来实现所述目的。

更具体而言，所述方法包括确定由所述发电机的转子生成的转子通量的旋转速度和相位，确定所述AC发电机的电气特性，基于所述转子通量的所述相位来生成AC基准信号，确定代表所述AC发电机的所述电气特性与所述AC基准信号之间的差异的误差信号，将所述误差信号施加至控制器以生成基准电压，其中所述控制器具有反馈函数和谐振函数，所述谐振函数具有设置成对应于所述定子通量基准的频率的可变谐振频率，并且将所述基准电压施加到所述可控转换器。

具有谐振特性的控制器的使用意味着可以将定子电流以及定子通量控制为交变信号。因此，不需要将待控制的电流或者定子通量变换到旋转坐标系(frame)中，这提供了不太复杂的控制器。由于谐振频率根据基准信号并且最终根据风力涡轮机的旋转而变化，因此，即使在风速变化时，控制器也能够正确地控制转换器。

可以基于与期望功率和实际功率之间的差异对应的误差信号生成所述AC基准信号。然而，作为选择，可以基于与期望转矩和实际转矩之间的差异对应的误差信号生成所述AC基准信号。

所述AC基准信号可以是AC电流基准或者AC定子通量基准，并且所确定的电气特性可以是AC电流信号或者AC定子通量估计。

所述控制器可以是包括比例系数K_P和谐振系数K_I的P+谐振控制器，其中K_P和K_I是常数或者可选地根据所述转子通量的旋转速度而变化，然而，在任何情况下，所述控制器的谐振频率ω_re根据所述转子速度变化。

此外，所述基准电压可以补偿所述发电机的电磁力EMF。这提供了更加有效的控制。

根据所述方法设计所述控制设备。在本发明的一方面，提供一种用于连接到可控转换器的多相交流(AC)发电机的控制设备，所述多相交流发电机包括连接到至少一个风力涡轮机叶片的转子，所述设备包括用于检测由所述转子生成的转子通量的旋转速度的第一检测器装置、用于确定所述AC发电机的电气特性的传感器块、用于基于所述转子通量的相位生成AC基准信号的基准生成器，所述转子通量的所述相位基于所述旋转速度来确定、用于确定代表所述电气特性和所述AC基准信号之间的差异的误差信号的误差信号生成器、以及适于基于所述误差信号生成基准电压的控制器，其中所述控制器具有反馈函数和谐振函数，所述谐振函数具有被设置成对应于所述定子通量基准的频率的可变谐振频率，其中所述基准电压适于控制所述可控转换器。

附图说明

图1示意性示出了可以应用本公开的控制方法的情景。

图2示出了在永磁同步发电机(PMSG)中的电流向量。

图3A示意性示出了P+谐振控制器。

图3B示出了P+谐振控制器的波特曲线。

图4示出了基于发电机功率调节涡轮机速度的外部环路。

图5示出了根据本发明一个实施例的控制设备。

图6示出了根据本发明另一实施例的控制设备。

图7示出了根据控制自然坐标系中的电流的实施例的控制设备。

图8示出了根据另一实施例控制自然坐标系中的电流的控制设备。

图9示出了根据本发明一个实施例用于异步机器的控制器。

图10示出了根据本发明另一实施例用于异步机器的控制器。

图11示出了EMF的光学前向反馈补偿。

具体实施方式

图1示意性示出了可以应用本公开的控制方法或者设备的情景。具有处于旋转运动中的至少一个叶片2的风力涡轮机1经由可选的齿轮箱3连接到风力涡轮发电机(WTG)5，所述齿轮箱3用于增加所述运动的旋转速度，所述风力涡轮发电机5将旋转运动转换为电功率。

WTG 5旨在向固定频率(典型地为50或者60Hz)的电网7供应功率。即使能够与该电网同步地运行WTG，例如通过控制叶片2的桨距，但是更优选的是，允许风力涡轮机叶片2旋转速度在某些范围内变化。由于可以例如允许风力涡轮机叶片对于给定的风速以最佳速度旋转，因此这提供了更高的能效。此外，出于整体改善的性能可以进行其它考虑。例如，可以降低风力涡轮机的部件易受影响的机械应力，以使得可以将维护成本保持为低。

