DK176958B1

DK176958B1 - Generatorsystem med intelligent behandling af positionssignal

Info

Publication number: DK176958B1
Application number: DKPA200701826A
Authority: DK
Inventors: Kim Broendum Larsen; Mogens Loenberg Lau; Flemming Buus Bendixen
Original assignee: Vestas Wind Sys As
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2010-07-26
Also published as: EP2073372A1; US7869976B2; ATE519269T1; ES2369437T3; EP2073372B1; DK200701826A; US20090164170A1; CA2645987A1

Description

DK 176958 B1 i

GENERATORSYSTEM MED INTELLIGENT BEHANDLING AF POSITIONSSIGNAL OPFINDELSENS OMRÅDE

Den foreliggende opfindelse angår området for elektriske generatorsystemer, 5 såsom generatorsystemer til vindmøller. Opfindelsen angår mere specifikt et generatorsystem med en intelligent behandling af et positionssignal derangiver generatorrotorens vinkelposition.

OPFINDELSENS BAGGRUND

10 For en vindmølle der er indrettet til at generere elektrisk strøm til et elektrisk forsyningsnet, er effektivitet i strømproduktionen en afgørende parameter. For at tilvejebringe en høj effektivitet i strømproduktionen skal vindmøllen være koblet til det elektriske forsyningsnet med så få driftsstop som muligt.

15 Dokumentet WO 02/33358 Al beskriver en elektrisk generator omfattende en rotor forbundet til en aksel (102) og en positionskoder (101), som er mekanisk forbundet til akslen, og som frembringer positionssignaler, (511) - (514), repræsenterende rotorens vinkelposition. Positionssignalerne modtages afen behandlingsenhed (1707), som på basis af disse signaler beregner en værdi for 20 rotorens vinkelposition. For at kunne beregne en korrekt vinkelposition for rotoren og dermed sikre driften at generatoren, må der ikke være fejl i positionssignalerne (511)-(514) fra positionskoderen (101). Selv få fejl i disse signaler fra positionskoderen (101) kan således resultere i nøddriftsstop.

25 Én kendt fejlkilde som forårsager driftsstop af vindmøllen, er positionsregistreringen eller positionsindkodningen af strømgeneratorens rotor. Eksempelvis kræver "doubly fed" asynkrongeneratorer præcis registrering af generatorrotorens vinkelposition, fx inden for +/-1°, for at styresystemerne tilpasser de elektriske strømsignaler fra generatoren med det elektriske forsyningsnet til pålidelig og 30 jævn levering af elektrisk strøm til det elektriske forsyningsnet. Selv kortvarige fejl eller manglende positionssignal kan resultere i nøddriftsstop af generatorsystemet på grund af høj strømstyrke, hvilket derved resulterer i ringe overordnet effektivitet fra vindmøllen. Endvidere kan selv mindre fejl i positionssignalet forårsage utilsigtede spændingstoppe fra generatorsystemet, hvorved kvaliteten 35 af den elektriske strøm der leveres til det elektriske forsyningsnet, reduceres.

DK 176958 B1 2

Positionsregistreringsindretninger, ofte betegnet positionsindkodere, er kendt for i sidste ende at frembringe fejl i deres output-positionssignaler. Endvidere er sådanne indretninger ofte mekanisk forbundet med generatorens aksel og indbe-5 fatter derfor dele der løber ved generatorakslens hastighed, fx 1500 omdrejninger i minuttet eller derover. Følgelig har positionsindkodernes lejer osv. en begrænset levetid, og derfor er tidlig detektering af problemer med positionsindkoderen afgørende med hensyn til at undgå fuldstændig beskadigelse af positionsindkoderen, hvilket vil lukke ned for vindmøllen indtil positionsindkoderen er blevet udskiftet.

10

Det er også muligt at beregne en vinkelposition for rotoren udelukkende på basis af de elektriske output-signaler fra generatoren og det elektrisk forsyningsnet hvortil generatoren leverer strøm. Dette eliminerer behovet for en mekanisk positionsindkoder. Sådanne beregninger er imidlertid komplekse og kræver en 15 stor mængde processeringskraft. Endvidere er de beregnede værdier upålidelige hvis spændingen er lav på det elektriske forsyningsnet, og ved en spænding på nul på det elektriske forsyningsnet er beregning ikke mulig.

KORT BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN

20 Ifølge ovenstående beskrivelse er ét formål med den foreliggende opfindelse således at tilvejebringe et elektrisk strømgeneratorsystem som er i stand til at tilvejebringe en forbedret håndtering af det positionssignal som modtages fra positionsindkoderen for således at muliggøre en mere pålidelig drift af generatorsystemet med et reduceret antal driftsstop.

25 I et første aspekt angår opfindelsen et elektrisk strømgeneratorsystem der indbefatter - en strømgenerator der indbefatter en rotor som er forbundet med en aksel, - en positionsindkoder der er indrettet til at registrere en vinkelposition for rotoren 30 via mekanisk kobling til akslen og til at generere et positionssignal der er repræsentativt for rotorens vinkelposition, og - en processor, fortrinsvis et digitalt signalbehandlingssystem der er indrettet til - at modtage positionssignalet fra positionsindkoderen, - at tilvejebringe en beregnet vinkelposition for rotoren som respons på 35 positionssignalet, DK 176958 B1 3 - at tilvejebringe en estimeret vinkelposition for rotoren på basis af tidligere modtagne positionssignaler og - at generere en behandlet vinkelposition ud fra den beregnede vinkelposition og den estimerede vinkelposition på basis af mindst én forud- 5 bestemt styrealgoritme.

