專利名稱：用于控制功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備和對這種控制器設(shè)備進行操作的方法的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了控制使用頻率轉(zhuǎn)換器的感應(yīng)式電機，通常使用的控制技術(shù)是“矢量控制”，也被稱作場定向控制(F0C)，其利用電機速度和角度的知識來確定將允許對電機磁通和轉(zhuǎn)矩或功率的獨立控制的轉(zhuǎn)換器輸出電壓的適當振幅和角度(相位)。可以例如經(jīng)由對編碼器的使用來直接測量或者使用“無編碼器”速度觀察器來間接測量電機軸轉(zhuǎn)速和角度。許多已知控制器涉及其中將感應(yīng)式電機用作電動機以及發(fā)電機的應(yīng)用。因此，這 種控制器需要迎合可能在純發(fā)電機應(yīng)用中不相關(guān)的條件。這種條件可以包括零速度處和周圍的操作，并且因此可以包括發(fā)電機的定子端子上零電壓處和周圍的操作。典型地，除轉(zhuǎn)子磁通的角度的知識以外，電動機運行應(yīng)用還典型地需要軸轉(zhuǎn)速和/或角度的知識。這些需要可以導(dǎo)致復(fù)雜的控制策略。鑒于上述情形，存在對ー種使得能夠針對電カ發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備提供控制器設(shè)備的簡化技術(shù)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
這種需要可以通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的主題來滿足。這里公開的主題的有利實施例由從屬權(quán)利要求描述。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在電カ發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)期間控制所述電カ發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備，所述控制器設(shè)備包括用于接收電流反饋的反饋輸入端；用于接收電流需求的需求輸入端，所述電流需求包括第一 d軸需求和第二 q軸需求，所述第一 d軸需求針對由所述電カ發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通的方向定義的d軸上的電流，并且所述第二q軸需求針對由所述電カ發(fā)電機中的磁通所生成的定子反電動勢的方向定義的q軸上的電流；信號轉(zhuǎn)換器，其被配置為接收角度信號，并響應(yīng)于此，將所述電流反饋變換到旋轉(zhuǎn)參考系的兩個軸上，其中，參考系的旋轉(zhuǎn)角由所述角度信號定義，所述兩個軸是d軸和q軸，并且，所述電流反饋的變換得到d軸反饋和q軸反饋；電流控制器，被配置為將所述d軸反饋與所述d軸需求相匹配并將所述q軸反饋與所述q軸需求相匹配，所述電流控制器具有調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器接收所述d軸反饋和所述d軸需求，并響應(yīng)于此，提供在減小所述d軸反饋與所述d軸需求之間的差異方面起作用的d軸響應(yīng)；以及誤差単元，其用于基于d軸調(diào)節(jié)器的d軸響應(yīng)來提供指示所述旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號。本發(fā)明的該方面基于以下思想在矢量控制器設(shè)備中將提供d軸響應(yīng)的d軸調(diào)節(jié)器的輸出用作針對控制器軸的未對準的度量，所述d軸響應(yīng)在減小d軸反饋與d軸需求之間的差異方面起作用。應(yīng)當理解，這里使用的術(shù)語“參考系”并不指代作為物理實體的系，而是指代在矢量控制應(yīng)用中通常被稱作“參考系”的相應(yīng)坐標系。這里，一般地，所述功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括功率轉(zhuǎn)換器，并且可選地還包括其他處理級。根據(jù)ー個實施例，控制器設(shè)備輸出在變?yōu)閷Πl(fā)電機端子應(yīng)用的至少ー個實際電壓之前經(jīng)過所述功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的其他級。根據(jù)ー個實施例，所述調(diào)節(jié)器包括比例組件，所述比例組件使用比例項，即，與用于減小所述d軸反饋與所述d軸需求之間的差異的輸入成比例的項。根據(jù)另ー實施例，所述調(diào)節(jié)器包括積分(integral)組件，所述積分組件使用積分項，例如，用于減小所述d軸反饋與所述d軸需求之間的差異的隨時間段積分的輸入。根據(jù)又ー實施例，所述調(diào)節(jié)器包括微分組件，所述微分組件使用微分項，例如，用于減小所述d軸反饋與所述d軸需求之間的差異的輸入的微商。在示例性實施例中，所述調(diào)節(jié)器是具有比例組件和積分組件的比例-積分調(diào)節(jié) 器。根據(jù)ー個實施例，所述誤差単元包括emf輸入端，用于接收指示估計的定子反電動勢的量值的估計的定子反電動勢信號；以及除法器，用于通過將所述d軸響應(yīng)除以估計的定子反電動勢的量值來提供所述誤差信號。所述誤差信號的量值受到參考系的軸與轉(zhuǎn)子磁通之間的未對準的角度以及定子反電動勢的振幅影響。