(57)【要約】  本発明は、対称および非対称故障の場合に送電網に接続されたまま残り、初期過渡現象を吸収し、かつ風力発電機のコントロールを維持する二重供給非同期型発電機のための対称および非対称故障に対するコントロールおよび保護のためのシステムに関する。このように本発明は、送電網の回復において補助することが意図された、故障状況における有効および無効電力の供給に関する種々の異なる送電網接続標準の要件を満たす。
2009516998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子が送電網に接続される二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システムであって、
‐  ３相インバータ（２）、
‐  ＤＣバスによって形成され、前記インバータ（２）と次を結合するべく機能する中間コンバータ回路（３）、
‐  ３相整流器（１）、
‐  対称および非対称故障の間にわたって前記発電機（７）のコントロールを維持し、かつ前記送電網からのそれの切断を防止するクローバ（５）、
‐  前記システムのコンポーネント部品の制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）（８）、
を包含し、
（ａ）前記クローバ（６）に接続されたコントローラ・ブロック（５）が存在し、このブロックが、故障が生じたときに現れる初期エネルギの吸収をコントロールし、このコントロール・ブロックが、
（ａ1）発電機（７）の前記回転子を短絡するための抵抗デバイス（Ｒ）、
（ａ2）前記抵抗デバイスをコントロールする切り離し機能を伴う電子デバイス（Ｑ）からなる並列ブランチを包含すること、
（ｂ）前記コントロール・ユニット（８）が、少なくとも次の電気的変量、すなわち送電網電圧、回転子電流、発電機（７）の固定子電流、中間回路（３）の電圧、クローバ（５）の電圧、および前記コントローラ・ブロック（６）の変量のそれを取り込む手段、および前記電気的変量のいずれかがあらかじめ設定済みの動作限界の外になると、前記抵抗デバイス（８）がアクティブ化されることを保証し、前記回転子電圧が前記コンバータ中間回路（３）に前記回転子電流が伝わることを可能にする値に到達しないことを保証する手段を包含すること、
を特徴とするシステム。
【請求項２】
コントロール・ユニット（８）が何らかのプログラムされたコントロール手段を有し、それが２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込み、各電力ループが電力レギュレータＰＩ（９）、（１１）からなり、各電流ループが電流レギュレータＰＩ（１０）、（１２）からなり、前記電力レギュレータは電流セットポイント（Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｄ、Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｑ）を生成し、電流レギュレータは発電機（７）の前記回転子に課せられることになる電圧セットポイント（Ｓｐ‐Ｖｄ、Ｓｐ‐Ｖｑ）を生成することを特徴とする、先行する請求項に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項３】
コントロール・ユニット（８）が何らかのプログラム手段を有し、その結果、発電機（７）のための動作式を
Ｖｒｄ＝ｋ（Ｉｒｄ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｄ／ｄｔ）−（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （１）
Ｖｒｑ＝ｋ（Ｉｒｑ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｑ／ｄｔ）＋（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （２）
とするとき、故障によって生じるフローの振動を減衰させるために、各電流レギュレータの出力において逆相で加えられるものが、式（１）（２）内の、それらの第２項に示されているものと比例する、前記励磁電流内に現れる振動だけを企図した項（１３）、（１４）となることを特徴とする、請求項２に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項４】
コントロール・ユニット（８）が何らかのプログラム手段を有し、その結果、コントローラ・ブロック（６）が前記初期エネルギを吸収するとき、それが
１‐Ｖｒ／Ｖｓ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｒ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｓ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ
を計算し、これらの状態のうちのいずれかが生じる場合には、故障が非対称であるとみなされ、かつ電流ループ（１０、１２）が対応する周波数を考慮するべきでないと決定し、この目的のために、それが前記電流レギュレータの前記出力において適用される２×Ｆｓに同調されたフィルタ（１５、１６）を有し、その結果、３相インバータ（２）が発電機（７）のコントロールを取り戻すときには前記計算が行われていることを特徴とする、請求項２に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項５】
クローバのアクティブ化を通じ、前記初期エネルギの過渡現象の吸収時間を最小化する目的のために、電流レギュレータおよび／または電力レギュレータの出力に組み込まれるコントロール手段からなることを特徴とする、請求項１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項６】
前記コントロール手段が、入力を前記回転子電流または前記固定子電流または前記フロー電流とすることが可能であり、かつ出力が前記電流レギュレータの出力において加算されるか、または減算されることが可能なフィルタまたは複素位数システムおよび利得からなることを特徴とする、請求項５に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項７】
固定、可変、またはシステムの電気パラメータ依存とすることが可能な利得からなることを特徴とする、請求項６に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項８】
前記発電機のコントロールが前記コンバータの定格電流より上で取り戻されるようにエネルギの過渡現象の吸収時間を最小化することが可能なコントロール・メカニズムを有することを特徴とする、請求項５、６、および７に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項９】
非対称故障の間にわたって恒久的にコントロールを維持するべく設計された、何らかのコントロール手段からなることを特徴とする、請求項１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１０】
前記コントロール手段が、電流レギュレータに適用する電圧セットポイントに適用されることを特徴とする、請求項９に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１１】
前記コントロール・メカニズムが、ロー・パス、またはハイ・パス、またはバンド・パス・タイプのフィルタによって、または複素構造の伝達関数によって形成されることを特徴とする、請求項８に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電の部分を形成する風力タービンに使用されるタイプの二重供給非同期発電機のためのグリッド故障時におけるコントロールおよび保護システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この数年にわたって、送電網に接続される風力タービンおよび風力発電の数が有意に増加した。この理由のため、送電網運用者は、これらのマシンについてより厳格な要求を設定し、非同期発電機の切断および送電網の不安定化を回避するために対称および非対称故障の場合に満たされるべき一連の運転要件を指定している。
【０００３】
二重供給マシンが、故障が対称であるか非対称であるかに応じて異なる振る舞いを呈すると気付くことは重要である。送電網電圧の落ち込みの間に、固定子における短絡の結果として回転子に負わされる電流をコントロールできないことからコンバータの過電流保護が当該コンバータの切断を生じさせる。しかしながら、電流がコンバータの空きダイオードを通って流れ、中間回路（３）のＢＵＳ電圧を上昇させ、コンバータのコンポーネント部品を危険にさらすという事実を考えれば、前記切断は、システムの保護に充分でない。したがってコンバータを保護するために、回転子が短絡され、送電網から発電機が切断される。
【０００４】
