JP2020503826A - 配電ネットワークの制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、前記均衡化エリアコントローラ（４８４）が前記ネットワーク制御ステーション（４５８）から、設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）の値を受け取る工程であって、前記交換電力（ＰＡＳ）は前記消費者電力（ＰＺ１）と前記発電機電力（ＰＧＷ）との間の差として定義される工程と、前記均衡化エリアコントローラ（４８４）が前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）に即する、または前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）を得るための配置プランを作成する工程であって、前記配置プランは、前記発電機（４１０）と消費者（４２０）を制御するために提供され、前記得られた交換電力（ＰＡＩ）と前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）との間の差が最小となるように作成される工程と、前記少なくとも１つの発電機またはウィンドファーム（４１０）を用いて、前記配置プランに応じて電力（ＰＧＷ）を生成する工程と、を含む方法である。【選択図】図４ｂ

Description

本発明は、複数の均衡化レベル（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｌｅｖｅｌ）を有する配電ネットワーク（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）を制御する方法に関する。本発明はさらに、均衡化レベルコントローラ、およびウィンドファーム（ｗｉｎｄ ｆａｒｍ）に関する。

例えば欧州グリッドシステム（Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ）のような電力供給ネットワークの運用は一般に知られている。

地政学的な理由から、電力供給ネットワークは通常、複数のネットワーク均衡化システム（ｎｅｔｗｏｒｋ−ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ）に分けられており、これらのネットワーク均衡化システムは、それぞれ配電網システムのセクションの動作管理を担当し、集中的に配電網システムを制御する。

これらセクションは、互いに電力を交換するために、または電気エネルギーを長距離にわたって輸送するために、電気伝送ネットワークを用いて互いに接続している。セクション内の実際の電気エネルギーの分配は配電ネットワークを介して行われる。

電力供給ネットワークは、対応するセクションの動作信頼性を保証することを目的とした一連の制御機構によって制御される。

このような制御機構の一例は、例えば周波数変化に応じて、発電電力と消費電力との間の電力均衡を設定するための均衡化電力（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）を提供する電力均衡化設備である。

しかしながら、これまでに知られている制御機構では、特に実際の負荷が予測負荷に対応していないため、これらの電力は通常互いに異なる。その結果、発電電力と消費電力との間の差が配電ネットワークの混乱、例えば配電ネットワークの低周波をもたらす可能性があり、その差を補正するためにさらに別の制御機構を高い費用をかけて採用する必要がある。

発電電力と消費電力との間の差は、通常、配電ネットワーク内で発電機および／または消費者を接続してまたは接続を切って均衡化電力を提供すること、および／または、特に電気伝送ネットワークまたは相互接続線を介して、他の配電ネットワークと相互接続電力を交換することによって補正される。

再生可能エネルギーによる電力供給ネットワークの普及が進むにつれて、特にこれまでに知られている制御機構の観点から、電力供給ネットワークまたは配電ネットワークの動作管理はますます高価になっている。上記問題の大きな理由の一つに、このようなエネルギー源、特に風力発電設備および太陽光発電設備では、その出力電力が変動する可能性があることが挙げられる。知られている従来の発電所からのフィードイン（ｆｅｅｄ−ｉｎ）に比べて、ほぼ一元化されずに行われる分配および異なるタイプの電力フィードインは、さらに特別な特徴を有する。従って、例えばより迅速で正確な均衡化電力の提供はますます重要になってきているが、同時に再生可能な発電機が持つ特性ゆえに均衡化電力の制御性は低下している。必要な動作信頼性、および特に既存の動作管理を考慮すると、電力供給ネットワークまたは配電ネットワークの必要な動作信頼性は、結果として将来的に、困難を伴うか、より高い費用をかけることでしか保証できない。

ドイツ特許商標庁は、本出願の優先権出願について、以下の先行技術を特定した。

欧州特許出願公開第３ ２１４ ７１８号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１３ ２２２ ２７７号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ９７９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００２３１７４号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０３７９１５９号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０２４８２５４号明細書

本発明の目的は、上述の問題のうちの少なくとも１つに対処することであり、特に、再生可能エネルギーを多く取り入れ、運用するうえで最適化された方法で、配電ネットワークを運用することができる解決策を提案することを目的とする。本明細書中で「再生可能エネルギー」とは、再生可能エネルギーを用いた発電機を指す。これまでに知られている解決策に代わるものが少なくとも提案されることを意図している。

したがって、請求項１に記載の、配電ネットワークを制御するための本発明の方法が提案される。ネットワーク制御ステーションがそれに応じ、電力供給ネットワークを制御するために提供され、配電ネットワークは複数の均衡化エリア（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｒｅａ）に分けられる。均衡化エリアとは、本質的に、ノードまたは均衡ノード（ｂａｌａｎｃｅ ｎｏｄｅ）を形成するために、第三者に関連する動作管理において組み合わされる複数の発電機および／または消費者の相互接続を意味すると理解される。

少なくとも１つの均衡化エリアはさらに、少なくとも１つの発電機、特にウィンドファーム、および追加の消費者を有する。本明細書において、ウィンドファームとは、特に組織的にも技術的にも相互に接続する風力発電設備の物理的なグループを意味すると理解される。

少なくとも１つの発電機またはウィンドファームを制御するために、少なくとも１つの均衡化エリアコントローラがさらに提供される。したがって、均衡化エリアコントローラは、例えば基準値、特に有効電力および／または無効電力の基準値の伝送を通じて、電気エネルギーの発電機、好ましくはウィンドファームを制御するように少なくとも構成される。

