JP5473592B2 - 励磁機及び系統に接続されていない電力変換器を有する可変速風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、可変速風力タービンの分野に関し、より詳細には、二次励磁（doubly fed：二次巻線型）誘導発電機（ＤＦＩＧ）、励磁機、系統に接続されて（connected：連系されて）いない中間静止型変換器、電力制御部、及びピッチ調整部を備える可変速風力タービンに関する。

［関連出願の相互参照］
本願は、２００６年６月３０日に出願された米国出願第１１／４７７，５９３号及び２００６年３月１７日に出願された米国仮出願第６０／７８３，０２９号からの優先権を主張し、上記出願の開示の全体が参照により本明細書に援用される。

ここ数年間で、風力発電は世界的に著しく普及してきた。この分野の産業技術が十分に成熟しているとはいえ、この成長が今後数十年は続くことが大いに見込まれる。ウィンドファームの規模が大きくなり、総風力発電容量（total base of installed wind capacity）が増加し続けると、電力出力品質の改善の重要性が風力発電開発事業者及び顧客の両方にとって非常に重要な課題となる。

送電は、顧客への電気供給の１つのプロセスである。送電システムは、「系統」と呼ばれることが多い。送電会社は、各送電線から信頼性のある最大容量を得るという課題に応じなければならない。しかしながら、システム安定性の考慮事項により、実際の容量は送電線の物理的限界よりも少なくなり得る。したがって、システム安定性を高めるために良質で安全な電力源が必要である。

ほとんどの用途で、風力タービンは、電力を発生して電気系統に電流を供給する。これは、定常電圧レベルの変化、動的電圧変化、フリッカ、非正弦波形（すなわち高調波）を有する電流の注入等、局所的系統電圧の偏差を引き起こす可能性がある。

これらの作用は、エンドユーザの機器、及び変圧器等の系統に接続される他の発電機又は構成要素にとって望ましくない場合がある。電力容量が増加すると、タービン出力の電力品質特性の改善の必要が明らかに生じる。風力タービンの電力品質の影響は、それに関与する技術に応じて変わる。それにもかかわらず、風力タービン製造業者は電力品質を主要な設計特性とみなしていなかった。

本来、最初の風力タービンは固定の回転速度で稼動するように設計されていた。このモデルによれば、風力タービンの発電機は、系統に直接接続されて所定の速度で動作することで、速度変化を非常に小さくすることができる。非同期発電機の場合、発電機のすべり範囲のみが許される。すべりは、ステータの回転磁界と比較したロータの回転速度の差である。発電機のすべりは、発電量に伴ってわずかに変化するため、完全に一定ではない。さらに、これらの風力タービンには、通常動作時に起動電流制限戦略及び無効エネルギー補償要素が必要である。風乱流は、望ましくないトルク変動を発生させ、これは、風力タービンの駆動系に、したがって電気系統に供給される有効電力に直接伝わる。

風速に比例して発電機回転速度を保つタイプの風力タービンが、可変速風力タービンである。風力タービンの最大効率を得るために、発電機回転速度は変動する風速に適応する。このタイプの風力タービンは、系統に接続される電力電子変換器（power electronic converter）を含む。この種のインタフェースにより、タービンの電力電子変換器からの高調波放射が系統に供給される。

現在、電力電子変換器を用いる可変速タイプの風力タービンが広まっている。この可変速風力タービンの例は、米国特許第５，０８３，０３９号、米国特許第５，２２５，７１２号、又は米国出願公開第２００５／００１２３３９号に記載されている。これらのタービンは、全変換器システムに基づいており、発電機、発電機側の変換器、ＤＣリンクバス、及び系統に接続されている能動変換器を含む。発電機の可変周波数エネルギーは、発電機側変換器によってＤＣリンクバスに伝送された後で、系統側能動変換器によって固定周波数に変換される。全変換器システムの全てに共通していくつかの欠点がある。系統側変換器の半導体の能動切り替えは、系統に望ましくない高周波数の高調波を注入する。これらの高調波が引き起こす問題を回避するために、複数のフィルタを取り付けなければならない。さらに、系統における種々のインピーダンス値及び既存の高調波により、ウィンドファームの場所の特性に従ってフィルタの同調を変えることが必要である。

別の可変速風力タービンが、米国特許第６，１３７，１８７号に記載されている。図１に示すように、この風力タービン構成は、二次励磁誘導発電機（１）と、ロータ側の能動変換器（５）、ＤＣバス（８）、及び系統側の能動変換器（７）を備える電力変換器（４）とを含む。この構成では、総電力のうちごく一部のみが変換器（５、７）を介して系統（９）に伝送される。ステータ（３）が系統（９）に電力を直接送出することができる一方で、ロータ（２）は、二次励磁誘導発電機の動作が準同期（subsynchronous：同期速度未満）であるか超同期（supersynchronous：同期速度以上）であるかに応じて電力変換器（４）を介して系統（９）に対する電力の吸収又は供給を行うことができる。ロータの可変速動作は、高速の電力変動の多くが回路網（network）に送られずにロータのフライホイール作用によって平滑化されるという利点を有する。しかしながら、系統（９）に接続されている電力電子変換器（４）の使用は、回路網電圧の高調波歪みを引き起こす。

他の文献も、可変速風力タービンについて記載している。例えば、米国特許第６，９３３，６２５号には、二次励磁誘導発電機と、スカラー電力制御及び依存ピッチ制御を用いる受動系統側整流器とを含む、可変速システムが記載されている。この場合、ロータ側の能動変換器、受動系統側整流器、及びＤＣリンクバスに接続されている切り替え可能な電力散逸要素がある。超同期動作時には、ロータから抽出されたエネルギーは、切り替え可能な電力散逸要素で散逸されることで風力タービンの効率を低下させる。準同期モードでの風力タービンの動作時には、エネルギーは、受動系統側整流器によって整流され、これが系統において望ましくない低周波数の高調波を引き起こす。したがって、複雑な減衰フィルタが必要である。米国特許第６，５６６，７６４号及び米国特許第６，８５６，０３８号には、マトリックスコンバータを有する可変速風力タービンが記載されている。両方の場合に、系統に接続されている電力電子変換器が含まれるが、これは望ましくない高調波電圧を引き起こす可能性がある。

前述の米国特許、及びパワーエレクトロニクスを含む可変速風力タービンに関する他の既存の解決手段の全てで、変換器が系統に接続されている。変換器で用いられる技術に応じて、系統に導入される高調波の範囲は様々であり、これはフィルタを用いて減衰させて最終的な適用場所に同調させなければならないため、システムの価格が上がるとともに信頼性は低下する。

従来技術のこれらの問題を鑑みて、可変速風力タービンに適用することができる改良された電力解決手段を提供する必要がある。

特に弱い系統の場合の別の望ましくない問題は、発電機の同期中の無効電力消費である。例えば、或る同期方法が米国特許第６，６００，２４０号に記載されている。この方法は、電力変換器をディセーブルしてロータが所定の速度に達したまま、発電機ステータを系統に接続することから開始する。この時点で、全励磁電流が系統によって供給されることで、無効電力消費が起こる。この無効電力消費は、一部の新たな系統連系規程（grid compliance regulations）で許容されない場合がある。この特許には、切断（disconnection：解列）プロセスも記載されている。このプロセスは、ロータ電流を減らしてロータ変換器をディセーブルすることから開始する。この時点で、無効励磁電流が系統によって供給される。発電機を切断するために、接触器が無効電流で開放されるため、接触器の稼動寿命が縮まる。したがって、無効電力の消費を回避して接続装置の寿命を延ばす、二次励磁誘導発電機の系統に対する同期、接続（connection：連系）、及び切断の方法を提供する必要がある。

系統に注入される電力品質を決定する別の態様は、発電機の制御である。発電機側変換器の１つの制御タイプは、「磁界配向制御」（ＦＯＣ）として知られている。ＦＯＣ法は、機械の電気モデル及びパラメータに基づく。機械パラメータのばらつきに起因して、トルクを正確に計算することができず、付加的なオンライン調整ループが必要である。さらに、用いられるＦＯＣ法は、系統で故障が生じた場合に磁束位置特定の遅延をもたらすため、新たな系統連系要件を満たすことをより困難にする。

