(57)【要約】      （修正有）【課題】発電機の電磁トルクの過渡現象、電磁トルクのリップルを減少させ、コンバータモジュールの故障に対応した風力タービンを提供する。【解決手段】風力タービンタワーの最上部にはナセルが設置され、ナセルには、１枚又はそれ以上の風力タービン翼を持つローターハブ４が、ローター軸１２によって回転可能に取り付けられる。ナセルには発電機１０が配置され、発電機１０において、ローター１６が回転すると、超電導ローターコイルがステータコイルにおいて電流を誘導し、ステータコイルは少なくとも４つの位相で配列される。１つ又はそれ以上のコンバータモジュールは、発電機１０からの出力を送電線網１１の出力に適合するように変換する。コンバータモジュールの発電機側は、発電機の位相に等しい数の整流回路を備え、送電線網側は、送電線網１１の位相に等しい数のインバータ回路を備える。【選択図】図２
2014122628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１）であって、
−最上部と底部とを有する風力タービンタワー（２）と、
−前記風力タービンタワー（２）の上部に配置されたナセル（３）と、
−前記ナセル（３）に回転可能に取り付けられたローターハブ（４）と、
−前記ローターハブ（４）に取り付けられた１枚又はそれ以上の風力タービン翼（５）であって、該風力タービン翼（５）が回転体平面を形成する、風力タービン翼と、
−前記ローターハブ（４）に連結されたシャフト（１２）と、
−前記シャフトに連結された発電機（１０）であって、該発電機（１０）が、ステータ（１５）に対して回転可能に配置されたローター（１６）を備え、該ローター（１６）が少なくとも１つの超電導ローターコイルを備え、前記ステータ（１５）が少なくとも1つの導電ステータコイルを備え、前記超電導ローターコイルと前記ステータコイルが、前記ローター（１６）が回転したとき前記ステータコイルにおいて電流を誘導する相互作用的磁場を持つように配列される、発電機（１０）と、
−前記発電機（１０）に電気的に結合された少なくとも１台のコンバータ（１３）であって、該コンバータ（１３）が、発電機側（１９）に電気的に接続された送電線網側（２０）を備え、該送電線網側（２０）は、所定のグリッドコードを有する送電線網（１１）に電気的に結合されるように構成され、かつ、前記発電機側（１９）は、前記発電機（１０）に電気的に結合されるように構成され、前記コンバータ（１３）が、前記発電機（１０）からの出力を前記送電線網（１１）の出力に適合するように変換するように構成される、コンバータ（１３）と、
を備え、
−前記発電機（１０）の前記ステータコイルが、前記発電機（１０）の公称電磁トルクに対する電磁ブレーキトルクの過渡現象を減少するようなステータコイルの２つ又はそれ以上のセット（２６、２７、３８）を形成するように配列され、各セット（２６、２７、３８）が所定数の位相を形成し、
−前記コンバータ（１３’、１３’’）が、２つ又はそれ以上のコンバータモジュール（２９、３０、３９）を備え、その各々が発電機側（３１、３２、４０）と送電線網側（３３、３４、４１）とを備え、各モジュール（２９、３０、３９）の前記発電機側（３１、３２、４０）が、前記発電機に（１０’、１０”）において配列された前記ステータコイルのセット（２６、２７、３８）の１つに、電気的に結合された所定数の整流回路を備えることを特徴とする、
風力タービン（１）。
【請求項２】
前記コンバータ（１３）が、前記コンバータ（１３）の作動を制御するように構成された少なくとも１つのコントローラに電気的に結合され、
前記コントローラが、前記コンバータ（１３）に電気的に結合され、かつ、前記コンバータ（１３）の側（１９、２０）の少なくとも一方を制御するように構成された、少なくとも１つのサブコントローラを備えることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記コントローラが、前記コンバータモジュール（２９、３０、３９）の各々に電気的に結合されるスイッチ手段に電気的に結合され、かつ、前記コントローラが、前記スイッチ手段の作動を制御することを特徴とする、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記ステータコイルのセット（２６、２７、３８）の１つが、前記コンバータモジュールの前記発電機側（３１、３２、４０）の１つに配列された前記整流回路に電気的に接続された、多相結合（２３）を形成するように、前記ステータコイルのセット（２６、２７、３８）の１つが配列されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記ステータ（１５）が複数のスロット（４３）を備え、その中に前記ステータコイル（４４）が配列され、かつ、前記ステータコイル（４４）が、少なくとも２つの層（４５ａ、４５ｂ）に配列されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項６】
直流電流リンク（２１）が、前記コンバータ（１３）の前記発電機側（１９）の出力と前記送電線網側（２０）の入力との間に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項７】
一次側と二次側とを備える変圧器（２２）が、前記コンバータ（１３）と前記送電線網（１１）との間に電気的に結合されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力タービン（１）を作動する方法であって、前記風力タービン（１）の前記作動が、
−前記風力タービン内部に配置されたコントローラに電気的に結合された１つ又はそれ以上の測定装置を用いて前記風力タービンのエラーを検出するステップ（４８）と、
−前記コンバータ（１３）を前記送電線網（１１）から切断するように、前記コントローラを介して前記風力タービン（１）の前記コンバータ（１３）に電気的に結合されたスイッチ手段を作動するステップ（４９）と、
−前記ピッチ可能な翼部分を風向きからピッチアウトするように、前記風力タービン翼（５）の少なくとも一部に連結されたピッチ機構を作動するステップ（５０）と、
を含み、
−前記コントローラが、前記エラーが検出された前記コンバータ（１３）の一部を選択的にオフに切り替え（５２）かつ前記コンバータ（１３）の残り部分をオンに切り替え、
