专利名称：用于控制同步机的转矩脉动的系统和方法
用于控制同步机的转矩脉动的系统和方法技术领域在这里所公开的主题总体上涉及永磁同步机的领域，尤其涉及一种用 于控制永磁同步机的转矩脉动的系统和方法。
背景技术：
风轮机发电机(wind turbine generator) ^皮看作是环境友好且相对便宜 的可选择能源，其利用风能来产生电力。风轮机发电机通常包括具有涡 轮叶片的风转子，所述涡轮叶片将风能转化为驱动轴的旋转运动，进而 利用该旋转运动驱动发电机的转子以产生电力。典型地，现代风力发电 系统采用具有多个这种用于向传输系统供应电力(power)的风轮机发 电机的风电场的形式，所述传输系统又进而将所述电力提供给实用系 统。典型地，这些风轮机发电机和风电场被设计成用于将电力递送给实用 系统，其中所述电力独立于系统频率。 一些风轮才几发电才几在可变频率上 工作并且需要可变频率的电力电子转换器将风轮机发电机输出和并网 (utility grid)进行对接。在一种常见方案中，将风轮机发电机输出直接 馈送给电力电子转换器，在所述电力电子转换器那里对发电机输出频率 进行调整并将其转化为实用系统所需要的固定频率。与这样的系统相关联的挑战之 一 是发电机所引起的噪声(acoustic noise)量。此外，风轮机空气隙转矩脉动对噪声的影响已经在4艮大程度 上被监视(overlook)。转矩脉动限制是以管理涡轮系统的噪声行为并 避免传动系统(drive train)组件的有害影响为基础的。 一种方案是将发 电机适合设计以减少噪声，但这在所增加的发电机尺寸和费用的相关方 面却具有局限性。设计一种具有非常低的噪声水平的节省成本的发电机 是一个挑战。噪声控制和继而转矩脉动控制对于大功率应用来说是更大 的挑战，这是由于这些应用中的装置的低切换频率。发明内容简言之，在这里所公开的一个实施例中， 一种用于控制永磁体同步机
的转矩脉动的系统包括(a)电力转换器，其被配置成耦合到所述永 磁同步机并且接收转换器控制信号；和(b)耦合到所述电力转换器的 系统控制器，所述系统控制器包括(i)基本电流控制器，其被配置成 用于提供基本电压命令，(ii)谐波电流控制器，其被配置成用于使用 谐波电流命令、来自永磁机的电流反馈信号和基本电流命令结合正序调 节器和负序调节器来获得谐波电压命令，和(iii)求和器件，其被配置 成用于将所述基本电压命令和所述谐波电压命令相加以获得所述转换 器控制信号。根据在这里所公开的另 一 个实施例， 一 种用于控制永磁同步发电机的 转矩脉动的系统包括电力转换器，其被配置成耦合到所述永磁同步发电 机并且用于接收转换器控制信号；和耦合到所述电力转换器的系统控制 器，所述系统控制器包括基本电流控制器，其被配置成用于提供基本 电流命令；谐波电流控制器，其被配置成用于使用谐波电流命令提供正 序信号和负序信号；命令控制模块，其被配置成用于使用所述基本电流 命令、所述谐波电流命令、来自所述永磁同步发电机的电流反馈信号以 及所述正序信号和负序信号来提供所述转换器控制信号。
当参考附图阅读下述详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面和 优点将被更好地理解，其中所有附图中相同的标记指示相同的部件，其 中图1是根据示例性实施例的风轮机系统的图形表示；图2是风轮机发电机的常规控制图的图形表示；图3是在图1的风轮机系统中所采用的示例性控制器的图形表示；图4是在图3的控制器内所使用的示例性谐波电流控制器的图形表示；图5是被用作图4的谐波电流控制器的对称共振调节器的图形表示； 图6是被用作图4的谐波电流控制器的另一个对称共振调节器的图形 表示；和图7是被用作图4的谐波电流控制器的又另 一个对称共振调节器的图形表示。
具体实施方式
