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1、(10)申请公布号 CN 103956765 A (43)申请公布日 2014.07.30 CN 103956765 A (21)申请号 201310474470.7 (22)申请日 2013.10.10 61/733,197 2012.12.04 US H02J 3/38(2006.01) H02J 3/18(2006.01) H02M 7/06(2006.01) (71)申请人 ABB 研究有限公司 地址 瑞士苏黎世 (72)发明人 金弘来 J尼拉南 JJ萨斯特里 (74)专利代理机构 北京市金杜律师事务所 11256 代理人 王茂华 (54) 发明名称 用于利用有源补偿器以扩充二极管整流。
2、器的 系统和方法 (57) 摘要 本文描述的主题内容包括一种有源补偿扩充 的二极管桥整流器系统。 根据一个方面， 该系统包 括 ： 发电机单元， 被配置用于生成完全由有功电 流组成的电流潮流 ； 以及二极管整流器， 被配置 用于接收来自发电机单元的有功电流以将有功电 流引向连接的电力网并且接收无功电流。该系统 还包括 ： 有源补偿器， 被配置用于优化发电机单 元以产生有功电流并且生成用来有助于二极管整 流器的操作的无功功率。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 。
3、说明书7页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103956765 A CN 103956765 A 1/2 页 2 1. 一种用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统， 所述系统包括 ： 发电机单元， 被配置用于生成基本上由有功电流组成的电流潮流 ； 二极管整流器， 被配置用于接收来自所述发电机单元的所述有功电流用以将所述有功 电流引向连接的电力网并且用以接收无功功率 ； 以及 有源补偿器， 被配置用于优化所述发电机单元以产生所述有功电流并且生成用于有助 于所述二极管整流器的操作的所述无功功率。 2. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中由所述发电机单元生成的所述电流潮流包括零无 功电流。。
4、 3. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述发电机单元包括风力发电机单元。 4. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述发电机单元包括表面永磁同步发电机 (SPMSG) 单元。 5. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述发电机单元包括被定尺寸以在所述发电机单 元经历施加的满负载时适应所述有功电流的生成的框结构。 6. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述有源补偿器被配置用于通过调整在同步参考 系中包括的直轴(d轴)电流到最优操作点来优化所述发电机单元， 其中所述同步参考系代 表所述发电机单元。 7. 根据权利要求 6 所述的系统， 其中通过调整由所述发电机单元产生的定子电流以沿 。
5、着所述 d 轴对准来将所述 d 轴调整到所述最优操作点。 8.根据权利要求6所述的系统， 其中所述最优操作点包括最大转矩每安培(MTPA)曲线 上的点。 9. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述有源补偿器包括多个绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 半导体设备或者多个集成门极换向晶闸管 (IGCT) 半导体设备。 10. 根据权利要求 8 所述的系统， 其中所述有源补偿器包括至少六个 IGBT 电路。 11. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述二极管整流器包括二极管桥整流器。 12. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中与所述有源补偿器关联的处理单元被配置用于 通过利用矢量计算或者数学公。
