ES2682990T3 - Un método y una disposición de control para el control de un generador de corriente alterna - Google Patents

Abstract

Un método para el control de un generador de corriente alterna (CA) multifase que se conecta a un convertidor controlable, teniendo el generador un rotor con un árbol conectado a al menos una pala de turbina eólica, comprendiendo el método: determinar una velocidad de rotación y fase de un flujo del rotor generado por el rotor, determinar una estimación de un flujo del estator, generar una señal de referencia de flujo del estator de CA basándose en la fase del flujo del rotor, determinar una señal de error que representa la diferencia entre el flujo del estator estimado y una señal de referencia de flujo del estator de CA, aplicar la señal de error a un controlador para generar una tensión de referencia, en el que el controlador tiene una función de realimentación y una función resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, y aplicar la tensión de referencia al convertidor controlable.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Un metodo y una disposicion de control para el control de un generador de corriente alterna Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un metodo para el control de un generador de corriente alterna (CA) multifase que se conecta a un convertidor controlable, teniendo el generador un rotor con un arbol conectado a al menos una pala de turbina eolica. La invencion se refiere adicionalmente a una disposicion de control adecuada para llevar a cabo el metodo.

Antecedentes

Dicho metodo se divulga en el documento US 5.083.039, que describe un generador de induccion de CA conectado a un convertidor de potencia. Se controla el par del generador usando un regulador PI que funciona utilizando orientacion del campo. Se controla entonces el convertidor de potencia para proporcionar corrientes de estator que den como resultado el par deseado. Esto permite al controlador eliminar totalmente un error en un estado estacionario. Un inconveniente que dicho sistema, sin embargo, es que sera relativamente complejo.

Sumario

Un objeto de la presente divulgacion es obviar totalmente o en parte el problema anteriormente mencionado, y mas particularmente proporcionar un metodo y un aparato para controlar un generador de CA que sea menos complejo.

Este objeto se consigue mediante un metodo tal como se define en la reivindicacion 1 o una disposicion de control correspondiente que lleva a cabo el metodo tal como se define en la reivindicacion 11.

Mas espedficamente, el metodo comprende determinar la velocidad de rotacion y la fase de un flujo del rotor generado por el rotor del generador, determinar unas caractensticas electricas del generador de CA, generar una senal de referencia de CA basandose en la fase del flujo del rotor, determinar una senal de error que representa la diferencia entre la caractenstica electrica del generador de CA y la senal de referencia de CA, aplicar la senal de error a un controlador para generar una tension de referencia, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, y aplicar la tension de referencia al convertidor controlable.

El uso de un controlador con propiedades resonantes significa que las corrientes del estator asf como el flujo del estator pueden controlarse como senales alternas. Por lo tanto no hay necesidad de transformar las corrientes o el flujo del estator a ser controlados a un marco rotativo, lo que proporciona un controlador menos complejo. Dado que la frecuencia de resonancia vana de acuerdo con la senal de referencia y en consecuencia de acuerdo con la rotacion de la turbina eolica, el controlador es capaz de controlar el convertidor correctamente incluso aunque vane la velocidad del viento.

La senal de referencia de CA puede generarse basandose en una senal de error correspondiente a una diferencia entre una potencia deseada y una potencia real. Como alternativa, sin embargo, la senal de referencia de CA puede generarse basandose en una senal de error correspondiente a una diferencia entre un par deseado y un par real.

La senal de referencia de CA puede ser una referencia de corriente de CA o una referencia de flujo del estator de CA y la caractenstica electrica que se determina puede ser una senal de corriente de CA o una estimacion del flujo del estator de CA.

El controlador puede ser un controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que Kp y Ki son constantes o alternativamente vanan dependiendo de la velocidad de rotacion del flujo del rotor. En cualquier caso, sin embargo, la frecuencia de resonancia del controlador vana de acuerdo con la velocidad del rotor.

Adicionalmente, la tension de referencia puede compensar la fuerza electromagnetica del generador, FEM. Esto proporciona un control incluso mas eficiente.

La disposicion de control se concibe de acuerdo con el metodo. En un aspecto de la invencion, se proporciona una disposicion de control para un generador de corriente alterna (CA) multifase, que comprende un rotor conectado a al menos una pala de turbina eolica, que se conecta a un convertidor controlable, comprendiendo la disposicion un primer dispositivo detector para la deteccion de una velocidad de rotacion de un flujo del rotor generado por el rotor, un bloque detector para determinar una caractenstica electrica del generador de CA, un generador de referencia para generar una senal de referencia de CA basandose en una fase del flujo del rotor, determinandose la fase del flujo del rotor basandose en la velocidad de rotacion, un generador de senal de error para determinar una senal de error que representa la diferencia entre las caractensticas electricas y la senal de referencia de CA, y un controlador

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

adaptado para generar una tension de referencia basandose en la senal de error, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, en el que la tension de referencia se adapta para controlar el convertidor controlable.

Los documentos CN101141110 y CN101141111 divulgan sistemas de control para generadores de potencia eolicos DFIG usando reguladores proporcional-resonancia.

Breve descripcion de los dibujos

La Fig. 1 ilustra esquematicamente un contexto en el que puede aplicarse un metodo de control de la presente divulgacion.

