CN117439469A - 用于三相发电机的位置观测器同步 - Google Patents

用于三相发电机的位置观测器同步 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于三相发电机的位置观测器同步。描述一种尤其是在位置观测器的同步期间操作同步电机(2)、尤其是多绕组组同步电机(2)的方法，所述同步电机包括具有第一绕组组(5)和尤其是至少一个第二绕组组(6)的定子(4)和转子(3)，所述方法包括：使用第一位置观测器(12_1)，所述第一位置观测器被配置用以观测第一绕组组(5)，以便观测转子位置的第一值(13_1)，尤其是基于转子位置的外部初始值进行；基于第一观测值(13_1)或转子位置的外部初始值来同步电机(2)。

Description

用于三相发电机的位置观测器同步
技术领域
本发明涉及一种用于控制多绕组组同步电机的方法和对应的控制器，所述多绕组组同步电机包括具有一个或多于一个的绕组组的定子和转子。此外，本发明涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括多绕组组同步电机和控制器。
背景技术
为了控制同步发电机，常规地需要在电量的不同坐标系之间的变换。例如，在控制方法期间可能需要三相电压和/或电流到固定的α-β坐标系(alpha-beta frame)或同步旋转dq坐标系的变换。对于在固定坐标系和同步旋转坐标系(比如dq坐标系)之间的变换，需要电转子位置，尤其是用于帕克变换(park transformation)和反变换。
常规地，可以已经采用在发电机的相应绕组组处的所测量的电压来执行电转子位置的确定，这可以被称为有电压传感器式确定方法论。可替代地，转子位置已经在不使用所测量的电压值的情况下被确定，这可以被称为无电压传感器式确定方法或基于凸极的高频注入(HFI)方法。
常规地，对于无传感器式和有传感器式方法论，已经采用所谓的EMF(electromagnetic force(电磁力))观测器用于确定电转子位置，其中电压输入来自电压传感器。常规地，在使用来自相应EMF观测器的所估计的位置之前，可能已经应用同步过程，通过所述同步过程从初始状态建立发电机电压、电流和位置之间的关系。同步过程可以尤其是已经通过采用一组发电机电压传感器被支持，即由此执行所谓的有电压传感器式同步。可替代地，可能已经利用无电压传感器式方式执行同步。
类似地，在使用来自HFI观测器的所估计的位置之前，也可以已经应用同步过程，其中初始角度的确定变得重要。
如今，多绕组组发电机已投入使用。然而，已经观测到，针对多绕组组发电机确定电转子位置和/或控制多绕组组发电机需要复杂的设备以及复杂且耗时的方法。此外，已经观测到，尤其是由于电转子位置的错误的确定，在相应的绕组组(winding set)中生成或观测到不期望的瞬态转矩。因此，发电机的操作可能已经受损并且性能不是令人满意的。
因此，可能需要一种控制多绕组组同步电机的方法和对应的控制器，其中降低所需要的设备的复杂性，简化该方法，或者此外减小在一个或更多个绕组组中的不期望的转矩生成中的瞬态。此外，需要这样的方法和控制器，其中改进通常风力涡轮机或发电机系统的性能，同时降低复杂性，此外可能期望改进可靠性。
发明内容
该需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据一种实施例，提供一种控制同步电机、尤其是多绕组组同步电机的方法，所述同步电机包括具有第一绕组组以及尤其是至少一个第二绕组组的定子和转子，所述方法包括使用第一位置观测器；尤其是EMF或HFI观测器，所述第一位置观测器被配置用以观测第一绕组组以便观测转子位置的第一值；基于转子位置的第一观测值或外部初始值来控制(尤其是同步)电机。
该方法可以以软件和/或硬件来实现，和/或该方法可以例如由根据本发明的一种实施例的控制器、尤其是风力涡轮机控制器的一部分来执行。同步电机可以例如是耦合到轮毂的风力涡轮机发电机，多个转子叶片安装在所述轮毂处。
转子可以是内转子或外转子。转子可以包括永磁体。定子可以包括定子磁轭，所述定子磁轭包括多个齿，多个绕组组围绕所述齿或在所述齿处缠绕。
电机可以包括一个或多于一个的绕组组，诸如两个、三个、四个、五个、六个或甚至更多个独立的绕组组。每个绕组组可以提供多个相，例如三个相、四个相、五个相或甚至更多相。尤其是，根据本发明的一种实施例可以提供单绕组组或多绕组组三相同步电机。
每个绕组组可以彼此独立地被控制，尤其是通过连接到相应绕组组的相应转换器被控制。在一个实施例中，相应的位置(例如EMF或HFI)观测器与每个绕组组相关联，所述位置观测器确定转子(电)位置(尤其是独立于所有其他位置观测器)。
转子位置的外部初始值可以是如例如通过光学和/或机械转子位置传感器和/或霍尔传感器测量的方位角。
根据另一实施例，第一位置观测器与第一绕组组相关联，并且相应的位置观测器也与其他绕组组相关联。在该实施例中，如由第一位置观测器(在下文中也称为主位置观测器)确定的转子位置可以被采用用于同步一个或更多个其他位置观测器。
第一位置(例如EMF)观测器可以包括输入区段，所述输入区段允许输入一个或更多个电和/或机械量，例如所测量的量或者所估计或观测的量。输入参数可以例如包括同步电机的操作参数(所测量的和/或所估计的和/或所导出的)。
第一位置(例如EMF)观测器可以输出转子位置的第一值，所述转子位置至少在运行第一位置观测器的特定时间间隔之后基本上对应于真实转子位置。于是可以有利地使用(尤其是对应于真实位置的)转子位置的该第一观测值以便在第一绕组组中进行控制(电压和/或电流)以及用于在至少一个第二绕组组中进行控制(电压和/或电流)。由此，转子位置的第一观测值可以直接地被用于控制一个或更多个其他绕组组，或者可以间接地被用于控制一个或更多个绕组组，尤其是仅在初始化或同步或启动周期期间。
