CN1905355A - 使用交流励磁同步发电机的发电装置和其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种发电装置，可以将不具备旋转位置传感器或转速传感器的交流励磁同步发电机在短时间同步投入系统。本发明的发电装置，在交流励磁同步发电机的用于对系统同步投入的二次线圈的励磁开始时，首先以固定频率励磁二次线圈，根据定子侧出现的电压的频率和系统电压频率之间的差值计算转差频率，接着以计算出的转差频率进行励磁，向定子输出与系统频率大致一致的频率的电压投入系统。然后，按照转速变化后情况或相位变化后的情况使相位差为零的方式调整相位。

Description

使用交流励磁同步发电机的发电装置和其控制方法

技术领域

本发明涉及一种使用与功率系统连接的交流励磁同步发电机的风力发电装置。尤其，涉及一种备有无转子位置传感器的电动机的发电装置。

背景技术

使用于风力发电装置的交流励磁同步发电机，通过功率变换器以转差频率励磁转子线圈，可以向定子侧输出与系统频率相同频率的交流电压，可以改变转速且减小功率变换器的容量。

在使用交流励磁同步发电机的系统中，往往功率变换器容量比发电机容量小，此时，发电机转速进入规定的范围内时，需要将发电机与系统同步并网。因此，风力发电装置受风的强弱的影像，导致频繁地进行停止、起动。

使用了交流励磁同步发电机的风力发电系统的起动，将发电机定子与系统连接的开闭器处于打开的状态开始，首先，由风力驱动风车旋转，接着，风车控制装置指令电压同步动作，以使发电机的定子和系统两者间的电压的振幅和相位同步。此时的励磁装置，以根据转子的转速检测器计算出的转子频率与系统频率之间的差频率(转差频率)励磁转子线圈，因此从励磁初期开始定子中生成与系统频率几乎一致的频率。在定子和系统电压的振幅相位同步结束时，关闭所述开闭器，使发电机与系统电连接，从发电机向电力系统供电。

另外，在专利文献1中，公开了备有交流励磁同步发电机的可变速抽水发电机装置的同步并网。

专利文献1：特开2000-308398号公报(图1(0027)段落至(0035)段落的记载)。

上述现有技术中，交流励磁同步发电机不具备旋转位置/转速传感器时，因为在向系统同步投入前不能计算转差频率、即系统频率和旋转频率之差，所以不能并入系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种将不备有旋转位置与转速传感器的交流励磁同步发电机在短期间可同步地投入到系统中的发电装置。

本发明在交流励磁同步发电机用于向系统电压同步投入的二次线圈励磁开始时，以固定频率开始二次线圈的励磁，根据该结果所表现出的与系统频率不同的定子电压的频率和系统电压的频率之差计算转差频率，然后，以转差频率开始励磁，对定子输出与系统频率几乎一致的频率电压，然后在转速变化时或相位不同时以相位差达到零的方式调整相位。

发明效果

本发明的风力发电机控制装置，在交流励磁同步发电机向系统同步投入中在没有位置传感器的情况下，也能进行电压投入。

附图说明：

图1是实施例1的风力发电装置的电路构成的说明图。

图2是实施例1的控制装置CTRL的控制框图。

图3是实施例1的同步控制器SYNC的控制框图。

图4是交流励磁同步发电机的等效电路的说明图。

图5是交流励磁同步发电机的转子电压、定子功率的说明图。

图6是实施例1的励磁控制方式切换的区域的说明图。

图7是实施例1的旋转相位检测器ROTDET的说明图。

图8是实施例1的电压相位同步动作的说明图。

图中符号说明：101-风车，201-积分器，202-乘法器，301、302、303、304-加法器，BR-遮断器，Cd-平滑滤波器，CNV-功率变换器，CTk、CTn、CTr、CTs-电流传感器，CTRL-控制装置，CTT₁、CTT₂-电磁接触器，Gen-二次励磁发电机，INV-功率变换器，PTg、PTs-电压传感器，ROTDET-旋转相位检测器，SYNC-同步控制器。

