JP2002519588A - 風力発電基地用の直流局部グリッド - Google Patents

風力発電基地用の直流局部グリッド

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JP2002519588A JP2000558311A JP2000558311A JP2002519588A JP 2002519588 A JP2002519588 A JP 2002519588A JP 2000558311 A JP2000558311 A JP 2000558311A JP 2000558311 A JP2000558311 A JP 2000558311A JP 2002519588 A JP2002519588 A JP 2002519588A
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ヘンドリク・ランベルトゥス・ラヘルウェイ
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ラヘルウェイ・ウィントトゥルビネ・ベスローテン・フェンノートシャップ
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、２基以上の風車を含み、それぞれが、エネルギーを発生することができる発電機を備えている風力発電基地に関する。発電機によって供給されるエネルギーは、主に標準電圧である共通の交流グリッドへ出力される。風車によって供給される電力は、複数の風車が連結される直流グリッドを介して、交流グリッドおよび変換器に送られる。本発明によれば、直流相互連結グリッド内の直流電圧は、発電機によって発生される電力の関数として設定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の前文による方法に関する。この種の方法は、米国特許第
５，２２５，７１２号に開示されている。既知の方法の場合には、直流電圧のレ
ベルは一定であり、発電機の回転速度または風速の影響を受けない。さまざまな
回転速度における発電機の効率は、特に発電機による電圧出力の影響を受けるが
、このことは、発電機が効率を向上させるために特殊かつ高価な設備に適合して
いる場合を除き、直流レベルの一回の設定に関して、回転速度および風速が高速
である場合または回転速度および風速が低速である場合のいずれかの場合に、発
電機の効率が必ずしも低いわけではないことを意味している。
【０００２】 上述の欠点を克服するために、本発明による方法は、請求項１によって特徴付
けられる特徴によって実現される。その結果、風車の発電機が動作範囲全体にわ
たってより高い効率で作動することができるか、またはより簡素な設計であって
もよい結果として、直流電圧は状況に応じて調整される。
【０００３】 さらに、本発明は、請求項４の前文による装置に関する。この種の装置は、上
述の文書米国特許第５，２２５，７２３号によって開示され、上述の欠点を有す
る。
【０００４】 上述の欠点を回避するために、本発明による装置は、請求項４によって特徴付
けられる特徴によって設計される。直流相互連結グリッドにおける電圧レベルが
さまざまであり、可能であれば発電機によって供給される電力に合わせる結果と
して、直流電圧の減少のために、さらにより低い電圧を供給し、さらに高い効率
でさらに低速の回転速度において電力を供給することが可能であることから、風
車の制御は著しく簡素化される。
【０００５】 さらなる改良によれば、この装置は請求項５による設計である。特に風速に基
づいて、直流相互連結グリッドの電圧レベルを調整する結果として、発電機は、
あらゆる風速で最大効率を得ることができる。
【０００６】 さらなる改良によれば、この装置は請求項６による設計である。これによって
、電圧設定を風車が受ける風速に、その影響を発電機の回転速度に直接左右され
るようにすることができる。複数の風車が間隔を置いて配置される場合および／
または局部の状態が急速に変化する場合は、特に有利である。
【０００７】 さらなる改良によれば、この装置は請求項７による設計である。これによって
、発生されたエネルギーが供給される同一のケーブルを用いて、エネルギーを風
車に供給することができ、費用節減につながる。
【０００８】 さらなる改良によれば、この装置は請求項８による設計である。これは、風車
において保守を実行し、風車を起動するための簡単なオプションを提供する。
【０００９】 さらなる改良によれば、この装置は請求項９による設計である。これによって
、万一、直流相互連結グリッドにおける電圧損失が生じた場合であっても、安全
かつ損傷を被ることなく風車を停止することができる。
【００１０】 さらなる改良によれば、この装置は請求項１０による設計である。これによっ
て、たとえば凪などの場合にすべての風車が停止状態であったとしても、エネル
ギーを風車に供給することができる。
【００１１】 対応する構成要素には、できる限り同一の参照符号を割り当てている。
【００１２】 図１は、８基の風車１を含む風車発電基地の上面図を示しており、それぞれの
風車は、回転シャフトが卓越風向Ｗに向いているような羽根２を備えている。風
