(57)【要約】  本発明は、風力タービンシステムに関する。風力タービンシステムは、ユーティリティシステムに風力を供給するように動作可能な風力タービンと、ユーティリティシステムに連結された同期発電機と、同期発電機とユーティリティシステムとの間で交換される電流および電力を測定するために配置される電力網測定装置と、風力タービンの出力電力を、電力網測定装置によって測定された電力および電流に応じて調整する制御装置と、電力網測定装置、制御装置、および／または、風力タービンの間の通信手段と、を備え、風力タービンは、電力網測定装置の測定された電力および電流に応じて、ユーティリティシステムに電流および電力を提供するように構成されている。
2012516666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーティリティシステムに風力を供給するように動作可能な風力タービンと、
前記ユーティリティシステムに連結された同期発電機と、
前記同期発電機と前記ユーティリティシステムとの間で交換される電流および電力を測定するために配置される電力網測定装置と、
前記風力タービンの出力電力を、前記電力網測定装置によって測定された電力および電流に応じて調整する制御装置と、
前記電力網測定装置、前記制御装置、および／または、前記風力タービンの間の通信手段と、を備え、
前記風力タービンは、前記電力網測定装置の前記測定された電力および電流に応じて、前記ユーティリティシステムに電流および電力を提供するように構成されている
ことを特徴とする、風力タービンシステム。
【請求項２】
前記制御装置は、さらに、前記ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に対応して、ブレードピッチ制御信号またはタービン速度制御信号を、前記同期発電機の前記ユーティリティシステムへの応答に応じて提供するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の風力システム。
【請求項３】
前記制御装置の入力信号は、トルク信号または電力信号を有し、かつ、前記ユーティリティシステムへの前記同期発電機の応答の機能を示すことを特徴とする、請求項１または２記載の風力システム。
【請求項４】
電力フロー調整の相対周波数、補助的な電力信号もしくはトルク信号、または、それらの組み合わせを制限するように構成されたリミッタ機能をさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項５】
前記リミッタ機能は、前記風力タービンシステムでの物理的な制限、電力制限、トルク制限、電流制限、エネルギー制限、または、風力発電機のロータ速度制限のうちの少なくとも１つの機能として動作するリミッタ機能を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項６】
前記風力発電機は、フルコンバータとして使用される、二重給電非同期発電機または発電機のうちの少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項７】
エネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素、または、それらの組み合わせを備え、
前記エネルギー蓄積要素、前記エネルギー消費要素、または、それらの前記組み合わせは、コンバータに連結されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項８】
前記同期発電機のメインシャフトは、ディーゼルエンジン、電気モータなどのモータに連結されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項９】
前記同期発電機は、前記同期発電機が無効電力を生成または吸収するように制御するための制御手段に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項記載の風力システム。
【請求項１０】
ユーティリティシステムの周波数および電力動揺を安定化させる方法において、
風力タービンの風力発電機から、前記ユーティリティシステムに電力を供給するステップと、
前記ユーティリティシステムに連結された同期発電機が、前記ユーティリティシステムに慣性応答を提供するステップと、
前記同期発電機と前記ユーティリティシステムとの間で交換される電流および電力を、電力網測定装置によって測定するステップと、
を備え、
前記電力網測定装置と前記風力タービンとの間で通信手段が使用され、