因此，將所述誤差信號除以估計的定子反電動勢，結(jié)果與所述未對準的角度成比例。這便于進ー步處理所述誤差信號。根據(jù)另ー實施例，所述電流控制器具有q軸調(diào)節(jié)器，其接收所述q軸反饋和所述q軸需求，并響應(yīng)于此，提供在減小所述q軸反饋與所述q軸需求之間的差異方面起作用的q軸響應(yīng)；以及估計器，其用于基于所述q軸調(diào)節(jié)器的q軸響應(yīng)來提供估計的定子反電動勢信號。為此，假定如果q軸電流控制上的所有前饋項是正確的(這些前饋項之ー是“所觀察的”反emf)，則所述q軸調(diào)節(jié)器應(yīng)當不會對來自所述電流控制器的輸出電壓做出貢獻。因此，根據(jù)上述實施例，所述q軸調(diào)節(jié)器的輸出用作對前饋項是否正確的指示。并且，如果所述q軸調(diào)節(jié)器輸出是非零，則假定所述前饋項是錯的，并且還假定這是由于反emf并未被正確估計，從而需要對定子反電動勢的估計的修改。根據(jù)另ー實施例，所述控制器設(shè)備還包括角度反饋單元，其用于接收所述誤差信號，并響應(yīng)于此，將所述角度信號提供給所述信號轉(zhuǎn)換器。所述反饋単元可以是依賴于所提供的誤差信號的種類以任何合適方式來配置的。所述誤差信號的種類進而依賴于針對所述誤差信號的生成而實現(xiàn)了哪些實施例。根據(jù)ー個實施例，所述角度反饋單元包括鎖相環(huán)，其用于接收所述誤差信號，并響應(yīng)于此，提供指示參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度的速度信號；以及積分器，其用于通過處理所述速度信號以將參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度積分為參考系的旋轉(zhuǎn)角，來提供所述角度信號。對鎖相環(huán)的使用具有以下優(yōu)點這種組件得以透徹理解并且成為可用的技木。例如，所述鎖相環(huán)可以類似于用于將轉(zhuǎn)換器輸出與電網(wǎng)進行同步的鎖相環(huán)。根據(jù)這里公開的主題的第二方面，提供了一種對用于在電力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)期間控制所述電カ發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備進行操作的方法，所述方法包括接收電流反饋；接收電流需求，所述電流需求包括第一 d軸需求和第二 q軸需求，所述第一 d軸需求針對由所述電カ發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通的方向定義的d軸上的電流，并且所述第二 q軸需求針對由所述電カ發(fā)電機中的磁通所生成的定子反電動勢的方向定義的q軸上的電流；接收角度信號，并響應(yīng)于此，將所述電流反饋變換到旋轉(zhuǎn)參考系的兩個軸上，其中，參考系的旋轉(zhuǎn)角由所述角度信號定義，所述兩個軸是d軸和q軸，并且，變換所述電流反饋得到d軸反饋和q軸反饋；在匹配操作中，將所述d軸反饋與所述d軸需求相匹配并將所述q軸反饋與所述q軸需求相匹配，所述匹配操作包括將所述d軸反饋和所述d軸需求提供給d軸調(diào)節(jié)器并響應(yīng)于此從所述d軸調(diào)節(jié)器接收d軸響應(yīng),所述d軸響應(yīng)在減小所述d軸反饋與所述d軸需求之間的差異方面起作用；以及基于所述d軸響應(yīng)來提供指示所述旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號。根據(jù)ー個實施例，所述方法包括接收指示估計的定子反電動勢的量值的估計的定子反電動勢信號；以及通過將所述d軸響應(yīng)除以估計的定子反電動勢的量值來提供所述
誤差信號。根據(jù)這里公開的主題的實施例提供的術(shù)語d軸響應(yīng)指定該響應(yīng)不包括僅在“總體d軸響應(yīng)”中包括的前饋項。 根據(jù)另ー實施例，所述匹配操作還包括將所述q軸反饋和所述q軸需求提供給q軸調(diào)節(jié)器，并響應(yīng)于此，從所述q軸調(diào)節(jié)器接收q軸響應(yīng)，其中，所述q軸響應(yīng)在減小所述q軸反饋與所述q軸需求之間的差異方面起作用；基于所述q軸調(diào)節(jié)器的q軸響應(yīng)來提供估計的定子反電動勢信號。例如，在一個實施例中，所述估計的定子反電動勢信號是所述q軸調(diào)節(jié)器的q軸響應(yīng)。 根據(jù)ー個實施例，所述反饋単元包括響應(yīng)于所述誤差信號，提供指示參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度的速度信號；以及通過處理所述速度信號以將參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度積分為參考系的旋轉(zhuǎn)角，來提供所述角度信號。這里公開的主題的ー個實施例描述了速度觀察器，或者更具體地，描述了可以例如在感應(yīng)式發(fā)電機控制器上使用的轉(zhuǎn)子磁通速度和角度觀察器。其還可以適用于除在示例性實施例中描述的感應(yīng)式發(fā)電機以外的其他類型的發(fā)電機。這里公開的主題的實施例或?qū)嵤├奶卣骺梢酝ㄟ^計算機程序(相應(yīng)地，軟件)而實現(xiàn)。然而，這里公開的主題的實施例還可以通過ー個或多個具體電子電路(相應(yīng)地，硬件)而實現(xiàn)。