JP4002763B2 - 電気ネットワークにおける電気エネルギを生成するための装置及び無効電力の調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、電力が、風力装置のロータによって好ましく駆動される発電機によって生成されて、発電機とネットワークとの間の無効電力を補償するための補償装置によって適切に変調されるようになっている電気ネットワークにおける無効電力の調整方法に関するものである。さらに、本発明は、風力装置のロータによって好ましく駆動される発電機と、発電機とネットワークとの間の無効電力を補償するための補償装置とを備えている、電気ネットワークにおける電気エネルギを生成するための装置に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
電気ネットワークに接続された多くの消費機器（consumer）は、誘導性無効電力（inductive reactive power）を必要とする。誘導性無効電力成分などの補償は、その容量性リアクタンスが誘導性リアクタンスとほぼ同じである位相シフトコンデンサとも呼ばれるコンデンサを用いることにより実施される。しかしながら、位相シフトコンデンサによる誘導性無効電力の完全な補償は、事実上、高出力変動が含まれるときには厳密には不可能である。さらなる不具合は、位相シフトコンデンサを必要とすることである。これらは、しばしば共に結合されてコンデンサバッテリと呼ばれるものを形成し、さらに非常に大きな空間を占める。このため電気ネットワークの安定性に悪影響を与える。
【０００３】
米国特許第５２２５７１２号公報は、風力装置用の電力コンバータを開示している。この装置は、出力された電力の所望の無効電力係数を調整するための手段を有している。
本発明の目的は、従来技術における上記不具合を解消して、単純な仕様で電気ネットワークにおける無効電力を補償することである。
【０００４】
この明細書の最初の部分に規定される種類の方法及び装置においては、この目的は、消費機器における無効電力を補償するといった方法で、消費機器に供給される電力が消費機器に対してその位相、振幅及び／又は周波数と適合する無効電力成分をもつように調整されるようになっている補償装置によって達成される。
【０００５】
本発明によれば、消費機器における無効電力を補償する位置に配置された補償装置によって、無効電力が「生成される」。たとえば、本発明にかかる補償装置によれば、それが消費機器における誘導性無効電力成分を実質的に完全に補償するといった方法で、消費機器によって要求される誘導性無効電力成分に適合する容量性無効電力成分を生成することが可能となる。かくして、本発明の利点は、基本的には、とくにしばしば高電力変動の惹起に迅速に対応する調整システムが得られ、その結果完全な無効電力補償が実質的に維持されるということである。したがって、誘導性又は容量性の無効電力が、電気ネットワークに選択的に供給されることができ、本発明によれば、これは補償装置の調整により達成される。
【０００６】
これに関して、本発明にかかる調整によれば、好ましく、生成される電力が、消費機器の周波数に対応する周波数のものか又は多重の消費機器周波数を表す周波数のものとなることも可能にする。したがって、前者の場合は、無効電力は電気ネットワークのネットワーク周波数又は消費機器の周波数でもって供給されることができる。後者の場合は、希望すれば、たとえば高調波無効電力が電気ネットワークに供給されることができる。たとえば、５次の高調波（fifth harmonic）が、容量性高調波として、２５０Ｈｚの周波数でネットワークに供給されることができる。この後、それは、たとえばテレビ、節電型電灯などの、電気ネットワークに接続された電機消費機器の高調波無効電力を補償する。
【０００７】
望ましくは、補償装置は、消費機器における無効電力を適切に補償するのに適した無効電力成分を生成するために、位相、振幅、及び／又は、電圧及び／又は電流特性の周波数がとくに容易に調整され又は変換されることができるインバータを有している。
【０００８】
好ましくは、補償装置は、フィードインポイントで電気ネットワークにおける電圧及び／又は電流の変化を検出する測定装置を好ましく有している。補償装置がインバータを備えている実施の形態の発展形においては、補償装置は測定装置の測定結果に応じてインバータを制御する。
【０００９】
発電機によって生成された電圧は、消費機器に供給される電力中の無効電力成分との適合に適した所定の参照値に実質的に好ましく調整される。この状態においては、無効電力成分の適合は、発電機によって生成される電流の位相又は電力係数（ｃｏｓψ）の適切な制御によって生じさせることができる。もし発電機が、配線及び／又は変圧器によって電気ネットワークに接続されていれば、発電機によって生成される電圧は、望ましく、その値がネットワーク電圧の値のオーダの大きさか又はこれに対応する大きさとなるように調整される。これは、発電機側での望ましくない高電圧又は低電圧を回避する。一般に、ネットワーク電圧は、もしそれが実質的に固定ネットワークを含むなら、実質的に一定である。
