用于控制风能设施的多相他励同步发电机的方法与流程
本发明涉及一种用于控制风能设施的多相他励同步发电机的方法，并且本发明也涉及一种相应的风能设施。
背景技术：
风能设施是已知的并且所述风能设施将风能借助于空气动力学转子和与之耦联的发电机转换成电能。在此，存在不同的发电机概念。现今特别是双馈电式异步机，具有恒定励磁即具有恒磁体的同步发电机和他励同步发电机是常见的。本发明在此既不涉及所述双馈电式异步发电机，也不涉及所述永久励磁的同步发电机，而是本发明涉及他励同步发电机。
与双馈电式异步机的区别是多样的，使得就发电机和发电机控制而言可以将双馈电式异步机视作为是异类的。
与永久励磁的同步发电机的区别特别在于，根据本发明观察的他励同步发电机也可以经由励磁来控制。就此而言也将他励同步发电机理解成，同步发电机的电枢经由励磁电流或励磁电压励磁。相应地，经由设定励磁电流或励磁电压对工作点产生影响。术语“电枢”在此尤其用于避免与风能设施的空气动力学转子、即具有转子叶片的转子混淆，所述转子叶片被风吹动。
此外，也原则上还在无传动装置的和含有传动装置的风能设施之间进行区分。在本发明尤其涉及的无传动装置的风能设施中，发电机的电枢直接与空气动力学转子机械耦联，使得电枢和空气动力学转子在运行中具有相同的转速。
他励同步发电机特别可以通过如下方式控制：一方面设定励磁电流或励磁电压，并且另一方面通过控制功率吸收，其中——简而言之——控制同步发电机的定子的电负载。
这种控制基本上与风能设施的工作点相关地进行，这通常也表示，这与现存的风速相关地进行。但是也可能存在其他原因，以便改变工作点，如例如供电网的电网运营商的相应的直接的或间接的要求，风能设施馈电到所述供电网中。安全有关的或环境保护有关的情形或预设可以使得需要改变工作点。
基本上，也在部分负荷运行和完全负荷运行之间进行区分。在部分负荷运行中，至少根据一些调节构思，根据现有的风速来设定风能设施的转速和功率。而在完全负荷运行中，风能设施限于额定功率和额定转速，从而在任何情况下就此而言在固定的工作点中运行。限于额定转速和额定功率在此尤其通过调整转子叶片来实现，即通过如下方式，所述转子叶片随着风增大从风中转动，使得尽管风增大，但未从风中提取更多功率。
设定部分负荷运行中的工作点在此通常进行成，使得对于转子叶片设定恒定的、视作为空气动力学最优的叶片角度。转子叶片随后由风驱动并且形成转速。与所述转速相关地，设定风能设施的和由此结果是发电机的输出功率。如果所述发电机功率对应于从风中提取的功率，那么形成关于转速和功率的相应的稳定工作点。要不然，转速改变并且根据新转速设定新功率值，直至找到稳定工作点。
对发电机设定功率同样可以根据特征曲线或表格、即所谓的查找表来进行。其中也可以保存要设定的励磁功率，即要设定的调节电流或励磁电压。
就此而言，风能设施也可以原则上可靠地并且有效地控制。当然，特征曲线或保存的表格也可以证实为是不准确的或至少可改进的，因为其例如可能差地描绘动态过程。暂时改变、如例如热学影响也能够在表格中差地描绘或者需要另外的表格平面或表格维度。类似内容也适用于持久的偏差，所述偏差可能是由条件决定的或可能通过老化过程造成。非线性连同其他影响变量如例如已经提到的温度也可以在表格中差地描绘。
通过使用非最优的表格，即使当所述表格仅有时是非最优时，可能造成功率损失。至少会引起，风能设施非功率最优地工作。
补救措施可以实现表格输入的不断重新计算，所述重新计算却是相当耗费的，并且当这种计算所需的输入变量未知或难以确定时，也会特别困难或甚至不可能实现。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：c.d.nguyen和w.hofmann的“self-tuningadaptivecopper-lossesminimizationcontrolofexternallyexcitedsynchronousmotors”，2014internationalconferenceonelectricalmachines(icem)，柏林，2014年，第897-902页(申请人)，de102010043492a1，de112016000455t5，ep2672624a1，de102011006670a1和de102016106590a1。
技术实现要素：
因此，本发明基于如下目的，解决上述问题中的至少一个。尤其地，要提出如下解决方案，所述解决方案改进多相他励同步发电机的控制，尤其使得功率收益至少提高，尽可能地优化。至少要对目前已知的解决方案提出一种替选方案。
根据本发明因此提出根据权利要求1的方法。
因此，控制风能设施的同步发电机。所述同步发电机是多相的并且优选地并非仅具有三相系统，而是具有多个三相系统。相应地，同步发电机也是四极同步发电机，尤其无传动装置的风能设施的缓慢运行的环形发电机。
此外，同步发电机是他励的，所述同步发电机因此通过从外部输入相应的励磁功率来获得其励磁，即通过励磁调节器。具有定子和电枢的同步发电机因此在电枢处具有励磁输入端，以便将励磁功率经由励磁电流或励磁电压输入。对此，在励磁输入端处连接有励磁调节器，所述励磁调节器例如可以构成为电流调节器并且为了电枢的励磁可以将相应的直流电流作为励磁电流输入。经由励磁调节器，即例如所谓的直流电流调节器，也可以设定励磁功率的幅值，其方式为：励磁电流通过直流电流相应地设定，以便保留所述实例。
为了输出产生的功率，定子具有定子输出端，在所述定子输出端上输出定子电流。同步发电机的多相性在此特别涉及定子电流。具有两个三相系统的同步发电机，这在此作为优选的变型形式提出，因此输出不同相位的六个定子电流或输出六相定子电流。
在定子输出端上连接有整流器，以便将定子电流整流并且提供给与整流器连接的直流电压中间回路。因此，为了保留上述实例，将定子电流的全部相，即例如六个相整流，并且在直流电压中间回路中提供。借此，在直流电压中间回路中提供要输出的发电机功率。由直流电压中间回路，可以将这样提供的功率例如通过逆变器逆变以馈入到供电网中，并且匹配于供电网的需求。