因此，允许WTG 5产生与电网7异步的交流(AC)功率。AC/DC转换器9连接到WTG 5的定子绕组并且将其输出AC功率转换为直流(DC)功率。AC/DC转换器9经由滤波电容器11连接到将直流(DC)功率转换为与电网7同步的AC功率的DC/AC转换器13。可以将变压器(未示出)放置在DC/AC转换器13和网7之间。

在典型的示例中，对于给定的风速，期望以特定的期望旋转速度ω^*运行风力涡轮机1。然后可以在三个级联环路中实现控制。

首先，从期望旋转速度ω^*减去实际旋转速度ω以提供速度误差信号。将该速度误差信号馈送到响应输出期望功率信号P^*的速度控制器15。其次，从期望功率P^*减去实际功率P以提供功率误差信号。将该功率误差信号馈送到功率控制器17，所述功率控制器17响应输出定子功率生成电流信号i ^* 的期望幅值。

作为使用功率作为控制参数的替代，如图4所示，可以代替使用转矩。然后速度控制器15’输出与实际转矩相比较的期望转矩速度T^*以提供馈送到功率控制器17’的转矩误差信号。作为响应，功率控制器17’输出定子功率生成电流信号i ^* 的期望幅值。

根据下面公式，WTG的功率和转矩通过角速度(即，转子的旋转速度)相关：

P＝ω_转子·T

这意味着，在应用于WTG时，转矩和功率控制呈现不同的特性。更具体而言，在控制WTG的转矩时，需要在控制环路中包括转子速度。因此在待控制的信号是功率时功率控制优于转矩控制，这是由于对于两种控制方法来说瞬态响应不同，即在使用转矩控制时，在可以应用正确的控制之前，功率的改变将要求解决转子速度和转矩二者。

第三，返回到图1，控制器19至少响应于WTG 5的电气特性和基准信号而输出定子电压信号u。在本发明的实施例中，响应于期望的定子电流信号i ^* 和实际定子电流信号i(i _a ，i _b ，i _c )输出定子电压信号u。

在本发明的替代实施例中，存在定子通量基准生成器18以基于期望的定子电流信号i ^* 输出定子通量基准Ψ ^* 。之后控制器19至少响应于定子通量基准信号Ψ ^* 和估计的定子通量而输出定子电压信号u。在当前实施例中，通量估计器20例如根据风力涡轮发电机5的实际定子电流信号(i _a ，i _b ，i _c )来确定估计的定子通量。在全部实施例中，将定子电压信号u馈送到相应地控制AC/DC转换器9的PWM调制器21。

本公开涉及这些控制环路中的第三环路，即调节定子电流或者定子通量的最内侧环路。应该理解，可以按照其它方式实现较外侧环路的功能，这将不再进行进一步描述。然而，一个示例将提供查找表，所述查找表响应于给定的风流或者叶片速度而提供期望的定子电流。

此外，由于DC/AC转换器13的操作是公知的，因此不再对其进行描述。

参照图2，将基于包括永磁同步发电机(PMSG)的风力涡轮机1给出下面的示例。然而，利用在后面解释的一些修改，本说明书的概念可应用于具有转子线圈的同步发电机或者例如鼠笼型转子发电机的异步发电机。

参照图2，通过下面的表达式给出三相发电机的三个端子a-b-c的电压：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{sb}}\\ u_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]=R_s\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]+L_m\left[\begin{array}{ccc}1+\mathrm{\σ}& -0.5& -0.5\\ -0.5& 1+\mathrm{\σ}& -0.5\\ -0.5& -0.5& 1+\mathrm{\σ}\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sa}}\\ E_{\mathrm{sb}}\\ E_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]$ (等式1)

其中，E_sa、E_sb和E_sc代表针对每一相的发电机EMF，L_m是相绕组的互感，σ是泄露因数，即自身电感除以互感，并且R_s是绕组电阻。

使用关系(i_sa+i_sb+i_sc＝0)，可以将三相发电机的三个端子a-b-c的电压简化为：

$u_{\mathrm{sa}}=R_s\·i_{\mathrm{sa}}+(1.5+\mathrm{\σ})L_m\frac{d{i}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}}+E_{\mathrm{sa}}$