La Fig. 2 ilustra vectores de corriente en un generador smcrono de imanes permanentes (PMSG).

La Fig. 3A ilustra esquematicamente un controlador P+Resonante.

La Fig. 3B muestra un diagrama de Bode para un controlador P+Resonante.

La Fig. 4 ilustra un lazo exterior que regula la velocidad de la turbina basandose en la potencia del generador.

La Fig. 5 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con una realizacion de la invencion.

La Fig. 6 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con otra realizacion de la invencion.

La Fig. 7 ilustra un dispositivo de control de acuerdo con una realizacion en la que se controlan corrientes en el marco natural.

La Fig. 8 ilustra un dispositivo de control en donde las corrientes en el marco natural se controlan de acuerdo con otra realizacion.

La Fig. 9 ilustra un controlador para una maquina asmcrona de acuerdo con una realizacion de la invencion.

La Fig. 10 ilustra un controlador para una maquina asmcrona de acuerdo con otra realizacion de la invencion.

La Fig. 11 ilustra una compensacion de anticipacion opcional de la FEM.

Descripcion detallada

La Fig. 1 ilustra esquematicamente un contexto en el que puede aplicarse un metodo o dispositivo de control de la presente divulgacion. Una turbina eolica 1 con al menos una pala 2, en movimiento rotativo, se conecta a traves de una caja de engranajes 3 opcional, que se usa para incrementar la velocidad de rotacion del movimiento, a un generador de turbina eolica (WTG) 5, que convierte el movimiento rotativo en energfa electrica.

El WTG 5 esta dirigido a suministrar energfa a una red electrica 7 de frecuencia fija (tfpicamente 50 o 60 Hz). Aunque es posible el funcionamiento de un WTG en sincronismo con dicha red electrica, por ejemplo mediante el control del paso de la pala 2, es mucho mas preferido permitir que la velocidad de rotacion de la pala de la turbina eolica 2 vane dentro de un cierto intervalo. Esto proporciona una eficiencia energetica mas alta, dado que puede permitirse que la pala de la turbina eolica gire, por ejemplo, con una velocidad optima para cualquier velocidad del viento dada. Adicionalmente, pueden realizarse otras consideraciones para un rendimiento mejorado global. Por ejemplo, pueden disminuirse las tensiones mecanicas a las que se someten partes de la turbina eolica, de modo que puedan mantenerse bajos los costes de mantenimiento.

Por tanto, se permite que el WTG 5 produzca potencia de corriente alterna (CA) fuera de sincronismo con la red electrica 7. Se conecta un convertidor 9 CA/CC a los devanados del estator del WTG 5 y convierte su potencia de salida de CA en potencia de corriente continua (CC). El convertidor CA/CC 9 se conecta a traves de un condensador de filtro 11 a un convertidor CC/CA 13, que convierte la potencia de corriente continua (CC) en potencia de CA en sincronismo con la red electrica 7. Puede colocarse un transformador (no mostrado) entre el convertidor CC/CA 13 y la red 7.

En un ejemplo tfpico, se desea el funcionamiento de la turbina eolica 1 a una velocidad de rotacion deseada espedfica w* para una velocidad de viento dada. El control puede conseguirse entonces en tres lazos en cascada.

En primer lugar, se resta la velocidad de rotacion real w de la velocidad de rotacion deseada w* para proporcionar una senal de error. Esta senal de error se suministra a un controlador de velocidad 15, que en respuesta produce la salida de una senal de potencia deseada P*. En segundo lugar, la potencia real P se resta de la potencia deseada P* para proporcionar una senal de error de potencia. La senal de error de potencia se suministra a un controlador de potencia 17, que en respuesta produce la salida de una amplitud deseada de la senal de corriente i* de generacion de potencia del estator.

Como alternativa al uso de la potencia como un parametro de control, podna usarse el par en su lugar como se ilustra en la Fig. 4. El controlador de velocidad 15' produce entonces la salida de un par deseado T* que se compara con el par real para proporcionar una senal de error de par que se suministra a un controlador de potencia 17'. Como respuesta, el controlador de potencia 17' produce la salida de una amplitud deseada de la senal de corriente i* de generacion de potencia del estator.

La potencia y el par de un WTG se relacionan por la velocidad angular (es decir la velocidad de rotacion del rotor) de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

acuerdo con:

P = Orator ' T

Esto implica que el control de par y potencia presentan caracteristicas diferentes cuando se aplican a un WTG. Mas espedficamente, cuando se controla el par de un WTG, es necesario incluir la velocidad del rotor en el lazo de control. El control de potencia es por ello superior al control de par cuando la senal a ser controlada es potencia dado que la respuesta transitoria es diferente para los dos metodos de control, es decir cuando se usa el control de par, un cambio en la potencia requeriria establecer tanto la velocidad del rotor como el par antes de que puede aplicarse un control apropiado.

En tercer lugar, volviendo a la Fig. 1, un controlador 19 produce la salida de la senal de tension del estator u en respuesta a al menos una senal de referencia y a una caracteristica electrica del WTG 5. En una realizacion de la invention, la senal de tension del estator u se produce en respuesta a las senales de corriente deseada del estator i* y a las senales de corriente real del estator i (ia, ib, y.

