JP2018523960A - 供給ネットワークにおける電圧を検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、三相電力供給ネットワークにおける基本波および少なくとも１つの高調波の電圧の大きさおよび位相を記録する方法であって、以下のステップ、すなわち、供給ネットワークの三相電圧を測定するステップと、基本波の回転電圧フェーザを測定された基準フェーザとして使用して、測定された電圧の値を極座標に変換するステップと、記録される基本波の少なくとも１つの電圧フェーザの値と、記録される少なくとも１つの高調波の少なくとも１つの電圧フェーザの値を、状態オブザーバを用いてそれぞれ観測するステップと、観測された値を、測定された基準フェーザに基づいて追跡するステップと、を含む、方法、に関する。
【選択図】 図２

Description

以下の本発明は、三相電力供給ネットワークにおける基本波および少なくとも１つの高調波の電圧の大きさおよび位相を記録する方法に関する。さらに、本発明は、特に本発明による記録に基づいて、電力供給ネットワークにおいて高調波を補償する方法に関する。さらに、本発明は、電圧を記録する装置と、高調波を補償する装置の両方に関する。さらに、本発明は、このような方法または複数のこのような方法が実施される、あるいは、このような装置または複数のこのような装置が設置されている、風力発電設備、に関する。

通常は三相構造を有する電力供給ネットワークに電力を供給する目的で、電圧の大きさおよび位相を記録する必要があり、これに伴って、周波数の記録または情報も必要である。このような電圧を記録するための要件はますます高くなっており、このことは、特に、変化を記録する速度にも影響する。電圧の大きさおよび位相を迅速かつ正確に記録する方法は、例えば特許文献１に記載されている。

これに加えて、特に、フルコンバータ方式で稼動する（すなわち風力発電設備からの電力すべてをインバータを介してネットワークに供給する）風力発電設備では、供給される電力の品質を、特にネットワークにおける非対称性に適合させることが可能である。

非対称三相電流を供給する一例は、特許文献２に記載されている。ここでは、対称成分の方法（method of symmetrical components）が使用される。この場合、正相の電流成分と逆相の電流成分を互いに独立して生成し、次いで重ね合わせて所望の不平衡電流を形成して供給する。

このような供給の品質は、究極的には、非対称性の記録の品質にも依存する。以前の供給ネットワークにおいてこの概念を言い換えれば、主要な同期発電機がネットワークに直接結合されている大規模な発電所では、電圧の品質（特に対称性）は、本質的に同期発電機からの電流の割合の高さによって決まっていたことに留意すべきである。例えば特許文献３から推測することができるように、特に非対称性を補償するという初期の配慮がすでに比較的長い期間にわたり存在していたが、それにもかかわらず上述した原理が少なからず維持されてきており、その理由として、大きな発電所の上述した同期発電機は、そのような補償を、アクティブ制御によってではなく、それらの設計を通じてパッシブにしか達成できないためである。

これに加えて、最近の電力システムでは、ますます多くの発電機器および消費者が、周波数変換器または整流器を介して送電網または配電網に接続されている。これらの電力システムの開閉器の結果として、理想的な正弦波の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ ＡＣ電圧が、約１０ｋＨｚまでの周波数範囲における高調波によって汚染される。これらの高調波は、電力システム内のさまざまな機器に負荷を与え、したがって過度に発生する場合にはアクティブフィルタまたはパッシブフィルタによって減衰させる。

いくつかの電力システムでは、生成される電力のかなりの部分を風力発電設備がすでに提供している。風力発電設備は、しばしばその大部分が周波数変換器によってネットワークに接続されており、したがって最悪のシナリオでは、同様にネットワークにおける高調波の原因となる。

本ＰＣＴ出願の優先権出願においては、独国特許商標庁は、従来技術として、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、非特許文献１、非特許文献２、および非特許文献３、を調査した。

米国特許第８，９８１，７５５号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１４１９５１号明細書 米国特許第６，９２４，６２７号明細書 独国特許出願公開第１００３２４４７号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１５０４６８号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０３０７４８８号明細書 欧州特許第２２２３４０５号明細書

Azam Bagheri et al. "Detection of Grid Voltage Fundamental and Harmonic Components Using Kalman Filter and Generalized Averaging Method" Ming Sun et al. "Extended Kalman Filter Based Grid Synchronization in the Presence of Voltage Unbalance for Smart Grid" Robert R. Bitmead et al. "A Kalman Filtering Approach to Short-Time Fourier Analysis"

したがって本発明は、上述したこれらの問題点の少なくとも１つに対処する、特に、改善策を提示するという目的に基づく。具体的には、本発明は、ネットワークを改善する可能な方法（ネットワークにおける高調波を補償することを含む）を提供する解決策を提案する。その意図は、少なくとも、これまでに公知の解決策に代わる解決策を提案することである。

本発明は、請求項１に記載の方法を提案する。この方法によると、三相電力供給ネットワークにおける基本波および少なくとも１つの高調波の電圧の大きさおよび位相を記録する。この場合、電力供給ネットワークは、例えば配電網を意味するものとして理解することもできる。電力供給ネットワークは、基本的には、多くの発電事業者および電気の消費者が接続されている電力ネットワークである。