ＤＦＩＧ構成を用いる従来技術の可変速風力タービンでは、ステータ電力は一定のままであるが、ロータ電力も電力変換器を介して系統に供給される。ロータ電力リプルに起因して、系統に供給される総電力にもリプルが発生して、風力タービンの出力電力品質に影響を及ぼす。

二次励磁誘導発電機しか用いない可変速風力タービンは、電気制動を用いることができない。上述のように、この種の構成では、電力がステータによって系統に直接送出され、総電力のうちごく一部がロータから変換器を介して系統に伝送される。例えば系統の永久故障時に風力タービンの偶発的停止が生じた場合、発電機の電力が激減する。ブレードピッチング等の高速の非電気的制動のみを風力タービンの停止に適用することができる。この動作モードは、風力タービン構成要素に大きな機械的力を加えることで、早期損傷を引き起こす可能性がある。したがって、この機械的応力を防止するための付加的な制動が必要である。

ウィンドファームでの高圧ＤＣリンク送電（ＨＶＤＣ）の使用は、特許ＷＯ０１／２５６２８号に記載されており、これは主発電装置として同期発電機を含む。同期機の使用により、風に伴って出力周波数が変わるため、特に低風状態では出力ＤＣ電圧のリプル含有率が大きくなる。さらに、出力変圧器及び整流器は、低周波数で動作できなければならないため大型でなければならない。低インダクタンスのロータ回路の特殊構造等のさらなる詳細が、出力電力の正確な調整に必須である。

本発明の例示的な実施の形態の一態様によれば、二次励磁誘導発電機を用いる可変速風力タービンであって、少なくとも１つ又は複数のブレードと、１つ又は複数の発電機と、駆動系に結合されている１つ又は複数の励磁機と、ＤＣリンクバスによって連結されＡＣ側の一方が二次励磁誘導発電機のロータ回路に接続されて他方のＡＣ側が励磁機に接続されている１つ又は複数の能動電力電子変換器とを有する、可変速風力タービンが提供される。本発明は、電力制御部及びピッチ調整部についても説明する。

本発明の非限定的な例示的な実施の形態のこの態様によれば、パワーエレクトロニクスは系統に接続されない。したがって、電力が二次励磁誘導発電機のステータを介してしか系統に送出されないことで、望ましくない高調波歪みが回避され、且つ電力系統に供給するのにより適した電力品質が得られる。さらに、複雑なフィルタの使用及び種々の場所に従ってそれらを同調することが不要なことで、システムの経済性及び信頼性が高まる。

本発明の実施の形態の別の態様は、電力出力が定格速度を上回って一定のままであることで、速度変化に伴う電力変動が回避されることである。本発明のトポロジーにより、電力は二次励磁誘導発電機のステータを介してしか系統に送出されない。したがって、ロータ電力リプルが回避され、風力タービンの出力電力品質が改善される。

本発明の例示的な実施の形態の別の態様は、系統に注入される電力を正確に制御するために系統磁束配向（Grid Flux Orientation）（ＧＦＯ）を用いる可変速風力タービンについて説明する。この制御システムの利点は、大幅に変わる場合がある機械パラメータ及び理論的機械モデルに依存しないことで、付加的な調整ループの使用が回避されるとともに電力系統に供給されるより優れた電力品質が得られることである。

本発明の例示的な実施の形態のさらなる態様は、二次励磁誘導発電機の同期の方法が、新たな系統連系規程に従って系統への接続及び系統からの切断時の無効電力の消費を回避することである。さらに、この方法は、接続装置を通る接続電流ピークを回避することで、このような構成要素の寿命を延ばすことができる。

本発明の例示的な実施の形態のさらなる態様は、ブレードのピッチ運動の駆動に用いられるときにＤＣモータのコレクタの「磨耗」を回避する制御方法を提供し、ブレードの軸受の潤滑を改善する。

本発明の例示的な実施の形態の別の態様は、風力タービンの偶発的停止の場合に、二次励磁誘導発電機が用いられていても電気制動を加えることが可能であることである。永久系統故障等の緊急の場合、風力タービンの偶発的な停止が起こり得る。その場合、励磁機が発電機として用いられ、励磁機から直流バスに電力を伝送させることができる。続いて、電気制動を起動することができ、電力の一部がチョッパの可変抵抗器に流されて、発電機を徐々に停止させるのを助けるとともに風力タービン構成要素における大きな機械的力を回避する。

本発明の別の態様は、可変速発電システムにおける高圧ＤＣリンク送電（ＨＶＤＣ）に用いることができることである。

別の態様によれば、本発明のトポロジーにより、ＡＣ電圧の出力周波数が固定され得ることで、必要な整流器及び変圧器の寸法を小さくすることができ、低風状態でのＤＣ出力電圧のリプル含有率が減って出力電力品質が改善される。

上記の概説及び下記の詳細な説明の両方が単に例示的且つ説明的なものであり、特許請求の範囲に記載される本発明を制限するものではないことを理解されたい。

添付図面は、本発明の１つ又は複数の実施形態の一部を構成する。しかしながら、これらは、本発明を特定の実施形態に限定するとみなされるべきではない。本発明及びその動作モードは、下記の詳細な説明を添付図面とともに読めばより十分に理解されるであろう。

様々な例示的な実施形態による可変速風力タービンを以下で説明する。いくつかの図面は、この説明をよりよく理解するための実例としてのみ参照される。さらに、説明に沿って同じ又は同様の部分を指すのに同じ参照符号が用いられる。

概要
概して、本発明の様々な例示的な実施形態による可変速風力タービン発電機は、二次励磁誘導発電機の超同期動作時にロータが発生する電力を励磁機に流す。続いて、励磁機は、この電気エネルギーを機械回転エネルギーに変換し戻し、続いてこのエネルギーを、ステータが発生して系統に送出される電力をさらに増加させるために用いることができる。電力がＤＦＩＧのステータによってしか系統に送出されないことで、電力変換器を介した系統への電力の送出が回避される。したがって、系統に供給される電力の品質が改善される。

さらに、準同期動作時に、ロータが、電力を発生する代わりに電源を必要とする場合、風が発生させる回転エネルギーの一部を励磁機が用いて、ロータが必要とする電力を発生する。

可変速風力タービン発電機システムは、図２に大まかに示されている。この実施形態では、可変速システムは、１つ又は複数のロータブレード（２０１）及び駆動系に接続されるロータハブを備える。駆動系は主に、タービン軸（２０２）、ギアボックス（２０３）、及び二次励磁誘導発電機（２０５）を備える。二次励磁誘導発電機のステータ（２１０）は、１つ又は複数の接触器（２１５）を用いて系統に接続することができる。システムは、非同期機、ＤＣ機、同期（例えば永久磁石）機、又はモータ若しくは発電機として機能する可逆電気機械等の励磁機（２１２）も備え、これは、駆動系と、ＤＣリンクバス（２２４）によって連結されＡＣ側の一方が二次励磁誘導発電機のロータ回路に接続されて他方のＡＣ側が励磁機（２１２）に接続されている２つの能動電力変換器（２２２、２２５）（すなわちＢＴＢ（back to back）変換器）とに機械的に結合される。励磁機を調整する能動電力変換器（２２５）は、系統から分離されるように系統に接続されない。代替的に、ＢＴＢ変換器の代わりに、サイクロコンバータ、マトリックスコンバータ、又は任意の他の種類の双方向変換器が接続されてもよい。システムは、ＤＣバスに接続されているＤＣチョッパ等の電気ブレーキ回路（２３１）も備え得る。変換器制御ユニット（ＣＣＵ）（２００）が、二次励磁誘導発電機及び励磁機の電力調整を実行する。システムは、電力電子変換器の能動スイッチが発生させる急激な電圧変動から二次励磁誘導発電機のロータ回路を保護するためにこれに接続されるｄＶ／ｄｔフィルタ（２２０）等のフィルタを備える。さらに、ｄＶ／ｄｔフィルタ（２２７）が電子電力変換器（electronic power converter）と励磁機との間に接続される。一実施形態では、系統故障に対する保護モジュール（２１９）が二次励磁誘導発電機のロータに接続される。

この実施形態で説明される可変速風力タービン発電機システムは、同期速度未満（すなわち準同期）及び同期速度以上（すなわち超同期）で稼動することができる。準同期動作時には、電力が励磁機（２１２）から二次励磁誘導発電機（２０５）のロータ（２１１）に流れるため、励磁機（２１２）は発電機としての役割を果たす。他方、超同期動作時には、電力が二次励磁誘導発電機（２０５）のロータ（２１１）から励磁機（２１２）に流れるため、励磁機はモータとしての役割を果たす。全速度範囲における電力バランスは、種々の要素における損失を除いて、励磁機（２１２）で発生／消費される電力が二次励磁誘導機のロータ（２１１）で消費／発生されるようになっている。