En una realizacion alternativa de la invencion, hay presente un generador de referencia de flujo del estator 18 para producir la salida de una referencia de flujo del estator ^* basandose en la senal de corriente deseada del estator i*. El controlador 19 produce la salida posteriormente que una senal de tension del estator u en respuesta a al menos la senal de referencia de flujo del estator ^* y a un flujo del estator estimado. Un estimador de flujo 20 determina el flujo del estator estimado, en esta realizacion actual, a partir de, por ejemplo, las senales de corriente real del estator (y ib, ic) del generador de la turbina eolica 5. En todas las realizaciones, la senal de tension del estator u se suministra a un modulador de PWM 21 que controla el convertidor CA/CC 9 en consecuencia.

La presente divulgation se refiere al tercero de estos lazos, es decir al lazo mas interior que regula las corrientes del estator o flujo del estator. Deberia entenderse que las funciones de los lazos exteriores pueden conseguirse de otras maneras que no se explicaran adicionalmente. Un ejemplo, sin embargo, seria proporcionar una tabla de busqueda que, en respuesta a un flujo de viento o velocidad de pala dados, proporcione una corriente deseada del estator.

Adicionalmente, la operation del convertidor CC/CA 13 no se explica adicionalmente dado que su operation es bien conocida.

Con referencia a la fig. 2, se dara el ejemplo siguiente basandose en una turbina eolica 1 que comprende un generador smcrono de imanes permanentes (PMSG). Con algunas modificaciones, a ser explicadas a continuation, el concepto de la presente description es aplicable sin embargo a un generador smcrono con una bobina de rotor o un generador asmcrono, por ejemplo un generador con rotor en jaula de ardilla.

Con referencia a la fig. 2, las tensiones de los tres terminales a-b-c del generador trifasico se dan mediante la expresion:

imagen1

(Ec. 1)

en la que Esa, Esb, y Esc denotan la FEM del generador para cada fase, Lm es la inductancia mutua de los devanados de fase, o es el factor de fugas, es decir la autoinductancia dividida por la inductancia mutua, y Rs es la resistencia del devanado.

Usando la relation (isa + isb + isc = 0), las tensiones para los tres terminales a-b-c de un generador trifasico pueden simplificarse como:

u =R -i +(l,5 + c7% ^- + E

sa s sa V ’ / m ^ sa

usb = K ' hb +(1.5-1- a)Lm + Esb (Ec. 2)

u„=R,^+(l,5rty)L„^- + E„

La FEM para cada fase es:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

imagen2

respectivamente, en donde wr indica la velocidad angular del flujo del rotor, 0r se relaciona con el angulo del flujo del rotor, y es la cantidad de flujo magnetico generada por el rotor.

Tem = ~P^r

ha C0S dr + hb C0SI dr-Yy ^ C°S ('^ ~

UM ^em’

(Ec. 4) (Ec. 5)

en las que wm = w / p y p es el numero de pares de polos del rotor. Es posible asi controlar la potencia del PMSG en una configuration de turbina eolica mediante el control de cada una de las corrientes del devanado. Esto puede realizarse mediante el control de las tensiones de fase con los interruptores del convertidor CA/CC. Es sin embargo solamente el componente de la corriente del estator que es perpendicular al flujo del rotor el que contribuye al par, y por ello, a la potencia.

En el documento US 5.083.039, que lleva a cabo un metodo de control para un generador con rotor en jaula de ardilla trifasico, se lleva a cabo primero una transformation desde un sistema trifasico (a-b-c) a un sistema equivalente en dos fases (a-p):

imagen3

Esta transformacion de tres a dos fases es bien conocida. Adicionalmente, se lleva a cabo una segunda transformacion que mapea las corrientes en dos fases a un sistema de coordenadas rotativo, en el que el eje en cuadratura q coincide con el flujo del rotor y el eje directo d es perpendicular al mismo:

hd =ha cos6,. +isP send,.

hq =-^Sen0,-H/J COsdr

(Ec. 7)

Observese que 0r se refiere al angulo del flujo del rotor. En un rotor para un generador de induction de jaula de ardilla, el flujo se desliza con relation al rotor. Este no es sin embargo el caso en un generador smcrono tal como un PMSG.

Las transformaciones anteriores pueden aplicarse tambien de modo similar sobre las tensiones de fase en un sistema trifasico (a-b-c) a un sistema en dos fases (a-p) equivalente y a continuation posteriormente en el sistema de coordenadas rotativo d-q.

La Fig. 2 ilustra esquematicamente las corrientes descritas hasta el momento. Las tres fases a, b y c estan separadas entre si 120° y la fase a puede designarse como el eje de estator estacionario 31. La corriente de estator instantanea is es la suma de las corrientes de las tres fases isa, isb, isc, cuyas direcciones positivas se indican en el dibujo. En el instante ilustrado, isc tiene un valor negativo. En el marco a-p, que es asimismo estacionario, las corrientes del estator pueden definirse en su lugar con las dos corrientes isa e isp. Se define asi el eje a-p en el que el eje a es el eje del estator 31 y el eje p es perpendicular al eje del estator 31. El flujo del rotor ^r gira con relacion al eje del estator 31. Todas las corrientes ilustradas hasta el momento varian periodicamente, normalmente con una funcion sinusoidal que tiene una frecuencia que es igual a la velocidad de rotation del flujo del rotor (o mas alta en el caso de un rotor con mas de dos polos).

