(57)【要約】【課題】低風速動作時における風力タービンの電力キャプチャーを向上させるように構成された電力変換装置を開示する。【解決手段】電力変換装置は、電力系統または電力系統の電気負荷とは無関係に、風力タービンの交流発電機によって生成された電力を、伝送に適したＡＣ電流に変換する。電力変換装置の動作範囲を拡張するために、電力変換装置は、同期および非同期制御方法を活用する多重動作モードで動作する。非同期動中、電力変換装置は、一定の変調周期中にデッドタイム補償周期を変化、または一定のオン時間で変調周期を変化できる変調ルーチンを活用する。低い全高調波歪み（ＴＨＤ）で非同期および同期制御方法の間の途切れない伝送は、風力発電機に対する発電の範囲を向上させる。【選択図】図４
2015501128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相ＡＣ源から電力を受信する入力と、
正極および負極レールを含むＤＣバスと、
複数の正極スイッチング素子であって、各々の正極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの前記正極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する、複数の正極スイッチング素子と、
複数の負極スイッチング素子であって、各々の負極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの前記負極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する、複数の負極スイッチング素子と、
一連の命令を格納するメモリ素子と、
前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、そして各々の前記負極スイッチング素子に対する負極制御信号および各々の前記正極スイッチング素子に対する正極制御信号を生成するように変調モジュールを実行する前記一連の命令を実行するコントローラと、
を含み、
前記ＡＣ源が第１閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、前記制御信号は第１動作モードで生成され、
前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さい大きさの電力を生成している場合、前記制御信号は第２動作モードで生成され、
前記第２動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を同時に前記正極レールに接続するように制御され、各々の前記負極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を同時に前記負極レールに接続するように制御される、
電力変換装置。
【請求項２】
前記第１動作モード中に、前記コントローラは、固定された変調周波数および固定されたデッドタイムで前記変調モジュールを実行する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２動作モード中に、前記コントローラは、固定されたオン時間および変化する変調周波数で前記変調モジュールを実行する、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記メモリ素子に格納されたルックアップテーブルにアクセスし、前記ルックアップテーブルは、前記第２動作モードの間前記変調周波数の変化率を前記電流変調周波数の関数として定義する、
請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから約５０Ｈｚまで変化する、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さくて、第２閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、前記制御信号は中間動作モードで生成され、
前記第２閾値は、前記第１閾値より小さく、
前記第２動作モードは、前記第２閾値未満で実行する、
請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記中間動作モード中に、前記コントローラは、周期的に前記制御信号を無効にする消去時間で前記変調モジュールを実行する、
請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
多相ＡＣ源から電力を受信するように構成される入力と、
正極および負極レールを含むＤＣバスと、
複数の正極スイッチング素子であって、各々の正極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの前記正極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する、複数の正極スイッチング素子と、
複数の負極スイッチング素子であって、各々の負極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの前記負極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する、複数の負極スイッチング素子と、
一連の命令を格納するメモリ素子と、
前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、各々の前記負極スイッチング素子に対する負極制御信号および各々の前記正極スイッチング素子に対する正極制御信号を生成するように変調モジュールを実行する前記一連の命令を実行するコントローラと、
を含み、
前記ＡＣ源が第１閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、前記制御信号は第１動作モードで生成され、
前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さい大きさの電力生成している場合、前記制御信号は第２動作モードで生成され、
前記第２動作モード中に、前記コントローラは、消去時間中の前記制御信号を周期的に無効にする、
電力変換装置。
【請求項９】
前記第１動作モード中に、前記コントローラは、固定された変調周波数および固定されたデッドタイムで前記変調モジュールを実行する、
請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御信号は、前記ＡＣ源が第２閾値より小さい大きさの電力を生成している場合、第３動作モードで生成され、
前記第２閾値は、前記第１閾値より小さく、
前記第３動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を同時に前記正極レールに接続するように制御され、各々の前記負極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を同時に前記負極レールに接続するように制御される、
請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記メモリ素子は、前記第３動作モード中に前記変調周波数の変化率を前記電流変調周波数の関数で定義するルックアップテーブルを格納する、
請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから５０Ｈｚまで変化する、
請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
可変する発電機能を有する再生可能エネルギー源からの電力を変換する方法において、
前記再生可能エネルギー源によって生成された電力のレベルをモニタリングするステップと、
前記生成された電力のレベルが第１所定閾値を超過する場合、固定された変調周波数および固定されたデッドタイム補償を含むパルス幅変調によって第１動作モードで電力変換装置を制御するステップと、
周期的な消去時間を含むパルス幅変調によって第２動作モードで前記電力変換装置を制御するステップと、
を含み、
前記消去時間は、前記再生可能エネルギー源によって生成された電圧の基本周波数の各々のサイクルの間周期的な間隔で反復され、
前記消去時間中の前記パルス幅変調は無効にされる、
電力変換方法。
【請求項１４】
前記生成された電力のレベルが可変変調周波数および固定されたオン時間を含むパルス幅変調によって第２所定閾値未満である場合、第３動作モードで前記電力変換装置を制御するステップをさらに含み、