−前記ピッチ可能な翼部分を風向きの中でピッチングするように連結された前記ピッチ機構を作動するステップ（５４）
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記コントローラが、前記風力タービン（１）の作動を制御するために使用される制御パラメータの少なくとも１つを、正常動作時の値より低い別の設定値へ変更する（５３）ことを特徴とする、請求項８に記載の風力タービン（１）を作動する方法。
【請求項１０】
前記制御パラメータが出力基準値であり、前記設定値が公称出力の４０〜６０％であることを特徴とする、請求項９に記載の風力タービン（１）を作動する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、−最上部と底部とを有する風力タービンタワーと、−風力タービンタワーの最上部に配置されたナセルと、−ナセルに回転可能に取り付けられたローターハブと、−ローターハブに取り付けられた１枚又はそれ以上の風力タービン翼であって、風力タービン翼が回転体平面（rotor plane）を形成する、風力タービン翼と、−ローターハブに連結されたシャフトと、−シャフトに連結された発電機であって、発電機がステータに対して回転可能に配置されたローターを備え、ローターが少なくとも１つの超電導ローターコイルを備え、ステータが少なくとも１つの導電ステータコイルを備え、超電導ローターコイルとステータコイルが、ローターが回転したときステータコイルにおいて電流を誘導する相互作用的磁場を持つように配列される、発電機と、−発電機に電気的に結合された少なくとも１台のコンバータであって、コンバータが、発電機側（generator side）に電気的に接続された送電線網側（power grid side）を備え、送電線網側は、所定のグリッドコード（grid code、系統連系規定）を有する送電線網に電気的に結合されるように構成され、かつ、発電機側は、発電機に電気的に結合されるように構成され、コンバータが発電機からの出力を送電線網の電力に適合するように変換するように構成され、発電機のステータコイルが、発電機の公称電磁トルクに対する電磁ブレーキトルクの過渡現象を減少するために２セット又はそれ以上のステータコイルを形成するように配列され、各セットが所定数（a number of）の位相を形成する、コンバータと、を備える風力タービンに関する。
【０００２】
本発明は、風力タービンを作動する方法にも関する。該方法において、風力タービンの作動は、−風力タービン内部に配置されたコントローラに電気的に結合された１つまたはそれ以上の測定装置を用いて風力タービンのエラーを検出するステップと、−コンバータが送電線網から切断されるように、コントローラを介して風力タービンのコンバータに電気的に結合されたスイッチ手段を作動するステップと、−ピッチ可能な翼部分が、風向きからピッチアウト（又はピッチング制御オフ）するように、風力タービン翼の少なくとも一部に連結されたピッチ機構を作動するステップとを含む。
【背景技術】
【０００３】
今日の風力タービンは、ローターハブ及び風力タービン翼に連結されたナセルを備え、ナセルの中に発電機及びコンバータが配置されることが知られている。発電機は、回転するローター軸からの機械的エネルギーを電気エネルギーへ変換し、これがコンバータへ伝送される。コンバータは、送電線網に結合されて、発電機からの出力を送電線網の出力に適合する出力へ変換する。
【０００４】
最近まで、サイズ及び出力共に近年増大し続けている風力タービンに永久磁石発電機（ＰＭＧ）を使用することが知られていた。これは、風力タービンの中の発電機も、サイズ及び重量を増大せざるを得ないことを意味し、このことが、発電機をより高価にかつ設置時の取り扱いをより困難にしている。風力タービンの出力が６ＭＷを超えるまでに増大すると、従来の発電機すなわちＰＭＧは、発電機に要求されるサイズ及び重量ゆえに、このような大型の風力タービンにはもはや適さない。このように大型で重量の発電機の場合、風力タービンタワーをかなり強化しなければならず、かつ／又は風力タービンを設置するために使用されるクレーンのリフト能力には限界があるので発電機を分割して設置せざるを得ない。
【０００５】
近年、高温超電導体が市販されるようになり、風力タービン発電機の最新世代（高温超電導（ＨＴＳ）発電機）を大型風力タービンに使用できるようになった。従って、ＰＧＭの問題点を認識して大型風力タービン用の発電機の設計を改良したい当業者は、代わりにＨＴＳ発電機を使用する気になるだろう。
【０００６】
この種のＨＴＳ発電機は、ローターコイルの電流密度を著しく増大できるので、発電機の出力密度も増大する。これによって、ＨＴＳ発電機のサイズ及び重量を減少しながら、高い出力を維持し、大型風力タービンのコストを削減できる。ドライブトレインの信頼性及びサービスインターバルは、突風及びドライブトレインにおける機械的応力に敏感なギアボックス連結の代わりに、ローターハブへの直接駆動連結を使用することによって、さらに増大するだろう。
【０００７】
ＨＴＳ発電機は、典型的には、ローターコイルにおける高い電流密度のために発電機内に高い電磁場を誘導する３つの位相を備えている。そして、ローターコイルは、ローター及びローター軸における高い電磁トルクを形成する。英国特許第２４１６５６６号明細書は、ＨＴＳ発電機が、ローターハブに連結されているこの種の風力タービンを開示する。ＨＴＳ発電機は、次に三相結合を介してコンバータへ直接結合される。コンバータは、発電機に結合された整流装置と、３つの位相を用いる送電線網に結合された整流回路とを備え、整流装置とインバータ回路との間にＤＣリンクが配列される。Ｘｉａｏｈａｎｇ  Ｌｉ著「風力発電基地における超電導装置」は、ＨＴＳ発電機に結合された単純なギア装置を備えるハイブリッドドライブトレインを持つ同様の風力タービンを開示する。ＨＴＳ発電機は、送電線網の位相に適合する三相結合を介してコンバータに結合される。
【０００８】
上記の形態は、ＩＧＢＴ（Insulted Gate Bipolar Transistor）の少なくとも１つに生じた短絡などコンバータの故障が検出されたとき、風力タービンのドライブトレインの作動及び風力タービン翼の回転を止めなければならないと言う不利を持つ。短絡が生じると、発電機はブレーキトルクを発生するが、ブレーキトルクは、発電機の公称トルクの９〜１０倍である。これは、回転部の極端な減速によって、ドライブトレイン特に発電機、ローター軸、ローターハブ及び風力タービン翼に深刻な損傷を引き起こす可能性がある。
