CN117015928A - 动态地获得dfim电气驱动装置的最大容量 - Google Patents

Abstract

描述了一种确定包括双馈感应电机(105)的系统(107)的至少一个高水平限制(HLL)的方法，所述方法包括：接收与实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数(129)；基于所述系统的至少一个组件的至少一个低水平限制(LLL)和系统操作条件参数(129)来计算高水平限制(HLL)，其中所述方法特别是在所述系统处于操作中的同时被执行。

Description

动态地获得DFIM电气驱动装置的最大容量

技术领域

本发明涉及一种确定包括双馈感应电机的系统的至少一个高水平限制的方法，并且还涉及一种特别被配置为实行该方法的对应布置。此外，本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括该布置并且还包括双馈感应电机。

背景技术

包括双馈感应电机的电气系统可以在特定的操作范围内操作，该操作范围可以由操作参数的多个极限值来定义。操作参数的典型极限值可以例如包括有功功率和/或无功功率的极限值。常规上，极限值可以例如存储在一个或多个查找表中。查找表中给出的值常规上是离线计算的。对于离线计算，也可以利用与电气系统的多个组件的制造商给定的极限值相关的输入值。

基于离线计算方法的现有技术方法具有如下所列的几个缺点：

·由于低水平极限(LLL)是固定的，所以系统不能针对每种情形进行优化。例如，通常不考虑作为机器速度函数的转子电流依赖性，从而在高机器转差率下具有低估的系统容量。

·瞬时和稳态限制不能同时处理，因为时间或内部温度不是变量。如果LUT是在稳态限制下生成的，则命令将会过度受限，并且系统将不会以其真实的最大能力操作。用LUT的稳态LLL计算的高水平限制(HLL)暂时提供低估的系统能力。该命令于是在第一瞬间是高度受限的。相比之下，用动态LLL计算的真实的HLL将允许紧接该步骤的更大命令。然后，在一时段之后，动态HLL将由于积温的影响而降低。相反，如果选择瞬时限制，并且命令在某个长时间期间超过稳态限制，则转换器生成警报并断连。

·LUT的最大尺寸约束准确性：系统能力不是线性的，并且在两个LUT点之间。然后，这又导致非最佳性能，因为在一些条件下不能最大化能力，并且系统可能在一些其他情况下超过能力。

·一些罕见的操作点没有被很好地覆盖，例如超速。

专利US10352298B2公开了一种用于在线确定DC链电压(在其操作范围内)的方法，旨在最小化切入转子速度。即在给定限制(DC链电压)的情况下，在线计算最大容量(在非常低的转子速度下操作)。

专利US10355629B2将机器的最大有功功率命令适配为定子电压和温度的函数。在某些限制下在线最大化的变量。

专利US10396694B2提出了一种方法，其中最大定子无功电流作为最大DC链电压(LLL)以及转子速度和定子/电网电压(系统条件)的函数被在线计算。然后，HLL用于限制无功电流命令。

专利US10355629B2和US10396694B2具有一些缺点：这些专利为非常特定的情况提供了有功功率极限或无功功率极限。最大有功量(功率或扭矩)不仅是电压和温度的函数；如转子速度和电网频率之类的系统条件以及如定子、转子和电网转换器电流之类的LLL也确实影响最大有功功率。在无功功率的情况下，电网频率以及定子、转子和电网转换器也约束其最大值。

专利US10570882B2取得系统的实时参数，测量包括至少一个风力条件在内的系统条件，取得LLL，并且然后计算最大有功功率、最大机器无功功率和最大电网转换器无功功率，具有每个风力涡轮机的最大总无功功率。在计算中考虑风力条件的事实意味着本发明旨在不仅提供电气(或者甚至机械系统)的限制，而且还提供可用的风能。

专利US10570882B2已经解决了先前专利的弱点。然而，该方法不解决瞬时能力。

专利US10756658B2提出了一种在GSC和定子侧之间共享无功功率的方法。应力因子作为电流因子和电流极限的函数进行计算。在共享中采用这些因子。

这些应力因子在某种程度上涵盖了无功功率注入的瞬时能力。例如，如果电网转换器由于强过载而受到足够的压力，则US10756658B2中的方法可能限制通过电网转换器的无功功率注入，并且可能将无功需求推向定子电路。

然而，没有在有功量(有功功率或扭矩)方面解决瞬时能力。有功和无功瞬时能力都是有趣的特征。它们是朝着电气驱动操作优化的额外步骤。例如，在风能中，电气驱动装置必须面对其中需求暂时高于稳态中的极端瞬时条件，如阵风、传动系阻尼支持、低噪声操作、合成惯性仿真等。在这样的情形下，提供具有可能过载的能力的计算方法生成添加值。

此外，先前专利中公开的方法是基于绝对计算的。绝对计算可能受到如参数漂移、未建模的非线性等模型不准确性的影响。因此，所得到的最大容量(有功和无功量)将以一定的误差被提供。如果容量被低估，则操作将不被优化。如果容量被高估，则可能超过系统极限，导致不期望的系统跳闸和/或组件完整性风险以及过早的故障。

因此，可能存在一种用于确定包括双馈感应电机的系统的至少一个高水平限制的方法和对应布置的需求，其中可以确定不太保守的高水平限制，并且可以改进整体性能。此外，可能存在以改进的方式处理瞬时和稳态限制的需求。此外，使高水平限制适应实际操作点也可以有助于改进性能和准确性。

发明内容

这种需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种确定包括双馈感应电机的系统的至少一个高水平限制的方法，特别是关于有功量和无功量两者的瞬时和稳态限制，该方法包括：接收与实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数；基于系统的至少一个组件的至少一个低水平限制和系统操作条件参数来计算高水平限制，其中该方法特别是在系统处于操作中的同时被执行。

