JP2020508030A - 補助電力供給部を備えた風力タービン - Google Patents

Abstract

本発明は、補助電力供給部（ＡＰＵ）を備えた風力タービンに関する。風力タービンは、さらに、発電機（Ｇ）、主変換器（ＭＣＯＮＶ）および変圧器（ＴＲ）を含んでいる。発電機（Ｇ）は、主変換器（ＭＣＯＮＶ）に接続されている。主変換器（ＭＣＯＮＶ）は、変圧器（ＴＲ）に接続されている。変圧器（ＴＲ）は、電気的なグリッド（ＧＲ）に接続されている。したがって、発電機（Ｇ）によって生成された、可変の周波数を有する電力が、主変換器（ＭＣＯＮＶ）によって、規定の周波数を有する電力に変換され、規定の周波数を有する電力が、変圧器（ＴＲ）によって変圧されて、グリッド（ＧＲ）に供給され、変圧は、グリッドコードの要件に即して行われる。補助電力を供給する補助電力供給部（ＡＰＵ）は、補助変換器（ＡＵＸＣ１）を介して変圧器（ＴＲ）に接続されており、したがって、補助電力供給部（ＡＰＵ）は、補助変換器（ＡＵＸＣ１）によって変圧器（ＴＲ）およびグリッド（ＧＲ）から分離されている。

Description

本発明は、補助電力供給部を備えた風力タービンに関する。

補助電力は、風力タービンの補助装置または補助回路を動作させるために必要とされる。

補助電力は、風力タービンの基本的な機能を維持および保証するために使用することができる。補助電力は、軸受け部への給油を実現するため、警告灯の機能を保証するため、風力タービンの専用の構成要素を加熱するため、（変換器などの）内部電力機器の減湿を確実なものにするため、風力タービンとコントローラとの間の通信を確実なものにするため、または風力タービン構成要素間の通信を確実なものにするため、などに使用されてもよい。

グリッド支援のために補助電力を使用することも公知である。このグリッド支援機能は、各補助電力供給部の容量によって制限されている。

風力タービンが電力グリッドに接続されていない場合、またはグリッドが故障または障害を示す場合、などには、ディーゼル発電機によって、または他の適切な電源によって、風力タービンに補助電力を供給することが公知である。

ディーゼル発電機が、設置されている風力タービンのタワー外に配置され、補助電力が風力タービンのタワーに供給される場合もある。ただ１つの風力タービンにのみ発電機から補助電力を供給することが必要とされるので、それぞれの発電機を、その電気容量、サイズおよびコストについて最適化することができる。一連の風力タービンを含むウィンドファームにおいては、それぞれのディーゼル発電機の数が、所定のコストに計上される。結果として生じた数のディーゼル発電機に対して必要とされる保守作業も相応に増大する。特に洋上の現場を考慮すると、短い時間間隔で定期的に複数のディーゼル発電機に燃料補給することは非常に費用が掛かる可能性がある。荒天の場合には、燃料補給作業が不可能になる可能性がある。また、燃料補給プロセスは、「ＥＨＳ（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ）」規制の影響を受けやすい。

ディーゼル発電機が、設置されたウィンドファームにおいて中央に配置されることも考えられ、したがってウィンドファームの一連の風力タービンに補助電力が供給される。各発電機は、増大した電気容量および増大したサイズを有することになるが、上記において説明した解決手段のようにコストも増大することになる。ただ１つのディーゼル発電機のみが対象となるので、このディーゼル発電機に対して必要とされる保守作業は軽減されることになる。特に洋上の現場を考慮すると、短い時間間隔でウィンドファームのディーゼル発電機に燃料補給することは非常に費用が掛かる。酷い荒天の場合には、燃料補給作業がやはり不可能になる可能性がある。それどころか、燃料補給プロセスは、「ＥＨＳ（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ）」規制に関して非常に問題となる。

図４には、公知の従来技術による補助電力供給部を備えた風力タービンが原理図で示されている。

風力タービン発電機Ｇは、発電機ブレーカＧＢを介して、主変換器ＭＣＯＮＶに接続されている。

発電機Ｇは、風力タービンブレードに作用する風に基づいて電力を生成する。電力は、可変の周波数を示す。

主変換器ＭＣＯＮＶは、ＡＣ／ＤＣ変換部およびＤＣ／ＡＣ変換部を含んでいる。主変換器ＭＣＯＮＶは、発電機Ｇから供給される電力を、規定の周波数を有する電力に変換する。

