CN102882234A

CN102882234A - 用于控制频率转换器的方法和频率转换器

Info

Publication number: CN102882234A
Application number: CN2012102423317A
Authority: CN
Inventors: 邓恒
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-01-16
Also published as: EP2546969A1; US20130016537A1

Abstract

本发明涉及用于控制频率转换器的方法和频率转换器。一种用于控制频率转换器（7）的方法，所述频率转换器带有整流器（11）、经由DC链路（12）连接到整流器（11）的逆变器（13）、整流器控制器（14）和逆变器控制器（15），所述方法具有以下步骤：确定用于整流器控制器（14）的最小整流器DC链路电压；确定用于逆变器控制器（15）的最小逆变器DC链路电压；将最小DC链路电压确定为最小整流器DC链路电压和最小逆变器DC链路电压中的最大值；基于最小DC链路电压和最大允许DC链路电压中的最小值来确定最佳DC链路电压基准；和基于最佳DC链路电压基准来控制整流器控制器（14）和/或逆变器控制器（15）。

Description

用于控制频率转换器的方法和频率转换器

技术领域

本发明总体上涉及一种用于控制频率转换器的方法，涉及一种频率转换器并且涉及一种电能产生设备诸如、例如风力涡轮机。而且，本发明涉及一种电动机。特别地，本发明涉及在AC输入功率到AC输出功率的转换中的DC链路的优化。

背景技术

风力涡轮机通过使用风力来驱动发电机的转子而将风能转换成电能。发电机产生具有依赖于转子的旋转速度即风力的频率的AC功率。

频率转换器或者功率转换器能够被用于将如由风力涡轮机的发电机提供的具有可变频率的AC功率转换成具有电网的恒定频率的AC功率。通常这种频率转换器具有用于将AC功率转换成被馈送到所谓的DC链路的DC功率的整流器。DC链路将整流器与逆变器连接，该逆变器将DC功率转换成具有电网频率的AC功率。

对于低压频率转换器的硬件，最大允许电压可以高于1200V。通过控制供应网络或者电网功率或/和发电机功率，频率转换器的DC链路电压（Vdc）通常在所有的操作点均被固定于1100V。DC链路电压将确定频率转换器的以及还有发电机的损耗。例如，频率转换器的开关损耗与DC链路的电压的平方成比例。

只要DC链路电压是足够高的，发电机侧和电网侧的所有控制目标便能够实现。必要或者最小DC链路电压能够由发电机电压、电网电压、发电机电流和电网电流确定。

对于可变速度风力涡轮机，在低风速下，发电机电压、发电机电流和电网电流是低的。在低风速条件下的必要DC链路电压比1100V更低得多。例如，如果电网电压是690V，则用于10%负载的必要DC链路电压小于1000V。在此情形中，固定的DC链路电压增加了在转换器和发电机处的不必要的损耗。

在另一方面，固定的1100V DC链路电压确定在满负载条件下的最大允许转子速度和发电机的功率。因此，由于受到限制的固定DC链路电压，风力涡轮机的瞬时超载和超速不能被实现。同样固定DC链路电压能够限制发电机的操作速度和功率。

发明内容

本发明的一个目的在于改进功率的转换。

根据本发明分别地利用权利要求1、6和10的特征解决了这个目的。

在一个方面中，本发明涉及一种用于控制频率转换器的方法，该频率转换器带有整流器、经由DC链路连接到整流器的逆变器、整流器控制器和逆变器控制器，该方法具有以下步骤：

-确定用于整流器控制器的最小整流器DC链路电压；

-确定用于逆变器控制器的最小逆变器DC链路电压；

-将最小DC链路电压确定为最小整流器DC链路电压和最小逆变器DC链路电压中的最大值；

-基于最小DC链路电压和最大允许DC链路电压中的最小值来确定最佳DC链路电压基准；和

-基于最佳DC链路电压基准来控制整流器控制器和/或逆变器控制器。

最佳DC链路电压基准能够例如被确定为最小DC链路电压和最大允许DC链路电压中的最小值。然而，最佳DC链路电压基准还能够以不同的方式被确定。例如，最佳dc链路电压基准能够是被添加到最小dc链路电压和最大允许dc链路电压中的最小值的某个裕度。