非対称故障に関して言えば、コンバータ保護デバイスのアクティブ化の結果、発電機電力のレギュレーションを不可能にする電流の振動の恒久的な出現の結果として問題がさらに悪化する。非対称故障の場合に発電機（７）のレギュレーションを継続するためには、コントロール・メカニズムがレギュレーション・システム内に導入される必要がある。本発明の目的であるこれらのメカニズムなしでは、最終的に発電機（７）が送電網から切り離される。本発明の目的であるこれらのコントロール・メカニズムは、セクション７（非対称および対称故障の間におけるシステムのコントロール）に述べられている。
【０００５】
したがって、コントロールおよびレギュレーション・システムは、故障トポロジを考慮に入れなければならない。現時点において、対称故障によって招かれる問題を取り扱うための種々の解決策が存在し、そのいくつかは、文献ＷＯ  ０３／０６５５６７、ＷＯ  ２００４／０６７９５８、ＷＯ  ２００４／０９１０８５、およびＷＯ  ２００５／０１５７３０の中に示されている。しかしながら異なる規約および規定の要件を基礎とし、非対称故障（２相または単相）によって招かれる問題を解決する、包括的な解決策が存在しない。
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ０３／０６５５６７
【特許文献２】ＷＯ２００４／０６７９５８
【特許文献３】ＷＯ２００４／０９１０８５
【特許文献４】ＷＯ２００５／０１５７３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この前提から開始し、本発明は、一方において初期過渡現象を吸収することによって発電機が送電網に接続されたまま残ることを可能にし、他方において故障の間にわたって、それが対称または非対称であるかによらず風力タービンのコントロールを維持することを可能にする二重供給非同期発電機のためのコントロール・システムからなる。このように、故障状況における有効および無効電力の供給に関し、かつ送電網の迅速な回復の促進に向けられた異なる送電網接続の規約および規定の要件または仕様が満たされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
詳細に述べれば、本発明は、固定子が送電網に接続される二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システムを開発し、当該システムは、
‐  ３相インバータ、
‐  このインバータと次を結合するべく機能する、ＤＣバスによって形成される中間コンバータ回路、
‐  ３相整流器、
‐  対称および非対称故障の間にわたって発電機のコントロールを維持し、かつ送電網からのそれの切断を防止するクローバ、
‐  システムのコンポーネント部品の制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）、
を包含し、
（ａ）クローバに接続されたコントローラ・ブロックが存在し、このブロックが、故障が生じたときに現れる初期エネルギの吸収をコントロールし、このコントロール・ブロックが、
（ａ1）発電機の回転子を短絡するための抵抗デバイス、
（ａ2）前記抵抗デバイスをコントロールする切り離し機能を伴う電子デバイスからなる並列ブランチを包含すること、
（ｂ）コントロール・ユニットが、少なくとも電気的変量、すなわち送電網電圧、回転子電流、発電機の固定子電流、中間回路の電圧、クローバの電圧、およびコントローラ・ブロックの変量のそれを取り込む手段、および前記電気的変量のいずれかがあらかじめ設定済みの動作限界の外になると、抵抗デバイスがアクティブ化されることを保証し、回転子電圧がコンバータ中間回路に回転子電流が伝わることを可能にする値に到達しないことを保証する手段を包含することを特徴とする。
【０００９】
またこれは、コントロール・ユニットが何らかのプログラムされたコントロール手段を有し、それが２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込み、各電力ループが電力レギュレータＰＩからなり、かつ各電流ループが電流レギュレータＰＩからなり、前記電力レギュレータは電流セットポイント（Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｄ、Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｑ）を生成し、電流レギュレータは発電機の回転子に課せられることになる電圧セットポイント（Ｓｐ‐Ｖｄ、Ｓｐ‐Ｖｑ）を生成することも特徴とする。
【００１０】
本発明の目的をより良好に理解するために、好ましい実際的な実施態様を示した図面が提供されているが、その根本的原理を損なわない軽微な変更は可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の記述は、本発明の好ましい実施態様の非限定的な例である。
【００１２】
直接システムおよび逆システムのコンセプトが説明全体を通じて使用されるという事実を考えれば、任意の３相システムを３つの平衡３相システム、すなわち、直接、逆、および同極の和によって表現可能であることを説明する必要がある。
直接システム（図８）
同一振幅のベクトル
１２０°でシフトされたベクトルの位相
【００１３】
止まっている観察者が、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の順序で通過するベクトルを見ることになるようにアレンジされる。
逆システム（図９）
同一振幅のベクトル
１２０°でシフトされたベクトルの位相
【００１４】
止まっている観察者が、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ２の順序で通過するベクトルを見ることになるようにアレンジされる。
同極システム（図１０）
同一振幅のベクトル
同相、その結果、止まっている観察者には、これらのベクトルが同時に通過するように見える。
【００１５】
送電網に接続されている非同期発電機（７）の固定子における急激な電圧変動は、固定子電流、回転子電流、および回転子電圧が強い変動を受け、電圧の落ち込みの深刻度および持続時間、およびマシンおよびそれが接続される送電網の電気パラメータに依存することになる過渡現象の出現に帰結する。
【００１６】
送電網の電圧の落ち込みに直面すると、非同期マシン（７）の励磁ブランチは、フローの連続性を維持するべく反応する。マシンのフローは瞬時に変化せず、その後は、マシンのＥＭＦ（フローおよび速度に比例）と送電網電圧の間に、漏れインピーダンスによってのみ制限される急激な電圧差が存在することになり、固定子に過電流を生じさせる。
【００１７】
非同期マシンの等価回路は、変圧器（図２）の等価回路になぞらえることが可能であるが、非同期マシンの場合には、二次巻き線（回転子）が回転する動的部品となり、信号周波数が回転速度の関数となる点が異なる。非同期マシンの固定子と回転子の間に存在する結合に起因して、一方の側に確立される電流が他方の側の電流の形に影響を及ぼすことになる。
【００１８】
回転子電流内に観察される効果は、故障が対称であるか非対称であるかに依存して異なる。対称故障の場合は、マシンの励磁が送電網の電圧レベルによって特定レベルまで下げられ、その過渡現象は、マシンの電気パラメータに依存することになる。この過渡現象の間、マシンの消磁によって引き起こされる連続成分が固定子電流内に現れる。送電網自体からの５０Ｈｚの周波数がこの成分に重合される。回転子側においては、この過渡現象が回転子電流上に現れるが、マシンの回転周波数に対応する振動を伴う。これらの振動の初期振幅は、落ち込みの深さに依存することになり、最終的には特定時間の後に減衰される。図３は、３相の落ち込みの場合におけるマシンのフローの展開を示している。２つの基準システムが示されている（軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）。軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡは、図４に示されているとおり、すべての変量がそれに対して参照される軸である。
【００１９】
対称な電圧の落ち込みには非対称が存在せず、したがって３相システムは、振幅における減少によって擾乱されることがあっても平衡された状態が続く。このようにして逆のシーケンス（図９）および同極のシーケンス（図１０）およびシステムは、単に正のシーケンス（図８）からなるものとなる。
【００２０】
これに対し、非対称故障に関しては、擾乱された３相システムが非対称を呈するが、これは、正のシーケンスに加えて負のシーケンスが存在すること、および故障のタイプおよびシステムの接続（中立およびアース）に応じて同極のシーケンスも存在することを意味する。図４は、正のシーケンスを、速度ｗｓにおいて反時計方向に回転するベクトル（Ｖ＋）によって図示している。負のシーケンスは、同一速度であるが反対の方向（時計方向）に回転する別のベクトル（Ｖ‐）によって表される。このように、正のベクトル（Ｖ＋）を伴って回転する基準システム上に位置する観察者は、２×ｗｓの速度で回転する負のベクトル（Ｖ‐）を見ることになる。負のシーケンスのベクトルの振幅が正の基準システムの軸（Ｄ＋、Ｑ＋）上に投影されて、軸Ｄ＋およびＱ＋上における正のベクトル（ｖ＋）の投影（図４）に周波数２×ｗｓの振動を呈示させ、それが基本振幅に追加されることになる。この論法は、負の基準システム（Ｄ‐、Ｑ‐）上に位置する観察者について類似である。