主変換器ＭＣＯＮＶは、主リアクタＭＲを介して、主ブレーカＭＢに接続することができる。

主リアクタＭＲは、主変換器ＭＣＯＮＶから供給された電力をフィルタリングして作用を及ぼすために使用される。

ＰＷＭフィルタＰＷＭＦを、主リアクタＭＲに並列接続させて配置することができる。このフィルタは、参考のために示されているに過ぎない。

主ブレーカＭＢは、風力タービンの変圧器ＴＲに接続されている。故障が主ブレーカＭＢと発電機Ｇとの間の構成要素において検出された場合には、主ブレーカＭＢが開かれる。

風力タービンが動作中であるか、または風力タービンが動作準備段階にある場合には、主ブレーカＭＢは閉じられる。

風力タービンの変圧器ＴＲは、中電圧ブレーカまたは高電圧ブレーカ（詳細には図示せず）を介して、グリッドＧＲに接続されている。

変圧器ＴＲは、電力を、所定の許容偏差を有する規定の電圧および規定の周波数を示すグリッド準拠電力に変圧する。

主変換器ＭＣＯＮＶおよび主リアクタＭＲは、許容偏差が例えば±３％である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を示す、許容偏差が例えば±１０％である６９０Ｖの出力電圧を、変圧器ＴＲに対する入力として供給することができる。

グリッドＧＲは、ウィンドファーム内部グリッドであってよい。またグリッドＧＲは、グリッドオペレータの外部電力グリッドであってもよい。

また補助電力ユニットＡＰＵは、補助ブレーカＡＢおよび（オプションとしての）ＥＭＩフィルタＥＭＩＦを介して、さらには変圧器ＴＲを介してグリッドＧＲに接続されている。

補助ブレーカＡＢは、補助電力ユニットＡＰＵの過負荷保護部および短絡保護部として機能する。

補助ブレーカＡＢは、補助電力ユニットＡＰＵにおいて過負荷が発生した場合、または短絡が発生した場合に、自動的に開かれる。

補助ブレーカＡＢは、補助構成要素の使用時に手動で開くことができる。

補助電力ユニットＡＰＵは、１つまたは複数の補助電源を含んでいる。図示したように、補助電力ユニットＡＰＵは、必要に応じて補助電力を供給する無停電電源装置ＵＰＳを含んでいる。

無停電電源装置ＵＰＳは、好適には、この無停電電源装置ＵＰＳによって５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを示す２３０Ｖの電圧を最終的に供給するように設計された、一連のバッテリまたはコンデンサバンクなどを含んでいる。

オプションとしての構成要素であるＥＭＩフィルタＥＭＩＦは、グリッドＧＲから変圧器ＴＲを介して補助電力ユニットＡＰＵに供給される補助電力をフィルタリングするために使用される。

補助電力ユニットＡＰＵは、主ブレーカＭＢと変圧器ＴＲとの間に存在する電力によって直接的に充電される。したがって、グリッドＧＲからの電力は、変圧器ＴＲ、補助ブレーカＡＢおよびＥＭＩフィルタＥＭＩＦを介して、補助電力ユニットＡＰＵに供給される。

補助電力ユニットＡＰＵの破線で示された四角の中の供給線によって示されているように、グリッドＧＲから受け取った電力は、風力タービンのモータ（すなわち、ピッチモータ、ファンモータ、ポンプモータ）に引き渡される。直接的な供給に起因して、モータに対する電力は、許容偏差が例えば±１０％である６９０Ｖの電圧（この特定のケースでは、別の電圧であってもよい）および許容偏差が例えば±３％である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を示す。

図示したように、グリッドＧＲおよび（補助）電子機器（すなわち、補助ブレーカＡＢ、フィルタＥＭＩＦ、無停電電源装置ＵＰＳ、給電される（１つまたは複数の）モータおよび（１つまたは複数の）制御部）は、何らかの形式で一緒に「ハードワイヤード」結線されている。

モータ（ピッチモータ、ファンモータ、ポンプモータ）または対応する他の機器は、国際標準および／またはローカル標準に準拠して、最大限の公差を示すように設計されなければならないことに留意されたい。

