專利名稱：用于控制功率轉(zhuǎn)換的電流控制器設(shè)備和向量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用向量控制算法來控制由轉(zhuǎn)換器進行的DC功率至AC轉(zhuǎn)換或相反轉(zhuǎn) 換的電流控制器設(shè)備，所述控制器具有頻率相關(guān)開環(huán)控制環(huán)路增益。本發(fā)明還涉及功率轉(zhuǎn) 換器、諸如風力渦輪機的發(fā)電設(shè)備、諸如風電場的發(fā)電設(shè)施和用于控制將DC功率轉(zhuǎn)換成AC 功率或進行相反轉(zhuǎn)換的向量控制方法。
背景技術(shù)：
風力渦輪機通過使用風力來將風能轉(zhuǎn)換成電能以直接或借助于齒輪箱來驅(qū)動發(fā) 電機的轉(zhuǎn)子。在發(fā)電機的定子端子處產(chǎn)生的AC功率的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。發(fā)電機 端子處的電壓還作為速度的函數(shù)并根據(jù)特定類型的發(fā)電機、根據(jù)通量水平而變。為了獲得 最佳功率，風力渦輪機的輸出軸的轉(zhuǎn)速將根據(jù)驅(qū)動風力渦輪機葉片的風速而改變。為了限 制高風速下的功率，通過改變渦輪葉片的節(jié)距(pitch)來控制輸出軸的轉(zhuǎn)速。功率轉(zhuǎn)換器例如被用于使由發(fā)電機提供的變頻AC功率與電網(wǎng)的標稱恒頻AC功率 匹配。在此類功率轉(zhuǎn)換器的第一級中，使用整流器來將從發(fā)電機遞送的AC功率轉(zhuǎn)換成DC 功率。此DC功率被饋送到所謂的DC鏈路。在第二級、即其輸入端被連接到DC鏈路的所謂 逆變器中，DC功率被轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)頻率匹配的AC功率。通常，逆變器是用于將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率的電路。其裝配有用于將逆變器相 (phase)端子輸出端連接到DC鏈路的正或負匯流排(busbar)的開關(guān)?；诙x用于將逆 變器輸出端通過各開關(guān)連接到高或低DC電壓水平的定時的脈寬調(diào)制方案來提供用于斷開 和閉合開關(guān)的開關(guān)模式。在其中開關(guān)被斷開的時間期間，電流從DC鏈路留到電網(wǎng)或相反。 還可適用用于確定用于開關(guān)的開關(guān)方式(switching regime)的其它方法，包括直接控制或 預(yù)測控制?？梢愿鶕?jù)表示由電網(wǎng)運營商請求的功率因數(shù)(power factor)的功率因數(shù)需求信 號來控制逆變器，其中，由有功功率(real power)與表觀(apparent)功率的比來給出功率 因數(shù)(表觀功率是有功功率和無功功率的平方的和的平方根)。作為根據(jù)功率因數(shù)需求來控 制逆變器的替代，還可以基于有功功率需求和無功功率需求來控制逆變器。此外，作為直接 根據(jù)功率因數(shù)需求或有功功率需求和無功功率需求來控制逆變器的替代，還可以根據(jù)電流 需求信號來進行控制，因為電壓振幅在電網(wǎng)中通常是固定參數(shù)，使得可以由電流振幅和電 流與電壓之間的相角來定義由逆變器饋送給電網(wǎng)的功率。因此，可以將用于有功和無功功 率的功率因數(shù)需求信號轉(zhuǎn)換成隨后被用于控制逆變器、即用于確定定義開關(guān)的開關(guān)時間的 脈沖的電流需求信號。此類控制模式稱為電流控制。特別地，在電流控制模式下，可以有利地使用向量控制算法來控制DC功率到AC功 率的轉(zhuǎn)換?？梢詫⒃诠潭▍⒖枷抵蝎@取的平衡交流反饋信號表示為以旋轉(zhuǎn)頻率或相對 于固定參考系α、β (比較圖10)旋轉(zhuǎn)的向量I的分量Ia和I0。在向量控制算法中，以隨 著轉(zhuǎn)子的通量向量或隨著電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)(與電網(wǎng)電壓同步)的向量旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)參考系來表 示這些旋轉(zhuǎn)向量I，并且基于電流需求信號來在此旋轉(zhuǎn)參考系中計算控制量。在此類旋轉(zhuǎn)參考系中，可以由兩個向量、即向量分量Id、、來定義平衡三相AC電流I，所述向量分量ItnItl 表示沿著通量向量的方向、即旋轉(zhuǎn)參考系的所謂直軸流動的電流、和與通量向量的方向垂 直地、即沿著旋轉(zhuǎn)參考系的所謂象限(quadrature)軸的方向流動的電流I,。在將沿著通量 向量或隨著電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)的向量的方向流動的電流Id稱為直軸電流的同時，將與通量向量 或隨著電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)的向量垂直地流動的電流I,稱為象限軸電流。直軸電流和象限軸電 流是穩(wěn)態(tài)下的DC量，并且通常借助于PI控制器來將狀態(tài)誤差控制為零。例如在US 5，083，039和US 2009/0147549 Al中描述了包括整流器和用于基于向 量控制算法將風力渦輪發(fā)電機的變頻AC功率轉(zhuǎn)換成DC功率和將DC功率轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)的固 定頻率AC功率的逆變器的典型功率轉(zhuǎn)換器。所述控制器通常具有頻率相關(guān)開環(huán)控制環(huán)路增益。在開環(huán)控制環(huán)路增益大于一 (unity)并具有小于或等于負的180°的相位的情況下，控制系統(tǒng)被定義為不穩(wěn)定的。

發(fā)明內(nèi)容
相對于所述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種與現(xiàn)有技術(shù)相比以提高的穩(wěn)定性 使用向量控制算法來控制DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換的電流控制器設(shè)備。本發(fā)明的另一目的 是提供一種有利的功率轉(zhuǎn)換器、有利的發(fā)電設(shè)備和有利的發(fā)電設(shè)施。此外，本發(fā)明的目的是 提供一種用于控制將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率的逆變器的有利的向量控制方法。由根據(jù)權(quán)利要求1的電流控制器來解決第一目的、由根據(jù)權(quán)利要求11的功率轉(zhuǎn)換 器、根據(jù)權(quán)利要求13的發(fā)電設(shè)備和根據(jù)權(quán)利要求16的發(fā)電設(shè)施來解決第二目的。由根據(jù) 權(quán)利要求19的向量控制方法來解決第三目的。從屬權(quán)利要求包含本發(fā)明的進一步發(fā)展。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率或進行相反轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn) 換器的向量控制方法，其中，向電網(wǎng)輸出或從電網(wǎng)接收AC功率。該向量控制基于第一電流 需求信號、第二電流需求信號、第一電流反饋信號、第二電流反饋信號、第一電壓反饋信號 和第二電壓反饋信號來計算第一電壓需求信號和第二電壓需求信號。所述開環(huán)控制環(huán)路增 益取決于包含在第一和第二電流反饋信號中的頻率。根據(jù)本發(fā)明，開環(huán)控制環(huán)路增益將大 于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和第二電流反饋信號的頻率受到抑制。本發(fā)明的方法是基于以下觀察
