CN102570502B - 风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机的电力传输系统(1)的控制器装置。所述风力涡轮机具有发电机并连接到电网，其中电力传输系统(1)被设置为从发电机向电网传输电力。电力传输系统(1)具有至少两个电元件(2-6)(例如变换器)，以及至少两个控制器(15-17)，每个控制器(15-17)被设置为控制至少一个元件(2-6)。

Description

风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置

技术领域

本发明涉及风能转换领域，例如涉及风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置，用于从涡轮机到电网传输电力。

背景技术

EP2161443A2描述了一种具有发电机和电力传输系统的风力涡轮机，该电力传输系统用于将电力馈送到公用电网。该电力传输系统具有主控制器和两个电力变换器，即主变换器和辅助变换器，每个变换器均包括适当地适配的从控制器。在紧急事件中，辅助变换器的控制器(前面的从控制器)作为独立的主控制器工作以调整流向内部供应电网中的电力流。

发明内容

本发明提供一种风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置。风力涡轮机包括发电机并连接到电网。电力传输系统被设置为从发电机向电网传输电力。电力传输系统包括至少两个电元件和至少两个控制器，每个控制器被设置为控制至少一个元件，其中至少一个控制被设置为仅控制这些元件中的一个以及这些元件中的至少两个。控制器装置使得第一元件能够由第一控制器控制并且第二元件能够由第二控制器控制，并使得第一元件和第二元件能够由第一控制器控制而第一元件或第二元件不由第二控制器控制。

根据另一个方面，本发明提供一种控制风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置的方法。风力涡轮机包括发电机并连接到电网。电力传输系统被设置为从发电机向电网传输电力。此外，电力传输系统包括至少两个元件和至少两个控制器，每个控制器被设置为控制至少一个元件，其中至少一个控制器被设置为仅控制这些元件中的一个以及这些元件中的至少两个。所述方法包括以下步骤：在以下操作之间进行切换：1)用第一控制器控制第一元件，并用第二控制器控制第二元件，以及2)用第一控制器控制第一元件和第二元件而不用第二控制器控制第一元件或第二元件。

其它特征是所公开的产品和方法中固有的或者根据以下描述和附图对本领域技术人员将变得明显。

附图说明

通过参照附图来以示例的方式说明本发明的实施方式，附图中：

图1是电力传输系统的布置的示意图，重点在于系统的元件；

图2是电力传输的布置的示意图，重点在于系统的控制器；

图3a和图3b是示出了电力共享的电力传输系统的两个电力路径的示意图；

图3c是移交阶段的示意图；以及

图4是示出了控制器的通信的示意图。

附图和附图说明是本发明的实施方式而不是本发明自身。

具体实施方式

实施方式涉及风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置及控制该控制器装置的方法。风力涡轮机通过用风力涡轮机转子驱动发电机发电。产生的电力由电力传输系统从发电机传输到电网，例如传输到连接至风力涡轮机的公共电网。为了此功能，传输系统包括电元件以及用于控制这些元件的控制器，电元件的例子例如有电力变换器、功率器件(例如，滤波器、断路器/接触器等)和/或变压器。发电机和电网分别是至少一个电源和电力负载。

通过被设置为可以仅控制这些元件中的一个也可以控制这些元件中的至少两个的至少第一控制器来推动控制器的共享。因而，可以在至少两个操作模式之间切换：1)利用第一控制器控制第一元件以及利用第二控制器控制(独立地控制)第二元件(此处称为“独立模式”)。另外，为了遵循共享，2)利用第一控制器控制第一元件和第二元件而不用第二控制器控制第一元件或第二元件(此处称为“共享模式”)。在共享模式中，第二元件(在以前根据独立模式由第二控制器控制)现在由第一控制器控制，同时第一控制器(仍然)控制第一元件。因而，第一控制器被共享以控制第一元件和第二元件两者。控制器共享可以增强电力传输系统的吞吐量和/或可靠性和/或提供冗余。

在基于附图转到详细描述之前，将讨论实施方式的几个更概括的项目。

在一些实施方式中，独立模式是风力涡轮机的正常操作模式。在下文，措辞“正常模式”描述这样的操作模式，其中在电力传输系统无故障地工作的同时风力涡轮机发电。在一些实施方式中，共享模式是风力涡轮机的正常模式。由于第一控制器在共享模式中控制第二元件，第二控制器可以被关闭，因而增加了从涡轮机到电网的电力的使用寿命和可用性。在一些实施方式中，电力传输系统被设置为操作作为正常模式的两种模式，独立模式和共享模式。

在一些实施方式中，由故障条件触发在至少两个操作模式(独立模式和共享模式)之间的切换。然而应注意在其它实施方式中，在至少两个模式之间的切换还可以由涉及电力传输系统的性能改进的任何其它条件触发。在一种实现方式中，响应于故障条件，将操作模式从独立模式切换到共享模式，因而消除了第二控制器对第二元件的控制。(然后共享模式不是正常模式。)因而不再需要第二控制器来控制第二元件，并且第二控制器造成的故障将不影响电力传输系统的健康。下面描述与元件和控制器的协作有关的另外的实施方式。

在一些实施方式中，元件与控制器相关联，例如，控制器的数目与这些控制器所控制的元件的数目相同，或者，另选地，受控元件的数目是对应的控制器的数目的二倍。

在描述与操作和共享控制器有关的更多细节之前，将讨论电力传输系统的几个更多的方面。

在一些实施方式中，发电机是单电源，例如，AC电源。在其它实施方式中，发电机提供至少两个电源，例如各为AC电源。在一些实现方式中，发电机提供至少一个单相AC电源。在其它一些实现方式中，发电机提供至少一个多相AC电源，例如三相AC电源。

在一个实施方式中，发电机可以被划分为产生多个独立的AC电力输出并由此代表单独的电源的多个发电机节段。分成节段的发电机增加发电机的可靠性以及电力的可用性，因为发电机故障事件大多数仅涉及单个发电机节段，使得其它节段可以继续工作。