前記第２所定閾値は、前記第１所定閾値より小さい、
請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項１５】
前記再生可能エネルギー源が多相ＡＣ入力電圧を生成し、
前記第３動作モードで前記電力変換装置を制御するステップは、
前記ＡＣ入力電圧からの各々の前記相を前記電力変換装置内のＤＣバスの正極レールに同時に接続するステップと、
前記ＡＣ入力電圧からの各々の前記相を前記電力変換装置内のＤＣバスの負極レールに同時に接続するステップと、
をさらに含み、
各々の前記相は、前記正極レールおよび負極レールに交互に接続される、
請求項１４に記載の電力変換方法。
【請求項１６】
ＡＣ源から電力を受信するように構成される入力と、
正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、
対応する正極ゲート信号の関数で前記ＤＣバスの前記正極レールに前記入力を選択的に接続する少なくとも１つの正極スイッチング素子と、
対応する負極ゲート信号の関数で前記ＤＣバスの前記負極レールに前記入力を選択的に接続する少なくとも１つの負極スイッチング素子と、
一連の命令を格納するメモリ素子と、
各々の前記正極および負極ゲート信号を生成するように変調ルーチンを実行して、
前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、
前記ＤＣ源によって生成された前記電力の大きさが第１所定の閾値を超過する場合、第１動作モードで各々の前記正極および負極スイッチング素子に対する前記正極および負極ゲート信号を生成し、
前記ＤＣ源によって生成された電力の大きさが前記第１所定の閾値未満である場合、第２動作モードで各々の前記正極および負極スイッチング素子に対する前記正極および負極ゲート信号を生成するために前記一連の命令を実行するコントローラと、
を含み、
前記第１動作モード中に、前記コントローラは、前記変調ルーチンで前記消去時間中の前記正極および負極ゲート信号を無効にする消去時間を周期的に挿入し、
前記第２動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記正極レールに前記入力を同時に接続され、各々の前記負極スイッチング素子は、前記負極レールに前記入力を同時に接続する、
電力変換装置。
【請求項１７】
前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記ＡＣ源と前記ＤＣバスとの間に伝送される電流の関数で前記デッドタイムを変化する電流制御器を実行する、
請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記第２動作モード中に、前記コントローラは、可変変調周期および固定されたオン時間で前記変調ルーチンを実行する、
請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記メモリ素子は、前記第３動作モード中に前記変調周期の変化率を前記電流変調周期の関数で定義するルックアップテーブルを格納する、
請求項１８に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、電力変換装置に関し、具体的には、低速動作時の多相交流機からの改善された電力変換および／または制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
［関連する出願の参照］
本出願は、２０１１年１２月１９日に出願された米国仮出願第６１／５７７，４４７号に対して優先権を主張し、その全体の内容は本明細書に参照として含まれる。
【０００３】
近年、エネルギー需要が増加し、化石燃料の供給とそれに付随する環境汚染に対する懸念が高まるにつれて、再生可能エネルギー源への関心が高まっている。最も一般的で最もよく開発された再生可能エネルギー源のうちの２つは、太陽光エネルギー（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）および風力エネルギー（ｗｉｎｄ  ｅｎｅｒｇｙ）である。他の再生可能エネルギー源は、燃料電池、水力エネルギー（ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）、潮力エネルギー（ｔｉｄａｌ  ｅｎｅｒｇｙ）、およびバイオ燃料（ｂｉｏｆｕｅｌ）またはバイオマス（ｂｉｏｍａｓｓ）発電機を含んでもよい。しかし、電気エネルギーを生成するために再生可能エネルギー源を使用するという新たな問題が提示されている。
【０００４】
多くの再生可能エネルギー源は、エネルギーの可変供給を提供する。その供給は、例えば、風量、雲量、または一日の時間帯によって変化し得る。さらに、異なるエネルギー源は、異なる電気エネルギーのタイプを提供する。風力タービンは、例えば、交流（ＡＣ）エネルギーを提供するのに適し、一方、光電池は、直流（ＤＣ）を提供するのに適している。供給されるエネルギーの可変性および生成されるエネルギーの変化のタイプによって、電力変換装置が電力系統（ｕｔｉｌｉｔｙ  ｇｒｉｄ）に対して独立的に動作すれば、電力変換装置は一般的に再生可能エネルギー源および電力系統、または電気負荷の間に挿入される。
【０００５】
電力変換装置は、再生可能エネルギー源によって生成された全ての電力が使用可能な電気エネルギーに変換するのを妨げるという固有の（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）損失を有することが知られている。低発電レベルにおいて、エネルギー損失は再生可能エネルギー源によって生成される電力よりもさらに大きくてもよい。電力変換装置は、発電システムが生成するより実質的にさらに多くのエネルギーを使用する動作状態を回避できるように通常オフになる。
【０００６】
従って、発電システムの効率を最大化するために、低発電レベルで生成されるエネルギーをキャプチャーして、低発電レベルで効率的に動作可能なコンバータを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示する主題は、低速動作時に多相機（ｐｏｌｙｐｈａｓｅ  ｍａｃｈｉｎｅ）を制御するための方法およびシステム、より具体的には、交流発電機が低速で駆動する間に交流発電機からの電力伝送を制御するための方法およびシステムを開示する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、低風速動作時に風力タービンにおける改善された電力キャプチャーが開示される。電力変換装置は、風力タービンの交流発電機によって生成された電力を電力系統または電力系統の電気負荷とは無関係に伝送するのに適したＡＣ電流に変換するために、提供される。電力変換装置は、電力変換装置の動作範囲を拡張するために、同期および非同期の制御方法を両方活用する多重動作モードで動作する。低い全高調波歪み（ＴＨＤ）で非同期および同期制御方法間の途切れない伝送（ｓｅａｍｌｅｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）は、風力発電機に対する発電範囲を改善する。
【０００９】
非同期制御方法は、風力タービンの低速電力伝送能力（ｌｏｗ  ｓｐｅｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を拡張する。低風速動作中に電力を効率的にキャプチャーするために、デッドタイム制御法（ｄｅａｄ  ｔｉｍｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｐｐｒｏａｃｈ）を含む可変する周波数パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作が用いられる。従来のスイッチング方法は、低電力レベルで非常に非効率的であるため、電力生産を超過してスイッチング損失をもたらし、電力変換装置は、低電力生産周期中に一般的に動作しない。可変するＰＷＭ周波数は、電力変換中に固体電力素子のスイッチングに伴う損失を低減する。このように、可変するＰＷＭ周波数は、電力変換システムが低風速動作中に生成される電力のキャプチャーを許可する。ＰＷＭスイッチング方法を活用して、風力タービンの使用可能な動作範囲は、本コンバータの設計下における未利用電力（ｕｎｔａｐｐｅｄ  ｐｏｗｅｒ）をキャプチャーするために下方に拡張される。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、電力変換装置は、多重電力伝送モードで動作し、風力タービンを動作する。風が伝統的なカットイン（ｃｕｔ−ｉｎ）速度より高く吹いている周期中に、第１同期制御方法は、交流発電機から電力系統または電気負荷に電力を伝送する。風速が低下すると、結果的に交流発電機で生成される周波数、出力電圧および電力は減少する。同期制御方法は、変調した電圧を減少させる。風速が低下する周期中に、変調周波数は、電力変換装置におけるスイッチング損失を低減するために同様に減少してもよい。
