(57)【要約】  変換器制御発電機ユニット（１００）によって、特にウインドタービン（１００）によって、ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワーク（１２０、３００）にネットワーク接続点（１１８）において電力を供給する方法であって、制御機能に応じて電力を供給するステップであり、該電力には有効電力と無効電力とが含まれ得る、該供給するステップと、制御機能として、通常制御機能と、該通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能のいずれかを選択できるステップと、電力供給ネットワーク（１２０、３００）が通常状態で動作していることが分かると、通常制御機能を選択するステップと、定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、周波数維持制御機能を選択するステップであり、定常周波数動作状態とは、特に、ネットワーク周波数が一定値に維持される電力供給ネットワーク（１２０、３００）の動作状態を表している、該選択するステップと、を含む方法。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器制御発電機ユニット（１００）によって、特にウインドタービン（１００）によって、ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワーク（１２０、３００）にネットワーク接続点（１１８）において電力を供給する方法であって、
制御機能に応じて電力を供給するステップであり、該電力には有効電力と無効電力とが含まれ得る、該供給するステップと、
制御機能として、通常制御機能と、該通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能のいずれかを選択できるステップと、
前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）が通常状態で動作していることが確認されると、前記通常制御機能を選択するステップと、
定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、前記周波数維持制御機能を選択するステップであり、定常周波数動作状態とは、特に、前記ネットワーク周波数が一定値に維持される前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の動作状態を表している、該選択するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記周波数維持制御機能が、前記ネットワーク周波数がサポートされるように、少なくとも前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の前記ネットワーク周波数に応じて、前記電力を制御し、前記周波数維持制御機能が、前記通常制御機能が前記ネットワーク周波数をサポートするよりも強力に前記ネットワーク周波数をサポートするように設計されている及び／又はパラメータ化されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記周波数維持制御機能が、仮想慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を備えた同期マシンの動作のエミュレーションを伴い、
前記電力が、前記仮想回転揺動質量の回転速度に比例するように事前規定された周波数で供給され、望ましくは、前記仮想慣性モーメントが設定可能である、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記周波数維持制御機能が、仮想慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を備えた同期マシンの動作のエミュレーションを伴い、
前記電力が、前記仮想回転揺動質量の回転速度に比例するように事前規定された周波数で供給され、望ましくは、前記仮想慣性モーメントが設定可能であり、且つ、前記通常制御機能についてよりも大きな仮想慣性モーメントが前記周波数維持制御機能について設定される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記周波数維持制御の前記仮想慣性モーメントが、前記通常制御機能と比較して、少なくとも２倍、望ましくは、少なくとも５倍、特に、少なくとも１０倍の値に設定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
周波数と位相とを有する電流が電力供給のために給電され、
この供給される電流の前記周波数と任意選択で前記位相とが、仮想回転速度（ωｖ）で回転する仮想質量によって事前規定され、
前記回転する仮想質量が設定可能な仮想慣性モーメント（Ｊｖ）を有し、その結果、仮想運動エネルギ（Ｅｖ）が、式Ｅｖ＝１／２Ｊｖωｖ２に従って、前記回転する質量に保存され、
前記供給される電流の前記周波数（ｆ）が、特に関係式ωｖ＝２πｆで、前記仮想回転速度（ωｖ）に比例しており、
前記仮想運動エネルギが電力偏移に応じて修正され、前記電力偏移が、供給される有効電力が初期有効電力又は事前規定有効電力を超える分量を定量化しており、
前記仮想運動エネルギが、特に、経時的に積分された偏移電力量だけ修正され、従って、それに応じて自己の仮想回転速度を修正するように修正される、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
実際の周波数が、特に前記ネットワーク接続点（１１８）において、モニタされ、
周波数偏移が、基準周波数からの前記モニタされる実際の周波数の偏移として特定され、
前記周波数維持制御機能が、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、前記周波数偏移に応じて供給される電力、特に有効電力を事前規定し、
前記制御器利得が、前記通常制御機能を使用するよりも前記ネットワーク周波数がより強力にサポートされるように、事前規定される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記通常制御機能もまた、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、前記周波数偏移に応じて供給される電力、特に有効電力を事前規定し、
前記周波数維持制御の前記制御器利得が、前記通常制御機能と比較して、少なくとも２倍、望ましくは、少なくとも５倍、特に、少なくとも１０倍の値に設定される、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記基準周波数として、あるいは、基準周波数として、モニタされる周波数又はモニタされる周波数の平均値、特に前記周波数維持制御機能への切り替え時の前記ネットワーク接続点での前記ネットワーク周波数が一定の周波数値として使用される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記周波数維持制御が、事前規定された定常周波数期間の間のみに使用され、
前記事前規定された定常周波数期間が１分未満、望ましくは３０秒未満、特に１５秒未満である、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記変換器制御発電機ユニットが、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービン（１００）を備えているか、あるいは、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービン（１００）であり、
前記周波数維持制御が、前記ネットワーク周波数をサポートするために、前記通常制御機能よりも多くの電力を消費し、その結果、前記定常周波数期間の間又は定常周波数期間の間、追加電力を前記電力ネットワークに給電でき、あるいは、前記電力ネットワークから引き出すことができ、
前記追加電力又はその一部分が、ロータ（１０６）の運動エネルギから取得されるか、あるいは、前記ロータ（１０６）における運動エネルギとして保存される、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記通常制御機能から前記周波数維持制御機能への切り替えの場合に、モニタされるネットワーク周波数の現在優勢な値又はモニタされる周波数の平均値が周波数基準値として選択され、
特に、このように選択された前記周波数基準値が、前記定常周波数期間の又は定常周波数期間の全期間についての一定値として規定され、
この周波数基準値への調整が、特に前記定常周波数期間の全期間に亘って、前記周波数維持制御機能によって実施される、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
電力供給ネットワーク（１２０、３００）がサブネットワーク（３０１、３０２）に分割可能であり、
そのようなサブネットワーク（３０１、３０２）を接続しようとする場合に、周波数維持制御機能を選択する、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
サブネットワーク（３０１、３０２）の周波数又は前記サブネットワーク（３０１、３０２）のうちの１つのサブネットワークの周波数を別のサブネットワーク（３０２）の周波数又は前記サブネットワーク（３０２、３０１）のうちの別のサブネットワークの周波数に一致させるために、周波数適合化制御機能が追加的に設けられ、
前記定常周波数動作状態を得るべく、前記周波数を一致させるために、前記通常制御機能の後に最初に前記周波数適合化制御機能が選択され、
次に、それらの周波数が一致した時に、前記周波数維持制御機能が選択される、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも２つの前記サブネットワーク（３０１、３０２）が、前記周波数維持制御機能の選択後に相互接続され、特に、 
