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1、(10)申请公布号 CN 104025447 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 2 5 4 4 7 A (21)申请号 201280062918.8 (22)申请日 2012.12.19 61/577,477 2011.12.19 US H02P 9/08(2006.01) (71)申请人 ZBB能源公司 地址美国威斯康星州 (72)发明人杰弗里A赖卡德 内森乔布 托马斯艾伦劳本斯特恩 (74)专利代理机构北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人周靖 郑霞 (54) 发明名称 用于多相AC电机的低速控制的系统和方法 (57) 摘要 公开了一种起。
2、动任何类型的多相AC电机的 风力涡轮发电机的方法，包括但不限于无刷DC电 机或永磁电机。电机从完全停止或从低速运行起 动并且被加速到切入速度用于产生电力。启动是 利用也用于捕获所产生的电力的公共的电导体组 和电力变换器实现的。在初始运行下，电力变换 器执行PWM调制技术来驱动电机。周期性地，所述 PWM调制被停止来读取所述发电机的电气位置。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.19 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/070694 2012.12.19 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/096492 EN 2013.06.。
3、27 (51)Int.Cl. 权利要求书3页 说明书8页 附图7页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书8页 附图7页 (10)申请公布号 CN 104025447 A CN 104025447 A 1/3页 2 1.一种电力变换系统，所述系统包括： 端子组，其配置为将所述电力变换系统连接到多相AC电机； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 电力变换器，其连接在所述端子组和所述DC总线之间并且配置为用于在所述端子组 和所述DC总线之间进行双向电力传输； 存储设备，其配置为存储一系列指令；以及 控制器，其配置为执行所述一系列指令以执行下列操作： 在。
4、预设速度以下执行启动控制模块，其中所述启动控制模块控制所述AC电机的旋转； 在所述预设速度以上执行电流调节器来向所述DC总线传输所述AC电机产生的电力。 2.如权利要求1所述的电力变换系统，所述系统还包括： 输出端，其配置为连接到公用电网；以及 转换器模块，其连接在所述输出端和所述DC总线之间，其中所述转换器模块被配置为 用于在所述输出端和所述DC总线之间进行双向电力传输，并且其中所述控制器被配置为 当所述启动控制模块正在执行时控制所述转换器模块以保持所述DC总线上所需的DC电 压。 3.如权利要求1所述的电力变换系统，所述系统还包括： 能量储存设备；以及 第二电力变换器，其配置为在所述能量储。
5、存设备和所述DC总线之间传输能量，其中所 述控制器被配置为当所述启动控制模块正在执行时控制所述第二电力变换器以保持所述 DC总线上所需的DC电压。 4.如权利要求1所述的电力变换系统，其中： 所述启动控制模块包括调制模块，所述调制模块配置为将所述DC总线上的电压变换 为用于所述AC电机的AC电压， 所述控制器被配置为周期性地禁用所述调制模块，并且 当所述调制模块被禁用时，所述控制器被配置为读取出现在所述AC电机上的反电动 势电压。 5.一种电力变换系统，所述系统包括： 第一端子组，其配置为将所述电力变换系统连接到多相AC电机； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 多个第一开关，其配置为选择性。
6、地将所述第一端子组连接到所述DC总线； 第二端子组，其配置为连接到公用电网； 多个第二开关，其配置为选择性地将所述DC总线连接到所述第二端子组； 存储设备，其配置为存储一系列指令；以及 控制器，其配置为在第一运行模式和第二运行模式执行所述指令，其中： 在所述第一运行模式期间，所述控制器为所述第一开关和所述第二开关中的每一个生 成门控信号，以将所述AC电机加速到预设速度，以及 在所述第二运行模式期间，所述控制器为所述第一开关和所述第二开关中的每一个生 成所述门控信号，以向所述公用电网传输所述AC电机产生的能量。 6.如权利要求5所述的电力变换系统，其中在所述第一运行模式期间： 权 利 要 求 书。
