可变速风轮机发电机 本发明涉及风轮机领域，尤其涉及具有双馈发电机的并根据发电机转子速度进行转矩控制和俯仰调节的可变速的风轮机。
近来，风轮机由于对环境无害并作为相对廉价的一种能源而受到重视。随着对风轮机的兴趣不断增加，一直致力于研制可靠而高效的风轮机。
一般地说，风轮机包括具有多个叶片的转子。转子被安装在一个壳体内，其位于支架或筒形塔的顶部。涡轮机的叶片把风能转换成用于驱动一个或几个通过齿轮箱和转子转动地连接的发电机的转矩或力。齿轮箱使涡轮机转子的固有的低的转速升高，以便使发电机高效地把机械能转换成供给共用电网的电能。
在风轮机中使用许多类型的发电机。至少一种现有技术的风轮机包括双馈绕线转子发电机。见1991年2月19日公开的名称为“双馈发电机可变速发电控制系统”的美国专利4994684。
线绕转子感应发电机(WRIG)一般包括4个主要部件：定子、转子、滑环和具有轴承的端盖。图1所示是一种两极三相发电机的截面图，为简化起见，绕组用一对导体表示。参看图1，发电机100包括定子101，转子102和转子以及定子的相绕组A，分别用103和104表示。图中还示出了通过齿轮箱连接风轮机叶片和发电机100的轴105。
参看图2，在WRIG系统中，定子绕组104一般和三相共用电网相连，例如480V的三相电网201，并且转子绕组103通过滑环(未示出)和发电机侧逆变器202相连。绕组104还和与线路侧逆变器203并联的480V三相电源201相连。线路侧逆变器203和发电机侧逆变器202由直流母线204相连。图2所示的结构(即线路侧逆变器203，直流母线204，以及发电机侧逆变器202)使得功率可以从转子绕组103流入或流出。两个逆变器受数字信号处理器(DSP)205的控制。
许多常规的风轮机以恒速转动，从而产生恒定频率的电力，例如每秒60周(60Hz)，这是美国地交流电的标准频率，或者50Hz，这是欧洲的标准频率。因为风速不断变化，这些风轮机结合常规的鼠笼感应发电机的特性，或者利用有功的(俯仰调节)或者利用无功的(失速调节)空气动力学控制以便维持恒定的涡轮机转子速度。
一些涡轮机通过使用功率变换器变速运行以调节其输出。当涡轮机转子的速度波动时，来自发电机的交流电流的频率也改变。位于发电机和电网之间的功率变换器把可变频率的交流电流变换为直流，然后将其变换为具有恒定频率的交流，发电机的总的功率输出由变换器组合(总变换)，例如1992年1月21日公开的名称为“可变速风轮机”的美国专利5083039中披露的风轮机。
使用可变速的风轮机发电具有许多优点，其中包括比恒速风轮机具有较高的推进器效率，无功功率-VAR和功率因数的控制简单，以及容易进行负载调节。
一些现有技术的可变速风轮机是使用功率变换器全部整流风轮机的整个功率输出的总变换系统。即在可变频率下操作的风轮机产生可变频率的输出，并将其变换为固定的频率以便跟踪电网。这种利用总变换的系统的成本非常高。因此，经常寻求低成本的解决方案，例如利用部分转换的线绕转子发电机系统，其中只有风轮机输出的一部分被整流并被功率变换器逆变。
当前由功率变换器使用的用于控制部分变换过程的几种控制算法存在一些问题。例如，某些系统具有稳定性问题，其中的功率和转矩具有大的振荡。其它的系统如果不使主要元件过热则不能产生足够的功率，或者不容易被改进以便提供系列生产的成本低的方案。
因而，需要一种成本低的风轮机系统，其没有现有技术那样的稳定性问题，却能够产生大的功率，并具有好的成本效果比，同时不产生过多的热量，并且可以容易改进成本效果比，容易进行设计。
本发明公开了一种例如用于风轮机中的可变速系统。该系统包括线绕转子感应发电机，转矩控制器和俯仰控制器。转矩控制器使用磁场定向控制方法控制发电机转矩。俯仰控制器根据不依赖于转矩控制器的发电机转子速度进行俯仰调节。
从下面给出的详细说明和本发明的各个实施例的附图可以更充分地理解本发明，不过，本发明不限于这些特定实施例，这些实施例只是为了说明而已。
图1是简化的线绕转子感应发电机的截面图；
图2表示包括线绕转子感应发电机的典型系统的结构；
图3表示在转矩与电流和磁通的叉积之间的相等关系；
图4表示线绕磁场的直流电动机；
图5表示只有A相被激磁时的磁通方向；
图6A是本发明的系统的一个实施例的流程图；
图6B是本发明的线绕转子感应发电机和转矩控制系统的一个实施例的方块图；
图6C表示磁通矢量和转子电流矢量之间的关系；
图6D表示转子电流的分量；
图7是本发明的风轮机控制器的一个实施例的流程图，表示用于功率/转矩控制器的选通/禁止步骤和俯仰控制器的不同的方式；
图8是本发明的俯仰调节方式的一个实施例的流程图；
图9是本发明的rpm调节方式的一个实施例的流程图；
图10A是俯仰控制系统的一个实施例的方块图；
图10B是本发明的比例、积分、微分(PID)俯仰控制器的一个实施例的方块图。
下面说明一种可变速系统。在下面的说明中，提出了许多细节，例如设置点，瓦数等等。不过本领域的技术人员应当理解，本发明可以不用这些特定的细节而被实施。此外，熟知的结构和装置以方块图表示，而没有给出细节，以便更简明地说明本发明。
本发明提供了一种可变速系统，在一个实施例中，所述的可变速系统包括具有一定功率/转矩容量的风轮发电机，其和电网相连并向电网供电。在一个实施例中，本发明的发电机包括线绕转子感应发电机(WRIG或双馈发电机(DFG))和利用叶片俯仰调节并可进行可变速操作以便在所有的风速下都能达到最佳功率输出的转子。
感应发电机产生功率的能力等效于其在一定转速下产生转矩的能力。当沿着和其转向相反的方向在发电机转子上施加转矩时，转子的机械能便转化为电能。在感应发电机中，转矩是由电流和磁通之间的相互作用产生的，如图3所示，更精确地说，转矩是电流和磁通的叉积。为了在给定磁通下产生最大的转矩，转子电流矢量的方向和磁通的方向被精确地保持90度。在直流电动机中，磁通和电枢电流之间的这种垂直关系由换向器完成。