最初に、供給ネットワークの三相電圧を測定する。

次いで、測定された三相電圧を極座標に変換し、したがって基本波の回転電圧フェーザ（rotating voltage phasor）が得られる。このフェーザは、測定された基準フェーザとも称し、したがって以降にも使用される。変換は、例えば、特許文献１においても行われている方法で行うことができる。

さらに、記録される基本波の少なくとも１つの電圧フェーザの値と、記録される高調波の少なくとも１つの電圧フェーザの値を、状態オブザーバ（state observer）を用いてそれぞれ観測する。この状態オブザーバは、制御指向の意味における状態オブザーバを意味する。次に、観測された値を、測定された基準フェーザに基づいて追跡する。

言い換えれば、オブザーバモデルを基準とし、このオブザーバモデルは、少なくとも１つの基本波および少なくとも１つの高調波に基づいてネットワーク電圧を表し、それぞれ少なくとも１つの電圧フェーザを使用する。測定されるシステムは、基本波の電圧フェーザを使用して表され、さらに、連続的な測定および変換の結果として、この電圧フェーザの大きさおよび位相は変化することができる。

オブザーバによる追跡のための比較は、特に、極座標における（この）測定値（すなわち測定からの（この）１つの回転電圧フェーザの値）を、オブザーバによって基準とされるすべての電圧フェーザの和と比較することによって行う。

状態オブザーバは、記録されたネットワーク周波数に基づいて動作することが好ましく、記録されたネットワーク周波数は、状態オブザーバに入力変数として入力される。したがって、状態オブザーバは観測され、かつ追跡可能な状態としてのネットワーク周波数を観測せずに、記録された周波数値が自身に入力されるものと想定し、その値を基準とすることを提案する。これにより、安定性を向上させる、言い換えれば観測を安定させることが可能となり、なぜなら、この周波数（観測される回転電圧フェーザそれぞれに影響する、またはそのような電圧フェーザの特徴変数である）が固定変数であるためである。観測中、オブザーバは、大きさおよび位相に専念ことができ、安定性を妨げうる、場合によっては安定性を脅かす、大きさおよび位相と、周波数との間の相互作用が除外される。

一実施形態では、状態オブザーバが、最新のオブザーバ行列（observer matrix）を用いて電圧フェーザの値を観測し、この最新のオブザーバ行列は、複数の事前に計算されるオブザーバ行列から、記録されたネットワーク周波数に基づいて選択される、ことを提案する。このようなオブザーバ行列は、オブザーバの構造において既知の要素であり、本質的に、観測された状態を比較測定値に基づいて追跡するという役割を果たす。この場合、比較測定値として基準フェーザを使用する。この場合、観測において変化する周波数を考慮するためには、周波数に依存するオブザーバ行列の計算が極めて複雑になりうる。特定の状況下では、この複雑さが、事前に定義される時間間隔内で利用可能なマイクロコントローラの計算容量を超えることがあり、結果として、要求されるクロック速度で計算することが不可能である。事前に計算されたオブザーバ行列のうち、周波数に基づいて（すなわち特に、現在記録されている周波数に基づいて）選択されるオブザーバ行列を使用することによって、この複雑さを軽減することができる。場合によっては、これによって、上述したように周波数の変動を考慮することが実際に可能になる。事前に求められたオブザーバ行列が存在しない周波数の場合（このことは周波数の記録精度の問題でもある）、２つのオブザーバ行列の間で補間することによって、そのオブザーバ行列を求めることができる。

状態オブザーバとして、カルマンフィルタが使用されることが好ましい。この点において、状態の現在の観測中にフィルタリングを参照することも可能であり、または状態オブザーバをフィルタと称することができる。カルマンフィルタを使用する結果として、観測またはフィルタリングが、干渉（特に、測定ノイズ）を考慮する（すなわち濾過して取り除く）ことに特に良好に適する。

一実施形態では、ＤＣ成分を記録することと、記録される電圧の、記録される基本波および各高調波の正相および逆相をそれぞれ状態オブザーバによって記録することを提案する。結果として、状態オブザーバは、三相電圧の非対称性も考慮して記録することができる。たとえ大きな非対称性が存在しない場合でも（このことは測定の前に既知である必要はない）、逆相のそのような記録も行うことができる。したがって適切な場合、逆相の成分は小さい。したがって、正相および逆相の（この）記録時、対称成分の方法の意味における考慮を基礎とする。

ＤＣ成分については電圧フェーザを基準としてその値を観測し、記録される基本波および各高調波については２つの電圧フェーザをそれぞれ基準としてそれらの値を観測し、すなわち結果として、正相の電圧フェーザおよび逆相の電圧フェーザをそれぞれ想定する。ＤＣ成分についても、電圧フェーザの２つの値（すなわち実数部および虚数部）を想定することが有用であることがあり、なぜならこの場合、対称成分の方法を使用するときに少なくとも公式に従ってフェーザを計算することもできるためである。極めて多数の高調波（例えば２５個の高調波）を記録する（すなわち２５次高調波までを記録する）ことが好ましい。この場合、１次高調波が基本波であるならば、結果は５１個のフェーザ、したがって１０２個の値である。

一実施形態によると、電圧を記録する本方法は、供給ネットワークの三相電圧が、電力供給ネットワークに接続されている変圧器において測定されることを特徴とする。そのような変圧器（特に、電流を電力供給ネットワークに供給するために使用されるそのような変圧器）においては、容易かつ高い信頼性で測定することが可能である。

