(57)【要約】  本発明は、ユーティリティシステムに電力を供給するよう動作する発電ユニットと、ユーティリティシステムに接続される同期機と、同期機とユーティリティシステムとの間でやりとりされる電流および電力を測定するグリッド測定装置と、グリッド測定装置により測定される電流および電力に基づいて、発電ユニットの出力電力を調整するコントローラと、グリッド測定装置、コントローラおよび／または発電ユニットの間の通信手段と、を備えており、発電ユニットは、グリッド測定装置により測定される電力および電流に基づいて、ユーティリティシステムに電流および電力を供給する発電システムに関する。
2012516667.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電力を供給するよう動作する発電ユニットと、
前記ユーティリティシステムに接続される同期機と、
前記同期機と前記ユーティリティシステムとの間でやりとりされる電流および電力を測定するグリッド測定装置と、
前記グリッド測定装置により測定される電流および電力に基づいて、前記発電ユニットの出力電力を調整するコントローラと、
前記グリッド測定装置、前記コントローラおよび／または前記発電ユニットの間の通信手段と、を備えており、
前記発電ユニットは、前記グリッド測定装置により測定される電力および電流に基づいて、前記ユーティリティシステムに電流および電力を供給する
ことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記発電ユニットは、風力タービン発電機、太陽電池、燃料電池、マイクロタービン、波力発電システムなどの１つである、請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記同期機は、比較的大きい慣性定数を有するマイクロ同期機である、請求項１または２記載の発電システム。
【請求項４】
前記発電システムは並列に動作される複数の発電ユニットを備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記ユーティリティシステムに対する前記同期発電機の応答に基づいて、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生成する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項６】
前記コントローラへの入力信号は、トルク信号または電力信号を含んでおり、前記ユーティリティシステムに対する前記同期機の応答に基づいている、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項７】
電力フロー調整の相対周波数、補助電力またはトルク信号あるいはこれらの組み合わせを制限するためのリミッタ機能をさらに備えている、請求項１乃至６のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項８】
前記リミッタ機能は、電力制限、トルク制限、電流制限、エネルギー制限または速度制限などの、発電システムについての少なくとも１つの物理的制限に基づいて動作可能な制限を有する、請求項１乃至７のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項９】
前記発電システムは、二重給電非同期発電機、または、フルコンバータとともに用いられる発電機から構成される風力タービン発電機を備えている、請求項１乃至８のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１０】
コンバータに接続されている、エネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素またはこれらの組み合わせを備えている、請求項１乃至９のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１１】
前記同期機の主軸はディーゼルエンジン、電気モータなどのモータに接続されている、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１２】
前記同期機は、該同期機が無効電力を生成または吸収するように制御手段に接続されている、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１３】
ユーティリティシステムの周波数動揺および電力動揺を安定化する方法であって、
発電ユニットから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接続され、前記ユーティリティシステムに慣性応答を提供する同期機と、
前記同期機と前記ユーティリティシステムとの間でやりとりされる電流および電力を測定するステップと、
前記グリッド測定装置と前記発電ユニットとの間の通信手段を用いつつ、グリッド測定装置により測定される電力および電流に基づいて前記発電ユニットの出力電力を調整するステップと、を含んでおり、
前記発電システムは、前記の電力および電流の測定に基づいて、前記発電ユニット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１４】
測定された前記の電力および／または電流の周波数の変化の割合に基づいて、出力電力を調整するステップをさらに含んでいる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
周波数外乱または電力動揺に応じて、風力タービン発電機のブレードピッチまたはタービン速度を変化させるステップをさらに含んでいる、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