具体实施方式

以最少的传感器数目、且简单的控制方法实现交流励磁同步发电机在短时间同步投入系统的目的。以下参照附图说明本发明。

图1是表示本实施例的装置构成的单线连接图。首先，对于输出发电功率的电气布线和装置进行说明。发电机Gen是二次励磁型的发电机(交流励磁同步发电机)，发电机Gen的转子通过齿轮等与风力发电用的风车101连接，受到风力作用而转动。发电机Gen的定子侧的3相交流输出，与通过外部信号Sg1可以开闭的例如电磁接触器CTT₁的二次侧连接。另外，电磁接触器CTT₁的一次侧，与电磁接触器CTT₂的一次侧和遮断器BR的二次侧连接。遮断器BR的一次侧与电力系统连接。遮断器BR具备例如电流过大而断开遮断器的遮断电流功能，遮断器BR投入时，对风力发电装置的控制装置提供电源。

另外，电磁接触器CTT₂的二次侧，通过三角连接的电容器Cn和电抗器Ln与功率变换器CNV的交流输出端连接。另一方面，功率变换器CNV的直流输出端通过直流的平滑电容器Cd与功率变换器INV的直流输出端子连接。功率变换器CNV和功率变换器INV使用如功率半导体开关元件(可控硅、GTO、IGBT、MOSFET等)，分别将交流变换为直流或将直流变换为交流。功率变换器INV的交流输出端子通过电抗器Lr和电容器Cr与发电机Gen的二次侧线圈端子连接。

接着，对用于控制发电功率的布线和装置进行说明。遮断器BR的二次侧的3相电压和3相电流分别通过电源传感器PTs、电流传感器CTs将其值变换为低电压的信号Vs、Is输入到控制装置CTRL。另外电磁接触器CTT₁的二次侧，即电磁接触器CTT₁和发电机定子之间的电压和电流分别通过电压传感器PTg和电流传感器CTk变换为低压信号Vg和I₁，输入到控制装置CTRL。电磁变换器CTT₂的二次侧，即电磁接触器CTT₂和功率变换器CNV之间的3相电流，由电力传感器CTn将其值变换为低压的信号In，输入到控制装置CTRL。功率变换器CNV和与功率变换器INV的直流部连接的平滑电容器Cd的电压通过电源传感器变换为低压信号Edc输入到控制装置CTRL。另外，风车控制器WTCTRL具备对控制装置CTRL发送起动、停止等各种指令值，或检测风车的状态的功能。

接着，使用图2和图3说明控制装置CTRL的功能。控制装置CTRL分别使用信号Sg₁、Sg₂控制电磁接触器CTT₁、CTT₂。另外，控制装置CTRL输出脉冲信号Pluse_inv、Pluse_cnv，脉冲信号Pluse_inv、Pluse_cnv驱动控制各个备有功率半导体开关元件的功率变换器INV、CNV。

功率变换器CNV，在发电机Gen通过电磁接触器CTT₁与电力系统连接之前，即从风力发电装置的起动中开始，控制平滑电容器Cd的直流电压Edc为一定。因此，功率变换器CNV实施直流电压控制和系统无功功率零(功率1)控制。这里，功率变换器INV消耗平滑电容器Cd的能量，如果直流电压降低，功率变换器CNV的直流电压控制，以使用交流功率对平滑电容器Cd进行充电将直流电压Edc保持为一定的方式动作。相反，功率变换器INV在对平滑电容器Cd充电直流电压Edc上升时，功率变换器CNV的直流电压控制，以将直流功率变换为交流功率而进行放电，直流电压Edc保持为一定的方式动作。

使用图2，对功率变换器CNV的控制进行说明。交流电压检测值Vs被输入相位检测器THDET和3相2相变换器32trs中。相位检测器THDET用例如相位同步环(PLL：锁相环)的方式计算跟踪系统电压的相位信号THs，将该相位信号THs输出到3相2相坐标变换器32dqtrs和2相3相坐标变换器dq23trs。直流电压指令值Eref和直流电压检测值Edc输入直流电压调节器DCAVR(例如由比例积分控制器构成)。直流电压调节器DCAVR调整输出的d轴电流指令值(有效成分电流指令值)Idnstr，以使被输入的指令值Eref和检测值Edc的偏差为零，并将d轴电流指令值Idnstr输出到电流调节器1-ACR。

3相2相坐标变换器32dqtrs，将被输入的来自电流传感器CTn的信号In，使用(式1)式所示的变换式，计算d轴电流检测值Idn(有效成分电流)和q轴电流检测值Iqn(无效成分电流)，将d轴电流检测值Idn输出到电流调节器1-ACR，将q轴电流检测值Iqn输出到电流调节器2-ACR。

(式1)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Idn}\\ \mathrm{Iqn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THs}\right)& \sin \left(\mathrm{THs}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{THs}\right)& \cos \left(\mathrm{THs}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\·\cos \left(0\right)+\mathrm{Iv}\·\cos (2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{Iw}\·\cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \mathrm{Iu}\·\sin \left(0\right)+\mathrm{Iv}\·\sin (2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{Iw}\·\sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)$