在一些实施方式中，电网是单个电力负载。在其它实施方式中，电网是至少两个电力负载。在一些实现方式中，电网提供至少一个单相AC电力负载。在其它一些实现方式中，电网提供多相AC电力负载(例如三相AC电力负载)中至少一个。

电力传输系统通过在至少一个电源和至少一个负载之间提供至少一个电力路径来将该至少一个电源耦接到该至少一个负载。由于发电机产生的电力取决于风力涡轮机转子的转速(例如，所输出的AC电压的频率、振幅和/或相位可能受影响)，在一个示例中，电力传输系统将来自风力涡轮机发电机的AC电力变换为与电网或风电厂运营者的需求相匹配的AC电力，并最终将电力馈送到电网中。下面描述这方面更多的细节。

在一些实施方式中，元件中的至少两个是电力变换器，并且控制器中的至少两个是变换器控制器。各变换器控制器被设置为控制至少一个变换器。变换器控制器中的至少一个被设置为可以控制一个变换器，也可以控制两个变换器。

在一个实施方式中，例如，如果传输系统将单电源耦接到公共负载，则变换器可以并联地电连接，从而提供不同的电力路径。在其它示例中例如，如果变换器被耦接到不同的电源或者不同的负载或者被耦接到不同的电源和不同的负载二者，则变换器可以不在其输入或输出或者输入和输出二者连接。如果仅仅在变换器的一侧提供电耦合(galvaniccoupling)或者根本不提供电耦合，则可以避免或者至少限制从一个变换器到其它变换器的横向电流(crosscurrentflow)。

提供并联的多个变换器允许电流被分流，结果更低的电流流过各个变换器。此外，利用多个(不必严格并联)变换器的实现方式可以增强电力变换系统的可靠性和可用性，并且提供冗余。例如，每个变换器可以包括可控开关或者与可控开关连接，以将单独的变换器从至少一个电源和/或至少一个负载隔离，因而将单独的变换器去激活。另外，可以经过可控开关耦接至少两个变换器，以允许将去激活的变换器设为旁路。因而，在一些示例中，可以将通过去激活的变换器另外按路线传送的电力的全部或者一部分分配到传输系统的一个或者更多个其它变换器或者元件。在其它实现方式中，将变换器连接到专用电源，例如专用发电机节段，如果变换器中的一个被去激活，则传输系统可以以减小的电力输出继续工作。

根据一些实施方式，电力传输系统包括作为元件的至少一个AC/DC变换器，该AC/DC变换器例如被设置为提供从AC源或者发电机变换的DC电力。在一些实现方式中，AC/DC变换器包括无源整流器或者有源整流器，例如具有由变换器控制器控制的半导体开关的相控整流器。

在一些实施方式中，电力传输系统包括作为元件的至少一个DC/AC变换器，该DC/AC变换器例如被设置为提供从DC源变换的AC电力，即来自DC链路处的发电机的电力。在一些实现方式中，DC/AC变换器包括由变换器控制器控制的半导体开关。通过用脉宽调制(PWM)信号恰当地切换半导体开关，在变换器端子处得到(实质上)正弦输出波形，以在负载侧递送要求的电力。

在一些实施方式中，电力传输系统包括至少一个DC链路，该DC链路被设置为耦接至少一个AC/DC变换器和至少一个DC/AC变换器。在一些实现方式中，通过由至少一个DC链路耦接的至少一个源侧AC/DC变换器和至少一个负载侧DC/AC变换器来构建电力传输系统的至少一个频率变换器。在下文，表述“源侧”表示元件比基准元件更接近源。表述“负载侧”表示元件比基准元件更接近负载。在一些实现方式中，频率变换器被设置为通过适配AC频率、振幅和/或相位将AC源或者发电机处的电力变换/传输为负载或者电网所要求的AC电力。例如，变换器控制器与电网的AC电压同步频率和相位，并且将电力变换器产生的AC电压的振幅和相位调整为适用于将所要求的电力馈送到电网的值。在一些实现方式中，如以下描述的，通过至少一个源-负载管理控制器提供与源侧和负载侧的频率、相位和振幅有关的必要信息。

在一些实施方式中，频率变换器是传输系统的元件，因而变换器控制器是频率变换器控制器，该频率变换器控制器被设置为控制该元件的几个部件，例如AC/DC变换器、DC/AC变换器和它们之间的DC链路，全部是作为元件的频率变换器的构件。

在一个示例中，可以经由可控开关耦接至少两个DC链路。这可以使能旁路变换器，如，负载侧DC/AC变换器或者源侧AC/DC变换器。另外，连接DC链路可以改进不同的电力路径的DC链路电压平衡。

另外，传输系统可以包括至少一个可控开关，以分别将至少一个源侧AC/DC变换器和/或至少一个负载侧DC/AC变换器从至少一个电源和至少一个负载隔离。

在一些实施方式中，元件中的至少两个元件是电力耗散单元，并且控制器中的至少两个控制器是电力耗散单元控制器。耗散单元的数目可以与变换器或者DC链路的数目相同，或者是变换器的数目的一半，例如每个频率变换器一个电力耗散单元。

每个耗散单元可以包括一个或者更多个耗散部件，这些耗散部件能够将要耗散的电力变换为热或者变换为不同形式的能量，耗散部件例如是一个或者更多个电阻器。在一个示例中，可以例如通过控制对应的开关的PWM信号来控制电力耗散的量和/或比率。

在此，术语“要耗散的电力”是指由于某些类型的故障事件引起的在电力传输系统的电力路径中存在的不能被变换器或者系统的任何其它元件适当处理的电力。例如，耗散单元被设置为耗散从至少一个电源输入到变换器但是由于变换器故障而不能变换/传输的电力；或者输入到变换器的过量电力，这是因为连接到代表至少一个电源的发电机的风力涡轮机转子进入过驱动，即产生更多电力；或者在变换器的去激活之后DC链路中的残留电力。因而，至少一个耗散单元可以耦接到传输系统的至少一个电力路径，例如耦接到至少一个变换器和/或至少一个DC链路。耗散这种电力可以保护系统的电子部件并因而延长它们的寿命周期。

