CN106337781B - 用网络桥接器控制器来运行风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

用网络桥接器控制器运行风力涡轮机。控制风力涡轮机运行的方法包括（a）有功功率参考信号和有功功率反馈信号；（b）基于有功功率参考信号和有功功率反馈信号来确定第一电压控制信号和功率控制器频率信号；（c）基于功率控制器频率信号确定第二电压控制信号；（d）基于频率参考信号确定频率控制器频率信号；（e）基于功率控制器频率信号和频率控制器频率信号确定指示旋转dq参考系的实际角的实际角信号；以及（f）基于第一电压控制信号、第二电压控制信号和实际角信号来控制风力涡轮机的功率转换器的运行。还描述了网络桥接器控制器、风力涡轮机、功率产生和转送系统以及计算机程序，其全部能够实现或控制所述控制方法。

Description

用网络桥接器控制器来运行风力涡轮机

技术领域

本发明一般地涉及从风场向电力网传输由包括多个风力涡轮机的风场产生的电功率的技术领域。具体地，本发明涉及一种用于控制可连接到公用事业电网（选择性地经由HVDC输电系统和/或经由AC辅助输电系统）的风场的风力涡轮机的运行的控制方法，其中，该风场仅经由HVDC输电系统被连接到公用事业电网。此外，本发明涉及一种网络桥接器控制器、一种风力涡轮机和一种功率产生和转送系统，其全部能够执行所描述的控制方法。此外，本发明涉及一种用于根据所描述的控制方法来控制风力涡轮机的运行的计算机程序。

背景技术

风力涡轮机被用来以清洁且高效的方式将机械风能转换成电能。在风力涡轮机中，包括具有若干转子叶片的转子的机械驱动系直接地或借助于齿轮箱来驱动发电机。在发电机的定子端子处产生的结果得到的交流电（AC）频率与转子的旋转速度直接地成正比。定子端子处的电压还根据转速和发电机的无功功率要求而变化。为了最佳的能量捕捉，此转速根据驱动转子叶片的可用风的速度而变化。为了限制高风速下的能量捕捉并避免转子的潜在损坏，可通过改变转子叶片的俯仰角来控制发电机的转速。

通常通过功率转换器实现发电机的可变电压和频率到电力网的标称固定电压和频率的适应。功率转换器通常包括发电机桥接器，其在正常运行中充当用以向直流（DC）链路供应功率的有源整流器。发电机桥接器可以具有其中具有被使用脉宽调制（PWM）策略完全地控制和调节的一系列半导体功率切换设备的任何适当的拓扑。功率转换器通常还包括网络桥接器，其将DC链路的DC功率转换成在电压、频率以及相角方面与电力网的各电量匹配的AC功率输出。当从网络桥接器或从被连接到多个网络桥接器（例如分别地经由一个变压器）的汇流条传输或运送功率时，除振幅之外，还有网络桥接器的输出处或汇流条处的电压信号相对于电力网相位的相对相位是对于可以被传输的功率数量的重要的量。

在这方面，据说此相角被与某个反电动势（反EMF）相关联，其在用于解释电功率传输的另一种方法中是向电力网运送电功率所必需的。在该方法中反EMF由电力网产生。

然而，与AC功率连接相反，还可以经由所谓的高压直流（HVDC）功率连接将特别地由被分配给风场的多个风力涡轮机产生的电功率传输到电力或公用事业网。此类解决方案特别地可适合于离岸风场或所谓的孤立风场（islanded wind park），其中，在（a）风场的公共汇流条（常常也被称为公共耦合点（PCC））与（b）各功率接收（岸上）电力网之间的距离很大（例如，数百千米）。在长距离的情况下，在HVDC输电系统内的电功率损耗比在AC输电系统内的对应损耗小得多，在AC输电系统内特别地由各电缆的寄生电感引起的感应功率损耗大得多。

在下文中，描述了经由HVDC输电系统从离岸风场向岸上电力网的电力传输：

（1）多个离岸风力涡轮机中的每一个包括（a）具有发电机（AC-DC）桥接器、DC链路以及三相网络（DC-AC）桥接器的三相功率转换器，以及（b）经由电力变压器到中压AC系统的接口。每个风力涡轮机通过确保网络桥接器调制电压相对于中压AC功率收集器系统具有正确的相角和量级而从网络桥接器向中压AC功率收集器系统输出AC电功率。

（2）中压AC功率收集器系统经由被离岸竖立在变电站平台处的变压器被连接到高压（HV）AC功率收集器系统。

（3）HVAC功率输出和来自其它变电站平台的其它HVDC功率输出在第二汇流条处被收集并作为公共HVAC功率输出被馈送到HVDC平台，其中，公共HVAC功率输出被转换成DC功率输出。

（4）DC功率输出经由可具有比100km更多一些的长度的（低损耗）HVDC电缆被在岸上传输。

（5）在岸上，DC功率输出被馈送到（DC-AC）转换站，其产生调制AC电压输出。此调制AC电压输出被用适当的电压和频率或者说相角控制到岸上AC电力网中，从而将所需功率输出到岸上AC电力网中。

为了在HVDC平台处将公共HVAC功率输出转换成DC功率输出（参见上文（3）项），可使用高功率AC-DC转换器，其包括总共六个功率半导体开关，其中，在（三个中的）一个半桥路径内分别地串联地连接两个功率半导体开关，每个在高功率AC-DC转换器的两个DC输出端子之间延伸。可借助于脉宽调制（PWM）以已知方式驱动功率半导体开关。此类AC-DC转换具有优点：通过提供适当的切换模式，双向功率流是可能的。然而，此类AC-DC转换的缺点是高功率AC-DC转换器是复杂、大且极其沉重的实体。为了可靠的运行，必须提供空气绝缘。

最近，已提出了用于HVDC平台处的AC-DC功率转换的另一方法，该方法是基于包括具有六个无源高功率二极管的整流器的HVDC系统的离岸端的概念。再次地，在（三个中的）一个半桥路径内分别地串联地连接两个高功率二极管，每个在对应的功率整流器的两个DC输出端子之间延伸。这种方法具有优点：可以作为密封设备并以简单且稳健的方式实现整流器。整流器内的功率损耗是小的，并且整流器的运行仅要求相当低的维护成本。

然而，“整流器方法”的缺点可能是只有单向功率流是可能的。在必须从岸上电力网向风场传输功率的情况下，对应的HVDC输电系统必须被装配有在岸上电力网与风场之间延伸的相对于HVDC电力电缆平行的所谓的脐带AC电缆。当其它风力涡轮机的功率产生不足时例如在风场的至少某些风力涡轮机的启动阶段期间经由脐带AC电缆的功率传输可能是必需的以便允许可靠的启动。

当使用（无源）整流器时的另一挑战是必须通过每个单独的风力涡轮机的DC-AC网络桥接器排他性地控制应被整流的离岸HVAC功率输出的振幅、频率以及相位。

在运行风场时，可使用若干运行模式（OM），其全部要求谨慎的风力涡轮机控制以便允许高度的运行控制。具体地，在第一运行模式（OM1）下，风场仅经由AC辅助输电系统被连接到公用事业电网。在第二运行模式（OM2）下，风场仅经由HVDC输电系统被连接到AC电力网。在第三运行模式（OM3）下，风场经由HVDC输电系统和脐带输电系统两者被连接到AC电力网。

发明内容

可能需要提供一种用于风场所包括的风力涡轮机的控制规程，其中，该风场仅经由HVDC输电系统被连接到公用事业电网。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的运行的方法，其中，该风力涡轮机包括（i）机械驱动系，（ii）被机械连接到驱动系的发电机，以及（iii）被电连接到发电机的功率转换器，其中，风力涡轮机形成风场的一部分，其（i）经由HVDC输电系统和/或（ii）经由AC辅助输电系统可连接到公用事业电网，并且其中，风场处于第二运行模式，其中风场仅经由HVDC输电系统被连接到公用事业电网。所提供的方法包括（a）借助于功率控制器来接收（a1）指示应由风力涡轮机产生的有功功率的有功功率参考信号和（a2）指示实际上由风力涡轮机产生的有功功率的有功功率反馈信号；（b）借助于功率控制器且基于有功功率参考信号和有功功率反馈信号来确定第一电压控制信号和功率控制器频率信号；（c）借助于HVDC功率控制器接收功率控制器频率信号；（d）借助于HVDC功率控制器且基于功率控制器频率信号来确定第二电压控制信号；（e）借助于频率控制器接收频率参考信号；（f）借助于频率控制器且基于频率参考信号来确定频率控制器频率信号；（g）借助于θ积分器单元且基于（g1）功率控制器频率信号和（g2）频率控制器频率信号来确定实际角信号，其指示旋转dq参考系相对于固定abc参考系的实际角；以及（h）基于第一电压控制信号、第二电压控制信号以及实际角信号来控制功率转换器的网络桥接器的运行。

所提供的控制方法是基于这样的思想，即通过确定所描述的控制信号，即第一电压控制信号、第二电压控制信号以及实际角信号，并且通过使用这些控制信号用于控制功率转换器的网络桥接器的运行，可以实现整个功率产生和转送系统的全面控制。因此，该整个功率产生和转送系统包括具有包括所描述的风力涡轮机的多个风力涡轮机的风场、用来收集由所述多个风力涡轮机产生的AC功率的AC系统、HVDC输电系统以及AC辅助输电系统。这特别地适用于所描述的（第二）运行模式（OM2），其中，所述风力涡轮机连同风场的其它风力涡轮机一起排他性地经由HVDC输电系统而不经由AC辅助输电系统被连接到公用事业电网。

当使用所描述的控制方法时，所描述的风力涡轮机（以及风场的其它风力涡轮机）可以以自主方式运行，即不依赖于与相邻风力涡轮机的任何通信交互。

具体地，用所描述的控制方法，可以以协调方式自动地协调整个风场的功率产生而不要求或恢复成借助于高级风场控制器的协调，该高级风场控制器常常被称为高性能风场导向（HPPP）控制器且通常仅允许相对缓慢的控制。这意味着可以在不需要单独风力涡轮机之间的控制信息的任何交换的情况下有效地实现整个风场的协调控制。在此概念中，每个风力涡轮机作为单独实体但相对于至少部分地实现由AC系统的稳定频率所指示的功率平衡的目标而言以负责的方式起作用。

描述性地说，风力涡轮机可在正常条件下自主地控制其自己的有功功率输出，因为其将处于常规风力涡轮机控制规程中。根据本发明的实施例，风力涡轮机然后可以基于局部测量和/或推导来进行自主判定从而以与也正在进行自主判定的风场的其余风力涡轮机协调的某种方式起作用。

所描述的频率参考信号ref可以例如由控制风力涡轮机的总体运行的风力涡轮机控制器和/或由以已知方式协调风场的多个风力涡轮机的控制运行的风场控制器提供。

根据其命名，采用每个自主风力涡轮机内的HVDC功率控制器以便控制通过HVDC输电系统的功率流。

所描述的被用于OM2的控制方法的重要技术特性可以是不存在活动的或者说被使用以便确定第一电压控制信号、第二电压控制信号和实际角信号的电压控制器。

可基于指示网络桥接器的输出处的实际电流或者说实际电压的电流反馈信号和电压反馈信号来确定有功功率反馈信号。如果考虑到由中央风场控制器（例如HPPP）通过风力涡轮机控制器给出的请求而适用的话，可提供有功功率参考信号。在优选替换方案中，可以在风力涡轮机内本地地导出有功功率参考信号以便使能量产生最大化。

用所描述的控制方法，可以实现若干技术问题（TI），其全部涉及上文定义的第二运行模式（OM2）。

TI4：必须控制从风场的多个自主风力涡轮机到HVDC输电系统中的功率流。

TI6：必须控制从多个自主但协调的风力涡轮机收集并在AC系统处聚合的电压。

TI7：必须理想地由所有风力涡轮机同样地提供整个离岸系统的所有电感和电容元件和（b）HVDC输电系统的二极管整流器电源模块所需的总无功功率。从而，整个离岸系统包括风场、将风场与离岸AC系统相连的断路器以及离岸AC系统本身或由其组成。

