功率变换器

摘要

本发明提供一种功率变换器，它可用于将提供了在可变频率下的可变电压的发电机(4)与操作在标称固定电压和标称固定频率下的供电网对接，并且包括在供电网故障和暂态期间允许功率变换器保持与供电网的连接并且保持控制等特征。功率变换器包括与发电机(4)的定子电连接的发电机桥(10)和网桥(14)。直流链路(12)连接在发电机桥(10)和网桥(14)之间。具有电网端的滤波器(16)连接在网桥(14)和供电网之间。提供第一控制器(18)来控制发电机桥(14)的半导体功率开关器件的操作。类似地，提供第二控制器(46)来控制网桥(14)的半导体功率开关器件的操作。第一控制器(18)使用表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)来控制网桥(10)的半导体功率开关器件，从而实现与直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)对应的期望水平的直流链路电压。第二控制器(46)使用表示了将从直流链路通过网桥(14)转移至供电网的功率的水平的功率指令信号(P*)、和表示了将在滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号(VTURB*)来控制网桥(14)的半导体功率开关器件，从而获得与功率和电压指令信号(P*，VTURB*)对应的期望水平的功率和电压。

权利要求

1.一种功率变换器，该功率变换器用于对接发电机(4)和供电网(NETWORK)，该发电机(4)提供可变频率下的可变电压，该供电网在标称固定电压和标称固定频率下操作，所述功率变换器包括：第一有源整流器/逆变器(10)，其与该发电机(4)的定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；

第二有源整流器/逆变器(14)，其包括多个半导体功率开关器件；

直流链路(12)，其连接在所述第一有源整流器/逆变器(10)和所述第二有源整流器/逆变器(14)之间；

滤波器(16)，其连接在所述第二有源整流器/逆变器(14)和所述供电网(NETWORK)之间，所述滤波器(16)包括电网端；

用于所述第一有源整流器/逆变器(10)的第一控制器(18)；以及

用于所述第二有源整流器/逆变器(14)的第二控制器(46)；

其中，所述第一控制器(18)使用表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)来控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件，以获得与该直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)对应的期望水平的直流链路电压；以及其中，所述第二控制器(46)使用表示了将从所述直流链路(12)通过所述第二有源整流器/逆变器(14)传递到所述供电网(NETWORK)的功率的水平的功率指令信号(P*)，并且使用表示了将在所述滤波器(16)的所述电网端达到的电压的电压指令信号(VTURB*)来控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件，以获得与所述功率和电压指令信号(P*，VTURB*)对应的期望水平的功率和电压。

2.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述第一控制器(18)使用表示了将在所述发电机(4)中达到的期望水平的磁通的磁通指令信号(Φ*)，将所述磁通指令信号(Φ*)转换为用于所述第一有源整流器/逆变器(10)的直轴电流指令信号(ID_GEN*)，并且控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件产生达到了针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的期望直轴电流的定子电量。

3.根据权利要求2所述的功率变换器，其中所述第一控制器(18)根据所述发电机的一个或多个特征(32)将所述磁通指令信号(Φ*)转换为所述直轴电流指令信号(ID_GEN*)。

4.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述第一控制器(18)将表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)和直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)，并且所述第一控制器(18)控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件以产生定子电量，该定子电量达到了针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的期望交轴电流。

5.根据权利要求4所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)将根据现行供电网电压状态而变化的控制信号(IDC_LIM)提供给所述第一控制器(18)，并且其中所述第一控制器(18)对表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)和直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)，使用来自所述第二控制器(46)的控制信号(IDC_LIM)来限制直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)以确定受限的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*_LIM)，并且使用该受限的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*_LIM)来确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)。

6.根据权利要求4所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)将根据现行供电网电压状态而变化的控制信号(IDC_FF)和/或所述功率指令信号(P*)提供给所述第一控制器(18)，并且其中所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)将表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)和所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较，以提供与所述控制信号(IDC_FF)相加的输出信号，从而确定直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)，该直流链路电流指令信号用于确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)。

7.根据权利要求4至6中的任一权利要求所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)将表示了要从所述直流链路(12)通过所述第二有源整流器/逆变器(14)传递至供电网(NETWORK)的功率的水平的功率指令信号(P*)转换为针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)，并且所述第二控制器(46)控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件以产生达到了针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的期望交轴电流的滤波器/供电网电量。

8.根据权利要求7的功率变换器，其中通过用所述功率指令信号(P*)除以从所述滤波器(16)的电网端上的电压导出的信号(VQ_NET)，来将所述功率指令信号(P*)转换为交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)。

9.根据权利要求7所述的功率变换器，其中通过用所述功率指令信号(P*)除以从所述滤波器(16)的电网端上的电压导出的信号的滤波后的形式，将所述功率指令信号(P*)转换为交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)。

10.根据利要求7所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)使用表示了期望直流链路电压的另一直流链路电压指令信号(VDC_NET*)，将所述另一直流链路电压指令信号(VDC_NET*)和所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)，并且将未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)限制为由从所述功率指令信号(P*)导出的限制信号(52)所确定的值以确定针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)。

11.根据权利要求10所述的功率变换器，其中将所述未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)与交轴电流前馈信号(IQ_FF)相加，该交轴电流前馈信号(IQ_FF)是由以下信号产生的：(i)表示发电机功率的信号(POWER_FF)，(ii)在所述滤波器(16)的电网端上所测量到的电压反馈信号(VQ_NET)，以及(iii)根据现行供电网电压状态而变化的增益信号(PFF_GAIN)。

12.根据权利要求11所述的功率变换器，其中将表示发电机功率的信号(POWER_FF)从所述第一控制器(18)提供给所述第二控制器(46)。

13.根据权利要求11所述的功率变换器，其中用表示发电机功率的信号(POWER_FF)减去所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的PI控制器(20)的输出所得到的结果被提供给所述第二控制器(46)并且仅在供电网电压暂降状态期间被所述第二控制器(46)使用。

14.根据权利要求10至12中的任一权利要求所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)根据现行供电网电压状态来对由所述功率指令信号(P*)导出的限制信号进行修改。

15.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述直流链路(12)包括电容器(82)，以及所述功率变换器还包括电流传感器(80)，所述电流传感器(80)用于测量流入所述电容器(82)的电流并且提供输出信号。

16.根据权利要求15所述的功率变换器，其中用由表示发电机功率的信号(POWER_FF)所导出的信号减去所述电流传感器(80)的输出信号以提供信号(IDC_NET′)，所提供的信号用于与所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的输出相加以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的直流链路电流指令信号(ID_GEN*)。

17.根据权利要求15所述的功率变换器，其中用由表示所述发电机功率的信号(POWER_FF)所导出的信号减去所述电流传感器(80)的输出信号以提供信号(IDC_NET′)，所提供的信号(IDC_NET′)被滤波并与所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的输出相加以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的直流链路电流指令信号(ID_GEN*)。

18.根据权利要求1所述的功率变换器，其进一步包括用于测量直流链路电压并提供直流链路电压反馈信号(VDC_FB)的电压传感器和用于测量所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)的变化速率的装置，其中，当所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)大于第一阈值(VDC_FB_THRESHOLD)并且所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)的变化速率大于第二阈值(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)时，通过一预定因子对所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的PI控制器(20)的积分值进行修改。

19.根据权利要求1所述的功率变换器，其中在供电网电压暂降状态期间，针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)是由信号(IQ_CAPACITY)的受转换速率限制的形式导出的，其中用于以受转换速率限制的形式导出交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)的信号(IQ_CAPACITY)是由根据现行供电网电压状态而修改的所述第二有源整流器/逆变器(14)的功率极限额定值导出的。

20.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)将表示了要在所述滤波器(16)的电网端上达到的电压水平的电压指令信号(VTURB*)和在所述滤波器(16)的电网端所测量到的电压反馈信号(VQ_NET)进行比较以确定针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的直轴电流指令信号(ID_NET*)，并且所述第二控制器(46)控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件以产生达到了针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的期望直轴电流的滤波器/供电网电量。

21.根据权利要求20所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)根据现行供电网电压状态对所述直轴电流指令信号(ID_NET*)进行修改。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的功率变换器，其中所述第二控制器(46)根据由所述直轴电流指令信号(ID_NET*)导出的信号来对误差信号进行修改，该误差信号是由表示了要在所述滤波器(16)的电网端上达到的电压水平的电压指令信号(VTURB*)和在所述滤波器(16)的电网端所测量到的电压反馈信号(VQ_NET)之间的差值导致的。

23.根据权利要求1所述的功率变换器，其进一步包括用于导出速度信号(N)的速度传感器(54)或速度观测器，该速度信号(N)表示所述发电机(4)的移动部分的速度，并且其中所述速度信号(N)被用于导出所述功率指令信号(P*)。

24.根据权利要求23所述的功率变换器，其中所述功率指令信号(P*)是由查找表(56)或数学函数导出的，并且所述速度信号(N)形成了所述查找表(56)的指针或计算数学函数所求得的值。

25.根据权利要求23所述的功率变换器，其中所述速度信号(N)由滤波函数进行修改。

26.根据权利要求25所述的功率变换器，其中所述功率指令信号(P*)是由查找表(56)或数学函数导出的，并且修改过的速度信号(N′)形成了查找表(56)的指针或计算数学函数所求得的值。

27.根据权利要求23至26中的任一权利要求所述的功率变换器，其中所述功率指令信号(P*)与由所述速度信号(N)的滤波后的形式所导出的信号进行相加。

28.一种包括多个根据任一前述权利要求所述的功率变换器(1a至1d)的设备，通过并联连接(72)将所述多个功率变换器一起并联到在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网(NETWORK)，其中表示将在每个功率变换器的滤波器(16)的电网端上达到的电压的电压指令信号(VTURB*)由下述比较导出：将最高级电压指令信号(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)和在所述并联连接(72)与供电网(NETWORK)的连接点处所测量到的最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK)进行比较。

29.根据权利要求28所述的设备，其中每个单独的功率变换器(1a至1d)均包括电连接在相关滤波器(16a至16d)和所述并联连接(72)之间的升压变压器(6a至6d)。

30.根据权利要求28或权利要求29所述的设备，其进一步包括电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)。

31.根据权利要求30所述的设备，其中在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的供电网侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK B)进行测量。

32.根据权利要求30所述的设备，其中在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的并联连接侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A)进行测量。

33.一种风轮机，包括：

具有定子和转子的发电机(4)；

涡轮机组件(2)，其至少包括一个用于旋转所述发电机(4)的转子的叶片；以及

根据权利要求1至27中的任一权利要求所述的功率变换器。

34.一种风电场，包括：

在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网(NETWORK)；以及

多个根据权利要求33所述的风轮机；

其中通过并联连接(72)将所述多个风轮机的各个功率变换器(1a至1d)一起并联至所述供电网(NETWORK)，并且其中表示了将在每个功率变换器的滤波器(16)的电网端上达到的电压的电压指令信号(VTURB*)由下述比较导出：将最高级电压指令信号(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)和在所述并联连接(72)与供电网(NETWORK)的连接点处所测量到的最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK)进行比较。

35.根据权利要求34所述的风电场，其中每个单独的功率变换器(1a至1d)均包括电连接在相关滤波器(16a至16d)和所述并联连接(72)之间的升压变压器(6a至6d)。

36.根据权利要求34或权利要求35所述的风电场，其进一步包括电连接在所述并联连接(72)和所述供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)。