前記定常周波数動作状態を得るべく、前記通常制御機能の後に最初に前記周波数適合化制御機能を選択するステップと、
次に、前記それらの周波数が一致した時に、前記周波数維持制御機能を選択するステップと、
任意選択で、前記周波数維持制御機能の選択後に、少なくとも２つの前記サブネットワーク（３０１、３０２）を相互接続するステップと、
が自動的に実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記周波数維持制御機能から前記通常制御機能への変更、及び／又は、前記通常制御機能から前記周波数維持制御機能への変更を事前規定する又は制御する遷移機能が設けられており、該遷移機能が、各々の場合、設定、特にパラメータを変更するために時間特性を規定し、その結果として、これらの設定又はパラメータをこの時間特性に沿って変更できる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記遷移機能が前記変更についての遷移期間を事前規定し、望ましくは、該期間が１〜１０秒、特に２〜５秒の範囲内であり、
前記周波数維持制御機能と前記通常制御機能との間の前記遷移期間に亘って異なる設定、少なくともパラメータが、各々の場合、前記周波数維持制御機能におけるそれぞれの値から前記通常制御機能におけるそれぞれの値に、あるいは、その逆に、常に、望ましくは厳密に均等に、特に線形に、変化し、及び／又は、
制限勾配が、前記変換器制御発電機ユニットの無効電力出力及び／又は有効電力出力における変化について、前記遷移期間について、事前規定され、その結果として、無効電力出力及び／又は有効電力出力が、それらの量に関して、最大でも前記制限勾配を超えないように迅速に変化する、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記周波数維持制御機能と、任意選択で前記通常制御機能と、必要であれば前記周波数適合化制御機能とが、少なくとも特にネットワークオペレータからの外部要求に応じて、選択され、
前記発電機ユニットが、望ましくは、インタフェース、特にデータインタフェースを介して、１つ又は複数のそのような外部要求を受信できる、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記変換器制御発電機ユニット（１００）が、前記周波数維持機能を選択する際に、電流印加モードから電圧印加モードに切り替わり、あるいは、少なくとも、複数の変換器ユニット又はインバータユニットを使用している場合には、これらの変換器ユニット又はインバータユニットのうちの少なくとも１つ又は複数を電圧印加モードに切り替える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワーク（１２０、３００）に、ネットワーク接続点（１１８）において、変換器制御発電機ユニットとして、電力を供給するために構成された風力エネルギシステム（１１２）、特にウインドタービン（１００）又はウインドファーム（１１２）であって、
制御機能に応じて電力を供給する供給ユニットであり、この電力が有効電力と無効電力とを含み得る、該供給ユニットと、
制御機能が実施され、制御機能としての通常制御機能と、この通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能と、のいずれかを選択できるように構成された制御ユニットと、
を備えており、前記制御ユニットが、
前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）が通常状態で動作していることが確認された場合に、前記通常制御機能が選択されるように、そして、
定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、前記周波数維持制御機能が選択されるように、
構成されており、定常周波数動作状態は、特に、前記ネットワーク周波数が一定値に維持されるべき前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の動作状態を言い表している、前記風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２１】
前記周波数維持制御機能を実施するための電気エネルギを供給するエネルギ保存装置が設けられている、請求項２０に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２２】
制御機能の選択についての少なくとも１つの要求を受信するためにインタフェース、特にデータインタフェースが設けられている、請求項２０又は２１に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２３】
前記風力エネルギシステム（１１２）が、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法を実施するために、構成されている、請求項２０、２１又は２２に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器制御発電機ユニットによって、特にウインドタービンによって、電力供給ネットワークにネットワーク接続点において電力を供給する方法に関する。本発明は、更に、電力を電力供給ネットワークに供給するための風力エネルギシステム、特に、ウインドタービン又はウインドファームに関する。
【背景技術】
【０００２】
変換器制御発電機ユニットを用いて電力を電力供給ネットワークに供給することは知られている。このタイプの変換器制御発電機ユニットは、特に、ウインドタービン又はウインドファームである。しかしながら、別のほんの一例を挙げると、ＰＶシステムも考えられる。
【０００３】
電力供給ネットワーク（以下、単にネットワークともいう）におけるこのタイプの変換器制御発電機ユニットの割合が増加しており、従って、そのネットワークの構造と動作も変化することがあり、時には顕著に変化することもある。変換器制御発電機ユニット、即ち、周波数変換器又は周波数インバータによって電力供給ネットワークに給電する発電機ユニットは、現在、ネットワーク内における最速調整制御ユニットである。これらは、例えば、周波数変化、電圧変化又は電力要件に、制御される態様で、非常に迅速に応答できる。このタイプの応答は、基本的に、対応するプログラミング又は設定を通じて事前規定できる。この結果として、各々の変換器制御発電機ユニットが個別に且つ迅速に応答できる。
【０００４】
従って、このタイプの変換器制御発電機ユニットは、直接結合同期発電機によってネットワークに給電する大規模な発電所とは著しく異なる。このタイプの直接結合同期発電機は、同期発電機の物理的性質によって基本的に事前規定される安定した動作によって特徴付けられる傾向がある。高速応答は、基本的に、同期発電機の物理的性質によって決定される範囲内でのみ期待できる。
【０００５】
更に、変換器制御発電機ユニットは、通常、局地的に設置されており、即ち、ネットワークの領域全体に地理的に分散されている。従って、発電機ユニットの個々の調整介入もネットワーク全体に分散されている。ネットワークにおける一部の制御及び切り換え対策のために、ネットワークの動作をここでは良く理解して、特に確実に事前規定できることが重要であることもある。これは、特にネットワークの復旧の場合に、サブネットワークが相互接続される際に重要である。
【０００６】
変換器制御発電機ユニットの割合がより高くなれば、ネットワークの動作が変更されることになる。これに対しては、このように変更されたネットワークを再分析することで対応できる。必要に応じて、変換器制御発電機ユニットについての調整動作を事前規定することも考えられる。
【０００７】
しかしながら、変換器制御発電機ユニットは、システムの要求に合わせて、ネットワークに直接結合された同期発電機とは異なる動作をするという問題が残っている。また、このタイプの変換器制御発電機ユニットが、通常、局地的に設置されているという事実は、結果として、変更できない。変換器制御発電機ユニットの割合が高いので、ネットワークが、変換器制御発電機ユニットの割合が低いネットワークに変えられることは依然としてある。
【０００８】
独国特許商標庁は、本出願についての優先権出願において、次の先行技術文献を更に調査した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第７６２１３４号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第３２３６０７１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００５０２６０６２号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０１３２０７２６４号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０２０１４２１４１５１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２０１５２０３３６７号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１５／０２６０１５９号明細書
【発明の概要】
【００１０】
従って、本発明の目的は、前述の問題の少なくとも１つに対処することである。特に、ネットワーク内における変換器制御発電機ユニットの割合が高い場合でも、ネットワーク内における介入時に、特にネットワーク復旧の際のサブネットワークの接続時に、ネットワークの安定化を可能にする解決手段を提案することを意図している。少なくとも既知の解決手段に対する代替解決手段を提案することを意図している。
【００１１】
本発明に従って、請求項１に記載の方法を提案する。従って、変換器制御発電機ユニットによって電力供給ネットワークにネットワーク接続点において電力を供給する方法を提供する。電力供給ネットワークはネットワーク周波数を有する。
【００１２】
