KR20140106536A - 다상 교류기의 저속 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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네이슨 조브
토마스 앨런 라우벤스타인
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Abstract

영구 자석 기계들 또는 브러쉬 없는 DC를 포함하는, 그러나 제한되지 않는 다상 교류기의 어떠한 유형의 풍력 터빈 발전기의 기동 방법이 개시된다. 이 기계는 데드 스탑으로부터 또는 저속 동작으로부터 기동하고, 전력 생선을 위해 컷-인 스피드로 가속된다. 생성된 전력들을 캡쳐링(capture)하기 위해 또한 사용되는 전기적 전도체(electrical conductor)들의 공통의 집합(common set)을 활용하는 것으로 인식된다. 초기 동작 하에서, 파워 컨버터는 기계를 구동하기 위해 PWM 변조 기술을 실행한다. 주기적으로, PWM 변조는 발전기의 전기적 위치를 판독하기 위해 정지된다.

Description

다상 교류기의 저속 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR LOW SPEED CONTROL OF POLYPHASE AC MACHINE}
여기에 개시된 본원의 주제는 파워 컨버터(power converter)들과 연관되고, 더욱 구체적으로, 저속(low speed) 동작 동안 다상 교류기(polyphase alternating current(AC) machines)로부터의 전력 변환 및 다상 교류기의 개선된 제어에 연관된다.
본 출원의 청구항은 2011년 12월 19일에 출원된 미국 가출원 제61/577,447호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원의 전체의 내용은 참조로써 명세서에 포함된다.
최근 몇 년, 에너지에 대한 증가된 수요들 및 화석 연료의 공급 및 상기 화석 연료에 대응하는 오염에 관한 우려들은 재생 에너지 소스(renewable energy source)에 대한 증가된 관심으로 이어졌다. 가장 일반적이고 가장 좋은 개발된 재생 에너지 소스 중 두 가지는 광기전성 에너지(photovoltaic energy) 및 풍력 에너지(wind energy)이다. 다른 재생 에너지 소스는 연료 전지(fuel cells), 수력 전기 에너지(hydroelectric energy), 조석 에너지(tidal energy) 및 바이오 연료(biofuel) 또는 바이오매스(biomass) 발전기(generator)들을 포함할 수 있다. 그러나, 전기 에너지를 생성하기 위한 재생 에너지 소스의 이용은 새로운 문제점들의 세트(a new set of challenges)를 야기한다.
예를 들어, 풍력 터빈(wind turbine)들은 에너지의 가변적인 공급을 제공한다. 공급은 바람의 양에 의존한다. 풍력 터빈들은 변화하는 전류 레벨들에서 다상 AC 전압을 일반적으로 공급하고, AC 에너지를 일반적으로 생성한다. 에너지의 가변적 특성(variable nature of the energy supplied)에 기안하여, 유틸리티 그리드(utility grid)와 관계 없이 동작하는 경우, 파워 컨버터들은 풍력 터빈과 유틸리티 그리드 또는 전기 부하 사이에 보통 삽입된다. 파워 컨버터가 동작을 시작하기 전에 전력의 최소 레벨을 생성하고 있도록, 파워 컨버터들은 컷-인 속도(cut-in speed)로 또한 알려진 최소 속도에서 풍력 터빈이 회전하고 있을 것을 일반적으로 요구한다.
그러나, 풍력 터빈들은 상당한 질량(substantial mass)을 가지고, 컨버터가 에너지를 하베스팅(harvest)하기 시작할 수 있도록 정지(stop)로부터 컷-인 속도까지 가속하기 위해 상당한 에너지를 요구한다. 또한, 몇몇 풍력 터빈들은, 관성(inertial) "knee"를 가질 수 있고, 예를 들어, 터빈의 지속적인 회전을 위해 요구되는 에너지의 양보다 회전을 시작하고, 정지 마찰력(static friction force)들을 극복하기 위한 더 큰 양의 에너지를 그것들이 요구하는 것을 의미한다. 그러므로, 관성 "knee"는 풍력 터빈의 동작을 시작하기 위해 더 높은 초기 풍속(initial wind speed)을 요구하나, 초기 속도가 획득될 때, 동작은 저 풍속들에서 지속될 수 있다. 결과적으로, 풍력 터빈은, 에너지를 생성할 수 있는 풍속들의 범위를 가질 수 있으나, 풍력 터빈이 이전에(already) 회전하고 있지 않았었던 경우, 에너지는 손실된다. 유사하게, 바람이 터빈을 정비로부터 컷-인 속도까지 가속하기에 충분히 강할 지라도, 풍력 터빈의 관성은 느린 가속을 야기할 수 있다. 느린 가속은, 풍력 터빈을 컷-인 속도까지 가속하기 위한 바람직하지 않은(undesirable) 시간의 양의 결과가 될 수 있다. 가속 동안, 풍력 터빈은 풍속이 에너지를 생성하기 위해 충분한 주기들 동안 에너지 생성에 다시 실패하고 있다.