そのような変圧器における測定は、電流がその変圧器を介して供給され、かつ供給において電力供給ネットワークの電圧の測定値または記録が考慮されるときに、特に有利である。特に、観測された高調波に基づいて、少なくとも部分的に補償する電流がその変圧器を介して供給される場合、歪みを回避することができる。

測定は、変圧器の側のうち、その変圧器を介して電力供給ネットワークに供給する風力発電設備に電気的に面している側で行われることが好ましい。この場合、この風力発電設備は、特に、これらの記録された電圧値（特に、観測された高調波）を考慮し、それに応じて電流の供給を適合させることができる。特に、風力発電設備は、ネットワーク電圧の観測された高調波を補償する、または少なくとも低減させることが可能であるように、供給される電流を成形することができる。

測定された電圧は、電圧に零相が存在しないと想定してクラーク変換（Clarke transformation）を用いて極座標に変換することが好ましい。この変換は、上に引用した米国特許（特許文献１）に記載されている変換に相当する。この場合、零相が存在しないと想定し、これは、対称成分の理論を使用するときにも頻繁に行われる想定である。しかしながら、零相が存在しないという想定には、それに付随して、ＤＣ成分が存在しないという想定が必ずしも含まれない。そうではなく、三相電力供給システムにおける各相において異なるＤＣ成分が存在することがあり、結果として、変換後の正相成分および逆相成分にもＤＣ成分が見られる。

さらに、本発明は、対応する独立請求項（すなわち請求項９）に記載の、電流を供給する方法を提案する。これによると、電流が三相電力供給ネットワークに供給され、本方法は、以下のステップ、すなわち、
− 先行する実施形態のうちの少なくとも１つによる方法によって、供給ネットワークにおける電圧を記録するステップであって、少なくとも１つの高調波が記録される、ステップと、
− 電力供給ネットワークに供給するための電流を生成するステップであって、少なくとも１つの記録された高調波を低減する目的で、電流が補償電流成分を備えている、ステップ、
を含む。

したがって、この方法は、最初に三相電力供給ネットワークを前提とし、この電力供給ネットワークも、このような三相電力供給ネットワークにおける電圧を記録するための上に説明した方法に基づく。したがってこの場合にも、単なる一例として、付随して配電網も含まれうる。

したがって、上述した方法によっても、電圧が記録される。したがってこの方法は、電圧の少なくとも１つの高調波の値を記録する（すなわち観測する）ステップも含む。したがって、そのような高調波の値（すなわち振幅および位相による）が利用可能であり、この値を使用して、そのような記録された高調波を少なくとも低減する、理想的には完全に補償することができる。したがって供給される電流は、この目的のため、少なくとも１つの高調波を適宜含む補償電流成分を備えている。したがってこの電流は、対応する電力を電力供給ネットワークに供給する目的で、特に、基本成分または基本波を含む。補償電流成分を、その基本波に（すなわちそのような理想的な形状に）重ね合わせる（すなわち電気的な意味において加える）。この補償電流成分は、記録された高調波または少なくともその一部を低減することを目的とする。

一実施形態では、補償電流成分が、少なくとも１つの電流高調波を有し、電流高調波が、記録された電圧の観測された高調波に基づいて、振幅および位相によって、それぞれ決定されることを提案する。したがって、電圧の高調波を観測することによって、情報（具体的には電圧のその高調波またはそれを含む複数の高調波の明確に定義された記述）が提供される。この場合、補償電流成分は、類似する構造を有することが好ましい。したがって補償電流成分は、例えば、記録された電圧高調波に対応する電流高調波を有する。電流高調波の振幅は、電圧の高調波に対する所定の比率、または少なくとも所定の関係であることができる。位相も、補償または少なくとも低減を行うことができるように適宜設定する。

電圧を記録するときに、各高調波の正相および逆相を記録することが好ましい。したがって、対応する電流高調波は、正相および逆相、または、正相成分および逆相成分も有することが好ましい。この場合にも、電流高調波の振幅および位相をそれぞれ決定することができる。しかしながら、正相成分のみを考慮することも考えられ、特に、補償電流成分が本質的に各電流高調波それぞれの１つの成分のみを決め、この点において、対称成分の考慮において基礎となる非対称性を考慮しないことも考えられる。この場合の背景として、オブザーバの全体的な機能性ならびに全体的な品質および精度を保証するためには、正相および逆相を考慮することがオブザーバにおいて有用でありうる。しかしながら、正相成分のみを考慮し、供給時に正相成分を生成すれば十分なこともしばしばある。

なお、高調波および電流高調波は、それぞれ１次の高調波を意味し、複数の高調波は、それぞれ周波数の異なる高調波を意味することを、ここで再度言及しておく。

別の実施形態では、補償電流成分における電流高調波の振幅を、制御器を使用してそれぞれ調整することを提案する。この場合、制御器は、記録された電圧の関連する高調波の所望の電圧値と観測された実際の電圧値との間の制御差を、入力信号として受け取る。最も単純な場合には、このことは、所望の電圧値が値０を有し、その高調波が最終的に０まで低減されるように意図されることを意味する。当然ながら特定の場合には、ここで値０を設定しないことも有用でありうる。次いで、関連する高調波の所望の電圧値と実際の電圧値との間のこの差異値（本明細書では制御差と称する）を、制御器に渡す。この制御器は、例えば、ＰＩＤ制御器、ＰＩ制御器、またはＰＤ制御器とすることができる。最も単純な場合、Ｐ制御器が使用され、この場合、記録された電圧差は、（この）係数に対応する電流高調波の振幅につながり、この係数は当然ながら電圧と電流との間の異なる単位も考慮する。結果として、すなわち純粋なＰ制御器の場合には、電圧の関連する高調波を完全に補償することはおそらくできない。

