(57)【要約】【課題】  従来の問題を軽減するタービン発電システムを提供する。【解決手段】  発電機（１０）によってエンドシステム（１２）に提供される電力の制御方法であって、発電機から出力される電力が過剰な期間中、電力は発電機（１０）の出力から補助システム（２２）に分配される。分配された電力はエネルギーストア（２４）に蓄積され、発電機から出力される電力が少ない期間中は、エネルギーストア（２４）を放電させることによってエンドシステムに戻される。電力の分配及びリターンは、エンドシステムに供給される電力を所望の平均電力レベルで維持するように制御される。発電機からの電力の分配は、発電機が過剰な電圧レベルを発生するのを防ぐ効果も有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機によってエンドシステムに提供される電力の制御方法であって、
前記発電機によって発生された前記電力を監視することと、
閾値レベルを超えた監視対象の前記電力に応じて、前記発電機の出力からの前記電力の少なくとも一部を補助システムに分配することと、
分配された前記電力を用いて少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電することと、
前記閾値レベル以下の監視対象の前記電力に応じて、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを放電することによって前記補助システムから前記エンドシステムに前記電力を供給することと、
を含む制御方法。
【請求項２】
前記エンドシステムに供給される前記電力を所望の電力レベル帯域内、好ましくは所望の平均電力レベルで維持するために、前記電力の分配及び供給を制御することを更に含む、請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記電力を分配すること及び供給することは、前記発電機によって直接発生された電力の変動に応じて実行される、請求項１又は請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
前記電力を分配することは、前記発電機によって直接発生された前記電力のうちの少なくとも一部を分配することを伴う、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項５】
前記発電機は、単一発電機であり、前記電力を監視すること及び分配することは前記単一発電機に関して実行される、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項６】
前記発電機は、駆動流体の流れに応じて前記電力を発生させるためのタービン発電機を備え、前記電力を分配すること及び供給することは、前記駆動流体の流量におけるゆらぎの結果として前記発電機によって発生された電力の変動に応じて実行される、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項７】
前記電力を分配すること及び供給することは、１秒から６０秒の間の期間、又は１分から１０分の間の期間にわたって検出された、前記発電機による電力の変動に応じて実行される、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項８】
前記電力を前記発電機から前記エンドシステムに周波数変換器を介して提供することを更に含み、前記電力を分配することは、好ましくは、少なくとも一部の電力を前記周波数変換器への入力から分配することを伴う、請求項１から請求項７の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項９】
前記電力を供給することは、前記補助システムから前記周波数変換器の入力に前記電力を供給することを伴う、請求項８に記載の制御方法。
【請求項１０】
前記電力を供給することは、前記補助システムから前記周波数変換器の出力に前記電力を供給することを伴う、請求項８又は９に記載の制御方法。
【請求項１１】
前記周波数変換器は、変圧器を介して前記エンドシステムに前記電力を提供し、該電力を供給することは、前記補助システムから前記周波数変換器と前記変圧器との同じ側に電力を供給することを伴う、請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１２】
前記電力を供給することは、前記補助システムから前記変圧器と前記周波数変換器との同じ側の巻線へ、又は前記変圧器と前記周波数変換器とは離れた側の巻線に、電力を供給することを伴う、請求項１１に記載の制御方法。
【請求項１３】
前記電力を供給することは、前記補助システムから前記周波数変換器の中間区域に電力を供給することを伴う、請求項８又は９に記載の制御方法。
【請求項１４】
好ましくは、前記発電機からの電力の分配中に無効負荷を前記発電機の出力に提供するように前記補助システムを構成することによって、前記発電機からの電力の分配中に前記発電機からの無効電力を前記補助システムに吸収させることを更に含む、請求項１から１３の何れか１項に記載の制御方法。
【請求項１５】
エンドシステムに結合された発電機と、少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを備える補助システムとを備える発電システムであって、
前記発電機によって発生される電力を監視するための監視手段と、
閾値レベルを超える監視対象の前記電力に応じて、前記発電機の出力からの前記電力の少なくとも一部を前記補助システムに分配するための分配手段と、
前記分配された電力を用いて前記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電するための充電手段と、
前記閾値レベル以下の監視対象の前記電力に応じて、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを放電することによって前記補助システムから前記エンドシステムに電力を供給するための供給手段と、