图4表示线绕磁场的直流电动机的结构。因为电枢绕组和磁场绕组是分开的，所以直流电动机可以通过调节电枢电流而达到所需的转矩输出与通过调节用于所需的磁通密度的磁场绕组电流来进行控制。
在感应发电机中产生转矩的原理和直流电动机相同。两者的主要区别在于，在直流电动机中，磁通和电枢电流的方向是固定的，而在感应发电机中，这两个矢量以恒速旋转。
磁场定向控制(FOC)是一种用于识别磁通矢量并相应地控制转矩产生电流的一种算法。
图5表示当只有A相的定子绕组被激励时的磁通方向。在图2所示的系统中，由三相电压源按照顺序激励定子的各相，因而产生旋转磁通矢量。
注意磁通和三相电流是二维(2D)矢量(即具有幅值和相角)，并且在转子电流为0时，磁通矢量(Ψ)与定子电流矢量(Is)的关系由下式给出：
(1) Ψ＝Ls*Is
其中Ls是定子电感。当转子绕组不被激励时，发电机类似于一个电抗器，即，定子电流滞后定子电压90度，更精确地说，
(2) Vs＝dΨ/dt＝LsdIs/dt
其中Vs代表定子电压。
在FOC中一个重要元件是磁通模型。磁通模型被用于识别磁通矢量。公式(1)是WRIC的磁通模型的最简单的形式，并且表示磁通矢量可以通过取定子电流测量值(Is)和定子电感(Ls)的乘积来简单地进行识别。通过使用该磁通模型，可以识别磁通矢量，从而使得可以通过控制转矩来产生功率。
虽然以下的说明是根据可变风速的风轮机进行的，但是本发明可以用于其它的电气与机械系统。例如，本发明的发电机可以用于具有其它使和发电机转子相连的轴转动的能源的系统中，例如水轮机、燃气轮机和一般的原动机系统等。
在一个实施例中，本发明的风轮机包括具有3个叶片的转子，并且包括具有全跨度叶片俯仰控制、俯仰轴承和轮毂。这种风轮机转子在本领域是熟知的。注意在本发明中可以使用任何数量的叶片和任何其它的涡轮机结构。风轮机转子和一个包括主轴的整体驱动链相连。主轴和发电机相连。
本发明的系统还包括被设置在电网和双馈线绕转子感应发电机的线绕转子之间的功率变换器。定子通过接触器和电网相连。因为变换器位于转子电路中，其处理(例如变换)风轮机转子的总的额定输出千瓦数的一部分。在一个实施例中，风轮机转子的总的额定输出包括750KW，其中变换器至多变换总的额定输出的百分之25-30(例如160KW)。在一个实施例中，发电机是一个750KW，460V的线绕转子感应发电机。
在一个实施例中，本发明提供一种可变速系统，其具有线绕转子感应发电机，转矩控制器和比例积分微分(PID)俯仰(或速度)控制器。本发明的感应发电机可以包括滑环型感应发电机或无滑环型感应发电机。所述可变速系统使用具有功率变换器系统的线绕转子感应发电机，以便确保向电网提供恒定频率的功率。注意虽然说明的是用于电网，但是本领域的技术人员应当理解本发明可以用于其它方面，例如独立的电力系统。
一般作为功率变换器的一部分的转矩控制器用于控制发电机的转矩。在一个实施例中，转矩控制器通过磁场定向控制(FOC)方法利用磁通矢量控制根据发电机的速度控制发电机转矩。转矩控制器从发电机接入到额定风速操作发电机。在一个实施例中，接入指的是发电机或风轮机被设计工作的最低的风速，而额定转速是风轮机产生其最大功率(例如750KW)时的最小风速。在一个实施例中，在上述的额定风速下，转矩控制器保持发电机转子发出的功率恒定。
在一个实施例中，功率控制器包括一个查阅表(LUT)，其按照发电机转子速度输出功率值。功率控制器内插LUT，其含有编码的功率-速度曲线，以便获得目标输出功率。该功率然后除以测得的发电机转子速度，从而由公式T＝P/ω(转矩＝功率/角速度)得到所需的发电机转矩。在一个实施例中，LUT的输出是目标输出功率，使用比较器或差分硬件或软件使该功率和实际的输出功率比较，从而产生功率误差指示。比例积分(PI)控制器产生响应功率误差指示产生调整的实际输出功率值，然后通过硬件或软件除法器除以测量的发电机转子速度，从而得到指令转矩。指令转矩使得特定的转子电流矢量被加于转子上，其和识别的磁通矢量相互作用而产生所需的发电机转矩。
因而，本发明还用于控制发电机转矩，其中通过测量实际的发电机速度，使用测量的转子速度访问LUT，从而获得目标输出功率，比较实际输出功率和目标输出功率，通过调整转矩计算产生指令转矩，从而根据实际输出功率和目标输出功率的比较维持预定的输出。
在一个实施例中，使用用于同步这种可变速系统的处理，其中包括连接发电机定子，连接发电机转子，按比例增加转子电流磁化分量Ird(转子电流的产生转矩的分量)，并通过控制转子电流Irq的磁通产生分量调节发电机转矩。
本发明的系统还包括一种可变俯仰和速度调节子系统，其通过使用比例、积分、微分(PID)控制器提供实时的比例俯仰位置以及风轮机速度调节。
PID控制器根据发电机转子速度实行俯仰调节，并独立于功率变换器中的转矩控制器而操作。在一个实施例中，PID控制器是一种闭环的PID控制器，其在等于或大于额定风速时产生俯仰速率而实行俯仰调节。在一个实施例中，PID控制器在小于上述的额定风速期间实行俯仰调节。在一个实施例中，在额定速度以下，俯仰角被固定在输出全功率的位置。
PID控制器通过使风轮机的叶片俯仰控制发电机转子速度。在一个实施例中，PID控制器响应目标转子速度和测量(实际的)的转子速度之间的差产生输出电压，一个非线性的LUT(在一个实施例中，图10的表1011)使用这种控制器，从而响应所述输出电压输出俯仰速率。
虽然本发明结合PID控制器进行了说明，但是在实施例中也可以使用比例积分(PI)控制器，比例微分(PD)控制器或比例控制器。也可以使用其它的滞后-超前或超前-滞后的控制器。此外，虽然本发明结合闭环控制器进行了说明，但是也可以使用开环控制器，例如具有微分项的开环控制器。这种类型的控制器是本领域内熟知的。
