JP2013534127A

JP2013534127A - 電圧低下耐性を備える発電システム

Info

Publication number: JP2013534127A
Application number: JP2013514745A
Authority: JP
Inventors: ルサレータヘスースマジョール; マジョールアイノアカルカル
Original assignee: インゲチームパワーテクノロジーエスアー
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2013-08-29
Also published as: EP2581601B1; WO2011157862A1; US20130147194A1; CN103109083A; BR112012032059A2; EP2581601A1; AU2010355544A1; CA2802810A1

Abstract

本発明は、発電機（２）ロータとＢＴＢコンバータ（４）との間に並列接続された少なくとも一つの第１追加インピーダンス（５）と、発電機ステータ（２）に接続された少なくとも一つの第２追加インピーダンス（６）と、追加インピーダンス（５，６）を調整可能な、少なくとも一つの制御ユニットとを含むことを本質的な特徴とする。また、本発明は、ＢＴＢコンバータ（４）を介してロータが送電網（３）に接続されるとともに、前記送電網（３）にステータが接続された、二重給電型発電機（２）に関連する。

Description

本発明は、電圧低下耐性を備える発電システムと、その発電機の運転方法とに関連する。

送電網に生じる擾乱に備えて、発電所は、例えば、電圧低下の場合に無効電流を注入するなど、送電網の安定性に努める必要がある。最近までは、総発電量に占める割合が低いことから、再生可能エネルギー源に基づく発電所にまで、このような必要性が拡大されることはなかった。しかし、近年見られるこれらのタイプの発電所のめざましい増加のために、これらのタイプの発電所への要求レベルは、かなり高くなっている。

特殊な場合の電圧低下では、電圧低下の間に送電網へ注入される無効電流に対して、風力発電機が満たすべき厳しい要件が、規則により定められている。また、発電機の切断（解列）が必要とされるような電圧低下が解消され、また、ほんの数秒後に電圧が回復するような場合には、その電圧低下の後、即座に、発電機が再接続（再閉路）可能であることが想定されている。このようにすることで、擾乱の前に生じていた有効電力が可能な限り素早く送られる。これらの要件は通常、いわゆるディップ・プロファイルの形で表される。ディップ・プロファイルは、風力発電機が対応可能でなければならない電圧低下について、時間および振幅の範囲を画定する。

最新技術では、電圧低下事象の際の多様な対処法が提案されている。例を以下に挙げる。

第一の構造として、特許文献１には、ＢＴＢ（back-to-back）コンバータと発電機ロータとの間に並列接続された可変インピーダンスを備える、風力発電機が開示されている。電圧低下が発生すると、このインピーダンスが起動して、低下中にロータに生じる電圧サージからＢＴＢコンバータを保護することにより、電圧低下の開始から一定の時間間隔だけ、発電機ステータを送電網に接続されたままにする。送電網の復帰に役立つように、この時間は無効電流を注入する。電圧低下の時間が、ディップ・プロファイルに定められた範囲を超えた場合には、最終的に発電機が送電網から切断される。このシステムの主な長所は、発電機が送電網に接続されたままの時間内において、送電網への無効電流注入に対する要件を満たし得ることである。主な短所は、発電機の切断が風力タービンの停止を意味し、そのため電圧低下後に発電機を送電網に結合するのに長時間掛かることである。

特許文献２および特許文献３は、発電機ステータに接続されたインピーダンスに基づく、当該技術で周知の第二の解決法を開示している。この場合の運転方法では、電圧低下が検出された時点でインピーダンスを起動させる。これにより、発電された電力をこのインピーダンスの方へ送出しながら、発電機の負荷トルクを制御する間に、送電網から発電機を切断することができる。このシステムの主な長所は、一定の時間間隔のうちに電圧が回復する場合には、規則により規定された最大時間を越えない範囲で、ステータが送電網に結合され得ることである。一方、その欠点は、電圧低下の開始から発電機が送電網から切断されることから、送電網の回復に役立ち、送電網運用者が必要とする、無効電流を注入できないことである。

そのため、これらのシステムのいずれも、送電網に関する要求と電圧回復後の送電網への急速な再接続とを達成できない。

国際公開第２００７／０５７４８０号国際公開第２００９／１５６５４０号米国特許第７３３２８２７号明細書米国特許出願公開第２０１０／１１７６０５号明細書欧州特許出願公開第１８６３１６２号明細書

提案される発明は、先行技術による二つの周知のシステムの長所を組み合わせたシステムを通して、上述の欠点を解決する。

第一の態様によれば、本発明の電圧低下耐性を備える発電システムは、ＢＴＢコンバータを介して送電網に接続されたロータと、送電網に接続されたステータを備える、二重給電型の発電機を包含し、さらに以下を備える。

