(57)【要約】  本発明は、インバータを使用して、特に風力発電設備により、ネットワーク接続点で三相電力供給ネットワークに電力を給電する方法であって、特にネットワーク接続点でのネットワーク電圧を検出するステップと、同期機の動作をエミュレートする機械モデルを使用して、仮想発電機電圧を特定するステップと、検出されたネットワーク電圧を仮想発電機電圧との比較用に準備するステップと、設定電流を、給電電流についての事前規定として、仮想発電機電圧の関数として、かつ、比較用に準備されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップと、設定電流に応じて給電電流を生成し、該生成された給電電流をネットワーク接続点で電力供給ネットワークに給電するステップと、を備える。検出されたネットワーク電圧を仮想発電機電圧との比較用に準備するステップは、検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することを含む。
2020515221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを使用して、特に風力発電設備により、ネットワーク接続点で三相電力供給ネットワークに電力を給電する方法であって、
・特に前記ネットワーク接続点でのネットワーク電圧を検出するステップと、
・同期機の動作をエミュレートする機械モデルを使用して、仮想発電機電圧を特定するステップと、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理するステップと、
・設定電流を、給電電流についての事前規定として、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、前記比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップと、
・前記設定電流に応じて前記給電電流を生成し、該生成された給電電流を前記ネットワーク接続点で前記電力供給ネットワークに給電するステップと、
を備えており、
前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理する前記ステップには、前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれている、前記方法。
【請求項２】
前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが、ｄ／ｑ変換である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空間ベクトル表現に変換された前記ネットワーク電圧が、濾波され、その次に逆変換され、その結果、前記設定電流が、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、逆変換済みの前記ネットワーク電圧の関数として、事前規定される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記機械モデルは、ステータとロータとを備えた仮想同期機を基本とし、前記発電機電圧を特定するために、
・前記ロータの仮想回転角（θ）、
・前記ロータの仮想回転速度（ω）、
・仮想励起電圧、
・仮想ステータ電流、
・前記ロータの仮想慣性モーメント（Ｊ）、
・前記ロータの仮想トルク（Ｔｅ）、及び、
・前記ロータの仮想摩擦（Ｄｐ）
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
・前記生成された給電電流が仮想ステータ電流として使用され、それに加えて、あるいは、その代わりに、
・前記仮想慣性モーメント（Ｊ）が設定可能である、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記仮想慣性モーメント（Ｊ）がネットワーク状態又はネットワーク特性の関数として設定される、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記設定電流を事前規定するために、仮想インピーダンスが考慮され、該仮想インピーダンスが、前記機械モデル又は前記仮想同期機の出力と前記ネットワーク接続点との間のインピーダンスとして、考慮され、かつ、該仮想インピーダンスの大きさが可変である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記仮想インピーダンスが、
・給電が前記電力供給ネットワークの通常の状態において行われるか、それとも、
・給電が前記電力供給ネットワークの中断又は故障の後に復旧モードにおいて行われるか、
に応じて選択され、
前記復旧モードにおいて、前記電力供給ネットワークが、通常の動作点に至るまで稼動させられる必要がある、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記機械モデルにおいて、
・仮想回転速度と基準回転速度との間に差回転速度が形成され、
・前記仮想回転速度の濾波済み値又は事前規定された周波数が前記基準回転速度として使用され、
・前記差回転速度が補助トルクに対する差回転速度利得を介して計算され、
・前記補助トルクが加算点を介して前記機械モデルの前記仮想慣性モーメントに作用することによって、前記仮想回転速度が前記基準回転速度に制御され、
・望ましくは、前記機械モデルを前記電力供給ネットワークと同期させる目的のために、前記差回転速度がゼロに設定される、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
・前記機械モデルを前記電力供給ネットワークと同期させる目的のために、
・設定電力がゼロの値を有しており、
・計算モデルが、
・内部仮想発電機電圧、及び／又は、
・新たな又は前記仮想トルク（Ｔｅ）
を計算するために使用され、
前記計算モデルが、計算用に、
・前記ロータの新たな又は前記仮想回転角（θ）、
・前記ロータの新たな又は前記仮想回転速度（ω）、
・新たな又は前記仮想励起電圧、及び、
・前記給電電流又は前記設定電流
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用し、
特に、前記電力供給ネットワークの周波数が検出されない、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
新たな又は前記仮想励起電圧が、少なくとも、
・事前規定された無効電力と、オプションとして、
・前記ネットワーク接続点における事前規定されたネットワーク電圧と、
の関数として、特定される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記機械モデルの電気的変数が、空間ベクトル表現で、特にｄ／ｑ変換に従って、計算される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記給電電流がトレランスバンド法によって生成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。  
【請求項１４】
アイランドネットワーク動作において、前記インバータがネットワーク周波数を事前規定する場合、
・前記仮想回転速度（ω）が、事前規定されたネットワーク周波数に依存しており、特に、その結果、前記機械モデル内で作用する新たな又は前記補助トルクが、仮想回転速度と事前規定されたネットワーク周波数との差の関数として制御され、及び／又は、
・前記仮想励起電圧が、前記電力供給ネットワークの事前規定された電圧と前記電力供給ネットワークの検出された電圧とに依存しており、特に、その結果、補助無効電力値が前記事前規定された電圧と前記検出された電圧との差の関数として制御され、前記仮想励起電圧が前記補助無効電力値に依存している、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
アイランドネットワーク動作において、
・前記補助トルクがＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・前記仮想回転速度が、特に、前記補助トルクと仮想電気トルクとの差としての差トルクの積分から、積分時定数（１／Ｊ）を介して、得られ、及び／又は、
・前記補助無効電力値がＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・前記仮想励起電圧が、特に、前記補助無効電力と検出された無効電力との差としての差無効電力の積分から、積分時定数（Ｇ）を介して、得られる、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ネットワーク接続点で三相電力供給ネットワークに電力を給電するための風力発電設備であって、
・給電電流を生成するためのインバータと、
・特に前記ネットワーク接続点におけるネットワーク電圧を検出する検出手段と、
・前記給電を制御する制御装置と、
を備えており、該制御装置が、
・同期機の動作をエミュレートする機械モデルを使用して、仮想発電機電圧を特定するステップと、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理するステップと、
・設定電流を、前記給電電流についての事前規定として、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、前記比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップと、
を備えた方法を実施するように構成されており、
・前記インバータが、前記設定電流に応じて前記給電電流を生成し、該生成された給電電流を前記ネットワーク接続点で前記電力供給ネットワークに給電するように構成されており、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理する前記ステップには、前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれている、前記風力発電設備。
【請求項１７】
前記風力発電設備、特に前記制御装置が、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、請求項１６に記載の風力発電設備。
【請求項１８】
複数の風力発電設備を備えたウインドファームであって、
・請求項１６又は１７に記載の風力発電設備が使用されており、及び／又は、
・ネットワーク接続点に接続されており、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されているファーム給電装置、特にファームインバータが設けられている、前記ウインドファーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力供給ネットワークに電力を給電する方法に関する。本発明は、更に、電力供給ネットワークに電力を給電する装置、特に風力発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備を使用して三相電力供給ネットワークに給電することが知られている。この場合、風力発電設備は、純粋に給電することに加えて、ネットワークサポートタスクも行うことができることも知られている。特に、ネットワーク電圧やネットワーク周波数のようなネットワーク状態に関して電力供給ネットワークをサポートするために、給電をサポートの目的に適合させることができる。
【０００３】
この場合、そのようなネットワーク状態を評価または考慮する際に、多くの場合、直接結合された同期発電機を備えた大規模な発電所がネットワークの動作を決定すると想定されている。風力発電設備、または他の分散型給電装置は、それに対応する動作を基本とし、それに応じて反応する。特に、コンバータを使用して給電を実行するシステム、特にフルコンバータまたはフルコンバータの概念を使用して給電を実行する風力発電設備は、非常に高いダイナミックレンジでネットワーク状態の変化に反応する可能性があることを考慮する必要がある。それらのダイナミックレンジは、実質的に自由に事前規定できる。特に、それらは、直接結合同期発電機の場合とは異なり、例えば特定の慣性動作のような物理的に要求されるダイナミックレンジを殆ど有していない。
【０００４】
コンバータによって完全に又は部分的に制御される分散型給電装置の優位性が高まるにつれて、直接結合同期発電機のダイナミックレンジのような物理的ダイナミックレンジは、従って、電力供給ネットワークにおける影響力と優位性を失いつつある。特に、それにより、ネットワークの安定化、あるいは、直接結合同期発電機の少なくとも慣性の定常化が抑制される可能性があり、他の何らかの方法で考慮する必要がある。１つの変形方法は、コンバータ制御の給電装置を使用して、同期発電機または同期発電機の動作をエミュレートすることである。この目的のために、同期発電機の物理的モデルを給電用コンバータの制御器内に格納して、そのコンバータを、それが実質的に同期発電機のように動作するように、制御できる。
【０００５】
しかしながら、これには、先ず、そのような同期発電機モデルが、複雑であるため、プログラミングやパラメータ化の際に取り扱うのが難しい場合があるという欠点があり得る。更に、過度に複雑なエミュレーションは、過度に遅い制御につながる可能性があり、あるいは、十分に迅速な制御を保証できるようにするためには、高価な制御ハードウェアが必要になる場合もある。また、不所望の信号遅延が、フィルタリングの結果として、生じることもある。
【０００６】
更なる要因は、同期発電機のエミュレーションの結果として、上述の安定化や高慣性モーメントの定常化のような所望の効果が達成されるだけではなく、同期発電機の恐らく不所望の他の動作も生じ得ることである。同期発電機の同期外れの潜在的なリスクに加えて、この場合、最適ではない電流、特に最適ではない正弦波の電流も生じる可能性があることも言える。この電流は、使用される同期発電機モデルの不十分さの結果でもあり得る。
【０００７】
コンバータ制御の給電装置が、一部の電気ネットワークにおいて、より高い地位を築く結果として、そのような給電装置は、将来、自力起動または少なくともネットワーク復旧の分野でのタスクを請け負う必要が生じる可能性もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】P. C. Krause, O. Wasynczuk and S. D. Sudhoff, “Analysis of Electric Machinery and Drive Systems”, 2nd Edition, New York, 2002, John Wiley & Sons.