【０００９】
ＰＭＧの場合には、そのローターコイルにおいて生じる電流密度が比較的小さいためこの問題を蒙らないので、当業者が初めてＨＴＳ発電機を用いて大型風力タービン用の発電機の設計を改良しようとするときこの問題が生じる。
【００１０】
米国公開特許第２００９／０２９５１６８号明細書は、ステータ組立体と、ステータに対して配列されたローター組立体とを有する超電導発電機を備える、風力タービンを開示する。ステータ組立体は、ステータコイルを形成する複数の二重螺旋形巻線を備え、ステータコイルは相互に直列に配列されて６又は１２の位相を形成する。前記明細書は、どのように、複数の位相が、風力タービンのドライブトレインの他の部分に結合するかについては記載がない。
【００１１】
独国特許出願公開第４０３２４９２Ａ１号明細書は、スイッチ手段を介して、少なくとも２セットのステータ巻線を有する発電機に結合された、コンバータユニットを備える電気機械を開示する。スイッチ手段は、ステータコイルを構成するステータ巻線のセットの間で様々な形態を選択するために使用される。スイッチ手段がオフになると、各セットは、他の２つのセットと同相の少なくとも３つの位相を形成する。スイッチ手段が作動されると、セットが結合されて、６又は１２の位相を有するハイブリッド形態が形成される。この形態においては、ステータコイルの各セットは、同じコンバータユニットに結合され、スイッチを用いて、発電機とコンバータユニットとの間の位相数を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】英国特許第２４１６５６６号明細書
【特許文献２】米国公開特許第２００９／０２９５１６８号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第４０３２４９２Ａ１号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｘｉａｏｈａｎｇ  Ｌｉ著「風力発電基地における超電導装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の１つの目的は、発電機における電磁ブレーキトルクを減少できるようにする発電機形態を提供することである。
【００１５】
本発明の１つの目的は、短絡電流及び異なる位相の間の影響を減少できるようにする発電機形態を提供することである。
【００１６】
本発明の１つの目的は、電磁トルクのリップルを減少できるようにする発電機形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の１つの目的は、コンバータが２つ又はそれ以上のコンバータモジュールを備え、その各々が発電機側と送電線網側とを備え、各モジュールの発電機側が、発電機内に配列されたステータコイルのセットの１つに電気的に結合された所定数の（a number of）整流回路を備えることを特徴とする風力タービンによって達成される。
【００１８】
これによって、コンバータの故障例えばＩＧＢＴの短絡が検出されたとき、発電機において発生する電磁ブレーキトルクを減少できる。この種の故障が検出されると、風力タービンは、緊急時手順を実施し、この手順において回転部は数回転以内で停止される。この形態でなければ風力タービンに故障を引き起こす可能性のあるこの種の手順において、この形態は、ドライブトレイン、例えばローター軸、ローターハブ及び風力タービン翼に、生じる機械的応力を大幅に減少する。発電機とコンバータのとの間の電気的結合は、３を超える例えば６、９、１２またはそれ以上の位相を形成するように構成される。発電機は、個々のステータコイルを位相の数に対応する所定数の相互接続部又は巻線として配列できるように構成できる。ステータコイルは、相互接続部又は巻線の数と位相の数を変更できる発電機内に配置された、所定数の端末又はスイッチユニットに電気的に接続できる。これによって、従来の発電機より多くの数の位相に亘って電磁トルクを配分できるので、各位相を通過する交流電流を減少させることができる。これは、また、コンバータのスイチング周波数（switching frequency）を大幅に増大するので、電磁トルクのリップルを大幅に減少する。これによって、全負荷のときの回転部における応力が減少し、ドライブトレインの信頼性が向上する。
【００１９】
この形態は、コンバータをフルスケールコンバータとして構成できるようにするので、風力タービンは最大出力で作動でき、有効電力及び無効電力をよりよく制御できる。これによって、風力タービンは、特に次世代送電線網（smart power grid）に結合するのに適するようになる。
【００２０】
本発明の発電機の中のステータコイルと、コンバータの中の整流回路との間の電気的結合は、ブレーキトルクの過渡現象を、発電機の公称トルクの１００〜８００％、好ましくは２００〜６００％、好ましくは２００〜４００％に、減少するように構成することができる。これによって、ＩＧＢＴ短絡時に発電機において発生する電磁ブレーキトルクを、ドライブトレインに引き起こされる応力が風力タービンに故障を生じさせない程度の、許容レベルにまで減少させることができる。
【００２１】
ステータコイルは、２セット又はそれ以上、例えば３セット、４セット、５セット又は６セットで配列でき、各セットは、少なくとも２つの位相、例えば３相、４相、５相、６相あるいは９相でも具備することができる。各セットの各位相は、ステータコイルの個々の配列体によって形成できる巻線を形成する。セットは全て同数の位相、例えば３相又は６相を形成するか、あるいは、異なる数、例えば３相と６相を形成することもできる。これによって、コンバータへの電気的結合を、必要であれば異なるセットの間で切り替えるか、あるいは、各セットを異なるコンバータモジュールに結合することができる。セットにおける位相の合計数は、発電機とコンバータの間の電気的結合の位相の数を規定する。各セットにおける位相又は巻線は、均衡のとれた形態を形成するように、隣接するセットに関連して、又は、ローターの極又はローターコイルに関連して配列できる。２つの隣り合うセットの間の角度は、ステータにおいて配列される巻線又は位相の合計数によって規定できる。例えば、３０°、４０°、６０°、７２°、９０°又は１２０°である。セットは、発電機の安全性を増大できるように、巻線の冗長セット（redundent sets of windings）として構成することができる。
