專利名稱：發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，該發(fā)電系統(tǒng)用于通過將諸如風(fēng)力或水力之類的動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能來產(chǎn)生電力，其中發(fā)電機能夠以最高的效率工作。
背景技術(shù)：
作為傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的例子，附圖1中示出了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的例子。傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)車1、用于改變和傳送風(fēng)車的軸轉(zhuǎn)速的齒輪/聯(lián)軸器2、發(fā)電機3、功率轉(zhuǎn)換器4、功率控制器95和速度傳感器8，并且將所產(chǎn)生的電能供應(yīng)給負(fù)載6。
下面，介紹傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作過程。風(fēng)車旋轉(zhuǎn)獲取的風(fēng)能被齒輪/離合器2改變了軸速之后輸送給發(fā)電機3。發(fā)電機3將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。由發(fā)電機3獲得的電能受到功率轉(zhuǎn)換器4的控制并且隨后傳送給負(fù)載6。功率控制器95從速度傳感器8接收風(fēng)車1的軸速的信息并且控制功率轉(zhuǎn)換器4。除了同步發(fā)電機之外，諸如感應(yīng)發(fā)電機之類的AC發(fā)電機和IPM(內(nèi)置永磁鐵)發(fā)電機可以用作發(fā)電機3。
在這樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，所獲得的電力受到風(fēng)速的影響。風(fēng)速不是恒定的，而是總是在改變的。結(jié)果，在這樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高發(fā)電效率，需要在依據(jù)風(fēng)速計算的最佳軸速下操作發(fā)電機。具體來說，通過功率控制器95進(jìn)行恒定軸速控制(發(fā)電機3的軸速不隨風(fēng)速改變)或者可變軸速控制(通過依照風(fēng)速改變發(fā)電機的軸速來提高能量效率，即，發(fā)電效率)。
由于要進(jìn)行恒定軸速控制或可變軸速控制，需要檢測軸的速度，因此在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用了用于檢測軸速的速度傳感器8(比如編碼器)。例如，在日本未審查專利申請公開第2002-84797中公開了一種采用編碼器來檢測風(fēng)車的軸速的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
不過，在配備有用來檢測風(fēng)車的轉(zhuǎn)速的速度傳感器8(比如編碼器)的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，需要提供從速度傳感器8到功率控制器95的連線。結(jié)果，當(dāng)從速度傳感器8到功率控制器95的距離增大時，就要延長該連線，從而引發(fā)了由于斷線等原因造成的可靠性降低等問題。此外，由于速度傳感器在風(fēng)車旋轉(zhuǎn)期間總是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此速度傳感器本身的壽命造成了可靠性降低的問題。安裝速度傳感器也帶來了成本增加的問題。
雖然這里介紹了采用風(fēng)車作為渦輪的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，但是在使用風(fēng)車之外的其它渦輪將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能來產(chǎn)生電力的發(fā)電系統(tǒng)中，也會引起同樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，通過在不使用用于檢測渦輪的軸速的速度傳感器的情況下從發(fā)電機中獲取速度信息，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性的提高、電路的簡化和成本的降低。本發(fā)明的另一個目的是在不使用用于檢測動能源的能量量的裝置(比如風(fēng)速傳感器)的情況下實現(xiàn)高效率工作。
為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能；發(fā)電機，用于將渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能；功率控制器，用于對通過發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制；和功率轉(zhuǎn)換器，用于按照來自功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，其中功率控制器包括三相-二相轉(zhuǎn)換器，用于通過將發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中來計算二相電流和二相電壓；發(fā)電機輸出計算器，用于根據(jù)所述三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓計算所述發(fā)電機的輸出；感應(yīng)電壓檢測器，用于根據(jù)由三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓檢測感應(