37.根据权利要求36所述的风电场，其中在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的供电网侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK B)进行测量。

38.根据权利要求36所述的风电场，其中在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的并联连接侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A)进行测量。

39.一种操作功率变换器的方法，该功率变换器用于对接发电机(4)和供电网(NETWORK)，该发电机提供可变频率下的可变电压，该供电网(NETWORK)在标称固定电压和标称固定频率下操作，所述功率变换器包括：第一有源整流器/逆变器(10)，其与所述发电机(4)的定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；

第二有源整流器/逆变器(14)，其包括多个半导体功率开关器件；

直流链路(12)，其连接在所述第一有源整流器/逆变器(10)和所述第二有源整流器/逆变器(14)之间；

滤波器(16)，其连接在所述第二有源整流器/逆变器(14)和所述供电网(NETWORK)之间，所述滤波器(16)包括电网端；

用于所述第一有源整流器/逆变器(10)的第一控制器(18)；以及

用于所述第二有源整流器/逆变器(14)的第二控制器(46)；

其中所述方法包括以下步骤：

所述第一控制器(18)使用表示了期望的直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)来控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件，以获得与所述直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)对应的期望水平的直流链路电压；以及所述第二控制器(46)使用表示了将从所述直流链路(12)通过所述第二有源整流器/逆变器(14)传递到所述供电网(NETWORK)的功率的水平的功率指令信号(P*)、和表示了将在所述滤波器(16)的所述电网端达到的电压的电压指令信号(VTURB*)来控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件，从而获得与所述功率和电压指令信号(P*，VTURB*)对应的期望水平的功率和电压。

40.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)使用所述供电网电压(VQ_NET)的测量值来确定当所述供电网电压偏离其标称状态时能够从所述第二有源整流器/逆变器(14)输出的功率的极限。

41.根据权利要求39或权利要求40所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)使用所述供电网电压(VQ_NET)的测量值来确定当所述供电网电压偏离其标称状态时将从所述第二有源整流器/逆变器(14)提供来为供电网提供电压支撑的电流水平。

42.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第一控制器(18)使用表示了将在所述发电机(4)中达到的期望水平的磁通的磁通指令信号(Φ*)，将所述磁通指令信号(Φ*)转换为针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的直轴电流指令信号(ID_GEN*)，并且控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件以产生达到了所述第一有源整流器/逆变器(10)的期望直轴电流的定子电量。

43.根据权利要求42的方法，其中根据所述发电机的一个或多个特征(21)来执行将所述磁通指令信号(Φ*)转换为直轴电流指令信号(ID_GEN*)的步骤。

44.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第一控制器(18)将表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)和直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)，并且所述第一控制器(18)控制所述第一有源整流器/逆变器(10)的半导体功率开关器件以产生达到了针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的期望的交轴电流的定子电量。

45.根据权利要求44所述的方法，其进一步包括以下步骤：

在供电网电压暂降状态期间，所述第二控制器(46)将根据现行供电网电压状态而变化的控制信号(IDC_LIM)提供给所述第一控制器(10)；以及所述第一控制器(10)将表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VD_GEN*)和直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)，使用来自所述第二控制器(46)的控制信号(IDC_LIM)来限制所述直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)以确定受限的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*_LIM)，并且使用该受限的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*_LIM)来确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)，从而在供电网电压暂降状态期间不从供电网提取任何电能。

46.根据权利要求44所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)将根据现有供电网电压状态而变化的控制信号(IDC_FF)和/或所述功率指令信号提供给所述第一控制器(18)，以及所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)将表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号(VDC_GEN*)和所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)进行比较以提供与所述控制信号(IDC_FF)进行相加的输出信号，从而确定直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)，该直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)被用于确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*)。

47.根据权利要求44至46中的任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)将表示了要从所述直流链路(12)通过所述第二有源整流器/逆变器(14)传递至供电网(NETWORK)的功率的水平的功率指令信号(P*)转换为针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_GEN*_LIM)，并且所述第二控制器(46)控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件以产生达到了针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的期望交轴电流的滤波器/供电网电量。

48.根据权利要求47所述的方法，其中通过用所述功率指令信号(P*)除以由在所述滤波器(16)的电网端上的电压所导出的信号(VQ_NET)来执行将所述功率指令信号(P*)转换为所述交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)的步骤。

49.根据权利要求48所述的方法，其中通过用所述功率指令信号(P*)除以由在所述滤波器(16)的电网端上的电压所导出的信号的滤波后的形式来执行将所述功率指令信号(P*)转换为所述交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)的步骤。

50.根据权利要47所述的方法，其进一步包括以下步骤：在所述功率变换器的启动和正常操作状态期间，所述第二控制器(46)使用表示了期望的直流链路电压的另一直流链路电压指令信号(VDC_NET*)，将所述另一直流链路电压指令信号(VDC_NET*)与所述直流链路反馈信号(VDC_FB)进行比较以确定未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)，并且将所述未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)限制为由所述功率指令信号(P*)导出的限制信号(52)所确定的值以确定针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)。

51.根据权利要求50所述的方法，其进一步包括以下步骤：将未限制的交轴电流指令信号(VDC_PI_IQ_NET*)与交轴电流前馈信号(IQ_FF)相加，该交轴电流前馈信号(IQ_FF)由以下信号产生：(i)表示所述发电机功率的信号(POWER_FF)，(ii)在所述滤波器(16)的电网端上所测量到的电压反馈信号(VQ_NET)，以及(iii)根据现行供电网电压状态而变化的增益信号(PFF_GAIN)。

52.根据权利要求51所述的方法，其中将所述表示发电机功率的信号(POWER_FF)从所述第一控制器(18)提供至所述第二控制器(46)。

53.根据权利要求51所述的方法，其中用表示发电机功率的信号(POWER_FF)减去所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的PI控制器(20)的输出所得到的结果被提供给所述第二控制器(46)并且仅在供电网电压暂降状态期间被所述第二控制器(46)使用。

54.根据权利要求50至53中的任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤：在供电网电压暂降状态期间，所述第二控制器(46)根据现行供电网电压状态来对由所述功率指令信号(P*)导出的限制信号进行修改。

55.根据权利要求39所述的方法，其中所述直流链路(12)包括电容器(82)，以及所述功率变换器进一步包括用于测量流入所述电容器(82)的电流并且提供输出信号的电流传感器(80)，所述方法包括进一步包括以下步骤：用由表示所述发电机功率的信号(POWER_FF)所导出的信号减去所述电流传感器(80)的输出信号以提供信号(IDC_NET′)，所提供的信号(IDC_NET′)与所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的输出相加以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)。

56.根据权利要求39所述的方法，其中所述直流链路(12)包括电容器(82)，以及所述功率变换器进一步包括用于测量流入所述电容器(82)的电流并且提供输出信号的电流传感器(80)，所述方法包括进一步包括以下步骤：用由表示所述发电机功率的信号(POWER_FF)所导出的信号减去所述电流传感器(80)的输出信号以提供信号(IDC_NET′)，所提供的信号(IDC_NET′)被滤波并且与所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的输出相加以确定针对所述第一有源整流器/逆变器(10)的直流链路电流指令信号(IDC_GEN*)。

57.根据权利要求39所述的方法，其中所述功率变换器进一步包括用于测量所述直流链路电压和提供直流链路电压反馈信号(VDC_FB)的电压传感器以及用于测量所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)的变化速率的装置，所述方法进一步包括以下步骤：当所述直流链路电压反馈信号(VDC_FB)大于第一阈值(VDC_FB_THRESHOLD)并且所述直流链路反馈信号(VDC_FB)的变化速率大于第二阈值(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)时，用一预定因子对所述第一控制器(18)的直流链路电压控制器(76)的PI控制器(20)的积分值进行修改。

58.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括以下步骤：在供电网电压暂降状态中，由信号(IQ_CAPACITY)的受转换速率限制的形式导出针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)，其中用于以受转换速率限制的形式导出交轴电流指令信号(IQ_NET*_LIM)的信号(IQ_CAPACITY)是由根据现行供电网电压状态而修改的所述第二有源整流器/逆变器(14)的功率极限额定值导出的。

59.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)将表示了要在所述滤波器(16)的电网端上达到的电压水平的电压指令信号(VTURB*)和在所述滤波器(16)的电网端所测量到的电压反馈信号(VQ_NET)进行比较以确定针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的直轴电流指令信号(ID_NET*)，并且所述第二控制器(46)控制所述第二有源整流器/逆变器(14)的半导体功率开关器件以产生滤波器/供电网电量，该电量达到了针对所述第二有源整流器/逆变器(14)的期望直轴电流。

60.根据权利要求58的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)根据现行供电网电压状态来修改所述直轴电流指令信号(ID_NET*)。

61.根据权利要求59或权利要求60的方法，其进一步包括以下步骤：所述第二控制器(46)根据由所述直轴电流指令信号(ID_NET*)所导出的信号来对误差信号进行修改，该误差信号是由表示了要在所述滤波器(16)的电网端上达到的电压水平的电压指令信号(VTURB*)和在所述滤波器(16)的电网端上测量到的电压反馈信号(VQ_NET)之间的差值导致的。

62.根据权利要求61所述的方法，其进一步包括以下步骤：导出表示所述发电机(4)的移动部分的速度的速度信号(N)，并且使用所述速度信号(N)来导出所述功率指令信号(P*)。

63.根据权利要求61所述的方法，其进一步包括以下步骤：从查找表(56)或数学函数来导出所述功率指令信号(P*)，其中所述速度信号(N)形成了所述查找表(56)的指针或计算数学函数所得出的值。

64.根据权利要求62所述的方法，其进一步包括用滤波函数对所述速度信号(N)进行修改的步骤。

65.根据权利要求64所述的方法，其进一步包括以下步骤：从查找表(56)或数学函数导出所述功率指令信号(P*)，其中所述修改过的速度信号(N′)形成了所述查找表(56)的指针或计算数学函数所得出的值。

66.根据权利要求64所述的方法，其进一步包括将所述功率指令信号(P*)和由所述速度信号的滤波后的形式所导出的信号进行相加的步骤。

67.一种对多个根据权利要求1至27中任一权利要求所述的功率变换器(1a至1d)进行操作的方法，其中通过并联连接(72)将所述多个功率变换器一起并联到在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网(NETWORK)，所述方法包括以下步骤：将最高级电压指令信号(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)和在所述并联连接(72)与供电网(NETWORK)的连接点处测量到的最高级电压反馈信号(WINDFARM VOLTAGE FEEDBACK)进行比较，来导出表示了将在每个功率变换器(1a至1d)的滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号(VTURB*)。

68.根据权利要求67所述的方法，其进一步包括以下步骤：在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的供电网侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGEFEEDBACK B)进行测量。

69.根据权利要求67所述的方法，其进一步包括以下步骤：在电连接在所述并联连接(72)和供电网(NETWORK)之间的升压变压器(74)的并联连接侧对最高级电压反馈信号(WIND FARM VOLTAGEFEEDBACK A)进行测量。

70.一种操作风轮机的方法，该风轮机包括提供了可变频率下的可变电压并且具有定子和转子的发电机(4)、至少包括一个用于旋转所述发电机(4)的转子的涡轮机组件(2)、以及功率变换器，该功率变换器将所述发电机(4)与在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网(NETWORK)进行对接，所述功率变换器包括：第一有源整流器/逆变器(10)，其与所述发电机(4)的所述定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；

