用于使用动态调节器最大极限来控制电功率系统的系统和方法与流程

1.本公开一般涉及电功率系统，以及更特别涉及用于在高滑差（high-slip）操作的时段期间限制由电功率系统中的不太关键控制功能所使用的调制指数以保持最关键控制功能的调制指数余量的系统和方法。


背景技术：

2.风电被认为是目前可用的最清洁、最为环境友好的能量源之一，并且风力涡轮在这个方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。所述转子叶片使用已知的翼型原理来捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型的横截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片，从而在侧面之间产生压力差。因此，从压力侧朝向吸力侧导向的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，主转子轴齿轮传动到发电机以产生电力。对于某些风力涡轮，齿轮箱升高转子的固有低旋转速度，以使发电机将旋转机械能高效地转换成电能，电能通过至少一个电连接而馈送到公用电网内。还存在无齿轮直驱风力涡轮发电机。
3.一些风力涡轮配置包括双馈异步发电机（dfag）。此类配置还可包括功率转换器，所述功率转换器用于将生成的电功率的频率转换成与公用电网频率基本上类似的频率。此外，此类转换器与dfag相结合还在公用电网与发电机之间传送电功率，以及从到公用电网的连接之一向绕线发电机转子传送发电机励磁功率。备选地，一些风力涡轮配置非限制性地包括备选类型的感应发电机、永磁（pm）同步发电机和电励磁同步发电机以及开关磁阻发电机。这些备选配置还可包括功率转换器，所述功率转换器用于如上所述转换频率，并且在公用电网与发电机之间传送电功率。通常的风力涡轮功率转换器包括转子侧转换器，所述转子侧转换器经由直流（dc）链路来连接到线路侧转换器。
4.至少一些已知公用电网包括一条或多条串联补偿传输线路。次同步控制交互（ssci）是当功率电子转换器控制与此类串联补偿传输线路进行交互时发生的一种现象。如果控制系统未被正确调谐，或者如果正确调谐的控制系统中的功率转换器的控制余量未被维持，则这些交互有时能够导致控制不稳定性。
5.功率生成设备（诸如风力涡轮）也被要求在整个发电机操作范围（包括过载事件）中输送功率，同时维持稳定性。在极端滑差下，由于因dc链路电压约束感生的过调制，稳定性可能受损。在工作在这些高滑差的同时，以稳定方式来维持对转矩和速度的控制对于避免跳闸和/或过调制是重要的。当不工作在极端滑差时，其它控制功能（除了转矩/速度控制之外）对于稳定性和电网规范合规性是重要的（例如对谐波、dc电流、ssci稳定性的控制）。这些控制功能中的每个要求某个级别的调制指数余量以执行其控制功能。
6.相应地，本公开针对用于在高滑差操作的时段期间限制由不太关键控制功能所使用的调制指数以保持最关键控制功能（例如速度/转矩控制）以便解决上述问题的系统和方法。


技术实现要素：

7.本发明的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从本描述中显而易见，或者可通过本发明的实践来学习。
8.在一个方面，本公开针对一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法。所述电功率系统具有发电机和功率转换器。所述方法包括监测电功率系统的速度条件。所述方法还包括基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。此外，所述方法包括基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的电功率系统的过调制，并且改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
9.在一实施例中，功率转换器的（一个或多个）调节器可以是例如功率转换器的电流调节器或电压/var调节器。此外，在一实施例中，电功率系统可以是例如风力涡轮功率系统。在此类实施例中，电功率系统的速度条件可包括风力涡轮功率系统的转子的转子速度。此外，在一实施例中，所述方法可包括对风力涡轮功率系统的转子速度进行滤波。
10.在另一个实施例中，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限可包括：在转子速度接近风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，增加所述至少一个调节器最大极限，以改进风力涡轮功率系统的ssci性能。
11.在进一步实施例中，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限可包括：在转子速度移离风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，减少所述至少一个调节器的所述至少一个调节器最大极限。
12.在另一方面，本公开针对一种连接到电力网的电功率系统。所述电功率系统包括双馈异步发电机（dfag）、耦合到dfag的功率转换器以及控制器。所述功率转换器配置成把来自dfag的生成的电功率的频率转换成与电力网的频率基本上类似的频率。所述控制器配置成执行多个操作，包括但不限于监测电功率系统的速度条件，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限，以及基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的电功率系统的过调制并且改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。应当理解，电功率系统可进一步包括如本文所述附加特征的任何特征。
13.在又一方面，本公开针对一种用于在高滑差操作期间控制连接到电力网的电功率系统的方法。所述电功率系统包括发电机和功率转换器。所述方法包括：在高滑差操作期间，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数，以保持电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量。此外，所述方法包括：在高滑差操作期间，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作更关键控制功能，以避免电功率系统的过调制。
14.在一实施例中，电功率系统的（一个或多个）不太关键控制功能可包括例如限制谐波、dc电流和/或次同步控制交互（ssci）稳定性。在另一个实施例中，电功率系统的（一个或多个）更关键控制功能可包括例如速度和/或转矩。
