CN109755958A - 转换器的谐波控制 - Google Patents

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Abstract

描述了用于确定操作参数参照（262）以控制耦合到特别地风力涡轮机（100）的发电机（211）的发电机侧转换器（221）部分的装置（229），所述装置包括：算术元件（251），配置成通过从基波电流参照（249）和至少一个谐波电流参照（243）的总和中减除特别地未经滤波的发电机输出电流（253）而导出基波电流误差（252）；基波电流控制器（254），适配成基于基波电流误差（252）来确定基波操作参数参照（255）；至少一个其它的算术元件（256），配置成通过从至少一个谐波电流参照（243）中减除特别地根据谐波带通滤波（253’）的发电机输出电流而导出至少一个谐波电流误差（257）；至少一个谐波电流控制器（259），配置成基于谐波电流误差（257）来确定至少一个谐波操作参数参照（260）；又一算术元件（261），配置成将操作参数参照（262）确定为基波操作参数参照（255）和至少一个谐波操作参数参照（260）的总和。

Description

转换器的谐波控制
技术领域
本发明涉及用于确定操作参数参照以控制耦合到特别地风力涡轮机的发电机的发电机侧转换器部分的装置和方法。另外，本发明涉及包括该装置的电能系统，并且进一步涉及包括电能系统的风力涡轮机。
背景技术
特别地，在永磁发电机中，可能要求谐波控制（harmonic control）以便控制噪声和振动以及增加系统效率。谐波控制可以特别地应用于不具有驱动系（drive train）中的齿轮箱的直接驱动发电机。常规地，可以在矢量控制的驱动中利用基波电流控制器和谐波电流控制器。常规地，已经观察到存在高控制工作、差的动态性能、不稳定和不准确的速度/位置估计。
常规地，已经将数字滤波器添加到电流反馈，基波电流控制的带宽已经减小，并且已经将数字滤波器添加到被用作速度观察器的输入的电压参照。由此，谐波电流控制器的控制工作可以减少，谐波电流控制器动态性能可以改进，并且速度/位置估计可以关于准确性而改进。然而，同时地观察到一些主要缺点：（1）滤波器的引入可以趋向逐步削弱系统稳定性，由此减小稳定裕度（margin）；（2）基波电流控制器带宽的减小可以降低其动态性能并且可能负面地影响外部控制回路。
因此，可存在针对用于确定操作参数参照以控制耦合到发电机的发电机侧转换器部分的装置和方法的需要，其中解决了以上提到的问题中的至少一些，其中特别地，实现了具有充足的系统稳定性的简单解决方案。
发明内容
此需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求来描述。
本发明的实施例可以特别地应用于矢量控制的驱动中的谐波控制，也就是说，在例如风力涡轮机应用中使用的永磁同步发电机的控制。
根据本发明的实施例，提供了一种用于确定操作参数参照以控制耦合到特别地风力涡轮机的发电机的发电机侧转换器部分的装置，该装置包括：算术元件，配置成通过从基波电流参照和至少一个谐波电流参照的总和中减除特别地未经滤波的发电机输出电流而导出基波电流误差；基波电流控制器，适配成基于基波电流误差来确定基波操作参数参照；另一算术元件，配置成通过从至少一个谐波电流参照中减除特别地根据谐波带通滤波的发电机输出电流而导出至少一个谐波电流误差；至少一个谐波电流控制器，配置成基于谐波电流误差来确定至少一个谐波操作参数参照；又一算术元件，配置成将操作参数参照确定为基波操作参数参照和至少一个谐波操作参数参照的总和。
装置可以是风力涡轮机控制器的一部分，诸如，在软件和/或硬件中实现。操作参数参照可以是发电机的操作参数的参照值。操作参数可以至少部分地限定发电机的操作，例如，关于其电输出、其机械或电旋转速度、所生成的扭矩（torque）等。特别地，操作参数参照可以是电压参照，可以将所述电压参照供应到（例如，AC-DC-AC转换器的）发电机侧转换器部分以用于实际地控制发电机侧转换器部分，特别地，在已经根据操作参数参照确定适合于供应到转换器部分中的可控开关的闸门（gate）的脉冲宽度调制信号之后。
可以已经使用其它操作参数估计或者可以已经测量发电机输出电流。基波电流参照以及还有至少一个谐波电流参照可以以多个方式来确定或限定。基波电流参照和谐波电流参照可以例如仅仅是常量，或者可以通过对查找表进行查找等来导出。在其它实施例中，基波电流参照和/或谐波电流参照可以取决于操作参数参照本身，可以取决于发电机输出电流，并且还可以取决于发电机侧转换器部分与电网侧转换器部分之间的DC链路的DC电压。转换器可以例如是或者包括AC-DC-AC转换器，所述AC-DC-AC转换器可以配置成将由发电机提供的可变频率输出功率转换到DC链路处的基本上DC功率，以及从DC功率转换到固定频率的AC输出功率，例如具有50Hz或60Hz的频率。