第二有源整流器/逆变器(14)，其包括多个半导体功率开关器件；

直流链路(12)，其连接在所述第一有源整流器/逆变器(10)和所述第二有源整流器/逆变器(14)之间；

滤波器(16)，其连接在所述第二有源整流器/逆变器(14)和所述供电网(NETWORK)之间，所述滤波器(16)包括电网端；

用于所述第一有源整流器/逆变器(10)的第一控制器(18)；以及

用于所述第二有源整流器/逆变器(14)的第二控制器(46)；

其中，响应于风速的变化，所述方法包括以下步骤：

控制所述第二有源整流器/逆变器(14)以改变从所述直流链路(12)输出的功率水平，从而使直流链路电压从期望水平变化；以及控制所述第一有源整流器/逆变器(10)以从所述发电机(4)通过所述发电机桥(10)输入足够电流进入所述直流链路(12)，从而使所述直流链路电压恢复到所述期望水平。

说明书

技术领域

本发明涉及功率变换器，尤其涉及可被用于将提供可变频率下的可变电压的发电机和标称固定电压和频率下的电力网或供电网进行对接的功率变换器。本发明还包括以下特点：在供电网故障和暂态状态期间，允许功率变换器保持与供电网的对接并且保持控制。该功率变换器尤其适于(但不限于)与由风轮机驱动的发电机一起使用。

背景技术

可以使用风轮机来直接或借助齿轮箱将风能转化为电能以驱动发电机的转子。在发电机的定子端产生的交流频率(“定子电压”)与转子的转速直接成比例。发电机端的电压还作为速度的函数而变化，并且取决于发电机的特定类型还在磁通水平上变化。为了最优能量获取，风轮机的输出轴的旋转速度将根据驱动涡轮叶片的风速变化。为了限制高风速下的能量获取，通过改变涡轮叶片的螺距来控制输出轴的旋转速度。通过使用功率变换器可实现发电机的可变电压和频率与电力网的标称恒定电压和频率的匹配。
美国专利5083039描述了一种变速风轮机，其中风轮机的转轴被用于驱动交流感应发电机的转子。功率变换器被用于将发电机的输出端连接至电力网。功率变换器包括有源半导体功率开关器件，其控制发电机的每相中的定子电量。转矩指令装置用于产生表示期望的转矩的转矩指令信号。发电机控制器在磁场定向控制下操作，并且响应于转矩指令信号来定义期望的交轴电流，该电流代表了与转子磁场正交的旋转场坐标中的转矩。有源半导体功率开关器件则由发电机控制器使用脉冲宽度调制电路来控制，从而产生与期望的交轴电流对应的定子电量。逆变器控制器调节输出电流以提供具有由功率因素控制信号所指定的角度的超前或滞后电流的多相交流电能。在这种结构中，供电暂降期间的电力网电压的损失将导致直流链路电压控制的损失。因此，也损失了控制无功电流的能力，无功电流对于供电网编码所要求的电压支撑功能是必不可少的。
美国专利5225712扩展了上述原理，以包括作为模式开关的函数的无功功率控制或功率因数角控制。类似地，美国专利5225712的逆变器桥控制器方案仅仅用于调节直流链路电压。因此，两种方案都具有以下缺点：在供电网电压损失期间，电压暂降期间的直流链路电压控制和控制无功电流的能力也损失了。

