CN1126389A - 能够改善电力系统精确度的可变速发电机-马达装置 - Google Patents

Abstract

一种变速发电机-马达装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组、一个由交流电(AC)励磁的第二绕组以及一个转轴的绕组式感应发电机-马达；一个安装在该转轴上的原动机/载荷；一个用于根据包括电力系统中一个频率和一个电压相位的电力数据和转轴数据检测AC励磁频率的频率检测元件；一个在该发电机-马达中产生转差频率指令值的元件；以及一个以AC励磁频率设置转差指令值的方式控制所述发电机-马达的频率控制元件。

Description

能够改善电力系统精确度的 可变速发电机—马达装置

本发明涉及一种能够改善电力系统精确度的可变速发电机-马达装置。

由于能用绕线转子式感应发电机-马达取代应用同步电机的传统发电机-马达，因此变速发电机-马达装置进入了实际应用。该变速发电机-马达装置包括一个具有与电力系统相连的第一绕组和由交流电(AC)励磁的第二绕组的绕线转子式感应发电机-马达(下称感应式电机)，以及一个作为负载的安装在该感应电机轴上的原动机。由于该发电机-马达装置能以不同于由系统频率确定的同步转速的转速驱动，就可能优化操作效率并且在系统故障时平抑传统同步电机的振动。然而，交流电给第二绕组励磁是需要的。该交流电的频率由同步速度和实际转速之间的差所确定，所述实际转速以一个不同于同步速度(参见1986年3月的日本电子学会杂志)的转速操作所述电机。

这里，同步转速N₁由一个系统频率f₁和发电机-马达的极性p的数量确定，并且N₁限定为″N₁＝120f₁/p″。因此，同步速度N₁不是一个固定值，并且随该系统频率f₁的变化而变化。

该变速发电机-马达装置具有下述特点：即不必固定到由系统频率确定的同步速度上便可实现转速的优化控制，并且由同步速度和转速差确定的频率的交流电给第二绕组励磁。

由于该变速发电机-马达装置能借助一个交流电励磁控制装置控制感应电机的有效功率，并且由于作为载荷的原动机的转矩能由原动机/载荷控制装置控制，该交流电励磁装置和原动机/载荷控制装置能控制转速(参见1986年(昭和61年)举行的日本电子学会国家年会第1026号报告)。

日本专利申请61-247299号(1986)以及3-51910号(1991)揭示了一种实例，该实例中AC励磁控制装置控制转速。此外，日本专利申请1-231698号(1989)表示的一个实例中，虽然在附图中没有示出初始动力器，但确实存在/载荷控制装置控制转速。

由于1-231698号专利申请所示的实施例有一个仅用于控制无效功率的AC励磁装置，(循环换流器)，转速由其它的控制装置，例如图中未示出的原动机控制装置控制。

现在通过一个变速的抽水蓄能发电系统的实例叙述变速发电机-马达装置的传统结构和功能。

下面的叙述中，所有的变量和常量都是由其相应的标准值导得的无量纲值，符号ε^jθ1、ε^jθ2、ε^jθR，

为指数函数。例如ε^jθ1＝E×P(jθ₁)。因此，即使在数值中应用不同单位量，该标准值仍可经无量纲处理而获得。即使在不同单位量中直接进行加减时，事实上也绝无问题。

首先，叙述变速抽水蓄能发电系统的第一实例，该实例中，AC励磁控制装置控制转动速度。图1示出所述AC励磁控制装置的系统结构。

图1中，绕线转子式感应发电-马达1(以下称″感应电机″)有一个与(可反转的)水泵水轮机2相连的转子，以及一由作为频率转换器的循环换流器3利用交流电励磁的第二绕组。在变速操作过程中，函数发生器8根据有效功率设定装置6的输出P^*以及水头检测器7的输出H获得最佳的转速和导向叶片开启程度，以便分别输出转速指令N^*和导向叶片开启程度指令Y^*。

导向叶片开启程度控制装置140包括一个导向叶片开启程度控制器41和一个计算导向叶片开启度指值令Y^*和实际导向叶片开启程度Y之间差值的减法器42，并且通过油压伺服电机4控制水泵水轮机2的实际导向叶片开启程度Y与导向叶片开启程度指令Y^*相一致。

电压控制装置120包括一个电压控制器21以及一个用于计算电压给定装置5输出的电压V^*和由电压互感器17和电压检测器23检测的感应电机的初始电压V₁之差的减法器22，该装置120计算d-轴电流指令值I^* _d，以使电压设定装置5的输出电压等于所述感应电机1的初始电压V₁。

这里，d-轴电流是一个滞后于感应电机1初始电压V₁90°的电流分量，并且与无效功率成比例。

一个速度控制装置130包括一个速度控制器31以及一个计算转速指令N^*和速度信号N_R之差的减法器32，该转速指令N^*和速度信号N_R由一个速度信号发生器33和一个速度检测器34分别获得。速度控制装置130中，发生器33的交在感应电机1的转子上并且输出一个具有与转速成比例的频率的交流电信号。检测器34产生与频率成正比的电压。该装置130根据差值计算q-轴电流指令值Iq以便导致速度信号N_R与转速指令N^*相等。