風力タービンシステムが、前記測定された電力および前記測定された電流に応じて、前記風力タービンからの電力フローを調整する、
ことを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記周波数外乱または前記電力動揺に応じて、ブレードピッチまたはタービン速度を変更するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に応じて、エネルギー蓄積要素またはエネルギー消費要素のうちの少なくとも１つにおける電力フローを調整するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くはユーティリティ網のための発電に使用される風力発電機の分野に関し、より具体的には、過渡条件下で電力を安定させることを含む、風力発電機のユーティリティ網へのコンプライアンスを確実に行うための技術に関する。
【０００２】
風力発電機は、通常、風力エネルギーをタービンシャフトの回転運動に変換する風力タービンロータを有する。次いで、タービンシャフトは、電力を生成するために発電機のロータを駆動する。
【０００３】
現在の風力発電施設は、典型的には、風力発電基地の共通の電力網に接続される複数の風力発電機を備える風力発電基地の形態を取っている。この風力発電基地網は、直接、または、変電施設を介してユーティリティ網に接続されている。変電施設は、昇圧器を有していてもよい。
【０００４】
個々の風力タービンおよび風力発電基地は、ユーティリティシステムのオペレータから要求される電力品質に応える必要がある。しばしば「電力網要件（grid requirements）」とも表されるこのような電力品質の要求には、典型的には、次のものがある。すなわち、電圧制御、周波数制御、有効および無効電力制御、故障時の運転継続能力、および、時には、電力動揺への対応、そして、発電の突発的な停止、送電線異常、または、大きな負荷の高速な接続により引き起こされる過渡条件の場合に、瞬動予備力または慣性を供給することである。
【０００５】
実用面から見ると、水力発電所または火力発電所で使用される同期発電機と同じ調整能力を持つ標準的な同期発電機と、風力発電機とが取り付け可能であることが好ましい。このような標準的な同期発電機は、電圧や、有効電力および無効電力などを調整することができる。同期発電機は、過渡条件において電力システムを安定化させ、かつ、周波数をその公称値まで回復させるために有効電力を調整するような、さらなる制御を提供することもできる。
【０００６】
しかし、標準的な同期発電機は、その柔軟性に大きく欠ける特性が風力タービンの用途に合致しないため、風力タービンでの使用にはあまり適さない。同期発電機の動作および能力に近づけるために、現在の風力発電機は、典型的には、パワーエレクトロニクスインバータを使用して、風力発電機の出力をユーティリティ網と接続させている。一般的な手法において、風力発電機の出力は、パワーエレクトロニクスコンバータに直接供給され、ここでタービンの周波数が整流され、ユーティリティシステムに必要とされる一定周波数に変換される。代替の手法では、二重給電非同期発電機（ＤＦＡＧ）が使用され、ＤＦＡＧは、ＤＦＡＧロータを起動させる可変周波数のパワーエレクトロニクスインバータと、ユーティリティシステムに直接連結されるステータ巻線とを有する。
【０００７】
従来、風力発電機は、電力網測定装置、ユーティリティ信号、および、基準応答の組み合わせと、タービン制御装置の内部アルゴリズムとを用いることによって、ユーティリティ網の要求に応えるように構成されてきた。
【０００８】
しかし、この構成には多くの欠点がある。第１に、ユーティリティ網の要求に対する風力発電機の応答は、通常、システムオペレータの目からはブラックボックスとなる。第２に、風力発電機システムが自己の作り出したアーチファクトに応じて調整を行う場合、フィードバック応答要素が生じる。さらに、通常の構成において、風力タービンは、ユーティリティシステムの周波数の安定化には寄与しない。
【０００９】
本発明の目的は、上記の風力タービンシステムにおける制限を克服し、システムオペレータにとって透明性があり、ユーティリティシステムの周波数規制、および、電力動揺の安定化に寄与することを含む形で、風力タービンがユーティリティ網の要求に合致できるような、制御技術を提供することである。
【００１０】
発明の説明
本発明の実施形態の一例は、ユーティリティシステムに風力タービンの電力を供給するように動作可能な少なくとも１つの風力発電機を有する風力タービンシステムを含み、少なくとも１つの同期発電機は風力発電機と並列に動作する。風力発電機は、電力コンバータを用いるユーティリティシステムに連動している。
