CN102611379A - 用于操作机电发电机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施例，提供了一种用于操作机电发电机的方法，所述方法包括：基于电磁功率基准来确定磁场基准参数，所述电磁功率基准表示所述机电发电机的期望输出；确定换算因数，所述换算因数用于调整所述机电发电机的气隙磁化水平以减小在操作机电发电机时的损耗；利用所述换算因数来修改所述磁场基准参数；以及至少基于所修改的磁场基准参数来操作所述机电发电机。

Description

用于操作机电发电机的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于操作机电发电机的方法和系统。

背景技术

内置式永磁体(IPM)发电机的功率效率是转子和定子的几何形状的函数，并且最大转矩电流比(MTPA)的一般规则对于每个发电机设计不一定是最优的。所导致的较低发电机效率可能严重影响功率曲线并且可能不利地影响能量成本(CoE)。较高的发电机损耗经常导致对应给定功率水平的较高电流需求，并且不利地影响变换器损耗。为了按照规范来保持发电机变换器系统的温度，这导致了较高的冷却功率，该较高的冷却功率增加总体损耗。因此，期望用于减小在机电发电机中的功率损耗的改进的方法。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于操作机电发电机的方法，该方法包括：基于电磁功率基准来确定磁场基准参数，该电磁功率基准表示机电发电机的期望输出；确定换算因数，该换算因数用于调整机电发电机的气隙磁化水平以减小在操作机电发电机时的损耗；利用该换算因数来修改磁场基准参数；以及至少基于所修改的磁场基准参数来操作机电发电机。

根据一个实施例，利用换算因数来线性换算磁场基准参数。

根据一个实施例，磁场基准参数是磁化通量基准和磁化电流基准中的任意一个。

根据一个实施例，确定换算因数以减小发电机铜损与发电机铁损之和。

根据一个实施例，确定换算因数以使发电机损耗最小化。

根据一个实施例，该方法还包括基于默认的功率损耗最优化准则来确定磁场基准参数，该默认的功率损耗最优化准则给出了机电发电机的退磁电流与场功率电流的比例。

根据一个实施例，根据发电机铜损最小化准则来确定磁场基准参数的初始值(或者用于磁场基准参数的初始值)。

根据一个实施例，该换算因数被确定为来自多个换算因数、在该多个换算因数的换算因数之中所确定的最小功率损耗所对应的换算因数。

根据一个实施例，确定换算因数，以便在利用换算因数换算后的磁场基准参数给出的退磁水平下运行发电机。

根据一个实施例，通过修改由铜损最小化准则给出的磁化电流与场功率电流的默认比例来确定磁场基准参数的换算，该铜损最小化准则确定发电机的运行状态(例如，发电机的初始运行状况)。

根据一个实施例，确定换算因数和/或良好地调整换算因数以提升发电机控制系统的效率包括将来自多个换算因数的换算因数确定为在该多个换算因数的换算因数之中所确定的最小功率损耗所对应的换算因数，并且包括以从最低换算因数到最高换算因数的次序来测量对应该换算因数的发电机的转子和定子的温度，其中当换算因数的发电机温度被测量为比针对之前的换算因数所测量的功率损耗更高的时候，停止该确定过程，并且将之前的换算因数确定为在换算因数之中所确定的最小发电机功率损耗所对应的换算因数。

根据一个实施例，该多个换算因数在预先确定的换算因数区间之内。

根据一个实施例，该多个换算因数中的最低换算因数被设定为小于1(unity)(例如略微小于1)，以便将发电机参数变化考虑在内。

根据一个实施例，磁场基准参数指定了预先确定的初始退磁水平。

根据一个实施例，磁场基准参数指定了预先确定的初始退磁定子通量或预先确定的初始退磁电流。

根据一个实施例，该发电机是内置式永磁体发电机。

根据本发明的实施例，提供了根据用于操作机电发电机的方法和/或用于确定机电发电机的操作的退磁水平的方法的系统。

在如上所述的用于操作机电发电机的方法的上下文中描述的实施例对于用于操作机电发电机的系统以及用于确定机电发电机的操作的退磁水平的方法类似地有效，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了包括如上所述的用于操作机电发电机的系统的风力涡轮机。

附图说明

在附图中，类似的附图标记通常涉及不同视图中的相同部分。附图不一定是按照比例的，相反重点通常在于举例说明本发明的原理。在下列描述中，基准以下附图来描述本发明的各个实施例，其中：