풍력 터빈으로부터 가장 높은 포텐셜 에너지 생성을 획득하기 위해, 가능한 한 빈번히 컨버터의 컷-인 속도를 초과하여 동작하는 풍력 터빈을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 컷-인 속도까지 풍력 터빈을 가속하는 것을 도와 주고, 및/또는 관성 "knee"를 극복할 수 있는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
여기에 개시된 본원의 주제는 저속 동작 동안 다상 기계(polyphase machine)들을 제어하기 위한 방법 및 시스템과, 보다 구체적으로, 교류기에 커플링(couple)된 위치 센서(position sensor)를 포함하지 않는 다상 교류기를 기동하기 위한 방법 및 시스템을 개시한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명은 영구 자석 기계들(permanent magnet machines) 또는 브러쉬가 없는 DC(brushless DC)를 포함하는, 그러나 여기에 제한되지 않는, 다상 교류기의 임의의 유형의 풍력 터빈 발전기(wind turbine generator)를 기동하기 위한 방법을 제공한다. 이 기계는 데드 스탑(dead stop) 또는 저석 동작으로부터 기동하고, 전력 생선을 위해 컷-인 속도로 가속된다. 생성된 전력들을 캡쳐링(capture)하기 위해 또한 사용되는 전기적 전도체(electrical conductor)들의 공통의 집합(common set)을 활용하는 것으로 인식된다. 초기 동작 하에서, PWM 변조 기술은 기계를 구동한다. 주기적으로, PWM 변조는 발전기의 전기적 위치를 판독하기 위해 정지된다. 플라이 휠들(fly wheels)과 같은 유사한 기동 조건들을 요구하는 다른 적용들은 유사하게 상기 기동 방법을 적용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력 변환 시스템은, 전력 변환 시스템을 다상 교류기(polyphase AC machine)으로 연결하는 단자들의 집합, 포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 사이에 연결되고, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 간에 양방향 전력(bidirectional power)을 전송하는 파워 컨버터, 일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 미리 정의된 속도 미만으로 스타트 업 제어 모듈을 실행하고, 상기 기동 제어 모듈은 상기 교류기의 회전을 제어하고, 상기 DC 버스로 상기 교류기에 의해 생성된 전력을 전송하기 위해 상기 미리 정의된 속도를 초과하여 전류 레귤레이터(current regulator)를 실행한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 변환 시스템은, 유틸리티 그리드(utility grid)에 연결되는 출력 및 상기 DC 버스 및 상기 출력 사이에 연결되는 인버터 모듈(inverter module)을 포함한다. 상기 인버터 모듈은 상기 DC 버스 및 상기 출력 간에 양방향 전력(bidirectional power)를 전송하고, 상기 컨트롤러는 상기 기동 제어 모듈이 실행되고 있는 경우, 상기 DC 버스 상에 소기의 DC 전압을 유지하기 위해 상기 인버터 모듈을 제아한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전력 변환 시스템은 에너지 저장 소자 및 상기 DC 버스 및 상기 에너지 저장 소자 간에 에너지를 전송하는 제2 파워 컨버터를 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 기동 제어 모듈이 실행되고 있는 경우, 상기 DC 버스 상에 소기의 DC 전압을 유지하기 위해 상기 제2 파워 컨버터를 제어한다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 기동 제어 모듈은 상기 DC 버스 상의 전압을 상기 교류기에 대한 AC 전압으로 변환하는 변조 모듈(modulation module)을 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 변조 모듈을 주기적으로 디스에이블링(disable)하고, 상기 변조 모듈이 디스에이블링 되는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 교류기 상에 존재하는 역기전력 전압(back-emf voltage)를 판독한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 변환 시스템은 전력 변환 시스템을 다상 교류기에 연결하는 단자들의 제1 집합, 포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스, 상기 단자들의 제1 집합을 상기 DC 버스에 선택적으로 연결하는 복수 개의 제1 스위치들, 유틸리티 그리드에 연결하는 단자들의 제2 집합, 상기 DC 버스를 상기 단자들의 제2 집합으로 선택적으로 연결하는 복수 개의 제2 스위치들, 일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서 상기 명령들을 실행한다. 상기 제1 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는 미리 정의된 속도로 상기 교류기를 가속하기 위해 제1 및 제2 스위치들 각각에 대한 게이팅 신호(gating signal)을 생성하고, 상기 제2 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는 상기 교류기에 의해 생성된 에너지를 상기 유틸리티 그리드에 전송하기 위해 제1 및 제2 스위치들 각각에 대한 상기 게이팅 신호를 생성한다. 상기 제1 동작 모드 동안, 상기 제1 스위치들은, 상기 단자들의 제1 집합에서 다상 AC 전압을 제공하기 위해 제어되고, 상기 다상 AC 전압은 상기 교류기의 속도를 제어하기 위한 가변적인 크기 및 가변적인 주파수를 포함한다. 상기 제2 스위치들은, 상기 DC 버스 상에 실질적으로 일정한 DC 전압을 유지하기 위해 상기 유틸리티 그리드 및 상기 DC 버스 간에 에너지를 전송하도록 제어된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 변환 시스템은 상기 단자 들의 제1 집합에서 존재하는 전압의 진폭에 대응하는 신호를 생성하는 복수 개의 전압 센서들을 또한 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 전압 센서들로부터 상기 신호들 각각을 더 수신하고, 상기 제1 동작 모드 동안, 상기 제1 스위치들이 디스에이블링되는 경우, 상기 컨트롤러는 주기적으로 상기 제1 스위치들을 디스에이블링하고, 상기 신호들 각각을 판독한다. 상기 제2 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는, 상기 스위치들의 제1 집합을 제어하고, 상기 스위치들의 제1 집합을 제어함과 동시에 상기 신호들을 판독한다. 상기 컨트롤러는 상기 전압 센서들로부터 판독된 신호들의 함수로서 상기 단자들의 제1 집합에 존재하는 역기전력 전압을 결정하고, 그리고 상기 역기전력 전압의 함수로서 상기 단자들의 제1 집합에 존재하는 전압의 전기 각(electrical angle)을 결정한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 풍력 터빈의 컷-인 속도 보다 큰 미리 정의된 초기 속도까지 상기 풍력 터빈 내에서의 사용을 위한 다상 교류기를 가속하는 방법을 개시한다. 상기 방법은 상기 교류기에 대한 전압을 생성하기 위한 변조 모듈을 실행하는 제1 동작 모드에서 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 전압은 상기 교류기의 회전 속도(rotational speed)를 제어하기 위해 가변적인 크기 및 가변적인 주파수를 포함한다. 상기 제1 동작 모드 동안, 상기 방법은 주기적 간격(periodic interval)으로 상기 변조 모듈을 디스에이블링하고, 상기 변조 모듈이 디스에이블링 되는 경우, 상기 교류기 상에 존재하는 역기전력 전압을 결정한다. 상기 교류기의 회전 속도는 상기 역기전력 전압의 함수로서 결정된다. 파워 컨버터는 상기 회전 속도가 상기 미리 정의된 초기 속도 보다 큰 경우, 제2 동작 모드에서 제어되고, 상기 제2 동작 모드 동안, 상기 파워 컨버터는 상기 교류기로부터 상기 DC 버스까지 에너지를 전송한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 교류 생성 소스로부터 유틸리티 그리드까지 생성된 에너지를 전송하기 위한 전력 변환 시스템은, 상기 전력 변환 시스템을 상기 교류 생성 소스에 연결하는 단자들의 집합, 포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 사이에 연결되고, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 간에 전력을 전송하는 파워 컨버터, 일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 DC 버스에 상기 교류 생성 소스에 의해 생성된 전력을 전송하기 위해, 상기 파워 컨버터의 연속적인 변조에 대해 미리 정의된 속도를 초과하여 변조 모듈을 실행하고, 상기 DC 버스에 상기 교류 생성 소스에 의해 생성된 전력을 전송하기 위해, 상기 파워 컨버터의 간헐적인(intermittent) 변조에 대해 상기 미리 정의된 속도 미만으로 상기 변조 모듈과의 조정(coordination)에서 블랭킹 타임을 주기적으로 삽입하기 위해 상기 일련의 명령들을 실행한다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적(object)들, 이점들, 및 특징들은 상세한 설명 및 부수하는 도면들로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백하게 될 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 부수하는 도면들은, 본 발명의 바람직한 실시예들을 지시하지만, 실례(illustration)의 방식에 의해 제공되는 것이고 제한의 방식으로 제공되는 것이 아님이 이해되어야 한다. 많은 변경들 및 수정(modification)들이 본 발명의 본질로부터 벗어나지 않는 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있고, 본 발명은 모든 이러한 수정들을 포함한다.