图6A说明按照本发明的系统的一个实施例。参见图6A，在可变速变换器中的发电机转矩控制603被连接用于接收根据测量的rpm607计算的转矩601和预定最大转矩设置点602。在一个实施例中，计算转矩601是基于查看表/功率速度曲线640的发电机的测量的rpm的函数。表640的输出使用除法器641除以测量的rpm 607。
在一个实施例中，最大转矩602被设置为大约5250Nm，这个选择基于可从变换器系统热额定值得到的最大电流。换句话说，对于特定的风轮机转子设计，这个选择基于计算的转矩速度特性曲线。在一个实施例中，这个选择基于290amp的激磁量。
响应这些输入，转矩控制603产生一个用于控制发电机转子604的转矩指令。转矩控制603还被相连用于接收VAR或功率因数指令642。
发电机转子604被连接用于接收来自发电机转矩控制603的转矩指令，并被连接用于通过磁隙向发电机定子输出605提供功率。反馈612被从发电机定子输出605连接到发电机转子604的输入。发电机转子604的输出被连接到共用电网606。
发电机转子604还被连接到用于产生发电机转子604的测量速度607(rpm)的测量装置。在一个实施例中，测量装置包括光学编码器，用于提供发电机转子604的位置和旋转速度。
比例、积分和微分(PID)控制器和俯仰率限制块609被连接用于接收测量速度607和操作速度设置点608。操作速度设置点可以根据用于确定最大转矩设置点的相同的转矩速度特性设置。在一个实施例中，操作速度设置点基于最大的转矩和功率。在一个实施例中，操作速度设置点608是1423rpm。响应这些输入，PID和俯仰率限制块609产生一个电压输出。
可变的俯仰控制(VPC)601被连接用于接收来自PID和俯仰率限制块609的俯仰速率输出。VPC610和叶片转子611相连用于通过借助于叶片俯仰作用控制输入的叶片转子611的空气动力学转矩。PID和俯仰率限制块609产生所需的俯仰速率，其使用一个表被转换成电压，如下面要详细说明的。可变电压输出被施加于一个液压系统中的比例阀，其通过以可变速率致动俯仰汽缸使叶片俯仰。因而，可变俯仰控制通过控制空气动力学转矩调节rpm。
包括测量的rpm607和操作速度(rpm)设置点608的PID和俯仰率限制块609、VPC610和叶片转子611形成叶片俯仰系统650，而测量的rpm607和图6A的系统的其余部分是功率变换器和发电机系统651的一部分。注意在一个实施例中，测量的rpm607同时被叶片俯仰系统650和功率变换器/发电机系统651使用。
在本发明中，功率变换器按照预定的功率速度曲线控制线绕转子感应发电机。通过跟随预定的功率速度曲线，可变速系统能够从接入到额定风速(此处叫做II区)以最大的功率因数操作风轮机，借以确保实现最大的空气动力学能量捕获。应当注意，功率速度曲线和转矩速度曲线有关，因为P＝Tω。
在一个实施例中，功率速度曲线在功率变换器中以功率和相应的发电机速度的查阅表(LUT)的形式被编码。LUT可以驻留于硬件或软件中。为了控制转矩，功率变换器测量发电机转子速度，内插LUT，从而确定目标风轮机输出功率，并利用关系T＝P/ω使用发电机转子速度计算所需的发电机转矩。在一个实施例中，该转矩通过借助于确定所需的电流矢量而被产生，其中使用熟知的脉宽调制技术产生所述矢量。
在一个实施例中，由于理论和实际之间的小的偏差，本发明的功率变换器使用闭环的PI控制器，其比较实际的风轮机功率输出和目标值或所需的输出，并对转矩计算进行小的调节，以便达到并维持所需的风轮机输出。
功率变换器的转矩控制器使用磁场定向控制(FOC)根据发电机转子速度产生发电机转矩。使用定子电流、转子电流和转子角度作为输入量，功率变换器的转矩控制器识别磁通矢量，并发出所需的转子电流矢量的指令，该矢量和定子磁通矢量相互作用，产生所需的发电机转矩。通过正确地使变换器的绝缘栅双极晶体管(IGBT)切换，产生转子电流，其中使用熟知的脉宽调制(PWM)电流调整技术，例如在1992年1月21日公开的名称为“可变速的风轮机”的专利US5083039中描述的。用这种方式，功率控制系统跟随在空气动力学方面最佳的功率/转矩-速度曲线。
注意含有功率/转矩-速度曲线的查阅表的值基于特定的风轮机转子的空气动力学特性和风轮机转子的几何形状。因此，被设置在所述表的值对于不同的风轮机转子是不同的。
线绕转子感应发电机的转矩控制器和有关的部分的一个实施例如图6B所示。转矩可以被表示为：
(3) Td＝k*ψ*Irq
其中k是发电机参数。从控制器的观点看来，式(3)采用下面的形式：
(4) Irq＝Td/(k*ψ)
对于从转矩指令控制器623输出的给定的所需转矩Td，式(4)给出转子电流的大小。
参看图6B，转矩控制器623包括功率表623A，PI控制器623B，除法器623C，开关629以及可以用硬件或软件实现的用于产生差值的比较器623D和623E，和正馈阻尼滤波器623F。功率表623A是一个LUT，其被连接用于接收发电机速度607并输出相应于发电机速度607的目标功率值。功率表623A的一个实施例如下面表1所示：表1 发电机 速度 RPM 电功率 (kW) 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 -177 -177 135 167 203 247 287 335 388 450 507 575 647 743 750 750 750 750
目标输出功率由比较器623D比较，从而产生目标输出功率和实际输出功率之间的差。所得的差被输入到PI控制器623B，其根据需要调节功率。除法器623C被连接用于接收来自PI控制器623B和发电机速度607的调节的功率，并输出指令转矩。
指令转矩可以被正馈阻尼滤波器623F产生的转矩值进行调整。阻尼滤波器623F检测非刚性(顺从的)轴(为了简明未示出)的谐振运动(在共振时)，所述谐振运动是由在两个分开的惯性物之间的耦联造成的，其中一个惯性物是由于齿轮箱和发电机形成的，另一个是由风轮机的叶片形成的。响应这个检测，阻尼滤波器623F施加一个负转矩以便减少两个惯性物之间的相对运动。在一个实施例中，阻尼滤波器623F包括带通滤波器，其中通带的中心在两个惯性物和轴的谐振频率上。
