具体实施方式

附图中的图示是示意性的形式。应当注意，在不同的附图中，结构和/或功能相似或相同的元件被提供有相同的附图标记或仅在第一个数字内不同的附图标记。在一个实施例中未描述的元件的描述可以取自相对于另一个实施例的对该元件的描述。

图1以示意形式图示了根据本发明实施例的风力涡轮机100作为发电系统的示例，其向公用电网101提供电能。

风力涡轮机包括轮毂103，多个转子叶片105连接到轮毂103。轮毂机械连接到主轴107，主轴107的旋转由齿轮箱108变换成副轴109的旋转，其中齿轮箱108可以是可选的。主轴107或副轴109驱动发电机111，发电机111特别地可以是同步永磁发电机，其以三相或绕组113、115和117向转换器119提供功率流，转换器119包括发电机侧部分（AC-DC部分）121，DC链路123和电网侧部分（DC-AC部分）125，用于将可变AC功率流变换成固定频率AC功率流，该固定频率AC功率流以三相或绕组127、129、131提供给风力涡轮机变压器133，风力涡轮机变压器133将输出电压变换成更高的电压以传输到公用电网101。

转换器119经由转换器控制信号135来控制，转换器控制信号135从根据本发明实施例的用于控制发电机侧转换器部分的布置150导出并供应，该布置150接收至少一个输入信号137，诸如指示发电机111或风力涡轮机100的任何组件的操作的一个或多个参考值或一个或多个量。

图1中的发电机包括单个三相定子绕组。由此，绕组113承载定子电流I_a，绕组115承载定子电流I_b，并且绕组117承载定子电流I_c。

布置150适于抵消转矩和电压谐波（例如对应于发电机111的电频率的六倍的谐波）。根据本发明的实施例，发电机111、转换器119和布置150一起形成发电机系统。

如图1中图示的风力涡轮机发电系统100中所包括的用于控制发电机侧转换器部分的布置150接收输入信号137，该输入信号137可以涉及定子电压、定子电流，可以涉及反馈信号，可以涉及操作点，如将参考图2至图4详细描述的。控制信号135特别地是用于控制转换器119的发电机侧转换器部分121的转换器控制信号。

图2示意性地图示了用于控制发电机侧转换器部分的布置250，并且图3和4图示了用于控制发电机侧转换器部分的布置的相应实施例350、450。

至布置250的输入利用附图标记237统一标示。布置250包括转矩脉动控制器（TRC）239，其接收反馈信号241和/或指示操作点的可选信号243作为输入。转矩脉动控制器239从中导出谐波转矩参考245（Th*）。

布置250进一步包括谐波电压控制器（HVC）247，其接收定子电压指示反馈信号249作为输入，并从中导出谐波通量参考251。

转矩脉动控制器239和谐波电压控制器247在基本频率的特定谐波上操作。如果要处理多于一个的基本频率谐波，则对于每个谐波，可以提供相应的转矩脉动控制器239和相应的谐波电压控制器247。在要处理几个谐波的情况下，所有的谐波转矩参考245在加法元件254处被加到基本转矩参考253（Te*），并且估计的发电机转矩255被减去以导出转矩误差257。所有谐波通量参考251在加法元件254处被加到基本通量参考259，并且估计的发电机通量261被减去以导出通量误差263。期望的通量改变和期望的转矩改变dTe作为迟滞控制单元268、269的输出获得。

转换器控制信号265是基于期望的转矩改变dTe和期望的通量改变导出的。由此，转换器控制信号265表示定义发电机侧转换器部分121（图1中图示）的多个可控开关的开关状态的开关状态信号。

定子电压指示反馈信号249是使用计算模块267从测量的DC链路电压Vdc和开关状态265导出的。所计算的定子电压可以被带通滤波，以消除与谐波电压控制器247正在其上工作的谐波不同的谐波。根据图2中图示的实施例250，转矩误差257和通量误差263被供应到相应的迟滞控制器268、269，迟滞控制器268、269的输出、期望的通量改变和期望的转矩改变dTe被供应到输出开关状态265的开关表271。此外，开关表271接收定子通量定位（273），并且还基于定子通量定位273导出开关状态265。估计的发电机转矩255和估计的发电机通量261由转矩和通量估计器275基于定子电压vs、特别是参考定子电压和定子电流is导出。

