(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１２０）の運転を制御する方法であって、
前記風力タービン（１２０）は、
ｉ）機械的な駆動トレイン（２２２，２２８）と、
ｉｉ）該駆動トレイン（２２２，２２８）と機械的に接続された発電機（２３０）と、
ｉｉｉ）該発電機（２３０）と電気的に接続された電力変換器（２４０）と
を含み、
前記風力タービン（１２０）は、１つのウィンドパーク（１１０）の一部分を成しており、該ウィンドパーク（１１０）は、
ｉ）高電圧直流送電系統（１７０）を介して、および／または
ｉｉ）交流補助送電系統（１６４）を介して、
電力系統（１９５）と接続可能であり、
前記ウィンドパーク（１１０）は第２の運転モードにあり、該第２の運転モード中、前記ウィンドパーク（１１０）は、前記高電圧直流送電系統（１７０）のみを介して、前記電力系統（１９５）と接続されている、
風力タービン（１２０）の運転を制御する方法において、
該方法は以下のステップを含む、すなわち、
前記風力タービン（１２０）により発電されると推定される有効電力を表す電力基準信号（Ｐ*ｃｏｎｖ，ＰｒｅｆＷＴ）と、前記風力タービン（１２０）により実際に発電された有効電力を表す有効電力フィードバック信号（Ｐｆｂ）とを、電力コントローラ（５２４０）によって受け取るステップと、
前記電力基準信号（Ｐ*ｃｏｎｖ，ＰｒｅｆＷＴ）と前記有効電力フィードバック信号（Ｐｆｂ）とに基づき、第１の電圧制御信号（Ｖｄ）と電力コントローラ周波数信号（ωＰＣ）とを、前記電力コントローラ（５２４０）によって決定するステップと、
高電圧直流電力コントローラ（５３５０）によって、前記電力コントローラ周波数信号（ωＰＣ）を受け取るステップと、
前記高電圧直流電力コントローラ（５３５０）によって、前記電力コントローラ周波数信号（ωＰＣ）に基づき、第２の電圧制御信号（Ｖｑ）を決定するステップと、
周波数コントローラ（５２６０）によって、周波数基準信号（ωｒｅｆ）を受け取るステップと、
前記周波数コントローラ（５２６０）によって、前記周波数基準信号（ωｒｅｆ）に基づき、周波数コントローラ周波数信号（ωＦＣ）を決定するステップと、
θ積分器ユニット（５３８０）によって、前記電力コントローラ周波数信号（ωＰＣ）と前記周波数コントローラ周波数信号（ωＦＣ）とに基づき、回転ｄｑ基準フレームと静止ａｂｃ基準フレームとの間の実際の角度を表す実際角度信号（θ０）を決定するステップと、
前記第１の電圧制御信号（Ｖｄ）と前記第２の電圧制御信号（Ｖｑ）と前記実際角度信号（θ０）とに基づき、前記電力変換器（２４０）の系統側ブリッジ（２４６）の動作を制御するステップと
を含む、風力タービン（１２０）の運転を制御する方法。
【請求項２】
前記実際角度信号（θ０）は、前記風力タービン（１２０）により、および前記ウィンドパーク（１１０）の他の各風力タービン（１２０）により発電された交流電力を集める交流系統（１６０）の所望の周波数を表す公称周波数基準信号（ωＮｏｍ）にも依存する、
請求項１項記載の方法。
【請求項３】
前記周波数コントローラ（５２６０）は、フィルタ（９４００）を介して、前記周波数基準信号（ωｒｅｆ）を受け取る、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記θ積分器ユニット（５３８０）へダイレクトに供給される角速度信号（ω０）を、前記周波数コントローラ（５２６０）へも供給して、前記周波数コントローラ（５２６０）により形成される前記周波数コントローラ周波数信号（ωＦＣ）が、該角速度信号（ω０）にも基づき決定されるようにする、なお、該角速度信号（ω０）は、静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの回転周波数を表す、
請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記実際角度信号（θ０）は、周波数修正信号（ωＱ）にも依存する、なお、該周波数修正信号（ωＱ）は、無効電力フィードバック信号（Ｑｆｂ）に基づくものである、
請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記周波数修正信号（ωＱ）を、無効電力ドループゲインユニット（５１６０）を介して、前記無効電力フィードバック信号（Ｑｆｂ）から導出する、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記周波数修正信号（ωＱ）を、
ａ）前記周波数コントローラ（５２６０）へ供給し、かつ、
ｂ）前記周波数コントローラ周波数信号（ωＦＣ）に加算する、
請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記電力基準信号（Ｐ*ｃｏｎｖ，ＰｒｅｆＷＴ）を、電力フィードフォワードユニット（５２２０）へ供給し、該電力フィードフォワードユニット（５２２０）は、前記電力基準信号（Ｐ*ｃｏｎｖ，ＰｒｅｆＷＴ）に応答して、電力フィードフォワード電圧信号（ＶｄｐＸＣ）を供給し、
前記電力基準信号（Ｐ*ｃｏｎｖ，ＰｒｅｆＷＴ）と前記有効電力フィードバック信号（Ｐｆｂ）とに応答して前記電力コントローラにより供給される電力コントローラ電圧信号（ＶｄｐＰＣ）に、前記電力フィードフォワード電圧信号（ＶｄｐＸＣ）を加算する、
なお、前記電力コントローラ電圧信号（ＶｄｐＰＣ）と、前記電力フィードフォワード電圧信号（ＶｐｄＸＣ）との和は、前記第１の電圧制御信号（Ｖｄ）を表す、
請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
風力タービン（１２０）における電力変換器（２４０）の系統側ブリッジ（２４６）の動作を制御するための系統側ブリッジコントローラ（２５６，５０００）であって、
当該系統側ブリッジコントローラ（２５６，５０００）は、アクティブ状態で、
電力コントローラ（５２４０）と、
高電圧直流電力コントローラ（５３５０）と、
θ積分器ユニット（５３８０）と
を含むコンフィギュレーション（８０００，９０００，１００００）をとることが可能であり、
当該系統側ブリッジコントローラ（２５６，５０００）が、請求項１から８のいずれか１項記載の方法を実施することにより、前記風力タービン（１２０）の運転制御を実行するように構成されている、
系統側ブリッジコントローラ（２５６，５０００）。
【請求項１０】
風力タービン（１２０）において、該風力タービン（１２０）は、
少なくとも２つのロータブレード（２２４）を備えた風車ロータ（２２２）を含む機械的な駆動トレイン（２２２，２２８）と、
該駆動トレイン（２２２，２２８）と機械的に接続された発電機（２３０）と、
該発電機（２３０）と電気的に接続された電力変換器（２４０）と、
請求項９記載の系統側ブリッジコントローラ（２５６，５０００）と
を含み、
前記電力変換器（２４０）は、
ｉ）前記発電機（２３０）により供給される交流電力入力を整流する交流／直流発電機側ブリッジ（２４２）と、
ｉｉ）整流された交流電力入力を受け取る直流リンク（２４４）と、
ｉｉｉ）該直流リンク（２４４）の直流電力を交流電力出力に変換する直流／交流系統側ブリッジ（２４６）と、
を含む、
風力タービン（１２０）。
【請求項１１】
発電および送電システム（１００）であって、
該発電および送電システム（１００）は、
複数の風力タービン（１２０）を含むウィンドパーク（１１０）と、
前記複数の風力タービン（１２０）により発電された交流電力を収集する交流系統（１６０）と、
該交流系統（１６０）から電力系統（１９５）へ直流電力を送電するために、前記交流系統（１６０）および前記電力系統（１９５）と接続され、かつ、高電圧直流ダイオード整流器（１８０）と高電圧直流送電ケーブル（１７５）と直流／交流変換器（１７６）とを備えた、高電圧直流送電系統（１７０）と、
前記電力系統（１９５）と前記交流系統（１６０）との間で交流電力を送電するために、前記交流系統（１６０）および前記電力系統（１９５）と接続可能な交流補助送電系統（１６４）と
を含み、
前記風力タービンのうちの少なくとも一部は、請求項１０記載の風力タービンである、
発電および送電システム（１００）。
【請求項１２】
風力タービン（１２０）の運転を制御するコンピュータプログラムであって、
該コンピュータプログラムは、データプロセッサにより実行される場合、請求項１から８のいずれか１項記載の方法を制御および／または実施するために適合されている、
コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には、複数の風力タービンを含むウィンドパークによって発電された電力を、ウィンドパークから電力系統へ送電する技術分野に関する。特に本発明は、ウィンドパークの風力タービンの運転を制御する制御方法に関する。この場合、風力タービンは、（選択的に高電圧直流送電系統および／または交流補助送電系統を介して）電力系統に接続可能であり、ここではウィンドパークは、高電圧直流送電系統のみを介して、電力系統に接続されている。さらに本発明は、系統側ブリッジコントローラ、風力タービン、および発電および送電システムに関し、これらはすべて上述の制御方法を実施可能である。さらに本発明は、上述の制御方法による風力タービンの運転を制御するためのコンピュータプログラムに関する。
【０００２】
背景技術
風力タービンは、クリーンかつ効率的な手法で、機械的な風力エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。風力タービンの場合、複数のロータブレードを備えたロータを有する機械的な駆動トレインによって、発電機が直接、またはギアボックスを介して、駆動される。発電機のステータ端子に結果として発生する交流（ＡＣ）周波数は、ロータの回転速度に正比例する。ステータ端子における電圧も、発電機の回転速度と無効電力要求に依存して変化する。最適なエネルギー取得のために、この回転速度は、ロータブレードを駆動する利用可能な風の速度に応じて変化する。速い風速のときにはエネルギー取得を制限し、ロータが場合によっては破損してしまうのを避けるために、ロータブレードのピッチ角を変化させることで、発電機の回転速度を制御することができる。
【０００３】
発電機の可変の電圧および周波数を、公称的には一定である電力系統の電圧および周波数に整合させることは、一般に電力変換器によって達成される。電力変換器には一般に発電機側ブリッジが含まれており、これは通常動作中は、直流（ＤＣ）リンクに電力を供給する能動的な整流器として動作する。発電機側ブリッジは、パルス幅変調（ＰＷＭ）ストラテジを利用して完全に制御および調整できる一連の半導体電力スイッチングデバイスを備えた任意の適切なトポロジーを有することができる。さらに電力変換器は一般的に系統側ブリッジを有しており、この系統側ブリッジは、直流リンクの直流電力を、電圧と周波数と位相角とに関する電力系統の個々の電気量に整合させた交流電力出力に変換する。系統側ブリッジから、または（たとえばそれぞれ１つのトランスを介して）複数の系統側ブリッジに接続されたバスバーから、電力を伝達または送電する場合、電圧振幅の他に、系統側ブリッジの出力における、またはバスバーにおける電圧信号の、電力系統の位相に対する相対的な位相も、どれだけ電力を送電できるかに関して重要な値である。
【０００４】
この点に関して述べておくと、このような位相角は、所定の逆起電力（back EMF）と関連づけられており、電力伝達について説明するための別のアプローチによれば、このような逆起電力は、電力を電力系統に送電するために必要とされるものである。このアプローチによれば、逆起電力は電力系統によって形成される。
【０００５】
ただし、交流電力接続とは対照的に、特に、１つのウィンドパークに属する複数の風力タービンにより発電された電力を、いわゆる高電圧直流（ＨＤＶＣ）電力接続を介して、電力系統または送電網に送電することも可能である。このような解決策は特に、オフショアウィンドパークまたはいわゆる洋上着床型ウィンドパークに適しており、このようなウィンドパークの場合、ａ）ウィンドパークの共通のバスバー（これは共通結合点 Point of Common Coupling, PCC と呼ばれることも多い）と、ｂ）個々の受電（オンショア）電力系統との間の距離が長い（たとえば数１００ｋｍ）。距離が長い場合、高電圧直流送電系統における電力損失は、交流送電系統における相応の損失よりも著しく小さい。交流送電系統の場合には、特に個々のケーブルの寄生インダクタンスに起因する誘導電力損失が著しく大きくなるからである。
【０００６】
以下では、高電圧直流送電系統を介したオフショアウィンドパークからオンショア電力系統への送電について説明する：
１）複数のオフショア風力タービンの各々は、
ａ）発電機側（交流／直流）ブリッジと直流リンクと三相系統側（直流／交流）ブリッジとを備えた三相電力変換器と、
ｂ）電力トランスを介した中電圧交流系統へのインタフェース、
とを有している。各風力タービンは、系統側ブリッジから中電圧交流集電システムへ交流電力を送出し、その際、系統側ブリッジにより変調された電圧が、中電圧交流集電システムに対し適正な位相角とレベルとを有することが保証されるようにする。
２）中電圧交流集電システムは、変電所においてオフショアに構築されたトランスを介して、高電圧（ＨＶ）交流集電システムに接続されている。
３）高電圧交流電力出力と、他の変電所からの他の高電圧直流電力出力は、第２のバスバーにおいて集電され、共通の高電圧交流電力出力として、高電圧直流施設へ供給され、そこにおいて、この共通の高電圧交流電力出力が直流電力出力に変換される。
４）直流電力出力は、１００ｋｍをいくらか超える長さとすることができる（低損失の）高電圧直流ケーブルを介して、オンショアで送電される。
５）オンショアで、直流電力出力は（直流／交流）変換器ステーションへ供給され、この変換器ステーションは、変調された交流電圧出力を発生する。変調されたこの交流電圧出力は、要求された電力をオンショア交流電力系統に送出できるように、適切な電圧と周波数ないしは位相角で制御されて、オンショア交流電力系統に供給される。
【０００７】
高電圧直流施設（上述の項目３）を参照）において、共通の高電圧交流電力出力を直流電力出力に変換するために、大電力交流／直流変換器を用いることができ、この変換器には全部で６つの電力用半導体スイッチが含まれており、この場合、それぞれ２つの電力用半導体スイッチは、大電力交流／直流変換器の２つの直流出力端子間にそれぞれ延在する（３つのうち）１つのハーフブリッジ経路内で、直列に接続されている。電力用半導体スイッチは、公知のようにパルス幅変調（ＰＷＭ）によって駆動することができる。このような交流／直流変換の利点は、適切なスイッチングパターンを設定することによって、双方向の電力潮流が可能なことである。ただしこのような交流／直流変換の欠点として、大電力交流／直流変換器が複雑で大きく、しかも極端に重量がある物体であることが挙げられる。また、信頼性のある動作のためには、空気絶縁を行わなければならない。
【０００８】
高電圧直流施設における交流／直流電力変換のための別のアプローチとして最近、提案されているのは、６つの受動的な大電力用ダイオードを備えた整流器を含む高電圧直流系統をオフショア末端にするコンセプトに基づくアプローチである。この場合も、対応する電力用整流器の２つの直流出力端子間にそれぞれ延在する（３つのうち）１つのハーフブリッジ経路内で、それぞれ２つの大電力用ダイオードが直列に接続されている。このアプローチの利点は、整流器をカプセル化されたデバイスとしてシンプルかつロバストな手法で実現できることである。整流器内の電力損失は小さく、整流器の動作のために比較的僅かなメンテナンスコストしか必要とされない。
【０００９】
しかしながら、このような「整流器によるアプローチ」の欠点は、一方向の電力潮流しか可能でないことである。電力をオンショア電力系統からウィンドパークに送電しなければならない場合、オンショア電力系統とウィンドパークとの間に、高電圧直流電力ケーブルに並列に延在するいわゆるアンビリカル交流ケーブルを、対応する高電圧直流送電系統に装備しなければならない。アンビリカル交流ケーブルを介した送電は、たとえばウィンドパークの少なくともいくつかの風力タービンのスタートアップフェーズ中、信頼性のあるスタートアップを可能にするには他の風力タービンの発電が不十分であるときに、必要とされる場合がある。
【００１０】
（受動的な）整流器を使用した場合のさらに別の試みとして挙げられるのは、整流されることになるオフショア高電圧交流電力出力の振幅と周波数と位相とを、もっぱら個々の風力タービン各々の直流／交流系統側ブリッジによって制御するものとする、ということである。
【００１１】
ウィンドパークを運転するにあたり、複数の運転モード（ＯＭ）を使用することができ、高度な運転制御を可能にする目的で、それらの運転モードはすべて、注意深い風力タービン制御を必要とする。特に第１の運転モード（ＯＭ１）の場合、ウィンドパークは、交流補助送電系統のみを介して電力系統と接続される。第２の運転モード（ＯＭ２）の場合、ウィンドパークは、高電圧直流送電系統のみを介して、交流電力系統と接続される。第３の運転モード（ＯＭ３）の場合、ウィンドパークは、高電圧直流送電系統とアンビリカル送電系統の双方を介して、交流電力系統と接続される。
【００１２】
発明の概要
高電圧直流送電系統のみを介して、電力系統と接続されたウィンドパークに含まれる風力タービンのために、制御手順を提供する必要があると考えられる。
【００１３】
この課題は、独立請求項に記載の発明によって解決することができる。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載されている。
【００１４】
本発明の第１の観点によれば、風力タービンの運転を制御する方法が提供される。この場合、風力タービンには、ｉ）機械的な駆動トレインと、ｉｉ）この駆動トレインと機械的に接続された発電機と、ｉｉｉ）この発電機と電気的に接続された電力変換器とが含まれている。風力タービンは、１つのウィンドパークの一部分を成しており、このウィンドパークは、ｉ）高電圧直流送電系統を介して、および／またはｉｉ）交流補助送電系統を介して、電力系統と接続可能である。この場合、ウィンドパークは第２の運転モードにあり、この第２の運転モード中、ウィンドパークは、高電圧直流送電系統のみを介して、電力系統と接続されている。ここで提供される方法には、以下のステップが含まれている。すなわち、
ａ）電力コントローラによって、ａ１）風力タービンにより発電されると推定される有効電力を表す有効電力基準信号と、ａ２）風力タービンによって実際に発電された有効電力を表す有効電力フィードバック信号とを受け取るステップと、
ｂ）電力コントローラによって、有効電力基準信号と有効電力フィードバック信号とに基づき、第１の電圧制御信号および電力コントローラ周波数信号を求めるステップと、
ｃ）高電圧直流電力コントローラによって、電力コントローラ周波数信号を受け取るステップと、
ｄ）高電圧直流電力コントローラによって、電力コントローラ周波数信号に基づき、第２の電圧制御信号を求めるステップと、
ｅ）周波数コントローラによって、周波数基準信号を受け取るステップと、