当利用转子位置的第一观测值用于控制电机时，可以不需要例如在除了第一绕组组之外的绕组组处具有电压传感器。从而，可以降低设备复杂性。可以在控制至少一个第二绕组组中的任何一个之前控制第一绕组组。然而，控制至少一个第二绕组组的延迟可以相对短，诸如小于0.3至例如2s。
当也利用转子位置的第一观测值用于控制至少一个第二绕组组时，可以减小在常规系统中所观测的转矩的瞬态。
根据本发明的一种实施例，控制电机包括基于转子位置的第一观测值来控制第一转换器，第一转换器连接到第一绕组组；基于转子位置的第一观测值控制和/或同步第二转换器，所述第二转换器连接到第二绕组组。
在存在多于两个的绕组组的情况下，每个绕组组可以连接到相应的另外的转换器，并且该方法可以包括基于转子位置的第一观测值来同步和/或控制更多个另外的转换器之一，所述一个或更多个转换器分别连接到一个或更多个第二绕组组。
第一转换器以及第二转换器可以分别包括AC-DC部分、DC链路和DC-AC部分，并且两者都可以被配置用以将(从相应的绕组组接收的)可变频率功率流转换成基本上固定的频率功率流并且然后可以(尤其是经由至少一个风力涡轮机变压器和/或风电场变压器)供应给公用电网。
控制相应的转换器可以包括将控制信号供应给转换器，尤其是将栅极驱动信号供应给可控开关的相应栅极，所述可控开关可以包括在转换器中。采用第一转换器以及第二转换器(以及对于每个附加绕组组，相关联的另外的转换器)可以简化该方法并且可以支持常规系统。
根据本发明的一种实施例，控制电机包括使用第二位置观测器，所述第二位置观测器被配置用以观测第二绕组组，以便尤其是独立于第一位置观测器来估计转子位置的第二观测值，从而使用转子位置的第一观测值作为初始第二观测转子位置用于启动；基于转子位置的第二观测值控制所述第二转换器。
根据该实施例，第二位置观测器与第二绕组组相关联(和/或另外的相应位置观测器可以与每个另外的绕组组相关联)。为了冗余或容错，可以提供第二位置观测器，以便独立于第一位置观测器也确定转子位置，然后使用所述转子位置来控制第二绕组组。第二位置观测器和所有潜在的其他位置观测器可以被称为从位置观测器。
从位置观测器可以接收如由第一(主)位置观测器提供的转子位置的第一观测值用于初始化或同步或启动。在初始化/同步/启动之后，(一个或多个)从观测器然后可以独立于第一(主)位置观测器地操作。
通过提供冗余，可以提供或应用一致的检查，包括将例如转子位置的第一观测值与转子位置的第二观测值进行比较。
尤其是，可以基于转子位置的第二观测值控制第二转换器，而(至少在启动之后)不使用转子位置的第一观测值。
根据本发明的一种实施例，第二位置观测器保持关闭直到在第二时间点启动，所述第二时间点是当在第一时间点启动第一EMF观测器之后的时间间隔，该时间间隔通常处于该方法尤其是进一步包括：控制第一变换器在第一时间点启动；控制转换器不早于第二时间点启动。
第二观测器的启动可以通过第一观测器中的状态改变被使能，而不是在特定时间点。在第一观测器正在工作并且其转换器电流控制被使能之后，可以使能用于第二观测器的同步。
第二位置观测器可以已经基本上接收第一观测值作为真实转子位置，所述第一观测值已经由第一位置观测器确定。然而，如果第二位置观测器基本上接收真实转子位置作为初始转子位置，则由第二绕组组生成的转矩的瞬态可以基本上被减小或者可以基本上消失。由此，可以改进电机操作的可靠性并且可以减小转矩的瞬态或不期望的行为。
根据本发明的一种实施例，在第二时间点，以下至少之一成立：第一位置观测器的同步完成；第一位置观测器处于运行状态或速度被观测；由第一位置观测器观测的转子位置的第一观测值基本上对应于所述转子位置的真实值；由第一组绕组能够按需产生转矩。
由此，可以确保：由一个或更多个从位置观测器可以依赖于转子位置的第一观测值以便对应于基本上真实的转子位置。从而控制电机可以被改进。
根据本发明的一种实施例，第一位置观测器和第二位置观测器中的一个或每一个包括EMF观测器，所述EMF观测器包括：同步模块，所述同步模块具有以下至少之一作为输入：所观测的转子速度；所观测的转子位置；对转换器控制的相应绕组组电压参考(例如，用于推导α-β坐标系中的控制电压所需要的，所述控制电压然后被用作对EMF观测器的输入，尤其是在dq坐标系中；用于初始化观测器的转子初始位置；发电机同步速度；在有传感器式模式下使用的感测绕组组电压；来自感测转子方位角位置、霍尔传感器测量值或基于凸极的无传感器式观测器的发电机初始角度；所述同步模块具有固定α-β坐标系或固定abc坐标系中的所估计的绕组电压(或控制电压)作为输出；EMF观测器模块具有以下至少之一作为输入：所估计的绕组电压，尤其是在固定α-β坐标系或固定abc坐标系中；所测量的绕组电流，尤其是在固定α-β坐标系或固定abc坐标系中；EMF观测器模块至少具有转子位置的观测值和转子速度的观测值作为输出。
在其他实施例中，同步模块和/或EMF观测器模块可以被拆分或组合在其他模块中，和/或同步模块和EMF观测器模块的功能性可以被拆分或组合在其他单元中。同步模块可以被配置用以执行同步，其中转子电角度可以通过使用有电压传感器式方法或无电压传感器式方法来确定。所观测的转子速度和/或所观测的转子位置可以在相应的EMF观测器处在内部被导出，并且可以作为某种(some)输入被反馈。在相应EMF观测器的操作期间，并非同步模块的所有输入端都可以被供应有电输入信号。输入信号可以根据应用并且根据运行状态来选择。例如，在感测绕组电压被输入到同步模块的情况下，不需要将转子初始位置供应给主EMF观测器。相比而言，如果无感测绕组电压作为输入被供应给同步模块，则至少需要供应转子初始位置，然而，可以将所述转子初始位置设置为零。可替代地，由同步模块可以将未明确供应给同步模块的转子初始位置假定为零或预定值。为了导出所估计的绕组电压，可以应用数学方程式，所述数学方程式包括输入信号中的一些，如在下面将在详细的描述中解释的那样。
