PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10393971T5 18.05.2006
Titel Leistungserzeugungssystem und Steuerverfahren davon
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder Kang, Junkoo, Kitakyushu, Fukuoka, JP;
Hayashi, Saemitsu, Kitakyushu, Fukuoka, JP;
Morimoto, Shinya, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 10393971
Vertragsstaaten CN, DE, GB, US, EP
WO-Anmeldetag 25.12.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/JP03/16749
WO-Veröffentlichungsnummer 2004062080
WO-Veröffentlichungsdatum 22.07.2004
Date of publication of WO application in German translation 18.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.05.2006
IPC-Hauptklasse H02P 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems zum Erzeugen elektrischer Leistung durch Umwandeln von dynamischer Energie, wie etwa Windleistung oder Wasserleistung, in Drehenergie, wobei ein Generator mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Stand der Technik

Als Beispiel eines herkömmlichen Leistungserzeugungssystems ist eine Struktur eines herkömmlichen Windleistungserzeugungssystems dargestellt in 1. Das herkömmliche Windleistungserzeugungssystem umfasst eine Windmühle 1, eine Übersetzung/Kupplung 2 zum Ändern und Liefern einer Wellengeschwindigkeit der Windmühle 1, einen Generator 3, einen Leistungswandler 4, eine Leistungssteuervorrichtung 95 und einen Geschwindigkeitssensor 8, und liefert die erzeugte Leistung an eine Last 6.

Als nächstes werden Wirkungsweisen des herkömmlichen Windleistungserzeugungssystems beschrieben. Die aus der Drehung der Windmühle 1 erhaltene Windenergie wird der Änderung der Wellengeschwindigkeit durch die Übersetzung/Kupplung 2 unterzogen und wird anschließend dem Generator zugeführt. Der Generator 3 wandelt die Windenergie in elektrische Energie um. Die elektrische Energie, erhalten durch den Generator 3, wird gesteuert durch den Leistungswandler 4 und wird anschließend geliefert an die Last 6. Die Leistungssteuervorrichtung 95 empfängt Informationen der Wellengeschwindigkeit der Windmühle 1 von dem Geschwindigkeitssensor 8 und steuert den Leistungswandler 4. Ein Wechselstromgenerator, wie etwa ein Induktionsgenerator und ein 2PM-Generator (IPM: innerer Permanentmagnet), können verwendet werden als der Generator 3, zusätzlich zu einem Synchrongenerator.

Bei einem derartigen Windleistungserzeugungssystem ist die erhaltene Leistung beeinträchtigt bzw. abhängig von einer Windgeschwindigkeit. Die Windgeschwindigkeit ist nicht konstant, sondern ändert sich ständig. Folglich ist es bei einem derartigen Windleistungserzeugungssystem erforderlich, zum Verbessern eines Erzeugungswirkungsgrads den Generator 3 bei der optimalen Wellengeschwindigkeit, berechnet in Übereinstimmung mit der Windgeschwindigkeit, zu betreiben. Genauer wird eine Konstantwellen-Geschwindigkeitssteuerung, bei welcher die Wellengeschwindigkeit des Generators 3 sich nicht in Übereinstimmung mit der Windgeschwindigkeit ändert, oder eine Variabelwellen-Geschwindigkeitssteuerung, bei welcher der Energiewirkungsgrad, das heißt, der Erzeugungswirkungsgrad verbessert wird durch Ändern der Wellengeschwindigkeit des Generators 3 in Übereinstimmung mit der Windgeschwindigkeit, durchgeführt durch die Leistungssteuervorrichtung 95.

Da es zum Durchführen der Konstantwellen-Geschwindigkeitssteuerung oder der Variabelwellen-Geschwindigkeitssteuerung erforderlich ist, die Geschwindigkeit einer Welle zu erfassen, wird der Geschwindigkeitssensor 8, wie etwa ein Codierer, zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit bei dem herkömmlichen Windleistungserzeugungssystem verwendet. Beispielsweise ist ein Windleistungserzeugungssystem, welches einen Codierer zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit der Windmühle verwendet, offenbart in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002–84797.

Jedoch ist es bei dem herkömmlichen Windleistungserzeugungssystem, welches versehen ist mit dem Geschwindigkeitssensor 8, wie etwa einem Codierer zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit der Windmühle, erforderlich, einen Draht von dem Geschwindigkeitssensor 8 zu der Leistungssteuervorrichtung 95 vorzusehen. Folglich sollte, wenn der Abstand zwischen dem Geschwindigkeitssensor 8 und der Leistungssteuervorrichtung 95 sich vergrößert, der Draht verlängert werden, wodurch ein Problem bezüglich einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit infolge einer Ablösung des Drahtes etc. hervorgerufen wird. Außerdem bewirkt aufgrund der Tatsache, dass der Geschwindigkeitssensor immer während einer Drehung der Windmühle gedreht wird, die Lebensdauer des Geschwindigkeitssensors per se, das Problem bezüglich einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit. Die Installation des Geschwindigkeitssensors bewirkt ferner ein Problem im Hinblick auf eine Zunahme der Kosten.

Obwohl das Windleistungserzeugungssystem, welches die Windmühle als Turbine verwendet, hier beschrieben wurde, können dieselben Probleme bewirkt werden in Leistungserzeugungssystemen zum Erzeugen elektrischer Energie durch Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie unter Verwendung einer Turbine, welche von der Windmühle verschieden ist.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungserzeugungssystem und ein Steuerverfahren davon zu schaffen, bei welchen es möglich ist, eine hohe Zuverlässigkeit, eine Vereinfachung von Schaltungsanordnungen und eine Verringerung von Kosten zu erreichen durch Erfassen von Geschwindigkeitsinformationen von einem Generator ohne Verwendung eines Geschwindigkeitssensors zum Erfassen einer Wellengeschwindigkeit einer Turbine. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochwirksamen Betrieb ohne Verwendung einer Einrichtung zum Erfassen einer Energiemenge einer dynamischen Leistungsquelle, wie etwa eines Windgeschwindigkeitssensors, zu realisieren.

