风力涡轮机转换器控制的制作方法

本发明涉及风力涡轮机转换器系统的领域，更具体地涉及被布置成甚至在风力涡轮机转换器系统的部分出现故障或低风速的情况下也维持风力涡轮机转换器系统的部分功率产生的风力涡轮机转换器系统。

背景技术：

ep2492504a1涉及对具有并联连接的转换器单元的风力涡轮机转换器系统中的(多个)转换器单元出现故障进行处理。在转换器单元出现故障的情况下，由有故障的转换器单元转换的功率分布在其它转换器单元当中，遵循其它转换器-单元的最大容量。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了控制满标度转换器系统的方法，满标度转换器系统用于转换由可变速度风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到配电网。转换器系统包括并联连接的发电机侧逆变器的串联连接和并联连接的电网侧逆变器的串联连接。发电机侧逆变器和电网侧逆变器的串联连接背对背地连接在它们的dc侧上以形成公共dc链路。处于串联连接的同一电压电平的发电机侧逆变器和电网侧逆变器形成至少第一和第二转换器串。发电机侧逆变器和电网侧逆变器在串联连接的逆变器之间的电压电平下分别形成发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点，其中电压中心点由中心线导体耦合在一起，其中该方法包括使用降额最大有功功率输出来执行转换操作，包括：

响应于第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个被禁用，禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生，或相应地减小第二转换器串的有功功率产生，从而防止沿着中心线的补偿电流。

根据第二方面，提供了用于转换由可变速度风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到配电网的满标度转换器系统。转换器系统包括转换器控制系统、并联连接的发电机侧逆变器的串联连接和并联连接的电网侧逆变器的串联连接。发电机侧逆变器和电网侧逆变器的串联连接背对背地连接在它们的dc侧上以形成公共dc链路。处于串联连接的同一电压电平的发电机侧逆变器和电网侧逆变器形成至少第一和第二转换器串。发电机侧逆变器和电网侧逆变器在串联连接的逆变器之间的电压电平下分别形成发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点，其中电压中心点由中心线导体耦合在一起。转换器控制系统被编程以使转换器系统利用降额最大有功功率输出来执行转换操作，包括：响应于第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个被禁用，禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生，或相应地减小第二转换器串的有功功率产生，从而防止沿着中心线导体的补偿电流。

本发明的可选实施例的一般描述

根据第一方面，提供了控制满标度转换器系统的方法，满标度转换器系统用于转换由可变速度风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到配电网。

满标度转换器将可变频率电流(其频率取决于风速)转换成固定频率电流(例如50hz电流)以馈送到电力网。电力网在本文中也被称为“配电网”或简单地被称为“电网”。

满标度转换器是将发电机的100％的可变频率ac功率输出转换(当不忽视转换损耗时)成馈送到电网中的固定频率ac有功功率的转换器。

满标度转换器系统包括并联连接的发电机侧逆变器的串联连接和并联连接的电网侧逆变器的串联连接。并联连接的发电机侧逆变器的串联连接例如耦合到发电机，而并联连接的电网侧逆变器的串联连接例如耦合到变压器。

发电机侧逆变器是将可变频率ac电流转换成dc电流的整流器，而电网侧逆变器用于将dc电流转换成固定频率ac电流。

因此例如，两个发电机侧逆变器彼此并联连接，其中处于第一电压电平的这些并联连接的逆变器串联连接到处于第二电压电平的两个其它发电机侧逆变器，这两个其它发电机侧逆变器彼此并联连接。

同样例如，两个电网侧逆变器彼此并联连接，其中处于第一电压电平的这些并联连接的逆变器串联连接到处于第二电压电平的两个其它电网侧逆变器，这两个其它电网侧逆变器彼此并联连接。

发电机侧逆变器和电网侧逆变器的串联连接背靠对地连接在它们的dc侧上以形成公共dc链路。

这个背对背连接例如通过连接处于同一电压电平的电网侧逆变器和发电机侧逆变器的串联连接的并联连接的逆变器的正电位导体和负电位导体来实现。

处于串联连接的同一电压电平的发电机侧逆变器和电网侧逆变器形成至少第一和第二转换器串。

因此例如，在正电位下操作的发电机侧逆变器在本文中也被称为第一转换器串的发电机侧逆变器，第一转换器串是例如正转换器串。正转换器串的这些发电机侧逆变器串联连接到在负电位下操作的并联连接的发电机侧逆变器，其在本文中也被称为第二逆变器的发电机侧逆变器，第二逆变器是例如负转换器串。

发电机侧逆变器和电网侧逆变器在串联连接的逆变器之间的电压电平下分别形成发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点。

通过将处于正电位的发电机侧逆变器的串联连接的发电机侧逆变器连接到处于负电位的串联连接的发电机侧逆变器，例如形成发电机侧电压中心点。

同样，通过将处于正电位的电网侧逆变器的串联连接的电网侧逆变器连接到处于负电位的串联连接的电网侧逆变器，例如形成电网侧电压中心点。

发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点由中心线导体电气地连接。

因而，连接到正电位导体以及连接到中心线导体的逆变器形成例如处于正电位的第一转换器串(正转换器串)。同样，连接到负电位导体以及连接到中心线导体的逆变器形成例如处于负电位的第二转换器串(负转换器串)。然而，“第一”和“第二”到正转换器串或负转换器串的分配是可互换的。

该方法包括利用降额最大有功功率输出来执行转换操作。

转换操作在本文中被称为将由风力涡轮机发电机产生的可变频率ac电流转换成固定频率ac电流以馈送到电网的操作。降额最大功率输出取决于所安装的转换器单元的实际数量，例如风力涡轮机转换器系统的最大有功功率输出的12.5％、25％或50％。

