用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法技术

本发明专利技术涉及用于控制功率转换的电流控制器设备和向量控制方法。提供了使用向量控制算法来控制由逆变器进行的DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备。控制器设备具有开环控制环路增益并包括：第一电流需求输入端；至少第二电流需求输入端；第一电流反馈输入端；第二电流反馈输入端；第一电压反馈输入端；第二电压反馈输入端；第一电压需求输出端；第二电压需求输出端；以及控制器，产生第一电压需求信号和第二电压需求信号。开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号中的频率。在第一电流反馈输入端出提供第一滤波器并在第二电流反馈输入端处提供第二滤波器。第一和第二滤波器每个滤波器特性。

Current controller device and vector control method for controlling power conversion

The present invention relates to a current controller, a device, and a vector control method for controlling power conversion. A current controller device that uses a vector control algorithm to control the conversion of DC power to AC power by an inverter is provided. Controller device with open-loop control loop gain and includes a first input current needs; at least second current demand input; the first current feedback input; second current feedback input; a first voltage feedback input; second voltage feedback input; a first voltage output voltage second demand; demand output; and a controller generated the first voltage and the second voltage signal demand demand signal. The gain of the open-loop control loop depends on the frequency contained in the first and second current feedback signals. A first filter is provided at the first current feedback input and a second filter is provided at the second current feedback input. First and second filters each filter characteristic.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用向量控制算法来控制由转换器进行的DC功率至AC转换或相反转 换的电流控制器设备，所述控制器具有频率相关开环控制环路增益。本专利技术还涉及功率转 换器、诸如风力涡轮机的发电设备、诸如风电场的发电设施和用于控制将DC功率转换成AC 功率或进行相反转换的向量控制方法。
技术介绍
风力涡轮机通过使用风力来将风能转换成电能以直接或借助于齿轮箱来驱动发 电机的转子。在发电机的定子端子处产生的AC功率的频率与转子的转速成正比。发电机 端子处的电压还作为速度的函数并根据特定类型的发电机、根据通量水平而变。为了获得 最佳功率，风力涡轮机的输出轴的转速将根据驱动风力涡轮机叶片的风速而改变。为了限 制高风速下的功率，通过改变涡轮叶片的节距(pitch)来控制输出轴的转速。功率转换器例如被用于使由发电机提供的变频AC功率与电网的标称恒频AC功率 匹配。在此类功率转换器的第一级中，使用整流器来将从发电机递送的AC功率转换成DC 功率。此DC功率被馈送到所谓的DC链路。在第二级、即其输入端被连接到DC链路的所谓 逆变器中，DC功率被转换成与电网频率匹配的AC功率。通常，逆变器是用于将DC功率转换成AC功率的电路。其装配有用于将逆变器相 (phase)端子输出端连接到DC链路的正或负汇流排(busbar)的开关。基于定义用于将逆 变器输出端通过各开关连接到高或低DC电压水平的定时的脉宽调制方案来提供用于断开 和闭合开关的开关模式。在其中开关被断开的时间期间，电流从DC链路留到电网或相反。 还可适用用于确定用于开关的开关方式(switching regime)的其它方法，包括直接控制或 预测控制。可以根据表示由电网运营商请求的功率因数(power factor)的功率因数需求信 号来控制逆变器，其中，由有功功率(real power)与表观(apparent)功率的比来给出功率 因数(表观功率是有功功率和无功功率的平方的和的平方根)。作为根据功率因数需求来控 制逆变器的替代，还可以基于有功功率需求和无功功率需求来控制逆变器。此外，作为直接 根据功率因数需求或有功功率需求和无功功率需求来控制逆变器的替代，还可以根据电流 需求信号来进行控制，因为电压振幅在电网中通常是固定参数，使得可以由电流振幅和电 流与电压之间的相角来定义由逆变器馈送给电网的功率。因此，可以将用于有功和无功功 率的功率因数需求信号转换成随后被用于控制逆变器、即用于确定定义开关的开关时间的 脉冲的电流需求信号。此类控制模式称为电流控制。特别地，在电流控制模式下，可以有利地使用向量控制算法来控制DC功率到AC功 率的转换。可以将在固定参考系中获取的平衡交流反馈信号表示为以旋转频率或相对 于固定参考系α、β (比较图10)旋转的向量I的分量Ia和I0。在向量控制算法中，以随 着转子的通量向量或随着电网电压旋转(与电网电压同步)的向量旋转的旋转参考系来表 示这些旋转向量I，并且基于电流需求信号来在此旋转参考系中计算控制量。在此类旋转参考系中，可以由两个向量、即向量分量Id、、来定义平衡三相AC电流I，所述向量分量ItnItl 表示沿着通量向量的方向、即旋转参考系的所谓直轴流动的电流、和与通量向量的方向垂 直地、即沿着旋转参考系的所谓象限(quadrature)轴的方向流动的电流I,。在将沿着通量 向量或随着电网电压旋转的向量的方向流动的电流Id称为直轴电流的同时，将与通量向量 或随着电网电压旋转的向量垂直地流动的电流I,称为象限轴电流。直轴电流和象限轴电 流是稳态下的DC量，并且通常借助于PI控制器来将状态误差控制为零。例如在US 5，083，039和US 2009/0147549 Al中描述了包括整流器和用于基于向 量控制算法将风力涡轮发电机的变频AC功率转换成DC功率和将DC功率转换成电网的固 定频率AC功率的逆变器的典型功率转换器。所述控制器通常具有频率相关开环控制环路增益。在开环控制环路增益大于一 (unity)并具有小于或等于负的180°的相位的情况下，控制系统被定义为不稳定的。
