JP2012520056A - 水中発電所を制動する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、水流から運動エネルギーを吸収するための水タービン；そのジェネレータロータが水タービンと相対回動不能に結合されている、コンバータ供給を有する電気的ジェネレータ；を有する水中発電所を駆動する方法に関するものであって、その場合に本発明は、ノーマル駆動において、第１の周波数コンバータがコンバータ供給に使用され、制動駆動においては、少なくとも１つの第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの部分コンポーネントが接続されて、第１の周波数コンバータと同期され、それによってそれと組み合わされて電気的ジェネレータのコンバータ供給を実施し、それが、水タービンを制動するジェネレータモーメントを発生させる、ことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中発電所、特に潮力発電所、を制動する方法と装置に関する。

ダム構造なしで自立して、水流から運動エネルギーを取り出して電流を発生させるために用いられる、水中発電所は、流水内に、あるいは適切な海の設置場所に位置決めすることができる。後者は、連続的な潮流から、あるいは周期的に変化する干満流からエネルギーを獲得するために、用いられる。この種の設備の可能な実施形態は、プロペラ形状に形成された水タービンを有し、その水タービンは、水平ロータとして取り付けられている。水タービンが電気的なジェネレータを駆動し、そのジェネレータは機械ゴンドラ内に収容されており、その機械ゴンドラが、水底に設置された、あるいは浮動可能な、支持構造に固定されている。

種概念の、水没している水中発電所のアクセスが難しいことに基づいて、そのコンポーネントは、できる限り保守不要に形成されている。これは特に、水タービンを停止させるために使用されるブレーキシステムに関する。この目的のために、油圧−機械的に作用するブレーキおよび特にディスクブレーキが使用される場合に、複数の構造的な困難が生じる。一つには、設備の安定度に関する上述した設定に基づいて、かつ流出する潤滑媒体の問題を回避するために、ドライブトレイン内のトランスミッションの使用が省かれる。その結果、低速で周回するユニットと結合されたディスクブレーキは、制動の際に水タービンによってもたらされる全モーメントを、吸収しなければならない。さらにそれを困難にするように、典型的に不連続で使用されるブレーキシステムのための腐食と付着生物の問題を回避するために、この種のブレーキのために、周囲に対して密閉された領域が形成されなければならないことが、加わる。この理由から、水中発電所に適した機械的ブレーキシステムに対する高い構造的要請が生じるので、駆動安全性を改良するために、非常の場合においてのみ使用される他のブレーキシステムが多重に設けられる。これに関して、例として、特許文献１を参照するよう指示する。しかし、この種のシステムは、大体において、この種の非常ブレーキシステムの作動後にノーマル駆動の再開が容易にはできないように、形成されている。

さらに、水タービンを制動するために、ブレード角度調節機構を使用することができ、それは、ノーマル駆動において公称出力に達した場合に、水タービンによる出力取入れを制限するために用いられる。制動するために、特性曲線特性の変化を介して効率的な始動が可能になるように、ブレード角度が調節される。この制動方法の欠点は、ブレード角度調節を形成するための構造的な手間である。さらに、この種の機構によって、設備のための付加的な故障リスクが生じる。その場合に、高い流着負荷においてブレード調節を誤ったエラー場合においては、タービンブレード損失の危険がある。さらに、ブレード角度調節機構は、可動の部分を使用することにより、規則的な保守を前提とし、その保守は、水面の上方で実施されるサービスの枠内でのみ、可能である。

英国特許明細書ＧＢ２４４１８２２Ａ

従って本発明の課題は、水中発電所を制動し、あるいは停止させるのに適しており、かつ特に、多数の水中発電所を備えたエネルギーパークのために使用することができる、方法およびそれに適した装置を提供することである。さらに、制動方法を実施するために使用される装置は、構造的に簡単で、程度の高い駆動安全性を特徴としなければならない。