【００２２】
これによって、ステータにおいて形成された隣り合う位相間の相互インダクタンスを減少して、これらの隣り合う位相間の循環電流を減少できる。また、脈動界磁電流の周波数が増大するので、発電機において発生する高調波ひずみを減少できる。
【００２３】
コンバータは、発電機の中に形成されたステータコイルのセットに電気的に結合される１つ又はそれ以上のコンバータモジュールによって形成できる。各コンバータモジュールは、発電機側に配列されて発電機から伝送された交流をＤＣ電流に整流するように構成される所定数の整流回路を備えることができる。各整流回路は、そのコンバータモジュールに結合されたセットの位相の１つに電気的に接続できる。コンバータモジュールの送電線網側は、送電線網側に配列された所定数例えば３つのインバータ回路を介して送電線網に電気的に結合できる。
【００２４】
これによって、コンバータをモジュール式コンバータとして構成でき、出力は、個別のコンバータモジュールに亘って配分されるので、各コンバータモジュールの出力が減少する。これによって、各コンバータモジュールを、低電圧又は中電圧モジュールとして構成でき、各モジュールのサイズ及び重量を減少できる。コンバータの安全性は、モジュールの少なくとも２つを冗長モジュールとして構成することによって向上できる。
【００２５】
１つの実施形態によれば、コンバータは、コンバータの作動を制御するように構成された少なくとも１台のコントローラに電気的に結合されており、該コントローラは、コンバータに電気的に結合され、かつ、コンバータの両側の少なくとも一方を制御するように構成された、少なくとも１つのサブコントローラを備える。
【００２６】
コンバータの作動は、測定または感知された１つ又はそれ以上のパラメータに基づいて、コンバータに電気的に結合されたコントローラによって、制御又は駆動される。発電機側に配列された整流回路は、サブコントローラに結合されて、該サブコントローラは、１つ又はそれ以上のパラメータ、例えば、発電機へ又は発電機から伝送される電流又は電圧、入来風速、ローター軸の角度回転速度又はトルク、若しくは、その他の関連パラメータに基づいて整流回路の作動を制御又は駆動する。これによって、整流回路を実質的に正弦波形に維持できるので、駆動発電機の効率を向上する。
【００２７】
コンバータは、発電機側から伝送された直流（ＤＣ）電圧を送電線網の電流に適合する交流電圧へ変換するように構成される、送電線網側に配列された所定数のインバータ回路を備えることができる。インバータ回路は、別のサブコントローラに結合して、該サブコントローラは、１つ又はそれ以上のパラメータ、例えば、送電線網へ又は送電線網から伝送される電流又は電圧、グリッドコードによって規定された送電線網の出力仕様、出力基準値、若しくは、別の関連パラメータに基づいて、インバータ回路の作動を制御又は駆動する。各インバータ回路は、トランジスタ例えばＩＧＢＴ又はダイオードの配列体を備えることができる。これによって、高い出力の質を維持しながら、送電線網に供給される（無効及び有効）電力を制御できる。
【００２８】
具体的な実施形態によれば、コントローラは、コンバータモジュールの各々に電気的に結合されるスイッチ手段に電気的に結合され、コントローラはスイッチ手段の作動を制御する。
【００２９】
各コンバータモジュールは、スイッチ又は接点の形式のスイッチ手段に電気的に結合でき、コントローラは、これらのスイッチ又は接点の作動を個別に制御する。スイッチ手段は、発電機の巻線のセットとコンバータモジュールとの間及び／またはコンバータモジュールと送電線網との間に配列できる。これによって、コントローラは、風力タービンにエラー又は非常事象例えば整流回路の１つの短絡が検出されたとき、コンバータをオフに切り替えることができる。コントローラは、制御信号を別のコントローラ又はサブコントローラへ送るように構成でき、別のコントローラ又はサブコントローラは、風力タービン翼のピッチ可能部がピッチアウト又はフェザーアウト（pitched or feathered out）するように風力タービン翼の中のピッチ機構を作動する。次に、コントローラは、エラーが検出されたコンバータモジュールをアウト（switch out）に切り替え、残りのコンバータモジュールをイン（switch in）に切り替えるように構成できる。コントローラは、制御パラメータの少なくとも１つ、例えば出力基準値を別のより小さい値、例えば公称出力の４０〜６０％、好ましくは５０％に設定するように構成できる。別のコントローラ又はサブコントローラは、コントローラから受け取った制御信号に基づいてピッチイン又はフェザーイン（pitched or feathered in）するように、風力タービン翼の中のピッチ機構を作動する。
【００３０】
これによって、風力タービンを運転停止することなく、欠陥コンバータモジュールを取り外して、新しいコンバータモジュールと交換できる。これによって、コンバータモジュールの１つが故障した場合、休止時間を減少し、簡単かつ迅速にコンバータを整備できる。
【００３１】
具体的実施形態によれば、ステータコイルのセットの１つは、コンバータモジュールの発電機側の１つに配列された整流回路に、電気的に接続された多相結合を形成するように配列される。
【００３２】
これによって、発電機とコンバータとの間の電気的結合を、３つを超える、好ましくは６、９、１２又はこれらの値の間の任意の数の位相を備える、単一の多相結合として形成できる。ステータコイルは、ローターコイルが配列されたローターの周縁に面した、ステータの周縁に配列される。ステータ及びローターコイルは、磁場の場の強さが増大するように、所定のエアギャップによって相互に分離されている。ステータは、複数のステータコイル及び／又は極を備え、これらのコイル及び／又は極は、多相結合における位相の数に対応する数の巻線を形成するように相互に接続される。コンバータの中の各整流回路は、発電機から伝送された交流をＤＣ電流へ整流するように構成され、ＤＣ電流は、その後ＤＣリンクへ伝送される。各個別の整流回路は、多相結合の位相の１つに電気的に接続される。整流回路は、トランジスタ、例えばＩＧＢＴ又はダイオードの配列体として構成できる。
【００３３】
