DE69824965T2

DE69824965T2 - Generator für eine mit unterschiedlichen geschwindigkeiten betriebene windturbine

Info

Publication number: DE69824965T2
Application number: DE69824965T
Authority: DE
Inventors: S. Amir MIKHAIL; L. Craig CHRISTENSON; L. Kevin COUSINEAU; L. William ERDMAN; William E. Pleasanton HOLLEY
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: NO20000626D0; CN1120297C; DK1007844T3; KR20010052057A; AU737762B2; TR200000904T2; PL338639A1; AR015148A1; NO20000626L; EP1007844A4; US6137187A; PL196763B1; JP2001512804A; CN1270659A; CA2571368A1; EP1007844B1; CA2300201A1; CA2300201C; BR9811873A; ES2224426T3

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Feld der Windturbinen; insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der Windturbine mit variabler Geschwindigkeit, die einen doppelt gespeisten Generator („Doubly Fed Generator") hat und auf die Anwendung von Drehmomentsteuerung („torque control") und Blattwinkelregulierung („pitch regulation"), die auf der Generatorrotorgeschwindigkeit basiert.
Hintergrund der Erfindung
Seit einiger Zeit haben Windturbinen eine erhöhte Aufmerksamkeit als umweltverträgliche und relativ preiswerte alternative Energiequelle erhalten. Mit dem wachsenden Interesse sind beachtliche Anstrengungen unternommen worden, um zuverlässige und effizient arbeitende Windturbinen zu entwickeln.
Im allgemeinen umfassen Windturbinen einen Rotor mit mehreren Rotorblättern. Der Rotor ist in einem Gehäuse montiert, das auf der Spitze eines gitterträgerartigen oder röhrenförmigen Turmes befestigt ist. Die Rotorblätter der Turbine transformieren die Windenergie in einen Rotationsdrehmoment oder Kraft, die einen oder mehrere Generatoren, die mittels Getriebe mit dem Rotor rotationsmäßig gekoppelt sind, antreiben. Das Getriebe beschleunigt die von Natur aus niedrige Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenblätter für den Generator, um auf effiziente Weise mechanische Energie in elektrische Energie zu konvertieren, die dann in ein Versorgungsnetz gespeist wird.
Ein Beispiel für eine vorbekannte Windturbine ist in der US Patentschrift US 5,289,041 offenbart. US 5,289,041 offenbart eine Windturbine mit einer Steuereinheit, die so betrieben wird, daß sie den Windgeschwindigkeitsfluktuationen folgt, um eine hohe Effizienz bei der Wandlung der Windenergie in elektrische Energie zu ermöglichen. Es gibt viele andere Arten von Windgeneratoren. Eine weitere vorbekannte Windturbine umfaßt doppelt-gespeiste gewickelte Rotorgeneratoren („doubly-fed wound rotor generator"), siehe beispielsweise US Patent US 4,994,684 mit dem Titel „Doubly Fed Variable Speed Generation Control System", veröffentlicht am 19. Februar 1991.
Ein Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor („Wound Rotor Induction Generator" (WRIG)) umfaßt typischerweise vier größere Teile: den Stator („Ständer"), den Rotor, Schleifringe, und die Endkappe mit den Auflagern. Eine Querschnittsansicht eines zweipoligen 3-Phasengenerators ist in 1 gezeigt, bei dem der Einfachheit halber die Windungen als Leiterpaar gezeigt sind. Unter Bezugnahme von 1 umfaßt Generator 100 einen Stator 101, einen Rotor 102 und eine Windungsphase A für jeweils den Rotor 103 und den Stator 104. Ebenfalls gezeigt ist eine Antriebswelle 105, die mittels Getriebe die Rotorblätter der Windturbine mit dem Generator 100 koppelt.
Bezugnehmend auf 2 ist in einem WRIG System typischerweise die Statorwicklung 104 an das 3-Phasen Versorgungsnetz angeschlossen, z. B. einem 480 Volt 3-Phasennetz 201, während die Rotorwicklung 103 an einen generatorseitigen Invertierer 202 mittels Schleifringen (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Die Wicklung 104 ist auch an eine 480 Volt 3-Phasenquelle 201 parallel zum netzseitigen Invertierer 203 angeschlossen. Der netzseitige Invertierer 203 und der generatorseitige Invertierer 202 sind mittels Gleichstrom-Bus 204 zusammengeschlossen. Die in 2 gezeigte Konfiguration (d. h. der netzseitige Invertierer 203, der Gleichstrom-Bus 204 und der generatorseitige Invertierer 202) ermöglicht es, daß die Leistung in die Rotorwindungen 103 hinein oder herausfließen kann. Beide Invertierer werden von einem digitalen Signalprozessor (DSP) 205 gesteuert.
Viele konventionelle Windturbinen rotieren bei einer konstanten Geschwindigkeit, um Elektrizität bei einer konstanten Frequenz zu erzeugen, z. B. sechzig Zyklen pro Sekunde (60 Hz), was ein US-Standard für Wechselstrom ist, oder 50 Hz, was ein europäischer Standard ist. Weil die Windgeschwindigkeiten sich ständig ändern, benutzen diese Windturbinen entweder aktive aerodynamische Steuerung (Blattwinkelregelung bzw. „pitch regulation") oder passive aerodynamische Steuerung („stall regulation") in Kombination mit den Charakteristika von konventionellen Kurzschlußkäfiginduktionsgeneratoren, um eine konstanten Turbinenrotorgeschwindigkeit zu erhalten.
Einige Turbinen arbeiten bei variabler Geschwindigkeit unter Verwendung eines Leistungswandlers, um die Ausgangsleistung anzupassen. Während die Geschwindigkeit der Turbinenrotoren wechselt, variiert auch die Frequenz des Wechselstroms der aus dem Generator fließt. Der Leistungswandler, der zwischen dem Generator und dem Netz angeordnet ist, transformiert den variablen Frequenzwechselstrom in Gleichstrom und diesen dann zurück in einen Wechselstrom bei einer konstanten Frequenz. Die Gesamtausgangsleistung des Generators ist kombiniert durch den Konverter (Gesamtkonversion). Als Beispiel für eine solche Turbine siehe US-Patent Nr. 5,083,039 mit dem Titel „Variable Speed Wind Turbine", herausgegeben am 21. Januar 1992.
Die Verwendung von variablen Geschwindigkeitswindturbinen hat viele Vorteile für die elektrische Stromerzeugung, wie eine höhere Propellereffizienz als bei konstanten Windgeschwindigkeitsturbinen, die Steuerung von Blindleistung (VAR und Leistungsfaktor), und die Abschwächung von Lasten (VAR bedeutet "reactive volt ampere").
Einige vorbekannte variable Geschwindigkeitswindturbinen sind Gesamtkonversionsysteme, die einen Leistungswandler zum Gleichrichten der gesamten Ausgangsleistung der Windturbine verwenden. Das heißt, daß die Windturbine, die bei einer variablen Frequenz arbeitet, eine Ausgangsleistung mit variabler Ausgangsfrequenz generiert und diese in eine feste Frequenz, die dem Netz folgt, wandelt. Derartige Gesamtkonversions-Systeme sind sehr teuer. Wegen der Kosten sind die Beteiligten oft auf der Suche nach Lösungen mit kleineren Kosten, wie z. B. einem Generatorsystem mit gewickeltem Rotor, der eine teilweise Umwandlung verwendet, bei der nur ein Teil des Windturbinenausgangs gleichgerichtet wird und durch den Leistungswandler invertiert wird.
Zur Zeit existieren einige Probleme mit verschiedenen Steueralgorithmen, die von den Leistungswandlern verwendet werden, um die partielle Konversion zu steuern. Zum Beispiel haben gewisse Systeme Stabilitätsprobleme, indem sie große Oszillationen bei der Leistung und Drehmoment aufweisen. Andere Systeme können nicht ausreichende Leistung produzieren, ohne eine Überhitzung von kritischen Komponenten zu produzieren, oder sie können nicht leicht verbessert werden, um eine kosteneffektive Lösung für eine Serienproduktion darzustellen.
Es besteht daher ein Bedarf für ein preiswertes Windturbinensystem, das keine Stabilitätsprobleme der beschriebenen Art hat und dennoch eine starke Leistung in einer kosteneffektiven Weise produzieren kann, ohne exzessiv Hitze zu erzeugen, und das auf einfache Weise mit preiswertem und herstellbarem Design verbessert werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb für die Verwendung in Systemen, wie z. B. Windturbinen, ist beschrieben. Das System umfaßt einen Induktionsgenerator (Asynchroner Generator) mit gewickeltem Rotor, eine Drehmomentsteuereinheit und eine Blattwinkelsteuereinheit. Die Drehmomentsteuereinheit steuert den Generatordrehmoment unter Verwendung einer Herangehensweise mit Feldorientierungssteuerung. Die BlattwinkelSteuereinheit führt eine Blattwinkelregulierung aus, die auf einer Generatorrotorgeschwindigkeit beruht, die unabhängig von der Drehmomentsteuereinheit ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden durch die folgende detaillierte Beschreibung und durch die beiliegenden Zeichnungen von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, welche jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen sind sondern nur der Erklärung und dem Verständnis dienen.
1 ist eine Querschnittsansicht durch einen vereinfachten Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor.
2 illustriert eine typische Konfiguration mit einem Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor.
3 illustriert die Äquivalenz zwischen Drehmoment und dem Kreuzprodukt von Strom und Fluß.
4 illustriert einen gewickelten Feldgleichstrommotor.
5 illustriert die Flußrichtung, wenn nur die A-Phase angeschlossen ist.
6A ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6B ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Induktionsgenerators mit gewickeltem Rotor und Drehmomentsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
6C stellt die Beziehung zwischen Flußvektor und Rotorstromvektor dar.
6D illustriert die Komponenten des Rotorstroms.
7 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform einer Windturbinensteuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung und illustriert eine Aktivierung/Deaktivierungssequenz für die Leistung/DrehmomentSteuereinheit und die verschiedenen Modi einer Blattwinkelsteuerungseinheit.
8 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform für den Blattwinkelregulierungsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform für den rpm-Regulierungsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung.
10A ist ein Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform eines Blattwinkelsteuerungseinheitsystems.
10B ist ein Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform einer Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Blattwinkelsteuerungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb ist beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Details beschrieben wie z. B. Sollwerte, Werte für Watts, etc.. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details durchgeführt werden kann. An anderer Stelle werden wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen, anstatt im Detail, in Blockdiagrammform gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht undurchsichtig erscheinen zu lassen.
Überblick über die vorliegende Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb bereit. In einer Ausführungsform umfaßt das System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb einen Windturbinengenerator mit Leistung/Drehmomentfähigkeit, der an ein Versorgungsnetz gekoppelt ist und für dieses generierte Leistung zur Verfügung stellt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt der Generator einen Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor (WRIG oder „doppelt gespeister Generator" (DFG)) und einen Rotor, der Rotorblattwinkelregulation und einer variable Geschwindigkeitsoperation verwendet, um eine optimale Ausgangsleistung bei allen Windgeschwindigkeiten zu erzielen.
Die Fähigkeit eines Induktionsgenerators, Leistung zu erzielen, ist äquivalent zu der Fähigkeit Drehmoment bei einer Rotationsgeschwindigkeit zu erzeugen. Wenn ein Drehmoment auf den Rotor eines Generators in einer der Rotationsrichtung entgegengesetzten Richtung ausgeübt wird, wird die mechanische Energie des Rotors in elektrische Energie gewandelt. In einem Induktionsgenerator wird der Drehmoment von der Wechselwirkung zwischen Strom und Fluß abgeleitet, wie in 3 dargestellt, bzw., genauer gesagt, Drehmoment ist das Kreuzprodukt aus Strom und Fluß. Um einen maximalen Drehmoment bei einem gegebenen Flußlevel zu erhalten, wird die Richtung des Rotorstromvektors bei genau 90 Grad zu der Richtung des Flusses gehalten. In einem Gleichstrommotor wird diese senkrechte Beziehung zwischen Fluß und Läuferstrom durch Kommutatoren gewährleistet.