電圧のこの高調波を完全に補償する目的で、例えばＰＩＤ制御器を提案する。しかしながら、この場合、十分な作動パワーも存在することをあらかじめ確保しておくべきであることに留意されたい。この場合、そのようなＰＩＤ制御器を使用して、電圧の関連する高調波を完全に、または実質的に完全に補償することが可能である。十分な作動パワーが利用可能ではない場合、制御器が限界に達することがある。

適切な場合、ＰＤ制御器は、必ずしも完全に補償しないが、動的応答を提供することができる。

さらに、本発明は、対応する請求項（すなわち請求項１４）に記載のインバータであって、三相電力供給システムに供給される電流を生成する、インバータ、を提案する。このインバータは、電流を供給する本方法に関連する実施形態の少なくとも１つによる、上に説明した方法によって動作するように構成されている。この点において、本インバータは、電流を供給する本方法（すなわち供給される電流を生成する方法）が実施される制御装置にも、実質的に関連する。

さらに、このようなインバータを備えた風力発電設備を提案する。したがって、本風力発電設備では、上記のような電流を供給することができ、したがって、電力を電力供給ネットワークに供給することができるのみならず、電圧の高調波を補償または低減することができる。したがって、またはこれに代えて、本風力発電設備が、上述した少なくとも１つの方法（すなわち電圧を記録する方法と、供給される電流を生成する方法の両方）を実施することを提案する。

これに加えて、ネットワーク電圧の高調波を求める上述した方法を同様に使用して、電流における高調波を求めることができる。このことも、本発明によって提案される。

以下では本発明について、一例として例示的な実施形態を使用し、添付の図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。

風力発電設備の斜視図を概略的に示している。 一実施形態による、電圧を記録する方法を説明するための単純化された構造を示している。 図２の機能ブロックを、さらに詳細な構造において示している。 本発明の一実施形態による、風力発電設備によって電流を電力供給ネットワークに供給するための配置構造を概略的に示している。

図１は、タワー１０２およびナセル（gondola）１０４を有する風力発電設備１００を示している。ナセル１０４には、３枚のローターブレード１０８を有するローター１０６およびスピナー１１０が配置されている。運転時、風によってローター１０６が回転し、これにより、ナセル１０４の中の発電機を駆動する。

図２は、概略的に示した三相電力供給ネットワーク２０２における電圧を記録するための測定装置２０１を示している。この装置によると、三相における電圧Ｕ_{１，２，３}を、測定センサ２０４を使用して測定する。測定は、特に、次の評価の各サンプリングステップを対象として行う。測定された電圧が変換ブロック２０６に送られ、変換ブロック２０６は、これら３つのそれぞれ測定された電圧値を極座標（本明細書ではＵ_α，βと称する）に変換する。

測定された電圧は周波数判定ブロック２０８にも入力され、周波数判定ブロック２０８は、測定された電圧値から周波数ｆ（すなわち供給ネットワーク２０２のネットワーク周波数）を求める。したがって周波数は、この周波数判定ブロック２０８によって、カルマンフィルタとは独立しているアルゴリズムを用いて求められる。ここでは、例えば、空間ベクトル電圧角度（space vector voltage angle）からネットワーク周波数を求めるフィルタを使用することができる。これに代えて、好ましくは３つの電圧値の離散フーリエ変換を使用して、ネットワーク電圧のフィルタリングされた角度を求める。次に、このフィルタリングされた角度から、適切なフィルタリングを用いて周波数信号を取り出すことができる。空間ベクトル電圧角度の使用を通じてＤＦＴから得られる角度を用いる利点は、基本波の整数倍高調波の場合におけるフィルタ効果である。

なお、図２のこのブロック図、さらに図３のブロック図、および図４の部分的なブロック図は、使用される方法を説明する目的で用いられていることを言及しておく。

図示したブロックの個々の機能は、必ずしもこのような個別のブロックにおいて実行する必要はなく、マイクロプロセッサまたは別の計算機において一緒に実施することもできる。

いずれの場合にも、変換された極座標Ｕ_α，βと、記録されたネットワーク周波数ｆとが、カルマンフィルタブロック２１０に入力される。したがって、カルマンフィルタブロック２１０は、記録された状態ｘを出力変数として求め、それらを出力するフィルタである。この状態ベクトルｘによって表されるこれらの記録された状態は、特に、ＤＣ成分の電圧フェーザの値と、基本波の正相および逆相の電圧フェーザの値と、記録された各高調波の正相および逆相の電圧フェーザの値を含むことができる。例えば２５次の高調波までの電圧を考慮する（この場合には１次が基本波である）場合、この状態ベクトルｘは、１０２個の値を含みうる。この数は、ＤＣ成分の２つの値（すなわちｕ_αＤＣおよびｕ_βＤＣとして表される実数部および虚数部）の結果である。基本波および各高調波については、正相の２つの値と、逆相の２つの値（すなわち各場合におけるフェーザの実数部と虚数部）が得られる。１次としての基本波では、これらの値は、正相の値ｕ_{α（１＋）}およびｕ_{β（１＋）}であり、したがって逆相の値ｕ_{α（１−）}およびｕ_{β（１−）}である。さらなる次数それぞれについても、同様に４つの値を提供することができる。