此外，這里公開的主題的實施例還可以以混合形式(即，以軟件模塊和硬件模塊的組合)而實現(xiàn)。如這里所使用的那樣，對計算機程序的引用意在與對包含指令的程序元件和/或計算機可讀介質(zhì)的引用相等效，所述指令用于控制計算機系統(tǒng)以協(xié)調(diào)上述方法的性能。可以通過使用任何合適的編程語言(諸如，例如JAVA、C++)將計算機程序?qū)崿F(xiàn)為計算機可讀指令代碼，并且可以將計算機程序存儲在計算機可讀介質(zhì)(可移除盤、易失性或非易失性存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)上。指令代碼可操作用于將計算機或任何其他可編程器件編程為實行所預(yù)期的功能。計算機程序可以從網(wǎng)絡(luò)(諸如萬維網(wǎng))得到，可以從所述網(wǎng)絡(luò)下載該計算機程序。在上文中，已經(jīng)參照控制器設(shè)備和對控制器設(shè)備進行操作的方法描述了這里公開的主題的示例性實施例并且在下文中將參照該控制器設(shè)備和該方法來描述這里公開的主題的示例性實施例。當然，必須指出，與這里公開的主題的不同方面相關(guān)的特征的任何組合也是可能的。具體地，已經(jīng)參照設(shè)備類型的權(quán)利要求描述了ー些實施例，同時已經(jīng)參照方法類型的權(quán)利要求描述了其他實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以上和以下描述中推斷，除屬于ー個方面的特征的任何組合以外，與不同方面或?qū)嵤├嚓P(guān)的特征之間(例如，甚至設(shè)備類型的權(quán)利要求的特征與方法類型的權(quán)利要求的特征之間)的任何組合也被認為利用本申請而公開，除非另有聲明。從以下描述的示例中顯而易見并參照附圖來解釋本發(fā)明的以上定義的方面和實施例以及其他方面和實施例，但是，本發(fā)明不限于此。


圖I示意性地示出滯后于控制器參考系的實際內(nèi)部反電動勢的矢量圖。圖2示出根據(jù)這里公開的主題的實施例的控制器設(shè)備。
具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。需要注意，在不同圖中，相似或相同的元件提供有相同 的參考標記或者與對應(yīng)參考標記僅在第一個數(shù)字中不同的參考標記。在下文中，參照感應(yīng)式電機來說明這里公開的主題的實施例。然而，這里公開的方面和實施例不限于感應(yīng)式電機，而是可廣泛地用在電カ發(fā)電機的領(lǐng)域中。感應(yīng)式電機的磁通產(chǎn)生了該電機內(nèi)的內(nèi)部電壓或反電動勢(以下稱作反emf)，其與電機的轉(zhuǎn)子磁通的角度正交。隨著發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，則該電機的反emf的瞬時振幅也旋轉(zhuǎn)。因此，對于任何給定的電機磁通，反emf可以被認為是3相電壓源，其頻率和角度與轉(zhuǎn)子磁通的頻率和角度直接相關(guān)，并且其量值與頻率和磁通成比例。轉(zhuǎn)換器提供至電機中的與該反emf同相的任何電流將影響該電機的轉(zhuǎn)矩和功率。轉(zhuǎn)換器提供至該電機中的與該反emf正交的任何電流將影響電機的磁通。這里公開的主題的實施例描述了ー種用于識別該電機的反emf的角度的方法。因此，這里公開的主題的方面和實施例適于電機不在零速度處或附近進行操作時的應(yīng)用，這是由于在這種條件下反emf將處于零處或零附近。在典型的“矢量控制”方案中，電流控制器在“旋轉(zhuǎn)參考系”上將ac量(如電流和電壓)表示為dc量。在這種情況下，我們的旋轉(zhuǎn)參考系將是電機反emf的“所觀察的”旋轉(zhuǎn)角。圖I示意性地示出滯后于控制器參考系的實際內(nèi)部反電動勢的矢量圖100。參照控制器的參考系的q軸101和d軸102來說明矢量圖100。因此，q軸101和d軸102定義了控制器設(shè)備在時間點處的參考系。d_q坐標系(即參考系)在繪出的平面中隨時間旋轉(zhuǎn)。在103處指示的是電機(即電カ發(fā)電機)的內(nèi)部反emf (定子反emf)矢量。矢量104和105是電カ發(fā)電機的定子電壓降的q軸分量和d軸分量。因此，矢量103、104、105表示電カ發(fā)電機中的電壓降。在106處指示的是對q軸應(yīng)用的電流控制器反emf矢量。應(yīng)當注意，矢量106起始于d_q坐標系的原點107處。在108處指示的是由電流控制器提供以說明q軸定子電壓降104的電流控制器q軸前饋項。在109處指示的是由電流控制器提供以說明d軸定子電壓降105的電流控制器d軸前饋項。因此，矢量106、108、109示出電流控制器在嘗試將電力發(fā)電機內(nèi)的內(nèi)部電壓降相匹配時應(yīng)用的前饋項。
在110處指示的是由于發(fā)電機內(nèi)部反emf不位于q軸上而需要的d軸調(diào)節(jié)器輸出(即，d軸響應(yīng))。因此，矢量110示出d軸調(diào)節(jié)器的d軸響應(yīng)(在比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器用作d軸調(diào)節(jié)器的情況下為PIld項)由于控制器軸(d軸、q軸)與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通和發(fā)電機的定子反emf的未對準而必須做出的貢獻。在其中發(fā)電機的反emf處于電流控制器的軸之前的條件下，那么，d軸響應(yīng)矢量110將處于與圖I所示的d軸響應(yīng)矢量相反的極性。在其中電機的反emf 103與控制器的q軸同相的條件下，那么，服從電機的定子電壓降的準確知識，d軸響應(yīng)矢量110將處于零附近。實際上，這些定子電壓降將不是準確已知的，從而導(dǎo)致所觀察的轉(zhuǎn)子磁通角度中的細微