を更に含む発電システム。
【請求項１６】
前記補助システムは、スイッチングデバイスによって直接又は間接的に前記発電機の出力に対して選択的に接続可能である、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記補助システムは、１つ以上のインダクタ又は他の誘導負荷を備える、請求項１５又は１６に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記補助システムは、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電するための充電手段を備える、請求項１５から１７の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項１９】
前記充電手段は、ＡＣ−ＤＣ変換器を備える、請求項１８に記載の発電システム。
【請求項２０】
発電機によって発生された過剰な電圧からデバイスを保護する方法であって、前記発電機によって発生された電圧レベルを監視すること、及び、前記電圧レベルが閾値を超える判定に応じて、前記発電機から無効電力を吸収するように補助システムを動作させることを含む、デバイスを保護する方法。
【請求項２１】
無効負荷を前記発電機に提供するように前記補助システムを構成すること、前記電圧が前記閾値を超えたことを判定したときに、前記補助システムを前記発電機の出力に接続すること、及び、前記電圧が前記閾値又は第２の閾値よりも小さいと判定されたときに前記補助システムを前記発電機の出力から切断することを更に含む、請求項２０に記載のデバイスを保護する方法。
【請求項２２】
エンドシステムに結合された発電機と、前記発電機の出力に誘導負荷を選択的に提示するように構成された補助システムとを備える発電システムであって、
前記発電機によって発生された電圧レベルを監視するための監視手段と、
前記電圧レベルが閾値を超えたことを判定したときに、前記発電機から無効電力を吸収するように前記補助システムを動作させるための動作手段と、
を含む発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン発電機の乱流補償に関し、特に風力又は潮流タービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、周波数変換器１４を介して配電網（ｇｒｉｄ）１２に電力を供給するためのタービン発電機１０を備える発電システムのブロック図を示す。タービン発電機１０は、発電機１８に結合されたタービン１６を備える。タービン１６は、流体、典型的には空気又は水によって駆動され、タービン１６の特定の構造は、典型的には少なくとも部分的に駆動流体に依存している。タービン発電機１０の最も一般的なタイプは、風又は潮流／潮汐流によって駆動される。
【０００３】
タービン１６は、使用時には、交流（ＡＣ）電気出力信号を用いて交流電力を発生するために発電機１８を駆動する。ほとんどのタービンは、可変ロータ速度を伴って動作可能であるため、風速又は潮汐の流量の変動が発電機の出力信号の周波数に対応する変動を発生させる可能性がある。周波数変換器１４は、発電機の出力信号の周波数を安定させて風又は潮汐の流れの変動を補償する。特に、周波数変換器１４は、配電網１２の周波数要件に合うように発電機の出力信号の周波数を適合させる。
【０００４】
しかしながら、流体の流量の変動はかなり大きい可能性があり、例えば典型的な風力又は潮汐タービン発電機の場合、流体速度は、平均値の約４０％まで変動する可能性があり、これが電圧及び電力制御に関する問題を引き起こす可能性がある。
【０００５】
タービン１６の回転速度の変動は、特に発電機１８が永久磁石の発電機の場合、発電機１８によって発生される電圧レベルに対応する変動を引き起こす可能性がある。多くの場合、タービン翼のピッチは、固定されており、この問題を深刻化する。可変ピッチのロータ翼を有するタービンの場合、ピッチ制御は乱流を補償できるが、その代償としてピッチ機構が摩耗し、高速作動制御システムが必要となる。
【０００６】
この問題の解決策の１つは、最も高く予測された一時的な高電圧に耐える能力を有する周波数変換器を使用することである。しかしながら、これはコストの面で望ましくない。別の解決策は、極端な電圧偏位の場合には周波数変換器を発電機から分離させて変換器の入力ステージへの損傷を回避することである。しかしながら、これは配電網１２への供給に望ましくない中断を生じさせ、周波数変換器の再接続を如何に管理するかという更なる問題を生じさせる。
【０００７】
更なる重要な点は、流速の変動が発電機の出力のパワーに変動を引き起こすことである。特に、タービン発電機１０の出力は、流速の３乗で変動すると思われる。あらゆる短周期ΔＴごとに、流速が平均よりも高い場合Ｖｍｅａｎ＋δ、流速が同程度まで低い場合Ｖｍｅａｎ−δに対応する期間が存在するため、余分なエネルギーは乱流に関連付けられる。これらの２つの周期中に供給されるエネルギーは、ΔＴ・（Ｖｍｅａｎ＋δ）３＋ΔＴ・（Ｖｍｅａｎ−δ）３に比例し、これは、２・ΔＴ・Ｖ３ｍｅａｎ・｛１＋３・（δ／Ｖｍｅａｎ）２｝に等しく、典型的には、定常流に比べて４〜５％の追加のパワーを示す。
この条件は問題ないが、この条件から恩恵を受けるための動作が必要であるとみなされ得る。一つの選択肢は、速い流れの期間は周波数変換器の接続を維持し、その期間中は最大パワーを伝送し続けることである。しかしながら、これは、非常に高速の周波数変換器を有することを伴う。
【０００８】