装置可以配置成通过确定适当的操作参数参照来（特别地同时地）控制操作参数的基波频率的至少一个或两个或三个或四个或甚至更多的谐波。在控制多于一个谐波的情况下，关于要控制的所有不同谐波，例如，第二、第四、第六、第八和/或第十二谐波，通过基波电流参照和所有谐波电流参照而形成总和。对于要控制的谐波中的每个，对应的谐波电流控制器可以包括在该装置中，其配置成处置发电机的基波电频率的特定谐波，诸如例如第二、第四、第六、第八或第十二谐波。
与根据现有技术的系统不同，基波电流控制器接收基波电流参照和（要控制的）所有谐波电流参照的总和，其通过发电机输出电流（特别地，未经滤波的发电机输出电流）而减小。常规地，发电机输出电流可以已经被滤波以减少更高的谐波。另外，常规地，基波电流控制器可以已经作为输入来接收经滤波的发电机输出电流与基波电流参照之间的差异，而没有还（针对要控制的谐波中的每个）减除相关联的谐波电流参照。由此，避免了发电机输出电流的滤波，因而简化了装置并且还可能地改进了稳定性。
特别地，本发明的实施例可以能够改进控制系统的性能，而没有如在常规系统中观察到的以上提及的常见方法的缺点。根据本发明的实施例，对用于基波电流控制器的电流参照进行修改，其还可以包括谐波电流参照。当谐波频率落在基波电流控制器的带宽中时，这个简单的修改可以在稳定状态的性能之下完全地消除或者至少部分地消除如通过基波电流控制器所观察的强干扰拒绝，并且还可以在瞬变期间将它最小化。因此，在稳定状态操作之下，基波电流控制器的输入处的调控误差（即，基波电流误差）可以没有谐波以及其输出缺少针对附加数字滤波器的需要，因而保护控制系统的稳定性。根据本发明的实施例，基波电流控制器以及还有（多个）谐波电流控制器两者可以朝向相同的目标做贡献，而不是彼此相对。换言之，（多个）谐波电流控制器可能不需要进行额外的工作来抵抗基波电流控制器的动作。
在从相应的谐波电流参照中减除之前，可以对发电机输出电流进行带通滤波（使考虑之下的谐波通过）。
一般地，基波电流控制器和谐波电流控制器可以包括PI控制器，所述PI控制器可以配置成使得它们产生输出信号，所述输出信号在作为操作参数参照供应到转换器部分时导致误差（即，分别地基波电流误差和谐波电流误差）的减小。由此，控制可以特别地在基波电流控制器内的基波dq系（dq-frame）中应用，并且可以在相应的谐波电流控制器中的相应谐波dq系中应用。本发明的实施例支持转换器发电机部分的相应控制，以便消除（多个）不合期望的谐波中的一个或多个，或者还可以使得能够实现发电机的输出处的特定谐波的特定水平，所述水平可以不是零。由此，可以提供可以以简单的方式实现的有效控制以及可靠的稳定操作。
根据本发明的实施例，操作参数参照是用于控制发电机侧转换器部分的电压参照或功率参照或旋转速度参照或扭矩参照。由此，可以应用电压控制、功率控制、速度控制或扭矩控制。因而，可以通过该装置支持常规控制方法。
根据本发明的实施例，谐波电流参照包括对应于发电机的基波电频率的N倍的振荡，其中以自然数的N等于或者大于2，特别地，是2或4或6或8或12，其中谐波电流参照特别地不同于零。
发电机的基波电频率可以基于发电机的旋转速度并且在考虑到永久磁体的数目和/或极（pole）的数目来导出。通过针对要控制的每一个谐波而提供相应的谐波电流控制器，可以由该装置控制若干个不同的谐波。谐波电流控制器中的每个可以作为输入而接收相应的谐波电流参照与发电机输出电流的经滤波的版本（例如，用于相应谐波的带通）之间的差异。所有输出（即用于不同谐波的谐波操作参数参照）可以稍后求和并且添加到基波操作参数参照以获得操作参数参照。因而，可以提供灵活的控制。
根据本发明的实施例，在以发电机的基波电频率旋转的基波dq系中给出基波电流参照和谐波电流参照。基波dq系以发电机的基波频率旋转。因而，基波电流参照可以基本上是DC量。由此，对该量的处理可以以简单的方式执行。
根据本发明的实施例，基波电流控制器包括两个PI控制器，以针对基波dq系中的基波电流误差的d分量和q分量中的每一个使用两个PI控制器中的一个PI控制器来确定基波操作参数参照。
替换地，基波电流控制器可以包括四个PI控制器，两个用于如已经提及的正序列系（以基波频率在正向方向上旋转），并且其它两个用于负序列系（以基波频率在后向方向上旋转）。
（多个）PI控制器可以每个包括比例分支和积分分支，每一个作为输入而接收相应的电流误差。两个分支的输出分别加在一起以用于基波dq系中的d分量和q分量中的每一个。由此，可以在根据本发明的实施例中利用常规上可用的控制器。