Eftersom et sådant generatorsystem tilvejebringer en behandlet vinkelposition, som både tager højde for den vinkelposition der er beregnet på basis af det seneste positionssignal fra positionsindkoderen og den som er baseret på tidligere 10 positionsinput, vil en sådan behandlet vinkelposition være mere pålidelig end en vinkelposition der er baseret på en direkte beregning på basis af ét enkelt positionssignal fra positionsindkoderen. Den behandlede vinkelposition er således mindre sårbar over for fejl i det modtagne positionssignal fra positionsindkoderen.

15 På grund af den estimerede vinkelposition er det muligt at detektere fejl i positionssignalet og i et vist omfang også at korrigere for sådanne fejl, og selv i tilfælde hvor positionsindkoderen holder op med at fungere i et kort tidsrum, kan det være muligt at tilvejebringe en styrealgoritme, således at den behandlede vinkelposition er tilstrækkelig pålidelig til at opretholde normal drift af strømgene-20 ratorsystemet ved fuldstændigt at stole på den estimerede vinkelposition i et sådant tidsrum. Mere specifikke måder at beregne og udnytte den estimerede vinkelposition så det kan resultere i en mere pålidelig behandlet vinkelposition, vil blive beskrevet senere.

25 Generatorsystemer, fx "doubly fed" asynkrongeneratorer, hvis strømgenererende funktion afhænger af et præcist kendskab til rotorpositionen, vil være mindre påvirket af fejl i positionsindkoderen som ellers ville forårsage ringe elektrisk kvalitet eller nøddriftsstop, og selv i tilfælde af permanent svigt af positionsindkoderen vil systemet have tid til at lukke ned på en kontrolleret måde uden behov 30 for nøddriftsstop.

Ifølge ovenstående er generatorsystemet ifølge det første aspekt særdeles egnet til vindmøller og andre strømgeneratorer hvor pålidelig drift og høj effektivitet i strømproduktionen er afgørende parametre. Perioder hvor vindmøllen stopper 35 med at producere elektrisk strøm som følge af positionsindkoderproblemer, kan DK 176958 B1 4 reduceres. Eftersom de fleste moderne generatorsystemer indbefatter en digital signalprocessor, kan den nødvendige behandling af positionssignalet udføres fuldstændigt af software der kører på en sådan processor. Behandlingen eller en del deraf kan imidlertid også involvere analoge behandlingskomponenter, om 5 ønsket.

I det følgende vil foretrukne udførelsesformer blive beskrevet, især med hensyn til udførelsesformerne af den forudbestemte styrealgoritme.

10 Processoren kan indbefatte en korrektionsenhed der er indrettet til at detektere og korrigere for forudbestemte typer af fejl i positionssignalet før beregning af vinkelpositionen, hvorved der foretages en forfiltrering af det positionssignal som har til hensigt at fjerne kendte midlertidige fejltyper i positionssignalet fra positionsindkoderen. Herved bliver vinkelpositionssignalet der er beregnet på basis af 15 det korrigerede positionssignal, mere pålideligt, og driftsstop af generatorsystemet på grund af kendte typer af midlertidige fejl kan undgås. Fejl kan især korrigeres på basis af en på forhånd lagret egenskab ved positionsindkoderen, såsom dens vinkelopløsning, hvorved redundant information i positionssignalet som modtages fra positionsindkoderen, udnyttes. Der kan også korrigeres for fejl 20 på basis af en på forhånd lagret egenskab ved strømgeneratoren, såsom dens maksimalt mulige vinkelacceleration, hvorved det bliver muligt at afvise værdier i det positionssignal som synes at afspejle en vinkelacceleration som ikke er fysisk mulig for den specifikke generator. Korrektion af fejl i positionssignalet indbefatter fortrinsvis ét eller flere af følgende: 1) fjernelse af en top som kan være forårsa-25 get af elektrisk støj eller en "hængende" bit i en digital del af systemet, 2) fjernelse af værdiforskydning som kan være forårsaget af én eller flere "hængende" bits i en digital del af systemet, 3) begrænsning af vinkelacceleration der overstiger en forudbestemt værdi som kan være forårsaget af forskellige faktorer, og 4) kompensation for uventede antal pulser pr. omdrejning som kan være forårsaget af 30 falske signaler eller udfald.

Processoren indbefatter fortrinsvis en estimeringsenhed der indbefatter en faselåst sløjfe ("Phase Locked Loop" (PLL)), dvs. indbefatter en integrator og en PI-regulator, som det er kendt inden for teknikken, hvor estimeringsenheden gene-35 rerer den estimerede vinkelposition på basis af tidligere vinkelpositionsinput. På DK 176958 B1 5 denne måde anvendes PLL til at filtrere input-vinkelpositionen og estimerer således hvilken vinkelposition der kan forventes, hvorved det bliver muligt at evaluere pålideligheden af vinkelpositionsværdien. Processoren kan være indrettet til at vælge at anvende vinkelpositionen eller den estimerede vinkelposition som input 5 til estimeringsenheden, fx afhængigt af en evaluering af hvilken der kan anses som den mest pålidelige.

Den forudbestemt styrealgoritme kan være indrettet på en sådan måde at den behandlede vinkelposition er et output fra PLL, hvorved der tilvejebringes et 10 pålideligt mål for den vinkelposition som filtreres af PLL på basis af tidligere vinkelpositionsinput. Det gælder især at den estimerede vinkelposition kan beregnes ud fra den behandlede vinkelposition ved hjælp afen ekstrapoleringsalgoritme, såsom ved at antage en konstant vinkelhastighed for rotoren for at nå til et fornuftigt estimat af vinkelpositionen én sample i forvejen.