La segunda transformacion da como resultado sin embargo dos corrientes que son constantes cuando el generador esta en un estado estacionario, como se define en un marco rotativo. La corriente isd, que puede denominarse corriente de generation de potencia, es perpendicular al flujo del rotor, y la corriente isq, que puede denominarse corriente de generacion de flujo, es paralela con el flujo del rotor.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

La corriente isd que es perpendicular al flujo del rotor, puede controlarse como un parametro de CC siempre que el generador este en un estado estacionario. Esto puede realizarse dado que la potencia es proporcional a isd. En el documento US 5.083.039 esta corriente se controla con relacion a una referencia de CC usando un controlador PI, que es capaz de eliminar completamente un error para una senal de CC. La salida del controlador de CC se conecta a un rectificador controlable que asegura que la tension en cada fase corresponde a un valor resultante en las corrientes de estator deseadas. Aunque este planteamiento puede ser apropiado en la mayor parte de aplicaciones, su realization puede ser bastante compleja y requiere un equipo de control caro. En lo que sigue se describe por lo tanto un metodo y aparato de control que pueden realizarse como un sistema menos complejo. En particular se describe en el, un metodo/aparato de control en el que no es necesaria una transformation a un marco rotativo.

El concepto de control de la presente divulgation usa un controlador resonante junto con un controlador de realimentacion y, opcionalmente, un controlador de anticipation. La combination de un controlador resonante y un controlador de realimentacion puede ser tfpicamente un controlador P+Resonante que es bien conocido per se. Otras posibilidades incluyen combinaciones con controladores PI de realimentacion, y controladores en modo deslizante, etc.

Generalmente, un controlador P+Resonante, que se usa como un ejemplo aqrn, puede presentarse como se ha ilustrado esquematicamente en la Fig. 3A. Se ilustra un diagrama de Bode para el controlador en la Fig. 3B. El controlador tiene una parte proporcional y una parte resonante. La parte resonante contribuye a la salida solamente para frecuencias en la proximidad de la frecuencia central wre, que en la presente divulgacion se fija para corresponder a la velocidad de rotation del flujo del rotor, que puede obtenerse por ejemplo por medio de un codificador para medir las caracteristicas mecanicas de un rotor en un generador electrico. Se hace notar que la frecuencia del flujo del estator y la frecuencia del flujo del rotor son iguales, y que la frecuencia de la referencia de flujo del estator es naturalmente igual a la de la frecuencia de flujo del estator. Notese que el parametro w, se refiere a la velocidad angular del flujo del rotor. La funcion de transferencia de un controlador P+Resonante ideal puede definirse como sigue:

H(s) = KP+K,..j..S----2- (Ec. 8)

s + core

Este regulador tiene la capacidad de eliminar completamente un error tambien en un parametro alterno siempre que el parametro alterne con una frecuencia proxima a Wre. Por lo tanto, puede eliminarse la necesidad de realizar la transformacion en un marco rotativo. En su lugar, el control puede aplicarse directamente sobre una corriente trifasica o una transformacion bifasica de la misma. Al mismo tiempo el parametro wre se suministra al controlador. Kp y Ki pueden ser constantes o pueden variarse de acuerdo con la velocidad del rotor para conseguir diferentes propiedades dinamicas.

Hay varias implementaciones posibles del control P+Resonante anterior. Puede implementarse un controlador P+Resonante mediante el uso de la siguiente funcion de transferencia para conseguir un pico de resonancia practico a un cierto intervalo de frecuencias.

tt / \ v 2Kj(Ocs

Hoc fa) = KP + 2 o' .........2 (Ec.9)

s + 2cocs + a>ye

en la que Wre indica la frecuencia de resonancia y Wc puede considerarse como un factor de amortiguacion en el pico de resonancia.

La Fig. 5 ilustra un aparato de control que utiliza un controlador P+Resonante de acuerdo con una realizacion de la invention. Se conecta un PMSG trifasico 105 a un convertidor/rectificador CA/CC 109 controlable que comprende seis interruptores. Se miden dos de las corrientes del estator ia, ib usando sensores 106, para generar las senales de sensor. No hay necesidad normalmente de medir la tercera corriente de fase ic dado que, tfpicamente, cada corriente tiene en todo instante una relacion predeterminada con las otras dos. Las senales de corriente se transforman a un marco a-p por medio de una unidad de transformacion a-p 139, que aplica la funcion de la ecuacion 6 anterior, proporcionando de ese modo las corrientes ia, ip. Como se muestra a continuation, es posible sin embargo dejar que el controlador actue directamente sobre las corrientes del estator, es decir en un marco q-b-c o natural.

Como en el sistema descrito en conexion con las Figs. 1 y 4, un controlador de potencia (o par) 117 produce la salida de un valor de referencia im*, que corresponde a una corriente de generation de par que proporciona el par deseado. Un bloque de referencia de corriente 141 genera, basandose en im*, valores de referencia de corriente en el marco a-p, es decir ia*, ip*.

