JP2015505235A - 多相交流機の低速制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

多相交流機の低速制御のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ブラシレスＤＣまたは永久磁石機械を含むが、これらに制限されない多相交流機の任意タイプの風力発電機の起動方法を開示する。【解決手段】この機械は、完全停止または低速動作から起動し、電力生産のためにカットインスピードで加速される。生成された電力をキャプチャーするために、使用される導電体の共通集合を活用することによっても実現される。初期動作下で、電力変換装置は、機械を駆動するためにＰＷＭ変調技術を実行する。周期的に、ＰＷＭ変調は、発電機の電気的位置を読み取るために停止する。【選択図】図４

Description

本明細書に開示する主題は、電力変換装置に関し、具体的には、低速運転時の多相交流機からの改善された電力変換および制御に関する。
［関連する出願の参照］
本出願は、２０１１年１２月１９日に出願された米国仮出願第６１／５７７，４４７号に対して優先権を主張し、その全体の内容は本明細書に参照として含まれる。
近年、エネルギー需要が増加し、化石燃料の供給とそれに付随する環境汚染に対する懸念が高まるにつれて、再生可能エネルギー源への関心が高まっている。最も一般的で最もよく開発された再生可能エネルギー源のうちの２つは、太陽光エネルギー（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）および風力エネルギー（ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ）である。他の再生可能エネルギー源は、燃料電池、水力エネルギー（ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）、潮力エネルギー（ｔｉｄａｌ ｅｎｅｒｇｙ）、およびバイオ燃料（ｂｉｏｆｕｅｌ）またはバイオマス（ｂｉｏｍａｓｓ）発電機を含んでもよい。しかし、電気エネルギーを生成するために再生可能エネルギー源を使用するという新たな問題が提示されている。
例えば、風力タービン（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ）は、エネルギーの可変する供給を提供する。供給は、風の量に依存する。風力タービンは、変化する電流レベルで多相ＡＣ電圧を一般的に供給し、ＡＣエネルギーを一般的に生成する。エネルギーの可変性に起案して、電力系統（ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒｉｄ）と関係なく動作する場合、電力変換装置は、一般的に風力タービンと電力系統または電気負荷との間に挿入される。電力変換装置が動作を始める前に電力の最小レベルを生成するように、電力変換装置は、一般的にカットイン速度（ｃｕｔ−ｉｎ ｓｐｅｅｄ）として知られている最小速度で風力タービンの回転を必要とする。
しかし、風力タービンは、かなりの質量を有し、コンバータがエネルギーを捕獲（ｈａｒｖｅｓｔ）し始められるように、停止状態からカットイン速度まで加速するためのかなりのエネルギーを必要とする。また、いくつかの風力タービンは、慣性の「ｋｎｅｅ」を有してもよく、例えば、タービンの持続的な回転のために要求されるエネルギー量より回転を始め、静止摩擦力を克服するためのより大きい量のエネルギーを必要とすることを意味する。したがって、慣性の「ｋｎｅｅ」は、風力タービンの動作を開始するために、さらに高い初期風速を必要とするが、初期速度が得られるとき、動作は低い風速で持続してもよい。その結果、風力タービンは、エネルギーを生成できる風速の範囲を有してもよいが、風力タービンが事前に回転していなかった場合、エネルギーは失われる。同様に、風がタービンを静止状態からカットイン速度まで加速するために十分に強くても、風力タービンの慣性は、緩加速を引き起こすことがある。緩加速は、風力タービンをカットイン速度まで加速するための好ましくない時間量になることがある。加速の際に、風力タービンは、再び風速がエネルギー生成のための十分な周期中にエネルギー生成を失敗している。
風力タービンから最も高い電位エネルギーの生成を取得するために、できるだけ頻繁にコンバータのカットイン速度を超過して動作する風力タービンを有することが望ましい。したがって、カットイン速度まで風力タービンを加速することをサポートおよび／または慣性の「ｋｎｅｅ」を克服できるシステムを提供することが望ましい。
本明細書に開示する主題は、低速運転時に多相機械を制御するための方法およびシステムであり、より具体的には、交流機に結合された位置センサを含まない多相交流機を起動するための方法およびシステムを開示する。
本発明の一態様によれば、本発明は、永久磁石機械（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｃｈｉｎｅｓ）またはブラシレスＤＣを含むが、これらに制限されることなく、多相交流機の任意の類型の風力発電機を起動するための方法を提供する。この機械は、完全停止または低速動作から起動して、電力生産のためにカットイン速度で加速される。生成された電力をキャプチャーするために使用される導電体の共通集合（ｃｏｍｍｏｎ ｓｅｔ）を活用することによって認識される。初期動作では、ＰＷＭ変調技術は機械を駆動する。周期的に、ＰＷＭ変調は、発電機の電気的位置を読み取るために停止する。フライホイール（ｆｌｙ ｗｈｅｅｌｓ）などの類似の起動条件を必要とする他の適用は、同様に前記起動方法を適用してもよい。
