專利名稱：使用交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電裝置和其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用與功率系統(tǒng)連接的交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電裝置。尤其，涉及一種備有無轉(zhuǎn)子位置傳感器的電動(dòng)機(jī)的發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
使用于風(fēng)力發(fā)電裝置的交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，通過功率變換器以轉(zhuǎn)差頻率勵(lì)磁轉(zhuǎn)子線圈，可以向定子側(cè)輸出與系統(tǒng)頻率相同頻率的交流電壓，可以改變轉(zhuǎn)速且減小功率變換器的容量。
在使用交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中，往往功率變換器容量比發(fā)電機(jī)容量小，此時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，需要將發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)同步并網(wǎng)。因此，風(fēng)力發(fā)電裝置受風(fēng)的強(qiáng)弱的影像，導(dǎo)致頻繁地進(jìn)行停止、起動(dòng)。
使用了交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的起動(dòng)，將發(fā)電機(jī)定子與系統(tǒng)連接的開閉器處于打開的狀態(tài)開始，首先，由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，接著，風(fēng)車控制裝置指令電壓同步動(dòng)作，以使發(fā)電機(jī)的定子和系統(tǒng)兩者間的電壓的振幅和相位同步。此時(shí)的勵(lì)磁裝置，以根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測器計(jì)算出的轉(zhuǎn)子頻率與系統(tǒng)頻率之間的差頻率(轉(zhuǎn)差頻率)勵(lì)磁轉(zhuǎn)子線圈，因此從勵(lì)磁初期開始定子中生成與系統(tǒng)頻率幾乎一致的頻率。在定子和系統(tǒng)電壓的振幅相位同步結(jié)束時(shí)，關(guān)閉所述開閉器，使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)電連接，從發(fā)電機(jī)向電力系統(tǒng)供電。
另外，在專利文獻(xiàn)1中，公開了備有交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的可變速抽水發(fā)電機(jī)裝置的同步并網(wǎng)。
專利文獻(xiàn)1特開2000-308398號公報(bào)(圖1(0027)段落至(0035)段落的記載)。
上述現(xiàn)有技術(shù)中，交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)不具備旋轉(zhuǎn)位置/轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，因?yàn)樵谙蛳到y(tǒng)同步投入前不能計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率、即系統(tǒng)頻率和旋轉(zhuǎn)頻率之差，所以不能并入系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種將不備有旋轉(zhuǎn)位置與轉(zhuǎn)速傳感器的交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)在短期間可同步地投入到系統(tǒng)中的發(fā)電裝置。
本發(fā)明在交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)用于向系統(tǒng)電壓同步投入的二次線圈勵(lì)磁開始時(shí)，以固定頻率開始二次線圈的勵(lì)磁，根據(jù)該結(jié)果所表現(xiàn)出的與系統(tǒng)頻率不同的定子電壓的頻率和系統(tǒng)電壓的頻率之差計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，然后，以轉(zhuǎn)差頻率開始勵(lì)磁，對定子輸出與系統(tǒng)頻率幾乎一致的頻率電壓，然后在轉(zhuǎn)速變化時(shí)或相位不同時(shí)以相位差達(dá)到零的方式調(diào)整相位。
發(fā)明效果本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制裝置，在交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)同步投入中在沒有位置傳感器的情況下，也能進(jìn)行電壓投入。


圖1是實(shí)施例1的風(fēng)力發(fā)電裝置的電路構(gòu)成的說明圖。
圖2是實(shí)施例1的控制裝置CTRL的控制框圖。
圖3是實(shí)施例1的同步控制器SYNC的控制框圖。
圖4是交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的等效電路的說明圖。
圖5是交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓、定子功率的說明圖。
圖6是實(shí)施例1的勵(lì)磁控制方式切換的區(qū)域的說明圖。
圖7是實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET的說明圖。
圖8是實(shí)施例1的電壓相位同步動(dòng)作的說明圖。