【００１１】
電力レベルがＰＷＮ持続的なスイッチ効率範囲（ＰＷＭ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）を超えて低下し続けることによって、電力変換装置における電力損失を低減し、増加した動作範囲にわたって風力タービンで生成された電力伝送を続けるために追加的なステップを行なってもよい。本発明の一実施形態によれば、デッドタイム周期は増加して、コンバータの変調に対する最大オン時間（ｍａｘｉｍｕｍ  ｏｎ  ｔｉｍｅ）は減少する。選択的に、消去時間（ｂｌａｎｋｉｎｇ  ｔｉｍｅ）は変調方法に周期的な間隔（ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｉｎｔｅｒｖａｌｓ）が導入されてもよい。変調が無効になる周期中に、コンバータの入力における逆起電力（ｂａｃｋ−ｅｍｆ）は、生成される電圧の電気角を取得するために読み出されてもよい。このような周期中に、逆起電力の取得は、コンバータの同期制御の動作範囲を拡張する。その結果、低電力レベルはキャプチャーされ、ダイオードリカバリー損失（ｄｉｏｄｅ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｌｏｓｓｅｓ）の除去によるスイッチング損失の減少を基にデッドタイム補償（ｄｅａｄ  ｔｉｍｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）を利用する非常に低い電力の領域において、コンバータ損失は最小化される。交流発電機からの電力が継続して下降することによって、電力スイッチの制御は、交流発電機からの非連続的な電流を勘案して修正される。交流発電機からの各々の位相は最小オン時間でＤＣバスの正極または負極レール（ｔｈｅ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｏｒ  ｔｈｅ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｒａｉｌ  ｏｆ  ＤＣ  ｂｕｓ）のうちの１つに交互に接続される。電流は、交流発電機上にて、さらに低トルクリップルを引き起こす正弦波（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ）をある程度保持する。多重動作モードの結果として、風力発電機にいかなる有害な影響も加えずに過剰な電流スパイクなしでコンバータの動作範囲を拡張する。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、電力変換装置は、多相ＡＣ源から電力を受信する入力と正極および負極レールを含むＤＣバスと、複数の正極スイッチング素子と、複数の負極スイッチング素子とを含む。各々の正極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの正極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続し、各々の負極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの負極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する。メモリ素子は一連の命令を格納し、コントローラは前記一連の命令を実行する。前記コントローラは、前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、各々の負極スイッチング素子に対する負極制御信号（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｉｇｎａｌ）および各々の正極スイッチング素子に対する正極制御信号（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｉｇｎａｌ）を生成するように変調モジュール（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｍｏｄｕｌｅ）を実行する。前記制御信号は、前記ＡＣ源が第１閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、第１動作モードで生成され、前記制御信号は、前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さい大きさの電力を生成している場合、第２動作モードで生成される。前記第２動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を直列に（ｉｎ  ｔａｎｄｅｍ）前記正極レールに接続するように制御され、各々の前記負極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を直列に前記負極レールに接続するように制御される。前記第１動作モード中に、前記コントローラは、固定された変調周波数（ａ  ｆｉｘｅｄ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）および固定されたデッドタイム（ａ  ｆｉｘｅｄ  ｄｅａｄ  ｔｉｍｅ）で前記変調モジュールを実行し、前記第２動作モード中に、前記コントローラは固定されたオン時間（ａ  ｆｉｘｅｄ  ｏｎ  ｔｉｍｅ）および変化する変調周波数（ａ  ｖａｒｙｉｎｇ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で前記変調モジュールを実行する。前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記変調周波数の変化率を前記変調周波数の関数（ａ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）として定義し、前記メモリ素子に格納されたルックアップテーブル（ｌｏｏｋｕｐ  ｔａｂｌｅ）にアクセスすることができ、前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから約５０Ｈｚまで変化してもよい。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さくて、第２閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、前記制御信号は中間動作モード（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ）で生成され、前記第２閾値は前記第１閾値より小さい。前記中間動作モードと共に、前記第２動作モードは、前記第１および第２閾値未満で実行する。前記中間動作モード中に、前記コントローラは、周期的に前記制御信号を無効にする消去時間で前記変調モジュールを実行する。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、電力変換装置は、多相ＡＣ源から電力を受信するように構成される入力と正極および負極レールを含むＤＣバスと、複数の正極スイッチング素子および複数の負極スイッチング素子とを含む。各々の正極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの正極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続し、各々の負極スイッチング素子は、前記ＤＣバスの負極レールに前記ＡＣ源の一相を選択的に接続する。メモリ素子は一連の命令を格納し、コントローラは前記一連の命令を実行する。コントローラは、前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、各々の負極スイッチング素子に対する負極制御信号および各々の正極スイッチング素子に対する正極制御信号を生成するように変調モジュールを実行する。前記制御信号は、前記ＡＣ源が第１閾値より大きい大きさの電力を生成している場合、第１動作モードで生成され、前記制御信号は、前記ＡＣ源が前記第１閾値より小さい大きさの電力を生成している場合、第２動作モードで生成される。前記第２動作モード中に、前記コントローラは、消去時間中の前記制御信号を周期的に無効にする。前記第１動作モード中に前記コントローラは固定された変調周波数および固定されたデッドタイムで前記変調モジュールを実行する。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、前記制御信号は、前記ＡＣ源が第２閾値より小さい大きさの電力を生成している場合、第３動作モードで生成され、前記第２閾値は前記第１閾値より小さい。前記第３動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の位相各々を直列に前記正極レールに接続するように制御され、各々の前記負極スイッチング素子は、前記ＡＣ源の各々の位相を直列に前記負極レールに接続するように制御される。
