(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部交流電圧系統（２０）と、
前記内部交流電圧系統（２０）に接続された複数の電気的な発電ユニット（３０、３１）と、
前記内部交流電圧系統（２０）に接続され、直流連係を介して外部交流電圧系統（５０）に接続可能であり、前記内部交流電圧系統（２０）から前記外部交流電圧系統（５０）へ向けてのエネルギ伝送を可能とする、少なくとも１つの高圧直流送電装置（４０）とを有する発電所設備（１０）であって、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）は、パワーエレクトロニクス機器のインバータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ出力を供給し、または、パワーエレクトロニクス機器のインバータによって給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ出力を供給し、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）は、それぞれが同期化装置（６０）を備えていて、これら同期化装置（６０）が、対応する前記発電ユニット（３０、３１）の出力電圧の発生または対応する前記発電ユニット（３０、３１）による出力電流の供給を、入力側に入ってくる同期信号（Ｓ）を基準にして、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が各前記発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δφ）を有するように調節し、
前記高圧直流送電装置（４０）は、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側において電源転流式整流器（４１）を有すると共に前記外部交流電圧系統（５０）の側において自励式インバータ（４５）を有し、さらに、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側においてインバータとして作動する自励式整流器（４６）を、前記電源転流式整流器（４１）と並列に有し、該自励式整流器（４６）は、前記内部交流電圧系統（２０）の自己需要を補填すべく、前記高圧直流送電装置（４０）の直流側から来るエネルギを前記内部交流電圧系統（２０）へ供給する、ことを特徴とする発電所設備。
【請求項２】
請求項１に記載の発電所設備（１０）において、
当該発電所設備（１０）の全ての前記発電ユニット（３０、３１）が、同一の前記同期信号（Ｓ）に基づいて作動することを特徴とする発電所設備。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電所設備（１０）において、
当該発電所設備（１０）の運転中に、前記発電ユニット（３０、３１）の少なくとも半数に、前記目標位相（Δφ）として、同一の中央目標位相（Δφ）が予め与えられ、該少なくとも半数の発電ユニット（３０、３１）が、前記中央目標位相（Δφ）を有する出力電圧または出力電流を発生することを特徴とする発電所設備。
【請求項４】
請求項３に記載の発電所設備（１０）において、
前記中央目標位相（Δφ）を与えられていない前記発電ユニット（３０、３１）の少なくとも１つに、前記中央目標位相（Δφ）とは異なる個別の目標位相（Δφ）を、予め与えてあるか、または、与えることができることを特徴とする発電所設備。
【請求項５】
請求項４に記載の発電所設備（１０）において、
前記中央目標位相（Δφ）を与えられていない前記発電ユニット（３０、３１）の前記個別の目標位相（Δφ）が、前記中央目標位相（Δφ）とは９０°異なる個別の目標位相（Δφ）、または、前記発電ユニット（３０、３１）により無効電力を前記内部交流電圧系統（２０）に供給するための個別の目標位相（Δφ）であることを特徴とする発電所設備。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
当該発電所設備（１０）が中央装置（１００）を有しており、該中央装置（１００）は、全ての前記発電ユニット（３０、３１）と接続されていて、各前記発電ユニット（３０、３１）に対してそれぞれ前記目標位相（Δφ）を予め与えるように構成されていることを特徴とする発電所設備。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）のそれぞれが無線受信機を有し、これら無線受信機が、前記同期信号（Ｓ）を無線で受信することを特徴とする発電所設備。
【請求項８】
請求項７に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の無線受信機が、ＧＰＳ受信機であることを特徴とする発電所設備。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、風力発電設備であって、当該発電所設備（１０）が、集合型風力発電基地を形成している、
または
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、太陽光発電設備であって、当該発電所設備（１０）が集合型太陽光発電基地を形成している、ことを特徴とする発電所設備。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）のための発電ユニット（３０、３１）であって、
