專利名稱：使用交流勵磁同步發(fā)電機的發(fā)電裝置和其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用與功率系統(tǒng)連接的交流勵磁同步發(fā)電機的風力發(fā)電裝置。尤其，涉及一種備有無轉(zhuǎn)子位置傳感器的電動機的發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
使用于風力發(fā)電裝置的交流勵磁同步發(fā)電機，通過功率變換器以轉(zhuǎn)差頻率勵磁轉(zhuǎn)子線圈，可以向定子側(cè)輸出與系統(tǒng)頻率相同頻率的交流電壓，可以改變轉(zhuǎn)速且減小功率變換器的容量。
在使用交流勵磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)中，往往功率變換器容量比發(fā)電機容量小，此時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速進入規(guī)定的范圍內(nèi)時，需要將發(fā)電機與系統(tǒng)同步并網(wǎng)。因此，風力發(fā)電裝置受風的強弱的影像，導致頻繁地進行停止、起動。
使用了交流勵磁同步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)的起動，將發(fā)電機定子與系統(tǒng)連接的開閉器處于打開的狀態(tài)開始，首先，由風力驅(qū)動風車旋轉(zhuǎn)，接著，風車控制裝置指令電壓同步動作，以使發(fā)電機的定子和系統(tǒng)兩者間的電壓的振幅和相位同步。此時的勵磁裝置，以根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測器計算出的轉(zhuǎn)子頻率與系統(tǒng)頻率之間的差頻率(轉(zhuǎn)差頻率)勵磁轉(zhuǎn)子線圈，因此從勵磁初期開始定子中生成與系統(tǒng)頻率幾乎一致的頻率。在定子和系統(tǒng)電壓的振幅相位同步結(jié)束時，關(guān)閉所述開閉器，使發(fā)電機與系統(tǒng)電連接，從發(fā)電機向電力系統(tǒng)供電。
另外，在專利文獻1中，公開了備有交流勵磁同步發(fā)電機的可變速抽水發(fā)電機裝置的同步并網(wǎng)。
專利文獻1特開2000-308398號公報(圖1(0027)段落至(0035)段落的記載)。
上述現(xiàn)有技術(shù)中，交流勵磁同步發(fā)電機不具備旋轉(zhuǎn)位置/轉(zhuǎn)速傳感器時，因為在向系統(tǒng)同步投入前不能計算轉(zhuǎn)差頻率、即系統(tǒng)頻率和旋轉(zhuǎn)頻率之差，所以不能并入系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種將不備有旋轉(zhuǎn)位置與轉(zhuǎn)速傳感器的交流勵磁同步發(fā)電機在短期間可同步地投入到系統(tǒng)中的發(fā)電裝置。
本發(fā)明在交流勵磁同步發(fā)電機用于向系統(tǒng)電壓同步投入的二次線圈勵磁開始時，以固定頻率開始二次線圈的勵磁，根據(jù)該結(jié)果所表現(xiàn)出的與系統(tǒng)頻率不同的定子電壓的頻率和系統(tǒng)電壓的頻率之差計算轉(zhuǎn)差頻率，然后，以轉(zhuǎn)差頻率開始勵磁，對定子輸出與系統(tǒng)頻率幾乎一致的頻率電壓，然后在轉(zhuǎn)速變化時或相位不同時以相位差達到零的方式調(diào)整相位。
發(fā)明效果本發(fā)明的風力發(fā)電機控制裝置，在交流勵磁同步發(fā)電機向系統(tǒng)同步投入中在沒有位置傳感器的情況下，也能進行電壓投入。


圖1是實施例1的風力發(fā)電裝置的電路構(gòu)成的說明圖。
圖2是實施例1的控制裝置CTRL的控制框圖。
圖3是實施例1的同步控制器SYNC的控制框圖。
圖4是交流勵磁同步發(fā)電機的等效電路的說明圖。
圖5是交流勵磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電壓、定子功率的說明圖。
圖6是實施例1的勵磁控制方式切換的區(qū)域的說明圖。
圖7是實施例1的旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET的說明圖。
圖8是實施例1的電壓相位同步動作的說明圖。
圖中符號說明101-風車，201-積分器，202-乘法器，301、302、303、304-加法器，BR-遮斷器，Cd-平滑濾波器，CNV-功率變換器，CTk、CTn、CTr、CTs-電流傳感器，CTRL-控制裝置，CTT1、CTT2-電磁接觸器，Gen-二次勵磁發(fā)電機，INV-功率變換器，PTg、PTs-電壓傳感器，ROTDET-旋轉(zhuǎn)相位檢測器，SYNC-同步控制器。
具體實施例方式
以最少的傳感器數(shù)目、且簡單的控制方法實現(xiàn)交流勵磁同步發(fā)電機在短時間同步投入系統(tǒng)的目的。以下參照

本發(fā)明。