Um die oben erwähnten Aufgaben zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Leistungserzeugungssystem mit einer Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie, ein Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie, eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der durch den Generator erhaltenen elektrischen Energie und ein Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung vorgesehen, wobei die Leistungssteuervorrichtung umfasst: einen Drei-Zwei-Phasenwandler zum Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem; eine Generator-Ausgangsberechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler; einen Induktionsspannungsdetektor zum Erfassen einer induzierten Spannung aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler; einen Phasendetektor zum Erfassen einer Phase der induzierten Spannung aus der induzierten Spannung, erfasst durch den Induktionsspannungsdetektor; einen Differentiator zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit der induzierten Spannung durch Differenzieren der Phase der induzierten Spannung, erfasst durch den Phasendetektor, und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und eine Turbinen-Ausgangsberechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwendung des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts, geschätzt durch den Differentiator, und des Ausgangs des Generators, berechnet durch die Generator-Ausgangsberechnungsvorrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungserzeugungssystem mit einer Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie, ein Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie, eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der elektrischen Energie, erhalten durch den Generator, und ein Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung vorgesehen, wobei die Leistungssteuervorrichtung umfasst: einen Drei-Zwei-Phasenwandler zum Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem; eine Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler; einen Rotormagnetflussdetektor zum Erfassen eines Rotormagnetflusses aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler; einen Phasendetektor zum Erfassen einer Phase des Rotormagnetflusses von dem Rotormagnetfluss, erfasst durch den Rotormagnetflussdetektor; einen Differentiator zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit des Rotormagnetflusses durch Differenzieren der Phase des Rotormagnetflusses, erfasst durch den Phasendetektor, und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und eine Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwendung des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts, geschätzt durch den Differentiator, und des Ausgangs des Generators, berechnet durch die Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es aufgrund der Tatsache, dass die induzierte Spannung oder der Rotormagnetfluss berechnet werden aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des Generators, die Wellengeschwindigkeit des Generators geschätzt wird anhand der Phase der induzierten Spannung oder der Phase des Rotormagnetflusses und der Ausgang der Turbine berechnet wird anhand des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts und des Ausgangs des Generators, möglich, den Ausgang der Turbine zu berechnen ohne Verwendung eines Geschwindigkeitssensors zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit des Generators und somit eine Vereinfachung von Schaltungsanordnungen, eine Verringerung von Kosten und eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungserzeugungssystem kann die Leistungssteuervorrichtung ferner eine Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung zum Berechnen eines Drehmoments der Turbine aus dem Ausgang der Turbine, berechnet durch die Turbinen-Ausgangsberechnungsvorrichtung und den geschätzten Wellengeschwindigkeitswert; und eine Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung zum Berechnen eines Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem Drehmoment der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung, umfassen.

Erfindungsgemäß ist es aufgrund der Tatsache, dass der Leistungseingang zum Generator und das Drehmoment der Turbine berechnet werden aus dem Ausgang der Turbine und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert, die Wellengeschwindigkeitsanweisung, mit welcher der Wirkungsgrad des Generators maximal wird, berechnet wird unter Verwendung des berechneten Drehmoments der Turbine, des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts und des Ausgangskoeffizienten der Turbine, und die Wellengeschwindigkeit des Generators gesteuert wird, um der Wellengeschwindigkeitsanweisung zu entsprechen, möglich, immer den Betrieb mit dem maximalen Wirkungsgrad der Eingangsenergie durchzuführen.

Zusätzlich kann die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung umfassen: eine Drehmomentänderungs-Berechnungsvorrichtung zum Abtasten des Drehmoments der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung, in konstanten Zeitintervallen und Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/ts, um die Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n) – Ttur(n–1))ts zu berechnen, wobei ein aktuelles Drehmoment der Turbine Ttur(n) ist, ein vorhergehendes Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n–1) ist und die Drehmomentänderung ts ist; eine Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen einer Lösung eines Beziehungsausdrucks eines Ausgangskoeffizienten, bestimmt in Abhängigkeit von Charakteristiken der Turbine, und der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts; und eine Erzeugungsraten-Anweisungseinheit zum Berechnen des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts auf der Grundlage der durch die Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung erhaltenen Lösung.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungserzeugungssystem kann die Leistungssteuervorrichtung ferner umfassen: eine Mikrokorrektur-Steuervorrichtung mit einer Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung zum Abtasten des Ausgangs der Turbine, berechnet durch die Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung, in konstanten Zeitintervallen und Berechnen einer Differenz &Dgr;P(n) zwischen einem aktuellen Ausgang der Turbine Ptur(n) und einem vorhergehenden Ausgang der Turbine Ptur(n–1), einen Proportionalverstärkungs-Multiplizierer zum Berechnen eines Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts durch Multiplizieren der Differenz &Dgr;P(n), berechnet durch die Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung, mit einer Proportionalverstärkung, und einen Begrenzer zum Begrenzen des Absolutwerts des Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts, berechnet durch den Proportionalverstärkungs-Multiplizierer, auf einen vorbestimmten Begrenzungswert; und einen Addierer zum Addieren des Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts, berechnet durch die Mikrokorrektur-Steuervorrichtung, zu dem Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert, berechnet durch die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung, und Ausgeben des addierten Werts als ein neuer Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert.

Erfindungsgemäß ist es aufgrund der Tatsache, dass die Mikrogeschwindigkeitsanweisung berechnet wird aus der Ausgangsänderung der Turbine und addiert wird zu der Geschwindigkeitsanweisung, möglich, sowohl die schnelle Einschwingcharakteristik als auch die stabile Mikroeinstellung zu erhalten, so dass möglich ist, immer den maximalen Wirkungsgrad zu erhalten, wenn die Sollwerte und die Istwerte voneinander verschieden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus eines herkömmlichen Windleistungserzeugungssystems.

2 ist ein Graph von Beziehungen eines Ausgangskoeffizienten und eines Geschwindigkeitsverhältnisses.

3 ist ein Graph von Beziehungen eines Ausgangs einer Windmühle, einer Wellengeschwindigkeit eines Generators und einer Windgeschwindigkeit.

4 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus eines Windleistungserzeugungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

5 ist ein Blockdiagramm von Bauelementen zum Durchführen einer Funktion zur Berechnung einer Wellengeschwindigkeitsanweisung wie W*gen zum Durchführen einer Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuerung anhand eines Stromwerts und eines Spannungswerts eines Generators 3 in einer Leistungssteuervorrichtung 5, dargestellt in 4.