EMF观测器模块可以执行如常规已知的观测过程。闭环观测器是用于速度和位置估计的典型技术，其中应用电机电压模型，具有静止参考系中的电机控制电压和相电流的输入。
例如可以采用在Z.Chen,M.Tomita,S.Doki和S.Okuma的"An extendedelectromotive force model for sensorless control of interior permanent-magnetsynchronous motors,"(IEEE Trans.Ind.Elect.,vol.50,no.2,pp.288-295,Apr 2003)中所描述的观测器。
由此，可以支持常规可用的模块，比如EMF观测器。
根据本发明的一种实施例，从第一位置观测器的位置观测器模块输出的转子位置的第一观测值被用作用于第二位置观测器的同步模块的转子初始位置的输入。
当从第一位置观测器的位置观测器模块输出的转子位置的第一观测值被用作用于第二位置观测器的同步模块的转子初始位置的输入时，第二位置观测器可能已经接收基本上真实的转子位置用于初始化和/或同步。在第二位置观测器、尤其是EMF观测器的同步中，其中为了计算静止参考系中的发电机电压，可以直接使用来自第一位置观测器的电角度；或者从从第一位置观测器提供的正确初始值开始，通过对发电机同步速度进行积分来导出电角度。因此，如由第二位置观测器导出的同样独立于主位置观测器的电角度可以是可靠的并且可以反映真实转子位置。因此，控制第二绕组组也可以被改进。
根据本发明的一种实施例，第一位置观测器和第二位置观测器中的一个或每一个包括HFI观测器。
HFI观测器是位置观测器的另一示例，所述位置观测器(作为EMF观测器)可能需要初始角度作为输入并且输出真实位置角度。这可能是用于单或多绕组电机的同步的情况，其中初始角度可以从外部源(诸如方位角)被提供，或者如果它是多绕组电机，则可以从主通道被提供。
根据本发明的一种实施例，至少从第一位置观测器的观测器模块输出的转子位置的第一观测值被用作用于第二位置观测器的同步模块的转子初始位置的输入。
根据本发明的一种实施例，至少第一EMF观测器可以在以下模式下被操作：无电压传感器式模式，其中发电机同步速度和尤其是等于零的预定初始转子位置被用作同步模块输入，而不供应感测绕组电压作为输入；作为对有电压传感器式模式的替代方案，其中相应绕组组的感测绕组电压被用作同步模块输入。
由此，可以支持常规可用的EMF观测器。相应的EMF观测器还可以具有允许将相应的EMF观测器设置为无电压传感器式模式或有电压传感器式模式的输入，如期望的那样，例如取决于可用设备、尤其是电压传感器。
根据本发明的一种实施例，至少第一EMF观测器可以在以下模式下被操作：无电压传感器式模式，其中感测转子方位角位置在同步模块中被用作初始角度，即从从转子方位角位置转换的初始值开始，通过对发电机同步速度进行积分来导出电角度。
转子方位角传感器可以被配置用以测量或确定或感测机械转子方位角位置或角度。转子方位角传感器可以例如包括编码传感器。发电机电转子位置与转子方位角位置成比例(通过发电机极对数的比率)，并且利用转子和发电机的给定组件(assembly)，可以从转子方位角位置明确地能导出电转子位置。
当第一EMF观测器在转子方位角的补充的情况下(with supplement…)处于无电压传感器式模式时，第一EMF观测器可能不在输入端处接收感测绕组电压。
第一位置(EMF)观测器还可以在无电压传感器式模式下操作，其中初始角度从(一个或多个)其他源被提供，例如霍尔效应传感器或基于发电机凸极的高频注入无传感器式观测器。
根据本发明的一种实施例，第一EMF观测器在无电压传感器式模式或有传感器式模式下被操作，其中第二EMF观测器在无电压传感器式模式下被操作。
当第二EMF观测器在无电压传感器式模式下被操作时，不需要电压传感器来测量第二绕组组处的相应电压。从而，可以降低复杂性。
虽然，在第一EMF观测器的同步过程期间，(由于操作第一绕组组)可以观测到电压或转矩瞬态，但是对于操作第二绕组组可能不观测到相应的瞬态，使得转矩的瞬态可能处于可接受的水平。
当第一EMF观测器在有传感器式模式下被操作时，可能需要电压传感器来测量第一绕组组处的电压，然而，由第一绕组组的操作引起的转矩的瞬态可能基本上为零，因为从操作第一EMF观测器并且控制第一绕组组开始，转子位置可以对应于真实转子位置。
当第一EMF观测器在无电压传感器式模式下被操作时，其中发电机初始角度从第二源、诸如方位角、霍尔传感器和HFI观测器被预定(非0)，由于从操作第一EMF观测器并且控制第一绕组组开始，转子位置可能接近真实转子位置，所以可以可观地减小由第一绕组组的操作引起的转矩的瞬态。
根据本发明的一种实施例，第一位置观测器包括第一HFI观测器，其中发电机初始角度从第二源、诸如方位角和/或(一个或多个)霍尔传感器被预定(非零)，其中由于从操作第一HFI观测器并且控制第一绕组组开始，转子位置可能接近真实转子位置，所以可以可观地减小由第一绕组组的操作引起的转矩的瞬态。
根据本发明的一种实施例，当发电机是静止的或正在以低速运行时，或者处于转矩的小瞬态具有最小效应，使得发电机电角度被观测到的状态下，可以暂时地使能第一HFI位置观测器。该角度与来自涡轮机控制器的同步速度一起可以被使用来跟踪发电机电位置，并且在准备好用于同步观测器时为位置观测器(EMF或HFI)提供初始角度。
当使用用于HFI观测器的正确初始角度时，可以在HFI观测器的同步期间保存用于极性检测的动作。
根据本发明的一种实施例，转子位置的第一观测值和/或转子位置的第二观测值是转子的电位置。由此，可以以可靠的方式提供用于变换电量所使用的量。
根据本发明的一种实施例，电机是永磁同步电机。由此，可以支持常规可用的发电机。
