用于操作电机的方法和设备的制作方法

专利名称：用于操作电机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电机，且更特定地涉及用于操作电机的方法和设备。
背景技术：
一般地，风力涡轮发电机包括具有转子的涡轮机，转子包括具有多 个叶片的可旋转轮毂组件。叶片经由转子将机械风能转换为驱动一个或 者多个发电机的机械旋转转矩。发电机一般地，但不总是，通过齿轮箱 旋转地联接到转子。齿轮箱提高用于发电机的转子的本来低的旋转速 度，以有效地将旋转机械能变换为电能，其经由至少一个电气连接件馈 给到实用电网。无齿轮直接驱动风力涡轮发电机也存在。转子、发电机、 齿轮箱和其他部件典型地安装在壳体、或者舱体内，其位于可以为构架或者管状塔的基部的顶部上。一些无齿轮直接驱动风力涡轮发电机构造包括双馈感应发电机(DFIG)。这种构造也可以包括电力变换器，其用于从连接件的一个到 电力实用电网连接件将发电机激励电力输送到绕线发电机转子。在某些 环境下，可能经历电网电压波动，其可以包括带有接近零伏的电压波动 的低电压瞬态。 一般地，电力变换器和发电机易于遭受电网电压波动。 因此，这种电网电压波动可能对风力涡轮发电机的连续操作是有害的。发明内容一方面，提供用于操作电机的方法。该方法包括联接电机到电力系 统，使得电力系统构造为输送至少一相电力到电机和从电机输送至少一 相电力。该方法也包括构造电机，使得在电力系统的电压幅值在事先确 定的范围外操作未确定的时间段的期间和随后，电机保持电联接到电力系统。另一方面，提供用于电机的控制系统。电机构造为电联接到电力系 统。电力系统构造为输送至少一相电力到电机和从电机输送至少一相电 力。控制系统利于在电力系统的至少一个电压幅值在事先确定的范围外
操作未确定的时间段的期间和随后，电机保持电联接到电力系统。又一方面，提供风力涡轮机。风力涡轮机包括至少一个构造为电联 接到电力系统的电力发电机。电力系统构造为输送至少 一相电力到发电 机和从发电机输送至少 一相电力。风力涡轮机也包括至少 一个构造为电 联接到电力系统的控制系统。控制系统利于在电力系统的至少 一 个电压 幅值在事先确定的范围外操作未确定的时间段的期间和随后，电机保持 电联接到电力系统。


图1为示范性的风力涡轮发电机的示意图；图2为可以与图1中显示的风力涡轮发电机使用的示范性的电气和 控制系统的示意图；图3为可以与图2中显示的电气和控制系统相关的电网线路电压-时间图；图4为可以与图2中显示的电气和控制系统使用的示范性的锁相环 (PLL)调节器的方块图；图5为可以与图4中显示的PLL调节器使用的示范性的PLL状态机 的方块图；和图6为作为由图5中显示的PLL状态机确定的PLL状态的函数产生 的多个示范性的增益常数和频率界限值的表格图。
具体实施方式
图1为示范性的风力涡轮发电机100的示意图。风力涡轮机100包 括容纳发电机(图1中未显示)的舱体102。舱体102安装在塔104(图 1中显示塔104的部分)上。塔104可以为如在此描述的利于风力涡轮 机100的操作的任何高度。风力涡轮机100也包括转子106，其包括三 个附接到旋转轮毂110的转子叶片108。可替换地，风力涡轮机100包 括如在此描述的利于风力涡轮机100的操作的任何数量的叶片108。在 示范性的实施例中，风力涡轮机100包括旋转地联接到转子106和发电 机(图1中未显示)的齿轮箱(图1中未显示)。图2为可以与风力涡轮发电机100 (图1中显示)使用的示范性的 电气和控制系统200的示意图。转子106包括多个联接到旋转轮毂110
的转子叶片108。转子106也包括可旋转地联接到轮毂110的低速轴 112。低速轴联接到增速齿轮箱114。齿轮箱114构造为提高低速轴112 的旋转速度且传递该速度到高速轴116。在示范性的实施例中，齿轮箱 114具有大约70:1的增速比。例如，联接到具有大约70:1增速比的齿轮 箱114的低速轴112以大约20转/分(20)旋转，产生大约1400rpm的 高速轴116速度。可替换地，齿轮箱114具有如在此描述的利于风力涡 轮机100的操作的任何增速比。同样，可替换地，风力涡轮机100包括 直接驱动发电机，其中发电机转子(图1中未显示)旋转地联接到转子 106而没有任何中间齿轮箱。高速轴116可旋转地联接到发电机118。在示范性的实施例中，发 电机118为绕线转子、同步、60Hz、三相、双馈感应发电机(DFIG)， 其包括磁联接到发电机转子122的发电机定子120。