【発明の概要】
【０００９】
従って、本発明は、上述の問題の少なくとも１つに対処するという目的に基づいている。特に、本発明は、コンバータ制御の発電機による給電が、直接結合同期発電機を備えた従来の大規模発電所の割合が小さい電力供給ネットワークに、可能な限り良好に、適合化されるような働きをする解決策を提案することである。特に、可能な限り最高の品質及び／又は可能な限り最良の制御安定性を備えた給電を、そのようなネットワーク又はアイランドネットワーク（island network）について、提案することを意図している。少なくとも、既知の解決策に代わる解決策を提案することを意図している。
【００１０】
本発明に従って、請求項１に記載の方法を提案する。この方法は、このプロセスにおいてインバータ又はコンバータを使用して、風力発電設備により、ネットワーク接続点で三相電力供給ネットワークに電力を給電することに関する。基本的に、このプロセスにおいてインバータ又はコンバータが使用される限り、他の一部の分散型発電機の使用も考慮する。インバータに関するあらゆる記載と説明は、ここでは、コンバータにも同様に適用でき、逆も同様である。
【００１１】
この目的のために、先ず、ネットワーク接続点におけるネットワーク電圧を検出することを提案する。ネットワーク接続点におけるネットワーク電圧を検出することは、特に有益であり、その理由は、給電もそこで行うことを意図しており、従って、そこでのネットワーク電圧を考慮すべきであるからである。しかしながら、基本的には、それに対応する代表的な電圧が検出できれば、電力供給ネットワーク内の別の場所で、あるいは、ネットワーク接続点の上流のどこかで、即ち、給電する風力発電設備とネットワーク接続点との間のどこかで、その測定を実施することも考えられる。
【００１２】
次に、機械モデルを使用して仮想発電機電圧を特定する。機械モデルは、同期機の動作をエミュレートする。従って、このようにして特定される仮想発電機電圧は、動作が機械モデルによってエミュレートされる発電機の電圧に対応する電圧である。
【００１３】
更に、検出されたネットワーク電圧を仮想発電機電圧との比較用に前処理する。これは、特に、特定された仮想発電機電圧が、最初は実質的に計算用の変数であり、実際に測定された検出済みネットワーク電圧と比較できることを意味している。
【００１４】
更に、設定電流を、給電電流についての事前規定として、仮想発電機電圧の関数として、かつ、比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定する。これは、特に、これらの２つの電圧相互間の偏差が、それに対応する設定電流をもたらすこと、例えば、この電圧偏差が大きいと、設定電流が大きくなることを意味することがある。
【００１５】
このようにして事前規定された設定電流に従って、給電電流が生成されてネットワーク接続点で電力供給ネットワークに給電される。従って、仮想発電機電圧とネットワーク接続点における測定済み電圧との比較によって、それに依存する設定電流が導かれ、従って、それに対応して設定された給電電流も導かれる。
【００１６】
次に、検出されたネットワーク電圧を仮想発電機電圧との比較用に前処理することには、検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれていることを提案する。従って、この検出されたネットワーク電圧、即ち、三相電力供給ネットワークの電圧が、従って、特にこのようにして検出された三相ネットワーク電圧が、空間ベクトル表現に変換される。測定済みネットワーク電圧を空間ベクトル表現で前処理することによって、特に、正弦波の基本信号を考慮することが促進されることが確認されている。仮想発電機電圧は、同様に計算の結果であるため、同様に、歪みが少なくノイズの少ない正弦波であると想定すべきである。
【００１７】
この検出済みネットワーク電圧の空間ベクトル表現への変換は、ｄ／ｑ変換であることが望ましく、これは、ｑｄ変換又はパーク変換（Park transformation）とも呼ぶことができる。このようなｄ／ｑ変換は、三相系を前提とし、これを、軸ｄとｑ又は値ｄとｑを有する２軸回転座標系に変換する。理想的には、値ｄとｑは、座標系と一緒に回転するので、一定である。この変換は、たとえ、時間の経過に伴う変化の結果として、正弦波変数から逸脱する変数も考慮に入れることができる場合でも、基本的に、正弦波変数を有する系を前提としている。従って、そのような正弦波変数を基本とし、その結果、ｄ／ｑ変換又は空間ベクトル表現の計算は非線形フィルタ関数も備えていてもよく、この非線形フィルタ関数は、正弦波信号から逸脱する外乱又はその他の偏差を、特定の直線に対して、濾波して除去できる、あるいは、最終的に生成されるべき設定電流からそれらを排除できる。
【００１８】
特に、検出されたネットワーク電圧と仮想発電機電圧との比較については、このような正弦波電圧を使用することが有益である。
【００１９】
一実施形態に従って、空間ベクトル表現に変換されたネットワーク電圧が、濾波され、その次に逆変換され、その結果、設定電流が、仮想発電機電圧の関数として、かつ、逆変換済みのネットワーク電圧の関数として、事前規定されることを提案する。従って、検出されたネットワーク電圧の濾波は空間ベクトル表現で行われる。これにより、正弦波基本信号の歪み又は遅延が防止される。特に、濾波済み正弦波信号が逆変換後に得られ、この信号についても、基礎となる変換仕様又は逆変換仕様のために、正弦波が想定される。
【００２０】
空間ベクトル表現においては、単純な濾波、特にＰＴ１要素を使用した濾波を実現でき、この濾波によって、逆変換済み正弦波信号に有益なフィルタ効果がもたらされることが確認されている。特に、同じフィルタ結果が得られる時間領域における濾波には、非常に複雑なフィルタが必要である。しかしながら、そのような複雑なフィルタは、パラメータ化が複雑であり、あまり堅牢ではない。このような複雑なフィルタの場合には、濾波して除去すべき外乱の種類が変わると、フィルタの品質が低下する、あるいは、その有効性が疑われることさえあり得る。これとは対照的に、ここに提案する空間ベクトル表現での濾波は、堅牢であり、実質的に、濾波すべき基本信号が正弦波であることに慎重に適合化されている。特に、空間ベクトル表現の値ｄ及びｑが理想的に一定であることが重要である。簡単に言えば、フィルタは、このように、実質的に一定の値に濾波できる。非線形入力変数又は非線形プロファイルを有する入力変数にもかかわらず、単純な線形フィルタを使用できる。
【００２１】
従って、可能な限り外乱がなく且つ可能な限り遅延のない、検出済みネットワーク電圧の正弦波波形が達成され、上述の電圧を同様に正弦波である仮想発電機電圧と容易に比較できる。従って、この逆変換されたネットワーク電圧と仮想発電機電圧との関数として、設定電流の事前規定を高品質で実施できる。
【００２２】
この機械モデルは、ステータとロータとを有する仮想同期機を基本とし、このステータとロータは、従って、特に述べていないが、同じく仮想である。発電機電圧を特定するために、この機械モデルは、
・ロータの仮想回転角θ、
・ロータの仮想回転速度ω、
・仮想励起電圧、
・仮想ステータ電流、
・ロータの仮想慣性モーメントＪ、
・ロータの仮想トルクＴｅ、及び、
・ロータの仮想摩擦Ｄｐ
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用する。
【００２３】
説明を簡単にするために、これらの仮想変数及び他の仮想変数は、以下、「仮想」を付けることなく言及する場合もあり、その理由は、これらが仮想発電機に関する限り、これら自体も仮想であるからである。ロータ、即ち仮想ロータの仮想回転角（θ）を介して、その位置が付随的に記録され、これは発電機電圧の位相角に影響を及ぼす。
【００２４】
ロータの仮想回転速度（ω）を考慮することにより、発電機電圧の周波数を考慮して、これに影響を及ぼすことができる。
【００２５】
仮想励起電圧を用いて、特に、発電機電圧の振幅に影響を及ぼし、これを考慮することができる。
【００２６】
仮想ステータ電流を用いて、特に、接続インピーダンスに関する仮想同期機の動作も考慮できる。
【００２７】
ロータの仮想慣性モーメント（Ｊ）を介して、特に、仮想同期機のダイナミックレンジにも影響を及ぼすことができる。
【００２８】
ロータの仮想トルク（Ｔｅ）を介して、仮想同期機のダイナミックな動作を同様に考慮して、これに影響を及ぼすことができる。
【００２９】
ロータの仮想摩擦は、特に、周波数依存電力制御の利得として実現できる。この電力制御は、機械モデルの一部であることが望ましく、機械モデルの回転周波数と基準周波数との偏差を考慮する。この基準周波数は、測定されたネットワーク周波数又は事前規定された周波数とすることができる。これによって、機械モデルにおける仮想同期機の周波数依存動作を考慮できる。
【００３０】
生成された給電電流は、仮想ステータ電流として使用されることが望ましい。その結果として、特に、仮想同期機と実際の給電との関係が設定される。生成されてから実際に給電される給電電流は、インバータ出力又はコンバータ出力の相互接続（interconnection）の状態にも、特に電力供給ネットワーク内における状態にも依存するので、これらの影響は、給電電流を介して考慮することができ、従って、この給電電流は、仮想同期機内において、即ち、機械モデル内において仮想ステータ電流を形成する。
【００３１】
仮想慣性モーメントが設定可能であることを提案する。その結果、特に、仮想同期機のダイナミックレンジに影響を及ぼすことができる。特定の状況又は要件に応じて、より大きな、又は、より小さな仮想慣性モーメントを選択できる。特に、仮想同期機又は機械モデルを電力供給ネットワークと高速で同期させることについては、給電がまだ行われておらず、寧ろ最初に前処理されている場合、小さな仮想慣性モーメントが適切なことがある。特に、電力供給ネットワークに給電している場合、電力供給ネットワークのサポートと安定化のために、より高い仮想慣性モーメントが適切なことがある。特に、電力供給ネットワークがアイランドネットワークであり、インバータによって安定化される必要がある場合に、あるいは、この場合のインバータがネットワーク形成要素として動作することさえも意図されているならば、特に高い慣性モーメントが、望ましい設定として考慮される。しかしながら、アイランドネットワークではない電力供給ネットワークにおいてさえも、様々なネットワーク状況が生じる可能性があり、それに対しては、それに対応して適合化された仮想慣性モーメントを使用して対処できる。また、このような電力供給ネットワークのネットワークオペレーターが給電のダイナミックレンジに関して条件を設定するということも考慮されるが、それに対しては、それに対応して設定された仮想慣性モーメントを使用して対処できる。
【００３２】
仮想慣性モーメントは、ネットワーク状態又はネットワーク特性の関数として設定されることが望ましい。ネットワーク状態は、例えば、過周波数又は不足周波数、あるいは、周波数の実際の現在値である。更なる例を挙げると、現在のネットワーク電圧もネットワーク状態であり、これにも過電圧又は不足電圧が含まれる。ネットワーク特性としては、例として、ネットワーク感度を考慮することができ、このネットワーク感度は、検討されるネットワーク接続点での給電電力の変化に対する、検討されるネットワーク接続点での電圧変化の比として規定できる。この点で、ネットワーク感度は、ネットワーク接続点に関連する電力供給ネットワークの特性でもある。これは、ネットワークが変化に対してどの程度敏感に反応するかを規定してもよい。特に、ネットワーク感度が高い場合、安定化の目的のために、それに対応して高い仮想慣性モーメントを選択することが有益であることがある。