在一些实施方式中，电力耗散单元经过一个或者更多个可控开关耦接到电力路径。在一些替代实施方式中，具体地，如果电力耗散的量可以被控制并且耗散并不是一因电力输入到耗散单元而电力可用就自动启动，则耗散单元可以永久耦接到电力路径，特别地耦接到变换器，而无需使用开关。

根据一些实施方式，至少两个耗散单元经过可控开关(彼此)耦接。一方面，这使得分配的电力将能够耗散在至少两个耗散单元，因而允许在没有提供更大的耗散单元的情况下耗散更大量的电力，并保护单独的耗散单元防止过载或者磨损，例如防止在长持续时间的故障事件中过载或者磨损。另一方面，在一个示例中，可以耦接耗散单元以使得(例如，故障的)耗散单元能够被旁路，因而提供冗余。在在一些实施方式中，全部耗散单元可以经由被可控开关中断的线路而彼此耦接。

在一些实施方式中，例如，如果输入电力是通过多相位线路提供的多相AC电力，则耗散单元可以包括与输入电力的相位(相位线)数目相等的数个耗散部件(例如，电阻器)。在要耗散多相AC输入电力的事件中，每个耗散部件可以耦接到对应的相位线。另选地，耗散单元可以包括AC/DC变换器，例如有源/无源整流器，以将AC电力变换为DC电力；DC电力可以接着被单个电力耗散部件耗散。单个电力耗散部件可以是一排电力耗散元件。

在一些实现方式中，至少一个可控开关在一些实施方式中由至少一个控制器控制。例如，由控制与开关相邻或者相关联的元件的控制器(例如电力耗散单元控制器或者变换器控制器)控制。在一些实施方式中，开关是元件的逻辑或者物理部件。在一些实施方式中，开关是具有至少一个开关控制器的电力传输系统的(单独)元件，该至少一个开关控制器被设置为可以仅控制一个开关，也可以控制至少两个开关。另选地，开关可以由电子器件(例如，在特定电压降时导通的二极管)控制，该电子器件在确定的预定条件下自动地提供连接。

在一些实施方式中，发电机和电网中的至少一个分别提供至少两个源和负载作为元件。控制器中的至少两个是源-负载管理控制器，各源-负载管理控制器均被设置为监视源和负载中的至少一个。下面描述这种类型的控制器的其它任务。

一般地，应理解控制器共享的方面可应用于以上描述和下文描述的所有控制器类型。

下面回到控制器的进一步的细节，在一些实现方案中，设置特定类型的控制器用于与不同类型的控制器通信。例如，电力传输系统包括至少一个变换器控制器、至少一个电力变换器和至少一个电力耗散单元控制器，其中变换器控制器被设置为向电力耗散单元控制器提供关于自身的信息和关于电力变换器的信息中的至少一个。(注意：该实施方式包括至少一个或更多元件。)

在一些实施方式中，控制器被设置为完成单个任务或者几个任务的组合，例如在最近的树状图中列出的任务。在一些实现方式中，相同类型的控制器完成相同的任务范围。在一些实现方式中，对于控制相同类型的任意元件或者替换代表控制器的物理器件，相同类型的控制器可自由互换的。

在一些示例中，设置至少一个源-负载管理控制器，以处理以下任务中的至少一个：监视至少一个源和/或至少一个负载的状态；向其它控制器提供事件信息，例如源状态和错误、负载状态和错误、源-负载管理控制器状态和错误；提供系统命令，例如开启、关闭、发电；提供信息信号(特别是实时的信息信号)，例如关于期望的单个变换器电力设定点、可用的源电力和/或负载电力消耗的信息信号。

在一些示例中，设置至少一个变换器控制器，以处理以下任务中的至少一个：监视和/或控制变换器和/或相邻的开关；通过与其它控制器协作基于可用风力建立健康传输系统和/或优化电力吞吐量；向其它控制器提供事件信息，例如变换器状态和错误、变换器控制器状态和错误；提供信息信号(特别是实时的信息信号)，例如关于变换器电力吞吐量、存储在电力路径、变换器和/或DC链路中的能量的信息信号。

在一些示例中，设置至少一个电力耗散单元控制器，以处理以下任务中的至少一个：监视和/或控制电力耗散单元；优化不同电力路径之间的电力平衡，尤其是涉及不同的发电机节段的不同电力路径之间的电力平衡；向其它控制器提供事件信息，例如电力耗散单元状态和错误、电力耗散单元控制器状态和错误；提供信息信号(特别是实时的信息信号)，例如关于耗散的电力和/或电力耗散单元健康状况的信息信号。

在一些实施方式中，至少一个控制器被实现为物理器件。例如，控制器包括至少一个微控制器。为了维护，在一些实现方式中，全部或者至少两个控制器被构建为单独的(物理)器件。另选地，至少两个控制器集成在单个(物理)器件中，例如涉及相同电力路径的一些或全部控制器和/或相同类型的一些或者全部控制器可以集成为一个物理器件中的模块。

在一些实施方式中，至少一个控制器被实现为逻辑单元，例如被实现为常用物理器件的逻辑部分或者被实现为由计算机执行的程序的逻辑部分。在一些示例中，涉及相同电力路径的一些或者全部控制器和/或相同类型的一些或全部控制器或者任意控制器中的至少两个被实现为(单独的)逻辑单元。

在一些实施方式中，至少一个控制器被实现为用于在控制器程序内执行的处理程序或者由用于在控制器程序内执行的处理程序实现，或者实现为由计算机执行的普通控制器程序的实例。在一些实现方式中，控制器程序包括多个处理程序，每个处理程序代表单个控制器。在一些实现方式中，多个控制器利用控制器程序的多个实例实现，每个实例代表单个控制器。在一些其它实现方式中，涉及一个特定电力路径的全部控制器或者相同类型的全部控制器共同地由单个处理程序实现或者由控制器程序的单个实例实现。