【００１６】
本発明の他の一実施形態によれば、可変する発電機能（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有する再生可能エネルギー源からの電力を変換する方法が開示される。前記方法は、前記再生可能エネルギー源によって生成された電力のレベルをモニタリングするステップと、前記生成された電力のレベルが第１所定閾値を超過する場合、固定された変調周波数および固定されたデッドタイム補償を含むパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって第１動作モードで電力変換装置を制御するステップと、周期的な消去時間を含むパルス幅変調によって第２動作モードで前記電力変換装置を制御するステップとを含み、前記消去時間は、前記再生可能エネルギー源によって生成された電圧の基本周波数の各々のサイクルの間周期的な間隔で反復され、前記消去時間中の前記パルス幅変調は無効にされる。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、前記方法は、前記生成された電力のレベルが可変変調周波数および固定されたオン時間を含むパルス幅変調によって、第２所定閾値未満（ｂｅｌｏｗ）の場合、第３動作モードで前記電力変換装置を制御するステップを含み、前記第２所定閾値は前記第１所定閾値より小さい。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、前記再生可能エネルギー源が多相ＡＣ入力電圧を生成し、前記第３動作モードで前記電力変換装置を制御するステップは、前記ＡＣ入力電圧からの前記相各々を前記電力変換装置内のＤＣバスの正極レールに直列に接続するステップと、前記ＡＣ入力電圧からの前記相各々を前記電力変換装置内のＤＣバスの負極レールに直列に接続するステップとをさらに含み、前記相各々は前記正極レールおよび負極レールに交互に接続される。
【００１９】
本発明のまた他の一実施形態によれば、電力変換装置は、ＡＣ源から電力を受信するように構成される入力と正極レールおよび負極レールを含むＤＣバスと、対応する正極ゲート信号（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｇａｔｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）の関数で前記ＤＣバスの前記正極レールに前記入力を選択的に接続する少なくとも１つの正極スイッチング素子と、対応する負極ゲート信号（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｇａｔｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）の関数で前記ＤＣバスの前記負極レールに前記入力を選択的に接続する少なくとも１つの負極スイッチング素子と、一連の命令を格納するメモリ素子およびコントローラとを含む。前記コントローラは、各々の前記正極および負極ゲート信号を生成するように変調ルーチンを実行するための前記一連の命令を実行して、前記ＡＣ源によって生成される電力の大きさを決定し、前記ＡＣ源によって生成された電力の大きさが第１所定閾値を超過する場合、第１動作モードで各々の前記正極および負極スイッチング素子に対する前記正極および負極ゲート信号を生成し、前記ＡＣ源によって生成された電力の大きさが前記第１所定閾値未満である場合、第２動作モードで各々の前記正極および負極スイッチング素子に対する前記正極および負極ゲート信号を生成する。前記第１動作モード中に、前記コントローラは、前記変調ルーチンに前記消去時間中の前記正極および負極ゲート信号を無効にする消去時間を周期的に挿入する。前記第２動作モード中に、各々の前記正極スイッチング素子は、前記正極レールに前記入力を直列に接続され、前記負極素子各々は前記負極レールに前記入力を直列に接続する。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、前記第２動作モード中に、前記コントローラは、前記ＡＣ源から前記ＤＣバスまで伝送される電流の関数で前記デッドタイムを変化する電流制御器を介して前記デッドタイムを変化してもよい。前記コントローラはまた、可変変調周期および固定されたオン時間で前記変調ルーチンを実行する。
【００２１】
当業者には、本発明のこれらおよび他のオブジェクト、利点および特徴は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内において、多くの変更および修正を行なうことができ、本発明は、全てのそのような修正を含む。
【００２２】
本明細書で開示する主題の様々な例示的な実施形態は、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を示す添付の図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るコンバータの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るインバータの概略図である。
【図３】風速とロータ速度の関数として風力タービンによって生成される電力を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係るブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る一変調周期の一部を示すグラフである。
【図６】デッドタイム補償を示すグラフである。
【図７】固定された変調周期におけるデッドタイム制御を示すグラフである。
【図８】可変する変調周期を示すグラフである。
【図９】第１デッドタイムにおいて、デッドタイム制御で動作する図１のコンバータの三相交流を示すグラフである。
【図１０】第１デッドタイムより大きい第２デッドタイムにおいて、デッドタイム制御で動作する図１のコンバータの三相交流を示すグラフである。
【図１１】連続的なパルス幅変調の下で動作中の図１のコンバータの端子に存在する三相電圧を示すグラフである。
【図１２】周期的な消去時間において、パルス幅変調の下で動作中の図１のコンバータの端子に存在する三相電圧を示すグラフである。
【図１３】電圧一周期中の図１２の三相電圧の一相を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図面に示す本発明の好ましい実施形態について説明する際には、明快のために特定の専門用語が用いられる。ただし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、特定の用語は各々、同様の目的を達成するために同様に動作する全ての技術的等価物を含むことを理解されたい。例えば、「接続された」という単語、「取り付けられた」という単語、またはそれに類似する用語がしばしば使用される。それらは、直接接続には限定されないが、当業者によってそのような接続が等価であると認識される他のエレメントを介した接続を含む。
【００２５】
本明細書に開示された対象発明の様々な特徴、および有利な詳細事項は、下記の説明による非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。
【００２６】
