对充电冲击、负载脱落和谐波进行改善处理的发电系统的制作方法

本发明涉及使用与驱动电机机械耦接的交流发电机来产生电能。

交流发电机通常配备有电压调节器，并且根据电力需求来控制驱动电机。

可能会发生充电冲击(chargingimpact)和负载脱落(load-shedding)的情况，并且交流发电机的电力部件被相应地确定尺寸。

这可能导致这些部件的尺寸相对于标称工作条件而言过大，而这会反映在设备成本中。

因此需要减小电能生成设备的电力部件的大小。

还期望改善设备在瞬态条件下、特别是在负载脱落和/或充电冲击情况下的性能。

出版物“activepowerfiltersforharmoniccancellationinconventionalandadvancedaircraftelectricpowersystems”公开了一种应用于飞机的机载网络的常规有源滤波系统，该常规有源滤波系统的目标是补偿谐波。该出版物既没有公开也没有建议控制系统在负载脱落或充电冲击情况下对瞬态有功和/或无功功率条件做出反应。

为了满足最严格的标准，特别是在注入网络上产生的电流的情况下，降低由设备产生的谐波电流的强度也是有益的。

本发明试图完全地或部分地回应这些需求，并且借助于机电系统来实现这一点，该机电系统包括：

-交流发电机，其耦接至驱动系统，向输出总线递送交流电压；

-ac/dc可逆变流器，其ac输入/输出连接至交流发电机的输出总线；

-电存储元件，其连接至变流器的dc输入/输出；

-控制器，其被布置成通过以以下方式控制变流器来对瞬态负载脱落或充电冲击条件做出反应：在负载脱落的情况下从交流发电机的输出总线获取能量并且将能量存储在存储元件中，并且在充电冲击情况下从存储元件获取能量并且将能量注入到输出总线上。

变流器的ac输入/输出也称为ac总线，并且dc输入/输出称为dc总线。

本发明使得可以改善系统在瞬态条件下的响应。

变流器被有利地控制成将用于补偿谐波电流的电流注入到交流发电机的ac输出总线上。

优选地，控制器允许在充电冲击和负载脱落情况下从存储元件监测电机扭矩。

控制器优选地被布置成在负载脱落或充电冲击的情况下，通过借助于对管理交流发电机的输出总线上的能量的变流器进行控制，来监测能够高达30％的谐波失真率的形式、与充电电平无关的幅度和响应时间方面的不平衡，对如在下文中限定的微网络上的瞬态有功功率和/或无功功率条件做出反应。“微网络”应当被理解为：在整个网络的总电力保持小于所述交流发电机的电力的5倍的前提下，单独工作或与其他交流发电机并行工作的交流发电机。

优选地，存储元件仅在瞬态有功功率和/或无功功率条件下被请求。

优选地，交流发电机是三相的。

在根据本发明的系统中，交流发电机的输出电压不仅被用于向与交流发电机连接的一个或多个负载供电，而且还用于经由可逆变流器对存储元件充电。

存储元件优选地由超级电容器组成，但是任何其他存储装置——例如常规电容器或电池——也落入本发明的范围内。

通过在正常操作或在负载脱落情况下确保整流器功能，可逆变流器允许在对超级电容器或其他存储元件充电时将交流电压转换成直流电压。本发明使得可以避免负载脱落情况下输出总线上的过电压，或者至少减小其幅度。

在充电冲击情况下，变流器通过将从超级电容器或其他存储元件获取的能量注入到交流电压总线上来确保逆变器功能并且限制电压骤降。

电子变流器可以使用电子开关,例如igbt，但是任何其他受控电子部件也落入本发明的范围内。

超级电容器可以由单个部件或以串联和/或并联方式电连接的一组部件形成，以达到隔离电压和/或期望的电容。

申请us2009/0195074a1公开了一种钻井应用中的基于存储系统的解决方案。在这种应用中，管理策略使得可以通过从存储系统中获取必需的能量来管理钻井系统所需的电力。

系统优选地包括无源滤波器，该无源滤波器包括：连接在交流发电机的输出总线的每个相与变流器的ac输入/输出的对应相之间的电感器。这种无源滤波器旨在消除高频。

变流器可以是“三重升压”类型，即包括三个臂，每个臂包括：电感器lf，其通过第一端子与存储元件的第一端子连接；第一电子开关，其与电感器lf的第二端子连接并且与变流器的ac输入/输出的对应相连接；第二电子开关，其与电感器lf的第二端子连接并且与存储元件的第二端子连接；以及平衡电容器cf，其被布置在变流器的ac输入/输出的对应相与存储元件的第二端子之间。