本発明の基礎となるこの課題は、独立請求項の特徴によって、解決される。好ましい形態が、下位請求項から明らかにされる。

水中発電所のための本発明に基づく制動方法を実施するために、電気的なジェネレータによって発生される支持モーメントが使用される。その場合に、電気的なジェネレータのジェネレータロータと水タービンとの間に相対回動不能の結合を有する設備コンフィグレーションを前提とする。直接駆動されるジェネレータの使用あるいは水タービンとジェネレータロータとの間のドライブトレイン内の変速トランスミッションの配置が、考えられ、その場合に、電気的なジェネレータからもたらされた制動モーメントが水タービンへ伝達されることが、保証される。

電気的なジェネレータの支持モーメントに基づく制動方法は、同期ジェネレータによっても、非同期ジェネレータによっても、それがコンバータ供給を使用する限りにおいて、実施することができる。その場合に、コンバータ供給に使用される周波数コンバータは、制動駆動における出力要請を満足させなければならない。使用される周波数コンバータの過大寸法設計を排除することができるようにするために、電気的なジェネレータのコンバータ供給は、本発明によれば、ノーマル駆動に合わせて設計されており、制動駆動においては、１つまたは複数の周波数コンバータあるいはそのジェネレータ側の部分コンポーネント、すなわちジェネレータ側の整流器、が接続される。以下においては、そのために第２の周波数コンバータの概念が使用され、それは、ノーマル駆動においてコンバータ供給を引き受ける第１の周波数コンバータと同期され、接続された後にそれと組み合わせて、電気的なジェネレータのコンバータ供給を実施し、それが、水タービンを制動するジェネレータモーメントを発生させる。

制動駆動においてのみ使用される、第２の周波数コンバータのコンセプトは、特に、複数の水中発電所をエネルギーパークにまとめる場合に、効果的である。というのは、第２の周波数コンバータとして、制動すべきでない水中発電所の１つまたは複数の周波数コンバータを利用することができるからである。この水中発電所については、結果として、コンバータ供給とそれに伴ってジェネレータ支持モーメントがなくなるので、その水タービンが加速する。好ましくは、この理由から、エネルギーパークの水中発電所は、水タービンの無拘束速度まで高速運転に耐えるように設計される。この場合においては、他の水中発電所の制動のために利用される水中発電所は、アイドリング駆動において損傷せずに回転を上げることができ、その周波数コンバータは、第２の周波数コンバータとして、制動すべき水中発電所の第１の周波数コンバータの制動駆動の実施を支援する。

好ましい形態のために、水中発電所の水タービンは、公称出力に達した場合の出力制限が、ブレード角度調節機構またはタービンブレードにおける流れの解体を介さずにもたらされるように、形成されている。その代わりに、駆動点が、出力最適化された回転数の上方の高速運転領域へ移動される。これは、回転数案内によって、あるいは電気的ジェネレータのためのモーメント設定を用いて、もたらすことができる。もちろん、設備が停止する場合には、水タービンの制動の経過において、出力最大の領域を通過しなければならない、という問題が生じる。そのために、本発明に基づく方法によって、然るべき出力リザーブを有する周波数コンバータを設計する必要性がなくなる。その代わりに、周波数コンバータはノーマル駆動に、すなわち設備公称出力に、適合される。制動駆動の場合に、第１の周波数コンバータに第２の、ないしは他の、周波数コンバータを接続することによって、出力最大を横断する際のより高い取込み出力が確実に吸収される。

代替的な形態によれば、第２の周波数コンバータは、制動駆動のためだけに使用されるコンポーネントである。個別設備の場合においては、この第２の周波数コンバータは、ノーマル駆動のためには、冗長なコンポーネントとなり、エラー場合において第１の周波数コンバータに少なくとも短時間代わることができる。というのは、制動駆動は、多くの場合に、比較的長いタイムインターバルで実施される、計画可能な措置だからである。

制動駆動のためだけに利用される付加的な周波数コンバータの特別な利点は、複数の水中発電所をエネルギーパークにまとめる場合に得られ、その場合に好ましくは、第２の周波数コンバータをエネルギーパークの各個々の設備と接続する可能性が形成される。さらに、第２の周波数コンバータが適切に設計される場合には、エネルギーパークの１つより多い水中発電所を同時に制動することが、考えられる。しかし、経済的な形態のためには、制動のために接続される、第２の周波数コンバータは、個別設備を制動するために付加的に必要とされる出力リザーブに合わせて設計される。