15.在进一步实施例中，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数以保持电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量可包括：在转子速度移离电功率系统的发电机的同步速度时，减少至少一个调节器的至少一个调节器最大
极限。
16.在附加实施例中，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作更关键控制功能以避免电功率系统的过调制可包括：在速度条件接近风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，增加至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。应当理解，电功率系统可进一步包括如本文所述附加特征的任何特征。
17.参照以下描述和随附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与本描述一起用于解释本发明的原理。
18.本发明提供一组技术方案，如下。
19.技术方案1. 一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法，所述电功率系统具有发电机和功率转换器，所述方法包括：监测所述电功率系统的速度条件；基于所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限；以及基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的所述电功率系统的过调制，并且改进所述电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
20.技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述功率转换器的所述至少一个调节器包括所述功率转换器的电流调节器或者电压/var调节器的至少一个。
21.技术方案3. 如技术方案1所述的方法，其中，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统。
22.技术方案4. 如技术方案3所述的方法，其中，所述电功率系统的所述速度条件包括所述风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
23.技术方案5. 如技术方案4所述的方法，进一步包括对所述风力涡轮功率系统的所述转子速度进行滤波。
24.技术方案6. 如技术方案4所述的方法，其中，基于所述所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当所述转子速度接近所述风力涡轮功率系统的所述发电机的同步速度时，增加所述至少一个调节器最大极限，以改进所述风力涡轮功率系统的所述ssci性能。
25.技术方案7. 如技术方案6所述的方法，基于所述所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当所述转子速度移离所述风力涡轮功率系统的所述发电机的所述同步速度时，减少所述至少一个调节器的所述至少一个调节器最大极限。
26.技术方案8. 一种连接到电力网的电功率系统，所述电功率系统包括：双馈异步发电机dfag；耦合到所述dfag的功率转换器，所述功率转换器配置成把来自所述dfag的生成的电功率的频率转换成与所述电力网的频率基本上类似的频率；以及控制器，所述控制器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：监测所述电功率系统的速度条件；
基于所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限；以及基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的所述电功率系统的过调制，并且改进所述电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
27.技术方案9. 如技术方案8所述的电功率系统，其中，所述功率转换器的所述至少一个调节器包括所述功率转换器的电流调节器或者电压/var调节器的至少一个。
28.技术方案10. 如技术方案8所述的电功率系统，其中，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统。
29.技术方案11. 如技术方案10所述的电功率系统，其中，所述电功率系统的所述速度条件包括所述风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
30.技术方案12. 如技术方案11所述的电功率系统，进一步包括对所述风力涡轮功率系统的所述转子速度进行滤波。
31.技术方案13. 如技术方案11所述的电功率系统，其中，基于所述所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当所述转子速度接近所述风力涡轮功率系统的所述发电机的同步速度时，增加所述至少一个调节器最大极限，以改进所述风力涡轮功率系统的所述ssci性能。
32.技术方案14. 如技术方案13所述的电功率系统，基于所述所监测的速度条件来动态确定所述功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当所述转子速度移离所述风力涡轮功率系统的所述发电机的所述同步速度时，减少所述至少一个调节器的所述至少一个调节器最大极限。
33.技术方案15. 一种用于在高滑差操作期间控制连接到电力网的电功率系统的方法，所述电功率系统具有发电机和功率转换器，所述方法包括：在所述高滑差操作期间，限制由所述电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数，以保持所述电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量；以及在所述高滑差操作期间，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作所述一个或多个更关键控制功能，以避免所述电功率系统的过调制。
34.技术方案16. 如技术方案15所述的方法，其中，所述电功率系统的所述一个或多个不太关键控制功能包括谐波、dc电流或次同步控制交互（ssci）稳定性的至少一个。
35.技术方案17. 如技术方案15所述的方法，其中，所述电功率系统的所述一个或多个更关键控制功能包括速度或者转矩的至少一个。