此外，整流器是可控的，以便控制定子电流。整流器的任务因此不仅是在直流电压中间回路中提供由发电机输出的功率，而是整流器通过控制定子电流也承担对发电机的控制。通过控制定子电流由此也可以设定或影响发电机的工作点。
在此提出的并且还有同步发电机的基于其他步骤的系统因此至少能够实现经由对励磁功率的控制来控制发电机，尤其是其工作点，并且对定子电流的控制能够实现进一步地控制发电机，尤其是其工作点。发电机的工作点因此可以至少经由这两个干预可能性来控制。
对于所述系统提出用于控制或配置控制的如下步骤。
首先，检测电枢的转速。转速可以被测量或可以使用转速的在控制中本来就常常存在的值。检测转速和其他还描述的步骤原则上持久地在反复的例程中执行。检测的特别的方法步骤也可以同时执行。
此外，确定要由同步发电机或风能设施输出的功率，所述功率因此形成期望功率。这根据转速进行。特别是，在此可以基于转速功率特征曲线，所述转速功率特征曲线预设转速和功率之间的关联关系，并且相应地根据转速从转速功率特征曲线中提取所属的功率值，并且用作为期望功率。但是也考虑，考虑其他条件，如例如外部预设，所述外部预设例如规定降低转速以减少噪声，或者出于其他自然保护原因，仅列举两个实例。
简而言之，随后也始终代表励磁电压的励磁电流选择为，使得可以输出期望功率，简而言之，在期望功率提高时，励磁电流也提高，使得发电机可以输出所述更高的功率。但是，这仅是用于说明的实例，因为原则上在励磁功率相同或励磁电流相同的情况下转速提高已经也可以引起同步发电机的输出功率提高。
在任何情况下，这样确定的励磁电流随后也可以在发电机的控制中使用，所述励磁电流因此在电枢的励磁输入端处输入。该实现方案例如可以如已经描述的那样通过电流调节器来进行。
此外，也根据检测到的转速和确定的期望功率确定要输出的定子电流。所述这样确定的定子电流那么相应地形成定子期望电流。发电机的输出的功率基本上通过在定子输出端处的定子电流和所属的定子电压得出。然而对于发电机的整体平衡在此还减去励磁功率，所述励磁功率例如通过所述电流调节器施加。
此外提出，整流器控制成，使得确定的要在定子输出端处输出的定子电流设定到定子期望电流。定子电流的大小一方面通过同步发电机得出，即尤其通过电枢的转速和设定的励磁功率。另一方面，定子电流也与布线相关，所述布线在此基本上通过受控的整流器形成。原则上，在此也还可以考虑滤波器，所述滤波器连接于定子输出端。然而这种滤波器也可能通过受控的整流器来实现。
因此，控制现在如下工作。检测电枢的转速并且与此相关地预设期望功率并且对此设定励磁电流，并且经由整流器控制定子电流。
此外提出，确定励磁电流或励磁电压和此外或替选地确定要输出的定子电流，即确定定子期望电流借助于自适应的控制装置来进行。励磁电流或励磁电压和要输出的定子电流，即定子期望电流在此形成控制装置的控制变量。因此，提出励磁电流或励磁电压的自适应的控制，并且此外或替选地还有对定子电流的自适应的控制。
在此，自适应的控制，即大致自适应的控制是大致匹配于参数的控制，但是在调节技术的意义上不匹配于状态变量。
就此而言，电枢的检测到的转速是状态变量，并且要输出的功率，即期望功率同样也是状态变量。
参数，即系统参数是系统的特性，即例如发电机的内电阻或电感。
根据一个实施方式提出，同步发电机的参数借助于估计装置作为同步发电机的估计变量来估计，并且自适应的控制装置为了确定其控制变量考虑估计变量。自适应的控制装置因此是如下控制装置，所述控制装置控制励磁电流或励磁电压和此外或替选地控制要输出的定子电流作为控制变量。所述控制装置于是为了确定所述控制变量考虑估计变量。尤其地，控制装置为此具有至少一个控制规则，所述控制规则在最简单的情况下可以具有放大系数和/或至少一个时间常数。在考虑估计变量的条件下可以设定或改变这种控制规则。
估计参数在此因此尤其理解成参数识别，而不是状态估计。
说明性地表达，例如在一方为检测到的转速和确定的期望功率与另一方为励磁电流或励磁电压之间存在关于特征曲线组的关联关系。通过适配，所述特征曲线组例如可以根据估计变量改变，例如移动，以便列举一个简单的实例。于是，这是用于适配控制装置的实例。
优选地，将一个或多个磁化电感、定子电阻和/或励磁电阻作为同步发电机的估计变量来估计，并且随后用于适配自适应的控制装置。自适应的控制装置于是因此与一个或多个估计的磁化电感和/或估计的定子电阻和/或估计的励磁电阻相关。
在此情况下已知的是，特别是三个所述变量，即磁化电感、定子电阻和励磁电阻可以是可变的或者可以不精确地已知并且在任何情况下在一些工作点中会对工作点或工作点的选择或设定有明显的影响。附加已知的是，非间接地或直接地测量同步发电机的一个或多个所述参数几乎是不可能的，至少是有困难的。相应地，提出估计方法。优选地，估计方法工作成，使得在正常运行中可以进行估计，即可以在线进行。
原则上，参数估计会是耗费的，并且要求计算容量和/或计算时间。但是已知的是，参数估计与实际设定励磁电流或励磁电压和定子电流相比可以以明显更低的重复率执行。为了估计所述参数，因此可以提出相对缓慢的算法，并且这此外具有如下优点，可以对估计的参数执行相应较少的传输，即以小的传输率传输。由此，也可以减小传输通道的负荷，例如通过引入这种参数估计不需要存在用于所述传输系统的明显的附加负荷。
此外已知的是，特别是磁化电感对励磁电流有影响或者特别是对励磁电流的改变有影响，或者励磁电流与磁化电感相关地造成电枢中的不同的励磁功率。现在，这可以通过如下方式考虑：控制装置自适应地与之匹配。
励磁电阻也可以影响励磁电流或者改变电枢中的励磁电流的效果，并且所述问题可以通过自适应的控制装置来应对。
定子电阻尤其影响定子电流或多相定子电流。在此，定子电阻特别是也可以影响发电机中的无功功率分量。通过定子电阻，得出在定子绕组中的定子电流和定子电压的相位与在定子输出端处定子电流和输出电压之间的相位之间的差异。现在通过提出的自适应的控制装置也可以考虑，何时估计定子电阻。
根据一个实施方式提出，自适应的控制装置为了确定其控制变量考虑同步发电机的模型，并且根据同步发电机的估计变量或同步发电机的所估计的变量来适配模型或由其导出的关联关系。