yīng)電壓；相位檢測器，用于根據(jù)由感應(yīng)電壓檢測器檢測到的感應(yīng)電壓檢測感應(yīng)電壓的相位；微分器，用于通過對由相位檢測器檢測到的感應(yīng)電壓的相位進(jìn)行微分來計算感應(yīng)電壓的旋轉(zhuǎn)速度并且估計發(fā)電機的軸速；和渦輪輸出計算器，用于通過使用由微分器估計的估計軸速值和由發(fā)電機輸出計算器計算出的發(fā)電機的輸出來計算渦輪的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)具有渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能；發(fā)電機，用于將渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能；功率控制器，用于對發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制；和功率轉(zhuǎn)換器，用于根據(jù)來自功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，其中功率控制器包括三相-二相轉(zhuǎn)換器，用于通過將發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中計算二相電流和二相電壓；發(fā)電機輸出計算器，用于根據(jù)由三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓計算發(fā)電機的輸出；轉(zhuǎn)子磁通量檢測器，用于根據(jù)三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓來檢測轉(zhuǎn)子磁通量；相位檢測器，用于根據(jù)由轉(zhuǎn)子磁通量檢測器檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量來檢測轉(zhuǎn)子磁通量的相位；微分器，用于通過對由相位檢測器檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量的相位進(jìn)行微分來計算轉(zhuǎn)子磁通量的旋轉(zhuǎn)速度并且估計發(fā)電機的軸速；和渦輪輸出計算器，用于通過使用由微分器估計的估計軸速值和由發(fā)電機輸出計算器計算出的發(fā)電機的輸出來計算渦輪的輸出。
按照本發(fā)明，由于感應(yīng)電壓或轉(zhuǎn)子磁通量是根據(jù)發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流計算出來的，所以發(fā)電機的軸速是根據(jù)感應(yīng)電壓的相位或轉(zhuǎn)子磁通量的相位估計出來的，并且渦輪的輸出是根據(jù)所估計的軸速和發(fā)電機的輸出計算出來的，因此能夠在不使用用于檢測發(fā)電機的軸速的速度傳感器的情況下計算出渦輪的輸出，并且因此能夠簡化電路、降低成本和提高可靠性。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)中，功率控制器還可以包括渦輪轉(zhuǎn)矩估計器，用于根據(jù)由渦輪輸出計算器計算出的渦輪的輸出和所估計的軸速值來計算渦輪的轉(zhuǎn)矩；和最大效率工作控制器，用于根據(jù)由渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩來計算軸速指令值。
依據(jù)本發(fā)明，由于輸入到發(fā)電機的功率和渦輪的轉(zhuǎn)矩是根據(jù)渦輪的輸出和所估計的軸速值計算出來的，能夠使發(fā)電機效率最大的軸速指令是使用計算出來的渦輪轉(zhuǎn)矩、所估計的軸速值和渦輪的輸出系數(shù)計算出來的，并且該軸速指令受到了控制，以使得發(fā)電機軸速等于軸速指令，因此能夠總是實現(xiàn)輸入能量的最大效率的工作。
此外，最大效率工作控制器可以包括轉(zhuǎn)矩變化計算器，用于以恒定時間間隔對由渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，并且計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts，以計算出轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts，其中Ttur(n)是當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)矩，Ttur(n-1)是前次渦輪轉(zhuǎn)矩，而ts是采樣時間間隔；輸出系數(shù)微分方程計算器，用于計算依渦輪特性和轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts決定的輸出系數(shù)的關(guān)系式的解；和發(fā)電速度指令單元，用于根據(jù)由輸出系數(shù)微分方程計算器得出的解計算軸速指令值。
在依據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)中，功率控制器還可以包括微校正控制器，具有輸出變化計算器，用于以恒定時間間隔對由渦輪輸出計算器計算出的渦輪的輸出進(jìn)行采樣，并且計算當(dāng)前渦輪輸出Ptur(n)與前次渦輪輸出Ptur(n-1)之間的差ΔP(n)；比例增益乘法器，用于通過將由輸出變化計算器計算出的ΔP(n)乘以比例增益來計算微速度指令值；和限制器，用于將由比例增益計算器計算出的微速度指令值的絕對值限制為預(yù)定極限值；和加法器，用于將由微校正控制器計算出的微速度指令值與由最大效率工作控制器計算出的軸速指令值相加，并且輸出相加值，作為新的軸速指令值。
根據(jù)本發(fā)明，由于微速度指令是根據(jù)渦輪的輸出變化計算出來的，并且加到了軸速指令上，因此能夠同時獲得快速瞬時響應(yīng)特性和穩(wěn)定微調(diào)，并且因此能夠在設(shè)計值與實際值彼此不同時總是獲得最大效率。