该方法可以在软件和/或硬件(例如，处理器和/或控制单元)中实现，并且可以例如由电气系统的控制器的一部分或模块来执行。电气系统特别地可以包括发电机系统和/或电动机系统，或者作为发电机系统和/或电动机系统来操作。因此，该系统可以以电动机模式和/或以发电机模式操作。特别地，该系统可以以发电机模式可操作，并且可以是风力涡轮机的一部分。在其他实施例中，该系统可以是蒸汽涡轮系统、燃气涡轮系统、潮汐能系统或任何其他能量生产设施的一部分。

双馈电机(DFIM)包括场磁绕组和电枢绕组，它们分离地连接到机器外部的装备。双馈电机可以包括两个三相绕组——一个静止，并且一个旋转，这两个绕组分离地连接到发电机外部的装备。定子的绕组可以直接连接到例如三相AC功率输出端子，该输出端子可以具有例如具有公用电网的频率，如50Hz或60Hz。其他绕组可以提供可变频率三相AC功率，并且可以被提供或耦合到安装了多个转子叶片的风力涡轮机转子。旋转绕组可以耦合到转换器系统，该转换器系统包括例如AC-DC转换器部分(也称为转子侧转换器)、DC链和DC-AC转换器部分(也称为电网侧转换器部分)。每个转换器部分可以包括多个高功率可控开关，诸如IGBT半导体开关。转换器系统可以是双向的，因为它可以在任一方向上传递功率。

高水平限制可以对应于或可以涉及高水平操作参数的限制(诸如允许值的最大值或最小值)，所述高水平操作参数特别是电气操作参数，诸如系统组件(例如电网侧转换器部分、转子侧转换器部分、DFIM或这些组件的组合)的有功功率和/或无功功率。高水平限制可以是适用于实际操作条件或与实际操作条件相关联的限制。可以动态地和/或持续地或在特定的时间间隔之后定期地确定高水平限制，特别是在电气系统处于操作中的同时，例如在系统在输出端子处产生电能的同时。系统的输出端子可以(经由一个或多个变压器)连接到公用系统。

系统操作条件参数可以涉及机械和/或电气参数，诸如DFIM转子的转速、频率和/或电压以及如下所述的其他参数。

低水平限制可以涉及电气系统的低水平操作参数的限制。低水平限制可以是或可以不是根据本发明的实施例确定或计算的量。低水平限制可以例如对应于系统的转换器部分或者例如DC链的电流和/或电压的限制。高水平限制可以对应于或涉及高水平操作参数的限制，该高水平操作参数可以根据一个或多个低水平操作参数来计算。低水平限制可以部分或全部根据制造商给定的极限值来计算。

当正在执行该方法时，该系统可以处于操作中，即，当在发电机模式中时，该系统可以生成电能，或者当在电动机模式中时，该系统可以生成机械能。当系统操作条件参数或多个系统操作条件参数改变时，即当操作工作点改变时，计算的低水平限制可以改变。因此，可以改进系统的性能，因为对于高水平限制的相应确定考虑了操作条件。特别地，在本发明的实施例中可以确定多个高水平限制，特别是对于电气系统的所有相关操作参数。

根据本发明的实施例，低水平限制包括系统的至少一个组件的至少一个(固有)约束，特别地包括以下各项中的至少一项：最大定子电流、最大转子电流、最大线路电流、最大转换器电流、最大DC链电压，其中低水平限制依据至少一个系统操作条件参数给出，其中低水平限制特别地涉及低水平操作参数的极限值。

取决于应用，相应的最大电流和/或最大电压可以依据一个或多个操作参数给出，和/或可以作为瞬时最大值或稳态最大值给出。

下面LLL的计算被解释为例如由电气极限块执行。对于每个LLL，首先计算LLL的初始版本，它可以被称为“内部LLL”。它通常关注转换器中关于操作参数极限的可用信息。如果该操作参数仅影响转换器，例如DC链电压，则内部LLL成为最终LLL。

在那些与影响几个组件(转换器和其他项目)的操作参数相关的LLL中，内部LLL(表示转换器)可以与外部LLL(表示其他项目)组合。所得到的最终LLL是最受约束的。

子系统2(见下文，例如主系统)配置有其他项目的信息，并且可以为该操作参数提供外部LLL。例如，转子电流流入转子侧转换器和DFIM转子绕组两者。转换器可能仅具有关于其最大转子极限的信息。子系统2可以具有DFIM最大转子电流的信息(由制造商供应)。外部LLL给予设计灵活性，使得例如一种功率冲浪(powersurfing)实现方式可以处理不同的DFIM。

本发明的实施例可以不使用任何组件的任何实时(测量)温度。

下面给出了所计算的LLL示例。

(1)电网逆变器电流。它可以用基于I2t的计算及其对应的参数化(Iinst、Imax等)管理。由于电网逆变器电流仅在转换器组件中流动，因此不使用外部LLL。

(2)定子电流。可以应用Ani2t算法及其对应的参数。所得到的LLL可以与子系统2供应的外部LLL组合。

(3)转子电流。它可以作为系统操作条件参数(如转子速度、电网频率和冷却水温度)的函数来计算。它可以与外部LLL组合。

(4)电网和转子逆变器电压。它们可以用DC链电压极限和一些动态校正来计算，以避免转换器电流控制器饱和。不使用外部LLL。

当依据至少一个系统操作条件参数计算低水平限制时，也可以取决于实际操作条件执行高水平限制的计算。

根据本发明的实施例，高水平限制包括以下各项中的至少一项：最大定子有功功率、最大线路有功功率和/或最大扭矩、最大定子容性无功功率、最大定子感性无功功率、最大电网转换器容性无功功率、最大电网转换器感性无功功率，其中高水平限制特别涉及高水平操作参数的极限值，该极限值可根据至少一个低水平操作参数和至少一个系统操作条件参数来计算。

该方法可以被配置为计算一个或多个上述高水平限制。作为高水平操作参数的示例的有功功率可以根据作为低水平操作参数的示例的电流和电压的乘积来计算。由此，可能可导出相关高水平操作参数的相关限制。

根据本发明的实施例，系统操作条件参数包括以下各项中的至少一项的至少一个值：公用电网电压和/或频率；转子速度；环境温度；冷却水温度。其他参数可以包含在系统操作条件参数中。

