JP2006514523A - 高圧送電網に接続した風力タービン発電機の送電網故障中の制御方法および、その方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、送電網故障中に、高圧送電網に接続した風力タービン発電機を制御するための方法および装置に関するものである。送電網故障が続く間、風力タービン発電機の固定子巻き線が、高圧送電網から切り離され、送電網故障が続く間に風力タービンによって発生した電力の少なくとも一部を消費するためのインピーダンスが、固定子巻き線に接続される。このようにして、発電機の所定の励磁状態を保持し続け、送電網故障が復旧した後は、発電機を高圧送電網に同期させ、インピーダンスを切り離し、固定子巻き線を再接続する。このようにして、送電網故障が続く間は、風力タービン発電機を少なくとも部分的に励磁状態に保持し続けることができ、これにより、送電網故障が復旧し送電網電圧が再確立され次第、高圧送電網への電力供給が可能となるように待機させることが可能となる。

Description

本発明は、クレーム１の序文に記載した種類の高圧送電網故障の間に、高圧送電網に接続した風力タービン発電機を制御するための方法に関するものである。

風力タービンシステムでは、高圧送電網の故障の間にも、風力タービンのなんらかの種類の制御を行うことが知られている。しかし、このような制御装置の一般的な考え方は、風力タービンのブレードの角度を調整することにより、風力タービンを停止させ、高圧送電網から発電機を切り離すことを目的としている。所定の時間が経過し、高圧送電網の電圧が再確立された時には、高圧送電網に電力を供給するために、通常の手順で風力タービンを起動するが、風力タービンの切り離しから再起動までの時間は、経験的には１から１０分のオーダーである。風力タービン発電機からの短絡電流に対する寄与は、約４０から５０ミリ秒間だけ継続するように通常は制限されており、この時間が経過した後は、風力タービン発電機からの電流はゼロになる。従って、風力タービン発電機は、電圧の再確立には寄与せず、また、高圧送電網の短絡電流に対して長期間に及ぶ寄与もないが、この期間は、高圧送電網の故障部位を切り離すための高圧送電網保護手段を動作させるために必要となるものである。

ＥＰ―０ ９８４ ５５２によれば、故障が検出された際には、発電機の固定子巻き線を高圧送電網から切り離し、故障状態が続いている間は、生成された電力を消費し、発電機の所定の励磁状態を保持し続けるために、インピーダンスを固定子巻き線に接続することが知られている。故障が復旧した後は、再び発電機を高圧送電網に同期させ、固定子巻き線を高圧送電網に再接続する。

（発明の開示）
本発明の目的は、上記の種類の高圧送電網の故障の間に、高圧送電網に接続した風力タービン発電機を制御するための方法を提供することにあり、この方法によって、風力タービン発電機を励磁状態に保持し、故障の復旧後に高圧送電網の電圧が再確立され次第、高圧送電網への電力供給が可能となるように風力タービン発電機を待機させることが可能となる。本目的は、本発明のクレーム１の特徴記載部で示した特徴を含む、前記の種類の故障の間に、高圧送電網に接続した風力タービン発電機を制御するための方法により達成される。本方法によれば、高圧送電網の低電圧状態あるいはゼロ電圧状態などの故障の状況に応じて、発電した電力を高圧送電網に送出できなくなった際には、常に、発電した電力を電気抵抗により消費することが可能となり、高圧送電網が再確立され次第、ほぼ瞬時に、高圧送電網への電力供給を行うために、風力タービン発電機を再接続することが可能となる。

さらに、バック・ツー・バック（back-to-back）変換器と高圧送電網とを接続し続けることにより、所定の電力を高圧送電網に供給することが可能となり、これにより、高圧送電網の故障部位を切り離すための送電網保護手段を動作させるために必要となる、送電網中の短絡回路電流を実現することができる。

本発明による方法の好適な実施例については、その利点は以下の説明から明らかになるものであり、従属クレームにおいて明示されている。
本明細書の以下の詳細部分では、以下の図面で示された発明によるところである、高圧送電網に接続した風力タービン発電機を送電網故障中に制御する方法を実施する様々な装置の例示的な実施例により、本発明をより詳細に説明する。

図１に示した風力タービン発電機システムは、二重給電形非同期発電機Ｇを含んでおり、その固定子巻き線は、通常、接触器を介して、変圧器Ｔで示された高圧送電網に接続されている。発電機Ｇにより発電される電力を制御できるようにするため、回転子巻き線は、回転子変換器と、中間ＤＣ回路と、変圧器Ｔを介して高圧送電網に接続された送電網変換器とを含む直流変圧器に接続されている。回転子変換器と送電網変換器とを適切に制御することにより、発電機Ｇからの発電については、周波数、有効電力、無効電力、電圧などを、制御することができる。