附圖1是示出了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖；附圖2是示出了輸出系數(shù)與速度比的關(guān)系的曲線圖；附圖3是示出了風(fēng)車的輸出、發(fā)電機的軸速以及風(fēng)速的關(guān)系的曲線圖；附圖4是示出了按照本發(fā)明的實施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；附圖5的框圖示出了附圖4中的功率控制器5中的用于實現(xiàn)根據(jù)發(fā)電機3的電流值和電壓值計算進(jìn)行最大效率工作控制的軸速指令W*gen的功能的組成單元；附圖6是示出了附圖5中的發(fā)電機軸速計算器的結(jié)構(gòu)示例的框圖；附圖7是示出了附圖5中的發(fā)電機軸速計算器901的結(jié)構(gòu)的另一示例的框圖；附圖8是示出了附圖5中的瞬時響應(yīng)控制器903的結(jié)構(gòu)的框圖；附圖9是示出了附圖8中的最大效率工作控制器603的結(jié)構(gòu)的框圖；附圖10是示出了附圖5中的微校正控制器904的結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實施例方式
下面，將參照附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實施例。
首先，介紹在本發(fā)明中用來使發(fā)電機的效率最大化的風(fēng)速與軸速的關(guān)系。
<通用風(fēng)車的輸出特性>
風(fēng)車的輸出Ptur一般可由下面描述的公式1表示。
Ptur=cpksysVwind3···(1)]]>在公式1中，風(fēng)車常數(shù)ksys是由風(fēng)車翼(flier)的面積和空氣密度確定的常數(shù)，而不是在控制時突變的參數(shù)。風(fēng)速Vwind是不受控制的參數(shù)。風(fēng)速Vwind和軸速Wgen的圓周速度比λ可以由使用發(fā)電機與風(fēng)車的齒輪比kc和風(fēng)車的半徑Rv的下面描述的公式2表示。
λ=RvkcWgenVwind···(2)]]>如附圖2所示，動能系數(shù)CP是隨圓周速度比λ變化的參數(shù)。因此，由于通過在發(fā)電期間控制λ以維持最大效率速度比λop能夠使得動能系數(shù)Cp變?yōu)樽畲笾礐p(max)，因此能夠使系統(tǒng)以最大效率工作。λop是通過風(fēng)車的設(shè)計確定的常數(shù)。為了保持最大效率工作，由下面描述的公式3獲得并輸出發(fā)電機的軸速指令W*gen。
Wgen*=(λopRvkc)Vwind···(3)]]>在公式3中，λop、Rv和kc是已知的，因為它們是風(fēng)車設(shè)計值的一部分，但風(fēng)速Vwind是未知值。因此，實現(xiàn)最大效率工作需要風(fēng)速Vwind的瞬時值。
發(fā)電機的功率Pgen可以表達(dá)為下面介紹的使用發(fā)電機的軸速Wgen和發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩Tgen表示的公式4。
Pgen＝WgenTgen…(4)另選地，發(fā)電機的功率Pgen可以使用發(fā)電機的靜止d-q坐標(biāo)系中的二相電壓和二相電流通過公式5來計算。
Pgen=32(VdsIds+VqsIqs)···(5)]]>風(fēng)車系統(tǒng)的損耗Ploss由電損耗和機械損耗組成。電損耗是通過發(fā)電機功率Pgen乘以電損耗常數(shù)k1得到的，電損耗常數(shù)k1是利用發(fā)電機的等效電阻和用于控制發(fā)電機的倒相器(inverter)中的功率半導(dǎo)體的開關(guān)頻率確定的。機械損耗是通過發(fā)電機軸速的平方Wgen2乘以機械摩擦常數(shù)Bsys得到的。如下面描述的公式6所示，通過將機械損耗與電損耗相加獲得風(fēng)車系統(tǒng)的損耗Ploss。
Ploss=k1Pgen+BsysWgen2···(6)]]>風(fēng)車的輸出Ptur是根據(jù)下面介紹的公式7通過將輸出損耗Ploss與所獲得的發(fā)電機功率Pgen相加得到的。
Ptur＝Pgen+Ploss…(7)風(fēng)速可以通過所得到的風(fēng)車輸出Ptur、發(fā)電機軸速和風(fēng)車數(shù)據(jù)獲得。在本發(fā)明中，使用估計軸速 作為發(fā)電機軸速，得到風(fēng)車的輸出Ptur。
<風(fēng)車的最大輸出點>
一般來說，最大輸出點存在于發(fā)電機的軸速與風(fēng)速之間。例如，如附圖3所示，當(dāng)發(fā)電機軸速Wgen是Wr(A)并且風(fēng)速Vwind是Vw1時，風(fēng)車的最大輸出點是Ptur(A)。當(dāng)發(fā)電機軸速Wgen是Wr(B)并且風(fēng)速Vwind是Vw2時，風(fēng)車的最大輸出點是Ptur(B)。
<瞬時響應(yīng)控制的原理>
下面，將介紹瞬時響應(yīng)控制的原理。
一般來說，風(fēng)車的轉(zhuǎn)矩Ttur可由下面介紹的公式8表示。
Ttur＝Ptur/KcWgen…(8)在具有控制速度的功能(使發(fā)電機軸速遵從發(fā)電機軸速指令)的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)軸速指令恒定時，轉(zhuǎn)矩對時間的微分值可以由下面介紹的公式9表示。
dTturdt=π2kcρRv5Wgen2ddt(cpλ3)···(9)]]>在公式9中，ρ表示空氣密度。當(dāng)速度控制器的控制周期ts較小時，公式9可以使用轉(zhuǎn)矩變化量ΔTtur(速度控制器的輸出)由下面介紹的公式10表示。