6、式来确定所述无功电流的数量。 13. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中所述有源补偿器包括 STATCOM 设备。 14. 一种用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的方法， 所述方法包括 ： 在有源补偿器处接收来自发电机单元与功率有关的测量 ； 基于所述与功率有关的测量， 配置所述发电机单元以产生基本上由有功电流组成的电 流潮流 ； 确定使二极管整流器能够向电力网传送所述有功电流的无功功率数量 ； 在所述有源补偿器处生成所述确定的数量的无功功率 ； 并且 向所述二极管整流器提供所述确定的数量的无功电流。 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述发电机单元生成的所述电流潮流包括零无 。
7、功电流。 16. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述发电机单元包括风力发电机单元。 17. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述发电机单元包括表面永磁同步发电机 (SPMSG) 单元。 权 利 要 求 书 CN 103956765 A 2 2/2 页 3 18. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述发电机单元包括被定尺寸用以适应在所述 发电机单元经历施加的满负载时所述有功电流的生成的框结构。 19. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中配置所述发电单元包括调整在同步参考系中包 括的直轴 (d 轴 ) 电流到最优操作点， 其中所述同步参考系代表所述发电机单元。 20. 根据。
8、权利要求 19 所述的方法， 其中调整所述 d 轴到所述最优操作点包括调整由所 述发电机单元产生的定子电流以沿着所述 d 轴对准。 21.根据权利要求19所述的方法， 其中所述最优操作点包括最大转矩每安培(MTPA)曲 线上的点。 22. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述有源补偿器包括多个绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 半导体设备或者多个集成门极换向晶闸管 (IGCT) 半导体设备。 23. 根据权利要求 22 所述的方法， 其中所述有源补偿器包括至少六个 IGBT 半导体设 备。 24. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述二极管整流器包括二极管桥整流器。 25. 根据权利要。
9、求 14 所述的方法， 其中确定所述无功电流的数量包括利用矢量计算或 者数学公式。 26. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中所述有源补偿器包括 STATCOM 设备。 权 利 要 求 书 CN 103956765 A 3 1/7 页 4 用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统和方法 技术领域 0001 本文描述的主题涉及提供一种用于电动机器发电机的无功功率源。更具体而言， 本文描述的主题涉及用于利用有源补偿器扩充二极管整流器的系统和方法。 背景技术 0002 目前， 100千伏安 (kVA) 额定功率转换器风能解决方案已经更为普及， 尽管事实 上市场已被利用 40 kVA 额定 ( 。
10、近似 ) 功率转换器的双馈感应发电机 (DFIG) 所主导。特 别地， 基于 100 kVA 额定功率转换器的风力系统解决方案能够提供有吸引力的特征， 比如 改善的低电压穿越(LVRT)能力、 更好的发电机利用率、 和更宽的速度范围。 然而， 100kVA 额定功率转换器风能解决方案比 40 kVA 额定功率转换器更昂贵、 更重和更大。为了克服 前述缺点， 二极管桥整流器可以与 DC 到 DC 转换器级联。通过利用二极管桥整流器解决方 案， 可以减少总系统成本。 使用二极管桥整流器需要无功功率源， 该无功功率源通常由系统 的发电机提供。另外， 提供无功功率的发电机单元未以优化的效率工作或者控制。