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含んでいる、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ユーティリティグリッドのための発電に用いられる発電ユニットの分野に関し、より詳細には、過渡的状態における電力の安定化を含む、発電ユニットのグリッド適合性を保証する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービン、太陽電池、燃料電池、波力発電システムなどのますます多くの発電ユニットが、ユーティリティグリッドに接続されている。大きな同期発電機を備える従来型の発電プラントが、風力タービンなどの発電ユニットに置き換えられるにつれ、ユーティリティグリッドのための周波数サポートについての必要性が増してきている。発電ユニットはパワーエレクトロニクスを用いてユーティリティグリッドに接続され、電力と周波数との間の直接的なつながりは失われ、グリッドにおける外乱はより大きな周波数の変化となりかねない。本発明の背景を記載するために風力タービンについての課題を以下に述べる。しかし、ユーティリティグリッドと発電ユニットとの間の接続が電力コンバータに基づいている、他の種類の発電ユニットたとえば太陽電池、燃料電池、マイクロタービン、波力発電システムなどについても同様の課題がある。
【０００３】
通常、風力タービン発電機はウインドロータを有し、該ウインドロータは風力エネルギーをタービン軸の回転運動に変換し、次いで発電機のロータが駆動されて電力が発生する。現代の風力タービン発電機の施設は典型的にはウインドファームの形態をとる。ウインドファームは多数の風力タービン発電機から構成されており、これらの風力タービンは共通のウインドファーム電力グリッドに接続されている。このウインドファームグリッドは、直接に、または、昇圧変圧器などの変電所を介してユーティリティグリッドに接続される。
【０００４】
個々のウインドタービンおよびウインドファームはユーティリティシステムオペレータの電力品質要件に適合するよう求められる。このような電力品質要件（「グリッド要件」とも示す）には、典型的には電圧調整、周波数調整、有効電流および無効電流制御、フォールトライドスルー（瞬時電圧低下時の運転継続）、場合により電力ランピングが含まれ、発電における突然の障害、回線異常または大負荷の急激な印加により引き起こされる過渡的状態の場合には、運動予備電力または慣性の供給が含まれる。
【０００５】
ユーティリティの側から見ると、風力タービンが、大きな水力または火力発電プラントと同じ調整能力を有する古典的な同期発電機にフィット可能であれば、それは好ましいものであろう。このような古典的な同期発電機は電圧、有効電力および無効電力などを調整する能力を有する。過渡的状態において、同期発電機は、有効電力を調整して電力システムを安定化させ、周波数を公称値に回復させる他の制御サービスも提供することができる。
【０００６】
しかし、古典的な同期発電機は、その非常に硬直的な特性が風力タービン用途には適合しないため、風力タービンでの使用にあまり適していない。同期発電機の動作および能力に近づけるため、現代の風力タービン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によって風力タービン発電機の出力をユーティリティグリッドに接続する。１つの共通のアプローチでは、風力タービン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は直され、ユーティリティシステムにより必要とされる固定周波数に変換される。別のアプローチでは二重給電非同期発電機（ＤＦＡＧ）が用いられ、ＤＦＡＧは、ユーティリティシステムに直接接続されているＤＦＡＧのロータおよびステータ巻線を励磁する可変周波数パワーエレクトロニクスインバータを備えている。
【０００７】
伝統的には、風力タービン発電機は、グリッド測定装置と、ユーティリティの信号と、タービンコントローラ内部の応答基準および応答アルゴリズムとの組み合わせを用いることによって、グリッド要件に応答するように構成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この構成には多くの欠点がある。第１に、グリッド要件に対する風力タービン発電機の応答は通常、システムオペレータの側からはブラックボックスとなる。第２に、風力タービン発電機システムが自己生成したアーチファクトに応答して調整する、フィードバック応答要素が生じるおそれがある。さらに、通常の構成では、風力タービンはユーティリティシステムの周波数安定化に寄与しない。
【０００９】
本発明の目的は、発電ユニットに関する上述の制限を克服し、システムオペレータから見えるやり方で、発電ユニットがグリッド要件を満たすことができるような制御技術であって、たとえばユーティリティシステムに関する周波数調整および電力動揺の安定化に寄与する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の例示的実施形態には、ユーティリティシステムに電力を供給するよう動作する少なくとも１つの発電ユニットと、発電ユニットと並行に動作される少なくとも１つの同期機とを備える発電システムが含まれる。発電ユニットはパワーコンバータを用いてユーティリティシステムに接続される。
【００１１】