Ida-轴电流检测装置100包括一个用于检测感应电机1中转子的相位的相位检测器19；一个检测电力系统9中电压的电压互感器17；一个用于检测电力系统中电压矢量的电压矢量检测器18；一个相位锁定环路(PLL)电路16，该电路用于根据由电压互感器17和相位检测器19检测的感应电机1的初始电压V₁的相位ε^jθ1检测该感应电机1的辅助电流的相位参考值ε^jθR；一个检测感应电机1辅助电流i2的电流检测器15；以及一个Idq-轴电流检测器14，该检测器用于根据辅助电流i2以及感应电机1的辅助电流的相位参考值ε^jθ2检测Idq-轴电流，以此检测感应电机1的辅助电流的d-轴电流Id和q-轴电流Iq。

这里，相位信号“ε^jθR”、“ε^jθ1”以及“ε^jθ2”分别相应于由转子的电力角θ_R确定的矢量″Cosθ_R＋jsinθ_R″，由电压V₁的相位角θ₁确定的矢量“Cosθ₂＋jsinθ₁”，以及由“θ₁－θ_R”(叫作θ₂)所确定的矢量“Cosθ₂＋jsinθ₂”。

下面，叙述传统的变速的抽水蓄能发电系统的第二个实例，在实例中，导叶开启控制装置控制图2所示系统结构的转速。

图2中，由于相应的结构与图1相同，有关装置的重复描述予以省略。这些装置是感应电机1；水泵水轮机2；循环换流器3；有效功率设定装置6、水头检测器7、函数发生器8；伺服电机4；包括导叶开启控制器41和减法器42的导叶开启控制装置140；电压给定器5；包括电压互感器17、电压检测器23、减法器22以及电压控制器21的电压控制装置120；包括转子的相位检测器19、变电压互感器17、系统频率的相位检测器18、PLL电路16、电流检测器15以及Id/Iq检测器14的Idq-轴检测装置100；以及包括减法器12和电流控制器11的辅助电流控制装置110。

与图1所示内容不同的是第一：用速度控制装置器160代替速度控制装置130，该控制器160包括一个速度控制器31、32减法器、以及加法器33以便校正速度控制器的输出NC和导向叶开启程度指令值Y^*，从而计算一个校正的导向叶片开启程度指令值Y^*1；第二：增加了一个有效功率控制区170，该控制区包括一个电流检测器71、有效功率检测器72、减法器73以及有效功率控制器74。

在有效功率控制区170内，该有效功率控制器74以使有效功率检测器72的输出P与一个有效功率指令值P^*相一致的方式输出一个q-轴电流指令值I^* _q。

此外，速度控制装置160输出用于所述导向叶片开启指令值Y^*以使转速N_R与速度指令值N^*相一致，导向叶片控制装置140以导向叶片开启程度Y与校正的导向叶片开启程度指令值Y^* ₁一致的方式操作。如果函数发生器操作适当，校正信号NC为零。

因此，由于图2所示的结构能以图1所示系统相同的方式操作，即V＝V^*、N_R＝N^*、Y＝Y^*、Id＝I^* _d以及Iq＝I^* _q，因此，利用水头H在电压V^*下克服有效功率设置值R_R对系统作出适当的操作是可行的，因此通过转速N^*和导向叶片开启程度Y^*操作该系统。

在该传统的变速发电机-马达装置中，由于实践中可能在一个最佳转速下而不是在系统频率决定的固定同步转速下控制所述的系统，除了系统频率之外尽管存在各种优点，还由于控制转速而产生下述问题。

第一个问题是动力系统的频率或者转速变化大而导致系统操作的故障。

感应电机1的第二绕组产生的电压与转差S成比例。当第二绕组中的电压大于循环换流器输出的最大电压V_2max时，该循环换流器不能控制该感应电机1的辅助电流。故连续操作产生故障。该感应电机1的同步速度N₁和转速N_R确定转差S，并且该转差S也能由一个频率代表，故有下式：

S＝(N₁－N_R)＝(f₁－f_R)/f₁    (1)

由上式可知，即使转速(N_R、即频率f_R)是恒定的，电力系统频率f₁的大变化导致因转差S增加而引起的操作故障。例如，当频率f₁100％、频率f_R为95％、转差为5％时，如果频率f₁变为105％，则转差为10％。

在相同的方式中，即使电力系统频率(f₁、即、速度N₁)是恒定的，大的转速变化导致因转差的增加而引起的操作故障。例如，当转速N为100％、N_R为95％而转差为5％时，如果速度N_R变至90％、则转差为10％。具体地说，在所述利用导向叶片控制器控制转速的变速发电机-马达装置中，由于改变有效功率时转速改变很大，故转差也很大，造成操作故障。因此，采取措施解决该问题是必要的。