本発明の一実施形態によれば、電力変換システムは、電力変換システムを多相交流機（ｐｏｌｙｐｈａｓｅ ＡＣ ｍａｃｈｉｎｅ）に接続する端子の集合と、正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に接続され、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に双方向電力（ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ）を伝送する電力変換装置と、一連の命令を格納するメモリ素子と、コントローラとを含む。前記コントローラは、所定の速度未満で起動制御モジュールを実行し、前記起動制御モジュールは、前記交流機の回転を制御して、前記ＤＣバスで前記交流機によって生成された電力を伝送するために前記所定の速度を超過して電流調整器を実行する。
本発明の他の態様によれば、電力変換システムは、電力系統に接続される出力と、前記ＤＣバスと前記出力との間に接続されるインバータモジュール（ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅ）とを含む。前記インバータモジュールは、前記ＤＣバスと前記出力との間に双方向電力を伝送し、前記コントローラは、前記起動制御モジュールが実行されている場合、前記ＤＣバス上に所望のＤＣ電圧を保持するために前記インバータモジュールを制御する。
本発明の他の態様によれば、電力変換システムは、エネルギー蓄積装置と、前記ＤＣバスと前記エネルギー蓄積装置との間にエネルギーを伝送する第２電力変換装置とを含む。前記コントローラは、前記起動制御モジュールが実行されている場合、前記ＤＣバス上に所望のＤＣ電圧を保持するために前記第２電力変換装置を制御する。
本発明のまた他の一実施形態によれば、前記起動制御モジュールは、前記ＤＣバス上の電圧を前記交流機に対するＡＣ電圧に変換する変調モジュール（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）を含む。前記コントローラは、前記変調モジュールを周期的に無効にし、前記変調モジュールが無効になる場合、前記コントローラは、前記交流機上に存在する逆起電力電圧（ｂａｃｋ−ｅｍｆ ｖｏｌｔａｇｅ）を読み取る。
本発明の他の実施形態によれば、電力変換システムは、電力変換システムを多相交流機に接続する端子の第１集合と、正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、前記端子の第１集合を前記ＤＣバスに選択的に接続する複数の第１スイッチと、電力系統に接続する端子の第２集合と、前記ＤＣバスを前記端子の第２集合で選択的に接続する複数の第２スイッチと、一連の命令を格納するメモリ素子と、コントローラとを含む。前記コントローラは、第１動作モードおよび第２動作モードで前記命令を実行する。前記第１動作モード中に、前記コントローラは所定の速度で前記交流機を加速するために各々の第１および第２スイッチに対するゲート信号を生成し、前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記交流機によって生成されたエネルギーを前記電力系統に伝送するために各々の第１および第２スイッチに対する前記ゲート信号を生成する。前記第１動作モード中に、前記第１スイッチは、前記端子の第１集合で多相ＡＣ電圧を提供するように制御され、前記多相ＡＣ電圧は前記交流機の速度を制御するための可変の大きさ(ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および可変周波数を含む。前記第２スイッチは、前記ＤＣバス上に実質的に一定のＤＣ電圧を保持するために前記電力系統と前記ＤＣバスとの間にエネルギーを伝送するように制御される。
本発明の他の態様によれば、電力変換システムは、前記端子の第１集合で存在する電圧の振幅に対応する信号を生成する複数の電圧センサをまた含む。前記コントローラは、前記電圧センサから各々の前記信号をさらに受信し、前記第１動作モード中に、前記第１スイッチが無効にされる場合、前記コントローラは、周期的に前記第１スイッチを無効にして各々の前記信号を読み取る。前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記スイッチの第１集合を制御し、前記スイッチの第１集合を制御すると同時に前記信号を読み取る。前記コントローラは、前記電圧センサから読み出された信号の関数として前記端子の第１集合に存在する逆起電力電圧を決定し、そして前記逆起電力電圧の関数として前記端子の第１集合に存在する電圧の電気角を決定する。
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンのカットイン速度より大きい所定の初期速度まで前記風力タービンで使用するための多相交流機を加速する方法を開示する。前記方法は、前記交流機に対する電圧を生成するための変調モジュールを実行する第１動作モードにおいて電力変換装置を制御するステップを含み、前記電圧は、前記交流機の回転速度を制御するために可変の大きさ(ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および可変周波数を含む。前記第１動作モード中に、前記方法は、周期的な間隔（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｉｎｔｅｒｖａｌ）で前記変調モジュールを無効にし、前記変調モジュールが無効になる場合、前記交流機上に存在する逆起電力電圧を決定する。前記交流機の回転速度は、前記逆起電力電圧の関数として決定される。電力変換装置は、前記回転速度が前記所定の初期速度より大きい場合、第２動作モードで制御され、前記第２動作モード中に、前記電力変換装置は、前記交流機から前記ＤＣバスまでエネルギーを伝送する。
本発明の他の一実施形態によれば、交流発生源から電力系統まで生成されたエネルギーを伝送するための電力変換システムは、前記電力変換システムを前記交流発生源に接続する端子の集合と、正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に接続され、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に電力を伝送する電力変換装置と、一連の命令を格納するメモリ素子と、コントローラとを含む。前記コントローラは、前記ＤＣバスに前記交流発生源によって生成された電力を伝送するために、前記電力変換装置の連続的な変調に対して所定の速度を超過して変調モジュールを実行し、前記ＤＣバスに前記交流発生源によって生成された電力を伝送するために、前記電力変換装置の断続的な変調に対して前記所定の速度未満で前記変調モジュールとの調整（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ）で消去時間を周期的に挿入するために前記一連の命令を実行する。