图1示出了风力涡轮机的通常结构；

图2示出了根据实施例的发电系统的示例；

图3示出了根据实施例的机电发电机的等效电路模型；

图4示出了根据实施例的流程图；

图5示出了包括根据实施例的定子通量反馈控制系统的发电系统；

图6示出了根据实施例的包括定子电流反馈控制系统的发电系统；

图7示出了根据实施例的流程图；

图8示出了电流轨迹图。

具体实施方式

下列详细说明基准了附图，所述附图通过举例说明的方式示出其中可以实践本发明的特定细节和实施例。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不超出本发明的范围的情况下，可以采用其他实施例并且可以做出结构上的变化、逻辑上的变化和电气变化。各个实施例不一定是相互排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例进行组合来形成新的实施例。

PCT申请PCT/SG2010/000338描述了一种控制风力涡轮发电机的方法，其中对表示风力涡轮发电机产生的电磁功率的电磁功率基准进行确定，其中基于风力涡轮发电机的期望输出来确定该电磁功率基准。该申请的内容在此通过引用的方式全部并入本文。

图1示出了风力涡轮机100的通常结构，该风力涡轮机100可以使用如下文描述的本发明的方法/系统。风力涡轮机100被安装在基座1002上，风力涡轮机100包括具有若干塔段的塔1004。风力涡轮机舱(nacelle)1006被放置在塔1004的顶部。风力涡轮机转子包括叶毂1008以及至少一个转子叶片1010(例如3个转子叶片1010)。该转子叶片1010连接到叶毂1008，该叶毂1008又经由低速轴连接到机舱1006，该低速轴从机舱1006的前面延伸出来。

图2示出了根据实施例的发电系统200的示例。

轴10将来自能源(例如图1中示出的至少一个转子叶片1010)的机械能传递给变速发电机11的转子。轴10连接到该至少一个转子叶片11，并且例如经由齿轮箱连接到该转子以便将轴10的转速(即，风力涡轮机叶片的速度)调节到适合发电机11的速度范围。发电机11将经由轴10提供的机械能转化为电能，并且在一组定子端子12a、12b、12c处传送电能。在该示例中，发电机11为内置式永磁体(IPM)发电机。轴10的转速依据风速而变化。因为发电机11的转子的转速与轴10的转速成比例，所以由发电机11在定子端子12a、12b、12c处提供的电压信号的振幅及频率根据轴10的转速进行变化。发电机11的端子12a、12b、12c连接到发电机侧的功率变换器13。该变换器13例如包括一组开关，该开关例如具有MOSFET、GTO、IGBT或BJT的形式。

变换器13在正常操作下作为将发电机11提供的变频AC电压转换为DC电压的有源整流器。可以使用脉宽调制(PWM)技术来控制该转换，其中将控制信号应用到变换器13的开关以便提供所期望的转换功能。在一个实施例中，通过应用空间矢量脉宽调制技术来控制该开关。

对于给定的运行速度(即，给定的转子转速)，电磁功率取决于定子通量矢量或定子电流矢量的量值以及其相对于转子通量矢量的位置。如果已知转子通量矢量或定子通量矢量的位置，则可以将电压应用于对定子通量矢量或定子电流矢量进行安置的定子，以便在给定转速下给出功率的期望量值。因此，通过控制定子通量矢量或定子电流矢量，可以根据期望获得电磁功率，该电磁功率对应于向负载供应的功率。

例如可以通过对发电机侧的功率变换器13的适当控制来控制定子通量矢量或转子电流矢量。因此，在一个实施例中，发电系统200包括定子通量控制器或定子电流控制器20，定子通量控制器或定子电流控制器20控制发电机侧的功率变换器13以使发电机11向电网18供应的电力具有期望的量值。在一个实施例中，定子流量控制器或定子电流控制器20需要关于转子位置的信息(例如转子的相角θ_m)和/或关于转子的角速度ω_m的信息。

变换器13的输出连接到DC链路14，该DC链路14包括用于减小在DC链路上的电压纹波的链路电容器。

DC链路14连接到电网侧的功率变换器15。电网侧的功率变换器15的拓扑可以类似于发电机侧的功率变换器13。电网侧的功率变换器15例如一般作为用于将DC链路14上的DC电压转换为用于向电网18供应有功功率和无功功率的稳压AC电压的逆变器。

可以通过电感器16a、16b和16c对电网侧的功率变换器15的输出进行滤波，以便例如从输出功率信号中去除高次谐波。如果需要，可以通过谐波滤波器17来对该输出功率信号进行滤波，以便将干扰或谐波失真保持在低值。然后经由变压器19向电网18提供输出功率信号。