36.技术方案18. 如技术方案15所述的方法，其中，限制由所述电功率系统的所述一个或多个不太关键控制功能所使用的所述调制指数以保持所述电功率系统的所述一个或多个更关键控制功能的所述调制指数余量进一步包括：当所述电功率系统的速度条件移离所述电功率系统的所述发电机的同步速度时，减少至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。
37.技术方案19. 如技术方案18所述的方法，其中，以所述稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作所述一个或多个更关键控制功能以避免所述电功率系统的过调制进一
步包括：当速度条件接近电功率系统的发电机的同步速度时，增加所述至少一个调节器最大极限，以改进所述电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
38.技术方案20. 如技术方案15所述的方法，其中，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统，所述电功率系统的所述速度条件包括所述风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
附图说明
39.在本说明书中参照附图阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可实施的公开，包括其最佳模式，在附图中：图1示出根据本公开的风力涡轮的一部分的一个实施例的透视图；图2示出可与图1中所示的风力涡轮配合使用的根据本公开的电气和控制系统的一个实施例的示意图；图3示出可与图2中所示的电气和控制系统配合使用的根据本公开的功率转换器系统的一个实施例的框图；图4示出可与图3中所示的功率转换器系统配合使用的根据本公开的转子转换器控制模块的一个实施例的框图；图5示出根据本公开、用于在高滑差操作期间控制连接到电力网的电功率系统的方法的一个实施例的流程图；图6示出根据本公开、用于控制连接到电力网的电功率系统的方法的一个实施例的流程图；以及图7示出根据本公开、用于基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限的控制器的控制模块的一个实施例的示意图。
具体实施方式
40.现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是为了解释本发明提供，而不是限制本发明。实际上，本领域技术人员将显而易见，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和改变。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生还进一步的实施例。因此，旨在本发明覆盖归入所附权利要求及其等效物的范围内的此类修改和改变。
41.现在参照图1，示出风力涡轮100的一部分的透视图。如图所示，风力涡轮100包括机舱102，所述机舱收容发电机（图1中未示出）。此外，如图所示，机舱102被安装在塔架104上（塔架104的一部分在图1中示出）。塔架104可具有促进风力涡轮100如本文所述那样操作的任何合适高度。风力涡轮100还包括转子106，所述转子包括被附连到旋转轮毂110的三个转子叶片108。备选地，风力涡轮100可包括促进风力涡轮100如本文所述那样操作的任何数量的转子叶片108。在一个实施例中，风力涡轮100还可包括齿轮箱（图1中未示出），所述齿轮箱在操作上耦合到转子106和发电机（图1中未示出）。
42.现在参照图2，示出可与风力涡轮100配合使用的电气和控制系统200的一个实施例的示意图。如图所示，转子106包括耦合到轮毂110的转子叶片108。转子106还包括可旋转地耦合到轮毂110的低速轴112。低速轴112耦合到升高齿轮箱114，所述升高齿轮箱配置成
升高低速轴112的旋转速度，并且将那个速度传递到高速轴116。在备选实施例中，风力涡轮100可包括直接驱动发电机，所述直接驱动发电机可旋转地耦合到转子106，而无需任何中介齿轮箱。此外，如图所示，高速轴116可旋转地耦合到发电机118。在另一个实施例中，发电机118可以是绕线转子三相双馈感应（异步）发电机（dfag），所述dfag包括磁性耦合到发发电机转子122的发电机定子120。在备选实施例中，发电机转子122可包括代替转子绕组的多个永磁体。
43.仍然参照图2，电气和控制系统200还可包括涡轮控制器202。涡轮控制器202可包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入信道、至少一个处理器输出信道，并且可包括至少一个计算机（图2中未示出）。如本文所使用的术语“计算机”并不局限于本领域称作计算机的集成电路，而是广义地指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（plc）、专用集成电路以及其它可编程电路（图2中未示出），并且这些术语在本文中可互换地使用。在一个实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器（ram）（图2中未示出）。备选地，也可使用诸如软盘、致密盘只读存储器（cd-rom）、磁光盘（mod）和/或数字多功能盘（dvd）之类的一个或多个存储装置（图2中未示出）。另外，在一个实施例中，附加输入信道（图2中未示出）非限制性地可以是与操作人员界面相关联的计算机外设，诸如鼠标和键盘（图2中均未示出）。此外，在一个实施例中，附加输出信道可包括但不限于操作人员界面监视器（图2中未示出）。
44.涡轮控制器202的处理器配置成处理从多个电气和电子装置所传送的信息，所述装置可包括但不限于电压和电流换能器。ram和/或存储装置存储并且传递将由处理器所执行的信息和指令。ram和/或存储装置还能够用于在由处理器执行指令期间存储并且向处理器提供暂时变量、静止（即，非变化）信息和指令或者其它中间信息。所执行的指令包括但不限于驻留转换和/或比较器算法。指令序列的执行并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