这种结构使得可以降低存储元件的端子处的连续电压电平及其成本。

例如在专利us7596008b2和us8737098b2中公开了“三重升压”变流器的示例。

作为变型，变流器可以是例如具有p个电平的多电平类型，p是大于2的整数。因此变流器可以包括三个臂，每个臂包括：串联电连接在存储元件的端子和变流器的ac总线的相之间的第一组p个开关；以及串联连接在变流器的ac总线的相同相和存储元件的其他端子之间的第二组p个电子开关。

每个臂可以包括：p-1个平衡电容器，每个平衡电容器通过第一组的从ac总线的相应相计数的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间的端子并且通过第二组的从ac总线的相同相计数的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间的其他端子连接。

在公开文献us8144491b2和us20130128636a1中描述了具有浮置电容器的多电平变流器。平衡电容器可以是常规电容器、超级电容器或电池。

与“三重升压”变流器结构相比，多电平结构使得可以减少逆变器的输出电压的波动，并且允许系统使用具有较低值电感器的无源滤波器，这降低了无源滤波器的体积、重量和成本。

通过控制器来驱动变流器以对充电冲击和负载脱落的情况做出反应，该控制器针对每个相寻址变流器相应的控制信号sa、sb、sc并且分析变流器的ac总线上的电流和电压。

例如在实现用于驱动变流器的方法时生成变流器的控制信号sa、sb、sc，该方法包括以下步骤：

-优选地在相同频率的旋转派克(park)参考系中，计算变流器的ac总线的三相电流ia、ib、ic的有功分量id和无功分量iq；

-在相同的旋转派克参考系中计算参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*；

-根据参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*与变流器的ac总线的电流ia、ib、ic的有功分量id和无功分量iq之间的差值id″、iq″来计算参考电压βq、βd；以及

-优选地通过在三相参考系中对变流器的ac总线的电流ia、ib、ic进行逆派克变换，根据参考电压βq、βd来计算变流器的电力传输控制电压ma、mb、mc。

可以优选地在相同的派克参考系中，根据系统的输出电流ila、ilb、ilc的有功分量ild和无功分量ilq获得参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*。

优选地，存储元件仅在瞬态条件下被请求放电。

为此，有利地通过滤波器对系统的输出电流ila、ilb、ilc的有功分量ild进行滤波以从中消除高频和直流分量，以避免变流器在稳态条件下交换能量。

优选地，通过其截止频率可以是开关的开关频率的百分之一的滤波器，对系统的输出电流ila、ilb、ilc的有功分量ild和无功分量ilq中的每一个进行滤波。

在变型中，对系统的输出电流ila、ilb、ilc的无功分量ilq进行滤波，以便在交流发电机中获得零无功电流iqp。

因此，本发明使得可以使用变流器补偿无功功率，并且因此获得由交流发电机看到的单位cosφ。

申请wo2014/147297a1公开了一种具有存储元件的不间断电源，该存储元件可以通过缺少源的一个或更多个相(全或无)而向负载供应有功功率。当电源正常时，逆变器用于有功电流滤波以及重新平衡相电流，然而，这种解决方案不管理电源的电力和负载的电力之间的瞬态条件。

除了系统的输出电流ila、ilb、ilc以外的量可以被用于计算参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*。这使得有可能减少传感器特别是电流传感器的数目。例如，可以至少根据驱动系统的速度ω和交流发电机的励磁器的励磁电流if来分别计算参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*。例如在p.wetzer的“machinessynchrones-excitation.techniquesdel’ingénieur，d3545，1997”[synchronousmachines–excitation.engineertechniques，d3545，1997]中说明了该计算。

此外，变流器被控制成将用于补偿谐波电流的电流注入在交流发电机的ac输出总线上。优选地，变流器包括至少一个有源滤波器功能，用于生成这些电子开关的控制电压，从而引起谐波电流的补偿。这些控制电压可以被添加至电力传输控制电压，以获得变流器的控制信号sa、sb、sc。

这使得可以通过对从非线性负载得到的电流谐波进行有源滤波来消除具有固态变流器的交流发电机中的谐波电流。

本发明还使得可以通过针对从交流发电机和/或从非线性负载得到的电压谐波产生“插接(plug)”电路来消除固态变流器中的谐波电流。

可以优选地在其频率是三相参考系的频率的n倍的旋转派克参考系中，至少通过计算交流发电机的输出电流ipa、ipb、ipc的有功分量idn和无功分量iqn来获得用于补偿谐波电流的控制电压，n是大于2的整数。这使得可以减少并且更好地消除交流发电机中的谐波电流。

