(57)【要約】  本発明は、風力タービン（１００）内の多相他励同期発電機（３０２）を制御する方法であって、同期発電機（３０２）がステータ（３２２）とアーマチャ（３２４）とを備えており、アーマチャ（３２４）が励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を入力するための励磁入力（３２６）を備えており、励磁入力（３２６）には励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を入力する励磁制御器（３２０）が接続されており、ステータ（３２２）が、ステータ電流を供給するためのステータ出力（３２８）を備えており、整流器（３０４）が、ステータ（３２２）のステータ出力（３２８）に接続されており、ステータ電流を整流して、該整流器（３０４）に接続されたＤＣリンク（３０６）に該電流を提供し、整流器（３０４）が、ステータ電流を制御するために制御可能であり、方法が、アーマチャ（３２４）又は風力タービン（１００）の空力ロータの速度（ｎ）を検出するステップと、検出された速度（ｎ）に基づいて同期発電機（３０２）又は風力タービンによって供給されるべきセットポイント電力（ＰSoll）を特定するステップと、検出された速度（ｎ）と特定されたセットポイント電力（ＰSoll）と、に基づいて励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を特定するステップと、このように特定された励磁電流（ｉerr）又はこのように特定された励磁電圧（ｖerr）を、励磁制御器（３３０）によって、励磁入力（３２６）に入力するステップと、検出された速度（ｎ）と特定されたセットポイント電力（ＰSoll）とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定するステップと、ステータ出力（３２８）から供給されるべき特定されたステータ電流をセットポイントステータ電流に設定するために整流器（３０４）を制御するステップと、を備えており、励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を特定するステップと、セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定するステップと、のうちの少なくとも一方のステップが適応制御装置（３１４）によって実施され、励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）又は該供給されるべきステータ電流が制御装置（３１４）についての制御変数を形成する、方法に関する。【選択図】  図３
2020532270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１００）内の多相他励同期発電機（３０２）を制御する方法であって、
・前記多相他励同期発電機（３０２）がステータ（３２２）とアーマチャ（３２４）とを備えており、
・前記アーマチャ（３２４）が励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を入力するための励磁入力（３２６）を備えており、
・前記励磁入力（３２６）には前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）を入力する励磁制御器（３２０）が接続されており、
・前記ステータ（３２２）が、ステータ電流を供給するためのステータ出力（３２８）を備えており、
・整流器（３０４）が、前記ステータ（３２２）の前記ステータ出力（３２８）に接続されており、前記ステータ電流を整流して、該整流器（３０４）に接続されたＤＣリンク（３０６）に該ステータ電流を提供し、
・前記整流器（３０４）が、前記ステータ電流を制御するために制御可能であり、前記方法が、
・前記アーマチャ（３２４）又は前記風力タービン（１００）の空力ロータの速度（ｎ）を検出するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）に基づいて前記多相他励同期発電機（３０２）又は前記風力タービンによって供給されるべきセットポイント電力（ＰSoll）を特定するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）と前記特定されたセットポイント電力（ＰSoll）とに基づいて励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を特定するステップと、
・このように特定された前記励磁電流（ｉerr）又はこのように特定された前記励磁電圧（ｖerr）を、前記励磁制御器（３３０）によって、前記励磁入力（３２６）に入力するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）と前記特定されたセットポイント電力（ＰSoll）とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定するステップと、
・前記ステータ出力（３２８）から供給されるべき前記特定されたステータ電流を前記セットポイントステータ電流に設定するために前記整流器（３０４）を制御するステップと、
を備えており、
・前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）を特定する前記ステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定する前記ステップと、
のうちの少なくとも一方のステップが適応制御装置（３１４）によって実施され、前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）又は該供給されるべき前記ステータ電流が前記適応制御装置（３１４）についての制御変数を形成する、
前記方法。
【請求項２】
・前記多相他励同期発電機のパラメータ、特に、磁化インダクタンス及び／又はステータ抵抗及び／又は励磁抵抗が、推定装置（３１２）によって、前記多相他励同期発電機についての推定値として推定され、
・前記適応制御装置が、前記推定値を考慮に入れることによって制御変数を特定する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記適応制御装置が、前記多相他励同期発電機のモデルを考慮に入れることと、前記多相他励同期発電機についての推定された値に基づいて、あるいは、前記多相他励同期発電機についての前記推定された値に基づいて前記モデル又はそれから導出される関係を適応化することと、によって、制御変数を特定する、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
・前記風力タービンがギアレス風力タービンの形態であり、
・それに加えて、あるいは、その代わりに、前記多相他励同期発電機がリング発電機の形態であり、
・それに加えて、あるいは、その代わりに、少なくとも２つの３相システムが前記ステータに存在する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記多相他励同期発電機の少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作され、この飽和によって変更された少なくとも１つのパラメータが推定装置又は前記推定装置によって検出される、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
推定装置又は前記推定装置が、前記多相他励同期発電機のパラメータを推定するための入力値として、
・１つ又は複数の３相ステータシステムの少なくとも１つのステータ電圧、特に３つのステータ電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、
・同じ前記３相ステータシステム、あるいは、複数の３相ステータシステムの１つの３相ステータシステムの少なくとも１つのステータ電流、特に３つのステータ電流、
を考慮に入れることによって、前記パラメータを推定する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
推定装置又は前記推定装置が前記多相他励同期発電機の磁化インダクタンスのｄｑ成分を推定値として推定する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
・前記適応制御装置がｄｑ座標における前記セットポイントステータ電流を特定し、
・前記セットポイントステータ電流が、位相毎に１つの電流値を有する３相表現に変換し戻されることによって、前記整流器が制御され、それによって、供給されるべき前記特定されたステータ電流が前記セットポイントステータ電流に設定される、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＤＣリンクがインバータに接続されており、該インバータが前記ＤＣリンクのエネルギを３相電流に変換して電力供給システムに供給する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記セットポイント電力が、前記検出された速度に基づいて、及び、前記多相他励同期発電機又は前記風力タービンの検出された電力出力に基づいて、特定され、この特定が、特に、
・中間電力が、前記検出された速度から特定され、
・制御誤差が、セットポイント値としての前記中間電力と実際値としての前記検出された電力出力とから、セットポイント値／実際値比較によって、特定され、
・前記制御誤差が、制御器、特にＰＩ制御器に提供され、それによって前記セットポイント電力が特定される、
ように実施される、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記適応制御装置が、前記多相他励同期発電機の効率が最大化されるように制御される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
・少なくとも１つの磁化インダクタンスが、それぞれのインダクタンス特性曲線を使用して推定又は特定され、該インダクタンス特性曲線が、磁化電流に基づいてそれぞれの前記磁化インダクタンスの値を規定しており、
・前記インダクタンス特性曲線の値が、推定又は前記推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の特性曲線から適応化される、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を特定するために、
・それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線が、それぞれの前記セットポイントステータ電流について使用され、
・前記セットポイントステータ電流特性曲線が、前記供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれの前記セットポイントステータ電流との間のそれぞれの関係を示しており、
・それぞれの前記セットポイントステータ電流が、前記供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれの前記セットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定される、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記セットポイントステータ電流特性曲線の少なくとも１つ、特に、各々の前記セットポイントステータ電流特性曲線が、反復ルーチンで変化条件に適応化され、
・前記少なくとも１つのセットポイントステータ電流特性曲線が、
・推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000041
）、
・推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000042
）及び
・推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000043
）を含むリストから得られる１つ、複数又は全ての値に基づいて、適応化され、
・前記反復ルーチンが、それぞれの前記セットポイントステータ電流が、前記供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれの前記セットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定されるよりも少ない頻度で実施され、特に、前記反復ルーチンが０.０１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で繰り返される、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
・前記セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）が、オンラインで、前記セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、及び、少なくとも、
・推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000044
）、
・推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000045
）及び
・推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000046
）を含むリストから得られる１つ、複数又は全ての値に基づいて、特定される、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
多相他励同期発電機を備えた風力タービンであって、
・前記多相他励同期発電機がステータとアーマチャとを備えており、
・前記アーマチャが励磁電流又は励磁電圧を入力するための励磁入力を備えており、
・前記励磁入力には前記励磁電流又は前記励磁電圧を入力する励磁制御器が接続されており、
・前記ステータが、ステータ電流を供給するためのステータ出力を備えており、
・整流器が、前記ステータの前記ステータ出力に接続されており、前記ステータ電流を整流して、該整流器に接続されたＤＣリンクに該ステータ電流を提供し、
・前記整流器が、前記ステータ電流を制御するために制御可能であり、前記多相他励同期発電機を制御するために、
・前記アーマチャ又は空力ロータの速度を検出する速度検出手段が設けられており、
・制御装置が設けられており、該制御装置が、
・前記検出された速度に基づいて前記多相他励同期発電機又は風力エネルギによって供給されるべきセットポイント電力を特定し、
・前記検出された速度と前記特定されたセットポイント電力とに基づいて励磁電流又は励磁電圧を特定する
ように構成されており、
・前記励磁制御器が、このように特定された前記励磁電流又はこのように特定された前記励磁電圧を前記励磁入力に入力するように構成されており、
・前記制御装置が、
・前記検出された速度と前記特定されたセットポイント電力とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定し、
・前記ステータ出力から供給されるべき前記特定されたステータ電流を前記セットポイントステータ電流に設定するために前記整流器を制御する
ように構成されており、
・前記制御装置が、
・前記励磁電流又は前記励磁電圧を特定するステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定するステップと、
のうちの少なくとも一方のステップのために、適応制御装置として、設けられており、前記制御装置が、前記励磁電流又は前記励磁電圧又は該供給されるべき前記ステータ電流が前記制御装置についての制御変数を形成するように構成されている、前記風力タービン。
【請求項１７】
自己が、特に自己の前記制御装置が、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、請求項１６に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン内の多相他励同期発電機を制御する方法に関し、また、それに対応する風力タービンにも関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、周知であり、空力ロータとそれに結合された発電機とによって風力エネルギを電気エネルギに変換する。発電機の設計には様々なものがある。二重給電非同期機と、永久励磁、即ち、永久磁石を備えた同期発電機と、特に他励同期発電機と、が今日では通例となっている。本発明は、ここに引用の二重給電非同期発電機と永久励磁同期発電機のいずれにも関係せず、他励同期発電機に関係する。
【０００３】
二重給電非同期機との違いは多様であり、このことは、二重給電非同期機が発電機と発電機制御とに関して当該の分類とは無関係であると見なせることを意味している。
【０００４】
永久励磁同期発電機との違いは、特に、本発明に従って検討される他励同期発電機が励磁によっても制御できることである。この点で、他励同期発電機は、同期発電機のアーマチャが励磁電流又は励磁電圧によって励磁されることを意味しているとも理解されるべきである。従って、励磁電流又は励磁電圧の設定によって動作点に影響を及ぼすことができる。本明細書において、アーマチャという用語は、特に風力タービンの空力ロータ、即ち、風によって動かされるロータブレードを備えたロータとの混同を回避するために使用している。
【０００５】
別の見方をすると、基本的に、ギアレスの風力タービンとギアベースの風力タービンとの間でも区別される。特に、本発明が関係するギアレスの風力タービンでは、発電機のアーマチャが空力ロータに機械的に直接結合されているので、アーマチャと空力ロータとは動作中に同じ速度を有する。
【０００６】
他励同期発電機は、特に、先ず励磁電流又は励磁電圧を設定して、次に電力消費を制御することによって制御でき、この電力消費の制御においては、簡単に言えば、この同期発電機の固定子に掛かる電気的負荷を制御する。
【０００７】
そのような制御は、実質的に風力タービンの動作点に基づいて実施されるが、このことは、それが卓越風の速度に基づいて実施されることも意味する場合が多い。しかしながら、この動作点を変更するその他の理由もあり得、例えば、風力タービンが給電する電力供給システムのネットワークオペレータによる適用可能な直接的又は間接的な要求事項のような理由もあり得る。安全性又は環境保護に関連する状況又は規定によってもこの動作点の変更が必要となり得る。
【０００８】
基本的に、部分負荷モードと全負荷モードも区別される。部分負荷モードでは、少なくとも一部の制御設計に従って、風力タービンの速度と電力が卓越風の速度に基づいて設定される。一方、全負荷モードでは、風力タービンは、定格電力と定格速度に制限されており、従って、少なくともこの点に関しては、固定動作点で動作する。この定格速度及び定格電力への制限は、特に、ロータブレードを調節することによって、即ち、風が増加するにつれてその風の範囲からずれるようにしてロータブレードを回転させて、従って、風が増加しても、より大きな電力が風から取り出されないようにすることによって、実現される。
【０００９】
部分負荷モードにおける動作点の設定は、通常、空気力学的に最適であると想定される一定のブレード角度がロータブレードについて設定されるように実施される。そして、ロータブレードが風によって駆動され、速度が生成される。この速度に基づいて、風力タービンについての、従って、最終的に発電機についての出力電力が生成される。この発電機の電力が風から取り出される電力に対応する場合には、速度と電力とについての適用可能な安定した動作点が得られる。そうでない場合には、安定した動作点が見つかるまで、速度が変化し、その新しい速度に従って新しい電力値が生じる。
【００１０】
発電機における電力は、同様に、特性曲線に基づいて、あるいは、テーブル、即ち、ルックアップテーブルとして知られているものに基づいて、設定できる。このテーブルは、設定されるべき励磁電力、即ち、設定されるべき制御電流又は励磁電圧も記録できる。
【００１１】
この点において、風力タービンは、基本的には、高い信頼性で且つ効率的に制御することもできる。しかしながら、この特性曲線又は保存済みのテーブルは、例えば、動的プロセスの再現性が低いために、不正確である場合、あるいは、少なくとも改善の余地がある場合もあり得る。例えば熱的な影響のような一時的な変化も、テーブル内において再現性が低い場合もあり得、あるいは、別のテーブルレベル（ｔａｂｌｅ  ｌｅｖｅｌ）又はテーブルディメンション（ｔａｂｌｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を必要とする場合もあり得る。同じことが、経年変化の過程によって引き起こされ得る恒久的な偏差にも当てはまる。例えば前述の温度のような非線形性は、その他の影響を及ぼす変数と共に、テーブル内においては再現性が低いこともあり得る。
【００１２】
最適とは言えないテーブルを使用すると、たとえ、それらが最適でないことが単に散発的であっても、パフォーマンスが低下する可能性がある。少なくとも、風力タービンが最適なパフォーマンスでは動作しなくなる可能性がある。
【００１３】
これは、テーブルエントリ（ｔａｂｌｅ  ｅｎｔｒｙ）を定期的に再計算することによって解決できるが、これらは、実に複雑であり、特にそのような計算に必要な入力変数が不明又は確認困難である場合には、実施が困難であるか、あるいは、不可能でさえあり得る。
【００１４】
独国特許商標庁は、本出願についての優先権出願において、次の先行技術文献を調査した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０４３ ４９２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１１ ２０１６ ０００ ４５５号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２ ６７２ ６２４号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００６ ６７０号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０ ２０１６ １０６ ５９０号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】C. D. Nguyen and W. Hofmann: "Self-tuning adaptive copper-losses minimization control of externally excited synchronous motors", 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM), Berlin, 2014, pp. 897-902 (出願人)
