ES2682990T3 - A method and control arrangement for the control of an alternating current generator - Google Patents
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Abstract
Un método para el control de un generador de corriente alterna (CA) multifase que se conecta a un convertidor controlable, teniendo el generador un rotor con un árbol conectado a al menos una pala de turbina eólica, comprendiendo el método: determinar una velocidad de rotación y fase de un flujo del rotor generado por el rotor, determinar una estimación de un flujo del estator, generar una señal de referencia de flujo del estator de CA basándose en la fase del flujo del rotor, determinar una señal de error que representa la diferencia entre el flujo del estator estimado y una señal de referencia de flujo del estator de CA, aplicar la señal de error a un controlador para generar una tensión de referencia, en el que el controlador tiene una función de realimentación y una función resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, y aplicar la tensión de referencia al convertidor controlable.A method for the control of a multiphase alternating current (AC) generator that is connected to a controllable converter, the generator having a rotor with a shaft connected to at least one wind turbine blade, the method comprising: determining a rotation speed and phase of a rotor flow generated by the rotor, determine an estimate of a stator flow, generate an AC stator flow reference signal based on the rotor flow phase, determine an error signal that represents the difference Between the estimated stator flow and an AC stator flow reference signal, apply the error signal to a controller to generate a reference voltage, in which the controller has a feedback function and a resonant function with a frequency of variable resonance set to correspond to the frequency of the stator flow reference, and apply the reference voltage to the controllable converter.
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Un metodo y una disposicion de control para el control de un generador de corriente alterna Campo tecnicoA method and a control arrangement for the control of an AC generator Technical field
La presente invencion se refiere a un metodo para el control de un generador de corriente alterna (CA) multifase que se conecta a un convertidor controlable, teniendo el generador un rotor con un arbol conectado a al menos una pala de turbina eolica. La invencion se refiere adicionalmente a una disposicion de control adecuada para llevar a cabo el metodo.The present invention relates to a method for controlling a multiphase alternating current (AC) generator that is connected to a controllable converter, the generator having a rotor with a shaft connected to at least one wind turbine blade. The invention further relates to a control arrangement suitable for carrying out the method.
AntecedentesBackground
Dicho metodo se divulga en el documento US 5.083.039, que describe un generador de induccion de CA conectado a un convertidor de potencia. Se controla el par del generador usando un regulador PI que funciona utilizando orientacion del campo. Se controla entonces el convertidor de potencia para proporcionar corrientes de estator que den como resultado el par deseado. Esto permite al controlador eliminar totalmente un error en un estado estacionario. Un inconveniente que dicho sistema, sin embargo, es que sera relativamente complejo.Said method is disclosed in US 5,083,039, which describes an AC induction generator connected to a power converter. The generator torque is controlled using a PI regulator that works using field orientation. The power converter is then controlled to provide stator currents that result in the desired torque. This allows the controller to completely eliminate an error in a steady state. A drawback that such a system, however, is that it will be relatively complex.
SumarioSummary
Un objeto de la presente divulgacion es obviar totalmente o en parte el problema anteriormente mencionado, y mas particularmente proporcionar un metodo y un aparato para controlar un generador de CA que sea menos complejo.An object of the present disclosure is to totally or partially obviate the aforementioned problem, and more particularly to provide a method and apparatus for controlling an AC generator that is less complex.
Este objeto se consigue mediante un metodo tal como se define en la reivindicacion 1 o una disposicion de control correspondiente que lleva a cabo el metodo tal como se define en la reivindicacion 11.This object is achieved by a method as defined in claim 1 or a corresponding control arrangement that performs the method as defined in claim 11.
Mas espedficamente, el metodo comprende determinar la velocidad de rotacion y la fase de un flujo del rotor generado por el rotor del generador, determinar unas caractensticas electricas del generador de CA, generar una senal de referencia de CA basandose en la fase del flujo del rotor, determinar una senal de error que representa la diferencia entre la caractenstica electrica del generador de CA y la senal de referencia de CA, aplicar la senal de error a un controlador para generar una tension de referencia, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, y aplicar la tension de referencia al convertidor controlable.More specifically, the method comprises determining the rotation speed and the phase of a rotor flow generated by the generator rotor, determining electrical characteristics of the AC generator, generating an AC reference signal based on the rotor flow phase , determine an error signal representing the difference between the electrical characteristic of the AC generator and the AC reference signal, apply the error signal to a controller to generate a reference voltage, in which the controller has a function of feedback and a resonant function with a variable resonance frequency set to correspond to the frequency of the stator flow reference, and apply the reference voltage to the controllable converter.
El uso de un controlador con propiedades resonantes significa que las corrientes del estator asf como el flujo del estator pueden controlarse como senales alternas. Por lo tanto no hay necesidad de transformar las corrientes o el flujo del estator a ser controlados a un marco rotativo, lo que proporciona un controlador menos complejo. Dado que la frecuencia de resonancia vana de acuerdo con la senal de referencia y en consecuencia de acuerdo con la rotacion de la turbina eolica, el controlador es capaz de controlar el convertidor correctamente incluso aunque vane la velocidad del viento.The use of a controller with resonant properties means that the stator currents as well as the stator flow can be controlled as alternating signals. Therefore there is no need to transform the currents or stator flow to be controlled to a rotating frame, which provides a less complex controller. Since the resonant frequency varies according to the reference signal and consequently according to the rotation of the wind turbine, the controller is able to control the converter correctly even if the wind speed varies.
La senal de referencia de CA puede generarse basandose en una senal de error correspondiente a una diferencia entre una potencia deseada y una potencia real. Como alternativa, sin embargo, la senal de referencia de CA puede generarse basandose en una senal de error correspondiente a una diferencia entre un par deseado y un par real.The AC reference signal can be generated based on an error signal corresponding to a difference between a desired power and a real power. Alternatively, however, the AC reference signal can be generated based on an error signal corresponding to a difference between a desired pair and a real pair.
La senal de referencia de CA puede ser una referencia de corriente de CA o una referencia de flujo del estator de CA y la caractenstica electrica que se determina puede ser una senal de corriente de CA o una estimacion del flujo del estator de CA.The AC reference signal may be an AC current reference or an AC stator flow reference and the electrical characteristic that is determined may be an AC current signal or an estimate of the AC stator flow.
El controlador puede ser un controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que Kp y Ki son constantes o alternativamente vanan dependiendo de la velocidad de rotacion del flujo del rotor. En cualquier caso, sin embargo, la frecuencia de resonancia del controlador vana de acuerdo con la velocidad del rotor.The controller can be a resonant P + controller comprising a proportional coefficient, Kp, and a resonance coefficient, Ki, in which Kp and Ki are constant or alternatively they depend on the rotational speed of the rotor flow. In any case, however, the resonance frequency of the controller varies according to the speed of the rotor.
Adicionalmente, la tension de referencia puede compensar la fuerza electromagnetica del generador, FEM. Esto proporciona un control incluso mas eficiente.Additionally, the reference voltage can compensate the electromagnetic force of the generator, FEM. This provides even more efficient control.
La disposicion de control se concibe de acuerdo con el metodo. En un aspecto de la invencion, se proporciona una disposicion de control para un generador de corriente alterna (CA) multifase, que comprende un rotor conectado a al menos una pala de turbina eolica, que se conecta a un convertidor controlable, comprendiendo la disposicion un primer dispositivo detector para la deteccion de una velocidad de rotacion de un flujo del rotor generado por el rotor, un bloque detector para determinar una caractenstica electrica del generador de CA, un generador de referencia para generar una senal de referencia de CA basandose en una fase del flujo del rotor, determinandose la fase del flujo del rotor basandose en la velocidad de rotacion, un generador de senal de error para determinar una senal de error que representa la diferencia entre las caractensticas electricas y la senal de referencia de CA, y un controladorThe control arrangement is conceived according to the method. In one aspect of the invention, a control arrangement is provided for a multiphase alternating current (AC) generator, comprising a rotor connected to at least one wind turbine blade, which is connected to a controllable converter, the arrangement comprising a first detector device for the detection of a rotation speed of a rotor flow generated by the rotor, a detector block for determining an electrical characteristic of the AC generator, a reference generator for generating an AC reference signal based on a phase of the rotor flow, the phase of the rotor flow being determined based on the rotation speed, an error signal generator to determine an error signal representing the difference between the electrical characteristics and the AC reference signal, and a controller
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adaptado para generar una tension de referencia basandose en la senal de error, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, en el que la tension de referencia se adapta para controlar el convertidor controlable.adapted to generate a reference voltage based on the error signal, in which the controller has a feedback function and a resonant function with a variable resonance frequency set to correspond to the frequency of the stator flow reference, in the that the reference voltage is adapted to control the controllable converter.