当該発電ユニット（３０、３１）が同期化装置（６０）を有し、
該同期化装置（６０）は、入力側に入ってくる同期信号（Ｓ）、および、当該発電ユニット（３０、３１）により発電される出力電圧の位相または当該発電ユニット（３０、３１）から内部交流電圧系統（２０）に供給される出力電流の位相を処理して、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が当該発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δφ）と一致するように、前記出力電圧の発生または前記出力電流の供給を調節するように構成されている、ことを特徴とする発電ユニット。
【請求項１１】
発電所設備の運転方法であって、
当該発電所設備（１０）は、内部交流電圧系統（２０）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続された複数の発電ユニット（３０、３１）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続された少なくとも１つの高圧直流送電装置（４０）とを有し、
前記高圧直流送電装置（４０）が、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側において電源転流式整流器（４１）を有すると共に前記外部交流電圧系統（５０）の側において自励式インバータ（４５）を有し、さらに、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側においてインバータとして作動する自励式整流器（４６）を、前記電源転流式整流器（４１）と並列に有しており、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）のそれぞれが同期信号（Ｓ）を受信し、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）のそれぞれが、入力側に入ってくる前記同期信号（Ｓ）、および、該発電ユニット（３０、３１）が発生する出力電圧の位相または該発電ユニット（３０、３１）が内部交流電圧系統（２０）へ供給する出力電流の位相を検出し、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が、前記同期信号（Ｓ）を基準にして、各前記発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δφ）と一致するように、前記出力電圧の発生または出力電流の供給を調節し、
前記自励式整流器（４６）が、前記内部交流電圧系統（２０）の自己需要を補填すべく、前記高圧直流送電装置（４０）の直流側から来るエネルギを前記内部交流電圧系統（２０）へ供給する、ことを特徴とする発電所設備の運転方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発電所設備の運転方法において、
当該発電所設備（１０）の運転中に、前記発電ユニット（３０、３１）の少なくとも半数に、前記目標位相（Δφ）として、同一の中央目標位相（Δφ）が予め与えられ、該少なくとも半数の発電ユニット（３０、３１）が、前記中央目標位相（Δφ）を有する出力電圧または出力電流を発生することを特徴とする発電所設備の運転方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の発電所設備の運転方法において、
前記中央目標位相（Δφ）を与えられていない前記発電ユニット（３０、３１）の少なくとも１つに、前記中央目標位相（Δφ）とは異なる個別の目標位相（Δφ）を、予め与えてあるか、または、与えることができることを特徴とする発電所設備の運転方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の発電所設備の運転方法において、
前記中央目標位相（Δφ）を与えられていない前記発電ユニット（３０、３１）の前記個別の目標位相（Δφ）が、前記中央目標位相（Δφ）とは９０°異なる個別の目標位相（Δφ）、または、前記発電ユニット（３０、３１）により無効電力を前記内部交流電圧系統（２０）に供給するための個別の目標位相（Δφ）であることを特徴とする発電所設備の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部交流電圧系統と、この内部交流電圧系統に接続された多数の電気的な発電ユニットと、前述の内部交流電圧系統に接続され、直流連係によって外部の交流電圧系統に接続可能であり、内部の交流電圧系統から外部の交流電圧系統へ向けてのエネルギ伝送を可能にする少なくとも１つの高圧直流送電装置と、を備えた発電所設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
前述した種類の発電所設備は、複数の発電ユニットが風力発電設備で構成されている集合型風力発電基地として、または、複数の発電ユニットが太陽光発電設備で構成されている集合型太陽光発電基地として、知られている。これらの発電所設備に設置されている高圧直流送電装置は、発電所設備の内部交流電圧系統の側においてそれぞれ自励式整流器を有している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、従来の発電所設備よりも低コストで実現可能な発電所設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する発電所設備によって解決される。本発明による発電所設備の好適な形態は、従属請求項に記載されている。