グリッド測定装置は、同期機とグリッドとの間でやりとりされる電流および電圧を測定するように、同期機とグリッドとの間に設けられる。グリッド測定装置の出力は通信手段によってコントローラに送られ、該コントローラはグリッド測定装置によって測定される電流および電圧に基づいて発電ユニットの出力電力を調整するよう構成されている。本発明の一実施形態では、コントローラは、内部風力タービンコントローラなどの、発電ユニットのための内部コントローラの統合された一部である。別の実施形態では、コントローラはコントローラと発電ユニットの間の接続手段を用いる外部コントローラである。発電ユニットは、グリッド測定装置の出力に基づいてユーティリティシステムに電流および電力を供給し、不均衡の場合にはグリッド周波数の安定化に寄与するよう構成されている。
【００１２】
本発明の好適な実施形態では、発電ユニットは、風力タービン発電機、太陽電池、燃料電池、マイクロタービン、波力発電システムまたはグリッドにパワーコンバータで接続される他の発電ユニットの１つである。
【００１３】
本発明の好適な実施形態では、発電システムは、ウインドファームの風力タービンなどの、並行して動作される複数の発電ユニットを備えている。別の実施形態では、発電システムは、グリッドのサポートのための、発電ユニットと並行して動作される複数の同期機を備えている。
【００１４】
本発明は、同期発電機の内部慣性応答の利点を、風力タービンなどの発電ユニットからの出力電圧を制御する能力と組み合わせるものである。発電ユニットは、同期発電機とグリッドとの間でやりとりされる電流および電力のフローに基づいて、ユーティリティシステムに電流および電圧を供給するよう構成されている。グリッドと同期発電機との間でやりとりされる電力および電流のフローは、負荷の不均衡などの動的状況において影響される。電力および電流のフローの測定はグリッドにおける不均衡に関係し、測定はユーティリティグリッドにおける不均衡に応答して、安定化のために発電ユニットの出力電力を調整するために用いられる。
【００１５】
この構成により、同期機の内部慣性応答を、グリッド周波数の高速な安定化および復旧のために、発電ユニットの出力電力を増減する能力と組み合わせる。同期機の慣性応答はグリッドの安定化に継続して寄与しており、グリッドの動揺の開始段階における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。さらに、同期発電機の内部慣性により、ユーティリティグリッドにおけるわずかな周波数外乱が生じた場合に、発電ユニットに関する過剰な制御動作が設定されることが防がれる。周波数外乱の開始段階の直後には、グリッド測定装置からの電力および電流測定による、発電ユニットの出力電力の調整が行われる。発電ユニットの出力電力は非常に高速に変化可能であり、これにより、制御された効率的なやり方で、不均衡に応じてグリッドをサポートすることができる。同期機とタービンの出力電力の組み合わせによって、グリッド周波数の変動に対する高速の応答が実現される。
【００１６】
たとえば、比較的大量の運動エネルギーが風力タービンのロータに保存され、これはグリッドの外乱の間に電力に変換可能である。風力タービンに関する慣性定数Ｈは、以下の式によって計算される。
Ｈ＝（１／２  Ｊ  ｗ＾２）／（定格ＭＷ）    秒
【００１７】
典型的な定数は５〜１０秒の範囲である。慣性定数は、公称ロータ速度においてロータシステムに保存される運動エネルギーを表す。Ｈ＝７を有するロータシステムについて、ロータは７秒間、公称定格電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、火力発電プラント用の典型的な同期発電機に保存されるエネルギーの１〜２倍の範囲である。このようにして、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の制御可能な使用とが、グリッドの周波数の非常に効率的かつ高速の安定化のために組み合わされる。さらに、より高速なグリッドの周波数の回復も達成される。
【００１８】
同期発電機の使用により、風力タービンの出力電力の増減が不可能な状態においても、慣性応答を提供することができる。たとえば、風力タービンが低い速度限界で動作している低風力状態においても、または、最大電力が風力タービンによって提供される高風力状態においても。
【００１９】
周波数の変動はしばしば短いものであり、慣性応答は通常、３つの電力サイクルから１０秒までの短い持続時間を有している。風力タービンなどの発電ユニットは、短時間に関して定格化されたものよりも多い電力を提供するよう構成されており、定格電力が周波数低下の前または間に生成されるときに、これらの発電ユニットはこのことにより定格電力をグリッドに提供できる。
【００２０】
定常状態で同期機とグリッドとの間の唯一の電力のフローが摩擦などの発電機における損失によるものであるような無負荷またはアイドル状態において、同期機は好適には動作される。本発明の別の実施形態では、有効電力の生成および原動力制御システムが、電力動揺の安定化のために用いられる。本発明によれば、同期機の容量は周波数安定化のためのローカルな要件を満たすように選択される。これにより本発明は、従来の水力または火力発電機の慣性応答に対応する、効果的な周波数安定化機能を持つ発電システムの設計についての解決策を提供できる。このようにして、従来の発電プラントを風力発電システムなどの発電システムと置き換えることが、ユーティリティ事業企業にとって非常に魅力的なものとなる。ユーティリティ事業企業は、慣性応答が無いこと、および、周波数サポートが少ないために、従来の発電プラントを置き換えることをこれまでためらってきた。さらに、同期機はグリッドについての動的な電圧調整を提供し、これは、沖合のウインドファームにおける交流の長い海底ケーブルのチャージ制御に重要である。
【００２１】