根据本发明的实施例，谐波电流控制器包括：变换模块，配置成将基波dq系中的谐波电流误差变换到谐波dq系中（例如，在两个分离的正和负方向上），谐波dq系以基波频率的相应倍数而旋转；两个PI控制器，配置成作为输入而接收谐波dq系中的谐波电流误差的分量；后向变换模块，配置成将PI控制器的输出后向变换到基波dq系中，以便确定谐波操作参数参照。
谐波dq系以对应于要控制的谐波的基波频率的相应倍数而旋转。在将谐波电流误差变换到谐波dq系之后，对应的误差可以基本上是DC值。由此，可以简化计算和控制。
根据本发明的实施例，装置还包括电速度估计器，被配置和连接成基于发电机输出电流并且特别地进一步基于未滤波的基波操作参数参照来估计发电机的电旋转速度和/或电角度。
速度估计器可以基于例如发电机的参照电压和所测量的电流输出来估计旋转速度或者电频率和旋转位置。因而，对机械速度/频率的测量可以不是必要的，由此简化方法。
根据本发明的实施例，在稳定状态操作期间，供应到速度估计器的基波电压参照不包括任何谐波。因而，与常规方法不同，对基波操作参数参照的滤波可以不是必要的。由此，系统的稳定性可以改进，并且系统可以简化。
根据本发明的实施例，基波电流控制器和/或谐波电流控制器作为输入而接收由电速度估计器估计的电角度和/或电旋转速度（或频率）。可以要求电旋转速度和电角度以用于执行控制，并且特别地执行到谐波dq系中的变换。
根据本发明的实施例，装置还包括至少一个谐波电流参照计算模块，配置成基于至少一个电流参照输入来计算谐波电流参照；和/或基波电流参照计算模块，配置成基于电流参照输入中的至少一个来计算基波电流参照，其中电流参照输入包括：操作参数参照，特别地电压参照，和/或发电机输出电流，和/或DC链路电压，和/或发电机的电频率，和/或发电机的电角度，和/或扭矩，和/或加速度，和/或声压。
参照计算模块是可选的并且可以在其它实施例中缺失。电流参照可以简单地是供应到装置的常量。取决于要控制哪个量（例如电压、功率、扭矩），可以不同地，特别地关于配置来配置相应的电流参照计算模块，诸如查找表等。对于要控制的每一个谐波，可以提供相应的谐波电流参照计算模块。
根据本发明的实施例，装置还包括dq-abc变换模块，配置成将在基波dq系中给出的操作参数参照变换到定子系（stator frame）中；调制器，配置成基于在定子系中给出的操作参数参照而导出脉冲宽度调制信号，并且被连接以将宽度调制信号供应到包括在发电机侧转换器部分中的可控开关的闸门。由此，支持常规脉冲宽度调制控制方法。
根据本发明的实施例，装置还包括abc-dq变换模块，配置成将定子系中的发电机输出电流变换到基波dq系中。由此，在将差异供应到相应的谐波电流控制器和基波电流控制器之前，发电机的输出电流可以方便地从电流参照中减除。
根据本发明的实施例，提供了一种电能系统，包括：发电机；转换器，包括耦合到发电机的发电机侧转换器部分；以及根据之前的实施例中的一个的装置。
转换器可以进一步包括电网侧转换器部分，所述电网侧转换器部分可以连接到公用电网，从电能系统向所述公用电网输出电能。
此外，提供了包括电能系统的风力涡轮机，所述风力涡轮机可以包括风力涡轮塔、提供在风力涡轮塔顶部的机舱（nacelle），其中发电机和转换器以及还有装置可以布置在例如机舱内或者风力涡轮机的另一部件中。
应当理解到，根据本发明的实施例，针对用于确定操作参数参照以控制发电机侧转换器部分的装置所公开、解释、提供或应用的特征（单个地或者以任何组合）还可以单个地或者以任何组合应用到用于确定操作参数参照以控制发电机侧转换器部分的方法，并且反之亦然。
根据本发明的实施例，提供了一种用于确定操作参数参照以控制耦合到特别地风力涡轮机的发电机的发电机侧转换器部分的方法，所述方法包括：通过从基波电流参照和至少一个谐波电流参照的总和中减除发电机输出电流来导出基波电流误差；基于基波电流误差确定基波操作参数参照；通过从至少一个谐波电流参照中减除经滤波的发电机输出电流来导出至少一个谐波电流误差；基于所述至少一个谐波电流误差来确定至少一个谐波操作参数参照；作为基波操作参数参照和所述至少一个谐波操作参数参照的总和而确定操作参数参照。
此外，提供了一种用于控制耦合到发电机的发电机侧转换器部分的方法，包括：执行根据之前的实施例的用于确定操作参数参照的方法，以及基于操作参数参照来控制耦合到发电机的发电机侧转换器部分。
现在参照附图来描述本发明的实施例。本发明不被约束到所图示或描述的实施例。
根据要在下文描述的实施例的示例，本发明的以上限定的方面和另外的方面是显而易见的，并且参照实施例的示例进行解释。将参照实施例的示例在下文更加详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例的示例。
附图说明
图1示意性图示了根据本发明的实施例的风力涡轮机，包括根据本发明的实施例的装置；
图2示意性图示了根据本发明的实施例的装置的框图，如包括在根据本发明的实施例的电能系统中；