Los documentos CN101141110 y CN101141111 divulgan sistemas de control para generadores de potencia eolicos DFIG usando reguladores proporcional-resonancia.Documents CN101141110 and CN101141111 disclose control systems for DFIG wind power generators using proportional resonance regulators.
Breve descripcion de los dibujosBrief description of the drawings
La Fig. 1 ilustra esquematicamente un contexto en el que puede aplicarse un metodo de control de la presente divulgacion.Fig. 1 schematically illustrates a context in which a control method of the present disclosure can be applied.
La Fig. 2 ilustra vectores de corriente en un generador smcrono de imanes permanentes (PMSG).Fig. 2 illustrates current vectors in a permanent magnet smchronous generator (PMSG).
La Fig. 3A ilustra esquematicamente un controlador P+Resonante.Fig. 3A schematically illustrates a P + Resonant controller.
La Fig. 3B muestra un diagrama de Bode para un controlador P+Resonante.Fig. 3B shows a Bode diagram for a P + Resonant controller.
La Fig. 4 ilustra un lazo exterior que regula la velocidad de la turbina basandose en la potencia del generador.Fig. 4 illustrates an outer loop that regulates the speed of the turbine based on the power of the generator.
La Fig. 5 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con una realizacion de la invencion.Fig. 5 illustrates a control device according to an embodiment of the invention.
La Fig. 6 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con otra realizacion de la invencion.Fig. 6 illustrates a control device according to another embodiment of the invention.
La Fig. 7 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con una realizacion en la que se controlan corrientes en el marco natural.Fig. 7 illustrates a control device according to an embodiment in which currents are controlled in the natural frame.
La Fig. 8 ilustra un dispositivo de control en donde las corrientes en el marco natural se controlan de acuerdo con otra realizacion.Fig. 8 illustrates a control device where the currents in the natural frame are controlled according to another embodiment.
La Fig. 9 ilustra un controlador para una maquina asmcrona de acuerdo con una realizacion de la invencion.Fig. 9 illustrates a controller for an asmchronous machine according to an embodiment of the invention.
La Fig. 10 ilustra un controlador para una maquina asmcrona de acuerdo con otra realizacion de la invencion.Fig. 10 illustrates a controller for an asmchronous machine according to another embodiment of the invention.
La Fig. 11 ilustra una compensacion de anticipacion opcional de la FEM.Fig. 11 illustrates an optional anticipatory compensation of the FEM.
Descripcion detalladaDetailed description
La Fig. 1 ilustra esquematicamente un contexto en el que puede aplicarse un metodo o dispositivo de control de la presente divulgacion. Una turbina eolica 1 con al menos una pala 2, en movimiento rotativo, se conecta a traves de una caja de engranajes 3 opcional, que se usa para incrementar la velocidad de rotacion del movimiento, a un generador de turbina eolica (WTG) 5, que convierte el movimiento rotativo en energfa electrica.Fig. 1 schematically illustrates a context in which a method or control device of the present disclosure can be applied. A wind turbine 1 with at least one blade 2, in rotary motion, is connected through an optional gearbox 3, which is used to increase the speed of rotation of the movement, to a wind turbine generator (WTG) 5, which converts the rotary movement into electric energy.
El WTG 5 esta dirigido a suministrar energfa a una red electrica 7 de frecuencia fija (tfpicamente 50 o 60 Hz). Aunque es posible el funcionamiento de un WTG en sincronismo con dicha red electrica, por ejemplo mediante el control del paso de la pala 2, es mucho mas preferido permitir que la velocidad de rotacion de la pala de la turbina eolica 2 vane dentro de un cierto intervalo. Esto proporciona una eficiencia energetica mas alta, dado que puede permitirse que la pala de la turbina eolica gire, por ejemplo, con una velocidad optima para cualquier velocidad del viento dada. Adicionalmente, pueden realizarse otras consideraciones para un rendimiento mejorado global. Por ejemplo, pueden disminuirse las tensiones mecanicas a las que se someten partes de la turbina eolica, de modo que puedan mantenerse bajos los costes de mantenimiento.The WTG 5 is intended to supply power to a fixed frequency electrical network 7 (typically 50 or 60 Hz). Although it is possible to operate a WTG in synchronism with said electric network, for example by controlling the pitch of the blade 2, it is much more preferred to allow the rotation speed of the blade of the wind turbine 2 to be within a certain interval. This provides a higher energy efficiency, since the wind turbine blade can be allowed to rotate, for example, at an optimum speed for any given wind speed. Additionally, other considerations can be made for overall improved performance. For example, the mechanical stresses to which parts of the wind turbine are subjected can be reduced, so that maintenance costs can be kept low.
Por tanto, se permite que el WTG 5 produzca potencia de corriente alterna (CA) fuera de sincronismo con la red electrica 7. Se conecta un convertidor 9 CA/CC a los devanados del estator del WTG 5 y convierte su potencia de salida de CA en potencia de corriente continua (CC). El convertidor CA/CC 9 se conecta a traves de un condensador de filtro 11 a un convertidor CC/CA 13, que convierte la potencia de corriente continua (CC) en potencia de CA en sincronismo con la red electrica 7. Puede colocarse un transformador (no mostrado) entre el convertidor CC/CA 13 y la red 7.Therefore, the WTG 5 is allowed to produce alternating current (AC) power out of sync with the power grid 7. An AC / DC converter 9 is connected to the stator windings of the WTG 5 and converts its AC output power in direct current power (DC). The AC / DC converter 9 is connected through a filter capacitor 11 to a DC / AC converter 13, which converts the direct current (DC) power into AC power in synchronism with the power grid 7. A transformer can be placed (not shown) between the DC / AC converter 13 and network 7.
En un ejemplo tfpico, se desea el funcionamiento de la turbina eolica 1 a una velocidad de rotacion deseada espedfica w* para una velocidad de viento dada. El control puede conseguirse entonces en tres lazos en cascada.In a typical example, the operation of the wind turbine 1 at a specific desired rotation speed w * for a given wind speed is desired. Control can then be achieved in three cascading loops.
En primer lugar, se resta la velocidad de rotacion real w de la velocidad de rotacion deseada w* para proporcionar una senal de error. Esta senal de error se suministra a un controlador de velocidad 15, que en respuesta produce la salida de una senal de potencia deseada P*. En segundo lugar, la potencia real P se resta de la potencia deseada P* para proporcionar una senal de error de potencia. La senal de error de potencia se suministra a un controlador de potencia 17, que en respuesta produce la salida de una amplitud deseada de la senal de corriente i* de generacion de potencia del estator.First, the actual rotation speed w is subtracted from the desired rotation speed w * to provide an error signal. This error signal is supplied to a speed controller 15, which in response produces the output of a desired power signal P *. Second, the actual power P is subtracted from the desired power P * to provide a power error signal. The power error signal is supplied to a power controller 17, which in response produces the output of a desired amplitude of the current signal i * of the power generation of the stator.
Como alternativa al uso de la potencia como un parametro de control, podna usarse el par en su lugar como se ilustra en la Fig. 4. El controlador de velocidad 15' produce entonces la salida de un par deseado T* que se compara con el par real para proporcionar una senal de error de par que se suministra a un controlador de potencia 17'. Como respuesta, el controlador de potencia 17' produce la salida de una amplitud deseada de la senal de corriente i* de generacion de potencia del estator.As an alternative to the use of power as a control parameter, the torque could be used instead as illustrated in Fig. 4. The speed controller 15 'then produces the output of a desired torque T * which is compared with the real torque to provide a torque error signal that is supplied to a power controller 17 '. In response, the power controller 17 'produces the output of a desired amplitude of the current signal i * of the power generation of the stator.