圖1是表示本實施例的裝置構(gòu)成的單線連接圖。首先，對于輸出發(fā)電功率的電氣布線和裝置進行說明。發(fā)電機Gen是二次勵磁型的發(fā)電機(交流勵磁同步發(fā)電機)，發(fā)電機Gen的轉(zhuǎn)子通過齒輪等與風力發(fā)電用的風車101連接，受到風力作用而轉(zhuǎn)動。發(fā)電機Gen的定子側(cè)的3相交流輸出，與通過外部信號Sg1可以開閉的例如電磁接觸器CTT1的二次側(cè)連接。另外，電磁接觸器CTT1的一次側(cè)，與電磁接觸器CTT2的一次側(cè)和遮斷器BR的二次側(cè)連接。遮斷器BR的一次側(cè)與電力系統(tǒng)連接。遮斷器BR具備例如電流過大而斷開遮斷器的遮斷電流功能，遮斷器BR投入時，對風力發(fā)電裝置的控制裝置提供電源。
另外，電磁接觸器CTT2的二次側(cè)，通過三角連接的電容器Cn和電抗器Ln與功率變換器CNV的交流輸出端連接。另一方面，功率變換器CNV的直流輸出端通過直流的平滑電容器Cd與功率變換器INV的直流輸出端子連接。功率變換器CNV和功率變換器INV使用如功率半導體開關(guān)元件(可控硅、GTO、IGBT、MOSFET等)，分別將交流變換為直流或?qū)⒅绷髯儞Q為交流。功率變換器INV的交流輸出端子通過電抗器Lr和電容器Cr與發(fā)電機Gen的二次側(cè)線圈端子連接。
接著，對用于控制發(fā)電功率的布線和裝置進行說明。遮斷器BR的二次側(cè)的3相電壓和3相電流分別通過電源傳感器PTs、電流傳感器CTs將其值變換為低電壓的信號Vs、Is輸入到控制裝置CTRL。另外電磁接觸器CTT1的二次側(cè)，即電磁接觸器CTT1和發(fā)電機定子之間的電壓和電流分別通過電壓傳感器PTg和電流傳感器CTk變換為低壓信號Vg和I1，輸入到控制裝置CTRL。電磁變換器CTT2的二次側(cè)，即電磁接觸器CTT2和功率變換器CNV之間的3相電流，由電力傳感器CTn將其值變換為低壓的信號In，輸入到控制裝置CTRL。功率變換器CNV和與功率變換器INV的直流部連接的平滑電容器Cd的電壓通過電源傳感器變換為低壓信號Edc輸入到控制裝置CTRL。另外，風車控制器WTCTRL具備對控制裝置CTRL發(fā)送起動、停止等各種指令值，或檢測風車的狀態(tài)的功能。
接著，使用圖2和圖3說明控制裝置CTRL的功能。控制裝置CTRL分別使用信號Sg1、Sg2控制電磁接觸器CTT1、CTT2。另外，控制裝置CTRL輸出脈沖信號Pluse_inv、Pluse_cnv，脈沖信號Pluse_inv、Pluse_cnv驅(qū)動控制各個備有功率半導體開關(guān)元件的功率變換器INV、CNV。
功率變換器CNV，在發(fā)電機Gen通過電磁接觸器CTT1與電力系統(tǒng)連接之前，即從風力發(fā)電裝置的起動中開始，控制平滑電容器Cd的直流電壓Edc為一定。因此，功率變換器CNV實施直流電壓控制和系統(tǒng)無功功率零(功率1)控制。這里，功率變換器INV消耗平滑電容器Cd的能量，如果直流電壓降低，功率變換器CNV的直流電壓控制，以使用交流功率對平滑電容器Cd進行充電將直流電壓Edc保持為一定的方式動作。相反，功率變換器INV在對平滑電容器Cd充電直流電壓Edc上升時，功率變換器CNV的直流電壓控制，以將直流功率變換為交流功率而進行放電，直流電壓Edc保持為一定的方式動作。
使用圖2，對功率變換器CNV的控制進行說明。交流電壓檢測值Vs被輸入相位檢測器THDET和3相2相變換器32trs中。相位檢測器THDET用例如相位同步環(huán)(PLL鎖相環(huán))的方式計算跟蹤系統(tǒng)電壓的相位信號THs，將該相位信號THs輸出到3相2相坐標變換器32dqtrs和2相3相坐標變換器dq23trs。直流電壓指令值Eref和直流電壓檢測值Edc輸入直流電壓調(diào)節(jié)器DCAVR(例如由比例積分控制器構(gòu)成)。直流電壓調(diào)節(jié)器DCAVR調(diào)整輸出的d軸電流指令值(有效成分電流指令值)Idnstr，以使被輸入的指令值Eref和檢測值Edc的偏差為零，并將d軸電流指令值Idnstr輸出到電流調(diào)節(jié)器1-ACR。
3相2相坐標變換器32dqtrs，將被輸入的來自電流傳感器CTn的信號In，使用(式1)式所示的變換式，計算d軸電流檢測值Idn(有效成分電流)和q軸電流檢測值Iqn(無效成分電流)，將d軸電流檢測值Idn輸出到電流調(diào)節(jié)器1-ACR，將q軸電流檢測值Iqn輸出到電流調(diào)節(jié)器2-ACR。
(式1)
IdnIqn=cos(THs)sin(THs)-sin(THs)cos(THs)Iu·cos(0)+Iv·cos(2π/3)+Iw·cos(4π/3)Iu·sin(0)+Iv·sin(2π/3)+Iw·sin(4π/3)]]>電流調(diào)節(jié)器1-ACR調(diào)整輸出的d軸電壓指令值Vdn0以使d軸電流指令值Idnstr和d軸電流檢測值Idn的偏差為零，并將d軸電壓指令Vdn0輸出到加法器301。同樣，電路調(diào)節(jié)器2-ACR調(diào)整輸出的q軸電壓指令值Vqn0以使q軸電流指令值(＝0)和q軸電流檢測值Iqn的偏差為零，并將q軸電壓指令值Vqn0輸出到加法器302。這里，上述電流調(diào)節(jié)器1-ACR、2-ACR例如可通過比例積分控制器構(gòu)成。