高圧送電網が故障した場合には、高圧送電網の電圧が実質的に低下を引き起こし、この電圧低下により、発電機の消磁を引き起こし、それに対応して、固定子巻き線から高圧送電網へ流れ、さらに回転子巻き線中に流れる高圧電流を引き起こす。しかし、回転子変換器と送電網変換器は、通常は、このような高電圧に耐えられるような寸法をもっていないため、クローバ回路あるいは同等の回路を回転子巻き線に接続し、例えば、高圧送電網の故障に伴い、高圧電流が検出された時にこの回路を動作させる。発電機Ｇが消磁された後で、固定子巻き線を高圧送電網から切り離し、回転子インピーダンスに接続する。これにより、風力タービンブレードから発電機に与えられる機械エネルギーが、これらのインピーダンスにより消費されるように、発電機の固定子巻き線の負荷を与える。固定子巻き線を高圧送電網から切り離した後、クローバ回路を停止させ、回転子変換器は、発電機の消磁を制御する動作を再開し、固定子巻き線からそれに接続されたインピーダンスへの電力供給を再開する。回転子巻き線から中間ＤＣ回路へのエネルギー供給は、さらに、送電網変換器を介して送電網に送られ、ある程度の送電網電圧がある場合には、逆向きに送電網から中間ＤＣ回路へ電力が送られる。回転子巻き線から供給された電力が、高圧送電網に接続された送電網変換器により消費できない場合には、ＤＣチョッパを中間ＤＣ回路に挿入し、余剰電力を消費できるようにする。

故障状態が続いている間は、送電網変換器を制御して、無効短絡電力を高圧送電網に循環させることが好ましく、この電力は、送電網変換器の定格電力で制限を受けるのみである。上述したように、システム中の損失を補填するための電力は、高圧送電網上の余剰電圧で賄うか、固定子巻き線が多かれ少なかれ短絡状態となるように発電機を接続し、回転子変換器を介して回転子巻き線から送られる電力によって補填するものとする。

上述したように、また以下で詳細に説明するように、固定子回路に挿入されたインピーダンスを用いるか用いないかにより、固定子巻き線の短絡は、多かれ少なかれ直接的に行うことが可能である。さらに、以下で詳細に説明するように、固定子インピーダンスを含む固定子の短絡は、スター接続あるいはデルタ接続した固定子巻き線と、対応したスター接続あるいはデルタ接続した構成をもつインピーダンスにより行うことができる。このようにして、固定子巻き線と固定子インピーダンスの構成を選択することにより、適切な電力の消費が可能となり、風力タービン発電機から送られる電力の多くの部分をインピーダンスで消費でき、これにより、風力タービンが実際に加速することを防ぐことが可能となる。さらに、固定子巻き線の短絡により、バック・ツー・バック変換器を介して、有効電力と無効電力を、高圧送電網から回転子巻き線に送ることができる。

回転数が超過する危険性が少ない状況では、定格電圧の約６０％から１００％になるように、また、送電網電圧の戻りが期待できるような振幅と角度となるように、発電機を消磁することが可能となる場合もある。このようにして、同期化の時間を短くし、送電網電圧の戻りがあり次第、固定子巻き線を再び接続することができ、この状況では、固定子巻き線の電圧は送電網電圧に近いものとなる。再接続の後、有効電力と無効電力は、高圧送電網の故障が起こる前の値にまで迅速に充電される。
故障の間、風力タービンのスピードは固定子に接続されたインピーダンスにおいて、および場合によっては中間ＤＣ回路のチョッパ抵抗において電力を消費することで制御される。従って、ピッチ制御は主として、もし回転速度が臨界になる場合および／または高圧送電網の故障および対応する電圧減少がより長く続く特性である場合にのみ使用される。

故障状態が続いている間は、風力タービンの回転速度は、ピッチ調整システムと回転子変換器により制御することができ、また、この制御は、回転子軸のねじれ振動を抑制するためにも用いられる。回転速度の上昇と、回転速度の変動を抑制することにより、再び同期化を図ることが容易になる。発電機の減速中に、回転子変換器を介して回転子巻き線から中間ＤＣ回路へ送られる電力は、ＤＣチョッパにより消費され、その時点で残留電圧があれば、高圧送電網に送られる。