$u_{\mathrm{sb}}=R_s\·i_{\mathrm{sb}}+(1.5+\mathrm{\σ})L_m\frac{d{i}_{\mathrm{sb}}}{\mathrm{dt}}+E_{\mathrm{sb}}$ (等式2)

$u_{\mathrm{sc}}=R_s\·i_{\mathrm{sc}}+(1.5+\mathrm{\σ})L_m\frac{d{i}_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{dt}}+E_{\mathrm{sc}}$

每一相的EMF分别为：

E_sa＝-ω_rψ_mcos(θ_r)

$E_{\mathrm{sb}}=-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_m\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$ (等式3)

$E_{\mathrm{sc}}=-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_m\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

其中ω_r代表转子通量角速度，θ_r与转子通量角度有关，并且Ψ_m是由转子产生的磁通量的量。

转矩和功率由下面的表达式给出：

$T_{\mathrm{em}}=-p{\mathrm{\ψ}}_m[i_{\mathrm{sa}}\cos {\mathrm{\θ}}_r+i_{\mathrm{sb}}\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+i_{\mathrm{sc}}\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{4\mathrm{\π}}{3})]$ (等式4)

P_em＝ω_M·T_em     (等式5)

其中ω_M＝ω_r/p并且p是转子的极对的数量。因此能够通过控制每一个绕组电流来控制风力涡轮机设置中的PMSG功率。这能够通过利用AC/DC转换器的开关控制相电压来进行。然而，这仅是与有助于转矩并且因此有助于功率的转子通量垂直的定子电流分量。

在实现用于三相鼠笼型转子发电机的控制方法的US 5,083,039中，首先执行从三相(a-b-c)系统到等效的两相(α-β)系统的变换：

$i_{\mathrm{sa}}=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{sa}}+i_{\mathrm{sb}}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)+i_{\mathrm{sc}}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{3}\right))$

                                           (等式6)

$i_{\mathrm{sb}}=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{sb}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)+i_{\mathrm{sc}}\sin \left(\frac{4\mathrm{\π}}{3}\right))$

该三相到两相变换是已知的。此外，执行将两相电流映射到旋转坐标系统的第二变换，其中象限轴q与转子通量一致并且直轴d与其垂直：

i_sd＝i_sαcosθ_r+i_sβsinθ_r

                                               (等式7)

i_sq＝-i_sαsinθ_r+i_sβcosθ_r

注意到，θ_r与转子通量的角度相关。在鼠笼型电感发电机的转子中，通量与转子相关地滑动(slip)。然而，在诸如PMSG的同步发电机中不是这种情况。

也可以将上述变换类似地应用到三相(a-b-c)系统到等效的两相(α-β)系统中的相电压并且然后顺序应用到d-q旋转坐标系统。

图2示意性示出了到目前为止描述的电流。三相a、b和c彼此分隔开120°，并且可以将相指定为静止定子轴31。即时定子电流i_s是三相电流i_sa、i_sb、i_sc的和，图中表明了该即时定子电流i_s的正向。在所示出的时刻，i_sc具有负值。在也是静止的α-β坐标系中，可以利用两个电流i_sα和i_sβ代替地定义定子电流。因而定义了α-β轴，其中α轴是定子轴31并且β轴与定子轴31垂直。转子通量Ψ_r与定子轴31相关地旋转。到目前为止示出的所有电流通常以具有等于(或者在具有多于两个极的转子的情况下高于)转子通量的旋转速度的频率的正弦函数周期性变化。

然而，在发电机处于静止状态下时，第二变换产生两个恒定的电流，如同其在旋转坐标系中所限定的。可以称之为功率生成电流的电流i_sd与转子通量垂直，并且可以称之为通量生成电流的电流i_sq与转子通量平行。