여기에 개시된 대상 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 참조 번호들이 전반에 걸쳐 유사한 부분들을 나타내는 하기의 부수하는 도면들 내에서 도해된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 도식적인 표현이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 도식적인 표현이다.
도 3은 풍속 및 로터 스피드의 함수로 풍력 터빈에 의해 생성된 파워의 그래프 표현이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 블록도 표현이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 변조 주기의 일 부분의 그래프 표현이다.
도 6은 연속적인 펄스 폭 변조 하의 동작 동안 도 1의 컨버터의 단자들에서 존재하는 삼상 전압(three phase voltage)의 그래프 표현이다.
도 7은 주기적 블랭킹 타임(blanking time)으로 펄스 폭 변조 하의 동작 동안 도 1의 컨버터의 단자에서 존재하는 삼상 전압의 그래프 표현이다.
도 8은 전압의 한 주기 동안 도 7의 삼성 전압의 하나의 페이즈의 그래프 표현이다.
도면들 내에 도해된 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함에 있어서, 특정한 전문 용어(terminology)는 명확성을 위해서 사용(resorted to)될 것이다. 그러나, 본 발명은 그렇게 선택된 특정한 용어들에 제한되는 것으로 의도되지 않고 각각의 특정한 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 동작하는 모든 기술적인 균등물들을 포함하는 것으로 이해된다. 예컨대, 단어 "연결된", "부착된" 또는 이들과 유사한 용어들이 종종 사용된다. 이러한 용어들은 연결을 지시하는 것으로 한정되지 않고 다른 요소들을 통한 연결(이러한 연결은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 균등물로서 인식됨)을 포함한다.
여기에 개시된 대상 발명의 다양한 특징들 및 유리한 세부사항들은 하기의 기재 내에서 설명되는 비-제한적인 실시예들을 참조하여 더 완전하게 설명된다.
처음에 도 1로 돌아와서, 본 발명의 일실시예를 포함하는 예시적인 컨버터(10)가 도시된다. 파워 컨버터에 연결된 얼터네이터(6)와 파워 컨버터(10)에 존재하는 DC 버스(12) 간에 파워 컨버터(10)는 양방향 전력을 전송한다. 파워 컨버터(10)는 얼터네이터(6)에 연결되는 3 개의 입력 단자들(T1-T3)을 포함한다. 하나의 동작 모드에서, 도시된 실시예의 입력 단자들(T1-T3) 각각은 얼터네이터(6)로부터 파워 컨버터(10)의 DC 버스(12)까지 전력을 전달한다. 예를 들어, 얼터네이터(6)는 바람과 같은 외부 소스(external source)에 의해 구동될 수 있고, 입력 단자들 중 하나에 연결되는 삼상 교류 전압(V1-V3) 각각의 페이즈를 생성한다. 입력 필터(28)는 단자들(T1-T3) 각각과 직렬로 연결된다. 다른 동작 모드에서, DC 버스 상에 존재하는 DC 전압을 단자들(T1-T3) 상의 가변적인 진폭 및 가변적인 주파수 AC 전압으로 변환하고, 얼터네이터(6)의 회전을 제어한다.
얼터네이터(6)가 전력을 생성하고 있는 경우, 파워 컨버터(10)는 단자들(T1-T3)에서 멀티페이즈 AC 입력 전압(V1-V3)을 수신하고, 스위칭 소자들(20,21)을 이용하여 DC 버스(12)상에 존재하는 소기의 DC 전압(Vdc)를 출력한다. DC 버스(12)는 출력들(+Vdc 및 -Vdc)에서 가용하게 되는 포지티브 레일(positive rail)(14) 및 네거티브 레일(negative rail)(16)을 포함한다. 해당 기술 분야에서 이해되는 것처럼, 포지티브 레일(14) 및 네거티브 레일(16)은 공통(common) 또는 중성(neutral) 전압에 대하여 어떠한 적합한 DC 전압 포텐셜을 전도(conduct)할 수 있고, 포지티브 또는 네거티브 DC 전압 포텐셜에 제한되지 않는다. 또한, 포지티브 레일(14) 또는 네거티브 레일(16) 중 어느 하나는 중성 전압 포텐셜에 연결될 수 있다. 포지티브 레일(14)은 네거티브 레일(16)보다 큰 포텐셜을 가지는 DC 전압을 일반적으로 전도한다.
스위칭 소자들(20, 21)은 일반적으로 솔리드-스테이트(solid-state) 전력 소자들이다. 도 1은 바이폴라 접합 트랜지스터들(BJT: bipolar junction transistor)로서의 스위칭 소자들(20, 21)을 도시한다. 그러나, 적용 요구 조건들에 따라, 임의의 적절한 스위칭 장치들이 이용될 수 있음이 고려되며, 임의의 적절한 장치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistors)들, 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)들, 실리콘 제어 정류기(SCR: Silicon Controlled Rectifier)들, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT: Integrated Gate-Commutated Thyristor)들 또는 게이트 턴-오프 사이리스터(GTO: Gate Turn-Off thyristor)들과 같은 사이리스터(thyristor)들 또는 다른 제어되는 소자들을 포함할 수 있으나, 여기에 제한되지 않는다. 다이오드(22)는 스위칭 디바이스(20, 21)가 턴 오프되는 경우 요구되는 것처럼 스위칭 디바이스(20, 21)를 가로지르는(across the switching device) 역방향 전도(reverse conduction)를 위해 스위칭 디바이스들(20, 21)의 각각에 병렬로 연결된다. 이러한 다이오드(22)는 또한 반도체 스위치의 일부일 수 있다. 입력의 각각의 페이즈에 대하여, 포지티브 스위치(20)는 입력 단자(T1-T3) 및 DC 버스(12)의 포지티브 레일(14) 사이에 연결되고, 네거티브 스위치(21)는 입력 단자(T1-T3) 및 DC 버스(12)의 네거티브 레일(16) 사이에 연결된다. 포지티브 스위칭 소자들(20) 각각은 포지티브 게이트 신호(positive gate signal)(24)에 의해 제어되고, 네거티브 스위칭 소자들(21) 각각은 네거티브 게이트 신호(negative gate signal)(25)에 의해 제어된다. 포지티브 및 네거티브 게이트 신호들(24 또는 25)은, 포지티브 또는 네거티브 스위칭 소자들(20 또는 21) 각각을 통해 선택적으로 전도를 허용하기 위해 인에이블링(enable) 또는 디스에이블링(disable) 된다. 커패시턴스(capacitance)(50)는 DC 버스(12)의 네거티브 레일(16) 및 포지티브 레일(14) 사이에 연결된다. 커패시턴스(50)는 시스템의 요구 조건들에 따라 한 개의 캐패시터 또는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수 개의 캐패시터들일 수 있다. 커패시턴스(50)는 입력 전압 및 DC 버스(12) 간의 전압 변환(conversion)으로부터 비롯되는 리플 전압(ripple voltage)의 크기를 감소시킨다.