La potencia y el par de un WTG se relacionan por la velocidad angular (es decir la velocidad de rotacion del rotor) deThe power and torque of a WTG are related by the angular velocity (i.e. the rotor rotation speed) of
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acuerdo con:agree with:
P = Orator ' TP = Orator 'T
Esto implica que el control de par y potencia presentan caracteristicas diferentes cuando se aplican a un WTG. Mas espedficamente, cuando se controla el par de un WTG, es necesario incluir la velocidad del rotor en el lazo de control. El control de potencia es por ello superior al control de par cuando la senal a ser controlada es potencia dado que la respuesta transitoria es diferente para los dos metodos de control, es decir cuando se usa el control de par, un cambio en la potencia requeriria establecer tanto la velocidad del rotor como el par antes de que puede aplicarse un control apropiado.This implies that torque and power control have different characteristics when applied to a WTG. More specifically, when controlling the torque of a WTG, it is necessary to include the rotor speed in the control loop. The power control is therefore superior to the torque control when the signal to be controlled is power since the transient response is different for the two control methods, that is, when the torque control is used, a change in the power would require set both rotor speed and torque before proper control can be applied.
En tercer lugar, volviendo a la Fig. 1, un controlador 19 produce la salida de la senal de tension del estator u en respuesta a al menos una senal de referencia y a una caracteristica electrica del WTG 5. En una realizacion de la invention, la senal de tension del estator u se produce en respuesta a las senales de corriente deseada del estator i* y a las senales de corriente real del estator i (ia, ib, y.Thirdly, returning to Fig. 1, a controller 19 produces the output of the stator voltage signal or in response to at least one reference signal and an electrical characteristic of the WTG 5. In one embodiment of the invention, the Stator voltage signal u is produced in response to the desired current signals of the stator i * and the actual current signals of the stator i (ia, ib, and.
En una realizacion alternativa de la invencion, hay presente un generador de referencia de flujo del estator 18 para producir la salida de una referencia de flujo del estator ^* basandose en la senal de corriente deseada del estator i*. El controlador 19 produce la salida posteriormente que una senal de tension del estator u en respuesta a al menos la senal de referencia de flujo del estator ^* y a un flujo del estator estimado. Un estimador de flujo 20 determina el flujo del estator estimado, en esta realizacion actual, a partir de, por ejemplo, las senales de corriente real del estator (y ib, ic) del generador de la turbina eolica 5. En todas las realizaciones, la senal de tension del estator u se suministra a un modulador de PWM 21 que controla el convertidor CA/CC 9 en consecuencia.In an alternative embodiment of the invention, a stator flow reference generator 18 is present to produce the output of a stator flow reference ^ * based on the desired current signal of the stator i *. The controller 19 subsequently produces the output of a stator voltage signal u in response to at least the stator flow reference signal ^ * and an estimated stator flow. A flow estimator 20 determines the estimated stator flow, in this current embodiment, from, for example, the actual current signals of the stator (and ib, ic) of the wind turbine generator 5. In all embodiments, The stator voltage signal u is supplied to a PWM modulator 21 that controls the AC / DC converter 9 accordingly.
La presente divulgation se refiere al tercero de estos lazos, es decir al lazo mas interior que regula las corrientes del estator o flujo del estator. Deberia entenderse que las funciones de los lazos exteriores pueden conseguirse de otras maneras que no se explicaran adicionalmente. Un ejemplo, sin embargo, seria proporcionar una tabla de busqueda que, en respuesta a un flujo de viento o velocidad de pala dados, proporcione una corriente deseada del estator.This disclosure refers to the third of these ties, that is, the innermost loop that regulates the stator currents or stator flow. It should be understood that the functions of the outer loops can be achieved in other ways that will not be explained further. An example, however, would be to provide a search table that, in response to a given wind flow or blade speed, provides a desired stator current.
Adicionalmente, la operation del convertidor CC/CA 13 no se explica adicionalmente dado que su operation es bien conocida.Additionally, the operation of the DC / AC converter 13 is not further explained since its operation is well known.
Con referencia a la fig. 2, se dara el ejemplo siguiente basandose en una turbina eolica 1 que comprende un generador smcrono de imanes permanentes (PMSG). Con algunas modificaciones, a ser explicadas a continuation, el concepto de la presente description es aplicable sin embargo a un generador smcrono con una bobina de rotor o un generador asmcrono, por ejemplo un generador con rotor en jaula de ardilla.With reference to fig. 2, the following example will be given based on a wind turbine 1 comprising a permanent magnet smchronous generator (PMSG). With some modifications, to be explained below, the concept of the present description is however applicable to a synchronous generator with a rotor coil or an asmchronous generator, for example a generator with a squirrel cage rotor.
Con referencia a la fig. 2, las tensiones de los tres terminales a-b-c del generador trifasico se dan mediante la expresion:With reference to fig. 2, the voltages of the three terminals a-b-c of the three-phase generator are given by the expression:
(Ec. 1)(Ec. 1)
en la que Esa, Esb, y Esc denotan la FEM del generador para cada fase, Lm es la inductancia mutua de los devanados de fase, o es el factor de fugas, es decir la autoinductancia dividida por la inductancia mutua, y Rs es la resistencia del devanado.in which Esa, Esb, and Esc denote the EMF of the generator for each phase, Lm is the mutual inductance of the phase windings, or is the leakage factor, that is, the autoinductance divided by the mutual inductance, and Rs is the winding resistance
Usando la relation (isa + isb + isc = 0), las tensiones para los tres terminales a-b-c de un generador trifasico pueden simplificarse como:Using the relation (isa + isb + isc = 0), the voltages for the three terminals a-b-c of a three-phase generator can be simplified as:
u =R -i +(l,5 + c7% ^- + Eu = R -i + (l, 5 + c7% ^ - + E
sa s sa V ’ / m ^ sasa s sa V ’/ m ^ sa
usb = K ' hb +(1.5-1- a)Lm + Esb (Ec. 2)usb = K 'hb + (1.5-1- a) Lm + Esb (Ec. 2)
u„=R,^+(l,5rty)L„^- + E„u „= R, ^ + (l, 5rty) L„ ^ - + E „
La FEM para cada fase es:The EMF for each phase is:
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respectivamente, en donde wr indica la velocidad angular del flujo del rotor, 0r se relaciona con el angulo del flujo del rotor, y es la cantidad de flujo magnetico generada por el rotor.respectively, where wr indicates the angular velocity of the rotor flow, 0r is related to the angle of the rotor flow, and is the amount of magnetic flux generated by the rotor.
Tem = ~P^rTem = ~ P ^ r
ha C0S dr + hb C0SI dr-Yy ^ C°S ('^ ~ha C0S dr + hb C0SI dr-Yy ^ C ° S ('^ ~
UM ^em’UM ^ em ’
(Ec. 4) (Ec. 5)(Ec. 4) (Ec. 5)
en las que wm = w / p y p es el numero de pares de polos del rotor. Es posible asi controlar la potencia del PMSG en una configuration de turbina eolica mediante el control de cada una de las corrientes del devanado. Esto puede realizarse mediante el control de las tensiones de fase con los interruptores del convertidor CA/CC. Es sin embargo solamente el componente de la corriente del estator que es perpendicular al flujo del rotor el que contribuye al par, y por ello, a la potencia.where wm = w / p and p is the number of pairs of rotor poles. It is thus possible to control the power of the PMSG in a wind turbine configuration by controlling each winding current. This can be done by controlling the phase voltages with the AC / DC converter switches. It is, however, only the component of the stator current that is perpendicular to the rotor flow that contributes to the torque, and therefore, to the power.
En el documento US 5.083.039, que lleva a cabo un metodo de control para un generador con rotor en jaula de ardilla trifasico, se lleva a cabo primero una transformation desde un sistema trifasico (a-b-c) a un sistema equivalente en dos fases (a-p):In US 5,083,039, which carries out a control method for a generator with rotor in three-phase squirrel cage, a transformation is first carried out from a three-phase system (abc) to an equivalent system in two phases (ap ):
Esta transformacion de tres a dos fases es bien conocida. Adicionalmente, se lleva a cabo una segunda transformacion que mapea las corrientes en dos fases a un sistema de coordenadas rotativo, en el que el eje en cuadratura q coincide con el flujo del rotor y el eje directo d es perpendicular al mismo:This three to two phase transformation is well known. Additionally, a second transformation is carried out that maps the currents in two phases to a rotating coordinate system, in which the quadrature axis q coincides with the rotor flow and the direct axis d is perpendicular to it:
hd =ha cos6,. +isP send,.hd = ha cos6 ,. + isP send ,.
hq =-^Sen0,-H/J COsdrhq = - ^ Sen0, -H / J COsdr
(Ec. 7)(Ec. 7)
Observese que 0r se refiere al angulo del flujo del rotor. En un rotor para un generador de induction de jaula de ardilla, el flujo se desliza con relation al rotor. Este no es sin embargo el caso en un generador smcrono tal como un PMSG.Note that 0r refers to the angle of the rotor flow. In a rotor for a squirrel cage induction generator, the flow slides relative to the rotor. However, this is not the case in a synchronous generator such as a PMSG.