15

Processoren indbefatter fortrinsvis en fejlhåndteringsenhed der er indrettet til at detektere en fejl på basis af sammenligning af vinkelpositionen og den estimerede vinkelposition, og hvor fejlhåndteringsenheden vælger at anvende den estimerede vinkelposition som input til estimeringsenheden hvis der detekteres en fejl. Hvis 20 der ikke detekteres nogen fejl, vælges det beregnede vinkelpositionssignal som er baseret på det seneste positionssignalinput, som input for estimeringsenheden. I en simpel udførelsesform detekterer fejlhåndteringsenheden en fejl hvis en forskel mellem vinkelpositionen og den estimerede vinkelposition overstiger en forudbestemt værdi eller afviger med mere end en vis procentdel. Mere komplekse 25 algoritmer eller kriterier til detektering af en fejl kan imidlertid anvendes. 1 én udførelsesform er fejlhåndteringsenheden indrettet til at vælge at udsende den estimerede vinkelposition som den behandlede vinkelposition hvis der detekteres en fejl. Det foretrækkes at den mest pålidelige værdi af den beregnede og 30 estimeret vinkelposition udsendes som den behandlede vinkelposition. I denne udførelsesform er fejlhåndteringsenheden således en software-afbryder der enten udsender den beregnede vinkelposition, hvis der ikke detekteres nogen fejl, mens den estimerede vinkelposition udsendes i tilfælde af at der detekteres en fejl.

DK 176958 B1 6

Fejlhåndteringsenheden kan være indrettet til at generere et fejlsignal der indikerer at der er en fejl i positionsindkoderen. Et sådant fejlsignal kan anvendes til at alarmere servicepersonale som kan udskifte positionsindkoderen, eller fejlsignalet kan anvendes af styresystemet til at initiere et kontrolleret driftsstop af 5 generatorsystemet. Fejlhåndteringsenheden kan især generere fejlsignalet efter detektering af et forudbestemt antal fejl i et forudbestemt tidsrum. Selv om det er muligt at opretholde normal drift under et par midlertidige fejl, kan fejlsignalet udskydes indtil en lang række fejl er forekommet inden for et begrænset tidsrum. Generatorsystemets effektivitet i strømproduktionen forbedres herved samtidig 10 med at der fortsat tilvejebringes en sikkerhedsmargin uden behov for nøddriftsstop.

Positionsindkoderen kan i princippet være en hvilken som helst type positionsindkoder, men er fortrinsvis én der leverer et elektrisk positionssignal. Indkoderen 15 kan især levere et positionssignal i form af et digitalt tretrådet positionssignal, såsom en positionsindkoder af den optiske type der leverer et tretrådet signal i form af elektriske pulser, idet to tråde tilvejebringer en puls for hver delvise omdrejning af rotoren, og én tråd tilvejebringer en puls (nulstillingssignal) for hver fulde omdrejning af rotoren. Positionssignalet kan især samples ved en 20 sampling-frekvens på mindst 2 kHz, såsom ved en sampling-frekvens på 5 kHz, muligvis mere end 10 kHz.

Generatorsystemet er særligt egnet hvis strømgeneratoren er en "doubly fed" asynkrongenerator, eftersom en sådan generatortype kræver et præcist vinkel-25 positionssignal der angiver rotorpositionen, for at den kan fungere ordentligt når den kobles til et elektrisk forsyningsnet.

Generatorsystemet kan endvidere indbefatte et styresystem der er indrettet til at modtage den behandlede vinkelposition og til følgelig at styre i det mindst ét af 30 følgende: 1) elektrisk kobling af strømgeneratoren til et elektrisk forsyningsnet, og 2) et vibrationsniveau af strømgeneratoren. I tilfælde 1) opnås en pålidelig drift med en høj effektivitet i strømproduktionen og en høj elektrisk kvalitet som følge af den pålidelige behandlede vinkelposition. I tilfælde 2) kan en effektiv og stabil dæmpning af vibrationsniveauet fra generatoren opnås med den præcise og 35 pålidelige behandlede vinkelposition.

DK 176958 B1 7

Processoren er fortrinsvis indrettet til at detektere en fejl i positionsindkoderen og til som følge deraf at generere et fejlsignal, hvor styresystemet er indrettet til at initiere en styret frakoblingsprocedure fra det elektriske forsyningsnet som 5 respons på fejlsignalet. Ved en sådan fejlhåndtering kan nøddriftsstop elimineres selv med en fuldstændig beskadiget positionsindkoder.

I et andet aspekt angår opfindelsen en vindmølle der indbefatter et strømgene-ratorsystem ifølge det første aspekt. Vindmøllen er fortrinsvis indrettet til at 10 levere elektrisk strøm til et elektrisk forsyningsnet, hvor den behandlede vinkelposition tjener til at eliminere nøddriftsstop som følge af fejl i positionsindkoderen, som beskrevet i det førnævnte første aspekt.

Det er klart at de to individuelle aspekter ifølge opfindelsen hver især kan kombi-15 neres med hinanden, og at udførelsesformer beskrevet for de første aspekter ligeledes gælder for det andet aspekt.