对于在兆瓦级别的风力涡轮机中的应用，内置式永磁体(IPM)发电机11可以被设计为针对较少重量和较小体积进行最优化。所得到的发电机11的铁损因此通常与发电机11的铜损处于相同量级。当应用最小铜损(MCL)规则以实现最大转矩电流比(MTPA)运行时，发电机总损耗可能被极大地增加，这可能导致发电机过热问题。发电机11的铜损取决于发电机磁路设计、发电机速度、PWM切换方式以及通量/电流矢量分布。对于给定的转速水平和给定的输出功率水平，通常有利的是发电机11运行在最优化后的定子通量/电流分布轨迹上，以使铁损和铜损的总损耗最小化。

IPM发电机的铁损包括磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗。假定正弦磁场分布并且忽略趋肤效应，IPM发电机的每单位铁损可以表示为：

$P_{\mathrm{iron}}=P_{\mathrm{hysteresis}}+P_{\mathrm{eddy}}+P_{\mathrm{excess}}$ (1)

$=K_{\mathrm{hysteresis}}*f*B_m^2+K_{\mathrm{eddy}}*f^2*B_m^2+K_{\mathrm{excess}}*f^{3/2}*B_m^{3/2}$

从根据等式(1)的分析铁损模型可以发现，可以通过施加适当水平的退磁电流以减小气隙通量密度的基本分量的量值，来减小发电机铁损。

还可以基于如图3中举例说明的包括铁损电阻R_c的等效电路模型来使用发电机铁损。

图3示出了根据实施例的用于机电发电机的等效电路模型300。

等效电路模型300在dq基准坐标系中表示，并且等效电路模型300包括d轴等效电路301和q轴等效电路302，d轴与转子通量矢量轴成直线(bealighted with)，并且q轴与d轴成90°。

由d轴等效电路301中的第一电阻器303和q轴等效电路302中的第二电阻器304来对铁损建立模型，该第一电阻器303和第二电阻器304具有电阻R_c。

此外，在等效电路模型300中使用下列符号：

V_q、V_d：分别是定子电压的d轴分量和q轴分量；

i_q、i_d：分别是扣除铁损和铜损之后的定子电流的d轴分量和q轴分量；

R_s：发电机定子绕组电阻；

L_q、L_d：分别是发电机定子电感的d轴分量和q轴分量；

i_cq、i_cd：分别是表示定子和转子的铁损的电流的d轴分量和q轴分量；

V_oq、V_od：分别是在定子绕组电阻R_S阻值下降之前的发电机输出电压；

i_oq、i_od：分别是扣除铁损和铜损之前的发电机输出定子电流的d轴分量和q轴分量；

ω：转子转速；

Ψ_r：转子磁通量振幅。

根据dq坐标系的等效电路模型300，发电机铁损可以被估计为

$P_{\mathrm{core}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{R_c}\{{({\mathrm{\ψ}}_r+L_d*i_{\mathrm{od}})}^2+{(L_q*i_{\mathrm{oq}})}^2---\left(2\right)$

可以通过下式计算铁损电阻：

$R_c=\frac{{V_d}^2+{V_q}^2-{\mathrm{\ω}}^2({\mathrm{\ψ}}_r+(L_d-L_q)*{i_q}^2)}{V_q*i_q-\mathrm{\ω}*{\mathrm{\ψ}}_r*i_q-R_s*{i_q}^2}---\left(3\right)$

由于饱和效应引起的局部通量密度变化，从定子电流和定子电压到铁损的准确传递函数比从等效电路模型300中得出的传递函数复杂得多，尤其在高速和高功率运行情况下。然而，从等效电路模型300可以发现，在给定速度水平和给定功率水平下，通过对定子通量矢量(或者，等同地，定子电流矢量)的适当分布可以实现损耗最小化的IPM发电机操作。

虽然不存在可以被应用于实践的简单方程来对IPM发电机进行在线损耗最优化控制，但是使用根据一个实施例的用于减小发电机功率损耗的方法，可以发现，该方法基于将通量分布或电流分布向着增加或减小磁化通量水平或磁化电流水平的方向改变，从而可以如上述理论分析所得到的见解那样减小该发电机的铁损。

应当注意的是，可以从发电机设计者那获得在给定速度水平和给定功率水平下对应总损耗(包括铁损和铜损两者)最小化的定子通量/电流矢量分布，发电机设计者从对特定机器设计的有限元分析(FEM)计算出该分布。得到用于现货供应的(off-the-shelf)IPM机器的最优化定子通量/电流矢量分布的更实际方式可以是执行功率映射(mapping)测试。例如，可以在用于发电控制的最终产品中实施在功率映射测试中获得的定子通量/电流矢量分布轨迹的多项式曲线拟合。通常执行功率映射测试，以应用在发电机上与一些速度水平和功率水平对应的定子通量矢量/定子电流矢量的不同组合，并且记录定子温度读数和转子温度读数，该一些速度水平和功率水平沿着发电机功率曲线。当对应给定速度和给定功率实现最低发电机温度时，获得了损耗最小化的定子通量矢量分布/定子电流矢量分布。