3相2相變換器32trs使用(式2)所示的變換式根據(jù)被輸入的來自電壓傳感器PTs的信號Vs計算α成分Vsα和β成分Vsβ，進而使用(式3)計算d軸電壓檢測值(與系統(tǒng)電壓矢量一致的相位成分)Vds和q軸電壓檢測值(與上述d軸電壓檢測值Vds正交的成分)Vqs，分別輸出到加法器301、302。
(式2)VsαVsβ=23cos(0)cos(2π/3)cos(4π/3)sin(0)sin(2π/3)sin(4π/3)VsuVsvVsw]]>(式3)VdsVqs=cos(THs)sin(THs)-sin(THs)cos(THs)VsαVsβ]]>加法器301將d軸電壓指令值Vdn0和q軸電壓檢測值Vds相加，輸出到2相3相坐標變換器dq23trs。同樣，加法器302將q軸電壓指令值Vqn0和q軸電壓檢測值Vqs相加，輸出到2相3相坐標變換器dq23trs。2相3相坐標變換器dq23trs，輸入相位信號THs和所述各個加法器的結(jié)果Vdn、Vqn，通過(式4)和(式5)表示的變換式運算電壓指令值Vun、Vvn、Vwn，并輸出到PWM運算器PWMn。
(式4)VaVb=cos(THs)-sin(THs)sin(THs)cos(THs)VdnVqn]]>(式5)VunVvnVwn=cos(0)sin(0)cos(2π/3)sin(2π/3)cos(4π/3)sin(4π/3)VaVb]]>PWM運算器PWMn，根據(jù)被輸入的電壓指令Vun、Vvn、Vwn通過脈寬調(diào)制(PWM)方式，計算使構(gòu)成功率變換器CNV的n個功率半導體元件導通/截止的門信號Pluse_cnv，輸出到功率變換器CNV。
接著，參照圖2對功率變換器INV的控制進行說明。功率變換器PQCAL通過上述(式1)所示的變換檢測出檢測系統(tǒng)電流的電流傳感器CTs輸出的信號Is，輸入與系統(tǒng)電壓的U相矢量同向的d軸電流Ids、與系統(tǒng)電壓的U相矢量正交的q軸電流Iqs、上述d軸電壓檢測值Vds、q軸電壓檢測值Vqs，根據(jù)(式6)計算系統(tǒng)有功功率Ps和無功功率Qs。
(式6)Ps＝3(Vds×Ids+Vqs×Iqs)Qs＝3(-Vds×Iqs+Vqs×Ids)有功功率調(diào)節(jié)器APR輸入有功功率Ps和風力發(fā)電裝置的輸出功率指令Pref，輸出使輸出功率指令值Pref和上述有功功率Ps之間的偏差為零的有效電流指令值Iq0。這里，以有效電流指令Pref的例子進行說明，在替代為轉(zhuǎn)矩指令時，在轉(zhuǎn)矩指令中乘以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變換為有功功率指令進行控制即可。
無功功率調(diào)節(jié)器AQR輸入無功功率Qs和風力發(fā)電裝置的輸出功率指令Qref，輸入使輸出功率指令值Qref和上述無功功率Qs之間的差值為零的勵磁電流指令值Id0。這里有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR可以由例如比例積分器構(gòu)成。
上述有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR的各自輸出的有效電流指令值Iq0和勵磁電流指令值Id0輸入到切換器SW。切換器SW決定使用上述有功功率調(diào)節(jié)器APR、無功功率調(diào)節(jié)器AQR的輸出或是使用轉(zhuǎn)矩電流指令值為零、勵磁電流指令值為電壓調(diào)節(jié)器的輸出。這里，切換器SW在電磁接觸器CTT1投入之前，即在發(fā)電機定子電壓與系統(tǒng)電壓同步的電壓同步運行時，后者，即例舉電流指令值為零，勵磁電流指令值使用電壓調(diào)節(jié)器的輸出，在電磁接觸器CTT1投入之后，前者，即選擇各個功率調(diào)節(jié)器的輸出。
接著，參照圖3對電壓調(diào)節(jié)器AVR進行說明。電壓調(diào)節(jié)器AVR，將發(fā)電機定子電壓Vg的振幅值Vgpk作為反饋值，對檢測系統(tǒng)電壓的電壓傳感器PTs所輸出的信號Vs的振幅值通過濾波器FIL的值作為指令值Vref輸入，將勵磁電流指令值Id1輸出到切換器SW，該勵磁電流指令值Id1是將上述發(fā)電機定子電壓Vg的振幅值和上述指令值Vref的偏差為零的指令值。這里電壓調(diào)節(jié)器AVR可由例如比例積分控制器構(gòu)成。該電壓調(diào)節(jié)器AVR在電磁接觸器CTT1開狀態(tài)下動作，使發(fā)電機Gen的定子電壓的振幅值與系統(tǒng)電壓的振幅值一致，因此具有運算從功率變換器INV流入到發(fā)電機Gen的二次側(cè)的勵磁電流指令值的功能。
3相2相坐標變換器32dqtrs，使用(式7)所示的變換式根據(jù)被輸入的電流Ir和轉(zhuǎn)子的相位THr，計算d軸電流檢測值Idr(勵磁電流成分)和q軸電流檢測值Iqr(力矩電流成分)，d軸電流檢測值Idc輸入電流調(diào)節(jié)器4-ACR、q軸電流檢測值Iqr輸入到電流調(diào)節(jié)器3-ACR。