第二个问题是由于同步动力被平抑，该同步动力不能平抑电力系统的频率变化。

这里叙述一个电力系统频率下降的实例。当应用一个同步电机的传统发电机-马达装置中电力系统频率f₁下降如图3a所示时，发电过程中该发电机-马达的输出增加，则速度降低到与电力系统频率f₁相应的转速N_R以保持与电力系统同步操作。当操作在抽水蓄能过程中时，同步电机的输入降低，则所述速度降低到与电力系统频率f₁相应的转速N_R，以保持与电力系统的同步。

在这种情况下，就同步电机输出的增加和输入的减少而论，称为同步动力。同步动力是一种在抑止方向对电力系统的频率减少进行抑止的变化，从而起平抑电力系统频率变化的作用。

另一方面，在变速发电机的-马达装置中，当电力系统频率f₁如图4所示降低时，即使转速也因同步动力而降低，由于如上所述转速被平抑至转速N_R，尽管电力系统频率f₁，由于同步动力的抵消，感应电机输出的增加(或者感应电机输入的减少)以及转速的减少两者均不会出现，图4(b)示出了一个发电机-马达装置转速低于同步转速N₀的实例。

这就是说该变速发电机-马达装置不起平抑电力系统中频率变化的作用。

第三个问题是由于没有自由调速功能，不可能抑止电力系统的频率变化。

在传统的具有同步电机的发电机-马达装置中，当一个初始动力器的控制功能在发电过程中导致转速随电力系统频率降低而降低时，存在一种称为自由调速功能的功能。该功能可使初始动力器输出变化以平抑转速的减少。该自由调速功能在电力系统中起平抑频率变化的作用。自由调速功能是一种改变原动机输出，以使平抑初始动力器的转速随电力系统的频率降低而降低的功能。

另一方面，传统的变速发电机-马达装置中，由于即使在电力系统频率降低特转速也不变化，则初始动力器的输出不发生变化。

为了解决第一个问题，提供了一种利用AC励磁控制装置校正有效功率的方法，所述的控制装置根据所检测转差超过一个设定值量而作出反应(参见1-231698(1989)号日本专利申请)。

该方法用所述的具有感应电机的发电机-马达装置，该装置进一步具有一个转差频率限制装置180，转差频率限制装置180如图5所述第三实施例所示，包括一个根据PLL输出信号检测一个感应电机励磁频率f₂(即一个转差频率f₂)的转差频率检测器81、一个检测转差频率f₂超过转差范围设定值的总量的多余转差检测器82、一个一阶延迟器83，以及一个从有效功率指令值P^*中减去一个一阶延迟器的输出PC，从而输出一个校正的有效功率指令值P^* ₁的减法器84。

在这个方法中，由于设置转差频率限制器180，转差频率f₂不会大大超过转差范围设定值f_m，故系统能够稳定地操作，不会产生过大的转差。

然而，由于该方法不能解决第二个问题和第三个问题，故仍不能改进传统的方法，以平抑电力系统中频率变化。

为了解决第三个问题，提出了一种利用电力系统中检测的频率变化校正有效功率给定器6的输出的方法(3-51910(1991)号日本专利申请)。

该方法使用一个发电机-马达装置，如图6所述第四实施例所示，该装置除图1所示元件之外还包括一个具有频率检测器85、比率改变计算器86以及加法器84的电力系统频率改变平抑装置181。该方法中，由于该电力系统频率改变平抑装置校正一个相应于电力系统中频率改变的有效功率指令值，其结果是有效功率朝平抑电力系统中频率变化的方向改变，因此，体现出平抑电力系统中频率变化的作用。

然而，该方法却不能解决第一个和第二个问题，仍然是一种不完全的改进。

本发明的第一个目的是提供一种甚至当电力系统频率发生很大改变时也不会发生操作故障的变速发电机-马达装置。

本发明的第二个目的是使用一种没有同步动力抵消的变速发电机-马达装置以便平抑电力系统中的频率变化。

本发明的第三个目的是提供一种具有平抑电力系统中频率改变的控制功能的变速发电机-马达装置。

为达上述目的，按照本发明所述的变速发电机-马达装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组、由交流电(AC)励磁的第二绕组以及一个转动轴的绕线转子感应发电机-马达；一个在转轴上安装的原动机/载荷；一个根据包括电力系统中频率和电压相位的电力数据和发电机轴数据检测AC励磁频率的频率检测元件；一个在发电机-马达中产生一个转差频率指令值的元件；以及一个以AC励磁频率设置为转差频率指令值的方式控制发电机-马达的频率控制元件。

为达到第一个和第二目的，本发明的第一方面是提供一个变速发电机-马达装置，该装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组和由交流电励磁的第二绕组的绕组式感应发电机-马达；一个在该绕组式感应发电机-马达转动轴上安装的原动机/载荷；根据电力系统的任意频率和电压相位以及转轴的任意转速和转角检测一个AC励磁频率的频率检测装置；以及以AC励磁频率变到一个转差频率指令值的方式控制该绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置。

