JP2017501672A

JP2017501672A - 発電所設備

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Publication number: JP2017501672A
Application number: JP2016540665A
Authority: JP
Inventors: エッケル、ハンス−ギュンター; ギールシュナー、マグダレナ; クナーク、ハンス−ヨアヒム
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: JP6370386B2; CN105830328A; EP3061179A1; KR101918145B1; DE102013226987A1; US20170005479A1; WO2015090936A1; CN105830328B; KR20160087888A

Abstract

本発明は特に、内部交流電圧系統（２０）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続された多数の電気的な発電ユニット（３０、３１）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続され、直流連係を介して外部交流電圧系統（５０）に接続可能であり、前記内部交流電圧系統（２０）から前記外部交流電圧系統（５０）へ向けてのエネルギ伝送を可能とする少なくとも１つの高圧直流送電装置（４０）とを有する発電所設備（１０）に関する。本発明では、前記複数の発電ユニット（３０、３１）がそれらの出力を、パワーエレクトロニックス技術で構成されたインバータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ供給し、または、パワーエレクトロニックス技術で構成されたインバータにより給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ供給し、前記複数の発電ユニット（３０、３１）がそれぞれ１つの同期化装置（６０）を備えており、この同期化装置は、各発電ユニット（３０、３１）の出力電圧の発生または各発電ユニット（３０、３１）による出力電流の供給を、この出力電圧の位相または出力電流の位相が、入力側に入ってくる同期信号（Ｓ）を基準にして、各発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δψ）を有するように調節するのに適している。【選択図】図４

Description

本発明は、内部交流電圧系統と、この内部交流電圧系統に接続された多数の電気的な発電ユニットと、前述の内部交流電圧系統に接続され、直流連係によって外部の交流電圧系統に接続可能であり、内部の交流電圧系統から外部の交流電圧系統へ向けてのエネルギ伝送を可能にする少なくとも１つの高圧直流送電装置と、を備えた発電所設備に関する。

前述した種類の発電所設備は、複数の発電ユニットが風力発電設備で構成されている集合型風力発電基地として、または、複数の発電ユニットが太陽光発電設備で構成されている集合型太陽光発電基地として、知られている。これらの発電所設備に設置されている高圧直流送電装置は、発電所設備の内部交流電圧系統の側においてそれぞれ自励式整流器を有している。

本発明の課題は、従来の発電所設備よりも低コストで実現可能な発電所設備を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する発電所設備によって解決される。本発明による発電所設備の好適な形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、複数の発電ユニットが、それらの出力を、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータを介して内部の交流電圧系統に供給するか、あるいは、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータによって給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して、内部の交流電圧系統に供給し、それらの発電ユニットはそれぞれ、各発電ユニットの出力電圧の発生または各発電ユニットによる出力電流の供給を、次のように調節するのに適合化された同期化装置を有している。すなわち、入力側に入ってくる同期信号を基準にして、出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニットに予め与えられた目標位相となるように、調節するのに適合化されている。

本発明による発電所設備の利点は、内部交流電圧系統の側において、高圧直流送電装置は、自励式である必要がなく、電源転流式であってよい、という点にある。換言すれば、本発明による発電所設備では、内部交流電圧系統の側において、自励式整流器の代わりに電源転流式整流器を設置することが可能であり、これによって、大幅にコストを節約することができる。なぜなら、電源転流式整流器は自励式整流器よりも技術的に簡単であり、従って、より低コストに製造可能であるからである。本発明によれば、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器を設置することが可能である。なぜなら、複数の発電ユニットを同期化することによって内部交流電圧系統の十分な安定化が達成されるので、内部交流電圧系統の側で高圧直流送電装置を自励式にする必要がないからである。

前述したように、コストの最小化の観点から、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統への接続側において少なくとも１つの電源転流式整流器を有するようにすることが有利である。換言すれば、内部交流電圧系統への接続側において、高圧直流送電装置が電源転流式の高圧直流送電装置であると、有利である。

高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側で電源転流式の高圧直流送電装置であり、外部交流電圧系統の側で自励式の高圧直流送電装置であると、全体として有利である。

