(57)【要約】【課題】直流電力から交流電力への変換を制御するためにベクトル制御アルゴリズムを使用する電流制御装置において、従来技術と比較して安定性が改善された電流制御装置を提供することである。【解決手段】前記課題は、第１の電流フィードバック入力端に第１のフィルタが設けられており、第２の電流フィードバック入力端に第２のフィルタが設けられており、前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタの各フィルタ特性は、前記周波数に依存する前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数を低減するように選択されている電流制御装置によって解決される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベクトル制御アルゴリズムを使用して、変換器（２７）による直流電力から交流電力への変換および／または交流電力から直流電力への変換を制御し、開ループ制御ループゲインを有する電流制御装置（４３，４３０）であって、
当該電流制御装置（４３，４３０）は、
・第１の電流要求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）を受け取るための第１の電流要求入力端と、
・第２の電流要求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）を受け取るための少なくとも１つの第２の電流要求入力端と、
・前記交流電力の交流電流を表す第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）を受け取るための第１の電流フィードバック入力端と、
・前記交流電力の交流電流を表す第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）を受け取るための第２の電流フィードバック入力端と、
・前記交流電力の交流電圧を表す第１の電圧フィードバック信号（ＶＱ＿ＮＥＴ）を受け取るための第１の電圧フィードバック入力端と、
・前記交流電力の交流電圧を表す第２の電圧フィードバック信号（ＶＤ＿ＮＥＴ）を受け取るための第２の電圧フィードバック入力端と、
・第１の電圧要求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）を出力するための第１の電圧要求出力端と、
・第２の電圧要求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊）を出力するための第２の電圧要求出力端と、
・前記第１の電流要求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）と前記第２の電流要求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）と前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）と前記第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）と前記第１の電圧フィードバック信号（ＶＱ＿ＮＥＴ）と前記第２の電圧フィードバック信号（ＶＤ＿ＮＥＴ）とに基づいて、前記第１の電圧要求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）および前記第２の電圧要求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊）を生成するための制御装置と
を有し、
前記開ループ制御ループゲインは、前記第１の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）に含まれる周波数に依存する、電流制御装置（４３，４３０）において、
前記第１の電流フィードバック入力端に第１のフィルタ（６５）が設けられており、
前記第２の電流フィードバック入力端に第２のフィルタ（６７）が設けられており、
前記第１のフィルタ（６５）および前記第２のフィルタ（６７）の各フィルタ特性は、前記周波数に依存する前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）の周波数を低減するように選択されていることを特徴とする、電流制御装置。
【請求項２】
前記第１のフィルタ（６５）は第１の帯域阻止フィルタであり、前記第２のフィルタ（６７）は第２の帯域阻止フィルタであり、
前記第１の帯域阻止フィルタおよび前記第２の帯域阻止フィルタの各中心周波数および各帯域幅は、前記周波数に依存する開ループ制御ループゲインが１より大きくなりかつ該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）の周波数を低減するように選択されている、請求項１記載の電流制御装置。
【請求項３】
前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の各中心周波数は１５０Ｈｚ以上である、請求項２記載の電流制御装置。
【請求項４】
前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の各中心周波数は４００Ｈｚ以上である、請求項３記載の電流制御装置。
【請求項５】
前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の各中心周波数は６００Ｈｚ以上である、請求項４記載の電流制御装置。
【請求項６】
前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の各帯域幅は少なくとも５０Ｈｚである、請求項２から５までのいずれか１項記載の電流制御装置。
【請求項７】
前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の各帯域幅は少なくとも２００Ｈｚである、請求項６記載の電流制御装置。
【請求項８】
前記第１の電流フィードバック入力端と前記第１の帯域阻止フィルタとの間に少なくとも１つの第３の帯域阻止フィルタ（６９）が設けられており、
前記第２の電流フィードバック入力端と前記第２の帯域阻止フィルタとの間に少なくとも１つの第４の帯域阻止フィルタ（７１）が設けられており、
前記第３の帯域阻止フィルタおよび前記第４の帯域阻止フィルタはそれぞれ、１５０Ｈｚ以上の中心周波数および／または少なくとも５０Ｈｚの帯域幅を有する、請求項２から７までのいずれか１項記載の電流制御装置。
【請求項９】
前記第３の帯域阻止フィルタ（６９）および前記第４の帯域阻止フィルタ（７１）の各中心周波数は、前記第１の帯域阻止フィルタ（６５）および前記第２の帯域阻止フィルタ（６７）の中心周波数より少なくとも１００Ｈｚ上回るかまたは少なくとも１００Ｈｚ下回る、請求項８記載の電流制御装置。
【請求項１０】
当該電流制御装置（４３，４３０）は、
・前記第１の電流要求信号入力端および前記第１の電流フィードバック入力端に接続され、該第１の電流要求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）と該第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）との差を表す第１の誤差信号（ＥＱ）を形成するように構成された第１の減算器（４５）と、
・前記第２の電流要求信号入力端および前記第２の電流フィードバック入力端に接続され、該第２の電流要求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）と該第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）との差を表す第２の誤差信号（ＥＤ）を形成するように構成された少なくとも１つの第２の減算器（４９）と、
・前記第１の誤差信号（ＥＱ）を受け取るために前記第１の減算器（４５）に接続され、該第１の誤差信号（ＥＱ）に基づいて第１の制御信号（Ｃ１）を生成するように構成された第１の制御ユニット（４７）と、
・前記第２の誤差信号（ＥＤ）を受け取るために前記第２の減算器（４９）に接続され、該第２の誤差信号（ＥＤ）に基づいて第２の制御信号（Ｃ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２の制御ユニット（５１）と、
・前記第１の電流要求信号入力端に接続され、前記第１の電流要求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）と少なくとも１つの基本周波数（ＷＮ）とインダクタンス値（Ｌ）とを乗算することによって第３の制御信号（Ｃ３）を生成するように構成された第１の乗算器（５３）と、