6 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Aufbaus einer Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung in 5.

7 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels des Aufbaus der Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901 in 5.

8 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Einschwingverhalten-Steuervorrichtung 903 in 5.

9 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 in 8.

10 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Mikrokorrektur-Steuervorrichtung 904 in 5.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Als nächstes werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung genau beschrieben.

Zuerst wird eine Beziehung einer Windgeschwindigkeit und einer Wellengeschwindigkeit zum Maximieren eines Wirkungsgrads eines Generators bei der vorliegenden Erfindung beschrieben.

< Ausgangscharakteristiken einer generellen Windmühle >

Der Ausgang Ptur einer Windmühle kann generell ausgedrückt werden durch unten stehende Gleichung 1. Ptur = cp ksys V3wind(1)

In Gleichung 1 ist die Windmühlenkonstante ksys eine Konstante, bestimmt aus der Fläche von Windmühlenblättern (bzw. „windmill fliers" und der Luftdichte, jedoch kein Parameter, welcher sich zum Zeitpunkt der Steuerung plötzlich ändert. Die Windgeschwindigkeit Vwind ist ein Parameter, welcher nicht gesteuert werden kann. Das Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis &lgr; der Windgeschwindigkeit Vwind und die Wellengeschwindigkeit Wgen können ausgedrückt werden durch die unten stehende Gleichung 2 unter Verwendung des Übersetzungsverhältnisses kc eines Generators und einer Windmühle und des Radius Rv der Windmühle.

Der dynamische Leistungskoeffizient Cp ist ein Parameter, welcher sich ändern kann durch das Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis &lgr;, wie dargestellt in 2. Dementsprechend kann aufgrund der Tatsache, dass der dynamische Leistungskoeffizient Cp zum Maximalwert Cp(max) wird durch Steuern &lgr; während einer Leistungserzeugung, um das Maximalwirkungsgrad-Geschwindigkeitsverhältnis &lgr;op aufrecht zu erhalten, das System mit dem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden. &lgr;op ist eine Konstante, bestimmt durch die Gestaltung der Windmühle. Um den Maximalwirkungsgradbetrieb aufrecht zu erhalten, wird die Wellengeschwindigkeitsanweisung W*gen des Generators erhalten und von der unten stehenden Gleichung 3 ausgegeben.

In Gleichung 3 können &lgr;op, Rv und kc bekannt sein, da sie Teil der Sollwerte der Windmühle sind, jedoch ist die Windgeschwindigkeit Vwind ein unbekannter Wert. Dementsprechend ist ein Momentanwert der Windgeschwindigkeit Vwind nötig zum Durchführen des Maximalwirkungsgradbetriebs.

Die Leistung Pgen des Generators kann ausgedrückt werden wie dargestellt in der unten stehenden Gleichung 4 unter Verwendung der Wellengeschwindigkeit Wgen des Generators und des Drehmoments Tgen des Generators. Pgen = WgenTgen(4)

Alternativ kann die Leistung Pgen des Generators berechnet werden durch Gleichung 5 unter Verwendung einer Zweiphasenspannung und eines Zweiphasenstroms in einem stationären d-q-Koordinatensystem des Generators.

Der Verlust Ploss des Windmühlensystems besteht aus einem elektrischen Verlust und einem mechanischen Verlust. Der elektrische Verlust wird erhalten durch Multiplizieren der Generatorleistung Pgen mit einer elektrischen Verlustkonstante k1, welche bestimmt wird mittels eines Ersatzwiderstands des Generators und einer Schaltfrequenz einer Leistungshalbleiters in einem Wechselrichter zum Steuern des Generators. Der mechanische Verlust wird erhalten durch Multiplizieren des Quadrats der Generatorwellengeschwindigkeit Wgen2 mit einer mechanischen Reibungskonstanten Bsys. Der Verlust Ploss des Windmühlensystems wird erhalten wie dargestellt in der unten stehenden Gleichung 6 durch Addieren des mechanischen Verlusts und des elektrischen Verlusts. Ploss = k1 Pgen + Bsys W2gen(6)

Der Ausgang der Windmühle Ptur wird erhalten aus der unten stehenden Gleichung 7 durch Addieren des Ausgangsverlustes Ploss zu der erhaltenen Generatorleistung Pgen. Ptur = Pgen + Ploss(7)

Die Windgeschwindigkeit kann erhalten werden aus dem erhaltenen Ausgang der Windmühle Ptur, der Generatorwellengeschwindigkeit und den Windmühlendaten. Bei der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung der geschätzten Wellengeschwindigkeit

W&#8256;

als die Generatorwellengeschwindigkeit der Ausgang der Windmühle Ptur erhalten.

< Maximalausgangspunkt einer Windmühle >

Generell existiert der Maximalausgangspunkt zwischen der Wellengeschwindigkeit des Generators und der Windgeschwindigkeit. Beispielsweise ist, wie dargestellt in 3, wenn die Generatorwellengeschwindigkeit Wgen gleich Wr(A) ist und die Windgeschwindigkeit Vwind gleich Vw1 ist, der Maximalausgangspunkt der Windmühle gleich Ptur(A). Wenn die Generatorwellengeschwindigkeit Wgen gleich Wr(B) ist und die Windgeschwindigkeit Vwind gleich Vw2 ist, ist der Maximalausgangspunkt der Windmühle gleich Ptur (B).

< Prinzip einer Einschwingverhaltenssteuerung >

Als nächstes wird ein Prinzip einer Einschwingverhaltenssteuerung beschrieben.

Generell kann das Drehmoment Ttur einer Windmühle ausgedrückt werden durch die unten stehende Gleichung 8.

Bei dem Aufbau mit einer Funktion zur Steuerung einer Geschwindigkeit, so dass die Generatorwellengeschwindigkeit der Generatorwellen-Geschwindigkeitsanweisung folgt, kann, wenn die Wellengeschwindigkeitsanweisung konstant ist, der Differentialwert eines Drehmoments nach der Zeit ausgedrückt werden durch die unten stehende Gleichung 9.

In Gleichung 9 bezeichnet &rgr; eine Luftdichte. Wenn die Steuerperiode ts der Geschwindigkeitssteuervorrichtung klein ist, kann Gleichung 9 ausgedrückt werden durch die unten stehende Gleichung 10 unter Verwendung der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur, welche der Ausgang der Geschwindigkeitssteuervorrichtung ist.