発電機またはウィンドファームを制御する、すなわち、特に少なくとも１つのウィンドファームで電力を生成するために、均衡化エリアコントローラは設定されるべき交換電力、すなわち設定されるべき交換電力の値をネットワーク制御ステーションから受け取る。また、均衡化エリアコントローラは、例えばセキュアラインを介して、要求された交換電力に関する情報を制御ステーションから受信するように構成される。

交換電力自体は、均衡化エリアコントローラによって制御できるように設計されている、発電機と消費者のすべての発電電力と消費電力の合計として定義される。合計が正である場合、電力の余剰が均衡化エリア内で優勢であり、他の均衡化エリアが利用しうる、すなわち電力が他の均衡化エリアと交換されうる。合計が負である場合、電力の不足が均衡化エリア内で優勢であり、例えば消費者の動作を停止することによって、または異なる均衡化エリアから電力を引き出すことによって、すなわち交換電力によって不足は補える。

ここで設定されるべき交換電力が例えば０ＭＷである場合、均衡化エリアは電力供給ネットワークまたは他の均衡化エリアに電力を供給する必要はない。設定されるべき交換電力が例えば１００ＭＷである場合、均衡化エリアはこの電力を余剰としてエリア内の発電機を用いて供給するか、または均衡化エリア内に保持する必要がある。すなわち、例えば別の均衡化エリアの電力不足を補うために本均衡化エリアにおいて電力をあえて過剰に生成する。

本発明により配置プランは作成され、特に、設定されるべき交換電力を基に、配置プランは均衡化エリアコントローラにより作成される。得られたまたは設定された交換電力と、設定されるべき交換電力との間の差が最小となるように、均衡化エリアの発電機および消費者を制御するために配置プランが提供される。したがって、優勢な交換電力、すなわち実際の交換電力もまた設定されるべき交換電力に対応するように配置プランが作成される。

例えば、設定されるべき交換電力が０ＭＷで、均衡化エリアの消費者は２０ＭＷを必要だとする。この場合、配置プランは、少なくとも１つのウィンドファームに対して２０ＭＷの生成されるべき電力を提供する。そこで、均衡化エリアにおいて、２０ＭＷが生成され、２０ＭＷが消費されるので、実際の交換電力は０ＭＷとなる。こうして発電電力と消費電力は均衡化エリア内で互いに補いあう。しかし、そこで優勢な風の状況により、発電機またはウィンドファームが必要とされる２０ＭＷの電力を生成できない場合は、発電機またはウィンドファームから均衡化エリアコントローラへ、その旨報告がなされうる。その後、均衡化エリアコントローラはその旨をネットワーク制御ステーションに転送してネットワーク制御ステーションから新しい設定されるべき交換電力を得るか、あるいは均衡化エリアの他の発電機に対してより多くの電力を生成するように指示する。

本発明の方法を実行するために、配置プランは、均衡化エリアの発電機および特に消費者を制御するために、基準値を含むことが好ましく、有効電力および無効電力の基準値を含むことが特に好ましい。基準値は、少なくとも１つのウィンドファームの出力が最大となるように、少なくとも１つの境界条件を用いて計算されることが好ましい。例えば、このような境界条件を用いて、均衡化エリアにおいて再生可能エネルギーを最大限取り入れることができ、同時に重ね合わせた電力供給ネットワークに対し電力を柔軟に提供することができる。

こうして特に、設定されるべき交換電力および／または配置プランを、少なくとも１つの反復される方法、例えば最適化された負荷フロー計算または最適化された電力フローを用いて最適化することが提案される。発電機に対する配置プランまたは基準値は、例えば、全体の均衡化エリアをノードまたは均衡ノードへ結合することによって計算でき、ウィンドファームによって生成された電力が最大値となるように意図された均衡ノードに対して個別にフロー解析が実行される。

その後、ウィンドファームは配置プランまたは基準値に応じて電力を生成する。従って、ウィンドファームは配電ネットワークに電力を供給し、その電力量は配置プランの基準値に対応する。基準値自体は一定でもよいし、時間とともに変化してもよい。特に好ましい一実施形態では、配置プラン、それに応じ、時間とともに変化し得る基準値は、所定の時間間隔の間作成される。したがって、配置プランは、時間とともに変化する基準値を有する均衡化エリアの個々の発電機、および特に個々の消費者のための複数のタイムテーブルを含む。均衡化エリア内の配電はこうして配置プランにより制御される。このために、本均衡化エリアの発電機および／または消費者には、時間とともに変化し得る基準値が与えられる。各基準値は、タイムテーブルまたは個々のタイムテーブルと呼ばれ、これによって、進行も基準値として特定できることが強調される。

本発明の方法において特に有利であるのは、複数の発電機と消費者を含む複数の均衡ノードを用いることで、配電ネットワークの制御をきわめて簡素化できることである。配電ネットワークの特に複雑なシステムは、本発明の方法を用いて複数の均衡ノードへ結合されることにより、より最適化された方法で、特に再生可能エネルギーをより多く取り入れながら運用される。したがって、本発明では複数の均衡ノードを有するシステムを用いて交換電力を狙い通りに提供することを提案しており、個々の均衡ノードが可能な限り自律的に動作することで、再生可能エネルギーをより多く取り入れることが保証される。各均衡化エリアにおける高い自律性は、特に、均衡化エリアごとに、ネットワーク制御ステーションが単に境界条件を特定するだけの、個別のフロー解析を実行することで可能となる。

基準値は、均衡化エリアコントローラによって少なくとも１つのウィンドファーム、および好ましくは少なくとも１つの追加の消費者に送信されることが好ましく、ここで基準値は、交換電力と設定されるべき交換電力の間の差が最小になるように、配置プランに応じて選択される。