4 zeigt die mechanische Struktur eines gewickelten Feld-Gleichstrommotors. Weil die Läuferwicklungen und die Feldwicklungen getrennt sind, kann ein Gleichstrommotor durch Regulierung des Läuferstroms für einen gewünschten Drehmomentausgang und durch Regulierung des Feldwickelstrom für die gewünschte Flußintensität gesteuert werden.
Drehmomenterzeugung in einem Induktionsgenerator funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie in einem Gleichstrommotor. Der Hauptunterschied zwischen beiden ist der, daß in einem Gleichstrommotor Fluß und Läuferstromrichtung fest sind, während in einem Induktionsgenerator diese beiden Vektoren konstant rotieren.
Feldorientierte Steuerung (FOC) ist ein Algorithmus, bei dem der Flußvektor bestimmt und der drehmomentproduzierende Strom entsprechend gesteuert wird.
5 zeigt die Flußrichtung, wenn nur die Statorwicklung Phase A angesteuert wird. In dem in 2 gezeigten System werden die Statorphasen sequenziell durch eine 3-Phasenspannungsquelle angesteuert, wodurch ein rotierender Flußvektor erzeugt wird.
Man beachte, daß sowohl Fluß als auch 3-Phasenstrom zweidimensionale (2D) Vektoren sind (d. h. mit einer Länge und einem Winkel) und daß mit einem Rotorstrom bei Null der Flußvektor (ψ) sich zum Statorstromvektor (Is) gemäß der folgende algebraische Gleichung: ψ = Ls·Is (1)verhält, wobei Ls die Statorinduktivität ist. Ohne Ansteuerung der Rotorwicklungen verhält sich der Generator wie ein Induktor, d. h. der Stator-Strom läuft der Statorspannung um 90 Grad hinterher oder, genauer: Vs = d/dt Ψ = Ls·d/dt Is (2), wobei Vs die Statorspannung repräsentiert.
Ein wichtiges Element der FOC ist das Flußmodell. Das Flußmodell wird verwendet, um den Flußvektor zu bestimmen. Gleichung (1) ist eine sehr einfache Form eines Flußmodells für eine WRIG und gibt einen Hinweis darauf, daß der Flußvektor einfach durch das Produkt von Stator Strommessung (Is) und dem Stator Induktivität (Ls) bestimmt werden kann. Durch Verwendung des Flußmodells kann der Flußvektor so bestimmt werden, daß der Drehmoment zur Leistungserzeugung gesteuert werden kann.
Obwohl die folgende Diskussion die vorliegende Erfindung im Rahmen einer variablen Windgeschwindigkeitsturbine beschreibt, hat die vorliegende Erfindung auch Anwendung in anderen elektrischen und mechanischen Systemen. Z. B. kann der Generator der vorliegenden Erfindung in Systemen verwendet werden, die andere Quellen haben, um eine mit dem Generatorrotor gekoppelte Antriebswelle zu rotieren, z. B. hydroelektrische Gasturbinen und allgemeine Antriebskraftsysteme, etc..
In einer Ausführungsform umfaßt die Windturbine der vorliegenden Erfindung einen Rotor, der drei Blätter mit einer Blattwinkelsteuerung für die volle Spannweite hat, sowie Blattwinkellager und eine Radnabe. Eine solche Windturbine ist einem Fachmann wohl bekannt. Man beachte, daß jede Zahl von Rotorblättern oder jede Turbinenkonfiguration für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Der Windturbinenrotor ist mit einem integrierten Antriebszug gekoppelt, der eine Hauptantriebswelle umfaßt. Die Hauptantriebswelle ist an den Generator gekoppelt.
Das System der vorliegenden Erfindung umfaßt auch einen Leistungswandler in der Ansteuerungsschaltung zwischen dem Versorgungsnetz und dem gewickelten Rotor des doppelt gespeisten Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor. Der Stator ist mittels eines Kontaktgebers an das Versorgungsnetz angeschlossen. Da der Wandler in dem Rotorstromkreis ist, prozessiert (z. B. konvertiert) er einen Teil der gesamten Ausgangsleistung (KW) des Turbinenrotors. In einer Ausführungsform umfaßt die gesamte Leistung des Turbinenrotors 750 KW, und der Wandler konvertiert höchstens 25–30 Prozent der gesamten Leistung (z. B. 160 KW). In einer Ausführungsform umfaßt der Generator einen 750 KW, 460 Volt Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb bereit mit einem Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor, einer Drehmomentsteuereinheit und einer Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Blattwinkel- (oder Geschwindigkeits-) Steuereinheit. Der Induktionsgenerator der vorliegenden Erfindung kann umfassen einen Schleifringinduktionsgenerator oder einen Induktionsgenerator ohne Schleifring. Das System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb verwendet den Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor mit einem Leistungswandlersystem, um eine Leistungsabgabe in das Versorgungsnetz bei konstanter Frequenz zu gewährleisten. Man beachte daß, obwohl hier Anwendungen für Versorgungsnetzbetrieb beschrieben werden, es für einen Fachmann offensichtlich ist, daß die vorliegende Erfindung auch in anderen Anwendungen verwendet werden kann wie z. B. alleinstehenden Stromversorgungssystemen.
Die Drehmomentsteuereinheit, die typischerweise Teil des Leistungswandlers ist, steuert den Drehmoment des Generators. In einer Ausführungsform steuert die Drehmomentsteuereinheit den Generatordrehmoment als Funktion von Generatorgeschwindigkeit mit einer feldorientierten Steuerung (FOC) unter Verwendung einer Flußvektorsteuerung. Die Drehmomentsteuereinheit steuert den Generator bei Windgeschwindigkeiten vom Einsatzwert an bis zur Nenngeschwindigkeit. In einer Ausführungsform bezieht sich der Einsatzwert auf die niedrigste Windgeschwindigkeit, bei welcher der Generator oder die Turbine laut Design betrieben werden kann, während die Nenngeschwindigkeit die minimale Windgeschwindigkeit ist, bei der die Turbine ihre maximale Leistung (z. B. 750 KW) produziert. In einer Ausführungsform hält die Drehmomentsteuereinheit den Generatorrator bei der obengenannten Nenngeschwindigkeit bei einer konstanten Leistung.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Leistungssteuereinheit eine Referenztabelle (Look-Up-Table (LUT)), die Leistungswerte als Funktion der Generatorrotorgeschwindigkeit herausgibt. Die Leistungssteuereinheit interpoliert die Referenztabelle (LUT), die eine verschlüsselte Leistungs-Geschwindigkeitskurve enthält, um einen Ausgangsleistungszielwert zu erhalten. Diese Leistung wird dann dividiert durch die gemessene Generatorrotorgeschwindigkeit, um einen gewünschten Generatordrehmoment aus der Gleichung T = P/ω (Drehmoment = Leistung/Winkelgeschwindigkeit) zu erhalten. In einer Ausführungsform ist der Ausgang der Referenztabelle ein Ausgangsleistungszielwert, der mit der gegenwärtigen Ausgangsleistung verglichen wird, indem eine Vergleichs- oder Differenzierungshardware oder -software verwendet wird, um eine Leistungsfehleranzeige zu generieren. Eine Proportional-Integral (PI) Steuereinheit erzeugt einen angepaßten aktuellen Ausgangsleistungswert in Abhängigkeit der Leistungsfehleranzeige, aus dem man nach Division mit der gemessenen Generatorrotorgeschwindigkeit mittels Dividierungshardware oder Software einen kommandierten Drehmoment erhält. Der kommandierte Drehmoment bewirkt einen spezifizierten Rotorstromvektor, der dem Rotor eingeprägt wird, wobei der Rotor mit einem bestimmten Flußvektor wechselwirkt, um einen gewünschten Generatordrehmoment zu erzeugen.
Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung auch eine Steuerung des Generatordrehmoments durch Messung der aktuellen Generatorrotorgeschwindigkeit, Zugriff auf eine Referenztabelle (LUT) unter Verwendung einer gemessenen Rotorgeschwindigkeit, um eine Ausgangszielleistung zu erhalten, Vergleich der aktuellen Ausgangsleistung mit der Ausgangszielleistung, und Generierung eines kommandierten Drehmoments durch Anpassung einer Drehmomentberechnung, um einen vorbestimmten Ausgang zu erhalten, der auf dem Vergleich von aktueller Ausgangsleistung mit der Ausgangszielleistung basiert.
In einer Ausführungsform wird ein Prozeß zur Synchronisierung eines solchen Systems für variablen Geschwindigkeitsbetrieb verwendet, bei dem ein Generatorstator angeschlossen, ein Generatorrotor angeschlossen, ein Rotorstrom-magnetisierender Strom Ird (drehmomentproduzierende Komponente des Rotorstroms) hochgefahren und Generatordrehmoment durch Steuerung der Flußproduzierenden Komponente des Rotorstroms Irq reguliert werden.
Das System der vorliegenden Erfindung umfaßt auch ein variables Blattwinkel- und Geschwindigkeitsregulierungssubsystem, welches eine zeitgenaue proportionale Blattwinkelposition wie auch Turbinengeschwindigkeitsregulierung unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Steuereinheit bereitstellt.
Die PID Steuereinheit führt Blattwinkelsteuerung basierend auf der Generatorrotorgeschwindigkeit aus und arbeitet unabhängig von der Drehmomentsteuereinheit in dem Leistungswandler. In einer Ausführungsform ist die PID Steuereinheit eine PID Steuereinheit mit geschlossener Regelungsschleife, die eine Blattwinkelgeschwindigkeit generiert, um Blattwinkelregulierung bei oder oberhalb von Nennwindgeschwindigkeiten durchzuführen. In einer Ausführungseinheit kann die PID Steuereinheit mit der Blattwinkelregulierung bei oder unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit beginnen. In einer Ausführungsform ist der Blattwinkel bei einem Betrieb unterhalb der Nenngeschwindigkeit fixiert auf volle Leistungs-Position (Power-on position).
Die PID Steuerungseinheit steuert die Generatorrotorgeschwindigkeit durch Justieren der Blattwinkel der Windturbinenrotorblätter. In einer Ausführungsform erzeugt die PID Steuereinheit eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Zielrotorgeschwindigkeit und der gemessenen (oder der aktuellen) Rotorgeschwindigkeit, welche eine nicht lineare Referenztabelle (LUT) (in einer Ausführungsform, Tafel 1011 von 10) dazu nutzt, eine Blattwinkelgeschwindigkeit in Reaktion dazu auszugeben.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer PID Steuereinheit beschrieben ist, kann in Ausführungsformen eine Proportional-Integral (PI) Steuereinheit, eine Proportional-Differenzierungs (PD) Steuereinheit oder eine Proportionalsteuereinheit verwendet werden. Auch andere Verzögerung-Vorlauf-Steuereinheiten („Lag-Lead-Controller") oder Vorlauf-Verzögerung-Steuereinheiten („Lead-Lag-Controller") können verwendet werden. Weiterhin kann, obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer geschlossenen Regelschleifensteuereinheit beschrieben ist, eine offene Regelschleifensteuereinheit verwendet werden wie z. B. eine offene Regelschleifensteuereinheit mit einem Differenzierungsterm. Diese Arten von Steuereinheiten sind wohl bekannt.
Systemüberblick
6A illustriert eine Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. 6A zeigt eine Generatordrehmomentsteuerung 603 in einem variablen Geschwindigkeitswandler so angeschlossen, daß er einen berechneten Drehmoment 601 basierend auf einer gemessenen Umdrehungsrate (rpm) 607 und einem vorbestimmten maximalen Drehmomentsollwert 602 erhält. In einer Ausführungsform ist der berechnete Drehmoment 601 eine Funktion der gemessenen Umdrehungsrate (rpm) des Generators basierend auf der Referenztabelle/Leistungs-Geschwindigkeitskurve 640. Der Ausgang der Tabelle 640 ist dividiert durch die gemessene Umdrehungsrate (rpm) 607 unter Verwendung des Dividierers 641.
In einer Ausführungsform ist der maximale Drehmoment 602 auf einen Wert von ungefähr 5250 Nm gesetzt, wobei sich diese Auswahl aus dem maximal Strom, der von den thermischen Nennwerten des Wandlersystems her geliefert werden kann, ergibt. In anderen Worten basiert die Auswahl auf einer berechneten charakteristischen Drehmoment-Geschwindigkeit Kurve für ein spezielles Turbinenrotordesign. In einer Ausführungsart basiert diese Auswahl auf einer Ansteuerung mit 290 Ampere.