誤差。 利用d軸響應(yīng)矢量110，識別指示控制器的旋轉(zhuǎn)參考系(d軸102、q軸101)和我們的電機的反emf之間的任何未對準(以及因此轉(zhuǎn)子磁通的控制器估計與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通之間的未對準)的振幅和極性的信號。然而，d軸響應(yīng)矢量的量值明顯受到控制器軸與轉(zhuǎn)子磁通之間的未對準的角度以及還有反emf的振幅二者影響。因此，為了產(chǎn)生與未對準的角度成比例的誤差信號，根據(jù)ー個實施例，將d軸響應(yīng)除以控制器的反emf項106 (以下也稱作Vbemf)。根據(jù)ー個實施例，對d軸響應(yīng)進行濾波，以防止將高動態(tài)電流控制器活動過度耦合至誤差信號中并且因而過度耦合至可從誤差信號獲得的“所觀察”的速度中。圖2示出根據(jù)這里公開的主題的實施例的控制器設(shè)備200。控制器設(shè)備200被配置為在電力發(fā)電機204的旋轉(zhuǎn)期間控制該電カ發(fā)電機204的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備202。根據(jù)ー個實施例，功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括功率轉(zhuǎn)換器和其他處理級。根據(jù)ー個實施例，控制器設(shè)備200包括用于接收電流反饋208的反饋輸入端206。此外，控制器設(shè)備200包括用于接收電流需求214、216的需求輸入端210、212，電流需求214、216包括第一 d軸需求214和第二 q軸需求216，所述第一 d軸需求214針對由電カ發(fā)電機204的轉(zhuǎn)子磁通的方向定義的d軸(參見圖I中的102)上的電流，并且第二 q軸需求216針對由電力發(fā)電機204中的磁通所生成的定子反電動勢的方向定義的q軸(參見圖I中的101)上的電流。此外，控制器設(shè)備200包括信號轉(zhuǎn)換器218，其被配置為接收角度信號220，并響應(yīng)于此，將電流反饋208變換到旋轉(zhuǎn)參考系的兩個軸上，其中，參考系的旋轉(zhuǎn)角由角度信號220定義，并且，其中這兩個軸是d軸和q軸。變換電流反饋208得到d軸反饋222和q軸反饋224。此外，根據(jù)ー個實施例，控制器設(shè)備200包括電流控制器226，其被配置為將d軸反饋222與d軸需求214相匹配并將q軸反饋224與q軸需求216相匹配。電流控制器具有d軸調(diào)節(jié)器228，該d軸調(diào)節(jié)器228接收d軸反饋222和d軸需求214，并響應(yīng)于此，提供在減小d軸反饋222與d軸需求214之間的差異方面起作用的d軸響應(yīng)230。根據(jù)ー個實施例，d軸調(diào)節(jié)器228包括比例-積分調(diào)節(jié)器組件227和求和點229，從而提供指示d軸反饋222與d軸需求214之間的差異的d軸差異信號231，該差異信號231被饋送至比例-積分調(diào)節(jié)器組件227。響應(yīng)于差異信號231，該比例-積分調(diào)節(jié)器組件227提供d軸響應(yīng)230。根據(jù)ー個實施例，控制器設(shè)備還包括誤差單元232，其用于基于d軸調(diào)節(jié)器228的d軸響應(yīng)230來提供指示旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號234。根據(jù)ー個實施例，圖2中的誤差單元232包括emf輸入端236，其用于接收指示估計的定子反電動勢的估計的定子反電動勢信號238。此外，誤差單元232包括除法器240，其用于通過將d軸響應(yīng)230除以估計的定子反電動勢(圖2中未示出)的量值來提供誤差信號234。根據(jù)圖2中所示的另ー實施例，誤差單元232包括濾波器242，其用于對d軸響應(yīng)230進行濾波并響應(yīng)于此而提供濾波后的d軸響應(yīng)244。在該實施例中，除法器240將濾波后的d軸響應(yīng)244除以由信號238指示的估計的定子反電動勢，以便提供誤差信號234。根據(jù)ー個實施例，電流控制器226包括q軸調(diào)節(jié)器246，其接收q軸反饋224和q軸需求216，并響應(yīng)于此，提供在減小q軸反饋224與q軸需求216之間的差異方面起作用的q軸響應(yīng)248。根據(jù)ー個實施例，q軸調(diào)節(jié)器246包括比例-積分調(diào)節(jié)器組件247和求和點249，從而提供指示q軸反饋224與q軸需求216之間的差異的q軸差異信號250，該差異信號250被饋送至比例-積分調(diào)節(jié)器組件247。響應(yīng)于差異信號250，比例-積分調(diào)節(jié)器組件247提供q軸響應(yīng)248。電流控制器226使用在圖2中的252處指示的定子阻抗的估計的電感分量-ω *L來生成前饋電壓項253，在求和點255處，將前饋電壓項253添加到d軸響應(yīng)230。