TI9：必须将收集由风场的单独风力涡轮机产生的功率的AC系统的频率控制为期望参考值。

在本文件中，术语“风场”可以是包括产生一般地被提供给公用事业电网的电功率的至少两个风力涡轮机的任何布置。还可将“风场”表示为“风力农场”或者甚至更加描述性的“风力发电厂”。风场可以位于离岸或岸上。

此外，根据已知控制策略，控制信号Vd和Vq是同步旋转的dq参考系（本功率转换器控制领域的技术人员应对其熟悉）中的信号。此外，同样根据已知控制策略，第一电压控制信号、第二电压控制信号以及实际角信号未被直接地馈送到网络桥接器中。这些信号被以已知方式提供给脉宽调制（PWM）发生器，其正驱动网络桥接器的功率切换元件。

关于功率转换器的结构设计，据说在已知方式中，功率转换器除网络桥接器之外包括DC链路和发生器桥接器。从而，发生器桥接器被连接在发电机与DC链路之间，并且网络桥接器被连接在DC链路与风力涡轮机变压器之间。

在本文件的上下文中，术语机械驱动系被用于为机械地驱动发电机的转子而提供的风力涡轮机的所有机械组件。具体地，驱动系可包括优选地具有被安装在轮毂处的三个转子叶片的风力转子、以直接方式或经由例如齿轮箱以间接方式将轮毂与发电机的转子相连的可旋转驱动轴。

根据本发明的实施例，实际角信号进一步依赖于标称频率参考信号，其指示收集由所述风力涡轮机和由风场的其它风力涡轮机产生的AC功率的AC系统的期望频率。

还考虑AC系统的标称或者说期望频率用于计算实际角信号可提供优点，即还可以将整个风力涡轮机的分别地网络桥接器的运行朝着AC系统的实际电运行状态优化。因此，将以可以关于频率有效地收集所有风力涡轮机分别产生的电功率的这样的方式自动地协调多个风力涡轮机的功率产生。

优选地，AC系统的标称功率由在风场的正常运行中在OM2中经由HVDC输电系统接收所有所产生的功率的公用事业电网的频率给定。描述性地说，可将标称频率的值视为表示“DC分量”，并且可将由功率控制器提供的上述功率控制器频率信号视为表示为了以给定的标称功率结束的修正量。

根据本发明的另一实施例，频率控制器经由滤波器、特别是经由低通滤波器来接收频率参考信号。这可提供优点，即可以阻断可能被包括在频率参考信号中的不期望的频率分量。因此，将改善所描述的控制方法的稳定性。此外，适当的滤波器还可拒绝可能由对频率参考信号的阶跃变化引起的扰动。

在低通滤波器的情况下，将阻断频率参考信号的快速波动。因此，可以防止所描述的控制器设计内的不想要的振荡，并且即使在各风力涡轮机的异常运行条件的情况下也可以保证所描述的控制方法的高可靠性。

根据本发明的另一实施例，表示旋转dq参考系相对于固定abc参考系的旋转频率并被直接地馈送到θ积分器单元中的角速度信号也被馈送到频率控制器，使得进一步基于此角速度信号来确定由频率控制器产生的频率控制器频率信号。

描述性地说，至少部分地从频率控制器获得表示旋转dq参考系的角速度并被以已知方式用于控制功率转换器的运行的角速度信号，并且也将其反馈到频率控制器。这意味着关于频率控制器，提供了一种反馈环路，使得从风力涡轮机收集功率的AC系统的稳态频率等于上文定义的角速度信号。

根据本发明的另一实施例，实际角信号进一步依赖于频率修改信号，其中，频率修改信号是基于无功功率反馈信号。

可从由在功率转换器的网络桥接器的功率输出处执行的适当测量获得的电流反馈信号和电压反馈信号导出无功功率反馈信号。可由无功功率下垂增益单元从无功功率反馈信号获得频率修改信号。

用于θ积分器单元的直接输入信号是表示旋转dq参考系的角速度的信号0。通过使用所描述的频率修改信号，降低了此信号0。因此，朝向AC系统的功率流将随着网络桥接器PWM电压的角改变而被修改。然后，上述功率控制器将通过修改其功率控制器频率信号来进行响应，并且关键性地经由HVDC功率控制器，第二电压控制信号和因此的来自各风力涡轮机的无功功率将改变。上述无功功率下垂增益单元的Q下垂特性提供用于在风场内运行的全部风力涡轮机之间的无功功率共享的基础。

在优选实施例中，可借助于加法单元来添加对θ积分器单元的直接输入信号有所贡献的所有信号。这允许容易且可靠地提供被馈送到θ积分器单元中的信号0。

在这里，已说明如果在两个或更多风力涡轮机上无功功率反馈信号不是相同的，则在那些风力涡轮机上各频率参考ref也将是不同的。

采用无零频率误差，频率控制器中的整数项将继续修改频率控制器频率信号FC，并且因此功率控制器必须修改其功率控制器频率信号PC以便保持零功率误差。当功率控制器频率信号PC被修改时，单个风力涡轮机上的电压量级被修改，并且因此从此风力涡轮机到相邻风力涡轮机中的至少一个的无功功率流也被修改。将在运行点处实现零稳态频率误差，其在每个特定风力涡轮机的特定功率运行点处满足功率控制器。因此，将实现风力涡轮机之间的无功功率平衡。

根据本发明的另一实施例，经由无功功率下垂增益单元从无功功率反馈信号导出频率修改信号。

无功功率反馈信号的引入的Q下垂信号修改可允许在所有涉及到的风力涡轮机之间的可靠无功功率共享。

具体地，非零无功功率反馈信号将由于频率修改信号而引起特定风力涡轮机输出电压的频率的降低。因此，由功率转换器提供的功率将被修改，因为网络桥接器PWM电压的角将被修改。然后，上述功率控制器将通过修改其功率控制器频率信号来进行响应，这进而将具有这样的效果，即经由HVDC功率控制器，第二电压控制信号将相应地被改变。因此，风力涡轮机将在经修改的AC电压和AC角处找到运行点，其满足功率需求，并且由于功率下垂增益单元而实现风力涡轮机之间的无功功率平衡。

根据本发明的另一实施例，频率修改信号（a）被馈送到频率控制器中，并且（b）被添加到频率控制器频率信号。

描述性地说，频率修改信号被添加到频率控制器的输入和频率控制器的输出两者。这具有这样的效果，即频率控制器被从与无功功率反馈信号相关联的控制动作解耦。这意味着在这里所描述的控制器配置中，频率控制器虽然存在，但对于在涉及到的风力涡轮机之间的无功功率负载共享的目的而言是有效地不活动的。

描述性地说，根据这里所描述的实施例，频率控制器并不针对频率修改信号起作用。由此，可以实现无功功率共享和频率中的零稳态频率误差的双重目标。

根据优选实施例，频率修改信号被添加到上述滤波器的输出。结果得到的和然后被用作用于频率控制器的直接输入信号。

根据本发明的另一实施例，（a）有功功率参考信号被馈送到功率前馈单元，其响应于该有功功率参考信号而提供功率前馈电压信号，并且（b）功率前馈电压信号被添加到由功率控制器响应于（b1）有功功率参考信号和（b2）有功功率反馈信号提供的功率控制器电压信号。从而，功率控制器电压信号和功率前馈电压信号的和表示第一电压控制信号。

第一电压控制信号可定义针对用于功率转换器且特别地用于功率转换器的网络桥接器的PWM电压控制的D轴分量Vd。用此D轴分量Vd，可以控制网络桥接器的输出处的调制电压相对于收集所有涉及到的风力涡轮机的功率输出的汇流条处的电压的角。根据运送或转送AC功率的基本原理，常常被称为功率角的此角确定（连同各电压水平一起）朝向AC功率收集汇流条的功率流的量。

根据本发明的另一方面，提供了一种网络桥接器控制器，其用于控制风力涡轮机的功率转换器的网络桥接器的运行，其中，所述网络桥接器控制器能够采用在激活状态下具有（a）功率控制器、（b）HVDC功率控制器、以及（c）θ积分器单元的配置。因此，所述网络桥接器控制器被配置用于通过实现上文描述的控制方法来执行风力涡轮机的运行控制。

所提供的网络桥接器控制器基于这样的思想，即通过根据上述通知方法来确定所描述的控制信号，即第一电压控制信号、第二电压控制信号以及实际角信号，可以实现整个功率产生和转送系统的全面控制。从而，以有益的方式，风场的所有被连接的风力涡轮机可以以自主方式运行，即不依赖于与至少一个其它风力涡轮机的任何通信交互以便实现控制与上文识别的技术问题TI4、TI6、TI7和TI9相关联的目标。

采用所描述的控制器配置，可以以高度精确且可靠的方式来控制包括具有包括所提及的风力涡轮机的多个风力涡轮机的风场、用来收集由所述多个风力涡轮机产生的AC功率的AC系统、HVDC输电系统以及AC辅助输电系统的整个功率产生和转送系统，如果此功率产生和转送系统处于其中风场仅经由HVDC输电系统被连接到公用事业电网的运行模式的话。

根据本发明的另一方面，提供了一种风力涡轮机，包括（a）机械驱动系，其具有带有至少两个转子叶片的风力转子；（b）发电机，其被机械地连接到驱动系；（c）功率转换器，其被电连接到发电机。所述功率转换器包括（i）AC-DC发电机桥接器，其用于对由发电机提供的AC功率输入进行整流，（ii）直流链路，其接收经整流的AC功率输入，以及（iii）DC-AC网络桥接器，其将DC链路的DC功率转换成AC功率输出；以及（d）如上文描述的网络桥接器控制器。

本风力涡轮机是基于这样的思想，即上述网络桥接器控制器允许风力涡轮机以自主方式在还包括多个其它（相邻）风力涡轮机的风场内运行。这意味着在不同风力涡轮机之间或者说不同风力涡轮机的风力涡轮机控制器之间不存在用以允许有协调的电功率产生所需的通信，其中特别地可以有效地处理上述TI4、TI6、TI7、和/或TI9。

根据本发明的另一方面，提供了一种功率产生和转送系统，其包括（a）风场，其包括多个风力涡轮机；（b）AC系统，用于收集由所述多个风力涡轮机产生的AC功率；（c）HVDC输电系统，其可连接到AC系统和/或公用事业电网用于从AC系统向公用事业电网传输DC功率，其中HVDC输电系统包括至少一个HVDC二极管整流器、HVDC输电电缆以及DC-AC转换器；以及（d）AC辅助输电系统，其可连接到AC系统和/或公用事业电网用于在公用事业电网与AC系统之间且特别地从公用事业电网向AC系统传输AC功率。风力涡轮机中的至少某些是如上文描述的风力涡轮机。

此功率产生和转送系统是基于这样的思想，即即使当以自主方式运行时，多个上述风力涡轮机从技术观点出发也可以对经由HVDC输电系统的有效且可靠的HVDC功率传输做出重要贡献。当用如在本文件中所描述的具有多个风力涡轮机的风场来产生电功率时，与已知HVDC输电系统相比，可以用电功率设备来实现在本文件中描述的HVDC输电系统，其与例如被用于全桥电压源转换器的主动控制开关相比是不那么复杂的设备，因为其是无源组件（二极管）。这意味着对于所描述的HVDC输电系统而言，特别地与被用于已知HVDC输电系统的高功率AC-DC转换器的设计相比可以以不那么复杂、较小且较轻的设计来实现高功率AC-DC转换器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的运行的计算机程序。该计算机程序在被数据处理器且特别地被风力涡轮机控制器和/或网络桥接器控制器的数据处理器执行时适合于控制和/或实现上文描述的控制方法。

如本文所使用的对计算机程序的参考意图等价于对包含用于控制计算机系统协调上述方法的执行的指令的程序元件和/或计算机可读介质的参考。

可以以任何适当的编程语言将计算机程序实现为计算机可读指令代码，所述编程语言诸如例如JAVA、C++，并且可将所述计算机程序存储在计算机可读介质（可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）上。该指令代码可运行用于将计算机或任何其它可编程设备编程为执行预定功能。计算机程序可以是从网络、诸如万维网可获得的，其可被从那里下载。

本发明可借助于计算机程序或者说软件来实现。然而，还可借助于一个或多个特定电子电路或者说硬件来实现本发明。此外，还可以以混合形式、即以软件模块和硬件模块的组合来实现本发明。