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施の形態が、添付の図面を参照しつつ、より詳細に説明される。
【００１１】
（発明の開示）
電気ネットワークにおける基本振動無効電力（fundamental oscillation reactive power）の発生は、すでに以前から知られている。図１〜図３は、種々の電圧及び電流の形態（configuration）を示している。
【００１２】
図１は、無効電力が存在しない状態を示している。すなわち、この場合、電圧Ｕ及び電流Ｉの位相はシフトされていない。電流は、電圧に対して進むことも、遅れることもない。それゆえ、基本振動無効電力は存在しない。
【００１３】
図２は、電流Ｉが電圧Ｕに対して時間的に遅れている状態を示している。この場合、誘導無効電力が必要とされ、これは、たとえば、インダクタンスを有する電気モータなど、大半の電気消費機器についてあてはまる。
【００１４】
図３は、電流Ｉが電圧Ｕに対して時間的に進んでいる状態を示している。容量性無効電力は、この場合は必要とされない。
【００１５】
図６は、風力装置２がネットワークシュプール（network spur）に接続されている形態を示している。消費機器６は、ネットワークシュプール又は電気配線４の始点（Ａ点）から終点（Ｅ点）までの間に接続されている。そして、もし風力装置２がネットワークに給電していなければ、配線４の始点（Ａ点）から終点（Ｅ点）にかけて、かなりの電圧降下が生じる。かくして、Ｅ点及びこれに最も近接する最後の消費機器６における電圧は、この電気配線４上のＡ点及びこれに最も近接する最初の消費機器６での電圧よりも低い。ここで、もし風力装置２又はより大きいウインドパーク（wind park）が、図６中のＥ点で電気配線４の終点に接続され、かつ電流が電力配線４に供給されているなら、電気配線４のＥ点における接続電圧は、極度に上昇する。このような状態は、風力装置２が電気配線４の終点に接続されていない場合とは逆である。
【００１６】
電気配線４が自由配線（free line）又は空中配線（overhead line）の形態である状態（地中ケーブルではない）では、このような配線は、実際には必然的にインダクタを表す。これに比べて、地中ケーブルは、通常、減衰されたコンデンサを表す。これに関して、図７に示すような配線の等価回路が注目される。
【００１７】
フィードインポイント（図６中のＥ点）での電圧は、風力装置２での無効電力調整によって調整されることができる。好ましく、インバータはこのような目的のために用いられる。
【００１８】
図８ａは、風力装置２の発電機３が、配線及び変圧器（transformer）により、通常は固定されたネットワークである、電気ネットワーク（図示せず）に接続された等価回路図を示している。図８ｂ〜８ｅは、種々の動作条件についてのベクトル図を示している。図８ｂに示すケースＡにおいては、風力装置２の発電機３は、電気ネットワーク１０に有効電力のみを供給する。フィードインポイント（Ｅ点）での電圧Ｕ_lineは、Ａ点での電圧Ｕ_networkより高いということが直ちにわかる。図８ｃに示すケースＢにおいては、有効電力に加えて、誘導性無効電力成分がネットワークに供給される。終点であるＥ点と始点であるＡ点とにおける電圧Ｕ_lineとＵ_networkとが等しいということがわかる。図８ｄに示すケースＣは、比較のため、過大な誘導性無効電力がネットワークに供給されている状態を示している。その結果、Ｅ点における電圧Ｕ_lineが極度に低くなる。図８ｅに示すケースＤは、過大な容量性無効電力がネットワークに供給されている状態を示している。その結果、フィードインポイント／Ｅ点における電圧Ｕ_lineは、電圧Ｕ_networkに対して非常に大きく上昇する。後者の状態は、絶対的に回避されなければならない。
【００１９】
図８ａに示すように、無効電力補償を行うために、発電機３とＥ点との間にインバータ（図示せず）が接続されている。ここで、このようなインバータの機能は、出力電流のｃｏｓψが迅速な応答性で動的に調整される限り、所定の電圧値に正確に追随することになる。
【００２０】
さらに、高調波無効電力が電気ネットワーク中に発生する。より詳しくは、たとえば調整された整流ドライブを操作する整流器又は工業操作を入力部に備えているテレビユニットなどの、電気消費機器が電気ネットワーク中に高調波を生成し、又は高調波を含む電流をかなり必要とする。図４は、高調波無効電力が必要とされる状態を示している。電圧の形態Ｕは、事実上正弦波状（sinusoidal）であり、他方電流Ｉは高調波を含む基本振動を含む。ここで５次の高調波が明確に認められる。図５は、電流Ｉの分離成分Ｉｎとして、必要とされる５次の高調波を示している。
【００２１】
この電流形態（電流高調波）におけるこのような高調波は、電気ネットワーク中の電圧の特性に影響を与える電気ネットワーク電圧高調波を引き起こす。それゆえ、このような高調波無効電力もまた補償されることが必要である。
【００２２】