只要发电机处于静止状态，可以将与转子通量垂直的电流i_sd作为DC参数来控制。由于功率与i_sd成比例，因此这可以进行。在US 5,083,039中，使用PI控制器与DC基准相关地控制该电流，这能够完全消除DC信号的误差。将DC控制器的输出连接到可控整流器，所述可控整流器确保每一相的电压与导致期望定子电流的值相对应。尽管该方案可以在大多数应用中适用，但是其实现会相当复杂并且要求昂贵的控制设备。因此下面描述一种可以实现为不太复杂的系统的控制方法和设备。具体而言，描述一种不需要变换到旋转坐标系的控制方法/设备。

本公开的控制概念使用谐振控制器连同反馈控制器，以及可选的前向反馈控制器。谐振控制器和反馈控制器的组合可以典型的是本身公知的P+谐振控制器。其它可能包括与反馈PI控制器以及滑动模式控制器等等的组合。

通常，这里用作示例的P+谐振控制器可以表示为如图3A中示意性示出的。图3B中示出了所述控制器的波特曲线。控制器具有比例部分和谐振部分。谐振部分仅有助于中心频率ω_re附近频率中的输出，在本公开中设置所述中心频率ω_re对应于转子通量的旋转速度，这例如可以通过编码器获得以测量位于电力发电机上的转子的机械特性。值得注意的是，定子通量的频率和转子通量的频率相等，并且定子通量基准的频率自然地等于定子通量的频率。注意到，参数ω指的是转子通量的角速度。可以将理想P+谐振控制器的传递函数定义如下：

$H\left(s\right)=K_P+K_I\frac{s}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}^2}$ (等式8)

该调节器具有完全消除也位于交变参数中的误差的能力，只要该参数随接近ω_re的频率交变。因此，可以消除执行变换到旋转坐标系的需要。替代地，可以直接对三相电流或者其两相变换应用控制。同时将参数ω_re馈送到控制器。K_P和K_I可以是常数或者可以根据转子速度变化以实现不同的动态特性。

存在上述P+谐振控制的几种可能实施方式。可以通过使用下面的传递函数来实现P+谐振控制器，以便实现频率的某一范围处的实际谐振峰值。

$H_{\mathrm{ac}}\left(s\right)=K_P+\frac{2K_I{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}^2}$ (等式9)

其中ω_re代表谐振频率并且可以将ω_c认为是处于谐振峰值处的阻尼因数。

图5示出了根据本发明实施例利用P+谐振控制器的控制设备。将三相PMSG 105连接到包括六个开关的可控AC/DC转换器/整流器109。使用传感器106测量定子电流i_a、i_b中的两个以生成两个传感器信号。通常不需要测量第三相电流i_c，因为通常每一相电流在所有时刻都与其它两相具有预定的关系。利用应用上面等式6的函数的α-β变换单元139将电流信号转换到α-β坐标系中，从而提供电流i_α、i_β。然而，如下面将示出的，也能够使控制器直接对定子电流进行操作，即在a-b-c自然坐标系中。

如在结合图1和图4描述的系统中，功率(或者转矩)控制器117输出对应于提供期望转矩的转矩生成电流的基准值i_m ^*。电流基准块141基于i_m ^*在α-β坐标系中生成电流基准值，即i_α ^*、i_β ^*。

电流基准块141包括基于旋转速度ω_r提供关于定子轴(参考图2的31)的转子通量角度θ_r的估计的积分器142。这通过对转子速度进行积分并且提供以2π取模的结果来进行。然后将α-β坐标系中的电流基准值i_α ^*、i_β ^*提供为：

$i_{\mathrm{\α}}^{*}=i_m^{*}\cos {\mathrm{\θ}}_r$

                     (等式10)

$i_{\mathrm{\β}}^{*}=i_m^{*}\sin {\mathrm{\θ}}_r$

对于每一个电流基准值，然后通过使用加和单元108简单地减去实际值来提供误差信号。然后将每一个误差信号馈送到控制器块143中的P+谐振控制器，所述P+谐振控制器相应地向PWM控制器21提供控制信号u_α、u_β。控制器块143还接收转子速度的测量结果ω_r。

