CN102246409B - 用于风能变换系统的发电机的直接功率和定子通量向量控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于控制可变速风力涡轮发电机的方法。所述发电机连接到包括开关的功率变换器。所述发电机包括定子以及连接到所述定子和所述功率变换器的开关的一组端子。所述方法包括：确定与期望幅值的发电机功率相对应的定子通量基准值，确定与实际发电机功率相对应的估计定子通量值，确定所确定的定子通量基准值和所估计的定子通量值之间的差值，并且与所确定的定子通量基准值和所估计的定子通量值相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所述期望的发电机功率幅值。

Description

用于风能变换系统的发电机的直接功率和定子通量向量控制

技术领域

本发明总体上涉及功率变换器，并且更具体而言涉及可以连接到以可变速度操作的风力涡轮发电机(WTG)从而提供具有可变幅值和频率的电压和电流的功率变换器。

背景技术

已经长期使用风力作为功率源并且近年来使用风力用于产生电功率变得非常普遍。为此，通过风力发电厂的一组叶片(通常为两个或者三个)捕获风力中的功率。由叶片捕获的风力使得连接到叶片的轴旋转。所述轴连接到发电机的转子，因而该发电机的转子以与轴相同的速度进行旋转，或者在转子经由齿轮箱连接到所述轴时以所述轴的速度的倍数进行旋转。然后发电机将由风力提供的机械能变换为电能用于传输到电网。

为了优化风力涡轮发电机的效率，优选的是使用可变速发电机，其中转子的速度并且因而轴和叶片的速度取决于风速。这意味着，必须建立各种风力速度处WTG的最佳操作点。这通过控制由发电机传递的转矩或者功率来实现。WTG中的控制系统通常控制在WTG和电网之间互换的无功功率以及从WTG汲入的有功功率以跟踪WTG的最佳操作点。有功功率是执行工作并且以瓦特测量的全部或者视在电功率的分量。由有功功率执行的实际工作与以伏特-安培无功测量的无功功率不同，并且建立和维持交流机器的电磁场。以伏特-安培测量的视在功率是有效功率(real power)和无功功率的向量和。

WTG的功率和转矩根据下面以下方程通过角速度相关(即，转子的旋转速度)：

P＝ω_rotor·T

这意味着转矩和功率控制在应用到WTG时表现出不同的特性。更具体而言，在控制WTG的转矩时，需要在控制环路中包括转子速度。由于两种控制方法的瞬态响应不同，即在使用转矩控制时，在应用适当的控制之前，功率改变将要求设置转子速度和转矩二者，因而在要控制的信号是功率时，功率控制优于转矩控制。

用于WTG的第一类控制系统与施加到发电机的三个定子相位的(通常)在空间上移位120°的三个正弦电压的控制相关。正弦波的生成以发电机的属性为基础，即根据发电机的电特性和机械特性推导其在稳态下操作时发电机的等效模型，其中基于所使用的发电机的类型(例如异步或者同步)来设计控制系统。

三相系统中正弦波之一的生成通常独立于其它正弦波来执行，即该类型控制系统作为三个单独的单个相位系统控制而不是三相系统的一个共同控制进行操作。该事实导致在该类型控制中将不考虑该三相系统中的任何不均衡或者相位之间的任何交互。而且，明显的是，发电机模型将仅在发电机的稳态操作期间有效。在发电机的瞬态操作(开始、停止、负载改变等等)期间，所述控制将因而允许高的峰值电压和电流瞬变。这导致降低的功率变换效率，并且需要放大WTG系统的电子部件的尺寸以应对瞬变的浪涌电流和电压。

为了克服上述控制结构的缺点，引入了通常被称为磁场定向控制(FOC)的替代控制结构。FOC的主要思想是通过使用电流的向量表示来控制发电机的定子电流。更具体而言，FOC以将三相时间和速度相关系统变换为两坐标时间不变系统的坐标变换为基础。

执行从三相静止坐标系统到旋转坐标系统的变换的优点在于可以通过控制DC量来进行发电机的控制。在两个步骤中执行该变换：1)从三相abc静止坐标系统变换到两相所谓的αβ静止坐标系统的变换(被称为克拉克变换)，以及2)从αβ静止坐标系统到dq旋转坐标系统的变换(被称为帕克变换)。更具体而言，通过下面等式获得从自然abc坐标系到同步dq坐标系的变换：

$\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\α}}_u& {\mathrm{\β}}_u& 0_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_u& b_u& c_u\end{array}\right]\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& \frac{1}{2}\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]$

以及

$\left[\begin{array}{ccc}{d}_u& q_u& 0_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\α}}_u& {\mathrm{\β}}_u& 0_u\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

这给出了

$\left[\begin{array}{ccc}{d}_u& q_u& 0_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_u& b_u& c_u\end{array}\right]\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& \frac{1}{2}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \frac{1}{2}\\ \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \frac{1}{2}\end{array}\right]$

其中θ＝ωt是静止α轴和同步d轴之间的角度。

利用FOC控制发电机要求提供q轴对准的转矩分量以及d轴对准的通量分量作为系统的输入。如上所解释的，d和q定向分量是来自静止三相坐标系统的变换，这意味着由于直接耦合到三相电气量，FOC将处理系统的稳态和瞬变操作而与发电机模型无关。