7、CN 104025447 A 2/3页 3 所述第一开关被控制成在所述第一端子组上提供多相AC电压，其中所述多相AC电压 具有可变幅值和可变频率以控制所述AC电机的速度，以及 所述第二开关被控制成在所述公用电网和所述DC总线之间传输能量，以保持所述DC 总线上的基本恒定的DC电压。 7.如权利要求5所述的电力变换系统，所述系统还包括： 能量储存设备；以及 DC-DC变换器，其连接在所述DC总线和所述能量储存设备之间，其中在所述第一运行 模式期间，所述DC-DC变换器被控制成在所述能量储存设备和所述DC总线之间传输能量， 以保持所述DC总线上的基本恒定的DC电压。 8.如权利要求5所述的电力变换。
8、系统，所述系统还包括多个电压传感器，每个电压传 感器产生与存在于所述第一端子组上的电压的幅值相应的信号，其中所述控制器还被配置 为接收来自所述电压传感器的所述信号中的每一个信号，其中在所述第一运行模式期间， 所述控制器周期性地禁用所述第一开关并且当所述第一开关被禁用时读取所述信号中的 每一个信号，并且在所述第二运行模式期间，所述控制器持续地控制所述第一开关组并且 随着控制所述第一开关组来读取所述信号。 9.如权利要求8所述的电力变换系统，其中所述控制器还被配置为： 根据从所述电压传感器上读取的所述信号来确定出现在所述第一端子组上的反电动 势电压，以及 根据所述反电动势电压确定出现在所述第一端子。
9、组上的电压的电角度。 10.一种加速用于风力涡轮机的多相AC电机到大于所述风力涡轮机的切入速度的预 设初始速度的方法，所述方法包括下列步骤： 在第一运行模式下控制电力变换器来执行调制模块以产生用于所述AC电机的电压， 其中所述电压具有可变幅值和可变频率以控制所述AC电机的旋转速度； 在所述第一运行模式下执行期间以周期性的间隔禁用所述调制模块； 当所述调制模块被禁用时确定出现在所述AC电机上的反电动势电压； 根据所述反电动势电压确定所述AC电机的所述旋转速度；以及 当所述旋转速度大于所述预设初始转速时，在第二运行模式下控制所述电力变换器， 其中在所述第二运行模式期间，所述电力变换器从所述AC电机。
10、向所述电力变换器中的DC 总线传输能量。 11.一种用于将从AC发电源产生的能量传输给公用电网的电力变换系统，所述电力变 换系统包括： 端子组，其配置为将所述电力变换系统连接到所述AC发电源； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 电力变换器，其连接在所述端子组和所述DC总线之间并且配置为用于在所述端子组 和所述DC总线之间进行电力传输； 存储设备，其配置为存储一系列指令；以及 控制器，其配置为执行所述一系列指令以执行下列操作： 在预设速度以上执行调制模块用于对所述电力变换器进行连续调制，以向所述DC总 线传输所述AC发电源产生的电力，以及 权 利 要 求 书CN 104025447 A 3/。
11、3页 4 在预设速度以下配合所述调制模块周期性地插入消隐时间，用于对所述电力变换器进 行间歇性调制，以向所述DC总线传输所述AC发电源产生的电力。 权 利 要 求 书CN 104025447 A 1/8页 5 用于多相 AC 电机的低速控制的系统和方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求于2011年12月19日提交的序列号为61/577,447的美国临时申请的 优先权，该美国临时申请的全部内容在此以引用方式并入。 0003 发明背景 0004 此处公开的主题涉及电力变换器，并且更具体地，涉及改善的在低速运行期间的 多相交流(AC)电机的控制和改善的在低速运行期间的来自多相交流(。
12、AC)电机的电力变 换。 0005 近几年，增加的能源需求和增加的对于化石燃料的供应和它们的相应污染的关注 已经导致对可再生能源的兴趣增加。两种最常见的和开发的最好的可再生能源是光伏能和 风能。其他的可再生能源可能包括燃料电池、水电能源、潮汐能源、和生物燃料或生物发电 机。然而，使用可再生能源产生电能提出了一系列新的挑战。 0006 例如，风力涡轮机，提供变化的能量供应。此供应依赖于风量。风力涡轮机通常配 置为产生交流能量并且通常提供不同的电流等级的多相AC电压。由于所供应的能量的变 化性，如果运行不依赖于公用电网，电力变换器通常嵌入风力涡轮机和公用电网或电气负 载之间。电源变换器通常要求风力。