该控制方法通过调节DC链路的电压基准改进如在风力涡轮机中的频率转换器和所连接的发电机的效率和操作范围。能够基于频率转换器的、发电机的和/或风力涡轮机的操作点实现这个。能够从整流器或者发电机侧和/或从逆变器或者电网侧控制DC链路电压。能够直接地或者经由另一控制器或者计算机间接地控制整流器控制器和/或逆变器控制器。

利用根据本发明的方法，变化的DC链路电压得以实现。电压范围能够例如在950V到1200V之间，这能够依赖于硬件设计。该方法改进了转换器的和所连接的发电机的效率。例如能够在可以降低冷却成本时增加系统如风力涡轮机的年能量生产。由于变化的DC链路电压，风力涡轮机的操作范围增加并且超载状况或者功率提升功能能够被实现。

所述确定可以是基于当前操作条件的。特别地对于带有内电流环的控制器而言，这是有益的。

频率转换器可以将发电机或者电动机与供应网络连接。如例如在风力涡轮机中的这种设置得益于该方法。能够直接地或者经由例如滤波器、检测单元和测量装置等间接地连接这个系统的部件。

可以以低于控制器的带宽的速率确定最佳DC链路电压基准。带宽能够是整流器控制器的、逆变器控制器的和/或一般地DC链路控制的带宽。术语控制器涵盖参与DC链路电压的控制的所有单元。这个减慢的速率保证了控制环的稳定性。

整流器控制器和/或逆变器控制器的电流可以受到控制。可替代地电压或者功率能够受到控制。通常电流控制器是控制器的内环从而电流的控制易于实现。

在第二方面中，本发明涉及一种用于将AC输入功率转换成AC输出功率的频率转换器，该频率转换器包括整流器、与整流器通信的DC链路、与DC链路通信的逆变器、整流器控制器、逆变器控制器和DC链路电压控制器，其中DC链路电压控制器包括用于AC输入功率和AC输出功率的电压和电流的输入端和与整流器控制器和/或逆变器控制器通信以输出最佳DC链路电压基准的基准输出端，并且其中DC链路电压控制器基于AC输入功率和AC输出功率的电压和电流产生最佳DC链路电压基准。如上所述的相同修改和优点在这里适用。整流器能够是在正常操作中作为整流器而操作的发电机桥或者其一部分。逆变器能够是在正常操作中作为逆变器而操作的电网或者网桥或者其一部分。

DC链路电压控制器可以被布置在整流器控制器中和/或逆变器控制器中。能够从发电机侧、电网侧或者这两侧选择DC链路电压是否受到控制。在这些控制器内部定位DC链路电压控制器具有短信号传输和容易实现的益处。当然它能够位于另一控制器如例如风力涡轮机控制器中。

DC电压控制器可以包括用于AC输入功率的功率、用于发电机的扭矩、用于发电机的角速度和/或用于AC输出功率的功率的输入端。这些其它的输入端能够增强控制的可靠性。

该频率转换器可以包括整流器电流控制器和/或逆变器电流控制器，其中DC链路电压控制器的基准输出端可以与整流器电流控制器和/或逆变器电流控制器通信。该通信可以是直接的或者例如经由整流器控制器和/或逆变器控制器或者另一控制器而间接的。

在其它方面中，本发明涉及一种包括如上所述的频率转换器的电能产生设备。如上所述的相同的修改和优点在这里适用。

该电能产生设备可以包括用于产生AC功率的发电机。转换器有益地与发电机组合。

除了电能产生设备如用于产生AC功率的发电机之外，所提出的用于控制dc链路电压的方法还能够被用于驱动电动机的频率转换器。在更进一步的方面中，本发明因此涉及一种包括如上所述的频率转换器的电动机。如上所述的相同的修改和优点在这里适用。