発電機ロータとＢＴＢコンバータとの間に並列接続された、少なくとも一つの第１追加インピーダンス。

発電機ステータに接続された、少なくとも一つの第２追加インピーダンス。

追加インピーダンス５，６を管理可能な、少なくとも一つの制御ユニット。

すなわち本発明のシステムは、先行技術のシステムにより開示されている二つの追加インピーダンスと、文中で後述する方法により追加インピーダンスの起動／停止を管理する少なくとも一つの制御ユニットとを同時に包含し、この方法は、独立システムのものとは異なる協調的な方法でこれらを機能させる。制御ユニットは、コンバータの制御ユニットに従属していても独立していてもよい。

ここには明記されないが、以下に記載されるシステムは、当業者に周知の二重給電型の発電機に基づく発電システムの、通常用いられるすべての補助要素も包含してもよい。例えば、ステータと送電網との間の接続がスイッチを用いて行われ、そのスイッチは、発電機からの切断を可能にする。また、これに加えて、スイッチまたはこれに類する機器が、後述するようなタイミングで、追加インピーダンスを起動させる。

本システムの発電機ロータは、何らかのタイプの再生可能エネルギー源、例えば海流または潮流により、動かされるようにしてもよい。しかし、好適な実施形態によれば、発電機ロータは、風力タービンに機械的に結合され、これにより、風力発電機アセンブリが形成される。

本発明の第二の態様は、先行技術で周知のシステムの各々の長所を組み合わせながら各々の個別の欠点を回避する前述のシステムの、運転方法に関するものである。発電システムは、規定のディップ・プロファイル内でシステムが作動している間には、電圧低下を検出して必要な無効電流を送電網へ注入する。この際、必要に応じて、第１追加インピーダンスが起動されるが、起動が不要な場合も、本発明に包含される。最低電圧の状態が最長時間を経過したことを検出したとき、または風力発電機の負荷トルクに対する制御の回復が必要と見なされるときには、ステータが送電網から切断されるとともに、第２インピーダンスが起動されて電力を吸収する。こうして負荷トルクを通した発電機の制御が可能となる。そのため、送電網が復旧するときに、本システムは、発電により得られた電圧と送電網の電圧とを同期化して、今日周知のシステムの場合よりもはるかに急速に接続を行うことができる。その結果、システムの利便性が向上する。

そのために本発明の方法は、（電圧がディップ・プロファイルに定められた限度を越えて）電圧低下が検出されたときに、ＢＴＢコンバータを切断せずに、無効電流を送電網へ送ることを包含する。無効電流の送り込みは、この段階の一部において、またはその期間全体で実行され得る。このようにして、無効電流の送り込みは、送電網の復旧に寄与する。

加えて、最低電圧状態の下で最長許容運転期間が経過した（この期間は、電圧低下の開始と、送電網運用者により規定されたディップ・プロファイルよりも送電網電圧が降下する瞬間との間に経過する時間である）後で、または、風力発電機において負荷トルクに対する制御の回復が必要であると見なされたときに、ステータが送電網から切断されて第２追加インピーダンスが起動される。このようにして、送電網電圧が通常値に戻るときに急速な再接続が可能である。電圧低下の終了が検出されると、ステータ電圧が送電網電圧と同期化されてステータが送電網に再接続され、続いて第２追加インピーダンスを停止する。提案される発明ではまた、この最終段階が実行される順序が、最初に第２追加インピーダンスを停止してからステータを送電網に再接続することを包含することも意図している。

ロータに接続された追加インピーダンスを包含する、先行技術による発電システムの図を示す。図１のシステムに特徴的な、いくつかの操作量の大小を表す波形を示す。ステータに接続された追加インピーダンスを包含する、先行技術による発電システムの図を示す。図３のシステムに特徴的な、いくつかの操作量の大小を表す波形を示す。第１および第２追加インピーダンスを包含する本発明による発電システムの図を示す。図５に表示された本発明のシステムに特徴的な、いくつかの操作量の大小を表す波形を示す。

添付図を参照して、本発明を以下に説明する。すなわち、図１および２ａ〜ｄは、風力発電に特に適用される先行技術によるシステム（１００）を示している。このシステムは二重給電型発電機（１０２）を包含し、ロータ側コンバータ（１０４ａ）、送電網側コンバータ（１０４ｂ）、及び直流リンク（１０４ｃ）により形成される、ＢＴＢ（back-to-back）コンバータ（１０４）を介して、発電機のロータが送電網（１０３）に接続されている。ロータはまた、風力タービン（１０７）に機械的に結合されている。他方、ステータはスイッチ（１０８）を介して、送電網（１０３）に接続されている。

このシステム（１００）は、ロータとＢＴＢコンバータ（１０４）との間に並列接続された追加インピーダンス（１０５）を包含する。電圧低下（１０３）の際には、この追加インピーダンスを起動させて、電圧低下中に発生する過渡的サージからロータ側コンバータ（１０４ａ）を保護する。図２ａ〜ｄはそれぞれ、送電網電圧（Ｕ）の振舞い、起動が求められた際の、追加インピーダンス（１０５）の動作状態（Ｃ_ZR）、電圧低下中に送電網（１０３）へ注入される無効電流の強度（ｉ_q）、及び、送電網（１０３）への発電機（１０２）の結合状態（Ｃ_on）を示す。この図では、電圧低下の検出時に、追加インピーダンス（１０５）を短時間だけ即座に起動させる（図２ｂ）と、無効電流が送電網（１０３）へ注入される（図２ｃ）のが見られる。送電網（１０３）の電圧（Ｕ）が、図２ａに破線で表示された、規則により規定されたディップ・プロファイルよりも降下すると、発電機（１０２）が切断される（図２ｄ）。