必须注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考方法类型权利要求描述了某些实施例，同时参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述得知，除非被另外通知，除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间、特别是方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为用本文件公开。

根据下文要描述的实施例的示例，上文定义的方面和本发明的另外的方面是显而易见的并参考实施例的示例来对其进行解释。下面将参考实施例的示例（但是本发明不被限于其）更详细地描述本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的包括具有多个风力涡轮机的风场的功率产生和转送系统。

图2示出了在图1中描绘的风场的风力涡轮机，其中，该风力涡轮机装配有功率转换器和用于控制功率转换器的运行的控制器设备。

图3在旋转dq参考系中图示出（a）调制电压Vpwm与电压控制信号Vd和Vq之间的关系。

图4示出了在图1中描绘的HVDC输电系统的整流器。

图5示出了根据本发明的实施例的用于控制图2中描绘的网络桥接器的运行的网络桥接器控制器。

图6示出了在功率产生和转送系统的第一运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第一配置。

图7示出了在功率产生和转送系统的第一运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第二配置。

图8示出了根据本发明的实施例的在功率产生和转送系统的第二运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第三配置。

图9示出了根据本发明的另一实施例的在功率产生和转送系统的第二运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第四配置。

图10示出了根据本发明的另一实施例的在功率产生和转送系统的第二运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第五配置。

图11示出了在功率产生和转送系统的第三运行模式下在采用激活组件的情况下的网络桥接器控制器的第六配置。

图12图示出两个风力涡轮机的集体行为。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件或特征提供相同的参考符号或仅在第一位内与对应参考符号不同的参考符号。为了避免不必要的重复，在本描述的稍后位置处并未再次阐述相对于先前所描述的实施例已阐述的元件或特征。

图1示出了包括具有多个风力涡轮机120的风场110的功率产生和转送系统100。根据这里所描述的实施例位于离岸处的风场110所产生的电能被经由HVDC输电系统170转送到位于岸上的电力网195。

风力涡轮机120被分组布置，其中，每个组被分配给汇流条112。如风场110的图示左侧处的箭头所指示的，连接到一个汇流条112的风力涡轮机120的数目不受限制。也可被称为集电器串的每个汇流条112经由断路器114被连接到AC输电系统160。

风场110包括中央风场控制器（WPC）118，其借助于控制线被通信连接到风力涡轮机120中的每一个。在图1中，在风场110内，用虚线来指示这些控制线。为了不使图1含糊难懂，以中断方式来描绘将WPC 118与未分配给最上分支的风力涡轮机120连接的虚线。该中断的相应端点被指示为已填充圆。已指出可借助于有线或无线数据连接来实现控制线或者说经由这些控制线的对应的数据传输。

WPC 118可以是所谓的高性能风场导向（HPPP）控制器，其充当用于所有单独风力涡轮机控制器的高级控制器（在图1中未描绘）。通过监督单独风力涡轮机控制器，WPC 118可以以协调方式来控制单独风力涡轮机120的运行。此外，经由到单独风力涡轮机120的控制线，WPC 118可以收集关于单独风力涡轮机120的运行信息，并且可以向相应的单独风力涡轮机控制器传输适当的控制信号。

功率产生和转送系统100还包括AC系统160，其包括汇流条161和电源开关162。在汇流条161处，将由汇流条112收集的电功率合计。当电源开关162被闭合时，AC系统160被连接到HVDC输电系统170，其在下面被更详细地描述。

如从图1可以看到的，AC系统160还包括开关163。当开关163被闭合时，离岸AC系统160被连接到AC辅助输电系统164。如从图1可以看到的，AC辅助输电系统164包括AC辅助输电线或脐带AC电缆165，借助于其可以在必要的情况下建立电力网195与AC系统160或者说风场110之间的AC功率连接。如上文已提到的，当其它风力涡轮机120的功率产生不足以允许可靠的启动规程时，经由脐带AC电缆165的功率传输可能是风场110的至少某些风力涡轮机120的启动阶段所需要的。

根据这里所描述的实施例，AC辅助输电系统164包括3相脐带功率变压器167和开关168，其连同开关163一起可以用来经由AC辅助输电系统164将离岸AC系统160连接到岸上AC系统195。

如从图1可以进一步看到的，AC辅助输电系统164包括用于测量特别地从风场110被运送到电力网195的功率的功率测量设备166。对应的功率测量是以已知方式经由如在图1中指示的电压测量和电流测量用将功率测量设备166与脐带AC电缆165连接的两个线路实现的。测量的功率值被转送到WPC 118，其在协调风力涡轮机120的运行时考虑经由脐带AC电缆165运送的功率的实际水平。

HVDC输电系统170包括多个（在本发明的描绘实施例中为三个）二极管整流器电源模块172，每个包括三相整流器180和相应的三相变压器174。二极管整流器电源模块172被用于将所提供的AC功率转换成DC功率。二极管整流器电源模块172被以这样的方式连接，即在上二极管整流器电源模块172的三相整流器180的一个输出端子与下二极管整流器电源模块172的三相整流器180的一个输出端子之间提供具有电压Udc的DC功率。

如上文已提到的，根据这里所描述的实施例，风场110位于离岸处。这适用于二极管整流器电源模块172及电源开关162和163。为了将所产生的功率从离岸运送到岸上，使用HVDC输电电缆175。在岸上，HVDC输电系统170包括岸上DC-AC转换器176和变压器178，其向电力网195递送具有适当相位和适当振幅的所得到的AC功率（在电源开关179被闭合的情况下）。

在下文中，将参考图2来描述一个风力涡轮机120的可能结构设计。

示例性风力涡轮机120包括被安装到驱动轴228的风力转子。风力转子包括未描绘的轮毂，在该轮毂处附着了一定数目的且优选地三个转子叶片224。每个转子叶片224可以借助于转子叶片调整系统226绕着其纵轴旋转以便调整相应转子叶片224的俯仰角。根据风力涡轮机的基本原理，俯仰角是用于将从全部可用的风力提取的机械功率的重要参数。

风力涡轮机120还包括发电机230，其包括由驱动轴228驱动的发电机转子232。在这方面，已提到这里描绘的风力涡轮机120是所谓的直接驱动风力涡轮机120，其不包括被连接在风力转子与发电机230之间的齿轮箱，并且其可被用于增加被机械地连接到发电机转子232的另一驱动轴的转速。当然，也可以使用具有带有齿轮箱的配置的风力涡轮机。

发电机230包括定子234，所述定子234具有用其来产生电功率、通常是三相功率的绕组系统。相对于定子234在下游连接了功率转换器240。功率转换器240包括发电机（AC-DC）桥接器242，其在正常运行中作为用以向直流（DC）链路244供应功率的有源整流器来运行。功率转换器240还包括网络桥接器246，其将DC链路244的DC功率转换成AC功率输出。根据这里所描述的实施例，此AC功率输出包括三相电流并经由线路电抗器247被馈送到升压变压器248。升压变压器248的（功率）输出被馈送到图1中所示的相应汇流条112。

风力涡轮机120包括风力涡轮机控制器（WTC）250且被其控制。WTC 250本身被图1中所示的风场控制器（WPC）118控制。在图1中借助于从方框250朝着右侧延伸的虚线来指示相应的有线或无线数据连接。

如从图2可以看到的，由WTC 250来控制风力涡轮机120的俯仰控制器254。俯仰控制器254以已知方式来控制俯仰调整系统226的运行，其负责依赖于风力涡轮机120的实际运行状态来设置每个转子叶片224的叶片俯仰角。

风力涡轮机120还包括发电机桥接器控制器（GBC）252和网络桥接器控制器（NBC）256。根据这里所描述的实施例，NBC 256被直接地通信连接到WTC 250，而GBC 252被经由NBC 256间接地连接到WTC 250。如从图2可以看到的，GBC 252控制脉宽调制（PWM）发生器（PWG）251的运行，其本身驱动发电机桥接器242的六组半导体电源开关，使得由发电机230提供的AC功率输入被转换成被馈送到DC桥接器244的DC功率。对应地，NBC 256控制PWM发生器255的运行，其本身驱动网络桥接器246的六组半导体电源开关，使得由DC桥接器244提供的DC功率输出被转换成被馈送到变压器的AC功率输出。提供了可选PWM滤波器249以便减少WPM网络桥接器246的开关频率的谐波分量。

这里，已提到遍及本文件常常对d轴量（即电压和电流）和q轴量进行参考。在本文件内描述的控制器在所谓的同步旋转dq参考系内退出控制信号，其被对准，使得电压的q轴分量与AC电压同相，并且d轴分量垂直于q轴分量。

根据已知控制方案或控制算法，借助于GBC 252的PWM发生器252的控制和特别地借助于NBC 256的PWM发生器255的控制是基于在同步旋转dq参考系内执行的控制信号的信号处理。如通常已知的，此dq参考系从所谓的固定abc参考系的dq变换、即所谓的帕克或克拉克变换得到。旋转dq参考系相对于固定abc参考系的角速度或者说旋转频率由 0给定。

在平衡的三相电量（例如电压Va、Vb、Vc和/或电流Ia、Ib、Ic）的情况下，应用dq变换在稳态下将三个AC量减少至两个DC量（例如Vd、Vq和/或Id、Iq）。因此，可以在dq系内使用简单的PI控制器以在执行逆变换之前实现零稳态误差以恢复用于PWM发生器255的实际三相AC调制信号。

如从图2可以看到的，两个电压量Vd和Vq和角θ0是NBC 256的输出控制信号，该输出控制信号控制驱动网络（DC-AC）桥接器的PWM发生器255的运行。如进一步从图2可以看到的，这些输出控制信号Vd、Vq和θ0由NBC 256基于以下输入信号计算或者说确定：

（1）功率参考信号PrefWT，其由WTC 250提供且其指示应由风力涡轮机120产生的电功率。

（2）借助于网络桥接器246的三相输出处的适当电流测量而获得的三个电流反馈信号Ia、Ib以及Ic。这些信号Ia、Ib、Ic，其表示将线路电抗器247与网络桥接器246的输出互连的节点处的3相低压（LV）的实际电流。

（3）借助于网络桥接器246的三相输出处的适当电压测量而获得三个电压反馈信号Va、Vb以及Vc。根据这里所描述的示例性实施例，在线路电抗器247与风力涡轮机的升压变压器248之间的节点处获得反馈信号Va、Vb以及Vc。

经由换能器来测量这些电流和电压，并且然后测量由模数转换器（ADC）采样的换能器的输出。这意味着在这里以及还在本文件的其余部分中所使用的术语“电流反馈信号”和“电压反馈信号”可指代表示这些功率硬件变量的软件信号。

在这方面，已提到根据这里所描述的示例性实施例，发电机桥接器控制器252还接收对应的反馈信号，其指示由发电机232提供的电压和电流。然而，为了图2的简明的缘故，未描绘相应的反馈环路。

PWM发生器255接收（a）控制信号Vd、Vq，其指示网络桥接器246的电压输出处的所需电压量级和相位和（b）角θ0，其指示网络桥接器246的电压输出的所需频率。PWM发生器255基于这些接收到的输入变量来计算用于（IGBT）半导体开关实现具有sqrt(Vq^2 + Vd^2)的量级的平衡基频电压和相对于网络桥接器输出电压Va、Vb和Vc的角θd的三相组的所需切换模式。在本文中，此角θd将被称为功率角。此功率角θd表示网络桥接器PWM调制输出电压Va、Vb和Vc与旋转dq参考系（其与汇流条112处的实际电压对准）之间的角度差。在稳态运行期间，功率角θd将保持恒定。

可以使用诸如正弦三角比较或空间矢量调制之类的工业标准技术来计算网络桥接器246的六个功率半导体开关的PWM切换时期。因为此类PWM调制是本领域的技术人员众所周知的，所以在本文中将省略进一步阐述。已提到为了使发电机桥接器242独立于网络桥接器246而运行还需要对应的PWM调制。因此，提供了由GBC 252控制的独立PWM发生器251。根据这里所描述的示例性实施例，GBC 252本身由WTC 250经由NBC 256间接地控制。