具有固定頻率脈寬調(diào)制方案的電網(wǎng)連接的逆變器在被連接到類似于例如風電場式集 電器(collector)系統(tǒng)時可能遭受閉環(huán)不穩(wěn)定性。此類集電器系統(tǒng)、以及其它電網(wǎng)可能具 有顯著的電纜電容和/或架空線，并可能被連接到弱AC電氣系統(tǒng)。當從逆變器的輸出端子 看時，此電纜電容與輸入線電抗器和渦輪變壓器一起形成在(不是故意地)經(jīng)調(diào)諧的頻率下 具有最小阻抗的串聯(lián)諧振電路，這又產(chǎn)生高導(dǎo)納?？梢酝ㄟ^考慮電網(wǎng)或發(fā)電機、所連接的逆變器的開環(huán)增益來分析其閉環(huán)電流控制 器?？梢愿鶕?jù)控制器傳遞函數(shù)C(S)和電網(wǎng)或發(fā)電機的導(dǎo)納Y(S)的乘積來計算此開環(huán)增益。 由在控制器中使用的控制算法來定義控制器傳遞函數(shù)C(S)。在一般的固定開關(guān)頻率方案 中，與發(fā)電機的或被同步至電網(wǎng)電壓的旋轉(zhuǎn)通量向量同步地執(zhí)行控制。在此類固定頻率脈寬調(diào)制方案中，在對電流反饋和/或電壓反饋進行采樣與實現(xiàn) 用來控制變壓器輸出端處的電流的逆變器輸出電壓之間存在延遲。此延遲引起具有隨著頻 率的增加而增加的相位滯后的相位特性。如果開環(huán)控制環(huán)路增益在開環(huán)控制環(huán)路增益的相位小于或等于負180°時大于一，則所述電流控制系統(tǒng)被定義為是不穩(wěn)定的。特別地，如果許多逆變器被連接到由于例如集電器系統(tǒng)而具有顯著電容的電網(wǎng)， 則從逆變器輸出端看到的導(dǎo)納可能變得如此高，以至于開關(guān)控制環(huán)路增益增加至一以上， 并且同時，開環(huán)控制環(huán)路增益的相位在某個頻帶或某些頻帶內(nèi)小于或等于負180°。此組合 將導(dǎo)致這些頻帶中的控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。雖然通常只有被連接到電網(wǎng)的幾個逆變器(例如兩個或三個逆變器)也出現(xiàn)上述 困難，但其隨著被連接到電網(wǎng)的逆變器的數(shù)目增加而變得更加嚴重。如果許多大功率轉(zhuǎn)換器被連接到大型電纜陣列，則上述問題變得相關(guān)。此外，如果 安裝的表觀功率與電網(wǎng)故障水平的比變高，則次級影響變得相關(guān)。以前沒有注意這些關(guān)系， 因為被連接到大型電纜陣列的許多大功率轉(zhuǎn)換器和安裝的表觀功率與電網(wǎng)故障水平之間 的高的比僅僅是目前將要達到的，因此上述問題在不久的將來將變得更加相關(guān)。用本發(fā)明的向量控制方法，可以通過抑制向量控制的開環(huán)控制環(huán)路增益將變得大 于一和/或其相位將小于或等于負180°時的第一和第二電流反饋信號的此類頻率來使控 制系統(tǒng)穩(wěn)定。在存在多個發(fā)電設(shè)備的情況下，至少其子集被電網(wǎng)連接在一起，所述多個發(fā)電設(shè) 備中的每一個將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率并包括電抗器和變壓器。所述電網(wǎng)具有電網(wǎng)電容， 例如集電器電纜陣列的電纜電容。可以根據(jù)電抗器、變壓器、電網(wǎng)電容和電網(wǎng)阻抗的參數(shù)來 確定開環(huán)控制環(huán)路增益將大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和電流反饋 信號的頻率。特別地，可以由作為電網(wǎng)的一部分并將所述多個發(fā)電設(shè)備的至少子集連接到 中央設(shè)備的至少一個集電器電纜的電容來控制電網(wǎng)電容。特別地，可以通過根據(jù)電抗器、變壓器和電纜電容的參數(shù)來確定從逆變器的輸出 端所看到的導(dǎo)納來進行確定頻率。然后，根據(jù)向量控制方法的開環(huán)增益C(S)和所確定的導(dǎo) 納Y(S)的乘積來計算開環(huán)控制增益。可以根據(jù)計算的結(jié)果來確定開環(huán)控制環(huán)路增益大于 一時和相位小于或等于負180°時的頻率。 特別地，可以在產(chǎn)生在被再次轉(zhuǎn)換成AC功率之前被轉(zhuǎn)換成DC功率的AC功率的發(fā) 電設(shè)備的背景下使用本發(fā)明的向量控制方法。 適合于執(zhí)行本發(fā)明的向量控制方法的電流控制器設(shè)備使用向量控制算法來控制 由轉(zhuǎn)換器進行的DC功率到AC功率轉(zhuǎn)換或相反的轉(zhuǎn)換。其具有頻率相關(guān)開環(huán)控制環(huán)路增益 并包括用于接收第一電流需求信號的第一電流需求輸入端、用于接收第二電流需求信號的 至少第二電流需求輸入端、用于接收表示AC功率的AC電流、例如轉(zhuǎn)換器端子處的AC電流 的第一電流反饋信號的第一電流反饋輸入端、用于接收表示AC功率的電流、例如轉(zhuǎn)換器端 子處的AC電流的第二電流反饋信號的第二電流反饋輸入端、用于接收表示AC功率的AC電 壓、例如轉(zhuǎn)換器端子處的AC電壓的第一電壓反饋信號的第一電壓反饋輸入端、用于接收表 示AC功率的AC電壓、例如轉(zhuǎn)換器端子處的AC電壓的第二電壓反饋信號的第二電壓反饋輸 入端、用于輸出第一電壓需求信號的第一電壓需求輸出端、用于輸出第二電壓需求信號的 第二電壓需求輸出端和用于基于所述第一電流需求信號、所述第二電流需求信號、所述第 一電流反饋信號、所述第二電流反饋信號、所述第一電壓反饋信號和所述第二電壓反饋信 號來產(chǎn)生所述第一電壓需求信號和所述第二電壓需求信號的控制器。在電流控制器中，所 述開關(guān)控制環(huán)路增益取決于包含在第一和第二電流反饋信號中的頻率。在第一電流反饋輸入端處提供第一濾波器并在第二電流反饋輸入端處提供第二濾波器。兩個濾波器每個具有 被選擇為使得降低開環(huán)控制環(huán)路增益將變得大于一并將具有小于或等于負的180°的相位 時的第一和第二電流反饋信號的頻率的濾波器特性，使得所述某些頻率下的開環(huán)控制環(huán)路 增益在一以下和/或與所述頻率相關(guān)的相位移位至負180°以上。