电流调节器1-ACR调整输出的d轴电压指令值Vdn₀以使d轴电流指令值Idnstr和d轴电流检测值Idn的偏差为零，并将d轴电压指令Vdn₀输出到加法器301。同样，电路调节器2-ACR调整输出的q轴电压指令值Vqn₀以使q轴电流指令值(＝0)和q轴电流检测值Iqn的偏差为零，并将q轴电压指令值Vqn₀输出到加法器302。这里，上述电流调节器1-ACR、2-ACR例如可通过比例积分控制器构成。

3相2相变换器32trs使用(式2)所示的变换式根据被输入的来自电压传感器PTs的信号Vs计算α成分Vsα和β成分Vsβ，进而使用(式3)计算d轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位成分)Vds和q轴电压检测值(与上述d轴电压检测值Vds正交的成分)Vqs，分别输出到加法器301、302。

(式2)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vsu}\\ \mathrm{Vsv}\\ \mathrm{Vsw}\end{array}\right)$

(式3)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vds}\\ \mathrm{Vqs}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THs}\right)& \sin \left(\mathrm{THs}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{THs}\right)& \cos \left(\mathrm{THs}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)$

加法器301将d轴电压指令值Vdn₀和q轴电压检测值Vds相加，输出到2相3相坐标变换器dq23trs。同样，加法器302将q轴电压指令值Vqn₀和q轴电压检测值Vqs相加，输出到2相3相坐标变换器dq23trs。2相3相坐标变换器dq23trs，输入相位信号THs和所述各个加法器的结果Vdn、Vqn，通过(式4)和(式5)表示的变换式运算电压指令值Vun、Vvn、Vwn，并输出到PWM运算器PWMn。

(式4)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THs}\right)& -\sin \left(\mathrm{THs}\right)\\ \sin \left(\mathrm{THs}\right)& \cos \left(\mathrm{THs}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vdn}\\ \mathrm{Vqn}\end{array}\right)$

(式5)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vun}\\ \mathrm{Vvn}\\ \mathrm{Vwn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$

PWM运算器PWMn，根据被输入的电压指令Vun、Vvn、Vwn通过脉宽调制(PWM)方式，计算使构成功率变换器CNV的n个功率半导体元件导通/截止的门信号Pluse_cnv，输出到功率变换器CNV。

接着，参照图2对功率变换器INV的控制进行说明。功率变换器PQCAL通过上述(式1)所示的变换检测出检测系统电流的电流传感器CTs输出的信号Is，输入与系统电压的U相矢量同向的d轴电流Ids、与系统电压的U相矢量正交的q轴电流Iqs、上述d轴电压检测值Vds、q轴电压检测值Vqs，根据(式6)计算系统有功功率Ps和无功功率Qs。

(式6)

Ps＝3(Vds×Ids+Vqs×Iqs)

Qs＝3(-Vds×Iqs+Vqs×Ids)

有功功率调节器APR输入有功功率Ps和风力发电装置的输出功率指令Pref，输出使输出功率指令值Pref和上述有功功率Ps之间的偏差为零的有效电流指令值Iq₀。这里，以有效电流指令Pref的例子进行说明，在替代为转矩指令时，在转矩指令中乘以发电机的转速变换为有功功率指令进行控制即可。

无功功率调节器AQR输入无功功率Qs和风力发电装置的输出功率指令Qref，输入使输出功率指令值Qref和上述无功功率Qs之间的差值为零的励磁电流指令值Id₀。这里有功功率调节器APR、无功功率调节器AQR可以由例如比例积分器构成。

上述有功功率调节器APR、无功功率调节器AQR的各自输出的有效电流指令值Iq₀和励磁电流指令值Id₀输入到切换器SW。切换器SW决定使用上述有功功率调节器APR、无功功率调节器AQR的输出或是使用转矩电流指令值为零、励磁电流指令值为电压调节器的输出。这里，切换器SW在电磁接触器CTT₁投入之前，即在发电机定子电压与系统电压同步的电压同步运行时，后者，即例举电流指令值为零，励磁电流指令值使用电压调节器的输出，在电磁接触器CTT₁投入之后，前者，即选择各个功率调节器的输出。

