JP2020506664A - 電力供給ネットワークへの電力供給方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、グリッド定格電圧（ＵＲＡＴＥＤ）を有し、グリッド電圧（ＵＧＲＩＤ）で動作する電力供給グリッドに電力を供給するための方法に関し、供給電力は、供給電力の電流（Ｉ）と電圧（Ｕ）との間の角度を表す位相角（φ）によって規定される無効電力成分を有し、少なくとも１つの時定数（Ｔ１）を特徴とする遅延関数（３１０）を有する位相角制御装置（３００）によって位相角が設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、電力供給ネットワークへの電力供給方法に関する。さらに、本発明は、電力生成器、特に、風力発電設備、風力発電所に関し、それぞれは、そのような方法を実行するように構成されている。

通常、電力生成器は、電力供給ネットワークの電力負荷を用いてパラレルモードで動作される。
この動作中、電力生成器によって供給される実際の電力は変化し得る。この結果、例えば、電力生成器のグリッド接続ポイントにおけるグリッド電圧（Ｕ_ＧＲＩＤ）も変動する可能性がある。

しかしながら、安全な運転のために、そのような変動は、非常に狭い範囲でのみ許容される。

したがって、本発明の目的は、前述の問題のうちの少なくとも１つに対処することである。特に、その目的は、実際の電力の供給が変動した場合でも、電圧の変化をより適切に制御できるようにするソリューションを提案することである。その目的は、少なくともこれまでに知られている解決策の代替案を提案することである。
したがって、本発明によれば、請求項１に記載の電力供給グリッドに電力を供給するための方法が提案される。この場合の電力供給グリッドは、グリッド定格電圧を有し、グリッド電圧で動作する。また、供給電力は、有効電力成分と無効電力成分とを有する。

本発明によれば、電力の供給は位相角によって制御され、位相角は、供給電力の供給された電流と供給された電圧との間の角度を表す。
位相角は、少なくとも１つの時定数によって特徴付けされる遅延関数を有する位相角制御によって設定される。
よって、位相角制御は、供給電力の無効電力成分を制御するために提案されており、位相角制御は、この目的のために遅延関数を有している。

略して遅延とも呼ばれる遅延関数は、この目的のために少なくとも１つの時定数を有する。
よって、位相角制御は、電力供給グリッドの変化に即座に反応するのではなく、むしろ、それらを、時間遅延を用いて遅らせる。
時定数の使用は、特に、電力供給グリッドに対する発電機のシステム応答を減衰させる。例えば、電力供給グリッドに振動があると、発電機はこの振動を減衰させ、それを増幅しない。

よって、本発明に係る方法は、電力供給グリッドにおけるグリッドの摂動または変動に対して、特に、穏やかに反応する。
この場合の特別な利点は、特に、少なくとも１つの時定数が、グリッド摂動に対する反応として起こり得る発電機によるオーバーシュートとして知られているものを最小にすることである。

したがって、本発明に係る方法は、特に、以下のように電力供給グリッドを支援することを意図している：グリッド電圧が最初に過渡的に変化する場合、最初の瞬間、すなわち過渡的変化の前と同じ電流の供給を維持する。風力発電設備または風力発電所の同時過励磁運転中に負荷が接続され、それにより誘導方式で電力が供給されると、風力発電設備または風力発電所の接続端子上の位相は、供給された電流の現在の位相にジャンプする。電力供給グリッドにおける負荷接続の結果として、供給網電圧は、通常、局部的に降下し、グリッド内の周波数は低下する。しかしながら、遅延位相角制御は、供給される電圧を低下させる過小励磁無効電流が減少するために、電力供給グリッドの周波数をサポートするために有効電力の供給を増加させ、同時に風力発電設備または風力発電所の低励磁動作が電圧をサポートする。例えば、電力供給グリッドにおける負荷切断の結果として、位相が電流位相から急に離れると、供給グリッド電圧が上昇する。しかしながら、提案された遅延位相角制御は、電力供給グリッドの周波数をサポートするために有効電力の供給を少なくし、電圧上昇を縮小するために誘導無効電流を増加させる。