ddt(cpλ3)=2kcπρRv5Wgen2ΔTturts···(10)]]>一般來說，風(fēng)車的輸出系數(shù)Cp是λ的m階多項式，并且可由公式11表示。
cp(λ)＝c0+c1λ+c2λ2+...+cmλm…(11)公式11的c0到cn是通過風(fēng)車設(shè)計確定的已知常數(shù)。通過將公式11的Cp(λ)代入到公式10中并且對公式10進(jìn)行整理，可以得到下面介紹的公式12。
ddt{c0λ-3+c1λ-2+c2λ-1+...+cmλm-3}-2kcπρRv51Wgen2ΔTturts=0···(12)]]>這里，通過用x置換λ-1并且對公式12進(jìn)行整理，可以得到公式13。
3c0x2+2c1x+(c2-2kcπρRv51Wgen2ΔTturts)+...+cmddt(x3-m)=0···(13)]]>當(dāng)公式13的解是 時，可以如下面介紹的公式14所示來估計風(fēng)速。
最后，通過使用估計出軸速值 代替發(fā)電機軸速，發(fā)電機軸速指令可由公式15表示。
因此，根據(jù)風(fēng)車的輸出系數(shù)Cp和發(fā)電機的軸速及轉(zhuǎn)矩，可以得到由方程10到15表示的微分方程的解，從而計算出發(fā)電機的軸速指令W*g1。
<微校正控制原理>
在上述的說明中，對通過轉(zhuǎn)矩變化檢測風(fēng)速、計算軸速指令和控制發(fā)電機效率進(jìn)行了解釋說明。下面，將參照附圖3介紹微校正控制方法的原理，該方法用于提高高效工作控制的精度，而不改變風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的常數(shù)，比如動能系數(shù)Cp的誤差。
最初，假設(shè)風(fēng)車在附圖3中的點A處工作。由于即使當(dāng)風(fēng)速從Vw1改變到Vw2時軸速指令仍然是恒定不變的，軸速并沒有從Wr(A)改變，而僅僅轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，從而工作點從A移動到了a1。按照公式11到15，通過根據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化確定風(fēng)速的變化來進(jìn)行瞬時響應(yīng)控制，并且輸出發(fā)電機的軸速指令W*g1。不過，即使當(dāng)發(fā)電機的軸速服從軸速指令W*g1時，因為發(fā)電系統(tǒng)的常數(shù)出現(xiàn)了變化和誤差，實際的工作點a2也可能不與新的最大效率工作點B相對應(yīng)。為了解決這一問題，在本發(fā)明中進(jìn)行微修正控制。假設(shè)當(dāng)前檢測到的電力是Ptur(n)并且之前檢測到的電力為Ptur(n-1)，則得到了下面介紹的公式16。
ΔP(n)＝Ptur(n)-Ptur(n-1)ΔW1*(n)=kpw*ΔP(n)···(16)]]>這里kpw是比例增益。為了限制已校正值的最大值，將ΔW*1(n)的絕對值限制為小于或等于極限值Wc_lim的值，如下面介紹的公式7所表示的。微校正控制可以通過校正發(fā)電機軸速來進(jìn)行。
如果ΔW1*(n)>Wc_lim,]]>則ΔWc*=Wc_lim]]>如果ΔW1*(n)<-Wc_lim,]]>則ΔWc*=-Wc_lim]]>否則ΔWc*=ΔW1*(n)···(17)]]>因此，發(fā)電機軸速指令可以由公式18表示。
Wgen*=Wg1*+ΔWc*···(18)]]>
<速度估計方法>
下面，將介紹軸速估計方法的原理。
通過將所檢測到的發(fā)電機的輸出電流值 和通過直接檢測三相輸出電壓或電壓指令值得到的發(fā)電機的檢測相電壓 從三相坐標(biāo)系中變換到在定子的位置上建立的靜止d-q坐標(biāo)系中，由下面介紹的公式19得到了二相電流 并且由下面介紹的公式20得到了二相電壓 這里，C0是常數(shù)。
<速度估計的實施例1>
永磁鐵型同步發(fā)電機的感應(yīng)電壓可以由下面介紹的公式21得出。
這里，Rds和Rqs表示定子在d軸和q軸上的定子側(cè)的等效電阻，p表示微分算子，而Lds和Lqs表示d軸和q軸的電感。一般來說，在三相對稱AC發(fā)電機中，d軸和q軸的感應(yīng)電壓Eds和Eqs具有下面介紹的公式22中表示的特征。
Eds＝KeWesinθeEqs＝KeWecosθe…(22)這里，Ke是根據(jù)發(fā)電機的額定電壓確定的電壓系數(shù)，We是發(fā)電機的電角速度，而θe是感應(yīng)電壓的相位。因此，發(fā)電機的感應(yīng)電壓的估計相位值可以由下面介紹的公式23得出。
發(fā)電機的軸速可以通過對磁通量的估計相位值進(jìn)行微分由下面介紹的公式24得出。
這里Pole是發(fā)電機的極數(shù)。
<速度估計的實施例2>
在永磁鐵型同步發(fā)電機中，在靜止d-q坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子側(cè)磁通量可由下面介紹的公式25得出。
一般來說，三相對稱AC發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁通量Φd和Φq具有公式26中給出的特征。
這里，kΦ是磁通量系數(shù)，而θΦ是磁通量的相位。因此，發(fā)電機磁通量的估計相位值可由下面介紹的公式27獲得。
可以根據(jù)下面介紹的公式28通過對磁通量的估計相位值進(jìn)行微分得出發(fā)電機的軸速。
接下來，在附圖4中給出了依據(jù)本發(fā)明的實施例的發(fā)電系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，該發(fā)電系統(tǒng)具體實現(xiàn)了上面介紹的控制方法。
附圖4示出了將本發(fā)明應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實施例。在附圖4中，與附圖1中相同的單元由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)注，并且省略了對它們的介紹。