控制器之间的通信例如由物理通信链路、共享存储器和处理程序间通信中的至少一个实现。

在一些实现方式中，一个控制器提供的信息与至少一个相邻的控制器、与相同类型的至少全部控制器、与涉及相同电力路径的至少全部控制器、与电力传输系统的全部控制器和/或与风力涡轮机的主控制器共享。

在一些实施方式中，设置至少第一控制器，以统一地控制至少两个元件。在该情况下，控制器按照相同方式对待这些元件并且不区分它们。在一些示例中，控制器不必须知道其控制多少个元件。在一些实现方式中，至少两个元件例如通过开关或者通过共享存储器并联连接到控制器，例如物理地或者逻辑地并联连接到控制器。因而，可以将控制器产生的每个控制命令(同时地)发送到控制器元件。在一些实现方式中，至少两个元件串联地链式连接。因而，特定控制命令从前面链条构件传递到随后的链条构件。

在一些其它实施方式中，设置至少第一控制器以(实质上)独立地控制至少两个元件。在该情况下，这些控制器中的每个被设置为区分至少两个元件，例如通过针对不同的元件提供不同的控制命令和/或控制命令的不同时序来区分至少两个元件。在一些实现方式中，至少一个控制器被设置为像各自单独控制至少一个元件的两个独立的控制器一样工作。

在一些实施方式中，控制命令包括复杂任务，例如，变换特定电力，或者同步源侧和/或负载侧电压的相位。在一些实现方式中，控制命令包括至少一个参数，例如，AC电压振幅值。在一些实现方式中，这种控制命令由元件的微控制器或者由代表控制器的处理程序进行解析。

在一些其它实施方式中，设置控制命令，以直接驱动硬件或者处理程序，例如用于控制半导体开关的电信号，用于触发微控制器的电信号或者共享存储器中的特定值。

在一些实施方式中，设置至少第二控制器，以产生目标为至少第一控制器的信号，以提供以下信息中的至少一个信息：关于自身的信息和关于该第二控制器控制的元件中至少一个元件的信息。在一些实现方式中，将地址信息附在信号中以对至少一个特定控制器寻址，例如以对特殊控制器、相同类型的控制器组或者涉及相同电力路径的控制器进行寻址。这使得至少两个控制器之间能够直接通信。

在一些实施方式中，设置至少第二控制器，以产生广播信号，以提供以下信息中的至少一个信息：关于自身的信息和关于该第二控制器控制的元件中至少一个元件的信息。在该情况下，控制器(容易地)向监听这些广播的全部控制器提供信息，尤其是无需知道进行监听的控制器。

在一些实施方式中，从另一控制器接收信号的控制器决定是否忽略信号信息。因而，广播信号可能甚至被发送到不需要该信号的控制器。因此，发送控制器不需要为正确寻址而努力。在一些实现方式中，控制器被组织和进行通信而无需主从结构。在一些示例中，实现分布式控制器系统，其中接收控制器(仅仅)对涉及它们的信号作反应。

在一些实施方式中，设置至少两个控制器以支持同步信息交换。例如，设置第一控制器以从第二控制器请求信息，第二控制器被设置为应请求而提供该信息。

在同一或者替代实施方式中，设置至少两个控制器以支持异步信息交换。例如，设置第二控制器以发送未经要求的信息，例如以固定时间间隔发送、新信息一可用就发送、和/或值变化一大于特定阈值就发送。

在一些实施方式中，全部或者至少两个控制器连接至主控制器，例如风力涡轮机主控制器，参见下文。主控制器可与目前为止描述的(其它)控制器相区分。在一些实现方式中，针对(其它)控制器将主控制器设置为用作主机，而接着将这些(其它)控制器设置为用作从机。因此，主控制器可以管理控制器共享。

在一些其它实施方式中，至少第一控制器被设置为以独立的方式决定是否控制仅一个元件或者同时控制至少两个元件。因而，针对控制器共享，不需要主控制器。在一些实现方式中，控制器被设置为充当自组织网络。例如，如果第二控制器发生故障，则第一控制器可自主地接管第二控制器的任务，例如通过基于第二控制器发送的状态或者错误信息或者基于第二控制器不再发送信号这个事实作出决定。

在一些实施方式中，发电机和电网分别提供至少一个源和负载。电力传输系统包括：作为元件的至少两个电力变换器和至少一个电力耗散单元、至少两个变换器控制器、至少一个电力耗散单元控制器和被设置为向负载传输电力的电力路径。所述方法包括：用第一变换器控制器控制第一变换器并用第二变换器控制器控制第二变换器，两个变换器连接到电力路径。(在此，这是以上描述的正常模式。)响应于第二控制器造成的故障状况：从电力路径断开第二变换器，并且将电力通道连接到由电力耗散单元控制器控制的电力耗散单元；将第二变换器移交给第一变换器控制器；将第二变换器从电力耗散单元断开并将第二变换器重新连接到电力路径。

在此实施方式中，将第二变换器移交给第一变换器控制器，例如如果第二控制器发生故障时。可以将第二变换器尽早从电力路径断开并且连接到电力耗散单元，例如以将故障在系统中的进一步传播减小到最小和/或保护系统的电力和电子部件。接着发生移交，即，(无故障的)第一变换器控制器接管对第二变换器的控制。因而，第一变换器控制器被共享，以控制两个变换器，即第一变换器和第二变换器。最终，不再需要(故障的)第二变换器控制器来控制第二变换器，(并且第二变换器控制器可以被复位或者替换)。

在一些实施方式中，由第二控制器发起对被控制的元件的移交，即，由在移交之前控制该元件的控制器发起对该元件的移交。在一些实现方式中，第二控制器向特定(第一)控制器传送用于移交控制的请求。在一些其它实现方式中，第二控制器向至少两个控制器(例如相同类型的全部控制器或者与相同电力路径相关联的全部控制器)传送这种请求。为了发送该请求，控制器可使用以上或者下文描述的任意类型的通信、信号或者信息。