(式7)IdrIqr=cos(THr)sin(THr)-sin(THr)cos(THr)Iu·cos(0)+Iv·cos(2π/3)+Iw·cos(4π/3)Iu·sin(0)+Iv·sin(2π/3)+Iw·sin(4π/3)]]>電流調(diào)節(jié)器4-ACR調(diào)整輸出的d軸電壓指令值Vdr以使d軸電流指令值Id1或Id0與d軸電流檢測值Idr為零。同樣，電流調(diào)節(jié)器3-ACR調(diào)整輸出的q軸電壓指令值Vqr以使q軸電流指令值Iq1或Iq0與q軸電流檢測值Iqr為零。這里，電路調(diào)節(jié)器3-ACR、4-ACR可由如比例積分器構(gòu)成。
d軸電壓指令值Vdr和q軸電壓指令值Vqr輸入2相3相坐標變換器dq23trs中，2相3相坐標變換器dq23trs根據(jù)相位信號THr和上述各個輸入值由(式8)和(式9)所示的變換式計算電壓指令值Vur、Vvr、Vwr輸入到PWM運算器PWMr。
(式8)VaVb=cos(THr)-sin(THr)sin(THr)cos(THr)VdrVqr]]>(式9)VurVvrVwr=cos(0)sin(0)cos(2π/3)sin(2π/3)cos(4π/3)sin(4π/3)VaVb]]>PWM運算器PWMr根據(jù)被輸入的電壓指令Vur、Vvr、Vwr由脈寬調(diào)制(PWM)方式計算門信號Pluse_inv，輸出到功率變換器INV，該門信號Pluse_inv是將構(gòu)成上述功率變換器INV的m個功率半導體元件導通/截止的信號。
接著，參照圖3對同步控制器SYNC進行說明。圖3所示的同步控制器SYNC輸入將系統(tǒng)電壓Vs進行3相2相變換而得到的Vα、Vβ和發(fā)電機Gen的定子電壓Vg的一相、圖3中U相電壓Vgu。同步控制器SYNC大致具有兩種功能，其一是用于運算使定子電壓Vg的振幅值與系統(tǒng)電壓的振幅值一致的電壓指令值的功能；其二，用于計算將定子電壓Vg的相位與系統(tǒng)電壓的相位一致的相位修正值LTH的功能。圖3所示同步控制器SYNC首先與電壓振幅值一致，然后以調(diào)整電壓相位的方式進行動作。
為了同步電壓振幅，根據(jù)Vα和Vβ二次方和的平方根計算系統(tǒng)電壓的振幅值Vspk，對計算后的振幅值Vspk用一階延遲濾波器FIL等除去波動成分作為電壓調(diào)節(jié)器AVR的電壓指令值Vsref使用。在本實施例中，定子電壓Vg因為只檢測一相所以為了求得U相電壓Vgu的振幅值，例如，以系統(tǒng)頻率(50/60Hz)下，將一周期間的最大值作為振幅值使用。在電壓調(diào)節(jié)器AVR的反饋值Vgpk中使用，同時在振幅同步判斷器CMPPK中也使用。振幅同步判斷器CMPPK比較電壓指令值Vsref和系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk，其差值在某規(guī)定值以內(nèi)時，例如，振幅值Vgpk為電壓指令值Vsref的90％～110％，優(yōu)選95％～105％的值時，將振幅同步標志FLG_VG設(shè)置為“1”，除此之外，輸出“0”。
同步控制器SYNC的相位同步功能，在振幅同步標志FLG_VG為1的期間，即電壓指令值Vsref和系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk大致一致時動作。上述系統(tǒng)電壓的α項Vα與系統(tǒng)電壓的U相一致，所以為使該Vα和定子電壓的U相電壓Vgu的相位一致，使用該差值。
現(xiàn)在，設(shè)系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk和定子電壓的振幅一致，系統(tǒng)電壓的角頻率為ω0定子電壓的角頻率為ω1相位差設(shè)為dTH、時間設(shè)為t時，該差值的絕對值A(chǔ)BSDV用絕對值運算器abs(式10)計算。
(式10)ABSDV＝Vα-Vgu＝Vgpk×sin(ω0·t)-Vgpk×sin(ω1·t+dTH)這里，勵磁相位THr相當于從系統(tǒng)電壓的相位THr中減去旋轉(zhuǎn)相位TH的值，因此如果計算旋轉(zhuǎn)相位TH為正所求得的勵磁相位THr位置，功率變換器INV用勵磁相位THr的相位勵磁，定子角頻率ω1幾乎和系統(tǒng)電壓的角頻率ω0相等。(式10)如果電壓振幅一致則在(式11)可以改寫。
(式11)ABSDV＝Vgpk×sin(dTH) 其中，電壓振幅一致后這里，角度變換器，在系統(tǒng)頻率的一周期間檢測(式11)的最大值，進而，除以系統(tǒng)電壓的振幅值Vgpk后再歸一化，用(式12)計算相位差運算值DTH并輸出。
(式13)DTH≈dTH其中，電壓振幅一致后如此得到的DTH，在電壓振幅一致時誤差小，但在不一致時存在誤差，因此，即使產(chǎn)生誤差為了相位同步，判斷在系統(tǒng)電壓的α項Vα零交叉點時的定子電壓的U相電壓Vgu的符號，用乘法器202乘以DTH和該符號。乘法器202的輸出是相位差，但是該相位差直接作為相位修正值LTH輸出時，因為發(fā)電機的定子電壓的相位急劇變化，所以將相位差檢測值DTH經(jīng)由限制器和積分器201作為相位修正值LTH輸出。即，將輸出首先用限制器限制，該值通過積分器201進行積分，可防止定子相位驟變。進而同步成功時的積分值可以作為第二次以后的運行時的初始值使用。