ｆ）周波数コントローラによって、周波数基準信号に基づき、周波数コントローラ周波数信号を決定するステップと、
ｇ）θ積分器ユニットによって、ｇ１）電力コントローラ周波数信号と、ｇ２）周波数コントローラ周波数信号とに基づき、静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの実際の角度を表す実際角度信号を求めるステップと、
ｈ）第１の電圧制御信号と第２の電圧制御信号と実際角度信号とに基づき、電力変換器の系統側ブリッジの動作を制御するステップと
が含まれている。
【００１５】
ここで提供される制御方法が基礎とする着想は、上述の制御信号すなわち第１の電圧制御信号と第２の電圧制御信号と実際角度信号とを求め、電力変換器の系統側ブリッジの動作を制御するために、これらの制御信号を使用することによって、発電および送電システム全体の包括的な制御を実現することができる、というものである。この場合、発電および送電システム全体は、複数の風力タービンを備えた１つのウィンドパークから成り、このウィンドパークには、既述の風力タービンと、複数の風力タービンが発電した交流電力を収集する交流系統と、高電圧直流送電系統と、交流補助送電系統とが含まれている。これは特に上述の（第２の）運転モード（ＯＭ２）のために適用され、このモードにおいて風力タービンは、ウィンドパークの他の風力タービンと共に、もっぱら高電圧直流送電系統のみを介して、電力系統と接続されている。
【００１６】
既述の制御方法を用いた場合、既述の風力タービンは（さらにウィンドパークの他の風力タービンも）、自律的な方式で、すなわち隣り合う風力タービンとの通信による何らかのインタラクションに拠らずに、動作可能である。
【００１７】
特に既述の制御方法によれば、ハイパフォーマンス・パーク・パイロット（High Performance Park Pilot, HPPP）・コントローラと呼ばれることが多く、一般に比較的緩慢な制御でしか可能でない上位のウィンドパークコントローラを用いて、コーディネートを要求したりコーディネート状態に戻したりすることなく、自動的にコーディネートされる手法で、ウィンドパーク全体の発電をコーディネート可能にすることができる。つまり、ウィンドパーク全体のコーディネートされた制御を、個々の風力タービン間で何らかの制御情報交換を必要とすることなく、効果的に実現することができる。このコンセプトによれば各風力タービンは、個々の独立体として動作するが、交流系統の標準化周波数により表される電力バランス調整を少なくとも部分的に達成する目的に関して役割を担うかたちで動作する。
【００１８】
つまりこれについて説明しておくと、風力タービンは、通常の条件においては、慣用の風力タービン制御手順のように、自身の有効電力出力を自律的に制御することができるのである。そして本発明の１つの実施形態によれば、風力タービンは、局所的な測定および／または導出に基づき、自律的な判断を下すことができ、同様に自律的な判断を下すウィンドパークの残りの風力タービンとコーディネートされた所定の手法で、リアクションを行う。
【００１９】
既述の周波数基準信号ωｒｅｆをたとえば、風力タービンの運転全体を制御する風力タービンコントローラによって、および／または、ウィンドパークの複数の風力タービンの制御動作を公知のようにコーディネートする風力パークコントローラによって、供給することができる。
【００２０】
自律的な風力タービン各々において高電圧直流電力コントローラが用いられ、その目的は名称のとおり、高電圧直流送電系統を介した電力潮流を制御するためである。
【００２１】
第２の運転モードのために用いられる既述の制御方法の１つの重要な技術的特徴として挙げられるのは、第１の電圧制御信号、第２の電圧制御信号、および実際角度信号を求めるために、電圧コントローラはアクティブな状態では存在せず、もしくは使用されない、ということである。
【００２２】
系統側ブリッジの出力における実際の電流もしくは実際の電圧を表す電流フィードバック信号と電圧フィードバック信号とに基づき、有効電力フィードバック信号を求めることができる。適用できるのであれば、中央集中型のウィンドパークコントローラ（たとえばHPPP）により与えられる要求を考慮しながら、風力タービンコントローラにより、有効電力基準信号を供給することができる。１つの好ましい選択肢によれば、エネルギー発生を最大にする目的で、有効電力基準信号を風力タービン内で局所的に導出することができる。
【００２３】
既述の制御方法によれば、すべて上述の第２の運転モード（ＯＭ２）に関連する複数の技術的課題（ＴＩ）を実現することができる。
技術的課題４：ウィンドパークの複数の自律的な風力タービンから高電圧直流送電系統へ向かう電力潮流を制御すること。
技術的課題６：自律的であるがコーディネートされている風力タービンから収集され、交流系統のところでまとめられた電圧を制御すること。
技術的課題７：ａ）オフショアシステム全体のすべての誘導素子および容量素子によって、およびｂ）高電圧直流送電系統のダイオード整流器電力用モジュールによって、必要とされる無効電力全体を、理想的にはすべての風力タービンにより等しく供給すること。この場合、オフショアシステム全体は、ウィンドパーク、ウィンドパークをオフショア交流系統と接続する回路遮断器、およびオフショア交流系統自体を有し、またはこれらから成る。
技術的課題９：ウィンドパークの個々の風力タービンにより発電された電力を収集する交流系統の周波数を、所望の基準値に合わせて制御すること。
【００２４】
本明細書において用語「ウィンドパーク」とは、電力系統に共通に供給される電力を発電する少なくとも２つの風力タービンを含む任意の配置構成のことである。「ウィンドパーク」は、「ウィンドファーム」と呼ばれることもあるし、もっとわかりやすく表現すれば「風力発電所」と呼ばれることもある。ウィンドパークをオフショアに配置してもよいし、オンショアに配置してもよい。
【００２５】
さらに公知の制御ストラテジによれば、制御信号ＶｄとＶｑは、このような電力変換器制御分野の当業者には知られているような、同期して回転するｄｑ基準フレームにおける信号である。さらにやはり公知の制御ストラテジによれば、第１の電圧制御信号、第２の電圧制御信号および実際角度信号は、系統側ブリッジにダイレクトには供給されない。これらの信号は公知の手法のように、系統側ブリッジの電力スイッチング素子を駆動するパルス幅変調（ＰＷＭ）発生器へ供給される。
【００２６】
電力変換器の構造設計に関してここで述べておくと、公知のように電力変換器は、系統側ブリッジに加えて、直流リンクと発電機側ブリッジとを含んでいる。この場合、発電機側ブリッジは、発電機と直流リンクとの間に接続されており、系統側ブリッジは、直流リンクと風力タービントランスとの間に接続されている。
【００２７】
本明細書の文脈において、機械的な駆動トレインという用語は、発電機のロータを機械的に駆動するために設けられた、風力タービンのすべての機械的なコンポーネントに対して用いられる。特に駆動トレインには、ハブに取り付けられた好ましくは３つのロータブレードを有する風車ロータと、ハブを直接的またはたとえばギアボックスを介して間接的な手法で発電機のロータに接続する回転可能な駆動軸と、を含めることができる。
【００２８】
本発明の１つの実施形態によれば、実際角度信号は、風力タービンおよびウィンドパークの他の風力タービンにより発電された交流電力を収集する交流系統の所望の周波数を表す公称周波数基準信号にも依存する。
【００２９】
実際角度信号を計算するために、交流系統の公称もしくは所望の周波数も考慮することによって、系統側ブリッジもしくは風力タービン全体の動作を、交流系統の実際の電気的な動作状態に対しても最適化可能である、という利点を得ることができる。その結果、周波数に関して、すべての風力タービンがそれぞれ発電する電力を効果的に収集できるように、複数の風力タービンの発電が自動的にコーディネートされるようになる。
【００３０】
好ましくは、交流系統の公称周波数は、ウィンドパークの通常運転中、発電されたすべての電力を、第２の運転モードにおいては高電圧直流送電系統を介して受け取る電力系統の周波数によって定められる。つまりこれについて説明しておくと、公称周波数の値は「直流成分」を表すものであるとみなすことができ、電力コントローラにより供給される上述の電力コントローラ周波数信号は、最後には所定の公称周波数になるようにするための補正量を表すとみなすことができるのである。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、周波数コントローラはフィルタを介して、特にローパスフィルタを介して、周波数基準信号を受け取る。これによって、周波数基準信号に含まれる可能性のある不所望な周波数成分をブロックできる、という利点が得られる。その結果、所望の制御方法の安定性が改善されることになる。さらに適正なフィルタによって、周波数基準信号を変更するステップにより引き起こされる可能性のある妨害を阻止することもできる。
【００３２】
ローパスフィルタの場合、周波数基準信号の急峻な揺らぎが阻止されることになる。したがって、既述のコントローラ設計における不所望な振動を回避することができ、個々の風力タービンの例外的な運転条件が発生しても、既述の制御方法の信頼性を保証することができる。
【００３３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、θ積分器ユニットへダイレクトに供給される角速度信号を、周波数コントローラへも供給して、周波数コントローラにより形成される周波数コントローラ周波数信号が、この角速度信号にも基づき決定されるようにする。この角速度信号は、静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの回転周波数を表す。
【００３４】
つまりこれについて説明しておくと、回転ｄｑ基準フレームの角速度を表し、電力変換器の動作を制御するために公知のようにして用いられる角速度信号は、少なくとも部分的に周波数コントローラから取得され、周波数コントローラへのフィードバックも行われるのである。したがってこのことが意味するのは、周波数コントローラに関してフィードバックループが設けられており、各風力タービンから電力を収集する交流系統の定常状態周波数が、上述の角速度信号と等しくなるようする、ということである。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、実際角度信号は周波数修正信号にも依存し、この周波数修正信号は無効電力フィードバック信号に基づく。
【００３６】
無効電力フィードバック信号を、電力変換器における系統側ブリッジの電力出力において実施される適切な測定により得られた電流フィードバック信号および電圧フィードバック信号から導出することができる。さらに周波数修正信号を、無効電力ドループゲインユニットを介して、無効電力フィードバック信号から導出することができる。
【００３７】
θ積分器ユニットに対するダイレクトな入力信号は、回転ｄｑ基準フレームの角速度を表す信号ω０である。既述の周波数修正信号を使用することにより、この信号ω０が低減される。その結果、系統側ブリッジのパルス幅変調電圧の角度が変化すると、交流系統に向かう電力潮流が修正されることになる。その際に上述の電力コントローラが応答して、このコントローラからの電力コントローラ周波数信号が修正され、さらに決定的には高電圧直流電力コントローラを介して、第２の電圧制御信号が修正され、ひいては個々の風力タービンからの無効電力が変化することになる。上述の無効電力ドループゲインユニットのＱドループ特性によって、ウィンドパーク内で運転中のすべての風力タービン間での無効電力共有のベースが提供される。
【００３８】
１つの有利な実施形態によれば、θ積分器ユニットのダイレクトな入力信号に寄与するすべての信号を、加算ユニットによって加算することができる。これによって、θ積分器ユニットへ供給される信号ω０を、簡単にかつ信頼性を伴って供給できるようになる。
【００３９】
ここで述べておくと、無効電力フィードバック信号が、２つ以上の風力タービンにおいて同じでなければ、個々の周波数基準ωｒｅｆも、それらの風力タービンにおいて異なることになる。
【００４０】
周波数誤差がゼロでなければ、周波数コントローラにおける積分項は、周波数コントローラ周波数信号ωＦＣを修正し続け、したがって電力コントローラは、ゼロ電力誤差を維持するために、自身の電力コントローラ周波数信号ωＰＣを修正しなければならない。電力コントローラ周波数信号ωＰＣが修正されると、単一の風力タービンにおける電圧レベルが修正され、ひいてはこの風力タービンから隣り合う風力タービンの少なくとも１つへ流れる無効電力潮流も修正される。ゼロ定常状態周波数誤差は、特定の風力タービン各々の固有の電力動作点で電力コントローラの要求を満たす動作点において達成されることになる。その結果、各風力タービン間の無効電力バランスが達成されるようになる。
【００４１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、周波数修正信号は、無効電力ドループゲインユニットを介して、無効電力フィードバック信号から導出される。
【００４２】
ここで提案したように無効電力フィードバック信号のＱドループ信号を修正することによって、関与するすべての風力タービン間で信頼性のある無効電力共有を行うことができるようになる。
【００４３】
特に、無効電力フィードバック信号がゼロでないと、周波数修正信号に起因して特定の風力タービンの出力電圧の周波数が低減することになる。その結果、系統側ブリッジのパルス幅変調電圧の角度が修正されることから、電力変換器により供給される電力が修正されるようことになる。その場合に上述の電力コントローラが応答して、自身の電力コントローラ周波数信号を修正し、この電力コントローラ周波数信号自体は、高電圧直流電力コントローラを介して第２の電圧制御信号がそれ相応に変更される、という作用をもたらすことになる。したがって風力タービンは、修正された所定の交流電圧と交流角度のところで動作点を見つけることになり、それによって電力要求が満たされ、電力ドループゲインユニットに基づき、各風力タービン間の無効電力バランスが達成される。
【００４４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、周波数修正信号は、ａ）周波数コントローラへ供給され、ｂ）周波数コントローラ周波数信号に加算される。
【００４５】
つまりこれについて説明しておくと、周波数修正信号は、周波数コントローラの入力側と周波数コントローラの出力側の双方に加算されるのである。このことは、無効電力フィードバック信号に関連する制御アクションから周波数コントローラが分離される、という作用を有する。すなわち、ここで述べているコントローラコンフィギュレーションにおいて周波数コントローラは、それが存在しているにもかかわらず、関与する風力タービン間の無効電力共有という目的のためには、実質的には非アクティブ状態である。
【００４６】
つまりこれについて説明しておくと、ここで述べた実施形態によれば、周波数コントローラは周波数修正信号に対してアクションを起こさない。これによって、無効電力共有と周波数におけるゼロ定常状態周波数誤差という２つの目標を達成することができる。
【００４７】
１つの有利な実施形態によれば、周波数修正信号が上述のフィルタの出力に加算される。そして結果として得られた和が、周波数コントローラに対するダイレクトな入力信号として用いられる。
【００４８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、
ａ）有効電力基準信号が電力フィードフォワードユニットへ供給され、このユニットは有効電力基準信号に応答して、電力フィードフォワード電圧信号を供給し、
ｂ）電力フィードフォワード電圧信号が、
ｂ１）有効電力基準信号と、
ｂ２）有効電力フィードバック信号と
に応答して電力コントローラにより供給される電力コントローラ電圧信号に加算される。この場合、電力コントローラ電圧信号と電力フィードフォワード電圧信号との和が、第１の電圧制御信号を成している。
【００４９】
第１の電圧制御信号によって、電力変換器のための、特に電力変換器の系統側ブリッジのための、パルス幅変調電圧制御に対するＤ軸成分Ｖｄを規定することができる。このＤ軸成分Ｖｄによって、関係するすべての風力タービンの電力出力を収集するバスバーにおける電圧に対する、系統側ブリッジの出力における変調された電圧の角度を、制御することができる。交流電力の送電または搬送の基本的な原理によれば、しばしば負荷角とも呼ばれるこの角度によって、（個々の電圧レベルと共に）交流電力を収集するバスバーへと向かう電力潮流の量が求められる。
【００５０】
本発明のさらに別の観点によれば、風力タービンにおける電力変換器の系統側ブリッジの動作を制御するために、系統側ブリッジコントローラが設けられている。この場合、系統側ブリッジコントローラは、
ａ）電力コントローラと、
ｂ）高電圧直流電力コントローラと、
ｃ）θ積分器ユニットと
をアクティブ状態で有するコンフィギュレーションを採用することができる。これによれば、系統側ブリッジコントローラは、上述の制御方法を実施することにより、風力タービンの動作制御を実施するように構成されている。
【００５１】
ここで提供される系統側ブリッジコントローラが基礎とする着想は、既述の制御信号すなわち第１の電圧制御信号、第２の電圧制御信号および実際角度信号を上述の制御方法に従い求めることによって、発電および送電システム全体の包括的な制御を実現できる、というものである。これによれば有利な手法で、ウィンドパークに接続されているすべての風力タービンが自律的な方式で、すなわち少なくとも１つの他の風力タービンとの通信による何らかのインタラクションに拠らずに、動作することができ、それによって上述の技術的課題４，６，７，９に関連する制御目標を達成することができる。
【００５２】
既述のコントローラコンフィギュレーションによれば、発電および送電システム全体は、複数の風力タービンを備えた１つのウィンドパークから成る。このウィンドパークには、既述の風力タービン、複数の風力タービンが発電した交流電力を収集する交流系統、高電圧直流送電系統、および交流補助送電系統が含まれている。この発電および送電システムが、所定の運転モードすなわちウィンドパークが高電圧直流送電系統のみを介して電力系統に接続されている運転モードにある場合、発電および送電システム全体を、高度に正確にかつ信頼性のある手法で制御可能である。
【００５３】
本発明のさらに別の観点によれば、風力タービンが設けられており、この風力タービンには、
ａ）少なくとも２つのロータブレードを備えた風車ロータを含む機械的な駆動トレインと、
ｂ）この駆動トレインと機械的に接続された発電機と、
ｃ）この発電機と電気的に接続された電力変換器と
が含まれている。この電力変換器は、
ｉ）発電機により供給される交流電力入力を整流する交流／直流発電機側ブリッジと、
ｉｉ）整流された交流電力入力を受け取る直流リンクと、
ｉｉｉ）直流リンクの直流電力を交流電力出力に変換する直流／交流系統側ブリッジと、
ｉｉｉｉ）上述の系統側ブリッジコントローラと