複数の発電ユニットのエネルギ発生が不十分な場合でも、非常運転、または、内部交流電圧系統の自己需要の補填を確実に行うために、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統への接続側において少なくとも１つの自励式整流器を有し、その自励式整流器がインバータとして作動して、内部交流電圧系統の自己需要を補填するために高圧直流送電装置の直流側からくるエネルギを内部交流電圧系統に供給するのに適しているようにすることが望ましい。インバータとして作動することの可能な自励式整流器が存在することによって、内部交流電圧系統に十分な系統電圧が確立されていない場合にも、外部交流電圧系統から内部交流電圧系統へ向けてエネルギ伝送を行うことが可能となる。

発電所設備の全ての発電ユニットが同一の同期信号に基づいて作動するようにすると有利である。

内部交流電圧系統の特に高い安定性を考慮すると、発電所設備の運転中に複数の発電ユニットの少なくとも半数に同一の目標位相（以降、中央目標位相と呼ぶ）が予め与えられていて、それらの発電ユニットの半数が同一の中央目標位相を有する出力電圧または出力電流を発生するようにすると有利である。

内部交流電圧系統に存在する無効電力を補償するために、または、交流電圧系統内に無効電力を発生するために、複数の発電ユニットの少なくとも１つに中央目標位相とは異なる個別の目標位相が、予め与えられているか、または、与えられるように構成することができる。

例えば、前述の少なくとも１つの発電ユニットに、前述の中央目標位相とは９０°異なる、または、その発電ユニットが内部交流電圧系統に無効電力を供給すべく少なくとも前述の中央目標位相とは異なる、個別の目標位相を予め与えるようにすることができる。

この発電所設備が１つの中央装置を有し、その中央装置がすべての発電ユニットと接続されていて、それら各発電ユニットにそれぞれ１つの目標位相を予め与えるように構成されていると有利である。

同期信号の簡単な伝送の観点から、複数の発電ユニットが、それぞれ１つの無線受信機を有し、それらの発電ユニットの無線受信機が、それぞれその同期信号を無線で受信するようにすると有利である。

この同期信号を、例えば、いわゆるＧＰＳ信号（ＧＰＳ：グローバルポジショニングシステム）とすることが可能であり、この場合、無線受信機がＧＰＳ受信機であると好適である。

この発電所設備は、例えば集合型風力発電基地または集合型太陽光発電基地であり、その場合の発電ユニットは、風力発電設備または太陽光発電設備で以て構成されている。

内部交流電圧系統は、例えば、多相系統、特に３相交流系統とすることができる。

本発明はさらに、上述した発電所設備のための発電ユニットにも関する。この発電ユニットついては、本発明では、以下のように構成されている。すなわち、この発電ユニットは、１つの同期化装置を有し、この同期化装置は、入力側に入ってくる同期信号ならびに発電ユニットによって発電された出力電圧の位相または発電ユニットから内部交流電圧系統に供給された出力電流の位相を処理して、出力電圧の位相または出力電流の位相がこの発電ユニットに予め与えられた目標位相と一致するように、出力電圧の発生または出力電流の供給を調節するのに適している。

本発明による発電ユニットの利点については、本発明による発電所設備に関する上述の説明を参照されたい。というのは、本発明による発電ユニットの利点は、本発明による発電所設備による利点と本質的に一致しているからである。

本発明はさらに、内部交流電圧系統と、この内部交流電圧系統に接続された多数の発電ユニットと、この内部交流電圧系統に接続された少なくとも１つの高圧直流送電装置とで構成された発電所設備の、運転方法に関する。

この運転方法に関しては、本発明によれば次のように構成されている。すなわち、複数の発電ユニットにそれぞれ１つの同期信号が供給され、それらの発電ユニットが、それぞれ入力側に入ってくる同期信号と、各発電ユニットにより発生された出力電圧の位相または各発電ユニットにより内部交流電圧系統に供給された出力電流の位相とを検出し、同期信号に基づいて、出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニットに予め与えられた目標位相と一致するように、出力電圧の発生または出力電流の供給を調節する。

本発明による方法の利点については、本発明による発電所設備に関する説明を参照されたい。

本発明を、その好ましい実施例に基づいて、以下に詳細に説明する。

本発明による発電所設備のための一実施例であって、高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器を有している。本発明による発電所設備のための一実施例であって、高圧直流送電装置が、内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器と自励式整流器とを有している。本発明による発電所設備のための一実施例であって、１つの中央装置が設けられており、その中央装置は、発電所設備のすべての発電ユニットと接続されていて、各発電ユニットに個別の目標位相を与える。本発明による発電所設備のための一実施例であって、１つの中央装置が設けられており、その中央装置は、複数の発電ユニットにそれぞれ個別の目標位相を与え、高圧直流送電装置が内部交流電圧系統の側に電源転流式整流器と自励式整流器とを有している。なお、これらの図では、図示を見やすいものとするために、同一もしくは同等のコンポーネントには、同一の符号が使用されている。