好ましくは、位相角制御は、特に、グリッド電圧が所定の電圧設定値に調整されるように、電力供給グリッドにおいて記録された少なくとも１つのグリッド電圧に基づいて位相角を変化させる。
よって、位相角は、記録されたグリッド電圧に基づいて設定される。このために、グリッド電圧は、例えば、発電機のグリッド接続ポイントにおいて記録される。

グリッド電圧、特に、電力供給グリッドにおける異なる位置でのグリッド電圧を簡単な方法で記録することができ、したがって、本方法を全ての既存の発電機、特に、風力発電設備に多大な努力をすることなく実施できることが有利である。
この場合、位相角は、グリッド電圧を所定の電圧設定値に調整するように設定されることが好ましい。このために、規定の電圧設定値は自由にパラメータ化され、特に、グリッド定格電圧の１０５％から１１０％の範囲内の値に設定されることが好ましい。したがって、本方法を使用する発電機は、そのグリッド接続ポイントにおけるグリッド電圧をグリッド定格電圧よりも高い値に調整するように構成される。

この場合、発電機、特に、風力発電所が、無効電力の供給による供給によって引き起こされるグリッド接続ポイントにおける電圧上昇をそれ自体が補償することが特に有利である。
好ましくは、位相角は、電力供給グリッド内の少なくとも１つの所定のポイントにおけるグリッド電圧が実質的に変化しないままであるように変更される。

したがって、位相角は変更可能であって、すなわち、それは時間とともに変化する。 さらに、この場合、位相角は、電力供給グリッド内のあるポイントにおけるグリッド電圧が実質的に一定のままであるように設定される。好ましくは、このポイントは、本発明による方法を実行する発電機のグリッド接続ポイントである。一例として、発電機は、風力発電所であって、所定のポイントは風力発電所のグリッド接続ポイントである。次いで、グリッド接続ポイントにおけるグリッド電圧が実質的に変化しない、例えば、グリッド接続ポイントにおけるグリッド定格電圧の１．０５ｐ．ｕ．であるように、位相角は、記録されたグリッド電圧に基づいて変更される。したがって、発電機は、グリッド接続におけるグリッド電圧が一定のままであり、所定の電圧設定値、例えば、グリッド定格電圧の１．０５ｐ．ｕ．にほぼ対応するように、無効電力成分と有効電力成分とを含む電力をグリッド接続ポイントに供給する。このように、電力供給グリッドが発電機のグリッド接続ポイントにおいて１０ｋＶの系統定格電圧を有する場合、発電機は、１０．５ｋＶのグリッド電圧がグリッド接続ポイントで得られるように、電力を供給する。

よって、本発明に係る方法は、風力発電所が、電力供給グリッド内の任意の指定可能なポイントにおいて電力供給グリッド内のグリッド電圧を支持または安定させることができるように、例えば、電力の発生器、例えば、風力発電所を制御することを可能にする。
特に好ましい実施形態では、所定のポイントは、グリッド接続ポイントであって、グリッド電圧は、同様に発電機のグリッド接続ポイントに記録される。

好ましくは、位相角は、設定電圧に基づいて変更され、設定電圧は、グリッド定格電圧の１０５％から１１０％の範囲内で規定される。
よって、位相角は、設定電圧に基づいて変更され、設定電圧、すなわち電圧設定値はグリッド定格電圧よりも高い。
これは、位相角、すなわち本発明による遅延関数を追跡するのと同じように、グリッド定格電圧を超える設定電圧のこのような選択が、同様に電力供給グリッドへの負荷を軽減すること、すなわち、本発明に従って特定されたためである。これは、特に、電力供給グリッドの振動挙動に関して相乗効果をもたらす。特に、これにより、特に、グリッドの分裂または停電のリスクがさらに最小限に抑えられるように、これまで通常よりも供給グリッドに生じるグリッド振動を通常よりも大幅に減衰させることができる。このような特性は、特に、例えば、ブラジルのような弱い電力供給グリッドに関して望ましい。したがって、ＳＳＲ振動とも呼ばれる副同期振動共振を減衰させることも特に可能である。ＳＳＲ振動は、グリッド周波数より低い周波数、例えば、５０Ｈｚのグリッド周波数に対して３０Ｈｚでの振動である。提案された遅延トラッキングの結果として、直列共振によるこの種の制御発振は、位相角制御における遅延がこれを妨げるため、容易に可能ではない。