次に、供給ネットワーク２０２に電流を供給するため、これらの値（すなわちこのようにして記録された（この）状態ベクトル）を使用して電流を生成することができる。

図３には、カルマンフィルタブロック２１０の細部を概略的に説明してある。したがって図３は、このカルマンフィルタブロック２１０を示しており、カルマンフィルタブロック２１０は、図２からすでに推測できるように、極座標に変換されている測定された電圧Ｕ_α，βと、周波数判定ブロック２０８によって求められたネットワーク周波数ｆとを、入力変数として受け取る。オブザーバ行列ブロック３０２において、この求められたネットワーク周波数ｆに基づいてオブザーバ行列Ｋが求められ、これに応じてオブザーバ行列Ｋ（ｆ）として出力される。オブザーバ行列ブロック３０２は、周波数ｆに基づいてテーブルから対応するオブザーバ行列Ｋを取得することによって、このオブザーバ行列Ｋを求める。正確な周波数に対するオブザーバ行列Ｋが格納されていない場合、隣接する周波数のオブザーバ行列から、補間によってオブザーバ行列Ｋを求めることが可能である。

システム行列ブロック３０４において、システム行列Ａ（ｆ）が同様に周波数に基づいて求められる。この場合、システム行列は、システム行列ブロック３０４において公知の方法で計算される。

更新ブロック３０６においては、記録されるシステム状態ｘが基本的に連続的に再計算される。この場合、この更新ブロック３０６は、ほぼシステム記述モデルのようにふるまい、この場合、追跡または調整を目的として、システムを明確に表現するため、それぞれ現在測定されて極座標に変換された電圧Ｕ_α，βも考慮される。

これに加えて、この目的にはオブザーバ行列Ｋ（ｆ）も必要であり、オブザーバ行列Ｋ（ｆ）は、この目的のためにつねに最新の形においてオブザーバ行列ブロック３０２から更新ブロック３０６によって受信される。システムを記述する行列Ｃも同様に必要であり、したがって更新ブロック３０６への入力として示してある。

更新された状態ベクトルｘ（ｋ＋１）も必要である。この更新された状態ベクトルｘ（ｋ＋１）は、状態ブロック３０８において、前回の状態ベクトルｘ（ｋ）とシステム行列Ａ（ｆ）とから計算される。状態ブロック３０８は、この目的のためにシステム行列Ａ（ｆ）を必要とし、このシステム行列をシステム行列ブロック３０４から各場合において最新の形において受け取る。状態ブロック３０８は、更新ブロック３０６から古い状態ベクトルｘ（ｋ）を最新の形において受け取る。

したがってすでに上に説明したように、更新された状態ベクトルｘ（ｋ＋１）も、同様に更新ブロック３０６の入力変数として考慮される。特に、プロセスを開始する目的で、初期化ブロック３１０において、この更新された状態ベクトルｘ（ｋ＋１）に対して初期化プロセスを行うことができる。

したがってカルマンフィルタ２１０は、それぞれ記録された状態ベクトルｘ（ｋ）を状態ベクトルｘとして出力することができる。この状態ベクトルに対してさらに変換を行うことも可能であり、この変換は、変換ブロック３１２における一定の係数の乗算のみとすることができる。したがってその場合、図３に示した状態ベクトルｘは、当然ながら内部の状態ベクトルｘ（ｋ）とは異なる。

状態ベクトルｘは、ＤＣ成分の値と、基本波のフェーザの値と、高調波のフェーザの値を含むことができ、これらの値を使用して、供給される電流を決定することができる。この処理は図４に示してある。図４は、風力発電設備４００の場合の処理を示しているが、他の供給装置も、このような測定値を記録することができ、それらを使用して電流（すなわち供給される電流）を制御することができる。

図４における構造は、変圧器４０４を介して供給される供給ネットワーク４０２を示している。この目的のため、風力発電設備４００は、発電機４０６を使用して電流を生成し、この電流を整流器４０８において整流することができ、インバータ４１０に供給することができる。

このインバータ４１０は三相電流ｉ_{１，２，３}を生成し、この電流を（この）変圧器４０４を介して供給ネットワーク４０２に供給することができる。

この場合、記号によって示した測定センサ４１２を使用して電圧および周波数を記録し、それらを測定ブロック４１４に送ることを提案する。測定ブロック４１４は、測定センサ４１２とともに、図２における測定装置２０１に対応させることができる。この場合、周波数ｆは、記録された電圧から測定ブロック４１４において初めて求められるが、図４における説明を目的として、周波数ｆを測定ブロック４１４の入力変数としても示してある。

測定ブロック４１４は、出力変数として状態ベクトルｘを出力することができ、この状態ベクトルｘは、図２に関連して上に説明したように、ＤＣ成分、基本波、および高調波の値、特に、それぞれの正相および逆相の値を含むことができる。