In Reaktion auf diese Eingangsgrößen generiert die Drehmomentsteuerung 603 ein Drehmomentkommando, um den Generatorrotor 604 zu steuern. Drehmomentsteuerung 603 ist auch angeschlossen, um einen VAR oder Leistungsfaktorkommando 642 zu erhalten.
Generatorrotor 604 ist angeschlossenen, um das Drehmomentkommando vom Generatordrehmomentsteuerung 603 zu erhalten, und ist angeschlossenen, um Leistung mittels eines Flußspaltes für den Generatorstatorausgang 605 bereitzustellen. Eine Rückkoppelung 612 ist vom Generatorstatorausgang 605 zu dem Eingang von Generatorrotor 604 angeschlossen. Die Ausgänge des Generatorrotors 604 und Generatorstators 605 sind an das Versorgungsnetz 606 angeschlossen.
Generatorrotor 604 ist weiterhin an eine Meßvorrichtung angeschlossen, die eine gemessene Geschwindigkeit 607 (in rpm) des Generatorrotors 604 produziert. In einer Ausführungsform umfaßt die Meßvorrichtung einen optischen Codierer, der Position als auch Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 604 bereitstellt.
Eine Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Steuereinheit und Blattwinkelraten-Limitierungsblock 609 ist angeschlossen, um die gemessene Geschwindigkeit 607 und einen Betriebsgeschwindigkeitsollwert 608 (rpm) zu erhalten. Der Betriebsgeschwindigkeitsollwert kann aufgrund desselben Drehmomentgeschwindigkeitscharakteristik gesetzt werden, die verwendet wird, um den maximalen Drehmomentsollwert zu erzeugen. In einer Ausführungsform basiert der Betriebsgeschwindigkeitsollwert auf einem Maximumdrehmoment und Leistung. In einer Ausführungsform ist der Betriebssollwert 608 auf 1423 rpm gesetzt. In Reaktion auf diese Eingänge generieren die PID und der Blattwinkelraten-Limitierungsblock 609 eine Ausgangsspannung.
Eine Steuereinheit für variable Blattwinkeljustage („variable pitch control" (VPC)) 610 ist angeschlossen, um den Blattwinkelgeschwindigkeitsausgang von der PID und Blattwinkelraten-Limitierungsblock 609 zu erhalten. VPC 610 ist an Blattrotor 611 angeschlossen, um die Geschwindigkeit des Generatorrotors 604 durch Kontrolle der eingangsseitigen aerodynamischen Drehmoments des Rotorblatts 611 durch Rotor-Blattblattwinkeljustage Aktion zu regulieren. PID und Blattwinkelraten-Limitierungsblock 609 erzeugen eine gewünschte Blattwinkelgeschwindigkeit, die mit Hilfe einer Tabelle in eine Spannung konvertiert wird, wie weiter unten genauer beschrieben wird. Eine variable Ausgangsspannung wird an ein Proportionalventil in einem hydraulischen System angelegt, das die Blattwinkel der Rotorblätter durch Aktivierung eines Blattwinkelzylinder mit variablen Rate justiert. Auf diese Weise reguliert die variable BlattwinkelSteuereinheit die Umdrehungsgeschwindigkeit (rpm) durch Steuerung des aerodynamischen Drehmoments.
Die PID und der Blattwinkelraten-Limitierungsblock 609 einschließlich der gemessenen Umdrehungsgeschwindigkeit (rpm) 607 und des Betriebsgeschwindigkeit (rpm) Sollwerts 608, VPC 610 und des Blattrotors 611 bilden das Blattwinkeljustagesystem 650, während die gemessene Umdrehungsgeschwindigkeit (rpm) 607 und der verbleibende Teil des Systems in 6A Teil des Leistungswandlers und Generatorsystems 651 sind. Man beachte, daß in einer Ausführungsform die gemessene Umdrehungsgeschwindigkeit (rpm) 607 gleichzeitig durch das Blattwinkeljustagesystem 650 und den Leistungswandler/Generatorystem 651 verwendet wird.
Der Leistungswandler der vorliegenden Erfindung
In der vorliegenden Erfindung steuert der Leistungswandler den Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor gemäß einer vorbestimmten Leistung-Geschwindigkeitskurve. Indem das System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb der vorgegebenen Leistungs-Geschwindigkeitskurve folgt, ist es in der Lage, die Turbine in einem Windgeschwindigkeitsbereich zwischen Einsatzwert und Nennwert, der im weiteren als Region II bezeichnet wird, bei maximalem Leistungskoeffizienten (Cp) zu betreiben, wobei gewährleistet ist, daß eine maximale aerodynamische Energieentnahme erreicht ist. Es sollte dabei beachtet werden, daß die Leistung-Geschwindigkeitskurve mit der Drehmoment-Geschwindigkeitskurve über die Gleichung P = Tω in Beziehung steht.
In einer Ausführungsform ist die Leistungs-Geschwindigkeitskurve in dem Leistungswandler in Form einer Referenztabelle (LUT) mit Leistung und entsprechender Generatorgeschwindigkeit kodiert. Die LUT kann in Hardware oder in Software implementiert sein. Um den Drehmoment zu steuern, mißt der Leistungswandler die Generatorrotorgeschwindigkeit, interpoliert die LUT, um die Zielausgangsleistung der Turbine zu bestimmen, und berechnet den gewünschten Generatordrehmoment durch die Beziehung T = P/ω unter Verwendung der Generatorrotorgeschwindigkeit. In einer Ausführungsform wird dieser Drehmoment durch Bestimmung des erforderlichen Stromvektors erzeugt und produziert diesen Vektor unter Verwendung wohlbekannter Pulsweitenmodulationstechniken.
Aufgrund kleiner Differenzen zwischen theoretischem und aktuellem Wert benutzt der Leistungswandler in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen PI Steuereinheit mit geschlossener Regelschleife, die die gegenwärtige Turbinenausgangsleistung mit einem Zielwert oder gewünschtem Ausgangswert vergleicht, und macht kleine Anpassungen zu der Drehmomentberechnung, um einen gewünschten Turbinenausgangswert zu erreichen oder zu halten.
Die Drehmomentsteuereinheit des Leistungswandlers verwendet feldorientierte Steuerung (FOC), um Generatordrehmoment in Abhängigkeit der Generatorrotorgeschwindigkeit zu produzieren. Unter Verwendung des Statorstroms, des Rotorstroms und des Rotorwinkels als Eingangsgrößen bestimmt die Drehmomentsteuereinheit des Leistungswandlers den Flußvektor und kommandiert den erforderlichen Rotorstromvektor, welcher nach Wechselwirkung mit dem Statorflußvektors den gewünschten Generatordrehmoment erzeugt. Der Rotorstrom wird durch passendes Schalten der „Isolierten-Gate-Bipolar-Transistoren" (IGBTs) des Wandlers erzeugt, wobei wohlbekannte Pulsweitenmodulation (PWM) Stromregulierungstechniken verwendet werden, wie sie z. B. in US-Patent Nr. 5,083,039 mit dem Titel „Variable Speed Wind Turbine", herausgegeben am 21. Januar 1992, beschrieben sind. Auf diese Weise folgt das Leistungssteuersystem einem aerodynamisch optimierten Leistungs-Drehmoment-Geschwindigkeitprofil.
Man beachte, daß die Referenztabellenwerte, die die Leistungs-Drehmoment-Geschwindigkeitsprofile erhalten, auf der Aerodynamik des jeweiligen Windturbinenrotors und der Windturbinenrotorgeometrie beruhen. Daher könne die Tabellenwerte für verschiedene Turbinenrotoren variieren.
Eine Ausführungsform des Drehmomentsteuereinheit und dazugehörige Bereiche des Induktionsgenerators mit gewickeltem Rotor sind in 6B gezeigt. Der Drehmoment kann ausgedrückt werden als Td = k·ψ·Irq (3)wobei k ein Generatorparameter ist. Aus Sicht der Steuereinheit nimmt Gleichung (3) die folgende Form an: Irq = Td/(k·ψ) (4)
Gleichung (4) gibt die Größe des Rotorstroms für einen gegebenen „gewünschten Drehmoment" Td an, der von der Drehmomentkommando-Steuereinheit 623 ausgegeben wird.
Unter Bezugnahme auf 6B umfaßt die Drehmomentsteuereinheit 623 eine Leistungstabelle 623A, PI Steuereinheit 623B, Dividierer 623C, Schalter 629 und Komparatoren 623D und 623E, welche in Software oder Hardware implementiert sein können, um Differenzwerte zu generieren, und ein vorwärts geführter Dämpfungsfilter 623F. Leistungstafel 623A ist eine LUT, die angeschlossen ist, um die Generatorgeschwindigkeit 607 zu empfangen, und gibt entsprechend Generatorgeschwindigkeit 607 einen Zielleistungswert aus. Eine Ausführungsform einer Leistungstabelle 623A ist in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.
Tabele 1
Die Ausgangszielleistung wird verglichen durch Komperator 623D, um eine Differenz zwischen der Ausgangszielleistung und der aktuellen Ausgangsleistung zu erzeugen. Die daraus resultierende Differenz wird der PI Steuereinheit 623B zugeführt, welche wie geschrieben die Leistung anpaßt. Der Dividierer 623C ist angeschlossen, um die angepaßte Leistung von der PI Steuereinheit 623B und Generatorgeschwindigkeit 607 zu empfangen, um einen kommandierten Drehmoment herauszugeben.
Der kommandierte Drehmoment kann durch einen Drehmomentwert, der durch den vorwärts geführten Dämpfungsfilter 623F erzeugt wird, angepaßt werden. Dämpfungsfilter 623F detektiert Oszillationsbewegung (bei Resonanz) der nicht-steifen (ausreichend) Antriebswelle (nicht gezeigt, um die Erfindung nicht zu verschleiern), die durch Kopplung zwischen zwei getrennten Trägheitselementen, eines davon das Getriebe und Generator und das andere die Rotorblätter der Turbin, erzeugt wird. In Reaktion auf diese Detektierung legt Dämpfungsfilter 623F einen negativen Drehmoment an, um die relative Bewegung zwischen den Trägheitselementen zu reduzieren. Im einer Ausführungsform umfaßt Dämpfungsfilter 623F einen Bandpassfilter, in welchem das Bandpass bezüglich der Resonanzfrequenz der zwei Trägheitselemente und der Antriebswelle zentriert ist.
Der resultierende kommandierte Drehmoment wird dem Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor eingeprägt.
Schalter 629 arbeitet in Reaktion auf ein Bremssignal (z. B. Signale), um den kommandierten Drehmoment zu einem maximalen konstanten Drehmoment 660 hochzuschalten, wie weiter unten in im Detail beschrieben.
Für Drehmomenterzeugungsbetrieb wird eine Rotorstromkomponente Irq so gesteuert, daß sie der senkrechten Richtung des Flusses folgt (siehe 6D). Die Größe von Irq ist gegeben durch die folgende Gleichung. Irq = Td/(k·ψ),wobei k ein Generatorparameter ist. Man beachte, das Rotorstrom Ird, der weiter unten in größerem Detail beschrieben wird, den Generatorfluß erzeugt und nicht zur Drehmomenterzeugung beiträgt.
Rotorstromkomponentenblock 622 ist angeschlossen, um den kommandierten Drehmoment und die skalare Komponente des Flußvektors vom Block 626 zur Transformation von rechtwinkligen-zu-Polarkoordinaten zu empfangen, der den Flußvektor von Flußmodell 621 in polare Koordinaten konvertiert. In Reaktion auf diese Eingänge generiert Rotorstromkomponentenblock 622 die Rotorstromdrehmomentkomponente Irq.
Flußmodell 621 bestimmt den Flußvektor. Um den Flußvektor zu bestimmen erhalten Stromwandlerblöcke 621A und 621B den Statorstromvektor und den Rotorstromvektor. Man beachte, daß nur zwei Stromsensoren (nicht gezeigt) erforderlich sind, weil der Stromvektor durch Messung von zwei der drei Phasen bestimmt werden kann. Der Statortromvektor mit Rotorwinkel 621B des Generators 620 werden zum Rahmentransformationsblock 627C geführt. Rahmentransformationsblock 627C transformiert den Statorstrom zu einem festen Rotorframe. Durch die Ausgänge des Rahmentransformationsblocks 627C wird der die Statorinduktivität Ls am Block 621D bestimmt. Durch den Rotorstromvektor kann die Rotorinduktivität Lr am Block 621F erhalten werden. Der Flußvektor wird durch die Statorinduktivität Ls und die Rotorinduktivität Lr generiert.