車は水Ｓの中に設置され、互いに接続され、直流相互連結グリッド３によって制
御用建物４に接続される。制御用建物４は、陸地Ｌに設置される。ケーブルが、
制御用建物４から相互連結点５まで伸び、そこから公用交流グリッド（図示せず
）まで伸びる。制御用建物４の上部には、風向風速測定機器６が置かれる。
【００１３】 図２は、さまざまな構成要素を概略的に示している。交流発電機８は、概略的
に示された風車１に組込まれており、逓昇変圧器８ａおよび整流器９を備えてい
てもよい。発電機８は、羽根２が接着される（但し、図示されていない）回転シ
ャフト７によって駆動される。また、回転シャフト７の回転速度および発電機８
の回転速度を測定するために、積算回転計を備え付けていてもよい。
【００１４】 本願明細書に示されている構成要素に加えて、風車１はまた、特に、羽根２の
キャプスタンドライブを組込むほか、特定の発電機タイプにとって必要である場
合には、発電機８のための制御装置を組込む。必要であれば、高速の風速で羽根
２の効率を下げ、風車１の過度の回転速度を防止する効果を得るために、風車１
はさらに、羽根２のピッチ角を調整するための手段をさらに備える。
【００１５】 発電機８は、界磁制御される交流発電機または永久磁石を装備した交流発電機
であってもよい。界磁制御が使用される場合には、専用の個別の制御装置が風車
１に存在する。風車１はさらに、当該の風車１が使用中であることを示す信号を
送信するための周知の手段を含み、上記の信号はリンク１１を介して制御装置１
０ａに中継される。別の実施形態において、発電機８は、このために必要な設備
を含む直流発電機として設計されてもよい。そのような場合には、羽根２が発電
機８によって駆動されるような望ましくない状況を避けるための追加的な設備は
存在するが、個別の整流器９は不要である。
【００１６】 直流相互連結グリッド３に供給されるエネルギーを、相互連結点５を介して公
用交流グリッドに供給される定電圧交流に変換するために、変換器１０が制御用
建物４に配置される。変換器１０は、複数の風車１の整流器９が連結される直流
相互連結グリッド３に接続される。直流相互連結グリッド３のケーブルの長さは
、支障を生じることなく、数キロメートルから数十キロメートルであってもよい
ため、風車１は水Ｓの中のできる限り好都合な位置に配置されることができ、制
御用建物４は陸Ｌに配置することができる。直流相互連結グリッド３におけるケ
ーブルの長さは、交流相互連結グリッドの位置に対してエネルギーを伝達するた
めの電位に影響を及ぼすことがない。
【００１７】 制御装置１０ａは、変換器１０を制御するために変換器に適合される。制御装
置１０ａによって、変換器１０は、直流相互連結グリッド３における電圧レベル
が、調整可能な一定値に維持されるような方法で駆動される。制御装置１０ａは
、リンク１１を介して風車に接続され、風車１の付近に設置される１つ以上の風
向風速測定機器６に接続される。風向風速測定機器６は、風に関するデータが搬
送されるケーブル１２を介して制御装置１０ａに接続される。任意に、これらの
機器はまた、数基、たとえば３基の風車１に設置されてもよい。
【００１８】 制御装置１０ａにおいて、直流相互連結グリッド３の電圧レベルがどの程度で
なければならないかが確立される。この電圧レベルは、風速計６によって測定さ
れている風速に左右される可能性がある。電圧レベルはまた、積算回転計によっ
て測定される場合に、当該風車１の周囲の風速の示度を与える回転シャフト７の
回転速度に左右される可能性もある。風速および／または回転速度の測定値は、
直流相互連結グリッドに連結される場合に、風車１のさまざまな測定値を平均化
したものであることが好ましい。直流相互連結グリッド３において優勢である特
定の直流電圧の結果として、直流相互連結グリッド３を介して連結される発電機
８のすべてにおいて、同一の直流電圧が発生するため、発電機８は同一の動作範
囲において動作する。風車１は互いに近接位置にあり、ほぼ同程度の風速を受け
るため、すべての風車は、任意の風速でも最大効率を簡素な方法で実現すること
ができるような最も効率的な動作点で動作することができる。
【００１９】 風速が高速である状況において、風車１の回転シャフト７は、羽根２の最大許
容回転速度で回転するであろう。この速度は特に、羽根２が設計された空力的な
要件および許容力によって決定される。最大回転速度で、羽根２はまた、最大電
力を供給し、発電機８もその最大電力を出力することができなければならない。
これによって、直流相互連結グリッド３における直流電圧の最大レベルがどの程
度であるかを決定する。風がさらに発生する場合には、羽根２の回転速度は、実
質的に増大してはならず、発電機８によって出力される電力は、電流の強さにお
ける増大によって増大させることができるだけである。直流相互連結グリッドに
おける直流電圧は増大しないであろう。そのような状況において、風がさらに発
生する場合には、羽根２は、既知の羽根調整装置（ここでは図示せず）によって
さらに低い効率で作動しなければならないであろう。発電機８は、最大電力およ
び最大回転速度でその効率が最大であるような設計である。