【００３３】
一構成に従って、設定電流を事前規定するために、仮想ネットワークインピーダンスが考慮され、この仮想ネットワークインピーダンスが、機械モデル又は仮想同期機の出力とネットワーク接続点との間のインピーダンスとして、考慮されることを提案する。そのために、この仮想インピーダンスの大きさが可変であることを提案する。従って、仮想同期機は、仮想インピーダンスと相互接続され、その結果、この仮想インピーダンスは、特に、発電機電圧の関数として電流にも影響を及ぼす。
【００３４】
この仮想インピーダンスを介して電力供給ネットワークの種々の特性を考慮できる。これによって、仮想同期機の動作を簡単な態様で変更して、それによって、電力供給ネットワークの変更された特性を考慮できる。その結果、専用の対処が不要になる場合がある。
【００３５】
仮想インピーダンスは、給電が電力供給ネットワークの通常の状態において行われるか、それとも、給電が電力供給ネットワークの中断又は故障の後に復旧モードにおいて行われるか、に応じて選択されることが望ましく、この復旧モードにおいて、電力供給ネットワークは、通常の動作点に至るまで稼動させられる必要がある。ネットワークの復旧モードについては、特に、選択されるべき仮想インピーダンスが電力供給ネットワークの通常状態における場合よりも大きくなるように規定することによって、通常動作点に至るまでの稼働を容易にすることができる。特に、通常の動作点に至るまでの稼働中において、発電機電圧を徐々に増加させ、同時に、仮想インピーダンスを適合化して、その結果、上述のネットワーク復旧モードにおいて、大量の電力の給電がまだ意図されていない限り、低電流を流すことができる。
【００３６】
従って、ネットワークの復旧又は自力起動が簡単に実現できる。その結果、特に、自力起動の場合、電圧を生成してそれを維持する一方で、わずかな電力しか給電しないことが、最初、最も重要であるという要件を達成することができる。同時に、通常モードも、同じ構成で同様に実現できる。仮想インピーダンスを適合化することによって、給電装置を通常モードでの給電に適合化することができる。
【００３７】
一実施形態に従って、機械モデルにおいて、
・仮想回転速度と基準回転速度との間に差回転速度が形成され、
・仮想回転速度の濾波済み値又は事前規定された周波数が基準回転速度として使用され、
・差回転速度が補助トルクに対する差回転速度利得を介して計算され、
・補助トルクが加算点を介して機械モデルの仮想慣性モーメントに作用することによって、仮想回転速度が基準回転速度に制御され、
・望ましくは、機械モデルを電力供給ネットワークと同期させる目的のために、差回転速度がゼロに設定されることを提案する。
【００３８】
従って、上述の差回転速度を考慮してフィードバックすることにより、仮想回転速度を基準回転速度に修正することが可能になり、ここでは、偏差がゼロである定常状態の精度を絶対に達成する必要はない。特に、差回転速度利得を介するこの差回転速度のフィードバックは、いわゆるドループ制御（droop control）と呼ぶことができる。これは、より高い電力が呼び起された場合に最初は遅くなる同期機の動作を考慮している。特に、より大きい出力電流、即ちここでは給電電流によっても識別されるこのようなより高い電力の出力の結果として、同期発電機のトルクが増加し、それに応じて同期発電機の仮想トルクが増加する。この場合、同期発電機の上述の仮想トルクは、補助トルクも供給される、即ち、加えられる同じ加算点に供給される。
【００３９】
差回転速度利得は正の係数であり、補助トルクが加算点で差し引かれることが望ましい。仮想同期機の回転が遅くなり、即ち、仮想回転速度が低下し、その一方で基準回転速度が一定のままか、あるいは、より低い速度に変化した場合、差回転速度は負になり、補助トルクも負になり、この負の補助トルクを加算点において差し引くと、その結果、加算点での合計トルクが、補助トルクの絶対値によって、増加することになる。従って、この代表的な例の場合については、仮想同期機は、加速されるか、あるいは、増加した仮想発電機トルクを抑制する。
【００４０】
しかしながら、機械モデルを電力供給ネットワークと同期させる目的のために、このドループ制御を停止することを提案する。これは、差回転速度を直接０に設定することによって実施できる。しかしながら、これは、差回転速度が２つの同じ回転速度相互間の差として形成され、その結果として差回転速度が０になることによっても間接的に実施できる。この目的のために、仮想回転速度を濾波するフィルタを１に設定できる。
【００４１】
特に、基準回転速度が濾波済み仮想回転速度である変形例を考慮する。従って、濾波済み仮想回転速度が仮想回転速度から減算される。従って、合計利得が１であるがダイナミックレンジを有するフィルタ関数の場合では、この差回転速度は、徐々に、定常状態の回転速度の場合における０になる。
【００４２】
同期化についての全ての事象において、差回転速度を、従って補助トルクを０に設定し、そして、ドループ制御を停止して、その結果として、このような回転速度制御が抑制されることを提案する。特に、同期化の際に、電流が全く流れない、あるいは、測定可能な電流が流れないならば、即ち、特に設定電力も０であるならば、仮想同期機は、従って、実質的に開回路状態になり、この場合、この状態は、実際、上述のドループ制御によって邪魔されることはない。その結果、一種の開回路状況において、仮想同期機を、給電が最終的に行われることを意図している電力供給ネットワークと同期して稼働する状態にする、あるいは、この状態に保持することができる。この場合が実現され、且つ、電力供給ネットワークの電圧と周波数も変化しないならば、仮想同期機は、基本的に、安定した開回路のような動作状態になる。
【００４３】
望ましくは、
・機械モデルを電力供給ネットワークと同期させる目的のために、
・設定電力がゼロの値を有しており、
・計算モデルが、
・内部仮想発電機電圧、及び／又は、
・仮想トルクＴｅ
を計算するために使用され、
この計算モデルが、計算用に、
・ロータの仮想回転角θ、
・ロータの仮想回転速度ω、
・仮想励起電圧、及び、
・給電電流又は設定電流
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用し、
特に、電力供給ネットワークの周波数が検出されないことを提案する。
【００４４】
従って、この場合、機械モデルを電力供給ネットワークと同期させる目的のために、最初に設定電力が０の値に設定される。この設定電力は、対応する変換係数を介して、機械モデル内の駆動トルクとして仮想慣性モーメントに作用する。この電力が０に設定されていることにより、仮想機の駆動トルクも同様に０に設定される。従って、仮想同期機は駆動されない。次に、内部仮想発電機電圧と仮想トルクが、計算モデルを使用して計算される。基本的に、これらの変数の１つだけを計算することも考慮されるが、これらの上述の変数の全てを計算することが有益である。この場合、計算モデルは、想定される仮想同期機に従ってパラメータ化された同期機の機械方程式を使用することが望ましい。
【００４５】
この目的のために、計算モデルは、入力変数として、特に、ロータの仮想回転角、ロータの仮想回転速度、仮想励起電圧及び給電電流を取得する。これらは、上述の変数を計算するために、機械方程式内で必要である。しかしながら、基本的には、単純化されたモデルを使用して計算を単純化することも理論的に適切である。仮想回転速度は仮想回転角から計算することもできるので、必ずしも両方の変数を計算モデルに入れる必要はない。
【００４６】
給電電流として、事前規定された設定電流に従って生成された実際に生成された電流を使用することが可能である。更に、ここでの説明及び後の説明についても、設定電流及び給電電流と、それらに対応して生じる電流とは、各々の場合において、三相電流を意味していると理解されたい。この点について、給電電流又は設定電流は、各々の場合において、３つの個別の電流を形成している、即ち、各々がそれぞれ１つの相を有する３つの個別の電流を形成している。
【００４７】
いずれの場合においても、同期化の過程で低い給電電流を生成することもでき、この電流は、ネットワーク接続点の上流にまだ存在する比較的小さな負荷に流れることができる。特に、複数の風力発電設備を有するウインドファームの場合では、対応するファームネットワーク内で小さな負荷を使用できる。これは、例えば、ラインインダクタンス又は風力発電設備の変成器であることもある。インダクタも該当する。更に、仮想インピーダンスをこれらの小さな負荷の対応する値又は動作に設定できる。
【００４８】
その代わりに、まだ電流が全く流れていない場合には、事前規定された設定電流が実際の電流として計算モデルに入ることができる。
【００４９】
一実施形態に従って、仮想励起電圧が、少なくとも、
・事前規定された無効電力と、オプションとして、
・ネットワーク接続点における事前規定されたネットワーク電圧と、
の関数として、特定されることを提案する。
【００５０】
事前規定された無効電力を特に測定済み無効電力と比較し、特にその結果得られた無効電力偏差を使用することによって、仮想励起電圧を特定できる。特に、この無効電力の差、即ち、無効電力偏差は、無効電力利得を介して得られ、積分されて、仮想励起電圧が形成される。従って、この無効電力利得は、無効電力制御用の積分器の利得係数である。
【００５１】
オプションとして、ネットワーク接続点における事前規定されたネットワーク電圧が特定され、この電圧は、付随的に仮想励起電圧に影響を及ぼす。この目的のために、特に、この検出されたネットワーク電圧と事前規定された電圧との差が形成される。この電圧差は、電圧利得によって無効電力値を形成でき、事前規定済み無効電力と測定済み無効電力との上述の差のように仮想励起電圧に同様に影響を及ぼすことができる。具体的には、この目的のために、これらの無効電力の合計を積分して仮想励起電圧を形成することができ、ここで、積分器は、上述の無効電力利得を積分定数として有する。
【００５２】
望ましくは、機械モデルの電気的変数が、空間ベクトル表現で、特にｄ／ｑ変換に従って、計算されることを提案する。これは、特に、三相ステータ電流と三相ステータ電圧に関係する。これらによって、仮想同期機を効率的に計算できる。これによって、特に、対称的な三相系を計算し、特に保証することも容易に可能である。
【００５３】
一構成に従って、給電電流がトレランスバンド法（tolerance band method）によって生成されることを提案する。従って、特に、これは、トレランスバンド法に従って制御される。この場合、トレランスバンド法は、基本的に、生成されるべき電流の所望の信号波形の周囲に、即ち、特に、生成されるべき電流の正弦波信号波形の周囲にトレランスバンドが配置されるように実施される。それぞれ生成された電流は、測定され、次に、その測定値に応じて、対応する切り替え位置を介して制御され、即ち、電流がトレランスバンドの上限に達すると低減され、電流がトレランスバンドの下限に達すると増大される。基本的に、正弦波電流を給電する、あるいは、生成するためにトレランスバンド法を使用することは周知である。しかしながら、ここでは、トレランスバンド法の使用にもかかわらず電圧の成形を実現できる方法を提案する。これは、特に、仮想インピーダンスを使用して可能であり、この仮想インピーダンスによって、電流が事前規定されているにもかかわらず、最終的に目標とする態様で出力電圧が得られるのみならず、事前規定もできる。特に、この電圧は、ネットワークの復旧の場合に、あるいは、自力起動の場合でさえも、目標とする誘導的な態様で、増大できる。