を有している。
【００５４】
この風力タービンが基礎とする着想とは、上述の系統側ブリッジコントローラによって風力タービンを、複数の他の（隣り合う）風力タービンも含むウィンドパークにおいて、自律的な方式で運転できる、というものである。つまり、それぞれ異なる風力タービン間において、もしくはそれぞれ異なる風力タービンの風力タービンコントローラ間において、コーディネートされた発電を可能にするために、相互間の通信は不要である。これによれば特に、上述の技術的課題４，６，７および／または９を効果的に扱うことができる。
【００５５】
本発明のさらに別の観点によれば、発電および送電システムが提供される。この発電および送電システムは、
ａ）複数の風力タービンを含むウィンドパークと、
ｂ）複数の風力タービンにより発電された交流電力を収集する交流系統と、
ｃ）交流系統から電力系統へ直流電力を送電するために、交流系統および／または電力系統と接続可能であって、少なくとも１つの高電圧直流ダイオード整流器と高電圧直流送電ケーブルと直流／交流変換器とを含む、高電圧直流送電系統と、
ｄ）電力系統と交流系統との間で、特に電力系統から交流系統へ、交流電力を送電するために、交流系統および／または電力系統と接続可能な交流補助送電系統と
を含む。風力タービンのうちの少なくともいくつかは、上述の風力タービンである。
【００５６】
この発電および送電システムが基礎とする着想は、複数の既述の風力タービンが、たとえ自律的な方式で運転されていても、技術的な観点から、高電圧直流送電系統を介した効率的かつ信頼性の高い高電圧直流送電に重要な寄与をもたらすことができる、というものである。本明細書で説明する複数の風力タービンを備えたウィンドパークによる発電の場合、公知の高電圧直流送電系統と対比すると、本明細書で説明する高電圧直流送電系統は、たとえばフルブリッジ電圧源変換器のために使用されるアクティブ制御型スイッチとは異なり、受動素子（ダイオード）であることから複雑さが低減された電力デバイスによって、実現することができる。つまり、既述の高電圧直流送電系統のために、特に大電力の交流／直流変換器を、公知の高電圧直流送電系統に使用される大電力の交流／直流変換器の設計と比べて、複雑さが抑えられ、小さくかつ軽量な設計で実現することができる。
【００５７】
本発明のさらに別の観点によれば、風力タービンの運転を制御するコンピュータプログラムが提供される。このコンピュータプログラムは、データプロセッサにより実行される場合、特に風力タービンコントローラおよび／または系統側ブリッジコントローラのデータプロセッサにより実行される場合、既述の制御方法を制御および／または実施するために適合されている。
【００５８】
本明細書においてコンピュータプログラムについての言及は、上述の方法の実行をコーディネートするためにコンピュータシステムを制御する命令を含むプログラムエレメントおよび／またはコンピュータ読み取り可能な媒体についての言及と等価であるものとする。
【００５９】
また、コンピュータプログラムを、任意の適切なプログラミング言語たとえばJAVA, C++などによりコンピュータ読み取り可能な命令コードとしてインプリメントすることができ、コンピュータ読み取り可能な媒体（リムーバブルディスク、揮発性または不揮発性のメモリ、埋め込み型メモリ／プロセッサ等）に記憶させておくことができる。この命令コードは、コンピュータまたは他の任意のプログラミング可能なデバイスをプログラミングして、意図する機能を実行させるように動作可能である。さらにコンピュータプログラムを、ワールド・ワイド・ウェブなどのようなネットワークから入手可能であり、そのようなネットワークからダウンロードしてもよい。
【００６０】
本発明を、コンピュータプログラムもしくはソフトウェアによって実現してもよい。ただし本発明を、１つまたは複数の特定の電子回路もしくはハードウェアによって実現してもよい。さらに本発明をハイブリッド形式として実現してもよく、すなわちソフトウェアモジュールとハードウェアモジュールの組み合わせとして実現してもよい。
【００６１】
ここで述べておくと、これまで本発明の実施形態を、それぞれ異なる主題を参照しながら説明してきた。特に、いくつかの実施形態については、方法の形式の請求項を参照しながら説明したのに対し、他の実施形態については、装置の形式の請求項を参照しながら説明した。ただし、当業者であれば上述の説明および以下の説明から読み取れるように、特段の記載がないかぎり、１つの形式の主題に属する複数の特徴の任意の組み合わせに加え、それぞれ異なる主題に関連する複数の特徴の任意の組み合わせ、特に方法の形式の請求項の特徴と装置の形式の請求項の特徴との任意の組み合わせも、本明細書に開示されているものとみなされる。
【００６２】
本発明の上述の観点およびさらに別の観点は、以下で説明する実施例から明らかにされ、それらについて実施例を参照しながら説明する。次に、実施例を参照しながら本発明についていっそう詳しく説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の１つの実施形態による複数の風力タービンを備えたウィンドパークを含む発電および送電システムを示す図
【図２】電力変換器と、この電力変換器の動作を制御するコントローラ装置とを備えた、図１に示したウィンドパークの風力タービンを示す図
【図３】回転ｄｑ基準フレームにおいて、ａ）変調された電圧Ｖｐｗｍと電圧制御信号ＶｄおよびＶｑとの関係を示す図
【図４】図１に示した高電圧直流送電系統の整流器を示す図
【図５】本発明の１つの実施形態に従い、図２に示した系統側ブリッジの動作を制御する系統側ブリッジコントローラを示す図
【図６】発電および送電システムの第１の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを含む系統側ブリッジコントローラの第１のコンフィギュレーションを示す図
【図７】発電および送電システムの第１の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを含む系統側ブリッジコントローラの第２のコンフィギュレーションを示す図
【図８】本発明の１つの実施形態に従い、発電および送電システムの第２の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを含む系統側ブリッジコントローラの第３のコンフィギュレーションを示す図
【図９】本発明のさらに別の実施形態に従い、発電および送電システムの第２の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを含む系統側ブリッジコントローラの第４のコンフィギュレーションを示す図
【図１０】本発明のさらに別の実施形態に従い、発電および送電システムの第２の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを含む系統側ブリッジコントローラの第５のコンフィギュレーションを示す図
【図１１】発電および送電システムの第３の運転モードにおいて用いられる、アクティブにされたコンポーネントを備えた系統側ブリッジコントローラの第６のコンフィギュレーションを示す図
【図１２】２つの風力タービンの集団的挙動を示す図
【００６４】
詳細な説明
図面に描かれた例示は概略的なものである。なお、ここで述べておくと、種々の図中、同様のまたは同一の要素または特徴には、同じ参照符号が付されているか、または最初の数字だけが対応する参照符号とは異なる参照符号が付されている。以前に説明した実施形態に関して説明済みの要素または特徴については、不必要な繰り返しを避けるため、以降の記載個所では再び説明しない。
【００６５】
図１には、複数の風力タービン１２０を備えたウィンドパーク１１０を含む発電および送電システム１００が示されている。ここで述べる実施形態ではオフショアに配置されているウィンドパーク１１０により発生された電気エネルギーは、高電圧直流送電系統１７０を介して、オンショアに配置された電力系統１９５へ送電される。
【００６６】
風力タービン１２０はグループで配置されており、各グループには１つのバスバー１１２が割り当てられている。ウィンドパーク１１０を例示した図の左側に矢印で示されているように、１つのバスバー１１２に接続される風力タービン１２０の個数は制限されていない。集電ストリングと呼ばれる場合もあるバスバー１１２各々は、回路遮断器１１４を介して交流送電系統１６０と接続されている。
【００６７】
ウィンドパーク１１０は、中央集中型のウィンドパークコントローラ（ＷＰＣ）１１８を有しており、これは制御ラインを介して、風力タービン１２０の各々１つと通信可能に接続されている。図１の場合、それらの制御ラインは、ウィンドパーク１１０内において破線で表されている。図１を不明確にしないようにする目的で、ウィンドパークコントローラ１１８と、最上段の分岐に属していない風力タービン１２０とを結ぶ破線は、途切れたかたちで示されている。途切れた部分の個々の終端点は、黒丸で表されている。なお、制御ラインもしくはそれらの制御ラインを介した相応のデータ転送は、有線のデータコネクションによって、またはワイヤレスのデータコネクションによって、実現することができる。
【００６８】
ウィンドパークコントローラ１１８は、ハイパフォーマンス・パーク・パイロット（High Performance Park Pilot, HPPP）・コントローラと呼ばれることもあり、このコントローラは、（図１には示されていない）個々の風力タービンコントローラすべての上位に位置するコントローラとして動作する。ウィンドパークコントローラ１１８は、個々の風力タービンコントローラを管理することによって、個々の風力タービン１２０の運転をコーディネートされたかたちで制御することができる。さらに、個々の風力タービン１２０への制御ラインを介して、ウィンドパークコントローラ１１８は、個々の風力タービン１２０に関する運転情報を収集することができ、適切な制御信号をそれぞれ固有の風力タービンコントローラへ伝送することができる。
【００６９】
発電および送電システム１００にはさらに、バスバー１６１と電力スイッチ１６２とを含む交流系統１６０が設けられている。バスバー１６１のところで、バスバー１１２により収集された電力がまとめられる。電力スイッチ１６２が閉じられていると、交流系統１６０は、以下で詳しく説明する高電圧直流送電系統１７０に接続される。
【００７０】
図１からわかるように、交流系統１６０にはさらにスイッチ１６３も含まれている。スイッチ１６３が閉じられると、オフショアの交流系統１６０は交流補助送電系統１６４と接続される。さらに図１からわかるように、交流補助送電系統１６４は、交流補助送電線またはアンビリカル交流ケーブル１６５を有しており、これによって、電力系統１９５と交流系統１６０ないしはウィンドパーク１１０との交流電力接続を、必要に応じて確立することができる。すでに述べたように、アンビリカル交流ケーブル１６５を介した送電は、ウィンドパーク１１０の少なくともいくつかの風力タービン１２０のスタートアップフェーズのために、信頼性のあるスタートアップ手順を可能にするには他の風力タービン１２０の発電が不十分である場合に、必要とされる可能性がある。
【００７１】
ここで示す実施形態によれば、交流補助送電系統１６４は、三相アンビリカル電力トランス１６７とスイッチ１６８とを備えており、このスイッチ１６８はスイッチ１６３と共に、交流補助送電系統１６４を介して、オフショア交流系統１６０をオンショア交流系統１９５と接続するために用いることができる。
【００７２】
さらに図１からわかるように、交流補助送電系統１６４は、特にウィンドパーク１１０から電力系統１９５へ送られる電力を測定する電力測定装置１６６を備えている。図１に示されているように、電力測定装置１６６をアンビリカル交流ケーブル１６５と接続する２つのラインを用いて、電圧測定と電流測定を行うことにより、それ相応の電力測定が公知の手法で実施される。電力測定値はウィンドパークコントローラ１１８へ転送され、ウィンドパークコントローラ１１８は、複数の風力タービン１２０の運転をコーディネートする際に、アンビリカル交流ケーブル１６５を介して送られる電力の実際のレベルを考慮する。
【００７３】
高電圧直流送電系統１７０は、複数の（本発明による図示の実施形態では３つの）ダイオード整流器電力用モジュール１７２を有しており、これらのモジュール１７２には各々、三相整流器１８０と個々の三相トランス１７４とが含まれている。ダイオード整流器電力用モジュール１７２は、供給された交流電力を直流電力に変換するために用いられる。これらのダイオード整流器電力用モジュール１７２は、上方のダイオード整流器電力用モジュール１７２における三相整流器１８０の１つの出力端子と、下方のダイオード整流器電力用モジュール１７２における三相整流器１８０の１つの出力端子との間で、電圧Ｕｄｃを有する直流電力が生じるように、接続されている。
【００７４】
すでに述べたように、ここで述べる実施形態によれば、ウィンドパーク１１０はオフショアに配置されている。同じことは、ダイオード整流器電力用モジュール１７２および電力スイッチ１６２，１６３についてもあてはまる。発電された電力をオフショアからオンショアに送電するために、高電圧直流送電ケーブル１７５が用いられる。オンショアにおいて高電圧直流送電系統１７０は、オンショア直流／交流変換器１７６およびトランス１７８を有しており、このトランス１７８は（電力スイッチ１７９が閉じられているときに）、結果として生じた交流電力を適切な位相および適切な振幅で、電力系統１９５へ供給する。
【００７５】
次に、図２を参照しながら、１つの風力タービン１２０の実現可能な構造設計について説明する。
【００７６】
例示した風力タービン１２０は、駆動軸２２８に取り付けられた風車ロータ２２２を有している。風車ロータ２２２は図示されていないハブを有しており、このハブのところに所定数のロータブレード、好ましくは３つのロータブレード２２４が取り付けられている。各ロータブレード２２４は、個々のロータブレード２２４のピッチ角を調節する目的で、その長手軸を中心にロータブレード調節システム２２６によって回転させることができる。風力タービンの基本原理によれば、ピッチ角は、全体として得られる風力から抽出される機械的なパワーに対する重要なパラメータである。
【００７７】
風力タービン１２０はさらに発電機２３０を含み、この発電機２３０は、駆動軸２２８によって駆動される発電機ロータ２３２を備えている。これに関連して述べておくと、ここに図示されている風力タービン１２０は、いわゆるダイレクトドライブ風力タービン１２０であり、風車ロータ２２２と発電機２３０との間に、発電機ロータ２３２と機械的に接続された別の駆動軸の回転速度を高めるために利用可能なギアボックスは、接続されていない。もちろん、ギアボックスを備えたコンフィギュレーションを有する風力タービンを使用してもよい。
【００７８】
発電機２３０は、巻線システムを備えたステータ２３４を有しており、このステータ２３４によって電力一般には三相電力が発生する。ステータ２３４の後段には、電力変換器２４０が接続されている。電力変換器２４０は、発電機（交流／直流）ブリッジ２４２を有しており、これは通常運転中は、直流（ＤＣ）リンク２４４に電力を供給する能動的な整流器として動作する。電力変換器２４０はさらに、系統側ブリッジ２４６を有しており、これは直流リンク２４４の直流電力を交流電力出力に変換する。ここに示す実施形態によれば、この交流電力は三相電流から成り、線路リアクトル２４７を介して昇圧トランス２４８へ供給される。昇圧トランス２４８の（電力）出力は、図１に示した個々のバスバー１１２へ供給される。
【００７９】
風力タービン１２０は、風力タービンコントローラ（ＷＴＣ）２５０を有しており、このコントローラによって制御される。風力タービンコントローラ２５０自体は、図１に示したウィンドパークコントローラ（ＷＰＣ）１１８によって制御される。有線またはワイヤレスの個々のデータコネクションは、図１に示されており、ブロック２５０から右に向かって延びた破線によって表されている。
【００８０】
図２に示されているように、風力タービン１２０のピッチコントローラ２５４は、風力タービンコントローラ２５０によって制御される。ピッチコントローラ２５４は、公知の手法でピッチ調節システム２２６の動作を制御し、このピッチ調節システム２２６は、風力タービン１２０の実際の運転状態に応じて、各ロータブレード２２４のブレードピッチ角を設定する役割を担っている。
【００８１】
さらに風力タービン１２０は、発電機側ブリッジコントローラ（ＧＢＣ）２５２と、系統側ブリッジコントローラ（ＮＢＣ）２５６とを有している。ここに示す実施形態によれば、系統側ブリッジコントローラ２５６は、風力タービンコントローラ２５０とダイレクトに通信可能に接続されているのに対し、発電機側ブリッジコントローラ２５２は、系統側ブリッジコントローラ２５６を介して、風力タービンコントローラ２５０と間接的に接続されている。さらに図２に示されているように、発電機側ブリッジコントローラ２５２は、パルス幅変調（ＰＷＭ）発生器（ＰＷＧ）２５１の動作を制御し、このパルス幅変調発生器２５１自体は、発電機２３０により供給される交流電力入力が直流電力に変換され、直流リンク２４４に供給されるように、６つのセットの発電機側ブリッジ２４２の半導体電力スイッチを駆動する。同様に、系統側ブリッジコントローラ２５６は、パルス幅変調発生器２５５の動作を制御し、このパルス幅変調発生器２５５自体は、直流リンク２４４により供給される直流電力出力が交流電力出力に変換され、トランス２４８へ供給されるように、系統側ブリッジ２４６の６つのセットの半導体電力スイッチを駆動する。オプションとしてパルス幅変調フィルタ２４９が設けられており、その目的は、パルス幅変調系統側ブリッジ２４６のスイッチング周波数の高調波成分を低減することである。
【００８２】
ここで述べておくと、本明細書全体を通して、ｄ軸の量（すなわち電圧および電流）とｑ軸の量をしばしば参照する。本明細書において説明するコントローラは、いわゆる同期回転ｄｑ基準フレーム内で制御信号を送出する。この場合、ｄｑ基準フレームは、電圧のｑ軸成分が交流電圧と同相となり、ｄ軸成分がｑ軸成分に対し垂直であるように、整列されている。
【００８３】
公知の制御パターンまたは制御アルゴリズムによれば、発電機側ブリッジコントローラ２５２によるパルス幅変調発生器２５１の制御、および特に系統側ブリッジコントローラ２５６によるパルス幅変調発生器２５５の制御は、同期回転ｄｑ基準フレーム内で実行される制御信号の信号処理に基づく。一般的に知られているように、このｄｑ基準フレームはｄｑ変換の結果により得られるものであり、つまりいわゆる静止ａｂｃ基準フレームのパーク変換またはクラーク変換である。静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの角速度ないしは回転周波数は、ω０によって与えられる。
【００８４】
