JP2005538673A - 超同期カスケード接続を備えた風力発電施設の運転方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は風で駆動されるプロペラを備えた風力発電施設に関し、主として角度調整可能な１つ以上のプロペラ翼と、電気エネルギーを発生させるためプロペラに直接あるいは間接的に結合された発電機と、所定の風速の範囲内でプロペラ速度が制御される制御システムとで構成され、前記発電機は非同期発電機として、回転子速度が可変の際に発電機の出力供給が可能となるよう、滑り可変の発電機運転の回転子回路に超同期変換カスケード接続を有するよう構成される。エネルギー供給を改善するため、回転子回路の同期変換カスケード接続は回路網に滑り出力を供給するように構成される。これを達成するため超同期変換カスケード接続に昇圧制御器を備えた直流電圧の中間回路が設けられる。昇圧制御器は回転子電圧を１８０度の位相差で切替えるＩＧＢＴスイッチとして構成される。また本発明は滑りを制御して滑り出力を回路網に供給することで風力発電施設の出力を制御する方法にも関する。
Description
本発明は、主として角度調整可能な１つ以上のプロペラ翼を備え風力で駆動可能なプロペラと、直接または間接的に前記プロペラに結合され電気エネルギーを発生する発電機と、予め与えられた風速の範囲内で主としてプロペラ翼角を調整して回転子回転数が制御されるように構成された運転システムとを備え、前記発電機は非同期発電機として、回転子回転数が可変の際に発電機の出力供給が可能となるよう、滑り可変の発電機運転用の回転子回路に超同期変換カスケード接続を有するよう構成された、風力発電施設に関する。
さらに本発明は滑りを制御することによって風力発電施設の出力供給を制御する方法に関する。
この種の設備はかなり以前の出願DE 10117212.5で知られている。
可変のプロペラ回転数と可変のプロペラ翼角で操作されるこの種の風力発電施設は、固定された１つのプロペラ回転数と予め与えられ固定されたプロペラ翼角で操作される施設に比べて電気エネルギーがより多く発生する。通常、非常に低い風速の領域においては可変する回転数で操作され、プロペラ翼角は吹いてくる風の方向に対して９０度近くまで大きい角度で調整される。このプロペラ翼角は、風力発電施設が定格出力を供給する定格回転数でプロペラを回転させるため、風速が増加しても風速が十分になるまでは最初は変更しない。つまり出力供給は、風速が最小となる非常に小さい出力から定格出力に達するまでプロペラ回転数とともに増加していく。さらに風速が増加しても、スイッチ切断風速を超える風速になるまでは、プロペラ翼を常に風の方向に調整することによって、定格出力および定格回転数を一定に保持することは可能である。風速がスイッチ切断風速を超えると、風の方向に対してプロペラ翼角はほぼゼロ度となるようにプロペラ翼を風の方向に完全に向けることで、風力発電施設のスイッチは切断される。これによってプロペラにブレーキがかかる。風速が非常に大きい場合で、特に突風など風が強い場合に運転すると風力発電施設が損傷を受ける程度に負荷が大きくなる可能性があるので、スイッチは切断する必要がある。
可変のプロペラ回転数と可変のプロペラ翼角で操作されるこの種の風力発電施設は、固定された１つのプロペラ回転数と予め与えられ固定されたプロペラ翼角で操作される施設に比べて電気エネルギーがより多く発生する。通常、非常に低い風速の領域においては可変する回転数で操作され、プロペラ翼角は吹いてくる風の方向に対して９０度近くまで大きい角度で調整される。このプロペラ翼角は、風力発電施設が定格出力を供給する定格回転数でプロペラを回転させるため、風速が増加しても風速が十分になるまでは最初は変更しない。つまり出力供給は、風速が最小となる非常に小さい出力から定格出力に達するまでプロペラ回転数とともに増加していく。さらに風速が増加しても、スイッチ切断風速を超える風速になるまでは、プロペラ翼を常に風の方向に調整することによって、定格出力および定格回転数を一定に保持することは可能である。風速がスイッチ切断風速を超えると、風の方向に対してプロペラ翼角はほぼゼロ度となるようにプロペラ翼を風の方向に完全に向けることで、風力発電施設のスイッチは切断される。これによってプロペラにブレーキがかかる。風速が非常に大きい場合で、特に突風など風が強い場合に運転すると風力発電施設が損傷を受ける程度に負荷が大きくなる可能性があるので、スイッチは切断する必要がある。