圖中符號說明101-風(fēng)車，201-積分器，202-乘法器，301、302、303、304-加法器，BR-遮斷器，Cd-平滑濾波器，CNV-功率變換器，CTk、CTn、CTr、CTs-電流傳感器，CTRL-控制裝置，CTT1、CTT2-電磁接觸器，Gen-二次勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，INV-功率變換器，PTg、PTs-電壓傳感器，ROTDET-旋轉(zhuǎn)相位檢測器，SYNC-同步控制器。
具體實(shí)施例方式
以最少的傳感器數(shù)目、且簡單的控制方法實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)在短時(shí)間同步投入系統(tǒng)的目的。以下參照

本發(fā)明。
圖1是表示本實(shí)施例的裝置構(gòu)成的單線連接圖。首先，對于輸出發(fā)電功率的電氣布線和裝置進(jìn)行說明。發(fā)電機(jī)Gen是二次勵(lì)磁型的發(fā)電機(jī)(交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī))，發(fā)電機(jī)Gen的轉(zhuǎn)子通過齒輪等與風(fēng)力發(fā)電用的風(fēng)車101連接，受到風(fēng)力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)Gen的定子側(cè)的3相交流輸出，與通過外部信號Sg1可以開閉的例如電磁接觸器CTT1的二次側(cè)連接。另外，電磁接觸器CTT1的一次側(cè)，與電磁接觸器CTT2的一次側(cè)和遮斷器BR的二次側(cè)連接。遮斷器BR的一次側(cè)與電力系統(tǒng)連接。遮斷器BR具備例如電流過大而斷開遮斷器的遮斷電流功能，遮斷器BR投入時(shí)，對風(fēng)力發(fā)電裝置的控制裝置提供電源。
另外，電磁接觸器CTT2的二次側(cè)，通過三角連接的電容器Cn和電抗器Ln與功率變換器CNV的交流輸出端連接。另一方面，功率變換器CNV的直流輸出端通過直流的平滑電容器Cd與功率變換器INV的直流輸出端子連接。功率變換器CNV和功率變換器INV使用如功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(可控硅、GTO、IGBT、MOSFET等)，分別將交流變換為直流或?qū)⒅绷髯儞Q為交流。功率變換器INV的交流輸出端子通過電抗器Lr和電容器Cr與發(fā)電機(jī)Gen的二次側(cè)線圈端子連接。
接著，對用于控制發(fā)電功率的布線和裝置進(jìn)行說明。遮斷器BR的二次側(cè)的3相電壓和3相電流分別通過電源傳感器PTs、電流傳感器CTs將其值變換為低電壓的信號Vs、Is輸入到控制裝置CTRL。另外電磁接觸器CTT1的二次側(cè)，即電磁接觸器CTT1和發(fā)電機(jī)定子之間的電壓和電流分別通過電壓傳感器PTg和電流傳感器CTk變換為低壓信號Vg和I1，輸入到控制裝置CTRL。電磁變換器CTT2的二次側(cè)，即電磁接觸器CTT2和功率變換器CNV之間的3相電流，由電力傳感器CTn將其值變換為低壓的信號In，輸入到控制裝置CTRL。功率變換器CNV和與功率變換器INV的直流部連接的平滑電容器Cd的電壓通過電源傳感器變換為低壓信號Edc輸入到控制裝置CTRL。另外，風(fēng)車控制器WTCTRL具備對控制裝置CTRL發(fā)送起動(dòng)、停止等各種指令值，或檢測風(fēng)車的狀態(tài)的功能。
接著，使用圖2和圖3說明控制裝置CTRL的功能。控制裝置CTRL分別使用信號Sg1、Sg2控制電磁接觸器CTT1、CTT2。另外，控制裝置CTRL輸出脈沖信號Pluse_inv、Pluse_cnv，脈沖信號Pluse_inv、Pluse_cnv驅(qū)動(dòng)控制各個(gè)備有功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的功率變換器INV、CNV。
功率變換器CNV，在發(fā)電機(jī)Gen通過電磁接觸器CTT1與電力系統(tǒng)連接之前，即從風(fēng)力發(fā)電裝置的起動(dòng)中開始，控制平滑電容器Cd的直流電壓Edc為一定。因此，功率變換器CNV實(shí)施直流電壓控制和系統(tǒng)無功功率零(功率1)控制。這里，功率變換器INV消耗平滑電容器Cd的能量，如果直流電壓降低，功率變換器CNV的直流電壓控制，以使用交流功率對平滑電容器Cd進(jìn)行充電將直流電壓Edc保持為一定的方式動(dòng)作。相反，功率變換器INV在對平滑電容器Cd充電直流電壓Edc上升時(shí)，功率變換器CNV的直流電壓控制，以將直流功率變換為交流功率而進(jìn)行放電，直流電壓Edc保持為一定的方式動(dòng)作。
使用圖2，對功率變換器CNV的控制進(jìn)行說明。交流電壓檢測值Vs被輸入相位檢測器THDET和3相2相變換器32trs中。相位檢測器THDET用例如相位同步環(huán)(PLL鎖相環(huán))的方式計(jì)算跟蹤系統(tǒng)電壓的相位信號THs，將該相位信號THs輸出到3相2相坐標(biāo)變換器32dqtrs和2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs。直流電壓指令值Eref和直流電壓檢測值Edc輸入直流電壓調(diào)節(jié)器DCAVR(例如由比例積分控制器構(gòu)成)。直流電壓調(diào)節(jié)器DCAVR調(diào)整輸出的d軸電流指令值(有效成分電流指令值)Idnstr，以使被輸入的指令值Eref和檢測值Edc的偏差為零，并將d軸電流指令值Idnstr輸出到電流調(diào)節(jié)器1-ACR。
3相2相坐標(biāo)變換器32dqtrs，將被輸入的來自電流傳感器CTn的信號In，使用(式1)式所示的變換式，計(jì)算d軸電流檢測值Idn(有效成分電流)和q軸電流檢測值Iqn(無效成分電流)，將d軸電流檢測值Idn輸出到電流調(diào)節(jié)器1-ACR，將q軸電流檢測值Iqn輸出到電流調(diào)節(jié)器2-ACR。
(式1)