・前記第２の電流要求信号入力端に接続され、前記第２の電流要求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）と少なくとも１つの基本周波数（ＷＮ）とインダクタンス値（Ｌ）とを乗算することによって第４の電流信号（Ｃ４）を生成するように構成された少なくとも１つの第２の乗算器（５７）と、
・前記第１の制御ユニット（４７）と前記第２の乗算器（５７）と前記第１の電圧フィードバック入力端と前記第１の電圧要求出力端とに接続され、前記第１の制御信号（Ｃ１）と前記第４の制御信号と前記第１の電圧フィードバック信号（ＶＱ＿ＮＥＴ）とを加算することによって前記第１の電圧要求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）を生成するように構成された加算回路（５９）と、
・前記第２の制御ユニット（５１）と前記第１の乗算器（５３）と前記第２の電圧フィードバック入力端と前記第２の電圧要求入力端とに接続され、前記第２の電圧フィードバック信号（ＶＤ＿ＮＥＴ）から前記第３の制御信号（Ｃ３）を減算して前記第２の制御信号（Ｃ２）を加算することによって前記第２の電圧要求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊）を生成するように構成された加算／減算回路（６１）と
を有し、
前記第１のフィルタ（６５）は前記第１の電流フィードバック入力端と前記第１の減算器（４５）との間に配置され、
前記第２のフィルタ（６７）は前記第２の電流フィードバック入力端と前記第２の減算器（４９）との間に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の電流制御装置。
【請求項１１】
直流電力を交流電力に変換するかまたは交流電力を直流電力に変換するための電力変換器（１３）、ならびに、該直流電力から交流電力への変換または該交流電力から直流電力への変換を制御するための、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電流制御装置（４３，４３０）。
【請求項１２】
当該電力変換器（１３）は、交流電力から直流電力に変換するための整流器（２５）と、該直流電力を交流電力に変換するためのインバータとを有する、請求項１１記載の電力変換器。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の電力変換器（１３）を含む、電気エネルギー発生装置。
【請求項１４】
当該電気エネルギー発生装置（１）は、交流電力を発生する電動機（１１）と、請求項１２記載の電力変換器（１３）とを有する、請求項１３記載の電気エネルギー発生装置。
【請求項１５】
当該電気エネルギー発生装置は風力タービン（１）である、請求項１４記載の電気エネルギー発生装置。
【請求項１６】
複数の電気エネルギー発生装置（１）と、該電気エネルギー発生装置（１）に接続されたグリッド（１５）とを有する電気エネルギー発生設備であって、
前記電気エネルギー発生装置（１）にはそれぞれ、変圧器（２１）とリアクトル（１９）と電力変換器（１３）と電流制御装置（４３，４３０）とが備えられており、
前記電力変換器（１３）は、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ（２７）と、該インバータ（２７）によって出力された交流電力を制御するように構成されており、
少なくとも、前記電気エネルギー発生装置（１）のリアクトル（１９）と前記変圧器（２１）と前記グリッドのグリッド容量とが共振回路を形成し、該共振回路の同調周波数によってアドミタンスが上昇し、前記電流制御装置の開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる原因となり、
前記電流制御装置は、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電流制御装置（４３，４３０）であることを特徴とする、電気エネルギー発生設備。
【請求項１７】
前記グリッドは、前記複数の電気エネルギー発生装置（１）のうち少なくとも一部を当該電気エネルギー発生設備の中央装置（２３）に接続する少なくとも１つの集電ケーブル（１５）を有し、
前記グリッド容量は基本的に、前記少なくとも１つの集電ケーブル（１５）のケーブル容量によって決定される、請求項１６記載の電気エネルギー発生設備。
【請求項１８】
前記電気エネルギー発生装置（１）はそれぞれ、交流電力を発生する発電機（１１）を有し、
前記電力変換器はさらに、該交流電力を直流電力に変換するための整流器（２５）を有する、請求項１６または１７記載の電気エネルギー発生設備。
【請求項１９】
直流電力を交流電力に変換するかまたは交流電力を直流電力に変換する変換器（２７）を制御するためのベクトル制御方法であって、
・前記交流電力をグリッド（１５）へ出力するか、またはグリッド（１５）から受け取り、
・第１の電流要求信号（ＩＱ＿ＮＥＴ＊）と、第２の電流要求信号（ＩＤ＿ＮＥＴ＊）と、第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）と、第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）と、第１の電圧フィードバック信号（ＶＱ＿ＮＥＴ）と、第２の電圧フィードバック信号（ＶＤ＿ＮＥＴ）とに基づき、第１の電圧要求信号（ＶＱ＿ＮＥＴ＊）および第２の電圧要求信号（ＶＤ＿ＮＥＴ＊）を計算し、
・開ループ制御ループゲインは、前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）に含まれる周波数に依存し、
・前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）の周波数を抑圧する
ことを特徴とする、ベクトル制御方法。
【請求項２０】
複数の各電気エネルギー発生装置（１）において、
・直流電力をインバータによって交流電力に変換し、
・前記交流電力を、前記電気エネルギー発生装置（１）のうち少なくとも一部を接続するグリッド（１５）に出力し、
・前記電気エネルギー発生装置（１）はそれぞれ、リアクトル（１９）および変圧器（２１）を有し、
・前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる前記第１の電流フィードバック信号（ＩＱ＿ＮＥＴ）および前記第２の電流フィードバック信号（ＩＤ＿ＮＥＴ）の周波数を、前記リアクトル（１９）のパラメータと、前記変圧器（２１）のパラメータと、前記グリッド（１５）のグリッド容量と、該グリッド（１５）のグリッドインピーダンスとから求める、請求項１９記載のベクトル制御方法。
【請求項２１】
前記グリッドは、前記電気エネルギー発生装置（１）の少なくとも一部を中央装置（２３）に接続する少なくとも１つの集電ケーブル（１５）を有し、
前記グリッド容量は基本的に、前記少なくとも１つの集電ケーブル（１５）の容量によって決定される、請求項２０記載のベクトル制御方法。
【請求項２２】
・前記インバータ（２７）の出力端から見た場合のアドミタンスを、前記リアクトル（１９）のパラメータと、前記変圧器（２１）のパラメータと、前記集電ケーブル（１５）のケーブル容量とから求め、
・当該ベクトル制御方法の開ループゲインＣ（ｓ）と前記アドミタンスＹ（ｓ）とを乗算することによって、前記開ループ制御ループゲインを算出し、
・前記開ループ制御ループゲインの計算結果から、前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる周波数を求める、請求項２１記載のベクトル制御方法。
【請求項２３】