13、涡轮机以最小的速度旋转，也被称为速度，以便在电力变 换器开始运行以前产生最小的电力等级。 0007 然而，风力涡轮机具有很大的质量并且从停止到加速到使变换器可以开始获得能 量的切入速度要求大量的能量。此外，一些风力涡轮机可能具有惯性“拐点(knee)”，意味着 其需要比维持涡轮机旋转需要的能量总量更大量的能量来克服比如静摩擦力并开始旋转。 因此，惯性“拐点”可能，需要更高的初始风速来开始风力涡轮机的运行，但是，一旦初始速 度已经被获得，运行就可以在较低风速下维持。结果，风力涡轮机可能具有其在其中能够产 生能量但是如果风力涡轮机没有已经旋转该能量则消失的风速范围。同样，即使风强到足 够加速涡轮电。
14、机时，风力涡轮机的惯性也可能导致从停止缓慢加速到切入速度。缓慢加速 可能导致不希望的大量时间来将涡轮电机加速到切入速度。在加速期间，在风速足够用于 能量产生的时间期间内风力涡轮电机再次不能产生能量。 0008 为了从风力涡轮机获得最高的潜在能量产生，期望的是使风力涡轮机尽可能经常 地在变换器的切入速度以上运行。因此，期望提供能够克服惯性“拐点”和/或帮助将所述 风力涡轮机加速到切入速度的系统。 发明内容 0009 在此公开的主题描述了用于控制低速运行期间的多相电机的系统和方法，并且更 具体地，描述了用于起动没有耦合到AC电机上的位置传感器的多相AC电机的系统和方法。 0010 根据本发明的一个。
15、方面，本发明提供了起动任何类型的多相AC电机的风力涡轮 发电机的方法，包括但不限于，无刷DC或永磁电机。所述电机从完全停止或从低速运行起 动并且被加速到切入速度以产生电力。启动是利用公共的电导体组实现的，其也用于捕获 产生的电力。在初始运行下，PWM调制技术驱动电机。周期性地，所述PWM调制被停止以读 说 明 书CN 104025447 A 2/8页 6 取所述发电机的电气位置。需要类似的起动要求的例如飞轮的其他应用，同样可以应用所 述起动方法。 0011 根据本发明的一种实施方式，电力变换系统包括：配置为连接所述电力变换系统 到多相AC电机的端子组、具有正电压轨和负电压轨的DC总线、连接在所。
16、述端子组和所述 DC总线之间并且配置为用于在所述端子组和所述DC总线之间的双向电力传输的电力变换 器、配置为储存一系列指令的存储设备、以及控制器。所述控制器被配置为执行所述一系列 指令以在预设速度以下执行启动控制模块，其中所述启动控制模块控制所述AC电机的旋 转，并且在预设速度以上执行电流调节器以向所述DC总线传输所述AC电机所产生的电力。 0012 根据本发明的另一方面，所述电力变换系统包括配置为被连接到公用电网的输出 端和连接在所述输出端和所述DC总线之间的转换器模块。所述转换器模块被配置为用于 在所述输出端和所述DC总线之间的双向电力传输，并且所述控制器被配置为当所述启动 控制模块正在执。
17、行时控制所述转换器模块保持所述DC总线上所需的DC电压。 0013 根据本发明的又一方面，所述电力变换系统可以包括能量储存设备和配置为在所 述能量储存设备和所述DC总线之间传输能量的第二电力变换器。所述控制器被配置为当 所述启动控制模块正在执行时控制所述第二电力变换器保持所述DC总线上所需的DC电 压。 0014 还根据本发明的另一方面，所述启动控制模块可以包括配置为变换所述DC总线 上的电压为用于所述AC电机的AC电压的调制模块。所述控制器被配置为周期性地禁用所 述调制模块，并且当所述调制模块被禁用时，所述控制器被配置为读取出现在所述AC电机 上的反电动势电压。 0015 根据本发明的另一种。
18、实施方式，电力变换系统包括：配置为连接所述电力变换系 统到多相AC电机的第一端子组、具有正电压轨和负电压轨的DC总线、配置为选择性地连 接所述第一端子组到所述DC总线的多个第一开关、配置为连接到公用电网的第二端子组、 配置为选择性地连接所述DC总线到所述第二端子组的多个第二开关、配置为存储一系列 指令的存储设备、以及控制器。所述控制器被配置为在第一运行模式和在第二运行模式执 行所述指令。在所述第一运行模式期间，所述控制器为每一个所述第一开关和第二开关生 成门控信号以将所述AC电机加速到预设速度，并且在所述第二运行模式期间，所述控制器 为每一个所述第一开关和第二开关生成所述门控信号以向所述公用电。