可以将dq坐标系统中发电机的电磁转矩T_EM表示为：

T_EM∝Ψ_rotor·i_qstator

这使得与上面公开的第一类控制系统相比能够容易应用直接转矩控制。更具体而言，通过将转子通量的幅值保持在固定值处，由于转矩和转矩分量i_qstator之间的线性关系，能够控制定子电流的转矩分量。

FOC与直接三相控制相比较的另一技术优点在于已经在DC驱动产业中实践的技术的现有水平。这导致使用FOC控制器进行控制的任何驱动的上市时间(design-to-market time)的实质降低。

US5083039公开一种可变速风力涡轮机，包括：驱动多相发电机的涡轮机转子；具有在发电机的每一相中控制定子电气量的开关的功率变换器；与涡轮机参数传感器相关联的生成表示期望转矩的转矩基准信号的转矩命令设备；以及发电机控制器，在磁场定向控制下操作并且对所述转矩基准信号做出响应用于限定期望的象限轴电流并且用于控制开关以产生与所述期望的象限轴电流相对应的定子电气量。

尽管上面公开的FOC具有优点，但是产业所赖以生存的传统控制器存在缺点。这些例如包括(a)在稳态和动态期间维持定子电流的产生通量和转矩分量之间的正确去耦合的局限，(b)使用线性控制器以较高速度和较高调制指数控制电流。情况(a)涉及参数灵敏度以及适用该参数灵敏度的需求。这会将控制器可靠性置于负载的极端条件下的应力中。另一方面，情况(b)由于缺乏较高调制指数的忠实控制而与DC-链路电压的未充分利用有关。

由于从可靠性和成本方面考虑这两种情况对于高功率驱动操作都是关键的，因此提供发电机功率控制的替代方法是很重要的。

发明内容

考虑到上面这些，本发明的目的在于提供一种用于控制发电机的功率输出的经典FOC的替代方法。

具体而言，一个目的是提供一种用于使用定子通量向量误差信号来确定对于空间向量调制方案的最佳切换时间的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于有效控制发电机中的定子电流的方法和装置。

根据第一方面，通过一种用于控制连接到包括开关的功率变换器的可变速风力涡轮发电机的方法来实现本发明，所述发电机包括定子以及连接到所述定子和所述开关的一组端子，所述方法包括：

确定与期望幅值的发电机功率相对应的定子通量向量基准值，

确定与实际发电机功率相对应的估计定子通量向量值，以及

与所确定的定子通量基准值和所估计的定子通量值相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所期望的发电机功率幅值。

该实施例的优点在于基于静止坐标系中的定子通量来直接操作所述开关。因而避免了对于到同步坐标系(例如FOC中)的附加变换的需要，这降低了对控制单元的计算要求。而且，由于基于定子通量来直接操作开关，因此不存在对于维持定子电流的产生通量和转矩分量之间的正确去耦合的局限。

根据本发明的一个实施例，可以确定所确定的定子通量基准值和所估计的定子通量值之间的定子通量差值，并且可以与所述确定的定子通量差值相对应地操作所述开关。

该实施例的优点在于基于定子通量差值来直接操作开关，这使得能够快速推导开关的正确切换时间。

根据本发明的一个实施例，可以利用定子通量向量基准值和所估计的定子通量向量值之间的差值来确定具有幅值和方向的定子通量差值向量，并且可以基于所述定子通量差值向量来操作所述开关。

该实施例的优点在于基于定子通量差值向量的相位和幅值来直接操作所述开关，这有助于所述开关的正确切换时间的快速确定。

根据本发明的一个实施例，可以根据脉冲宽度调制方案来操作所述开关，以在定子端子处生成合成的电压波形。

该实施例的优点在于由于与PWM切换相关联的低损耗，所以可以高效率生成合成波形。

根据本发明的一个实施例，可以根据用于控制所述开关的切换模式的空间向量调制方案来操作所述开关。

该实施例的优点在于所述空间向量调制方案使得能够利用最小的处理功率生成所述切换模式。

根据本发明的一个实施例，可以通过在一个或者多个切换时间期间施加一个或者多个向量来形成所述切换模式，并且可以根据所述定子通量差值向量的幅值和方向来确定所述切换模式的所述切换时间。

该实施例的优点在于可以根据考虑定子通量差值向量的相位和幅值信息的空间向量调制方案按照简单方式来确定切换模式。

根据本发明的一个实施例，所述开关可以包括第一组和第二组开关，并且可以在第一时间间隔τ_a期间将所述第一组开关操作为导通状态，并且在第二时间间隔τ_b期间将所述第二组开关操作为导通状态。

该实施例的优点在于可以有效实现所述空间向量调制方案，而对于计算功率具有低的需求。

根据本发明的一个实施例，可以根据下面确定所述第一时间间隔和第二时间间隔：

${\mathrm{\τ}}_a=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\left(k\right)\right|\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\γ})}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)}$

${\mathrm{\τ}}_b=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\left(k\right)\right|\sin \left(\mathrm{\γ}\right)}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)}$