风轮机经由机械和空气动力的各种途径产生声音。机械声音源于诸如 齿轮箱、发电机、偏转驱动、冷却扇、液压系统和辅助组件之类的涡轮 组件的交互作用。空气动力的声音由经过叶片的空气流动所产生。这里 描述的各种实施例解决了由于发电机工作而产生的噪声。在发电机工作 期间所产生的转矩脉动对噪声有所影响。这里描述的实施例提供了不同 的控制方案以减小转矩脉动的影响并由此减小噪声。图1是具有叶片12的风轮机系统10的框图，所述叶片12被耦合到 被描绘为发电机14的永磁同步机。这样的耦合可以是直接耦合或者经 由可选的齿轮箱16进行耦合。发电机14经由其定子(未示出)耦合到 电力转换器18,所述电力转换器18从所述发电机的定子(未示出)获 得电并将其转换成适当形式以递送给并网28。在本示例性实施例中，电 力转换器18是AC-DC-AC转换器，但是可替换地可以采用其他类型的 转换器。电力转换器18包括响应于来自系统控制器20的命令而被打开 和关闭的切换装置(诸如绝缘栅双极晶体管，未示出)。正如本领域技 术人员将理解的，电力转换器18可以任选地包括另一控制以将来自系 统控制器的电压命令转换为切换信号。可替换地，这些功能可以在系统 控制器20内物理实现，以使得将转换命令而不是将电压命令发送给转 换器18。谐波滤波器24被耦合到电力转换器18的输出端。该谐波滤波 器进而被耦合到变压器26,所述变压器26最终^皮链接到并网28。位置和速度传感器22 (其可以独立于系统控制器20或者被包括在系 统控制器20内)将来自被耦合到发电机14的轴23的位置e值和速度 "值馈送到系统控制器20中。系统控制器20从分别位于电力转换器18 的输入端子和输出端子处的电流传感器31、 33接收电流信号30、 32， 并且从电力转换器18的输出节点35接收电压信号34。系统控制器20 还接收来自涡轮控制器(未示出)的转矩命令信号T。根据转矩命令， 对谐波电流命令进行如下所述的计算。系统控制器20产生工作电压命 令36, ua*、 ub*、 uc承以及线路侧电压命令38， uA*、 uB*、 uC*，其被 用于将电力经由电力转换器18注入并网。此外，系统控制器20包括用 于控制正序谐波电流和负序谐波电流以使发电机内的转矩脉动最小化 的谐波电流控制器(如在下面图3中所示出和描述的)。图2图示了风轮机发电机14的常规的控制图21。涡轮控制器7接收
来自转子速度传感器(例如图1的位置和速度传感器22 )的转子速度信 号9并且经由诸如最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)查找表之类的预定查找表11产生转矩命令13。转换器控制器 41接收无功伏安(无功功率)命令或功率因数(PF)命令15以及来自 涡轮控制器7的转矩命令13。引入无功伏安调节器17和转矩调节器19 以调节无功功率和电磁转矩以及在旋转坐标系(rotational frame)中产 生电流命令IdCmd 61和IqCmd 63。 D、 Q轴中的闭环调节器44和46 分别被用于将电流命令IdCmd和IqCmd与发电机电流IdFbk 58和IqFbk 64之间的误差IdErr 50和IqErr 52控制为0。能够引入电压前馈信号48 以增大动态响应。d、 q轴中的电流调节器输出和电压前馈信号的总和分 别产生电压命令VdCmd和VqCmd。 VdCmd和VqCmd在dq坐标系至 abc坐标系的变换模块43内变换为静止坐标系电压命令36, ua*、 ub*、 uc*。在调制器37内调制转换器电压命令36, ua*、 ub*、 uc"乂产生用 于驱动发电机端转换器18的PWM ( Pulse Width Modulated,脉宽调制) 信号(开/关状态)。在图2中所描述的这个常规示图中，发电机模型通常是没有考虑诸如 离心率、定子绕组的非正弦曲线分布、饱和度和在永磁材料内的非同一 性之类的制造现实因素的理想模型。旋转参考坐标系常常被用于将常规 正弦曲线电流分量转换为DC电流分量，并且在这样的计算中通常忽略 谐波作用。相比于常规方案，在这里公开的实施例中，为了使来自转矩脉动的噪 声最小化，谐波电流被用作附加输入以提供闭环控制。例如，可以使用 发电机有限元素分析计算、外转矩控制环或者在线计算来计算用于使转 矩脉动最'/、化的电流命令。D轴和Q轴中的多个旋转坐标系可以被用于 将特定频率下的误差变换为在相应频率下的DC误差。因此，相应频率 旋转坐标系中的积分器(integrator)能够将谐波电流的误差控制为0。 正序旋转坐标系积分器和负序旋转坐标系积分器(如下所述)都被使用 以{更减少转矩脉动和噪声。图3图示了提供发电机工作的非理想条件的系统控制器20的示例性 实施方式。该示例性系统控制器20包括基本电流控制器40和谐波电流 控制器42。示例性控制方案包括两个闭环信道44、 46和前馈信道48(被 实现为基本电流控制器)以及一个或者多个闭环控制信道42 (被实现为