圖3中檢測相位差DTH在以0為中心的規(guī)定范圍內(nèi)，例如在+5°～-5°時，相位同步判斷器CMPTH輸出FLG_TH為“1”除此之外，輸出“0”。時限附加器DLY，在相位同步判斷器CMPTH的輸出FLG_TH連續(xù)為“1”等待經(jīng)過規(guī)定的時間后，對圖2的系統(tǒng)控制器SYS發(fā)送同步信號SYN。系統(tǒng)控制器SYS接收到同步信號SYN時，輸出使上述切換器SW和電磁接觸器CTT1動作的信號Sg0、Sg1。
使用圖4至圖7詳細說明圖2的旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET。在這些圖中，與圖1相同的部件付與相同的符號。圖4使交流勵磁同步發(fā)電機Gen的等效電路。該等效電路的電壓方程由(式14)、(式15)表示，在發(fā)電機的電氣頻率ωr和系統(tǒng)電壓的頻率ω0的發(fā)電機轉(zhuǎn)差s中存在(式16)的關(guān)系。
(式14)Vg·=-(R1+jωoL1)I·1+E·o]]>(式15)
E·o=V·′rs-(R′2s+jωoL′2)I·′r]]>(式16)s=ωo-ωrωo]]>在圖4和(式14)、(式15)中，記號上標有“·”的表示矢量，標有一撇“’”的表示一次側(cè)換算值。另外，L1是一次側(cè)漏感，R1是一次側(cè)電阻，L2是二次側(cè)漏感，R2是二次側(cè)電阻，RM無負載損耗電阻，LM勵磁電感，E0是感應(yīng)電動勢，I0是勵磁電流、ω0輸出頻率，ωs(＝ω0×s)是轉(zhuǎn)差頻率。
(式17)V·g=-(R1+jωoL1)I·1+V·′rs-(R′2s+jωoL′2)I·′r]]>進而，變形(式17)時，可以如(式18)求得轉(zhuǎn)差s。
(式18)s=V·′r-R′2I·′rV·g+(R1+jωoL1)I·1+jωoL′2I·′r]]>該(式18)的分母的矢量(實軸成分和虛軸成分)和分子的矢量(實軸成分和虛軸成分)一致時，因為求得轉(zhuǎn)差，可以按照分母和分子的矢量的相位誤差為零的方式修改現(xiàn)在設(shè)定的轉(zhuǎn)差頻率ωs，即使沒有旋轉(zhuǎn)位置傳感器也可以始終運算轉(zhuǎn)差頻率ωs。使用該(式18)的轉(zhuǎn)差頻率的推測運算以下稱為電壓矢量方式。
圖5中，曲線的橫軸表示轉(zhuǎn)速，縱軸表示電壓或輸出功率。二次勵磁發(fā)電機中，如圖5所示，系統(tǒng)頻率和旋轉(zhuǎn)頻率一致的同步頻率ω0(轉(zhuǎn)差s＝0)，二次側(cè)的電壓為零，即功率變換器CNV的輸出端的電壓V2幾乎為零，頻率控制為零，因此(式18)的分子所示的矢量大小變小，因此，(式18)的分子所示的矢量大小變小，根據(jù)發(fā)電機常數(shù)等的誤差轉(zhuǎn)差s的推測容易存在誤差難以控制。因此，存在無法進行使用(式18)的矢量作出的相位推測的區(qū)域。這時，使用采取了二次側(cè)的有效成分·無效成分電流和一次側(cè)功率的相位誤差推測。
一次的有效成分電流I1d和二次的有效成分電流是有功功率相關(guān)成分，二次的有效成分電流的一次換算值Idr’和一次有效成分電流I1d一致。即用(式19)表示。
(式19)Idr′＝I1d另外，一次的無效成分電流I1q和二次的無效成分電流是與無功功率相關(guān)的成分，從二次的無效成分電流Iqr’中除去勵磁成分I0后的、即相當輸出到定子側(cè)的無功功率成分的二次側(cè)電流的一次換算值Iqr2’與一次無效成分電流I1q一致。即用(式20)表示。
(式20)Iqr2＝Iqr′-I0＝I1q定子電流I1也可以根據(jù)功率變換器CNV的輸出電流Ir和系統(tǒng)電流Is由基爾霍夫法則求出。另外，勵磁電流I0是發(fā)電機的電氣特性之一，根據(jù)規(guī)范書等提供。另外，一次(定子)的有效成分電流Id1和定子的有功功率P成比例，一次(定子)的無效成分電流Iq1和定子無功功率Q成比例，因此(式21)成立。
(式21)P∝I1d＝Idr′Q∝I1q＝Iqr2′
因此，P、Q所示的矢量與Idr’、Iqr2’所示的矢量方向一致。但是，轉(zhuǎn)子的頻率推測中存在誤差時，求取二次的各d軸、q軸成分的坐標變換的旋轉(zhuǎn)相位存在誤差ΔΦ，(式21)不成立。即，轉(zhuǎn)子的相位推測值比實際超前ΔΦ時，成為如(式22)所示。
(式22)P∝I1d＝Idr′cos(Δφ)+Iqr2′sin(Δφ)(≠Idr′)Q∝I1q＝Iqr2′cos(Δφ)+Idr′sin(Δφ)(≠Iqr2′)因此，在(式22)中表示的P和Q的矢量與Idr’、Iqr2’所示的矢量一致，即如(式21)的關(guān)系所示，可以修正旋轉(zhuǎn)頻率推測值或勵磁頻率推測值。使用該(式21)(式22)的轉(zhuǎn)差頻率的推測運算，以下成為功率矢量方式。該功率矢量方式，在一次的功率小時功率的矢量變小。容易包含誤差，因此與使用電壓矢量的方式并用覆蓋運轉(zhuǎn)區(qū)域，該使用電壓矢量的方式使用采用上述的發(fā)電機常數(shù)的(式18)的電壓矢量。