进一步提到了到AC（功率）系统160中的功率流由网络桥接器256的输出节点处的发送端电压与汇流条161处的接收端电压之间的关系定义。在电气上，风力涡轮机120被并联连接，因此每个风力涡轮机120可以用与相邻风力涡轮机120的网络桥接器256的功率角θd不同的功率角θd运行是相当可能的（高度可能且是要求）。

根据已知控制规程，PWM发生器255调制电压的三相平衡集，其中，q轴电压分量Vq标称地与汇流条112处的AC电压（例如66kV）同相，并且d轴电压分量Vd定义与汇流条112处的AC电压正交的此AC电压的分量。θ0是频率0下的实际旋转角。因此，在旋转dq参考系中由Vd和Vq的矢量和定义的调制电压Vpwm与汇流条112处的AC电压之间的功率角θd由如上所述的arctan（Vd/Vq）定义。用图3图示出此关系。

总而言之，从风力涡轮机120到汇流条112的AC功率流由汇流条112处的AC电压与Vpwm之间的电压角θd的修改控制。如从图3可以看到的，量Vd定义此角θd。

图4更详细地示出了整流器180。与通常具有六个可控高功率半导体开关的功率AC-DC转换器相反，整流器180仅具有作为功率二极管482的无源功率电组件。如从图3可以看到的，整流器180包括三个半桥，其中的每一个连接在两个DC输出端子之间。在这两个输出端子之间，提供了输出电压Udc。每个半桥包括两个功率二极管482的串联连接。在每个半桥的两个功率二极管482之间的中间节点处（该中间节点未被提供参考数字），施加被馈送到整流器180中的三相AC功率信号的一个相。

图5示出了根据本发明的优选实施例的网络桥接器控制器（NBC）256，在图2中已描绘了该NBC 256。为了便于参考数字的分配，在以下描述中，还将用参考数字5000来对NBC256命名。

这里，应回想在本文中描述的NBC 5000能够解决下面列出的几个技术问题。这些技术问题由基于离岸整流器的HVDC输电系统170引起，由此，功率借助于（多个串联连接的）不受控无源离岸HVDC二极管整流器180被从离岸风场110传输到岸上AC电力网。具体地，当仅在所谓的HVDC整流器模式下运行（即脐带AC电缆165被断开连接）时，唯一的离岸电压源是风力涡轮机120的网络（DC-AC）桥接器，并且因此需要通过多个自主风力涡轮机120的作用来定义和控制离岸AC系统160的电压和频率，其中，特别地，其网络（DC-AC）桥接器以协调方式作用。

如果发生无风条件，则需要为风力涡轮机120内的辅助系统、诸如环境控制系统、飞行器警报灯、管理员计算机等提供功率以便允许例如在后续启动阶段中的适当运行。因为二极管整流器180不允许双向功率流，所以此功率需要经由脐带输电系统164的脐带AC电缆165来提供。此AC电缆165可具有例如是总风场110额定功率的3%的额定功率。

在此上下文中，在下文中已指出风场110位于离岸处。然而，这可能不是本文中描述的技术解决方案的唯一应用。还可能的是可以将这个解决方案用于远程岸上风场和/或作为具有大陆的包含岸上风力农场的岛之间的互连。

在下文中，特别地通过使用不受控无源离岸二极管整流器180而引起的技术问题（TI）。这些TI与整个系统100的不同运行模式（OM）有关。详细地，要求用于以下各项的装置…

TI1：...当风场110仅经由脐带输电系统164被连接到AC电力网195时（OM1）控制任何单独风力涡轮机120内的功率流以便满足局部风力涡轮机功率需求。

TI2：...针对OM1在AC系统160处控制来自多个自主风力涡轮机120的合计电压。

TI3：...针对OM1经由脐带输电系统164来控制功率流。

TI4：...当风场110仅经由HVDC输电系统170被连接到AC电力网195时（OM2）控制从多个自主风力涡轮机120到HVDC二极管整流器180中的功率流。

TI5：...当风场110经由HVDC输电系统170和脐带输电系统164两者被连接到AC电力网195时（OM3）控制从多个自主风力涡轮机120到脐带输电系统164中的功率流。

TI6：...当风场110经由HVDC输电系统170被连接到AC电力网195而不考虑脐带输电系统164的状态（即激活或解激活）时（OM2、OM3）在AC系统160处控制从多个自主但协调的风力涡轮机120收集的合计电压。

TI7：...针对OM2同样地借助于所有风力涡轮机120来提供（a）整个离岸系统110、114、160的所有电感和电容元件和（b）二极管整流器电源模块172所需的总无功功率。

TI8：...针对OM1同样地从AC脐带输电系统164和/或从所有风力涡轮机120提供整个离岸系统110、114、160的所有电感和电容元件所需的总无功功率。在这方面，已指出在OM1中AC脐带输电系统164可以提供无功功率平衡，即其可以充当无功功率的宿/源。

TI9：针对OM2将由风场110和HVDC二极管整流器180组成的系统的频率控制成参考值。

如从图5可以看到的，网络桥接器控制器5000包括多个子单元（即，控制器单元、信号处理单元、计算单元等），其可以被选择性地激活或者说被用于（依赖于实际运行模式）解决上文指定的TI1、TI2以及TI3。

具体地，网络桥接器控制器5000包括电压、电流和/或功率反馈单元5100，如也可以从图2得到的，其接收（i）电流反馈信号Ia、Ib、Ic和/或（ii）电压反馈信号Va、Vb、Vc。用于反馈单元5100的另外的输入信号是（iii）旋转dq参考系0的角速度或者说旋转频率和（iv）dq参考系θ0的旋转角。基于这些输入信号的适当选择，电压、电流和/或功率反馈单元5100计算

( a）用电压反馈信号Va、Vb、Vc表征的反馈电压的量级|Vfb|，

（b）有功功率反馈信号Pfb，

（c）无功功率反馈信号Qfb，以及

（d）电流反馈信号Iqpfb和Idpfb。

电流反馈信号Iqpfb指示电流的正序实分量。电流反馈信号Idpfb指示电流的正序无功分量。

网络桥接器控制器5000还包括功率参考选择块5130，其接收（i）来自图2中描绘的风力涡轮机控制器250的功率参考信号PrefWT和（ii）来自DC链路电压控制器的另一功率参考信号PrefVdcCtrl，其将在风力涡轮机120在所谓的电压控制模式（V模式）中运行时被利用。在此模式中，发电机桥接器242被禁用，并且风力涡轮机120不产生功率。风力涡轮机120更确切地说充当AC电压控制器。为了这样做，必须将功率转换器240的DC链路244激励并控制成参考，并且这由输出信号PrefVdcCtrl的所述DC链路电压控制器完成。

基于PrefWT或PrefVdcCtrl，功率参考选择单元5130确定已修改功率参考信号P*conv，其表示已被诸如例如滤波器作用、斜坡（ramp）限制等适当信号处理规程修改的功率参考。

此外，网络桥接器控制器5000包括无功功率下垂增益单元（Q下垂）5160，如从图5可以得到的，其接收无功功率反馈信号Qfb并提供频率修改信号Q，如从下面给出的阐述可以看到的，其可以引起被用于这里所描述的控制规程的频率参考信号ref的有效修改且尤其是降低。频率参考信号ref可以例如由风力涡轮机控制器250（参见图2）和/或由风场控制器118（参见图1）提供。

如从图5可以看到的，网络桥接器控制器5000还包括电压控制器（VC）5200、功率前馈（FF）单元5220、功率控制器（PC）5240、频率控制器（FC）5260以及用于图1中描绘的脐带输电系统164的脐带功率控制器（PC umb）5280。VC控制器5200、PC 5240、FC 5260和/或PC umb5280可以是例如比例积分（PI）控制器。

下面将描述这些块的运行：

根据这里所描述的实施例，VC 5200接收两个信号。第一信号是由电压、电流和/或功率反馈单元5100提供的反馈电压的量级|Vfb|。另一信号是（i）参考电压（信号）或设定点电压V*（其可由风力涡轮机控制器250提供）与（ii）下面将描述的频率下垂电压信号Vfdroop的和。基于信号|Vfb|和V*与Vfdroop的和，VC 5200导出电压控制器（VC）信号Vqpac，其在dq参考系中形成用于PWM 255的Q轴电压控制信号Vq的一部分。

功率FF单元5220基于信号P*conv和Iqpfb、Idpfb来确定功率前馈电压信号VdpXC，其在dq参考系中形成用于PWM 255的D轴电压控制信号Vd的一部分。下面将解释VdpXC的技术意义。

PC 5240响应于信号P*conv和Pfb来确定功率控制器（PC）频率信号PC，其（间接地，经由HVDC PC 5350）对用于PWM 255的Q轴电压控制信号Vq有所贡献。PC 5240另外还响应于信号P*conv和Pfb而确定功率控制器（PC）电压信号VdpPC。此信号VdpPC被添加到上述功率前馈电压信号VdpXC，并且对应的加和结果表示用于PWM 255的D轴电压控制信号Vd。关于此技术意义，VdpPC是D轴电压控制信号Vd的分量，其指示功率误差的导数。VdpPC用于改善功率控制器的动态响应，并且还向风力涡轮机120的总体控制响应提供有益阻尼。

FC 5260基于上文提及的频率信号0（即旋转dq参考系的角速度或者说旋转频率）和频率修改信号Q与频率参考信号ref的和来确定频率控制器频率信号FC。关于其技术意义，FC是用缓慢时间常数起作用且在所有风力涡轮机120内同时地起作用以便使离岸系统返回到其频率参考的频率分量。频率控制器频率信号FC用于将总体频率0控制成期望的参考，而不修改离岸系统中的总体功率流。

PC umb 5280接收两个输入信号。第一输入信号是功率参考信号Pumb*，其对应于通过脐带输电系统164的期望功率流。第二输入信号是功率反馈信号Pumbfb，其对应于经由脐带输电系统164流动的实际功率。基于这两个输入信号Pumbfb和Pumb*，PC umb5280确定两个输出信号。第一输出信号是频率信号uPC，其指示脐带输电系统164内的实际功率误差。具体地，频率信号uPC指示两个输入信号Pumbfb和Pumb*之间的差。第二输出信号是脐带功率角信号θuPC。

两个控制信号uPC和θuPC的组合效果是改变整个离岸电系统（即离岸AC系统160和风场110）相对于岸上电系统（即AC电力网195）的相角。在这样做中，经由脐带输电系统164或者说脐带电缆165的功率流被控制。此控制器在OM3中是活动的，并且同时地在所有风力涡轮机120中起作用。θuPC实际上是脐带输电系统内的功率误差的导数，并且用于改善脐带功率控制器5280的动态响应。

如可以进一步从图5看到的，网络桥接器控制器5000还包括频率下垂增益单元（F下垂）5320，其接收PC信号PC并输出频率下垂电压信号Vfdroop。

信号Vfdroop的技术意义是当整个功率产生和转送系统100在OM1中运行时、即当风场110仅经由脐带输电系统164被连接到AC电力网195时实现在所有涉及到的风力涡轮机120之间的无功功率共享。增加的无功功率反馈信号Qfb引起频率修改信号Q的增加（经由Q下垂5160），其继而经由F下垂V 5320引起PC频率信号PC降低并引起Q轴电压控制信号Vq降低。这引起无功功率的降低，因为Q轴电压控制信号Vq降低了。

在这方面，我们必须考虑Q的增加使汇流条112处的电压的频率增加。因此，功率角θd将增加，这再次地将引起功率流（从相应风力涡轮机120到汇流条112）的增加。功率控制器5240将通过降低其输出PC而违反此效果（PC甚至可以变成负的）。PC的此降低引起由F下垂V 5320产生且表示Q轴电压控制信号Vq的分量的Vfdroop的降低。因此，在本地现在我们具有响应于无功功率反馈信号Qfb的增加而降低其输出电压的风力涡轮机120。用此机制，风力涡轮机120达到稳态无功功率共享。

此外，网络桥接器控制器5000包括用于HVDC输电系统170的HVDC功率控制器（HVDCPC）5350。HVDC PC 5350接收PC频率信号PC并输出HVDC PC电压信号Vqpdc。可选地，HVDCPC 5350将PC频率信号PC与适当的参考信号相比较，并且从比较的结果得到输出电压信号Vqpdc。优选地，该比较包括确定此适当参考信号与PC频率信号PC之间的差。