各電気エネルギー発生装置において交流電力を発生し、該交流電力を前記直流電力に変換する、請求項１９から２３までのいずれか１項記載のベクトル制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器によって行われる交流への直流電力の変換および直流への交流電力の変換を制御するためにベクトル制御アルゴリズムを使用する電流制御装置に関し、当該電流変換装置は、周波数に依存する開ループ制御ループゲインを有する。本発明はさらに、電力変換器、たとえば風力タービン等の電気エネルギー発生装置、たとえば風力発電ファーム等の電気エネルギー発生設備、および、直流電力を交流電力に変換するかまたは交流電力を直流電力に変換する変換器を制御するためのベクトル制御方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風力を使用して発電機のロータを直接駆動するか、またはギアボックスを介して発電機のロータを駆動することにより、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機のステータ端子に発生する交流電力の周波数は、ロータの回転速度に直接比例する。したがって、発電機の端子における電圧は速度に依存して変化し、かつ、発電機の特定の種類に依存して、磁束レベルにも依存して変化する。最適な電力を得るためには、風力タービンの出力軸の回転速度は、風力タービンのブレードを駆動する風の風速に応じて変化する。強い風速で電力を制限するためには、タービンのブレードのピッチを変化することによって出力軸の回転速度を制御する。
【０００３】
電力変換器はたとえば、発電機によって出力された可変周波数の交流電力を、グリッドの一定の公称周波数の交流電力にマッチングするのに使用される。このような電力変換器の第１段では、整流装置を使用して、発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する。この直流電力はいわゆるＤＣリンクへ供給される。入力端が前記ＤＣリンクに接続されたインバータと称される第２段において、前記直流電力はグリッド周波数にマッチングする交流電力に変換される。
【０００４】
一般的にこのインバータは、直流電力を交流電力に変換するために使用される回路である。このインバータには、インバータ相出力端子を前記ＤＣリンクの正または負のブスバーに接続するためのスイッチが設けられている。このスイッチを開閉するスイッチングパターンはパルス幅変調パターンに基づいて形成される。このパルス幅変調パターンが、各スイッチによってインバータ出力端を直流電圧の高レベルまたは低レベルに接続するタイミングを決定する。スイッチが開放されている間、ＤＣリンクからグリッドに電流が流れるか、またはグリッドからＤＣリンクに電流が流れる。他に、直接制御または予測制御を行ってスイッチのスイッチングパターンを決定する別の方法も適用することができる。
【０００５】
グリッドオペレータによって要求された力率を表す力率要求信号によってインバータを制御することができる。この力率は、有効電力と皮相電力との比によって得られる（この皮相電力は、有効電力の２乗と無効電力の２乗とを足した和の２乗根である）。力率要求によってインバータを制御する代わりに、所要有効電力と所要無効電力とに基づいてインバータを制御することもできる。さらに、力率要求にしたがって直接インバータを制御したり、所要有効電力および所要無効電力にしたがって直接インバータを制御する代わりに、電流要求信号にしたがってインバータを制御することもできる。というのもグリッドでは、電圧の振幅は通常は固定的なパラメータであるから、インバータによってグリッドに供給される電力は、電流の振幅と、該電流と電圧との間の位相角とによって規定することができるからだ。それゆえ、力率要求信号または有効電力および無効電力に対する要求信号を電流要求信号に変換し、この電流要求信号をインバータの制御に使用することができる。すなわち、スイッチのスイッチング時点を定義するパルスを決定するのに使用することができる。このような制御方式は電流制御として知られている。
【０００６】
とりわけ、このような電流制御方式において有利には、直流電力から交流電力への変換を制御するためにベクトル制御アルゴリズムを使用することができる。固定基準フレームで得られる平衡型の交流フィードバック信号は、該固定基準フレームα，βを基準として回転周波数ωｒで回転するベクトルＩの成分ＩαおよびＩβとして表すことができる（図１０参照）。ベクトル制御アルゴリズムでは、これらの回転ベクトルＩは、グリッド電圧とともに（グリッド電圧に同期して）回転するベクトルまたはロータの磁束ベクトルとともに回転する回転基準フレームで表され、制御量はこの回転基準フレームで、電流要求信号に基づいて計算される。このような回転基準フレームでは平衡状態の３相交流電流Ｉは、磁束ベクトルの方向に流れる電流Ｉｄ、すなわち該回転基準フレームのいわゆる直軸の方向に流れる電流Ｉｄを表すベクトル成分Ｉｄと、磁束ベクトルの方向に対して垂直に流れる電流Ｉｑ、すなわち該回転基準フレームのいわゆる横軸の方向に流れる電流を表すベクトル成分Ｉｑの２つのベクトルによって定義することができる。グリッド電圧とともに回転するベクトルまたは磁束ベクトルの方向に流れる電流Ｉｄは直軸電流と称され、磁束ベクトルに対して垂直に流れる電流Ｉｑ、または、グリッド電圧とともに回転するベクトルに対して垂直に流れる電流Ｉｑは横軸電流と称される。直軸電流および横軸電流は定常状態では直流量であり、この状態の誤差が、典型的にはＰＩ制御器によって０に制御される。
【０００７】
たとえばＵＳ５０８３０３９およびＵＳ２００９／０１４７５４９Ａ１に、風力タービン発電機の可変周波数の交流電力を直流電力に変換してベクトル制御アルゴリズムに基づいて該直流電力をグリッドの固定周波数の交流電力に変換するために構成され、インバータと整流装置とを含む典型的な電力変換器が記載されている。
【０００８】
典型的には上記の制御装置は、周波数に依存する開ループ制御ループゲインを有する。この開ループ制御ループゲインが１より大きく、かつ、このループゲインの位相が−１８０°以下である場合、制御システムは不安定であると定義される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５０８３０３９号
【特許文献２】米国特許公開第２００９／０１４７５４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の従来技術を鑑み、本発明の課題は、直流電力から交流電力への変換を制御するためにベクトル制御アルゴリズムを使用する電流制御装置において、従来技術と比較して安定性が改善された電流制御装置を提供することである。また本発明は、有利な電力変換器、有利な電気エネルギー発生装置、および有利な電気エネルギー発生設備を提供することも課題とする。さらに本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するための有利なベクトル制御方法を提供することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の課題は、
第１の電流フィードバック入力端に第１のフィルタが設けられており、
第２の電流フィードバック入力端に第２のフィルタが設けられており、
前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタの各フィルタ特性は、前記周波数に依存する前記開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数を低減するように選択されている
電流制御装置によって解決される。
【００１２】
また第２の課題は、請求項１１記載の電力変換器と、請求項１３記載の電気エネルギー発生装置と、請求項１６記載の電気エネルギー電気発生設備とによって解決される。
【００１３】
第３の課題は、
開ループ制御ループゲインが１より大きくなり該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になる第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数を抑圧する
ことを特徴とするベクトル制御方法によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】風力発電ファームの典型的な構成を示す概略図である。
【図２】風力タービンの電気装置の詳細図である。
【図３】図２に示した風力タービンの電気装置の一部を成すインバータを示す。
【図４】図３に示したインバータ用の電流制御装置を示す。
【図５】風力タービンの集電ケーブルと風力タービンの入力線路との等価回路図である。
【図６】１〜３つの集電ケーブルと１〜２７個の風力タービンとを含む風力発電ファームの周波数依存性の開ループ制御のループゲインを周波数に依存して示す図である。
【図７】電流フィードバックにノッチフィルタを有する場合のＣ（ｓ）を示す。
【図８】Ｃ（ｓ）Ｙ（ｓ）システムの完全な開ループゲインを示す。
【図９】本発明の電流制御装置の別の択一的な実施形態を示す。