【００１１】
電力網測定装置は、同期発電機と電力網との間で交換される電流および電力を測定するために、同期発電機と電力網との間に配置される。電力網測定装置の出力は、通信手段により制御装置に送信され、制御装置は、風力タービンの出力電力を、電力網測定装置によって測定された電力および電流の関数として調整するように配置されている。本発明の一実施形態では、制御装置は、風力タービン制御装置の内部に一体化されている。他の実施形態では、制御装置は、制御装置と風力タービンとの間の通信手段を使用する外部制御装置である。風力タービンは、ユーティリティシステムに電流および電力を、電力網測定装置の出力の関数として提供するように構成されており、この構成は、不均衡が生じた場合に、電力網周波数の安定化に寄与する。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、風力発電システムは、風力発電基地で動作する多数の風力タービンを有する。さらなる実施形態において、風力発電システムは、電力網サポートのため、風力タービンと並列に、多数の同期発電機を有している。
【００１３】
本発明は、同期発電機の本来の慣性応答の利点と、風力タービンからの出力電力を制御できるという可能性とを組み合わせたものである。風力タービンは、ユーティリティシステムに電流および電力を、同期発電機と電力網との間で交換される電力フローおよび電流フローの関数として提供するように構成されている。同期発電機と電力網との間で交換される電力フローおよび電流フローは、負荷不均衡などの動的条件下の影響を受ける。測定された電力フローおよび電流フローは電力網の不均衡に比例するので、その測定値は、ユーティリティ網の不均衡に応じて、風力タービンの出力電力を安定化させるように調整するために使用される。
【００１４】
本装置は、電力網周波数を高速に安定化および回復させるために、同期発電機の本来の慣性応答と、風力タービンの出力電力の増減の可能性とを組み合わせたものである。同期発電機の慣性応答は、電力網の安定化に連続的に寄与するので、電力網の外乱の初期段階において慣性応答を提供するための制御動作は何ら必要とされない。
【００１５】
さらに、同期発電機の慣性応答は、ユーティリティ網で僅かな周波数外乱が生じた場合に、風力タービンに対する過剰な制御がなされることを防ぐ。位相周波数外乱の初期段階の後すぐに、電力網測定装置からの電力および電流の再評価結果を用いて、風力タービンの出力電力が調整される。
【００１６】
風力タービンの出力電力は大変速く変化する。従って、制御された効率的な状態、および、不均衡に比例させた状態で、電力網をサポートすることが可能である。また、同期発電機およびタービンの出力電力の組み合わせは、電力網周波数の変化に対する高速な応答を提供する。
【００１７】
電力網の擾乱中は、電力に変換できる相当に大きな量の運動エネルギーが風力タービンのロータに蓄えられる。風力タービンの慣性定数Ｈは、次の式で計算される。
【００１８】
Ｈ＝（（１／２）Ｊ ｗ＾２）／（ｒａｔｅｄ ＭＷ）ｓ
【００１９】
典型的には、定数は５〜１０秒の範囲にあればよい。慣性定数は、ロータシステムに保存される、ロータの公称速度での運動エネルギーを表す。Ｈ＝７のロータシステムでは、ロータは７秒の公称定格出力に等しい運動エネルギーを保存することができる。これは、火力発電所の典型的な同期発電機に保存されているエネルギーの１〜２倍の範囲に相当する。このようにして、電力網の周波数を大変効果的かつ高速に安定化させるために、同期発電機の慣性応答と、ロータにおける運動エネルギーを制御可能に使用することが組み合わされる。さらに、電力網の周波数のより迅速な回復も達成される。
【００２０】
同期発電機を使用すると、風力タービンの出力電力を増減させることが不可能な状況においてさえ、慣性応答を提供することが可能である。例えば、風力タービンが低速限界で運転しているような風速が小さな状況、または、風力タービンによって最大電力が提供されるような風速が大きな状況においてさえ可能となる。
【００２１】
周波数変動はしばしば短く、慣性応答は通常、３電力サイクルから１０秒までの短時間である。風力タービンは、短時間ならば定格電力よりもっと大きな電力を提供するように構成されていてもよく、その結果、周波数低下の前およびその最中に定格出力が生成された場合に、電力網に電力を提供するために、風力タービンを使用することもできる。
【００２２】