应当理解的是，对于控制多绕组组同步电机的方法单独地或以任何组合的方式公开、应用、解释或提供的特征也可以单独地或以任何组合的方式被应用或提供或采用用于根据本发明的实施例的用于控制多绕组组同步电机的相应控制器，并且反之亦然。
根据本发明的一种实施例，提供一种用于控制尤其是风力涡轮机的同步电机、尤其是多绕组组同步电机的控制器，所述同步电机包括具有第一绕组组以及尤其是至少一个第二绕组组的定子和转子，所述控制器包括：第一位置观测器，所述第一位置观测器被配置用以观测第一绕组组以便观测转子位置的第一值；控制部分，所述控制部分被配置用以基于第一观测值或转子位置的外部初始值来控制和/或同步所述电机，所述控制部分尤其是包括：第二位置观测器，所述第二位置观测器被配置用于第二绕组组，以便观测转子位置的第二值，从而使用转子位置的第一观测值用于启动。
控制器可以以软件和/或硬件来实现和/或可以是例如风力涡轮机控制器的一组成部分(a part of)或一部分。
根据一种实施例，提供一种风力涡轮机，包括：同步电机、尤其是多绕组组同步电机，所述同步电机包括具有第一绕组组以及尤其是至少一个第二绕组组的定子和转子，所述转子耦合到轮毂，多个转子叶片安装在所述轮毂处；尤其是连接到第一绕组组的第一转换器和连接到第二绕组组的第二转换器；根据前一实施例所述的控制器，所述控制器尤其是经由所述第一转换器和所述第二转换器被连接用以控制所述电机。
本发明的以上定义的方面和其他方面从下文中要描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例予以解释。下文中将参考实施例的示例更详细地对本发明进行描述，但是本发明并不限于所述实施例的示例。
附图说明
现在参考所附附图描述本发明的实施例。本发明不限于图解或描述的实施例。
图1示意性地图解根据本发明的一种实施例的风力涡轮机；
图2示意性地图解可以包括在根据本发明的一种实施例的控制器中的EMF观测器；
图3、4、5图解示出在根据本发明的一种实施例控制电机时的模拟或实验结果的图形；
图6、7、8图解常规系统的结果；
图9示意性地图解根据本发明的另一实施例的控制器；
图10、11、12图解使用如在图9中图解的控制器的结果；和
图13、14、15图解初始角度中有30°误差的结果；
图16图解与HFI观测器相关联的HFI技术。
具体实施方式
在图1中示意性图解的风力涡轮机1包括多绕组组同步电机2，所述多绕组组同步电机包括具有第一绕组组5并且具有至少一个第二绕组组6的定子4和转子3，其中绕组组5、6包括多相绕组组，所述多相绕组组围绕定子4的未详细图解的齿缠绕。电机2的转子3耦合至轮毂7，多个转子叶片8安装到所述轮毂7。图1中图解的电机2是具有外转子3的永磁同步电机。
控制器10是用于控制根据本发明的一种实施例的多绕组组同步电机、例如电机2的控制器。风力涡轮机1包括控制器10，所述控制器连接到电机2以控制电机2。在图解的实施例中，同步电机2经由连接到第一绕组组5的第一转换器11_1以及经由连接到第二绕组组6的第二转换器11_2被控制。第一转换器11_1和第二转换器11_2也包括在风力涡轮机1中。
控制器10包括第一EMF观测器12_1，所述第一EMF观测器12_1被配置用以观测第一绕组组5，以便观测用附图标记13_1表明的转子位置的第一值。控制器10此外包括控制部分14，所述控制部分14包括控制器的多个其他部件，所述控制部分被配置用以基于转子位置的第一观测值13_1来控制电机2。由此，控制部分14尤其是包括第二位置观测器12_2，所述第二位置观测器被配置用以观测第二绕组组6，以便观测转子位置的第二值13_2，从而使用转子位置的第一观测值13_1，尤其是用于同步/初始化。
转子位置的第一观测值13_1和/或第二观测值13_2由此是转子3的电位置。图1中图解的控制器10被配置用以实施根据本发明的一种实施例的控制多绕组组同步电机2的方法。
由此，第一位置观测器12_1被配置用以观测第一绕组组5，以便估计转子位置的第一观测值13_1。此外，在控制方法期间，基于转子位置的第一观测值13_1来控制电机。尤其是，该控制方法涉及基于转子位置的第一观测值13_1来控制第一转换器11_1，其中第一转换器11_1连接到第一绕组组5。该方法此外包括基于转子位置的第一观测值13_1来控制第二转换器11_2，其中第二转换器连接到第二绕组组6。
尤其是，为了控制第二转换器，第二位置观测器11_2被配置用以观测第二绕组组6，以便观测转子位置的第二值13_2，从而使用转子位置的第一观测值13_1作为初始第二观测转子位置。该方法此外包括基于转子位置的第二观测值13_2来控制第二转换器11_2。
图1由此图解总控制系统，其中发电机转子电位置首先通过第一位置观测器12_1(也称为主观测器)被估计。
控制器10可以被认为基本上由特定控制器部分、即部分15_1的复制品形成，所述部分15_1具有与控制部分15_2相似或甚至相同的结构。单独的控制部分15_1和15_2使得能够以独立的方式经由第一转换器11_1和第二转换器11_2控制第一绕组组5和第二绕组组6。控制部分15_1、15_2包括在图1中以“1”或“2”结尾地标记的相似或相同的控制单元或模块。
第一控制部分15_1包括电流参考生成模块16_1，所述电流参考生成模块输出电流需求量17_1，所述电流需求量被供应给电流控制器18_1。电流控制器18_1接收表示第一绕组组的经变换的电流的电流反馈信号19_1。电流控制器18_1基于输入17_1、19_1输出电压需求量20_1。
电压需求量20_1被供应给脉宽调制模块21_1，所述脉宽调制模块21_1此外接收所观测的转子位置13_1的第一值。PWM调制器21_1输出控制信号22_1，所述控制信号由第一转换器11_1接收。第一位置观测器12_1(尤其是EMF观测器)也接收电压命令20_1并且也接收电流反馈19_1。此外，第一位置观测器12_1(尤其是EMF观测器)可选地接收表示第一绕组组5处的电压的测量值(measurements)的绕组电压23_1。变换模块24_1接收转子位置的第一值13_1，以便执行在例如固定坐标系和同步旋转坐标系之间的变换。