术语“最大有功功率输出”在本文中被用作例如由转换器系统的物理上限给出的有功功率输出的阈值。利用降额最大有功功率输出来执行转换操作因此是利用有功功率输出的减小的上限来执行转换操作。

利用降额最大功率输出来执行转换操作包括：响应于第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个被禁用，禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生。

当第一转换器串的电网侧或发电机侧逆变器被禁用时，第一转换器串的瞬时有功功率输出由所禁用的发电机侧或电网侧逆变器的瞬时有功功率输出减小。另外，第一转换器串的最大有功功率输出由所禁用的发电机侧或电网侧逆变器的最大有功功率输出减小。

响应于第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器或(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个被禁用，第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生例如有意被禁用，即，不是由于(多个)逆变器的故障，禁用第二转换器串的(多个)逆变器。这是也减小第二转换器串的瞬时有功功率输出以及最大有功功率输出的方式。

如果逆变器被禁用，则这个逆变器的有功功率产生也被禁用。

替代地，第二转换器串的有功功率产生相应地减小。

为了提供示例，第二转换器串的有功功率产生减小，使得第二转换器串的有功功率输出等于第一转换器串的减小的有功功率输出，其通过第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个被禁用而减小。

第二转换器串的最大有功功率输出因而例如由第一转换器串的被禁用的发电机侧逆变器的最大有功功率输出减小。

另外例如，第二转换器串的瞬时有功功率输出减小，以便等于由第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个减小的第一转换器串的第一转换器串的瞬时有功功率输出。

通过禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生或相应地减小第二转换器串的有功功率输出，防止沿着中心线导体的补偿电流。在没有这个禁用或减小的情况下，第一和第二转换器串的有功功率输出将是非对称的，并且将产生沿着中心线导体的补偿电流。

在发电机侧上和电网侧上的逆变器的串联连接的并联连接的上述布置中，第一和第二转换器串的非对称有功功率输出使补偿电流沿着中心线导体流动。

由两个转换器串的不相等的功率输出引起的补偿电流在极端情况下对应于第一和第二转换器串的最大有功功率输出之间的差异。因此，补偿电流在这个极端情况下对应于第一转换器串的至少一个转换器单元、被禁用的发电机侧和/或电网侧逆变器的最大功率输出。

补偿电流例如一般由第一转换器串的被禁用的发电机侧或电网侧逆变器的有功功率输出除以第一转换器串的dc链路电压(例如在电压中心点与正或负电位导体之间的电压)给出，无论哪一个都是这个第一转换器串的部分。

禁用例如与等于第一转换器串的减小的有功功率输出所需的一样多的第二转换器串的发电机侧或电网侧逆变器当在最大有功功率输出下操作时防止由这个转换器串的非对称有功功率输出引起的沿着中心线导体的补偿电流。

为了提供示例，响应于第一转换器串的一个发电机侧逆变器被禁用，具有等于第一转换器串的被禁用的发电机侧逆变器的有功功率输出的第二转换器串的发电机侧逆变器的有功功率产生也被禁用。

然而，为了以交替的方式防止补偿电流，第二转换器串的有功功率输出例如相应地减小，而不禁用第二转换器串的任何逆变器。这例如通过利用较低的有功功率输出目标值和第二转换器串的有功功率输出的下上限来执行转换操作的这些逆变器而实现。

在第二转换器串的逆变器的有功功率产生被禁用或相应地第二转换器串的有功功率输出减小之后，第一和第二转换器串被驱动以例如通过转换器系统控制器产生在降额最大功率产生下或以下的相等的有功功率输出，转换器系统控制器向它们提供相等的有功功率目标值。

在一些实施例中，响应于从发电机接收到低于降额最大有功功率输出的ac输入功率，通过禁用第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个并通过禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个来执行具有降额最大有功功率输出的转换操作。

当转换器单元通过对可变频率ac电流整流并将由此产生的dc电流转化为固定频率ac电流来执行转换操作时，这引起功率转换相关功率损耗。这些转换损耗通常取决于转换器单元的工作点。转换器单元的工作点处于其最佳状态(具有最低转换损耗的状态)，当它们接近于它们的最大有功功率输出操作时。因此，它们在实质上低于它们的最大功率转换容量的输入功率下的操作引起转换损耗，其与当它们接近于它们的最大有功功率输出操作时的转换损耗相比是高的。

相应地，当转换器系统从发电机接收到低于由例如低风速条件触发的降额最大有功功率输出的ac输入功率时，转换器系统利用降额最大功率输出来执行转换操作。

在这种情况下，通过禁用第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个并通过禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个来执行具有降额最大有功功率输出的转换操作，例如使得两个转换器串的最大有功功率输出是相等的，但然而是减小的。

例如通过关闭逆变器或通过关闭这些逆变器并将逆变器从它们到发电机或变压器的相应连接断开来禁用逆变器。另外，以这种方式禁用第二转换器串的逆变器的有功功率产生。

为了提供示例，配备有上述转换器系统的1mw风力涡轮机只从风力涡轮机发电机接收400kw输入功率，上述转换器系统包括具有由在每个转换器串中的转换器串的电网侧逆变器和发电机侧逆变器形成的两个250kw转换器单元的两个转换器串。在这种情况下，不是通过在转换器串中的两个转换器单元产生大约400kw有功功率，这个有功功率输出例如仅由第一转换器串的一个转换器单元和第二转换器串的仅仅一个转换器单元产生。

这例如通过禁用第一转换器串的一个250kw转换器单元的两个逆变器并相应地减小第二转换器串的功率输出、还通过禁用第二转换器串的一个250kw转换器单元的两个逆变器来实现。