【非特許文献２】Chi D. Nguyen and W. Hoffman, "Self-Tuning Adaptive Copper-Losses Minimization Control of Externally Excited Synchronous Motors", International Conference on Electrical Machines (ICEM) 2014, pp. 897-902, Sept 2-5, 2014
【非特許文献３】D. Kowal, P. Sergeant, L. Dupre’ and H. Karmaker, "Comparison of Frequency and Time-Domain Iron and Magnet Loss Modeling Including PWM Harmonics in a PMSG for Wind Energy Application", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 30, no.2, pp. 476-486, June 2015
【発明の概要】
【００１７】
従って、本発明は、前述の問題の少なくとも１つに対処する目的に基づいている。特に、この目的は、特に電力生産量が少なくとも増加し、好ましくは最適化されるように多相他励同期発電機の制御を改善する解決策を提案することである。この目的は、少なくとも、既知の解決策の代替案を提案することである。
【００１８】
よって、本発明に従って、請求項１に記載の方法を提案する。
【００１９】
従って、風力タービン内の同期発電機を制御する。この同期発電機は、多相であり、好ましくは、１つの３相システムだけではなく、複数の３相システムを備えている。従って、この同期発電機は、多極同期発電機でもあり、特にギアレス風力タービン内における低速回転リング発電機である。
【００２０】
更に、この同期発電機は、他励であり、従って、外部からの適用可能な励磁電力の入力から、即ち、励磁制御器から励磁を受ける。従って、ステータとアーマチャとを備えたこの同期発電機は、励磁電流と励磁電圧とによって励磁電力を入力するために、アーマチャに励磁入力を備えている。このために、励磁入力には励磁制御器が接続されており、この励磁制御器は、例えば電流制御器の形態を取ることができ、適切なＤＣ電流を励磁電流として入力することによってアーマチャを励磁できる。この励磁制御器、即ち、例えば上述のＤＣ電流制御器は、励磁電力の振幅を設定するのにも使用でき、その際、励磁電流が、この例ではＤＣ電流制御器によって、必要に応じて設定される。
【００２１】
生成された電力を供給するために、ステータはステータ出力を備えており、このステータ出力からステータ電流を供給する。この同期発電機の多相性は、特にステータ電流に関係している。従って、本例において好ましい一変形実施形態として提案する２つの３相システムを備えた同期発電機は、相異なる位相を有する６つのステータ電流を供給するか、あるいは、１つの６相ステータ電流を供給する。
【００２２】
ステータ出力には整流器が接続されており、これによって、ステータ電流が整流されて、この整流器に接続されたＤＣリンクに供給される。従って、ステータ電流の全ての位相が、即ち、例えば、上述の例では６つの位相が、整流されてＤＣリンクに供給される。これは、供給される発電機電力がＤＣリンクに供給されることを意味している。このＤＣリンクは、このように供給された電力を例えばインバータによって反転させて電力供給システムに供給でき、また、この電力を電力供給システムの要件に合わせることができる。
【００２３】
更に、この整流器は、ステータ電流を制御するために制御可能である。従って、この整流器のタスクは発電機から供給される電力をＤＣリンクに供給するだけではなく、この整流器はステータ電流を制御することで発電機の制御も担っている。従って、ステータ電流の制御によって、発電機の動作点を設定する、あるいは、これに影響を及ぼすこともできる。
【００２４】
従って、本例において提案する、また、別のステップについての基礎となる同期発電機のシステムは、少なくとも励磁電力の制御によって、発電機の、特にその動作点の制御を可能にし、ステータ電流の制御によって、発電機の、特にその動作点の別の制御を可能にする。従って、発電機の動作点は、少なくともこれらの２つの介入オプションによって制御できる。
【００２５】
このシステムについて、制御及びこの制御の準備のための下記のステップを提案する。
【００２６】
先ず、アーマチャの速度を検出する。これを測定することも、あるいは、制御システムにおいて頻繁に存在する速度の値を使用することもできる。この速度の検出と更に説明するその他のステップとは、基本的に反復ルーチンで継続的に実施される。特に、この検出のための方法ステップは同時に実施することもできる。
【００２７】
更に、同期発電機又は風力タービンによって供給されるべき電力が特定され、これによって、セットポイント電力が形成される。これは、速度に基づいて行われる。特に、これは、速度と電力との関係を規定する速度／電力特性曲線に基づかせることができ、従って、速度は、対応付けられた電力値を、この速度／電力特性曲線から推定して、これをセットポイント電力として使用するための基礎となる。しかしながら、別の条件も考慮に入れることが可能であり、例えば、ほんの２つの例を挙げるとすれば、騒音を減らすための速度低減、あるいは、その他の自然保護上の理由による速度低減を規定する外部要件などが挙げられる。
【００２８】
簡単に述べると、励磁電流は、以下、常に励磁電圧をも表すものであり、セットポイント電力を供給できるように選択される。また、簡単に述べると、セットポイント電力が増加すれば、励磁電流も増加することになり、これは、発電機がこのより高い電力を供給できることを意味している。但し、これは、説明のためのほんの一例であり、その理由は、同じ励磁電力又は同じ励磁電流で速度が増加すれば同期発電機の電力出力も増加することは基本的にあり得るからである。
【００２９】
いずれにしても、このようにして特定された励磁電流は、発電機の制御に使用され、即ち、アーマチャの励磁入力に入力される。既に説明したように、変換は、電流制御器によって実施できる。
【００３０】
更に、供給されるべきステータ電流は、検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて、特定される。このようにして特定されたこれらのステータ電流は、対応するセットポイントステータ電流を形成する。発電機の電力出力は、実質的にステータ出力におけるステータ電流とこれらに対応するステータ電圧とから得られる。しかしながら、発電機の全体的なバランスのために、例えば、上述の電流制御器によって加えられる励磁電力も差し引かれるべきである。
【００３１】
更に、ステータ出力から供給されるべき特定されたステータ電流がセットポイントステータ電流に設定されるように整流器が制御されることを提案する。ステータ電流の大きさは、一方において、同期発電機から、即ち、特に、設定された励磁電力とアーマチャの速度とから得られる。他方において、ステータ電流は、本例において、実質的に被制御整流器によって形成される回路にも依存している。基本的に、本例においては、ステータ出力にフィルタを接続することも可能である。但し、このようなフィルタは、被制御整流器によっても提供できる。
【００３２】
従って、制御は、次のように機能する。アーマチャの速度を検出し、これに基づいてセットポイント電力を規定し、更に、励磁電流を設定し、整流器を用いてステータ電流を制御する。
【００３３】
更に、励磁電流又は励磁電圧の特定、これに加えて、あるいは、この代わりに、供給されるべきステータ電流の特定、即ち、セットポイントステータ電流の特定が適応制御装置によって実施されることを提案する。この例において、励磁電流又は励磁電圧と、供給されるべきステータ電流、即ち、セットポイントステータ電流とは、この制御装置についての制御変数を形成している。従って、少なくとも励磁電流又は励磁電圧の適応制御を提案し、それに加えて、あるいは、その代わりに、ステータ電流の適応制御を提案する。
【００３４】
適応制御、即ち、自己を何かに適応化する制御は、この場合、自己をパラメータに適応化する制御であるが、制御工学的な意味において状態変数には適応化しない。
【００３５】
従って、アーマチャの検出された速度は状態変数であり、供給されるべき電力、即ち、セットポイント電力も同様に状態変数である。
【００３６】
パラメータ、即ち、システムパラメータは、システムの特性、即ち、例えば、発電機の内部抵抗又はインダクタンスである。
【００３７】
一実施形態に従って、同期発電機のパラメータが、推定装置によって同期発電機についての推定値として推定され、適応制御装置が、それらの推定値を考慮に入れることによって制御変数を特定することを提案する。従って、この適応制御装置は、励磁電流又は励磁電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、供給されるべきステータ電流を、制御変数として、制御する装置である。この制御装置は、推定値を考慮に入れることによって、これらの制御変数を特定する。特に、この制御装置は、この目的のために少なくとも１つの制御法則を有しており、これには、最も単純な場合、利得係数及び／又は少なくとも１つの時定数が含まれ得る。このような制御法則は、推定値を考慮に入れることによって、調整又は変更できる。
【００３８】
従って、本例において、パラメータの推定は、状態の推定ではなく、特にパラメータの識別を意味していると理解されたい。
【００３９】
例示的に述べると、例えば、検出された速度と、一方では、特定されたセットポイント電力と、他方では、励磁電流又は励磁電圧と、の間には、同一系統の特性曲線群による、ある関係が存在し得る。簡単な例を挙げると、適応化によって、この同一系統の特性曲線群を、例えば推定値に基づいて、変更する、例えば、置き換えることができる。これは、この制御装置の適応化の一例である。
【００４０】
好ましくは、１つ又は複数の磁化インダクタンス、ステータ抵抗、及び／又は、励磁抵抗が、同期発電機についての推定値として、推定されて、次に、適応制御装置を適応化するために使用される。従って、適応制御装置は、１つ又は複数の推定磁化インダクタンス及び／又は推定ステータ抵抗及び／又は推定励磁抵抗に依存している。
【００４１】
本例において、特に３つの上述の値、即ち、磁化インダクタンス、ステータ抵抗及び励磁抵抗が、可変である場合、あるいは、正確には既知ではない場合があり、少なくとも一部の動作点において、動作点に、あるいは、動作点の選択又は調整に、明らかに影響を及ぼし得ることが認識されている。更に、同期発電機のこれらのパラメータのうちの１つ又は複数のものを即時に又は直接的に測定することは、殆ど不可能であり、少なくとも難題によって妨げられることが認識されている。従って、１つの推定方法を提案する。好ましくは、この推定方法は、推定を通常の動作中に実施できる、即ち、オンラインで実施できるように機能する。
【００４２】
基本的に、パラメータの推定は、複雑である場合、及び、計算機能及び／又は計算時間を必要とする場合がある。しかしながら、パラメータの推定は、励磁電流又は励磁電圧とステータ電流との実際の設定よりも顕著に低い繰り返しレートでしか実施できないことが認識されている。従って、これらのパラメータを推定するための比較的遅いアルゴリズムを設けてもよく、また、これには、推定パラメータの、それに対応して少ない送信、即ち、低い送信レートでの送信、も実施できるという利点もある。これによって、送信チャネルの負荷を軽減することもでき、あるいは、このようなパラメータの推定の導入は、これらの送信システムに大きな追加の負荷をかける必要がないことを意味している。
【００４３】
更に、特に磁化インダクタンスが、励磁電流に、更に具体的には、励磁電流の変化に影響を及ぼすこと、及び、励磁電流が、磁化インダクタンスに基づいてアーマチャに異なる励磁電力をもたらすこと、が認識されている。これは、制御装置が自己を適応的にこれに対応させることによって、考慮に入れることができる。
【００４４】
励磁抵抗も、励磁電流に影響を及ぼす、あるいは、アーマチャ内における励磁電流の効果を変える可能性があり、この問題は、適応制御装置によって克服できる。
【００４５】
ステータ抵抗は、特に、ステータ電流又は多相ステータ電流に影響を及ぼす。ステータ抵抗は、特に、発電機内において無効電力成分にも影響を及ぼす可能性がある。ステータ抵抗によって、ステータ巻線におけるステータ電流とステータ電圧との間の位相角が、ステータ出力におけるステータ電流と出力電圧との間の位相角と比べて異なることになる。これも、ステータ抵抗が推定される場合、ここに提案する適応制御装置によって、考慮に入れることができる。
【００４６】
一実施形態に従って、適応制御装置が、同期発電機のモデルを考慮に入れることと、同期発電機についての推定された値に基づいて、あるいは、同期発電機についての推定値に基づいてモデル又はそれから導出される関係を適応化することと、によって、制御変数を特定することを提案する。
【００４７】
特に、このようなモデルは、制御装置又は対応付けられた計算ルール内において使用される又は保存されている。このモデルは、発電機の所望の応答が得られるように、特に、検出された速度に基づいて特定されたセットポイント電力が得られるように、特に、励磁電流とステータ電流との上述の大きさを調整するための基礎として使用できる。同期発電機のモデルを考慮に入れることは、最適な動作点の設定にも役立つ場合がある。同期発電機のモデルを使用する場合、可能な限り低い損失について、所望のセットポイント電力を見つけることもできる。換言すれば、関連する電流、特にステータ電流を選択及び設定して、最適な電力を得ることができる。
【００４８】
ここに提案する適応化と、その場合、この一実施形態において提案するような同期発電機についての推定値に基づくモデルの適応化と、によって、このモデルを、同期発電機について考慮に入れられた値のモデルにおける実際の変化にまで、追跡することもできる。特に、これによって、制御装置が、不正確なモデルに基づいて、励磁電流及び／又はステータ電流を特定又は規定することが防がれる。特に、モデルの使用は、それが表現すべき実際のシステムと余りに大きく異なる場合、問題が生じる可能性がある。同期発電機についての推定値に基づく、ここに提案する適応化は、この問題を回避するか、あるいは、少なくともこれを軽減する。
【００４９】
別の一改良形態に従って、風力タービンがギアレス風力タービンの形態であり、それに加えて、あるいは、その代わりに、同期発電機がリング発電機の形態であることを提案する。従って、この方法は、この種の特定の風力タービンに適用される。ギアレス風力タービンの場合、発電機のアーマチャは、風力タービンの空力ロータに直接機械的に結合されている。これは、特にアーマチャが非常にゆっくりと、即ち、空力ロータの速度でしか回転しないことを意味している。空力ロータの定格速度は、例えば５〜１０ｒｐｍの範囲内にある。これは、少なくともこの種の風力タービンに基づいていることが好ましい。従って、これは、定格動作中の発電機又はそのアーマチャの速度でもあり、速度は、部分負荷モードにおいては、それよりも低くなる。
【００５０】
従って、この実施形態に従えば、ここに提案する方法は、低速で動作する発電機に関する。特に、このような発電機の制御は、定格速度が１５００又は３０００ｒｐｍの標準的な発電機の制御とは大きく異なる場合がある。ギアレス風力タービンのこのような発電機は、それぞれが風力タービン用に特別に製造されており、この製造には、通常、大きな手動の構成要素があるために、ある程度、固有でもある場合が多い。
【００５１】
同じことが、ここに提案するリング発電機にも当てはまり、このリング発電機は、非常に多数の、特に少なくとも４８、特に少なくとも９６、特に１９２の極対によって特徴付けられている。リング発電機は、空隙領域において正にリング状に磁気的に有効な領域を備えている。特に、リング発電機は、空隙の直径の０％から少なくとも５０％の範囲内の直径を有する回転軸の周りの内側領域において、磁気的に有効な物質又は磁気的に有効な領域がないことを特徴としている。換言すれば、この内側領域には、仮にあったとしても、ベアリング構造、あるいは、換気サポート構造などが含まれている。このようなリング発電機は、１５００又は３０００ｒｐｍの速度について設計された通常の発電機とは全く異なる動作をする。
【００５２】
それに加えて、あるいは、その代わりに、ステータには少なくとも２つの３相システムがある。あるいは、例えば、４つの３相システムの可能性もある。この例において、各々の３相システムは実質的に独立したステータシステムを形成しており、共通のロータが使用されている。ステータに２つの３相システムがある場合、それらは、互いに対して３０度位相シフトされていることが好ましい。これによって、発電機を良好に利用することができ、特に、これらの６つの位相の整流中に高レベルの平滑化も実現できる。それにもかかわらず、これには、モデル依存の考慮について高レベルの複雑さが要求される可能性がある。
【００５３】
しかしながら、ここに提案する適応制御装置によって、特にパラメータの推定によって、高レベルの品質を達成できることが認識されている。同時に、このような少なくとも２倍の３相ステータシステムは、個々のステータ電流、即ち、ステータ電流全体の位相が、特に低い電流値を有することができるという効果も達成できる。更に、少なくとも部分的な故障対策の安全性もある。少なくとも、２つの３相ステータシステムの１つが故障した場合に発電機が定格電力を供給できなくなったとしても、残りの１つが引き続き動作できる。
【００５４】
特に、同期発電機について使用されるモデルが、ステータにおける少なくともこれら２つの３相システムを表現する、即ち、少なくとも２つの３相ステータシステムを表現することを提案する。
【００５５】
好ましくは、同期発電機の少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作され、この飽和の結果として変化した少なくとも１つのパラメータが推定装置によって特定される。インダクタンスの飽和は、磁界強度が更に増加しても、磁束密度が更に増加しないか、あるいは、少なくとも、大幅に更に増加しないことを意味している。これによって、通常、関連成分の応答を非リアクタンス性の抵抗の応答に近づけさすことができる。従って、飽和の推定に比較的に困難が伴う場合でも、そのようなパラメータの変化を推定装置によって検出することが可能である。従って、好ましい実施形態として、使用するモデルをそれに応じて適応化することができる。
【００５６】
少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作される動作点を意識的に選択することによって、それに応じて同期発電機の応答を適応化することが好ましい。特に、これは、インダクタンスを結合することに関係し、その場合における変換されたインダクタンスにも関係し得る。飽和は、物理的に同期発電機のステータとロータの両方において得られる。動作点は、特に、磁化インダクタンスが飽和モードで操作されるように選択される。
【００５７】
一実施形態に従って、推定装置が、同期発電機のパラメータを推定するための入力値として、少なくとも１つのステータ電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、少なくとも１つのステータ電流を考慮に入れることによって、それらのパラメータを推定することを提案する。同期発電機の関連パラメータは、特にステータ電圧及び／又はステータ電流から推定できる。従って、関連パラメータは、ステータ電圧及び／又はステータ電流を使用して推定できることが認識されている。
【００５８】
好ましくは、複数の３相ステータシステムのうちの１つの３相ステータシステムの３つの電圧全てが、パラメータの推定に使用される。それに加えて、あるいは、その代わりに、１つの又は同じ３相ステータシステムの３つの電流全てが推定に使用される。
【００５９】
この例において、同期発電機の関連パラメータを推定するには、特に、適用可能なステータ電圧又はステータ電流を使用するステータの３相システムを使用でき、特に、これだけで十分であることが認識されている。これは、たとえ複数の３相ステータシステムがある場合でも、これだけで十分であることが認識されているからである。たとえこれらの複数の３相ステータシステムが基本的に互いに独立して動作する場合でも、それらのパラメータは、物理的近接性の結果として、依然として十分に類似している。同様に、アーマチャの１つのパラメータ又は複数のパラメータを推定する場合に、複数の３相ステータシステムの１つだけを使用しても推定には十分であることが認識されている。
【００６０】
この認識とは無関係に、好ましくは、特に冗長性の目的で、但しそのためにだけではなく、３相ステータシステムのうちの複数のものを、特に、３つかそれより多くある場合には、全ての３相ステータシステムを、推定について、使用することを提案することができる。その場合、ステータ電圧及び／又はステータ電流もこの目的のために使用されて、各々、推定のために、検出及び評価される。
【００６１】
一実施形態に従って、推定装置が同期発電機の磁化インダクタンスのｄｑ成分を推定値として推定することを提案する。３相システムは、ｄｑ変換として知られているものを使用して、既知の態様で、ｄｑ成分に変換できる。次に、これらの成分は、特にアーマチャ、即ち、ロータと共に回転する回転システムに基づくｄ成分及びｑ成分という２つの成分を有する、基礎となる３相システムを再現する。従って、このような成分も、同期発電機の、特にステータの誘導性応答の影響を受ける。ｄｑ成分を考える際に、同期発電機の対応付けられた誘導性応答も、ｄ成分とｑ成分に分割でき、即ち、アーマチャの回転を基準とすることができる。これらの成分は、発電機の磁化インダクタンスＬmd及びＬmqとも呼称される。この点に関して、このように磁化インダクタンスのｄｑ成分を形成するこれらの２つの磁化インダクタンスを推定することを提案する。このように推定された磁化インダクタンスのｄｑ成分は同期発電機のモデルの一部分として使用されることが好ましい。以下、例示的な計算の詳細を等式に基づいて説明するが、そこで認識すべき点として、磁化インダクタンス、即ち、そのｄ成分と励磁電流との間には関係があり、その理由は、ｄｑ変換は、変換された３相システムのｄ成分が励磁の磁束密度を反映するように設計されているからである。従って、励磁電流もｄ成分と見なすことができ、この成分は、基本的に励磁電流に対応しており、これは、いずれにしてもＤＣ電流として入力される。実際に入力される励磁電流から励磁電流のこのｄ成分への変換が必要になる場合もある。
【００６２】
指摘すべき点として、アーマチャという用語を使用して発電機のロータを指しているが、これは、風力タービンの空力ロータとの混同を避けるためである。しかしながら、電気工学の分野での慣習的な用語はロータであり、本例においても、場合によっては、発電機に関連してロータと言うこともあり、その時は、これはアーマチャという用語と同義であると理解されたい。従って、特に、ロータ、即ち、アーマチャを基準とする変数は、例えば、ロータを基準とするフィールドを指している、あるいは、ロータのフィールドを指しているロータフィールドは、ロータ変数とも呼称する。従って、一部の変数は、ロータという用語も使用している、あるいは、その略語も指標として使用している。
【００６３】