バランス調整された三相の電気的な量（たとえば電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃおよび／または電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）の場合、ｄｑ変換を適用することによって、３つの交流の量が定常状態の２つの直流の量（たとえばＶｄ、Ｖｑおよび／またはＩｄ，Ｉｑ）に低減される。したがって、パルス幅変調発生器２５５のための実際の三相交流変調信号を取り出すために逆変換を実施する前に、ゼロ定常状態誤差を達成するために、ｄｑフレーム内で単純なＰＩコントローラを用いることができる。
【００８５】
図２に示されているように、２つの電圧量ＶｄおよびＶｑと角度θ０が、系統側ブリッジコントローラ２５６の出力制御信号であり、この出力制御信号によって、系統（直流／交流）ブリッジ２４６を駆動するパルス幅変調発生器２５５の動作が制御される。さらに図２に示されているように、これらの出力制御信号Ｖｄ，Ｖｑ，θ０は、以下の入力信号に基づき、系統側ブリッジコントローラ２５６によって計算され、もしくは求められる：
１）電力基準信号ＰｒｅｆＷＴ。この信号は、風力タービンコントローラ２５０によって供給され、風力タービン１２０により発電されると推定される電力を表す。
２）３つの電流フィードバック信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ。これらの信号は、系統側ブリッジ２４６の三相出力において適切な電流測定を行うことによって得られる。これらの信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは、系統側ブリッジ２４６の出力と線路リアクトル２４７とを相互に結線するノードにおける三相の低電圧（ＬＶ）の実際の電流を表している。
３）３つの電圧フィードバック信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ。これらの信号は、系統側ブリッジ２４６の三相出力において適切な電圧測定を行うことによって得られる。ここに示す実施形態によれば、フィードバック信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃは、風力タービンの線路リアクトル２４７と昇圧トランス２４８との間のノードのところで取得される。
【００８６】
これらの電流および電圧は、トランスデューサを介して測定され、この場合、トランスデューサの出力は、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）によってサンプリングされる。つまり、この個所および本明細書の他の個所でも用いられる用語「電流フィードバック信号」および「電圧フィードバック信号」とは、これらの電力用ハードウェアの変量を表すソフトウェア信号のことを指す。
【００８７】
これに関連して述べておくと、ここに示す実施形態によれば、発電機側ブリッジコントローラ２５２も、発電機２３０により供給される電圧と電流を表す相応のフィードバック信号を受け取る。ただし、図２を簡単にするため、個々のフィードバックループは描かれていない。
【００８８】
パルス幅変調発生器２５５は、ａ）系統側ブリッジ２４６の電圧出力において必要とされる電圧のレベルと位相を表す制御信号Ｖｄ，Ｖｑと、ｂ）系統側ブリッジ２４６の電圧出力において必要とされる周波数を表す角度θ０とを受け取る。パルス幅変調発生器２５５は、受け取ったこれらの入力変量に基づき、（ＩＧＢＴ）半導体スイッチのために必要とされるスイッチングパターンを計算し、これによって、平方根（Ｖｑ＾２＋Ｖｄ＾２）の大きさと、系統側ブリッジ出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃに対し相対的な角度θｄとを有する、バランス調整された基本周波数の電圧から成る三相のセットが実現される。本明細書では、この角度θｄのことを負荷角と称する。この負荷角θｄは、系統側ブリッジによりパルス幅変調された出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃと、回転ｄｑ基準フレーム（これはバスバー１１２における実際の電圧に合わせて整列されている）との間の角度差を表す。定常状態運転中、負荷角θｄは一定のまま留まることになる。
【００８９】
系統側ブリッジ２４６の６つの電力用半導体スイッチのパルス幅変調スイッチング時間を計算するために、サインの三角比または空間ベクトル変調などのような標準的な工業技術を利用することができる。この種のパルス幅変調は当業者によく知られているので、本明細書ではこれ以上詳しくは説明しない。なお、系統側ブリッジ２４６とは独立して動作する発電機側ブリッジ２４２のためにも、それ相応のパルス幅変調が必要とされる。このため、発電機側ブリッジコントローラ２５２により制御される独立したパルス幅変調発生器２５１が設けられている。ここに示す実施形態によれば、発電機側ブリッジコントローラ２５２自体は、系統側ブリッジコントローラ２５６を介して風力タービンコントローラ２５０により間接的に制御される。
【００９０】
さらに述べておくと、交流（電力）系統１６０に入る電力潮流は、系統側ブリッジ２５６の出力ノードにおける送電端電圧と、バスバー１６１における受電端電圧との間の関係によって定義される。電気的には、各風力タービン１２０は並列に接続されており、このことでまさに実現できるのは（おおいに可能性が高く、かつ必要であるのは）、各風力タービン１２０を、隣り合う風力タービン１２０の系統側ブリッジ２５６の負荷角θｄとの差である負荷角θｄによって動作可能にすることである。
【００９１】
公知の制御手順によれば、パルス幅変調発生器２５５は、バランス調整された三相の電圧セットを変調する。この場合、ｑ軸電圧成分Ｖｑは、バスバー１１２における交流電圧（たとえば６６ｋＶ）と公称的には同相であり、ｄ軸電圧成分Ｖｄは、バスバー１１２における交流電圧に対し直角位相である、この交流電圧の成分を規定する。θ０は、周波数ω０における実際の回転角度である。したがって、回転ｄｑ基準フレームにおいてＶｄとＶｑのベクトル和により規定される変調された電圧Ｖｐｗｍと、バスバー１１２における交流電圧との間の負荷角θｄは、上述のように逆正接（Ｖｄ／Ｖｑ）により規定される。図３には、この関係が示されている。
【００９２】
以上、要約すると、風力タービン１２０からバスバー１１２への交流電力潮流は、Ｖｐｗｍとバスバー１１２における交流電圧との間の電圧角度θｄの変調により制御される。図３からわかるように、量Ｖｄによってこの角度θｄが規定されている。
【００９３】
図４には、整流器１８０の詳細が示されている。一般に６つの制御可能な大電力用半導体スイッチを備えている交流／直流電力変換器とは対照的に、整流器１８０は、受動的な電力用コンポーネントである電力用ダイオード４８２を備えているだけである。図４からわかるように、整流器１８０は３つのハーフブリッジを有しており、これらのハーフブリッジ各々は、２つの直流出力端子の間に接続されている。これら２つの出力端子の間に、出力電圧Ｕｄｃが生じる。各ハーフブリッジはそれぞれ、２つの電力用ダイオード４８２の直列接続を含んでいる。各ハーフブリッジの２つの電力用ダイオード４８２の間の中間ノード（これには参照符号が付されていない）のところに、整流器１８０に供給される三相交流電力の１つの相が加わる。
【００９４】
図５には、本発明の１つの有利な実施形態による系統側ブリッジコントローラ（ＮＢＣ）２５６が示されている。この系統側ブリッジコントローラ２５６は、図２ですでに示したものである。ただし、以下の説明において参照符号の割り当てを容易にする目的で、ここでは系統側ブリッジコントローラ２５６を、参照符号５０００でも表すことにする。
【００９５】
この個所で改めて述べておくと、本明細書で説明する系統側ブリッジコントローラ５０００は、以下で挙げる複数の技術的課題を解決する能力がある。それらの技術的課題は、オフショアの整流器をベースとする高電圧直流送電系統１７０によって引き起こされるものであり、この場合、電力は、オフショアウィンドパーク１１０からオンショア交流電力系統へ、（複数の直列接続された）非制御型の受動的なオフショア高電圧直流ダイオード整流器１８０によって送電される。特に、いわゆる高電圧直流整流器モード（すなわちアンビリカル交流ケーブル１６５は接続されていない）のみで運転が行われるとき、唯一のオフショア電圧源は、各風力タービン１２０の系統側（直流／交流）ブリッジ２４６であり、したがってオフショア交流系統１６０の電圧と周波数を、複数の自律的な風力タービン１２０のアクションによって定義し、制御しなければならず、この場合には特に、それらの系統側（直流／交流）ブリッジ２４６は、コーディネートされて動作する。
【００９６】
したがって無風状態の場合には、たとえば次のスタートアップフェーズにおいて適正な運転を可能にする目的で、たとえば周囲環境コントロールシステム、航空機警告灯、監視コンピュータなど風力タービン１２０内部の補助システムに、電力を給電する必要がある。ダイオード整流器１８０では双方向の電力潮流が不可能なので、この電力は、アンビリカル送電系統１６４のアンビリカル交流ケーブル１６５を介して給電する必要がある。この交流ケーブル１６５は、ウィンドパーク１１０全体の電力定格のたとえば３％の電力定格を有している。
【００９７】
これに関連して述べておくと、以下ではウィンドパーク１１０はオフショアに配置されているものとする。ただし、これは本明細書で説明する技術的な解決手段の唯一の用途ではない。同様に考えられるのは、遠隔地のオンショアウィンドパークのためにも、および／またはオンショアウィンドファームを含む島と本土との相互接続としても、この解決手段を利用できる、ということである。
【００９８】
以下では特に、非制御型の受動的なオフショアダイオード整流器１８０の使用に起因する技術的課題（ＴＩ）について述べる。これらの技術的課題は、システム１００全体の種々の運転モード（ＯＭ）に関連するものである。詳細には、以下の手段が必要とされる。すなわち、
技術的課題１：
ウィンドパーク１１０がアンビリカル送電系統１６４のみを介して交流電力系統１９５と接続されているとき（第１の運転モード）、局所的な風力タービンの電力要求を満たす目的で、個々の風力タービン１２０内の電力潮流を制御する手段。
技術的課題２：
第１の運転モードにおいて、交流系統１６０における複数の自律的な風力タービン１２０から集められた電圧を制御する手段。
技術的課題３：
第１の運転モードにおいて、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流を制御する手段。
技術的課題４：
ウィンドパーク１１０が、高電圧直流送電系統１７０のみを介して交流電力系統１９５と接続されているとき（第２の運転モード）、複数の自律的な風力タービン１２０から高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流を制御する手段。
技術的課題５：
ウィンドパーク１１０が、高電圧直流送電系統１７０とアンビリカル送電系統１６４の両方を介して、交流電力系統１９５と接続されているとき（第３の運転モード）、複数の自律的な風力タービン１２０からアンビリカル送電系統１６４へ流れる電力潮流を制御する手段。
技術的課題６：
アンビリカル送電系統１６４の状態（すなわちアクティブか非アクティブか）にかかわらず、ウィンドパーク１１０が、高電圧直流送電系統１７０を介して交流電力系統１９５と接続されているとき（第２の運転モード、第３の運転モード）、交流系統１６０において、自律的であるがコーディネートされている複数の風力タービン１２０から集められた総電圧を制御する手段。
技術的課題７：
ａ）オフショアシステム１１０，１１４，１６０全体のすべての誘導素子および容量素子によって、およびｂ）ダイオード整流器電力用モジュール１７２によって、必要とされる無効電力全体を、すべての風力タービン１２０を用いて等しく第２の運転モードのために供給する手段。
技術的課題８：
オフショアシステム１１０，１１４，１６０全体のすべての誘導素子および容量素子によって必要とされる無効電力全体を、アンビリカル交流送電系統１６４および／またはすべての風力タービン１２０から、等しく第１の運転モードのために供給する手段。これに関連して述べておくと、第１の運転モード中、アンビリカル交流送電系統１６４は、無効電力バランス調整を提供することができ、つまり無効電力のシンク／ソースとして動作可能である。
技術的課題９：
ウィンドパーク１１０と高電圧直流ダイオード整流器１８０とから成るシステムの周波数を、第２の運転モードのための基準値に合わせて制御する手段。
【００９９】
図５からわかるように、系統側ブリッジコントローラ５０００は、複数のサブユニット（すなわちコントローラユニット、信号処理ユニット、計算ユニット等）を有しており、これらのサブユニットを、上述の技術的課題１、技術的課題２および技術的課題３を解決するために、実際の運転モードに応じてそれぞれ選択的にアクティブにすることができる。
【０１００】
特に系統側ブリッジコントローラ５０００は、電圧、電流および／または電力のフィードバックユニット５１００を有しており、このユニット５１００は、図２からもわかるように、ｉ）電流フィードバック信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃおよび／またはｉｉ）電圧フィードバック信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを受け取る。さらにフィードバックユニット５１００の入力信号は、ｉｉｉ）回転ｄｑ基準フレームの角速度ないしは回転周波数ω０、およびｉｖ）ｄｑ基準フレームの回転角度θ０である。これらの入力信号の適切な選択に基づき、電圧、電流および／または電力のフィードバックユニット５１００は、以下を計算する。すなわち、
ａ）電圧フィードバック信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃによって表されるフィードバック電圧のレベル｜Ｖｆｂ｜、
ｂ）有効電力フィードバック信号Ｐｆｂ、
ｃ）無効電力フィードバック信号Ｑｆｂ、および
ｄ）電流フィードバック信号ＩｑｐｆｂおよびＩｄｐｆｂ。
電流フィードバック信号Ｉｑｐｆｂは、電流の正相実数成分を表す。電流フィードバック信号Ｉｄｐｆｂは、電流の正相無効電力成分を表す。
【０１０１】
系統側ブリッジコントローラ５０００はさらに、電力基準選択ブロック５１３０を有している。このブロック５１３０は、ｉ）図２に示した風力タービンコントローラ２５０から電力基準信号ＰｒｅｆＷＴを受け取り、ｉｉ）直流リンク電圧コントローラから別の電力基準信号ＰｒｅｆＶｄｃＣｔｒｌを受け取る。直流リンク電圧コントローラは、風力タービン１２０が、いわゆる電圧制御モード（Ｖモード）で運転しているときに使用されることになる。このモード中、発電機側ブリッジ２４２はディスエーブル状態にあり、風力タービン１２０は電力を発生せず、むしろ風力タービン１２０は、交流電圧コントローラとして動作する。そのように動作させる目的で、電力変換器２４０の直流リンク２４４にエネルギーを供給し、基準に合わせて制御する必要があり、これは既述の直流リンク電圧コントローラによって行われ、このコントローラは信号ＰｒｅｆＶｄｃＣｔｒｌを出力する。
【０１０２】
ＰｒｅｆＷＴまたはＰｒｅｆＶｄｃＣｔｒｌに基づき、電力基準選択ユニット５１３０は、修正された電力基準信号Ｐ*ｃｏｎｖを求める。この信号は、たとえばフィルタアクション、ランプ制限などの適切な信号処理手順によって修正された電力基準を表している。
【０１０３】
さらに系統側ブリッジコントローラ５０００は、無効電力ドループゲインユニット（Ｑ Ｄｒｏｏｐ）５１６０を有しており、図５に示されているようにこのユニット５１６０は、無効電力フィードバック信号Ｑｆｂを受け取り、周波数修正信号ωＱを出力する。以下で説明するように、この周波数修正信号ωＱによって、ここで述べる制御手順に使われる周波数基準信号ωｒｅｆが効果的に修正され、特に低減される。周波数基準信号ωｒｅｆをたとえば、風力タービンコントローラ２５０によって供給することができ（図２参照）、および／またはウィンドパークコントローラ１１８によって供給することができる（図１参照）。
【０１０４】
さらに図５に示されているように、系統側ブリッジコントローラ５０００は、電圧コントローラ（ＶＣ）５２００、電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、周波数コントローラ（ＦＣ）５２６０、および図１に示したアンビリカル送電系統１６４のためのアンビリカル電力コントローラ（ＰＣ ｕｍｂ）５２８０を有している。電圧コントローラ５２００、電力コントローラ５２４０、周波数コントローラ５２６０、および／またはアンビリカル電力コントローラ５２８０を、たとえば比例積分（ＰＩ）コントローラとしてもよい。
【０１０５】
次に、これらのブロックの動作について説明する。
【０１０６】
ここに示す実施形態によれば、電圧コントローラ５２００は２つの信号を受け取る。第１の信号は、電圧、電流および／または電力のフィードバックユニット５１００により供給されるフィードバック電圧のレベル｜Ｖｆｂ｜である。第２の信号は、ｉ）風力タービンコントローラ２５０により供給可能な基準電圧（信号）または目標電圧Ｖ*と、ｉｉ）以下で説明する周波数ドループ電圧信号Ｖｆｄｒｏｏｐとの和である。信号｜Ｖｆｂ｜と、Ｖ*とＶｆｄｒｏｏｐの和とに基づき、電圧コントローラ５２００は、電圧コントローラ（ＶＣ）信号Ｖｑｐａｃを導出し、この信号Ｖｑｐａｃはｄｑ基準フレームにおいて、パルス幅変調発生器２５５のためのＱ軸電圧制御信号Ｖｑの一部分を成す。
【０１０７】
電力フィードフォワードユニット５２２０は、信号Ｐ*ｃｏｎｖおよびＩｑｐｆｂ，Ｉｄｐｆｂに基づき、電力フィードフォワード電圧信号ＶｄｐＸＣを求め、この信号ＶｄｐＸＣはｄｑ基準フレームにおいて、パルス幅変調発生器２５５のためのＤ軸電圧制御信号Ｖｄの一部分を成す。ＶｄｐＸＣの技術的な意義については、あとで説明する。
【０１０８】
電力コントローラ５２４０は、信号Ｐ*ｃｏｎｖとＰｆｂとに応答して、電力コントローラ（ＰＣ）周波数信号ωＰＣを求め、この信号ωＰＣは（高電圧直流電力コントローラ５３５０を介して間接的に）、パルス幅変調発生器２５５のためのＱ軸電圧制御信号Ｖｑに寄与する。電力コントローラ５２４０はさらに、やはり信号Ｐ*ｃｏｎｖとＰｆｂとに応答して、電力コントローラ（ＰＣ）電圧信号ＶｄｐＰＣを求める。この信号ＶｄｐＰＣは、上述の電力フィードフォワード電圧信号ＶｄｐＸＣに加算され、その結果として得られた相応の和は、パルス幅変調発生器２５５のためのＤ軸電圧制御信号Ｖｄを表す。この信号の技術的な意義について述べると、ＶｄｐＰＣは、電力誤差の導関数を表すＤ軸電圧制御信号Ｖｄの１つの成分である。ＶｄｐＰＣは、電力コントローラの動的応答を改善するように動作し、これによって風力タービン１２０の制御応答全体に対する有利な減衰がもたらされる。
【０１０９】
周波数コントローラ５２６０は、上述の周波数信号ω０（すなわち回転ｄｑ基準フレームの角速度もしくは回転周波数）と、周波数修正信号ωＱと周波数基準信号ωｒｅｆとの和とに基づき、周波数コントローラ周波数信号ωＦＣを求める。この信号の技術的な意義について述べると、ωＦＣは、オフショアシステムをその周波数基準に戻す目的で、緩慢な時定数で動作しかつすべての風力タービン１２０内で同時に動作する周波数の１つの成分である。周波数コントローラ周波数信号ωＦＣは、オフショアシステムの電力潮流全体を修正することなく、周波数ω０全体を所望の基準に合わせて制御するように動作する。