作為所述第一和第二濾波器，可以使用帶阻濾波器，每個具有被選擇為使得降低 頻率相關(guān)開環(huán)控制環(huán)路增益將變得大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和 第二電流反饋信號的頻率的中心頻率和帶寬。特別地，此類帶阻濾波器通常將具有在150Hz或以上、例如在400Hz或以上或在 600Hz或以上的中心頻率。另外，此類帶阻濾波器通常將具有至少50Hz且特別是至少200Hz 的帶寬。在存在開環(huán)控制環(huán)路增益將變得大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的 不同頻率范圍的情況下，可以在第一電流反饋輸入端與第一帶阻濾波器之間提供至少第三 帶阻濾波器，并且可以在第二電流反饋輸入端與第二帶阻濾波器之間提供至少第四帶阻濾 波器。第三和第四帶阻濾波器每個將具有150Hz或以上的中心頻率和/或至少50Hz的帶
覓ο通過對每個電流反饋信號使用至少兩個電阻濾波器，可以抑制將導(dǎo)致不穩(wěn)定的不 同頻帶，同時基本上不抑制將不會導(dǎo)致不穩(wěn)定的此類頻率。所述控制器可以特別地包括連接到第一電流需求信號輸入端和第一電流反饋輸 入端的第一減法器，該減法器適合于形成表示第一電流需求信號與第一電流反饋信號之間 的差的第一誤差信號。此外，此類電流控制器將包括被連接到第二電流需求信號輸入端和 第二電流反饋輸入端的至少第二減法器，所述第二減法器適合于形成表示第二電流需求信 號與第二電流反饋信號之間的差的第二誤差信號。優(yōu)選地為PI控制器的第一控制單元隨 后被連接到用于接收第一誤差信號并適合于基于該第一誤差信號來產(chǎn)生第一控制信號的 第一減法器。優(yōu)選地也為PI控制器的至少第二控制單元被連接到用于接收第二誤差信號 并適合于基于該第二誤差信號產(chǎn)生第二控制信號的第二減法器。此外，第一乘法器被連接 到第一電流需求信號輸入端并適合于通過將第一電流需求信號與至少基頻和電感值相乘 來產(chǎn)生第三控制信號，并且至少第二乘法器被連接到第二電流需求信號輸入端并適合于通 過將第二電流需求信號與至少基頻和電感值相乘來產(chǎn)生第四控制信號。另外，加法器布置 (arrangement)被連接到第一控制單元、第二乘法器、第一電壓反饋輸入端和第一電壓需求 輸出端。此第一加法器布置適合于通過將第一控制信號、第四控制信號和第一電壓反饋信 號相加來產(chǎn)生第一電壓需求信號。加法器/減法器布置被連接到第二控制單元、第一乘法 器、第二電壓反饋輸入端和第二電壓需求輸出端。第二加法器布置適合于通過用第二電壓 反饋信號減去第三控制信號并加上第二控制信號來產(chǎn)生第二電壓需求信號。在此類電流控 制器設(shè)備中，第一濾波器位于第一電流反饋輸入端與第一減法器之間且第二濾波器位于第 二電流反饋輸入端與第二減法器之間。本發(fā)明還提供了一種包括用于將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率的逆變器的功率轉(zhuǎn)換器和 用于控制DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換的發(fā)明電流控制器設(shè)備。由于本發(fā)明的電流控制器設(shè) 備，功率轉(zhuǎn)換器的控制系統(tǒng)顯示出提高的穩(wěn)定性。本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器另外可以包括用于 AC功率到所述DC功率的轉(zhuǎn)換的整流器。此類功率轉(zhuǎn)換器可以特別地在發(fā)電機產(chǎn)生將被轉(zhuǎn)換成第二頻率的AC功率的第一頻率(穩(wěn)定或可變)的AC功率的情況下使用。本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器可以特別地在類似于光伏電池的發(fā)電設(shè)備中使用，或者在功 率轉(zhuǎn)換器包括整流器、具有生成AC功率的發(fā)電機的發(fā)電設(shè)備的情況下使用，諸如風力渦輪 發(fā)電機或兩個AC電氣系統(tǒng)之間的AC至AC互連系統(tǒng)，其可以具有也可以不具有標稱上不同 的基頻。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種發(fā)電設(shè)施，其包括類似于例如每個裝配有變 壓器、電抗器和包括用于DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換的逆變器的功率轉(zhuǎn)換器的風力渦輪機的 多個發(fā)電設(shè)備和用于控制由逆變器輸出的AC功率的電流控制器設(shè)備。所述設(shè)施還包括發(fā) 電設(shè)備被連接的到并具有電網(wǎng)電容的電網(wǎng)。所述電能發(fā)電設(shè)備的電抗器、變壓器和電網(wǎng)電 容形成諧振電路，其調(diào)諧頻率導(dǎo)致促使逆變器控制器的開環(huán)控制環(huán)路增益變得大于一并具 有小于或等于負180°的相位的高導(dǎo)納。在此類發(fā)電設(shè)施中，本發(fā)明的電流控制器設(shè)備被用 作發(fā)電設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換器中的電流控制器設(shè)備，使得能夠抑制將由于所述諧振電路而引起 不穩(wěn)定性的頻率。特別地，所述電網(wǎng)包括至少一個集電器電纜，其將所述多個發(fā)電設(shè)備的至少子集 連接到發(fā)電設(shè)施的中央設(shè)備，諸如，例如將內(nèi)部電網(wǎng)連接到公用電網(wǎng)的主變壓器，并具有電 纜電容，其中，電網(wǎng)電容基本上由所述至少一個集電器電纜的電容來給定。此類集電器電纜 通常在大型風電場中用于將風力渦輪機連接到中央變壓器。此外，可以存在將具有與電纜 電容類似的效果的功率因數(shù)校正電容器(correction capacitor)。每個發(fā)電設(shè)備可以包括產(chǎn)生AC功率的發(fā)電機。在這種情況下，功率轉(zhuǎn)換器還包括 用于所生成的AC功率到所述DC功率的轉(zhuǎn)換的整流器。整流器的使用允許生成AC功率，該 AC功率的頻率不與電網(wǎng)中的AC功率的頻率匹配。整流器和逆變器的組合然后允許頻率轉(zhuǎn) 換以使發(fā)電機的AC功率與電網(wǎng)的AC功率匹配。這種穩(wěn)定化方法還可以應(yīng)用于HVDC方案， 其中，AC、DC、AC轉(zhuǎn)換器提供AC電氣系統(tǒng)之間的互連，而不是如上所述的發(fā)電機與AC系統(tǒng) 之間的接口。


