CN102282757B - 具有控制装置的固定式能量产生设备和用于控制该设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有控制装置（2）的固定式能量产生设备（1）和用于控制该设备的方法。该控制装置（2）用于控制电流和能量流。该能量产生设备（1）具有至少一个机械驱动的转子（3）和与该转子（3）耦合的发电机（4）。此外，与该发电机（4）形成作用连接的功率电子电路（5）能够实现从转子（3）经过发电机（4）和功率电子电路（5）到负载（6）的可变能量流。为了均衡发电机侧的振荡负荷规定了，借助于功率电子电路（5）的第一中间电路存储器（8）能够实现至少一个电流控制（7）。为了均衡传动系（9）的机械振荡负荷和干扰量，借助于至少一个设置在功率电子电路（5）中的附加的第二中间电路存储器（10）附加地设置能量流控制，该第二中间电路存储器具有第一中间电路存储器（8）的多倍存储容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有控制装置的固定式能量产生设备和用于控制该设备的方法。控制装置用于控制电流和能量流。该能量产生设备具有至少一个机械驱动的转子和与该转子耦合的发电机。此外，与该发电机形成作用连接（Wirkverbindung）的功率电子电路能够实现从转子经过发电机和功率电子电路到负载的可变的能量流。控制装置应对在转子侧从十分之几Hz到几十Hz和在发电机侧从几十Hz到几百Hz的频谱中的振荡这样地反应并且这样地控制该设备，使得近似恒定的功率可被输出到负载上或网络中并且因此不激励或增强在能量产生设备的传动系中不希望的振荡。
背景技术
此外，由文献DE 10 2007 021 513 A1公开了一种电阻性的转矩振荡-阻尼系统和方法。该转矩-电阻阻尼系统对于机器的轴具有一个传感器，该传感器被配置为使得它可检测信号，该信号代表该轴上的转矩。此外，设有调节装置，该装置被配置为使得它可使用检测到的信号，以便识别在轴上出现的转矩振荡的存在，如果该振荡与轴的固有频率相一致。现在为了产生用于阻尼转矩振荡的控制信号，该转矩-电阻阻尼系统包括一个阻尼器，该阻尼器包括阻尼转换器和电阻，它们被耦合到阻尼转换器的直流输出端上。在此，阻尼转换器通过一个电流通道耦合到机器上并且具有小于或等于机器标称功率的5%的额定功率。
该转矩振荡-阻尼系统当其被使用在能量产生设备中时具有缺点：获取能量的将近5%被转换为热量并且由此意味着损耗。与此相应地降低了这样的能量产生设备的效率。
发明内容
本发明的任务是，提供一种具有控制装置的固定式能量产生设备，其中可使用由振荡引起的能量流，以便不仅可减小振荡及在振荡波峰时获取能量而且可在振荡波谷时从获取能量中补足能量。
该任务借助独立权利要求的主题解决。由从属权利要求得出有利的扩展构型。
根据本发明提供了一种具有控制装置的固定式能量产生设备及用于控制该设备的方法。该控制装置用于控制电流和能量流。该能量产生设备具有至少一个机械驱动的转子和与该转子耦合的发电机。此外，一个与该发电机形成作用连接的功率电子电路能够实现从转子通过发电机和功率电子电路到负载或到网络中的可变能量流。为了均衡发电机侧的振荡负荷规定：借助于功率电子电路的一个第一中间电路存储器能够实现至少一个电流控制。为了均衡机械振荡负荷和传动系的干扰量，借助于至少一个设置在该功率电子电路中的附加的第二中间电路存储器附加地设置能量流控制，该第二中间电路存储器具有第一中间电路存储器的多倍的存储容量。
该固定式能量产生设备具有优点：发电机侧的在几十Hz至几百Hz的频谱中的、可引起在能量产生设备机械部分中可能的谐振的振荡可通过与功率电子电路中的第一中间电路存储器共同作用的电流控制来补偿，使得既可不激发固有振荡也不激励振荡。