所得的指令转矩被加到感应发电机的线绕转子上。
开关629响应制动指示信号而工作，把指令转矩转化为最大恒定转矩660，如下面详细说明的。
关于产生转矩的操作，控制一个转子电流分量Irq流过垂直方向的磁通(见图6D)。Irq的幅值由下式给出：
Irq＝Td/(k*ψ)
其中k是发电机参数。注意转子电流Ird，下面详细说明，产生发电机磁通而不产生转矩。
转子电流分量块622被连接用于接收指令转矩和来自直角坐标-极坐标变换块626的磁通矢量的标量分量，变换块把磁通矢量从磁通模型621变换为极坐标。响应这些输入，转子电流分量块622产生转子电流转矩分量Irq。
磁通模型621识别磁通矢量。为识别磁通矢量，电流变换器块621A和621B获得定子电流矢量和转子电流矢量。注意因为电流矢量可以通过测量三相电流中的两相被确定，所以只需要两个电流检测器(未示出)。具有发电机620的转子角621B的定子电流矢量被输入框架变换块627C。框架变换块627C把定子电流变换为转子固定的框架。由框架变换块627C的输出，在块62ID确定定子电感Ls。由转子电流矢量，在块621F可以获得转子电感Lr。由定子电感Ls和转子电感Lr产生磁通矢量。
一旦确定磁通矢量，来自逆变器624的转子电流矢量输出便被沿着垂直于磁通的方向“定位”，从而产生转矩。因为对于转子部件转子电流是特定的，所以转子电流指令取决于磁通角度和转子角度。具体地说，磁通角度被首先变换到转子固定的参考框架，在这个参考框架中，转子电流指令的方向是垂直于磁通的方向。这一过程如图6C所示。
使用转子电流分量Irq，结合变换块626输出的感性部分，在逆变器624的输入端产生电流参考。如图所示，逆变器630通过直流母线631和逆变器624相连，并和发电机620的定子侧(线路侧)相连。
当迫使这个转子电流流过转子绕组时，便产生所需的转矩Td，并且产生功率(Td*ω)，其中ω是转子速度。这个功率以流回电网的定子电流的形式被产生。产生这个功率的定子电流和定子电压同相。
当由发电机发出功率时，上面式(1)说明的磁通模型不再有效，这是因为现在定子电流由两个分量构成：磁通产生分量和功率承载分量。功率承载分量不产生磁通，因为这个电流分量具有和转矩产生转子电流相同的幅值但方向相反。换句话说，由这两个电流矢量(即功率承载定子电流和转矩产生转子电流)产生的磁通之和为0。为了从定子电流的测量值中除去功率承载分量，转子电流(Ir)被加到上述的式(1)，即，
Ψ＝Ls*Is+Lr*Ir
其中Lr是转子电感。Ls和Lr相差一个绕组比。
注意在上述的操作中，虽然功率承载定子电流分量和定子电压同相位，但是磁通产生分量滞后定子电压90度。这个磁通产生电流分量使得定子功率因数不等于1。因为磁通产生电流固有地滞后电压90度，所以要使定子侧的功率因数等于1，需要由转子绕组产生磁通。
为了由转子绕组产生磁通，应当具有一个转子电流的附加分量Ird。这个附加分量应当沿着磁通的方向，如图6D所示。
当转子电流(Ird)的磁通产生分量增加时，磁通产生定子电流则减少。这是由于磁通的幅值由于恒定的定子电压而被保持恒定(式2)。转子电流的磁通产生分量Ird可以按这样的方法控制，使得其产生的磁通感应出和电网电压相同的电压。即，感应电压和电网电压的大小和相位相同。在这种情况下，感应的电压克服电网电压，因而定子绕组不吸取定子电流，这是系统功率因数等于1时的情况。
注意VAR/功率因数控制670可以被包括在系统中，用于控制无功功率的产生。(定子电压Vs和定子电流矢量Is的乘积(当不产生转矩时)代表发电机所需的激磁无功功率。)
功率变换器只有在被启动时才工作。风轮机控制器启动并禁止功率变换器，如图7块705所示。这种风轮机控制器可以以硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现，例如在基于系统的计算机或控制器中那样。在一个实施例中，本发明使用二进制逻辑电压信号选通和禁止功率变换器，本文把其叫做变换器选通信号。
在一个实施例中，当风轮机控制器处于正常操作方式(本文叫做自动方式)时，风轮机控制器使风轮机向风向偏转，并使风轮机的叶片处于全功率位置。全功率位置对于本领域的技术人员是容易理解的。给予足够的风力，叶片便开始旋转，因而发电机速度增加。一旦发电机速度达到预定的转换器启动速度，风轮机控制器便向功率变换器发出变换器启动信号。在一个实施例中，预定的变换器启动速度为820rpm。
响应收到变换器启动信号，开始执行变换器启动程序。在一个实施例中，系统开始闭合交流线路接触器(在逆变器630中)，这使得线路本体(在逆变器630中)和电网相连。一个预定的延迟可以使得在接触器闭合时不产生瞬变。在一个实施例中，该预定延迟是1.5秒。选通程序的一个实施例结合图7和块714，715，716以及717进行详细说明。
在接触器闭合之后，发生母线预充电循环，以便确保母线被充分充电，并能够调节瞬时转矩。在这种情况下，调节直流母线电压到一个预定值。在一个实施例中，所述预定值是750V直流电压。可以使用另一个延迟用于确保母线被充分预充电，从而进行正确调节。在一个实施例中，所述延迟可以是5秒。在一个实施例中，如果母线不被调节，则产生母线过电压或欠电压故障，并向风轮机控制器发送变换器故障信号。
当发电机速度等于或大于一个预定速度并且已经经过预定的母线延迟时(即在对母线进行5秒钟的充分充电之后)，定子接触器被闭合(块714)，从而激励定子绕组并产生旋转的定子磁通。定子绕组只用电压激磁。由于定子绕组的电感，冲击电流是很小的，并且在一个实施例中，只有75％的最大操作电流。在一个实施例中，预定速度是900rpm。可以利用一个延迟使定子接触器闭合并降低瞬变。在一个实施例中，所述延迟是3秒钟。
