(57)【要約】【課題】  グリッド電圧の突然の変化に起因する風力発電プラントのコンポーネントのこれらの機械的応力を低減させる風力発電プラントの運転方法を提供する。【解決手段】  駆動モーメントを発電機へ駆動トレーンを介して伝達するロータを有する風力発電プラントを運転するための方法であって、上記発電機は、上記駆動モーメントの反対側へ作用する予め設定可能な発電機のモーメントをもたらし、かつグリッドへ接続可能である。本方法は、上記グリッド内の突然の電圧変化の後、上記発電機のモーメントが上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置に依存して制御されることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モーメントを発電機へ駆動トレーンを介して伝達するロータを有する風力発電プラントを運転するための方法であって、上記発電機は、上記駆動モーメントの反対側へ作用する予め設定可能な発電機のモーメントをもたらしかつグリッドへ接続可能であり、上記グリッド内の突然の電圧変化の後、上記発電機のモーメントは上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置に依存して制御されることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記発電機のモーメントは上記突然の電圧変化の発生後に最小値をとり、かつ上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置に依存する時点で上記最小値から増大し始めることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記時点は、上記駆動モーメントが正で増大する時間間隔内に存在することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
上記時点は、上記駆動モーメントの時間コースの変向点にほぼ一致することを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
上記発電機のモーメントは、上記突然の電圧変化に続く駆動モーメントが正でありかつ増大している複数の時間間隔において増大され、かつ駆動モーメントが低減している、または負である時間間隔においてほぼ一定に維持されることを特徴とする、請求項２から４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
上記発電機のモーメントは、予め決められた所望される値に達するまで増大されることを特徴とする、請求項２から５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
上記発電機のモーメントは減衰しながら増大し、その時定数は、上記駆動トレーンの振動周波数に依存することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
上記時定数の大きさは、上記発電機のモーメントの増大が上記駆動トレーンのねじり振動の４分の１周期内に実質的に完了するように決められることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、上記駆動モーメントの連続する直接的測定によって検出されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、上記駆動トレーンまたは駆動トレーン・エレメントの回転速度の連続測定を介して検出されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、上記ロータまたは駆動トレーン・エレメントの加速度の連続測定を介して検出されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１２】
上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置の検出は、上記発電機において連続して測定された電流値及び／または電圧値の分析を介して行われることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
上記駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、連続して測定される値の大きさの外挿を介して決定されることを特徴とする、請求項９から１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
上記駆動トレーンのねじり振動の固有振動数は測定または計算され、上記ねじり振動の位相位置は、上記固有振動数及び突然の電圧変化の時点を基礎として決定されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