El bloque de referencia de corriente 141 comprende un integrador 142 que proporciona, basandose en la velocidad de rotacion Wr, una estimation del angulo del flujo del rotor 0r con relacion al eje del estator (vease el 31, Fig. 2). Esto se realiza mediante la integration de la velocidad del rotor y proporcionando el resultado modulo 2n. Los

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

valores de referencia de corriente en el marco a-p, ia*, ip* se proporcionan entonces como:

i« = impose,

i*p=i*msendr

(Ec. 10)

Para cada uno de los valores de referencia de corriente, se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante la resta del valor real usando unidades de suma 108. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante en un bloque controlador 143, que proporciona en consecuencia senales de control ua, up a un controlador de PWM 21. El bloque controlador 143 recibe tambien una medida wr de la velocidad del rotor.

La Fig. 6 ilustra un aparato de control de acuerdo con otra realization de la invention. Se conecta un PMSG 205 trifasico a un convertidor para rectificador CA/CC 209 controlable que comprende seis interruptores. Se miden dos de las corrientes del estator ia, ib, y dos de las tensiones del estator ua y ub, usando sensores 206, para generar senales de sensor de corriente y tension. No hay normalmente necesidad de medir la tercera corriente ic o tension uc de fase dado que, tfpicamente, cada corriente de lmea o tension tiene en todo instante una relation predeterminada con las otras dos. Las senales de corriente y tension se transforman en un marco a-p por medio de una unidad de transformation a-p 239, que aplica la funcion de la ecuacion 6 anterior, proporcionando de ese modo las corrientes ia, ip, y las tensiones ua, up.

Las corrientes ia, ip, se pasan entonces al estimador de flujo 220 para obtener una estimation de flujo del estator. Hay muchas formas de conseguir el flujo del estator en el marco estacionario, por ejemplo una estimacion de flujo en lazo abierto o un observador de flujo en lazo cerrado. Un posible estimador de flujo del estator se basa en un modelo de corriente. Esto se proporciona como:

Vsa =L,isa+ymc osdr Ysp ~Lsisp +Ymsm9r

(Ec. 11)

en donde la inductancia del estator es Ls =(— + <j)Lm y 'Pm se refiere al flujo del rotor, que es un parametro

constante en un PMSG, y se construye como un valor constante previamente al arranque para una maquina asmcrona (MA), y que se usa para el control del flujo del estator en la MA.

Alternativamente, la estimacion del flujo del estator puede obtenerse simplemente a partir de mediciones sobre el generador electrico, por ejemplo por medio de un codificador, que obtiene la velocidad angular de la position del rotor del generador, que se combina posteriormente con tensiones de estator medidas del generador de turbina eolica 205, para obtener una estimacion del flujo del estator. La estimacion del flujo del estator podna obtenerse tambien mediante medicion directa con un sensor de induction.

Puede describirse de ese modo que se proporciona un bloque sensor 246 para determinar una caractenstica electrica del generador de CA, siendo la caractenstica electrica una corriente de CA o flujo del estator de CA. El bloque sensor podna componerse por ejemplo simplemente de un sensor tal como el sensor 106 como se describe en la Fig. 5, para proporcionar una medicion de dos corrientes del estator del generador 105. Alternativamente, podnan medirse las tres corrientes del estator del generador. Para determinar el flujo del estator de CA, el bloque sensor 246 podna componerse de sensores de corriente o tension 206, una unidad de transformacion a-p 239, asi como un estimador del flujo 220. El bloque sensor 246 podna componerse alternativamente de un sistema para tomar entradas de codificador y tensiones del estator medidas para determinar el flujo del estator de CA. En otra realizacion, el bloque sensor 246 podna ser tambien un sensor de induccion para medicion directa del flujo del estator de CA.

Volviendo a la Fig. 6, el controlador de potencia (o par) 217 produce la salida de un valor de referencia im*, que corresponde a una corriente de generation de potencia que proporciona la potencia deseada. Los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p de un PMSG Ya*, Yp* se generan en un bloque generador de referencia de flujo del estator 241 mediante el uso de la amplitud de la corriente del estator y el angulo del rotor:

Wscref =LsqIsq+y/a Ysdref ^sdhn

(Ec.12)

en donde ^sqref, Ypsdref* son los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q, Lsd y Lsq son las inductancias del estator en el marco d-q. Puede observarse que en los generadores de iman permanente de montaje superficial (SMPM), el termino Isq puede fijarse a 0, dado que isq es una referencia para la construction del flujo,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

conduciendo a una referencia de flujo del estator en el marco q ^sqref que es simplemente una funcion del flujo de maquina ^m.

El bloque generador de referencia del flujo del estator 241 comprende tambien un integrador 242 que proporciona, basandose en la velocidad de rotacion wr, una estimation del angulo del flujo del rotor 0r con relation al eje del estator. Esto se realiza de modo similar mediante la integration de la velocidad del rotor y proporcionando el resultado modulo 2n.

Se realiza a continuation una transformation adicional desde los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q al marco estacionario a-p, teniendo en consideration el angulo de flujo del rotor 0r para obtener los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p:

Ysa

Via

sen#,.

-cosdr

imagen4

(Ec. 13)

Para cada uno de los valores de referencia de flujo del estator, se proporciona a continuacion una senal de error mediante la resta simplemente del valor de flujo estimado usando las unidades sumadoras 208. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante en un bloque controlador 243, que proporciona el consecuencia senales de control ua, up a un controlador de PWM 221. El bloque controlador 243 recibe tambien una medida Wr de la velocidad del rotor.