当发电机速度达到或大于预定速度，并证实转子电压低于一个预定的电压峰值时，转子接触器被闭合(块715)，从而使发电机基体和线绕转子感应发电机的转子相连。在一个实施例中，预定速度是1000rpm，预定电压峰值是318V。可以使用一个延迟使转子接触器闭合。在一个实施例中，所述延迟是0.5秒。此时，转子侧的IGBT(逆变器624中)不切换。因为转子侧IGBT尚未切换，所以没有电流流过，不产生瞬变或功率。因为没有有功功率(只有无功功率)，不会产生转矩冲击。
在转子侧IGBT导通时开始产生功率，此时产生为产生所需转矩所需的电流矢量(大小和位置)。在一个实施例中，响应来自转矩控制器(例如处理器)的指令产生所述电流矢量。首先，这一转矩从0按一定斜率上升到由最佳功率/转矩-速度曲线规定的值。按一定斜率上升可以消除功率或转矩的漂移，并使得风轮机能够平滑地接入系统。
注意本发明的同步和传统的在同步或鼠笼感应电机中使用的“同步”过程不同，在本发明中指的是，没有把风轮机接入系统时而产生的冲击、瞬变或功率振荡。
一旦同步之后，功率变换器便遵守上述的功率-速度曲线(块717)，直到被风轮机控制器解除。
应当注意，上述的关于变换器启动过程的延迟可以根据系统中使用的元件和在风轮机侧存在的环境条件进行调节。这些可以由硬件和软件来实现。
在一个实施例中，输入到风轮机的功率由风力提供。如果风速改变，则风轮机的输入功率改变。为了补偿输入功率的改变，本发明提供一种用于更新发电机转矩的更新方法。因为发电机转矩是由功率变换器确定的(瞬时)，所以发电机速度按照功率公式P＝Tω而增加。功率变换器连续地采样发电机速度，识别出速度已经改变，并识别新的速度，并且更新查阅表中的所需功率。功率变换器由所需的功率确定新的转矩并根据FOC计算被加于发电机转子上的新的电流矢量。在一个实施例中，每隔33毫秒或每隔60Hz线路的两个周期发生一次更新处理，使风轮机平稳准确地跟随功率-速度曲线。注意更新速度可以改变或者在操作期间可以动态地改变。
在额定风速以下(例如区域II)，使叶片保持预定的功率捕获角，因而此时的发电机/风轮机速度取决于指令转矩和风力输入。这保证功率-速度曲线被正确地选择。在一个实施例中，预定功率捕获角是最大的功率捕获角(例如0，1，或2度俯仰)。俯仰角的读数根据风速而改变。
额定功率发生在预定的发电机转子速度下。在一个实施例中，该速度是1423rpm。超过额定风速，发电机转子速度被PID控制器控制，其响应发电机转子速度表示使叶片俯仰。注意所述表示可以以不同形式改变，其中包括但不限于，一个信号或者在寄存器中存储的速度值。重要的是，PID俯仰控制器独立于功率变换器而工作。如果功率变换器故障，PID控制器则通过指令较大的叶片俯仰角保持发电机的速度(在一个实施例中1423rpm)。这样，该系统具有内装的故障安全操作装置。
对于等于或大于产生额定功率的发电机转速(例如1423或更多)，功率速度曲线是这样的，使得功率变换器保持功率恒定，因而没有明显的波动。因而，在额定风速以上的阵风，其趋于增加风轮机速度，对于发电机功率没有什么影响，因为PID控制器响应并调节发电机转子速度。不过，PID控制器的响应是这样的，其可以在大约5％的范围内有效地控制转子速度，因而控制功率漂移，对于等于或大于额定值的风速，能够产生几乎恒定的功率。
在额定值以上，由于定子功率保持恒定，当由线绕转子感应发电机的转子产生过量的功率时，功率漂移必须对电网电压没有影响。在这些漂移期间，通过功率变换器使转矩保持恒定，转子电流(和定子电流)被保持恒定(转矩和电流成正比)。因为在阵风期间转子电流是常数，转子功率的增加是由于转子电压的增加。但是因为位于发电机转子和电网之间的功率变换器把改变的转子电压用电子方式转换为恒定的交流波形(例如60Hz，460V交流波形)，电网电压不受这个电压增加的影响。
本发明的可变俯仰控制系统(VPC)是一种实时的、分布的、伺服系统，用于风轮机的俯仰位置和转子速度控制。VPC监视并控制叶片俯仰位置，俯仰速率和发电机转速。
在一个实施例中，俯仰位置传感器提供一个和叶片俯仰位置成比例的模拟信号，并将其转换为数字信号，用于识别风轮机叶片的当前位置。和叶片相连的叶片致动器用于机械地改变叶片的俯仰。
图7是说明本发明的俯仰调节系统的一个实施例的流程图。系统中的控制或处理逻辑和系统中的机电硬件协同完成某些操作。控制与处理逻辑可以用硬件或软件或者二者的结合来实现，例如计算机或控制系统中那样。
参见图7，俯仰调节系统由测量转子速度开始(块701)。与此同时，系统确定其操作状态(块702)。在块703，确定俯仰调节系统是否是自动方式。如果系统的操作状态不是自动方式，则在块704确定发电机转子速度是否小于预定速度。在一个实施例中，预定速度是1035rpm。如果系统不是自动方式，并且发电机转子速度小于预定速度，则在块705使功率变换器执行解除程序；否则，系统保持在当前状态。
如果系统处于自动方式操作，则在块706继续执行处理，确定是否发电机转子速度在增加。如果不是，则在块707确定发电机转子速度是否小于一个预定值。在一个实施例中，所述预定值是835rpm。如果发电机转子速度不是正在增加，并且小于835rpm，则在块705使功率变换器执行解除程序；否则，系统保持在当前状态。
在一个实施例中，解除程序包括以一定斜率减少转子电流(块708)，在块709断开发电机的转子，并且在块710断开发电机的定子。
如果在块706确定发电机转子速度在增加，则在块711确定发电机转子速度是否大于100rpm。如果是，则把俯仰设置在一个预定的设置点(处理块713)。在一个实施例中，预定的俯仰设置点是0度。在另一个实施例中，俯仰可以被设置为任何的度数或位置，包括1，2，或3度。在一个实施例中，预定的设置点是可变的。