然而，功率映射测试过程可能非常复杂并且不容易被实践。其通常需要特殊的测试软件来断开发电机功率控制回路。在每个功率映射测试步骤中，当仅仅使能定子通量/电流内回路的时候，将一组定子通量/电流矢量基准手动输入发电机控制系统。为了寻找损耗最小化的操作点，通常需要相当多组的定子通量/电流矢量激励，并且对所采集的数据进行离线处理。此外，应当注意的是，存在将人为错误引入功率映射测试的可能性。

根据一个实施例，根据图4中举例说明的方法来操作机电发电机。

图4示出了根据实施例的流程图400。

在401，基于表示机电发电机的期望输出的电磁功率基准来确定磁场基准参数。

在402，确定换算因数，该换算因数用于调整机电发电机的气隙磁化水平以减小在操作机电发电机时的损耗。

在403，利用该换算因数来修改磁场基准参数；

在404，至少基于所修改的磁场基准参数来操作机电发电机。

在一个实施例中，换言之，依据磁场基准参数来操作机电发电机，修改(例如线性换算)该磁场基准参数以调整机电发电机的气隙磁化水平，例如用于减小机电发电机的功率损耗。该磁场基准参数可以被视为给出默认磁化水平，例如根据某一准则(例如最小铜损规则)来确定该默认磁化水平。

在一个实施例中，通过确定初始退磁水平(例如发电机铜损最小化的退磁水平)并且将其用作确定对功率损耗(例如包括铜损和铁损的总功率损耗)进行最小化时的退磁水平的基础，来对机电发电机的运行进行控制。为此，针对退磁水平的不同初始退磁水平比例(即权重)来确定(例如，测量)功率损耗。例如可以由退磁值或者退磁值的轨迹(例如依据关于q轴定子电流的d轴退磁定子通量/电流)来给出该退磁水平。换言之，初始退磁水平可以例如对应于初始退磁信号(例如包括与关于q轴定子通量/电流的d轴退磁定子通量/电流的所有值对应的信号值)并且换算后的初始退磁水平可以对应于初始退磁信号，其中根据换算因数对d轴退磁电流关于q轴定子电流的比率进行换算，例如乘以换算因数。退磁值，或者相应地，退磁信号的信号值，可以例如指定子通量或定子电流。

在一个实施例中，用于在闭环功率控制中的IPM发电机损耗最优化控制的方法使用可调整的换算因数，应用该可调整的换算因数来基于最小铜损(MCL)规则改变定子通量/电流矢量分布轨迹。换言之，在该实施例中，通过依据最小铜损(MCL)规则所确定的定子通量/电流矢量分布轨迹来给出初始退磁水平。基于MCL的定子通量/电流分布轨迹可以被视为用于发电机功率控制的内建(built-in)的默认最优化规则，将该内建的默认最优化规则用作针对损耗最小化发电机操作的调整起点。

在一个实施例中，将可调整的换算因数设定为输入参数，在发电机控制器中该输入参数平滑地从初始值改变到目标值。可以将换算因数限定于某一范围，使得其对系统动态响应具有可忽略的影响。可以执行换算因数的改变使得其不影响控制系统的稳定性。

在下文中，描述了在根据一个实施例的定子通量反馈控制系统的上下文中用于使功率损耗最小化的发电机控制。

图5示出了包括根据本发明的实施例的定子通量反馈控制系统的发电系统500。

类似于发电系统200，发电系统500包括机电发电机501、发电机侧的功率变换器502和电网侧(或者电力线侧)的功率变换器504，通过DC链路503耦合该功率变换器502和该功率变换器504。发电系统500经由电力线505连接到电网。电力线505例如包括线滤波器，例如对应于图2中所示的电感器16a、16b、16c以及电网侧谐波滤波器17和电网隔离变压器19。通过电网侧(或者电力线侧)功率变换器控制器506来控制电网侧功率变换器504。

发电系统500包括定子通量反馈控制系统，该定子通量反馈控制系统包括第一减法器513、功率控制器(例如PI控制器)507、非线性增益补偿单元508、损耗最优化的通量矢量分布确定单元509、场削弱控制单元510、选择单元511以及定子通量控制单元512。该定子通量反馈控制系统可以被视为对应于基准图2描述的发电系统200的定子通量控制器20。

第一减法器513将所测量的发电机侧功率P从发电机侧输出功率基准P^*中减去。将相减的结果(其可以被视为发电机功率错误信号)供应给功率控制器507。该功率控制器生成(未补偿的)场功率产生通量基准信号，将该场功率产生通量基准信号输入到非线性增益补偿单元508，该非线性增益补偿单元508对转矩产生中的IPM非线性进行补偿。非线性增益补偿单元508的输出为场功率通量矢量基准信号