電力の供給は制御機能に応じて実施され、この電力には有効電力と無効電力とが含まれ得る。従って、制御機能に応じて有効電力及び／又は無効電力を供給することを提案する。特に、この制御機能が供給電力と電力供給ネットワークにおける状態との関係を設定することを考慮する必要がある。電力供給ネットワークのそのような状態は、ほんの数例を挙げるとすれば、電圧レベル、電圧変化、周波数レベル、周波数変化、あるいは、ネットワークオペレータの信号であってもよい。
【００１３】
次に、制御機能として、通常制御機能と、この通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能のいずれかを選択できることを提案する。電力供給ネットワークが通常状態で動作していることが確認されると、通常制御機能を選択する。ここで、このタイプの通常状態は、電力供給ネットワーク内の変換器制御発電機ユニット及び他の発電機ユニットが、基本的に、ネットワークの復旧などの特別な状況を考慮する必要なく、電力をネットワークに給電することで消費者に供給するように動作する電力供給ネットワークの状態である。しかしながら、通常状態において、変換器制御発電機ユニットが対処しなければならない程度にまで、電力供給ネットワークにおけるネットワーク周波数又は電圧が変動する可能性がある。従って、通常制御機能は、また、例えば、ほんの一例を挙げるとすれば、供給有効電力を低減することによってネットワーク周波数の増加に対処することが必要になる場合もある。
【００１４】
定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、周波数維持制御機能を選択する。このタイプの定常周波数動作状態とは、ネットワーク周波数が一定値に維持される電力供給ネットワークの動作状態である。これは、基本的に、その時点で電力供給ネットワークの一部分ではないネットワークセクションにおいても起こり得る。しかしながら、この定常周波数動作状態は、基本的に電力供給ネットワークの一動作状態である。
【００１５】
このタイプの定常周波数動作状態は、ネットワークオペレータとも呼ばれる電力供給ネットワークのオペレータによって、あるいは、別の中央制御ユニットによって事前規定できる。この点に関して、ネットワークオペレータは、定常周波数動作状態を必要とする、ネットワークオペレータによって計画された状況に備えて、それに対応する情報を変換器制御発電機ユニットに与えることもできる。その結果、ネットワークオペレータは、このタイプの動作状態に備えて、周波数維持制御機能を選択する又は選択させることができる。
【００１６】
定常周波数動作状態は、ネットワーク周波数が一定値に維持されている動作状態である。明らかに、基本的に一定のネットワーク周波数が原則として常に提供されるが、これは特定の制限範囲内で変動する可能性があり、その変動は許容される。特に複数の変換器制御発電機ユニットは、特に並列ネットワーク動作で機能できる場合、通常この周波数に適合する。これは、これらの変換器制御発電機ユニットが絶えずネットワーク周波数をモニタし、更に、それに伴う位相もモニタして、それらに対応する周波数と位相で自己の電力を適合化して供給することを意味している。この点に関して、この動作は通常制御機能の動作でもあり、この動作が必要な場合は、通常状態も存在している。
【００１７】
しかしながら、定常周波数動作状態では、ネットワーク周波数を一定値に維持することを意図しており、これは、変換器制御発電機ユニットが、継続的にモニタされるネットワーク周波数に追従するのではなく、固定周波数値で給電しようとすること、あるいは、少なくとも、周波数を維持するために特に可成りのコストを必要とすることを意味し得る。これとは対照的に、通常状態は、基本的に、定常周波数動作状態に関係しない全ての動作状態を言い表すことができる。
【００１８】
望ましくは、周波数維持制御機能が、少なくとも、電力供給ネットワークのネットワーク周波数に応じて、このネットワーク周波数がサポートされるように、電力を制御し、そしてここでは、ネットワーク維持制御機能が、通常制御機能がネットワーク周波数をサポートするよりも強力にネットワーク周波数をサポートするように、設計及び／又はパラメータ化されることを提案する。
【００１９】
既に上述したように、通常制御機能は、例えば周波数依存電力制御のような周波数依存の調整又は制御を伴う場合があり、そしてここでは、制御又は制御機能には基本的に調整又は調整機能も含まれ得る。従って、このタイプの制御は、ネットワーク周波数の周波数変化に対して、この周波数変化の抑制を意図する応答を提供する。これについての重要な一例は、周波数が増加した場合に供給電力を減らし、周波数が減少した場合に供給電力を増やすことを伴う。これは、モニタされる周波数変化、あるいは、モニタされる過度に高い又は過度に低い周波数値を抑制する。これは、通常、既に、通常制御機能に設けられている。
【００２０】
次に、周波数維持制御機能については、この制御動作がより優先的に選択されることを提案する。最も単純な場合、これは、利得係数の増大、あるいは、制御静力学の勾配の増大を意味し得る。例えば、一実例を挙げるとすれば、０.１％の周波数低下に対して５％の電力の増大が通常制御機能で得られる場合、２０％の供給電力の増大が周波数維持制御機能で得られる。
【００２１】
しかしながら、このタイプの周波数依存制御機能、即ち、ネットワーク周波数を維持する制御機能が根本的に全く異なる動作をすることも考えられる。例えば、通常制御機能において、公称ネットワーク周波数からのネットワーク周波数の僅かな偏移には全く応答しない不感帯範囲を設けることができ、その一方で、周波数維持制御機能については、如何なる周波数変化が生じても介入することを規定できる。また、周波数維持制御機能について、別の一例を挙げるとすれば、公称ネットワーク周波数とは異なる可能性のある既存の周波数値又は外部から事前規定された周波数値を基本とすることも規定できる。
【００２２】
特に、周波数維持制御機能においては、ネットワーク周波数を一定値に維持することが主要な制御目的であり、これは、この実施形態についてだけではない。
【００２３】
従って、周波数維持制御機能の選択は、あるいは、周波数維持制御機能は、他のネットワーク状態依存制御の低減又は一時的な停止さえも伴う場合がある。例えば、通常制御機能は、ネットワーク接続点における電圧に応じて無効電力を供給又は修正する電圧依存無効電力供給を提供することもできる。この目的のために、この電圧依存無効電力供給を、周波数維持制御機能のために、停止することを規定できる。その結果、変換器制御発電機ユニットの全制御機能を周波数サポートに利用できる。特に、各変換器制御発電機ユニットの制御介入の機能は、供給電流の、実効値という意味での振幅によって、制限される可能性がある。有効電流の可能な割合は、無効電力の供給によって、従って、無効電流の供給によって制限でき、その結果として、有効電力も制限される。従って、一例を挙げるとすれば、これは、周波数維持制御機能の期間中、回避することができ、その理由は、その時点で無効電力の供給を無しで済ますことができ、供給可能な電流全体が有効電流であるからである。
【００２４】
このタイプの周波数維持制御機能又はこのタイプの定常周波数動作状態は、特に、電力供給ネットワークの２つの個別のサブネットワークの相互接続に必要である。これらの２つのサブネットワークは、相互接続される場合、その時に同じネットワーク周波数を有していることが特に重要である。このような２つのネットワークセクションを相互接続するこのタイプの手順は比較的短い。従って、これらの２つの個別のネットワークセクションを相互接続する短い手順については、電力供給ネットワークのその他の場合には必要な制御を無しで済ますか、あるいは、これらをバックグラウンドに移動して、主に周波数サポートを実施すれば十分である。変換器制御発電機ユニットは、ここに提案する解決策を用いて、これをサポートできる。このサポートは、電力供給ネットワークの当該領域において、可能な限り多くの、且つ、可能な限り強力な変換器制御発電機ユニットがここに提案する如く動作するので、明らかに特に効率的である。
【００２５】
また、このネットワーク周波数の安定化は、比較的低速動作の大規模発電所、即ち、直接結合同期発電機を介してのみ実現されるのではなく、むしろ、高速制御機能の変換器制御発電機ユニットが、対応する周波数維持制御機能の選択により、大きく貢献できることも確認されている。この目的のために、変換器制御発電機ユニットは、たとえ局地的に分散されていても、詳細な協調によって制御される必要はない。変換器制御発電機ユニットが、定常周波数動作状態に適合化された、ここに提案する制御動作に切り替わるだけで十分である。
【００２６】
一実施形態に従って、周波数維持制御機能が、慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を備えた同期マシンの動作のエミュレーションを伴うことを提案する。これを行うために、電力が、仮想回転揺動質量の回転速度に比例するように事前規定された周波数で供給されることを提案する。この仮想慣性モーメントは設定可能であることが望ましい。特に、直接結合同期マシンにおける回転揺動質量は、この同期マシンの比較的不活性な動作の理由となり、従って、この同期マシンによって生成される供給周波数の比較的不活性な動作の理由となる。
【００２７】
ここでは、この関係を基本として、実際に回転する揺動質量の代わりに、仮想慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を選択する。この目的のために、例えばコンピュータプログラムにおいて、電力差に比例し得るねじりモーメントを連続的に積分して周波数に組み込むことができる。この電力差は、供給電力の変化に対応し得る。
【００２８】
従って、このねじりモーメントに依存する周波数変化は積分時定数に依存し、これは仮想慣性モーメントの逆数に対応する。従って、選択される仮想慣性モーメントが大きいほど、積分時定数はより小さくなり、従って、周波数の変化はより小さくなる、あるいは、より遅くなる。これによって、一定の周波数を維持できる。特に、ここでは、電力が、仮想揺動質量の回転速度によって事前規定された周波数で、供給される。従って、ここでは、電力の周波数は、ネットワーク内における周波数に単純に追従するのではなく、この供給周波数は、少なくとも部分的に、その値に維持できる。