19、网传输所述AC电机 产生的能量。在所述第一运行模式期间，所述第一开关可以被控制成在所述第一端子组上 提供多相AC电压，其中所述多相AC电压具有可变幅值和可变频率来控制所述AC电机的速 度。所述第二开关被控制成在所述公用电网和所述DC总线之间传输能量以维持所述DC总 线上的DC电压基本恒定。 0016 根据本发明的另一方面，所述的电力变换系统也包括多个电压传感器，其产生与 存在于所述第一端子组上的电压的幅值相应的信号。所述控制器进一步被配置为接收来自 所述电压传感器的所述信号中的每一个信号，并且在所述第一运行模式期间，所述控制器 周期性地禁用所述第一开关并且当所述第一开关被禁用时读取所述信号中的。
20、每一个信号。 在所述第二运行模式期间，所述控制器持续地控制所述第一开关组并且随着(in tandem with)控制所述第一开关组而读取所述信号。所述控制器可以被进一步配置为根据从所述 电压传感器上读取的所述信号确定出现在所述第一端子组上的反电动势电压，并且根据所 说 明 书CN 104025447 A 3/8页 7 述反电动势电压确定出现在所述第一端子组上的电角度。 0017 根据本发明的另一种实施方式，公开了加速风力涡轮机中使用的多相AC电机到 大于所述风力涡轮机的切入速度的预设初始速度的方法。所述方法包括下列步骤：在第一 运行模式下控制电力变换器来执行调制模块以产生用于所述AC电机的电压。
21、，其中所述电 压具有可变幅值和可变频率来控制所述AC电机的旋转速度。在所述第一运行模式期间，所 述方法在周期性的间隔禁用所述调制模块并且当所述调制模块被禁用时确定出现在所述 AC电机上的反电动势电压。根据所述反电动势电压确定所述AC电机的旋转速度。当所述 旋转速度大于所述预设初始速度时所述电力变换器被控制在第二运行模式下，并且在所述 第二运行模式期间，所述电力变换器从所述AC电机向所述电力变换器中的DC总线输送能 量。 0018 根据本发明的另一种实施方式，用于将从AC发电源产生的能量传输给公用电网 的电力变换系统包括：配置为连接所述电力变换系统到所述AC发电源的端子组、具有正电 压轨和负电压。
22、轨的DC总线、连接在所述端子组和所述DC总线之间并且配置为用于在所述 端子组和所述DC总线之间的电力传输的电力变换器、配置为存储一系列指令的存储设备、 以及控制器。所述控制器被配置：为执行所述一系列指令，以在预设速度以上执行调制模 块，用于对所述电力变换器进行连续调制，来向所述DC总线传输所述AC发电源产生的电 力，并且在预设速度以下配合所述调制模块周期性地插入消隐时间，用于对所述电力变换 器进行间歇性调制，以向所述DC总线传输所述AC发电源产生的电力。 0019 根据详细描述和附图，本发明的这些和其他目标、优点、以及特征对于本领域技术 人员将变得明显。但是，应理解的是，尽管给出的详细描述和附。
23、图仅表示本发明的优选实施 例，但是其是以图解的方式给出而不是限制。可以在本发明范围内做许多变化和更改而不 脱离其精神，并且本发明包括所有这些更改。 附图说明 0020 在此公开主题的各种实施例以附图的形式说明，在所有附图中相同的参考数字表 示相同的部分，并且其中： 0021 图1是根据本发明一种实施方式的变换器的示意图； 0022 图2是根据本发明一种实施方式的转换器的示意图； 0023 图3是作为转子速度和风速的函数的风力涡轮机所产生的电力的图形表示； 0024 图4是本发明的一种实施方式的方框图； 0025 图5是根据本发明的一个实施方式的一个调制周期的部分图形表示； 0026 图6是连续。
24、脉宽调制下的操作期间出现在图1的变换器的端子上的三相电压的图 形表示； 0027 图7是具有周期性消隐时间的连续脉宽调制下的操作期间出现在图1的变换器的 端子上的三相电压的图形表示；以及 0028 图8是一个电压周期内的图7的三相电压的一相的图形表示； 0029 在图示的本发明的优选实施方式的描述中，为了清楚起见采用了特定术语。但是， 这并不意味着本发明受限于所选择的具体术语并且应理解为每个具体术语包括所有的技 术当量，其用相似的方式操作以达到相似的目的。例如，术语“连接到”，“附接到”或另外的 说 明 书CN 104025447 A 4/8页 8 相似术语经常使用。其不限于直接连接而是包括通。
25、过其他元件的连接，这里这样的连接被 本领域技术人员认为是等效的。 具体实施方式 0030 参考下述的非限制性实施方式的详细描述，在此公开主题的各种特征和有利细节 被更全面地解释，。 0031 首先转到图1，说明了包含于本发明的一种实施方式的典型的电力变换器10。电 力变换器10被配置为用于在连接到电力变换器10的交流发电机6和存在于电力变换器10 中的DC总线12之间的双向电力传输。电力变换器10包括配置为连接到交流发电机6的 三个输入端子T1-T3。在一种运行模式下，图示的实施方式的每个输入端子T1-T3，被配置 为从交流发电机6向电力变换器10的DC总线12转换电力。交流发电机6可以由例如。