通過結(jié)合附圖的以下實施例說明，本發(fā)明的其它特征、性質(zhì)和優(yōu)點將變得明顯。圖1示意性地示出風電場的典型結(jié)構(gòu)。圖2詳細地示出風力渦輪機的電氣設(shè)備。圖3示出作為圖2所示的風力渦輪機電氣設(shè)備的一部分的逆變器。圖4示出圖3所示的逆變器的電流控制器。圖5示出風力渦輪機的輸入線路和風力渦輪機集電器電纜的等效電路。圖6示出作為頻率的函數(shù)的具有1至27個風力渦輪機的包括一個至三個集電器 電纜的風電場的頻率相關(guān)開環(huán)控制環(huán)路增益。圖7示出電流反饋中的具有陷波濾波器的C(S)。圖8示出系統(tǒng)的完整開環(huán)增益C(S) Y(S)。圖9示出本發(fā)明的電流控制器的替換實施例。圖10是舉例說明固定坐標系和旋轉(zhuǎn)場坐標系中的電流向量。
具體實施例方式通常，許多風力渦輪機1被連接在一起以限定風電場，諸如圖1所示。風力渦輪機 被集電器電纜15并聯(lián)地連接到風電場變壓器23。該風電場變壓器又被連接到標稱固定頻 率的公用電網(wǎng)3 (在圖中標記為網(wǎng)絡(luò))。每個風力渦輪機1通過輸入線電抗器19和風力渦 輪機變壓器21連接到集電器電纜15。雖然在圖1中僅示出四個風力渦輪機1被連接到的一個集電器電纜15，但集電器 電纜15的數(shù)目以及被連接到集電器電纜的風力渦輪機的數(shù)目可以與圖1所示的不同。例 如，大型風電場通常包括不止一個集電器電纜。另外，連接到每個集電器電纜15的風力渦 輪機的數(shù)目可以小于四個或特別地大于四個。圖2更詳細地示出圖1的風力渦輪機中的兩個。特別地，該圖示出用于控制發(fā)電 機和渦輪機的功率輸出的風力渦輪機的電氣設(shè)備。每個風力渦輪機1包括具有將轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)動量(rotational momentum) 傳送到齒輪箱7的轉(zhuǎn)子軸5的轉(zhuǎn)子3。在齒輪箱7中，發(fā)生旋轉(zhuǎn)以一定的傳動比到輸出軸9 的傳送。輸出軸9被固定于AC發(fā)電機11的轉(zhuǎn)子，其將由輸出軸9的旋轉(zhuǎn)提供的機械功率 變換成電功率。AC發(fā)電機11可以是同步發(fā)電機或異步發(fā)電機(單饋送或雙饋送)。在同步 發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子以與由發(fā)電機的定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同的旋轉(zhuǎn)頻率旋轉(zhuǎn)。相反，在異步發(fā) 電機中，定子的磁場和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率是不同的。由發(fā)電機的滑動(slip)來描述旋轉(zhuǎn)頻率 的差。發(fā)電機11是變速發(fā)電機，即允許轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)風力條件而變。為了為風力渦輪機被連接到的公用電網(wǎng)提供固定頻率，每個風力渦輪機1裝配有 功率電子轉(zhuǎn)換器13，其將由發(fā)電機11遞送的變頻電力的一部分或全部轉(zhuǎn)換成具有適合于 公用電網(wǎng)的固定頻率的電功率。另外，功率電子轉(zhuǎn)換器13控制由風力渦輪機1供應(yīng)的電力 的輸出功率。稍后將描述功率電轉(zhuǎn)換器13的細節(jié)。各個風力渦輪機1被連接到集電器電纜15，其通常是內(nèi)部中壓電網(wǎng)17、采取電抗 器形式的直通濾波器(through filter) 19和變壓器21的一部分。內(nèi)部電網(wǎng)17經(jīng)由包括 變壓器的變電站23連接到通常將以公共系統(tǒng)運營商所請求的某個功率因數(shù)進行操作的公 用電網(wǎng)。將結(jié)合圖2和3來描述由風力渦輪機供應(yīng)的電力的功率輸出的調(diào)節(jié)。由單獨風力 渦輪機1的功率電子轉(zhuǎn)換器13根據(jù)功率因數(shù)請求、或替換地根據(jù)有功功率請求或無功功率 請求來控制功率輸出。每個功率電子轉(zhuǎn)換器13包括用于從由風力渦輪機1提供的變頻AC 電壓產(chǎn)生具有高壓水平和低壓水平(諸如作為高壓水平的正電壓水平和作為低壓水平的負 電壓水平)的DC電壓的有源整流器25、從DC電壓產(chǎn)生標稱固定頻率AC電壓的逆變器27和 將有源整流器25與逆變器27相連的DC鏈路四。每個功率電子轉(zhuǎn)換器13還包括通過控制 AC發(fā)電機11的定子電流或定子電壓來控制由AC發(fā)電機11起作用的轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機控制器 31和控制功率電子轉(zhuǎn)換器13的輸出電流以供應(yīng)以由請求功率因數(shù)指定的角具有超前或滯 后電流的三相AC功率的逆變器控制器33。請注意，在調(diào)節(jié)由風力渦輪機供應(yīng)的電力的功率輸出的替換布置中，DC鏈路電壓 控制器輸出可以確定發(fā)電機Iq基準(reference)，即產(chǎn)生用于發(fā)電機的向量的功率或轉(zhuǎn) 矩，并且可以將有功功率基準饋送到網(wǎng)絡(luò)Iq基準。然后由無功電流參考系(可以是固定值) 或由另一 AC網(wǎng)絡(luò)電壓控制環(huán)路來確定網(wǎng)絡(luò)Id基準。
在本實施例中，逆變器控制器33從根據(jù)請求功率因數(shù)來產(chǎn)生電流需求信號的功 率控制器41接收DC鏈路四上的電壓水平、逆變器輸出端37處的電流水平、濾波器19與 變壓器21之間的電壓水平和電流控制信號。在圖3中示出了逆變器27的結(jié)構(gòu)和逆變器控 制器33的一般結(jié)構(gòu)。逆變器27包括三對有源開關(guān)器件35，類似于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、雙極結(jié)晶 體管、場效應(yīng)晶體管、達林頓晶體管或柵極截止閘流晶體管(gate turn-off thyristor). 在本實施例中，每對有源開關(guān)器件35包括兩個絕緣柵雙極晶體管作為有源開關(guān)器件35。成 對的有源開關(guān)器件35被連接在DC鏈路四的高壓水平與低壓水平之間。逆變器輸出37的 三個線路每個被連接到成對有源開關(guān)器件35中的不同的一個，在開關(guān)器件35之間的中間 部分。通過切換有源開關(guān)器件35的適當方案，可以將電壓鏈路四上的DC電壓變換成具有 電流水平的逆變器輸出端37處的三相AC電壓以便與請求的功率因數(shù)匹配。由逆變器控制 器33的電流控制器設(shè)備43根據(jù)由作為逆變器27的一部分并接收電壓需求信號的脈寬調(diào) 制發(fā)生器(pulse width modulation generator) 39 提供的脈寬調(diào)制整流(commutation) 信號來進行該切換。在圖4中更詳細地示出了逆變器控制器。如所述，逆變器控制器包括電流控制器 設(shè)備43和脈寬調(diào)制發(fā)生器39。電流控制器設(shè)備43基于電流需求信號IQ_NET*和ID_NET* 來確定電壓需求信號VQ_NET*、VD_NET*。