将场功率通量矢量基准信号

输入损耗最优化的通量矢量分布确定单元509中的退磁通量矢量基准信号确定单元514，该退磁通量矢量基准信号确定单元514根据以下方程基于最小铜损规则来计算退磁通量矢量基准信号(即，初始退磁通量矢量水平)：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{MAG}\_\mathrm{MCL}}^{*}=\frac{{2L}_q-L_d}{2(L_q-L_d)}{\mathrm{\ψ}}_r-L_d*\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ψ}}_r}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{FP}}^{*}}{L_q}\right)}^2}---\left(4\right)$

第二减法器515是损耗最优化的通量矢量分布确定单元509的部分，第二减法器515将转子通量振幅Ψ_r从退磁通量矢量基准信号

中减去。

该结果由换算单元516利用可调整的换算因数k_LossMin进行换算，以允许对与退磁电流对应的通量分量进行线性换算。加法器517将转子通量振幅Ψ_r加上换算单元516的输出。加法器517的输出为修改后的退磁通量矢量信号

因此由下式给出该修改后的退磁通量矢量信号

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{MAG}\_\mathrm{lossMin}}^{*}=k\_\mathrm{lossMin}*({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{MAG}\_\mathrm{MCL}}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_r)+{\mathrm{\ψ}}_r.---\left(5\right)$

基于等式(4)和等式(5)，修改后的退磁通量矢量信号可以被写为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{MAG}\_\mathrm{lossMin}}^{*}=k\_\mathrm{lossMin}*(\frac{{2L}_q-L_d}{2(L_q-L_d)}{\mathrm{\ψ}}_r-L_d*\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ψ}}_r}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{FP}}^{*}}{L_q}\right)}^2}-{\mathrm{\ψ}}_r)+{\mathrm{\ψ}}_r---\left(6\right)$

应当注意的是，当k_LossMin＝1时，当该通量矢量分布规则被用作定子通量控制的基础的时候，根据等式(6)的通量矢量分布规则使发电机铜损最小化。随着k_LossMin值的增长，更多的退磁电流以及更少的场功率电流被应用，这减小了基本的气隙通量密度和铁损。随着k_LossMin值的进一步增长，铜损极大地增加并且铁损还可能由于气隙通量中谐波分量的增长而增长，气隙通量中谐波分量的增长是由定子场与磁场的相互作用引起的。当在给定速度水平下对于某一功率水平实现最小的发电机温度的时候，在k_LossMin的某一值处实现总损耗(“铜+铁”损耗)的最小化。

向选择单元511提供修改后的退磁通量矢量信号以及由场削弱控制单元510根据场功率通量矢量基准信号

生成的限压的退磁通量矢量信号该选择单元511从修改后的退磁通量矢量信号

以及该退磁通量矢量信号中选择具有最小通量量值的一个来作为磁化通量矢量信号

该磁化通量矢量信号被应用为定子通量矢量控制器的输入。

向定子通量控制单元512提供磁化通量矢量信号

以及场功率通量矢量基准信号

该定子通量控制单元512基于这些命令信号来通过控制发电机侧的功率变换器502并且通过应用通量矢量反馈控制来控制定子通量。通量矢量控制器的输出是定子电压基准信号，该定子电压基准信号被输入到空间矢量脉宽调制器(SVPWM)以生成发电机侧的IGBT选通信号。

为此，从位置及速度估计单元518向定子通量控制单元512提供关于转子转速ω以及转子通量位置θ_r的信息，并且提供来自传感器519的所测量的定子电流i_s。

在下文中，描述了在根据一个实施例的定子电流反馈控制系统的上下文中用于最小化功率损耗的发电机控制。

图6示出了包括根据本发明的实施例的定子电流反馈控制系统的发电系统600。

类似于发电系统200以及发电系统500，发电系统600包括机电发电机601、发电机侧的功率变换器602和电网侧(或者电力线侧)的功率变换器604，通过DC链路603耦合该功率变换器602和该功率变换器604。发电系统600经由电力线605连接到电网。电力线605例如包括线滤波器，例如对应于图2中所示的电感器16a、16b、16c以及电网侧谐波滤波器17和电网隔离变压器19。通过电网侧(或者电力线侧)功率变换器控制器606来控制电网侧功率变换器604。

发电系统600包括定子电流反馈控制系统，该定子电流反馈控制系统包括减法器613、功率控制器(例如PI控制器)607、非线性增益补偿单元608、损耗最优化的电流矢量分布确定单元609、场削弱控制单元610、选择单元611和定子电流控制单元612。