ゆらぎ電力は、配電網１２の動作にとって望ましくないが、複数のタービン発電機の出力が配電網１２に供給される前に集約されるタービンファームにとっては、例えば単一の発電機又は少数の発電機が配電網１２に接続されている場合よりも大きな問題ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記問題を軽減するタービン発電システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、発電機によってエンドシステム（ｅｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ）に提供される電力の制御方法を提供するものであって、上記制御方法は、上記発電機によって発生された上記電力を監視することと、閾値レベルを超えた監視対象の上記電力に応じて、上記発電機の出力からの上記電力の少なくとも一部を補助システムに分配することと、
分配された上記電力を用いて少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電することと、上記閾値レベル以下の監視対象の上記電力に応じて、上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを放電することによって上記補助システムから上記エンドシステムに上記電力を供給することと、を含む。
【００１１】
上記発電機からの電力は、典型的には周波数変換器を介して上記エンドシステムに提供される。上記周波数変換器は、整流器−インバータアーキテクチャを備えることができる。一実施形態において、電力は、補助システムから周波数変換器の中間区域（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｓｅｃｔｉｏｎ）に供給され、中間区域は整流器とインバータとの間にある。例えば、上記周波数変換器は、整流器とインバータとの間に直流（ＤＣ）リンクを備えることが可能であり、この供給は、上記補助システムから直流リンクへの供給を伴う。
【００１２】
典型的な実施形態において、上記周波数変換器は、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣ周波数変換器を備える。上記周波数変換器は、有利なことに電子周波数変換器を備える。
【００１３】
典型的には電力を分配すること及び供給することは、それぞれ電力を担持する電気信号の分配及び供給を伴う。分配は、典型的には、発電機の出力からの交流の電気信号の分配を伴う。
【００１４】
いくつかの実施形態は、充電に先立つ電気信号のＡＣ−ＤＣの整流の実行を伴い、充電は、整流された電気信号を用いて上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電することを伴う。
【００１５】
電力を供給することは、典型的には交流電気信号を上記補助システムから上記エンドシステムに供給することを伴う。
【００１６】
放電は、典型的には、上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスから直流電気信号を放電することを伴い、制御方法は、放電する電気信号のＤＣ−ＡＣ反転を実行すること、及び反転された交流信号をエンドシステムに供給することを更に含む。
【００１７】
典型的な実施形態において、上記交流電気信号は、多相の交流電気信号、典型的には３相の交流電気信号を備える。
【００１８】
上記電力を分配することは、典型的には少なくとも有効電力を補助システムに、好ましくは有効電力及び無効電力に分配することを伴う。
【００１９】
いくつかの実施形態は、上記発電機によって電圧レベル出力を監視すること及び電圧レベルが閾値を超えたことを判定したときに応じて、上記発電機から無効電力を吸収するように上記補助システムを動作させること、並びに、好ましくは、上記発電機による電圧レベルの出力が閾値又は第２の閾値よりも小さいと判定されたときに、上記発電機からの無効電力を吸収しないように補助システムを動作させることを含む。
【００２０】
典型的な実施形態において、上記エンドシステムは、給電用の配電網を備える。
【００２１】
他の好ましい機構は、従属請求項に記載されている。
【００２２】
本発明の第２の態様は、エンドシステムに結合された発電機と、少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを備える補助システムとを備える発電システムであって、上記発電機によって発生される電力を監視するための監視手段と、閾値レベルを超える監視対象の上記電力に応じて、上記発電機の出力からの上記電力の少なくとも一部を上記補助システムに分配するための分配手段と、上記分配された電力を用いて上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電するための充電手段と、上記閾値レベル以下の監視対象の上記電力に応じて、上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを放電することによって上記補助システムから上記エンドシステムに電力を供給するための供給手段と、を更に含む。
【００２３】
好ましい実施形態は、上記エンドシステムに供給された電力を所望の電力レベル帯域内、好ましくは所望の平均電力レベルで維持するために、電力の分配及び供給を制御するための制御手段を含む。
【００２４】
分配及び供給手段は、上記発電機によって直接発生された電力の変動に応答することが好ましい。
【００２５】
分配手段は、上記発電機によって直接発生された電力のうちの少なくとも一部を分配するように配置構成されることが好ましい。
【００２６】
好ましい実施形態において、単一の発電機が存在し、監視及び分配は単一の発電機に関して実行される。
【００２７】
典型的な実施形態において、上記発電機は、駆動流体の流れに応じて電力を発生させるためのタービン発電機を備え、分配すること及び供給することは、駆動流体の流量におけるゆらぎの結果として上記発電機によって発生された電力の変動に応答して実行される。
【００２８】
典型的なシステムは、上記電力を上記発電機から上記エンドシステムに提供するための周波数変換器を備える。上記分配手段は、上記周波数変換器へ入力される少なくとも一部の電力を分配させるように構成されることが好ましい。
【００２９】
いくつかの実施形態において、上記補助システムは、典型的には、上記制御手段によって上記補助システムから上記周波数変換器の入力に電力を供給するように動作可能である。