KORT BESKRIVELSE AF FIGURERNE

Opfindelsen vil nu blive beskrevet mere detaljeret med henvisning til den medføl-20 gende tegning, hvor

Fig. 1 illustrerer grunddele i et strømgeneratorsystem,

Fig. 2 illustrerer én processorudførelsesform, 25

Fig. 3 illustrereren anden processorudførelsesform,

Fig. 4 illustrerer en tredje processorudførelsesform, 30 Fig. 5 illustrerer mulige fejl i et positionssignal fra en positionsindkoder, og Fig. 6 illustrerer et generatorsystem som er koblet til et elektrisk forsyningsnet.

DK 176958 B1 8

Figurerne illustrerer især måder til implementering af den foreliggende opfindelse og skal ikke fortolkes som værende begrænsende for andre mulige udførelsesformer der ligger inden for omfanget af det vedhæftede kravsæt.

5 DETALJERET BESKRIVELSE AF EN UDFØRELSESFORM

Fig. 1 illustrerer grunddele i et generatorsystem. En elektrisk strømgenerator GEN indbefatter en rotor som drives af en aksel. I tilfælde af en generator til en vindmølle drives akslen af generatoren GEN af vinger via en gearkasse. Generatoren GEN har en række faser der hver producerer et elektrisk strømsignal som kan 10 anvendes til at levere elektrisk energi til et elektrisk forsyningsnet, fx det offentlige elektriske forsyningsnet. En positionsindkoder ENC er mekanisk koblet til generatorakslen til registrering afen vinkelposition for rotoren, som er en vigtig parameter til at styre mange typer af generatorer, fx "doubly fed" asynkrongeneratorer.

15

Positionsindkoderen ENC er ofte koblet til akslen via en temmelig stiv kobling, og selv en lille forkert justering af positionsindkoderen ENC i forhold til generatorakslen kan således forårsage slitage af lejerne i positionsindkoderen ENC. En typisk positionsindkoder ENC er baseret på optisk aflæsning afen skive der 20 roterer langs akslen, idet skiven er vinkelmæssigt inddelt i sorte og hvide zoner, fx tilsammen 1024 zoner pr. fuld omdrejning. En optisk sensor anvendes til at generere positionssignalet PS i form af pulser som følger passagen af sorte og hvide zoner.

25 Positionssignalet PS behandles derefter af en processor DSP, fortrinsvis en digital signalprocessor DSP som translaterer positionssignalet PS internt til en vinkelposition der afspejler generatorrotorens vinkelposition. I processoren DSP udføres yderligere behandling for at nå en mere pålidelig behandlet vinkelposition PAP, hvilket vil blive beskrevet mere detaljeret i det følgende. En sådan behandlet 30 vinkelposition PAP kan især anvendes til at styre den elektriske kobling af generatoren GEN til et elektrisk forsyningsnet og herved opnå en mere pålidelig drift uden behov for at lukke ned hvis der er midlertidige fejl i positionssignalet PS. I tilfælde af en fuldstændig nedbrydning af positionsindkoderen ENC baseres den behandlede vinkelposition PAP på tidligere positionssignal PS-input, hvorved det 35 er muligt at opretholde normal drift tilstrækkelig længe til at undgå nøddriftsstop.

DK 176958 B1 9 I det følgende beskrives forskellige udførelsesformer af processoren.

Fig. 2 illustrereren udførelsesform afen processor DSP ifølge opfindelsen.

5 Positionssignalet PS fra positionsindkoderen modtages i processoren DSP, og positionssignalet PS indlæses i en vinkelpositionsberegningsenhed ACU der derudfra beregner en vinkelposition AP. Det er klart at denne beregning af vinkelposition AP i høj grad vil afhænge af typen af positionssignal PS. Hvis positionssignalet PS er i form af et antal pulser pr. fuld omdrejning, vil ACU imidlertid 10 indbefatte en tæller der tæller pulsene op til et kendt antal af pulser pr. fuld omdrejning, og derefter kan det talte antal pulser translateres direkte til en vinkelposition AP i intervallet fra 0° til 360° eller en lignende vinkelrepræsentation. Positionssignalet PS indbefatter fortrinsvis et nulstillingssignal i form af én puls pr. fuld omdrejning som muliggør en korrekt vinkelforskydning der svarer til 15 generatorrotorens præcise vinkelposition.

Den beregnede vinkelposition AP anvendes derefter som input til en forudbestemt styrealgoritme CA som indbefatter en fejlhåndteringsenhed EHU. Fejlhåndteringsenheden EHU sammenligner den beregnede vinkelposition AP med en estimeret 20 vinkelposition EAP, som den har modtaget fra en estimeringsenhed EST, og som indbefatter en algoritme der er indrettet til forudsige den næste sampleværdi, dvs. den næste forventede vinkelposition, idet der fortrinsvis tages højde for flere tidligere input-samples, hvilket således resulterer i en pålidelig estimeret vinkelposition.

25

Fejlhåndteringsenheden EHU bestemmer ud fra denne sammenligning om det er den beregnede position AP eller den estimerede vinkelposition EAP som kan betragtes som den mest pålidelige, og den mest pålidelige af de to udsendes som input El til estimeringsenheden EST. Denne sammenligning foretages fortrinsvis 30 sample for sample, og valget kan baseres på beregning af en simpel forskel mellem AP- og EAP-værdierne. Hvis denne forskel overstiger en bestemt forudbestemt værdi eller procentdel, besluttes det at tilvejebringe den estimerede vinkelposition EAP som input El til estimeringsenheden EST, eftersom det kan antages at en stor afvigelse er forårsaget af et fejlagtigt positionssignal PS. Denne 35 fremgangsmåde sikrer at det kun er de mest pålidelige værdier som sendes til DK 176958 B1 10 estimeringsenheden EST, hvorved kvaliteten af den estimerede vinkelposition EAP øges. I den illustrerede udførelsesform genereres output fra den forudbestemte styrealgoritme CA og derved det endelige output fra processoren DSP, nemlig den behandlede vinkelposition PAP, også af estimeringsenheden EST, hvilket vil blive 5 forklaret mere detaljeret i forbindelse med den i fig. 4 illustrerede udførelsesform.