系统操作条件变量可以是不受控制的外部变量，并且在大多数情况下，它们对系统的操作不敏感。

根据本发明的实施例，该方法还包括针对多个操作条件和/或针对当前操作条件评估系统的低水平限制，以导出高水平限制；其中评估低水平限制包括确定至少一个关系，该关系包括以下各项中的至少一项：转速和扭矩之间的关系；转速和有功功率之间的关系；转速和无功功率之间的关系；该方法还包括：进一步基于至少一个关系来计算高水平限制。

根据本发明的实施例，该系统包括以下各项中的至少一项：电气耦合到DFIM的转子的转子侧转换器；电气耦合到公用电网的电网侧转换器；耦合在转子侧转换器和电网侧转换器之间的DC链；控制器，其被连接以控制转子侧转换器和/或电网侧转换器，并且特别地被配置为实行该方法。

由此，可以支持常规已知的发电系统。控制器可以被配置为向转子侧转换器和/或电网侧转换器供应控制信号，诸如一个或多个功率参考或电压参考。

根据本发明的实施例，该方法包括执行功率冲浪算法以获得高水平限制，该功率冲浪算法包括多个计算块，这些计算块包括以下各项中的至少一项：预调节块；状态机块；相量系统块；正序导纳块；电气极限块；最大有功量计算块；最大无功功率计算块；限制变量编码器块。

功率冲浪算法常规上可能是未知的。至少，电气极限块和/或最大有功量计算块和/或最大无功功率计算块常规上可能是未知的。由此，可以改进高水平限制的计算，特别是考虑到实际操作条件。这可能与增量计算相关。

根据本发明的实施例，电气极限块被配置为依据至少一个系统操作条件参数、特别是电网电压、电网频率和/或转子速度，从以下各项中的至少一项提供低水平限制：至少一个外部低水平限制；最大DC链电压；所考虑的组件、特别是转换器的温度和/或环境温度和/或冷却水温度。

根据本发明的实施例，电气极限块被配置为执行I2t算法，以便特别是对于实际操作条件，计算作为低水平限制的最大电流(例如I_max)，特别是基于以下各项中的至少一项：作为外部低水平限制的最大持续RMS或热RMS电流和/或最大瞬时电流；和测量的实际电流。

根据该实施例，运算或计算给定时间间隔内电流平方的积分。由此，可以估计所考虑的组件所经历的能量、特别是热能。根据该评估，可能可计算针对实际操作条件的最大电流。继而，高水平限制然后可以至少部分地基于作为低水平限制的最大电流来计算。

根据本发明的实施例，最大有功量计算块被配置为基于以下特别是测量的各项中的至少一项，计算作为高水平限制的最大定子有功功率和/或最大总有功功率和/或最大总扭矩：实际定子有功功率；实际总有功功率；实际总扭矩；实际电流(x)；实际电压；机器导纳；GSC滤波器导纳；至少一个低水平限制(X_max)、特别是电流限制。

导纳是将电压与电流关联的物理量值。因此，导纳是阻抗的倒数，并且其单位是ohm^-l。

根据本发明的实施例，最大有功量计算块和/或最大无功功率计算块被配置为通过增量计算，依据如下各项来计算高水平限制(例如，P^inc_max)：高水平系统操作条件参数的测量值(例如，P_meas)；低水平系统操作参数的测量值(X_PH)；与低水平系统操作参数的限制相关的低水平限制(例如X_max)；高水平操作参数和低水平操作参数之间关系的模型(例如f^)。

增量计算可以利用与实际操作条件相关的测量值，该实际操作条件可以例如由高水平系统操作参数的测量值和低水平系统操作参数的测量值来定义。高水平系统操作参数可以例如是或包括有功和/或无功功率，并且低水平系统操作参数可以例如与测量的电流相关。高水平系统操作参数和低水平系统操作参数之间的关系的模型可以例如作为数学函数、特别是线性函数给出。该模型可以通过理论考虑来导出。高水平限制可以例如作为在低水平限制和实际低水平操作参数之间的差处评估的模型加上高水平操作参数的测量值的总和而获得。由此，模型中的不准确性或误差可以被计及，并且可以至少部分地被校正或至少被减弱。

在可以作为电动机和发电机工作的通用电气驱动装置中，可能存在最大有功量极限(发电机)和最小有功量极限(电动机)。当作为电动机工作时，增量计算可以用于电动机极限，而绝对计算可以用于发电机极限。当作为发电机工作时，则相反适用，即增量计算可以应用于发电机极限，而绝对计算可以应用于电动机极限。

根据本发明的实施例，最大有功量计算块被配置为依据系统是在电动机模式还是发电机模式中操作来采用增量计算或绝对计算，和/或其中最大无功功率计算块被配置为依据系统是操作来提供感性还是容性无功功率来采用增量计算或绝对计算。

根据实施例，提供了一种用于确定包括双馈感应电机的系统的至少一个高水平限制的布置，该布置包括：输入模块，其被配置为接收与实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数；计算模块，被配置为基于系统组件的至少一个低水平限制和系统操作条件参数来计算高水平限制。

应当理解，根据本发明的实施例，关于确定系统的至少一个高水平限制的方法所公开、解释或描述的单独地或以任何组合的特征也可以单独地或以任何组合应用于或提供给用于确定至少一个高水平限制的布置，并且反之亦然。

该布置例如可以是系统控制器的一部分。

根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：叶片转子，多个转子叶片安装在该叶片转子处；双馈感应电机，其具有耦合到叶片转子的转子；以及用于确定包括根据前述实施例的双馈感应电机的系统的至少一个高水平限制的布置。

根据下文将要描述的实施例的示例，本发明的上面定义的方面和另外的方面是清楚的，并且参照实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

附图说明

现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于图示或描述的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明实施例的风力涡轮机，作为包括双馈感应电机的电气驱动系统的示例，该风力涡轮机包括根据本发明实施例的用于确定至少一个高水平限制的布置；