この発電システムの振る舞いは、周波数安定化が電力コンバータの制御にのみ依存しているシステムと比較して、システムオペレータにとってはるかにわかりやすい。
【００２２】
本発明の一実施形態では、比較的高い慣性を有するマイクロ同期機が、電力システムに接続されている。同期機は全く機械的負荷無く回転し、有効電力トランスデューサは周波数の変化の割合の検出のためのグリッド測定装置として使用される。有効電力トランスデューサからの信号は有効電力損失に関するオフセットとして用いられ、該信号はこれにより周波数変化の割合を表している。該信号は、電力システム周波数における周波数変化の割合を打ち消すために電力コンバータシステムに対する制御目的で印加される。
【００２３】
同期機はたとえばウインドファームの変電所にまたはその近くに設置される。同期機は、沖合に設置された１つまたは複数の風力タービンに並行して動作される場合には、沖合または岸のいずれかに設置される。
【００２４】
本発明の一実施形態において、同期機は大きな水力または火力発電プラントに用いられる同期発電機の動作と実質的に同様にやり方で動作される。同期機の動作制御ストラテジは、周波数制御、電力振幅のダンピング制御、電圧制御、または、無効電力制御を含んでよい。
【００２５】
本発明の好適な実施形態において、グリッド測定装置の出力は、同期機とユーティリティグリッドとの間でやりとりされる、電力および電流のフローに関係した測定信号を含んでいる。測定信号は、ユーティリティシステム全体を安定化するために、発電ユニットの出力電力を増減するのに用いられる。同期機が定常状態にあるとき、たとえば、ユーティリティシステムの電圧および電流が定常状態において制御制限内にあるとき、測定信号はゼロである。過渡的状態において、システムの周波数が低下している場合には、同期機は回転運動エネルギーを電力に変換することにより周波数低下を打ち消すために、電力をユーティリティシステムに送る。これにより、測定信号は、安定動作を強めるように、発電ユニットの出力電力を増大させるために用いられる。同様に、システムの周波数が上昇している場合には、同期機は速度上昇のために電力および電流を消費し、測定信号はユーティリティシステムの安定動作を強めるように、タービンの出力電力を減少させるためにその後用いられる。
【００２６】
好適な実施形態において、グリッド測定装置からの測定信号は、風力タービンコンバータなどの発電ユニットの電力基準を調整するよう構成されたコントローラに、通信手段により送られる。グリッド測定装置からの測定信号は連続または不連続であり、特定のシステムの制限に従って、たとえば閉ループまたは開ループ機能として実現される。グリッド測定装置とコントローラとの間の通信手段は、たとえば無線または有線インフラに基づいている。
【００２７】
本発明の一実施形態において、コントローラは、風力タービンの風力タービンコントローラの統合された一部である。しかし、コントローラは、ウインドファームに配置されている風力タービンなどの１つまたは複数の発電ユニットの出力電力を調整するための監視コントローラの一部である外部のコントローラであってもよく、ここで通信手段がコントローラとタービンとの間の通信のために用いられる。
【００２８】
本発明の別の実施形態において、コントローラはグリッド測定装置からの複数の入力に基づいて電力出力を増減する制御技術を用いる。一実施形態では、入力信号は、１）発電ユニット専用のコントローラからの電力基準信号、２）グリッド測定装置からの測定信号、３）グリッドの周波数を公称周波数たとえば５０または６０Ｈｚに安定化または回復するために、コントローラのための電力基準信号として用いられる外部基準信号、を含んでいる。コントローラはしたがって、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答して、発電ユニットのコンバータを通した電力のフローを調整するよう構成されている。
【００２９】
本発明の別の実施形態では、コントローラは、ユーティリティシステムに応じた同期機の応答に基づいて、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た、風力タービンのブレードピッチ制御信号またはタービン速度信号を発信するよう構成されている。コントローラへの入力信号は、たとえばユーティリティシステムに対する同期機の応答に基づいたトルク信号または電力信号を含む。
【００３０】
例示的実施形態において、発電システムについての物理的制限、たとえば電力制限、トルク制限、電流制限、エネルギー制限、速度制限などに関して、リミッタ機能がさらにコントローラに用いられる。制限は、発電ユニットの動作が、機械的、電気的および／または化学的システムの設計制限内に確実に維持するのに有用である。
【００３１】
本発明の好適な実施形態において、グリッド測定装置は、グリッドと同期機の間でやりとりされる電流および電力のフローを測定するために、同期機のターミナルの近くに配置されている。グリッドフィルタが、電力コンバータなどからの高調波などの電気ノイズを除くために、グリッドとグリッド測定装置の間に配置されていてもよい。グリッドフィルタは、たとえば風力タービンコンバータからのユーティリティシステムにおける他の要素に由来する任意のフィードバックの測定から、グリッド測定装置を効果的に分離する複数のフィルタ要素から構成される。グリッドフィルタにより、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と通過可能であり、グリッドの事故の間のグリッドサポートが確実とされ、ノイズにより設定される過剰な制御動作は回避される。
【００３２】