図１は、発電所設備１０を示しており、この発電所設備は、１つの内部交流電圧系統２０ならびにこの内部交流電圧系統２０に接続された多数の発電ユニット３０および３１を有する。内部交流電圧系統２０にさらに１つの高圧直流送電装置４０が接続されており、これが内部交流電圧系統２０を外部交流電圧系統５０と接続し、内部交流電圧系統２０から外部交流電圧系統５０に向けてのエネルギ伝送を可能にしている。

高圧直流送電装置４０は、内部交流電圧系統２０の側では電源転流式の送電装置であり、このために電源転流式整流器４１を有し、この電源転流式整流器４１は電気的に内部交流電圧系統２０と直流送電ケーブル４２の間に配置されている。

高圧直流送電装置４０の電源転流式整流器４１の正確な作動方式を保証するためには、内部交流電圧系統２０が十分に安定していることが必要である。多数の発電ユニット３０および３１が存在している場合でも内部交流電圧系統２０の安定性を保証すべく、これらの発電ユニット３０および３１は、それぞれ１つの同期化装置６０を備えており、この同期化装置は、各発電ユニットの出力電圧の発生または各発電ユニットによる出力電流の供給を、この出力電圧の位相または出力電流の位相が各発電ユニットに予め与えられた目標位相と一致するように調節するのに適合化されている。ここで、目標位相は、入力側に入ってくる同期信号Ｓを基準にしており、この同期信号は、発電ユニット３０および３１の同期化装置６０に供給される。

図１の実施例では、同期化装置６０への同期信号Ｓの伝送は無線によって行われることを前提としている。代案として、同期信号Ｓを他の手段、例えば有線接続によって伝送することも可能である。

発電ユニット３０もしくは３１で発生された電気的出力の内部交流電圧系統２０への供給は、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータを介して、または、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータにより給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して、実行される。図１では、図示を見やすいものとするために、後者の諸コンポーネント、すなわちパワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータまたは二重給電誘導機のステータは、明確には示されていない。

高圧直流送電装置４０の構成に関しては、これが外部交流電圧系統５０の側では自励式の送電装置であって、そのために自励式インバータ４５を有していると好適である。

図１による発電所設備１０は、例えば次のように運転することができる。すなわち、発電ユニット３０ないし３１の同期化装置６０が、同期信号Ｓを受信する。この場合、一般的に知られたＧＰＳ測位信号とするとよい（ＧＰＳ：グローバルポジショニングシステム）。というのは、ＧＰＳ測位信号は同期化するのに適したタイムスタンプを有するからである。

同期化装置６０は、同期信号Ｓを判読し、各発電ユニットの出力電圧または出力電流を次のように調節する。すなわち、出力電圧の位相または出力電流の位相が、入力側に入ってくる同期信号Ｓを基準として、その発電ユニットに個別に予め与えられた目標位相と一致するように、各発電ユニットの出力電圧または出力電流を調節する。

このようにして、同期信号Ｓを用いた同期により、複数の発電ユニットが、互いに直接に接続されていなくとも、それらのエネルギ供給に関する１つの同調した挙動を内部交流電圧系統２０に示すようにすることが可能となる。エネルギ供給の同期化によって、内部交流電圧系統２０は系統周波数および電圧の大きさに関して安定化されるので、その内部交流電圧系統２０すなわちその安定性は、電源転流式整流器４１を安定に運転し、かつ、エネルギを内部交流電圧系統２０から電源転流式整流器４１および直流送電ケーブル４２を介して外部交流電圧系統５０に向けて伝送するのに十分である。

図２は、発電所設備のための別の実施例を示す。この場合、複数の発電ユニット３０および３１が同期信号Ｓにより同期され、その結果、電源転流式整流器４１の電源転流運転のための内部交流電圧系統２０の十分な安定性が保証されることとなる。