依據(jù)本實施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)從附圖1所示的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，除去了用于檢測軸速的速度傳感器8，并且用功率控制器5取代了附圖1中的功率控制器95。本實施例中的功率控制器5具有控制發(fā)電機的功率和軸速的功能以及檢測發(fā)電機的電流值和電壓值并且根據(jù)該電流值和電壓值估計發(fā)電機軸速的發(fā)電機軸速估計功能。
附圖5中示出了附圖4中所示的功率控制器5中用于實現(xiàn)根據(jù)發(fā)電機的電流值和電壓值得到用于給出最大效率工作控制的軸速指令W*gen的功能的組成部分。
如附圖5所示，給出最大效率工作控制的功能是由三相-二相轉(zhuǎn)換器906、發(fā)電機軸速計算器901、發(fā)電機輸出計算機902、瞬時響應(yīng)控制器903、微校正控制器904和加法器905實現(xiàn)的。
三相-二相轉(zhuǎn)換器906將發(fā)電機3的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中，并且使用上面介紹的公式19和20計算二相電流 和二相電壓 發(fā)電機輸出計算機902根據(jù)三相-二相轉(zhuǎn)換器906計算出來的二相電流和二相電壓計算發(fā)電機3的輸出Pgen。
接下來，在附圖6中給出了發(fā)電機軸速計算機901的具體結(jié)構(gòu)的示例。在附圖6所示的例子中，發(fā)電機軸速計算器901包括感應(yīng)電壓檢測器402、相位檢測器403和微分器404。這個例子相當(dāng)于上面介紹的速度估計的實施例1。
感應(yīng)電壓檢測器402使用上面介紹的公式21根據(jù)來自于三相-二相轉(zhuǎn)換器906的二相電流和二相電壓檢測感應(yīng)電壓 相位檢測器403使用上面介紹的公式23根據(jù)由感應(yīng)電壓檢測器402檢測到的感應(yīng)電壓來檢測感應(yīng)電壓的相位 微分器404通過使用上面介紹的公式24對由相位檢測器檢測到的感應(yīng)電壓的估計相位值進(jìn)行微分，計算估計軸速值，該估計軸速值為感應(yīng)電壓的旋轉(zhuǎn)速度，即，發(fā)電機3的估計軸速值。
在附圖7中給出了附圖5中所示的發(fā)電機軸速計算器901的具體結(jié)構(gòu)的另一個示例。在附圖7所示的例子中，發(fā)電機軸速計算器901包括轉(zhuǎn)子磁通量檢測器502、相位檢測器503和微分器504。這個例子對應(yīng)于上面介紹的速度估計的實施例2。
轉(zhuǎn)子磁通量檢測器502使用上面介紹的公式25根據(jù)二相電流 和二相電壓 檢測轉(zhuǎn)子磁通量 其中所述的二相電流和二相電壓是由附圖5中所示的三相-二相轉(zhuǎn)換器906變換到靜止d-q坐標(biāo)系中的。
相位檢測器503根據(jù)由轉(zhuǎn)子磁通量檢測器502檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量檢測轉(zhuǎn)子磁通量的相位 微分器504使用上面介紹的公式28通過由相位檢測器503檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量的相位計算轉(zhuǎn)子磁通量的估計旋轉(zhuǎn)速度，即，發(fā)電機3的估計軸速。
接下來，在附圖8中給出了附圖5的瞬時響應(yīng)控制器903的具體結(jié)構(gòu)。如附圖8所示，瞬時響應(yīng)控制器903包括風(fēng)車輸出計算器601、風(fēng)車轉(zhuǎn)矩估計器602和最大效率工作控制器603。
風(fēng)車輸出計算器601起到渦輪輸出計算器的作用，并且使用由附圖6或7中所示的發(fā)電機軸速計算器901計算出的發(fā)電機3的估計軸速值 和由發(fā)電機輸出計算器902計算出的發(fā)電機輸出Pgen根據(jù)公式7計算風(fēng)車輸出Ptur。
風(fēng)車轉(zhuǎn)矩估計器602起到渦輪轉(zhuǎn)矩估計器的作用，并且使用由風(fēng)車輸出計算器601計算出的風(fēng)車輸出Ptur和由發(fā)電機軸速計算器901計算出的估計軸速值 根據(jù)公式8計算風(fēng)車轉(zhuǎn)矩Ttur。
最大效率工作控制器603根據(jù)由風(fēng)車轉(zhuǎn)矩估計器602計算出風(fēng)車轉(zhuǎn)矩Ttur計算軸速指令值W*g1。附圖9中示出了最大效率工作控制器603的具體結(jié)構(gòu)。如附圖9所示，最大效率工作控制器603包括風(fēng)車轉(zhuǎn)矩變化計算器701、輸出系數(shù)微分方程計算器702和發(fā)電速度指令單元703。
最大效率工作控制器603以恒定時間間隔對風(fēng)車轉(zhuǎn)矩Ttur進(jìn)行采樣，并且進(jìn)行計算。這里，假設(shè)采樣間隔由ts表示，當(dāng)前采樣時的轉(zhuǎn)矩由Ttur(n)表示，并且前一次采樣時的轉(zhuǎn)矩由Ttur(n-1)表示。
風(fēng)車轉(zhuǎn)矩變化計算器701通過計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts得到轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts。輸出系數(shù)微分方程計算器702計算依風(fēng)車特性和ΔTtur(n)決定的公式13中的輸出系數(shù)Cp(λ)的關(guān)系式的解，而發(fā)電速度指令單元703根據(jù)公式15計算軸速指令值W*g1。
接下來，在附圖10中給出了附圖5中的微校正控制器904的具體結(jié)構(gòu)。如附圖10所示，微校正控制器904包括輸出變化計算器801、比例增益乘法器802和限制器803。