本発明の一実施形態において、同期機の主軸はディーゼルエンジンや電気モータなどのモータに接続されている。小型のスタータモータを始動の間に同期機の同期に用いても良い。原動機を風力発電システムなどの発電システムに、シミュレーションまたは試験の目的で用いても良い。本発明の別の実施形態では、原動機と有効電力発電機と電力システム安定化コントロールとの組み合わせが電力動揺の安定化のために用いられる。
【００３３】
本発明の別の実施形態では、無効電力の発電および吸収のために同期機を用いるために、同期機はコントローラに接続され、これにより、グリッドサポートが実現されやすくなる。
【００３４】
本発明の別の実施形態では、発電システムは、エネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素またはこれらの組み合わせを備え、これらのエネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素またはこれらの組み合わせはコンバータに接続されている。
【００３５】
本発明の好適な実施形態において、同期機は同期発電機として設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】同期発電機に接続された風力タービンを含む本発明の一実施形態を示す。
【図２】コントローラの例を示す図である。
【図３】ユーティリティグリッドにおける電力および周波数を安定化するための同期発電機および制御手段を備えるウインドファームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明について、図面を参照して以下説明する。
【００３８】
以下、風力タービンシステムを発電システムの例として用い、風力タービンを発電ユニットの例として用いる。本発明の他の実施形態では、発電ユニットは、太陽電池、燃料電池、マイクロタービン、波力発電システム、または、グリッドに対して電力コンバータを介して接続されている発電ユニットである。
【００３９】
図１には、電力を生成するよう動作する風力タービンシステム１が概略的に示されている。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は風の機械エネルギーを回転トルクに変換し、回転トルクはさらに風力タービンシステム１により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、風の機械エネルギーを回転トルクに変換するよう動作するタービン部２と、タービン部２により生成される回転トルクを電気エネルギーに変換する発電機１８と、を有する。ドライブライン９がタービン部２を発電機１８に接続するために設けられている。風力タービン発電機１８は、典型的にはフルコンバータとともに使用される発電機を備えている。フルコンバータ型の実施形態では、風力タービン発電機のステータ巻線はコンバータに直接供給される。
【００４０】
タービン部２は、ハブ４に接続されたタービンロータの低速軸８を備えている。回転トルクは、ドライブライン９を介してロータ低速軸８から発電機の軸１６へ伝達される。図１に例示されている実施形態のような特定の実施形態では、ドライブライン９は低速軸８から高速軸１２にトルクを伝達するギアボックス１０を備えている。高速軸１２は接続部材１４により発電機の軸１６に接続されている。
【００４１】
他の実施形態では、ドライブラインはギアボックスを備えておらず、低速軸はトルクを、低速の、直接駆動型多極発電機に直接伝達する。
【００４２】
タービンロータの低速軸８の速度が変化すると、発電機１８の出力の周波数も変化する。上記実施の形態の一構成では、全負荷における風力タービンの電気的および機械的システムの一時的過負荷能力は、ブレードピッチおよび／またはタービン速度を低下させることにより一時的に電力を増大させるために用いられる。この過負荷の程度および持続時間は、機械的および電気的システム部品における過度の応力が回避されるように管理される。
【００４３】
一実施形態では、発電機１８は風力タービンコントロール２２に接続されている。風力タービンコントロール２２は、発電機から、発電機の動作パラメータを表す信号２０を受信する。応答する風力タービンコントロール２２は、制御信号、たとえば、ブレード６のピッチを変化させるピッチ信号２４を生成する。
【００４４】
また、風力タービンコントロール２２はコンバータ３４に接続されている。風力タービンコントロール２２からの入力は、入力４８としてコントローラ４４に供給される。コントローラ３０からの入力３２は、コンバータ３４に供給される。コンバータ３４は典型的にはパワーエレクトロニクス部品であり、ユーティリティシステムまたは電力グリッド６２への供給のために、発電機１８の可変周波数出力３６を固定周波数出力３７に変換する。風力タービンコントロール２２、コントローラ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される。
【００４５】
コントローラ３０は、コンバータ３４を通じた電力のフローを調整するよう構成されている。コントローラ３０はグリッド測定装置（ＧＭＤ２）５２からグリッドデータを受け取る。グリッド測定装置はグリッドデータ、たとえば、同期発電機４８の出力ターミナルにおける電力および電流を測定する。測定信号５６は通信手段によりコントローラ３０に送られる。測定信号５６は、同期発電機の制御パラメータ、たとえば、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を含む周波数または電力を表すものである。
【００４６】