此外，基 于在圖2中的254處指示的有效定子阻抗的估計的電阻分量R，電流控制器226還生成前饋電壓項257，在求和點255處，將該前饋電壓項257添加到d軸響應(yīng)230。d軸電壓貢獻230、253、257之和的結(jié)果是d軸輸出電壓256。同樣地，關(guān)于q軸，電流控制器226使用在圖2中的258處指示的定子阻抗的估計的電感分量ω · L來生成前饋電壓項259，在求和點260處，將前饋電壓項259添加到q軸響應(yīng)248。此外，基于在圖2中的254處指示的有效定子阻抗的估計的電阻分量R，電流控制器226還生成前饋電壓項261，在求和點260處，將前饋電壓項261添加到q軸響應(yīng)248。q軸電壓貢獻248、259、261之和的結(jié)果是電壓和262。根據(jù)ー個實施例，例如在求和點263中，將估計的反emf 238添加到電壓和262，從而生成q軸輸出電壓264?？刂破髟O(shè)備200還包括另一信號轉(zhuǎn)換器266,其用于通過考慮角度信號220,將d軸輸出電壓256和q軸輸出電壓264變換成功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備202的域中的控制器輸出268。例如，如果功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括提供用于其三個相的反饋信號208的三相轉(zhuǎn)換器，則控制器輸出268也將是三相的，如圖2所指示的那樣。因此，在這種意義上，該另一信號轉(zhuǎn)換器266執(zhí)行變換操作，該變換操作是由信號轉(zhuǎn)換器218執(zhí)行的變換操作的逆。根據(jù)圖2所示的實施例，控制器輸出(268)(例如，針對每個相的相應(yīng)控制器電壓)被饋送至功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備202。應(yīng)當理解，功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備202可以包括其他級，該其他級響應(yīng)于控制器輸出268而提供要應(yīng)用于發(fā)電機端子的實際電壓。根據(jù)另ー實施例，控制器設(shè)備200還包括估計器270，其用于基于q軸調(diào)節(jié)器246的q軸響應(yīng)248來提供估計的定子反電動勢信號238。在下文中進ー步給出其示例。然而，根據(jù)其他實施例，可以使用任何其他方法或設(shè)備來提供估計的定子反電動勢信號238。根據(jù)另ー實施例，控制器設(shè)備200還包括角度反饋單元272，其用于接收角度誤差234，并響應(yīng)于此，將角度信號220提供給信號轉(zhuǎn)換器218和另一信號轉(zhuǎn)換器266。例如，在一個實施例中，角度反饋單元272包括具有調(diào)節(jié)器組件274 (例如，如圖2中所示的比例-積分調(diào)節(jié)器組件)的鎖相環(huán)。該鎖相環(huán)被配置為接收角度誤差234，并響應(yīng)于此，提供指示參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度的速度信號276。此外，角度反饋單元272包括積分器278，其用于通過處理速度信號276以將參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度積分為參考系的旋轉(zhuǎn)角，來提供角度信號220。關(guān)于這里公開的主題的其他實施例，以上圖2中的信號的示例性定義表示如下 la、lb、Ic :所測量的瞬時逆變器相電流
Iq、Id :轉(zhuǎn)換器相電流，其被表示為所觀察的“轉(zhuǎn)子磁通”旋轉(zhuǎn)參考系上的正交矢量對，其中，d軸被定義為在“所觀察的”轉(zhuǎn)子磁通的方向上，并且q軸被定義為在“所觀察的”定子反emf的方向上
Iq’、Id’ q軸和d軸上分別對電流的控制器需求
ω · L :有效定子阻抗的電感分量，其中，ω是所觀察的轉(zhuǎn)子速度，并且L是電機的等效定子電感，通常被稱作σ Ls。在這里，當考慮轉(zhuǎn)子和磁化等效電感時，Ls是定子繞組的等效電感，并且是視在定子電感與實際定子電感之比R :有效定子阻抗的電阻分量，更通常地被稱作Rs PIIq> PIld :來自PI (比例和積分)控制器的輸出，其目的在于以使Id匹配于Id’并使Iq匹配于Iq’的這種方式對總體控制器輸出電壓做出貢獻
Vbemf 估計的反emf的電壓項。該電壓項是根據(jù)q軸調(diào)節(jié)器的q軸響應(yīng)來估計的。根據(jù)估計的反emf，控制器產(chǎn)生估計的轉(zhuǎn)子磁通
Vq、Vd :在q軸和d軸上表不的控制器的輸出電壓項之和 Va、Vb、Vc :被表不為瞬時相電壓的控制器的輸出電壓項之和。在以上所示的矢量控制方案中，q軸被定義為與電機的反emf對齊，并且d軸被定義為與轉(zhuǎn)子磁通對齊。因此，轉(zhuǎn)換器電流的d軸分量Id用于控制電機的磁通，并且，對于給定的磁通和速度，轉(zhuǎn)換器電流的q軸分量Iq用于控制電機的轉(zhuǎn)矩和功率?？梢钥吹?，圖2中的框圖實現(xiàn)以下矢量方程
Vd = Id，· R - Iq，· ω · L + PIld
Vq = Iq，· R + Id，· ω · L + PIlq + Vbefflf
在該方案中，PI控制器227、247的工作是在d軸和q軸中的每ー個上貢獻電壓，以便將d軸和q軸電流控制到其參考值214、216。q軸(PIlq)控制器所貢獻的電壓將受到以下各項影響