【００５４】
特に、アイランドネットワーク動作も可能であり、特に、アイランド動作において、インバータがネットワーク周波数を事前規定する場合、
・仮想回転速度ωが、事前規定されたネットワーク周波数に依存しており、特に、その結果、機械モデル内で作用する新たな又は前述の補助トルクが、仮想回転速度と事前規定されたネットワーク周波数との差の関数として制御され、及び／又は、
・仮想励起電圧が、電力供給ネットワークの事前規定された電圧と電力供給ネットワークの検出された電圧とに依存しており、特に、その結果、補助無効電力値が事前規定された電圧と検出された電圧との差の関数として制御され、仮想励起電圧が前述の補助無効電力値に依存していることを提案する。
【００５５】
従って、少なくともこの実施形態に従う、ここに提案する方法は、特にアイランド動作、即ち、アイランドネットワーク動作に適している。アイランドネットワーク動作とは、ここでは、風力発電設備が、あるいは、他のインバータ制御又はコンバータ制御の給電装置が、特に周波数と電圧に関して、ネットワークを実質的に支配するような優位性を有する閉鎖型電力供給ネットワークに関係するような動作であると考えられる。この目的のために、仮想回転速度は、事前規定されたネットワーク周波数に依存することを提案する。従って、ここでは、ネットワーク周波数は、特に固定基準周波数として事前規定されている。補助トルクは、仮想回転速度、即ち、機械モデル内における回転速度と事前規定されたネットワーク周波数との差の関数として特定することができ、これによって、この補助トルクは、この点に関して、閉ループ又は開ループの制御によって制御される、あるいは、設定される。この補助トルクは、モデル内の仮想電気トルクを抑制する。補助トルクと仮想電気トルクとの差は、別のトルクを考慮した後に適切である場合、対応する積分時定数を有する積分によって、それから得られる仮想回転速度に作用する。次に、この仮想回転速度は、計算モデルについての入力変数となり、それによって、発電機電圧の周波数を事前規定し、従って、最終的に基準電流の周波数も事前規定できる。従って、この方法を使用すると、特に、仮想同期機を使用して固定周波数を実施でき、その結果、電気アイランドネットワークが、それによって、周波数に関して管理される。
【００５６】
補助トルクの制御は、仮想回転速度を、定常状態の精度で、事前規定済みネットワーク周波数、即ち、これに対応する回転速度に修正するために、ＰＩ制御器を使用することが望ましい。
【００５７】
これに加えて、あるいは、その代わりとして、ここでは、仮想励起電圧が、電力供給ネットワークの事前規定済み電圧と電力供給ネットワークの検出済み電圧とに依存することを提案する。この提案の結果として、特に、補助無効電力値が、この事前規定済み電圧とこの検出済み電圧との差の関数として把握される。適切であれば、検出された無効電力値が、それから差し引かれる。このようにして得られたこの無効電力値を、既に説明したように、特に無効電力利得によって、積分して、仮想励起電圧を形成できる。
【００５８】
この電圧を考慮することによって、電圧制御を行うことができ、これは、ドループ電圧制御（droop voltage control）とも呼ぶことができる。この電圧制御は、起動又は停止できることが望ましい。事前規定済み電圧と検出済み電圧とのオプションの使用が考慮される、即ち、起動されることにより、上述の電圧制御が上述の如く起動される。従って、仮想同期機は、電圧制御によって、特にネットワーク接続点における電力供給ネットワークの電圧変化に反応できるように制御される。その結果、これは、電圧を安定化する又は電圧を補償するように動作できる。この変形実施形態は、特にアイランドネットワーク動作について提案しているが、その理由は、その結果として、電圧制御、従って電圧管理が実現できるからである。この制御は、励起電圧を介して、その効果を発揮する。その結果、アイランドネットワークにおいて、この方法は、周波数のみならず、電圧も、即ち、電圧の振幅も事前規定又は管理できる。
【００５９】
従って、アイランドネットワーク動作について、特に、
・補助トルクがＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・仮想回転速度が、特に、補助トルクと仮想電気トルクとの差としての差トルクの積分から、積分時定数を介して、得られ、及び／又は、
・補助無効電力値がＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・仮想励起電圧が、特に、補助無効電力と検出された無効電力との差としての差無効電力の積分から、積分時定数を介して、得られることを提案する。
【００６０】
従って、制御された補助トルクと仮想トルクとの差から得られるトルクが、機械モデルに作用する。これは、機械モデル内で積分され、即ち、仮想慣性モーメントの逆数を積分時定数として用いて、積分され、従って仮想回転速度を特定する。別のトルクが追加されない限り、この積分により仮想回転速度が得られる。この手段により、仮想同期機の回転速度は、開ループ又は閉ループの制御によって制御される。
【００６１】
無効電力を介して、出力電圧は、閉ループ又は開ループの制御によって制御される。この目的のために、制御偏差としての、基準値又は設定値に対する電圧偏差は、ＰＩ制御を介して無効電力値に変換され、従って、仮想励起電圧を介して、この電圧は、仮想同期機によって制御される。
【００６２】
本発明に従って、風力発電設備も提案するが、この風力発電設備は、ネットワーク接続点で三相電力供給ネットワークに電力を給電するように構成されている。この目的のために、上述の風力発電設備は、給電電流を生成する少なくとも１つのインバータを備えている。従って、このインバータは、例えばトレランスバンド法を介して、そのような給電電流を生成する。更に、ネットワーク電圧を検出する検出手段が設けられており、このネットワーク電圧は、特にネットワーク接続点で検出される。従って、この検出手段は、測定機器又は測定センサとして実施されて、ネットワーク接続点における電圧を測定できる。しかしながら、実際のセンサが、この風力発電設備の一部を形成しない独立した要素として存在する場合もある。この風力発電設備は、検出されたネットワーク電圧を受信できるインターフェースを備えており、従って、このインターフェースは、ネットワーク電圧を検出する検出手段として機能できる。
【００６３】
更に、給電を制御する制御装置が設けられている。この制御装置は、特にインバータを駆動する。この目的のために、インバータ内に特定のマイクロプロセッサを設けることができ、これは、インバータ内で切り替え動作を実施し、制御装置によって駆動され、特に給電電流についての設定値を取得する。しかしながら、制御装置が、インバータに直接作用することもできる。
【００６４】
いずれにしても、制御装置は、機械モデルを使用して仮想発電機電圧を特定する方法を実施する前処理ができており、機械モデルは同期機の動作をエミュレートすることを提案する。従って、少なくとも上述の機械モデルは、制御装置内で実施される。この目的のために、制御装置は、対応するマイクロプロセッサ又は他のコンピュータ装置を備えることができる。
【００６５】
更に、この実施される方法は、仮想発電機電圧との比較用の検出済みネットワーク電圧を比較するステップを備えている。この目的のために、特に、ネットワーク電圧は、可能な限りネットワーク電圧の基本波のみが仮想発電機電圧と比較されるように、濾波される。これは、仮想発電機電圧が、制御装置内で、特に機械モデルを使用して生成されるので、測定外乱が全く無い、あるいは、感知できるほどの測定外乱が無いという概念に基づいている。この比較には測定外乱における違いを識別することは含まれていないので、検出済みネットワーク電圧は、できる限り、測定外乱が無いように、あるいは、測定外乱が有るとしても、それが可能な限り最少又は最弱であるように、前処理されるべきである。
【００６６】
更に、この実施される方法は、設定電流を、給電電流についての事前規定として、仮想発電機電圧の関数として、かつ、比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップを備えている。従って、設定電流は、このように、仮想発電機電圧の関数として、かつ、ネットワーク電圧の関数として事前規定される。
【００６７】
更に、インバータは、設定電流に応じて給電電流を生成し、該生成された給電電流をネットワーク接続点で電力供給ネットワークに給電するように構成されている。特に、インバータの出力における対応する相互接続も、この目的について有益である。これには、対応するインダクタが含まれていることがある。更に、この目的のために、インバータは、適切な場合、少なくとも１つの別の変成器を介して、ネットワーク接続点に接続されている。
【００６８】
更に、検出されたネットワーク電圧を仮想発電機電圧との比較用に前処理することには、この検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれていることを提案する。従って、制御装置は、そのような変換を実施するようにも構成されている。この目的のために、対応する変換アルゴリズムを制御装置内で実施できる。更に、制御装置は、対応する計算機能、即ち、特に、対応するマイクロプロセッサ又は他のコンピュータ装置を備えている。
【００６９】
このような風力発電設備、特に制御装置は、上述の少なくとも１つの実施形態に従って電力を電力供給ネットワークに給電する方法を実施するように構成されている。この目的のために、各々の場合において説明したステップを制御装置内で実施することを提案する。
【００７０】
本発明に従ってウインドファームも提案するが、このウインドファームは複数の風力発電設備を備えており、これらの風力発電設備は、上述の少なくとも１つの実施形態に従って実施される。それに加えて、あるいは、その代わりに、このウインドファームには、ネットワーク接続点に接続されており、上述の実施形態に従う方法を実施するように構成されているファーム給電装置が備えられていることを提案する。特に、この目的のために、ファームインバータを提案する。このようなファーム給電装置又はファームインバータは、特に直流ネットワークを有するウインドファームの場合には、電力をウインドファームの風力発電設備全体から電力供給ネットワークに給電することができる。適切であれば、これは、高電圧によっても行うことができる。特に、ここでは、この給電用に中央ファームインバータを提案する。このような中央ファームインバータも、ここに提案するエミュレートされた同期機に基づいて動作し、ここに提案する全ての方法又はその１つを適用できる。
【００７１】
