DE69233343T2

DE69233343T2 - Windkraftanlage mit veränderbarer Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE69233343T2
Application number: DE69233343T
Authority: DE
Inventors: Robert D. San Ramon Richardson; William L. Brentwood Erdman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: EP1432115A3; ES2127216T3; DK0569556T3; DE69228053D1; DE69228053T2; US5083039B1; WO1992014298A1; DE9219171U1; JPH06505618A; EP0884833A1; CA2100672A1; CA2100672C; EP0569556A4; US5225712A; JP3435474B2; DE69233343D1; EP0569556B1; DK0884833T3; EP1432115A2; ES2219807T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Windturbinen, die mit variabler Geschwindigkeit unter wechselnden Windbedingungen arbeiten und betrifft genauer einen Leistungswandler für die Umwandlung von Windenergie in Wechselstrom bei einem kontrollierten Leistungsfaktor und für die Kontrolle der durch die Windturbine erzeugten Drehmomente.
Beschreibung der einschlägigen Technik
Windturbinen bieten eine primäre Quelle für Energie, die in Elektrizität umgewandelt und an Versorgungsenergieverteilernetze geliefert werden kann. Die Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie wird in einer Windturbine durch das Betreiben eines elektrischen Generators, normalerweise eines Wechselstrom-Asynchrongenerators erreicht. Soll die durch eine Windturbine erzeugte elektrische Leistung an ein Versorgungsenergieverteilernetz geliefert werden, ist es notwendig, daß sie eine konstante Frequenz, z.B. 60 Hertz, aufweist, die auf die Frequenz der Versorgungsenergieleitung abgestimmt ist. Dies kann durch den Betrieb des Generators mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit erfolgen, was es notwendig macht, daß sich die Windturbine mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, falls nicht eine Übertragung mit variabler Geschwindigkeit verwendet wird. Unglücklicherweise beschränkt der Betrieb einer Windturbine mit konstanter Geschwindigkeit ihre Energieumwandlungseffizienz aufgrund von variablen Windbedingungen. Für eine optimale Energierückgewinnung muß die Turbinenrotorgeschwindigkeit proportional zur Windgeschwindigkeit sein.
Windturbinen mit variabler Geschwindigkeit wurden als ein Weg zur Erhöhung der Energieumwandlungseffizienz von Windturbinen mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschlagen. Durch das Wechseln der Rotorgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Windbedingungen kann eine verbesserte Energierückgewinnung über einen Windgeschwindigkeitsbereich erreicht werden. Es ist ebenfalls bedeutend, daß die von Windböen verursachten mechanischen Spitzenbelastungen dadurch verringert werden können, daß das durch den Generator auf die Windturbine wirkende Drehmoment beschränkt wird und daß der Windturbine als Reaktion auf Windböen eine Geschwindigkeitszunahme ermöglicht wird. Die erhöhte kinetische Energie des Rotors aufgrund von Windböen dient als Kurzzeit-Energiespeicherungsmedium, um die Energieumwandlung weiter zu verbessern. Ein derartiger Betrieb benötigt jedoch ein reaktionsfähiges Drehmoment-Kontrollsystem.
Obwohl Windturbinen mit variabler Geschwindigkeit von der erhöhten Energieumwandlung und den verringerten Belastungen her gesehen vorteilhaft sind, ist das Stromerzeugungssystem komplizierter als jenes einer Windturbine mit konstanter Geschwindigkeit. Da ein Generator normalerweise durch vorbestimmte Getriebeübersetzungen mit einem Rotor mit variabler Geschwindigkeit gekoppelt ist, weist die durch den Generator erzeugte elektrische Leistung eine variable Frequenz auf. Dies macht eine Umwandlung von einem Wechselstromausgang des Generators mit variabler Frequenz zu einem Wechselstrom mit konstanter Frequenz zur Versorgung des Versorgungsenergieverteilernetzes erforderlich. Die Umwandlung kann entweder direkt durch einen Frequenzumwandler oder durch eine Zwischenumwandlung in Gleichstrom durch einen Gleichrichter und eine Rückumwandlung in Wechselstrom mit fixer Frequenz durch einen Inverter erfolgen.
Ein Beispiel einer vorbekannten Windturbine mit variabler Geschwindigkeit ist in US-A-4,700,081 (Kos et al.) offenbart, wobei die Windturbine eine Geschwindigkeitsverhinderungslogik zur Vermeidung einer kritischen Turbinengeschwindigkeit, die übergroße Schwingungen erzeugen könnte, aufweist. Die Patentschrift offenbart weiterhin die Verwendung eines Frequenzwandlers zur Wandlung eines durch die Windturbine erzeugten Wechselstroms mit variabler Frequenz in einen Wechselstrom mit fester Frequenz zur Versorgung des Versorgungsnetzes. Weiterhin offenbaren PESC'86 17 th Annual IEEE Power Electronics Specialist Confererence, Seite 94 – 501, in einem Artikel von BE.T.OOI et al. „An integrated AC drive system using a controlled-current PWM rectifier/inverter link".
Dokument D1 ( DE 37 27 696 ) offenbaren eine Methode und einen Apparat für einen asynchronen Startbetrieb eines asynchronen Generators, der für Windturbinen verwendet werden kann. Druckschrift D1 behandelt das Problem, daß gewöhnlich zusätzliches Gerät erforderlich ist, um den Rotor eines Generators von einem vollständigen Stop/Niedergeschwindigkeit zu einer Betriebsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Lehre von Druckschrift D 1 versucht, das zusätzliche Gerät zu vermeiden und stellt eine Methode/Apparat vor, um mit im wesentlichen nur dem Gerät des „normalen" Betriebs einen Startbetrieb des Generators zu ermöglichen.
Wie aus Druckschrift D1 ersehen werden kann, basiert die Methode/Apparat von Druckschrift D1 auf einer Anordnung, in der die Rotor-Windungen des Generators G mit einem Wandler DU und die Stator-Windungen des Generators G mit einem Netz N verbunden sind.
Die Methode gemäß Druckschrift D1 enthält die folgenden Schritte:

a) die Stator-Windungen werden vom Versorgungsnetz abgenommen und entweder kurz geschlossen oder mit den Rotor-Windungen zusammengeschlossen (einschließlich einer Vertauschung der Phasensequenz);
b) der Feldwinkel wird berechnet; und
c) basierend auf einem vorbestimmten feld-orientierten Rotor Satzverktor (iL(F)) werden die Kontrollsignale (iL(L)*, uL(L)*) für den Wandler DU gebildet. Während des Startbetriebs des Generators wird der Generator als Motor betrieben.

Dokument D2 (EP-A-0 244 341) offenbart eine Methode zur Kontrolle einer Windturbine, die den Betrieb bei einer kritischen Geschwindigkeit, die anderenfalls exzessive Vibrationen verursachen würden, vermeidet. Die Lehre von Druckschrift D2 basiert auf der Tatsache, daß die von einem anströmenden Windstrom erhältliche kinetische Energie von der Größe der überstrichen Fläche, Dichte und der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit abhängt. Es ist gezeigt worden, daß nicht mehr als 59% der Energie entnommen werden kann und die Fähigkeit einer jeden Windturbine , dieses Maximum zu erreichen, durch den Leistungskoeffizienten Cp gekennzeichnet ist. Der Koeffizient Cp hängt von den aerodynamischen Eigenschaften der jeweiligen Maschine ab, insbesondere dem Rotorblattspitzengeschwindigkeitsverhältnis, das als das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit der Rotorblattspitze zur Geschwindigkeit des anströmenden Windes definiert ist. Wenn dieses Verhältnis als Maschinen Spitzenkoeffizient dadurch erhalten werden kann, daß man die Rotorgeschwindigkeit der Windgeschwindigkeit folgen läßt, so wird die Turbine hocheffizient.
Um das Geschwindigkeitsverhältnis an dem Punkt zu halten, bei dem der Leistungskoeffizient maximiert ist, offenbart Druckschrift D2 ein Windturbinendesign für variable Geschwindigkeiten. Dabei hat ein Wechselstromgenerator einen Generatorrotor-Schaft, der an der Hochgeschwindigkeitsseite eines Getriebegehäuses befestigt ist. Der Turbinenrotor Drehmoment Q_s treibt den Generatorrotor über das Getriebegehäuse an. Der Generator stellt einen Luftspalt-Drehmoment Q_E bereit, der dem über das Getriebe übertragenen Drehmoment des Eingangsturbinenrotors entgegenwirkt. Der Wechselstromgenerator stellt eine variable Wechselstromfrequenz für die Leitung zum Wandler bereit, welche die variable Wechselstromfrequenz in eine feste Wechselstromfrequenz für die Leitung zum Versorgungsnetz wandelt. Eine Kontrolleinheit für die Windturbine für variable Geschwindigkeit reagiert auf die gemessene Geschwindigkeit und Leistungssignale und stellt weiterhin einen Drehmomentsignalbefehl für die Leitung zum Frequenzwandler bereit. Die Kontrolleinheit für die Windturbine für variable Geschwindigkeit enthält eine Liste, die eine funktionale Beziehung zwischen den gemessenen Leistungssignalwerten und entsprechenden Generatorgeschwindigkeits-Referenzbefehlsignalwerten enthält. Auf diesen Informationen basierend bestimmt die Kontrolleinheit für die Windturbine für variable Geschwindigkeit im wesentlichen, wie groß der Generator Luftspalt-Drehmoment sein soll, um eine maximale Effizienz zu erreichen.
Der Strategie des variablen Geschwindigkeitbetriebs folgend ergeben sich jedoch gewisse Geschwindigkeiten innerhalb des Betriebsbereiches, bei der Systemresonanzen passieren. Druckschrift D2 stellt daher eine Methode zur Vermeidung von kritischen Geschwindigkeiten, die unerwünschte Vibrationen in der Windturbine erzeugen, bereit. Die Methode gemäß Druckschrift D2 berücksichtigt dabei sowohl den Wunsch, die Geschwindigkeitsrate mit maximale Effizienz zu erhalten, als auch den Wunsch, die Rate, bei der der Geschwindigkeitsbefehl einer kritischen Geschwindigkeit entspricht, zu vermeiden.
Keine der Druckschriften D1 und D2 offenbaren, weder individuell noch in Kombination, die Verwendung von Mitteln zur Drehmomentsteuerung, um ein Drehmoment-Referenzsignal zu bestimmen, das von Mitteln zur Generatorsteuerung verwendet wird, um die aktiven Schalter des Leistungswandlers der Windturbine mit variabler Geschwindigkeit mittels Mitteln zur Feldorientierung, die den gewünschten Strom in Feldkoordinaten bestimmen, und mittels Mitteln zur Schaltersteuerung zu steuern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Windturbine.
