JP2014529031A - 水力発電タービンを制御する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

水力発電タービン配列システムであって、タービンシステムの配列と監視用コントローラとを含んで構成される。前記タービンシステムの配列の各タービンシステムは、水力発電タービンと制御システムとを含む。前記制御システムは、前記水力発電タービンに接続された発電機により発電され、前記タービンの回転速度の関数である電圧及び周波数を有する交流電力を、該交流電力を受電ステーションへ送電する送電システムの電圧及び周波数を有する交流電力に変換する変換システムと、前記変換システムと協働して前記発電機から供給される交流電力を調整する制御部とを含む。前記監視用コントローラは、配列内の複数の水力発電タービンのパーフォーマンスレベルを測定し、少なくとも１つのタービンシステムの前記制御部に対し、前記発電機から供給される交流電圧を調整することにより、該少なくとも１つのタービンシステムにより発電される電力を変更し、それにより前記配列により生成される全電力を制御する。【選択図】図７

Description

本発明は、タービンを制御する方法及びシステムに関し、特に、タービンのパフォーマンスを最適化するための、水力発電タービンの制御を提供する方法及びシステムに関する。

水力発電タービンは、クリーン且つ再利用可能なエネルギー源を効率的に利用する手段として知られている。水力発電タービンのグループは、海中に設置され、潮汐又は河口付近の川の流れによって発生する自然流を利用して電力を生成し、通常、沿岸に設置された送電網に電力を供給する。

海中に設置されたタービンへのアクセスは、費用が掛かり且つ危険である。したがって、できるだけ何らかの故障又は摩耗の恐れのある部品の使用を避けることが好ましい。このために、ピッチが固定されたタービンブレードは、ピッチの調整機構を有するブレードより好ましく、タービンと直接連結された低速発電機は、ギアを介して連結される高速発電機より好ましい。そして、発電機の永久磁石励磁は、ブラシ及びスリップリング（集電環）、又はコミュテータ（整流子）を必要とする構成より好ましい。

多くの場合、タービン群は、多数のタービンを含む。多数のタービンが含まれる場合、各タービンそれぞれに接続された別個の電力ケーブルにより電力を沿岸へ供給することは実用的でなく経済的でない。したがって、電力を沿岸へ送電するために設置された各電力ケーブルは、複数のタービンから電力を集電するように構成されることが好ましい。大量の電力をタービン群から沿岸にある（一般的にはタービンから数キロメートル離れている）送電網の接続点へ送電するために、電力ケーブルは高電圧で作動する。しかしながら、例えば、発電機の巻線等のタービン内の電気素子は、信頼性及び経済性の理由で、通常、はるかに低い電圧で作動するように設計されている。

さらに、乱流や、海底及び近辺の沿岸線の不規則な地形により水流の速度に差が生じ、したがって、単一のケーブルが施設されたタービン群内の各タービンにおいて利用可能な電力に差が生じる。水流から最大の電力を得るために、タービン群の各タービンの回転速度を支配的な水流の速度に応じて調整すべきである。そのため、タービン群内の各タービンは、一般的に異なる速度で運転され、永久磁石の発電機が装着されている場合に、異なる周波数及び電圧の電力を生成する。

したがって、本発明は、タービンにより生成される電力を、該電力を沿岸へ送電する電力送電システムと互換性のある形態に変換すると共に、タービン及びタービン群全体の最適なパフォーマンスを確保するシステムを提供することを目的とする。

本発明は、水力発電タービンの運転を制御する制御システムであって、前記タービンに接続された発電機により供給され、前記タービンの回転速度の関数である電圧及び周波数を有する交流電力を、前記交流電力を受電ステーションに送電する送電システムの電圧及び周波数を有する交流電力に変換するように構成された変換システムと、前記変換システムと協働可能であって、前記タービンを通る水流の流速に応答して前記発電機により供給される前記交流電圧を調整することにより、前記タービンの回転を制御する制御部と、を含んで構成される。

好ましくは、前記発電機により供給される前記交流電力は、前記タービンの回転速度に比例した電圧及び周波数を有する。

好ましくは、前記変換システムは、第１段階変換器と、第２段階変換器と、前記第１段階変換器と前記第２段階変換器との間に配置された直流リンクとを含んで構成され、前記第１段階変換器は、前記発電機により供給された前記交流電力を直流電力に変換するように構成され、前記第２段階変換器は、前記直流電力を前記受電ステーションへ送電するための前記交流電力に変換するように構成される。

あるいは、前記変換システムは、前記発電機により供給される前記交流電力を、前記受電ステーションへ送電するための前記交流電力に変換するサイクロコンバータ又はマトリックスコンバータを含んで構成される。

好ましくは、前記直流リンクは、直流電流を検出する少なくとも１つのセンサを含み、前記検出した直流電流に関する信号を前記制御部に供給するように構成される。

好ましくは、前記直流リンクは、直流電圧を検出する少なくとも１つのセンサを含み、前記検出した直流電圧に関する信号を前記制御部に供給するように構成される。

好ましくは、前記第１段階変換器は整流器を含んで構成される。

好ましくは、前記整流器は三相の位相制御整流器であり、前記制御部は、前記位相制御整流器のサイリスタトリガ信号の遅れ角を調整するように構成される。

あるいは、前記第１段階変換器は、ダイオードブリッジと直列に設けられたサイリスタ交流コントローラを含んで構成される。

好ましくは、前記第２段階変換器は、位相制御電流形相整流インバータ（phase-controlled, current-source, line-commutated inverter）であることが好ましい。

好ましくは、前記水流の流速が定格値未満であることに応答して、前記制御部は、前記第２段階変換器のサイリスタの点弧角を調整して、前記直流リンク電圧を、前記直流リンクで最適な直流電力値をもたらす値に設定するように構成される。

好ましくは、前記水流の流速が閾値未満であることに応答して、前記制御部は、前記第１段階変換器を非制御整流器として作動するように設定し、前記直流リンク電流を決定し、前記タービンでの前記水流の流速との関係で最適な直流電力を決定し、且つ前記第２段階変換器の作動を調整して、前記直流リンク電圧を、前記決定した直流リンク電流での前記最適な直流電力値をもたらす値に設定するように構成される。