可替换地，发电机 118为如在此描述的利于风力涡轮机100的操作的任何发电机。电气和控制系统200包括控制器202。控制器202包括至少一个处 理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道， 且可以包括至少一个计算机(图2中未显示)。如在此使用的，术语计 算机并不限于仅本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地涉及 处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成 电路、和其他可编程电路(图2中都未显示)，且这些术语在此可互换 地使用。在示范性的实施例中，存储器可以包括，但不限于，计算机可 读介质，例如随机存取存储器(RAM)(图2中都未显示)。可替换地， 也可以使用软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、 和/或者数字通用光盘(DVD)(图2中都未显示)。同样，在示范性 的实施例中，附加的输入通道(图2中未显示)可以为，但不限于，与 操作者接口相关的计算机外设，例如鼠标和键盘(图2中都未显示)。 可替换地，也可以使用其他计算机外设，其可以例如包括，但不限于， 扫描器(图2中未显示)。而且，在示范性的实施例中，附加的输出通 道可以包括，但不限于，操作者接口监视器(图2中未显示)。用于控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置输送的信息， 其可以包括，但不限于，速度和电力换能器。RAM和存储装置储存且 传递信息和指令以由处理器执行。在处理器执行指令期间，RAM和存 储装置也能够用于储存且提供临时变量、静态(也就是不变化)信息和指令、或者其他中间信息给处理器。执行的指令包括，但不限于，存在 的变换和/或者比较器算法。指令序列的执行并不限于硬件电路和软件指 令的任何具体组合。电气和控制系统200也包括发电机转子转速计204，其联接为与发 电机118和控制器202电子数据连通。发电机定子120经由定子总线208 电联接到定子同步开关206。在示范性的实施例中，为了利于DFIG构 造，发电机转子122经由转子总线212电联接到双向电力变换组件210。 可替换地，系统200构造为本领域中已知的全电力变换系统(未显示)， 其中在设计和操作方面类似于组件210的全电力变换组件(未显示)电 联接到定子120且这种全电力变换组件利于在定子120和电力输送和分 配电网(未显示)之间引通电力。定子总线208从定子120输送三相电 且转子总线212将三相电从转子122输送到组件210。定子同步开关206 经由系统总线216电联接到主变压器电路断路器214。组件210包括转子滤波器218,其经由转子总线212电联接到转子 122。转子滤波器218经由转子滤波器总线219电联接到转子侧、双向 电力变换器220。变换器220电联接到线路侧、双向电力变换器222。 变换器220和222大致相同。电力变换器222经由线路侧电力变换器总 线223和线路总线225电联接到线路滤波器224和线路接触器226。在 示范性的实施例中，变换器220和222构造为三相、脉宽调制(PWM) 结构，其包括如本领域中已知的"激发"的绝缘栅双极晶体管(IGBT) 开关装置(图2中未显示)。可替换地，变换器220和222具有如在此 描述的利于系统200的操作的使用任何开关装置的任何结构。组件210 联接为与控制器202电子数据连通，以控制变换器220和222的操作。线路接触器226经由变换电路断路器总线230电联接到变换电路断 路器228。电路断路器228也经由系统总线216和连接总线232电联接 到系统电路断路器214。系统电路断路器214经由发电机侧总线236电 联接到电力主变压器234。主变压器234经由断路器侧总线240电联接 到电网电路断路器238。电网断路器238经由电网总线242连接到电力 输送和分配电网。在示范性的实施例中，变换器220和222经由单个直流(DC )链路 244联接为彼此电连通。可替换地，变换器220和222经由独立和分开 的DC链路(图2中未显示)电联接。DC链路244包括正干线246、负
