(57)【要約】  再生可能エネルギー源（１２）をＤＣ配電バス（２０）に相互接続するためのコンバータシステム（１４）は、再生可能エネルギー源（１２）に接続可能な絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）と、ＤＣ配電バス（２０）に接続可能であり、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）にカスケード接続される非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）とを含むコンバータユニット（１８）を備える。
2017521037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギー源（１２）を、少なくとも中位電圧レベルにあるＤＣ配電バス（２０）に相互接続するためのコンバータシステム（１４）であって、
前記コンバータシステム（１４）は、再生可能エネルギー源（１２）を前記ＤＣ配電バス（２０）に相互接続するためのコンバータユニット（１８）を備え、
前記コンバータユニット（１８）は、
前記再生可能エネルギー源（１２）に接続可能な絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）と、
前記ＤＣ配電バス（２０）に接続可能な非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）とを含み、前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）は、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）にカスケード接続される、コンバータシステム（１４）。
【請求項２】
前記コンバータユニット（１８）は、少なくとも２つのコンバータセル（３４）を含み、各コンバータセル（３４）は、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）にカスケード接続された、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）を含み、
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）の入力は、前記再生可能エネルギー源に並列に接続され、
前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）の出力は、前記ＤＣ配電バス（２０）のライン間に直列に接続される、請求項１に記載のコンバータシステム（１４）。
【請求項３】
前記ＤＣ配電バス（２０）に並列に接続された少なくとも２つのコンバータユニット（１８）をさらに備え、各コンバータユニット（１８）は、再生可能エネルギー源（１２）に接続可能である、請求項１または請求項２に記載のコンバータシステム（１４）。
【請求項４】
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）は、第１のＤＣ−ＡＣコンバータ（３８）と、変圧器（４０）と、第２のＡＣ−ＤＣコンバータ（４２）とを含み、前記第１のＤＣ−ＡＣコンバータ（３８）と、前記変圧器（４０）と、前記第２のＡＣ−ＤＣコンバータ（４２）とはカスケード接続される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコンバータシステム（１４）。
【請求項５】
前記コンバータユニット（１８）は、ＡＣ電源（１２）を、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）に接続するためのＡＣ−ＤＣコンバータ（２４）を含み、または、
前記コンバータユニット（１８）は、ＤＣ電源を、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）に接続するためのＤＣ−ＤＣコンバータを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコンバータシステム（１４）。
【請求項６】
前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）は、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコンバータシステム（１４）。
【請求項７】
上位コンバータシステム（１１）であって、
前記上位コンバータシステム（１１）は、少なくとも２つのＤＣ配電バス（２０）を備え、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコンバータシステム（１４）に接続された各ＤＣ配電バス（２０）は、再生可能エネルギー源（１２）を、少なくとも中位電圧レベルにあるそれぞれの前記ＤＣ配電バス（２０）に相互接続するための少なくとも１つのコンバータユニット（１８）を含み、
各ＤＣ配電バス（２０）は、非絶縁型配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）の第１の側に接続され、
前記非絶縁型配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）の第２の側は、ＤＣ配電網（１６）のライン間に直列に接続される、上位コンバータシステム（１１）。
【請求項８】
前記ＤＣ配電網（１６）の電圧レベルは、前記ＤＣ配電バス（２０）の電圧レベルよりも高い、請求項７に記載の上位コンバータシステム（１１）。
【請求項９】
前記非絶縁型配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）は、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータである、請求項７または請求項８に記載の上位コンバータシステム（１１）。
【請求項１０】
再生可能エネルギー発電所（１０）であって、
少なくとも１つの再生可能エネルギー源（１２）と、
前記再生可能エネルギー源（１２）を前記ＤＣ配電網（１６）に相互接続するための請求項１から請求項６のいずれか１項に記載されたコンバータシステム（１４）とを備える、再生可能エネルギー発電所（１０）。
【請求項１１】
前記コンバータシステム（１４）は、前記再生可能エネルギー源（１２）を前記ＤＣ配電網（１６）と相互接続するための請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の上位コンバータシステム（１１）の一部である、請求項１０に記載の再生可能エネルギー発電所（１０）。
【請求項１２】
好ましくは請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコンバータシステム（１４）を動作させる方法であって、前記コンバータシステム（１４）は、再生可能エネルギー源（１２）をＤＣ配電バス（２０）に相互接続するためのコンバータユニット（１８）を含み、前記コンバータユニット（１８）は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）を含み、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）および前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）はカスケード接続され、前記方法は、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）を開ループで制御することと、
前記コンバータユニット（１８）の電力ゲインを前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）で制御することとを備える、方法。
【請求項１３】
前記コンバータユニット（１８）は、再生可能エネルギー源（１２）および前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）を相互接続するＡＣ−ＤＣコンバータ（２４）を含み、前記方法は、さらに、
前記再生可能エネルギー源（１２）の動作点が最適化されるように前記ＡＣ−ＤＣコンバータ（２４）を制御することを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記コンバータシステム（１４）における障害を検出することと、
前記障害が検出されたとき、前記コンバータユニット（１８）を前記ＤＣ配電バス（２０）に相互接続するスイッチ（３０）を開くことと、