以下、添付図面を参照して、本発明を例により更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】風力発電設備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】２つの交流電圧源相互間の電力伝送についての等価回路図を示す図である。
【図４】ネットワーク動作についての一実施形態に従う給電方法の概略的構造図を示す図である。
【図５】アイランドネットワーク動作の場合における一実施形態に従う方法の構造図を示す図である。
【図６】一実施形態に従う仮想インピーダンスの適合化を例示するための構造図を示す図である。
【図７】一実施形態に従って提案された電圧濾波プロセスを例示するための構造図を示す図である。
【図８】フィルタ効果を明らかにするための電圧プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
図１は、タワー１０２とナセル１０４とを備えた風力発電設備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。ロータ１０６は、動作時に、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。
【００７４】
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つの風力発電設備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つの風力発電設備１００は、基本的に、ウインドファーム１１２の任意の数の風力発電設備を表している。風力発電設備１００は、電力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。この場合、個々の風力発電設備１００のそれぞれ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、電力供給ネットワーク１２０内に、一般にＰＣＣとも呼ばれる給電点１１８において、給電するために、ファーム内の電圧を昇圧する。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、その他の代表的な実施形態を１つだけ挙げるとすれば、例えば、各々の風力発電設備１００の出力にも変成器が在るようにして、ファームネットワーク１１４を異なる構成にしてもよい。
【００７５】
この提案する方法は、同期機の運動方程式に基づいたアイランドネットワーク及びネットワークの動作中のフルコンバータの電流制御方法である。従って、本発明は、フルコンバータの電流制御方法に関し、その基本的な制御は、同期機の運動方程式に基づいている。この制御によって、ネットワーク状態の変化、特にネットワーク周波数とネットワーク電圧の変化の場合に、可能な限り自由に設定可能な仕方で、とりわけ同期機の慣性モーメントをエミュレートすることが可能になる。この特性は、フルコンバータの直流リンク回路に蓄えられるエネルギにも依存する。リンク回路の電圧制御の目的で一次エネルギ源を用いてリンク回路に供給されるエネルギも考慮される。このエネルギは、直流リンク回路において同様に利用可能になる。
【００７６】
以下、本方法も、いくつかの例に基づいて、例として更に詳細に説明する。
【００７７】
ＡＣシステムでは、電圧ＶとＥを有する２つのノード間で転送される有効電力と無効電力は、次の式によって特定される。
【００７８】
【数１】
2020515221.tif 000003
【００７９】
【数２】
2020515221.tif 000004
【００８０】
ここで、Ｘは２つのノード間のラインリアクタンス、δは２つの電圧間の位相シフトである。これは、図３の等価回路図に例示されている。
【００８１】
Ｅがネットワークにおける電圧Ｖに接続されるフルコンバータの出力電圧であると仮定すると、式（１）及び（２）は、転送される有効電力と無効電力がコンバータの出力電圧の振幅と位相角とによって影響され得ることを明らかにしている。
【００８２】
この制御は、外側と内側の制御ループで構成されている。外側の制御ループにおいて、仮想同期機のロータ電圧の振幅と角度は、ネットワークに供給されるフルコンバータの有効電力と無効電力が、事前に規定された設定値に修正されるように、ダイナミックに変更される。有効電力の制御は同期機の運動方程式に基づいており、無効電力又は電圧の制御はＰ制御器又はＰＩ制御器に基づいている。
【００８３】
【数３】
2020515221.tif 000005
【００８４】
式（３）は、同期機の運動方程式を表しており、ここで、ＴｍとＴｅは、それぞれ、機械トルク（mechanical torque）と電磁トルク（electromagnetic torque）を表し、ωγはロータ速度を表し、ＫＤは減衰係数（damping factor）を表し、Ｊは同期機の慣性を表している。
【００８５】
Ｔｍは、後でも図４に関して説明するように、有効電力の設定値によって特定され、ＫｄとＪは、設定可能なパラメータである。この変数ＫＤは、利得ＤＰとも呼ぶことができる。
【００８６】
仮想同期機の電気的変数は、ロータ座標系についてｄ／ｑ成分に変換され、Ｔｅの計算に使用される。このｄ／ｑ変換は、ｑｄ変換、あるいは、ｑｄ座標への変換と呼ばれることもあり、この変換に関する更なる説明については、非特許文献１を参照されたい。（３）の解とωγの積分とから得られる角度θが、この変換に使用される。
【００８７】
ａｂｃ／ｑｄ変換行列は、次のように定義される。
【００８８】
【数４】
2020515221.tif 000006
【００８９】
【数５】
2020515221.tif 000007
【００９０】
円筒形ロータマシンの場合、Ｔeは次のように計算される。
【００９１】
【数６】
2020515221.tif 000008
【００９２】
この場合、ｐは極対の数を表し、Ｌｍは相互インダクタンスを表し、ｉｆは励磁電流を表し、ｉｑはステータ電流のｑ成分を表し、ここで、Ｌｍｉｆの部分は無効電力と電圧の制御から得られる。
【００９３】
ｑｄ成分における仮想ロータ電圧の振幅は、次の式から計算される。
【００９４】
【数７】
2020515221.tif 000009
【００９５】
【数８】
2020515221.tif 000010
【００９６】
θと（５）とを使用してａｂｃへの（７）と（８）との逆変換が行われる。注意すべき点として、この場合、電圧角度θは、例えば位相固定ループのような方法によってネットワーク電圧から個別に得られるのではなく、上記の方程式系、特に運動方程式（３）の解から得られる。これは、同期機に基づく制御方法の方法クラスの非常に重要な利点であり、その理由は、この場合に、位相固定ループ及び類似の方法の場合に、通常、数十ミリ秒程度で生じるような遅延が回避されるためである。
【００９７】
内側の制御ループは電流ヒステリシス制御器で構成され、これはトレランスバンド方法（tolerance band method）と呼ぶこともでき、その設定値は、仮想ロータ電圧の瞬時値ｅａｂｃと、コンバータ端子での測定電圧ｖａｂｃと、仮想ステータインピーダンスＺｓとから得られる。
【００９８】
仮想ステータインピーダンスは、制御の安定性が確保されるように設定でき、次の式で構成される。
【００９９】
【数９】
2020515221.tif 000011
【０１００】
ここで、ＲｓとＬｓとは、仮想同期機のステータ抵抗とステータインダクタンスを表している。
【０１０１】
従って、電流設定値は、次の式から計算される。
【０１０２】
【数１０】
2020515221.tif 000012
【０１０３】
コンバータの測定端子電圧は、必ずしも正弦波であるとは限らず、動作モード又はネットワーク状態に応じて、多くの高調波を含む場合があり、これらは、式（１０）に従う電流設定値と制御全体とに悪影響を及ぼす可能性がある。これは、例えば、開回路動作時に、即ち、負荷なしで電圧が印加される場合に、あるいは、非常に非線形の負荷の場合に、当てはまる。基本的に、同期発電機についての連立方程式の常に対称的なロータ電圧は、この非対称性と高調波成分とを抑制するが、それらについて常に完全に補償できるとは限らない。この動作を抑制するために、コンバータ端子電圧がｑｄ座標に変換され、それらの成分が１次ローパスフィルタによって濾波され、逆変換されてａｂｃ成分に戻される。従って、振幅と位相の補償は不要である。これは、図３における等価回路図に例示されている。
【０１０４】
以下、例えば欧州相互接続高圧送電線網（European interconnected grid）のような電力供給ネットワークへの給電を含むネットワーク動作を説明する。これは、同じく後で説明するようなアイランドネットワークへの給電とは異なる場合もある。
【０１０５】
制御によって同期機の特性をエミュレートするので、コンバータは自己を電力供給ネットワーク（単にネットワークと呼ぶこともある）と同期させることができる。コンバータがネットワークに接続される前に、同期化段階が実施される。
【０１０６】
有効電力と無効電力の設定値がゼロに設定され、制御によって、式（１１）に従う条件が満たされることが保証される。即ち、仮想ロータ電圧ｅａｂｃの振幅と位相角は、共通結合点（ＰＣＣ）でのネットワーク電圧ｖａｂｃの振幅と位相角に等しくなる。その結果、安定状態における有効電力と無効電力は、式（１２）及び（１３）に従って、ＰＣＣにおいてゼロになる。
【０１０７】
【数１１】
2020515221.tif 000013
【０１０８】
【数１２】
2020515221.tif 000014
【０１０９】
【数１３】
2020515221.tif 000015
【０１１０】
コンバータが同期化段階中にネットワークにまだ接続されていないので、式（１０）に従う電流は仮想である。同期化段階の終了時に、式（１１）が満たされると、次のようになる。
【０１１１】
【数１４】
2020515221.tif 000016
【０１１２】
同期化段階が終了すると、コンバータをネットワークに接続でき、Ｐset及びＱsetを新しい設定値に設定できる。ネットワーク動作について提案する構造を図４に例示する。
【０１１３】
設定電流Ｉｓａｂｃを本方法によって事前に規定することにする。この設定電流Ｉｓａｂｃは、三相であり、仮想インピーダンスＺＶにおいて存在する差電圧ＵＤＶから得られる。図４の構造図では、これは、差電圧ＵＤＶがこの仮想インピーダンスに入力されるように例示されている。
【０１１４】
差電圧ＵＤＶは、仮想発電機電圧Ｅｇｅｎから測定電圧ＶＰＣＣを減算した差として得られる。この目的のために、出力加算要素１０が設けられている。電圧ＶＰＣＣはネットワーク接続点で測定される電圧であるが、但し、この電圧は濾波される、即ち、図７を参照しても説明するような態様で濾波されることが望ましい。
【０１１５】
発電機電圧Ｅｇｅｎは、計算モデル１２で計算され、これによって出力される。この目的のために、計算モデル１２は、上述の同期発電機の機械方程式を使用する。発電機電圧Ｅｇｅｎとネットワーク接続点における測定電圧ＶＰＣＣとの差が仮想インピーダンスＺＶに作用し、これから設定電流Ｉｓａｂｃが計算される。これは、基本的に、仮想インピーダンスＺＶで表されるインピーダンスが発電機の電圧とネットワーク接続点における電圧との間に存在していることを意味している。
【０１１６】