11、。 0003 因而鉴于这些难点， 需要一种用于利用有源补偿器以向功率发电系统提供无功功 率并且优化关联的发电机单元的性能的系统和方法。 发明内容 0004 本文描述的主题包括一种有源补偿扩充的二极管整流器系统。根据一个方面， 该 系统包括 ： 发电机单元， 被配置用于生成完全由有功电流组成的电流潮流 ； 以及二极管整 流器， 被配置用于接收来自发电机单元的有功电流、 将有功电流引向连接的电网、 并且接收 无功电流。 该系统还包括 ： 有源补偿器， 被配置用于优化发电机单元以产生有功电流并且生 成用来有助于二极管整流器的操作的无功功率。 附图说明 0005 现在将参照说明本文所描述的主题的优选实。
12、施例， 其中相似附图标记代表相似部 分， 在附图中 ： 0006 图 1 是图示根据本文描述的主题的实施例的由有源补偿器扩充的二极管桥整流 器的图 ； 0007 图 2 是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性有源补偿器扩充二极管桥整 流器风力发电机系统的图 ； 0008 图 3 是图示根据本文描述的主题的实施例的在表面永磁同步发电机中的优化的 机器操作的矢量图 ； 0009 图 4 是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性风力发电机控制系统的框图 ； 0010 图 5 是图示根据本文描述的主题的实施例的多相风力发电机系统中的有源补偿 器的示例性使用的图 ； 0011 图 6 是描绘根据本文描。
13、述的主题的实施例的示例性风力发电机系统的功率和速 说 明 书 CN 103956765 A 4 2/7 页 5 度性能特征的关联的绘图图形 ； 并且 0012 图 7 是图示根据本文描述的主题的实施例的风力发电机系统中的静态同步补偿 器 (STATCOM) 设备的示例性使用的图。 具体实施方式 0013 本主题内容包括一种运用全额定二极管整流器和分数额定值有源补偿器的发电 系统 ( 例如风力发电系统 )， 该有源补偿器减少系统的成本并且优化系统的发电机单元的 性能。 在一个实施例中， 可以通过经由控制方法控制发电机电压来优化发电机单元， 该控制 方法涉及有源补偿器通过在同步参考系中将交轴 (q。
14、 轴 ) 电流和直轴 (d 轴 ) 电流调整到最 优运行点来向发电系统中注入无功功率。 q轴通常用来代表无功(即虚)功率和电流分量， 而 d 轴通常用来代表有功 ( 即实 ) 功率和电流分量。 0014 如本文所使用的， 术语 “无功功率” 和 “无功电流” 是指用来有助于通过交流 (AC) 发电和或输电系统传送实功率 ( 即有功功率 ) 的功率潮流和电流潮流类型。在 AC 电路 中， 能量暂时存储于电感性和电容性元件中， 这造成能量潮流方向的周期反向。 剩余功率潮 流部分在完整AC波形内平均之后是可以用来对负载做功(例如克服马达中的摩擦、 加热元 件等 ) 的实功率或者能量。反言之， 由于电。
15、感性和电容性网络元件而暂时以磁场或者电场 形式存储的功率潮流部分已知为无功功率。 0015 图 1 描绘包括发电机单元 102、 二极管整流器 104、 有功补偿器 106 和电网逆变器 110 的示例性发电系统 100。虽然本说明书和图 1 描述发电系统 100 为风力发电系统， 但是 可以从使用有源补偿器中受益的任何机器系统可以被利用而不脱离本主题内容的范围。 例 如在更高速范围操作(即避免高转矩和低速度操作条件)的任何基于机器的发电应用可以 从本主题内容受益。可以有效利用本主题内容的备选实施例包括利用 ( 例如船上的 ) 螺旋 桨轴以产生电功率的水电机器系统应用或者电气发电系统。 001。
16、6 在一个实施例中， 发电机单元 102 可以包括被配置用于生成将向电力网供应的电 力的任何机器。 例如发电机单元102可以包括永磁机器、 比如表面永磁同步发电机(SPMSG) 单元。根据它的配置， 发电机单元 102 生成包括有功 ( 即实 ) 功率分量和无功功率分量两 者的视在功率。有功功率分量包括在负载处做功的功率， 而无功功率分量是用来在接线和 电路部件之间传送能量电流 ( 即未在负载处做功 ) 的功率。发电机单元通常被定规格用 以输送与视在功率关联的总电流 ( 即无功电流和有功电流分量两者 )。 0017 二极管整流器104可以包括经由电网逆变器100将有功功率引向电力网的二极管 桥。