2 ist ein schematisches Dmiagram einer Leistungswandlerschaltung und ein Blockdiagramm und der zugehörigen Kontrollschaltung.
3 ist ein Blockdiagramm des Kontrollsystems, das zur Steuerung des Generator-Drehmoments verwendet wird.
4 ist ein graphisches Diagramm, das die Winkelbeziehungen zwischen fixem Statorkoordinatensystem, rotierendem Rotorkoordinatensystem und rotierendem feldausgerichtetem Koordinatensystem illustriert.
5 ist ein Blockdiagramm einer Generatorkontrolleinheit.
6 ist ein Blockdiagramm eines Feldausrichtungsumwandlers.
7 ist ein Blockdiagramm eines Deltamodulator-Stromreglers.
8 ist ein Blockdiagramm eines Verzerrungsindex-Stromreglers.
9 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausführung des Verzerrungsindex-Stromreglers von 8.
10 ist eine graphische Darstellung der Spannungsvektoren, die sich aus acht möglichen Schalterzuständen des aktiven Gleichrichters ergeben, in α, β-Koordinaten.
11 ist ein Blockdiagramm eines Spannungsreglers.
12 ist ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, das in der Generatorkontrolleinheit verwendet wird.
13 ist ein Blockdiagramm einer Inverterkontrolleinheit der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Blockdiagramm eines Stromreglers, der in der Inverterkontrolleinheit von 13 verwendet wird.
15 ist ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, das in der Inverterkontrolleinheit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 bis 15 der Zeichnungen offenbaren nur zum Zwecke der Erläuterung verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden aus der folgenden Besprechung leicht erkennen, daß andere Ausführungen der hier erläuterten Aufbauten und Verfahren anwendbar sind, ohne von den Prinzipien der, wie beanspruchten, Erfindung abzuweichen.
Die bevorzugte Ausfuhrung der vorliegenden Erfindung ist eine Windturbine mit variabler Geschwindigkeit mit einem Leistungswandler, der Energie mit konstanter Frequenz und hoher Qualitat bei einem einstellbaren Leistungsfaktor an ein Versorgungsnetz liefert. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet die Windturbine 10 einen Turbinenrotor 12 mit verstellbarer Steigung, der durch ein Getriebe 14 mechanisch mit zwei Dreiphasen-Wechselstrom-Asynchrongeneratoren 16 und 18 gekoppelt ist. Das Getriebe 14 beinhaltet eine vorbestimmte hochgeschaltete Getriebeübersetzung, so daß sich die Generatorrotoren mit einem fixen Vielfachen der Geschwindigkeit des Turbinenrotors drehen. Die Generatoren 16 und 18 erzeugen dreiphasige Wechselstromelektrizität bei einer variablen Frequenz, die proportional zur Geschwindigkeit des Turbinenrotors ist. Die durch jeden Generator 16 und 18 erzeugte Elektrizität wird durch Leistungswandler, welche Wirkgleichrichter 20 und 22, Gleichstromspannungsverbindungen 24 und 26, Inverter 28 und 30 und Filter 32 und 34 umfassen, von Wechselstrom mit variabler Frequenz in Wechselstrom mit fixer Frequenz umgewandelt. Die Ausgänge der Filter 32 und 34 werden in einem Transformator 36 vereinigt, dessen Ausgang an das Versorgungsenergieverteilernetz geliefert wird.
In dieser Ausführung wird zwei Generatoren, die sich beide stets drehen, wann immer sich der Turbinenrotor dreht, der Vorzug vor einem Generator gegeben, um unter Verwendung von leicht erhältlichen Generatoren eine Hochkapazitatswindtur bine zu schaffen. Die Erfindung kann natürlich in einer Windturbine mit nur einem Generator oder mehr als zwei Generatoren ausgeführt werden.
Jeder der Generatoren 16 und 18 wird gesondert durch Generatorregler 38 und 40 kontrolliert, die, wie nachstehend erklärt wird, das Drehmoment, welches durch die Generatoren bewirkt wird, durch Kontrolle der Statorströme oder Statorspannungen kontrollieren. Antriebswellengeschwindigkeitssensoren 42 und 44 überwachen die jeweiligen Rotorgeschwindigkeiten der beiden Generatoren und liefern Rotorgeschwindigkeitsinformationen an die Generatorregler 38 und 40 und an eine Drehmomentsteuervorrichtung 46. Die Inverter 28 und 30 werden gesondert durch Inverterregler 50 und 52 geregelt. Ein Leistungsfaktorregler 54 steuert die Inverterregler 50 und 52, um durch Verschiebung des Ausgangsstroms in bezug auf die Ausgangsspannung eine Leistungsfaktorkorrektur zu schaffen.
Die Drehmomentsteuervorrichtung 46 überwacht die Windturbinenleistungsparameter und erzeugt Drehmomentkontrollsignale an die Generatorregler 38 und 40 und Steigungswinkelkontrollsignale an die Steigungssteuerungseinheit 48. Eine Tabelle mit optimalen Werten des Drehmoments, des Steigungswinkels und der Rotorgeschwindigkeit für verschiedene Betriebsbedingungen ist in der Drehmomentsteuervorrichtung 46 gespeichert. Diese Werte sind als eine Funktion einer geschätzten Windgeschwindigkeit gegeben, die durch ein aerodynamisches Modell der Windturbine bestimmt wird, in welche die Rotorgeschwindigkeit von den Geschwindigkeitssensoren 42 und 44, des gemessenen Steigungswinkels von der Steigungssteuerungseinheit 48 und des gemessenen Drehmoments von den Generatorreglern 38 und 40 eingehen. Um die dynamische Stabilitat des Gesamtkontrollsystems zu verbessern, wird ein Geschwindigkeitskontrollsignal verwendet, um die aus der Tabelle gefundenen optimalen Werte für den Steigungswinkel und das Drehmoment anzupassen. Das Geschwindig keitskontrollsignal ist proportional zum Unterschied zwischen der optimalen gewünschten Geschwindigkeit aus der Tabelle und der gemessenen Geschwindigkeit der Geschwindigkeitssensoren 42 und 44. Die Drehmomentsteuervorrichtung 46 bestimmt so die gewünschten Werte des Drehmomentes und des Steigungswinkels beruhend auf den festgestellten Betriebsbedingungen und liefert Drehmoment- und Steigungswinkelkontrollsignale an die Generatorregler 38 und 40 bzw. die Steigungssteuereinheit 48.
Allgemein gesagt, beinhaltet der Leistungswandler für jeden Generator einen Wirkgleichrichter, eine Gleichstromspannungsverbindung, einen Inverter, Filter und zugehörige Kontrollen. Beide Leistungswandler sind identisch, und nur einer wird erklärt. Genauer beinhaltet der Wirkgleichrichter, wie in 2 dargestellt, drei Paare aktiver Schaltereinrichtungen 60, die in einem Brückenkreis zwischen einer positiven Gleichstromschiene 68 und einer negativen Gleichstromschiene 70 der Gleichstromspannungsverbindung 24 und jedem der drei Statorleistungsabnehmer 72 – 74 des Generators 16 angeordnet sind. Jedes Paar von Schalteinrichtungen ist zwischen den Gleichstromschienen 68 und 70 gekoppelt und an einem Zwischenpunkt mit einem der Statorleistungsabnehmer verbunden. Kommutationssignale, die die aktiven Schaltereinrichtungen veranlassen, sich ein und aus zu schalten, stammen von einer Generatorkontrollelnheit 76, die diese Signale durch einen Antriebskreis 78 an die Schalteinrichtungen liefert. Die Generatorkontrolleinheit 76 und der Antriebskreis 78 sind durch optische Isolatoren vom Gleichrichter 20 isoliert, um die Interferenz auf ein MindestmaS zu verringern. Die Kommutationssignale sind für jedes Paar von Schalteinrichtungen komplementär und veranlassen eine Schalteinrichtung jedes Paares, sich einzuschalten, und die andere Schalteinrichtung des Paares, sich auszuschalten, wie es zum Erreichen der gewünschten Statorströme oder -spannungen geeignet ist. Die Schalteinrichtungen 60 des Gleichrichters 20 kontrollieren die Statorströme und – spannungen in den Dreiphasenstatorwicklungen.
Die Schalteinrichtungen 60 des Gleichrichters können jede einer Anzahl verschiedener Arten von aktiven Schaltern sein was bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBT); bipolare Transistoren (BJT), Feldeffekttransistoren, Darlington-Transistoren, Vollsteuergatterthyristoren oder Siliziumgleichrichter beinhaltet. In der bevorzugten Ausführung sind die Schalteinrichtungen 60 des Gleichrichters IGBTs, wobei für jeden in 2 gezeigten IGBT zwei IGBTs parallel verbunden sind, so daß insgesamt zwölf Einrichtungen im Gleichrichter 20 vorhanden sind.
Die Generatorkontrolleinheit 76, die ein Teil des Generatorreglers 38 ist, erhält Sensoreingänge der Statorströme i_s1, i_s2, i_s3 und eine Rotorgeschwindigkeit ω_r, erhält einen Drehmoment-Bezugswert T_ref von der Drehmomentsteuervorrichtung 46 (1) und erzeugt Pulslängenmodulations (PWM)-Kommutationssignale, die sie durch den Antriebskreis 78 an die Gleichrichterschalter 60 liefert. Obwohl 2 die Feststellung aller drei Statorströme zeigt, müssen nur zwei Ströme festgestellt werden, da der dritte aus der Beziehung i_s1 + i_s2 + i_s3 = 0 herausgefunden werden kann. Die Arbeitsweise der Generatorkontrolleinheit 76 wird nachstehend ausführlicher erklärt.
Die Gleichstromspannungsverbindung 24 besteht einfach aus den beiden Schienen 68 und 70 sowie einem zwischen den beiden Schienen verbundenen Energiekondensatorspeicher 80. In der bevorzugten Ausführung, bei der jeder Generator mit 150 Kilowatt bemessen ist, beträgt der Kapazitätswert des Kondensators 80 etwa 15.000 Mikrofarad und die Nominalspannung der Gleichstromverbindung etwa 750 Volt.