不是利用能够产生1mw的有功功率输出的两个转换器串的四个转换器单元在线地转换400kw输入功率，而是利用能够产生500kw的有功功率输出的转换器串的仅仅两个转换器单元转换400kw输入功率。以这种方式，转换器系统的转换损耗减小了。具有降额最大有功功率输出的转换操作被执行，因为转换器系统的瞬时ac输入功率是仅仅400kw，并且因而低于这个风力涡轮机转换器系统的500kw的降额最大有功功率输出。

在一些实施例中，第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个由于故障而被禁用。

利用降额最大有功功率输出来执行转换操作由第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器或(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个的故障触发，因为逆变器由于严重的故障(当例如有故障的逆变器不再能够产生有功功率时)被禁用或响应于将允许有功功率产生在降低的水平下继续的故障(其然而对第一转换器串的其它逆变器可能是有害的)而主动被禁用。为了提供示例，利用降额最大有功功率输出来执行转换操作由于逆变器的温度已经太高而被触发，虽然它的有功功率产生仍然是至少部分地有作用的。

因此，响应于第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个由于故障而被禁用，第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生被禁用，或第二转换器串的有功功率产生相应地减小，如上所述。

在一些实施例中，响应于转换器串的电网侧逆变器被禁用，同一转换器串的发电机侧逆变器的有功功率产生也被禁用，并且当转换器串的发电机侧逆变器被禁用时，同一转换器串的电网侧逆变器的有功功率产生也被禁用。

当例如转换器串的电网侧逆变器遭受故障且因而被禁用时，转换器单元的发电机侧逆变器以及经转换的串的其它发电机侧逆变器的dc输出功率可能不再被转换为固定频率ac输出功率并由电网侧逆变器馈送到电网。这可导致在转换器串的其它电网侧逆变器上的过载，转换器串也可能由于这个过载遭受故障。因此，转换器串的发电机侧逆变器也被禁用，以便相应地减小馈送到dc链路的dc功率并从而防止这个效应。

如果转换器串的发电机侧逆变器进而遭受故障且因而被禁用，则电网侧逆变器可以不在最佳工作点下执行它们从dc输入功率到被馈送到电网中的ac有功功率输出的转换操作，因为它们接收dc输入功率，其例如由被现在禁用的发电机侧逆变器馈送到dc链路中的dc功率降低。

为了通过给电网侧逆变器供应接近它们的最大有功功率产生容量的dc电流来恢复电网侧逆变器的最佳工作点，例如转换器串的电网侧逆变器在那个转换器串的发电机侧逆变器的故障的情况下也被禁用。

通过在利用降额有功功率输出来执行转换操作时禁用第二转换器串的发电机侧和电网侧逆变器，当只有一个(第二转换器串的发电机侧或电网侧逆变器)被禁用时，转换操作在更好的工作点下被执行。情况就是这样，因为那个转换器串的未禁用的逆变器然后执行接近它们的最大有功功率输出的转换操作。

在一些实施例中，禁用电网侧或发电机侧逆变器的有功功率产生包括不再将脉冲宽度调制命令发送到禁用的发电机侧或电网侧逆变器。

逆变器一般包括绝缘栅双极型晶体管(igbt)开关，其由脉冲宽度调制(pwm)命令控制以便确定它们的断开和闭合时间以在某个电压、相位和频率下将ac电流转换成dc电流，反之亦然。

禁用逆变器包括例如停止这些pwm命令到这个逆变器的传输，以及关闭逆变器。

在一些实施例中，转换器系统包括在发电机侧逆变器的ac侧上的至少一个断路器，其用于通过断开发电机侧逆变器与发电机之间的连接来禁用发电机侧逆变器，并且转换器系统包括在电网侧逆变器的ac侧上的至少一个断路器，其用于通过断开电网侧逆变器与变压器之间的连接来禁用电网侧逆变器。

例如为每个发电机侧逆变器提供发电机侧断路器。断路器可以是例如机械开关。这些开关物理地断开从将转换器系统作为整体连接到发电机的电流路径分叉的电流路径，其中当被转换器控制系统要求时，这些分叉的电流路径是导致单个发电机侧逆变器的电流路径。

以相同的方式，例如为每个电网侧逆变器提供电网侧断路器。这些断路器物理地断开从将转换器系统作为整体连接到变压器的电流路径分叉的电流路径，其中这些分叉的电流路径是从单个电网侧逆变器到变压器的电流路径。

当转换器系统利用降额最大有功功率输出操作且故障出现时，发电机侧或电网侧断路器例如由故障传感器自动启动。如下面进一步所述的，这些传感器断开并因而禁用例如第一转换器串的有故障的电网侧或发电机侧逆变器中的至少一个并断开，且从而相应地禁用第二转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个。

替代地，这些断路器被启动以便断开发电机侧或电网侧逆变器，例如在当响应于例如如上所述的低风速条件在减小的最大有功功率输出下执行转换操作时关闭这些逆变器之后。

除了这些断路器以外，例如在通向转换器单元的(多个)电流路径中提供熔丝。这些熔丝在过电流的情况下断开所述电流路径，这可由于转换器单元的特定故障(例如在相应的转换器单元的发电机侧逆变器之一中的短路)而产生。

通过提供具有熔丝以及具有断路器的电流路径，可能在数秒内、即比对常规断路器可能的更快地断开电流路径(例如，如果损坏转换器系统的熔丝的过电流出现)。此外，这也使借助于断路器来断开转换器分支变得可能，如果由故障传感器检测到的另一类型的转换器故障出现。

在一些实施例中，通过下列操作中的至少一个检测(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个的故障：(ⅰ)比较在转换器串功率输入和转换器串功率输出处进行的(ⅰ)电流、(ⅱ)电压、(ⅲ)功率测量中的至少一个以及(ⅱ)通过测量逆变器的温度。