前記障害が検出された後、前記スイッチ（３０）が開く前に前記コンバータユニット（１８）の電流および／または電圧が低減するように、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）を変調することとをさらに備える、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記コンバータユニット（１８）は、少なくとも２つのコンバータセル（３４）を含み、各コンバータセルは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）を含み、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ（２６）は、前記再生可能エネルギー源に並列に接続され、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）は、前記ＤＣ配電バス（２０）のライン間に直列に接続され、
前記方法は、さらに、
前記ＤＣ配電バス（２０）で生成される電圧歪みが位相シフトされたパルスパターン（４４）より高い周波数を有するように、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）を前記位相シフトされたパルスパターン（４４）でパルス幅変調することを備える、請求項１２から請求項１４のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記コンバータシステム（１４）は、好ましくは請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の上位コンバータシステム（１１）の一部であり、前記上位コンバータシステム（１１）は、少なくとも２つのＤＣ配電バス（２０）を含み、各ＤＣ配電バス（２０）は、再生可能エネルギー源（１２）をそれぞれの前記ＤＣ配電バス（２０）に相互接続するための少なくとも１つのコンバータユニット（１８）に接続され、
各ＤＣ配電バス（２０）は、配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）の第１の側に接続され、前記配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）の第２の側は、ＤＣ配電網（１６）のライン間に直列に接続され、
前記方法は、さらに、
前記ＤＣ配電網（１６）で生成される電圧歪みが、位相シフトされたパルスパターン（４４）より高い周波数を有するように、前記グリッド側ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２）を前記位相シフトされたパルスパターン（４４）でパルス幅変調することを備える、請求項１２から請求項１５のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記上位コンバータシステム（１１）における障害を検出することと、
前記障害が検出されたとき、前記コンバータユニット（１８）を前記ＤＣ配電バス（２０）に相互接続するスイッチ（３０）を開くことと、
前記障害が検出された後、前記スイッチ（３０）が開く前に前記コンバータユニット（１８）の電流および／または電圧が低減するように、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２２，２８）を変調することとをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
コンバータシステム（１４）または上位コンバータシステム（１４）のためのコントローラ（３２）であって、前記コントローラ（３２）は、請求項１２から請求項１７のうちのいずれか１項に記載の方法を行なうように適合されている、コントローラ（３２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電力変換の分野に関し、特に、再生可能なエネルギー源に関する。特定的には、本発明は、コンバータシステム、上位コンバータ（superior converter）システム、再生可能エネルギー発電所のみならず、当該コンバータシステムおよび上位コンバータシステムを動作させるための方法および制御器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
再生可能エネルギー発電所としてのウィンドファームにおいて、再生可能エネルギー源としての風力発電機は、複数段において、高電圧ＤＣ配電網に接続される。第１の、中位電圧レベル段において、各再生可能エネルギー源は、間接ＡＣ−ＡＣコンバータを介して、配電バスに結合され得る。風力発電機は、通常、可変速度動作モードで駆動され、これにより、一定の速度で動作するシステムと比較した時に、より高いエネルギー出力、より低い機械的応力、および、より小さい電力変動が可能になる。第２の、高電圧段において、１以上の配電バスは、ＡＣ−ＤＣコンバータを介して高電圧ＤＣ配電網と接続される。
【０００３】
風力発電機を配電バスと相互接続するコンバータの主要な機能は、風力発電機の出力の調整であり、同時に、可変周波数および可変電圧から一定周波数および一定電圧へのエネルギー変換である。
【０００４】
通常、第１のコンバータは、ＤＣリンクを介してバス側ＤＣ−ＡＣコンバータに相互接続されるエネルギー源側ＡＣ−ＤＣコンバータを含む。これらのコンバータのための制御戦略は応用に応じて異なり得る。例えば強電力網応用において、配電バスへの風力エネルギーの貢献は全導入電力に比較して小さく、バス側コンバータは、主として、エネルギー源側整流器にとって最適なレベルにＤＣリンク電圧を調整するのに用いられる。同時に、配電バスに注入される電流は、高調波歪みおよび電力品質に関する標準を満たす必要がある。例えば、３レベルコンバータは、そのような任務を実行するのに用いられてもよい。エネルギー源側ＡＣ−ＤＣコンバータは、所与の風力条件に対して所望の電力移動を実現するために、風力発電機（例えば、ＰＭＧ）の速度を調整する。加えて、所与の風力速度において、最大のタービンエネルギー変換効率が、その風力速度に対するタービン回転子の先端速度の最適な比率で生じることを考慮すると、ＡＣ−ＤＣコンバータは、システムに対する最適な動作点を達成できる。これは、風力速度が変化したときに、応じて、最適なタービンエネルギー変換比率を維持するようにタービン回転子の速度が変化しなければならないということを意味する。
【０００５】
一方、風力エネルギーの貢献が導入電力の大きな部分であり、エネルギーが弱電力網に供給される応用では、コンバータの機能が異なる。この場合、バス側コンバータの主な目標は、配電バスの周波数および電圧を調整することである。ＤＣリンク電圧は、エネルギー源側コンバータによって制御される。
【０００６】
再生可能エネルギー源および配電網を相互接続するＡＣ−ＡＣコンバータの間において、低周波変圧器が電圧を昇圧させるために用いられ得る。他の変圧器は、配電バスの中位ＡＣ電圧を、高電圧ＤＣ配電網の前のＡＣ−ＤＣコンバータに入力される高電圧に昇圧させるのに用いられ得る。ＡＣ−ＤＣコンバータは、ＡＣ電圧を整流し、高電圧ＤＣ配電網に入力されるべきＤＣ電圧を制御する。
【０００７】
そのようなコンバータシステムは、低効率、高コスト、および電力網規約の標準に適合する困難性を生じさせる、いくつかのコンバータ段の必要性といった不利益を呈し得る。複数の低周波変圧器の使用は、重さ、大きさ、および電力密度（これらは、オフショア（offshore；沖合）応用において鍵となるパラメータのいくつかである）において不利になるため、他の欠点となり得る。
【０００８】
代わりに、ＡＣ配電バスは、中位電圧ＤＣ配電バスと置換され得る。このＤＣアプローチでは、風力発電機からもたらされるＡＣ電圧は整流されて、ＤＣ中位電圧にまで昇圧される。そのようないくつかのコンバータユニットは、１つのＤＣ配電バスに相互接続され得る。他のＤＣ−ＤＣコンバータは、それから、高電圧ＤＣ配電網への接続に用いられ得る。そのようなアプローチの主な利点は、いくつかのコンバータユニットとＤＣ配電バスとの接続の簡素化、および、中位電圧ＤＣ配電バスを高電圧ＤＣ配電網に接続することの有利さにある。しかしながら、このアプローチもまだ、短絡および過電流条件下では、風力発電機に接続されるコンバータユニットを保護する高速遮断器および電流制限器が必要であるといった欠点を呈する。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータは、通常では、いくつかのカスケード接続された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ段を含む。
