CN117083794A - 双馈感应电机的控制 - Google Patents

Abstract

提供了一种控制双馈感应电机(DFIM)的操作的方法。DFIM(20)包括电耦合到电网(150)的定子(21)和以旋转速度旋转的转子(22)。DFIM(20)具有转子(22)的同步旋转速度(nsync)和转子(22)的额定旋转速度(202)。转子(22)以同步旋转速度(nsync)旋转产生具有谐波阶(h)的一个或多个槽谐波失真。该方法包括在转子(22)的额定旋转速度(202)下操作DFIM(20)，其中转子(202)的额定旋转速度被设置为被选择成使得在转子的额定旋转速度(202)下所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

Description

双馈感应电机的控制

技术领域

本发明涉及一种控制双馈感应电机(DFIM)的操作的方法，特别地当在风力涡轮机中操作时。本发明还涉及相应的控制系统、风力涡轮机和计算机程序。

背景技术

可变速度风力涡轮机包括发电机，该发电机将由风力涡轮机转子的旋转轴提供的机械功率转换成电功率，该电功率的频率借助于电功率转换器调节到电网频率。例如，风力涡轮机可以配备双馈感应发电机(DFIG)，其定子直接连接到电网，并且其转子连接到控制转子电流的功率转换器。旋转转子的转子场特别被控制成使得定子绕组中感应的电功率与电网频率同步。这种配置具有以下优点：只有产生的电功率的一小部分需要由功率转换器转换。

在这种类型的电机中，可能产生槽谐波失真，这例如是由于转子的槽对气隙通量的扰动而引起的，转子绕组布置在所述槽中。这种失真包括谐波和间谐波失真二者，其使由风力涡轮机产生的电功率的电力质量降级。通常，电网运营商针对谐波和间谐波发射设置了严格的限制，其中间谐波失真的限制甚至低于谐波失真的限制。

为了处理这种谐波和间谐波失真，已知若干减轻技术。相应电机中的标准谐波消除可以例如包括调整定子和转子槽数、节距(pitch)缩短和槽偏斜。此外，采用调谐滤波器和有源间谐波消除设备来减少谐波和间谐波失真，并使其保持低于电网监管要求设置的限制。然而，这种修改和减轻措施可能需要硬件或软件方面的额外资源，并且可能此外增加发电机和额外装置的成本。特别地，额外的滤波器或有源消除系统是成本密集的，并且构成了需要操作的额外设备。期望减少相应失真的发射，并且以成本高效和资源高效的方式来这样做。

发明内容

因此，需要减轻上述缺点中的至少一些，特别是提供对由DFI电机的操作引起的失真的改善的减轻。

独立权利要求的特征满足了这一需求。从属权利要求描述了优选实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种控制双馈感应电机(DFIM)的操作的方法。DFIM包括电耦合到电网的定子和以旋转速度旋转的转子。DFIM具有转子的同步旋转速度和转子的额定旋转速度(其可能高于同步旋转速度)。转子以同步旋转速度的旋转产生具有谐波阶的一个或多个槽谐波失真。该方法包括以转子的额定旋转速度操作DFIM，其中转子的额定旋转速度被设置为被选择成使得在转子的额定旋转速度下所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

因此，通过选择额定旋转速度，使得谐波失真按整数偏移，减少或者甚至可以不产生间谐波失真。通过避免产生间谐波失真，可以减少对谐波滤波器或有源消除设备的需求，或者可以根本不需要这种设备。在额定旋转速度下仍会发生的谐波失真可以更容易地减轻，例如通过采用诸如槽偏斜等标准方法。此外，电网运营商针对谐波失真的发射设置的限制显著高于针对间谐波失真，使得谐波失真的剩余量可以被提供到电网中而无需额外的滤波。由于通过选择特定值的额定旋转速度避免了间谐波失真，因此该解决方案可以以最小的成本实施，同时实现显著的益处。特别是已经发现，剩余的谐波失真足够低，使得消除技术根本不必要。

应该清楚的是，通过将谐波阶的偏移定义为整数，即失真按全谐波阶或其倍数偏移，额定旋转速度被定义为对应于特定的离散值。因此，对于额定旋转速度所设置的值仍有灵活性；然而，它不会被设置为任何任意值。相反，谐波阶的偏移是整数的条件允许导出转子的额定旋转速度的相应可能(离散)速度值。通过这种方法，额定速度被设置成使得由于转子槽而引起的间谐波失真被减轻或者甚至被避免，即由转子槽产生的失真主要是谐波失真。还应该清楚的是，偏移指的是相对于同步旋转速度下的阶的偏移。

整数可以是正数或负数，即±1、±2……应该清楚的是，由于系统是物理系统，所以偏移可能不对应于全阶的100％，而是近似于全阶。由于系统的物理性质而导致的这种偏差被认为隐含在术语“整数”中。在整数的预定义限制内可以例如指整数的±10％、±5％、±3％、±1％或±0.1％的限制。还应该清楚的是，由于存在谐波阶的偏移，整数不为零。此外，应该清楚的是，额定旋转速度可以大于或小于同步旋转速度，但不等于同步旋转速度，因为存在(多个)谐波失真的阶的偏移。