相互接続されたステータコイルによってステータに形成された巻線は、均衡の取れた形態を形成するように、それら相互に関連して、例えば所定の角度で、かつ／又は、ローターの中の極又はローターコイルに関連して、配列できる。２つの隣り合う巻線間の角度は、３０°、４０°、６０°、７２°、９０°又は１２０°とすることができる。これによって、ステータに形成された隣り合う位相間の相互インダクタンスを減少できるので、隣り合う位相間の循環電流を減少できる。また、多相結合は脈動界磁電流の周波数を増大できるようにするので、発電機に発生する高調波ひずみを減少できる。
【００３４】
１つの実施形態によれば、ステータは、複数のスロットを備え、その中にステータコイルが配置され、コイルは、少なくとも２層で配列される。
【００３５】
これによって、ステータコイルの配置によって形成された、位相間や巻線間の位相変位を減少するように、ステータコイルをスロットにおいて多層に配置列できる。ステータコイルは、発電機の各位相又は巻線が各層に配置されるように配列することができる。位相又は巻線を第１層において配列する順番は、第２層における順番と反対にすると良い。ステータコイルが２より多い層で配列される場合、各層の順番は、隣りの層の順番と異なる（例えば、反対）か、あるいは、ステータコイルは、同じ順番を持つ群として配列しても良い。
【００３６】
１つの実施形態によれば、直流リンクは、コンバータにおいて発電機側の出力と送電線網側の入力との間で電気的に接続される。
【００３７】
１つ又はそれ以上のコンデンサの形式のＤＣリンクは、コンバータの前記２つの側の間に配列できる。これによって、送電線網側に伝送される電圧レベルを実質的に不変レベルに維持できるようにコンデンサにエネルギーを蓄積でき、電圧リップルを減少できる。これによって、風力タービンを送電線網に結合する前に所望の電圧レベルまでコンデンサを充電できるので、ソフトスタートで風力タービンを送電線網に結合できる。測定装置をＤＣリンク及びコントローラに結合しても良く、測定装置は、リンクの電圧レベルを測定するように構成できる。電圧レベルを利用して、コンバータの発電機側及び送電線網側の作動を制御することもできる。チョッパー回路の形式の保護回路をＤＣリンクに結合して、送電線網における短絡からドライブトレインを保護できる。
【００３８】
１つの実施形態によれば、一次側及び二次側を備える変圧器が、コンバータと送電線網との間に電気的に結合される。
【００３９】
変圧器は、コンバータの電圧レベルが送電線網の電圧に適合するようにコンバータの電圧レベルを傾斜路的に増減するように構成できる。変圧器は、ドライブトレインを損傷する可能性のある送電線網の故障からドライブトレインを保護する。１つ又はそれ以上のコンデンサ及び／又はインダクタの形式のフィルタ手段を、コンバータと変圧器との間に、及び／又は、発電機とコンバータとの間に、配置できる。これによって、送電線網へ供給される出力電流の中の高調波及び出力電流のリップルを減少できる。
【００４０】
また、本発明の目的は、コントローラが、エラーが検出されたコンバータの部分を選択的にオフにして、コンバータの残り部分をイン（switch in、オン）に切り替え、ピッチ可能な翼部分を、風向きの中でピッチングする（pitched into the wind direction）ように結合されたピッチ機構を作動することを特徴とする、風力タービンを作動する方法によって達成される。
【００４１】
この方法によって、緊急時に、運転を再開する前に風力タービンの作動を短時間休止すればよく、風力タービンの全体的休止時間を減少できる。コントローラは、緊急事象が検出されたら、送電線網からコンバータを切断する（オフに切り替える）。緊急事象としては、コンバータモジュールの１つにおける短絡が考えられる。コントローラは、その後、風力タービン翼の中のピッチ機構を作動し、翼のピッチ可能部分は風からピッチアウト又はフェザーアウトする。また、コントローラは、機械的ブレーキを作動し、かつ／又は発電機へエネルギーを送り返すことによって、発電機を用いて風力タービン翼を制動できる。その後、コントローラを介してピッチ機構を再び作動し、翼のピッチ可能部分を風向きの中でピッチング又はフェザーリングする。コントローラがソフトスタートアップを使用する場合、ＤＣリンクが設定レベルまで充電されたとき、コンバータが再びインに切り替えられる。
【００４２】
具体的実施形態によれば、コントローラは、風力タービンの作動を制御するために使用される制御パラメータの少なくとも１つを、その正常運転時の値より低い別の設定値へ変更する。
【００４３】
緊急状況が検出されたとき、風力タービンは、風力タービン、例えばドライブトレインにおける機械的応力及びひずみを減少するように、より低い作動レベルで作動することができる。これは、コントローラを用いてエラーが検出されたコンバータモジュールをアウト（オフ）に切り替えることによって実施でき、その後、残りのコンバータモジュールが高圧送電網に再び接続される（イン（オン）に切り替えられる）。その後、コントローラは、風力タービンの作動を制御するために使用される制御パラメータの少なくとも１つをより低い別の値に設定することができる。
【００４４】
具体的実施形態によれば、制御パラメータは出力基準値であり、設定値は、公称出力の４０〜６０％である。
【００４５】
制御パラメータとしては、出力基準値、最大許容風速、出力効率、又は、別の適切な制御パラメータが考えられる。好ましい実施形態において、出力基準値は、低減された値、例えば公称出力の４０〜６０％、好ましくは５０％に設定される。
【００４６】
本発明は、添付図面を参照して、一例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】風力タービンの代表的実施形態を示す。
【図２】送電線網及びローターハブに結合された発電機の代表的実施形態を示す。
【図３】風力タービンにおいて配列されたドライブトレインの代表的第１実施形態を示す。
【図４】風力タービンにおいて配列されたドライブトレインの代表的第２実施形態を示す。
【図５】風力タービンにおいて配列されたドライブトレインの代表的第３実施形態を示す。
【図６】ステータの巻線配列体の代表的実施形態を示す。
【図７】発電機において発生した電磁トルクの図表である。
【図８】コンバータの故障が検出されたとき風力タービンの作動を制御する代表的方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下の文章において、図面について１つずつ説明するが、図面において様々な部品及び位置に同じ番号が付けられる。特定の図面において指示される部品及び位置の必ずしも全てが、その図面と一緒には論じられない。