【０００９】
例えば、ＥＰ２３４１５９４Ａ１は、高電圧配電網に風力発電機を接続するための絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを２つの絶縁段に使用する、電力収集および伝送システムについて記載している。
【００１０】
ＷＯ２０１１／０２９５６６Ａ１は、電気負荷を供給するための中間ＤＣ配電バスを備えた２段システムのためのさらなる例を示している。
【００１１】
ＵＳ２０１０／０１５６１８９Ａ１は、再生可能エネルギー源からの電力の収集に関し、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが風力発電機を配電網に接続するためにどのように用いられ得るのかのさらなる例を示している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の説明
本発明の目的は、再生可能エネルギー発電所のコストを低減し、そのような発電所の効率を高め、そのような発電所のコンバータの制御を最適化することである。
【００１３】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらに例示的な実施形態が、従属請求項および以下に続く説明から明らかである。
【００１４】
発明の第１の局面は、再生可能エネルギー源を、少なくとも中位電圧レベルにあるＤＣ配電バスに相互接続するためのコンバータシステムに関する。再生可能エネルギー源は、ＡＣ出力電圧（たとえば風力発電機）またはＤＣ出力電圧（たとえば太陽光発電モジュール）を生成することができ、その出力電圧は、ＤＣ配電バスに供給されるＤＣ電圧へと変換され得る。ＤＣ配電バスは、コンバータシステムが属する発電所の内部部分であり得る、および／またはＤＣ配電網に直接的に相互接続され得る。また、ＤＣ配電バスおよび大規模ＤＣ配電網は、さらなるＤＣ−ＤＣコンバータによって間接的に相互接続されることができる。「中位電圧」という用語は、上記および以下において、低電圧よりも高い電圧を呼ぶ。ＩＥＥＥ−１４１標準に従うと、低電圧という用語は、本願において、６００Ｖ未満の電圧を示すものとして用いられる。したがって中位電圧は、６００Ｖより高い電圧、たとえば、６５０Ｖ、７００Ｖまたはそれ以上の電圧を呼ぶ。本願において用いられるような中位電圧は、５０ｋＶまでの電圧を含む。
【００１５】
「再生可能エネルギー源を、少なくとも中位電圧レベルにあるＤＣ配電バスに相互接続するためのコンバータシステム」との用語は、上記および以下において、コンバータシステムであって、再生可能エネルギー源を中位電圧ＤＣ配電バスに相互接続することができるコンバータシステムを呼ぶ。「再生可能エネルギー源を、少なくとも中位電圧にあるＤＣ配電バスに相互接続される再生エネルギー源のためのコンバータシステム」は、ＤＣ配電バスの存在を暗示するものでもなく、任意の存在するＤＣ配電バスの電圧レベルを特定するものでもない。それは、コンバータユニットの機能的な特性である。それは、再生可能電力源を、中位電圧レベルにあるＤＣ配電バス、あるいは中位電圧よりも高い電圧レベルにある任意のバス、たとえば高電圧レベルのＤＣ配電バス、に接続することができる能力を定義する。
【００１６】
発明の実施形態によれば、コンバータシステムは、再生可能エネルギー源をＤＣ配電バスに相互接続するためのコンバータユニットを備え、コンバータユニットは、再生可能エネルギー源に接続可能な絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにカスケード接続される、ＤＣ配電バスに接続可能な非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとを備える。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、変圧器を介してＡＣ−ＤＣコンバータに接続されるＤＣ−ＡＣコンバータを含み得る。非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータであり得る。
【００１７】
「絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ」との用語は、上記および以下において、ガルバニック絶縁変圧器のような、ガルバニック絶縁要素を備えるＤＣ−ＤＣコンバータを呼ぶ。「絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ」において、このガルバニック絶縁要素は、エネルギーの伝達を可能にするが、入力および出力間の直接の導通経路を禁止する。
【００１８】
「非絶縁型ＤＣ−ＤＣ変圧器」との用語は、上記および以下において、入力および出力が互いにガルバニック絶縁されていないＤＣ−ＤＣコンバータを呼ぶ。
【００１９】
発明の実施形態によれば、ＤＣ配電バスは、中位電圧レベルにあるＤＣ配電バスである。
【００２０】
発明の好ましい実施形態によれば、ＤＣ配電バスの電圧レベルは、１０ｋＶと５０ｋＶとの間である。
【００２１】
発明の実施形態によれば、再生可能エネルギー源は、太陽光発電プラントまたは任意の他の再生可能な発電プラントのような低電圧エネルギー源である。
【００２２】
発明の実施形態によれば、再生可能エネルギー源は、風力発電プラント、太陽光発電プラント、または任意の他の再生可能発電プラントのような中位電圧エネルギー源である。
【００２３】
発明の好ましい実施形態によれば、再生可能エネルギー源の電圧レベルは、６００Ｖと１０ｋＶとの間である。すなわち、コンバータユニットは、モジュラ絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータおよび非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを含む）と見ることができるが、コンバータユニットは、たとえば、風力発電機を、たとえば中位電圧レベルにあるＤＣ配電バスに接続するために用いられる。このコンバータユニットは、再生可能エネルギー源から最大電力点エネルギーを引出すために用いられ得るが、その理由は、２つのＤＣ−ＤＣコンバータが互いに独立に制御され得るからである。たとえば、非絶縁型コンバータは、再生可能エネルギー源と配電バスとの間の電力の流れを制御するために用いられ得るとともに、絶縁型コンバータは開ループ（一定のスイッチング周波数を有する）で制御され得る。これらの理由により、絶縁型コンバータのガルバニック絶縁を提供する変圧器は、より高い周波数および最適な効率のために構築されることができ、したがって、より軽くかつより安くなり得る。
【００２４】
要約すると、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにより、第２の組の変圧器を省略することができ、そのことは、全体の設備の重量、サイズおよびフットプリントを削減することをもたらし得る。たとえば、オフショアの再生可能エネルギー設備においては、スペースが非常に制限され、それゆえに、サイズ、重量およびフットプリントは、極端に重要な基準となり得る。コンバータユニット内の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ内に中位周波数変圧器を用いることによって、重量およびサイズの大幅な節約が達成され得て、たとえば風力発電機のナセルの中に直接設置することをもたらし得る。
【００２５】
「カスケード接続された」との用語は、コンバータシステムの第１の部分の出力が、コンバータシステムの第２の部分の入力に接続されることを意味する。たとえば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの２つの出力は、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの入力に接続される。
【００２６】