Generell ist der Ausgangskoeffizient C&rgr; der Windmühle ein Polynom von &lgr; m-ter Ordnung und kann ausgedrückt werden durch Gleichung 11. c&rgr;(&lgr;) = C0 + c1&lgr; + C2&lgr;2 + ... + cm&lgr;m(11)

C0 bis Cn von Gleichung 11 sind bekannte Konstanten, bestimmt durch die Gestaltung der Windmühle. Durch Einfügen von Cp(&lgr;) von Gleichung 11 in Gleichung 10 und Umformen von Gleichung 10 kann die unten stehende Gleichung 12 erhalten werden.

Dabei kann durch Ersetzen von &lgr;–1 durch x und Umformen von Gleichung 12 die Gleichung 13 erhalten werden.

Wenn die Lösung von Gleichung 13

x&#8256;

ist, kann die Windgeschwindigkeit geschätzt werden wie dargestellt in der unten stehenden Gleichung 14.

Schließlich kann durch Verwenden des geschätzten Wellengeschwindigkeitswert

W&#8256;gen

anstelle der Generatorwellengeschwindigkeit die Wellengeschwindigkeitsanweisung des Generators ausgedrückt werden durch Gleichung 15.

Daher kann auf der Grundlage des Ausgangskoeffizienten der CP der Windmühle und der Wellengeschwindigkeit und des Drehmoments des Generators die Lösung der Differentialgleichungen, angezeigt durch Gleichungen 10 bis 15, erhalten werden, wodurch die Wellengeschwindigkeitsanweisung W*g1 des Generators berechnet wird.

< Prinzip einer Mikrokorrektursteuerung >

In der oben erwähnten Beschreibung wurde ein Erfassen der Windgeschwindigkeit aus der Drehmomentänderung, ein Berechnen der Wellengeschwindigkeitsanweisung und ein Steuern des Erzeugungswirkungsgrads erläutert. Als nächstes wird ein Prinzip des Mikrokorrektursteuerverfahrens zum Verbessern der Genauigkeit der wirksamen bzw. effektiven Betriebssteuerung ohne Änderung von Konstanten in dem Windleistungserzeugungssystem, wie etwa ein Fehler des dynamischen Leistungskoeffizienten C&rgr;, unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.

Zuerst sei angenommen, dass die Windmühle am Punkt A in 3 betrieben wird. Da die Wellengeschwindigkeitsanweisung noch konstant ist, selbst wenn die Windgeschwindigkeit sich von Vw1 nach Vw2 ändert, ändert sich die Wellengeschwindigkeit nicht von Wr(A), und lediglich das Drehmoment ändert sich, so dass sich der Arbeitspunkt bzw. Betriebspunkt von A nach a1 verschiebt. In Gleichungen 11 bis 15 erfolgt die Einschwingverhaltenssteuerung durch Bestimmen der Änderung der Windgeschwindigkeit aus der Änderung des Drehmoments und Ausgeben der Wellengeschwindigkeitsanweisung W*g1 des Generators. Jedoch kann, selbst wenn die Wellengeschwindigkeit des Generators der Wellengeschwindigkeitsanweisung W*g1 folgt, der tatsächliche Betriebs- bzw. Arbeitspunkt a2 möglicherweise nicht dem neuen Maximalwirkungsgrad-Betriebs- bzw. Arbeitspunkt B infolge einer Änderung und eines Fehlers der Konstanten des Leistungserzeugungssystems entsprechen. Um dieses Problem zu lösen, wird die Mikrokorrektursteuerung in der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Unter der Annahme, dass die aktuelle erfasste Leistung Ptur(n) und die vorhergehende erfasste Leistung gleich Ptur(n–1) ist, wird die unten stehende Gleichung 16 erhalten. &Dgr;P(n) = Ptur(n) – Ptur(n–1)

&Dgr;W*1(n) = kpw·&Dgr;P(n)(16)

Dabei ist kpw eine Proportionalverstärkung. Um den Maximalwert des korrigierten Werts zu begrenzen, wird der Absolutwert von &Dgr;W*1(n) begrenzt auf einen Wert, welcher kleiner oder gleich einem Begrenzungswert

Wc–lim

ist, wie ausgedrückt durch die unten stehende Gleichung 17. Die Mikrokorrektursteuerung kann durchgeführt werden durch die Korrektur der Generatorwellengeschwindigkeit. &Dgr;W*1(n) > Wc–lim &Dgr;W*c = Wc–lim

&Dgr;W*1(n) < –Wc–lim &Dgr;W*c = –Wc– lim

&Dgr;W*c = &Dgr;W*1(n)(17)

Folglich kann die Generatorwellengeschwindigkeitsanweisung ausgedrückt werden durch Gleichung 18. W*gen = W*g1 + &Dgr;W*c(18)

< Geschwindigkeits-Schätzverfahren >

Als nächstes wird ein Prinzip eines Wellengeschwindigkeits-Schätzverfahrens beschrieben.

Durch Transformieren des erfassten Ausgangsstromwerts des Generators

Îu, Îw

und der erfassten Phasenspannung des Generators, erhalten aus einer direkten Erfassung der Dreiphasen-Ausgangsspannung oder des Spannungsanweisungswerts,

V^u, V^w

in das stationäre d-q-Koordinatensystem, eingerichtet an einer Position eines Stators von dem Dreiphasen-Koordinatensystem, wird ein Zweiphasenstrom

Îds, Îqs

erhalten aus der unten stehenden Gleichung 19, und die Zweiphasenspannung

V^ds, V^qs

wird erhalten aus der unten stehenden Gleichung 20. Dabei ist C0 eine Konstante.

