JP2008508456A - 風力発電所用パワートレーン - Google Patents

Abstract

本発明は、伝導装置（４）駆動用のローター（１）を備えた風力発電所のためのパワートレーンであって、ローターの回転翼（２）がローター（１）のハブ上のその長手方向回転軸線まわりに旋回可能に配置されたパワートレーンに関する。伝導装置（４）及び電力供給回路網（１２）に３相発電機（５）が連結される。伝導装置（４）には、可変速の補助駆動機構（７）も設けられる。各回転翼（２）に、パワートレーンの回転速度及び／又はトルクを均一化するためにその長手方向軸線まわりに個別に回転させるための駆動機構が設けられる。

Description

本発明は、伝導装置用の駆動機構としてローターを有する風力発電所のパワートレーンに関し、支持されている長手方向軸線まわりに回転し得る回転翼がローターハブ上にあり、伝導装置及び電力回路網に連結された３相発電機を有し、更に伝導装置用の可変回転数の補助駆動機構を有する。

本発明は、更に、その部分が風力発電所のローター軸及び補助駆動機構により駆動される伝導装置により３相発電機が駆動される風力発電所のパワートレーンにおける回転数又はトルクを制御するための方法に関する。

風力発電所においては、基本的に、電力回路網に供給される電流を作るために同期発電機及び非同期発電機を使用する可能性がある。

両者とも、発電機により作られる電流を電力回路網と正確に同期させねばならない。これには、製作費が高いだけでなくいずれにしろ大きな電力損失も生じる複雑な制御装置と回路及びコンバーターが必要である。

更に、不均一な風の発生により生ずる駆動トルクの変動が、電力回路網に供給する際の大きな電力変動による悪影響を生む。

この欠点を防止するために、発電機としても電動機としても運転し得る可変回転数の補助駆動機構を装備した発電機の上流の伝導装置が既に提案されている。言わば第２の駆動軸を介して伝導装置に取り付けられたこの補助駆動機構は、同期発電機への伝導装置の出力速度を一定に保つために使用され、風速の大きいとき従って電動機回転数が高いときは、補助駆動機構は発電機として作動し、逆に風速の小さいときは補助駆動機構の電動機運転が必要である。

従来技術のこの部分の補助駆動機構は、コンバーター及び３相発電機の駆動軸に直結された別の発電機又は電動機を介して同様に発電機の軸に連結される。これは、高い技術的コストを要求するだけでなく、２個の追加の補助駆動機構又は発電機及びこの二つの間のコンバーターのため、総合効率を僅かとは言えないほど低下させる原因である。

従って、本発明の目的は、回転数及びトルクの制御の複雑性を減らしかつシステム全体における負荷を減らすように運営する請求項１の前文の特徴を有する利用可能なパワートレーンを作ることである。

この目的は、請求項１の特徴を有するパワートレーンにより達成される。

この目的は、更に、請求項１１の特徴を有する方法により達成される。

本発明は、パワートレーンの回転数及び補助駆動機構に関連した駆動トルクをより一様にし、そして回転翼又は回転翼部品の位置、即ちローターの回転方向又は風の方向に応じてそれらの調整角度（ピッチ）を個別制御することにより発電所全体の負荷を減らす方法
を取る。

回転翼の個別的位置制御装置と補助駆動機構との組み合わせにより、補助駆動機構をその定格出力に関してより小さく設計し得ることが導かれる。利用し得る風の効率的な使用により、電動機運転において使用トルクをより小さくすることができ、これにより、弱め界磁の範囲（例えば−２０００／ｍｉｎ^−１）の場合でも、例えば４極３相機械の補助駆動機構の運転が可能となり、逆に例えば＋１５００／ｍｉｎ^−１までの回転数範囲に対して発電機運転の補助駆動機構が設計できる。補助駆動機構の所要出力は発電所の定格出力及び回転数範囲（スリップ）に比例するので、補助駆動機構の回転速度の大きい広がりのため、より小さい定格出力の補助駆動機構が可能となる。

本発明において請求される補助駆動機構は、加えて、内部パワートレーンの動力学のため発生したパワートレーンの振動を減衰させるために使用することができる。これを行うために、伝導装置の被動軸又は３相発電機の駆動軸上に、回転数及びトルク検知用の測定手段がある。これにより検知された振動は、補助駆動機構の適切に調整された駆動のために使用することができ、これによりパワートレーン全体の振動を減衰させることができる。