発明の実施形態によれば、コンバータユニットは、少なくとも２つのコンバータセルを含み、各々のコンバータセルは、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにカスケード接続された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを含む。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの入力は、再生可能エネルギー源に並列に接続され、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力は、ＤＣ配電バスのライン間に直列に接続される。コンバータセルは、コンバータユニットのサブモジュールまたはサブコンバータと見られ得る。これらのサブモジュールは、再生可能エネルギー源の側に並列に接続され、配電バスの側に直列に接続される。配電バスの側において直列に接続されることは、コンバータユニットのＤＣ出力電圧を、複数のＤＣ入力電圧に変換することを可能にする。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにより、すべてのコンバータセルは、変圧器によって与えられ得るガルバニック絶縁を含む。
【００２７】
発明の実施形態によれば、コンバータシステムは、さらに、ＤＣ配電バスに並列に接続される少なくとも２つのコンバータユニットを含み、各々のコンバータユニットは、再生可能エネルギー源に接続可能である。すなわち、コンバータシステムは、複数の並列に接続されたコンバータユニットを含み得るとともに、各々のコンバータユニットは、複数のコンバータセルを含み得る。複数のコンバータセルは、エネルギー源の側に並列に接続されるとともに、ＤＣ配電バスの側において直列に接続される。
【００２８】
発明の実施形態によれば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１のＤＣ−ＡＣコンバータと、変圧器と、第２のＡＣ−ＤＣコンバータを含み、それらはカスケード接続される。変圧器は、ガルバニック絶縁を与え得るとともに、エネルギー源からの電圧を昇圧または降圧するために用いられ得る。
【００２９】
発明の実施形態によれば、コンバータユニットは、ＡＣ電源を絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに接続するためのＡＣ−ＤＣコンバータを含む。風力発電機の場合、それは通常はＡＣ出力電圧を生成するが、このＡＣ出力電圧は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに入力される前に整流され得る。
【００３０】
発明の実施形態によれば、コンバータユニットは、ＤＣ電源を絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに接続するためのＤＣ−ＤＣコンバータを含む。そのようなＤＣ電源は、太陽光発電モジュールであり得る。
【００３１】
発明の実施形態によれば、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、バックコンバータ、ブーストコンバータ、またはバック／ブーストコンバータである。バックコンバータおよび／またはブーストコンバータは、２つの第１の出力の間に直列に接続された２つの半導体スイッチを含み得る。一方の第２の出力は、インダクタを介して２つの半導体スイッチの間の中間点に接続され、第２の出力は、第１の出力のうちの１つに直接的に接続され得る。キャパシタは、２つの第２の出力の間に接続され得る。
【００３２】
発明の実施形態によれば、上位コンバータシステムは、少なくとも２つのＤＣ配電バスを含み、各々のＤＣ配電バスは、コンバータシステムに接続され、コンバータシステムは、１以上の再生可能エネルギー源を、少なくとも中位電圧レベルにあるそれぞれのＤＣ配電バスに相互接続するための１以上のコンバータユニットを含む。各々のＤＣ配電バスは、非絶縁型配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の側に接続され、非絶縁型配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータの第２の側は、ＤＣ配電網のライン間に直列に接続される。注意すべきは、再生可能エネルギー源とＤＣ配電バスとの間に相互接続された非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、エネルギー源側のＤＣ−ＤＣコンバータと見ることができ、ＤＣ配電バスとＤＣ配電網との間の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータであるということである。
【００３３】
発明の実施形態によれば、ＤＣ配電網電圧レベルは、ＤＣ配電バス電圧レベルよりも高い。
【００３４】
発明の実施形態によれば、ＤＣ配電網は、高電圧ＤＣ配電網である。
「高電圧」との用語は、上記および以下において、５０ｋＶ以上の電圧を呼ぶ。高電圧は、低電圧限界によってのみ特定されるとともに上限を課さない。本願において用いられるように、高電圧は、たとえば５００ｋＶ、７００ｋＶおよびそれ以上の電圧である、他の文献が超高電圧または極高電圧と呼ぶようなものを含む。
【００３５】
直列接続された配電網側コンバータにより、配電バスからの中位電圧（たとえば、２０ｋＶまたは３０ｋＶまで）は、乗算により、ＤＣ配電網の高電圧（たとえば、１００ｋＶ以上まで）へ変換され得る。
【００３６】
発明の実施形態によれば、非絶縁型グリッド側コンバータは、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータである。これらのコンバータは、エネルギー源側コンバータと同じレイアウトを有し得る。
【００３７】
上位コンバータシステムは、異なる電圧レベル（再生可能エネルギー源と配電バスとの間の中位電圧、および配電バスと高電圧配電網との間の高電圧）においてＤＣエネルギの収集、配電および伝送に基づき得る。上位コンバータシステムにより、通常では重たく高価な変圧器が省略可能であり、たとえば低周波変圧器および／または第２の組の絶縁型中位周波数変圧器が省略可能である。
【００３８】
発明のさらなる局面は、再生可能エネルギ発電所に関する。たとえば、発電所は、（オフショアの）風力発電所または太陽光発電所であり得る。
【００３９】
発明の実施形態によれば、再生可能エネルギ発電所は、少なくとも１つの再生可能エネルギー源と、再生可能エネルギー源をＤＣ電力配電網に相互接続するために上記および以下に記載されるようなコンバータシステムまたは上位コンバータシステムを含む。ＤＣ電力配電網は、大規模配電網および／または高電圧配電網（たとえば１００ｋＶより大きい電力を伝達するために適合化されている）であり得る。
【００４０】
発明の実施形態によれば、再生可能エネルギ発電所のコンバータシステムは、上記および以下に説明されるような、再生可能エネルギー源をＤＣ配電網に相互接続するための上位コンバータシステムの一部である。
【００４１】
発明の実施形態によれば、少なくとも１つの再生可能エネルギー源は、風力発電機および太陽光モジュールのうちの少なくとも１つを含む。再生可能エネルギ発電所は、複数の再生可能エネルギー源を含み、それらの各々は、コンバータユニット接続され、コンバータユニットは、それぞれの再生可能エネルギー源をＤＣ配電バスに相互接続する。上位コンバータシステムは、オフショアのウィンドファームを主配電網に接続するために用いられ得る。しかしながら、上位コンバータシステムは、また、自然ＤＣ源による、大規模太陽光発電プラントのような他の再生可能エネルギー源とともに用いられ得る。
【００４２】
発明のさらなる局面は、コンバータシステムの動作方法に関し、その方法は、コンバータシステムのコントローラによって実行され得る。
【００４３】
発明の実施形態によれば、コンバータシステムは、再生可能エネルギー源をＤＣ配電バスに相互接続するためのコンバータユニットを含み、コンバータユニットは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、第２のＤＣ−ＤＣコンバータとを含み、それらはカスケード接続される。これは、上記および以下において記述されるようなコンバータユニットであり得て、特に、上記および以下において記述されるような、少なくとも２つのコンバータセルを有するコンバータユニットであり得る。
【００４４】
特に、コンバータユニットは、風力発電機に直接に接続されたＡＣ−ＤＣコンバータを含み、ＡＣ−ＤＣコンバータの他方側は少なくとも２つの並列接続されたコンバータセルに接続され、コンバータセルの各々は、カスケード接続された、第１の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、第２の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとを含む。
【００４５】
第１に、ＡＣ−ＤＣコンバータは、風力発電機の周波数および電圧を制御し得る。