减法器613将所测量的发电机侧功率P从发电机侧输出功率基准P^*中减去。将相减的结果(其可以被视为发电机功率错误信号)供应给功率控制器607。功率控制器的输出端产生(未补偿的)场功率产生电流基准信号，将该场功率产生电流基准信号输入到非线性增益补偿单元608，该非线性增益补偿单元608对转矩产生中的IPM非线性进行补偿。非线性增益补偿单元608的输出为场功率电流矢量基准信号

将场功率电流矢量基准信号

输入损耗最优化的通量矢量分布确定单元609中的退磁电流矢量基准信号确定单元614，该退磁电流矢量基准信号确定单元614基于最小铜损规则来计算退磁电流矢量基准信号

(即，初始退磁电流矢量水平)。

由换算单元616利用可调整的换算因数k_LossMin来对退磁电流矢量基准信号进行换算，以使功率损耗最小化。换算单元616的结果是修改后的退磁电流矢量信号

由下式给出该修改后的退磁通量矢量信号

$i_{\mathrm{MAG}\_\mathrm{lossMin}}^{*}=k\_\mathrm{lossMin}*(\frac{{\mathrm{\ψ}}_r}{2(L_q-L_d)}-\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ψ}}_r}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{\left(i_{\mathrm{FP}}^{*}\right)}^2})---\left(5\right)$

向选择单元611提供修改后的退磁电流矢量信号

以及由场削弱控制单元610根据场功率电流矢量基准信号

生成的限压的退磁电流矢量信号

该选择单元611从修改后的退磁电流矢量信号

以及该退磁电流矢量信号

中选择具有较大退磁电流振幅的一个来作为将被应用的磁化电流矢量信号

向定子电流控制单元612提供磁化电流矢量信号

以及场功率电流矢量基准信号

该定子电流控制单元612通过基于电流反馈控制来控制发电机侧的功率变换器602以追踪这些命令信号，从而控制定子电流。电流矢量反馈控制的输出是定子电压基准信号，该定子电压基准信号被输入到空间矢量脉宽调制器(SVPWM)以产生在发电机侧变换器处应用的IGBT选通信号。

为此，从位置及速度估计单元618向定子电流控制单元612提供关于转子转速ω以及转子通量位置角θ_r的信息，并且提供来自传感器619的所测量的定子电流i_s。

在下文中，描述了根据实施例的用于确定k_LossMin的方法。

图7示出了根据实施例的流程图700。

该流程举例说明了基于热运转台架测试(heat-run bench test)来获得k_LossMin值的流程，对应该k_LossMin的值，IPM发电机501、601的总损耗(包括铁损和铜损两者)被最小化。根据控制算法来执行该流程，并且可以例如使用发电系统500或发电系统600来执行该流程。

为了确保发电机控制系统的稳定性，根据该控制算法来设定k_LossMin的最大限度和最小限度，用k_LossMin_Min和k_LossMin_Max来表示该最大限度和最小限度。

在701，以k_LossMin等于其最小(默认)值k_LossMin_Min来开始该测试。k_LossMin的最小值可被设定为略微小于1，从而可以将发电机参数从MCL规则计算所使用的标称值的偏离考虑在内。

此外，为了确保发电机控制系统的稳定性，在具有斜坡斜率限定特征(ramping slope limiting feature)的控制算法中促使k_LossMin平滑改变。被表示为k_LossMin_Target的k_LossMin的初始目标值是可修改的输入参数，并且在该示例中在702被设定为值k_LossMin_Min。

在703，k_LossMin以恒定的斜率K_LossMin_SlopeRate_PerSample递增地增长到值k_LossMin_Target。

在704，针对k_LossMin的当前值(即，直到值k_LossMin_Target)来操作发电系统，直到发电机的温度已经稳定。

在705，与k_LossMin的当前值对应的发电机的温度被记录为当前温度T_n(或者对应k_LossMin的当前值的温度)。例如，自动检测到温度已经稳定，并且然后将与k_LossMin的当前值相关的温度存储在存储器中。可替代地，测试工程师可以记录已稳定的温度。

在706，k_LossMin_target增长了增量值Delta_k_LossMin。这例如在存储已稳定的温度之后自动完成。Delta_k_LossMin例如是在发电机热运转逐步测试中用于增加K_LossMin_Target值的预先定义步长。

在其中发电机控制算法无法得到发电机温度读数(例如不将该发电机温度读数自动提供给该算法)的一个实施例中，测试工程师可以经由用户界面将K_LossMin_Target值输入到发电机控制系统中，并且记录发电机的转子温度读数及定子温度读数。