Der von den aktiven Schaltereinrichtungen 20 her auf der anderen Seite der Gleichstromspannungsverbindung gelegene Inverter 28 beinhaltet ebenfalls drei Paare von aktiven Schaltereinrichtungen 82, die in einem Brückenkreis zwischen der positiven Gleichstromschiene 68 und der negativen Gleichstromschiene 70 der Gleichstromspannungsverbindung 24 angeordnet sind. Die zwischenpunkte der Paare von aktiven Schaltereinrichtungen 82 bilden drei Ausgangsabnehmer 84 – 86, von denen dreiphasige Elektrizität durch die Filter 32 und die Transformatoren 36 zum Versorgungsnetz fließt. Die Kommutationssignale für die aktiven Schaltereinrichtungen 82 haben ihren Ursprung in einer Inverterkontrolleinheit 88, die die Signale durch einen Antriebskreis 90 an die Schalteinrichtungen liefert. Die Inverterkontrolleinheit 88 und der Antriebskreis 90 sind durch optische Isolatoren vom Inverter 28 isoliert. Die Kommutationssignale sind für jedes Paar von Schalteinrichtungen komplementär und veranlassen zu jeder bestimmten Zeit eine Schalteinrichtung jedes Paares, sich einzuschalten, und die andere Schalteinrichtung des Paares, sich auszuschalten. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Schalteinrichtungen 82 des Inverters 28 aus zwölf IGBTs, die in parallelen Paaren angeordnet sind, wie es bei den Schalteinrichtungen 60 des Gleichrichters der Fall ist.
Die Inverterkontrolleinheit 88, die ein Teil des Inverterreglers 50 ist, erhält Sensoreingaben der Inverterströme i_o1, i_o2, i_o3, Inverterspannungen v_o1, v_o2, v_o3 und eine Gleichstromverbindungsspannung v_dc. Die Inverterströme werden bei den Ausgangsabnehmern festgestellt, während die Inverterspannungen bei den Ausgängen der Filter 32 festgestellt werden und durch Spannungstransformatoren 92 isoliert sind. Die Inverterkontrolleinheit 88 erhält ferner vorn Leistungsfaktorregler 54 ein Leistungsfaktorsignal, ein Blindleistungssignal und ein Betriebsartsignal, die den gewünschten Leistungsfaktor definieren. Als Reaktion erzeugt die Inverterkontrolleinheit 88, wie nachstehend ausführlich erklärt wird, Pulslängenmodulationskommutations signale und liefert diese durch den Antriebskreis 90 an die Inverterschalter 82. Zusätzlich liefert die Inverterkontrolleinheit 88 auch ein Rückkopplungssignal Q_fb an den Leistungsfaktorregler 54, das die durch den Inverter 50 gelieferte Blindleistung angibt.
Der Kontrollaufbau der Windturbine ist in 3 für einen der Generatoren 16 dargestellt. Die Generatorkontrolleinheit 76 beinhaltet einen Feldausrichtungsumwandler 94, der den Drehmoment-Bezugswert T_ref und die Rotorgeschwindigkeit ω_r in feldausgerichtete Kontrollströme i^* _sd und i^* _sq und einen Rotorflußwinkel θ^* _s umwandelt. Diese Kontrollvariablen, die durch Überschreibung mit „*" als Kontrollvariablen ausgewiesen sind, werden zusammen mit den festgestellten Dreiphasenstatorströmen i_s1, i_s2, i_s3 durch einen PWM-Regler 95 verwendet, um die PWM-Kommutationssignale D₁, D₁, D₂, D₂, D₃, D₃ zu erzeugen. Die Bezeichnungen D_n und D_n beziehen sich auf die Basisantriebssignale für die oberen (D_n) und unteren (D_n) Einrichtungen eines Paares von Gleichrichterschaltern 60. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kontrolliert der PWM-Regler 95 statorelektrische Größen, entweder die Statorströme oder die Statorspannungen, überwacht die Statorströme abhängig vom Rotormonitor 97, erzeugt ein Signal, das das tatsächliche Drehmoment T_fb angibt, und führt dieses Signal zurück zur Drehmomentsteuervorrichtung 46.
Die Kontrolle der Generatorströme und -spannungen in Form von Feldkoordinaten ist ein Schlüsselelement der vorliegenden Erfindung. Das elektrische Drehmoment einer Wechselstrom-Asynchronmaschine kann in Form der Stator- und Rotorströme ausgedrückt werden, doch ein solcher Ausdruck ist in einem Drehmomentkontrollsystem schwierig zu verwenden, da die Rotorströme eines Käfigläufergenerators nicht direkt gemessen werden können. Eine Feldausrichtungskontrolle beseitigt diese Schwierigkeit.
Es ist wichtig, zu verstehen, daß der Rotorfluß einer Asynchronmaschine zu jedem Zeitpunkt durch einen radialen Vektor λr mit einer Größe λr und einem Winkel θs dargestellt werden kann. Das Feldausrichtungsprinzip bestimmt den Statorstrom in Form eines sich drehenden d,q-Koordinatensystems, wobei eine direkte Achse (d) mit dem momentanen Rotorflußvektor λr bei einem Winkel θs ausgerichtet ist und eine Querachse (q) senkrecht zum Rotorflußvektor liegt. Dies ist in 4 dargestellt. Der Statorstromvektor i _s kann in eine Komponente i_sd, die sich parallel zum Rotorflußvektor λr befindet, und eine Komponente i_sq, die senkrecht zum Rotorflußvektor liegt, entartet werden. Die Ströme i_sd und i_sq bei einem Winkel θs sind die Feldkoordinatendarstellung des Statorstromvektors.
4 zeigt auch, daß ω_r als die Rotorwinkelgeschwindigkeit und ω_s als die Winkelgeschwindigkeit des Rotorflußvektors definiert sind. Die Maschinenschlupfgeschwindigkeit ω_s1, die die Geschwindigkeit des Statorstromvektors in Bezug auf den Rotor ist, ist der Unterschied zwischen ω_s und ω_r.
Das d,q-Koordinatensystem isoliert oder entkoppelt einen Strom, der das Rotorflußfeld i_sd auf der direkten Achse erzeugt, von einem Strom, der das Drehmoment i_q auf der Querachse erzeugt. Die Definition der Generatorströme in Feldausrichtungskoordinaten erlaubt es der Generatorkontrolleinheit 76, die Drehmomentkontrollanweisungen direkt in einen gewünschten Querachsenstrom i^* _sq umzuwandeln, der dann durch den PWM-Regler 95 dazu verwendet wird, die Drehmomentanweisungen der Drehmomentsteuervorrichtung 46 auszuführen.
Die Kontrolle des Generators auf diese Weise erfordert eine Umformung zwischen stationären Statorkoordinaten und sich drehenden Feldkoordinaten. Die Statorströme in einem ausgeglichenen Dreiphasenkoordinatensystem, wie sie durch die Ströme auf den drei Statorenergieabnehmern 72 – 74 ( 2) dargestellt sind, können durch die Variablen i_s1, i_s2 und i_s3 bezeichnet werden. Die ausgeglichenen Dreiphasenstatorströme entsprechen den Zweiphasenstatorströmen i_sα und i_sβ, die durch die folgende Matrixgleichung definiert werden:
Die Zweiphasenstatorströme i_sα und i_sβ können durch die folgende Umwandlung als eine Funktion des Rotorflußwinkels θ_s in die Feldkoordinatenströme i_sd und i_sq umgeformt werden.
Die Umwandlung von Feldkoordinaten in Zweiphasenkoordinaten wird durch die Umkehrung von Gleichung (2) erreicht, was zu folgendem führt:
Die Umwandlung von Zweiphasen- zu ausgeglichenen Dreiphasenkoordinaten wird durch Umkehrung von Gleichung (1) erreicht:
Darstellungen des Statorstromvektors im sich drehenden d,q-Feldkoordinatensystem, im stationären Zweiphasen-α,β-Koordinatensystem und in stationären ausgeglichenen Dreiphasenkoordinatensystem sind in 4 dargestellt.
Der Aufbau der Generatorkontrolleinheit 76 ist in Form eines Blockdiagramms in 5 gezeigt. Die Generatorkontrolleinheit ist bevorzugt durch einen Digitalsignalprozessor („DSP"), ein Texas Instruments-Modell TMS320C25, ausgeführt. Der Computercode für die Ausführung der Erfindung in einem DSP ist im Mikrofiche-Anhang offenbart.
Praktisch beinhaltet die Generatorkontrolleinheit 76 den Feldausrichtungsumwandler 94, den Drehmomentmonitor 97 und den PWM-Regler 95. In der bevorzugten Ausführung beinhaltet der PWM-Regler 95 einen Stromregler 96, einen Spannungsregler 98 und einen Selektorkreis 100. Diese Bestandteile werden nachstehend ausführlicher erklärt, doch allgemein erzeugt der Feldausrichtungsumwandler 94 Kontrollparameter, die auf der Rotorgeschwindigkeit und den Drehmomentbezugswertsignalen beruhen, der Stromregler 96 oder der Spannungsregler 98 erzeugt PWM-Kommutationssignale für die aktiven Schaltereinrichtungen 60, und der Selektorkreis 100 wählt, welches der PWM-Kommutationssignale an den Antriebskreis 78 auszugeben ist. Der Drehmomentmonitor 97 stellt die tatsächlichen Statorströme i_s1, i_s2, i_s3 fest, wandelt sie unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) in Feldkoordinatenwerte um und berechnet unter Verwendung von Gleichung (8) (siehe nachstehend) ein Drehmomentsignal T_fb zur Rückkopplung an die Drehmomentsteuervorrichtung 46. Der Drehmomentmonitor 97 leitet so das Generatordrehmoment von den gemessenen Strömen ab. Die im DSP der Generatorkontrolleinheit 76 durchgeführten Berechnungen sind digital, was eine A/D-Umwandlung der externen Signale erfordert.
Der Feldausrichtungsumwandler 94, der in 6 dargestellt ist, formt die Drehmomentkontroll- und Rotorflußsignale in Feldkoordinaten um. Unter Verwendung eines gewünschten Direktachsenstroms i^* _sd berechnet der Feldausrichtungsumwandler 94 die gewünschte Größe des Rotorflusses λ^* _r. Der gewünschte flußerzeugende Direktachsenstrom i^* _sd ist eine Funktion des im speziellen verwendeten Generators und kann vorherbestimmt und im DSP gespeichert werden. In der bevorzugten Ausführung wird i^* _sd als konstant angenommen. Alternativ kann i^* _sd verändert werden, um eine Feldschwächungskontrolle zu schaffen, falls dies gewünscht ist. Die Bezeichnung „*" gibt im Gegensatz zu einem tatsächlichen Wert einen durch das Kontrollsystem erzeugten gewünschten Wert an.
Der gewünschte Rotorfluß λ^* _r wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
wobei: λ^* _r = gewünschter Rotorfluß
λ^•* _r = Zeitableitung des gewünschten Rotorflusses
R_r = Rotorwiderstand
L_o = Gegeninduktivität
L_r = Rotoreigeninduktivität.