【０１１０】
アンビリカル電力コントローラ５２８０は、２つの入力信号を受け取る。第１の入力信号は、アンビリカル送電系統１６４を介した所望の電力潮流に対応する電力基準信号Ｐｕｍｂ*である。第２の入力信号は、アンビリカル送電系統１６４を介した実際の電力潮流に対応する電力フィードバック信号Ｐｕｍｂｆｂである。これら２つの入力信号ＰｕｍｂｆｂおよびＰｕｍｂ*に基づき、アンビリカル電力コントローラ５２８０は２つの出力信号を求める。第１の出力信号は、アンビリカル送電系統１６４における実際の電力誤差を表す周波数信号ωｕＰＣである。特に、周波数信号ωｕＰＣは、２つの入力信号ＰｕｍｂｆｂとＰｕｍｂ*との差を表す。第２の出力信号は、アンビリカル負荷角信号θｕＰＣである。
【０１１１】
２つの制御信号ωｕＰＣとθｕＰＣとの結合作用は、オフショアの電気系統全体すなわちオフショア交流系統１６０とウィンドパーク１１０の位相角を、オンショアの電気系統すなわち交流電力系統１９５に関連させて変化させることである。このようにすることで、アンビリカル送電系統１６４もしくはアンビリカルケーブル１６５を介した電力潮流が制御される。第３の運転モード中、このコントローラはアクティブであり、すべての風力タービン１２０において同時に動作する。θｕＰＣは実質的に、アンビリカル送電系統内の電力誤差の導関数であり、アンビリカル電力コントローラ５２８０の動的応答を改善するように動作する。
【０１１２】
さらに図５に示されているように、系統側ブリッジコントローラ５０００は周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）５３２０を有しており、このユニットは、電力コントローラの信号ωＰＣを受け取り、周波数ドループ電圧信号Ｖｆｄｒｏｏｐを出力する。
【０１１３】
信号Ｖｆｄｒｏｏｐの技術的な意義は、発電および送電システム１００全体が第１の運転モードで動作しているとき、すなわちウィンドパーク１１０が、アンビリカル送電系統１６４のみを介して交流電力系統１９５と接続されているとき、関連するすべての風力タービン１２０の間で無効電力の共有を達成することである。無効電力フィードバック信号Ｑｆｂが上昇すると（無効電力ドループゲインユニット５１６０を介した）周波数修正信号ωＱが上昇し、さらにそのことによって電力コントローラ周波数信号ωＰＣが減少し、周波数ドループゲインユニット５３２０を介して、Ｑ軸電圧制御信号Ｖｑが減少する。したがって、Ｑ軸電圧制御信号Ｖｑが減少したことから、無効電力が減少する。
【０１１４】
この点で考慮しなければならないのは、ωＱの上昇によりバスバー１１２における電圧の周波数が上昇することである。その結果、負荷角θｄが大きくなり、さらにこれによって（個々の風力タービン１２０からバスバー１１２へ向かう）電力潮流が増加する。電力コントローラ５２４０は、その出力ωＰＣを低減することで、この作用に対抗するように動作する（ωＰＣは負になってもよい）。ωＰＣがこのように減少することによって、周波数ドループゲインユニット５３２０によって形成されるＶｆｄｒｏｏｐが減少することになり、この信号はＱ軸電圧制御信号Ｖｑの成分を表す。したがって、無効電力フィードバック信号Ｑｆｂの上昇に応答して、出力電圧を低減させた風力タービン１２０が、局所的に生じるようになる。このメカニズムによって、風力タービン１２０は定常状態で無効電力の共有を達成する。
【０１１５】
さらに系統側ブリッジコントローラ５０００は、高電圧直流送電系統１７０のために高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）５３５０を備えている。高電圧直流電力コントローラ５３５０は、電力コントローラ周波数信号ωＰＣを受け取り、高電圧直流電力コントローラ電圧信号Ｖｑｐｄｃを出力する。オプションとして、高電圧直流電力コントローラ５３５０は、電力コントローラ周波数信号ωＰＣを適切な基準信号と比較し、この比較の結果から出力電圧信号Ｖｑｐｄｃを発生させる。好ましくはこの比較において、適切な基準信号と電力コントローラ周波数信号ωＰＣとの差が求められる。
【０１１６】
出力電圧信号Ｖｑｐｄｃは、電力コントローラ５２４０の出力ωＰＣに比例する電圧の項である。換言すれば、図５からわかるように、高電圧直流電力コントローラ５３５０は、この電圧成分Ｖｑｐｄｃを加えてＱ軸電圧制御信号Ｖｑを修正し、それによって図１に示したオフショア交流系統１６０の電圧レベルを上昇または低下させるように動作する。高電圧直流電力コントローラ５３５０は、第２の運転モードおよび第３の運転モードにおいて作動し、電力コントローラ５２４０の出力ωＰＣに基づき動作して、オフショア交流系統１６０の電圧を修正し、そのようにして高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流を制御する。電力誤差と電圧レベルとのこのような連携によって、風力タービン１２０全体が集団的手法で、ａ）風力タービン１２０からオフショア交流系統１６０へ流れる電力潮流と、ｂ）高電圧直流送電系統１７０の高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流とを、バランス調整できるようになる。
【０１１７】
ここに示す実施形態によれば、電圧制御信号Ｖｑは、信号Ｖｆｄｒｏｏｐ，ＶｑｐｄｃおよびＶｑｐａｃの和から得られる。
【０１１８】
さらに電圧制御信号Ｖｄは、信号ＶｄｐＸＣとＶｄｐＰＣの和から得られる。これに関連して述べておくと、Ｄ軸電圧制御信号Ｖｄは、図２に示した系統側ブリッジ２４６と図１に示したバスバー１１２もしくはオフショア交流系統１６０との間で必要とされる電力潮流を形成するために、図２に示した風力タービン１２０の線路リアクトル２４７とトランス２４８の両端において必要とされる電圧降下を表す。したがって、線路リアクトル２４７とトランス２４８の電気的な特性が既知であれば、この電力潮流を形成するためにこれらのコンポーネント両端において必要とされる定常状態電圧を計算することができる。これが電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０の目的である。信号ＶｄｐＸＣは、定常状態中、Ｄ軸電圧制御信号Ｖｄに主として寄与することになる。
【０１１９】
最後に重要なことを述べておくと、系統側ブリッジコントローラ５０００は、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０を有しており、このユニット５３８０は、上述の角度θ０（すなわち回転ｄｑ基準フレームの実際の角度）を表す信号を計算する。
【０１２０】
厳密に述べると、ここで述べるθ０は、静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの角度の回転部分であり、これは、変調された電圧と静止ａｂｃフレームとの間の角度を規定する逆正接Ｖｄ／Ｖｑによって定められる負荷角θｄである（図３参照）。ただし、測定／コンポーネントの公差等に起因してシステム内に生じる何らかの誤差が、ωＰＣの過渡的な成分によって最後には補償される可能性もある。
【０１２１】
図５からわかるように、ここに示す実施形態によれば、信号「θ０」は、上述の入力信号ωＱ，ωＰＣ，ωＦＣおよびθｕＰＣに応答して求められる。さらにここに示す実施形態によれば、θ積分器ユニット５３８０は、上述の入力信号の少なくともいくつかに応答して、既述の信号ω０（すなわち回転ｄｑ基準フレームの角速度ないしは回転周波数）を出力する。
【０１２２】
この個所で述べておくと、上述の信号の少なくともいくつかと、以下で述べる信号の少なくともいくつかは、アナログ（電圧）信号であってもよいし、別の選択肢として、相応の制御量のディジタル表現を成すディジタル信号であってもよい。
【０１２３】
上述の通り、系統側ブリッジコントローラ５０００を、種々の運転モード（ＯＭ）および／または上述の種々の技術的課題（ＴＩ）に対し、適切な手法でパルス幅変調発生器２５５を制御するために、用いることができる。これら種々の運転モードおよび／または技術的課題に関連する要件を満たす目的で、系統側ブリッジコントローラ５０００内部の所定のコンポーネントおよび／または信号コネクションを、アクティブもしくは非アクティブにすることができる。
【０１２４】
次に、系統側ブリッジコントローラ５０００の様々なコンフィギュレーションについて、図６〜図１０を参照しながら、上述の技術的課題のいくつかにそれぞれ関連させて説明する。
【０１２５】
図６には、系統側ブリッジコントローラ５０００の第１のコンフィギュレーション６０００が示されている。この図には、発電および送電システム１００の第１の運転モードＯＭ１において、電力および電圧の制御要件を満たす目的で用いられる場合にアクティブにされる、系統側ブリッジコントローラ５０００のコンポーネントないしはブロックが描かれている。換言すれば、図６には、第１の運転モード中、アクティブであるコントローラコンポーネントが示されており、それらのコンポーネントは、局所的な電力要求がその基準を満たすようにし（その基準に合わせて制御し）、技術的課題１および技術的課題２として先に挙げた基準に合わせて電圧が制御されることを保証する。
【０１２６】
既述のように、この運転モードＯＭ１中、ウィンドパーク１１０は、アンビリカル送電系統１６４を介してのみ、交流電力系統１９５と接続されている。つまり、高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流はない。
【０１２７】
技術的課題１，２，３の解決に必要とされる第１のコンフィギュレーション６０００のアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、電圧コントローラ（ＶＣ）５２００、電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０、周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）５３２０、およびθ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０が含まれている。図５のところですでに挙げた制御信号に加えて、このコンフィギュレーション６０００では制御信号ωＮｏｍが用いられる。この制御信号ωＮｏｍは、交流系統１６０の公称周波数である。発電および送電システム１００全体のロケーションに応じて、ωＮｏｍをたとえば５０Ｈｚ（たとえばヨーロッパ、アジアなど）としてもよいし、６０Ｈｚ（たとえば北アメリカ）としてもよい。
【０１２８】
この個所で述べておくと、コンフィギュレーション６０００は、周波数コントローラ（ＦＣ）５２６０もアンビリカル電力コントローラ（ＰＣ ｕｍｂ）５２８０も使用しない。高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流がないことから、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流を制御する必要がない。なぜならば交流系統１６０は、（一般の電力需要者のように）電力系統１９５に接続されているにすぎないからである。
【０１２９】
次に、上述の技術的課題１，２，３を、系統側ブリッジコントローラ５０００の図６に示されているコンフィギュレーション６０００を用いて、どのようにして有利な手法で取り扱うことができるのか、について説明する。
【０１３０】
技術的課題１：個々の風力タービン１２０各々の電力制御
第１の運転モード中、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０によって、風力タービン各々において電力が制御される。電力コントローラ５２４０は、図２に示した風力タービンコントローラ（ＷＴＣ）２５０から（図５に示した電力基準選択ブロック５１３０を介して）、修正された電力基準信号Ｐ*ｃｏｎｖを受け取る。さらに電力コントローラ５２４０は、有効電力フィードバック信号Ｐｆｂを受け取る。入力信号Ｐ*ｃｏｎｖおよびＰｆｂに応答して、電力コントローラ５２４０は、パルス幅変調発生器２５５のための電圧制御信号のＤ軸成分Ｖｄの一部分を求めて出力する。この部分は、上述の（図５の説明参照）電力コントローラ電圧信号（ＶｄｐＰＣ）であり、これは電力誤差の導関数を表している。Ｖｄの他の部分は、上述の電力フィードフォワード電圧信号ＶｄｐＸＣによって定められ、これは電力フィードフォワード（ＦＦ）ブロック５２２０によって供給される。電力コントローラ５２４０は、電力コントローラ周波数信号ωＰＣも出力し、この信号ωＰＣは、周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）５３２０を介して、パルス幅変調発生器２５５の電圧制御信号のＱ軸成分Ｖｑの一部分に寄与する。図６に示されているように、この部分は電圧コントローラ５２００の出力Ｖｑｐａｃに加算され、Ｑ軸電圧要求Ｖｑ全体がパルス幅変調発生器２５５に供給される。さらに電力コントローラ５２４０から出力された電力コントローラ周波数信号ωＰＣは、（電力系統１９５の周波数に相当する）交流系統１６０の公称周波数ωＮｏｍに加えられる。電力コントローラ周波数信号ωＰＣとωＮｏｍとの和が、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０へ供給され、このユニットは、コントローラ周波数を積分して、パルス幅変調発生器２５５のための角度基準θ０を生成する。パルス幅変調発生器２５５は、系統側（直流／交流）ブリッジ２４６のために、適切なパルス幅変調パルスパターンを生成する。交流系統１６０内において、各風力タービン（ＷＴ）１２０は、自身の固有の局所的な電力基準ＰｒｅｆＷＴを満たそうと試みる。この電力基準ＰｒｅｆＷＴによって、交流系統１６０のバスバー１６１における電圧（たとえば６６ｋＶ）に対し、その系統側ブリッジ２４６の出力電圧の電圧および角度が制御される。 ここに示す実施形態によれば、電力コントローラ５２４０は比例積分（ＰＩ）コントローラであって、このコントローラは以下のように動作することができる。すなわち、
ｉ）風力タービン１２０からの電力潮流を増加する目的で、交流系統１６０の周波数を上昇させ、つまりはバスバー１６１の電圧と、系統側ブリッジ２４６の出力電圧との間の角度を大きくする。または、
ｉｉ）電力潮流を低減する目的で、交流系統１６０の周波数を低下させ、つまりはバスバー１６１の電圧と、系統側ブリッジ２４６の出力電圧との間の角度を小さくする。
【０１３１】
ウィンドパークないしはオフショアシステム１１０は実際上、複数の制御された電圧源から成るので（すなわち各風力タービンは１つの制御された電圧源として動作するので）、いずれか１つの風力タービン１２０が自身の電力潮流を変化させるように動作すると、バスバー１６１における電圧の実際の角度が変化し、したがってウィンドパーク１１０の風力タービン１２０へ流れる電力潮流が変化することになり、それらの風力タービンの局所的な電力コントローラはこれに応答して、それらの局所的な電力基準を再び満たすようにする。
【０１３２】
このような集団的挙動を理解できるようにするため、この個所では図１２を参照する。図１２で考察されているのは、２つの風力タービンＷＴ１およびＷＴ２から成るシステムであって、これら両方の風力タービンは、同じアンビリカル送電系統を介して交流電力系統と接続されている。風力タービンＷＴ１が、たとえば時点ｔ＝Ｔ１のときに３ＭＷで動作している場合、バスバーの角度（バスバー１６１における電圧Ｖｂｂと、アンビリカル送電系統１６４の電圧Ｖｕｍｂとの間の角度）はβ１で示されている。風力タービンＷＴ２がｔ＝Ｔ１のときに０ＭＷで動作しているならば、そのパルス幅変調電圧は、Ｖｂｂ＠Ｔ１と一致していなければならず、これはＷＴ２＠Ｔ１として示されている。ついでｔ＝Ｔ２のとき、風力タービンＷＴ１が自身の電力発生を１．５ＭＷに低減させたならば、バスバー電圧Ｖｂｂは、Ｖｕｍｂに対する位相をβ２に変化させ、したがって風力タービンＷＴ２は、この電圧ベクトル角度の変化に応答して、ゼロ電力を小さく維持しなければならない。これは、個々のタービン各々の電力コントローラ５２４０の動的な制御応答である。この場合、電力コントローラ５２４０は、ａ）オフショア交流系統１６０に向かう個々の電力潮流を制御し、ｂ）ウィンドパーク１１０全体の定常状態運転条件を確立し、これによって各風力タービン１２０の個々の電力要求が満たされる。コントローラ５０００のコンフィギュレーション６０００によって、風力タービンＷＴ１の電力変化に対して必要とされる風力タービンＷＴ２の動的応答を、実現することができる。
【０１３３】
この点に関して考慮しなければならないのは、個々の風力タービンは自身の固有のマイクロプロセッサとクロックを有しており、これはいずれにせよ、ウィンドパークの他の風力タービンとは同期していない、ということである。したがって電力コントローラ５２４０に要求されるのは、Ｖｕｍｂないしはアンビリカルトランス１次電圧のバスバー（これはこの説明の趣旨では無限大のバスバーとみなせる）に対する絶対的な電圧角度を修正する目的で、（電力コントローラ周波数信号ωＰＣを介して）局所的な任意の基準周波数を修正することである。
【０１３４】
つまりこれについて説明しておくと、コンフィギュレーション６０００において電力コントローラ５２４０は、局所的な電力基準を満たすために用いられるのである。さらにコントローラ５０００は、著しく脆弱な交流電気系統において動作する。システム周波数の測定もないし、コントローラ５０００は、電流制御パターンのように、その内部的なｄｑ基準フレームを交流電圧と同期させようとはしない。これは、系統側ブリッジ２４６の出力電圧を交流系統１６０の電圧信号に適正に合わせて保持する、という電力コントローラ５２４０のアクションである。これにより得られる利点は、同じ電力コントローラ５２４０がアンビリカル交流モードと高電圧直流ダイオード整流器モードの両方の動作のために用いられる、ということから、コントローラが「単純になる」ということである。
【０１３５】
技術的課題２：交流系統１６０の電圧制御
第１の運転モード中、ウィンドパーク１１０が、アンビリカル送電系統１６４のみを介して電力系統１９５と接続されているとき、ａ）交流系統１６０の電圧も、実質的にｂ）ウィンドパーク１１０内のバスバー１１２の電圧も、電圧コントローラ５２００のアクションによって制御される。風力タービン１２０の風力タービンコントローラ２５０は、風力タービン１２０の風力タービンコントローラ２５０は、ｉ）ウィンドパークコントローラ（ＷＰＣ）１１８から電圧基準信号を受け取るか、または適切な一定の局所的電圧基準を有しており、さらにｉｉ）局所的な電圧フィードバックを表す信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを受け取る。これらの局所的な電圧フィードバックは、図２に示されているように、線路リアクトル２４７と昇圧トランス２４８との間に延在するいわゆる「低電圧バスバー」における局所的な電圧測定から得られる。この場合、電圧コントローラ５２００は、パルス幅変調発生器２５５に供給されるＱ軸電圧制御信号Ｖｑの一部分を成す電圧コントローラ（ＶＣ）信号Ｖｑｐａｃを導出する。ここに示す実施形態によれば、電圧コントローラ５２００は、図５および図６に示されているように、２つの入力信号すなわちｉ）Ｖ*とＶｆｄｒｏｏｐとの和と、ｉｉ）フィードバック電圧のレベル｜Ｖｆｂ｜とに基づき、ＰＩ制御を実行する。