컨트롤러(40)는 게이트 신호(24, 25)를 생성하기 위해 일련의 저장된 명령들(a series of stored instructions)을 실행한다. 컨트롤러(40)는 컨버터(10)의 전체에 걸친 다양한 포인트들에서 전압 및/또는 전류의 진폭(amplitude)에 대응하는 센서들로부터 피드백 신호(feedback signal)들을 수신한다. 위치들은 컨트롤러(40) 내에서 실행되는 특정한 제어 루틴(control routine)들에 의존한다. 예컨대, 입력 센서들(26a-26c)은 각 입력 단자(T1-T3)에서 존재하는 전압의 진폭을 제공할 수 있다. 선택적으로, 입력 센서(26a-26c)는 각 입력 단자(T1-T3)에서 전도된 전류의 진폭을 제공하기 위해 동작적으로 연결(operatively connected)될 수 있다. 유사하게, 전류 및/또는 전압 센서(28 및 30)는 DC 버스(12)의 포지티브 레일(12) 및 네거티브 레일(16)에 각각 동작적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러(40)는 저장된 명령들을 가져오기(retrieve) 위해 메모리 소자(42)와 인터페이스로 접속하고 외부의 디바이스들과 통신하기 위해 통신 포트(44)와 인터페이스로 접속할 수 있다. 컨트롤러(40)는 여기에 설명된 것처럼 컨버터(10)를 제어하기 위해 저장된 명령들을 실행한다.
다음으로 도 4를 참조하면, 예시적인 전력 변환 시스템(power conversion system)은 인버터처럼 동작하고, DC 버스(12)에 의해 연결되는 제1 파워 컨버터(10) 및 제2 파워 컨버터(60)를 포함한다. 선택적으로, 에너지 저장 소자(18)는 DC 버스(12)의 네거티브 레일(16) 및 포지티브 레일(14) 사이에 연결될 수 있다. 풍력 터빈의 발전기와 같은 얼터네이터(6)는 DC 버스(12) 상의 DC 전압으로 변환되는 전력을 컨버터(10)로 공급하고, 차례대로(in turn), 인버터(60)는 DC 버스(12)로부터 전기 부하(electrical load)(4) 또는 유틸리티 그리드(도시되지 않음)로 전력을 공급한다. 저장 소자(18)는, DC 버스(12) 상에 존재하는 DC 전압을 저장 소자의 요구 조건들에 따라 적합한 DC 전압 레벨로 변환하기 위해 DC - DC 컨버터(DC to DC converter)를 또한 포함한다. 예를 들어, 저장 소자는 납축 전지(lead-acid battery), 리튬 이온 전지(lithium ion battery), 브롬화 아연 전지(zinc-bromide battery), 플로우 전지(flow battery) 또는 어떠한 다른 적합한 에너지 저장 소자일 수 있다. DC - DC 컨버터는 적용 요구 조건들에 따라 DC 버스(12) 및 저장 소자(18) 간에 에너지를 전송하도록 동작한다.
이제 도 2를 참조하면, 예시적인 인버터(60)는 DC 버스(12)에 연결된다. 인버터(60)는 DC 버스(12) 및 유틸리티 그리드 간 양방향 전력을 전송할 수 있다. 하나의 동작 모드에서, 인버터(60)는 상기 DC 버스(12)로부터의 DC 전압을 ,예를 들어, 모터와 같은 전기 부하(electrical load) 또는 유틸리티 그리드로 공급되기에 적합한 AC 전압으로 변환한다. 다른 동작 모드에서, 인버터(60)는 유틸리티 그리드 및 DC 버스(12) 간 전류를 레귤레이팅(regulate) 함으로써, DC 버스(12) 상에 존재하는 DC 전압을 레귤레이팅할 수 있다. 동작 모드 중 하나에서, 인버터(60)의 제어는, 포지티브 레일(14) 또는 네거티브 레일(16) 중 하나를 출력(62)의 페이즈들 중 하나로 선택적으로 연결하는 스위칭 소자들(70)을 사용함으로써, 변환이 수행 된다. 스위칭 소자들(70)은 일반적으로 솔리드-스테이드 전력 소자이다. 도 2는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT: bipolar junction transistor)들로서의 스위칭 소자들(70)을 도시한다. 그러나, 적용 요구 조건들에 따라, 임의의 적절한 스위칭 장치들이 이용될 수 있음이 고려되며, 임의의 적절한 장치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistors)들, 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)들, 실리콘 제어 정류기(SCR: Silicon Controlled Rectifier)들, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT: Integrated Gate-Commutated Thyristor)들 또는 게이트 턴-오프 사이리스터(GTO: Gate Turn-Off thyristor)들과 같은 사이리스터(thyristor)들 또는 다른 제어된 소자들을 포함할 수 있으나, 여기에 제한되지 않다. 다이오드(72)는 스위칭 디바이스들(70)이 턴 오프되는 경우 요구되는 것처럼 스위칭 디바이스들(70)을 가로지르는 역방향 전도를 위해 스위칭 디바이스들(70)의 각각에 병렬로 연결된다. 이러한 다이오드(72)는 또한 반도체 스위치의 일부일 수 있다. 각각의 스위칭 소자(70)는 게이트 신호(74)에 의해 제어된다. 게이트 신호(74)는 스위칭 소자(70)를 통해 선택적으로 전도를 허용하기 위해 인에이블링 또는 디스에이블링 된다.
컨트롤러(90)는 게이트 신호들(84)을 생성하기 위해 일련의 저장된 명령들을 실행한다. 컨트롤러(90)는 인버터(60) 전체에 걸친 다양한 포인트들에서 전압 및/또는 전류의 진폭에 대응하는 센서들로부터 피드백 신호들을 수신한다. 위치들은 컨트롤러(90) 내에서 실행되는 특정한 제어 루틴들에 의존한다. 예를 들어, 센서들(76a-76c)은 출력 단자(62)의 각각의 페이즈에 존재하는 전압의 진폭을 제공할 수 있다. 선택적으로, 출력 센서들(76a-76c)은 출력 단자(62)의 각각의 페이즈에서 전도되는 전류의 진폭을 제공하기 위해 동작적으로 연결될 수 있다. 유사하게, 전류 및/또는 전압 센서(78 및 80)는 DC 버스(12)의 포지티브 레일(12) 및 네거티브 레일(16) 각각에 동작적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러(90)는 저장된 명령들을 가져오기 위해 메모리 소자(92)와 인터페이스로 접속하고, 외부 소자들과 통신하기 위해 통신 포트(communication port)(94)와 인터페이스로 접속할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 컨터버(10) 및 제2 컨버터(60)는 각각의 파워 컨버터의 동작을 제어하기 위해 분리된 컨트롤러들(40, 90) 및 메모리 소자들(42, 92)을 포함하는 분리된 모듈(module)들이다. 선택적으로, 단일 컨트롤러 및 메모리 소자는 파워 컨버터들 둘 모두의 동작을 제어할 수 있다.