説明される可変速風力タービン発電機システムのトポロジーにより、電力は、二次励磁誘導発電機（２０５）のステータ（２１０）を介してしか系統に送出されない。系統には電子電力変換器が接続されていない。その結果、望ましくない高調波歪みが回避され、電力系統に供給するのにより適した電力品質が得られる。さらに、複雑なフィルタの使用及び種々の場所に従ったそれらの調整要求が回避されることで、システムの経済性及び信頼性が高まる。

このトポロジーは、二次励磁誘導発電機構成での電気ブレーキの使用も可能にする。例えば系統の完全な停電に起因して風力タービンが緊急停止した場合、ステータが切断され、発電機が発生する電力を系統に供給することができなくなる。しかしながら、励磁機（２１２）を発電機として用いることができるため、励磁機（２１２）から直流バス（２２４）に電力を伝送することができる。したがって、電力の一部がチョッパの可変抵抗器に流される。最後に、ブレードピッチング等の機械ブレーキ又は空力ブレーキがかけられて風力タービンを停止させる。本発明のこの実施形態は、ＤＦＩＧ構成で発電機が電気ブレーキをかけることを可能にして、風力タービンを停止させるのを助けるとともに早期損傷を引き起こす可能性がある風力タービン構成要素における大きな機械的力を回避する。

図３に示すように、可変速風力タービン制御システムは、汎用コントローラ（３０２）、電力コントローラ、及びピッチレギュレータを備える。電力設定点は、最適電力追尾コントローラ（ＯＰＴＣ）（３０３）によって測定風力に基づいて計算される。この設定点は、汎用コントローラ（３０２）に、したがってＤＦＩＧコントローラ（３００）に送られる。二次励磁誘導発電機（２０５）によって系統に送出される電力は、ＤＦＩＧコントローラ（３００）が能動電子電力変換器（２２２）を介した総有効電力及び総無効電力の効果的な調整を行うことによって制御される。二次励磁誘導発電機（２０５）の電力電子制御は、系統磁束配向（ＧＦＯ）に基づく。励磁機（２１２）は、能動電子電力変換器（２２５）によって調整され、励磁機コントローラ（３０１）によって制御される。励磁機（２１２）に／励磁機（２１２）から伝送される電力は、主調整変数としてＤＣバス電圧センサ（２２３）で測定されるＤＣバス電圧レベルを用いて、能動電子電力変換器によって制御される。

可変速風力タービン制御システムは、励磁機への需要電力の制限に基づくピッチ制御システムも備える。励磁機ベースピッチコントローラ（ＥＢＰＣ）（３０４）が、空気力学的動力を制限するためにブレードのピッチ位置を調整する。ＥＢＰＣ（３０４）は、励磁機の電力偏差から、またピッチモータ（３０５）の速度及び位置の測定によって、ＯＰＴＣ（３０３）のピッチ角設定点も提供する。さらに、ＥＢＰＣ（３０４）は、ピッチ運動に用いられるＤＣ機のコレクタを保護してブレード軸受の潤滑を改善するために、コレクタ耐磨耗・潤滑システム（ＣＡＷＬＳ）を備える。

本発明のトポロジーは、可変速発電システムにおける高圧ＤＣリンク送電（ＨＶＤＣ）にも適している。図１０及び図１１に示すように、ＤＣ出力は、図１０に示すように整流器（１００１）を有する高圧発電機を用いて、又は図１１に示すように低圧発電機と、１つ又は複数の二次巻線（secondaries）を有する付加的な変圧器（１１０１）とを用いて生成することができ、各二次巻線は整流され、このような整流器の全てが直列又は並列に接続される。さらなる接続装置（１００２）及び保護装置（１００３）が必要な場合がある。

本発明のトポロジーにより、ＡＣ電圧の出力周波数が固定され得ることで、必要な整流器及び変圧器の寸法を小さくすることができ、低風状態でのＤＣ出力電圧のリプル含有率が減って出力電力品質が改善される。

さらに、風力タービンが回転し始めると、主発電機の動作にもかかわらず補助システムの全てが励磁機（２１２）による供給を受けることができるため、無停電電源装置又はＨＶＤＣ−ＡＣ変換器のサイズが小さくなる。

なお、系統用途について説明されているが、スタンドアロン型電力システム又は任意の可変速エネルギー発生システム等の他の用途に本発明を用いることもできることが当業者には明らかであろう。例えば、こうした他の可変速エネルギー発生システムは、波及び潮汐エネルギー、地熱エネルギー、太陽エネルギー用途、水力発電エネルギー、内燃機関等に基づく電力システムを含み得る。

最適電力追尾コントローラ（ＯＰＴＣ）
最適電力追尾コントローラ（ＯＰＴＣ）（３０３）は、発電機電力を制御するために、ＤＦＩＧコントローラ（３００）によって行われる電力制御ループの電力基準を調整する。この基準は、主調整変数としての測定風速に基づく。

この実施形態によれば、可変速システムにおいて、最適出力係数（Ｃ_ｐ）の追尾を動作速度範囲内で実行することができる。この範囲は、下限速度（ω_０）及び上限速度（ω_１）と、それらに対応する下限電力及び上限電力（それぞれＰ_０及びＰ_１）とによって決まる。

図４は、最適電力追尾コントローラ（ＯＰＴＣ）の一実施形態のブロック図を示す。ＯＰＴＣの主入力は、風速（ｕ）であり、これは１つ又は複数の風速計を用いて測定される。一実施形態では、この測定値が、制御システムにおいて望ましくない周波数が増幅されないように、そして平滑な信号が演算されるようにフィルタリングされる（４０１）。

ＯＰＴＣは、個々の風速の対応電力値を計算する（４０２）。この関係は、風力タービン、主にロータヘッドの全特性と、最大空気力学効率に対応するその地点とから求められる。したがって、Ｃ_Ｐは最大電力出力を得るために最大化される。得られた電力値は、電力範囲リミッタに入力される（４０３）。この実施態様が主ループである。

最適化されたＣ_Ｐの追尾の応答性を改善するために、得られた値に主ループの補助修正（４０５）が適用される。二次励磁誘導発電機最適速度が、測定及びフィルタリングされた風速信号から求められる（４０６）。ロータ最適速度（低速軸）は、最適先端速度比（λ）と風速（ｕ）との積をロータ平面半径（Ｒ）で割った結果である。二次励磁誘導発電機回転速度は、この値にギアボックス比を掛けることによって計算される。得られた速度値は、速度範囲リミッタに入力される（４０７）。このブロックの出力は、ピッチ適合速度ブロック（ＰＡＳＢ）（４１０）で計算されるピッチ修正速度（ＰＣＳ）と比較される（４０８）。

ピッチ角基準、最小ピッチ角、及び測定回転速度が、ＰＡＳＢに入力される。フィルタリングされたピッチ角設定点（β_ｒｅｆ）と最小ピッチ角（β_ｍｉｎ）との差にゲイン（４１３）が適用される。結合のために、この項はゼロに初期化され、β_ｒｅｆ＝β_ｍｉｎとなる。上記修正速度を計算するために、測定回転速度（ω）が加えられる。

ＰＡＳＢ（４０８）によるこのような修正の後、得られた誤差にゲイン（４０９）が適用されてΔＰが得られ、これが以前に計算された電力設定点に加えられる。

得られた電力設定点が修正されると（４０４）、この値が電力範囲リミッタに入力されて（４１５）、この電力基準がＰ_０及びＰ_１閾値内に確実にあるようにする。得られる基準は、電力設定点（ＰＳ＿Ｐ）である。

最後に、回転速度監視（４１７）がこの電力設定点に適用される。ＰＣＳがω_０よりも低い場合（４１９）、ゲイン又は異なるコントローラ（４２０）がこのような速度差に適用されて、−ΔＰが得られる。他方、ＰＣＳがω_１よりも高い場合（４２２）、計算された誤差にゲイン（４２３）が適用されて、入力での速度差に比例するΔＰが得られる。

