CN110112990B - 控制多绕组永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制多绕组永磁电机。描述了用于在第一组绕组（113）中发生故障而留下第二组绕组（117）起作用的情况下控制多绕组永磁电机（111）的方法和布置结构（141），所述方法包括：确定通过所有绕组产生的转矩的值（154）；以及基于所述转矩的值（154）来控制所述第二组绕组（117）的电流的值（155、156），以便减少发生的损坏转矩和/或转矩振荡，和/或中断所述电机。

Description

控制多绕组永磁电机
技术领域
本发明涉及用于在第一组绕组中发生故障而留下第二组绕组起作用的情况下控制多绕组永磁电机的方法和布置结构。特别地，本发明涉及一种控制方法，其意在用于阻尼由于多定子永磁电机的定子的绕组中的一个中的短路故障而引起的转矩振荡和/或抑制由于该短路故障而引起的电流。
背景技术
单个电机定子可以由两个或更多个三相或多相绕组构成。风能转换系统的电网侧转换器部分中的短路故障引起了很多关注。在现有技术中，几乎没有关于因发电机短路的发生而引起的转矩振荡的阻尼/补偿的工作。
在文献EP 2 372 860 A1和WO 2014/079453 A2中，通过借助于附加的开关装置来强制三相短路，而使由相间短路故障引入的振荡最小化。
EP 3 073 635 A1公开了一种用于保护永磁发电机的方法，该永磁发电机具有多个隔离的转换器，该多相发电机包括承载永磁体的转子以及包括多个绕组的多个独立的多相子定子。由此，每个转换器被连接到独立的多相子定子，并且被构造成控制所述多相子定子的所述多个绕组。由此，在产生第一振荡转矩的子定子中的一个中确定不对称短路，并且用完整的连接的转换器注入不对称电流，其中，所述注入的不对称电流产生第二振荡转矩，该第二振荡转矩在相位上与第一振荡转矩基本上相反。
在现有技术中，对多绕组发电机的一个或多个绕组中的故障作出反应的解决方案可能不是在所有情况下都令人满意的，从而留下发电机部件损坏的风险。
因此，可能需要用于在第一组绕组中发生故障的情况下控制多绕组永磁电机的方法和布置结构，其中，可以减少部件的损坏，并且可以以安全的方式来操作发电机，特别是风力涡轮机的发电机。
发明内容
该需要可以通过根据本发明的用于在第一组绕组中发生故障而留下第二组绕组起作用的情况下控制多绕组永磁电机的方法来满足。本发明的有利实施例通过优选实施方案来描述。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于在第一组绕组中发生故障而留下第二组绕组起作用的情况下控制多绕组永磁电机的方法，所述方法包括：确定通过所有绕组产生的转矩的值；以及基于所述转矩的值来控制所述第二组绕组的电流的值，以便减少发生的去磁电流和损坏转矩以及转矩振荡，和/或中断所述电机。
该方法例如可以通过风力涡轮机控制器来执行，或者一般通过控制电机的发电机控制器来执行。所述电机可以包括一组或两组或三组或四组或五组或甚至更多组独立的绕组，这些绕组至少部分地缠绕在电机的定子的槽中。相应的转换器可以被连接到每个独立（彼此电隔离）的绕组。每个绕组可包括两个或三个或四个或五个或甚至更多个导线，这些导线各自与特定的相相关联。特别地，每个绕组可包括三个导线，用于提供三相的电能。
永磁电机可以被构造为用于产生电能的发电机。该发电机可以是风力涡轮机的一部分，并且可以连接到具有轮毂的转子轴，多个转子叶片被连接在该轮毂处。
第一组绕组中的故障可以包括第一组绕组中的一个绕组或多个绕组的一个或多个相与第一组绕组中的一个或多个绕组的另一个相或中性导体或接地（质量）导体之间的短路。该故障（涉及大电流）可能导致第一组绕组中的每个绕组功能失常。由于该故障，永磁电机可能最终被停止，以便允许修理或维修特别是第一组绕组上的损坏。
具有附接到其的多个永磁体的转子可相对于电机的定子被可旋转地支撑，使得在永磁体相对于定子轭旋转并因此相对于绕组旋转时，可在绕组中感生电压。然后，在绕组中感生的电压可被供应到转换器，以便将特别是可变频率的功率流转换成特别是基本上固定的频率（例如，50Hz或60Hz）的功率流，该功率流随后可以被供应到公用电网。
转矩的值可以用多种方法来确定。例如，该转矩可以涉及转子和定子之间的机械转矩。所确定的转矩的值可以部分地与通过第一组绕组产生的部分和通过（起作用的）第二组绕组产生的部分相关联。
根据本发明的一个实施例，仍然起作用的第二组绕组可被用于以受控的方式安全地关闭发电机，即将转子的旋转速度减慢到基本为零。此外，在受控的关闭或停止电机期间，可避免高于最大允许转矩的力或转矩。
起作用的一组绕组还可被用于减小故障转矩和电流，直到故障组的断路器打开，并且使涡轮机保持降阶操作（reduced order operation）直到可获得维修。
当第二组绕组的电流值的控制是基于转矩值时，与现有技术的方法相比，所述方法可以得到改进。因此，转矩的值可以作为用于系统或方法的反馈信号。在现有技术的解决方案中，总转矩未被考虑为反馈信号。转矩的值可以被测量，通过间接测量来估计和/或根据绕组的电测量或电特性来估计。