IdnIqn=cos(THs)sin(THs)-sin(THs)cos(THs)Iu·cos(0)+Iv·cos(2π/3)+Iw·cos(4π/3)Iu·sin(0)+Iv·sin(2π/3)+Iw·sin(4π/3)]]>電流調(diào)節(jié)器1-ACR調(diào)整輸出的d軸電壓指令值Vdn0以使d軸電流指令值Idnstr和d軸電流檢測值Idn的偏差為零，并將d軸電壓指令Vdn0輸出到加法器301。同樣，電路調(diào)節(jié)器2-ACR調(diào)整輸出的q軸電壓指令值Vqn0以使q軸電流指令值(＝0)和q軸電流檢測值Iqn的偏差為零，并將q軸電壓指令值Vqn0輸出到加法器302。這里，上述電流調(diào)節(jié)器1-ACR、2-ACR例如可通過比例積分控制器構(gòu)成。
3相2相變換器32trs使用(式2)所示的變換式根據(jù)被輸入的來自電壓傳感器PTs的信號Vs計(jì)算α成分Vsα和β成分Vsβ，進(jìn)而使用(式3)計(jì)算d軸電壓檢測值(與系統(tǒng)電壓矢量一致的相位成分)Vds和q軸電壓檢測值(與上述d軸電壓檢測值Vds正交的成分)Vqs，分別輸出到加法器301、302。
(式2)VsαVsβ=23cos(0)cos(2π/3)cos(4π/3)sin(0)sin(2π/3)sin(4π/3)VsuVsvVsw]]>(式3)VdsVqs=cos(THs)sin(THs)-sin(THs)cos(THs)VsαVsβ]]>加法器301將d軸電壓指令值Vdn0和q軸電壓檢測值Vds相加，輸出到2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs。同樣，加法器302將q軸電壓指令值Vqn0和q軸電壓檢測值Vqs相加，輸出到2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs。2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs，輸入相位信號THs和所述各個(gè)加法器的結(jié)果Vdn、Vqn，通過(式4)和(式5)表示的變換式運(yùn)算電壓指令值Vun、Vvn、Vwn，并輸出到PWM運(yùn)算器PWMn。
(式4)VaVb=cos(THs)-sin(THs)sin(THs)cos(THs)VdnVqn]]>(式5)VunVvnVwn=cos(0)sin(0)cos(2π/3)sin(2π/3)cos(4π/3)sin(4π/3)VaVb]]>PWM運(yùn)算器PWMn，根據(jù)被輸入的電壓指令Vun、Vvn、Vwn通過脈寬調(diào)制(PWM)方式，計(jì)算使構(gòu)成功率變換器CNV的n個(gè)功率半導(dǎo)體元件導(dǎo)通/截止的門信號Pluse_cnv，輸出到功率變換器CNV。
接著，參照圖2對功率變換器INV的控制進(jìn)行說明。功率變換器PQCAL通過上述(式1)所示的變換檢測出檢測系統(tǒng)電流的電流傳感器CTs輸出的信號Is，輸入與系統(tǒng)電壓的U相矢量同向的d軸電流Ids、與系統(tǒng)電壓的U相矢量正交的q軸電流Iqs、上述d軸電壓檢測值Vds、q軸電壓檢測值Vqs，根據(jù)(式6)計(jì)算系統(tǒng)有功功率Ps和無功功率Qs。
(式6)Ps＝3(Vds×Ids+Vqs×Iqs)Qs＝3(-Vds×Iqs+Vqs×Ids)有功功率調(diào)節(jié)器APR輸入有功功率Ps和風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出功率指令Pref，輸出使輸出功率指令值Pref和上述有功功率Ps之間的偏差為零的有效電流指令值Iq0。這里，以有效電流指令Pref的例子進(jìn)行說明，在替代為轉(zhuǎn)矩指令時(shí)，在轉(zhuǎn)矩指令中乘以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變換為有功功率指令進(jìn)行控制即可。
無功功率調(diào)節(jié)器AQR輸入無功功率Qs和風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出功率指令Qref，輸入使輸出功率指令值Qref和上述無功功率Qs之間的差值為零的勵(lì)磁電流指令值Id0。這里有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR可以由例如比例積分器構(gòu)成。
上述有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR的各自輸出的有效電流指令值Iq0和勵(lì)磁電流指令值Id0輸入到切換器SW。切換器SW決定使用上述有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR的輸出或是使用轉(zhuǎn)矩電流指令值為零、勵(lì)磁電流指令值為電壓調(diào)節(jié)器的輸出。這里，切換器SW在電磁接觸器CTT1投入之前，即在發(fā)電機(jī)定子電壓與系統(tǒng)電壓同步的電壓同步運(yùn)行時(shí)，后者，即例舉電流指令值為零，勵(lì)磁電流指令值使用電壓調(diào)節(jié)器的輸出，在電磁接觸器CTT1投入之后，前者，即選擇各個(gè)功率調(diào)節(jié)器的輸出。
接著，參照圖3對電壓調(diào)節(jié)器AVR進(jìn)行說明。電壓調(diào)節(jié)器AVR，將發(fā)電機(jī)定子電壓Vg的振幅值Vgpk作為反饋值，對檢測系統(tǒng)電壓的電壓傳感器PTs所輸出的信號Vs的振幅值通過濾波器FIL的值作為指令值Vref輸入，將勵(lì)磁電流指令值Id1輸出到切換器SW，該勵(lì)磁電流指令值Id1是將上述發(fā)電機(jī)定子電壓Vg的振幅值和上述指令值Vref的偏差為零的指令值。這里電壓調(diào)節(jié)器AVR可由例如比例積分控制器構(gòu)成。該電壓調(diào)節(jié)器AVR在電磁接觸器CTT1開狀態(tài)下動(dòng)作，使發(fā)電機(jī)Gen的定子電壓的振幅值與系統(tǒng)電壓的振幅值一致，因此具有運(yùn)算從功率變換器INV流入到發(fā)電機(jī)Gen的二次側(cè)的勵(lì)磁電流指令值的功能。