为了实现第一目的，本发明的第二方面是提供一个变速发电机-马达装置，该装置除了第一方面的装置之外，还进一步包括一个在一个参考值范围内限定由所述转差频率控制装置输出的转差频率指令值的装置。

为了实现第二和第三目的，本发明的第三方面提供一个变速发电机-马达装置，该装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组以及由交流电励磁的第二绕组的绕线转子式感应发电机-马达；一个在该绕线转子式感应发电机-马达转轴上安装的原动机/载荷；根据电力系统的任意频率和电压相位以及转轴的任意转速和转角检测一个AC励磁频率的频率检测装置；以及以AC励磁频率变到一个转差频率指令值的方式控制该绕组式感应发电机-马达的转差频率控制装置。

为了实现第二和第三个目的，本发明的第四方面提供一种变速发电机-马达装置，使装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组和由交流电励磁的第二绕组的绕线转子式感应电机-马达；一个在该绕线转子式发电机-马达转轴上安装的原动机/载荷；根据电力系统的任意频率和电压相位以及转轴的任意转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；以AC励磁频率变到一个转差频率指令值的方式控制该绕线转子式感应电机-马达转差频率控制装置；以及用于校正相应于电力系统中频率变化的原动机/载荷的转矩的原动机/载荷校正装置。

为了实现第二和第三目的，本发明第五方面提供了一种变速发电机-马达装置，该装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组和由交流电励磁的第二绕组的绕线转子式感应发电机-马达；一个在该绕线转子式发电机-马达转轴上安装的原动机/载荷；根据电力系统的任意频率和电压相位以及转轴的任意转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；以AC励磁频率变到一个转差频率指令值的方式控制该绕线转子式感应发电机-马达转差频率控制装置；以及用于校正相应于转角转速的转差频率指令值的转差频率指令值校正装置。

为了实现第二和第三目的，本发明的第六方面提供了一种变速发电机-马达装置，该装置包括一个具有与电力系统连接的第一绕组和由交流电励磁的第二绕组的绕线转子式感应发电机-马达；一个在该绕线转子式发电机-马达转轴上安装的原动机/载荷；根据电力系统的任意频率和电压相位以及转轴的任意转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；以AC励磁频率变到一个转差频率指令值的方式控制该绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置，以及用于校正相应于电力系统中频率变化的转差频率指令值的转差频率指令值校正装置。

现在叙述按照第一方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。由于发电机-马达装置包括转差频率控制装置，所述的转差频率f_S、即″f₁-f_R″控制为常量，故等式(1)的分子为常数。因此，即使电力系统中频率改变，转差也不改变。例如当f₁为100％、f_R为95％，引起转差S为5％时，即使f₁改变为105％，f_R控制为100％，由于f_S为常量，其结果转差S变化极小，仅由5％改变到4.76％。

如上所述，当电力系统中的频率改变时，转速以同样的电力系统中频率改变的变化率变化，以防止该转差频率的改变。借助同步动力的作用该变化与感应电机的转速变化相等，其含义是该变速发电机-马达不消取同步动力。

现在叙述按照第二方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。由于该按照第二方面的装置包括用于在参考值范围内限制转差频率指令值的装置，即使电力系统中频率改变，如上所述，转差也限制在参考值范围内。

现在叙述按照第三方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。当该按照第三方面的装置利用与转速变化△N成比例的△τ_m校正原动机/载荷的扭矩时，由于所述转差频率恒定地控制频率f₂，因此校正量△τ_m与电力系统中频率f₁的变化成比例，从而可到用△τ_m校正感应电机1中的有效功率。因此，应用第三方面装置的发电机-马达装置表现出自由调速功能，该功能导致原动机/载荷的扭矩和感应电机1的有效功率相应电力系统中频率f₁的变化而变化。

现在叙述按照本发明第四方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。由于该第四方面的装置校正相应于电力系统中频率变化的感应电机1的原动机/载荷的扭矩和有效功率，故该第四方面所述的装置体现出与第三方面装置相同的自由调速功能。

现在叙述按照本发明第五方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。该第五方面的装置借助电力系统的频率变化△f₁被积分的值校正转差频率指令值f^* _s。由于转差频率控制器校正与转差频率指令值f^* _s相一致的频率f₂，感应电机1的有效功率的校正值△PE是一个相应于电力系统中频率变化△f₁的值。该有效功率的校正量△PE随转差频率指令值f₂ ^*(后面还要叙述)的校正而变化。

现在叙述按照第六方面构成的变速发电机-马达装置的一个功能。该本发明第六方面所述的装置校正所述相应于电力系统频率和参考频率之间差值△f₁的转差频率指令值f^* _s。由于该转差频率控制频率f₂与转差频率指令值f^* _s相一致，感应电机1的有效功率的校正量△PE是一个相应于电力系统中频率变化△f₁的值。该有效功率的校正量△P_E随下文所述的转差频率指令值f^* _s的校正而改变。