コントローラ３０への電力基準入力信号４４は、同期発電機コントロール４２により供給される。本発明の一実施形態では、同期発電機コントロールは、グリッド周波数の安定化および回復を確実にするために用いられる。グリッド測定装置（ＧＭＤ１）３８は、制御のために、風力タービンの出力電力および応答を測定するよう、同期発電機に接続されている。同期発電機コントロール４２は同期発電機４８の制御のために同期発電機４８に接続されている。同期発電機４８は大きな水力または火力発電プラントにおいて用いられている同期発電機の動作と実質的に同様のやり方で動作される。
【００４７】
同期発電機４８はグリッドフィルタ５８を介してグリッドに接続されている。グリッドフィルタ５８は、ユーティリティシステム６２についての他の要素からの、たとえばコンバータ３４からのすべてのフィードバックの測定から、グリッド測定装置５２を効果的に分離するフィルタ要素を含んでいてもよい。グリッドフィルタ５８により、ユーティリティシステム６２から同期発電機４８へと通過する基本周波数の電圧波形が取り出され、ユーティリティシステムにおける周波数外乱に応答する慣性応答は保証される。
【００４８】
図２は、コントローラ１００に用いられる制御ループの例を示す図である。コントローラ１００はコンバータ（図１に図示）に対する入力信号１１６を送り、この入力信号１１６はたとえば電力またはトルク信号を含んでいる（参照番号１１６および符号Ｐにて示す）。電力およびトルクは本明細書中の記載で交換可能に用いられていることに留意されたい。以下で詳述されるように、入力信号Ｐは典型的には、風力タービンコントロールからの電力（Ｐ）要求信号１１０、および、グリッド測定装置（図１に図示）において測定される測定信号１０４に基づく。
【００４９】
測定信号１０４は、同期発電機の出力ターミナルにおいて測定された有効電力応答を表す。参照番号１０８および符号ΔＰで示される信号には、風力タービン発電機と同期発電機との間における定格電力における比率を表す換算係数が掛けられる。測定信号１０４はユーティリティシステム全体を安定化するために風力タービンの電力出力における増減を導くよう期待される。同期発電機が定常状態にあるとき、たとえば、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において制御制限内にあるとき、信号１０４と信号１０２との間の差はゼロである。
【００５０】
過渡的状態において、システムの周波数が低下しているとき、信号１０８は安定動作を強めるために正の方向に増加される必要がある。同様に、システムの周波数が増加しているとき、信号１０８はユーティリティシステムの安定動作を強めるため、負の方向に増加される必要がある。さらに、補足的な入力信号１０８は連続または不連続なものであってよく、後述されるような特定のシステム制限に依存した、閉ループまたは開ループ関数として実現されても良い。
【００５１】
再び図２を参照して、風力タービンコントロールからのトルクおよび電力要求信号１１０もコントローラ１００への入力として提供される。信号１０８およびコマンド信号１１０は加算要素１０９において加算されてもよい。コンバータは典型的には、入力をコンバータのスイッチング信号コマンドに変換する、ローカルのコンバータのコントローラ（図１に図示）を備えている。
【００５２】
上述したように、コントローラ１００は、風力タービンコントロールからの入力信号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とに基づいて、電力出力を一時的に増減する制御技術を有している。加算点１０９へのΔＰ信号１０８は、風力タービンコントロールからの入力信号１１０に加えられる電力オフセットを表す。ΔＰ計算ルーチン１０６において、グリッド測定装置において測定される入力信号１０４は、同期発電機コントロールからの電力基準入力信号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、風力タービン発電機の定格電力と同期発電機の定格電力との比を表す変換係数が掛けられる。コントローラ１００はしたがって、ユーティリティシステムの周波数外乱に応じたコンバータを通じた電力のフローを調整するよう構成されている。
【００５３】
例示の実施形態では、電力またはトルク信号１１２を制限するため、リミッタ機能１１４が付加的に用いられている。１つのブロック１１４が例示を目的として示されているが、１つまたは複数の機能またはコントローラがリミッタ機能１１４を実現するために所望により用いられても良い。
【００５４】
風力タービン発電機が定格電力出力においてまたはその近くで動作している場合には、電力の増大は発電機およびコンバータを過負荷とする傾向があるため、制限は有用である。リミッタ機能１１４により用いられる制限は、絶対的な制限、時間依存的な制限、または、これらの組み合わせであってもよい。リミッタ機能１１４により用いられる制限の非限定の例としては、風力タービンシステムにおける物理的制限、電力制限、トルク制限、ランプ速度制限、エネルギー制限、風力タービン発電機のロータ速度制限が挙げられる。物理的制限の例としては、電力変換装置の熱的能力、コンバータの電流制限、駆動軸の機械応力が挙げられる。エネルギー制限の例としては、エネルギー保存および散逸エネルギーの制限が挙げられる。
【００５５】
さらに、システム安定性に関する特定の上側制限および下側制限を設けてもよい。リミッタ機能１１４により用いられる上側制限は、典型的には、コンバータの熱的状態、負荷履歴、時間、および、さらには周囲温度のうちの１つまたは複数に基づく。下側制限は上側制限に対して対称な傾向にあるが、そのように要求されるわけではない。さらに、リミッタ機能は制御ブロックの出力についての制限であるか、または、制御ブロックへの入力についての制限または不感帯であってもよい。不感帯の制限とは、ゼロ付近のある帯域を超えた動作が無く、しきい値を超えると動作が制限に適合するよう要求される、といった類の制限である。