尤其地，将这种模型在控制装置中或所属的计算规则中作为基础或保存。根据所述模型，那么特别是可以将励磁电流和定子电流的所述变量设定成，使得出现发电机的期望的性能，尤其使得出现根据检测到的转速确定的期望功率。在此，考虑同步发电机的模型也可以有助于，设定最优的工作点。如果基于同步发电机的所述模型，那么在尽可能小的损耗下也可以找到期望的期望功率。换言之，可以以功率优选的方式选择和设定各个电流，尤其定子电流。
通过提出的适配和在此在该实施方式中提出的基于同步发电机的估计的变量对模型的适配可以实现，所述模型也跟踪同步发电机的所考虑的变量的模型中的实际变化。尤其地由此避免，控制装置基于错误的模型确定或预设励磁电流和/或定子电流。特别是，在如下情况下使用模型会成问题：所述模型过强地与其要描绘的实际系统不同。通过基于同步发电机的估计变量的提出的适配避免所述问题，至少减少所述问题。
根据另一个设计方案提出，风能设施构成为无传动装置的风能设施，并且此外或替选地同步发电机构成为环形发电机。方法因此应用于这种特定的风能设施。在无传动装置的风能设施中，发电机的电枢直接机械地与风能设施的空气动力学转子耦联。这特别表示，电枢仅非常缓慢地转动，即以空气动力学转子的转速转动。空气动力学转子的额定转速大致位于5转/分钟至10转/分钟的范围中。至少地，在此优选地基于这种风能设施。这随后相应地在额定运行中也是发电机或其电枢的转速并且在部分负荷运行中所述转速低于此转速。
因此，提出的方法根据该实施方式涉及一种缓慢运行的发电机。特别是控制这种发电机可以与控制标准发电机明显不同，所述标准发电机具有1500转/分钟或3000转/分钟的额定转速。通常，无传动装置的风能设备的这种发电机在某种程度上也是独一无二的主题，因为其针对一个风能设施分别具体地生产，并且所述生产通常具有高的手工部件。
类似内容适用于提出的环形发电机，所述环形发电机的特征尤其在于非常高的极对数，所述极对数尤其为至少48，尤其至少96和尤其192。环形发电机在气隙的区域中仅在环中具有其磁性作用区域。尤其地，环形发电机的特征在于，所述环形发电机在围绕其转动轴线、直径为其气隙直径的0到至少50％的内部区域中不具有磁性作用材料或磁性作用区域。换言之，在所述内部区域中，如果有的话，存在承载结构或可能存在通风辅助结构等等。这种环形发电机也与常规的发电机表现完全不同，所述常规的发电机设计用于1500转/分钟或3000转/分钟的转速。
此外或替选地，在定子中存在至少两个三相系统。但是也例如考虑四个三相系统。在此，每个三相系统基本上形成独立的定子系统，其中使用共同的转子。在定子中有两个三相系统的情况下，所述三相系统优选以30度彼此相移。借此，能够实现发电机的良好的利用并且尤其也可以实现在对这六相整流时的高平滑度。尽管如此，这在进行模型相关的考虑时仍需要较高的耗费。
仍然已知的是，通过提出的自适应的控制装置并且特别是对参数的估计，可以实现高的质量。同时，通过这种至少两重三相定子系统也可以实现，各个定子电流，即总定子电流的相可以具有特别小的电流值。此外，也得出至少部分的故障安全性。至少地，在两个三相定子系统中的一个有故障时，其余的定子系统仍然能够运行，即使发电机随后可能不再提供额定功率时也如此。
特别提出，同步发电机的所基于的模型描绘至少定子中的所述两个三相系统，即描绘至少两个三相的定子系统。
优选地，同步发电机的至少一个电感在饱和区域中运行，并且至少一个因所述饱和改变的参数由估计装置检测。电感的饱和表示，尽管磁场强度继续提高，磁通密度不继续提高或至少不显著地继续提高。这通常可以引起，涉及的构件在其性能方面接近欧姆电阻。借此，即使当饱和相对难以估计时，这种参数改变也可以通过估计装置检测。相应地，作为优选的实现方案可以相应地调整所使用的模型。
优选地，有意识地选择工作点，其中至少一个电感在饱和区域中运行，以便由此相应地调整同步发电机的性能。特别地，这涉及耦合电感并且在此也可以涉及变换的电感。饱和也可以以物理方式在同步发电机的定子和转子中出现。在此，工作点特别选择成，使得磁化电感在饱和运行中运行。
根据一个实施方式提出，估计装置为了估计同步发电机的参数将至少一个定子电压和此外或替选地将至少一个定子电流考虑成用于估计参数的输入变量。特别是从定子电压和/或定子电流中可以估计同步发电机的相关参数。就此而言已知的是，经由定子电压和/或定子电流可以估计相关参数。
优选地，将多个三相定子系统中的一个三相定子系统的全部三个电压用于参数估计。此外或替选地，将一个或同一三相定子系统的所有三个电流都用于估计。
在此已知的是，定子的三相系统，尤其利用相应的定子电压或定子电流，可以用于估计同步发电机的相关参数，尤其是足够的。即已知，这在如下情况下也是足够的：存在多个三相定子系统。甚至当所述多个三相定子系统原则上彼此独立地工作时，其参数通过结构上的邻近仍是足够类似的。同样已知的是，当估计电枢的一个参数或多个参数时，将多个三相定子系统中的一个三相定子系统用于估计也可以是足够的。
与所述知识无关地，优选地，特别是为了冗余目的，但是不仅针对于此，能够提出，将三相定子系统中的多个三相定子系统用于估计，尤其全部三相定子系统，如果存在多于两个的三相定子系统的话。对此，那么分别也检测定子电压和/或定子电流并且评估用于估计。
根据一个实施方式提出，估计装置将同步发电机的磁化电感的d/q分量估计成估计变量。三相系统能够以已知的方式借助所谓的d/q变换而变换成d/q分量。所述分量于是描绘具有两个分量、即d分量和q分量的作为基础的三相系统，所述分量涉及转动系统，所述转动系统因此随电枢或转子一起转动。这种分量相应地也由同步发电机、尤其定子的电感性能影响。在考虑d/q分量时，也可以将同步发电机的所属的电感性能分成d部分和q部分，即涉及电枢的转动。所述部分也称作为发电机的磁化电感lmd和lmq。对此提出，估计因此形成磁化电感的d/q分量的这两个磁化电感。优选地，于是也将磁化电感的这样估计的d-q分量用作为同步发电机的模型的一部分。示例性的计算的细节在下文中还根据方程阐述并且在其中也可看到，附加地在磁化电感、即其d分量和励磁电流之间存在关联关系，因为d/q变换构造成，使得经变换的三相系统的d分量描绘磁性励磁的磁通密度。励磁电流就此而言也可以考虑成d分量，其中所述分量原则上对应于励磁电流，所述励磁电流本来就作为直流电流输入。可能地，还需要将实际输入的励磁电流换算成励磁电流的所述d分量。