因此，由于当动力系统频率变化很大时，转差变化能相应于电力系统中频率的变化并且能够平抑，而不会抵消同步功率，并且由于导致有效功率在平抑电力系统频率变化的方向上改变时，即使电力系统频率变化很大，也不会产生操作故障，因此，体现了在电力系统中平抑频率变化的作用。

图1是按照第一实例的传统变速发电机-马达装置的方框示意图；

图2是按照第二实例的传统变速发电机-马达装置的方框示意图；

图3是一个表示应用同步电机的传统发电机-马达装置操作的特征示意图；

图4是一个表示传统变速发电机-马达装置操作的特征示意图；

图5是按照第三实例的传统变速发电机-马达装置的方框图示意图；

图6是按照第四实例的传统变速发电机-马达装置的方框示意图；

图7是表示本发明所述变速发电机装置基本概念的方框示意图；

图8是按照相对本发明第一方面的第一实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图9是表示安装在图8所示变速发电机-马达装置中PLL电路实施例的方框示意图；

图10是表示安装在图8所示变速发电机-马达装置中转差频率指令值产生电路的方框示意图；

图11是按照本发明所述的变速发电机-马达操作特性的示意图；

图12是按照相对本发明第一方面的第二实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图13是按照相对本发明第二方面的第三实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图14是按照相对本发明第三方面的第四实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图15是按照相对本发明第四方面的第五实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图16是按照相对本发明第五方面的第六实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图；

图17是按照相对本发明第六方面的第七实施例变速发电机-马达装置的结构方框示意图。

现在结合附图详细叙述本发明所述变速发电机-马达装置的优选实施例。

在这些实施例的叙述之前，首先结合图7叙述本发明所述变速发电机-马达装置的基本概念。图7中，该发电机-马达装置包括一个绕线转子感应电机-马达1，该发电机-马达包括一个与电力系统9相连的第一绕组1A、一个由交流电(AC)励磁的第二绕组1B，以及一个转轴1C；一个在该转轴1C上安装的原动机2；用于根据电力系统9中电力数据以及转轴1C的数据检测交流电AC励磁频率的检测装置100；用于产生一个发电机-马达1的转差频率指令值的转差频率指令值发生装置51，以及以从频率检测器100输出的所述交流(AC)励磁频率与从装置51输出的所述转差频率指令值相一致的方式控制发电机-马达1的转差频率控制装置150。

下面的叙述中，所有的变量和常量都是随无因次处理加入相应参考值而得到的值。

图8示出了第一实施例的结构，现在结合图8叙述按照相对本发明第一方面的第一实施例的一种变速发电机-马达装置。

由于图8所示的装置的整体结构与图1所示的现有装置的结构相同，所以这里将省略重复的描述。因此，所述的发电机-马达装置包括一个感应电机1，一个水泵涡轮机2，一个循环换流器3，一个有效功率设定器6，一个水头检测器7，一个函数发生器8，一个伺服电机4，一个包括导向叶片开启控制器41和减法器42的导各叶片开启控制装置140，一个电压设定器5，一个电压互感17，一个包括电压控制器21、减法器22以及电压检测器23的电压控制装置120，一个包括一个Id-Iq检测器14、电流检测器15、PLL回路16、电压互感器17、系统频率相位检测器18以及转子相位检测器19的Idq轴检测装置100，以及一个包括一个电流控制器11和减法器12的辅助电流控制装置110。

作为一个实例，如图9所示，所述PLL回路16包括一个用于获得ε^jθ1和

之差的矢量减法器161、一个比例和积分计算器162、一个矢量产生器163以及一个矢量加法器164。

所述辅助电路控制装置110包括一个用于计算d-轴电流指令值I^* _d和d-轴电机Id之间差值的减法器12、一个用于计算q-轴电流指令值I^* _q和q-轴电流Iq之间差值的减法器13、以及一个电流控制器11，这样，以d-轴电流Id与d-轴电流指令值I^* _d相一致，q-轴电流Iq与q-轴电流指令值I^* _q相一致的方式控制所述循环转流器的孤角度。

由于图8所示变速抽水蓄能发电机系统动作产生V＝V^*、N_R＝N^*、Y＝Y^*、Id＝I^* _d，以及Iq＝I^* _q的条件，实现电压V^*下利用有效功率设定值P_R和水头H的优化操作(即速度为N^*、导向叶片开启度为Y^*)是可行的。

此外，当在Id＝I^* _d以及Iq＝I^* _q的操作条件下，基于下述理由，运行是可行的。该理由是感应机1的和第二绕组由频率于电力系统频率f₁和相应于转速N_R的频率之差的交流电励磁。这里所述的″相应于″是指一个频率和一个转速之间的关系，该关系是简单的意义上说借助确定感应机1中的极性数量来确定。