特别地，根据本发明的实施例的短路转矩控制器可以包括Id和/或Iq控制，即对完整绕组的电流的d分量和/或q分量的控制。此外，还可以利用新的反馈信号，例如转矩的值等，这使得实施变得容易并且可以增加适用性。该控制方法可以旨在当短路故障发生在一个或多个系统即绕组上，也就是发生在多定子发电机的定子上时，通过利用仍然可控制的健康绕组，来使转矩振荡和故障电流最小化。此外，该控制方法可以允许电机（特别是风力涡轮机的发电机）通过使用通过健康（起作用）的绕组或定子产生的再生转矩来更快地减速，并且因此，短路电流可以被更快地熄灭，这可以降低一个或多个永磁体的去磁风险。
一般而言，具有同时影响多定子发电机的所有绕组或所有定子的短路故障的可能性可能是极低的。因此，减少由单个定子中的短路故障引起的负载的有效方法可以对例如叶片和塔架设计之类的部件设计具有正反馈。此外，在永磁电机中，磁体也可以设计成承受由于大的短路电流引起的不可逆退磁。这些设计需求可能导致现有技术的成本增加。本发明的实施例可具有如下益处，即：降低涡轮机极端负载，并且减轻由于发电机短路故障而导致的部件损坏的风险。实施例可能需要额外的转矩传感器。仅在需要直接转矩反馈的情况下才将是这种情况，而这在涡轮机中很难实施。更有吸引力的选择是使用已安装的传感器（加速度计和/或速度传感器）或使用来自健康绕组的电测量的估计。
方法适用于双三相电机以及多系统电机。本发明的实施例提供了一种控制方法，用于阻尼由发电机短路故障引起的转矩振荡，并且同时减少过速、短路电流和/或停止时间。
本发明的实施例可能需要预先运行通常在常规的控制系统中可用的短路故障检测方法，该方法能够识别受影响的一个或多个绕组。本发明的实施例还提供了获得转矩的值的过程，该转矩的值随后被用作对控制方法的反馈。本发明的实施例支持在永磁发电机中发生短路故障的情况下停止发电机，以便熄灭短路电流。因此，实施例允许降低转子的旋转速度，从而减小电流和损坏发电机的风险（特别是关于退磁和/或过热的风险）。故障绕组或故障定子所产生的电磁转矩可能是高度振荡的，这取决于短路类型。
通常，在风力涡轮机中，可以通过在控制系统中实施的检测方法来快速地检测发电机短路，该控制系统可以强制所有的功率转换器关闭并触发紧急停止。常规来说，所有转换器的关闭或停止以及使旋转速度变为零可以借助于叶片桨距控制和机械制动（mechanical break）来实现，这可能需要几秒钟。
为了缓解该问题，本发明的实施例允许发电机尽可能快地并且在具有最小的振荡的情况下中断，以便减小负载并最小化部件损坏的风险。由此，本发明的实施例利用了健康绕组或健康定子的功率转换器的贡献，从而使得健康定子（或健康绕组）能够产生中断转矩并且阻尼转矩振荡。因此，可仅关闭连接到故障定子或故障绕组的转换器，而健康绕组可以保持在相应转换器的控制下，但具有修改的目标或参考。
本发明的实施例可以单独或组合地应用两个控制选择，特别是在短路故障下的Id控制和/或在短路故障下的Iq控制。此外，短路控制器可以结合这两个选择或简单地选择它们中的一个。此外，结合两个选择的控制器被包括在本发明的实施例中。
根据本发明的一个实施例，控制所述第二组的电流的值包括基于所述转矩的值来控制所述第二组绕组的所述电流的d分量和/或q分量的值。包括对健康绕组的电流的d分量和/或q分量的控制可以改善用于阻尼振荡和/或快速中断发电机的方法。
根据本发明的一个实施例，控制所述第二组绕组的所述电流的所述d分量的值包括基于所述转矩的值的符号来设置所述第二组绕组的所述电流的所述d分量的故障参考值。
d分量的值可以被设置为更高或更大的负值，从而在故障的情况下和在转矩符号为负的情况下增加Id电流的这些值的绝对值。按照惯例，当处于发电模式时，即当发电机产生电能时，转矩被认为是负的。在这种情况下，可以有利地减小磁通量，从而也间接地抵消振荡转矩。特别地，电流的d分量的故障参考值可以被设置为比先前（在正常操作期间）所用的值更负的值。在例如α,β-坐标系的固定到定子的坐标系中，将电流的d分量设置为更负的值可以对应于或等同于增加电流角，即增加电流相对于电压的滞后。这可以相当于设置健康绕组、即第二组绕组的电流的d分量的更高（更负）的值。由此，可以减小电机的短路转矩和故障系统的相电流。因此，当感测到（例如，使用转矩/电流测量装置（传感器））一个系统中的短路故障时，可以增加健康系统的电流角，以抑制永磁体磁链（反电动势，back-EMF），该永磁体磁链可能是故障的激励者。这种控制选择也可以称为电流角控制。
根据本发明的一个实施例，如果所述转矩的值的符号为负，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为负值，特别是连接到所述第二组绕组的转换器所支持的负固定值。由此，可以通过减小永磁体磁链来有效地抵消转矩。
根据本发明的一个实施例，如果转矩的值的符号为正，则电流的d分量的故障参考值被设为零。当观察到转矩的振荡时，即转矩改变方向时，这可能是特别适用的。在转矩为正的情况下，发电机处于电动模式，而不产生电能。
对于正转矩，Id*,sc=0，但I*d可能为负。
根据本发明的一个实施例，Sign函数可以被给出如下：