在一些实施方式中，由第一控制器发起对被控制的元件的移交，即，由在移交之后要控制该元件的控制器发起对该元件的移交。在一些实现方式中，第一控制器向第二控制器传送用于移交控制的请求。在一些其它实现方式中，第一控制器在不进行请求的情况下移交控制，例如如果第二控制器已经发生故障或者不能够接收请求或者进行通信。

在一些实施方式中，通过切换信息线进行移交，即，切断用于第二控制器和被控制的元件之间的控制命令的线路并且建立用于第一控制器和该元件之间的控制命令的线路。在一些实现方式中，切断和建立是通过利用半导体开关切换连接控制器和元件的一些物理信号线路来实现的。在一些其它实现方式中，这是通过改变软件参数或者共享存储器实现的，例如通过改变对共享存储器寻址的一些指针或者表示元件的处理程序。

除了此处描述的控制器，在一些实施方式中，风力涡轮机包括用于不同类任务的主风力涡轮机控制器。例如，风力涡轮机控制器确定风力涡轮机是否应当以当前风速、以部分负载模式(其中能量转换的效率被优化)或者标称负载模式(其中产生标称功率，即使风速允许产生更多功率)工作。除了机械工作参数，诸如转子转速和叶片节距，风力涡轮机控制器还控制针对总的电力输出的参数。对电力输出的控制是通过影响风力涡轮机的电力传输系统进行的。

风力涡轮机可以集成到风电厂中，风电厂将通过主变压器由电网连接的多个风力涡轮机组合。各个风力涡轮机将其产生的电力馈送到电网。可以存在影响风力涡轮机的电力输出的风电厂控制器。

图1：电力传输系统的涉及元件的布置。

图1作为示意图示出了电力传输系统1的实施方式，该电力传输系统1被设置为从AC源2向AC负载3传输电力。电力传输系统1是具有发电机的风力涡轮机的一部分，该发电机提供源2并由风力涡轮机转子驱动。风力涡轮机连接至提供负载3的电网。发电机或者电网均不是电力传输系统1的部分。在本示例中，源2和负载3为分别将系统1与发电机和电网连接的物理电力连接器元件。

在图1中，发电机包括4个发电机节段，这4个发电机节段可被认为是4个独立的AC电力输出。因而，在图1中，单个符号2被理解为4个源2，如所示出的用4个连接符号表示。例如，发电机节段是风力涡轮机发电机的隔离的绕组，其产生各自的三相AC电力输出。这种发电机节段通常按照对称对(例如，按照在定子上同轴对称分布的绕组对)设置。

电网可以被认为是由单个符号3的4个连接符号表示的4个三相AC负载3，例如变压器，变压器的次级线圈连接到电网。因而，源2和负载3全部针对三相AC电力设置，其中电力传输系统1通过将源2的AC电力变换以适应负载3的要求而向负载3馈送，如以下描述的。

此外，系统1包括作为元件的4个(三相)AC/DC变换器4，4个(三相)DC/AC变换器5和4个电力耗散单元6。例如，AC/DC变换器4是发电机侧变换器并且DC/AC变换器5是电力传输系统1的电网侧变换器，用DC链路连接。在其它示例中，系统1包括这些元件3-6中比4个元件更多或者更少的元件和/或源2和负载3。在一些示例中，电力耗散单元6的数目与变换器4和5的数目相同或者是变换器4和5的数目的一半。在一些示例中，元件3-6中每种元件的数目是源2和/或负载3提供的AC相位的倍数。

如图1示意地示出的，将源2和负载3逻辑地聚集在第一(内)通道，变换器4、5聚集在第二(中间)通道，以及电力耗散单元6聚集在第三(外)通道。外通道和中间通道具有一些共用的DC链路7，同时中间通道和内通道具有一些共用的AC链路8，由图1的线路表示。

为了将源2的AC电力传输到负载3，系统1提供多个电力路径，即，沿着元件2-6和AC链路8及DC链路7的电力路径。可以由沿着元件2-6之间的电力路径设置的可控开关9-14引导电力流。

开关9-14以及以上和以下提到的全部其它可控开关可以是根据来自控制器的控制信号允许将连接可控地断开和接通的任意装置。例如，开关可以是断路器、具有或者不具有保险丝的接触器、半导体功率开关，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶体氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、栅关断(GTO)晶闸管、反并联晶闸管或者可控二极管。可控开关可以包括一个或者更多个开关。例如，用于断开和接通三相线路的可控开关可以包括3个开关，一个开关针对每个相位线。在另一个示例中，可控开关包括冗余开关，例如，两个并联开关，这使得即使开关中的一个损坏也能够选择性地接通和断开对应的连接。在此，表述“闭合”开关表示控制该开关接通连接；在此，表述“断开”开关表示控制该开关断开连接。

接着，将通过以下电力流动描述该布置。从源2开始，通过闭合相关联的源开关9，每个源可独立地连接到相关联的AC链路8。通过闭合相关联的AC侧变换器开关11，AC链路8可直接连接到相关联的AC/DC变换器4。(为了更好的概观，图1仅示例性地示出了一个对应的参考标记7-14)。另选地或者附加地，电力流可以由各连接到两个AC链路8的AC链路开关10改变方向或分开。与AC链路8相对，DC侧变换器开关12与每个变换器4相关联，开关12被设置为与相关联的变换器4和DC链路7连接或断开连接。此外，每个DC链路7可以通过DC链路开关13与至少一个相邻的DC链路7耦接。

至此，电力到达DC链路7。一般地，DC链路7可以包括电容性能量存储器(例如，电容器)或者尤其是当仅仅出现低电流时可以包括电感性能量存储器(例如，电感器)。

从此，按照与上述根据AC/DC变换器的相反的方式，电力可以通过至少一个DC/AC变换器5被引导到负载3，其中负载3通过负载开关9′可独立地连接到相邻的AC链路8。另选地或者附加地，通过闭合电力耗散单元开关14，可以用电力耗散单元6耗散DC链路7中的和/或来自一个或者更多个相邻的控制器4、5的一些或者全部电力。例如，在变换器故障、源2或者负载3故障的情况下-尤其是为了确保分节段的发电机的对称节段的对称应力，在源2和负载3的不平衡的情况下，以及在瞬变的情况下(例如当切换电力路径、变更负载、启动或者关闭源2和/或负载3)，这可以是有帮助的。