電壓需求信號VQ_NET*和VD_NET*被脈寬調(diào)制發(fā) 生器39用來確定用于逆變器27中的有源開關(guān)器件35的柵極驅(qū)動命令信號RU、RL、YU、YL、 RU和BL，其定義開關(guān)器件35的開關(guān)時間。由功率控制器基于功率因數(shù)請求來計算電流需求信號IQ_NET*和ID_NET*。在與 電網(wǎng)電壓同步地旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)參考系、即所謂的旋轉(zhuǎn)場參考系中對其進行定義。在此參考系 中，可以根據(jù)沿旋轉(zhuǎn)通量向量的方向流動的直軸電流ID和沿垂直于旋轉(zhuǎn)通量向量的方向 流動的象限軸電流IQ來表示平衡三相電流?？梢酝ㄟ^適當?shù)淖鴺俗儞Q將兩個非零電流分 量變換成直軸電流ID和象限軸電流IQ。采取直軸電流ID和象限軸電流IQ形式的AC電流 表示的優(yōu)點是在旋轉(zhuǎn)參考系中，由處于穩(wěn)態(tài)的DC分量來表示這兩個電流并可以由比例積 分控制器(PI控制器)將穩(wěn)態(tài)誤差控制為零。電流控制器設(shè)備43包括兩個電流需求輸入端、用于象限軸電流需求信號IQ_NET* 的第一電流需求輸入端和用于直軸電流需求信號ID_NET*的第二電流需求輸入端、兩個電 流反饋輸入端，即用于象限軸電流反饋IQ_NET的第一電流反饋輸入端和用于直軸電流反 饋ID_NET的第二電流反饋輸入端。可以通過來自逆變器輸出端處的輸出電流的三個相位 的測量的適當變換來導(dǎo)出兩個反饋信號。此外，電流控制器包括兩個電壓反饋輸入端，即用 于象限軸電壓反饋VQ_NET的第一電壓反饋輸入端和用于直軸電壓反饋信號VD_NET的第二 電壓反饋輸入端。類似于電流反饋信號，可以通過使用來自在濾波器19與變壓器21之間 測量的輸出電壓的三個相位的測量的適當變換來導(dǎo)出電壓反饋信號。此外，可以對象限軸 電壓反饋VQ_NET和直軸電壓反饋信號VD_NET進行濾波。在電流控制器43處存在用于接 收網(wǎng)絡(luò)電壓波形的頻率的另一輸入端。在第一減法器45中，用象限軸電流需求信號IQ_NET*減去象限軸電流反饋信號 IQ.NET以形成隨后被產(chǎn)生第一控制信號Cl的PI控制器47接收的象限軸誤差信號EQ。同 樣地，第二減法器49被連接到第二電流需求信號輸入端和第二電流反饋信號輸入端以便接收各信號。第二減法器49用直軸電流需求信號ID_NET*減去直軸電流反饋信號ID_NET 以產(chǎn)生被輸出到第二 PI控制器51的直軸誤差信號ED，第二 PI控制器51基于直軸誤差信 號ED來確定第二控制信號C2。此外，電流控制器設(shè)備43包括第一乘法器53和第二乘法器57，第一乘法器53被 連接到用于接收象限軸電流需求信號IQ_NET*的象限軸電流需求信號輸入端和用于接收 網(wǎng)絡(luò)電壓波形的頻率WN的頻率輸入端。第一乘法器53將接收到的象限軸電流需求信號IQ_ NET*與接收到的頻率WN和輸入線電抗器的感應(yīng)率(inductivity) L相乘。乘法的結(jié)果形 成第三控制信號C3。同樣地，第二乘法器57被連接到用于接收直軸電流需求信號ID_NET* 的直軸電流需求信號輸入端和用于接收網(wǎng)絡(luò)電壓波形的頻率WN的頻率輸入端。其將直軸 電流需求信號ID_NET*與接收到的頻率WN和輸入線電抗器的感應(yīng)率L相乘以形成第四控 制信號C4。加法器布置59被連接到用于接收第一控制信號Cl的第一 PI控制器47、連接到第 二乘法器57以接收第四控制信號C4并連接到用于接收象限軸電壓反饋信號VQ_NET的第 一電壓反饋輸入端。其通過將三個接收到的信號求和來計算第一電壓需求信號VQ_NET*。 然后通過到脈寬調(diào)制發(fā)生器39的第一電壓需求輸出端來輸出所計算的象限軸電壓需求信 號 VQ_NET*。加法器/減法器布置61存在于被連接到第二 PI控制器51以接收第二控制信號 C2、連接到第一乘法器53以接收第三控制信號C3并連接到用于接收直軸電壓反饋信號VD_ NET的第二電壓反饋輸入端的電流控制器設(shè)備43中。其用直軸電壓反饋信號VD_NET減去 第三控制信號C3并將結(jié)果與第二控制信號C2相加以生成第二電壓需求信號，即直軸電壓 需求信號VD_NET*。然后通過到脈寬調(diào)制發(fā)生器39的第二電壓需求輸出端來輸出直軸電壓 需求信號VD_NET*。脈寬調(diào)制發(fā)生器39建立通過各開關(guān)器件35將逆變器27的各輸出線路R、Y、B連 接到DC鏈路的上或正電壓水平VU和DC鏈路的下或負電壓水平VL的、開關(guān)器件35的各 個開關(guān)命令。通過使用總電壓幅值V_NET* = SQRT (VQ_NET*2 + VD_NET*2)，角的和θ NET= ARCTAN (VD_NET*/ VQ_NET*)和作為網(wǎng)絡(luò)電壓角的度量的θ MAIN和例如由三角形波發(fā)生器 生成的脈寬調(diào)制頻率來計算各個信號RU、RL、YU、YL、BU和BL?？梢詫㈦娏骺刂破髟O(shè)備43的開環(huán)增益計算為控制器開環(huán)增益C (S)與逆變器輸出 端37被連接到的電網(wǎng)的導(dǎo)納Y(S)的乘積。在圖5中示出用于連接到集電器電纜15的渦 輪的示意性等效電路。當從逆變器輸出端看時，集電器電纜15的電容63與輸入線電抗器 19和變壓器21 —起形成在圖5中用虛線環(huán)繞的串聯(lián)諧振電路。此串聯(lián)諧振電路在調(diào)諧頻 率下具有最小阻抗，這導(dǎo)致電網(wǎng)的高導(dǎo)納Y(s)。請注意，雖然在圖5中僅示出被連接到集電 器電纜15的一個風力渦輪機1，但表示渦輪機的等效電路的部分必須由被連接到集電器電 纜15的渦輪機的數(shù)目縮放。另外，如果存在不止一個集電器電纜，則可以由集電器電纜的 數(shù)目與被連接到每個集電器電纜的渦輪機的相應(yīng)數(shù)目一起來縮放整個諧振電路。這產(chǎn)生系 統(tǒng)導(dǎo)納的合理表示。在圖6中示出從三個不同結(jié)構(gòu)得到的開環(huán)控制環(huán)路增益。圖6的上部分示出開環(huán) 控制環(huán)路增益的幅值且下部分示出對電流反饋和/或電壓反饋進行采樣與實現(xiàn)用來控制 (正常地)具有電網(wǎng)電壓波形的頻率的電流的電壓之間的相位滯后。此延遲引起具有隨著頻率的增加而增加的相位滯后的相位特性。如果開環(huán)控制環(huán)路增益的幅值在開環(huán)增益的相位滯后小于或等于負180°時大于 一，則控制系統(tǒng)被定義為是不穩(wěn)定的。該圖示出三個不同的方案，即其中存在一個集電器電 纜且一個至九個風力渦輪機被連接到電纜的第一方案(I)、具有兩個集電器電纜且一個至 九個風力渦輪機被連接到每個連接器電纜的第二方案(I I)和具有三個集電器且一個至九 個風力渦輪機被連接到每個集電器電纜的第三方案(III)。如從圖6看到的，根據(jù)風力渦輪 機和/或集電器電纜的數(shù)目，存在其中開環(huán)增益大于一且相位滯后小于-180度并因此不穩(wěn) 定的條件。