輸出變化計算器801以恒定時間間隔對由風(fēng)車輸出計算器601計算出的風(fēng)車輸出Ptur進(jìn)行采樣，并且使用公式16中上側(cè)的公式計算當(dāng)前風(fēng)車輸出Ptur(n)與前次風(fēng)車輸出Ptur(n-1)之間的差ΔP(n)。比例增益乘法器802通過使用公式16中下側(cè)的公式用比例增益kpw乘以由輸出變化計算器801的計算出的ΔP(n)得到ΔW*1(n)。限制器803輸出將微速度指令值ΔW*1(n)的絕對值限制為極限值Wc_lim而獲得的微速度指令值ΔW*c(n)。
加法器905通過將被微校正控制器904的限制器803限制了的微速度指令ΔW*c與由瞬時響應(yīng)控制器903的最大效率工作控制器603計算出的軸速指令值W*g1相加輸出新的軸速值W*gen。
依據(jù)本實施例的發(fā)電系統(tǒng)，由于微速度指令ΔW*c是根據(jù)風(fēng)車輸出Ptur的變化計算出來的，并且加到了軸速指令W*g1上，因此能夠計算出能夠同時獲得最快瞬時響應(yīng)特性和穩(wěn)定微調(diào)的軸速指令W*gen，并且因此能夠在設(shè)計值與實際值彼此不同時總是獲得最大效率。
依據(jù)本實施例的發(fā)電系統(tǒng)，由于輸入到發(fā)電機中的功率和風(fēng)車轉(zhuǎn)矩是由風(fēng)車輸出和估計軸速值計算出來的，能夠使發(fā)電機效率最大的軸速指令是使用計算出來的風(fēng)車轉(zhuǎn)矩、估計軸速值和風(fēng)車輸出系數(shù)計算出來的，并且該軸速指令受到了控制，以使得發(fā)電機軸速等于軸速指令，因此能夠總是實現(xiàn)對于輸入能量具有最大效率的工作。
依據(jù)本實施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和控制方法，能夠提高發(fā)電機3的效率，并且除此之外還能夠根據(jù)外部動能控制電力，而不使用通常比較昂貴的發(fā)電機3的速度傳感器和風(fēng)速傳感器，從而簡化了電路、降低了成本和提高了可靠性。
在本實施例中，雖然介紹了將本發(fā)明應(yīng)用于使用風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的情況，但是本發(fā)明并不局限于此，而是可以應(yīng)用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能的渦輪和流體之間具有附圖3所示的關(guān)系的系統(tǒng)，例如，水力發(fā)電系統(tǒng)之類的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，發(fā)電機，用于將所述渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能，功率控制器，用于對所述發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制，和功率轉(zhuǎn)換器，用于依據(jù)來自所述功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，其中所述功率控制器包括三相-二相轉(zhuǎn)換器，用于通過將所述發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中來計算二相電流和二相電壓；發(fā)電機輸出計算器，用于根據(jù)由所述三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓計算所述發(fā)電機的輸出；感應(yīng)電壓檢測器，用于根據(jù)由所述三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓來檢測感應(yīng)電壓；相位檢測器，用于根據(jù)由所述感應(yīng)電壓檢測器檢測到的所述感應(yīng)電壓來檢測感應(yīng)電壓的相位；微分器，用于通過對由所述相位檢測器檢測到的感應(yīng)電壓的相位進(jìn)行微分來計算所述感應(yīng)電壓的旋轉(zhuǎn)速度并且估計發(fā)電機的軸速；和渦輪輸出計算器，用于通過使用由所述微分器估計的估計軸速值和由所述發(fā)電機輸出計算器計算出的發(fā)電機輸出來計算所述渦輪的輸出。
2.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，發(fā)電機，用于將所述渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能，功率控制器，用于對通過發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制，和功率轉(zhuǎn)換器，用于依據(jù)來自所述功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，其中所述功率控制器包括三相-二相轉(zhuǎn)換器，用于通過將所述發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中來計算二相電流和二相電壓；發(fā)電機輸出計算器，用于根據(jù)由所述三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓計算所述發(fā)電機的輸出；轉(zhuǎn)子磁通量檢測器，用于根據(jù)由所述三相-二相轉(zhuǎn)換器計算出的二相電流和二相電壓來檢測轉(zhuǎn)子磁通量；相位檢測器，用于根據(jù)由所述轉(zhuǎn)子磁通量檢測器檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量來檢測轉(zhuǎn)子磁通量的相位；微分器，用于通過對由所述相位檢測器檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