该实施例的优点在于可以根据定子通量差值向量直接而快速地确定开关的导通和关断时间。

根据第二方面，通过一种用于控制连接到包括开关的功率变换器的可变速风力涡轮发电机的装置实现本发明，所述发电机包括定子以及连接到所述定子和所述开关的一组端子，所述装置包括：

功率控制器，被配置为确定与期望幅值的发电机功率相对应的定子通量向量值，

通量向量估计器，被配置为确定与实际发电机功率相对应的估计定子通量向量值，以及

开关控制单元，被配置为与所确定的定子通量基准值和所估计的定子通量值相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所期望的发电机功率幅值。

根据第三方面，通过计算机程序实现本发明，所述计算机程序包括用于在具有数据处理能力的设备上执行所述计算机程序时执行上述方法的步骤的计算机程序代码。

根据第四方面，通过用于生成定子通量基准向量的方法实现本发明，所述定子通量基准向量用于控制包括定子和转子的发电机，所述方法包括：

确定与所述发电机的期望幅值的磁化通量相对应的第一定子通量基准向量分量，

确定所述发电机的与产生功率和/或转矩的具有期望幅值的定子通量相对应的电流等效量的幅值，

将所述电流等效量与实际定子电流进行比较，并且如果所述实际定子电流高于预定义的阈值则调节所述电流等效量的幅值，

基于调节后的电流等效量来确定第二定子通量基准向量分量，以及

基于所述第一定子通量基准向量分量和第二定子通量基准向量分量来确定定子通量基准向量。

该实施例的优点在于，关于在不同的负载状况下在每个时刻生成最佳定子电流，所述定子通量基准向量总是具有最佳特性。

根据一个实施例，如果所述实际定子电流高于所述预定义的阈值则限制所述电流等效量。

该实施例的优点在于，对于由发电机提供的给定有功功率，关于生成最小定子电流，所述定子通量基准向量总是具有最佳特性。因而有效避免了系统中的过电流。

根据一个实施例，所述第一定子通量基准向量分量可以基于所述磁化通量以及所述转子的角位置。

该实施例的优点在于，由于所述磁化通量由所述转子特性固定，因此可以容易地确定所述第一定子通量基准向量分量。

根据一个实施例，所述第二定子通量基准向量分量基于产生功率和/或转矩的定子通量以及所述转子的角位置。

该实施例的优点在于，可以根据来自所述发电机的期望功率输出容易地确定所述第二定子通量基准向量分量。

根据一个实施例，所述第二定子通量向量基准分量超前所述第一定子通量基准向量分量90°。

该实施例的优点在于从所述产生转矩/功率的通量去耦合所述磁化通量，从而方便了最佳定子电流的确定。

根据一个实施例，可以确定与来自所述发电机的期望幅值的输出功率相对应的功率基准值，将所述功率基准值与对应于来自所述发电机的实际输出功率的实际功率值进行比较，并且可以基于所述功率基准值和所述实际功率值之间的差值来确定所述电流等效量的幅值。

根据一个实施例，基于所述发电机的旋转速度来调节所述电流等效量的幅值。

该实施例的优点在于：对于由所述发电机传输的有功功率是转矩和速度的函数的事实，可以补偿所述电流等效量。

根据一个实施例，所述发电机的所述定子连接到功率变换器中的开关，并且所述开关与所确定的总定子通量基准向量相对应地操作，以适应至少一个定子电气量，以便获得所述期望的发电机功率幅值。

该实施例的优点在于：可以以所述功率变换器中的低损耗有效控制所述发电机，以实现所述期望的功率幅值。

根据一个实施例，可以估计所述发电机的实际定子通量向量，可以确定所确定的总定子通量基准向量和所估计的定子通量向量之间的定子通量差值向量，并且可以与所确定的定子通量差值向量相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所述期望的发电机功率幅值。

该实施例的优点在于利用所述定子通量差值向量可以容易且有效地控制所述开关。通过使用所述定子通量差值向量，有助于确定所述变换器上的开关的切换时间。

根据第五方面，通过一种用于生成定子通量基准向量的装置实现本发明，所述定子通量基准向量用于控制包括定子和转子的发电机，所述装置包括：

第一向量生成器，用于确定与对于所述发电机的期望幅值的磁化通量相对应的第一定子通量基准向量分量，

功率控制器，用于确定与所述发电机的产生功率和/或转矩的具有期望幅值的定子通量相对应的电流等效量的幅值，

电流限制器，用于将所述电流等效量与实际定子电流进行比较，并且如果所述实际定子电流高于预定义的阈值则调节所述电流等效量的幅值，

第二向量生成器，用于基于调节后的电流等效量来确定第二定子通量基准向量分量，以及

组合器，用于基于所述第一定子通量基准向量分量和第二定子通量基准向量分量来确定定子通量基准向量。

通过下面的详细公开、所附的权利要求以及附图，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见。

通常，权利要求中使用的全部术语旨在根据其在该技术领域中的普通含义进行解释，除非这里以其它方式专门限定。所有提到“一/一个/所述[元件、设备、部件、装置、步骤等等]”旨在参考所述元件、设备、部件、装置、步骤等等的至少一个实例进行开放式解释，除非以其它方式专门阐述。不必以所公开的精确顺序执行这里公开的任何方法的步骤，除非以其它方式专门阐述。