こうして均衡化エリアコントローラからウィンドファームに送信された基準値を用い,
配置プランを実現する。このため、ウィンドファームは、例えば、均衡化エリアコントローラから基準値を受け取るように構成されたウィンドファームコントローラを有する。

さらに、均衡化エリアコントローラは、データ、特に基準値を発電機、および特に均衡化エリアの消費者に送信するように構成されている。さらなる実施形態では、均衡化エリアコントローラは有利なことに、任意のまたは前記ウィンドファームコントローラに機能的に統合される。これはウィンドファームが均衡化エリアにおいて最大の発電機のひとつであるか、最大の発電機である場合に特に有利である、というのも、信号遅延を最小限に抑えることができ、その結果としてより高い回復力が保証できるからである。

基準値はさらに、交換電力と設定されるべき交換電力との間の差が最小になるように選択される。したがって、基準値は、ネットワーク制御ステーションから受信する、設定されるべき交換電力も生成または実現できるように選択される。これは、特に再生可能エネルギーに関して、優勢な気象条件、特に優勢な風の状況に依存する風力エネルギーに関して特に重要である。そのような場合、配置プランは、消費者が消費する電力をより少なくするか、制限するように消費者を制御できる基準値も含む。

所定の予測期間において、均衡化エリアが提供可能な交換電力および／または生成可能な発電機電力について、少なくとも１つの予測値が、均衡化エリアコントローラによって定義されることが好ましい。そして、その少なくとも１つの予測値は、均衡化エリアコントローラからネットワーク制御ステーションに送信され、その予測値は、瞬間的に得られた交換電力を反映する瞬時値を含むことが好ましい。

均衡化エリアコントローラは、好ましくは均衡ノードへ結合している均衡化エリアに対し、所定の期間において、生成可能な発電機電力および／または提供可能な電力を定義する。これは、例えば、保証された最小電力を合計することによって行うことができる。少なくとも１つのウィンドファームは、例えばそこで優勢な風の状況に基づき次の１５分間で１００ＭＷを保証し、均衡化エリアの追加の消費者、例えば工場では同じ１５分間で８０ＭＷを必要とする。提供可能な交換電力はすなわち２０ＭＷである。次に、生成可能な８０ＭＷの発電機電力および／または提供可能な２０ＭＷの最小電力が、均衡化エリアコントローラにより、予測値としてネットワーク制御ステーションに送信される。

このために予測値は、瞬時値、すなわち実際の値を含むことが好ましく、この値は得られた交換電力を反映する。この実際の値、すなわち瞬時値は、特に好ましくは短期間における実際の電力、例えば１分間における実際の電力である。

この実際の値は、例えば１５ＭＷであり、提供可能な交換電力は２０ＭＷであるとする。均衡化エリアコントローラはそこで、瞬時の交換電力１５ＭＷだけでなく、交換可能な２０ＭＷの交換電力もネットワーク制御ステーションに報告する。これにより、ネットワーク事業者、特にネットワーク制御ステーションは、配電ネットワークの動作管理を提供可能な交換電力を用いて最適化し、特により多くの再生可能エネルギーをその配電ネットワークに取り入れることが可能になる。この例では、分配ネットワーク（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）事業者は５ＭＷを自由に処理できるようになる。つまり、的を絞って均衡化エリアの交換電力を２０ＭＷに増やし、他の均衡化エリアの負荷を軽減できる。あるいは設定されるべき交換電力を１５ＭＷのままにすることで均衡化エリアには使用可能な５ＭＷが残る。これは、例えば、ウィンドファームから供給される電力を５ＭＷ増加させる、あるいは従来の発電所から供給される電力を５ＭＷ削減するために使用できる。ネットワーク制御ステーションは、所望の交換電力または均衡化電力により設定されるべき交換電力を増やすことによって、この均衡化電力を要求できる。均衡化電力はそうして、均衡化エリアコントローラが関連する均衡化エリアにおいて提供される。

所定の予測期間は、好ましくは１日、または上限が２４時間である。

したがって、予測値の所定の予測期間は最大２４時間である。それに応じて、少なくとも１日に１回、均衡化エリアコントローラからネットワーク制御ステーションへ予測値が送信される。データ交換の頻度は、特に地理的条件と一年のうちのどの時期であるかによって決まる。したがって、例えば天気が急速に変化する時期には予測値をかなり頻繁に送信することが有利である。

設定されるべき交換電力は、任意のまたは前記予測値および/または任意のまたは前記瞬時値に応じて決定されることが好ましい。

したがって、ネットワーク制御ステーションが送信し、均衡化エリアコントローラが受信する、設定されるべき交換電力は、均衡化エリアコントローラにより定義されていることが好ましい予測値に基づいて決定される。

したがって、設定されるべき交換電力は、予測に基づいて繰り返し決定されることが好ましい。例えば、均衡化エリアコントローラは、少なくとも１つのウィンドファームが次の１５分間で６０ＭＷの発電機電力を生成可能であると報告する。そして、ネットワーク制御ステーションは、例えば、全ての生成可能な発電機電力に基づき、０ＭＷである最適交換電力を決定する。この最適交換電力は次に、設定されるべき交換電力として、ネットワーク制御ステーションから均衡化エリアコントローラへ送信される。次に、均衡化エリアコントローラは、この設定されるべき交換電力を受け取り、そこから、均衡化エリアに対して次の１５分間における、少なくとも１つのウィンドファームについて時間とともに変化する基準値を含む配置プランを決定する。基準値は、例えば、この１５分における最初の５分では４０ＭＷ、そしてこの１５分における最後の１０分では５５ＭＷである。本方法における境界条件や繰り返し条件の選択に応じて、予測値に基づいて作成された配置プランに応じ、少なくとも１つのウィンドファームを用いて電力が生成される。