【０１３６】
つまりこれについて説明しておくと、コンフィギュレーション６０００において電圧コントローラ５２００は、電力コントローラ５２４０と共働して、ｉ）ウィンドパーク１１０がアンビリカル送電系統１６４のみを介して電力系統１９５と接続されているとき、交流系統１６０の電圧を制御し、さらにｉｉ）風力タービン１２０全体により発生する電力潮流を制御するのである。電圧コントローラ５２００と電力コントローラ５２４０とがこのように共働することから、発電および送電システム１００を第１の運転モードで運転するとき、このシステム１００の運転のために、コントローラ５０００の単純な構造で十分である。
【０１３７】
技術的課題３：アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流全体の制御
第１の運転モード中、ウィンドパーク１１０が、アンビリカル送電系統１６４のみを介して電力系統１９５と接続されているとき、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流が制御され、または複数の電力制限値の和を設定することにより、最大値に制限される。アンビリカル送電系統１６４を介した所望の電力潮流を達成する目的で、これらの電力制限値は、ウィンドパークコントローラ１１８により個々の風力タービン１２０もしくは個々の風力タービン１２０の風力タービンコントローラ２５０へブロードキャストされ、風力タービン全体の所望の電力潮流に等しい。
【０１３８】
このことは実際の運転において、システム損失を補うためにも、接続されているすべての風力タービン１２０にとって、もしくはそれぞれ接続されている風力タービン１２０にとって、望まれる可能性がある。これを達成するために、ウィンドパークコントローラ１１８は、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流を測定することができ、ついで適切な電力制限値を、接続されている風力タービン１２０にブロードキャストして、アンビリカル電力潮流を所望の値に合わせて調節することができる。このようにして、システム損失を考慮することができる。これによれば、個々の風力タービン１２０各々は、ｉ）風力から利用できる電力の最小値と、ｉｉ）ウィンドパークコントローラ１１８から受け取った個々の電力制限最小値とに合わせて、自身の電力潮流を制御する。
【０１３９】
図７には、系統側ブリッジコントローラ５０００の第２のコンフィギュレーション７０００が示されている。この図の場合も同様に、先に挙げた技術的課題８を解決するために、第１の運転モードＯＭ１において使用される、系統側ブリッジコントローラ５０００のアクティブにされたコンポーネントもしくはブロックだけが描かれている。
【０１４０】
既述のように、第１の運転モードＯＭ１中、ウィンドパーク１１０は、アンビリカル送電系統１６４のみを介して、交流電力系統１９５と接続されている。
【０１４１】
技術的課題８の解決に必要とされる第２のコンフィギュレーション７０００のアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電圧コントローラ（ＶＣ）５２００、電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）、およびθ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０が含まれている。さらにここに示す実施形態によれば、無効電力ドループゲインユニット（Ｑ Ｄｒｏｏｐ）５１６０もアクティブである。
【０１４２】
次に、上述の技術的課題９を、系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション１００００を用いて、どのようにして有利な手法で取り扱うことができるのか、について説明する。この場合、この技術的課題８は、発電および送電システム１００の第１の運転モードＯＭ１に係わるものである。
【０１４３】
技術的課題８：複数の風力タービン１２０間での無効電力の共有
ウィンドパーク１１０は、アンビリカル送電系統１６４のみを介して交流電力系統１９５と接続されている間（第１の運転モード）、ウィンドパークコントローラ（ＷＰＣ）１１８から種々の風力タービン１２０へブロードキャストされる電圧要求を満たすために必要とされる無効電力を、無効電力ドループゲインユニット５１６０と電力コントローラ５２４０の集団的アクションによって共有することができる。この「無効電力の共有」は、技術的課題７に関する上述の個所ですでに述べたのと同様の機能を有している。しかしながらこのケースでは、周波数コントローラ（ＦＣ）は用いられない。技術的課題７に関する上述の個所で述べたのと同様の手法で、電圧コントローラ５２００は、その通常の入力Ｖ*に加えて、周波数ドループゲインユニット５３２０により供給される周波数ドループ電圧信号Ｖｆｄｒｏｏｐを受け取る。その結果、電圧コントローラ５２００は、電力コントローラ５２４０のアクションによって引き起こされるＱ軸電圧制御信号Ｖｑの要求の変化には応答しない。この場合も「無効電力の共有」は、無効電力ドループゲインユニット５１６０、電力コントローラ５２４０、および周波数ドループゲインユニット５３２０の相互作用によって達成される。
【０１４４】
無効電力ドループゲインユニット５１６０を介して、無効電力フィードバックＱｆｂに比例する項である周波数ωＱが加えられる。この周波数ωＱによって、交流系統１６０の公称周波数であり同様に加算される制御信号ωＮｏｍと共に、電力コントローラ５２４０の出力ωＰＣを強制的に低減させ、この出力により、周波数ドループゲインユニット５３２０の項を介して、Ｑ軸電圧制御信号Ｖｑが低減されるようになる。したがって、この特定の風力タービン１２０からの出力電圧は、オフショア交流系統１６０の電圧ひいては隣接する風力タービン１２０の電圧に対し、低減されることになる。
【０１４５】
周波数ドループゲインユニット５３２０の項の出力は、電圧コントローラ５２００へ供給される基準電圧信号Ｖ*に加算され、これによって電圧コントローラ５２００が、複数の風力タービン１２０間での無効電力共有を達成するのに必要とされる電圧の変化に対し補償しようとするのが回避される。これに関連して述べておくと、定常状態において測定許容差がないとしたならば、無効電力の完璧な共有が達成される。
【０１４６】
つまりこれについて説明しておくと、ここに示す実施形態によれば、無効電力ドループゲインユニット５１６０、電圧コントローラ５２００、および電力コントローラ５２４０というコンポーネントもしくはブロックを組み合わせることによって、接続されている風力タービン１２０間で無効電力負荷全体が確実に共有されるようになるのである。
【０１４７】
なお、図６に示した第１のコントローラコンフィギュレーション６０００と対比すると、この場合には無効電力ドループゲインユニットのブロック５１６０が追加されている。つまりコントローラコンフィギュレーション７０００は実質的に、コントローラコンフィギュレーション６０００の上位集合である。実際、コントローラブロックである無効電力ドループゲインユニット５１６０は、上述の技術的課題８が解決されるよう、接続されているすべての風力タービン間で無効電力が確実に共有されるように動作する。
【０１４８】
図８には、本発明の１つの実施形態に従い、系統側ブリッジコントローラ５０００の第３のコンフィギュレーション８０００が示されている。この図には、系統側ブリッジコントローラ５０００のアクティブにされたコンポーネントないしはブロックが描かれており、それらは発電および送電システム１００の第２の運転モードＯＭ２において、上述の技術的課題４を解決するために使用され、もしくはアクティブにされる。
【０１４９】
既述のように、運転モードＯＭ２中、ウィンドパーク１１０は、高電圧直流送電系統１７０のみを介して、交流電力系統１９５と接続されている。つまり、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流はない。
【０１５０】
技術的課題４の解決に必要とされる、第３のコントローラコンフィギュレーション８０００においてアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、周波数コントローラ（ＦＣ）５２６０、電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０、高電圧直流送電系統１７０のための高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）５３５０、およびθ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０が含まれている。系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション６０００と対比すると、電圧コントローラ５２００が周波数コントローラ５２６０に置き換えられており、周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）５３２０が高電圧直流電力コントローラ５３５０に置き換えられている。
【０１５１】
図５のところですでに挙げた制御信号に加えて、この第３のコンフィギュレーション８０００では、交流系統の公称電圧を表す制御信号Ｖｎｏｍが用いられる。発電および送電システム１００全体のロケーションに応じて、Ｖｎｏｍをたとえば２３０Ｖ（たとえばヨーロッパ）としてもよいし、または１２０Ｖ（たとえば北アメリカ）としてもよい。一般に交流系統の公称電圧は、いわゆる低電圧（ＬＶ）バスバーの電圧であり、これは典型的には６９０Ｖである。この低電圧は、たとえば工業用途に利用され、またはポンプ、コンベヤ等を駆動する比較的大型の電動機に、１００ｋＷ〜数ＭＷまでの範囲の電力需要に応じるための発電所に利用される。
【０１５２】
次に、第２の運転モードに関連する上述の技術的課題４を、系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション８０００を用いて、どのようにして有利な手法で取り扱うのか、について説明する。
【０１５３】
技術的課題４：高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流の制御
第２の運転モード中、ウィンドパーク１１０が高電圧直流送電系統１７０のみを介して電力系統１９５と接続されているとき、高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流は、図８に示した系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション８０００のみにより制御される。各風力タービン１２０において、（卓越風の状況に応じて、ウィンドパークコントローラ１１８からブロードキャストされる電力制限値によりクランプされて）局所的に導出された電力基準ＰｒｅｆＷＴないしはＰ*ｃｏｎｖと、局所的電力フィードバックＰｆｂとが、電力コントローラ５２４０に入力される。電力コントローラ５２４０の出力は、電力コントローラ周波数信号ωＰＣであり、所望の局所的周波数ω０を生じさせるために、この信号ωＰＣが周波数コントローラ５２６０の出力および交流系統１６０の公称周波数ωＮｏｍに加算される。静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの角速度ないしは回転周波数である、この所望の周波数ω０が、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０により積分され、それによって角度基準θ０が発生し、これがパルス幅変調発生器２５５に供給される。したがって、１つの風力タービン内の局所的電力フィードバックＰｆｂが電力基準よりも小さければ、制御アクションは、局所的周波数ω０を（過渡的に）高める、というものである。この制御アクションによって、バスバー１６１へ流れる局所的な風力タービン電力潮流が変化するようになる。電力フィードフォワードユニット５２２０によって供給される電力フィードフォワード電圧信号ＶｄｐＸＣと、電力コントローラ５２４０から出力される電力コントローラ電圧信号ＶｄｐＰＣとが加算されて、Ｄ軸制御電圧要求Ｖｄがパルス幅変調発生器２５５に供給される。このＤ軸成分Ｖｄによって、バスバー１６１における電圧に対する、変調されたパルス幅変調電圧の角度が規定され、つまりは電力潮流が制御される。高電圧直流ダイオード整流器１８０が導通状態にあるとき、その電力潮流は、バスバー１６１における交流電圧に厳密に比例する。したがって、いずれかの単一の風力タービン１２０が（上述のようにその系統側ブリッジ出力電圧角度の修正により）その電力潮流を変化させても、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流は（大きくは）変化しない。これによっても、その特定の風力タービン１２０から交流系統１６０へ向かう電力潮流が変化するだけである。
【０１５４】
ここで述べておくと、高電圧直流ダイオード整流器１８０における交流電圧は、ウィンドパーク１１０におけるすべての風力タービン１２０のパルス幅変調電圧のベクトル和である。したがって、いずれか１つの風力タービン１２０におけるＤ軸制御電圧Ｖｄを変化させたところで、高電圧直流ダイオード整流器１８０の入力における交流電圧には、ごく僅かな影響しか及ぼされない。ただし、電圧に対する集団的アクションであると、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流に大きな影響を与える。つまり、いずれか１つの風力タービン１２０内におけるＤ軸制御電圧Ｖｄの変化によって電力変化が発生すると、それをウィンドパーク１１０の残りの風力タービン１２０が吸収しようとし、それら残りの風力タービン１２０は、自身の所望の動作ポイントを維持しようとするために、既述の手法と同様の手法で（技術的課題１の説明を参照）、自身の電力潮流を修正する。
【０１５５】
このような集団的挙動について理解できるようにするために、ウィンドパーク１１０内のＮ個の風力タービン１２０が、定常状態において１００％の電力で動作している例を考察することができる。このような状況において第１の風力タービンＷＴ１はその後、自身の電力を０％まで低減する（たとえば第１の風力タービンＷＴ１の制御アクションによって、バスバー１６１における電圧信号に対し系統側ブリッジ電圧の角度θ０を修正することにより、この風力タービンＷＴ１から交流系統１６０へ向かう電力潮流が急速に減少する）。つまり、Ｎ−１個の風力タービンは一時的に、１００＊Ｎ／（Ｎ−１）％の電力を供給しなければならない。これは、Ｎ−１個の風力タービンの各々１つが、１００％を超える電力を供給しなければならない、ということを意味する。このことは、各風力タービン１２０内の電力誤差として現れ、Ｎ−１個のすべての風力タービン１２０における電力コントローラ５２４０は、電力コントローラ周波数信号ωＰＣを低減するように動作する。これによって交流系統１６０の周波数が低減されることになる。ただし、すべての風力タービン１２０が自身の電圧角度θｄを変化させるので、これによっても、Ｎ−１個の風力タービン１２０における局所的な電力潮流が修正されることはない。しかしながら、交流系統１６０の周波数が減少するので、直流電力制御を実施する高電圧直流電力コントローラ５３５０を介して、各風力タービン１２０は、自身の系統側ブリッジのパルス幅変調発生器２５５のための自身のＱ軸制御電圧Ｖｑを低減する。ウィンドパーク１１０内におけるすべての風力タービン１２０のこのような組み合わせアクションは、バスバー１６１における電圧を効果的に低減する作用を有する。このため、高電圧直流ダイオード整流器１８０へ向かう電力潮流は、このケースでは、（（Ｎ−１）／Ｎ）＊１００％の電力に低減される。このようにして、交流系統１６０と高電圧直流ダイオード整流器１８０との間の電力バランスが取り戻される。
【０１５６】
ここでのキーポイントは、いずれの単一の風力タービン１２０によっても、交流系統１６０の電圧レベルに重大な影響を及ぼす可能性がない、ということである。ここで述べておきたいのはむしろ、ウィンドパーク１１０のすべての風力タービン１２０の集団的アクションが、交流系統１６０の電圧を変化させるようにはたらく、ということである。このようにして、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流を、閉ループ制御または開ループ制御することができる。
【０１５７】
これに関連して述べておきたいのは、電力コントローラ５２４０のアクションの結果、高電圧直流ダイオード整流器１８０へ向かう電力潮流を調節しようとするために、周波数基準ωｒｅｆ付近に小さい周波数偏移が生じることである。この周波数偏移は、周波数コントローラ５２６０のアクションを介して補正される。このアクションについては、あとで詳しく説明する。
【０１５８】
つまりこれについて説明しておくと、第３の系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション８０００において、電力コントローラ５２４０は同時に以下のように動作するのである。すなわち、
ｉ）局所的周波数ω０（つまりは系統側ブリッジ電圧角度θ０）の修正により、局所的な風力タービンの電力基準Ｐ*ｃｏｎｖもしくはＰｒｅｆＷＴが満たされるように、かつ、
ｉｉ）他の自律的な風力タービンコントローラ２５０とともに集団的アクションが行われるようにして、交流系統１６０の電圧レベルが修正され、ひいては高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流が制御されるように、
動作する。このようにして、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介して接続されている発電および送電システム１００に、慣用の交流系統と同様の特性が与えられ、これによれば、システムの一部分に過剰に電力が発生すると、電力系統の他の部分に対し、強制的に局所的周波数が高められ、角度が大きくされ、したがって電力潮流が増大する。この場合、この特性は、交流系統１６０における電圧レベルの連携によって再現され、これによればこの電圧レベルによって、高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流が制御される。交流電力潮流のために必要とされる条件は、バスバー１６１における電圧信号に対し、適正な系統側ブリッジ電圧角度を生じさせることによって達成される。ウィンドパーク１１０のすべての風力タービン１２０により発電される電力と、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介して送出される電力とのバランス調整に必要とされる条件は、交流系統１６０もしくはバスバー１６１において、適正な交流電圧レベルを生じさせることによって達成される。したがって、交流系統１６０の周波数ωＰＣと電圧レベルとの間に、所定の関係が存在する。いずれか１つの風力タービン１２０は、自身の局所的な電力潮流要求を満たす目的で、電力コントローラ５２４０のアクションを介して、自身の出力電圧ベクトルを他のタービンの出力電圧ベクトルに対し修正することができる。