该电能产生设备可以是风力涡轮机。特别地对于具有发电机的风力涡轮机，所提出的发明是有益的，所述发电机具有根据风力变化的负载。

附图说明

包括了附图以提供对实施例的进一步的理解。其它实施例和很多预期优点将易于理解，因为通过参考以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件未必彼此间成比例。相似的参考数字指定相应的类似的部分。

图1图示带有根据本发明的频率转换器的风力涡轮机的电气设备的示意图。

图2图示用于控制根据本发明的频率转换器的方法的第一实施方式。

图3图示用于控制根据本发明的频率转换器的方法的第二实施方式。

具体实施方式

在以下详细描述中，对形成其一部分并且其中通过示意示出在其中可以实施本发明的具体实施例的附图进行参考。在这方面，参考正被描述的（一个或者多个）图的定向使用了方向术语，诸如“顶部”或者“底部”等。因为实施例的构件能够以多个不同的定向定位，所以方向术语被用于图示的意图而绝非加以限制。应该理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以利用其它的实施例并且可以做出结构或者逻辑改变。因此，以下详细描述不被以限制性的意义采用，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

图1示出电能产生设备如例如风力涡轮机1的电气构件的概观。风力涡轮机1具有转子2，该转子2带有一个或者多个、通常三个叶片。转子2被布置于转子轴3上，转子轴3将旋转动量从转动的转子2传递到齿轮箱4。齿轮箱4以限定的传动比将转子轴3的旋转传递到输出轴5。对于直接驱动风力涡轮机，不需要齿轮箱。在此情形中，输出轴和转子轴是相同的。输出轴5被连接到发电机6，该发电机6将轴5的旋转动力变换成电气AC功率。发电机6能够是单馈或者双馈式的同步或者异步发电机。发电机6是可变速发电机从而它的旋转速度能够根据风力条件而改变。

频率转换器或者功率转换器7与发电机6的输出端通信。频率转换器7向供应网络或者（公用）电网8提供固定的频率。频率转换器7将由发电机6递送的、具有变化的频率的电气AC输入功率的部分或者全部转换成具有与电网8相兼容的固定频率的电气AC输出功率。进而，频率转换器8能够控制风力涡轮机1的输出功率。频率转换器7的输出端被连接到能够由电感器等实现的滤波器9并且进一步被连接到将频率转换器7的AC输出功率变换到电网8的水平的变压器10。

转换器7具有整流器或者发电机桥11，其输入端被连接到发电机6的输出端。整流器11将AC功率转换成DC功率并且将其置于DC链路12上。DC链路12将逆变器或者电网桥13与整流器11连接。逆变器13将DC功率转换成具有与电网8的固定频率相匹配的频率的AC功率。

整流器或者发电机控制器14被连接到整流器11。控制器14还能够在整流器11中或者在另一控制器或者单元中集成。在整流器11和它的控制器14之间的连接能够是单向的或者双向的。整流器控制器14具有用于来自发电机6的AC功率和用于来自DC链路桥12的DC功率的输入端。其它输入端用于AC输入功率或者发电机6的扭矩且用于AC输入功率、轴5或者发电机6的角速度。

逆变器或者电网控制器15被连接到逆变器13。控制器15也能够在逆变器13中或者在另一控制器或者单元中集成。在逆变器13和它的控制器15之间的连接能够是单向的或者双向的。逆变器控制器15具有用于来自DC链路桥12的DC功率、用于来自逆变器13的AC功率和用于来自电网8的AC功率的输入端。其它输入端用于AC输入功率或者发电机6的扭矩且用于AC输入功率、轴5或者发电机6的角速度。

用于控制或者调节DC链路12上的电压的DC链路电压控制器16被布置在整流器控制器14中和/或逆变器控制器15中。DC链路电压控制器16还能够位于另一控制器中或者它能够是单一的专用控制器。这里，示出了两个DC链路电压控制器16。同样能够使用利用单一DC链路电压控制器16的实施方式。