同期発電機のトルクは、ステータ電流のｄｑ成分と、磁化インダクタンスのｄｑ成分と、励磁電流又はステータについて変換された励磁電流ｉ’fdと、に直接依存していることが特に認識されている。後述の式（１）においても規定されているこの関係が判っているので、ステータ電流と励磁電流は、特に損失が最小になるように特定できる。注意すべき点として、後述の式（１）は２つの３相ステータシステムを規定しているが、本例において、各々の３相ステータ電流が個別のｄ成分と個別のｑ成分を有しているので、複数の３相ステータ電流を考慮に入れることができる。従って、トルクは、発電機の全ての３相ステータ電流の全てのｄ成分とｑ成分に依存している。
【００６４】
別の一実施形態に従って、適応制御装置がｄｑ座標におけるセットポイントステータ電流を特定し、このセットポイントステータ電流が、位相毎に１つの電流値を有する３相表現に変換し戻されることによって、整流器が制御され、それによって、供給されるべき特定されたステータ電流がセットポイントステータ電流により良く設定され得ることを提案する。従って、計算がｄｑ座標で実施されるのに対して、個々の位相電流が、次に、それぞれセットポイント電流、即ち、セットポイント位相電流として規定され、それによって、これらのステータ電流が設定される。
【００６５】
好ましくは、ＤＣリンクはインバータに接続されており、このインバータはＤＣリンクのエネルギ又は電力を３相電流に変換して電力供給システムに供給する。これによって達成できる特定の効果として、被制御整流器と励磁電流の制御とによって、同期発電機を可能な限り最適に動作させ、同時に、それとは無関係に、電力又は電気エネルギを電力供給システムに供給できる。特に、インバータは、発電機が動作するたびの動作点の質に関係なく、供給されるべき３相電流の周波数と位相とを自由に規定することもできる。最終的には、実質的に発電機のみが、供給されるべき電力を規定し、その理由は、発電機が生成するだけの電力のみが継続的に供給され得るからである。
【００６６】
別の一改良形態に従って、セットポイント電力が、検出された速度に基づいて、及び、発電機の、あるいは、風力タービン全体の検出された電力出力に基づいて、特定されることを提案する。従って、速度だけではなく、現在の電力も考慮に入れられる。
【００６７】
特に、これは、中間電力が、検出された速度から特定されるように実施される。この中間電力は、理論的なセットポイント電力とも呼称できる。従って、セットポイント値として固定されているこの中間電力と、従って、実際の値を形成している検出された電力出力と、から、セットポイント／実際値比較によって、制御誤差が特定される。次に、この制御誤差が、制御器に、特にＰＩ制御器に送られ、それによって、結果として、セットポイント電力が特定される。従って、この特定されるべきセットポイント電力は、設定されるべき電力である。
【００６８】
例示的に説明すると、例えば、速度が増加し、それによって中間電力が増加すると、制御誤差が、先ず生成され、その後、修正される。この修正によって、特にＰＩ制御器を使用して、設定すべき電力と実際の電力との差を補償できる。更に、このような制御器を使用して、電力追跡の動的応答に対して、より良い影響を及ぼすこともできる。好ましくは、そのような制御器、特に上述のＰＩ制御器は、同期発電機の動的応答に適合化され、特に発電機のランプアップ（ｒａｍｐ−ｕｐ）時定数に適合化され、即ち、これらのランプアップ時定数に基づいて選択又はパラメータ化される。
【００６９】
特に、適応制御装置が、発電機の効率が最大化されるように制御されることを提案する。適応制御装置と共に使用される被制御整流器を使用する場合、発電機をより良く制御することが可能になり、特に発電機における変動を考慮に入れることも可能になる。特に、ステータ電流を選択的に且つ可能な限り正確に制御でき、また、励磁電流とステータ電流とを全体として考慮して最適な全体の組み合わせを見つけることもできる。これによって達成できる特定の効果は、所望の電力を、即ち、発電機又は風力タービンの所望の電力出力を、全体としての、即ち、一つにまとめられた上述の電流の損失が最小になるように、設定できることである。これは、現時点で望ましい、供給されるべき電力についての発電機の最高効率と一致している。
【００７０】
別の一改良実施形態に従って、少なくとも１つの磁化インダクタンスが、それぞれのインダクタンス特性曲線を使用して推定又は特定されることを提案する。この例において、このインダクタンス特性曲線は、磁化電流に基づいてそれぞれの磁化インダクタンスの値を規定しており、インダクタンス特性曲線の値は、推定又は上述の推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の特性曲線から適応化される。
【００７１】
インダクタンス特性曲線は、磁化インダクタンスの値が保存されているルックアップテーブルとして、実施することもでき、このルックアップテーブルの値は、推定又は上述の推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の値から適応化される、即ち、改善される。
【００７２】
従って、換言すれば、磁化インダクタンスについての初期値が、適応制御器内において、例えばインダクタンス特性曲線及び／又はルックアップテーブルの形態で、保存され、これらの初期値が推定値によって常に更新されることを提案する。これらの推定値は、オブザーバを使用して、推定アルゴリズムを使用して、あるいは、計算によって、特定できる。これは、動作中に磁化インダクタンスが変化する可能性があるという洞察に基づいている。特に、そのような変化は、熱作用によって引き起こされる可能性がある。磁化インダクタンスの適応化によって、ステータ電流の生成について、磁化インダクタンスについてのより正確な値を考慮に入れることができる。
【００７３】
好ましくは、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を特定するために、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線が、それぞれのセットポイントステータ電流について使用されることを提案する。セットポイントステータ電流特性曲線は、供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれのセットポイントステータ電流との間のそれぞれの関係を示している。それぞれのセットポイントステータ電流は、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定される。
【００７４】
従って、適応制御器には、インダクタンス特性曲線に加えて、別の特性曲線、即ち、セットポイントステータ電流特性曲線が保存されていてもよい。セットポイントステータ電流特性曲線は、供給されるべきセットポイント電力（ＰＶset）に基づいてセットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を生成する機能に貢献する。この目的のために、複数のセットポイントステータ電流特性曲線が、セットポイントステータ電流について適応制御器内にそれぞれ保存されていてもよく、その場合、この適応制御器は、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、それぞれ１つのセットポイントステータ電流を生成する。
【００７５】
更に、ステータ電流特性曲線の少なくとも１つ、特に、各々のステータ電流特性曲線が、反復ルーチンで変化条件に適応化されることを提案する。この少なくとも１つのステータ電流特性曲線が、例えば、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000003
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000004
）、あるいは、推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000005
）のような１つ、複数又は全ての値に基づいて、適応化される。従って、変化条件は、特に、動作中に変化し得る上述の３つの値に関係している。従って、保存されたステータ電流特性曲線が、これらの変化値に整合するように、変更又は適応化されることを提案する。上述の推定値は、これらを提供する推定装置又オブザーバから受信される。従って、インダクタンス特性曲線に関して、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000006
）は、本方法の実施中に少しずつ適応化されるインダクタンス特性曲線の値であってもよい。
【００７６】
ステータ電流特性曲線を適応化するための反復ルーチンは、それぞれのセットポイントステータ電流が、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定されるよりも少ない頻度で実施される。一例として、反復ルーチンは０.０１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で繰り返されるが、セットポイントステータ電流は１ｋＨｚ〜１６ｋＨｚの範囲内の計算周波数で計算できる。従って、反復ルーチンは、セットポイントステータ電流特性曲線を更新するプロセスに関係している。このルーチンは、セットポイントステータ電流の特定よりもゆっくりと、例えば１分ごとに、実施される。これに比べて、セットポイントステータ電流は、変換器の作動に必要な高周波数で生成され、この高周波数は、例えばｋＨｚの範囲内に在り得る。
【００７７】
別の一改良実施形態に従って、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）が、オンラインで、セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、その上、少なくとも、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000007
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000008
）又は推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000009
）の１つ、複数又は全ての値に基づいて、特定されることを提案する。従って、特性曲線を使用してセットポイントステータ電流を特定する代わりに、それらを特定するための別の一選択肢は、オンライン計算を実施することである。この目的のために、計算アルゴリズムを適応制御器内に保存してもよく、この計算アルゴリズムは、以前に確認された推定値（
2020532270.tif 000010
、
2020532270.tif 000011
、
2020532270.tif 000012
）からセットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）をオンラインで計算する。特定の一実施形態において、このオンライン計算は、例えば５Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲内の周波数で実施される。
【００７８】
本発明に従って、多相他励同期発電機を備えた風力タービンであって、
・同期発電機がステータとアーマチャとを備えており、
・アーマチャが励磁電流又は励磁電圧を入力するための励磁入力を備えており、
・励磁入力には励磁電流又は励磁電圧を入力する励磁制御器が接続されており、
・ステータが、ステータ電流を供給するためのステータ出力を備えており、
・整流器が、ステータの出力に接続されており、ステータ電流を整流して、該整流器に接続されたＤＣリンクに該電流を提供し、
・整流器が、ステータ電流を制御するために制御可能であり、同期発電機を制御するために、
・アーマチャ又は空力ロータの速度を検出する速度検出手段が設けられており、
・制御装置が設けられており、該制御装置が、
・検出された速度に基づいて同期発電機又は風力エネルギによって供給されるべきセットポイント電力を特定し、
・検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて励磁電流又は励磁電圧を特定する
ように構成されており、
・励磁制御器が、このように特定された励磁電流又はこのように特定された励磁電圧を励磁入力に入力するように構成されており、
・制御装置が、
・検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定し、
・ステータ出力から供給されるべき特定されたステータ電流をセットポイントステータ電流に設定するために整流器を制御する
ように構成されており、
・制御装置が、
・励磁電流又は励磁電圧を特定するステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定するステップと、
のうちの少なくとも一方のステップのために、適応制御装置として、設けられており、制御装置が、励磁電流又は励磁電圧又は該供給されるべきステータ電流が制御装置についての制御変数を形成するように構成されている、該風力タービンも提案する。
【００７９】
従って、特に、多相他励同期発電機を制御する方法に関して上述したように動作する風力タービンを提案する。これは、その点に関して説明したような同期発電機にも基づいている。
【００８０】
特に、速度検出手段が設けられており、これは、追加の測定ユニットの形態である必要はなく、その他の場合では、例えばプロセスコンピュータ内において、風力タービンによって既に検出された速度を更に処理して転送することもできる。
【００８１】
制御装置は、特にその操作装置に関して、既存の外部操作装置を使用することもできる。これは、別個の物理的なユニットとして設けられてもよいが、既存の制御装置内に実装されてもよい、及び／又は、一体的に組み込まれてもよい。特に、制御装置は、既存の制御コンピュータ上に適用可能なプログラムコードとして保存されてもよく、特に、風力タービンの標準的な制御に組み込まれてもよい。
【００８２】
制御装置が、励磁電流又は励磁電圧及び／又は供給されるべきステータ電流がこの制御装置についての制御変数を形成するように構成されているという状況は、特に、この制御装置が、これらの個々の制御変数に対応する制御出力を備えていることを意味し得る。制御装置が物理的に個別の物品として設けられている場合、それらの制御変数についてのそのような出力は、例えば、接続端子として、あるいは、データバス又は他のデータ伝送装置についてのデータ出力として、設けられていることがある。しかしながら、この点に関して、制御装置が物理的に個別の形態では設けられていない場合、この制御装置は、制御プログラムにおいて、それらの制御変数を適用可能なプログラム変数として出力することもできる。
【００８３】
多相他励同期発電機を制御する方法を、その方法の少なくとも１つの上述の実施形態に従って、使用する風力タービンを提供することが好ましい。従って、上述の利点はこの風力タービンに利益をもたらし、この風力タービンは、それに応じて改善された、好ましくは、最適化された態様で、動作することができる。
【００８４】
以下、添付図面を参照して、本発明を、実施形態に基づいて、例示的に且つ更に詳細に、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】風力タービンの斜視図を示す図である。
【図２】磁化インダクタンスのｄｑ成分の値を示す図である。
【図３】接続構造を備えた発電機を概略的に示す図である。
【図３ａ】ここに提案する制御器構造の概略図を示す図である。
【図４】図３の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【図４ａ】一実施形態における図４の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【図４ｂ】一代替実施形態における図４の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８６】
図１は、タワー１０２とナセル１０４とを備えた風力タービン１００を示している。３つのロータブレード１０８とスピナ１１０とを備えたロータ１０６が、ナセル１０４に配置されている。動作中、ロータ１０６は、風によって回転運動させられ、それによって、ナセル１０４内における発電機を駆動する。
【００８７】
本発明は、他励６相同期発電機用の適応整流器の適応制御方法に関する。このようなシステムを、図１に示されたような風力タービンの一部分として、提案する。しかしながら、本発明は、更に多くの位相を有する同期発電機、特に、システム分割によって増倍された位相数を有する同期発電機にも使用できる。ここに提案する制御方法は、発電機のセットポイント電流値のオンラインのパラメータ確認と適切な適応化とを可能にする。この場合、セットポイント電流値は、各動作点での発電機の効率が動作制限範囲内で最適化されるように選択される。
【００８８】
以下、本方法を更に説明する。この目的のために、電流及び電圧の変数は、主にロータフィールド基準のｄｑ座標系で規定する。ステータ基準の単純化された正弦波時間特性をロータフィールドと共に回転するｄｑ座標系に変換することは、広く知られており、文献に説明されている。この変換を以下のように仮定する。
【００８９】
ダンパ巻線の無い６相同期機のトルクTeは、次のように表すことができる。
【００９０】
【数１】
2020532270.tif 000013
ここで、Ｐはこの機械の極ペア数、ｉd1s及びｉq1sは第１の発電機システムのステータ電流のｄ成分及びｑ成分、ｉd2s及びｉq2sは第２の発電機システムのステータ電流のｄ成分及びｑ成分を示している。第１及び第２の発電機システムは、ここでは、特に第１及び第２のステータシステムを意味すると理解されたい。更に、ｉ’fdは、ステータを基準とした励磁電流を示しており、次のように定義される。
【００９１】
【数２】
2020532270.tif 000014
式（２）において、Ｎはこの機械の回転数、ｉfdは未変換の励磁電流を示しており、これはｉe又はｉerrとも記すことができる。式（１）のＬmd及びＬmqは、推定する必要がある発電機の磁化インダクタンスである。これらのインダクタンスは、飽和に依存し、磁化電流ｉmに応じて、動作中にそれらの定格値と大きく異なる場合がある。Ｌmdの第１の推定値が、次の式に従って、無負荷テストによって得られる。
【００９２】
【数３】
2020532270.tif 000015
ここで、ＶocはＲＭＳ導体−導体無負荷電圧を示しており、ωeはこの機械の電気定格周波数をｒａｄ ｓ-１で示している。磁化電流ｉｍは、次のように定義される。
【００９３】
【数４】
2020532270.tif 000016
ここで、
【数５】
2020532270.tif 000017
である。無負荷テスト中、ステータには電流が流れないため、ｉm = I’fdである。発電機の形状寸法に基づいた、あるいは、有限要素シミュレーションによる解析計算によって、ｉmの関数としての磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分の変化の傾向を推定することができる。これを図２に示している。
【００９４】
速度とセットポイント電力値とによって定義される特定の発電機動作点については、ステータ損失Ｐvstatと励磁損失Ｐv_rotとを最小化できる、ステータ電流ｉd1、ｉq1、ｉd2及びｉq2と励磁電流ｉfdとの最適な組み合わせを見つけることが可能である。各々の位相が同じ抵抗Ｒsを有し、２つのステータシステムの各々が同じｑ及びｄセットポイント電流値Ｉqs及びＩdsを得ると仮定すると、前述の損失は次のように計算できる。
【００９５】
【数６】
2020532270.tif 000018
ここで、ＩsrmsはＲＭＳ位相電流であり、これは次のように定義される。
【００９６】
【数７】
2020532270.tif 000019
励磁損失は、次の式によって計算される。
【００９７】
【数８】
2020532270.tif 000020
ここで、Ｖerrは励磁電圧、Ｉerrは励磁電流である。単にリンク電圧とも呼ばれる制限されたＤＣリンク電圧は、全ての最適損失動作点が得られる訳ではないことを意味している。これは、特に、整流器がステップアップ整流器として動作して、従って、ＤＣリンク電圧が常に特定の要因によってＲＭＳステータ電圧より高くなければならない場合に当てはまる。
【００９８】
別の制限要因は、整流器内のパワーエレクトロニクス要素の、特に半導体スイッチの最大通電能力である。従って、次の制約条件を考慮することを提案する。
【００９９】
【数９】
2020532270.tif 000021
【数１０】
2020532270.tif 000022
【数１１】
2020532270.tif 000023
ここで、
【数１２】
2020532270.tif 000024
【数１３】
2020532270.tif 000025
そして、λds及びλqsは次のように定義される。
【０１００】
【数１４】
2020532270.tif 000026
【数１５】
2020532270.tif 000027
ここで、ωrは再び動作点の電気速度であり、Ｌlsはステータの浮遊インダクタンスである。反復アルゴリズムを使用して、上述の制約条件を満たす全ての使用可能なセットポイントのステータ電流値及び励磁電流値を計算する。損失の合計を最小化する組み合わせが選択される。既知の勾配法（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）、あるいは、最大値を見つけるための他の方法を使用することもできる。
【０１０１】
発電機のパラメータは非常に大きく変化する可能性があるため、そのような変化を考慮に入れることで制御又は自動制御を改善できることが判っている。可能な限りそれに適合するセットポイント値を計算するためには、発電機パラメータＲs、Ｌls、Ｌmd及びＬmqを知ることが役立つ。ステータ抵抗は、温度に依存しており、経験的に次の式を使用して計算できる。
【０１０２】
【数１６】
2020532270.tif 000028
ここで、ＲsT0は、例えば２０°Ｃであってもよい特定の温度Ｔ0についての非リアクタンス性ステータ抵抗値であり、温度変化に基づいて係数αで変化する。浮遊インダクタンスＬlsは、短絡テスト又はＦＥＭシミュレーションによって特定できる。
【０１０３】
ロータ抵抗Ｒeは、次のように、測定済み変数Ｖerr及びＩerrから簡単に計算できる。
【０１０４】
【数１７】
2020532270.tif 000029
発電機が定常状態にある場合、ステータ電圧のｑ成分及びｄ成分は、式（１１）及び（１２）によって計算できる。従って、定常状態での計算を提案するが、その理由は、過渡状態では、これらの２つの式におけるそれぞれのフローの導出を考慮することが必要になり、それ故、計算がより複雑になるからである。Ｒs及びＬlsが既知であると仮定すると、Ｌmd及びＬmqは次の式によって計算できる。
【０１０５】
【数１８】
2020532270.tif 000030
【数１９】
2020532270.tif 000031