第２に、第１の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、発電機側からのＤＣ電圧を、配電側におけるＤＣ電圧へと変換し得る。これは、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変圧器の変圧器（およびその巻線比）および／またはコンバータセルの並列直列接続によって達成され得る。
【００４６】
第３に、第２の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、電力の流れを制御することにより、第１のＤＣ−ＤＣコンバータによって生成される配電側ＤＣリンク電圧を制御し得る。
【００４７】
発明の実施形態によれば、方法は：第１の（絶縁型）ＤＣ−ＤＣコンバータを開ループで制御すること；およびコンバータユニットの電力の流れを、第１のＤＣ−ＤＣコンバータにカスケード接続された第２の（非絶縁型）ＤＣ−ＤＣコンバータにより制御することを含む。そのような方法において、第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、単に、電圧をより高いレベルに変換するために用いられ得る、および／または、一定周波数で動作し得るが、そのことは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータの効率を向上し得る。
【００４８】
発明の実施形態によれば、方法はさらに：再生可能エネルギー源の動作点が最適化されるように、再生可能エネルギー源と第１のＤＣ−ＤＣコンバータとを相互接続するＡＣ−ＤＣコンバータを制御することを含む。第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、ＡＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する（たとえば、これら２つのコンバータ間のＤＣリンクにおける絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを通じて）ためにのみ用いられ得る。そのような方法において、２つの制御対象は、２つの異なるコンバータにより達成され得るが、そのことは損失を最小化するとともに再生可能エネルギー源から取出される電力を高め得る。さらに、より小さくかつより安い変圧器が絶縁型コンバータのために用いられ得る。
【００４９】
２つの絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにより、再生可能エネルギー源（風力、太陽光発電など）からの最大の電力の取出しが、最適な動作点において可能である。
【００５０】
発明の実施形態によれば、方法はさらに：コンバータユニットにおける障害を検出すること；障害が検出されたとき、コンバータユニットをＤＣ配電バスに相互接続するスイッチを開くこと；障害が検出された後、スイッチが開く前に、コンバータユニットの電流および／または電圧が低減するように非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを変調することを含む。非絶縁型コンバータは、コンバータシステムのための短絡制限および過負荷保護のために用いられ得る。非絶縁型コンバータは、機械的スイッチに比較して速く反応する半導体スイッチを含むので、非絶縁型コンバータは、（比較的遅い）スイッチが開く前に電圧および電流を制限するために用いられ得る。高電圧ＤＣレベルにおける短絡および過電流制限は、コンバータシステムに統合され得る。
【００５１】
既に記述されるように、各々のコンバータユニットは、エネルギー源の側において並列に接続されるとともに、配電バスの側において直列に接続されるサブモジュールを含み得る。特に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、一方の側に直列接続されるバックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータであり得る。発明の実施形態によれば、方法は、コンバータシステムに関し、コンバータシステムは上記および以下のような上位コンバータシステムの一部であり、方法は：ＤＣ配電バスで生成される電圧歪みがパルスパターンより高い周波数を有するように、第２のＤＣ−ＤＣコンバータを位相シフトされたパルスパターンでパルス幅変調することを備える。直列接続された配電バス側のＤＣ−ＤＣコンバータは、そのスイッチングの瞬間が、互いに関してオフセット（位相シフト）されるようにスイッチングされ得る。スイッチングにより引起されるそのような電圧歪みは、高い周波数を有し、たとえば、より簡単に除去され得る。
【００５２】
既に記述されたように、ＤＣ配電バスは、配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータを介して、配電網に接続され得る。また、これらのコンバータは、一方の側に直列接続されたバックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータであり得る。
【００５３】
発明の実施形態によれば、方法はさらに：ＤＣ配電網で生成される電圧歪みが、パルスパターンよりも高い周波数を有するように、配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータを位相シフトされたパルスパターンで変調することを含む。配電網側非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、また、高調波歪みを下げるために、エネルギー源側非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと同様に動作し得る。
【００５４】
発明の実施形態によれば、方法はさらに：上位コンバータシステムおよび／またはコンバータシステムおよび／またはコンバータユニットにおける障害を検出すること；障害が検出されたときに、コンバータユニットをＤＣ配電バスに相互接続するスイッチを開くこと；障害が検出された後、スイッチが開く前にコンバータユニットにおける電流および／または電圧が低減されるように、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを変調することを含む。非絶縁型コンバータは、コンバータシステムのための短絡制限および過負荷保護のために用いられ得る。非絶縁型コンバータは、機械的スイッチに比較して速く反応する半導体スイッチを含むので、非絶縁型コンバータは、（比較的遅い）スイッチが開く前に電圧および電流を制限するために用いられ得る。高い電圧ＤＣレベルにおける短絡および過電流制限は、コンバータシステムに統合され得る。
【００５５】
発明のさらなる局面は、コンバータシステムまたは上位コンバータシステムのためのコントローラに関し、コントローラは、上記および以下に記述されるような方法を実行するために適合される。たとえば、方法は、ハードウェア（ＤＳＰまたはＦＰＧＡ）において、またはソフトウェアにおいて実行され得る。後者の場合、コントローラは、その方法を実行するコンピュータプログラムを実行するためのプロセスを含み得る。
【００５６】
上記および以下に記述されるような方法の特徴が、上記および以下に記述されるようなコンバータシステム、上位コンバータシステム、再生可能エネルギ発電所およびコントローラの特徴であり得るとともに逆もまた成り立つということが理解されるべきである。
【００５７】
要約すれば、上位コンバータシステムは、複数の再生可能エネルギー源を高電圧ＤＣ伝達システム（すなわち高電圧ＤＣ配電網）に接続するために構成されたＤＣ再生可能エネルギ収集システムと見ることができる。上位コンバータシステムは、ガルバニック絶縁された中位電圧ＤＣ−ＤＣコンバータを有する多段システムと見ることができ、中位電圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、再生可能エネルギー源から最大の電力を取出すことを可能にする。上記のＡＣ−ＡＣ収集システムと、複数のカスケード接続された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを利用するＡＣ−ＤＣ収集システムと比較したときに、中位電圧ＤＣ配電バスから高電圧ＤＣ配電網への接続は、電力変換段の数を減らすことによって可能である。相互接続を実現するために低周波変圧器を利用する必要がない。コンバータシステムおよび上位コンバータシステムおよび制御方法は、電力の配電／伝達システムの効率を高めるだけでなく、公称動作点における再生可能エネルギー源の動作を可能にもし得る。コンバータシステムのトポロジーレイアウト（並列のコンバータセルを有する並列のコンバータユニット）は、出力／入力電圧のスケーラビリティおよび適合を容易に可能にし得るが、そのことは、コンバータシステムのモジュール性を高めることができる。