在707，类似于703，k_LossMin以恒定的斜率K_LossMin_SlopeRate_PerSample递增地增长到值k_LossMin_Target。

在708，类似于704，对应k_LossMin的当前值(即，直到值k_LossMin_Target)来操作发电系统，直到发电机的温度已经稳定。

在709，之前记录的温度(即，对应在k_LossMin_Target最近增加之前k_LossMin_Target的值)被指定为之前温度T_n-1。

在710，类似于705，与k_LossMin的当前值对应的发电机的温度被记录为当前温度T_n。

在711，将当前温度T_n与之前温度T_n-1进行比较。

如果当前温度T_n不小于之前温度T_n-1，则该流程以712继续。

在712，k_LossMin被固定在其当前值，即被设置为当前值k_LossMin_Target。然后可以将k_LossMin的该值用于发电系统的操作，以用于对初始退磁水平(例如，由退磁通量矢量基准信号

或退磁电流矢量基准信号

给出)进行换算。换言之，给出最小温度读数的k_LossMin_Target的值被解释为能够实现发电机损耗最小化操作的值。

如果当前温度T_n小于之前温度T_n-1，则该流程以713继续。

在713，对k_LossMin是否小于或等于k_LossMin_Max进行校验。

如果k_LossMin并非小于或等于k_LossMin_Max，则该流程以712继续。

如果k_LossMin小于或等于k_LossMin_Max，则该流程以714继续。

在714，为了确保发电机不被意外地利用非常大的退磁电流退磁，对退磁电流ISD的振幅是否高于其最大限度|ISD_max|进行校验。

如果ISD的绝对值高于ISD_max的绝对值，则该流程以712继续。

如果ISD的绝对值小于ISD_max的绝对值，则该流程以706继续，即以下一次重复继续。

应当注意的是，在其中向发电机控制算法(例如，向例如运行发电机控制软件的发电机控制电路)提供发电机温度的一个实施例中，可以自动执行根据图7的流程，无需测试工程师的参与。例如，可以使用根据用于发电机损耗最小化的操作的流程的自动测试与控制电路。

在图8中，举例说明了在转子通量DQ基准坐标系中用于3MW的IPM发电机的对应k_LossMin的不同值的一组仿真电流矢量轨迹。

图8示出了电流轨迹图800。

在图8中，在DQ基准坐标系中给出电流。D轴电流分量的量值沿着第一轴807增长，并且Q轴电流分量的量值沿着第二轴808增长。

第一轨迹801对应于值k_LossMin＝1.0，第二轨迹802对应于值k_LossMin＝1.4，第三轨迹803对应于值k_LossMin＝1.8，并且第四轨迹804对应于值k_LossMin＝2.5。

第五轨迹805是对应k_LossMin＝1.8的理论轨迹。

第六轨迹806是根据FEM分析获得的最优化轨迹。

可以看出，对于k_LossMin＝1.8，电流矢量分布轨迹(第三轨迹803)与根据FEM分析获得的电流轨迹匹配得很好。

在实践中，对于现货供应的发电机，可以应用发电机热运转台架测试(例如根据图7)来获得最佳的k_LossMin值。即使对于具有从FEM分析获取的已知最优化的通量/电流分布轨迹的内建IPM发电机，仍然有利的是，从台架测试结果中找到用于损耗最小操作的最佳k_LossMin值，从而能够将由于有缺陷的发电机材料属性以及有缺陷的制造过程所导致的机器设计变化考虑在内。

如上文所述的实施例提供了一种针对损耗最小化对发电机负载进行最优化的一般方法，对应现货供应的IPM发电机，该方法在给定的操作点得到高的机器效率。

可以将最小的铜通量/电流分布轨迹用作内建的默认最优化规则，该内建的默认最优化规则在损耗最小化操作开始之前应用于发电机控制。如上文所述，其可以被用作针对损耗最小化发电机操作的调整起点。

可以通过可调整的换算因数来有效地修改默认的定子通量/电流矢量分布轨迹，以便通过增加k_LossMin实现更多的退磁电流，或者通过减小k_LossMin来实现更少的退磁电流。因此，k_LossMin的值可以被视为改变在发电机转矩分布中应用的最优化规则。

例如在图7的上下文中所描述的，通过将k_LossMin的值限定于某一范围内并且促使应用于发电机功率控制中的k_LossMin值进行平滑改变，来确保发电机控制系统的稳定性。