当業者には、本発明のこれらおよび他のオブジェクト、利点および特徴は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内において、多くの変更および修正を行なうことができ、本発明は、全てのそのような修正を含む。
本明細書で開示する主題の様々な例示的な実施形態は、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を示す添付の図面に示されている。
本発明の一実施形態に係るコンバータの概略図である。 本発明の一実施形態に係るインバータの概略図である。 風速およびロータスピードの関数として、風力タービンによって生成された電力を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るブロック図である。 本発明の一実施形態に係る一変調周期の一部を示すグラフである。 連続的なパルス幅変調の下で動作中の図１のコンバータの端子に存在する三相電圧を示すグラフである。 周期的な消去時間を有するパルス幅変調の下で動作中の図１のコンバータの端子に存在する三相電圧を示すグラフである。 電圧の一周期にわたる図７の三相電圧の一相を示すグラフである。
図面に示す本発明の好ましい実施形態について説明する際には、明快のために特定の専門用語が用いられる。ただし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、特定の用語は各々、同様の目的を達成するために同様に動作する全ての技術的等価物を含むことを理解されたい。例えば、「接続された」という単語、「取り付けられた」という単語、またはそれに類似する用語がしばしば使用される。それらは、直接接続には限定されないが、当業者によってそのような接続が等価であると認識される他のエレメントを介した接続を含む。
本明細書に開示された対象発明の様々な特徴、および有利な詳細事項は、下記の説明による非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。
最初に図１を見ると、本発明の一実施形態を含む例示的なコンバータ１０が示される。電力変換装置に接続された交流発電機６と電力変換装置１０に存在するＤＣバス１２との間に電力変換装置１０は双方向電力を伝送する。電力変換装置１０は、交流発電機６に接続される３つの入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）を含む。１つの動作モードでは、図示した実施形態の各々の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、交流発電機６から電力変換装置１０のＤＣバス１２まで電力を伝送する。例えば、交流発電機６は、風などの外部源（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｏｕｒｃｅ）によって駆動されてもよく、入力端子のうちの１つに接続される三相交流電圧（Ｖ１〜Ｖ３）の各々の位相を生成する。入力フィルタ２８は、各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）と直列に接続される。他の動作モードにおいて、ＤＣバス上に存在するＤＣ電圧を端子（Ｔ１〜Ｔ３）上の可変振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）および可変周波数をＡＣ電圧に変換し、交流発電機６の回転を制御する。
交流発電機６が電力を生成している場合、電力変換装置１０は、端子（Ｔ１〜Ｔ３）で多相ＡＣ入力電圧（Ｖ１〜Ｖ３）を受信し、スイッチング素子２０，２１を用いてＤＣバス１２上に存在する所望のＤＣ電圧（Ｖｄｃ）を出力する。ＤＣバス１２は、出力＋Ｖｄｃ，−Ｖｄｃで利用可能になる正極レール１４および負極レール１６を含む。当技術分野で理解されるように、正極レール１４および負極レール１６は、共通（ｃｏｍｍｏｎ）または中性（ｎｅｕｔｒａｌ）電圧に対して任意の適したＤＣ電圧電位を導通（ｃｏｎｄｕｃｔ）してもよく、正極または負極ＤＣ電圧電位に制限されない。また、正極レール１４または負極レール１６のうちいずれか１つは中性電圧電位に接続されてもよい。正極レール１４は負極レール１６より大きい電位を有するＤＣ電圧を一般的に導通する。
スイッチング素子２０，２１は、一般的に固体電力素子である。図１は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）としてのスイッチング素子２０，２１を示す。しかし、適用の要求条件によって、任意の適切なスイッチング装置を用いることが考慮され、任意の適切な装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）またはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などのサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、または他の制御される素子を含んでいるが、これらに制限されることはない。ダイオード２２は、スイッチング素子２０，２１がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子２０，２１を両端間における逆導通のために、各々のスイッチング素子２０，２１に並列に接続される。このようなダイオード２２は、また半導体スイッチの一部であってもよい。入力の各々の位相に対し、正極スイッチ２０は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の正極レール１４との間に接続され、負極スイッチ２１は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の負極レール１６との間に接続される。各々の正極スイッチング素子２０は、正極ゲート信号２４によって制御され、各々の負極スイッチング素子２１は、負極ゲート信号２５によって制御される。正極および負極ゲート信号２４，２５は、各々の正極または負極スイッチング素子２０，２１を介して選択的に導通を許可するために有効または無効になる。容量５０は、ＤＣバス１２の負極レール１６と正極レール１４との間に接続される。容量５０は、システムの要求条件によって一つのキャパシタまたは直列または並列に接続された複数のキャパシタであってもよい。容量５０は、入力電圧とＤＣバス１２との間の電圧変換から生じるリップル電圧の大きさを減少させる。