ここで、ｖqs、ｖds、ｉqs、ｉdsは、適用可能なステータ電圧とステータ電流との瞬時値である。この場合、２つのステータシステムは同一であると想定できることが判っているので、これら２つのステータシステムのうち１つだけを考慮すればよい。式（１７）及び（１８）における電流と電圧には多くの高調波が含まれているため、それらをフィルタリングすることを提案する。変換器の切り替え周波数は動作点に依存する。従って、フィルタリングについて可能な限り好ましくない動作点を使用すること（特に、好ましくない動作点とは、切り替え周波数が低い、及び／又は、高調波負荷が高い動作点であり、これは特に飽和度が高い場合に想定される）、及び、これを、必要なフィルタ時定数をトリミングするための基礎とすること、を提案する。
【０１０６】
図２は、この場合における磁化インダクタンスＬmd及びＬmqを磁化電流Ｉmの関数として示している。磁化インダクタンスＬmdの値は、Ｌmqの値に比べて約５０％〜１００％高い。特に、指摘すべき点として、磁化インダクタンスの値は、磁化電流が上昇するにつれて非常に早く低下し、初期値の約３０％の値にまで低下する。これは、本質的に飽和効果によって起こる。但し、図示の特性は、特に温度変動の結果として、変化することもある。
【０１０７】
図３ａは、接続構造を備えた発電機３２０を概略的に示している。発電機３２０は、ステータ３２２内において速度ｎで回転するロータ、即ち、アーマチャ３２４を備えている。ステータ３２２はステータ出力３２８を備えており、このステータ出力３２８を介して、ステータ電流、具体的にはこの例では２つの３相ステータ電流が能動整流器３４０に供給される。能動整流器３４０はステータ電流を制御してＤＣリンク３６０にＤＣ電圧を生成し、このＤＣリンク３６０にはインバータ３３２が接続されており、これによって３相電流を電力供給システム３３４に供給するが、これは本例では単に例示目的で示されている。ＤＣリンク３６０には、また、励磁制御器３３０が接続されており、これは、励磁電圧Ｖerr又は励磁電流ｉerrを生成してアーマチャ３２４の励磁入力３２６に入力する。この構造は図３についての基礎でもあり、発電機３２０は図３の発電機３０２に基本的に対応している。図３ａの能動整流器３４０も、図３の能動整流器３０４に基本的に対応している。
【０１０８】
図３は、ここに提案する制御構造３００の概要を示している。アルゴリズムについての入力信号は、速度ｎと、発電機の電力特性によって速度に依存するセットポイント電力値ＰSollと、である。オブザーバが、ステータの電圧及び電流を入力値として取得し、式（１７）及び（１８）を使用して磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分を計算する。
【０１０９】
図３の制御構造３００は、発電機３０２と、ＤＣリンク３０６についての整流を行う能動整流器３０４と、に基づいている。発電機３０２は、２つの３相ステータシステムを備えており、従って、２つの３相出力線３０８及び３１０を使用して自己のステータ電流を二重３相ステータ電流として能動整流器３０４に供給する。
【０１１０】
自動制御の一部分が、オブザーバとも呼ばれる推定装置３１２によって形成されており、この場合、パラメータ、即ち、２つの磁化インダクタンスＬmd及びＬmqを推定する。この点に関して、推定装置３１２に対する入力値は、ステータ電圧Ｖs及びステータ電流Ｉsである。これらの値は、推定装置３１２によって発電機３０２から取得される。この点に関して、これらの値が、別のどこかで既に捕捉されており、例えば制御コンピュータ内で利用可能であり、推定装置３１２がその中のこれらの値を使用できるようにすることも可能である。従って、推定装置３１２は、発電機３０２に関して必ずしも自己の測定手段を提供する必要はない。
【０１１１】
推定装置３１２の結果は、２つの磁化インダクタンスＬmd及びＬmqであり、あるいは、磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分とも呼ぶことができる。これらの２つの値は、適応制御器３１４に入力される。
【０１１２】
適応制御器３１４は、現在の速度ｎと現在のセットポイント電力値ＰSollとを入力値として更に受信する。この現在のセットポイント電力値ＰSollは、ｎ−Ｐブロック３１６として簡略化された用語で呼称される速度電力特性曲線ブロック内に記憶された速度電力特性曲線から得られる。ｎ−Ｐブロック３１６に記憶されている速度電力特性曲線は空気力学に適合しているので、速度ｎは、空力ロータの速度を表している。 従って、この速度ｎは、発電機３０２に決定的な影響を及ぼし、従って、発電機３０２に対する入力変数として示されている。本例において提案するギアレス風力タービンの場合、空力ロータの速度ｎは、発電機の速度、即ち、アーマチャの速度に対応している。
【０１１３】
次に、適応制御器３１４は、現在の速度ｎと現在規定されているセットポイント電力ＰSollとを使用して励磁電圧Ｖeを計算し、この励磁電圧Ｖeは、他励発電機として実施されている発電機３０２における励磁電力を確保するために励磁制御器が提供すべきものである。更に、適応制御器３１４は、ステータ電流についてのセットポイント値、即ち、二重３相ステータ電流の個々の位相電流についてのセットポイント値を計算する。その理由は、第１の３相ステータ電流についての３つの位相電流ｉa、ｉb及びｉcと第２の３相ステータ電流の値ｉx、ｉy及びｉzとについてのセットポイント値が計算又は規定されるからである。次に、ステータ電流についてのこれらのセットポイント値、即ち、その成分は能動整流器３０４によって変換される。
【０１１４】
この計算又は条件について、適応制御器３１４は、推定装置３１２から受信する適用可能なｄ成分及びｑ成分を考慮に入れることによって、磁化インダクタンスの変化を考慮に入れる。
【０１１５】
従って、ステータ電流についての値、即ち、その成分と励磁電力又は励磁電圧とは、適応制御器３１４によって、互いに最適に適合させることができる。更に、その時点で、発電機３０２の特性の変化を考慮に入れることができる。
【０１１６】
図４は、図３の適応制御器についての別の詳細及び変形形態を示している。これには、適応化ブロック４１３と合わせて、例えば、図３の推定装置３１２と同等であると見なせるオブザーバブロック４１２が示されている。オブザーバブロック４１２は、ステータ電圧Ｖs、ステータ電流Ｉs及び励磁電流Ｉeを入力値として受信し、それらから磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを観測して、適応化ブロック４１３に転送する。しかしながら、図３の適応制御器３１４の意図における適応制御器の一部分でもあり得る適応化ブロック４１３は、少なくとも、とりわけ、磁化インダクタンスの値を適応化する。適応化ブロック４１３は、磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqの特性の変化のシンボリックイラストレーション（ｓｙｍｂｏｌｉｃ  ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ：記号の実例）である。上側のシンボリックブロック（ｓｙｍｂｏｌｉｃ  ｂｌｏｃｋ：記号ブロック）は、図２の、４０００Ａの磁化電流までだけのダイアグラム（ｄｉａｇｒａｍ：グラフ）に対応している。従って、この適応化ブロック４１３は、先ず、この上側の関係をスタートポイントにして、次に、現在の磁化電流Ｉmによって示される現在の動作点での２つの成分Ｌmd及びＬmqの各々についての新たな値を推定する。これは、適応化ブロック４１３内における上側の表示内において、Ｌmd及びＬmqについての２つの新たに推定された値を指す２つの矢印ｅによって、示されている。
【０１１７】
磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqについての特性曲線は、それに応じて、適応化ブロック４１３内の下側のグラフによって示されているように、変更される。それに応じて、これらの２つの特性曲線にはキンクが含まれるが、最適には、特性曲線の別の値も少しずつ適応化して、特性曲線に全体的な変化をもたらすことも可能である。
【０１１８】
次に、この結果は最適化ブロック４１４に提供され、この最適化ブロック４１４はそれに基づいてセットポイント値を生成できる。適応化ブロック４１３から最適化ブロック４１４に伝達されるパラメータは、図４には詳細に示されていないが、いずれにしても磁化インダクタンスの成分Ｌmd及びＬmqの現在値が伝達される。但し、磁化インダクタンスの成分Ｌmd及びＬmqの特性についての完全に変更された特性曲線を伝達することも可能である。一方、この場合においても、図４内のブロックダイアグラムはシンボリックであると理解されるべきであり、全てのブロックは単一のプロセスコンピュータ内で実施でき、従って、例えば、最適化ブロック４１４、あるいは、それによってシンボル化された最適化アルゴリズムは、それが必要とする値にアクセスする。選択された周期時間は、０.０１ｓ（Ｔｓ＝１ｅ−２）であった。
【０１１９】
最適化ブロック４１４は、引き続き、現在設定する必要がある電力値、即ち、発電機又は風力タービンによって供給されるべき電力出力を示しているセットポイント電力値Ｐsetを受信する。
【０１２０】
実際に設定する必要があるこのセットポイント電力値Ｐsetは、本例ではＰＩ制御器の形態をとるセットポイント電力値制御器４１６の結果である。このＰＩ制御器４１６は、所望の電力出力Ｐsollと現在の電力出力Ｐmの実際の値とを受信し、この実際の値は、従って、測定済み電力を示している。セットポイント電力値が変更された場合、即ち、Ｐsollが変更された場合、それに応じた突然の変更も最適化ブロックに伝えられることは望ましくない。従って、このセットポイント電力値制御器４１６が設けられており、これは、実際に、現時点で規定のセットポイント電力値Ｐsollに設定する必要がある電力値Ｐsｅtをダイナミックレンジで追跡する。
【０１２１】
次いで、最適化ブロック４１４は、上述の入力を基礎にして、ステータ電流及び励磁電圧を計算する。この励磁電圧は、設定する必要がある励磁電圧Ｖeとして、直接出力できる。設定する必要があるステータ電流は、最初に、各々のステータサブシステムについて、ｄｑ成分で出力される。従って、値Ｉqs1、Ｉds1、Ｉqs2、Ｉds2が出力される。しかしながら、これらは、先ず、変換ブロック４１５に供給され、この変換ブロック４１５は、これらのｄｑ成分をａ、b、ｃ成分に変換する。従って、ここで想定している二重３相ステータシステムについての結果は、６つの単一の瞬時値、即ち、ｉa、ｉb、ｉｃ、ｉx、ｉy、及びｉzである。次に、これらの６つの電流値は、図３に示されているように、瞬時セットポイント値として能動整流器（図３内の３０４）に供給できる。さもなければ、変換ブロック４１５は、変換を実施するために、現在のロータ角度θ、即ち、発電機のロータの、即ち、アーマチャの角度を必要とする。
【０１２２】
従って、図４は、図３の適応制御器３１４を別の詳細事項を用いて示している。最適化アルゴリズム４１４は、セットポイント励磁電流値Ｉerr、あるいは、図４においてＶeとして示されている対応する励磁電圧Ｖerrとセットポイントステータ電流値Ｉqs及びＩdsとを計算する。２つのステータシステム相互間で均衡が取れていると仮定すると、これらの２つのシステムについてのセットポイント電流値は同じである。
【０１２３】
この６相発電機の６つのステータ電流は、所望の電力Ｐsｅtに基づいて、従って、励磁電圧Ｖｅに基づいて、設定される。この点に関して、磁化インダクタンスＬmdとＬmqを知ることは有用である。ｄｑ成分における関係は、特に、式（１）において、及び、その補足の説明と式において、規定されている。式（１）に基づいて、例えば、再帰的な解を見つけることができる。
【０１２４】
しかしながら、磁化インダクタンスは、一定ではなく、発電機の現在の動作点に依存する場合もあることが判っている。特に、それらは、図２と図４のブロック４１３の上側半分とにおいて示されているように、磁化電流に依存している。更に、磁化インダクタンスは、それに加えて、別の値にも依存することもあり、特に温度に依存することもある。これは、特に、図２に示された特性曲線が変化し得ることを意味している。これを考慮に入れることを提案する。
【０１２５】
最適化ブロック４１４は、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqが、それぞれの現在値の使用によって、変えられることを考慮に入れる。これに関して、最適化ブロック４１４は、例えば、毎回、現在の動作点において、式（１）に基づいて再帰的な解を見つけることができ、これをｄｑ座標におけるステータ電流Ｉqs1、Ｉds1、Ｉqs2及びＩds2を特定するための基礎として使用できる。また、この種の再帰的な解又はその他の解を事前に特定してテーブル内に保存し、動作中にそこから取得することも、当然、可能である。中間値は補間できる。
【０１２６】
従って、最適化ブロック４１４は、設定されるステータ電流を規定し、この目的のために、使用される磁化インダクタンスを少なくとも適応化する。磁化インダクタンスはパラメータであり、従って、最適化ブロック４１４は適応制御器又は適応制御器の一部分である。
【０１２７】
この点に関して、最適化ブロック４１４は、適応化ブロック４１３からこれらの磁化インダクタンスを受信する。適応化ブロック４１３には、特に、磁化インダクタンスが変化しやすいこと、及び、この変化も考慮に入れられることを図示する意図がある。従って、適応化ブロック４１３は、最適化ブロック４１４と合わせて、適応制御器であると理解することもできる。
【０１２８】
実際、適応化ブロック４１３は、特に、想定される変化を図示するために使用されている。この例における初期開始点、即ち、適応化ブロック４１３の上側のグラフに従う初期開始点は、最初に特性として保存された、磁化電流Ｉmと磁化インダクタンスとの関係である。
【０１２９】
しかしながら、それとは異なる場合があることが判っている。これをより良く考慮に入れるために、オブザーバによって、磁化インダクタンスをそれぞれの磁化電流Ｉmについて観測することができ、これは推定とも言える。このオブザーバは、オブザーバブロック４１２として表されている。これは、励磁電流Ｉe、ステータ電圧Ｖs及びステータ電流Ｉsを入力値として受信して、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを観測又は推定して出力できる。
【０１３０】
従って、オブザーバブロック４１２は、基本的に、上述の入力値から磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを特定する機能を備えている。
【０１３１】
これは、特に、式（４）、（１７）及び（１８）によって規定されているように、システム仕様に基づいた従来のオブザーバを使用することによって、実施できる。あるいは、その代わりに、オブザーバブロック４１２は、推定アルゴリズム又は計算によって、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを特定できる。これは、式（４）、（１７）及び（１８）に基づいて行うこともできる。式（４）、（１７）及び（１８）は現在の測定値にも関係しており、従って、実際の影響、特に熱に依存する影響がこの特定に使用されることになる。従って、これらの式を適用することによって、温度に依存する変化を検出して考慮に入れることができる。従って、図２に示された特性曲線は、それに応じて改善できる。
【０１３２】
このようにＬmd、Ｌmq及びＩmについて観測された値は、オブザーバブロック４１３によって動作点について特定された後、続いて適応化ブロック４１３に入力される。
【０１３３】
これは、適応化ブロック４１３内の上側のグラフ内の２つの矢印「ｅ」によって示されている。従って、矢印「ｅ」は、オブザーバブロックによって特定された、適応化ブロック４１３の上側のグラフ内の特定の動作点におけるＬmd及びＬmqについての２つの値を図示している。Ｌmd及びＬmqについてのこれらの動作点依存値は、適応化ブロック４１３の下側のグラフに転送され、図示された２つのキンクをもたらす。従って、磁化インダクタンスについての初期値が、適応化ブロック４１３内に例えば特性曲線又はルックアップテーブルの形態で保存されており、その後、オブザーバブロック４１３から得られる現在値で絶えず更新される。Ｌmd、Ｌmq及びＩmについての更新された、即ち、適応化された値は、その後、最適化ブロック４１４に転送され、この最適化ブロック４１４は、これらの更新された値を考慮に入れてステータ電流を特定する。
【０１３４】
従って、適応化ブロック４１３には、特に図２と比較して、使用されるオブザーバブロック４１２によって磁化インダクタンスをどのように特定するか、そして、動作中に変化する磁化インダクタンスを、その後、最適化ブロック４１４においてステータ電流の計算の目的で考慮できるようにするために、どのように特定するか、が図示されている。
【０１３５】
図４ａ及び４ｂは、各々、図４の制御器構造に関する実施形態又は詳細を、即ち、特に、どのようにしてセットポイントステータ電流の決定がブロック４１４において実施されるかを、示している。
【０１３６】
この点に関して、図４ａは、特性曲線の計算によるセットポイントステータ電流の特定を示している。この目的のために、ブロック４１４は、３つのセットポイントステータ電流特性曲線４１８を保存している。これら３つのセットポイントステータ電流特性曲線の各々によって、セットポイント電力Ｐsetに基づいて、供給されるべきセットポイン電流値、即ち、Ｉe又はＶe、Ｉqs1、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2が出力される。これらは、次に、図４ａ及び４ｂには示されていないが、図４に示されているように、ｉa、ｉb、ｉc及びｉx、ｉy、ｉzに変換されて、変換器３０４にセットポイン電流として与えられる。従って、セットポイントステータ電流特性曲線は、それぞれ、供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれのセットポイントステータ電流との関係を示している。
【０１３７】
３つの破線の更新矢印４１９とブロック４２０とによって図示された図４ａにおける別の実施形態において、セットポイントステータ電流特性曲線４１８は、反復ルーチンで変化条件に適応化される。この目的のために、反復ルーチンが、適応制御器４１４内において、即ち、セットポイントステータ電流特性曲線４１８を適応化するために使用されるブロック４２０内において、実施できる。この適応化は、３つの更新矢印４１９によって図示されている。この場合、反復ルーチン４２０は、変化条件を推定値の形態で、即ち、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000032
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000033
）及び推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000034
）として、考慮に入れる。これらの推定値は、オブザーバブロック４１２によって、あるいは、インダクタンス特性曲線を保存している適応化ブロック４１３によって提供される。セットポイントステータ電流特性曲線４１８は、このセットポイントステータ電流特性曲線から特定されたセットポイントステータ電流よりもゆっくりと適応化され、その理由は、特に、
2020532270.tif 000035
と
2020532270.tif 000036
と
2020532270.tif 000037
とが、動作中に、対応してゆっくりと変化するからである。
【０１３８】
図４ａの代替実施形態において、図４ｂは、最適化ブロック４１４におけるセットポイントステータ電流の特定、即ち、オンラインでの特定又は計算による特定を示している。この目的のために、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）は、セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、そして、少なくとも１つの、複数の、あるいは、全ての値
2020532270.tif 000038
と
2020532270.tif 000039
と
2020532270.tif 000040
と、に基づいて、オンラインで特定される。この場合、オンラインとは、計算が風力タービンの動作中に実施できることを意味している。この目的のために、ブロック４１４は、上述の推定値からセットポイントステータ電流を計算する計算アルゴリズム４２２を保存している。そのようなアルゴリズムは、例えば計算規則の形態で、適応制御器内に保存されていてもよく、及び／又は、プロセスコンピュータ上で実行できる。この場合、上述の推定値は、図４ａと同様に、オブザーバブロック４１２又は適応化ブロック４１３によって提供される。
【０１３９】
インダクタンス、即ち、特にＬmdとＬmqについては、「ルックアップテーブル」とも呼称できる１つ又は複数のテーブルから得られる値が使用される。これらの１つ又は複数のテーブルは、発電機の動作中に、具体的には、それぞれの動作点について動作状態が定常である時にはいつでも、磁化電流ｉmに基づいて更新される。この定常状態において、式（１１）及び（１２）はステータ電圧のｄ成分及びｑ成分を表しており、従って、インダクタンスＬmd及びＬmqは式（１７）及び（１８）を使用して推定でき、従って、これらの値は更新できる。
【０１４０】
モデリングの不正確さと無視された損失の両方を補償するために、ＰＩ制御器は、制御のセットポイント電力値を変更する。このＰＩ制御器は、セットポイント電力値の近くでのみアクティブになり、所望の電力出力に達するまでセットポイント電流値の生成についての基礎として機能する。セットポイント値との差が大きい場合には、Ｉ成分を無効にできる。発電機についての時定数が可成り大きいので、セットポイント値は、例えば１００Ｈｚなどの低周波数で計算され、これは、標準的なマイクロ制御器における１０ｋＨｚの最大クロック周波数に比べて、比較的低い値である。
【０１４１】
従って、最適化された機械効率を有する他励同期機についての能動整流器の制御を提案する。他励同期機は、他励同期発電機とも呼称できる。特に、２つの発電機システムを備えた同期機についての制御を説明した。本方法は、その代わりに、異なる数の発電機システム又はステータシステムに適応化でき、具体的には、２つの３相システムに加えて、４つ又はそれより多くのステータシステムの可能性もある。
【０１４２】
本発明の目的は、特に、能動整流器を使用して、複数の発電機システム又はステータシステムと高度に飽和に依存するパラメータとを有する他励同期機を最適化された効率で動作させることである。この機械の飽和特性、あるいは、磁化インダクタンスの正しい応答の推定は、上述の解決手段を用いて実現でき、能動整流器についての制御方法に使用でき、これによって、この機械の飽和特性を考慮に入れることも可能になる。更に、ここに提示した解決手段は、他励同期機に適している。
【０１４３】
ここに引用する非特許文献２と３は、他励同期発電機についての解決手段を記載している。
【０１４４】