17、整流器电路。在一个实施例中， 二极管整流器 104 被设计用于减少与系统 100 关联的总 成本。由于二极管桥整流器比基于全有源绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的转换器 ( 或者用来 将有功功率引向电力网的任何其它类似设备 ) 制造实施更便宜， 系统成本得以降低。可 以在本主题内容中有利地使用二极管整流器， 因为二极管整流器在传输有功功率之时具有 比 IGBT 转换器低得多的电压降。因此， 在利用二极管整流器时将在系统中有更少能量损耗 ( 例如能量损耗少 20-30 )。然而， 为了利用二极管整流器， 在系统 200 中需要无功功率 源。 通过利用备选无功功率源(而不是从发电机单元获得无功功率。
18、)， 发电机单元102在框 尺寸上可以被减少。 0018 在一个实施例中， 二极管整流器 104 依赖于无功电流 ( 或者无功功率 ) 以便操作。 说 明 书 CN 103956765 A 5 3/7 页 6 特别地， 二极管整流器 104 需要无功功率来工作， 因为穿过二极管整流器中的二极管的电 流需要传送无功功率。通常， 无功功率和有功功率二者由发电机单元 102 产生。然而， 发电 机单元 102 生成的任何无功功率或者电流是发电机单元 102 的低效率产物。为了优化发电 机 102 的效率， 二极管整流器 104 可以接收有源补偿器 106( 而不是发电机单元 102) 生成 的无功电。
19、流。如本文所使用的， 术语 “优化的” 可以是指发电机单元 102 在被定规格用以在 发电机单元经历所施加的满负载时仅产生(例如基本上或者完全)有功电流或者有功功率 ( 即没有无功电流或者功率 )。 0019 在一个实施例中， 有源补偿器 106 可以包括被配置用于向系统 100 供应无功功率 的任何电路。 在一个实施例中， 有源补偿器106包括有源电路元件， 比如多个IGBT半导体设 备、 集成门极换流晶闸管(IGCT)半导体设备和或其它类似功率设备。 例如六(6)个IGBT 可以链接在一起以形成有源补偿器电路。通过作为用于系统 100 的无功功率源来工作， 有 源补偿器 106 能够提供总。
20、系统成本减少和发电机操作优化两者。在一个实施例中， 有源补 偿器 106 被配置用于补偿无功功率并且优化发电机操作。例如， 有源补偿器 106 可以被配 置用于增加或降低发电机单元 102 中的电压。通过向系统 100 提供无功电流 Ia， 由发电机 单元 102 产生的定子电流 Is不包括无功分量。以下具体描述其中有源补偿器 106 提供无 功电流的示例性过程。有源补偿器 106 可以经由电感器 112 向二极管整流器 104 提供无功 电流 Ia。 0020 在一个实施例中， 由有源补偿器 106 生成的无功功率用于 i) 调节发电机单元 102 的电压， 并且 ii) 提供由二极管整流器。
21、 104 利用的能量源。例如， 通过有源补偿器 106 向系 统100中注入无功电流可以升高发电机单元102的端子电压(Vs)。 特别地， 有源补偿器106 可以被用于通过经由改变源于发电机单元 102 的有功电流 Is而调节电压来优化发电机操 作。 没有有源补偿器106， 发电机单元102必须提供用于二极管整流器104的操作的无功功 率。发电机单元 102 可以提供具有无功功率分量的定子电流， 该无功功率分量在发电机单 元 102 内产生不希望的损耗。然而， 如果有源补偿器 106 工作， 则发电机单元 102 可以最优 地被配置用于不生成具有无功分量的电流， 由此减少发电机单元 102 内。
22、的损耗。因而， 可以 减少发电机单元 102 的框尺寸， 因为消除了与无功功率和或电流关联的损耗额定值。 0021 在一个实施例中， 可以定义发电机单元 102 的电压为磁体产生的磁通与发电机单 元 102 的转子速度的乘积。定子电流 Is的有功分量由负载定义， 因此不适合于控制发电机 单元 102 中的电压。然而， 定子电流 Is的无功分量可以受有源补偿器 106 影响。由于发电 机单元 102 中的整流直流 (DC) 电压不能在很大程度上变化， 所以有源补偿器 106 可以被用 来在低转速处增加发电机电压并且在高转速处降低发电机电压。 需要的无功电流数量依赖 于发电机单元 102 的所需最。