予測値は、発電機、特にウィンドファームおよび／または少なくとも１つのさらなる発電機のパラメータ、特に発電機、特にウィンドファーム、または少なくとも１つのさらなる発電機のそれぞれの定格出力、および／または均衡化エリアの天気予報に基づくことが好ましい。

したがって、予測値は、例えば、均衡化エリアの発電機の定格電力など、均衡化エリアの状態パラメータに基づく。このような予測値は、例えば上限を形成するか、基準パラメータとなることができる。予測値が、例えば次の２４時間で１０ＭＷの電力しか保証できないウィンドファームを含む場合、このウィンドファームに対するタイムテーブルまたはこのウィンドファームに対する基準値がこの１０ＭＷの電力を超えないように境界条件が設定される。こうして配電ネットワークの動作管理を最適化するための境界条件として、パラメータが使用される。

均衡化エリアにおける天気予報を使用するのは、均衡化エリアに対する予測値を決定するためにことさら有利である。天気予報を使用して決定した予測値は、特に再生可能エネルギー領域における予測値の品質を大きく向上させることができる。

均衡化エリアの交換電力は、無効電力値および有効電力値で特徴付けられることが好ましい。

したがって交換電力は、正または負の無効電力値、および正または負の有効電力値を含む。正の電力値は均衡化エリア内の電力の増加を表し、電力供給ネットワークまたは他の均衡化エリアへの交換電力として利用されうる。負の電力値は、均衡化エリア内の電力の減少を表し、配電ネットワークから交換電力として移動される。

ここで本方法においては、純粋な有効電力だけでなく無効電力も、交換電力として利用されうるということが特に有利である。このような手順により、特に費用効率が高い配電ネットワークの動作管理が可能になる。

配置プランは好ましくは最適化された無効電力および／または有効電力の基準値を有する所定の時間間隔を含み、この所定の時間間隔は特に好ましくは１５分、または好ましくは５分、または好ましくは１分である。

配置プランは、時間とともに減少するか、または可変である、複数の無効電力および／または有効電力の基準値から構成される。所定の時間間隔の範囲内で配置プランは実施される。配置プランは、例えば、次の１５分間における、均衡化エリアの全発電機に対する有効電力基準値を含む。これらの有効電力基準値も、この１５分以内に変化しうる。例えば、５分間で１５ＭＷ、その後１０分間で２０ＭＷであれば、所定の時間間隔において有効電力基準値は２つの異なる量の基準値となる。

配置プラン自体はさらに、所定の時間間隔に応じて繰り返し修正され、発電機は配置プランに応じた電力を生成するための配置プランを継続して持つことになる。

好ましくは複数の均衡化エリアが提供され、配置プランは、均衡化エリアについて得られるべき交換電力の量が最小になるように、および／または均衡化エリアについて得られるべき交換電力が最適化手法を介して最小になるように定義される。特に、均衡化エリアについて得られるべき交換電力が最小二乗法を用いて最小になるように、および／または、均衡化エリアについて得られるべき交換電力が、費用関数を介して最適化されるように、および／または電力供給ネットワーク、特に均衡化エリアにおける従来の発電機から排出されうる汚染物質、例えば窒素酸化物またはＣＯ_２が最小限に抑えられるように定義される。

したがって、この方法は、特に電力供給ネットワーク全体の動作管理を最適化するために使用される。それぞれの均衡化エリア間の交換電力は、例えば電力供給ネットワークまたは分配ネットワークの物理的負荷が最小になるように最適化される。しかしながら、提案された方法を用いて、例えば再生可能エネルギーが電力供給ネットワークまたは対応する均衡化エリアへ最大限可能な電力で供給されることを境界条件として特定することにより、電気エネルギー生成中の汚染物質の排出を低減することもまた可能である。

各均衡化エリアは、厳密に１つの均衡化エリアコントローラを有することが好ましい。

特に将来の課題に関連して、均衡化エリアコントローラの数を制限することが、特に好都合であることが知られている。このため、各均衡化エリアは、対応する均衡化エリアを制御するように構成された、均衡化エリアコントローラを厳密に１つ有することが提案として挙げられる。

均衡化エリアコントローラは、特に均衡化エリアを制御するためのデータを交換するために、さらなる均衡化エリアコントローラと通信するように構成されることが好ましい。

交換されるべきデータは、均衡化エリアコントローラがネットワーク制御ステーションと交換するデータと同じであってもよい。

配電ネットワークは、Ｎ個のネットワーク制御ステーション、およびＳ個の均衡化エリアコントローラを有するＲ個の均衡化エリアを有することが好ましく、ここでＲ≧Ｓ≧Ｎであり、好ましくは、Ｒ≧５×Ｎ、Ｒ＝ＳおよびＮ＝１である。

制御ユニットを削減することが、本方法に特に良い影響をもたらすことが知られている。したがって、少なくとも均衡化エリアコントローラと同数の均衡化エリアが提供されることが提案として挙げられる。しかしながら、１つの均衡化エリアコントローラが複数の均衡化エリアを制御する場合には、均衡化エリアコントローラの数はより少なくてもよい。また、ネットワーク制御ステーションと少なくとも同数の均衡化エリアが提供される。したがって、１つ以上の均衡化エリアに対して１つのネットワーク制御ステーションが提供される。

特に好ましい一実施形態では、配電ネットワークまたは電力供給ネットワークは、厳密に１つのネットワーク制御ステーションを有し、配電ネットワークまたは電力供給ネットワークは、例えば、それぞれ厳密に１つの均衡化エリアコントローラを有する少なくとも５つの均衡化エリアに分けられる。本方法を実行するために、少なくとも５つの均衡化エリアはそれぞれ、１つの均衡ノードへ結合することが好ましい。