この種の風力発電施設では出力と回転数が増加すると、ＥＶＵ（エネルギー供給会社）における短時間の出力変動の調整はますます困難さを増してくる。したがって、供給される出力の品質に対する要求はますます増加する。
このため、非同期発電機用に適した制御が開発されてきた。このような非同期発電機は適切なコンピュータ制御によって１０％までの可変滑りとなり、これはプロペラおよび発電機は突風の際に１０％の変動が許容されることを意味する。風が強い場合、発電機の出力発生は定格出力で一定に保持される。システムの柔軟性により風力発電施設の重要部品の負荷は最小となり、電気回路網に供給される出力の品質は改善される。
三相交流発電機を備えた風力発電施設をこの従来の運転方法で運転する場合、突風の際に回路網に均一に出力を供給のための回転数の適合は、不安定な滑りによる回転子回路のパルス制御抵抗で実現される。回転子の滑り出力は利用されずに残り、熱に変換される。
従来知られたコンセプトはスリップリングを備えた非同期発電機用の超同期カスケード接続である。この場合、整流された滑り出力は回路網に導かれるインバータを介して回路網に供給される。この使用の欠点は回路網故障時における、発電機内に発生する電流振動の大きな揺動要因、大きい無効電力需要および起こりうるインバータの逆転である。
US−A−6,137,186で知られたカスケード接続の別の方法は、同期回転数の上下の回転数範囲で使用される２重給電の三相交流発電機用の界磁方向制御によって、電圧中間回路変換器を使用して回転子電流を制御する方法である。二重給電非同期発電機の界磁方向制御は回路網に最初に電圧をかける際と回路網の短絡の際に問題となる。
DE 10117212.5
US−A−6,137,186
本発明の課題は供給する出力の品質を向上させる風力発電施設およびこの発電施設の運転方法を提供することである。風力発電施設の運転方法は粗暴な使用にも耐え、低コストで作動し、かつ特に故障に弱い回路網でも出力供給が可能でなければならない。特に、本発明のさらなる課題は風が変動する場合でも電気エネルギーを経済的に生産する方法を提供することである。
この種の発電施設の場合、回路網に滑り出力を供給するため回転子回路に超同期変換カスケード接続を構成することにより課題は解決できる。滑り出力はしたがって本発明に基づき回路網に供給される。これによって風力発電施設の運転が経済的になる。
超同期変換カスケード接続は昇圧制御器として構成される直流電圧中間回路を備えることによって有利に運転が行われる。
この場合、昇圧制御器は回路網周波数の倍数、特に１０倍から１００倍の範囲の周波数で切り替わるように構成することが好ましい。
この場合、昇圧制御器は回路網周波数の倍数、特に１０倍から１００倍の範囲の周波数で切り替わるように構成することが好ましい。
昇圧制御器はパルス幅変調を備えるか、または可変周波数のＩＧＢＴスイッチで切替え可能に構成される。回転子の電流、周波数および電圧に基づいて制御されるＩＧＢＴスイッチのパルス幅変調で、回路網電圧に適合した回路網側のパルス変換器用の中間回路電圧が制御される。
回転子電流の高調波振動を回避し、滑りに依存する整流された回転子電圧の脈動を後で操作するため、ＩＧＢＴスイッチは可変の高周波数でかつ１８０度の位相差で切り替えることが有利である。
風速が低い場合は、特に三相の滑り抵抗を介して、固定子を短絡し、回路網から分離するように構成される。それで、発電機はわずかな風速の場合でも単なる非同期発電機として回路網に出力供給することができる。
この種の方法の場合は滑り出力を回路網に供給することによって課題が解決される。
この場合、回転数に応じて整流された発電機の回転子電圧は昇圧制御器を使用して回路網電圧のレベルにまで昇圧するのが有利な方法である。
この場合、回転数に応じて整流された発電機の回転子電圧は昇圧制御器を使用して回路網電圧のレベルにまで昇圧するのが有利な方法である。