したがって、上記で詳述した修正は、電力設定点ＳＰ＿Ｐに適用され、これがさらに、計算された設定点が定格電力を超えないことを確実にするために電力範囲リミッタに入力される（４２４）。このように、ＯＰＴＣの出力は、二次励磁誘導発電機電力を制御するために汎用コントローラ（３０２）に、したがってＤＦＩＧコントローラ（３００）に送られる、有効電力基準ＳＰ＿Ｐｅｆである。

最適電力追尾コントローラにより、発電機速度が定格電力になる発電機速度以上であるときの出力電力品質が改善される。ＤＦＩＧ構成を用いる従来技術の可変速風力タービンでは、ステータ電力が一定のままであるが、ロータ電力も電力変換器を介して系統に供給される。ロータ電力リプルに起因して、系統に供給される総電力にもリプルが発生して、風力タービンの出力電力品質に影響を及ぼす。本発明の範囲内で、励磁機及び系統に接続されていない電力変換器を用いることにより、電力は二次励磁誘導発電機のステータを介してしか系統に送出されないことで、リプルが回避され、風力タービンの出力電力品質が改善される。

二次励磁誘導発電機コントローラ
ＤＦＩＧのステータ有効電力及び無効電力制御は、二次励磁誘導発電機のコントローラ（３００）によって行われる。このコントローラは、系統に送出される総電力の優れた調整性能及び制御を提供する。この制御は、以下でさらに詳細に説明するように、系統磁束配向（ＧＦＯ）を用いて機械の電気パラメータから完全に独立した種々の調整ループに基づく。調整すべき種々の大きさを高精度で測定することにより、二次励磁誘導発電機（２０５）のステータ（２１０）によって系統に送出される総電力が完璧に制御され、高品質エネルギーが得られる。

図５に示す二次励磁誘導発電機のコントローラ（３００）は、系統磁束配向（ＧＦＯ）制御と、４つの調整ループ、すなわち２つの電流ループ（Ｉｒｑ、ロータ電流ループ（５０９）及びＩｒｄ、ロータ電流ループ（５１０））及び２つの電力ループ（Ｐｓ、ステータ有効電力ループ（５０５）及びＱｓ、ステータ無効電力ループ（５０６））とに基づく。

本発明のこの例示的な実施形態では、コントローラは、ロータ電流（Ａｖ＿Ｉｒｄ及びＡｖ＿Ｉｒｑ）を調整することによってＤＦＩＧのステータ有効電力及び無効電力を調整し、結果として系統に送出される総電力を調整するようになっている。電力コントローラは、電流及び電圧の大きさを２軸回転系（ｄ、ｑ）に当てはめて動作するため、システムによって実行される種々の電流及び電圧測定は、基準となる回転（ｄ、ｑ）系に変換される（５１４、５１７）。

一実施形態では、Ａｖ＿Ｉｒｄ（「ｄ」軸と呼ばれるロータ電流）を制御することにより、二次励磁誘導発電機（２０５）の励磁レベルが固定されるため、機械の無効電力流れ方向が確定される。さらに、二次励磁誘導発電機（２０５）は、誘導システムとして働いて無効電力を消費する場合があるか、又は容量性システムとして働いて無効電力を発生する場合がある。この実施形態では、Ａｖ＿Ｉｒｄの制御は、Ａｖ＿Ｉｒｑ（「ｑ」軸と呼ばれるロータ電流）の制御から完全に独立して実行される。別の実施形態では、Ａｖ＿Ｉｒｑを制御することにより、二次励磁誘導発電機が発生して系統に送出される有効電力が完璧に制御される。

したがって、ＤＦＩＧのステータ有効電力ループ（５０７）は、ＯＰＴＣ（３０３）からステータ電力設定点（Ｓｐ＿Ｐｅｆ）を、したがって汎用コントローラ（３０２）から（Ｓｐ＿Ｐｓ）を受け取ることによって、ステータ電力（Ａｖ＿Ｐｓ）を調整する。このループは、ＰＩコントローラ又はより複雑な構造の異なるコントローラに基づき得る。ＤＦＩＧのステータ有効電力計算を、以下でさらに詳細に説明する。ＰＩコントローラ（５０７）出力は、ロータ電流設定点（Ｓｐ＿Ｉｒｑ）である。Ｉｒｑロータ電流ループ（５１１）は、この上述の設定点でＡｖ＿Ｉｒｑ電流を調整する。このＩｒｑ電流ループは、ＰＩコントローラ又はより複雑な構造の異なるコントローラに基づき得る。レギュレータ出力は、Ｕｒｑロータ電圧設定点（Ｓｐ＿Ｕｒｑ）である。

さらに、ＤＦＩＧのステータ無効電力ループ（５０８）は、汎用コントローラ（３０２）からステータ無効電力設定点（Ｓｐ＿Ｑｓ）を受け取ってステータ無効電力（Ａｖ＿Ｑｓ）を調整する。このＳｐ＿Ｑｓは、固定値、ＳＣＡＤＡ設定等に基づき得る。この無効電力ループは、ＰＩコントローラ又はより複雑な構造の異なるコントローラに基づき得る。ステータ無効電力計算を、以下でさらに詳細に説明する。ＰＩコントローラ（５０８）出力は、Ｉｒｄロータ電流設定点（Ｓｐ＿Ｉｒｄ）である。Ｉｒｄロータ電流ループ（５１２）は、この上述の設定点でＡｖ＿Ｉｒｄ電流を調整する。このＩｒｄ電流ループは、ＰＩコントローラ又はより複雑な構造の異なるコントローラに基づき得る。レギュレータ出力は、Ｕｒｄロータ電圧設定点（Ｓｐ＿Ｕｒｄ）である。一実施形態では、この方法は、ロータからの二次励磁誘導発電機の励磁を可能にすることで、系統からの無効電力消費を回避する。さらに、二次励磁誘導発電機励磁レベルを制御し、且つ系統及びステータ電圧を測定することで、システムは、二次励磁誘導発電機（２０５）が発生するステータ電圧の振幅、周波数、及び角に関して常に系統に同期され続ける。接続及び切断システムについて以下でさらに詳細に説明する。

一実施形態では、ＡＶ＿Ｉｒｑ及びＡｖ＿Ｉｒｄロータ電流は、３つのロータ電流測定値（Ｉｒ＿Ｌ１、Ｉｒ＿Ｌ２、Ｉｒ＿Ｌ３）（１２１）を回転角（μ−ε）を有する２軸回転系に当てはめて計算され、式中、μは、３つの系統電圧（Ｖｇ＿Ｌ１、Ｖｇ＿Ｌ２、Ｖｇ＿Ｌ３）（２１７）の測定値から計算される系統角であり、εは、位置・速度センサ（２１４）で測定されるロータ角である。

Ａｖ＿Ｐｓ及びＡｖ＿Ｑｓは、Ｉｄ、Ｉｑ、Ｖｄ、Ｖｑを用いて計算される。
Ａｖ＿Ｐｓ＝３／２（Ｖｓｄ×Ｉｓｄ＋Ｖｓｑ×Ｉｓｑ） 式１
Ａｖ＿Ｑｓ＝３／２（Ｖｓｑ×Ｉｓｑ−Ｖｓｄ×Ｉｓｄ） 式２

式中、Ｖｓｄ、Ｖｓｑ、Ｉｓｄ、Ｉｓｑは、３つのステータ電圧（Ｖ＿Ｌ１、Ｖ＿Ｌ２、Ｖ＿Ｌ３）（２１６）及び３つのステータ電流（Ｉ＿Ｌ１、Ｉ＿Ｌ２、Ｉ＿Ｌ３）（１１８）を測定し、μ回転角を用いてこれらの電圧及び電流を２軸回転系に当てはめることによって得られる。

電流レギュレータ出力Ｓｐ＿Ｕｒｄ及びＳｐ＿Ｕｒｑの両方が、回転角（μ−ε）を用いて固定系に変換されて、二次励磁誘導発電機（２０５）のロータ（２１１）に与えるべき３つの電圧基準が得られる。ブロック４１４は、２軸回転系から３相固定系へのロータ電圧の変換を示す。一実施形態では、これらのロータ電圧は、電力電子変換器（２２２）の能動スイッチのトリガを発生するためのモジュールに対する基準として用いられ得る。ブロック４１５は、種々のＰＷＭ技法を実施することができるモジュールを示す。