图3、4和5、6和7、8图示了对如在本发明的实施例中考虑的控制性能进行图示的曲线图。
具体实施方式
附图中的图示采用示意性形式。要指出，在不同图中，为类似或相同的元件提供相同的参考符号或者与对应的参考符号仅在第一数字内不同的参考符号。
在图1中示意性图示的风力涡轮机100包括在其处连接复数的（plural）转子叶片103的轮轴（hub）101。轮轴与机械地连接到（可选的）齿轮箱107的主轴105连接。同样机械地耦合到齿轮箱107的副轴109驱动发电机111，所述发电机111具有带有一个或多个绕组设置（winding set）的未图示的定子并且具有带有连接到副轴109的永久磁体的转子。在副轴109和转子随着包括在发电机111中的永久磁体旋转时，电能通过发电机111生成并且通过三相功率流113、115、117输出。由于包括转子叶片103的轮轴101的旋转的可变旋转速度，功率流是可变频率功率流。
因此，风力涡轮机100包括AC-DC-AC转换器119，所述AC-DC-AC转换器119包括发电机侧转换器部分121、DC链路123和电网侧转换器部分125。发电机侧转换器部分121特别地配置为AC-DC转换器，并且电网侧转换器部分125配置为DC-AC转换器部分。通过使用脉冲宽度调制信号对复数的可控开关的控制来实现部分121、125中的转换，所述脉冲宽度调制信号基于从风力涡轮机控制器129供应的操作参数参照127来导出，所述风力涡轮机控制器129可以包括根据本发明的实施例的用于确定操作参数参照以控制发电机侧转换器部分的装置，并且将在下面参照图2来更加详细地对其进行描述。
可变频率输出功率113、115、117通过发电机侧转换器部分121转换到DC链路123处的基本上DC输出功率，并且然后通过电网侧转换器部分125转换到固定频率输出功率129、131、133。将输出功率供应到（可选的）变压器135，所述变换器135在将输出功率供应到公用电网137之前将输出电压变换到更高的电压。风力涡轮机100包括根据本发明的实施例的电能系统140。
图2示意性图示了根据本发明的实施例的电能系统240，包括根据本发明的实施例的用于确定操作参数参照以控制耦合到发电机211的发电机侧转换器部分221的装置229。
由此，装置229包括至少一个谐波电流参照计算模块241，配置成基于至少一个电流参照输入245（例如电压参照v*dq、发电机输出电流idq和DC链路电压Vdc）来计算谐波电流参照243（i*dqh）。此外，装置229包括基波电流参照计算模块247，其被配置成基于电流参照输入245中的至少一个来计算基波电流参照249（i*dqf）。替换地，可以提供其它输入245。此外，电流参照计算模块241和247接收发电机的电频率和电位置，和/或可以可选地接收用于扭矩和/或加速度和/或声压的输入242。当旨在达到例如扭矩纹波（torqueripple）的闭环控制时，输入242可以是相关的。
装置229还包括算术元件251，其被配置成通过从基波电流参照249和至少一个谐波电流参照243的总和中减除未经滤波的发电机输出电流253（idq）来导出基波电流误差252。另外，装置包括基波电流控制器254，其适配成基于基波电流误差252来确定基波操作参数参照255（在此情况下，电压参照V*dqf）。
装置229还包括至少一个其它的算术元件256，配置成通过从至少一个谐波电流参照243中减除经带通滤波的发电机输出电流253’（使用带通滤波器258）来导出至少一个谐波电流误差257。
装置229还包括至少一个谐波电流控制器259，配置成基于谐波电流误差257来确定至少一个谐波操作参数参照260（在此情况下，谐波电压参照V*dqh）。
另外，又一算术元件261配置成作为基波操作参数参照255与至少一个谐波操作参数参照260的总和来确定操作参数参照262（这里V*dq）。
如果要由装置229控制多于一个谐波，则装置包括用于并联连接到模块241和259的不同谐波的另外的（多个）谐波电流参照计算模块和（多个）谐波电流控制器。另外，针对这些分支中的每一个，与相应的算术相加元件一起提供适于对特定谐波进行滤波的对应带通滤波器。又一些算术元件261然后将把所有谐波电流参照添加至基波参照255。
在所图示的实施例中，基波和谐波操作参数参照255、260涉及电压参照。在其它实施例中，功率参照、旋转速度参照或者扭矩参照可以在装置229内导出。
如可以从在图2中图示的方法方案或块方案中使用的下标得出的，电量频繁地在以发电机的基波电频率旋转的dq系的分量中给出。基波电流控制器254（以及谐波电流控制器259每个）包括用于d分量和q分量的两个PI控制器263c、263d（在其它实施例中，四个PI控制器）。