好ましくは、少なくとも１つの時定数は、遅延関数を変えるために変更される。
したがって、時定数は変更可能である。特に、時定数は、運転中に変更することができ、したがって、一般的なグリッド条件または一般的なグリッド状態に適合させることができる。例として、非常に安定したグリッド状態の間は、不安定なグリッド状態よりも時定数が低く設定される。したがって時定数は、グリッド状態または一般的なグリッド状態と一致することが好ましい。

好ましくは、遅延関数または少なくとも１つの時定数は、遅延を変更するための適合アルゴリズムによって変更可能であって、適合は、特にグリッド状態に基づいて実行される。
したがって、遅延関数または少なくとも１つの時定数は、動作中に適合または適合アルゴリズムによって適合または設定される。この場合の適合は、グリッド状態に基づいて、例えば、記録されたグリッド電圧に基づいて行われることが好ましい。時定数は、例えば、記録されたグリッド電圧のグリッド定格電圧からの偏差に基づいて設定される。

一実施形態によれば、適合アルゴリズムによってであるか否かに関わらず、グリッド感度に基づいて、遅延関数を設定または変更することが提案されている。この場合のグリッド感度は、グリッド接続ポイントにおける実際の電力の供給の変化に対するグリッド接続ポイントにおける電圧変化の比として説明される。
好ましくは、位相角制御が電圧偏差に比例して位相角を規定するように、位相角制御は、比例応答特性を有しており、遅延関数は、一次、二次またはより高次の伝達関数、特に線形伝達関数を有している。

したがって、位相角制御は、比例的な応答を示す。これは、例えば、Ｐコントローラを使用することによって達成される。特に、電圧偏差、すなわちグリッド定格電圧からの記録されたグリッド電圧の偏差、または所定の電圧設定値からの記録されたグリッド電圧の偏差が使用される。
本発明による時定数および位相角制御の比例応答の結果として、位相角制御は、グリッド摂動に対して、特に、穏やかに反応する。そのような位相角制御を生成するために、ＰＴ１またはＰＴ２要素、すなわち、特に、線形伝達関数を形成する一次または二次遅延関数が使用されることが好ましい。

その理由は、純粋なＩ要素の使用は、グリッド安定性に関して不利であり得ることが確認されたからである。
好ましくは、少なくとも１つの時定数は、特に、電力供給グリッドのオペレータによって、遅延を変更するために外的に規定される。
したがって、少なくとも１つの変更可能な時定数は、いつでもグリッドオペレータによって規定される。したがって、グリッドオペレータは、時定数自体を変更することによって、位相角制御自体の応答を設定することができる。

これは、例えば、グリッド修復の場合のような重大なグリッド状況において、特に有利である。この場合、例えば、位相角制御が、特に困難な制御特性を有することが望ましい場合がある。ネットワークオペレータは、この要件に従って、時定数を設定することができる。
好ましくは、位相角制御は、非線形応答特性を有するか、または位相角制御は、高次、好ましくは少なくとも３次の多項式関数によってマッピング可能な応答特性を有する。これは、位相角制御の振幅依存性が達成されることを可能にし、その結果、例えば、より高い電圧偏差に対してより高い利得が達成され得る。

非線形応答は、例えば、高次多項式関数による位相角制御において実施される。
好ましくは、位相角制御は、電力供給グリッドのグリッド状況に基づいて、位相角を追跡し、特に、電力供給グリッドのグリッド感度に基づいて位相角を追跡する。
したがって、位相角制御は、特に、電力供給グリッドまたは電力供給グリッドの一般的なグリッド状況が考慮されるように、適合的に実行されることが提案される。

例として、電力供給網グリッドは、低性能設計であって、すなわち、発電機および負荷はわずかしかない。このような場合には、位相角制御は、電力供給グリッドの応答に大きな影響を及ぼす。そのような、特に特定のグリッド状況に対して、正確には、位相角を制御するときにグリッド状況がそれに応じて考慮されることが現在提案されている。
特に、位相角がグリッド感度に基づいて追跡されることが提案されることが好ましい。この場合、グリッド感度は、供給される有効電力の変化に対する電力供給グリッドの電圧の変化として特定されることがより好ましい。したがって、位相角制御は、非線形応答特性を有することが好ましい。