図２の発電所設備１０は、図１の実施例とは異なり、高圧直流送電装置４０の内部交流電圧系統２０への接続側に、付加的に１つの自励式整流器４６を有しており、その自励式整流器は、インバータとして作動して、直流送電ケーブル４２から来るエネルギを内部交流電圧系統２０に供給するのに適している。すなわち、その自励式整流器４６は、例えば、発電ユニット３０ないし３１がそれ自身では十分な出力を内部交流電圧系統２０に供給できない場合に、内部交流電圧系統２０の自己需要を、外部交流電圧系統５０から内部交流電圧系統２０に向けてのエネルギ伝送によって、補填するために使われる。

図３は、発電所設備１０のための一実施例を示す。この場合、１つの中央装置１００が設けられており、それが各発電ユニット３０または３１と個々に、有線接続または無線経由で、接続されている。図１では、図示を見やすいものとするために、発電ユニット３０と中央装置１００の間の接続のみが明示されている。複数の発電ユニット３１と中央装置１００の間の残りの接続は、図１では単に暗示されているのみとなっている。

この中央装置１００の役割は、各発電ユニット３０もしくは３１または複数の発電ユニット３０および３１の各同期化装置６０に、それぞれ１つの個別の位相Δψを予め与えることである。従って、これらの同期化装置６０は、同期信号Ｓの他に、それぞれ個別に予め与えられた目標位相Δψを受け取り、その結果、入力側に入ってくる同期信号Ｓに基づいて、出力電圧ないし出力電流が予め与えられた目標位相Δψを有するように、出力電圧ないし出力電流を調節することが可能となる。

図３の実施例では、同期信号Ｓの伝送は、ＧＰＳ信号として無線で行われ、個別に予め与えられた目標位相Δψの伝送は、中央装置１００によって有線接続または無線で以て行われる。代案として、同期信号Ｓを、個別の目標位相Δψと一緒に、中央装置１００から複数の発電ユニット３０または３１の同期化装置６０に、例えば、有線接続または無線で以て、伝送することも可能である。有線接続された伝送の場合には、ＧＰＳ信号を受信するための複数の無線受信装置を省略することができる。

図４は、発電所設備１０のための一実施例を示す。この場合、高圧直流送電装置４０が、内部交流電圧系統２０の側で、前述の電源転流式整流器４１に加えて１つの自励式整流器４６をも有しており、その自励式整流器４６は、インバータとして作動して、内部交流電圧系統２０の自己需要を補填すべく、自励式整流器４６の直流側すなわち直流送電ケーブル４２から来るエネルギを、内部交流電圧系統２０に供給するのに適している。このことは、図２との関連においてすでに詳述したとおりである。すなわち、これに関する説明は、図２と同じである。

本発明を複数の好適な実施例によって詳細に図示し説明したが、本発明は、そのような開示された例のみに限定されるものではなく、本発明の保護範囲から逸脱しない範囲内で、当業者が他の変更形態を導き出すことも可能である。

１０発電所設備
２０内部交流電圧系統
３０発電ユニット
３１発電ユニット
４０高圧直流送電装置
４１電源転流式整流器
４２直流送電ケーブル
４５自励式インバータ
４６自励式整流器
５０外部交流電圧系統
６０同期化装置
１００中央装置
Ｓ同期信号
Δψ 目標位相

図３は、発電所設備１０のための一実施例を示す。この場合、１つの中央装置１００が設けられており、それが各発電ユニット３０または３１と個々に、有線接続または無線経由で、接続されている。図３では、図示を見やすいものとするために、発電ユニット３０と中央装置１００の間の接続のみが明示されている。複数の発電ユニット３１と中央装置１００の間の残りの接続は、図３では単に暗示されているのみとなっている。