接着，参照图3对电压调节器AVR进行说明。电压调节器AVR，将发电机定子电压Vg的振幅值Vgpk作为反馈值，对检测系统电压的电压传感器PTs所输出的信号Vs的振幅值通过滤波器FIL的值作为指令值Vref输入，将励磁电流指令值Id₁输出到切换器SW，该励磁电流指令值Id₁是将上述发电机定子电压Vg的振幅值和上述指令值Vref的偏差为零的指令值。这里电压调节器AVR可由例如比例积分控制器构成。该电压调节器AVR在电磁接触器CTT₁开状态下动作，使发电机Gen的定子电压的振幅值与系统电压的振幅值一致，因此具有运算从功率变换器INV流入到发电机Gen的二次侧的励磁电流指令值的功能。

3相2相坐标变换器32dqtrs，使用(式7)所示的变换式根据被输入的电流Ir和转子的相位THr，计算d轴电流检测值Idr(励磁电流成分)和q轴电流检测值Iqr(力矩电流成分)，d轴电流检测值Idc输入电流调节器4-ACR、q轴电流检测值Iqr输入到电流调节器3-ACR。

(式7)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Idr}\\ \mathrm{Iqr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THr}\right)& \sin \left(\mathrm{THr}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{THr}\right)& \cos \left(\mathrm{THr}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\·\cos \left(0\right)+\mathrm{Iv}\·\cos (2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{Iw}\·\cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \mathrm{Iu}\·\sin \left(0\right)+\mathrm{Iv}\·\sin (2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{Iw}\·\sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)$

电流调节器4-ACR调整输出的d轴电压指令值Vdr以使d轴电流指令值Id₁或Id₀与d轴电流检测值Idr为零。同样，电流调节器3-ACR调整输出的q轴电压指令值Vqr以使q轴电流指令值Iq₁或Iq₀与q轴电流检测值Iqr为零。这里，电路调节器3-ACR、4-ACR可由如比例积分器构成。

d轴电压指令值Vdr和q轴电压指令值Vqr输入2相3相坐标变换器dq23trs中，2相3相坐标变换器dq23trs根据相位信号THr和上述各个输入值由(式8)和(式9)所示的变换式计算电压指令值Vur、Vvr、Vwr输入到PWM运算器PWMr。

(式8)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THr}\right)& -\sin \left(\mathrm{THr}\right)\\ \sin \left(\mathrm{THr}\right)& \cos \left(\mathrm{THr}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vdr}\\ \mathrm{Vqr}\end{array}\right)$

(式9)

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vur}\\ \mathrm{Vvr}\\ \mathrm{Vwr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$

PWM运算器PWMr根据被输入的电压指令Vur、Vvr、Vwr由脉宽调制(PWM)方式计算门信号Pluse_inv，输出到功率变换器INV，该门信号Pluse_inv是将构成上述功率变换器INV的m个功率半导体元件导通/截止的信号。

接着，参照图3对同步控制器SYNC进行说明。图3所示的同步控制器SYNC输入将系统电压Vs进行3相2相变换而得到的Vα、Vβ和发电机Gen的定子电压Vg的一相、图3中U相电压Vgu。同步控制器SYNC大致具有两种功能，其一是用于运算使定子电压Vg的振幅值与系统电压的振幅值一致的电压指令值的功能；其二，用于计算将定子电压Vg的相位与系统电压的相位一致的相位修正值LTH的功能。图3所示同步控制器SYNC首先与电压振幅值一致，然后以调整电压相位的方式进行动作。

为了同步电压振幅，根据Vα和Vβ二次方和的平方根计算系统电压的振幅值Vspk，对计算后的振幅值Vspk用一阶延迟滤波器FIL等除去波动成分作为电压调节器AVR的电压指令值Vsref使用。在本实施例中，定子电压Vg因为只检测一相所以为了求得U相电压Vgu的振幅值，例如，以系统频率(50/60Hz)下，将一周期间的最大值作为振幅值使用。在电压调节器AVR的反馈值Vgpk中使用，同时在振幅同步判断器CMPPK中也使用。振幅同步判断器CMPPK比较电压指令值Vsref和系统电压的振幅值Vgpk，其差值在某规定值以内时，例如，振幅值Vgpk为电压指令值Vsref的90％～110％，优选95％～105％的值时，将振幅同步标志FLG_VG设置为“1”，除此之外，输出“0”。

同步控制器SYNC的相位同步功能，在振幅同步标志FLG_VG为1的期间，即电压指令值Vsref和系统电压的振幅值Vgpk大致一致时动作。上述系统电压的α项Vα与系统电压的U相一致，所以为使该Vα和定子电压的U相电压Vgu的相位一致，使用该差值。