或いは又は付け加えて、パワートレーンの振動を容易に検知することもできるので、伝導装置又はローター軸への保持駆動機構の連結部における回転数及びトルクを検知するための測定手段を置くことも可能である。

本発明の好ましい実施例においては、補助駆動機構は、コンバーターを介して電力回路網に連結された非同期機である。従って、電動機駆動に要する出力は電力回路網から直接取られ、又は３相発電機により回路網に供給される電力を減少させる。最高の発電機出力が、コンバーターを介して電力回路網に供給される。いずれの場合も、補助駆動機構の出力は小さいのでコンバーターを小さな寸法に設計することができ、従ってコンバーターの電力損失は同じく小さい。

或いは、コンバーターは、これを静水力学的又は動水力学的の駆動機構或いはトルクコンバーターとすることができる。

３相発電機の好ましい一実施例は同期発電機である。

本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の好ましい実施例の以下の説明から導かれる。

図１及び２に図式的に示されるように、回転翼２を有するローター１が、ローター軸３を介して伝導装置、好ましくは遊星歯車式伝導装置４を駆動する。３相機、この実施例においては同期機５が、主軸６を介して遊星歯車式伝導装置４に連結され、そして例えば非同期機７の形式の補助駆動機構が、補助軸８を介して遊星歯車式伝導装置４に連結される。同期機５は線路９を介して電力回路網に接続され、逆に非同期機７はコンバーター１０及び回路網濾波器１１を介して線路９及び電力回路網１２に接続される。通常のように、変圧器１３及び主開閉器１４が線路９と回路網１２との間に接続される。

全発電所は制御ユニット１５により管理される。この制御ユニットは、以下の諸データを取得する。即ち、線路１６及び１７を介した同期機５の駆動軸６の回転数及び非同期機７の補助軸８の回転数、線路１８を介した非同期機の電流、線路１９を介したコンバーター１０のリンク電圧、線路２０を介した回路網側の電流、線路２１を介した同期機の回路網側電圧、線路２２を介した回路網側電流、及び線路２３を介した回路網側電圧の諸データである。

制御ユニット１５は、これらのデータから、パワートレーンの個別構成要素の制御のための対応した調整値を計算する。特に、駆動機構は個別に制御され、各回転翼２は、その長手方向軸線まわりに回転することができる。同期機５の励磁は線路２５を介して制御される。コンバーター１０の非同期機側及び回路網側は、２本の線路２６及び２７を介して制御される。主開閉器１４は別の線路２８を介して開閉される。

同期機５は、電力回路網に直結されるため、その回転数は一定である。このため、電力回路網の周波数５０ヘルツにおいては同期機の回転数は３０００ｒｐｍ／ｐである。従って、回転数は、極の対の数ｐに応じて３０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍなどとすることができる。風力発電所はローター１の種々の回転速度で運転されるので、ローターと同期機との間の回転数を補正するために補助駆動機構７が使用される。補助駆動機構として、コンバーター１０を介して給電される非同期機（かご形回転子）が使用される。コンバーターは、開閉用素子が例えばＩＧＴＢである電圧リンクコンバーターとして作られる。非同期機７の界磁方向の制御により、トルクの正確かつ極めてダイナミックな調整が可能である。コンバーター１０の回路網側の部分は、電力が両方向に流れ得るように、即ち、非同期機７を発電機としても電動機としても使用し得るように、電力インバーターと同様に作られる。コンバーター１０を電力回路網１２に接続するには、コンバーターの切り替え周波数の高調波電流を許容し得る程度に制限するために回路網濾波器（サインカーブフィルター）が必要である。

同期機５の回転数は一定である。補助駆動機構７が、ローター１と同期機５との間の回転数の差及び出力の差を補償する。補助駆動機構７は、ローター出力及びローター回転数が小さいときは電動機として作用し、出力及び回転数が高いときは発電機として作用する。本発明において請求されるパワートレーンの実施例においては、風力発電所の出力を制御するための操作可能な２個の変数は、回転翼２のブレード角度（ピッチ）及び補助駆動機構７のトルク又は回転数である。補助駆動機構７のトルクは、同期機５のトルクに比例しかつローター１のトルクに比例する。従って、補助駆動機構をあるトルクに設定することは、同期機５のトルク設定に相当する。