Fig. 3 illustrerer en anden udførelsesform af en processor DSP. Den adskiller sig kun fra udførelsesformen i fig. 2 for så vidt angår fejlhåndteringsenheden EHU og estimeringsenheden EST. I fig. 3 bestemmer fejlhåndteringsenheden EHU ikke 10 alene om det er AP eller EAP der skal anvendes som input El til estimeringsenheden EST, som forklaret ovenfor. Fejlhåndteringsenheden EHU udsender også den behandlede vinkelposition PAP, nemlig den af AP og EAP der betragtes som det mest pålidelige. I tilfælde af at fejlhåndteringsenheden EHU beslutter at AP må være fejlagtig, så udsendes EAP som den behandlede vinkelposition PAP, mens AP, 15 i tilfælde af at der ikke detekteres nogen fejl, udsendes som den behandlede vinkelposition PAP.

Fig. 4 illustrerer endnu en anden udførelsesform afen processor DSP. Sammenlignet med udførelsesformen i fig. 2 er en forfiltrerings- eller korrektionsenhed 20 CORR indbefattet før vinkelberegningsenheden ACU. Denne korrektionsenhed CORR genererer et korrigeret CPS som respons på positionssignalet. Korrektionsenheden CORR kan analysere positionssignalet PS for så vidt angår detektering af forskellige typer fejl som sandsynligvis forekommer midlertidigt, dvs. i en enkelt sample eller i et par efterfølgende samples, og for således at være i stand til at 25 detektere en fejl, skal en række efterfølgende samples tages med i betragtningen.

I tilfælde af at der observeres en fejl i et længere tidsrum, er korrektionsenheden CORR fortrinsvis indrettet til at generere et fejlsignal som kan anvendes til at tilkalde servicepersonale og/eller lukke generatorsystemet ned på en kontrolleret måde. Midlertidige fejl detekteres og korrigeres dog kun således at normal drift 30 kan opretholdes. Eksempler på fejl som kan detekteres, vil blive beskrevet senere under henvisning til fig. 5. 1 fig. 4 svarer fejlhåndteringsenheden EHU's rolle til det som er forklaret i fig. 2; i denne udførelsesform kan fejlhåndteringsenheden EHU imidlertid generere et fejl-35 signal ERRS hvis der detekteres en fejl i vinkelpositions(AP)-signalet. Dette fejl- DK 176958 B1 π signal ERRS kan anvendes til at lukke generatorsystemet ned på en kontrolleret måde, mens fejlhåndteringsenheden EHU vælger permanent at tilvejebringe EAP som input El til estimeringsenheden EST, hvilket således tjener til at tilvejebringe en behandlet vinkelposition PAP med en acceptabel kvalitet tilstrækkelig længe til 5 at sikre korrekt drift under et kontrolleret driftsstop.

Sammenlignet med fig. 2 har fejlhåndteringsenheden EHU ifølge fig. 4 endvidere to ekstra input, nemlig: 1) et ekstra positionssignal EPS fra en anden positionsindkoderindretning som er tilkoblet for at registrere generatorrotorens vinkelposi-10 tion, og 2) et elektrisk input fra generatoren GI der anvendes som input til en beregningsenhed uden sensor SCU for at beregne endnu en vinkelposition AP2 udelukkende på basis af det elektriske input GI fra generatoren, dvs. uden at nogen mekanisk positionssensor involveres. Dette er kendt inden for teknikken.

15 Disse redundante vinkelpositionsdata AP2, EPS kan anvendes af fejlhåndteringsenheden EHU til at støtte vinkelpositionen AP baseret på den primære positionsindkoder, i tilfælde af at denne primære positionsindkoder fejler, fx i tilfælde af at den bryder sammen. Dette bidrager til at tillade normal drift indtil den primære positionsindkoder er blevet udskiftet. I et sådant tilfælde vil fejlhåndteringsenhe-20 den generere et fejlsignal ERRS, men driften kan på sikker vis opretholdes, og generatorsystemet kan således opretholde strømgenerering indtil den primære positionsindkoder er blevet udskiftet. For at reducere krav til beregningskraft i processoren DSP, kan det foretrækkes at beregningsenheden uden sensor SCU kun er aktiv i tilfælde af at der detekteres en fejl i vinkelpositionen AP på basis af 25 den primære positionsindkoder. Det samme gør sig gældende for de ekstra beregninger der er nødvendige for at positionssignalet EPS fra den ekstra positionsindkoder kan tages med i betragtning. 1 fig. 4 indbefatter estimeringsenheden EST en faselåst sløjfe PLL der modtager 30 inputtet El og endvidere genererer den behandlede vinkelposition PAP som respons på rækken af input El, hvorved der tilvejebringes en filtreret behandlet vinkelposition PAP der er væsentligt mere pålidelig end den direkte beregnede vinkelposition AP. Det er klart at udformningen af PLL indbefatter en række variabler, fx dens båndbredde, og disse variabler kan være udvalgt af fagmanden 35 således at de passer til de specifikke egenskaber ved generatoren, positions- DK 176958 B1 12 indkoderen osv. Valget af disse variabler afhænger endvidere af anvendelsen af output-vinkelpositionen. Processoren DSP kan således indbefatte to eller flere PLL'er der fungerer ved at udsende respektive estimerede eller behandlede vinkelpositioner PAP som passer til de respektive forskellige formål, fx kan en 5 sådan flerhed af PLL'er have forskellige båndbredder.