コントローラ４０は、ゲート信号２４，２５を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ４０は、コンバータ１０の全体にわたって様々な時点で電圧および／または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ４０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で存在する電圧の振幅を提供してもよい。選択的に、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で導通した電流の振幅を提供するために動作可能に接続されてもよい。同様に、電流および／または電圧センサ２８，３０は、ＤＣバス１２の正極レール１２および負極レール１６に各々動作可能に接続されてもよい。コントローラ４０は、格納された命令を取出すためにメモリ素子４２とインターフェースで接続して外部の素子と通信するために通信ポート４４とインターフェースで接続してもよい。コントローラ４０は、ここに説明したようにコンバータ１０を制御するために格納された命令を実行する。
次に図４を参照すると、例示的な電力変換システムは、インバータとして動作し、ＤＣバス１２によって接続される第１電力変換装置１０および第２電力変換装置６０を含む。選択的に、エネルギー蓄積装置１８は、ＤＣバス１２の負極レール１６と正極レール１４との間に接続されてもよい。風力タービンの発電機のような交流発電機６は、ＤＣバス１２上のＤＣ電圧に変換される電力をコンバータ１０に供給し、順序通りに（ｉｎ ｔｕｒｎ）、インバータ６０は、ＤＣバス１２から電気負荷４または電力系統（図示せず）に電力を供給する。格納素子１８は、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧を格納素子の要求条件に従って適切なＤＣ電圧レベルに変換するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。例えば、格納素子は鉛酸蓄電池、リチウムイオン電池、亜鉛臭素電池、フロー電池（ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｙ）または任意の適切なエネルギー格納素子であってもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータは、適用の要求条件によって、ＤＣバス１２と格納素子１８との間にエネルギーを伝送するように動作する。
次に図２を参照すると、例示的なインバータ６０は、ＤＣバス１２に接続される。インバータ６０は、ＤＣバス１２と電力系統との間の双方向電力を伝送してもよい。１つの動作モードにおいて、インバータ６０は、前記ＤＣバス１２からのＤＣ電圧を、例えば、モータなどの電気負荷または電力系統への供給に適したＡＣ電圧に変換する。他の動作モードにおいて、インバータ６０は、電力系統とＤＣバス１２との間の電流を調整することによって、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧を調整してもよい。いずれかの動作モードにおいて、インバータ６０の制御は、正極レール１４または負極レール１６のどちらかを出力６２の位相の１つに選択的に接続するスイッチング素子７０を使用して変換が行われる。スイッチング素子７０は、通常固体電力素子である。図２は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）としてのスイッチング素子７０を示す。しかし、適用の要求条件によって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）またはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などのサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、または他の制御された素子を含んでいるが、これらに制限されることなく任意の適切なスイッチング素子を用い得ることが企図される。ダイオード７２は、スイッチング素子７０がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子７０の両端間における逆導通のために、各々のスイッチング素子７０に並列に接続される。このようなダイオード７２は、また半導体スイッチの一部であってもよい。各スイッチング素子７０は、ゲート信号７４によって制御される。ゲート信号７４は、スイッチング素子７０を介した導通を選択的に許可するために交互に有効または無効にする