图2示意性地图示了根据本发明实施例的用于确定至少一个高水平限制的布置，该布置例如可以包括在图1中所图示的风力涡轮机1内；

图3示意性地图示了根据本发明实施例的功率冲浪算法模块，其例如可以包括在图2中所图示的布置内；

图4图示了用于解释由图3中所描绘的模块之一执行的计算的示意图；

图5图示了在图3中所描绘的模块之一中采用的增量计算方法；

图6图示了如在本发明实施例中所采用的用于获得模式参数的滞后逻辑；

图7示意性地图示了如在本发明实施例中所采用的用于计算最大有功量的逻辑或计算模块的一部分；和

图8图示了如在本发明实施例中所采用的用于获得模式量的滞后逻辑的示例。

具体实施方式

附图中的图示是以示意性形式的。注意，在不同的图中，在结构和/或功能上相似或相同的元件被提供有相同的参考标记或仅在第一个数字内不同的参考标记。一个实施例中未描述的元件的描述可以从关于另一个实施例的该元件的描述中取得。

图1中示意性图示的风力涡轮机100包括叶片转子101、机械系统102和经由机械系统102(其可以包括例如齿轮箱)耦合到转子101的多个转子叶片103。风力涡轮机100还包括双馈感应电机(DFIM)105，其具有耦合到叶片转子101的转子115并且具有定子123。此外，风力涡轮机100包括用于确定包括双馈感应电机105的驱动系统107的至少一个高水平限制的布置110。

在图1中所图示的实施例中，除了DFIM 105之外，驱动系统107还包括转子侧转换器部分111，其经由转子滤波器113电气连接到DFIM的转子115的转子绕组。系统107还包括DC链117，其连接到转子侧转换器111的DC输出端子。特别地，转子侧转换器111连接到DFIM105的转子115的转子绕组。取决于发电机转差率以及系统正在电动模式还是发电模式中工作，转子侧转换器111可以从/向DFIM 105的转子115的转子绕组接收/传输AC功率。转子侧转换器111向DC链117输出DC功率。

DC链电压可以在用DFIM 105操作之前生成。通常被称为预充电的过程可以使用电网侧逆变器的二极管来给总线充电。然后，由于通过转子侧和电网侧转换器两者转移的功率之间的能量平衡，DC链电压可以保持在一定水平。电网侧转换器部分119中的调节器可以保持这种能量平衡。

连接到DC链117的DC终端的电网侧转换器部分119。电网侧转换器部分119被配置成DC-AC转换器，其经由电网滤波器121输出固定频率的AC功率。

DFIM 105还包括具有定子绕组的定子部分123，其中定子绕组经由定子开关装置125连接到电网侧转换器121的输出端子。组合的AC功率被提供给电网127。在图1中，定子电流标示为i_S，并且电网侧转换器电流标示为i_GC。总输出电流标示为i_L。

电气系统107也可以被称为电气驱动装置。电气系统107由布置110经由控制信号142、143控制，所述控制信号142、143例如指示参考或调制电压或点火信号。在本实施例中，布置110输出关于电压的参考值，即电网侧转换器电压参考u_GC和转子侧转换器电压参考u_RC。

布置110包括输入模块或终端，其被配置为接收与电气系统107的实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数129。布置110还包括计算模块130，其被配置为基于系统组件的至少一个低水平限制(在图2中也标示为LLL)和系统操作条件参数129来计算高水平限制(例如在图2中也标示为HLL)。

布置110包括子系统1(参考标记131)以及子系统2(参考标记132)。在其他实施例中，该布置可以包括更少或更多的子系统或模块。在本实施例中，计算模块130在子系统1中实现(参考标记131)。在其他实施例中，计算模块130也可以在子系统2中实现(参考标记132)。

以下解释描述了本发明实施例的一些详细特征，然而这些特征不是强制性的：

电气驱动装置是一种将机械能转化为电能(发电)和/或反之(电动)的系统。该驱动装置主要由电机和功率转换器组成。电动汽车、泵、采矿和风能只是电气驱动装置的一些工业应用。存在对它们进行分类的多种类别。

图1包含基于具有部分功率转换器的三相双馈感应电机105的电气驱动装置107的方案。在图1中，机械系统102被配置成用于风力涡轮机，但是可以适用于例如燃气涡轮机或用于蒸汽涡轮机等。

电气驱动装置通过应用于电网侧转换器(GSC，119)和转子侧转换器(RSC，111)的电压命令来管控。这些电压又利用控制逻辑获得。在这个示例中，控制块(或用于计算HLL的布置)110被分成两个子系统。

·子系统2(例如图1中的131)是电气驱动装置的主管控器。它通过向子系统1发送对应的命令来管理高阶变量，如转子速度、有功和无功功率以及扭矩。它比子系统1具有更低的计算需求。

·子系统1的目标是满足系统2发送的命令。它实现了调节电磁变量的控制器，如电流控制器、有功和无功功率控制器、磁场控制器、电磁扭矩控制器等。由于电磁变量具有高带宽，执行控制例程的采样时间应当足够短。它还执行脉宽调制(PWM)。子系统1可以向子系统2报告一些在线信息。

子系统1和2可以在同一设备中实现，或者在具有对应通信资源的两个分离的设备中实现。

下面提供了一些有用的定义和解释：

·电气驱动装置的操作范围或系统容量通常由以下各项中的一个或几个描述：

ο速度-扭矩曲线(T-N曲线)

ο速度-有功功率曲线(P-N曲线)

ο速度-无功功率曲线(Q-N曲线)。

·这些曲线是通过评估每个可能的操作条件下系统的所有低水平限制(LLL)获得的。

·LLL指代驱动装置的每个元件的固有约束，例如最大定子电流或最大DC链电压。

·操作或系统容量的范围也可以称为高水平限制(HLL)，因为驱动装置通常由外部控制器管控。因此，HLL是最大有功和无功功率、扭矩等。

·系统操作条件是影响HLL的其余变量：例如电网电压和频率、转子速度、环境温度或冷却水温度

·LLL也可能取决于系统条件，例如，最大转子电流可以表达为机器转差率的函数。

·考虑在瞬时容量和稳态(持续)容量之间进行区分。前者被理解为其中组件可以供应过剩的短时间段(例如5s)，而后者旨在无限的时间段。每个组件的内部温度是这背后的原因。当温度低时，较高的电流可以流过该组件。由于其耗散特性，这种高电流产生更高的损耗，其被转化为热量，从而升高组件温度。当温度高时，应当降低电流，以免达到极限温度，否则预期组件破裂或故障。