Las transformaciones anteriores pueden aplicarse tambien de modo similar sobre las tensiones de fase en un sistema trifasico (a-b-c) a un sistema en dos fases (a-p) equivalente y a continuation posteriormente en el sistema de coordenadas rotativo d-q.The above transformations can also be applied similarly to the phase voltages in a three-phase system (a-b-c) to an equivalent two-phase system (a-p) and subsequently to the rotary coordinate system d-q.
La Fig. 2 ilustra esquematicamente las corrientes descritas hasta el momento. Las tres fases a, b y c estan separadas entre si 120° y la fase a puede designarse como el eje de estator estacionario 31. La corriente de estator instantanea is es la suma de las corrientes de las tres fases isa, isb, isc, cuyas direcciones positivas se indican en el dibujo. En el instante ilustrado, isc tiene un valor negativo. En el marco a-p, que es asimismo estacionario, las corrientes del estator pueden definirse en su lugar con las dos corrientes isa e isp. Se define asi el eje a-p en el que el eje a es el eje del estator 31 y el eje p es perpendicular al eje del estator 31. El flujo del rotor ^r gira con relacion al eje del estator 31. Todas las corrientes ilustradas hasta el momento varian periodicamente, normalmente con una funcion sinusoidal que tiene una frecuencia que es igual a la velocidad de rotation del flujo del rotor (o mas alta en el caso de un rotor con mas de dos polos).Fig. 2 schematically illustrates the currents described so far. The three phases a, b and c are 120 ° apart and the phase a can be designated as the stationary stator axis 31. The instantaneous stator current is is the sum of the currents of the three phases isa, isb, isc, whose directions Positive are indicated in the drawing. In the instant illustrated, isc has a negative value. In the a-p framework, which is also stationary, the stator currents can be defined instead with the two currents isa and isp. Thus the axis ap is defined in which the axis a is the axis of the stator 31 and the axis p is perpendicular to the axis of the stator 31. The rotor flow ^ r rotates relative to the axis of the stator 31. All the currents illustrated up to the moment varies periodically, usually with a sinusoidal function that has a frequency that is equal to the speed of rotation of the rotor flow (or higher in the case of a rotor with more than two poles).
La segunda transformacion da como resultado sin embargo dos corrientes que son constantes cuando el generador esta en un estado estacionario, como se define en un marco rotativo. La corriente isd, que puede denominarse corriente de generation de potencia, es perpendicular al flujo del rotor, y la corriente isq, que puede denominarse corriente de generacion de flujo, es paralela con el flujo del rotor.The second transformation, however, results in two currents that are constant when the generator is in a stationary state, as defined in a rotating frame. The isd current, which can be called power generation current, is perpendicular to the rotor flow, and the isq current, which can be called flow generation current, is parallel to the rotor flow.
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La corriente isd que es perpendicular al flujo del rotor, puede controlarse como un parametro de CC siempre que el generador este en un estado estacionario. Esto puede realizarse dado que la potencia es proporcional a isd. En el documento US 5.083.039 esta corriente se controla con relacion a una referencia de CC usando un controlador PI, que es capaz de eliminar completamente un error para una senal de CC. La salida del controlador de CC se conecta a un rectificador controlable que asegura que la tension en cada fase corresponde a un valor resultante en las corrientes de estator deseadas. Aunque este planteamiento puede ser apropiado en la mayor parte de aplicaciones, su realization puede ser bastante compleja y requiere un equipo de control caro. En lo que sigue se describe por lo tanto un metodo y aparato de control que pueden realizarse como un sistema menos complejo. En particular se describe en el, un metodo/aparato de control en el que no es necesaria una transformation a un marco rotativo.The isd current that is perpendicular to the rotor flow can be controlled as a DC parameter as long as the generator is in a stationary state. This can be done since the power is proportional to isd. In US 5,083,039 this current is controlled in relation to a DC reference using a PI controller, which is capable of completely eliminating an error for a DC signal. The output of the DC controller is connected to a controllable rectifier that ensures that the voltage in each phase corresponds to a resulting value in the desired stator currents. Although this approach may be appropriate in most applications, its realization can be quite complex and requires expensive control equipment. In the following, a method and control apparatus that can be realized as a less complex system is therefore described. In particular, a control method / apparatus is described in which a transformation to a rotating frame is not necessary.
El concepto de control de la presente divulgation usa un controlador resonante junto con un controlador de realimentacion y, opcionalmente, un controlador de anticipation. La combination de un controlador resonante y un controlador de realimentacion puede ser tfpicamente un controlador P+Resonante que es bien conocido per se. Otras posibilidades incluyen combinaciones con controladores PI de realimentacion, y controladores en modo deslizante, etc.The control concept of the present disclosure uses a resonant controller together with a feedback controller and, optionally, an anticipation controller. The combination of a resonant controller and a feedback controller can typically be a P + Resonant controller that is well known per se. Other possibilities include combinations with PI feedback controllers, and slide mode controllers, etc.
Generalmente, un controlador P+Resonante, que se usa como un ejemplo aqrn, puede presentarse como se ha ilustrado esquematicamente en la Fig. 3A. Se ilustra un diagrama de Bode para el controlador en la Fig. 3B. El controlador tiene una parte proporcional y una parte resonante. La parte resonante contribuye a la salida solamente para frecuencias en la proximidad de la frecuencia central wre, que en la presente divulgacion se fija para corresponder a la velocidad de rotation del flujo del rotor, que puede obtenerse por ejemplo por medio de un codificador para medir las caracteristicas mecanicas de un rotor en un generador electrico. Se hace notar que la frecuencia del flujo del estator y la frecuencia del flujo del rotor son iguales, y que la frecuencia de la referencia de flujo del estator es naturalmente igual a la de la frecuencia de flujo del estator. Notese que el parametro w, se refiere a la velocidad angular del flujo del rotor. La funcion de transferencia de un controlador P+Resonante ideal puede definirse como sigue:Generally, a P + Resonant controller, which is used as an example here, can be presented as schematically illustrated in Fig. 3A. A Bode diagram for the controller is illustrated in Fig. 3B. The controller has a proportional part and a resonant part. The resonant part contributes to the output only for frequencies in the vicinity of the central frequency wre, which in the present disclosure is set to correspond to the rotation speed of the rotor flow, which can be obtained for example by means of an encoder for measuring the mechanical characteristics of a rotor in an electric generator. It is noted that the frequency of the stator flow and the frequency of the rotor flow are equal, and that the frequency of the stator flow reference is naturally equal to that of the stator flow frequency. Note that the parameter w refers to the angular velocity of the rotor flow. The transfer function of an ideal P + Resonant controller can be defined as follows:
H(s) = KP+K,..j..S----2- (Ec. 8)H (s) = KP + K, .. j..S ---- 2- (Ec. 8)
s + cores + core
Este regulador tiene la capacidad de eliminar completamente un error tambien en un parametro alterno siempre que el parametro alterne con una frecuencia proxima a Wre. Por lo tanto, puede eliminarse la necesidad de realizar la transformacion en un marco rotativo. En su lugar, el control puede aplicarse directamente sobre una corriente trifasica o una transformacion bifasica de la misma. Al mismo tiempo el parametro wre se suministra al controlador. Kp y Ki pueden ser constantes o pueden variarse de acuerdo con la velocidad del rotor para conseguir diferentes propiedades dinamicas.This regulator has the ability to completely eliminate an error also in an alternate parameter as long as the parameter alternates with a frequency close to Wre. Therefore, the need to perform the transformation in a rotating frame can be eliminated. Instead, the control can be applied directly to a three-phase current or a two-phase transformation thereof. At the same time the parameter wre is supplied to the controller. Kp and Ki can be constant or can be varied according to the rotor speed to achieve different dynamic properties.