동작에 있어서, 전력 변환 시스템은 에너지를 생성하기 위한 풍력 터빈의 유용성(aviailability)을 증가시킨다. 풍력 터빈이 위에서 논의된 바와 같이 관성의 "knee"로 구성되는 경우, 전력 변환 시스템은 동작을 시작하기에 충분한 초기 속도로 얼터네이터(6)를 우선 가속시키고, 그리고 나서 유틸리티 그리드로 얼터네이터(60)에 의해 생성된 전력을 전송하기 시작한다. 선택적으로, 풍력 터빈은 컨트롤러(40)에 풍속에 대응하는 신호를 제공하는 풍속계(anemometer)를 포함할 수 있다. 풍속이 파워 컨버터(10)에 의해 요구되는 컷-인 속도 보다 크나, 얼터네이터(60)의 회전을 시작하기 위해 풍력 터빈에 의해 요구되는 최초 속도보다 작은 경우, 컨트롤러(40)는 얼터네이터(6)를 가속하기 위해 동작할 수 있다. 풍력 터빈이 관성 "knee"를 포함하지 않음에도 불구하고, 전력 변환 시스템은 풍력 터빈의 동작을 시작하기 위해 요구되는 시간의 양을 감소하도록 얼터네이터(6)를 컷-인 속도까지 가속시킬 수 있다. 어느 하나의 동작 조건 하에서, 전력 변환 시스템은 얼터네이터(60)의 회전 속도(rotational speed)를 제어하기 위해 제1 모드에서 동작되고, 얼터네이터(6)로부터 파워 컨버터(10)의 DC 버스(12)까지 공급되는 전력을 변환하기 위해 제2 동작 모드에서 동작한다.
제1 파워 컨버터(10)가 소스(6)로부터 DC 버스(12)까지 전력을 전송하는 경우(도 4에서 또한 도시됨), 차후에 에너지 저장 소자들(18) 또는 인버터 모듈들(60)은 에너지 소스에 의해 생성된 전력을 저장하거나 유틸리티 그리드로 에너지 소스에 의해 생성된 전력을 전달하기 위해 각각 DC 버스(12)에 연결될 수 있다. 에너지 저장 소자(18)는 DC 버스(12) 및 에너지 저장 소자(18) 간의 전력을 제어하기 위해 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)를 포함할 수 있다. 교대로, 파워 컨버터(10)가 얼터네이터(6)의 회전을 제어하는 경우, DC-DC 컨버터 및/또는 인버터 모듈(60)은 DC 버스(12) 상에 존재하는 전압을 레귤레이팅할 수 있다. 어느 하나의 동작 모드에서, 파워 변환의 소기의 형태에 따라, 출력(62) 또는 입력 단자들(T1-T3) 중 하나와 DC 버스(12) 간에 스위치들(20, 21 또는 70)을 각각 선택적으로 연결하기 위한 게이팅 신호들(gating signals)(24, 25, 또는 74)을 생성하는 하나 이상의 제어 모듈들을 파워 컨버터(10, 60) 각각의 컨트롤러(40, 49)는 실행할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 풍력 터빈은 풍속의 함소로서 저속 구동축(low speed drive shaft)을 회전시키는 날(blade)들을 포함할 수 있다. 저속 구동축은, 기어박스에 입력(input)되고, 결국, 이것의 전동 장치(gearing)의 기능과 같이 고속 구동 축 출력을 회전시킨다. 고속 구동축은 고정자(stator) 상에서 AC 전압들(V1-V3)을 생성하는 얼터네이터(6)의 로터(rotor) 부분을 회전시킨다.
다음으로 도 3을 참조하면, 그래프(100)는 변화하는 풍속들 하에서 동작하는 예시적인 풍력 터빈에 대하여, 로터 속도(rotor speed)의 함수로서의 얼터네이터(6)에 의해 생성되는 전력 간의 관계를 도시한다. 예를 들어, 터빈 날들의 속도는 날의 변화하는 피치(varying the pitch of the blades)에 의해 제어될 수 있다. 이와 같이, 일정한 풍속에 대하여, 결과적으로 저속 구동 축의 회전 속도 및 얼터네이터(6)에서의 로터의 회전 속도는 변화할 수 있다. 그러나, 날의 피치가 변화하는 바람 조건들에 대응하여 충분히 빠른 레이트(rate)에서 조절 가능하지 않을 수 있는 가능성이 존재한다. 피치 제어 대신 또는 덧붙여, 컨버터(10)는, 가변적인 제동력(braking force)이 얼터네이터(6)에 적용되도록, 얼터네이터(6)로부터 도출(drawn)되는 레귤레이팅(regulating) 전류에 의해 얼터네이터(6)의 속도를 레귤레이팅하는 데에 도움을 줄 수 있다. 그러므로, 전류의 전기적 제어는 최대의 전력 포인트에서 동작을 유지하기 위에 풍속의 변화에 대해 보상할 수 있다.
파선(101)에 의해 도 3에 더 도시된 것처럼, 얼터네이터(6)의 동작은 제곱된 전력 법칙(squared power rule)을 따를 수 있고, 터빈에 의해 생성되는 전력은 풍속의 제곱으로 증가한다. 각각의 풍속에 대하여, 그 풍속에서 얼터네이터에 의해 생성될 수 있는 최대 전력이 DC 버스(12)로 전송되도록, 컨트롤러(40)는 최대 전력 포인트(MPP: Maximum Power point)에서 동작한다. 다양한 풍속들에서 이러한 최대 전력 전력 포인트들을 추적하는 것은 정격 전력(rated power) 생산이 발생할 때까지 지수의, 제곱된 전력 곡선(101)의 결과가 된다. 그 포인트에서, 컨트롤러(40)는, 컨버터(10)의 요소 또는 얼터네이터(60)에 손상을 방지하기 위해 정격 값(rated value)으로 전력 생산을 제한한다. 얼터네이터(6) 및 DC 버스(12) 간 전도되는 전류의 제어 및 날들의 피치 제어 둘 모두를 위해 컨트롤러(40)는 제어 루틴들을 실행한다. 선택적으로, 분리된 컨트롤러(40)가 사용될 수 있고, 컨트롤 모듈들 중 하나를 각각 실행한다.