ハードワイヤードによる結線に起因して、（補助）電子機器の所望の電圧および周波数は、グリッドＧＲから変圧器ＴＲを介して供給される電圧および周波数と連携しなければならない。したがって、システムアーキテクチャにおけるある種の制限が存在する。

その結果、主変換器ＭＣＯＮＶからグリッドＧＲに供給される電圧および周波数に対して、何らかの不所望な制限が生じる。

また必要に応じて、補助電力が補助電力ユニットＡＰＵの無停電電源装置ＵＰＳから、２３０Ｖコンポーネント（すなわち、風力タービンの制御ユニットなど）に供給されることも考えられる。この補助電力は、相応に、２３０Ｖで５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電圧を示すことになる。

本発明の課題は、上記に挙げた問題を軽減するか、それどころか回避さえする、補助電力供給部を備えた、改善された風力タービンを提供することである。

この課題は、独立請求項に記載の特徴によって解決される。好適な構成は、各従属請求項に記載されている。

本発明によれば、風力タービンは、補助電力供給部を含んでいる。風力タービンは、さらに、発電機、主変換器および変圧器を含んでいる。発電機は、主変換器に接続されている。主変換器は、変圧器に接続されている。変圧器は、電気的なグリッドに接続されている。したがって、発電機によって生成された、可変の周波数を有する電力が、主変換器によって、規定の周波数を有する電力に変換され、その規定の周波数を有する電力が、変圧器によって変圧されて、グリッドに供給される。変圧は、グリッドコードの要件に即して行われる。補助電力を供給する補助電力供給部は、補助変換器を介して変圧器に接続されており、したがって、補助電力供給部は、補助変換器によって変圧器およびグリッドから分離されている。

補助電力供給ユニットと変圧器との間に補助変換器を実現することによって、「分離された補助電力供給部」が達成される。したがって、フルスケール電力変換器の完全な潜在能力（例えば、グリッドに対する改善された無効電力支援、改善された電圧範囲および周波数範囲）を利用することができる。

この分離に起因して、主変換器および主リアクタは、許容偏差が拡大された周波数を示す、許容偏差が拡大された出力電圧を、変圧器に対する入力として供給することができる。（図４を参照して上記において説明したような）システム全体における電圧および周波数についての不所望な制限を回避することができる。

それどころか、主変換器を一定のより高い電圧レベルで運転させることも可能になり、したがって、設計を一切変更することなく、主変換器の有効な電力可能出力は増大される（すなわち、＋１０％までの増大を達成することができる）。

図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。図面は、好適な構成を示すものであって、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明による風力タービンの第１の実施形態の原理図を示す。 本発明による風力タービンの第２の実施形態の原理図を示す。 本発明による風力タービンの第３の実施形態の原理図を示す。 本明細書の上記の導入部において説明したような、公知の従来技術による補助電力供給部を備えた風力タービンの原理図を示す。

図１は、本発明による風力タービンの第１の実施形態を示す。

この図に関して、図４に図示して説明した等価の構成要素および機能を参照されたい。

本発明によれば、補助電力供給部ＡＰＵは、補助変換器ＡＵＸＣ１を介して、補助ブレーカＡＢに接続されている。

したがって、補助電力供給部ＡＰＵは、補助ブレーカＡＢおよびその下位の構成要素から電気的に分離されている。

主変換器ＭＣＯＮＶおよび主リアクタＭＲのこのような分離に起因して、許容偏差が±ＸＸ％拡大された５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を示す、許容偏差がＸＸ％拡大された６９０Ｖの出力電圧（この例においては、別の製造業者に関連する別の電圧であってもよい）を、変圧器ＴＲに対する入力として供給することができる。

したがって、（上記において説明したような）電圧および周波数についての不所望な制限を回避することができる。

補助変換器ＡＵＸＣ１は、ＡＣ／ＤＣ変換部および後続のＤＣ／ＡＣ変換部を含んでいる。

１つの好適な構成においては、補助変換器ＡＵＸＣ１が、フルスケール電力変換器である。

補助変換器ＡＵＸＣ１は、グリッドＧＲと補助電力供給部ＡＰＵとの間の電圧依存性および周波数依存性を切り離すために使用される。

１つの好適な構成においては、ＥＭＦフィルタＥＭＩＦが、補助ブレーカＡＢと補助変換器ＡＵＸＣ１との間に配置されている。

ＥＭＦフィルタＥＭＩＦ１は、補助変換器ＡＵＸＣ１の上流側において、グリッドＧＲにおける高調波をフィルタリングするために使用される。

１つの好適な構成においては、補助変圧器ＡＵＸＴ１が、補助ブレーカＡＢと補助変換器ＡＵＸＣ１との間に配置されている。したがって、補助変圧器ＡＵＸＴ１はオプションである。