发明内容

本发明旨在通过提供一种功率变换器来至少减轻上述问题和缺点，该功率变换器能够用于将发电机与供电网进行对接，该发电机提供可变频率下的可变电压，该供电网在标称固定电压和标称固定频率下操作，该功率变换器包括：
第一有源整流器/逆变器，其与发电机的定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；
第二有源整流器/逆变器，其包括多个半导体功率开关器件；
直流链路，其在第一有源整流器/逆变器和第二有源整流器/逆变器之间连接；
滤波器，其在第二有源整流器/逆变器和供电网之间连接，该滤波器包括电网端；
用于第一有源整流器/逆变器的第一控制器；以及
用于第二有源整流器/逆变器的第二控制器；
其中，第一控制器使用表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号来控制第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件，从而获得与直流链路电压指令信号对应的期望水平的直流链路电压；以及
其中第二控制器使用表示了将从直流链路通过第二有源整流器/逆变器传递至供电网的功率的水平的功率指令信号、和表示将在滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号来控制第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件，从而获得与功率和电压指令信号对应的期望水平的功率和电压。
在正常操作状态下，功率变换器可用于将发电机连接至供电网，而且功率变换器还包括如下特点：在由于供电网上的电网故障或暂态而导致供电网电压变化的情况下，允许其操作。更具体地说，当供电网电压偏离其标称状态时，第二控制器可利用对供电网电压的测量值来确定可以从第二有源整流器/逆变器输出的功率极限，并且当供电网电压偏离其标称状态时，第二控制器还可利用对供电网电压的测量值来以确定将从第二有源整流器/逆变器提供的电流水平从而将电压支撑提供给供电网。
发电机可以是任何适合类型的线性或旋转发电机。示例可包括由诸如永久磁铁或传统的或超导磁场绕组之类的装置所激励的感应发电机或同步发电机。例如，在旋转发电机的情况下，转子可被连接至诸如风轮机、潮水涡轮机、水轮机、蒸汽涡轮发动机、柴油机或燃气涡轮发动机之类的涡轮机或原动机的输出轴，或被其驱动。线性发电机可以用于固有地得益于往复运动的应用中，例如波浪发电机。
优选地，第一控制器使用表示在发电机中将要达到的期望水平的磁通的磁通指令信号，并且将其转换为针对第一有源整流器/逆变器的直轴电流指令信号。然后，第一控制器可使用该直轴电流指令信号来控制第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件的操作，从而产生达到了针对第一有源整流器/逆变器的期望直轴电流的定子电量。在此，术语“定子电量”用于表示多相发电机中的各相电压幅度、单相电流幅度、相位和频率中的任一个和所有。
第一有源整流器/逆变器中的半导体功率开关器件的操作可使用根据传统的脉宽调制策略所产生的门驱动控制信号来进行控制。易于理解的是，可以使用各种类型的脉宽调制策略。在具有二级电压源逆变器的本发明的优选方面中，则可以使用如下方式实现固定频率脉宽调制策略。在数字处理器中，由直轴和交轴电压信号的组合所确定的输出电压要求乘以由某个角度值所确定的三次增强正弦波形的值，有源整流器/逆变器中要提供的输出电压将在该角度具有给定相位。对于给定的直流链路电压，三次增强正弦波用于使在有源整流器/逆变器模块的交流端上可以达到的输出电压最大。将结果信号与固定频率下的三角波形进行对比，以确定有源整流器/逆变器的所述相中的上下半导体功率开关器件的具体开关时间。为了克服已知的开关延迟并且防止上下半导体功率开关器件的同时导通，可将消隐时期强加于处于截止的上半导体功率开关器件和导通的下半导体功率开关器件之间的特定开关时间上。在截止的下半导体功率开关器件和导通的上半导体功率开关器件之间也强加对应的消隐时间。为有源整流器/逆变器的每相重复相同的过程。
优选地，第一控制器根据发电机的一个或多个特性来将磁通指令信号转换为直轴电流指令信号。这些特性可能包括发电机等效电路参数和/或诸如额定电流、电压、速度、功率和频率的铭牌数据以及诸如磁化曲线的数据。磁化曲线提供了发电机的定子磁通和为获取该磁通所必需的直轴电流之间的关系。通常，在达到确定水平的磁通之前，发电机的磁化曲线将呈现定子磁通和直轴电流之间的线性关系。然而，超过这个确定水平，磁通中的较小增加将要求直轴电流中的较大增加。这个非线性区域与用于形成发电机的磁路的铁的饱和度相关。磁化曲线可在其制造期间通过发电机的测试过程导出或在发电机的投产步骤期间所执行的电流注入测试来导出。作为功率变换器/发电机组合的自投产程序的一部分，这种电流注入测试可以是自动的。
优选地，第一控制器将表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较，从而确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。然后，第一控制器对第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制，从而产生定子电量，该电量达到了针对第一有源整流器/逆变器的期望交轴电流。
第二控制器可将根据现行供电网电压状态而变化的控制信号提供至第一控制器。这促使第一控制器对表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较从而确定直流链路电流指令信号，并且然后使用来自第二控制器的控制信号对直流链路电流指令信号进行限制以确定受限的直流链路电流指令信号。然后，第一控制器使用受限的直流链路电流指令信号来确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。
作为选择，第二控制器可以将根据现行供电网电压状态而变化的控制信号和/或功率指令信号提供至第一控制器。这促使第一控制器的直流链路电压控制器对表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以提供输出信号，该控制信号与控制信号相加以确定了直流链路电流指令信号。然后可使用直流电流指令信号来确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。
优选地，第二控制器将表示了要由直流链路通过第二有源整流器/逆变器传递至供应网的功率的水平的功率指令信号转换为针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。然后，第二控制器可对第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制，以产生达到了针对第二有源整流器/逆变器的期望交轴电流的滤波器/供电网的电量。在此，术语“滤波器/供电网电量”用于表示多相有源整流器/逆变器系统中的各相电压幅度、各相电流幅度、相位和频率中的任一个和所有。术语“多相”通常指三相，但是可包含其它数量的相。第二有源整流器/逆变器中的半导体功率开关器件的操作也可使用根据传统的脉宽调制策略而产生的门驱动控制信号来控制。
通过用功率指令信号来除以从滤波器的电网端上的电压所导出的信号，可以将功率指令信号转换为交轴电流指令信号。优选地，该信号是由滤波器的电网侧上的三相电压测量所导出的交流电压的交轴分量。作为选择，通过用功率指令信号除以从滤波器的电网端上的电压所导出的信号的滤波后的形式，可以将功率指令信号转换为交轴电流指令信号。
优选地，第二控制器使用表示期望直流链路电压的另一直流链路电压指令信号，并且对另一直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以确定未限制的交轴电流指令信号。然后，可对该未限制的交轴电流指令信号进行限制，以确定针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。可将该未限制的交轴电流指令信号限制为由限制信号确定的值，优选地，限制信号转而由功率指令信号导出。
可将未限制的交轴电流指令信号与由以下信号导出的交轴电流前馈信号进行相加：表示发电机功率的信号、在滤波器的电网端上所测量的电压反馈信号、和根据现行的供电网电压状态而变化的增益信号。
可将表示发电机功率的信号从第一控制器提供至第二控制器。作为选择，用表示发电机功率的信号减去第一控制器的直流链路电压控制器的PI控制器的输出，可将结果提供到第二控制器，第二控制器仅仅在供电网电压暂降状态期间使用该结果。
第二控制器可根据现行的供电网电压状态来修改从功率指令信号导出的限制信号。响应于供电网中从标称电压状态的偏移(例如在供电网故障或暂态状态期间)，限制信号可由第二控制器来修改。这将导致传递至供电网的功率变化以便满足诸如电压和/或频率支撑的供电网实用要求。
直流链路可包括电容器。在这种情况下，功率变换器可进一步包括用于测量流入电容器的电流并提供输出信号的电流传感器。将由表示发电机功率的信号所导出的信号减去该电流传感器的输出信号以提供推断信号，用该推断信号与第一控制器的直流链路电压控制器的输出相加从而确定了针对第一有源整流器/逆变器的直流链路电流指令信号。作为选择，用由表示发电机功率的信号所导出的信号减去该电流传感器的输出信号以提供信号，将其进行滤波并且使之与第一控制器的直流链路电压控制器的输出相加从而确定了针对第一有源整流器/逆变器的直流链路电流指令信号。
作为选择，功率变换器可进一步包括用于测量直流链路电压并提供直流链路电压反馈信号的电压传感器。还可以提供用于测量直流链路电压反馈信号的变化速率的装置。则当直流链路电压反馈信号大于第一阈值并且直流链路电压反馈信号的变化速率大于第二阈值时，可用预定的因子对第一控制器的直流链路电压控制器的PI控制器的积分值进行修改。
在供电网电压暂降状态期间，针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号可由某个信号的受转换速率限制的形式导出，该信号由第二有源整流器/逆变器的功率极限额定值导出，跟据现行的供电网电压状态的对该功率极限额定值进行修改。
优选地，第二控制器对表示将在滤波器的电网端上达到的电压水平的电压指令信号和在滤波器的电网端所测量到的电压反馈信号进行比较，以确定针对第二有源整流器/逆变器的直轴电流指令信号。然后，第二控制器可对第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制，以产生达到了针对第二有源整流器/逆变器的期望直轴电流的滤波器/供电网电量。
第二控制器可根据现行的供电网电压状态来修改直轴电流指令信号。
第二控制器可根据由直轴电流指令信号所导出的信号来对误差信号进行修改，该误差信号是由表示将在滤波器的电网端上达到的电压水平的电压指令信号和在滤波器的电网端上测量到的电压反馈信号之间的差值导致的。根据由直轴电流指令信号导出的信号对误差信号进行修改的目的是实现这样一个特性，该特性有助于连接至特定供电网的多个发电机之间的均流。
优选地，功率变换器进一步包括速度传感器，其用于导出表示发电机的移动部分(即，在旋转发电机的情况下为转子，在线形发电机的情况下为传送器)的速度的速度信号。然而，在某些情况下，可用速度观测系统来代替速度传感器，该速度观测系统将内部信号用于第一有源整流器/逆变器以获得速度信号。然后，通过参照功率指令信号相对于速度的查找表，可使用速度信号(从速度传感器或从速度观测系统得出)来获得功率指令信号。查找表可与PI控制器结合。优选地，速度信号可由滤波函数进行修改。速度信号还可由第二滤波函数进行修改并且与增益相乘以提供阻尼项，该阻尼项与通过参照查找表而获得的功率指令信号相加从而给出总功率指令信号。如果需要的话，可以单独使用滤波函数或同时使用以对任何轴或传动系共振进行减振。
本发明还提供了一种装置，该装置包括多个并联连接到供电网的如上所述的功率变换器，该供电网在标称固定电压和标称固定频率下操作。优选地，表示了在每个功率变换器的滤波器的电网端上要达到的电压的电压指令信号是由最高级电压指令信号和最高级电压反馈信号的比较得出的，其中最高级电压反馈信号是在并联连接与供电网的连接点处测量得到的。
优选地，每个单独的功率变换器均包括电连接在相关滤波器和并联连接之间的升压变压器。该装置还可包括电连接在并联连接和供电网之间的升压变压器。可在电连接在并联连接和供电网之间的升压变压器的供电网侧或者并联连接侧测量最高级电压反馈信号。在升压变压器的供电网侧上对最高级电压反馈信号进行测量的优点是：在并联连接侧上的测量易受升压变压器上的调节的影响。因此，如果在供电网侧进行测量，则消除了这种调节影响。
功率变换器适于在风轮机中使用。因此，本发明还提供一种风轮机，该风轮机包括具有定子和转子的发电机、包括用于旋转发电机转子的一个涡轮叶片或多个涡轮叶片的涡轮机组件，、和如上所述的功率变换器。涡轮机组件可与发电机的转子集成起来。作为选择，将涡轮机的一个叶片或多个叶片(通常为三个叶片)安装到旋转轴，以及将发电机的转子与旋转轴耦接。发电机的转子可以直接与旋转轴耦接或者通过齿轮箱与旋转轴间接地耦接。
可将多个风轮机连接起来以形成风电场。因此，本发明进一步提供一种风电场，其包括在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网和多个如上所述的风轮机。并联连接将并联在一起的多个风轮机的各个功率变换器连接至供电网，并且表示将在每个功率变换器的滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号是由最高级电压指令信号和最高级电压反馈信号的比较产生的，其中最高级电压反馈信号是在并联连接连接到供电网的点处测量得到的。
优选地，每个单独的风轮机均包括电连接在相关功率变换器的滤波器和并联连接之间的升压变压器。风电场还可包括电连接在并联连接和供电网之间的升压变压器。可在电连接在并联连接和供电网之间的升压变压器的供电网侧或者并联连接侧测量最高级电压反馈信号。
本发明进一步提供一种对功率变换器进行操作的方法，该功率变换器可用于对发电机和供电网进行对接，该发电机提供可变频率下的可变电压，该供电网在标称固定电压和标称固定频率下操作，该功率变换器包括：
第一有源整流器/逆变器，其与发电机的定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；
第二有源整流器/逆变器，其包括多个半导体功率开关器件；
直流链路，其连接在第一有源整流器/逆变器和第二有源整流器/逆变器之间；
滤波器，其连接在第二有源整流器/逆变器和供电网之间，该滤波器包括电网端；
用于第一有源整流器/逆变器的第一控制器；以及
用于第二有源整流器/逆变器的第二控制器；
其中该方法包括以下步骤：
第一控制器使用表示了期望直流链路电压的直流链路电压指令信号来控制第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件，从而获得与直流链路电压指令信号对应的期望水平的直流链路电压；以及
第二控制器使用表示了将从直流链路通过第二有源整理器/逆变器传递至供电网的功率的水平的功率指令信号、和表示了将在滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号来控制第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件，从而获得与功率和电压指令信号对应的期望水平的功率和电压。
该方法可包括如下概括的另外步骤。
当供电网电压偏离其标称状态时，第二控制器可使用对供电网电压的测量值来确定对从第二有源整流器/逆变器输出的功率的极限。
当供电网电压偏离其标称状态时，第二控制器还可使用对供电网电压的测量值来确定第二有源整流器/逆变器将要提供的电流水平，从而将电压支撑提供至供电网。
第一控制器可使用表示了要在发电机中达到的期望水平的磁通的磁通指令信号，将该磁通指令信号转换为针对第一有源整流器/逆变器的直轴电流指令信号，并且对第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制以产生达到了针对第一有源整流器/逆变器的期望直轴电流的定子电量。可根据发电机的一个或多个特性来执行将磁通指令信号转化为直轴电流指令信号的步骤。
第一控制器可将表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号，并且对第一有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制以产生达到了针对第一有源整流器/逆变器的期望交轴电流的定子电量。
在供电网电压暂降状态期间，第二控制器可将根据现行的供电网电压状态而变化的控制信号提供给第一控制器。第一控制器可将表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以确定直流链路电流指令信号，并且使用来自第二控制器的控制信号对直流链路电流指令信号进行限制以确定受限的直流链路电流指令信号。然后，第一控制器可使用受限的直流链路电流指令信号来确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号，因此，在供电网电压暂降状态期间，不从供电网提取电能。
作为选择，第二控制器可将根据现行的供电网电压状态而变化的控制信号和/或功率指令信号提供给第一控制器。然后，第一控制器的直流链路电压控制器将表示期望直流链路电压的直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以提供输出信号，该输出信号与控制信号相加以确定直流链路电流指令信号。然后，使用直流链路电流指令信号来确定针对第一有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。
第二控制器可将表示了将从直流链路通过第二有源整流器/逆变器传递至供电网的功率的水平的功率指令信号转换为针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号，并且对第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制以产生达到了针对第二有源整流器/逆变器的期望交轴电流的滤波器/供电网电量。
可通过用功率指令信号除以从滤波器的电网端上的电压导出的信号来执行上述将功率指令信号转化为交轴电流指令信号的步骤。作为选择，可通过用功率指令信号除以从滤波器的电网端上的电压导出的信号的滤波后的形式来将功率指令信号转化为交轴电流指令信号。
在功率变换器的启动和正常操作状态期间，第二控制器可使用表示期望直流链路电压的另一直流链路电压指令信号，并将该另一直流链路电压指令信号和直流链路电压反馈信号进行比较以确定未限制的交轴电流指令信号，并且对该未限制的交轴电流指令信号限制为由从功率指令信号导出的限制信号所确定的值以确定针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号。
该方法还可进一步包括将未限制的交轴电流指令信号与交轴电流前馈信号进行相加的步骤，其中交轴电流前馈信号由下列信号得出：表示发电机功率的信号、在滤波器的电网端上测量到的电压反馈信号、和根据现行的供电网电压状态而变化的增益信号。
可将表示发电机功率的信号从第一控制器提供给第二控制器。作为选择，用表示发电机功率的信号减去第一控制器的直流链路电压控制器的PI控制器的输出，并将该结果提供给第二控制器，并且第二控制器仅仅在供电网电压暂降状态期间使用该结果。
在供电网电压暂降状态期间，第二控制器可根据现行的供电网电压状态来对从功率指令信号导出的限制信号进行修改。在与供电网暂降状态相关的描述中使用了词语“暂降”，这指的是一种由于对称或非对称电网故障状态使得供电网电压降到其标称值以下的情况。
直流链路可包括电容器，以及功率变换器可进一步包括电流传感器，电流传感器用于检测流入电容器的电流并且提供输出信号。在这种情况下，该方法可进一步包括以下步骤：用由表示发电机功率的信号所导出的信号减去电流传感器的输出信号以提供推断信号，将该推断信号与第一控制器的直流链路电压控制器的输出相加从而确定了针对第一有源整流器/逆变器的直流链路电流指令信号。作为选择，该方法可进一步包括以下步骤：用由表示发电机功率的信号所导出的信号减去电流传感器的输出信号以提供一个信号，将该信号进行滤波并且将其与第一控制器的直流链路电压控制器的输出相加从而确定了针对第一有源整流器/逆变器的直流链路电流指令信号。
作为选择，功率变换器可进一步包括用于测量直流链路电压并且提供直流链路电压反馈信号的电压传感器，以及功率变换器还包括用于测量直流链路电压反馈信号的变化速率的装置。在这种情况下，该方法可进一步包括以下步骤：当直流链路电压反馈信号大于第一阈值并且直流链路电压反馈信号的变化速率大于第二阈值时，用预定因子对第一控制器的直流链路电压控制器的PI控制器的积分值进行修改。
在供电网电压暂降状态下，针对第二有源整流器/逆变器的交轴电流指令信号可由某个信号的受转换速率限制的形式导出，该信号由第二有源整流器/逆变器的功率极限额定值导出，该功率极限额定值根据现行的供电网电压状态来进行修改。
第二控制器可对用于表示将在滤波器的电网端上达到的电压水平的电压指令信号和在滤波器的电网端上测量到的电压反馈信号进行比较以确定针对第二有源整流器/逆变器的直轴电流指令信号，并且对第二有源整流器/逆变器的半导体功率开关器件进行控制以产生达到了针对第二有源整流器/逆变器的期望直轴电流的滤波器/供电电网电量。
第二控制器可根据现行的供电网电压状态来修改直轴电流指令信号。
第二控制器可根据由直轴电流指令信号产生的信号来对误差信号进行修改，该误差信号由用于表示将在滤波器的电网端上达到的电压水平的电压指令信号和在滤波器的电网端上测量到的电压反馈信号之间的差值导致。
可导出表示发电机移动部分的速度的速度信号，并且使用该信号来得出功率指令信号。可通过一个或多个滤波函数对该速度信号进行修改，其中还可使用该一个或多个滤波信号来提供对任何轴或传动系共振的减振。
功率指令信号可由查找表或数学函数产生，修改后的速度信号形成了查找表的指针或计算数学函数所得出的值。功率指令信号还可与由速度信号的滤波后的形式导出的信号相加。
本发明还提供了一种对多个并联连接到供电网的如上所述的功率变换器进行操作的方法，该供电网在标称固定电压和标称固定频率下操作，该方法包括以下步骤：由最高级电压指令信号和最高级电压反馈信号的比较来导出用于表示将在每个功率变换器的滤波器的电网端上达到的电压的电压指令信号，其中最高级电压反馈信号是在并联连接与供电网的连接处测量得到的。该方法还可包括以下步骤：在电连接在并联连接和供电网之间的升压变压器的供电网侧或者并联连接侧，对最高级电压反馈信号进行测量。
本发明还提供了一种操作风轮机的方法，该风轮机包括提供了可变频率下的可变电压并且具有定子和转子的发电机、至少包括一个用于旋转发电机转子的叶片、和功率变换器，该功率变换器将发电机对接至在标称固定电压和标称固定频率下操作的供电网，该功率变换器包括：
第一有源整流器/逆变器，其与发电机的定子电连接并且包括多个半导体功率开关器件；
第二有源整流器/逆变器，其包括多个半导体功率开关器件；
直流链路，其连接在第一有源整流器/逆变器和第二有源整流器/逆变器之间；
滤波器，其连接在第二有源整流器/逆变器和供电网之间，该滤波器包括电网端；
用于第一有源整流器/逆变器的第一控制器；以及
用于第二有源整流器/逆变器的第二控制器；
其中，响应于风速的变化，该方法包括以下步骤：
对第二有源整流器/逆变器进行控制以改变从直流链路输出的功率水平，从而使直流链路电压从期望水平变化；以及
对第一有源整流器/逆变器进行控制以将足够的电流从发电机通过发电机桥输入至直流链路中，从而使直流链路电压恢复至期望水半。