每个电力耗散单元6可以包括串联到开关14的电阻器。通过改变与电阻器串联的开关(功率电子开关)14的脉宽调制(PWM)操作的占空比，可控制电力耗散的量和比率。通过闭合至少一个DC链路开关13以耦接相邻的DC链路7来连接至少一个另外的电力耗散单元6，可以增加功率耗散。在其它示例中，电力耗散单元与AC链路可以是可连接的。例如，这种电力耗散单元可以包括多个电阻器，每个电阻器可连接到单独的AC相。

电力传输系统1的布置允许使用至少一个DC链路7的至少一个AC/DC控制器4与至少一个DC/AC控制器5的数个连接组合。这些组合构建至少一个频率变换器，经过至少两个AC链路8对源2和负载3进行变换。这种频率变换器可(自由地)配置为引入一个或者更多个单独的AC/DC变换器4和/或一个或者更多个单独的DC/AC变换器5，其中不同变换器4和5的数目可以相同或者不同。因而在操作系统1的同时，如此构建的频率变换器的(最大)电力吞吐量是可(按照需要)配置的。

图2：电力传输系统的涉及控制器的布置。

图2示出与图1相同的系统1，但是作为控制器15-17的示意电路图。控制器布置支持独立的控制器功能以及共享的控制器功能，例如在一个或者更多个控制器发生故障或者在瞬时事件期间，例如当前的控制器功能被相邻的控制器接管。

由于图1和图2的比较示出了，图1中示出的每个元件2-6与图2中示出的控制器15-17相关联：源-负载管理控制器15与内通道相关联并分别与源2和负载3相关联；变换器控制器16与中间通道相关联并与变换器4、5相关联，并且电力耗散单元控制器17与外通道相关联并与电力耗散单元6相关联。

除了该关联，每个控制器15-17被设置为除了控制其相关联的元件还控制第二元件2-6。因而全部控制器15-17被设置为可以仅控制单个(相关联的)元件2-6，也可以同时控制两个元件，即，相关联的元件(第一元件)2-6和与另一(相同类型的)控制器15-17相关联的另外的元件(第二元件)2-6。例如，当操作系统1时，在一个时期特定变换器控制器15可以(仅)控制相关联的一个变换器4，在另一时期同一控制器15可以控制相关联的变换器4和相同类型的第二变换器4两者。在另一个示例中，控制器16被设置为同时控制不同类型的两个元件4、5，即AC/DC变换器4和DC/AC变换器5。

在描述控制器共享的进一步细节之前，将首先提及一些总体方面。

控制器15、16、17被设置为监视相关联的元件2-6的状态，以彼此传递关于系统1的健康状况的信息和用于系统1的优化和自组织操作的其它相关信息。

源-负载管理控制器15被设置为监视源2和负载3的状态。此外，源-负载管理控制器15还控制用于单独地连接(和断开)单个源2和负载3的源开关9和负载开关9′。例如，在系统1的过度负载事件中或者在发电机的故障状况下，可以断开至少一个源1；在其它情况下可以将电网或者电网的子网络从系统1断开。

变换器控制器16被设置为监视和控制变换器4、5的健康。它们具有建立健康的变换器操作和优化通过每个变换器4、5以及更甚至优化基于可用风力由发电机产生的到电网的总电力吞吐量的基本功能。此外，变换器控制器被设置为控制与变换器4、5相邻的变换器开关11、12，因而控制是否将变换器4、5连接到DC链路7或者AC链路8。此外，控制器16直接分别驱动变换器的开关半导体，即AC/DC变换器4的整流器的半导体和/或DC/AC变换器5的逆变器的开关半导体。因而，它们控制馈送到DC链路7中的电力(例如，DC电压和/或DC电流)和/或馈送到AC链路8中的电力(例如，频率、振幅、相位)。

电力耗散单元控制器17被设置为监视和控制电力耗散单元6的健康以及优化整个系统1的电力平衡，尤其是(经过不同的源)连接到不同发电机节段的电力路径之间的电力平衡。控制器17控制是否将单元6连接到DC链路7。此外，它们通过利用PWM信号直接驱动开关14来控制耗散的电力的量。图4中描述了不同控制器类型的进一步的任务。

在其它示例中，控制器16和17不直接控制元件4、5和6的开关半导体。它们通过提供控制命令和/或设定点来控制元件，例如针对功率基准、AC或DC电压和/或电流、AC信号的频率、振幅和相位、PWM频率和/或通/断比提供控制命令和/或设定点。在该情况下，元件16和17更“智能”，例如具有设置用于自动完成这些要求的微控制器。

在一个实施方式中，每个控制器15-17由处理程序表示，该处理程序为由风力涡轮机的计算机所执行的普通控制器软件的一部分。各处理程序与也作为控制器的部件的计算机的一些输入和/或输出端口(I/O端口)相关联。因而，控制器用硬件和软件的组合实现。(另选地，I/O端口可以被分配到元件，因而控制器仅由软件产生)。在此实施方式中，控制器通过使用可被全部控制器处理程序访问的共享存储器和通过处理程序间通信来进行通信(参见图4)。元件2-6电气连接得到对应的I/O端口，以在控制器和受控元件之间建立通信。

在另一个实施方式中，每个控制器用单个物理器件表示，均具有用于控制至少一个元件和用于与其它控制器通信的微控制器。原则上可被特定控制器控制的全部元件可以通过信号线18和开关与该控制器电气连接。此外，控制器通过通信线19彼此连接，例如通过均连接到两个控制器的公共数据总线或者通过单个信号线彼此连接。

现在回到控制器共享，控制器布置使得一个元件能够被第一控制器控制并且第二元件能够被第二控制器控制(独立模式)，也使得第一元件和第二元件都能够被第一控制器控制，而第一元件和第二元件不被第二控制器控制(共享模式)。控制器15-17被组织为网络构建分布式系统。它们通过通信线19彼此连接。