この方法の有利な形態は変換器カスケード接続の回路網への出力供給をパルス幅変調によって制御することである。
回路網への中間回路出力を回路網の無効電力需要に適合して供給すると、回路網の品質に有利に寄与される。
回路網への中間回路出力を回路網の無効電力需要に適合して供給すると、回路網の品質に有利に寄与される。
整流され滑りに応じた回転子電圧ＵＺＳの脈動の結果生じる高調波振動の発電機への反応を最小限にするため、特にパルス幅変調および／または周波数可変で、２つの昇圧制御器によって互いに１８０度の位相差で中間回路電流の切替えを行うと有利である。
風の状況が通常の場合は三相交流発電機を超同期カスケード接続の昇圧制御器によって通常運転で運転し、風がわずかの場合は固定子を電気回路網から分離して三相の滑り抵抗を介して短絡させて単なる非同期機械に切り替えて運転することにより、エネルギーの活用が有利に高まる。
非同期発電機をコンデンサで自励させ、回転子の回転に応じた周波数を可変にして、電気エネルギーを整流器および昇圧制御器を介して中間回路コンデンサに供給し生じたエネルギーをパルス変換器で電気回路網へ供給すると特に有利である。
機械出力がパルス変換器の電気出力を超えると、発電機の固定子を同期させて電気回路網と接続させ、超同期滑り出力をカスケード配置で回路網に供給するのが特に有利である。
最後になるが、好ましくはゴンドラに配置された発電機の少なくとも１つのケーブルを塔脚部のスイッチ箱に導き、滑り抵抗として作用させることにより、特別の抵抗を使用しなくても済ませることができる。
発明のさらなる利点および詳細は以下の図面に基いた実施形態の記載から明らかになる。
図示した発明による風力発電施設は地面に固定したマスト１とマスト１の頂部に取り付けた３枚のプロペラ翼を有するプロペラ２を備える。プロペラ翼角はその軸に対して調整可能に構成される。プロペラ２は伝動装置を介して非同期発電機３に機械的に結合される。発電機の固定子４は回路網８に接続される。この場合、回路網の周波数と固定子に発生する周波数とは同期する。発電機３の回転子５は配線を介して変換装置６に接続され、この変換装置６が、固定子４と回路網８間の配線に接続される。発電機で発生する滑り出力は変換装置６で回路網に供給される。プロペラの滑り出力および回転数は可変に制御される。発電機３から回路網８にわずかな変動で供給される出力は、図示しないが専門家には周知の、プロペラ回転数およびプロペラ翼角を制御する運転操作システムによって達成される。三相交流発電機３の固定子４は第１のスイッチ１３を介して電気回路網８と電気接続されるか、または三相の滑り抵抗１４と第２のスイッチ１５を介して短絡巻線に電気接続される。本接続図では固定子短絡は符号１６で示される。
回転子５は変換装置６に電気接続され、変換装置６は第３のスイッチ７を介して電気回路網８に接続されるか、または回路網８から分離される。
変換装置６は直流中間回路１１’によって互いに電気接続された整流器９、パルスインバータ１０、および昇圧制御器１１から構成される。変換装置６の異なる運転状態はパルスインバータ１０および昇圧制御器１１の両者の周波数および電圧制御用の２つの制御装置１２および１２’によって確立される。
変換装置６は直流中間回路１１’によって互いに電気接続された整流器９、パルスインバータ１０、および昇圧制御器１１から構成される。変換装置６の異なる運転状態はパルスインバータ１０および昇圧制御器１１の両者の周波数および電圧制御用の２つの制御装置１２および１２’によって確立される。
発明によると風力発電施設の三相交流発電機３用の超同期カスケード接続は電圧中間回路１１’内の２つの昇圧制御器１１ａおよび１１ｂ（ブースト変換器）を使用して実施される。回転子５の電圧は３相の制御されない整流器９により滑りに応じた直流電圧に変換される。平滑化された直流電圧ＵＺＳは２つのインダクタンスと２つのＩＧＢＴスイッチによって電圧ＵＺに昇圧される。ＩＧＢＴスイッチ１１ａおよび１１ｂで電圧ＵＬにインダクタンスＬが負荷され、ダイオードＤが遮断される。所定の電流に達したあと、ＩＧＢＴスイッチ１１ａおよび１１ｂは開にされ、中間回路コンデンサＫで決まる電圧ＵＺがインダクタンスに生じる。６パルスの変換器１０で中間回路エネルギーは高調波振動の少ないものにされ、回路フィルタＦを介して電気回路網に供給される。