【００５８】
発明のこれらおよび他の局面は、以下に記述される実施形態を参照することによって明確となるであろう。
【００５９】
本発明の主題は、添付の図面に示された例示的実施形態を参照することにより、以下の文章において、より詳細に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に従う再生可能エネルギー発電所を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に従うコンバータシステムのためのコンバータユニットを概略的に示す図である。
【図３】図２のコンバータユニットのコンバータセルを概略的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に従う上位コンバータシステムを制御するための方法のためのフロー図である。
【図５】図４の方法のための位相シフトされたパルスパターンを示す図である。
【図６】図３のコンバータセルのためのＤＣ−ＤＣコンバータのゲインを示す図である。
【図７】図１の発電所における風力発電機の電力軌道を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に従う再生可能エネルギー発電所のさらなる実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
図面に用いられる参照符号およびその意味は、参照符号のリストにおいて、要約した形態で列挙される。原則として、同一の部分は図において同一の参照符号が示される。
【００６２】
例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、風力発電機（風車）の形態の複数の再生可能エネルギー源１２を含む再生可能エネルギー発電所を示す。再生可能エネルギー源１２は、高電圧配電網１６に、上位コンバータシステム１１を介して接続される。
【００６３】
第１の中位電圧段において、各々の再生可能エネルギー源１２は、中位電圧レベルにある配電バス２０に、コンバータユニット１８を介して接続される。第２の高電圧段において、上位コンバータシステム１１は複数の配電バス２０を含み、配電バス２０は、高電圧配電網１６に、配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ２２を介して接続される。
【００６４】
各々のコンバータユニット１８は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４と、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６と、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８とを含み、それらはカスケード接続される。
【００６５】
ＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、風力発電機１２からのＡＣ電圧を、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６へと入力されるべきＤＣ電圧へと変換するために用いられ得る。ＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、たとえば太陽光発電モジュールのような、ＤＣ電圧を供給する再生可能エネルギー源の場合には省略可能である。この場合において、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、太陽光発電システムの最大電力点動作を達成するために、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに置き換わり得る。ＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、単純な多相ダイオード整流器、または２レベル、３レベルまたはマルチレベル構造を有するアクティブ整流器であり得る。
【００６６】
ＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、風力発電機１２がすべての条件（風速、照射など）の下で最大効率または最大電力伝送の速度で駆動されることを可能にする。最大電力点追従（ＭＰＰＴ）は、コンバータシステム１４の効率を最大化することを達成し得る。
【００６７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２６，２８は、負荷に供給される電力を制御することによって、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の出力電圧を調整するために用いられる。加えて、それらは発電機ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の出力（低電圧または中位電圧であり得る）から、配電バス２０の所望の中位電圧へと昇圧するために用いられ、その場合、異なる風力発電機１２からのエネルギーが集められる。ＤＣ中位電圧は、中位電圧ＡＣ範囲が３６ｋＶまで上昇することを考慮することにより、５０ｋＶまで拡張され得る。
【００６８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２６，２８は、保護スイッチ３０を介して配電バス２０に接続され得る。
【００６９】
上位コンバータシステム１１は、さらに、コンバータ２４，２６，２８，２２を制御するためのコントローラ３２を含む。
【００７０】
図２は、コンバータユニット１８（ＡＣ−ＤＣコンバータ２４を有していない）をより詳細に示す。コンバータユニット１８は、複数のコンバータセル３４（またはコンバータサブモジュール／ビルディングブロック）を含み、その再生可能エネルギー源１２の側は並列に接続され、その配電バス２０の側は直列に接続される。配電バス側に直列に接続されるコンバータセル３４の数は、配電バスの電圧レベルおよび／または電力半導体素子の電圧定格に依存する。コンバータユニット１８は、また、その必要とされる電力に依存してエネルギー源１２に並列に配置され得る。エネルギー源の側において、コンバータセル３４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の電力および出力電圧を扱うために直列／並列に接続され得る。
【００７１】
各々のコンバータセル３４は、第１のＤＣリンク３６と、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６と、第２のＤＣリンク３９と、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８（すべてはカスケード接続される）を含む。
【００７２】
絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、ＤＣ−ＡＣコンバータ３８と、中位周波数変圧器４０と、ＡＣ−ＤＣコンバータ４２（カスケード接続された）とを含む。たとえば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、共振ＬＬＣコンバータであり得る。一般的に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、ハーフブリッジ、フルブリッジ、３レベルまたはマルチレベル構造を用いて構成され得る。加えて、電力の処理は、共振モードまたはＰＷＭモードにおいて実現され得る。しかしながら、低いスイッチングロスのような明確な利点は、電力処理が共振モードにおいて実現されるときに呈される。さらに、最大効率を得るために、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、最大効率がコンバータ２６で得られる点において開ループで動作する。
【００７３】
絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、コンバータセル３４の絶縁のみを与え得る。それは同時にコンバータセル３４の直列接続が中位電圧レベルに達することを可能にする。加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の出力電圧を制御するために用いられ得る。