·因此，组件的内部温度是计算容量的非常有用的输入，事实上，它可能汇总到系统条件。然而，不可能测量所有重要组件的内部温度。此外，温度传感器具有有限的带宽(延迟响应)和容差误差，这约束其在一些应用中的使用。第一种选项是用热模型来估计温度。第二种选项是不使用温度，而是采用I2t方法，该方法提供在瞬时和持续能力之间进行区分的动态能力。如果I2t参数足够低，则组件可以输送其最大瞬子极限电流。如果I2t是高的，则适用热电流极限。热电流是组件可以持续输送的最大电流。

最大能力的实时信息对于管控电气驱动装置的系统是有用的，以便：

·命令极限内的操作点，从而防止组件的意外断连、应力或损坏。

·在每种条件下提取最大容量和利用每个边角的可能性下改进驱动装置性能。

·在定子和电网转换器之间高效的无功功率共享。

·它有助于在外部控制器中使用抗饱和装置。

这里公开的发明集中于具有部分负载功率转换器的变速双馈感应电机(DFIM)驱动装置。实施例提供了一种在给定系统LLL和系统条件下在线计算最大有功量(要从定子有功功率、总有功功率或机器扭矩中选择)、最大定子无功功率和最大电网转换器无功功率的方法。

低水平限制在图中用参考标记LLL标示，并且高水平限制在图中用参考标记HLL标示。

图2更详细地图示了用于确定电气系统的至少一个高水平限制的布置210。根据一个实施例，布置210可以替换图1中所图示的布置110。布置210包括子系统一231和子系统二232。子系统一包括模块233，模块233被配置为执行功率冲浪算法。模块233可以被认为是图1中所图示的计算器130的实现方式。功率冲浪模块233在输入处接收关于电气系统(例如图1中所图示的电气系统207)的操作条件的测量值239。此外，功率冲浪模块233接收外部低水平限制作为输入，并且还接收可以由子系统二(参考标记232)输出的命令240。命令240可以指示电气系统的控制信号。功率冲浪模块233还从控制模块241接收控制变量，控制模块241被配置为通过指示电压参考的控制信号242、243来控制电网侧转换器和转子侧转换器。此外，控制模块241接收命令240以及与操作条件相关的测量值239。警报模块244也接收测量值239并输出警报信号244a。

子系统二(参考标记232)接收子系统一输出的HLL以及测量值239。子系统二包括P命令计算器块245，其输出提供给限制模块247的无限制的功率命令246。限制模块247接收关于功率的高水平限制248，并输出功率命令249。

子系统二还包括无功功率命令计算器块250，其向限制块252输出无限制的无功功率命令251。限制块接收关于无功功率的高水平限制253，并输出无功功率命令254，该命令254被提供给共享模块255，共享模块255共享将由DFIM的定子或转子生成的无功功率。

这里公开的发明集中于具有部分负载功率转换器的变速DFIM驱动装置。在子系统一(即CCU)中实现了一种称为功率冲浪算法(PSA)的实时算法，旨在计算作为LLL和系统条件的函数的HLL。PSA代替子系统二中实现的LUT。HLL必须被发送到子系统二(见图2)。

在正常条件(电压在范围内，所以没有检测到故障)期间，PSA 233计算：

·最大定子有功功率、最大线路有功功率和/或最大扭矩。

·最大定子容性无功功率、最大定子感性无功功率、最大电网转换器容性无功功率和最大电网转换器感性无功功率，

作为如下系统条件的函数：

·转子速度，

·电网电压，

·电网频率，

·环境温度或冷却水温度。

·等等

和如下系统(低水平)限制：

·最大定子电流，

·最大转子电流，

·最大线路电流，

·最大转换器电流，

·最大DC链电压，

·等等。

系统条件是时变的，并且通常被测量，例如测量239。系统限制可以是固定的，或者是时变的，因为有些取决于诸如系统条件和时间的其他变量。

在图3中，更详细地图示了图2中所图示的功率冲浪模块233。图3中所图示的功率冲浪模块333包括预调节块256、PSA状态机257、相量系统块258、正序列导纳模块259、电气极限块260、最大有功量计算块261、最大无功功率计算块262和限制变量编码器263，这些模块可以单独或以任何组合存在于根据本发明实施例的功率冲浪模块内。不同的模块接收如图3中所指示的输入，并生成如图3中所指示的输出。

遵循图3中的方案，PSA 333可以被分成以下块。

·预调节块256：该可选块具有使输入信号适应PSA的目的。由于PSA可以用比其余块(例如控制算法)更低的采样频率来计算，所以在下采样之前使用低通滤波器来减小信号的带宽便于避免混叠。

·PSA状态机257：PSA配备有其自己的状态机，其与转换器主状态机完全同步，但可能更简单。在本发明的一个实施例中，PSA状态机包含四种状态。

οPSA_OFF：在此状态期间，转换器不处于操作中。PSA因此没有被执行。

οPSA_GCONV：GSC是有源的，但是RSC不是有源的，或者机器还没有连接到电网。仅进行了与GSC容量相关的计算，没有算出关于定子侧的计算。

οPSA_B2B：机器连接到电网。正在计算GSC和机器容量两者。

οPSA_FAULT：在故障期间(例如，欠压或过压事件或电压突变)，无功功率HLL不是必需的，因为子系统2不管理故障期间的无功电流注入，它是在子系统1内部完成的。有功量HLL仍然正在由子系统2调节，但在PSA范围实行特定计算。既不计算GSC也不计算机器容量和中间变量。最后一个有效计算被冻结。该状态涵盖故障和故障后的恢复时间。