Sobald der Flußvektor bestimmt ist, wird der Rotorstromvektorausgang vom Invertierer 624 in die senkrechte Richtung des Flusses „positioniert", so daß Drehmoment erzeugt wird. Da der Rotorstrom in Bezug auf den Rotoraufbau spezifiziert ist, hängt das Rotorstromkommando sowohl vom Flußwinkel als auch vom Rotorwinkel ab. Insbesondere wird der Flußwinkel erst in einen festen Rotorreferenzrahmen transformiert, wobei in diesem Referenzrahmen die Richtung des Rotorstromkommandos die Richtung ist, die senkrecht zur Flußrichtung liegt. Diese Prozedur ist in 6C gezeigt.
Durch die Verwendung der Rotorstromkomponente Irq in Verbindung mit dem induktiven Teil des Ausgangs des Transformationsblocks 626 wird ein Referenzstrom am Eingang des Invertierers 624 generiert. Weiterhin ist Invertierer 630 gezeigt, der mittels Gleichstrom-Bus 631 an Invertierer 624 und zu der Statorseite (Netzseite) des Generators 620 angeschlossen ist.
Wenn dieser Rotorstrom gezwungen wird durch die Rotorwindungen zu fließen, wird der gewünschte Drehmoment Td entwickelt und die Leistung (Td·ω) wird generiert, wobei ω die Rotorgeschwindigkeit ist. Diese Leistung wird generiert in der Form des Statorstromes, der zurück in das Versorgungsnetz fließt. Dieser „leistungtragende" Statorstrom ist in Phase mit der Statorspannung.
Während Leistung durch den Generator erzeugt wird, ist das oben in Gleichung (1) beschriebene Flußmodell nicht länger gültig, da der Statorstrom (Is) jetzt aus zwei Komponenten besteht: eine flußproduzierende Komponente und die leistungstragende Komponente. Diese leistungstragende Komponente trägt nicht zur Flußproduktion bei, weil diese Stromkomponente den gleichen Betrag (nach Normalisierung zum Windungsverhältnis) wie der Drehmoment produzierende Rotorstrom, jedoch in entgegengesetzter Richtung, hat. Mit anderen Worten ist der Fluß, der durch diese beiden Stromvektoren (d. h. leistungstragenden Statorstrom und Drehmoment erzeugenden Rotorstrom) produziert wird, zusammen summiert Null. Um die leistungstragende Komponente von der Statorstrommessung abzuziehen, wird der Rotorstrom (Ir) zu Gleichung 1 oben addiert, d. h. Ψ = Ls·Is + Lr·Ir,wobei Lr die Rotorinduktivität ist. Ls und Lr unterscheiden durch das Windungsverhältnis.
Man beachte, daß in dem oben beschriebenen Betrieb die flußproduzierende Komponente der Statorspannung um 90° hinterherläuft, während die leistungstragende Statorstromkomponente in Phase mit der Statorspannung ist. Diese flußproduzierende Stromkomponente führt zu einem Statorleistungsfaktor, der nicht eins ist. Da der flußproduzierende Strom der Spannung inhärent um 90° hinterher läuft, wird der Fluß durch die Rotorwindung erzeugt, um einen Faktor 1 auf der Statorseite zu erreichen.
Um einen Fluß durch Rotorwindungen zu produzieren, sollte eine zusätzliche Komponente, Ird, des Rotorstroms kommandiert werden. Diese zusätzliche Komponente sollte entlang der Richtung des Flusses, wie in 6D gezeigt, verlaufen.
Während die flußproduzierende Komponente des Rotorstroms (Ird) anwächst, wird der flußproduzierende Statorstrom kleiner. Dies passiert dadurch, daß die Flußgröße durch die konstante Statorspannung konstant gehalten wird (von Gleichung 2 oben). Die flußproduzierende Komponente des Rotorstroms, Ird, kann in einer solchen Weise gesteuert werden, daß der Fluß, den er produziert, dieselbe Spannung wie die Versorgungsspannung induziert. Das heißt, die induzierte Spannung ist in Phase und hat den selben Betrag wie die Versorgungsspannung. In diesem Fall wirkt die induzierte Spannung entgegengesetzt zur Versorgungsnetzspannung, so daß die Statorwindung keinen Statorstrom zieht. Dies entspricht dem Leistungsfaktor 1 Systemfall.
Man beachte, daß eine VAR/Leistung-Faktor-Steuereinheit 670 in das System eingebaut werden kann, um die VAR Produktion zu steuern. (Das Produkt der Statorspannung Vs mit Statorstromvektor Is (solange kein Drehmoment erzeugt wird) repräsentiert die magnetisierende VAR, die durch den Generator erforderlich ist.
Aktivieren des Turbinenbetriebs
Der Leistungswandler arbeitet nur, wenn er aktiviert ist. Eine Turbinensteuereinheit aktiviert und deaktiviert den Leistungswandler wie in 7, Block 705 gezeigt. Solch eine Turbinensteuereinheit kann als Hardware, Software oder als Kombination von beidem, zum Beispiel in Computer oder Controller basierenden Systemen, implementiert werden. In einer Ausführungsform verwendet die vorliegende Erfindung binäre Logikspannungssignale zum Aktivieren und Deaktivieren des Leistungswandlers, welche im folgenden als Wandleraktivierungssignale bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform, wenn die Turbinensteuereinheit in normalem Betriebsmodus ist, der im folgenden als Auto-Modus bezeichnet wird, dreht die Turbinensteuereinheit die Turbine in den Wind und justiert die Blattwinkel der Turbine in volle Leistungsposition. Die volle Leistungsposition ist einem Fachmann wohlbekannt. Vorausgesetzt, es gibt genügend Wind, fangen die Rotorblätter an zu rotieren und die Generatorgeschwindigkeit beschleunigt sich. Sobald die Generatorgeschwindigkeit eine vorbestimmte Wandleraktivierungsgeschwindigkeit erreicht, sendet die Turbinensteuereinheit ein Wandleraktivierungssignal zum Leistungswandler. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die vorbestimmte Wandleraktivierungsgeschwindigkeit 820 rpm.
Als Reaktion auf den Erhalt eines Wandleraktivierungssignals beginnt eine Wandlerstartsequenz. In einem Ausführungsbeispiel schließt das System anfangs die Wechselspannungkontaktgeber (in Invertierer 630), was dazu führt, daß die Leitungsmatrix (in Invertierer 630) an das Gebrauchtsnetz angeschlossen wird. Eine vorbestimmte Verzögerung ermöglicht es, den Kontaktgeber zu schließen und jegliche Transienten abklingen zu lassen. In einer Ausführung ist die vorbestimmte Verzögerung 1,5 Sekunden. Eine Ausführungsform der Aktivierungssequenz ist in größerem Detail beschrieben in Verbindung mit 7 und den Blöcken 714, 715, 716 und 717.
Nachdem der Kontaktgeber geschlossen worden ist, findet ein Bus-Vorladungszyklus statt, der sicherstellt, daß der Bus voll geladen ist und eine Regulierung des momentanen Drehmoments ermöglicht wird. In diesem Fall wird die Gleichspannungsbusspannung auf eine vorbestimmte Voltzahl reguliert. In einer Ausführung ist die vorbestimmte Voltzahl 750 Volt Gleichstrom. Eine weitere Verzögerung kann dazu verwendet werden sicherzustellen, daß der Bus ausreichend vorgeladen ist, um passend zu regulieren. In einer Ausführung kann diese Verzögerung 5 Sekunden betragen. In eine Ausführung, wenn der Bus es nicht schafft zu regulieren, wird ein Bus Über-/Unterspannungsfehler generiert und ein Wandlungsfehler wird zu der Turbinensteuereinheit gesendet.
Sobald die Generatorgeschwindigkeit eine vorbestimmte oder höhere Geschwindigkeit erreicht und die vorbestimmte Bus-Verzögerung abgelaufen ist (d. h. nach voller Aufladung des Busses für 5 Sekunden), wird der Statorkontaktgeber geschlossen (Block 714), wodurch die Statorwindungen angesteuert und ein rotierender Statorfluß produziert werden. Die Statorwindungen werden nur mit Spannung angesteuert. Durch die Induktivität der Statorwindungen ist der Einschaltstrom sehr klein und, in einer Ausführung, nur 75% des maximalen Betriebsstroms. In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Geschwindigkeit 900 rpm. Eine Verzögerung kann dazu verwendet werden, daß der Statorkontaktgeber schließen und transiente Signale abklingen können. In einer Ausführungsform ist die Verzögerung 3 Sekunden.
Sobald der Generatorgeschwindigkeit eine vorbestimmte oder höhere Geschwindigkeit erreicht hat und die Rotorspannung als unterhalb einer vorbestimmten Spannungsspitze verifiziert worden ist, wird der Rotorkontaktgeber geschlossen (Block 715) und die Generatormatrix mit dem Rotor des Induktionsgenerators mit gewickelten Rotor zusammengeschlossen. In einer Ausführung umfaßt die vorbestimmte Geschwindigkeit 1000 rpm und die vorbestimmte Spannungsspitze ist 318 Volt. Eine Verzögerung kann dazu verwendet werden, daß der Rotorkontaktgeber geschlossen wird. In einer Ausführung ist dieser Verzögerung eine halbe Sekunde. Innerhalb dieser Zeit werden die rotorseitigen IGBTs (in Invertierer 624) nicht geschaltet. Da die rotorseitigen IGBTs noch nicht schalten, gibt es keine Stromfluß und folglich keine transienten Signale oder Leistungsproduktion. Da es keine reale Leistung (nur reaktive Leistung) gibt, werden keine Drehmomentspitzen generiert.
Die Produktion von Leistung beginnt mit dem Takten der rotorseitigen IGBTs, die den Stromvektor (in Betrag und Richtung) erzeugen, der für die Erzeugung des gewünschten Drehmoment erforderlich ist. In einer Ausführung wird der Stromvektor in Reaktion auf ein Kommando der Drehrmomentsteuereinheit (z. B. Prozessor) erzeugt. Am Anfang wird dieser Drehmoment von 0 zu dem Wert hochgefahren, der durch die optimale Leistung-Drehmoment-Geschwindigkeitskurve spezifiziert ist. Das Hochfahren (Block 716) eliminiert Leistungs- oder Drehmomentabweichungen und ermöglicht es, daß die Turbine sanft an das Netzt gebracht wird.
Man beachte, daß die Synchronisation der vorliegenden Erfindung anders ist, als der traditionelle „Synchronisation" Prozess, der in synchronen oder Laufkäfiginduktionsmaschinen verwendet wird; in der vorliegenden Erfindung gibt es keine Einschaltstoßströme, transiente Signale oder Leistungsoszillationen, die mit einer ans Netz gehenden Turbine assoziiert werden.
Sobald die Synchronisation erfolgt ist, folgt der Leistungswandler der oben beschrieben Leistungs-Geschwindigkeitskurve (Block 717), bis sie durch die Turbinensteuereinheit deaktiviert wird.
Man beachte, daß die oben diskutierten Verzögerungen bzgl. die Wandlerstartsequenz in Abhängigkeit von den Komponenten, die in dem System verwendet werden, und den Umgebungsbedingungen, die am Ort der Turbine existieren, angepaßt werden können. Diese Anpassungen können in Software, Hardware oder beidem ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform ist die Leistung für die Turbine durch Wind bereitgestellt. Wenn die Windgeschwindigkeit sich ändert, ändert sich auch für die Turbine die Eingangsleistung. Um die Änderungen der Eingangsleistung zu kompensieren, stellt die vorliegende Erfindung einen Aktualisierungsprozeß zur Aktualisierung des Generatordrehmoments zur Verfügung. Da der Generatordrehmoment durch den Leistungswandler (für einen kurzen Moment) auf einen festen Wert festgelegt ist, steigt die Generatorgeschwindigkeit entsprechend der Leistungsformel P = Tω an. Der Leistungswandler, der kontinuierlich die Generatorgeschwindigkeit mißt, erkennt, daß die Geschwindigkeit sich geändert hat und bestimmt die neue Geschwindigkeit, wobei er die gewünschte Leistung durch die Referenztabelle aktualisiert. Der Leistungswandler bestimmt aus der gewünschten Leistung einen neuen Drehmoment und berechnet mit Hilfe der FOC einen neuen Stromvektor, der dem neuen Generatorrotor eingeprägt wird. In einer Ausführungsform wird der Aktualisierungprozeß alle 33 Millisekunden ausgeführt, oder jeden zweiten Zyklus für ein 60 Hz Netz, was bewirkt, daß die Turbine sanft und genau der Leistungs-Geschwindigkeitskurve folgt. Man beachte, daß die Aktualisierungsrate variiert werden könnte oder während des Betriebes dynamisch geändert werden kann.
Unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit (z. B. Region II) werden die Rotorblätter in einem vorbestimmten Leistungsaufnahmewinkel gehalten, so daß Generator/Turbinengeschwindigkeit aus dem kommandierten Drehmoment und der Windleistungsaufnahme resultieren. Dies stellt sicher, daß die Leistungs-Geschwindigkeitskurve richtig gewählt worden ist. In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Leistungsaufnahmewinkel der maximale Leistungsaufnahmewinkel (z. B. 0, 1 oder 2 Grad Blattwinkelsteigung). Die Winkelzahl ändert sich als Funktion der Windgeschwindigkeit.
Die Nennleistung findet bei einer vorbestimmten Generatorrotorgeschwindigkeit statt. In einer Ausführungsform findet die Generatorgeschwindigkeit, bei der die Nennleistung erreicht ist, bei 1423 rpm statt. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird die Generatorrotorgeschwindigkeit durch die PID-Steuereinheit gesteuert, die die Blattwinkel der Rotorblätter in Abhängigkeit des Generatorrotorgeschwindigkeitanzeige justiert. Man beachte, daß diese Anzeige in verschiedenen Formen durchgeführt werden kann, die, ohne einschränken zu wollen, z. B. einen Signal- oder gespeicherten Geschwindigkeitswert in einem Register umfassen. Es ist wichtig, daß die PID-Blattwinkelsteuereinheit unabhängig von dem Leistungswandler arbeitet. Wenn der Leistungswandler aussetzt, hält die PID-Steuereinheit die Generatorgeschwindigkeit (1423 rpm in einer Ausführungsform), indem größere Rotorblattwinkel kommandiert werden. Indem er dies tut, hat das System einen eingebauten störungssicheren Betrieb.
Für Generatorgeschwindigkeiten die gleich oder größer als die Generatorgeschwindigkeit bei Nennleistung sind (z. B. 1423 oder mehr), ist die Leistungs-Geschwindigkeitskurve derart, daß der Leistungswandler die Leistung ohne größere Fluktuationen konstant hält. Von daher haben Nenngeschwindigkeitwindböen, die die Turbinengeschwindigkeit gewöhnlich verstärken, wenig Wirkung auf die Generatorleistung, da die PID-Steuereinheit auf die Generatorrotorgeschwindigkeit reagiert und diese reguliert. Die Reaktion der PID-Steuereinheit ist jedoch so, daß sie in der Lage ist, effektiv die Rotorgeschwindigkeit zu steuern und auf diese Weise Leistungsabweichung innerhalb von ungefähr 5 Prozent zu halten, was eine nahezu glatte Leistungsproduktion für Windgeschwindigkeiten gleich oder größer der Nennwindgeschwindigkeit liefert.
Die oben genannten Nennleistungsabweichungen haben keine Wirkung auf die Versorgungsnetzspannung, da überschüssige Leistung durch den Rotor des gewickelten Rotorinduktionsgenerators bereitgestellt wird, da die Statorleistung konstant bleibt. Rotorstrom (und Statorstrom) werden während diese Abweichungen durch den Leistungswandler konstant gehalten, in dem das Drehmoment konstant gehalten wird (Drehmoment ist proportional zum Strom). Da der Rotorstrom während dieser Böen konstant ist, erfolgt der Anstieg der Rotorleistung aufgrund eines Anwachsens in der Rotorspannung. Aber das Versorgungsnetz ist nicht durch diesen Spannungsanstieg betroffen, weil der Leistungswandler zwischen dem Generatorrotor und dem Versorgungsnetz elektronisch diese variierende Rotorspannung (und Frequenz) in eine konstante Wechselspannungswellenform übersetzt (z. B. 60 Zyklus 460 Volt Wechselspannungswellenform).
Das variable Blattwinkelsteuersystem für volle Spannweite
Das variable Blattwinkelsteuersystem (VPC) der vorliegenden Erfindung ist ein in Echtzeit ablaufendes, verteiltes Servosystem für Blattwinkelposition- und Rotorgeschwindigkeitssteuerung der Windturbine. Das VPC beobachtet und steuert die Rotorblattwinkelposition, Blattwinkelgeschwindigkeit und Generatorrotationsgeschwindigkeit.
In einer Ausführungsform stellt ein Blattwinkelpositionsmesswandler ein Analogsignal zur Verfügung, das proportional zu der Rotorblattwinkelposition ist, wobei das Signal später in ein digitales Signal konvertiert wird, um die momentane Position der Turbinenblätter zu bestimmen. Ein mit den Rotorblättern gekoppelter Rotorblatt-Aktuator wird dazu verwendet, mechanisch den Blattwinkel der Rotorblätter zu verstellen.
7 ist ein Flußdiagramm, das eine Ausführungsform des Blattwinkelregulationssystem der vorliegenden Erfindung illustriert. Eine Steuerung- oder Prozessierungslogik in dem System führt einige der Operationen in Zusammenarbeit mit der elektrisch/mechanischen Hardware im System aus. Die Steuerungs/Prozessierungslogik kann in Hardware, Software oder verwirklicht sein.
Bezugnehmend auf 7 beginnt das Blattwinkelregulationssystem mit einer Messung der Rotorgeschwindigkeit (Block 701). Gleichzeitig bestimmt das System seinen Betriebsstatus (Block 702). Durch einen Test wird bestimmt, ob das Blattwinkelregulationssystem im Auto-Modus ist (Block 703). Wenn der Betriebsstatus des Systems nicht im Auto-Modus ist, bestimmt der Test, ob die Generatorrotorgeschwindigkeit (in rpm-Einheiten) kleiner ist als die vorbestimmte Geschwindigkeit (Block 704). In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Geschwindigkeit 1035 rpm. Wenn das System nicht im Auto-Modus ist und wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit kleiner als die vorbestimmte Geschwindigkeit ist, wird dem Leistungswandler signalisiert, in eine Deaktivierungssequenz einzutreten (Prozessierungsblock 705); im anderen Fall bleibt das System in seinem gegenwärtigen Zustand.
Wenn das System im Auto-Modus ist, wird die Prozessierung im Block 706 fortgeführt, wo ein Test feststellt, ob die Generatorrotorgeschwindigkeit anwächst. Wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit nicht anwächst, bestimmt ein Test, ob die Generatorrotorgeschwindigkeit kleiner als ein vorbestimmter Sollwert ist (Block 707). In einer Ausführungsform ist dieser vorbestimmte Sollwert bei 835 rpm. Wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit nicht anwächst und wenn die Geschwindigkeit kleiner als 835 rpm ist, wird dem Leistungswandler signalisiert, in die Deaktivierungssequenz einzutreten (Block 705); im anderen Fall bleibt das System in seinem derzeitigen Zustand.
In einer Ausführungsform umfaßt die Deaktivierungssequenz das Herunterfahren des Rotorstroms (Block 708), Trennung des Generatorrotors (Block 709) und Trennung des Generatorstators (Block 710).
Wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit wie in Block 706 beschrieben anwächst, bestimmt ein Test, ob die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als 100 rpm ist (Block 711). Wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als 100 rpm ist, wird die Blattwinkel auf einen vorbestimmten Sollwert gesetzt (Prozessierungsblock 713). In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Sollwert auf Null Grad gesetzt. In einer anderen Ausführungsform kann der Blattwinkel zu jeder Winkelzahl gestellt werden, oder Teile davon, einschließlich 1, 2 oder 3 Grad. In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Sollwert variabel.
Wenn weiterhin die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als 100 rpm ist, bestimmt ein Test, ob die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als die vorbestimmte Geschwindigkeit ist (Block 712). In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Geschwindigkeit 820 rpm. Wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als diese vorbestimmte Geschwindigkeit ist, wird dem Wandler mitgeteilt, in eine Aktierungssequenz einzutreten (Prozessierungsblock 705). Dadurch wird in dem Ausführungsbeispiel der Leistungswandler aktiviert, wenn die Generatorrotorgeschwindigkeit größer als 820 rpm ist.
In einer Ausführungsform umfaßt die Aktierungssequenz die folgenden Schritte. Erstens, der Generatorstator wird an das Versorgungsnetz angeschlossen (Block 714). Nach Anschluß des Generatorstators wird der Generatorrotor angeschlossen (Block 715). Nach Anschluß des Generatorrotors wird die Flußkomponente des Generatorrotorstroms, Ird, hochgefahren (Block 716) und danach der Generatordrehmoment reguliert (Block 717). Die Aktierungssequenz ist eine passive Synchronisationstechnik, die den Generator so anschließt, daß er mit dem Rotorstrom bei Null ans Netz geht. Dies wird durch die Zusammenarbeit der Vektorsteuerung mit dem erfindungsgemäßen Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor möglich.
Wenn der Test feststellt, daß die Generatorrotorgeschwindigkeit ansteigt aber noch nicht über 100 rpm ist (Block 711), wird der Blattwinkel auf eine vorbestimmte Winkelzahl gesetzt (Block 718). In einer Ausführungsform ist die Blattwinkel auf den Wert 25 Grad gesetzt. Man beachte, daß dieser Blattwinkel ein Sollwert ist, der variiert werden kann. Der Blattwinkel sollte so gewählt sein, daß durch einen Extraschub die Geschwindigkeit der Turbine schneller wird.
Die vorliegende Erfindung führt auch den Blattwinkelpositionsteil des Systems aus. Zuerst wird die Blattwinkelposition unter Verwendung einer wohlbekannten Meßvorrichtung (Block 720) gemessen. Nachdem die Blattwinkelposition gemessen worden ist, wird der Blattwinkelpositionsfehler zwischen aktuellem Blattwinkel und dem vorbestimmten Sollblattwinkel berechnet (block 721).
Nachdem der Blattwinkelpositionsfehler berechnet worden ist, wird der Blattwinkelpositionsfehler verstärkt (Block 722). Mit dem verstärkten Blattwinkelpositionsfehler und der gemessenen Geschwindigkeit (Block 701), wird die Änderung in der dynamischen Blattwinkelrate begrenzt (Block 723).
Nachdem die dynamische Blattwinkelrate auf einen vorbestimmten Wert begrenzt worden ist, legt ein Test fest, ob der Generatorrotorgeschwindigkeit größer als die vorbestimmte Geschwindigkeit ist. In einer Ausführungsform ist dieser Sollwert auf 1423 rpm gesetzt. Wenn die Generatorgeschwindigkeit nicht größer als die vorbestimmte Geschwindigkeit ist, tritt das Blattwinkelregulationssystem in einen Modus mit fester Blattwinkelposition (Block 726); anderenfalls tritt das Blattwinkelregulationssystem in den RPM-Regulationsmodus (Block 727).
Blattwinkelregulationsmodus
Wie im folgenden diskutiert wird, bezieht sich die Blattwinkelregulation auf ein Halten des Rotorblattwinkels auf eine Design-Betriebsposition für einen Betrieb unterhalb der Nennleistung. In einer Ausführung ist diese Position bei 0 Grad. Es können jedoch auch andere Positionen verwendet werden. Das VPC führt die Blattwinkelregulation aus, indem eine negative Spannung kommandiert wird, die bewirkt, daß der Blattwinkelzylinder von seinem Anfangs-Stopwert (z. B. 90 Grad) oder seiner Flachstellposition („feathered position") bei konstanter Geschwindigkeit von einigen Winkelgrad (z. B. 1,0) pro Sekunde zu seinem nominellen Nullwert-Sollpunkt bewegt wird.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Positionskommandospannung auf einen Fehlerverstärker angewandt, um einen Fehlerausgang zu erzeugen, der proportional zu der Differenz zwischen der kommandierten Position (Pc) und der rückgeführten Position (Pf) ist. In einer Ausführungsform ist der Fehlerverstärker Software-generiert. Jedoch kann eine solche Verstärkung auch durch Hardware realisiert werden.