在实施例中，基波电流控制器和/或谐波电流控制器两者可以具有高达四个PI控制器，两个用于+dq（正序列）并且两个用于-dq（负序列）。
此外，谐波电流控制器包括变换模块264，所述变换模块264配置成将在基波dq系中给出的谐波电流误差257变换到谐波dq系中，并且将经变换的信号供应到用于d分量和q分量的两个（在其它实施例中为四个，两个用于dq+序列并且两个用于dq-序列）PI控制器263a、263b。
用于谐波电流控制器和基波电流控制器的PI控制器263a、263b、263c、263d分别可以具有相同的结构，但是其参数设置可以通常不同。
谐波电流控制器259进一步包括后向变换模块265，配置成将PI控制器263a、263b的输出后向变换到基波dq系中，以便确定谐波操作参数参照260。
装置229还包括电速度估计器266，配置并且连接成基于发电机输出电流iabc（253）并且进一步基于未经滤波的基波操作参数参照255（v*dqf）来估计发电机211的电旋转速度和/或电角度。而且，基波电流控制器254和谐波电流控制器259两者作为输入而接收电旋转速度和电角度，如由电速度估计器266所估计的。
装置229还包括dq-abc变换模块267，配置成将在基波dq系中给出的操作参数参照262变换到定子系中，即到量v*abc中。此外，提供调制器268以用于基于操作参数参照v*abc或者基于另一个系中的操作参数参照来导出脉冲宽度调制信号227，诸如在dq系中作为262（v*dq）。调制器268经连接以为包括在发电机侧转换器部分221中的可控开关的两个闸门供应脉冲宽度调制信号227。
装置229还包括abc-dq变换模块269，配置成将定子系中的发电机输出电流iabc变换到基波dq系中作为信号253（idq）。
电能系统240可以例如包括在风力涡轮机100中，如图1中图示为能量系统140。
装置229适配成执行根据本发明的实施例的用于确定操作参数参照以控制发电机侧转换器部分的方法。
根据本发明的实施例的方法和装置能够应用到单个和多个谐波电流控制器回路两者，即多个电流谐波阶次的控制。因此，谐波参照电流可以表述为I*dqh=I*dqh1+I*dqh2+…+I*dqhn，其中h1到hn代表感兴趣的谐波阶次（通常为第二、第四、第六、第八和第十二谐波）。因而，谐波电流控制器块可以包括出于清楚的缘故而没有在图2中明确示出的相应参照系中的多个控制回路。
如由基波电流参照计算模块247导出的基波电流参照通常可以借助于控制器或查找表来计算，一些示例可以是速度、功率、扭矩、通量、电压控制器和每安培最大扭矩方法。这样的控制器可以提供通常为稳定状态操作期间的DC信号的i*dqf。
谐波电流参照计算模块241可以旨在控制给定量中的谐波水平（扭矩、功率、电压、通量、声压、加速度），并且其输出可以是在给定频率下变化的正弦信号或者具有不同频率的正弦信号的组合（idqh）。它可以包括各种各样的控制器（PI、搜索算法等）和/或LUT，即查找表。
基波电流控制器254可以包括正同步参照系和解耦合前馈项（term）中的两个PI控制器。可选地，还可以包括一对负序列电流控制器，其实现细节出于简要的缘故而没有示出。
谐波控制器259可以借助于PI控制器和谐波参照系、比例谐振控制器或者任何其它适合的方法来实现。
abc系与同步dq系之间的变换（即，模块267）可以应用公知的逆Park变换，并且模块269可以应用Park变换。
电压调制器268可以使用abc系中的参照电压以用于生成脉冲宽度调制图案或信号。脉冲宽度调制信号然后可以用来控制发电机侧转换器221中的功率电子开关（诸如IGBT）。
速度观察器266通常可以是或者包括基于后向emf的观察器，允许估计转子位置和速度。
带通滤波器258可以针对要控制的或者感兴趣的具体谐波频率进行调谐。滤波器可以用来衰减/移除来自所测量的电流和基波参照电压的不合期望的的谐波，例如自适应陷波滤波器。
图3到8图示了如在本发明的实施例中导出和考虑的电量，其中横坐标370表示时间并且纵坐标371指示零点372周围的相应信号的强度。
由此，在没有将谐波电流参照添加到基波电流控制器的输入的情况下导出在图3、5和7中图示的信号，并且通过将谐波电流参照添加到基波电流控制器的输入而导出在图4、6和8中图示的信号。
图3中的迹线373图示了用于第六谐波Id的谐波电流参照计算模块的输出，而迹线374图示了用于第二谐波Id的谐波电流参照计算块的输出。与其相比而言，图4还图示了用于第六谐波（迹线375）和第二谐波（迹线376）的谐波电流参照计算的输出，特别地分量Id。
图5图示了迹线377（谐波电流控制器的输入处的调控误差的第六谐波）以及迹线378（谐波电流控制器的输入处的调控误差的第二谐波）。与其相比而言，图6在迹线379中图示了谐波电流控制器的输入处的调控误差的第六谐波，并且迹线380图示了示出强烈减少的谐波电流控制器的输入处的调控误差的第二谐波。