输出电压信号Vqpdc是与PC 5240的输出PC成比例的电压项。换言之，并且如从图5可以看到的，HVDC PC 5350用于添加此电压分量Vqpdc修改Q轴电压控制信号Vq，因此增加或降低图1中所示的离岸AC系统160的电压的量级。HVDC PC 5350在OM2和OM3下运行，并且作用于功率控制器5240 的输出PC以修改离岸AC系统160中的电压，并且在这样做中控制到HVDC二极管整流器180中的功率流。是功率误差与电压量级之间的此链路允许整体的风力涡轮机120以集体方式平衡（a）从风力涡轮机120到离岸AC系统160的功率流与（b）到HVDC输电系统170的HVDC二极管整流器180中的功率流。

根据这里所描述的实施例，电压控制信号Vq从信号Vfdroop、Vqpdc以及Vqpac的加和得到。

此外，电压控制信号Vd从信号VdpXC和VdpPC的加和得到。在这方面，已提到D轴电压控制信号Vd表示跨图2中所示的风力涡轮机120的线路电抗器247和变压器的所需电压降以便在图2中所示的网络桥接器246与汇流条112或者说图1中所示的离岸AC系统160之间建立所需功率流。假定线路电抗器247和变压器的电特性是已知的，因此计算跨这些组件的所需稳态电压以建立此功率流是可能的。这是功率前馈（FF）单元5220的目的。该信号VdpXC将支配稳态下的对D轴电压控制信号Vd的贡献。

最后但并非最不重要的，网络桥接器控制器5000包括θ积分器单元（Iθ）5380，其计算表示上述角θ0（即旋转dq参考系的实际角）的信号。

严格地说，这里提到的θ0是旋转dq参考系相对于固定abc参考系的角度的旋转部分，并且其是由定义调制电压与固定abc系之间的角的arctan Vd/Vq（参见图3）所定义的功率角θd。然而，由于组件等的测量结果/公差而引起的系统中的任何误差结束被PC的瞬态分量补偿是可能的。

如从图5中可以看到的，根据这里所描述的实施例，响应于上述输入信号Q、PC、FC以及θuPC而确定信号“θ0”。此外，根据这里所描述的实施例，Iθ 5380的输出响应于所述输入信号中的至少某些，上文定义的信号0（即旋转dq参考系的角速度或者说旋转频率）。

这里，已提到上述信号中的至少某些和下面将描述的信号中的至少某些可以是模拟（电压）信号或者替换地是表示用于对应的控制量的数字表示的数字信号。

如上文已提到的，可以将网络桥接器控制器5000用于针对不同的运行模式（OM）和/或针对上述不同的技术问题（TI）以适当的方式控制PWM 255。为了满足与不同OM和/或TI相关联的要求，可以将网络桥接器控制器5000内的某些组件和/或信号连接激活或者说解激活。

在下文中，将参考图6至10且相对于分别地上述TI中的某些来描述网络桥接器控制器5000的各种配置。

图6示出了网络桥接器控制器5000的第一配置6000，其中，图示出当被用于功率产生和转送系统100的第一运行模式OM1时的网络桥接器控制器5000的激活组件或者说块，以便满足功率和电压控制要求。换言之，图6描述了在OM1中是活动的以满足（或控制）局部功率需求至其参考并确保电压被控制到如上文用TI1和TI2指定的其参考的控制器组件。

如上文已定义的，在此模式OM1中，风场110仅经由脐带输电系统164被连接到AC电力网195。这意味着不存在经由HVDC输电系统170的功率流。

解决TI1、TI2和TI3所需的第一配置6000的激活组件/块包括功率控制器（PC）5240、电压控制器（VC）5200、功率前馈（FF）单元5220、频率下垂增益单元（F下垂）5320以及θ积分器单元(Iθ)5380。除在图5中已介绍的控制信号之外，在此配置6000中，使用控制信号Nom。此控制信号Nom是AC系统160的标称频率。依赖于整个功率产生和转送系统100的位置，Nom可以是例如50 Hz（例如在欧洲、亚洲等）或60 HZ（例如北美洲）。

这里，已提到配置6000既不采用频率控制器（FC）5260也不采用脐带功率控制器（PC umb）5280。因为不存在经由HVDC输电系统170的功率流，所以不存在对控制经由脐带输电系统164的功率流的需要，因为AC系统160被简单地连接（作为通常功率消耗器）到公用事业电网195。

在下文中将阐述如何可以用网络桥接器控制器5000的图6中所示的配置6000以有益方式来处理上述技术问题TI1、TI2和TI3。

TI1：用于每个单独WT 120的功率控制

在OM1中，借助于功率控制器（PC）5240在每个WTG内控制功率。PC 5240从图2中所示的风力涡轮机控制器（WTC）250接收已修改功率参考信号P*conv（经由图5中所示的功率参考选择块5130）。此外，PC 5240接收有功功率反馈信号Pfb。响应于输入信号P*conv和Pfb，PC 5240确定并输出用于PWM发生器255的电压控制信号的D轴分量Vd的一部分。此部分是上述（参见图5的描述）功率控制器电压信号（VdpPC），其指示功率误差的导数。Vd的另一部分由功率前馈（FF）块5220所提供的上述功率前馈电压信号VdpXC给定。PC 5240还输出PC频率信号PC，其经由频率下垂增益单元（F下垂）5320来贡献用于PWM发生器255的电压控制信号的Q轴分量Vq的一部分。如从图6可以看到的，此部分被添加到VC 5200的输出Vqpac以向PWM发生器255给定总Q轴电压需求Vq。PC 5240的PC频率信号PC输出被进一步添加到AC系统160的标称频率Nom（对应于公用事业电网195的频率）。PC频率信号PC和Nom的和被馈送到θ积分器单元（Iθ）5380中，其对控制器频率求积分以产生用于PWM发生器255的角参考θ0。PWM发生器255产生用于网络（DC-AC）桥接器的适当PWM脉冲图案。在AC系统160内，每个风力涡轮机（WT）120尝试满足控制其网络桥接器246的输出电压相对于AC系统160的汇流条161的电压功率信号（例如66kV）的电压和角度的其自己的局部功率参考PrefWT。根据这里所描述的实施例，PC 5240是比例积分（PI）控制器，其可用于

（i）增加AC系统160的频率以及因此的汇流条161的电压功率信号与网络桥接器246的输出电压之间的角，以便增加来自WT 120的功率流，或者

（ii）降低AC系统160的频率以及因此的汇流条161的电压功率信号与网络桥接器246的输出电压之间的角，以便降低功率流。

由于风场或者说离岸系统110有效地由多个受控电压源（即每个WT充当一个受控电压源）组成，当任何一个WT 120起作用以改变其功率流时，然后汇流条161处的电压功率信号的有效角改变，并且因此到风场110的WT 120的功率流将改变，并且其局部功率控制器对此进行响应，再次地以满足其局部功率参考。

为了理解此集体行为，这里，对图12进行参考，其中考虑由两者都经由同一脐带输电系统被连接到AC公用事业电网的两个风力涡轮机WT1和WT2组成的系统。当WT1在时间t＝T1处例如在3MW下运行时，那么用β1示出汇流条角（在汇流条161处的电压Vbb相对于脐带输电系统164的电压功率信号Vumb之间）。如果WT2在t＝T1处在0MW下运行，则其PWM电压必须与Vbb@T1一致，其被示为WT2@T1。如果现在在t＝T2处，则WTG1将其功率产生降低至1.5MW，则汇流条电压功率信号Vbb将相对于Vumb的相位变成β2，并且因此WT2必须进行响应以改变其电压矢量角以保持零功率低。满足每个WT 120的单独功率需求的正是每个单独涡轮机的PC 5240的此动态控制响应，该PC 5240（a）控制朝向离岸AC系统160的相应的功率流且（b）建立整体风场110的稳态运行条件。用控制器5000的配置6000，可以实现WT2对WT1的功率改变的所需动态响应。

在这方面，需要考虑的是每个单独WT具有其自己的微处理器和时钟，其并不以任何方式与风场的其它WT同步。因此，要求功率控制器5240修改局部任意参考频率（经由PC频率信号PC）以便修改相对于Vumb或者说相对于脐带变压器初级电压汇流条（出于本描述的目的可以将其视为无限汇流条）的绝对电压角。

描述性地说，在配置6000内，使用PC 5240来满足局部功率参考。此外，控制器5000将在非常弱的AC电系统上运行。不存在系统频率的度量，控制器5000也不会如电流控制方案所做的那样寻求使其内部dq参考系与AC电压同步。其是保持网络桥接器246的输出电压正确地与AC系统160的电压信号对准的PC 5240的动作。这具有“简化”控制器的优点，因为同一PC 5240被用于在AC脐带模式和HVDC二极管整流器模式两者中的运行。

TI2 ：AC系统160的电压控制

当在OM1中时风场110仅经由脐带输电系统164被连接到公用事业电网195，通过VC5200的作用来控制（a）AC系统160的电压以及实际上（b）风场110内的汇流条112的电压。每个WT 120的WTC 250接收（i）来自风场控制器（WPC）118的电压参考信号，或者具有适当的局部恒定电压参考，以及（ii）信号Va、Vb、Vc，其表示来自在所谓的“低压汇流条”处的电压的局部测量的局部电压反馈，如从图2可以看到的，其在线路电抗器247与升压变压器248之间延伸。VC 5200然后导出电压控制器（VC）信号Vqpac，其形成被馈送到PWM发生器255的Q轴电压控制信号Vq的一部分。根据这里所描述的实施例，VC 5200基于两个输入信号（i）V*和Vfdroop的和以及（ii）如图5中以及还在图6中所示的反馈电压的量级|Vfb|来执行PI控制。

描述性地说，在配置6000中，VC 5200与PC 5240协作以便控制（i）当风场110仅经由脐带输电系统164被连接到公用事业电网195时的AC系统160的电压，以及（ii）由整体的WT 120产生的功率流。由于VC 5200与PC 5240的此协作，控制器5000的简单结构当在OM1中运行时足以用于运行功率产生和转送系统100。

TI3：经由脐带输电系统164的总功率流的控制

在OM1中，当风场110仅经由脐带输电系统164被连接到公用事业电网195时，通过将由WPC 118广播到单独WT 120或者说单独WT 120的WTC 250的功率极限的和设置成等于期望的总体WT功率流以便实现经由脐带输电系统164的期望功率流来将经由脐带输电系统164的功率流控制或者限制到最大值。

在实践中，使所有连接或者说已连接的WT 120也供应系统损耗可能是期望的。为了实现这个，WPC 118可测量经由脐带输电系统164的功率流，然后将适当的功率极限广播到已连接WT 120以便将脐带功率流调节到期望值。这样，可以将系统损耗考虑在内。从而，每个单独WT 120将其功率流控制成（i）来自风的可用功率和（ii）从WPC 118接收到的相应功率极限的最小值。

图7示出了网络桥接器控制器5000的第二配置7000，其中再次地仅图示出在第一运行模式OM1中使用以便解决上文指定TI8的网络桥接器控制器5000的那些已激活组件或者说块。

如上文已定义的，在第一运行模式OM1中，风场110仅经由脐带输电系统164被连接到AC电力网195。

解决TI8所需的第二配置7000的已激活组件/块包括电压控制器（VC）5200、功率前馈（FF）单元5220、功率控制器（PC）5240、频率下垂增益单元（F下垂）以及θ积分器单元（Iθ）5380。此外，根据这里所描述的实施例，无功功率下垂增益单元（Q下垂）5160也是活动的（active）。

下面，将阐述如何可以用网络桥接器控制器配置7000以有益方式来处理上述技术问题TI8。从而，此TI8与功率产生和转送系统100的第一运行模式OM1相关。

TI8：在风力涡轮机120之间共享无功功率

在风场110仅经由脐带输电系统164被连接到AC公用事业电网195（OM1）时，从风场控制器（WPC）118广播到各种WT 120的满足电压需求所需的无功功率可以通过Q下垂5160和PC 5240的集体动作共享。此“无功功率共享”具有如在上文关于TI7的部分中定义的类似功能。然而，在这种情况下，不存在频率控制器（FC）。以类似于关于TI7的上文给出的部分的方式，VC 5200接收由F下垂5320提供的频率下垂电压信号Vfdroop，其被添加到其通常的输入V*。因此，VC 5200并不对由PC 5240的作用引起的Vq需求的改变进行响应。再次地，“无功功率共享”通过Q下垂5160、功率控制器5240和F下垂5320的相互作用实现。