(a)控制器所使用的R和/或《L定子阻抗中的誤差，導(dǎo)致Iq’*R和/或Id’ · ω *L項中的誤差。這種誤差將導(dǎo)致來自PIlq控制器的穩(wěn)態(tài)貢獻；
(b)電機的與控制器前饋項的振幅Vbemf不匹配的內(nèi)部反emf。再次，這種誤差將導(dǎo)致來自PIlq控制器的處于穩(wěn)態(tài)的貢獻；
(C)在Iq’或Iq中存在瞬態(tài)。這里，我們將期望電流控制器在PIlq中提供瞬態(tài)響應(yīng)。d軸(PIld)控制器所貢獻的電壓將受到以下各項影響
(a)控制器所使用的R和/或《L定子阻抗中的誤差，導(dǎo)致Id’*R和/或Iq’ · ω *L項中的誤差。這種誤差將導(dǎo)致來自PIld控制器的穩(wěn)態(tài)貢獻；
(b)電機的內(nèi)部反emf不完全依賴于q軸。再次，這種誤差將導(dǎo)致來自PIld控制器的穩(wěn)定貢獻。以下更詳細說明這一點；
(C)在Id’或Id中存在瞬態(tài)。這里，我們將期望電流控制器在PIld中提供瞬態(tài)響應(yīng)。因此，如果在q軸響應(yīng)PIlq中存在穩(wěn)態(tài)貢獻，則該貢獻由控制器的反emf項的量值中的誤差主導(dǎo)。因此，該項可以用作確定是否我們已經(jīng)正確估計電機反emf 238的振幅并且從而確定磁通的量值的手段。然而，可以以任何合適的方式執(zhí)行對電機反emf的估計。對于這里公開的主題的實施例，PIld-所做出的貢獻是高度相關(guān)的。在穩(wěn)態(tài)中，該項的量值由我們的控制器的旋轉(zhuǎn)參考系和電機的反emf 238之間的對準中的任何誤差主導(dǎo)。因此，如上所述，為了產(chǎn)生與未對準的角成比例的誤差項(誤差信號234)，將d軸響應(yīng)(或其濾波后或進ー步處理后的對應(yīng)響應(yīng))除以控制器的反emf項238 (Vbemf)0結(jié)果是鎖相環(huán)(PLL)可使用的角度誤差項234。在一個實施例中選擇的PLL的類型具有誤差信號234作為其輸入，之后是PI控制器274，其輸出276是“所觀察的頻率”，并且然后，利用積分器278來對“所觀察的頻率”進行積分以產(chǎn)生由角度信號220指示的“所觀察的角度”。這是由圖I所示的d軸102和q軸101定義的“旋轉(zhuǎn)參考系的角度”。

在角度反饋單元272中使用的PLL可以是用于將電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)進行同步所使用的類型。簡而言之，可以將示例性PLL描述如下
I.將誤差信號234饋送至PI調(diào)節(jié)器274中，該PI調(diào)節(jié)器274的輸出是發(fā)電機204的“所觀察的”頻率。2.然后，對該頻率進行積分以產(chǎn)生該系統(tǒng)的“所觀察的”角度，在這種情況下為發(fā)電機204的轉(zhuǎn)子磁通的角度。3.然后，將該“所觀察的角度”用作針對矢量控制方程的參考系，并且從而在電機電流反饋208的abc (208)至dq (222、224)轉(zhuǎn)換中以及在控制器輸出電壓268的dq (256、264)至abc (268)轉(zhuǎn)換中使用該“所觀察的角度”。因此，這里公開的主題的實施例的重要步驟在于將d軸調(diào)節(jié)器的d軸響應(yīng)用作控制器軸的未對準的度量；以及將該信號饋送至PLL中，例如典型地在用干與電網(wǎng)同步的電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器上使用。所帯來的優(yōu)點在于該方案實現(xiàn)起來非常簡單。缺點在于當內(nèi)部反emf變?yōu)榻咏诹銜r，該方案不適于在零速度處或附近進行操作。然而，這在全饋可變速風(fēng)カ渦輪機發(fā)電機應(yīng)用中無意義。 根據(jù)ー個實施例，該電カ發(fā)電機是全饋發(fā)電機。這里，“全饋”意味著從發(fā)電機流動至電網(wǎng)的所有電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換器。在這種方案中，并且根據(jù)ー個實施例，該轉(zhuǎn)換器包括用于從發(fā)電機提取能量的發(fā)電機橋；以及用于將能量遞送至電網(wǎng)的網(wǎng)橋。根據(jù)一個實施例，根據(jù)這里公開的主題的實施例的控制器設(shè)備是指針對發(fā)電機橋的控制系統(tǒng)的一部分。進ー步總結(jié)這里公開的主題的實施例的一些特征，需要注意，這里公開的主題的實施例基于觀察電機的反emf ;以及如果反emf不完全依賴于控制器的參考系，則生成誤差ィ目號。此外，實施例可以使用誤差信號來導(dǎo)出對“所觀察的頻率”進行修改并且然后對該頻率進行積分以產(chǎn)生“所觀察的角度”的函數(shù)。此外，實施例可以針對評估反emf的參考系使用“所觀察的角度”。此外，實施例可以假定來自電流控制器的PIld-的貢獻表示反emf的位于d軸上的分量。此外，實施例使用鎖相環(huán)來從參考系角度誤差(例如由誤差信號234描述)獲得參考系的參考系速度。這里公開的主題的實施例可以與永磁發(fā)電機一起使用，或者根據(jù)另ー實施例，可以與感應(yīng)式發(fā)電機一起使用，僅舉兩個示例。還應(yīng)當注意，這里公開的各個元件、単元和設(shè)備不限于在ー些實施例中描述的專用實體。相反，可以在各種位置以各種方式并通過各種手段來實現(xiàn)這里公開的主題，同時仍提供所期望的功能。根據(jù)本發(fā)明的實施例，以相應(yīng)計算機程序產(chǎn)品的形式提供控制器設(shè)備的任何合適組件，該計算機程序產(chǎn)品使得處理器単元能夠提供這里公開的相應(yīng)元件的功能。