上記発電機のモーメントは、突然の電圧変化の発生後の時間間隔でほぼ値ゼロをとることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動モーメントを発電機へ駆動トレーンを介して伝達するロータを有する風力発電プラントの運転方法に関し、発電機は駆動モーメントとは反対側へ作用する予め設定可能な発電機のモーメントをもたらし、かつグリッドへ接続可能である。
【背景技術】
【０００２】
このような風力発電プラントは、通常、電気事業施設の電源グリッドへ接続され、電力をこの電源グリッドへ供給する。風力発電プラントはそうすることで有効電力及び無効電力を供給し、おそらくは電源グリッドの安定化に貢献することができる。
【０００３】
電気事業施設の風力発電プラントに対する要求は、詳細なグリッド接続規則に明記されている。この点に関しては、近年、グリッド内の電圧降下時の風力発電プラントの運転に対する要求が大幅に変化している。過去には、風力発電プラントは電圧降下に際して可能な限り早急にグリッドから分離されなければならなかったが、現在のグリッド接続規則は、所定の電圧降下では風力発電プラントがグリッドに接続されたままに維持され、無効電力の供給を通じてグリッドがサポートされなければならない、と規定している。例えば、グリッド接続規則は、グリッドに残る電圧が定格電圧の１５％を超えていて、所定の時間を超えない電圧降下では、風力発電プラントはグリッドから分離されるべきでない、と規定する場合がある。
【０００４】
しかしながら、風力発電プラントがグリッドの電圧の突然の変化の間にもグリッドへ接続されたままである場合は、その電気コンポーネントの損傷または破壊を回避するために特殊な保護措置が講じられなければならない。
【０００５】
対応する保護デバイスを有する発電システム及び上記発電システムの運転方法は、ＷＯ  ２００４／０３０１９９から知られる。この既知の発電システムは、グリッドに結合されるステータ・コイル及び少なくとも１つのロータ・コイルを備える二重給電三相発電機を有する。上記既知の方法では、グリッドの突然の電圧変化の検出後、ステータ回路内の電流は高速カットオフ・ユニットの活動化を介して中断される。その後、発電機は再び実際のグリッド電圧に同期され、グリッドとステータとの間に再び電流が流れる。発電システムのコンポーネントの電気過負荷は、この措置を通じて回避される。
【０００６】
しかしながら、このような発電システムを風力発電プラントにおいて使用する場合は、電圧変化の間に発生する機械的応力も考慮されなければならない。例えば、発電機のモーメントの最も顕著で急激な変化は突然の電圧変化の結果として発生するが、これは、例えば、風力発電プラントの可動部品の大きい遅れ係数に関連して、駆動トレーンのエレメントの高い機械的応力に繋がる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この点を踏まえて、本発明の目的は、グリッド電圧の突然の変化に起因する風力発電プラントのコンポーネントのこれらの機械的応力を低減させる風力発電プラントの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、特許請求項１に記載されている特徴を有する方法によって達成される。
【０００９】
本発明による方法は、駆動モーメントを発電機へ駆動トレーンを介して伝達するロータを有する風力発電プラントの運転に寄与する。上記発電機は、駆動モーメントとは反対側へ作用する予め設定可能な発電機のモーメントをもたらしかつグリッドへ接続可能であり、グリッド内の突然の電圧変化の後、発電機のモーメントは駆動トレーンのねじり振動の位相位置に依存して制御される。
【００１０】
本方法の基礎は、電圧変化に関連する発電機のモーメントの突然の変化により、グリッド内の突然の電圧変化は、特に、風力発電プラントの駆動トレーンの機械的振動に繋がる可能性がある、という調査結果にある。この場合の駆動トレーンは、ロータ軸及び発電機軸及び相互に接続されるギヤボックスを備えていてもよい。一方で、ギヤボックスのない風力発電プラントの場合、駆動トレーンは実質的に、発電機をロータに接続する連続した軸から成る。
【００１１】
駆動モーメントはロータによりロータ軸上へかけられるトルクであり、風力から引き出される。予め設定可能な発電機のモーメントはロータによる発電機の駆動力に等しく、この駆動モーメントに対向して作用する。これらのモーメントの定義において、駆動モーメント及び発電機のモーメントは、正常運転では正のモーメントである。グリッド内の突然の電圧変化は、例えばグリッド誤差の結果としての電圧降下である場合もあるが、グリッド電圧のかなりの量が減衰する別の理由で発生することもあり、例えば、電圧降下は最終的にグリッド電圧の３０％以上になることがある。しかしながら、上記突然の電圧変化は、先に電圧降下を引き起こした可能性のある欠陥が除去された後のグリッドにおける突然の電圧上昇であることもある。
【００１２】