DC链路电压控制器16存在于控制系统中以基于转换器7、发电机6、电网8和/或风力涡轮机1的当前操作条件来计算最佳DC链路电压基准。必要的DC链路电压是对于控制发电机6和电网8而言有必要的最小DC链路电压。能够通过使用如下的某些线性方程和风力涡轮机1的测量/计算变量诸如发电机电压/发电机速度、发电机功率/电流、电网电压和电网功率/电流来计算这个必要的DC链路电压。

能够根据以下公式由DC链路电压控制器16确定或者计算用于整流器或者发电机控制器14的最小或者必要的DC链路电压：

其中R_s代表定子绕组的电阻，L_s代表定子绕组的电感，I_GEN代表发电机电流并且U_GEN代表发电机电压。

能够根据以下公式确定或者计算用于逆变器或者电网控制器15的最小或者必要DC链路电压：

其中R_g代表电网的电阻，L_g代表电网的电感，I_GRID代表电网电流并且U_GRID代表电网电压。

能够根据以下公式确定或者计算最小或者必要DC链路电压（用于DC链路）：

最后，能够根据以下公式确定或者计算最佳DC链路电压基准

根据该公式，基准被设置为最小或者必要DC链路电压和最大允许DC链路电压中的最小值。这个步骤增强了操作安全性并且例如当作出规定以针对过高电压来保护DC链路时能够被省略。

DC链路电压基准然后被用于将DC链路电压设置为所期望的点或者范围。能够根据所采用的硬件和/或所期望或者允许的操作条件在大约950V到1200V的范围中调节DC链路电压。

DC链路电压基准的更新速率通常比DC链路控制的带宽更慢。

DC链路电压基准能够被传送到整流器控制器14和/或逆变器控制器15的电流控制器。DC链路电压控制器16能够在这种电流控制器中集成。通常，电流控制器形成整流器控制器14和/或逆变器控制器15的内环。

图2和3示出在其中集成DC链路电压控制器16的整流器或者发电机控制器14的实施方式和逆变器或者电网控制器15的实施方式。能够以硬件和/或以软件来实施DC链路电压控制器16。能够从发电机侧或者从电网侧控制DC链路电压。

图2示出其中DC链路电压控制被集成在发电机控制器14中的控制器。一般术语“控制器”或者“DC链路电压控制”涵盖参与DC链路电压的控制的所有控制装置。

发电机控制器14接收输入作为来自发电机6的电流和电压、AC输入功率和AC输入功率或者发电机6的角速度。在Vdcref计算单元17中，用于DC链路的基准电压V_DCREF被基于某些输入或者全部输入得以计算并且被传送到DC链路控制器18。能够根据以上等式计算基准电压。

DC链路控制器18另外地接收实际DC链路电压V_DC并且计算发电机功率基准P_GenRef。发电机或者风力涡轮机功率由发电机电流控制器19控制以遵循此基准功率。发电机电流控制器19是发电机控制器14的内环。

上述DC链路电压控制器16能够由Vdcref计算单元17或者Vdcref计算单元17与DC链路控制器18和/或发电机电流控制器19（或者实际电流控制器19b自身和/或用于电流的基准计算19a）的组合组成。

电网控制器15例如从风力涡轮机控制器接收涡轮机功率基准P_WTCRef。这里，仅仅描绘了电网控制器15的电网电流控制器20，因为对于此实例仅仅需要这些部分。为了简洁起见没有示出电网控制器15的其它部分。电网电流控制器20控制发电机功率以遵循涡轮机功率基准。

图3示出一种实施方式，其中DC链路电压从电网侧受到控制。相应地，DC链路控制器18位于电网控制器15中。

电网控制器15接收输入作为来自发电机6的电流和电压、AC输入功率和AC输入功率或者发电机6的角速度。在Vdcref计算单元17中，用于DC链路的基准电压VDCREF被基于某些输入或者全部输入得以计算并且被传送到DC链路控制器18。能够根据以上等式计算基准电压。