【００２１】
したがって、それぞれの故障タイプごとに効果が異なる。
【００２２】
これに対して、送電網電圧の落ち込みの場合には、トポロジの落ち込みに関係なく、初期過渡現象が発生し、発電機（７）の消磁を導く。回転子電流がコンバータ（２）の最大電流（マシンの励磁が送電網電圧レベルによって定義される瞬間）の下に到達すると、発電機電力のコントロールが回復される。
【００２３】
したがって、プロセスを２つの状態に分けることができる。
‐  初期のエネルギの過渡現象の吸収（状態１）
‐  非対称または対称故障を伴うシステムのコントロール（状態２）
【００２４】
初期のエネルギの過渡現象の吸収
回転子電流を減衰させ、このエネルギがコンバータ（１、２）の方向に流れないことを保証する必要がある第１の状態。このため、発生した過渡現象のコントロールを可能にする抵抗（図５のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）を通じて回転子が短絡される。前記抵抗のコントロールは、図６に定義されているが、クローバ（６）とＤＣバス（３）の間において確立しかねないコントロールされていない電流に起因してコンバータ（１、２）を危険にさらす回転子における過電圧があり得なくなるようにしなければならない。
【００２５】
図５に表されているシステムは、個別にコントロールされる抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の４つのブランチを包含する。これらの抵抗は、回転子電圧が、回転子からコンバータの中間回路への電流の循環を可能にする値を超えないような方法でコントロールされる必要がある。
【００２６】
システムは、発電機の回転子に接続されるダイオード整流器（５）を包含する。整流された電圧は、クローバ電圧と呼ばれる。クローバ電圧は、抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）およびスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、およびＱ４によって形成される４つのブランチ内で観察される電圧である。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、初期過渡現象の間にコントロールを行うために使用される抵抗である。前記抵抗についての電力定格は、それらが耐える必要がある動作サイクル、およびクローバに関連付けされた発電機に依存する。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４は、抵抗と並列のダイオードであり、過電圧に対する保護デバイスとして機能する。
【００２７】
図５のシステムは、抵抗ブランチと並列のいくつかの受動保護デバイスを有する。これらのデバイスは、クローバ電圧が特定の値を超えるときにアクティブ化されるバリスタとすることができる。
【００２８】
また、抵抗の組み合わせのそれぞれの異なる状態をコントロールするために（図６）クローバ電圧およびクローバ電流用のいくつかの測定デバイスも有する。
【００２９】
各ブランチの異なるスイッチ（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）のコントロールは、必要なコントロール信号を受信する、周波数コンバータ（１、２）を制御する中央コントロール・ユニット（８）から行われる。同様に前記スイッチのコントロールもまた、インバータ（２）および整流器（１）によって形成される周波数コンバータを制御するシステムとは独立のコントロール・システムを通じて行うことが可能である。前記システムが、スイッチのそれぞれのコントロールに必要な測定信号を受信することになる。
【００３０】
送電網故障の場合には、送電網電圧、回転子電流、固定子電流、バス電圧、クローバ電圧、および４つのブランチ（図５）のコントロールに必要な変量の大きさが監視され、コントロールされる。前記変量のいずれかが正常動作限界の外である場合は、抵抗ブランチが図６に従ってアクティブ化される。
【００３１】
時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６（図６）は、クローバ電圧、固定子電流、回転子電流、またはバス電圧についての値の展開に依存する可変時間である。
【００３２】
時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６（図６）はまた、互いに異なるかまたは同一の固定された値の時間とすることも可能である。
【００３３】
同様に、等価抵抗（ＲＥＱ１、ＲＥＱ２、ＲＥＱ３、ＲＥＱ４、ＲＥＱ５、ＲＥＱ６）のそれぞれによって形成される異なる状態は、使用されるコントロール・ストラテジに応じ、数および値において変化し得る。
【００３４】
抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）のコントロール・ストラテジは、最後の抵抗の非アクティブ化の後に、回転子電圧が、バスの中間回路に向かう電流の循環が存在しないようなものとなることを可能にする。最後の状態のための出口条件が、非対称故障について、さらにまた対称故障について満たされなければならない。
【００３５】
抵抗の異なるブランチ（図５）がアクティブの間に、３相インバータ（２）が切り替えを停止し、前記コンバータの一部を形成するＩＧＢＴは、したがってトリガされない。整流器（１）または送電網側のコンバータは、動作を継続し、非対称故障および対称故障の間にわたるバス電圧のコントロールを確保する。
【００３６】
非対称または対称故障の間におけるシステムのコントロール
上で説明したとおり、対称または非対称の電圧の落ち込みの場合に２つの重合効果が生じ、発電機の回転子電流内の振動として現れる。図７によって定義されるコントロール・メカニズムを次に説明するが、これらのメカニズムは、図１によって定義されるシステムの正しいコントロールのために、ＣＣＵ（８）によって実装される。
【００３７】
１．コントロール後の過渡現象の残留振動の減衰
初期効果は、短絡の結果としてマシン（７）内に生じる振動であり、この振動は、発電機の回転の周波数に対応する。最短可能時間内において前記過渡現象を抑圧するため、およびそれによって電流レギュレーション要件に応じるために、フローの振動（図３）が、コントロール・モデル（図７）内に含まれている減衰メカニズムによって減衰されなければならない。
【００３８】
前記減衰メカニズムは、以下のように理由付けされる。
非同期マシンについての式は、２つの軸上に生じた後、次のとおりに要約できる。
Ｖｒｄ＝ｋ（Ｉｒｄ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｄ／ｄｔ）−（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （１）
Ｖｒｑ＝ｋ（Ｉｒｑ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｑ／ｄｔ）＋（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （２）
【００３９】
これにおいてＫ１は、固定子と回転子の間の変圧比であり、Ｋは、回転子電流に比例する項を表す。
【００４０】
このシステムが、一方においては回転子電流に、他方においては発電機の速度の関数となる振動を伴う励磁電流に依存することが観察できる。したがって、システムを継続的にコントロールの下に置くことが可能となるためには、コントロール・システムが前記振動を考慮に入れなければならない。
【００４１】
発電機（７）のためのコントロール・システムは、図７に示されているとおり、２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込んでいる。各ループは、レギュレータＰＩによって形成され、その結果、４つのＰＩレギュレータ、すなわち２つの電力ＰＩ（Ｐ、Ｑ）（９および１１）および２つの電流Ｐ１（Ｉｄ、Ｉｑ）（１０および１２）が存在する。電力レギュレータは、軸「ｄ」および「ｑ」（図４）において電流セットポイント（Ｓｐ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ、Ｓｐ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ）を生成し、電流レギュレータは、軸「ｄ」および「ｑ」（図４）において発電機の回転子に課せられることになる電圧セットポイント（Ｓｐ＿Ｖｄ、Ｓｐ＿Ｖｑ）を生成する。
【００４２】