【０００５】
本発明によれば、複数の発電ユニットが、パワーエレクトロニクス機器のインバータを介して内部の交流電圧系統に出力を供給するか、あるいは、パワーエレクトロニクス機器のインバータによって給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して、内部の交流電圧系統に出力を供給する。これら発電ユニットのそれぞれが、各発電ユニットの出力電圧の発生または各発電ユニットによる出力電流の供給を、入力側に入ってくる同期信号を基準にして、出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニットに予め与えられた目標位相となるように調節するべく構成された同期化装置を有している。
【０００６】
本発明による発電所設備の利点は、内部交流電圧系統の側において、高圧直流送電装置は、自励式である必要がなく、電源転流式であってよい、という点にある。換言すれば、本発明による発電所設備では、内部交流電圧系統の側において、自励式整流器の代わりに電源転流式整流器を設置することが可能であり、これによって、大幅にコストを節約することができる。なぜなら、電源転流式整流器は自励式整流器よりも技術的に簡単であり、従って、より低コストに製造可能であるからである。本発明によれば、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器を設置することが可能である。なぜなら、複数の発電ユニットを同期化することによって内部交流電圧系統の十分な安定化が達成されるので、内部交流電圧系統の側で高圧直流送電装置を自励式にする必要がないからである。
【０００７】
前述したように、コストの最小化の観点から、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統への接続側において少なくとも１つの電源転流式整流器を有するようにすることが有利である。換言すれば、内部交流電圧系統への接続側において、高圧直流送電装置が電源転流式の高圧直流送電装置であると、有利である。
【０００８】
高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側で電源転流式の高圧直流送電装置であり、外部交流電圧系統の側で自励式の高圧直流送電装置であると、全体として有利である。
【０００９】
複数の発電ユニットのエネルギ発生が不十分な場合でも、非常運転、または、内部交流電圧系統の自己需要の補填を確実に行うために、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統への接続側において少なくとも１つの自励式整流器を電源転流式整流器と並列に有し、その自励式整流器がインバータとして作動して、内部交流電圧系統の自己需要を補填するために高圧直流送電装置の直流側からくるエネルギを内部交流電圧系統に供給することが可能にしてあると好ましい。インバータとして作動することの可能な自励式整流器が存在することによって、内部交流電圧系統に十分な系統電圧が確立されていない場合にも、外部交流電圧系統から内部交流電圧系統へ向けてエネルギ伝送を行うことが可能となる。
【００１０】
発電所設備の全ての発電ユニットが同一の同期信号に基づいて作動するようにすると有利である。
【００１１】
内部交流電圧系統の特に高い安定性を考慮すると、発電所設備の運転中に複数の発電ユニットの少なくとも半数に同一の目標位相（以降、中央目標位相と呼ぶ）が予め与えられていて、これら少なくとも半数の発電ユニットが同一の中央目標位相を有する出力電圧または出力電流を発生するようにすると有利である。
【００１２】
内部交流電圧系統に存在する無効電力を補償するために、または、交流電圧系統内に無効電力を発生するために、中央目標位相を与えられていない発電ユニットの少なくとも１つに、中央目標位相とは異なる個別の目標位相を、予め与えてあるか、または、与えることができる構成とすることができる。
【００１３】
例えば、前述の少なくとも１つの発電ユニットに、前述の中央目標位相とは９０°異なる、または、その発電ユニットが内部交流電圧系統に無効電力を供給すべく少なくとも前述の中央目標位相とは異なる、個別の目標位相を予め与えるようにすることができる。
【００１４】
この発電所設備には中央装置を備えることができ、該中央装置は、すべての発電ユニットと接続されていて、それら各発電ユニットにそれぞれ１つの目標位相を予め与えるように構成されていると有利である。
【００１５】
同期信号の簡単な伝送の観点から、複数の発電ユニットのそれぞれが無線受信機を有し、これら発電ユニットの無線受信機が、同期信号を無線で受信するようにすると有利である。
【００１６】
この同期信号を、例えば、いわゆるＧＰＳ信号（ＧＰＳ：グローバル  ポジショニング  システム）とすることが可能であり、この場合、無線受信機がＧＰＳ受信機であると好適である。
【００１７】
この発電所設備は、例えば集合型風力発電基地または集合型太陽光発電基地であり、その場合の発電ユニットは、風力発電設備または太陽光発電設備である。
【００１８】
内部交流電圧系統は、例えば、多相系統、特に３相交流系統とすることができる。
【００１９】