計算モデル１２は、入力変数としてロータの仮想回転角δとロータの仮想回転速度ωとを有する。これらの２つの変数は、この点について機械的変数に関係があるか、あるいは、機械的変数であり、最終的に有効電力、特に、事前に規定された有効電力に依存する。
【０１１７】
設定電流Ｉｓａｂｃを仮想インピーダンスＺＶと差電圧ＵＤＶとの関数として生成することは、上述の式（１０）に基づいている。この点に関して、発電機電圧Ｅｇｅｎは式（１０）内の発電機電圧ｅａｂｃに対応しており、測定及び濾波された電圧ＶＰＣＣは式（１０）内の電圧ｖａｂｃに対応している。仮想インピーダンスＺＶは、式（１０）内のインピーダンスＺｓに対応している。
【０１１８】
更に、仮想励起電圧Ｕe及び出力電流Ｉａｂｃが、計算モデル１２に入る。出力電流Ｉａｂｃは、測定電流、即ち、特に、設定電流Ｉｓａｂｃに従ってインバータによって生成された三相出力電流とすることができる。
【０１１９】
更に、指摘すべき点として、図４及び図５には仮想機械モデルが含まれており、従って、その中の同期機に関するあらゆる変数は、この仮想同期機の変数であり、従って、特に説明しなくても、一般的に仮想変数と見なされるべきである。
【０１２０】
更に、計算モデル１２は、仮想電気トルクＴｅを出力する。動作中、この仮想電気トルクＴｅは、トルク加算要素１４において機械的トルクＴｍを抑制する（counteract）。有効トルクＴｗが、トルク加算要素１４から得られる。機械的トルクＴｍは、ここで設定電力Ｐsとして事前に規定できる電力から得られる。機械的トルクＴｍは、回転速度を実質的に考慮したトルク変換１６を介して、それに入力された設定電力Ｐｓから得られる。
【０１２１】
有効トルクＴｗは、慣性利得１８によって得られる仮想慣性モーメントＪで除算され、その後、第１の機械的積分器２１を介して回転速度ωを生じさせる。この回転速度ωは、第２の機械的積分器２２を介してロータの回転角δを生じさせる。従って、これら２つの機械的積分器２１と２２は、実質的に、実効トルクＴｗが作用するロータの機械的動作を再び形成する。
【０１２２】
更に、トルク制御器利得２４を有するトルク制御器も設けられている。トルク制御器利得２４は補助トルクＴｈを生じさせ、これは、トルク加算要素１４において負の符号で計算に入れられ、この点に関して、この補助トルク自体が正の値を有する限り、有効トルクＴｗを低減する。
【０１２３】
この目的のために、回転速度加算要素２６の結果がトルク制御器利得２４に作用する。この回転速度加算要素において、図４に示された構成に従って、濾波済み回転速度ω*が仮想回転速度ωから差し引かれる。その結果として、差回転速度Δωが得られる。
【０１２４】
このトルク制御によって、特に同期化について、回転速度ωに影響を及ぼすことができる。回転速度ωが変化する限り、回転速度ωと濾波済み回転速度ω*との差を得ることができる。この目的のために、特に、回転速度フィルタ２８が１の利得を有し、従って、濾波済み回転速度ω*が定常状態の回転速度ωに対応するように構成されている。この定常状態では、差回転速度Δωも０になり、従って、補助トルクＴｈも０になる。同期化において、事前に規定された電力Ｐｓも０であり、仮想電気機械全体がそのような定常状態の開回路の動作で稼働する場合には、仮想電気トルクＴｅも０になり、従って、実効トルクＴｗも０になる。その時、回転速度ωは変化しなくなる。その時、同期化が完了して、例えば、ネットワーク接続点を介して電力供給ネットワークに給電するための接続を実施できる。
【０１２５】
特にアイランドネットワークの動作について、周波数の事前規定は、特にアイランドネットワークの動作用に設けられている周波数事前規定ブロック３０を介して実施できる。以下、アイランドネットワークの動作を図５に関連して説明する。
【０１２６】
仮想励起電圧Ｕｅは、積分時定数とも呼ばれる無効電力利得Ｇを考慮した実効的無効電力Ｑｗの積分から得られる。この目的のために、無効電力利得ブロック３２と無効電力積分器３４が設けられている。
【０１２７】
実効的無効電力Ｑｗは、事前に規定された無効電力Ｑsと測定された無効電力Ｑｉとの差の結果である。この差は、無効電力加算要素３６において形成される。測定済み無効電力Ｑｉは、その時にインバータによって給電された無効電力である。従って、仮想励起電圧Ｕｅは、この無効電力を介して設定される、あるいは、影響を受ける。
【０１２８】
電圧制御は、電圧制御スイッチ３８を介して起動又はスイッチオンできる。事前に規定された電圧ＶＰＣＣＳへの制御は、この電圧制御によって実施できる。少なくとも電圧制御は、その関数として実施できる。この目的のために、ネットワーク接続点において、そこで測定された電圧ＶＰＣＣＩが、上述の設定電圧ＶＰＣＣＳから差し引かれる。この目的のために、電圧加算要素４０が設けられている。電圧制御のために、このようにして得られた差電圧ΔＶが、電圧利得ブロック４２内の電圧利得Ｄｑを介して送られる。その結果得られた制御無効電力ＱＲが、無効電力加算要素３６を介して、実効的無効電力Ｑｗに影響を及ぼし、従って、次に、仮想励起電圧Ｕｅが、無効電力利得ブロック３２及び無効電力積分器３４を介して、影響を受ける。この制御は、電圧制御スイッチ３８を閉じることによって起動できる。電圧利得ブロック４２の電圧利得Ｄｑも、特にこの電圧制御のダイナミックレンジに影響を及ぼすために可変であることが望ましい。
【０１２９】
アイランドネットワークの動作中、ネットワークの周波数と電圧は、所望の設定値に修正される。周波数の制御は、周波数偏差に反応するＰＩ制御器によって特定される差Ｔｍを有する式（３）に依然として基づいており、図５においてＴＲとして示されている。周波数の制御と同様に、電圧の制御もＰＩ制御器によって実施され、その出力から無効電力設定値が得られる。
【０１３０】
対応する制御によって、コンバータは自力起動機能（black start capability）を備えることができる。この特性は、コンバータのネットワークフィルタを流れる開回路電流または他の動作機器の開回路電流がヒステリシス電流制御器を十分に使用するには低すぎる場合に、小さな抵抗性負荷又は誘導性負荷をコンバータの端子に並列に接続することによって、実現される。このようにして最小のコンバータ出力電流が形成され、その結果、ヒステリシス制御の機能が保証される。これにより、コンバータの接続端子に電圧が生じて、その周波数と振幅が所望の設定値に修正される。
【０１３１】
アイランドネットワークの動作は図５に例示されており、図５は図４内の構造に似た構造を示している。両図における構造又は要素が同一であるか、あるいは、同じ機能を有する限り、同一の名称と参照記号を使用する。アイランドネットワークの動作について変更されていない機能の説明については、図４に関する説明も参照されたい。
【０１３２】
アイランドネットワークの動作では、電力制御のために追加のＰＩ電力制御器部分５０が設けられており、これは、基本的にロータの機械的運動に関係している。この部分は、差回転速度Δωを処理して制御器トルクＴＲを生成し、この制御器トルクＴＲは、トルク加算要素１４を介して実効トルクＴｗに影響を及ぼす。
【０１３３】
この場合、差回転速度Δωは、機械モデルの回転速度ωと、周波数事前規定ブロック３０によって事前規定された設定回転速度ωｓと、の差として得られる。周波数事前規定ブロック３０は、アイランドネットワークについての周波数を事前規定し、この点に関して、ここでは、設定周波数を事前規定し、この設定周波数は設定回転速度ωｓに変換される。上述の差は、回転速度加算要素２６において形成される。図４における構造に応じた濾波済み回転速度ω*は、ここでは使用されない。しかしながら、図４に従う構造も、図４における周波数切り替えスイッチ２９によって示されているように、アイランド動作のために、回転速度フィルタ２８から周波数事前規定ブロック３０への切り替えが行われる限り、使用できる。その結果として、一時的なアイランドネットワークの状況も考慮に入れることでき、即ち、単に、例えば実際の小さな地理的な島の上でのようなアイランドネットワークでの使用が原則的に実施される場合ではなく、より大きな電力供給ネットワークにおける動作の切り替えにより、この電力供給ネットワークの一部の領域がアイランドネットワークになった、即ち、一時的に分断された場合も考慮に入れることができる。
【０１３４】
従って、制御トルクＴＲをスイッチオンすることによって、仮想同期機のロータ運動、即ち、仮想ロータ運動を、事前規定された周波数、あるいは、事前規定された設定回転速度ωｓが確立されるように、制御できる。ここでは、トルク変換１６を介して設定電力Ｐｓを供給することは、最初は、考慮していない。これは、適切な場合、設定電力スイッチ５２を介して選択できる。しかしながら、仮想電気トルクＴｅが、トルク加算要素１４を介して実効トルクＴｗに依然として作用している。特に、この点に関して、機械モデルは変更されていないが、異なる制御が実施されている。電圧制御のために、図５の構造に従うアイランドネットワークの動作では、同様に、ＰＩ部分が、ＰＩ電圧制御部分５４の形態で使用される。ＰＩ電圧制御部分５４は制御無効電力ＱＲを出力するが、これには、簡単にするために、ここでは図４と同じ名称が付けられている。しかしながら、制御無効電力ＱＲは、今は、ＰＩ電圧制御部分５４の出力である。従って、この制御無効電力ＱＲは、積分部分を含んでいる。ネットワーク接続点における事前規定された電圧ＶＰＣＣＳとそこで再度測定された電圧ＶＰＣＣＩとの差が、上述のＰＩ電圧部分５４の入力を形成する。実効的無効電力ＱＷは、今は、制御無効電力ＱＲと測定済み無効電力Ｑｉとの差の結果である。事前規定の無効電力ＱＳは、無効電力スイッチ５６がＰＩ電圧制御部分５４の出力に切り替わっているので、作用していない。
【０１３５】
従って、ＰＩ電圧制御部分４４を介して達成されることは、これにより、実質的に、ネットワーク接続点における事前規定電圧と測定電圧との間の電圧偏差に依存する無効電力が事前に規定されることである。ＰＩ電圧部分５４の積分部分は、ネットワーク接続点における事前規定電圧の定常状態の精度を達成するために設けられている。
【０１３６】
自力起動動作から負荷動作への切り替えのために、即ち、アイランドネットワークにおいて、及びその逆の場合には、仮想インピーダンスの適合化が実施される。これを提案する理由は、大きな負荷のない動作中に安定性を確保するためには、仮想ロータ電圧と測定済み端子電圧との差の比較的大きなローパスフィルタリング（low-pass filtering）が必要になるためである。
【０１３７】
仮想インピーダンスの適合化は図６に例示されている。自力起動動作から負荷動作への切り替え時の適合化は、有効電力及び／又は無効電力に関係し得るコンバータの測定済み出力電力に基づくか、あるいは、その代わりに、測定済み電力勾配ｄＰ／ｄｔ及び／又はｄＱ／ｄｔに基づき、図６では条件１、即ち、条件Ｃ１として示されている。この場合、仮想インピーダンスＺＳの誘導性部分ＬＳが変更され、この変更は最大勾配によって制限され、この最大勾配はレートリミッタ（rate limiter）と呼ぶことができる。
【０１３８】
負荷動作から自力起動動作への移行中、負荷インピーダンスは大幅に高くなる。設定値電流はこの移行中に変化しないので、従って、端子電圧が大幅に過渡的に増加することになる。仮想ロータ電圧の振幅と測定済み端子電圧の振幅との差が、図６において条件２即ち条件Ｃ２として示されている特定の制限値を超えると、制御の仮想インピーダンスが変更される。