したがって、前記フローの振動（図３）を減衰させるために、式（１）（２）内の、それらの第２項に示されているものと比例する、励磁電流内に現れる振動だけを企図した項が各電流レギュレータの出力に逆相で加えられる（図７のポイント１３および１４）。
【００４３】
このように、コンバータ（２）の最大電流レベルにおいてマシンのコントロールを取り戻し、かつ他方においては、すでに上で説明した状態１のアクティブ時間を短縮することが可能になる。
【００４４】
２．故障の非対称性に起因する振動の処理
システムの電気的変量内に生じる第２の効果は、実際の故障自体の非対称性の結果としてもたらされる振動である。この効果は、すでに上で述べたとおり、マシンのレギュレーションの観点から考慮に入れる必要がある周波数振動２×Ｆｓ（図４の振幅ＮＱおよびＮＤ）を発生させる。利用可能な帯域幅が充分に高くない場合には、前記周波数のレギュレーションが行われるべきでない。コントロール・システムが、その場合に前記周波数を無視し、それを循環させることになる。
【００４５】
このため、以下のことが必要になる。最初のステップは、故障の非対称性の検出である。このために、各相についての電圧の読みに基づいて次の計算が行われる。
１‐Ｖｒ／Ｖｓ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｒ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｓ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ
【００４６】
これらの状態のうちのいずれかが生じる場合には、故障が非対称であるとみなされる。ＦＡＣＴＯＲ変数は、故障が非対称であると見なされる基礎となる調整可能な変数である。非対称の計算は、インバータが発電機のコントロールを取り戻すときに前記計算がすでに行われているように、状態１の間に行われなければならない。
【００４７】
前記計算が行われた後は、電流ループ（１０、１２）が前記周波数を考慮に入れるべきでなく、この目的のために２×Ｆｓに同調されたフィルタ（１５、１６）が電流レギュレータの出力において適用される必要がある。前記フィルタは、生成された故障が非対称のときに適用されなければならない。
【００４８】
説明されている本発明は、対称故障の場合、および特に、非対称故障の場合（２相または単相）に非同期発電機を保護し、そのコントロールを維持することを可能にする包括的な解決策を提供する。
【００４９】
用語のリスト
Ｖｒｄ＝「ｄ」軸を参照するマシンの回転子電圧
ｋ（Ｉｒｄ）＝「ｄ」軸を参照する回転子電流に依存する定数
Ｋ１＝比例定数
Ｌｍｓ＝磁化インダクタンス
ｄＩｍｓｄ／ｄｔ＝時間に関する「ｄ」軸を参照した励磁電流の導関数の導関数
Ｗｓ＝同期電気角速度
Ｗ＝マシンの電気速度
ｆｒ＝回転子周波数
Ｉｒｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流
Ｉｍｓｑ＝「ｑ」軸を参照する励磁電流
Ｖｒｑ＝「ｑ」軸を参照するマシンの回転子電圧
ｋ（Ｉｒｑ）＝「ｑ」軸を参照する回転子電流に依存する定数
ｄＩｍｓｑ／ｄｔ＝時間に関する「ｑ」軸を参照した励磁電流の導関数
ＳＰ＿Ｑ＝無効電力セットポイント
ＡＶ＿Ｑ＝無効電力の実際の値
ＳＰ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流のためのセットポイント
ＡＶ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流の実際の値
Ｉｍ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する励磁電流
Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流
ＳＰ＿Ｖｄ＝「ｄ」軸を参照する電圧セットポイント
ＳＰ＿Ｖｑ＝「ｑ」軸を参照する電圧セットポイント
ＳＰ＿Ｐ＝有効電力セットポイント
ＡＶ＿Ｐ＝実電力の実際の値
ＡＶ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流の実際の値
ＳＰ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流のセットポイント
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】各種コンポーネント部品を次のとおりとする発電機、コンバータ、および開閉装置によって形成されるユニットを示した説明図である。  ‐  ６個のスイッチ（通常ＩＧＢＴ）からなる３相インバータ、  ‐  ＤＣバスによって形成され、整流器とインバータを結合するべく機能する中間コンバータ回路、  ‐  特定の値における中間回路の電圧の維持を担う６個のスイッチからなる３相整流器、  ‐  上に述べたアイテムおよび本発明の目的のアイテムの制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）、  ‐  非対称故障の間にわたって発電機のコントロールを維持可能とするための包括的なコントロールおよびレギュレーション・システムとしてのＳＭＡＲＴクローバ、  ‐  固定子が網に接続され、回転子が３相インバータによってコントロールされる二重供給非同期発電機、  ‐  重要なシステム・コンポーネントのアクティブ化および分離に必要なデバイス（コンタクタ、セクショナライザ、プレロード抵抗等）を包含する開閉装置。
【図２】２軸基準システム（Ｄ、Ｑ）において固定子を参照する非同期マシンについての等価回路である。
【図３】２つの基準システム（軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）において示した、３相の落ち込みの間のマシンのフローの展開を示した説明図である。
【図４】固定の２軸基準システム（ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）および移動２軸基準システム（Ｄ、Ｑ）において電圧ベクトルを示した説明図である。
【図５】図６に従って初期エネルギの吸収が行われるハードウエアを図示し、前記ハードウエアが４つのブランチからなり、各ブランチが抵抗およびこの場合はＩＧＢＴとなる半導体によって形成されることを示した説明図である。
【図６】クローバのアクティブ状態、各抵抗のためのアクティブ時間の設定を図示した説明図である。
【図７】各ループが電流レギュレータＰＩおよび電力レギュレータＰＩによって形成され、レギュレータ出力が軸ｄ、ｑにおける出力電圧セットポイントになる、コントロール・システムの軸ｄ、ｑ上のレギュレーション・ループを図示した説明図である。
【図８】直接３相システムを示した説明図である。
【図９】逆３相システムを示した説明図である。
【図１０】同極３相システムを示した説明図である。
【図１】
2009516998.tif 000003
【図２】
2009516998.tif 000004
【図３】
2009516998.tif 000005
【図４】
2009516998.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009516998.tif 000008
【図７】
2009516998.tif 000009
【図８】
2009516998.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2009516998.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月14日(2007.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子が送電網に接続される二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システムであって、
‐  ３相インバータ（２）、
‐  ＤＣバスによって形成され、前記インバータ（２）と次を結合するべく機能する中間コンバータ回路（３）、
‐  ３相整流器（１）、
‐  受動クローバ（５）、
‐  対称および非対称故障の間にわたって前記発電機（７）のコントロールを維持し、かつ前記送電網からのそれの切断を防止するコントローラ・ブロック（６）、
‐  前記システムのコンポーネント部品の制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）（８）、
を包含し、
前記コントロール・ユニット（８）が何らかのプログラムされたコントロール手段を有し、それが２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込み、各電力ループが電力レギュレータＰＩ（９）、（１１）からなり、各電流ループが電流レギュレータＰＩ（１０）、（１２）からなること、および
前記コントロール・ユニット（８）が、フローの振動を減衰させるために、各電流レギュレータの出力における、故障によって引き起こされ、励磁電流内に現れる振動に比例する逆相の項の加算を含むコントロール手段を有すること、