コントローラ９０は、ゲート信号８４を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ９０は、インバータ６０全体にわたって様々な時点で電圧および／または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ９０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、センサ（７６ａ〜７６ｃ）は、出力端子６２の各々の位相に存在する電圧の振幅を提供してもよい。選択的に、出力センサ（７６ａ〜７６ｃ）は、出力端子６２の各々の位相で導通する電流の振幅を提供するために動作可能に接続されてもよい。同様に、電流および／または電圧センサ７８，８０は、ＤＣバス１２の各々の正極レール１２および負極レール１６に動作可能に接続されてもよい。コントローラ９０は、格納された命令を取得するためにメモリ素子９２とインターフェースで接続し、外部素子と通信するために通信ポート９４とインターフェースで接続してもよい。本発明の一実施形態によれば、第１コンバータ１０および第２コンバータ６０は、各々の電力変換装置の動作を制御するために分離したコントローラ４０，９０およびメモリ素子４２，９２を含む分離したモジュールである。選択的に、単一コントローラおよびメモリ素子は、電力変換装置の両方の動作を制御してもよい。
動作において、電力変換システムは、エネルギーを生成するための風力タービンの有用性を増加させる。風力タービンが慣性の「ｋｎｅｅ」で構成される場合、電力変換システムは、動作を開始するのに十分な初期速度で交流発電機６をまず加速させ、それから電力系統で交流発電機６０によって生成された電力を伝送し始める。選択的に、風力タービンは、コントローラ４０に風速に対応する信号を提供する風速計を含んでもよい。風速が電力変換装置１０によって要求されるカットイン速度より大きいか、交流発電機６０の回転を開始するために風力タービンによって要求される初期速度より小さい場合、コントローラ４０は、交流発電機６を加速するために動作してもよい。風力タービンが慣性の「ｋｎｅｅ」を含まない場合であっても、電力変換システムは風力タービンの動作を開始するために必要な時間の量を減らすために、交流発電機６をカットイン速度まで加速させてもよい。いずれかの動作条件の下で、電力変換システムは、交流発電機６０の回転速度を制御するために第１モードで動作され、交流発電機６から電力変換装置１０のＤＣバス１２まで供給される電力を変換するために第２動作モードで動作する。
第１電力変換装置１０が源６からＤＣバス１２まで電力を伝送する場合（図４も参照）、今後エネルギー蓄積装置１８またはインバータモジュール６０は、エネルギー源によって生成された電力を保存したり電力系統でエネルギー源によって生成された電力を伝送するために、各々のＤＣバス１２に接続されてもよい。エネルギー蓄積装置１８は、ＤＣバス１２とエネルギー蓄積装置１８との間の電力を制御するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。交互に電力変換装置１０が交流発電機６の回転を制御する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータおよび／またはインバータモジュール６０は、ＤＣバス１２上に存在する電圧を調整してもよい。いずれかの動作モードにおいて、電力変換装置１０，６０の各々のコントローラ４０，４９は、電力変換の所望の形態によって出力６２または入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）のうちの１つとＤＣバス１２との間にスイッチ２０，２１，７０を各々選択的に接続するためのゲート信号２４，２５，７４を生成する１つ以上の制御モジュールを実行してもよい。本発明の一実施形態によれば、風力タービンは、風速の関数として低速駆動軸を回転させる回転翼（ｂｌａｄｅ）を含んでもよい。低速駆動軸は、ギヤボックスに入力され、順に歯車装置（ｇｅａｒｉｎｇ）の機能として高速駆動軸の出力を回転させる。高速駆動軸は、固定子上でＡＣ電圧（Ｖ１〜Ｖ３）を生成する交流発電機６のロータ部を回転させる。
次に図３を参照すると、グラフ１００は、変化する風速下で動作する例示的な風力タービンに対して、ロータ速度の関数として交流発電機６で生成された電力との関係を示す。例えば、タービン翼の速度は、回転翼の変化するピッチによって制御されてもよい。このように、一定の風速に対し、結果的に低速駆動軸の回転速度および交流発電機６におけるロータの回転速度は変化してもよい。しかし、回転翼のピッチが変化する風の条件に対応して十分な速さのレートで調節不可能な場合が存在する。ピッチ制御の代わりに、またはそれに加えてコンバータ１０は、可変する制動力が交流発電機６に適用されるように、交流発電機６から引出される調整電流によって交流発電機６の速度調整を助けてもよい。したがって、電流の電気的制御は、最大電力点で動作を保持するために風速の変化を補償してもよい。
図３に破線１０１でさらに示したように、交流発電機６の動作は、二乗の電力法則（ｓｑｕａｒｅｄ ｐｏｗｅｒ ｒｕｌｅ）に従ってもよく、タービンによって生成される電力は、風速の二乗で増加する。各々の風速に対して、その風速で交流発電機によって生成され得る最大電力がＤＣバス１２に伝送されるように、コントローラ４０は、最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ）で動作する。様々な風速でこのような最大電力点をトラッキングすることは、定格電力の生産が発生するまでの指数関数の二乗電力曲線１０１の結果である。その時点で、コントローラ４０は、コンバータ１０の要素または交流発電機６０の損傷を防ぐために、定格値で電力生産を制限する。コントローラ４０は、交流発電機６とＤＣバス１２との間に導通する電流の制御および回転翼のピッチ制御の両方のために、制御ルーチンを実行する。選択的に、分離したコントローラ４０を用いてもよく、制御モジュールのうちの１つを各々実行する。