在Id＝Id^* _d以及Iq＝I^* _q的条件下，如果tanφ^*＝I^* _q/I^* _d，通过下列公式可得到i₂ $i_2=\sqrt{({I^{*2}}_d+{I^{*2}}_q)\mathrm{\ϵ}\·j({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\φ}}^{*})}-----\left(2\right)$

通过电流i₂的相位角(θ₂＋θ^*)的微分，获得电流i₂频率f₂。由于θ₂＝θ₁－θ_R，并且φ^*是一个恒定值，频率f₂为f₂＝d(θ₂＋φ^*)/dt＝d(θ₁－θ_R)dt。由于θ₁和θ_R求导可得f₁和f_R，f₂可通过下列方式获得：

      f₂＝f₁－f_R    (3)

可以理解，感应机1的励磁频率f₂变为转差频率f_S(f_S＝f₁－f_R)。

图8所示第一实施例所述发电机-马达装置与传统的装置不同点在于利用转差频率控制装置150取代了速度控制装置130。该转差频率控制装置150包括一个用于计算转差频率指令值f^* _s的转差频率指令值发生器51，一个用于计算该转差频率指令值f^* _s和所述PLL回路的内部输出f₂之间差值的减法器52，以及一个根据该减法器52计算的差值输出q-轴电流指令值I^* _q的转差频率控制器53。

该转差频率指令值发生器51包括一个减法器511以及一个图10所示的比例乘法器512，计算内容是相应于下式的值：

f^* _s＝N₀－N^*    (4)

其中，N₀是一个参考的同步速度，表示一个相应于所述电力系统频率f₁的一个参考频率值f₀的转速。

接下来，描述该第一实施例所述装置的功能。

由于所述PLL回路16的内部输出f₂是感应电机1的励磁频率，即使如上所述f₂由公式(3)表示，f₂也能由下面公式(5)中的速度表示：

f₂＝N₁－N_R    (5)

由于转差频率控制器53控制操作，使f^* _s＝f₂，从公式(4)和公式(5)可推导出公式(6)：

N_R＝N^*＋N₁－N₀    (6)

从公式(6)可知，速度N_R控制为“N^*＋N₁－N₀”。

此外，所述转差频率f_S的控制与公式(4)所示的电力系统频率f₁无关。

即使所述速度变化的频率与电力系统的频率变化的比率相同(参见等式(6))，以便防止当电力系统频率变化时由变化产生的转差频率变化，由于这种变化等于因同步动力而产生的速度的变化，因此，这意味着所述装置是一个不会产生同步动力相互抵消的变速发电机-马达装置。这些操作由图11的特性曲线所示。甚至在图11中，所述发动机-马达装置以低于同步转速N₀的速度旋转。

所以，在第一实施例中，该变速发电机-马达旋转的速度控制为″N^*＋N₁－N₀″。由于N^*相对″N₁－N₀″足够地大，以接近最优化的速度N^*操作所述装置是可行的，因此，相应电力系统的频率变化，速度由N^*变化到″N₁－N₀″。

如上所述，相应电力系统频率变化而改变所述转速意味着同步动力不被抵消，因此，抑制了电力系统中频率的变化。

即使第一实施例所述的装置用水泵水轮机作为原动机/负载时，借助使用一个具有惯性的旋转体，例如一个水轮机、泵、蒸气涡轮机、飞轮以及风车，仍能够获得第一实施例相同的效果。

当用PLL回路集成化而不能获得一个内部输出时，采用另外的方法，例如第二实施例，检测所述转差频率可以导致相同的功能和效果。现在参考附图12叙述作为转差频率检测方法的另一个实例的本发明所述第二实施例的变速发电机-马达装置。

在PLL回路中，借助根据电力系统频率f₁和转速N_R检测作为″f₁－N_R″的转差频率f₃取代PLL电路中转差频率的内部检测，本发明的装置能获得相同的效果。

图12表示所述转差频率检测电路的另一种结构。图12所示的频率检测电路165加到图8所示的装置上，并且包括一个速度信号检测器33，速度检测器34、系统频率检测器35和减法器36。第二实施例所述的装置具有用减法器36的输出信号f_S取代图8所示PLL电路的输出信号f₂的差别。由于功能和作用与图8所示的第一实施例相同，故重复的叙述省略。

在相同的方式中，利用作为PLL电路其他输出信号的辅助电流相位参考值ε的频率的检测，检测所述转差频率是可能的。由于在现有技术中第四个实例所示的频率/电压变换器81中已经揭示了一个这样的检测的实例，故重复的叙述予以省略。