Im Normalfall kann die Gleichung (5) durch die folgende Rekursivgleichung dargestellt werden:
wobei: λ^* _r(k) = λ^* _r bei Zeit k
λ^* _r(k–1) = λ^* _r bei Zeit k–1
i^* _sd(k–1) = i^* _sd bei Zeit k
Δt = Abtastzeitperiode zwischen Zeit k–1 und Zeit k.
Wenn i^* _sd konstant ist, ist die Zeitableitung λ^•* _r = 0, so daß sich die Gleichung (6) auf λ* r = Loi* sd (7)vereinfacht. Ist erst der Rotorfluß bekannt, kann der Drehmomentbezugswert in Querachsenstrom umgewandelt werden. In Feldkoordinaten ist das durch den Generator wirkende Drehmoment durch
gegeben, wobei: T = Generatordrehmoment
P = Anzahl der Generatorpole
i_sq = Querachsenstrom.
Die Lösung der Gleichung (8) für i_sq liefert den folgenden Ausdruck für den gewünschten drehmomenterzeugenden Querachsenstrom als eine Funktion des Drehmomentbezugswertes, der durch die Drehmomentsteuervorrichtung 46, geliefert wird:
wobei T_ref das durch die Drehmomentsteuervorrichtung 46 an die Generatorkontrolleinheit gelieferte Drehmomentbezugswertsignal ist.
Wurden erst der gewünschte Rotorkraftfluß λ^* _r und der gewünschte Querachsenstrom i^* _sq bestimmt, kann der gewünschte Rotorflußwinkel θ^* _s zu einem bestimmten Zeitpunkt gefunden werden. Dies wird durch Lösung der folgenden Gleichungen erreicht:
ω* s = ωr + ω* s1 (11) θ* s = ∫ω* s dt , o ≤ θ* s ≤ 2π (12)wobei: ω^* _s1 = gewünschte Maschinenschlupfgeschwindigkeit
ω^* _s = gewünschte Rotorflußgeschwindigkeit
ω_r = tatsächliche Rotorgeschwindigkeit
θ^* _s = gewünschter momentaner Rotorfluß winkel.
Die Maschinenschlupfgeschwindigkeit ω^* _s1 wird unter Verwendung von Gleichung (10) aus den berechneten Werten des gewünschten Rotorflusses λ^* _r und des gewünschten Querachsenstroms i^* _sq erhalten. Die gemessene Rotorgeschwindigkeit ω_r wird dann zur Maschinenschlupfgeschwindigkeit ω^* _s1 hinzugefügt, um gemäß Gleichung (11) die gewünschte Rotorflußgeschwindigkeit ω^* _s zu erhalten. Die gewünschte Rotorflußgeschwindigkeit ω^* _s wird dann Modulo 2π integriert, um den gewünschten augenblicklichen Rotorflußwinkel θ^* _s zu erhalten.
Die berechneten werte für die gewünschten feldausgerichteten Ströme i^* _sd und i^* _sq den Rotorfluß λ^* _r, die Rotorflußgeschwindigkeit ω^* _s und den Rotorflußwinkel θ^* _s sind für die Strom- und Spannungsregler 96 und 98 (5) zur Bestimmung der PWM-Kommutationssignale verfügbar. Die Umformung der gewünschten Statorströme von Feldkoordinaten in stationäre Zweiphasen-α,β-Koordinaten oder ausgeglichene Dreiphasenkoordinaten kann, falls dies durch den PWM-Regler verlangt wird, entweder im Feldausrichtungsumwandler oder im PWM-Regler erfolgen. Hier wird angenommen, daß die Umformungen außerhalb des Feldausrichtungsumwandlers 94 erfolgen.
Als Reaktion auf die durch den Feldausrichtungsumwandler 94 berechneten Werte bestimmt entweder der Stromregler 96 oder der Spannungsregler 98, je nachdem, welcher ausgewählt wurde, die Schalterzustände für die aktiven Schaltereinrichtungen (5). Der Stromregler 96 erzeugt PWM-Kommutationssignale durch Auswahl eines Schalterzustandes, der die Statorströme veranlaßt, sich den gewünschten, durch den Feldausrichtungsumwandler definierten Strömen anzunähern. Der Spannungsregler 98 erzeugt PWM-Kommutationssignale durch Umwandlung der gewünschten feldausgerichteten Ströme in gewünschte feldausgerichtete Spannungen, Umformung dieser Spannungen in Statorkoordinaten und Auswahl des passenden Schalterzustandes zum Erhalt der gewünschten Statorspannungen.
Ein einfaches Verfahren der Stromkontrolle, ein Deltamodulator-Stromregler, ist in 7 dargestellt. Der Deltamodulator-Stromregler wandelt die gewünschten feldausgerichteten Ströme in stationäre Zweiphasenstatorkoordinaten und dann in Dreiphasenstatorkoordinaten um, um gewünschte Dreiphasenstatorströme i^* _s1, i^* _s2, i^* _s3 zu erzeugen.
Die Umformung der gewünschten Ströme von Drehfeldkoordinaten in stationäre Zweiphasen-α,β-Koordinaten wird durch Gleichung (3) erreicht, die auf nachstehendes aufgelöst wird: i* sα = i* sdcosθ* s – i* sqsinθ* s (13) i* sβ = i* sdsinθ* s + i* sqcosθ* s (14)
Die gewünschten Statorströme werden dann unter Verwendung von Gleichung (4) in Dreiphasenkoordinaten umgeformt.
Nach der Umwandlung der gewünschten Statorströme von Feldkoordinaten in Dreiphasenkoordinaten vergleicht der Deltamodulator-Stromregler dann unter Verwendung von Vergleichs- und Halteeinrichtungen 102 periodisch jeden gewünschten Statorstrom i^* _s1, i^* _s2, i^* _s3 mit dem entsprechenden tatsächlichen Statorstrom i_s1, i_s2, i_s3. Ist der gewünschte Statorstrom für eine Phase größer als der tatsächliche Statorstrom, so wird die obere Schalteinrichtung eingeschaltet und die untere Schalteinrichtung ausgeschaltet, andernfalls wird die obere Einrichtung eingeschaltet. und die untere Einrichtung ausgeschaltet. Die Vergleichs- und Halteeinrichtungen 102 stellen die PWM-Signale D₁, D₁, D₂, D₂, D₃, D₃, um die gewünschte Umschaltung auszuführen. Der so gewählte Schalterzustand bleibt aufrecht, bis die nächste Abtastperiode erfolgt, bei der die Vergleiche mit aktualisierten tatsächlichen und gewünschten Werten erfolgen.
Ein anderes Verfahren der Stromkontrolle, eines, das einen Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß verringert, ist in 8 – 10 dargestellt. Dieses Verfahren erzeugt PWM-Signale durch periodische Minimierung eines direkt in Beziehung zu einem Gesamtklirrfaktor (THD) stehenden Verzerrungsindex. Verglichen mit dem Deltamodulator-Stromregler oder mit einem linearen Regler mit Dreieckskreuzung ist dieses Verfahren vorzuziehen, da der THD bei vergleichbaren Frequenzen niedriger ist, während weniger Umschaltvorgänge erforderlich sind und folglich der Energieverlust aufgrund des Umschaltens geringer ist. Der auf ein Mindestmaß verringerte Verzerrungsindex kann als die Summe der Quadrate der Stromabweichungen definiert werden: J1 = (i* s1 – is1)2 + (i* s2 – is2)2 + (i* s3 – is3)2 (15)wobei i^* _s1, i^* _s2, i^* _s3 die gewünschten Dreiphasenstatorströme und i_s1, i_s2, i_s3 die tatsächlichen Dreiphasenstatorströme sind. Alternativ kann der Verzerrungsindex als die Summe der absoluten Werte der Stromabweichungen definiert werden. J2 = |i* s1 – is1| + |i* s2 – is2| + |i* s3 – is3| (16)
Die Verringerung des Verzerrungsindex J auf ein Mindestmaß umfaßt die Bestimmung, welcher von acht möglichen Schalterzuständen der Gleichrichterschalter tatsächliche Statorströme erzeugt, deren Wert am nächsten. zu den gewünschten Statorströmen liegt. Ein Weg, um dieses zu erreichen, wird in 8 gezeigt. Umschaltentscheidungen erfolgen periodisch und beruhen auf den jüngsten gemessenen Statorströmen. Die tatsächlichen Statorströme i_s1(k), i_s2(k) und i_s3(k) werden zu einer Zeit k gemessen, und eine Projektion der Statorströme i_s1(k+1), i_s2(k+1) und i_s3(k+1) zum nächsten Zeitintervall erfolgt für jeden möglichen Schalterzustand. Da es für jeden der drei Schalterpaare zwei mögliche Schalterstellungen gibt, gibt es acht (2³) mögliche Schalterzustände für die Gleichrichterschalter. Die projizierten Statorströme i_s1(k+1), i_s2(k+1) und i_s3(k+1) werden durch Gestaltung des Generators und des Gleichrichters gemäß der folgenden, von einem vereinfachten Modell abgeleiteten Gleichung erhalten:
wobei V = Spannungsvektor, der sich aus einem besonderen Schalterzustand ergibt E = elektromotorischer Kraftvektor des Generators
i _s = Statorstromvektor.
Die Auswertung der Ableitung über ein diskretes Zeitintervall Δt ergibt für die projizierten Ströme:
Die projizierten Statorströme können so durch Auswertung der Gleichung (18) unter Verwendung des Spannungsvektors, der sich aus diesem Schalterzustand ergeben würde, erhalten werden.
Nachdem die projizierten Statorströme erhalten wurden, kann der Verzerrungsindex J durch Gleichung (15) oder (16) für jeden möglichen Schalterzustand berechnet werden. Der Schalterzustand, der den geringsten Wert für J ergibt, ist der Ausgang an den Selektor 100.
Während das oben beschriebene Verfahren einen Schalterzustand definiert, der den Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß verringert, ist ein anderes äquivalentes Verfahren aufgrund seiner verringerten Gesamtberechnungen vorzuziehen. Das alternative Verfahren der Berechnung des Schalterzustandes, der den Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß verringert, ist in 9 und 10 dargestellt. Dieses Verfahren wandelt den gewünschten Statorstromvektor in einen äquivalenten gewünschten Spannungsvektor um und findet dann den Schalterzustand, der den gewünschten Spannungsvektor am nächsten annähern würde. Dieses Verfahren verringert tatsächlich einen im α,β-Koordinatensystem definierten äquivalenten Verzerrungsindex in Bezug auf die Spannungsabweichung: J3 = (v* sα – vsα)2 + (v* sβ – vsβ)2 (19)oder J4 = |v* sα – vsα| + |v* sβ – vsβ| (20)wobei: v^* _sα = gewünschte α-Achsen-Spannung
v^* _sβ = gewünschte β-Achsen-Spannung
v_sα = tatsächliche α-Achsen-Spannung
v_sβ = tatsächliche β-Achsen-Spannung.
