专利名称：变速驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明可用于所有类型电网的电力系统。
本发明总体上涉及所有变速驱动系统，尤其涉及变速风力涡轮机 的驱动系统。
背景技术：
风力涡轮机的转子或叶片直接或者经由变速箱间接连接到AC发 电机，该AC发电机又通常通过升压变压器连接到电网。例如，在 100-150kW以上的大型风力涡轮机上，涡轮机产生的电压通常在400 至1000V三相AC之间；随后将电流传送到升压变压器，以根据当地电 网的标准将电压升高到10kV和36kV之间的某值。
当AC发电机是变速风力涡轮机的一部分时，所述AC发电机连接到
电力电子转换器，该电力电子转换器又直接耦合到电网。在 US-5083039号美国专利中可以看到该结构的例子，其中公开了一种变 速风力涡轮机，该变速风力涡轮机具有驱动AC感应发电机的涡轮转 子、将发电机输出转换为固定频率的AC功率的功率转换器、发电机控 制器以及逆变器控制器。然而，在US-5083039中公开的风力涡轮机中， 转换器直接连接到电网，从而较高的切换谐波被传送到电网，并且来 自电网的扰动直接影响转换器。
另外，EP-A3-1104090公开了一种操作发电机组的方法。使用频 率转换器并且使其以与风车的发电机中的转子相同的速度转动，从而 避免使用集电环。然而，转动整个转换器系统在物理上几乎是不可能 的，因为对应的电子装置不是为这么快的转动速度建立的；在实践中 高的转动力/重力也限制其使用。此外，除了具有低的可服务性(例 如从接近该转换器的观点)以外，所得到的机器还将是庞大的。
发明内容
本发明涉及根据权利要求l的风力涡轮机的变速驱动系统。在从 属权利要求中限定了该变速驱动系统的优选实施例。
本发明涉及风力涡轮机的变速驱动系统，其包括 -具有绕线转子的异步发电机，以及
_同步发电机，其定子侧连接到频率转换器，该频率转换器在其 另一端通过滑环单元连接到所述异步发电机的转子绕组，
所述异步发电机和同步发电机二者都安装在同一单一轴上并且 构成单一定子外壳下的单一发电机系统。
在己知的结构中，例如，双馈调速系统或全转换器系统，转换器 连接到电网并且总是从电网得到必要的能量，它还使得切换谐波被传 送到电网。
转换器不直接连接到电网的该特定结构至少解决了现有技术系 统引起的一些技术问题，这是由于以下原因
-较高的切换谐波没有被传送到电网，因为发电机使来自转换器 系统的切换谐波衰减发电机起到该类型的高切换谐波的滤波器的作 用。
-转换器系统受到更好的保护，不受电网故障的影响，因为没有 直接连接到电网，并且可能的电网扰动不会影响到转换器。
综合这些首要原因转换器对电网的影响受到限制，反之亦然。
-与同步级联双馈调速感应系统不同，所述整个系统建立在同一 发电机轴上；因此它更加鲁棒和紧凑。
根据本发明的优选实施例，所述同步发电机具有额定功率，该额 定功率是异步发电机的额定功率的预定/预先确定的百分比。该百分 比取决于速度范围，它可以在异步发电机的额定功率的10%和20%之 间变化，最大30%。
发电机系统优选以亚同步模式操作。
根据本发明的优选实施例，同步发电机由永磁体(PMG)建成。
该优选实施例的优点是系统可以构造成从机械功率取得能量，然后可
以启动，而不需要消耗来自电网的任何功率(黑启动能力)；在岛式 运行下或者在整个电网中断后尤其需要该特征。
利用PMG的该优选实施例的另一个优点是系统不需要充电电路， 因为可以通过PMG发电机部分获得对转换器系统的DC环充电所需的功 率。
通常，转换器系统经由一些电阻器从电网充电，并且在转换器系 统启动时包括旁路接触器以消除高的峰值电流。但是根据本发明的结 构，转换器系统可以在发电机启动期间从发电机的PMG部分缓慢充电。
本发明的一些其它优点是
-系统像同步电机一样工作，但是它的速度不依赖于电网频率； 因此，它可以作为变速风力涡轮机或变速水力涡轮机工作。