优选地，谐波失真的阶所偏移的整数是偶数。在同步旋转速度下，谐波失真的阶通常是奇数，使得通过按偶数偏移阶，得到的阶同样是奇数。奇数阶谐波失真的可接受限制通常高于针对偶数阶谐波的那些，使得当将阶按偶数整数偏移时，可能不需要额外的补偿装置或额外的补偿措施。然而，其他实现方式也可以包括按奇数整数偏移阶。

优选地，当DFIM的转子以额定旋转速度操作时，在转子的同步旋转速度下存在的多个或所有的槽谐波失真的阶按整数偏移。

双馈感应电机(DFIM)优选为双馈感应发电机(DFIG)，但也可以是马达(motor)。DFIM优选地是三相DFIM，并且其优选地具有1、2、3或更多的极对数。

对于DFIM，同步旋转速度通常取决于电网频率。对于发电机，同步旋转速度例如可以是转子的旋转速度，在该旋转速度下，当转子电流被设置为DC电流时，DFIM产生电网频率(例如50Hz或60Hz)。

DFIM在额定速度下的操作可以特别指其中转子速度在额定旋转速度下保持恒定的操作模式下的操作。这是DFIM配置为在正常操作期间(例如在延长的时间段内)以其操作的速度。例如，对于DFIG，在额定速度下，转子速度不会针对DFIM的有功电功率产生的进一步增加而进一步增加。对于风力涡轮机来说，这可能例如意味着高于某个风速或扭矩，达到发电机的额定旋转速度，之后发电机速度对于更高的风速或扭矩保持恒定。在低于这种风速的中间风速下，发电机可以在第二操作模式下操作，其中发电机速度低于额定旋转速度而变化。然而，在这种变化的旋转速度下，间谐波失真不是在相应的固定频率值下产生的，而是在变化的频率下产生的，使得对于特定的间谐波失真没有高幅度(它们在更宽的频谱上扩展)。因此，在这种操作模式下，间谐波失真的问题不存在，或者至少不像在额定旋转速度下操作那样突出。

在一个示例性实施方式中，转子的滑差(slip)可以根据转子的同步旋转速度和转子的(实际)旋转速度之间的差来定义。然后，可以通过将转子的额定旋转速度下的滑差设置为预定值来设置转子的额定旋转速度。滑差s可以例如定义为s＝l-(n_rot/n_synch)，其中n_rot是转子的旋转速度，并且n_synch是同步旋转速度。

转子的额定旋转速度下的滑差可以例如设置为预定分数的整数倍，其中预定分数由转子的对称性决定。同样，整数倍例如可以是±1、±2……即正的或负的滑差值是可能的。转子的额定旋转速度优选地对应于负滑差值，使得转子比同步旋转速度旋转得更快。相应的分数特别是一除以整数。

作为一个示例，转子可以具有旋转对称性，使得通过旋转对应于转子的对称单元的预定旋转角度，转子达到对应的物理状态(即，对应于初始状态)。

预定分数F可以例如对应于F＝1/(2*m)，其中m是DFIM转子的相数，如果转子的相数是奇数的话。如果DFIM的转子的相数是偶数，则预定分数可以对应于1/m。这可以特别适用于DFIM的常规缠绕转子(每个槽一相的绕组)。

其他转子配置当然是可设想的。例如，DFIM可以具有集中绕组或线圈，其中两相的绕组可以例如在槽中(例如每个齿一个线圈)提供。对于集中绕组DFIM，该分数可以是F＝p/Q，其中Q是转子的集中线圈的总数，并且p是转子的极对数。当每个槽提供两相的绕组时，那么Q可以等于槽的总数。作为另外的示例，DFIM可以具有分数转子绕组，并且预定分数可以是F＝p/R，其中p是转子的极对数，并且R是Z和(2*p*m)之间的除法的余数，其中Z是转子的槽的总数，p是转子的极对数，并且m是转子的相数。

例如，对于三相电机(常规缠绕转子)，m是奇数，并且因此预定分数是1/6。然而，应该清楚的是，对于DFIM的不同配置，例如对于不同的相数或者对于不同的槽配置，预定分数可以不同于1/6。

转子的额定旋转速度可以特别地设置为n_r＝60(l±k*F)*f/p的值，单位为rpm(每分钟转数)，其中k是整数，F是预定分数(例如m＝3；F＝l/(2*m)，例如1/6)，f是电网频率，并且p是极对数。如上所指示的，对于其他转子类型或不同的相数，分数F可以具有不同于1/6的值。

滑差可以被特别地选择成使得在定子的电周期(例如，定子电压周期)之后，转子处于这样的状态，其中定子所经历的转子的磁场对应于(即(基本上)等于)转子在电周期开始时的磁场，而不管其符号如何(即，可以有0或180度的相移，即，引起磁场的转子电流可以(基本上)相同或相反)。

转子的额定旋转速度可以是转子的最大额定旋转速度(即DFIM连续地或在延长的时间段内以其操作的最高速度；在额定速度附近肯定会有动态漂移)。特别地，DFIM可以被控制成使得在达到额定旋转速度时，也当DFIM的有功电功率输出增加时，转子的旋转速度保持在额定旋转速度。额定旋转速度因此可以对应于固定的速度上限，当DFIM接收到预定机械扭矩时可以达到该速度上限，并且旋转速度可以在更高接收机械扭矩的情况下在额定速度下保持恒定。