【図１０】電流ベクトルを固定座標系および回転磁界座標系で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、直流電力を交流電力に変換するための変換器または交流電力を直流電力に変換するための変換器を制御するためのベクトル制御方法を提供する。この交流電力はグリッドへ出力されたものか、またはグリッドから受け取られたものである。このベクトル制御では、第１の電流要求信号と、第２の電流要求信号と、第１の電流フィードバック信号と、第２の電流フィードバック信号と、第１の電圧フィードバック信号と、第２の電圧フィードバック信号とに基づいて、第１の電圧要求信号と第２の電圧要求信号とを計算する。開ループ制御のループゲインは、第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号に含まれる周波数に依存する。本発明では、開ループ制御のループゲインが１より大きくかつループゲインの位相が−１８０°以下になるときの第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数が抑圧されるようにする。
【００１６】
本発明の方法は、以下の考察に基づいている。
【００１７】
パルス幅変調パターンが固定周波数であるグリッド接続インバータは、たとえば風力発電ファーム型の集電システム等のグリッドに接続された場合に閉ループが不安定になってしまうという欠点を有する。このような集電システムや、他の種類のグリッドでは、ケーブルの容量が著しく高く、かつ／または、集電システムや他の種類のグリッドのケーブル容量は著しく高く、このような集電システムや他の種類のグリッドは、弱い交流電気系統に接続されることがある。インバータの出力端子から見るとこのようなケーブル容量は、入力線路リアクトルおよびタービン変圧器とともに直列共振回路を形成し、この直列共振回路のインピーダンスは、（意図的でなく）同調した周波数で最小となり、アドミタンスは高くなる。
【００１８】
グリッド接続インバータまたは発電機接続インバータの閉ループ電流制御装置は、開ループゲインを考慮して解析することができる。この開ループゲインは、制御装置の伝達関数Ｃ（ｓ）と電力グリッドまたは発電機のアドミタンスＹ（ｓ）とを乗算することによって得られる。この制御装置の伝達関数Ｃ（ｓ）は、該制御装置で使用される制御アルゴリズムによって定義される。一般的な固定スイッチング周波数パターンでは、この制御は発電機の回転磁束ベクトルと同期して行われるか、またはグリッド電圧に同期する。
【００１９】
このような固定周波数のパルス幅変調パターンでは、電流フィードバックおよび／または電圧フィードバックのサンプリングが行われるときと、インバータ出力端で電流を制御するための該インバータの出力電圧が形成されるときとの間に、遅延が発生する。この遅延により、周波数が上昇するほど、位相特性の位相遅れが増大することになる。開ループ制御のループゲインの位相が−１８０°以下であるときに該開ループ制御のループゲインが１より大きい場合、電流制御システムは不安定であると定義される。
【００２０】
とりわけ、多数のインバータがグリッドに接続されており、該グリッドの容量がたとえば集電システムに起因して著しく高い場合、インバータ出力端から見たアドミタンスが高くなることによって開ループ制御のループゲインが上昇して１より大きくなり、それと同時に、開ループ制御のループゲインの位相が特定の周波数帯で−１８０°以下になってしまう。このことが組み合わさることにより、このような周波数帯では制御システムが不安定になってしまう。
【００２１】
上述の問題は一般的に、グリッドに接続されるインバータが少数（たとえば２，３つ）だけである場合にも発生するのに、この問題は、グリッドに接続されるインバータ数が増加するほど深刻になっていく。
【００２２】
上述の問題は、多数の高電力コンバータが大規模なケーブルアレイに接続される場合に重大になる。さらに、設けられた皮相電力とグリッドのフォールトレベルとの比が高くなると、２次的な影響が重大になる。これらの関係は従来は重要視されていなかった。というのも、多数の高電力コンバータが大規模なケーブルアレイに接続され、設けられた皮相電力とグリッドのフォールトレベルとの比が高くなることは、最近になってようやく現実味を帯びてきており、上述の問題が近い将来にさらに重大になるからである。
【００２３】
本発明のベクトル制御方法では、制御システムを安定化するために、ベクトル制御の開ループ制御のループゲインが１を超え、かつ／または該ループゲインの位相が−１８０°以下になるときの第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数を抑圧する。
【００２４】
電気エネルギー発生装置が複数設けられており、これらの電気エネルギー発生装置のうち少なくとも１つの部分セットがグリッドによって相互に接続されている場合、これら複数の電気エネルギー発生装置はそれぞれ直流電力を交流電力に変換し、リアクトルと変圧器とを有する。グリッドはグリッド容量を有し、たとえば集電ケーブルアレイのケーブル容量を有する。開ループ制御のループゲインが１より大きくなり該ループゲインの位相が−１８０°以下になるときの第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数は、リアクトル、変圧器、グリッド容量およびグリッドインピーダンスのパラメータから求めることができる。とりわけグリッド容量は、複数の電気エネルギー発生装置のうち少なくとも１つの部分セットと中央装置とを接続するためにグリッドに含まれる少なくとも１つの集電ケーブルの容量によって調整することができる。
【００２５】
周波数を求めるためにはとりわけ、インバータの出力端から見たときのアドミタンスを、リアクトル、変圧器およびケーブル容量のパラメータから求める。このようにして開ループ制御ゲインが、ベクトル制御方法の開ループゲインＣ（ｓ）と、求められたアドミタンスＹ（ｓ）とを乗算することによって得られる。この計算結果から、開ループ制御のループゲインが１より大きくなりかつ該ループゲインの位相が−１８０°以下になるときの周波数が求められる。
【００２６】
本発明のベクトル制御方法はとりわけ、交流電力を発生する次のような電気エネルギー発生装置、すなわち、該電気エネルギー発生装置によって発生した交流電力が直流電力に変換され、その後に再び交流電力に変換される電気エネルギー発生装置において使用することができる。
【００２７】
本発明のベクトル制御方法を実施するために構成された電流制御装置は、変換器によって行われる直流電力から交流電力への変換または交流電力から直流電力への変換を制御するためにベクトル制御アルゴリズムを使用する。この電流制御装置は、周波数に依存する開ループ制御ループゲインを有し、該電流制御装置は、
・第１の電流要求信号を受信するための第１の電流要求入力端と、
・第２の電流要求信号を受信するための少なくとも１つの第２の電流要求入力端と、
・たとえば変換器端子における交流電流等である交流電力の交流電流を表す第１の電流フィードバック信号を受信するための第１の電流フィードバック入力端と、
・たとえば変換器端子における交流電流等である交流電力の交流電流を表す第２の電流フィードバック信号を受信するための第２の電流フィードバック入力端と、
・たとえば変換器端子における交流電圧等である交流電力の交流電圧を表す第１の電圧フィードバック信号を受信するための第１の電圧フィードバック入力端と、
・たとえば変換器端子における交流電圧等である交流電力の交流電圧を表す第２の電圧フィードバック信号を受信するための第２の電圧フィードバック入力端と、
・第１の電圧要求信号を出力するための第１の電圧要求出力端と、
・第２の電圧要求信号を出力するための第２の電圧要求出力端と、
・前記第１の電流要求信号と、前記第２の電流要求信号と、前記第１の電流フィードバック信号と、前記第２の電流フィードバック信号と、前記第１の電圧フィードバック信号と、前記第２の電圧フィードバック信号とに基づいて、前記第１の電圧要求信号および前記第２の電圧要求信号を発生するための制御装置と
を有する。前記電流制御装置において、前記開ループ制御のループゲインは、第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号に含まれる周波数に依存する。前記第１の電流フィードバック入力端に第１のフィルタが設けられており、前記第２の電流フィードバック入力端に第２のフィルタが設けられている。これら２つのフィルタの各フィルタ特性は、前記開ループ制御のループゲインが１より大きくなりかつ該ループゲインの位相が−１８０°以下になるときの前記第１の電流フィードバック信号および前記第２の電流フィードバック信号の周波数を低減することにより、該周波数での該開ループ制御のループゲインが１より小さくなり、かつ／または該周波数で発生する位相が約−１８０°にシフトされるように選択される。