附图说明

通过参考附图对本发明优选实施例的示例性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明的上面以及附加目标、特征和优点，在附图中使用相同的附图标记表示类似的元件，在附图中：

图1示出了根据本发明优选实施例的发电机变换器系统。

图2示出了用于在静止坐标系中表示的同步发电机的向量图。

图3示出了在发电机的定子端子处存在的电压的向量表示。

图4a是图1中示出的发电机侧变换器的更加详细的图示。

图4b示出了确定空间向量六边形的八个切换状态。

图5a示出了在图4b中示出的空间向量六边形的一个扇区(sector)。

图5b示出了归一化的电压向量。

图6示出了根据本发明实施例用于控制风力涡轮发电机的功率的控制系统。

图7示出了根据本发明实施例的发电机功率和定子通量向量控制器的信号流程图。

图8示出了用于实现预测控制以缓和定子通量向量中的相位误差的图。

图9示出了在基准定子通量向量生成中电流限制的原理。

图10示出了用于图7所示的功率控制器模块的控制算法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明优选实施例的发电机变换器系统的示例。

轴10将来自能量源，优选地来自一组风力涡轮机叶片(未示出)，的机械能传输至可变速度发电机11的转子。所述轴优选地连接到风力涡轮机叶片，并且经由齿轮箱连接到转子，以使轴10的旋转速度(即风力涡轮机叶片的速度)适应于发电机11的速度范围。发电机11然后将经由轴10提供的机械能变换为电能，并且在一组定子端子12a、12b、12c处传输所述电能。对于关于将风能变换为电能的最佳性能，轴10将根据风速改变其速度。由于发电机11的转子的旋转速度与轴10的旋转速度成比例，在定子端子12a、12b、12c处由发电机11提供的电压信号的幅值和频率将根据轴10的旋转速度改变。发电机可以是单-馈送或者双-馈送同步发电机、永磁体(PM)发电机、感应发电机或者包括定子绕组的任何其它类型发电机。

发电机11的端子12a、12b、12c连接到发电机侧功率变换器13。变换器13优选是包括六个开关的三相桥变换器13，在图1中出于清楚目的由单个开关和二极管示出。如下面将更加详细公开的，将所述开关设置为优选是固态设备形式的一组上下开关。例如MOSFET、GTO或者IGBT。然而，根据变换器13的设计考虑，诸如BJT的其它类型开关也是同等可能的。变换器13在正常操作下将用作有源整流器，所述有源整流器将由发电机11提供的可变频率AC电压变换为DC电压。使用脉冲宽度调制方案来控制所述变换，其中将控制信号施加到变换器13中的开关，以提供期望的变换功能性。在优选实施例中，如将在下面描述的，通过采用空间向量调制方案来控制开关。

将来自变换器13的输出提供到DC链路14，该DC链路14包括用于降低DC链路上的电压波痕的链路电容器。

DC链路14连接到电网侧功率变换器15。电网侧功率变换器15的拓扑与上面公开的发电机侧功率变换器13类似。电网侧功率变换器15通常用作逆变器，以用于将DC链路14上的DC电压变换为经调节的AC电压，从而向电网18馈送有功和无功功率。电网侧功率变换器15的开关提供有适合的控制电压，以向电网18提供期望的电压和功率。

利用电感器16a、16b、16c对来自电网侧功率变换器15的输出进行滤波，以例如从输出功率信号去除高次谐波。然后将该输出功率信号经由变换器19提供到电网。如果需要，可以通过第二滤波器17对所述输出功率信号进行滤波，以将干扰和谐波失真保持在低值。

图2示出了用于在静止坐标系中表示的同步发电机的向量图。所述图包括表示为α和β的两个静止轴。可以如上面所公开的执行从静止三相abc坐标系到αβ坐标系的变换。

在图中，第一向量代表表示为ψ_mag的磁化通量。在图2所示的关于同步发电机的示例中，磁化通量与转子通量相对应。可以利用如在PM发电机中的永磁体，通过转子中的磁场线圈的激励(即绕线发电机)，或者如果本发明与感应发电机一起使用，则通过在转子中感应电流并且从而也产生磁场的来自定子的旋转磁通量的激励，可以生成转子通量。转子通量向量顶部的弧度示出了向量关于图中的坐标原点旋转。在图中将转子通量向量与α轴的角位移表示为θr。

通过相应的方式，在图中表示为ψ_s的定子通量向量由关于坐标原点旋转的向量表示。在稳态操作中，定子通量向量在静止坐标系中以等于转子通量向量的角速度旋转。在图中定子通量向量与转子通量向量的角位移由δ表示。

可以将同步发电机的电磁功率表示为：

P_EM＝v_ai_a+v_bi_b+v_ci_c∝ωψ_s×ψ_r

这给出

P_EM＝f(|ψ_s|，|ψ_r|，δ)

从上面的功率等式可以看出，对于给定的操作速度，所述电磁功率取决于定子通量向量的幅值以及其关于转子通量向量的位置。如果转子通量向量的位置已知，则能够施加将定位定子通量向量的电压以在给定速度处给出功率的期望幅值。因此，通过控制定子通量向量，可以根据需要获得与负载功率相对应的电磁(EM)功率。