基本转矩参考253和基本通量参考259由基本转矩/通量参考计算模块277基于以下量中的一个或几个导出：定子电压“vs”、定子电流“is”和DC链路电压Vdc。如从图2可以得知的，谐波转矩参考245（Th*）由转矩脉动控制器239进一步基于发电机111的操作点243导出。

图3和4中图示的布置350、450包括与图2中图示的布置250的模块相似或相同的模块，所述模块利用仅在第一个数字中不同的附图标记来标记。然而，根据本发明实施例的用于控制发电机侧转换器部分的布置350不包括迟滞控制器268、269和开关表271，而是取而代之地包括预测转矩控制器377，其接收转矩误差357和通量误差363，并从中导出转换器控制信号365。

代替预测转矩控制377或迟滞控制器268、269和开关表271，图4中图示的布置450包括谐波转矩控制器479和基本转矩控制器481，转矩误差457被供应到所述谐波转矩控制器479和基本转矩控制器481，并且使用加法元件480将输出相加在一起以导出第一电压参考483。更进一步地，布置450包括基本通量控制器485和谐波通量控制器487，通量误差463被供应到所述基本通量控制器485和谐波通量控制器487，并且其输出由加法元件480相加以抵达第二电压参考489。第一电压参考483和第二电压参考489被供应到变换模块491，该变换模块491输出总电压参考492 uab*。总电压参考492被供应到空间矢量调制模块493，空间矢量调制模块493从中导出开关状态465。如从图4可以理解的，定子电压指示反馈信号449由模块467基于总电压参考导出。

图4中的谐波转矩控制器479和图2、3、4中的转矩脉动控制器239、339、439是不同的控制器，但是在合适的反馈信号可用的情况下，它们可以具有相同的结构（诸如图5-7中的任何一个）。然而，在反馈信号不可用于转矩脉动控制器的情况下，它可以是以操作点（OP）为输入的查找表。

图4）中的转矩控制器481和通量控制器485可以是用于基本转矩和通量的PI控制器。图4中的转换器控制信号是通过逆Park变换加电压调制器基于至变换模块的输入导出的。

电驱动中的高性能谐波控制很重要，因为这是永磁发电机的要求，存在如下几个原因：（1）满足噪声标准；（2）防止结构模式的激发和加速疲劳；（3）优化DC链路电压使用和系统效率。

图2、3和4中图示的转矩脉动控制器（TRC）生成谐波转矩参考（Th*），该谐波转矩参考（Th*）被加到基本转矩参考（Te*），修改参考转矩以包含在所关注的谐波频率下的估计转矩中的误差。图2、3和4中图示的谐波电压控制器（HVC）生成谐波通量参考，以最小化相应的谐波电压。

预期TRC和HVC将保留直接转矩控制的优点，即由于转矩和通量/电压的解耦控制所致的快速动态。此外，基于LUT的方法的实现的简单性从图2中是明显的，因为内部通量和转矩控制器（迟滞控制器268、269）提供高带宽控制，而不需要附加的并行控制器。

图3中图示的布置350是另一种有吸引力的解决方案，包括预测转矩控制（PTC）方法，该方法被赋予高带宽通量和转矩控制，像基于LUT的DTC（内环由用于基于模型的预测和成本函数最小化的块组成）。

在图4中，TRC和HVC被集成到具有空间矢量调制的直接转矩控制中。与图2和图3中图示的实施例相反，在图4中，电压参考在调制器输入端、即在信号492处容易获得，但是转矩和通量控制器的较低带宽可能需要附加的并行控制器（图4中的HTC和HFC）来实现谐波含量的高性能参考跟踪和零稳态误差。一些方法可以是多个参考系中的谐振控制器和PI控制器。