附图说明

图1是示出了根据本发明的功率变换器是如何用于在驱动变速发电机的风轮机和固定频率的电力网之间进行连接的示意图；
图2是示出了图1的发电机桥(有源整流器)的更详细的直流链路控制的示意图；
图3是示出了图1的发电机桥(有源整流器)的更详细的电流控制的示意图；
图4是示出了图1的网桥(逆变器)的更详细的功率控制的示意图；
图5是示出了图1的网桥(逆变器)的更详细的电流控制的示意图；
图6是示出了并联在一起的根据本发明的多个功率变换器是如何与供电网连接从而形成风电场的示意图；
图7是示出了整个风电场电压控制的示意图；
图8是示出了根据本发明的第一可选功率变换器是如何用于在驱动变速发电机的风轮机和固定频率的电力网之间进行连接的示意图；
图9是示出了图8的发电机桥(有源整流器)的更详细的直流链路电压和辅助电流控制的示意图；
图10是示出了图8的网桥(逆变器)的更详细的功率控制、供电网电压控制和辅助电流控制的示意图；
图11是示出了根据本发明的第二可选功率变换器是如何用于在驱动变速发电机的风轮机和固定频率的电力网之间进行连接的示意图；
图12是示出了图11的发电机桥(有源整流器)的更详细的直流链路控制第一选择的示意图；
图13是示出了图11的网桥(逆变器)的更详细的功率控制的示意图；以及
图14是示出了图11的发电机桥(有源整流器)的直流链路控制的的更详细第二选择的示意图。