回転子電流の高調波振動を避けるため、整流された回転子電圧ＵＺＳの滑りに応じた脈動を後で操作するため、ＩＣＢＴスイッチ１１ａおよび１１ｂは１８０度の位相差のある可変の高周波数で切替えられる。回転子の電流、周波数および電圧に応じて制御装置１２’で制御されたＩＧＢＴスイッチのパルス幅変調によって、回路網電圧に適した回路網側のパルス変換器１０用の中間回路電圧Ｕｚが制御される。
また超同期カスケード接続は電圧中間回路１１’内の１８０度の位相差のある２つの昇圧制御器１１ａおよび１１ｂで形成されるので、整流された回転子電圧は、より高い中間回路電圧ＵＺに昇圧され、パルス変換器１０および回路網フィルタＦを介して電気回路網８に供給される。通常の風力状況の場合には三相交流発電機３は超同期カスケード接続の昇圧制御器１１を使用して通常運転で運転され、風力が弱い場合には固定子４を回路網８から分離し、三相の滑り抵抗１４を介して固定子４を短絡させることにより、三相交流発電機３は単なる非同期機械に形成されて運転される。
この非同期発電機はコンデンサＫ’で自己励磁され、その電気エネルギーは６パルスの制御されない整流器９および中間回路コンデンサＫの間に存在し切り替えられる昇圧制御器１１を介して周波数可変で供給され、発生したエネルギーはパルス変換器１０で電気回路網８に供給される。制御装置１２は、回転数に応じた発電機の脈動電圧を回路網に適した中間回路電圧ＵＺに高めるような方法でパルス幅制御と周波数可変で昇圧制御器１１を制御する。中間回路エネルギーは制御装置１２によってパルス変換器１０で正弦波にされ回路網に供給される。
その場合、非同期発電機では鉄損が少なくなるので有利である。風速が低い場合、電気エネルギーの生産は三相交流発電機で固定子４を回路網８に接続するよりも、前記の方法を使用する方が、効率がよくなる。機械出力がパルス変換器１０の電気出力を上回る場合は、発電機の固定子４は電気回路網８と同期して結合され、超同期滑り出力はカスケード配置で回路網に供給される。
図２のグラフでは定格回転数ｎＮで正規化された回転数ｎが横軸にとられている。プロペラ２および回転子５の回転数は、必要に応じて中間ギアの固定化された伝達歯車によって決まるせいぜい一定の係数分しか相違しないので、どちらの回転数を問題にするかは重要ではない。しかし、一定の係数は定格回転数で横軸の基準を正規化することによって除去できる。
図２のグラフの縦軸には電気回路網８に供給される三相交流発電機３の定格出力ＰＮで正規化された出力Ｐが表される。グラフの出力曲線は明瞭に区別できる４つの部分１７，１８，１９，２０からなる。
風が十分に強い場合、風力発電施設は部分１７で駆動される。この場合、定格出力ＰＮの生成に必要な回転数ｎは定格回転数ｎＮを超えている。プロペラ翼２の角度を調整することによって実際の回転数は風力に適合され、その場合、制御装置１２，１２’を使用して変換装置６を適切に制御することにより電気回路網８に供給される出力Ｐは定格出力ＰＮに一定に保持される。三相交流発電機３はこの領域では通常運転となり電流変換装置６は超同期カスケード運転にして操作される。通常運転状態は図２のＤＡＳＭで表示される。
風が弱くなると、定格出力ＰＮの生成に必要な回転数ｎＮはもはや維持できない。それで、出力曲線の領域１８では実際に供給される出力Ｐは定格出力ＰＮよりも低下する。詳しくいうと、出力Ｐは最小回転数に達するまでは低下する回転数にほぼ比例し、風力発電施設は通常運転状態ＤＡＳＭでまだ経済的に運転される。さらに風が弱くなると、風力発電施設は本発明による運転方法を使用しない場合は停止する必要がある。
しかし本発明は風が非常に弱くなった場合でも、風力発電施設は運転状態ＡＳＭに切り替えることによって運転を続けることが可能となり、三相交流発電機３は非同期機械として、また変換装置６は全変換装置として運転される。この場合、固定子４は第１のスイッチ１３を開いて電気回路網８から分離し、第２のスイッチ１５を閉じて滑り抵抗１４を通して短絡させる。したがって、電気回路網８で発電機から同時に生成される電気エネルギーよりも固定子４の鉄損が大きくなることは阻止される。