干线248、和联接在其间的至少一个电容器250。可替换地，电容器250系统200还包括锁相环(PLL)调节器400，其构造为从多个电压 换能器252接收多个电压测量信号。在示范性的实施例中，三个电压换 能器252的每个电联接到总线242的三相的每一个。可替换地，电压换 能器252电联接到系统总线216。同样，可替换地，电压换能器252电 联接到如在此描述的利于系统200的操作的系统200的任何部分。PLL 调节器400经由多个电气导管254、 256和258联接为与控制器202和 电压换能器252电子数据连通。可替换地，PLL调节器400构造为从任 何数量电压换能器252接收任何数量电压测量信号，包括但不限于，来 自 一个电压换能器252的一个电压测量信号。PLL调节器400在下文进 一步讨论。在操作期间，风力沖击叶片108且叶片108转换机械风能为机械旋 转转矩，其经由轮毂110旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮 箱114，其随后提高轴112的低旋转速度，以用增加的旋转速度驱动高 速轴116。高速轴116旋转地驱动转子122。在转子122内感应旋转f兹 场且在磁耦合到转子122的定子120内感应电压。发电机118将旋转机 械能变换为定子120中的正弦、三相交流(AC)电能信号。相关的电力 经由总线208、开关206、总线216、断路器214和总线236输送到主变 压器234。主变压器234提高电力的电压幅值且变压的电力进一步经由 总线240、电路断路器238和总线242输送到电网。在双馈感应发电机构造中，提供第二电力输送路径。电气的、三相、 正弦、AC电力在绕线转子122内产生且经由总线212输送到组件210。 在组件210内，电力输送到转子滤波器218，其中电力被修改以用于与 变换器220相关的PWM信号的变化率。变换器220作为整流器且将正 弦、三相AC电力整流为DC电力。DC电力输送到DC链路244中。通 过利于减轻与AC整流相关的DC脉动，电容器250利于减轻DC链路 244电压幅值变化。DC电力随后从DC链路244输送到电力变换器222，其中变换器 222起逆变器的作用，其构造为将来自DC链路244的DC电力变换为 具有事先确定的电压、电流和频率的三相、正弦AC电力。这种变换经 由控制器202监测并控制。变换的AC电力经由总线227和225、线路9
接触器226、总线230、电路断路器228和总线232从变换器222输送 到总线216。线路滤波器224补偿或者调节用于从变换器222输送的电 力中的谐波电流。定子同步开关206构造为闭合，从而利于连接来自定 子120的三相电力与来自组件210的三相电力。例如，当电流过多且能够损害系统200的部件时，电路断路器228、 214和238构造为断开相应的总线。也提供附加的保护部件，包括线路 接触器226，通过打开相应于线路总线230的每个线路的开关(图2中 未显示)，其可以被控制以形成断开。组件210用于例如在轮毂110和叶片108处的风速改变时补偿或者 调节来自转子122的三相电力的频率。因此，以这种方式，机械和电气 转子频率分离且利于大致独立于机械转子速度的电气定子和转子频率 匹配。在一些条件下，组件210的双向特性，和具体地，变换器220和222 的双向特性，利于将至少一些产生的电力反馈到发电机转子122。更具 体地，电力从总线216输送到总线232且随后通过电路断路器228和总 线230输送到组件210内。在组件210内，电力通过线路接触器226和 总线225和227输送到电力变换器222中。变换器222作为整流器且将 正弦、三相AC电力整流为DC电力。DC电力输送到DC链路244。通 过利于减轻有时与三相AC整流相关的DC脉动，电容器250利于减轻 DC链路244电压幅值变化。DC电力随后从DC链路244输送到电力变换器220,其中变换器 220起逆变器的作用，其构造为将从DC链路244输送的DC电力变换 为具有事先确定的电压、电流和频率的三相、正弦AC电力。这种变换 经由控制器202监测并控制。变换的AC电力经由总线219从变换器220 输送到转子滤波器218，随后经由总线212输送到转子122。以这种方 式，利于发电机反作用电力控制。组件210构造为从控制器202接收控制信号。控制信号基于如在此 描述的风力涡轮机100和系统200的感测条件或者操作特性且用于控制 电力变换组件210的操作。例如，以发电机转子122的感测速度的形式 的转速计204反馈可以用于控制从转子总线212的输出电力的变换，以 维持合适和平衡的三相电力条件。