Claims

内部交流電圧系統（２０）と、
前記内部交流電圧系統（２０）に接続された多数の電気的な発電ユニット（３０、３１）と、
前記内部交流電圧系統（２０）に接続され、直流連係を介して外部交流電圧系統（５０）に接続可能であり、前記内部交流電圧系統（２０）から前記外部交流電圧系統（５０）へ向けてのエネルギ伝送を可能とする、少なくとも１つの高圧直流送電装置（４０）と
を有する発電所設備（１０）であって、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）は、それらの出力を、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ供給し、または、パワーエレクトロニクス技術で以て構成されたインバータによって給電されるロータを有する二重給電誘導機のステータを介して前記内部交流電圧系統（２０）へ供給し、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）は、それぞれ１つの同期化装置（６０）を備えていて、前記同期化装置が、各発電ユニット（３０、３１）の出力電圧の発生または各発電ユニット（３０、３１）による出力電流の供給を、入力側に入ってくる同期信号（Ｓ）を基準にして、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が各発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δψ）を有するように調節するのに適合化されている
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１に記載の発電所設備（１０）において、
前記高圧直流送電装置（４０）が、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側において少なくとも１つの電源転流式整流器（４１）を有する
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１または２に記載の発電所設備（１０）において、
前記高圧直流送電装置（４０）が、電源転流式の高圧直流送電装置（４０）である
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記高圧直流送電装置（４０）が、前記内部交流電圧系統（２０）の側において電源転流式の高圧直流送電装置（４０）であり、前記外部交流電圧系統（５０）の側において自励式の高圧直流送電装置（４０）である
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記高圧直流送電装置（４０）が、前記内部交流電圧系統（２０）への接続側において少なくとも１つの自励式整流器（４６）を有し、前記自励式整流器が、インバータとして作動して、前記内部交流電圧系統（２０）の自己需要を補填すべく、前記高圧直流送電装置（４０）の直流側から来るエネルギを前記内部交流電圧系統（２０）へ供給するのに適合化されている
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記発電所設備（１０）の全ての発電ユニット（３０、３１）が、同一の同期信号（Ｓ）に基づいて作動する
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から６のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記発電所設備（１０）の運転中に複数の発電ユニット（３０、３１）の少なくとも半数に、同一の目標位相（Δψ）（以降、中央目標位相と呼ぶ）が、予め与えられ、
前記半数の発電ユニット（３０、３１）が、同一の中央目標位相を有する出力電圧または出力電流を発生する
ことを特徴とする発電所設備。
請求項７に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）の少なくとも１つに、前記中央目標位相とは異なる個別の目標位相（Δψ）が、予め与えられている、または、与えることができるように構成されている
ことを特徴とする発電所設備。
請求項８に記載の発電所設備（１０）において、
前記少なくとも１つの発電ユニット（３０、３１）に、前記中央目標位相とは９０°異なる個別の目標位相（Δψ）、または、前記発電ユニット（３０、３１）により無効電力を前記内部交流電圧系統（２０）に供給するための少なくとも前記中央目標位相とは異なる個別の目標位相（Δψ）が、予め与えられている
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から９のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記発電所設備（１０）が、１つの中央装置（１００）を有しており、前記中央装置は、全ての発電ユニット（３０、３１）と接続されていて、各発電ユニット（３０、３１）に対してそれぞれ１つの目標位相（Δψ）を予め与えるように構成されている
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、それぞれ１つの無線受信器を有し、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）の前記複数の受信機が、その同期信号（Ｓ）を無線で受信する
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１１に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の無線受信機が、ＧＰＳ受信機である
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から１２のいずれか１項に記載の発電所設備（１０）において、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、風力発電設備であって、前記発電所設備（１０）が、集合型風力発電基地を形成している、
または
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、太陽光発電設備であって、前記発電所設備（１０）が集合型太陽光発電基地を形成している
ことを特徴とする発電所設備。
請求項１から１３のいずれか１項による発電所設備（１０）のための発電ユニット（３０、３１）であって、
当該発電ユニットは、１つの同期化装置（６０）を有し、前記同期化装置は、入力側に入ってくる同期信号（Ｓ）、および、発電ユニット（３０、３１）により発電された出力電圧の位相または発電ユニット（３０、３１）から内部交流電圧系統（２０）に供給された出力電流の位相を処理して、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が当該発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δψ）と一致するように、前記出力電圧の発生または前記出力電流の供給を調節するのに適合化されている
ことを特徴とする発電ユニット。
内部交流電圧系統（２０）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続された多数の発電ユニット（３０、３１）と、前記内部交流電圧系統（２０）に接続された少なくとも１つの高圧直流送電装置（４０）とを有する発電所設備（１０）の運転方法であって、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）に、それぞれ１つの同期信号（Ｓ）が供給され、
前記複数の発電ユニット（３０、３１）が、それぞれ入力側に入ってくる前記同期信号（Ｓ）、および、各発電ユニット（３０、３１）により発生された出力電圧の位相または各発電ユニット（３０、３１）により内部交流電圧系統（２０）に供給された出力電流の位相を検出し、前記出力電圧の位相または前記出力電流の位相が、前記同期信号（Ｓ）を基準にして、各発電ユニット（３０、３１）に予め与えられた目標位相（Δψ）と一致するように、前記出力電圧の発生または出力電流の供給を調節する
ことを特徴とする発電所設備の運転方法。