由于在静止坐标系中执行该控制，所以对于所产生的相位延迟的补偿是必需的。这通过在极坐标中执行线性预测来实现。

图3示出了在发电机的定子端子处存在的电压的向量表示。为了控制由发电机产生的功率，需要控制施加到定子端子的信号。在该方面，空间向量调制(SVM)是用于根据DC电压提供AC输出信号的有效平均算法。SVM还使得确定发电机的铜损的谐波含量最小化。SVM还由于使得发电机侧功率变换器13的开关中的切换损耗最小化而有效。

对于三相发电机，可以将静止abc坐标系中的电压表示为在空间上有120°相移的三个向量(方向u_a、u_b和u_c)，如图3所示。对于均衡的三相系统，这些向量和为零。这意味着这三个向量可以由单个空间基准向量(u_s)表示。SVM的思想是控制Vs的幅值和频率，这意味着能够控制定子端子12a，b，c处的电压幅值、相位和频率并且因而能够控制定子中的通量。

参考图4a，其是图1所示的发电机侧变换器13的更加详细的图示。将图中的开关52a、b、c和53a、b、c示出为BJT。然而，同样能够使用MOSFET、GTO、IGBT等等作为切换设备。与用于制造开关52a、b、c和53a、b、c所使用的技术无关，所述设备的切换顺序或者切换模式一定遵循一定的规则。更具体而言，只要上侧开关52a、b、c中的一个导电(即处于导通状态)，则相对应的下侧开关53a、b、c就应该关断，并且反之亦然。而且，必须是三个开关总是导通并且三个开关总是关断。这些规则产生设备52a、b、c和53a、b、c的切换状态的八个不同组合。这些组合表示为(abc)，其中例如a＝1，b＝0和c＝0表示上侧开关52a导通(从而关断开关53a)，而开关52b和c关断。其中的六个状态是在预定的方向上产生电压向量的有效状态而其中的两个状态是无效状态，即全部上侧开关52a、b、c关断并且全部下侧开关53a、b、c导通，或者反之亦然。

上面限定的八个切换状态确定如图4b所示的八个相位电压配置。从图中可以看出，所述向量利用间隔60°的相同尺寸扇区来限定六边形。每一个扇区与两个有效向量临界。无效状态由作为零的向量(000)和(111)表示并且位于六边形原点处。根据向量u_s所位于的扇区来选择两个相邻的电压向量(图4b中的100和110)。从图4b可以清楚，在切换模式从一个扇区移动到相邻扇区时仅上侧和下侧开关中的一个改变状态，其中将切换损耗保持为最小。

通常，以基本上高于电网频率的频率F操作开关。切换频率F经由关系τ_s＝1/F限定采样周期τ_s。在根据各种电压向量(100，110等等)生成向量u_s时使用采样周期τ_s。更具体而言，是通过在一个采样周期τ_s期间对向量进行时间加权形成的向量u_s。在数学上可以将向量u_s表示为：

$u_s=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_0+\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_1+...+\frac{{\mathrm{\τ}}_7}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_7$

其中，τ₀、τ₁…τ₇分别是施加每一个向量u₀、u₁…u₇的时间。向量u₀和u₇是施加以输出零电压的零向量(000，111)。

在u_s和τ_s已知时，能够根据下面的等式分别确定每一个向量的导通时间。

$u_s=\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_1+\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_2+\frac{{\mathrm{\τ}}_{07}}{{\mathrm{\τ}}_s}{u}_{07}$

以及

τ_s＝τ₁+τ₂+τ₀₇

问题在于如何确定期望的向量u_s以提供由发电机提供的电功率的有效控制。

图5a示出了图4b中示出的空间向量六边形的一个扇区。将在两个接连时间时刻处的期望定子通量向量ψ_s示出为向量ψ_s(k)和ψ_s(k+1)。在图中以圆弧表示基准通量ψ_s ^*。期望的定子通量向量与基准通量之间的差值产生具有与期望通量的方向垂直的方向的通量误差向量Δψ_s ^*(k)。定子中的通量以下面的等式(法拉第定理)与发电机EMF相关。

$e=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_s}{\mathrm{dt}}$

这意味着，通量误差向量Δψ_s ^*(k)与采样中使用相邻向量作为平均获得的并且关于在任何操作扇区中的电压向量u_s(即有效向量u₀、u₁等等)移位角度γ的电压向量成比例。因而γ在扇区中从0度变化到60度。在图中将施加每一个有效向量，例如图5中的u₁和u₂，的时刻表示为τ_a和τ_b。

图5b示出了使用归一化电压向量以生成切换时间的示例。采取归一化的基础为在六步骤操作期间相位电压的基本分量的峰值

$u_{\mathrm{peak}}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{U}_{\mathrm{DC}}$

其中U_DC是上面公开的两级逆变器的DC链路电压。在空间向量调制方案中，可以表示为六个向量(u₁-u₆)中的每一个的长度为：

$u_u=\frac{2}{3}{U}_{\mathrm{DC}}$

其中电压的归一化变为

从图中可以看出

$\frac{\frac{\mathrm{\π}}{3}{\mathrm{\τ}}_a}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\γ})}=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{3}{\mathrm{\τ}}_b}{\sin \left(\mathrm{\γ}\right)}=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\left(k\right)\right|}{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)}$