この実施形態によれば、機械電気パラメータから独立した２つの電力ループ及び２つの電流ループに基づく電子電力制御システムが、電気パラメータのばらつき又は電力調整における理論モデリング誤差の影響を回避する。電気パラメータによって引き起こされる誤差は、非線形性に起因した温度振動又は飽和効果によって変わり、この方法によって回避される。したがって、非常に高品質のエネルギー発生が得られ、異なる規定の要件（the requirements of the different normative）が満たされ改善される。調整を行うために種々の測定値（Ｉ＿Ｌ１、Ｉ＿Ｌ２、Ｉ＿Ｌ３、Ｖ＿Ｌ１、Ｖ＿Ｌ２、Ｖ＿Ｌ３、Ｉｒ＿Ｌ１、Ｉｒ＿Ｌ２、Ｉｒ＿Ｌ３、ε、ω）が必要なだけである。一実施形態では、無効電力調整は、有効電力調整から独立して行われ得る。

励磁機コントローラ
例示的な一実施形態では、可変速システムは、二次励磁誘導発電機（２０５）を備え、そのロータ（２１１）は電子電力変換器（２２２）に接続される。この電子電力変換器は、ＤＣバスシステム（２２４）を介して第２の電子電力変換器（２２５）に結合される。一実施形態では、この周波数変換器（電力変換器）（２２５）は、接触器（２２８）によって励磁機（２１２）に接続される。非同期機、ＤＣ機、同期（例えば永久磁石）機、又は可逆電気機械等の励磁機は、駆動系に機械的に結合される。

ロータ速度に応じて、励磁機に要求される電力は、ロータエネルギーの流れ方向に従って正又は負であり得る。準同期動作時、すなわち同期速度未満では、電力が励磁機（２１２）から二次励磁誘導発電機（２０５）のロータ（２１１）に流れるため、励磁機（２１２）は発電機としての役割を果たす。超同期動作時、すなわち同期速度以上では、電力が二次励磁誘導発電機（２０５）のロータ（２１１）から励磁機（２１２）に流れるため、励磁機（２１２）はモータとしての役割を果たす。全速度範囲における電力バランスは、種々の要素における損失を除いて、励磁機で発生／消費される電力が二次励磁誘導機のロータで消費／発生されるようになっている。

本発明のこの実施形態では、励磁機（２１２）は、電子電力変換器（２２５）によって調整され、励磁機コントローラ（３０１）によって制御される。励磁機（２１２）を永久磁石機とみなして、励磁機の制御システムを以下で説明する。異なるタイプの機械を励磁機（２１２）として用いてもよいため、励磁機コントローラがそれに従って変更され得ることが、当業者には明らかであろう。

励磁機（２１２）に／励磁機（２１２）から伝送される電力は、主調整変数としてＤＣバス電圧レベル、Ａｖ＿Ｕｂｕｓを用いて、電子電力変換器（２２５）によって制御される。図６は、励磁機調整の一実施形態を説明している。変換器制御ユニット（２００）は、可変又は静的であり得るＤＣバス設定点電圧Ｓｐ＿Ｕｂｕｓ（６０５）を固定する。ＤＣバス電圧の測定により、ＤＣバス電圧設定点は、ＰＩコントローラ（６０７）又はより複雑な構造の異なるコントローラによって調整される。このコントローラは、ＤＣバス電圧を変換器制御ユニット（ＣＣＵ）によって固定された値に保つために、永久磁石励磁機（２１２）とＤＣリンクバス（２２４）との間で伝送される有効電力を確立する。この有効電力は、Ｓｐ＿ＩＥｑによって求められる。一実施形態では、このＳｐ＿ＩＥｑは、２つの項から計算される。
Ｓｐ＿ＩＥｑ＝バス電圧レギュレータ（６０７）出力＋減結合及びスイッチオン補償（６０８）出力 式３

式中、第１項は予想バス振動に対応し、第２項、Ｉｚは、バスを循環する推定電流を表すフィードフォワード項である。このタイプの構造では、永久磁石機の高い動的電力応答を得ることが可能である。一実施形態では、バス電流推定項が存在しないため、バス電圧レギュレータ（６０７）は、永久磁石励磁機に要求される実効Ｓｐ＿ＩＥｑの発生を担っている。

この実施形態では、Ｓｐ＿ＩＥｑは、２軸回転系に当てはめた励磁機有効電流を表すＡｖ＿ＩＥｑを用いて、ＰＩコントローラ（６１３）又はより複雑な構造の異なるコントローラによって調整される。一実施形態では、永久磁石機が用いられ得るため、機械磁束を減らして高速でよりよい電力調整を行うことができるように、弱め界磁モジュールが必要である。永久磁石機では、ステータ電圧は、ロータ速度及び機械磁束に応じて変わる。その結果、機械の磁束を減らすことによってステータ電圧を減らすにはロータ速度以上が必要である。

一実施形態では、弱め界磁方式（system）が実施されて、永久磁石励磁機（２１２）に要求されることになる無効電流設定点Ｓｐ＿ＩＥｄ（６１８）が確定される。このように、ロータ速度とは無関係に、永久磁石が発生する電圧は、電子電力変換器（２２５）の帯域調整能力内で制御されて位置付けられる。Ｓｐ＿ＩＥｄ（６１８）は、２軸回転系に当てはめた励磁機無効電流を表すＡｖ＿ＩＥｄを用いて、ＰＩコントローラ（６１４）又はより複雑な構造の異なるコントローラによって調整される。

一実施形態では、Ｓｐ＿ＩＥｄは、機械の励磁レベル及びその電圧レベルを固定する。Ｓｐ＿ＩＥｑは、永久磁石機に注入又は要求される有効電力を固定する。

一実施形態では、Ａｖ＿ＩＥｄ及びＡｖ＿ＩＥｑを計算するために、２つ又は３つの励磁機相電流（ＩＥｘｃ＿Ｌ１、ＩＥｘｃ＿Ｌ２、ＩＥｘｃ＿Ｌ３）が測定され得る。３つの電流は、最初に２軸静止系に変換されるため（６０１）、ＩＥ＿ｓｘ及びＩＥ＿ｓｙが得られる。次に、これら２つの電流が、永久磁石機総磁束を伴って回転する２軸系に当てはめられて（６０３）、Ａｖ＿ＩＥｄ及びＡｖ＿ＩＥｑが得られる。この変流は、測定又は推定され得る３つ又は２つの励磁機相電圧（ＶＥｘｃ＿Ｌ１、ＶＥｘｃ＿Ｌ２、ＶＥｘｃ＿Ｌ２）から得られる角μＥｘｃを用いて行われる。ブロック６０２及び６０４は、永久磁石機磁束及び電圧絶対値を得る方法を示す。

一実施形態では、電子電力変換器（２２５）が発生する電圧は、電流循環の作用に起因した永久磁石機の磁束相互作用に依存しなければならないため、実効電圧計算モジュール（６１５）が必要である。そのため、電圧設定点Ｓｐ＿ＵＥｒｄ及びＳｐ＿ＵＥｒｑが、２つのＰＩ電流レギュレータ（６１３、６１４）出力と、Ａｖ＿ＩＥｄ、Ａｖ＿ＩＥｑ、及び|ＶＥ|とから計算される（６１５）。

２つの電圧設定点Ｓｐ＿ＵＥｒｄ及びＳP＿Ｕｅｒｑは、回転角μＥｘｃを用いて３軸静止系に変換される（６１６）。したがって、電圧基準Ｓｐ＿ＵＥ＿Ｒｘ及びＳｐ＿ＵＥ＿Ｒｙが得られて、永久磁石励磁機（２１２）のステータに与えられる。一実施形態では、これらの電圧設定点は、電力電子変換器（２２５）の能動スイッチのトリガを発生するためのモジュールに対する基準として用いられ得る。ブロック６１７は、種々のＰＷＭ技法を実施することができるモジュールを示す。一実施形態では、ｄＶ／ｄｔフィルタ又は任意の他の種類のフィルタ（２２７）を、電子電力変換器（２２５）と励磁機（２１２）との間に取り付けることができる。

一実施形態では、励磁機（２１２）を補助電源として用いて、風力タービンの種々の要素にエネルギーを供給することができる。系統障害（disturbances）又は故障が電力電子変換器（２２５）に影響を及ぼすことはない。したがって、励磁機電力調整は影響を受けない。