非特許文献２は、他励同期機を制御する方法を示している。ステータ損失とロータ損失の合計を最小化するために、セットポイント電流値が「ラグランジュ乗数」法によって解析的に計算される。この機械が定常状態にあると仮定して、動作中に解析計算の一部のパラメータを変更できるセルフターニング（ｓｅｌｆ−ｔｕｒｎｉｎｇ）アルゴリズムが提示されている。しかしながら、ステータ電流のｉ_ｄ成分と励磁電流ｉ_errのみが適応化される。
【０１４５】
パラメータの推定に関しては、ＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅ：再帰最小二乗）法などに基づく方法がしばしば提案されるが、これには、フローの導出を無視するために、定常状態の前提が必要である。問題を改善するために、ここに提案する解決手段におけるインダクタンスＬmd及びＬmqの推定は、適用可能なパラメータが代数演算式を使用して単純に計算される方法に基づいている。
【０１４６】
本発明は、少なくとも一部の実施形態において、複数の発電機システムを備えた他励同期機を制御するために使用できる。この機械のパラメータがこの機械の実際の特性と整合していると仮定すると、このアルゴリズムは、特定のセットポイント値の電力についてステータ及びロータの損失を最小化するために、それぞれの全体的に最適な動作点を計算できる。本方法は、測定済みの発電機の値、即ち、電圧、電流及び速度の代数演算式によって実施できるオンラインパラメータ推定によって、インダクタンスについてのルックアップテーブルを修正する機会を提供する。
【０１４７】
動作点は数値の反復計算によって特定されるため、適切な計算能力が必要である。この問題は認識されており、この計算は、この機械の機械的慣性が高いこと及びロータの時定数が大きいことによって、最新のマイクロ制御器のクロック周波数と比べて低い周波数で実施できる。
【図１】
2020532270.tif 000047
【図２】
2020532270.tif 000048
【図３】
2020532270.tif 000049
【図３ａ】
2020532270.tif 000050
【図４】
2020532270.tif 000051
【図４ａ】
2020532270.tif 000052
【図４ｂ】
2020532270.tif 000053
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月29日(2020.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン内の多相他励同期発電機を制御する方法に関し、また、それに対応する風力タービンにも関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、周知であり、空力ロータとそれに結合された発電機とによって風力エネルギを電気エネルギに変換する。発電機の設計には様々なものがある。二重給電非同期機と、永久励磁、即ち、永久磁石を備えた同期発電機と、特に他励同期発電機と、が今日では通例となっている。本発明は、ここに引用の二重給電非同期発電機と永久励磁同期発電機のいずれにも関係せず、他励同期発電機に関係する。
【０００３】
二重給電非同期機との違いは多様であり、このことは、二重給電非同期機が発電機と発電機制御とに関して当該の分類とは無関係であると見なせることを意味している。
【０００４】
永久励磁同期発電機との違いは、特に、本発明に従って検討される他励同期発電機が励磁によっても制御できることである。この点で、他励同期発電機は、同期発電機のアーマチャが励磁電流又は励磁電圧によって励磁されることを意味しているとも理解されるべきである。従って、励磁電流又は励磁電圧の設定によって動作点に影響を及ぼすことができる。本明細書において、アーマチャという用語は、特に風力タービンの空力ロータ、即ち、風によって動かされるロータブレードを備えたロータとの混同を回避するために使用している。
【０００５】
別の見方をすると、基本的に、ギアレスの風力タービンとギアベースの風力タービンとの間でも区別される。特に、本発明が関係するギアレスの風力タービンでは、発電機のアーマチャが空力ロータに機械的に直接結合されているので、アーマチャと空力ロータとは動作中に同じ速度を有する。
【０００６】
他励同期発電機は、特に、先ず励磁電流又は励磁電圧を設定して、次に電力消費を制御することによって制御でき、この電力消費の制御においては、簡単に言えば、この同期発電機の固定子に掛かる電気的負荷を制御する。
【０００７】
そのような制御は、実質的に風力タービンの動作点に基づいて実施されるが、このことは、それが卓越風の速度に基づいて実施されることも意味する場合が多い。しかしながら、この動作点を変更するその他の理由もあり得、例えば、風力タービンが給電する電力供給システムのネットワークオペレータによる適用可能な直接的又は間接的な要求事項のような理由もあり得る。安全性又は環境保護に関連する状況又は規定によってもこの動作点の変更が必要となり得る。
【０００８】
基本的に、部分負荷モードと全負荷モードも区別される。部分負荷モードでは、少なくとも一部の制御設計に従って、風力タービンの速度と電力が卓越風の速度に基づいて設定される。一方、全負荷モードでは、風力タービンは、定格電力と定格速度に制限されており、従って、少なくともこの点に関しては、固定動作点で動作する。この定格速度及び定格電力への制限は、特に、ロータブレードを調節することによって、即ち、風が増加するにつれてその風の範囲からずれるようにしてロータブレードを回転させて、従って、風が増加しても、より大きな電力が風から取り出されないようにすることによって、実現される。
【０００９】
部分負荷モードにおける動作点の設定は、通常、空気力学的に最適であると想定される一定のブレード角度がロータブレードについて設定されるように実施される。そして、ロータブレードが風によって駆動され、速度が生成される。この速度に基づいて、風力タービンについての、従って、最終的に発電機についての出力電力が生成される。この発電機の電力が風から取り出される電力に対応する場合には、速度と電力とについての適用可能な安定した動作点が得られる。そうでない場合には、安定した動作点が見つかるまで、速度が変化し、その新しい速度に従って新しい電力値が生じる。
【００１０】
発電機における電力は、同様に、特性曲線に基づいて、あるいは、テーブル、即ち、ルックアップテーブルとして知られているものに基づいて、設定できる。このテーブルは、設定されるべき励磁電力、即ち、設定されるべき制御電流又は励磁電圧も記録できる。
【００１１】
この点において、風力タービンは、基本的には、高い信頼性で且つ効率的に制御することもできる。しかしながら、この特性曲線又は保存済みのテーブルは、例えば、動的プロセスの再現性が低いために、不正確である場合、あるいは、少なくとも改善の余地がある場合もあり得る。例えば熱的な影響のような一時的な変化も、テーブル内において再現性が低い場合もあり得、あるいは、別のテーブルレベル（ｔａｂｌｅ  ｌｅｖｅｌ）又はテーブルディメンション（ｔａｂｌｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を必要とする場合もあり得る。同じことが、例えば、経年変化の過程によって引き起こされ得る恒久的な偏差にも当てはまる。例えば前述の温度のような非線形性は、その他の影響を及ぼす変数と共に、テーブル内においては再現性が低いこともあり得る。
【００１２】
最適とは言えないテーブルを使用すると、たとえ、それらが最適でないことが単に散発的であっても、パフォーマンスが低下する可能性がある。少なくとも、風力タービンが最適なパフォーマンスでは動作しなくなる可能性がある。
【００１３】
これは、テーブルエントリ（ｔａｂｌｅ  ｅｎｔｒｙ）を定期的に再計算することによって解決できるが、これらは、実に複雑であり、特にそのような計算に必要な入力変数が不明又は確認困難である場合には、実施が困難であるか、あるいは、不可能でさえあり得る。
【００１４】
独国特許商標庁は、本出願についての優先権出願において、次の先行技術文献を調査した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０４３ ４９２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１１ ２０１６ ０００ ４５５号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２ ６７２ ６２４号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００６ ６７０号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０ ２０１６ １０６ ５９０号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】C. D. Nguyen and W. Hofmann: "Self-tuning adaptive copper-losses minimization control of externally excited synchronous motors", 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM), Berlin, 2014, pp. 897-902 (出願人)
【非特許文献２】Chi D. Nguyen and W. Hoffman, "Self-Tuning Adaptive Copper-Losses Minimization Control of Externally Excited Synchronous Motors", International Conference on Electrical Machines (ICEM) 2014, pp. 897-902, Sept 2-5, 2014
【非特許文献３】D. Kowal, P. Sergeant, L. Dupre’ and H. Karmaker, "Comparison of Frequency and Time-Domain Iron and Magnet Loss Modeling Including PWM Harmonics in a PMSG for Wind Energy Application", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 30, no.2, pp. 476-486, June 2015
【発明の概要】
【００１７】
従って、本発明は、前述の問題の少なくとも１つに対処する目的に基づいている。特に、この目的は、特に電力生産量が少なくとも増加し、好ましくは最適化されるように多相他励同期発電機の制御を改善する解決策を提案することである。この目的は、少なくとも、既知の解決策の代替案を提案することである。
【００１８】
よって、本発明に従って、請求項１に記載の方法を提案する。
【００１９】
従って、風力タービン内の同期発電機を制御する。この同期発電機は、多相であり、好ましくは、１つの３相システムだけではなく、複数の３相システムを備えている。従って、この同期発電機は、多極同期発電機でもあり、特にギアレス風力タービン内における低速回転リング発電機である。
【００２０】
更に、この同期発電機は、他励であり、従って、外部からの適用可能な励磁電力の入力から、即ち、励磁制御器から励磁を受ける。従って、ステータとアーマチャとを備えたこの同期発電機は、励磁電流と励磁電圧とによって励磁電力を入力するために、アーマチャに励磁入力を備えている。このために、励磁入力には励磁制御器が接続されており、この励磁制御器は、例えば電流制御器の形態を取ることができ、適切なＤＣ電流を励磁電流として入力することによってアーマチャを励磁できる。この励磁制御器、即ち、例えば上述のＤＣ電流制御器は、励磁電力の振幅を設定するのにも使用でき、その際、励磁電流が、この例ではＤＣ電流制御器によって、必要に応じて設定される。
【００２１】
生成された電力を供給するために、ステータはステータ出力を備えており、このステータ出力からステータ電流を供給する。この同期発電機の多相性は、特にステータ電流に関係している。従って、本例において好ましい一変形実施形態として提案する２つの３相システムを備えた同期発電機は、相異なる位相を有する６つのステータ電流を供給するか、あるいは、１つの６相ステータ電流を供給する。
【００２２】
ステータ出力には整流器が接続されており、これによって、ステータ電流が整流されて、この整流器に接続されたＤＣリンクに供給される。従って、ステータ電流の全ての位相が、即ち、例えば、上述の例では６つの位相が、整流されてＤＣリンクに供給される。これは、供給される発電機電力がＤＣリンクに供給されることを意味している。このＤＣリンクは、このように供給された電力を例えばインバータによって反転させて電力供給システムに供給でき、また、この電力を電力供給システムの要件に合わせることができる。
【００２３】
更に、この整流器は、ステータ電流を制御するために制御可能である。従って、この整流器のタスクは発電機から供給される電力をＤＣリンクに供給するだけではなく、この整流器はステータ電流を制御することで発電機の制御も担っている。従って、ステータ電流の制御によって、発電機の動作点を設定する、あるいは、これに影響を及ぼすこともできる。
【００２４】
従って、本例において提案する、また、別のステップについての基礎となる同期発電機のシステムは、少なくとも励磁電力の制御によって、発電機の、特にその動作点の制御を可能にし、ステータ電流の制御によって、発電機の、特にその動作点の別の制御を可能にする。従って、発電機の動作点は、少なくともこれらの２つの介入オプションによって制御できる。
【００２５】
このシステムについて、制御及びこの制御の準備のための下記のステップを提案する。
【００２６】
先ず、アーマチャの速度を検出する。これを測定することも、あるいは、制御システムにおいて頻繁に存在する速度の値を使用することもできる。この速度の検出と更に説明するその他のステップとは、基本的に反復ルーチンで継続的に実施される。特に、この検出のための方法ステップは同時に実施することもできる。
【００２７】
更に、同期発電機又は風力タービンによって供給されるべき電力が特定され、これによって、セットポイント電力が形成される。これは、速度に基づいて行われる。特に、これは、速度と電力との関係を規定する速度／電力特性曲線に基づかせることができ、従って、速度は、対応付けられた電力値を、この速度／電力特性曲線から推定して、これをセットポイント電力として使用するための基礎となる。しかしながら、別の条件も考慮に入れることが可能であり、例えば、ほんの２つの例を挙げるとすれば、騒音を減らすための速度低減、あるいは、その他の自然保護上の理由による速度低減を規定する外部要件などが挙げられる。
【００２８】
簡単に述べると、励磁電流は、以下、常に励磁電圧をも表すものであり、セットポイント電力を供給できるように選択される。また、簡単に述べると、セットポイント電力が増加すれば、励磁電流も増加することになり、これは、発電機がこのより高い電力を供給できることを意味している。但し、これは、説明のためのほんの一例であり、その理由は、同じ励磁電力又は同じ励磁電流で速度が増加すれば同期発電機の電力出力も増加することは基本的にあり得るからである。
【００２９】
いずれにしても、このようにして特定された励磁電流は、発電機の制御に使用され、即ち、アーマチャの励磁入力に入力される。既に説明したように、変換は、電流制御器によって実施できる。
【００３０】
更に、供給されるべきステータ電流は、検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて、特定される。このようにして特定されたこれらのステータ電流は、対応するセットポイントステータ電流を形成する。発電機の電力出力は、実質的にステータ出力におけるステータ電流とこれらに対応するステータ電圧とから得られる。しかしながら、発電機の全体的なバランスのために、例えば、上述の電流制御器によって加えられる励磁電力も差し引かれるべきである。
【００３１】
更に、ステータ出力から供給されるべき特定されたステータ電流がセットポイントステータ電流に設定されるように整流器が制御されることを提案する。ステータ電流の大きさは、一方において、同期発電機から、即ち、特に、設定された励磁電力とアーマチャの速度とから得られる。他方において、ステータ電流は、本例において、実質的に被制御整流器によって形成される回路にも依存している。基本的に、本例においては、ステータ出力にフィルタを接続することも可能である。但し、このようなフィルタは、被制御整流器によっても提供できる。
【００３２】
従って、制御は、次のように機能する。アーマチャの速度を検出し、これに基づいてセットポイント電力を規定し、更に、励磁電流を設定し、整流器を用いてステータ電流を制御する。
【００３３】
更に、励磁電流又は励磁電圧の特定、これに加えて、あるいは、この代わりに、供給されるべきステータ電流の特定、即ち、セットポイントステータ電流の特定が適応制御装置によって実施されることを提案する。この例において、励磁電流又は励磁電圧と、供給されるべきステータ電流、即ち、セットポイントステータ電流とは、この制御装置についての制御変数を形成している。従って、少なくとも励磁電流又は励磁電圧の適応制御を提案し、それに加えて、あるいは、その代わりに、ステータ電流の適応制御を提案する。
【００３４】
適応制御、即ち、自己を何かに適応化する制御は、この場合、自己をパラメータに適応化する制御であるが、制御工学的な意味において状態変数には適応化しない。
【００３５】
従って、アーマチャの検出された速度は状態変数であり、供給されるべき電力、即ち、セットポイント電力も同様に状態変数である。
【００３６】
パラメータ、即ち、システムパラメータは、システムの特性、即ち、例えば、発電機の内部抵抗又はインダクタンスである。
【００３７】
一実施形態に従って、同期発電機のパラメータが、推定装置によって同期発電機についての推定値として推定され、適応制御装置が、それらの推定値を考慮に入れることによって制御変数を特定することを提案する。従って、この適応制御装置は、励磁電流又は励磁電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、供給されるべきステータ電流を、制御変数として、制御する装置である。この制御装置は、推定値を考慮に入れることによって、これらの制御変数を特定する。特に、この制御装置は、この目的のために少なくとも１つの制御法則を有しており、これには、最も単純な場合、利得係数及び／又は少なくとも１つの時定数が含まれ得る。このような制御法則は、推定値を考慮に入れることによって、調整又は変更できる。
【００３８】
従って、本例において、パラメータの推定は、状態の推定ではなく、特にパラメータの識別を意味していると理解されたい。
【００３９】
例示的に述べると、例えば、検出された速度と、一方では、特定されたセットポイント電力と、他方では、励磁電流又は励磁電圧と、の間には、同一系統の特性曲線群による、ある関係が存在し得る。簡単な例を挙げると、適応化によって、この同一系統の特性曲線群を、例えば推定値に基づいて、変更する、例えば、置き換えることができる。これは、この制御装置の適応化の一例である。
【００４０】
好ましくは、１つ又は複数の磁化インダクタンス、ステータ抵抗、及び／又は、励磁抵抗が、同期発電機についての推定値として、推定されて、次に、適応制御装置を適応化するために使用される。従って、適応制御装置は、１つ又は複数の推定磁化インダクタンス及び／又は推定ステータ抵抗及び／又は推定励磁抵抗に依存している。
【００４１】
本例において、特に３つの上述の値、即ち、磁化インダクタンス、ステータ抵抗及び励磁抵抗が、可変である場合、あるいは、正確には既知ではない場合があり、少なくとも一部の動作点において、動作点に、あるいは、動作点の選択又は調整に、明らかに影響を及ぼし得ることが認識されている。更に、同期発電機のこれらのパラメータのうちの１つ又は複数のものを即時に又は直接的に測定することは、殆ど不可能であり、少なくとも難題によって妨げられることが認識されている。従って、１つの推定方法を提案する。好ましくは、この推定方法は、推定を通常の動作中に実施できる、即ち、オンラインで実施できるように機能する。
【００４２】
基本的に、パラメータの推定は、複雑である場合、及び、計算機能及び／又は計算時間を必要とする場合がある。しかしながら、パラメータの推定は、励磁電流又は励磁電圧とステータ電流との実際の設定よりも顕著に低い繰り返しレートでしか実施できないことが認識されている。従って、これらのパラメータを推定するための比較的遅いアルゴリズムを設けてもよく、また、これには、推定パラメータの、それに対応して少ない送信、即ち、低い送信レートでの送信、も実施できるという利点もある。これによって、送信チャネルの負荷を軽減することもでき、あるいは、このようなパラメータの推定の導入は、これらの送信システムに大きな追加の負荷をかける必要がないことを意味している。
【００４３】
更に、特に磁化インダクタンスが、励磁電流に、更に具体的には、励磁電流の変化に影響を及ぼすこと、及び、励磁電流が、磁化インダクタンスに基づいてアーマチャに異なる励磁電力をもたらすこと、が認識されている。これは、制御装置が自己を適応的にこれに対応させることによって、考慮に入れることができる。
【００４４】
励磁抵抗も、励磁電流に影響を及ぼす、あるいは、アーマチャ内における励磁電流の効果を変える可能性があり、この問題は、適応制御装置によって克服できる。
【００４５】
ステータ抵抗は、特に、ステータ電流又は多相ステータ電流に影響を及ぼす。ステータ抵抗は、特に、発電機内において無効電力成分にも影響を及ぼす可能性がある。ステータ抵抗によって、ステータ巻線におけるステータ電流とステータ電圧との間の位相角が、ステータ出力におけるステータ電流と出力電圧との間の位相角と比べて異なることになる。これも、ステータ抵抗が推定される場合、ここに提案する適応制御装置によって、考慮に入れることができる。
【００４６】
一実施形態に従って、適応制御装置が、同期発電機のモデルを考慮に入れることと、同期発電機についての推定された値に基づいて、あるいは、同期発電機についての推定値に基づいてモデル又はそれから導出される関係を適応化することと、によって、制御変数を特定することを提案する。
【００４７】
特に、このようなモデルは、制御装置又は対応付けられた計算ルール内において使用される又は保存されている。このモデルは、発電機の所望の応答が得られるように、特に、検出された速度に基づいて特定されたセットポイント電力が得られるように、特に、励磁電流とステータ電流との上述の大きさを調整するための基礎として使用できる。同期発電機のモデルを考慮に入れることは、最適な動作点の設定にも役立つ場合がある。同期発電機のモデルを使用する場合、可能な限り低い損失について、所望のセットポイント電力を見つけることもできる。換言すれば、関連する電流、特にステータ電流を選択及び設定して、最適な電力を得ることができる。
【００４８】