同期発電機は、無負荷またはアイドリングの条件において動作させることが好ましい。この条件は、同期発電機と電力網との間の電力フローが、定常状態において、摩擦のような同期発電機における損失のみであるという条件である。他の実施形態において、電力動揺を安定化させるために、有効電力の生成機、および、原動機制御システムが使用される。本発明により、同期発電機の容量は、周波数を安定化させるために、局地における（ローカルの）要求を満たすように選択される。これによって、本発明は、従来の水力発電所または火力発電所の慣性応答に相当する、効果的な周波数安定化機能を有する風力システムを設計するための解決方法を提供する。
【００２３】
このように、電力会社にとって、既存の発電所を風力システムに置き換えることは大変魅力的である。しかし、慣性応答を有しない、および、周波数支援が低下するために、電力会社は今までは既存の発電所と置き換えることをためらっていた。さらに、同期発電機は、電力網に対する動的電圧制御を提供できる。これは、沖合にある風力発電基地の長い交流海底ケーブルの充電制御にとって重要なことである。
【００２４】
電力コンバータのみの制御に依存して周波数を安定化させるシステムと比較して、本風力システムの動作は、システムオペレータにとってより透明性のあるものになる。本発明の実施形態において、電力網に対する高い慣性応答を提供するために、比較的大きい慣性を有する小型同期発電機が使用される。
【００２５】
同期発電機は、風力発電基地の変電所に、または、その近傍に設置される。同期発電機は、沖合に設置された１つ以上の風力タービンと並列に動作される場合は、沖合もしくは陸地に設置されてもよい。
【００２６】
本発明の実施形態において、同期発電機は、巨大な水力発電所または火力発電所で使用される同期発電機の動作と実質的に同様な動作をする。同期動作の制御方式には、周波数制御、振動減衰制御、電圧制御、または、有効電力制御が含まれる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態において、電力網測定装置の出力には、同期発電機とユーティリティ網との間で交換される電力フローおよび電流フローに比例する測定信号が含まれる。測定信号は、ユーティリティシステム全体を安定化させるために、風力タービンシステムの出力電力を増減させるために使用される。同期発電機が定常状態の条件下にある場合、例えば、定常状態の間に、ユーティリティシステムの周波数および電圧が管理限界内にある場合、測定信号は０である。
【００２８】
過渡条件下において、システム周波数が低下している場合、同期発電機は、回転運動エネルギーを電力に変換することによって周波数低下を抑制する。そのために、電力は、ユーティリティシステムに供給される。従って、測定信号は、安定動作を強化するために、風力タービンの出力電力を増加させることに使用される。同様に、システム周波数が増加している場合、同期発電機は、加速のために電力および電流を消費する。従って、測定信号は、ユーティリティシステムの安定動作を強化するために、タービンの出力電力を減少させることに使用される。
【００２９】
好ましい実施形態において、電力網測定装置からの測定信号は、通信手段によって、風力タービンコンバータの基準電力を調整するために配置される制御装置に伝達される。電力網測定装置からの測定信号は、連続信号または離散信号であってもよく、所定のシステム制限に従う閉ループまたは開ループ機能として組み込まれていてもよい。電力網測定装置と制御装置との間の通信手段は、有線または無線インフラを基にすることができる。
【００３０】
実施形態における制御装置は、風力タービンの風力タービン制御装置に一体化されている。しかし、制御装置は、風力発電基地に位置する１つ以上の風力タービンの出力電力を調整するための監視用制御装置の一部分である、外部制御装置であってもよい。制御装置とタービンとの間の通信のために、通信手段が使用される。
【００３１】
本発明のさらなる実施形態において、制御装置は、電力網測定装置からの多数の入力の関数として出力電力を増減させる、制御技術を使用する。一実施形態において、入力信号は、以下を有している。
【００３２】
１）電力および負荷に対してタービンに最適な動作をさせるための、ピッチおよび電流制御装置からの基準電力信号
２）電力網測定装置からの測定信号
３）例えば、５０または６０Ｈｚの公称周波数に、電力網の周波数を安定化および回復させるために、制御装置の基準電力信号として使用される、外部基準電力信号
従って、制御装置は、ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に応じて、風力タービンコンバータを介して電力フローを調整するように構成されている。