图7中的迹线381、382和385分别图示了参照电压v*dqf、v*dqh、v*dq，而没有将谐波电流参照添加到基波电流控制器的输入。与其相比而言，迹线386、388和390图示了在将谐波电流参照添加到基波电流控制器的输入时的相同量。
因而，图3到8示出了当旨在控制第二和第六谐波（Idq2和Idq6，h1=2和h2=6）时所提议的控制方法的优点。变得清楚的是，更好地控制了输入谐波电流控制器处的调控误差（更低的过冲和更短的设置时间），存在于两个v*dqf中的谐波的振幅以及谐波电流控制器输出的振幅（v*dqh）更低（较少污染的基波控制信号），从而减少谐波电流控制器的控制工作。因此，新的方法可以改进系统动态性能和速度估计的准确性。
此外，可以针对谐波电流控制器的输出设置较低的饱和水平，允许更有效的保护。仅取决于机器参数，这样的限制可以容易地针对新方法来预测。与常规方法相反，对于常规方法，饱和水平可以取决于控制器带宽、所使用的滤波器和处于控制之下的谐波阶次。
关于由谐波电流控制器控制的谐波阶次的阶次，要指出，谐波的频率/阶次越低，基波控制器的干扰拒绝趋于越强。换言之，最有可能的是，处于控制之下的谐波落在基波电流控制器带宽内。因此，对于低阶次谐波的控制而言，本发明的实施例可以更相关，诸如所呈现的模拟结果中的第二阶次谐波。
本发明的实施例提供了一种用于改进矢量控制的驱动中的谐波控制（特别地谐波电流控制）的控制方法。提供了简单的解决方案和有效的解决方案，要求对控制系统的较小改变，而不会影响总体性能和稳定性。控制方法适合于在频率转换器的控制器中实现。
应当指出，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当指出，权利要求中的参考符号不应当被解读为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.用于确定操作参数参照（262）以控制耦合到特别地风力涡轮机（100）的发电机（211）的发电机侧转换器（221）部分的装置（229），所述装置包括：
算术元件（251），配置成通过从基波电流参照（249）和至少一个谐波电流参照（243）的总和中减除特别地未经滤波的发电机输出电流（253）而导出基波电流误差（252）；
基波电流控制器（254），适配成基于基波电流误差（252）来确定基波操作参数参照（255）；
至少一个其它的算术元件（256），配置成通过从至少一个谐波电流参照（243）中减除特别地根据谐波带通滤波（253’）的发电机输出电流而导出至少一个谐波电流误差（257）；
至少一个谐波电流控制器（259），配置成基于谐波电流误差（257）来确定至少一个谐波操作参数参照（260）；
又一算术元件（261），配置成将操作参数参照（262）确定为基波操作参数参照（255）和至少一个谐波操作参数参照（260）的总和。
2.根据前述权利要求的装置，其中操作参数参照（262）是用于控制发电机侧转换器部分的电压参照（v*dq）。
3.根据前述权利要求中的一项的装置，其中谐波电流参照包括对应于发电机的基波电频率的N倍的振荡，其中N是大于2的自然数，特别是2或4或6或8或12，
其中谐波电流参照特别地不同于零。
4.根据前述权利要求中的一项的装置，其中基波电压参照（255）和谐波电压参照（260）在以发电机的基波电频率旋转的基波dq系中给出。
5.根据前述权利要求中的一项的装置，其中基波电流控制器（254）包括两个PI控制器（263c、263d），以针对基波dq系中的基波电流误差的d分量和q分量中的每个而使用两个PI控制器中的一个PI控制器来确定基波操作参数参照。
6.根据前述权利要求中的一项的装置，其中谐波电流控制器（259）包括：
变换模块（264），配置成将基波dq系中的谐波电流误差变换到谐波dq系中，谐波dq系以基波频率的相应倍数来旋转；
两个PI控制器（263a、263b），配置成作为输入而接收谐波正序列dq系中的谐波电流误差的分量；
后向变换模块（265），配置成将PI控制器的输出后向变换到基波dq系中，以便确定谐波操作参数参照（260）；特别地，谐波电流控制器（259）进一步包括：
两个PI控制器，配置成作为输入而接收谐波负序列dq系中的谐波电流误差的分量，以及对应的变换模块和后向变换模块。
7.根据前述权利要求中的一项的装置，还包括：
电速度估计器（266），被配置和连接成基于发电机输出电流（253）并且特别地进一步基于未滤波的基波操作参数参照（255）来估计发电机的电旋转速度（）和/或电角度（）。
8.根据前述权利要求中的一项的装置，其中基波电流控制器（254）和/或谐波电流控制器（259）作为输入来接收由电速度估计器（266）估计的电旋转速度和/或电角度。