45.仍然参照图2，发电机定子120经由定子母线208电耦合到定子同步开关206。在一个实施例中，为了促进dfig配置，发电机转子122可经由转子母线212电耦合到双向功率转换组合件210。备选地，发电机转子122可经由促进如本文所述的系统200的操作的任何装置电耦合到转子母线212。作为另一备选方案，系统200可配置为如本领域已知那样的全功率转换系统（未示出），其中在设计和操作方面与功率转换组合件210类似的全功率转换组合件（图2中未示出）电耦合到发电机定子120，并且这种全功率转换组合件促进在发电机定子120与电功率传输和配电网213之间引导电功率。在某些实施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传送到定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传送到功率转换组合件210。在另一个实施例中，定子同步开关206可经由系统母线216电耦合到主变压器电路断路器214。在备选实施例中，一个或多个熔断件（未示出）用于代替主变压器电路断路器214。在另一个实施例中，熔断件和主变压器电路断路器214均未被使用。
46.另外，如图所示，功率转换组合件210包括转子滤波器218，所述转子滤波器218经由转子母线212电耦合到发电机转子122。转子滤波器母线219将转子滤波器218电耦合到转子侧功率转换器220，以及转子侧功率转换器220电耦合到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是包括功率半导体（未示出）的功率转换器电桥。在所示实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222被配置在三相脉宽调制（pwm）
配置中，所述配置包括如本领域已知那样操作的绝缘栅双极晶体管（igbt）开关装置（图2中未示出）。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可具有使用促进如本文所述的系统200那样操作的任何开关装置的任何配置。此外，功率转换组合件210可被耦合成与涡轮控制器202进行电子数据通信，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
47.在进一步实施例中，线路侧功率转换器母线223可将线路侧功率转换器222电耦合到线路滤波器224。另外，如图所示，线路母线225可将线路滤波器224电耦合到线路接触器226。此外，如图所示，线路接触器226可经由转换电路断路器母线230电耦合到转换电路断路器228。另外，转换电路断路器228可经由系统母线216和连接母线232电耦合到主变压器电路断路器214。备选地，线路滤波器224可经由连接母线232直接电耦合到系统母线216，其中任何保护方案（未示出）配置成考虑从系统200中移除线路接触器226和转换电路断路器228。主变压器电路断路器214可经由发电机侧母线236电耦合到电功率主变压器234。此外，主变压器234可经由电路断路器侧母线240电耦合到电网电路断路器238。电网电路断路器238可经由电网母线242连接到电功率传输和配电网213。在备选实施例中，主变压器234可经由电路断路器侧母线240电耦合到一个或多个熔断件（未示出），而不是电耦合到电网电路断路器238。在另一个实施例中，熔断件和电网电路断路器238均未被使用，而是主变压器234可经由电路断路器侧母线240和电网母线242耦合到电功率传输和配电网213。
48.在另一个实施例中，转子侧功率转换器220可经由单个直流（dc）链路244被耦合成与线路侧功率转换器222电通信。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可经由单独且分离的dc链路（图2中未示出）电耦合。此外，如图所示，dc链路244可包括正干线（rail）246、负干线248和至少一个电容器250，所述电容器被耦合在正干线246与负干线248之间。备选地，电容器250可包括在正干线246与负干线248之间串联或并联配置的一个或多个电容器。
49.涡轮控制器202还可配置成从电压和电流传感器252的第一集合来接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202可配置成监测和控制与风力涡轮100相关联的操作变量的至少一些变量。在特定实施例中，三个电压和电流传感器252中的每个可电耦合到电网母线242的三相的每一相。备选地，电压和电流传感器252电耦合到系统母线216。作为另一备选方案，电压和电流传感器252可电耦合到促进如本文所述那样的系统200的操作的系统200的任何部分。作为又一个备选方案，涡轮控制器202配置成从任何数量的电压和电流传感器252来接收任何数量的电压和电流测量信号，包括但不限于从一个换能器接收一个电压和电流测量信号。
50.仍然参照图2，系统200还包括转换器控制器262，所述转换器控制器配置成接收来自被耦合成与定子母线208进行电子数据通信的电压和电流传感器254的第二集合的多个电压和电流测量信号、来自被耦合成与转子母线212进行电子数据通信的电压和电流传感器256的第三集合的电压和电流测量信号的第三集合以及来自被耦合成与转换电路断路器母线230进行电子数据通信的电压和电流传感器264的第四集合的电压和电流测量信号的第四集合。电压和电流传感器254的第二集合可与电压和电流传感器252的第一集合基本上类似，以及电压和电流传感器264的第四集合可与电压和电流传感器256的第三集合基本上类似。此外，转换器控制器262可与涡轮控制器202基本上类似，并且可被耦合成与涡轮控制
器202进行电数据通信。此外，转换器控制器262可在物理上集成在功率转换组合件210内。备选地，转换器控制器262可具有促进如本文所述那样的系统200的操作的任何配置。
51.在另一个实施例中，电功率传输和配电网213可包括一个或多个传输线路270（为了简洁起见仅示出一个），所述传输线路经由电网耦合272耦合到电网母线242。传输线路270和/或电功率传输和配电网213可包括一个或多个串联补偿元件274（诸如一个或多个电容器），以促进降低传输线路270内的无功功率损耗。如本文所述，串联补偿元件274可在电功率传输和配电网213内创建一个或多个次同步谐振。此外，传输线路270和/或电功率传输和配电网213还可包括一个或多个开关276，所述开关耦合到每个串联补偿元件274。开关276根据需要分别将串联补偿元件274耦合到电功率传输和配电网213以及从其中分离。更具体来说，开关276可被断开，以将串联补偿元件274耦合到电功率传输和配电网213，以及开关276也可被闭合，以将串联补偿元件274与电功率传输和配电网213分离。电功率传输和配电网213还可在操作上耦合到一个或多个负载278，以用于向负载278提供功率。