発電ブレーキ（Dynamic Electric Brake）
別の実施形態によれば、発電ブレーキ（ＤＥＢ）が設けられ、これは風力タービンが発電機を停止させるのに電気ブレーキを加えることを可能にする。したがって、早期損傷を引き起こす可能性がある風力タービン構成要素の機械的力を回避することができる。

本発明の可変速風力タービンは、二次励磁誘導発電機（２０５）を備え、そのロータ（２１１）は電子電力変換器（２２２）に接続される。この電子電力変換器（２２２）は、ＤＣバスシステム（２２４）を介して第２の電子電力変換器（２２５）に結合される。この周波数変換器（電子電力変換器（２２５））は、励磁機（２１２）に接続される。非同期機、ＤＣ機、同期（例えば永久磁石）機、又は可逆電気機械等の励磁機は、駆動系に機械的に結合される。システムは、ＤＣバスに接続されるＤＣチョッパ等の電気ブレーキ回路（２３１）も備える。

従来技術のＤＦＩＧトポロジーの範囲内では、ＤＦＩＧのステータ電力が系統故障又は系統からの切断に起因して急激に減った場合、機械が加速する傾向がある。風力タービンが定格速度で動作している場合、機械は超過速度になり得る。通常、このような時点で電気ブレーキを用いることは不可能であるが、これはＤＦＩＧのステータ電力が、さらにＤＦＩＧのロータ電力が低すぎる場合があるからである。しかしながら、本発明のトポロジーにより、励磁機電力を用いて電気ブレーキを駆動することができる。この場合、励磁機は発電機として用いられることになるため、電力を励磁機から直流バスに伝送することができる。したがって、電力の一部がＤＣバスに接続されているチョッパの可変抵抗器に流されることで、発電機の超過速度が回避される。このように、風力タービン制動は、機械ブレーキのみに依存しない。一実施形態では、電気ブレーキを機械ブレーキと併用することで、風力タービンが徐々に制動することを可能にし、機械的力、ピークトルク負荷、及び望ましくない加速を最小限に抑えることができる。例えば、機械ブレーキ又は空力ブレーキがタービンを制御できるようになるまで、電気ブレーキをかけることができる。

したがって、励磁機（２１２）により、制動電力が常に利用可能である。励磁機電力、励磁機変換器電力、及びチョッパの可変抵抗器値に応じて、制動電力は、一実施形態では発電機の定格電力の３０％に達し得る。

したがって、継続して利用可能な最大制動電力（Ｐ_{ｂ＿ＭＡＸ}）もある。
Ｐ_{ｂ＿ＭＡＸ}＝（Ｖ_{ＤＣ＿ｂｕｓ}）^２／Ｒ_{ｂｒａｋｅ} 式４
式中、Ｖ_{ＤＣ＿ｂｕｓ}は、ＤＣバス電圧（Ａｖ＿Ｕ_ｂｕｓ）の実際値である。

制動電力は、風力タービンが低速で稼働しているときに制動電力のごく一部しか必要とされないように制御され得る。しかしながら、風力タービン発電機が定格速度を超える場合、利用可能な全制動電力を用いることが必要であり得る。したがって、主に風速及び発電機速度の測定値に応じて、制動電力の設定点（ＳＰ＿Ｐ_ｂ）が求められる。

必要な制動電力を正確に制御するために、変調度（ｆ_ＭＯＤ）が計算される。この変調度が各時点で利用可能な最大制動電力（Ｐ_{ｂ＿ＭＡＸ}）に適用されて、ＳＰ＿Ｐ_ｂが得られる。
ＳＰ＿Ｐ_ｂ＝Ｐ_{ｂ＿ＭＡＸ}．ｆ_ＭＯＤ 式５
ｆ_ＭＯＤ＝ＳＰ＿Ｐ_ｂ．（Ｒ_{ｂｒａｋｅ}／（Ａｖ＿Ｕ_ｂｕｓ）^２） 式６

変調度が、制動電力の正確な制御を可能にする。電気ブレーキを徐々にかけることが可能である。例えば、風力タービンの緊急停止の際には、最初に全制動電力が必要となる。ブレードピッチング等の機械制動が起動されると、電気制動を徐々に減らすことが可能である。

この例示的な実施形態の発電ブレーキは、電子的に制御可能なスイッチ（例えばＩＧＢＴ）によって起動される可変抵抗器（抵抗器、抵抗器のセット、又は何らかの散逸性（dissipative）要素）から成る。逆並列ダイオードを用いることもできる。ＤＥＢは、説明した実施形態に厳密に制限されない。したがって、制動チョッパは、上記のものとは異なる要素を備えていてもよい。

接続（イネーブル）シーケンス
別の実施形態に従って接続シーケンスが提供される。この実施形態は、電力電子変換器が系統に結合されていない、励磁機（２１２）に結合された二次励磁誘導発電機（ＤＦＩＧ）（２０５）と、系統への二次励磁誘導発電機の接続を可能にする接続シーケンスとを含み、この接続シーケンスは、無効エネルギーの消費も、接触器（２１５）を通る接続電流ピークもないため、接触器（２１５）の寿命を延ばす。図７は、接続シーケンスを示す。ここで説明する技法は、接触器の代わりに主回路遮断器又は任意の他のスイッチが系統への発電機の結合に用いられる場合にも適用できることが、当業者には明らかであろう。

通常動作モード時には、タービンは、ヨーモータを用いて常に風の方を向いている。測定平均風速が閾値（一実施形態では２．５メートル／秒）を超える場合、必要条件の残り全てが満たされれば、ブレードは主ロータが回転を開始できる位置までピッチモータによって動かされる。

一実施形態では、接続シーケンスの開始前に初期条件を満たさなければならない（７０１）。これらの条件は、シーケンスを開始するためのロータ速度、ロータ接触器（２２８）の状態、及び任意の他の以前の条件を含む。一実施形態では、これらの条件が満たされると、ロータ速度はＮ１に上昇しなければならない（一実施形態では、１８００ｒｐｍ／６０Ｈｚの同期速度ＤＦＩＧではＮ１の値は１１７０ｒｐｍであり得る）。このロータ速度に達すると、状態に対応してＤＣバス電圧レベルを調整するために、励磁機側電子電力変換器（２２５）が起動される（７０２）。

一実施形態では、ＤＣバスがＶＢＵＳ１レベルに達すると、ロータ速度はＮ２≧Ｎ１に上昇しなければならない（一実施形態では、１８００ｒｐｍ／６０Ｈｚの同期速度ＤＦＩＧでは、Ｎ２の値は１２６０ｒｐｍ、１７００ＶのＩＧＢＴでのＶＢＵＳ１レベルは１０５０Ｖであり得る）。続いて、接触器（２１５）を通る電圧がほぼ０になるように、ＤＦＩＧ側電子電力変換器（２２２）がスイッチオンされる（７０３）。これは、電圧値、シーケンス、周波数、及び他の変数が接触器（２１５）の両側で等しくなるように電子電力変換器（２２２）でロータ（２１１）を介して二次励磁誘導発電機（２０５）を励磁することによって行われる。電圧振幅、電圧の周波数、電圧角／遅延、及びいくつかの他の条件が満たされると、接触器（２１５）が閉じられて（７０４）ステータ電流がほぼ０になる。二次励磁誘導発電機（２０５）による系統からのエネルギーの消費はなく、系統の摂動の可能性が回避される。

このシーケンスが実行されると、電力制御が起動される（７０５）。系統への円滑な接続を可能にするために、ＯＰＴＣからの有効電力設定点及び主コントローラからの無効電力設定点が初期時点で増加する。

接続シーケンス全体を通して、誤りが検出された場合にシーケンスを再開して警報を発するように、関与する要素全ての状態が監視される。警報のタイプに応じて、シーケンスは所定時間後に開始してもよく、又は誤りが重要である場合には風力タービンで或る緊急モードを起動してもよく、このモードから出るには人間の介在が必要である。