これらの値（すなわち状態ベクトルｘ）を制御ブロック４１６に入力することができ、制御ブロック４１６は例えば制御器を含むことができる。この制御ブロック４１６では、記録された電圧値（したがって状態ベクトルｘに含まれている）に基づいて各高調波について偏差も計算することができ、それらを使用して、対応する電流値を決定することができる。補償電流成分は、特に、偏差から求められる、または、各場合において（すなわち各高調波の）電圧の記録された高調波から別の方法で求められる。次に、この１つの補償電流成分またはこの複数の補償電流成分を、基本波の電流値に重ね合わせる。基本波は、電力（場合によってはさらに無効電力）を供給する目的で使用されるように意図されている。

最後に制御ブロック４１６は、所望の電流値ｉ _ｓを決定し、電流値ｉ _ｓはそのままインバータ４１０に入力される。これらの所望の電流値では、重ね合わせによって一緒に供給される電流（すなわち基本波および（１つまたは複数の）高調波）が考慮されている。インバータ４１０は、これらの所望の電流値ｉ _ｓに基づいて対応する電流値を生成することができる。これに代えて、供給される電流の基本波と、重ね合わされる少なくとも１つの高調波とを個別に生成し、次いで重ね合わせる（すなわち加える）ことができる。この目的のため、複数のインバータを設けて、そのうちの少なくとも１つのインバータが基本波またはその一部を生成し、それ以外の少なくとも１つのインバータが少なくとも１つの高調波またはその一部を生成することを提案する。

したがって、本発明のコンセプトは、特に以下を特徴とする。

最近の電力システムでは、ますます多くの発電機器および消費者が、周波数変換器または整流器を介して送電網または配電網に接続されている。これらの電力システムの開閉器の結果として、理想的な正弦波の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ ＡＣ電圧が、約１０ｋＨｚまでの周波数範囲における高調波によって汚染される。これらの高調波は、電力システム内のさまざまな機器に負荷を与え、したがって過度に発生する場合にはアクティブフィルタまたはパッシブフィルタによって減衰させる。

いくつかの電力システムでは、生成される電力のかなりの部分を風力発電設備がすでに提供している。風力発電設備は、その大部分が周波数変換器によってネットワークに接続されており、したがって最悪のシナリオでは、同様にネットワークにおける高調波の原因となる。

本明細書に記載されている本発明は、電力システムのネットワーク電圧における高調波を、このシステムにフルコンバータを介して接続されている風力発電設備によって検出して補償する方法、に関する。したがって、風力発電設備は、電圧高調波または逆相電圧を低減する目的で電流を供給することができるようにされている。電圧高調波または逆相電圧は、例えば別の発電機器または消費者によって生じうる。

この目的のため、特に、次の方法を提案する。
１． 風力発電設備側の設備変圧器（installation transformer）において端子電圧を測定する。
２． 電圧に零相が存在せず、電圧フェーザが大きさおよび位相によって与えられると想定し、３つの端子電圧を、クラーク変換を使用して回転電圧フェーザに変換する。
３． ＤＣ成分と、１次（すなわち基本波）から所定の最も高い高調波次数までのネットワーク周波数の倍数の電圧の正相および逆相を、フィルタを使用して観測する。この場合、フィルタへのさらなる入力は、別の方法で求められたネットワーク周波数である。フィルタは、状態オブザーバ、特にカルマンフィルタの形とすることができる。
４． 制御規則または調整規則によって補償の対象として選択された高調波次数における所望の補償電流を計算する。調整は、比例係数ｋ_ｉを介して行われることが好ましく、ｋ_ｉは、ｉ次の電圧について、電圧高調波の振幅Ｖそれぞれの場合に印加される補償電流ｋ_ｉ Ａを定義する。補償電流のさらなる好ましい計算は、対応する成分の所望の電圧（例えば０Ｖ）と実際の電圧との間の差にＰＩＤ制御器を適用することによる計算である。したがって、電流を設定する十分な能力がコンバータにある場合、高調波電圧または逆相電圧を理想的に完全に補償することが可能である。
５． 基本波における所望の有効電流および無効電流に加えて、電流制御方法によって補償電流を設定する。この場合、ヒステリシス電流制御器（許容帯域制御器とも称する）を使用することが好ましく、なぜなら可変のネットワークパラメータに対する極めて速い反応時間および高い堅牢度を達成できるためである。

異なる周波数範囲（すなわちＤＣ電圧、基本波、および高調波）において正確な電圧振幅を迅速かつ高い精度で求めるためには、電圧フェーザの適切なフィルタリングに特に注意しなければならない。

電圧の高調波成分を求めるための既存の方法は、測定変数に対する、再帰的に定式化された離散フーリエ変換に基づくことがしばしばある。これらの方法は、数値的ロバスト性（numerical robustness）の程度が高いことを特徴とする。しかしながら、フィルタの品質が保証されるのは、サンプリング周波数が、測定信号の基本波の周波数の整数倍であり、かつ、識別される２つの周波数成分の間の間隔の整数倍であるときに限られる。電力システムにおけるネットワーク周波数は一般にわずかな変動が生じやすく、これに加えて、異なる定格周波数（例えば５０Ｈｚおよび６０Ｈｚ）を有するシステムにおいて方法を使用できることが有利であるため、異なるネットワーク周波数に対する高いフィルタ品質と、一定のサンプリングレートは、最大限に広く使用するうえで極めて重要である。