要注意的是，为了避免与风能设施的空气动力学转子混淆，使用术语“电枢”来表示发电机的转子。然而，电气技术上常用名称是转子并且因此在此偶尔也在发电机的语境下提及转子，这与术语“电枢”同义地理解。尤其地，关于转子或电枢的变量因此也称作为转子变量，如例如转子场，所述转子场表示关于转子的场或表示转子的场。一些变量因此也使用术语“转子”或其缩写作为脚注。
特别已知的是，同步发电机的转矩直接与定子电流的d-q分量、磁化电感的d-q分量和励磁电流或变换到定子上的励磁电流i’fd相关。在知晓在下文中也将进一步在方程(1)中详细说明的所述关联关系时，一个定子电流或多个定子电流和励磁电流可以确定成，使得特别是使损耗最小化。要注意的是，在此针对两个三相定子系统还详细说明下面的方程(1)，可以考虑多个三相定子电流，其中每个三相定子电流具有自身的d分量和自身的q分量。相应地，转矩与发电机的全部三相定子电流的全部d分量和q分量相关。
根据另一实施方式提出，自适应的控制装置在d/q坐标中确定定子期望电流并且将定子期望电流向回变换成每相有一个电流值的三相表达方式以控制整流器，以便借此可以将确定的要输出的定子电流设定到定子期望电流。计算因此在d/q坐标中进行，而于是为了设定所述定子电流分别将各个相电流预设成期望电流，即相期望电流。
优选地，直流电压中间回路与逆变器连接，并且逆变器将直流电压中间回路的能量或功率转换成三相电流以馈入到供电网中。由此特别可以实现，通过受控制的整流器和对励磁电流的控制，同步发电机尽可能最优地运行，同时与此无关地将电功率或电能馈入到供电网中。特别是，逆变器也能够自由地预设要馈入的三相电流的频率和相位，与发电机分别在什么样的工作点运行无关。最后，于是发电机基本上仅还预设要馈入的功率，因为可以持久地仅馈入如发电机产生的那么多的功率。
根据另一设计方案提出，期望功率根据所检测的转速并且根据发电机或风能设施的所检测的输出功率被整体确定。因此，不仅考虑转速，而且也考虑当前功率。
尤其这进行为使得从检测的转速中确定中间功率。所述中间功率也可以称作为期望期望功率。从就此而言拟设为期望值的所述中间功率和就此而言形成实际值的所检测的输出功率中，经由期望实际值比较来确定调节偏差。所述调节偏差于是提供给调节器，尤其pi调节器，以便由此确定期望功率。就此而言所述要确定的期望功率是要设定的功率。
因此如果例如转速升高，这引起中间功率的升高，那么首先出现调节偏差，所述调节偏差随后调控以便直观阐述。通过所述调控，尤其利用pi调节器，可以补偿要设定的功率和实际功率之间的差。此外，经由这种调节器也可以更好地影响功率跟踪的动态表现。优选地，这种调节器，特别所述pi调节器与同步发电机的动态表现协调，尤其与发电机的起动时间常数协调，即根据所述起动时间常数选择或参数化。
尤其提出，自适应的控制装置被控制成，使得发电机的效率最大化。在使用与自适应的控制装置一起使用的受控的整流器的情况下，开创如下可能性，更好地控制发电机，尤其也考虑发电机的变型形式。特别地，定子电流于是可以有针对性地并且尽可能精确地控制，并且也可能的是，整体地考虑励磁电流和定子电流并且找到优化的整体组合。由此，特别可以实现，发电机或风能设施的期望的功率，即期望的输出功率设定成，使得所述电流在此整体地，即累加地具有最小损耗。这于是对应于发电机对于在该时刻期望的要输出的功率的最大效率。
根据另一设计方案提出，为了估计或确定至少一个磁化电感分别使用电感特征曲线。在此，电感特征曲线根据磁化电流预设相应的磁化电感的值，其中电感特征曲线的值从初始特征曲线开始逐渐地在进行的方法中借助于估计或所述估计来适配。
电感特征曲线在此也可以作为查找表实现，其中存储磁化电感的值，其中查找表的值从初始值开始逐渐地在进行的方法中借助于估计或所述估计适配，即改进。
换言之因此提出，用于磁化电感的初始值保存在自适应的控制装置中，例如呈电感特征曲线和/或查找表的形式，并且所述初始值借助估计的值持续更新。估计的值在此可以由观察器、估计算法或经由计算来确定。这基于如下知识，磁化电感在进行的方法中可以改变。特别是，这种改变可能由热学原因造成。磁化电感的调整能够实现，将用于磁化电感的更精确的值考虑用于产生定子电流。
优选地提出，为了确定定子电流(ie，iqs1，iqs2，ids1，ids2)将各一个定子期望电流特征曲线用于定子期望电流中的各一个。定子期望电流特征曲线在此分别说明在要输出的期望功率和相应的要确定的定子期望电流之间的关联关系。在此，按照相应的定子期望电流特征曲线根据要输出的期望功率确定定子期望电流中的各一个。
除了电感特征曲线之外，因此另一特征曲线可以保存在智适应的控制装置中，即定子期望电流特征曲线。定子期望电流特征曲线用于如下功能：所述功能根据要输出的期望功率(pvset)产生定子期望电流(ie，iqs1，iqs2，ids1，ids2)。对此，多个定子期望电流特征曲线可以分别针对定子期望电流保存在自适应的控制装置中，所述控制装置随后按照相应的定子期望电流特征曲线根据要输出的期望功率产生定子期望电流中的各一个。
此外提出，将定子电流特征曲线中的至少一个，尤其每个所述定子电流特征曲线在反复的例程中适配于改变的条件。在此，根据一个、多个或全部变量适配至少一个定子电流特征曲线，如估计的磁化电感
在此，反复的例程为了适配定子电流特征曲线与分别按照相应的定子期望电流特征曲线根据要输出的期望功率确定各一个所述定子期望电流相比更少地执行。例如，反复的例程以在0.01hz至10hz的范围中的频率重复，而定子期望电流可以借助1khz至16khz的计算频率来计算。反复的例程因此涉及更新定子期望电流特征曲线的过程。所述例程与确定定子期望电流相比更缓慢地执行，例如以分钟节律执行。定子期望电流与此相比借助操控变流器所需的高频产生，所述高频例如位于khz范围中。