【００３３】
本発明の他の実施形態において、制御装置は、ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に応じて、ユーティリティシステムに対する同期発電機の機能として、ブレードピッチ制御信号またはタービン速度制御信号を提供するように構成されている。制御装置の入力信号は、ユーティリティシステムに対する同期発電機の機能であるトルク信号または電力信号を有していてもよい。
【００３４】
一実施形態において、制限機能は、風力タービンシステムでの物理的な制限、例えば、電力制限、トルク制限、電流制限、エネルギー制限、または、風力発電機のロータ速度制限などのための制御装置を付加的に使用するものであってもよい。これらの制限機能は、タービンの動作が機械システムおよび電気システムにおける負荷の設計限界内に確実に維持されるようにするために、有用である。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態において、電力網と同期発電機との間で交換される電力および電流を測定するために、電力網測定装置は、同期発電機の端子近傍に配置される。電力コンバータなどからの高調波のような電気ノイズを抑制するために、電力網フィルタが、電力網と電力網測定装置との間に配置されてもよい。電力網フィルタは、ユーティリティシステムの他の構成部品からの、例えば、風力タービンコンバータからの、任意のフィードバックを電力網測定装置が測定してしまわないように、複数のフィルタ要素を有していてもよい。電力網フィルタは、ユーティリティシステムの基本周波数の電圧波形が、ユーティリティシステムから同期発電機へ通過することを可能にし、これにより電力網事象中の電力網支援が確実に行なわれ、かつ、ノイズに起因する行き過ぎた制御動作が回避される。
【００３６】
本発明の実施形態において、同期発電機のメインシャフトは、ディーゼルエンジン、電気モータなどのモータに連結されている。始動中には、小型の始動モータを同期発電機の同期に使用することができる。風力システムのシミュレーションおよび試験目的には、原動機を使用することができる。さらなる実施形態において、電力動揺の安定化のために、原動機、有効電力発電システム、および、電力システムの安定化制御装置が使用される。
【００３７】
本発明の他の実施形態において、風力システムは、エネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素、または、それらの組み合わせを有し、このエネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素、または、それらの組み合わせは、コンバータに連結されている。
【００３８】
本発明の他の実施形態において、同期発電機は、無効電力を生成または吸収するように同期発電機を制御するための制御装置に接続されており、これにより、改良された電力網支援が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】同期発電機に接続された風力タービンを備える、本発明の実施形態を示す図
【図２】制御装置を示す図
【図３】同期発電機と、ユーティリティ網において電力および周波数を安定化させるための制御手段とを有する、風力発電基地を示す図
【００４０】
詳細な説明
図面を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。
【００４１】
図１を参照すると、電力を生成するように作動する風力タービンシステム１が示されている。風力タービンシステム１は、複数のブレード６を有するハブ４を備える。ブレード６は、風の機械的なエネルギーを回転トルクに変換し、さらに回転トルクは、風力タービンシステム１によって電気エネルギーに変換される。風力タービンシステム１は、風の機械的なエネルギーを回転トルクに変換するように動作するタービン部２と、タービン部２により生成された回転トルクを電気エネルギーに変換するように動作する発電機１８をさらに有する。タービン部２を発電機１８に連結するために、動力伝達部９が設けられる。風力発電機１８は、典型的には、フルコンバータとして使用される発電機を有している。フルコンバータの実施形態では、風力発電機の固定子巻線は、コンバータに直接供給される。
【００４２】