52.在操作期间，风冲击转子叶片108，并且叶片108将风能变换成机械旋转转矩，所述转矩经由轮毂110可旋转地来驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，所述齿轮箱随后升高低速轴112的低旋转速度，以便以增加的旋转速度来驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122感生，以及在磁性耦合到发电机转子122的发电机定子120内感生出电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流（ac）电能信号。相关联的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线216、主变压器电路断路器214和发电机侧母线236被传送到主变压器234。主变压器234升高电功率的电压幅度，以及所变换的电功率进一步经由断路器侧母线240、电网电路断路器238和电网母线242被传送到电功率传输和配电网213。
53.在某些实施例中，提供第二电功率传输路径。三相正弦ac功率在发电机转子122内被生成，并且经由转子母线212被传送到功率转换组合件210。在功率转换组合件210内，电功率被传送到转子滤波器218，其中对于与转子侧功率转换器220相关联的输出电压的变化率来修改电功率。转子侧功率转换器220充当整流器，并且将正弦三相ac功率整流成dc功率。dc功率被传送到dc链路244中。电容器250通过促进与ac整流相关联的dc纹波的减轻，来促进减轻dc链路电压幅度改变。
54.dc功率随后从dc链路244传送到线路侧功率转换器222，其中线路侧功率转换器222充当逆变器，所述逆变器配置成把来自dc链路244的dc电功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦ac电功率。这个转换经由转换器控制器262来监测和控制。所转换的ac功率经由线路侧功率转换器母线223以及线路母线225、线路接触器226、转换电路断路器母线230、转换电路断路器228和连接母线232从线路侧功率转换器222传送到系统母线216。线路滤波器224对于从线路侧功率转换器222所传送的电功率中的谐波电流进行补偿或调整。定子同步开关206配置成闭合，以促进把来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组合件210的三相功率进行连接。
55.转换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238配置成例如当电流过剩并且可能损坏系统200的组件时切断对应母线。还可提供附加保护组件，包括线路接触器226，所述线路接触器可被控制成通过断开与线路母线225的线路中的每个对应的开关（图2中未示出）而形成切断。
56.功率转换组合件210对于例如轮毂110和转子叶片108处的风速的变化对来自发电机转子122的三相功率的频率进行补偿或调整。因此，以这个方式，机械和电转子频率与定子频率分离。
57.在一些条件下，功率转换组合件210的双向特性以及具体是转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性促进将所生成的电功率的至少一些功率反馈到发电机转子122中。更具体来说，电功率从系统母线216传送到连接母线232，并且随后通过转换电路断路器228和转换电路断路器母线230传送到功率转换组合件210中。在功率转换组合件210内，电功率通过线路接触器226、线路母线225和线路侧功率转换器母线223传送到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222充当整流器，并且将正弦三相ac功率整流成dc功率。dc功率被传送到dc链路244中。电容器250通过促进有时与三相ac整流相关联的dc纹波的减轻，来促进减轻dc链路224的电压幅度改变。
58.dc功率随后从dc链路244传送到转子侧功率转换器220，其中转子侧功率转换器220充当逆变器，所述逆变器配置成将从dc链路244所传送的dc电功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦ac电功率。这个转换经由转换器控制器262来监测和控制。所转换的ac功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传送到转子滤波器218，并且随后经由转子母线212被传送到发电机转子122，因此促进次同步操作。
59.功率转换组合件210配置成从涡轮控制器202来接收控制信号。所述控制信号基于风力涡轮100以及电气和控制系统200的感测的条件或操作特性，由涡轮控制器202接收，并且用于控制功率转换组合件210的操作。来自传感器的反馈可由系统200用于经由转换器控制器262来控制功率转换组合件210，所述反馈包括例如经由电压和电流传感器254的第二集合、电压和电流传感器256的第三集合以及电压和电流传感器264的第四集合的转换电路断路器母线230、定子母线和转子母线电压或电流反馈。使用这个反馈信息，以及例如可以任何已知方式来生成开关控制信号、定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制（跳闸）信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变，转换器控制器262能够至少暂时基本上中止igbt在线路侧功率转换器222内传导。线路侧功率转换器222的操作的这种中止能够将通过功率转换组合件210所引导的电功率基本上减轻到大约为零。
60.现在参照图3，示出可与电气和控制系统200（图2中所示）配合使用的功率转换器系统300的一个实施例的示意图。如图所示，功率转换器系统300包括转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222。此外，如图所示，功率转换器系统300还包括转矩调节器302、无功功率调节器304（本文中又称作电压/var调节器）、同步锁相环（pll）306和dc电压调节器308。
61.因此，转矩调节器302配置成将第一转子电流命令信号312传送到转子侧功率转换器220，并且更具体来说传送到其转子转换器控制模块314。在此类实施例中，第一转子电流命令信号312能够用于基于从涡轮控制器202（图2中所示）所接收的期望发电机转矩命令信号316来调整转子电流。此外，如图所示，无功功率调节器304配置成从涡轮控制器202接收定子电压和无功功率命令信号318，并且将第二转子电流命令信号320传送到转子转换器控制模块314。因此，第二转子电流命令信号320能够用于通过调整发电机118的有功功率与无功功率的比率，来控制发电机118的功率因数。在某些实施例中，转矩调节器302和无功功率调节器304可收容在转换器控制器262内。在备选实施例中，转矩调节器302和无功功率调节
器304可收容在任何其它合适控制器（诸如涡轮控制器202）内。