在一个实施例中，DFIM，特别是DFIG，还具有DFIM开始以其朝向电网输出电功率的连接旋转速度。该方法还包括将转子的连接旋转速度设置成被选择成使得在转子的连接旋转速度下槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者是整数的预定义限制的值。关于额定旋转速度的设置的上文和下文描述的特征和优点对应地适用于连接旋转速度的设置，例如，使用上述预定分数或相应的公式用于确定连接旋转速度的设置。连接旋转速度特别地可以是功率被产生和/或提供给电网的最小速度。当达到连接旋转速度时，DFIM可以例如开始提供有功电功率的输出，并且转子的旋转速度可以保持恒定，直到达到来自DFIM的某个有功功率输出。这样，连接旋转速度也可以被认为是DFIM的较低额定旋转速度(即，DFIM连续地或在延长的时间段内以其操作的最低速度；在较低的额定旋转速度附近肯定会有动态漂移)。在这种有功功率限制之上，可以允许DFIM的旋转速度增加，直到它达到上限(最大)额定旋转速度。

因此，DFIM的操作曲线可以包括三个部分，特别地在连接旋转速度下的操作，在(最大)额定操作速度下的操作，以及在连接旋转速度和额定操作速度之间的可变速度下的操作。因此，在连接旋转速度和额定旋转速度下，间谐波失真可以显著降低或者甚至可以避免。如上所指示的，当DFIM速度变化时，仅产生具有低幅度的间谐波失真。

在一个实施例中，DFIM具有一个或多个槽(特别地整数个槽，优选地一个槽)的槽偏斜。通过这种槽偏斜，可以显著减少槽谐波失真。特别是，较高阶谐波失真可以减少到使得他们几乎不明显的值。然而，槽偏斜对间谐波失真没有那么大影响。因此，通过使用额定旋转速度的设置和应用槽偏斜将失真偏移到谐波失真，由DFIM发射的总失真可以显著减少。

在一个实施例中，该方法还包括以降噪操作模式操作DFIM，其中额定旋转速度被降低到第二额定旋转速度，并且将转子的第二额定旋转速度设置为被选择成使得在转子的第二额定旋转速度下的槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。因此，本文所述的解决方案也可应用于转子的其它额定旋转速度设置，诸如用于相应的降噪模式。因此，当在具有降低但仍然恒定的操作速度的这种模式下操作时，DFIM的间谐波发射也可以显著降低。

例如，DFIM可以是形成风力涡轮机的电力系统的一部分的DFIG。DFIG的转子可以例如机械地耦合到风力涡轮机转子，以从风力涡轮机转子接收旋转机械能量(例如通过直接耦合或者通过经由齿轮箱的耦合)。然后，风力涡轮机可以将明显更少的间谐波失真发射到电网中。

根据本发明的另外的实施例，提供了一种用于控制双馈感应电机的操作的控制系统。DFIM包括配置成电耦合到电网的定子和配置成以旋转速度旋转的转子，其中DFIM具有转子的同步旋转速度和转子的额定旋转速度。转子以同步旋转速度的旋转产生具有谐波阶的槽谐波失真。控制系统被配置成执行在转子的额定旋转速度下操作DFIM的步骤，其中转子的额定旋转速度被选择成使得在转子的额定旋转速度下的槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内。通过这种控制系统，可以实现类似于上面关于该方法进一步概述的优点。应该清楚的是，偏移相对于在同步旋转速度下的槽谐波失真的阶发生。

控制系统可以被配置成执行根据本文公开的任何实施例的方法，它特别地可以被配置成执行任何公开的方法步骤。此外，该方法可由具有本文描述的任何配置的相应控制系统来执行。

根据本发明的另外的实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括双馈感应电机，特别地DFIG，以及具有本文描述的任何配置的控制系统。控制系统耦合到DFIM以控制DFIM的操作。应该清楚的是，尽管本文提供的描述在风力涡轮机的上下文内主要涉及DFIM的操作，但是相应的方法和控制系统也适用于其他操作环境，诸如例如用于操作矿山、磨坊、输送机、造纸工业等中的马达。然而，优选的是，双馈感应电机是DFIG。

本发明的另外的实施例提供了一种用于控制DFIM的操作的计算机程序，其中该计算机程序包括控制指令，当该控制指令被控制DFIM的操作的控制系统的处理单元执行时，使得该处理单元执行本文公开的任何方法。同样，通过这样的计算机程序，可以实现类似于上面进一步概述的优点。可以在易失性或非易失性数据载体或存储介质上提供计算机程序，特别地相应的控制指令。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以用于所指示的各个组合中，而且可以用于其他组合或单独使用。特别地，本发明的不同方面和实施例的特征可以彼此结合，除非有相反的说明。

附图说明

结合附图阅读下面的详细描述，本发明的前述和其它特征和优点将变得进一步明显。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1是示出根据本发明的实施例的双馈感应电机和控制系统的示意图。