根据另一设计方案提出，根据期望功率(pset)在线地确定定子期望电流(ie，iqs1，iqs2，ids1，ids2)，更确切地说至少根据一个、多个或全部下述变量，即：估计的磁化电感
根据本发明也提出一种风能设施，所述风能设施具有多相他励同步发电机，其中
-同步发电机具有定子和电枢，
-电枢具有励磁输入端，以便输入励磁电流或励磁电压，
-在励磁输入端上连接有励磁调节器，用于输入励磁电流或励磁电压，
-定子具有定子输出端，以便输出定子电流，
-在定子的输出端上连接有整流器，以便将定子电流整流并且提供给与整流器连接的直流电压中间回路，和
-所述整流器是可控的，以便控制定子电流，其中为了控制同步发电机
-设有用于检测电枢或空气动力学转子的转速的转速检测装置，和
-控制装置设置并且配置成，
-根据检测的转速确定由同步发电机或风能要输出的期望功率，和
-根据检测的转速和确定的期望功率来确定励磁电流或励磁电压，
-励磁调节器配置用于将这样确定的励磁电流或这样确定的励磁电压在励磁输入端处输入，
-控制装置配置成用于
-根据检测的转速和确定的期望功率将要输出的定子电流确定成定子期望电流，和
-控制整流器，以便将特定的要在定子输出端处输出的定子电流设定到定子期望电流，其中针对如下步骤中的至少一个步骤
-确定励磁电流或励磁电压，和
-将要输出的定子电流确定成定子期望电流，
-控制装置设作为自适应的控制装置，其中控制装置设计成，使得励磁电流或励磁电压或要输出的定子电流形成控制装置的控制变量。
因此，提出一种风能设施，所述风能设施尤其如上文中构成为用于控制多相他励同步发电机那样工作。也基于对此阐述的同步发电机。
特别是，设有转速检测装置，所述转速检测装置当然不必构成为附加的测量单元，而是所述转速检测装置也能够例如在过程计算机中继续处理和转发已经以其他方式由风能设施检测的转速。
控制装置特别也可以关于其调节元件使用现存的调节元件。所述控制装置可以设为自己的实体单元，但是其也可以在现存的控制装置中实现和/或集成。特别是，控制装置可以在本来就存在的控制计算机上作为相应的程序代码保存并且特别嵌入到风能设施的常见的控制装置中。
控制装置构成为，使得励磁电流或励磁电压和/或要输出的定子电流形成控制装置的控制变量，这特别是可以表示，控制装置具有用于所述各个控制变量的相应的控制输出端。只要控制装置设为实体自身的对象，这种输出端可以设置为控制变量例如作为连接端子，或设置作为用于数据总线的数据输出端或其他数据传输装置。但是，控制装置在其非实体独立地设置的情况下对此也可以将控制变量在控制程序中作为相应的程序变量输出。
优选地提出，风能设施使用根据这种方法的至少一个上述实施方式的用于控制多相他励同步发电机的方法。相应描述的优点因此可以有益于所述风能设施并且其能够相应地改进，尽可能优化地工作。
附图说明
下面，本发明示例性地根据实施方式参照附图详细阐述。
图1示出风能设施的立体图。
图2示出磁化电感的d/q分量的值。
图3a示意地示出具有连接结构的发电机。
图3示出所提出的调节器结构的示意图。
图4示出图3的调节器结构的细节。
图4a以一个实施方式示出图4的调节器结构的细节。
图4b以一个替选的实施方式示出图4的调节器结构的细节。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设施100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的转子106。转子106在运行中通过风置于转动运动并从而驱动吊舱104中的发电机。
本发明涉及一种用于他励六相同步发电机的有源整流器的自适应的调节方法。这种系统作为根据图1的风能设施的一部分提出。然而，本发明也可应用于具有多个相的同步发电机，尤其具有通过系统划分加倍的相数量的同步发电机。提出的调节方法提供在线参数识别的可能性和相应地调整发电机的电流期望值。在此，将电流期望值选择成，使得发电机的效率在每个工作点在运行极限之内被优化。
下面继续阐述该方法。为此，主要在面向转子场的d/q坐标系中说明电流和电压变量。将面向定子的、简化地将正弦形的时间变化曲线换算成随转子场旋转的dq坐标系此外是已知的并且在文献中予以阐述。此外，所述换算以如下内容为前提条件。
不具有阻尼绕组的六相同步机的转矩te可以如下描述：
其中p表示机器的极对数，id1s和iq1s表示第一发电机系统的定子电流的d和q分量，并且id2s和iq2s表示第二发电机系统的定子电流的d和q分量。将第一和第二发电机系统在此特别是理解成第一和第二定子系统。此外，i’fd表示关于定子的励磁电流并且如下限定：
在方程(2)中，n表示机器的匝数，并且ifd表示未变换的励磁电流，所述励磁电流也可以称作为ie或ierr。方程(1)的lmd和lmq是发电机的必须被估计的磁化电感。所述电感是饱和相关的并且在运行中可以根据磁化电流im强烈偏离其额定值。lmd的第一估计可以通过空转试验执行，根据如下方程：
其中voc表示rms导体-导体空转电压并且ωe表示单位为弧度s-1的机器的电额定频率。磁化电流im如下定义：
其中
对于通过转速和功率期望值限定的特定的发电机工作点，那么可能的是，找到定子电流id1、iq1、id2和iq2和励磁电流ifd的优化的组合，所述组合可以使定子损耗pvstat和励磁损耗pv_rot最小化。在假设每个相具有相同的电阻rs并且两个定子系统中的每个定子系统具有相同的q和d电流期望值iqs和ids的条件下，可以如下计算上述损耗：
其中isrms是rms相电流并且这如下定义：
励磁损耗通过如下方程计算：
pv_rot＝verrierr(7)
其中verr为励磁电压并且ierr为励磁电流。然而，由于也能够简单地仅称作为中间回路电压的受限制的dc中间回路电压，不可达到全部损耗优化的工作点。这在如下情况下特别适用：整流器作为升压整流器工作并从而dc中间回路电压始终必须以特定的因数大于有效定子电压。