例如通过比较在转换器串功率输入和转换器串功率输出处进行的(ⅰ)电流、(ⅱ)电压、(ⅲ)功率测量中的至少一个来检测在转换器单元中的故障。因此，转换器串与发电机的连接点以及转换器串与变压器的连接点例如配备有(ⅰ)电流传感器、(ⅱ)电压传感器或(ⅲ)功率传感器中的至少一个。

在有故障的发电机侧或电网侧逆变器的情况下，例如在转换器串功率输入和转换器串功率输出处的电流、电压和/或功率测量的比较可以用作针对故障的指示器。

为了提供示例，如果转换器串输入电流测量与转换器串输出电流测量之间的差异超过给定阈值，例如流入电流的20％，则转换器串被表明为有故障的。替代地，当这样的测量例如产生在电流的时间平均流入和流出之间的明显差异而这个状态没有被任何控制命令要求时，转换器串被表明为有故障的。

并联连接的电网侧逆变器的电网侧逆变器和相同转换器串的并联连接的发电机侧逆变器的发电机侧逆变器可以被看作转换器串的转换器单元。

在降额最大有功功率输出下的转换操作可以例如用于识别转换器串的这样的转换器单元中的哪个包括有故障的发电机侧和/或电网侧逆变器。包括有故障的发电机侧和/或电网侧逆变器的这个转换器单元在下文中也被称为有故障的转换器单元。

当执行故障识别时，例如第一转换器串的至少一个转换器单元和第二转换器串的至少一个转换器单元(转换器单元具有实质上相等的最大有功功率输出)一次被禁用以例如一次仅利用第一串的一个转换器单元和第二转换器串的一个转换器单元来执行功率转换。

这个过程继续，直到超过在降额最大有功功率输出下的这个转换操作的给定阈值的在(ⅰ)电流、(ⅱ)电压和(ⅲ)功率输出值之间的差异出现为止。以这种方式，识别出有故障的转换器单元。

随后可以通过比较这些逆变器的温度与在逆变器的瞬时有功功率输出下的温度阈值来识别出转换器单元中的哪个逆变器是实际上有故障的。

在一些实施例中，通过测量逆变器的温度来检测逆变器的故障。

逆变器的温度例如也被采用为逆变器的故障的指示器。如果例如逆变器的半导体开关是有故障的且在逆变器内的交叉电流出现，则由有故障的逆变器接收的输入功率不被转换成ac/dc输出功率，但仅仅转换成热。

例如，逆变器的温度超过用于在某个功率目标下执行转换操作的给定上温度限制，逆变器被表明为有故障的，这例如响应于故障而触发在降额最大有功功率输出下的转换操作的上述执行。

在一些实施例中，相应地减小第二转换器串的最大有功功率输出包括将有功功率输出阈值设置为第一转换器串的最大有功功率输出。

响应于第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个被禁用，例如第二转换器串的有功功率输出相应地减小，即，使得第一和第二转换器串的瞬时有功功率输出以及最大有功功率输出相等。

由于第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器和(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个被禁用，这例如通过将由第二转换器串达到的有功功率目标值限制到第一转换器串的减小的瞬时有功功率输出并通过将第二转换器串的上有功功率产生阈值设置到第一转换器串的减小的最大有功功率输出来实现。

在一些实施例中，当在降额最大有功功率输出下执行转换操作时，无功功率产生仍然由电网侧逆变器提供，除非在第一转换器串的电网侧逆变器由于这个电网侧逆变器的故障而被禁用的情况下。

因此，当利用降额最大有功功率输出执行转换操作时只有转换器串的发电机侧逆变器被禁用，同时保持转换器串的电网侧逆变器在操作中。

因而当在降额最大有功功率输出下执行转换操作时所有的(多个)电网侧逆变器(假设它们不遭受故障)被保持在操作中。因此，例如只有第二转换器串的发电机侧逆变器的有功功率产生被禁用以防止补偿电流沿着中心线导体流动。

这通过被保持在操作中的电网侧逆变器使无功功率产生成为可能，虽然在降额最大有功功率输出下执行转换操作。

电网侧逆变器例如通过将由转换器串的未禁用的发电机侧逆变器产生的dc功率转换成无功功率来产生无功功率。

然而，电网侧逆变器也可以通过将所存储的能量(例如布置在负/正dc电位导体与中心连接线之间且从而与第一转换器串或第二转换器串相关联的电容器中)转换成无功功率来提供无功功率产生。因此，至少直到在dc链路中的存储元件被放电为止，可以实现完全无功功率产生，甚至在由于故障或当转换器系统被馈送低于降额最大有功功率输出的有功功率输出时发电机侧逆变器被禁用的情况下。

通过保持转换器单元的电网侧逆变器在操作中，当在降额最大有功功率输出下执行转换操作时，风力涡轮机转换器系统可以积极地参与调节电网电压并通过将无功功率注入到电网中来补偿在电网中的电压暂降。

在一些实施例中，转换器系统包括能量耗散单元，其当响应于第一转换器串的(ⅰ)发电机侧逆变器或(ⅱ)电网侧逆变器中的至少一个的故障而利用降额最大有功功率输出执行转换操作时耗散高于降额最大有功功率输出的由发电机产生的功率。

当第一转换器串的至少一个逆变器在它遭受故障时被禁用且转换操作因此利用降额最大有功功率输出被执行时，转换器系统可能不能够在不遭受损坏的情况下接收由发电机产生的这样的过多的功率。

为了防止这发生，当利用降额最大有功功率输出执行转换操作时由于故障，发电机的功率输出相应地减小。这例如通过使风力涡轮机的转子叶片避开风或由制动操作压制发电机的功率输出来实现，以便减小驱动发电机产生ac功率的发电机-轴的旋转速度，或例如由制动操作压制风力涡轮机本身。