【０１３９】
この点に関して、図６は、図４及び図５の構造の仮想インピーダンスＺＶの実施を示しており、上述の仮想インピーダンスＺＶの逆数の値が乗算器６０において差電圧ＵＤＶで乗算され、その結果、設定電流Ｉａｂｃが得られる。この三相設定電流Ｉａｂｃは、その三相の性質、即ち、１相につき１つの電流であるので、複数の設定電流とも言える。同じことが他の三相の変数にも当てはまる。
【０１４０】
この仮想インピーダンスＺＶは、ＺＳとも呼ぶことができ、誘導性部分ＬＳと抵抗性部分ＲＳとで構成されており、従って、これらの変数がインピーダンスブロック６２についての入力を形成して、このインピーダンスブロック６２において、これら２つの部分が組み合わされて、そのインピーダンスの逆数が形成され、更なる計算のために出力される。
【０１４１】
ここに示された実施形態に従えば、誘導性部分ＬＳが変更され、抵抗性部分ＲＳは変化しないままである。しかしながら、後者も基本的に変更できる。
【０１４２】
誘導性部分ＬＳの変更又は設定は、特に、自力起動動作が在るか、あるいは、負荷動作が在るかによって決まる。従って、これらの動作モードに応じて、動作モードスイッチ６４を、２つの誘導性部分、即ち、自力起動動作用の誘導性部分ＬＳ１と負荷動作用のＬＳ２との間で切り替えることができる。この目的のために、２つの条件Ｃ１とＣ２が、それぞれ、動作モードスイッチ６４に入力される。この切り替えは動作中に実施できるが、仮想インダクタンスＺＶ又はＺＳを、それぞれ、急激に変化させないために、勾配ブロック６６を設けており、これは、変化が、最大勾配を有するランプとして通されること、即ち、変化が、最大勾配を有するそのような傾きに制限されること、を保証する。この点について、そのような最大勾配は、絶対値に関して制限される。つまり、上昇と下降の両方が制限される。換言すれば、動作モードスイッチ６４が誘導性部分の２つの値の間で切り替えを行い、動作スイッチ６４の出力が急変する場合、勾配ブロック６６の出力はランプである。
【０１４３】
従って、その結果として、仮想インピーダンスＺＶ又はＺＳは徐々に変化し、従って、この変化は、動作中に実施でき、乗算器６０を介して設定電流Ｉａｂｃに直接作用する。
【０１４４】
しかしながら、特に自力起動動作において、２つの誘導性部分ＬＳ１とＬＳ２の間で切り替えが行われるだけではなく、動作モードスイッチ６４の切り替え位置に応じた各場合に有効な誘導性部分も、その一部について、変更されることも考慮される。この変更も、勾配ブロック６６を介して、最大勾配、即ち、最大エッジ急峻度に制限できる。
【０１４５】
次に、図７は、ネットワーク接続点で測定された電圧ＶＰＣＣの濾波を例示している。ここで、測定済み電圧はＶＰＣＣ ′として示されており、濾波結果は、電圧ＶＰＣＣである。この測定済み電圧Ｖ′ＰＣＣは、変換ブロック７０に入力され、この変換ブロック７０は、この三相電圧を、ｑ成分及びｄ成分を有する基本的に既知の表現に変換する。この変換は、ｄ／ｑ変換としても知られており、例えばパーク変換としても知られている同じ変換に関係する。これは、三相の変数を、即ち、ここでは３つの位相を有する電圧を、軸ｄと軸ｑとを有する２軸の座標系に変換する。例示目的のために、ｑブロック７２がｑ成分を含み、ｄブロック７４がｄ成分を含んでいる。これら２つの成分が、まだ濾波されていない電圧信号Ｖ′ＰＣＣに属していることを明確にするために、これらは、同様にダッシュ記号付きの変数として、即ち、ｑ′及びｄ′として例示されている。次に、それらは、それぞれ、フィルタブロック、即ち、ｑフィルタブロック７６及びｄフィルタブロック７８に入る。両方のフィルタブロック７６及び７８は、同一であってもよいが、異なっていてもよい。図７において提案する構造は、各々の場合、２つの全く同じにパラメータ化された１次線形フィルタ、即ち、各々の場合、ＰＴ１要素又はＰＴ１フィルタを使用している。従って、両方の成分ｑ′及びｄ′は、１次ローパスフィルタを介して渡され、その結果として、それぞれ、濾波済み成分ｑ及びｄになる。これらの濾波済み成分ｑ及びｄは、次に、逆変換ブロック８０に渡されて、三相系への逆変換を受ける。その結果、濾波済み三相電圧ＶＰＣＣが得られ、これは、特に図４及び図５において、出力加算要素１０に渡される。
【０１４６】
図８は２つの電圧図を示しており、各々の電圧図は、秒単位の時間に対するボルト単位の電圧振幅Ｕを示している。従って、例示された電圧は、各々の場合、２０ｍｓの周期を有する正弦曲線プロファイルを有する電圧、従って、５０Ｈｚ信号の電圧を実質的に示している。
【０１４７】
図８の上側の説明図は、ネットワーク接続点で記録された位相の電圧Ｖ′１，ＰＣＣを例示している。従って、これは、図７の変換ブロック７０の入力における三相電圧Ｖ′ＰＣＣの位相に対応している。図８の結果はシミュレーション結果であることに留意されたい。また、指摘すべき点として、電圧を、一部の例ではＵの文字によって表し、別の一部の例ではＶの文字によって表しているが、これは、技術的な違いを表すことを意図するものではない。
【０１４８】
従って、図８の上側の図は、濾波されていない電圧を示しており、これも明らかに著しくノイズが多い。
【０１４９】
図８の下側の図は、その時間軸が上側の図と全く同じであり、２つの濾波済み電圧を例示している。電圧Ｖ１,ＰＣＣは、上側の図の濾波されていない電圧Ｖ′１,ＰＣＣを基準にした濾波済みプロファイルを示しており、このプロファイルは、図７に従うフィルタリングから得られる。従って、電圧Ｖ１,ＰＣＣは、図７の逆変換ブロック８０の出力における三相電圧信号ＶＰＣＣの、図８の上側の図に対応する様相である。換言すれば、三相電圧信号が図７の変換ブロック７０に入力されて、その３つの全ての位相が、ほぼ、図８の上側の図に示されたようなプロファイルを有している場合、図７の逆変換ブロック８０の出力に三相電圧信号が得られ、その電圧信号の３つの全ての位相が、ほぼ、図８の下側の図に従うプロファイルＶ１,ＰＣＣを有している。この場合、濾波されていない電圧Ｖ′１,ＰＣＣと濾波済み電圧Ｖ１,ＰＣＣとは同じ位相に関している。
【０１５０】
濾波されていない電圧Ｖ′１,ＰＣＣと、これに対応する濾波済み電圧Ｖ１,ＰＣＣとの間で位相シフトが実際に生じないことは明らかである。
【０１５１】
フィルタリングのために、同じ利得、即ち、１と同じ時定数、即ち、１０ミリ秒とを有するＰＴ１要素が、図７に従う２つのフィルタブロック７６と７８に、各々、使用された。
【０１５２】
比較として、上側の説明図のノイズのある同一の信号Ｖ′１,ＰＣＣが、直接、２つのフィルタブロック７６及び７８として全く同じ態様でパラメータ化されたＰＴ１フィルタを介して、濾波された。このＰＴ１フィルタによる直接のフィルタリングの結果が、下側の図に破線で例示されており、ＶＰＴ１Ｒとして示されている。振幅の減少に加えて（これは、ＰＴ１フィルタの利得を適合化することによって確実に適合化できる）、ほぼ９０度の位相シフトも明確に認められる。これも、実際、ＰＴ１フィルタとは区別される位相挙動を反映している。
【０１５３】
従って、ここに提案するフィルタリングは、目標とする態様で三相信号に適合化されているだけではなく、特に、正弦波信号が期待されるという事実の考慮もしており、非常に良好なフィルタリング結果をもたらすことは明らかである。特に強調すべき点として、位相の忠実度が挙げられる。ここで内部にＰＴ１フィルタを使用すれば、同様のフィルタリング品質、即ち、同様のノイズ抑制が得られる直接のフィルタリングが可能になるが、一方では、位相シフトが大きい、あるいは、位相の遅れが甚だしいことになる。あるいは、その代わりに、特に高次の非常に複雑なフィルタを使用して、特に位相遅延の問題を軽減することも可能ではある。しかしながら、その場合、このフィルタは、非常に複雑に構成する必要があり、また、予想されるノイズの挙動に非常に正確に適合させる必要があり、更にまた、濾波すべき信号の変化に対して、特に、重畳される干渉変量に対して、恐らく、あまり堅牢ではないであろう。
【０１５４】
従って、強いネットワークと弱いネットワークの両方についてのネットワーク動作におけるコンバータの電力制御と、アイランドネットワーク動作における自力起動機能を有するコンバータと、を提案する。アイランドネットワーク動作中の電圧と周波数の制御もここに提示している。
【０１５５】
基本的に、本制御方法は、種々の主要なエネルギ形態について、従って、例えば、風力発電設備、バッテリストレージデバイス（battery storage device）、フライホイール（flywheel）及びその他の形態についての使用に適している。更に、例えば無停電電源装置（ＵＰＳ）の場合におけるような設備電力供給ネットワーク（installation power supply network）の自励式設計（self-commutated design）も可能である。
【０１５６】
従って、コンバータを使用して同期機をエミュレートする可能性が提供されている。これは、次の洞察にも基づいている。同期機のエミュレーションは、パワーエレクトロニクス（power electronics）と発電機ユニットとによって制御される負荷の割合を増やすことに関して、特に重要であり、これは、パワーエレクトロニクスに基づくエネルギ供給システムにつながる可能性がある。そのようなシステムは、例えばネットワークの周波数が変化した場合に従来の発電所用発電機の慣性モーメント又は蓄えられた回転エネルギが無くなるので、ネットワークの不安定さを伴う可能性があるが、目標とする制御方法を用いてエミュレートできる。その結果、仮想同期機の適切なパラメータ化が実施されると、これは、周波数に関連する種々の現象に、例えば、比較的大きな発電所用ユニット又はＨＶＤＣ送電線の故障後の周波数低下のような現象に、良い影響を及ぼすことになる。
【０１５７】
電力供給ネットワークの喪失後に、特に相互接続高圧送電線網の喪失後に、ネットワークの電圧と周波数がコンバータによって事前規定できるという事実により、自力起動機能によってアイランドネットワークシステムを形成することが可能である。
【０１５８】
電流制限を簡単に実施するために電流制御コンバータを用いた同期機の基本的な方程式の使用が可能になる。
【０１５９】
自力起動と、無負荷からアイランドネットワーク動作及び元の状態への切り替えと、の場合においてアイランドネットワークをネットワーク形成する本方法を使用することが望ましい。
【０１６０】
また、正弦波の設定値電流を生成するために、式（１０）に表されているように、電圧の瞬時値を利用することも提案する。コンバータの測定済み端子電圧は、正弦波ではなく、多くの高調波を含む場合があり、従って、設定値電流の計算において問題が発生して、好ましくない場合に不安定な状態が生じる可能性がある。端子電圧をｑｄ成分に濾波するプロセスは、ａｂｃ座標系に比べて、安定した状態において、振幅及び位相シフトについての補償を必要とせずに、小さなフィルタ時定数で、より良い電圧品質をもたらす。
【０１６１】
式（９）による仮想インピーダンスは、動作モードに応じて適応的に適合化され、その結果、制御の安定性が少なくとも一実施形態に従って確保される。
【０１６２】
特に、次の特性を備えた電流制御コンバータの安定した動作を実現することも可能である。
・負荷を接続せずにコンバータ端子に電圧を印加することによる自力起動。