図２のグラフでわかるように、出力曲線の部分２０は再び回転数にほぼ比例して低下するが、その勾配は部分１８に比べると水平に近い。この運転状態ＡＳＭにおいては、風力が非常に弱くなり回転数が非常に低下した場合でも、電気回路網８の第３のスイッチ７を閉じることで経済的なエネルギー供給が可能になる。出力曲線の部分２０で発明により運転される風力発電施設においては、従来の方法で運転される設備では生産することができない余分のエネルギーを生産することができる。
従来の風力発電施設では失われていたこのエネルギーの差は場合によっては非常に大きいものになる。差の大きさは設備の立地場所における風力状況に基本的に支配される。風力状況の弱い時間帯が長くなればなるほど、余分に得られるエネルギーは大きくなる。
運転状態ＡＳＭおよびＤＡＳＭの両運転状態の回転数領域は図２の破線で示す切替え領域２１において重なり合う。切替え点は使用される制御アルゴリズムに基づき多少高め、あるいは多少低めの回転数ｎにすることができる。それに応じて、従属する出力Ｐも異なったものになる。したがって出力曲線の第３の部分１９は実際の経過では表現できないので、単に推移の概略的な表現として理解する必要がある。
図３には本発明による風力発電施設の別の実施形態が示されるが、図１の制御されない整流器９がパルス変換器１０”に取り替えられ、かつ中間回路１１’には昇圧制御器が設けられていない。この場合も、超同期カスケード接続を備えた三相交流発電機３の場合は、制御された滑り出力は自己整流のパルス変換器１０を介して電気回路網に供給される。回転子電流を正弦波に制御するため、滑り出力を供給するパルス変換器１０”を直流電圧中間回路に設け、そこから第２のパルス変換器１０を介して滑り出力は電気回路網８に供給される。電流計Ｓ”およびＳに接続されている制御装置１２”および１２はパルス変換器１０”および１０を制御するのに役立つ。
１ 塔
２ プロペラ
３ 三相交流発電機
４ 固定子
５ 回転子
６ 変換装置
７ 第３のスイッチ
８ 電気回路網
９ 制御されない整流器
１０ パルスインバータ
１０” パルスインバータ
１１ 昇圧制御器
１１’ 直流電圧中間回路
１１ａ 昇圧制御器
１１ｂ 昇圧制御器
１２ 制御装置
１２’ 制御装置
１２” 制御装置
１３ 第１のスイッチ
１４ 滑り抵抗
１５ 第２のスイッチ
１６ 固定子短絡
Ｌ インダクタンス
Ｄ ダイオード
Ｋ，Ｋ’コンデンサ
Ｆ 回路網フィルタ
ＵZS 直流電圧
ＵZ 昇圧された電圧
Ｓ 電流計
Ｓ’ 電流計
Ｓ” 電流計
１７ 第１の部分
１８ 第２の部分
１９ 第３の部分
２０ 第４の部分
２１ 切替え領域
２２ 機械的結合
Ｐ 出力
ＰＮ 定格出力
ｎ 回転数
ｎＮ 定格回転数
ＡＳＭ 非同期機械としての運転／全変換装置運転
ＤＡＳＭ 二重給電非同期機械としての運転／通常運転
２ プロペラ
３ 三相交流発電機
４ 固定子
５ 回転子
６ 変換装置
７ 第３のスイッチ
８ 電気回路網
９ 制御されない整流器
１０ パルスインバータ
１０” パルスインバータ
１１ 昇圧制御器
１１’ 直流電圧中間回路
１１ａ 昇圧制御器
１１ｂ 昇圧制御器
１２ 制御装置
１２’ 制御装置
１２” 制御装置
１３ 第１のスイッチ
１４ 滑り抵抗
１５ 第２のスイッチ
１６ 固定子短絡
Ｌ インダクタンス
Ｄ ダイオード
Ｋ，Ｋ’コンデンサ
Ｆ 回路網フィルタ
ＵZS 直流電圧
ＵZ 昇圧された電圧
Ｓ 電流計
Ｓ’ 電流計
Ｓ” 電流計
１７ 第１の部分
１８ 第２の部分
１９ 第３の部分
２０ 第４の部分
２１ 切替え領域
２２ 機械的結合
Ｐ 出力
ＰＮ 定格出力
ｎ 回転数
ｎＮ 定格回転数
ＡＳＭ 非同期機械としての運転／全変換装置運転
ＤＡＳＭ 二重給電非同期機械としての運転／通常運転
Claims (16)