本発明によれば、上記または下記のような方法を実行するように構成された位相角制御を有する電力を発生するための発電機ユニットを含む、電気エネルギーの発電機、特に、風力発電設備がさらに提案される。
したがって、電気エネルギーの発生器は、風力発電設備であることが好ましい。風力発電設備または発電機は、電力を生成するための発電機ユニット、例えば、電力インバータを備えている。電力インバータは、位相角制御を含む作動を有し、位相角制御は、本発明による遅延関数を有する。

これは、風力発電設備が、特に穏やかにグリッド制御に参加することを可能にする。風力発電設備は、それが供給される電力をレベルおよびタイプに従って非常に迅速に変えることができる発電機を形成するため、そのために特に適している。それゆえ、それは非常に迅速に制御し反応することができ、したがって、風力発電設備はそれ自体の物理的に依存する重大な遅延応答を有していないため、遅延は、積極的に規定および設定可能である。

本発明によれば、少なくとも２つの風力発電設備と風力発電所制御ユニットとを備える風力発電所がさらに提案され、風力発電所制御ユニットは、上記または下記のような方法を実行するように構成された位相角制御を有している。
特に好ましい実施形態では、本発明による遅延関数を備える位相角制御は、風力発電所制御ユニットにおいて実施される。

この結果、複数の風力発電設備が組み合わされて電気エネルギーの発電機を形成し、発電機は、本発明に係る応答を有している。特に、遅延関数は、風力発電所制御ユニットに実装されている。風力発電所はまた、風力発電設備と同じくらい迅速に基本的に迅速に反応することができ、したがって風力発電設備について既に説明したように、風力発電所は、上記の方法を実施するのにもよく適している。

本発明は、添付の図面を参照して、例示的な実施形態に基づいて、例示的に以下で具体的に説明される。

本発明に係る風力発電設備を概略的に示す斜視図。 本発明に係る風力発電所の設計を概略的に示す図。 特に好ましい実施形態における位相角制御の設計を概略的に示す図。

図１は、上記または下記で説明されるような方法を実行するために、少なくとも１つの時定数によって特徴付けられる遅延関数を有する位相角制御によって位相角制御を有する電力を発生するための発電機ユニットを備えた風力発電設備１００を示す。
風力発電設備は、タワー１０２、ナセル１０４を有している。ナセル１０４は、３つのロータブレード１０８とスピナ１１０とを有している。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転運動するように設定され、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。

図２は、本発明に係る風力発電所２００の設計を示す。風力発電所２００は、例示的な様式で、風力発電所グリッド２２０を介して互いに接続されている同じ設計の３つの風力発電設備２１０を有している。風力発電設備２１０は、風力発電設備制御ユニット２１２を含み、それぞれは、グリッド接続ポイントＰＣＣにおける風力発電所インバータ２３０、供給ライン２４０およびグリッド変圧器２５０によって、風力発電所グリッド２２０を介して配電グリッド２６０に供給される無効電力成分を含む電力を生成する。

風力発電所２００は、風力発電所制御ユニット２７０を有している。風力発電所制御ユニット２７０は、供給される電力の電流Ｉと電圧Ｕとの間の角度を示す位相角φを設定するために、位相角制御３００を有している。このために、位相角制御３００は、少なくとも１つの時定数Ｔ１によって特徴付けされる遅延関数を有している。
通信インタフェース２７２は、例えば、ネットワークオペレータによって、少なくとも１つの時定数Ｔ１を外部から設定するために使用される。通信インタフェース２７２はまた、特に、グリッド定格電圧Ｕ_{ＲＡＴＥＤ}の１０５％から１１０％の範囲内で設定電圧を規定するために使用される。

さらに、風力発電所制御ユニット２７０は、グリッド電圧Ｕ_ＧＲＩＤを記録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フェース２７６とを有している。特に、制御インタフェース２７６は、風力発電装置２１０に対する位相角制御３００によって計算される位相角φ１、φ２、φ３を伝達するために使用される。
図３は、特に好ましい実施形態において、位相角制御３００の設計を概略的に示している。