・電圧と周波数を選択可能な設定値に修正して負荷の在るアイランド動作への切り替え。
・既存のネットワークとの同期化、及び、ネットワークの周波数と電圧との関数としての有効電力と無効電力との迅速な制御。
・非常に小さな短絡比でのネットワーク動作。
【０１６３】
特に、非特許文献１を参照されたい。
【図１】
2020515221.tif 000017
【図２】
2020515221.tif 000018
【図３】
2020515221.tif 000019
【図４】
2020515221.tif 000020
【図５】
2020515221.tif 000021
【図６】
2020515221.tif 000022
【図７】
2020515221.tif 000023
【図８】
2020515221.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月9日(2019.12.9)
【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】
インバータを使用して、風力発電設備により、ネットワーク接続点で三相電力の電力供給ネットワークに電力を給電する方法であって、
・前記ネットワーク接続点でのネットワーク電圧を検出するステップと、
・同期機の動作をエミュレートする機械モデルを使用して、仮想発電機電圧を特定するステップと、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理するステップと、
・設定電流を、給電電流についての事前規定として、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、前記比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップと、
・前記設定電流に応じて前記給電電流を生成し、該生成された給電電流を前記ネットワーク接続点で前記電力供給ネットワークに給電するステップと、
を備えており、
前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理する前記ステップには、前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれている、前記方法。
【請求項２】
前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが、ｄ／ｑ変換である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空間ベクトル表現に変換された前記ネットワーク電圧が、濾波され、その次に逆変換され、その結果、前記設定電流が、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、逆変換済みの前記ネットワーク電圧の関数として、事前規定される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記機械モデルは、ステータとロータとを備えた仮想同期機を基本とし、前記仮想発電機電圧を特定するために、
・前記ロータの仮想回転角（θ）、
・前記ロータの仮想回転速度（ω）、
・仮想励起電圧、
・仮想ステータ電流、
・前記ロータの仮想慣性モーメント（Ｊ）、
・前記ロータの仮想トルク（Ｔｅ）、及び、
・前記ロータの仮想摩擦（Ｄｐ）
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
・前記生成された給電電流が仮想ステータ電流として使用され、それに加えて、あるいは、その代わりに、
・前記仮想慣性モーメント（Ｊ）が設定可能である、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記仮想慣性モーメント（Ｊ）がネットワーク状態又はネットワーク特性の関数として設定される、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記設定電流を事前規定するために、仮想インピーダンスが考慮され、該仮想インピーダンスが、前記機械モデル又は前記仮想同期機の出力と前記ネットワーク接続点との間のインピーダンスとして、考慮され、かつ、該仮想インピーダンスの大きさが可変である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記仮想インピーダンスが、
・給電が前記電力供給ネットワークの通常の状態において行われるか、それとも、
・給電が前記電力供給ネットワークの中断又は故障の後に復旧モードにおいて行われるか、
に応じて選択され、
前記復旧モードにおいて、前記電力供給ネットワークが、通常の動作点に至るまで稼動させられる必要がある、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記機械モデルにおいて、
・仮想回転速度と基準回転速度との間に差回転速度が形成され、
・前記仮想回転速度の濾波済み値又は事前規定された周波数が前記基準回転速度として使用され、
・前記差回転速度が補助トルクに対する差回転速度利得を介して計算され、
・前記補助トルクが加算点を介して前記機械モデルの前記仮想慣性モーメントに作用することによって、前記仮想回転速度が前記基準回転速度に制御され、
・望ましくは、前記機械モデルを前記電力供給ネットワークと同期させる目的のために、前記差回転速度がゼロに設定される、
請求項４〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
アイランドネットワーク動作において、前記インバータがネットワーク周波数を事前規定する場合、
・前記仮想回転速度（ω）が、事前規定されたネットワーク周波数に依存しており、その結果、前記機械モデル内で作用する新たな又は前記補助トルクが、仮想回転速度と事前規定されたネットワーク周波数との差の関数として制御され、及び／又は、
・前記仮想励起電圧が、前記電力供給ネットワークの事前規定された電圧と前記電力供給ネットワークの検出された電圧とに依存しており、その結果、補助無効電力値が前記事前規定された電圧と前記検出された電圧との差の関数として制御され、前記仮想励起電圧が前記補助無効電力値に依存している、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
アイランドネットワーク動作において、
・前記補助トルクがＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・前記仮想回転速度が、前記補助トルクと仮想電気トルクとの差としての差トルクの積分から、積分時定数（１／Ｊ）を介して、得られ、及び／又は、
・前記補助無効電力値がＰＩ制御器を介して制御され、及び、
・前記仮想励起電圧が、前記補助無効電力値と検出された無効電力との差としての差無効電力の積分から、積分時定数（Ｇ）を介して、得られる、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
・前記機械モデルを前記電力供給ネットワークと同期させる目的のために、
・設定電力がゼロの値を有しており、
・計算モデルが、
・内部仮想発電機電圧、及び／又は、
・新たな又は前記仮想トルク（Ｔｅ）
を計算するために使用され、
前記計算モデルが、計算用に、
・前記ロータの新たな又は前記仮想回転角（θ）、
・前記ロータの新たな又は前記仮想回転速度（ω）、
・新たな又は前記仮想励起電圧、及び、
・前記給電電流又は前記設定電流
を含むリスト内の１つ、複数又は全ての変数を使用し、
前記電力供給ネットワークの周波数が検出されない、
請求項４〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
新たな又は前記仮想励起電圧が、少なくとも、
・事前規定された無効電力と、オプションとして、
・前記ネットワーク接続点における事前規定されたネットワーク電圧と、
の関数として、特定される、請求項４〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記機械モデルの電気的変数が、空間ベクトル表現で、ｄ／ｑ変換に従って、計算される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記給電電流がトレランスバンド法によって生成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
ネットワーク接続点で三相電力の電力供給ネットワークに電力を給電するための風力発電設備であって、
・給電電流を生成するためのインバータと、
・前記ネットワーク接続点におけるネットワーク電圧を検出する検出手段と、
・前記給電を制御する制御装置と、
を備えており、該制御装置が、
・同期機の動作をエミュレートする機械モデルを使用して、仮想発電機電圧を特定するステップと、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理するステップと、
・設定電流を、前記給電電流についての事前規定として、前記仮想発電機電圧の関数として、かつ、前記比較用に前処理されたネットワーク電圧の関数として、事前規定するステップと、
を備えた方法を実施するように構成されており、
・前記インバータが、前記設定電流に応じて前記給電電流を生成し、該生成された給電電流を前記ネットワーク接続点で前記電力供給ネットワークに給電するように構成されており、
・前記検出されたネットワーク電圧を前記仮想発電機電圧との比較用に前処理する前記ステップには、前記検出されたネットワーク電圧を空間ベクトル表現に変換することが含まれている、前記風力発電設備。
【請求項１７】
前記風力発電設備、又は前記制御装置が、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、請求項１６に記載の風力発電設備。
【請求項１８】
複数の風力発電設備を備えたウインドファームであって、
・請求項１６又は１７に記載の風力発電設備が使用されており、及び／又は、
・ネットワーク接続点に接続されており、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されているファーム給電装置、又はファームインバータが設けられている、前記ウインドファーム。
【請求項１９】
同期発電機の物理モデルを記述する運動方程式を用いた機械モデルに基づいて、前記同期発電機の仮想発電機電圧を求め、電力供給ネットワークへのネットワーク接続点において測定されたネットワーク電圧と前記仮想発電機電圧との差分に基づいて設定電流を規定する制御装置と、
前記設定電流に応じて給電電流を生成し、前記ネットワーク接続点に前記給電電流を給電する給電電流生成部と、
を備える、給電装置。
【請求項２０】
前記給電電流生成部は、インバータを含む、請求項１９に記載の給電装置。
【請求項２１】
前記同期発電機は、ステータとロータとを備えた仮想発電機であり、
前記仮想発電機電圧は、少なくとも、前記ステータの仮想電流と、前記ロータの仮想回転角および仮想回転速度と、に基づいて求められる、
請求項１９または２０に記載の給電装置。
【国際調査報告】
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