【０１５９】
つまりこれについて説明しておくと、すべての風力タービン１２０は、局所的な電力潮流を増加させる目的で、自身の電圧ベクトルを「動かす」ように試み、その場合、風力タービン１２０のいずれも、実際には自身の電力潮流を変化させることはなく、ωＰＣは上昇し続けるのである。ωＰＣが上昇し続けると、高電圧直流電力コントローラ５３５０を介した電圧レベルを上昇させる作用があり、ひいては高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流が増加することになる。オフショア交流系統１６０の周波数が高い場合、このことは、風力タービン１２０がより多くの電力をオフショア交流系統１６０に送電しようと試みていること、高電圧直流送電系統１７０が十分な電力を送出していないこと、を表している。これが、高電圧直流電力コントローラ５３５０を介して、オフショア交流系統１６０の電圧レベルが上昇する理由であり、これによって高電圧直流ダイオード整流器１８０を介して電力潮流が増加し、その結果、風力タービン１２０がオフショア交流系統１６０に送出したいものと、高電圧直流ダイオード整流器１８０がオフショア交流系統１６０から高電圧直流ケーブル１７５へ、さらにその先のオンショア交流電力系統１９５へ、オンショア直流／交流変換器を介して送出しているものとの、「電力バランス」が取り戻される。ただしやはりこれは、ウィンドパーク１１０のすべての風力タービン１２０の集団的アクションにすぎず、それらの風力タービン１２０は、オフショア交流系統１６０の全体的な電圧を上昇させることができ、ひいては高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流を増加させることができる。
【０１６０】
このような方式の利点は、中央集中型のコントローラを設ける必要なく制御目標が達成される、ということである。各風力タービン１２０は、自律的に動作することができ、運転中の他の風力タービン１２０の電力基準または個数に関するいかなる情報も必要としない。
【０１６１】
図９には、本発明の１つの実施形態に従い、系統側ブリッジコントローラ５０００の第４のコンフィギュレーション９０００が示されている。この図の場合も、先に挙げた技術的課題６および７の両方を解決するために、第２の運転モードＯＭ２において使用される、系統側ブリッジコントローラ５０００のアクティブにされたコンポーネントもしくはブロックだけが描かれている。
【０１６２】
既述のように、運転モードＯＭ２中、ウィンドパーク１１０は、高電圧直流送電系統１７０のみを介して、交流電力系統１９５と接続されており、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流はない。
【０１６３】
技術的課題６および７の解決に必要とされる、第４のコンフィギュレーション９０００においてアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、周波数コントローラ（ＦＣ）５２６０、高電圧直流送電系統１７０のための高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）５３５０、およびθ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０が含まれている。さらにここに示す実施形態によれば、無効電力ドループゲインユニット（Ｑ Ｄｒｏｏｐ）５１６０もアクティブである。さらにローパスフィルタ（ＬＰＦ）９４００が用いられる。
【０１６４】
次に、上述の技術的課題６および７を、系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション９０００を用いて、どのようにして有利な手法で取り扱うことができるのか、について説明する。この場合、技術的課題６は、第２および第３の運転モードに関係する。
【０１６５】
技術的課題６：交流系統１６０の電圧の制御
第２の運転モードおよび第３の運転モードにおいて、高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流を調節するために、交流系統１６０の電圧が制御される。この場合、各風力タービン１２０は、自身の固有の電力要求Ｐ*ｃｏｎｖもしくはＰｒｅｆＷＴを満たすように試みている（この電力要求は、その特定の風力タービン１２０における卓越風からのエネルギー取得を最適化するために、各風力タービン１２０ごとに局所的に設定される）。したがってこの場合も、種々の風力タービン１２０（または交流系統１６０）から高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流をバランス調整する、中央集中型のコントローラは存在しない。ここに示す実施形態によれば、交流系統１６０の周波数と電圧との間に所定の関係が形成される。
【０１６６】
たとえば、交流系統１６０の周波数が上昇したならば、このことは、交流系統１６０から高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる有効電力潮流が、風力タービン１２０が集団で送出したものよりも小さい、ということの指標である。したがってこの場合、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介して、いっそう大きな電力潮流が必要とされ、これは、コントローラコンフィギュレーション８０００の制御アクションが、電力コントローラ周波数信号ωＰＣと、高電圧直流電力コントローラ５３５０により形成されるＱ軸電圧制御信号Ｖｑとの間の関係もしくは連携を介して、交流系統１６０の交流電圧を増加させることの理由である。
【０１６７】
逆に、交流系統１６０の周波数が低い状況は、（電力コントローラ５２４０内での）負の電力誤差に対する指標である。換言すれば、交流系統１６０から高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる有効電力潮流が、複数の風力タービン１２０が送出を望む電力全体よりも大きい。各風力タービン１２０について電力送出は、個々の電力基準Ｐ*ｃｏｎｖもしくはＰｒｅｆＷＴよりも大きく、したがって高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流を低減する必要がある。このため、各風力タービン１２０における制御アクションは、高電圧直流電力コントローラ５３５０を介した系統（直流／交流）ブリッジ２４６の出力における電圧レベルを低減することである。複数の自律的なコントローラによるコーディネートされたこのような制御アクションは、特に技術的課題６に対する解決手段を提供する技術的特徴である。
【０１６８】
つまりこれについて説明しておくと、交流系統１６０もしくはバスバー１６１における全体的な交流電圧によって、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した電力潮流が規定されるのである。交流系統１６０の周波数と（高電圧直流電力コントローラ５３５０を介した）電圧レベルＶｄとの関係は、交流系統１６０の全体的な電圧を、（各風力タービン１２０内の）複数の自律的なコントローラ５０００により調節することができるメカニズムである。
【０１６９】
換言すれば、ここに示す実施形態によれば、電力コントローラ５２４０が出力した電力コントローラ周波数信号ωＰＣと、高電圧直流電力コントローラ５３５０を介したＱ軸電圧制御信号Ｖｑとの間で、連携が行われる。さらに、ウィンドパーク１１０のすべての風力タービン１２０が、自身の電力コントローラ周波数信号ωＰＣを同時に増加させようとするならば、１つの風力タービン１２０内またはいくつかの風力タービン１２０においてのみ、電力コントローラ周波数信号ωＰＣを増加させる場合とは、交流系統１６０は異なるように動作する。この場合、交流系統１６０の交流電圧の角度が変化したとき、各風力タービン１２０からの局所的な交流電力潮流は変化しない。その結果、ωＰＣの項が増大する状態または定常状態が発生し、さらにこの状態により、高電圧直流電力コントローラ５３５０が交流系統１６０の交流電圧のレベルを増加させて、高電圧直流ダイオード整流器１８０へ流れる電力潮流が増大するようになる。
【０１７０】
この個所でもう一度述べておくと、第３の運転モード中、アンビリカル送電系統１６４が接続されているならば、周波数基準をオンショア交流電力系統１９５から取得することができる。その結果、ここに示す実施形態によれば、図９に示した周波数コントローラ５２６０はアクティブではなくなり、コントローラコンフィギュレーションは図１１に示したものとなる。
【０１７１】
技術的課題７：複数の風力タービン１２０間での無効電力の共有
複数の風力タービン間の無効電力共有は、第１、第２および第３の運転モードすべてにとって実際には重要であるけれども、この無効電力共有は、第２の運転モードにとって特に重要である。第２の運転モード中、交流系統１６０が、高電圧直流送電系統１７０のみを介して接続されているとき、交流系統１６０によって必要とされる無効電力は、接続されているすべての風力タービン１２０間でバランス調整されなければならない。なぜならば、高電圧直流送電系統１７０は無効電力を送電できないからである。この点に関連して述べておくと、必要とされる無効電力は、交流系統１６０の動作点と、交流系統１６０を介した電力潮流と、交流系統１６０の電圧とに依存する。交流系統１６０によって必要とされる無効電力は、独立して制御することができない。この無効電力は以下に依存する。すなわち、
ｉ）高電圧直流ダイオード整流器１８０の無効電力要求と、交流系統１６０における直流誘導素子（たとえばケーブル、トランスなど）に依存し、および
ｉｉ）ケーブル容量およびフィルタにより発生する無効電力を規定するそれぞれ供給される電圧に依存する。
【０１７２】
ただし、定格出力という観点から望ましいのは、各風力タービン１２０により供給される無効電力を、以下の目的で等しくバランス調整することである。すなわち、
ｉ）種々の風力タービン１２０のすべての系統側ブリッジ電力ハードウェアコンポーネントが、ほぼ等しい寿命になるようにするため、および、
ｉｉ）いずれかの風力タービン１２０が「飽和状態」になって、場合によっては集団的な制御アクションに寄与しなくなることを回避するため。ここで「飽和状態」とは、個々の風力タービン１２０が無効電流限界で動作することである。
【０１７３】
さらにここで述べておくと、系統側ブリッジ２４６と交流系統１６０との間で交換される無効電力は、交流系統１６０のバスバー１６１と系統側ブリッジのパルス幅変調電圧との間における電圧レベルの差の関数である。
【０１７４】
すべての無効電力負荷のこの共有を達成するために、第４のコントローラコンフィギュレーション９０００に無効電力ドループゲインユニット５１６０が組み込まれている。既述の無効電力共有は、「ドループ」特性を介して達成される。無効電力ドループゲインユニット５１６０に供給される無効電力フィードバックＱｆｂは、電流フィードバック信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃと電圧フィードバック信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃとから導出され、この無効電力フィードバック信号Ｑｆｂにより、ωＱの項を介して周波数ω０が低減される。その結果、系統側ブリッジのパルス幅変調電圧の角度が修正されると、電力が修正されることになる。その際に電力コントローラ５２４０が応答して、このコントローラからの電力コントローラ周波数信号ωＰＣを修正し、さらに決定的には高電圧直流電力コントローラ５３５０を介して、Ｑ軸電圧成分Ｖｑを修正し、ひいては個々の風力タービン１２０からの無効電力を修正する。このＱドループ特性によって、このシステムで動作するすべての風力タービン１２０間の無効電力の許容可能な共有が達成される。これに関連して述べておくと、定常状態において測定許容差がないとしたならば、無効電力の完璧な共有が達成される。
【０１７５】
ωＱを周波数コントローラ５２６０の入力に加える目的は、このアクションから周波数コントローラ５２６０を切り離すためである。ωＱは、周波数コントローラ５２６０の入力と出力の双方に加えられるので、周波数コントローラ５２６０は応答しない。つまり、コントローラコンフィギュレーション９０００において周波数コントローラ５２６０は、無効負荷共有という特徴の既述のアクションのために、実質的には非アクティブ状態である。
【０１７６】
なお、無効電力フィードバックが、２つ以上の風力タービン１２０において同じでなければ、個々の周波数基準ωｒｅｆも、それらの風力タービン１２０において異なることになる。周波数誤差がゼロでなければ、周波数コントローラ５２６０における積分項は、ωＦＣ項を修正し続け、したがって電力コントローラ５２４０は、ゼロ電力誤差を維持するために、自身の電力コントローラ周波数信号ωＰＣを修正しなければならない。電力コントローラ周波数信号ωＰＣが修正されると、単一の風力タービン１２０における電圧レベルが修正され、ひいてはこの風力タービン１２０から隣り合う風力タービン１２０の少なくとも１つへ流れる無効電力潮流も修正される。周波数コントローラ５２６０の積分動作ゆえに、接続されているすべての風力タービン１２０において、無効電力フィードバックＱｆｂが同じである場合のみ、これらの制御信号は定常状態に到達する。
【０１７７】
接続されている風力タービン１２０間の「無効電力潮流共有」は、第２の運転モードで動作している場合に、コントローラコンフィギュレーション９０００の極めて重要な特性である。適切な「無効電力潮流共有」によって特に、系統側ブリッジ２４６の寿命を格段に延ばすことができる、という利点が得られる。
【０１７８】
つまりこれについて説明しておくと、コントローラコンフィギュレーション９０００によれば、交流系統１６０の電圧をいっそう均一にすることができ、つまりはそれぞれ異なる風力タービン１２０間での無効電力負荷の適切な共有を達成できるのである。無効電力潮流を表す信号ωＱに基づき、系統側ブリッジ２４６の電力出力の周波数を変化させることによって、電力コントローラ５２４０によるリアクションが引き起こされて、電力コントローラ５２４０は、修正された系統側ブリッジの交流電圧と角度において、局所的な電力潮流を満たそうとする。このように修正された交流電圧によって、高電圧直流ダイオード整流器１８０が受け取る電力と、接続されている風力タービン１２０が発電する電力との間に、電力の不平衡状態が生じる可能性がある。これによって、接続されている複数の風力タービン１２０は、個々の系統側ブリッジ２４６から出力される自身の電圧を集団として変化することによって、応答することになる。これに関連してもう一度述べておくと、「無効電力共有」は、ウィンドパーク１１０全体にわたって、個々の系統側ブリッジ２４６の出力における各電圧レベル間の差を、最小限に抑えることにより達成される。この制御において利用しているのは、いずれかの単一の風力タービン１２０が局所的に制御アクションを行う可能性があり、この制御アクションによって、接続されている他のすべての風力タービン１２０から集団的な応答が引き起こされることになる、ということである。これによって、系統側ブリッジの電圧レベルが、種々の風力タービン１２０間の個々の差を収束して最小化に向かう、という作用が得られる。その結果、ウィンドパーク１１０に接続されている風力タービン１２０は、無効電力負荷全体を共有するように動作する。
【０１７９】
図１０には、本発明の１つの実施形態に従い、系統側ブリッジコントローラ５０００の第５のコンフィギュレーション１００００が示されている。この図の場合も同様に、先に挙げた技術的課題９を解決するために、第２の運転モードＯＭ２において使用される、系統側ブリッジコントローラ５０００のアクティブにされたコンポーネントもしくはブロックだけが描かれている。
【０１８０】
既述のように、第２の運転モードＯＭ２中、ウィンドパーク１１０は、高電圧直流送電系統１７０のみを介して、交流電力系統１９５と接続されている。
【０１８１】
技術的課題９の解決に必要とされる、第５のコンフィギュレーション１００００においてアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、周波数コントローラ（ＦＣ）５２６０、高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）５３５０、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０、およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）８４００が含まれている。
【０１８２】
次に、上述の技術的課題９を、系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション１００００を用いて、どのようにして有利な手法で取り扱うのか、について説明する。この場合、この技術的課題９は、発電および送電システム１００の第２の運転モードＯＭ２に係わるものである。
【０１８３】
技術的課題９：交流系統１６０の周波数制御
第２の運転モード中、アンビリカル送電系統１６４は非アクティブ状態であるので、交流系統１６０のための基準周波数として、交流電力系統１９５の周波数を用いることはできない。
【０１８４】
ここに示す実施形態によれば、周波数コントローラ５２６０が存在するということが、交流系統１６０の周波数の信頼性のある制御を実現できる主な理由である。ただし図１０に示されているように、電力潮流、無効電力バランスおよび交流系統１６０の電圧を制御する目的で、制御信号ω０に寄与する他の様々なコントローラも存在する。これらのコントローラはすべて、交流系統１６０の公称もしくは所望の周波数ωＮｏｍに加えられる小さい成分を供給する。「ゆっくりと」動作する、もしくは（電力コントローラ５２４０と比べて）「狭い帯域幅」の周波数コントローラ５２６０の役割は、定常状態の周波数を所望の周波数ωｒｅｆに戻し、その間、他のコントローラに最小の作用しか及ぼされないようにすることである（つまりこれが「ゆっくりと」動作するコントローラである理由である）。
【０１８５】