ここに提案する適応化と、その場合、この一実施形態において提案するような同期発電機についての推定値に基づくモデルの適応化と、によって、このモデルを、同期発電機について考慮に入れられた値のモデルにおける実際の変化にまで、追跡することもできる。特に、これによって、制御装置が、不正確なモデルに基づいて、励磁電流及び／又はステータ電流を特定又は規定することが防がれる。特に、モデルの使用は、それが表現すべき実際のシステムと余りに大きく異なる場合、問題が生じる可能性がある。同期発電機についての推定値に基づく、ここに提案する適応化は、この問題を回避するか、あるいは、少なくともこれを軽減する。
【００４９】
別の一改良形態に従って、風力タービンがギアレス風力タービンの形態であり、それに加えて、あるいは、その代わりに、同期発電機がリング発電機の形態であることを提案する。従って、この方法は、この種の特定の風力タービンに適用される。ギアレス風力タービンの場合、発電機のアーマチャは、風力タービンの空力ロータに直接機械的に結合されている。これは、特にアーマチャが非常にゆっくりと、即ち、空力ロータの速度でしか回転しないことを意味している。空力ロータの定格速度は、例えば５〜１０ｒｐｍの範囲内にある。これは、少なくともこの種の風力タービンに基づいていることが好ましい。従って、これは、定格動作中の発電機又はそのアーマチャの速度でもあり、速度は、部分負荷モードにおいては、それよりも低くなる。
【００５０】
従って、この実施形態に従えば、ここに提案する方法は、低速で動作する発電機に関する。特に、このような発電機の制御は、定格速度が１５００又は３０００ｒｐｍの標準的な発電機の制御とは大きく異なる場合がある。ギアレス風力タービンのこのような発電機は、それぞれが風力タービン用に特別に製造されており、この製造には、通常、大きな手動の構成要素があるために、ある程度、固有でもある場合が多い。
【００５１】
同じことが、ここに提案するリング発電機にも当てはまり、このリング発電機は、非常に多数の、特に少なくとも４８、特に少なくとも９６、特に１９２の極対によって特徴付けられている。リング発電機は、空隙領域において正にリング状に磁気的に有効な領域を備えている。特に、リング発電機は、空隙の直径の０％から少なくとも５０％の範囲内の直径を有する回転軸の周りの内側領域において、磁気的に有効な物質又は磁気的に有効な領域がないことを特徴としている。換言すれば、この内側領域には、仮にあったとしても、ベアリング構造、あるいは、換気サポート構造などが含まれている。このようなリング発電機は、１５００又は３０００ｒｐｍの速度について設計された通常の発電機とは全く異なる動作をする。
【００５２】
それに加えて、あるいは、その代わりに、ステータには少なくとも２つの３相システムがある。あるいは、例えば、４つの３相システムの可能性もある。この例において、各々の３相システムは実質的に独立したステータシステムを形成しており、共通のロータが使用されている。ステータに２つの３相システムがある場合、それらは、互いに対して３０度位相シフトされていることが好ましい。これによって、発電機を良好に利用することができ、特に、これらの６つの位相の整流中に高レベルの平滑化も実現できる。それにもかかわらず、これには、モデル依存の考慮について高レベルの複雑さが要求される可能性がある。
【００５３】
しかしながら、ここに提案する適応制御装置によって、特にパラメータの推定によって、高レベルの品質を達成できることが認識されている。同時に、このような少なくとも２倍の３相ステータシステムは、個々のステータ電流、即ち、ステータ電流全体の位相が、特に低い電流値を有することができるという効果も達成できる。更に、少なくとも部分的な故障対策の安全性もある。少なくとも、２つの３相ステータシステムの１つが故障した場合に発電機が定格電力を供給できなくなったとしても、残りの１つが引き続き動作できる。
【００５４】
特に、同期発電機について使用されるモデルが、ステータにおける少なくともこれら２つの３相システムを表現する、即ち、少なくとも２つの３相ステータシステムを表現することを提案する。
【００５５】
好ましくは、同期発電機の少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作され、この飽和の結果として変化した少なくとも１つのパラメータが推定装置によって特定される。インダクタンスの飽和は、磁界強度が更に増加しても、磁束密度が更に増加しないか、あるいは、少なくとも、大幅に更に増加しないことを意味している。これによって、通常、関連成分の応答を非リアクタンス性の抵抗の応答に近づけさすことができる。従って、飽和の推定に比較的に困難が伴う場合でも、そのようなパラメータの変化を推定装置によって検出することが可能である。従って、好ましい実施形態として、使用するモデルをそれに応じて適応化することができる。
【００５６】
少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作される動作点を意識的に選択することによって、それに応じて同期発電機の応答を適応化することが好ましい。特に、これは、インダクタンスを結合することに関係し、その場合における変換されたインダクタンスにも関係し得る。飽和は、物理的に同期発電機のステータとロータの両方において得られる。動作点は、特に、磁化インダクタンスが飽和モードで操作されるように選択される。
【００５７】
一実施形態に従って、推定装置が、同期発電機のパラメータを推定するための入力値として、少なくとも１つのステータ電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、少なくとも１つのステータ電流を考慮に入れることによって、それらのパラメータを推定することを提案する。同期発電機の関連パラメータは、特にステータ電圧及び／又はステータ電流から推定できる。従って、関連パラメータは、ステータ電圧及び／又はステータ電流を使用して推定できることが認識されている。
【００５８】
好ましくは、複数の３相ステータシステムのうちの１つの３相ステータシステムの３つの電圧全てが、パラメータの推定に使用される。それに加えて、あるいは、その代わりに、１つの又は同じ３相ステータシステムの３つの電流全てが推定に使用される。
【００５９】
この例において、同期発電機の関連パラメータを推定するには、特に、適用可能なステータ電圧又はステータ電流を使用するステータの３相システムを使用でき、特に、これだけで十分であることが認識されている。これは、たとえ複数の３相ステータシステムがある場合でも、これだけで十分であることが認識されているからである。たとえこれらの複数の３相ステータシステムが基本的に互いに独立して動作する場合でも、それらのパラメータは、物理的近接性の結果として、依然として十分に類似している。同様に、アーマチャの１つのパラメータ又は複数のパラメータを推定する場合に、複数の３相ステータシステムの１つだけを使用しても推定には十分であることが認識されている。
【００６０】
この認識とは無関係に、好ましくは、特に冗長性の目的で、但しそのためにだけではなく、３相ステータシステムのうちの複数のものを、特に、３つかそれより多くある場合には、全ての３相ステータシステムを、推定について、使用することを提案することができる。その場合、ステータ電圧及び／又はステータ電流もこの目的のために使用されて、各々、推定のために、検出及び評価される。
【００６１】
一実施形態に従って、推定装置が同期発電機の磁化インダクタンスのｄｑ成分を推定値として推定することを提案する。３相システムは、ｄｑ変換として知られているものを使用して、既知の態様で、ｄｑ成分に変換できる。次に、これらの成分は、特にアーマチャ、即ち、ロータと共に回転する回転システムに基づくｄ成分及びｑ成分という２つの成分を有する、基礎となる３相システムを再現する。従って、このような成分も、同期発電機の、特にステータの誘導性応答の影響を受ける。ｄｑ成分を考える際に、同期発電機の対応付けられた誘導性応答も、ｄ成分とｑ成分に分割でき、即ち、アーマチャの回転を基準とすることができる。これらの成分は、発電機の磁化インダクタンスＬmd及びＬmqとも呼称される。この点に関して、このように磁化インダクタンスのｄｑ成分を形成するこれらの２つの磁化インダクタンスを推定することを提案する。このように推定された磁化インダクタンスのｄｑ成分は同期発電機のモデルの一部分として使用されることが好ましい。以下、例示的な計算の詳細を等式に基づいて説明するが、そこで認識すべき点として、磁化インダクタンス、即ち、そのｄ成分と励磁電流との間には関係があり、その理由は、ｄｑ変換は、変換された３相システムのｄ成分が励磁の磁束密度を反映するように設計されているからである。従って、励磁電流もｄ成分と見なすことができ、この成分は、基本的に励磁電流に対応しており、これは、いずれにしてもＤＣ電流として入力される。実際に入力される励磁電流から励磁電流のこのｄ成分への変換が必要になる場合もある。
【００６２】
指摘すべき点として、アーマチャという用語を使用して発電機のロータを指しているが、これは、風力タービンの空力ロータとの混同を避けるためである。しかしながら、電気工学の分野での慣習的な用語はロータであり、本例においても、場合によっては、発電機に関連してロータと言うこともあり、その時は、これはアーマチャという用語と同義であると理解されたい。従って、特に、ロータ、即ち、アーマチャを基準とする変数は、例えば、ロータを基準とするフィールドを指している、あるいは、ロータのフィールドを指しているロータフィールドは、ロータ変数とも呼称する。従って、一部の変数は、ロータという用語も使用している、あるいは、その略語も指標として使用している。
【００６３】
同期発電機のトルクは、ステータ電流のｄｑ成分と、磁化インダクタンスのｄｑ成分と、励磁電流又はステータについて変換された励磁電流ｉ'fdと、に直接依存していることが特に認識されている。後述の式（１）においても規定されているこの関係が判っているので、ステータ電流と励磁電流は、特に損失が最小になるように特定できる。注意すべき点として、後述の式（１）は２つの３相ステータシステムを規定しているが、本例において、各々の３相ステータ電流が個別のｄ成分と個別のｑ成分を有しているので、複数の３相ステータ電流を考慮に入れることができる。従って、トルクは、発電機の全ての３相ステータ電流の全てのｄ成分とｑ成分に依存している。
【００６４】
別の一実施形態に従って、適応制御装置がｄｑ座標におけるセットポイントステータ電流を特定し、このセットポイントステータ電流が、位相毎に１つの電流値を有する３相表現に変換し戻されることによって、整流器が制御され、それによって、供給されるべき特定されたステータ電流がセットポイントステータ電流により良く設定され得ることを提案する。従って、計算がｄｑ座標で実施されるのに対して、個々の位相電流が、次に、それぞれセットポイント電流、即ち、セットポイント位相電流として規定され、それによって、これらのステータ電流が設定される。
【００６５】
好ましくは、ＤＣリンクはインバータに接続されており、このインバータはＤＣリンクのエネルギ又は電力を３相電流に変換して電力供給システムに供給する。これによって達成できる特定の効果として、被制御整流器と励磁電流の制御とによって、同期発電機を可能な限り最適に動作させ、同時に、それとは無関係に、電力又は電気エネルギを電力供給システムに供給できる。特に、インバータは、発電機が動作するたびの動作点の質に関係なく、供給されるべき３相電流の周波数と位相とを自由に規定することもできる。最終的には、実質的に発電機のみが、供給されるべき電力を規定し、その理由は、発電機が生成するだけの電力のみが継続的に供給され得るからである。
【００６６】
別の一改良形態に従って、セットポイント電力が、検出された速度に基づいて、及び、発電機の、あるいは、風力タービン全体の検出された電力出力に基づいて、特定されることを提案する。従って、速度だけではなく、現在の電力も考慮に入れられる。
【００６７】
特に、これは、中間電力が、検出された速度から特定されるように実施される。この中間電力は、理論的なセットポイント電力とも呼称できる。従って、セットポイント値として固定されているこの中間電力と、従って、実際の値を形成している検出された電力出力と、から、セットポイント／実際値比較によって、制御誤差が特定される。次に、この制御誤差が、制御器に、特にＰＩ制御器に送られ、それによって、結果として、セットポイント電力が特定される。従って、この特定されるべきセットポイント電力は、設定されるべき電力である。
【００６８】
例示的に説明すると、例えば、速度が増加し、それによって中間電力が増加すると、制御誤差が、先ず生成され、その後、修正される。この修正によって、特にＰＩ制御器を使用して、設定すべき電力と実際の電力との差を補償できる。更に、このような制御器を使用して、電力追跡の動的応答に対して、より良い影響を及ぼすこともできる。好ましくは、そのような制御器、特に上述のＰＩ制御器は、同期発電機の動的応答に適合化され、特に発電機のランプアップ（ｒａｍｐ−ｕｐ）時定数に適合化され、即ち、これらのランプアップ時定数に基づいて選択又はパラメータ化される。
【００６９】
特に、適応制御装置が、発電機の効率が最大化されるように制御されることを提案する。適応制御装置と共に使用される被制御整流器を使用する場合、発電機をより良く制御することが可能になり、特に発電機における変動を考慮に入れることも可能になる。特に、ステータ電流を選択的に且つ可能な限り正確に制御でき、また、励磁電流とステータ電流とを全体として考慮して最適な全体の組み合わせを見つけることもできる。これによって達成できる特定の効果は、所望の電力を、即ち、発電機又は風力タービンの所望の電力出力を、全体としての、即ち、一つにまとめられた上述の電流の損失が最小になるように、設定できることである。これは、現時点で望ましい、供給されるべき電力についての発電機の最高効率と一致している。
【００７０】
別の一改良実施形態に従って、少なくとも１つの磁化インダクタンスが、それぞれのインダクタンス特性曲線を使用して推定又は特定されることを提案する。この例において、このインダクタンス特性曲線は、磁化電流に基づいてそれぞれの磁化インダクタンスの値を規定しており、インダクタンス特性曲線の値は、推定又は上述の推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の特性曲線から適応化される。
【００７１】
インダクタンス特性曲線は、磁化インダクタンスの値が保存されているルックアップテーブルとして、実施することもでき、このルックアップテーブルの値は、推定又は上述の推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の値から適応化される、即ち、改善される。
【００７２】
従って、換言すれば、磁化インダクタンスについての初期値が、適応制御器内において、例えばインダクタンス特性曲線及び／又はルックアップテーブルの形態で、保存され、これらの初期値が推定値によって常に更新されることを提案する。これらの推定値は、オブザーバを使用して、推定アルゴリズムを使用して、あるいは、計算によって、特定できる。これは、動作中に磁化インダクタンスが変化する可能性があるという洞察に基づいている。特に、そのような変化は、熱作用によって引き起こされる可能性がある。磁化インダクタンスの適応化によって、ステータ電流の生成について、磁化インダクタンスについてのより正確な値を考慮に入れることができる。
【００７３】
好ましくは、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を特定するために、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線が、それぞれのセットポイントステータ電流について使用されることを提案する。セットポイントステータ電流特性曲線は、供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれのセットポイントステータ電流との間のそれぞれの関係を示している。それぞれのセットポイントステータ電流は、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定される。
【００７４】
従って、適応制御器には、インダクタンス特性曲線に加えて、別の特性曲線、即ち、セットポイントステータ電流特性曲線が保存されていてもよい。セットポイントステータ電流特性曲線は、供給されるべきセットポイント電力（Ｐvset）に基づいてセットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を生成する機能に貢献する。この目的のために、複数のセットポイントステータ電流特性曲線が、セットポイントステータ電流について適応制御器内にそれぞれ保存されていてもよく、その場合、この適応制御器は、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、それぞれ１つのセットポイントステータ電流を生成する。
【００７５】
更に、ステータ電流特性曲線の少なくとも１つ、特に、各々のステータ電流特性曲線が、反復ルーチンで変化条件に適応化されることを提案する。この少なくとも１つのステータ電流特性曲線が、例えば、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000054
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000055
）、あるいは、推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000056
）のような１つ、複数又は全ての値に基づいて、適応化される。従って、変化条件は、特に、動作中に変化し得る上述の３つの値に関係している。従って、保存されたステータ電流特性曲線が、これらの変化値に整合するように、変更又は適応化されることを提案する。上述の推定値は、これらを提供する推定装置又オブザーバから受信される。従って、インダクタンス特性曲線に関して、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000057
）は、本方法の実施中に少しずつ適応化されるインダクタンス特性曲線の値であってもよい。
【００７６】
ステータ電流特性曲線を適応化するための反復ルーチンは、それぞれのセットポイントステータ電流が、供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定されるよりも少ない頻度で実施される。一例として、反復ルーチンは０.０１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で繰り返されるが、セットポイントステータ電流は１ｋＨｚ〜１６ｋＨｚの範囲内の計算周波数で計算できる。従って、反復ルーチンは、セットポイントステータ電流特性曲線を更新するプロセスに関係している。このルーチンは、セットポイントステータ電流の特定よりもゆっくりと、例えば１分ごとに、実施される。これに比べて、セットポイントステータ電流は、変換器の作動に必要な高周波数で生成され、この高周波数は、例えばｋＨｚの範囲内に在り得る。
【００７７】
別の一改良実施形態に従って、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）が、オンラインで、セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、その上、少なくとも、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000058
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000059
）又は推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000060
）の１つ、複数又は全ての値に基づいて、特定されることを提案する。従って、特性曲線を使用してセットポイントステータ電流を特定する代わりに、それらを特定するための別の一選択肢は、オンライン計算を実施することである。この目的のために、計算アルゴリズムを適応制御器内に保存してもよく、この計算アルゴリズムは、以前に確認された推定値（
2020532270.tif 000061
、
2020532270.tif 000062
、
2020532270.tif 000063
）からセットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）をオンラインで計算する。特定の一実施形態において、このオンライン計算は、例えば５Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲内の周波数で実施される。
【００７８】
本発明に従って、多相他励同期発電機を備えた風力タービンであって、
・同期発電機がステータとアーマチャとを備えており、
・アーマチャが励磁電流又は励磁電圧を入力するための励磁入力を備えており、
・励磁入力には励磁電流又は励磁電圧を入力する励磁制御器が接続されており、
・ステータが、ステータ電流を供給するためのステータ出力を備えており、
・整流器が、ステータの出力に接続されており、ステータ電流を整流して、該整流器に接続されたＤＣリンクに該電流を提供し、
・整流器が、ステータ電流を制御するために制御可能であり、同期発電機を制御するために、
・アーマチャ又は空力ロータの速度を検出する速度検出手段が設けられており、
・制御装置が設けられており、該制御装置が、
・検出された速度に基づいて同期発電機又は風力タービンによって供給されるべきセットポイント電力を特定し、
・検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて励磁電流又は励磁電圧を特定する
ように構成されており、
・励磁制御器が、このように特定された励磁電流又はこのように特定された励磁電圧を励磁入力に入力するように構成されており、
・制御装置が、
・検出された速度と特定されたセットポイント電力とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定し、
・ステータ出力から供給されるべき特定されたステータ電流をセットポイントステータ電流に設定するために整流器を制御する
ように構成されており、
・制御装置が、
・励磁電流又は励磁電圧を特定するステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべきステータ電流を特定するステップと、
のうちの少なくとも一方のステップのために、適応制御装置として、設けられており、制御装置が、励磁電流又は励磁電圧又は該供給されるべきステータ電流が制御装置についての制御変数を形成するように構成されている、該風力タービンも提案する。
【００７９】
従って、特に、多相他励同期発電機を制御する方法に関して上述したように動作する風力タービンを提案する。これは、その点に関して説明したような同期発電機にも基づいている。
【００８０】
特に、速度検出手段が設けられており、これは、追加の測定ユニットの形態である必要はなく、その他の場合では、例えばプロセスコンピュータ内において、風力タービンによって既に検出された速度を更に処理して転送することもできる。
【００８１】