< Ausführungsbeispiel 1 einer Geschwindigkeitsschätzung >

Die induzierte Spannung eines Synchrongenerators eines Permanentmagnettyps kann erhalten werden aus der unten stehenden Gleichung 21. Êds = V^ds + (Rds + p Ldsds

Êqs = V^qs + (Rqs + p Lqsqs(21)

Dabei sind Rds und Rqs Ersatzwiderstände der Statorseiten in der d-Achse und der q-Achse, p ist ein Differentiator, und Lds und Lqs sind Induktanzen der d-Achse und der q-Achse. Generell haben die induzierten Spannungen Eds und Eqs der d-Achse und der q-Achse in einem symmetrischen Dreiphasen-Wechselstromgenerator die in der unten stehenden Gleichung 22 ausgedrückten Merkmale. Eds = KeWesin&thgr;e

Eqs = KeWecos&thgr;e(22)

Dabei ist Ke ein Spannungskoeffizient, bestimmt aus der Nennspannung des Generators, We ist eine elektrische Winkelgeschwindigkeit des Generators, und &thgr;e ist eine Phase der induzierten Spannung. Dementsprechend kann der geschätzte Phasenwert der induzierten Spannung des Generators erhalten werden aus der unten stehenden Gleichung 23.

Die Wellengeschwindigkeit des Generators kann erhalten werden aus der unten stehenden Gleichung 24 durch Differenzieren des geschätzten Phasenwerts eines Magnetflusses.

Dabei ist Pole die Anzahl von Polen des Generators.

< Ausführungsbeispiel 2 einer Geschwindigkeitsschätzung >

Bei dem vorliegenden Synchrongenerator eines Permanentmagnettyps kann der Magnetfluss der Rotorseite in dem stationären d-q-Koordinatensystem erhalten werden aus der unten stehenden Gleichung 25. &PHgr;^d = ∫(V^ds + (Rds + p Ldsds))dt

&PHgr;^q = ∫(V^qs + (Rqs + p Lqsqs)dt(25)

Generell haben die Rotormagnetflüsse &thgr;d und &thgr;q des symmetrischen Dreiphasen-Wechselstromgenerators in Gleichung 26 dargestellte Merkmale. &PHgr;^d = k&PHgr;sin&thgr;&PHgr;

&PHgr;^q = k&PHgr;cos&thgr;&PHgr;(26)

Dabei ist k&thgr; ein Magnetflusskoeffizient, und &thgr;&thgr; ist eine Phase des Magnetflusses. Dementsprechend kann der geschätzte Phasenwert des Magnetflusses des Generators erhalten werden aus der unten stehenden Gleichung 27.

Die Wellengeschwindigkeit des Generators kann aus der unten stehenden Gleichung 28 erhalten werden durch Differenzieren des geschätzten Phasenwerts des Magnetflusses.

Als nächstes ist ein spezifischer Aufbau eines Leistungserzeugungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt in 4, welches das oben beschriebene Steuerverfahren verkörpert.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die vorliegende Erfindung angewandt ist auf ein Windleistungserzeugungssystem. In 4 sind dieselben Elemente wie jene von 1 durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibungen werden ausgelassen.

Das Windleistungserzeugungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat einen Aufbau, bei welchem der Geschwindigkeitssensor 8 zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit von dem herkömmlichen Windleistungserzeugungssystem, dargestellt in 1, entfernt ist, und die Leistungssteuervorrichtung 95 davon ist durch eine Leistungssteuervorrichtung 5 ersetzt. Die Leistungssteuervorrichtung 5 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat eine Funktion eines Steuern der Leistung und der Wellengeschwindigkeit eines Generators und eine Generatorwellengeschwindigkeits-Schätzfunktion eines Erfassens eines Stromwerts und eines Spannungswerts des Generators und eines Schätzens der Wellengeschwindigkeit des Generators auf der Grundlage des Stromwerts und des Spannungswerts.

Bei der in 4 dargestellten Leistungssteuervorrichtung 5 ist der Bauabschnitt bzw. das Bauteil zum Durchführen der Funktion eines Erhaltens einer Wellengeschwindigkeitsanweisung W*gen zum Geben der Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuerung aus dem Stromwert und dem Spannungswert des Generators dargestellt in 5.

Wie dargestellt in 5, wird eine Funktion eines Gebens der Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuerung durchgeführt durch einen Drei-Zwei-Phasenwandler 906, eine Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901, eine Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung 902, eine Einschwingverhaltens-Steuervorrichtung 903, eine Mikrokorrektur-Steuervorrichtung 904 und einen Addierer 905.

Der Drei-Zwei-Phasenwandler 906 wandelt die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Generators 3 um in ein stationäres d-q-Koordinatensystem und berechnet einen Zweiphasenstrom

Îds, Îqs

und eine Zweiphasenspannung

V^ds, V^qs

unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen 19 und 20.

Die Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung 902 berechnet den Ausgang Pgen des Generators 3 aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler 906.

Als nächstes ist ein Beispiel eines spezifischen Aufbaus der Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901 dargestellt in 6. Bei dem in 6 dargestellten Beispiel umfasst die Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901 einen Induktionsspannungsdetektor 402, einen Phasendetektor 403 und einen Differentiator 404. Dieses Beispiel entspricht Ausführungsbeispiel 1 der Geschwindigkeitsschätzung, oben beschrieben.

Der Induktionsspannungsdetektor 402 erfasst die induzierte Spannung

Êds, Êqs

aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung von dem Drei-Zwei-Phasenwandler 906 durch Verwendung der oben beschriebenen Gleichung 21.

Der Phasendetektor 403 erfasst die Phasen der induzierten Spannung

&thgr;^e

aus der induzierten Spannung, erfasst durch den Induktionsspannungsdetektor 402 unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung 23.

Der Differentiator 404 berechnet den geschätzten Wellengeschwindigkeitswert, welcher die Drehgeschwindigkeit der induzierten Spannung ist, das heißt, den geschätzten Wellengeschwindigkeitswert des Generators 3, durch Differenzieren des geschätzten Phasenwerts der induzierten Spannung, erfasst durch den Phasendetektor unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung 24.

Ein weiteres Beispiel des spezifischen Aufbaus der Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901, dargestellt in 5, ist dargestellt in 7. Bei dem in 7 dargestellten Beispiel umfasst die Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901 einen Rotormagnetflussdetektor 502, einen Phasendetektor 503 und einen Differentiator 504. Dieses Beispiel entspricht Ausführungsbeispiel 2 einer Geschwindigkeitsschätzung, oben beschrieben.

Der Rotormagnetflussdetektor 502 erfasst den Rotormagnetfluss

&PHgr;^d, &PHgr;^q

aus dem Zweiphasenstrom

Îds, Îqs

und der Zweiphasenspannung V^ds, V^qs

welche umgewandelt werden in das stationäre d-q-Koordinatensystem durch den Drei-Zwei-Phasenwandler 906, dargestellt in 5, unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung 25.