Sign = 0，如果转矩 >= 0
Sign = -1，如果转矩 < 0。
由此，可以实现对转矩的振荡的有效阻尼。因此，为了减小转矩振荡，可以实施健康绕组中的多电流角度变化，以减小转矩振荡。由此，在故障发生后，电流的d分量的绝对值可能会增大，并且当转矩变为具有正号时它可能变回，当转矩变为负时再次增加（到负值），以此类推，直到转矩被阻尼或发电机电路断路器操作。
根据本发明的一个实施例，控制第二组绕组的电流的q分量的值包括：基于振荡部分得到抵消转矩振荡的抵消转矩的参考，所述振荡部分特别是使用带通滤波器或高通滤波器由所确定的转矩的值得到；从抵消转矩的参考得到电流的q分量的故障参考。
对电流的q分量的控制可以与对电流的d分量的控制结合，或者可以根据本发明的实施例单独地应用。转矩的值的振荡部分可以使用带通滤波器从转矩的值（其可以连续地确定并且随时间提供）得到，该带通滤波器可以消除通过窗口外的振荡。特别地，q控制可适用于具有隔离中性点且在绕组之间没有空间移位的双定子电机。
根据本发明的一个实施例，控制第二组绕组的电流的q分量的值包括：基于所确定的转矩的值的振荡部分和中断转矩参考，得到抵消转矩振荡和中断电机的抵消中断转矩的参考；从该抵消中断转矩的参考，得到电流的q分量的故障参考。
当也考虑转矩振荡以得到抵消中断转矩的参考时，可以避免保持发电机的转矩必须低于阈值，以便不损坏电机。
根据本发明的一个实施例，所述中断转矩参考被确定为使得所述抵消中断转矩的参考低于所能产生的最大可能转矩。
根据本发明的一个实施例，得到所述电流的所述q分量的故障参考还包括对转矩和/或电流施加限制。对转矩和/或电流施加限制也可以保护部件免受损坏。
根据本发明的一个实施例，确定所述转矩的值包括：测量所述转矩；和/或特别是使用至少一个加速度计来测量所述电机或风力涡轮机的至少一个部件的振动或者转子的速度；以及从测量的振动或测量的速度得到所述转矩的值；和/或通过使用转子的速度和/或所述第二组绕组的电磁转矩的一个或多个观测器来估计所述转矩。
本发明的实施例可能需要表示发电机负载转矩的转矩反馈源，该发电机负载转矩可以作为多个绕组（故障绕组和起作用的绕组）的电磁转矩、由于电机的加速引起的转矩以及由于电机的阻尼引起的转矩的和给出。考虑到短路故障的性质/类型可能是未知的，无法估计故障系统的电磁转矩。替代性地，下面提出用于得到转矩反馈信号的三个选择：
1）直接测量，例如借助于机械轴中的应变仪或任何类型的转矩传感器。
2）借助于风力涡轮机中容易获得的传感器的间接测量。在风力涡轮机中可能获得的用于控制和监测的传感器的一些示例是发电机中的加速度计和叶片中的应变仪。可以操纵这样的测量信号，以便得到表示由短路故障引入的转矩振荡的信号，该信号随后可以被用作反馈。
3）借助于观测器（observer）基于总转矩的数学方程来估计负载转矩，所述数学方程如下面的方程：
为了得到负载转矩，需要关于惯量J和阻尼常数D的知识。这样的观测器可以使用来自健康系统的速度和电磁转矩作为输入，并估计短路系统的负载转矩和电磁转矩之和(Tload + Te,SC)。这样的观测器可以使用速度/位置传感器或观测器。
选择2和3可能被认为是对于风力涡轮机最具吸引力的选择，这是因为可能不需要附加的硬件。
根据本发明的一个实施例，第二组绕组被相应地连接到第二组转换器，其中，控制第二组绕组的电流的值包括控制第二组转换器。由此，可以适当地和以支持常规装置的简单方式来控制电流。
根据本发明的一个实施例，在故障之前，第一组绕组被相应地连接到第一组转换器，所述方法还包括：在检测到故障之后，将第一组绕组与第一组转换器断开。当第一组绕组被断开时，可以保护转换器以及发电机的其他部件免受损坏。
根据本发明的一个实施例，所述第一组转换器和/或所述第二组转换器中的每一组包括发电机侧转换器、DC链路和电网侧转换器，其中，在检测到所述故障之前，所述发电机侧转换器执行所述DC链路的电压控制；其中，在检测到所述故障之后，所述发电机侧转换器切换到转矩控制；其中，在检测到所述故障之后，所述电网侧转换器切换到所述DC链路的电压控制。
在正常操作期间，发电机侧转换器应用电压控制方法来控制DC链路处的电压可能是有利的。在故障的情况下，特定的第二组转换器切换到转矩控制，以便有效地阻尼转矩振荡和/或促进中断。在这种情况下，电网侧转换器可以用于DC链路的电压控制。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括根据第二组转换器的数量，在相应的参考部分中划分所述第二组绕组的所述电流的所述d分量的所述故障参考值和/或所述q分量的所述故障参考值；向所述第二组转换器中的每个转换器提供依赖于所述参考部分中的一个的参考信号。
所述电流的d分量和/或q分量的故障参考值可以被分成相同或相等的部分，并被提供给连接到第二组绕组的相应的转换器。在其他实施例中，可以向特定的发电机提供分立缩放的部分，这些部分作为和等于电流的相应分量的故障参考值。由此，可以实现将抵消转矩和中断转矩有效地分配到第二组绕组中的多个绕组。