26、风 的外部源驱动，并产生例如三相交流(AC)电压V1-V3，每相连接到输入端子中的一个。输入 滤波器28与每个端子T1-T3串联连接。在另一种运行模式下，电力变换器10可以被配置 为将存在于DC总线上的DC电压转换为端子T1-T3上的控制交流发电机6的旋转的可变幅 值和可变频率的AC电压。 0032 当交流发电机6正在产生电力时，电力变换器10在端子T1-T3上接收多相交流输 入电压V1-V3，并且输出需要的DC电压Vdc，其使用开关设备20和21存在于DC总线12上。 DC总线12包括正电压轨14和负电压轨16，在其输出端可获得+Vdc和-Vdc。如本领域所 理解的，正电压轨14和负电压轨1。
27、6可以传导关于公共电压或中性电压的任何合适的DC电 压势并且不限于正的或负的DC电压势。此外，正电压轨14或负电压轨16中的任何一个可 以被连接到中性点电压势。正电压轨14通常传导比负电压轨16具有更高电势的DC电压。 0033 开关设备20和21是典型的固态功率器件。图1示出了开关设备20和21，其为 双极性结型晶体管(BJTs)；但是，可以预见的是根据应用的需要可以使用任何合适的开关 设备，包括但并不限于，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、可控硅整流器 (SCR)、如集成门极换流晶闸管(IGCT)或可关断晶闸管(GTO)的晶闸管、或其它受控器件。 二极管22被并行连接。
28、到每个开关设备20和21，用于在开关设备20和21关闭时所需要的 跨过开关设备20和21上的反向传导。二极管22也可以是半导体开关的一部分。对于输 入的每相，正开关20被连接在输入端子T1-T3和DC总线12的正电压轨14之间，并且负开 关21被连接在输入端子T1-T3，和DC总线12的负电压轨16之间。每个正开关设备20被 正门控信号24控制并且每个负开关设备21被负门控信号25控制。正和负门控信号中的 每一个24或25，被启用或禁用以选择性地允许分别通过正的或负的开关设备20或21传 导。电容50被连接在DC总线12的正电压轨14和负电压轨16之间。根据系统要求电容 50可以是单个电容器或。
29、串联或并联的任何数量的电容器。电容50被配置为降低由输入电 压和DC总线12之间的电压变换产生的纹波电压的大小。 0034 控制器40执行一系列存储指令以产生门控信号24和25。控制器40接收来自传 感器的反馈信号，其与遍布电力变换器10上的不同点的电压和/或电流的幅值相对应。此 位置依赖于在控制器40内正在被执行的特殊的控制程序。例如，输入传感器26a-26c可以 提供存在于每个输入端子T1-T3上的电压幅值。可选地，输入传感器26a-26c可以可操作 地被连接以提供在每个输入端子T1-T3上传导的电流的幅值。同样地，电流和/或电压传 说 明 书CN 104025447 A 5/8页 9 感。
30、器28和30可以被可操作地分别连接到DC总线12的正电压轨14和负电压轨16。控制 器40与存储器42接口以获取存储的指令并且与通信端口44接口以与外部设备通信。正 如在此描述的，控制器40被配置为执行存储的指令以控制电力变换器10。 0035 接着参考图4，典型的电力变换系统包括第一电力变换器10和由DC总线12相连 的第二电力变换器60，这里也称为转换器。可选地，能量储存设备18可以被连接在DC总 线12的正电压轨14和负电压轨16之间。例如风力涡轮机的发电机的交流发电机6，向电 力变换器10提供电力，其被转换成DC总线12上的DC电压，而转换器60反过来将来自DC 总线12的电力提供给电。
31、气负载4或公用电网(未示出)。存储设备18也可以包括DC-DC 变换器来根据储存设备的要求将存在于DC总线12上的DC电压转换成合适的DC电压等 级。储存设备可以是，例如，铅酸电池、锂离子电池、锌溴电池、流体电池、或任何其它合适的 能量储存设备。DC-DC变换器运行以根据应用要求在DC总线12和存储设备18之间传输能 量。 0036 现参照图2，典型的转换器60被连接到DC总线12。转换器60可以被配置为用于 在DC总线12和公用电网之间双向电力传输。在一种运行模式中，例如，转换器60转换来 自DC总线12的DC电压为适合供应到公用电网或比如电机的电气负载的AC电压。在另一 种运行模式中，转换。