23、大和最小速度以及由发电机单元 102 产生的电感。在一个实施 例中， 无功电流的数量可以由系统中的处理单元推导， 该处理单元利用矢量计算、 数学公式 等。以下在图 4 中描述利用矢量计算的示例性控制过程。 0022 如果发电机单元 102 在中间转速范围内工作， 则发电机单元 102 的电压变化可能 受转速变化影响。最终调整发电机单元 102 使得它不产生任何无功功率。因而， 有源补偿 器 106 被配置用于产生由二极管整流器 104 利用的所有无功功率或者所有无功电流。在一 个实施例中， 控制由有源补偿器 106 生成的无功电流可以通过开环控制过程或者闭环控制 过程来执行。在开环控制过程中，。
24、 可以使用解析公式来确定用于有源补偿器 106 的无功电 说 明 书 CN 103956765 A 6 4/7 页 7 流。例如， 可以表示六脉冲二极管桥整流器消耗的无功功率为 ： 0023 0024 其中， 换向角 ( 以弧度为单位 ) 可以表示为 ： 0025 0026 其中 IDC是二极管整流器的 DC 电流， f 是发电机单元的输出频率， L是发电机单 元的次瞬态电感， 并且 U 是发电机单元的 rms 相间电压。 0027 在一个备选实施例中， 也可以使用作为转子速度和由发电机单元 102 产生的有功 功率 ( 或者有功电流 ) 的函数的仿真来确定用于有源补偿器 106 的无功电流。。
25、备选地， 可 以使用简化或者拟合公式而不是仿真。在又一实施例中， 可以在插入参考值的查找表中存 储发电机特征曲线值。 0028 通过利用闭环控制过程， 可以测量发电机单元 102 的无功电流， 并且有源补偿器 106 的无功电流参考信号由诸如比例和积分型控制 ( 即 P-I 控制 ) 的适当控制来调整。在 这样的情况下， 设置发电机单元 102 的无功电流等于参考信号。 0029 在一个实施例中， 有源补偿器 106 包括发电机端子电压控制器， 如果发电机电压 趋于太高或者太低， 则该控制器进入 “补偿器模式” 并且开始改变来自开或者闭环控制的无 功电流参考信号。 0030 在一个实施例中， 。
26、有源补偿器106可以在发电机单元102操作在低速范围时工作， 即其中由发电机单元 102 生成的有功功率充分低以便补偿器处理， 同时有源补偿器 106 在 转换器模式中。在转换器模式中时， 有源补偿器 106 的 DC 母线连接到发电机系统 100 的 主 DC 母线。在这一模式中， 发电机单元 102 运行在控制它的无功电流为零 ( 即功率因子 cosine=1) 或者使得最小化发电机单元 102 中的总损耗。 0031 二极管整流器 104 接收电流 Ip， 该电流包括来自发电机单元 102 的定子电流 Is和 来自有源补偿器 106 的无功电流 Ia的组合。响应于接收电流 Ip， 二极管。
27、整流器 104 从 Ia分 量接收用以工作的必需无功功率并且向电网逆变器 110 提供经由 Is提供的有功电流。电 网逆变器 110 随后向连接的电力网 ( 即 “电网” ) 提供关联功率。 0032 图 2 是图示根据本文描述的主题内容的实施例的示例性有源补偿器扩充的二极 管桥整流器风力发电机系统200的图。 特别地， 图2描绘风力发电机系统200为图1中描绘 的发电机系统 100 的一个示例性实施例。系统 200 包括转子和转子轴承 208， 转子轴承 208 与 SPMSG 单元 202( 即风力发电机单元 ) 交互作用。风力发电机系统 200 也包括经由补偿 器接触器开关 212 向二。
28、极管整流器 204 和 SPMSG202 提供无功功率的有源补偿器 206。二极 管整流器 204 也可以利用接触器开关 214 以连接到有源补偿器 206 和 SPMSG202。二极管整 流器 204 还可以被配置用于接收和处理由 SPMSG202 生成的所有有功功率并且向电网逆变 器 210 转送有功功率。电网逆变器 210 然后可以向变压器 218 提供有功功率 ( 经由 LV CB 开关 216)。在转换 ( 即升高降低 ) 之后， 功率离开变压器 218 并且经由 MV 开关装置 220 进入电力网。特别地， 风力发电系统 200 以关于图 1 中的系统 100 描述的相似方式工作。。