【００５６】
特定の例として、風力タービンの全体的エネルギーバランスはドライブライン速度を表し、エネルギーバランスは本明細書中で述べられたように制限を決定するために用いることができる。タービンから抽出される電力は、風により誘起されるトルクにより供給される電力を超えると、機械をスローダウンさせる。抽出される総エネルギーはこの電力差の積分である。また、タービンは速度についての下側制限を有し、下側制限より下では失速が発生する。したがって、抽出される総エネルギーもまた制限されなければならず、最小速度がいくらかのマージンをもって維持される。一実施例では、抽出されるエネルギーに基づく動的な制限がこの観点から用いることができる。
【００５７】
本明細書に記載される制御技術はウインドファームの管理のためのシステムにも同様に用いることができることは当業者には理解されるところである。かかるウインドファーム管理システム２００を、１つの例示的実施形態として図３に示す。ウインドファーム管理システム２００は、ユーティリティシステム２１８に電力を供給する風力タービン２１２、２１４、２１６を備えるウインドファーム２１０を備えている。３つの風力タービンを例示のみを目的として示しているが、その数は、任意の特定地域の地理的性質および電力要件に基づいてさらに多いものであってもよい。
【００５８】
風力タービン２１２、２１４、２１６はタービンロータ２２０、２２２、２２４を備え、各ロータは複数のブレードを有し、これらのブレードがロータ２２０、２２２、２２４をそれぞれ駆動して、機械的な力を生成する。機械的な力はそれぞれ発電機２２６、２２８、２３０により電力に変換される。コンバータ２５０、２５２、２５４が、発電機２２６、２２８、２３０からの可変周波数出力を固定周波数出力に変換するために用いられる。発電機２２６、２２８、２３０により生成される電力は電圧分配ネットワーク（図示せず）に、または、ユーティリティシステムに接続されるコレクタシステム（図示せず）に送られる。例示の実施形態において、フィーダ２４０が風力タービン発電機２２６、２２８、２３０の電力出力を結合するために用いられる。典型的な用途では、電圧分配ネットワークは複数のフィーダ（図示せず）からの電力を結合し、各フィーダは複数の風力タービン発電機の電力出力を結合する。
【００５９】
一実施形態では、ウインドファーム２１０はウインドファームの監視コントローラ２４２を備えている。監視コントローラ２４２は、ハードウェア、ソフトウェアまたは両方で実現可能な接続リンク２４４を介して、個々の風力タービンコントロール２３２、２３４、２３６と通信するよう構成されている。ある実施形態では、通信リンク２４４は当業者に知られた任意の有線または無線通信プロトコルに従って監視コントローラとの間で遠隔でデータ信号を通信するよう構成されている。監視コントローラ２４２は、同期発電機コントロール２９０およびグリッド測定装置（ＧＭＤ２）２６０から入力信号を受け取る。監視コントローラ２４２は風力タービンコントロール２３２、２３４、２３６に接続され、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を通した電力のフローを調節するよう構成されている。監視コントローラ２４２の機能は、図２を参照して記載されたコントローラ１００のものと同様である。別の実施形態では、図１に示される種類の複数のコントローラが各コンバータを通した電力のフローを調整するために設けられている。別の実施形態では、風力タービンコントロール２３２、２３４、２３６は風力タービンのためのピッチおよび電力コントロールの統合された一部である。
【００６０】
風力タービンシステムが、ユーティリティシステムに接続された発電および電力管理システムの例として上記の実施形態で参照されたことが当業者には理解されるところである。本発明の技術の態様は、ユーティリティシステムに電力を供給するよう動作する他の分散型発電源にも等しく適用可能である。このような発電源の例としては、燃料電池、マイクロタービンおよび光起電力システムが挙げられる。かかる電力管理システムは、同様にコンバータを備え、各コンバータは各発電源およびユーティリティシステムに接続され、個々のコントローラおよび監視コントローラはコンバータに接続されている。本明細書中で上記に説明したように、コントローラは、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、コンバータを通した電力のフローを調整するように構成された内部基準フレームを有している。
【００６１】
本発明の特定の特徴のみを本明細書中で例示し、記載したが、多くの修正および変更が当業者によってなされるであろう。したがって、添付の請求の範囲は本発明の真髄に該当する限り全てのかかる修正および変更を含むものと意図される。
【符号の説明】
【００６２】
１  風力タービンシステム、  １８  発電機、  ２２  風力タービンコントロール、  ３０  コントローラ、  ３４  コンバータ、  ３８，５２  グリッド測定装置（ＧＭＤ）、  ４８  同期発電機、  ６２  ユーティリティシステム
【図１】
2012516667.tif 000003
【図２】
2012516667.tif 000004
【図３】
2012516667.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月24日(2011.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーティリティシステムに電力を供給するよう動作する発電ユニットと、