Fig. 5 illustrerer nogle typiske fejl for en specifik positionsindkodertype i dets positionssignal, hvilke fejl kan detekteres og korrigeres efter detektering i korrektionsenheden CORR, som beskrevet i relation til udførelsesformen ifølge fig. 4. Fig. 5 10 illustrerer tællingen af pulser i positionssignalet PS for hver af de 4096 modtagne pulser pr. fuld 360°-omdrejning af rotorakslen. Positionsindkoderen forventes endvidere at tilvejebringe én nulstillingspuls for hver omdrejning af rotorakslen.

Én type fejl er falske toppe (eller spidser) El i positionssignalet PS, fx i én samples forløb som kan skyldes "hængende" bits i et foregående digitalt 15 kredsløb, eller kan skyldes elektrisk støj osv. Korrektionsenheden CORR

detekterer fortrinsvis sådanne toppe El ved at sammenligne sampleværdien med foregående sampleværdier, og hvis den nuværende sampleværdi overstiger en forudbestemt ændring, så detekteres den nuværende sampleværdi som en top El, og værdien kan ignoreres eller korrigeres, dvs. den sampleværdi der detekteres 20 som en top, kan korrigeres til en værdi der forventes baseret på de foregående værdier.

En anden type fejl er værdiforskydning E2 som er en række efterfølgende samples med en forhøjet (eller mindsket) værdi sammenlignet med det som kunne 25 forventes, såsom samples der er påvirket af én eller flere "hængende" bits i et foregående digitalt kredsløb, fx i et digitalt output-kredsløb i positionsindkoderen.

En stor forskydning kan let detekteres og korrigeres af korrektionsenheden CORR, men i tilfælde afen lille forskydning kan korrektionsenheden CORR måske ikke detektere den. I et sådant tilfælde undertrykkes påvirkningen af forskydningen E2 30 imidlertid i det mindste af sløjfen der indbefatter estimeringsenheden EST.

En acceleration der overstiger den acceleration som er mulig for den specifikke generator E3, kan detekteres ved, fx over en række samples, at beregne en vinkelaccelerationsværdi og sammenligne dette beregningsresultat med en på 35 forhånd lagret værdi der svarer til den maksimale vinkelacceleration som kan DK 176958 B1 13 forekomme for rotoren i den specifikke generator. Hvis den beregnede vinkelacceleration overstiger denne værdi, må det skyldes en fejl i positionssignalet. En sådan acceleration der overstiger den maksimalt mulige vinkelacceleration af rotoren E3, kan fx korrigeres af korrektionsværdier i en 5 række samples til rotorens maksimalt mulige vinkelacceleration. Dette er måske stadig ikke en komplet korrektion, men det vil i det mindste være tættere på den sande værdi, eftersom en fysisk begrænsning tages med i betragtningen. En tilbageværende fejl vil derefter reduceres af sløjfen der indbefatter estimeringsenheden EST.

10

Fejl E4 angiver et nulstillingssignal som modtages før forventet. Dette kan detek-teres hvis tælleren fx kun har nået 3000 ud af de forventede 4096, hvorfor nulstillingssignalet må være et falsk signal og således skal ignoreres, eftersom det kan besluttes at nulstillingssignaler kun accepteres inden for +/- én sample på basis af 15 det forventede maksimale antal af pulser.

Fejl E5 er det modsatte af fejl E4, nemlig et manglende nulstillingssignal eller et nulstillingssignal der modtages for sent, dvs. efter det forventede maksimale antal af pulser (fx 4096 som vist) er blevet modtaget. Denne fejl kan udbedres, efter-20 som tælleren senest nulstilles én sample efter det forventede maksimale antal af pulser er blevet detekteret, i tilfælde af at nulstillingssignalet ikke modtages. Hvis nulstillingssignalet slet ikke modtages efter flere af sådanne korrektioner, kan korrektionsenheden generere et fejlsignal der angiver at positionsindkoderen er beskadiget, eftersom der enten modtages for mange pulser ved en fejl, eller 25 nulstillingssignalet fejlagtigt ikke modtages.

Ved udvælgelse af korrekte algoritmer kan disse fejl El, E2, E3, E4, E5 detekteres og også allerede korrigeres i forfiltrerings- eller i korrektionsenheden CORR. Hvis en fejl ikke detekteres eller ikke detekteres korrekt i korrektionsenheden CORR, 30 vil det resultere i en afvigende vinkelposition AP som højst sandsynligt vil blive detekteret som en fejl i fejlhåndteringsenheden EHU og/eller i det mindste blive filtreret i estimeringsenheden EST, således at den behandlede vinkelposition PAP ikke lider alvorligt på grund af en enkelt eller et par fejlagtige samples.

DK 176958 B1 14

Fejl E6 illustrerer en fejlagtig filtrering af den sande vinkelrotorposition som kan skyldes at positionsindkoderen er monteret på rotorakslen en smule excentrisk og således udsender et positionssignal der ikke afspejler den sande rotorposition præcist. Den fejlagtige filtrering E6 kan også skyldes en svingning eller vibration 5 mellem en roterende del i positionsindkoderen og positionsindkoderens hus, hvilket vil resultere i et positionssignal som ikke følger den sande rotorposition præcist, men positionssignalet vil være moduleret af en sådan svingning/vibration.