此外，如果发电机转子速度大于100rpm，则在块712确定发电机转子速度是否大于一个预定速度。在一个实施例中，该预定速度是820rpm。如果是，则在块705使变换器执行选通程序。因此，在本实施例中，当发电机转子速度大于820rpm时功率变换器被选通。
在一个实施例中，选通程序包括以下步骤。首先，在块714，使发电机定子和电网相连。此后，在块715，连接发电机转子。此后，在块716，使发电机转子电流的磁通分量以一定斜率上升，然后，在块717，调节发电机转矩。这种选通程序是一种连接发电机的无源同步技术，因而在转子电流为0的条件下在线地进行。按照本发明的线绕转子感应发电机和矢量控制相结合，使得这成为可能。
如果在块711确定发电机转子速度正在增加但不超过100rpm，则在块718把俯仰设置在预定的度数。在一个实施例中，俯仰被设置为25度。注意该俯仰是一个可以改变的设置点。俯仰应当被这样选择，使得获得额外的升力，帮助风轮机较快地加速。
本发明还包括系统的俯仰位置部分。首先，在块720，使用熟知的测量技术测量俯仰位置。此后，在块721，计算实际俯仰和预定俯仰之间的误差。
此后，在块722，把俯仰位置误差放大。在块723，利用放大的俯仰位置误差和在块701检测的速度，限制动态俯仰变化率。
在把动态俯仰变化率限制为一个预定量之后，确定发电机转子速度是否大于预定速度。在一个实施例中，预定速度是1423rpm，如果发电机速度不大于预定速度，则在块726，俯仰调节系统执行固定俯仰位置方式，否则，则在块727俯仰调节系统执行RPM调节方式。
如上所述，俯仰调节用于把叶片俯仰角保持在一个设计操作位置，以便在额定功率以下操作。在一个实施例中，该位置是0度。不过，其它的位置也可以使用。VPC通过命令产生一个负电压进行俯仰调节，该电压使俯仰汽缸从其原始停止位置(例如90度)或一个有凸起的位置以每秒某个度数的恒定速度(例如1度)向着其正常的0度设置位置运动。
在本发明中，位置指令电压被施加到误差放大器，以产生一个与指令位置(Pc)和反馈位置(Pf)之差成正比的误差输出。在一个实施例中，误差放大器是由软件实现的。然而，这样的放大也可以由硬件实现。
输出误差被放大，并被送到比例阀。用位置率限制器来首先将俯仰率限制到每秒1度。这限制了低风力和高风力下转子的加速，并使得能平稳过渡，不产生过速问题。
一旦风轮机达到其零度位置，比例放大器通过产生一个电压有助于维持这一位置，该电压与由于水压系统压力的降低引起的任何误差成比例。如果在对操作俯仰角的初始调节期间，发电机速度不超过预定速度(例如，100rpm)，那么该系统将叶片的俯仰角调节为一个预定值(例如，25度)。这有助于在非常高的风力下起动转子。一旦发电机速度高于该预定值，则该系统将叶片的俯仰角调节为正常的零度位置。
当发电机速度小于其额定设置点(例如1423rpm)时，在等于或大于额定功率时(即在范围II)发生俯仰调节。在一个实施例中，在从低于额定值向高于额定值的转换期间，在发电机速度达到额定设置点(例如1423rpm)之前，根据发电机转子速度信号的加速(例如来自块607)，PID系统开始向着凸起部使叶片俯仰。
由于俯仰速率的改变被限制于只有每秒1度，所以在额定功率以下的俯仰调节不需要全部的PID系统。
图8说明本发明的俯仰位置方式的一个实施例。参看图8，在块800，计算俯仰位置误差值，其和指令位置Pc与反馈位置Pf之间的差成比例。然后在块801确定俯仰误差是否是正的。如果不是，则在块803确定转子速度是否大于第一预定速度设置点。在一个实施例中，所述设置点是1200rpm，如在块802测量的。如果俯仰误差不是正的并且发电机转子速度不大于第一预定速度设置点，则在块804继续处理，把俯仰速率限制设置为等于Y1，并被输入到动态俯仰速率限制器805。
如果转子速度大于第一预定速度设置点，则在块806确定转子速度是否大于第二较高的预定速度设置点。在一个实施例中，第二预定速度设置点是1250rpm。如果转子速度大于第二预定速度设置点，则继续在块807的处理，把俯仰速率值Y设置为-Y2，并被输入到动态俯仰速率限制器805。如果转子速度不大于第二预定速度设置点，则在块808把俯仰速率限制值设置为转子速度的函数，其在-Y1和-Y2之间，并在块805把俯仰速率限制值Y发送给动态俯仰速率限制器。在一个实施例中，所述函数是在最大和最小之间线性变化的俯仰速率限制器的线性函数。如果俯仰误差是正的，则在块809确定转子速度是否大于第三预定速度设置点。在一个实施例中，第三预定速度设置点是1100rpm。如果俯仰速率是正的，并且发电机转子速度不大于第三预定速度设置点，则继续在块810进行处理，把俯仰速率限制值Y设置为Y1，并在块805被输入到动态俯仰速率限制器。
如果转子速度大于第三预定速度设置点，则在块811确定转子速度是否大于第四预定速度设置点。在一个实施例中，所述设置点是1150rpm。如果转子速度大于第四预定速度设置点，则在块812继续处理，把俯仰速率限制值Y设置为Y2，并在块805被输入到动态俯仰速率限制器。如果转子速度不大于第四预定速度设置点，则在块813把俯仰速率限制值Y设置为转子速度的函数，其在Y1和Y2之间，并在块805把俯仰速率限制值Y发送给动态俯仰速率限制器。这样，该函数便和上述的块808的函数的方向相反。在一个实施例中，该函数是在Y1和Y2之间的线性上升的俯仰速率限制器的线性函数，其中Y1，Y2分别是最大值和最小值。
在块814把在块800确定的俯仰位置误差值放大，并在块805将其输入到动态俯仰速率限制器。响应俯仰速率限制值Y和放大的俯仰位置误差值，最初把俯仰速率改变限制于每秒1度从而在低风速和高风速下限制转子的加速，并使得能够平滑地过渡到发电状态而没有超速问题。