虽然以上仅描述一个有关检测转差频率方法的一个实例，任何其他用于检测该转差频率的方法均可用于本发明以获得上述的功能和效果。

下面，参考附图描述按照本发明第二方面所述第三实施例的变速发电机-马达装置。

第三实施例所述的装置将图10所示的第一实施例的转差频率指令值发生器51改变为图13所示的结构。即，限制器513加到比例换转器512的输出端。

现描述第三实施例的功能。由于转差频率指令值f^* _s限制在第三实施例的参考值，所述励磁频率f₂(即转差频率f_S)被控制为F^* ₂，所以不超过参考值。

因此，由于第三实施例中的转差频率不超过参考值，转差也不超过参考值。因此，甚至当电力系统频率产生很大的变化也不会产生操作故障，由此保持稳定的操作。

现在结合附图描述按照本发明第三方面所述第四实施例的变速发电机-马达装置。图14表示按照第四实施例所述装置的结构。

图14所示的装置除图8所示结构之外包括具有一个速度信号检测器33和速度检测器34的速度检测装置，以及扭矩校正装置160。该扭矩校正装置160包括一个用于计算速度指令值N^*和速度N之间差值的减法器61、一个用于计算信号τ_c以根据减法器61的输出校正导向叶片开启指令值Y^*的扭矩校正器62、以及一个用于随导向叶片开启指令值Y^*加入校正信号τ_c的加法器。

下面叙述第四实施例的功能。在第四实施例中，校正信τ_c能由下述公式(7)获得：

       τ_c＝K(N^*－N_R)    (7)

其中，符号K是速度调节值。

由于公式(6)能由转差频率控制建立，下述公式(8)代表由校正信号τ_c校正的原动机/荷载扭矩的总和△τ_m

    Δτ_m＝τ_c＝-K(N₁－N₀)＝-K(f₁－f₀)    (8)

当原动机/载荷的扭矩用△τ_m校正，即使感应机电1的转速和转差变化，该转差频率控制器利用总量△τ_m校正感应机1中的有效功率，以便抑止转差的改变。因此，感应电机1中的有效功率相应于电力系统中频率变化(f₁－f₀)得到校正。

因此，由于第四实施例所述的装置能显示出所谓的用于改变原动机载荷的转矩以及感应机1中有效功率的自由功能，在电力系统中越加有效地抑止频率改变是可能的。

现在结合附图描述按照本发明第四方面所述第五实施例的变速发电机-马达装置，图15表示该第五实施例所述装置的结构。

图15中，按照第五实施例所述的装置除图8所示的结构外还包括一个扭矩校正装置161。该扭矩校正装置161包括一个用于检测电力系统频率和参考频率之间偏差△f₁的频率偏差检测器64、一个用于计算校正信号τ_c的转矩校正器65、以及一个用于将导向叶片开启程度指令值Y^*与校正信号τ_c相加的加法器63。所述校正信号τ_c用于根据偏差△f₁校正导向叶片开启指令值Y^*。

下面，叙述该第五实施例所述装置的功能。

第五实施例中，校正信号τ_c可根据下式(9)获得：

       τ_c＝-K_F△f₁    (9)

其中：K为频率调节值。

如果来自所述原动机/载荷的由校正信号τ_c校正的量是△τ_m，则△τ_m能由下式(10)表示：

      △τ_M＝τ_c＝-Kf△f₁    (10)

如上所述，感应电机1的有效功率借助转差控制利用△τ_M进行控制。该包括所述第四方面装置的变速发电机-马达装置还具有所谓的自由调速功能，该功能相应于电力系统频率f₁的变化量△f₁改变原动机/载荷的扭矩以及感应机1的有效功率。

由于第五实施例具有除相应于第一方面内容的第一和第二实施例所述之特殊效果之外的显示自由调速功能(该功能可相应于电力系统的频率变化改变原动机/负载的扭矩及感应电机1的有效功率)的特殊效果，因此它可对电力系统的频率变化起抑止作用。

现在结合对应的附图描述按照相应于本发明第五方面内容所述的第六实施例的变速发电机-马达装置。图16表示该第六实施例所述装置的结构。

图16中，按照第六实施例所述的装置包括速度检测装置，以及一个转差频率控制装置151。该速度检测装置是第六实施例中新设置的，包括一个速度信号发生器33和一个速度检测器34。装置151用来取代转差频率指令值发生器51，并且包括一个用来根据速度指令值N^*和转速N_R计算转差频率指令值f^* _s的转差频率指令值发生器54。

下面，叙述第六实施例所述装置的功能。

第六实施例中，转差频率指令值f^* _s相应速度按照下式(11)校正： ${f^{*}}_S={f^{*}}_{S0}+\∫\{(N^{*}-N_R)/T_N\}\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中f^* _s0是当电力系统中所述频率变化为0时的转差频率指令值，T_N是校正积分时间常数，∫_dt是积分。

由于f^* _s0是常数，而f₂通过转差频率控制器控制得与指令值f^* _s相一致，该等式(11)能变化为下列等式(12)：

df^* _s/dt＝(f^* _R－f_R)/T_N

       ＝{(f₀－f^* _s)－(f₁－f₂)}/T_N

       ＝-△f₁/T_N    (12)

当△P_E假定是感应电机1中有效功率的校正量时，该量由校正转差频率指令值f^* _s改变，根据用于转轴的运动等式能建立下述等式(13)： $-\mathrm{\Δ}{P}_E/N_R=T_A\frac{d{N}_R}{\mathrm{dt}}=T_A\frac{d{f}_R}{\mathrm{dt}}=T_A\frac{d(f_1-f_2)}{\mathrm{dt}}----\left(13\right)$