一个或者多个谐波电流控制器)。基本电流控制器40如参照图2所描述的常规电流控制器那样运行并 且包括D轴电流调节器44和Q轴电流调节器46，它们使用各自的D轴 误差信号Iderr0 50和Q轴误差信号Iqerr0 52连同电压前馈才莫块48 (电 压前馈接收IdCmd 61和IqCmd 63形式的输入，其分别是D轴和Q轴中 的谐波电流命令和基本电流命令的总和)来产生D轴命令电压VdCmd 54和Q轴命令电压VqCmd 56。对基本电流命令IdCmdO 60和反々贵电流 信号IdFbk 58进行求和以产生供给D轴电流调节器44的IdErrO信号50。 类似地，对基本电流命令IqCmdO 62和反馈电流信号IqFbk 64进行求和 以产生供给Q轴电流调节器46的IqErrO信号52。谐波电流命令66和68被添加到基本电流命令，并且从该总和减去反 馈电流信号。使用谐波电流控制器42将所得到的误差信号IdhErr 70和 IqhErr 72减为0，所述谐波电流控制器42进而提供电压命令VdhReg 76 和Vqhreg 78。利用基本电流控制器40的各个D轴电压输出和Q轴电压 输出对电压命令求和以提供最终的电压命令VdCmd 54和VqCmd 56。有利地，将谐波电流控制器42用于提供闭环电流控制。基本电流控 制器40和谐波电流控制器42共同形成命令控制模块，所述命令控制模 块被配置成用于使用所述基本电流命令、谐波电流命令、来自永磁同步 发电机的电流反馈信号以及所述正序信号和负序信号来提供转换器控 制信号。下面的讨论为使用谐波分量以便减小风轮机发电机的转矩脉动和噪 声提供了理论基础。发电机电磁转矩能够按常规表达如下，乙=5 (^V'g + (、-丄W》其中，Tem是电磁转矩，np是极对，平戸是永磁磁通(常数)，Ld是直轴同步电感(常数)，Lq是正交轴同步电感(常数)。谐波电流注入命令可以通过任何适合的方程来获得，其中 一个例子如下= /《+ 2cos(6wP) + 2她6 sin(6w。
其中id、 iq是D轴和Q轴中的电流命令；id0、 iq。是D轴和Q轴中的 基本电流命令；余弦和正弦项是D轴和Q轴中的谐波电流命令；n是谐 波的次(order) ; e是来自转子位置传感器22 (图1中所示)的转子角度。由于在同步机设计中的非理想性，转矩方程中的谐波分量驻留在第6 次、第12次、第18次以及更高的6的倍数次谐波中。至少一个谐波分 量被消除，但是如果需要，可以消除6的任何倍数次谐波中的谐波分量。 下述是用于消除dq坐标系下电抗/;兹通的6次谐波分量的示例，即n = 1:其中<formula>formula see original document page 10</formula>如果仅要消除12次及低的谐波分量，那么根据电磁转矩公式通过忽略 更高的谐波分量来计算Ido、 Iqo、 Idc6、 Iqc6 、 Ids6和Iqs6以获得所需要 的转矩。可以使用任何适合的谐波电流命令计算技术。对于一个示例而 言，见Madani等在1995年9月IEEE控制应用第4次会议论文集第 787-792页的 "Reduction of torque pulsations by inductance harmonics identification of a Permanent-Magnet Synchronous Machine"。因此，如果仅考虑磁通的谐波分量(即，Ld和Lq是常数)并且在控制(面向转子磁通的控制)中使用ld=0,则可以使用下述方程27"_ _ "丄g/w<formula>formula see original document page 11</formula>那么，iqcmd的谐波分量对于转矩命令大约是线性的，并且固定电流成 型技术是可行的。