62.同步pll 306配置成接收来自转子定位传感器（未示出）的转子定位反馈信号322以及来自电压和电流传感器254（图2中所示）的第二集合的定子电压反馈信号324。因此，同步pll 306配置成确定变换角信号326和参考角信号328，所述信号能够用于变换两个或更多信号参考帧（诸如基于时间的参考帧和基于相量的参考帧）之间的转子电压和转子电流。在一个实施例中，变换角信号326和参考角信号328能够用于将转子电压和转子电流变换成一个或多个相量，所述相量包括转子电压和/或转子电流的x和y分量。如本文所使用的“x分量”是指相量的实分量，而y是指相量的虚分量。变换角信号326和参考角信号328可被传送到转子转换器控制模块314以及被传送到定位在线路侧功率转换器222内的线路转换器控制模块330。
63.仍然参照图3，dc电压调节器308接收例如在风力涡轮调试期间设置的dc电压参考信号332，并且将线路电流命令信号334传送到线路转换器控制模块330。线路电流命令信号334用于调整dc链路244（图2中所示）的dc电压。
64.转子转换器控制模块314耦合到转子转换器开关阵列336，以及线路转换器控制模块330耦合到线路转换器开关阵列338。在一个实施例中，转子转换器开关阵列336和线路转换器开关阵列338各自包括多个igbt开关装置（未示出）。备选地，转子转换器开关阵列336和/或线路转换器开关阵列338可包括任何合适开关装置，所述开关装置使转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222能够如本文所述那样操作。在一个实施例中，转子转换器控制模块314和线路转换器控制模块330可使用脉宽调制来分别控制转子转换器开关控制信号340和线路转换器开关控制信号342的占空比（duty cycle）。转子转换器开关控制信号340控制转子转换器开关阵列336的开关行为，以及线路转换器开关控制信号342控制线路转换器开关阵列338的开关行为。因此，转子转换器开关阵列336和线路转换器开关阵列338可被控制成产生一个或多个期望转子和/或定子电压和/或电流特性。
65.虽然图3中未示出，但是功率转换器系统300的一个或多个控制组件可接收一个或多个反馈信号，以促进维持功率转换器系统300的正确操作。此类反馈信号非限制性地包括dc电压信号、三相转子电流信号（诸如来自电压和电流传感器256的第三集合）、三相定子电流信号（诸如来自电压和电流传感器254的第二集合）、三相线路电流信号（诸如来自电压和电流传感器264的第四集合）、三相定子电压信号（诸如来自电压和电流传感器254的第二集合）和/或转子定位信号。
66.现在参照图4，示出可与功率转换器系统300（图3中所示）配合使用的转子转换器控制模块314的一个实施例的示意图。如图所示，在一实施例中，转子转换器控制模块314包括电流变换模块402、阻抗前馈模块404、调节器模块406（本文中又称作电压/var调节器）、电压变换模块408和电流阻尼装置410（本文中又称作电流调节器）。
67.电流变换模块402接收电流反馈信号412，所述电流反馈信号包括来自转子母线212（图2中所示）的每相的电流传感器256（图2中所示）的第三集合的电流测量。在示例性实施例中，电流反馈信号412包括经由功率转换器系统300和/或经由发电机118（图2中所示）来自电功率传输和配电网213的一个或多个电流分量。在一个实施例中，一个或多个电流分量可包括例如基本上符合电功率传输和配电网213的频率的一个或多个次同步电流频率分量和/或一个或多个电网频率分量。此外，电流变换模块402接收变换角信号326，并且将电
流反馈信号412的三相瞬时电流变换成基于相量的参考帧。电流变换模块402将电流反馈相量414传送到电流反馈比较器416。电流反馈比较器416接收电流命令相量418（所述电流命令相量包括第一转子电流命令信号312和第二转子电流命令信号320（均在图2中所示）），并且计算电流反馈相量414与电流命令相量418之间的差。电流反馈比较器416将所产生的差作为电流误差相量420来传送到调节器模块406并且传送到电流阻尼装置410。
68.仍然参照图4，调节器模块406接收电流误差相量420，并且执行比例加积分反馈调节来调整调节器模块406的输出，以促进将电流误差相量420的误差降低到基本上为0。此外，如图所示，调节器模块406将作为电压相量信号的所产生调节器输出相量422传送到调节器加法器424。
69.阻抗前馈模块404接收电流命令相量418和滑差（slip）频率信号426。阻抗前馈模块404计算前馈命令相量428的幅度作为前馈电压相量信号，以补充调节器模块406的闭环电流调节。
70.在示例性实施例中，电流阻尼装置410接收电流误差相量420，并且促进降低通过电流误差相量420所表示的一个或多个电流频率分量的幅度。在示例性实施例中，一个或多个电流频率分量与电功率传输和配电网213（图2中所示）的电流频率次同步。如本文所使用的术语“次同步”是指小于参考频率的频率，以及在某些实施例中表示小于电功率传输和配电网213的频率的频率。电流阻尼装置410将作为电压相量信号的所产生阻尼控制相量434传送到调节器加法器424。
71.调节器加法器424组合调节器输出相量422、前馈命令相量428和阻尼控制相量434，并且将所产生电压命令相量430传送到电压变换模块408。电压变换模块408使用变换角信号326将电压命令相量430变换成基于时间的参考帧，并且输出所产生的三相正弦电压命令信号432。电压命令信号432由脉宽调制（pwm）模块436来调制。pwm模块436将转子转换器开关控制信号340传送到转子转换器开关阵列336（图2中所示），以控制转子转换器开关阵列336内的开关装置的开关操作，诸如占空比。
72.现在参照图5，示出用于控制连接到电力网的电功率系统（诸如风力涡轮功率系统）的方法500的一个实施例的流程图。一般来说，本文中将参照图1-4和图6中所示的风力涡轮100和控制系统200来描述方法500。但是应当领会，所公开的方法500可采用具有任何合适配置的转子叶片来实现。另外，虽然图5为了说明和论述的目的而描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文所述的方法并不局限于任何特定顺序或布置。使用本文所提供的公开，本领域的技术人员将领会，在不背离本公开的范围的情况下，本文所公开的方法的各个步骤能够以各种方式被省略、重新排列、组合和/或适配。