图6示出了根据本发明另一实施例的控制设备。将三相PMSG 205连接到包括六个开关的可控AC/DC转换器/整流器209。使用传感器206测量两个定子电流i_a、i_b以及两个定子电压u_a和u_b以生成电流和电压传感器信号。典型地，由于每一相线电流或者电压在全部时刻与其它两相具有预定关系，因此通常不需要测量第三相电流i_c或者电压u_c。通过应用上面等式6的函数的α-β变换单元239将电流和电压信号变换到α-β坐标系中，从而提供电流i_α、i_β以及电压u_α、u_β。

然后将电流i_α、i_β传送到通量估计器220以获得定子通量的估计。存在许多方式来实现静止坐标系中的定子通量，例如开环通量估计或者闭环通量观察器。一种可能的定子通量估计器基于电流模型。这提供为：

ψ_sα＝L_si_sα+ψ_mcosθ_r

                                       (等式11)

ψ_sβ＝L_si_sβ+ψ_mcosθ_r

其中定子电感

并且Ψ_m指的是转子通量，所述转子通量在PMSG中是恒定参数，并且对于异步机器(AM)构建为在启动之前是恒定值，并且用于控制AM中的定子通量。

或者，可以根据对电力发电机的测量简单地获得定子通量估计，例如利用编码器获得发电机的转子位置的角速度，之后将该角速度与所测量的风力涡轮发电机205的定子电压组合以获得定子通量估计。也可以通过利用电感式传感器的直接测量来获得定子通量估计。

同样可以被描述为提供一种用于确定AC发电机的电气特性的传感器块246，所述电气特性是AC电流或者AC定子通量。所述传感器块可以例如简单地包括诸如在图5中描述的传感器106，以提供对发电机105的两个定子电流的测量。或者，可以测量发电机的全部三个定子电流。为了确定AC定子通量，传感器块246可以包括电流或者电压传感器206、α-β变换单元239以及通量估计器220。传感器块246可以可选地包括采取编码器输入和所测量的定子电压来确定AC定子通量的系统。在另一实施例中，传感器块246也可以是用于直接测量AC定子通量的电感式传感器。

返回到图6，功率(或者转矩)控制器217输出对应于提供期望功率的功率生成电流的基准值i_m ^*。通过使用定子电流的幅值和转子角度在定子通量基准生成器块241中生成在PMSG的α-β静止坐标系中的定子通量基准值Ψ_α ^*和Ψ_β ^*。

ψ_sqref＝L_sqI_sq+ψ_m

                             (等式12)

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdref}}=-L_{\mathrm{sd}}{i}_m^{*}$

其中Ψ_sqref、Ψ_βsdref是d-q旋转坐标系中的定子通量基准值，L_sd和L_sq是d-q坐标系中定子的电感。应该注意到，在表面安装永磁(SMPM)发电机中，可以将I_sq项设置为0，由于i_sq是用于构建的通量的基准，导致q-坐标系中的定子通量基准Ψ_sqref简单地为机器通量Ψ_m的函数。

定子通量基准生成器块241还包括以旋转速度ω_r为基础提供关于定子轴的转子通量角度θ_r的积分器242。这通过对转子速度进行积分并且提供对2π取模的结果来进行。

然后执行从d-q旋转坐标系中的定子通量基准值到α-β静止坐标系的进一步变换，考虑转子通量角度θ_r以获得α-β静止坐标系中的定子通量基准值：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_r\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_r& \sin {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdref}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sqref}}\end{array}\right]$ (等式13)

对于每一个定子通量基准值，然后通过使用加和单元208简单地减去估计的通量值来提供误差信号。然后将每一个误差信号馈送到控制器块243中的P+谐振控制器，所述P+谐振控制器因此向PWM控制器221提供控制信号u_α、u_β。控制器块243还接收转子速度的测量值ω_r。

PWM控制器(与上述实施例相同)按照本领域普通技术人员公知的方式操作并且将不再进行更加详细的描述。PWM控制器121(或者221)控制AC/DC转换器109(或者209)的开关，针对每一相的一对开关，例如根据公知的空间向量脉冲宽度调制SVPWM方案以互补的方式进行控制。AC/DC转换器的切换频率比发电机频率更高，使得可以确保在全部时间在PMSG的每一相处产生正确的即时电压。切换频率可以固定或者根据AC发电机电流频率的变化而变化。