上記のノードまたは均衡ノードは、外側から見るとブラックボックスである内部自己組織化電気ユニットを意味すると理解される。したがって、ネットワーク制御ステーション、他のノードまたは均衡ノードは、ノードまたは均衡ノードの内部構造を知りえないか、または部分的にしか知りえない。

均衡化エリアの発電機は、電力損失を最小にするため、発電機から提供される無効電力が最適化されるように制御されることが好ましい。

したがって最適化のための境界条件は、無効電力生成または無効電力供給が、有効電力生成または有効電力供給から可能な限り独立して実行されるように選択される。本発明の方法は、無効電力の生成を有効電力の生成から切り離すために、および／または無効電力供給によって引き起こされる有効電力損失を最小限に抑えるために特に有利に使用することができる。

本発明ではさらに、設定されるべき交換電力を受信するための均衡化エリアコントローラが提案され、均衡化エリアコントローラは、特にデータベースを用いて、上記または下記の方法において制御を行う、または少なくとも方法に参加するための配置プランを作成する少なくとも１つの制御装置を有する。

本発明ではさらに、発電機電力を生成するためのウィンドファームが提案され、ウィンドファームは、配置プランに従って発電機電力を提供するために、均衡化エリアコントローラと通信するようにウィンドファーム制御ユニットを用いて構成されており、配置プランは、上記または下記の方法の一部を形成する。

ウィンドファームは、好ましくは、均衡化エリアコントローラを有し、均衡化エリアコントローラは、風力発電設備を制御するための少なくとも１つの制御インターフェースと、任意のまたは前記ネットワーク制御ステーションとデータを交換するための少なくとも１つの通信インターフェースとを有する。

本発明ではさらに、配置プランに応じウィンドファームを用いて生成される電力の一部を形成する電力を生成するために、上記または下記のウィンドファームのウィンドファーム制御ユニットと通信するように構成された風力発電設備が提案される。

以下、添付の図面を参照しながら、例示的な実施形態に基づき、例として本発明を詳細に説明する。

風力発電設備を概略的に示す斜視図である。 本発明のウィンドファームの構造を概略的に示す図である。 電力供給ネットワークの構造を概略的に示す図である。 配電ネットワークの構造を概略的に示す図である。 本発明の方法の組織的構造を概略的に示す図である。 本発明の均衡化エリアコントローラにより、設定されるべき交換電力に即する配置プランを作成するための過程を概略的に示す図である。 本発明の方法の概略的構造６００を示す階層図である。

図１は、配置プランに応じた電力を生成するために、風力発電設備制御ユニットを用いて、ウィンドファームのウィンドファーム制御ユニットと通信するように構成された風力発電設備１００を示している。

風力発電設備は、タワー１０２とナセル１０４を有する。ナセル１０４上には、３枚の動翼１０８とスピナー１１０とを有する回転子１０６が配置されている。運転中には風により回転子１０６が回転運動を行い、ナセル１０４内の発電機が駆動する。

図２は、本発明のウィンドファーム２００の構造を示している。一例としてウィンドファーム２００は、ウィンドファームネットワーク２２０を介して相互接続し、同じ構造を有する３つの風力発電設備２１０を有する。風力発電設備２１０は、風力発電設備制御ユニット２１２を備える。それぞれのユニットにおいて、ウィンドファーム変圧器２３０、給電線２４０およびネットワーク接続点ＰＣＣにおける主変圧器２５０を用い、ウィンドファームネットワーク２２０を介して配電ネットワーク２６０に供給される電力を生成する。

ウィンドファーム２００は、通信インターフェース２７２を用いて均衡化エリアコントローラとデータを交換するように、特に、配置プランに応じて電力を生成するために、前記均衡化エリアコントローラから配置プランまたは電力基準値を受信するように、構成されるウィンドファーム制御ユニット２７０を有する。このため、ウィンドファーム制御ユニット２７０はさらに、ネットワークパラメータを測定するための測定装置２７４と、風力発電設備２１０を制御するための制御インターフェース２７６とを有する。制御インターフェース２７６を用いて、ウィンドファーム制御ユニット２７０は、ウィンドファーム２００の風力発電設備２１０の風力発電設備制御ユニット２１２と通信するように構成され、特に、ウィンドファーム２００を用いて配置プランに応じた電力を生成するため、風力発電設備２１０に対する電力基準値を特定するように構成される。

図３は、電力供給ネットワーク３００の概略的構造を示し、電力供給ネットワークは、相互接続線３４２、３４４、３４６を用いて接続された３つの配電ネットワーク３１０、３２０、３３０を有する。

各分配ネットワーク３１０、３２０、３３０は、それぞれライン３１６、３２６、３３６を介して相互接続する複数の発電機３１２、３２２、３３２および消費者３１４、３２４、３３４を有する。

各分配ネットワーク３１０、３２０、３３０において、発電機３１２、３２２、３３２と消費者３１４、３２４、３３４の間の電力均衡を設定するために、発電機３１２、３２２、３３２を制御することによって均衡化電力ＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３を提供する。こうして均衡化電力は、発電電力と消費電力の差を補正するために使用される。各分配ネットワーク３１０、３２０、３３０において均衡化電力ＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３が必要な動作信頼性を保証するのに十分でない場合、個々の分配ネットワーク３１０、３２０、３３０は、隣接する分配ネットワーク３１０、３２０、３３０から、電力均衡を確立するために相互接続線３４２、３４４、３４６を介して相互接続電力ＰＫ１２、ＰＫ２３、ＰＫ３１を引き出すことができる。電力均衡とはすなわち、例えばネットワーク均衡化システム３１０、３２０、３３０内の混乱を防ぐための、分配ネットワーク３１０、３２０、３３０における発電電力と消費電力との間の均衡である。相互接続線３４２、３４４、３４６は、例として、個々の配電ネットワーク３１０、３２０、３３０を相互接続する電力供給ネットワークの電気伝送ネットワークを示すことを意図している。