【００７４】
非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、負荷に伝達される電力を調整するため、および以下で説明されるように、コンバータシステム１４と上位コンバータシステム１１とを過負荷および短絡条件から保護するために用いられる。
【００７５】
さらに、各々のコンバータセル３４の動作は、入力フィルタおよび出力フィルタにおいてリプルを相殺するために位相シフトされ得る。
【００７６】
図３は、コンバータセル３４の例を示す。コンバータ３８，４２は、ＤＣリンク３６，３９に並列なハーフブリッジにより実現され得る。ハーフブリッジの中点は、変圧器４０に結合される。一般的に、コンバータ２８は、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータであり得る。
【００７７】
図４は、コントローラ３２によって実行され得る上位コンバータシステム１１の制御方法のためのフロー図である。一般的に、コントローラ３２は、上位コンバータシステム１１の電流および／または電圧を計測して、これらの計測に基づいてコンバータ２２，２４，２６，２８を制御する。
【００７８】
コントローラ３２は、中央および／または局所要素を含み得る、および／またはコンバータ２２，２４，２６，２８を並列に制御し得る。
【００７９】
ステップＳ１０において、それぞれの再生可能エネルギー源１２の動作点が最適化されるようにＡＣ−ＤＣコンバータ２４が制御される。
【００８０】
ステップＳ１２において、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、所望の動作点において開ループで制御される。
【００８１】
ステップＳ１４において、それぞれのコンバータセル３４の電力の流れの制御を通じて、所望のＤＣリンク電圧３９が達成されるように、配電バス側非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が制御される。
【００８２】
ステップＳ１６において、全配電網電圧１６の一部として所望の出力電圧２２が得られるように、配電網側非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が制御される。
【００８３】
ステップＳ１４およびＳ１６に関し、１つのコンバータユニット１８のＤＣ配電バス２０のライン間の出力において直列に接続されるコンバータ２８、および／またはＤＣ配電網１６のライン間に直列に接続されるコンバータ２２が、パルス幅変調され得る。
【００８４】
図５は、３つのコンバータ２２または２８のためのパルス幅変調信号またはパルスパターン４４を示す図である。図５において示されるように、ＤＣ配電バス２０または配電網１６において生成される電流歪み４６が、パルスパターン４４よりも高い周波数を有するように、パルスパターン４４は互いに関して位相シフトされる。一般的に、電流歪み４６の周波数の増加は、コンバータの数に比例する。たとえば、３つのコンバータにより、曲線４６の周波数は、パルスパターン４４の周波数の３倍である。また、電流歪み４６のリプルは、他の形態を有し得るが、たとえばそれは正弦波の代わりに三角波であり得る。
【００８５】
特に、直列接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ２８および／または２２は、中位電圧ＤＣレベルおよび／または高電圧ＤＣレベルでのリプルを相殺するために、位相シフト角で動作する（インタリーブ動作）。結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８，２２は、コンバータ２８，２２におけるスイッチングロスを低減する低いスイッチング周波数で動作可能であり、小さいフィルタの要求をさらに有することができる。さらに、インタリーブは、コンバータ２８，２２の動作を不連続導電モードまたは臨界導電モードにおいて可能にし、コンバータ２８，２２における逆回復損失をなくし、同時に、低いフィルタ要求を保証する。
【００８６】
既に述べたように、コンバータ２６は開ループで制御される。例として、図６はＬＬＣ共振コンバータ２６のＤＣゲイン特性を示す。この図において、各々の曲線４８は、無負荷条件から過負荷条件までの負荷特性を表わす。図において、正規化されたスイッチング周波数は横軸で表わされ、ＤＣゲインは縦軸で表わされる。
【００８７】
コンバータのために３つの可能な動作条件も示される：軽（５０ａ）、公称（５０ｂ）および過負荷（５０ｃ）。これらの動作点は、コンバータ２６のＤＣゲイン特性、入力電圧（ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の整流電圧）および出力電圧（配電バス２０における中位電圧ＤＣ）によって定義される。単純化のため、中位電圧ＤＣコレクタ２０を、風力発電機１２および配電網１６から要求される負荷により生成されるエネルギに従ってゆっくりと変化する硬（stiff）電圧源と考えることができる。ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の出力電圧３６が、風力発電機１２のための最大電力点に従いながら厳しく調整されないならば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、通常公称動作点５０ｂの周りで動くであろう。見られるように、点５０ｂから離れる小さな変動は、過負荷条件５０ｃを容易にもたらし得る。５０ｃの場合において、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６のＤＣリンク３９に現われる中位電圧ＤＣの部分は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４の出力端子における電圧３６よりも低い。過負荷条件の厳しさは、これらの電圧の差により決定されるであろう。加えて、１つの動作点５０ｂで用いられるときに、コンバータの動作範囲は極めて狭いが非常に効率的であるということを理解することができる。
【００８８】
すなわち、各々のコンバータユニット１８の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、動作点５０ｂにおいて開ループで制御される。応じて、所望の電圧ゲインを得るためにＤＣ−ＤＣコンバータ２８が制御される。
【００８９】
以前に記述されるように、ステップＳ１０において、風力発電機１２に接続されるＡＣ−ＤＣコンバータ２４は、風速に基づいて最大の電力を取出すために発電機電圧および発電機電流を制御するが、それは図７に示され、図において最適電力軌道５２により表わされる。図は、風力発電機の回転速度を横軸で表わし、取出される電力を縦軸で表わす。異なる動作条件に対する異なる電力曲線５４が示される。
【００９０】
最大電力を制御するためのこの制御ストラテジは、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４によるＤＣリンク電圧の制御を許可するものではないであろう。ＤＣ−ＤＣコンバータ２８から流出する電力の流れが、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４によって流入する電力の流れとバランスしない場合、ＤＣリンク３６における電圧が変化するであろう。したがって、ＤＣリンク電圧を一定に保つために、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４からＤＣリンク３６へと到来する電力を整合させるために配電バス２０への電力フローを制御するために用いられる。
【００９１】
代わりに、共振ＤＣ−ＤＣコンバータ２６がこのタスクのために用いられるなら、図５に示された最適効率動作点５０ｂからコンバータ２６を動かすであろう電力の流れを制御するために、動作周波数が変動しなければならないであろう。
【００９２】