【００２０】 弱風である状況においても、発電機８の効率ができる限り高いことを保証する
ために、発電機８が作動しなければならない電圧を下げることが重要であり、直
流相互連結グリッド３の電圧レベルを下げることによって実現される。これは、
この目的のために風速計６または積算回転計の情報に基づいて、制御装置１０ａ
によって制御される変換器１０において実現される。この電圧の効率的な制御を
実現するために、さらに、稼動中の風車１がリンク１１を介して直流相互連結グ
リッド３に接続されている数を知ることは重要であると考えられ、たとえば、風
車１が電流を供給しているかどうかを示すために、およびたとえば回転シャフト
７の回転速度を示すために、各風車１は制御装置１０ａに接続される。
【００２１】 リンク１１は、制御用建物４に風車１の動作に関する情報を伝達するために使
用される個別のリンクとして、図２に示されている。リンク１１はまた、風向測
定機器６からのデータに基づいて、風向データなどの風車１に制御データを伝達
するために使用されてもよい。この情報は、風向Ｗに風車１を向けるために使用
され、各風車１が故障しやすい風向測定機器に適合されるような配置構成を避け
る。情報を伝達するためのケーブルは、光ケーブルとして設計されてもよく、リ
ンクが遮断される場合には風車１を停止する融通性を風車１に備える。
【００２２】 別の実施形態によれば、リンク１１は、直流相互連結グリッド３に存在する信
号として実現されてもよく、直流相互連結グリッド３はネットワークとして作用
し、各風車１はネットワークから上記の風車用の信号を引出す。一実施形態によ
れば、風車１が常に風向Ｗに対して適正な位置にある、すなわち風車が運転中で
ある場合には風向Ｗに向けられ、風車が停止している場合には風向Ｗに対して直
角であることを保証するために、個別の設備が設けられてもよいことから、羽根
２は、できる限りわずかな風を捕捉する。このために、各風車は、キャプスタン
ドライブ（図示せず）を備え、たとえば、直流相互連結グリッド３から可能であ
れば変換器を介して供給され、リンク１１を介して駆動される。
【００２３】 上述の実施形態は、それぞれが、たとえば０．５〜１．０メガワットの最大容
量を備える風車１を用いて実現されてもよい。直流相互連結グリッド３は、直流
２５，０００ボルトの容量で電圧を備えるであろう。風車において、次に、交流
発電機８は、逓昇変圧器８ａを介して、約２０，０００ボルトの三相交流電圧を
発生し、発電機の回転シャフト７は毎分回転数１８〜３０である。
【００２４】 上述の特定の実施形態によるものに加えて、さまざまな構成要素は他の既知の
設計であってもよい。すでに述べた交流発電機８に加えて、たとえばそれによっ
て、発電機の挙動が直流相互連結グリッド３における電圧レベルに適応される制
御装置も備えた直流発生器を代わりに使用してもよい。
【００２５】 すでに述べた特定の実施形態において、発電機８によって発生されたエネルギ
ーはたとえば、数百キロワットに達してもよく、このエネルギーが相互連結点５
にどのように伝達されるかについて述べてきた。風車１には、発電機８などのエ
ネルギー発生設備以外にも、羽根２を調整するためのドライブおよび羽根２の回
転シャフト７を風向Ｗに向けるためのキャプスタンドライブなどのエネルギー消
費設備も存在する。このようなドライブは共に、たとえば、数キロワット〜数十
キロワット以上を消費することはない。風車１の制御装置およびそこに存在する
設備もエネルギーを必要とする。このエネルギーを供給するために、風車１は、
複数のドライブおよび設備を連結することができるような交流グリッドを含む。
【００２６】 この交流グリッドはさまざまな方法で提供されてもよい。風車１の正常運転中
、交流グリッドは、発電機８における１つ以上の巻線から、発電機８が停止状態
にある状況では１つ以上の蓄電池に同時に供給されるエネルギーを供給されても
よい。この配置構成において、発電機８の静止後、風向に向いているキャプスタ
ンドライブによって羽根２の回転シャフト７を回転するために使用可能であるほ
ど蓄電池は十分に大きいことから、風車は再び回転し始めるであろう。任意に、
風車１が運転されている間、適正なピッチ角に羽根を設定するためおよび非常用
照明用に十分なエネルギーも存在する。電気的な蓄電池の代わりに液圧式動力伝
達装置に連結した蓄圧器を用いることもできる。
【００２７】 風車１における交流グリッドを供給するための第２の方法は、直流相互連結グ
リッド３と交流グリッドとの間に、直流電圧を交流電圧に変換する変換器を配置
することである。このような配置構成において、上記の変換器は、数千ボルトの
直流電圧を、たとえば約１０キロワットの出力で３８０ボルトの三相交流電圧に
変換するのに適していなければならない。したがって、直流相互連結グリッド３
の電圧がある限り、交流電圧は常に、風車１に存在しているであろう。
【００２８】 風車１における交流グリッドを供給するための第３の方法は、必要である場合
に切換えられるエンジン発電機を使用することである。
【００２９】 第４の方法は、ケーブルおよび可能であれば変換器を介して、交流グリッドを
相互連結点５に接続することである。
【００３０】 上記では、各風車１がそれ自体の交流グリッドを有することについて述べてい