现在，设系统电压的振幅值Vgpk和定子电压的振幅一致，系统电压的角频率为ω₀定子电压的角频率为ω₁相位差设为dTH、时间设为t时，该差值的绝对值ABSDV用绝对值运算器abs(式10)计算。

(式10)

ABSDV＝Vα-Vgu

     ＝Vgpk×sin(ω₀·t)-Vgpk×sin(ω₁·t+dTH)

这里，励磁相位THr相当于从系统电压的相位THr中减去旋转相位TH的值，因此如果计算旋转相位TH为正所求得的励磁相位THr位置，功率变换器INV用励磁相位THr的相位励磁，定子角频率ω₁几乎和系统电压的角频率ω₀相等。(式10)如果电压振幅一致则在(式11)可以改写。

(式11)

ABSDV＝Vgpk×sin(dTH)         其中，电压振幅一致后

这里，角度变换器，在系统频率的一周期间检测(式11)的最大值，进而，除以系统电压的振幅值Vgpk后再归一化，用(式12)计算相位差运算值DTH并输出。

(式13)

DTH≈dTH                        其中，电压振幅一致后

如此得到的DTH，在电压振幅一致时误差小，但在不一致时存在误差，因此，即使产生误差为了相位同步，判断在系统电压的α项Vα零交叉点时的定子电压的U相电压Vgu的符号，用乘法器202乘以DTH和该符号。乘法器202的输出是相位差，但是该相位差直接作为相位修正值LTH输出时，因为发电机的定子电压的相位急剧变化，所以将相位差检测值DTH经由限制器和积分器201作为相位修正值LTH输出。即，将输出首先用限制器限制，该值通过积分器201进行积分，可防止定子相位骤变。进而同步成功时的积分值可以作为第二次以后的运行时的初始值使用。

图3中检测相位差DTH在以0为中心的规定范围内，例如在+5°～-5°时，相位同步判断器CMPTH输出FLG_TH为“1”除此之外，输出“0”。时限附加器DLY，在相位同步判断器CMPTH的输出FLG_TH连续为“1”等待经过规定的时间后，对图2的系统控制器SYS发送同步信号SYN。系统控制器SYS接收到同步信号SYN时，输出使上述切换器SW和电磁接触器CTT₁动作的信号Sg₀、Sg₁。

使用图4至图7详细说明图2的旋转相位检测器ROTDET。在这些图中，与图1相同的部件付与相同的符号。图4使交流励磁同步发电机Gen的等效电路。该等效电路的电压方程由(式14)、(式15)表示，在发电机的电气频率ωr和系统电压的频率ω₀的发电机转差s中存在(式16)的关系。

(式14)

$\stackrel{\·}{\mathrm{Vg}}=-(R_1+j{\mathrm{\ω}}_o{L}_1){\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{E}}_o$

(式15)

${\stackrel{\·}{E}}_o=\frac{{\stackrel{\·}{V}}^{\′}r}{s}-(\frac{{R^{\′}}_2}{s}+j{\mathrm{\ω}}_o{L^{\′}}_2){\stackrel{\·}{I}}^{\′}r$

(式16)

$s=\frac{{\mathrm{\ω}}_o-\mathrm{\ωr}}{{\mathrm{\ω}}_o}$

在图4和(式14)、(式15)中，记号上标有“·”的表示矢量，标有一撇“’”的表示一次侧换算值。另外，L₁是一次侧漏感，R₁是一次侧电阻，L₂是二次侧漏感，R₂是二次侧电阻，RM无负载损耗电阻，LM励磁电感，E₀是感应电动势，I₀是励磁电流、ω₀输出频率，ωs(＝ω0×s)是转差频率。

(式17)

${\stackrel{\·}{V}}_g=-(R_1+j{\mathrm{\ω}}_o{L}_1){\stackrel{\·}{I}}_1+\frac{{\stackrel{\·}{V}}^{\′}r}{s}-(\frac{{R^{\′}}_2}{s}+j{\mathrm{\ω}}_o{L^{\′}}_2){\stackrel{\·}{I}}^{\′}r$

进而，变形(式17)时，可以如(式18)求得转差s。

(式18)

$s=\frac{{\stackrel{\·}{V}}^{\′}r-{R^{\′}}_2{\stackrel{\·}{I}}^{\′}r}{{\stackrel{\·}{V}}_g+(R_1+j{\mathrm{\ω}}_o{L}_1){\stackrel{\·}{I}}_1+{\mathrm{j\ω}}_o{L^{\′}}_2{\stackrel{\·}{I}}^{\′}r}$