【００４９】
図１は、風力タービンタワー２と、風力タービンタワー２の最上部に取り付けられたナセル３とを備える風力タービン１の代表的実施形態を示す。風力タービンタワー２は、相互に上下に取り付けられる１つ又はそれ以上のタワー区分を含むことができる。ローターハブ４は、ローター軸を介してナセル３に回転可能に取り付けても良い。１枚又はそれ以上の風力タービン翼５は、ローターハブの中心から外向きに（放射状に）延びるシャフトを介してローターハブ４に取り付けても良い。２枚又は３枚の風力タービン翼５をローターハブ４に取り付けることができ、風力タービン翼５は、回転体平面を形成する。風力タービンタワー２は、地表面７の上方に延在する基礎体６の上に据え付けることができる。
【００５０】
風力タービン翼５は、ローターハブ４に取り付けるように構成された翼根元８を備えることができる。風力タービン翼５は、翼５の自由端に配置された先端部９を備えることができる。風力タービン翼５は、翼の長さに沿って空気力学的プロフィルを有する。風力タービン翼５は、例えば、ガラス、炭素又は有機繊維で作られた繊維を持つ、積層材を形成する繊維強化プラスチック又は複合材料で作ることができる。積層材は、外部装置例えば真空注入装置によって供給された樹脂例えばエポキシを用いて注入できる。
【００５１】
図２は、送電線網１１及びローターハブ４に結合された高温超電導（ＨＴＳ）発電機の形式の発電機１０の代表的実施形態を示す。ローターハブ４は、回転可能なローター軸１２を介してナセル３内部に配置された発電機に結合できる。ローター軸１２は回転軸を形成し、その周りでローターハブ４及び風力タービン翼１２は回転する。風力タービン翼５は、回転体平面に衝突する入来風の運動エネルギーを機械的エネルギーへ変換し、これが、ローター軸１２を介して発電機１０へ伝送される。発電機１０は、機械的エネルギーを電気エネルギーへ変換するように構成され、電気エネルギーはコンバータ１３へ伝送される。
【００５２】
発電機１０は、ステータ１５及びローター１６を包含する発電機ハウジング１４を備えることができる。発電機ハウジング１４は、図２に示すように両端が２枚の端板で閉鎖される円筒形ハウジングとして形成できる。ローター軸１２は、図２に示すように、発電機１０の中へ延び、選択的に発電機１０を貫通させても良い。１つ又はそれ以上の支持手段１７を発電機ハウジング１４に、及び／又は、その内部に配置でき、支持手段１７は、回転時にローター軸１２を受け入れてこれを支持するように構成することができる。ローター軸１２は、例えば端板に配置された軸受形式の支持手段１７によって支持し、かつ／又は、発電機ハウジング１４によって直接支持することができる。ステータ１５は、導電性材料、例えば銅で作られた所定数のステータコイル（図示せず）を備え、ローターは、所定数のローターコイル（図示せず）を備えることができる。ステータ１５及びローター１６は、ローターコイルがステータコイルと相互作用する磁場を誘起するように、相互に関連して配列できる。
【００５３】
ローター１６は、例えばＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＢＳＣＣＯ）、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＹＢＣＯ）、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（（ＲＥ）ＢＣＯ）又はその他の適切な材料などＨＴＳ材料で作られた少なくとも所定数のローターコイルを備える超電導ローターとして構成できる。「超電導」と言う用語は、導体として選択された材料の抵抗がゼロである状態として定義される。ローター１６は、ローターコイルが超電導状態に達するようにローターコイルを冷却するように構成された冷却装置（図示せず）を備えるか、またはこれに結合できる。
【００５４】
ステータ１５のステータコイルは、所定数の巻線を形成するように配列でき、巻線は、各々がコンバータ１３に配列された所定数の整流回路に電気的に結合された位相を形成する。コンバータ１３は、ステータからの出力が、特定の送電線網１１のグリッドコードにおいて規定される仕様（周波数、位相、電圧及び電流）に適合するように、ステータ１５からの出力を変換するように構成することができる。
【００５５】
図３は、風力タービン１において配列されたドライブトレイン１８の代表的第１実施形態を示す。ドライブトレイン１８は、風力タービン翼５及びローター軸１２を介して発電機１０に機械的に連結されたローターハブ４の形式のローターを備えることができる。発電機１０は、コンバータ１３の発電機側１９に電気的に結合され、発電機側は、リンク２１を介して送電線網側２０に電気的に結合される。次に、送電線網側２０は、変圧器２２に電気的に結合され、変圧器は送電線網１１に電気的に結合される。
【００５６】
ステータ１５の中の個々のステータコイルは、所定数の巻線を形成するように所定数の相互接続部で配列できる。各巻線は、発電機１０の位相を形成する。ステータコイルは、６つの巻線で形成された６つの位相（そのうち３つのみ図示）を備える多相配列体を形成するように構成できる。発電機１０とコンバータ１３との間の電気的結合は、発電機１０の位相２３、及び、コンバータ１３の発電機側１９に配列された整流回路に、結合される多相結合として構成できる。相互接続されたステータコイルによって、ステータ１５に形成された巻線は、均衡の取れた形態を形成するように相互に関連して配列される。２つの隣り合う巻線間の角度は、所望の形態次第で０°、３０°、又は、６０°とすることができる。
【００５７】
コンバータ１３の発電機側１９は、発電機１０の巻線の数に対応する数の整流回路を備える多相配列体として構成できる。コンバータ１３は、フルスケールコンバータとして構成できる。発電機側１９は、６つの整流回路を備えることができ、その各々が位相２３の１つに電気的に結合される。コンバータ１３の各整流回路は、発電機１０から伝送された交流を直流に整流するように構成できる。整流回路は、第２部分に接続された第１部分を備えるトランジスタ例えばＩＧＢＴの配列体として構成できる。第１部分は、交流の正の半分を整流するように構成でき、第２部分は、交流の負の半分を整流するように構成できる。夫々の位相２３は、整流回路の上記２つの部分間の相互接続部に結合すると良い。
【００５８】