该有源滤波原理可以被应用于要被补偿的全部谐波电流。只要增加该补偿结构并且添加三相参考系中的全部控制电压即可。因此由至少一个有源滤波器组成的任何谐波滤波组合都落入本发明的范围内。

例如，也可以在优选地为三相参考系的频率的n倍的旋转派克参考系中，根据变流器的ac总线的电流ia、ib、ic的有功分量和无功分量来计算用于补偿谐波电流的控制电压，n是大于2的整数。这使得可以避免由交流发电机创建的三相网络的谐波电压在变流器中产生谐波电流。

在被用于计算参考电压βq、βd之前，可以从存储元件的控制电流idvcd中减去有功参考电流id^*的值，以避免超过预定安全电压阈值，该控制电流idvcd至少取决于存储元件的端子处的电压vdc和交流发电机的直流标称电流idn。

通过阅读以下对本发明的实现的非限制性示例的详细描述并且通过研究附图，将能够更好地理解本发明，在附图中：

-图1是根据本发明的系统在三相发电机的情况下的示意图；

-图2展示了三重升压型变流器结构；

-图3展示了具有用于p个单元的p+1个电平的多电平变流器结构；

-图4是允许在瞬态阶段期间管理存储元件的控制方案的示例；

-图5是与图4类似的变型控制方案的视图，其不参考无功功率以允许用户选择要被补偿的任何无功功率电平；

-图6示出了来自基于组的旋转速度和交流发电机的励磁电流的模型的变型控制方案；

-图7示出了用于产生有源滤波的谐波电流控制结构；

-图8示出了用于管理超级电容器的端子处的电压的方法；

-图9a示出了用于对具有安全功能的超级电容器进行充电的方法的示例；

-图9b示出了用于根据存储元件的端子处的电压vdc来触发系统的充电和安全关断的阈值的示例。

图1示出了根据本发明的用于向与三相网络连接的输出总线10或向一个或更多个负载r传送所产生的能量的设备的示例。

该设备包括驱动装置7，例如热力发动机或者风力或水力发电的任何其他驱动装置。驱动装置7旋转地驱动也称为发电机的交流发电机1的转子，交流发电机1包括向布置在转子上的主电感器供电的励磁器，主电枢与输出总线10连接。

交流发电机1以调节速度旋转驱动，但是输出总线10可能受到充电冲击或负载脱落情况的影响。

该设备包括由控制器4驱动的ac/dc可逆变流器2和存储元件3。

控制器4可以从图1的示例中的电流传感器获知负载r的相5中的每一个相的电流和变流器2的ac总线6的每个相的电流，以及交流发电机1的输出总线10的相中的每一个相的电压。

在图1示出的示例中，变流器2的ac总线的每个相包括：串联在变流器2和交流发电机1的输出总线的对应相之间的电感器8。这些电感器8的尺寸取决于设备的功率。

在正常工作中，控制器4通过检测交流发电机1的输出总线10的电压来确保交流发电机1的电压调节。

在常规绕线励磁器的情况下，控制器4可以设置有电力元件，该电力元件使其能够向励磁电感器供应所需的励磁电流，以确保对交流发电机1的输出电压进行期望的调节。

为了确保存储元件3的充电/放电，控制器向可逆电子变流器2发送控制命令。为此对充电/放电电压vdc、存储元件3的充电/放电电流以及系统的瞬态(冲击、负载脱落)执行连续监管。

在负载脱落的情况下，给出对存储元件3充电的命令使得可以最好地减小交流发电机的电压过冲。当存储元件3的电平低于特定的预定阈值时，也存在对存储元件3的再充电。

至于放电命令，其是在充电冲击情况下给出的以限制交流发电机1的端子处的电压降，或当存储元件3的电平高于预定阈值时给出。

可以在不脱离本发明的范围的情况下通过有线或无线方式发送控制命令。

在所说明的示例中，控制器4还确保与驱动电机7的通信，这有利地允许预测由于冲击或负载脱落情况引起的速度变化。实际上，借助于对系统的输出电流ila、ilb、ilc和与存储元件3交换的输出电流的测量，控制器4可以估计相关的电力并确定设置点，这使得可以预测发动机吸入的燃料以便限制在瞬态条件下对交流发电机的输出总线的干扰。