さらに明確にするために、コンバータセル３４が、公称点においてコンバータ２８なしに動作し、配電電圧が固定されたままである場合、電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６を通じて受動的に流れるであろう。しかしながら、配電バス２０における電圧が減少し始めるならば、固定された電圧ゲインのためにＤＣリンク電圧３６が追随するであろう。しかしながら、これはコンバータ２６を公称動作点５０ｂから動かすであろうＡＣ−ＤＣコンバータ２４にとっての過負荷条件をもたらし得るであろう。一方で、電圧２０が上昇するならば、ＤＣリンク電圧３６も、結果的に、ＡＣ−ＤＣコンバータ２４およびＤＣ−ＤＣコンバータ２６にとっての過電圧条件に達するであろう。これらの条件を避けるために、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は公称動作点５０ｂから離れて動作しなければならないであろう。ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設計は、結果的に低い効率のＤＣ−ＤＣコンバータ２６をもたらす、よりよい調整のためのより急なゲイン曲線を与えるように変更されなければならないであろう。加えて、過負荷条件の場合には、出力電流はＤＣ−ＤＣコンバータ２６によって制御されることができない。
【００９３】
風力発電機１２のための最大電力点、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２６のための最大効率点５０ｂおよび最適コンバータ設計を維持するために、追加のＤＣ−ＤＣコンバータ２８が含められる。これは、過負荷条件の場合に電力の流れと電流を制御するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の出力側におけるバックコンバータ、ブーストコンバータまたはバック／ブーストコンバータ２８とすることができる。この構成により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、公称点５０ｂにおいて一定周波数のままにあることができ、コンバータ２８はＤＣリンク３６を、その固定された基準値において維持するように電力の流れを制御する。したがって、コントローラ３２の制御タスクは、発電機制御のためのＡＣ−ＤＣコンバータ２４と、ＤＣリンク電圧制御のためのＤＣ−ＤＣコンバータ２８との間で等しく分けられる。
【００９４】
図８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の可能な実現例の１つを示し、ここでは双方向高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が用いられる。すべてのＤＣ配電バス２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の第１の出力に並列に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は高電圧ＤＣ配電網１６に給電するために第２の出力に直列に接続されている。
【００９５】
加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、高電圧ＤＣ配電網１６における短絡条件に対して配電バス２０を保護し負荷電流を制限するために、出力電圧を厳しく調整することができる。同様のタスクが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８によって実行され得る。
【００９６】
図４に戻り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２（同様にＤＣ−ＤＣコンバータ２８）は、さらに、過負荷保護のために用いられることができる。
【００９７】
ステップＳ１８において、コントローラ３２は、上位コンバータシステム１１における障害、たとえば、ＤＣ配電網１６における短絡または過負荷条件を検出する。結果として、コントローラ３２は、コンバータユニット１８をＤＣ配電バス２０に相互接続するスイッチ３０を開く。障害が検出された後、コンバータユニット１８における電流および／または電圧が、スイッチ３０が開く前に減少するように、コントローラ３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２および／または２８を変調する。
【００９８】
たとえば、図１および図８に示されるように、提案される構造は、複数の配電バス２０を、複数端子高電圧ＤＣシステムをもたらす高電圧ＤＣ配電網１６へと接続することを可能にするであろう。そのような場合、およびコンバータユニット１８が既に非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２８により短絡および過負荷条件に対して保護されていることを考慮して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の実現のために、バックタイプ、ブーストタイプまたはバック／ブーストタイプのＤＣ−ＤＣコンバータが可能である。この方法は、上位コンバータシステム１１全体が、電力の流れの方向とは独立して短絡および過負荷条件から保護され得る。この特徴は、高速の保護素子に対する必要性を最小化し、主に機械的な遮断器３０およびヒューズを必要とし、したがってＤＣ回路遮断器技術の開発に依存することをなくし得る。
【００９９】
コンバータ２２，２８のための単純化されたハーフブリッジ段は、図示の目的で示されており、実際にはＤＣ−ＤＣコンバータ２２，２８を実現するために直列接続されたＩＧＢＴが必要とされ得るということに注意すべきである。たとえば、高電圧ＤＣ技術の現水準において、高電圧（たとえば２０ｋＶ）を扱うために、単純に半導体を積上げること（スタック）が可能である。
【０１００】
図８はまた、接地電位に対する可能な接続を示す。たとえば、中位ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の１つは、接地され得る。
【０１０１】
本発明が、図および以上の記述によって詳細に図示されるとともに説明されてきたが、そのような図および説明は、図示または例示のためであり、限定するものではないと見なされるべきである。本発明は、開示された実施の形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形が、当業者によって理解されるとともに有効となり、図面、開示および添付の請求項から特許請求の範囲に係る発明を実現することができる。請求項において「含む」との用語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、定冠詞「ａ」または「an」は、複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたはコントローラまたは他のユニットは、請求項に記載された複数の要素の機能を実現し得る。相互に異なる従属請求項においてある手段が記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが、有利に用いられることができないということを示すものではない。請求項におけるすべての参照符号は、発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  再生可能エネルギー発電所
１１  上位コンバータシステム
１２  再生可能エネルギー源
１４  コンバータシステム
１６  高電圧ＤＣ配電網
１８  コンバータユニット
２０  中位電圧ＤＣ配電バス
２２  配電網側ＤＣ−ＤＣコンバータ
２４  ＡＣ−ＤＣコンバータ
２６  絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
２８  非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０  保護スイッチ
３２  コントローラ
３４  コンバータセル
３６  第１のＤＣリンク
３８  ＤＣ−ＡＣコンバータ
３９  第２のＤＣリンク
４０  変圧器
４２  ＡＣ−ＤＣコンバータ
４４  パルスパターン
４６  電圧歪み
４８  負荷特性
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ  負荷条件
５２  最適電力軌道
５４  電力曲線
【図１】
2017521037.tif 000003
【図２】
2017521037.tif 000004
【図３】
2017521037.tif 000005
【図４】
2017521037.tif 000006
【図５】
2017521037.tif 000007
【図６】
2017521037.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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