Es kann gezeigt werden, daß die Verringerung der Spannungsdifferenzen der Gleichungen (19) und (20) auf ein Mindest maß äquivalent zu einer Verringerung der Stromdifferenzen der Gleichungen (15) und (16) auf ein Mindestmaß ist, da die Verzerrungsindizes nur um konstante oder proportionale Faktoren abweichen. Aufgrund dieser Äquivalenz kontrolliert eine Verringerung des durch die Gleichungen (19) und (20) definierten Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß die Statorströme, selbst wenn die gewünschten Ströme zur Auswertung des Verzerrungsindex in gewünschte Spannungen umgewandelt sind.
Wie in 9 gezeigt ist, werden die Berechnungen unter Verwendung des Zweiphasen-α,β-Koordinatensystems anstelle des Dreiphasenkoordinatensystems ausgeführt, um einige überflüssige Berechnungsschritte zu beseitigen. Die gemessenen Dreiphasenstatorströme i_s1, i_s2 und i_s3 werden unter Verwendung von Gleichung (1) in das Zweiphasen-α,β-Koordinatensystem umgewandelt. Die gewünschten Feldkoordinatenströme i^* _sd und i^* _sq, wie sie vom Feldausrichtungsumwandler 94 (5) erhalten werden, werden unter Verwendung von Gleichung (3) in gewünschte α,β-Statorströme zu einer Zeit (k), i^* _sα(k) und i^* _sβ(k), umgewandelt. Diese Werte werden unter Verwendung der Formeln i* sα(k+1) = 2i* sα(k) – i* sα(k–1) (21) i* sβ(k+1) = 2i* sβ(k) – i* sβ(k–1) (22)vorwärts in die Zeit projiziert. Die elektromotorische Kraft des Generators in α,β-Koordinaten wird durch
bewertet. Die gewünschten Spannungen in α,β-Koordinaten, v_sα, v_sβ, werden durch das Generatormodell von Gleichung (17) bewertet, das die folgenden Gleichungen definiert:
Anstelle des Lösens von Gleichung (19) oder (20) für jenen möglichen Schalterzustand werden als nächstes die gewünschten α- und β-Achsenspannungen v^* _sα und v^* _sβ mit der begrenzten Anzahl von Spannungsvektoren, die sich aus den acht möglichen Schalterzuständen ergeben könnten, verglichen. Diese in 10 gezeigten Spannungsvektoren haben eine Größe von entweder Null oder der Gleichstromverbindungsspannung v_dc und sind mit den s₁-, s₂- und s₃-Achsen ausgerichtet. Die Spannungsvektoren werden entsprechend der folgenden Tabelle definiert:
Da die Zustände 0 und 7 dieselbe Nullspannung definieren, gibt es sieben mögliche Statorspannungen, die sich aus den acht möglichen Schalterstellungen der aktiven Schaltereinrichtungen des Gleichrichters ergeben könnten.
Die Verringerung des Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß wird erreicht, indem herausgefunden wird, welcher Statorspannungsvektor am nächsten am durch v^* _sα und v^* _sβ definierten gewünschten Spannungsvektor liegt. Graphisch kann der α,β-Koordinatenraum in sieben Bereiche geteilt werden, einen Innenkreis 104 mit einem Radius von v_dc/2 und sechs 60°-Sektoren 106 – 111 mit einem Außenradius von v_dc, die den Innenkreis umgeben, wobei jeder Sektor einen am Außenradius davon zentrierten Schalterzustand aufweist.
Für die Bestimmung des am nächsten liegenden Spannungsvektors wird herausgefunden, in welchen Bereich der gewünschte Spannungsvektor fällt. Dazu wird die Größe des gewünschten Spannungsvektors zuerst mit v_dc/2 verglichen, um zu bestimmen, ob der gewünschte Spannungsvektor in den Innenkreis 104 fällt. Ist die Größe des gewünschten Spannungsvektors geringer als die Hälfte von v_dc, ist der gewünschte Schalterzustand 0 oder 7. Die Auswahl zwischen Zustand 0 und Zustand 7 erfolgt durch Auswahl des Zustandes, der die geringste Anzahl von Schaltungen benötigt, um den Zustand von der vorhergehenden Schalterstellung zu ändern.
Übersteigt die Größenordnung des gewünschten Spannungsvektors v_dc/2, so werden als nächstes die Vorzeichen von v^* _sα und v^* _sβ untersucht, um zu bestimmen, in welchen Quadranten der Spannungsvektor fällt. Ist das Vorzeichen von v^* _sα positiv, so sind die Zustände 1, 2 oder 6 Anwärter, ist es negativ, die Zustände 3, 4 oder 5. Sind z.B. sowohl v^* _sα und v^* _sβ positiv, ist der am nächsten liegende Spannungsvektor entweder Zustand 1 oder Zustand 2. Sind v^* _sα und v^* _sβ positiv, so liegt Zustand 1 am nächsten, wenn v^* _sα > √3v^* _sβ ist, ansonsten liegt Zustand 2 am nächsten. Dies ist so, weil eine Trennungslinie 112 zwischen Sektor 106 von Zustand 1 und Sektor 107 von Zustand 2 um 30° zur α-Achse geneigt ist und weil
Das Auswählen zwischen den Zustanden 3 und 4, 4 und 5 und 1 und 6 in den anderen Quadranten erfolgt auf dieselbe Weise. Ist einmal der am nächsten liegende Spannungsvektor gefunden, wird, der diesem Spannungsvektor zugehörige Schalterzustand an den Selektor 100 ausgegeben.
Um wieder auf 5 Bezug zu nehmen, erfolgt der Betrieb mit dem Stromregler 96, der die PWM-Kommutationssignale erzeugt, bei relativ geringen Geschwindigkeiten, wobei die Gleichstromverbindung eine wesentliche Spitzenspannung anbietet. In dieser Situation hält der Stromregler 96 die Statorströme in enger Übereinstimmung mit den gewünschten Statorstromwerten. Dieser Betrieb führt wirksam zu Stromquellen für die Statorwicklungen, was es dem Stromregler ermöglicht, die Statorspannungen zu ignorieren.
Bei höheren Geschwindigkeiten jedoch, wo die elektromotorische Kraft sich der Spannung der Gleichstromspannungsverbindung annähert, können die Statorspannungen nicht länger ignoriert werden. In diesem Betriebsbereich zieht der Spannungsregler 98 die Statorspannungen in Betracht.
Der Selektor 100 stellt die Rotorgeschwindigkeit ω_r fest und wählt den Spannungsregler 98 anstelle des Stromreglers 96, wenn die Rotorgeschwindigkeit einen vorherbestimmten Wert überschreitet. Dieser Wert kann empirisch durch Beobachtung der Verzerrung der Stromwellenform während des Betriebs des Stromreglers bei verschiedenen Geschwindigkeiten bestimmt werden. In der bevorzugten Ausführung, die einen vierpoligen Käfigläufergenerator mit einer Synchrondrehzahl von 1800 U/min verwendet und bei einer Nominalspannung von 750 Volt arbeitet, liegt der Umschaltpunkt bei etwa 1780 U/min. Bevorzugt wird eine gewisse Hysterese in den Umschaltpunkt des Selektors 100 eingefügt, so daß geringe Schwankungen der Rotorgeschwindigkeit um den Umschaltpunkt kein wiederholtes Umschalten zwischen der Stromkontrolle und der Spannungskontrolle verursachen. Als Alternative oder zusätzlich zur Überwachung der Rotorgeschwindigkeit können die Gleichstromverbindungsspannung und die elektromotorische Kraft des Generators überwacht werden, um zu bestimmen, an welchem Punkt zwischen der Stromkontrolle und der Spannungskontrolle umzuschalten ist. In der bevorzugten Ausführung ist eine Überwachung der Gleichstromverbindungsspannung nicht notwendig, da die Inverterkontrolleinheit 88 diese Spannung bei einem ziemlich konstanten Wert hält.
Wie der Stromregler 96 erzeugt auch der Spannungsregler 98 periodisch eine Serie von PWM-Kommutationssignalen, um die Wirkschalter des Gleichrichters ein- und auszuschalten. Der Spannungsregler überwacht das gewünschte und tatsächliche Drehmoment und den gewünschten und tatsächlichen Fluß, wie sie durch die feldausgerichteten Ströme i^* _sd und i^* _sq definiert sind, komensiert die Statorspannungen und erzeugt feldausgerichtete Kontrollspannungen v^* _sd und v^* _sq, die verwendet werden, um die Kommutationssignale zu erzeugen.
Die Statorspannungen in Feldkoordinaten sind durch die folgenden Gleichungen definiert:

wobei: σ = gesamter oder globaler Streufaktor
L_s = Statorinduktivität
R_s = Statorwiderstand.
Die letzten beiden Glieder auf den rechten Seiten der Gleichungen (28) und (29) sind Kopplungsglieder, für die ein Ausgleich erforderlich ist, um eine Kreuzkopplung zwi- schen den direkten und den Querachsen zu beseitigen. Das Ziel ist, v^* _sd als eine Funktion von i^* _sd und i^* _sq als eine Funktion von i^* _sq zu erzeugen. Eine Beseitigung der Kreuzkopplungsglieder erlaubt es v^* _sd, den Rotorfluß und v^* _sq, das Drehmoment zu kontrollieren.