制御装置は、特にその操作装置に関して、既存の外部操作装置を使用することもできる。これは、別個の物理的なユニットとして設けられてもよいが、既存の制御装置内に実装されてもよい、及び／又は、一体的に組み込まれてもよい。特に、制御装置は、既存の制御コンピュータ上に適用可能なプログラムコードとして保存されてもよく、特に、風力タービンの標準的な制御に組み込まれてもよい。
【００８２】
制御装置が、励磁電流又は励磁電圧及び／又は供給されるべきステータ電流がこの制御装置についての制御変数を形成するように構成されているという状況は、特に、この制御装置が、これらの個々の制御変数に対応する制御出力を備えていることを意味し得る。制御装置が物理的に個別の物品として設けられている場合、それらの制御変数についてのそのような出力は、例えば、接続端子として、あるいは、データバス又は他のデータ伝送装置についてのデータ出力として、設けられていることがある。しかしながら、この点に関して、制御装置が物理的に個別の形態では設けられていない場合、この制御装置は、制御プログラムにおいて、それらの制御変数を適用可能なプログラム変数として出力することもできる。
【００８３】
多相他励同期発電機を制御する方法を、その方法の少なくとも１つの上述の実施形態に従って、使用する風力タービンを提供することが好ましい。従って、上述の利点はこの風力タービンに利益をもたらし、この風力タービンは、それに応じて改善された、好ましくは、最適化された態様で、動作することができる。
【００８４】
以下、添付図面を参照して、本発明を、実施形態に基づいて、例示的に且つ更に詳細に、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】風力タービンの斜視図を示す図である。
【図２】磁化インダクタンスのｄｑ成分の値を示す図である。
【図３ａ】接続構造を備えた発電機を概略的に示す図である。
【図３】ここに提案する制御器構造の概略図を示す図である。
【図４】図３の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【図４ａ】一実施形態における図４の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【図４ｂ】一代替実施形態における図４の制御器構造に関する詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８６】
図１は、タワー１０２とナセル１０４とを備えた風力タービン１００を示している。３つのロータブレード１０８とスピナ１１０とを備えたロータ１０６が、ナセル１０４に配置されている。動作中、ロータ１０６は、風によって回転運動させられ、それによって、ナセル１０４内における発電機を駆動する。
【００８７】
本発明は、他励６相同期発電機用の適応整流器の適応制御方法に関する。このようなシステムを、図１に示されたような風力タービンの一部分として、提案する。しかしながら、本発明は、更に多くの位相を有する同期発電機、特に、システム分割によって増倍された位相数を有する同期発電機にも使用できる。ここに提案する制御方法は、発電機のセットポイント電流値のオンラインのパラメータ確認と適切な適応化とを可能にする。この場合、セットポイント電流値は、各動作点での発電機の効率が動作制限範囲内で最適化されるように選択される。
【００８８】
以下、本方法を更に説明する。この目的のために、電流及び電圧の変数は、主にロータフィールド基準のｄｑ座標系で規定する。ステータ基準の単純化された正弦波時間特性をロータフィールドと共に回転するｄｑ座標系に変換することは、広く知られており、文献に説明されている。この変換を以下のように仮定する。
【００８９】
ダンパ巻線の無い６相同期機のトルクTeは、次のように表すことができる。
【００９０】
2020532270.tif 000064
ここで、Ｐはこの機械の極ペア数、ｉd1s及びｉq1sは第１の発電機システムのステータ電流のｄ成分及びｑ成分、ｉd2s及びｉq2sは第２の発電機システムのステータ電流のｄ成分及びｑ成分を示している。第１及び第２の発電機システムは、ここでは、特に第１及び第２のステータシステムを意味すると理解されたい。更に、ｉ’fdは、ステータを基準とした励磁電流を示しており、次のように定義される。
【００９１】
2020532270.tif 000065
式（２）において、Ｎはこの機械の回転数、ｉfdは未変換の励磁電流を示しており、これはｉe又はｉerrとも記すことができる。式（１）のＬmd及びＬmqは、推定する必要がある発電機の磁化インダクタンスである。これらのインダクタンスは、飽和に依存し、磁化電流ｉmに応じて、動作中にそれらの定格値と大きく異なる場合がある。Ｌmdの第１の推定値が、次の式に従って、無負荷テストによって得られる。
【００９２】
2020532270.tif 000066
ここで、ＶocはＲＭＳ導体−導体無負荷電圧を示しており、ωeはこの機械の電気定格周波数をｒａｄ ｓ-１で示している。磁化電流ｉｍは、次のように定義される。
【００９３】
2020532270.tif 000067
ここで、
2020532270.tif 000068
である。無負荷テスト中、ステータには電流が流れないため、ｉm = I’fdである。発電機の形状寸法に基づいた、あるいは、有限要素シミュレーションによる解析計算によって、ｉmの関数としての磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分の変化の傾向を推定することができる。これを図２に示している。
【００９４】
速度とセットポイント電力値とによって定義される特定の発電機動作点については、ステータ損失Ｐv_statと励磁損失Ｐv_rotとを最小化できる、ステータ電流ｉd1、ｉq1、ｉd2及びｉq2と励磁電流ｉfdとの最適な組み合わせを見つけることが可能である。各々の位相が同じ抵抗Ｒsを有し、２つのステータシステムの各々が同じｑ及びｄセットポイント電流値Ｉqs及びＩdsを得ると仮定すると、前述の損失は次のように計算できる。
【００９５】
2020532270.tif 000069
ここで、ＩsrmsはＲＭＳ位相電流であり、これは次のように定義される。
【００９６】
2020532270.tif 000070
励磁損失は、次の式によって計算される。
【００９７】
2020532270.tif 000071
ここで、Ｖerrは励磁電圧、Ｉerrは励磁電流である。単にリンク電圧とも呼ばれる制限されたＤＣリンク電圧は、全ての最適損失動作点が得られる訳ではないことを意味している。これは、特に、整流器がステップアップ整流器として動作して、従って、ＤＣリンク電圧が常に特定の要因によってＲＭＳステータ電圧より高くなければならない場合に当てはまる。
【００９８】
別の制限要因は、整流器内のパワーエレクトロニクス要素の、特に半導体スイッチの最大通電能力である。従って、次の制約条件を考慮することを提案する。
【００９９】
2020532270.tif 000072
2020532270.tif 000073
2020532270.tif 000074
ここで、
2020532270.tif 000075
2020532270.tif 000076
そして、λds及びλqsは次のように定義される。
【０１００】
2020532270.tif 000077
2020532270.tif 000078
ここで、ωrは再び動作点の電気速度であり、Ｌlsはステータの浮遊インダクタンスである。反復アルゴリズムを使用して、上述の制約条件を満たす全ての使用可能なセットポイントのステータ電流値及び励磁電流値を計算する。損失の合計を最小化する組み合わせが選択される。既知の勾配法（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）、あるいは、最大値を見つけるための他の方法を使用することもできる。
【０１０１】
発電機のパラメータは非常に大きく変化する可能性があるため、そのような変化を考慮に入れることで制御又は自動制御を改善できることが判っている。可能な限りそれに適合するセットポイント値を計算するためには、発電機パラメータＲs、Ｌls、Ｌmd及びＬmqを知ることが役立つ。ステータ抵抗は、温度に依存しており、経験的に次の式を使用して計算できる。
【０１０２】
2020532270.tif 000079
ここで、ＲsT0は、例えば２０°Ｃであってもよい特定の温度Ｔ0についての非リアクタンス性ステータ抵抗値であり、温度変化に基づいて係数αで変化する。浮遊インダクタンスＬlsは、短絡テスト又はＦＥＭシミュレーションによって特定できる。
【０１０３】
ロータ抵抗Ｒeは、次のように、測定済み変数Ｖerr及びＩerrから簡単に計算できる。
【０１０４】
2020532270.tif 000080
発電機が定常状態にある場合、ステータ電圧のｑ成分及びｄ成分は、式（１１）及び（１２）によって計算できる。従って、定常状態での計算を提案するが、その理由は、過渡状態では、これらの２つの式におけるそれぞれのフローの導出を考慮することが必要になり、それ故、計算がより複雑になるからである。Ｒs及びＬlsが既知であると仮定すると、Ｌmd及びＬmqは次の式によって計算できる。
【０１０５】
2020532270.tif 000081
2020532270.tif 000082
ここで、ｖqs、ｖds、ｉqs、ｉdsは、適用可能なステータ電圧とステータ電流との瞬時値である。この場合、２つのステータシステムは同一であると想定できることが判っているので、これら２つのステータシステムのうち１つだけを考慮すればよい。式（１７）及び（１８）における電流と電圧には多くの高調波が含まれているため、それらをフィルタリングすることを提案する。変換器の切り替え周波数は動作点に依存する。従って、フィルタリングについて可能な限り好ましくない動作点を使用すること（特に、好ましくない動作点とは、切り替え周波数が低い、及び／又は、高調波負荷が高い動作点であり、これは特に飽和度が高い場合に想定される）、及び、これを、必要なフィルタ時定数をトリミングするための基礎とすること、を提案する。
【０１０６】
図２は、この場合における磁化インダクタンスＬmd及びＬmqを磁化電流Ｉmの関数として示している。磁化インダクタンスＬmdの値は、Ｌmqの値に比べて約５０％〜１００％高い。特に、指摘すべき点として、磁化インダクタンスの値は、磁化電流が上昇するにつれて非常に早く低下し、初期値の約３０％の値にまで低下する。これは、本質的に飽和効果によって起こる。但し、図示の特性は、特に温度変動の結果として、変化することもある。
【０１０７】
図３ａは、接続構造を備えた発電機３２０を概略的に示している。発電機３２０は、ステータ３２２内において速度ｎで回転するロータ、即ち、アーマチャ３２４を備えている。ステータ３２２はステータ出力３２８を備えており、このステータ出力３２８を介して、ステータ電流、具体的にはこの例では２つの３相ステータ電流が能動整流器３４０に供給される。能動整流器３４０はステータ電流を制御してＤＣリンク３６０にＤＣ電圧を生成し、このＤＣリンク３６０にはインバータ３３２が接続されており、これによって３相電流を電力供給システム３３４に供給するが、これは本例では単に例示目的で示されている。ＤＣリンク３６０には、また、励磁制御器３３０が接続されており、これは、励磁電圧Ｖerr又は励磁電流ｉerrを生成してアーマチャ３２４の励磁入力３２６に入力する。この構造は図３についての基礎でもあり、発電機３２０は図３の発電機３０２に基本的に対応している。図３ａの能動整流器３４０も、図３の能動整流器３０４に基本的に対応している。
【０１０８】
図３は、ここに提案する制御構造３００の概要を示している。アルゴリズムについての入力信号は、速度ｎと、発電機の電力特性によって速度に依存するセットポイント電力値ＰSollと、である。オブザーバが、ステータの電圧及び電流を入力値として取得し、式（１７）及び（１８）を使用して磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分を計算する。
【０１０９】
図３の制御構造３００は、発電機３０２と、ＤＣリンク３０６についての整流を行う能動整流器３０４と、に基づいている。発電機３０２は、２つの３相ステータシステムを備えており、従って、２つの３相出力線３０８及び３１０を使用して自己のステータ電流を二重３相ステータ電流として能動整流器３０４に供給する。
【０１１０】
自動制御の一部分が、オブザーバとも呼ばれる推定装置３１２によって形成されており、この場合、パラメータ、即ち、２つの磁化インダクタンスＬmd及びＬmqを推定する。この点に関して、推定装置３１２に対する入力値は、ステータ電圧Ｖs及びステータ電流Ｉsである。これらの値は、推定装置３１２によって発電機３０２から取得される。この点に関して、これらの値が、別のどこかで既に捕捉されており、例えば制御コンピュータ内で利用可能であり、推定装置３１２がその中のこれらの値を使用できるようにすることも可能である。従って、推定装置３１２は、発電機３０２に関して必ずしも自己の測定手段を提供する必要はない。
【０１１１】
推定装置３１２の結果は、２つの磁化インダクタンスＬmd及びＬmqであり、あるいは、磁化インダクタンスのｄ成分及びｑ成分とも呼ぶことができる。これらの２つの値は、適応制御器３１４に入力される。
【０１１２】
適応制御器３１４は、現在の速度ｎと現在のセットポイント電力値ＰSollとを入力値として更に受信する。この現在のセットポイント電力値ＰSollは、ｎ−Ｐブロック３１６として簡略化された用語で呼称される速度／電力特性曲線ブロック内に記憶された速度電力特性曲線から得られる。ｎ−Ｐブロック３１６に記憶されている速度電力特性曲線は空気力学に適合しているので、速度ｎは、空力ロータの速度を表している。 従って、この速度ｎは、発電機３０２に決定的な影響を及ぼし、従って、発電機３０２に対する入力変数として示されている。本例において提案するギアレス風力タービンの場合、空力ロータの速度ｎは、発電機の速度、即ち、アーマチャの速度に対応している。
【０１１３】
次に、適応制御器３１４は、現在の速度ｎと現在規定されているセットポイント電力ＰSollとを使用して励磁電圧Ｖeを計算し、この励磁電圧Ｖeは、他励発電機として実施されている発電機３０２における励磁電力を確保するために励磁制御器が提供すべきものである。更に、適応制御器３１４は、ステータ電流についてのセットポイント値、即ち、二重３相ステータ電流の個々の位相電流についてのセットポイント値を計算する。その理由は、第１の３相ステータ電流についての３つの位相電流ｉa、ｉb及びｉcと第２の３相ステータ電流の値ｉx、ｉy及びｉzとについてのセットポイント値が計算又は規定されるからである。次に、ステータ電流についてのこれらのセットポイント値、即ち、その成分は能動整流器３０４によって変換される。
【０１１４】
この計算又は条件について、適応制御器３１４は、推定装置３１２から受信する適用可能なｄ成分及びｑ成分を考慮に入れることによって、磁化インダクタンスの変化を考慮に入れる。
【０１１５】
従って、ステータ電流についての値、即ち、その成分と励磁電力又は励磁電圧とは、適応制御器３１４によって、互いに最適に適合させることができる。更に、その時点で、発電機３０２の特性の変化を考慮に入れることができる。
【０１１６】
図４は、図３の適応制御器についての別の詳細及び変形形態を示している。これには、適応化ブロック４１３と合わせて、例えば、図３の推定装置３１２と同等であると見なせるオブザーバブロック４１２が示されている。オブザーバブロック４１２は、ステータ電圧Ｖs、ステータ電流Ｉs及び励磁電流Ｉeを入力値として受信し、それらから磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを観測して、適応化ブロック４１３に転送する。しかしながら、図３の適応制御器３１４の意図における適応制御器の一部分でもあり得る適応化ブロック４１３は、少なくとも、とりわけ、磁化インダクタンスの値を適応化する。適応化ブロック４１３は、磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqの特性の変化のシンボリックイラストレーション（ｓｙｍｂｏｌｉｃ  ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ：記号の実例）である。上側のシンボリックブロック（ｓｙｍｂｏｌｉｃ  ｂｌｏｃｋ：記号ブロック）は、図２の、４０００Ａの磁化電流までだけのダイアグラム（ｄｉａｇｒａｍ：グラフ）に対応している。従って、この適応化ブロック４１３は、先ず、この上側の関係をスタートポイントにして、次に、現在の磁化電流Ｉmによって示される現在の動作点での２つの成分Ｌmd及びＬmqの各々についての新たな値を推定する。これは、適応化ブロック４１３内における上側の表示内において、Ｌmd及びＬmqについての２つの新たに推定された値を指す２つの矢印ｅによって、示されている。
【０１１７】
磁化インダクタンスの２つの成分Ｌmd及びＬmqについての特性曲線は、それに応じて、適応化ブロック４１３内の下側のグラフによって示されているように、変更される。それに応じて、これらの２つの特性曲線にはキンクが含まれるが、最適には、特性曲線の別の値も少しずつ適応化して、特性曲線に全体的な変化をもたらすことも可能である。
【０１１８】
次に、この結果は最適化ブロック４１４に提供され、この最適化ブロック４１４はそれに基づいてセットポイント値を生成できる。適応化ブロック４１３から最適化ブロック４１４に伝達されるパラメータは、図４には詳細に示されていないが、いずれにしても磁化インダクタンスの成分Ｌmd及びＬmqの現在値が伝達される。但し、磁化インダクタンスの成分Ｌmd及びＬmqの特性についての完全に変更された特性曲線を伝達することも可能である。一方、この場合においても、図４内のブロックダイアグラムはシンボリックであると理解されるべきであり、全てのブロックは単一のプロセスコンピュータ内で実施でき、従って、例えば、最適化ブロック４１４、あるいは、それによってシンボル化された最適化アルゴリズムは、それが必要とする値にアクセスする。選択された周期時間は、０.０１ｓ（Ｔｓ＝１ｅ−２）であった。
【０１１９】
最適化ブロック４１４は、引き続き、現在設定する必要がある電力値、即ち、発電機又は風力タービンによって供給されるべき電力出力を示しているセットポイント電力値Ｐsetを受信する。
【０１２０】
実際に設定する必要があるこのセットポイント電力値Ｐsetは、本例ではＰＩ制御器の形態をとるセットポイント電力値制御器４１６の結果である。このＰＩ制御器４１６は、所望の電力出力Ｐsollと現在の電力出力Ｐmの実際の値とを受信し、この実際の値は、従って、測定済み電力を示している。セットポイント電力値が変更された場合、即ち、Ｐsollが変更された場合、それに応じた突然の変更も最適化ブロックに伝えられることは望ましくない。従って、このセットポイント電力値制御器４１６が設けられており、これは、実際に、現時点で規定のセットポイント電力値Ｐsollに設定する必要がある電力値Ｐsｅtをダイナミックレンジで追跡する。
【０１２１】
次いで、最適化ブロック４１４は、上述の入力を基礎にして、ステータ電流及び励磁電圧を計算する。この励磁電圧は、設定する必要がある励磁電圧Ｖeとして、直接出力できる。設定する必要があるステータ電流は、最初に、各々のステータサブシステムについて、ｄｑ成分で出力される。従って、値Ｉqs1、Ｉds1、Ｉqs2、Ｉds2が出力される。しかしながら、これらは、先ず、変換ブロック４１５に供給され、この変換ブロック４１５は、これらのｄｑ成分をａ、b、ｃ成分に変換する。従って、ここで想定している二重３相ステータシステムについての結果は、６つの単一の瞬時値、即ち、ｉa、ｉb、ｉｃ、ｉx、ｉy、及びｉzである。次に、これらの６つの電流値は、図３に示されているように、瞬時セットポイント値として能動整流器（図３内の３０４）に供給できる。さもなければ、変換ブロック４１５は、変換を実施するために、現在のロータ角度θ、即ち、発電機のロータの、即ち、アーマチャの角度を必要とする。
【０１２２】
従って、図４は、図３の適応制御器３１４を別の詳細事項を用いて示している。最適化アルゴリズム４１４は、セットポイント励磁電流値Ｉerr、あるいは、図４においてＶeとして示されている対応する励磁電圧Ｖerrとセットポイントステータ電流値Ｉqs及びＩdsとを計算する。２つのステータシステム相互間で均衡が取れていると仮定すると、これらの２つのシステムについてのセットポイント電流値は同じである。
【０１２３】
この６相発電機の６つのステータ電流は、所望の電力Ｐsｅtに基づいて、従って、励磁電圧Ｖｅに基づいて、設定される。この点に関して、磁化インダクタンスＬmdとＬmqを知ることは有用である。ｄｑ成分における関係は、特に、式（１）において、及び、その補足の説明と式において、規定されている。式（１）に基づいて、例えば、再帰的な解を見つけることができる。
【０１２４】
しかしながら、磁化インダクタンスは、一定ではなく、発電機の現在の動作点に依存する場合もあることが判っている。特に、それらは、図２と図４のブロック４１３の上側半分とにおいて示されているように、磁化電流に依存している。更に、磁化インダクタンスは、それに加えて、別の値にも依存することもあり、特に温度に依存することもある。これは、特に、図２に示された特性曲線が変化し得ることを意味している。これを考慮に入れることを提案する。
【０１２５】
最適化ブロック４１４は、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqが、それぞれの現在値の使用によって、変えられることを考慮に入れる。これに関して、最適化ブロック４１４は、例えば、毎回、現在の動作点において、式（１）に基づいて再帰的な解を見つけることができ、これをｄｑ座標におけるステータ電流Ｉqs1、Ｉds1、Ｉqs2及びＩds2を特定するための基礎として使用できる。また、この種の再帰的な解又はその他の解を事前に特定してテーブル内に保存し、動作中にそこから取得することも、当然、可能である。中間値は補間できる。
【０１２６】
従って、最適化ブロック４１４は、設定されるステータ電流を規定し、この目的のために、使用される磁化インダクタンスを少なくとも適応化する。磁化インダクタンスはパラメータであり、従って、最適化ブロック４１４は適応制御器又は適応制御器の一部分である。
【０１２７】
この点に関して、最適化ブロック４１４は、適応化ブロック４１３からこれらの磁化インダクタンスを受信する。適応化ブロック４１３には、特に、磁化インダクタンスが変化しやすいこと、及び、この変化も考慮に入れられることを図示する意図がある。従って、適応化ブロック４１３は、最適化ブロック４１４と合わせて、適応制御器であると理解することもできる。
【０１２８】
実際、適応化ブロック４１３は、特に、想定される変化を図示するために使用されている。この例における初期開始点、即ち、適応化ブロック４１３の上側のグラフに従う初期開始点は、最初に特性として保存された、磁化電流Ｉmと磁化インダクタンスとの関係である。
【０１２９】
しかしながら、それとは異なる場合があることが判っている。これをより良く考慮に入れるために、オブザーバによって、磁化インダクタンスをそれぞれの磁化電流Ｉmについて観測することができ、これは推定とも言える。このオブザーバは、オブザーバブロック４１２として表されている。これは、励磁電流Ｉe、ステータ電圧Ｖs及びステータ電流Ｉsを入力値として受信して、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを観測又は推定して出力できる。