好ましくは、前記水流の流速が定格値を超えたことに応答して、前記制御部は、前記第２段階変換器のサイリスタの点弧角を調整して前記直流リンク電圧を直流電圧の閾値に設定し、且つ前記第１段階変換器のサイリスタの点弧角を調整して、前記直流リンク電流を固定値に設定し、前記直流電力を前記最適な直流電力値に制限するように構成される。

好ましくは、前記水流の流速が閾値を超えたことに応答して、前記制御部は、前記第２段階変換器を調整して、前記直流リンク電圧を直流電圧の閾値に設定し、前記タービンでの前記水流の流速との関係で最適な直流電力値を決定し、且つ前記第１段階変換器を調整して、前記直流リンク電流を固定値に設定し、前記直流電力を前記最適な直流電力値に制限するように構成される。

あるいは、前記第１段階変換器及び前記第２段階変換器は、電圧形インバータ型のものである。

好ましくは、前記第１段階変換器は、アクティブフロントエンドとして作動する電圧形インバータであって、直流リンクを固定電圧として作動するように構成される。

好ましくは、前記第１段階変換器及び前記第２段階変換器は、６デバイス、三相ブリッジであって、各デバイスは、スイッチと還流ダイオードとを含んで構成される。

好ましくは、前記各スイッチは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、スイッチングデバイス、集積ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、又はゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ等の任意の半導体スイッチから選択される。

好ましくは、前記スイッチングデバイスは、前記制御部から受信した信号に応じて作動するように構成される。

好ましくは、コンデンサが、前記第１及び第２段階変換器と並列にこれらの直流端子間に接続され、前記デバイスの前記スイッチのスイッチサイクルの周期に亘って略一定な直流リンク電圧を維持するように構成される。

好ましくは、前記制御部は、前記第１段階変換器の前記デバイスを制御して、前記第１段階変換器の交流入力へ供給される電圧を制御するように構成される。

好ましくは、前記制御部は、前記第１段階変換器の前記デバイスを制御することにより、前記発電機の端子での電圧の振幅と周波数及び対応する実電力及び無効電力流を設定するように構成される。

好ましくは、前記第１段階変換器は、発生する交流電流が前記発電機の巻線に誘起された電磁力と同位相となるように前記電気周波数に応じて変化する交流電圧を、前記発電機に供給するように制御される。

好ましくは、前記制御部は、前記第２段階変換器の前記デバイスに伝送されたスイッチング信号を用いて交流出力電圧の振幅及び周波数を制御することにより、前記第２段階変換器の交流出力電圧を制御するように構成される。

好ましくは、前記制御部は、前記第１段階変換器の前記デバイスの作動を変更して、前記第１段階変換器の前記入力端子での前記交流電圧の周波数を調整することにより、前記タービンの回転を制御するように構成される。

好ましくは、前記水流の流速が閾値未満であることに応答して、前記制御部は、前記直流リンク電流を決定し、前記タービンでの水流の流速との関係で最適な直流電力値を決定し、且つ前記デバイスのスイッチングシーケンスを変更することにより前記第１段階変換器の作動を調整して、前記入力端子での前記交流電圧の周波数を、前記決定した直流リンク電流での前記最適な直流電力値をもたらす値に調整するように構成される。

好ましくは、前記水流の流速が閾値を超えたことに応答して、前記制御部は、前記タービンでの前記水流の流速との関係で最適な直流電力値を決定し、且つ前記デバイスのスイッチングシーケンスを変更することにより前記第１段階変換器の作動を調整して、前記入力端子での前記交流電圧の周波数を、前記直流電力を前記最適な直流電力値に制限する固定値をもたらす値に調整するように構成されることが好ましい。

好ましくは、閾値は、通常運転する水流の流速又は定格流速である。

好ましくは、前記制御システムは、監視用コントローラと協働して前記タービンのための前記閾値を決定するように構成される。

好ましくは、前記閾値は、タービンシステムの配列内の各タービンのパフォーマンスレベル、タービンの配列に亘る水流のパターン、及び送電網オペレータの意向のいずれかに基づくものである。

好ましくは、各タービンシステムは、沿岸への１つの共通のケーブルに接続される。

好ましくは、前記タービンの前記性能レベルは、前記タービンの配列内の前記タービンシステムの各タービンの出力電力を含む。

好ましくは、タービンシステムをさらに提供し、該タービンシステムは、前記変換システムを含んで構成されると共に、発電機に接続された水力発電タービンを含んで構成され、前記発電機は、前記制御システムへの入力として交流電力出力を供給するように構成される。

好ましくは、前記タービンは固定ブレードを有し、前記発電機は、直接連結された永久磁石発電機を含む。

好ましくは、前記タービンシステムはさらに、変圧器を含む送電システムを含んで構成され、前記送電システムは、前記制御システムから交流電力出力を受け取り、前記交流電力を、沿岸に設置された受電ステーションへ送電するように構成される。

好ましくは、前記タービンシステムはさらに、前記発電機の出力部と前記変換システムの入力部との間に設けられ、且つ前記変換システムの前記発電機の力率に与える影響を補正する第１力率補正部品を含んで構成される。

好ましくは、前記第１力率補正部品は、３組の部品セットを含んで構成され、各部品セットは、コンデンサとそれに直列に設けられたインダクタとを含んで構成され、各部品セットは、前記発電機の三相出力部それぞれと並列に設けられる。前記コンデンサは、前記発電機電流の時間高調波成分（time harmonic components）及び基本波成分の無効部の両方を低減させる働きをして前記発電機の損失を低減し、前記各インダクタは、前記三相の位相制御整流器が整流するときに、対応するコンデンサを大電流が通過することを防ぐ働きをする。

好ましくは、前記タービンシステムはさらに、前記変換システムの出力部と前記送電システムとの間に設けられ、該送電システムを比較的高い力率で確実に作動させる第２力率補正部品を含んで構成される。この方法により、沿岸への前記ケーブル内の損失が最小化され、前記送電システムは、実電力を前記送電網へ供給するための最大の容量で作動する。