観察及び計算の結果、発電機のモーメントの突然の変化によりトリガされる駆動トレーンのモーメントのねじり振動は、正常運転で伝達される定格モーメントに類似する大きさに達するほど多大な振幅を有する可能性のあることが証明されている。これにより、駆動モーメント及び発電機のモーメントは、高いピーク値及び負の値をもとることができる。これらのねじり振動の位相位置を考慮すれば、駆動トレーン及び駆動トレーンに接続される風力発電プラントのコンポーネントに発生する全体的なモーメント応力を大幅に下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の好適な一実施形態によれば、発電機のモーメントは突然の電圧変化発生の後に最小値をとり、駆動トレーンのねじり振動の位相位置に依存する一時点でこの最小値から増大し始める。本発明のこの実施形態において、機械的応力は、具体的には発電機のモーメントが増大する時点から影響されることが発見されている。上記応力は、この時点が駆動トレーンのねじり振動の位相位置に従って選択される際に意図的に低減されてもよい。
【００１４】
本発明の好適な一実施形態では、上記時点は、駆動モーメントが正であって増大する時間間隔内に存在する。上記増大は正であり、即ち、駆動モーメントは正の勾配を有する。従って、発電機のモーメントの増大は、駆動モーメントの増大と同時に発生する。これにより、発電機のモーメントの増大による駆動トレーンの振動の相殺が達成される。その結果、上記振動は発電機のモーメントの意図的な制御を介して減衰される。この場合、駆動モーメントはロータ領域内のロータ軸に作用するトルクであり、同じく駆動トレーンのねじり振動の反作用効果を介する振動ともなる。
【００１５】
本発明のさらなる好適な実施形態によれば、上記時点は、駆動モーメントの時間コースにおける変向点にほぼ一致する。この場合、ねじり振動を相殺する発電機のモーメントは、ねじり動作の加速がその方向を反転する瞬間に有効になる。従って、ねじり振動の特に有効な減衰が達成される。
【００１６】
好適には、発電機のモーメントの増成は、変向点に続いて駆動モーメントが最大になる時点で既に実質上完了している。しかしながら、モーメント増成の可能速度は限定的であり、よって、状況によっては、モーメントの増成は変向点からこれに続く最大時点までの好ましい時間間隔内で完全に実行され得ない。従って、本発明の好適な一実施形態では、発電機のモーメントは、突然の電圧変化に続いて駆動モーメントが正でありかつ増大している複数の時間間隔において増大され、駆動モーメントが低減している、または負である時間間隔においてほぼ一定に維持される。従って、駆動モーメントが低減している、または負である時間間隔では、発電機のモーメントの増大は、駆動トレーンのねじり振動の励起を回避するために事実上停止される。発電機のモーメントの変更は、発電機のモーメントの増大がねじり振動を相殺する時間間隔においてのみ行われる。システムの機械的応力は、これを通じて最小化されることが可能であり、ねじり振動は可能な限り迅速に低減される。任意選択として、発電機のモーメントの増成は、ねじり振動の「正の半波」全体に亘って、即ち、駆動モーメントの減衰勾配における変向点に至るまで実行されてもよい。モーメント増成の限定された最大可能速度では、モーメントは上記速度によるより少数の振動周期において、延てはより短時間で増成されてもよい。
【００１７】
本発明の好適な一実施形態によれば、発電機のモーメントは、予め決められた所望の値に達するまで増大される。好適には、本方法は、風力発電プラントが再び正常運転になるまで実行される。
【００１８】
原則的には、発電機のモーメントの増大は、例えば線形的または指数関数的である任意のコースで発生してもよい。本発明の好適な一実施形態では、発電機のモーメントは、減衰しながら増大し、その時定数は、駆動トレーンの振動周波数に依存する。これにより、発電機のモーメントの増大速度と駆動トレーンの振動速度との一致が達成される。駆動トレーンの振動は、これによって特に効果的に減衰され、さらなる振動モードの励起が防止される。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態によれば、上記時定数の大きさは、発電機のモーメントの増大が駆動トレーンのねじり振動の４分の１周期内に実質的に完了するように決められる。例えば、発電機のモーメントの所望される値の３／４までの増大は、この時間間隔内に実行されてもよい。これを実行することにより、かなりの割合の発電機のモーメントがねじり振動の最初の周期において既に到達され、よって、風力発電プラントは、ねじり振動に追加の励起を生じさせることなく高い発電機のモーメントでの作動に極めて迅速に復帰する。
【００２０】
本発明のさらなる好適な実施形態によれば、駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、駆動モーメントの連続する直接的測定によって検出される。この測定は、例えば、ロータ軸上の張力計のストリップを使用して実行されてもよい。
【００２１】
本発明のさらなる好適な実施形態では、駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、駆動トレーンまたは駆動トレーン・エレメントの回転速度の連続測定を介して検出される。従って、発電機のモーメントの制御は、回転速度の測定値を基礎として実行されてもよい。
【００２２】
本発明のさらなる好適な実施形態では、駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、駆動トレーン・エレメントのロータ加速度の連続測定を介して検出される。