73.如在（502）所示，方法500开始。如在（504）所示，方法500包括确定电功率系统是否正经历高滑差操作。如本文所使用的“高滑差操作”一般表示其中电功率系统的速度很高或很低、从而导致与同步速度的大偏差的操作。在一个实施例中，例如，高滑差操作可表示处于或高于大约125%同步速度或者处于或低于大约75%同步速度的操作。如果电功率系统正经历高滑差操作，如在（506）所示，方法500包括：在高滑差操作期间，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数，以保持电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量。如在（508）所示，方法500包括：在高滑差操作期间，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作更关键控制功能，以避免电功率系统的过调制。
74.在一实施例中，例如，电功率系统的（一个或多个）不太关键控制功能可包括例如谐波、dc电流和/或次同步控制交互（ssci）稳定性。在另一个实施例中，例如，电功率系统的（一个或多个）更关键控制功能可包括例如速度和/或转矩。此外，一般来说，（一个或多个）更关键控制功能一般表示允许电功率系统在没有跳闸的情况下以稳定方式以高滑差进行操作的控制功能。
75.现在参照图6，示出用于控制连接到电力网的电功率系统（诸如风力涡轮功率系统）的方法600的一个实施例的流程图。一般来说，本文中将参照图1-4和图6中所示的风力涡轮100和控制系统200来描述方法600。但是应当领会，所公开的方法600可采用具有任何合适配置的转子叶片来实现。另外，虽然图6为了说明和论述的目的而示出以特定顺序执行的步骤，但是本文所述的方法并不局限于任何特定顺序或布置。使用本文所提供的公开，本领域的技术人员将领会，在不背离本公开的范围的情况下，本文所公开的方法的各个步骤能够以各种方式被省略、重新排列、组合和/或适配。
76.如在（602）所示，方法600包括监测电功率系统的速度条件。例如，在一实施例中，电功率系统的速度条件可包括风力涡轮功率系统200的转子106的转子速度。此外，在一实施例中，方法500可包括对风力涡轮功率系统200的转子速度进行滤波。
77.如在（604）所示，方法600包括基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。如在（606）所示，方法600包括基于（一个或多个）动态调节器最大极限来操作（一个或多个）调节器，例如以避免过调制和/或与过调制相关联的问题，以避免高滑差操作期间的电功率系统的跳闸，和/或改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。如本文所使用并且如所述，ssci是当功率电子转换器控制与串联补偿传输线路进行交互时发生的一种现象。
78.可以参照图7更好地理解图6的方法600。如在图7中特别所示，示出根据本公开的控制器（诸如转换器控制器262）的控制模块700的一个实施例的示意图。更具体来说，如图所示，控制模块700配置成接收风力涡轮功率系统200的速度，诸如转子速度。如在702所示，控制模块700然后可经由滤波器对转子速度进行滤波。例如，这种滤波可降低和/或消除噪声，并且还配置成减慢输入。因此，如图所示，经滤波的转子速度由调节器极限模块704接收。更具体来说，在一实施例中，调节器极限模块704配置成基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器210的电流调节器（即，电流阻尼模块410）的电流调节器最大极限（例如作为转子侧功率转换器220上的电流调节器的部分的转子/定子上的ac电流的dc分量的最大极限r_dciregmaxdyn）。例如，如图所示，在一实施例中，调节器极限模块704可包括控制极限（y轴）对速度（x轴）的图表，其中设置了电流调节器最大极限的高和低最大值（例如r_dciregmaxhi和r_dciregmaxlo）。因此，能够基于经滤波的转子速度来动态选择电流调节器最大极限（例如r_dciregmaxdyn）。特别地，如图所示，当转子速度接近风力涡轮功率系统200的发电机118的同步速度（即，图6中标记为1.0）时，调节器极限模块704可选择增加的电流调节器最大极限（如在706所示），以改进风力涡轮功率系统200的ssci性能。
79.作为补充或备选，当转子速度移离风力涡轮功率系统200的发电机118的同步速度时，调节器极限模块704可选择电流调节器的减少的电流调节器最大极限，如在708所示。
80.在仍有的另一个实施例中，控制器（诸如转换器控制器262）的控制模块可配置成接收风力涡轮功率系统200的速度，诸如转子速度。如所提及，也可对转子速度进行滤波。因
此，经滤波的转子速度由调节器极限模块接收，所述调节器极限模块配置成基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器210的电压/var调节器（即，无功功率调节器304）的调节器最大极限。因此，这个参数是功率转换器210的电压/var调节器的调制指数限制或者域弱化逻辑的部分。如本文所使用，电流调节器最大极限直接影响调制指数，而电压/var调节器的调节器最大极限是对间接影响调制指数的电压调节器命令的极限。如本文所使用，调制指数一般表示功率转换器210的电压命令与可用电压的比率，其中所述可用电压通常通过dc电压来指示。
81.例如，在一实施例中，调节器极限模块可包括控制极限（y轴）对速度（x轴）的图表，其中设置了电压/var调节器的高和低最大值。因此，能够基于经滤波的转子速度来动态选择调节器最大极限。特别地，如图所示，当转子速度接近风力涡轮功率系统200的发电机118的同步速度时，调节器极限模块可选择增加的调节器最大极限，以改进风力涡轮功率系统200的ssci性能。作为补充或备选，当转子速度移离风力涡轮功率系统200的发电机118的同步速度时，调节器极限模块可选择电压/var调节器的减少的调节器最大极限。
82.在进一步实施例中，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数以保持电功率系统的（一个或多个）更关键控制功能的调制指数余量可包括：在转子速度移离电功率系统的发电机的同步速度时，减少（一个或多个）调节器的至少一个调节器最大极限。在附加实施例中，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作（一个或多个）更关键控制功能以避免电功率系统的过调制可包括：在速度条件接近风力涡轮功率系统200的发电机的同步速度时，增加至少（一个或多个）调节器最大极限，以改进风力涡轮功率系统200的ssci性能。
83.上面详细描述风力涡轮、功率转换器和转换功率的方法的示例性实施例。方法、风力涡轮和功率转换器并不局限于本文所述的具体实施例，而相反，风力涡轮的组件、功率转换器的组件和/或该方法的步骤可与本文所述的其它组件和/或步骤独立地和分别使用。例如，功率转换器和方法还可与其它风力涡轮功率系统和方法结合使用，而并不局限于仅采用如本文所述的功率系统来实践。一个实施例而是能够与许多其它风力涡轮或功率系统应用结合实现和利用。