この問題に対するさまざまな解決策が知られているが、いずれも、場合によっては重要な欠点を有する。１つの可能な方法は、参考文献［１］から推測できるように、アルゴリズムのサンプリングレートをネットワーク周波数に基づいて変更することである。しかしながらサンプリングレートのこのような変更は、望ましくないことがしばしばあり、なぜなら、例えば時間離散型の制御器（time-discrete controller）の場合のように、一定のサンプリングレートが重要である別のアルゴリズムもその計算機において実行されるためである。別の可能な方法は、参考文献［２］から推測できるように、位相同期ループまたは周波数同期ループを設計することである。しかしながら、これらのアルゴリズムでは、特に位相同期ループに関連して、異常なネットワーク状態の場合にフィルタ効果がないことが観察されることがあり、または、特に周波数同期ループに関連して、特にデジタル実装におけるサンプリングレートが低い場合に、重大な安定性の問題が観察されることがある。

３番目の種類の解決策は、ネットワーク電圧の動的応答の状態空間モデルに基づいて設計されているカルマンフィルタを備える。この場合、参考文献［３］から推測できるような、一定のネットワーク周波数のためのフィルタ（線形動的応答が得られる）と、参考文献［４］から推測できるような、可変のネットワーク周波数のためのフィルタ（非線形微分方程式に基づく）とを区別することが可能である。後者のフィルタは、各時間間隔において合成方程式の中で最新の状態変数に基づく状態空間記述を使用することによって、与えられたノイズパラメータ下で最適であるオブザーバ行列を再帰的に計算する。この場合、たとえネットワーク周波数が変化し、かつ異常なネットワーク状態（例えば非対称的な電圧、または多量の高調波を含む電圧）であっても、対応するパラメータ化によって優れたフィルタ特性が得られる。なぜならこれらの影響すべてをシステムの状態空間記述において考慮できるためである。

しかしながら、非線形システムの状態変数を観測するための拡張カルマンフィルタのこの方法の１つの欠点は、オブザーバ行列の再帰的な計算である。この目的のため、各計算ステップにおいて、状態空間記述の行列を互いに乗算し、かつ状態空間記述の行列に、測定値および状態変数のベクトルを何回か乗算する必要がある。多くの高調波次数を考慮するためにフィルタの次元が大きい場合、このことは、必要な計算回数にマイナスに影響する。計算容量が限られている場合、サンプリングレートによって制限されるサイクル時間内での実行は、特定の状況下ではもはや不可能である。

対照的に、ネットワーク周波数が一定であると想定すると、この場合にはシステム方程式が線形時不変であるため（参考文献［３］から推測できる）、代数的リカッチ方程式（algebraic Riccati equation）を解くことによって、カルマンフィルタのためのオブザーバ行列を事前に計算することが可能である。本発明において、少なくとも一実施形態によると、複数の異なるネットワーク周波数に対するオブザーバ行列を事前に計算することを提案する。

参考文献［３］によると、オブザーバの実装を導くための基礎として、周波数に依存する微分方程式系を使用する。

これらの方程式において、ｋは瞬間的な実行ステップ（instantaneous execution step）を表し、Ｔ_Ｓはアルゴリズムの離散実装（discrete implementation）のサンプリング時間を表し、ｆはネットワーク周波数を表し、ｉはインデックス（値として１から、オブザーバにおいて計算される最も高い高調波次数Ｎの数までをとる）を表し、ｕ_ＤＣα（ｋ）／ｕ_ＤＣβ（ｋ）はアルファおよびベータＤＣ電圧成分を表し、ｕ_{ｉ（１）α}（ｋ）／ｕ_{ｉ（１）β}（ｋ）は、ｉ次のアルファおよびベータ正相電圧成分を表し（すなわちｉ＝１の場合は基本波、ｉ＞１の場合は高調波成分）、ｕ_{ｉ（２）α}（ｋ）／ｕ_{ｉ（２）β}（ｋ）は、ｉ次のアルファおよびベータ逆相電圧成分を表す。

これらの方程式に基づいて、各ネットワーク周波数ｆに対するオブザーバ行列Ｋを計算することができ、標準的なオブザーバ実装においてオブザーバ行列Ｋを使用して、状態を観測することができる。状態および測定信号のノイズの共分散行列ＱおよびＲを使用してカルマンオブザーバ行列を計算するための方程式は、例えば参考文献［６］から公知である。

行列Ｋを使用して、各時間間隔において公知の方程式に従って状態推定値を更新する。

この場合、ｘ（ｋ｜ｋ）は、瞬間的な時間間隔からの状態推定値を表し、ｘ（ｋ｜ｋ−１）は、前回の時間間隔からの瞬間的な時間間隔の状態推定値を表す。

本発明によると、少なくとも一実施形態によると、ここで使用される方法においては、所望の運転範囲全体を含む複数の異なるネットワーク周波数に対して、特定の状態空間記述ならびに所定の測定ノイズレベルおよび状態ノイズレベルのオブザーバ行列を、事前に計算する。実行時、カルマンフィルタとは独立したアルゴリズムによって周波数を求める。このようなアルゴリズムは、周波数判定ブロック（例えば図面に示した周波数判定ブロックなど）によって実施することができる。この場合、例えば適切なフィルタを使用して、空間ベクトル電圧角度からネットワーク周波数を求めることができる。この周波数信号を使用して、その周波数に合致するオブザーバ行列を選択する。この場合、分解能を高める目的で、異なる周波数における、格納されている異なるオブザーバ行列の間で、補間を行うことが可能である。