El controlador PWM (que es el mismo que para las realizaciones anteriormente descritas) funciona de una forma bien conocida para el experto en la materia y no se describira con mayor detalle. El controlador PWM 121 (o 221) controla los interruptores del convertidor CA/CC 109 (o 209). Un par de interruptores para cada fase, que se controlan de modo complementario por ejemplo de acuerdo con un esquema de modulation de ancho de pulso por vectores espaciales, SVPWM, como es bien conocido. La frecuencia de conmutacion del convertidor Ca/CC es mucho mas alta que la frecuencia del generador, de modo que puede asegurarse que se produce la tension instantanea correcta en cada fase del PMSG en todo momento. La frecuencia de conmutacion puede ser fija o puede variar de acuerdo con las variaciones de la frecuencia actual del generador de CA.

La Fig. 7 ilustra un caso en el que el controlador funciona en el marco a-b-c o natural de acuerdo con una realization de la invention. Esto es, las corrientes del estator se controlan directamente, en lugar de tras haber sido transformadas al marco a, p. La ventaja de esta configuration es que puede prescindirse de una etapa de transformacion. Por otro lado, necesitan generarse tres corrientes de referencia y necesitan controlarse tres corrientes. Sin embargo, con algunas realizaciones el concepto de control que no se describira en conexion con la Fig. 7 puede ser aun mas eficiente en terminos de complejidad del controlador.

Un bloque de referencia de corriente 141' ligeramente modificado comprende un integrador 142 como se ha descrito previamente en conexion con la Fig. 5. Los valores de corriente de referencia en el marco natural ia*, ib*, ic* se proporcionan como:

>0* = 'm *COS0,

h* = im *COsjV - ic* = im *cosf 0r +

imagen5

(Ec. 14)

De ese modo, se proporcionan tres valores de corriente de referencia que estan a 120° desfasadas entre si. Para cada uno de los valores de corriente de referencia se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante resta del valor real de la corriente. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante 143, que proporciona en consecuencia senales de control ua, ub, uc a un controlador de PWM 121. El controlador de PWM funciona entonces en una manera bien conocida per se, proporcionando senales de control a los interruptores del convertidor 9 de la Fig. 1. Puede incluirse tambien una compensation de anticipation de la FEM como se ha ilustrado.

La velocidad de rotacion real w del rotor puede determinarse por medio de, por ejemplo, un sensor de induction como es bien conocido per se en la tecnica, o mediante el uso de una tecnologia sin sensores.

Puede ser expeditivo determinar el valor de potencia real basandose en las corrientes del estator como sigue en el marco a-p o en el marco natural:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Pe„-Pjt '£■>, (Ec. 15)

en donde p indica el numero de polos del rotor, el vector indica un vector de flujo del estator siendo

^3 = [^sa Ysb ^sc] (o ^s = [^sa ^sp]) y el vector is indica la corriente trifasica is = [isa isb isc] (o is = [isa isp]).

El par real T puede determinarse mediante el uso asimismo de sensores. Puede determinarse como

imagen6

en donde

imagen7

(Ec. 17)

La Fig. 8 ilustra un caso en el que el controlador funciona en el marco a-b-c o natural de acuerdo con otra realization.

Un bloque de generation de referencia de flujo del estator 241' ligeramente modificado, en comparacion con la realizacion ilustrada en la Fig. 6, comprende un integrador, controlador de par o potencia y un bloque de generacion de referencia de flujo del estator como se ha descrito previamente. Los valores de referencia de flujo del estator se obtienen primero en el marco d-q, antes de ser transformados al marco estacionario a-p, a continuation al marco natural. ^sa*, ^sb*, ^sc*, se proporciona como:

imagen8

¥ sb

Vsc

1

1

2

1_

2

imagen9

Vsa

y,P

(Ec. 18)

De modo similar, se proporcionan tres valores de referencia de flujo del estator que estan 120° desfasadas entre si. Para cada uno de los valores de referencia de flujo del estator se proporciona a continuacion una senal de error simplemente mediante la resta del valor estimado correspondiente determinado por un estimador de flujo 220. Cada una de las senales de error se suministra entonces a un controlador P+Resonante 243, que en consecuencia proporciona senales de control ua, ub, uc a un controlador de PWM 21 (no mostrado en la Fig. 8). El controlador de PWM proporciona entonces senales de control a los interruptores del convertidor. Puede incluirse tambien compensation de anticipation de la FEM como se ha ilustrado.

Los controladores tal como se han descrito anteriormente pueden adaptarse facilmente a una maquina smcrona con mas de dos polos en formas bien conocidas para el experto en la materia.

La adaptation a las maquinas asmcronas, MA, tal como generadores de jaula de ardilla puede llevarse a cabo de acuerdo con una realizacion de la invention con referencia a la Fig. 9. Para controlar la maquina, debe determinarse la velocidad de rotation del flujo del rotor real, y con un generador de MA, hay siempre un deslizamiento Wdesliz entre el rotor y el flujo del rotor, siempre que se produce energia electrica. La velocidad de rotacion real del flujo del rotor Wflujo es por lo tanto:

Mflujo = a>r+ (Odesliz (Ec. 19)

en la que Wdesliz es la velocidad de deslizamiento del rotor y Wr es la velocidad del rotor. El deslizamiento esta directamente conectado al par T producido. La velocidad de deslizamiento, que es negativa en comparacion con la velocidad del rotor, puede determinarse como:

(Ec. 20)

en la que Rr es la resistencia del rotor, Lm es la inductancia de magnetization, ^* es la senal de demanda de flujo del generador, Lr es la inductancia de fugas del rotor e id* es la salida del controlador de potencia. El deslizamiento puede determinarse asi mediante un bloque de funcion 140 que implementa la ecuacion 20.