圖6表示電壓矢量方式和功率矢量方式的運行區(qū)域。例如，在發(fā)電機定子與系統(tǒng)連接的狀態(tài)下，在圖6所示的輸出功率小的區(qū)域A即同步速度ω0的輸出有效功率P0的10％以下、優(yōu)選5％以下，轉(zhuǎn)速在同步速度ω0的75％以下和同步速度ω0的125％以上，優(yōu)選轉(zhuǎn)速在同步速度ω0的90％以下和同步速度ω0的110％以上，使用(式18)的電壓矢量方式推測發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)頻率，在輸出功率大的區(qū)域B中使用(式21)、(式22)的功率矢量方式。另外，在同步速度附近輸出功率小的區(qū)域C中，避免起動或降低輸出而停止的動作。根據(jù)這些運轉(zhuǎn)方法，在發(fā)電機定子與系統(tǒng)連接的狀態(tài)下，推測發(fā)電機旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子位置，可以穩(wěn)定發(fā)電。
圖7表示實現(xiàn)(式18)的上述電壓矢量方式和(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的、旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET的構(gòu)成。通過對旋轉(zhuǎn)相位檢測器ROTDET輸入功率系統(tǒng)電壓Vs、一次側(cè)電流I1、二次側(cè)勵磁電壓Vr、二次側(cè)電流Ir可以推測轉(zhuǎn)差s。這里，對使用二次側(cè)勵磁電壓Vr求取轉(zhuǎn)差s的方法進行說明，但是也可以使用功率變換器INV的電壓指令值Vur、Vvr、Vwr來代替二次側(cè)勵磁電壓Vr。
首先，對根據(jù)(式18)的上述電壓矢量方式的旋轉(zhuǎn)位置推測的推測誤差求取方法進行說明。在圖7中，在矢量運算器VCTCAL1，根據(jù)由頻率運算器FCAL1求得的系統(tǒng)電壓Vs的頻率ω0和發(fā)電機的電阻或電感等上述常數(shù)，計算(式18)的分母矢量(實軸成分和虛軸成分)。分別在角度運算器THCAL1、THCAL2，根據(jù)各個矢量計算角度(將實軸設(shè)為0度時的矢量的相位)，在減法器305中計算角度差值THERR1。
接著，對使用(式21)、(式22)的上述功率矢量方式的旋轉(zhuǎn)位置推測的推測誤差求取方法進行說明。在圖7中，由功率運算器PQCAL根據(jù)系統(tǒng)電壓Vs、一次側(cè)電壓I1求取有功功率P、無功功率Q。相位運算器THCAL3計算有功功率和無功功率的(式23)所示的矢量P+jQ的相位，將功率矢量相位THPQ輸出到減法器305。
(式23)P+jQ另外，計算從二次電流Ir的有功功率成分一次換算值Idr’、無效電流成分一次換算值Iqr’除去勵磁電路成分I0后的(式24)所示的矢量的相位。將電流矢量相位THI2輸出到減法器305。
(式24)Idr′+j(Iqr′-I0)減法器305，從相位THPQ中減去THI2，用減法器305計算角度的差值THERR2。電壓矢量的相位誤差THERR1和用功率矢量計算的相位誤差THERR2輸入到切換器SWTH。切換器SWTH，如圖6的說明中所述，在一次側(cè)的功率大的時候(區(qū)域B)選擇根據(jù)功率矢量計算的相位誤差THERR2，在一次側(cè)的功率小的時候(區(qū)域A)，選擇電壓矢量的相位誤差THERR1。另外，在風車控制器WTCTRL控制功率指令或起動停止時的時間(轉(zhuǎn)速在區(qū)域C的范圍內(nèi)不起動停止)等，以使運行狀態(tài)不進入?yún)^(qū)域C。
如果角度的差值THERR1或THERR2為零，則可以求得正確的轉(zhuǎn)差，因此在比例積分調(diào)節(jié)器的反饋值中使用上述角度誤差THERR將零設(shè)定為目標值。因為可以根據(jù)上述比例積分調(diào)節(jié)器的輸出可以求出相對于通過上述現(xiàn)設(shè)定轉(zhuǎn)差頻率ωs的誤差值，所以在加法器304中將其與現(xiàn)在設(shè)定的轉(zhuǎn)差頻率ωs相加。成為修正加法器304的輸出的轉(zhuǎn)差頻率ωs’后的轉(zhuǎn)差頻率，所以通過對其進行積分可以計算相位信號RTH。
相位信號RTH和同步控制器SYNC的輸出相位信號LTH用圖2中的加法器303相加，成為相位信號TH，相位信號TH與上述相位信號THs一起被輸入勵磁相位運算器SLDET。上述勵磁相位運算器SLDET將上述相位信號TH和THs相加，輸出轉(zhuǎn)子的電氣角頻率的相位信號THr。