Hay varias implementaciones posibles del control P+Resonante anterior. Puede implementarse un controlador P+Resonante mediante el uso de la siguiente funcion de transferencia para conseguir un pico de resonancia practico a un cierto intervalo de frecuencias.There are several possible implementations of the previous P + Resonant control. A Resonant P + controller can be implemented by using the following transfer function to achieve a practical resonance peak at a certain frequency range.
tt / \ v 2Kj(Ocstt / \ v 2Kj (Ocs
Hoc fa) = KP + 2 o' .........2 (Ec.9)Hoc fa) = KP + 2 or '......... 2 (Ec.9)
s + 2cocs + a>yes + 2cocs + a> ye
en la que Wre indica la frecuencia de resonancia y Wc puede considerarse como un factor de amortiguacion en el pico de resonancia.in which Wre indicates the resonant frequency and Wc can be considered as a damping factor in the resonance peak.
La Fig. 5 ilustra un aparato de control que utiliza un controlador P+Resonante de acuerdo con una realizacion de la invention. Se conecta un PMSG trifasico 105 a un convertidor/rectificador CA/CC 109 controlable que comprende seis interruptores. Se miden dos de las corrientes del estator ia, ib usando sensores 106, para generar las senales de sensor. No hay necesidad normalmente de medir la tercera corriente de fase ic dado que, tfpicamente, cada corriente tiene en todo instante una relacion predeterminada con las otras dos. Las senales de corriente se transforman a un marco a-p por medio de una unidad de transformacion a-p 139, que aplica la funcion de la ecuacion 6 anterior, proporcionando de ese modo las corrientes ia, ip. Como se muestra a continuation, es posible sin embargo dejar que el controlador actue directamente sobre las corrientes del estator, es decir en un marco q-b-c o natural.Fig. 5 illustrates a control apparatus using a P + Resonant controller according to an embodiment of the invention. A three-phase PMSG 105 is connected to a controllable AC / DC converter / rectifier 109 comprising six switches. Two of the stator currents ia, ib using sensors 106, are measured to generate the sensor signals. There is normally no need to measure the third phase current ic since, typically, each current always has a predetermined relationship with the other two. The current signals are transformed to an a-p frame by means of a transformation unit a-p 139, which applies the function of equation 6 above, thereby providing the currents ia, ip. As shown below, it is possible, however, to let the controller act directly on the stator currents, that is, in a q-b-c or natural frame.
Como en el sistema descrito en conexion con las Figs. 1 y 4, un controlador de potencia (o par) 117 produce la salida de un valor de referencia im*, que corresponde a una corriente de generation de par que proporciona el par deseado. Un bloque de referencia de corriente 141 genera, basandose en im*, valores de referencia de corriente en el marco a-p, es decir ia*, ip*.As in the system described in connection with Figs. 1 and 4, a power controller (or torque) 117 produces the output of a reference value im *, which corresponds to a torque generation current that provides the desired torque. A current reference block 141 generates, based on im *, current reference values in the frame a-p, ie ia *, ip *.
El bloque de referencia de corriente 141 comprende un integrador 142 que proporciona, basandose en la velocidad de rotacion Wr, una estimation del angulo del flujo del rotor 0r con relacion al eje del estator (vease el 31, Fig. 2). Esto se realiza mediante la integration de la velocidad del rotor y proporcionando el resultado modulo 2n. LosThe current reference block 141 comprises an integrator 142 which provides, based on the rotation speed Wr, an estimation of the rotor flow angle 0r relative to the stator axis (see 31, Fig. 2). This is done by integrating the rotor speed and providing the 2n module result. The
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valores de referencia de corriente en el marco a-p, ia*, ip* se proporcionan entonces como:current reference values in the frame a-p, ia *, ip * are then provided as:
i« = impose,i «= impose,
i*p=i*msendri * p = i * msendr
(Ec. 10)(Ec. 10)
Para cada uno de los valores de referencia de corriente, se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante la resta del valor real usando unidades de suma 108. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante en un bloque controlador 143, que proporciona en consecuencia senales de control ua, up a un controlador de PWM 21. El bloque controlador 143 recibe tambien una medida wr de la velocidad del rotor.For each of the current reference values, an error signal is then provided simply by subtracting the actual value using sum units 108. Each of the error signals is then supplied to a Resonant P + controller in a controller block 143, which consequently provides control signals ua, up to a PWM controller 21. Controller block 143 also receives a wr measurement of rotor speed.
La Fig. 6 ilustra un aparato de control de acuerdo con otra realization de la invention. Se conecta un PMSG 205 trifasico a un convertidor para rectificador CA/CC 209 controlable que comprende seis interruptores. Se miden dos de las corrientes del estator ia, ib, y dos de las tensiones del estator ua y ub, usando sensores 206, para generar senales de sensor de corriente y tension. No hay normalmente necesidad de medir la tercera corriente ic o tension uc de fase dado que, tfpicamente, cada corriente de lmea o tension tiene en todo instante una relation predeterminada con las otras dos. Las senales de corriente y tension se transforman en un marco a-p por medio de una unidad de transformation a-p 239, que aplica la funcion de la ecuacion 6 anterior, proporcionando de ese modo las corrientes ia, ip, y las tensiones ua, up.Fig. 6 illustrates a control apparatus according to another embodiment of the invention. A three-phase PMSG 205 is connected to a controllable AC / DC 209 rectifier converter comprising six switches. Two of the stator currents ia, ib, and two of the stator voltages ua and ub are measured, using sensors 206, to generate current and voltage sensor signals. There is normally no need to measure the third current ic or phase voltage uc since, typically, each line current or voltage has at all times a predetermined relationship with the other two. The current and voltage signals are transformed into an a-p frame by means of a transformation unit a-p 239, which applies the function of equation 6 above, thereby providing the currents ia, ip, and the voltages ua, up.
Las corrientes ia, ip, se pasan entonces al estimador de flujo 220 para obtener una estimation de flujo del estator. Hay muchas formas de conseguir el flujo del estator en el marco estacionario, por ejemplo una estimacion de flujo en lazo abierto o un observador de flujo en lazo cerrado. Un posible estimador de flujo del estator se basa en un modelo de corriente. Esto se proporciona como:The currents ia, ip, are then passed to the flow estimator 220 to obtain a stator flow estimate. There are many ways to achieve stator flow in the stationary frame, for example an estimate of open loop flow or a closed loop flow observer. A possible stator flow estimator is based on a current model. This is provided as:
Vsa =L,isa+ymc osdr Ysp ~Lsisp +Ymsm9rVsa = L, isa + ymc osdr Ysp ~ Lsisp + Ymsm9r
(Ec. 11)(Ec. 11)
en donde la inductancia del estator es Ls =(— + <j)Lm y 'Pm se refiere al flujo del rotor, que es un parametrowhere the stator inductance is Ls = (- + <j) Lm and 'Pm refers to the rotor flow, which is a parameter
constante en un PMSG, y se construye como un valor constante previamente al arranque para una maquina asmcrona (MA), y que se usa para el control del flujo del estator en la MA.constant in a PMSG, and is constructed as a constant value prior to startup for an asmchronous machine (MA), and that is used for the control of the stator flow in the MA.
Alternativamente, la estimacion del flujo del estator puede obtenerse simplemente a partir de mediciones sobre el generador electrico, por ejemplo por medio de un codificador, que obtiene la velocidad angular de la position del rotor del generador, que se combina posteriormente con tensiones de estator medidas del generador de turbina eolica 205, para obtener una estimacion del flujo del estator. La estimacion del flujo del estator podna obtenerse tambien mediante medicion directa con un sensor de induction.Alternatively, the estimation of the stator flow can be obtained simply from measurements on the electric generator, for example by means of an encoder, which obtains the angular velocity of the generator rotor position, which is subsequently combined with measured stator voltages. of the wind turbine generator 205, to obtain an estimate of the stator flow. The estimate of the stator flow can also be obtained by direct measurement with an induction sensor.