3相2相坐標(biāo)變換器32dqtrs，使用(式7)所示的變換式根據(jù)被輸入的電流Ir和轉(zhuǎn)子的相位THr，計(jì)算d軸電流檢測值Idr(勵(lì)磁電流成分)和q軸電流檢測值Iqr(力矩電流成分)，d軸電流檢測值Idc輸入電流調(diào)節(jié)器4-ACR、q軸電流檢測值Iqr輸入到電流調(diào)節(jié)器3-ACR。
(式7)IdrIqr=cos(THr)sin(THr)-sin(THr)cos(THr)Iu·cos(0)+Iv·cos(2π/3)+Iw·cos(4π/3)Iu·sin(0)+Iv·sin(2π/3)+Iw·sin(4π/3)]]>電流調(diào)節(jié)器4-ACR調(diào)整輸出的d軸電壓指令值Vdr以使d軸電流指令值Id1或Id0與d軸電流檢測值Idr為零。同樣，電流調(diào)節(jié)器3-ACR調(diào)整輸出的q軸電壓指令值Vqr以使q軸電流指令值Iq1或Iq0與q軸電流檢測值Iqr為零。這里，電路調(diào)節(jié)器3-ACR、4-ACR可由如比例積分器構(gòu)成。
d軸電壓指令值Vdr和q軸電壓指令值Vqr輸入2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs中，2相3相坐標(biāo)變換器dq23trs根據(jù)相位信號THr和上述各個(gè)輸入值由(式8)和(式9)所示的變換式計(jì)算電壓指令值Vur、Vvr、Vwr輸入到PWM運(yùn)算器PWMr。
(式8)VaVb=cos(THr)-sin(THr)sin(THr)cos(THr)VdrVqr]]>(式9)VurVvrVwr=cos(0)sin(0)cos(2π/3)sin(2π/3)cos(4π/3)sin(4π/3)VaVb]]>PWM運(yùn)算器PWMr根據(jù)被輸入的電壓指令Vur、Vvr、Vwr由脈寬調(diào)制(PWM)方式計(jì)算門信號Pluse_inv，輸出到功率變換器INV，該門信號Pluse_inv是將構(gòu)成上述功率變換器INV的m個(gè)功率半導(dǎo)體元件導(dǎo)通/截止的信號。
接著，參照圖3對同步控制器SYNC進(jìn)行說明。圖3所示的同步控制器SYNC輸入將系統(tǒng)電壓Vs進(jìn)行3相2相變換而得到的Vα、Vβ和發(fā)電機(jī)Gen的定子電壓Vg的一相、圖3中U相電壓Vgu。同步控制器SYNC大致具有兩種功能，其一是用于運(yùn)算使定子電壓Vg的振幅值與系統(tǒng)電壓的振幅值一致的電壓指令值的功能；其二，用于計(jì)算將定子電壓Vg的相位與系統(tǒng)電壓的相位一致的相位修正值LTH的功能。圖3所示同步控制器SYNC首先與電壓振幅值一致，然后以調(diào)整電壓相位的方式進(jìn)行動(dòng)作。
為了同步電壓振幅，根據(jù)Vα和Vβ二次方和的平方根計(jì)算系統(tǒng)電壓的振幅值Vspk，對計(jì)算后的振幅值Vspk用一階延遲濾波器FIL等除去波動(dòng)成分作為電壓調(diào)節(jié)器AVR的電壓指令值Vsref使用。在本實(shí)施例中，定子電壓Vg因?yàn)橹粰z測一相所以為了求得U相電壓Vgu的振幅值，例如，以系統(tǒng)頻率(50/60Hz)下，將一周期間的最大值作為振幅值使用。在電壓調(diào)節(jié)器AVR的反饋值Vgpk中使用，同時(shí)在振幅同步判斷器CMPPK中也使用。振幅同步判斷器CMPPK比較電壓指令值Vsref和系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk，其差值在某規(guī)定值以內(nèi)時(shí)，例如，振幅值Vgpk為電壓指令值Vsref的90％～110％，優(yōu)選95％～105％的值時(shí)，將振幅同步標(biāo)志FLG_VG設(shè)置為“1”，除此之外，輸出“0”。
同步控制器SYNC的相位同步功能，在振幅同步標(biāo)志FLG_VG為1的期間，即電壓指令值Vsref和系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk大致一致時(shí)動(dòng)作。上述系統(tǒng)電壓的α項(xiàng)Vα與系統(tǒng)電壓的U相一致，所以為使該Vα和定子電壓的U相電壓Vgu的相位一致，使用該差值。
現(xiàn)在，設(shè)系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk和定子電壓的振幅一致，系統(tǒng)電壓的角頻率為ω0定子電壓的角頻率為ω1相位差設(shè)為dTH、時(shí)間設(shè)為t時(shí)，該差值的絕對值A(chǔ)BSDV用絕對值運(yùn)算器abs(式10)計(jì)算。
(式10)ABSDV＝Vα-Vgu＝Vgpk×sin(ω0·t)-Vgpk×sin(ω1·t+dTH)這里，勵(lì)磁相位THr相當(dāng)于從系統(tǒng)電壓的相位THr中減去旋轉(zhuǎn)相位TH的值，因此如果計(jì)算旋轉(zhuǎn)相位TH為正所求得的勵(lì)磁相位THr位置，功率變換器INV用勵(lì)磁相位THr的相位勵(lì)磁，定子角頻率ω1幾乎和系統(tǒng)電壓的角頻率ω0相等。(式10)如果電壓振幅一致則在(式11)可以改寫。
(式11)ABSDV＝Vgpk×sin(dTH) 其中，電壓振幅一致后這里，角度變換器，在系統(tǒng)頻率的一周期間檢測(式11)的最大值，進(jìn)而，除以系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk后再歸一化，用(式12)計(jì)算相位差運(yùn)算值DTH并輸出。
(式13)DTH≈dTH其中，電壓振幅一致后如此得到的DTH，在電壓振幅一致時(shí)誤差小，但在不一致時(shí)存在誤差，因此，即使產(chǎn)生誤差為了相位同步，判斷在系統(tǒng)電壓的α項(xiàng)Vα零交叉點(diǎn)時(shí)的定子電壓的U相電壓Vgu的符號，用乘法器202乘以DTH和該符號。乘法器202的輸出是相位差，但是該相位差直接作為相位修正值LTH輸出時(shí)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的定子電壓的相位急劇變化，所以將相位差檢測值DTH經(jīng)由限制器和積分器201作為相位修正值LTH輸出。即，將輸出首先用限制器限制，該值通過積分器201進(jìn)行積分，可防止定子相位驟變。進(jìn)而同步成功時(shí)的積分值可以作為第二次以后的運(yùn)行時(shí)的初始值使用。