可以由其推导出对于每一个有效向量的切换时间，使得它们根据下面限定施加到发生器侧功率变换器13中的开关的控制信号：

${\mathrm{\τ}}_a=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\left(k\right)\right|\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\γ})}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)}$

${\mathrm{\τ}}_b=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\left(k\right)\right|\sin \left(\mathrm{\γ}\right)}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)}$

τ₀＝τ_s-(τ_a+τ_b)

其中，τ_a是施加第一向量(例如图4b中的向量u1)的时间，并且τ_b是施加第二向量(例如图4b中的向量u2)的时间。

简要地参考图1、图4a和图7，使用确定的切换时间作为由PWM模块82表示的开关控制单元的控制信号。PWM模块82使用所述控制信号用于控制所述发电机侧功率变换器13中的开关52、53。通过切换发电机侧功率变换器13中的开关状态，能够建立定子电气量，以使得实现期望的发电机功率水平。更具体而言，控制信号使发电机侧功率变换器13的开关52、53调节其AC端子电压关于发电机11的EMF的相位和电压幅值，以提供期望的电功率。

通过通量控制器的要求来限定由发电机侧功率变换器13生成的电压。因此必须执行切换以缓和定子通量向量中的误差Δψ_s ^*(k)。可以将该通量向量控制的方案延伸到任何调制指数。在正常的空间向量调制范围期间，在一个示例中能够经过切换补偿误差。

图6示出了根据本发明实施例用于控制风力涡轮发电机的功率的控制系统。

将去往变换器控制的功率命令与由发电机71提供的估计功率进行比较。系统的机械动态较慢允许直接使用功率控制器79以给出定子通量向量基准。

发电机71不需要无功功率，除非在需要磁场削弱的非常高速度处。EM设计满足发电机的该方面。因而有功功率要求以较慢发电机动态驱动功率控制器。仍然按照上面解释的类似方式控制定子通量向量。使用定子通量向量误差执行的切换与之前描述的相同。

图7示出了发电机功率和定子通量向量控制器的实施例的信号流程图。

到该信号流程图的输入是与来自发电机的期望幅值的输出功率相对应的功率基准值(P_e ^*)。将该功率基准值与对应于来自发电机的实际输出功率的实际功率值(P_e)进行比较，并且将这两个值之间的差值提供到功率控制器&电流限制器(PCCL)模块81。

PCCL模块81由图7中的虚线表示，并且被设计成在任意操作频率处实现相同带宽。PCCL模块81包括比例和积分(PI)控制器模块82。由于由发电机传输的有功功率是转矩和速度的函数的事实，因此PI增益是速度的函数。因而对于发电机的操作速度需要补偿PI增益。尽管该速度具有非常慢的动态，但是其在控制环路中增加了非线性。为了降低/消除该非线性，取决于发电机的操作速度，通过速度补偿模块83来调节PI控制器的增益。来自PI模块的输出是与发电机的产生功率和/或转矩的具有期望幅值的定子通量相对应的电流等效量。

实际发电机定子电流|i_s|在电流、通量和功率计算器模块84中确定，并且反馈回到电流限制检测模块85。电流限制检测模块85监控实际定子电流以检测该电流的幅值是否变得太大。如果实际定子电流的幅值上升高于预定义的阈值，则向电流限制逻辑模块86发送信号。电流限制逻辑模块86连接到来自PI模块82的输出，并且限制该电流等效量，以使得发电机的最大操作电流被箝位在额定值处。可选地，为了使用零值代替功率基准值与实际功率值之间的差值以限制电流等效量，如果实际定子电流上升高于预定义的阈值，则电流限制检测模块85可以向PCCL模块81发送信号，如箭头85a所表示的。如上面公开的，限制电流等效量将能够使发电机的最大操作电流被箝位在额定值处。

在对发电机的操作电流进行箝位时，PCCL模块81优选地监控功率基准值与实际功率值之间的差值的符号，以去除零值并且在符号改变时恢复该差值。

为了对于由发电机提供的给定有功功率获得最小定子电流，将基准定子通量向量(ψ^* _s)限定为第一定子通量向量分量(ψ^* _s1)和第二定子通量向量分量(ψ^* _s2)的向量和，所述第二定子通量向量分量(ψ^* _s2)由图中表示为“j”的相位提前模块表示的关于第一定子通量向量分量以90度角度放置。在静止坐标系中实现向量增加。

在第一向量生成模块87中，根据磁化通量分量幅值和转子通量轴相对于α轴的角度(θ_r)来计算定子通量基准向量ψ^* _s1。更具体而言，可以将定子通量基准向量ψ^* _s1计算为：

ψ_{α_s1}＝ψ_mag ^*cos(θ_rotor)以及ψ_{β_s1}＝ψ_mag ^*sin(θ_rotor)

根据所使用的发电机类型，可以按照不同的方式确定磁化通量。更具体而言，在发电机是永磁发电机的情况下，通过转子中的磁性材料以及发电机的实际构造来固定磁化通量。如果发电机例如是感应发电机，则可以通过定子通量和转子位置的测量来确定磁化通量。