从其他传感器的其他反馈也可以被系 统200使用，以控制组件210，包括例如定子和转子总线电压和电流反，和例如开关控制信号、定子同步开关控制信号和 系统电路断路器控制(跳脱)信号可以以任何已知的方式产生。例如，对于具有事先确定的特性的电网电压瞬态，控制器202将至少临时地大 致地在变换器222内挂起IGBT的激发。变换器222的操作的这种挂起 将大致将被引通通过变换组件210的电力减轻到大约零。图3为可以与电气和控制系统200 (图2中显示)相关的电网线路 电压-时间图300。图300包括代表电网线if各电压的以百分比(％ )为 单位的纵坐标(y轴)302。 Y轴302在图原点处图示0%且向上延伸到 100%。 0%的电网线路电压指示在总线242 (图2中显示)上的零电压。 100%的电网线路电压指示在总线242上为与系统200相关的标称的事 先确定的电压的100%的电压。图300也包括代表时间的以秒(s)为单 位的横坐标(x轴)304。零电压瞬态图示为在时间等于O秒时开始。在 示范性的实施例中，在总线242上的零电压条件为0.15秒，其中在瞬态 开始后大约3.5秒，在总线242上的电压完全恢复到100%。可替换地， 零电压条件的时间长度和电网电压恢复的特性取决于本领域中已知的 多种因素。如图3中图示的，当电压减少为零时，很可能存在阻止风力涡轮发 电机IOO输送电力到电网的故障。如果风力继续旋转转子106(图1和2 中显示)，风力涡轮发电机IOO继续产生并不变换为电能的能量。相反， 能量加速转子106直到跳脱特征启动，其包括但不限于，手工跳脱或者 自动超速跳脱。此外， 一般地，电力变换器组件210和发电机118 (都在图2中显 示)易于遭受电网电压波动。发电机118可以存储磁能，在发电机终端 电压快速减少时，其能够变换为高电流。这些电流能够减少组件210的 部件，可以包括但不限于，例如在变换器220和222 (都在图2中显示) 内的IGBT的半导体装置的寿命预期。图4为可以与电气和控制系统200使用的示范性的锁相环(PLL) 调节器400的方块图。PLL调节器400构造为利于风力涡轮发电机100 的零电压穿越(ZVRT)能力，使得在例如图3中图示的零电压瞬态期 间，减轻风力涡轮发电机跳脱的可能性和对半导体装置的相关的后果。 ZVRT与本领域中已知的低电压穿越(LVRT )特征对比，LVRT特征在 其中电压幅值迅速减少，但不减少到零伏的瞬态期间利于减轻风力涡轮发电机100跳脱。PLL调节器400经由用于电网总线242的A、 B和C相的电气导管 254、 256和258联接为与多个电压换能器252电子数据连通。在示范性 的实施例中，导管254、 256和258为电缆。可替换地，操作在射频(RF) 带的事先确定的部分内的发射器和接收器的网络可以用于限定导管 254、 256和258。正弦电压测量信号从电压换能器252分别输送通过用 于A、 B和C三相的每个的导管254、 256和2化。在示范性的实施例中，PLL调节器400构造为在处理器(图4中未 显示)内的多个功能块。为了清楚，PLL调节器400图示为在控制器202 外面。可替换地，PLL调节器400构造为在与控制器202相关的处理器 内。PLL调节器400包括至少一个锁相环(PLL) 402。典型地，PLL为 闭环反馈配置，其维持由PLL产生的信号与参考信号的固定相位关系。 PLL产生的信号被恒定地调节，以同相地匹配参考信号的频率，也就是 PLL锁住到参考信号。在示范性的实施例中，PLL402锁住到总线242 的频率。PLL调节器400也包括至少一个PLL状态机404,其在下文进 一步详细描述。PLL402包括相位检测器功能块406，其构造为接收从分别用于电网 总线242的A相、B相和C相的导管254、 256和258输送的正弦电压 测量信号。功能块406也构造为接收相位角反馈信号407且随后组合电 压测量信号与信号407，以产生相位误差信号408。信号408典型地以 弧度(r)测量。PLL402也包括比例-积分(PI)滤波器410。 PI滤波器410包括比 例增益功能块412。功能块412构造为接收信号408。功能块412也构 造为从比例增益常数寄存器416接收比例增益常数信号414。寄存器416 被填充作为由下文描述的PLL状态机404确定的PLL状态(或者PLL 模式)的函数确定的值。功能块412还构造为以信号414乘信号408, 以产生比例增益信号418且输送信号418到求和功能块420。信号418 典型i也以r/s测量。PI滤波器410也包括积分增益功能块422。功能块422构造为接收 信号408。功能块422也构造为从积分增益常数寄存器426接欢积分增 益常数信号424。寄存器426被填充作为由下文描述的PLL状态机404