因此，控制器4有利地监管：

-使用以直流与存储元件3连接的三相变流器2，对在由交流发电机1创建的三相网络之间以及在一个或多个负载r之间交换的有功功率和无功功率进行控制；

-对通过机器的电动势或通过与交流发电机1连接的非线性负载r添加的谐波电流的管理；以及

-在存储器由超级电容器组成的情况下，对该元件的端子处的电压9的管理。

图2示出了包括“三重增压”型变流器2的系统。

变流器2包括三个臂12，每个臂包括：通过第一端子与存储元件3的正极端子31连接的电感器lf；连接在电感器lf的第二端子与变流器的ac总线的对应相a、b或c之间的第一电子开关ta、tb或tc；连接在电感器lf的第二端子与存储元件3的负极端子32之间的第二电子开关ta’、tb’或tc’；以及布置在变流器的ac总线的对应相与存储元件3的负极端子32之间的平衡与滤波电容器cf。

将变流器2的ac总线6的电流ia、ib和ic注入在交流发电机1的输出总线10上，交流发电机1的输出总线10针对相应相a、b和c传送三相电流ipa、ipb和ipc。

也可以例如通过传感器5来测量系统的三相输出电流ila、ilb和ilc。

控制器4确保变流器2的控制，也可以被配置成作用于热力发动机7的速度调节器和/或交流发电机1的电压调节器。

图3示出了具有p个单元的变型变流器，p是大于2的整数。

变流器包括三个臂22，每个臂包括：串联电连接在存储元件3的正极端子31与变流器的ac总线的相之间的第一组p个开关k11，k12...k1p；以及串联连接在变流器的ac总线的同一相与存储元件3的负极端子32之间的第二组p个电子开关k11’，k12’...k1p’。

每个臂22可以包括：p-1个平衡电容器cf、2p个igbt，每个平衡电容器cf通过第一组中的从ac总线的相应相起计数的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间的端子并且通过第二组中的从ac总线的相同相起计数的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间的其他端子来被连接。

在第一组中的从ac总线的相应相起计数的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间、并且通过第二组中的第n个电子开关和第n+1个电子开关之间的其他端子被连接的平衡电容器cf具有电压nvdc/p，其中vdc表示存储元件3的端子处的电压。

图4中呈现了对有功功率和无功功率交换的基本控制。

对于固定幅度的三相网络，控制电力量等于控制有功电流和无功电流。可以在派克参考系rdq中与三相网络中的第一相的单一电压va同步地控制这些电流，但是使用任何其他相也落入本发明的范围内。锁相环30可以被用于同步。

控制结构可以被布置成在派克参考系rdq中生成参考有功电流id^*和参考无功电流iq^*，然后将参考有功id^*和无功iq^*电流锁定到有功分量id和无功分量iq，有功分量id和无功分量iq是通过计算可逆变流器2的三个占空比在相同参考系rdq中对实际上由变流器2与网络交换的电流ia、ib、ic进行派克变换获得的。

可以在派克参考系rdq中根据一个或多个负载r的输出电流的有功ild和无功ilq分量创建参考电流id^*和iq^*的生成。对有功分量ild进行滤波以消除有功电流的高频和直流分量，以避免可逆变流器2在稳态条件下交换有功能量或无功能量。因此，有功电流id^*仅考虑负载的瞬态条件(冲击或负载脱落)，并且因此使得可以仅在瞬态条件下请求存储系统3。可以以与处理有功分量id^*相同的方式处理无功分量iq^*，以使可逆变流器2被请求的时间最小化。

在一个变型中，通过修改图4中的生成iq^*的滤波器的结构来补偿无功功率，这使得可以完全补偿与负载交换的无功功率并且在交流发电机中获得零无功电流iqp。如果需要，补偿可以是任意的，用户具有限定要被补偿的无功电流电平的可能性，如图5所示。

生成参考电流id^*和iq^*的另一变型在于使用其他测量量。不再直接测量参考有功和无功电流(id^*、iq^*)，而是至少根据驱动系统的速度(ω)和交流发电机励磁器的励磁电流(if)来分别计算它们。这使得可以省去对系统的输出电流ila、ilb和ilc的测量。可以通过测量速度变化ω来获取关于扭矩变化的信息，并且可以通过测量励磁器的励磁电流if来获取关于机器的磁性状态变化的信息，如图6所示。