を特徴とするシステム。
【請求項２】
前記コントロール・ユニット（８）が、前記電流レギュレータの前記出力において適用される２×固定子周波数（Ｆｓ）に同調されたフィルタ（１５、１６）を包含する、非対称故障を検出するための何らかのコントロール手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項３】
コントロール・ユニット（８）が、プログラム手段であって、コントローラ・ブロック（６）が前記初期エネルギを吸収するとき、
１‐Ｖｒ／Ｖｓ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｒ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｓ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ
を計算し、かつ、これらの状態のうちのいずれかが生じる場合には、故障が非対称であると見なされると決定するプログラム手段を有することを特徴とする、請求項２に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項４】
前記コントローラ・ブロックのアクティブ化を通じ、前記初期エネルギの過渡現象の吸収時間を最小化する目的のために、入力を前記回転子電流または前記固定子電流または前記フロー電流とすることが可能であり、かつ出力が前記電流レギュレータの出力において加算されるか、または減算されることが可能なフィルタまたは複素位数システムおよび利得からなるコントロール手段を包含することを特徴とする、請求項１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項５】
固定、可変、またはシステムの電気パラメータ依存とすることが可能な利得からなることを特徴とする、請求項４に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項６】
前記発電機のコントロールが前記コンバータの定格電流より上で取り戻されるようにエネルギの過渡現象の吸収時間を最小化することが可能なコントロール・メカニズムを有することを特徴とする、請求項４および５に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項７】
前記コントロール・メカニズムが、ロー・パス、またはハイ・パス、またはバンド・パス・タイプのフィルタによって、または複素構造の伝達関数によって形成されることを特徴とする、請求項６に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項８】
電流レギュレータに適用する電圧セットポイントに適用され、かつ非対称故障の間にわたって恒久的にコントロールを維持するべく設計された、何らかのコントロール手段からなることを特徴とする、請求項１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項９】
（ａ）前記受動クローバ（５）に接続されたコントローラ・ブロック（６）が存在し、このブロックが、故障が生じたときに現れる初期エネルギの吸収をコントロールし、このコントロール・ブロックが、
（ａ1）発電機（７）の前記回転子を短絡するための抵抗デバイス（Ｒ）、
（ａ2）前記抵抗デバイスをコントロールする切り離し機能を伴う電子デバイス（Ｑ）からなる並列ブランチを包含すること、
を特徴とする、請求項１に記載の二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１０】
前記コントロール・ユニット（８）が、少なくとも電気的変量、すなわち送電網電圧、回転子電流、発電機（７）の固定子電流、中間回路（３）の電圧、受動クローバ（５）の電圧、および前記コントローラ・ブロック（６）の変量のそれを取り込む手段、および前記電気的変量があらかじめ設定済みの動作限界の外になると、前記抵抗デバイス（８）がアクティブ化されることを保証し、前記回転子電圧が前記コンバータ中間回路（３）に前記回転子電流が伝わることを可能にする値に到達しないことを保証する手段を包含することを特徴とする、請求項１に記載の二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１１】
固定子が送電網に接続される二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システムであって、
‐  ３相インバータ（２）、
‐  ＤＣバスによって形成され、前記インバータ（２）と次を結合するべく機能する中間コンバータ回路（３）、
‐  ３相整流器（１）、
‐  受動クローバ（５）、
‐  前記システムのコンポーネント部品の制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）（８）、
‐  対称および非対称故障の間にわたって前記発電機（７）のコントロールを維持し、かつ前記送電網からのそれの切断を防止するコントローラ・ブロック（６）、
‐  前記コントローラ・ブロック（６）を制御するための独立のコントロール・ユニット、
を包含し、
前記コントロール・ユニット（８）が何らかのプログラムされたコントロール手段を有し、それが２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込み、各電力ループが電力レギュレータＰＩ（９）、（１１）からなり、各電流ループが電流レギュレータＰＩ（１０）、（１２）からなること、および
前記コントロール・ユニット（８）が、フローの振動を減衰させるために、各電流レギュレータの出力における、故障によって引き起こされ、励磁電流内に現れる振動に比例する逆相の項の加算を含むコントロール手段を有すること、
を特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記独立のコントロール・ユニットが、前記電流レギュレータの前記出力において適用される２×固定子周波数（Ｆｓ）に同調されたフィルタ（１５、１６）を包含する、非対称故障を検出するための何らかのコントロール手段を有することを特徴とする、請求項１１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１３】
前記独立のコントロール・ユニットが、プログラム手段であって、コントローラ・ブロック（６）が前記初期エネルギを吸収するとき、
１‐Ｖｒ／Ｖｓ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｒ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｓ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ
を計算し、かつ、これらの状態のうちのいずれかが生じる場合には、故障が非対称であると見なされると決定するプログラム手段を有することを特徴とする、請求項１２に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１４】
前記コントローラ・ブロックのアクティブ化を通じ、前記初期エネルギの過渡現象の吸収時間を最小化する目的のために、入力を前記回転子電流または前記固定子電流または前記フロー電流とすることが可能であり、かつ出力が前記電流レギュレータの出力において加算されるか、または減算されることが可能なフィルタまたは複素位数システムおよび利得からなるコントロール手段を包含することを特徴とする、請求項１１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１５】
固定、可変、またはシステムの電気パラメータ依存とすることが可能な利得からなることを特徴とする、請求項１４に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１６】
前記発電機のコントロールが前記コンバータの定格電流より上で取り戻されるように、エネルギの過渡現象の吸収時間を最小化することが可能なコントロール・メカニズムを有することを特徴とする、請求項１４および１５に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１７】
前記コントロール・メカニズムが、ロー・パス、またはハイ・パス、またはバンド・パス・タイプのフィルタによって、または複素構造の伝達関数によって形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１８】
電流レギュレータに適用する電圧セットポイントに適用され、かつ非対称故障の間にわたって恒久的にコントロールを維持するべく設計された、何らかのコントロール手段からなることを特徴とする、請求項１１に記載の非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項１９】
（ａ）前記受動クローバ（５）に接続されたコントローラ・ブロック（６）が存在し、このブロックが、故障が生じたときに現れる初期エネルギの吸収をコントロールし、このコントロール・ブロックが、