圖8表示根據(jù)圖2和圖3達到電壓同步之前的動作波形。在圖8中，運轉(zhuǎn)開始時(時刻t＝0之前)，處于電磁接觸器CTT1打開，只功率變換器CNV動作狀態(tài)。然后，從時刻t＝0到t＝t2中，為了進行使系統(tǒng)電壓的振幅和相位同步的相位同步的動作，功率變換器INV將勵磁電流供給到轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)電壓和定子電壓大致一致，例如，在達到系統(tǒng)電壓90％到110％，優(yōu)選達到95％到105％的定子電壓的時刻t＝t2的時刻，閉合電磁接觸器CTT1。
在電壓相位同步開始中，例如以0Hz的固定頻率供給勵磁電流時，在定子的電壓中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)定子電壓的零交差點等檢測頻率時，可知轉(zhuǎn)速，因此可以求出用于將定子電壓設(shè)為與系統(tǒng)的頻率相同的50Hz或60Hz的勵磁頻率。
功率變換器INV以求出的勵磁頻率供給勵磁電流時，定子電壓可以達到與系統(tǒng)頻率幾乎相同的頻率，例如95％到105％的范圍內(nèi)的頻率。求出勵磁頻率之后，因為由相位同步檢測器將相位差值(圖3的DTH1)與勵磁相位相加所以可與系統(tǒng)頻率同步。即，最初的勵磁頻率使用控制裝置任意決定的規(guī)定值，接著，根據(jù)可觀測其結(jié)果的定子電壓的頻率求得轉(zhuǎn)速，使定子電壓的頻率與系統(tǒng)頻率一致，大致分為兩個階段動作。相位差大致一致輸出同步判斷標志SYN時，系統(tǒng)控制器SYS將控制切換信號Sg0發(fā)送到切換器SW，同時，對電磁接觸器CTT1發(fā)送閉合指令。
如此，在無旋轉(zhuǎn)位置傳感器時，因為不知最初轉(zhuǎn)速，觀測勵磁開始時的轉(zhuǎn)速來決定初始勵磁頻率，因此，勵磁開始時的勵磁頻率作為某個任意的固定值(實施例中0Hz)開始運行。由此，即使沒有位置傳感器也能檢測初始的旋轉(zhuǎn)頻率，可以以轉(zhuǎn)差頻率進行勵磁。因此，即使沒有旋轉(zhuǎn)位置傳感器也可以實現(xiàn)同步投入系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。
另外，不需要交流勵磁同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的控制裝置，通過避免在其特性上運行難、以同步速度輸出功率小的區(qū)域進行起動或降低功率停止，作為發(fā)電裝置可以穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。在難以停止(上述區(qū)域C)時輸出指令，特別是在風流發(fā)電中轉(zhuǎn)速根據(jù)風力變化，因此系統(tǒng)不存在問題。
以上說明了同步投入系統(tǒng)的情況，但是，相反從系統(tǒng)分離時，交流勵磁同步發(fā)電機以同步速度ω0以外的轉(zhuǎn)速將電磁接觸器CTT1打開分離(解列)，然后，停止功率變換器INV、CONV的勵磁即可。
另外，本實施例中說明風力發(fā)電的情況，因為本發(fā)明可以將二次勵磁型的發(fā)電機/電動機與系統(tǒng)連接，因此也適用于調(diào)速發(fā)電機發(fā)電、引擎發(fā)電機等各種用途的發(fā)電機。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電裝置，備有交流勵磁同步發(fā)電機；配置在該交流勵磁同步發(fā)電機定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機構(gòu)；與上述交流勵磁同步發(fā)電機的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵磁機構(gòu)；控制所述開閉機構(gòu)和勵磁機構(gòu)的控制機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機構(gòu)，其中，所述控制機構(gòu)包括，在所述開閉機構(gòu)打開時，根據(jù)自二次側(cè)以規(guī)定的頻率勵磁而產(chǎn)生的定子側(cè)電壓的頻率、由系統(tǒng)電壓檢測值求出的系統(tǒng)電壓的頻率、二次側(cè)的勵磁頻率來計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)差頻率，使自所述二次側(cè)勵磁的頻率與計算出的轉(zhuǎn)差頻率一致的機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)，將自二次側(cè)的勵磁頻率以0Hz開始勵磁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)，包括按照以所述轉(zhuǎn)差頻率勵磁二次側(cè)而產(chǎn)生的定子的電壓的振幅與系統(tǒng)電壓的振幅一致的方式改變勵磁電流的機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)，包括按照以所述轉(zhuǎn)差頻率勵磁二次側(cè)而產(chǎn)生的定子的電壓的相位與系統(tǒng)電壓的相位一致的方式改變勵磁頻率的機構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)，包括在系統(tǒng)電壓和定子電壓的電壓頻率、相位、振幅達到規(guī)定的范圍的值時，閉合所述開閉機構(gòu)的機構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)包括發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為與系統(tǒng)同步的同步速度以外時關(guān)閉所述開閉機構(gòu)而與系統(tǒng)連接的機構(gòu)。