Tem是永磁同步机的电-磁转矩。如果仅考虑电机磁体 (磁通)的非理性，即电机磁通具有高次谐波分量而电机电抗Ld、 Lq 则没有，则转矩方程能够如上描绘。 一个用于永久同步机的常见控制策 略是致使D轴电流为0并且经由Q轴电流控制电机转矩输出。利用这种 控制策略，能够按照上述iq方程对Q轴电流命令进行计算。此外，与 主磁通(在此为Wpmd0)相比，电机参数(在这里，是磁通的高次谐波 分量，例如，Vpmd6n、 Vpmq6n)的非理想性通常是较小的。因此，Q轴 电流命令计算能够被简化为以上约等号(approximation mark )右侧的项。 上述方程中的电流命令表达中的正弦项和余弦项是谐波电流命令。上述 方程中的Id0、 Iq0分别对应图3中的IdCmdO 60和IqCmdO 62。根据上述分析， 一种示例性控制方案包括前馈信道以增大动态电流响 应，以及多个闭环信道，所述闭环信道含有旋转坐标系积分器以将相应 的频率或者谐波下的稳态误差控制为0;并且对于每个谐波电流而言， 还包括用于控制正序电流和负序电流以便抑制转矩脉动的闭环调节器。图4图示了示例性的谐波控制实施例，其中采用对称共振调节器80 以作为谐波电流控制器。图4示出了 D轴和Q轴的对称共振调节器82、 84的示例性实施方式。所述对称共振调节器包括多个频率调节器，它们 被示为nl (o(86,102)、 n2 co (88,104)、 n3" (90,106)。这些调节器调节电 流以不同频率跟随命令。进一步地，所述对称调节器还包括调节谐波电 流的正序分量(nl " , n2 " , n3 ")和负序分量(画nl co ,画n2 co , -n3 co )。 输出包括D轴和Q轴的在不同频率VdnlReg、 Vdn2Reg、 Vdn3Reg(92, 94, 96)以及VqnlReg、 Vqn2Reg、 Vqn3Reg (108, 110, 112)下被调节的电压， 所述不同频率分别净皮求和以给出D轴和Q轴谐波电压命令VdhReg 100
和VqhReg 116。图5-7图示了三种不同类型的对称共振调节器。图5示出了示例性的 对称共振调节器120，其包括由附图标记124所示的比例项(proportional term) Kp放大器和由通过模块126所示的方程2KiS/(s2+(nco)2)所描绘的 共振积分器，其中共振积分器126同时对相应频率(+nco和-n")下的 正分量误差和负分量误差进行控制。对于正序和负序两者而言，误差122 需要在每个频率nw下都为0,并且在128计算模块124的输出和才莫块 126的输出之和以提供被调节的谐波电压命令130。应该指出，所述共 振积分器被用来将指定频率下的电流误差控制为0，并且所述比例项放 大器被用来增大系统动态响应。在图5中，每个共振调节器包括比例项 124和共振积分器项126。图6示出了对称共振调节器132的另一个实施例，其中再次对于正序 和负序两者而言，正弦信道136、 140、 146和余弦信道138、 142、 148 接收误差信号134并且被用于控制谐波分量。在求和器件150对正弦信 道的输出信号和余弦信道的输出信号进行求和。在求和器件152对由附 图标记144所示的比例项Kp放大器进行求和以提供;f皮调节的谐波电压 命令154。尽管图5和6均出于说明的目的而图示了一个共振调节器， 但是每个实施例中还可以使用两个共振调节器(一个用于D轴，一个用 于Q轴)。对于说明共振调节器控制的一个示例参考，见Wang等在2004 年6月IEEE电力电子专家会议第35次年会论文集的第3331-35页的 "Design of Multiple-Reference-Frame PI Controller for Power Converters"。图7示出了对称共振调节器156的第三个实施例，其中经由元件162 和164将正误差158和负误差160分开。调节器166、 168>^皮用于控制n co旋转坐标系中x信道和y信道内(类似于用于基本电流控制的D、 Q 轴信道)的电流误差的正分量。调节器172、 174用于负频率分量。