以下、実施例を用いて、かつ図表示と関連させて、本発明を例で説明する。

切り替え可能な周波数コンバータを有するエネルギーパークの２つの水中発電所のための、本発明の第１の形態を示している。 ブレーキ駆動のために切り替えることができる、別体の周波数コンバータを有する代替的な形態を示している。 高速運転によって出力を制限される水タービンについて、制動する際に吸収される出力を示している。

図１は、エネルギーパークの２つの水中発電所１．１、１．２を図式的に簡略化して示している。これらは、自立構造で、完全に水面２０下に位置し、かつ水底上に基礎をおくユニットとして形成されている。水中発電所１．１、１．２の各々は、水タービン２．１、２．２を有しており、それが、対応づけられた電気的なジェネレータ３．１、３．２のジェネレータロータと相対回動不能に結合されている。その場合に特に、同期ジェネレータが考えられ、その同期ジェネレータは、回転数可変で駆動するために、周波数コンバータ５．１、５．２によって複合ネットワーク４へ接続されている。代替的に、複合ネットワーク４に対して下同期と上同期で駆動することができる、ダブル供給の非同期ジェネレータが使用される。

ここで、周波数コンバータ５．１、５．２は、それぞれジェネレータ側の整流器６．１、６．２、直流電圧中間回路７．１、７．２およびネットワーク側のインバータ８．１、８．２を有している。ノーマル駆動のためには、周波数コンバータ５．１が、水中発電所１．１の電気的ジェネレータ３．１にコンバータ供給するために、使用される。これは、ここで使用される専門用語によれば、水中発電所１．１のための第１の周波数コンバータである。同様に、周波数コンバータ５．２は、水中発電所１．２のための第１の周波数コンバータであって、従ってそのノーマル駆動のために使用される。

図３をもって明らかにされるように、高速運転によって出力制限される水中発電所のために、水タービン２．１、２．２を制動する際に、公称出力Ｐ_ｎの上にあるタービン出力Ｐが吸収される（破線で示す）。その場合に、ブレード調節機構なしの水タービンが設けられる、という、設備コンセプトを前提としている。出力を制限するために、回転数設定またはモーメント設定によって、水タービンが作業点ＡＰへ案内され、それに対応づけられた目標回転数ｎ_ｒｅｆは、出力最適の回転数ｎ_ｏｐｔの上方に位置している。高速運転領域内で扁平化された出力特性曲線によって、公称出力Ｐ_ｎへの所望の制限がもたらされる。このように選択された、水中発電所１．１、１．２の制御のために、本発明によれば、ノーマル駆動のための第１の周波数コンバータは、公称出力Ｐ_ｎに関して寸法設計される。出力最大Ｐ_ｍａｘの領域内で制動する際に生じる過出力は、本発明に従って第２の周波数コンバータを接続することによって吸収される。図１に示す形態について、このように接続するために、カップリング装置９が用いられる。これは、回路装置１１を有しており、それは、分配器の形式でパワースイッチ１２．１、１２．２、１２．３のマトリクスとして形成されており、たとえば電子的なハイパワースイッチ（サイリスタ、トライアック）または機械的なパワー分離スイッチを有している。さらに、カップリング装置９に、制御装置１０が対応づけられており、その制御装置は、回路装置１１内の切替えプロセスを操作し、かつ切替え前に、制動のために設けられている第２の周波数コンバータを、制動すべき電気的ジェネレータ３．１、３．２と同期させるために、用いられる。そのために、図１において、制御装置１０と周波数コンバータ５．１、５．２との間にデータ線２２が示されている。

水中発電所１．１を制動しようとする場合に、この設備のための第１の周波数コンバータ５．１に加えて、第２の周波数コンバータとして水中発電所１．２の周波数コンバータ５．２が使用される。その場合に、制動すべきではない第２の水中発電所１．２のために、コンバータ供給とそれに伴って電気的ジェネレータ３．２の支持モーメントがなくなる。結果として、水タービン２．２は、無拘束速度まで加速される。制動駆動する場合に、同期後にパワースイッチ１２．１、１２．２を介して周波数コンバータ５．１、５．２のカップリングが行われ、水タービン２．１を停止状態まで制動するジェネレータモーメントが発生される。その後、パワースイッチ１２．１、１２．２を介して新たに同期化された周波数コンバータ５．２が接続されることによって、他の水中発電所１．２は、作業点ＡＰへ戻すことができる。