補助変圧器ＡＵＸＴ１は、以下の機能を含むことができる：昇圧トランスまたは降圧トランス／絶縁トランスまたはオートトランス。

補助変圧器ＡＵＸＴ１は、補助変換器ＡＵＸＣ１の上流側において、グリッドＧＲの電圧を昇圧または降圧するために使用される。

発電機Ｇは、好適には、「永久磁石発電機（ＰＭＧ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」である。

図２は、本発明による風力タービンの第２の実施形態を示す。

この図に関して、図１および図４に図示して説明した等価の構成要素および機能を参照されたい。

本発明によれば、補助電力供給部ＡＰＵは、補助変換器ＡＵＸＣ２を介して、補助ブレーカＡＢに接続されている。

補助変換器ＡＵＸＣ２は、ＡＣ／ＤＣ変換部および後続のＤＣ／ＡＣ変換部を含んでいる。

エネルギ貯蔵部ＥＮＳが、補助変換器ＡＵＸＣ２のＤＣ部に接続されている。

エネルギ貯蔵部ＥＮＳは、あらゆる種類のバッテリ、スーパーキャパシタなどであってよい。

１つの好適な構成においては、補助変換器ＡＵＸＣ２が、フルスケール電力変換器である。

エネルギ貯蔵部ＥＮＳは、補助変換器ＡＵＸＣ２に短時間エネルギまたは電力を供給するために使用することができる。

限定的な期間にわたり、無停電電源装置ＵＰＳは、グリッドＧＲまたは「発電機Ｇ−主変換器ＭＣＯＮＶ」構成からの電力の抽出を停止することができる。したがって、そのような抽出が行われるのではなく、電力は、エネルギ貯蔵部ＥＮＳから抽出されて、補助電力供給部ＡＰＵに供給される。

無停電電源装置ＵＰＳが装備されており、また能動的なグリッドサイドに接続されている場合には、（限定的な期間にわたり）無停電電源装置ＵＰＳが、グリッドＧＲまたは「発電機Ｇ−主変換器ＭＣＯＮＶ」構成からの電力の抽出を停止することが可能になる。その代わりに、電力をエネルギ貯蔵部ＥＮＳから抽出することができ、その電力を補助電力供給部ＡＰＵに供給することができ、また発電機Ｇにも供給することができる。

例えば、このことを、改善された「グリッドフォルトライドスルー、ＧＦＲＴ（ｇｒｉｄ ｆａｕｌｔ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）」能力、改善された慣性応答、改善された周波数制御、改善された反応能力、または必要とされる他の補助的なサービスのために使用することができる。

補助変換器ＡＵＸＣ２は、「無停電電源装置、ＵＰＳ」のように作用し、能動的なグリッドサイドまたは受動的なグリッドサイドで動作することができる。

図３は、本発明による風力タービンの第３の実施形態を示す。

この図に関して、図２に図示して説明した等価の構成要素および機能を参照されたい。

本発明によれば、補助電力供給部ＡＰＵは、補助変換器ＡＵＸＣ２を介して、補助ブレーカＡＢに接続されている。

補助変換器ＡＵＸＣ２はさらに、ブレーカＢ−ＥＭＦ−Ｂを介して、発電機Ｇおよび発電機ブレーカＧＢに接続されている。

グリッドに事故、故障または障害が発生した場合には、補助ブレーカＡＢおよび発電機ブレーカＧＢを開くことができる。次に、発電機Ｇが、０ＲＰＭから公称ＲＰＭの間の回転速度で回転される。次に、ブレーカＢ−ＥＭＦ−Ｂが閉じられ、発電機Ｇから直接的に補助変換器ＡＵＸＣ２への給電が行われる。

したがって、補助電力を風力タービン構成要素に供給することができ、また補助電力は、風力タービンの基本的な機能を維持および保証するために使用される。補助電力は、軸受け部への給油を実現するため、警告灯の機能を保証するため、風力タービンの専用の構成要素を加熱するため、（変換器などの）内部電力機器の減湿を確実なものにするため、風力タービンとコントローラとの間の通信を確実なものにするため、または風力タービン構成要素間の通信を確実なものにするため、などに使用されてもよい。