Der Phasendetektor 503 erfasst die Phase des Rotormagnetflusses

&thgr;^&PHgr;

aus dem Rotormagnetfluss, erfasst durch den Rotormagnetflussdetektor 502.

Der Differentiator 504 berechnet die geschätzte Drehgeschwindigkeit des Rotormagnetflusses, das heißt, die geschätzte Wellengeschwindigkeit des Generators 3, aus der Phase des Rotormagnetflusses, erfasst durch den Phasenstecker 503, unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung 28.

Als nächstes ist ein spezifischer Aufbau einer Einschwingverhaltens-Steuervorrichtung 903 von 5 dargestellt in 8. Wie dargestellt in 8, umfasst die Einschwingverhaltens-Steuervorrichtung 903 eine Windmühlenausgangs-Berechnungsvorrichtung 601, eine Windmühlendrehmoment-Schätzvorrichtung 602 und eine Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603.

Die Windmühlenausgangs-Berechnungsvorrichtung 601 dient als Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung und berechnet den Windmühlenausgang Ptur von Gleichung 7 unter Verwendung des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts des Generators 3,

Ŵgen

berechnet durch die Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901, dargestellt in 6 oder 7, und den Generatorausgang Pgen, berechnet durch die Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung 902.

Die Windmühlendrehmoment-Schätzvorrichtung 602 dient als Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung und berechnet das Windmühlendrehmoment Ttur von Gleichung 8 unter Verwendung des Windmühlenausgangs Ptur, berechnet durch die Windmühlenausgangs-Berechnungsvorrichtung 601, und den geschätzten Wellengeschwindigkeitswert,

Ŵgen

berechnet durch die Generatorwellengeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 901.

Die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 berechnet den Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert W*g1 aus dem Windmühlendrehmoment Ttur, berechnet durch die Windmühlendrehmoment-Schätzvorrichtung 602. Ein spezifischer Aufbau der Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 ist dargestellt in 9. Die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 umfasst eine Windmühlendrehmomentänderungs-Berechnungsvorrichtung 701, eine Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung 702 und eine Erzeugungsraten-Anweisungseinheit 703, wie dargestellt in 9.

Die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 tastet das Windmühlendrehmoment Ttur in konstanten Zeitintervallen ab und führt die Berechnungen durch. Hier sei angenommen, dass das Abtastintervall bezeichnet ist durch ts, das Drehmoment zum Zeitpunkt der aktuellen Abtastung bezeichnet ist durch Ttur(n), und das Drehmoment zum Zeitpunkt der vorhergehenden Abtastung bezeichnet ist durch Ttur(n–1).

Die Windmühlendrehmomentänderungs-Berechnungsvorrichtung 701 erhält die Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts durch Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/ts. Die Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung 702 berechnet die Lösung eines Beziehungsausdrucks des Ausgangskoeffizienten Cp(&lgr;) in Gleichung 13, bestimmt in Abhängigkeit von den Charakteristiken der Windmühle, und &Dgr;Ttur(n), und die Erzeugungsraten-Anweisungseinheit 703 berechnet den Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert W*g1 von Gleichung 15.

Als nächstes ist ein spezifischer Aufbau der Mikrokorrektur-Steuervorrichtung 904 von 5 dargestellt in 10. Die Mikrokorrektur-Steuervorrichtung 904 umfasst eine Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung 801, einen Proportionalverstärkungs-Multiplizierer 802 und einen Begrenzer 803, wie dargestellt in 10.

Die Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung 801 tastet den Windmühlenausgang Ptur, berechnet durch die Windmühlenausgangs-Berechnungsvorrichtung 601, in konstanten Zeitintervallen ab und berechnet eine Differenz &Dgr;P(n) zwischen dem aktuellen Windmühlenausgang Ptur(n) und dem vorhergehenden Windmühlenausgang Ptur(n–1) unter Verwendung der oberen Gleichung (bzw. „upside equation") in Gleichung 16. Der Proportionalverstärkungs-Multiplizierer 802 gibt einen Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswert &Dgr;W*c(n) aus, welcher erhalten wird durch Begrenzen des Absolutwerts eines Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts &Dgr;W*1(n) auf einen Begrenzungswert

Wc–lim

durch Multiplizieren der Proportionalverstärkung kpw mit &Dgr;P(n), berechnet durch die Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung 801, unter Verwendung der unteren Gleichung (bzw. „downside equation") in Gleichung 16.

Der Addierer 905 gibt einen neuen Wellengeschwindigkeitswert W*gen durch Addieren der Mikrogeschwindigkeitsanweisung &Dgr;W*c, begrenzt durch den Begrenzer 803 der Mikrokorrektur-Steuervorrichtung 904 auf den Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert W*g1, berechnet durch die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung 603 der Einschwingverhaltens-Steuervorrichtung 903, aus.

Gemäß dem Leistungserzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es aufgrund der Tatsache, dass die Mikrogeschwindigkeitsanweisung &Dgr;W*c berechnet wird aus der Änderung des Windmühlenausgangs Ptur und addiert wird zu der Wellengeschwindigkeitsanweisung W*g1, möglich, die Wellengeschwindigkeitsanweisung W*gen zu berechnen, welche sowohl die schnelle Einschwingverhaltens-Charakteristik als auch die stabile Mikroeinstellung enthalten kann, und es ist daher möglich, immer den maximalen Wirkungsgrad zu erhalten, wenn die Sollwerte und die Istwerte verschieden voneinander sind.

Gemäß dem Leistungserzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es aufgrund der Tatsache, dass der Leistungseingang zum Generator und das Windmühlendrehmoment berechnet werden aus dem Windmühlenausgang und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert, die Wellengeschwindigkeitsanweisung, mit welcher der Generatorwirkungsgrad maximal wird, berechnet unter Verwendung des berechneten Windmühlendrehmoments, des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts und des Windmühlenausgangskoeffizienten, und eine derartige Steuerung davon erfolgt, dass die Wellengeschwindigkeit des Generators gleich der Wellengeschwindigkeitsanweisung ist, möglich, immer den Betrieb mit dem maximalen Wirkungsgrad für eine Eingangsenergie durchzuführen bzw. zu fahren.