為了避免風力渦輪機的控制系統(tǒng)中的所述不穩(wěn)定性，每個電流控制器包括第一陷 波(notch)濾波器65和第二陷波濾波器67 (參見圖4)。第一陷波濾波器65位于象限軸電 流反饋輸入端與第一減法器45之間，第二陷波濾波器57位于直軸電流反饋信號輸入端與 第二減法器49之間。陷波濾波器65、67每個具有被根據(jù)風電場的配置選擇為使得在相位 滯后小于或等于負180°的同時導(dǎo)致大于一的開環(huán)控制環(huán)路增益幅值的那些頻率受到抑制 的中心頻率和帶寬。例如，在配置III的情況下，中心頻率約為500Hz，帶寬為至少100Hz。 在配置I的情況下，中心頻率可以約為750Hz，帶寬至少為50Hz。在示出系統(tǒng)的完整開環(huán)增 益C(S)Y(S)的圖9中示出了開環(huán)控制環(huán)路增益的結(jié)果產(chǎn)生的幅值和相位滯后?？梢钥吹?消除了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。特別地，開環(huán)控制增益的幅值遍及整個頻率范圍很好地在一 以下。圖7示出電流反饋中的具有陷波濾波器的C(S)。寬帶陷波濾波器還使得本技術(shù)相對 于例如渦輪機的數(shù)目、電網(wǎng)故障水平和諧振頻率的變化而言是穩(wěn)健的?？梢愿鶕?jù)風電場集 電器系統(tǒng)和內(nèi)部渦輪機電氣組件的頻域表示來確定所需陷波濾波器Q因數(shù)的識別。到目前為止，已經(jīng)考慮了變電站23(參見圖1)的中壓側(cè)的電纜電容。然而，在較大 風電場的情況下，在圖1中一般被命名為網(wǎng)絡(luò)的變電站的高壓側(cè)還可能由于第二串聯(lián)諧振 的產(chǎn)生而導(dǎo)致諧振，該諧振損害風力渦輪機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和/或穩(wěn)定裕度。具有顯著 高壓電纜電容的此類風電場的電氣系統(tǒng)的導(dǎo)納可能導(dǎo)致將接近于150Hz和500Hz存在的高 增益，其中的兩者或任一者可以產(chǎn)生風力渦輪機控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此，可以存在用于 抑制各頻率的一個或多個附加陷波濾波器(69、71)。這些陷波濾波器將例如具有約150Hz 和/或600Hz的中心頻率和至少50Hz的相應(yīng)帶寬?？商鎿Q地，可以對具有大到足以覆蓋約 100與至少800Hz之間的頻率范圍的某個中心頻率和帶寬的每個電流反饋輸入端使用單個 陷波濾波器。相對于圖4，已經(jīng)描述了使用兩個電流需求信號IQ_NET*、ID_NET*來控制逆變器 的電流控制器設(shè)備。然而，還可以使用使用四個電流需求信號以便計算電壓需求信號的電 流控制器設(shè)備。那些電流控制器設(shè)備允許電網(wǎng)連接的逆變器電流的正和負序列組件兩者的 解耦控制，這又提供特別地用于不平衡故障條件的優(yōu)越的故障穿越能力。在圖9中示意性地示出了使用四個電流需求信號 的控制器。此控制器是基于將三相電流表示為復(fù)數(shù)形式
T/2e1(UL , I/2e.肩-· 的相量表示?？梢杂秒S著通量向量的頻率且以與通
量向量相同的方式旋轉(zhuǎn)的參考系中的直軸部分和象限軸部分來表示該和的第一被加數(shù)，同 時用以與通量向量相同的頻率但相反地旋轉(zhuǎn)的直軸部分和象限軸部分來表示該和的第二部分。因此，可以用正(旋轉(zhuǎn))象限軸電流需求信號IQ_NET*_P、正(旋轉(zhuǎn))直軸電流需求信號 ID_NET*_P、負(旋轉(zhuǎn))象限軸電流需求信號IQ_NET*_N和負(旋轉(zhuǎn))直軸電流需求信號ID_ NET*_N來表示電流需求信號。提供了用于控制正旋轉(zhuǎn)系中的量和用于控制負旋轉(zhuǎn)系中的 量的各個電流控制器設(shè)備部430A、430B?？刂破鞑?30A、430B中的每一個在其結(jié)構(gòu)方面對 應(yīng)于圖4所示的電流控制器設(shè)備43。然而，當兩個電流控制器設(shè)備部430A、430B被一起使 用時，這兩者必須具有在兩倍的基頻(2XfO)下調(diào)諧的陷波濾波器以拒絕基頻電流電壓的 +ve和-ve分量。作為本專利申請的主體的陷波濾波器是與此2XfO陷波串聯(lián)的附加陷波 濾波器。第一電流控制器設(shè)備部430A輸出正旋轉(zhuǎn)系VQ_NET*_P和VD_NET*_P的電壓需求 信號，并且第二電流控制器設(shè)備部430B輸出負旋轉(zhuǎn)系VQ_NET*_N* VD_NET*_N的電壓需求 信號。負旋轉(zhuǎn)系VQ_NET*_N和VD_NET*_N的電壓需求信號被調(diào)平(levelling)單元431調(diào) 平至正旋轉(zhuǎn)系VQ_NET*_P和VD_NET*_P的電壓需求信號，然后，將各正的和已調(diào)平負象限 軸電壓需求信號相加以形成隨后被輸出到脈寬調(diào)制發(fā)生器39的最后象限軸電壓需求信號 VQ_NET*。以相同的方式，將正和負直軸電壓需求信號相加以形成隨后被輸出到脈寬調(diào)制發(fā) 生器39的最后直軸電壓需求信號VD_NET*。已相對于電流控制器設(shè)備43描述的內(nèi)容也適用于圖9所示的電流控制器設(shè)備430 的每個電流控制器設(shè)備部430A、430B。因此，未更詳細地描述這些部以避免重復(fù)。已經(jīng)相對于本發(fā)明的示例性實施例描述的本發(fā)明是基于高系統(tǒng)導(dǎo)納能夠以使標 準逆變器控制算法不穩(wěn)定的方式起作用的認識。根據(jù)本發(fā)明，所使用的陷波濾波器用于使 此類系統(tǒng)穩(wěn)定。雖然已在固定開關(guān)頻率脈寬調(diào)制方案的背景下描述了陷波濾波器在電流反饋中 的使用，但本發(fā)明通常在可變開關(guān)頻率系統(tǒng)的背景中可能也是有益的。另外，雖然本發(fā)明的所述實施例涉及風力渦輪機的網(wǎng)絡(luò)，但本發(fā)明也適用于其它 類型的分布式發(fā)電或互連電氣系統(tǒng)，諸如波能發(fā)電機、太陽電池組、HVDC和其中在集電器系 統(tǒng)中存在功率轉(zhuǎn)換器和電容的任何應(yīng)用。如果發(fā)電設(shè)備生成DC功率而不是AC功率，則功 率轉(zhuǎn)換器僅包括逆變器，因為不需要有源整流。此外，遍及實施例的說明，已使用DC鏈路的正電壓水平作為高電壓水平并已使用 負電壓水平作為低電壓水平。然而，高和低電壓水平通?？梢员粚崿F(xiàn)為以下三個選項中的 一個
1.高壓水平是正的且低壓水平也是正的，但正得比高壓水平?。?br> 2.高壓水平是正的且低壓水平是負的；以及
3.高壓水平是負的且低壓水平也是負的，但負得比高壓水平多。已經(jīng)通過特定實施例的圖示相對于附圖描述的本發(fā)明不僅在其中功率從發(fā)電機 流動到電網(wǎng)的在實施例中存在功率流動的情況下適用，而且在功率流動反向的情況下也適 用，例如，在用于被從可以包含諧振的電氣系統(tǒng)供電的電動交通工具或HVDC方案的充電站 的情況下。
權(quán)利要求