·相量系统块258：该块创建以所有电流和电压的正序为中心的相量系统，作为统一的参考框架。该块校正机器和GSC变量之间任何可能的相位偏移，并抵消由于滤波所致的可能相位延迟。该块的输出是动态相量，如电网电压u_G、转子电压u_R、GSC电压u_GC、定子电流i_s、转子电流i_R和GSC电流i_GC。作为动态相量，数学上有复数。实际上，在数字设备中表示为两个浮点数的向量

·正序导纳块259：该块获得机器和GSC滤波器针对基频正序具体化的导纳。导纳将定子、转子和GSC电流与电网电压、转子电压和GSC电压相量关联，如(1)中的以下表达式中那样。机器导纳是Gss、G_RS、G_RS和G_RR，GSC滤波器导纳是Y_G和Y_GC。导纳属于或/>本领域的技术人员将能够获得这样的导纳。该块的输入是PSA_state、电网频率、转子速度和相量测量。该块中还使用如机器漏电感、电阻器、磁化电感曲线和GSC滤波电感器、电阻器和电容器的参数。输出概括为图3中的机器和GSC导纳。/>

i_S＝G_SS·u_G+G_RS·u_R

i_R＝G_SR·u_G+G_RR·u_R

i_GC＝Y_GG·u_G+Y_GC·u_GC (1)

·电气极限块260：该块提供系统的LLL。LLL可以包括最大定子电流、最大转子电流、最大GSC电流、最大转子电压和最大GSC电压。该块的输入为：

οPSA_state：取决于状态，不计算一些LLL。

ο电网频率和转子速度：利用电网频率和转子速度，机器转差率被定义，并且因此它是转子电流的电频率。最大RSC电流取决于该转子频率。可以实现LUT或数学表达式来做到这一点。最大定子和转子电流也可以是那些具有无源空气冷却系统的DFIM中的转子速度的函数(表示直到现在还没有考虑的依赖性)。

ο先前计算的电压和电流相量

ο从RSC&GSC控制器发送的最大DC链电压(udc)：最大udc电压通常是固定的，但有时在电网扰动后进一步将其值约束在物理限制以下是有趣的。作为时间变量，必须将它通知给PSA。

ο外部LLL可以包括机器的最大定子电流、机器的最大转子电流或变压器电流或其他不包括在转换器柜中的电气组件。这样，如果期望，则子系统2可以在线通知PSA关于其他组件的限制。在转子电流的情况下，RSC和机器都包含其对应的极限。PSA逻辑选择最受约束的一个。

ο温度：它是测量的环境温度或冷却水温度。在这种情况下，温度用于适应最大RSC电流。一般来说，温度越低，RSC能输送的电流越大。

οEnable_overload：该信号可以启用机器和GSC电流的过载能力。如果信号关闭，则如最大定子和GSC电流的LLL将被固定到热极限。如果信号开启，则PSA获得基于瞬时和持续极限的动态LLL。

最大RSC和GSC电压作为最大udc的函数获得。计算可能包括基于转子动态和GSC电压相量的稳态和瞬时校正。

如之前所解释的，最大RSC电流将DFIM限制和转换器限制两者考虑在内，其又作为输入冷却水温度和机器转差率的函数被计算。

最大定子和GSC电流取决于参数enable_overload是关闭还是开启。当关闭时，这些值固定为热极限。当开启时，实现基于I2t的逻辑，旨在于在GSC和定子中提供过载容量。以下几行描述了建议的基于I2t的逻辑，适用于定子最大电流和GSC最大电流计算。

图4图示了用于解释基于I2t的逻辑的曲线图，该基于I2t的逻辑可以在图3中所图示的电气极限块260中执行。图4包括绘图364、365、366、367，其中横坐标368指示样本数，并且横坐标369指示时间。曲线370指示德尔塔I2t值，即在特定指数间隔或时间间隔上积分的所测量电流量值和对应热值之间的差的平方积分。绘图365中的曲线371指示在根据本发明的实施例中利用或导出的辅助曲线。绘图367中的曲线372可以指示由例如转换器的制造商提供的参考曲线。在接续的推断中，点A处的I2t的值被变换到曲线371上的点B，它从点B转移到曲线372上的点C。由此，通过变换到绘图366中的曲线373上的点D，导出对应的最大电流I_max。由此，限制I_max可以表示低水平限制。

下面参照图4进一步描述用于提供过载容量的基于I2t的逻辑(在图3中的电气极限块260内部)：

该逻辑返回信号I_max。该算法需要定义以下信息，或是作为参数或是作为输入(对于定子和GSC两者)：

οI_inst：最大瞬时RMS电流。

οt₁：I_inst可以维持的时间。

οI_th：最大持续RMS或热RMS电流

οk_SOFT：针对Imax的软饱和定义ΔI2t_max的扩展比例

οτ_SOFT：针对扩展范围ΔI2t_max·k_SOFT的时间常数。

ο|I[n]|：测量电流(定子或GSC)的RMS相量量值。自变量n代表离散时间符号中的样本数。它的持续时间等价于n·T_S，T_S为采样时间。

在一个示例性实施例中，所提出的基于I2t的逻辑与差值一起工作：ΔI2t。信号ΔI2t是用RMS相量量值|I[n]|和热电流I_th之间的二次差的积分器进行计算的。如果结果为负，则将其下限定为0。于是，定义曲线ΔI2t＝f₁(t_ea)。它将ΔI2t与等价时间t_ea进行关联。函数f₁用ΔI2t_max(其又取决于I_inst、I_thermal和t₁)、k_soft、τ_soft和t₁配置。函数f₁的逆f₁ ^-1用于获得时间最终，第二函数f₂计算输出信号I_max＝f₂(t_CURVE)。函数f₂用I_inst，I_thermal和t₁调谐。ΔI2t被计算为|I|的函数，并且然后，遵照图a)到d)所描述的过程，逻辑返回I_max。变量n₀表达电流时刻。

在下文中，更详细地描述了图3的最大有功量计算块261：

最大有功量计算块261提供HLL，特别是所选有功量的最大正值和最小负值，取决于每个应用中的受控变量，所选有功量可以是定子有功功率、总有功功率或扭矩。在这种情况下，正代表发电模式，并且负代表电动模式。