同期のために状態（７０３）中に用いられる制御システムを、図９で説明する。ステータ電圧調整が行われる。ステータ電圧及び系統電圧は、ステータ電圧レギュレータ（９０３及び９０４）に入力され、このレギュレータの出力は、軸ｄにおけるロータ電流設定点の一部である。発電機の励磁電流に比例する電流項が、フィードフォワード要素として電圧レギュレータの出力に加えられる。このような電流フィードフォワードは、測定系統電圧、測定系統周波数、及び発電機の電気パラメータに応じて決まるＫ定数に従って計算される。ブロック（９０５）内でのこのフィードフォワード項の加算により、同期プロセスが加速される。ブロック（９０５）の出力である両項の和が、「ｄ」軸におけるロータ電流設定点である。同期ステップの全体を通して、「ｑ」軸におけるロータ電流の設定点は０に等しい。（「ｄ」軸及び「ｑ」軸における）両方の電流設定点が、電流調整ブロック（９０６）への入力であり、ＰＩレギュレータで制御される。ブロック（９０６）において２軸系（「ｄ」及び「ｑ」）を３相系に変換するのに用いられる角は、ブロック（９０７）において系統角及び機械角に基づいて計算される。

切断（ディセーブル）シーケンス
本発明の別の実施形態に従って切断シーケンスが提供される。この実施形態は、電力電子変換器が系統に結合されていない、励磁機（２１２）に結合された二次励磁誘導発電機（ＤＦＩＧ）（２０５）と、システムの種々の要素における過電流又は過電圧に関係する摂動を伴わない、系統からの二次励磁誘導発電機（２０５）の切断を可能にする切断シーケンスとを含む。ほぼ０の電流で接触器（２１５）を開放するため、この接触器の寿命が延び、保守作業が減る。他の切断シーケンスと比較して、同じ用途で接触器の定格をより小さくすることもできる。

風力タービンの通常動作では、通常は無風条件によってこのシーケンスになるが、過剰な風、人間によるローカルリクエスト、遠隔監視制御・データ収集（ＳＣＡＤＡ）リクエスト、風力タービンのいずれかのサブシステムの故障、又はいずれかの他の原因の場合にも、このシーケンスになり得る。

一実施形態では、発電機のステータに電流がないようにするために、ステータ電力及びステータ電流を減少しなければならない（７１０）。減少時間は、切断シーケンスリクエストの原因に従って最適化される。風力タービンにおける不要な機械的応力を回避するために、減少時間は、風力タービンの安全動作を可能にする最大限の長さである。減少時間要件が全状況で同じではないことは明らかである。

状態（７１０）が実行されると、主接触器（２１５）が開放されて（７１１）状態になる。接触器（２１５）の開放前は有効及び無効電力設定点が０であるため、ＤＦＩＧコントローラ（３００）は、ＤＦＩＧステータと系統とが接続されているが電流が流れていない状態になるように励磁電流を注入することにより、接触器の開放がほぼ０の電流で行われることで接触器（１１５）の寿命を延ばす。

（７１１）状態が実行されると、（７１２）状態に対応してロータ電子電力変換器（２２２）がディセーブルされる。ロータ電子電力変換器がディセーブルされると、二次励磁誘導発電機の誘導性回路に貯蔵されたエネルギーがＤＣリンクに伝送される。

励磁機ベースピッチコントローラ（ＥＢＰＣ）
本発明のこの実施形態では、可変速風力タービンは、励磁機ベースピッチコントローラ（ＥＢＰＣ）を備える。図８は、励磁機への要求電力の制限に基づくこのようなピッチ制御システムの例示的な一実施形態を示す。

ピッチ制御システムで主に重要なのは、励磁機の電力である。励磁機定格電力値（８０１）が確定される。励磁機電力リミッタレギュレータ（８０４）が、この基準から、励磁機電力実際値（８０２）に応じてブレード位置設定点（Ｓｐ＿β）を固定する。一実施形態では、風力タービンの電力出力が定格電力未満のままであるとき、Ｓｐ＿βは低い値（例えば０度〜２度）をとり、定格電力に達すると、励磁機電力を制限するためにＳｐ＿βが上昇する。

一実施形態では、８０４のブレードピッチ位置出力は、ＰＩ位置コントローラ（８０６）又はより複雑な実施態様の異なるコントローラによって調整される。ＰＩ位置コントローラに入力される誤差は、
誤差＿β＝Ｓｐ＿β−Ａｖ＿β 式７
である。

Ａｖ＿βは、位置・速度センサ（２１４）によって測定されるブレード位置実際値である。位置レギュレータ出力は、ピッチ速度設定点（Ｓｐ＿ｎ）である。ブレードは、要求される位置に達するためにこのような速度で移動する。

一実施形態では、８０６のピッチ速度出力は、ＰＩ速度コントローラ（８０８）又はより複雑な実施態様の異なるコントローラによって調整される。ＰＩ速度コントローラに入力される誤差は、
誤差＿ｎ＝Ｓｐ＿ｎ−Ａｖ＿ｎ 式８
である。

Ａｖ＿ｎは、速度センサ（２１４）によって測定されるブレード速度の実際値である。速度レギュレータ出力は、要求される速度（Ｓｐ＿ｎ）に達するためにＤＣモータ（３０５）に要求される電流設定点である。

一実施形態では、８０８の電流出力は、ＰＩ電流コントローラ（８１０）又はより複雑な実施態様の異なるコントローラによって調整される。ＰＩ電流コントローラに入力される誤差は、
誤差＿Ｉ＝Ｓｐ＿Ｉ−Ａｖ＿Ｉ 式９
である。

Ａｖ＿Ｉは、電流センサ（８１２）によって測定されるＤＣモータ電流の実際値である。電流コントローラ出力は、ＤＣモータに与えられる基準電圧である。一実施形態では、これらの基準電圧は、種々のＰＷＭ技法によって生成されて電力電子変換器（８１１）の能動スイッチをトリガすることができる。

一実施形態では、緊急の場合、ピッチモータ駆動がＥＢＰＣから非常電源（ＥＰＳ）に切り替わる。したがって、駆動されたモータは、フェザリング位置（９０度近く）に達するまで非常継電器（７１７）を介してＥＰＳ（８１６）によって直接供給を受ける。ブレード位置スイッチ（８１８）が、ＥＰＳからの電流供給の終了を決める。

一実施形態では、ブレードを動かす駆動装置はＤＣモータである。ＡＣ誘導モータ又はＡＣ同期モータを用いることもできることが、当業者には明らかであろう。

一実施形態では、ブレードを動かす駆動装置は、機能（８０７、８０８、８０９、８１０、８１１）を統合するサーボ弁によって制御される油圧、空気圧、又は他のタイプのピッチアクチュエータであり得る。

コレクタ耐磨耗・潤滑システム（ＣＡＷＬＳ）
本発明の別の実施形態では、可変速風力タービンは、励磁機への需要電力の制限に基づくピッチ制御システムを備える。

ＤＣモータがピッチ運動の駆動装置として用いられる場合、固定ピッチ位置が長期間保たれるというさらなる悪影響を回避するために、コレクタ耐磨耗・潤滑システム（ＣＡＷＬＳ）が適用される。例えば、電流が同じ位置を通過することに起因するＤＣモータのコレクタ及びブラシの早期磨耗を回避することができる。さらに、ブレード軸受の潤滑が大幅に改善される。

したがって、ＣＡＷＬＳは、ピッチ駆動装置として用いられるＤＣモータのコレクタ及びブラシの早期磨耗を回避してブレード軸受の潤滑を改善するために実施される。一実施形態では、このシステムは、ピッチ角が所望の位置の周りを動き続けているように、非有意で付加的な位置又は速度の設定点の導入に基づく。ピッチ角変化は、種々のパラメータから振幅及び周波数が決まる正弦波基準に従って命令される。特に、周波数は、風力タービンの固有周波数及び疲労考慮事項を考慮に入れて指定すべきである。一実施形態では、このような正弦波基準は、例えば、期間が１分間、振幅が０．２度で設計される。他のいかなる波形、期間、又は振幅を適用してもよいことが、当業者には明らかであろう。ＣＡＷＬＳ実施態様は、風力タービンの発電に全く影響を及ぼすことはないが、コレクタ及びブラシの磨耗を確かに回避してそれらの冷却及びグリーシングを改善する。ＣＡＷＬＳは、ブレード軸受の潤滑も改善する。

さらに、このシステムは、任意の種類のピッチ駆動装置で用いられてブレード軸受の潤滑を改善し、これらの構成要素の寿命を延ばすことができる。

したがって、二次励磁誘導発電機、励磁機、及び系統に接続されない中間電力変換器を有する可変速風力タービンが開示される。本発明は、電力制御部及びピッチ調整部についても説明する。