该(式18)的分母的矢量(实轴成分和虚轴成分)和分子的矢量(实轴成分和虚轴成分)一致时，因为求得转差，可以按照分母和分子的矢量的相位误差为零的方式修改现在设定的转差频率ωs，即使没有旋转位置传感器也可以始终运算转差频率ωs。使用该(式18)的转差频率的推测运算以下称为电压矢量方式。

图5中，曲线的横轴表示转速，纵轴表示电压或输出功率。二次励磁发电机中，如图5所示，系统频率和旋转频率一致的同步频率ω₀(转差s＝0)，二次侧的电压为零，即功率变换器CNV的输出端的电压V₂几乎为零，频率控制为零，因此(式18)的分子所示的矢量大小变小，因此，(式18)的分子所示的矢量大小变小，根据发电机常数等的误差转差s的推测容易存在误差难以控制。因此，存在无法进行使用(式18)的矢量作出的相位推测的区域。这时，使用采取了二次侧的有效成分·无效成分电流和一次侧功率的相位误差推测。

一次的有效成分电流I₁d和二次的有效成分电流是有功功率相关成分，二次的有效成分电流的一次换算值Idr’和一次有效成分电流I₁d一致。即用(式19)表示。

(式19)

Idr′＝I₁d

另外，一次的无效成分电流I₁q和二次的无效成分电流是与无功功率相关的成分，从二次的无效成分电流Iqr’中除去励磁成分I₀后的、即相当输出到定子侧的无功功率成分的二次侧电流的一次换算值Iqr₂’与一次无效成分电流I₁q一致。即用(式20)表示。

(式20)

Iqr₂＝Iqr′-I₀＝I₁q

定子电流I₁也可以根据功率变换器CNV的输出电流Ir和系统电流Is由基尔霍夫法则求出。另外，励磁电流I₀是发电机的电气特性之一，根据规范书等提供。另外，一次(定子)的有效成分电流Id₁和定子的有功功率P成比例，一次(定子)的无效成分电流Iq₁和定子无功功率Q成比例，因此(式21)成立。

(式21)

P∝I₁d＝Idr′

Q∝I₁q＝Iqr₂′

因此，P、Q所示的矢量与Idr’、Iqr₂’所示的矢量方向一致。但是，转子的频率推测中存在误差时，求取二次的各d轴、q轴成分的坐标变换的旋转相位存在误差ΔΦ，(式21)不成立。即，转子的相位推测值比实际超前ΔΦ时，成为如(式22)所示。

(式22)

P∝I₁d＝Idr′cos(Δφ)+Iqr₂′sin(Δφ)(≠Idr′)

Q∝I₁q＝Iqr₂′cos(Δφ)+Idr′sin(Δφ)(≠Iqr₂′)

因此，在(式22)中表示的P和Q的矢量与Idr’、Iqr₂’所示的矢量一致，即如(式21)的关系所示，可以修正旋转频率推测值或励磁频率推测值。使用该(式21)(式22)的转差频率的推测运算，以下成为功率矢量方式。该功率矢量方式，在一次的功率小时功率的矢量变小。容易包含误差，因此与使用电压矢量的方式并用覆盖运转区域，该使用电压矢量的方式使用采用上述的发电机常数的(式18)的电压矢量。

图6表示电压矢量方式和功率矢量方式的运行区域。例如，在发电机定子与系统连接的状态下，在图6所示的输出功率小的区域A即同步速度ω₀的输出有效功率P₀的10％以下、优选5％以下，转速在同步速度ω₀的75％以下和同步速度ω₀的125％以上，优选转速在同步速度ω₀的90％以下和同步速度ω₀的110％以上，使用(式18)的电压矢量方式推测发电机的旋转频率，在输出功率大的区域B中使用(式21)、(式22)的功率矢量方式。另外，在同步速度附近输出功率小的区域C中，避免起动或降低输出而停止的动作。根据这些运转方法，在发电机定子与系统连接的状态下，推测发电机旋转频率和转子位置，可以稳定发电。

图7表示实现(式18)的上述电压矢量方式和(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的、旋转相位检测器ROTDET的构成。通过对旋转相位检测器ROTDET输入功率系统电压Vs、一次侧电流I₁、二次侧励磁电压Vr、二次侧电流Ir可以推测转差s。这里，对使用二次侧励磁电压Vr求取转差s的方法进行说明，但是也可以使用功率变换器INV的电压指令值Vur、Vvr、Vwr来代替二次侧励磁电压Vr。