在块815确定由块802测量的转子速度是否大于第五预定速度设置点。在一个实施例中，所述设置点是1423rpm。如果测量的转子速度大于第五预定速度设置点，则在块816系统进入RPM调节方式。在另一方面，如果测量的转子速度不大于第五预定速度设置点，则在块817把俯仰速率设置为一个被编程的值，其可以用一个二进制电压表示，并继续执行块818的处理。
在块818确定系统是否是自动方式。在一个实施例中，这通过在块819确定是否由于检测到故障而处于待机/停止故障方式来确定。如果系统不处于自动方式，则处理在块820继续执行，其中俯仰控制被超越，以便切断系统。在一个实施例中，系统通过使叶片俯仰到90度被切断。如果系统处于自动方式，则在块812使代表编程的值的二进制电压被转换为模拟量，并在块822驱动液压系统比例阀。
在一个实施例中，一个数模转换器(D/A)产生液压比例阀所需的电压。这电压直接和液压俯仰汽缸的速度即叶片俯仰位置的变化率成比例。在一个实施例中，位置电压使叶片朝向凸起部方向俯仰(向凸起俯仰)，而负电压使叶片朝向功率方向俯仰(向功率俯仰)。俯仰速率被数模转换器的输出电压的大小控制。在一个实施例中数模转换器的输出的采样速率被固定为10Hz。
VPC系统调节发电机速度。在一个实施例中，发电机速度通过风轮机叶片俯仰角的比例积分微分控制调节。VPC系统利用软件计算误差并然后将误差放大，从而产生和指令速度Rc(例如1423rpm)和反馈速度Rf之间的差成比例的输出误差。本发明使用这个输出产生为比例阀的(因而叶片俯仰角的)正确的速度控制所需的PID值。
当转子速度接近预定设置点(例如1423rpm)时，PID控制器产生使叶片朝向凸起部俯仰的电压。相反，当转子速度下降到预定设置点(例如1423rpm)以下时，PID控制器产生使叶片朝向功率俯仰的电压，直到再次达到正常的俯仰设置或超过正常的预定设置点(例如1423rpm)。
PID速度调节控制器是一种基于速度的系统。在一个实施例中，使用一个表来把由PID控制逻辑产生的俯仰速率值改变为被加于比例阀上的特定电压。一个示例的表如表2所示。在一个实施例中，向凸起部的最大俯仰速率是每秒12度，而向功率位置俯仰的最大速度(在速度调节期间)是每秒8度。这分别相应于5.1和4.1的模数转换器的输出电压。表2俯仰速率对驱动电压转换表 电压速率度/秒-8.25-7.90-7.55-7.20-6.85-6.50-6.15-5.80-5.45-5.10-4.75-4.40-4.05-3.41-3.12-2.88-2.67-2.3401.96-1 450.001.832.332.713.123.463.794.084.254.454.654.855.055.255.455.655.856.056.256.456.65-20-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-09-08-07-06-05-04-03-02-01000102030405060708091011121314151617181920
注意在表2中，负的俯仰速率是朝向功率侧的俯仰，而0或正的俯仰速率是朝向凸起部的俯仰。
在一个实施例中，在按照指令执行的停止和待机方式期间，阀控开关使比例阀关断。
图9说明本发明的rpm调节方式的一个实施例。参见图9，在块900，计算速度误差值，其和来自块930的指令速度Pc与来自块902的测量速度Pf之间的差成比例。
然后在块901确定转速误差是否是正的。如果不是，则在块903确定转子速度是否大于第一预定速度设置点。在一个实施例中，所述设置点是1200rpm。如果转速误差不是正的并且发电机转子速度不大于第一预定速度设置点，则在块904继续处理，把俯仰速率限制设置为等于-Y1，并被输入到动态俯仰速率限制器905。
如果转子速度大于第一预定速度设置点，则在块906确定转子速度是否大于第二较高的预定速度设置点。在一个实施例中，第二预定速度设置点是1250rpm。如果转子速度大于第二预定速度设置点，则继续在块907的处理，把俯仰速率值Y设置为-Y2，并被输入到动态俯仰速率限制器905。
如果转子速度不大于第二预定速度设置点，则在块908把俯仰速率限制值设置为转子速度的函数。在一个实施例中，该函数是在-Y1和-Y2之间线性变化的俯仰速率限制器的线性函数。在块905，俯仰速率值Y被传递给动态俯仰速率限制器。
如果速度误差是正的，则在块912把俯仰速率限制值设置为Y2，并在块905被输入到动态俯仰速率限制器。
在计算速度误差值之后，在块940PID系统确定加速是否太快，并相应地设置俯仰。响应俯仰速率限制值Y和PID环940的输出，在块905俯仰速率最初被限制为每秒1度。
然后在块915确定在块902测量的转子速度是否大于第三预定速度设置点。在一个实施例中，第三预定速度设置点是1423rpm。如果测量的转子速度小于第三预定速度设置点，则在块916系统进入俯仰调节方式。在另一方面，如果测量的转子速度大于第三预定速度设置点，则在块917使用上述的俯仰速率对驱动电压的变换表变换俯仰速率，并继续在块918进行处理。
在块918，确定系统是否处于自动方式。在一个实施例中，这通过检查作为在块919的故障检测结果，系统是否处于待机方式/停止故障方式进行确定。如果系统不处于自动方式，则在块920继续进行处理，使俯仰控制被超越，从而切断系统。在一个实施例中，系统通过使叶片俯仰到90度被切断。如果系统处于自动方式，则在块912使代表俯仰速率值电压被转换为模拟量，并在块922被加于驱动液压系统比例阀，开始俯仰调节。
图10A说明俯仰系统的一个实施例。参见图10A，所示的俯仰系统包括闭环的PID控制器1010和用于转换俯仰速率成为电压输出的非线性的表1011。由表1011接收的俯仰速率值由PID控制器1010产生，其响应输出速度和指令速度的差，所述的差通过比较逻辑或软件确定。从表1011输出的电压被提供给比例阀，其控制叶片俯仰。