图7示出了根据本发明实施例控制器在a-b-c或者自然坐标系中操作的情况。即，直接控制定子电流，而不是在变换到α、β坐标系之后进行控制。该配置的优点在于能够免去一个变换步骤。另一方面，需要生成三个基准电流并且需要控制三个电流。然而，在一些实施例中，将现在结合图7描述的控制概念在控制器复杂性方面仍然更有效。

稍微修改的电流基准块141’包括如先前结合图5描述的积分器142。将自然坐标系中的基准电流值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*提供为：

$i_a^{*}=i_m*\cos {\mathrm{\θ}}_r$

$i_b^{*}=i_m*\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$ (等式14)

$i_c^{*}=i_m*\cos ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

从而，提供彼此异相120°的三个基准电流值。然后，针对每一基准电流值，通过简单地减去实际电流值提供误差信号。然后将每一个误差信号馈送到相应地向PWM控制器121提供控制信号u_a、u_b、u_c的P+谐振控制器143。然后PWM控制器本身以公知的方式操作，向图1的转换器9的开关提供控制信号。如所示出的，也可以包括EMF的前向反馈补偿。

可以例如通过本身在本领域中公知的电感性传感器，或者通过使用非传感器技术来确定转子的实际旋转速度ω。

基于下面在α-β坐标系或者自然坐标系中的定子电流确定实际功率值是有利的：

$P_{\mathrm{em}}=p\frac{d}{\mathrm{dt}}{\underset{\‾}{\mathrm{\ψ}}}_s^T\·{\underset{\‾}{i}}_s$ (等式15)

其中，p表示转子极的数量，向量Ψ_s表示定子通量向量，其中Ψ_s＝[Ψ_saΨ_sb Ψ_sc](或者Ψ_s＝[Ψ_sα Ψ_sβ])，并且向量i_s表示三相电流i_s＝[i_sa i_sb i_sc](或者i_s＝[i_sα i_sβ])。

也可以通过使用传感器确定实际转矩T。其还可以确定为：

T_em＝P_em/ω_M    (等式17)

其中ω_M＝ω_r/p。

图8示出了根据另一实施例控制器在a-b-c自然坐标系中操作的情况。

与图6所示出的实施例相比，稍微修改的定子通量基准生成块241’包括先前描述的积分器、转矩或者功率控制器以及定子通量基准生成块。首先在变换到α-β静止坐标系，然后变换到自然坐标系之前，在d-q坐标系中获得定子通量基准值。将Ψ_sa ^*、Ψ_sb ^*、Ψ_sc ^*提供为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sb}}^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sc}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}\end{array}\right]$ (等式18)

类似地，提供彼此异相120°的三个定子通量基准值。然后针对每一个定子通量基准值，通过简单地减去对应于由通量估计器220确定的估计值提供误差信号。然后将每一个误差信号馈送到相应地向PWM控制器21(图8中未示出)提供控制信号u_a、u_b、u_c的P+谐振控制器243。然后PWM控制器向转换器的开关提供控制信号。如所示出的，也可以包括EMF的前向补偿。

以本领域普通技术人员公知的方式，可以将上述控制器容易地适用于具有多于两个极的同步机器。

可以根据参考图9的本发明的一个实施例执行到诸如鼠笼型发电机的异步机器AM的适用。为了控制机器，必须确定实际转子通量的旋转速度，并且利用AM发电机，只要产生电能，在转子和转子通量之间就会一直存在滑动ω_slip。因此转子通量的实际旋转速度ω_flux为：

ω_flux＝ω_r+ω_slip    (等式19)

其中ω_slip是转子滑动的速度并且ω_r是转子的速度。滑动直接连接到所产生的转矩T。可以将与转子速度相比为负的滑动速度确定为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}=\frac{\left|i_d^{*}\right|\×R_r\×L_m}{{\mathrm{\ψ}}^{*}\×L_r}$ (等式20)

其中R_r是转子电阻，L_m是磁化电感，Ψ^*是发电机通量命令信号，L_r是转子泄露电感并且i_d ^*是功率控制器的输出。因而可以通过实现等式20的功能块140确定滑动。