圖3中檢測相位差DTH在以0為中心的規(guī)定范圍內(nèi)，例如在+5°～-5°時(shí)，相位同步判斷器CMPTH輸出FLG_TH為“1”除此之外，輸出“0”。時(shí)限附加器DLY，在相位同步判斷器CMPTH的輸出FLG_TH連續(xù)為“1”等待經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后，對圖2的系統(tǒng)控制器SYS發(fā)送同步信號SYN。系統(tǒng)控制器SYS接收到同步信號SYN時(shí)，輸出使上述切換器SW和電磁接觸器CTT1動(dòng)作的信號Sg0、Sg1。
使用圖4至圖7詳細(xì)說明圖2的旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET。在這些圖中，與圖1相同的部件付與相同的符號。圖4使交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)Gen的等效電路。該等效電路的電壓方程由(式14)、(式15)表示，在發(fā)電機(jī)的電氣頻率ωr和系統(tǒng)電壓的頻率ω0的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差s中存在(式16)的關(guān)系。
(式14)Vg·=-(R1+jωoL1)I·1+E·o]]>(式15)
E·o=V·′rs-(R′2s+jωoL′2)I·′r]]>(式16)s=ωo-ωrωo]]>在圖4和(式14)、(式15)中，記號上標(biāo)有“·”的表示矢量，標(biāo)有一撇“’”的表示一次側(cè)換算值。另外，L1是一次側(cè)漏感，R1是一次側(cè)電阻，L2是二次側(cè)漏感，R2是二次側(cè)電阻，RM無負(fù)載損耗電阻，LM勵(lì)磁電感，E0是感應(yīng)電動(dòng)勢，I0是勵(lì)磁電流、ω0輸出頻率，ωs(＝ω0×s)是轉(zhuǎn)差頻率。
(式17)V·g=-(R1+jωoL1)I·1+V·′rs-(R′2s+jωoL′2)I·′r]]>進(jìn)而，變形(式17)時(shí)，可以如(式18)求得轉(zhuǎn)差s。
(式18)s=V·′r-R′2I·′rV·g+(R1+jωoL1)I·1+jωoL′2I·′r]]>該(式18)的分母的矢量(實(shí)軸成分和虛軸成分)和分子的矢量(實(shí)軸成分和虛軸成分)一致時(shí)，因?yàn)榍蟮棉D(zhuǎn)差，可以按照分母和分子的矢量的相位誤差為零的方式修改現(xiàn)在設(shè)定的轉(zhuǎn)差頻率ωs，即使沒有旋轉(zhuǎn)位置傳感器也可以始終運(yùn)算轉(zhuǎn)差頻率ωs。使用該(式18)的轉(zhuǎn)差頻率的推測運(yùn)算以下稱為電壓矢量方式。
圖5中，曲線的橫軸表示轉(zhuǎn)速，縱軸表示電壓或輸出功率。二次勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中，如圖5所示，系統(tǒng)頻率和旋轉(zhuǎn)頻率一致的同步頻率ω0(轉(zhuǎn)差s＝0)，二次側(cè)的電壓為零，即功率變換器CNV的輸出端的電壓V2幾乎為零，頻率控制為零，因此(式18)的分子所示的矢量大小變小，因此，(式18)的分子所示的矢量大小變小，根據(jù)發(fā)電機(jī)常數(shù)等的誤差轉(zhuǎn)差s的推測容易存在誤差難以控制。因此，存在無法進(jìn)行使用(式18)的矢量作出的相位推測的區(qū)域。這時(shí)，使用采取了二次側(cè)的有效成分·無效成分電流和一次側(cè)功率的相位誤差推測。
一次的有效成分電流I1d和二次的有效成分電流是有功功率相關(guān)成分，二次的有效成分電流的一次換算值Idr’和一次有效成分電流I1d一致。即用(式19)表示。
(式19)Idr′＝I1d另外，一次的無效成分電流I1q和二次的無效成分電流是與無功功率相關(guān)的成分，從二次的無效成分電流Iqr’中除去勵(lì)磁成分I0后的、即相當(dāng)輸出到定子側(cè)的無功功率成分的二次側(cè)電流的一次換算值Iqr2’與一次無效成分電流I1q一致。即用(式20)表示。
(式20)Iqr2＝Iqr′-I0＝I1q定子電流I1也可以根據(jù)功率變換器CNV的輸出電流Ir和系統(tǒng)電流Is由基爾霍夫法則求出。另外，勵(lì)磁電流I0是發(fā)電機(jī)的電氣特性之一，根據(jù)規(guī)范書等提供。另外，一次(定子)的有效成分電流Id1和定子的有功功率P成比例，一次(定子)的無效成分電流Iq1和定子無功功率Q成比例，因此(式21)成立。
(式21)P∝I1d＝Idr′Q∝I1q＝Iqr2′
因此，P、Q所示的矢量與Idr’、Iqr2’所示的矢量方向一致。但是，轉(zhuǎn)子的頻率推測中存在誤差時(shí)，求取二次的各d軸、q軸成分的坐標(biāo)變換的旋轉(zhuǎn)相位存在誤差ΔΦ，(式21)不成立。即，轉(zhuǎn)子的相位推測值比實(shí)際超前ΔΦ時(shí)，成為如(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的矢量與Idr’、Iqr2’所示的矢量一致，即如(式21)的關(guān)系所示，可以修正旋轉(zhuǎn)頻率推測值或勵(lì)磁頻率推測值。使用該(式21)(式22)的轉(zhuǎn)差頻率的推測運(yùn)算，以下成為功率矢量方式。該功率矢量方式，在一次的功率小時(shí)功率的矢量變小。容易包含誤差，因此與使用電壓矢量的方式并用覆蓋運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，該使用電壓矢量的方式使用采用上述的發(fā)電機(jī)常數(shù)的(式18)的電壓矢量。