Der Ausgangsfehler wird verstärkt und zum Proportionalventil gesendet. Ein Positionsratenbegrenzer wird verwendet, um die Blattwinkelrate anfangs auf 1 Grad pro Sekunde zu begrenzen. Dies begrenzt die Beschleunigung des Rotors sowohl in starken wie auch in schwachen Winden und ermöglicht einen glatten Übergang für eine Erzeugung ohne Geschwindigkeitsproblemen.
Sobald die Turbine ihre 0 Grad Position erreicht hat, hilft der Proportionalverstärker, diese Position zu halten, indem eine Spannung generiert wird, die proportional zu jedwedem Fehler ist, der aufgrund eines Nachlassens des hydraulische Systemdrucks passiert. Wenn während einer anfänglichen Blattwinkeljustage die Generatorgeschwindigkeit eine vorbestimmte Geschindigkeit (z. B. 100 rpm) nicht überschreitet, dann stellt das System die Blattwinkel auf einen vorbestimmten Wert (z. B. 25 Grad) ein. Dies hilft, den Rotor in sehr leichtem Wind in Drehung zu versetzen. Sobald die Rotorgeschwindigkeit oberhalb der vorbestimmten Geschwindigkeit liegt, stellt das System die Rotorblätter auf einen nominellen Blattwinkel von 0 Grad ein.
Blattwinkelregulierung findet statt bei oder oberhalb der Nennleistung (d. h. in Region II), wenn die Geschwindigkeit der Generatorgeschwindigkeit unterhalb ihres Nennsollwerts (z. B. 1423 rpm) ist. In einer Ausführungsform fängt das PID-System beim Übergang vom Betrieb unterhalb der Nennleistung zum Bereich oberhalb der Nennleistung an, die Rotorblätter in eine Flachstellung („feather") zu bringen, bevor die Generatorgeschwindigkeit den Nennsollwert erreicht (z. B. 1423 rpm), je nachdem wie die Beschleunigung des Generatorrotorgeschwindigkeitssignals (von Block 607 z. B.) ist.
Blattwinkelregulierung unterhalb der Nennleistung erfordert kein volles PID-System, da die Änderung der Blattwinkelgeschwindigkeit auf nur 1 Grad pro Sekunde begrenzt ist.
8 stellt eine Ausführung eines Blattwinkelpositionsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Unter Bezugnahme von 8 wird der Blattwinkelpositionsfehlerwert, der proportional zu der Differenz der kommandierten Position (Pc) und der rückgeführten Position (Pf), berechnet (Block 800). Dann bestimmt ein Test, ob der Blattwinkelfehler positiv ist (Block 801). Wenn der Blattwinkelfehler nicht positiv ist, dann bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschindigkeit größer ist als eine erster vorbestimmte Geschindigkeitssollwert (Block 803). In einer Ausführung ist der vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert 1200 rpm, so wie er im Block 802 gemessen ist. Wenn der Blattwinkelfehler nicht positiv ist und der Generatorrotorgeschwindigkeit nicht größer als die erste vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird die Prozessierung im Block 804 fortgeführt, wo die Blattwinkelrate auf –Y1 begrenzt ist und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer 805 geführt wird.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer ist als die erste vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert, dann bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschwindigkeit größer ist als ein zweiter höherer vorbestimmter Geschwindigkeitssollwert (Block 806). In einer Ausführung ist der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert auf 1250 rpm gesetzt. Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, dann wird die Prozessierung bei Block 807 fortgesetzt, wo die Blattwinkelratenwert Y auf –Y2 gesetzt ist und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer 805 geführt wird. Wenn die Rotorgeschwindigkeit nicht größer als der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird der Blattwinkelratenbegrenzungswert Y gleich einer Funktion des Rotorgeschwindigkeit (Block 808) gesetzt, welcher zwischen –Y1 und –Y2 liegt, wobei der Blattwinkelratenbegrenzungswert Y zu den dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer (Block 805) geschickt wird. In einer Ausführungsform ist diese Funktion eine lineare Funktion in Abhängigkeit von dem Blattwinkelratenbegrenzer, der zwischen einem Minimum und einem Maximum heraufgefahren wird. Wenn der Blattwinkelfehler positiv ist, bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschwindigkeit größer als ein dritter vorbestimmter Geschwindigkeitssollwert ist (Block 809). In einer Ausführungsform ist der dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert auf 1100 rpm gesetzt. Wenn der Blattwinkelfehler positiv ist und die Generator Rotorgeschwindigkeit nicht größer als die dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird die Prozessierung in Block 810 fortgeführt, wo der Blattwinkelratenbegrenzung Y gleich Y1 gesetzt ist und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer (Block 805) geführt wird.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als der dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschwindigkeit größer als eine vierte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist (Block 811). In einer Ausführung ist der vierte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert auf 1150 rpm gesetzt. Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als die vierte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, dann wird die Prozessierung bei Block 812 fortgesetzt, wo der Blattwinkelratenbegrenzungswert Y auf Y2 gesetzt wird und zu dem dynamschien Blattwinkelratenbegrenzer (Block 805) geführt wird. Wenn die Rotorgeschwindigkeit nicht größer als die vierte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, dann ist der Blattwinkelratenbegrenzungwert Y gleich einer Funktion von Rotorgeschwindigkeit (Block 813), die zwischen Y1 und Y2 liegt, gesetzt, wobei der Blattwinkelratenebrenzungwert Y zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer (Block 805) geschickt wird. Auf diese Weise ist die Funktion in entgegengesetzter Richtung zu der weiter oben beschriebenen Funktion von Block 808. In einer Ausführungsform ist diese Funktion eine Linearfunktion des Blattwinkelratenbegrenzers, der zwischen dem Maximum Y1 und dem Minimum Y2 herauf oder herunterfährt.
Der Blattwinkelwinkelfehlerwert, der in Block 800 bestimmt worden ist, wird verstärkt (Block 814) und zum dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer (Block 805) geführt. In Reaktion auf den Blattwinkelratenbegrenzungswert Y und den verstärkten Blattwinkelwinkelfehlerwert wird die Blattwinkelratenänderung auf anfänglich 1 Grad pro Sekunde begrenzt, um eine Beschleunigung des Rotors sowohl in schwachen als auch in starken Winden zu begrenzen, und um einen weichen Übergang zur Generation ohne Probleme mit zu hohen Geschindigkeiten zu ermöglichen.
Ein Test bestimmt, ob der von Block 802 gemessene Rotorgeschwindigkeit größer als eine fünfte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist (Block 815). In einer Ausführungsform ist der fünfte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert auf 1423 rpm angesetzt. Wenn der gemessene Rotorgeschwindigkeit größer als der fünfte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, tritt das System in den RPM Regulationsmodus ein (Block 816). Andererseits, wenn der gemessene Rotorgeschwindigkeit nicht größer als der fünfte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird die Blattwinkelrate auf einen programmierten Wert (Block 817) gesetzt, der als binäre Spannung dargestellt werden kann, so daß die Prozessierung in Block 818 fortgesetzt wird.
In Block 818 bestimmt ein Test, ob das System im Auto-Modus ist. In einer Ausführungsform ist dieser Test gekennzeichnet durch eine Prüfung, ob das System in einem Stand-By/Stop-Fehlermodus ist infolge eines Fehlers, der in Block 819 festgestellt worden ist. Wenn das System nicht im Auto-Modus ist, wird die Prozessierung in Block 820 fortgesetzt, wo die Blattwinkelsteuerung außer Kraft gesetzt wird, um das System abzuschalten. In einer Ausführungsform wird das System abgeschaltet, indem die Blattwinkel der Rotorblätter in auf 90 Grad angestellt werden. Wenn das System im Automodus ist, wird die binäre Spannung, welche die programmierten Werte darstellt, in analoge Spannung konvertiert (Block 821), so daß ein hydraulisches Systemproportionalventil (Block 822) angetrieben wird.
In einer Ausführungsform erzeugt ein einzelner Digital-zu-Analog-Konvertierer (D/A) die für das hydraulische Proportionalventil erforderliche Spannung. Diese Spannung ist direkt proportional zu der Geschwindigkeit des hydraulischen Blattwinkelzylinders, d. h. der Änderungsrate der Rotorblattwinkelposition. In einer Ausführungsform bewirkt eine positive Spannung, daß sich die Rotorblätter flachstellen („Pitch-to-Feather"), während eine negative Spannung dazu führt, daß die Rotorblätter sich in Richtung einer Leistungsrichtung einstellen (Pitch-to-Power). Die Blattwinkelrate ist gesteuert durch die Amplitude der D/A Ausgangsspannung. In einer Ausführungsform ist die Ausgangsabtastrate des D/A fixiert bei 10 Hz.
RPM Regulationsmodus
Das VPC System reguliert die Generatorgeschwindigkeit. In einer Ausführungsform ist die Generatorgeschwindigkeit durch eine Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Steuereinheit des Turbinenrotorblattanstellwinkels reguliert. Das VPC System berechnet einen Fehler und verstärkt diesen später, z. B. mittels Software, um einen Ausgangsfehler zu generieren, der proportional zu der Differenz zwischen der kommandierten Geschwindigkeit (z. B. 1423 rpm), die im weiteren als Rc bezeichnet wird, und der rückgeführten Geschwindigkeit, die im folgenden als Rf bezeichnet wird. Die vorliegende Erfindung verwendet diesen Ausgang, um PID Werte zu erzeugen, die für eine korrekte Geschwindigkeitssteuerung der Porportionalventile, und somit der Rotorablattwinkel, erforderlich ist.
Sobald die Rotorgeschwindigkeit sich dem vorgegebenen Sollwert (z. B. 1423 rpm) nähert, generiert die PID-Steuereinheit eine Spannung, die die Rotorblätter in Flachstellung („feather") bringt. Wenn umgekehrt die Rotorgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Sollwerts (z. B. 1423 rpm) abfällt, generiert die PID-Steuereinheit eine Spannung, welche die Blattwinkel der Rotorblätter in Richtung Leistung justiert bis der nominelle Blattwinkelwert wieder erreicht oder der nominelle vorgegebene Sollwert überschritten wird (z. B. 1423 rpm).
Die PID-Geschwindigkeitsregulationssteuereinheit ist ein geschwindigkeitsbasiertes System. In einer Ausführungsform wird eine Tabelle verwendet, um die Blattwinkelratenwerte, die durch die PID-Steuerlogik generiert werden, in spezifische Spannungen, die an den Proportionalwert angelegt werden, zu verändern. Eine Beispielstabelle ist in Tabelle 2 gezeigt. Ist einer Ausführungsform ist die maximale „Pitch-to-Feather" Geschwindigkeit 12 Grad pro Sekunde, während die maximale „Pitch-to-Power" Geschwindigkeit (während der Geschwindigkeitregulierung) 8 Grad pro Sekunde beträgt. Dies entspricht einer D/A Ausgangsspannung von 5,1 bzw. 4,1 Volt.
Tabelle 2: Konversionstabelle von Blattwinkelrate vs. Antriebsspannung
Man beachte, daß in Tabelle 2 eine negative Blattwinkelrate einem Justieren der Blattwinkel in Leistungsstellung („Pitch to Power"), während null oder eine positive Blattwinkelrate einem Justieren der Blattwinkel in Flachstellung („Pitch to Feather") entspricht.
In einer Ausführungsform schaltet ein Ventilsteuerschalter das Proportionalventil während des Stop und Stand-By Modus ab wie kommandiert.
9 stellt eine Ausführung des rpm-Regulationsmodus der vorliegenden Erfindung dar. Unter Bezugnahme von 9 wird in Block 900 der Geschwindigkeitsfehlerwert, der proportional zu der Differenz zwischen dem kommandierten rpm (Pc) von (Block 930) und dem gemessenen rpm (Pf) von Block 902 ist, berechnet (Block 900).