DC链路控制器18另外地接收实际DC链路电压VDC并且计算电网功率基准P_GridRef。发电机或者风力涡轮机功率由电网电流控制器20控制以遵循该基准功率。电网电流控制器20是发电机控制器14的内环。

上述DC链路电压控制器16能够由Vdcref计算单元17或者Vdcref计算单元17与DC链路控制器18和/或电网电流控制器20（或者实际电流控制器20b自身和/或用于电流的基准计算20a）的组合组成。

发电机控制器14例如从风力涡轮机控制器接收涡轮机功率基准P_WTCRef和/或扭矩基准T_WTCRef。这里，仅仅描绘了发电机控制器14的发电机电流控制器19，因为针对此实例仅仅需要这些部分。为了简洁起见没有示出发电机控制器14的其它部分。发电机电流控制器19控制发电机功率以遵循涡轮机功率和/或扭矩基准。

能够从两侧即从发电机侧和同样从电网侧实现DC链路电压的控制。在此情形中发电机控制器14被类似图2所示发电机控制器地构造，而电网控制器15被类似图3所示电网控制器地构造。

Claims

1.用于控制频率转换器（7）的方法，所述频率转换器（7）带有整流器（11）、经由DC链路（12）连接到整流器（11）的逆变器（13）、整流器控制器（14）和逆变器控制器（15），所述方法具有以下步骤：

-确定用于整流器控制器（14）的最小整流器DC链路电压；

-确定用于逆变器控制器（15）的最小逆变器DC链路电压；

-基于最小DC链路电压和最大允许DC链路电压中的最小值来确定最佳DC链路电压基准；以及

-基于最佳DC链路电压基准来控制整流器控制器（14）和/或逆变器控制器（15）。

2.根据权利要求1的方法，其中所述确定是基于当前操作条件的。

3.根据权利要求1或者2的方法，其中频率转换器（7）将发电机（6）或者电动机与供应网络（8）连接。

4.根据权利要求1到3中任一项的方法，其中以低于所述控制器的带宽的速率确定最佳DC链路电压基准。

5.根据权利要求1到4中任一项的方法，其中整流器控制器（14）和/或逆变器控制器（15）的电流受到控制。

6.用于将AC输入功率转换成AC输出功率的频率转换器，所述频率转换器包括整流器（11）、与整流器（11）通信的DC链路（12）、与DC链路（12）通信的逆变器（13）、整流器控制器（14）、逆变器控制器（15）和DC链路电压控制器（16），其中DC链路电压控制器（16）包括用于AC输入功率和AC输出功率的电压和电流的输入端和与整流器控制器（14）和/或逆变器控制器（15）通信以输出最佳DC链路电压基准的基准输出端，并且其中DC链路电压控制器（16）基于AC输入功率和AC输出功率的电压和电流产生最佳DC链路电压基准。

7.根据权利要求6的频率转换器，其中DC链路电压控制器（16）被布置在整流器控制器（14）和/或逆变器控制器（15）中。

8.根据权利要求6或者7的频率转换器，其中DC电压控制器（16）包括用于AC输入功率的功率、用于发电机的扭矩、用于发电机的角速度和/或用于AC输出功率的功率的输入端。

9.根据权利要求6到8中任一项的频率转换器，包括整流器电流控制器（19）和/或逆变器电流控制器（20），其中DC链路电压控制器（16）的基准输出端与整流器电流控制器（19）和/或逆变器电流控制器（20）通信。

10.电能产生设备，包括根据权利要求6到9中任一项的频率转换器（7）。

11.根据权利要求10的电能产生设备，包括用于产生AC功率的发电机（6）。

12.根据权利要求10或者11的电能产生设备，其中它是风力涡轮机（1）。

13.电动机，包括根据权利要求6到9中任一项的频率转换器（7）。