另一限制因数是整流器中的功率电子元件、尤其半导体开关的最大载流能力。因此提出，考虑如下边界条件：
ierr≤ierrmax(8)
其中
vqs＝ωrλds-rsiqs(11)
vds＝-ωrλqs-rsids(12)
并且λds和λqs如下定义：
λds＝lmd(-2ids+i′fd)-llsids(13)
λqs＝lmq(-2iqs)-llsiqs(14)
其中ωr又是工作点的电转速并且l1s是定子的漏电感。通过迭代算法，计算全部可能的定子和励磁电流期望值，所述定子和励磁电流期望值满足示出的边界条件。选择如下组合，所述组合使损耗的总和最小化。也可以将已知的梯度方法、或其他方法用于找到最大值。
已知的是，发电机参数可以强烈地改变，使得考虑这种改变可以改进控制或调节。为了计算尽可能好地匹配于此的期望值，对发电机参数rs、lls、lmd和lmq的了解是有帮助的。定子电阻是温度相关的并且可以根据经验借助于下述方程计算：
rs(t)＝rst0(1+α(t-t0))(15)
其中rst0是对于特定的温度t0的欧姆性定子电阻，所述温度例如可以为20℃，并且根据温度变化随因数α改变。漏电感lls可以通过短路试验或通过fem仿真来确定。
转子电阻re可简单地从测量的变量verr和ierr中如下计算：
如果发电机处于稳态状态中，那么定子电压的q和d分量可以通过方程(11)和(12)计算。因此提出在稳态状态中的计算，因为在瞬态状态中，考虑在两个方程中推导相应的通量，这使计算更加复杂。在假设rs和lls已知的条件下，lmd和lmq可以通过如下方程计算：
其中vqs、vds、iqs、ids是相应的定子电压和电流的瞬时值。在此，仅需要考虑两个定子系统中的仅一个定子系统，因为已知的是，这两个定子系统可以假设为相同的。方程(17)和(18)中的电流和电压包含多个谐振并从而提出，对其进行滤波。变流器的开关频率与工作点相关。因此提出，基于对于滤波而言尽可能不利的工作点，尤其不利的工作点是如下工作点，在所述工作点中存在低的开关频率和/或高的谐振负荷，特别是在高饱和的情况下假设所述谐振负荷，并且基于此使需要的滤波时间常数协调。
图2在此示出与磁化电流im相关的磁化电感lmd和lmq。磁化电感lmd的值大于lmq的值的大约50％至100％。特别要注意的是，磁化电感的值随着磁化电流升高已经早已下降并且下降到其初始值的大约30％的值。这基本上通过饱和效应引起。但是，示出的变化曲线也可以改变，特别是因温度波动而改变。
图3a示意地示出具有连接结构的发电机320。发电机320具有转子或电枢324，所述转子或电枢以转速n在定子322中旋转。定子322具有定子输出端328，经由所述定子输出端将定子电流、即在此两个三相定子电流提供给有源整流器340。有源整流器340控制定子电流并且在直流电压中间回路360处产生直流电压，在所述直流电压中间回路上连接有逆变器322，以便将三相电流馈入到供电网334中，这在此仅说明性地表明。在直流电压中间回路360上也连接有励磁调节器330，所述励磁调节器产生励磁电压verr或励磁电流ierr，用于在励磁输入端326处输入到电枢324中。图3也基于所述构造并且发电机320基本上对应于图3的发电机302。图3a的有源整流器340基本上对应于图3的有源整流器304。
在图3中示出提出的调节结构300的概览。用于算法的输入信号是转速n和功率期望值psoll，所述功率期望值经由发电机的功率特征曲线与转速相关。也可以称作为观测器的观察器获得定子电压和电流作为输入值并且根据方程(17)和(18)计算磁化电感的d和q分量。
图3的调节结构300基于发电机302和有源整流器304，所述有源整流器对直流电压中间回路306整流。发电机302具有两个三相定子系统并且因此经由两个三相输出线路308或310将其定子电流作为双重三相定子电流输出给有源的整流器304。
估计装置312形成调节装置的组成部分，所述估计装置也可以称作为观察器或观测器，但是在此估计参数，即两个磁化电感lmd和lmq。用于估计装置312的输入变量对此为定子电压vs和定子电流is。估计装置312从发电机302获得所述值。对此也考虑，所述变量已经以其他方式检测并且例如在控制计算机中存在，并且估计装置312在那里能够动用所述变量。估计装置312因此不一定必须将自身的测量机构设置在发电机302上。
估计装置312的结果是两个磁化电感lmd和lmq，或者也可以称作为磁化电感的d和q分量。这两个变量输入到自适应的调节器314中。
自适应的调节器314此外作为输入变量得到当前的转速n和当前的功率期望值psoll。当前的功率期望值psoll从转速功率特征曲线中得出，所述转速功率特征曲线保存在转速功率特征曲线框中，所述转速功率特征曲线框简单地称作为n-p框316。转速n描述空气动力学转子的转速，因为在n-p框316中保存的转速功率特征曲线与空气动力学协调。所述转速n因此也决定性地作用于发电机302并从而称作为用于发电机302的输入变量。在此处提出的无传动装置的风能设施，空气动力学转子的转速对应于发电机的转速，即电枢转速。
自适应的调节器314现在从当前的转速n和当前预设的期望功率psoll中计算励磁电压ve，励磁调节器要提供所述励磁电压，以便负责发电机302中的励磁功率，所述发电机构成为他励发电机。此外，自适应的调节器314计算用于两重三相定子电流的各个相电流的期望值或用于定子电流的期望值。因此，计算或预设用于第一三相定子电流的三个相电流ia、ib和ic的期望值和第二三相定子电流的值ix、iy和iz。用于定子电流的所述期望值或其分量的转化于是通过有源整流器304进行。
在所述计算或预设中，自适应的调节器314考虑磁化电感的变化，其方式为：所述调节器考虑相应的d和q分量，所述调节器从估计装置312获得所述分量。
因此，用于定子电流或其分量的值和励磁功率或对此励磁电压可以通过自适应的调节器314优化地彼此协调。附加地，在此可以考虑发电机302的特性的改变。