個々の分配ネットワーク３１０、３２０、３３０の動作管理は、例えば、グループ均衡化管理といった一連の制御機構によって行われる。

図４ａは、配電ネットワーク４００またはその一部の構造を概略的に示す。図４ａに示す配電ネットワーク４００は、ウィンドファーム４１０、第１の消費者４２０、従来の発電機４３０、およびさらなる消費者４４０を有し、配電ネットワーク４００のライン４５２、４５４、４５６は相互接続している。ウィンドファーム４１０および従来の発電機４３０は、通常、配電ネットワーク４００内で電力均衡が設定されるようにネットワーク周波数に応じて制御され、この電力均衡は配電ネットワーク４００内の均衡化電力ＰＲの交換として示される。発電機は、制御ステーション４５８によって制御できる。配電ネットワーク４００内で電力均衡を確立するために電力が必要な時に備えて、電力供給ネットワークから必要に応じて相互接続電力ＰＫを受け取るために、配電ネットワークは相互接続ライン４６０を用いて、さらに電力供給ネットワークまたはさらなる分配ネットワークに接続する。

図４ｂは、本発明の方法４７０の組織的構造を、図４ａに示す配電ネットワーク４００を参照して概略的に示す図である。配電ネットワーク４００は、信号Ｓを用いて配電ネットワーク４００を制御するためのネットワーク制御ステーション４５８を有し、ここで配電ネットワーク４００は、他の配電ネットワークまたは電力供給ネットワーク４６５に相互接続線を用いて接続される。

本発明によれば、図４ａに一例として示す配電ネットワーク４００は、２つの均衡化エリアに分けられている。すなわち、複数の発電機と消費者とが配電ネットワーク４００に関連して均衡ノード４８２、４８６へ結合しており、それぞれのノードが均衡化エリアを形成または表す。したがって、図４ｂは、図４ａに示された構造の均衡化ノード４８２および４８６への分割の一案を示しており、それぞれのノードは独立してお互いに均衡化する、すなわち要求された交換電力を提供または受信する。内部での実施において、各均衡化ノードはこのため、消費者と発電機を柔軟に制御できる。

均衡化ノードまたは均衡ノード４８２は、ウィンドファーム４１０および追加の消費者４２０を有する。均衡化ノードまたは均衡ノード４８６は、従来の発電機４３０および消費者４４０を有する。

均衡ノード内の発電機および消費者、すなわち均衡化エリア４８２、４８６内の発電機および消費者４１０、４２０、４３０、４４０は、それぞれのノードにおいて、データ交換のためにネットワーク制御ステーション４５８に接続されている均衡化エリアコントローラ４８４、４８８を介して制御される。

均衡化エリアコントローラ４８４、４８８は、データライン４９０を介してネットワーク制御ステーション４５８から設定されるべき交換電力ＰＡＳを受け取る。均衡化エリアコントローラ４８４、４８８は、発電機と消費者を制御するための配置プランを作成し、得られた交換電力ＰＡＩと設定されるべき交換電力ＰＡＳとの間の差が最小となるように配置プランが作成される。

そのために、均衡化エリアコントローラ４８４、４８８は、有効電力および無効電力の基準値ＰＰＳを均衡化エリアの発電機に送信し、有効電力および無効電力の基準値ＰＰＳは、交換電力と設定されるべき交換電力との間の差が最小となるように配置プランに応じて選択される。

均衡化エリアコントローラ４８４、４８８は、次にデータライン４９０を通してネットワーク制御ステーション４５８に送信される予測値ＰＰＩを定義する。

予測値ＰＰＩは、所定の時間間隔ｔ１５の間に提供可能な、対応する均衡化エリア４８２、４８６の交換電力、および現在の交換電力ＰＡＩを有し、予測値ＰＰＩは天気予報に基づく。現在の交換電力ＰＡＩは、ここでは消費者電力ＰＺ１、ＰＺ２と発電機電力ＰＧＷ、ＰＧＧとの間の差から構成されており、参照矢印システムにおいて、合計Σ１またはΣ（ＰＧＷ＋ＰＺ１）、または合計Σ２またはΣ（ＰＧＧ＋ＰＺ２）として示される。

ネットワーク制御ステーション４５８は、所定の期間における均衡化エリアの予測値ＰＰＩ、例えば次の２４時間の予測値ＰＰＩを受信する。ネットワーク制御ステーション４５８は、次に均衡化エリアについて、新しい設定されるべき交換電力ＰＡＳを生成し、それぞれの予測値ＰＰＩを考慮に入れた最適化アルゴリズムがこのために使用される。データライン４９０を介する設定されるべき交換電力ＰＡＳなどのいくつかの値は、図中で同じ参照番号または略語で示されているが、特に異なる均衡ノード４８２および４８６、または異なる均衡化エリアについて、異なる値をとることができる。

そして、発電機４１０、４３０は、均衡化エリアコントローラ４８４、４８８が配置プランに応じて生成した有効電力および無効電力の基準値ＰＰＳに応じた、対応する電力ＰＧＷ、ＰＧＧを生成する。