确定的PLL状态(或者PLL模式)的函数确定的值。功能块422还构造 为关于时间积分信号408且以信号424乘积分值以产生且输送积分增益 信号428到箝位功能块430。信号428典型地以r/s测量。功能块430为 滤波器机构，如果信号428位于上限和下限之间，其允许箝位的积分增 益信号432输送到求和功能块420。信号432典型地以r/s测量。相反， 如果信号428位于由上和下限限定的范围外，信号428被阻止进一步输 送。功能块430的上和下限分别输送到且填充到上限寄存器434和下限 寄存器436内，其具有作为由下文描述的PLL状态机404确定的PLL 状态(或者PLL模式)的函数确定的值。功能块420将信号418和432求和以产生PI信号438且将信号438 输送到箝位功能块440。信号438典型地以r/s测量。功能块440为滤波 器机构，如果信号438位于上限和下限之间，其允许箝位的积分增益信 号442输送到积分功能块444。信号442典型地以r/s测量。相反，如果 信号438位于由上和下限限定的范围外，信号438被阻止进一步输送。 功能块440的上和下限分别输送到且填充到上限寄存器446和下限寄存 器448内，其具有作为由下文描述的PLL状态机404确定的PLL状态(或 者PLL模式)的函数确定的值。积分功能块444构造为接收信号442且关于时间积分信号442。功 能块444产生PLL相位角信号450，其输送到用于控制组件210的控制 器202,以用于注入到总线216 (都在图2中显示)的电流的随后的控 制。反馈信号407与信号450相同，且输送到如上文描述的功能块406。 信号450和407典型地以弧度(r)测量。电网电压测量信号也从换能器252输送到PLL状态机404，以如下 文描述使用。提供用于操作发电机118的方法。该方法包括联接发电机118到电 网，使得电网构造为输送至少一相电力到发电机118和从发电机118输 送至少一相电力。该方法也包括构造发电机U8为使得在电力系统的电 压幅值在事先确定的范围之外操作未确定的时间段的期间和随后，发电 机118保持电联接到电力系统。具体地，这种方法包括构造发电机118 为使得在电力的电压幅值减少到大约零伏事先确定的时间段的期间和 随后，发电机118保持电连接到电网，从而利于零电压穿越(ZVRT)。 此外，在ZVRT事件期间，利于发电机118保持电连接到电网随后利于
发电机118在瞬态期间继续操作从而支持电网。具体地，图5为可以与PLL调节器400 (图4中显示)使用的示范 性的PLL状态机404的方块图。在示范性的实施例中，状态机404构造 为将PLL调节器400转到作为如上文描述接收的电压信号的特性的函数 的四个操作状态或者模式的至少 一个。可替换地，PLL状态机404和PLL 调节器400包括如在此描述的利于风力涡轮机IOO操作的任何数量的状 态。操作状态的每一改变利于包含在寄存器416、 426、 434、 436、 446 和448 (都在图4中显示)内的侵略性(aggressive)的和非侵略性的增构造为本质上滑动、本质上离散的、或者它们的一些组合。因此，;个 操作状态利于零电压穿越(ZVRT)以及其他的电网故障，同时也利于 正常操作。这些特征利于管理动态地作为PLL402 (图4中显示)企图 锁住到和/或者保持锁住到的电网的电压特性的函数的这种增益和箝位。状态机404构造为接收从换能器252经由导管254、 256和258 (都 在图4中显示)输送到PLL调节器400的电网电压测量信号。状态机404 进一步构造为在PLL调节器400成功加电(powerup)时接收"加电，， 输入信号502。输入信号502的接收启动状态机404转换到状态0。状 态0特征为状态机404预调节一组值，以插入到寄存器416、 426、 434、 436、 446和448。图6为作为由PLL状态机404 (图5中显示)确定的PLL状态的函 数产生的多个示范性的增益和频率界限值600的表格图。栏602代表多 个行O、 1、 2和3,其每个相应于PLL调节器400 (图5中显示)的操 作状态。