9.根据前述权利要求中的一项的装置，还包括：
至少一个谐波电流参照计算模块（241），配置成基于至少一个电流参照输入（245）来计算谐波电流参照（243）；和/或
基波电流参照计算模块（247），配置成基于电流参照输入（245）中的至少一个来计算基波电流参照（249），
其中电流参照输入包括：
操作参数参照，特别是电压参照（v*dq），和/或
发电机输出电流（idq），和/或
DC链路电压（Vdc），和/或
发电机的电频率，和/或
发电机的电角度，和/或
扭矩，和/或
加速度，和/或
声压。
10.根据前述权利要求中的一项的装置，还包括：
dq-abc变换模块（267），配置成将在基波dq系中给出的操作参数参照（262）变换到定子系中；
调制器（268），配置成基于在定子系中给出的操作参数参照而导出脉冲宽度调制信号（227），并且被连接以将宽度调制信号供应到包括在发电机侧转换器部分中的可控开关的闸门。
11.根据前述权利要求中的一项的装置，还包括：
abc-dq变换模块（269），配置成将定子系中的发电机输出电流变换到基波dq系中。
12.电能系统（140、240），包括：
发电机（111、211）；
转换器（119），包括耦合到发电机的发电机侧转换器部分（121、221）；以及
根据前述权利要求中的一项的装置（129、229）。
13.风力涡轮机（100），包括根据前述权利要求的电能系统（140）。
14.用于确定操作参数参照以控制耦合到特别地风力涡轮机的发电机的发电机侧转换器部分的方法，所述方法包括：
通过从基波电流参照（249）和至少一个谐波电流参照（243）的总和中减除发电机输出电流（253）来导出基波电流误差（252）；
基于基波电流误差来确定基波操作参数参照（255）；
通过从至少一个谐波电流参照（243）中减除经滤波的发电机输出电流（253’）来导出至少一个谐波电流误差（257）；
基于所述至少一个谐波电流误差来确定至少一个谐波操作参数参照（260）；
作为基波操作参数参照（255）和所述至少一个谐波操作参数参照（260）的总和而确定操作参数参照（262）。
15.用于控制耦合到发电机的发电机侧转换器部分的方法，包括：
执行根据前述权利要求的用于确定操作参数参照的方法，以及基于操作参数参照来控制耦合到发电机的发电机侧转换器部分（121、221）。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112379261A (zh) * 2019-12-31 2021-02-19 上汽通用五菱汽车股份有限公司 一种基于振动噪声分析的电机转速及结构参数计算方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017112958A1 (de) * 2017-06-13 2018-12-13 Wobben Properties Gmbh Windenergieanlage mit getriebelosem Generator und Generatorfilter
EP3540929A1 (en) * 2018-03-16 2019-09-18 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Improved converter network bridge controller
EP3599715B1 (en) * 2018-07-26 2022-08-24 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Assessing wind turbine generator rotor temperature
US20200052631A1 (en) * 2018-08-13 2020-02-13 Hamilton Sundstrand Corporation Electric system architecture with a permanent magnet generator and interleaved active rectifiers
KR102310629B1 (ko) * 2019-01-24 2021-10-07 전북대학교산학협력단 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템 및 방법
CN115053451A (zh) 2020-02-13 2022-09-13 乌本产权有限公司 用于控制风力涡轮机的发电机的方法