当技術分野で知られているように、正常動作条件中の交流発電機６から引き出された電流を調整するために、コントローラ４０は、交流発電機６からＤＣバス１２までの電流の同期制御のために構成される第１電流調整器（ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を実装（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ）してもよい。同期電流調整器（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）は、電流基準を受信し、測定された電流信号の利用は、電流エラー値（ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｖａｌｕｅ）を決定する。その次に、同期電流調整器は、電流エラー値を補償するために所望の制御された電流を決定する。その次に、交流発電機６とＤＣバス１２との間で所望の制御された電流を生成するように入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相をＤＣバス１２に選択的に接続するために、コントローラ４０は、適切なゲート信号２４，２５を決定する。
交流発電機６がＡＣ電力を生成するために、コントローラ４０は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で存在するＡＣ電圧の電気角を知ることが要求される。最小速度を超過して動作する場合、コントローラ４０は、交流発電機６に存在する逆起電力を検出することによって、電気角を決定してもよい。交流発電機の回転速度が増加することによって、逆起電力の振幅も同様に増加する。しかし、逆起電力は、ロータ速度の関数だけでなく交流発電機パラメータの関数である。したがって、逆起電力が検出され得る最小速度は適用関数（ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）である。しかし、逆起電力の振幅は、一般に、交流発電機６の定格速度（ｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ）の約１０％から約２０％の間で確実に検出され得る。
次に図５を参照すると、同期電流調整器は、ゲート信号２４，２５を生成するための基準電圧信号１５４を生成する交流発電機６の検出された電気角および所望の制御された電流値を用いる。図５において、正弦三角形（ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒｉａｎｇｌｅ）ＰＷＭ変調技術１５０によってＡＣ電圧の一相に対する１つのサイクルの一部に対するゲート信号２４，２５の生成が示される。正弦三角形ＰＷＭ変調技術１５０において、三角波形（ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅｆｏｒｍ）１５２は、ゲート信号２４，２５を生成するために電圧基準１５４と比較される。三角波形１５２の一周期は、ＰＷＭルーチンのスイッチ周期１５６によって定義される。スイッチ周期１５６中に、電圧基準１５４が三角波形１５２より大きい場合、正極ゲート信号２４は高く設定される一方、負極ゲート信号２５は低く設定される。電圧基準１５４が三角波形１５２より低い場合、正極ゲート信号２４は低く設定される一方、負極ゲート信号２５は高く設定される。当技術分野の通常の技術者に知られているように、他の変調技術は、空間ベクトルまたはマルチレベルスイッチング（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）などの出力電圧を生成するために使用され得ることが企図される。また、図４に示すように、上、下またはこれらの組合せによって増加されるレジスタのようなデジタル信号をアナログ信号と比較することによって変調技術が実施されてもよい。
コントローラ４０は、上述したように、２つの動作モード、すなわち交流発電機６０に対するモータリングおよび生成動作モードで動作する。このように、コントローラ４０内の制御モジュールの起動の提供が望ましいこともある。起動制御モジュールは、電力変換装置セクション１０をインバータと共に制御し、風力タービンを初期スピードまで加速するためにモータと共に交流発電機６を扱う。 一度、初期速度でコントローラ４０は、再びコンバータなどの電力変換装置セクション１０を制御することができ、ＤＣバス１２で交流発電機６０によって生成された電力の伝送を開始することができる。風力タービンの交流発電機６は、一般的に交流発電機６の角度位置に対応するフィードバック信号を提供するために、エンコーダ（ｅｎｃｏｄｅｒ）またはレゾルバ（ｒｅｓｏｌｖｅｒ）を含まない。したがって、コントローラ４０がモータリング動作モードで動作する場合、開ループモータ制御技術を用いなければならない。
交流機が回転するとき、逆起電力が確立（ｅｓｔａｂｌｉｓｈ）される。逆起電力波形の大きさは、交流発電機６０の回転速度の関数である。回転速度が減少することによって、生成された逆起電力の振幅も同様に減少する。位相ロックループなどの公知の技術を用いて、コントローラ４０は、交流発電機６の電気角を決定するために１つ以上の位相の逆起電力を周期的にサンプリングしてもよい。電気角を知ることは、モータリング中に交流発電機６の円滑な制御を提供するために、また、生成時に交流発電機６からＤＣバス１２に伝送される電力を調整するために必要である。
変調技術による電力変換装置１０の各々の正極および負極スイッチ２０，２１を制御するためのゲート信号２４，２５を生成するように、モータリングモードでの交流発電機６制御は、コントローラ４０を必要とする。風力タービンが一般的に電力系統に接続されるため、システムは図４に示すようにインバータ６０および電力変換装置１０の両方を含む。しかし、交流発電機６がモータリングモードで動作する場合、電力変換装置１０は、ＤＣバス１２から交流発電機６まで電力を伝送するために、一時的にインバータとして制御される。同様に、インバータ６０は、電力系統からＤＣバス１２の電力を伝送するために、一時的にコンバータとして動作する。選択的に、エネルギーは、モータとして交流発電機６の駆動に使用するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してＤＣバス１２に接続されたエネルギー蓄積装置１８から伝送されてもよい。したがって、電力系統またはエネルギー蓄積装置１８のいずれかは、モータとして交流発電機６０を駆動するために必要な電力を提供する。