具体实施方式

功率变换器拓扑结构
参见图1，将概述功率变换器的基本拓扑结构。
功率变换器被用于在驱动变速交流感应发电机4的风轮机2和标称固定频率的电力网(标为NETWORK)之间进行连接。风轮机通常包括三个被安装在旋转轴上的涡轮叶片(一个涡轮叶片或两个涡轮叶片或多于三个涡轮叶片也是可行的)，并且用螺距致动器来控制涡轮叶片的螺距以便优化和/或限制捕获进入发电机4的风能。齿轮箱8用于将旋转轴连接至变速发电机4的转子。在某些情况下，转轴可直接与变速发电机的转子连接。这意味着转子的旋转速度根据风速变化，并且在发电机4的定子上获得的电压频率(称为“定子频率”)因此可在很宽的范围内变化。可将多个如图1的整体所表示的风轮机连接在一起，来定义风电场。
发电机4的端子与三相发电机桥10的交流端连接，其中在正常操作时，发电机桥10作为有源整流器来操作以便将电能提供给直流链路12。发电机桥10具有传统的三相两电平拓扑结构，其具有采用脉冲宽度调制策略来完全控制和调节的一系列半导体功率开关器件。然而，实际上，发电机桥10可具有任何适合的拓扑结构，诸如三电平中点箝位拓扑结构或多电平拓扑结构(例如，Foch-Maynard布置)。以下将详细描述用于控制半导体功率开关器件的门驱动指令信号的获得。
将发电机桥10的直流输出电压馈送给网桥14的直流端，在正常操作中，网桥14作为逆变器来操作。通过对发电机桥10进行控制来获得用于直流输出电压的基本控制。网桥14具有与发电机桥10类似的三相两电平拓扑结构，该拓扑结构具有采用脉冲宽度调制策略来完全控制和调节的一系列半导体功率开关器件。然而，实际上，网桥14可具有如上关于发电机桥10所讨论的任何适合的拓扑结构。对网桥14进行控制以满足两个基本目标，即有功功率和电网电压。以下将提供如何获得这种控制的详细描述。以下还将更详细地描述用于控制半导体功率开关器件的门驱动指令信号的获得。
如此处所述，有源整流(如发电机桥10操作的基本模式)是能量从三相发电机桥的交流端到直流链路的转换，而逆变(如网桥14操作的基本模式)是能量从三相网桥的直流链路到其交流端的转换。然而，易于理解的是，有时也可能必须或需要将发电机桥10操作为逆变器，以及将网桥14操作为有源整流器。例如，在启动期间，网桥14将作为有源整流器操作，以将来自供电网的电能提供至直流链路12。在出现电网电压暂降的情况时，发电机桥10可根据需要在有源整流器模式中操作或者在逆变器模式中操作，以便对直流链路12的电压进行控制。在电网电压暂降事件中，发电机桥10和网桥14的控制器(即发电机桥控制器18和网桥控制器46，以下将详细描述)的动作相互配合，从而不是从供电网获取电能，而是由于经历参数设置和电压暂降水平，功率变换器仍能将电能提供至供电网。
对于维护目的以及当风轮机以非常低的速度操作从而在电动机模式下操作发电机4时，这也是有利的。在这种情况下，电能可以从供电网通过作为有源整流器操作的网桥14和作为逆变器操作的发电机桥10提供至发电机4。
电感器16(以及其它可能的滤波器)对网桥14的交流输出电压进行滤波，并且通过升压变压器6将其提供至标称固定频率的电力网。可包括保护性的开关设备(未示出)，从而针对各种操作和非操作需求，提供与供电网的可靠连接以及将发电机系统与电力网隔离。
风电场拓扑结构
如上简短地提到，将多个图1的整体所表示的风轮机连接在一起，以定义风电场。这在图6中被示意性地示出，其中通过并联连接72，多个功率变换器1a至1d与标称固定频率的供电网(标记为NETWORK，电网)连接。每个功率变换器1a至1d均包括滤波器16a至16d和升压变压器6a至6d。在并联连接72和供电网之间还提供了另外的风电场升压变压器74。图6示出了如何在风电场升压变压器74的并联连接侧(标记为WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A，风电场电压反馈A)或在供电网侧(标记为WIND FARM VOLTAGE FEEDBACKB，风电场电压反馈B)测量风电场电压反馈信号，以下参考图7将对该风电场电压反馈信号给予更详细的描述。在风电场升压变压器74的供电网侧上对最高级电压反馈信号进行测量的优点是：在并联连接侧上的测量会受到在升压变压器上的调节的影响。因此，如果在供电网侧进行测量，则消除了这种调节影响。可选择地，使用在并联连接侧对风电场电压反馈信号的测量值、风电场升压变压器74的特性和通过风电场升压变压器的电流的幅度和角度，可以计算出在供电网侧对风电场电压反馈信号的测量值。
发电机桥控制
参见图1至3，现在将描述发电机桥10的控制。
发电机桥控制器18接收直流链路电压指令信号VDC_GEN*和表示直流链路电压的电压反馈信号VDC_FB。用VDC_GEN*减去VDC_FB并且将差值提供至具有可变积分增益Ki和比例增益Kp输入端的PI控制器20，以提供直流链路电流指令信号IDC_GEN*，该信号是流入直流链路12以满足现行的操作状态所需的有效电流。则在电网故障状态期间，从网桥控制器46(见下文)提供的信号IDC_LIM对直流链路电流指令信号IDC_GEN*进行限制，以形成信号IDC_GEN*_LIM。为了将受限的直流链路电流指令信号IDC_GEN*_LIM转换为与发电机相电流相关的交轴电流指令信号IQ_GEN*，则首先将受限的直流链路电流指令信号IDC_GEN*_LIM与电压反馈信号VDC_FB相乘，以提供功率信号POWER_GEN。然后在IQ_GEN*计算器功能模块92中，通过以下公式将功率信号POWER_GEN转化为交轴电流指令信号IQ_GEN*：
$\mathrm{IQ}\_{\mathrm{GEN}}^{*}=\frac{\left(\frac{\mathrm{POWER}\_\mathrm{GEN}}{\sqrt{3}}\right)-(\mathrm{VD}\_\mathrm{FF}\times \mathrm{ID}\_{\mathrm{GEN}}^{*})}{\mathrm{VQ}\_\mathrm{FF}}$
其中VD_FF是图2的电流控制器20内的正向电压的前馈分量，ID_GEN*是从饱和特性功能模块32提供的直轴指令电流，VQ_FF是电流控制器26内的交轴电压的前馈分量。
交轴电流指令信号IQ_GEN*由限制器函数进行限制，从而保持在发电机特性的未烧穿(non-breakout)区域内，并且保持在发电机桥和网桥的电压和电流额定值内。基于机器等效电路参数、传动额定值参数和要求的操作速度范围来进行离线计算从而确定了该极限，从而创建了嵌入在功能模块22内的查找表。在功率变换器操作期间，通过用转子速度反馈信号N(或观测到的转子速度信号)对得到的查找表进行访问，并且将得到的信号作为IQ_GEN*限制器功能模块24的极限值，从而使用了得到的查找表。然后，将得到的受限的交轴电流指令信号IQ_GEN*_LIM提供至电流控制器26(以下将对其进行详细描述)。还利用受限的交轴电流指令信号IQ_GEN*_LIM来确定差频WS，将差频WS应用于发电机4以获得从发电机至直流链路12的必须的功率通量(power flow)。使用以下函数来确定差频WS：
$\mathrm{WS}=\frac{\mathrm{IQ}\_{\mathrm{GEN}}^{*}\_\mathrm{LIM}\times \mathrm{RR}\times \mathrm{LM}}{{\Phi }^{*}\times \mathrm{LR}}$
其中RR是转子电阻，LM是磁化电感，Φ*是发电机磁通指令信号，LR是转子漏电感。
对差频WS进行积分以提供输出θS，其为偏离角。对来自速度观测器28的输出进行积分将提供θR，其为观测到的转子角。(可通过采用增量编码器或类似器件对转子位置进行直接测量来代替观测器功能模块28。)那么偏离角θS加转子角θR的总和可确定转子磁通角θO。在转子磁通角θO处，直轴电压VD和交轴电压VQ的组合将通过脉宽调制发生器30应用在定子端。以下将对此进行更详细地描述。应该注意，对于同步发电机，不需要对差频进行定义和积分的步骤。
将发电机磁通指令信号Φ*(根据所要求的系统特性，可以是恒定的或是可变的)应用于包含发电机磁化电感的饱和特性的功能模块32。饱和特性可以这样确定，即，要么当发电机处于工作状态时通过直接测量来确定饱和特性，要么通过从发电机的工厂测试结果提取数据来确定饱和特性。饱和特性功能模块32的输出是磁化电流信号，并且它变成应用于电流控制器26的直轴电流指令信号ID_GEN*。对于同步发电机，每种速度和负载状态所需的发电机端子电压确定了直轴电流指令信号。通过调节供给同步发电机的直轴电流指令信号，发电机桥10的操作可修改激励，从而针对每个操作状态优化端电压和整体发电机的效率。
用于发电机桥10的电流控制器26包括两个调节器，一个在直流轴中操作，一个在交流轴中操作。总的来说，电流控制器26在与转子磁通角对准的同步坐标系中操作。图3示出了发电机桥10的总的直轴和交轴电流调节器。
除了受限的交轴电流指令信号IQ_GEN*_LIM和直轴电流指令信号ID_GEN*之外，还向电流控制器26提供了交轴电流反馈信号IQ_GEN和直轴电流反馈信号ID_GEN，这两个信号是由发电机相电流IU、IV和IW的测量值产生的。采用组合的Clarke/Park变换模块34来实现从静止坐标系中的三相分量到同步坐标系中的直轴/交轴分量的转换。变换采用转子磁通角θO用于转换。从图3可看出，电流控制器26还接收以下另外的信号：发电机磁通指令信号Φ*(根据所要求的系统特性，可以是恒定的或是可变的)和发电机定子频率WO。定子频率WO是由差频加上转子频率的总和计算出来的。转子频率是从观测到的转子速度和发电机的极数推导出来的。
电流控制器26通过下述过程来进行操作：将直轴电流指令信号ID_GEN*和直轴电流反馈信号ID_GEN进行比较，以及将受限的交轴电流指令信号IQ_GEN*_LIM和交轴电流反馈信号IQ_GEN进行比较，并且将得到的误差应用于独立的PI控制器。然后，将PI控制器的输出与交叉耦合信号进行相加，从而分别产生直轴和交轴的总输出电压VD_GEN*和VQ_GEN*，其中交叉耦合信号是由电流指令和机器参数的乘积推导出来的。交叉耦合项在图3中被示出，并且其仿真了稳态下用于发电机4的标准电压方程。参见交叉耦合项，δLS是发电机定子漏电感，RS是发电机定子电阻。
使用坐标转换器38来将来自电流控制器26的最终电压输出VD_GEN*和VQ_GEN*从笛卡尔坐标转换为极坐标。根据以下方程式计算出总电压幅度V_GEN*：
$V\_{\mathrm{GEN}}^{*}=\sqrt{(\mathrm{VD}\_{\mathrm{GEN}}^{{*}^2}+\mathrm{VQ}\_{\mathrm{GEN}}^{{*}^2})}$
并且将其提供至门驱动指令信号控制器36。总电压幅度V_GEN*和交轴电压VQ_GEN*之间的夹角为θ_GEN，并且它是由如下的VD_GEN*/VQ_GEN*的反正切计算出来的：
$\theta \_\mathrm{GEN}=\arctan \left(\frac{\mathrm{VD}\_{\mathrm{GEN}}^{*}}{\mathrm{VQ}\_{\mathrm{GEN}}^{*}}\right)$
将总电压幅度V_GEN*和交轴电压VQ_GEN*之间的夹角为θ_GEN被加到转子磁通角θO以确定一个角度，在该角度时将总电压加载到发电机4的定子端。
在脉宽调制(PWM)发生器30中，使用总电压幅度V_GEN*、角θ_GEN加θO的总和、以及脉宽调制频率来计算产生发电机桥10的各个信号UU、UL、VU、VL、WU和WL的用于三相U、V和L的各个上(U)和下(L)门驱动指令信号。还将直流链路电压反馈信号VDC_FB作为因素计入这些PWM计算中。当独立的控制器被分别用于发电机桥10和网桥14时，可独立地导出直流链路电压反馈信号VDC_FB。当发电机桥10和网桥14在物理上彼此距离很远并且在每个桥的直流链路电容之间存在相当大的电感时，这是尤其必要的。那么，在独立导出的直流链路电压反馈信号被提供给每个桥的情况下，易于理解的是，应该进行下列替换：
对于发电机桥10：VDC_FB＝VDC_FB_GEN
对于网桥14：VDC_FB＝VDC_FB_NET
电流控制器26还产生表示发电机功率POWER_FF的功率前馈信号，其由下列公式计算出来：
$\mathrm{POWER}\_\mathrm{FF}=\sqrt{3}(\mathrm{VQ}\_{\mathrm{GEN}}^{*}\times \mathrm{IQ}\_\mathrm{GEN}+\mathrm{VD}\_{\mathrm{GEN}}^{*}\times \mathrm{ID}\_\mathrm{GEN})$
该信号被用作网桥控制器46的反馈信号。
网桥控制
参见图1和图4至图7，现在将描述网桥14的控制。该控制基于电压控制方案，并且该控制不同于如上所述的功率因数角控制方案和在传统功率变换器中使用的无功功率控制方案。
电压控制方案包括两级控制。参见图7，第一级是在风电场级定义的，其响应于风电场电压指令信号，该风电场电压指令信号通常是由控制风电场的公用事业公司设置的。将风电场电压指令信号和风电场电压反馈信号进行比较，并且将两个信号之间的误差应用于比例积分控制器40，以定义涡轮电压指令信号VTURB*，该信号被传输至风电场中的所有风轮机T1至TN。然后，控制的第二级被应用于每个单独的风轮机，从而响应于涡轮电压指令信号VTURB*来调节其自身的输出电压。
参见图4，在风电场的每个风轮机中，在求和节点42中，将涡轮电压指令信号VTURB*和交轴电压辅助反馈信号VQ_NET(见以下)进行比较，其中交轴电压辅助反馈信号VQ_NET是根据在电感器16的电网侧的三相电压测量推导出来的。将这两个信号之间的差值馈送至PI控制器44，以形成无功电流指令信号ID_NET*，经由限制模块66将该信号提供至以下将详细描述的电流控制器58。