【００２９】
望ましくは、仮想慣性モーメントは設定可能であり、且つ、通常制御機能についてよりも大きな仮想慣性モーメントが周波数維持制御機能について設定される。ここで注意すべき点として、電力が供給される際に周波数が少なくとも部分的に維持されるので、電力が変化する可能性があり、従って、仮想回転速度に影響を与える、従って、供給周波数に影響を与える可能性がある。従って、仮想慣性モーメントの値が低い場合、周波数は弱くしか維持されず、通常状態において実施される、あるいは、通常制御機能の動作に対応し得る、効果的な周波数の追従が行われる。また、この点に関して、仮想慣性モーメントが増大すれば、特に仮想慣性モーメントが大幅に増大すれば、周波数がより強力に維持され、従って、これを非常に強力に維持することによって、この周波数の維持が支配的になり、この点に関して、強力な周波数サポートを実現できる。
【００３０】
周波数維持制御機能の仮想慣性モーメントは、通常制御機能と比較して少なくとも２倍大きいことが望ましい。これは、少なくとも５倍大きいことが望ましく、特に、これは、少なくとも１０倍大きいことを提案する。このように提案する仮想慣性モーメントにおけるこのような大幅な増大の結果として、周波数サポートが支配的になる。その結果として、定常周波数動作状態を効果的にサポートできる。
【００３１】
一実施形態に従って、
・周波数と位相とを有する電流が電力供給のために給電され、
・この供給される電流の周波数と任意選択で位相とが、仮想回転速度ωｖで回転する仮想質量によって事前規定され、
・回転する仮想質量が設定可能な仮想慣性モーメントＪｖを有し、その結果、仮想運動エネルギＥＶが、式Ｅｖ＝１／２Ｊｖωｖ２に従って、回転する質量に保存され、
・ここでは、供給される電流の周波数ｆが、特に関係式ωｖ＝２πｆで、仮想回転速度ωｖに比例しており、
・仮想運動エネルギが電力偏移に応じて修正され、そしてここでは、電力偏移が、供給される有効電力が初期有効電力又は事前規定有効電力を超える分量を定量化しており、
・仮想運動エネルギが、特に、経時的に積分された偏移電力量だけ修正され、従って、それに応じて、即ち、式ＥＶ＝１／２Ｊｖωｖ２に従って、自己の仮想回転速度を修正するように修正されることを提案する。
【００３２】
従って、この一実施形態は、回転する仮想質量に応じて供給周波数を設定する機能、あるいは、それに対応する周波数で電力を給電する機能を提供する。ここでは、電力偏移の結果として、仮想運動エネルギが修正され、それによって、回転速度における変化、従って供給周波数における変化が生じ得る。そのような周波数変化の慣性は、仮想慣性モーメントを設定することによって、設定できる。それが大きく選択されるほど、このシステムはより不活性になり、周波数がより強力に維持される。
【００３３】
一実施形態に従って、
・実際の周波数が、特にネットワーク接続点において、モニタされ、
・周波数偏移が、基準周波数からのモニタされる実際の周波数の偏移として特定され、
・周波数維持制御機能が、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、周波数偏移に応じて供給される電力、特に有効電力を事前規定し、
・制御器利得が、通常制御機能を使用するよりもネットワーク周波数がより強力にサポートされるように、事前規定されることを提案する。
【００３４】
この一実施形態に従えば、主要な制御目的は、制御器利得の対応する適合化によって、ネットワーク周波数を可能な限り一定値に維持することである。ここでは、周波数偏移に依存した電力供給を行う。この依存は、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、実施される。従って、周波数維持制御機能について非常に大きな制御器利得が選択されると、その結果として、僅かな周波数偏移が生じても有効電力の供給において可成りの変化が生じる。
【００３５】
ここでは、特に、周波数維持制御機能と通常制御機能には同じ制御器機能が組み込まれており、この同じ制御器機能によって供給電力が周波数偏移に応じて事前規定されることが規定されている。しかしながら、周波数維持制御機能の場合においては、制御器利得の量は、通常制御機能の場合よりも大きい、特に大幅に大きい。従って、周波数サポートは、この制御器利得の設定を介して、簡単に改善でき、特に、それによって、適切に大幅に修正された制御器利得を介して、主要な制御目的と成り得る。
【００３６】
また、望ましくは、通常制御機能も、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、周波数偏移に応じて供給される電力、特に有効電力を事前規定し、周波数維持制御の制御器利得が、通常制御機能と比較して、少なくとも２倍、望ましくは、少なくとも５倍、特に、少なくとも１０倍の値に設定されることを規定する。
【００３７】
一設計に従って、周波数の定常精度を実現するために、周波数維持制御機能用に制御器内における積分構成要素を提案する。通常制御機能に積分構成要素が既に存在する場合、周波数維持制御機能についての積分構成要素を増大する、特に少なくとも２倍にすることを提案する。
【００３８】
従って、周波数維持制御について、少なくとも２倍、特に少なくとも５倍、更に特に少なくとも１０倍の制御器利得値を規定する。これによって、周波数維持制御の制御器利得を、通常制御機能の制御器利得に比べて、大幅に増大する。この制御器利得をこのように大幅に増大することを意図する。
【００３９】
別の一実施形態に従って、周波数維持制御が、所定の定常周波数期間の間のみに使用され、そして、この所定の定常周波数期間が１分未満、望ましくは３０秒未満、特に１５秒未満であることを提案する。
【００４０】
従って、周波数維持制御は、非常に短い期間、即ち、特に、１分未満、３０秒未満、あるいは、更には１５秒未満の間だけ実施される。その結果として、特に、ここで述べる切り替え動作がサポートされ得る、あるいは、ネットワークがこのタイプの切り替え動作期間中、サポートされ得る。この周波数維持制御機能は短期間だけ適用されるので、この短い期間についての主要な制御目的である一定周波数の維持に対して非常に大きなコストを費やすことができる。特に、例えば、１つのウインドタービン、あるいは、ウインドファームの場合における複数のウインドタービンの空力ロータの揺動質量から得られるような大量のエネルギが使用されることもある。揺動質量のそのような運動エネルギは急速に消費され得るが、この外部からの制御機能が必要とされる前述の短期間には十分であり得る。
【００４１】
望ましくは、変換器制御発電機ユニットが、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービンを備えているか、あるいは、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービンであり、周波数維持制御が、ネットワーク周波数をサポートするために、通常制御機能よりも多くの電力を消費し、その結果、前述の定常周波数期間の間又は定常周波数期間の間、追加電力を電力ネットワークに給電でき、あるいは、電力ネットワークから引き出すことができ、追加電力又はその一部分が、ロータの運動エネルギから取得されるか、あるいは、ロータにおける運動エネルギとして保存されることも提案する。
【００４２】
これによって、１つのウインドタービン、あるいは、ウインドファームの場合における複数のウインドタービンの空力ロータの揺動質量のエネルギが使用され、従って、周波数維持制御に提供可能なエネルギのポテンシャルが大幅に増大される。特に、その結果として、その時点で風から得られる電力を超える任意の必要なサポート電力を提供することも可能になる。
【００４３】
望ましくは、通常制御機能から周波数維持制御機能への切り替えの場合に、モニタされるネットワーク周波数の現在優勢な値又はモニタされる周波数の平均値が周波数基準値として選択され、特に、このように選択された周波数基準値が、定常周波数期間の又は定常周波数期間の全期間についての一定値として規定され、この周波数基準値への調整が、特に定常周波数期間の全期間に亘って、周波数維持制御機能によって実施されることを規定する。
【００４４】
従って、ここでは、平均周波数値又はその他の場合にフィルタリングされた周波数値を伴うこともある瞬時的にモニタされた周波数値を、この主要な周波数サポートの期間についての基礎値として、採用することを提案する。この制御は、この周波数値を維持しようとし、それによって、ネットワーク周波数の安定化を実現できる。特に、ここでは、ネットワーク接続点におけるネットワーク周波数のモニタ済み周波数が使用される。いずれの場合においても、結果として、現在の周波数が、基本的に、その現在値に維持される。周波数維持制御機能への切り替えは、特に、ネットワークオペレータからの信号又は別の信号によって実施できる。
【００４５】
これは、特に、当該ネットワークセクションの、可能な限り多くの、理想的には全ての、変換器制御供給ユニットがこのような制御を実施する場合に、有効な提案である。この場合、周波数は、この最新値に維持できる。特に、変換器制御供給ユニットが接続されている当該サブネットワークに直接結合同期発電機が含まれていない場合には、それによって、全ての関係する変換器制御供給ユニットを同じ調整周波数値に設定できる。この目的のためには、全ての当該変換器制御供給ユニットに共通の基準値を伝える必要はなく、単に起動用の共通の時間信号を伝えるだけでよい。従って、望ましくは、中央制御器が共通の起動信号を複数の変換器制御発電機ユニットに送信することも提案する。
【００４６】
この周波数値は、ここに提案する周波数サポートの期間全体について規定されるので、それによって、均一で安定した周波数基準値が、全ての当該変換器制御発電機ユニットについての基準制御値として、得られる。
【００４７】
電力供給ネットワークは、望ましくは、サブネットワークに分割されており、そのようなサブネットワークを接続しようとする場合に、周波数維持制御機能を選択する。特に、このタイプのサブネットワークの接続のような場合、これは、特にネットワーク復旧の場合に関係することがあり、周波数も複数の変換器制御発電機ユニットによって維持され、２つのサブネットワークを、できる限り最も一定の周波数で接続できる。