最初に図１を見ると、本発明の一実施形態を含む例示的なコンバータ１０が示される。コンバータ１０は、入力電圧を受信する３つの入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）を含む。図示した実施形態の各々の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、交流発電機（ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）６によって生成される多相電圧（Ｖ１〜Ｖ３）の一相を受信する。例えば、交流発電機６は、三相交流電力を生成してもよい。入力フィルタ２８は、各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）と直列に接続される。
【００２７】
コンバータ１０は、端子（Ｔ１〜Ｔ３）において多相ＡＣ入力電圧を受信し、スイッチング素子２０，２１を用いてＤＣバス上に存在する所望のＤＣ電圧を出力する。ＤＣバス１２は、出力＋Ｖｄｃ，−Ｖｄｃで利用可能になる正極レール１４および負極レール１６を含む。当技術分野で理解されるように、正極レール１４および負極レール１６は、共通（ｃｏｍｍｏｎ）または中性（ｎｅｕｔｒａｌ）電圧に対して任意の適切なＤＣ電圧電位を導通してもよく、正極または負極ＤＣ電圧電位に制限されない。さらに、正極レール１４または負極レール１６のいずれか１つは、中性電圧電位に接続されてもよい。正極レール１４は、通常負極レール１６よりもさらに大きい電位を有するＤＣ電圧を導通する。
【００２８】
スイッチング素子２０，２１は、一般的に固体電力素子である。図１は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）としてのスイッチング素子２０，２１を示す。しかし、適用の要求条件によって、任意の適切なスイッチング装置を用いることが考慮され、任意の適切な装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）またはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などのサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、または他の制御される素子を含んでいるが、これらに制限されることはない。ダイオード２２は、スイッチング素子２０，２１がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子２０，２１を両端間における逆導通のために、各々のスイッチング素子２０，２１に並列に接続される。このようなダイオード２２は、また半導体スイッチの一部であってもよい。入力の各々の位相に対し、正極スイッチ２０は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の正極レール１４との間に接続され、負極スイッチ２１は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の負極レール１６との間に接続される。各々の正極スイッチング素子２０は、正極ゲート信号２４によって制御され、各々の負極スイッチング素子２１は、負極ゲート信号２５によって制御される。正極および負極ゲート信号２４，２５は、各々の正極または負極スイッチング素子２０，２１を介して選択的に導通を許可するために有効または無効になる。容量５０は、ＤＣバス１２の負極レール１６と正極レール１４との間に接続される。容量５０は、システムの要求条件によって一つのキャパシタまたは直列または並列に接続された複数のキャパシタであってもよい。容量５０は、入力電圧とＤＣバス１２との間の電圧変換から生じるリップル電圧の大きさを減少させる。
【００２９】
コントローラ４０は、ゲート信号２４，２５を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ４０は、コンバータ１０の全体にわたって様々な点における電圧および／または電流の振幅に対応するセンサからのフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ４０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で存在する電圧の振幅を提供してもよい。選択的に、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で導通した電流の振幅を提供するために動作可能に接続されてもよい。同様に、電流および／または電圧センサ２８，３０は、ＤＣバス１２の正極レール１２および負極レール１６に各々動作可能に接続されてもよい。コントローラ４０は、格納された命令を取出すためにメモリ素子４２とインターフェースで接続して外部の素子と通信するために通信ポート４４とインターフェースで接続してもよい。コントローラ４０は、ここに説明したようにコンバータ１０を制御するために格納された命令を実行する。
【００３０】
次に図４を参照すると、例示的な電力変換システムは、インバータとして動作し、ＤＣバス１２によって接続される第１電力変換装置１０および第２電力変換装置６０を含む。選択的に、エネルギー蓄積装置１８は、ＤＣバス１２の負極レール１６と正極レール１４との間に接続されてもよい。風力タービンの発電機のような交流発電機６は、ＤＣバス１２上のＤＣ電圧に変換される電力をコンバータ１０に供給し、順序に従って、インバータ６０は、ＤＣバス１２から電気負荷４または電力系統（図示せず）に電力を供給する。格納素子１８は、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧を格納素子の要求条件に従って適切なＤＣ電圧レベルに変換するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。例えば、格納素子は、鉛酸蓄電池、リチウムイオン電池、亜鉛臭素電池、フロー電池（ｆｌｏｗ  ｂａｔｔｅｒｙ）または任意の適切なエネルギー蓄積装置であってもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータは、適用の要求条件によって、ＤＣバス１２と格納素子１８との間にエネルギーを伝送するように動作する。
【００３１】
次に図２を参照すると、例示的なインバータ６０は、ＤＣバス１２に接続される。例えば、インバータ６０は、ＤＣバス１２からのＤＣ電圧をモータなどの電気負荷または電力系統への供給に適したＡＣ電圧に変換する。正極レール１４または負極レール１６を出力電圧の一相に選択的に接続するスイッチング素子７０を用いることによって、変換が行われる。スイッチング素子７０は、通常固体電力素子である。図２は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）としてのスイッチング素子７０を示す。しかし、適用の要求条件によって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）またはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などのサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、または他の制御された素子を含んでいるが、これらに制限されることなく任意の適切なスイッチング素子を用い得ることが企図される。ダイオード７２は、スイッチング素子７０がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子７０の両端間における逆導通のために、各々のスイッチング素子７０に並列に接続される。このようなダイオード７２は、また半導体スイッチの一部であってもよい。各スイッチング素子７０は、ゲート信号７４によって制御される。ゲート信号７４は、スイッチング素子７０を介した導通を選択的に許可するために交互に有効または無効にする
【００３２】
コントローラ９０は、ゲート信号８４を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ９０は、インバータ６０全体にわたって様々な時点で電圧および／または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ９０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、センサ（７６ａ〜７６ｃ）は、出力端子６２の各々の位相に存在する電圧の振幅を提供してもよい。選択的に、出力センサ（７６ａ〜７６ｃ）は、出力端子６２の各々の位相で導通する電流の振幅を提供するために動作可能に接続されてもよい。同様に、電流および／または電圧センサ７８，８０は、ＤＣバス１２の各々の正極レール１２および負極レール１６に動作可能に接続されてもよい。コントローラ９０は、格納された命令を取得するためにメモリ素子９２とインターフェースで接続し、外部素子と通信するために通信ポート９４とインターフェースで接続してもよい。本発明の一実施形態によれば、第１コンバータ１０および第２コンバータ６０は、各々の電力変換装置の動作を制御するために分離したコントローラ４０，９０およびメモリ素子４２，９２を含む分離したモジュールである。選択的に、単一コントローラおよびメモリ素子は、電力変換装置の両方の動作を制御してもよい。