Ein Test bestimmt, ob der rpm Fehler positiv ist (Block 901). Wenn der Geschwindigkeitsfehler nicht positiv ist, bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschwindigkeit größer als ein erster vorbestimmter Geschwindigkeitssollwert ist (Block 903). In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert 1200 rpm. Wenn der rpm Fehler nicht positiv ist und die Generatorrotorgeschwindigkeit nicht größer ist als der erste vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert, wird die Prozessierung in Block 904 fortgesetzt, wo der Blattwinkelratenbegrenzungswert auf –Y1 gesetzt wird und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer 905 gesendet wird.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als der erste vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, dann bestimmt ein Test, ob die Rotorgeschwindigkeit größer als ein zweiter höherer vorbestimmter Geschwindigkeitssollwert ist (Block 906). In einer Ausführungsform ist der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert 1250 rpm. Wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird die Prozessierung in Block 907 fortgesetzt, wo der Steilheitsratenbegrenzungswert Y auf –Y2 gesetzt wird und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer 905 geführt wird.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit nicht größer als der zweite vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird der Blattwinkelratenbegrenzungswert Y dem Wert einer Funktion der Rotorgeschwindigkeit (Block 908) gleichgesetzt. In einer Ausführungsform ist diese Funktion eine Linearfunktion des Blattwinkelratenbegrenzers, der zwischen –Y1 und –Y2 hoch- oder runterfährt. Der Blattwinkelratenwert Y wird zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzer Block 905 geschickt.
Wenn der Geschwindigkeitsfehler positiv ist, wird der Blattwinkelratenbegrenzungwert Y auf Y2 gesetzt (Block 912) und zu dem dynamischen Blattwinkelratenbegrenzers (Block 905) geschickt.
Auch nachdem der Geschwindigkeitsfehlerwert berechnet worden ist, bestimmt das PID-System, ob die Beschleunigung zu schnell ist und stellt den Blattwinkel dementsprechend ein (Block 940). In Reaktion auf den Blattwinkelratenbegrenzungswert Y und dem Ausgang der PID-Schleife 940, wird die Blattwinkelrate begrenzt auf anfänglich 1 Grad pro Sekunde (Block 905).
Dann bestimmt ein Test, ob die gemessene Rotorgeschwindigkeit (Block 902) größer ist als eine dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert (Block 915). In einer Ausführungsform ist der dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert auf 1423 rpm gesetzt. Wenn die gemessene Rotorgeschwindigkeit kleiner als der dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, tritt das System in den Blattwinkelpositionsmodus (Block 916). Wenn auf der anderen Seite die gemessene Rotorgeschwindigkeit größer als der dritte vorbestimmte Geschwindigkeitssollwert ist, wird die Blattwinkelrate unter Verwendung der oben beschriebenen Blattwinkelrate vs. Antriebsspannungs Konversionstabelle konvertiert (Block 917), und die Prozessierung geht weiter bei Block 918.
In Block 918 bestimmt ein Test, ob das System im Auto-Modus ist. In einer Ausführungsform prüft dieser Test, ob das System infolge eines Fehlers, der in Block 919 festgestellt worden ist, im Stand-By/Stop-Fehlermodus ist. Wenn das System nicht im Auto-Modus ist, wird die Prozessierung in Block 920 fortgeführt, wo die Blattwinkelsteuerung außer Kraft gesetzt wird, um das System abzuschalten. In einer Ausführungsform wird das System dadurch abgeschaltet, daß die Rotorblätter in einen Blattwinkelwinkel von 90 Grad gebracht werden. Wenn das System im Auto-Modus ist, wird die Spannung, die den Blattwinkelratenwert repräsentiert, in Analogsignale konvertiert (Block 921) und an das hydraulische System mit Proportionalventil angelegt, um die Blattwinkeljustierung zu beginnen (Block 922).
Ein Blattwinkeljustierungssystem mit einer PID-Steuereinheit
10a stellt eine Ausführungsform eines Blattwinkelwinkeleinstellsystems dar. Unter Bezugnahme von 10a umfaßt das Blattwinkelwinkeleinstellsystem einen PID-Steuereinheit 1010 mit geschlossener Schleife und eine nicht-lineare Tabelle 1011, um die Blattwinkelwinkelgeschwindigkeitseingänge in Spannungsausgänge zu konvertieren. Die Blattwinkelwinkelgeschwindigkeitswerte, die von Tabelle 1011 erhalten werden, sind durch die PID-Steuereinheit 1010 in Reaktion auf eine Differenz zwischen Ausgangsgeschwindigkeit und kommandierter Geschwindigkeit erzeugt, wie es durch Vergleichslogik oder Software bestimmt werden kann. Die Spannungsausgänge von Tabelle 1011 werden auf einen Proportionalwert angewandt, was zu einem Rotorblattwinkeljustierungsvorgang führt.
Ein Blockdiagramm des funktionalen Flusses in einer Ausführungsform des PID-Steuereinheit ist in 10b gezeigt. Unter Bezugnahme von 10b wird eine Differenz zwischen dem Positionsrückkopplungswert Pf und der kommandierten Position Pc, durch Vergleichslogik (z. B. ein Subtraktor) oder Software 1001 bestimmt. Diese Differenz stellt einen Positionsfehler dar. Der Positionsfehler wird verstärkt durch einen Skalierungsfaktor K durch den Verstärker 1002, um den Wert yc zu erhalten. In einer Ausführungsform ist K auf den Wert 0,5 gesetzt. Der Wert yc ist als Eingangswert mit dem Begrenzer 1005 gekoppelt, der durch die Begrenzungssteuereinheit 1004 gesteuert wird. Der Begrenzer 1005 begrenzt die Blattwinkelwinkelrate der Rotorblätter während der Einstellwinkelpositionsbewegungen. In einer Ausführungsform ist die Blattwinkelrate langsam. Steuereinheit 1004 ist angeschlossen, um die Generatorgeschwindigkeitsrückkopplung zu erhalten, worauf sie den Begrenzer 1005 basierend auf der Generatorgeschwindigkeit (in rpm) wechselt. Die Begrenzungssteuereinheit (Block 1004) fährt unter Verwendung einer Linearfunktion des gemessenen Wertes von rpm, R_F mit Maximumrate Einstellwinkel zum Flachstellen („pitch to feather") oder Einstellwinkel für Leistung („pitch to power") an.
Die PID-Steuereinheit umfaßt weiterhin eine Vergleichslogik (einen Subtraktor) oder Software 1003, um eine Differenz zwischen der kommandierten Generatorgeschwindigkeit Rc, und der aktuellen Generatorgeschwindigkeit R_F zu generieren. Der Ausgang des Vergleichblocks 1003 entspricht dem Geschwindigkeitsfehlerwert x, der von den PID-Algorithmusblocks 1006 und 1007 empfangen wird. Die PID-Algorithmen (Block 1006 und 1007) berechnen eine gewünschte Blattwinkelrate basierend auf einem Proportional-Integral-Differenzierungs-Funktion des Geschwindigkeitsfehlerwertes. Der Blattwinkelratenausgang als Funktion von Geschwindigkeitsfehlereingängen kann auch Verstärkertabellen umfassen, die die Verstärkung als Funktion der Blattwinkelposition einstellen. Eine Verstärkungsratentabelle (Block 1012) stellt einen Multiplizierer, E, bereit, der auf Blattwinkelwinkelpositionsrückkopplung und zwei Sollparameter E1 und E2 basiert. In einer Ausführungsform sind die beiden Sollwertparameter E1 und E2 jeweils –0,85 und 0,0028. Der Ausgang von Block 1005 ist mit dem Ausgang von 1006 gekoppelt und yf wird in den Block 1008 geführt. Begrenzer 1005 begrenzt die maximale Blattwinkelgeschwindigkeit von „Pitch-to-Feather" und „Pitch-to-Power" während des Geschwindigkeitsregulationsmodus.
Der Ausgang des Begrenzers 1008 stellt den Eingang eines Spannungsgenerators 1000 bereit und führt ihn zurück in den PID-Algorithmusblock 1007. Der Ausgang des Spannungsgenerators 1009 ist an den Eingang von Schalter 1010 angeschlossen, der so gesteuert wird, daß das Proportionalventil abgeschaltet wird, sobald ein Kommando kommt, die Turbine abzuschalten. Der Ausgang des Schalters 1010 ist an einen D/A Konvertierer 1011 angeschlossen, der die Ausgangsspannung für das System bereitstellt, die an das Proportionalventil, das die Rotorblattwinkeljustierung treibt, angelegt wird.
Dynamisches Bremsen
Um dynamisches Bremsen zu ermöglichen, kann die Drehmoment-Geschwindigkeitskurve der vorliegenden Erfindung absichtlich verschrägt werden. In einer Ausführungsform kommandiert der Leistungswandler einen maximalen konstanten Drehmoment. Dieser maximale Drehmoment wird in das System geschaltet, sobald eine Fehlerbedingung erfolgt, so daß die Turbinengeschwindigkeit kleiner wird. 6B stellt den Leistungswandler einschließlich des maximalen konstanten Drehmoments 660 und des Schalters 629 dar.
In einer Ausführungsform führt das Sicherheitssystem anfänglich eine weiche Bremsung aus und stellt die Blattwinkel der Rotorblätter auf 90 Grad ein. Danach stellt ein Test fest, ob ein Fehler vorliegt. In einer Ausführungsform wird eine dynamische Bremsung nur dann benutzt, wenn ein harter Stop-Fehler vorliegt.
In anderen Ausführungsformen kann dynamisches Bremsen für andere Fehlertypen verwendet werden (z. B. sanft, hart, etc.).
Wenn ein harter Stop-Fehler festgestellt worden ist, stellt die vorliegende Erfindung die Blattwinkel der Rotorblätter auf 90 Grad und kommandiert einen maximalen konstanten Drehmomentwert. Der Drehmoment wird dem Generatorrotor eingeprägt, was zu einem Sinken der Turbinengeschwindigkeit führt. In einer Ausführungsform wird die Turbine zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit verlangsamt. Nachdem die vorbestimmte Geschwindigkeit erreicht ist, kann der Bremsvorgang entweder automatisch oder manuell gestoppt werden (z. B. manueller Reset durch den Betreiber).
Leistungsfaktor und VAR Kompensation
Da der Leistungswandler den Rotorstrom direkt steuert, kann der Gesamtsystemleistungsfaktor unabhängig von dem Turbinenausgangsniveau gesteuert und dynamisch über einen Bereich von 0,90 verzögert („lagging") bis zu 0,90 vorlaufend („leading") eingestellt werden. In der vorliegenden Erfindung werden die VARs der zweiten („secondary") des Induktionsgenerators zugeführt. Dadurch kann der Leistungswandler als VAR Kompensator für das Versorgungsnetz dienen. Dies wird durch ein Steuersystem erreicht, welches eine spezifische Zahl von KVARs von jeder Turbine durch ein SCADA System kommandiert. 6B illustriert einen Eingang 670 um die VARs zu steuern. Durch Anpassung der VARs Versorgung an die „secondary", können die Gesamtsystem VARs dynamisch ausgewählt werden.
Der gewünschte Leistungsfaktor kann zur jedem nominalen Wert zwischen 0,1 verzögert („lagging") und 0,90 vorlaufend („leading") gesetzt werden oder in Abhängigkeit von Fluktuationen in der Versorgungsnetzspannung variieren. Daher kann der Leistungswandler mittels SCADA in einem konstanten Leistungsfaktormodus, einem konstanten VAR Modus oder einem spannungsregulierten Modus arbeiten.
Einige der Vorteile der Leistungsaufbereitung durch die vorliegende Erfindung sind, daß eine maximale Energieausbeute, Drehmomentsteuerung, Eleminierung von Spannungs-Flickern oder Leistungsfaktorsteuerung ermöglicht wird. Zusätzlich sind dynamische Leistungsfaktoranpassungen möglich. Weiterhin sorgt die variable Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung für eine Dämpfung von Drehmomentspitzen. Drehmomentspitzen, die Spannungsspitzen und Schaden an den Antriebswellenkomponenten verursachen, werden gedämpft, indem ein Ansteigen der Rotorgeschwindigkeit erlaubt ist, wodurch die überschüssige Energie einer Windböe in Rotationsträgheit der Rotorblätter „gespeichert" wird. Diese Energie kann entnommen und in das Netz geführt werden, indem die Rotorgeschwindigkeit reduziert wird, sobald die Windböe nachläßt, oder sie kann abgeleitet werden, indem die Blattwinkel der Rotorblätter aus dem Wind gedreht werden. Auf diese Weise kann die variable Geschwindigkeitsbetrieb dramatisch Drehmomentspitzen reduzieren, was sich als niedrige Kosten und längere Lebensdauer der Windturbinenantriebswelle auszahlt.