タービン部２は、ハブ４に連結されるタービンロータ低速シャフト８を有する。回転トルクは、ロータ低速シャフト８から発電機シャフト１６へ、動力伝達部９を介して伝達される。図１に示されるような特定の実施形態においては、動力伝達部９は、低速シャフト１２から高速シャフト１２へトルクを伝達する変速機１０を有する。高速シャフト１２は、連結部１４により発電機のシャフト１６に連結されている。
【００４３】
動力伝達部が変速機を有していないような他の実施形態において、低速シャフトは、低速の直接駆動型多極発電機に直接トルクを伝達する。
【００４４】
タービンロータの速度として、低速シャフト８が変動すると、発電機１８の出力周波数も変動する。上記実施形態の一実装形態として、一般的に電力を増加させるために、ブレードピッチおよび／またはタービン速度を減少させることによって、全負荷状態にある風力タービンの電気システムおよび機械システムの過渡過負荷能力を利用できる。この過負荷の程度や時間は、機械システム部および電気システム部に過度の負荷をかけないように管理される。
【００４５】
一実施形態において、発電機１８は風力タービン制御装置２２に連結されている。風力タービン制御装置２２は、発電機の動作パラメータを表す、発電機からの信号２０を受信する。それに応じて、風力タービン制御装置２２は、ブレード６のピッチを変化させるための制御信号、例えば、ピッチ信号２４を生成する。
【００４６】
風力タービン制御装置２２は、コンバータ３４にも連結されている。風力タービン制御装置４４からの入力４８は、制御装置３０への入力２６として供給される。制御装置３０からの入力２６は、コンバータ３４に供給される。コンバータ３４は、典型的には、発電機１８の可変周波数出力３６を固定周波数出力３７に変換してユーティリティシステムまたは電力網６２に供給するためのパワーエレクトロニクス部を有する。風力タービン制御装置２２、制御装置３０、および、コンバータ３４については、図２を参照してより詳細に説明する。
【００４７】
制御装置３０は、コンバータ３４を介して電力フローを調整するために構成されている。制御装置３０は、電力網測定装置ＧＭＤ２ ５２から電力網データを受信する。電力網測定装置は、同期発電機４８の出力端末における電力および電流などの電力網データを測定する。測定信号５６は、制御手段により、制御装置３０に伝達される。
【００４８】
測定信号５６は、同期発電機制御パラメータ、例えば、ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に対する応答も含む周波数または電力を表す。制御装置３０のための基準電力入力信号４４は、同期発電機制御装置４２によって供給される。本発明の実施形態において、同期発電機制御装置は、電力網周波数を確実に安定化させ、かつ、回復させるために使用される。
【００４９】
電力網測定装置（ＧＭＤ１）３８は、出力された電力および制御目的のための風力タービンの応答を測定するために、同期発電機に接続されている。同期発電機制御装置４２は、同期発電機４８を制御するために、同期発電機４８に接続されている。同期発電機４８は、巨大な水力発電所または火力発電所で使用される同期発電機の動作と実質的に同様な動作をする。
【００５０】
同期発電機４８は、電力網フィルタ５８を介して電力網に接続されている。電力網フィルタ５８は、ユーティリティシステム６２の他の構成部品からの、例えば、コンバータ３４からの任意のフィードバックを、電力網測定装置５２が測定しないように、複数のフィルタ要素を有していてもよい。電力網フィルタ５８は、ユーティリティシステムの基本周波数の電圧波形が、ユーティリティシステム６２から同期発電機４８へ通過することを可能にし、これによりユーティリティシステムでの周波数外乱に対する慣性応答を確保する。
【００５１】
図２には、制御装置１００で使用される制御ループの一例が図示されている。制御装置１００は、入力信号１１６を（図１に示す）コンバータに提供する。入力信号は、電力またはトルク信号を有していてもよく、参照符号１１６および記号Ｐによって示される。ここで、本明細書では、電力およびトルクはほぼ同義で使用されることに注意されたい。以下でより詳細に議論するように、入力信号Ｐは、典型的には、風力タービン制御装置からの信号Ｐの要求信号１１０と、（図１に示す）電力網測定装置で測定される測定信号１０４との関数である。
【００５２】
測定信号１０４は、同期発電機の出力端末で測定される有効電力を表す。符号１０８および記号ΔＰによって示される信号には、風力発電機と同期発電機との間の定格出力における比を表すスケーリング因子を乗じる。
【００５３】