図３は、先行技術による第２システム（３００）を示し、図１のシステム（１００）のものと等しい部品は同じ参照番号を使用する。ただし、最初の１の代わりに３を用いて表記する。システム（３００）は、発電機ステータ（３０２）に接続された、追加インピーダンス（３０６）を有する。図４ａ〜ｄは、その運転中のいくつかの特徴的システム（３００）の数値の大小を示す。すなわち、図４ａは、規則により規定されたディップ・プロファイル（破線で表示されている）に関連する電圧（Ｕ）の低下の形状を示している。電圧低下が検出された時点から、追加インピーダンス（３０６）を起動させ（Ｃ_ZS）（図４ｂ）、発電機（３０２）を送電網（３０３）から切断させる（Ｃ_on）（図４ｄ）。送電網（３０３）の電圧（Ｕ）がディップ・プロファイルよりも降下すると、追加インピーダンスが停止される（３０６）（図４ｂ）。図４ｂに見られるように、いかなる点でも無効電流強度（ｉ_q）が送電網（３０３）へ注入されることはない。

図５は、風力タービン（７）に機械的に結合された発電機（２）を包含する、本発明の発電システム（１）を示す。そのステータは、スイッチ（８）を介して送電網（３）に接続されている。ロータは、ＢＴＢコンバータ（４）に接続され、一方このコンバータは、送電網（３）に接続されている。ＢＴＢコンバータは、直流リンク（４ｃ）により結合されたロータ側コンバータ（４ａ）およびステータ側コンバータ（４ｂ）により形成される。システム（１）はまた、発電機ロータ（２）とロータ側コンバータ（４ａ）との間に並列接続された第１追加インピーダンス（５）と、ステータに接続された第２追加インピーダンス（６）とを包含する。追加インピーダンス（５，６）の起動／停止のタイミングは、制御ユニット（不図示）によって制御される。

図６ａ〜ｅは、電圧低下が発生したときの本発明のシステム（１）の運転を説明するいくつかの図を示す。電圧低下の期間中は、両方の追加インピーダンス（５，６）の使用が必要とされている。図６ａは、規則により規定されたディップ・プロファイル（破線で表示されている）に関連する電圧低下を示す。最初に、図６ｂに見られるように、第１追加インピーダンス（５）が起動され（Ｃ_ZR）、すぐ後で無効電流（ｉ_q）が送電網（３）へ注入される（図６ｄ）。この実施形態では、送電網（３）電圧（Ｕ）がディップ・プロファイルよりも降下すると、発電機（２）が送電網（３）から切断され（図６ｅ）、第２追加インピーダンス（６）が起動される（Ｃ_ZS）（図６ｃ）。また、図６ｄに示されているように、送電網（３）への無効電流（ｉ_q）の注入がこの瞬間に終了して、発生された電力は、第２追加インピーダンス（６）にて消費される。図６ａに示されているように、送電網（３）の電圧（Ｕ）が通常値に戻ると、ステータ電圧と送電網（３）電圧とが同期化されて発電機（２）が送電網（３）に再接続され、その後直ちに、第２追加インピーダンス（６）が停止される。

Claims

ＢＴＢコンバータ（４）を介して送電網（３）にロータが接続されるとともに、前記送電網（３）にステータが接続された、二重給電型の発電機（２）を包含する、電圧低下耐性を備える発電システム（１）において、
前記発電機（２）ロータと前記ＢＴＢコンバータ（４）との間に並列接続された、少なくとも一つの第１追加インピーダンス（５）と、
前記発電機ステータ（２）に接続された、少なくとも一つの第２追加インピーダンス（６）と、
両方の前記追加インピーダンス（５，６）を管理可能な、少なくとも一つの制御ユニットと、
を包含することを特徴とする、システム。
前記発電機（２）ロータが風力タービン（７）に接続される、請求項１に記載のシステム（１）。
電圧低下を検出し、
前記送電網（３）に接続されたままの状態で、前記第１追加インピーダンス（５）を要求された時間だけ使用し、
要求された無効電流を注入し、
以上の条件において最長運転期間が経過したことを検出し、
前記送電網（３）から前記ステータを切断するとともに、前記第２追加インピーダンス（６）を起動させることを包含し、
前記第２追加インピーダンス（６）の起動は、
前記第２追加インピーダンス（６）を使用して発電機（２）の負荷トルクを制御し、
前記送電網（３）の電圧が、運転範囲内の値に回復したことを検出し、
ステータ電圧と送電網（３）電圧とを同期化し、
前記ステータを前記送電網（３）に接続するとともに、前記第２追加インピーダンス（６）を停止する、
ことを包含することを特徴とする、請求項１乃至２のいずれかに記載の、システム（１）を運転する方法。