应当理解的是，关于控制多绕组永磁电机的方法单独地或以任何组合公开、描述或解释的特征也可以单独地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的用于控制多绕组永磁电机的布置结构，并且反之亦然。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于在第一组绕组中发生故障而留下第二组绕组起作用的情况下控制多绕组永磁电机的布置结构，所述布置结构包括：确定部分，其适于确定通过所有绕组产生的转矩的值；控制器，其适于基于所述转矩的值来控制所述第二组绕组的电流的值，以便减少发生的损坏转矩和/或转矩振荡，和/或中断所述电机。
本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
附图说明
图1示意性地图示了包括根据本发明的一个实施例的用于控制多绕组永磁电机的布置结构的风力涡轮机；
图2示意性地图示了包括根据本发明的一个实施例的布置结构的发电机控制器；
图3以示意性的形式图示了根据本发明的一个实施例的用于控制多绕组永磁电机的布置结构（也称为短路转矩控制器）的框图；
图4示意性地图示了如在根据本发明的实施例中使用的最大幅度计算器的电路图；
图5示意性地图示了用于控制多绕组永磁电机的布置结构的另一实施例的框图；
图6至图11图示了用于解释根据本发明的实施例的控制过程的示图；
图12图示了通过本发明的实施例所实现的优点；
图13至图16图示了根据本发明的方法的仿真结果；
图17和图18图示了与根据本发明的实施例的转矩确定相关联的实验结果。
具体实施方式
附图中的图示采用示意性的形式。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记，或者配有仅在第一位数内与相对应的附图标记不同的附图标记。
在图1中示意性地图示的风力涡轮机100包括轮毂101，多个转子叶片103在安装在该轮毂101处。该轮毂被机械地连接到旋转轴105，特别是主旋转轴105，该旋转轴105被机械连接到齿轮箱107。可选的齿轮箱107将主轴105的旋转速度转换成副轴109的另一旋转速度，该副轴109被机械地耦接到发电机111的转子，该发电机111在故障的情况下根据本发明的实施例来控制。在发电机111处安装有加速度计90，用于测量振动信号90或转矩指示信号153。
齿轮箱107是可选的，转子叶片或主旋转轴105也可以直接耦接到发电机，它被称为直接驱动（无齿轮）系统。
特别地，发电机111被构造为双绕组永磁发电机，其具有包括导线115a、115b、115c的第一绕组113，并且还包括第二绕组117，该第二绕组117包括用于提供三相的导线117a、117b、117c。第一绕组113被电连接到第一转换器119的输入端子，并且第二绕组117被电连接到第二转换器121的输入端子。转换器119、121基本上以相同的方式构造，它们包括相应的发电机侧AC-DC转换器部分123、125、相应的DC链路127、129以及相应的电网侧DC-AC转换器部分131、133。转换器119、121的输出端子与风力涡轮机变压器135连接，该风力涡轮机变压器135可选地经由一个或多个附加的变压器连接到公用电网137。
风力涡轮机100还包括风力涡轮机控制器139，其包括根据本发明的一个实施例的用于控制多绕组永磁电机的布置结构141。因此，布置结构141包括确定部分143，其适于确定通过所有绕组113、117产生的转矩的值。布置结构141还包括控制器145，其适于基于转矩的值来控制第一绕组113或第二绕组117的电流值，以便减少发生的损坏转矩和/或转矩振荡，和/或中断电机111。特别地，布置结构141控制起作用的功能性绕组（例如，第一绕组113或第二绕组117）的电流，而一个或多个其他绕组有故障，例如由于短路。为了控制仍然起作用的那些绕组的电流，布置结构141（并且因此，风力涡轮机控制器139）将相应的第一控制信号147输出到第一转换器119（如果第一绕组起作用），或者向第二转换器121提供第二控制信号149（如果第二绕组起作用）。特别地，控制信号147、149可以被提供给第一转换器119和第二转换器121的相应的发电机侧转换器部分123、125，以便特别是控制包括在发电机侧转换器部分123、125中的可控开关。布置结构141被构造成执行根据本发明的一个实施例的用于控制多绕组永磁电机的方法。
电机111在图1中所示的示例中被构造为双三相电机。在其他实施例中，该电机可以被构造为具有多于两个绕组，并且可以被构造成具有更多数量的相（因此，每个绕组的导线）。在这种情况下，布置结构141被构造成将相应的控制信号提供给连接到仍然起作用（未损坏）的绕组的那些转换器，而故障绕组可以从相应的转换器断开。
