CN105490599B - 用于确定双馈感应发电机的漏电感的方法和设备 - Google Patents

用于确定双馈感应发电机的漏电感的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于确定双馈感应发电机DFIG(10)的漏电感的方法和设备以及包括该设备的逆变器和变频器。所述方法包括：响应于DFIG的定子电流等于或小于第一预定阈值，确定DFIG的定子电压值、转子电压值和转子电流值，并且基于所确定的值来计算DFIG的转子漏电感；以及，响应于DFIG的转子电流等于或小于第二预定阈值，确定DFIG的定子电压值、转子电压值和定子电流值，并且基于所确定的值来计算DFIG的定子漏电感。

Description

用于确定双馈感应发电机的漏电感的方法和设备
技术领域
本发明涉及确定双馈感应发电机的漏电感。
背景技术
绕线转子感应电机是其中转子包括绕组的旋转电机。这样的电机的一个示例为通常用作发电机的双馈感应电机——双馈感应发电机(DFIG)。双馈感应发电机可以用于如图1的示例所示的配置中，其中，图1的示例所示的配置包括变流器，使得一个变流器(逆变器30)电连接在直流电压中间电路60与转子11之间，而另一变流器(整流器40)电连接在直流电压中间电路60与交流网络70之间；通常，交流网络70由发电机10供电并且连接至发电机的定子12。例如，这样的双馈感应发电机通常与风力涡轮机20相结合地使用。
在对电机的控制中，电机参数值的估计误差是通常的误差源。关于用作发电机的电机，例如双馈感应发电机，这些估计误差会引起不准确的控制，从而导致例如针对无功功率和有功功率的输出不准确。对参考设定点的不良跟随可以例如通过使用较高水平的控制回路进行补偿，其中该控制回路作用于所测量并且请求的误差值并且根据实际输出对参考进行补偿。然而，较高水平的控制器需要具有慢动态以不干扰较高动态控制器。在LVRT(低电压穿越)情况下，较慢的控制器由于它们自然的慢动态行为而将对性能有负面影响，其中，因为较慢的控制器并非基于发电机建模，所以慢动态行为是它们所固有的。
例如，在双馈感应发电机的情况下，由电机制造商给出的漏电感值，或者如果由电机制造商给出的漏电感值不可得，则由电机的用户所估计的值，已经被用于控制发电机。如果这些漏电感值出于某些原因而不准确地匹配真实值，则这些不正确的值会引起双馈感应发电机的不良控制性能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备，以解决或至少减轻上述问题。本发明的目的是利用以独立权利要求中所阐述的内容所表征的方法、设备、逆变器和变频器来实现的。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施方式。
本发明基于以下思想：基于在双馈感应发电机正在操作时对其执行的测量，获得对电机漏电感的估计。
本发明的优点在于：对实际电机漏电感的更好估计改进了控制性能并且减小了对于慢动态的较高水平的控制器的需要，因此改进了在正常发电期间的操作和在网络中的瞬变期间的响应时间二者。本发明使得能够自动识别漏电感，使得用户给定的发电机数据可以根据实际值而被检验和调整。本发明也是有成本效益的并且即使在现有装置中也容易实现。
附图说明
在下文中，将参照附图、结合优选实施方式来详细描述本发明，在附图中：
图1示出了根据实施方式的双馈感应发电机系统的框图；
图2示出了根据实施方式的异步电机的等效电路；
图3示出了根据实施方式的控制设备的框图；以及
图4示出根据实施方式的确定漏电感的流程图。
具体实施方式
本文中的实施方式的应用并不限于任意特定的双馈感应发电机(DFIG)系统，而是其可以应用于各种DFIG系统。另外，对本发明的运用并不限于例如任意特定的基频或者任意特定的电压电平。
图1示出了根据实施方式的双馈感应发电机系统的简化框图。该图仅示出对于理解本发明所必需的部件。示例性双馈感应发电机系统包括具有转子11和定子12的双馈感应发电机10。在该示例中，DFIG 10为三相DFIG。DFIG 10的转子11可以机械地连接至涡轮机20，例如风力涡轮机，以用于驱动发电机10。DFIG 10的定子12可以电连接至三相交流(AC)网络70，以用于向AC网络70提供DFIG中生成的电力。DFIG 10的转子11可以电连接至逆变器30，以利用逆变器30控制DFIG。逆变器又可以连接至直流(DC)源，例如由整流器40供电的DC中间电路60。整流器可以连接至AC网络70，如示例所示。逆变器30和整流器40可以是例如分离的单元或者与DC中间电路60一起形成变频器。图1还以控制单元50的形式示出了控制设备，控制单元50可以用于控制逆变器30和整流器40。应该指出，可以存在用于逆变器30和整流器40的分离的控制单元并且这样的一个或更多个控制单元50可以是例如逆变器30和/或整流器40的一部分。控制单元50或者相应的控制设备可以从变流器30、40和/或通过使用分离的测量设备来接收本文的各种实施方式中所需的量的测量值。例如，控制单元50可以从变流器30、40接收DFIG 10的定子电压(其可以基本等于AC网络70的电压)的测量值、DFIG10的转子电压的测量值和DFIG 10的转子电流的测量值，并且从合适的测量设备(未示出)接收DFIG 10的定子电流的值。
图2示出异步电机的T型等效电路。在将该电机用作DFIG时，转子电压可以被控制并且定子电压基本上是连接至DFIG的定子的AC网络的电压。在图2中，使用以下的量：
Us＝DFIG的定子电压
Is＝DFIG的定子电流
Rs＝DFIG的定子电阻
Lls＝DFIG的定子漏电感