測定信号１０４は、ユーティリティシステム全体を安定化させるために、風力タービンシステムの出力電力を増減させることを期待される。同期発電機が定常状態条件にある場合、例えば、ユーティリティシステムの周波数および電圧が、定常状態条件の間、管理限界内にある場合、信号１０４と信号１０２との差は０である。過渡条件下で、システム周波数が低下していく場合、安定動作をさらに高めるために、信号１０８を正の方向に増加させる必要がある。
【００５４】
同様に、システムの周波数が増加していく場合、ユーティリティシステムの安定動作をさらに高めるために、信号１０８を負の方向に増加させる必要がある。さらに、補助的な入力信号１０８は、連続信号または離散信号であってもよく、以下で説明するように、所定のシステム制限に従う閉ループまたは開ループ機能として組み込まれていてもよい。
【００５５】
図２を再度参照すると、風力タービン制御装置からのトルクまたは電力要求信号１１０は、制御装置１００への入力として提供されてもよい。信号１０８および指令信号１１０は、加算部１０９において加算されてもよい。コンバータは、典型的には、入力をコンバータスイッチング信号コマンドに変換する、局所的な（図１に示す）コンバータ制御装置を有する。
【００５６】
制御装置１００は、上記のように、風力タービン制御装置からの入力信号１１０と、同期発電機からユーティリティシステム（図示せず）への電力フローを表す入力信号１０４との関数として、出力電力を過渡的に増減させる制御技術を使用する。加算部１０９へ向かうΔＰ信号１０８は、風力タービン制御装置からの入力信号１１０が加算された電力オフセットを表す。
【００５７】
ΔＰの計算ルーチン１０６において、電力網測定装置で測定される入力信号１０４は、同期発電機制御装置からの基準電力、すなわち、入力信号１０２と比較される。ΔＰは、入力信号１０２と入力信号１０４との差として計算される。計算された差には、風力発電機の定格出力と同期発電機の定格出力との比を表すスケーリング因子が乗算される。従って、制御装置１００は、ユーティリティシステムの周波数外乱に応じて、コンバータを介して電力フローを調整ように構成されている。
【００５８】
実施形態において、電力信号またはトルク信号１１２を制限するために、リミッタ機能１１４が付加的に使用される。単一ブロック１１４は例示目的のために図示されているが、必要に応じて、リミッタ機能１１４を実装するために、一つ以上の機能または制御装置を使用してもよい。
【００５９】
定格出力で、または、その近傍で風力発電機が動作する場合、電力が増加すると、発電機およびコンバータに過負荷が与えられるため、上記制限は有用である。リミッタ機能１１４によって使用される制限は、絶対的制限、時間依存制限、または、それらの組み合わせであればよい。リミッタ機能１１４によって使用される制限について、これらに制限されないいくつかの例としては、風力タービンシステムでの物理的な制限、電力制限、トルク制限、出力急昇制限、エネルギー制限、および、風力発電機のロータ速度制限が含まれる。物理的な制限の例としては、電力変換装置の加熱能力、コンバータの電流制限、および、駆動シャフトの機械的応力が含まれる。エネルギー制限の例としては、エネルギー蓄積制限およびエネルギー放出制限が含まれる。
【００６０】
さらに、システムを安定化させるために、明確な上限および下限があってもよい。リミッタ機能１１４によって使用される上限は、典型的には、コンバータの熱条件、負荷履歴、時間、および、周辺温度をも含めたものの一つまたはそれ以上からなる機能である。下限は、上限と比較して対称になる傾向にあるが、そのように要求されているわけではない。さらに、リミッタ機能は、制御ブロックの出力制限、または、制御ブロックへの入力制限もしくは入力デッドバンドであってもよい。デッドバンドは、０近傍のあるバンドに亘って何らアクションがなく、かつ、閾値を上回るバンドと、制限に対応するためのアクションが要求されるといったタイプの制限である。
【００６１】
具体例として、風力タービンにおける全エネルギーバランスが動力伝達速度に影響するため、上述の制限を決定するためにエネルギーバランスが使用されてもよい。風力によるトルクによって供給された電力を上回る電力をタービンから取り出すと、機械は失速する。取り出される全エネルギーは、この電力差の積分である。また、タービンは下限速度を有しており、その速度を下回るとタービンは失速する。従って、最低限の速度がある程度マージンを持って維持されるように、取り出す全エネルギーも制限されなければならない。一例として、この態様を扱うために、取り出されたエネルギーの関数である動的な制約を使用してもよい。
【００６２】