84.虽然在一些附图中示出了而在另一些附图中未示出本发明的各种实施例的具体特征，但是这只是为了方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它附图中的任何特征来参考和/或要求保护附图中的任何特征。
85.本发明的其它方面通过下列条款的主题来提供：条款1. 一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法，所述电功率系统具有发电机和功率转换器，所述方法包括：监测电功率系统的速度条件；基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限；以及基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的电功率系统的过调制，并且改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
86.条款2. 条款1的方法，其中，功率转换器的至少一个调节器包括功率转换器的电流调节器或者电压/var调节器的至少一个。
87.条款3. 前面条款的任何条款的方法，其中，电功率系统包括风力涡轮功率系统。
88.条款4. 条款3的方法，其中，电功率系统的速度条件包括风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
89.条款5. 条款4的方法，进一步包括对风力涡轮功率系统的转子速度进行滤波。
90.条款6. 条款4-5的方法，其中，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当转子速度接近风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，增加至少一个调节器最大极限，以改进风力涡轮功率系统的ssci性能。
91.条款7. 条款6的方法，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当转子速度移离风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，减少至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。
92.条款8. 一种连接到电力网的电功率系统，所述电功率系统包括：双馈异步发电机（dfag）；耦合到所述dfag的功率转换器，所述功率转换器配置成把来自dfag的生成的电功率的频率转换成与电力网的频率基本上类似的频率；以及控制器，所述控制器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：监测电功率系统的速度条件；基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限；以及基于所述至少一个动态调节器最大极限来操作所述至少一个调节器，以避免高滑差操作期间的电功率系统的过调制，并且改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
93.条款9. 条款8的电功率系统，其中，功率转换器的至少一个调节器包括功率转换器的电流调节器或者电压/var调节器的至少一个。
94.条款10. 条款8-9的电功率系统，其中，电功率系统包括风力涡轮功率系统。
95.条款11. 条款10的电功率系统，其中，电功率系统的速度条件包括风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
96.条款12. 条款11的电功率系统，进一步包括对风力涡轮功率系统的转子速度进行滤波。
97.条款13. 条款11-12的电功率系统，其中，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当转子速度接近风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，增加至少一个调节器最大极限，以改进风力涡轮功率系统的ssci性能。
98.条款14. 条款13的电功率系统，基于所监测的速度条件来动态确定功率转换器的至少一个调节器的至少一个调节器最大极限进一步包括：当转子速度移离风力涡轮功率系统的发电机的同步速度时，减少至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。
99.条款15. 一种用于在高滑差操作期间控制连接到电力网的电功率系统的方法，所述电功率系统具有发电机和功率转换器，所述方法包括：
在所述高滑差操作期间，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数，以保持电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量；以及在所述高滑差操作期间，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作一个或多个更关键控制功能，以避免电功率系统的过调制。
100.条款16. 条款15的方法，其中，电功率系统的一个或多个不太关键控制功能包括谐波、dc电流或次同步控制交互（ssci）稳定性的至少一个。
101.条款17. 条款15-16的方法，其中，电功率系统的一个或多个更关键控制功能包括速度或者转矩的至少一个。
102.条款18. 条款15-17的方法，其中，限制由电功率系统的一个或多个不太关键控制功能所使用的调制指数以保持电功率系统的一个或多个更关键控制功能的调制指数余量进一步包括：当电功率系统的速度条件移离电功率系统的发电机的同步速度时，减少至少一个调节器的至少一个调节器最大极限。
103.条款19. 条款18的方法，其中，以稳定方式使用所保持的调制指数余量来操作一个或多个更关键控制功能以避免电功率系统的过调制进一步包括：当速度条件接近电功率系统的发电机的同步速度时，增加至少一个调节器最大极限，以改进电功率系统的次同步控制交互（ssci）性能。
104.条款20. 条款15-19的方法，其中，电功率系统包括风力涡轮功率系统，电功率系统的速度条件包括风力涡轮功率系统的转子的转子速度。
105.本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书定义，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果此类其它示例包含与权利要求书的字面语言没有区别的结构要素，或者如果它们包含与权利要求书的字面语言没有实质性区别的等效结构元件，则此类其它示例都旨在处于权利要求书的范围内。