定格出力より小さいローター出力に相当する基準速度より低い風速においては、回転翼２のブレード角度は、平均の一定値に保たれ、トルクはローター回転数の二乗に比例して調整される。ローター１、このようにして常に最良の可能な空気力学的効率で運転される。

風速が基準速度より大きい場合、即ちローター出力が定格出力より大きいときは、同期機のトルクの平均値は一定に保たれ、そして回転翼２のブレード角度の調整を用いて一定回転数又は一定出力に調整され、この目的に対して要求されたこの設定点はすべての回転翼について同じである。加えて、動的な挙動を改善してシステム全体の負荷を減らすために、各回転翼を個別に制御し又は制御し得る付加的な値を、個々の回転翼の制御機構のブレード角度及びローター１のトルクに対する個々の設定点の条件に重畳することができる。これら追加の変動する変数は、例えば回転している回転翼の地上からの高さ及び風力発電所のマスト区域において生ずる撹乱効果の作用としての異なった風速の結果である。

同期機５の電力回路網接続の挙動は、同期機を有する通常の発電所のそれと同様である。発電所の無効電力は、同期機の励磁により負荷限度内で自由に調整することができる。電力回路網の無効電力の電圧依存の規定により、電力回路網における電圧制御に貢献することができる。回路網の妨害（電圧低下）の場合、同期機の知られた挙動が生じ、即ち、同期機は回路網内に留まりそして対応した短絡電流を供給できる。この方法で、変圧器の電力配送分布回路網オペレーターの関連した要求（例えばＥ：ＯＮ ガイドライン）は、追加の技術的測定なしに容易に満たされる。同期機の短絡に対する大きい貢献が、通常の方法での選択的な線路保護の作動を確保する。

同期機５及び非同期機７の回転数範囲は、例えば２０００ｋＷ発電所について以下のように設定することができる。
回転数範囲
ローター 同期機 非同期機
n_ｍｉｎ＝10 rpm n＝1000 rpm n_ｍｉｎ＝-2000 rpm
n_ｍａｘ＝16.5 rpm n＝1000 rpm n_ｍａｘ＝1500 rpm
回転数の式
n_ＳＴ＝72.92・ｎ_{ＲＯＴＯＲ}−0.1354・n_ＡＳＭ
からトルクの式
M_ＳＭ＝M_{ＲＯＴＯＲ}/72.92 M_ＡＳＭ＝M_{ＲＯＴＯＲ}/538.6
を誘導することができる。これより定格回転数及び定格トルクにおける次の出力が得られる。
ローター P_Ｒ＝2000kW (16.5rpm, 1157.5kNm)
同期機 P_ＳＭ＝1662kW (1000rpm, 15.87kNm)
非同期機 P_ＡＳＭ＝338kW (1500rpm, 2.15kNm)
これは、補助駆動機構７の定格出力は発電所の定格出力のほぼ１７％に過ぎず、従って風力発電所から電力配電網内への全体として極めて安定した供給挙動が得られることを示す。

駆動軸６及び／又は補助軸８の回転数及びトルクの正確な測定により、パワートレーン自体の力学により生ずるパワートレーンの振動も極めて正確に検知することができる。そこで、これらの振動を制御すること、即ち、パワートレーンの変動を減衰させるように即ち補助駆動機構７を回転させ、従って駆動されることによるこれらの振動を減衰させることが可能となる。これら振動の減衰対策の計算は、続いてコンバーター１０を制御する制御ユニット１５内で同様に行われる。

図２は、３段階式伝導装置４が使用される本発明において請求されるパワートレーンを図式的に示す。第１の遊星歯車伝導装置４ａは普通に作られ、即ちローター軸３は駆動軸として遊星キャリヤー３０に連結され、被動軸３１は太陽車輪に連結される。第１段の伝導装置４ａの被動軸３１は同時に第２段の伝導装置４ｂの駆動軸に連結され、これは一方では遊星キャリヤー３３に連結される。第２段の伝導装置４ｂの被動軸３５（この軸は太陽歯車３４に連結される）は、第３段の伝導装置３６を介して同期機の駆動軸６に連結される。

第１段の伝導装置４ａのリングギヤ３７は静止しているが、第２段の伝導装置４ｂのリングギヤ３８は回転可能であり平歯車３９及び歯車３８を介して補助駆動機構７により駆動される。このために、内歯と外歯とを有するリングギヤが設けられる。異なる速度及び異なる回転方向でリングギヤ３８を回転させることにより、ローター軸３の回転数が変化したときでも、軸６は常に一定回転数で駆動されるように第２段の伝導装置４ｂの変速比を変えることができる。