（ａ1）  発電機（７）の前記回転子を短絡するための抵抗デバイス（Ｒ）、
（ａ2）  前記抵抗デバイスをコントロールする切り離し機能を伴う電子デバイス（Ｑ）からなる並列ブランチを包含すること、
を特徴とする、請求項１１に記載の二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【請求項２０】
前記独立のコントロール・ユニットが、少なくとも次の電気的変量、すなわち送電網電圧、回転子電流、発電機（７）の固定子電流、中間回路（３）の電圧、受動クローバ（５）の電圧、および前記コントローラ・ブロック（６）の変量のそれを取り込む手段、および前記電気的変量のいずれかがあらかじめ設定済みの動作限界の外になると、前記抵抗デバイス（８）がアクティブ化されることを保証し、前記回転子電圧が前記コンバータ中間回路（３）に前記回転子電流が伝わることを可能にする値に到達しないことを保証する手段を包含することを特徴とする、請求項１１に記載の二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電の部分を形成する風力タービンに使用されるタイプの二重供給非同期発電機のためのグリッド故障時におけるコントロールおよび保護システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この数年にわたって、送電網に接続される風力タービンおよび風力発電の数が有意に増加した。この理由のため、送電網運用者は、これらのマシンについてより厳格な要求を設定し、非同期発電機の切断および送電網の不安定化を回避するために対称および非対称故障の場合に満たされるべき一連の運転要件を指定している。
【０００３】
二重供給マシンが、故障が対称であるか非対称であるかに応じて異なる振る舞いを呈すると気付くことは重要である。送電網電圧の落ち込みの間に、固定子における短絡の結果として回転子に負わされる電流をコントロールできないことからコンバータの過電流保護が当該コンバータの切断を生じさせる。しかしながら、電流がコンバータの空きダイオードを通って流れ、中間回路（３）のＢＵＳ電圧を上昇させ、コンバータのコンポーネント部品を危険にさらすという事実を考えれば、前記切断は、システムの保護に充分でない。したがってコンバータを保護するために、回転子が短絡され、送電網から発電機が切断される。
【０００４】
非対称故障に関して言えば、コンバータ保護デバイスのアクティブ化の結果、発電機電力のレギュレーションを不可能にする電流の振動の恒久的な出現の結果として問題がさらに悪化する。非対称故障の場合に発電機（７）のレギュレーションを継続するためには、コントロール・メカニズムがレギュレーション・システム内に導入される必要がある。本発明の目的であるこれらのメカニズムなしでは、最終的に発電機（７）が送電網から切り離される。本発明の目的であるこれらのコントロール・メカニズムは、セクション７（非対称および対称故障の間におけるシステムのコントロール）に述べられている。
【０００５】
したがって、コントロールおよびレギュレーション・システムは、故障トポロジを考慮に入れなければならない。現時点において、対称故障によって招かれる問題を取り扱うための種々の解決策が存在し、そのいくつかは、文献ＷＯ  ０３／０６５５６７、ＷＯ  ２００４／０６７９５８、ＷＯ  ２００４／０９１０８５、およびＷＯ  ２００５／０１５７３０の中に示されている。しかしながら異なる規約および規定の要件を基礎とし、非対称故障（２相または単相）によって招かれる問題を解決する、包括的な解決策が存在しない。
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ０３／０６５５６７
【特許文献２】ＷＯ２００４／０６７９５８
【特許文献３】ＷＯ２００４／０９１０８５
【特許文献４】ＷＯ２００５／０１５７３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この前提から開始し、本発明は、一方において初期過渡現象を吸収することによって発電機が送電網に接続されたまま残ることを可能にし、他方において故障の間にわたって、それが対称または非対称であるかによらず風力タービンのコントロールを維持することを可能にする二重供給非同期発電機のためのコントロール・システムからなる。このように、故障状況における有効および無効電力の供給に関し、かつ送電網の迅速な回復の促進に向けられた異なる送電網接続の規約および規定の要件または仕様が満たされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
詳細に述べれば、本発明は、固定子が送電網に接続される二重供給非同期発電機のための対称および非対称故障の場合におけるコントロールおよび保護システムを開発し、当該システムは、
‐  ３相インバータ、
‐  このインバータと次を結合するべく機能する、ＤＣバスによって形成される中間コンバータ回路、
‐  ３相整流器、
‐  受動保安手段としての受動クローバ、
‐  対称および非対称故障の間にわたって発電機のコントロールを維持し、かつ送電網からのそれの切断を防止するコントローラ・ブロック、
‐  システムのコンポーネント部品の制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）、
を包含し、
（ａ）受動クローバに接続されたコントローラ・ブロックが存在し、このブロックが、故障が生じたときに現れる初期エネルギの吸収をコントロールし、このコントロール・ブロックが、
（ａ1）発電機の回転子を短絡するための抵抗デバイス、
（ａ2）前記抵抗デバイスをコントロールする切り離し機能を伴う電子デバイスからなる並列ブランチを包含すること、
（ｂ）コントロール・ユニットが、少なくとも次の電気的変量、すなわち送電網電圧、回転子電流、発電機の固定子電流、中間回路の電圧、コントローラ・ブロックの電圧、およびコントローラ・ブロックの変量を取り込む手段、および前記電気的変量のいずれかがあらかじめ設定済みの動作限界の外になると、抵抗デバイスがアクティブ化されることを保証し、回転子電圧がコンバータ中間回路に回転子電流が伝わることを可能にする値に到達しないことを保証する手段を包含することを特徴とする。
【０００９】
またこれは、コントロール・ユニットが何らかのプログラムされたコントロール手段を有し、それが２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込み、各電力ループが電力レギュレータＰＩからなり、かつ各電流ループが電流レギュレータＰＩからなり、前記電力レギュレータは電流セットポイント（Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｄ、Ｓｐ‐Ｉｒｏｔ‐ｑ）を生成し、電流レギュレータは発電機の回転子に課せられることになる電圧セットポイント（Ｓｐ‐Ｖｄ、Ｓｐ‐Ｖｑ）を生成することも特徴とする。
【００１０】
本発明の目的をより良好に理解するために、好ましい実際的な実施態様を示した図面が提供されているが、その根本的原理を損なわない軽微な変更は可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の記述は、本発明の好ましい実施態様の非限定的な例である。
【００１２】
直接システムおよび逆システムのコンセプトが説明全体を通じて使用されるという事実を考えれば、任意の３相システムを３つの平衡３相システム、すなわち、直接、逆、および同極の和によって表現可能であることを説明する必要がある。
直接システム（図８）
同一振幅のベクトル
１２０°でシフトされたベクトルの位相
【００１３】
止まっている観察者が、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の順序で通過するベクトルを見ることになるようにアレンジされる。
逆システム（図９）
同一振幅のベクトル
１２０°でシフトされたベクトルの位相
【００１４】
止まっている観察者が、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ２の順序で通過するベクトルを見ることになるようにアレンジされる。
同極システム（図１０）
同一振幅のベクトル
同相、その結果、止まっている観察者には、これらのベクトルが同時に通過するように見える。
【００１５】
送電網に接続されている非同期発電機（７）の固定子における急激な電圧変動は、固定子電流、回転子電流、および回転子電圧が強い変動を受け、電圧の落ち込みの深刻度および持続時間、およびマシンおよびそれが接続される送電網の電気パラメータに依存することになる過渡現象の出現に帰結する。
【００１６】
送電網の電圧の落ち込みに直面すると、非同期マシン（７）の励磁ブランチは、フローの連続性を維持するべく反応する。マシンのフローは瞬時に変化せず、その後は、マシンのＥＭＦ（フローおよび速度に比例）と送電網電圧の間に、漏れインピーダンスによってのみ制限される急激な電圧差が存在することになり、固定子に過電流を生じさせる。