通过类似的方式，第二向量生成模块88根据(与来自PCCL 81的电流等效量输出相对应)产生功率/转矩的通量分量幅值将定子通量基准向量ψ^* _s2计算为：

ψ_{α_s2}＝ψ_torque ^*cos(θ_rotor+90°)以及ψ_{β_s2}＝ψ_torque ^*sin(θ_rotor+90°)

然后根据下面计算总通量基准向量ψ^* _s：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}\_s1}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}\_s2}$ 并且 ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}\_s1}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}\_s2}$

由于定子电流与定子通量以下面关系相关：

${\mathrm{\ψ}}_{s2}^{*}=I_s*L_s$

因而来自PCCL 81的输出的限制将限制定子通量基准向量。

可以通过使用在模块“通量向量相位预测补偿”83中的线性插值来缓和离散时间实现中带来的相位误差。

如上所述，可以然后与实际定子通量向量一起使用基准定子通量向量以确定可以由PWM模块89使用的定子通信差值向量，以用于控制发电机侧变换器的开关。

如图8示出了实现缓和定子通量向量的相位误差的预测控制。该预测在极坐标中执行并且生成定子通量向量ψ_ρs ^*。将所示的估计定子通量向量ψ_s与预测的基准定子通量向量进行比较，并且误差向量Δψ_s限定了在静止坐标系中用于控制有功功率和定子通量向量的切换状态。

图9中示出了电流限制基准定子通量向量生成的原理。可以利用对于类似表面安装PM机器或者定子馈送同步机器的定子磁化机器不需要磁化的事实以限定期望的基准通量向量幅值。图9示出了这种情况。在这样的控制中需要的电流向量仅仅是迎合有功功率需要并且在机器中不建立任何通量。因而，能够实现该需求的最小电流向量幅值应该位于沿着与转子通量向量垂直的方向。

如图所示，如果必须使用所述机器作为电机，则电流向量应该超前转子通量向量否则其应该滞后转子通量向量。因而，可以利用该电流向量位置的信息直接推导有助于转矩或者有功功率的基准通量向量的分量。这涉及转子通量向量位置的输入，这可根据所述位置和/或附接到所述机器的轴的自增编码器来获得。对于在转子结构中具有卓越表现的发电机，可以通过测量电压和电流结合无传感器操作，从而不需要速度/位置传感器。优点是控制器能够在静止坐标系中限制电流。在非常高的操作速度处，能够具有定子通量向量的去磁化分量。在采用内部PM机器用于功率生成时也需要这样的部件。

图10示出了根据本发明具有定子电流限制特征的功率PI(比例和积分)控制器模块82的实现算法。在正常操作条件下，功率控制器81的输出限定产生转矩的定子通量基准的幅值。将磁化定子通量基准设置为恒定标称值。由于仅允许产生转矩的定子通量基准改变，因此在冻结定子通量时有效地限制了定子电流。

在图10中，算法开始于步骤1010，其中确定定子电流是否大于预定的定子电流上限。

如果定子电流大于预定的定子电流上限，则算法继续到步骤1015，其中设置变量以表明达到了较高电流限制，从而算法继续到步骤1020。如果定子电流不大于预定的定子电流上限，则算法直接继续到步骤1020，其中确定定子电流是否小于预定的定子电流下限。

如果定子电流小于预定的定子电流下限，则算法继续到步骤1025，其中设置变量以表明达到了较低电流限制，从而算法继续到步骤1030。如果定子电流不小于预定的定子电流下限，则算法直接继续到步骤1030，其中确定是否达到了电流上限，并且如果达到了电流上限，则在步骤1035中复位调节器变量。

在步骤1040中，使用PI(比例和积分)算法来计算来自调节器的输出。在该算法中，比例值通过使输入与离散比例增益(kp_d)相乘来确定对信号误差的反应。积分值基于最近误差的和通过使当前输入和先前输入之间的差值与离散积分增益(ki_d)相乘来确定反应。

在步骤1050中，算法确定来自控制器的输出是否达到了与产生最大功率/转矩的通量分量幅值相对应的值。

如果来自控制器的输出达到了与产生最大功率/转矩的通量分量幅值相对应的值，则算法继续到步骤1055，其中将输出设置到预定的正限制值，从而算法继续到步骤1060。如果来自控制器的输出没有达到了与产生最大功率/转矩的通量分量幅值相对应的值，则算法直接继续到步骤1060，其中确定来自控制器的输出是否达到了与产生最小功率/转矩的通量分量幅值相对应的值。

如果来自控制器的输出达到了与产生最小功率/转矩的通量分量幅值相对应的值，则算法继续到步骤1065，其中将输出设置到预定的负限制值，从而算法继续到步骤1070。如果来自控制器的输出没有达到与产生最小功率/转矩的通量分量幅值相对应的值，则算法直接继续到步骤1070，其中更新调节器变量。

上面主要参考几个实施例描述了本发明。然而，本领域的普通技术人员容易意识到，在由所附专利权利要求限定的本发明的范围内，同样能够具有除上面公开的实施例之外的其它实施例。

Claims (24)