根据对旋转组的速度测量并且根据系统的数学模型100，可以计算交流发电机上的扭矩的变化并且从中获得交流发电机中的有功电流idp的变化。可以根据对励磁器的励磁电流的测量并且根据系统的数学模型110来计算交流发电机中的无功电流iqp。这些计算也可以在以上引用的p.wetzer的题为“machinessynchrones-excitation.techniquesdel’ingénieur，d3545，1997”[synchronousmachines-excitation.engineertechniques，d3545，1997]的出版物中找到。因此，可以根据交流发电机的计算的电流idp和iqp以及变流器2的电流id和iq来推出两个参考id^*和iq^*，然后调节功能等同于基本控制。这两个变型的组合也在本发明的范围内。

为了生成变流器2的控制信号sa、sb和sc，将参考电流id^*和iq^*与在可逆变流器2的输出端测量的三相电流ia、ib、ic在转换成派克参考系rdq之后获得的有功分量id和无功分量iq进行比较。电流误差是由例如pid类型的调节器33产生的，该调节器在派克参考系中生成电压参考βd和βq，电压参考βd和βq在三相参考系rabc中进行逆派克变换之后给出三相参考系rabc中的电力传输控制电压ma、mb和mc。最后，脉冲宽度调制(pwm)功能34使得可以生成控制可逆变流器2的信号sa、sb和sc。

系统被有利地布置成借助于在由本申请中描述的结构下可能实现的有源滤波功能而作用于由机器传送的或由非线性负载引起的谐波电流。

图7中描述了对有源滤波功能的控制示例。变流器包括至少一个有源滤波器功能，使得变流器能够生成补偿电压以避免变流器中由于ac侧上的电压谐波而引起的谐波电流。将控制电压v^*nabc加至由于电力传输引起的控制电压ma、mb、mc，以获得变流器的控制信号sa、sb、sc。

在交流发电机的输出端处测量的电流ipa、ipb、ipc被转换到频率是变流器的ac总线的三相电流ia、ib、ic的基频的n倍的派克参考系rndq中，经转换的电流分别与滤波组合，以提取谐波n在该派克参考系rndq的两个轴dn和qn中的幅度。然后将这些提取的电流idn和iqn锁定到零参考上以作用于调节器的输出电压并且被发送到例如pid型或其他高级调节器结构的调节器41的输入端，调节器41的输出被加至变流器2的与变流器2必须在该派克参考系rndq中传送的电压相对应的在先操作。在谐波n的速度和方向上的逆派克变换使得可以在三相参考系rabc中获得用于补偿谐波n的控制电压v^*nabc。补偿控制电压v^*nabc可以被加至由在先控制所传送的电压ma、mb和mc，这使得可以作用于有功功率和无功功率传输。

一个变型在于考虑变流器的电流而不是交流发电机的电流，即考虑ia、ib、ic而不是图7中示出的ipa、ipb、ipc。这允许变流器在基频处产生纯粹的正弦电流，并且避免由交流发电机创建的三相网络的谐波电压在变流器中产生谐波电流。后一种控制相当于用于由主发电机及其负载产生的电压谐波的插接电路。

通过再现补偿结构并且添加所有得到的电压以获得变流器的控制电压，该有源滤波原理可以被应用于要被补偿的全部谐波电流。

不管变流器的结构和应用的控制法则如何，都期望控制由超级电容器的电压vdc给出的超级电容器的充电状态。由于这是派克参考系中可以修改该充电状态的有功电流，因此只要通过减去使得可以作用于电压vdc的电流来修改有功参考电流id^*即可。应当提供安全关断，以避免超过超级电容器的最大电压，同时保持使得可以确保变流器2的正确工作的最小电压。

图8、图9a和图9b示出了对超级电容器的电压vdc的这种控制的示例。

阈值a1％、a2％和a3％表示系统的输出电流电平或放电电流电平与交流发电机的直流标称电流idn之比，这些阈值能够在不脱离本发明的范围的情况下在±100％的范围内被设置。

通过试验确定值a1、a2和a3以避免激活安全功能以及过分干扰混合功能的工作。

对超级电容器的平均电流进行控制的示例在于根据所设定的阈值来传送取决于电压vdc的idvdc的符号和幅度，并且通过在阈值电平处增加滞后来应用比较算法以避免差频效应。安全输出给出真或假逻辑电平，以允许超级电容器中的电流或在达到阈值情况下阻止该电流；当安全功能被激活时，id＝0。可以在不脱离本发明的范围的情况下修改系统的电压阈值和输出电流电平以及放电电流电平。