还通过比例增益控制器48，将无功电流指令信号ID_NET*馈回求和节点42，以进一步修改电压差信号。这有助于提供下垂特性，因此，当多个并联在一起的风轮机通过不同的连接阻抗与风电场变压器连接时，在每个风轮机之间分配的无功电流将更平衡。根据现场电网配置，可调节下垂增益，以给出风轮机之间的足够电流平衡并且遵守额定限制。将极限分别应用于直轴和交轴电流指令信号ID_NET*和IQ_NET*，如下文对于电网电压暂降状态所述。
电压控制方案按照如下方式和网桥控制器46相结合。网桥控制器46具有5个基本输入信号和7个基本反馈信号，并且网桥控制器46使用这些信号来获得门驱动指令信号以控制网桥14中的半导体功率开关器件的操作。
输入信号包括用于网桥的直流链路电压指令信号VDC_NET*、功率输出指令信号P*、涡轮电压指令信号VTURB*、定义驱动电流额定值的参数DRIVE RATING和功率前馈信号POWER_FF，其中功率前馈信号POWER_FF是由发电机桥控制器18提供的，其表示发电机功率。反馈信号包括三相电压测量结果VRY、VYB和VBR(即在所谓的红(R)、黄(Y)和蓝(B)输出线路上取得的电压测量结果，这些输出线路将电能从网桥14提供至电网)，三相电流测量结果IR、IY和IB，以及表示直流链路电压的电压反馈信号VDC_FB。反馈信号被用于在直轴和交轴上导出用于网桥14的以下电压和电流辅助反馈信号：VD_NET、VQ_NET、ID_NET和IQ_NET。另外，在电网故障状态期间，控制信号IDC_LIM从网桥控制器46传递至发电机桥控制器18以允许快速功率减小和控制器之间的协调控制。在这种电网故障状态期间，在网桥和发电机桥之间分配直流链路电压控制，从而使得没有有功功率从供电网提取，并且实现需要的供电网电压支撑和功率输出要求。
功能模块68结合锁相环(PLL)系统以获得信号θMAINS，其是电力网电压角的测量值。
直流链路电压指令信号VDC_NET*仅仅需要满足启动要求，以在无风状态期间维持与电网的连接，并且在电网故障条件期间允许发电机桥控制器18和网桥控制器46之间的直流链路电压的快速协调控制。在操作中，用直流链路电压指令信号DC_NET*减去电压反馈信号VDC_FB，并且将结果应用于PI控制器50以确定信号VDC_PI_IQ_NET*。在功能模块71中，由功率前馈信号POWER_FF、代表电网电压的信号VQ_NET和作为限制模块66输出的增益信号PFF_GAIN计算出表示输出瞬时发电机功率所需要的交轴电网电流的信号IQ_FF。然后，这个信号被加到信号VDC_PI_IQ_NET*以产生未限制的信号IQ_NET*。由P*/VQ_NET中的较小的一个所驱动的限制器函数(限制器功能模块52)或由电网电压暂降要求所产生的极限来对得到的信号进行限制。
参见图1，由速度传感器54(或可选地由观测到的转子速度信号)导出转子速度反馈信号N，然后对其进行滤波以提供第一滤波速度信号N′和第二滤波速度信号N′2。第二滤波速度信号N′2通过阻尼增益KD为所有轴共振提供了阻尼。第一滤波速度信号N′向功率指令相对于滤波速度的预先计算出来的查找表56提供了指针。可将查找表与PI控制器结合起来。将得到的功率输出指令信号P*(它是阻尼和查找表功率指令信号的和)应用于如图1所示的网桥控制器46。更具体地说，在正常操作状态下，功率输出指令信号P*除以交轴电压辅助反馈信号VQ_NET，从而变为用于交轴电流指令信号IQ_NET*的限制信号。作为选择，可通过用功率输出指令信号P*除以交轴电压辅助反馈信号VQ_NET(其是由电感器16的电网端的电压导出的)的滤波后的信号，来将功率输出指令信号P*转换为交轴电流指令信号IQ_NET*。
将受限的正交电流要求信号IQ_NET*_LIM(其为限制器功能模块52的输出)输入电流控制器58。用于网桥14的电流控制器58包括两个调节器，一个在直轴上操作，一个在交轴上操作。总的来说，电流控制器58在与交轴电网电压VQ_NET对准的同步参考系中操作。图5示出了网桥14的总的直轴和交轴电流调节器。
除了受限的交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM和受限的直轴电流指令信号ID_NET*_LIM(它是限制模块66的输出)之外，电流控制器58还被提供了由网桥相电流IR、IY和IB的测量值导出的交轴电流反馈信号IQ_NET和直轴电流反馈信号ID_NET。使用组合的Clarke/Park变换模块70来实现将静止坐标系中的三相分量转换为同步坐标系中的直轴/交轴分量。变换使用了电网电压角θMAINS来进行转换。
电流控制器58通过下述过程来进行操作：将受限的直轴电流指令信号ID_NET*_LIM和直轴电流反馈信号ID_NET进行比较，以及将受限的交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM和交轴电流反馈信号IQ_NET进行比较，并且将得到的误差应用于各自的PI控制器。然后，将PI控制器的输出与交叉耦合信号进行相加，从而分别产生直轴和交轴的总输出电压VD_NET*和VQ_NET*，其中交叉耦合信号是由电流指令和电网侧电路阻抗值的乘积获得的。交叉耦合项在图5中被示出，并且其仿真了稳态下用于整个电网电路的标准电压方程。参见交叉耦合项，LN是电网滤波电感，WN是电网电压波形的频率。
使用坐标转换器64将来自电流控制器58的最终电压输出VD_NET*和VQ_NET*从笛卡尔坐标转换为极坐标。根据以下方程式计算出总电压幅度V_NET*：
$V\_{\mathrm{NET}}^{*}=\sqrt{(\mathrm{VD}\_{\mathrm{NET}}^{*2}+\mathrm{VQ}\_{\mathrm{NET}}^{*2})}$
并且将其提供至门驱动指令信号控制器62。总电压幅度V_NET*和交轴电压VQ_NET*之间的夹角是θ_NET，并且它是由如下的VD_NET*/VQ_NET*的反正切计算出来的：
$\theta \_\mathrm{NET}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{VD}\_\mathrm{NET}}^{*}}{{\mathrm{VQ}\_\mathrm{NET}}^{*}}\right)$
将总电压幅度V_NET*和交轴电压VQ_NET*之间的夹角θ_NET与电网电压角θMAINS相加以确定一个角度，在该角度时网桥14将总电压加载到总电网侧电路。
在脉宽调制(PWM)发生器60中，使用总电压幅度V_NET*、角θ_NET加θMAINS之和、以及脉宽调制频率来计算出产生网桥14的各个信号RU、RL、YU、YL、BU和BL的用于三相R、Y和B的各个上(U)和下(L)门驱动指令信号。还将直流链路电压反馈信号VDC_FB作为因素计入这些PWM计算中。当独立的控制器被分别用于网桥14和发电机桥10时，可独立地导出直流链路电压反馈信号VDC_FB。当发电机桥10和网桥14在物理上彼此距离很远并且在每个桥的直流链路电容之间存在相当大的电感时，这是尤其必要的。那么，在独立导出的直流链路电压反馈信号被提供给每个桥的情况下，易于理解的是，应该进行下列替换：
对于网桥14：VDC_FB＝VDC_FB_NET
对于发电机桥10：VDC_FB＝VDC_FB_GEN
在出现电网电压暂降的情况下，限制模块66基于其温度限制对可从网桥14获得的电流在交轴和直轴上的各自分配进行计算，并且还计算最大发电机直流链路电流IDC_LIM。从网桥控制器46提供至发电机桥控制器18的信号IDC_LIM被用于快速设置电流水平，发电机桥10可将该电流水平提供给中间直流链路12。
在给出有功或无功电流输出的优先级和要求作为暂降大小的函数的无功电流的百分比的各种电网编码内，存在不同的要求。换句话说，功率变换器的性能取决于在不同国家或地区中是如何为了操作而进行参数设置的。
总的来说，该功率变换器的操作从根本上来说不同于上述的传统功率变换器的操作，这是因为在电网电压暂降期间，通过直接控制来自发电机4的功率通量，该功率变换器保持了对直流链路12的控制。通过在电网电压暂降期间保持对直流链路电压的控制，从而可以保持从网桥14输出的要求的无功电流，以满足供电网的电压支撑要求。
在电网电压暂降期间，网桥直流链路电压控制器(PI控制器50和前面的求和节点的组合)成为功率变换系统的主机，并且在电网电压暂降大小的基础上，其将功率极限信号和直流链路电流极限信号两者分别分配给网桥14和发电机桥10两者链路。
被应用于网桥14的功率参考(power referencing)确定了来自直流链路12的功率输出。由于从直流链路12输出了更多功率(以对其进行放电)，那么发电机桥10将对此起反应从而将从发电机4取出更多电能来回填直流链路。这与传统的四象限功率变换器完全相反，在传统的四象限功率变换器中，作为被应用于发电机桥的转矩指令的结果，电能被载入直流链路以增大直流链路电压。然后，当直流链路电压超过网桥电压指令时，由网桥控制器的操作来确定输出至电网的功率。
功率变换器的操作
以上功率变换器拓扑结构的一个可行的操作实现如下。起动时，将直流链路电压指令信号VDC_NET*设置为1050伏。启动网桥14中的半导体功率开关器件，并且在网桥控制器46的控制下，将直流链路电压提升至1050伏。这几乎总是需要电能从供电网输入直流链路12，因此，在这个起动状态中，交轴电流指令输出信号IQ_NET*将导致功率通量进入直流链路。
同时，将应用于发电机桥功率控制器18的直流链路电压指令信号VDC_GEN*设置为1100伏。
假设风正在吹并且风轮机2正在旋转，那么当启动发电机桥10时，它将控制直轴电流ID_GEN来为现行速度状态实现发电机4中必需的磁通量，并且在发电机桥10的控制下调节交轴电流IQ_GEN以实现1100伏的直流链路电压的目标。
随着直流链路电压增大到达到1100伏目标，其将超过用于网桥14的直流链路电压指令信号VDC_NET*。结果是，当用电压反馈信号VDC_FB减去直流链路电压指令信号VDC_NET*时，由网桥控制器46导出的误差信号将使电能从直流链路12传递进入供电网，由功率输出指令信号P*导出的信号限制(限制器功能模块52)了这个功率传递的大小。对速度传感信号N进行滤波，以提供第一滤波速度信号N′和第二滤波速度信号N′2。应用于第二滤波速度信号N′2的阻尼增益KD提供了涡轮机传动系中的轴共振的阻尼。第一滤波速度信号N′被用作预先计算出来的P*相对于N′的查找表56的指针。将由查找表56获得的功率输出指令信号P*应用于用于网桥14的功率控制器46。用所应用的功率输出指令信号P*除以现行的正交轴电网电压VQ_NET以获得极限信号，将该信号应用于由用于网桥14的直流链路电压指令信号VDC_NET*导出的交轴电流指令输出信号IQ_NET*。
在电网电压暂降事件中，将根据特定电网编码的要求(针对这些要求对风轮机进行参数设置)来确定额定输出功率(VA)在网桥控制器46的有功和无功轴上的分配。由现行电压V_NET(由电网电压反馈电路进行测量所得)和电网逆变器过载电流额定值I_OVERLOAD计算出视在功率极限。更具体的：
$\mathrm{ApparentPowerlimit}=\sqrt{3}(V\_\mathrm{NET}\times I\_\mathrm{OVERLOAD})$
在图4中，所输入的驱动额定值相当于上述方程中的I_OVERLOAD。
功率变换器以动态方式操作以适应风速的变化。例如，对于风速增大，风轮机2的旋转速度也将增大，因此将增大的功率输出指令信号P*提供至网桥控制器46。网桥控制器46使网桥14将更多电能从直流链路12输出至供电网。增加输出至供电网的电量将导致直流链路电压的下降。发电机桥控制器18通过直流链路电压控制器76(包括PI控制器20和前面的求和节点)的操作来响应直流链路电压的下降，以使发电机桥10从发电机4提取更多电能，从而将更多电流提供进入直流链路12，直到达到新的稳态(即，其中，从网桥14提供至供电网的电量等于从发电机4提供至发电机桥10的电量)。在这种稳态中，直流链路电压已经与直流链路电压指令信号VDC_GEN*匹配。对于风速减小，发生相反的控制操作。
在风速增大的相同状态期间，美国专利5083039中所描述的功率变换器修改了转矩指令信号，将该转矩指令信号提供至发电机桥控制器以使发电机转矩增大，并且因此增加了从发电机通过发电机桥至直流链路的功率通量。这将使直流链路电压增大。然后，网桥控制器通过其直流链路电压控制器的操作来响应直流链路电压的增大，以增加输出至供电网的电量，并且因此将直流链路电压降回其参考值。
因此，美国专利5083039描述了一种情况，其中响应于风速的增大，更多的功率通量从发电机通过功率变换器被“推”入直流链路，次级响应是将电能从直流链路通过网桥输出至供电网。然而，本发明的功率变换器以相反方式来操作，于是，响应于风速的增大，更多电能被网桥14“拉”出直流链路，次级响应是将功率从发电机4通过发电机桥10输入直流链路，以在直流链路中获得更多的电流。
可供选择的功率变换器拓扑结构
参见图8至14，将概括两个不同的可供选择的功率变换器装置的基本拓扑结构。可供选择的功率变换器非常类似于图1的功率变换器，并且对相同部分给予相同的标号。可供选择的功率变换器拓扑结构的目的是去除图1的功率变换器的一个或最多三个特性，即(i)用于网桥14的直流链路电压指令信号VDC_NET*及其相关的电压反馈信号VDC_FB和PI控制器50，(ii)由电桥控制器46提供并且在电网故障状态期间用于限制直流链路电流指令信号IDC_GEN*的信号IDC_LIM，以及(iii)由电流控制器26产生的功率前馈信号POWER_FF。