圖6表示電壓矢量方式和功率矢量方式的運(yùn)行區(qū)域。例如，在發(fā)電機(jī)定子與系統(tǒng)連接的狀態(tài)下，在圖6所示的輸出功率小的區(qū)域A即同步速度ω0的輸出有效功率P0的10％以下、優(yōu)選5％以下，轉(zhuǎn)速在同步速度ω0的75％以下和同步速度ω0的125％以上，優(yōu)選轉(zhuǎn)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)的電壓矢量方式推測發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，在輸出功率大的區(qū)域B中使用(式21)、(式22)的功率矢量方式。另外，在同步速度附近輸出功率小的區(qū)域C中，避免起動(dòng)或降低輸出而停止的動(dòng)作。根據(jù)這些運(yùn)轉(zhuǎn)方法，在發(fā)電機(jī)定子與系統(tǒng)連接的狀態(tài)下，推測發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子位置，可以穩(wěn)定發(fā)電。
圖7表示實(shí)現(xiàn)(式18)的上述電壓矢量方式和(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的、旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET的構(gòu)成。通過對旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET輸入功率系統(tǒng)電壓Vs、一次側(cè)電流I1、二次側(cè)勵(lì)磁電壓Vr、二次側(cè)電流Ir可以推測轉(zhuǎn)差s。這里，對使用二次側(cè)勵(lì)磁電壓Vr求取轉(zhuǎn)差s的方法進(jìn)行說明，但是也可以使用功率變換器INV的電壓指令值Vur、Vvr、Vwr來代替二次側(cè)勵(lì)磁電壓Vr。
首先，對根據(jù)(式18)的上述電壓矢量方式的旋轉(zhuǎn)位置推測的推測誤差求取方法進(jìn)行說明。在圖7中，在矢量運(yùn)算器VCTCAL1，根據(jù)由頻率運(yùn)算器FCAL1求得的系統(tǒng)電壓Vs的頻率ω0和發(fā)電機(jī)的電阻或電感等上述常數(shù)，計(jì)算(式18)的分母矢量(實(shí)軸成分和虛軸成分)。分別在角度運(yùn)算器THCAL1、THCAL2，根據(jù)各個(gè)矢量計(jì)算角度(將實(shí)軸設(shè)為0度時(shí)的矢量的相位)，在減法器305中計(jì)算角度差值THERR1。
接著，對使用(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的旋轉(zhuǎn)位置推測的推測誤差求取方法進(jìn)行說明。在圖7中，由功率運(yùn)算器PQCAL根據(jù)系統(tǒng)電壓Vs、一次側(cè)電壓I1求取有功功率P、無功功率Q。相位運(yùn)算器THCAL3計(jì)算有功功率和無功功率的(式23)所示的矢量P+jQ的相位，將功率矢量相位THPQ輸出到減法器305。
(式23)P+jQ另外，計(jì)算從二次電流Ir的有功功率成分一次換算值Idr’、無效電流成分一次換算值Iqr’除去勵(lì)磁電路成分I0后的(式24)所示的矢量的相位。將電流矢量相位THI2輸出到減法器305。
(式24)Idr′+j(Iqr′-I0)減法器305，從相位THPQ中減去THI2，用減法器305計(jì)算角度的差值THERR2。電壓矢量的相位誤差THERR1和用功率矢量計(jì)算的相位誤差THERR2輸入到切換器SWTH。切換器SWTH，如圖6的說明中所述，在一次側(cè)的功率大的時(shí)候(區(qū)域B)選擇根據(jù)功率矢量計(jì)算的相位誤差THERR2，在一次側(cè)的功率小的時(shí)候(區(qū)域A)，選擇電壓矢量的相位誤差THERR1。另外，在風(fēng)車控制器WTCTRL控制功率指令或起動(dòng)停止時(shí)的時(shí)間(轉(zhuǎn)速在區(qū)域C的范圍內(nèi)不起動(dòng)停止)等，以使運(yùn)行狀態(tài)不進(jìn)入?yún)^(qū)域C。
如果角度的差值THERR1或THERR2為零，則可以求得正確的轉(zhuǎn)差，因此在比例積分調(diào)節(jié)器的反饋值中使用上述角度誤差THERR將零設(shè)定為目標(biāo)值。因?yàn)榭梢愿鶕?jù)上述比例積分調(diào)節(jié)器的輸出可以求出相對于通過上述現(xiàn)設(shè)定轉(zhuǎn)差頻率ωs的誤差值，所以在加法器304中將其與現(xiàn)在設(shè)定的轉(zhuǎn)差頻率ωs相加。成為修正加法器304的輸出的轉(zhuǎn)差頻率ωs’后的轉(zhuǎn)差頻率，所以通過對其進(jìn)行積分可以計(jì)算相位信號RTH。
相位信號RTH和同步控制器SYNC的輸出相位信號LTH用圖2中的加法器303相加，成為相位信號TH，相位信號TH與上述相位信號THs一起被輸入勵(lì)磁相位運(yùn)算器SLDET。上述勵(lì)磁相位運(yùn)算器SLDET將上述相位信號TH和THs相加，輸出轉(zhuǎn)子的電氣角頻率的相位信號THr。
圖8表示根據(jù)圖2和圖3達(dá)到電壓同步之前的動(dòng)作波形。在圖8中，運(yùn)轉(zhuǎn)開始時(shí)(時(shí)刻t＝0之前)，處于電磁接觸器CTT1打開，只功率變換器CNV動(dòng)作狀態(tài)。然后，從時(shí)刻t＝0到t＝t2中，為了進(jìn)行使系統(tǒng)電壓的振幅和相位同步的相位同步的動(dòng)作，功率變換器INV將勵(lì)磁電流供給到轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)電壓和定子電壓大致一致，例如，在達(dá)到系統(tǒng)電壓90％到110％，優(yōu)選達(dá)到95％到105％的定子電壓的時(shí)刻t＝t2的時(shí)刻，閉合電磁接觸器CTT1。