1.一種使用向量控制算法來控制由轉(zhuǎn)換器(27)進行的DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換和/ 或相反轉(zhuǎn)換的電流控制器設(shè)備(43、430)，所述控制器設(shè)備具有開環(huán)控制環(huán)路增益并包括-第一電流需求輸入端，用于接收第一電流需求信號(IQ_NET*)； -至少第二電流需求輸入端，用于接收第二電流需求信號(ID_NET*)； -第一電流反饋輸入端，用于接收表示AC功率的AC電流的第一電流反饋信號(IQ_ NET)；-第二電流反饋輸入端，用于接收表示AC功率的AC電流的第二電流反饋信號(ID_ NET)；-第一電壓反饋輸入端，用于接收表示AC功率的AC電壓的第一電壓反饋信號(VQ_ NET)；-第二電壓反饋輸入端，用于接收表示AC功率的AC電壓的第二電壓反饋信號(VD_ NET)；-第一電壓需求輸出端，用于輸出第一電壓需求信號(VQ_NET*); -第二電壓需求輸出端，用于輸出第二電壓需求信號(VD_NET*)；以及 -控制器，用于基于所述第一電流需求信號(IQ_NET*)、所述第二電流需求信號(ID_ NET*)、所述第一電流反饋(IQ_NET)、所述第二電流反饋(ID_NET)、所述第一電壓反饋(VQ_ NET)和所述第二電壓反饋(VD_NET)來產(chǎn)生所述第一電壓需求信號(VQ_NET*)和所述第二 電壓需求信號(VD_NET*)，其中，所述開環(huán)控制環(huán)路增益取決于包含在第一和第二電流反饋信號(IQ_NET、ID_ NET)中的頻率， 其特征在于在第一電流反饋輸入端處提供第一濾波器(65)并在第二電流反饋輸入端處提供第二 濾波器(67)，該第一和第二濾波器(65、67)每個具有被選擇為使得降低頻率相關(guān)開環(huán)控制 環(huán)路增益將變得大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和第二電流反饋信號 (IQ_NET, ID_NET)的頻率的濾波器特性。
2.如權(quán)利要求1所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于所述第一和第二濾波器(65、67)是帶阻濾波器，每個具有被選擇為使得降低頻率相關(guān) 開環(huán)控制環(huán)路增益將變得大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和第二電流 反饋信號(IQ_NET、ID_NET)的頻率的中心頻率和帶寬。
3.如權(quán)利要求2所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第一和第二帶阻濾波器(65、67)每個具有150 Hz以上的中心頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第一和第二帶阻濾波器(65、67)每個具有400 Hz以上的中心頻率。
5.如權(quán)利要求4所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第一和第二帶阻濾波器(65、67)每個具有600 Hz以上的中心頻率。
6.如權(quán)利要求2至5中的任一項所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第一和第二帶阻濾波器(65、67)每個具有至少50 Hz的帶寬。
7.如權(quán)利要求6所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第一和第二帶阻濾波器(65、67)每個具有至少200 Hz的帶寬。
8.如權(quán)利要求2至7中的任一項所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于在第一電流反饋輸入端與第一帶阻濾波器之間提供至少第三帶阻濾波器(69)并在第 二電流反饋輸入端與第二帶阻濾波器之間提供第四帶阻濾波器(71)，所述第三和第四帶阻 濾波器每個具有在150Hz以上的中心頻率和/或至少50Hz的帶寬。
9.如權(quán)利要求8所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于第三和第四帶阻濾波器(69、71)每個具有在第一和第二帶阻濾波器(65、67)的中心頻 率以上或以下至少100 Hz的中心頻率。
10.如權(quán)利要求1至9中的任一項所述的電流控制器設(shè)備(43、430)， 其特征在于控制器(43、430)包括-第一減法器(45)，被連接到第一電流需求信號輸入端和第一電流反饋輸入端，第一 減法器(45)適合于形成表示第一電流需求信號(IQ_NET*)和第一電流反饋信號(IQ_NET) 之間的差的第一誤差信號(EQ);-至少第二減法器(49)，被連接到第二電流需求信號輸入端和第二電流反饋輸入端， 第二減法器(495)適合于形成表示第二電流需求信號(ID_NET*)和第二電流反饋信號(ID_ NET)之間的差的第二誤差信號(ED)；-第一控制單元(47)，被連接到第一減法器(45)以便接收第一誤差信號(EQ)并適合于 基于第一誤差信號(EQ)來產(chǎn)生第一控制信號(Cl)；-至少第二控制單元(511)，被連接到第二減法器(49)以便接收第二誤差信號(ED)并 適合于基于第二誤差信號(ED)來產(chǎn)生第二控制信號(C2)；-第一乘法器(53)，被連接到第一電流需求信號輸入端并適合于通過將第一電流需求 信號(IQ_NET*)與至少基頻(WN)和電感值(L)相乘來產(chǎn)生第三控制信號(C3)；-至少第二乘法器(57)，被連接到第二電流需求信號輸入端并適合于通過將第二電流 需求信號(ID_NET*)與至少基頻(WN)和電感值(L)相乘來產(chǎn)生第四控制信號(C4)；-加法器布置(59)，被連接到第一控制單元(47)、第二乘法器(57)、第一電壓反饋輸入 端和第一電壓需求輸出端，加法器布置(59)適合于通過將第一控制信號(Cl)、第四控制信 號和第一電壓反饋信號(VQ_NET)相加來產(chǎn)生第一電壓需求信號(VQ_NET)；-加法器/減法器布置(61)，被連接到第二控制單元(51)、第一乘法器(53)、第二電壓 反饋輸入端和第二電壓需求輸出端，加法器/減法器布置(61)適合于通過用第二電壓反饋 信號(VD_NET)減去第三控制信號(C3)并加上第二控制信號(C2)來產(chǎn)生第二電壓需求信號 (VD_NET*)；并且在于-第一濾波器(65)位于第一電流反饋輸入端與第一減法器(45)之間；以及 -第二濾波器(67)位于第二電流反饋輸入端與第二減法器(49)之間。
11.用于將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率或進行相反轉(zhuǎn)換的功率轉(zhuǎn)換器(13)以及根據(jù)權(quán)利 要求1至10中的任一項所述的用于控制DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換或相反轉(zhuǎn)換的電流控制 器設(shè)備(43、430)。