る。しかし、別法として、すでに述べた方法で相互連結点５に任意に接続される
ことができる局部交流グリッドを形成するために、２基以上の風車１の交流グリ
ッドが、互いに接続されてもよい。必要であれば、風車１の交流グリッドのため
に、上述したいずれかの方法で、この局部交流グリッドはエネルギーを供給され
てもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 風力発電基地の概略上面図である。
【図２】 さまざまな構成要素の概略図を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA11 AA26 AA31 BB10 BB11 CC22 CC54 CC56 CC73 5G065 AA00 DA01 DA06 EA10 HA01 JA02 LA07 MA01 5H590 AA02 AA04 AA30 CA07 CA14 CA28 CC02 CC24 CD01 CD03 CE01 EA05 EA07 EB12 FA01 FA08 HA02 HA11

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流を直流相互連結グリッド（３）に供給するために、可能
    であれば整流器（９）を装備した発電機（８）を備えた風車（１）によって電力
    を発生するための方法であって、２基以上の風車（１）の電力が、前記直流相互
    連結グリッド（３）を介して変換器（１０）に伝導され、前記変換器（１０）に
    おいて、交流に変換され、交流グリッド（５）に出力され、前記直流相互連結グ
    リッド（３）の直流電圧が、たとえば、前記変換器（１０）によって、発電機（
    ８）によって供給されることになっている電力の関数として設定されることを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項２】 直流電圧が、風速に基づいて設定されることを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 直流電圧が、前記風車の少なくとも１基の回転速度に基づい
    て設定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 ２基以上の風車（１）および前記風車によって発生される電
    力を変換器（１０）を介して交流グリッド（５）に伝導するための直流相互連結
    グリッド（３）を含み、各風車が発電機（８）を備える電力を発生するための装
    置であって、前記風車は直流を供給するために整流器（９）を含んでもよく、前
    記直流相互連結グリッド（３）における電圧設定を変更するための手段（１０，
    １０ａ）が備えられることを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】 電圧設定を変更するための前記手段（１０，１０ａ）が、風
    速を検出するためのセンサ（６）に接続されることを特徴とする請求項４に記載
    の装置。
  6. 【請求項６】 電圧設定を変更するための前記手段（１０，１０ａ）が、１
    基の風車の前記発電機の回転速度および複数の風車（１）の回転速度の平均を検
    出するためのセンサ（６）に接続されることを特徴とする請求項４に記載の装置
    。
  7. 【請求項７】 風車（１）が前記直流相互連結グリッド（３）にある電力を
    、前記風車（１）の設備によって使用されることができる形態、たとえば交流電
    圧に変換するための手段を備えていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれ
    か１項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 風車（１）が、前記風車（１）の設備によって使用されるこ
    とができる形態、たとえば交流電圧の形態で、エネルギーを一時的に発生するた
    めの手段を備えていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の
    装置。
  9. 【請求項９】 風車（１）が、前記風車（１）を安全に停止するために、エ
    ネルギーを一時的に中止して格納するための手段を備えていることを特徴とする
    請求項４乃至８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 変換手段が、前記交流グリッド（５）にある電気エネルギ
    ーを前記直流相互連結グリッド（３）に供給するために備えられていることを特
    徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の装置。
JP2000558311A 1998-07-02 1999-07-02 風力発電基地用の直流局部グリッド Pending JP2002519588A (ja)

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