29、 0033 图3是图示表面永磁同步发电机(SPMSG)中的优化的机器操作的矢量图和对应的 块部件图。具体而言， 图 3 描绘可以用来简化三相发电单元 302 的分析的同步参考系 ( 例 说 明 书 CN 103956765 A 7 5/7 页 8 如直 - 交 - 零变换 ) 的矢量图。在平衡的三相电路的情况下， 应用同步参考系将三个 AC 量 减少成两个 DC 量。然后可以在进行逆变换以恢复实际三相 AC 结果之前使用虚拟 DC 量来 执行简化计算。图 3 图示被配置用于不生成任何无功功率的优化的发电机单元 302。代之 以经由由有源补偿器 ( 在图 3 中未示出 ) 生成的电流 Ia向二极。
30、管整流器 304 提供无功功 率。即， 调整定子电流 Is以沿着 d 轴对准。这样的对准表明没有关于 Is的 q 轴分量。因此 没有无功功率分量。取而代之， 由二极管整流器 304 利用的无功功率由电流 Ia提供， 该电 流由有源补偿器产生并且在图 3 中描绘为与 qv轴对准， 由此代表虚拟分量 ( 即无功功率 )。 图 3 还描绘电流 Ip( 即穿过二极管整流器的电流 ) 为包括完全从电流 Ia获得的无功功率分 量和基本上或者完全从 Is获得的有功功率分量。 0034 如以上所示， 除了提供用于操作二极管整流器的必需功率之外， 有功功率补偿器 也可以通过在同步参考系中调整交轴 (q 轴 ) 。
31、电流和直轴 (d 轴 ) 电流到最优操作点向发 电系统中注入无功功率来控制发电系统中的发电机单元以在最优条件 ( 例如 MTPA 或者场 定向控制 ) 之下运行。在一个实施例中， 系统的控制包括在调节有源补偿器的电容器电压 (Vdc) 时将定子电流 Is( 即 q 轴电流 ) 与 q 轴对准。可以使用能够以同步速度旋转的单独两 组 d-q 参考系。控制系统中的第一 d-q 参考系 ( 即 de轴和 qe轴 ) 与机器 d-q 参考关联， 其 中 d 轴与磁体的方向对准。这一参考系可以用来确定定子电流 (Is) 相对于转子位置位于 何处。通过控制相对于参考系的定子电流角 I为零来遵循最大转矩每安。
32、培 (MTPA) 曲线。 在控制系统中使用的第二 d-q 参考系 ( 即 dv轴和 qv轴 ) 可以包括发电机端子电压 d-q 参 考系。特别地， 参考系中的 d 轴在与端子电压 (Vs) 矢量相同的方向上对准。参考系可以用 来确定注入的无功电流的相位角。由于注入的电流被设置为与端子电压成 90 度， 所以有源 补偿器仅注入无功功率。 0035 在一个实施例中， 有源补偿器用来调整发电机电流 Is到最优操作点。这些最优操 作点可以由等式、 简化的或者拟合的公式或者查找表确定。 因此， 有源补偿器可以被定规格 用以提供在满负载期间与发电机单元关联的总视在功率。 由于二极管比诸如绝缘栅双极晶 体管。
33、 (IGBT) 的有源开关明显更便宜， 所以可以通过实施有源补偿器来充分降低系统的成 本。 0036 在一个实施例中， 使用 2.2MW SPMSG 机器的风力发电机系统可以为特征在于针对 配备的全有源整流器具有 2700kVA 额定值。反言之， 有源补偿器扩充的二极管桥整流器系 统可能需要 1500kVA 额定值的有源补偿器以产生相同的 2.2MW。因此， 在使用有源补偿器 时， 相同功率电流潮流输出具有减小的发电机规格。 特别地， 本主题内容实施的有源补偿 器的规格可以小于全有源整流器。为了进一步减少有源补偿器的规格， 固定电容器可以用 来供应有源补偿器需要向系统供应的无功功率的至少一部分。
34、。特别地， 更好的机器利用率 可以由基于电容的无功功率实现。此外， 更慢的柔性 AC 传输系统 (FACTS) 设备， 比如静态 VAR 补偿器 (SVC) 和晶闸管控制的电抗器 (TCR)， 可以与有源补偿器配合使用， 由此允许有 源补偿器针对快速瞬态被定规格用以进一步减少系统的总成本。 0037 图 4 图示控制框图， 该控制框图描绘控制系统 400， 该控制系统 400 用来通过调整 q 轴和 d 轴电流到最优操作点来优化 SPMSG 机器的操作。虽然图 4 中描绘的控制方法包括 一个 P-I 控制实施例， 但是可以运用任何类型的控制方法而不脱离本主题内容的范围。在 一个实施例中， SP。
35、MSG402产生由电压和电流传感器422监视检测的定子电流(Is)和端子 说 明 书 CN 103956765 A 8 6/7 页 9 电压 (Vs)。电压和电流传感器 422 可以被配置用于向处理单元 ( 未示出 ) 转送电压和电流 读数， 该处理单元利用读数与闭环等式(即这些代表发电机单元402)以便确定发电机单元 402 产生的无功功率数量。此外， 处理单元也可以接收与有源补偿器 406 关联的 DC 母线的 电压测量 (Vdc) 作为输入。在处理闭环等式之后， 处理单元可以利用测量的 Vs和 Is值作为 向系统 400 中的相位检测模块 410 和锁相回路 (PLL) 模块 412 的。