Lm＝DFIG的磁化电感
Uxm＝磁化电感Lm两端的电压
Ur ’＝DFIG的以定子为参照的转子电压
Ir ’＝DFIG的以定子为参照的转子电流
Rr ’＝DFIG的以定子为参照的转子电阻
Llr ’＝DFIG的以定子为参照的转子漏电感
其中，DFIG的以定子为参照的转子量等于如下的实际转子侧的量：
Ur ’＝Neff Ur(其中，Ur是实际转子电压)
Ir ’＝1/Neff Ir(其中，Ir是实际转子电流)
Rr ’＝Neff 2 Rr(其中，Rr是实际转子电阻)
Llr ’＝Neff 2 Llr(其中，Llr是实际转子电感)
其中，
Neff＝DFIG的有效匝数比。
换言之，以定子侧为参照的量仅代表所讨论的量的另一表示方式，然而易于指示实际的量。以类似的方式，定子侧的量可以以转子侧为参照。在实践中，以定子侧为参照的转子侧量通常容易得到并且用于实际应用中。
基于图2的等效电路并且假定定子电流为零，由此，磁化电感两端的电压等于定子电压可以获得下面的等式：
因此，在给定频率f处，可以基于DFIG的定子电压、DFIG的转子电压、DFIG的转子电流和DFIG的转子电阻来计算DFIG的转子漏电感。
而且，考虑到转子电阻与漏电感相比可以忽略或者转子电阻的值可能未知，所以可以假定项为零，由此，等式(1)可以简化为：
因此，在给定频率f处，可以基于至少定子电压、转子电压和转子电流来计算DFIG的转子漏电感。
以类似的方式，基于图2的等效电路并且假定转子电流为零，由此，磁化电感两端的电压等于转子电压可以获得下面的等式：
因此，在给定频率f处，可以基于DFIG的定子电压、DFIG的转子电压、DFIG的定子电流和DFIG的定子电阻来计算DFIG的定子漏电感。
而且，考虑到定子电阻与漏电感相比可以忽略或者定子电阻的值可能未知，所以可以假定项为零，由此，等式(2)可以简化为：
因此，在给定的频率f处，可以基于至少定子电压、转子电压和定子电流来计算DFIG的定子漏电感。
根据实施方式，可以在DFIG的操作期间通过执行如下的a)和b)中的至少之一来确定双馈感应发电机的一个或更多个漏电感：
a)控制DFIG的转子电压，使得DFIG的定子电流接近零；响应于DFIG的定子电流等于或小于第一预定阈值，确定DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的转子电流值或者指示它们的量；以及，至少基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的转子电流值或者表示它们的量，计算DFIG的转子漏电感。根据实施方式，基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的转子电流值或者表示它们的量以及基于DFIG的转子电阻或表示该转子电阻的量，计算DFIG的转子漏电感。
b)控制DFIG的转子电压，使得DFIG的转子电流接近零；响应于DFIG的转子电流等于或小于第二预定阈值，确定DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的定子电流值或者表示它们的量；以及，至少基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的定子电流值或者表示它们的量，计算DFIG的定子漏电感。根据实施方式，基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的定子电流值或者表示它们的量，并且基于DFIG的定子电阻或表示该定子电阻的量，计算DFIG的定子漏电感。
因此，能够确定定子漏电感和转子漏电感中任一者，或者能够确定它们二者。根据实施方式，DFIG的操作指代DFIG 10处于操作中的状态，即，DFIG 10连接至AC网络70并且其定子侧与连接至DFIG的定子12的AC网络70同步。然而，在DFIG的这样的操作期间，转子速度不一定处于同步速度，而是可以存在转差(slip)，即，转子速度可能小于或大于同步速度。优选地，在DFIG 10的操作期间，DFIG 10的定子电压在DFIG的定子电压的标称电压范围内，由此可以假定DFIG的漏电感未饱和。DFIG主电感饱和通常不会影响对漏电感的确定的结果。还应当指出，该确定在DFIG的转差不是太小时变得更准确。这是由于以下事实：在准确的同步速度处，因为转子电压与转差成比例，所以转子电压小。提供最佳确定结果的转差的量取决于所讨论的DFIG的特性，并且因此在此没有给出转差的特定值。
图4示出了根据实施方式的确定漏电感的流程图。在步骤110中，启动对漏电感的识别。该识别可以通过请求来启动，其中该请求可以源于例如系统的用户或操作员或者在需要时源于系统本身。在步骤120中，利用逆变器30来控制DFIG的转子电压，使得DFIG的定子电流接近零。在步骤130中，检查DFIG的定子电流是否等于或小于第一预定阈值。优选地，第一阈值根据系统特性而为接近于零的值或者为零。通常，该阈值越接近于零，则确定结果将越准确。如果DFIG的定子电流并不等于或小于第一预定阈值，则重复步骤120。如果DFIG的定子电流等于或小于第一预定阈值，则在步骤140中，确定DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的转子电流值或者表示它们的量，并且至少基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的转子电流值或者表示它们的量，计算DFIG的转子漏电感。这可以通过利用例如等式(1)或(1a)来完成。