Det er måske ikke muligt at detektere eller korrigere en sådan filtreringsfejl E6 i CORR, men en sådan fejl E6 vil blive elimineret eller i det mindste undertrykt i 10 sløjfen der indbefatter estimeringsenheden EST, og fejl E6 vil således ikke påvirke den behandlede vinkelposition PAP signifikant.

Fig. 6 illustrerer et generatorsystem som er forbundet med et elektrisk forsyningsnet EG, fx et vindmøllegeneratorsystem. En positionsindkoder ENC er 15 forbundet med generatoren GEN, fx en "doubly fed" asynkrongenerator, for at registrere en vinkelposition for dens rotor. Positionsindkoderen ENC genererer tre signaler som respons derpå: et første pulssignal A én gang for hver vinkelopløsning, et andet pulssignal B der svarer til det første pulssignal B men forskudt i tid, og et nulstillingssignal Z i form af én puls pr. fuld 360°-omdrejning.

20 Disse signaler A, B, Z modtages af processoren DSP der genererer en behandlet vinkelposition PAP som respons derpå, som beskrevet ovenfor. Processoren DSP er endvidere indrettet til at generere et fejlsignal ERRS i tilfælde af at der detekteres en fejl i positionsindkoderen ENC, som ligeledes beskrevet ovenfor. Et styresystem CS håndterer tilpasning af den elektriske strøm fra generatoren GEN 25 til det elektriske forsyningsnet EG. For at gøre dette, modtager styresystemet CS den behandlede vinkelposition PAP, og styresystemet er indrettet til at modtage fejlsignalet ERRS for at være i stand til at initiere et kontrolleret driftsstop som respons derpå. I tilfælde af en vindmølle er det muligt at udføre et kontrolleret driftsstop på mindre end ét sekund.

30

Den præcise fejlhåndteringsstrategi som skal følges, afhænger af en række faktorer i den specifikke opstilling; med den behandlede vinkelposition PAP, som beskrevet overfor, vil et generatorsystem imidlertid have forbedrede muligheder for at opretholde normal drift. I det mindste vil generatorsystemet have tilstræk DK 176958 B1 15 kelig tid til at udføre et kontrolleret driftsstop i tilfælde af at positionsindkoderen ENC svigter.

For at opsummere tilvejebringes et elektrisk strømgeneratorsystem med forbedret 5 effektivitet i strømproduktionen på grund af en reduceret sensitivitet over for fejl i forbindelse med registrering af vinkelrotorposition. Systemet indbefatter en strømgenerator med en rotor og en positionsindkoder der er forbundet for at registrere rotorens vinkelposition og for derudfra at generere et positionssignal.

En processor modtager positionssignalet, beregner som respons derpå en vinkel-10 position, beregner en estimeret vinkelposition på basis af tidligere modtagne positionssignaler og genererer til slut en vinkelposition på basis af den beregnede vinkelposition og den estimerede vinkelposition. Denne behandlede vinkelposition er et mere pålideligt mål for rotorpositionen eftersom det er baseret på tidligere positionsinput, fortrinsvis flere tidligere input. Dette tilvejebringer en høj immuni-15 tet over for kortvarige fejl i positionssignalet, og for fx vindmøller betyder det at normal drift kan opretholdes i situationer hvor positionsindkoderen midlertidigt svigter, og i tilfælde med komplet svigt kan driften opretholdes tilstrækkeligt længe til at undgå nøddriftsstop. I foretrukne udførelsesformer er processoren indrettet til at forfiltrere positionssignalet, dvs. detektering og korrektion forud for 20 beregning af vinkelpositionen. Det indbefatter fortrinsvis også en fejlhåndtering baseret på sammenligning af den estimerede vinkelposition og den beregnede vinkelposition og bestemmer derved et input til en estimeringsenhed der er baseret på en faselåst sløjfe, hvilken estimeringsenhed også anvendes til at tilvejebringe den behandlede vinkelposition.

25

Selv om den foreliggende opfindelse er blevet beskrevet i forbindelse med de specificerede udførelsesformer, skal den ikke fortolkes som på nogen måde at være begrænset til de givne eksempler. Omfanget af den foreliggende opfindelse skal fortolkes i lyset af det vedhæftede kravsæt. Inden for kravenes kontekst 30 udelukker udtrykkene "indbefattende" eller "indbefatter" ikke andre mulige elementer eller trin. Nævnte henvisninger, såsom "en" eller "et" osv., skal ikke fortolkes som om en flertalsform udelukkes. Anvendelsen af henvisningstegn i kravene i forhold til elementer der er angivet i figurerne, skal heller ikke fortolkes som værende begrænsende for opfindelsens omfang. Individuelle kendetegn som 35 er nævnt i forskellige krav, kan endvidere muligvis med fordel kombineres, og at DK 176958 B1 16 disse kendetegn er nævnt i forskellige krav, udelukker ikke at en kombination af kendetegn ikke er mulig og fordelagtig.

Claims

1. Elektrisk strømgeneratorsystem, hvilket system indbefatter 5. en strømgenerator (GEN) der indbefatter en rotor som er forbundet med en aksel, - en positionsindkoder (ENC) der er indrettet til at registrere en vinkelposition for rotoren via mekanisk kobling til akslen og til at generere 10 et positionssignal (PS) der er repræsentativt for rotorens vinkelposition, og - en processor (DSP) der er indrettet til - at modtage positionssignalet fra positionsindkoderen, 15 - at tilvejebringe en beregnet vinkelposition (AP) for rotoren som respons på positionssignalet (PS), kendetegnet ved at processoren (DSP) yderligere er indrettet til 20 - at tilvejebringe en estimeret vinkelposition (EAP) for rotoren på basis af tidligere modtagne positionssignaler, og - at beregne en behandlet vinkelposition (PAP) ud fra den beregnede 25 vinkelposition (AP) og den estimerede vinkelposition (EAP) på basis af mindst én forudbestemt styrealgoritme.