-发电机甚至可以在低电压条件下工作，因为从同步电机供应所 述系统，并因此获得机械能，所以始终确保功率供应。
-传送到电网的有功功率和无功功率都来自异步发电机，因此更 容易控制(下面将进一步说明)。
-系统还可以在过同步模式下短暂运行；如果与转换器的正常操 作相比较，在这种情况下，转换器上有功功率流的方向被反转，因此， 系统不需要单独的功率消耗设备。
-由于本发明的结构的快速响应时间，所以可以使用滞后控制来 控制转子转换器。因此所述系统可以对速度变化或电网连接中的变化 进行非常快速的反应。另一优点是滞后电流控制能够以独立于其它的 方式控制每个相位。
对于后面的情况，所述系统还包括用于转换系统的控制系统，该 控制系统包括计算块。所述计算块被配置成根据基准峰值电流 i一peak、所测得的转子角度以及相位角与电网频率的和wt+cb执行定
子到转子的变换并计算异步发电机转子转换器系统的基准转子电流 值I一r、转子频率w—r和相位角S 。
在该优选实施例中，控制系统通过监视和控制异步发电机的定子 值来监控传送到电网的功率。
为了完成本说明并提供对本发明更好的理解，提供一组附图。所 述附图形成本说明书整体的一部分并示出了本发明的优选实施例，不 应该将其理解为对本发明范围的限制，而只是可以如何具体化本发明 的例子。所述附图包括下列各图
图l示出驱动系统的概况。
图2示出发电机的更详细的视图。
图3示出转换器系统的示意图。
图4示出在本发明的系统中有功功率和无功功率如何流动。
图5示出可能的转换器系统控制结构。
具体实施例方式
图l示出本发明的变速驱动系统的一般概念，图2示出发电机1的
更详细的草图。
如图所示(图1和图2)，发电机1由一个容纳异步电机10和同步电 机20的一个单一外壳5构成。发电机轴2可以连接到变速箱。在发电机 的另一端，有用于将频率转换器系统30连接到异步电机的转子11的滑 环单元3。异步电机部分的定子12连接到电网4，同步电机部分的定子 21连接到频率转换器系统30。
图2示出作为发电机的固定部分的单一外壳5如何分别容纳异步 电机和同步电机的绕组以及定子绕组12和21。
关于发电机的转动部分或转子6，它包含同步部分20的永磁体22 和异步电机10的转子绕组11。
发电机轴经由对应的轴承7连接到发电机的转动部分和定子外壳 5 (固定部分)。
图3示出转换器系统30的示意图，其可以是具有DC环和IGBT作为 电子开关的典型电压源背靠背转换器。
作为转换器的一部分的同步转换器31通过控制DC环来控制来自 同步发电机的功率流，作为转换器的另一部分的转子转换器32控制异
步发电机的功率。
通过控制板33控制转换器系统30，对控制板33的一些输入变量 是电网电压U—grid、电网电流I—grid、发电机速度、功率控制基准 S—ref和功率因数基准cos (J)一ref。
图4示出运行期间发电机的功率流。
异步电机向电网传送有功功率和无功功率P一grid、 Q—grid。异步 电机所需的转子功率P—rotor、 Q一rotor经由频率转换器30来自转子转 换器。
由同步电机传送用于频率转换器的功率P一synchr，同步电机产生 在轴上输入的扭矩的功率输出(机械功率，P—mech)。 图5示出可能的转换器系统控制结构33。
电网电压是对零交叉块101的输入，以通过例如锁相环来检测和 计算电网频率。
相位角控制根据cos小基准和实际(测量)cos小计算相位角，在 加法器104中该相位角与电网频率相加(wt+40，并将(wt+d))输入到 计算块105。
总基准功率S一ref和实际总功率S之间的差被发送到PI控制器 103， PI控制器103产生基准电流Lpeak。