【００４８】
別の一実施形態に従って、サブネットワークの周波数又はサブネットワークのうちの１つのサブネットワークの周波数を別のサブネットワークの周波数又はサブネットワークのうちの別のサブネットワークの周波数に一致させるために、周波数適合化制御機能が追加的に設けられ、定常周波数動作状態を得るべく、それらの周波数を一致させるために、通常制御機能の後に最初に周波数適合化制御機能が選択され、次に、それらの周波数が一致した時に、周波数維持制御機能が選択されることを提案する。
【００４９】
従って、周波数適合化制御機能を規定する。この周波数適合化制御機能は、少なくとも、一方のサブネットワークの周波数を他方のサブネットワークの周波数に適合させることを意図している。このタイプの周波数適合化制御機能は、サブネットワークが互いに収束するように、各々のサブネットワーク内において実施されることが望ましい。しかしながら、１つの変換器制御発電機ユニットの制御について、これは、その１つの変換器制御発電機ユニットが接続されているサブネットワークセクションのこの周波数が、他方のサブネットワーク、即ち、この接続が確立されるサブネットワークの周波数と一致することを意味する。
【００５０】
周波数適合化制御機能は、例えば、それが他方のサブネットワークから周波数値を取得するように、あるいは、両方のサブネットワークが両方のサブネットワークを担当するネットワークオペレータから共通の周波数信号を受信するように、動作できる。従って、周波数適合化制御機能は、特に、接続されるべき両方のサブネットワークの周波数がその時点で同一でない場合に、実施される。次に、両方のサブネットワークの現在の周波数間の周波数が選択されることが望ましい。しかしながら、別の周波数、例えば公称ネットワーク周波数を、目標周波数として、実施することも考えられる。しかしながら、例えば、両方のサブネットワークの周波数がこの公称ネットワーク周波数を大幅に下回る場合、公称ネットワーク周波数を選択する必要はない。従って、周波数適合化制御機能は、例えば、ネットワーク周波数の現在の周波数値に対応しない外部からの周波数値が事前規定されるという点で、通常制御機能及び周波数維持制御機能とは異なる可能性がある。
【００５１】
従って、変換器制御発電機ユニットは、最初は通常状態で動作している。その後、２つのサブネットワークの接続の実施が意図され、両方のネットワークの周波数を一致させるために、周波数適合化制御機能が最初に選択される。これが成功した場合、周波数維持制御機能を最終的に選択できる。
【００５２】
望ましくは、少なくとも２つのサブネットワークが、周波数維持制御機能の選択後に相互接続され、特に、次のステップ、即ち、定常周波数動作状態を得るべく、通常制御機能の後に最初に周波数適合化制御機能を選択するステップと、次に、それらの周波数が一致した時に、周波数維持制御機能を選択するステップと、任意選択で、周波数維持制御機能の選択後に、少なくとも２つのサブネットワークを相互接続するステップと、が自動的に実行されることを提案する。
【００５３】
従って、周波数維持制御機能を選択した後に、両方のサブネットワークを接続できる。また、これは、周波数維持制御機能が過度に長期間の間実施されないように、できるだけ早く行われるべきである。
【００５４】
従って、迅速な実施も確実にするために、前述のステップを自動的に実施することを提案する。最終的に、基礎となる基準は、コンピューターで値を求めることができる。このタイプの自動化された制御は、例えばネットワークオペレータのような中央制御器によって実施されることが望ましい。従って、多数の変換器制御発電機ユニットを担当する中央制御器を提案する。それにも関わらず、特に、協調コストと、このタイプの中央制御ユニットから個々の変換器制御発電機ユニットへのデータ送信の必要性とは比較的小さい。このタイプの中央制御ユニットは、各々の場合、基本的に、切り替え信号、即ち、まず通常制御機能から周波数適合化制御機能に切り替える信号、次に周波数適合化制御機能から周波数維持制御機能に切り替える信号を事前規定するだけでよく、最終的に、サブネットワークを接続する信号を送信するか、あるいは、この接続自体を実施できる。
【００５５】
従って、利点として、２つの個別のサブネットワークの接続又は再接続が、多数の変換器制御発電機ユニットについても、可能である。
【００５６】
特に、変換器制御発電機ユニットは、通常、外部から頻繁に制御できる、あるいは、少なくとも外部から情報を受信できるいくつかの制御機能と制御装置とを備えているので、このようなサブネットワークの接続手順は、容易に自動的に実施できる。
【００５７】
一実施形態に従って、周波数維持制御機能から通常制御機能への変更、及び／又は、通常制御機能から周波数維持制御機能への変更を事前規定する又は制御する遷移機能が設けられており、該遷移機能が、各々の場合、設定、特にパラメータを変更するために時間特性を規定し、その結果として、これらの設定又はパラメータをこの時間特性に沿って変更できることを提案する。この提案によって、それによって影響を受けるネットワーク調整がこれらの変更に密接に追従できることも実現できる。
【００５８】
ここで確認されている点として、特に、２つの個別のネットワークセクションの接続後には周波数維持制御機能が不要になり、その理由は、周波数を特定の範囲内に維持する必要が無くなるためであるが、しかしながら、ネットワークは、依然として、その接続に直接続く干渉を受けやすいこともあり、従って、周波数維持制御機能から通常制御機能に戻す強硬な切り替えによって、ネットワークの安定性が損なわれる可能性がある。この強硬な切り替えを回避するために、遷移機能を使用して遷移を事前規定できる。
【００５９】
しかしながら、このタイプの遷移機能は、通常制御機能から周波数維持制御機能への変更についても有益である。たとえネットワークがその時点で全く安定して機能していても、小さな変動でさえも、準備されるべき安定した周波数に対しては、依然として、不所望である。従って、この遷移機能は、両方向で使用できるが、その際、変更の各方向について相異なる態様でパラメータ化されることが望ましい。
【００６０】
時間特性が、各々の場合、設定の変更、特にパラメータの変更について、規定され、その結果、それらの設定又はパラメータが、各々の場合、このタイプの特性に沿って変更される。これによって、それらの変更を事前規定でき、突然の変化を回避できる。この時間特性は、設定又はパラメータのそれぞれの値の経時的な変更を示している。
【００６１】
この遷移機能は、基本的に、通常制御機能から周波数適合化制御機能への遷移についても、それに応じて、使用できる。
【００６２】
本方法は、望ましくは、特徴として、遷移機能が変更についての遷移期間を事前規定し、該期間が１〜１０秒、特に２〜５秒の範囲内であることが望ましく、
・周波数維持制御機能と通常制御機能との間の遷移期間に亘って異なる設定、少なくともパラメータが、各々の場合、周波数維持制御機能におけるそれぞれの値から通常制御機能におけるそれぞれの値に、あるいは、その逆に、常に、望ましくは厳密に均等に、特に線形に、変化し、及び／又は、
・制限勾配が、変換器制御発電機ユニットの無効電力出力及び／又は有効電力出力における変化について、遷移期間について、事前規定され、その結果として、無効電力出力及び／又は有効電力出力が、それらの量に関して、最大でも制限勾配を超えないように迅速に変化する。
【００６３】
従って、パラメータが、特に線形に、ある値から別の値に、変化することを提案する。その他の場合では、例えば、ネットワークポイントを使用したスプライン関数（spline function）を用いた厳密に均等な変化も考えられる。例として挙げたこのタイプの線形変化又はスプライン関数は、各々の場合、時間特性の例である。
【００６４】
いずれにしても、少なくとも突然の変化は回避される。しかしながら、遷移機能によって事前規定可能なこのタイプの突然ではない変化は、他の特性や異なる構造についても考えられる。構造が周波数維持制御機能と通常制御機能との間で異なる場合、例えば、一方の構造にはＩ成分が有り、他方の構造にはそれが無い場合、そのＩ成分は、ゼロから１に又はその逆に変化する遷移重み係数によって、追加又は削除できる。このようにして、基本的に、強硬な切り替えなしに、任意の構造的な要素を追加又は削除できる。
【００６５】
更に、あるいは、その代わりとして、無効電力の変化及び／又は有効電力の変化を制限することを提案する。これは、変換器制御発電機ユニットの無効電力出力又は有効電力出力に関係するが、基本的に、変換器制御発電機ユニットによる無効電力消費又は有効電力消費、即ち、負の出力にも関係し得る。
【００６６】
ここで確認されている点として、特に、周波数維持制御機能によって、無効電力出力及び／又は有効電力出力において大幅な変化が生じる可能性がある。通常制御機能において、これらの値の変化が反転されて、その結果、大幅な変化が生じる可能性があり、その変化が非常に大きければ、安定性の問題が生じる可能性がある。これは、制限勾配を事前規定することによって防止される。従って、各制限勾配は、経時的な無効電力又は有効電力の最大許容変化を示している。これらの制限勾配の値は、無効電力出力と有効電力出力とについて、相異なることが望ましい。
【００６７】
しかしながら、このタイプの制限勾配は、通常制御機能から周波数維持制御機能への変更についても適している場合があり、その理由は、これらの相異なる制御機能によって、相異なる無効電力出力及び／又は有効電力出力が生じる可能性があり、その際、過度に速い変化が周波数維持制御機能にとっても望ましくないことがあるからである。
【００６８】
特性の急激ではない遷移と制限勾配の事前規定とは、例えば、これらの両方の提案を同時に実施することによって、組み合わせることもできる。理想的な場合では、制限勾配は、急激ではない遷移を通じて、全く到達されることはなく、この点に関して、追加的な安全対策として機能する。
【００６９】
この目的のために、望ましくは、周波数維持制御機能と、任意選択で通常制御機能と、必要であれば周波数適合化制御機能とが、少なくとも特にネットワークオペレータからの外部要求に応じて、選択され、発電機ユニットが、望ましくは、インタフェース、特にデータインタフェースを介して、１つ又は複数のそのような外部要求を受信できることも提案する。