【００２８】
前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタとして、周波数に依存する開ループ制御ループゲインが１より大きくなりかつ該開ループ制御ループゲインの位相が−１８０°以下になるときの第１の電流フィードバック信号および第２の電流フィードバック信号の周波数を低減するように中心周波数および帯域幅が選択された帯域阻止フィルタを使用することができる。
【００２９】
とりわけ、このような帯域阻止フィルタの中心周波数は、典型的には１５０Ｈｚ以上であり、たとえば４００Ｈｚ以上または６００Ｈｚ以上である。さらに付加的に、このような帯域阻止フィルタは典型的には、少なくとも５０Ｈｚの帯域幅を有し、とりわけ少なくとも２００Ｈｚの帯域幅を有する。
【００３０】
開ループ制御のループゲインが１より大きくなりかつ該ループゲインの位相が−１８０°以下になる複数の異なる周波数領域が存在する場合、前記第１の電流フィードバック入力端と前記第１の帯域阻止フィルタとの間に少なくとも１つの第３の帯域阻止フィルタを設け、前記第２の電流フィードバック入力端と前記第２の帯域阻止フィルタとの間に少なくとも１つの第４の帯域阻止フィルタを設けることができる。第３の帯域阻止フィルタおよび第４の帯域阻止フィルタの各中心周波数を１５０Ｈｚ以上とし、かつ／または、両帯域阻止フィルタの各帯域幅を少なくとも５０Ｈｚとすることができる。
【００３１】
各電流フィードバック信号ごとに少なくとも２つの帯域阻止フィルタを使用することにより、不安定性の原因となる複数の異なる周波数帯域を抑圧でき、かつ、不安定性の原因とならない周波数が実質的に抑圧されないようにすることができる。
【００３２】
前記制御装置はとりわけ、第１の電流要求信号入力端と第１の電流フィードバック信号とに接続された第１の減算器を含むことができ、該第１の減算器は、第１の電流要求信号と第１の電流フィードバック信号との差を表す第１の誤差信号を形成するように構成されている。さらに、このような電流制御装置は、第２の電流要求信号入力端と第２の電流フィードバック信号入力端とに接続された少なくとも１つの第２の減算器を有することもでき、該第２の減算器は、第２の電流要求信号と第２の電流フィードバック信号との間の差を表す第２の誤差信号を形成するように構成されている。その際には、前記第１の減算器に第１の制御ユニットが接続されており、前記第１の誤差信号を受信して該第１の誤差信号に基づき第１の制御信号を生成するように構成されている。この第１の制御ユニットは、有利にはＰＩ制御器である。また、前記第２の減算器に少なくとも１つの第２の制御ユニットが接続されており、前記第２の誤差信号を受信して該第２の誤差信号に基づき第２の制御信号を生成するように構成されている。この第２の制御ユニットも、有利にはＰＩ制御器である。さらに、第１の電流要求信号入力端に第１の乗算器が接続されており、該第１の乗算器は、第１の電流要求信号に少なくとも１つの基本周波数およびインダクタンス値を乗算することによって第３の制御信号を生成するように構成されており、さらに、第２の電流要求信号入力端に少なくとも１つの第２の乗算器が接続されており、該第２の乗算器は、第２の電流要求信号に少なくとも１つの基本周波数およびインダクタンス値を乗算することによって第４の制御信号を生成するように構成されている。付加的に、前記第１の制御ユニットと、前記第２の乗算器と、前記第１の電圧フィードバック入力端と、前記第１の電圧要求出力端とに加算装置が接続されている。この第１の加算装置は、前記第１の制御信号と前記第４の制御信号と前記第１の電圧フィードバック信号とを加算することによって前記第１の電圧要求信号を生成するように構成されている。前記第２の制御ユニットと、前記第１の乗算器と、前記第２の電圧フィードバック入力端と、前記第２の電圧要求出力端とに加算／減算装置が接続されている。この第２の加算装置は、前記第２の電圧フィードバック信号から前記第３の制御信号を減算して前記第２の制御信号を加算することによって前記第２の電圧要求信号を生成するように構成されている。このような電流制御装置では、前記第１のフィルタは前記第１の電流フィードバック入力端と前記第１の減算器との間に配置され、前記第２のフィルタは前記第２の電流フィードバック入力端と前記第２の減算器との間に配置される。
【００３３】
本発明ではまた、直流電力から交流電力に変換するためのインバータと、直流電力から交流電力への変換を制御するための本発明の電流制御装置とを含む電力変換器を提供する。本発明の電流制御装置により、前記電力変換器の制御システムの安定性は上昇する。本発明の電力変換器は付加的に、交流電力から前記直流電力に変換するために整流器を含むことができる。このような電力変換器はとりわけ、発電機が第１の周波数（定常または可変）の交流電力を発生し、該第１の周波数の交流電力が第２の周波数の交流電力に変換される構成において使用することができる。
【００３４】
本発明の電力変換器をとりわけ、たとえば光電セル等の電気エネルギー発生装置、または、電力変換器が整流器を有する構成、または、風力タービン発電機等の交流電力を発生する発電機を備えた電気エネルギー発生装置において使用するか、または、基本周波数の公称値が異なるかまたは異ならない２つの交流電力システム間のＡＣ／ＡＣ相互接続システムとして使用することができる。
【００３５】
本発明の別の対象として、たとえば風力タービン等の電気エネルギー発生装置を複数含む電気エネルギー発生設備も提供する。前記複数の電気エネルギー発生装置にはそれぞれ、変圧器と、リアクトルと、直流電力から交流電力への変換を行うためのインバータを含む電力変換器と、該インバータから出力された交流電力を制御するための電流制御装置とが備えられている。この電気エネルギー発生設備はさらに、前記電気エネルギー発生装置が接続されるグリッドを含み、該グリッドの容量をグリッド容量と称する。前記電気エネルギー発生装置のリアクトルと、変圧器と、前記グリッド容量とが共振回路を構成し、該共振回路の同調周波数によってアドミタンスが高くなり、この高いアドミタンスにより、前記インバータ制御装置の開ループ制御のループゲインが１より大きくなり、該ループゲインの位相は−１８０°以下になる。このような電気エネルギー発生設備では、本発明の電流制御装置は、電気エネルギー発生装置の電力変換器において電流制御装置として使用され、上記の共振回路に起因して不安定性を引き起こす原因となる周波数を抑圧するのに使用される。
【００３６】
とりわけ前記グリッドは、前記複数の電気エネルギー発生装置のうち少なくとも１つの部分セットを前記電気エネルギー発生設備の中央装置に接続する少なくとも１つの集電ケーブルを含むことができる。この少なくとも１つの集電ケーブルはケーブル容量を有し、このグリッドのグリッド容量は基本的に、前記少なくとも１つの集電ケーブルの容量によって得られる。前記電気エネルギー発生設備の中央装置はたとえば、内部グリッドと公共グリッドとを接続する商用変圧器である。このような集電ケーブルは、典型的には大規模な風力発電ファームにおいて、風力タービンを中央変圧器に接続するために使用される。さらに、ケーブル容量と同様の作用を示す力率補正コンデンサが設けられている場合もある。
【００３７】
各電気エネルギー発生装置は、交流電力を発生する発電機を含むことができる。この場合、電力変換器はさらに、前記発電機によって発生した交流電力を前記直流電力に変換するための整流器を含む。整流器を使用することにより、周波数がグリッドにおける交流電力の周波数に整合しない交流電力を発生させることができる。このように整流器とインバータとを組み合わせることにより、発電機の交流電力をグリッドの交流電力に整合するように周波数変換を行うことができる。このような安定化方法は、上記のような発電機と交流システムとの間のインタフェースというよりも、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換器によって交流電力システム間の相互接続が実現されるＨＶＤＣ方式にも適用することができる。
【００３８】
本発明のさらなる特徴、性質、および利点は、添付図面を参照する以下の実施形態の説明から理解することができる。
【実施例】
【００３９】
典型的には図１に示しているように、複数の風力タービン１が接続されて風力発電ファームを構成する。これらの風力タービンは並列接続されて、集電ケーブル１５によって風力発電ファームの変圧器２３に接続されている。前記風力発電ファームの変圧器は、公称周波数が固定である公共グリッド３（図中では「ネットワーク」と称している）に接続されている。各風力タービン１は入力線路リアクトル１９および風力タービン変圧器２１を介して集電ケーブル１５に接続されている。