与其中机器和GSC本身可以独立注入无功功率的无功功率相反，有功功率或扭矩与整个系统链接。只有一个自由度：一旦有功量被固定，其余的有功量就也被固定。例如，如果定子有功功率固定为3MW，那么给定机器转差率，总有功功率、GSC有功功率、转子有功功率和扭矩也将被确定。原因在于DFIM的本性。

除非PSA_state为PSA_B2B，否则有功量为0。在PSA_FAULT中，不执行计算。如图3中所示，该块的输入是PSA_state、作为定子有功功率、总有功功率或扭矩的有功量测量、机器导纳、GSC滤波器导纳、LLL以及电压和电流相量。此外，重要的是要突出参数PQ_priority。如果该参数为0，则有功量针对无功功率具有优先级，因此有功量可以在必要时利用完全LLL。高达LLL的剩余容量然后可以用于无功功率。相反，如果PQ_priority为1，则无功功率具有优先级。

图5图示了用于解释可以由图3中所图示的最大有功量计算块261执行的增量计算的曲线。在横坐标574上，指示低水平操作参数X，其例如可以是电流。在纵坐标575上，指示高水平操作参数，其可以例如是有功功率P。曲线f(x)表示操作参数P与低水平操作参数x和高水平的真实(未知)依赖性。函数f^表示高水平系统操作条件参数和低水平系统操作条件参数x之间的关系的模型。该模型可能不正确或准确地反映真实的依赖性。根据本发明的实施例，通过图5中所图示的增量计算来计算表示有功功率的最大极限的高水平限制。

获得最大有功量的逻辑可能基于增量计算。增量计算在下面描述，并由图5辅助。假设有功量P(功率或扭矩)取决于遵循函数f(x)的限制变量x(电压或电流)。可变模型与真实模型相比具有误差/>变量x的极限是X_max(LLL)。当前操作点由对(X_PH，P_meas)给出，其中P_meas从真实系统测量，并且X_PH是对应于x的三相测量的复数。没有假设测量误差。如果PSA执行对P_max的估计，则/>的全误差将被传输给结果，从而得到/>这是绝对计算。相反，增量计算由用于避免任何模型不确定性的措施辅助。在该示例性描述中，相量系统与电网电压一致，使电网电压没有虚部。然后，电流相量的实部贡献于有功功率或扭矩，而虚部贡献于无功功率。首先，可用的有功余量Δx_P在等式(2)中定义。PQ_priority确立在X_max给定的可用余量内，将优先级给到有功量还是无功量。增量/>与作为偏移的P_meas一起工作并且使用Δx_P作为/>的输入，从而得到/>和/>估计/>包含较低的误差，因为它更接近真实的系统容量P_max。以这里描述的形式，增量程序可能限于线性表达式。在非线性模型的情况下，额外的布置可能是必要的。工作点越接近最大容量，增量计算就越有效。由于这个原因，当系统正在充当电动机时，它用于电动极限，并且当系统正在充当机器时，它用于发电模式，否则可以实行绝对计算。

图6图示了用于获得模式变量Pmode的滞后逻辑。

ο首先，所选有功量P_SEL的测量用在滞后逻辑中以获得变量P_mode。它指示系统是正在作为电动机、发电机工作还是都不是。该变量之后用于决定是否必须使用增量计算。

ο对于每个LLL(定子电流、转子电流、GSC电流、转子电压和GSC电压)，该算法计算Δx_PGEN和Δx_PMOT，它们将用于提供机器和电动机模式中的最大极限。该计算采用LLL的最大值、PQ_priority、P_mode和测量的相量，遵循等式(3)。

ο然后，本地和/>值是使用对应的/>获得的。该函数/>也取决于电压相量和计算的导纳。上标x逻辑上代表LLL并且下标y标示所得/>的位置。例如，当与DFIM LLL(即最大定子电流、转子电流或转子电压)一起工作时，所得/>标示最大定子有功功率或扭矩。另一方面，如果LLL是最大GSC电流或电压，那么，/>指代最大GSC有功功率。本领域的技术人员将针对每个LLL获得/>的表达式。

ο此后，获得和/>P_yGEN和P_yMOT取决于度量P_y和P_mode：

ο然后，如果必要，则每个和/>应当变换成它们的等价最大有功量/>和/>例如，如果所选最大有功量为定子有功功率P_Smax，则仅需要变换属于GSCLLL的计算(即最大GSC电流和电压)：/> 和/>本领域的技术人员将知道如何与功率平衡和系统导纳一起工作来进行这些变换。

ο最后，该算法返回最具限制性的值P_SELGENmax和P_SELMOTmax。在示例中：如图3中所示，该块还返回约束P_SELGENmax和P_SELMOTmax的LLL的标识符。

图7示意性地图示了用于计算最大有功量的建议逻辑的示例。逻辑776可以在图3中所图示的最大有功量计算块261中实现。图6中所图示的滞后逻辑可以用作图7中所图示的逻辑776中的滞后逻辑模块777。在计算模型778中，基于如图7中所指示的输入来计算指示的偏差。然后，应用模型函数来获得高水平操作参数、特别是如图7中所指示的功率P的相应偏差。使用加法元件780，其他功率量被相加，并且总和由变换模块781提供，变换模块781输出由最小值确定单元782或最大值确定单元783提供的多个量。最小值/最大值确定模块782、783输出可以表示高水平限制的正有功量限制变量标识符784或负有功量限制变量标识符785。

图8图示了根据本发明实施例的用于获得无功功率模式的滞后逻辑的示例。在下文中，描述了图3中所图示的最大无功功率计算块262。

最大无功功率计算块262算出最大定子容性无功功率Q_Scapmax、最大定子感性无功功率Q_Sindmax、最大GSC容性无功功率Q_GCcapmax和最大GSC感性无功功率Q_GCindmax。获得定子无功功率的极限和GSC无功功率的极限的过程类似于针对有功量描述的过程。可能有两个变量用于指示计算模式(增量或绝对)：QSmode和QGCmode。此外，与有功量情况相反，一些LLL仅影响定子侧，并且其余仅影响GSC。例如，转子电流、定子电流和转子电压可以限制通过机器定子的无功功率注入，但是它们不影响GSC中的无功功率注入。类似地，GSC电流和GSC电压不限制机器无功功率，但它们在GSC中限制。等式(5)指示如何计算Δx_OCAP和Δx_OIND。