因为例如执行倾斜操作所需的时间间隔至少在数秒的范围内，而过载的转换器系统在比几秒长得多的时间期间不能在不遭受损坏的情况下接收到过量的输入功率，转换器系统配备有耗散超过降额最大有功功率输出的由发电机产生的功率的所述能量耗散单元。

更精确地，这些耗散单元耗散由发电机产生的过多的功率作为第一对策，直到例如通过使风力涡轮机的转子叶片避开风来最后减小发电机的功率输出作为第二对策。

能量耗散单元例如被实现为例如具有几mω的电阻率的可切换的高欧姆电阻元件，其布置在从发电机通到转换器系统的电流路径中或在转换器系统的dc链路中。“可切换的”在该上下文中意味着在转换器单元中的故障被检测到之前，例如没有建立穿过这些电阻元件的电流，因为例如通向这些电阻元件的电流路径由闭合的开关中断，如果在转换器单元中的故障被检测到。

用作能量耗散单元的这样的可切换的电阻元件例如连接到从发电机通到转换器系统的电流路径，并因而设置在发电机与转换器系统之间。

在一些实施例中，能量耗散单元位于转换器系统的公共dc链路中。

在这些实施例中，第一/第二串的能量耗散单元例如连接到正/负电位导体以及到中心线导体，使得dc电流流过耗散单元，当它们例如通过闭合在通向所述耗散单元的电流路径中的物理开关而被启动时。

在不存在任何发电机侧逆变器的故障的情况下，如果有在转换器串的电网侧逆变器的故障，当能量耗散单元布置在例如dc链路中时，它们保护无故障的电网侧逆变器免于接收到过电流。

在一些实施例中，分别通过第一和第二单独发电机绕组从发电机给第一和第二转换器串的并联连接的发电机侧逆变器馈送可变频率ac电流。

因此，正转换器串的发电机侧逆变器由与给第二转换器串的发电机侧逆变器馈电的单独发电机绕组不同的单独发电机绕组馈电。单独发电机绕组彼此电绝缘。通过耦合输出ac电压和穿过正dc电平导体在第一发电机绕组中感应的电流并通过耦合输出ac电压和穿过负dc电平导体在第二发电机绕组中感应的电流并由中心线导体将第一转换器串连接到第二转换器串来实现在发电机侧上的第一和第二转换器串的串联连接。

在一些实施例中，第一和第二转换器串的并联连接的电网侧逆变器将分别穿过单独的第一和第二变压器绕组的固定频率ac电流馈送到配电网。

单独变压器绕组也彼此电绝缘。通过给第一变压器绕组馈送由电网侧逆变器通过转化来自正转换器串的正电位导体的dc电流而产生的ac电流并通过给第一变压器绕组馈送由电网侧逆变器通过转化来自第二转换器串的负电位导体的dc电流而产生的ac电流并由中心线导体将正转换器串连接到第二转换器串来实现在电网侧上的转换器串的串联连接。

在一些实施例中，至少一个发电机侧逆变器位于风力涡轮机的机舱中，并且至少一个电网侧逆变器位于风力涡轮机的塔的底部中。因此，机舱的重量减小，这进而减小应力和支撑机舱的塔架的偏转轴承的磨损。此外，因为每个逆变器也是热源，通过将电网侧逆变器放置在机舱外部来减小在作用于逆变器的热敏半导体部分上的机舱中的总体温度。

当电网侧和发电机侧逆变器以这种方式被远程地定位时，中心线导体、正电位导体和负电位导体从机舱沿着风力涡轮机的塔架延伸到风力涡轮机的塔架的基底。

根据第二方面，提供用于转换由可变速度风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到配电网内的满标度转换器系统。转换器系统包括转换器控制系统、并联连接的发电机侧逆变器的串联连接和并联连接的电网侧逆变器的串联连接。发电机侧逆变器和电网侧逆变器的串联连接背对背地连接在它们的dc侧上以形成公共dc链路。在串联连接的同一电压电平处的发电机侧逆变器和电网侧逆变器形成至少第一和第二转换器串。发电机侧逆变器和电网侧逆变器在串联连接的逆变器之间的电压电平下分别形成发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点，其中电压中心点由中心线导体耦合在一起。转换器控制系统被编程以使转换器系统利用降额最大有功功率分输出来执行转换操作，包括：响应于第一转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个被禁用，禁用第二转换器串的(ⅰ)电网侧逆变器和(ⅱ)发电机侧逆变器中的至少一个的有功功率产生，或相应地减小第二转换器串的有功功率产生，从而防止沿着中心线导体的补偿电流，其将由第一转换器串和第二转换器串的非对称有功功率输出引起。

转换器控制系统例如被编程以实行对上面所述的任何上述满标度转换器系统执行的上述方法中的任一种。

附图说明

现在也参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示意性地示出了配备有图2的转换器系统、在机舱中的发电机侧逆变器和在风力涡轮机的塔架中的电网侧逆变器的风力涡轮机。