位相角制御３００は、一次遅延関数を有しており、したがって一次伝達関数を形成する。遅延関数３１０は、外部から規定された時定数Ｔ１を有している。これは、例えば、ネットワークオペレータによって行われ得る。ネットワークオペレータは、順番に、適合アルゴリズムを使用して遅延を変更したり、時定数Ｔ１を設定したりすることができる。
位相角φ_Ｎを設定するために使用される入力変数ΔＵは、記録されたグリッド電圧Ｕ_ＧＲＩＤおよび設定電圧Ｕ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}であって、設定電圧Ｕ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}は、グリッド定格電圧の１０５％から１１０％の範囲で規定される。それは同様に、ネットワークオペレータまたは発電機自体によって規定される。

したがって、入力変数ΔＵは、システム偏差、すなわち記録されたグリッド電圧Ｕ_ＧＲＩＤと所定の設定電圧Ｕ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}との間の差である。
よって、位相角φ_Ｎは、システム偏差ΔＵから決定され、位相角φ_Ｎは、遅延位相角である。
そして、位相角φ_Ｎは、発電機の適切な制御ユニットに転送される。したがって、位相角φ_Ｎは、電力供給グリッド内における少なくとも１つの所定のポイントにおけるグリッド電圧が実質的に変化しないままになるように、変更される。

Claims (12)

1. グリッド定格電圧（Ｕ_{ＲＡＴＥＤ}）を有し、グリッド電圧（Ｕ_ＧＲＩＤ）で動作する電力供給グリッドに電力を供給する方法であって、
   供給電力は、供給電力の電流（Ｉ）と電圧（Ｕ）との間の角度を表す位相角（φ）によって規定される無効電力成分を有し、
   前記位相角は、少なくとも１つの時定数（Ｔ１）を特徴とする遅延関数（３１０）を有する位相角制御装置（３００）によって設定される、
   方法。
2. 前記位相角制御（３００）は、特に、前記グリッド電圧（Ｕ_ＧＲＩＤ）が所定の電圧設定値に調整されるように、前記電力供給グリッドに記録された少なくとも１つのグリッド電圧（Ｕ_ＧＲＩＤ）に基づいて、前記位相角を変更する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記位相角は、前記グリッド電圧（Ｕ_ＧＲＩＤ）が前記電力供給グリッド内の少なくとも１つの所定のポイントにおいて実質的に変化しないままになるように、変更される、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記位相角は、設定値電圧（Ｕ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}）に基づいて変更され、前記設定値電圧（Ｕ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}）は、前記グリッド定格電圧（Ｕ_{ＲＡＴＥＤ}）の１０５％から１１０％の範囲で規定される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの前記時定数は、特に、グリッド状態および／またはグリッド感度に基づいて、前記遅延関数（３１０）を変更するために変更される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記遅延関数（３１０）または少なくとも１つの前記時定数は、前記遅延を変更するための適合アルゴリズムによって変更可能であって、前記適合は、特に、グリッド状態および／またはグリッド感度に基づいて実行される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記位相角制御（３００）は、前記位相角制御（３００）が電圧偏差に比例して前記位相角を規定するように、比例応答特性を有し、
   前記遅延関数（３１０）は、一次、二次、あるいはそれ以上の伝達関数、特に、線形伝達関数を有している、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 少なくとも１つの時定数は、特に、前記電力供給グリッドのオペレータによって、遅延を変更するために外部的に規定される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記位相角制御（３００）は、非線形の応答特性を有する、または、
   前記位相角制御（３００）は、高次、好ましくは、少なくとも３次の多項式関数によってマッピング可能な応答特性を有する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記位相角制御は、電力供給グリッドのグリッド状態に基づいて前記位相角を追跡し、特に、前記電力供給グリッドのグリッド感度に基づいてそれを追跡する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 請求項１から１０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た位相角制御（３００）を有する電力を発生するための発電機ユニットを備えている、
    電力生成器、特に、風力発電設備。
12. 少なくとも２つの風力発電設備（２１０）と風力発電所制御ユニット（２７０）とを備えた風力発電所（２００）であって、
    前記風力発電所制御ユニット（２７０）は、請求項１から１０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た位相角制御（３００）を有している、
    風力発電所（２００）。
    

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