PID控制器的一个实施例的一个流程图如图10B所示。参见图10B，通过比较逻辑(例如减法器)或软件1001确定位置反馈值Pf和位置指令值Pc之间的差。这个差代表位置误差。其被放大器1002放大k倍，从而产生值yc。在一个实施例中，k被设为0.5。值yc作为输入被连接到限制器1005，其被限制器控制器1004控制。限制器1005在俯仰位置运动期间限制叶片的俯仰速率。在一个实施例中，俯仰速率是低的。控制器1004被连接用于接收发电机速度反馈，并且响应所述反馈，根据发电机速度(rpm)改变限制器1005。限制器控制器(块1004)使用测量的速度值Rf的线性函数限制向凸起部或功率侧线性上升的最大俯仰速率。
PID控制器还包括比较逻辑(例如减法器)或软件1003，用于产生指令发电机速度Rc和实际的发电机速度Rf的差。比较块1003的输出是速度误差值x，其被PID算法块1006和1007接收。PID算法块1006和1007根据速度误差值的比例积分微分函数计算所需的俯仰速率。作为速度误差输入的函数的俯仰速率输出还包括增益定时，其作为俯仰位置的函数调整增益。增益速率程序器(块1012)根据俯仰位置反馈和两个设置点参数E1，E2提供乘法器E。在一个实施例中，两个设置点参数E1，E2分别是-0.85和0.0028。块1005的输出和1006的输出相连，并把yf提供给块1008。限制器1005在速度调节方式期间限制向凸起部和功率侧俯仰的最大速率。
限制器1008的输出把电压发生器1009的输入和反馈提供给PID算法块1007。电压发生器1009的输出和开关的输入1010相连，所述开关响应一个指令被控制从而关断比例阀，以便使风轮机停止。开关1010的输出和数模转换器1011相连，数模转换器用于提供用于系统的电压输出，其被加于比例阀上，用于驱动叶片俯仰动作。
为了实现动态制动，本发明的转矩-速度曲线可以被故意作成不对称的。在一个实施例中，功率变换器指令一个最大的恒定转矩。响应故障条件，该转矩被输入系统，从而使风轮机减速。图6B说明包括最大恒定转矩660和开关629的功率变换器。
在一个实施例中，安全系统最初提供软制动，并使叶片俯仰到90度。此后，确定是否发生故障。在一个实施例中，只响应硬停止故障使用动态制动。在一个实施例中，动态制动可用于其它类型的故障(例如软故障和硬故障等)。
响应确定已经发生硬停止的故障，本发明使叶片俯仰90度并命令产生最大恒定转矩。该转矩被加于发电机转子，使风轮机减速。在一个实施例中，风轮机被减速到一个预定速度。在维持所述预定速度之后，制动可以利用自动方式或手动方式(例如由操作员手动地复位)被释放。
因为功率变换器直接控制转子电流，所以可以控制整个系统的功率因数，并且可以在0.90超前到0.90滞后的范围内被动态地调整，而不管风轮机的输出值。在本发明中，无功功率被提供给感应发电机的二次侧。因而，功率变换器可以作为电力系统的无功补偿器。这通过一种控制系统来实现，所述控制系统命令从每个风轮机通过SCADA系统产生一定数量的无功功率。图6B说明用于控制无功功率的一个输入670。通过调节加于二次侧的无功功率，可以动态地选择整个系统的无功功率。
所需的功率因数可以在0.90超前和0.90滞后之间被设置为任何正常值，或者可以响应电网电压的波动而被改变。因而，通过SCADA工作的功率变换器可以以恒定功率因数方式、恒定无功方式操作，或者以电压调节方式操作。
本发明的功率调整的一些优点在于，其提供最大的能量捕获，转矩控制，消除电压波动，以及能够实现功率因数控制。另外，可以进行动态功率因数调节。此外，本发明的可变速系统能够限制转矩波动。引起电压波动并能破坏驱动链中的元件的转矩瞬变通过增加转子速度被抑制，因而“储存”转子叶片的旋转惯性中的阵风的强大的附加能量。这个能量在阵风过去之后可以通过减少转子速度被提取出并被送到电网，并且可以在无阵风期间通过叶片俯仰而受到阻尼。因而，可变速操作可以大大减少转矩瞬变，使风轮机驱动链的成本降低，寿命延长。
上面的详细说明的一些部分是根据一些算法和在计算机的存储器内进行的数据位操作的符号表示作出的。这些算法描述和表达是数据处理领域中的技术人员惯用的技术手段，以更有效地向本领域的其他人员传送他们工作的实质。本文的算法能够达到所需的结果。其中的步骤是进行物理量的运算所需的。这些量通常被表示为电的或磁的信号的形式，它们能够被存储、传递、组合、比较和进行其它的操作。把这些信号叫做位、值、元素、符号、字符、项、数字等对于使用是方便的。
不过，应当记住，所有这些以及类似的术语都和相应的物理量相关，并且仅仅是用于方便地表示这些物理量的符号。除非在下面的讨论中另有说明，在上述的本发明的说明中使用的术语“处理”、“计算”、“确定”或“显示”等，可以指计算机系统或类似的电子计算装置中的处理或动作，这些处理用于在计算机系统的寄存器和存储器内传递数据，并且转换或者显示这些数据。
如上所述，本发明还涉及一种用于进行上述操作的装置。该装置可以为所需的目的而被专门构成，或者可以包括通用的计算机，其被存储在计算机中的计算机程序选择地进行启动或被重新配置。这种计算机程序可以被存储在计算机可读介质中，例如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)，EPROM、EEPROM、磁卡或光卡，或者任何适用于存储电子指令的介质，它们都和计算机系统总线相连。本说明中出现的算法本身不涉及任何特定的计算机或其它装置。按照本说明的教导可以使用具有程序的通用计算机，或者构成更复杂的装置来完成所需的方法步骤。用于这些种类的计算机的所需的结构在说明中给出。此外，本发明没有参照任何特定的编程语言进行说明。应当理解，可以使用各种编程语言来实现按照本发明的教导。
显然，本领域的技术人员可以作出本发明的各种改变和改型，应当理解，本发明的实施例只用于对本发明进行说明，而不构成对本发明的限制。因此，各个实施例的细节并不限制本发明的范围，本发明的范围只由所附权利要求限定。