此外，根据本发明的固定式能量产生设备具有如下优点，通过能量流控制，在十分之几Hz至几十Hz之间的频谱中的转子侧振荡通过设置具有第一中间电路存储器的多倍存储容量的、附加的第二中间电路存储器而导致：首先在振荡波峰时存储能量并且在振荡波谷时能量可返回流入传动系中，使得传动系的用于相对恒定的负载的组件可被定尺寸，这使得明显减轻了重量。
优选地，该固定式能量产生设备是风能设备，该风能设备也被称为WEA-或WKA（风力设备）及借助图1和3被更详细说明。
在本发明的一个优选实施方式中，电流控制被设计为：借助于转矩控制使输出到网络中或负载上的有效电功率保持恒定，并且在功率电子电路的中间电路中的由该电流控制引起的、有效功率和无功功率的变化被补偿或者在发电机绕组中或在变频器中可附加地暂时转化成热量。该变型方案具有优点，即其不指定相对第一中间电路存储器具有多倍存储容量的另外的附加中间电路存储器并且可补偿尤其是发电机侧的来自直到几十Hz的临界频谱中的振荡，而不需提高用于功率电子电路的花费。
此外规定：该能量产生设备的模型具有例如通过转子的风力输入和例如通过发电机的电功率输出形式的两个有源元件，在它们之间设有一些无源元件如电感和电容以及结构元件、例如变速机构的弹簧刚性（Federsteifigkeiten）。这样的模型可借助于在能量产生设备内部相应设置的角位置传感器来同时反向控制，以便避免可激发固有振荡的临界频率范围。此外，能量产生设备可具有中央控制单元，在该中央控制单元中并行地及在线地模拟描述该模型的方程组。因此，发电机侧较大的瞬时振荡和传动系中的谐振振荡借助于发电机的电流控制来控制。
优选地，一些旋转角位置传感器至少被设置在发电机转子的轴端上、在发电机的驱动轴上及在转子上，它们的测量值表示用于上述提及的中央控制单元的输入参量，在该中央控制单元中保存模型的参数。此外，该能量产生设备除了旋转角位置传感器之外具有至少一个风传感器（Windsensor ）和用于转子叶片调整角度的传感器。借助这样的传感器也可进一步改进模型对实际的能量产生设备的适配并且可预防振荡的激励。
优选地，传动系具有变速机构，该传动机构被设置在与转子耦合的驱动轴与该变速机构耦合的从动轴之间。这样的变速机构针对发电机将转子的相对低的频率提高到相应较高的转速。
此外，在能量产生设备的另一个优选的实施形式中规定，驱动轴和/或从动轴具有一个离合器。它们可以是保险离合器，其刚性地使转子的驱动轴与传动机构的驱动轴连接并且此外使传动机构的从动轴与发电机的驱动轴连接；或者是换挡离合器，所述换挡离合器在极限负载时去耦合这些轴并且能够实现空载运行。此外，制动装置可不仅被设置在传动机构的驱动轴上而且可设置在传动机构的从动轴上。但是，这些制动装置仅仅用于改进能量产生设备的功能性并且很少或根本不补偿在能量产生设备中出现的振荡。
用于控制能量产生设备的方法具有下述方法步骤。首先，角位置传感器被设置在能量产生设备的传动系中，该能量产生设备至少具有一个机械的转子、驱动轴、变速机构、从动轴、具有转子/定子单元的发电机和功率电子电路。通过设置位置传感器现在可借助该位置传感器检测旋转角度差f1-f2，f2-f3，f3-f4和f4-f5，其方式是，例如监控变速机构的旋转角度增加量
，，和传动系的总扭转量。通过在中央控制单元中的方程组基于由质量-弹簧-阻尼元件制成的能量产生设备的模型的并行模拟被实时进行。发电机的电磁部分模型被表示为泊车坐标系（d，q，0）中总模型的组成部件。在此，为了均衡能量产生设备的瞬时振荡，产生电流相对发电机电压的电流变化差和相位差的额定值。