Einige Teile der oben beschriebenen detaillierten Beschreibung sind in Form von Algorithmen und symbolischen Darstellungen der Operationen von Daten innerhalb eines Computer-Memorys dargestellt. Diese algorithmischen Beschreibungen und Darstellungen sind Mittel, die von Fachleuten aus dem Bereich der Datenverarbeitung verwendet werden, um auf eine sehr effektive Art den Inhalt ihrer Arbeit anderen Fachleuten zu übermitteln. Ein Algorithmus wird hier und im Allgemeinen verstanden als eine konsistente Folge von Schritten, die zu einem gewünschten Resultat führen. Diese Schritte erfordern physikalische Manipulation von physikalischen Parametern. Gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, nehmen diese Parameter die Form von elektrischen oder magnetischen Signalen an, die gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen oder sonstwie manipuliert werden können. Es hat sich über die Zeit als nützlich herausgestellt, diese Signale als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Ausdrücke, Zahlen und ähnlichem zu bezeichnen.
Man sollte sich dabei aber bewußt sein, daß alle diese oder ähnliche Ausdrücke mit passenden physikalischen Einheiten assoziiert werden sollen und lediglich bequeme Bezeichnungen sind, die sich auf diese Quantitäten beziehen. Außer wenn es ausdrücklich anders gesagt worden ist als in den folgenden Diskussionen, soll berücksichtigt werden, daß während der vorliegenden Erfindung Diskussionen, die Begriffe wie „Prozessieren" oder „Berechnen" oder „Ausrechnen" oder „Bestimmen" oder „Darstellen" o. ä. sich auf Tätigkeiten und Prozesse eines Computersystem oder einer ähnlichen elektronischen Rechnervorrichtung beziehen können, wobei die Daten, die als physikalische (elektronische) Quantitäten innerhalb der Register des Computersystems und Speicher dargestellt sind, manipuliert und in andere Daten, die auf ähnliche Weise als physikalische Quantitäten innerhalb der Register und Speicher des Computersystems oder anderer Informationsspeicher, Übertragung- oder Darstellungsvorrichtungen dargestellt werden, transformiert werden.
Wie oben beschrieben, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Apparat zur Durchführung der hierin beschriebenen Operationen. Dieser Apparat kann speziell für diese Absichten konstruiert sein oder einen General-Purpose-Computer umfassen, der auf selektive Art aktiviert ist oder durch ein Computerprogramm rekonfiguriert ist, das im Computer gespeichert ist. Solch ein Computerprogramm kann in einem Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sein, wie z. B. in jedem Typen einer Disk einschließlich einer Floppy-Disk, einer optischen Disk, einer CD-ROMs, einer magnetisch-optischen Disk, einer Read-Only-Memories (ROM), einem Random Access Memory (RAM), EPROMs, EEPROMS, magnetischer oder optischer Karte oder jedwedem Typs eines Mediums, das geeignet ist, um elektronische Instruktionen zu speichern und das an ein Computersystembus angeschlossen ist. Die Algorithmen, die hier dargestellt sind, sind nicht auf einen spezifischen Computer oder anderen Apparatus begrenzt. Verschiedene allgemeine Maschinen mit Programmen können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es kann sich aber auch als bequem herausstellen, einen mehr spezialisierten Apparat zu konstruieren, nach einer erforderlichen Struktur, die aus der nachfolgenden Beschreibung für verschiedene dieser Maschinen erschlossen werden kann. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung nicht beschrieben in bezug auf eine spezielle Programmiersprache. Es wird klar sein, daß eine Vielzahl von Programmiersprachen verwendet werden kann, um die Lehre der Erfindung, die hier beschrieben worden ist, zu implementieren.
Obwohl ohne Zweifel ein Durchschnittsfachmann viele Abwandlungen und Modifikation der vorliegenden Erfindung finden wird, nachdem er die vorliegende Beschreibung gelesen hat, so soll doch verstanden werden, daß die speziellen Durchführungsformen, die hier in Form von Text und Illustrationen gezeigt worden sind, in keiner Weise als limitierend zu verstehen sind. Daher sind die Bezüge auf Details der verschiedenen Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Bereich der Ansprüche zu limitieren. Daher zitieren die Ansprüche nur solche Merkmale, die als wesentlich für die Erfindung anzusehen sind.
Auf diese Weise ist ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb beschrieben worden.

Claims

Ein System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb umfassend: – ein Induktionsgenerator (620; 100) mit gewickeltem Rotor zum Erzeugen von Leistung; – eine Drehmomentssteuereinheit (623; 603) zur Steuerung des Generatorendrehmoments unter Benutzung einer feldorientierten Steuerung; und – eine Blattwinkelsteuerungseinheit (610) zur Blattwinkelregulierung, die auf der Rotorgeschwindigkeit des Generators basiert und unabhängig von der Drehmomentsteuereinheit operiert.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei das System für variablen Geschwindigkeitsbetrieb ein Windturbinensystem für variablen Geschwindigkeitsbetrieb umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit (610) eine Proportional-Integral-Differenzierungs (PID) Blattwinkelsteuerungseinheit umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine Proportional-Integral- (PI) Blattwinkelsteuerungseinheit (623B) umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine Proportional-Differenzierungs (PD) Blattwinkelsteuerungseinheit umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine Verzögerungs-Vorlauf-Steuerungseinheit (Lag-Lead controller) umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine Regelungseinheit mit offener Regelungsschleife mit einem Differenzierungsterm umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor einen schleifringfreien Induktionsgenerator umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit einen Dämpfungsfilter (623f) zur Minderung eines kommandierten Drehmoments, der aufgrund einer gemessenen Oszillationsbewegung zwischen Turbinenblättern und dem Generator vorgegeben worden ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit die Generatorenleistung und Drehmoment in Abhängigkeit von der Generatorengeschwindigkeit steuert.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit die Generatorenleistung mittels einer Referenztabelle (Look-Up Table (LUT)) (623A) bezüglich der Leistung in Abhängigkeit von der Generatorgeschwindigkeit (607) unter Verwendung einer feldorientierten Steuerung (FOC) steuert.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) eine Referenztabelle (LUT) (623A; 640) bezüglich der Leistung und der entsprechenden Rotorgeschwindigkeit des Generators umfaßt und wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) die Referenztabelle unter Verwendung eines gemessenen Generatorenrotorgeschwindigkeit interpoliert, um eine Ausgangssollleistung festzulegen, durch welche die Drehmomentsteuereinheit einen gewünschten Generatorendrehmoment unter Verwendung der gemessenen Rotorgeschwindigkeit des Generators bestimmt.
Das System gemäß Anspruch 12, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) den Generator dazu bringt, einer in der Referenztabelle (623A) kodierten vorbestimmten Leistungs-Geschwindigkeitskurve zu folgen.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) umfaßt: – eine Referenztabelle (623A), in der eine vorbestimmte Leistungs-Geschwindigkeitskurve kodiert ist, wobei die Referenztabelle eine Ausgangssollleistung in Abhängigkeit der gemessenen Rotorgeschwindigkeit des Generators herausgibt; – einen Komparator (623D; 623E) zur Erzeugung einer Leistungsfehleranzeige basierend auf einem Vergleich der tatsächlichen Ausgangsleistung mit der Ausgangssollleistung; – eine Proportional-Integral (PI) Steuereinheit (623B), die mit der Leistungsfehleranzeige gekoppelt ist, um eine angepaßte aktuelle Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der berechneten Leistungsfehleranzeige zu erzeugen; und – einen Teiler, um einen kommandierten Drehmoment in Abhängigkeit von der gemessenen Rotorgeschwindigkeit und der angepaßte aktuellen Ausgangsleistung zu erzeugen.
Das System gemäß Anspruch 14, wobei das System weiterhin einen vorwärtsgeführten Dämpfungstermfilter (6237) umfaßt, der so gekoppelt ist, daß er den kommandierten Drehmoment in Abhängigkeit von der gemessenen Rotorgeschwindigkeit des Generators ändert.
Das System gemäß Anspruch 1 wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) den Generatordrehmoment durch Kommandieren eines erforderlichen Rotorstromvektors, der mit einem ermittelten Flußvektor wechselwirkt, steuert, um einen gewünschten Generatorendrehmoment zu erzeugen.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) den Drehmoment zumindest von einem Einsatzwert bis zu nominellen Windgeschwindigkeiten steuert.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) den Drehmoment von einem Einsatzwert bis zu nominellen Windgeschwindigkeiten steuert.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) bewirkt, daß der Generator einer vorgegebenen Leistung-Geschwindigkeitskurve folgt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) einen vorgegebenen konstanten Drehmoment kommandiert, um den gewickelten Rotor zu verlangsamen.
Das System gemäß Anspruch 20, wobei der vorgegebene konstante Drehmoment einen maximalen vorgegebenen konstanten Drehmoment umfaßt.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei das System weiterhin eine Generatorgeschwindigkeitsanzeige enthält, die mit den Eingängen der Leistungskontrolleinheit und der PID Steuerungseinheit (1010) gekoppelt ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine PID Steuerungseinheit mit geschlossener Regelungsschleife enthält, wobei der Blattwinkel rückgekoppelt ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine Steuerungseinheit mit geöffneter Regelungsschleife mit einem Differenzierungsterm enthält.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwinkelsteuerungseinheit eine PID Steuerungseinheit (1010) aufweist, die eine Blattwinkelgeschwindigkeit zur Blattwinkelregulierung erzeugt.
Das System gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei das System weiterhin umfaßt: – einen Komparator zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsfehleranzeigr basierend auf einem Vergleich zwischen einer gemessenen Rotorgeschwindigkeit und einer Rotorsollgeschwindigkeit des Generators, wobei die PID Blattwinkelsteuerungseinheit (1010) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsfehleranzeige einen Blattwinkelgeschwindigkeitsausgangswert erzeugt; und – eine nicht-lineare Referenztabelle (1011), die gekoppelt ist, um eine Steuerspannung zur Ansteuerung eines proportionalen Ventil auszugeben, um in Abhängigkeit des Blattwinkelgeschwindigkeitswertes eine Blattwinkeleinstellung zu bewirken.
Das System gemäß Anspruch 1 oder 3 wobei die Drehmomentsteuereinheit (623) eine Referenztabelle (623A) mit einer darin kodierten Leistungs-Geschwindigkeitskurve aufweist, wobei die Drehmomentsteuereinheit die Rotorgeschwindigkeit des Generators abtastet, die gewünschte Ausgangsleistung mittels der Referenztabelle unter Verwendung der Rotorgeschwindigkeit des Generators aktualisiert, einen neuen Drehmoment bestimmt, der auf einer aktualisierten gewünschten Ausgangsleistung basiert, und einen neuen Stromvektor berechnet, mit dem der Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor beaufschlagt wird.
Das System gemäß Anspruch 27 wobei die PID Blattwinkelsteuereinheit (1010) den Blattwinkel der Vielzahl der Rotorblätter in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der aktuellen Rotorgeschwindigkeit und der kommandierten Rotorgeschwindigkeit des Generators einstellt.
Das System gemäß Anspruch 27, wobei das System weiterhin aufweist: – einen Komparator (623D; 623E) zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsfehleranzeige basierend auf einem Vergleich zwischen einer gemessenen Rotorgeschwindigkeit und einer Rotorsollgeschwindigkeit des Generators, wobei die PID Blattwinkelsteuerungseinheit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsfehleranzeige einen Blattwinkelgeschwindigkeitsbefehl erzeugt; und – eine nicht-lineare Referenztabelle (1011), die gekoppelt ist, um eine Steuerspannung auszugeben, die zu einem proportionales Ventil geführt wird, um in Abhängigkeit von dem Blattwinkelgeschwindigkeitsbefehl eine Bewegung des Blattwinkels der Rotorblätter zu ermöglichen.