图2是具有由公共dc链路耦合的并联连接的发电机侧逆变器的串联连接和并联连接的电网侧逆变器的串联连接的转换器系统的示意性电路图。

图3是具有被禁用的正转换器串的发电机侧和电网侧逆变器以及由第一转换器串和第二转换器串的非对称有功功率输出引起的补偿电流的图2的转换器系统的示意性电路图。

图4是图2的转换器单元的示意性电路图，其中负转换器串的发电机侧和电网侧逆变器以及正转换器串的发电机侧逆变器响应于正转换器串的电网侧逆变器由于故障被禁用而被禁用。

图5是图2的转换器单元的示意性电路图，其中负转换器串的发电机侧和电网侧逆变器以及正转换器串的电网侧逆变器响应于正转换器串的发电机侧逆变器由于故障被禁用而被禁用。

图6是图2的转换器单元的示意性电路图，其中负转换器串的发电机侧逆变器响应于正转换器串的发电机侧逆变器的故障而被禁用。

图7是在图2的风力涡轮机转换器系统中的故障检测方法的示意性方框图。

图8是响应于故障而利用降额最大有功功率输出来执行功率转换的示意性方框图。

图9是响应于低于降额最大有功功率输出的到转换器系统的ac功率输入而利用降额最大有功功率输出来执行功率转换的示意性方框图。

附图和附图的描述是本发明的示例而不是本发明本身。相似的附图标记在对具体实施方式的以下描述中始终表示相似的元件。

具体实施方式

在图1中示意性示出的风力涡轮机1配备有驱动发电机2的转子叶片11。发电机耦合到转换器系统3。在图3中更详细示出的转换器系统3包括位于风力涡轮机的机舱7中的发电机侧逆变器4的串联连接和位于风力涡轮机的塔架8的底部处的电网侧逆变器5的串联连接。这些串联连接4、5由转换器单元3的dc链路6连接。转换器系统3首先经由(多个)发电机侧逆变器4将来自发电机2的可变频率ac电流转换成dc电流。这个dc电流经由dc链路6传送到电网侧逆变器5的串联连接，并由电网侧逆变器5的所述串联连接转换成50hzac电流。由此产生的50hzac电流被馈送到变压器9，其将这个电流注入到配电网10中。

转换器系统3(其示意性电路图在图2中示出)经由单独的发电机绕组连接到发电机2。正转换器串15通过第一单独发电机绕组连接到发电机2，并且负转换器串16通过第二单独发电机绕组连接到发电机2。正和负转换器串代表上面提到的第一和第二转换器串。

由第一单独发电机绕组产生的ac电流经由电路路径被馈送到正转换器串的两个电气地并联连接的发电机侧逆变器4a和4b，电流路径经由电路发电机侧断路器12是可中断的。

同样，由第二单独发电机绕组产生的ac电流被馈送到负转换器串的电气地并联连接的发电机侧逆变器4c、4d。此外，通向这些逆变器4c、4d中的每个的电流路径通过断路器12是可中断的。

正转换器串的并联连接的发电机侧逆变器4a和4b串联连接到负转换器串的并联连接的发电机侧逆变器4c、4d，并从而形成并联连接的电网侧逆变器4的串联连接。

正转换器串或正转换器串15的并联连接的发电机侧逆变器4a和4b通过正电位导体17连接到同一转换器串15的并联连接的电网侧逆变器5a、5b。由这个正电位导体17耦合的处于正电位的并联连接的发电机侧和电网侧逆变器4a、4b、5a、5b形成正转换器串。

同样，负转换器串的并联连接的发电机侧逆变器4c、4d通过负电位导体19连接到负转换器串16的并联连接的电网侧逆变器5c、5d。由负电位导体耦合的处于负电位的并联连接的发电机侧和电网侧逆变器4c、4d、5c、5d形成负转换器串。

正转换器串的并联连接的电网侧逆变器5a、5b串联连接到负转换器串的并联连接的电网侧逆变器5c、5d，并从而形成并联连接的电网侧逆变器5的串联连接。

并联连接的电网侧逆变器的串联连接和并联连接的发电机侧逆变器的串联连接均形成正转换器串与负转换器串的逆变器之间的电压中心点。在图2中所示的示例中，这些电压中心点是在电网侧上的中性连接点和在发电机侧上的中性连接点，其中这两个中性连接点由中心线导体18互连。

正电位导体17、中心线导体18和负电位导体形成公共dc链路6。dc链路设有可切换的电阻，其分别用作电网侧和发电机侧能量耗散单元13、13’。

正转换器串15的电网侧逆变器耦合到第一组单独变压器绕组，而负转换器串的电网侧逆变器耦合到第二组单独变压器绕组。因而，转换器系统3耦合到变压器9。电网侧逆变器5a、5b、5c、5d到单独变压器绕组的连接通过断路器12’是可中断的。

在图2的转换器系统中，转换器系统的所有发电机侧逆变器和电网侧逆变器4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d同等地被构建，并具有相等的最大有功功率输出。转换器系统3的转换操作由转换器控制器100控制。

在图3中示出先前结合图2对正转换器串的被禁用的发电机侧和电网侧逆变器描述的转换器系统。正转换器串15的被禁用的发电机侧逆变器4a和电网侧逆变器4b在图3中由虚线划掉以指示它们被禁用。通过断开相关联的发电机侧断路器12来禁用正转换器串15的发电机侧逆变器4a，并且通过断开相关联的电网侧断路器12’来禁用正转换器串的电网侧逆变器5a。

然而，负转换器串16的发电机侧和电网侧逆变器4c、4d、5c、5d未被禁用。因此，第一转换器串15的最大有功功率输出和第二转换器串16的最大有功功率输出是非对称的，因为负转换器串16的最大有功功率输出高于正转换器串15的最大有功功率输出。当例如利用转换器串的各自最大有功功率输出或至少在大于转换器系统3的最大有功功率输出的50％的功率输出下操作两个转换器串15、16，由第一转换器串15和第二转换器串16的非对称有功功率输出引起的补偿电流90出现。

在图3中示出在这种情形下在正转换器串15和负转换器串16中的电流。在正转换器串15和负转换器串16中的电流不会彼此抵消，而是形成沿着中心线导体18流动的非零补偿电流90。

当利用降额最大有功功率输出来操作风力涡轮机转换器系统3时，如结合下面的附图描述的方法被执行以防止这样的补偿电流90。

在图4中示出利用最大有功功率输出来执行转换操作的示例性方法。

正转换器串15的电网侧逆变器5a例如由于那个电网侧逆变器5a的故障而被禁用。故障例如由与有故障的电网侧逆变器5a相关联的电网侧逆变器控制器lsc1检测。响应于那个故障，通过断开相关联的电网侧断路器12’来使电网侧逆变器5a从变压器断开。