【００２３】
本発明のさらなる好適な実施形態によれば、駆動トレーンのねじり振動の位相位置の検出は、発電機において連続して測定された電流値及び／または電圧値の分析を介して行われる。例えば、発電機のモーメントは、発電機上の電流値及び／または電圧値から決定されてもよい。発電機のモーメントは、駆動トレーンのねじり振動に影響される。駆動モーメントのコース及び位相位置は、これから、適切な数学的モデルを基礎として計算されてもよい。
【００２４】
本発明のさらなる好適な実施形態によれば、駆動トレーンのねじり振動の位相位置は、連続して測定される値の大きさ(magnitude）の外挿（extrapolatio）を介して決定される。従って、発電機のモーメントを制御する最適な時点は測定データを基礎として予想されるが、上記データは、常に測定プロセス及びデータ分析による所定の遅延を含んでいる。これにより、発電機のモーメントの制御精度を高めることができる。
【００２５】
本発明のさらなる好適な実施形態によれば、駆動トレーンのねじり振動の固有振動数が測定または計算され、ねじり振動の位相位置は、この固有振動数及び突然の電圧変化の時点を基礎として決定される。この場合は、ねじり振動の位相位置の高価な測定を回避することができ、代わりに、風力発電プラントの駆動トレーンの既知の機械特性を基礎として発電機のモーメントの増大を予め設定することができる。
【００２６】
本発明のさらなる好適な実施形態では、発電機のモーメントは、突然の電圧変化の発生後の時間間隔でほぼ値ゼロをとる。これにより、発電機のモーメントの特に滑らかな始動が可能になる。
【００２７】
以下、本発明を、４つの図に表すその２つの実現例によってさらに詳しく説明する。
【００２８】
図１は、駆動モーメントのコース、即ち、外部の風からロータ軸上へ作用する風力発電プラントのトルクのコースを表す。下側の図は、発電機のモーメントのコースを表す。
【００２９】
図１における双方の図に共通する時間軸は、約１秒の時間間隔を表している。表に示したモーメントのコースは、シミュレーションの計算によるものである。
【００３０】
図における時間の開始部分では、風力発電プラントは通常の運転状態にある。駆動モーメント１０及び発電機のモーメント１２は、この時点で値１に標準化されている。ｔ＝２０秒と示された時点では、グリッド内に突然の電圧降下が存在する。この電圧降下の結果、発電機のモーメントはまず急激に増加し、その後極めて短時間にゼロに落ちる。
【００３１】
発電機のモーメント１２のこの突然の変動の結果、駆動トレーンの機械的なねじり振動が励起され、これにより、駆動モーメント１０に反作用力がかかる。従って、駆動モーメントは、−０．５を下回る値から１を優に超える範囲に及ぶ著しく変動する値をとる。本図から分かるように、展開するねじり振動の振動数は約２から３Ｈｚである。
【００３２】
破線で表される曲線１４は、発電機のモーメントが再び増成されず、値ゼロに留まる場合の駆動モーメントのコースを表している。従って、曲線１４は、駆動トレーンの機械的振動特性を描いたものである。ねじり振動の振幅は、表示されている時間間隔ではほぼ一定に維持されることが分かり、これから、本機械システム内部の小規模な減衰を推論することができる。
【００３３】
１６で示されている駆動モーメントのコースは、時点１８における本発明による発電機のモーメントの増大後のねじり振動のコースを表す。本方法では、駆動モーメントの位相位置が連続して測定される。１８で示される時点では、駆動モーメント１０は増大を続けている。さらに、これはまさに変向点を通って進行中であり、即ち、ねじり振動の角速度はその最大値から低下し始めたばかりである。この時点１８では、発電機のモーメント２２は所望される値まで、本例ではＰＴ１コースで増加を続けている。これから、増成中の発電機のモーメントは、２０で示される時間間隔においてねじり振動の減衰を引き起こす。図１の上側の図では、減衰に起因する駆動モーメント１６の急速な振幅低下を明らかに見ることができる。同時に、発電機のモーメントの所望される値は、この時間間隔２０内で発電機のモーメントの急速な増成により既に実質的に到達されている。従って、初期のモーメントにおいて、目的とされるパワーのほとんどの部分は再びグリッドに供給される。
【００３４】
時間間隔２０に続く時間域では、発電機のモーメントは増大を続けるもののその速度は低下し、よってねじり振動の追加励起は可能な限り回避される。
【００３５】
図２に表す発電機のモーメント制御のフローチャートは、主変換器が電圧降下後に再度発電機とグリッドとを同期できる状態にあるかどうかをチェックする菱形３０（ＨＵ（主変換器）は同期の準備ができているか？）で始まる。準備が整っていれば、ねじり振動の位相位置は３２で示される菱形（駆動モーメントの好適な位置であるか？）において分析される。このために、例えば、駆動モーメントの連続的な測定が行われる。この場合、発電機のモーメントの増成にとって好適な位相位置は、増成中である発電機のモーメントがねじり振動を減衰させる位相位置である。先に述べたように、駆動モーメントが正であって増大する値をとる好適な時間間隔がこれに当たる。これは、駆動トレーンのねじり動作が振動に起因して遅くなり始める、図１の２０で示される時間間隔に相当する。より正確に言えば、上記間隔は、駆動モーメントの増加勾配における変向点で始まる。