特に好ましい一実施形態では、本発明の方法は２つの最適化サイクルを有する。一方では、ネットワーク制御ステーション４５８が、各均衡化エリア４８２、４８６について交換電力を計算するために、すべての均衡化エリア４８２、４８６のすべての予測値ＰＰＩおよび瞬時値ＰＡＩを集める。他方では、各均衡化エリアコントローラ４８４、４８８が、少なくとも設定可能な境界条件に従って均衡化エリアが動作するように、設定されるべき交換電力ＰＡＳに応じて、各均衡化エリア４８２、４８６を最適化する。例えば再生可能エネルギーを最大限利用することを、均衡化エリアの最適化のための境界条件として使用できる。そのため、ネットワーク制御ステーションが特定する交換電力が、再生可能エネルギーを最大限利用する（例えば、すべてのウィンドファームが全負荷で動作する）ことによって得られるようになる。方法自体は、例えば１５分周期で実行できる。すなわち、１５分ごとに新しい値を送信し、計算する。

図５は、本発明の均衡化エリアコントローラにより、設定されるべき交換電力に即する配置プラン５００を作成するための過程を概略的に示す図である。

第１のステップ５１０において、均衡化エリアコントローラは、所定の予測期間において、均衡化エリアによって提供可能な交換電力の予測値を定義する。予測値は、実際の交換電力をマッピングする１分の瞬時値、および次の２４時間において保証された交換電力の予測も含む。電力の予測は、気象情報、特に天気予報を使用して作成される。本ステップはＰＲＯＧブロックで示される。

この予測値は予測タイムテーブルとも呼ばれ、次のステップ５２０においてネットワーク制御ステーションに送信される。本ステップはＴＲＡＮＳブロックで示される。

次のステップ５３０において、ネットワーク制御ステーションは、実際の値も含み得るすべての予測値、および任意で、本方法に参加するすべての発電機および消費者のタイムテーブル、あるいはそのようなタイムテーブルの少なくともいくつかを受け取る。そしてネットワーク制御ステーションは、それぞれの場合において、各均衡化エリアについて設定されるべき交換電力を計算する。例えば、各均衡化エリアで得られるべき交換電力が量的に最小であるという境界条件を使用する。このような手順によれば、設定されるべき交換電力は０ＭＷに近づくので、各均衡化エリアは、最大限自律的にそれぞれの配置プランを定義することができる。本ステップはＣＡＬＣ−ＣＡブロックで示される。

次のステップ５４０において、設定されるべき交換電力が均衡化エリアコントローラに送信される。本ステップはＴＲＡＮＳ−ＰＡブロックで示される。

次のステップ５５０において、均衡化エリアコントローラは、均衡化エリアに対して設定されるべき交換電力に関する値を基準値として受け取り、この値に応じて、設定されるべき交換電力に即する配置プランを計算する。このステップにおいて配置プランは、発電機と消費者を制御するために提供され、得られた交換電力と設定されるべき交換電力との間の差が最小となるように作成される。推定基準値の予測を考慮に入れて、発電機と消費者の使用が最適となるように制御する。こうして制御可能な消費者と発電機は柔軟に最適化して使用される。配置プランは、例えば再生可能エネルギーの出力電力が最大となる境界条件を用いて作成される。こうして、均衡化エリアは、再生可能エネルギーから（例えばウィンドファームから）のみ、その電気エネルギーを生成する。本ステップはＣＯＮＴ−ＰＬＡＮブロックで示される。

さらなるステップ５６０において、次に均衡化エリアコントローラは、配置プランまたは配置プランの基準値を均衡化エリアの発電機に送信し、配置プランに応じて電力が生成される。本ステップはＣＯＮＴＲ−ＰＡブロックで示される。

さらなるステップ５７０において、均衡化エリアコントローラは所定の予測期間、均衡化エリアが提供可能な交換電力の予測値として、配置プランをさらにネットワーク制御ステーションに送信する。本ステップはＴＲＡＮＳ−ＰＬＡＮブロックで示される。

したがって、配置プランの作成は、例えば１５分のサイクルタイムで繰り返される、すなわち配置プランおよびすべての基準値は１５分の時間間隔で何度も再計算される。

図６は、第１、第２および第３の層６３０、６６０、６９０を含む、本発明の方法の概略的構造６００を示す階層図である。

第１の層６３０において、電線６３６を介して相互接続された複数の発電機６３２および複数の消費者６３４を有する配電ネットワーク６１０がマッピングされる。

本発明の方法を用いて配電ネットワークは、複数の均衡化エリア６６２またはノードに分割され、均衡化エリア６６２またはノードはそれぞれ複数の発電機および／または消費者を有する。

本発明において、配電ネットワーク６１０はこのようにノードモデル６７０へ結合する。この結合は、第１の移動矢印６４０によって示され、ノードモデル６７０は第２の層６６０において表されている。

したがって、配電ネットワーク６１０は、ノードモデルまたは均衡化エリアモデル６７０を用いて制御される。その様子は第２の移動矢印６８０によって示され、第３の層６９０に示す結果となる。ノードモデル６７０の配電ネットワーク６１０への移動はさらにライン６９２で示される。

Claims (17)