经由Q下垂5160项，添加与无功功率反馈Qfb成比例的频率Q。这连同作为AC系统160的标称频率的也被添加的控制信号Nom一起迫使PC 5240降低其输出PC，并且经由F下垂项5320，这将降低Q轴电压控制信号Vq。因此，相对于离岸AC系统160的电压和因此的相邻WT 120的电压，将降低来自此特定WT 120的输出电压。

F下垂项5320的输出被添加到被提供给电压控制器5200的参考电压信号V*，以便防止电压控制器5200补偿实现WT 120之间的无功功率共享所需的电压的改变。在这方面，已提到在稳态下且在没有测量公差的情况下将实现无功功率的完美共享。

描述性地说，根据这里所描述的实施例，组件或者说块Q下垂5160、VC 5200、和PC5240的组合确保总无功功率负载在连接的WT 120之间被共享。

已提到与图6中所示的第一控制器配置6000相比，在这里添加了Q下垂块5160。这意味着控制器配置7000实际上是控制器配置6000的超集。其事实上是用于确保在所有连接风力涡轮机之间共享无功功率使得解决上文指定的TI8的控制器块Q下垂 5160。

图8示出了根据本发明的实施例的网络桥接器控制器5000的第三配置8000，其中，图示出在功率产生和转送系统100的第二运行模式OM2中被使用或者说是活动的以用于解决上文指定的TI4的网络桥接器控制器5000的已激活组件或者说块。

如上文已定义的，在运行模式OM2中，风场110仅经由HVDC输电系统170被连接到AC电力网195。这意味着不存在经由脐带输电系统164的功率流。

解决TI4所需的第三控制器配置8000中的已激活组件/块包括功率控制器（PC）5240、频率控制器（FC）5260、功率前馈（FF）单元5220、用于HVDC输电系统170的HVDC功率控制器（HVDC PC）5350、以及θ积分器单元（Iθ）5380。与网络桥接器控制器配置6000相比，用FC5260来替换VC 5200，用HVDC PC 5350来替换频率下垂增益单元（F下垂）5320。

已指出除图5中已介绍的控制信号之外，在此第三配置8000中，使用指示AC系统的标称电压的控制信号Vnom。依赖于整个功率产生和转送系统100的位置，Vnom可以是例如230V（例如在欧洲）或120V（例如北美）。通常，AC系统的标称电压是所谓的低压（LV）汇流条的电压，其通常是690V。此低压被用于例如工业应用或发电厂以用于供应用于驱动具有几百千瓦直至几兆瓦之间范围内的功率需求的泵、传送机等的较大电马达。

下面将阐述如何可以用网络桥接器控制器配置8000以有益的方式处理关于OM2的上述技术问题TI4。

TI4：经由HVDC输电系统170的功率流的控制

当在OM2中风场110仅经由HVDC输电系统170被连接到公用事业电网195时，仅借助于图8中所示的网络桥接器控制器配置8000来控制通过HVDC输电系统170的功率流。在每个WT 120内，局部导出的功率参考PrefWT或者说P*conv（依赖于盛行风条件且然后被从WPC118广播的功率极限值钳位）并且局部功率反馈Pfb是到PC 5240的输入。PC 5240的输出是PC频率信号PC，其被添加到FC 5260的输出和AC系统160的标称频率Nom以便给定期望的局部频率0。作为旋转dq参考系相对于固定abc参考系的角速度或者说旋转频率的此期望频率0被θ积分器单元（Iθ）5380求积分以便给定被提供给PWM发生器255的角参考θ0。因此，如果WT内的局部功率反馈Pfb低于功率参考，则控制动作是增加（瞬态地）局部频率0。此控制动作用于改变到汇流条161中的局部WT功率流。由功率FF单元5220提供的功率前馈电压信号VdpXC和PC 5240的功率控制器电压信号VdpPC输出总计以向PWM发生器255给出D轴控制电压需求Vd。此D轴分量Vd定义调制PWM电压相对于汇流条161处的电压的角度，并且因此控制功率流。当HVDC二极管整流器180正在进行传导时，其功率流严格地与汇流条161处的AC电压成比例。因此，当任何的单个WT 120改变其功率流时（通过如上所述地修改其网络桥接器输出电压角），这并未（显著地）改变经由HVDC二极管整流器180的功率流。这确实仅改变从此特定WT 120到AC系统160中的功率流。

已提到HVDC二极管整流器180处的AC电压是风场110的所有WT 120的PWM电压的矢量和。因此，改变任何一个WT 120内的D轴控制电压Vd将对HVDC二极管整流器180的输入处的AC电压具有非常小的影响。然而，强烈地影响经由HVDC二极管整流器180的功率流的是电压的集体作用。因此，任何一个WT 120内的D轴控制电压Vd的改变产生将被风场110的其余WT 120吸收的功率变化，其以如上所描述的类似方式（参见TI1的阐述）修改它们各自的功率流，以便保持其期望的运行点。

为了理解此集体行为，我们可以考虑其中风场110中的WT 120中的数目N个在稳态下以100%功率运行的示例。然后，第一风力涡轮机WT1通过修改相对于汇流条161处的电压信号的网络桥接器电压角θ0而将其功率降低至0%（例如WT1的控制动作快速地降低从WT1到AC系统160中的功率流。这意味着数目N-1个WT必须瞬态地提供100 * N / (N-1) %的功率。这意味着N-1个WT中的每一个需要提供超过100%的功率。这将表现为每个WT 120内的功率误差，并且全部的N-1个WT 120中的功率控制器5240起作用以便降低PC频率信号PC。这将降低AC系统160的频率。然而，因为所有WT 120将改变其电压角θd，所以这将不会修改N-1个WT 120中的局部功率流。然而，由于AC系统160的频率已降低，然后经由执行DV功率控制的HVDC PC 5350，每个WT 120将降低用于其网络桥接器PWM发生器255的其Q轴控制电压Vq。风场110内的所有WT 120的此组合动作具有有效地降低汇流条161处的电压的效果。因此，到HVDC二极管整流器180中的功率流将被降低，在这种情况下被降低至((N-1) / N) *100%的功率。这样，将恢复AC系统160与HVDC二极管整流器180之间的功率平衡。

这里的关键点是任何的单个WT 120不能显著地影响AC系统160的电压量级。更确切地说，是风场110的所有WT 120的集体动作来进行作用以改变AC系统160的电压。这样，可以调节或控制经由HVDC二极管整流器180的功率流。

在这方面，应注意的是PC 5240的动作确实导致围绕频率参考ref的小频率偏差，以便调节进入HVDC二极管整流器180的功率流。经由FC 5260的动作来修正此频率偏差。下面将详细地描述此动作。

描述性地说，在第三网络桥接器控制器配置8000中，PC 5240同时地起作用以

（i）通过局部频率0（和因此的网络桥接器电压角θ0）的修改来满足局部WT功率参考P*conv或者说PrefWT，并且还有

（ii）与其它自主WTC 250共同地起作用以便修改AC系统160的电压的量级并因此控制经由HVDC二极管整流器180的功率流。这对经由HVDC二极管整流器180被连接的功率产生和转送系统100给定与常规AC系统类似的性质，因为系统的一个部分中的过多功率产生迫使局部频率增加，并且增加相对于功率系统的另一部分的角且因此增加功率流。这里，通过链接AC系统160处的电压量级来复制此特性，由此，此电压量级控制到HVDC二极管整流器180中的功率流。通过建立相对于汇流条161处的电压信号的正确网络桥接器电压角来实现用于AC功率流的所需条件。通过建立AC系统160或者说汇流条161处的正确AC电压量级来实现用于使由风场110的所有WT 120产生的功率与经由HVDC二极管整流器180输出的功率平衡的所需条件。因此，在AC系统160的频率PC与电压量级之间存在关系。任何一个WT 120可以经由PC 5240的作用相对于其它涡轮机的输出电压矢量来修改其输出电压矢量，以便满足其局部功率流要求。

描述性地说，如果所有WT 120正在尝试“移动”其电压矢量以增加局部功率流，则没有WT 120将实际上改变其功率流，并且PC将继续上升。随着PC继续上升，然后这具有增加经由HVDC PC 5350的电压量级的效果，并且因此将增加经由HVDC二极管整流器 180的功率流。如果离岸AC系统160的频率是高的，则这指示WT 120正在尝试向离岸AC系统160中运送更多功率，并且HVDC输电系统170并未输出足够的功率。这就是为什么离岸AC系统160的电压量级经由HVDC PC 5350而增加，以增加经由HVDC二极管整流器180的功率流，并且因此恢复WT 120想要输出到离岸AC系统160的东西与HVDC二极管整流器180正在从离岸AC系统160向HVDC电缆175输出且然后经由岸上DC-AC转换器前进至岸上AC电力网195的东西之间的“功率平衡”。然而，再次地，能够提高离岸AC系统160的合计电压且能够因此增加经由HVDC二极管整流器180的功率流的仅是风场110的所有WT 120的集体动作。

此方案的优点是实现控制目标而不需要集中式控制器。每个WT 120可自主地起作用且不要求功率参考或在运行中的其它WT 120的数目的任何知识。

图9示出了根据本发明的实施例的网络桥接器控制器5000的第四配置9000，其中，再次地仅图示出在第二运行模式OM2中被用于解决上文指定的TI6和上文指定的TI7两者的网络桥接器控制器5000的已激活组件或者说块。

如上文已定义的，在运行模式OM2中，风场110仅经由HVDC输电系统170被连接到AC电力网195，并且不存在经由脐带输电系统164的功率流。

解决TI6和TI7所需的第四配置9000的已激活组件/块包括功率控制器（PC）5240、频率控制器（FC）5260、用于HVDC输电系统170的HVDC功率控制器（HVDC PC）5350、以及θ积分器单元（Iθ）5380。此外，根据这里所描述的实施例，无功功率下垂增益单元（Q下垂）5160也是活动的。此外，使用低通滤波器（LPF) 9400。

下面将阐述如何可以用网络桥接器控制器配置9000以有益的方式处理上述技术问题TI6和TI7。从而，TI6与运行模式OM2和OM3有关。

TI6：AC系统160的电压的控制

在OM2和OM3中，控制AC系统160的电压以便调节经由HVDC输电系统170的功率流。从而，每个WT 120尝试满足其自己的单独功率需求P*conv或者说PrefWT（其被在每个WT120内本地地设定以便优化那个特定WT 120处的来自盛行风的能量捕捉）。因此，再次地不存在平衡从各种WT 120（或AC系统160）到HVDC二极管整流器180中的功率流的集中式控制器。根据这里描述的实施例，创建AC系统160的频率与电压之间的关系。

如果例如AC系统160的频率增加，则这指示从AC系统160到HVDC二极管整流器180中的有功功率流小于WT 120意欲共同地输出的。因此，要求经由HVDC二极管整流器180的更大功率流，这是为什么控制器配置8000的控制动作是经由PC频率信号PC与由HVDC PC5350产生的Q轴电压控制信号Vq之间的关系或者说链路来增加AC系统160的AC电压的原因。

相反，其中AC系统160的频率为低的情况指示负功率误差（在PC 5240内）。换言之，从AC系统160到HVDC二极管整流器180中的有功功率流大于多个WT 120意欲输出的总功率。针对每个WT 120，功率输出大于相应的功率参考P*conv或者说PrefWT，并且因此需要降低经由HVDC二极管整流器180的功率流。因此，每个WT 120内的控制动作是经由HVDC PC 5350来降低网络（DC-AC）桥接器246的输出处的电压量级。提供特别地针对TI16的解决方案的技术特征是自主控制器的此协调控制动作。

描述性地说，AC系统160或者说汇流条161处的合计AC电压定义经由HVDC二极管整流器180的功率流。AC系统160的频率与电压量级Vd之间的关系（经由HVDC PC 5350）是允许由多个自主控制器5000（在每个WT 120内）调节AC系统160的合计电压的机制。