해당 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 정상 동작 조건들(normal operating conditions) 동안 얼터네이터(6)로부터 도출된 전류를 레귤레이팅하기 위해, 컨트롤러(40)는, 얼터네이터(6)로부터 DC 버스(12)까지 전류의 동기 제어를 위해 구성되는 제1 전류 레귤레이터(regulator)를 이행(implement)할 수 있다. 동기 전류 레귤레이터(synchronous current regulator)는 전류 참조(current reference)를 수신하고, 측정된 전류 신호들의 이용은 전류 에러 값(current error value)를 결정한다. 그 다음에, 동기 전류 레귤레이터는 전류 에러 값을 보상하기 위해 소기의 제어된 전류를 결정한다. 그 다음에, 얼터네이터(6) 및 DC 버스(12) 간 소기의 제어된 전류를 생성하도록 입력 단들(T1-T3)의 각각의 페이즈를 DC 버스(12)에 선택적으로 연결하기 위하여, 컨트롤러(40)는 적절한 게이팅 신호들(24, 25)을 결정한다.
얼터네이터(6)가 AC 전력을 생성하기 때문에, 컨트롤러(40)는 입력 단들(T1-T3)에서 존재하는 AC 전압들의 전기각의 인식(knowledge)을 또한 요구한다. 최소 속도를 초과하여 동작하는 경우, 컨트롤러(40)는, 얼터네이터(6)에서 존재하는 역기전력을 검출(detect)함으로써, 전기각을 결정할 수 있다. 얼터네이터의 회전 속도가 증가함에 따라, 역기전력의 진폭도 유사하게 증가한다. 그러나, 역기전력은 로터 속도의 함수뿐만 아니라 얼터네이터 파라미터의 함수이다. 그러므로, 역기전력이 검출될 수 있는 최소 속도는 적용 함수(a function of the application)이다. 그러나, 역기전력의 진폭은 일반적으로, 얼터네이터(6)의 정격 속도(rated speed)의 약 10%와 약 20% 사이에서 확실히 검출될 수 있다. 다음으로 도 5를 참조하면, 동기 전류 레귤레이터는, 게이팅 신호들(24, 25)을 생성하기 위한 전압 참조 신호(voltage reference signal)(154)을 생성하는 얼터네이터(6)의 검출된 전기 각(electrical angle) 및 소기의 제어된 전류 값을 사용한다. 도 5에서, 사인-삼각(single-triangle) PWM 변조 기술(150)에 따라 AC 전압의 하나의 페이즈에 대한 하나의 사이클의 일부분에 대해 게이팅 신호들(24, 25)의 생성이 도시된다. 사인-삼각 PWM 변조 기술(150)에서, 삼각 파형(triangular waveform)(152)은 게이팅 신호들(24, 25)을 생성하기 위해 전압 참조(154)와 비교된다. 삼각 파형(152)의 일 주기는 PWM 루틴의 스위칭 주기(156)에 의해 정의된다. 스위칭 주기(156) 동안, 전압 참조(154)가 삼각 파형(152)보다 큰 경우, 포지티브 게이팅 신호(24)는 높게 설정되는 반면, 네거티브 게이팅 신호(25)는 낮게 설정된다. 전압 참조(154)가 삼각 파형(152)보다 낮은 경우, 포지티브 게이팅 신호(24)는 낮게 설정되는 반면, 네거티브 게이팅 신호(25)는 높게 설정된다. 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 다른 변조 기술들은 공간-벡터(space-vector) 또는 멀티-레벨 스위칭(multi-level switching)과 같은 출력 전압을 생성하기 위해 또한 사용될 수 있는 점이 고려된다. 또한, 도 4에서 도시된 바와 같이, 상, 하 또는 이들의 조합에 의해 증가되고 있는 레지스터(register)와 같은 디지털 신호들, 아날로그 신호들과 비교함으로써 변조 기술들은 이행될 수 있다.
컨트롤러(40)는 위에서 논의된 바와 같이, 2 개의 동작 모드들, 즉 얼터네이터(60)에 대한 모터링 및 생성 동작 모드에서 동작한다. 이와 같이, 컨트롤러(40)에서 제어 모듈의 기동의 제공이 바람직할 수 있다. 기동 제어 모듈은 파워 컨버터 섹션(power converter section)(10)을 인버터와 같이 제어하고, 풍력 터빈을 초기 스피드까지 가속하기 위해 모터와 같이 얼터네이터(6)를 취급한다. 초기 속도에서 한번(once at the initial speed), 컨트롤러(40)는 파워 컨버터 섹션(10)을 컨버터로 다시 제어할 수 있고, DC 버스(12)로 얼터네이터(60)에 의해 생성된 전력을 전송하기 시작할 수 있다. 풍력 터빈의 얼터네이터(6)는 얼터네이터(6)의 각 위치(angular position)에 대응하는 피드백 신호를 제공하기 위해 인코더(encoder) 또는 리졸버(resolver)를 일반적으로 포함하지 않는다. 따라서, 컨트롤러(40)가 모터링 동작 모드에서 동작하는 경우, 개방 루프 모터(open-loop motor) 제어 기술은 채용되어야 한다.
교류기가 회전될 때, 역기전력(back-emf)은 형정(establish)된다. 역기전력 파형의 크기는 얼터네이터(60)의 회전 속도의 함수이다. 회전 속도가 감소함에 따라, 생성된 역기전력의 진폭도 유사하게 감소한다. 위상 고장 루프(phase-locked loop)와 같은 알려진 기술들을 이용하면, 컨트롤러(40)는 얼터네이터(6)의 전기 각을 결정하기 위해 하나 이상의 페이즈들의 역기전력을 주기적으로 샘플링할 수 있다. 얼터네이터(6)로부터 DC 버스(12)까지 전송되는 파워를 레귤레이팅하기 위한 생성 동안 및 얼터네이터(6)의 원활한 제어(smooth control)을 제공하기 위한 모터링 동안, 전기 각의 인식(knowledge of the electrical angole)이 필요하다.
변기 기술에 따라 파워 컨버터(10)의 포지티브 및 네거티브 스위치들(20, 21) 각각을 제어하기 위한 게이팅 신호들(24, 25)을 생성하도록, 모터링 모드에서의 얼터네이터(6) 제어는 컨트롤러(40)를 요구한다. 풍력 터빈이 일반적으로 유틸리티 그리드에 연결되기 때문에, 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 인버터(60) 및 파워 컨버터(10) 둘 모두를 포함한다. 그러나, 얼터네이터(6)가 모터링 모드에서 동작되는 경우, 파워 컨버터(10)는 DC 버스(12)로부터 얼터네이터(6)까지 전력을 전송하기 위해 인버터와 같이 일시적으로 제어된다. 유사하게, 인버터(60)는 유틸리티그리드로부터 DC 버스(12)Rkwl 전력을 전송하기 위해 컨버터와 같이 일시적으로 동작된다. 선택적으로, 모터와 같이 구동하는 얼터네이터(60) 내에서의 사용을 위해 DC-DC 컨버터를 통해 DC 버스(12)에 연결되는 에너지 저장 소자(18)로부터 에너지는 전송될 수 있다. 따라서, 유틸리티 그리드 또는 에너지 저장 소자(18) 중 하나는 모터와 같이 얼터네이터(60)를 구동하기 위해 필요한 전력을 제공한다.