32、器60可以被配置为通过调节公用电网和DC总线12之间的电流来调节 存在于DC总线12上的DC电压。在每种运行模式中转换器60的控制都利用其可选地连接 正电压轨14或负电压轨16两者中的任何一个到输出62的一相的开关设备70来执行。开 关设备70通常是固态功率器件。图2表明开关设备70为双极性结型晶体管(BJTs)；然而， 应考虑到根据应用要求任何合适的开关设备可以被使用，包括但不限于，绝缘栅双极性晶 体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、可控硅整流器(SCR)、例如集成门极换流晶闸管(IGCT) 或可关断晶闸管(GTO)的晶闸管、或其它受控设备。二极管72被并行连接到每个开关设备 70上，。
33、以用于在开关设备70关闭时所需的跨过开关设备的反向传导。二极管72也可以是 半导体开关的一部分。每个开关设备70都由门控信号74控制。门控信号74被启用或禁 用以选择性地允许通过开关设备70传导。 0037 控制器90执行一系列存储的指令以产生门控信号74。控制器90接收来自传感器 的反馈信号，其对应于遍布转换器60的不同的点的电压和/或电流的幅值。此位置依赖于 在控制器90内正在被执行的特定的控制程序。例如，传感器76a-76c可以提供存在于输出 62每相上的电压的幅值。可选地，传感器76a-76c可以可操作地被连接以提供在输出62的 每相上传导的电流的幅值。同样地，电流和/或电压传感器78。
34、和80，可以可操作地被分别 连接到DC总线12的正电压轨14和负电压轨16。控制器90与存储器92接口以获取存储 的指令并且与通信端口94接口以与外部设备通信。根据本发明的一种实施方式，第一电力 变换器10和第二电力变换器60是独立的模块，具有独立的控制器40、90和存储设备42、 92，其配置为控制各自的电力变换器的运行。可选地，单个控制器和存储器设备可以被配置 为控制两个电力变换器的运行。 0038 运行中，电力变换系统被配置为提高风力涡轮机的产生能量的可用性。正如前面 所讨论的，如果风力涡轮机被配置带有惯性“拐点”，那么电力变换系统被配置为首先加速 交流发电机6到足以开始运行的初始速度并。
35、且然后开始向公用电网传输由交流发电机6产 生的电力。可选地，风力涡轮机可以包括风速计，其向控制器40提供与风速相应的信号。当 说 明 书CN 104025447 A 6/8页 10 风速大于电力变换器10所要求的切入速度但小于为了交流发电机6的开始旋转风力涡轮 机所要求的初始速度时，控制器40可以运行以加速交流发电机6。即使风力涡轮机没有惯 性“拐点”，电力变换系统页可以被配置为加速交流发电机6上升到切入速度以减少风力涡 轮机开始运行所要求的时间量。在每个运行条件下，电力变换系统都被配置为在第一模式 运行以控制交流发电机6的旋转速度并且在第二运行模式运行以转换从交流发电机6向电 力变换器10的。
36、DC总线12提供的电力。 0039 当第一电力变换器10被配置为从交流发电机6向DC总线12转换电力时，随后的 能量储存设备18或转换器模块60可以被连接到DC总线12，以分别存储能量源所生成的 电力或向公用电网传送能量源所产生的电力。(仍参看图4)。能量储存设备18可以包括 DC-DC变换器以控制DC总线12和能量储存设备18之间的电力。交替地，当电力变换器10 被配置为控制交流发电机6的旋转时，DC-DC变换器和/或转换器模块60可以被配置为调 节存在于DC总线12上的电压。在任一运行模式下，根据电力变换所需的形式，每个电力变 换器10、60的控制器40、90执行一个或多个控制模块，其产生。
37、门控信号24、25或者74来选 择性地分别连接在DC总线12和任何一个输入端子T1-T3、或者输出62之间的开关20、21 或者70。根据本发明的一种实施方式，风力涡轮机可以包括叶片，其以风的速度的函数的旋 转低速驱动轴。低速驱动轴是到变速箱的输入，其反过来又旋转其输出是其传动(gearing) 的函数的高速驱动轴。高速驱动轴旋转交流发电机6的转子部分，在定子上产生AC电压 V1-V3。 0040 接着参考图3，图100表明了对于典型的风力涡轮机在变化的风速下运行时作为 转子速度的函数的由交流发电机所6产生的电力之间的关系。例如，通过改变叶片的间距， 涡轮机叶片的速度可以被控制。因此，对于恒定。