CN111985771B (zh) * 2020-07-09 2022-11-01 云南电网有限责任公司 基于电网频率超欠调分析的电网频率调控方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6472775B1 (en) * 2001-11-30 2002-10-29 Ballard Power Systems Corporation Method and system for eliminating certain harmonics in a distributed power system
US20090085354A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 General Electric Company System and method for controlling torque ripples in synchronous machines
CN102638035A (zh) * 2011-02-14 2012-08-15 西门子公司 用于控制功率转换器的dc链路电压的方法和系统

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5128568B2 (ja) * 2009-09-30 2013-01-23 株式会社日立製作所 風力発電システムおよび制御法
DK2485388T3 (da) 2011-02-04 2013-07-29 Siemens Ag Reduktion af støj og vibrationer af en elektromekanisk transducer under anvendelse af et modificeret statorspoledrivsignal omfattende harmoniske komponenter
KR101333828B1 (ko) * 2012-01-31 2013-11-29 울산대학교 산학협력단 발전 시스템 제어 방법 및 장치
US8860381B2 (en) * 2012-07-16 2014-10-14 Sunpower, Inc. Balancing vibrations at harmonic frequencies by injecting harmonic balancing signals into the armature of a linear motor/alternator coupled to a Stirling machine
US8981692B2 (en) 2012-07-19 2015-03-17 GM Global Technology Operations LLC Torque ripple reduction of multiple harmonic components
EP2750270A1 (en) 2012-12-27 2014-07-02 Siemens Aktiengesellschaft Harmonic current controller
CN105515040B (zh) * 2015-12-04 2018-03-13 杭州电子科技大学 一种基于滑模+重复的dfig控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6472775B1 (en) * 2001-11-30 2002-10-29 Ballard Power Systems Corporation Method and system for eliminating certain harmonics in a distributed power system
US20090085354A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 General Electric Company System and method for controlling torque ripples in synchronous machines
CN102638035A (zh) * 2011-02-14 2012-08-15 西门子公司 用于控制功率转换器的dc链路电压的方法和系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112379261A (zh) * 2019-12-31 2021-02-19 上汽通用五菱汽车股份有限公司 一种基于振动噪声分析的电机转速及结构参数计算方法
CN112379261B (zh) * 2019-12-31 2024-05-28 上汽通用五菱汽车股份有限公司 一种基于振动噪声分析的电机转速及结构参数计算方法

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