変調技術は、端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の正極または負極レール１４，１６のいずれかと接続されるように、正極スイッチ２０および負極スイッチ２１を交互に制御する。電流の流れる方向を制御することによって、コントローラ４０は、交流発電機６０がモータリングまたは生成動作モードのいずれかで動作するようにする。次に図６を参照すると、ＤＣバス１２の正極レール１４または負極レール１６のいずれかと各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）と交代接続から得られる変調波形を示す。低速運転時に、変調波形の振幅は、交流発電機６によって生成された逆起電力の振幅よりもさらに大きくなり、逆起電力の値を読み取ろうとして大幅なノイズや不確実性を導入する。
次に図７および図８を参照すると、コントローラ４０は、変調が停止する消去時間１２０または短い間隔を導入することによって、モータリング動作中の交流発電機６を制御するように実行する。消去時間１２０中に、コントローラ４０は、変調した電圧からの干渉なしに逆起電力電圧を読み取ってもよい。交流発電機の慣性および風力タービンの回転翼が交流発電機６回転を保持し、交流発電機６が少しもまたは全く減速しないように、消去時間１２は十分に短い。
本発明の一実施形態によれば、消去時間は１〜３ｍｓｅｃの間であり、６〜２０ｍｓｅｃ離れた間隔を置いて周期的な間隔で繰り返す。好適な実施形態によれば、消去時間は約２ｍｓｅｃで、約１０ｍｓｅｃの間隔で繰り返される。変調周期中に、交流発電機６に適用される電力は、交流発電機６を加速するようにする。交流発電機６の速度が増加することによって、逆起電力の振幅は減少する。いくつかの点で、一般的に定格速度（ｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ）の約５〜１０％である逆起電力の大きさは、連続的な変調時に読み出すことができるほどに十分に大きい。したがって、コントローラ４０は、停止状態または消去時間を用いた低速状態から交流発電機６が逆起電力が連続的にモニタリングされ得る速度に到達するまで、交流発電機６を制御する。この速度でコントローラ４０は消去時間の使用を停止し、交流発電機６で連続的に電圧を変調する。
交流発電機６が所望のカットイン速度に到達した場合、コントローラ４０は、モータリング動作モードから生成動作モードまでスイッチングする。その結果、電力変換装置は１０は、インバータとしての動作を中止してコンバータとしての動作を再開し、即ち交流発電機６からＤＣバス１２までの電力を伝送する。同様に、インバータ６０は、コンバータとしての動作を中止し、ＤＣバス１２から電力系統まで電力を伝送するためにインバータとして再び動作する。
逆起電力を読み取るための消去時間の使用は、低速運転時の交流発電機として動作範囲を拡張するために使用され得ることが企図される。上述したように、ＡＣ交流発電機６によって生産されるＡＣ電力の電気角の認識は、交流発電機６からＤＣバス１２まで電力伝送を制御するための同期電流調整器（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）に必要とされる。ロータ速度が遅くなることで、逆起電力の大きさは、振幅が小さすぎて連続変調時に正確に検出できるようになるまで減少する。上述したように、消去時間の導入は、電力変換装置１０が一時的に変調を中断して逆起電力を読み取ることを許可する。逆起電力の電気角が決定され、変調を行うコントローラ４０によって、使用される角度を決定する調整に対応する。スイッチ２０，２１の変調は、交流発電機６からＤＣバス１２までの電力を伝送するために修正された角度で再開される。
本発明は、本明細書に記載した構成要素の構造および構成の詳細への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。上記の変形形態および修正形態は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で開示および規定される本発明は、説明した個々の特徴またはテキストおよび／または図面から明白な個々の特徴のうちの２つ以上の全ての代替的な組合せに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組合せの全ては、様々な本発明の代替的な態様を構成する。本明細書に記載した実施形態は、本発明を実施するために知られている最良の形態について説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。

Claims (11)

  1. 電力変換システムを多相交流機に接続する端子の集合と、
    正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、
    前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に接続され、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に双方向電力を伝送する電力変換装置と、
    一連の命令を格納するメモリ素子と、
    前記交流機の回転を制御する起動制御モジュールを所定の速度未満で実行し、前記ＤＣバスで前記交流機によって生成された電力を伝送するために前記所定の速度を超過して電流調整器を実行する前記一連の命令を実行するコントローラと、
    を含む電力変換システム。
  2. 電力系統に接続される出力と、
    前記ＤＣバスと前記出力との間に接続されるインバータモジュールと、
    をさらに含み、
    前記インバータモジュールは、前記ＤＣバスと前記出力との間に双方向電力を伝送し、
    前記コントローラは、前記起動制御モジュールが実行されている場合、前記ＤＣバス上に所望のＤＣ電圧を保持するために前記インバータモジュールを制御する、
    請求項１に記載の電力変換システム。
  3. エネルギー蓄積装置と、
    前記ＤＣバスと前記エネルギー蓄積装置との間にエネルギーを伝送する第２電力変換装置と、
    をさらに含み、