Puede describirse de ese modo que se proporciona un bloque sensor 246 para determinar una caractenstica electrica del generador de CA, siendo la caractenstica electrica una corriente de CA o flujo del estator de CA. El bloque sensor podna componerse por ejemplo simplemente de un sensor tal como el sensor 106 como se describe en la Fig. 5, para proporcionar una medicion de dos corrientes del estator del generador 105. Alternativamente, podnan medirse las tres corrientes del estator del generador. Para determinar el flujo del estator de CA, el bloque sensor 246 podna componerse de sensores de corriente o tension 206, una unidad de transformacion a-p 239, asi como un estimador del flujo 220. El bloque sensor 246 podna componerse alternativamente de un sistema para tomar entradas de codificador y tensiones del estator medidas para determinar el flujo del estator de CA. En otra realizacion, el bloque sensor 246 podna ser tambien un sensor de induccion para medicion directa del flujo del estator de CA.It can be described in this way that a sensor block 246 is provided to determine an electrical characteristic of the AC generator, the electrical characteristic being an AC current or flow of the AC stator. The sensor block could, for example, simply consist of a sensor such as sensor 106 as described in Fig. 5, to provide a measurement of two currents of the generator stator 105. Alternatively, the three currents of the generator stator could be measured. To determine the flow of the AC stator, the sensor block 246 could be composed of current or voltage sensors 206, a transformation unit ap 239, as well as a flow estimator 220. The sensor block 246 could alternatively be composed of a system for taking Encoder inputs and stator voltages measured to determine AC stator flow. In another embodiment, the sensor block 246 could also be an induction sensor for direct measurement of the flow of the AC stator.
Volviendo a la Fig. 6, el controlador de potencia (o par) 217 produce la salida de un valor de referencia im*, que corresponde a una corriente de generation de potencia que proporciona la potencia deseada. Los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p de un PMSG Ya*, Yp* se generan en un bloque generador de referencia de flujo del estator 241 mediante el uso de la amplitud de la corriente del estator y el angulo del rotor:Returning to Fig. 6, the power controller (or pair) 217 produces the output of a reference value im *, which corresponds to a power generation current that provides the desired power. The stator flow reference values in the stationary frame ap of a Ya *, Yp * PMSG are generated in a stator flow reference generator block 241 by using the amplitude of the stator current and the rotor angle :
Wscref =LsqIsq+y/a Ysdref ^sdhnWscref = LsqIsq + and / a Ysdref ^ sdhn
(Ec.12)(Ec.12)
en donde ^sqref, Ypsdref* son los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q, Lsd y Lsq son las inductancias del estator en el marco d-q. Puede observarse que en los generadores de iman permanente de montaje superficial (SMPM), el termino Isq puede fijarse a 0, dado que isq es una referencia para la construction del flujo,where ^ sqref, Ypsdref * are the stator flow reference values in the rotating frame d-q, Lsd and Lsq are the stator inductances in the d-q frame. It can be seen that in surface mounted permanent magnet (SMPM) generators, the term Isq can be set to 0, since isq is a reference for flow construction,
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conduciendo a una referencia de flujo del estator en el marco q ^sqref que es simplemente una funcion del flujo de maquina ^m.leading to a stator flow reference in the frame q ^ sqref which is simply a function of the machine flow ^ m.
El bloque generador de referencia del flujo del estator 241 comprende tambien un integrador 242 que proporciona, basandose en la velocidad de rotacion wr, una estimation del angulo del flujo del rotor 0r con relation al eje del estator. Esto se realiza de modo similar mediante la integration de la velocidad del rotor y proporcionando el resultado modulo 2n.The reference generator block of the stator flow 241 also comprises an integrator 242 which provides, based on the rotational speed wr, an estimation of the rotor flow angle 0r relative to the stator axis. This is done in a similar way by integrating the rotor speed and providing the 2n module result.
Se realiza a continuation una transformation adicional desde los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q al marco estacionario a-p, teniendo en consideration el angulo de flujo del rotor 0r para obtener los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p:An additional transformation is then carried out from the stator flow reference values in the rotating frame dq to the stationary frame ap, taking into account the rotor flow angle 0r to obtain the stator flow reference values in the stationary frame ap:
YsaYsa
ViaVia
sen#,.sen # ,.
-cosdr-cosdr
(Ec. 13)(Ec. 13)
Para cada uno de los valores de referencia de flujo del estator, se proporciona a continuacion una senal de error mediante la resta simplemente del valor de flujo estimado usando las unidades sumadoras 208. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante en un bloque controlador 243, que proporciona el consecuencia senales de control ua, up a un controlador de PWM 221. El bloque controlador 243 recibe tambien una medida Wr de la velocidad del rotor.For each of the stator flow reference values, an error signal is then provided by simply subtracting the estimated flow value using the summing units 208. Each of the error signals is then supplied to a controller P + Resonant in a controller block 243, which provides the consequence of control signals ua, up to a PWM controller 221. The controller block 243 also receives a measurement Wr of the rotor speed.
El controlador PWM (que es el mismo que para las realizaciones anteriormente descritas) funciona de una forma bien conocida para el experto en la materia y no se describira con mayor detalle. El controlador PWM 121 (o 221) controla los interruptores del convertidor CA/CC 109 (o 209). Un par de interruptores para cada fase, que se controlan de modo complementario por ejemplo de acuerdo con un esquema de modulation de ancho de pulso por vectores espaciales, SVPWM, como es bien conocido. La frecuencia de conmutacion del convertidor Ca/CC es mucho mas alta que la frecuencia del generador, de modo que puede asegurarse que se produce la tension instantanea correcta en cada fase del PMSG en todo momento. La frecuencia de conmutacion puede ser fija o puede variar de acuerdo con las variaciones de la frecuencia actual del generador de CA.The PWM controller (which is the same as for the embodiments described above) operates in a manner well known to the person skilled in the art and will not be described in greater detail. The PWM 121 (or 221) controller controls the switches of the AC / DC converter 109 (or 209). A pair of switches for each phase, which are controlled in a complementary manner for example according to a pulse width modulation scheme by spatial vectors, SVPWM, as is well known. The switching frequency of the Ca / DC converter is much higher than the generator frequency, so you can ensure that the correct instantaneous voltage occurs at each stage of the PMSG at all times. The switching frequency may be fixed or may vary according to the variations in the current frequency of the AC generator.
La Fig. 7 ilustra un caso en el que el controlador funciona en el marco a-b-c o natural de acuerdo con una realization de la invention. Esto es, las corrientes del estator se controlan directamente, en lugar de tras haber sido transformadas al marco a, p. La ventaja de esta configuration es que puede prescindirse de una etapa de transformacion. Por otro lado, necesitan generarse tres corrientes de referencia y necesitan controlarse tres corrientes. Sin embargo, con algunas realizaciones el concepto de control que no se describira en conexion con la Fig. 7 puede ser aun mas eficiente en terminos de complejidad del controlador.Fig. 7 illustrates a case in which the controller operates in the a-b-c or natural frame according to an embodiment of the invention. That is, the stator currents are controlled directly, instead of having been transformed to the frame a, p. The advantage of this configuration is that a transformation stage can be dispensed with. On the other hand, three reference currents need to be generated and three currents need to be controlled. However, with some embodiments, the control concept that will not be described in connection with Fig. 7 may be even more efficient in terms of controller complexity.
Un bloque de referencia de corriente 141' ligeramente modificado comprende un integrador 142 como se ha descrito previamente en conexion con la Fig. 5. Los valores de corriente de referencia en el marco natural ia*, ib*, ic* se proporcionan como:A slightly modified current reference block 141 'comprises an integrator 142 as previously described in connection with Fig. 5. The reference current values in the natural frame ia *, ib *, ic * are provided as:
>0* = 'm *COS0,> 0 * = 'm * COS0,
h* = im *COsjV - ic* = im *cosf 0r +h * = im * COsjV - ic * = im * cosf 0r +
(Ec. 14)(Ec. 14)
De ese modo, se proporcionan tres valores de corriente de referencia que estan a 120° desfasadas entre si. Para cada uno de los valores de corriente de referencia se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante resta del valor real de la corriente. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante 143, que proporciona en consecuencia senales de control ua, ub, uc a un controlador de PWM 121. El controlador de PWM funciona entonces en una manera bien conocida per se, proporcionando senales de control a los interruptores del convertidor 9 de la Fig. 1. Puede incluirse tambien una compensation de anticipation de la FEM como se ha ilustrado.Thus, three reference current values are provided that are 120 ° out of phase with each other. An error signal is then provided for each of the reference current values simply by subtracting the actual value of the current. Each of the error signals is then supplied to a P + Resonant controller 143, which accordingly provides control signals ua, ub, uc to a PWM controller 121. The PWM controller then operates in a manner well known per se. , providing control signals to the switches of the converter 9 of Fig. 1. An EMF compensation compensation can also be included as illustrated.
La velocidad de rotacion real w del rotor puede determinarse por medio de, por ejemplo, un sensor de induction como es bien conocido per se en la tecnica, o mediante el uso de una tecnologia sin sensores.The actual rotational speed w of the rotor can be determined by, for example, an induction sensor as is well known per se in the art, or by the use of a technology without sensors.