【００３６】
菱形３２におけるチェックの結果、駆動モーメントの位相位置が上述の意味で好適なものでなかった場合、発電機のモーメントは増成されない。ボックス３４（増成は開始されない）は、これを表示している。
【００３７】
反対に、３２におけるチェックの結果、駆動モーメントの位相位置が好適であれば、ボックス３６（事前設定コースによる発電機のモーメントの増成開始）において発電機のモーメントの増成が開始される。この目的に沿って、主変換器は開始信号を受信し、この時点で予め設定された発電機のモーメントを予め設定されたコースで増大させる。このプロセスは、図１の時点１８でトリガされる発電機のモーメント２２のコースに従ってもよい。
【００３８】
本発明の一代替実施形態は、発電機のモーメントの増成の制御を提供する。図３に表すフローチャートでは、この制御方法もやはり、主変換器（ＨＵ）が同期を実行できる状態にあるかどうか（菱形４０：ＨＵは同期の準備ができているか？）のチェックに始まり、これは、発電機のモーメントが最終値に達するまで連続して実行される。
【００３９】
準備ができていれば、菱形４２（駆動モーメントの位相位置は好適であるか）において駆動モーメントの連続測定の分析が始まる。この分析の結果、駆動モーメントの位相位置が好適であれば（図２の説明参照）、ボックス４４（発電機のモーメント増成の最大勾配）において、予め設定された最大速度、即ち予め設定された最大勾配による発電機のモーメントの増大が実行される。この実行に際して、ボックス４６（発電機のモーメントの測定）で発電機のモーメントが測定される。この測定値は、菱形４８（最終値に達したか？）において分析される。発電機のモーメントの増成は、発電機のモーメントが予め設定された最終値に達すると完了する（ボックス５０：発電機のモーメント増成の完了）。
【００４０】
これに対して、４８におけるチェックの結果、発電機のモーメントがまだ予め設定された最終値に達していなければ、フローチャートは菱形４０からやり直される。４２で実行される駆動モーメントの位相位置の分析の結果、位相位置が好ましくなければ、即ち、発電機のモーメントのさらなる増大が駆動トレーンのねじり振動をさらに励起するような位相位置であれば、ボックス５２（発電機のモーメント増成の勾配を低減またはなしにする）において発電機のモーメントのさらなる増成が停止されるか、低減された速度でしか継続されない。これにより、駆動トレーンのねじり振動の好適でない位相位置では、発電機のモーメントは本質的に一定に維持される。その後、ボックス４６において発電機のモーメントの測定が行われ、４８において予め設定された最終値に達したかどうかがチェックされる。このループは、最終値に達するまで繰り返される。
【００４１】
図３のフローチャートに表す発電機のモーメントの制御方法が実行されると、駆動モーメント及び発電機のモーメントのコースは図４に表す６０及び６２のようになる。
【００４２】
時間間隔６４の終わりまで、両モーメントのコースは図１に表す実現例と変わらない。しかしながら、第１の実現例とは対照的に、７０で示される領域内の発電機のモーメントの増成は時点６６において、駆動モーメントの６８における増大スロープの終わりと共に停止する。時点６６における好ましくない位相位置は、駆動モーメントの位相位置のチェック時に検出されていた。発電機のモーメントは、ねじり振動の不必要な励起を回避するために、それ以上増大されない。
【００４３】
７２で示される時点では、好ましい位相位置が再び検出され、発電機のモーメントの増大が７４で示される時間間隔において新たに開始される。
【００４４】
このように、発電機のモーメントの増成は、ねじり振動が発電機のモーメントの増大によって減衰される時間間隔に限定される。或いは、発電機のモーメントの増大はこれらの時間間隔同士の間に実行されてもよいが、その場合は速度がかなり遅くなる。
【００４５】
図１及び４に表すＰＴ１コースの代わりに、発電機のモーメントの線形増加または高次減衰が実行されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による方法の第１の実現例における駆動モーメント及び発電機のモーメントのコースを示す。
【図２】図１の方法における発電機のモーメントの制御を示すフローチャートである。
【図３】本発明による方法の第２の実現例における発電機のモーメントの制御を示すフローチャートである。
【図４】図２の制御を使用する第２の実現例における駆動モーメント及び発電機のモーメントの時間コースを示す。
【符号の説明】
【００４７】
１０、１６  …  駆動モーメント
１２、２２  …  発電機のモーメント
２０        …  発電機のモーメントを増成する時間間隔
【図１】
2008161046.tif 000003
【図２】
2008161046.tif 000004
【図３】
2008161046.tif 000005
【図４】
2008161046.tif 000006