【００４０】
４つの風力タービン１が接続された集電ケーブル１５は、図１では１つだけ示されているが、集電ケーブル１５の数と、１つの集電ケーブルに接続される風力タービンの数とを、図１に示したのと異なって変更することができる。たとえば、大規模な風力発電ファームは１つより多くの集電ケーブルを含む。さらに、各集電ケーブル１５に接続される風力タービンの数を４つより少なくするか、またはとりわけ、４つより多くすることもできる。
【００４１】
図２に、図１の風力タービンのうち２つを詳細に示す。とりわけ同図は、発電機およびタービンの出力電力を制御するための風力タービンの電気装置を示す。
【００４２】
各風力タービン１は、ロータ軸５を有するロータ３を有し、各ロータ軸５は、回転するロータ３の回転運動量をギアボックス７へ伝達する。このギアボックス７では、回転は所定の変速比で出力軸９へ伝達される。出力軸９は交流発電機１１のロータに固定されており、該交流発電機は、出力軸９の回転によって得られる機械的な力を電気エネルギーに変換する。交流発電機１１は、同期発電機または非同期発電機（一点給電または二点給電）のいずれかとすることができる。同期発電機ではロータは、発電機のステータによって発生する回転磁界と等しい回転周波数で回転する。それに対して非同期発電機では、ステータ磁界の回転周波数とロータの回転周波数とは異なる。この回転周波数の差は、発電機のすべりによって表される。発電機１１は可変速発電機である。すなわち、ロータの回転速度を風力の状態に依存して変化させることができる。
【００４３】
風力タービンが接続された公共グリッドに固定周波数を供給するために、各風力タービン１に電力変換器１３が設置されている。この電力変換器１３は、発電機１１によって発生した可変周波数の電気の一部またはすべてを、公共グリッドに適合した固定周波数を有する電力に変換する。さらに電力変換器１３は、風力タービン１によって供給される電気の出力電力も制御する。後で、この電力変換器１３の詳細を説明する。
【００４４】
個々の風力タービン１は、リアクトルとして設けられたフィルタ１９と変圧器２１とを介して集電ケーブル１５に接続されている。この集電ケーブル１５は典型的には、内部中間電圧グリッド１７の一部である。この内部グリッド１７は、変圧器を含むサブステーション２３を介して公共グリッドに接続されており、該公共グリッドは典型的には、公共システムのオペレータによって要求された所定の力率で動作するように構成されている。
【００４５】
図２および図３を参照して、風力タービンによって供給された電気の出力電力の調整を説明する。出力電力は個々の風力タービン１の電力変換器１３によって、力率要求にしたがって制御されるか、または択一的に、有効電力要求および無効電力要求にしたがって制御される。各電力変換器１３は、風力タービン１によって供給された可変周波数の交流電圧から高電圧レベルの直流電圧と低電圧レベルの直流電圧とを生成するための能動整流器２５と、該直流電圧から固定の公称周波数の交流電圧を生成するためのインバータ２７と、該能動整流器２５とインバータ２７とを接続するＤＣリンク２９とを有する。前記能動整流器２５はたとえば、高電圧レベルとして正の電圧レベルを生成し、低電圧レベルとして負の電圧レベルを生成する。各電力変換器１３はさらに、交流発電機１１によって発生するトルクを該交流発電機１１のステータ電流またはステータ電圧の制御によって制御する発電機制御装置３１と、要求された力率によって規定された角度で電流が進角または遅角する３相交流給電電力に該電力変換器１３の出力電流を制御するインバータ制御装置３３とを備えている。
【００４６】
風力タービンによって供給された電気の出力電力を調整する別の択一的な構成では、ＤＣリンク電圧制御装置の出力が発電機Ｉｑの基準を決定すること、すなわち、発電機の電力発生ベクトルまたはトルク発生ベクトルを決定することと、有効電力の基準がネットワークＩｄの基準に供給されることを述べておく。その際には、ネットワークＩｄの基準を無効電流基準系（固定値とすることができる）によって決定するか、または別の交流システムの電圧制御ループによって決定することができる。
【００４７】
この実施形態ではインバータ制御装置３３は、ＤＣリンク２９における電圧レベルと、インバータ出力端３７における電流レベルと、フィルタ１９と変圧器２１との間の電圧レベルとを受け取り、かつ、要求された力率にしたがって電流要求信号を発生する電力制御装置４１から電流制御信号を受け取る。図３に、インバータ２７の構造と、インバータ制御装置３３の一般的な構成を示す。
【００４８】
インバータ２７は３対のアクティブスイッチング素子３５を有し、これらのアクティブスイッチング素子はたとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、ダーリントントランジスタ、または、ゲート遮断型サイリスタ等である。この実施形態では、アクティブスイッチング素子３５の各対は、２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタをアクティブスイッチング素子３５として含む。これらの対のアクティブスイッチング素子３５は、ＤＣリンク２９の高電圧レベルと低電圧レベルとの間に接続される。インバータ出力端３７の３つの線路はそれぞれ、アクティブスイッチング素子３５の異なる各対に接続されており、アクティブスイッチング素子３５間の中間において接続される。アクティブスイッチング素子３５の適切なスイッチングパターンにより、電圧リンク２９における直流電圧をインバータ出力端３７において、要求された力率に整合する電流レベルで、３相交流電圧に変換することができる。このスイッチングは、パルス幅変調信号発生器３９によって出力されるパルス幅変調転流信号にしたがって行われる。このパルス幅変調信号発生器３９はインバータ２７の一部であり、インバータ制御装置３３の電流制御装置４３によって出力された電圧要求信号を受け取る。
【００４９】
図４にインバータ制御装置の詳細を示す。上述のように、インバータ制御装置は電流制御装置４３とパルス幅変調信号発生器３９とを有する。電流制御装置４３は、電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊およびＩＤ＿ＮＥＴ＊に基づいて電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊，ＶＤ＿ＮＥＴ＊を求める。電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊およびＶＤ＿ＮＥＴ＊はパルス幅変調信号発生器３９によって、スイッチング素子３５のスイッチング時点を決定するゲート駆動指令信号ＲＵ，ＲＬ，ＹＵ，ＹＬ，ＢＵおよびＢＬを求めてインバータ２７のアクティブスイッチング素子３５に供給するために使用される。
【００５０】
電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊およびＩＤ＿ＮＥＴ＊は、電力制御装置によって力率要求に基づいて計算される。これらは、グリッド電圧と同期して回転する回転基準フレームいわゆる回転磁界基準フレームで定義される。このような基準フレームでは、平衡状態にある３相電流は、回転磁束ベクトルの方向に流れる直軸電流ＩＤの項と、回転磁束ベクトルに対して垂直方向に流れる横軸電流ＩＱの項とで表すことができる。０でないこれら２つの電流成分は、適切な座標変換によって直軸電流ＩＤと横軸電流ＩＱとに変換することができる。交流電流を直軸電流ＩＤと横軸電流ＩＱとで表すことの利点は、回転基準フレームで２つの電流が定常状態の直流成分によって表され、定常状態誤差を比例積分制御器（ＰＩ制御器）によって０に制御できることである。
【００５１】
電流制御装置４３は、横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊を入力するための第１の電流要求入力端と、直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊を入力するための第２の電流要求入力端との２つの電流要求入力端を有し、さらに、横軸電流フィードバックＩＱ＿ＮＥＴを入力するための第１の電流フィードバック入力端と、直軸電流フィードバックＩＤ＿ＮＥＴを入力するための第２の電流フィードバック入力端との２つの電流フィードバック入力端を有する。両フィードバック信号は、インバータ出力端における出力電流の３相の測定結果から適切な変換によって導き出すことができる。さらに電流制御装置は、横軸電圧フィードバックＶＱ＿ＮＥＴを入力するための第１の電圧フィードバック入力端と、直軸電圧フィードバック信号ＶＤ＿ＮＥＴを入力するための第２の電圧フィードバック入力端との２つの電圧フィードバック入力端も有する。電流フィードバック信号と同様に、電圧フィードバック信号も、フィルタ１９と変圧器２１ ａとの間で測定された出力電圧の３相の測定結果から適切な変換を使用して導き出すことができる。さらに、横軸電圧フィードバックＶＱ＿ＮＥＴおよび直軸電圧フィードバック信号ＶＤ＿ＮＥＴをフィルタリングすることもできる。電流制御装置４３にはさらに、電力網の電圧波形の周波数を受け取るための入力端も設けられる。