换言之，根据这里所描述的实施例，经由HVDC PC 5350在PC 5240输出PC频率信号PC与Q轴电压控制信号Vq之间存在链路。此外，与一个WT 120内或仅几个WT 120内的PC频率信号PC的增加相比，如果风场110的所有WT 120同时地尝试增加其PC频率信号PC，则AC系统160将以不同的方式运转。然后，来自每个WT 120的本地AC功率流将不会随着AC系统160的AC电压的角改变而改变。这导致增加或稳态PC项，其继而用来通过借助于HVDC PC5350增加AC系统160的AC电压的量级来增加到HVDC二极管整流器180中的功率流。

这里，应回想到如果在OM3中脐带输电系统164被连接，则可以从岸上AC电力网195获取频率参考。因此，根据这里所描述的示例性实施例，图9中所示的频率控制器5260并不是活动的，并且控制器配置如图11。

TI7：在风力涡轮机120之间共享无功功率

虽然在风力涡轮机之间的无功功率共享实际上对于所有运行模式、即OM1、OM2、OM3而言是重要的，但是此无功功率共享对OM2而言特别关键。在OM2中，当AC系统160仅经由HVDC输电系统170被连接时，必须在所有已连接WT 120之间平衡AC系统160所需的无功功率，因为HVDC输电系统170不能运送无功功率。在这方面，应注意的是所需的无功功率依赖于AC系统160的运行点、经由AC系统160的功率流、以及AC系统160的电压。不能独立地控制AC系统160所需的无功功率。其是如下的函数：

（i）HVDC二极管整流器180以及AC系统160中的串联电感元件（例如电缆、变压器等）的无功功率要求，以及

（ii）定义由电缆电容和滤波器产生的无功功率的分别地施加的电压。

然而，从额定观点触发，期望同样地平衡由每个WT 120提供的无功功率以便

（i）从各种WT 120的所有网络桥接器功率硬件组件实现近似相等的寿命，并且

（ii）防止任何WT 120变得“饱和”且潜在地不对集体控制动作有所贡献。在此上下文中的“饱和”意指相应的WT 120G在无功电流极限下运行。

必须注意的是在网络桥接器246与AC系统160之间交换的无功功率是AC系统160的汇流条161与网络桥接器PWM电压之间的电压量级中的差的函数。

为了实现总无功功率负载的此共享，在第四控制器配置9000中引入无功功率下垂增益单元5160。经由“下垂”特性来实现所描述的无功功率共享。被馈送到无功功率下垂增益单元5160中并从电流反馈信号Ia、Ib、Ic和电压反馈信号Va、Vb、Vc导出的无功功率反馈Qfb引起经由Q项降低至频率0。其后果是功率将随着网络桥接器PWM电压的角度将被修改而被修改。然后，PC 5240将通过修改其PC频率信号PC且关键性地经由HVDC PC 5350来修改Q轴电压分量Vq和因此的来自相应的WT 120的无功功率而进行响应。此Q下垂特性实现在此系统上运行的所有WT 120之间的无功功率的可接受共享。在这方面，已提到在稳态下且在没有测量公差的情况下将实现无功功率的完美共享。

向FC 5260的输入添加Q的目的是将FC 5260从此动作解耦。由于Q被添加到FC5260的输入和输出两者，则FC 5260将不进行响应。这意味着在控制器配置9000中，出于描述无功负载共享特征的作用的目的，FC 5260有效地不活动。

应指出的是如果无功功率反馈在两个或更多WT 120上不是相同的，则相应的频率参考ref在那些WT 120上也将是不同的。在非零频率误差的情况下，FC 5260中的积分项（integral term）将继续修改FC项，并且因此PC 5240必须修改其PC频率信号PC以保持零功率误差。当PC频率信号PC被修改时，单个WT 120上的电压量级被修改，并且因此从此WT 120到相邻WT 120中的至少一个中的无功功率流也被修改。控制信号只有当无功功率反馈Qfb由于FC 5260的积分作用而在所有已连接WT 120上相同时才能达到稳态。

已连接WT 120之间的“无功功率流共享”当在OM2中运行时是控制器配置9000的非常重要的特性。适当的“无功功率流共享”可特别地提供可以显著地增加网络桥接器246的寿命的优点。

描述性地说，在控制器配置9000的情况下，可以实现AC系统160的更均匀电压和因此的不同WT 120之间的无功功率负载的适当共享。基于表示无功功率流的信号Q的网络桥接器246的功率输出的频率的改变引起PC 5240的反应，其将尝试在已修改网络桥接器AC电压和角度下满足本地功率流。此已修改AC电压可导致由HVDC二极管整流器180接收到的功率与由已连接WT 120产生的功率之间的功率不平衡。这将引起已连接的多个WT 120通过共同地改变从相应的网络桥接器246输出的其电压来进行响应。在这方面，必须回想到通过跨风场110来使相应的网络桥接器246的输出处的电压量级之间的差最小化来实现“无功功率共享”。此控制利用这样的事实，即任何单个WT 120可以本地地采取将引起来自所有其它已连接WT 120的集体响应的控制动作。这具有这样的效果，即网络桥接器的电压量级趋向于使差WT 120之间的相应的差收敛并最小化。因此，风场110的已连接WT 120用来共享总无功功率负载。

图10示出了根据本发明的实施例的网络桥接器控制器5000的第五配置10000，其中，再次地仅图示出被用于第二运行模式OM2以便解决上文指定的TI9的网络桥接器控制器5000的那些已激活组件或者说块。

如上文已定义的，在第二运行模式OM2中，风场110仅经由HVDC输电系统170被连接到AC电力网195。

解决TI9所需的第五配置10000中的已激活组件/块包括功率控制器（PC）5240、频率控制器（FC）5260、HVDC功率控制器（HVDC PC）5350、以及θ积分器单元（Iθ）5380和低通滤波器（LPF）8400。

下面，将阐述如何可以用网络桥接器控制器配置10000以有益方式来处理上述技术问题TI9。从而，此TI9与功率产生和转送系统100的第二运行模式OM2相关。

TI9：AC系统160的频率控制

由于在OM2中脐带输电系统164被解激活，所以不存在使用AC公用事业电网195的频率作为用于AC系统160的参考频率的可能性。

根据这里所描述的实施例，FC 5260的存在是用于使实现AC系统160的频率的可靠控制的主要原因。然而，如从图10可以看到的，为了控制功率流、无功功率平衡以及AC系统160的电压，存在对控制信号0作出贡献的各种其它控制器。这些控制器全部提供小分量，其被添加到AC系统160的标称或期望频率Nom。“缓慢”起作用或者说“低带宽”（与PC 5240控制器相比）FC 5260的任务是使稳态频率返回到期望频率ref，同时对其它控制器仅具有最小的影响（因此为什么这是“缓慢”起作用的控制器）。

根据这里所描述的实施例，FC 5260由具有ref的第一输入（被经由相应的WTC250从WPC 118广播到所有WT 120并被LPF 8400滤波）的PI控制器组成。替换地，可以将本地恒定值馈送到FC 5260中。用于FC 5260的第二输入是实际频率0，其是旋转dq参考系相对于固定abc参考系的角速度或者说旋转频率。由于信号0依赖于FC 5260的输出FC，可以将信号0视为是FC 5260的且用于FC 5260的反馈信号。如从图10可以看到的，此频率FC被连同由PC 5240提供的频率信号（i）Nom、（ii）Q和（iii）PC一起被加和以便产生0。在这种情况下，此频率0是到θ积分器单元（Iθ）5380的本地“总”频率参考。FC 5260的目的是以0等于期望频率ref的这样的方式来修改频率控制器频率信号FC。频率信号0被θ积分器单元（Iθ）5380使用以便产生相对于PWM发生器255的角参考。

FC 5260在风场110的所有已连接WT 120内具有同时动作（因为AC系统160的频率为所有WT 120共用），并且因此将不用来改变每个单独WT 120与AC系统160的AC汇流条161之间的稳态AC功率流。这意味着PC 5240将不用来修改其PC频率信号PC，并且因此汇流条262处的电压量级将保持恒定以保持经由HVDC二极管整流器180的所需功率流。

这里，已提到实际上将存在其中频率中的小偏差起作用而影响跨风场110内的电感组件（诸如变压器、电缆串联阻抗和线路电抗器）的电压降的辅助效果。这将对功率流具有影响，因此PC 5240将必须针对此情况进行二阶修正。

所描述的控制器配置10000以有利的方式允许通过使稳态频率偏差最小化来优化AC系统160和风场110内的AC电组件的设计。已连接WT 120的FC 5260与相应的PC 5240和HVDC PC 5350相组合地起作用以便确保实现频率参考ref。再次地，控制器配置10000还显示出特性，根据该特性，控制器5000可以与本地PC 5240组合自主地但跨所有已连接WT120以同步方式起作用，以便调节AC系统160的频率。这给出风场功率平衡与本地WT功率平衡之间的稳态“解耦”。

图11示出了网络桥接器控制器5000的第六配置11000，其中，图示出在功率产生和转送系统100的第三运行模式OM3中被用来解决上文指定的TI5的网络桥接器控制器5000的已激活组件或者说块。

在运行模式OM3中，风场110经由HVDC输电系统170和脐带输电系统164两者被连接到AC电力网195。

解决TI5所需的第六配置11000中的已激活组件/块包括功率控制器（PC）5240、功率前馈（FF）单元5220、用于HVDC输电系统170的HVDC功率控制器（HVDC PC）5350、θ积分器单元（Iθ）5380、以及用于脐带输电系统164的功率控制器（PC umb）5280。与上文所描述的第三网络桥接器控制器配置8000相比，用PC umb 5280来替换FC 5260，并且除了因此接收不同的输入信号之外，附加控制线路在PC umb 5280的输出与提供网络桥接器电压角θ0的附加加和单元之间延伸。

TI5：经由脐带输电系统164的总功率流的控制

在这方面，已提到在OM3中当由风场110产生的功率超过第一阈值（阈值1）且足以运行HVDC二极管整流器180时应理想地将经由脐带输电系统164的总功率流控制成零。当由风场110产生的功率超过第二阈值（阈值2）时，则脐带AC电缆165被断开连接，并且系统在OM2中运行。描述性地说，为了避免不同运行模式之间的“抖动（chatter）”，在阈值之间提供一定的滞后。

当用HVDC输电系统170和AC辅助输电系统164两者运行时，通过脐带功率控制器（PC umb）5280的添加来控制经由脐带AC电缆165的功率流。与在OM2中使用第三控制器配置8000以便解决TI4相反，在这里，FC 5260被禁用，因为是（岸上）AC电力网195定义了系统频率。

通过脐带AC电缆165的功率流由跨脐带AC电缆165的电压角控制。与PC 5240相比是相对“缓慢”或者说“低带宽”控制器的PC umb5280接收脐带功率参考Pumb*和功率反馈信号Pumbfb，其指示经由脐带AC电缆165的实际功率流。根据这里所描述的实施例，将功率反馈信号Pumbfb从WPC 118广播到所有WT 120（参见图1）。每个自主WT 120内的PC umb 5280的输出将输出同一频率uPC（偏移），并且因此θ积分器单元（Iθ）5380将使风场110的所有WT 120中的网络桥接器电压角θ0改变相同的量。这因此将具有相对于公用事业电网195的电压角改变汇流条161处的电压角并因此调节经由脐带AC电缆165的功率流的效果，但是将不会改变从任何单独WT 120到AC系统160中的功率流。

描述性地说，（i）用来满足WT 120的本地功率需求P*conv或者说PrefWT的PC 5240与（ii）PC umb 5280的组合允许以有益且可靠的方式实现经由脐带输电系统164的总功率流的适当控制。从而，PC umb 5280通过向风场110的所有WT 120添加相同的uPC分量来相对于公用事业电网195的AC电压角修改AC系统160或者说汇流条161的电压的角。随着PCumb 5280用来调节经由脐带AC电缆165的功率流，PC 5240用来实现由所有WT 120产生的功率与经由HVDC输电系统170流动的功率之间的功率平衡。从而，整个功率产生和转送系统100可以实现稳态并满足适当运行点的控制目标（即WT 120和脐带输电系统164两者的功率参考），除非控制器PC umb 5280和PC 5240两者同时地起作用。应注意的是虽然PC umb5280和PC 5240独立地起作用，但其将同时地起作用以便实现所述控制目标。此“本地”和“集体”动作基本上是借助于PC 5240和PC umb 5280的相对“响应时间”或者说“带宽”的差来实现。