2. System ifølge krav 1, hvor processoren (DSP) indbefatter en korrektionsenhed (CORR) der er indrettet til at detektere og korrigere forudbestemte fejltyper i 30 positionssignalet (PS) forud for beregning af vinkelpositionen (AP).

3. System ifølge krav 2, hvor processoren (DSP) er indrettet til at korrigere positionssignalet (PS) der er baseret på en på forhånd lagret egenskab ved positionsindkoderen (ENC), såsom dens vinkelopløsning. 35 DK 176958 B1 2

4. System ifølge krav 2 eller 3, hvor processoren (DSP) er indrettet til at korrigere positionssignalet (PS) baseret på en pi forhånd lagret egenskab ved strømgeneratoren (GEN), såsom dens maksimalt mulige vinkelacceleration.

5. System ifølge et hvilket som helst af kravene 2 til 4, hvor korrektionen af fejl i positionssignalet (PS) mindst indbefatter ét af følgende træk: fjernelse af en top (El), fjernelse af værdiforskydning (E2), begrænsning af vinkelacceleration der overstiger en forudbestemt værdi (E3) og kompensation for uventede antal pulser pr, omdrejning (E4. E5). 10

6. System ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvor processoren (DSP) indbefatter en estimeringsenhed (EST) der indbefatter en faselåst sløjfe (PLL), hvor estimeringsenheden (EST) genererer den estimerede vinkelposition (EAP) på basis af tidligere vinkelpositionsinput (El). 15

7. System ifølge krav 6, hvor processoren (DSP) er indrettet til at vælge at anvende vinkelpositionen (AP) eller den estimerede vinkelposition (EAP) som input for estimeringsenheden (EST).

8. System ifølge krav 6 eller 7, hvor den behandlede vinkelposition (PAP) er et output fra den faselåste sløjfe (PLL).

9. System ifølge krav 8, hvor den estimerede vinkelposition (EAP) beregnes ud fra den behandlede vinkelposition (PAP) ved hjælp af en ekstrapolationsalgoritme 25 (EX), såsom ved at antage en konstant vinkelhastighed for rotoren.

10. System ifølge et hvilket som helst af de foregående krav 6 til 9, hvor processoren (DSP) indbefatter en fejlhåndteringsenhed (EHU) der er indrettet til at detektere en fejl på basis af sammenligning af vinkelpositionen (AP) og den 30 estimerede vinkelposition (EAP), og hvor fejlhåndteringsenheden (EHU) vælger at anvende den estimerede vinkelposition (EAP) som input (El) til estimeringsenheden (EST) i tilfælde af at der detekteres en fejl. 3 P DK 176958 B1

11. System ifølge krav 10, hvor fejlhåndteringsenheden (EHU) er indrettet til at detektere en fejl i tilfælde af at en forskel mellem vinkelpositionen (AP) og den estimerede vinkelposition (EAP) overstiger en forudbestemt værdi.

12. System ifølge krav 10 eller 11, hvor fejlhåndterlngsenheden (EHU) er indrettet til at vælge at sende den estimerede vinkelposition (EAP) som den behandlede vinkelposition (PAP)i tilfælde af at der detekteres en fejl.

13. System ifølge et hvilket som helst af kravene 10 til 12, hvor fejlhindterings-10 enheden (EHU) er indrettet til at generere et fejlsignal (ERRS) som indikerer at der er en fejl i positionsindkoderen (ENC).

14. System ifølge krav 13, hvor fejlhåndteringsenheden (EHU) er indrettet til at generere fejlsignalet (ERRS) efter detektering af et forudbestemt antal fejl i et 15 forudbestemt tidsrum,

15. System ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvor positions-signalet (PS) som genereres af positionsindkoderen (ENC), er et digitalt tretrådet positionssignal (A, B, Z).

16. System ifølge krav 15, hvor positionssignalet (PS) samples ved en samplingfrekvens på mindst 2 kHz, såsom ved en sampling-frekvens på 5 kHz.

17. System ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvor strømgenera-25 toren (GEN) er en "doubly fed" asynkrongenerator.

18. System ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvilket system yderligere indbefatter et styresystem (CS) der er indrettet til at modtage den behandlede vinkelposition (PAP) og til følgelig at styre mindst ét af følgende: 30 elektrisk kobling af strømgeneratoren (GEN) til et elektrisk forsyningsnet (EG) og et vibrationsniveau for strømgeneratoren (GEN).

19. System ifølge krav 18, hvor processoren (DSP) er indrettet til at detektere en fejl i positionsindkoderen (ENC) og til følgelig at generere et fejlsignal (ERRS), og 4 P DK 176958 B1 hvor styresystemet (CS) er indrettet til at initiere en styret frakoblingsprocedure fra det elektriske forsyningsnet (EG) som respons på fejlsignalet (ERRS).

20. Vindmølle der indbefatter et strømgeneratorsystem ifølge et hvilket som helst 5 af kravene 1 til 19.

21. Vindmølle ifølge krav 20, hvilken vindmølle er indrettet til at levere elektrisk strøm til et elektrisk forsyningsnet (EG), og hvor den behandlede vinkelposition (PAP) tjener til at eliminere nøddriftsstop på grund af fejl i positionsindkoderen 10 (ENC).