图2更详细地示意性图示了图1中所示的风力涡轮机控制器139。短路检测模块151被构造成检测电机的绕组中的一个中的故障并且特别是短路，例如通过监测电流，并且如果电流高于阈值则指示短路。短路检测信号152被提供给布置结构141，用于控制多绕组永磁电机（也称为短路转矩控制器）。布置结构141接收电机的所有绕组的电气转矩Te,n作为输入信号，并且还接收旋转速度ω。此外，布置结构141接收转矩相关信号153，确定模块143从该转矩相关信号153确定通过所有绕组产生的转矩值。基于该转矩值，布置结构141的控制器145确定电流155（I*q,SC）的q分量的故障参考和电流156（I*d,SC）的d分量的故障参考。对于电机的每个绕组，控制器139还包括Iq参考计算模块157a、157b、Id参考计算模块159a、159b，它们相应地接收电流的q分量和d分量的故障参考155、156。参考计算模块157、159还接收例如转矩参考、功率参考或DC链路电压参考、转矩、功率和DC链路电压、旋转速度作为输入，以便计算电流的q分量的参考160a、160b和电流的d分量的参考161a、161b，其中，后缀“a”是指第一绕组或相应的第一发电机转换器123，并且后缀“b”是指第二发电机侧转换器125。
电流控制器162a、162b还可选地基于与绕组中的电流、旋转速度和旋转角度相关的其他输入信号从参考160a、b、161a、b得到电压参考163a、163b。变换模块164a、164b从d-q坐标系变换到固定坐标系a、b、c，并且输出信号被提供给调制器部分165a、165b，该调制器部分165a、165b从它们的输入得到脉冲宽度调制信号166a、166b，该脉冲宽度调制信号166a、166b被相应地提供给发电机侧转换器部分123、125。
图3示意性地图示了根据本发明的一个实施例的用于在故障的情况下控制多绕组永磁电机的布置结构141的框图。由此，Id和Iq控制方法被结合到单个短路转矩控制器中，其中，Id增量184是恒定的预定值。因此，优先权可以给予Id或Iq控制，其在施加电流限制时可被纳入考虑。换句话说，如果优先权被给予：
（1）Id，则限制电流的q分量的故障参考，以便满足d分量的故障参考；
（2）Iq，则限制电流的d分量的故障参考，以便满足电流的q分量的故障参考。
布置结构141的确定部分143接收输入信号153，从该输入信号153得到电机111中存在的转矩的值154。例如，输入信号153可以涉及发电机的测量的转矩、测量的加速度和/或电气转矩和/或旋转速度。使用滤波块158，对转矩值154进行带通滤波或高通滤波，以便得到振荡部分168，该振荡部分168随后被用作反馈信号。
中断转矩（breaking torque）计算模块170提供中断转矩参考171，其使用最大幅度计算器172得到，该最大幅度计算器172输出从最大电气转矩Te max,n中减去的转矩的最大幅度114，并且差被提供给控制器部段174。使用差元件（difference element）173来计算该差。另一个减法元件175将中断转矩参考171和转矩反馈信号168之间的差确定为差信号176，该差信号176被提供给控制器部分177（例如，PI控制器）。控制器177的输出被提供给加法元件178，转矩179的（可选的）初始恒定参考被提供给该加法元件178。加法元件178的输出被提供给限制元件180，该限制元件180将转矩限制到可调整的转矩极限。限制元件180的输出被提供给Iq参考计算模块181，其从中计算电流的q分量的参考，该电流的q分量的参考该提供给电流限制模块182，该电流限制模块182施加电流限制，从而导致标记为155的电流的q分量的故障参考。最大幅度计算器172还接收转矩的故障参考102。
为了得到电流的d分量的故障参考156，转矩的振荡部分168被提供给符号确定模块189，该符号确定模块189如果符号为正则输出例如0，并且如果符号为负则输出-1。符号计算模块189的输出被乘以Id增量（例如，由存储器或寄存器184提供的固定正增量）。乘法元件185的输出被提供给电流限制元件186，其施加电流限制，故障参考的d分量156遵循该电流限制。
图4示意性地图示了图3中所示的最大幅度计算器172的一个实施例。最大幅度计算器172接收提供给平均模块104的电气转矩参考102以及发电机的旋转速度。平均模块的输出被提供给减法元件106，该减法元件106的输出被提供给绝对值确定模块108，该绝对值确定模块108的输出使用平均元件110来平均。平均元件110的输出在元件112中乘以PI/2，并且该输出被从减法元件106的结果中减去，以提供转矩的最大幅度114。
图5示意性地图示了当在正常操作下在发电机侧上实施Vdc控制时的根据本发明的一个实施例的用于控制多绕组永磁电机的布置结构116（也称为短路控制器）的实施方式。如前所述的限制给定参考电流的过程自然通过硬件约束（转换器和发电机）、即其额定电流强制。因此，总电流参考必须遵守以下条件：
。
最后，值得注意的是，为简化实施方式起见，可以单独优选Id控制。
如附图标记118所标记的布置结构116的图5中的参考选择器接收电网功率的参考，并且还接收短路检测信号140以及网络功率142的信号，该信号通过转换模块120确定，该转换模块120将发电机功率转换成网络功率。参考选择器118的输出被提供给电网Iq参考计算模块122，其由此计算电流的q分量的参考，该电流的q分量的参考被提供给电网电流控制器124，电流的d分量的参考也被提供给该电网电流控制器124，该电流的d分量的参考通过电网Id参考计算模块126计算。