38、的风速，低速驱动轴的旋转速度可以被改 变，并且因此，交流发电机6中的转子的旋转速度也可以被改变。然而，可能存在不能以足 够快的速度调节叶片间距以应对变化的风力条件的情况。除了间距控制之外或可代替间距 控制的是，电力变换器10可以通过调节从交流发电机6汲取的电流帮助调节交流发电机6 的速度以便可变的制动力被施加到交流发电机6。因此，当前的电子控制可以补偿风速中的 变化来保持运行在最大功率点下。 0041 如通过图3中的虚线101进一步说明的，交流发电机6的运行可能遵循平方幂法 则，其中涡轮机产生的功率随风速的平方增加。对于每个风速，控制器40被配置为在最大 功率点(MPP)运行，以便在那个风速下。
39、可能由交流发电机产生的最大功率被传输到DC总线 12。跟踪产生了指数函数形式的平方幂曲线101的可变风速下的这些最大功率点，直到产 生额定功率。在该点上，控制器40被配置为将功率产生限制到额定值以防止损坏交流发电 机6或电力变换器10的组件。控制器40可以被配置为执行既控制叶片的间距又控制在交 流发电机6和DC总线12之间传导的电流的控制程序。可选地，可以使用每个执行控制模 块中的一个的单独的控制器40。 0042 为了在正常运行条件下调节从交流发电机6中汲取的电流，控制器40可以实现本 领域中已知的同步电流调节器。同步电流调节器接收电流参考并且使用测得的电流信号确 定电流误差值。同步电流调节。
40、器然后确定所需的被控电流以补偿电流误差值。控制器40 然后确定适合的门控信号24和25，以选择性地连接输入端子T1-T3的每相到DC总线12以 产生交流发电机6和DC总线12之间的所需的被控电流。 说 明 书CN 104025447 A 10 7/8页 11 0043 因为交流发电机6产生AC电力，控制器40也需要存在于输入端T1-T3的AC电压 的电角度的信息。当在最低速度以上运行时，控制器40可通过检测存在于交流发电机6上 的反电势确定电角度。随着交流发电机的旋转速度增加，反电势的振幅同样增加。然而，反 电动势是交流发电机参数的函数也是转子速度的函数。因此，在其上确定反电动势的最小 速度是。
41、本应用的函数。然而，反电动势的幅值可能通常在交流发电机6的额定速度的约5 至约10之间被可靠地检测。 0044 接着参考图5，同步电流调节器使用所需的被控电流值和检测到的交流发电机6 的电角度来产生电压参考信号154并且来产生门控信号24、25。在图5中，表明了根据典 型的正弦三角PWM调制技术150产生用于AC电压的一相的一个周期部分的门控信号24、 25。在正弦三角PWM调制技术150中，三角波152与电压参考154相比以产生门控信号24 和25。三角波152的一个周期是由PWM程序的切换周期156定义的。切换周期156期间， 如果电压参考154大于三角波152，那么正门控信号24被设置为。
42、高而负门控信号25被设 置为低。如果电压参考154小于三角波152，那么正门控信号24被设置为低而负门控信号 25被设置为高。可以预见，本领域技术人员所周知的其它的调制技术也可以被用来产生输 出电压，例如空间矢量切换或多级切换。另外，如图4所示，调制技术可以通过比较模拟信 号、数字信号(例如被增加或减少的寄存器)、或它们的组合实现。 0045 控制器40被配置为在如上所述的两个运行模式上运行，即交流发电机6的电动运 行模式和发电运行模式。因此，它可能需要在控制器40中提供启动控制模块。启动控制模 块控制作为转换器的电力变换器部分10，将交流发电机6作为电动机处理，以加速风力涡 轮机上升到初始速。
43、度。一旦达到初始速度，控制器40就又能控制作为变换器的电力变换器 部分10并且开始向DC总线12传输由交流发电机6产生的电力。通常风力涡轮机的交流 发电机6不包括编码器或解析器，以提供与交流发电机6的角位置相应的反馈信号。因此， 当控制器40在电动运行模式运行时，必须采用开环电机控制技术。 0046 随着AC电机被旋转，反电动势被建立。反电动势波形的幅值是交流发电机6的旋 转速度的函数。随着旋转速度增加，产生的反电动势的幅值同样增加。使用例如锁相环的 已知技术，控制器40可以周期性地采样一相或多相的反电动势来确定交流发电机6的电角 度。电角度的信息是必要的以在电动期间提供交流发电机6的平滑控制。