【００３３】
動作において、コンバータ１０は、可変する電力エネルギーから供給される電力をコンバータのＤＣバス１２上で利用可能な電力に変換する。その後、エネルギー蓄積装置１８またはインバータモジュール６０は、エネルギー源で生成される電力を保存、または電気負荷に保存された電力を伝送（図４も参照）するいずれかのためにＤＣバス１２に接続されてもよい。第１電力変換装置１０は、源６からＤＣバス１２まで電力を伝送し、第２電力変換装置６０は、ＤＣバス１２から負荷４まで電力を伝送する。各々の電力変換装置１０，６０のコントローラ４０，９０は、所望の電力変換の形態によって、ＤＣバス１２と入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）または出力６２のうちの１つを各々のスイッチ２０，２１，７０と選択的に接続するために、ゲート信号２４，２５，７４を生成する１つ以上の制御モジュールを実行する。本発明の一実施形態によれば、風力タービンは、風速の関数として低速駆動軸を回転させる回転翼（ｂｌａｄｅ）を含んでもよい。低速駆動軸は、ギヤボックスに入力され、順に歯車装置（ｇｅａｒｉｎｇ）の機能として高速駆動軸の出力を回転させる。高速駆動軸は、固定子上でＡＣ電圧（Ｖ１〜Ｖ３）を生成する交流発電機６のロータ部を回転させる。
【００３４】
次に図３を参照すると、グラフ１００は、変化する風速下で動作する例示的な風力タービンに対し、ロータ速度の関数として交流発電機６で生成された電力との関係を示す。例えば、タービン翼の速度は、回転翼の変化するピッチによって制御されてもよい。このように、一定の風速に対して、結果的に低速駆動軸の回転速度および交流発電機６におけるロータの回転速度は、変化してもよい。しかし、回転翼のピッチが変化する風の条件に対応して十分な速さのレートで調節不可能な場合が存在する。ピッチ制御の代わりに、またはそれに加えてコンバータ１０は、可変する制動力が交流発電機６に適用されるように、交流発電機６から引出される調整電流によって交流発電機６の速度調整を助けてもよい。したがって、電流の電気的制御は、最大電力点で動作を保持するために風速の変化を補償してもよい。
【００３５】
図３に破線１０１でさらに示したように、交流発電機６の動作は、二乗の電力法則（ｓｑｕａｒｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｒｕｌｅ）に従ってもよく、タービンによって生成される電力は、風速の二乗で増加する。各々の風速に対して、その風速で交流発電機によって生成され得る最大電力がＤＣバス１２に伝送されるように、コントローラ４０は、最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  ｐｏｉｎｔ）で動作する。様々な風速でこのような最大電力点をトラッキングすることは、定格電力の生産が発生するまでの指数関数の二乗電力曲線１０１の結果である。その時点で、コントローラ４０は、コンバータ１０の要素または交流発電機６０の損傷を防ぐために、定格値で電力生産を制限する。コントローラ４０は、交流発電機６とＤＣバス１２との間に導通する電流の制御および回転翼のピッチ制御の両方のために、制御ルーチンを実行する。選択的に、分離したコントローラ４０を用いてもよく、制御モジュールのうちの１つを各々実行する。
【００３６】
当技術分野で知られているように、正常動作条件中の交流発電機６から引き出された電流を調整するために、コントローラ４０は、交流発電機６からＤＣバス１２までの電流の同期制御のために構成される第１電流調整器（ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を実装（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ）してもよい。同期電流調整器（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）は電流基準を受信し、測定された電流信号の利用は電流エラー値（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｅｒｒｏｒ  ｖａｌｕｅ）を決定する。その次に、同期電流調整器は、電流エラー値を補償するために所望の制御された電流を決定する。その次に、交流発電機６とＤＣバス１２との間で所望の制御された電流を生成するように入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相をＤＣバス１２に選択的に接続するために、コントローラ４０は、適切なゲート信号２４，２５を決定する。
【００３７】
交流発電機６がＡＣ電力を生成するために、コントローラ４０は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で存在するＡＣ電圧の電気角を知ることが要求される。最小速度を超過して動作する場合、コントローラ４０は、交流発電機６に存在する逆起電力を検出することによって、電気角を決定してもよい。交流発電機の回転速度が増加することによって、逆起電力の振幅も同様に増加する。しかし、逆起電力は、ロータ速度の関数だけでなく交流発電機パラメータの関数である。したがって、逆起電力が検出され得る最小速度は適用関数（ａ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）である。しかし、逆起電力の振幅は、一般に、交流発電機６の定格速度（ｒａｔｅｄ  ｓｐｅｅｄ）の約１０％から約２０％の間で確実に検出され得る。
【００３８】
次に図５を参照すると、同期電流調整器は、ゲート信号２４，２５を生成するための基準電圧信号１５４を生成する交流発電機６の検出された電気角および所望の制御された電流値を用いる。図５において、正弦三角形（ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒｉａｎｇｌｅ）ＰＷＭ変調技術１５０によってＡＣ電圧の一相に対する１つのサイクルの一部に対するゲート信号２４，２５の生成が示される。正弦三角形ＰＷＭ変調技術１５０において、三角波形（ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）１５２は、ゲート信号２４，２５を生成するために電圧基準１５４と比較される。三角波形１５２の一周期は、ＰＷＭルーチンのスイッチ周期１５６によって定義される。スイッチ周期１５６中に、電圧基準１５４が三角波形１５２より大きい場合、正極ゲート信号２４は、高く設定される一方、負極ゲート信号２５は低く設定される。電圧基準１５４が三角波形１５２より低い場合、正極ゲート信号２４は低く設定される一方、負極ゲート信号２５は高く設定される。当技術分野の通常の技術者に知られているように、他の変調技術は、空間ベクトルまたはマルチレベルスイッチング（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）などの出力電圧を生成するために使用され得ることが企図される。また、図４に示すように、上、下またはこれらの組合せによって増加されるレジスタのようなデジタル信号をアナログ信号と比較することによって変調技術が実施されてもよい。
【００３９】