其中，T_A是发电机-马达的加速度时间常数，d/dt代表微分。有效功率、转速以及频率分别具有正发生方向。

当在″f^* _s＝f₂″条件下将等式(12)代入等式(13)中时，等式(13)改变为等式(14)

-△P_E＝N_RT_A(d△f₁/dt＋△f₁/T_N)    (14)

由等式(14)得出，按照第五方面的变速发动机-马达装置其功能在于改变相应于电力系统中频率变化△f₁的有效功率P_E。

因此，由于除了相应于本发明第一方面的第一和第二实施例的作用之外，第六实施例的装置能改变装置中相应电力系统中频率变化的有效功率，就可能愈加有效地抑止电力系统中频率的变化。所述功能不能通过应用一个不适于转差频率控制的同步电机的发电机-马达实现，从而导致本发明所述变速发电机-马达的特性。

现在结合附图描述按照本发明第六方面所述第七实施例的变速发电机-马达装置。图17是该第七实施例所述装置的方框图。

图17中所示的第七实施例所述的装置设置一个检测电力系统频率和参考频率之间偏差△f₁的频率偏差检测器64，并且包括一个用于构成取代所述转差频率指令值发生器51的转差频率控制装置152的转差频率指令值发生器55。该转差频率指令值发生器55根据速度指令值N^*、速度以及偏差△f₁计算转差频率指令值f^* _s。

现在叙述第七实施例所述装置的功能。

在第七实施例中，按照下述的等式(15)，相应于电力系统频率和参考频率之间差值△f₁的转差频率指令值f^* _s为： ${f^{*}}_s={f^{*}}_{\mathrm{so}}-\∫(\mathrm{\Δ}{f}_1/T_N)\mathrm{dt}----\left(15\right)$

该等式(15)能变换为下式(16)：

df^* _s/dt＝-△f₁/T_N    (16)

由于等式(16)与等式(12)相同，第七实施例的功能与第六实施例的功能也相同。

因此，由于除了按照所述第一方面的第一实施例和第二实施例所具有的功能之外，该第七实施例所述的装置能相应电力系统频率的改变改变该装置中的有效功率。这就可能越加有效地抑止电力系统中的频率变化。由于直流电励磁同步电机，所以所述的功能不能借助使用不适于转差频率控制的同步电机的发电机-马达装置实现，从而导致本发明所述变速发电机-马达的特性以及功能。

Claims (7)

1.一种包括一个具有与电力系统连接的第一绕组，一个由交流电(AC)励磁的第二绕组、一个转动轴、以及一个在该转动轴上安装的原动机/负载的绕线转子式感应发电机-马达的变速发电机-马达装置：包括

用于根据包括电力系统中的频率和电压相位的电力数据以及转轴的数据检测AC励磁频率的频率检测装置；

在该发电机-马达中产生转差频率指令值的装置；以及

以所述AC励磁频率设置为该转差频率指令值的方式控制所述发电机-马达的频率控制装置。

2.根据权利要求1所述的发电机-马达装置，其特征在于该装置包括：

用于根据电力系统中任何频率和电压相位以及转动轴任何转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；以及

以AC励磁频率变到转差频率指令值的方式控制绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置。

3.根据权利要求2所述的变发电机-马达装置，其特征在于进一步包括：

用于在一个参考值内限制由所述转差频率控制装置输出的转差频率指令值的装置。

4.根据权利要求1所述的变速发电机-马达装置，其特征在于包括：

根据电力系统的任何频率和电压相位以及转轴的任何转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；以及

以AC励磁频率变到转差指令值的方式控制所述绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置。

5.根据权利要求1所述的变速发电机-马达装置，其特征在于，该装置包括：

根据电力系统的任何频率和电压相位以及转轴的任何转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；

以AC励磁频率变到转差指令值的方式控制所述绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置，以及

用于校正相应于电力系统中频率变化的所述原动机/载荷的扭矩的原动机/载荷扭矩校正装置。

6.根据权利要求1所述的变速发电机-马达装置，其特征在于该装置包括：

根据电力系统的任何频率和电压相位以及转轴的任何转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；

以AC励磁频率变到转差指令值的方式控制所述绕组式感应发电机-马达的转差频率控制装置，以及

用于校正相应于转角(rotating angle)转速的转差频率指令值的转差频率指令值校正装置。

7.根据权利要求1所述的变速发电机-马达装置，其特征在于该装置包括：

根据电力系统的任何频率和电压相位以及转轴的任何转速和转角检测AC励磁频率的频率检测装置；

以AC励磁频率变到转差指令值的方式控制所述绕线转子式感应发电机-马达的转差频率控制装置，以及

用于校正相应于电力系统中频率变化的转差频率指令值的转差频率指令值校正装置。

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