【００７０】
それによって、複数の変換器制御発電機ユニットの有益な協調が可能になる。その結果、ネットワークオペレータは、更に、このように制御可能な変換器制御発電機ユニットを使用してその電力供給ネットワークを制御することができ、特に、それらを使用して２つのサブネットワークのしばしば重要な接続も行うことができる。
【００７１】
一実施形態に従って、変換器制御発電機ユニットが、周波数維持機能を選択する際に、電流印加モードから電圧印加モードに切り替わり、あるいは、少なくとも、複数の変換器ユニット又はインバータユニットを使用している場合には、これらの変換器ユニット又はインバータユニットのうちの少なくとも１つ又は複数のものを電圧印加モードに切り替えることを提案する。
【００７２】
従って、周波数維持機能について電圧印加モードを実施すること、あるいは、少なくとも、いくつかの変換器又はインバータを電圧印加モードで動作させること、を提案する。
【００７３】
ここでの根底にある概念は、電圧印加モードが、瞬間的な電圧値の偏移に遥かに迅速に応答でき、従って、対応する電圧偏移の際に顕在化する最も僅かな周波数偏移にも遥かに迅速に応答できるということである。これを行うために、必ずしも変換器制御発電機ユニット全体を電圧印加モードに切り替える必要はない。電圧印加モードを、少なくとも部分的に、あるいは、通常制御機能の場合よりも多く、実施しさえすれば、それは有益と成り得る。たとえ変換器制御発電機ユニットが１つのウインドタービンのみで構成されている場合であっても、使用されている変換器又はインバータの一部のみを電圧印加モードに切り替えることも、このウインドタービン内において、可能である。ウインドファームについても、それが変換器制御発電機ユニットを形成している場合には、同じことが当てはまる。従って、複数のウインドタービンの一部が電圧印加モードで動作すること、あるいは、各々のウインドタービン内においても複数の変換器又はインバータが存在し、各々の場合に、それらの変換器又はインバータの一部がウインドタービン内において電圧印加モードに切り替わること、を規定できる。
【００７４】
本発明に従って、風力エネルギシステムも提案する。このタイプの風力エネルギシステムは、１つのウインドタービンであっても、あるいは、複数のウインドタービンを含むウインドファームであってもよい。このタイプの風力エネルギシステムは、ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワークに、ネットワーク接続点において、変換器制御発電機ユニットとして、電力を供給するために構成されている。この風力エネルギシステムは、
・制御機能に応じて電力を供給する供給ユニットであり、この電力が有効電力と無効電力とを含み得る、該供給ユニットと、
・制御機能が実施され、制御機能としての通常制御機能と、この通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能と、のいずれかを選択できるように構成された制御ユニットと、
を備えており、この制御ユニットは、
・電力供給ネットワークが通常状態で動作していることが確認された場合に、通常制御機能が選択されるように、そして、
・定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、周波数維持制御機能が選択されるように、
構成されており、定常周波数動作状態は、特に、ネットワーク周波数が一定値に維持されるべき電力供給ネットワークの動作状態を言い表している。
【００７５】
従って、この風力エネルギシステムは、特に、上述の方法の少なくとも１つを採用又は実施するために構成されている。このタイプの風力エネルギシステムは、望ましくは、電気エネルギを保存するための保存装置も備えることができる。このタイプの電気エネルギは、周波数維持制御機能によって使用され得る。特に、この周波数維持制御機能は、その調整目的を達成するために、比較的大量のエネルギを短時間で且つ急に必要とする場合がある。周波数の維持は、事実上、ここでは調整目的として定義することもできる。このタイプのエネルギ保存装置は、周波数維持機能にエネルギを提供できる、従って、短い定常周波数期間だけにエネルギを提供できるのに十分な容量を設定するだけでよい。このエネルギ保存装置は、望ましくは、バッテリ又はバッテリバンクとして設計されており、従って、電気エネルギを直接保存できる。
【００７６】
一実施形態に従って、制御機能の選択についての少なくとも１つの要求を受信するためにインタフェース、特にデータインタフェースが設けられることを提案する。従って、それに対応する信号を、例えばネットワークオペレータから又は別の中央制御ユニットから、このデータインタフェースを介して受信できる。
【００７７】
この風力エネルギシステムは、上述の少なくとも１つの実施形態に従う方法を実施するために構成されていることが望ましい。
【００７８】
以下、添付の図面を参照して、本発明を、実施形態例に基づいて、例として詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】ウインドタービンの斜視図を示す図である。
【図２】ウインドファームの概略図を示す図である。
【図３】接続されるべき２つのネットワークセクションを概略的に示す図である。
【図４】相異なる制御機能の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
図１は、タワー１０２とナセル１０４とを備えたウインドタービン１００を示している。３つのロータブレード１０８とスピナ１１０とを備えたロータ１０６が、ナセル１０４に配置されている。動作中、ロータ１０６は、風によって回転運動させられ、それによって、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
【００８１】
図２は、一例として、互いに同じでも異なっていてもよい３つのウインドタービン１００を備えたウインドファーム１１２を示している。従って、これら３つのウインドタービン１００は、基本的に、ウインドファーム１１２の任意の数のウインドタービンを表している。ウインドタービン１００は、電気ウインドファームネットワーク１１４を介して、自己の電力を、即ち、特に生成した電流を供給する。個々のウインドタービン１００のそれぞれに生成された電流又は電力が合算されて、そして、通常設けられている変成器１１６が、ウインドファーム内の電圧を昇圧して、これを供給ネットワーク１２０内に、一般にＰＣＣとも呼ばれる給電点１１８において、給電する。図２は、ウインドファーム１１２を単に簡略化して表したものであり、ここでは、例えば、制御器が、当然、存在するが、そのような制御器は示されていない。また、その他の実施形態の例を１つだけ挙げるとすれば、例えば、各々のウインドタービン１００の出力にも変成器が存在するようにして、ウインドファームネットワーク１１４を異なる構成にしてもよい。
【００８２】
図３は、電力供給ネットワーク３００の一部を概略的に示している。図３に示された電力供給ネットワーク３００は、少なくとも第１及び第２のサブネットワーク３０１と３０２を備えている。各サブネットワーク３０１と３０２は、都市部として象徴化された一部の消費者３０４を含み、またウインドファーム３０６も含んでいる。特に、消費者３０４とウインドファーム３０６は詳細には異なり得るが、これはここではあまり関係がないので、同じ参照番号が全ての消費者３０４に使用されている。ウインドファーム３０６についても同様であり、更に、変成器３０８についても同様であり、これらの変成器３０８を介して、電力が電力供給ネットワーク３００に又はサブネットワーク３０１と３０２の一方に給電され、あるいは、電力が消費者３０４によって電力供給ネットワーク３００又はサブネットワーク３０１と３０２から引き出される。第１のサブネットワーク３０１については、変成器３０８を介して、電力供給ネットワーク３００に、即ち、ここでは第１のサブネットワーク３０１に、同様に給電する大規模発電所３１０も示されている。この大規模発電所３１０には、電力供給ネットワーク３００又は第１のサブネットワーク３０１に直接結合された同期発電機３１２（ここでは単にその輪郭だけが示されている）が備えられている。
【００８３】
図３は、結合スイッチ３１４が開いているように示すことによって、第１及び第２のサブネットワーク３０１、３０２が互いに分離されている状態を示している。
【００８４】
結合スイッチ３１４は、双方向データ交換の実施が可能なデータ線３１８を介して中央制御ユニット３１６に接続されている。特に、結合スイッチ３１４は、自己の状態、即ち、特に、開いているか閉じているかを中央制御ユニット３１６に示すことができる。従って、中央制御ユニット３１６は、データ線３１８を介して結合スイッチ３１４に閉指令を送信できる。
【００８５】
中央制御ユニット３１６は、ここでは説明を簡単にするために各々同じ参照番号で示された別のデータ線３１８を介して、ウインドファーム３０６に接続されている。この点に関して、ウインドファーム３０６は、他のコンバータ制御発電機ユニットも表している。ウインドファームコンピュータ３２０が、データ交換のために、データ線３１８と共に、各々のウインドファーム３０６に設けられている。データ線３１８は、同様に、中央制御ユニット３１６と大規模発電所３１０との間でのデータ交換を可能にするために、大規模発電所３１０にも伸びている。
【００８６】
２つのサブネットワーク３０１と３０２を再接続するために、中央制御ユニット３１６は、周波数適合制御を開始する。これは、例えば、第１のサブネットワーク３０１が大規模発電所３１０によって永続的に制御される場合に、周波数適合制御の使用命令を第２のサブネットワーク３０２のウインドファーム３０６のみに送信するようにして実施できる。しかしながら、中央制御ユニット３１６が、サブネットワーク３０１と３０２の両方に周波数適合制御の使用を適用することも考えられる。必要であれば、基準周波数も送信できる。
【００８７】