这样的方法具有优点，即，通过使模型适配实际出现和被测量的负荷状态和振荡状态可及时并且提早地通过电流控制和能量流控制来反向控制，以便补偿在能量产生设备中的这样的振荡和干扰量并且输出恒定的有效功率到网络或到负载上。
优选地，在控制单元中存储能量产生设备的动态模型，该动态模型具有一些矩阵方程，其考虑其中平面惯性矩的矩阵和刚性的矩阵和阻尼的矩阵相加地逻辑连接（verknuepft）的转矩矢量并且此外还考虑关于发电机的转子转矩和电机的转矩的转矩矢量。在此，该方法能够在该模型中考虑线性和非线性的参数，作为相应参量如传动系组件的转矩、转速和旋转角的函数。对于该方法，电流控制设计为：使得借助于交流电控制使输出到网络中或负载上的有效电功率保持恒定并且在功率电子电路的中间电路中由电流控制引起的有效功率和无功功率的变化被补偿或者在发电机绕组中或在变频器中暂时附加地转化成热量。
该方法的另一方面规定了，在能量产生设备所基于的模型中考虑两个风力输入和电功率输出形式的有源元件，在它们之间设有一些无源元件、如电感和电容以及结构元件的弹簧刚性。在此，发电机侧较高的瞬时振荡和在传动系中的谐振振荡利用发电机的电流控制来控制，而不需设置具有为功率电子电路的现有中间电路存储器的多倍存储容量的附加存储器。
此外规定了，旋转角位置传感器至少被设置在发电机的从动轴上和发电机的驱动轴上以及在转子上，它们的测量值提供用于中央控制单元的输入参量。此外，除了旋转角位置传感器之外可通过风传感器检测风况（Windverhältnis）并且在模型中相应地被考虑。同样适用于转子叶片位置，其通过用于转子叶片调整角度的传感器来检测并且可在模型中被加入。
附图说明
本发明现借助下述附图更详细地被说明：
图1 示出了本发明的第一实施形式的能量产生设备的原理图；
图2 示出了根据图1的能量产生设备的振荡特性的示意图；
图3 示出了根据本发明第二实施形式的能量产生设备的原理图；
图4 示出了根据图1或图2的能量产生设备的发电机的示意性矢量图。
具体实施方式
图1示出了本发明第一实施形式的能量产生设备1的原理图。该能量产生设备在本发明的该实施形式中具有一个机械驱动的转子3，该转子通过驱动轴24和离合器26使变速机构23置于旋转运动，其中变速机构的从动轴25通过另一离合器27与发电机4的驱动轴19机械连接，该发电机具有发电机转子的一个轴端18，在其上设有第一旋转角位置传感器13。与检测基准值的旋转角位置传感器13相关地，在传动系9中设有另外的旋转角位置传感器14至16。在该变速机构的驱动轴19上设有一个旋转角位置传感器14，在该变速机构23的驱动轴上设有另一个旋转角位置传感器15，及在具有与转子3共同作用的驱动轴24传动系9的起始处上最后设有一个旋转角位置传感器16。在这些旋转角位置传感器13至16之间，至少在传动系9中存在如离合器和变速机构的组件以及驱动轴和从动轴本身，它们理论上可通过质量-弹簧-阻尼元件31、32和33被采用到模型计算中。
在发电机输出端上连接有一个功率电子电路，借助于该功率电子电路尽管转子3的不同流入仍可通过变压器将相对恒定的电功率馈入网络或负载6中。此外，使转子叶片调整角度适配于不同的风速。但是，在风暴或其它可对转子3起作用的干扰量情况下，在传动系9中可能会出现振荡，此外，也考虑在发电机侧的振荡现象。当转子侧的振荡频谱位于十分之几Hz至几十Hz处时，在发电机侧出现在几十Hz至几百Hz之间的频谱。发电机侧的振荡可通过第一中间电路存储器8来均衡或补偿，该第一中间电路存储器在本发明的该实施形式中是电容器并且被设置在功率电子电路5的中间电路11中。此外规定，针对功率电子电路5提供电流控制7，其中，电流控制装置2作用于功率电子电路5的中间电路11上。