图4针对图3的自适应的调节器示出其他细节或变型形式。在此，示出观察器块412，所述观察器块连同适配块413例如等同于图3的估计装置312。观察器块412获得定子电压vs、定子电流is和励磁电流ie作为输入变量，并且从中观察磁化电感的两个分量lmd和lmq和磁化电流im，所述观察器块将所述磁化电流转发给适配块413。但在图3的自适应的调节器314的意义上也可能是自适应的调节器的一部分的适配块413随后至少此外适配磁化电感的值。适配块413象征性地说明磁化电感的两个分量lmd和lmq的变化曲线的改变。上部的象征性的块对应于图2的图表，然而仅直至4000a的磁化电流。所述适配块413因此首先从所述上部的关联关系出发，并且随后在当前的工作点对此分别估计用于两个分量lmd和lmq的新的值，该工作点的特征在于当前的磁化电流im。这在适配块413中在上部的视图中通过两个箭头e表明，所述箭头指向用于lmd和lmq的两个重新估计的值。
相应地，改变磁化电感的两个分量lmd和lmq的特征曲线，在适配块413中的下部图表明了这。相应地，这两个特征曲线包含拐点，但最优的是也能够逐渐地调整特征曲线的其他值并且引起特征曲线的整体变化。
结果随后提供到优化块414中，所述优化块于是可以与此相关地产生期望值。由适配块413传送到优化块414中的参数没有详细地在图4中示出，但是在任何情况下传送磁化电感的分量lmd和lmq的当前值。但是在那里也能够传送磁化电感的分量lmd和lmq的变化曲线的完全改变的特征曲线。另一方面，图4的方框图在此也应象征性地理解并且所有块可以在唯一的过程计算机中实现并且随后例如优化块414或由此象征性的优化算法访问其所需要的值。作为周期时间选择0.01s(ts＝1e-2)。
优化块414此外得到功率期望值pset，所述功率期望值表示当前要设定的功率值，即为由应由发电机或风能设施输出的输出功率。
所述要具体设定的功率期望值pset是功率期望值调节装置416的结果，所述功率期望值调节装置构成为pi调节器。所述pi调节器416获得期望的输出功率psoll和当前的输出功率pm的实际值，所述当前的输出功率就此而言也表示测量的功率。如果现在改变功率期望值，那么psoll改变，不期望的是，相应可能的突然的改变也提供到优化块中。相应地，设有所述p期望值调节装置416，所述p期望值调节装置使实际当前要设定的功率值pset动态地跟踪预设的功率期望值psoll。
优化块414随后基于所述输入计算定子电流和励磁电压。励磁电压可以直接地作为要设定的励磁电压ve输出。应设定的定子电流首先为每个定子子系统以d/q分量输出。相应地，输出值iqs1、ids1、iqs2、ids2。这然而首先提供给变换块415，所述变换块将所述d/q分量变换成a、b、c分量。那么在观察两重三相定子系统时得出六个单独的瞬时值，即ia、ib、ic、ix、iy和iz。这六个电流值随后可以如在图3中表明的那样作为瞬时期望值提供给有源整流器(图3中的304)。此外，变换块415为了执行变换需要当前的转子角度θ，即发电机的转子、即电枢的转子角度。
在图4中，因此更详细地示出图3的自适应的调节器314。优化算法414计算励磁电流期望值ierr或相应的励磁电压verr，这在图4中称作为ve，和定子电流期望值iqs和ids。在假设两个定子系统之间的对称性的情况下，用于两个系统的电流期望值是相等的。
六相发电机的六个定子电流根据期望的功率pset和从而根据励磁电压ve来设定。对此有帮助的是，了解磁化电感lmd和lmq。d/q分量中的关联关系特别在方程(1)和补充的阐述和方程中给出。基于方程(1)例如可以找到递归的解。
但是已知的是，磁化电感不是恒定的，而是可以与发电机的当前的工作点相关。特别是，其与磁化电流相关，如在图2中和在图4中的块413的上半部分中示出的那样。此外，但是也已知，磁化电感附加地可与其他变量相关，尤其是其可以是温度相关的。这特别是表示，在图2中示出的特征曲线是可变的。提出要考虑所述内容。
优化块414考虑，磁化电感lmd和lmq是可变的，其方式为：所述优化块使用分别当前的值。对此，所述优化块例如可以分别在当前的工作点基于方程(1)找到递归的解，并且与此相关地在d/q坐标中确定定子电流iqs1、ids1、iqs2和ids2。因此也考虑，这种递归的解或其他解决方案应事先确定并且保存在表格中，从中其随后在运行中被调用。中间值可以内插。
优化块414因此预设定子电流，所述定子电流被设定，并且为此至少适配所使用的磁化电感。磁化电感在此是参数并且就此而言优化块414是自适应的控制装置或者是自适应的控制装置的一部分。
对此，优化块414从适配块413获取所述磁化电感。在此，适配块413应特别说明，磁化电感经受改变并且所述改变也被考虑。就此而言，适配块413连同优化块414也可以理解成自适应的控制装置。
事实上，适配块413特别是用于说明假设的改变。在此首先，即根据适配块413的上部图表，以初始作为原始变化曲线保存的在磁化电流im和磁化电感之间的关联关系为出发点。
但已知的是，对此可以得出偏差。为了更好地考虑这，那么可以对相应的磁化电流im、磁化电感通过观察器观察，这也可以称作为估计。观察器作为观察器块412示出。观察器块能够获得励磁电流ie、定子电压vs和定子电流is作为输入变量，并且观察或估计磁化电感lmd和lmq以及磁化电流im并且输出。
基本上，观察器块412因此具有如下功能，从所述输入变量中确定磁化电感lmd和lmq以及磁化电流im。
这可以借助经典的观察器来进行，这基于如下系统描述，如特别是通过方程(4)、(17)和(18)给出的那样。替选地，观察器块412可以通过估计算法或通过计算来确定磁化电感lmd、lmq以及磁化电流im。这也可以基于方程(4)、(17)和(18)进行。方程(4)、(17)和(18)也涉及当前的测量值，使得此外实际的影响、尤其热学造成的影响融入确定中。
通过应用这些方程，因此可以识别和考虑温度造成的改变。根据图2的特征曲线因此可以相应地改进。
用于lmd、lmq和im的这样观察的值在其已被观察器块413针对一个工作点确定之后随后输入到适配块413中。