【００３０】
いくつかの実施形態において、上記補助システムは、典型的には上記制御手段によって上記補助システムから上記周波数変換器の出力に電力を供給するように動作可能である。
【００３１】
いくつかの実施形態において、上記周波数変換器は、変圧器を介して上記エンドシステムに電力を提供し、上記補助システムは、典型的には、上記制御手段によって上記補助システムから上記周波数変換器と上記変換器との同じ側へ、例えば上記周波数変換器と上記変圧器との同じ側の巻線又は上記周波数変換器と上記変圧器とは離れた側の巻線へと、上記電力を供給するように動作可能である。
【００３２】
いくつかの実施形態において、上記補助システムは、典型的には、上記制御手段によって、上記補助システムから上記周波数変換器の中間区域へと電力を供給するように動作可能である。
【００３３】
好ましい実施形態において、上記補助システムは、典型的には、上記制御手段によって、好ましくは、上記発電機からの電力の分配中に無効負荷を発電機の出力に提供するように補助システムを構成することによって、上記発電機からの電力の分配中に無効電力を発電機から吸収するように動作可能である。
【００３４】
上記補助システムは、スイッチングデバイスによって直接又は間接的に発電機の出力に選択的に接続可能である。上記補助システムは、１つ以上のインダクタ又は他の誘導負荷を備えることができる。補助システムは、上記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスを充電するための手段を備えることができる。上記充電手段は、ＡＣ−ＤＣ変換器を備えることができる。
【００３５】
本発明の第３の態様は、発電機によって発生された過剰な電圧からデバイスを保護する方法を提供し、上記方法は、上記発電機によって発生された過剰な電圧からデバイスを保護する方法であって、上記発電機によって発生された電圧レベルを監視すること、及び、上記電圧レベルが閾値を超える判定に応じて、上記発電機から無効電力を吸収するように補助システムを動作させることを含む。
【００３６】
上記デバイスを保護する方法は、無効負荷を上記発電機に提供するように上記補助システムを構成すること、上記電圧が上記閾値を超えたことを判定したときに、上記補助システムを上記発電機の出力に接続すること、及び、上記電圧が上記閾値又は第２の閾値よりも小さいと判定されたときに上記補助システムを上記発電機の出力から切断することを更に含むことができる。
【００３７】
本発明の第４の態様は、エンドシステムに結合された発電機と、上記発電機の出力に誘導負荷を選択的に提示するように構成された補助システムとを備える発電システムであって、上記発電機によって発生された電圧レベルを監視するための監視手段と、上記電圧レベルが閾値を超えたことを判定したときに、上記発電機から無効電力を吸収するように上記補助システムを動作させるための動作手段とを更に含む。
【００３８】
当業者であれば本発明の他の有利な態様は添付の図面を参照しながら特定の実施形態における以下の説明を検討することで明らかとなろう。
【００３９】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を例として説明するがこれらの図面では同じ部分を示すために同じ数字が使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】流体流速が比較的遅いか又は中程度である場合における有効電力及び無効電力の伝達を示す発電システムのブロック図である。
【図２】流体流速が比較的速い場合の有効電力及び無効電力の伝達を示す図１のシステムのブロック図である。
【図３】本発明の一態様を具体化する乱流補償システムを含む発電システムのブロック図であり、本図は流体流速が極端なレベルの場合の有効電力及び無効電力の伝達を示す。
【図４】流体流速が比較的遅いか又は中程度である場合における有効電力及び無効電力の伝達を示す図３のシステムのブロック図である。
【図５】本発明の一態様を具体化する発電システムの第１の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の一態様を具体化する発電システムの第２の実施形態の概略図である。
【図７】本発明の一態様を具体化する発電システムの第３の実施形態の概略図である。
【図８】本発明の一態様を具体化する発電システムの第４の実施形態の概略図である。
【図９】本発明の一態様を具体化する発電システムの第５の実施形態の概略図である。
【図１０】本発明の一態様を具体化する発電システムの第６の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１を再度参照すると、通常の動作条件下で、例えばタービン１６が比較的遅いか又は中程度の流速の流体によって駆動される場合、有効電力は、タービン発電機１０から周波数変換器１４を介して配電網１２へと流れる。しかし、無効電力は、周波数変換器１４から発電機１０へと流れるように、周波数変換器１４は、ベクトル制御で動作することが好ましいがこの限りではない。
図２を参照すると、比較的速い流速の条件において、周波数変換器１４は、タービン発電機１０からの無効電力を吸収するように構成される。これは、発電機１８に対する弱めの界磁効果を有する。結果として、発電機１８の端子電圧は、低減され、周波数変換器１４の電圧限界を超えない。この形の制御は、周波数変換器１４の電流限界（及び／又は適用可能であれば電圧限界）まで拡張可能であり得る。図１及び図２について説明する条件下では、タービン発電機１０からの過剰な電圧又は電力に付随する問題は生じない。
【００４２】
次に図３を参照すると、発電システム２０は、図１及び図２に示されたシステムと同様であるが、乱流補正用補助システム２２を更に含む。好ましい実施形態において、発電システム２０は、電気エネルギーの蓄積が可能なエネルギーストア２４も含む。