Der Arbeitsvorgang des Spannungsreglers 98 ist in 11 gezeigt. Die tatsächlichen Dreiphasenstatorströme i_s1, i_s2 und i_s3 sind durch die Gleichungen (1) und (2) in feldausgerichtete Koordinaten umgewandelt. Die gewünschte Spannung auf der Querachse, v^* _sq, wird erzeugt, indem zuerst der tatsächliche Querstrom i_sq vom gewünschten Querstrom i^* _sq abgezogen wird und dann das Ergebnis durch einen Proportional-Integral (PI)-Regler 114 läuft, um v^' _sq zu erzeugen, das ein Maß der Querachsenstromabweichung ist. Der PI-Regler liefert einen proportional/integralen Ausgang der Form: v' sq = kp(i* sq – isq) + ki∫(i* sq – isq)dt (30)wobei k_p und k_i Koeffizienten sind, die gewählt wurden, um hinreichende Stabilität zu schaffen. Die Gleichung (30) kann durch folgenden Ausdruck in diskreter Zeit ausgewertet werden: v' sq(k) = v' sq(k–1) + (kp + Δtki) (i* sq(k) – isq(k)) – kp(i* sq(k–1) – isq(k–1)) (31)
Der Wert von v^* _sq wird dann durch Addition eines Entkopplungsfaktors, der aus den beiden Spannungskopplungsgliedern auf der rechten Seite der Gleichung (29) besteht, ausgeglichen, was zu v^* _sq wie folgt führt
Gleichermaßen wird die gewünschte Spannung auf der direkten Achse, v^* _sd, erzeugt, indem zuerst der durch die Gegeninduktivität geteilte Rotorfluß, λ^* _r/L_o, vom gewünschten Direktachsenstrom i^* _sd abgezogen wird. Das Ergebnis wird dann in einen anderen PI-Regler 116 eingegeben, der v^' _sd als ein Maß der Direktachsenstromabweichung erzeugt. Der PI-Regler 116 entspricht dem PI-Regler 114 für die Querkomponente. Der Wert von v^' _sd wird dann ausgeglichen, indem ein aus den beiden Spannungskopplungsgliedern auf der rechten Seite von Gleichung (28) bestehender Entkopplungsfaktor addiert wird, was zu v^* _sd wie folgt führt
Sind die gewünschten Feldkoordinatenspannungen v^* _sd und v^* _sq erst einmal erzeugt, werden sie durch die Gleichungen (3) und (4) in Dreiphasenstatorspannungen umgeformt, was zu v^* _s1, v^* _s2 und v^* _s3 führt . Diese Bezugsspannungen werden durch eine Dreiecksträgerwelle moduliert, um die PWM-Kommutationssignale D₁, D₁, D₂, D₂, D₃ und D₃ zu erzeugen, die zum Selektor 100 (5) gesendet werden. In der bevorzugten Ausführung weist die Dreiecksträgerwelle eine Frequenz von etwa 8 kHz auf, während die Vergleiche zwischen den Bezugsspannungen und der Trägerwelle kontinuierlich oder bei einer Rate von viel mehr als 8 kHz durchgeführt werden.
12 veranschaulicht, wie ein Computerprogramm zur Ausführung im Digitalsignalprozessor der Generatorkontrolleinheit aufgebaut ist. Das Programm besteht hauptsächlich aus einer Hauptschleife und einem Unterbrechungsprogramm. Die Hauptschleife initialisiert die notwendigen Variablen und führt dann die Schleife durch, bis sie unterbrochen wird, was periodisch, bei der bevorzugten Ausführung bei etwa 8 kHz, eintritt. Das Unterbrechungsprogramm führt die zur Erzeugung der PWM-Kommutationssignale notwendigen Berechnungen durch und aktualisiert dann die Kontrollvariablen. Bei Unterbrechung liest das Unterbrechungsprogramm erst die Statorströme und führt dann den Code entweder des Stromreglers oder des Spannungsreglers zur Erzeugung und Ausgabe der passenden Schalterzustände aus. Das Unterbrechungsprogramm liest dann einen Wert für den Drehmoment-Bezugswert T_ref und aktualisiert den entsprechenden Wert des gewünschten Querachsenstroms i^* _sq. Dann liest das Programm den Geschwindigkeitssensor und berechnet einen neuen Wert für die Rotorgeschwindigkeit ω_r. Das Programm aktualisiert den Wert für den gewünschten Rotorfluß λ^* _r und den gewünschten momentanen Rotorflußwinkel θ^* _s. Dann kehrt das Unterbrechungsprogramm zur Hauptschleife zurück, die bis zur nächsten periodischen Unterbrechung wartet, bei der die aktualisierten Werte zur Berechnung der Schalterzustände verwendet werden. Alle in den Berechnungen verwendeten Konstanten sind im Voraus berechnet, und die Ausdrücke sind so angeordnet, daß eine Teilung, die in einem DSP relativ langsam vor sich geht, vermieden wird. Die im Computerprogramm ausgeführten Schritte können in einer anderen als der in 12 gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden, doch es ist wichtig, die Schalterzustände nach dem Lesen der tatsächlichen Statorströme so rasch als möglich zu berechnen und auszugeben.
Wendet man sich nun der Inverterseite des Windturbinensystems zu, so sind die Einzelheiten der Inverterkontrolleinheit 88 in 13 – 15 gezeigt. Wie die Generatorkon trolleinheit 76 ist die Inverterkontrolleinheit bevorzugt durch einen Digitalsignalprozessor, ein Texas Instruments-Modell TMS320C25, ausgeführt. Der Computercode für die Ausführung der Inverterkontrollfunktion in einem DSP ist im Mikrofiche-Anhang offenbart.
Die Inverterkontrolleinheit kontrolliert die Inverterschaltmatrix, um mit einem regulierbaren Leistungsfaktor und geringem Gesamtklirrfaktor (THD) an das Versorgungsenergieverteilernetz zu liefern. Der Inverter und seine Kontrolleinheit können Blindleistung liefern oder aufnehmen, wie es bei der Regulierung des Phasenunterschieds zwischen der Ausgangsspannung und dem Strom notwendig ist. Ein geringer Gesamtklirrfaktor wird auf dieselbe Weise wie im Stromregler der Generatorkontrolleinheit durch periodische Verringerung eines Verzerrungsindex auf ein Mindestmaß erreicht. Zusätzlich kontrolliert die Inverterkontrolleinheit auch die Spannung der Gleichstromspannungsverbindung, um sie bei einem gewünschten Wert zu halten.
Wie in 13 gezeigt, verwendet die Inverterkontrolleinheit die Ausgangsspannung als Sinuswellenformbezug, dreht die Bezugswellenform um einen bestimmten Phasenwinkel, um eine gedrehte Bezugswellenform oder ein „Muster" zu erzeugen, und multipliziert dann die Musterwellenform mit einem von der Gleichstromverbindungsspannung v_dc abgeleiteten Faktor I_ref, um eine gewünschte Stromwellenform zu erzeugen. Die tatsächlichen Ströme werden mit den gewünschten Strömen verglichen, um die PWM-Kommutationssignale für die Inverterschalter zu erzeugen. Alle Berechnungen der Inverterkontrolleinheit werden periodisch durchgeführt. In der bevorzugten Ausführung wiederholt der DSP seine Berechungen alle 125 Mikrosekunden, was einem Wert von 8 kHz gleicht.
Der Multiplikationsfaktor I_ref wird wie folgt berechnet. Die gemessene Gleichstromverbindungsspannung v_dc wird von einem gewünschten Wert der Gleichstromverbindungsspannung v^* _dc abgezogen, um eine Abweichung zu erzeugen, die dann in einen PI-Regler 130 eingegeben wird. Der PI-Regler liefert einen proportional-integralen Ausgang der Form: Iref = kp (v* dc – vdc) + Ki∫(v* dc – vdc) dt (34)wobei k_p und K_i Koeffizienten sind, die ausgewählt sind, um angemessene Stabilität zu schaffen. In diskreter Zeit kann die Gleichung (34) wie folgt ausgewertet werden: Iref(k) = Iref(k–1) + (kp + Δtki) (v* dc(k) – vdc(k)) – kp(v* dc(k–1) – vdc(k–1) (35)
Die drehende Umwandlung der Bezugswellenform kann entweder in Dreiphasenkoordinaten oder in Zweiphasenkoordinaten durchgeführt werden. In Dreiphasenkoordinaten wird die Musterwellenform, die um einen Winkel ϕ gedreht ist, wie folgt berechnet:
vt3 = –vt1 – vt2 (38)
Diese Werte können unter Verwendung von Gleichung (1) in das Zweiphasen-α,β-Koordinatensystem umgeformt werden. Das Ergebnis ist v_tα und v_tβ. Die Musterwerte v_tα und v_tβ, die sich aus der drehenden Umwandlung ergeben, werden dann mit dem Wert von I_ref multipliziert, um die gewünschten Zweiphasenausgangsströme i^* _oα und i^* _oβ zu erzeugen. Die gewünschten Ausgangsströme werden in einen Stromregler 132 eingegeben, der sie mit den tatsächlichen Strömen vergleicht und die passenden PWM-Kommutationssignale für die Inverterschalter erzeugt.
Der Stromregler 132 der Inverterkontrolleinheit kann auf die verschiedenen, oben für den Stromregler 96 der Generatorkontrolleinheit beschriebenen Weisen ausgeführt sein, was auch einen Deltamodulator beinhaltet. Bevorzugt jedoch erzeugt der Stromregler 132 Schalterzustände, die den Verzerrungsindex J auf eine ähnliche Weise wie oben, mit Bezug auf 9 und 10, beschrieben auf ein Mindestmaß verringern. Unter Bezugnahme auf 14 erzeugt der Inverterstromregler gemäß den folgenden Gleichungen gewünschte Ausgangsspannungen v^* _oα und v^* _oβ:
wobei: L_o die Ausgangsimpedanz ist;
i^* _oα(k+1) und i^* _oβ(k+1) die gewünschten Ausgangsströme bei einer Zeit = k+1 in α,β-Koordinaten sind;
i_oα und i_oβ die gemessen Ausgangsströme in α,β-Koordinaten sind;
v_oα und v_oβ die gemessenen Ausgangsspannungen in α,β-Koordinaten sind; und
Δt die Abtastperiode ist.
Die gewünschten Ausgangsspannungen v_oα und v_oβ werden dann mit den sieben verfügbaren Spannungsvektoren verglichen und der dem nächsten Spannungsvektor zugehörige Schalterzustand ausgewählt und an die Inverterschalter ausgegeben. Die Bestimmung des nächsten Spannungsvektors erfolgt auf dieselbe weise wie oben unter Bezugnahme auf den Generatorstromregler von 9 und 10 erklärt.