図２に示した、インピーダンスを発電機の固定子巻き線に接続するためのシステムは、通常装着される接触器Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４を含んでおり、これらの接触器は、高圧送電網から発電機を切り離すことを可能とするために設けられているもの（Ｓ１）、および、スター接続（Ｓ２、Ｓ４）およびデルタ接続（Ｓ２、Ｓ３）の固定子巻き線を接続するために設けられているものである。図２は、各々、接触器Ｓ５とＳ６を用いて、インピーダンスを接続するための二つの異なる可能性があることを示している。これらの接触器は、巻き線をスター接続とデルタ接続とに切り替えることができる発電機の固定子巻き線を介して、スター接続で結合されたインピーダンスを接続するためのものである。固定子巻き線の短絡回路は、一次電流回路から分離しておくことが可能となっており、これにより、接触器とケーブルの寸法を抑えることができる。図２では、接触器Ｓ５とＳ４を閉じ、接触器Ｓ１を開くことにより短絡回路を設けることができ、これにより、固定子をスター接続とすることが可能となる。また、接触器Ｓ１を開き、接触器Ｓ２、Ｓ３およびＳ５を閉じることにより、短絡回路を設けることもでき、これにより、固定子をデルタ接続とすることが可能となる。さらに、接触器Ｓ２、Ｓ３を開き、接触器Ｓ４、Ｓ５を閉じることにより、短絡回路を設けることができ、これにより、インピーダンスと固定子巻き線をスター接続することが可能となる。固定子巻き線の直接短絡回路は、接触器Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４により設けることができる。これらの接触器は、同時にＳ１を開閉して、固定子巻き線の直接短絡回路を設けるものとなっている。また、図２に示した回路構成は、別の接続形態を可能とし、その形態では、インピーダンスを固定子巻き線と直列接続し、さらに、固定子巻き線を高圧送電網に接続するものとなっている。この接続形態は、接触器Ｓ６、Ｓ３およびＳ１を閉じ、接触器Ｓ２、Ｓ４およびＳ５を開くことにより設けることができる。この回路構成は、高圧送電網から切り離している状態、および、あるいは、高圧送電網に再接続している状態で用いることができる。

図３に示す構成は、インピーダンスの接続について、他の可能性を示すものである。接触器Ｓ２を開き、接触器Ｓ７を閉じることにより、固定子巻き線の端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に直列にインピーダンスを挿入する。また、接触器Ｓ３またはＳ４を閉じることにより、固定子巻き線を、各々、デルタ接続あるいはスター接続とすることができる。接触器Ｓ１を閉じ、接触器Ｓ８とＳ９を開いておくことにより、有効電力と無効電力を、高圧送電網に送ることができる。もし、発電機が図１に示したような二重給電形非同期発電機である場合には、バック・ツー・バック変換器を制御することにより、この電力を制御することが可能となる。接触器Ｓ１を開き、接触器Ｓ８を閉じることにより、インピーダンスを介した固定子巻き線の短絡を設けることが可能である。この回路構成では、接触器Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７およびＳ９により、インピーダンスと固定子巻き線の両方を、スター接続とデルタ接続との間で接続することが可能となる。

有効電力の再確立を優先的に扱う状況では、接触器に替えて、固定子巻き線に接続させてパワーエレクトロニクス・スイッチを挿入してもよい。発電機巻き線の安全で急峻な再接続を行うために、このスイッチ素子は、基本的に、故障状態が続いている間は、動作中となるように設けられている。風力タービンが通常の状態になると、すぐに、接触器により、パワーエレクトロニクス・スイッチが短絡する。

以上のように、好適な実施例により本発明を説明してきたが、当該技術分野に精通した者にとっては、図４に示したように、動作中の発電機の滑りを最適化できるように、電子的に制御されたインピーダンスに回転子巻き線が接続された風力タービン発電機に関して適用できることは明確なことである。また、これに関連し、故障状態が続く間、高圧送電網から固定子巻き線を切り離し、切り離された固定子巻き線にインピーダンスを接続することにより、発電機を少なくとも部分的に励磁状態を保持し続けることが可能である。

さらに、本発明は、図５に示したように、いわゆる短絡回転子発電機に関しても適用でき、故障状態が続く間、高圧送電網から固定子巻き線を切り離し、切り離された固定子巻き線に適切なインピーダンスを接続することにより、発電機の励磁状態を保持し続けることが可能となる。

高圧送電網に対する同期特性を改善するために、独立した３つの送電網電圧測定と、独立した３つの固定子電圧測定を用いることが可能であり、さらに、エンコーダを設けて、回転子の位置を検出することが可能である。