図２は、制動駆動のための出力リザーブとしてのみ使用される、別体の周波数コンバータ１３を有する本発明の代替的な形態を示している。図１の形態に比較してさらに変更されているのは、ジェネレータ側のコンバータ６．１、６．２、６．３が、共通の直流電圧中間回路７と共通のネットワーク側のインバータ８を介してまとめられていることであって、そのインバータは、少なくとも間接的に複合ネットワーク４へ接続されている。従って周波数コンバータ５．１、５．２、１３のための共通の部分コンポーネントが存在し、その場合にジェネレータ側の整流器６．１、６．２、６．３は、ノーマル駆動のために所定の水中発電所に対応づけられているか、あるいは、制動駆動に用いられる、別体の周波数コンバータに属している。ここで選択されている概念の意味において、ジェネレータ側の整流器６．１、６．２、６．３は、接続に従った制動駆動を実施するために、ノーマル駆動においてはそのコンバータ供給を行わない、電気的なジェネレータ３．１、３．２と同期化され、かつそれに加えて接続される場合に、第２のジェネレータ側の整流器と称される。

周波数コンバータ５．１、５．２、１３の配置に関して、様々な形態が考えられる。第１の実施例のためには、これらは、水中発電所１．１、１．２の空間的近傍の乾いた場所で、たとえばプラットフォーム上で、水面２０の上方に配置されている。代替的に、陸上に支持された設置場訴を設けることもできる。他の実施形態のために、周波数コンバータ５．１、５．２、１３は、中心から離れて設置されている。その場合にたとえば、ジェネレータ側の整流器６．１、６．２、６．３は、設備近傍に、たとえば水中発電所１．１、１．２の機械ゴンドラ内に収容することができ、残りのコンポーネント、直流電圧中間回路７，７．１、７．２とネットワーク側のインバータ８、８．１、８．２は、水面２０の上方かつ特に好ましくは陸上のサービスステーション内に配置されている。

本発明の他の形態のために、第２の周波数コンバータないしは、接続するために設けられたその部分コンポーネント、特に第２のジェネレータ側の整流器は、制動に加えて、エネルギーパークの出力最適化のために使用される。特に冗長な、別体の周波数コンバータ１３が使用される場合に、これは、ノーマル駆動においては、第１の周波数コンバータ５．１、５．２のために過負荷の危険がある場合に、接続することができる。さらに、第１の周波数コンバータを、エネルギーを最適化するために短時間過負荷領域内で駆動し、かつ冗長な別体の周波数コンバータ１３をそれぞれ所定の期間の間接続して、それによって第１の周波数コンバータの過熱を回避することが、考えられる。このように支援される第１の周波数コンバータの駆動温度が、目標値の下に低下した場合に、第２の別体の周波数コンバータ１３を分離して、エネルギ−パークの他の設備と接続することができる。さらに、第２の別体の周波数コンバータ１３は、設備を始動させるためのジェネレータ駆動において、周波数コンバータのために高い出力リザーブが必要である場合に、接続することができる。

さらに、後続の保護請求項の枠内で、制動の際に付加的に、別体の周波数コンバータ１３と他の水中発電所の１つまたは複数の第１の周波数コンバータが組み合わせて用いられる、形態が、考えられる。さらに、本発明に基づく方法は、付加的な、既知の制動方法と組み合わせることができる。さらに、付加的な油圧−機械的ブレーキは、非常システムとして、あるいは静止状態において設備を安全保護するために、使用することができる。