布置结构116包括电网侧部分128和发电机侧部分130。在正常操作下，在发电机侧部分130上实施DC链路（图1中的127、129）处的电压控制。发电机侧部分130处的电压控制器132接收测量的DC电压与DC电压的参考之间的差，并产生提供给参考选择器134的功率的参考。参考选择器134的输出被提供给Iq参考计算模块136，其输出提供给加法元件138的用于发电机的参考的q分量。
短路控制器141为电流的故障参考的q分量以及d分量提供故障参考155以及156。总参考电流的q分量140被提供给发电机电流控制器142。Id参考计算模块144输出电流的d分量的发电机参考，并将它提供给加法元件146，电流的d分量的故障参考156也被提供给该加法元件146。加法元件146的结果也被提供给发电机电流控制器142。
当电机111的绕组中的一个中存在故障时，布置结构116可以切换，例如发电机侧部分130提供转矩控制，并且电网侧部分提供DC链路的电压控制。这通过切换选择器118和134的位置来实现，从而导致122接收142而不是P*net，并且136接收空值而不是P*gen（因此，I*q,gen在故障操作下等于零）。
为了验证Id控制的想法，已经对发电机的一个系统中的两相短路故障进行了仿真，并且电流角已改变了几次。图6至图11图示了示图，这些示图具有表示转子位置的横坐标148，并且具有纵坐标150，该纵坐标150相应地表示转矩、故障系统的相电流、健康系统的相电流、电流角和转矩。
图6中的曲线152表示没有电流角控制的转矩，并且曲线154表示根据本发明的实施例的具有电流角控制的转矩。由此，在用附图标记156标记的转子位置处发生故障。由于电流角控制，在故障发生之后的转子位置的区域中转矩较低，而该转矩在稍后的一定范围内甚至高于没有控制的转矩。
图7中的曲线158、160分别表示没有角度控制和有角度控制的故障系统的相电流。
图8中的曲线162、164分别表示没有角度控制和带有根据本发明的实施例的电流角控制的健康系统的相电流。如从图8可以认识到的，根据控制方法的电流角度（曲线164）相对于没有控制的曲线162移动一定量Δα。
图9中的曲线166、168分别图示了没有控制和带有根据本发明的实施例的控制的健康系统的相电流。如从曲线168可以认识到的，电流角已经改变了几次，使得在转子位置的一部分170中电流在电压之后的滞后增加，并且电流角在转子位置的其他部分172中被设置成正常控制。因此，电流角改变了几次。
图10中图示了电流角以及转矩变为正的转子位置178和转矩变为负的位置180。如从图10可以认识到的，电流角在特定转子位置范围170的故障电流之后增加，并且在转矩变为正之后在另一转子位置范围172中被设置成未增加的值。在转矩变为负之后，电流角在转子位置范围170中再次被设置成增加的值。
对于无电流角度控制和根据本发明的实施例的角度控制，作为结果的短路转矩分别在图11中被图示为曲线174、176。
图11中的曲线176示出了13%的峰间值转矩减小（转矩振荡）。同样，可以注意到电流角变化的延迟，这是为了模拟在感测故障以及感测转矩变化（负到正，并且反之亦然）中的可能的现实世界延迟。
此外，还进行了三相短路仿真，以表明所提出的技术仍然有效，如从图12中可以看到的。图12总结了由于2相和3相短路故障二者引起的峰值转矩和转矩振荡（峰间值）以及峰值电流的减小。显然，对于三相短路故障，有效性可能甚至更为显著。柱178表示Δmax转矩（有和没有电流角控制的绝对最大峰值转矩之间的差），柱180表示Δp2p转矩（有和没有电流角控制的转矩振荡之间的差，即峰值到峰值），并且柱182表示Δ峰值电流控制（有和没有电流角控制的绝对最大峰值相电流之间的差）。
图13至图16具有表示时间的横坐标184和表示转矩的纵坐标186。通过第一绕组产生的转矩188、通过第二绕组产生的转矩190和通过两个绕组产生的转矩192分别被示出。由此，图13图示了没有短路转矩控制的相间短路，图14图示了具有短路转矩控制的相间短路，图15图示了没有短路转矩控制的三相短路，并且图16图示了具有短路转矩控制的三相短路。因此，采用短路转矩控制以便减少转矩振荡并在较短时间段内停止电机的有效性是很明显的。
图17和图18具有示出时间的横坐标184，并且具有示出转矩的纵坐标194以及示出发电机的速度的纵坐标196。图17中的曲线198图示了测量的转矩，而曲线200图示了由加速度计测量的依比例的测量的加速度。因此，加速器可以被用作反馈传感器，这是因为它示出了与测量的转矩198相同或至少相似的振荡模式。此外，图18中所示的速度信号202表明，速度振荡的控制应导致转矩振荡的阻尼，而不需要负载转矩估计。
假设在绕组1中发生短路故障，则Te,1显示出大的振荡，而Te,2被控制以便提供尽可能平滑的负载转矩（TLoad）。此外，Te,2也被控制，以便在不超过其最大幅度（Temax,2）的情况下呈现最大可能的平均值，从而允许更快地减慢发电机速度。自然，得到的TLoad将取决于短路的性质以及值Temax,2。因此，可以通过在短时间段内使绕组2过载（Temax,2在短路情况下呈现更高的值）来改善系统对短路的响应。