Puede ser expeditivo determinar el valor de potencia real basandose en las corrientes del estator como sigue en el marco a-p o en el marco natural:It may be expeditious to determine the actual power value based on the stator currents as follows in the a-p frame or in the natural frame:
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Pe„-Pjt '£■>, (Ec. 15)Pe „-Pjt '£ ■>, (Ec. 15)
en donde p indica el numero de polos del rotor, el vector indica un vector de flujo del estator siendowhere p indicates the number of rotor poles, the vector indicates a stator flow vector being
^3 = [^sa Ysb ^sc] (o ^s = [^sa ^sp]) y el vector is indica la corriente trifasica is = [isa isb isc] (o is = [isa isp]).^ 3 = [^ sa Ysb ^ sc] (o ^ s = [^ sa ^ sp]) and the vector is indicates the three-phase current is = [isa isb isc] (or is = [isa isp]).
El par real T puede determinarse mediante el uso asimismo de sensores. Puede determinarse comoThe actual torque T can be determined by the use of sensors as well. It can be determined as
en dondewhere
(Ec. 17)(Ec. 17)
La Fig. 8 ilustra un caso en el que el controlador funciona en el marco a-b-c o natural de acuerdo con otra realization.Fig. 8 illustrates a case in which the controller operates in the a-b-c or natural frame according to another embodiment.
Un bloque de generation de referencia de flujo del estator 241' ligeramente modificado, en comparacion con la realizacion ilustrada en la Fig. 6, comprende un integrador, controlador de par o potencia y un bloque de generacion de referencia de flujo del estator como se ha descrito previamente. Los valores de referencia de flujo del estator se obtienen primero en el marco d-q, antes de ser transformados al marco estacionario a-p, a continuation al marco natural. ^sa*, ^sb*, ^sc*, se proporciona como:A slightly modified stator flow reference generation block 241 ', compared to the embodiment illustrated in Fig. 6, comprises an integrator, torque or power controller and a stator flow reference generation block as has been previously described. The stator flow reference values are first obtained in the d-q frame, before being transformed to the stationary frame a-p, then to the natural frame. ^ sa *, ^ sb *, ^ sc *, is provided as:
¥ sb¥ sb
VscVsc
1one
1one
22
1_one_
22
VsaVsa
y,PAnd p
(Ec. 18)(Ec. 18)
De modo similar, se proporcionan tres valores de referencia de flujo del estator que estan 120° desfasadas entre si. Para cada uno de los valores de referencia de flujo del estator se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante la resta del valor estimado correspondiente determinado por un estimador de flujo 220. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante 243, que en consecuencia proporciona senales de control ua, ub, uc a un controlador de PWM 21 (no mostrado en la Fig. 8). El controlador de PWM proporciona entonces senales de control a los interruptores del convertidor. Puede incluirse tambien compensation de anticipation de la FEM como se ha ilustrado.Similarly, three stator flow reference values are provided that are 120 ° out of phase with each other. An error signal is then provided for each of the stator flow reference values simply by subtracting the corresponding estimated value determined by a flow estimator 220. Each of the error signals is then supplied to a controller P + Resonant 243, which accordingly provides control signals ua, ub, uc to a PWM controller 21 (not shown in Fig. 8). The PWM controller then provides control signals to the converter switches. Compensation of anticipation of the FEM can also be included as illustrated.
Los controladores tal como se han descrito anteriormente pueden adaptarse facilmente a una maquina smcrona con mas de dos polos en formas bien conocidas para el experto en la materia.Controllers as described above can easily be adapted to a smcrona machine with more than two poles in ways well known to the person skilled in the art.
La adaptation a las maquinas asmcronas, MA, tal como generadores de jaula de ardilla puede llevarse a cabo de acuerdo con una realizacion de la invention con referencia a la Fig. 9. Para controlar la maquina, debe determinarse la velocidad de rotation del flujo del rotor real, y con un generador de MA, hay siempre un deslizamiento Wdesliz entre el rotor y el flujo del rotor, siempre que se produce energia electrica. La velocidad de rotacion real del flujo del rotor Wflujo es por lo tanto:The adaptation to the asmchronous machines, MA, such as squirrel cage generators can be carried out in accordance with an embodiment of the invention with reference to Fig. 9. To control the machine, the rotation speed of the flow of the Real rotor, and with an MA generator, there is always a Wdesliz slip between the rotor and the rotor flow, whenever electric power is produced. The actual rotational speed of the flow of the Wflux rotor is therefore:
Mflujo = a>r+ (Odesliz (Ec. 19)Mflux = a> r + (Odesliz (Ec. 19)
en la que Wdesliz es la velocidad de deslizamiento del rotor y Wr es la velocidad del rotor. El deslizamiento esta directamente conectado al par T producido. La velocidad de deslizamiento, que es negativa en comparacion con la velocidad del rotor, puede determinarse como:in which Wdesliz is the rotor slip speed and Wr is the rotor speed. The slip is directly connected to the produced T pair. The sliding speed, which is negative compared to the rotor speed, can be determined as:
(Ec. 20)(Ec. 20)
en la que Rr es la resistencia del rotor, Lm es la inductancia de magnetization, ^* es la senal de demanda de flujo del generador, Lr es la inductancia de fugas del rotor e id* es la salida del controlador de potencia. El deslizamiento puede determinarse asi mediante un bloque de funcion 140 que implementa la ecuacion 20.where Rr is the rotor resistance, Lm is the magnetization inductance, ^ * is the generator flow demand signal, Lr is the rotor leakage inductance and id * is the output of the power controller. The slippage can thus be determined by a function block 140 that implements equation 20.
Alternativamente, el flujo del rotor wflujo puede determinarse por medio de un observador de flujo.Alternatively, the flow of the flow rotor can be determined by means of a flow observer.
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
3030
3535
4040
45Four. Five
50fifty
5555
Otra diferencia del control de MA en comparacion con el control de maquinas asmcronas es que la magnitud de la corriente de referencia se construye no solamente mediante el uso de la salida del lazo de potencia/par. Esto se debe al hecho de que el flujo del rotor no es constante como es el caso con un rotor de iman permanente.Another difference of the control of MA compared to the control of asmchronous machines is that the magnitude of the reference current is constructed not only by using the output of the power / torque loop. This is due to the fact that the rotor flow is not constant as is the case with a permanent magnet rotor.
Un controlador de flujo adicional 149 se usa para el control de la MA. La salida del lazo de control de flujo y la salida del lazo de potencia/par se necesitan y usan todas ellas para elaborar la magnitud de la corriente.An additional flow controller 149 is used for the control of the MA. The output of the flow control loop and the output of the power / torque loop are all needed and used to elaborate the magnitude of the current.
La velocidad de rotacion real del flujo puede calcularse a continuation, y usarse como la entrada Wflujo al bloque de referencia de corriente 141 y a los controladores P+Resonante.The actual rate of rotation of the flow can be calculated below, and used as the input W flow to the current reference block 141 and to the P + Resonant controllers.
La Fig. 10 ilustra un controlador para una MA de acuerdo con otra realization de la invention.Fig. 10 illustrates a controller for an MA according to another embodiment of the invention.
La velocidad de deslizamiento, que se obtiene de modo diferente para esta realizacion presente, puede determinarse como:The sliding speed, which is obtained differently for this present embodiment, can be determined as:
(Ec. 21)(Ec. 21)
en la que Rr es la resistencia del rotor, Lm es la inductancia de magnetization, ^* es la senal de demanda de flujo del generador, Lr es la inductancia de fugas del rotor e id* es la salida del controlador de potencia. El deslizamiento puede determinarse entonces mediante un bloque de determination del deslizamiento 240 que implementa la ecuacion 21.where Rr is the rotor resistance, Lm is the magnetization inductance, ^ * is the generator flow demand signal, Lr is the rotor leakage inductance and id * is the output of the power controller. The slip can then be determined by a block determining the slide 240 that implements equation 21.
Alternativamente, el flujo del rotor Wflujo puede determinarse por medio de un observador de flujo.Alternatively, the flow of the flow rotor W can be determined by means of a flow observer.
La velocidad de rotacion real del flujo puede calcularse a continuacion, y usarse como la entrada coflujo al bloque de referencia de flujo 241'' y al controlador P+Resonante.The actual flow rate of rotation can be calculated below, and used as the co-input to the flow reference block 241 '' and the Resonant P + controller.