好ましくは、前記第２力率補正部品は、３組の部品セットを含んで構成され、各部品セットは、少なくともコンデンサと、任意に、前記コンデンサと直列に設けられたインダクタとを含んで構成され、各部品セットは、前記変換システムの三相出力部それぞれと並列に設けられる。前記コンデンサは、前記送電システムにより搬送される電流を低減して、損失を最小化すると共に、前記送電システムの容量を最大化して有用な実電力を沿岸へ送電する働きを有し、前記インダクタは、前記第２段階変換器の前記サイリスタがスイッチングされるときに、前記コンデンサから大電流が引き出されることを防ぐように設けられる。

前記コンデンサは、前記変圧器の高電圧端子、又は低電圧端子に接続されてもよい。

あるいは、前記第２力率補正部品は、前記変圧器の別個の巻線に接続されてもよく、それにより、前記各巻線の漏れインダクタンスにより前記コンデンサが前記変換システムの作動を阻害することを防ぐ。

好ましくは、前記タービンシステムは、前記タービンシステムを少なくとも１つの他のタービンシステムと並列に接続するように構成された第１電力ケーブルを備え、前記交流電力を沿岸へ供給する共通の第２電力ケーブルに電力を供給するように構成される。

あるいは、前記第２力率補正部品は、前記第１電力ケーブルと第２電力ケーブルとの間の接続点に接続されてもよい。

本発明はさらに、第１電力ケーブルにより互いに並列に接続された複数のタービンシステムを含んで構成されるタービンシステムの配列を提供し、前記タービンシステムは、前記交流電力を前記受電ステーションへ搬送するように構成された共通の第２電力ケーブルに電力を供給するように構成される。

好ましくは、前記タービンの配列はさらに、監視用コントローラを含んで構成され、監視用コントローラは、前記配列内の各タービンのパフォーマンスレベルを決定し、各タービンシステムの前記制御部に対し、前記発電機により供給される前記交流電圧を調整するように指示し、各タービンシステムにより生成される前記電力を変更して前記配列により生成される全電力を制御するように構成される。

この方法により、前記タービンシステムの配列の前記出力電力をモニタでき、各タービンシステムのうち、例えば、平均水流より速い水流を受けたタービンを有するタービンシステムを選択し、それらの運転は、関連する水流が平均未満のために前記定格電力を生成しない配列内の他のタービンシステムの不足を補うように変更可能である。

好ましくは、前記第１及び第２電力ケーブルは、オイル絶縁を必要としない電気設備に適した線間電圧、例えば、２２ｋＶの線間電圧で三相交流電流を搬送するように構成される。

本発明の好ましい実施形態による一群のタービンシステムの電気的構成を示す。 タービンの特性としての回転速度に対する電力の関係を示すグラフである。 図１のタービンシステムであって、本発明の第１実施形態による電力変換システムを含むタービンシステムの１つを示す。 図１のタービンシステムであって、本発明の第２実施形態による電力変換システムを含む図１のタービンシステムの１つを示す。 図１のタービンシステムであって、本発明の第３実施形態による電力変換システムを含む図１のタービンシステムの１つを示す。 図１のタービンシステムであって、本発明の第４実施形態による電力変換システムを含む図１のタービンシステムの１つを示す。 図３から図６のいずれかのタービンシステムの制御部と通信し協働するように構成された監視用コントローラを示す。 第１及び第２力率補正部品をさらに含む図３のタービンシステムを示す。 図８の第２力率補正部品の他の構成を示す。 本発明の制御システムに接続されたタービンの速度、トルク、及び電力を含む特性と水流の流速との間の関係を示す。 水流の流速の増加に対するタービン軸スラスト及びタービンブレードの曲げモーメントの変化について周知のタービンシステム及び本発明のタービンシステムの比較を示す。 好ましい実施形態による水流の流速に応じた直流電力の制限を示す。 本発明の好ましい実施形態による、制御部の制御による第１段階変換器の整流器及び第２段階変換器のインバータのサイリスタの作動を示す。

以下、本発明の実施形態の、例として、添付した図面を参照して説明する。
図１を参照すると、タービン、好ましくは水力発電タービンのシステム１０の一群の好ましい電気的構成が示されている。

各タービンシステム１０は、短い電力ケーブル１２によって互いに並列に電気的接続され、１以上のメイン送電電力ケーブル１４を供給し、該電力ケーブル１４は、一群のタービンシステム１０から集電した電力を、沿岸上又は沿岸付近に設けられた受電ステーション（図示省略）へ送電するように構成されている。好ましい実施形態において、電力ケーブルは、線間電圧２２ｋＶで三相交流電流を搬送し、これにより、ケーブル中のあらゆる電力損失を最小化する。しかし、当然のことながら、あらゆる適切なケーブルを用いてもよい。

図示したように、各タービンシステム１０は、例えば、潮汐電流タービン等のタービン１６を含む。好ましい実施形態において、タービンは、固定ブレードを含むことが好ましい。

タービン１６は発電機１８に接続され、該発電機はタービン１６による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成される。好ましい実施形態において、発電機１８は、直接連結された永久磁石発電機であり、タービン１６の回転速度に比例した電圧及び周波数を有する三相交流電力出力を供給する。他の実施形態において、発電機１８は誘導発電機であり、タービン１６の回転速度の関数である電圧及び周波数を有する三相交流電力出力を供給する。しかし、当然のことながら、あらゆる適切な数の位相を備えた構成を用いてもよい。巻線のコイルをグループに分けて、電気的に絶縁された２以上の出力を供給できるように設計された発電機でもよい。

発電機１８の出力（又は場合によっては各電気出力）は、電力変換システム２０の交流端子に供給され、三相交流電力を、タービンシステム１０のグループから集電した電力を沿岸の受電ステーションに送電する送電システム２２と互換性のある形態の交流電力に変換する。

送電システム２２は変圧器２４を含み、変換システムにより供給される電力の電圧、通常４００Ｖ又は６９０Ｖ、を送電システムの電圧に増幅する。

受電ステーション（図示省略）に設けられた変圧器（図示省略）は、電力ケーブル１４を介して受け取った電力を、送電網への接続に適した電圧へ、あるいは、送電網への接続の前に必要なさらなる電力変換の段階への接続に適した電圧へ変換するように構成される。