図３及び４は、横軸を時間として駆動軸３のトルク特性を描いたときの荒れた風の条件下の駆動トルクの変動を示す。図３は、個別の回転翼制御機構がなくかつパワートレーンの減衰がないときのトルク特性を示し、図４は個々の回転翼制御装置がありかつ本発明に請求されたパワートレーンの減衰があるときのトルク特性を示す。この２個の曲線の特性
の比較から、パワートレーン減衰のある個別回転翼制御機構が、主に定格負荷範囲においてトルクを明らかにより一様とし、これから対応した負荷の減少を導き、伝導装置、３相機、及び補助駆動機構の設計を最適化させることが示される。

本発明において請求される風力発電所のパワートレーンの回路図である。 遊星歯車式伝導装置を有するパワートレーンの一実施例を図式的に示す。 本発明において請求される回転翼調整機構及びパワートレーン減衰のない状況におけるトルク・時間特性を示す。 本発明において請求される回転翼調整機構及びパワートレーン減衰のある状態におけるトルク・時間特性を示す。

Claims (19)

1. 伝導装置用の駆動機構としてローターを有し、ローターハブ上で、回転翼が、支持されている長手方向軸線まわりに回転でき、伝導装置及び回路網に連結された３相発電機を有し、更に伝導装置の可変回転数の補助駆動機構を有する風力発電所のパワートレーンであって、各回転翼が個々にその長手方向軸線まわりに回転するためのそれ自身の駆動機構を有することを特徴とするパワートレーン。
2. 補助駆動機構は、これを電動機及び発電機として運転させることができる請求項１に請求されたパワートレーン。
3. 補助駆動機構が、非同期回転数範囲、例えば−２０００から＋１５００ｒｐｍで運転するように設計された請求項１又は２に請求されたパワートレーン。
4. 伝導装置の被動軸上又は３相発電機の駆動軸上に、回転数及び／又はトルクを検知するための測定手段がある請求項１から３の一に請求されたパワートレーン。
5. 回転数及び／又はトルクを検知するための測定手段が、補助駆動機構の伝導装置への連結区域内に置かれた請求項１から４の一に請求されたパワートレーン。
6. 補助駆動機構が、コンバーターを介して電力回路網に接続された非同期機である請求項１から５の一に請求されたパワートレーン。
7. 補助駆動機構が静水力学式又は動水力学式駆動機構或いはトルクコンバーターである請求項６に請求されたパワートレーン。
8. ３相発電機が同期発電機である請求項１から７の一に請求されたパワートレーン。
9. 各回転翼の駆動機構が、個々の設定点規定の手段により個別に起動させることができる請求項１から８の一に請求されたパワートレーン。
10. 伝導装置が遊星歯車式伝導装置である請求項１から９の一に請求されたパワートレーン。
11. 風力発電所のローター軸又は補助駆動機構によりその部分が駆動される伝導装置により３相発電機が駆動される風力発電所のパワートレーンにおける回転数又はトルクを制御するための方法であって、パワートレーンの回転数及び／又はトルクを一様にするために、各回転翼をそれ自身の駆動機構を介してその長手方向軸線まわりに回転させる方法。
12. 個々の設定点を、各回転翼の駆動機構用に規定することができる請求項１１に請求された方法。
13. 補助駆動機構が電動機又は発電機として運転される請求項１１又は１２に請求された方法。
14. パワートレーンの振動が測定され、そして補助駆動機構の駆動又は制動の切り替えにより減衰される請求項１１から１３の一に請求された方法。
15. ３相機の駆動軸の回転数及び／又はトルクが検知される請求項１４に請求された方法。
16. 補助駆動機構の被動軸の回転数及び／又はトルクが検知される請求項１１から１５の一に請求された方法。
17. ローター軸の回転数及び／又はトルクが検知される請求項１１から１６の一に請求された方法。
18. 駆動制御装置の補償のために、外力による既知の及び又は測定され及び／又は周期的に繰り返し発生する負荷変動が使用される請求項１１から１７の一に請求された方法。
19. 補助駆動機構が、コンバーターを介して電力回路網に直接接続される請求項１１から１８の一に請求された方法。

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