图2是示出根据本发明的实施例的双馈感应发电机的操作曲线的示意图。

图3是示意性示出根据本发明的实施例的双馈感应电机的转子的槽的示意图。

图5和图9是示出在任意选择的额定旋转速度下操作期间发生的间谐波失真的图。

图6、7、10和11是示出了在根据本发明的实施例设置的额定旋转速度下操作期间发生的谐波失真的图。

图12是示出根据本发明的实施例的控制双馈感应电机的操作的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。应该理解的是，对实施例的以下描述仅仅是为了说明的目的而给出的，并且不以限制性含义来理解。应当注意，附图仅被视为示意性表示，并且附图中的元件不一定彼此成比例。相反，各种元件的表示被选择成使得它们的功能和一般目的对于本领域技术人员来说是明显的。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于，”)，除非另有说明。

在下文中，关于风力涡轮机的DFIG形式的DFIM来描述示例。然而，应该清楚的是，本文公开的解决方案也适用于其他类型的DFIM，诸如双馈电动机，以及其他应用中的双馈感应发电机。

图1示意性地示出了根据实施例的控制系统10。控制系统10耦合到风力涡轮机100或形成风力涡轮机100的一部分，风力涡轮机100包括具有轮毂102和转子叶片103的风力涡轮机转子101。经由相应的轴和齿轮箱104，风力涡轮机转子机械地耦合到双馈感应发电机20，特别地DFIG20的转子22。DFIG20还包括定子21，其电耦合到电网150，特别地经由风力涡轮机变压器105。电网150例如可以是本地风力发电场电网或公用电网等。应该清楚的是，进一步的电气部件，诸如子站变压器等可以在耦合中提供，尽管到变压器105的耦合通常不包括功率转换器。

DFIG20的转子22电连接到电功率转换器30，电功率转换器30包括发电机侧转换器31和电网侧转换器32。电网侧转换器32与变压器105的连接可以是直接的，或者借助于调节电压的附加变压器，或者通过变压器105中的中间功率点。控制系统10控制功率转换器30、特别地发电机侧转换器31的操作，从而控制转子22中的电流。例如，可以采用诸如矢量控制或直接扭矩控制的控制方案。这些是众所周知的，因此在此将不再更详细地解释。控制系统10因此可以包括发电机侧转换器31或功率转换器30。

控制系统10可实施为控制器15，其可包括或可以是转换器控制器、风力涡轮机控制器或其组合。控制器15特别地包括处理单元11和耦合到处理单元的存储器12。处理单元11可以包括任何类型的处理器，诸如微处理器、专用集成电路、数字信号处理器等。存储器12可以包括易失性和非易失性存储器，特别地RAM、ROM、闪速存储器、硬盘驱动器等。控制器15可进一步包括输入和输出接口，用于接收数据和用于将控制数据或命令传输到功率转换器30和其他受控部件，诸如用于调节叶片103的节距角的叶片节距驱动器。控制系统10通常被配置成控制发电机20，使得由定子21提供给电网的电功率与电网频率同步。控制系统10进一步控制DFIG20的旋转速度和扭矩。特别地，其被配置为根据其示例在图2中示出的操作曲线来控制DFIG20。

图2是示出了DFIG20的有功功率输出P_active依赖于单位为rpm的转子22的旋转速度n_rot的图。可以看出，DFIG20的旋转速度增加直到连接速度201，在连接速度下，DFIG20开始产生提供给电网和/或供应风力涡轮机的部件的有功电功率。控制系统10保持发电机的旋转速度恒定在连接速度201，直到达到有功功率产生的某个最小水平，该最小水平对应于从风力涡轮机的转子101的旋转接收的机械能量的最小水平。换句话说，在发电机加速超过连接速度201之前，风需要具有一定的速度。控制系统10然后以最佳叶尖速度比操作风力涡轮机，特别是在最大功率点设置下，在该最大功率点设置下从风中对机械能量的提取最大化。随着增加风速，或者当在更高的风力条件下启动风力涡轮机时，然后发电机的旋转速度沿着曲线200增加，同时增加来自DFIG 20的有功功率输出。旋转速度增加，直到达到(上限或最大)额定旋转速度202。在正常操作中，当足够的风可用时，DFIG以额定旋转速度202操作。即使有功功率输出增加，即当风速进一步增加时，额定旋转速度202也被维持。在最大风速之上，即100％有功功率生产，采取其他措施来避免系统过载，诸如使转子叶片脱离(pitchout)。在图2的示例中，额定旋转速度202因此是最大旋转速度。

DFIG20具有同步旋转速度205，其取决于DFIG配置和电网150的电网频率。在同步旋转速度下，转子20中的转子电流被设置为DC，并且定子21中感应的电功率处于电网频率。通过使用发电机侧转换器31控制转子电流，DFIG20可以在高于和低于同步速度205的旋转速度下操作。相应的滑差s可以定义为s＝l-n_rot/n_sync。图2示出了DFIG20的相应旋转速度n_rot的滑差值s，其中负滑差值对应于高于n_sync的旋转速度(超级同步或超同步操作)，而正滑差值对应于低于n_sync的操作(次同步操作)。