经 由模块170、 176将调节器166、 168、 172、 174的输出信号旋转回到基 于基本频率的旋转坐标系(D轴、Q轴)。获得正电压命令VdnRegP 178、 VqnRegP 180和负电压命令VdnRegN 182、 VqnRegN184,然后在才莫块 186和188对它们进行求和以提供被调节的谐波电压命令VdnReg 190 和VqnReg192。在DQ旋转坐标系中，对称共振控制器包括两个共振积 分调节器， 一个用于正分量+n"(诸如图7中的模块162、 166、 168、170),另一个用于负分量-n"(诸如图7中的模块164、 172、 174、 176),其中，每个调节器通常包括两个信道(x,y信道)，并且其中每 个信道具有比例项和积分项，其典型地是PI ( proportional integral,比例积分)调节器。这里所描述的各个实施例提供了通过电力转换器电流注入的电力转 矩脉动控制，所述电力转换器电流注入有利地减小了在风轮机应用中的 发电机噪声。本领域技术人员将充分意识到，这里所描述的实施例使用 用于形成发电机的电流(或者电压)以减小转矩脉动(和/或噪声)的一 般原理。还应当指出，尽管已经在示例性实施例中示出了风轮机发电机 和永磁同步发电机，但是该技术同样可以应用于其它发电机和电动机。虽然在这里仅图示和描述了本发明的特定特征，但是本领域技术人员 可进行许多修改和变化。因此应当理解的是，所附的权利要求意指覆盖 所有这样的修改和变化，其都视为落入本发明的真实精神之内。7涡轮控制器(图2) 9转子速度信号(图2 ) 11查找表(图2) 13转矩命令(图2) 15无功伏安命令(图2) 17无功伏安调节器(图2) 19转矩调节器 41转换器控制器 10风轮机系统 12叶片16齿轮箱 18功率转换器 20系统控制器 22位置&速度传感器 23轴24谐波滤波器26变压器28并网30电流31电流传感器32电流33电流传感器34电压35电压传感器36线电压38总线电压40基本电流控制器42谐波电流控制器44D轴电流调节器46Q轴电流调节器 50 IdErrO 52 IqErrO 54 VdCmd 56 VqCmd 58 IdFbk60 IdCmdO61 IdCmd62 IqCmdO63 IqCmd64 IqFbk 66 IdhCmd 68 IqhCmd 70 IdhErr 72 Iqherr 76 Vdhreg 78 Vqhreg80对称共振控制器82D轴对阵共振控制器84Q轴对阵共振控制器86用于nl和-nl的D轴对阵共振控制器88用于n2和-n2的D轴对阵共振控制器90用于n3和_ n3的D轴对阵共振控制器92 VdnlReg94 Vdn2Reg96 Vdn3Reg98求和模块100 VdhReg102用于nl和-nl的Q轴对阵共振控制器 104用于n2和-n2的Q轴对阵共振控制器 106用于n3和-n3的Q轴对阵共振控制器 108 VqnlReg 110 Vqn2Reg112 Vqn3Reg114求和冲莫块116 VqhReg120对阵共振调节器122 IdhErr或者IqhErr124比例积分器126共振积分器128求和才莫块130 VdhReg或者VqhReg132对阵共振调节器134 IdhErr或者IqhErr136共振积分器的正弦分量138共振积分器的余弦分量140常数142常数144比例积分器146共振积分器的正弦分量148共振积分器的余弦分量150求和才莫块152求和模块156对称共振积分器158 Idh Err160 IqhErr
权利要求
1. 一种用于控制永磁同步机(14)中的转矩脉动的系统，包括(a)电力转换器(18)，其被配置成耦合到所述永磁同步机并且接收转换器控制信号(54、56)；和(b)系统控制器(20)，其耦合到所述电力转换器，所述系统控制器包括(i)基本电流控制器(40)，其被配置成用于提供基本电压命令(VdReg，VqReg，VdRef0，VqRef0)，(ii)谐波电流控制器(42)，其被配置成使用谐波电流命令(66、68)、来自所述永磁机的电流反馈信号(58、60)和基本电流命令(60、62)结合正序和负序调节器(86、88、90、102、104、106)来获得谐波电压命令(76、78)，和(iii)求和器件(53、55)，其被配置成用于将所述基本电压命令和所述谐波电压命令相加以获得所述转换器控制信号。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述谐波电流控制器包括多个对 称共振调节器(86、 88、卯、102、 104、 106),每个对阵共振调节器 被配置成用于控制特定频率下的正序谐波电流和负序谐波电流。