或者，可以利用通量观察器确定转子通量ω_flux。

与同步机器控制相比，AM控制的另一区别在于不仅通过使用功率/转矩环路的输出构建基准电流幅值。这是由于转子通量不如永磁转子的情况那样恒定的事实。

使用附加的通量控制器149进行AM控制。通量控制环路的输出以及功率/转矩环路的输出都需要并且都用于构建电流幅值。

然后可以计算通量的实际旋转速度，并且用作到电流基准块141和P+谐振控制器的输入ω_flux。

图10示出了根据本发明另一实施例用于AM的控制器。

可以将对于该当前实施例不同获得的滑动速度确定为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}=\frac{i_m^{*}\×R_r\×L_m}{{\mathrm{\ψ}}^{*}\×L_r}$ (等式21)

其中R_r是转子电阻，L_m是磁化电感，Ψ^*是发电机通量命令信号，L_r是转子泄露电感并且i_m ^*是功率控制器的输出。然后可以通过实现等式21的滑动确定块240确定滑动。

或者，可以利用通量观察器确定转子通量ω_flux。

然后可以计算通量的实际旋转速度，并且用作到通量基准块241”和P+谐振控制器的输入ω_flux。

与同步机器控制相比，AM控制的另一区别在于包括作为到定子通量基准生成块的参数的固定转子通量额定基准Ψ_rqref。

转子通量额定基准Ψ_rqref首先经过被定义为L_s/L_m的电感增益块244，其中L_s是定子电感，并且L_m是互感，以获得在q轴中的定子通量基准Ψ_sqref，可以将其定义为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sqref}}=\frac{L_s}{L_m}*\{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rqref}}+\mathrm{\λ}{\mathrm{\τ}}_r*\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rqref}}}{\mathrm{dt}}\}\≈\frac{L_s}{L_m}*{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rqref}}$ (等式21)

在从期望功率P^*减去实际功率P时获得转矩误差T_e。然后经过PI控制器以获得d轴上的功率生成电流基准i_m ^*。该电流基准经过被定义为-L_s的增益块以获得d轴上的定子通量基准Ψ_rqref。

之后，并且与同步机器中的控制类似，然后执行从d-q旋转坐标系到α-β静止坐标系的定子通量基准值的进一步变换，考虑到转子通量角度θ_r以获得α-β静止坐标系中的定子通量基准值。

回到上述实施例的P+谐振控制器，可选的是，通过引入后EMF(电动力)的前向反馈控制能够进一步改善发电机控制的操作。由于EMF是不与相电流或者相电压直接相关的AC值，因此通过使用EMF的前向反馈补偿能够实现更好的性能。

图11示出了在反馈环路中包括前向反馈项。这里，以α-β静止坐标系中的EMF的前向反馈补偿作为示例。给出α-β静止坐标系中的发电机模型为(参考对于自然坐标系的等式2)：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]+\frac{R_s}{(\frac{3}{2}+\mathrm{\σ})L_m}\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{E_{\mathrm{s\α}}}\\ E_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$ (等式22)

控制输入包括下面的三部分：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{ff}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{ff}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{fb}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{fb}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{resonant}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{resonant}}\end{array}\right]$ (等式23)

这里，控制输入u_{sα_ff}以及u_{sβ_ff}表示前向反馈努力，控制输入u_{sα_fb}以及u_{sβ_fb}表示后向反馈控制努力并且控制输入u_{sα_resonant}和u_{sβ_resonant}表示谐振控制努力。图11所示出的归一化块45针对DC链路电压对用于转换器的控制信号进行归一化。

将前向反馈控制u_{sα_ff}和u_{sβ_ff}引入到反计数器中，后EMF的效果如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{ff}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{ff}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{s\α}}\\ E_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$ (等式24)

其中分别将E_sα和E_sβ给出如下：

E_sα＝-ω_rΦ_mcosθ_r

                    (等式25)

E_sβ＝-ω_rΦ_msinθ_r

其中ω_r代表转子角速度，θ_r代表转子角度，并且Ψ_m代表由转子生成的磁通量的量。

通过包括前向反馈补偿，将发电机的模型改变为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{fb}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{fb}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{resonant}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{resonant}}\end{array}\right]=(\frac{3}{2}+\mathrm{\σ})L_m\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]+R_s\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$ (等式26)