第１及び第２のサブネットワーク３０１、３０２の２つの周波数を周波数整合させる場合、これは、例えば、ウインドファーム３０６が、いずれの場合でも、常に周波数をモニタしているので、これをウインドファーム３０６から中央制御ユニット３１６に報告させることによって、実施できる。次に、中央制御ユニット３１６は、各々のウインドファーム３０６に対して、これらのウインドファームが周波数維持制御に切り替わるようにする信号を送信できる。
【００８８】
この周波数維持制御への切り替えが実行されると直ぐに、中央制御ユニット３１６は、結合スイッチ３１４に対して、２つのサブネットワーク３０１と３０２を結合する、即ち、接続する命令を出すことができる。この目的のために、記号を使って示された結合スイッチ３１４がそれに応じて閉じられる。結合スイッチ３１４を含む電力供給ネットワークは、ここでは説明を簡単にするために示していないが、三相ネットワークとして設計されていることは明らかである。
【００８９】
次に、結合スイッチ３１４が閉じられて２つのサブネットワーク３０１と３０２が１つのネットワークとして基本的に安定して一緒に動作している場合、通常制御機能に戻ることが可能である。これは、中央制御ユニット３１６によっても制御できる。中央制御ユニット３１６は、この目的のために、まず、ウインドファーム３０６と大規模発電所３１０とからデータを収集することができる。しかしながら、中央制御ユニット３１６は、必要であれば、例えば、それ自身の測定ユニットを備えており、電力供給ネットワーク３００の状態をモニタしてもよい。
【００９０】
しかしながら、２つのサブネットワーク３０１と３０２の接続後に電力供給ネットワーク３００が安定状態にある場合、中央制御ユニット３１６は、ウインドファームに対して、通常制御機能に戻る命令を出すことができる。
【００９１】
図４に、周波数維持制御を実施できる一形態を、通常制御と比較して、示す。図４は、周波数依存電力制御を示している。この目的のために、通常制御曲線４０２と周波数維持制御曲線４０４が例示されている。
【００９２】
通常制御曲線４０２は、通常制御機能として、あるいは、通常制御機能と共に、使用するために規定されている。通常制御曲線４０２は、公称周波数ｆＮの周りに均等に在る不感帯範囲４０６を有している。不感帯範囲４０６の外側では、通常制御曲線４０２の２つの分岐が、比較的緩やかな勾配で、上昇又は下降している。従って、周波数ｆが公称周波数ｆＮに近い場合、追加の有効電力Ｐは供給されないか、あるいは、現在供給されている有効電力は低減されない。
【００９３】
周波数維持制御曲線４０４については、この例において、不感帯範囲を設けないことを提案する。従って、周波数が偏移すると直ぐに周波数依存電力が増加又は減少する。
【００９４】
更に、周波数維持制御曲線４０４が、量に関して、通常制御曲線４０２よりも大幅に高い増加率を有していることは明らかである。従って、周波数の偏移が生じても、現在供給されている有効電力と比べて、比較的大量の有効電力が供給されるか、あるいは、補足又は削減される。有効電力の増加量を提供する場合、この有効電力は、例えば、ウインドタービンのロータの揺動質量から得ることができ、あるいは、エネルギ保存装置、特にバッテリがこの目的のために使用される。
【００９５】
更に、２つの変位矢印４０８が示されており、これらは、周波数維持制御曲線４０４が公称周波数ｆＮで周波数軸と必ずしも交差する必要がないことを例示する意図で示されている。その代わりに、調整用の基礎を設けるために、周波数維持機能への切り替えが実施されたときに存在する周波数を周波数基準値として使用する。
【００９６】
従って、ウインドタービン又はウインドファームについての特別なネットワーク同期化動作モードの実施を本発明に従う目的として認識している。これらのウインドタービン又はウインドファームは、この目的のために、定常周波数を達成又はサポートできる。
【００９７】
ネットワークが復旧した際に負荷と発電機が接続されると、周波数が大幅に変動する可能性があることが分かっている。従って、必然的な非定常周波数状態が優勢になる可能性がある。
【００９８】
また、確立された２つの別々のネットワークを接続する場合、即ち、この目的のために同期化する場合には、これらの２つのサブネットワークの周波数を一致させる必要があることも分かっている。従って、特に、発電機と消費者との接続を中断する必要があり、周波数が一定に維持されるべき定常周波数を宣言する又は事前規定する必要がある。
【００９９】
一設計に従えば、電力供給ネットワークの別の部分に接続されるべきネットワークアイランドの１つは、ウインドファームであってもよい。
【０１００】
ネットワークに瞬間的なリザーブが殆どない場合、特に回転質量が少ない場合には、負荷が僅かに変化しても周波数が変動して、同期が妨げられることが別の問題として認識されている。
【０１０１】
次の解決策を提案する。
・ネットワーク内の周波数を、短期間、ほとんどボタンを押すだけで、維持する。
・これを行うには、非常に大きな揺動質量を短期間エミュレートできるようにする、あるいは、非常に高速な周波数依存電力制御を稼働させることができるようにする。特に、この電力制御は正方向及び負方向に調整して、現行の実際の周波数を基準周波数として提案する。
【０１０２】
任意選択で、同期化すべきサブネットワーク内の周波数を一致させる機能を提案する。この目的についての１つの提案は、両方のサブネットワーク内における電力適合化である。従って、共通の目標同期周波数を実現するために、これらの周波数を一致させる必要があり、この目的のために、当該周波数が目標同期周波数に向かって変化するように、サブネットワークの一方又は両方における電力を、各々の場合に、修正することを提案できる。
【０１０３】
また、接続すべきネットワークの高速周波数整合を行うステップ、その次に、それらの切断されたネットワークセクションの接続又はサブネットワークの接続を行うステップ、及び、その次に、それらの接続されたサブネットワークの共通操作を行うステップ、を連続的に実行する自動化手順も提案する。
【図１】
2020523964.tif 000003
【図２】
2020523964.tif 000004
【図３】
2020523964.tif 000005
【図４】
2020523964.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月13日(2020.3.13)
【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】
変換器制御発電機ユニット（１００）によって、又はウインドタービン（１００）によって、ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワーク（１２０、３００）にネットワーク接続点（１１８）において電力を供給する方法であって、
制御機能に応じて電力を供給するステップであり、該電力には有効電力と無効電力とが含まれ得る、該供給するステップと、
制御機能として、通常制御機能と、該通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能のいずれかを選択できるステップと、
前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）が通常状態で動作していることが確認されると、前記通常制御機能を選択するステップと、
定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、前記周波数維持制御機能を選択するステップであり、定常周波数動作状態とは、前記ネットワーク周波数が一定値に維持される前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の動作状態を表している、該選択するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記周波数維持制御機能が、前記ネットワーク周波数がサポートされるように、少なくとも前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の前記ネットワーク周波数に応じて、前記電力を制御し、前記周波数維持制御機能が、前記通常制御機能が前記ネットワーク周波数をサポートするよりも強力に前記ネットワーク周波数をサポートするように設計されている及び／又はパラメータ化されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記周波数維持制御機能が、仮想慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を備えた同期マシンの動作のエミュレーションを伴い、
前記電力が、前記仮想回転揺動質量の回転速度に比例するように事前規定された周波数で供給され、前記仮想慣性モーメントが設定可能である、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記周波数維持制御機能が、仮想慣性モーメントを有する仮想回転揺動質量を備えた同期マシンの動作のエミュレーションを伴い、
前記電力が、前記仮想回転揺動質量の回転速度に比例するように事前規定された周波数で供給され、前記仮想慣性モーメントが設定可能であり、且つ、前記通常制御機能についてよりも大きな仮想慣性モーメントが前記周波数維持制御機能について設定される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記周波数維持制御機能の前記仮想慣性モーメントが、前記通常制御機能と比較して、少なくとも２倍、又は少なくとも５倍、又は少なくとも１０倍の値に設定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
周波数と位相とを有する電流が電力供給のために給電され、
この供給される電流の前記周波数と任意選択で前記位相とが、仮想回転速度（ωｖ）で回転する仮想質量によって事前規定され、
前記回転する仮想質量が設定可能な仮想慣性モーメント（Ｊｖ）を有し、その結果、仮想運動エネルギ（Ｅｖ）が、式Ｅｖ＝１／２Ｊｖωｖ２に従って、前記回転する仮想質量に保存され、
前記供給される電流の前記周波数（ｆ）が、関係式ωｖ＝２πｆで、前記仮想回転速度（ωｖ）に比例しており、