PLL调节器400在任一时间可以仅为一个操作状态。栏604代 表多个可以存储在寄存器416 (图4中显示)中的增益常数值。栏606 代表多个可以存储在寄存器426 (图4中显示)中的增益常数值。栏608 代表多个可以存储在寄存器436和448中的最小频率界限值。栏610代 表多个可以存储在寄存器434和446中的最大频率界限值。例如，当PLL 调节器400为状态0时，增益值A和C分别在寄存器416和426。在示 范性的实施例中，值A和C分别代表不同数值，例如但不限于，2.46737 和328.039。此外，在状态O，值E在寄存器436、 448、 434和446中。 在示范性的实施例中，值E代表数值，例如但不限于，376.99。可替换
地，如在此描述的利于系统200操作的不同数值可以在寄存器436、 448、 434和446中。参见图5，在示范性的实施例中，在事先确定的时间段(通常几秒) 后，状态机404获得许可将调节器400转换到状态1。在风力涡轮发电 机100与电网成功同步时，例如由电路断路器238的闭合确定，状态机 404经由过渡路径504将调节器400转换到状态1。可替换地，可以使 用如在此描述的任何利于系统200操作的条件。此外，在风力涡轮发电 机100从电网去同步时，例如由电路断路器238的打开确定，状态机404 经由过渡路径506将调节器400从状态1转换到状态0。参见图6，当PLL调节器400在状态1时，增益值A和C分别在寄 存器416和426中。在示范性的实施例中，值A和C分别代表不同的数 值，例如但不限于，2.46737和328.039。此外，在状态l中，值F在寄 存器436和448中，且值H在寄存器434和446中。在示范性的实施例 中，值F和H分别代表不同的数值，例如但不限于，-1507.96和 1884.96。可替换地，如在此描述的利于系统200操作的不同数值可以在 寄存器436、 448、 434和446中。值A和C有时称为"热"值，而值F 和H有时称为"宽"值。这种值利于PLL402初始地锁住到电网频率。参见图5，在示范性的实施例中，在PLL402锁住到电网频率后的 事先确定的时间段后，状态机404经由过渡路径508将调节器400转换 到状态2。可替换地，可以使用如在此描述的任何利于系统200操作的 条件。在风力涡轮发电机IOO从电网去同步时，例如由电路断路器238 的打开确定，状态机404经由过渡路径510将调节器400从状态2转换 到状态0。参见图6，当PLL调节器400在状态2时，增益值B和D分别在寄 存器416和426中。在示范性的实施例中，值B和D分别代表不同的数 值，例如但不限于，0.039937和0.393601。此外，在状态2中，值G在 寄存器436和448中，且值I在寄存器434和446中。在示范性的实施 例中，值G和I分别代表不同的数值，例如但不限于，94.2478和502.529。 可替换地，如在此描述的利于系统200操作的不同数值可以在寄存器 436、 448、 434和446中。值B和D有时称为"冷"值，而值G和I有 时称为"窄"值。这种值利于PLL402比在状态1中更慢地调节到电网 上的频率瞬态。该特征利于系统200对电网电压条件的正常的、较小的 波动的緩慢反应。此外，如下文进一步讨论的，这种值利于对于更剧烈的电网扰动的状态转换。在正常环境下，风力涡轮发电机100同步到电 网的时间的大部分，调节器400在状态2中。参见图5，在示范性的实施例中，在非同步的电网故障、异常低(非 零)和/或者高的电网电压幅值、和/或者PLL相位误差信号450 (图4 中显示)超过事先确定的阈值的情况，状态机404经由过渡路径512将 调节器400从状态2转换到状态1。可替换地，可以使用如在此描述的 任何利于系统200操作的条件。而在状态l中，如上文描述的，合适的 增益和箝位值在合适的寄存器中。在电网电压恢复到事先确定的值时， 在PLL402锁住到电网频率后的事先确定的时间段后，且PLL误差信号 450保持在事先确定的阈值下事先确定的时间段，状态机404经由过渡 路径508将调节器400从状态1转换到状态2。而在状态2中，如上文 描述的，合适的增益和箝位值在合适的寄存器中且利于LVRT。当调节器400在状态1时，经由过渡路径514可以发生到状态3的 转换。类似地，当调节器400在状态2时，经由过渡路径516可以发生 从状态2到状态3的转换。在示范性的实施例中，从状态1和2转换到压扰动。