DFIG20的转子22对于每个相具有至少一个极对，使得对于如图1所示的三相系统，转子包括每极至少三个槽，并且当使用集中绕组时最少三个槽。图3示意性地示出了转子22，其具有等于4的极数和极对数p＝2，使得这种转子将包括4×6＝24个槽和齿。第一相a的槽是连续的槽41a和42a，对于相b是41b和42b，并且对于相c是41c和42c，它们占据转子绕组。在槽之间，存在齿61。相应地并且与定子同步的这种转子具有对称性70，使得它在旋转360°/p(即对于p＝4为90°，对于p＝3为120°并且对于p＝2为180°)之后达到相同的物理状态。当相数为奇数时，当考虑正和负m相对称性时，m相将对称性70分成2*m个部分。这一部分在图3中示出为71。当考虑转子时，m相系统具有以频率(s*f₀)的流动电流并且以不同于同步速度n_sync的速度n_rot旋转，滑差的值为s＝1-n_rot/n_sync，对称性要求在定子的周期内，转子必须旋转等于转子对称单元70加上(提前：超级同步或超同步操作)或减去(滞后：次同步操作)m相部分71的整数倍的角度，以便获得谐波阶的按整数的偏移。

换句话说，在定子的电周期(例如，定子电压)之后，转子的滑差必须使得定子经历相似的电流分布/磁场分布(它可以改变符号)。例如，对于相位u、v、w，在同步操作中，对于定子的电周期2pi，转子旋转2pi/p。最初，转子位置可以在相位u，并且在一个电周期之后，转子位置将是下一个相位u，于是定子经历相同的电流/磁场。对于次同步操作，在定子的电周期2pi中，转子旋转2pi(l-s)电角度和2pi(l-s)/p机械角度。对于m＝3的电机，考虑相位(u)和电流(I)处的初始转子位置，并且满足上面概述的条件，例如s＝l/6，转子滞后电角度2pi/6，使得在一个定子电周期之后，转子位置是具有电流(-I)的相位(-v)，即相位pi。因此，定子经历转子中的相同的电流，使得谐波失真的偏移是整数阶。类似地，当s＝2/6时，转子滞后电角度4pi/6，转子位置处于具有电流(I)的相位(w)，即相位0，并且定子再次经历相同的电流。当s＝3/6时，转子滞后电角度6pi/6，转子位置是具有电流(-I)的相位(-u)，即相位pi，并且定子再次经历相同的电流。该情况对于超级/超同步操作是类似的。假设转子的相同起始位置，并且滑差为s＝-1/6，转子超过电角度2pi/6，使得在定子的一个电周期之后，转子位置处于具有电流(-I)的相位(-w)，即相位-pi。同样，定子将经历转子中的相同的电流。这可以持续该分数F的整数倍，例如，当s＝-2/6时，转子超过电角度4pi/6，使得转子位置处于具有电流(I)的相位(v)；当s＝-3/6时，转子超过电角度6pi/6，因此转子位置处于具有电流(-I)的相位(-u)，依此类推。

因此，基于槽谐波失真的阶按整数偏移的条件，可以导出所需的滑差，并且从而导出满足该条件的DFIM的旋转速度。

槽41a、41b、41c和42a、42b、42c干扰转子22和定子21之间的场的气隙通量，这导致注入电网150的失真。如上所指示的，电网运营商对相应的失真提出了严格的限制。一般而言，对于偶数阶谐波失真和间谐波失真，限制特别严格，而奇数阶谐波失真通常更可接受。

图4示出了对于DFIG 20，其是在50Hz电网上操作的2.5MW电机，相数为m＝3，在1000rpm的同步旋转速度下的谐波和间谐波失真。值X表示谐波/间谐波阶h，并且纵轴示出定子电压谐波失真HD＝V_h/V₀。可以看出，在具有滑差＝0的同步速度下，失真是奇整数阶的谐波失真。当发电机20的旋转速度现在被改变为偏离同步速度时，槽谐波失真偏移，使得获得间谐波失真。这在图5中示出，对于相同的发电机，对于滑差s＝-0.12，对应于n_rot＝1120rpm。可以看出，失真的阶不再是整数，因此所有失真都变成了间谐波失真。

根据本文公开的解决方案，额定旋转速度202和可选地进一步的连接旋转速度201现在被设置为使得在同步旋转速度下出现的谐波失真的阶的偏移在这些速度202、201下是整数的值。基于这样的条件，可以识别满足该条件的旋转速度，并且额定旋转速度202和/或连接旋转速度201可以被设置为这些识别的值中最符合操作要求的一个。由于DFIG 20以额定操作速度202操作延长的时间段，这种操作特别会遭受需要减少的间谐波失真。通过额定操作速度的相应设置，避免了这种间谐波失真，使得仅存在谐波失真。所得到的谐波失真对于电网运营商来说可以是可接受的，或者可以通过常规的减轻措施(诸如槽偏斜)容易地去除它们。因此，可能不需要用于去除间谐波失真的成本密集的额外装置。应该清楚的是，类似的考虑适用于被实现为马达(即，主要在马达操作中操作)的双馈同步电机，其中这种马达的额定速度可以被类似地设置成使得当在额定旋转速度下操作时在同步旋转速度下出现的谐波失真的阶按整数偏移。