ここで記載した制御技術が、風力発電基地を管理するためのシステムにも同様に使用できることは、当業者にはよく理解されるであろう。
【００６３】
このような風力発電基地管理システム２００が、実施形態の一例として図３に示されている。風力発電基地管理システム２００は、ユーティリティシステム２１８に電力を供給するように動作する風力タービン２１２，２１４，および、２１６を備える風力発電基地２１０を含む。３つの風力タービンが示されているのは、単に例示目的のためであって、地理的特徴や任意の特定の地域で要求される電力によって、風力タービンの数が増えてもよいことは、当業者であれば理解するであろう。
【００６４】
風力タービン２１２，２１４，２１６は、タービンロータ２２０，２２２，および、２２４を有しており、各タービンロータは、機械力を生み出すために各ロータ２２０，２２２，２２４を駆動する複数のブレードを有しており、機械力は、各発電機２２６，２２８，２３０により電力に変換される。コンバータ２５０，２５２，２５４は、発電機２２６，２２８，２３０からの各可変周波数出力を、固定周波数出力に変換するために使用される。発電機２２６，２２８，２３０によって生成された電力は、電圧調整ネットワーク（図示せず）、または、ユーティリティシステムに連結されたコレクタシステム（図示せず）に連結されてもよい。図示された実施形態において、給電線２４０は、風力発電機２２６，２２８、および、２３０の出力電力を連結するために使用される。典型的な適用形態として、電圧調整ネットワークは、多数の給電線（図示せず）からの電力を連結し、各給電線は、多数の風力発電機の出力電力を連結する。
【００６５】
一実施例では、風力発電基地２１０は、風力発電基地監視用制御装置２４２を有する。監視用制御装置２４２は、通信リンク２４４を介して個々の風力タービン制御装置２３２，２３４，２３６と通信するように構成されており、通信リンク２４４は、ハードウェア、ソフトウェア、または、その両方の形態により実現されていればよい。特定の実施形態では、通信リンク２４４は、当業者にとって公知である任意の有線または無線通信プロトコルに従って、監視用制御装置へ、および、監視用制御装置から、データ信号を遠隔通信するように構成されていてもよい。監視用制御装置２４２は、電力網測定装置ＧＭＤ２ ２６０および同期発電機制御装置２９０から入力信号を受信する。監視用制御装置２４２は、風力タービン制御装置２３２，２３４，２３６に連結され、ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に応じて、コンバータ２５０，２５２，２５４を介して電力フローを調整するように構成されている。監視用制御装置２４２の機能は、図２を参照して説明された制御装置１００の機能と同様である。他の実施形態において、図１に示されているタイプの複数の制御装置が、それぞれのコンバータを介して電力フローを調整するために設けられる。さらなる実施形態において、風力タービン制御装置２３２，２３４，２３６は、風力タービンのピッチおよび電力制御装置に一体化されている。
【００６６】
当業者には、上記実施形態における風力タービンシステムは、ユーティリティシステムに連結された発電機および電力管理システムの例であることが理解されるであろう。本技術の態様は、ユーティリティシステムに電力を供給するように動作する他の分散型発電源に等しく適用可能である。そのような発電源の例としては、小型タービンや、太陽光発電システムがある。このような電力管理システムは、同様にコンバータを有し、各コンバータはそれぞれ発電源およびユーティリティシステムに連結され、個々の制御装置または監視用制御装置はコンバータに連結されている。上記説明したように、制御装置は、ユーティリティシステムの周波数外乱または電力動揺に応じて、コンバータを介して電力フローを調整するために構成されている内部基準系を含む。
【００６７】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で図示し、記載してきたが、当業者にとっては多くの変形および変更が可能である。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神に基づくそのような変形および変更全てを包括することを意図すると解される。
【図１】
2012516666.tif 000003
【図２】
2012516666.tif 000004
【図３】
2012516666.tif 000005
【国際調査報告】
2012516666.tif 000006
2012516666.tif 000007
2012516666.tif 000008