補助システム２２は、タービン発電機１０と周波数変換器１４との間の位置Ｌで発電システム２０に接続され、例えば発電機１０の出力又は周波数変換器１４の入力に接続される。補助システム２２は、位置Ｌでシステム２０に対して反応性インピーダンスを示し、タービン発電機１０からの無効電力を吸収するように構成される。
特に、補助システム２２は、タービン１６を駆動する流体流が極端である（例えば閾値レベルを上回っている）とみなされ得、補償しないと発電機１０から過剰な電圧又は電力を生じさせることになる期間中に、発電機１０からの無効電力を吸収するように構成され、且つ／又は動作可能である。
補助システム２２によって吸収される無効電力は、発電機１８に対する弱めの界磁効果を有し、これが（補助システム２２が存在しないケースに比べて）発電機１８の出力電圧を低下させるため、周波数変換器１４の入力で電圧レベルを低下させる。
典型的な実施形態において、発電システム２０に対して補助システム２２を選択的に接続又は切断するためにスイッチ（図３には図示せず）が提供される。スイッチは、コントローラ（図３には図示せず）によって動作され、コントローラは、タービン発電機１０の出力及び／又は周波数変換器１４の入力により、任意の好都合な手段によって電圧、電流、電力のうちの任意の１つ以上を監視する。そして、コントローラは、各々、監視された値が閾値レベルを超えた場合に補助システム２２を接続又は切断するようにスイッチを動作させることができる。
【００４３】
好ましい実施形態において、補助システム２２は、発電機１０から有効電力（並びに無効電力）を引き出すように、また有利には、発電システム２０からの有効電力を電気的なエネルギーストア２４に伝達するように構成される。
特に、補助システム２２は、タービン１６を駆動する流体流が極端である（例えば閾値レベルを上回っている）とみなされることができ、補償しないと発電機１０から過剰な電圧又は電力を生じさせることになる期間中に、有効電力を引き出すように構成され、且つ／又は動作可能である。結果として周波数変換器１４を介して配電網１２に伝達される有効電力は、補助システム２２が回路内にある場合に相応して低下する。
したがって、好ましい実施形態において、補助システム２２が回路内にある場合、周波数変換器１４によって発電機１０から受け取られる電圧レベル及び電力レベルを低下させる。
【００４４】
いくつかの実施形態において、又は一の動作モードにおいて、補助回路は、タービン発電機１０の出力及び／又は周波数変換器１４の入力で検出される電圧レベルに応じて回路内又は回路外でスイッチングされる。
その目的は、結果として極端な流量を生じさせることになる乱流の期間中に周波数変換器１４を過剰な電圧から保護しながら、発電機１０への接続を維持し、配電網１２への電力の供給を続行できるようにすることである。
このため補助システム２２を回路内に取り込むための電圧の閾値レベルは、周波数変換器１４の定格電圧によって決定可能である。電圧を監視するために任意の好適な電圧モニタ（図示せず）が使用可能であり、関連する電圧は、都合に合わせて直接又は間接的に測定され得る。
【００４５】
好ましい実施形態において、又は一動作モードにおいて、補助システム２２は、タービン発電機１０の出力及び／又は周波数変換器１４の入力での電力レベルに応じて回路内又は回路外でスイッチングされる。
このために任意の好適な電力計（図示せず）が採用可能である。関連する電力レベルは、システム２０内の任意の好都合な地点で、例えばタービン発電機１０の出力から及び／又は周波数変換器１４の入力で直接、或いはシステム内のどこからでも間接的に、測定可能であることを理解されよう。
補助システム２２は、この動作モードで回路内にある場合、有効電力を発電システム２０からエネルギーストア２４へ分配する。特に、電力は、発電機１０の出力から、すなわち発電機１８の出力で、周波数変換器１４の入力で、又はそれらの間の位置から分配される。この手法の目的は、結果として極端な流量を生じさせることになる乱流の期間中、発電システム２０からの過剰な有効電力を分配することによって、配電網１２に提供される有効電力を平滑化することである。このため、補助システム２２を回路内に取り込むための電力の閾値レベルは、所望の平均電力レベルによって決定可能である。
より一般的には、補助システム２２は、エンドシステムに供給される電力を所望の電力レベル帯域内で、より具体的には所望の電力レベルで、特に所望の平均電力レベルで維持するように動作可能であり得る。
【００４６】
有利なことに、補助システム２２は、無効電力を吸収することから、補助システム２２は、このようにして発電機１０によって周波数変換器１４に提供される電圧レベルを制約する効果も有しているため、周波数変換器１４を過剰な電圧から保護することがわかる。
【００４７】
補助システム２２は、所望のリアクタンス又はインダクタンスを示すため、及び所望量の有効な電力伝達を生じさせるために、例えば、コンピュータシミュレーションによる任意の好都合な様式で設計することが可能である。
【００４８】
有利なことに、図４を参照しながら、次により詳細に説明するように、エネルギーストア２４に蓄積される電気エネルギーは、有効電力として発電システム２０に戻される。エネルギーは、典型的には、比較的遅いか又は中程度の流体流の期間中、例えば発電システム２０が図１に示されるような通常モードで動作している場合に戻される。
エネルギーは、発電システム２０内の任意の好都合な地点に、例えば周波数変換器１４への入力で（又はより一般的には発電機１０の出力と周波数変換器１４の入力との間）、又は周波数変換器１４の入力と出力との間の地点に、又は配電網１２（又は他のエンドシステム）に、又はより一般的には周波数変換器１４の出力後の地点に、或いはこれらの場所のうちの１つ以上の任意の組み合わせに、供給することができる。
何れのイベントでも、比較的遅いか又は中程度の流体流の期間中、エネルギーストア２４を放電することによって、戻された電力は配電網１２（又は他のエンドシステム）に供給される。
【００４９】