本発明はさらに、上述した発電所設備のための発電ユニットにも関する。この本発明に係る発電ユニットは、以下のように構成されている。すなわち、この発電ユニットは同期化装置を有し、この同期化装置が、入力側に入ってくる同期信号ならびに発電ユニットによって発電される出力電圧の位相または発電ユニットから内部交流電圧系統に供給される出力電流の位相を処理して、出力電圧の位相または出力電流の位相が当該発電ユニットに予め与えられた目標位相と一致するように、出力電圧の発生または出力電流の供給を調節するように構成されている。
【００２０】
本発明による発電ユニットの利点については、本発明による発電所設備に関する上述の説明を参照されたい。というのは、本発明による発電ユニットの利点は、本発明による発電所設備による利点と本質的に一致しているからである。
【００２１】
本発明はさらに、内部交流電圧系統と、この内部交流電圧系統に接続された多数の発電ユニットと、この内部交流電圧系統に接続された少なくとも１つの高圧直流送電装置とで構成された発電所設備の、運転方法に関する。
【００２２】
この本発明に係る運転方法は、複数の発電ユニットのそれぞれが同期信号を受信し、これら発電ユニットのそれぞれが、入力側に入ってくる同期信号と、該発電ユニットが発生する出力電圧の位相または該発電ユニットが内部交流電圧系統へ供給する出力電流の位相とを検出し、同期信号に基づいて、出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニットに予め与えられた目標位相と一致するように、出力電圧の発生または出力電流の供給を調節することを特徴とする。
【００２３】
本発明による方法の利点については、本発明による発電所設備に関する説明を参照されたい。
【００２４】
本発明を、その好ましい実施形態に基づいて、以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による発電所設備の一実施形態であって、高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器を有している。
【図２】本発明による発電所設備の一実施形態であって、高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器と自励式整流器とを有している。
【図３】本発明による発電所設備の一実施形態であって、１つの中央装置が設けられており、その中央装置は、発電所設備のすべての発電ユニットと接続されていて、各発電ユニットに個別の目標位相を与える。
【図４】本発明による発電所設備の一実施形態であって、１つの中央装置が設けられており、その中央装置は、複数の発電ユニットにそれぞれ個別の目標位相を与え、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器と自励式整流器とを有している。  なお、これらの図では、図示を見やすいものとするために、同一もしくは同等のコンポーネントには、同一の符号が使用されている。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、発電所設備１０を示しており、この発電所設備１０は、１つの内部交流電圧系統２０ならびにこの内部交流電圧系統２０に接続された多数の発電ユニット３０および３１を有する。内部交流電圧系統２０にさらに１つの高圧直流送電装置４０が接続されており、これが内部交流電圧系統２０を外部交流電圧系統５０と接続し、内部交流電圧系統２０から外部交流電圧系統５０に向けてのエネルギ伝送を可能にしている。
【００２７】
高圧直流送電装置４０は、内部交流電圧系統２０の側では電源転流式の送電装置であり、このために電源転流式整流器４１を有し、この電源転流式整流器４１は電気的に内部交流電圧系統２０と直流送電ケーブル４２の間に配置されている。
【００２８】
高圧直流送電装置４０の電源転流式整流器４１の正確な作動方式を保証するためには、内部交流電圧系統２０が十分に安定していることが必要である。多数の発電ユニット３０および３１が存在している場合でも内部交流電圧系統２０の安定性を保証すべく、これらの発電ユニット３０および３１は、それぞれ１つの同期化装置６０を備えており、この同期化装置６０は、各発電ユニット３０および３１の出力電圧の発生または各発電ユニット３０および３１による出力電流の供給を、この出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニット３０および３１に予め与えられた目標位相と一致するように調節するように構成されている。ここで、目標位相は、入力側に入ってくる同期信号Ｓを基準にしており、この同期信号Ｓは、発電ユニット３０および３１の同期化装置６０に供給される。
【００２９】
図１の実施形態では、同期化装置６０への同期信号Ｓの伝送は無線によって行われることを前提としている。代案として、同期信号Ｓを他の手段、例えば有線接続によって伝送することも可能である。
【００３０】
発電ユニット３０もしくは３１で発生された電気的出力の内部交流電圧系統２０への供給は、パワーエレクトロニクス機器のインバータを介して、または、パワーエレクトロニクス機器のインバータにより給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して、実行される。図１では、図示を見やすいものとするために、後者の諸コンポーネント、すなわちパワーエレクトロニクス機器のインバータまたは二重給電誘導機のステータは、明確には示されていない。
【００３１】
高圧直流送電装置４０の構成に関しては、これが外部交流電圧系統５０の側では自励式の送電装置であって、そのために自励式インバータ４５を有していると好適である。