２２ｋＶの電圧を選択する理由は、メンテナンスが不要な注型樹脂変圧器が使用できる範囲だからである。このような変圧器は、タービン１６に近接して位置したガス充填型筐体内での使用に適している。より高い電圧の場合、オイル充填型変圧器が必要とされてもよいが、この変圧器は、定期的なメンテナンスが必要とされ、また潜在的な環境汚染の恐れがある。

潮流には、一般的に乱れがあり、数秒から数分に及ぶ期間内に、通常、平均値の６０％から１４０％の間で水流の流速が変化する。水流からの利用可能な電力は、流速の３乗に比例し、タービンが公称１ＭＷの定格電力値を有する一般的な場合では、平均流速が３ｍ／ｓであるときに、各タービンからの利用可能な電力は０．２１６ＭＷから２．７４４ＭＷの間で変化しうる。

図２のグラフに示すように、水流の定格流速において、タービンにより生成される電力と、タービンの回転速度との間に関係が存在する。図示したように、考慮したタービンにより生成される電力は、回転速度が上昇するにつれて増加し、回転速度２０ｒｐｍから２５ｒｐｍの間で約１０００ｋＷの最大電力値に達する。その後、回転速度が上昇するにつれて生成される電力は減少し、回転速度３５ｒｐｍから４０ｒｐｍの間で電力値ゼロを示す。したがって、水流の定格流速値においては、タービンのブレードの回転速度が上昇するにつれて、タービンにより生成される電力が上昇すると推測できる。しかしながら、回転速度の特定の閾値を越えると、生成される電力は減少し始める。

タービン１６により生成される機械的出力と、水流によりもたらされる出力との間の比率は、タービン１６の出力係数（ＣＰ）と呼ばれる。水流によりもたらされた出力は、水流を横切るタービン１６の面積と水流の流速とに関係する。出力係数は無次元のパラメータであり、先端速度比の関数である。先端速度比は第２の無次元のパラメータであり、タービンの周速度と水流の流速との間の比率に等しい。出力係数は、先端速度比が最適値のとき最大値に達する。図２に示した状況において、回転速度が２２ｒｐｍであるときに先端速度比はその最適値に等しくなり、最大出力係数に流れの出力を乗ずると１ＭＷの機械的出力が得られる。

水流の流速が通常の運転をする流速又は定格流速未満のときに、タービン１６のトルク又は回転速度を調整して、水流からできるだけ多くの出力を引き出すように運転させることが望まれる。同様に、水流の流速が定格流速を超えたときに、生成される出力を定格値に制限して、タービン１６を過大な機械的応力から保護し、そして、タービンシステム１０内の他の部品の過負荷及び過熱を回避することが望ましい。

したがって、本発明の電力変換システム２０は、タービンの運転、特にタービンの回転速度を制御し、水流の流速が定格値未満のときに最適な電力を確実に生成し、水流の流速が定格値より高いときに生成される電力を制限するように構成されている。

したがって、タービンシステム１０の電力変換システム２０は、制御部３２と通信するように構成されることが好ましい。制御部３２は、タービン１６を通る水流の流速を示す情報を取得するように構成される。好ましい実施形態において、現在の水流の流速は、発電機からの測定電流及び運転周波数と電圧とから推測される。しかし、当然のことながら、現在の水流の流速が流量センサにより取得した測定値であってもよく、又は統計学及び／又は予測情報を用いて、あるいは統計学及び／又は予測から導出された情報に基づいて水流の流速測定値を調整することにより、確率的に導出してもよい。

図３を参照すると、本発明の第１実施形態による電力変換システム２０の詳細を含むタービンシステム１０が示されている。本第１実施形態において、電力変換システム２０は、第１段階変換器２６と第２段階変換器２８とを含む。

第１段階変換器２６は整流器であり、発電機から受け取った、発電機の回転速度に対応する周波数を有する入力交流電力を直流電力に変換するように構成されている。図示したように、整流器は、例えばサイリスタブリッジ等の三相の位相制御整流器であることが好ましい。あるいは、当然のことながら、第１段階変換器２６は、サイリスタ交流コントローラとそれに続くダイオードブリッジから成るものとして実現されてよく、この詳細については図４を参照して説明する。

第２段階変換器２８はインバータであり、第１段階変換器２６により供給される直流電力を、送電システム２２の電圧及び周波数を有する交流電力に変換するように構成されている。本実施形態において、インバータはサイリスタブリッジであり、位相制御電流形相整流インバータとして作動する。

水流速度の各値毎に、タービン１６の最適な回転速度が存在し、該回転速度において、タービン１６から最大出力電力が得られ、第１段階変換器２６と第２段階変換器２８との間に設けられた直流リンク３４の電圧と電流との間に対応する最適な関係が存在する。

したがって、制御部３２は、現在の水流の流速に応答して直流リンク電圧を調整し、タービン１６の回転を制御するように構成される。

タービン１６を通る水流の流速が定格流速値未満のとき、制御部３２は、第１段階変換器２６を非制御整流器（即ち、点弧角が０度に設定されているもの）として作動又は振る舞いをさせるように構成され、それにより、発電機１８の速度及びタービン１６の速度が直流リンク３４の電圧と直接的に関係するようになる。このように、直流リンク電圧を設定値に調整することにより、直流電流がその後変化し、その結果、交流電力は、タービン１６の回転速度の制御を可能にし、そしてこの場合、タービンの回転を低減させ、それにより、タービンから最適な電力が確実に引き出されることが好ましい。

第１段階変換器２６、及び好ましい実施形態において制御された整流器は、高い水流の流速の期間にタービン１６の回転速度を上昇させるように用いられて、その結果、生成される電力が所望の最大値に制限される。

タービン１６を通る水流の流速が定格流速値を超えるとき、制御部３２は、第２段階変換器２８、特に、第２段階変換器２８のサイリスタの点弧又は位相角を設定し、直流リンク電圧の最大値を供給するように構成される。制御部３２は、さらに、第１段階変換器を調整することにより直流リンク電流を固定値に設定し、それにより発電機１８から生成される電力を所望の最大値に制限するように構成されている。このように、第１段階変換器２６の入力部での電圧が増大し、したがって、タービン１６の回転速度が上昇する。