在步骤150中，利用逆变器30来控制DFIG的转子电压，使得DFIG的转子电流接近零。在步骤160中，检查DFIG的转子电流是否等于或小于第二预定阈值。优选地，第二阈值根据系统特性而为接近于零的值或者为零。通常，该阈值越接近于零，则确定结果将越准确。如果DFIG的转子电流并不等于或小于第二预定阈值，则重复步骤150。如果DFIG的转子电流等于或小于第二预定阈值，则在步骤170中，确定DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的定子电流值或者表示它们的量，并且至少基于所确定的DFIG的定子电压值、DFIG的转子电压值和DFIG的定子电流值或者表示它们的量，计算DFIG的定子漏电感。这可以通过利用例如等式(2)或(2a)来完成。在步骤180中，结束对漏电感的识别。优选地，将所确定的漏电感的值存储在合适的存储器中以供以后使用。根据实施方式，所确定的DFIG的转子漏电感和/或所确定的DFIG的定子漏电感被用于控制DFIG。可以周期性地或在必要时更新DFIG的转子漏电感值和/或所确定的DFIG的定子漏电感值。应当指出，虽然在图4的示例中首先确定DFIG的转子漏电感，但是可以替代地首先确定DFIG的定子漏电感。在该情况下，将在步骤120至步骤140之前执行步骤150至步骤170。还可以同时执行一些步骤或者这些步骤中的一部分。
图3示出了根据实施方式的控制设备的简化框图。在控制DFIG的定子电流或转子电流以接近零时，图3的示例性控制设备可以用于例如步骤120和/或步骤150。例如，经由构件54依次将定子电流和转子电流的基准内在地设置成零(或小值)。例如，包括绝对值单元53和最小值跟踪功能单元52的控制系统使用DFIG控制器部51来驱动DFIG控制器部51的电流基准Iref，使得实际电流Iact与基准之差趋向最小值。当实际电流Iact小于预定阈值时，能够确定识别结果。可以将包括元件51、52、53和54的控制设备或类似设备实现在控制设备50内。
根据本文中的任一实施方式或实施方式的组合的实现控制功能的设备，可以被实现为一个单元或者是被配置成实现各个实施方式的功能性的两个或更多个独立的单元。在此，术语“单元”一般指代物理或逻辑实体，例如物理设备或其一部分或者软件例程。这些单元中的一个或更多个单元，例如控制单元50，可以存在于诸如电驱动器或其部件中，其部件例如是逆变器30。
根据本文中的任一实施方式的诸如控制单元50这样的设备，可以至少部分地借助于例如设置有合适软件的一个或更多个计算机或相应的数字信号处理(DSP)设备来被实现。这样的计算机或数字信号处理设备优选地包括提供用于算术运算的存储区的至少一个工作的存储器(RAM)和诸如通用数字信号处理器这样的中央处理单元(CPU)。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元和CPU控制单元。CPU单元通过从RAM传送至CPU的程序指令序列来被控制。CPU控制单元可以包含若干用于基本操作的微指令。微指令的实现可以根据CPU设计而变化。可以通过编程语言来编码程序指令，其中编程语言可以是高级编程语言，例如C、Java等；或者是低级编程语言，例如机器语言或汇编语言。计算机还可以具有操作系统，该操作系统可以向利用程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明或其一部分的计算机或其他设备还可以包括合适的输入装置和输出装置，其中，输入装置用于接收例如测量和/或控制数据，输出装置用于输出例如控制数据。还可以使用一个或多个专用集成电路或者分离的电子部件和设备以实现根据任一实施方式的功能性。
可以用诸如电驱动器或其部件这样的现有系统元件或者通过以集中或分布式方式使用分离的专用元件或设备，来实现根据任一实施方式或者实施方式的任意组合的本发明，所述电驱动器的部件例如是逆变器或变频器或者类似设备。用于电驱动器的、诸如逆变器和变频器这样的当前设备通常包括能够用在根据本发明的实施方式的功能中的处理器和存储器。因此，例如以现有设备实现本发明的实施方式所需要的所有修改和配置可以作为软件例程被执行，其中软件例程可以被实现为附加或更新的软件例程。如果通过软件来实现本发明的功能性，则可以将这样软件设置为包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中计算机程序代码当在计算机上运行时使得计算机或相应的设备能够执行如上所述的根据本发明的功能性。可以将这样的计算机程序代码存储在或者通常包含在计算机可读介质上，计算机可读介质例如是合适的存储器，比如闪速存储器或磁盘存储器，其中计算机程序代码可以从该存储器被加载至执行程序代码的一个或多个单元中。另外，可以经由例如合适的数据网络将实现本发明的这样的计算机程序代码加载至执行计算机程序代码的一个或多个单元，并且这样的计算机程序代码可以替换或更新可能存在的程序代码。
对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的基本思想可以用各种方式实现。因此，本发明及其实施方式并不限于上面的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于确定双馈感应发电机即DFIG的漏电感的方法，所述方法包括：
在所述DFIG(10)的操作期间，执行a)和b)中至少之一：
a)控制(120)所述DFIG的转子电压，使得所述DFIG的定子电流接近零；