図５は、正極スイッチ２０および負極スイッチ２１が同時に導通しないように、正極ゲート信号２４および負極ゲート信号２５が同時に状態を反転させる理想的なスイッチング条件を示す。しかし、実際には、スイッチ２０，２１は理想的でなく、図５に示したようにスイッチングされない。また、図６を参照すると、各々のスイッチ２０，２１は、オフ（ｔｏｆｆ）またはオン（ｔｏｎ）するための限定された時間（ｆｉｎｉｔｅ  ｔｉｍｅ）を必要とする。正極スイッチ２０および負極スイッチ２１の同時導通を防止するために、デッドタイム補償を用いてもよい。デッドタイムｔｄは、一般的にスイッチ２０，２１のオフ時間ｔｏｆｆより長く設定される。正極ゲート信号２４または負極ゲート信号２５のうちの１つがオフになるように命令される場合、図に示したようにスイッチングの瞬間ｔｓｗに、コントローラ４０は、ＤＣバス１２の負極レール１６と正極レール１４との間の短絡を起こす同じ位相上において、正極スイッチおよび負極スイッチ２０，２１の両方の同時導通を防止するデッドタイムｔｄの期間に対してオンになるように負極ゲート信号２５または正極ゲート信号２４のうちの他の１つ（ｔｈｅ  ｏｔｈｅｒ）のセッティングを遅延させる。オフ（ｔｏｆｆ）するスイッチ２０，２１での遅延は、不要な導通（ｕｎｗａｎｔｅｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）の短い周期２７を引き起こし、オン（ｔｏｎ）するスイッチにおける遅延は、不要な非導通（ｕｎｗａｎｔｅｄ  ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）が短い周期２９を引き起こす。
【００４０】
上述したように、ＡＣ交流発電機６によって生産されるＡＣ電力の電気角の認識は、交流発電機６からＤＣバス１２までの電力伝送を制御するための同期電流調整器に必要とされる。交流発電機６の角度位置は、一般的に生成された電気的波形から取得される。例えば、逆起電力電圧、位相ロックループの測定を用いることで交流発電機６の角度位置を抽出してもよい。ロータ速度が遅くなることで、振幅が小さすぎて正確に検出できなくなるときまで、逆起電力の大きさは減少する。従来は、正確な電気角が認識されず、ゲート信号２４，２５の生成に起因する電力および／または電位の損傷がインバータに伝送される不安定性や不能を防止するために、コンバータ１０はシャットダウンする必要があった。コンバータ１０が動作できる最小速度は、カットイン速度（ｃｕｔ−ｉｎ  ｓｐｅｅｄ）として知られている。コンバータ１０が動作を中断しても、交流発電機６はカットイン速度未満で電力を生成することができる。
【００４１】
交流発電機６によって生成された電力の受信を継続して、交流発電機６の効率を改善するために、低速動作時において、本明細書に開示するようにコンバータ１０は、その動作範囲を拡大するために多重動作モード（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ）で実行する。上述したように、コンバータ１０は第１閾値を超過したり、第１動作モードで同期制御方法（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｍｅｔｈｏｄ）を実行する。一般的に、定格速度の約１０〜２０％の交流発電機６によって生成される電圧の逆起電力で、交流発電機６の動作速度に対応する第１閾値が確実に検出され得る。第１動作モードにおける動作中に、変調ルーチンは、固定された周期Ｔ１および固定されたデッドタイム補償ｔｄで実行される。任意選択的に、変調周波数、ひいては交流発電機６によって生成される電圧の周波数関数として、第１動作モード中の周期が変化してもよい。例えば、スイッチング周波数の範囲は、５〜１０ｋＨｚの間であってもよい。
【００４２】
変調技術は、端子（Ｔ１〜Ｔ３）とＤＣバス１２の正極または負極レール１４，１６のいずれかと接続されるように、正極スイッチ２０および負極スイッチ２１を交互に制御する。次に図１１を参照すると、ＤＣバス１２の正極または負極レール１４，１６のうちの１つと各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）との間を交代に接続することで得られた変調した電圧波形が示される。交流発電機６の速度が減少することによって、交流発電機における逆起電力の振幅および周波数も同様に減少する。しかし、電力変換装置１０に接続されたインバータ６０は、電気負荷４または電力系統に接続するためのＡＣ電圧を生成しているため、電力変換システムは、ＤＣバス１２上のＤＣ電圧のほぼ一定のレベルを保持する。その結果、逆起電力の振幅が減少することで、変調波形のピーク振幅が同じままで、交流発電機６によって生成された逆起電力の振幅よりもさらに大きくなり、逆起電力の値を読み取ろうとして大幅なノイズや不確実性を導入する。また、図１２および図１３を参照すると、交流発電機６の低周波数動作中の逆起電力電圧１２３の大きさに比較される変調した電圧１２１の大きさの差が示される。
【００４３】
コントローラが逆起電力を確実に測定できる範囲を改善するために、コントローラ４０は、消去制御動作モード（ｂｌａｎｋｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ）に入ってもよい。交流発電機６の動作周波数が減少することによって、消去制御動作モードは変調が中断され、その間に消去時間１２０または短い間隔（ｓｈｏｒｔ  ｉｎｔｅｒｖａｌ）を導入する。消去時間１２０中に、コントローラ４０は、変調した電圧からの干渉なしに逆起電力電圧を読み取ることができる。消去時間１２０は、交流発電機６の慣性および風力タービンの回転翼が、交流発電機６の速度でほぼまたは全く変化せずに交流発電機６の回転を保持するように十分に短い。消去時間１２０は、交流発電機６によって生産される電圧の基本周波数の１サイクルを通して定期的な間隔で導入される。変調周期中に交流発電機６によって生成される電力は、ＤＣバス１２に伝送される。上述したように、消去時間の導入は、電力変換装置１０が一時的に変調を中止して逆起電力を読み取ることを許可する。逆起電力の電気角を決定し、変調を行うためのコントローラ４０で使用される角度を決定する調整に対応する。スイッチ２０，２１の変調は、交流発電機６からＤＣバス１２まで電力を伝送するために修正された角度で再開される。これにより、逆起電力制御が行われる動作範囲は、交流発電機６の定格速度の振幅の約５％に拡張されてもよい。
【００４４】
次の図７を参照すると、したがって、交流発電機の生成された対応する電力および速度が減少することによって、コンバータは変化するデットタイム制御および固定された周期Ｔ１を含む異なる動作モードで動作してもよい。固定された周期Ｔ１期間は、事前の動作モードにおける動作中にコントローラ４０によって使用される周期１５６と同じになるように選択される。同様に、デッドタイム制御のための初期デッドタイムｔｄｘは、前の動作モードにおける動作中に使用されるデッドタイムｔｄと同じになるように選択される。その結果、変化するデッドタイムで動作するための電流消去制御または同期電流調整器の動作からの遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）は、このような動作パラメータ中のいずれにもステップの変化がない。
【００４５】
動作パラメータにおいて、ステップの変化がないにもかかわらず、動作モード中に変調技術による変化がある。図５について上述したように、パルス幅変調は各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）で入力電圧の電気角の関数として、ゲート信号２４，２５を生成する。その結果、正極ゲート信号２４および負極ゲート信号２５は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相ごとに異なる。対照的に、デッドタイム制御中に、コンバータ１０は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々に対して実質的に同一の正極ゲート信号２４および負極ゲート信号２５を生成する。生じる結果は、各々の正極スイッチ２０が直列でオンになり、各々の負極スイッチ２１が直列でオンになってもよい。デッドタイムｔｄで制御されることによって、短い期間中に正極スイッチ２０および負極スイッチ２１が交互にパルスオンおよびパルスオフするように、コントローラ４はゲート信号２４，２５を生成する。
【００４６】
各々の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の位相とスイッチ２０，２１との間に直列に接続される多相インダクター２８は、電流の変化率（ｒａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｎｇｅ）を制限する。さらに、インダクター２８を介して電流の変化率がまた減少し、低速で交流発電機６によって生産される電圧の振幅が低くなる。したがって、各々の正極スイッチ２０または負極スイッチ２１を同時にスイッチングすることが交流発電機６を通って短絡を確率しないにもかかわらず、この動作モード中に発生する電流波形は、図９および図１０に示すように、一般的に正弦曲線である。