    前記コントローラは、前記起動制御モジュールが実行されている場合、前記ＤＣバス上に所望のＤＣ電圧を保持するために前記第２電力変換装置を制御する、
    請求項１に記載の電力変換システム。
  4. 前記起動制御モジュールは、前記ＤＣバス上の電圧を前記交流機に対するＡＣ電圧に変換する変調モジュールを含み、
    前記コントローラは、前記変調モジュールを周期的に無効にし、
    前記変調モジュールが無効になる場合、前記コントローラは、前記交流機上に存在する逆起電力電圧を読み取る、
    請求項１に記載の電力変換システム。
  5. 電力変換システムを多相交流機に接続する端子の第１集合と、
    正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、
    前記端子の第１集合を前記ＤＣバスに選択的に接続する複数の第１スイッチと、
    電力系統に接続する端子の第２集合と、
    前記ＤＣバスを前記端子の第２集合で選択的に接続する複数の第２スイッチと、
    一連の命令を格納するメモリ素子と、
    第１動作モードおよび第２動作モードで前記命令を実行するコントローラと、
    を含み、
    前記第１動作モード中に、前記コントローラは、所定の速度で前記交流機を加速するために各々の第１および第２スイッチに対するゲート信号を生成し、
    前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記交流機によって生成されたエネルギーを前記電力系統に伝送するために各々の第１および第２スイッチに対する前記ゲート信号を生成する、
    電力変換システム。
  6. 前記第１動作モード中に、
    前記第１スイッチは、前記端子の第１集合で、前記交流機の速度を制御するための可変の大きさ(ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および可変周波数を含む多相ＡＣ電圧を提供するように制御され、
    前記第２スイッチは、前記ＤＣバス上に実質的に一定のＤＣ電圧を保持するために前記電力系統と前記ＤＣバスとの間にエネルギーを伝送するように制御される、
    請求項５に記載の電力変換システム。
  7. エネルギー蓄積装置と、
    前記エネルギー蓄積装置および前記ＤＣバスの間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
    をさらに含み、
    前記第１動作モード中に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＤＣバス上に実質的に一定のＤＣ電圧を保持するために前記ＤＣバスと前記エネルギー蓄積装置との間にエネルギーを伝送するように制御される、
    請求項５に記載の電力変換システム。
  8. 複数の電圧センサであって、各々の電圧センサは、前記端子の第１集合で存在する電圧の振幅に対応する信号を生成する、複数の電圧センサ
    をさらに含み、
    前記コントローラは、前記電圧センサから各々の前記信号をさらに受信し、
    前記第１動作モード中に、前記第１スイッチが無効にされる場合、前記コントローラは、周期的に前記第１スイッチを無効にし各々の前記信号を読み出し、
    前記第２動作モード中に、前記コントローラは持続的に前記スイッチの第１集合を制御して、前記スイッチの第１集合を制御すると同時に前記信号を読み取る、
    請求項５に記載の電力変換装置。
  9. 前記コントローラは、
    前記電圧センサから読み出された信号の関数として前記端子の第１集合に存在する逆起電力電圧を決定し、そして
    前記逆起電力電圧の関数として前記端子の第１集合に存在する前記電圧の電気角を決定する、
    請求項８に記載の電力変換システム。
  10. 風力タービンのカットイン速度より大きい所定の初期速度まで前記風力タービンで使用するための多相交流機を加速する方法において、
    前記交流機の回転速度を制御するための可変の大きさ(ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および可変周波数を含む電圧を、前記交流機に対して生成するための変調モジュールを実行する第１動作モードにおいて電力変換装置を制御するステップと、
    前記第１動作モードでの実行の間周期的な間隔で前記変調モジュールを無効にするステップと、
    前記変調モジュールが無効にされる場合、前記交流機上に存在する逆起電力電圧を決定するステップと、
    前記逆起電力電圧の関数として前記交流機の前記回転速度を決定するステップと、
    前記回転速度が前記所定の初期速度より大きい場合、前記第２動作モード中に、前記電力変換装置が前記電力変換装置で前記交流機から前記ＤＣバスまでエネルギーを伝送するように、第２動作モードで前記電力変換装置を制御するステップと、
    を含む多相交流機加速方法。
  11. 交流発生源から電力系統まで生成されたエネルギーを伝送するための電力変換システムにおいて、
    前記電力変換システムを前記交流発生源に接続する端子の集合と、
    正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、
    前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に接続され、前記ＤＣバスと前記端子の集合との間に電力を伝送する電力変換装置と、
    一連の命令を格納するメモリ素子と、
    前記ＤＣバスに前記交流発生源によって生成された電力を伝送するために、前記電力変換装置の連続的な変調に対して所定の速度を超過して変調モジュールを実行し、
    前記ＤＣバスに前記交流発生源によって生成された電力を伝送するために、前記電力変換装置の断続的な変調に対して前記所定の速度未満で前記変調モジュールとの調整で消去時間を周期的に挿入するために前記一連の命令を実行するコントローラと、
    を含む電力変換システム。
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