36、输入。在一个实施例中， PLL模块412可以用来跟踪电流和电压波形二者的相位。 相位检测模块410和PLL模块412 也可以各自从处理单元接收转子的相位角 (r)( 例如， 转子的位置 )， 与端子电压 Vs一起 作为输入。PLL 模块 412 可以计算向两相三相变换模块 418 转送的端子电压角 (V)。 0038 类似地， 相位检测模块 410 接收 Is和 r作为输入以确定定子电流的电流角 (I)。 为了调节无功功率， 比较预定预设电流角参考信号(I_ref)与从相位检测模块410 获得的 I， 并且向 PI 控制器模块 416 提供差值 ( 例如正或者负差值 )。PI 控制器模块 41。
37、6 的输出 ( 例如 d 轴命令 ) 设置在发电机端子 d-q 系中的 d 轴电流 ( 即定子电流 ) 并且随后 向两相三相变换模块 418 转送 PI 控制器模块 416 的输出。在一个实施例中， 变换模块 418 可以包括用于将两相信号变换成三相信号的简单等式。变换模块 418 也接收 PI 模块 414 的输出 ( 例如 q 轴命令 )， 该 PI 模块 414 将有源补偿器 406 的 DC 母线的电压 (Vdc) 与 参考值 (Vdc_ref) 进行比较。特别地， 通过调整在发电机端子 d-q 系中的注入的 q 轴电流 ( 即 电流 Ia) 来调节浮动的 DC 母线电压。DC 母线电。
38、压可以在实功率进入系统时上升并且在实 功率离开有源补偿器时下降。因此， 可以有效调节浮动的 DC 电容器电压。 0039 然后可以向电流调节器模块 420 转送从变换模块 418 所得的三相输出信号。在一 个实施例中， 三相输出信号可以包括相位参考电流。基于从有源补偿器 406 接收的反馈信 号 ( 即有源补偿器 406 的相位电流的实际测量 ) 和来自变换 418 的电流输出信号， 电流调 节器 420 可以执行生成导通关断开关信号 ( 例如门信号 ) 的电流调节过程。然后在激活 时信号可以被转送至有源补偿器 406。 0040 在一个实施例中， 有源补偿器 406 利用门信号以控制发电机单。
39、元 402。例如， 如果 在发电机绕组中检测到无功电流， 则系统 400 利用有源补偿器 406 以调节发电机电流为零 (0)。有源补偿器 406 然后可以在从电流调节器 420 接收有效的门信号时向连接点 ( 例如 链接到二极管整流器 404) 中注入无功电流。在从电流调节器 420 接收门信号时， 有源补偿 器 406 被配置用于向系统 400 中注入可以由二极管整流器 404 接收的无功电流 Ia。 0041 在一个实施例中， 利用代表描述发电机单元 402 的闭环等式来确定系统 400 需 要的无功电流数量。特别地， 有源补偿器 406 可以监视由发电机单元 402 产生的特定度量 (。
40、例如与功率有关的测量)， 并且利用与功率有关的测量来控制发电机单元402以实现最优 操作。例如， 有源补偿器 406 可以测量定子电流、 相电流或者发电机转子的位置， 并且向处 理单元提供与功率有关的测量。 基于与功率有关的测量， 发电机单元可以被优化， 即被配置 用于产生基本上或者完全由有功电流(或者有功功率)组成的电流潮流(或者功率潮流)， 即减少定子电流的无功分量至零。也可以使用与功率有关的测量作为用于闭环计算的输 入， 该闭环计算确定二极管整流器 404 需要的用以向电网逆变器 410 和电力网传送由发电 机单元 402 生成的有功电流 ( 或者功率 ) 的无功功率。在确定无功电流数量。
41、之后， 有源补 偿器 406 可以生成必需无功电流并且向连接到发电机单元 402 和二极管整流器 404 两者的 连接点处注入无功电流。 说 明 书 CN 103956765 A 9 7/7 页 10 0042 在一个实施例中， 本主题内容可以应用于诸如多相风力发电机的多相发电机。通 过在多相发电机中利用一个或者多个有源补偿器， 可以减少发电机内的谐波损耗。图 5 是 图示两个有源补偿器506-507的示例性使用， 以补偿多相(例如六相)风力发电机系统500 中的由二极管整流器 504-505 利用的无功功率的图。向电网逆变器 510 提供由有源补偿器 506-507 扩充的二极管整流器 50。