図３に示すように、インダクタ３０は、第１段階変換器の出力部と第２段階変換器の入力部との間に直列に設けられ、システムに対する要求の変化に対処し、そして、サイリスタのスイッチングがあっても直流電流が確実に途絶えないようにすることが好ましい。

発電機１８が高電圧を発生させるので、第１段階変換器は、例えば非常に高い定格電圧を有するサイリスタ等のスイッチングデバイスを用いている。

第２の実施形態において、図４に示すように、非常に高い電圧用サイリスタを用いる代わりに、発電機１８からの各三相交流出力のそれぞれの電圧を、第１段階変換器２６の整流器の各入力部とそれぞれ並列に設けられたインダクタンス負荷１３６，２３６及び３３６に各出力を接続することにより降圧してもよい。インダクタンス負荷１３６，２３６及び３３６により引き出された無効電流は、発電機１８の巻線インダクタンスにおいて大きな電圧降下を引き起こすようになっている。インダクタンス負荷１３６，２３６及び３３６は、各半導体スイッチ１３８，２３８及び３３８により第１段階変換器の整流器に接続されるのが好ましく、整流器は、平面ダイオード（plain-diode）整流器４０であることが好ましい。本実施形態において、制御部３２は、位相制御により半導体スイッチのサイリスタの点弧角を調整して、第１段階変換器を制御し、それによりタービン１６の回転を制御するように構成されている。

図５に示す第３の実施形態において、２つの三相交流電力出力が発電機により供給され、別個の第１及び第２電力変換システム１２０及び２２０にそれぞれ供給されるようになっている。第１及び第２電力変換システム１２０及び２２０の出力は、共通の変圧器の別個の巻線に供給されるようになっており、１２−パルス（twelve-pulse）システムを構成する。この１２−パルスシステムは、低パルス値システムと比較して送電システム２２における高調波電流を著しく低減している。さらに、当然のことながら、本発明のタービンシステム１０は、任意の数の適切な三相グループを用いてもよい。

さらに、当然のことながら、２つ又は複数の電力変換システム１２０，２２０のうち１つに故障が発生した場合に、他の電力変換システムが機能し続け、制限された最大電力でタービン１０を運転させることができる。このような場合に、制御部３２，３２’は、故障を検出して適切に低減された最大電力限界を適用する検出手段（図示省略）を備えていることが好ましい。制御部３２，３２’同士は接続されるか、又は別の方法で互いに通信することが可能なように構成されることになる。あるいは、１つの制御部３２を用いて各電力変換システム１２０，２２０に接続してもよい。

本発明の第４の実施形態において、図３の電力変換システム２０を、図６の電力変換システム２０に置き換えている。図示のように、図６の電力変換システムもまた、第１段階変換器２６と第２段階変換器２８とを含む。第１段階変換器２６は、発電機１８により供給される交流電力を直流電力に変換するように構成され、第２段階変換器２８は、直流電力を、受電ステーション（図示省略）へ送電するための交流電力に変換するように構成される。

上記各実施形態の変換システムと同様に、図６の変換システム２０は、制御部３２と通信して制御信号を受信し、そして、電力変換システム２０を通過する電力の測定値を制御部３２に供給するように構成されている。この目的を達成するために、センサ（図示省略）が直流リンク３４に設けられ、第１段階変換器と第２段階変換器との間を通る直流電流を検出及びモニタして、信号を制御部３２に送信する。

本実施形態において、第１段階変換器２６及び第２段階変換器２８は、電圧形インバータタイプのものである。特に、第１段階変換器は、アクティブフロントエンドとして作動される電圧形インバータであって、直流リンクを固定電圧として作動するように構成されることが好ましい。

図６に示すように、第１段階変換器２６及び第２段階変換器２８は、６デバイス、三相ブリッジであって、各デバイス３９は、半導体スイッチと還流ダイオードとを含む。

本実施形態において、第１段階変換器２６及び第２段階変換器２８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と、スイッチングデバイス３９とをベースにしている。しかし、当然のことながら、例えば、集積ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）又はゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ等の他のタイプのスイッチを用いてもよい。スイッチングデバイス３９は、制御部３２から受信した信号に応じて制御され作動する。

図６に示すように、コンデンサ４１は、第１及び第２段階変換器２６及び２８と並列に、これらの直流端子間に接続されるのが好ましい。コンデンサ４１は、スイッチングデバイス３９のスイッチングサイクルの周期に亘って、略一定な直流リンク電圧を維持するように構成される。制御部３２は、コンデンサ４１での電圧変化に応じて第２段階変換器２８の出力電圧の位相を調整するように構成され、それにより、直流リンク電圧を所定値近傍の制限値内に維持する。

本発明の実施形態において、第２段階変換器２８は、第１段階変換器により供給される直流電力を、受電ステーション（図示省略）へ送電するための交流電力に変換するように構成されている。第２段階変換器２８の出力交流ラインＡ，Ｂ及びＣを含む交流出力端子で供給される電圧は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて達成されるのが好ましい。

ラインＡで供給される電圧を制御するために、第２段階変換器２８のスイッチＳ１は繰り返しＯＮ−ＯＦＦされる。スイッチＳ１がＯＮのとき、正の直流ラインからラインＡに電流が流れる。スイッチＳ１がＯＦＦのとき、送電システム内の変圧器等の部品のインダクタンスのため、電流はラインＡを通って同じ方向に流れ続け、第２スイッチＳ２と並列に設けられた還流ダイオードＤ２を強制的に通過する。電流が他の方向に流れるときに、電流はスイッチＳ２及び第１スイッチＳ１と並列に設けられた還流ダイオードＤ１を通過する。

スイッチＳ１がＯＮのとき、ラインＡでの電圧は正の直流ラインの電圧と略等しく、スイッチＳ１がＯＦＦのとき、ラインＡでの電圧は負の直流ラインの電圧と略等しい。したがって、ラインＡでの時間平均電圧は、正及び負の直流ラインでの電圧と、スイッチＳ１がＯＮされている期間とＯＦＦされている期間の周期の比率に関係する。このように、ラインＡでの平均電圧を、スイッチＳ１及びＳ２へ送信されるスイッチ信号を制御することにより制御することができる。