第二控制部分15_2包括电流参考生成模块16_2，所述电流参考生成模块输出电流需求量17_2，所述电流需求量被供应给电流控制器18_2。电流控制器18_2接收表示第二绕组组的经变换的电流的电流反馈信号19_2。电流控制器18_2基于输入17_2、19_2输出电压需求量20_2。
电压需求量20_2被供应给脉宽调制模块21_2，所述脉宽调制模块21_2此外接收所观测的转子位置的第二值13_2。使用转子位置的值13_2，PWM调制器21_2输出控制信号22_2，所述控制信号由第二转换器11_2接收。第二位置观测器12_2(尤其是EMF观测器)接收电压命令20_2并且也接收电流反馈19_2。可选地，第二位置观测器12_2(尤其是EMF观测器)(在有传感器式模式(sensored mode)下)接收表示第二绕组组6处的电压的测量值的绕组电压23_2。变换模块24_2接收转子位置的第二值13_2，以便执行在例如固定坐标系和同步旋转坐标系之间的变换。
如在第二位置观测器12_2的输入端处所表明的，第二位置观测器12_2在至少初始化或同步期间接收由第一位置观测器12_1输出的转子位置的第一值13_1。
基于EMF的位置观测器的内部功能中的一些在图2中示出，并且尤其是图解同步过程。图2更详细地图解第一EMF观测器12_1连同第二EMF观测器12_2。第二EMF观测器12_2可以与第一EMF观测器12_1相似或者甚至相同地被配置。
第一EMF观测器12_1包括同步模块26_1，所述同步模块具有输入27_1，所述输入27_1包括所观测的转子速度、所观测的转子位置、相应的绕组组电压参考、用于初始化观测器的转子初始位置、发电机同步速度以及第一绕组组的绕组电压。同步模块26_1例如在固定的α-β(alpha-beta)坐标系中或在固定abc坐标系中输出所估计的绕组电压28_1。
第一EMF观测器12_1是第一位置观测器的示例。在第一位置观测器的另一实现中，比如HFI观测器，可以输出其他参数，比如电位置和/或速度。因此，图2和9中图解的同步过程可以不同。然而，为了同步，初始电角度需要在位置观测器中是已知的。
因此，只要适用，位置观测器12_1和12_2可以被称为EMF观测器或HFI观测器。
所估计的绕组电压28_1与所测量的电流29_1一起被供应给EMF观测器模块30_1。从输入和潜在地其他参数中，EMF观测器模块30_1导出转子位置的第一值13_1。
转子位置的该第一值13_1被提供给第二EMF观测器12_2作为转子位置或初始转子位置，所述转子位置或初始转子位置被供应给第二EMF观测器12_2的同步模块26_2的相应发电机初始角度或转子初始角度输入端。
在第一EMF观测器12_1中，转子位置的所估计的第一值13_1被提供给导数模块(derivative module)31_1，所述导数模块31_1输出旋转速度的原始值或所观测的发电机速度的原始值。稳定检查模块33_1检查旋转速度的稳定性并且输出所观测的发电机速度或所观测的转子速度34_1，所观测的发电机速度或所观测的转子速度然后作为输入被反馈到同步模块26_1。
电压斜坡(voltage ramp)和延迟模块35_1也接收所观测的发电机速度34_1的标志(flag)并且输出信号36_1作为观测器同步过程已经完成并且所观测的(the observed)准备好用于在发电机控制中使用等的指示。
所观测的发电机速度34_1的标志被提供给使能模块37_1，所述使能模块37_1使能发电机电流控制和脉宽调制。此外，使能元件38_1接收信号36_1并且使能发电机控制。
信号36_1可以指示第一EMF观测器12_1处于运行状态和/或初始化或同步完成。在这种情况下，还确保转子位置的所导出的第一值13_1基本上表示真实的转子位置。在这种情况下，使能信号40_1被设置为真并且被输入给第二EMF观测器12_2。使能信号40_1使第二EMF观测器12_2开始观测转子位置。
为了开始由第二EMF观测器12_2观测转子位置，第二EMF观测器12_2利用转子位置的第一值13_1作为到其同步模块26_2的输入。同步模块的转子初始位置输入端在图2中用附图标记41_2标记。
相应的同步模块26_1此外包括切换输入端42_1，所述切换输入端使得能够在有电压传感器式操作模式或无传感器式操作模式之间切换。在第二EMF观测器12_2的同步模块26_2被设置成的无电压传感器式操作模式下，利用转子初始位置输入端41_2，如通过第一EMF观测器12_1确定的转子位置的第一值13_1被供应给所述转子初始位置输入端。
如果为主EMF观测器12_1选择“有传感器式”同步的模式，则来自电压传感器的输入被使用来计算Vα和Vβ，所述Vα和Vβ被馈送给EMF观测器模块用于位置估计，
由于测量电压提供真实的转子电位置，因此在使能电流控制和PWM输出时，至发电机的所供应的电压将会是期望的电压，并且因此将存在来自同步的小瞬态或发电机转矩中的小瞬态。
当对于第一观测器12_1应用无电压传感器式方法时，来自涡轮机控制器的发电机速度将被使用来推导由EMF观测器需要的Vα和Vβ，
在上面的方程式中，通过使用发电机同步速度输入作为频率ωe创建两个正交信号，并且默认情况下，初始角度被假定为0。电压的幅度将与发电机反EMF相匹配，并且因此在计算中使用发电机PM磁链ψpm。考虑到方程式2中给定的电压可能完全异相(out ofphase)，应用系数γ，该系数是高达1的小数(small number)，使得向发电机的所供应的电压将会被按比例缩小。随后，布置电压斜坡上升过程35_1以便将电压恢复至其期望的水平。