为了总结各种控制器配置6000、7000、8000、9000、1000、11000，我们可以说明网络桥接器控制器5000允许实现控制算法，该控制算法允许每个WT 120以用以尝试并平衡风场110的已连接WT 120与HVDC二极管整流器180之间的功率流的这样的方式起作用。这与已知风力涡轮机电流控制算法的不同之处在于根据这里所描述的实施例，网络桥接器电流Ia、Ib、Ic的控制是更高得多的带宽算法，并且因此将趋向于抵抗网络桥接器246内的双向功率流。在这里提出的算法有效地允许此行为，并且因此使得已连接WT 120能够在或者经由脐带输电系统164（OM1）或者经由HVDC输电系统170（OM2）或者两者（OM3）运行时共享“动态响应的提供”。由于脐带输电系统164是比较弱的AC系统，所以不存在用其来提供此动态响应的“强”电压源电“闭合”，并且因此WT 120必须以这种方式起作用。此类动态响应是用于基于HVDC二极管整流器方案的输电的要求，因为不存在可用的其它双向动态能量储存。当AC系统经由脐带输电系统164被连接到公用事业电网195时，这里所描述的算法通过在风场110内共享此“动态负载”来降低对相应的AC连接的“动态负载”要求。所描述的算法确实允许与WT 120的动态双向能量交换，并且用来平衡离岸风力农场110与HVDC输电系统170之间的功率流，并控制经由脐带AC电缆165的功率流。

在这方面，已提到控制器配置6000、7000以及8000中的功率前馈（FF）单元5220的使用将扩展此动态能量交换的带宽，并且将不会使带宽局限到控制发电机桥接器252的运行的发电机桥接器控制器252的带宽。

应注意的是术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。还可将与不同实施例相关联地描述的元件组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考符号解释为限制权利要求的范围。

参考符号的列表：

100 功率产生和转送系统

110 风场

112 汇流条

114 断路器

118 风场控制器（WPC）/高性能风场导向（HPPP）控制器

120 风力涡轮机（WT）

160 离岸AC系统

161 汇流条

162 电源开关

163 电源开关

164 AC辅助输电系统/脐带输电系统

165 AC辅助输电线/脐带AC电缆

166 功率测量设备

167 三相脐带功率变压器

168 电源开关

170 HVDC输电系统

172 二极管整流器电源模块

174 三相变压器

175 HVDC输电电缆

176 （岸上）DC-AC转换器

178 变压器

179 电源开关

180 三相整流器/ HVDC二极管整流器

195 AC电力网/公用事业电网

Udc HVDC电压

224 转子叶片

226 转子叶片调整系统/俯仰调整系统

228 驱动轴

230 发电机

232 发电机转子

234 定子

240 功率转换器

242 发电机（AC-DC）桥接器

244 DC链路

246 网络（DC-AC）桥接器

247 线路电抗器

248 风力涡轮机（升压）变压器

249 PWM滤波器

250 风力涡轮机控制器（WTC）

251 PWM发生器

252 发电机桥接器控制器

254 俯仰控制器（部分）

255 PWM发生器

256 网络桥接器控制器

PrefWT 功率参考信号（来自WTC）

Ia, Ib, Ic 电流反馈信号

Va, Vb, Vc 电压反馈信号

Vd, Vq 旋转dq参考系中的用于PWM发生器的电压控制信号

θ0 旋转dq参考系相对于固定abc参考系/网络桥接器电压角的实际旋转角

θd 功率角

Vpwm 三相调制电压

482 功率二极管

5000/256 网络桥接器控制器

5100 电压、电流和/或功率反馈单元

5130 功率参考选择块

5160 无功功率下垂增益单元（Q下垂）

5200 电压控制器

5220 功率前馈（FF）单元

5240 功率控制器（PC）

5260 频率控制器（FC）

5280 脐带功率控制器（PC umb）

5320 频率下垂增益单元（F下垂）

5350 用于HVDC输电系统170的HVDC功率控制器（HVDC PC）

5380 θ积分器单元（Iθ）

旋转dq参考系的角速度/旋转频率

|Vfb| 反馈电压的量级

Pfb 有功功率反馈信号

Qfb 无功功率反馈信号

Idpfb 电流反馈信号

Iqpfb 电流反馈信号

PrefWT 来自风力涡轮机控制器250的功率参考信号

PrefVdcCtrl 来自DC链路电压控制器的功率参考信号

P*conv 已修改功率参考信号

频率修改信号

频率参考信号

V* 参考电压信号/设定点电压

Vfdroop 频率下垂电压信号

Vqpac 电压控制器（VC）信号

Vqpdc HVDC PC信号

VdpXC 功率前馈电压信号

功率控制器（PC）频率信号

VdpPC 功率控制器（PC）电压信号

频率控制器（FC）频率信号

Pumb* 用于脐带输电系统164的功率参考信号

Pumbfb 用于脐带输电系统164的功率反馈信号

指示脐带输电系统164的实际功率偏移的频率信号

θuPC 脐带功率角信号

AC系统160的标称/期望频率

Vnom AC系统160的标称/期望电压

6000 网络桥接器控制器5000的第一配置

7000 网络桥接器控制器5000的第二配置

8000 网络桥接器控制器5000的第三配置

9000 网络桥接器控制器5000的第四配置

9400 低通滤波器（LPF）

10000 网络桥接器控制器5000的第五配置

11000 网络桥接器控制器5000的第六配置

Vumb 脐带AC电缆165处的电压功率信号

Vbb 汇流条处的电压功率信号

β1 t＝T1处的汇流条角

β2 t＝T2处的汇流条角。

Claims (15)

1.一种用于控制风力涡轮机（120）的运行的方法，其特征在于，

其中所述风力涡轮机（120）包括（i）机械驱动系（222、228），（ii）被机械地连接到所述驱动系（111、228）的发电机（230），以及（iii）被电连接到所述发电机（230）的功率转换器（240），

其中，所述风力涡轮机（120）形成风场（110）的一部分，所述风场（110）（i）经由HVDC输电系统（170）和/或（ii）经由AC辅助输电系统（164）可连接到公用事业电网（195），并且

其中，所述风场（110）处于第二运行模式，其中，所述风场（110）仅经由HVDC输电系统（170）被连接到公用事业电网（195），所述方法包括

借助于功率控制器（5240）接收，指示应由所述风力涡轮机（120）产生的有功功率的有功功率参考信号（P*conv、PrefWT），以及

指示实际上由所述风力涡轮机（120）产生的有功功率的有功功率反馈信号（Pfb）；

借助于功率控制器（5240）且基于有功功率参考信号（P*conv、PrefWT）和有功功率反馈信号（Pfb）来确定第一电压控制信号（Vd）和功率控制器频率信号（PC）；

借助于HVDC功率控制器（5350）接收功率控制器频率信号（PC）；

借助于HVDC功率控制器（5350）且基于功率控制器频率信号（PC）来确定第二电压控制信号（Vq）；

借助于频率控制器（5260）来接收频率参考信号（ref）；

借助于频率控制器（5260）且基于频率参考信号（ref）来确定频率控制器频率信号（FC）；

借助于θ积分器单元（5380）且基于功率控制器频率信号（PC）和频率控制器频率信号（FC）来确定实际角信号（θ0），其指示旋转dq参考系与固定abc参考系之间的实际角；以及

基于第一电压控制信号（Vd）、第二电压控制信号（Vq）以及实际角信号（θ0）来控制功率转换器（240）的网络桥接器的运行。

2.如前述权利要求所述的方法，其中

所述实际角信号（θ0）进一步依赖于标称频率参考信号（Nom），其指示收集由所述风力涡轮机（120）和所述风场（110）的其它风力涡轮机（120）产生的AC功率的AC系统（160）的期望频率。

3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中

所述频率控制器（5260）经由滤波器（9400）来接收频率参考信号（ref）。

4.如前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中

所述频率控制器（5260）经由低通滤波器（9400）来接收频率参考信号（ref）。

5.如权利要求1所述的方法，其中

表示旋转dq参考系相对于固定abc参考系的旋转频率并被直接地馈送到θ积分器单元（5380）中的角速度信号（0）也被馈送到频率控制器（5260），使得进一步基于此角速度信号（0）来确定由频率控制器（5260）产生的频率控制器频率信号（FC）。

6.如权利要求1所述的方法，其中

所述实际角信号（θ0）进一步依赖于频率修改信号（Q），其中，所述频率修改信号（Q）是基于无功功率反馈信号（Qfb）。

7.如权利要求6所述的方法，其中

经由无功功率下垂增益单元（5160）从无功功率反馈信号（Qfb）导出所述频率修改信号（Q）。

8.如权利要求6所述的方法，其中

所述频率修改信号（Q）

（a）被馈送到频率控制器（5260）中，以及

（b）被添加到频率控制器频率信号（FC）。

9.如权利要求1所述的方法，其中

有功功率参考信号（P*conv、PrefWT）被馈送到功率前馈单元（5220），其响应于该有功功率参考信号（P*conv、PrefWT）而提供功率前馈电压信号（VdpXC），并且

所述功率前馈电压信号（VdpXC）被添加到功率控制器电压信号（VdpPC），其由功率控制器响应于有功功率参考信号（P*conv、PrefWT）和有功功率反馈信号（Pfb）而提供，其中，

功率控制器电压信号（VdpPC）和功率前馈电压信号（VdpXC）的和表示第一电压控制信号（Vd）。

10.一种用于控制风力涡轮机（120）的功率转换器（240）的网络桥接器的运行的网络桥接器控制器（256、5000），其特征在于，所述网络桥接器控制器（256、5000）能够采用配置（8000、9000、10000），其具有在激活状态下的

功率控制器（5240）；

HVDC功率控制器（5350）；以及

θ积分器单元（5380）；

其中所述网络桥接器控制器（256、5000）被配置用于通过实现如在前述权利要求中的任一项中所述的方法来执行风力涡轮机（120）的运行控制。

11.一种风力涡轮机（120），其特征为包括

机械驱动系（222、228），其具有带有至少两个转子叶片（224）的风力转子；

发电机（230），其被机械地连接到所述机械驱动系（222、228）；

功率转换器（240），其被电连接到所述发电机（230），其中，所述功率转换器（240）包括

（i）用于对由所述发电机（230）提供的AC功率输入进行整流的AC-DC发电机桥接器（242），

（ii）接收经整流的AC功率输入的直流链路（244），以及

（iii）DC-AC网络桥接器，其将直流链路（244）的DC功率转换成AC功率输出；以及

如在前述权利要求10中所述的网络桥接器控制器（256、5000）。

12.一种功率产生和转送系统（100），其特征为包括

风场（110），包括多个风力涡轮机（120）；

AC系统（160），用于收集由所述多个风力涡轮机（120）产生的AC功率；

HVDC输电系统（170），其可连接到所述AC系统（160）和/或公用事业电网（195）以便从所述AC系统（160）向所述公用事业电网（195）传输DC功率，

其中，所述HVDC输电系统（170）包括HVDC二极管整流器（180）、HVDC输电电缆（175）以及DC-AC转换器（176）；以及

AC辅助输电系统，其可连接到所述AC系统（160）和/或所述公用事业电网（195）以便在公用事业电网（195）与AC系统（160）之间传输AC功率；

其中，所述风力涡轮机中的至少一个是如在权利要求11中所述的风力涡轮机。

13.如权利要求12所述的功率产生和转送系统（100），其中，从公用事业电网（195）向AC系统（160）传输AC功率。

14.一种其上存储有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序用于控制风力涡轮机（120）的运行，该计算机程序在被数据处理器执行时适合于控制和/或实现如在权利要求1至9中的任一项中所述的方法。

15.如权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述数据处理器是风力涡轮机控制器（250）和/或网络桥接器控制器（256、5000）的数据处理器。