典型的な実施形態において、エネルギーを戻すために、発電システム２０に対して補助システム２２を選択的に接続又は切断するためのスイッチ（図４には図示せず）が提供される（実施形態に応じて、図３を参照しながら上記で説明したスイッチと同じであり得るか又はあり得ない）。
スイッチは、コントローラ（図４には図示されていないが、典型的には図３を参照しながら言及されたコントローラと同じである）によって動作される。コントローラは、タービン発電機１０の出力及び／又は周波数変換器１４の入力で、任意の好都合な手段によって電圧、電流、電力のうちの任意の１つ以上を監視する。そして、コントローラは、各々
監視された値が閾値レベルに合致する場合に補助システム２２を接続又は切断するようにスイッチを動作させることができる。
蓄積されたエネルギーは、乱流の影響を補償するために配電網１２に提供される有効電力を平滑化するために、発電システム２０に戻されることが特に好ましい。
したがって、補助システム２２は、発電機１０から出力される電力が閾値レベル、例えば所望の平均電力レベルよりも下まで降下した旨をコントローラが決定した場合、エネルギーを発電システム２０に戻すことになる。エネルギーをシステム２２に戻すために補助システム２２をスイッチングする機能は、補助システム２２の出力区域内で電子的に実施可能である。
【００５０】
したがって、好ましい実施形態において、発電機１０によって出力される検出された電力レベルに応じて、補助システム２２は、有効電力を発電システム２０からエネルギーストア２４に伝達するか、又は所望の平均電力レベルに関して配電網１２（又は他のエンドシステム）に提供される有効電力を平滑化するために、蓄積されたエネルギーを発電システム２０に戻すことになる。
有利なことに、これは、発電機１０によって配電網１２に提供される（有効）電力に対する乱流の影響を補償するために実行される。したがって、エネルギーの蓄積及びリターンのサイクルは、典型的にはおよそ秒単位（例えば６０秒まで）又は分単位（例えば６０分までであるが、より典型的にはほぼ１０分まで）の比較的短い期間にわたって実行される。
【００５１】
図３及び図４において補助システム２２はユニットとして示されているが、補助システム２２は、好都合な方法で実装可能であり、無効電力を吸収すること、有効電力をエネルギーストア２４に伝達すること、及び電気エネルギーを発電システム２０に戻すことのうちの任意の１つ以上を実行するための、それぞれ別々の部分を備えることが可能であることを理解されよう。各部分はコントローラによって独立に動作可能である。
【００５２】
補助システム２２は、好ましくは、発電システム２０にエネルギーを戻しているときに無効電力を吸収しないように、すなわちこのモードで発電システム２０に誘導負荷を提示しないように設計される。
【００５３】
次に、図５から図１０を参照すると、特定の実施形態が例として記載されている。同じ部分を示すために同じ番号が使用され、当業者に明らかな場合又は特に示されていない限り、互いに同じか又は同様の説明が適用される。
各実施形態は、典型的にはタービン発電機の一部である（但しタービンは図５から図１０には示されていない）が代替として他の手段によっても駆動可能な発電機１１８を備える発電システム１２０を含む。
【００５４】
システム１２０は、周波数変換器１１４、典型的にはＡＣ−ＤＣ−ＡＣ周波数変換器を含む。周波数変換器１１４は、従来通りとすることができる。周波数変換器１１４は、直流リンク１３６によって結合されたＡＣ−ＤＣ変換器ステージ１３２及びＤＣ−ＡＣインバータステージ１３４を備える（各々が従来型の構造及び動作とすることができる）。周波数変換器１１４は、典型的には電子周波数変換器であり、すなわち電子回路からなる。変換器１３２及びインバータ１３４は、好適に構成された電圧−電源インバータ１３８を備えるが、代替として他の従来型の電子アーキテクチャを使用することが可能であることが好ましい。直流リンク１３６は、典型的には、変換器１３２及びインバータ１３４と並列且つそれらの間にキャパシタを備える。
【００５５】
各実施形態において、発電システム１２０は、変圧器１３０を介して配電網（図５から図１０には図示せず）に電力を供給する。典型的には、周波数変換器１１４は、変圧器１３０に電力を供給する。代替実施形態において、発電システムは、他のエンドシステム、特に配電網ではなく電力供給ネットワークに接続することができる。
【００５６】
発電機１１８がタービン発電機の一部である実施形態において、タービンは風力タービン又は潮流／潮汐流タービンとすることができる。
典型的には、発電機１１８は、特に発電機１１８が風力又は潮流タービン発電機の一部である場合、永久磁石発電機である。タービンは、固定又は可変ピッチの翼を有してもよい。
好ましい実施形態において、発電システム１２０は、周波数変換器１１４に接続された単一発電機１１８を備える。典型的には、発電機１１８（及び存在する場合はタービン）は、共通の現場、例えば沖合タービン発電所に共同設置される。発電システム１２０は、電力を配電網又は他のエンドシステムに、個別或いは１つ以上の他の発電システム（図示せず）と組み合わせて送電することができる。
【００５７】
発電システム１２０の動作、特に必要に応じて周波数変換器１１４のそれぞれのステージの動作を制御するために、コントローラ１４０が提供される。こうした制御は従来型とすることができる。
以下でより詳細に説明するように、コントローラ１４０は、好都合には補助回路１２２の動作も制御する。コントローラ１４０は、任意の好適な従来の形、例えば好適にプログラムされたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又は他の論理デバイスの形を取ることが可能である。
【００５８】
次に特に図５の実施形態を参照すると、発電システム１２０は、特に乱流の結果としての発電機１１８からの可変出力信号の影響を補償するための補助システム１２２を含む。この場合、補助システム１２２の機能は、発電機１２０によって出力される電圧レベルを低下させることである。