由于真实的转子电位置是不确定的，因此用于(第一观测器12_1的)无传感器式同步的初始电压角度必须被设置为诸如0的值，并且相应地电压幅度必须被降低。因此，在电流和PWM控制的初始阶段期间，在用于第一绕组组的发电机转矩中将会存在瞬态。不久之后(一秒钟的若干分之几(a fraction of one second))，角度由第一EMF观测器12_1校正，即转子电位置的第一观测器值13_1变为确定的。因此，对于多三相发电机，代替相同地对多个通道进行处理，可以将一个通道(第一绕组组；第一转换器；第一EMF观测器)命名为主站，并且其同步可以首先被启动，并且在主通道完成之后，使能用于其余通道(从机(slaves)、第二绕组组；第二转换器；第二EMF观测器)的同步，从中所观测的位置(13_1)将被用作电压初始角度。既然如此，转矩瞬态将会仅在一个通道的同步时出现，并且与常规方法相比，瞬态的水平对于双三相发电机而言将会被减半，并且对于四三相电机而言减至四分之一(quartered)。
此外，如果有电压传感器式同步(对于主机(master))是必要性，则仅一组电压传感器(即在第一绕组组处)将是足够的。换句话说，主通道可以利用有传感器式或无传感器式同步运行，而从通道仅能利用无传感器式同步被配置。
在图2中对于所提出的同步或主从同步方案示出图表。系统具有主通道(12_1)和一个或一些从通道(12_2，...)。主通道可以利用电压传感器或在不使用电压传感器的情况下(无传感器地)运行，而对于从通道不需要电压传感器，即所述从通道总是在无传感器式模式下被操作。在发电机运行请求的命令下，主通道将启动，但是从通道将等待，直到主通道的EMF观测器处于运行状态，并且然后来自主机的所观测的角度可以被用作用于从通道的初始电压角度。
其中θ0是从通道中的初始角度，在观测器运行状态的其标志从假变为真之后从主通道中的所观测的角度中获得所述初始角度。
可替代地，在方程式(3)中，可以直接使用来自主通道的角度，将GenSyncSpeed信息保存到从通道。
应该注意的是，当使用正确的初始角度时，不需要电压按比例缩小，即γ＝1，并且可以应用Vq前馈项的非常快速的斜坡上升速率。用于主通道的参数设置应该保留。
图3、4、5图解示出当根据本发明的实施例控制电机时的结果的图形。由此，横坐标43表明时间，图3的纵坐标44表明DC链路电压Vdc，图4中的纵坐标45表明发电机转矩，并且图5中的纵坐标46表明转子位置。图3、4、5由此图解用于双三相发电机的结果，诸如图1中以示意性方式图解的。
图3中的发电机DC链路电压用曲线47表明。图4中的曲线48图解发电机转矩，曲线49表示第一EMF观测器12_1的使能信号，并且曲线50表示第二EMF观测器12_2的使能信号，例如图2中的40_1。在使能信号49、50从低电平变为高电平的时间点，相应的观测器开始观测转子位置。如从图4中可以理解的，第一EMF观测器12_1在第一时间点51被启动，所述第一时间点51早于第二EMF观测器被启动的第二时间点52。第二EMF观测器12_2的延迟约为0.6s。如从图4中可以观测到的，在发起或启动第一EMF观测器12_1之后不久，观测到转矩48中的不期望的下降。然而，当第二EMF观测器12_2在时间点52被启动时，未观测到对应的不期望的转矩瞬态。
在图5中，曲线53表明整个电机2的转子位置，曲线54表明如由第一EMF观测器12_1确定的转子位置的第一值，并且曲线55表明如由第二EMF观测器12_2导出或确定的转子位置的第二值。
与利用现有方法的结果相比，图7、6、8，在图3、4、5中是利用针对双三相发电机的所提出的无传感器式方案的结果。利用常规方法，针对两个通道的无电压传感器式同步同时使能，如由“CtrEnable”信号所表明的，并且因此瞬态转矩将从两个通道被贡献，并且相当高。由于两个DC链路正在一起被充电，发电机转矩(gen torque)的变化也将相当高，尽管这可能通常不被视为问题，并且也可以由DC链路控制器管理。
利用所提出的方法(图3、4、5)，首先启动针对一个通道的同步(在图4中的51处)，并且由于不正确的初始电压角度，将存在一些转矩瞬态，但是水平大大降低(例如对于双通道电机减半，或者对于四通道电机减至四分之一)。在完成该通道的同步之后，使用所观测的角度的第一值作为初始电压角度来启动另一通道(在52处)。然后，将几乎不存在来自针对该第二通道的同步的转矩瞬态。
由于时间差，两个DC链路将单独地从发电机侧被充电。这将会具有用于充电的减小的转矩的效应，但是发生两次。然而，应该提到的是，单独的DC链路充电不一定与观测器同步过程相关联。
在多三相发电机系统中，一个通道可以被默认为主机，电压传感器可以被对接(interfaced)到该主机。在减小的转换器(通道)操作的情况下，应保持主从配置，并且电压传感器可能必须在软件实现中被映射到主通道，其中必要时在相移方面进行调节(例如30度(deg))。在无传感器式解决方案的任何组合时，可能存在转矩瞬态的仅一个部分。
图6、7、8图解常规系统的结果。由此，图6中的电压用附图标记56a标记，图7中的转矩用附图标记57a标记，并且设施(plant)的旋转位置用附图标记58a标记，并且第二通道的旋转位置(that of)用附图标记58b标记。与图4相比，如从图7可以理解的，曲线57a的转矩瞬态比正由执行根据本发明的一种实施例的方法引起的曲线48的较小转矩瞬态更明显。
图9示意性地图解根据本发明的另一实施例的控制器。在一个实施例中，图9中图解的控制器56可以替代图1中图解的第一控制部分15_1。根据另一实施例，图9中图解的控制器56可以(全部或部分地)替代图1中图解的第一EMF观测器12_1。
控制器56包括涡轮机控制器57，所述涡轮机控制器57导出发电机同步速度信号58并且将其供应给同步模块59。同步模块59可以与同步模块26_1、26_2类似地被配置。对使用绕组组的感测电压代替或附加地，同步模块59可以从一组霍尔传感器61接收用于发电机的电角度60。涡轮机控制器57可以输出方位角62，所述方位角62也由同步模块59接收并且被转换成用于发电机的电角度。