42、4-505 的输出 ( 该输出最终引向电力网 )。 0043 对于超过最大发电机速度的 95的速度， 风力发电机系统 500 可以由于二极管整 流器操作而表现出增加的谐波， 该操作造成增加的定子、 转子和设备导通损耗。特别地， 利 用有源补偿器的多相风力发电机可以在气隙中提供谐波抵消， 使得减少转子损耗。通过利 用多个有源补偿器 506-507 与诸如图 5 中描绘的六相风力发电机 502 的多相风力发电机， 可以实现损耗降低。虽然图 5 描绘六相风力发电机， 但是可以实施其它多相风力发电机系 统而不脱离本主题内容的范围。 例如九相风力发电机可以被配置用于利用三个有源补偿器 和三个二极管整流器。
43、以便降低能量损耗。 0044 图 6 描绘图示风力发电机的性能特征曲线的绘图。具体而言， 图 6 图示示例性的 2.2MW 风力发电机的性能特征曲线。例如， 图中的绘图点指示与 2.2MW 风力发电机相关联 的发电机功率 (kW) 和发电机速度 (RPM) 之间的关系。特别地， 在最大发电机速度的 ( 近 似)95以下的速度处生成额定功率的0-55。 类似地， 在最大发电机速度的(近似)95 以上的速度处生成额定功率的 55。图 6 还图示可以从数据点获得的数据曲线， 这些数据 点指示示例性风力发电机在利用有源补偿器以扩充二极管整流器系统时， 在 1400RPM 速度 ( 近似最大速度的 95。
44、 ) 处生成 1200kW( 近似额定功率的 55 )。基于风力发电机的这一 性能特征， 能够确定有源补偿器的操作和规格。 0045 对于在最大发电机速度的 95以下的速度， 有源补偿器作为发电机有源整流器来 工作。因此， 电流潮流 ( 或者关联的功率潮流 ) 穿过有源补偿器。使用图 1 作为示例， 来自 发电机 102 的电流潮流将直接流向有源补偿器 106( 即， 由此绕过二极管整流器 104) 并且 经由闭合的开关 108 引向电网逆变器 110。对于超过最大发电机速度的 95的速度， 有源 补偿器 106 可以作为补偿器来工作。例如， 来自发电机 102 的电流潮流将直接流向二极管 整。
45、流器 104( 即， 由此绕过有源补偿器 106) 并且被直接提供至电网逆变器 110( 即开关 108 将断开 )。因此， 在这一配置中电流穿过二极管整流器。一般而言， 额定 kVA 的 50-60是 用于有源补偿器以减少总系统成本并且优化发电机操作的适当 kVA 额定值。 0046 在一个实施例中， 在本主题内容中利用的有源补偿器可以包括静态同步补偿器 (STATCOM)设备。 图7描绘包括串联补偿STATCOM设备706作为无功功率源的发电系统700， 该无功功率源用来调节发电机单元 702 的端子电压。例如， 可以通过变化在机器端子的电 流的虚和实部来独立控制在 STATCOM 设备的。
46、 DC 母线处的 DC 电压。具体而言， STATCOM DC 母线可以从主 DC 母线断开。在先前提到的实施例中， 有源补偿器被配置用于通过使用开关 母线来向 DC 母线发送功率。然而， 在图 7 中描绘的具体实施例中， 在系统 700 的 DC 母线侧 上无开关机制。在一个实施例中， 在 STATCOM 设备 607 与剩余系统 700 之间存在的连接可 以包括至少一个电感器和或至少一个电容器。 0047 将理解可以改变当前公开的主题内容的各种细节而不脱离当前公开的主题内容 的范围。另外， 前文描述仅用于举例说明的目的， 而不是限制的目的。 说 明 书 CN 103956765 A 10 1/5 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103956765 A 11 2/5 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103956765 A 12 3/5 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 103956765 A 13 4/5 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 103956765 A 14 5/5 页 15 图 7 说 明 书 附 图 CN 103956765 A 15 。