响应于所述DFIG的定子电流等于或小于(130)第一预定阈值，确定(140)所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者表示它们的量；以及
至少基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者所述表示它们的量，计算(140)所述DFIG的转子漏电感，
b)控制(150)所述DFIG的转子电压，使得所述DFIG的转子电流接近零；
响应于所述DFIG的转子电流等于或小于(160)第二预定阈值，确定(170)所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者表示它们的量；以及
至少基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者所述表示它们量，计算(170)所述DFIG的定子漏电感。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，按照替选方案a)，基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者所述表示它们的量，并且基于所述DFIG的转子电阻或者表示该转子电阻的量，计算(140)所述DFIG(10)的转子漏电感。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，按照替选方案b)，基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者所述表示它们的量，并且基于所述DFIG的定子电阻或者表示该定子电阻的量，计算(170)所述DFIG(10)的定子漏电感。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述DFIG(10)的操作期间，所述DFIG的定子(12)与连接至所述DFIG的所述定子(12)的交流电网络(70)同步。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述DFIG(10)的操作期间，所述DFIG(10)的定子电压在所述DFIG的定子电压的标称电压范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，利用连接至所述DFIG的转子(11)的逆变器(30)来控制所述DFIG的转子电压。
7.一种用于确定双馈感应发电机即DFIG的漏电感的设备，所述设备包括a)和b)中至少之一：
a)被配置成在所述DFIG(10)的操作期间控制所述DFIG的转子电压使得所述DFIG的定子电流接近零的装置；
被配置成响应于所述DFIG的定子电流等于或小于第一预定阈值而确定所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者表示它们的量的装置；以及
被配置成至少基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者所述表示它们的量来计算所述DFIG的转子漏电感的装置，
b)被配置成在所述DFIG的操作期间控制所述DFIG的转子电压使得所述DFIG的转子电流接近零的装置；
被配置成响应于所述DFIG的转子电流等于或小于第二预定阈值而确定所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者表示它们的量的装置；以及
被配置成至少基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者所述表示它们的量来计算所述DFIG的定子漏电感的装置。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，按照替选方案a)，被配置成计算所述DFIG的转子漏电感的装置被配置成：基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的转子电流的值或者所述表示它们的量，并且基于所述DFIG的转子电阻或者表示该转子电阻的量，计算所述DFIG(10)的转子漏电感。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，按照替选方案b)，被配置成计算所述DFIG的定子漏电感的装置被配置成：基于所确定的所述DFIG的定子电压的值、所述DFIG的转子电压的值和所述DFIG的定子电流的值或者所述表示它们的量，并且基于所述DFIG的定子电阻或者表示该定子电阻的量，计算所述DFIG(10)的定子漏电感。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，在所述DFIG(10)的操作期间，所述DFIG的定子(12)与连接至所述DFIG的所述定子(12)的交流电网络(70)同步。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，在所述DFIG的操作期间，所述DFIG(10)的定子电压在所述DFIG的定子电压的标称电压范围内。
12.一种逆变器，所述逆变器包括根据权利要求7至11中任一项所述的设备。
13.根据权利要求12所述的逆变器，其中，所述逆变器(30)被配置成使用所确定的所述DFIG的转子漏电感和/或所确定的所述DFIG的定子漏电感以控制所述DFIG。
14.一种变频器，所述变频器包括根据权利要求7至11中任一项所述的设备。
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