首先，对根据(式18)的上述电压矢量方式的旋转位置推测的推测误差求取方法进行说明。在图7中，在矢量运算器VCTCAL₁，根据由频率运算器FCAL₁求得的系统电压Vs的频率ω₀和发电机的电阻或电感等上述常数，计算(式18)的分母矢量(实轴成分和虚轴成分)。分别在角度运算器THCAL₁、THCAL₂，根据各个矢量计算角度(将实轴设为0度时的矢量的相位)，在减法器305中计算角度差值THERR₁。

接着，对使用(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的旋转位置推测的推测误差求取方法进行说明。在图7中，由功率运算器PQCAL根据系统电压Vs、一次侧电压I₁求取有功功率P、无功功率Q。相位运算器THCAL₃计算有功功率和无功功率的(式23)所示的矢量P+jQ的相位，将功率矢量相位THPQ输出到减法器305。

(式23)

P+jQ

另外，计算从二次电流Ir的有功功率成分一次换算值Idr’、无效电流成分一次换算值Iqr’除去励磁电路成分I₀后的(式24)所示的矢量的相位。将电流矢量相位THI₂输出到减法器305。

(式24)

Idr′+j(Iqr′-I₀)

减法器305，从相位THPQ中减去THI₂，用减法器305计算角度的差值THERR₂。电压矢量的相位误差THERR₁和用功率矢量计算的相位误差THERR₂输入到切换器SWTH。切换器SWTH，如图6的说明中所述，在一次侧的功率大的时候(区域B)选择根据功率矢量计算的相位误差THERR₂，在一次侧的功率小的时候(区域A)，选择电压矢量的相位误差THERR₁。另外，在风车控制器WTCTRL控制功率指令或起动停止时的时间(转速在区域C的范围内不起动停止)等，以使运行状态不进入区域C。

如果角度的差值THERR₁或THERR₂为零，则可以求得正确的转差，因此在比例积分调节器的反馈值中使用上述角度误差THERR将零设定为目标值。因为可以根据上述比例积分调节器的输出可以求出相对于通过上述现设定转差频率ωs的误差值，所以在加法器304中将其与现在设定的转差频率ωs相加。成为修正加法器304的输出的转差频率ωs’后的转差频率，所以通过对其进行积分可以计算相位信号RTH。

相位信号RTH和同步控制器SYNC的输出相位信号LTH用图2中的加法器303相加，成为相位信号TH，相位信号TH与上述相位信号THs一起被输入励磁相位运算器SLDET。上述励磁相位运算器SLDET将上述相位信号TH和THs相加，输出转子的电气角频率的相位信号THr。

图8表示根据图2和图3达到电压同步之前的动作波形。在图8中，运转开始时(时刻t＝0之前)，处于电磁接触器CTT₁打开，只功率变换器CNV动作状态。然后，从时刻t＝0到t＝t₂中，为了进行使系统电压的振幅和相位同步的相位同步的动作，功率变换器INV将励磁电流供给到转子，系统电压和定子电压大致一致，例如，在达到系统电压90％到110％，优选达到95％到105％的定子电压的时刻t＝t₂的时刻，闭合电磁接触器CTT₁。

在电压相位同步开始中，例如以0Hz的固定频率供给励磁电流时，在定子的电压中出现旋转频率。根据定子电压的零交差点等检测频率时，可知转速，因此可以求出用于将定子电压设为与系统的频率相同的50Hz或60Hz的励磁频率。

功率变换器INV以求出的励磁频率供给励磁电流时，定子电压可以达到与系统频率几乎相同的频率，例如95％到105％的范围内的频率。求出励磁频率之后，因为由相位同步检测器将相位差值(图3的DTH₁)与励磁相位相加所以可与系统频率同步。即，最初的励磁频率使用控制装置任意决定的规定值，接着，根据可观测其结果的定子电压的频率求得转速，使定子电压的频率与系统频率一致，大致分为两个阶段动作。相位差大致一致输出同步判断标志SYN时，系统控制器SYS将控制切换信号Sg₀发送到切换器SW，同时，对电磁接触器CTT₁发送闭合指令。