補助システム１２２は、無効負荷、特に３相無効負荷１４２、例えば３相インダクタ又は他の誘導負荷を備える。補助システム１２２は、発電システム１２０に対して、例えば発電機１１８の出力、又は周波数変換器１１４の入力、又はそれらの間の地点（そのうちの何れかは電気的に同じ地点であってよい）に、補助システム１２２を選択的に接続又は切断するためのスイッチ１４４を含む。
この例では、スイッチ１４４は、３相スイッチを備える。スイッチ１４４は、ソリッドステートスイッチであることが好ましい。補助システム１２２がシステム１２０に接続される場合、負荷１４２は発電機１１８から無効電力を吸収する。
これは、発電機１２０内の弱めの界磁効果に寄与し、そうでなければ発電機１１８からの過剰な電圧レベルが変換器１１４に損傷を与える可能性のある期間中、例えば乱流によって引き起こされる過剰に速い流体流速の期間中、周波数変換器１１４が発電機１１８への接続を維持できるようにする。
発電機１１８の出力電圧を（都合に合わせて直接又は間接的に）監視するために、電圧モニタ（図示せず）が提供される。コントローラ１４０は、例えば測定された電圧が閾値レベルを超えているか否かに応じてスイッチ１４４を動作させるように、測定された電圧に対応する。
【００５９】
図５と同様に、図６の実施形態において、補助システム２２２は、発電機１１８によって出力される電圧レベルを低下させるように動作可能である。補助システム２２２は、発電システム１２０に対して、例えば発電機１１８の出力、又は周波数変換器１１４の入力、又はそれらの間の地点に、補助システム２２２を選択的に接続又は切断するためのスイッチとして動作可能な、例えば、サイリスタブリッジ整流器の形のＡＣ−ＤＣ変換器２４６を備える。特に、ＡＣ−ＤＣ変換器２４６は、それぞれオン及びオフに切り替える時、発電システム１２０から接続又は切断される。
好都合なことに、コントローラ１４０は（この例ではサイリスタ制御入力への適切な信号を提供することによって）ＡＣ−ＤＣ変換器２４６の動作を制御する。このためコントローラ１４０は、任意選択で位相制御整流器入力を提供するが、代替として、測定された電圧が図５に関して上記で述べたような閾値レベルを超えるか否かに応じて、変換器２４６をオン及びオフにすることができる。
補助システム２２２は、有利なことにＡＣ−ＤＣ変換器２４６によって提供される無効負荷も備える。位相制御スイッチングを用いて動作される場合、ＡＣ−ＤＣ変換器２４６は無効負荷として働き、上述のように出力電力レベルを低下させるために発電機１１８からの無効電力を吸収する。オンに切り替えた時のサイリスタを介した直流を保証するために、補助システム２２２は、その直流側にインダクタ２４７を含むことが好ましい。オンに切り替えた時のサイリスタを介した直流を保証するために、補助システム２２２は、その直流側にインダクタ２４７を含む。補助システム２２２は、ＡＣ−ＤＣ変換器２４６のスイッチング動作と周波数変換器１１４の動作との間の何れの干渉も防止するか又は少なくとも制約するために、インダクタ２４９によって発電システム１２０に結合され得る。インダクタ２４７は、主機能ではないが無効負荷の提供に寄与する。
【００６０】
図７の実施形態において、補助システム３２２は、少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイス、例えば一群のキャパシタ又は好ましくはスーパーキャパシタを備えるエネルギーストア３２４を含む。
補助システム３２２は、例えば図６に関して上述したように好都合にはＡＣ−ＤＣ変換器３４６によって一緒に提供される無効負荷及びスイッチも含む。
補助システム３２２は、発電機１１８からの無効電力を吸収する第１のモードで動作可能である。第１のモードにおいて、補助システム３２２は、例えば図６に介して上記で説明したような無効負荷を提供するように発電システム１２０に接続される。上述のようにこれは発電機１１８の出力電圧レベルを低下させる効果を有する。
第１のモードでは補助システム３２２は、この例ではオンに切り替えた時にＡＣ−ＤＣ変換器３４６を介してエネルギーストア３２４に有効電力も伝達し、それによってエネルギーストア３２４にエネルギーを蓄積する。
補助システム３２２は、好ましくは、オンに切り替えた時にサイリスタを介した直流を保証するために、その直流側にインダクタを含む。
有利なことに補助システム３２２は、そうでなければ発電機１１８からの過剰な電圧レベルが周波数変換器１１４に損傷を与える可能性のある期間中、例えば過剰な流速の乱流によって引き起こされる過剰に速い流体流速の期間中、第１のモードで（コントローラ１４０の制御下で）動作される。
第１のモードは、図５及び図６に関して上述したように発電機１１８からの閾値を上回る電圧レベルを検出することに応答して実行可能である。しかしながら、第１のモードでは、図３及び図４に関して上述したように、発電機１１８からの閾値を上回る電力レベルを検出することに応答して実行されることが好ましい。このため、発電機１１８の電力出力を（直接又は間接的に）監視するために任意の好都合な電力計（図示せず）が提供可能であり、コントローラ１４０は、検出された電力レベルに応答して補助システム３２２を動作させる。電力レベルは、システム１２０内の任意の好都合な地点に関して、例えば周波数変換器１１４の入力側又は出力側で或いは周波数変換器１１４内で、監視及び／又は制御可能である。
【００６１】
補助システム３２２は、図３及び図４に関して上述したようにエネルギーストア３２４に蓄積されたエネルギーが発電システム１２０に戻される第２のモードで（コントローラ１４０の制御下で）動作可能である。
補助システム３２２は、エネルギーストア３２４から入手可能な直流電圧又は電流を、第２モードでシステム１２０に戻すための対応する交流電圧又は電流に変換するように（好都合にはコントローラ１４０によって）動作可能なＤＣ−ＡＣ変換器３４８を含む。この例では、ＤＣ−ＡＣ変換器３４８はサイリスタブリッジ回路を備える。
好都合なことにコントローラ１４０は（この例ではサイリスタ制御入力への適切な信号を提供することによって）、ＤＣ−ＡＣ変換器３４８の動作を制御する。