DFIG 20或另一种双馈感应电机的滑差可以定义为：

s＝1-n_rot/n_sync (等式1)

同步速度n_synch与定子频率f(即电网频率)和DFIM的极对数p相关，如下所示：

n_sync＝60f/p (等式2)

电机的转子具有不同相的导体位于其中的槽41a、42a、41b、42b和41c、42c。当DFIM被磁化并且转子被供应有具有余弦波形的电流时，槽在气隙通量中从而在定子中引入谐波和间谐波失真。谐波(或间谐波)的阶是h＝f_h/f₀，其中f_h是h阶谐波或间谐波失真的频率。如果DFIM以不等于同步旋转速度的速度旋转，则槽谐波偏移。滑差s处的槽谐波的h阶的偏移可由下式表示：

h(s)＝h(0)+s(h(0)±i) (等式3)

其中h(0)是滑差＝0时的阶，s是滑差，并且i是整数。项(h(0)±i)取决于转子的对称性，并且特别是相数。对于奇数个相，该术语特别是(2*m)的整数倍，其中m是相数。对于偶数个相，该项是m的整数倍。对于具有集中绕组的转子，该项是p/Q的整数倍，其中Q是集中线圈的总数，并且p是极对数。对于转子的分数绕组，该项是R/p的整数倍，其中R是Z和(2*p*m)之间的整数除法的余数，其中Z是槽的总数，p是极对数，并且m是转子的相数(即Z＝商*(2*p*m)+R)。对于三相电机，m是奇数，并且例如(h(0)±i)必须是6的倍数。因此，通过将滑差设置为分数F＝1/(2*m)(例如对于三相电机，F＝1/6)，可以实现谐波失真的阶按整数偏移，即，当以滑差s操作时，槽谐波的阶在偏移之后保持为整数。因此，当电机的旋转速度被选择成使得s*(h(0)±i)为整数时，没有间谐波失真。

对于三相电机，当滑差是±1/6的倍数时，不存在槽失真的间谐波含量。当滑差是1/3的倍数时，所有谐波再次都是奇数。

图4至7示出了2.5MW三相DFIG的偏移，并且图8至11针对4.5MW三相DFIG的偏移。所述图绘制了定子电压谐波(或间谐波)失真HD＝V_h/V₀与谐波/间谐波阶h＝f_h/f₀的关系。如上所指示的，在同步速度下(s＝0)，所有槽谐波都是整数和奇数(图4和图8)。当发电机速度偏离同步速度时，槽谐波偏移和谐波阶变成非整数，即谐波变成间谐波。例如，对于s＝-0.12的滑差，谐波失真的阶的变化为(请参见图5和图9；i＝+/-1)：

h(s＝0)＝5 h(s＝0)+1＝6 → h(s＝-0.12)＝5.72

h(s＝0)＝7 h(s＝0)-1＝6 → h(s＝-0.12)＝7.72

h(s＝0)＝11 h(s＝0)+1＝12 → h(s＝-0.12)＝12.44

h(s＝0)＝13 h(s＝0)-1＝12 → h(s＝-0.12)＝14.44

…

即失真变成了间谐波。当滑差现在根据上面提供的条件被设置为分数F的整数倍时，例如s＝-1/6，谐波阶偏移如下(请参见图6)：

h(s＝0)＝5 h(s＝0)+1＝6 → h(s＝-1/6)＝6

h(s＝0)＝7 h(s＝0)-1＝6 → h(s＝-1/6)＝8

h(s＝0)＝11 h(s＝0)+1＝12 → h(s＝-1/6)＝13

h(s＝0)＝13 h(s＝0)-1＝12 → h(s＝-1/6)＝15

…

因此，对于这种滑差(即，在相应的旋转速度下)，失真再次是谐波失真。当滑差设置为s＝-2/6＝-1/3时，谐波为(请参见图10)：

h(s＝0)＝5 h(s＝0)+1＝6 → h(s＝-1/3)＝7

h(s＝0)＝7 h(s＝0)-1＝6 → h(s＝-1/3)＝9

h(s＝0)＝11 h(s＝0)+1＝12 → h(s＝-1/3)＝15

h(s＝0)＝13 h(s＝0)-1＝12 → h(s＝-1/3)＝17

…

同样，谐波失真的阶按整数偏移，使得不存在间谐波失真。当电机在次同步操作模式(即n_rot<n_sync，正滑差)下操作时，发生类似的偏移。在这种操作中，谐波的阶降低。当滑差为s＝1/6时，谐波失真的阶偏移如下(请参见图7)：