【００１７】
非同期マシンの等価回路は、変圧器（図２）の等価回路になぞらえることが可能であるが、非同期マシンの場合には、二次巻き線（回転子）が回転する動的部品となり、信号周波数が回転速度の関数となる点が異なる。非同期マシンの固定子と回転子の間に存在する結合に起因して、一方の側に確立される電流が他方の側の電流の形に影響を及ぼすことになる。
【００１８】
回転子電流内に観察される効果は、故障が対称であるか非対称であるかに依存して異なる。対称故障の場合は、マシンの励磁が送電網の電圧レベルによって特定レベルまで下げられ、その過渡現象は、マシンの電気パラメータに依存することになる。この過渡現象の間、マシンの消磁によって引き起こされる連続成分が固定子電流内に現れる。送電網自体からの５０Ｈｚの周波数がこの成分に重合される。回転子側においては、この過渡現象が回転子電流上に現れるが、マシンの回転周波数に対応する振動を伴う。これらの振動の初期振幅は、落ち込みの深さに依存することになり、最終的には特定時間の後に減衰される。図３は、３相の落ち込みの場合におけるマシンのフローの展開を示している。２つの基準システムが示されている（軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）。軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡは、図４に示されているとおり、すべての変量がそれに対して参照される軸である。
【００１９】
対称な落ち込みには非対称が存在せず、したがって３相システムは、振幅における減少によって擾乱されることがあっても平衡された状態が続く。このようにして逆のシーケンス（図９）および同極のシーケンス（図１０）およびシステムは、単に正のシーケンス（図８）からなるものとなる。
【００２０】
これに対し、非対称故障に関しては、擾乱された３相システムが非対称を呈するが、これは、正のシーケンスに加えて負のシーケンスが存在すること、および故障のタイプおよびシステムの接続（中立およびアース）に応じて同極のシーケンスも存在することを意味する。図４は、正のシーケンスを、速度ｗｓにおいて反時計方向に回転するベクトル（Ｖ＋）によって図示している。負のシーケンスは、同一速度であるが反対の方向（時計方向）に回転する別のベクトル（Ｖ‐）によって表される。このように、正のベクトル（Ｖ＋）を伴って回転する基準システム上に位置する観察者は、２×ｗｓの速度で回転する負のベクトル（Ｖ‐）を見ることになる。負のシーケンスのベクトルの振幅が正の基準システムの軸（Ｄ＋、Ｑ＋）上に投影されて、軸Ｄ＋およびＱ＋上における正のベクトル（ｖ＋）の投影（図４）に周波数２×ｗｓの振動を呈示させ、それが基本振幅に追加されることになる。この論法は、負の基準システム（Ｄ‐、Ｑ‐）上に位置する観察者について類似である。
【００２１】
したがって、それぞれの故障タイプごとに効果が異なる。
【００２２】
これに対して、送電網電圧の落ち込みの場合には、トポロジの落ち込みに関係なく、初期過渡現象が発生し、発電機（７）の消磁を導く。回転子電流がコンバータ（２）の最大電流（マシンの励磁が送電網電圧レベルによって定義される瞬間）の下に到達すると、発電機電力のコントロールが回復される。
【００２３】
したがって、プロセスを２つの状態に分けることができる。
‐  初期のエネルギの過渡現象の吸収（状態１）
‐  非対称または対称故障を伴うシステムのコントロール（状態２）
【００２４】
初期のエネルギの過渡現象の吸収
回転子電流を減衰させ、このエネルギがコンバータ（１、２）の方向に流れないことを保証する必要がある第１の状態。このため、発生した過渡現象のコントロールを可能にする抵抗（図５のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）を通じて回転子が短絡される。前記抵抗のコントロールは、図６に定義されているが、受動クローバ（５）とＤＣバス（３）の間において確立しかねないコントロールされていない電流に起因してコンバータ（１、２）を危険にさらす回転子における過電圧があり得なくなるようにしなければならない。
【００２５】
図５に表されているシステムは、個別にコントロールされる抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の４つのブランチを包含する。これらの抵抗は、回転子電圧が、回転子からコンバータの中間回路への電流の循環を可能にする値を超えないような方法でコントロールされる必要がある。
【００２６】
システムは、発電機の回転子に接続されるダイオード整流器を包含する。整流された電圧は、コントローラ・ブロック電圧と呼ばれる。コントローラ・ブロック電圧は、抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）およびスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、およびＱ４によって形成される４つのブランチ内で観察される電圧である。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、初期過渡現象の間にコントロールを行うために使用される抵抗である。前記抵抗についての値および電力定格は、それらが耐える必要がある動作サイクル、およびコントローラ・ブロックに関連付けされた発電機に依存する。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４は、抵抗と並列のダイオードであり、過電圧に対する保護デバイスとして機能する。
【００２７】
図５のシステムは、抵抗ブランチと並列のいくつかの受動保護デバイスを有する。これらのデバイスは、コントローラ・ブロック電圧が特定の値を超えるときにアクティブ化されるバリスタとすることができる。
【００２８】
また、抵抗の組み合わせのそれぞれの異なる状態をコントロールするために（図６）コントローラ・ブロックの電圧および電流用のいくつかの測定デバイスも有する。
【００２９】
各ブランチの異なるスイッチ（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）のコントロールは、必要なコントロール信号を受信する、周波数コンバータ（１、２）を制御する中央コントロール・ユニット（８）から行われる。同様に前記スイッチのコントロールもまた、インバータ（２）および整流器（１）によって形成される周波数コンバータを制御するシステムとは独立のコントロール・システムを通じて行うことが可能である。前記システムが、スイッチのそれぞれのコントロールに必要な測定信号を受信することになる。
【００３０】
送電網故障の場合には、送電網電圧、回転子電流、固定子電流、バス電圧、コントローラ・ブロック電圧、および４つのブランチ（図５）のコントロールに必要な変量の大きさが監視され、コントロールされる。前記変量のいずれかが正常動作限界の外である場合は、抵抗ブランチが図６に従ってアクティブ化される。
【００３１】
時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６（図６）は、コントローラ・ブロック電圧、固定子電流、回転子電流、またはバス電圧についての値の展開に依存する可変時間である。
【００３２】
時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６（図６）はまた、互いに異なるかまたは同一の固定された値の時間とすることも可能である。
【００３３】
同様に、等価抵抗（ＲＥＱ１、ＲＥＱ２、ＲＥＱ３、ＲＥＱ４、ＲＥＱ５、ＲＥＱ６）のそれぞれによって形成される異なる状態は、使用されるコントロール・ストラテジに応じ、数および値において変化し得る。
【００３４】
抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）のコントロール・ストラテジは、最後の抵抗の非アクティブ化の後に、回転子電圧が、バスの中間回路に向かう電流の循環が存在しないようなものとなることを可能にする。最後の状態のための出口条件が、非対称故障について、さらにまた対称故障について満たされなければならない。
【００３５】
抵抗の異なるブランチ（図５）がアクティブの間に、３相インバータ（２）が切り替えを停止し、前記コンバータの一部を形成するＩＧＢＴは、したがってトリガされない。整流器（１）または送電網側のコンバータは、動作を継続し、非対称故障および対称故障の間にわたるバス電圧のコントロールを確保する。
【００３６】
非対称または対称故障の間におけるシステムのコントロール
上で説明したとおり、対称または非対称の落ち込みの場合に２つの重合効果が生じ、発電機の回転子電流内の振動として現れる。図７によって定義されるコントロール・メカニズムを次に説明するが、これらのメカニズムは、図１によって定義されるシステムの正しいコントロールのために、ＣＣＵ（８）によって実装される。
【００３７】
１．コントロール後の過渡現象の残留振動の減衰