在電壓相位同步開始中，例如以0Hz的固定頻率供給勵(lì)磁電流時(shí)，在定子的電壓中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)定子電壓的零交差點(diǎn)等檢測頻率時(shí)，可知轉(zhuǎn)速，因此可以求出用于將定子電壓設(shè)為與系統(tǒng)的頻率相同的50Hz或60Hz的勵(lì)磁頻率。
功率變換器INV以求出的勵(lì)磁頻率供給勵(lì)磁電流時(shí)，定子電壓可以達(dá)到與系統(tǒng)頻率幾乎相同的頻率，例如95％到105％的范圍內(nèi)的頻率。求出勵(lì)磁頻率之后，因?yàn)橛上辔煌綑z測器將相位差值(圖3的DTH1)與勵(lì)磁相位相加所以可與系統(tǒng)頻率同步。即，最初的勵(lì)磁頻率使用控制裝置任意決定的規(guī)定值，接著，根據(jù)可觀測其結(jié)果的定子電壓的頻率求得轉(zhuǎn)速，使定子電壓的頻率與系統(tǒng)頻率一致，大致分為兩個(gè)階段動(dòng)作。相位差大致一致輸出同步判斷標(biāo)志SYN時(shí)，系統(tǒng)控制器SYS將控制切換信號Sg0發(fā)送到切換器SW，同時(shí)，對電磁接觸器CTT1發(fā)送閉合指令。
如此，在無旋轉(zhuǎn)位置傳感器時(shí)，因?yàn)椴恢畛蹀D(zhuǎn)速，觀測勵(lì)磁開始時(shí)的轉(zhuǎn)速來決定初始勵(lì)磁頻率，因此，勵(lì)磁開始時(shí)的勵(lì)磁頻率作為某個(gè)任意的固定值(實(shí)施例中0Hz)開始運(yùn)行。由此，即使沒有位置傳感器也能檢測初始的旋轉(zhuǎn)頻率，可以以轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行勵(lì)磁。因此，即使沒有旋轉(zhuǎn)位置傳感器也可以實(shí)現(xiàn)同步投入系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
另外，不需要交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的控制裝置，通過避免在其特性上運(yùn)行難、以同步速度輸出功率小的區(qū)域進(jìn)行起動(dòng)或降低功率停止，作為發(fā)電裝置可以穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。在難以停止(上述區(qū)域C)時(shí)輸出指令，特別是在風(fēng)流發(fā)電中轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)力變化，因此系統(tǒng)不存在問題。
以上說明了同步投入系統(tǒng)的情況，但是，相反從系統(tǒng)分離時(shí)，交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)以同步速度ω0以外的轉(zhuǎn)速將電磁接觸器CTT1打開分離(解列)，然后，停止功率變換器INV、CONV的勵(lì)磁即可。
另外，本實(shí)施例中說明風(fēng)力發(fā)電的情況，因?yàn)楸景l(fā)明可以將二次勵(lì)磁型的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)與系統(tǒng)連接，因此也適用于調(diào)速發(fā)電機(jī)發(fā)電、引擎發(fā)電機(jī)等各種用途的發(fā)電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電裝置，備有交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；配置在該交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機(jī)構(gòu)；與上述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵(lì)磁機(jī)構(gòu)；控制所述開閉機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的控制機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)，其中，所述控制機(jī)構(gòu)包括，在所述開閉機(jī)構(gòu)打開時(shí)，根據(jù)自二次側(cè)以規(guī)定的頻率勵(lì)磁而產(chǎn)生的定子側(cè)電壓的頻率、由系統(tǒng)電壓檢測值求出的系統(tǒng)電壓的頻率、二次側(cè)的勵(lì)磁頻率來計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，使自所述二次側(cè)勵(lì)磁的頻率與計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率一致的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)，將自二次側(cè)的勵(lì)磁頻率以0Hz開始勵(lì)磁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)，包括按照以所述轉(zhuǎn)差頻率勵(lì)磁二次側(cè)而產(chǎn)生的定子的電壓的振幅與系統(tǒng)電壓的振幅一致的方式改變勵(lì)磁電流的機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)，包括按照以所述轉(zhuǎn)差頻率勵(lì)磁二次側(cè)而產(chǎn)生的定子的電壓的相位與系統(tǒng)電壓的相位一致的方式改變勵(lì)磁頻率的機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)，包括在系統(tǒng)電壓和定子電壓的電壓頻率、相位、振幅達(dá)到規(guī)定的范圍的值時(shí)，閉合所述開閉機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)包括發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為與系統(tǒng)同步的同步速度以外時(shí)關(guān)閉所述開閉機(jī)構(gòu)而與系統(tǒng)連接的機(jī)構(gòu)。