可以通过在寻找损耗最小化的k_LossMin值之前将初始k_LossMin值设定为小于1来将IPM发电机参数相对于在最小铜损等式中应用的标称值的变化考虑在内。

可以从IPM发电机热运转台架测试中获得用于损耗最小操作的适当k_LossMin值，该台架测试具有安装在发电机转子部分和发电机定子部分两者中的温度传感器。

实施例(例如基准图7描述的实施例)提供了简单的测试流程，经过基本训练的测试技师或测试工程师几乎不会将人为错误引入该简单测试流程。

可以将与在最终产品中使用的相同的发电机功率控制软件应用于发电机热运转测试中以获得发电机损耗最小化的k_LossMin值。

还应当注意的是，在最终产品应用中，可以基于对应损耗最小化的k_LossMin值的用于定子通量/电流分布的所修改的分析等式，来针对功率控制容易地修改非线性增益补偿单元508、608。

还应当注意的是，在实施例中，“电路”或者“单元”可以被理解为任意类型的逻辑实施实体，该逻辑实施实体可以是特殊用途电路系统或者执行存储在存储器中的软件的处理器、固件或者上述的组合。因此在实施例中，“电路”或者“单元”可以是硬接线的逻辑电路或者是诸如可编程处理器之类的可编程逻辑电路，例如微处理器(例如复杂指令集计算机(CISC)处理器或者精简指令集计算机(RISC)处理器)。“电路”或者“单元”还可以是执行软件的处理器，该软件例如是任意类型的计算机程序，例如使用虚拟机器代码(例如C代码或汇编码)的计算机程序。

虽然已经基准特定实施例特别说明和描述了本发明，但是应当理解的是，本领域技术人员可以在不超出如由权利要求定义的本发明的主旨和范围的情况下，在形式上以及细节上对其做出各种改动。因此，权利要求指明了本发明的范围，并且旨在包含在权利要求的等同含义和范围之内的所有改变。

Claims (17)

1.一种用于操作机电发电机的方法，包括：

基于电磁功率基准来确定磁场基准参数，所述电磁功率基准表示所述机电发电机的期望输出，

确定换算因数，所述换算因数用于调整所述机电发电机的气隙磁化水平以减小在操作所述机电发电机时的损耗，

利用所述换算因数来修改所述磁场基准参数；以及

至少基于所修改的磁场基准参数来操作所述机电发电机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述换算因数来线性换算所述磁场基准参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述磁场基准参数是磁化通量基准和磁化电流基准中的任意一个。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述换算因数以减小发电机铜损与发电机铁损之和。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述换算因数以使发电机损耗最小化。

6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括基于默认的功率损耗最优化准则来确定所述磁场基准参数，所述默认的功率损耗最优化准则给出了所述机电发电机的退磁电流与场功率电流的比例。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据发电机铜损最小化准则来确定所述磁场基准参数。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述换算因数被确定为多个换算因数中的、在所述多个换算因数之中所确定的最小发电机损耗所对应的换算因数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述换算因数，使得所述发电机在利用所述换算因数换算的所述磁场基准参数给出的退磁水平下操作。

10.根据权利要求1、2或9所述的方法，其中，通过修改由所述铜损最小化准则给出的磁化电流与场功率电流的默认比例来确定所述磁场基准参数的换算，所述铜损最小化准则确定所述发电机的初始运行状态。

11.根据权利要求1、2或9所述的方法，其中，确定所述换算因数和/或精细地调整所述换算因数以提升发电机控制系统的效率包括：从多个换算因数中将所述换算因数确定为在所述多个换算因数之中所确定的最小功率损耗所对应的换算因数，并且包括：以从最低换算因数到最高换算因数的次序来测量对应所述换算因数的发电机温度，其中当换算因数的发电机温度被测量为比针对之前的换算因数所测量的发电机温度高的时候，停止该确定过程，并且将所述之前的换算因数确定为在该换算因数之中所确定的最小功率损耗所对应的换算因数。

12.根据权利要求1、2或9所述的方法，其中，所述多个换算因数在预先确定的换算因数区间之内。

13.根据权利要求1、2或9所述的方法，其中，所述多个换算因数中的最低换算因数被设定为小于1，以便将发电机参数变化考虑在内。

14.根据权利要求1、2或9所述的方法，其中，所述磁场基准参数指定了预先确定的初始退磁水平。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述磁场基准参数指定了预先确定的初始退磁定子通量或预先确定的初始退磁电流。

16.一种用于操作机电发电机的系统，包括：

确定电路，所述确定电路被配置为基于电磁功率基准来确定磁场基准参数，所述电磁功率基准表示所述机电发电机的期望输出，所述确定电路还被配置为确定换算因数，所述换算因数用于调整所述机电发电机的气隙磁化水平以减小在操作所述机电发电机时的损耗，

修改器，所述修改器被配置为利用所述换算因数来修改所述磁场基准参数；以及

控制器，所述控制器至少基于所修改的磁场基准参数来操作所述机电发电机。

17.一种包括根据权利要求16所述的系统的风力涡轮机。

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