Gemäß dem Windleistungserzeugungssystem und dem Steuerverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es möglich, den Wirkungsgrad des Generators 3 zu verbessern und zusätzlich die Leistung mit bzw. bei externer dynamischer Leistung zu steuern ohne Verwendung des Geschwindigkeitssensors und des Windgeschwindigkeitssensors des Generators 3, welcher üblicherweise teuer ist, wodurch die Vereinfachung von Schaltungsanordnungen, die Verringerung von Kosten und die hohe Zuverlässigkeit erhalten werden.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, obwohl beschrieben wurde, dass die vorliegende Erfindung angewandt wurde auf das Windleistungserzeugungssystem zum Erzeugen elektrischer Leistung unter Verwendung von Windleistung, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann angewandt werden auf ein System, bei welchem die Turbine und das Fluid, welche die dynamische Energie in die Drehenergie umwandeln, die in 3 dargestellte Beziehung aufweisen, wie beispielsweise ein Wasserleistungserzeugungssystem und Ähnliches.

Zusammenfassung

Eine Leistungssteuervorrichtung 5 bestimmt die induzierte Spannung oder den Magnetfluss des Rotors aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom eines Generators 3, schätzt die Wellengeschwindigkeit des Generators 3 anhand der Phase der induzierten Spannung oder der Phase des Magnetflusses des Rotors und berechnet den Ausgang bzw. die Ausgangsleistung der Windmühle 1 anhand der geschätzten Wellengeschwindigkeit und des Ausgangs bzw. der Ausgangsleistung des Generators 3. Daher kann der Ausgang bzw. die Ausgangsleistung der Windmühle 1 berechnet werden ohne Notwendigkeit eines Geschwindigkeitssensors zum Erfassen der Wellengeschwindigkeit des Generators 3. Folglich kann die Schaltung vereinfacht werden, die Kosten können gesenkt werden, und die Zuverlässigkeit kann erhöht werden.


Anspruch[de]
  1. Leistungserzeugungssystem, umfassend:

    eine Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie,

    ein Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie,

    eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der durch den Generator erhaltenen elektrischen Energie und

    ein Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung,

    wobei die Leistungssteuervorrichtung umfasst:

    einen Drei-Zwei-Phasenwandler zum Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem;

    eine Generator-Ausgangsberechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler;

    einen Induktionsspannungsdetektor zum Erfassen einer induzierten Spannung aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler;

    einen Phasendetektor zum Erfassen einer Phase der induzierten Spannung aus der induzierten Spannung, erfasst durch den Induktionsspannungsdetektor;

    einen Differentiator zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit der induzierten Spannung durch Differenzieren der Phase der induzierten Spannung, erfasst durch den Phasendetektor, und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und

    eine Turbinen-Ausgangsberechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwendung des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts, geschätzt durch den Differentiator, und des Ausgangs des Generators, berechnet durch die Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung.
  2. Leistungserzeugungssystem, umfassend:

    eine Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie,

    ein Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie,

    eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der elektrischen Energie, erhalten durch den Generator, und

    ein Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung,

    wobei die Leistungssteuervorrichtung umfasst:

    einen Drei-Zwei-Phasenwandler zum Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem;

    eine Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler;

    einen Rotormagnetflussdetektor zum Erfassen eines Rotormagnetflusses aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung, berechnet durch den Drei-Zwei-Phasenwandler;

    einen Phasendetektor zum Erfassen einer Phase des Rotormagnetflusses von dem Rotormagnetfluss, erfasst durch den Rotormagnetflussdetektor;

    einen Differentiator zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit des Rotormagnetflusses durch Differenzieren der Phase des Rotormagnetflusses, erfasst durch den Phasendetektor, und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und

    eine Turbinen-Ausgangsberechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwendung des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts, geschätzt durch den Differentiator, und des Ausgangs des Generators, berechnet durch die Generatorausgangs-Berechnungsvorrichtung.
  3. Leistungserzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuervorrichtung ferner umfasst:

    eine Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung zum Berechnen eines Drehmoments der Turbine aus dem Ausgang der Turbine, berechnet durch die Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert; und

    eine Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung zum Berechnen eines Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert aus dem Drehmoment der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung.
  4. Leistungserzeugungssystem nach Anspruch 3, wobei die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung umfasst:

    eine Drehmomentänderungs-Berechnungsvorrichtung zum Abtasten des Drehmoments der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung, in konstanten Zeitintervallen und Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/Ts, um die Drehmomentänderung &Dgr;tur(n)/ts zu berechnen, wobei ein aktuelles Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n) ist, ein vorhergehendes Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n–1) ist und die Drehmomentänderung gleich ts ist;

    eine Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen einer Lösung eines Beziehungsausdrucks eines Ausgangskoeffizienten, bestimmt in Abhängigkeit von Charakteristiken der Turbine, und der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts; und

    eine Erzeugungsraten-Anweisungseinheit zum Berechnen des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts auf der Grundlage der Lösung, erhalten durch die Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung.
  5. Leistungserzeugungssystem nach Anspruch 2, wobei die Leistungssteuervorrichtung ferner umfasst:

    eine Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung zum Berechnen eines Drehmoments der Turbine aus dem Ausgang der Turbine, berechnet durch die Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert; und

    eine Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung zum Berechnen eines Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem Drehmoment der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung.
  6. Leistungserzeugungssystem nach Anspruch 5, wobei die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung umfasst:

    eine Drehmomentänderungs-Berechnungsvorrichtung zum Abtasten des Drehmoments der Turbine, berechnet durch die Turbinendrehmoment-Schätzvorrichtung, in konstanten Zeitintervallen und Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/ts, zum Berechnen der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts, wobei ein aktuelles Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n) ist, ein vorhergehendes Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n–1) ist und die Drehmomentänderung gleich ts ist;

    eine Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen einer Lösung eines Beziehungsausdrucks eines Ausgangskoeffizienten, bestimmt in Abhängigkeit von Charakteristiken der Turbine und der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts; und

    eine Erzeugungsraten-Anweisungseinheit zum Berechnen des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts auf der Grundlage der Lösung, erhalten durch die Ausgangskoeffizienten-Differentialgleichungs-Berechnungsvorrichtung.
  7. Leistungserzeugungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 6,