初期効果は、短絡の結果としてマシン（７）内に生じる振動であり、この振動は、発電機の回転の周波数に対応する。最短可能時間内において前記過渡現象を抑圧するため、およびそれによって電流レギュレーション要件に応じるために、フローの振動（図３）が、コントロール・モデル（図７）内に含まれている減衰メカニズムによって減衰されなければならない。
【００３８】
前記減衰メカニズムは、以下のように理由付けされる。
非同期マシンについての式は、２つの軸上に生じた後、次のとおりに要約できる。
Ｖｒｄ＝ｋ（Ｉｒｄ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｄ／ｄｔ）−（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （１）
Ｖｒｑ＝ｋ（Ｉｒｑ）＋Ｋ１×Ｌｍｓ×（ｄＩｍｓｑ／ｄｔ）＋（Ｗｓ‐Ｗ）（Ｋ１2Ｌ’ｆｒ×Ｉｒｑ＋Ｋ１×Ｌｍｓ×Ｉｍｓｑ）  （２）
【００３９】
これにおいてＫ１は、固定子と回転子の間の変圧比であり、Ｋは、回転子電流に比例する項を表す。
【００４０】
このシステムが、一方においては回転子電流に、他方においては発電機の速度の関数となる振動を伴う励磁電流に依存することが観察できる。したがって、システムを継続的にコントロールの下に置くことが可能となるためには、コントロール・システムが前記振動を考慮に入れなければならない。
【００４１】
発電機（７）のためのコントロール・システムは、図７に示されているとおり、２つの電力ループを包含し、それがまた２つの電流ループを組み込んでいる。各ループは、レギュレータＰＩによって形成され、その結果、４つのＰＩレギュレータ、すなわち２つの電力ＰＩ（Ｐ、Ｑ）（９および１１）および２つの電流Ｐ１（Ｉｄ、Ｉｑ）（１０および１２）が存在する。電力レギュレータは、軸「ｄ」および「ｑ」（図４）において電流セットポイント（Ｓｐ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ、Ｓｐ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ）を生成し、電流レギュレータは、軸「ｄ」および「ｑ」（図４）において発電機の回転子に課せられることになる電圧セットポイント（Ｓｐ＿Ｖｄ、Ｓｐ＿Ｖｑ）を生成する。
【００４２】
したがって、前記フローの振動（図３）を減衰させるために、式（１）（２）内の、それらの第２項に示されているものと比例する、励磁電流内に現れる振動だけを企図した項が各電流レギュレータの出力に逆相で加えられる（図７のポイント１３および１４）。
【００４３】
このように、コンバータ（２）の最大電流レベルにおいてマシンのコントロールを取り戻し、かつ他方においては、すでに上で説明した状態１のアクティブ時間を短縮することが可能になる。
【００４４】
２．故障の非対称性に起因する振動の処理
システムの電気的変量内に生じる第２の効果は、実際の故障自体の非対称性の結果としてもたらされる振動である。この効果は、すでに上で述べたとおり、マシンのレギュレーションの観点から考慮に入れる必要がある周波数振動２×Ｆｓ（図４の振幅ＮＱおよびＮＤ）を発生させる。利用可能な帯域幅が充分に高くない場合には、前記周波数のレギュレーションが行われるべきでない。コントロール・システムが、その場合に前記周波数を無視し、それを循環させることになる。
【００４５】
このため、以下のことが必要になる。最初のステップは、故障の非対称性の検出である。このために、各相についての電圧の読みに基づいて次の計算が行われる。
１‐Ｖｒ／Ｖｓ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｒ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ  または  １‐Ｖｓ／Ｖｔ＜Ｆａｃｔｏｒ
【００４６】
これらの状態のうちのいずれかが生じる場合には、故障が非対称であるとみなされる。ＦＡＣＴＯＲ変数は、故障が非対称であると見なされる基礎となる調整可能な変数である。非対称の計算は、インバータが発電機のコントロールを取り戻すときに前記計算がすでに行われているように、状態１の間に行われなければならない。
【００４７】
前記計算が行われた後は、電流ループ（１０、１２）が前記周波数を考慮に入れるべきでなく、この目的のために２×Ｆｓに同調されたフィルタ（１５、１６）が電流レギュレータの出力において適用される必要がある。前記フィルタは、生成された故障が非対称のときに適用されなければならない。
【００４８】
説明されている本発明は、対称故障の場合、および特に、非対称故障の場合（２相または単相）に非同期発電機を保護し、そのコントロールを維持することを可能にする包括的な解決策を提供する。
【００４９】
用語のリスト
Ｖｒｄ＝「ｄ」軸を参照するマシンの回転子電圧
ｋ（Ｉｒｄ）＝「ｄ」軸を参照する回転子電流に依存する定数
Ｋ１＝比例定数
Ｌｍｓ＝磁化インダクタンス
ｄＩｍｓｄ／ｄｔ＝時間に関する「ｄ」軸を参照した励磁電流の導関数
Ｗｓ＝同期電気角速度
Ｗ＝マシンの電気速度
ｆｒ＝回転子周波数
Ｆｓ＝固定子周波数
Ｉｒｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流
Ｉｍｓｑ＝「ｑ」軸を参照する励磁電流
Ｖｒｑ＝「ｑ」軸を参照するマシンの回転子電圧
ｋ（Ｉｒｑ）＝「ｑ」軸を参照する回転子電流に依存する定数
ｄＩｍｓｑ／ｄｔ＝時間に関する「ｑ」軸を参照した励磁電流の導関数
ＳＰ＿Ｑ＝無効電力セットポイント
ＡＶ＿Ｑ＝無効電力の実際の値
ＳＰ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流のためのセットポイント
ＡＶ＿Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流の実際の値
Ｉｍ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する励磁電流
Ｉｒｏｔ＿ｄ＝「ｄ」軸を参照する回転子電流
ＳＰ＿Ｖｄ＝「ｄ」軸を参照する電圧セットポイント
ＳＰ＿Ｖｑ＝「ｑ」軸を参照する電圧セットポイント
ＳＰ＿Ｐ＝有効電力セットポイント
ＡＶ＿Ｐ＝実電力の実際の値
ＡＶ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流の実際の値
ＳＰ＿Ｉｒｏｔ＿ｑ＝「ｑ」軸を参照する回転子電流のセットポイント
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】各種コンポーネント部品を次のとおりとする発電機、コンバータ、および開閉装置によって形成されるユニットを示した説明図である。  ‐  ６個のスイッチ（通常ＩＧＢＴ）からなる３相インバータ、  ‐  ＤＣバスによって形成され、整流器とインバータを結合するべく機能する中間コンバータ回路、  ‐  特定の値における中間回路の電圧の維持を担う６個のスイッチからなる３相整流器、  ‐  上に述べたアイテムおよび本発明の目的のアイテムの制御を担う中央コントロール・ユニット（ＣＣＵ）、  ‐  非対称故障の間にわたって発電機のコントロールを維持可能とするための包括的なコントロールおよびレギュレーション・システムとしてのコントローラ・ブロック、  ‐  受動保安手段としての受動クローバ、  ‐  固定子が網に接続され、回転子が３相インバータによってコントロールされる二重供給非同期発電機、  ‐  重要なシステム・コンポーネントのアクティブ化および分離に必要なデバイス（コンタクタ、セクショナライザ、プレロード抵抗等）を包含する開閉装置。
【図２】２軸基準システム（Ｄ、Ｑ）において固定子を参照する非同期マシンについての等価回路である。
【図３】２つの基準システム（軸Ｑ、Ｄ、および軸ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）において示した、３相の落ち込みの間のマシンのフローの展開を示した説明図である。
【図４】固定の２軸基準システム（ＡＬＰＨＡ、ＢＥＴＡ）および移動２軸基準システム（Ｄ、Ｑ）において電圧ベクトルを示した説明図である。
【図５】図６に従って初期エネルギの吸収が行われるハードウエアを図示し、前記ハードウエアが４つのブランチからなり、各ブランチが抵抗およびこの場合はＩＧＢＴとなる半導体によって形成されることを示した説明図である。
【図６】コントローラ・ブロックのアクティブ状態、各抵抗のためのアクティブ時間の設定を図示した説明図である。
【図７】各ループが電流レギュレータＰＩおよび電力レギュレータＰＩによって形成され、レギュレータ出力が軸ｄ、ｑにおける出力電圧セットポイントになる、コントロール・システムの軸ｄ、ｑ上のレギュレーション・ループを図示した説明図である。
【図８】直接３相システムを示した説明図である。
【図９】逆３相システムを示した説明図である。
【図１０】同極３相システムを示した説明図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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