所图示的控制方法的Vrms计算如下：或。Vdq在DTC-SVM中容易地可获得（转矩/通量控制器的输出之和），而对于DTC-LUT，电压是使用开关状态（Sabc）和dc链路电压（Vdc）重构的：

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感兴趣的谐波借助于所选谐波处的自适应BPF从Vrms提取。强调的是，实施例集中于图2、3、4中所示的外部谐波控制回路，如TRC和HVC，其修改了任何基于DTC的控制方法所需的参考转矩和通量。因此，为了完整起见，给出了图2、3、4中呈现的不同示例（LUT、预测、SVM）。然而，快速内部控制回路可以以其他方式实现。

图5、6和7图示了谐波控制器，作为图2、3和4中图示的控制块HVC、TRC、HTC、HFC的实现。

特别地，图2、3、4中图示的转矩脉动控制器239、339、439可以分别接收谐波转矩需求信号240、340、440，它们表示所考虑的谐波下的期望转矩。该谐波转矩需求例如可以为零。类似地，谐波电压控制器可以分别接收图2、3、4中的谐波电压需求信号246、346、446作为输入。该信号可以表示谐波电压需求，并且根据不同的应用，该需求可以为零。

在图5、6和7中图示的控制器的所有实现中，谐波误差504是根据需求谐波值502和反馈信号503计算的。在图5中图示的实现中，误差504被90°移相器506 移位90°，并且输出信号被供应到坐标系变换模块508。坐标系变换模块508根据与所考虑的谐波一起旋转的坐标系来变换误差和90°移位的误差。输出被供应到PI调节器510，PI调节器510导出输出信号，使得误差减小到零。在调节器510的下游，布置了进一步的坐标系变换模块，其进行逆变换以获得谐波参考545。

在图6中，谐波误差604被供应到三角函数612、614，并且输出再次被供应到PI调节器610，PI调节器610的输出与另一个三角函数616、618相乘并且相加在一起以获得谐波参考645。

在图7中图示的实现中，谐波误差704被供应到谐振调节器714，以获得谐波参考745。

图2、3、4中的控制块HVC、TRC、HTC、HFC都可以类似地实现，并且接下来称为谐波控制器。谐波控制器的不同选择如图5、6、7中所示。在所有选项中，计算谐波误差并进行闭环调节。因此，调节器用于将谐波误差控制在0。基于矢量控制原理的谐波调节器如图5、6中所示，使能实现简单的PI控制器。图7示出了使用具有如下典型传递函数的谐振调节器的谐波调节器，其中f1是谐振频率，并且是控制器的阻尼。图5、6、7中所示的框图假设，无论何时需要，自适应带通滤波器（BPF）都被应用于参考/反馈信号，并且因此仅感兴趣的谐波阶被给予控制器输入。可替代地，可以在图5、6和7中的谐波误差（Vn_error）中实现BPF。

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应用于PM电机可以允许降低噪音和振动，并且还优化硬件利用率。借助于最小化转矩脉动来降低噪音和振动可以被直接理解。

另一方面，借助于控制谐波定子电压/通量来增加硬件使用可能不是那么明显。后者由如下事实来解释：在存在不可忽略的电压谐波的情况下，可能需要设置降低的（平均）通量参考，以避免转换器过度调制，从而导致以较低的速度水平进入通量弱化区域，并以增加的相电流操作。HVC的引入使得能够实现以下可能性：（1）平均定子通量参考的增加；或者（2）降低dc链路电压。换句话说，HVC允许扩展MTPA（每安培最大转矩）的操作范围，缩小通量弱化范围，并且因此优化驱动效率。

所提出的控制结构和相应反馈信号的主要优点之一可以是，关于谐波控制，消除了对通量和转矩估计器准确度的依赖。注意的是，TRC的输入可以不限于加速度计，并且诸如麦克风和不同的传感器之类的其他信号可以成为选择。此外，闭环谐波控制器TRC可以由简单的LUT替换，其具有诸如速度和转矩之类的操作点（OP）信息作为输入，提供了廉价的前馈解决方案。