好都合なことにＡＣ−ＤＣ変換器３４６及びＤＣ−ＡＣ変換器３４８はまとめて双方向変換器として提供される。好ましくは、図３及び図４に関して上述したように、発電機１１８の出力電力を平滑化するために、発電機１１８によって比較的低電力が発生される期間中、システム３２２は第２のモードで動作される。
代替として、補助システム３２２は、発電機１１８の出力電圧レベルが閾値レベルを下回って降下する期間中、第２のモードで動作することができる。この実施形態において、補助システム３２２及びより具体的にはＤＣ−ＡＣ変換器３４８は、周波数変換器１１４の入力側で、エネルギーストア３２４から発電システム１２０にエネルギーを戻すように配置構成される。
【００６２】
次に、図８の実施形態を参照すると、補助システム４２２及びその動作は、システム４２２、特に、ＤＣ−ＡＣ変換器４４８が、蓄積されたエネルギーを周波数変換器１１４の出力側に戻すように配置構成されていることを除いて、図７の補助システムと同様である。
図示された実施形態では、エネルギーストア４２４は、ＡＣ−ＤＣ変換器４４６とＤＣ−ＡＣ変換器４４８との間に並列に提供される。
補助システム４２２及びより具体的には、ＤＣ−ＡＣ変換器４４８の出力は、共通の変圧器巻線４５０（図示の通り）或いは変圧器１３０の共通側上の別の巻線又はタップへの接続によって周波数変換器１１４からの出力と組み合わせることができる。
【００６３】
図９の実施形態は、ＤＣ−ＡＣ変換器５４８が電圧−電源インバータを備えることを除いて、図７及び図８の実施形態と同様である。ＤＣ−ＡＣ変換器５４８及びより具体的には、電圧−電源インバータの出力は、変圧器１３０の共通側上の別の巻線５５２又はタップへの接続によって、周波数変換器１１４からの出力と組み合わせられる。
巻線５５２は、巻線１４４を介して周波数変換器１１４によって提供される電圧より低い電圧を提供するように構成されることが好ましい。エネルギー蓄積デバイス５２４の動作は、変圧器巻線５５２の電圧によって下限が設定される電圧の範囲全体にわたって可能である。
【００６４】
図１０の実施形態において補助システム６２２は、エネルギーストア６２４からの蓄積されたエネルギーを、好都合には直流リンク６３６を介して、そのＡＣ−ＤＣ変換器ステージとそのＤＣ−ＡＣインバータステージとの間の修正された周波数変換器６１４に戻す。
これは、任意の好適なエネルギー結合デバイス、例えばエネルギーストア６２４に接続された一方の巻線６５４（１次）と、好ましくは、ＡＣ−ＤＣとＤＣ−ＡＣとの変換ステージ間の直流リンク６３６と並列に周波数変換器６１４内に提供された他方の巻線６５６とを有する変圧器によって達成されてもよい。これはＤＣ−ＤＣ変換器又はフライバック変換器の形を取ることができる。フライバック変換器は、ＡＣ−ＤＣ変換器が典型的には３ｋＨｚの高周波数で動作する変圧器の１次巻線と直列のスイッチを備えるように稼働する。
オン期間中に変圧器磁気回路内の流束は増加し、オフ期間中は減少して、正味電圧が完全なサイクルにわたって平均化されたときにゼロの平均値を有するように巻線内の負電圧を誘導する。
２次変圧器は、１次電圧に２次及び１次の巻線の巻き数比を掛けた値に等しい誘導電圧を有する。スイッチは、電流をエネルギーストア６２４から１次変圧器へ流すことだけが可能である。２次巻線と直列に接続されたダイオードは、電流を２次から直流リンク６３６の正側へ流すことが可能である。したがって、電力はエネルギーストア６２４から吸収され、異なる電圧で直流リンク６３６に供給される。
【００６５】
スイッチ６５８は、エネルギーストア６２４に対して巻線６５４を接続又は切断するために提供され、これにより、エネルギーストア６２４が巻線６５４にエネルギーを供給できるようにする。
コントローラ１４０は、エネルギーストア６２４から直流リンク６３６への電力の伝達が必要かどうかに従って変換器のスイッチ６５８を動作可能又は不能にすることができる。典型的には、ダイオード６６０が２次巻線６５６と直列に提供される。
したがって、コントローラ１４０の制御下でエネルギーストア６２４からのエネルギーを使用して、発電機１１８から直接提供される出力と比べて周波数変換器６１４からの電圧又は電力の出力を増加させることができる。
ＡＣ−ＤＣ変換器ステージは、平均の流体の流量又は平均電力レベルによって発生される電力に等しい上限が定められた電力レベルで動作するが、流体の流量が平均を下回ると減少することが好ましい。こうした期間にエネルギーは上述のようにエネルギーストア６２４から提供可能である。このため、周波数変換器６１４のＤＣ−ＡＣ変換器ステージは、ＡＣ−ＤＣ変換器ステージよりも高容量を有することが好ましい。
好ましい実施形態において、直流リンク６３６内への合計電力レベルを例えば所望の平均電力レベルに対応する定常レベルで維持するために、電力は、コントローラ１４０及びそれに応じて動作する補助システム６２２によって監視される。
【００６６】
図５から図９の実施形態は、周波数変換器１１４及びその制御が従来型で良いため、従来の発電システムに後付けできることは明らかであろう。更にこれらの実施形態の補助システムは、周波数変換器１１４の動作との兼ね合いをはからなければ機能しない可能性がある。
本発明の実施形態は、中電圧又は高電圧の発電機、及び変換器に適合可能である。好ましい実施形態は、平均出力電力を増加させることが可能であり、電力カットアウトの発生率を低下させる一方で、乱流に起因する電力偏位を補償するために使用することができる。
【００６７】
エネルギーストア２４を提供する際の使用に好適なデバイスは、スーパーキャパシタ、キャパシタ、インダクタ、フライホイール、圧縮ガス装置、充電式バッテリを含む。    
【００６８】
本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく修正又は変更可能な、本明細書で説明する実施形態に限定されない。
【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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