参见图6，当PLL调节器400在状态3时，增益值A和C分别 在寄存器416和426中。在示范性的实施例中，值A和C分别代表不同 的数值，例如但不限于，2.46737和328.039。此外，在状态3中，值E 在寄存器436、 448、 434和446中。在示范性的实施例中，值E代表数 值，例如但不限于，376.99。可替换地，如在此描述的利于系统200操 作的不同数值可以在寄存器436、 448、 4M和446中。这些值利于PLL 相位角信号450被驱动到如果不存在电网扰动时有效的相位角值。这进 一步利于PLL402被驱动为以大致类似于标称操作频率的事先确定的频 率振荡，例如但不限于60Hz。在这些环境下，减轻风力涡轮发电机跳脱 的可能性且利于ZVRT。参见图5,在电网电压恢复时，调节器400经由过渡路径518从状 态3转换到状态1。可替换地，可以使用如在此描述的任何利于系统200 操作的条件。而在状态l中，如上文描述的，合适的增益和箝,值在合 适的寄存器中。在电网电压恢复到事先确定的值时，在PLL402锁住到 电网频率后的事先确定的时间段后，且PLL误差信号450保持在事先确
定的阈值下事先确定的时间段，状态机404经由过渡路径508将调节器 400从状态1切换到状态2。而在状态2中，如上文描述的，合适的增 益和箝位值在合适的寄存器中。从状态3转换到状态1且然后转换到状 态2利于实现平滑的状态转换。在风力涡轮发电机100从电网去同步 时，例如由电路断路器238的打开确定，状态机404经由过渡路径520 将调节器400从状态3转换到状态0。如在此描述的用于风力涡專仑发电机控制系统的方法和设备利于风 力涡轮发电机的操作。更具体地，上文描述的风力涡轮发电机电气和控 制系统利于有效率的和有效的发电和机械载荷传递配置。同样，稳健的 电气和控制系统利于发电机生产的效率和有效性。通过减少由于电网扰 动导致的跳脱的数量，这种控制系统也利于风力涡轮发电机可靠性和风 力涡轮发电机停机。与风力涡轮发电机相关的风力涡轮机电气和控制系统的示范性的 实施例在上文详细描述。方法、设备和系统不限于如在此描述的具体实 施例，也不限于具体图示的风力涡轮发电机。尽管本发明已经以不同的具体实施例形式描述，本领域中的技术人 员将认识到，本发明能够以在权利要求书的精神和范围内的修改实施。 风力涡轮发电机100舱体102塔104转子106转子叶片108轮毂110低速轴112齿轮箱114高速轴116发电机118定子120转子122控制系统200控制器202转速计204定子同步开关206定子总线208电力变换组件210转子总线212系统电路断路器214系统总线216转子滤波器218转子滤波器总线219电力变换器220电力变换器222电力变换器总线223线路滤波器224线路总线225线路接触器226总线227电路断路器228变换电路断路器总线230连接总线232 主变压器234 发电机侧总线236 电路断路器238 断路器侧总线240 电网总线242 DC链路244 正千线246 负干线248 电容器250 电压换能器252 电气导管254 电气导管256 电气导管258 图300 Y轴302 X轴304锁相环(PLL)调节器400P1X 402PLL状态机404相位检测器功能块406相位角反馈信号407相位误差信号408PI滤波器410功能块412常数信号414寄存器416信号418求和功能块420积分增益功能块422积分增益常数信号424寄存器426积分增益信号428 箝位功能块430 积分增益信号432 上限寄存器434 下限寄存器436 PI信号438 箝位功能块440 积分增益信号442 积分功能块444 上限寄存器446 下限寄存器448 PLL相位角信号450 输入信号502 过渡^各径504 过渡^各径506 过渡if各径508 过渡^各径510 过渡路径512 过渡路径514 过渡^各径516 过渡路径518 过渡路径520 频率界限值600栏602 栏604 栏606 栏608
权利要求
1.一种用于电机的控制系统(200)，该电机构造为电联接到电力系统，其中电力系统构造为输送至少一相电力到电机和从电机输送至少一相电力，在电力的至少一个电压幅值在事先确定的范围外操作未确定的时间段的期间和随后，所述控制系统利于电机保持电连接到电力系统。
2. 根据权利要求1所述的控制系统(200)，其中所述控制系统在 电力的每一相的电压幅值减少到大约零伏事先确定的时间段的期间和 随后，利于电机保持电连接到三相交流电流电力系统，从而利于零电压 穿越(ZVRT)。