特に、デバイス３９のスイッチＳ１及びＳ２でのＯＮ−ＯＦＦ周期のスイッチング比率を変化させることにより、ラインＡでの平均電圧を、２つの直流ラインでの電圧間であらゆる値をとるように制御することができる。このように、この実施形態において、制御部３２は、比率が周期的に変化する高周波スイッチング信号を供給し、重畳した高周波成分を有する近似的正弦波電圧を、交流出力端子のラインＡで生成する。小さなフィルタ（図示省略）を用いて高周波成分を減衰させるのが好ましい。

ラインＢ及びＣでの電圧を、ラインＢ及びＣと関連したデバイス３９を制御することにより同様の方法で制御する。

例えば、直流リンク３４は、１１００Ｖで作動してもよく、第２段階変換器２８のＩＧＢＴｓのゲートに供給されるスイッチング信号は、通常３０００Ｈｚの周波数を有してもよい。ＯＮ−ＯＦＦ周期の比率は、１：１０と１０：１との間で変化させてもよく、それにより、交流出力端子での平均電圧が１００Ｖと１０００Ｖとの間で変化する。前記比率が５０Ｈｚの周波数に合わせて正弦波状に変化する場合に、交流出力端子のラインＡでの出力電圧は、振幅４５０Ｖ及びｒｍｓ(実効)値３１８Ｖで重畳した５０Ｈｚの交流成分を有する５５０Ｖの平均値を有する。

ラインＢに接続されたスイッチＳ３及びＳ４に供給される同様の信号により、ラインＢでの電圧が同様に変化するが、５０Ｈｚの成分をラインＡの位相から１２０度ずらすように位相シフトさせてもよい。したがって、ラインＡとラインＢとの間の交流電圧は、５５１Ｖｒｍｓである。そして、ラインＣでのスイッチＳ５及びＳ６に供給される信号がさらに１２０度位相シフトさせたものである場合に、３つのラインＡ，Ｂ及びＣは、バランスのとれた線間５５１Ｖｒｍｓの三相出力電圧を搬送する。スイッチング信号を適切に変化させることにより、制御部３２は、交流出力電圧の振幅及び周波数を制御することができる。

第２段階変換器の出力交流電圧の振幅は、三相交流ネットワークに流入する無効電力量を決定し、そして、ネットワーク電圧に対する出力電圧の位相が実電力流を決定する。

同様に、制御部３２は、第２段階変換器２６のデバイス３９を制御し、それにより、第１段階変換器２６の交流入力部に供給される電圧、即ち発電機１８の端子での交流電圧を制御するように構成されている。特に、第１段階変換器２６は、発電機端子での電圧の振幅及び周波数、及び対応する実電力及び無効電力流を設定するように制御される。

さらに、第１段階変換器２６は、発生する交流電流が発電機１８の巻線に誘起された電磁力（ｅｍｆ）と同位相となるように、電気周波数に応じて変化する交流電圧を、発電機１８に供給するように制御される。

任意の水流の流速において、タービン１６は略理想的な回転速度、発生する周波数、電磁力、及び対応する電力と関係する。したがって、略理想的な回転速度においては、電磁力と同位相な発電機交流電流の成分は周波数の知られた関数である。発電機の最大効率は、損失が最小、すなわち、電流が最小となるときに得られる。それは、同様に、電磁力と直角な位相での電流成分がゼロであることが好ましいことを意味する。発電機端子での対応する交流電圧は、周波数の関数として見積もられ、制御部３２での要求パラメータとして固定することができる。

前述のように、水流の流速の各値毎に、タービン１６からの最大出力電力を得るタービン１６の最適な回転速度があり、対応する最適な関係が周波数、電圧、及び電力の間にある。直流リンク電圧は固定されているので、交流電力は直流リンク電流に直接的に比例する。したがって、制御部３２は、センサ（図示省略）により測定された直流リンク電流に応じて第１段階変換器の周波数を設定して、発電機での交流電圧を制御するように構成される。

特に、制御部３２は、第１段階変換器２６のデバイス３９の作動を変更し、直流リンク電流の現在値に応答して第１段階変換器の入力端子で交流電圧の周波数を調整するように構成されている。

タービン１６を通る水流の流速が定格値未満のとき、制御部３２は、第１段階変換器２６に対し、第１段階変換器の入力端子、すなわち発電機１８の交流端子での交流電圧の周波数を調整させるように構成され、その結果、発電機及びタービンの回転速度を最適化して水流から最大の電力を引き出す。

第１段階変換器２６は、水流の流速が速い期間中に、タービンの回転速度を上昇させるために用いられ、これにより、生成される電力を所望の最大値に制限する。タービン１６を通る水流の流速が定格値を超えたときに、制御部３２は、第１段階変換器に対し、第１段階変換器の入力端子、すなわち発電機１８の交流端子での交流電圧の周波数を調整させるように構成され、その結果得られる発電機１８及びタービン１６の回転速度により最大値に制限された電力が発生する。水流が非常に速い場合に、対応する理想的な電圧は、第１段階変換器２６の定格電圧を超え、そして、発電機１８は、電磁力と直角な位相で所定の量の交流電流を搬送する必要があり、発電機１８の損失がそれに対応して最小値より大きくなる。

図５に示す実施形態と同様に、当然のことながら、図６のタービンシステム１０を２以上の電力変換システム２０を含むように変更し、各電力変換システムは、別個の直流リンクを有する並列な電力変換チャネルを有してもよい。これにより、冗長性が提供され、その結果、１つのチャネルが故障した場合に、タービン１６は制限された最大電力で運転を継続できる。各チャネルは、それぞれ発電機巻線の複数の分離した部分からの入力を取得し、その結果、１つのチャネルの故障が他の運転に影響を及ぼさない。