图3中的限制变量编码器263对限制变量的所有标识符进行编码，以通知图2中所图示的子系统二232。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以组合。还应当注意，权利要求中的参考标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种确定包括双馈感应电机(105)的系统(107)的至少一个高水平限制(HLL)的方法，所述至少一个高水平限制(HLL)特别是关于有功量和无功量两者的瞬时和稳态限制，所述方法包括：

接收与实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数(129)；

基于所述系统的至少一个组件的至少一个低水平限制(LLL)和所述系统操作条件参数(129)来计算所述高水平限制(HLL)，

其中所述方法特别是在所述系统处于操作中的同时被执行。

2.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述低水平限制(LLL)包括所述系统(107)的至少一个组件(105，111，117，119，121)的至少一个约束，特别包括以下各项中的至少一项：

最大定子电流，

最大转子电流，

最大线路电流，

最大转换器电流，

最大DC链电压。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其中，所述低水平限制取决于或独立于至少一个系统操作条件参数而给出，

其中，所述低水平限制特别涉及低水平操作参数的极限值。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述高水平限制(HLL)包括以下各项中的至少一项：

最大定子有功功率，

最大线路有功功率，和/或

最大扭矩，

最大定子容性无功功率，

最大定子感性无功功率，

最大电网转换器容性无功功率，

最大电网转换器感性无功功率，

其中，所述高水平限制特别涉及高水平操作参数的极限值，所述极限值可从至少一个低水平操作参数计算。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述系统操作条件参数(129)包括以下各项中的至少一项的至少一个值：

公用电网电压和/或频率；

转子速度；

环境温度；

冷却水温度。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括：

针对多个操作条件和/或针对当前操作条件，评估所述系统的低水平限制(LLL)，以导出所述高水平限制(HLL)；

其中评估所述低水平限制包括确定至少一个关系，所述关系包括以下各项中的至少一项：

转速、电网电压、电网频率、LLL和扭矩之间的关系；

转速、电网电压、电网频率、LLL和有功功率之间的关系；

转速、电网电压、电网频率、LLL和无功功率之间的关系；

所述方法还包括：

进一步基于所述至少一个关系来计算所述高水平限制。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述系统(107)包括以下各项中的至少一项：

电气耦合到所述DFIM的转子的转子侧转换器(111)；

电气耦合到公用电网的电网侧转换器(119)；

耦合在转子侧转换器和电网侧转换器之间的DC链(117)；

控制器(110)，其被连接以控制转子侧转换器和/或电网侧转换器，并且特别地被配置为实行所述方法。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述方法包括执行功率冲浪算法(233)以获得所述高水平限制，所述功率冲浪算法包括多个计算块，所述计算块包括以下各项中的至少一项：

预调节块(256)；

PSA状态机块(257)；

相量系统块(258)；

正序导纳块(259)；

电气极限块(260)；

最大有功量计算块(261)；

最大无功功率计算块(262)；

限制变量编码器块(263)。

9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述电气极限块(260)被配置为依据所述至少一个系统操作条件参数、特别是电网频率和/或转子速度，从以下各项中的至少一项提供所述低水平限制：

至少一个外部低水平限制(外部LLL)；

最大DC链电压(最大udc)；

所考虑的组件、特别是转换器的温度和/或环境温度和/或冷却水温度。

10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述电气极限块(260)被配置为执行I2t算法，以便特别是针对实际操作条件，特别基于以下各项中的至少一项来计算作为低水平限制的最大电流(I_max)：

作为外部低水平限制的最大持续RMS或热RMS电流和/或最大瞬时电流；和

测量的实际电流。

11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述最大有功量计算块(261)被配置为基于以下特别是测量的各项中的至少一项，计算作为高水平限制的最大定子有功功率和/或最大总有功功率和/或最大总扭矩：

实际定子有功功率；

实际总有功功率；

实际总扭矩；

实际电流(x)；

实际电压；

机器导纳；

GSC滤波器导纳；

至少一个低水平限制(X_max)，特别是电流限制。

12.根据前述三项权利要求中的一项所述的方法，其中，所述最大有功量计算块(261)和/或所述最大无功功率计算块(262)被配置为通过增量计算，依据如下各项来计算所述高水平限制(P^inc_max)：

高水平系统操作条件参数的测量值(P_meas)；

低水平系统操作条件参数的测量值(X_PH)；

与所述低水平系统操作条件参数的限制相关的低水平限制(X_max)；

所述高水平系统操作条件参数和所述低水平系统操作条件参数之间关系的模型(f^)。

13.根据前述三项权利要求中的一项所述的方法，

其中，最大有功量计算块(261)被配置为依据所述系统是在电动机模式还是发电机模式中操作来采用增量计算或绝对计算，和/或

其中，最大无功功率计算块(262)被配置为依据所述系统被操作来提供感性还是容性无功功率来采用增量计算或绝对计算。

14.一种用于确定包括双馈感应电机(105)的系统(107)的至少一个高水平限制(HLL)的布置(110)，所述布置包括：

输入模块，其被配置为接收与实际操作条件相关的至少一个系统操作条件参数(129)；

计算模块(130)，其被配置为基于所述系统的组件的至少一个低水平限制(LLL)和所述系统操作条件参数(129)来计算所述高水平限制(HLL)。

15.一种风力涡轮机(100)，包括：

叶片转子(101)，在所述叶片转子(101)处安装多个转子叶片(103)；

双馈感应电机(105)，其具有耦合到叶片转子的转子；以及

用于确定包括所述双馈感应电机(105)的系统的至少一个高水平极限(HLL)的布置(110)。