h(s＝0)＝5 h(s＝0)+1＝6 → h(s＝1/6)＝4

h(s＝0)＝7 h(s＝0)-1＝6 → h(s＝1/6)＝6

h(s＝0)＝11 h(s＝0)+1＝12 → h(s＝1/6)＝9

h(s＝0)＝13 h(s＝0)-1＝12 → h(s＝1/6)＝11

…

同样，仅获得整数阶失真，因此没有间谐波。当滑差设置为s＝2*1/6＝1/3时，谐波阶的偏移为(请参见图11)：

h(s＝0)＝5 h(s＝0)+1＝6 → h(s＝1/3)＝3

h(s＝0)＝7 h(s＝0)-1＝6 → h(s＝1/3)＝5

h(s＝0)＝11 h(s＝0)+1＝12 → h(s＝1/3)＝7

h(s＝0)＝13 h(s＝0)-1＝12 → h(s＝1/3)＝9

…

如上面的示例所示，在同步旋转速度下发生的谐波失真的阶可以按整数偏移(在任一方向上)，这设置针对可能的滑差值以及从而旋转速度的值的条件。通过将DFIM(特别是DFIG 20)的额定旋转速度设置为相应的值，仅获得谐波失真，这对于电网运营商来说是可接受的，或者可以通过标准减轻技术来去除。本解决方案特别地可以与标准谐波消除设计技术结合使用，诸如选择定子和转子槽数、短节距和槽偏斜。通过确保容易被常规技术消除的DFIM的定子谐波含量，不需要额外的硬件元件，比如无源或有源谐波滤波器。

谐波失真的阶按整数偏移的条件相应地允许导出满足该条件的滑差(以及从而旋转速度)的数。DFIM的旋转速度可以使用该条件和上面的等式计算为：

n_c＝60＊(1±k＊F)＊f/p (等式4)

其中n_c(单位为rpm)是满足条件的旋转速度，k是整数，F是取决于转子对称性的预定分数，f是电网频率，并且p是极对数。如上所指示的，当m是奇数时，F＝1/(2*m)，例如对于三相电机是1/6，并且当m是偶数时，F＝l/m，例如对于六相电机是1/6。对于集中绕组，F＝p/Q，并且对于分数绕组，F＝p/R，如上详细解释的。系数60源于对rpm单位的转换。因此，通过将DFIM的额定旋转速度和可选的连接速度设置为值n_c，可以防止在最大额定速度或连接速度下产生间谐波失真。通过改变数k，可以将速度设置为接近期望额定速度。如果k设置为偶数，则槽谐波仍然为奇数阶。

例如，对于50Hz电网频率、p＝3极对电机和1000rpm同步操作，可能的旋转速度是166.67、333.33、500、666.67和833.33rpm(次同步操作)；以及1166.67、1333.33、1500、1666.67和1833.33rpm(超级同步或超同步操作)。对于50Hz电网、p＝2极对电机以1500rpm同步操作，可能的旋转速度为250、500、750、1000和1250rpm(次同步操作)；以及1750、2000、2250、2500和2750rpm(超级同步或超同步操作)。对于60Hz电网，p＝3极对电机以1200rpm同步操作，可能的旋转速度为200、400、600、800和1000rpm(次同步操作)；以及1400、1600、1800、2000和2200rpm(超级同步或超同步操作)。对于具有不同极对数和不同操作频率的电机，这些数字可以调整。

图12是根据一个实施例的方法的流程图。在步骤S11中，DFIM的(最大)额定旋转速度n_r以及可选地还有DFIM的连接旋转速度被设置为在同步旋转速度下出现的一个或多个槽谐波失真的阶按整数值偏移的值。在步骤S12中，DFIM以设置的额定旋转速度或设置的连接旋转速度操作。应当清楚，额定旋转速度可以在控制系统中预先配置，例如在制造等期间，使得设置步骤S11不一定需要形成该方法的一部分。还应该清楚的是，操作步骤S12可以包括根据图2的操作曲线200的操作，其中额定旋转速度202和可选的连接旋转速度201根据本文公开的解决方案来设置。因此，操作可包括在由曲线段201指示的第一操作模式或操作方式、在曲线段201和202之间的可变发电机速度下的第二操作模式或操作方式以及由曲线段202限定的第三操作模式或操作方式、即额定旋转速度下的操作。曲线200上的操作点由控制系统10基于主导条件，特别是基于可用机械扭矩或可用风速来控制。

本文公开的解决方案允许使用DFIG的风力涡轮机100或风电场的操作，而无需安装额外的谐波滤波器或有源消除设备。发电机速度或滑差被调节成使得失真偏移到整数阶谐波，特别是通过满足上述条件。由于对这种谐波失真的监管要求较低，因此减少了对额外滤波器或消除系统的需求。从而，可以以简单且成本高效的方式满足间谐波发射限制。本文公开的解决方案也适用于其他类型的DFIM，诸如感应马达，例如在矿井中，诸如磨坊、输送机或在造纸工业中等的马达。

在某些情况下，偶数整数阶谐波的限制也相当严格。在这种情况下，除了上述解决方案之外，还可以采用标准消除技术，这允许高效地减轻这种谐波失真。可以使用标准设计技术，诸如按一个槽的槽偏斜。在操作曲线的其中允许发电机速度变化的部分中，可能会出现间谐波失真。然而，由于动态操作和连续变化的速度，这些间谐波不会出现在预定义频率处，而是分散贯穿频谱。因此，间谐波电流水平显著降低，使得这种间谐波不会明显恶化电力质量。