HFI(高频注入)观测器62a还输出初始角度63，所述初始角度63也由同步模块59接收。基于来自霍尔传感器的所测量的发电机电角度60和/或来自HFI观测器62的初始角度63和/或来自涡轮机控制器57的方位角62，同步模块59导出所估计的绕组电压28。所估计的绕组电压28和电流29由EMF观测器30接收，所述EMF观测器30从中导出转子位置的值13。
除了发电机同步速度之外，涡轮机控制器还测量转子方位角。在一些发电机控制系统的设置(set-up)中，附加设定(additional set)位置传感器可以是可用的，例如霍尔传感器。这些额外信息可能有助于如图9中图解的无电压传感器式同步。
与方程式2相比，用于EMF观测器的所需要的电压可以如下被计算：
其中θ0是初始角度。代替被初始化为0(如方程式2中给出的那样)，在使能同步时，可以从方位角读数或从霍尔传感器测量值或基于凸极的位置观测器(例如HFI)中设置初始角度θ0。通常，方位角对于典型发电机具有分辨率为～0.2机械度，或在电角度中为～15度。
根据应用，方位角可以从涡轮机控制器被传递给发电机控制器，并且可能由通信时延(comms latency)引起额外角度误差，其在典型设置中可能高达40电度。理论上来说，由于通信时延造成的角度误差可以被补偿，但是由于这种时延经常具有大的非确定性内容，所以补偿不会是完整的。如果假设时延具有±50％变化，则角度误差将会处于(-20,20)电度内。因此，所接收的方位角的总误差可以约为35度，据信不在同步时引起许多(much)转矩瞬态，如图15中所示。通过霍尔传感器(例如三个数字霍尔效应传感器)测量电角度有点粗糙，并且精度可以处于(-30,30)度内。由于相当精确的初始角度，因此不再需要电压按比例缩小(voltage scaling-down)，即γ＝1。
典型的凸极(saliency)位置观测器基于高频注入(high frequency injection，HFI)。当发电机是静止的或正以低速运行时，可以暂时地使能该观测器，并且所得到的角度θhfi与来自涡轮机控制器的同步速度ωsync一起可以被使用来提供方程式(4)中的初始角度，所述初始角度将由EMF观测器使用，即
θ0＝θhfi+∫ωsyncdt (5)
图10、11、12图解使用如图9中图解的控制器56的结果。横坐标43和纵坐标44、45、46分别如参考图3、4、5所描述的那样。
图10、11、12图解初始角度中无误差的结果，并且图13、14、15图解初始角度中有30°误差的结果(例如来自霍尔传感器测量值)。
图10中的发电机DC链路电压用附图标记64标记。图11中的转矩用附图标记65图解，并且图12中的转子位置用附图标记66表明。
在图13中，DC链路电压用附图标记67标记，在图14中转矩用附图标记68标记，并且在图15中，转子位置用附图标记69标记。
在图11可以示出，由于使用精确的电压初始角度，在来自无电压传感器式同步的发电机转矩中将几乎不存在瞬态，并且性能与利用有电压传感器式方法的性能非常相似。即使在由于使用霍尔传感器而引起的30度的初始角度误差(图14)的情况下，瞬态转矩与在使用正常无传感器式方法时的瞬态转矩相比被大大降低。
对于电机的启动和低速操作，经常应用HFI(高频注入)用于位置和速度观测，因此HFI观测器(是位置观测器的示例)。该技术依赖于由几何转子凸极或磁饱和凸极引起的电机凸极。
通常应用的方式之一是d轴上的高频脉动正弦电压注入。q轴电流中的所得出的高频分量被用作用于速度和位置观测的反馈，其通过下式与位置角度误差有关：
Iqhf＝k sin(2Δθ) (6)
其中k是取决于高频注入电压幅度和频率以及电机参数、诸如凸极的因子。
图16是与HFI观测器相关联的HFI技术的图解。如果存在角度误差Δθ，则Iqhf的反馈72(根据方程式(6))将会不为零，并且PI调节器70将会采取行动来校正速度估计，直到角度误差达到零。所估计的速度可以被用于通过积分的角度推导。通常，通过模块71的积分在0值处开始，而真实的电机角度可能与此相离甚远。因此，在HFI观测器启动(或同步)时经常存在瞬态，这可能导致电流和转矩等中的干扰。
通过利用所提出的实施例之一，即利用来自例如方位角传感器的外部值、霍尔传感器测量值或来自第一观测器的观测值来设置初始角度θ0，将使HFI观测器与小瞬态同步。
此外，如从上面方程式中注意的，存在180度的模糊度(ambiguity)。这通常通过极性检测的方法来处理。然而，利用所提出的技术，极性检测可以被保存，或者更稳健地运行。
如果驱动系统对转矩瞬态不太容忍，则本发明的实施例可能特别有利。此外，如果期望的话，将允许多个三相发电机同时同步。
应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多个。与不同实施例相关联地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)

1.一种尤其是在位置观测器的同步期间操作同步电机(2)、尤其是多绕组组同步电机(2)的方法，所述同步电机包括具有第一绕组组(5)和尤其是至少一个第二绕组组(6)的定子(4)和转子(3)，所述方法包括：
使用第一位置观测器(12_1)，所述第一位置观测器被配置用以观测所述第一绕组组(5)，以便观测转子位置的第一值(13_1)，尤其是基于所述转子位置的外部初始值进行；
基于第一观测值(13_1)或所述转子位置的外部初始值来同步所述电机(2)。
2.根据前一权利要求所述的方法，其中操作所述电机包括：
基于所述转子位置的第一观测值(13_1)控制第一转换器(11_1)，所述第一转换器连接到所述第一绕组组(5)；
基于所述转子位置的第一观测值(13_1)同步第二转换器(11_2)，所述第二转换器(11_2)连接到所述第二绕组组(6)。
3.根据前一权利要求所述的方法，其中控制所述电机包括：