【００５２】
第１の減算器４５において横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊から横軸電流フィードバック信号ＩＱ＿ＮＥＴが減算されて横軸誤差信号ＥＱが形成され、この横軸誤差信号ＥＱをＰＩ制御器４７が受け取り、第１の制御信号Ｃ１を生成する。同様に、第２の減算器４９が第２の電流要求信号入力端と第２の電流フィードバック信号入力端とに接続され、それぞれの信号を受け取るように設けられている。第２の減算器４９は、直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊から直軸電流フィードバック信号ＩＤ＿ＮＥＴを減算して直軸誤差信号ＥＤを生成し、直軸誤差信号ＥＤは第２のＰＩ制御器５１へ出力され、該ＰＩ制御器５１は該直軸誤差信号ＥＤに基づいて第２の制御信号Ｃ２を求める。
【００５３】
さらに、電流制御装置４３は第１の乗算器５３と第２の乗算器５７とを有し、該第１の乗算器５３は横軸電流要求信号入力端に接続されて横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊を受け取るように設けられており、かつ、電力網の電圧波形の周波数ＷＮを受け取るための周波数入力端に接続されている。第１の乗算器５３は、受け取った横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊と、受け取った周波数ＷＮと、入力線路リアクトルのインダクタンスＬとを乗算する。この乗算結果が第３の制御信号Ｃ３となる。これと同様に、第２の乗算器５７は直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊を受け取るために直軸電流要求信号入力端に接続され、かつ、電力網電圧波形の周波数ＷＮを受け取るための周波数入力端に接続されている。第２の乗算器５７は、直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊と、受け取った周波数ＷＮと、入力線路リアクトルのインダクタンスＬとを乗算して、第４の制御信号Ｃ４を形成する。
【００５４】
第１のＰＩ制御器４７に加算回路５９が接続され、第１の制御信号Ｃ１を受け取るように設けられており、かつ、第４の制御信号Ｃ４を受け取るために第２の乗算器５７に接続され、横軸電圧フィードバック信号ＶＱ＿ＮＥＴを受け取るために第１の電圧フィードバック入力端に接続されている。加算回路５９はこれら３つの受け取った信号を加算して、第１の電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊を算出する。この算出された横軸電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊は第１の電圧要求出力端を介してパルス幅変調信号発生器３９へ出力される。
【００５５】
電流制御装置４３に加算／減算回路６１が設けられており、これは第２のＰＩ制御器５１に接続されて第２の制御信号Ｃ２を受け取るように設けられており、かつ、第１の乗算器５３に接続されて第３の制御信号Ｃ３を受け取るように設けられており、さらに、第２の電圧フィードバック入力端に接続されて直軸電圧フィードバック信号ＶＤ＿ＮＥＴを受け取るように設けられている。加算／減算回路６１は、直軸電圧フィードバック信号ＶＤ＿ＮＥＴから第３の制御信号Ｃ３を減算し、この減算結果を第２の制御信号Ｃ２に加算して第２の電圧要求信号を生成する。すなわち、直軸電圧要求信号ＶＤ＿ＮＥＴ＊を生成する。この算出された直軸電圧要求信号ＶＤ＿ＮＥＴ＊は第２の電圧要求出力端を介してパルス幅変調信号発生器３９へ出力される。
【００５６】
パルス幅変調信号発生器３９は、インバータ２７の各出力線路Ｒ，Ｙ，ＢとＤＣリンクの上側または正の電圧レベルＶＵおよび該ＤＣリンクの下側または負の電圧レベルＶＬに接続するスイッチング素子３５に対して、個々のスイッチング指令を形成する。これら個々の信号ＲＵ，ＲＬ，ＹＵ，ＹＬ，ＢＵおよびＢＬは、全電圧振幅Ｖ＿ＮＥＴ＊＝ＳＱＲＴ（ＶＱ＿ＮＥＴ＊２ ＋ ＶＤ＿ＮＥＴ＊２）と、電力網電圧角の尺度である角度ΘＭＡＩＮと角度ΘＮＥＴ＝ＡＲＣＴＡＮ（ＶＤ＿ＮＥＴ＊／ＶＱ＿ＮＥＴ＊）との和と、たとえば三角波発生器によって生成されたパルス幅変調周波数とを使用して計算される。
【００５７】
電流制御装置４３の開ループゲインは、制御器開ループゲインＣ（ｓ）と、インバータ出力端３７が接続された電力網のアドミタンスＹ（ｓ）とを乗算することによって計算することができる。図５に、集電ケーブル１５に接続されたタービンの概略的な等価回路図を示す。インバータ出力端から見ると、集電ケーブル１５の容量６３と入力線路リアクトル１９と変圧器２１とが、図５の破線で囲まれた直列共振回路を構成する。この直列共振回路のインピーダンスは同調周波数で最小となり、このようなインピーダンスにより、電力網のアドミタンスＹ（ｓ）は高くなる。図５には、集電ケーブル１５に接続された風力タービン１を１つだけ示しているが、この等価回路のうち風力タービンを表す部分は、集電ケーブル１５に接続されるタービン数によってスケーリングしなければならないことに留意されたい。さらに、設けられる集電ケーブルが１つより多い場合、この共振回路全体を、集電ケーブル数と、各集電ケーブルに接続される各タービン数とによってスケーリングすることができる。このことにより、システムのアドミタンスを合理的に表すことができる。
【００５８】
図６に、３つの異なる構成から得られる開ループ制御のループゲインを示す。図６の上側部分は開ループ制御のループゲインの大きさを示し、下側部分は、電流フィードバックのサンプリング時点および／または電圧フィードバックのサンプリング時点と、（通常は）電力網電圧波形の周波数によって電流を制御するための電圧が実現される時点との間の位相遅れを示す。この遅延により、周波数が上昇するほど、位相特性の位相遅れが増大することになる。
【００５９】
開ループゲインの位相遅れが−１８０°以下であるときに開ループ制御のループゲインの大きさが１より大きい場合、制御システムは不安定であると定義される。同図では、１つの集電ケーブルが設けられ該集電ケーブルに１〜９つの風力タービンが接続されている第１のシナリオ（Ｉ）と、２つの集電ケーブルが設けられており各集電ケーブルに１〜９つの風力タービンが接続されている第２のシナリオ（II）と、３つの集電ケーブルが設けられており各集電ケーブルに１〜９つの風力タービンが接続されている第３のシナリオ（III）の、３つの異なるシナリオを示す。図６から分かるように、風力タービン数および／または集電ケーブル数に依存して、開ループゲインが１より大きくなり位相遅れが−１８０°以下となることにより不安定となる状態が生じる。
【００６０】
上述のように風力タービンの制御システムが不安定になるのを回避するためには、各電流制御装置は第１のノッチフィルタ６５および第２のノッチフィルタ６７を有する（図４参照）。第１のノッチフィルタ６５は横軸電流フィードバック入力端と第１の減算器４５との間に配置され、第２のノッチフィルタ６７は直軸電流フィードバック信号入力端と第２の減算器４９との間に配置される。これらのノッチフィルタ６５，６７はそれぞれ、風力発電ファームの構成に応じて選択された中心周波数および帯域幅を有し、この中心周波数および帯域幅は、開ループ制御のループゲインの大きさが１より大きくなりかつ位相遅れが−１８０°以下になる周波数が抑圧されるように選択されている。たとえば構成 III の場合、中心周波数は約５００Ｈｚであり、帯域幅は少なくとも１００Ｈｚである。構成Ｉの場合、中心周波数は約７５０Ｈｚであり、帯域幅は少なくとも５０Ｈｚである。このようにして得られる開ループ制御のループゲインの大きさおよび位相遅れを図９に示す。同図では、Ｃ（ｓ）Ｙ（ｓ）システムの完全な開ループゲインを示す。制御システムの不安定性が解消されているのが分かる。とりわけ開ループ制御ゲインの大きさは、周波数領域全体にわたって１より十分に下回っている。図７は、電流フィードバックにノッチフィルタを有する場合のＣ（ｓ）を示す。この広帯域ノッチフィルタによってさらに、たとえばタービン数、グリッドのフォールトレベルおよび共振周波数等の変化に対してこの技術がロバストになる。ノッチフィルタの所要品質係数は、風力発電ファームの集電システムおよびタービン内部の電気的構成要素の周波数ドメイン表現から同定することができる。