図９は、その一端（図９中の左側）で電気ネットワーク（図示せず）に接続される一方、消費機器６がその他端（図９中の右側）に接続された分岐配線１１（tap line）を示している。このような分岐配線１１は、たとえば、工業地域、公園、又は１つもしくは複数の村に電流を供給することができる。消費機器６を流れている電流は、電流変換機１２により測定される。変換機１２の測定信号は、電流高調波が分岐配線１１の電流に含まれるオンラインを連続的に解析する評価回路１４を通される。その測定結果は、出力信号としてインバータ１６に供給される参照値として役立てられる。この後、これは実質的に同時に必要な高調波を生成し、これを変換機１２の上流の電気配線１１に供給する。これは、必要とされる高調波無効電力が、電気ネットワーク中に存在する高調波無効電力を補償するためのインバータ１６によって生成され、そして電気ネットワークから取り出されないことを確実にする。
【００２３】
図１０は、その電圧が電圧変換機１８によって測定される電気ネットワーク１０を図示している。電圧変換機１８の測定信号は、評価装置２０に供給される。所望の電圧形態をあらかじめ設定する参照値装置２２も存在する。評価装置２０の出力信号が、参照値装置２２の出力信号から減算装置２４によって減算される。そして、その結果生じる減算装置２４からの差分出力信号は、電気ネットワークにおける高調波無効電力を補償するために、インバータ１６に供給され、この後、実質的に同時に必要とされる高調波を生成する。それゆえ、この形態においては、ネットワーク電圧が電圧変換機１８によって測定され、評価装置２０は、どのような高調波が電圧形態に含まれているかを検出するのに役立つ。より詳しくは、電気ネットワーク１０中の高調波電流が、その周波数及び振幅に対応するネットワークインピーダンス電圧効果を生成する。このようにして測定され、計算された値は、電流参照値としてインバータ１６のためにあらかじめ決定される。この後、インバータ１６は、参照値に従って、必要とされる周波数、振幅及び位相位置を伴った電流高調波を生成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 種々の電圧及び電流の形態を示す図である。
【図２】 種々の電圧及び電流の形態を示す図である。
【図３】 種々の電圧及び電流の形態を示す図である。
【図４】 種々の電圧及び電流の形態を示す図である。
【図５】 図４に示す電流の形態における高調波成分を示す図である。
【図６】 風力装置と消費機器とが接続されたネットワークシュプールを示す図である。
【図７】 電気配線の等価回路図である。
【図８】 変圧器及び電気空中配線（ａ）を伴った電気ネットワークの等価回路図であり、これには風力装置の発電機が接続されている。又この図は種々の動作状態を表すベクトル図（ｂ〜ｅ）も示している。
【図９】 分岐配線における高調波電流を補償するための装置の模式的な回路図である。
【図１０】 電気ネットワークにおける高調波電流を補償するための装置の模式的な回路図である。
【符号の説明】
２…風力装置、３…発電機、４…電気配線、６…消費機器、１０…電気ネットワーク、１１…電気配線、１２…変換器、１４…評価回路、１６…インバータ、１８…電圧変換器、２０…電圧装置、２２…参照値装置。

Claims (18)

1. 電気ネットワーク（１０）における無効電力の調整方法であって、
   風力装置（２）のロータによって駆動される発電機（３）により電力を生成するステップと、
   複数の消費機器（６）に供給された電力の無効電力成分の周波数、位相及び振幅との適合によって無効電力を補償するために、発電機（３）と電気ネットワーク（１０）との間の補償装置（１６）により発電機（３）から電気ネットワーク（１０）に供給される電力を変調するステップとを含んでいて、
   電力を変調する上記ステップでは、
   発電機（３）から電気ネットワーク（１０）への電力のフィードインポイント（Ｅ）で、電気ネットワーク（１０）における電圧及び／又は電流の波形を測定し、
   上記消費機器（６）に供給される電力が、該消費機器（６）に供給された電力の無効電力成分に対して周波数、位相及び振幅について適合して上記消費機器（６）における無効電力を補償する無効電力成分をもつように、上記測定の結果得られた波形とあらかじめ決められた参照波形との差分に応じて該差分を低減し又はなくすよう補償装置（１６）を調整するようになっている方法。
2. 補償装置（１６）を、消費機器（６）における誘導性無効電力を補償するために、発電機（３）が容量性無効電力を生成するように調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 供給される電力が、消費機器（６）による無効電力の周波数に対応するか又はその多重の周波数を表す周波数のものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 補償装置がインバータ（１６）として動作することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 電気ネットワーク（１０）における電流の波形を測定し、