【００４７】
電流の大きさは、各々のスイッチ２０，２１にゲート信号２４，２５の期間の関数である。デッドタイムｔｄおよびオン時間ｔｏｎは逆相関し、これはオン時間ｔｏｎが減少してデッドタイムｔｄは増加することを意味する。例えば、コントローラ４０は、交流発電機６によって生産される電流の関数として、デッドタイムｔｄを制御するように使用される比例積分（ＰＩ；Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）調整器、第２電流調整器を実行する。デッドタイム制御下における動作のための最も長いオン時間ｔｏｎ１から最小オン時間ｔｏｎ３までの進行は、図７の各々のプロット（ａ）〜（ｃ）に示される。最初にデッドタイム制御へのスイッチング時に、交流発電機６はエネルギーの最大量を生成し、電力の最大量は交流発電機６とＤＣバス１２との間で伝送されてもよい。したがって、初期オン時間ｔｏｎがその最大期間である。風速が低下し続けると、交流発電機６が生産できる電力レベルは減少し続け、各々のスイッチ２０，２１に対してオン時間ｔｏｎにおける減少を要求する。ある時点で、コンバータはスイッチ２０，２１によって生成される損失の時点に対応する最小オン時間ｔｏｎに到達し、オン時間ｔｏｎの間に伝送される電力を超過する。この時点で、コントローラ４０は、変調周波数を変化し始める。
【００４８】
上記の遷移は、コントローラ４０が動作パラメータにおけるステップ変化なしでデッドタイム制御に送信することを許可する。動作パラメータにおいてステップ変化はないが、変調技術による変化がある。図５について上述したように、パルス幅変調は、各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）で入力電圧の電気角の関数としてゲート信号２４，２５を生成する。同期電流制御中に、正極ゲート信号２４および負極ゲート信号２５は、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相ごとに異なる。対照的に、デッドタイム制御中にコンバータ１０は、端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相に対して実質的に同一の正極ゲート信号２４および負極ゲート信号２５を生成する。生じる効果は、各々の正極スイッチ２０が直列でオンになり、各々の負極スイッチ２１が直列でオンになる。コントローラ４０は、正極スイッチ２０および負極スイッチ２１がデッドタイムｔｄによって制御されるような短い周期に対して交互にパルスオンおよびパルスオフするように、ゲート信号２４，２５を生成する。
【００４９】
入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の各々の位相と各々のスイッチ２０，２１との間に直列に接続される多相インダクター２８は、電流の変化率を制限する。さらに、低速で交流発電機６によって生産される電圧の振幅は低下し、インダクター２８を流れる電流の変化率も減少する。したがって、各々の正極スイッチ２０または負極スイッチ２１を同時にスイッチングすることが交流発電機６において短絡を確立（ｅｓｔａｂｌｉｓｈ  ａ  ｓｈｏｒｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ）することがなければ、この動作モード中に発生する電流波形は、図９および図１０に示すように一般的に正弦曲線である。
【００５０】
次に図８を参照すると、最小のオン時間ｔｏｎ後に交流発電機６からＤＣバス１２まで到達するエネルギーの伝送を続けるために、コントローラ４０は、オン時間ｔｏｎが変らず一定で、変調周期Ｔが変化する変調ルーティング（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｒｏｕｔｉｎｇ）を実行する。例えば、図８のプロット（ａ）は、この動作モードにおける初期動作点を示してもよい。初期周期Ｔ１は、図７に示した遷移間に用いられる周期Ｔ１と同一であり、オン時間ｔｏｎは、最小オン時間ｔｏｎ３と対応する。その結果、動作モード中の遷移は、オン時間ｔｏｎまたは変調周期Ｔに対してステップ変化がない。
【００５１】
図８に示すように、コンバータ１０は、オン時間ｔｏｎを一定に保ち、変調周期を制御する。例えば、初期変調周期Ｔ１は、１０ｋＨｚスイッチング周波数に対応する１００μｓｅｃであってもよい。例えば、交流発電機６によって提供される電流が減少し続けることによって、変調周期はＴ２に、その後Ｔ３に延びてもよい。変調周期が５０Ｈｚスイッチング周波数に対応する少なくとも２０ｍｓｅｃに延びることが企図される。したがって、風速および対応するロータ速度が減少することによって、コンバータ１０は、風力タービンから取得されるエネルギーの量を増加させるために、さらに広い動作範囲にわたって動作を続ける。
【００５２】
可変する変調周波数における動作中に、変調周期期間および電流の振幅での変化間の関係は非線形であるため、動作を容易にするために、コントローラ４０は、メモリ４２に格納されたルックアップテーブルにアクセスしてもよい。例えば、１０ｋＨｚスイッチング周波数（すなわち、１００μｓｅｃ周期）で動作する場合の変調周期での１０μｓｅｃの変化は、５０Ｈｚスイッチング周波数（すなわち、２０ｍｓｅｃ周期）で動作する場合により大きい比率の増加を示す。低電力動作中の電流の振幅における変化に対するコントローラ４０の応答時間を改善するために、変調周期は、コンバータがさらに高いスイッチング周波数で動作している場合よりも、コンバータ１０がさらに低いスイッチング周波数で動作している場合により大きい増加に変化する。ルックアップテーブルは、変化する動作点で変調周波数における所望の増分変化を格納してもよい。
【００５３】
風速および交流発電機によって生産される対応する電力が増加し始めることによって、コントローラ４０は、動作モードによってステップを反転させる。最初に、第１および第２動作モードでの動作に対する所望の周期に再び到達するときまで、コントローラは固定されたオン時間ｔｏｎで動作し、変調周期Ｔを減少させる。両方の動作モードは、一般の動作点を含むために、可変する変調周期Ｔおよび固定されたオン時間ｔｏｎにおける動作から固定された変調周期Ｔ、および可変するオン時間ｔｏｎにおける動作のための遷移は、再び途切れなく行われる。同様に、風速および交流発電機６によって生成される対応する電力が増加し続けることによって、デッドタイムｔｄが第１動作モードにおける動作に対するデッドタイムｔｄに到達するときまで減少する。この時点で、コントローラ４０が交流発電機６の逆起電力を正確に決定できる十分なレベルで交流発電機６は電力を生産する。例えば、コントローラは、逆起電力をモニタリングし始めて、位相ロックループを用いて対応する電気角を決定し、それから同期電流調整器で第１動作モードにおける動作にスイッチバックしてもよい。周期Ｔおよびデッドタイムｔｄが遷移点において各々のモードに対して同じであるため、再度のモード間の遷移は途切れない。
【００５４】
本発明は、本明細書に記載した構成要素の構造および構成の詳細への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。上記の変形形態および修正形態は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で開示および規定される本発明は、説明した個々の特徴またはテキストおよび／または図面から明白な個々の特徴のうちの２つ以上の全ての代替的な組合せに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組合せの全ては、様々な本発明の代替的な態様を構成する。本明細書に記載した実施形態は、本発明を実施するために知られている最良の形態について説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。
【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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【図１３】
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【国際調査報告】
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