技术实现思路
相对于所述现有技术，本专利技术的目的是提供一种与现有技术相比以提高的稳定性 使用向量控制算法来控制DC功率到AC功率的转换的电流控制器设备。本专利技术的另一目的 是提供一种有利的功率转换器、有利的发电设备和有利的发电设施。此外，本专利技术的目的是 提供一种用于控制将DC功率转换成AC功率的逆变器的有利的向量控制方法。由根据权利要求1的电流控制器来解决第一目的、由根据权利要求11的功率转换 器、根据权利要求13的发电设备和根据权利要求16的发电设施来解决第二目的。由根据 权利要求19的向量控制方法来解决第三目的。从属权利要求包含本专利技术的进一步发展。根据本专利技术，提供了一种用于控制将DC功率转换成AC功率或进行相反转换的转 换器的向量控制方法，其中，向电网输出或从电网接收AC功率。该向量控制基于第一电流 需求信号、第二电流需求信号、第一电流反馈信号、第二电流反馈信号、第一电压反馈信号 和第二电压反馈信号来计算第一电压需求信号和第二电压需求信号。所述开环控制环路增 益取决于包含在第一和第二电流反馈信号中的频率。根据本专利技术，开环控制环路增益将大 于一并将具有小于或等于负180°的相位时的第一和第二电流反馈信号的频率受到抑制。本专利技术的方法是基于以下观察具有固定频率脉宽调制方案的电网连接的逆变器在被连接到类似于例如风电场式集 电器(collector)系统时可能遭受闭环不稳定性。此类集电器系统、以及其它电网可能具 有显著的电缆电容和/或架空线，并可能被连接到弱AC电气系统。当从逆变器的输出端子 看时，此电缆电容与输入线电抗器和涡轮变压器一起形成在(不是故意地)经调谐的频率下 具有最小阻抗的串联谐振电路，这又产生高导纳。可以通过考虑电网或发电机、所连接的逆变器的开环增益来分析其闭环电流控制 器。可以根据控制器传递函数C(S)和电网或发电机的导纳Y(S)的乘积来计算此开环增益。 由在控制器中使用的控制算法来定义控制器传递函数C(S)。在一般的固定开关频率方案 中，与发电机的或被同步至电网电压的旋转通量向量同步地执行控制。在此类固定频率脉宽调制方案中，在对电流反馈和/或电压反馈进行采样与实现 用来控制变压器输出端处的电流的逆变器输出电压之间存在延迟。此延迟引起具有随着频 率的增加而增加的相位滞后的相位特性。如果开环控制环路增益在开环控制环路增益的相位小于或等于负180°时大于一，则所述电流控制系统被定义为是不稳定的。特别地，如果许多逆变器被连接到由于例如集电器系统而具有显著电容的电网， 则从逆变器输出端看到的导纳可能变得如此高，以至于开关控制环路增益增加至一以上， 并且同时，开环控制环路增益的相位在某个频带或某些频带内小于或等于负180°。此组合 将导致这些频带中的控制系统的不稳定性。虽然通常只有被连接到电网的几个逆变器(例如两个或三个逆变器)也出现上述 困难，但其随着被连接到电网的逆变器的数目增加而变得更加严重。如果许多大功率转换器被连接到大型电缆阵列，则上述问题变得相关。此外，如果 安装的表观功率与电网故障水平的比变高，则次级影响变得相关。以前没有注意这些关系， 因为被连接到大型电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种使用向量控制算法来控制由转换器（２７）进行的ＤＣ功率到ＡＣ功率的转换和／或相反转换的电流控制器设备（４３、４３０），所述控制器设备具有开环控制环路增益并包括：－第一电流需求输入端，用于接收第一电流需求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）；－至少第二电流需求输入端，用于接收第二电流需求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）；－第一电流反馈输入端，用于接收表示ＡＣ功率的ＡＣ电流的第一电流反馈信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）；－第二电流反馈输入端，用于接收表示ＡＣ功率的ＡＣ电流的第二电流反馈信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）；－第一电压反馈输入端，用于接收表示ＡＣ功率的ＡＣ电压的第一电压反馈信号（ＶＱ＿ＮＥＴ）；－第二电压反馈输入端，用于接收表示ＡＣ功率的ＡＣ电压的第二电压反馈信号（ＶＤ＿ＮＥＴ）；－第一电压需求输出端，用于输出第一电压需求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）；－第二电压需求输出端，用于输出第二电压需求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊）；以及－控制器，用于基于所述第一电流需求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）、所述第二电流需求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）、所述第一电流反馈（ＩＱ＿ＮＥＴ）、所述第二电流反馈（ＩＤ＿ＮＥＴ）、所述第一电压反馈（ＶＱ＿ＮＥＴ）和所述第二电压反馈（ＶＤ＿ＮＥＴ）来产生所述第一电压需求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）和所述第二电压需求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊），其中，所述开环控制环路增益取决于包含在第一和第二电流反馈信号（ＩＱ＿ＮＥＴ、ＩＤ＿ＮＥＴ）中的频率，其特征在于在第一电流反馈输入端处提供第一滤波器（６５）并在第二电流反馈输入端处提供第二滤波器（６７），该第一和第二滤波器（６５、６７）每个具有被选择为使得降低频率相关开环控制环路增益将变得大于一并将具有小于或等于负１８０°的相位时的第一和第二电流反馈信号（ＩＱ＿ＮＥＴ、ＩＤ＿ＮＥＴ）的频率的滤波器特性。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PB布罗甘，R琼斯，
申请(专利权)人：PB布罗甘，R琼斯，
类型：发明
国别省市：DE