Ein Computerprogramm lenkt den Betrieb des Digitalsignalprozessors der Inverterkontrolleinheit, um die oben beschriebenen Berechnungen auszuführen. Wie in 15 gezeigt ist, ist das Computerprogramm wie das der Generatorkontrolleinheit aufgebaut, bei dem eine Hauptschleife bis zu einer periodischen Unterbrechung ausgeführt wird und dann ein Unterbrechungsprogramm die festgestellten Eingänge, den PWM-Schalterzustand und die berechneten Variablen aktualisiert. Das Unterbrechungsprogramm, das in der Inverterkontrolleinheit DSP läuft, liest zuerst die Ausgangsströme, die Ausgangsspannungen und die Gleichstromverbindungsspannung. Dann berechnet es den optimalen Schalterzustand, den es an die Inverterschalter ausgibt. Dann führt das Unterbrechungsprogramm die für die nächste Berechnung des Schalterzustandes notwendigen Berechnungen durch, indem es den Spannungsbezugswert dreht, um die Musterwellenform zu bestimmen, den Multiplikationsfaktor I_ref berechnet und die Musterwellenform mit I_ref multipliziert, um die gewünschten Ströme für die nächste Unterbrechung zu berechnen. Dann geht die Kontrolle auf die Hauptschleife über, wo sie bis zur neuerlichen Unterbrechung wartet. In der bevorzugten Ausführung treten die Unterbrechungen bei einer Rate von etwa 8 kHz auf.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann der Leistungsfaktorregler 54 entweder den Leistungsfaktorwinkel ϕ oder die Größe der Blindleistung kontrollieren, um VARs (Volt-Ampere-Blindleistungen) an das Versorgungsnetz zu liefern. Die Art der Leistungsfaktorkontrolle ist durch das Betriebsartsignal bestimmt, das in den Leistungsfaktorregler eingegeben wird. Wird der Leistungsfaktorwinkel kontrolliert, gibt der Leistungsfaktorregler 54 einen konstanten Wert von ϕ an die Inverterkontrolleinheit 88 aus, der durch das Leistungsfaktoreingangssignal definiert ist. Wird die Blindleistung kontrolliert, überwacht der Leistungsfaktorregler das Blindleistungsrückkopplungssignal Q_fb, vergleicht es mit einem gewünschten Blindleistungsniveau, das durch das Blindleistungseingangssignal definiert wird, und reguliert den Leistungsfaktorwinkel ϕ, um die gewünschte Blindleistung zu erhalten.
Die Leistungsfaktorkorrektureinrichtung der Inverterkontrolleinheit kann durch Betrieb in einer statischen VAR-Betriebsart sogar dann verwendet werden, wenn die Windturbine nicht arbeitet. Dazu setzt der Leistungsfaktorregler den Leistungsfaktorwinkel ϕ gleich 90°. Nachdem die Gleichstromverbindung durch das Versorgungsnetz über den Inverter aufgeladen wurde, arbeitet die Inverterkontrolleinheit wie oben beschrieben, um den Ausgangsstrom zur Führung der Spannung bei 90° zu drehen. Dies liefert Blindleistung an das Versorgungsnetz, um Blindlasten, die Leistung vom Versorgungsnetz abziehen, entgegenzuwirken.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die hierin offenbarte Erfindung eine neue und vorteilhafte Windturbine mit variabler Geschwindigkeit schafft. Die vorhergehende Besprechung offenbart und beschreibt nur beispielhafte Verfahren und Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich für Fachleute von selbst, daß die Erfindung in anderen bestimmten Formen ausgeführt werden kann, ohne von den wesentlichen Merkmalen davon abzuweichen. Zum Beispiel können manche Gesichtspunkte des Stromreglers auf verschiedenste Arten ausgeführt werden, die den offenbarten gleichwertig sind, was Hysteresekontrolle oder erzwungene Schwingungen mit Dreiecksschnittpunkt beinhaltet. Der Generator muß kein Dreiphasen-Käfigläufergenerator sein, son dern kann jedweder Mehrphasengenerator sein, was einen Synchrongenerator beinhaltet. Bestimmte Gesichtspunkte der Generatorkontrolle können anstelle der hier offenbarten geschlossenen Schleife mit offener Schleife ausgeführt werden. Der Energieumwandler könnte eine Gleichstromstromverbindung aufweisen oder ein Zykloumformer anstelle einer Gleichstromspannungsverbindung sein. Außerdem könnte der Drehmomentmonitor das Drehmoment mit einem Übertragungssystem direkt messen, anstelle das Drehmoment von den gemessenen Statorströmen abzuleiten. Demgemäß soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung, der in den nachfolgenden Ansprüchen aufgezeigt wird, veranschaulichen, aber nicht beschränken.

Claims

Eine Windturbine mit variabler Geschwindigkeit umfassend: einen Turbinenrotor mit mindestens einem Blatt, der an einer drehbaren Antriebswelle angebracht ist; einen Mehrphasengenerator mit einem Stator und einem Rotor, der zur Drehung mit der Turbinenantriebswelle gekoppelt ist; einen Leistungswandler mit aktiven Schaltern, die für die Steuerung der elektrischen Statorparameter einer jeden Generatorphase bereitstehen; Mittel zur Drehmomentsteuerung in Verbindung mit Turbinenparametersensoren zur Bestimmung eines Drehmoment-Referenzsignals; und Mittel zur Generatorsteuerung, die mit dem Leistungswandler gekoppelt sind, um die aktiven Schalter zu steuern mit: – Mitteln zur Feldausrichtung, die auf das Drehmoment-Referenzsignal reagieren, um einen gewünschten Querachsenstrom in Feldkoordinaten zu bestimmen, und – Mitteln zur Schaltersteuerung für die Steuerung der aktiven Schalter, um elektrische Statorparameter zu erzeugen. die dem gewünschten Querachsenstrom entsprechen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrphasengenerator einen Statorgespeisten Mehrphasengenerator aufweist.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei die elektrischen Statorparameter Statorströme sind und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung Mittel zur Steuerung der aktiven Schalter aufweisen, um Statorströme zu erzeugen, die dem gewünschten Querachsenstrom entsprechen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 3 mit Statorstromsensoren, die zur Messung von Statorströmen bereitstehen, wobei die Mittel zur Generatorsteuerung weiterhin Mittel zur Umwandlung des gewünschten Querachsenstroms in gewünschte Statorströme umfassen, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung weiterhin Stromregulierungsmittel umfassen, um die gewünschten Statorströme mit den gemessenen Statorströmen zu vergleichen und um die aktiven Schalter zu steuern, um den Strom jeder Phase zu erhöhen, wenn der tatsächliche Statorstrom der jeweiligen Phase kleiner als der gewünschte Statorstrom der Phase ist, und um den Strom zu erniedrigen, wenn der tatsächliche Statorstrom größer als der gewünschte Statorstrom ist.
Die Windturbine gemäß Anspruch 4, wobei die Stromregulierungsmittel einen Delta-Modulator umfassen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 3 mit Statorstromsensoren, die zur Messung von Statorströmen bereitstehen, wobei die Mittel zur Generatorsteuerung weiterhin Mittel zur Umwandlung des gewünschten Querachsenstroms in gewünschte Statorströme umfassen, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung weiterhin Mittel zur Minimierung eines Verzerrungsindexes umfassen, der die Größe der Stromabweichungen zwischen den gemessenen und den gewünschten Statorströmen anzeigt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei die elektrischen Statorparameter Statorspannungen sind, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung Mittel zur Steuerung der aktiven Schalter umfassen, um Statorspannungen, die dem gewünschten Querachsenstrom entsprechen, zu erzeugen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 7 mit Statorstromsensoren, die zu Messung der Statorströme bereitstehen, wobei die Mittel zur Generatorsteuerung weiterhin Mittel zur Umwandlung des gewünschten Querachsenstroms in eine gewünschte Querachsenspannung durch Kompensation des Übersprechens zwischen direkten und Querachsen umfassen, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung weiterhin Mittel zur Steuerung der aktiven Schalter umfassen, um Statorspannungen, die der gewünschten Querachsenspannung entsprechen, zu erzeugen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei die elektrischen Statorparameter Statorströme sind, wenn der Generator bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben wird, und Statorspannungen bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sind, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung Mittel umfassen, die auf die Umdrehungsgeschwindigkeit des Generators ansprechen, um die aktiven Schalter zu steuern, um Statorströme zu erzeugen, die dem gewünschten Querachsenstrom bei den niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten entsprechen, und um Statorspannungen zu erzeugen, die der gewünschten Querachsenspannung bei den höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten entsprechen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1 mit Mitteln zur Rotorgeschwindigkeitsmessung zur Bestimmung eines Rotorgeschwindigkeitssignals, das die Umdrehungsgeschwindigkeit des Generatorrotors anzeigt, wobei der Leistungswandler ein Flußfeld in dem Generatorrotor erzeugt, das bezüglich des Stators mit einer Schlupfgeschwindigkeit rotiert, und wobei die Mittel zur Generatorsteuerung weiterhin Mittel zur Bestimmung der Größe des Rotorflußfeldes in Abhängigkeit eines gewünschten direkten Axenstroms in Feldkoordinaten, die an der Richtung des Rotorflußfelds ausgerichtet sind, und Mittel zur Bestimmung der Richtung des Rotorflußfelds in Abhängigkeit von der Schlupfgeschwindigkeit und Rotorgeschwindigkeit umfassen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 10, wobei die Mittel zur Bestimmung der Richtung des Rotorflußvektors Mittel für die Bestimmung der Schlupfgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Strom und der Größe des Rotorflusses umfassen, und Mittel zur Summierung der Schlupfgeschwindigkeit zur Rotorgeschwindigkeit und Integralbildung der Summe, um einen Rotorflußwinkel zu erhalten.