使用第二位置观测器(12_2)，所述第二位置观测器被配置用以观测所述第二绕组组(6)，以便尤其是独立于所述第一位置观测器来估计所述转子位置的第二观测值(13_2)，从而使用所述转子位置的第一观测值(13_1)作为用于启动的初始第二观测转子位置；
基于所述转子位置的第二观测值(13_2)控制所述第二转换器(11_2)。
4.根据前一权利要求所述的方法，其中所述第二位置观测器(12_2)在第二时间点(52)被启动，所述第二时间点(52)是当在第一时间点(51)尤其是以事件驱动的方式启动所述第一位置观测器(12_1)之后的时间间隔，所述时间间隔尤其是处于0.3s和2s之间，进一步尤其是处于0.7s和2s之间，
该方法尤其是进一步包括：
控制所述第一转换器(11_1)在所述第一时间点(51)启动；
控制所述第二转换器(11_2)不早于所述第二时间点(52)启动。
5.根据前一权利要求所述的方法，其中在所述第二时间点(52)，以下至少之一成立：
所述第一位置观测器同步完成；
所述第一观测器处于运行状态；
由所述第一组绕组能够按需产生转矩；
由所述第一位置观测器观测的转子位置的第一观测值基本上对应于所述转子位置的真实值。
6.根据前述三项权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一位置观测器(12_1)和所述第二位置观测器(12_2)中的一个或每一个包括EMF观测器，所述EMF观测器包括：
同步模块(26_1、26_2)，所述同步模块具有以下至少之一作为输入(27_1)：
所观测的转子速度；
所观测的转子位置；
相应的绕组组控制电压参考，尤其是在dq坐标系中；
用于初始化观测器的转子初始位置；
发电机同步速度；
在有传感器式模式下使用的感测绕组组电压；
来自转子方位角位置、霍尔传感器测量值或HFI无传感器式观测器的发电机电角度；
所述同步模块(26_1、26_2)具有固定α-β坐标系或固定abc坐标系中的所估计的绕组电压作为输出；
观测器模块(30_1、30_2)具有以下至少之一作为输入：
所估计的绕组电压(28_1)，尤其是在固定α-β坐标系或固定abc坐标系中；
所估计/测量的绕组电流(29_1)，尤其是在固定α-β坐标系或固定abc坐标系中；
所述观测器模块(30_1、30_2)至少具有所述转子位置和速度的观测值(13_1、13_2)作为输出。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一位置观测器(12_1)和所述第二位置观测器(12_2)中的一个或每一个包括HFI观测器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述第一位置观测器(12_1)的观测器模块输出的转子位置的第一观测值(13_1)被用作用于所述第二位置观测器(12_2)的同步模块(26_2)的转子初始位置的输入。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少所述第一位置观测器、尤其是EMF观测器(12_1)可以在以下模式下被操作：
无电压传感器式模式，其中所述发电机同步速度和尤其是等于0的预定的初始转子位置被用作同步模块输入，而不供应感测绕组电压作为输入；
有电压传感器式模式，其中仅一个绕组组的感测绕组电压被用作同步模块输入。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少所述第一位置观测器(12_1)能够在以下模式下被操作：
模式，其中从单独的源提供作为同步模块输入的发电机初始角度，所述单独的源尤其是包括以下至少之一：转子方位角位置、霍尔传感器测量结果和HFI无传感器式观测器结果。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中所述第一位置观测器(12_1)在所述无电压传感器式模式或有传感器式模式下被操作，
其中所述第二位置观测器(12_2)在所述无电压传感器式模式下被操作。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转子位置的第一观测值(13_1)和/或所述转子位置的第二观测值(13_2)是所述转子的电位置。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电机(2)是具有恰好一个绕组组或多于一个的绕组组的永磁同步电机。
14.一种用于操作尤其是风力涡轮机的同步电机(2)、尤其是多绕组组同步电机(2)的控制器(10)，所述同步电机包括具有第一绕组组(5)以及尤其是至少一个第二绕组组(6)的定子(4)和转子(3)，所述控制器包括：
第一位置观测器(12_1)，所述第一位置观测器被配置用以观测所述第一绕组组(5)以便观测所述转子位置的第一值(13_1)；
控制部分(14)，所述控制部分被配置用以基于所述转子位置的第一观测值来同步和/或控制所述电机，
所述控制部分尤其是包括：
第二位置观测器(12_2)，所述第二位置观测器被配置用以观测第二绕组组(6)以便观测所述转子位置的第二值(13_1)，从而使用所述转子位置的第一观测值用于启动。
15.一种风力涡轮机(1)，包括：
同步电机(2)、尤其是多绕组组同步电机(2)，所述同步电机包括具有第一绕组组以及尤其是至少一个第二绕组组的定子和转子，所述转子耦合到轮毂，多个转子叶片安装在所述轮毂处；
尤其是连接到所述第一绕组组的第一转换器(11_1)和连接到所述第二绕组组的第二转换器(11_2)；
根据前一权利要求所述的控制器(10)，所述控制器尤其是经由所述第一转换器和所述第二转换器被连接用以控制所述电机。
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