- 主として角度調整可能な１つ以上のプロペラ翼を備え風力で駆動可能なプロペラと、直接または間接的に前記プロペラに結合され電気エネルギーを発生する発電機と、予め与えられた風速の範囲内で主としてプロペラ翼角を調整して回転子回転数が制御されるように構成された運転システムとを備え、前記発電機は非同期発電機として、回転子回転数が可変の際に発電機の出力供給が可能となるよう、滑り可変の発電機運転用の回転子回路に超同期変換カスケード接続を有するよう構成された、風力発電施設において、
回転子回路の超同期変換カスケード接続は滑り出力を回路網に供給するよう構成されたことを特徴とする。 - 超同期変換器カスケード接続は昇圧制御器として形成された直流電圧中間回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設。
- 昇圧制御器は回路網周波数の倍数、特に１０倍から１００倍の周波数で切り替わるように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電施設。
- 昇圧制御器はパルス幅変調を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電施設。
- 昇圧制御器は可変周波数のＩＧＢＴスイッチにより切替え可能に構成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電施設。
- ２つの昇圧制御器のＩＧＢＴスイッチは互いに１８０度の位相差で切り替わるように構成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電施設。
- 風速が低下したときは、固定子は主として３相の滑り抵抗を介して短絡し回路網から分離されるよう構成されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電施設。
- 滑りを制御することによって風力発電施設の出力供給を制御する方法において、滑り出力を回路網に供給することを特徴とする。
- 変換器カスケード接続の中間電圧を回路網電圧に昇圧し、かつ滑りに応じて制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 回路網への変換器カスケード接続の出力供給をパルス幅変調によって制御することを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
- 回路網への中間回路出力の供給を回路網の無効電力需要に合わせて行うことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
- 中間回路電流の切替えは２つの昇圧制御器によって互いに１８０度の位相差で、主としてパルス幅変調および／または周波数変換で行うことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
- 三相交流発電機を、通常の風力状況の場合は超同期カスケード接続の昇圧制御器を使用して通常運転で運転し、風が弱い場合は固定子を電気回路網から分離して３相の滑り抵抗を介して短絡させることにより単なる非同期機械に切り替えて運転することを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
- 非同期発電機をコンデンサで自励させて回転子の回転数に応じて周波数を可変にし、発電機の電気エネルギーを整流器および昇圧制御器を介して中間回路コンデンサに蓄え、このエネルギーをパルス変換器で電気回路網に供給することを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
- 機械出力がパルス変換器の電気出力を超えると、発電機を固定子に同期させて電気回路網に接続し、超同期滑り出力をカスケード装置で回路網に供給することを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
- 主としてゴンドラに配置された発電機の少なくとも１つのケーブルを塔脚部のスイッチ箱に導き滑り抵抗として作用させることを特徴とする請求項８ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
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