Otra diferencia del control de una MA en comparacion con el control de maquinas smcronas es la inclusion de una referencia de clasificacion del flujo de rotor fijo ^rqref como un parametro en el bloque de generation de referencia de flujo del estator.Another difference in the control of an MA compared to the control of synchronous machines is the inclusion of a fixed rotor flow classification reference ^ rqref as a parameter in the stator flow reference generation block.
La referencia de clasificacion de flujo del rotor ^rqref se pasa primero a traves de un bloque de ganancia de inductancia 244, que se define como Ls/Lm, en donde Ls es la inductancia del estator, y Lm es la inductancia mutua, para obtener la referencia de flujo del estator en el eje q ^sqref, que puede definirse comoThe rotor flow classification reference ^ rqref is first passed through an inductance gain block 244, which is defined as Ls / Lm, where Ls is the stator inductance, and Lm is the mutual inductance, to obtain the stator flow reference on the q ^ sqref axis, which can be defined as
(Ec. 21)(Ec. 21)
El error de par Te se obtiene cuando la potencia real P se resta de la potencia deseada P*. Se pasa a continuacion a traves de un controlador PI para obtener la referencia de corriente de generacion de potencia en el eje d im*. Esta referencia de corriente se pasa a traves de un bloque de ganancia, que se define como -Ls, para obtener la referencia de flujo del estator en el eje d ^rqref.The torque error is obtained when the real power P is subtracted from the desired power P *. It is then passed through a PI controller to obtain the power generation current reference on the d im * axis. This current reference is passed through a gain block, which is defined as -Ls, to obtain the stator flow reference on the d ^ rqref axis.
Posteriormente, y de modo similar al control en una maquina smcrona, se realiza a continuacion una transformation adicional desde los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q un marco estacionario a-p, teniendo en consideration al angulo del flujo del rotor 0r para obtener los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p.Subsequently, and similarly to the control in a synchronous machine, an additional transformation is then carried out from the stator flow reference values in the rotating frame dq a stationary frame ap, considering the rotor flow angle 0r for obtain the stator flow reference values in the stationary frame ap.
Volviendo al controlador P+Resonante de las realizaciones descritas anteriormente, es posible opcionalmente mejorar adicionalmente la operation del control del generador mediante la introduction de un control de anticipation de la fuerza contra-electromotriz. Dado que la FEM es un valor de corriente alterna que no se relaciona directamente con la corriente de fase o la tension de fase, puede conseguirse un mejor rendimiento mediante el uso de una compensation de anticipacion de la FEM.Returning to the P + Resonant controller of the embodiments described above, it is optionally possible to further improve the operation of the generator control by introducing an anticipation control of the counter-electromotive force. Since the EMF is an alternating current value that is not directly related to the phase current or the phase voltage, better performance can be achieved by using an anticipated compensation of the EMF.
La inclusion de los terminos de anticipacion en el lazo de realimentacion se muestra en la Fig. 11. En este caso, la compensacion de anticipacion de la FEM en un marco estacionario a-p se toma como un ejemplo. El modelo de generador en el marco estacionario a-p viene dado como (comparese con la Ec. 2 para el marco natural):The inclusion of the terms of anticipation in the feedback loop is shown in Fig. 11. In this case, the compensation of anticipation of the EMF in a stationary frame a-p is taken as an example. The generator model in the stationary frame a-p is given as (compare with Eq. 2 for the natural frame):
(Ec. 22)(Ec. 22)
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
3030
3535
4040
La entrada de control incluye tres partes como las que siguen:The control input includes three parts like the following:
- r n r n
- - - - " - - - - "-
- usa uses
- usa__ff usa_fb usa _ resonante usa__ff usa_fb usa _ resonant
- — + + - + +
- 52 “Co 52 “Co
- _UsP_/b_ y*p resonante _UsP_ / b_ and * resonant p
(Ec. 23)(Ec. 23)
En este caso, las entradas de control usa_ff y uspjf denotan el esfuerzo de anticipation, las entradas de control usa_fb y Usp_fb denotan el esfuerzo de control de realimentacion y las entradas de control Usa_resonante y usp_resonante denotan el esfuerzo de control de resonancia. Un bloque de normalization 45 ilustrado en la Fig. 11 normaliza las senales de control para el convertidor con relation a la tension del enlace en CC.In this case, the usa_ff and uspjf control inputs denote the anticipation effort, the usa_fb and Usp_fb control inputs denote the feedback control effort and the Usa_resonant and usp_resonant control inputs denote the resonance control effort. A normalization block 45 illustrated in Fig. 11 normalizes the control signals for the converter in relation to the DC link voltage.
El control de anticipacion usa_f y usp_ff se introduce para contrarrestar el efecto de la fuerza contraelectromotriz como sigue:The anticipation control usa_f and usp_ff is introduced to counteract the effect of the counter-electric force as follows:
usa_ffusa_ff
usp__ffusp__ff
(Ec. 24)(Ec. 24)
en la que Esa y Esp se dan a continuation:in which Esa and Esp are given below:
Em = cosdrEm = cosdr
Esj5=-(0r<£m sen ,Esj5 = - (0r <£ m sen,
(Ec. 25)(Ec. 25)
respectivamente, en la que wr indica la velocidad angular del rotor, 0r el angulo del rotor, y la cantidad de flujo magnetico generado por el rotor.respectively, in which wr indicates the angular velocity of the rotor, 0r the angle of the rotor, and the amount of magnetic flux generated by the rotor.
Con la inclusion de la compensation de anticipacion, el modelo de generador se cambia a:With the inclusion of the compensation in advance, the generator model is changed to:
(Ec. 26)(Ec. 26)
- 1------ 53 Co 3$ i 1 ------ 53 Co 3 $ i
- 77 sa _resonante ,3 ,r d ha + RS ■ ha 77 sa _resonante, 3, r d ha + RS ■ ha
- USp_Jb_ USp_Jb_
- + usj3 _ resonante 1-------- ' “Co : L ....... hp _ + usj3 _ resonant 1 -------- '“Co: L ....... hp _
- Usa_Jb Usa_Jb
- + 7V sex _resonante d 1 5S 50 1____ + ■ K i------- e L....... + 7V sex _resonante d 1 5S 50 1____ + ■ K i ------- e L .......
- _Usp„ft> _ _Usp „ft> _
- 14 ^resonante dt 1 "Co (3 ~+(J k, 14 ^ resonant dt 1 "Co (3 ~ + (J k,
(Ec. 27)(Ec. 27)
donde la Ec. 26 aplica a un controlador P+Resonante adaptado para el control de corriente en CA, mientras que la Ec. 27 aplica a un controlador P+Resonante adaptado para el control del flujo en CA.where Eq. 26 applies to a P + Resonant controller adapted for AC current control, while Eq. 27 applies to a P + Resonant controller adapted for AC flow control.
oor
El modelo de generador se convierte asi en un sistema de primer orden muy simple, que puede controlarse facilmente. Mas aun, el rendimiento dinamico del sistema de control se mejora generalmente mediante la adicion de la compensacion de anticipacion.The generator model thus becomes a very simple first order system, which can be easily controlled. Moreover, the dynamic performance of the control system is generally improved by the addition of the compensation in advance.
La invention no esta restringida a las realizaciones anteriormente descritas, y puede variarse y alterarse en diferentes formas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.The invention is not restricted to the embodiments described above, and can be varied and altered in different ways within the scope of the appended claims.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US230116 | 2002-08-29 | ||
| DK200801203 | 2008-08-29 | ||
| DKPA200801203 | 2008-08-29 | ||
| US9387608A | 2008-09-03 | 2008-09-03 | |
| US93876 | 2008-09-03 | ||
| DK200970075 | 2009-07-30 | ||
| DKPA200970075 | 2009-07-30 | ||
| US23011609A | 2009-07-31 | 2009-07-31 | |
| PCT/EP2009/061151 WO2010023285A1 (en) | 2008-08-29 | 2009-08-28 | A method and a controlling arrangement for controlling an ac generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2682990T3 true ES2682990T3 (en) | 2018-09-24 |
Family
ID=63557712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES09782347.0T Active ES2682990T3 (en) | 2008-08-29 | 2009-08-28 | A method and control arrangement for the control of an alternating current generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2682990T3 (en) |
-
2009
- 2009-08-28 ES ES09782347.0T patent/ES2682990T3/en active Active
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