在独立模式中，控制器活动地控制单个(相关联的)元件。因而，相邻的(其它)元件可以被相邻的(其它)控制器控制。除此之外，共享控制功能是控制器接管负责(先前)被另一活动的控制器管理的元件的功能的状态。共享模式可以限制故障影响或者增加到负载的电力吞吐量。

在一个实施方式中，在共享模式中，一个控制器统一地控制两个相邻元件，例如通过I/O端口的镜像驱动或者通过连接控制器和受控元件之间对应的信号线统一地控制两个相邻元件。

在替代实施方式中，在共享模式中，一个控制器独立控制两个相邻元件。在此实施方式中，每个控制器配备有两个独立的控制单元，一个单元控制相关联的第一元件并且另一个单元控制第二元件。在独立模式中，这些单元中的仅一个单元是活动的，另一个可以睡眠并且可被指定为备份，因而增加冗余。例如，这些单元是控制器处理程序的独立的线程。

然而，全部控制器15-17用作独立控制器，基于哪个控制器控制自身相邻的元件的知识来管理其受控元件。此外，控制是基于来自同一和其它通道中存在的控制器的输入。因而，每个控制器以独立的方式决定是否仅控制一个元件或者同时控制两个元件，没有将特定元件分配到特定控制器的主机。以独立的方式决定意味着控制器基于其关于其它元件和控制器的知识并基于自身状态作出自己的决定。从另一个控制器(第二控制器)的元件的移交可以通过请求由另一个控制器(第二控制器)发起，例如如果第二控制器自己发现了任何内部故障。此外，移交可以由将接管元件的控制器

(第一控制器)发起，例如，如果第一控制例如通过主动观察和/或分析所接收的关于相邻元件和控制器的信息发现了第二控制器的故障。即使事实是(故障的)第二控制器不再发送任何信息，该事实也可以用于开始与第二控制器相关联的元件的移交

(接管)。

图3a-图3c：移交

通过以下示例说明移交。图3a示意性地示出了移交之前的具有两个电力路径(沿着实线)的系统1的一部分。图3b示出了移交之后的相同部分。信号线18描绘为实箭头，其中箭头的方向示出“控制-要被控制”的关系。通信线19描绘为虚线。在图3a和图3b的左半部分图中示出了关于“第一”变换器控制器16和AC/DC变换器4以及“第二”变换器控制器16和AC/DC变换器4的示例。图3c示意性地示出了移交的不同的阶段。

根据20(参见图3c)，在移交之前，第一变换器控制器是第一变换器的功能控制器，并且第二变换器控制器是第二变换器的功能控制器。根据图1和图2，第一控制器与第一变换器相关联，并且第二控制器与第二变换器相关联。在21(图3b的点划线)中例如在第二控制器发生故障的事件中，第一控制器接管第二变换器的功能控制。这无需第一控制器损失对第一变换器的任何控制功能。作为发生故障的结果，第二变换器不再被控制。经由通信线19例如通过第二控制器发送的广播信号或者通过将共享存储器设定为指示错误状态的值来提供关于故障的信息，(如果仍能够通信的话)。该信息还可以通过第二控制器不再示出任何生命迹象的事实来提供。

该信息由(全部控制器接收，并且尤其是由)与第二变换器的电力路径相关联的电力耗散单元控制器17接收。在22，该控制器17将(自动地)开始驱动开关14，以将电力耗散单元6连接到DC链路以耗散第二变换器的DC侧电力。在另一个示例中，耗散应由第二变换器处理的(源侧)电力。

另外，还由第一控制器接收关于故障的信息，第一控制器(连续地)分析接收到的关于系统1的全部信息。由于第一控制器在该时间点仅仅控制单个的第一元件，原则上能够控制另外一个元件。

因而，在22，第一控制器以将第二变换器从源侧AC链路8断开的方式开始移交(或者接管，因为第二控制器由于发生故障而不主动涉入)。因而，没有更多电力将被引导到非受控的第二变换器。为了移交元件，在22，第一控制器还将第二控制器从第二变换器断开，例如通过将第二控制器的控制处理的指针改变为NIL值(即，任何地方都不指向)，或者通过使用半导体开关将第二控制器和第二变换器之间的信号线18物理地断开来将第二控制器从第二变换器断开。

接着，在23，例如通过物理地切换连接信号线18或者通过将针对第一变换器的(软件)控制命令镜像到第二变换器(在用第一控制器统一控制两个变换器的情况下)，或者通过将第一控制器的(至今未活动的)第二控制器单元连接到第二变换器，来将第二变换器连接到第一控制器。由此，将第二变换器的功能移交到第一控制器。接着在23，由控制器17断开电力耗散单元6并且，源侧AC链路8连接到第二控制器。

最终，在24，第一控制器控制第一元件和第二元件两者，而第二控制器什么都不控制，因为第二控制器已经发生故障。这确保在控制器故障的事件中，电力传输系统1以及因此风力涡轮机将不解列。

例如，这适用于分别控制两个变换器4和/或5和两个电力耗散单元6的任意两个变换器控制器16以及任意两个电力耗散单元控制器17。还分别适用于源-负载管理控制器15和源2和负载3。

在另一个实施方式中，附加地或者另选地，健康的控制器(没有故障状况)被另一个控制器接管。因此，单个控制器在正常模式下控制两个元件。因而，如果(之后)系统故障发生，故障的影响减轻，到负载的电力吞吐量得到优化和/或维护了发电机的机械稳定性。

图4：控制器的通信

图4示出了不同的控制器类型之间共享的信息。每个圆圈代表相同类型的全部控制器15-17。在此实施方式中，通过向全部类型的控制器进行广播来交换信息，其中单个的控制器智能地选择它们进行功能决策而需要的信息。如前面提到的，通过共享存储器和处理程序间通信实现控制器间通信。(在一些替代实施方式中，发送控制器以具体接收控制器为目标。在一些实施方式中，控制器间通信通过物理通信链路实现。)