「高速アイドリング」さえも可能になる。「高速アイドリング」は、風力タービンがグリッドに接続されていない場合に波によって惹起されるタワー負荷を低減する方法である。これによって、タワーおよび基礎のための鋼が大幅に削減される。

この実施形態の利点は、グリッドの短期間または長期間の機能停止が発生した場合に、風力タービンは、上記において考察した、必要とされる自身の固有の補助電力を生成できるということである。

Claims (15)

1. 補助電力供給部（ＡＰＵ１）を備えた風力タービンにおいて、
   前記風力タービンは、さらに、発電機（Ｇ）、主変換器（ＭＣＯＮＶ）および変圧器（ＴＲ）を含んでおり、
   −前記発電機（Ｇ）は、前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）に接続されており、前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）は、前記変圧器（ＴＲ）に接続されており、前記変圧器（ＴＲ）は、電気的なグリッド（ＧＲ）に接続されており、
   −したがって、前記発電機（Ｇ）によって生成された、可変の周波数を有する電力が、前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）によって、規定の周波数を有する電力に変換され、該規定の周波数を有する電力が、前記変圧器（ＴＲ）によって変圧されて、前記グリッドに供給され、前記変圧は、グリッドコードの要件に即して行われ、
   −補助電力を供給する補助電力供給部（ＡＰＵ）は、補助変換器（ＡＵＸＣ１）を介して前記変圧器（ＴＲ）に接続されており、したがって、前記補助電力供給部（ＡＰＵ）は、前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）によって前記変圧器（ＴＲ）および前記グリッド（ＧＲ）から分離されている、
   風力タービン。
2. 前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）は、ＡＣ／ＤＣ変換部および後続のＤＣ／ＡＣ変換部を含んでいる、
   請求項１記載の風力タービン。
3. 前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）は、フルスケール電力変換器である、
   請求項１または２記載の風力タービン。
4. エネルギ貯蔵部（ＥＮＳ）が、前記補助変換器（ＡＵＸＣ２）のＤＣ部に接続されている、
   請求項２または３記載の風力タービン。
5. 前記補助変換器（ＡＵＸＣ２）は、好適にはブレーカ（Ｂ−ＥＭＦ−Ｂ）を介して、前記発電機（Ｇ）に接続されており、したがって、補助電力は、前記風力タービンの基本的な機能に必要とされる風力タービン構成要素に供給される、
   請求項１記載の風力タービン。
6. 前記発電機（Ｇ）は、発電機ブレーカ（ＧＢ）を介して、前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）に接続されている、
   請求項１記載の風力タービン。
7. 前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）は、主ブレーカ（ＭＢ）を介して、前記変圧器（ＴＲ）に接続されている、
   請求項１記載の風力タービン。
8. 前記主ブレーカ（ＭＢ）は、高電圧主ブレーカである、
   請求項７記載の風力タービン。
9. 前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）は、前記主ブレーカ（ＭＢ）を介して、前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）に接続されている、
   請求項７記載の風力タービン。
10. 主リアクタ（ＭＲ）が、前記主変換器（ＭＣＯＮＶ）と前記主ブレーカ（ＭＢ）との間に接続されている、
    請求項１記載の風力タービン。
11. 前記変圧器（ＴＲ）は、好適には低電圧ブレーカであるブレーカを介して、前記グリッド（ＧＲ）に接続されている、
    請求項１記載の風力タービン。
12. 前記グリッド（ＧＲ）は、ウィンドファーム内部グリッドまたはグリッドオペレータの電力供給グリッドである、
    請求項１記載の風力タービン。
13. 前記主ブレーカ（ＭＢ）は、補助ブレーカ（ＡＢ）を介して、前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）に接続されている、
    請求項７記載の風力タービン。
14. ＥＭＩフィルタ（ＥＭＩＦ）および／または補助変圧器（ＡＵＸＴ１）が、前記補助ブレーカ（ＡＢ）と前記補助変換器（ＡＵＸＣ１）との間に接続されている、
    請求項１３記載の風力タービン。
15. 前記補助電力ユニット（ＡＰＵ）は、無停電電源装置（ＵＰＳ）を含んでいる、
    請求項１記載の風力タービン。

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