1.一种用于生成定子通量基准向量的方法，所述定子通量基准向量用于控制包括定子和转子的发电机，所述方法包括：

确定与所述发电机的期望幅值的磁化通量对应的第一定子通量基准向量分量，

确定与所述发电机的具有期望幅值的定子通量相对应的电流等效量的幅值，其中所述定子通量能够产生功率和转矩中的至少一个，

确定实际定子电流，并且如果所述实际定子电流高于预定义的阈值则调节所述电流等效量的幅值，

基于调节后的电流等效量来确定第二定子通量基准向量分量，以及

基于所述第一定子通量基准向量分量和所述第二定子通量基准向量分量来确定定子通量基准向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述实际定子电流高于所述预定义的阈值，则限制所述电流等效量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一定子通量基准向量分量基于所述磁化通量以及所述转子的角位置。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述第二定子通量基准向量分量基于所述定子通量以及所述转子的角位置。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述第二定子通量基准向量分量超前所述第一定子通量基准向量分量90°。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，包括

确定与来自所述发电机的期望幅值的输出功率相对应的功率基准值，

将所述功率基准值与实际功率值进行比较，所述实际功率值与来自所述发电机的实际输出功率相对应，以及

基于所述功率基准值与所述实际功率值之间的差值来确定所述电流等效量的幅值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中如果所述实际定子电流高于所述预定义的阈值，则由零值代替所述功率基准值与所述实际功率值之间的所述差值，以用于确定所述电流等效量的幅值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中如果所述差值的符号改变，则恢复所述功率基准值与所述实际功率值之间的所述差值，以用于确定所述电流等效量的幅值。

9.根据权利要求1-3和7-8中的任一项所述的方法，其中基于所述发电机的旋转速度来调节所述电流等效量的幅值。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述发电机的所述定子连接到功率变换器中的开关，并且与所确定的总定子通量基准向量相对应地操作所述开关以适应至少一个定子电气量，以便获得期望的发电机功率幅值。

11.根据权利要求10所述的方法，包括

估计所述发电机的实际定子通量向量，

确定所确定的总定子通量基准向量与所估计的定子通量向量之间的定子通量差值向量，以及

与所确定的定子通量差值向量相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所述期望的发电机功率幅值。

12.根据权利要求1-3、7-8和10-11中的任一项所述的方法，其中所述发电机是永磁发电机、绕线发电机或者感应发电机。

13.一种用于生成定子通量基准向量的装置，所述定子通量基准向量用于控制包括定子和转子的发电机，所述装置包括：

第一向量生成器，用于确定与所述发电机的期望幅值的磁化通量对应的第一定子通量基准向量分量，

功率控制器，用于确定与所述发电机的具有期望幅值的定子通量相对应的电流等效量的幅值，其中所述定子通量能够产生功率和转矩中的至少一个，

电流限制器，用于确定实际定子电流，并且用于如果所述实际定子电流高于预定义的阈值，则调节所述电流等效量的幅值，

第二向量生成器，用于基于调节后的电流等效量来确定第二定子通量基准向量分量，以及

组合器，用于基于所述第一定子通量基准向量分量和所述第二定子通量基准向量分量来确定定子通量基准向量。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述电流限制器被配置为：如果所述实际定子电流高于所述预定义的阈值，则限制所述电流等效量。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一向量生成器被配置为：基于所述磁化通量和所述转子的角位置来确定所述第一定子通量基准向量分量。

16.根据权利要求13-15中的任一项所述的装置，其中所述第二向量生成器被配置为：基于所述定子通量以及所述转子的角位置来确定所述第二定子通量基准向量分量。

17.根据权利要求13-15中的任一项所述的装置，包括用于使所述第二定子通量向量基准分量相对于所述第一定子通量基准向量分量超前90°的相位提前模块。

18.根据权利要求13-15中的任一项所述的装置，包括

用于接收与来自所述发电机的期望幅值的输出功率相对应的功率基准值的输入端，

用于将所述功率基准值与实际功率值进行比较的比较器，所述实际功率值与来自所述发电机的实际输出功率相对应，其中所述功率控制器被配置为：基于所述功率基准值与所述实际功率值之间的差值来确定电流等效量的幅值。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述功率控制器被配置为：如果所述实际定子电流高于所述预定义的阈值，则利用零值代替所述功率基准值与所述实际功率值之间的差值，以用于确定所述电流等效量的幅值。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述功率控制器被配置为：如果所述差值的符号改变，则恢复所述功率基准值与所述实际功率值之间的所述差值，以用于确定所述电流等效量的幅值。

21.根据权利要求13-15和19-20中的任一项所述的装置，其中所述功率控制器被配置为：基于所述发电机的旋转速度来调节所述电流等效量的幅值。

22.根据权利要求18所述的装置，其中所述发电机的所述定子连接到功率变换器中的开关，并且所述功率变换器被配置为：与所确定的总定子通量基准向量相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得期望的发电机功率幅值。

23.根据权利要求22所述的装置，包括：

通量计算器，用于估计所述发电机的实际定子通量向量，

比较器，用于确定所确定的总定子通量基准向量与所估计的定子通量向量之间的定子通量差值向量，其中所述功率变换器被配置为：与所确定的定子通量差值向量相对应地操作所述开关，以适应至少一个定子电气量，以便获得所述期望的发电机功率幅值。

24.根据权利要求13-15、19-20和22-23中的任一项所述的装置，其中所述发电机是永磁发电机、绕线发电机或者感应发电机。