【０１３０】
従って、オブザーバブロック４１２は、基本的に、上述の入力値から磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを特定する機能を備えている。
【０１３１】
これは、特に、式（４）、（１７）及び（１８）によって規定されているように、システム仕様に基づいた従来のオブザーバを使用することによって、実施できる。あるいは、その代わりに、オブザーバブロック４１２は、推定アルゴリズム又は計算によって、磁化インダクタンスＬmd及びＬmqと磁化電流Ｉmとを特定できる。これは、式（４）、（１７）及び（１８）に基づいて行うこともできる。式（４）、（１７）及び（１８）は現在の測定値にも関係しており、従って、実際の影響、特に熱に依存する影響がこの特定に使用されることになる。従って、これらの式を適用することによって、温度に依存する変化を検出して考慮に入れることができる。従って、図２に示された特性曲線は、それに応じて改善できる。
【０１３２】
このようにＬmd、Ｌmq及びＩmについて観測された値は、オブザーバブロック４１２によって動作点について特定された後、続いて適応化ブロック４１３に入力される。
【０１３３】
これは、適応化ブロック４１３内の上側のグラフ内の２つの矢印「ｅ」によって示されている。従って、矢印「ｅ」は、オブザーバブロックによって特定された、適応化ブロック４１３の上側のグラフ内の特定の動作点におけるＬmd及びＬmqについての２つの値を図示している。Ｌmd及びＬmqについてのこれらの動作点依存値は、適応化ブロック４１３の下側のグラフに転送され、図示された２つのキンクをもたらす。従って、磁化インダクタンスについての初期値が、適応化ブロック４１３内に例えば特性曲線又はルックアップテーブルの形態で保存されており、その後、オブザーバブロック４１２から得られる現在値で絶えず更新される。Ｌmd、Ｌmq及びＩmについての更新された、即ち、適応化された値は、その後、最適化ブロック４１４に転送され、この最適化ブロック４１４は、これらの更新された値を考慮に入れてステータ電流を特定する。
【０１３４】
従って、適応化ブロック４１３には、特に図２と比較して、使用されるオブザーバブロック４１２によって磁化インダクタンスをどのように特定するか、そして、動作中に変化する磁化インダクタンスを、その後、最適化ブロック４１４においてステータ電流の計算の目的で考慮できるようにするために、どのように特定するか、が図示されている。
【０１３５】
図４ａ及び４ｂは、各々、図４の制御器構造に関する実施形態又は詳細を、即ち、特に、どのようにしてセットポイントステータ電流の決定がブロック４１４において実施されるかを、示している。
【０１３６】
この点に関して、図４ａは、特性曲線の計算によるセットポイントステータ電流の特定を示している。この目的のために、ブロック４１４は、３つのセットポイントステータ電流特性曲線４１８を保存している。これら３つのセットポイントステータ電流特性曲線の各々によって、セットポイント電力Ｐsetに基づいて、供給されるべきセットポイント電流値、即ち、Ｉe又はＶe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2が出力される。これらは、次に、図４ａ及び４ｂには示されていないが、図４に示されているように、ｉa、ｉb、ｉc及びｉx、ｉy、ｉzに変換されて、能動整流器３０４にセットポイント電流として与えられる。従って、セットポイントステータ電流特性曲線は、それぞれ、供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれのセットポイントステータ電流との関係を示している。
【０１３７】
３つの破線の更新矢印４１９とブロック４２０とによって図示された図４ａにおける別の実施形態において、セットポイントステータ電流特性曲線４１８は、反復ルーチンで変化条件に適応化される。この目的のために、反復ルーチンが、適応制御器４１４内において、即ち、セットポイントステータ電流特性曲線４１８を適応化するために使用されるブロック４２０内において、実施できる。この適応化は、３つの更新矢印４１９によって図示されている。この場合、反復ルーチン４２０は、変化条件を推定値の形態で、即ち、推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000083
）、推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000084
）及び推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000085
）として、考慮に入れる。これらの推定値は、オブザーバブロック４１２によって、あるいは、インダクタンス特性曲線を保存している適応化ブロック４１３によって提供される。セットポイントステータ電流特性曲線４１８は、このセットポイントステータ電流特性曲線から特定されたセットポイントステータ電流よりもゆっくりと適応化され、その理由は、特に、
2020532270.tif 000086
と
2020532270.tif 000087
と
2020532270.tif 000088
とが、動作中に、対応してゆっくりと変化するからである。
【０１３８】
図４ａの代替実施形態において、図４ｂは、最適化ブロック４１４におけるセットポイントステータ電流の特定、即ち、オンラインでの特定又は計算による特定を示している。この目的のために、セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）は、セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、そして、少なくとも１つの、複数の、あるいは、全ての値
2020532270.tif 000089
と
2020532270.tif 000090
と
2020532270.tif 000091
と、に基づいて、オンラインで特定される。この場合、オンラインとは、計算が風力タービンの動作中に実施できることを意味している。この目的のために、ブロック４１４は、上述の推定値からセットポイントステータ電流を計算する計算アルゴリズム４２２を保存している。そのようなアルゴリズムは、例えば計算規則の形態で、適応制御器内に保存されていてもよく、及び／又は、プロセスコンピュータ上で実行できる。この場合、上述の推定値は、図４ａと同様に、オブザーバブロック４１２又は適応化ブロック４１３によって提供される。
【０１３９】
インダクタンス、即ち、特にＬmdとＬmqについては、「ルックアップテーブル」とも呼称できる１つ又は複数のテーブルから得られる値が使用される。これらの１つ又は複数のテーブルは、発電機の動作中に、具体的には、それぞれの動作点について動作状態が定常である時にはいつでも、磁化電流Ｉmに基づいて更新される。この定常状態において、式（１１）及び（１２）はステータ電圧のｄ成分及びｑ成分を表しており、従って、インダクタンスＬmd及びＬmqは式（１７）及び（１８）を使用して推定でき、従って、これらの値は更新できる。
【０１４０】
モデリングの不正確さと無視された損失の両方を補償するために、ＰＩ制御器は、制御のセットポイント電力値を変更する。このＰＩ制御器は、セットポイント電力値の近くでのみアクティブになり、所望の電力出力に達するまでセットポイント電流値の生成についての基礎として機能する。セットポイント値との差が大きい場合には、Ｉ成分を無効にできる。発電機についての時定数が可成り大きいので、セットポイント値は、例えば１００Ｈｚなどの低周波数で計算され、これは、標準的なマイクロ制御器における１０ｋＨｚの最大クロック周波数に比べて、比較的低い値である。
【０１４１】
従って、最適化された機械効率を有する他励同期機についての能動整流器の制御を提案する。他励同期機は、他励同期発電機とも呼称できる。特に、２つの発電機システムを備えた同期機についての制御を説明した。本方法は、その代わりに、異なる数の発電機システム又はステータシステムに適応化でき、具体的には、２つの３相システムに加えて、４つ又はそれより多くのステータシステムの可能性もある。
【０１４２】
本発明の目的は、特に、能動整流器を使用して、複数の発電機システム又はステータシステムと高度に飽和に依存するパラメータとを有する他励同期機を最適化された効率で動作させることである。この機械の飽和特性、あるいは、磁化インダクタンスの正しい応答の推定は、上述の解決手段を用いて実現でき、能動整流器についての制御方法に使用でき、これによって、この機械の飽和特性を考慮に入れることも可能になる。更に、ここに提示した解決手段は、他励同期機に適している。
【０１４３】
ここに引用する非特許文献２と３は、他励同期発電機についての解決手段を記載している。
【０１４４】
非特許文献２は、他励同期機を制御する方法を示している。ステータ損失とロータ損失の合計を最小化するために、セットポイント電流値が「ラグランジュ乗数」法によって解析的に計算される。この機械が定常状態にあると仮定して、動作中に解析計算の一部のパラメータを変更できるセルフターニング（ｓｅｌｆ−ｔｕｒｎｉｎｇ）アルゴリズムが提示されている。しかしながら、ステータ電流のｉ_ｄ成分と励磁電流ｉ_errのみが適応化される。
【０１４５】
パラメータの推定に関しては、ＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅ：再帰最小二乗）法などに基づく方法がしばしば提案されるが、これには、フローの導出を無視するために、定常状態の前提が必要である。問題を改善するために、ここに提案する解決手段におけるインダクタンスＬmd及びＬmqの推定は、適用可能なパラメータが代数演算式を使用して単純に計算される方法に基づいている。
【０１４６】
本発明は、少なくとも一部の実施形態において、複数の発電機システムを備えた他励同期機を制御するために使用できる。この機械のパラメータがこの機械の実際の特性と整合していると仮定すると、このアルゴリズムは、特定のセットポイント電力についてステータ及びロータの損失を最小化するために、それぞれの全体的に最適な動作点を計算できる。本方法は、測定済みの発電機の値、即ち、電圧、電流及び速度の代数演算式によって実施できるオンラインパラメータ推定によって、インダクタンスについてのルックアップテーブルを修正する機会を提供する。
【０１４７】
動作点は数値の反復計算によって特定されるため、適切な計算能力が必要である。この問題は認識されており、この計算は、この機械の機械的慣性が高いこと及びロータの時定数が大きいことによって、最新のマイクロ制御器のクロック周波数と比べて低い周波数で実施できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１００）内の多相他励同期発電機（３０２）を制御する方法であって、
・前記多相他励同期発電機（３０２）がステータ（３２２）とアーマチャ（３２４）とを備えており、
・前記アーマチャ（３２４）が励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を入力するための励磁入力（３２６）を備えており、
・前記励磁入力（３２６）には前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）を入力する励磁制御器（３３０）が接続されており、
・前記ステータ（３２２）が、ステータ電流を供給するためのステータ出力（３２８）を備えており、
・整流器（３０４）が、前記ステータ（３２２）の前記ステータ出力（３２８）に接続されており、前記ステータ電流を整流して、該整流器（３０４）に接続されたＤＣリンク（３０６）に該ステータ電流を提供し、
・前記整流器（３０４）が、前記ステータ電流を制御するために制御可能であり、前記方法が、
・前記アーマチャ（３２４）又は前記風力タービン（１００）の空力ロータの速度（ｎ）を検出するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）に基づいて前記多相他励同期発電機（３０２）又は前記風力タービンによって供給されるべきセットポイント電力（ＰSoll）を特定するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）と前記特定されたセットポイント電力（ＰSoll）とに基づいて励磁電流（ｉerr）又は励磁電圧（ｖerr）を特定するステップと、
・このように特定された前記励磁電流（ｉerr）又はこのように特定された前記励磁電圧（ｖerr）を、前記励磁制御器（３３０）によって、前記励磁入力（３２６）に入力するステップと、
・前記検出された速度（ｎ）と前記特定されたセットポイント電力（ＰSoll）とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定するステップと、
・前記ステータ出力（３２８）から供給されるべき前記特定されたステータ電流を前記セットポイントステータ電流に設定するために前記整流器（３０４）を制御するステップと、
を備えており、
・前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）を特定する前記ステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定する前記ステップと、
のうちの少なくとも一方のステップが適応制御装置（３１４）によって実施され、前記励磁電流（ｉerr）又は前記励磁電圧（ｖerr）又は該供給されるべき前記ステータ電流が前記適応制御装置（３１４）についての制御変数を形成する、
前記方法。
【請求項２】
・前記多相他励同期発電機のパラメータである、磁化インダクタンス及び／又はステータ抵抗及び／又は励磁抵抗が、推定装置（３１２）によって、前記多相他励同期発電機についての推定値として推定され、
・前記適応制御装置が、前記推定値を考慮に入れることによって制御変数を特定する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記適応制御装置が、前記多相他励同期発電機のモデルを考慮に入れることと、前記多相他励同期発電機についての推定された値に基づいて、あるいは、前記多相他励同期発電機についての前記推定された値に基づいて前記モデル又はそれから導出される関係を適応化することと、によって、制御変数を特定する、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
・前記風力タービンがギアレス風力タービンの形態であり、
・それに加えて、あるいは、その代わりに、前記多相他励同期発電機がリング発電機の形態であり、
・それに加えて、あるいは、その代わりに、少なくとも２つの３相システムが前記ステータに存在する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記多相他励同期発電機の少なくとも１つのインダクタンスが飽和の範囲内で操作され、この飽和によって変更された少なくとも１つのパラメータが推定装置又は前記推定装置によって検出される、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
推定装置又は前記推定装置が、前記多相他励同期発電機のパラメータを推定するための入力値として、
・１つ又は複数の３相ステータシステムの３つのステータ電圧、これに加えて、あるいは、この代わりに、
・同じ前記３相ステータシステムの、あるいは、複数の３相ステータシステムの１つの３相ステータシステムの３つのステータ電流、
を考慮に入れることによって、前記パラメータを推定する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
推定装置又は前記推定装置が前記多相他励同期発電機の磁化インダクタンスのｄｑ成分を推定値として推定する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
・前記適応制御装置がｄｑ座標における前記セットポイントステータ電流を特定し、
・前記セットポイントステータ電流が、位相毎に１つの電流値を有する３相表現に変換し戻されることによって、前記整流器が制御され、それによって、供給されるべき前記特定されたステータ電流が前記セットポイントステータ電流に設定される、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＤＣリンクがインバータに接続されており、該インバータが前記ＤＣリンクのエネルギを３相電流に変換して電力供給システムに供給する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記セットポイント電力が、前記検出された速度に基づいて、及び、前記多相他励同期発電機又は前記風力タービンの検出された電力出力に基づいて、特定され、この特定が、
・中間電力が、前記検出された速度から特定され、
・制御誤差が、セットポイント値としての前記中間電力と実際値としての前記検出された電力出力とから、セットポイント値／実際値比較によって、特定され、
・前記制御誤差が、ＰＩ制御器に提供され、それによって前記セットポイント電力が特定される、
ように実施される、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記適応制御装置が、前記多相他励同期発電機の効率が最大化されるように制御される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
・少なくとも１つの磁化インダクタンスが、それぞれのインダクタンス特性曲線を使用して推定又は特定され、該インダクタンス特性曲線が、磁化電流に基づいてそれぞれの前記磁化インダクタンスの値を規定しており、
・前記インダクタンス特性曲線の値が、推定又は前記推定によって、本方法の実施中に少しずつ初期の特性曲線から適応化される、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）を特定するために、
・それぞれのセットポイントステータ電流特性曲線が、それぞれの前記セットポイントステータ電流について使用され、
・前記セットポイントステータ電流特性曲線が、前記供給されるべきセットポイント電力と特定されるべきそれぞれの前記セットポイントステータ電流との間のそれぞれの関係を示しており、
・それぞれの前記セットポイントステータ電流が、前記供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれの前記セットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定される、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
各々の前記セットポイントステータ電流特性曲線が、反復ルーチンで変化条件に適応化され、
・前記少なくとも１つのセットポイントステータ電流特性曲線が、
・推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000092
）、
・推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000093
）及び
・推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000094
）を含むリストから得られる１つ、複数又は全ての値に基づいて、適応化され、
・前記反復ルーチンが、それぞれの前記セットポイントステータ電流が、前記供給されるべきセットポイント電力に基づいて、それぞれの前記セットポイントステータ電流特性曲線に従って、特定されるよりも少ない頻度で実施され、前記反復ルーチンが０.０１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で繰り返される、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
・前記セットポイントステータ電流（Ｉe、Ｉqs1、Ｉqs2、Ｉds1、Ｉds2）が、オンラインで、前記セットポイント電力（Ｐset）に基づいて、及び、少なくとも、
・推定磁化インダクタンス（
2020532270.tif 000095
）、
・推定ステータ抵抗（
2020532270.tif 000096
）及び
・推定励磁抵抗（
2020532270.tif 000097
）を含むリストから得られる１つ、複数又は全ての値に基づいて、特定される、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
多相他励同期発電機を備えた風力タービンであって、
・前記多相他励同期発電機がステータとアーマチャとを備えており、
・前記アーマチャが励磁電流又は励磁電圧を入力するための励磁入力を備えており、
・前記励磁入力には前記励磁電流又は前記励磁電圧を入力する励磁制御器が接続されており、
・前記ステータが、ステータ電流を供給するためのステータ出力を備えており、
・整流器が、前記ステータの前記ステータ出力に接続されており、前記ステータ電流を整流して、該整流器に接続されたＤＣリンクに該ステータ電流を提供し、
・前記整流器が、前記ステータ電流を制御するために制御可能であり、前記多相他励同期発電機を制御するために、
・前記アーマチャ又は空力ロータの速度を検出する速度検出手段が設けられており、
・制御装置が設けられており、該制御装置が、
・前記検出された速度に基づいて前記多相他励同期発電機又は風力タービンによって供給されるべきセットポイント電力を特定し、
・前記検出された速度と前記特定されたセットポイント電力とに基づいて励磁電流又は励磁電圧を特定する
ように構成されており、
・前記励磁制御器が、このように特定された前記励磁電流又はこのように特定された前記励磁電圧を前記励磁入力に入力するように構成されており、
・前記制御装置が、
・前記検出された速度と前記特定されたセットポイント電力とに基づいて、セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定し、
・前記ステータ出力から供給されるべき前記特定されたステータ電流を前記セットポイントステータ電流に設定するために前記整流器を制御する
ように構成されており、
・前記制御装置が、
・前記励磁電流又は前記励磁電圧を特定するステップと、
・セットポイントステータ電流として供給されるべき前記ステータ電流を特定するステップと、
のうちの少なくとも一方のステップのために、適応制御装置として、設けられており、前記制御装置が、前記励磁電流又は前記励磁電圧又は該供給されるべき前記ステータ電流が前記制御装置についての制御変数を形成するように構成されている、前記風力タービン。
【請求項１７】
自己の前記制御装置が、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、請求項１６に記載の風力タービン。
【国際調査報告】
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