量的相位進(jìn)行微分來計算所述轉(zhuǎn)子磁通量的旋轉(zhuǎn)速度并且估計所述發(fā)電機的軸速；和渦輪輸出計算器，用于通過使用由所述微分器估計的估計軸速值和由所述發(fā)電機輸出計算器計算出的發(fā)電機的輸出來計算所述渦輪的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述功率控制器還包括渦輪轉(zhuǎn)矩估計器，用于根據(jù)由所述渦輪輸出計算器計算出的渦輪輸出和估計軸速值來計算所述渦輪的轉(zhuǎn)矩；和最大效率工作控制器，用于根據(jù)由渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩來計算軸速指令值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述最大效率工作控制器包括轉(zhuǎn)矩變化計算器，用于以恒定時間間隔對由所述渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，并且計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts，以計算出轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts，其中Ttur(n)是當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)矩，Ttur(n-1)是前次渦輪轉(zhuǎn)矩，而ts是采樣時間間隔；輸出系數(shù)微分方程計算器，用于計算依渦輪特性和所述轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts決定的輸出系數(shù)的關(guān)系式的解；和發(fā)電速度指令單元，用于根據(jù)由所述輸出系數(shù)微分方程計算器得出的解計算軸速指令值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述功率控制器還包括渦輪轉(zhuǎn)矩估計器，用于根據(jù)由所述渦輪輸出計算器計算出的所述渦輪的輸出和所述估計軸速值來計算所述渦輪的轉(zhuǎn)矩；和最大效率工作控制器，用于根據(jù)由所述渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的所述渦輪的轉(zhuǎn)矩來計算軸速指令值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述最大效率工作控制器包括轉(zhuǎn)矩變化計算器，用于以恒定時間間隔對由所述渦輪轉(zhuǎn)矩估計器計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，并且計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts，以計算出轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts，其中Ttur(n)是當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)矩，Ttur(n-1)是前次渦輪轉(zhuǎn)矩，而ts是采樣時間間隔；輸出系數(shù)微分方程計算器，用于計算依渦輪特性和轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts決定的輸出系數(shù)的關(guān)系式的解；和發(fā)電速度指令單元，用于根據(jù)由所述輸出系數(shù)微分方程計算器得出的解計算所述軸速指令值。
7.根據(jù)權(quán)利要求3到6中任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述功率控制器還包括微校正控制器，包括輸出變化計算器，用于以恒定時間間隔對由所述渦輪輸出計算器計算出的所述渦輪的輸出進(jìn)行采樣，并且計算當(dāng)前渦輪輸出Ptur(n)與前次渦輪輸出Ptur(n-1)之間的差ΔP(n)；比例增益乘法器，用于通過將由所述輸出變化計算器計算出的ΔP(n)乘以比例增益來計算微速度指令值；和限制器，用于將由所述比例增益計算器計算出的所述微速度指令值的絕對值限制為預(yù)定極限值；和加法器，用于將由所述微校正控制器計算出的微速度指令值與由所述最大效率工作控制器計算出的軸速指令值相加，并且輸出相加值，作為新的軸速指令值。
8.一種發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，該發(fā)電系統(tǒng)包括渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，發(fā)電機，用于將所述渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能，功率控制器，用于對通過發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制，和功率轉(zhuǎn)換器，用于按照來自所述功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，該控制方法包括下述步驟通過將所述發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中來計算二相電流和二相電壓，并且根據(jù)該二相電流和二相電壓計算所述發(fā)電機的輸出；根據(jù)所述二相電流和二相電壓檢測感應(yīng)電壓；根據(jù)檢測到的感應(yīng)電壓檢測所述感應(yīng)電壓的相位；通過對所述感應(yīng)電壓的檢測到的相位進(jìn)行微分來計算所述感應(yīng)電壓的旋轉(zhuǎn)速度，并且估計所述發(fā)電機的軸速；和使用所述估計軸速值和所計算出的發(fā)電機的輸出來計算所述渦輪的輸出。