这在适配块413中，在上部图表中通过两个箭头“e”表明。箭头“e”因此说明在适配块413的上部图表中在确定工作点的两个通过观察器块确定的用于lmd和lmq的值。所述与工作点相关的用于lmd和lmq的值传输到适配块413的下面图表中，并且引起两个示出的拐点。因此在适配块413中为磁化电感保存初始值，例如呈特征曲线或查找表的形式，所述特征曲线或查找表随后借助出自观察器块413的当前值持续更新。更新的或适配的用于lmd、lmq和im的值随后传送给优化块414，所述优化块考虑更新的值以确定定子电流。
就此而言，适配块413尤其与图2相比说明，磁化电感的确定如何通过使用的观察器块412进行，并且在运行中改变的磁化电感如何确定，以便将其最后可以在优化块414中考虑用于计算定子电流。
图4a和4b分别示出图4的调节器结构的实施方式或细节，即特别是，如何在块414中实现定子期望电流的确定。
对此，图4a示出借助于特征曲线计算来确定定子期望电流。对此，在块414中保存三个定子期望电流特征曲线418。这三个定子期望电流特征曲线中的每个根据要输出的期望功率pset输出电流期望值，即ie或ve、iqs1、iqs1、iqs2、ids1、ids2。其随后如在图4中示出但未在图4a和4b中示出的那样变换成ia、ib、ic和ix、iy、iz，并且为变流器304预设期望电流。因此，定子期望电流特征曲线分别说明在要输出的期望功率和相应的要确定的定子期望电流之间的关联关系。
在图4a的借助三个虚线的更新箭头419和块420说明的另一实施方式中，定子期望电流特征曲线418在反复的例程中适配于改变的条件。对此，反复的例程可以在自适应的控制装置414中、即块420中实施，借助所述控制装置调整定子期望电流特征曲线418。调整在此经由三个更新箭头419说明。在此，反复的例程420考虑呈估计的变量的形式的改变的条件，即作为估计的磁化电感
图4b以对于图4a的一个替选的实施方式示出在优化块414中确定定子期望电流，即借助于在线确定或计算。对此，定子期望电流(ie，iqs1，iqs2，ids1，ids2)根据期望功率(pset)和至少根据一个、多个或全部变量
对于电感，即特别是lmd和lmq，使用出自一个或多个表格的值，所述表格也可以称作为“查找表”。所述一个或多个表格根据磁化电流im在发电机运行期间更新，更确切地说当存在稳态状态时始终针对每个时间点。在稳态状态中，方程(11)和(12)描述定子电压的d和q分量并从而电感lmd和lmq能够通过方程(17)和(18)估计，并且随后更新所述值。
为了补偿模型化不准确性和未考虑的损耗，pi调节器改变调节的功率期望值。所述pi调节器仅在功率期望值的附近是有效的并且用作为用于电流期望值生成的基础，直至达到期望的输出功率。在与期望值有大偏差的情况下，i部分可以被禁用。因为发电机的时间常数极大，所以期望值以小的频率计算，所述频率例如可以为100hz，这与常见的微控制器的为10khz的最大时钟频率相比是相对小的值。
因此提出对用于具有优化的机器效率的他励同步机的有源整流器的调节。他励同步机也可以称作为他励同步发电机。特别是，调节针对具有两个发电机系统的同步机描述。但是，该方法也能够针对发电机系统或定子系统的不同的数量调整，即除了两个三相系统之外也考虑四个或更多个定子系统。
本发明的目的特别是，具有多个发电机系统或定子系统和与饱和强烈相关的参数的他励同步机借助有源整流器在效率方面优化地运行。机器的饱和特性或磁化电感的正确表现的估计可以借助所述解决方案实现并且用于有源整流器的调节方法，从而也可以考虑机器的饱和特性。此外，介绍的解决方案适合于他励同步机。
下面提到的文献[a]和[b]描述用于他励同步发电机的解决方案。
文献[a]在此示出了用于调节他励同步机的方法。电流期望值通过“拉格朗日乘法”方法以分析的方式计算，以便使整个定子和转子损耗最小化。示出自调谐算法，所述自调谐算法可以改变用于在运行中的分析计算的参数，以如下假设为前提：机器处于稳态状态中。然而，仅调整定子电流的i_d分量和励磁电流i_err。
关于参数估计，通常提出基于rls(recursiveleastsquare，递归最小二乘法)法等的方法并且假定稳态状态对此是必需的，以便忽略通量的求导。为了改进，在提出的解决方案中电感lmd和lmq的估计基于如下方法，在该方法中简单地通过代数方程来计算对应的参数。
本发明至少在一些实施方式中可以用于调节具有多个发电机系统的他励同步机。在假设机器的参数对应于机器的实际特征的情况下，算法可以计算分别全局优化的工作点，以便使对于特定的期望值功率的定子和转子损耗最小化。方法提供如下可能性，通过在线参数估计来修正电感的查找表，所述在线参数估计可以通过代数评估测量到的发电机变量、即电压、电流和转速来执行。
因为工作点通过数字迭代计算来确定，所以需要相应的计算能力。所述问题已认识到并且计算由于机器的大的机械惯性和转子的大的时间常数以与当代微控制器的时钟频率相比低的频率执行。
[a]chid.nguyen和w.hoffman,“self-tuningadaptivecopper-lossesminimizationcontrolofexternallyexcitedsynchronousmotors”,internationalconferenceonelectricalmachines(icem)2014,第897-902页,2014年9月2日-5日。
[b]d.kowal,p.sergeant,l.dupre’和h.karmaker,“comparisonoffrequencyandtime-domainironandmagnetlossmodelingincludingpwmharmonicsinapmsgforwindenergyapplication”,ieeetrans.onenergyconversion,第30卷,no.2,第476-486页,2015年6月。
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