如先前所述，短路故障的性质以及理想/最大负载转矩参考通常是未知的。因此，建议以自适应方式产生负载转矩参考（最大化图3中的中断转矩（170）的选择）：
其中，得到，以便提供最大平均负载转矩（用于更快停止）而不超过健康定子的最大可允许转矩（Temax,n）。关于T*initial，它可以基于仿真/实验结果设置为给定值，以便提供最佳动态性能。利用T*initial=0.5Temax,2获得图13至图16中的仿真结果。
最大幅度计算器块可以如图4或者是允许在对应于基本电频率的两倍的时段内获得健康转换器的参考转矩的最大幅度的任何其他合适的替代技术。
为简单起见，Iq参考计算块可以如下：
但也可以实现替代方程，其中p和ΨPM分别代表极对数和永磁通量。
假设发电机具有多个两个绕组，例如n个绕组，则I*q,SC可以除以健康定子的数量（n-1），并且Iq参考由I*q,SC/(n-1)给出。也可以采用替代方法，例如将振荡阻尼归因于单个健康定子并且使用其余的定子来产生最大恒定转矩。
关于图3中的PI控制器1和2（177和174）的带宽，与控制器2相比，控制器1需要更高的带宽值，这是因为控制器1意在用于控制转矩振荡，而控制器2调整平均转矩。作为对PI控制器的替代，可以为控制器1采用谐振控制器或任何其他合适的选择。此外，值得指出的是，用于基本电流控制器（图2中的电流控制器1和2（162a和162b））的高带宽也是为了提供令人满意的动态性能的要求，因此，当启用短路转矩控制器时，可以设置专用的值。
当在发电机侧转换器中实施转矩控制并且在电网侧转换器中实施dc链路电压控制器时，将I*q参考从正常操作切换到短路转矩控制模式是直截了当的，即不再需要改变。另一方面，如果在正常操作中I*q借助于在发电机侧控制器中实施的dc链路电压控制器产生，例如US 2007/0108771 A1中所公开的，则附加地需要同时将dc链路电压控制切换到电网侧，从而改变发电机和电网侧二者的参考电流计算。在后一种情况下所需的修改在图5中图示，其中，在短路故障检测之后P*gen被发送到网侧控制。
图13-16中的结果示出了在没有和具有短路转矩控制的两种不同的短路情况下的电磁转矩行为。图13显示相间短路引入了大转矩振荡，该大转矩振荡通过启用健康定子中的短路转矩控制器而被大幅减小，如图14中所示。在图14中清楚的是，总电磁转矩并非完全没有振荡（Te），这是Te2达到其极限（Te2,max）的结果，从而防止了Te1强制的振荡的进一步阻尼。
本发明的实施例提供了：
- 用于阻尼由于多定子电机的定子中的一个中的短路故障导致的转矩振荡的解决方案，从而仅要求转矩或电流反馈源的可用性；
- 降低通常由发电机短路故障引起的涡轮机极端负载。在例如2相或3相短路的短路故障期间显著地降低峰值转矩、转矩振荡和峰值相电流；
- 通过减轻因发电机短路故障导致的叶片损坏的风险而改善了风力涡轮机的保护；
- 通过防止过速事件和在较短时间段内熄灭短路电流而改善了发电机保护；
- 减少涡轮机的支撑结构，因此重量更轻，并且生产、运输和安装成本更低；
- 降低了不可逆退磁的风险，从而减小了磁体体积，导致制造成本降低。
应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，联系不同实施例描述的元件也可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.用于在第一组绕组(113)中发生故障而留下第二组绕组(117)起作用的情况下控制多绕组永磁电机(111)的方法，所述方法包括：
确定通过所有绕组产生的转矩的值(154)；以及
基于所述转矩的值(154)来控制所述第二组绕组(117)的电流的值(155、156)，以便减少发生的损坏转矩和/或转矩振荡，和/或中断所述电机，
其中，控制所述第二组的电流的值包括基于所述转矩的值来控制所述第二组绕组的所述电流的d分量(155)和/或q分量(156)的值，
其中，控制所述第二组绕组的所述电流的所述d分量的值包括基于所述转矩的值(154、168)的符号来设置所述第二组绕组(117)的所述电流的所述d分量的故障参考值(156)，其中，如果所述转矩的值(154、168)的符号为负，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为负值，并且其中，如果所述转矩的值的符号为正，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为小于所述负值的绝对值的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述第二组绕组的所述电流的所述q分量的值包括：
基于所确定的所述转矩的值(154)的振荡部分(168)得到抵消转矩振荡的抵消转矩的参考(102)；
从所述抵消转矩的参考(102)得到所述电流的所述q分量的故障参考(155)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，控制所述第二组绕组的所述电流的所述q分量的值包括：