１．１，１．２ 水中発電所
２．１、２．２ 水タービン
３．１、３．２ 電気的ジェネレータ
４ 複合ネットワーク
５．１、５．２ 周波数コンバータ
６．１、６．２、６．３ ジェネレータ側の整流器
７、７．１、７．２ 直流電圧中間回路
８．１、８．２ ネットワーク側のインバータ
９ カップリング装置
１０ 制御装置
１１ 切替え装置
１２．１、１２．２
１２．３ パワースイッチ
１３ 別体の周波数コンバータ
１４ 過出力
２０ 水面
２１ 水底
２２ データ線
ｎ 回転数
ｎ_opt パワー最適化された回転数
ｎ_ref 目標回転数
Ｐ タービン出力
Ｐ_ｎ 公称出力
Ｐ_ｍａｘ 出力最大

Claims (9)

1. １．１ 水流から運動エネルギーを吸収するための水タービン（２．１、２．２）；
   １．２ コンバータ供給を有する電気的なジェネレータ（３．１、３．２）であって、そのジェネレータロータが前記水タービン（２．１、２．２）と相対回動不能に結合されている、前記電気的なジェネレータ；
   を有する、水中発電所（１．１、１．２）を駆動する方法において、
   １．３ ノーマル駆動において、第１の周波数コンバータ（５．１、５．２）が、コンバータ供給するために使用され、かつ制動駆動においては、少なくとも１つの第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの部分コンポーネントが、接続されて、前記第１の周波数コンバータ（５．１、５．２）と同期され、それによってそれと組み合わされて電気的ジェネレータ（３．１、３．２）のコンバータ供給を実施し、それが水タービン（２．１、２．２）を制動するジェネレータモーメントを発生させる、ことを特徴とする水中発電所を駆動する方法。
2. ノーマル駆動において、水タービン（２．１、２．２）は、公称出力Ｐｎに達した場合に、出力を制限するために、出力最適化された回転数ｎｏｐｔの上方にある回転数領域へ移行される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 制動駆動の際に接続される第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの接続される部分コンポーネントが、出力最適化された回転数におけるコンバータ供給に対する電気的ジェネレータ（３．１、３．２）の出力設定が満たされるように、寸法設計されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 水中発電所（１．１、１．２）が、多数の水中発電所（１．１、１．２）を有するエネルギーパークの一部であって、その場合に制動駆動において接続される第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの接続される部分コンポーネントが、ノーマル駆動においては、エネルギーパークの他の水中発電所のコンバータ供給に用いられる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 他の水中発電所を制動させるために第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの部分コンポーネントを供する、水中発電所（１．１、１．２）のために、電気的なジェネレータ（３．１、３．２）のコンバータ供給の中断が生じ、それによってその支持モーメントが少なくとも部分的になくなる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. その周波数コンバータまたはその周波数コンバータの部分コンポーネントが、エネルギーパークの他の水中発電所のための制動駆動を実施するために使用される、水中発電所（１．１）のために、少なくとも無拘束速度までの高速運転に耐えるように形成された水タービン（２．１、２．２）が装備されている、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの部分コンポーネントが、ノーマル駆動においては利用されない、別体の周波数コンバータ（１３）である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 水中発電所（１．１）が、エネルギーパークの一部であって、別体の周波数コンバータ（１３）に加えて、あるいはその代わりに、少なくとも１つの第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの他の部分コンポーネントが、エネルギーパークの他の水中発電所（１．２）の制動駆動を実施するために接続される、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ９．１ 水流から運動エネルギーを吸収するための水タービン（２．１、２．２）；
   ９．２ そのジェネレータロータが水タービン（２．１、２．２）と相対回動不能に結合されている、電気的ジェネレータ（３．１、３．２）；
   ９．３ 第１の周波数ジェネレータ（５．１、５．２）による電気的ジェネレータ（３．１、３．２）のためのコンバータ駆動；
   を有する、水中発電所（１．１、１．２）において、
   ９．４ 水中発電所（１．１、１．２）が、カップリング装置（９）を有しており、前記カップリング装置が、制動駆動において、少なくとも１つの第２の周波数コンバータまたは第２の周波数コンバータの部分コンポーネントを、第１の周波数コンバータ（５．１、５．２）と同期させ、かつ電気的ジェネレータ（３．１、３．２）のコンバータ供給に接続し、それによって第１の周波数コンバータ（５．１、５．２）と共に水タービン（２．１、２．２）を制動するためのジェネレータモーメントを発生させる、ことを特徴とする巣中発電所。

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