3. 如权利要求2所述的系统，其中至少一个所述对称共振调节器 (120)包括比例项放大器(124)和共振积分器(126),所述共振积分器(126)被配置成用于控制所述正序谐波电流和负序谐波电流。
4. 如权利要求2所述的系统，其中所述对称共振调节器均包括被配 置成用于控制所述正序电流和负序电流的正弦分量和余弦分量。
5. —种风轮机，包括电力转换器(18),其被配置成耦合到永磁同步机并且接收转换器 控制信号；和系统控制器(20)，其耦合到所述电力转换器，所述系统控制器包括基本电流控制器(40),其被配置成用于提供基本电压命令； 谐波电流控制器(42),其被配置成用于使用谐波电流命令、来自 所述风轮机发电机的电流反馈信号和基本电流命令结合正序调节器和 负序调节器来获得所述谐波电压命令；和求和器件(53、 55),其被配置成用于将所述基本电压命令和所述 谐波电压命令相加以获得所述转换器控制信号。
6. —种风轮才几，包括电力转换器(18),其被配置成耦合到风轮机发电机并被配置用于 接收转换器控制信号；和耦合到所述电力转换器的系统控制器(20),其中所述系统控制器 被配置成用于向所述电力转换器提供电力和/或转矩控制信号以调节由 所述风轮机电动机所产生的转矩和/或基本电力，并且其中所述系统控制 器还被配置成用于向所述电力转换器提供谐波控制信号以减小由所述 风轮机发4机所生成的噪声和/或转矩脉动。
7. 如权利要求6所述的风轮机，其中所述系统控制器包括(i) 基本电流控制器(40),其被配置成用于提供基本电压命令 (VdReg, VqReg, VdRefD, VqRefO ),(ii) 谐波电流控制器(42),其被配置成用于使用谐波电流命令 (66、 68)、来自永磁机的电流反馈信号(58、 60)和基本电流命令(60、62)结合正序调节器和负序调节器(86、 88、 90、 102、 104、 106)来 获得谐波电压命令(76、 78),和(iii) 求和器件(53、 55),其被配置成用于将所述基本电压命令 和所述谐波电压命令相加以获得所述转换器控制信号。
8. 如权利要求7所述的风轮机，其中所述谐波电流控制器包括多个 对称共振调节器(86、 88、 90、 102、 104、 106)，每个对称共振调节 器被配置成用于控制在特定频率下的正序谐波电流和负序谐波电流。
9. 一种用于控制永磁同步发电机中的转矩脉动的方法，包括 生成基本电流命令；使用谐波电流命令生成正序信号和负序信号以用于控制特定频率 下的正序谐波电流和负序谐波电流；和通过使用所述基本电流命令、所述谐波电流命令、来自所述永磁 同步发电机的电流反馈信号以及正序信号和负序信号获得转换器控制 信号；向耦合到所述永磁同步发电机的电力转换器提供所述转换器控制信号。
全文摘要
本发明公开了一种用于控制永磁同步机(14)中的转矩脉动的系统，所述系统包括电力转换器(18)和耦合到所述电力转换器的系统控制器(20)，所述电力转换器(18)被配置成耦合到所述永磁同步机并被配置成接收转换器控制信号。所述系统控制器被配置成向所述电力转换器提供电力和/或转矩控制信号以调节由所述永磁同步机所产生的转矩和/或基本电力。所述系统控制器还被配置成用于向所述电力转换器提供谐波控制信号以减小由所述永磁同步机所生成的噪声和/或转矩脉动。
文档编号H02P9/00GK101399515SQ20081016873
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月28日
发明者P·L·扬森, R·W·德尔梅里科, X·袁, Z·谭, 曲荣海, 王长永 申请人:通用电气公司