7.一種發(fā)電裝置，備有交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；配置在該交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機(jī)構(gòu)；與上述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵(lì)磁機(jī)構(gòu)；控制所述開閉機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的控制機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)；檢測所述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的二次線圈側(cè)的電流的機(jī)構(gòu)；檢測所述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的二次線圈側(cè)電壓的機(jī)構(gòu)，其中，所述控制機(jī)構(gòu)包括，在所述開閉機(jī)構(gòu)打開時(shí)，輸入所述系統(tǒng)側(cè)的電壓的檢測值、所述定子側(cè)的電流檢測值、所述二次線圈側(cè)的電壓檢測值、所述二次線圈側(cè)的電流的檢測值，計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率的相位檢測機(jī)構(gòu)；和使所述交流勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的頻率與計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率一致的機(jī)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述勵(lì)磁機(jī)構(gòu)備有第1功率變換器和第2功率變換器，以及配置在該第1功率變換器的直流側(cè)和第2功率變換器的直流側(cè)之間的電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用風(fēng)車驅(qū)動(dòng)。
10.一種發(fā)電裝置，備有交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；配置在該交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機(jī)構(gòu)；與上述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵(lì)磁機(jī)構(gòu)；控制所述開閉機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的控制機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)；檢測所述開閉機(jī)構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機(jī)構(gòu)，其中，所述控制機(jī)構(gòu)包括，在所述開閉機(jī)構(gòu)斷開時(shí)，根據(jù)自二次側(cè)以規(guī)定的頻率勵(lì)磁而產(chǎn)生的定子側(cè)電壓的頻率、由系統(tǒng)電壓檢測值求出的系統(tǒng)電壓的頻率、二次側(cè)的勵(lì)磁頻率計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，使自所述二次側(cè)勵(lì)磁的頻率與計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率一致進(jìn)行勵(lì)磁后閉合所述開閉機(jī)構(gòu)，在所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到與系統(tǒng)同步速度不同的速度之后，打開所述開閉機(jī)構(gòu)將所述交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)自系統(tǒng)分離，停止所述勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的勵(lì)磁。
全文摘要
一種發(fā)電裝置，可以將不具備旋轉(zhuǎn)位置傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器的交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)在短時(shí)間同步投入系統(tǒng)。本發(fā)明的發(fā)電裝置，在交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的用于對系統(tǒng)同步投入的二次線圈的勵(lì)磁開始時(shí)，首先以固定頻率勵(lì)磁二次線圈，根據(jù)定子側(cè)出現(xiàn)的電壓的頻率和系統(tǒng)電壓頻率之間的差值計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，接著以計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行勵(lì)磁，向定子輸出與系統(tǒng)頻率大致一致的頻率的電壓投入系統(tǒng)。然后，按照轉(zhuǎn)速變化后情況或相位變化后的情況使相位差為零的方式調(diào)整相位。
文檔編號H02P9/14GK1905355SQ20061005498
公開日2007年1月31日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者一瀨雅哉, 二見基生, 大原伸也, 今家和宏, 松竹貢 申請人:株式會(huì)社日立制作所