Alternativamente, el flujo del rotor wflujo puede determinarse por medio de un observador de flujo.

imagen10

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Otra diferencia del control de MA en comparacion con el control de maquinas asmcronas es que la magnitud de la corriente de referencia se construye no solamente mediante el uso de la salida del lazo de potencia/par. Esto se debe al hecho de que el flujo del rotor no es constante como es el caso con un rotor de iman permanente.

Un controlador de flujo adicional 149 se usa para el control de la MA. La salida del lazo de control de flujo y la salida del lazo de potencia/par se necesitan y usan todas ellas para elaborar la magnitud de la corriente.

La velocidad de rotacion real del flujo puede calcularse a continuation, y usarse como la entrada Wflujo al bloque de referencia de corriente 141 y a los controladores P+Resonante.

La Fig. 10 ilustra un controlador para una MA de acuerdo con otra realization de la invention.

La velocidad de deslizamiento, que se obtiene de modo diferente para esta realizacion presente, puede determinarse como:

(Ec. 21)

imagen11

en la que Rr es la resistencia del rotor, Lm es la inductancia de magnetization, ^* es la senal de demanda de flujo del generador, Lr es la inductancia de fugas del rotor e id* es la salida del controlador de potencia. El deslizamiento puede determinarse entonces mediante un bloque de determination del deslizamiento 240 que implementa la ecuacion 21.

Alternativamente, el flujo del rotor Wflujo puede determinarse por medio de un observador de flujo.

La velocidad de rotacion real del flujo puede calcularse a continuacion, y usarse como la entrada coflujo al bloque de referencia de flujo 241'' y al controlador P+Resonante.

Otra diferencia del control de una MA en comparacion con el control de maquinas smcronas es la inclusion de una referencia de clasificacion del flujo de rotor fijo ^rqref como un parametro en el bloque de generation de referencia de flujo del estator.

La referencia de clasificacion de flujo del rotor ^rqref se pasa primero a traves de un bloque de ganancia de inductancia 244, que se define como Ls/Lm, en donde Ls es la inductancia del estator, y Lm es la inductancia mutua, para obtener la referencia de flujo del estator en el eje q ^sqref, que puede definirse como

imagen12

(Ec. 21)

El error de par Te se obtiene cuando la potencia real P se resta de la potencia deseada P*. Se pasa a continuacion a traves de un controlador PI para obtener la referencia de corriente de generacion de potencia en el eje d im*. Esta referencia de corriente se pasa a traves de un bloque de ganancia, que se define como -Ls, para obtener la referencia de flujo del estator en el eje d ^rqref.

Posteriormente, y de modo similar al control en una maquina smcrona, se realiza a continuacion una transformation adicional desde los valores de referencia de flujo del estator en el marco rotativo d-q un marco estacionario a-p, teniendo en consideration al angulo del flujo del rotor 0r para obtener los valores de referencia de flujo del estator en el marco estacionario a-p.

Volviendo al controlador P+Resonante de las realizaciones descritas anteriormente, es posible opcionalmente mejorar adicionalmente la operation del control del generador mediante la introduction de un control de anticipation de la fuerza contra-electromotriz. Dado que la FEM es un valor de corriente alterna que no se relaciona directamente con la corriente de fase o la tension de fase, puede conseguirse un mejor rendimiento mediante el uso de una compensation de anticipacion de la FEM.

La inclusion de los terminos de anticipacion en el lazo de realimentacion se muestra en la Fig. 11. En este caso, la compensacion de anticipacion de la FEM en un marco estacionario a-p se toma como un ejemplo. El modelo de generador en el marco estacionario a-p viene dado como (comparese con la Ec. 2 para el marco natural):

imagen13

(Ec. 22)

5

10

15

20

25

30

35

40

La entrada de control incluye tres partes como las que siguen:

r n

- - - " -

usa

usa__ff usa_fb usa _ resonante

— + +

52 “Co

_UsP_/b_ y*p resonante

(Ec. 23)

En este caso, las entradas de control usa_ff y uspjf denotan el esfuerzo de anticipation, las entradas de control usa_fb y Usp_fb denotan el esfuerzo de control de realimentacion y las entradas de control Usa_resonante y usp_resonante denotan el esfuerzo de control de resonancia. Un bloque de normalization 45 ilustrado en la Fig. 11 normaliza las senales de control para el convertidor con relation a la tension del enlace en CC.

El control de anticipacion usa_f y usp_ff se introduce para contrarrestar el efecto de la fuerza contraelectromotriz como sigue:

usa_ff

usp__ff

imagen14

(Ec. 24)

en la que Esa y Esp se dan a continuation:

Em = cosdr

Esj5=-(0r<£m sen ,

(Ec. 25)

respectivamente, en la que wr indica la velocidad angular del rotor, 0r el angulo del rotor, y la cantidad de flujo magnetico generado por el rotor.