该控制装置2从一个中央控制单元30得到用于电流差和相位差的额定值设定，在该中央控制单元中通过并行模拟对一个模型进行分析处理，该模型借助由矩阵方程34和35构成的方程组28来工作。为此，旋转角度增加量和以及发电机转子的转速ω1被输入到中央控制单元30中。附加地，作为旋转角度增加量和的输出，借助在发电机转子的轴端18上的旋转角位置传感器13确定的旋转角度f1被输入到中央控制单元30中。
借助于矩阵-状态方程34和35，电流差和相位差的额定值被输入到控制装置2中并且被转化成功率电子电路5的变频器的功率晶体管的相应脉冲模式并且如上面已经描述地在功率电子电路5的中间电路上起作用。通过能量产生设备和中央控制单元30的构造在分析处理传动系9和发电机4的旋转角位置的情况下，发电机侧的振荡可仅通过第一中间电路存储器8被补偿，使得所述振荡一方面不会激励到较大的幅值并且理想地被完全抑制，并且另一方面可输出恒定的有效功率到网络或负载6上。
为了补偿传动系9中的在上面提及的在十分之几Hz与几十Hz之间的频率范围中的转子侧振荡，电流调节并不足够，从而借助于该模型设置能量流调节，该能量流调节与另外的附加中间电路存储器10共同作用，该中间电路存储器的存储容量是第一中间电路存储器8的多倍大。在传动系9中转子侧的干扰量或振荡中，在振荡波峰时的能量被存储在附加的中间电路存储器中并且在振荡波谷中被导回，使得整个驱动轴及从动轴、如传动系9的设置在它们之间的组件不会过载，而是可运行在其关于出现的转矩的允许负荷边界处。因此，借助于由电流调节和能量流调节构成的组合调节，基于矩阵方程34和35可在同时实现对传动系组件的最小材料耗费时实现效率的最大值并且抑制能量产生设备固有频率的激发。
图2示出了根据图1的能量产生设备的振荡特性的示意图。为此，在纵坐标上以牛顿米描绘转矩或扭矩以及在横坐标上以100毫秒的间隔描绘时间t。曲线a与发电机侧的振荡相比较地示出了如可出现在传动系9的转子侧的振荡的半周期，发电机侧的振荡产生转矩Me，该转矩如曲线图b示出的、以明显更高的频率振荡。在此，示出在图1中的电流调节装置2负责用于衰减在上述频率范围中、如曲线b示出的这样的振荡。
图3示出了根据本发明第二实施形式的能量产生设备40的原理图。与本发明第一实施形式不同的是，在传动系9中设有另一个角位置传感器，使得现在总共可使用五个角位置传感器13至17，用于评价和测量振荡危险。相应地，提高了旋转角度增加量输入的数量，使得现在不仅和，而且附加地都被输入中央控制单元30中。此外，在中央控制单元30中保存风力涡轮机的转矩特性曲线族，所述特性曲线族涉及发电机的电磁转矩。此外，在本发明的第二实施形式中，通过风传感器20和用于转子叶片调整角度（BVW）的传感器21进一步改进了模型的可靠性，其方式是，测量到的关于风速和调整角度的传感器数据同样被导入能量产生设备的模型中，以便进一步精确化对电流额定值和在电流与发电机电压之间的相移的计算。
图4示出了根据图1或图2的能量产生设备的发电机的示意性的矢量图。根据图4的该矢量图以发电机转子的旋转频率ωg旋转，其中，电流矢量和电压矢量I及U比磁极电压Ep或电动力的矢量针对电流I提前相位γ或针对电压U提前相位d，其中在我们的负载条件中δ>γ。
Ψp示出在发电机空载情况中穿过显极转子的耦联磁通量，而矢量Ψ1表示由定子的场反作用和穿过显极转子的耦联磁通量组成的矢量总和。在此，电压矢量U在该图中提前于电流矢量I相位差F，使得得出有效电功率P为P=U·I·cos F。借助于在前面的附图中示出的模型，额定值和由中心控制装置输出，这些额定值预给定电流I相对发电机电压U的相位变化，以便补偿发电机侧的振荡。
参考标号表
1 固定式能量产生设备（第一实施形式）
2 控制装置
3转子
4发电机
5具有变频器的功率电子电路
6负载或网络
7电流控制
8第一中间电路存储器