或者

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{fb}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{fb}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}\_\mathrm{resonant}}\\ u_{\mathrm{s\β}\_\mathrm{resonant}}\end{array}\right]=\frac{d}{\mathrm{dt}}\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]+\frac{R_s}{(\frac{3}{2}+\mathrm{\σ})L_m}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$ (等式27)

其中等式26应用于适用于AC电流控制的P+谐振控制器，而等式27应用于适用于AC通量控制的P+谐振控制器。

因而发电机模型变为能够容易被控制的非常简单的一级系统。而且，通常通过增加前向反馈补偿改善控制系统的动态性能。

本发明并非局限于上述实施例，并且在所附权利要求的范围内可以按照不同的方式进行变化和修改。

Claims (15)

1.一种用于控制连接到可控转换器的多相交流（AC）发电机的方法，所述发电机具有转子，所述转子具有连接到至少一个风力涡轮机叶片的轴，所述方法包括：

确定由所述转子生成的转子通量的旋转速度和相位，

确定对定子通量的估计，

基于所述转子通量的所述相位生成AC定子通量基准信号，

确定代表所估计的定子通量与所述AC定子通量基准信号之间的差异的误差信号，

将所述误差信号施加到控制器以生成基准电压，其中所述控制器具有反馈函数和谐振函数，所述谐振函数具有被设置成对应于定子通量基准的频率的可变谐振频率，以及

将所述基准电压施加到所述可控转换器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于误差信号来生成所述AC定子通量基准信号，所述误差信号对应于期望功率和实际功率之间的差异以及期望转矩和实际转矩之间的差异中的任意一个。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法进一步包括测量所述发电机的定子电流，并且基于所述定子电流来确定所述定子通量估计。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述定子通量估计由所述定子通量的直接测量来确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述定子通量基准被变换到α-β静止坐标系之前在d-q旋转坐标系中生成所述定子通量基准。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述定子通量基准被变换到a-b-c自然坐标系之前在d-q旋转坐标系中生成所述定子通量基准。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中在任意步骤中不执行到所述d-q旋转坐标系的变换。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述控制器是包括比例系数K_P和谐振系数K_I的P+谐振控制器，其中K_P和K_I是常数，并且其中所述控制器的谐振频率根据转子速度变化。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述控制器是包括比例系数K_P和谐振系数K_I的P+谐振控制器，其中K_P和K_I中的任意一个或者上述二者根据所述转子通量的旋转速度变化，并且其中所述控制器的谐振频率根据转子速度变化。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述发电机的电磁力EMF补偿所述基准电压。

11.一种用于连接到可控转换器的多相交流（AC）发电机的控制设备，所述多相交流发电机包括连接到至少一个风力涡轮机叶片的转子，所述设备包括：

用于检测由所述转子生成的转子通量的旋转速度的第一检测器装置，

用于确定所述发电机的定子通量估计的传感器块，

用于基于所述转子通量的相位生成AC定子通量基准信号的AC定子通量生成器，基于所述旋转速度确定所述转子通量的所述相位，

用于确定误差信号的误差信号生成器，所述误差信号代表电气特性和AC基准信号之间的差异，以及

适于基于所述误差信号生成基准电压的控制器，其中所述控制器具有反馈函数和谐振函数，所述谐振函数具有被设置成对应于定子通量基准的频率的可变谐振频率，其中所述基准电压适于控制所述可控转换器。

12.根据权利要求11所述的设备，其中基于误差信号生成所述AC定子通量基准信号，所述误差信号对应于期望功率和实际功率之间的差异以及期望转矩和实际转矩之间的差异中的任意一个。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述控制器是包括比例系数K_P和谐振系数K_I的P+谐振控制器，其中K_P和K_I是常数，并且其中所述控制器的谐振频率根据转子速度变化。

14.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述控制器是包括比例系数K_P和谐振系数K_I的P+谐振控制器，其中K_P和K_I中的任意一个或者上述二者根据所述转子通量的旋转速度变化，并且其中所述控制器的谐振频率根据转子速度变化。

15.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述发电机的电磁力EMF补偿所述基准电压。