前述したように、電力を沿岸へ送電するために設置した電力ケーブル１４は、タービンシステムの配列における複数のタービンシステム１０から電力を集電するように構成されていることが好ましい。沿岸の送電網に電力を供給するために用いられる沿岸への電力ケーブル１４及び他のインフラは、多額の投資を必要とし、常に最大限利用することが好ましい。したがって、配列におけるいくつかのタービン１６がＰ／Ｎ未満（ここで、Ｐはケーブルの最大容量であり、Ｎはタービンの数である。）で運転しているときに、他のタービンがＰ／Ｎを超える電力を供給でき、それにより電力の全供給量のバランスをとることは有用である。それ以外の場合、例えば、送電網の負荷が軽く、送電網オペレータによるタービンの配列への電力要求が支配的な流れから得られる電力より小さい場合は、生成される電力を減らすことが望ましく又は必要である。

したがって、本発明はさらに、他のタービンにおける支配的な流速及び配列中の他のタービンシステム１０により引き出される電力に応じて、各タービン１６の最大電力限界を調整及び制御する手段を提供する。この目的を達成するために、好ましい実施形態において、図７に示すように、制御部３２が、監視用コントローラ５４と通信及び協働するように構成されている。この監視用コントローラは、タービン１６の配列又は一群全体の運転を最適化するように働く。監視用コントローラ５４は、タービンの配列又は一群内の各タービン１６の出力電力を含む性能レベルをモニタするように構成され、より速い水流中にあるタービン１６のタービンシステム１０の制御部３２に対し、定格電力より高い電力を生成するように指示することにより、関係する水流が平均値未満のために定格電力を生成しないタービン１６の不足を補うように構成される。

タービンの配列全体により生成される全電力が、閾値、例えば送電網オペレータにより設定される閾値限界を越える場合に、監視用コントローラ５４が、配列の一部又は全てのタービンシステム１０の制御部３２に対して直流リンク電流の固定値を低減するように指示し、これにより、生成された全出力電力を制限するように構成される。同様に、タービンシステム１０の配列中の他のタービン１６が平均水流より低い水流中にあり、したがって、定格電力を生成していない場合に、監視用コントローラ５４が、配列内から選択したタービンシステムの制御部３２に対し、直流リンク電流の固定値を増大させるように命令又は指示して、定格電力出力より高い電力を生成することにより、配列中の他のタービン１６によって生成される、より低い電力出力を補う。

以下詳細に説明するように、発電機１８と電力変換システム２０との間に力率補正部品を設けることにより、速い水流中にあるタービンシステム１０から定格電力より大きい水流の二乗に比例する電力を引き出すことができる。

位相制御整流器を用いる電力変換システムは、１より著しく低い力率で発電機を運転させる。このように、発電機は必要以上に大きな発電機定格を有することが求められるが、これには、磁性材料の量の増大を伴い、それ故、コストも増大する。

したがって、本発明の好ましい実施形態において、図８に示すように、発電機の力率への電力変換システム２０の影響を補正するために、第１力率補正部品４２が、図３のタービンシステムの発電機１８の出力部と電力変換システム２０の第１段階変換器の入力部との間に設けられる。

好ましい実施形態において、第１力率補正部品４２は、３組の部品セット１４２，２４２及び３４２をそれぞれ含み、それぞれ、インダクタ１４４，２４４，３４４と、これに直列に設けられたコンデンサ１４６，２４６，３４６とを含み、各部品セット１４２，２４２及び３４２は、発電機１８の各三相出力部と並列に設けられる。各コンデンサ１４６，２４６，３４６は、発電機電流の時間高調波成分と、基本波成分の無効部の両方を低減し、その結果、発電機損失が低減される。各インダクタ１４４，２４４，３４４は、三相の位相制御整流器２６が整流するときに、対応するコンデンサ１４６，２４６，３４６を大電流が通過することを防ぐ機能を有する。

損失を最小化すると共に、送電システム２２の容量を最大化して有用な実電力を沿岸に送電するために、図８に示すように、第２力率補正部品４８が、図３のタービンシステムの電力変換システム２０の第２段階変換器の出力部と送電システムとの間に設けられる。

好ましい実施形態において、第２力率補正部品４８は、３組の部品セット１４８，２４８及び３４８をそれぞれ含み、それぞれ、インダクタ１５０，２５０，３５０と、これに直列に設けられたコンデンサ１５２，２５２，３５２とを含み、各部品セット１４４，２４４及び３４４は、第２段階変換器２８の各三相出力部に並列に設けられる。各コンデンサ１５２，２５２，３５２が、送電システム２２により搬送される電流を低減して、損失を最小化すると共に、送電システム２２の容量を最大化して有用な実電力を沿岸に送電する。インダクタ１５０，２５０，３５０は、第２段階変換器２８のサイリスタがスイッチングするとき、コンデンサ１５２，２５２，３５２から大電流が引き出されることを防ぐように設けられている。

しかし、当然のことながら、代わりに、図９に示すように、第２力率補正部品４８を変圧器２４の別個の巻線に接続してもよい。この場合に、変圧器の漏れリアクタンスは、通常、第２段階変換器の整流中にコンデンサにおける電流を制限するのに十分であり、直列なインダクタを不要としてもよい。

図３の電力変換システム２０の例は、力率補正部品の適用を記述するために用いたが、当然のことながら、開示したいかなる電力変換の実施形態を、上記の力率補正部品を含むように改良し、発電機の力率への電力変換システム２０の影響を補正して、損失を最小化すると共に、送電システム２２の容量を最大化して有用な実電力を沿岸に送電することができる。

図１０は、本発明の制御システムに接続されたタービンの速度、トルク、及び電力を含む特性と、水流の流速との間の関係を示す。この制御システムは、閾値を超えた水流の流速で生成された電力に対し、電力制御（power cap）又は制限を適用している。図示のように、水流の流速が定格水流の流速に向かって増加するにつれて、タービンの速度、トルク、及び電力が増加する。しかしながら、水流の流速が定格値を超えると、電力は頭打ちになり（capped）、トルクは横ばい状態となり、水流の流速が増加し続けるにつれて減少する傾向にある。タービンの速度は増大して、過大な機械的応力がタービンに発生することを防ぐ。制御部は、電力制限の開始でトルクを制限するように用いられてもよいことは明らかである。これにより、本機械における機械的負荷の低減が可能である。特に、図１０が示す例においては、約３．５ｍ／ｓ〜約４．２ｍ／ｓの間の流速の小さい範囲に亘って、トルクはさらに約３００ｋＮｍの最大値に制限されていることを示す。使用する電力変換システムが、例えば図６の実施形態のような電圧制御インバータシステムである場合に、このことは、周波数制御を用いて電力を制限することにより達成される。あるいは、使用する電力変換システムが、例えば、図３の実施形態の位相制御サイリスタブリッジ等の電流制御インバータシステムである場合に、図１３に示すように、及び詳細については後述するように、トリガ遅れ角の調整を用いてトルクを制限してもよい。