44、并且在发电期间调 节从交流发电机6向DC总线12传输的电力。 0047 在电动模式控制交流发电机6要求控制器40根据调制技术分别产生门控信号24 和25以控制电力变换器10的正开关和负开关20和21。因为风力涡轮机通常被连接到公 用电网，如图4所示的系统既包括电力变换器10又包括转换器60。然而，当交流发电机6 在电动模式下运行时，电力变换器10暂时作为逆变器被控制以从DC总线12向交流发电机 6传输电力。同样地，转换器60暂时作为变换器被运行以从公用电网向DC总线12传输电 力。可选地，通过DC-DC变换器能量可以从连接到DC总线12的能量储存设备18传输以用 于驱动作为电动机的交流发电机6。
45、。因此，无论是公用电网还是能量储存设备18都提供了 必要的电力来驱动作为电动机的交流发电机6。 0048 调制技术控制正开关20和负开关21以交替地连接在DC总线12的无论是正电压 轨14还是负电压轨16之间的每个端子T1-T3。通过控制电流的流动方向，控制器40使交 流发电机6在电动运行模式或发电运行模式下运行。接着参考图6，表明了从交替地连接在 说 明 书CN 104025447 A 11 8/8页 12 DC总线12的正电压轨或负电压轨14和16之间的每个端子T1-T3得到的调制波形。低速 运行期间，调制的波形的幅值比交流发电机6产生的反电动势的幅值大得多并且在试图读 取反电动势的值时引。
46、入显著的噪声或不确定性。 0049 接着参考图7和图8，控制器40在电动运行期间通过引入在此期间调制已经停止 的短的时间间隔、或消隐时间120，执行控制交流发电机6。消隐时间120期间，控制器40可 以读取反电动势电压而不受调制电压干扰。消隐时间120足够短以致交流发电机6和风力 涡轮机叶片的惯性使交流发电机6很少或根本没有放缓交流发电机6的旋转。根据本发明 的一种实施方式，消隐时间在1-3毫秒之间并且以相隔5-20毫秒之间的周期间隔重复。根 据优选实施方式，消隐时间是大约2毫秒并且以大约10毫秒的间隔重复。调制周期期间， 应用于交流发电机6的电力致使交流发电机6加速。随着交流发电机6的速度增。
47、加，反电 动势的幅值增加。在某个点，通常大约是额定速度的5-10，反电动势的大小足够大以致其 在连续调制期间可以被读出。因此，从停止和低速直到交流发电机6达到反电动势可以被 持续监控的速度，控制器40都使用消隐时间控制交流发电机6。在这个速度下，控制器40 停止使用消隐时间并且持续调制到交流发电机6的电压。 0050 当交流发电机6已经达到所需的切入速度，控制器40从电动运行模式切换到发电 运行模式。因此，电力变换器10停止作为转换器运行并且重新作为变换器运行，即从交流 发电机6向DC总线12传输电力。同样地，转换器60停止作为变换器运行并且作为逆变器 再次运行，以从DC总线12向公用电网传输。
48、电力。 0051 进一步设想为了读取电动势使用消隐时间可以被用来在低速运行期间扩大作为 交流发电机运行的范围。如前面所讨论的，同步电流调节器需要由交流发电机6产生的AC 电力的电角度的信息以控制从交流发电机6向DC总线12传输的电力。随着转子速度减慢， 反电动势幅值减小直到此幅值变得太小而不能在连续调制期间进行准确检测。如上所述的 消隐时间的引入，允许电力变换器10暂时不连续调制并读取反电动势。反电动势的电角度 被确定并且控制器40使用对角度所做的相应调节执行调制。开关20和21的调制在修正 角重新开始以从交流发电机6向DC总线12传输电力。 0052 应当理解，本发明并不将其应用中限制于本文。
49、阐述的组件的结构和安排的细节。 本发明能有其他的实施方式并且能够以各种方式被实践或实施。前述的变化和修改在本发 明范围内。还应理解的是，此处公开和定义的本发明延伸到所有的来自文中和/或图中提 到的或证明的两个或多个单个特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成本发明的各 种可选的方面。在此描述的实施方式解释了实施本发明所知的最好的方式并且将使本领域 其他的技术人员应用本发明。 说 明 书CN 104025447 A 12 1/7页 13 图1 说 明 书 附 图CN 104025447 A 13 2/7页 14 图2 说 明 书 附 图CN 104025447 A 14 3/7页 15 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104025447 A 15 4/7页 16 图5 说 明 书 附 图CN 104025447 A 16 5/7页 17 图6 说 明 书 附 图CN 104025447 A 17 6/7页 18 图7 说 明 书 附 图CN 104025447 A 18 7/7页 19 图8 说 明 书 附 图CN 104025447 A 19 。