9.一種發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，該發(fā)電系統(tǒng)包括渦輪，用于將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，發(fā)電機，用于將所述渦輪的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電能，功率控制器，用于對所述發(fā)電機獲得的電能進(jìn)行功率控制，和功率轉(zhuǎn)換器，用于根據(jù)來自功率控制器的指令控制輸入功率和輸出功率，該控制方法包括下述步驟通過將所述發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流變換到靜止d-q坐標(biāo)系中計算二相電流和二相電壓，根據(jù)所述二相電流和二相電壓計算所述發(fā)電機的輸出；根據(jù)二相電流和二相電壓來檢測轉(zhuǎn)子磁通量；根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子磁通量來檢測轉(zhuǎn)子磁通量的相位；通過對檢測到的所述轉(zhuǎn)子磁通量的相位進(jìn)行微分來計算轉(zhuǎn)子磁通量的旋轉(zhuǎn)速度，并且估計所述發(fā)電機的軸速；和使用所估計的軸速值和所計算出的發(fā)電機的輸出來計算所述渦輪的輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，還包括以下步驟根據(jù)所計算出的渦輪的輸出和所估計的軸速值來計算渦輪的轉(zhuǎn)矩；和根據(jù)所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩來計算軸速指令值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其中所述根據(jù)所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩計算軸速指令值的步驟包括下述步驟以恒定時間間隔對所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，并且計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts，以計算出轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts，其中Ttur(n)是當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)矩，Ttur(n-1)是前次渦輪轉(zhuǎn)矩，而ts是采樣時間間隔；計算依渦輪特性和轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts決定的輸出系數(shù)的關(guān)系式的解；和根據(jù)所計算出的解計算所述軸速指令值。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，還包括以下步驟根據(jù)所計算出的渦輪的輸出和所估計的軸速值來計算渦輪的轉(zhuǎn)矩；和根據(jù)所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩來計算軸速指令值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其中根據(jù)所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩計算軸速指令值的步驟包括下述步驟以恒定時間間隔對所計算出的渦輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，并且計算(Ttur(n)-Ttur(n-1))/ts，以計算出轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts，其中Ttur(n)是當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)矩，Ttur(n-1)是前次渦輪轉(zhuǎn)矩，而ts是采樣時間間隔；計算依渦輪特性和轉(zhuǎn)矩變化ΔTtur(n)/ts決定的輸出系數(shù)的關(guān)系式的解；和根據(jù)所計算出的解計算軸速指令值。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13中任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，還包括以下步驟以恒定時間間隔對所計算出的渦輪的輸出進(jìn)行采樣，并且計算當(dāng)前渦輪輸出Ptur(n)與前次渦輪輸出Ptur(n-1)之間的差ΔP(n)；通過將所計算出的差ΔP(n)乘以比例增益來計算微速度指令值；將所計算出的微速度指令值的絕對值限制為預(yù)定極限值；和將所計算出的微速度指令值與所計算出的軸速指令值相加，并且輸出相加值，作為新的軸速指令值。
全文摘要
功率控制器(5)根據(jù)發(fā)電機(3)的輸出電壓和輸出電流計算感應(yīng)電壓或轉(zhuǎn)子磁通量、根據(jù)感應(yīng)電壓的相位或轉(zhuǎn)子磁通量的相位估計發(fā)電機(3)的軸速并且根據(jù)軸速的估計值和發(fā)電機(3)的輸出計算風(fēng)車(1)的輸出。結(jié)果，由于不需要用于檢測發(fā)電機(3)的軸速的速度傳感器就能夠計算出風(fēng)車(1)的輸出，因此能夠簡化電路、降低成本和提高穩(wěn)定性。
文檔編號F03D9/00GK1732617SQ20038010738
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者姜俊求, 林贊惠光, 森本進(jìn)也 申請人:株式會社安川電機