12.如權(quán)利要求11所述的功率轉(zhuǎn)換器(13)， 其特征在于其包括用于AC功率到DC功率的轉(zhuǎn)換的整流器(25)和用于DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換 的逆變器。
13.一種發(fā)電設(shè)備(1)， 其特征在于其包括根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的功率轉(zhuǎn)換器(13)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)電設(shè)備(1)， 其特征在于其包括產(chǎn)生AC功率的發(fā)電機(11)和如權(quán)利要求12所述的功率轉(zhuǎn)換器(13)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)電設(shè)備， 其特征在于其為風力渦輪機(1)。
16.一種發(fā)電設(shè)施，包括-多個發(fā)電設(shè)備(1)，每個裝配有變壓器(21)、電抗器(19)和功率轉(zhuǎn)換器(13)，功率轉(zhuǎn) 換器(13)包括用于DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換的逆變器(27)和用于控制由逆變器(27)輸出 的AC功率的電流控制器設(shè)備(43、430)，以及-電網(wǎng)(15)，發(fā)電設(shè)備(1)被連接到該電網(wǎng)(15)且該該電網(wǎng)(15)具有電網(wǎng)電容；其中 -發(fā)電設(shè)備(1)的至少電抗器(19)、變壓器(21)和電網(wǎng)電容形成諧振電路，該諧振電路 的調(diào)諧頻率產(chǎn)生高導(dǎo)納，該高導(dǎo)納促使電流控制器設(shè)備的開環(huán)控制環(huán)路增益變得大于一并 具有小于或等于負180°的相位， 其特征在于所述電流控制器設(shè)備是根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的電流控制器設(shè)備(43、 430)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)電設(shè)施， 其特征在于所述電網(wǎng)包括將所述多個發(fā)電設(shè)備(1)的至少子集連接到發(fā)電設(shè)施的中央設(shè)備(23) 并具有電纜電容的至少一個集電器電纜(15)，其中，所述電網(wǎng)電容基本上由所述至少一個 集電器電纜(15)的電纜電容給定。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的發(fā)電設(shè)施， 其特征在于每個發(fā)電設(shè)備(1)包括產(chǎn)生AC功率的發(fā)電機(11)，并且所述功率轉(zhuǎn)換器還包括用于所 述AC功率到所述DC功率的轉(zhuǎn)換的整流器(25)。
19.一種用于控制將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率或進行相反轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器(27)的向量控制方法，其中-AC功率被輸出到電網(wǎng)(15)或從電網(wǎng)(15)接收，-基于第一電流需求信號(IQ_NET*)、第二電流需求信號(ID_NET*)、第一電流反饋 (IQ_NET )、第二電流反饋(ID_NET )、第一電壓反饋(VQ_NET )和第二電壓反饋(VD_NET )來計 算第一電壓需求信號(VQ_NET*)和第二電壓需求信號(VD_NET*)，以及-所述開環(huán)控制環(huán)路增益取決于包含在第一和第二電流反饋信號(IQ_NET、ID_NET)中 的頻率，其特征在于開環(huán)控制環(huán)路增益將大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和第二電流 反饋信號(IQ_NET、ID_NET)的那些頻率受到抑制。
20.如權(quán)利要求19所述的向量控制方法， 其特征在于在多個發(fā)電設(shè)備(1)中的每一個中， -由逆變器將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率，-AC功率被輸出到連接所述多個發(fā)電設(shè)備(1)的至少子集的電網(wǎng)(15)， -所述多個發(fā)電設(shè)備(1)中的每一個包括電抗器(19 )和變壓器(21)， -電網(wǎng)(15)具有電網(wǎng)電容，以及-由電抗器(19)、變壓器(21)、電網(wǎng)電容和電網(wǎng)阻抗的參數(shù)來確定開環(huán)控制環(huán)路增益 將大于一并將具有小于或等于負180°的相位時的第一和第二電流反饋信號(IQ_NET、ID_ NET)的頻率。
21.如權(quán)利要求20所述的向量控制方法， 其特征在于所述電網(wǎng)包括將所述多個發(fā)電設(shè)備(1)的至少子集連接到中央設(shè)備(23)的至少一個 集電器電纜(15 )，并且所述電網(wǎng)電容基本上由所述至少一個集電器電纜(15 )的電容給定。
22.如權(quán)利要求21所述的向量控制方法， 其特征在于-根據(jù)電抗器(19)、變壓器(21)和電纜電容的參數(shù)來確定從逆變器(27)的輸出端所看 到的導(dǎo)納，-根據(jù)所述向量控制方法的開環(huán)增益C(S)和所確定的導(dǎo)納Y(S)的乘積來計算開環(huán)控 制增益，以及-根據(jù)計算結(jié)果來確定所計算的開環(huán)控制環(huán)路增益大于一時和其相位小于或等于負 180°時的頻率。
23.如權(quán)利要求19至23中的任一項所述的向量控制方法，在所述發(fā)電設(shè)備中的每一 個中，產(chǎn)生AC功率且該AC功率被轉(zhuǎn)換成所述DC功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制功率轉(zhuǎn)換的電流控制器設(shè)備和向量控制方法。提供了使用向量控制算法來控制由逆變器進行的DC功率到AC功率的轉(zhuǎn)換的電流控制器設(shè)備。控制器設(shè)備具有開環(huán)控制環(huán)路增益并包括第一電流需求輸入端；至少第二電流需求輸入端；第一電流反饋輸入端；第二電流反饋輸入端；第一電壓反饋輸入端；第二電壓反饋輸入端；第一電壓需求輸出端；第二電壓需求輸出端；以及控制器，產(chǎn)生第一電壓需求信號和第二電壓需求信號。開環(huán)控制環(huán)路增益取決于包含在第一和第二電流反饋信號中的頻率。在第一電流反饋輸入端出提供第一濾波器并在第二電流反饋輸入端處提供第二濾波器。第一和第二濾波器每個濾波器特性。
文檔編號H02J3/38GK102142690SQ20111003104
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者B. 布羅甘 P., 瓊斯 R. 申請人:西門子公司