第１部分及び第２部分の出力は、整流電流がリンク２１へ伝送されるようにリンク２１に電気的に結合される。直流リンクの形式のリンク２１は１つ又はそれ以上のコンデンサバンク（banking capacitors）の形式のエネルギー蓄積体として構成できる。リンク２１は、実質的に不変レベルに、送電線網側２０の電圧レベルを維持して、発電機における電磁トルクの電圧リップルを減少するように構成できる。
【００５９】
次に、平滑化直流電流（smoothened direct current）が、所定数のインバータ回路を備える送電線網側２０へ伝送される。インバータ回路は、リンク２１からの直流を送電線網１１のための交流へ変換するように構成できる。送電線網側２０は、直流を送電線網１１の仕様に適合する電圧及び電流へ変換するように構成できる。送電線網側２０は送電線網１１の位相２４の数に対応する３つのインバータ回路を備えることができる。インバータ回路は、第４部分に接続された第３部分を備えるトランジスタの配列体、例えばＩＧＢＴとして構成できる。第３部分は、交流の正の半分を生成するように構成でき、第４部分は、交流の負の半分を生成するように構成できる。夫々の位相２４は、インバータ回路の上記２つの部分間の相互接続部に結合すると良い。
【００６０】
コンバータ１３及び／又は発電機１０は、コントローラ（図示せず）に電気的に結合すると良い。コントローラは、コンバータ１３の出力に電気的に結合された１つ又はそれ以上のセンサを介して、送電線網１１へ伝送される出力電圧及び／又は電流を、検出し制御するように構成できる。コントローラは、発電機１０の出力に電気的に結合された１つ又はそれ以上のセンサを介して、発電機１０から伝送される出力電圧及び／又は電流を、検出し制御するように構成できる。コントローラは、リンク２１に電気的に結合された測定装置を用いてリンク２１の電圧レベルを測定するように構成できる。この電圧レベルは、コンバータ１３の発電機側１９、及び、送電線網側２０の作動を制御するために使用される。
【００６１】
図４は、風力タービン１において配列されたドライブトレイン２５の代表的な第２実施形態を示す。ドライブトレイン２５は、発電機１０’及びコンバータ１３’の形態の点で図３のドライブトレイン１８と異なる。
【００６２】
ステータ１５のステータコイルは、少なくとも２セットのステータコイル２６、２７を形成するように配列でき、各セット２６、２７は所定数の巻線を備える。各セット２６、２７のステータコイルは、３つの個別の巻線を形成するように配列できる。セット２６、２７の巻線の総数は、発電機１０’とコンバータ１３’との間の位相の数を規定し、この実施形態においては、位相数は６である。各巻線は、特定のセット２６、２７の位相を形成する。ステータ１５においてステータコイルによって形成された個々の巻線は、均衡の取れた形態を形成するように相互に関連して配列できる。２つの隣り合う巻線間の角度は、所望の形態次第で０°、３０°又は６０°とすることができる。セット２６、２７は、結果として風力タービン１の安全性及び信頼性を高める位相のセットを形成するように構成できる。
【００６３】
各セット２６、２７の位相は、セット２６、２７と同じ数の位相を有する２つの電気結合を介して、コンバータ１３’に電気的に結合できる。コンバータ１３’は、少なくとも２つのコンバータモジュール２９、３０を備える、モジュール式コンバータとして構成できる。コンバータモジュール２９、３０は、夫々、セット２６、２７の位相に電気的に結合できる。各コンバータモジュール２９、３０は、リンク３５、３６を介して送電線網側３３、３４に電気的に結合された発電機側３１、３２を備えることができる。発電機側３１、３２は、各セット２６、２７の位相と同じ数例えば３つの整流回路を備えることができる。コンバータモジュールの各整流回路３１、３２は、発電機１０’から伝送された交流を直流へ整流するように構成できる。整流回路は、第２部分に接続された第１部分を備えるトランジスタ例えばＩＧＢＴの配列体として構成できる。第１部分は、交流の正の半分を整流するように構成し、第２部分は交流の負の半分を整流するように構成できる。セット２６、２７の夫々の位相は、整流回路の２つの部分間の相互接続部に結合すると良い。送電線網側３３、３４及びリンク３５、３６は、送電線網側２０及びリンク２１と同じ形態を持つことができる。
【００６４】
図５は、風力タービン１において配列されたドライブトレイン３７の代表的第３実施形態を示す。ドライブトレイン３７は、発電機１０”が３セットの位相２６、２７、３８を備え、コンバータ１３”が３つのコンバータモジュール２９、３０、３９を備える点で、図４のドライブトレイン２５と異なる。
【００６５】
ステータコイルによって形成された巻線のセット３８は、他のセット２６、２７と同じ形態を持ち、同じ数の位相を持つことができる。コンバータモジュール３９は、他のコンバータモジュール２９、３０と同じ形態を持つことができる。リンク４２は、他のリンク３５、３６と同じ形態を持つことができる。別の実施形態において、第３セット３８は、他のセット２６、２７よりもっと大きい数例えば６つの巻線又は位相を備えることができる。第３コンバータモジュールの発電機側４０は、第３セット３８の位相と同じ数例えば６つの整流回路を持つように構成できる。送電線網側４１は、他の送電線網側３３、３４と同じ形態を持つことができる。第３リンク４２は、他のリンク３５、３６と異なる形態を持つことができる。これによって、ドライブパスの数及び位相の数をドライブトレインの所望の設計に適合させることができる。
【００６６】
図６は、ステータ１５の巻線配列体の代表的実施形態を示し、巻線配列体は、ステータ１５のスロット４３の中に入れられる。ステータ１５は、複数のスロット４３を備えることができ、この中にステータコイル４４が配列される。ステータコイル４４は、スロット４３において、複数の巻線を形成して、その各々が発電機１０、１０’、１０”において位相を形成するように位置付けられる。ステータコイル４４は、少なくとも２つの層すなわち第１層４５ａ及び第２層４５ｂに配列できる。層４５ａ及び４５ｂに配置される巻線の数は、発電機１０、１０’、１０”において又はセット２６、２７、３８の１つにおいて配列される位相の数に対応できる。巻線又はステータコイル４４が各層４５ａ、４５ｂに配列される順番は、図６に示すように隣の層の順番と反対にすることができる。これによって、巻線を２つまたはそれ以上の層４５ａ、４５ｂに分割することによって、ステータ１５における巻線又は位相の幅を小さくできる。図６は、２つの区分又は小巻線（sub-windings）に分割され１〜６の印が付けられた６つの位相を示し、例えば１の印で示される小巻線は、発電機１０、１０’、１０”の巻線又は位相の１つを形成する。