ここに示す実施形態によれば、周波数コントローラ５２６０はＰＩコントローラから成り、これは第１の入力としてωｒｅｆを有する（これは個々のウィンドパークコントローラ１１８から個々の風力タービンコントローラ２５０を介してすべての風力タービン１２０へブロードキャストされ、ローパスフィルタ８４００によってフィルタリングされる）。別の選択肢として、局所的な定数値を周波数コントローラ５２６０へ供給してもよい。周波数コントローラ５２６０の第２の入力は実際の周波数ω０であり、これは静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの角速度ないしは回転周波数である。信号ω０は、周波数コントローラ５２６０の出力ωＦＣに依存するので、信号ω０を、周波数コントローラ５２６０の、およびそのためのフィードバック信号とみなすことができる。図１０に示されているようにω０を発生させる目的で、この周波数ωＦＣは、周波数信号ｉ）ωＮｏｍ、ｉｉ）ωＱ、およびｉｉｉ）電力コントローラ５２４０により供給されるωＰＣと、加算される。このケースではこの周波数ω０は、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０に対する局所的な「総計の」周波数基準である。周波数コントローラ５２６０の目的は、ω０が所望の周波数ωｒｅｆと等しくなるように、周波数コントローラの周波数信号ωＦＣを修正することである。パルス幅変調発生器２５５に対し角度基準を形成する目的で、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０により周波数信号ω０が用いられる。
【０１８６】
周波数コントローラ５２６０は、（交流系統１６０の周波数がすべての風力タービン１２０に共通であるので）ウィンドパーク１１０に接続されているすべての風力タービン１２０内で同時に発生するアクションを有しており、したがって個々の風力タービン１２０各々と交流系統１６０の交流バスバー１６１との間の定常状態の交流電力潮流を変化させるようには動作しない。つまり電力コントローラ５２４０は、その電力コントローラ周波数信号ωＰＣを修正するように動作せず、したがってバスバー２６２における電圧レベルは一定に維持されて、高電圧直流ダイオード整流器１８０を介した所要電力潮流が維持される。
【０１８７】
この個所で述べておくと、現実には副次的な作用が発生することになり、それによればウィンドパーク１１０において、トランス、ケーブルの直列インピーダンス、および線路リアクトルなどのような誘導性のコンポーネントにおける電圧降下に、周波数の小さい偏移が作用を及ぼすようにはたらく。これによって電力潮流に作用が及ぼされ、したがってこのケースでは電力コントローラ５２４０は、二次補正を行う必要がある。
【０１８８】
既述のコントローラコンフィギュレーション１００００によれば、定常状態の周波数偏移を最小化することによって、交流系統１６０およびウィンドパーク１１０における交流電気素子の設計を、有利な手法で最適化することができる。接続されている風力タービン１２０の周波数コントローラ５２６０は、個々の電力コントローラ５２４０および高電圧直流電力コントローラ５３５０と組み合わせられて、周波数基準ωｒｅｆが確実に達成されるように動作する。この場合にもコントローラコンフィギュレーション１００００は、以下のような特性を備えている。すなわち、交流系統１６０の周波数を調節する目的で、コントローラ５０００は自律的に動作可能であるけれども、局所的な電力コントローラ５２４０と組み合わせられて、接続されているすべての風力タービン１２０全体にわたって同期した手法で、動作可能である。これによって、ウィンドパークの電力バランスと局所的な風力タービンの電力バランスとの間において、定常状態の「分離」が行われる。
【０１８９】
図１１には、系統側ブリッジコントローラ５０００の第６のコンフィギュレーション１１０００が示されている。この図には、系統側ブリッジコントローラ５０００のアクティブにされたコンポーネントないしはブロックが描かれており、それらは発電および送電システム１００の第３の運転モードＯＭ３において、上述の技術的課題５を解決するために使用される。
【０１９０】
第３の運転モードの場合、ウィンドパーク１１０は、高電圧直流送電系統１７０とアンビリカル送電系統１６４の双方を介して、交流電力系統１９５と接続される。
【０１９１】
技術的課題５の解決に必要とされる、第６のコンフィギュレーション１１０００においてアクティブにされたコンポーネント／ブロックには、電力コントローラ（ＰＣ）５２４０、電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０、高電圧直流送電系統１７０のための高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）５３５０、θ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０、およびアンビリカル送電系統１６４のための電力コントローラ（ＰＣ ｕｍｂ）５２８０が含まれている。既述の第３の系統側ブリッジコントローラコンフィギュレーション８０００と対比すると、周波数コントローラ５２６０は、アンビリカル電力コントローラ５２８０に置き換えられており、したがって異なる入力信号を受け取ることのほか、アンビリカル電力コントローラ５２８０の出力と、系統側ブリッジ電圧の角度θ０を供給する付加的な加算ユニットとの間に、付加的な制御ラインが延在している。
【０１９２】
技術的課題５：アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流全体の制御
これに関連して述べておくと、第３の運転モード中、ウィンドパーク１１０により発電された電力が、第１の閾値（閾値１）を超えて、高電圧直流ダイオード整流器１８０を作動させるのに十分である場合、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流全体は、理想的にはゼロになるように制御すべきである。ウィンドパーク１１０により発電された電力が、第２の閾値（閾値２）を超えた場合には、アンビリカル交流ケーブル１６５が切り離され、システムは第２の運転モードで運転される。つまりこれについて説明しておくと、種々の運転モード間の「チャタリング」を回避するために、各閾値間にいくらかのヒステリシスが設けられているのである。
【０１９３】
高電圧直流送電系統１７０と交流補助送電系統１６４の双方による運転の場合、アンビリカル交流ケーブル１６５を介した電力潮流は、アンビリカル電力コントローラ（ＰＣ ｕｍｂ）５２８０を追加することにより制御される。技術的課題４を解決するために第２の運転モードにおいて用いられる第３のコントローラコンフィギュレーション８０００とは対照的に、この場合には周波数コントローラ５２６０はディスエーブル状態であり、（オンショア）の交流電力系統１９５がシステム周波数を規定したままである。
【０１９４】
アンビリカル交流ケーブル１６５を介した電力潮流は、アンビリカル交流ケーブル１６５における電圧の角度によって制御される。アンビリカル電力コントローラ５２８０は、電力コントローラ５２４０に比べると、比較的「ゆっくりな」もしくは「狭い帯域幅の」コントローラであり、このコントローラは、アンビリカル電力基準Ｐｕｍｂ*と、アンビリカル交流ケーブル１６５を介した実際の電力潮流を表す電力フィードバック信号Ｐｕｍｂｆｂとを受け取る。ここに示す実施形態によれば、電力フィードバック信号Ｐｕｍｂｆｂは、ウィンドパークコントローラ１１８からすべての風力タービン１２０へブロードキャストされる（図１参照）。自律的な風力タービン１２０各々におけるアンビリカル電力コントローラ５２８０の出力側は、同じ周波数ωｕＰＣ（オフセット）を出力することになり、したがってθ積分器ユニット（Ｉθ）５３８０は、ウィンドパーク１１０におけるすべての風力タービン１２０において、同じ大きさだけ系統側ブリッジ電圧角度θ０を変化させることになる。このため、電力系統１９５の電圧角度に対し、バスバー１６１における電圧角度が変化する、という作用が得られるようになり、つまりはアンビリカル交流ケーブル１６５を介した電力潮流が制御されるようになり、ただし、個々のいずれの風力タービン１２０から交流系統１６０へ流れる電力潮流も変化させない。
【０１９５】
つまりこれについて説明しておくと、
ｉ）風力タービン１２０の局所的な電力要求Ｐ*ｃｏｎｖもしくはＰｒｅｆＷＴを満たすように動作する電力コントローラ５２４０と、
ｉｉ）アンビリカル電力コントローラ５２８０と
の組み合わせによって、有利であり信頼性のある手法で、アンビリカル送電系統１６４を介した電力潮流全体の適切な制御を実現することができるのである。この場合、アンビリカル電力コントローラ５２８０は、ウィンドパーク１１０のすべての風力タービン１２０に同じωｕＰＣ成分を加えることによって、電力系統１９５の交流電圧角度に対し、交流系統１６０もしくはバスバー１６１の電圧の角度を修正する。アンビリカル電力コントローラ５２８０が、アンビリカル交流ケーブル１６５を介した電力潮流を調節するように動作すると、電力コントローラ５２４０は、すべての風力タービン１２０が発電する電力と、高電圧直流送電系統１７０を介した電力潮流との電力バランスを達成するように動作する。このようにして発電および送電システム１００全体によって、定常状態を達成することができ、アンビリカル電力コントローラ５２８０と電力コントローラ５２４０の両方が同時に動作しないかぎり、１つの適切な動作点の制御目標（つまり風力タービン１２０とアンビリカル送電系統１６４双方の電力基準）を満たすことができる。なお、アンビリカル電力コントローラ５２８０と電力コントローラ５２４０とは、互いに独立して動作するけれども、既述の制御目標を達成するためには、これらは同時に動作することになる。この「局所的」および「集団的」アクションは基本的に、電力コントローラ５２４０とアンビリカル電力コントローラ５２８０の相対的な「応答時間」もしくは「帯域幅」における差によって達成される。
【０１９６】
種々のコントローラコンフィギュレーション６０００，７０００，８０００，９０００，１００００，１１０００について要約して述べておくと、系統側ブリッジコントローラ５０００は、以下のような制御アルゴリズムを実行することができる。すなわちこの制御アルゴリズムによれば、ウィンドパーク１１０に接続されている風力タービン１２０と高電圧直流ダイオード整流器１８０との間の電力潮流がバランス調整されるように、各風力タービン１２０を動作させることができる。これは、公知の風力タービンの電流制御アルゴリズムとは異なっており、ここで説明してきた実施形態によれば、系統側ブリッジ電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの制御は、いっそう広い帯域幅のアルゴリズムであり、したがって、系統側ブリッジ２４６内の双方向の電力潮流に対抗する方向に向かうことになる。ここで示したアルゴリズムは、この挙動を効果的に実現させるものであり、よって、接続されている風力タービン１２０は、アンビリカル送電系統１６４を介して運転されているときに（第１の運転モード）、または高電圧直流送電系統１７０を介して運転されているときに（第２の運転モード）、またはこれら両方の系統を介して運転されているときに（第３の運転モード）、「動的応答の提供」を共有することができる。アンビリカル送電系統１６４は、比較的弱い交流系統であるので、この動的応答を提供するために電気的に「密接した」「強い」電圧源は存在せず、したがって風力タービン１２０は上述のように動作しなければならない。このような動的応答は、高電圧直流ダイオード整流器の構成に基づく送電のための必要条件である。その理由は、双方向の他の動的エネルギーストレージを利用できないからである。交流系統が、アンビリカル送電系統１６４を介して電力系統１９５と接続されている場合、ここで説明したアルゴリズムは、ウィンドパーク１１０内の「動的負荷」を共有することによって、個々の交流接続に対するこの「動的負荷」の要求を軽減する。既述のアルゴリズムによれば、風力タービン１２０との動的な双方向エネルギー交換が可能になり、オフショアウィンドファーム１１０と高電圧直流送電系統１７０との間の電力潮流がバランス調整されるように動作し、アンビリカル交流ケーブル１６５を介した電力潮流が制御される。
【０１９７】
これに関連して述べておくと、コントローラコンフィギュレーション６０００，７０００，８０００において電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット５２２０を使用することによって、この動的エネルギー交換の帯域幅が拡がるようになり、帯域幅が、発電機側ブリッジ２５２の動作を制御する発電機側ブリッジコントローラ２５２の帯域幅に制限されないようになる。
【０１９８】
なお、ここで言及しておくと、「〜を有する」という表記は、それ以外の要素またはステップを除外するものではなく、また「１つの」という冠詞を使用しても、複数設けられることを除外するものではない。それぞれ異なる実施形態に関して説明した要素を組み合わせてもよい。さらに、特許請求の範囲に記載した参照符号は、各請求項の権利範囲の限定を意図したものではない。
【符号の説明】
【０１９９】
１００  発電および送電システム
１１０  ウィンドパーク
１１２  バスバー
１１４  回路遮断器
１１８  ウィンドパークコントローラ（ＷＰＣ）／ハイパフォーマンス・パーク・パイロット（High Performance Park Pilot, HPPP）・コントローラ
１２０  風力タービン（ＷＴ）
１６０  オフショア交流系統
１６１  バスバー
１６２  電力スイッチ
１６３  電力スイッチ
１６４  交流補助送電系統／アンビリカル送電系統
１６５  交流補助送電線／アンビリカル送電ケーブル
１６６  電力測定装置
１６７  三相アンビリカル電力トランス
１６８  電力スイッチ
１７０  高電圧直流送電系統
１７２  ダイオード整流器電力用モジュール
１７４  三相トランス
１７５  高電圧直流送電ケーブル
１７６  （オンショア）直流／交流変換器
１７８  トランス
１７９  電力スイッチ
１８０  三相整流器／高電圧直流ダイオード整流器
１９５  交流電力系統／送電網
Ｕｄｃ  高電圧直流電圧
２２２  風車ロータ
２２４  ロータブレード
２２６  ロータブレード調節システム／ピッチ調節システム
２２８  駆動軸
２３０  発電機
２３２  発電機ロータ
２３４  ステータ
２４０  電力変換器
２４２  発電機側（交流／直流）ブリッジ
２４４  直流リンク
２４６  系統側（直流／交流）ブリッジ
２４７  線路リアクトル
２４８  風力タービン（昇圧）トランス
２４９  パルス幅変調フィルタ
２５０  風力タービンコントローラ（ＷＴＣ）
２５１  パルス幅変調発生器
２５２  発電機側ブリッジコントローラ
２５４  ピッチコントローラ（一部分）
２５５  パルス幅変調発生器
２５６  系統側ブリッジコントローラ
ＰｒｅｆＷＴ  （風力タービンコントローラからの）電力基準信号
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ  電流フィードバック信号
Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ  電圧フィードバック信号
Ｖｄ，Ｖｑ  回転ｄｑ基準フレームにおけるパルス幅変調発生器のための電圧制御信号
θ０  静止ａｂｃ基準フレームに対する回転ｄｑ基準フレームの実際の回転角度／系統側ブリッジ電圧の角度
θｄ  負荷角
Ｖｐｗｍ  変調された三相電圧
４８２  電力用ダイオード
５０００／２５６  系統側ブリッジコントローラ
５１００  電圧、電流および／または電力のフィードバックユニット
５１３０  電力基準選択ブロック
５１６０  無効電力ドループゲインユニット（Ｑ Ｄｒｏｏｐ）
５２００  電圧コントローラ
５２２０  電力フィードフォワード（ＦＦ）ユニット
５２４０  電力コントローラ（ＰＣ）
５２６０  周波数コントローラ（ＦＣ）
５２８０  アンビリカル電力コントローラ（ＰＣ ｕｍｂ）
５３２０  周波数ドループゲインユニット（Ｆ Ｄｒｏｏｐ）
５３５０  高電圧直流送電系統１７０のための高電圧直流電力コントローラ（ＨＶＤＣ ＰＣ）
５３８０  θ積分器ユニット（Ｉθ）
ω０  角速度／回転ｄｑ基準フレームの回転周波数
｜Ｖｆｂ｜  フィードバック電圧のレベル
Ｐｆｂ  有効電力フィードバック信号
Ｑｆｂ  無効電力フィードバック信号
Ｉｑｄｆｂ  電流フィードバック信号
Ｉｑｐｆｂ  電流フィードバック信号
ＰｒｅｆＷＴ  風力タービンコントローラ２５０からの電力基準信号
ＰｒｅｆＶｄｃＣｔｒｌ  直流リンク電圧コントローラからの電力基準信号
Ｐ*ｃｏｎｖ  修正された電力基準信号
ωＱ  周波数修正信号
ωｒｅｆ  周波数基準信号
Ｖ*  基準電圧信号／目標電圧
Ｖｆｄｒｏｏｐ  周波数ドループ電圧信号
Ｖｑｐａｃ  電圧コントローラ（ＶＣ）信号
Ｖｑｐｄｃ  高電圧直流電力コントローラ信号
ＶｄｐＸＣ  電力フィードフォワード電圧信号
ωＰＣ  電力コントローラ（ＰＣ）周波数信号
ＶｄｐＰＣ  電力コントローラ（ＰＣ）電圧信号
ωＦＣ  周波数コントローラ（ＦＣ）周波数信号
Ｐｕｍｂ*  アンビリカル送電系統１６４のための電力基準信号
Ｐｕｍｂｆｂ  アンビリカル送電系統１６４のための電力フィードバック信号
ωｕＰＣ  アンビリカル送電系統１６４の実際の電力オフセットを表す周波数信号
θｕＰＣ  アンビリカル負荷角信号
ωＮｏｍ  交流系統１６０の公称の／所望の周波数
Ｖｎｏｍ  交流系統１６０の公称の／所望の電圧
６０００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第１のコンフィギュレーション
７０００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第２のコンフィギュレーション
８０００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第３のコンフィギュレーション
９０００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第４のコンフィギュレーション
９４００  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１００００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第５のコンフィギュレーション
１１０００  系統側ブリッジコントローラ５０００の第６のコンフィギュレーション
Ｖｕｍｂ  アンビリカル交流ケーブル１６５における電圧
Ｖｂｂ  バスバーにおける電圧
β１  ｔ＝Ｔ１におけるバスバーの角度
β２  ｔ＝Ｔ２におけるバスバーの角度
【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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【図１１】
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【図１２】
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