根據(jù)其他實施例，可以以硬件提供控制器設(shè)備的任何合適組件。根據(jù)其他混合實施例，可以以軟件提供ー些組件，而以硬件提供其他組件。此外，應(yīng)當注意，可以針對這里公開的功能中的每ー個提供分離的組件(例如模塊或単元)。根據(jù)其他實施例，至少ー個組件(例如模塊或単元)被配置為提供這里公開的兩個或更多個功能。 應(yīng)當注意，術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟，并且術(shù)語“一”或“ー個”不排除多個。還可以將與不同實施例相關(guān)聯(lián)描述的元件進行組合。還應(yīng)當注意，權(quán)利要求中的參考標記不應(yīng)解釋為限制權(quán)利要求的范圍。為了總結(jié)本發(fā)明的上述實施例，任何人可以聲明
其描述了ー種用于在電カ發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)期間控制該電カ發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備?？刂破髟O(shè)備的信號轉(zhuǎn)換器被配置為接收角度信號，并響應(yīng)于此，將電流反饋變換到旋轉(zhuǎn)d、q參考系的兩個軸上。此外，提供了ー種電流控制器，該電流控制器具有調(diào)節(jié)器，其接收d軸反饋和d軸需求，并響應(yīng)于此，提供在減小d軸反饋與d軸需求之間的差異方面起作用的d軸響應(yīng)?？刂破髟O(shè)備的誤差單元基于d軸調(diào)節(jié)器的d軸響應(yīng)來提供指示旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號。
權(quán)利要求
1.用于在電力發(fā)電機(204)的旋轉(zhuǎn)期間控制所述電カ發(fā)電機(204)的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備(202)的控制器設(shè)備(200)，所述控制器設(shè)備(200)包括 -用于接收電流反饋(208)的反饋輸入端(206)； -用于接收電流需求(214、216)的需求輸入端(210、212)，所述電流需求包括第一 d軸需求(214)和第二 q軸需求(216)，所述第一 d軸需求(214)針對由所述電カ發(fā)電機(204)的轉(zhuǎn)子磁通的方向定義的d軸(102)上的電流，所述第二 q軸需求(216)針對由所述電カ發(fā)電機(204)中的磁通所生成的定子反電動勢(103)的方向定義的q軸上的電流； -信號轉(zhuǎn)換器(218)，其被配置為接收角度信號(220)，并響應(yīng)于此，將所述電流反饋(208)變換到旋轉(zhuǎn)參考系的兩個軸(101、102)上，其中，參考系的旋轉(zhuǎn)角由所述角度信號(220)定義，所述兩個軸是d軸和q軸，并且，變換所述電流反饋(208)得到d軸反饋(222)和q軸反饋(224)； -電流控制器(226)，其被配置為將所述d軸反饋(222)與所述d軸需求(214)相匹配并將所述q軸反饋(224)與所述q軸需求(216)相匹配，所述電流控制器(226)具有d軸調(diào)節(jié)器(228 )，所述d軸調(diào)節(jié)器(228 )接收所述d軸反饋(222 )和所述d軸需求(214)，并響應(yīng)于此，提供在減小所述d軸反饋(222)與所述d軸需求(214)之間的差異方面起作用的d軸響應(yīng)(230)； -誤差單元(232 )，其用于基于d軸調(diào)節(jié)器(228 )的d軸響應(yīng)(230 )來提供指示所述旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號(234)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器設(shè)備，其中，所述d軸調(diào)節(jié)器(228)包括比例-積分調(diào)節(jié)器(227)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的控制器設(shè)備，其中，所述誤差単元(232)包括 -emf輸入端(236)，其用于接收指示估計的定子反電動勢的量值的估計的定子反電動勢信號(238);以及 -除法器(240)，其用于通過將所述d軸響應(yīng)(230)或從所述d軸響應(yīng)(230)導(dǎo)出的量(244)除以估計的定子反電動勢的量值(238)來提供所述誤差信號(234)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制器設(shè)備， -所述電流控制器(226 )具有q軸調(diào)節(jié)器(246 )，所述q軸調(diào)節(jié)器(246 )接收所述q軸反饋(224)和所述q軸需求(216),并響應(yīng)于此,提供在減小所述q軸反饋(224)與所述q軸需求(216)之間的差異方面起作用的q軸響應(yīng)(248)； -估計器(270)用于基于q軸調(diào)節(jié)器(246)的q軸響應(yīng)(248)來提供估計的定子反電動勢信號(238)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的控制器設(shè)備，還包括 -角度反饋單元(272)，其用于接收所述誤差信號(234)，并響應(yīng)于此，將所述角度信號(220 )提供給所述信號轉(zhuǎn)換器(218)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的控制器設(shè)備，所述角度反饋單元(272)包括 -鎖相環(huán)(274)，其用于接收所述誤差信號(234)，并響應(yīng)于此，提供指示參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度的速度信號(276);以及 -積分器(278)，其用于通過處理所述速度信號(276)以將參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度積分為參考系的旋轉(zhuǎn)角，來提供所述角度信號(220)。