第一可供选择功率变换器拓扑结构仅去除了如下特性：用于网桥14的直流链路电压指令信号VDC_NET*、其相关的电压反馈信号VDC_FB和PI控制器50。其还通过用新的前馈信号IDC_FF来代替信号IDC_LIM来修改信号IDC_LIM的操作方式。修改过的功率前馈信号POWER_FF′保持激活，但是仅在供电网电压暂降状况期间网桥控制器46才会使用它。仅仅在这种情况下，用在另外一处所述的标准功率前馈信号POWER_FF减去直流链路电压控制器76的PI控制器20的输出，由此计算出修改过的功率前馈信号POWER_FF′。这在图9中被示出。修改过的功率前馈信号POWER_FF′连同与供电网电压暂降状态期间网桥14的IQ电容相关的信号(标记为IQ_CAPACITY)、功率极限POWER_LIMIT和与现行的电网电压VQ_NET的幅度相关的信号一起被用在网桥控制器46中，以计算出在供电网电压暂降状态期间使用的受限的交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM。
那么，在去除了用于网桥的直流链路电压指令信号VDC_NET*的拓扑结构中，可采用电网电压来使网桥14通电。直流链路电压是由电网电压的整流值确定的，该值标称为(即网桥14的交流端上的线电压)。这建立了直流电源，可由该直流电源获得诸如用于发电机桥控制器18和网桥控制器46的(多个)微处理器之类的辅助电路，和用于发电机桥10和网桥14的门驱动电能。然后，可获得直流链路电压以提供发电机4的磁通并且对其进行控制。
假设风正在吹并且风轮机2正在旋转，则发电机4可开始将电能提供至直流链路12，并且获得与直流链路电压指令信号VDC_GEN*相等的直流链路电压。
参见图8至图10，现在将描述第一可供选择功率变换器装置的基本拓扑结构。在这种结构中，发电机桥控制器18的直流链路电压控制器76在所有操作状态下都保持激活。在稳定状态下，通过包括来自网桥控制器46的前馈信号IDC_FF，使直流链路电压控制器76的PI控制器20内的积分项的作用变为最小。在供电网电压暂降状态中，响应于供电网电压的变化，前馈信号IDC_FF提供与发电机桥14将要提供的直流电量有关的信息。在功能模块90中计算出信号IDC_FF。通过包括这些特性，在供电网电压暂降状态期间，直流链路电压的变化变得最小。而且，使直流链路电压控制器76的PI控制器20内的积分项所要求的作用变为最小，并且因此在实际的直流链路电压中要求更小偏差，以将积分值增大或减小到能够获得稳态操作的正确值。
参见图11至图14，现在将描述第二可选择功率变换器装置的基本拓扑结构。在这种装置中，以如上所述的相同方式去除了网桥控制器46的直流链路电压。
参见图11和图12，现在将描述用于第二可选择功率变换器装置的发电机桥10的直流链路控制的第一选项。图1的功率变换器中的信号IDC_LIM的目的是将与现行电网电压状态和功率吞吐水平有关的关键信息传递到发电机桥控制器18。当功率吞吐能力被严格限制时，这在供电网电压暂降状态期间是尤其重要的。在可选择的功率变换器中，信号IDC_LIM被推断信号IDC_NET′代替，该信号仅被发电机桥控制器18所使用。
推断信号IDC_NET′是通过以下方程由发电机桥控制器18可获得的信息计算出来的：
$\mathrm{IDC}\_{\mathrm{NET}}^{\prime }=\left(\frac{\mathrm{POWER}\_\mathrm{FF}}{\mathrm{VDC}\_\mathrm{FB}}\right)-I\_\mathrm{CAP}$
在第二可供选择的功率变换器中，发电机功率信号POWER_FF是由如图3所示的发电机桥控制器18的电流控制器26使用如下公式获得的：
$\mathrm{POWER}\_\mathrm{FF}=\sqrt{3}({\mathrm{VQ}\_\mathrm{GEN}}^{*}\times \mathrm{IQ}\_\mathrm{GEN}+{\mathrm{VD}\_\mathrm{GEN}}^{*}\times \mathrm{ID}\_\mathrm{GEN})$
然而，发电机功率信号POWER_FF并未被提供至网桥控制器46，而是仅在推断信号IDC_NET′的推导中被发电机桥控制器18使用。(在此，POWER_FF具有与如图2所示的第一装置的POWER_FF相同的推导。在该说明书中，为了一致性，保持相同标记POWER_FF，然而该示例中的该信号不是字面上的功率前馈信号。)推断信号IDC_NET′被用来表示正被网桥14传输至供电网的有效直流电流，但是该信号是由发电机桥10的状态计算出来的。
用发电机功率信号POWER_FF除以电压反馈信号VDC_FB，该结果给出了正从发电机桥10提供至直流链路12的有效直流电流。
通过如下步骤实现对直流链路12中的大电容器82的电流充电(或放电)的测量：增加一个与大电容器并联的小电容器78、使用电流传感器80来测量小电容器中的电流，并且用与小电容器的电容和直流链路12的总电容的比值相关的因子来对所测量的电流进行重新调节。当大电容器82正在充电时，电流信号I_CAP的符号为正，当其正在放电时，电流信号I_CAP的符号为负。由于流进大电容器82的电流为切换波形(switched waveform)，所以在整个脉宽调制(PWM)期间对电流积分是必要的。
在图12所示的求和节点，推断信号IDC_NET′与直流链路电压控制器76的输出相加。
当出现供电网电压暂降状态时，在第一示例中，发电机桥10不知道网桥14不能再以之前的速度将电能传输至供电网。在从发电机4输入的电流和被输出至供电网的电流之间的剩余电流对大电容器82进行充电，并且被视为由电流信号I_CAP导出的大电容器充电电流上的增大信号。然后重新计算出信号IDC_NET′，并且信号IDC_NET′对被加到直流链路电压控制器76的输出上的信号进行修改，因此也就修改了供电网电压暂降状态期间从发电机4输入的实际功率。
在发电机桥10和网桥14的大直流链路电容被以相当大的距离分开的情况下，可能存在桥间电感，桥间电感在两个去耦大电容器之间产生共振。在这种情况下，小电容器78可由两个电容器和一个电感器组成的网络来代替，对两个电容器和一个电感器进行选择以实现与去耦大电容器的电容和桥间电感的组合产生的频率相同的共振频率。然后，当电流流入两个小电容器时测量电流，从而测量步骤抵消了它们之间的任何共振。
参见图13，现在将详细描述网桥14的功率控制。
IQ_CAPACITY是与驱动额定参数和现行电网电压VQ_NET相关的信号。应该理解，发电机桥10和发电机桥控制器18一起具有对于操作状态变化的有限响应时间。为了将此考虑进网桥控制器46中，信号IQ_CAPACITY的转换速率(slew rate)被限制以产生仅在供电网电压暂降状态期间应用的受限的交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM。调谐转换速率极限，使受限的交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM以与发电机桥10中的功率降低相同的速率降低。当供电网电压暂降状态期间出现的直流链路干扰变为最小时，转换速率极限被正确地调谐。
当DIP_DETECT＝1时(即，参考特定的电网电压状态和网桥控制器46的参数设置，通过限制模块86确定了供电网电压暂降状态的存在时)，开关84从转换速率限制器功能模块提取输出。否则，在正常操作状态中，当DIP_DETECT＝0时，则从现行电网电压VQ_NET和由图12所示的驱动参数所确定的最终功率极限POWER_LIMIT导出交轴电流指令信号IQ_NET*。由功率输出指令信号P*和现行电网电压VQ_NET所确定的箝位函数对交轴电流指令信号IQ_NET*进行限制。当DIP_DETECT＝0时，将箝位函数的输出应用于电流控制器58中作为交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM。
在供电网电压暂降状态期间，限制模块86将受限的直轴电流指令信号IQ_NET*_LIM提供至电流控制器58。在正常操作状态中，将直轴电流指令信号ID_NET*直接供给电流控制器58作为受限的直轴电流指令信号ID_NET*_LIM。
参见图11和14，现在将描述用于第二可选功率控制器装置的发电机桥10的直流链路控制的第二选项。
例如，如果功率变换器以总容量在操作，则直流链路电压控制器76的PI控制器20的积分将具有相当大的值。在不存在任何其它的控制特性时，在供电网电压暂降事件中，必须出现直流链路误差从而对积分值进行放电或复位。这种直流链路电压误差可能是正电压瞬变，由于有限的硬件电压限制，该瞬变具有出现直流链路过电压跳闸的风险。
在供电网电压暂降状态期间，表示直流链路电压的电压反馈信号VDC_FB的变化速率(由dVDC_FB/dt表示)比在功率变换器的正常操作期间所经历的变化速率大得多。如果dVDC_FB/dt大于阈值，则可以推断出某些事情影响了网桥14传输功率的能力，这件事情可能是供电网电压已经降低的情况。
图14所示的直流链路控制的第二选项是基于对电压反馈信号VDC_FB是否大于第一阈值(VDC_FB_THRESHOLD)和dVDC_FB/dt是否大于第二阈值(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)的确定，随后PI控制器20的积分值与小于1的值相乘，其中该值是由发电机桥控制器18的参数设置确定的。
如果这些阈值要求继续被超过，则将在连续的PWM扫描上应用相同的直流链路控制作用(即，其中单个PWM扫描代表控制程序的一次迭代)，从而跟着降低PI控制器20的积分值。
这两个阈值参数是基于以下知识：风轮机特征、正常操作期间的最大期望dVDC_FB/dt、和电网故障事件中的期望dVDC_FB/dt。用直流链路电容和驱动参数可计算出正常操作期间的最大期望dVDC_FB/dt。
可选择的功率变换器的操作
图11至图14所示的可选择的功率变换器的拓扑结构的一个可能的操作实现如下。在启动时，通过图11所示的变压器6的适合的预充电电路(未示出)来建立直流链路电压。在此时，网桥14中的半导体功率开关器件仍被禁用。
将应用于发电机桥功率控制器18的直流链路电压指令信号VDC_GEN*设置为1100伏。
假设风正在吹并且风轮机2正在旋转，那么当发电机桥10被启动时，其将控制直轴电流ID_GEN以实现针对现行速度状态的发电机4中的必要的磁通量，并且在发电机桥10的控制下，将调节交轴电流IQ_GEN以实现1100伏直流链路电压的目标。
功率输出指令信号P*被设置为0，并且涡轮电网电压控制器88(更具体地说为PI控制器44)的输出被箝位为0。在此时，启动网桥14的半导体功率开关器件。
在操作的正常模式中，其中在网桥14的交流端观测到的供电网电压处于正常极限内，则实施以下控制操作。对速度传感器信号N进行滤波，以提供第一滤波速度信号N′和第二滤波速度信号N′2。应用于第二滤波速度信号N′2的阻尼增益KD提供了涡轮传动系中的轴共振阻尼。第一滤波速度信号N′被用作预先计算出来的P*相对N′的查找表56的指针。将由查找表56获得的功率输出指令信号P*应用到网桥14的功率控制器46。用被应用的功率输出指令信号P*除以现行的交轴电网电压VQ_NET以获得限制信号。将该限制信号通过箝位函数应用到交轴电流指令信号IQ_NET*，以形成交轴电流指令信号IQ_NET*_LIM。
在此操作模式中，将交轴电流指令信号IQ_NET*设置为一个大于最大值的值(该最大值可由功率输出指令信号P*导出)，从而上述的阻尼函数保持激活。
在供电网电压暂降事件中，将根据特定电网编码的要求(针对这些要求对风轮机进行参数设置)来确定额定输出功率(VA)在网桥控制器46的有功轴和无功轴上的分配。
功率变换器拓扑结构的实际实施
可如下实施功率变换器拓扑结构。可使用具有适合的功率额定值的MV3000液冷式DELTA逆变器模块来实施发电机桥10和网桥14中的每一个。这是一个基于IGBT的电压源逆变器，其适合在能够产生1100V的直流链路电压的690V交流电网上操作。可使用MV3000DELTA控制器来实施发电机桥控制器18和网桥控制器46中的每一个。这是一个基于微处理器的电子控制器，其固件包含了用于实现上述功率控制方案所必需的功能。该微处理器在固定时基(有时被称为“扫描时间”)上操作，该时基与控制器的脉宽调制(PWM)频率相关。所有这些产品由Converteam Ltd of Boughton road，Rugby，Warwickshire，CV21 1BU来供应。
功率变换器拓扑结构的可能修改
如果由永久磁铁或绕组磁极式同步发电机来代替感应发电机，则可以用类似方式来布置上述的所提出的功率变换器。在采用绕组磁极式同步发电机的情况中，通常使用输入至发电机的附加场激励，以向主磁通提供被设置为0的直轴定子电流指令信号。对于高动态和/或磁场削弱情况，可将直轴定子电流指令信号设置为不同于0的值，以更快地调节发电机中的磁通。通常，发电机是三相机器，但是也可采用其它相数。还可将功率变换器布置为与多电平逆变器操作。而不是如上所述的两电平逆变器装置。
上述的控制器装置提出了两个独立的控制器，这两个独立的控制器用从发电机桥控制器18发送至网桥控制器46的控制信号来协同操作，反之亦然。同样适合的是，将所述控制器的功能集成到一个物理控制器。类似地，如果对于功率变换器的实际实施有利的话，可将该功能在多于两个控制器上扩展。