3. 根据权利要求1所述的控制系统(200)，包括至少一个算法， 其构造为作为电力的至少一个电压幅值的函数调节以下的至少一个至少一个增益常数数值； 至少一个最大界限数值；和 至少一个最小界限数值。
4. 根据权利要求1所述控制系统(200 )，包括至少一个锁相环 (PLL)调节器(400)，其联接为与电力系统的至少部分电子数据连通，所述PLL调节器包括包括至少一个相位检测配置和至少一个比例积分(PI)滤波器 (410)配置的至少一个PLL;和至少一个PLL状态机(404)，其联接为与所述PLL (402)的至少部分电子数据连通。
5. 根据权利要求4所述的控制系统(200)，其中所述PI滤波器 (410)配置包括至少一个比例增益算法，其构造为作为电力的至少一个电压幅值的 函数接收从多个比例增益常数选择的至少 一个比例增益常数，所述比例 增益算法进一步构造为产生比例增益信号；至少 一个积分增益算法，其构造为作为电力的至少 一个电压幅值的 函数接收从多个积分增益常数选择的至少一个积分增益常数(424 )， 所述积分增益算法进一步构造为产生积分增益信号(428、 432、 442);至少一个积分滤波器算法，其构造为作为电力的至少一个电压幅值 的函数接收从多个积分滤波器界限选择的至少一个积分滤波器界限，所 述积分滤波器算法进一步构造为产生滤波的积分信号；至少一个求和算法，其构造为接收并求和所述比例增益信号和滤波的积分信号且产生求和信号；和至少 一个求和滤波器算法，其构造为作为电力的至少 一个电压幅值的函数接收从多个求和滤波器界限选择的至少一个求和滤波器界限。
6. 根据权利要求5所述的控制系统(200),其中所述PLL状态机(404 )包括至少一个构造为确定作为电力的至少一个电压幅值的函数 的所述PLL调节器(400)的状态的算法和至少一个数值表，数值表包 括至少所述多个比例增益常数(414); 所述多个积分增益常数(424); 所述多个积分滤波器界限；和 所述多个求和滤波器界限。
7. 根据权利要求5所述的控制系统(200)，其中所述PLL状态机 (404)构造为作为所述PLL调节器(404)状态的函数输送以下的至少从所述多个比例增益常数选择的所述比例增益常数(414); 从所述多个积分增益常数选择的所述积分增益常数(424); 从所述多个积分滤波器界限选择的所述积分滤波器界限；和 从所述多个求和滤波器界限选择的所述求和滤波器界限。
8. —种风力涡轮机(100)，其包括至少一个电力发电机(118),其构造为电联接到电力系统，其中 电力系统构造为输送至少 一相电力到所述发电机和从所述发电机输送 至少一相电力；和至少一个控制系统(200),其构造为电联接到电力系统，在电力 的至少 一个电压幅值在事先确定的范围外操作未确定的时间段的期间 和随后，所述控制系统利于电机保持电连接到电力系统。
9. 根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，包括至少一个算法，其构造为作为电力的至少一个电压幅值的函数调节以下的至少一个 至少一个增益常数数值； 至少一个最大界限数值；和 至少一个最小界限数值。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其包括至少一个 锁相环(PLL)调节器(400)，其联接为与电力系统的至少部分电子数 据连通，所述PLL调节器包括包括至少一个相位检测配置和至少一个比例积分(PI)滤波器配置 的至少一个PLL ( 400);和至少一个PLL状态机(404)，其联接为与所述PLL的至少部分电子数据连通。
全文摘要
用于操作电机的方法和设备，其提供用于电机的控制系统(200)。电机构造为电联接到电力系统，其中电力系统构造为输送至少一相电力到电机和从电机输送至少一相电力，控制系统在电力的至少一个电压幅值在事先确定的范围外操作未确定的时间段的期间和随后，利于电机保持电连接到电力系统。
文档编号H02P9/00GK101166010SQ200710181618
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月19日 优先权日2006年10月20日
发明者A·克洛多夫斯基, E·拉森, G·德罗布恩亚克, J·达特尔, S·A·巴克 申请人:通用电气公司