【００３２】
図１による発電所設備１０は、例えば次のように運転することができる。すなわち、発電ユニット３０ないし３１の同期化装置６０が、同期信号Ｓを受信する。この場合、一般的に知られたＧＰＳ測位信号とするとよい（ＧＰＳ：グローバル  ポジショニング  システム）。というのは、ＧＰＳ測位信号は同期化するのに適したタイムスタンプを有するからである。
【００３３】
同期化装置６０は、同期信号Ｓを判読し、各発電ユニット３０および３１の出力電圧または出力電流を次のように調節する。すなわち、出力電圧の位相または出力電流の位相が、入力側に入ってくる同期信号Ｓを基準として、その発電ユニット３０および３１に個別に予め与えられた目標位相と一致するように、各発電ユニット３０および３１の出力電圧または出力電流を調節する。
【００３４】
このようにして、同期信号Ｓを用いた同期により、複数の発電ユニット３０および３１が、互いに直接に接続されていなくとも、それらのエネルギ供給に関する１つの同調した挙動を内部交流電圧系統２０に示すようにすることが可能となる。エネルギ供給の同期化によって、内部交流電圧系統２０は系統周波数および電圧の大きさに関して安定化されるので、その内部交流電圧系統２０すなわちその安定性は、電源転流式整流器４１を安定に運転し、かつ、エネルギを内部交流電圧系統２０から電源転流式整流器４１および直流送電ケーブル４２を介して外部交流電圧系統５０に向けて伝送するのに十分である。
【００３５】
図２は、発電所設備１０の別の実施形態を示す。この場合、複数の発電ユニット３０および３１が同期信号Ｓにより同期され、その結果、電源転流式整流器４１の電源転流運転のための内部交流電圧系統２０の十分な安定性が保証されることとなる。
【００３６】
図２の発電所設備１０は、図１の実施形態とは異なり、高圧直流送電装置４０の内部交流電圧系統２０への接続側に、付加的に１つの自励式整流器４６を有しており、その自励式整流器は、インバータとして作動して、直流送電ケーブル４２から来るエネルギを内部交流電圧系統２０に供給するのに適している。すなわち、その自励式整流器４６は、例えば、発電ユニット３０ないし３１がそれ自身では十分な出力を内部交流電圧系統２０に供給できない場合に、内部交流電圧系統２０の自己需要を、外部交流電圧系統５０から内部交流電圧系統２０に向けてのエネルギ伝送によって、補填するために使われる。
【００３７】
図３は、発電所設備１０の一実施形態を示す。この場合、１つの中央装置１００が設けられており、それが各発電ユニット３０または３１と個々に、有線接続または無線経由で、接続されている。図３では、図示を見やすいものとするために、発電ユニット３０と中央装置１００の間の接続のみが明示されている。複数の発電ユニット３１と中央装置１００の間の残りの接続は、図３では単に暗示されているのみとなっている。
【００３８】
この中央装置１００の役割は、各発電ユニット３０もしくは３１または複数の発電ユニット３０および３１の各同期化装置６０に、それぞれ１つの個別の位相Δφを予め与えることである。従って、これらの同期化装置６０は、同期信号Ｓの他に、それぞれ個別に予め与えられた目標位相Δφを受け取り、その結果、入力側に入ってくる同期信号Ｓに基づいて、出力電圧ないし出力電流が予め与えられた目標位相Δφを有するように、出力電圧ないし出力電流を調節することが可能となる。
【００３９】
図３の実施形態では、同期信号Ｓの伝送は、ＧＰＳ信号として無線で行われ、個別に予め与えられた目標位相Δφの伝送は、中央装置１００によって有線接続または無線で行われる。代案として、同期信号Ｓを、個別の目標位相Δφと一緒に、中央装置１００から複数の発電ユニット３０または３１の同期化装置６０に、例えば、有線接続または無線で伝送することも可能である。有線接続された伝送の場合には、ＧＰＳ信号を受信するための複数の無線受信装置を省略することができる。
【００４０】
図４は、発電所設備１０の一実施形態を示す。この場合、高圧直流送電装置４０が、内部交流電圧系統２０の側で、前述の電源転流式整流器４１に加えて１つの自励式整流器４６をも有しており、その自励式整流器４６は、インバータとして作動して、内部交流電圧系統２０の自己需要を補填すべく、自励式整流器４６の直流側すなわち直流送電ケーブル４２から来るエネルギを、内部交流電圧系統２０に供給するのに適している。このことは、図２との関連においてすでに詳述したとおりである。すなわち、これに関する説明は、図２と同じである。
【００４１】
本発明を複数の好適な実施形態によって詳細に図示し説明したが、本発明は、そのような開示された例のみに限定されるものではなく、本発明の保護範囲から逸脱しない範囲内で、当業者が他の変更形態を導き出すことも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０      発電所設備
２０      内部交流電圧系統
３０      発電ユニット
３１      発電ユニット
４０      高圧直流送電装置
４１      電源転流式整流器
４２      直流送電ケーブル
４５      自励式インバータ
４６      自励式整流器
５０      外部交流電圧系統
６０      同期化装置
１００    中央装置
Ｓ        同期信号
Δφ      目標位相
【図１】
0006370386.tif 000002
【図２】
0006370386.tif 000003
【図３】
0006370386.tif 000004
【図４】
0006370386.tif 000005