   測定された信号を連続的に分析するようになっていて、上記信号中に、電気ネットワーク（１０）に供給すべき必要高調波を生成する補償装置（１６）のための参照信号として役立つどのような高調波が含まれているかを分析することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 電気ネットワーク（１０）における電圧の波形を測定し、
   測定された信号を参照信号から減算するようになっていて、
   上記差信号を、電気ネットワーク（１０）に供給すべき必要高調波を生成する補償装置（１６）に供給することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
7. 無効電力成分との適合が、発電機（３）によって生成される電流の位相又は電力係数（ｃｏｓψ）の適切な制御によって実施されることを特徴とする、請求項１又は６に記載の方法。
8. 発電機（３）が配線及び／又は変圧器によって電気ネットワークに接続されていて、
   発電機（３）によって生成される電圧が、その値がネットワーク電圧の値のオーダの大きさのものであるか、又はネットワーク電圧の値に対応するものであるように調整されることを特徴とする、請求項１、６又は７に記載の方法。
9. 電気ネットワーク（１０）における電気エネルギを生成するための装置であって、
   風力装置（２）のロータによって駆動される発電機（３）と、
   複数の消費機器（６）に供給された電力の無効電力成分の周波数、位相及び振幅との適合によって無効電力を補償するための、発電機（３）と電気ネットワーク（１０）との間の補償装置（１６）と、
   発電機（３）から電気ネットワーク（１０）への電力のフィードインポイント（Ｅ）で、電気ネットワーク（１０）における電圧及び／又は電流の波形を測定するための測定装置と、
   上記消費機器（６）に供給される電力が、該消費機器（６）に供給された電力の無効電力成分に対して周波数、位相及び振幅について適合して上記消費機器（６）における無効電力を補償する無効電力成分をもつように、上記測定の結果得られた波形とあらかじめ決められた参照波形との差分に応じて該差分を低減し又はなくすよう補償装置（１６）を調整するための調整装置とを含んでいる装置。
10. 調整装置（１４、２０、２２、２４）が、消費機器（６）における誘導性無効電力を補償するために、発電機（３）が容量性無効電力を生成するといった手法で補償装置（１６）を調整することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 供給される電力が、消費機器（６）による無効電力の周波数に対応するか又はその多重の周波数を表す周波数のものであることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 補償装置（１６）がインバータ（１６）を有することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１つに記載の装置。
13. 調整装置（１４、２０、２２、２４）が、
    電気ネットワーク（１０）における電流の波形を検出するための測定装置（１２、１８）と、
    その中に、電気ネットワーク（１０）に供給すべき必要高調波を生成する補償装置（１６）のための参照信号として機能するどのような高調波が含まれているかを連続的に分析するための評価装置とを有することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１つに記載の装置。
14. 調整装置（１４、２０、２２、２４）が、測定装置（１２、１８）の測定結果に応じてインバータ（１６）を制御することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の装置。
15. 調整装置（１４、２０、２２、２４）が、
    電気ネットワーク（１０）における電圧の波形を検出するための測定装置と、
    測定された信号を参照信号から減算するための減算装置とを有し、
    上記差信号が、電気ネットワーク（１０）に供給すべき必要高調波を生成する補償装置（１６）に供給されることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１つに記載の装置。
16. 調整装置（１４、２０、２２、２４）が、発電機（３）によって供給される電流の位相又は電力係数（ｃｏｓψ）の適切な制御によって、無効電力成分との適合を実施するようになっていることを特徴とする、請求項９又は１５に記載の装置。
17. 発電機（３）が、配線及び／又は変圧器によって電気ネットワークに接続されていて、
    調整装置が、発電機（３）によって生成される電圧を、その値が、ネットワーク電圧の値のオーダの大きさのものであるか、又はネットワーク電圧の値に対応するものであるように調整することを特徴とする、請求項１５又は請求項１６に記載の装置。
18. 請求項９〜１７のいずれか１つに記載の装置を含んでいる風力発電装置。

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