如此，在无旋转位置传感器时，因为不知最初转速，观测励磁开始时的转速来决定初始励磁频率，因此，励磁开始时的励磁频率作为某个任意的固定值(实施例中0Hz)开始运行。由此，即使没有位置传感器也能检测初始的旋转频率，可以以转差频率进行励磁。因此，即使没有旋转位置传感器也可以实现同步投入系统的运转。

另外，不需要交流励磁同步发电机的旋转位置传感器的控制装置，通过避免在其特性上运行难、以同步速度输出功率小的区域进行起动或降低功率停止，作为发电装置可以稳定地运转。在难以停止(上述区域C)时输出指令，特别是在风流发电中转速根据风力变化，因此系统不存在问题。

以上说明了同步投入系统的情况，但是，相反从系统分离时，交流励磁同步发电机以同步速度ω₀以外的转速将电磁接触器CTT₁打开分离(解列)，然后，停止功率变换器INV、CONV的励磁即可。

另外，本实施例中说明风力发电的情况，因为本发明可以将二次励磁型的发电机/电动机与系统连接，因此也适用于调速发电机发电、引擎发电机等各种用途的发电机。

Claims (10)

1、一种发电装置，备有：交流励磁同步发电机；配置在该交流励磁同步发电机定子侧的与系统连接用的开闭机构；与上述交流励磁同步发电机的二次线圈连接的、施加可变频率的交流的励磁机构；控制所述开闭机构和励磁机构的控制机构；检测所述开闭机构的系统侧的电压的机构；检测所述开闭机构的定子侧的电压的机构，其中，

所述控制机构包括，在所述开闭机构打开时，根据自二次侧以规定的频率励磁而产生的定子侧电压的频率、由系统电压检测值求出的系统电压的频率、二次侧的励磁频率来计算发电机的转差频率，使自所述二次侧励磁的频率与计算出的转差频率一致的机构。

2、根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

所述控制机构，将自二次侧的励磁频率以0Hz开始励磁。

3、根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

所述控制机构，包括按照以所述转差频率励磁二次侧而产生的定子的电压的振幅与系统电压的振幅一致的方式改变励磁电流的机构。

4、根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

所述控制机构，包括按照以所述转差频率励磁二次侧而产生的定子的电压的相位与系统电压的相位一致的方式改变励磁频率的机构。

5、根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

所述控制机构，包括在系统电压和定子电压的电压频率、相位、振幅达到规定的范围的值时，闭合所述开闭机构的机构。

6、根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，

所述控制机构包括发电机的转速为与系统同步的同步速度以外时关闭所述开闭机构而与系统连接的机构。

7、一种发电装置，备有：交流励磁同步发电机；配置在该交流励磁同步发电机定子侧的与系统连接用的开闭机构；与上述交流励磁同步发电机的二次线圈连接的、施加可变频率的交流的励磁机构；控制所述开闭机构和励磁机构的控制机构；检测所述开闭机构的系统侧的电压的机构；检测所述开闭机构的定子侧的电压的机构；检测所述交流励磁同步发电机的二次线圈侧的电流的机构；检测所述交流励磁同步发电机的二次线圈侧电压的机构，其中，

所述控制机构包括，在所述开闭机构打开时，输入所述系统侧的电压的检测值、所述定子侧的电流检测值、所述二次线圈侧的电压检测值、所述二次线圈侧的电流的检测值，计算发电机的转差频率的相位检测机构；和使所述交流励磁机构的频率与计算出的转差频率一致的机构。

8、根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于，

所述励磁机构备有：第1功率变换器和第2功率变换器，以及配置在该第1功率变换器的直流侧和第2功率变换器的直流侧之间的电容器。

9、根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于，

所述交流励磁同步发电机的转子用风车驱动。

10、一种发电装置，备有：交流励磁同步发电机；配置在该交流励磁同步发电机定子侧的与系统连接用的开闭机构；与上述交流励磁同步发电机的二次线圈连接的、施加可变频率的交流的励磁机构；控制所述开闭机构和励磁机构的控制机构；检测所述开闭机构的系统侧的电压的机构；检测所述开闭机构的定子侧的电压的机构，其中，

所述控制机构包括，在所述开闭机构断开时，根据自二次侧以规定的频率励磁而产生的定子侧电压的频率、由系统电压检测值求出的系统电压的频率、二次侧的励磁频率计算发电机的转差频率，使自所述二次侧励磁的频率与计算出的转差频率一致进行励磁后闭合所述开闭机构，

在所述发电机的转速达到与系统同步速度不同的速度之后，打开所述开闭机构将所述交流励磁同步发电机自系统分离，停止所述励磁机构的励磁。

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