前記仮想運動エネルギが電力偏移に応じて修正され、前記電力偏移が、供給される有効電力が初期有効電力又は事前規定有効電力を超える分量を定量化しており、
前記仮想運動エネルギが、経時的に積分された偏移電力量だけ修正され、従って、それに応じて自己の仮想回転速度を修正するように修正される、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
実際の周波数が、前記ネットワーク接続点（１１８）において、モニタされ、
周波数偏移が、基準周波数からの前記モニタされる実際の周波数の偏移として特定され、
前記周波数維持制御機能が、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、前記周波数偏移に応じて供給される電力、又は有効電力を事前規定し、
前記制御器利得が、前記通常制御機能を使用するよりも前記ネットワーク周波数がより強力にサポートされるように、事前規定される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記通常制御機能もまた、設定可能な制御器利得を有する制御器機能を介して、前記周波数偏移に応じて供給される電力、又は有効電力を事前規定し、
前記周波数維持制御機能の前記制御器利得が、前記通常制御機能と比較して、少なくとも２倍、又は少なくとも５倍、又は少なくとも１０倍の値に設定される、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記基準周波数として、モニタされる周波数又はモニタされる周波数の平均値、又は前記周波数維持制御機能への切り替え時の前記ネットワーク接続点での前記ネットワーク周波数が一定の周波数値として使用される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記周波数維持制御機能が、事前規定された定常周波数期間の間のみに使用され、
前記事前規定された定常周波数期間が１分未満、又は３０秒未満、又は１５秒未満である、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記変換器制御発電機ユニットが、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービン（１００）を備えているか、あるいは、空力ロータを備えた少なくとも１つのウインドタービン（１００）であり、
前記周波数維持制御機能が、前記ネットワーク周波数をサポートするために、前記通常制御機能よりも多くの電力を消費し、その結果、前記定常周波数期間の間、追加電力を前記電力供給ネットワークに給電でき、あるいは、前記電力供給ネットワークから引き出すことができ、
前記追加電力又はその一部分が、ロータ（１０６）の運動エネルギから取得されるか、あるいは、前記ロータ（１０６）における運動エネルギとして保存される、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記通常制御機能から前記周波数維持制御機能への切り替えの場合に、モニタされるネットワーク周波数の現在優勢な値又はモニタされる周波数の平均値が周波数基準値として選択され、
このように選択された前記周波数基準値が、前記定常周波数期間の全期間についての一定値として規定され、
この周波数基準値への調整が、前記定常周波数期間の全期間に亘って、前記周波数維持制御機能によって実施される、
請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
電力供給ネットワーク（１２０、３００）がサブネットワーク（３０１、３０２）に分割可能であり、
そのようなサブネットワーク（３０１、３０２）を接続しようとする場合に、周波数維持制御機能を選択する、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
サブネットワーク（３０１、３０２）の周波数又は前記サブネットワーク（３０１、３０２）のうちの１つのサブネットワークの周波数を別のサブネットワーク（３０２）の周波数又は前記サブネットワーク（３０２、３０１）のうちの別のサブネットワークの周波数に一致させるために、周波数適合化制御機能が追加的に設けられ、
前記定常周波数動作状態を得るべく、前記周波数を一致させるために、前記通常制御機能の後に最初に前記周波数適合化制御機能が選択され、
次に、それらの周波数が一致した時に、前記周波数維持制御機能が選択される、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも２つの前記サブネットワーク（３０１、３０２）が、前記周波数維持制御機能の選択後に相互接続され、
前記定常周波数動作状態を得るべく、前記通常制御機能の後に最初に前記周波数適合化制御機能を選択するステップと、
次に、前記それらの周波数が一致した時に、前記周波数維持制御機能を選択するステップと、
任意選択で、前記周波数維持制御機能の選択後に、少なくとも２つの前記サブネットワーク（３０１、３０２）を相互接続するステップと、
が自動的に実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記周波数維持制御機能から前記通常制御機能への変更、及び／又は、前記通常制御機能から前記周波数維持制御機能への変更を事前規定する又は制御する遷移機能が設けられており、該遷移機能が、各々の場合、設定、又はパラメータを変更するために時間特性を規定し、その結果として、これらの設定又はパラメータをこの時間特性に沿って変更できる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記遷移機能が前記変更についての遷移期間を事前規定し、該遷移期間が１〜１０秒、又は２〜５秒の範囲内であり、
前記周波数維持制御機能と前記通常制御機能との間の前記遷移期間に亘って異なる設定、少なくともパラメータが、各々の場合、前記周波数維持制御機能におけるそれぞれの値から前記通常制御機能におけるそれぞれの値に、あるいは、その逆に、常に、厳密に均等に、線形に、変化し、及び／又は、
制限勾配が、前記変換器制御発電機ユニットの無効電力出力及び／又は有効電力出力における変化について、前記遷移期間について、事前規定され、その結果として、無効電力出力及び／又は有効電力出力が、それらの量に関して、最大でも前記制限勾配を超えないように迅速に変化する、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記周波数維持制御機能と、前記通常制御機能及び／又は前記周波数適合化制御機能とが、少なくともネットワークオペレータからの外部要求に応じて、選択され、
前記変換器制御発電機ユニットが、インタフェース、又はデータインタフェースを介して、１つ又は複数のそのような外部要求を受信できる、
請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記変換器制御発電機ユニット（１００）が、前記周波数維持制御機能を選択する際に、電流印加モードから電圧印加モードに切り替わり、あるいは、少なくとも、複数の変換器ユニット又はインバータユニットを使用している場合には、これらの変換器ユニット又はインバータユニットのうちの少なくとも１つを電圧印加モードに切り替える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記通常制御機能が選択されている時、前記周波数偏移が所定の範囲にある場合には、前記ネットワーク周波数のサポートを行わず、
前記周波数維持制御機能が選択されている時は、前記周波数偏移が前記所定の範囲にある場合でも、前記ネットワーク周波数のサポートが行われる、
請求項７又は８に記載の方法。
【請求項２１】
ネットワーク周波数を有する電力供給ネットワーク（１２０、３００）に、ネットワーク接続点（１１８）において、変換器制御発電機ユニットとして、電力を供給するために構成された風力エネルギシステム（１１２）、又はウインドタービン（１００）又はウインドファーム（１１２）であって、
制御機能に応じて電力を供給する供給ユニットであり、この電力が有効電力と無効電力とを含み得る、該供給ユニットと、
制御機能が実施され、制御機能としての通常制御機能と、この通常制御機能とは異なる少なくとも１つの周波数維持制御機能と、のいずれかを選択できるように構成された制御ユニットと、
を備えており、前記制御ユニットが、
前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）が通常状態で動作していることが確認された場合に、前記通常制御機能が選択されるように、そして、
定常周波数動作状態が存在する、あるいは、得られている場合に、前記周波数維持制御機能が選択されるように、
構成されており、定常周波数動作状態は、前記ネットワーク周波数が一定値に維持されるべき前記電力供給ネットワーク（１２０、３００）の動作状態を言い表している、前記風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２２】
前記周波数維持制御機能を実施するための電気エネルギを供給するエネルギ保存装置が設けられている、請求項２１に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２３】
制御機能の選択についての少なくとも１つの要求を受信するためにインタフェース、又はデータインタフェースが設けられている、請求項２１又は２２に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【請求項２４】
前記風力エネルギシステム（１１２）が、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法を実施するために、構成されている、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の風力エネルギシステム（１１２）。
【国際調査報告】
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