Die Windturbine gemäß Anspruch 10 mit Mitteln zur periodischen Umwandlung der gewünschten direkten und Querachsenströme von rotierten Feldkoordinaten in feste Statorkoodinaten, um gewünschte elektrische Statorparameter zu bestimmen, und wobei die Mittel zur Schaltersteuerung weiterhin Mittel zur periodischen Auswahl eines Schalterzustands für die aktiven Schalter umfassen, die elektrische Statorparameter erzeugen, die den gewünschten elektrischen Statorparametern entsprechen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 12, wobei die Mittel zur periodischen Umwandlung der gewünschten direkten und Querachsenströme von rotierenden Feldkoordinaten in feste Statorkoodinaten Mittel zur Bestimmung des momentanen Rotorflußwinkels umfassen, die eine Koordinatentransformation für die Umwandlung bestimmen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1 mit Statorstromsensoren, die zur Messung der Statorströme bereitstehen, und einer Drehmomentüberwachung, der zur Bestimmung eines Maßes des Generatordrehmoment bereitsteht, wobei die Drehmomentüberwachung Mittel zur Umwandlung der gemessenen Statorströme in Feldkoordinaten und dann in einen gemessenen Drehmomentwert umfaßt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1 mit Statorstromsensoren, die zur Messung der Statorströme bereitstehen, und eine Drehmomentüberwachung, die zur Bestimmung eines Maßes für den Generatordrehmoment bereitsteht, wobei die Drehmomentüberwachung Mittel zur Umwandlung der gemessenen Statorströme in Feldkoordinaten und dann in einen gemessenen Drehmomentwert umfaßt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 15 mit Mitteln zur Rotorgeschwindigkeitsmessung zur Messung der Geschwindigkeit des Generatorrotors und Mittel zur Steigungsmessung zur Messung des Steigungswinkels des Turbinenblatts, und wobei die Mittel zur Drehmomentsteuerung zur Bestimmung des Drehmoment-Referenzsignals auf Blattsteigung, Rotorgeschwindigkeit und gemessenen Drehmoment anspricht.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zur Generatorsteuerung einen digitalen Signalprozessor umfassen, der periodisch ein Drehmoment-Referenzsignal, das einen gewünschten Generatordrehmoment anzeigt, und ein Rotorgeschwindigkeitssignal, das die Rotationsgeschwindigkeit des Generators anzeigt, erhält, den gewünschten Strom berechnet und ihn in Statorkoodinaten umwandelt, und Pulslängenmodulationsignale für die Schaltung der aktiven Schalter zur Erzeugung elektrischer Statorparameter, die dem gewünschten Strom entsprechen, festlegt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen Gleichrichter, Invertierer und eine Gleichstrom-Spannungsverbindung, die zwischen dem Gleichrichter und Invertierer angeschlossen ist, umfaßt, wobei der Gleichrichter ein aktives Schalterpaar für jede Phase des Generators umfaßt, die zwischen der Gleichstrom-Spannungsverbindung und einer Statorwindung des Generators angeschlossen ist und die für die Schaltung der elektrischen Statorparameter bereitsteht, um ein rotierendes Flußfeld in dem Generator zu erzeugen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zur Schaltersteuerung Mittel zur Bestimmung von Pulslängenmodulations-Kommutierungssignalen für das Schalten der aktiven Schalter des Leistungswandlers umfassen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 1, wobei der Generator einen Statorleistungsanschluß für jede Phase umfaßt; und der Leistungswandler einen Gleichrichter, Invertierer und eine Gleichstrom-Spannungsverbindung umfaßt, die zwischen dem Gleichrichter und Invertierer angeschlossen ist, wobei der Gleichrichter ein aktives Schalterpaar für jede Phase des Generators umfaßt, das zwischen der Gleichstrom-Spannungsverbindung und einem Statorleistunganschluß angeschlossen ist und das zum Schalten der Statorströme untereinander bereitsteht, um ein rotierendes Flußfeld in dem Generatorrotor zu erzeugen, und wobei der Invertierer ein aktives Schalterpaar für jede Phase des Leistungsausgangs, das zwischen der Gleichstrom-Spannungsverbindung und einem Ausgangsanschluß angeschlossen ist und zum Schalten von Invertiererströme dazwischen bereitsteht; Mittel zur Generatorsteuerung, die an den Gleichrichter gekoppelt sind und auf das Drehmoment-Referenzsignal und ein Rotorgeschwindigkeitssignal zur Steuerung der Gleichrichterschalter zur Regulierung der elektrischen Statorparameter ansprechen, wobei die Mittel zur Feldausrichtung die Größe des Rotorflußfelds in Abhängigkeit von einem gewünschten direkten Achsenstrom in rotierenden Feldkoordinaten, die an der Richtung des Rotorflußfelds ausgerichtet sind, bestimmen und die Drehmoment-Referenz- und Rotorgeschwindigkeitssignale umwandeln in einen gewünschten Querachsenstrom in Feldkoordinaten, die senkrecht zu einem Rotorflußvektor stehen, und weiterhin umfassen Modulationsmittel zur Steuerung der Gleichrichterschalter, um elektrische Statorparameter zu erzeugen, die den gewünschten Quer- und direkten Achsenströmen entsprechen; Mittel zur Rotorgeschwindigkeitsmessung zur Überwachung der Generatorrotorgeschwindigkeit und zur Bestimmung des entsprechenden Rotorgeschwindigkeitssignals.
Die Windturbine gemäß Anspruch 20, wobei das Rotorflußfeld mit einer Schlupfgeschwindigkeit bezüglich des Rotors rotiert und wobei die Mittel zur Generatorsteuerung weiterhin Mittel zur Bestimmung der Richtung des Rotorflußfelds in Abhängigkeit von der Schlupfgeschwindigkeit und Rotorgeschwindigkeit umfassen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 21, wobei die Mittel zur Bestimmung der Richtung des Rotorflußvektors Mittel zur Bestimmung der Schlupfgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Querachsenstrom und der Größe des Rotorflusses umfaßt, und Mittel zur Summierung der Schlupfgeschwindigkeit zu der Rotorgeschwindigkeit und Integralbildung der Summierung Modulo 2. pi umfaßt, um einen Rotorflußwinkel zu erhalten.
Die Windturbine gemäß Anspruch 21 mit Mitteln zur periodischen Umwandlung der gewünschten direkten und Querachsenströme von Feldkoordinaten in Statorkoordinaten, um gewünschte elektrische Statorparameter zu bestimmen, und wobei die Modulationsmittel weiterhin Mittel zur periodischen Auswahl eines Schaltungszustands der Gleichrichterschalter umfassen, die elektrische Statorparameter erzeugen, die den gewünschten elektrischen Statorparametern entsprechen.
Die Windturbine gemäß Anspruch 23, wobei die Mittel zur periodischen Umwandlung der gewünschten direkten und Querachsenströme von Feldkoordinaten in Statorkoordianten Mittel zur Bestimmung eines momentanen Rotorflußwinkels umfassen, der eine Koordinatentransformation für die Umwandlung bestimmt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 16 mit Statorstromsensoren, die an den Leistungswandler gekoppelt sind und zur Messung von Statorströmen bereitstehen, mit einem Blattsteigungssensor, der mit dem Turbinenblatt gekoppelt ist, um den Steigungswinkel des Turbinenblatts zu messen, und mit einer Drehmomentüberwachung, die mit dem Statorstromsensor gekoppelt ist und zur Bestimmung eines Maßes für den Generatordrehmoment bereitsteht, wobei die Drehmomentüberwachung Mittel zur Umwandlung der gemessenen Statorströme in Feldkoodinaten und dann in ein Drehmoment-Rückkopplungssignal umfaßt.
Die Windturbine gemäß Anspruch 20, wobei die Mittel zur Generatorsteuerung einen digitalen Signalprozessor umfassen, der periodisch das Drehmoment-Referenzsignal und das Rotorgeschwindigkeitssignal erhält, den gewünschten Querachsenstrom und Rotorflußwinkel berechnet und die gewünschten Quer- und direkten Achsenströme in Statorkoordinaten umwandelt und Pulslängenmodulationssignale zum Schalten der Gleichrichterschalter bestimmt, um elektrische Statorparameter, die den gewünschten Quer- und direkten Achsenströmen entsprechen, zu erzeugen.
Ein Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine mit einem Generator, der mit einem Leistungswandler mit aktiven Schaltern gekoppelt ist, wobei die aktiven Schalter ein rotierendes Floßfeld im Generatorrotor erzeugen, mit den Schritten: Bestimmung eines Drehmoment-Referenzsignals, das einen gewünschten Generatordrehmoment anzeigt; Umwandlung des Drehmoment-Referenzsignals in einen gewünschten Querachsenstrom, der einen Drehmoment in rotierenden Feldkoordinaten senkrecht to dem Rotorflußfeld darstellt; und Steuerung der aktiven Schalter des Leistungswandlers, um elektrische Statorparameter zu erzeugen, die dem gewünschten Querachsenstrom entsprechen.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27 mit den weiteren Schritten: Bestimmung eines gewünschten direkten Achsenstroms, der einen Rotorfluß in einer Richtung darstellt, die an dem Rotorflußfeld in Feldkoordinaten ausgerichtet ist; Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Generatorrotors; Bestimmung eines Rotorflußwinkels, der die momentane Position des Rotorflußfelds anzeigt; Umwandlung der gewünschten Quer- und direkten Achsenströme in gewünschte elektrische Statorparameter in einem stationären Statorkoodinatensystem unter Verwendung des Rotorflußwinkels; und wobei der Schritt zur Steuerung der aktiven Schalter den Schritt zur Erzeugung elektrischer Statorparameter, die den gewünschten elektrischen Statorparametern entsprechen, umfaßt.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, wobei der Schritt zur Bestimmung eines Drehmoment-Referenzsignals die Schritte umfaßt: Messung der Statorströme; Umwandlung der gemessenen Statorströme in einen Querachsenstrom senkrecht zu dem Rotorflußfeld zur Bestimmung eines Drehmoment-Rückkopplungssignals, das den Rotordrehmoment anzeigt; und Nutzung des Drehmoment-Rückkopplungssignals zur Bestimmung des Drehmoment-Referenzsignals.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, das weiterhin die Schritte umfaßt: Bestimmung eines Rotorflußwinkels durch Bestimmung einer Schlupfgeschwindigkeit des Rotorflusses in Abhängigkeit von dem gewünschten Querachsenstrom und der Rotorflußgröße; Messung einer Rotorgeschwindigkeit und Summierung der Rotorgeschwindigkeit zur der Schlupfgeschwindigkeit, um eine Rotorflußgeschwindigkeit zu bestimmen; und Integralbildung der Rotorflußgeschwindigkeit, um den Rotorflußwinkel zu erhalten.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, das weiterhin die Schritte zur Bestimmung eines Rotorflußwinkels, der die relative Rotation zwischen den Feldkoordinaten und den stationären Koordinaten anzeigt, und zur Transformation des gewünschten Querachsenstroms in ein stationäres Bezugssystem mittels des Rotorflußwinkels umfaßt.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, wobei die elektrischen Statorparameter Statorströme sind und wobei der Schritt zur Steuerung der aktiven Schalter den Schritt zur Erzeugung von Statorströmen, die den gewünschten Statorströmen entsprechen, umfaßt.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 32, wobei der Schritt zur Steuerung der aktiven Schalter die Schritte zur Messung der Statorströme und zur Minimierung eines Verzerrungsindexes, der die Größe der Stromabweichungen zwischen den gemessenen und gewünschten Statorströmen anzeigt, umfaßt.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, wobei die elektrischen Statorparameter Statorspannungen sind, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt zur Umwandlung des gewünschten Querachsenstroms in eine gewünschte Querachsenspannung umfaßt und wobei der Schritt zur Steuerung der aktiven Schalter den Schritt zur Erzeugung von Statorspannungen, die der gewünschten Querachsenspannung entspricht, umfaßt.
Das Verfahren zur Drehmomentsteuerung in einer Windturbine gemäß Anspruch 27, wobei die elektrischen Statorparameter Statorströme sind, wenn der Generator bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben wird, und Statorspannungen bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten sind, und wobei der Schritt zur Steuerung der aktiven Schalter den Schritt zur Erzeugung von Statorströmen, die dem gewünschten Querachsenstrom bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit entspricht, umfaßt.