변조 기술들은, 포지티브 스위치들(20) 및 네거티브 스위치들(21)이 교대로, 단자들(T1-T3)과 DC 버스(12)의 포지티브 또는 네거티브 레일(14,16) 중 하나와 연결되도록 제어한다. 전류 흐름의 방향을 제어함으로써, 컨트롤러(40)는 얼터네이터(60)가 모터링 또는 생성 동작 모드 중 하나에서 동작하게한다. 다음으로 도 6을 참조하면, DC 버스(12)의 포지티브 또는 네거티브 레일(14, 16) 중 하나와 단자들(T1-T3) 각각 사이를 교대 연결로부터 결과되는 변조된 파형들을 도시한다. 저속 동작 동안, 변조된 파형의 진폭은 얼터네이터(6)에 의해 생성되는 역기전력의 진폭보다 더 크고, 역기전력의 값을 판독을 위한 시도에서 불확실성 또는 노이즈를 도입한다.
다음으로 도 7 및 도 8을 참조하면, 컨트롤러(40)는 변조가 정지되는 블랭킹 타임(120) 또는 짧은 간격(short interval)을 도입함으로써, 모터링 동작 동안 얼터네이터(6)을 제어하도록 실행한다. 블랭킹 타임(blanking time)(120)동안, 컨트롤러(40)는 변조된 전압으로부터의 간섭(interference)없이 역기전력 전압을 판독할 수 있다. 얼터네이터의 관성(intertia) 및 풍력 터빈의 날들이 얼터네이터(6) 회전을 유지하여 얼터네이터(6)의 둔화(slowing)가 없거나 또는 미량이 되도록, 블랭킹 타임(12)이 충분히 짧다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 블랭킹 타임은 1-3 msec 사이이고, 6-20msec 간 떨어지게 간격을 둔 주기적 간격들로 반복된다. 바람직한 실시예에 따르면, 블랭킹 타임은 약 2msec 이고, 약 10msec의 간격들로 반복된다. 변조 주기들 동안, 얼터네이터(6)에 적용되는 전력은 얼터네이터(6)를 가속하게 한다. 얼터네이터(6)의 속도가 증가함에 따라, 역기전력의 진폭은 감소한다. 몇몇 포인트에서, 일반적으로 정격 속도(rated speed)의 약 5-10%인, 역기전력의 크기는 연속적인 변조 동안 판독될 수 있기에 충분히 크다. 따라서, 컨트롤러(40)는 정지 또는 블랭킹 타임을 이용한 저속들로부터 얼터네이터(6)가 역 기전력이 연속적으로 모니터링될 수 있는 속도에 도달할 -까지, 얼터네이터(6)를 제어한다. 이 속도에서, 컨트롤러(40)는 블랭킹 타임을 사용하는 것을 정지하고, 얼터네이터(6)로 연속적으로 전압을 변조한다.
얼터네이터(6)가 소기의 컷-인 속도에 도달한 경우, 컨트롤러(40)는 모터링 동작 모드로부터 생성 동작 모드까지 스위칭한다. 결과적으로, 파워 컨버터는(10)는 인버터와 같은 동작을 중지하고, 컨버터와 같은 동작을 재개하고, 다시 말해서 얼터네이터(6)로부터 DC 버스(12)까지 전력을 전송한다. 유사하게, 인버터(60)는 컨버터와 같은 동작을 중지하고, DC 버스(12)로부터 유틸리티그리드까지 전력을 전송하기 위한 인버터와 같이 다시 동작한다.
역기전력을 판독하기 위한 블랭킹 타임의 사용은 저속 동작 동안 얼터네이터와 같은 동작의 범위를 확장을 위해 사용될 수 있음이 더 고려된다. 위에서 논의된 바와 같이, AC 얼터네이터(6)에 의해 생산되는 AC 전력의 전기 각의 인식은, 얼터네이터(6)로부터 DC 버스(12)까지 전력 전송을 제어하기 위한 동기 전류 레귤레이터(synchronous current regulator)를 위해 요구된다. 로터 속도가 느려짐에 따라, 역기전력의 크기는, 진폭이 너무 낮아서 정확하게 연속적인 변조 동안 검출될 수 없게 될 때까지, 감소한다. 위에서 개시된 바와 같이, 블랭킹 타임의 도입은 파워 컨버터(10)가 일시적으로 변조를 중단하고 역기전력을 판독하는 것을 허용한다. 역기전력의 전기각은 결정되고, 변조를 수행하는 컨트롤러(40)에 의하여 이용되는 각도를 결정하는 조정들에 대응된다. 스위치들(20, 21)의 변조는, 얼터네이터(6)로부터 DC 버스(12)까지 전력을 전송하기 위해 수정된 각에서 재개된다.
본 발명은 여기에 기재된 구축의 세부 사항들 및 구성 요소들의 배열들에 대한 본 발명의 응용 내에서 제한되지 않음이 이해되어야 할 것이다. 본 발명은 다른 실시예들이 가용하고 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 전술된 내용의 변형들 및 수정들은 본 발명의 범위 내에 있다. 여기에 개시되고 정의된 본 발명은 본문 및/또는 도면들로부터 언급되거나 명백한 개별적인 2개 이상의 특징들의 모든 대안적인 조합들로 확장됨이 또한 이해될 것이다. 모든 이러한 상이한 조합들은 본 발명의 다양한 대안적인 측면들을 구성한다. 여기에 설명된 실시예들은 본 발명을 실시하기 위해 알려진 최적의 모드들을 설명하고 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 다른 자들이 본 발명을 활용하는 것을 가능하게 할 것이다.