7.對用于在電カ發(fā)電機(204)的旋轉(zhuǎn)期間控制所述電カ發(fā)電機(204)的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備(202)的控制器設(shè)備(200)進行操作的方法，所述方法包括 -接收電流反饋(208)； -接收電流需求，所述電流需求包括第一 d軸需求(214)和第二 q軸需求(216)，所述第一 d軸需求(214)針對由所述電カ發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通的方向定義的d軸上的電流，所述第二 q軸需求(216)針對由所述電カ發(fā)電機中的磁通所生成的定子反電動勢(103)的方向定義的q軸上的電流； -接收角度信號(220)，并響應(yīng)于此，將所述電流反饋(208)變換到旋轉(zhuǎn)參考系的兩個軸(101、102)上，其中，參考系的旋轉(zhuǎn)角由所述角度信號定義，所述兩個軸是d軸和q軸，井且，變換所述電流反饋(208)得到d軸反饋(222)和q軸反饋(224)； -在匹配操作中，將所述d軸反饋(222)與所述d軸需求(214)相匹配并將所述q軸反饋(224)與所述q軸需求(216)相匹配，所述匹配操作包括將所述d軸反饋(222)和所述d軸需求(214)提供給d軸調(diào)節(jié)器(228)并響應(yīng)于此從所述d軸調(diào)節(jié)器(228)接收d軸響應(yīng)(230)，所述d軸響應(yīng)(230)在減小所述d軸反饋(222)與所述d軸需求(214)之間的差異方面起作用； -基于所述d軸響應(yīng)(230)來提供指示所述旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號(234)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括 -接收指示估計的定子反電動勢的量值的估計的定子反電動勢信號(238);以及 -通過將所述d軸響應(yīng)或從所述d軸響應(yīng)導(dǎo)出的量除以估計的定子反電動勢的量值(238)來提供所述誤差信號(234)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法， -所述匹配操作還包括將所述q軸反饋(224)和所述q軸需求(216)提供給q軸調(diào)節(jié)器(246 )，并響應(yīng)于此，從所述q軸調(diào)節(jié)器(246 )接收q軸響應(yīng)(248 )，所述q軸響應(yīng)(248 )在減小所述q軸反饋(224)與所述q軸需求(246)之間的差異方面起作用； -基于所述q軸調(diào)節(jié)器的q軸響應(yīng)來提供估計的定子反電動勢信號(238)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的方法，其中，所述角度反饋單元包括 -響應(yīng)于所述誤差信號(234)，提供指示參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度的速度信號(276)；以及 -通過處理所述速度信號(276)以將參考系的估計的旋轉(zhuǎn)速度積分為參考系的旋轉(zhuǎn)角，來提供所述角度信號(220)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器設(shè)備。描述了一種用于在電力發(fā)電機(204)的旋轉(zhuǎn)期間控制電力發(fā)電機(204)的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備(202)的控制器設(shè)備(200)。控制器設(shè)備(200)的信號轉(zhuǎn)換器(218)被配置為接收角度信號(220)，并響應(yīng)于此，將電流反饋(222、224)變換到旋轉(zhuǎn)d、q參考系的兩個軸上。此外，提供了一種電流控制器(226)，該電流控制器(226)具有調(diào)節(jié)器(228)，其接收d軸反饋(222)和d軸需求(214)，并響應(yīng)于此，提供在減小d軸反饋(222)與d軸需求(214)之間的差異方面起作用的d軸響應(yīng)(230)?？刂破髟O(shè)備的誤差單元(232)基于d軸調(diào)節(jié)器(228)的d軸響應(yīng)(230)來提供指示旋轉(zhuǎn)參考系的角度誤差的誤差信號(234)。
文檔編號H02P9/14GK102684590SQ20121001510
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者P.戈德里奇 申請人:西門子公司