【００６１】
最近までは、サブステーション２３（図１参照）の中電圧側のケーブル容量が考慮されてきたが、風力発電ファームがより大型になるにつれて、図１に大まかにネットワークとして示されたサブステーションの高電圧側によって共振が発生し、この共振によって第２の直列共振が発生し、風力タービン制御システムの安定性および安定性マージンが阻害されてしまう可能性がある。高電圧ケーブルの容量が有意に高いこのような風力発電ファームの電気系統のアドミタンスにより、１５０Ｈｚや６００Ｈｚの近くで発生するゲインが高くなり、このようなゲインのうち１つまたは両方によって、風力タービン制御システムが不安定になってしまう。したがって、これらの各周波数を抑圧するために１つまたは複数の付加的なノッチフィルタ（６９，７１）が設けられることがある。これらのノッチフィルタの中心周波数はたとえば約１５０Ｈｚおよび／または６００Ｈｚであり、各ノッチフィルタの帯域幅は少なくとも５０Ｈｚである。択一的に、各電流フィードバック入力端に対して、特定の中心周波数を有しかつ約１００Ｈｚから少なくとも８００Ｈｚまでの周波数領域をカバーするのに十分な大きさの帯域幅を有する１つのノッチフィルタだけを使用することもできる。
【００６２】
図４を参照すると、インバータを制御するのに２つの電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊，ＩＤ＿ＮＥＴ＊を使用する電流制御装置を記載しているが、電圧要求信号を計算するのに４つの電流要求信号を使用する電流制御装置を使用することもできる。このような電流制御装置により、グリッド接続インバータの電流の正相分と逆相分とを分離して制御することができ、このように分離して制御できることにより、とりわけ不平衡なフォールト状態で、格別なフォールトライドスルー性能を示す。
【００６３】
図９には、４つの電流要求信号を使用する制御装置を概略的に示している。この制御装置は、３相の電流をＩ／２ｅｉ（ωｔ＋φ）＋Ｉ／２ｅ−ｉ（ωｔ＋φ）の形態の複素数として表すフェーザ表示に基づいている。この和の１番目の加数は、磁束ベクトルの周波数かつ磁束ベクトルと同一方向に回転する基準フレームで直軸成分および横軸成分によって表すことができるのに対し、この和の２番目の要素は、磁束ベクトルと等しい周波数で回転するが磁束ベクトルと回転方向が逆である直軸成分および横軸成分によって表すことができる。したがって電流要求信号は、正の（回転）横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊＿Ｐと、正の（回転）直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｐと、負の（回転）横軸電流要求信号ＩＱ＿ＮＥＴ＊＿Ｎと、負の（回転）直軸電流要求信号ＩＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｎとによって表すことができる。電流制御装置において、正の回転フレームおよび負の回転フレームでこれらの量を制御するための個別の電流制御部４３０Ａ，４３０Ｂが設けられている。これらの個別電流制御部４３０Ａ，４３０Ｂの各構造は、図４に示された電流制御装置４３に相応するが、両個別電流制御部４３０Ａ，４３０Ｂが同時に使用される場合には、両個別電流制御部４３０Ａ，４３０Ｂともに、基本周波数の電流電圧の＋ｖｅ正相分および−ｖｅ逆相分を排除するために、基本周波数の２倍（２×ｆ０）で同調するノッチフィルタを有さねばならない。本願が対象とするノッチフィルタは、この２×ｆ０のノッチを有する付加的な直列のノッチフィルタである。
【００６４】
第１の電流制御部４３０Ａは、正回転フレームの電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊＿ＰおよびＶＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｐを出力し、第２の電流制御部４３０Ｂは、負回転フレームの電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊＿ＮおよびＶＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｎを出力する。負回転フレームの電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊＿ＮおよびＶＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｎのレベルはレベリングユニット４３１によって、正回転フレームの電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊＿ＰおよびＶＤ＿ＮＥＴ＊＿Ｐに対してレベリングされ、正の横軸電圧要求信号と、レベリングされた負の横軸電圧要求信号とが加算されて、最終的な横軸電圧要求信号ＶＱ＿ＮＥＴ＊が形成され、パルス幅変調信号発生器３９へ出力される。同様に、正の直軸電圧要求信号と負の直軸電圧要求信号とが加算されて最終的な直軸電圧要求信号ＶＤ＿ＮＥＴ＊が形成され、パルス幅変調信号発生器３９へ出力される。
【００６５】
電流制御装置４３に関して説明した事項は、図９に示された電流制御装置４３０の各電流制御部４３０Ａ，４３０Ｂにも当てはまる。したがって、重複を避けるためにこれらの電流制御部の詳細を説明しない。
【００６６】
本発明を上記で、実施例を参照して説明したが、本発明は、システムのアドミタンスが高いと、このアドミタンスが原因となって、標準的なインバータ制御アルゴリズムが不安定になるという認識に基づいている。本発明によれば、上記のように使用されるノッチフィルタが、このようなシステムを安定化するように機能する。
【００６７】
電流フィードバックにおけるノッチフィルタの使用について、固定的なスイッチング周波数のパルス幅変調パターンの場合と関連づけて説明したが、本発明は一般的に、可変のスイッチング周波数のシステムでも有用である。
【００６８】
さらに、上記で説明した本発明の実施形態は風力タービンの電力網に関連するが、本発明は、たとえば波力機器、ソーラーセルアレイ、ＨＶＤＣ（直流送電方式）、および、集電システムに電力変換器および容量が存在するすべての用途等の、他の形式の分配型の発電システム、接続システム、電気系統に使用することができる。電気エネルギー発生装置が交流電力の代わりに直流電力を発生する発生装置である場合、電力変換器はインバータを有するだけである。というのも、能動的な整流は必要ないからである。
【００６９】
さらに、上記の実施形態の説明では全体的に、ＤＣリンクの高電圧レベルとして正の電圧レベルを使用し、該ＤＣリンクの低電圧レベルとして負の電圧レベルを使用したが、一般的には、高電圧レベルおよび低電圧レベルを以下の３つの選択肢のうちいずれかとすることができる：
1. 高電圧レベルは正であり、低電圧レベルも正であるが、該低電圧レベルの正方向の大きさは高電圧レベルより小さい。
【００７０】
2. 高電圧レベルは正であり、低電圧レベルは負である。
【００７１】
3. 高電圧レベルは負であり、低電圧レベルも負であるが、該低電圧レベルの負方向の大きさは高電圧レベルより大きい。
【００７２】
図面で特定の実施形態を示して本発明を説明したが、本発明は、実施形態で示した発電機からグリッドへの電力の流れにのみ使用できるのではなく、電力の流れが逆になる構成でも使用することができ、たとえば、共振を発生させる可能性のある電気系統から給電される電気自動車用の充電ステーションやＨＶＤＣ方式でも使用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１    風力タービン
１５  集電ケーブル
１９  リアクトル
２１  変圧器
２３  サブステーション
３７  インバータ出力端
３９  パルス幅変調信号発生器
４３  インバータ制御装置３３の電流制御装置
６３  集電ケーブル１５の容量
６５  第１のノッチフィルタ
６７  第２のノッチフィルタ
６９  第３のノッチフィルタ
７１  第４のノッチフィルタ
４３０Ａ，４３０Ｂ  電流制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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