前記ユーティリティシステムに接続される同期機と、
前記同期機と前記ユーティリティシステムとの間でやりとりされる電流および電力を測定するグリッド測定装置と、
前記グリッド測定装置により測定される電流および電力に基づいて、前記発電ユニットの出力電力を調整するコントローラと、
前記グリッド測定装置、前記コントローラおよび／または前記発電ユニットの間の通信手段と、を備えており、
前記発電ユニットは、前記グリッド測定装置により測定される電力および電流に基づいて、前記ユーティリティシステムに電流および電力を供給する
ことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記同期機は、比較的大きい慣性定数を有するマイクロ同期機である、請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記同期機は、慣性を利用して有効電力を発生または吸収する、請求項１または２記載の発電システム。
【請求項４】
前記慣性を利用した有効電力は、前記ユーティリティシステムの電力動揺を抑制するために使用される、請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電ユニットが風力タービン発電機である場合、
前記コントローラは、前記ユーティリティシステムに対する前記同期機の応答に基づいて、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生成する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項６】
前記コントローラへの入力信号は、トルク信号または電力信号を含んでおり、前記ユーティリティシステムに対する前記同期機の応答に基づいている、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項７】
前記コントローラは、電力フロー調整の相対周波数、補助電力またはトルク信号あるいはこれらの組み合わせを制限するためのリミッタ機能をさらに備えている、請求項１乃至６のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項８】
前記リミッタ機能は、電力制限、トルク制限、電流制限、エネルギー制限または速度制限などの、発電システムについての少なくとも１つの物理的制限に基づいて動作可能な制限を有する、請求項１乃至７のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項９】
前記発電システムは、二重給電非同期発電機、または、フルコンバータとともに用いられる発電機から構成される風力タービン発電機を備えている、請求項１乃至８のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１０】
前記発電ユニットはコンバータを有し、
前記コンバータに接続されている、エネルギー蓄積要素、エネルギー消費要素またはこれらの組み合わせを備えている、請求項１乃至９のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１１】
前記同期機の主軸はディーゼルエンジン、または、電気モータに接続されている、請求項１乃至８のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１２】
前記同期機は、無効電力を前記ユーティリティシステムに供給する、または、前記ユーティリティシステムから無効電力を吸収する、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１３】
前記発電ユニットは、風力タービン発電機、太陽電池、燃料電池、マイクロタービン、波力発電システムなどの１つである、請求項１乃至１２のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１４】
前記発電システムは並列に動作される複数の前記発電ユニットを備える、請求項１乃至１３のいずれか１項記載の発電システム。
【請求項１５】
ユーティリティシステムの周波数動揺および電力動揺を安定化するための、前記ユーティリティシステムに接続される発電システムの制御方法であって、
前記発電システムは、少なくとも前記ユーティリティシステムに電力を供給するよう動作する発電ユニットと、前記ユーティリティシステムに接続される、比較的大きい慣性定数を有する同期機とを有し、
前記同期機と前記ユーティリティシステムとの間でやりとりされる電流および電力を測定するステップと、
前記測定された電力および電流に基づいて前記発電ユニットの出力電力を調整するステップと、
を含んでいることを特徴とする、発電システムの制御方法。
【請求項１６】
測定された前記の電力および／または電流の周波数の変化の割合に基づいて、前記発電ユニットの出力電力を調整するステップをさらに含んでいる、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記発電ユニットが風力タービン発電機である場合、
周波数外乱または電力動揺に応じて、風力タービン発電機のブレードピッチまたはタービン速度を変化させるステップをさらに含んでいる、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
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含んでいる、請求項１５記載の方法。
【国際調査報告】
2012516667.tif 000006
2012516667.tif 000007
2012516667.tif 000008