图8图示了如图4中图示的基于修改的空间矢量调制器的直接转矩控制的仿真结果。PM发电机的控制是通过实现用于计算基本转矩参考（Te*）的DC链路电压控制器和用于计算基本定子通量参考的通量弱化控制（也称为基本电压控制器，因为它的目标是保持发电机电压低于给定的限制）来实现的。关于谐波控制，测量的或推断的转矩脉动与图5中的控制器一起被用作反馈信号用于转矩脉动控制器，并且谐波电压控制使用Vrms中的电压脉动作为输入，并且使用如图5中的控制器结构。

横坐标816标示时间，并且纵坐标818标示信号强度。曲线820图示反馈转矩，曲线822图示估计转矩，曲线824描绘调制指数，并且曲线826指示估计通量。转矩脉动控制器在时间点t=3s、即在时间点828被启用。因此，它导致测量的转矩脉动的有效降低（剩余的振荡处于非受控的低谐波频率），而在估计/参考转矩中施加了六次谐波。谐波电压控制在时间点830、即在t=5s处被启用，通过在参考通量中施加六次谐波来降低电压脉动。因此，转换器更远离通量弱化和/或过调制区域操作。

根据本发明的实施例，电流/转矩/通量的基本参考借助于控制器或查找表来计算，一些示例是速度、功率、转矩、通量、电压控制器和最大每安培转矩方法。这样的控制器提供Te*和，它们通常是在稳态操作期间的DC信号。

转矩脉动控制器的目标是通过使用合适的传感器作为反馈信号并生成参考谐波转矩Th*来控制转矩脉动，该参考谐波转矩Th*是以给定频率变化的正弦信号或具有不同频率的正弦信号的组合。转矩脉动控制器可以由多种控制器（PI、搜索算法等）和/或LUT组成。

谐波电压控制器的目标是通过使用参考电压的模数（Vrms）作为反馈并生成参考谐波通量来控制电压脉动，参考谐波通量是在给定频率下变化的正弦信号或具有不同频率的正弦信号的组合。谐波电压控制器可以由多种控制器组成。

转矩/通量控制器可以包括具有给定带宽的PI控制器，旨在跟踪转矩和通量参考的DC含量。

谐波转矩/通量控制器（HTC和HFC）可以是借助于谐波参考系中的PI控制器、比例谐振控制器或任何其他合适的方法实现的控制器。

Park变换可以在静止坐标系（ab）和同步旋转坐标系（dq）之间变换，并且反之亦然。类似的技术可以应用于同步旋转坐标系和谐波参考坐标系之间的变换。

电压调制器使用静止坐标系中的参考电压来生成PWM（脉宽调制）模式。PWM信号用于控制发电机侧变流器部分的电力电子开关，诸如IGBT。迟滞（bang-bang控制器）可以视为用于定义DTC-LUT中LUT条目的控制器，典型地使用2级和/或3级控制器。控制器输出确定转矩/通量是增加、减少还是保持不变。

开关表根据迟滞控制器在LUT条目中规定的所期望动作确定优化电压。定子通量角也是LUT的条目，其定义了给定数量的扇区。

转矩和通量估计器可以采用机器模型和电流测量值一起来估计电磁转矩和定子通量。典型地使用参考电压代替测量电压。多种模型和观测器结构可以用于估计目的。

本发明的实施例可以提供一种用于将谐波控制能力合并到直接转矩控制驱动中的控制方法。谐波控制可以包括转矩脉动控制和电压脉动控制。可以提供一种用于改进电驱动中的谐波控制性能的控制方法。谐波控制可以对转矩脉动和通量链脉动估计的准确度具有很小的依赖性，并且因此可以具有良好的鲁棒性。一种控制方法可以很好地适用于风力涡轮机的永磁发电机的控制，这可以提供对更常用的矢量控制方法的替代。本发明的实施例可以减少噪声和振动，并增加电压控制范围和驱动效率。可以提供一种适合在变频器控制器中实现的控制方法。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。