Claims (11)

  1. 전력 변환 시스템을 다상 교류기(polyphase AC machine)으로 연결하는 단자들의 집합;
    포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스;
    상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 사이에 연결되고, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 간에 양방향 전력(bidirectional power)을 전송하는 파워 컨버터;
    일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자; 및
    미리 정의된 속도 미만으로 기동 제어 모듈(start up control module)을 실행하고-상기 기동 제어 모듈은 상기 교류기의 회전을 제어함-, 상기 DC 버스로 상기 교류기에 의해 생성된 전력을 전달하기 위해 상기 미리 정의된 속도를 초과하여 전류 레귤레이터(current regulator)를 실행하는 상기 일련의 명령들을 실행하는 컨트롤러
    를 포함하는 전력 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    유틸리티 그리드(utility grid)에 연결되는 출력; 및
    상기 DC 버스 및 상기 출력 사이에 연결되는 인버터 모듈(inverter module)
    을 더 포함하고,
    상기 인버터 모듈은, 상기 DC 버스 및 상기 출력 간에 양방향 전력을 전송하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 기동 제어 모듈이 실행되고 있는 경우, 상기 DC 버스 상에 소기의 DC 전압을 유지하기 위해 상기 인버터 모듈을 제어하는, 전력 변환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    에너지 저장 소자; 및
    상기 DC 버스 및 상기 에너지 저장 소자 간에 에너지를 전송하는 제2 파워 컨버터
    를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 기동 제어 모듈이 실행되고 있는 경우, 상기 DC 버스 상에 소기의 DC 전압을 유지하기 위해 상기 제2 파워 컨버터를 제어하는, 전력 변환 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기동 제어 모듈은, 상기 DC 버스 상의 전압을 상기 교류기에 대한 AC 전압으로 변환하는 변조 모듈(modulation module)을 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 변조 모듈을 주기적으로 디스에이블링(disable)하고,
    상기 변조 모듈이 디스에이블링 되는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 교류기 상에 존재하는 역기전력 전압(back-emf voltage)를 판독하는, 전력 변환 시스템.
  5. 전력 변환 시스템을 다상 교류기에 연결하는 단자들의 제1 집합;
    포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스;
    상기 단자들의 제1 집합을 상기 DC 버스에 선택적으로 연결하는 복수 개의 제1 스위치들;
    유틸리티 그리드에 연결하는 단자들의 제2 집합;
    상기 DC 버스를 상기 단자들의 제2 집합으로 선택적으로 연결하는 복수 개의 제2 스위치들;
    일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자; 및
    제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서 상기 명령들을 실행하는 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 제1 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는 미리 정의된 속도로 상기 교류기를 가속하기 위해 제1 및 제2 스위치들 각각에 대한 게이팅 신호(gating signal)을 생성하고,
    상기 제2 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는 상기 교류기에 의해 생성된 에너지를 상기 유틸리티 그리드에 전송하기 위해 제1 및 제2 스위치들 각각에 대한 상기 게이팅 신호를 생성하는, 전력 변환 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 동작 모드 동안,
    상기 제1 스위치들은, 상기 단자들의 제1 집합에서 다상 AC 전압을 제공하기 위해 제어되고 -상기 다상 AC 전압은 상기 교류기의 속도를 제어하기 위한 가변적인 크기 및 가변적인 주파수를 포함함-
    상기 제2 스위치들은, 상기 DC 버스 상에 실질적으로 일정한 DC 전압을 유지하기 위해 상기 유틸리티 그리드 및 상기 DC 버스 간에 에너지를 전송하도록 제어되는, 전력 변환 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    에너지 저장 소자; 및
    상기 에너지 저장 소자 및 상기 DC 버스 사이에 연결되는 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)
    를 더 포함하고,
    상기 제1 동작 모드 동안, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 DC 버스 상에 실질적으로 일정한 DC 전압을 유지하기 위해 상기 DC 버스 및 상기 에너지 저장 소자 간에 에너지를 전송하도록 제어되는, 전력 변환 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    복수 개의 전압 센서들 -각각의 전압 센서는 상기 단자들의 제1 집합에서 존재하는 전압의 진폭에 대응하는 신호를 생성함-
    를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 전압 센서들로부터 상기 신호들 각각을 더 수신하고,
    상기 제1 동작 모드 동안, 상기 제1 스위치들이 디스에이블링되는 경우, 상기 컨트롤러는 주기적으로 상기 제1 스위치들을 디스에이블링하고, 상기 신호들 각각을 판독하고,
    상기 제2 동작 모드 동안, 상기 컨트롤러는 지속적으로 상기 스위치들의 제1 집합을 제어하고, 상기 스위치들의 제 1 집합을 제어함과 동시에(in tandem) 상기 신호들을 판독하는, 전력 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전압 센서들로부터 판독된 신호들의 함수로서 상기 단자들의 제1 집합에 존재하는 역기전력 전압을 결정하고, 그리고
    상기 역기전력 전압의 함수로서 상기 단자들의 제1 집합에 존재하는 상기 전압의 전기 각(electrical angle)을 결정하는, 전력 변환 시스템.
  10. 풍력 터빈(wind turbine)의 컷-인 속도(cut-in speed)보다 큰 미리 정의된 초기 속도(predefined initial speed)까지 상기 풍력 터빈 내에서의 사용을 위한 다상 교류기를 가속하는 방법에 있어서,
    상기 교류기에 대한 전압을 생성하기 위한 변조 모듈을 실행하는 제1 동작 모드에서 파워 컨버터를 제어하는 단계 -상기 전압은 상기 교류기의 회전 속도(rotational speed)를 제어하기 위해 가변적인 크기 및 가변적인 주파수를 포함함-;
    상기 제1 동작 모드에서의 실행 동안 주기적 간격으로 상기 변조 모듈을 디스에이블링하는 단계;
    상기 변조 모듈이 디스에이블링되는 경우, 상기 교류기 상에 존재하는 역기전력 전압을 결정하는 단계;
    상기 역기전력 전압의 함수로서 상기 교류기의 상기 회전 속도를 결정하는 단계; 및
    상기 회전 속도가 상기 미리 정의된 초기 속도 보다 큰 경우, 제2 동작모드에서 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계 - 상기 제2 동작 모드 동안, 상기 파워 컨버터는 상기 파워 컨버터에서 상기 교류기로부터 상기 DC 버스까지 에너지를 전송함-
    를 포함하는 다상 교류기 가속 방법.
  11. 교류 생성 소스(AC generation source)로부터 유틸리티 그리드까지 생성된 에너지를 전송하기 위한 전력 변환 시스템에 있어서,
    상기 전력 변환 시스템을 상기 교류 생성 소스에 연결하는 단자들의 집합;
    포지티브 레일 및 네거티브 레일을 포함하는 DC 버스;
    상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 사이에 연결되고, 상기 DC 버스 및 상기 단자들의 집합 간에 전력을 전송하는 파워 컨버터;
    일련의 명령들을 저장하는 메모리 소자; 및
    상기 DC 버스에 상기 교류 생성 소스에 의해 생성된 전력을 전송하기 위해, 상기 파워 컨버터의 연속적인 변조에 대해 미리 정의된 속도를 초과하여 변조 모듈을 실행하고,
    상기 DC 버스에 상기 교류 생성 소스에 의해 생성된 전력을 전송하기 위해, 상기 파워 컨버터의 간헐적인(intermittent) 변조에 대해 상기 미리 정의된 속도 미만으로 상기 변조 모듈과의 조정(coordination)에서 블랭킹 타임을 주기적으로 삽입하기 위해 상기 일련의 명령들을 실행하는 컨트롤러
    를 포함하는 전력 변환 시스템.
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