实线表示事件信息的交换18，例如关于状态和错误的事件信息的交换；虚线表示信号信息的交换19，例如关于系统参数的信号信息的交换。

源-负载管理控制器15向所有的其它控制器提供事件信息，例如关于源2、负载3和/或控制器15自身的状态和/或错误的事件信息，或者关于整体系统命令(例如启动、关闭、发电)的事件信息。此外，它们向所有的其它控制器提供实时信号信息，例如关于期望的单独变换器电力设定点、可用源电力、负载电力消耗的实时信号信息。

变换器控制器16向所有的其它控制器提供事件信息，例如关于变换器4、5和/或控制器16自身的状态和/或错误的事件信息。此外，它们向所有的其它控制器提供实时信号信息，例如关于要变换的电力的比率和/或链路7和8中存储的能量的实时信号信息。

电力耗散单元控制器17向所有的其它控制器提供事件信息，例如关于电力耗散单元6和/或控制器17自身的状态和/或错误的事件信息。此外，它们向所有的其它控制器提供实时信号信息，例如关于要耗散的电力的量和/或比率和/或电力耗散元件的健康状况(如温度)的实时信号信息。

共享的信息允许每个控制器独立地做出功能决策，以便在上述独立模式和共享模式两者实现期望的系统行为。

本说明书中提到的全部公开在此通过引用的方式并入。

尽管此处描述了根据本发明的教导构建的某些方法和产品，但本专利的覆盖范围不限于此。相反地，本专利覆盖从字面上或在等同物的原则下清楚地落入所附权利要求的范围内的本发明的教导的全部实施方式。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置，其中所述风力涡轮机包括发电机并连接到电网，所述发电机和所述电网分别提供至少一个源和负载，其中所述电力传输系统被设置为从所述发电机向所述电网传输电力；

其中，所述电力传输系统包括至少两个变换器和至少一个电力耗散单元、至少两个变换器控制器和被设置为向负载传输电力的电力路径，所述至少两个变换器和至少一个电力耗散单元作为元件，所述至少两个变换器控制器中的每一个被设置为控制至少一个元件；

其中，至少一个变换器控制器被设置为能够仅控制这些元件中的一个变换器以及能够控制这些元件中的至少两个变换器；

其中，所述控制器装置使得所述元件中的第一变换器能够由第一变换器控制器控制并且所述元件中的第二变换器能够由第二变换器控制器控制，所述第一变换器和所述第二变换器连接到所述电力路径；

所述控制器装置还使得所述第二变换器能够被移交给所述第一变换器控制器，从而使得所述第一变换器和所述第二变换器能够由第一变换器控制器控制而第一变换器或第二变换器不由第二变换器控制器控制；

其中，在将所述第二变换器移交给第一变换控制器时，所述第二变换器从电力路径断开并连接到所述电力耗散单元，并随后将对所述第二变换器的控制移交至所述第一变换控制器，将所述第二变换器从所述电力耗散单元断开，并将所述第二变换器重连接到所述电力路径。

2.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，所述电力传输系统包括作为元件的至少一个AC/DC变换器和至少一个DC/AC变换器，并且包括至少一个DC链路，所述至少一个DC链路被设置为耦接至少一个AC/DC变换器和至少一个DC/AC变换器。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的控制器装置，所述电力传输系统包括至少两个电力耗散单元和至少两个电力耗散单元控制器。

4.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，所述发电机中的至少一个和所述电网分别提供至少两个源和至少两个负载作为元件，并且其中所述电力传输系统包括至少两个源-负载管理控制器，每个源-负载管理控制器被设置为监视所述源和所述负载中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，至少所述第一变换器控制器被设置为统一地控制至少两个变换器。

6.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，至少所述第一变换器控制器被设置为独立地控制至少两个变换器。

7.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，至少所述第二变换器控制器被设置为产生目标为至少所述第一变换器控制器的信号，以提供以下信息中的至少一个信息：关于自身的信息和关于其控制的所述变换器中至少一个变换器的信息。

8.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，至少所述第二变换器控制器被设置为产生广播信号，以提供以下信息中的至少一个信息：关于自身的信息和关于其控制的所述变换器中至少一个变换器的信息。

9.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，至少所述第一变换器控制器被设置为按照独立方式决定是否仅控制一个变换器或者同时控制至少两个变换器。

10.根据权利要求1所述的控制器装置，其中，所述电力传输系统包括至少一个电力耗散单元控制器，其中所述变换器控制器被设置为向所述电力耗散单元控制器提供关于自身的信息和关于所述变换器的信息中的至少一个。

11.一种控制风力涡轮机的电力传输系统的控制器装置的方法，其中，所述风力涡轮机包括发电机并连接到电网，所述发电机和所述电网分别提供至少一个源和负载，并且其中所述电力传输系统被设置为从所述发电机向所述电网传输电力；

其中，所述电力传输系统包括至少两个变换器和至少一个电力耗散单元、至少两个变换器控制器和被设置为向负载传输电力的电力路径，所述至少两个变换器和至少一个电力耗散单元作为元件，所述至少两个变换器控制器中的每一个被设置为控制至少一个元件；

其中，至少一个变换器控制器被设置为能够仅控制这些元件中的一个变换器以及能够控制这些元件中的至少两个变换器；

所述方法包括以下步骤：

在以下操作之间进行切换：

用第一变换器控制器控制第一变换器，并用第二变换器控制器控制第二变换器，其中，所述第一变换器和所述第二变换器连接到所述电力路径；以及

通过将第二变换器移交给所述第一变换器控制器，用第一变换器控制器控制第一变换器和第二变换器而不用第二变换器控制器控制第一变换器或第二变换器；

其中，在将所述第二变换器移交给第一变换控制器时，将所述第二变换器从电力路径断开并连接到所述电力耗散单元，并随后将对所述第二变换器的控制移交至第一变换控制器，将所述第二变换器从所述电力耗散单元断开，并将所述第二变换器重连接到所述电力路径。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述切换由故障状况触发。