したがって、本方法では、非線形の拡張されたカルマンフィルタと比較して計算の複雑度が相当に軽減されているので、正相および逆相におけるネットワーク電圧の多数の高調波を正確かつ迅速に計算することが可能になる。周波数同期ループを使用する（参考文献［５］にも記載されているように例えばカルマンフィルタを使用する）ときとは異なり、本明細書に記載されているアルゴリズムは、ネットワーク周波数を決定する目的に閉ループを使用しない。閉ループは、その非線形動的応答を分析することが難しいため、つねにフィルタアルゴリズムの安定性にとってリスクである。そうではなく、ネットワーク周波数は個別に求められ、オブザーバ行列を選択する目的にのみ使用される。

さらに、上に説明した本方法は、電流の高調波を決定する目的にも使用することができる。

上で引用した参考文献は以下のとおりである。

[1] B. P. McGrath, D. G. Holmes, J. Galloway: Improved Power Converter Line Synchronisation using an Adaptive Discrete Fourier Transform (DFT). Proceedings of IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, 2002, Vol. 2, pp. 821-826.
[2] R. Teodorescu, M. Liserre, P. Rodriguez: Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems. John Wiley & Sons, Chichester, 2011.
[3] R. R. Bitmead, A. C. Tsoi, P. J. Parker: A Kalman Filtering Approach to Short-Time Fourier Analysis. IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. ASSP-34(6), December 1986, pp. 1493-1501.
[4] B. La Scala, R. R. Bitmead: Design of an Extended Kalman Filter Frequency tracker. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 44(3), March 1996, pp. 739-742.
[5] M. S. Reza, M. Ciobotaru, V. G. Agelidis: Instantaneous Power Quality Analysis Using Frequency Adaptive Kalman Filter Technique. Proceedings of 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, China, June 2012, pp. 81-87.
[6] T. Glad, L. Ljung: Control Theory. Taylor & Francis, London, 2000.

Claims (15)

1. 三相電力供給ネットワークにおける基本波および少なくとも１つの高調波の電圧の大きさおよび位相を記録する方法であって、以下のステップ、すなわち、
   − 前記供給ネットワークの三相電圧を測定するステップと、
   − 前記基本波の回転電圧フェーザを、測定された基準フェーザとして使用して、前記測定された電圧の値を極座標に変換するステップと、
   − 記録される前記基本波の少なくとも１つの電圧フェーザの値と、記録される少なくとも１つの高調波の少なくとも１つの電圧フェーザの値を、状態オブザーバを用いてそれぞれ観測するステップと、
   − 前記観測された値を、前記測定された基準フェーザに基づいて追跡するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記状態オブザーバが、記録されたネットワーク周波数に基づいて動作し、前記記録されたネットワーク周波数が、前記状態オブザーバに入力変数として入力される、ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記状態オブザーバが、最新のオブザーバ行列を用いて前記電圧フェーザの値を観測し、前記最新のオブザーバ行列が、複数の事前に計算されるオブザーバ行列から、前記記録されたネットワーク周波数に基づいて選択される、ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記状態オブザーバとしてカルマンフィルタが使用されることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 記録される基本波および各高調波の正相および逆相が前記状態オブザーバによってそれぞれ記録され、オプションとしてＤＣ成分が記録される、ことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 記録される基本波および各高調波については正相の電圧フェーザおよび逆相の電圧フェーザをそれぞれ基準としてそれらの値が観測され、オプションとしてＤＣ成分については電圧フェーザを基準としてその値が記録される、ことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記供給ネットワークの前記三相電圧が、前記電力供給ネットワークに接続されている変圧器において、特に、その変圧器を介して前記電力供給ネットワークに供給する風力発電設備に電気的に面している、前記変圧器の側で、測定されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記測定された電圧が、電圧に零相が存在しないと想定してクラーク変換を用いて極座標に変換されることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 電流を三相電力供給ネットワークに供給する方法であって、以下のステップ、すなわち、
   − 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法によって、前記供給ネットワークにおける電圧を記録するステップであって、少なくとも１つの高調波が記録される、ステップと、
   − 前記電力供給ネットワークに供給するための電流を生成するステップであって、前記少なくとも１つの記録された高調波を低減する目的で、前記電流が補償電流成分を備えている、ステップ、
   を含む、方法。
10. 前記補償電流成分が、少なくとも１つの電流高調波を有し、電流高調波が、前記記録された電圧の前記観測された高調波に基づいて、振幅および位相によって、それぞれ決定されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記補償電流成分の電流高調波の振幅が、制御器を使用してそれぞれ調整され、前記制御器が、前記記録された電圧の関連する高調波の所望の電圧値と観測された実際の電圧値との間の制御差を、入力信号として受け取る、ことを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御器として、
    − ＰＩＤ制御器、
    − ＰＩ制御器、
    − Ｐ制御器、および
    − ＰＤ制御器、
    を含むリスト、から制御器が選択されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記補償電流成分が、正相成分および逆相成分としての電流高調波をそれぞれ考慮することを特徴とする、請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 三相電力供給システムに供給される電流を生成するインバータであって、請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の方法によって動作するように構成されている、インバータ。
15. 請求項１４に記載のインバータを有する、および／または、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成されている、風力発電設備。