    wobei die Leistungssteuervorrichtung ferner umfasst:

    eine Mikrokorrektur-Steuervorrichtung mit einer Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung zum Abtasten des Ausgangs der Turbine, berechnet durch die Turbinenausgangs-Berechnungsvorrichtung, in konstanten Zeitintervallen und Berechnen einer Differenz &Dgr;P(n) zwischen einem aktuellen Ausgang der Turbine Ptur(n) und einem vorhergehenden Ausgang der Turbine Ptur(n–1), einem Proportionalverstärkungs-Multiplizierer zum Berechnen eines Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts durch Multiplizieren der Differenz &Dgr;P(n), berechnet durch die Ausgangsänderungs-Berechnungsvorrichtung, mit einer Proportionalverstärkung, und einem Begrenzer zum Begrenzen des Absolutwerts des Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts, berechnet durch den Proportionalverstärkungs-Multiplizierer, auf einen vorbestimmten Begrenzungswert; und

    einen Addierer zum Addieren des Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts, berechnet durch die Mikrokorrektur-Steuervorrichtung, zu dem Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert, berechnet durch die Maximalwirkungsgrad-Betriebssteuervorrichtung, und Ausgeben des addierten Werts als ein neuer Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert.
  8. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystem, umfassend:

    eine Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie,

    ein Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie,

    eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der durch den Generator erhaltenen elektrischen Energie und

    einen Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung,

    wobei das Steuerverfahren die folgenden Schritte umfasst:

    Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem und Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung;

    Erfassen einer induzierten Spannung aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung;

    Erfassen einer Phase einer induzierten Spannung aus der erfassten induzierten Spannung;

    Berechnen einer Drehgeschwindigkeit der induzierten Spannung durch Differenzieren der erfassten Phasen der induzierten Spannung und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und

    Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwenden des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts und des berechneten Ausgangs des Generators.
  9. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems, umfassend:

    eine Turbine zum Umwandeln von dynamischer Energie in Drehenergie,

    einen Generator zum Umwandeln der Drehenergie der Turbine in elektrische Energie,

    eine Leistungssteuervorrichtung zum Durchführen einer Leistungssteuerung der durch den Generator erhaltenen elektrischen Energie und

    ein Leistungswandler zum Steuern einer Eingangsleistung und einer Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit einer Anweisung von der Leistungssteuervorrichtung,

    wobei das Steuerverfahren die folgenden Schritte umfasst:

    Berechnen eines Zweiphasenstroms und einer Zweiphasenspannung durch Umwandeln einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Generators in ein stationäres d-q-Koordinatensystem und Berechnen eines Ausgangs des Generators aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung;

    Erfassen eines Rotormagnetflusses aus dem Zweiphasenstrom und der Zweiphasenspannung;

    Erfassen einer Phase des Rotormagnetflusses aus dem erfassten Rotormagnetfluss;

    Berechnen einer Drehgeschwindigkeit des Rotormagnetflusses durch Differenzieren der erfassten Phase des Rotormagnetflusses und Schätzen einer Wellengeschwindigkeit des Generators; und

    Berechnen eines Ausgangs der Turbine durch Verwenden des geschätzten Wellengeschwindigkeitswerts und des berechneten Ausgangs des Generators.
  10. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems nach Anspruch 8, ferner umfassend die folgenden Schritte:

    Berechnen eines Drehmoments der Turbine aus dem berechneten Ausgang der Turbine und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert; und

    Berechnen eines ersten Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem berechneten Drehmoment der Turbine.
  11. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems nach Anspruch 10, wobei

    der Schritt eines Berechnens des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem berechneten Drehmoment der Turbine die folgenden Schritte umfasst:

    Abtasten des berechneten Drehmoments der Turbine in konstanten Zeitintervallen und Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/ts, um eine Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts zu berechnen, wobei ein aktuelles Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n) ist, ein vorhergehendes Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n–1) ist und die Drehmomentänderung gleich ts ist;

    Berechnen einer Lösung eines Beziehungsausdrucks eines Ausgangskoeffizienten, bestimmt in Abhängigkeit von Charakteristiken der Turbine und der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts; und

    Berechnen des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts auf der Grundlage der berechneten Lösung.
  12. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystem nach Anspruch 9, ferner umfassend die folgenden Schritte:

    Berechnen eines Drehmoments der Turbine aus dem berechneten Ausgang der Turbine und dem geschätzten Wellengeschwindigkeitswert; und

    Berechnen eines Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem berechneten Drehmoment der Turbine.
  13. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems nach Anspruch 12, wobei

    der Schritt eines Berechnens des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts aus dem berechneten Drehmoment der Turbine die folgenden Schritte umfasst:

    Abtasten des berechneten Drehmoments der Turbine in konstanten Zeitintervallen und Berechnen von (Ttur(n) – Ttur(n–1))/ts, um eine Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts zu berechnen, wobei ein aktuelles Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n) ist, ein vorhergehendes Drehmoment der Turbine gleich Ttur(n–1) ist und die Drehmomentänderung gleich ts ist;

    Berechnen einer Lösung eines Beziehungsausdrucks eines Ausgangskoeffizienten, bestimmt in Abhängigkeit von Charakteristiken der Turbine und der Drehmomentänderung &Dgr;Ttur(n)/ts; und

    Berechnen des Wellengeschwindigkeits-Anweisungswerts auf der Grundlage der berechneten Lösung.
  14. Steuerverfahren eines Leistungserzeugungssystems nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 13, ferner umfassend die folgenden Schritte:

    Abtasten des berechneten Ausgangs der Turbine in konstanten Zeitintervallen und Berechnen einer Differenz &Dgr;P(n) zwischen einem aktuellen Ausgang der Turbine Ptur(n) und einem vorhergehenden Ausgang der Turbine Ptur(n–1);

    Berechnen eines Mikrogeschwindigkeitsanweisungswerts durch Multiplizieren der berechneten Differenz &Dgr;P(n) mit einer Proportionalverstärkung;

    Begrenzen des Absolutwerts des berechneten Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts auf einen vorbestimmten Begrenzungswert; und

    Addieren des berechneten Mikrogeschwindigkeits-Anweisungswerts zu dem berechneten Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert und Ausgeben des addierten Werts als ein neuer Wellengeschwindigkeits-Anweisungswert.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com