【００６７】
発電機１０、１０’、１０”の巻線又は位相は、単層４５ａに配列することができる。図６に示す６つの位相は、代わりに単層４５ａで配列できる。これによって、２つ又はそれ以上の区分又は小巻線に分割することなく、巻線又は位相をステータ１に配列できる。
【００６８】
図７は、発電機１０において発生した電磁トルクの図表である。図表は、６つの位相を有する発電機１０、１０’によって発生した電磁トルク４６を示す。図表は、伝統的な３つの位相を有する発電機によって発生した電磁トルク４７も示す。
【００６９】
図示するように、伝統的発電機は、ピークピーク値によって示される大きいリップルを持つ電磁トルク４７を発生して、発電機の中に大きい高調波ひずみを形成する。伝統的な発電機の３つの位相によって形成される電磁トルク４７のスイチング周波数は、図に示すように比較的低い。本発明に係わる発電機１０、１０’、１０”は、電磁トルクがより多くの位相に配分されるので、図示するようにリップルのピークピーク値が減少した電磁トルク４６を発生する。リップルのピークピーク値及び高調波ひずみは、発電機１０、１０’、１０”の形態次第で４０％かそれ以上減少できる。発電機１０、１０’、１０”は、位相の数が増大するので、図表に示すように電磁トルク４６のスイチング周波数も増大する。
【００７０】
発電機１０、１０’、１０”とコンバータ１３、１３’との間の電気的結合は、所望の形態及び電気的結合の位相の数次第でブレーキトルクの過渡現象を発電機の公称トルクの１００〜８００％に減少するように構成できる。位相の各々従って整流回路の各々において発生する界磁電流は減少するので、コンバータ１３、１３’のエラーのために発電機において発生するブレーキトルクはより許容可能なレベルまで減少する。
【００７１】
図８は、コンバータ１３’の故障が検出されたとき風力タービン１の作動を制御する代表的方法のフローチャートである。コンバータモジュール２９、３０、３９に電気的に結合されたコントローラは、コンバータモジュール２９、３０、３９の各々に結合されるスイッチ手段（図示せず）に電気的に結合できる。スイッチ手段は、コントローラから送られた制御信号に応じてコンバータモジュール２９、３０、３９をイン（オン）又はアウト（オフ）に切り替えるように構成できる。スイッチ手段は、発電機１０’、１０”の中の巻線のセット２６、２７、３８とコンバータモジュール２９、３０、３９との間及び／又はコンバータモジュール２９、３０、３９と送電線網１１との間に配列できる。コントローラは、風力タービン翼５のピッチ可能部分のピッチを制御するように構成された別のコントローラに電気的に結合できる。１つ又はそれ以上の測定装置を用いて、発電機１０’、１０”及び／又はコンバータモジュール２９、３０、３９の性能を監視できる。
【００７２】
風力タービン１の中のコントローラが、コンバータモジュール２９、３０、３９の１つ又はそれ以上において、エラー又は故障を検出したとき（ステップ４８）、コントローラは、スイッチ手段へ制御信号を送る。スイッチ手段が作動され（ステップ４９）、コンバータ１３’は送電線網１１から切断される。次に、別の制御信号が、風力タービン翼５のピッチングシステムに結合された別のコントローラへ送られる。ピッチ可能部分が風向きからピッチアウト（pitched out）又はフェザーリングするように、ピッチングシステムは風力タービン翼５のピッチ機構を作動する（ステップ５０）。その後、例えばドライブトレイン２５、３７のローターに連結された１つ又はそれ以上のブレーキを用いることによって、風力タービン１を停止できる（ステップ５１）。コントローラは、発電機１０’、１０”を使用してローターを制動できるように、例えば他の電源から又は送電線網から発電機へ電力を送り返すことができる。
【００７３】
コントローラは、その後、エラー又は故障が検出されたコンバータモジュール２９、３０、３９を選択的にオフに切り替えることができる（ステップ５２）。その後、コンバータ１３’が再び送電線網１１へ電気的に結合されるように、他のコンバータモジュール２９、３０、３９をインに切り替えることができる。コントローラは、リンク３５、３６、４２が設定レベルまで充電されたときまずコンバータ１３‘をインに切り替えソフトスタートアップを用いて、風力タービン１の作動を開始するように構成できる。
【００７４】
次に、コントローラは、正常な作動モードにおいて風力タービン１の作動を制御するために使用された制御パラメータの１つ又はそれ以上の値を変更できる（ステップ５３）。制御パラメータとしては出力基準値が考えられる。出力基準値は、正常な作動モードにおいて９０〜１００％の公称値に設定できる。コントローラは、緊急時例えばコンバータモジュール２９、３０、３９の１つに故障又はエラーが生じた場合、制御パラメータを、正常作動モード時の値より低い別の値に設定できる。出力基準値は、コンバータモジュール２９、３０、３９の１つに故障又はエラーが生じた場合、４０〜６０％の値に設定できる。
【００７５】
コントローラは、次に、風力タービン翼５のピッチシステムに結合された他のコントローラへ制御信号を送ることができる。ピッチシステムは、その後、ピッチ可能部分が再び風向きの中でピッチングするように風力タービン翼のピッチ機構を作動する（ステップ５４）。コントローラは、またローターを拘束するブレーキを解除すると良い。風力タービンは、作動を再開する（ステップ５５）が、風力タービンにおける、例えばドライブトレインにおける機械的応力及びひずみを、減少するように、より低い作動レベルで作動される。
【符号の説明】
【００７６】
１    風力タービン
２    風力タービンタワー
３    ナセル
１０、１０’、１０’’    発電機
１３、１３’、１３’’    コンバータ
２９、３０、３９    コンバータモジュール
【図１】
2014122628.tif 000003
【図２】
2014122628.tif 000004
【図３】
2014122628.tif 000005
【図４】
2014122628.tif 000006
【図５】
2014122628.tif 000007
【図６】
2014122628.tif 000008
【図７】
2014122628.tif 000009
【図８】
2014122628.tif 000010