図１１は、水流の流速が増加するときの、タービンの軸方向スラスト及びタービンブレードの曲げモーメントの変化を示す。本発明の制御システムにより、ブレード曲げモーメント及びタービンのブレードの全スラストの値が低減された値に制御されていることがわかる。しかしながら、タービンのブレードのブレード曲げモーメント及び全スラストの値は、タービンが最大出力係数（ＣＰ）を有し、且つ本発明の制御システムにより制御されていないときに、水流の流速が増加するにつれて着実に増加することを示す。最大トルク値は予め設定された値であって、発電機巻線の温度が安全値を超えないことを保証するように選択されることが好ましい。さらに、トルクと応力とが関連するので、最大トルク値は、タービン１６内の応力を許容レベルの範囲内に制限するように選択されることが好ましい。図１１は、２つの重要な機械的負荷、すなわちタービンのブレード曲げモーメント及びタービンでの全軸方向スラストとの間の関係を示す。流速が速いときに電力を制限することにより、対応する機械的負荷の低減、及びその結果としての応力の低減をもたらすことがわかる。図１１は、電力が固定値に制限された場合に対応するが、電力をさらに制限し、それにより対応する機械的負荷及び応力を制限することも同様に可能となる。

図１２は、上述した水流の流速に応答して行う直流電力の制限を示し、図１３は、制御部３２の制御による第１段階変換器２６の整流器及び第２段階変換器２８のインバータの各サイリスタの作動を示す。図１３に示すように、考慮するタービンに対して、定格水流の流速は約４．１ｍ／ｓであり、したがって、水流の流速が定格値まで増加する間、第２段階変換器のサイリスタの点弧角が次第に大きな角度で作動することを、グラフは示している。水流の流速が定格値を超えると、第１段階変換器のサイリスタは、水流の流速の増加に応じて次第に大きな角度で点弧されるが、第２段階変換器のサイリスタは一定な点弧角に維持され、最大直流リンク電圧が確実に供給される。

本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内から逸脱することなく修正又は変更することができる。

Claims (11)

1. タービンシステムの配列と監視用コントローラ（５４）とを含んで構成される、水力発電タービン配列システムであって、
   前記タービンシステムの配列の各タービンシステムは、水力発電タービン（１６）と制御システム（２０）とを含み、
   前記制御システム（２０）は、
   前記水力発電タービン（１６）に接続された発電機（１８）により発電され、前記タービンの回転速度の関数である電圧及び周波数を有する交流電力を、該交流電力を受電ステーションへ送電する送電システム（２２）の電圧及び周波数を有する交流電力に変換する変換システム（２０）と、
   前記変換システム（２０）と協働して前記発電機から供給される交流電力を調整する制御部（３２）とを含み、
   前記監視用コントローラ（５４）は、配列内の複数の水力発電タービン（１６）のパーフォーマンスレベルを測定し、少なくとも１つのタービンシステム（１０）の前記制御部（３２）に対し、前記発電機（１８）から供給される交流電圧を調整することにより、該少なくとも１つのタービンシステム（１０）により発電される電力を変更し、それにより前記配列により生成される全電力を制御する、
   水力発電タービン配列システム。
2. 前記タービンシステムは、前記水力発電タービン（１６）に接続された発電機（１８）をさらに含み、該発電機は、交流電力を、前記変換システム（２０）への入力として出力するように構成される、請求項１に記載の水力発電タービン配列システム。
3. 前記水力発電タービン（１６）は、固定ブレードを有し、前記発電機（１８）は、直接的にカップリングされた永久磁石発電機を含む、請求項２に記載の水力発電タービン配列システム。
4. 各前記タービンシステム（１０）は、変圧器（２４）を含む送電システム（２２）をさらに含み、前記送電システム（２２）は、前記制御システムから出力される交流電力を受け取り、該交流電力を沿岸に設置された受電ステーションへ送電するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水力発電タービン配列システム。
5. 前記水力発電タービンシステム（１０）の配列の各タービンシステム（１０）は、該配列の他のタービンシステム（１０）と第１電力ケーブル（１２）で互いに並列に接続され、これらのタービンシステムは、共通の第２電力ケーブル（１４）に電力を供給し、該第２電力ケーブルは交流電力を前記受電ステーションまで搬送するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電タービン配列システム。
6. 前記第１電力ケーブル（１２）及び第２電力ケーブル（１４）は、オイル絶縁を必要としない電気設備に適した線間電圧で三相交流電流を搬送するように構成される、請求項５に記載の水力発電タービン配列システム。
7. 前記変換システムは、前記発電機（１８）から供給される交流電力を、前記受電ステーションへ送電するための交流電力に変換する、サイクロコンバータとマトリックスコンバータとのうちの１つを含んで構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電タービン配列システム。
8. 前記変換システムは、第１段階変換器（２６）と、第２段階変換器（２８）と、該第１及び第２段階変換器との間に配置される直流リンク（３４）とを含んで構成され、前記第１段階変換器は前記発電機（１８）により生成された交流電力を直流電力に変換するように構成され、前記第２段階変換器は前記直流電力を前記受電ステーションに送電するための交流電力に変換するように構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電タービン配列システム。
9. 前記第２段階変換器は、電圧形インバータタイプのものである、請求項８に記載の水力発電タービン配列システム。
10. 前記第２段階変換器は、電流形インバータタイプのものである、請求項８に記載の水力発電タービン配列システム。
11. 前記発電機により供給される前記交流電力は、前記タービンの回転速度に比例した電圧及び周波数を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水力発電タービン配列システム。