Con la inclusion de la compensation de anticipacion, el modelo de generador se cambia a:

(Ec. 26)

1------ 53 Co 3$ i

77 sa _resonante ,3 ,r d ha + RS ■ ha

USp_Jb_

+ usj3 _ resonante 1-------- ' “Co : L ....... hp _

Usa_Jb

+ 7V sex _resonante d 1 5S 50 1____ + ■ K i------- e L.......

_Usp„ft> _

14 ^resonante dt 1 "Co (3 ~+(J k,

(Ec. 27)

donde la Ec. 26 aplica a un controlador P+Resonante adaptado para el control de corriente en CA, mientras que la Ec. 27 aplica a un controlador P+Resonante adaptado para el control del flujo en CA.

o

El modelo de generador se convierte asi en un sistema de primer orden muy simple, que puede controlarse facilmente. Mas aun, el rendimiento dinamico del sistema de control se mejora generalmente mediante la adicion de la compensacion de anticipacion.

La invention no esta restringida a las realizaciones anteriormente descritas, y puede variarse y alterarse en diferentes formas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para el control de un generador de corriente alterna (CA) multifase que se conecta a un convertidor controlable, teniendo el generador un rotor con un arbol conectado a al menos una pala de turbina eolica, comprendiendo el metodo:

   determinar una velocidad de rotacion y fase de un flujo del rotor generado por el rotor, determinar una estimacion de un flujo del estator,

   generar una senal de referencia de flujo del estator de CA basandose en la fase del flujo del rotor,

   determinar una senal de error que representa la diferencia entre el flujo del estator estimado y una senal de

   referencia de flujo del estator de CA,

   aplicar la senal de error a un controlador para generar una tension de referencia, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, y aplicar la tension de referencia al convertidor controlable.
2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la senal de referencia de flujo del estator en CA se genera basandose en una senal de error correspondiente a una cualquiera de entre una diferencia entre una potencia deseada y una potencia real y una diferencia entre un par deseado y un par real.
3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que el metodo comprende ademas medir una caractenstica electrica del generador de CA y la estimacion del flujo del estator se determina basandose en la caractenstica electrica.
4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que la estimacion del flujo del estator se determina mediante medicion directa del flujo del estator.
5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la referencia de flujo del estator se genera en el marco rotativo d-q antes de ser transformado al marco estacionario a-p.
6. 6. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la referencia de flujo del estator se genera en el marco rotativo d-q antes de ser transformado al marco natural a-b-c.
7. 7. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que una transformacion al marco rotativo d-q no se lleva a cabo en ninguna de las etapas.
8. 8. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el controlador es un controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que Kp y Ki son constantes y en el que la frecuencia de resonancia del controlador se vana de acuerdo con la velocidad del rotor.
9. 9. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que el controlador es un controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que alguno o ambos de Kp y Ki se vanan dependiendo de la velocidad de rotacion del flujo del rotor, y en el que la frecuencia de resonancia del controlador se vana de acuerdo con la velocidad del rotor.
10. 10. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la tension de referencia se compensa para la fuerza electromagnetica del generador, FEM.
11. 11. Una disposicion de control para un generador de corriente alterna (CA) multifase, que comprende un rotor conectado a al menos una pala de turbina eolica, que se conecta a un convertidor controlable, comprendiendo la disposicion:

    un primer dispositivo detector para la deteccion de una velocidad de rotacion de un flujo del rotor generado por el rotor,

    un bloque detector para determinar una estimacion del flujo del estator del generador de CA, un generador de flujo del estator de CA para la generacion de una senal de referencia de flujo del estator de CA basandose en una fase del flujo del rotor, determinandose la fase del flujo del rotor basandose en la velocidad de rotacion,

    un generador de senal de error para determinar una senal de error que representa la diferencia entre el flujo del estator estimado y la senal de referencia del flujo del estator de CA, y

    un controlador adaptado para generar una tension de referencia basandose en la senal de error, en el que el controlador tiene una funcion de realimentacion y una funcion resonante con una frecuencia de resonancia variable fijada para corresponder a la frecuencia de la referencia de flujo del estator, en el que la tension de referencia se adapta para controlar el convertidor controlable.
12. 12. Una disposicion de acuerdo con la reivindicacion 11, en la que la senal de referencia de flujo del estator de CA se genera basandose en una senal de error que corresponde a una cualquiera de entre una diferencia entre una potencia deseada y una potencia real, y una diferencia entre un par deseado y un par real.

    5 13. Una disposicion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en la que el controlador es un

    controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que Kp y Ki son constantes, y en el que la frecuencia de resonancia del controlador se vana de acuerdo con la velocidad del rotor.

    10 14. Una disposicion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en la que el controlador es un

    controlador P+resonante que comprende un coeficiente proporcional, Kp, y un coeficiente de resonancia, Ki, en el que alguno o ambos de Kp y Ki se vanan dependiendo de la velocidad de rotacion del flujo del rotor, y en el que la frecuencia de resonancia del controlador se vana de acuerdo con la velocidad del rotor.

    15 15. Una disposicion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la tension de referencia se

    compensa para la fuerza electromagnetica del generador, FEM.