还可以设想到在DFIM的其他预定义操作速度下采用本文公开的解决方案。例如，额定速度可以通过风力涡轮机的低声学噪声操作模式(LANM)来修改，其降低额定速度以便减少噪声产生。同样对于这种操作模式的额定速度，旋转速度可以被确定和设置成使得上面概述的条件被满足，即使得谐波失真的阶按整数偏移。因此，同样在这种操作期间，可以显著减少或者甚至避免间谐波失真的发射。

虽然本文公开了具体实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等同范围内的所有变化意图被包含在其中。

Claims (16)

1.一种控制双馈感应电机DFIM的操作的方法，其中DFIM(20)包括电耦合到电网(150)的定子(21)和以旋转速度旋转的转子(22)，并且其中DFIM(20)具有转子(22)的同步旋转速度(n_sync)和转子(22)的额定旋转速度(202)，

其中转子(22)以同步旋转速度(n_sync)的旋转产生具有谐波阶(h)的一个或多个槽谐波失真，

其中所述方法包括在转子(22)的额定旋转速度(202)下操作DFIM(20)，其中转子(202)的额定旋转速度被设置为被选择成使得在转子的额定旋转速度(202)下的所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中转子(22)的滑差(s)根据转子的同步旋转速度(n_sync)和转子的旋转速度(n_rot)之间的差来定义，其中转子(22)的额定旋转速度(202)通过将转子的额定旋转速度下的滑差设置为预定值来设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中滑差s定义为s＝1-(n_rot/n_sync)，其中n_rot是转子的旋转速度，并且n_sync是同步旋转速度。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中转子的额定旋转速度(202)下的滑差的预定值设置为预定分数(F)的整数倍，其中预定分数(F)由转子(22)的对称确定。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中转子的额定旋转速度(202)被设置为由等式n_r＝60*(1±k*F)*f/p确定的以rpm为单位的值n_r，其中k是整数，F是由所述转子(22)的对称性确定的预定分数，f是电网频率，并且p是转子(22)的极对数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，对于DFIM的奇数相数，所述预定分数(F)是1/(2*m)，和/或其中，对于DFIM的偶数相数，所述预定分数(F)是1/m，其中m是DFIM的相数。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其中DFIM具有集中转子线圈，其中所述预定分数(F)是p/Q，其中p是转子的极对数，并且Q是转子的集中线圈的总数。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其中DFIM具有分数转子绕组，其中预定分数(F)是p/R，其中R是Z和(2*p*m)之间的除法的余数，其中Z是转子槽的总数，p是转子的极对数，并且m是转子的相数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，DFIM是双馈感应发电机DFIG，其中，转子(22)的额定旋转速度(202)是转子的最大额定旋转速度，其中，DFIG被控制成使得在达到额定旋转速度(202)时，当DFIG的有功电功率输出增加时，转子的旋转速度保持在转子的额定旋转速度(202)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，DFIM是双馈感应发电机DFIG，其中，DFIG还具有连接旋转速度(201)，在所述连接旋转速度下，DFIG开始朝向电网(150)提供有功电功率，其中，所述方法还包括

-将转子(22)的连接旋转速度(201)设置为被选择成使得在转子的连接旋转速度(201)下的所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，DFIM(20)在定子(21)和/或转子(22)中具有一个或多个槽、特别地整数个槽、优选一个槽的槽偏斜，和/或其中，DFIM(20)在定子(21)和/或转子(22)中具有一个或多个槽、特别地整数个槽的线圈节距缩短。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括

-以降噪操作模式操作DFIM(20)，其中额定旋转速度(202)被降低到第二额定旋转速度；和

-将转子(22)的第二额定旋转速度设置为被选择成使得在转子的第二额定旋转速度下所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，DFIM是双馈感应发电机DFIG，其中，所述DFIG形成风力涡轮机(100)的电力系统的一部分，其中，所述DFIG的转子(22)机械地耦合到风力涡轮机转子(101)，以从风力涡轮机转子(101)接收旋转机械能量。

14.一种用于控制双馈感应电机DFIM的操作的控制系统，其中DFIM(20)包括配置成电耦合到电网(150)的定子(21)和配置成以旋转速度旋转的转子(22)，并且其中DFIM具有转子(22)的同步旋转速度(n_sync)和转子(22)的额定旋转速度(202)，其中转子以同步旋转速度(n_sync)的旋转产生具有谐波阶(h)的槽谐波失真，其中控制系统(10)被配置成执行以下步骤

-在转子的额定旋转速度(202)下操作DFIM(20)，其中转子(22)的额定旋转速度(202)被设置为被选择成使得在转子的额定旋转速度(202)下所述槽谐波失真中的一个或多个的谐波阶的偏移是整数或者在整数的预定义限制内的值。

15.一种风力涡轮机，包括以双馈感应发电机DFIG形式的双馈感应电机(20)和根据权利要求14所述的控制系统(10)，其中控制系统(10)耦合到DFIG以控制DFIG的操作。

16.一种用于控制双馈感应电机(20)DFIM的操作的计算机程序，其中该计算机程序包括控制指令，当由控制DFIM(20)的操作的控制系统(10)的处理单元(11)执行时，所述控制指令使得处理单元(11)执行权利要求1至13中任一项的方法。