1. 配電ネットワーク（４００）を制御する方法であって、
   前記配電ネットワーク（４００）を制御するためにネットワーク制御ステーション（４５８）が提供され、前記配電ネットワークは複数の均衡化エリア（４８２、４８６）を有し、
   各均衡化エリアは交換電力（ＰＡＩ）を、前記配電ネットワーク（４００）へ出力する、または前記配電ネットワーク（４００）から受け取り、
   前記均衡化エリアの少なくとも１つ（４８２）は、少なくとも１つの発電機、特に、発電機電力（ＰＧＷ）を生成するためのウィンドファーム（４１０）、および消費者電力（ＰＺ１）を受け取るための追加の少なくとも１つの消費者（４２０）を有し、前記少なくとも１つの発電機またはウィンドファーム（４１０）を制御するために、少なくとも１つの均衡化エリアコントローラ（４８４）が提供される方法であって、
   前記均衡化エリアコントローラ（４８４）が前記ネットワーク制御ステーション（４５８）から、設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）の値を受け取る工程であって、前記交換電力（ＰＡＳ）は前記消費者電力（ＰＺ１）と前記発電機電力（ＰＧＷ）との間の差として定義される工程と、
   前記均衡化エリアコントローラ（４８４）が前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）に即する、または前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）を得るための配置プランを作成する工程であって、前記配置プランは、前記発電機（４１０）と消費者（４２０）を制御するために提供され、前記得られた交換電力（ＰＡＩ）と前記設定されるべき交換電力（ＰＡＳ）との間の差が最小となるように作成される工程と、
   前記少なくとも１つの発電機またはウィンドファーム（４１０）を用いて、前記配置プランに応じて電力（ＰＧＷ）を生成する工程と、を含む方法。
2. 前記均衡化エリアコントローラ（４８４）が基準値（ＰＰＳ）を、前記少なくとも１つの発電機またはウィンドファーム（４１０）、および好ましくは前記追加の少なくとも１つの消費者（４２０）へ送信する工程であって、前記基準値は、前記交換電力（ＰＡＩ）と前記設定されるべき交換電力（ＰＰＳ）の間の差が最小になるように、前記配置プランに応じて選択される工程をさらに含む、
   請求項１に記載の配電ネットワークを制御する方法。
3. 前記均衡化エリアコントローラが、所定の予測期間（ｔ１５）において、前記均衡化エリア（４８２）が前記提供可能な交換電力および／または生成可能な発電機電力について、少なくとも１つの予測値（ＰＰＩ）を定義する工程と、
   前記少なくとも１つの予測値を前記均衡化エリアコントローラから前記ネットワーク制御ステーションへ送信する工程であって、前記予測値が好ましくは、前記均衡化エリアの、瞬間的に得られた交換電力を反映する瞬時値（ＰＡＩ）を含む、または瞬時値（ＰＡＩ）である工程と、をさらに含む、
   請求項１または２に記載の配電ネットワークを制御する方法。
4. 前記所定の予測期間は１日、または上限が２４時間である、請求項３に記載の配電ネットワークを制御する方法。
5. 前記設定されるべき交換電力は、任意のまたは前記予測値および/または任意のまたは前記瞬時値に応じて決定される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
6. 前記予測値は、前記発電機または前記ウィンドファームのパラメータ、および／または少なくとも１つのさらなる発電機のパラメータ、特に前記発電機、または前記ウィンドファーム、または前記少なくとも１つのさらなる発電機のそれぞれの定格出力、および／または前記均衡化エリアの天気予報に基づく、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
7. 前記均衡化エリアの前記交換電力は、無効電力値および有効電力値で特徴付けられる、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
8. 前記配置プランは、最適化された無効電力および／または有効電力の基準値を有する所定の時間間隔を含み、前記所定の時間間隔は特に好ましくは１５分、または好ましくは５分、または好ましくは１分である、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
9. 複数の均衡化エリアが提供され、
   前記配置プランが
   前記均衡化エリアについて得られるべき前記交換電力の量が最小になるように、および／または、
   前記均衡化エリアについて得られるべき前記交換電力が、最適化手法を用いて最小になるように、特に、前記均衡化エリアについて得られるべき前記交換電力が最小二乗法を用いて最小になるように、および／または、
   前記均衡化エリアについて得られるべき前記交換電力が、費用関数を介して最適化されるように、および／または
   前記電力供給ネットワーク、特に前記均衡化エリアにおける従来の発電機から排出されうる汚染物質、例えば窒素酸化物またはＣＯ_２が最小限に抑えられるように、定義される、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
10. 各均衡化エリアが、厳密に１つの均衡化エリアコントローラを有する、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
11. 前記均衡化エリアコントローラは、さらなる均衡化エリアのさらなる均衡化エリアコントローラと通信し、特に前記均衡化エリアを制御するためのデータを交換する、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
12. 前記配電ネットワークは、Ｎ個のネットワーク制御ステーション、およびＳ個の均衡化エリアコントローラを有するＲ個の均衡化エリアを有し、ここでＲ≧Ｓ≧Ｎであり、好ましくは、Ｒ≧５×Ｎ、Ｒ＝ＳおよびＮ＝１である、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
13. 前記発電機または前記ウィンドファームを含む均衡化エリア、またはすべての均衡化エリアは、電力損失を最小にするため、前記発電機から提供される前記無効電力が最適化されるように制御される、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の配電ネットワークを制御する方法。
14. 設定されるべき交換電力を受信するための均衡化エリアコントローラであって、特にデータベースを用いて配置プランを作成する少なくとも１つの制御装置を有する均衡化エリアコントローラであり、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を制御する、または少なくとも方法に参加するように構成されている均衡化エリアコントローラ。
15. 発電機電力を生成するためのウィンドファームであって、ウィンドファーム制御ユニットを有し、配置プランに従って前記発電機電力を提供するために、均衡化エリアコントローラと通信するように構成されているウィンドファームであり、前記配置プランは請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法の一部を形成する、ウィンドファーム。
16. 前記均衡化エリアコントローラを有し、前記均衡化エリアコントローラは、風力発電設備を制御するための少なくとも１つの制御インターフェースと、任意のまたは前記ネットワーク制御ステーションとデータを交換するための少なくとも１つの通信インターフェースとを有する、請求項１５に記載のウィンドファーム。
17. 請求項１５または１６に記載のウィンドファームの、風力発電設備。

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