基于所确定的所述转矩的值(154)的振荡部分(168)和中断转矩参考(171)，得到抵消转矩振荡和中断所述电机的抵消中断转矩的参考(176)；
从所述抵消中断转矩的参考(102)得到所述电流的所述q分量的故障参考(155)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中断转矩参考(171)被确定为使得所述抵消中断转矩的参考低于第二绕组和/或第二转换器所能产生的最大可能转矩。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，得到所述电流的所述q分量的故障参考(155)还包括对转矩和/或电流施加限制(180、182)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定所述转矩的值(154)包括：
测量所述转矩；和/或
测量所述电机或风力涡轮机的至少一个部件的振动或者转子的速度；以及
从测量的振动或测量的速度得到所述转矩的值(154)；和/或
通过使用转子的速度和/或所述第二组绕组的电磁转矩的一个或多个观测器来估计所述转矩。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二组绕组(117)被相应地连接到第二组转换器(121)，
其中，控制所述第二组绕组的电流的值包括控制所述第二组转换器(121)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述故障之前，所述第一组绕组被相应地连接到第一组转换器(119)，所述方法还包括：
在检测到所述故障之后，将所述第一组绕组(113)与所述第一组转换器(119)断开。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述故障之前，所述第一组绕组被相应地连接到第一组转换器(119)，其中，所述第一组转换器和/或所述第二组转换器中的每一组包括发电机侧转换器(123、125)、DC链路(127、129)和电网侧转换器(131、133)，
其中，在检测到所述故障之前，所述发电机侧转换器执行所述DC链路的电压控制；
其中，在检测到所述故障之后，所述发电机侧转换器切换到转矩控制；
其中，在检测到所述故障之后，所述电网侧转换器切换到所述DC链路的电压控制。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括：
根据第二组转换器的数量，在相应的参考部分中划分所述第二组绕组的所述电流的d分量的故障参考值(155)和/或q分量的故障参考值(156)；
向所述第二组转换器中的每个转换器提供依赖于所述参考部分中的一个的参考信号(166b)。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述转矩的值(154、168)的符号为负，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为连接到所述第二组绕组的转换器所支持的负固定值(184)。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述转矩的值的符号为正，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为基本上为零的值。
13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述振荡部分(168)使用带/高通滤波器(158)得到。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用至少一个加速度计(90)来测量所述电机或风力涡轮机的至少一个部件的振动或者转子的速度。
15.用于在第一组绕组(113)中发生故障而留下第二组绕组(117)起作用的情况下控制多绕组永磁电机(111)的布置结构(141)，所述布置结构包括：
确定部分(143)，其适于确定通过所有绕组产生的转矩的值(154)；
控制器，其适于基于所述转矩的值(154)来控制所述第二组绕组(117)的电流的值(155、156)，以便减少发生的损坏转矩和/或转矩振荡，和/或中断所述电机
其中，控制所述第二组的电流的值包括基于所述转矩的值来控制所述第二组绕组的所述电流的d分量(155)和/或q分量(156)的值，
其中，控制所述第二组绕组的所述电流的所述d分量的值包括基于所述转矩的值(154、168)的符号来设置所述第二组绕组(117)的所述电流的所述d分量的故障参考值(156)，其中，如果所述转矩的值(154、168)的符号为负，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为负值，并且其中，如果所述转矩的值的符号为正，则所述电流的所述d分量的所述故障参考值被设置为小于所述负值的绝对值的值。
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