基准电流Lpeak (振幅)和测得的或估计的转子角度(转子位置) 也被输入到计算块105;该计算块根据这三个输入(wt+小、peak和 转子角度)进行传统的定子到转子的变换并且在其输出处提供连接到 异步发电机的转子的转换器系统的基准转子电流值Lr、其频率w一r 以及相位角5。 例如在"Doubly fed induction generation systems for wind turbines" by S Miiller et al in IEEE Industry即plns. magazine, May June 2002， pp 26-33中描述了从定子到转子的变换
K因数代表定子和转子之间的关系，并且还包括从线电流到相位 电流的关系。
不存在具有对应的信息损失的从三相系统到两相系统的坐标转
换。本发明的控制策略直接使用测量值，转换为转子的值，因此提供 关于系统的更多知识。
基准转子电流i—r同样地分配给三个转子相位之一，另两个转子 相位偏移120°和240°。然后它们减去测得的转子电流I—rotor，并输 入到三个滞后电流控制器106、 106'和106〃，其输出被用作对P丽转子 转换器107的输入。
因此，所述控制以总功率控制和相位角控制为基础，以通过系统 的表观功率控制有功功率和无功功率。产生基准转子电流Lr作为控 制系统的输出，该基准转子电流Lr又被发送到三个快速滞后电流控 制。
这允许非常好的并且稳定的电流控制环。
如上所述，本发明涉及变速驱动系统。应该理解，以上公开是举 例说明本发明的原理而不是将本发明限制于所描述的实施例。
权利要求
1.风力涡轮机的变速驱动系统，该系统包括-具有绕线转子(11)的异步发电机(10)，以及-同步发电机(20)，其定子连接到频率转换器(30)，所述频率转换器在其另一端通过滑环单元(3)连接到所述异步发电机的转子绕组，所述异步发电机和同步发电机二者均安装在同一单一轴(2)上，并且构成单一定子外壳(5)下的单一发电机(1)。
2. 根据权利要求l所述的变速驱动系统，其特征在于所述同步 发电机由永磁体建成。
3. 根据权利要求1或2所述的变速驱动系统，其特征在于所述发电机系统以亚同步模式运行。
4. 根据权利要求3所述的变速驱动系统，其特征在于所述系统被构造成在岛式运行情况下或者在电网中断之后从机械功率获得能
5. 根据权利要求4所述的变速驱动系统，其特征在于无论所述系统在过同步模式下运行时还是存在电网故障时，所述系统都用作机 械能的存储装置。
6. 根据权利要求5所述的变速驱动系统，其特征在于在发电机(1)的启动期间通过同步发电机(20)获得对所述转换器系统充电所需的能量。
7. 根据权利要求6所述的变速驱动系统，其特征在于所述转换器系统被建成为电压源转换器系统。
8. 根据权利要求7所述的变速驱动系统，其特征在于所述转换器系统被建成为电流源转换器。
9. 根据权利要求8所述的变速驱动系统，其特征在于所述系统还包括转换器系统(30)的控制系统(33)，控制系统(33)包括计 算块(105)，计算块(105)被配置成根据基准峰值电流Lpeak、所 测得的转子角度以及相位角与电网频率的和wt+cl)执行定子到转子的 变换并计算所述异步发电机转子转换器系统的基准转子电流值Lr、 其频率w—r以及相位角S。
10.根据权利要求9所述的变速驱动系统，其特征在于所述控 制系统(33)被配置成监控所述异步部分的定子值。
全文摘要
本发明涉及风力涡轮机的变速驱动系统，该系统包括具有绕线转子(11)的异步发电机(10)，以及在定子侧连接到频率转换器(30)的同步发电机(20)，所述转换器在其另一端通过滑环单元(3)连接到所述异步发电机的转子绕组，所述异步发电机和同步发电机二者均安装在同一单一轴(2)上，并且构成单一定子外壳(5)下的单一发电机系统(1)。
文档编号H02J3/40GK101350527SQ20081013239
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月16日 优先权日2007年7月16日
发明者B·安德森 申请人:歌美飒创新技术公司