9传动系
10第二中间电路存储器
11中间电路
12模型
13 旋转角位置传感器
14旋转角位置传感器
15旋转角位置传感器
16旋转角位置传感器
17旋转角位置传感器
18发电机转子的轴端
19发电机的驱动轴
20风传感器
21用于转子叶片调整角度的传感器
22变压器
23变速机构
24能量产生设备的驱动轴
25变速机构的从动轴
26在驱动轴中的离合器
27在从动轴中的离合器
28 方程组
30中央控制单元
31质量-弹簧-阻尼元件
32质量-弹簧-阻尼元件
33质量-弹簧-阻尼元件
34矩阵方程
35矩阵方程
40能量产生设备（第二实施方式）
ΔId 电流变化差
I 发电机电流
U 发电机电压
P 有效功率
Q 无功功率
相位差
fA 传动系中的总扭转量
f1至f5 旋转角位置
至 旋转角度增加量
Claims (20)
1.固定式能量产生设备，具有控制装置（2）用于控制电流和能量流，其中，该能量产生设备（1）具有至少一个机械驱动的转子（3）和与该转子（3）耦合的发电机（4），并且与该发电机（4）形成作用连接的功率电子电路（5）能够实现从转子（3）经过发电机（4）和功率电子电路（5）到负载（6）的可变能量流，
其特征在于，
为了均衡发电机侧的振荡负荷借助于功率电子电路（5）的第一中间电路存储器（8）设置至少一个电流控制（7）以及为了均衡传动系（9）的机械振荡负荷和干扰量借助于至少一个设置在功率电子电路（5）中的附加的第二中间电路存储器（10）设置能量流控制，该第二中间电路存储器具有第一中间电路存储器（8）的多倍存储容量，
该电流控制被设计为：借助于转矩控制使输出到网络中或负载（6）上的有效电功率保持恒定，并且由电流控制引起的有效功率变化在功率电子电路（5）的中间电路（11）中被补偿或者在发电机绕组中或在变频器中能够被附加地转化成热量，
该能量产生设备（1）的模型具有风力输入和电功率输出形式的两个有源元件以及结构元件的弹簧刚性，所述有源元件具有设置在它们之间的无源元件。
2.根据权利要求1所述的能量产生设备，
其特征在于，
该能量产生设备（1）具有在转子侧（3）的从十分之几Hz至几十Hz的频谱中的振荡及在发电机侧（4）的从几十Hz到几百Hz的频谱中的振荡。
3.根据权利要求1所述的能量产生设备，
其特征在于，
所述无源元件是电感和电容。
4.根据权利要求1所述的能量产生设备，
其特征在于，
该能量产生设备（1）具有中央控制单元，在该中央控制单元中并行地在线模拟一个描述该模型（12）的方程组。
5.根据权利要求1所述的能量产生设备，
其特征在于，
发电机侧的较高的瞬时振荡和在传动系（9）中的谐振振荡能够借助发电机（4）的电流控制来控制。
6.根据前述权利要求中一项所述的能量产生设备，
其特征在于，
一些旋转角位置传感器（13至15）至少被设置在发电机（5）的从动轴上、发电机（5）的驱动轴（19）上以及在转子上，它们的测量值是用于中央控制单元的输入参量。
7.根据权利要求1至5中一项所述的能量产生设备，
其特征在于，
该能量产生设备（1）除了旋转角位置传感器（13至17）外具有至少一个风传感器（20）和用于转子叶片调整角度的传感器。
8.根据权利要求1至5中一项所述的能量产生设备，
其特征在于，
所述传动系（9）具有变速机构（23），该变速机构被设置在耦合到转子（3）上的驱动轴（24）和与该变速机构（23）耦合的从动轴（25）之间。
9.根据权利要求8所述的能量产生设备，
其特征在于，
该驱动轴（24）和/或从动轴（25）具有离合器（26）。
10.根据权利要求8所述的能量产生设备，
其特征在于，
该驱动轴（24）和/或从动轴（25）具有制动装置。
11.用于控制能量产生设备（1）的方法，该方法具有下述方法步骤：