図１は、二重給電形非同期発電機を含む高圧送電網に接続した風力タービン発電機の概要を示す図であり、ここでは、回転子は、回転子巻き線と高圧送電網との間でエネルギーを伝達するバック・ツー・バック変換器を介して、高圧送電網に接続されている。 図２は、電気抵抗を風力タービン発電機の端子に接続するための、実施可能な接続システムの概要を示す図であり、ここでは、発電機をスター接続およびデルタ接続とする場合を示している。 図３は、他の構成を有する接続システムの概要を示す図であり、ここでは、電気抵抗は、発電機の端子と高圧送電網との間に直列に接続されており、ここでは、発電機をスター接続およびデルタ接続とする場合を示している。 図４は、二重給電形非同期発電機を含む高圧送電網に接続した風力タービン発電機の概要を示す図であり、ここでは、回転子は、回転子抵抗の制御と、発電機の滑りを制御を行うために、電気的に制御されるインピーダンスに接続されている。 図５は、いわゆる短絡回転子をもつ発電機を含む、高圧送電網に接続した風力タービン発電機の概要を示す図である。

Claims (12)

1. 高圧送電網に接続した風力タービン発電機の送電網故障中の制御方法であって、前記発電機は、風力タービンで駆動される回転子と、高圧送電網に常時接続した固定子とを含み、通常動作時に電力を送るために高圧送電網に接続されており、
   ａ）故障が検出された時に、高圧送電網から固定子巻き線を切り離すステップと、
   ｂ）送電網故障が続く間、風力タービンにより発生した電力の０％から１００％の間を消費するためのインピーダンスに、固定子巻き線を接続するステップと、
   ｃ）送電網故障が続く間、発電機に所定の励磁状態を保持させるステップと、
   ｄ）送電網故障がなくなった後は、高圧送電網に対して発電機を同期させ、インピーダンスを切り離し、高圧送電網に固定子巻き線を再接続するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、風力タービンの測定されたパラメータに応じて、スター接続あるいはデルタ接続の構成でインピーダンスを接続し、スター接続あるいはデルタ接続の構成で固定子巻き線を接続するステップを含むことを特徴とする方法。
3. 上記の請求項のいずれかの方法において、発電機は、二重給電形非同期発電機であり、回転子巻き線は、回転子巻き線と高圧送電網との間でエネルギーを送るためのバック・ツー・バック変換器を介して、高圧送電網に通常接続されており、
   送電網故障が続く間はバック・ツー・バック変換器を高圧送電網に接続し続け、送電網故障が続く間は制御された短絡成分を高圧送電網に送り、送電網故障が続く間は発電機の所定の励磁状態を保持し続けるようにバック・ツー・バック変換器を制御するステップを含む制御方法にもとづいていることを特徴とする方法。
4. 請求項１あるいは２記載の方法において、発電機は、回転子巻き線に接続され電子的に制御されたインピーダンスを含む二重給電形非同期発電機であり、発電機の所定の励磁状態が送電網故障が続く間は保持し続けるように、送電網故障が続く間は、回転子巻き線に接続され電子的に制御されたインピーダンスを制御するステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１記載の方法を実施する装置であり、前記装置は、風力タービンで駆動される回転子と固定子を含む高圧送電網に接続した風力タービン発電機を含み、前記固定子は、通常動作の間、電力を送るために、高圧送電網に接続され、
   故障が検出された時に、高圧送電網から固定子巻き線を切り離す手段と、
   インピーダンスを固定子巻き線に接続する手段であって、前記インピーダンスは、送電網故障が続く間、風力タービンにより発生した電力の０％から１００％の間を消費するように、その大きさが定めらたことを特徴とする手段と、
   断線の間、発電機に所定の励磁状態を保持し続ける手段と、
   送電網故障がなくなった後は、高圧送電網に固定子巻き線を再接続する前に、高圧送電網に対して発電機を同期させる手段とを含むことを特徴とする装置。
6. 請求項５記載の装置において、高圧送電網から固定子巻き線を切り離す手段と、インピーダンスに固定子巻き線を接続する手段は、接触器を含むことを特徴とする装置。
7. 請求項５記載の装置において、高圧送電網から固定子巻き線を切り離す手段と、インピーダンスに固定子巻き線を接続する手段は、パワーエレクトロニクス・スイッチを含むことを特徴とする装置。
8. 請求項５から７記載のいずれかの装置は、さらに、スター接続および／またはデルタ接続の構成で、インピーダンスおよび／または固定子巻き線を接続するための、接触器および／またはパワーエレクトロニクス・スイッチを含むことを特徴とする装置。
9. 請求項５から８記載のいずれかの装置において、発電機は、二重給電形非同期発電機であることを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の装置は、回転子と高圧送電網の間に接続されたバック・ツー・バック変換器を含むことを特徴とする装置。
11. 請求項９記載の装置は、回転子巻き線に接続され、電子的に制御されるインピーダンスを含むことを特徴とする装置。
12. 請求項５から８記載のいずれかの装置において、発電機は、短絡回転子を有する非同期発電機であることを特徴とする装置。
    

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