在图4中通过用实线划掉有故障的电网侧逆变器来标记出电网侧逆变器的故障。

在全部附图中，通过用虚线划掉相应的逆变器，标记出通过关闭逆变器并借助于相关联的发电机侧或电网侧断路器12、12’断开它们而有意被禁用的、即不被逆变器的故障强制的逆变器。当逆变器被禁用时，逆变器的有功功率产生被禁用。

响应于逆变器5a的故障，正转换器串的发电机侧逆变器(发电机侧逆变器4a)也有意被禁用，这在图4中通过用虚线划掉发电机侧逆变器4a来指示。

禁用发电机侧逆变器4a保护无故障的电网侧逆变器5b免于从两个发电机侧逆变器4a、4b接收到比这个电网侧逆变器5b的最大可容许的输入电流高的输入电流。然而，直到发电机侧逆变器4a被禁用为止，过多的电流借助于用作能量耗散单元的可切换的电阻元件13而被耗散。

为了防止在中心线导体18上的补偿电流90(其将是由于正和负转换器串的非对称有功功率输出)，负转换器串16的对应的逆变器4d和5d也通过关闭它们并断开相关联的电网侧和发电机侧断路器12、12’而有意被禁用。随后，正和负转换器串被驱动以通过由转换器系统控制器100将相等的有功目标值提供给它们来产生在降额最大功率产生下或以下的相等有功功率输出。

替代地，如结合图8进一步描述的，也可以通过相应地减小负转换器串的功率输出、例如通过将第二转换器串的有功功率产生的上限设置为正转换器串的减小的最大有功功率输出并将第二转换器串的瞬时有功功率输出设置为等于正转换器串的瞬时功率输出的值来防止补偿电流90。

此外，当正和负转换器串的最大有功功率输出现在均减小了50％时，发电机输出功率也例如通过压制这个功率输出并使风力涡轮机转子叶片11(未示出)避开风而减小了50％。为了在利用降额最大有功功率输出来执行转换操作时防止在转换器系统上的过多的功率流由故障触发，借助于发电机侧可切换的电阻元件13来耗散超过这个降额最大有功功率输出的由发电机2馈送到转换器系统3的功率的量，直到发电机2的功率输出实际上下降到降额最大有功功率输出以下为止。

禁用转换器单元3的逆变器例如由转换器系统控制器100要求，转换器系统控制器100将这个命令分发到并联连接的发电机侧逆变器4的串联连接的发电机侧逆变器4a、4b、4c、4d的发电机侧逆变器控制器msc1、msc2、msc3、msc4或并联连接的发电机侧逆变器5的串联连接的电网侧逆变器5a、5b、5c、5d的电网侧逆变器控制器lsc1、lsc2、lsc3、lsc4。

通过执行上面所述的方法，没有被禁用的未禁用发电机侧逆变器4b、4c保持在操作中，而没有被禁用的电网侧逆变器5b、5c也保持在操作中。因此，转换器系统最大有功功率产生的50％仍然是可达到的，且当利用正和负转换器串的减小的最大有功功率输出执行转换操作时，没有沿着中心线导体18的补偿电流90出现。

在图5中所示的情形中，正转换器串的发电机侧逆变器4a由于故障而被禁用，这通过由实线划掉发电机侧逆变器4a来指示，如也结合图4所述的。这个发电机侧逆变器的故障例如由这个逆变器的逆变器控制器lsc1检测。

在检测到故障之后，转换器系统控制器100要求正转换器串16的电网侧逆变器(即电网侧逆变器5a)也有意被禁用。

如也在这个情形中的，也可以通过相应地减小负转换器串的功率输出、例如通过将第二转换器串的有功功率产生的上限设置为正转换器串的减小的最大有功功率输出并将第二转换器串的瞬时有功功率输出设置为等于正转换器串的瞬时功率输出的值来防止补偿电流90。

通过也禁用正转换器串15的电网侧逆变器5a，被馈送到仍然在线的电网侧逆变器5b的dc电流只起源于正转换器串15的发电机侧逆变器4b。因此，仍然在线的电网侧逆变器5b在最佳工作点下被驱动，即它的总转换容量理想地被利用。每个电网侧逆变器5a和5b的这个最佳工作点将不通过由单个发电机侧逆变器4b馈送给它们的dc电流达到，因为电网侧逆变器均将只接收对应于它们的转换容量的50％的电流，假设未禁用的发电机侧逆变器4b在最大有功功率输出下操作。

另外，负转换器串的发电机侧和电网侧逆变器4d、5d被禁用，如在接合图4所述的情形中的。因此，防止沿着中心线导体18的补偿电流90，其是由于第一和第二转换器串的非对称有功功率输出。

在对正转换器串15的发电机侧逆变器(例如由图6所示的发电机侧逆变器4a)的故障的替代的反应中，转换器系统3的所有电网侧逆变器5a、5b、5c、5d保持在操作中以提供无功功率产生。

在例如由相关联的逆变器控制器msc1检测到在发电机侧逆变器中检测到的故障之后，只有负转换器串16的发电机侧逆变器(即发电机侧逆变器4d)有意被禁用。因此，电网侧逆变器15a、15b、16a、16b产生无功功率的能力保持完全未触动，而防止沿着中心线导体流动的电流，因为正转换器串的最大有功功率输出和负转换器串的最大有功功率输出现在是相等的，并且因为发电机侧逆变器4b和发电机侧逆变器4c的最大有功功率输出(因而电网侧逆变器5a、5b、5c、5d的输入)也是相等的。