風力発電は、世界的に著しく普及してきた。この分野の産業技術が十分に成熟しているとはいえ、今後数十年は成長が続くことが大いに見込まれる。ウィンドファームの規模が大きくなり、総風力発電容量が増加し続けると、電力出力品質の改善の重要性が非常に重要な課題である。

上述した本発明の例示的な実施形態に、多くの新規態様（novelties）が導入される。電力システムには励磁機が含まれ、このシステムでは電力変換器は系統から分離されている（接続されていない）。したがって、本発明は、送出される電力中の高調波歪み、フリッカ、及びリプルの存在等、系統に接続された可変速風力タービンが引き起こす最も一般的な問題への解決手段を提供する。したがって、出力電力品質が著しく改善される。これらの実施形態では、電力出力が正確に制御され、さらに、定格速度を上回って一定のままであることで風速変化に応じた電力変動を回避する。実際に、例示的な実施形態は、系統からの無効電力消費を回避する簡便な接続及び切断法を提供する。さらに、本発明の実施形態による発電は、系統故障等の系統障害を被り難く、スタンドアロン型の弱い系統でよりよい性能を提供する。したがって、例示的な実施形態によって示されるシステムは、ウィンドファームの規模及び風力発電容量を大きくすることができ、種々の規則の要件を満たし、且つ電力出力品質を改善することによって、新たに浮上してくるウィンドパーク需要にとって特に魅力的である。

さらに、例示的な実施形態は、励磁機が永久磁石機である場合にこれを補助電源として用いること、電力変圧器を必要とせずに低電圧電力変換器で中電圧の電力の生成が可能であること、電気部品が単純化されること、ＤＣモータタイプがブレードのピッチングに用いられる場合にＤＣモータコレクタの磨耗が防止されること、及びブレード軸受潤滑が改善されること等、いくつかの他の利点を含み得る。

図２に示す風力タービンシステムの代替的な実施形態も可能である。例えば、励磁機（２１２）は、風力タービンの駆動系内のいかなる場所に接続又は配置してもよい。２つ以上の励磁機を含む別の実施形態も実現可能である。

上記説明から、本明細書で説明した本発明が新規の有利な可変速風力タービンを提供することが明らかであろう。とはいえ、上記の詳細な説明は例示とみなすべきであることに留意しなければならない。本明細書で示した詳細及び実例は、本発明の範囲を限定するためのものではない。さらに、多くの変更及び適合を行うことができ、本明細書で説明及び図示した方法及び実施態様を代替物で置き換えてもよい。したがって、本発明は、本発明の本質及び範囲から逸脱せずに他の異なる方法で具現することができ、本発明が本明細書で説明された実施形態に限定されないことを理解されたい。

二次励磁誘導発電機及び電力変換器が系統に接続されている従来の可変速風力タービンシステムを示す図である。 例示的な一実施形態による、励磁機及び系統に接続されていない電力変換器を有する可変速風力タービンの回路図の一実施態様を示す図である。 可変速風力タービンの電力制御部及びピッチ制御部のブロック図である。 最適電力追尾制御（ＯＰＴＣ）法の一実施形態のブロック図である。 ＧＦＯ及び二次励磁誘導発電機のコントローラの一実施形態のブロック図である。 励磁機コントローラの一実施形態のブロック図である。 同期、接続、及び切断シーケンスの一実施形態のフロー図である。 ピッチ制御システムの一実施形態のブロック図である。 同期時に用いられる電圧調整モードの一実施形態のブロック図である。 高圧発電機及び整流器を有するＨＶＤＣ風力タービンの一実施形態のブロック図である。 低圧発電機、変圧器、及び整流器を有するＨＶＤＣ風力タービンの一実施形態のブロック図である。

Claims (19)

1. 可変速風力タービンシステムであって、
   少なくとも１つのブレードを含む第１のロータ軸と、
   前記第１のロータ軸に結合され、電力系統に接続可能なステータ及び軸を有する二次励磁誘導発電機と、
   前記二次励磁誘導発電機の前記軸に結合されている励磁機と、
   前記二次励磁誘導発電機を制御するように該二次励磁誘導発電機のロータ及び前記励磁機に電気的に接続されている、電力変換システムと、を備え、
   前記電力変換システムは、前記系統から分離されており、前記系統に送出される電力の経路は、前記二次励磁誘導発電機が有するステータを介した経路に制限されており、
   前記電力変換システムは、前記系統から分離されている双方向電力変換器であり、
   前記電力変換システムは、ＤＣリンクバスによって連結され、一方のＡＣ側が前記二次励磁誘導発電機のロータ回路に接続されて他方のＡＣ側が前記励磁機に接続されている２つの能動電子電力変換器（electronic power converters）を備える、可変速風力タービンシステム。
2. 前記系統に送出される風力タービン電力出力を制御する電力制御システムをさらに備える、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
3. 前記発電機はスリップリング無しの（non-slip ring：スリップリングレス）誘導発電機である、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
4. 前記励磁機は可逆電気機械である、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
5. 前記励磁機は同期機である、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
6. 前記励磁機は非同期機である、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
7. 前記励磁機はＤＣ機である、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
8. 前記励磁機の制御はＤＣバス電圧調整に基づく、請求項１に記載の可変速風力タービンシステム。
9. 可変速風力タービンであって、
   少なくとも１つのブレードを含むロータと、
   前記ロータに結合されている駆動系であって、少なくとも１つの二次励磁誘導発電機（ＤＦＩＧ）を含み、該ＤＦＩＧは電力系統に接続可能なステータを有する、駆動系と、
   前記ＤＦＩＧの動作が同期速度以上である超同期モードで前記ＤＦＩＧのロータにおいて発生する電力を消費し、且つ前記ＤＦＩＧの動作が同期速度未満である準同期モードで前記ＤＦＩＧのロータのための電力を発生し、前記駆動系に結合されている、励磁機手段と、
   前記ＤＦＩＧのロータと前記励磁機手段との間で伝送される電力を変換する、電力変換手段と、を備え、
   前記電力変換手段が、前記系統から分離されており、前記系統に送出される電力の経路は、前記ＤＦＩＧが有するステータを介した経路に制限されており、
   前記電力変換手段は、前記系統から分離されている双方向電力変換器であり、
   前記電力変換手段は、ＤＣリンクバスによって連結され、一方のＡＣ側が前記二次励磁誘導発電機のロータ回路に接続されて他方のＡＣ側が前記励磁機に接続されている２つの能動電子電力変換器（electronic power converters）を備える、可変速風力タービン。
10. 系統に送出される風力タービン電力出力を制御する電力制御手段をさらに備える、請求項９に記載の可変速風力タービン。
11. ピッチ調整を行うピッチ制御手段をさらに備える、請求項９に記載の可変速風力タービン。
12. 可変速風力タービンであって、
    少なくとも１つのブレードを含むロータと、
    前記ロータに結合されている駆動系であって、少なくとも１つの二次励磁誘導発電機（ＤＦＩＧ）を含み、該ＤＦＩＧは電力系統に接続可能な少なくとも１つのステータを有する、駆動系と、
    前記駆動系に結合されている少なくとも１つの励磁機と、
    前記二次励磁誘導発電機のロータ及び前記励磁機に電気的に結合されて、前記二次励磁誘導発電機のロータと前記励磁機との間で電力を伝送する、少なくとも１つの電力変換装置と、を備え、
    前記少なくとも１つの電力変換装置は、前記系統から分離されており、前記系統に送出される電力の経路は、前記ＤＦＩＧが有するステータを介した経路に制限されており、
    前記電力変換装置は、前記系統から分離されている双方向電力変換器であり、
    前記電力変換装置は、ＤＣリンクバスによって連結され、一方のＡＣ側が前記二次励磁誘導発電機のロータ回路に接続されて他方のＡＣ側が前記励磁機に接続されている２つの能動電子電力変換器（electronic power converters）を備える、可変速風力タービン。
13. 前記系統に送出される風力タービン電力出力を制御する電力制御システムをさらに備える、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
14. 前記発電機はスリップリング無しの誘導発電機である、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
15. 前記励磁機は可逆電気機械である、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
16. 前記励磁機は同期機である、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
17. 前記励磁機は非同期機である、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
18. 前記励磁機はＤＣ機である、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
19. 前記励磁機の制御はＤＣバス電圧調整に基づく、請求項１２に記載の可変速風力タービン。
    

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