7.一種發(fā)電裝置，備有交流勵磁同步發(fā)電機；配置在該交流勵磁同步發(fā)電機定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機構(gòu)；與上述交流勵磁同步發(fā)電機的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵磁機構(gòu)；控制所述開閉機構(gòu)和勵磁機構(gòu)的控制機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機構(gòu)；檢測所述交流勵磁同步發(fā)電機的二次線圈側(cè)的電流的機構(gòu)；檢測所述交流勵磁同步發(fā)電機的二次線圈側(cè)電壓的機構(gòu)，其中，所述控制機構(gòu)包括，在所述開閉機構(gòu)打開時，輸入所述系統(tǒng)側(cè)的電壓的檢測值、所述定子側(cè)的電流檢測值、所述二次線圈側(cè)的電壓檢測值、所述二次線圈側(cè)的電流的檢測值，計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)差頻率的相位檢測機構(gòu)；和使所述交流勵磁機構(gòu)的頻率與計算出的轉(zhuǎn)差頻率一致的機構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述勵磁機構(gòu)備有第1功率變換器和第2功率變換器，以及配置在該第1功率變換器的直流側(cè)和第2功率變換器的直流側(cè)之間的電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于，所述交流勵磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子用風車驅(qū)動。
10.一種發(fā)電裝置，備有交流勵磁同步發(fā)電機；配置在該交流勵磁同步發(fā)電機定子側(cè)的與系統(tǒng)連接用的開閉機構(gòu)；與上述交流勵磁同步發(fā)電機的二次線圈連接的、施加可變頻率的交流的勵磁機構(gòu)；控制所述開閉機構(gòu)和勵磁機構(gòu)的控制機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的系統(tǒng)側(cè)的電壓的機構(gòu)；檢測所述開閉機構(gòu)的定子側(cè)的電壓的機構(gòu)，其中，所述控制機構(gòu)包括，在所述開閉機構(gòu)斷開時，根據(jù)自二次側(cè)以規(guī)定的頻率勵磁而產(chǎn)生的定子側(cè)電壓的頻率、由系統(tǒng)電壓檢測值求出的系統(tǒng)電壓的頻率、二次側(cè)的勵磁頻率計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)差頻率，使自所述二次側(cè)勵磁的頻率與計算出的轉(zhuǎn)差頻率一致進行勵磁后閉合所述開閉機構(gòu)，在所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到與系統(tǒng)同步速度不同的速度之后，打開所述開閉機構(gòu)將所述交流勵磁同步發(fā)電機自系統(tǒng)分離，停止所述勵磁機構(gòu)的勵磁。
全文摘要
一種發(fā)電裝置，可以將不具備旋轉(zhuǎn)位置傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器的交流勵磁同步發(fā)電機在短時間同步投入系統(tǒng)。本發(fā)明的發(fā)電裝置，在交流勵磁同步發(fā)電機的用于對系統(tǒng)同步投入的二次線圈的勵磁開始時，首先以固定頻率勵磁二次線圈，根據(jù)定子側(cè)出現(xiàn)的電壓的頻率和系統(tǒng)電壓頻率之間的差值計算轉(zhuǎn)差頻率，接著以計算出的轉(zhuǎn)差頻率進行勵磁，向定子輸出與系統(tǒng)頻率大致一致的頻率的電壓投入系統(tǒng)。然后，按照轉(zhuǎn)速變化后情況或相位變化后的情況使相位差為零的方式調(diào)整相位。
文檔編號H02P9/14GK1905355SQ20061005498
公開日2007年1月31日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者一瀨雅哉, 二見基生, 大原伸也, 今家和宏, 松竹貢 申請人:株式會社日立制作所