在这个情形中，也可以通过相应地减小负转换器串的功率输出、例如通过将第二转换器串的有功功率产生的上限设置为正转换器串的减小的最大有功功率输出并将第二转换器串的瞬时有功功率输出设置为等于正转换器串的瞬时功率输出的值来防止补偿电流90。

然而，响应于由发电机2馈送到转换器系统3的有功功率输出例如由于低风速条件而低于降额最大有功功率输出，当利用降额最大有功功率输出来执行转换操作时，在上面结合图4、图5和图6所述的利用降额最大有功功率输出来执行转换操作也是可适用的。如果转换器系统标称最大有功功率输出是例如1mw并且降额最大有功功率输出是500kw且发电机2只提供400kw的有功输出功率，则在如结合图4到6所述的任何变形中在降额最大有功功率输出下执行转换操作被触发，唯一的差异是没有逆变器由于故障而被禁用，而是所有禁用的逆变器是有意地被禁用的。

由发电机侧和电网侧逆变器形成的转换器单元的故障，且更精确地转换器单元的电网侧或发电机侧逆变器的故障的检测由图7的方框图示出。在这个示例中利用图2的转换器系统3来执行检测故障的这种方法。

在转换器串的功率输出下测量从发电机馈送到转换器串的ac输入电流。同样，在转换器串的功率输出下测量馈送到转换器系统的转换器串的ac输出电流。在活动f1中得到在这两个电流测量之间的电流差异。将这个电流差异与在活动f2中的给定阈值相比较，并且正转换器串被表明为有故障的，因为对这个转换器串得到的电流差异超过给定阈值。

在对转换器串的故障的这个检测时，利用降额最大有功功率输出执行转换操作，以便检测在活动f3中的故障。首先，由发电机侧逆变器4a形成的正转换器串的转换器单元和由发电机侧逆变器4d和电网侧逆变器5d形成的负转换器串的转换器单元保持在线，同时禁用转换器系统的其它逆变器。

进一步监控在正转换器串的ac输入和正转换器串的ac输出下的电流之间的电流差异。当在禁用由逆变器4b、5b和4c、5c形成的转换器单元之后超过的电流差异消失、同时保持由逆变器4a、5a和4d、5d形成的转换器单元在线时，包括逆变器4a、5a的转换器单元的故障被检测到。然而，如果电流差异不消失，则这对应于包括逆变器4b、5b的转换器单元的故障被检测到。

当检测到转换器单元中的故障时且通过测量转换器单元的发电机侧和电网侧逆变器的温度，可以通过比较逆变器温度与这些逆变器的可容许的温度来检测该故障是否是转换器单元的发电机侧或电网侧逆变器或两个转换器的故障。如果逆变器的温度超过可容许的温度，则它被表明为有故障的。

在图8中示出响应于转换器单元的逆变器的故障而利用降额最大有功功率输出来执行转换操作的示例性方式的方框图。当在活动a1中检测到在第一转换器串中的故障时，在活动a中利用降额最大有功功率输出来执行转换操作。当第一转换器串的电网侧逆变器被确定为有故障的时，电网侧逆变器在活动a11中被禁用。实质上同时，在活动a12中也禁用第一转换器串的发电机侧逆变器。

在活动a13中相应地减小第二转换器串的有功功率输出。在这个活动中，第二转换器串的最大有功功率输出以及第二转换器串的瞬时有功功率输出被设置为分别等于第一转换器串的减小的最大有功功率输出以及第一转换器串的瞬时有功功率输出(可能由故障减小)。以这种方式，防止沿着中心线导体的补偿电流。

如果检测到的故障是第一转换器串的发电机侧逆变器的故障，则在活动a5中禁用有故障的发电机侧逆变器。在活动a6中，进行无功功率产生是否当前被转换器系统控制器要求的检查。如果有这样的无功功率要求，则在活动a7中转换器串的(因而第一转换器串和第二转换器串的)电网侧逆变器未被禁用，但保持在线。在活动a8中，第二转换器串的有功功率输出相应地减小，如结合活动a13所述的。如果没有无功功率要求，则第一转换器串的电网侧逆变器也被禁用，以便接近于最佳工作点操作第一转换器串的其它(未禁用的)电网侧逆变器。

在图9中示出当响应于低于降额最大有功功率输出的发电机的ac功率输出而利用降额最大有功功率输出来执行转换操作时操作风力涡轮机的方法的方框图。

如上面提到的，例如当由于低速条件而发电机的输出功率为低时，可以执行接近发电机侧和电网侧逆变器的工作点的转换操作。

在活动b1中，将发电机的ac输出功率与风力涡轮机的降额最大有功功率输出相比较。在配备有四个同等的转换器单元(在每个转换器串中有两个)——转换器串的每个转换器单元由转换器串的一个电网侧逆变器和一个发电机侧逆变器形成——的图2的转换器系统的示例中，降额最大有功功率输出对应于两个转换器单元的最大有功功率输出。

当利用降额最大有功功率输出来执行转换操作时，第一转换器串的m个转换器单元(在图2的示例性转换器系统中，这将是一个转换器单元)和第二转换器串的具有相等的有功功率输出的m个转换器单元(在图2的示例性转换器系统中，这将是一个转换器单元)被禁用。因此，转换器系统能够在利用降额最大有功功率输出来执行转换操作时产生其最大有功功率输出的50％。

如上面提到的，如果发电机的ac功率输出低于降额最大有功功率输出，当风力涡轮机在降额最大有功功率输出下操作时转换损耗减小。

尽管在本文描述了根据本发明的教导构造的某些产品，本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利涵盖照字面地或在等效形式的理论下清楚地落在所附权利要求的范围内的本发明的教导的所有实施例。