-在该能量产生设备（1）的传动系（9）中设置一些位置传感器（13至17），该能量产生设备（1）具有至少一个机械的转子（3）、驱动轴（24）、变速机构（23）、带有转子/定子单元的发电机（4）和功率电子电路（5）；
-在监控变速机构（23）的旋转角度增加量（
）和传动系（9）的总扭转量（）的情况下
-检测这些位置传感器（13至17）的旋转角度差（f1至f2；f2至f3；f3至f4；f4至f5），
-基于由质量-弹簧-阻尼元件（31至33）构成的能量产生设备（1）的模型，在中央控制单元（30）中并行地模拟方程组（28）；
-产生一些用于电流（I）的关于发电机电压（U）的电流变化差（）和相位差（）的额定值，用于均衡能量产生设备（1）的瞬时振荡，
-电流控制被设计为：使得借助于转矩控制使输出到网络中或负载（6）上的有效电功率（P）保持恒定，并且有效功率（P）和无功功率（Pj）的由该电流控制引起的变化在功率电子电路（5）的中间电路中被补偿或在发电机绕组中或在变频器中附加地被转化成热量，
-在能量产生设备（1）所基于的模型中考虑风力输入和电功率输出形式的两个有源元件以及结构元件的弹簧刚性，所述有源元件具有一些设置在它们之间的无源元件。
12.根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，
在控制单元（30）中存储该能量产生设备（1）的动态模型，该动态模型考虑一些矩阵方程（34，35），所述矩阵方程将转矩矢量与惯性矩（J）的矩阵和刚性（K）的矩阵和阻尼（D）的矩阵相加地逻辑连接，以及该动态模型考虑关于转子转矩（Mz）和发电机（4）的电机的转矩（Mem）的转矩矢量。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，
其特征在于，
在该模型中考虑一些线性和非线性参数，作为相应参量的函数。
14.根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，
所述相应参量是传动系（9）的组件的转矩、转速和旋转角。
15.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，
其特征在于，
在模拟模型中考虑在转子侧（3）的从十分之几Hz到几十Hz的频谱中的振荡和在发电机侧（4）的从几十Hz到几百Hz的频谱中的振荡。
16.根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，
所述无源元件是电感和电容。
17.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，
其特征在于，
发电机侧的较高的瞬时振荡和在传动系（9）中的谐振振荡借助发电机（4）的电流控制来控制。
18.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，
其特征在于，
一些旋转角位置传感器（13至17）被至少设置在发电机（4）的从动轴（18）上、发电机（4）的驱动轴（19）上和在转子（3）上，它们的测量值提供用于中央控制单元（30）的输入参量。
19.根据权利要求18所述的方法，
其特征在于，
除了所述旋转角位置传感器（13至17）外还通过风传感器（20）检测风况并且在该模型中加以考虑。
20.根据权利要求18所述的方法，
其特征在于，
除了所述旋转角位置传感器（13至17）外还通过用于转子叶片调整角度的传感器检测转子叶片位置并且在该模型中加以考虑。
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