JP4053890B2 - 風力タービンの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータによって駆動することができる、電気負荷、とくに電気グリッド（electric grid）に電力を供給するための発電機を備えた風力タービン（wind turbine）を操作するための方法に関するものである。
本発明は、さらにロータと、該ロータに連結された、電気負荷、とくに電気グリッドに電力を供給するための発電機とを備えた風力タービンに関するものである。

風のエネルギから電気エネルギを生成するための、よく知られた風力タービンにおいては、電気負荷、たいていは電気グリッドを伴った発電機が、グリッドに対して並列モードで操作される。換言すれば、風の供給が十分になれば、直ちに風力タービンは電気エネルギを生成してこれをグリッドに供給する。

しかしながら、例えばグリッド内での短絡の結果、もしグリッドに故障（failure）が起これば、従来は、風力タービンはグリッドから切り離され、正常な操作条件が回復されるまで、グリッドに接続されなかった。

これは、このようなグリッドの故障が起これば、要求される電力及び／又は電圧に大きな変動が生じるときにとくに必要とされる、グリッドに対する迅速な支援を行なうことはもはや不可能であるということを意味する。

それゆえ、本発明の目的は、グリッドにおける変動を可能な限り補償することができる、１つ又は複数の風力タービンのための制御システムを提供することである。

この目的は、発電機によって負荷に供給される電力が、負荷に出力される電流に応答して調整（regulate）される、本発明明細書の冒頭に記載された種類の方法によって達成される。

本発明明細書の冒頭に記載された種類の装置においては、上記目的は、負荷に供給される電流を測定するための電流センサを備えた制御装置によって達成される。ここで、発電機によって負荷に供給される電力は電流センサによって検出される電流に応答して制御されることができる。
このようにして、グリッドからの電力の要求に変動があるときにも、要求される電力が生成され供給されることができる。

例えばグリッド内での短絡の結果生じるグリッドの故障（failure）の場合、グリッド及び／又は風力タービンの部品への過負荷を防止するために、風力タービンは、グリッドに供給される電流があらかじめ決められた値を超えないように制御される。

本発明のとくに好ましい実施態様においては、一方では可能な限りグリッドを支援し、他方では部品をダメージの危険にさらすことを避けるために、供給されることができる最大電流のレベルが各グリッド位相（grid phase）について調整される。

とくに好ましい実施態様においては、風力タービンは、遠隔制御ステーションによって行なわれる規制（stipulation）に対応する外部入力によって操作されることができる。このようにして、例えば電力供給会社は、グリッドを支援すべき瞬間に必要とされる電流量を供給することを風力タービンに要求することができる。
本発明のその他の有利な実施態様は、下位の請求項に記載されている。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１に単純化した形態で示すように、ロータ４を備えた風力タービン２は、例えば公共のグリッドであってもよい電気グリッド６（グリッド送電網）に接続されている。このグリッドには、いくつかの電気負荷８が接続されている。図１中には示していないが、風力タービン２の発電機は、発電機で生成される交流電流をまず整流し、この後、この電流をグリッド周波数に対応する周波数を伴った交流電流に変換する電気制御・調整装置１０に接続されている。グリッド６ではなく、風力タービン２によって電気エネルギが供給される単一の負荷であってもよい。制御・調整装置１０は、本発明にかかる調整装置を有している。

図２は、本発明にかかる調整装置を示している。単純化した形態で示しているが、ロータ４は、風速ひいては風力に依存する電力量を供給する発電機１２に連結されている。発電機１２によって生成された交流電流は、まず整流され、この後、グリッド周波数に対応する周波数を有する交流電流に変換される。

電流センサ（図示せず）の支援により、グリッド６（図１参照）に供給されている電流の量が検出される。上記電流は、これと同時に、あらかじめ決められた値Ｉ（最大）と比較される。

ここで、もしグリッド６に供給される電流が、あらかじめ決められた最大電流Ｉ（最大）を超えれば、風力タービン全体（及び／又はその発電機）によって生成される電力が、グリッドに供給される電流があらかじめ決められた閾値Ｉ（最大）を超えないように、調整装置によって調整される。短絡が生じたときには、上記電流の調整が実施されることができる。これは、例えば、風力タービンが、グリッドに以前よりもかなり低いレベルの電力の出力を行なうことにより実施される。あるいは、グリッドの外部のどこかに供給し、電力が、例えばダンプロード（dumpload）用ないしは抵抗用のグリッドに供給されなくなる。又は、グリッドに供給されない電力を、コンデンサ又はその他の一時的な蓄電装置に供給する。グリッドが回復して完全に有効となったときには、直ちに蓄積されたエネルギのグリッドへの供給が再開されることができる。

このようにして、グリッド内に短絡が生じたときでも、風力タービンは、短絡の結果生じるあらかじめ決められた閾値を超える電流を生じさせることなく、グリッドに電力を供給してグリッドを支援し続けることができる。

図３は、図１中の制御・調整装置１０の構成部分を示している。制御・調整装置１０は、発電機によって生成された交流電流を整流する整流器１６を備えている。整流器１６に接続されたインバータ１８は、直流電流を、グリッド周波数に対応する周波数を伴った交流電流に変換する。この電流は、３相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３でグリッド６に供給される。インバータ１８は、調整装置の一部を構成するマイクロコントローラ２０の支援で制御される。マイクロプロセッサ２０は、この目的でインバータ１８に連結されている。風力タービン２によって供給される電力がグリッド６に供給される電流を調整するための入力変数（input variable）は、瞬時電流、グリッド周波数、発電機の出力電力Ｐ、力率ｃｏｓφ及び電力勾配ｄＰ／ｄｔである。本発明にかかる、グリッドに供給される電流の調整は、マイクロプロセッサ２０により実行される。各相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３における電流は個別に検出され、それらの各レベルは本発明にかかる調整装置において計算に入れられる。

もし、ある相の測定電流（レベル）Ｉ（実際の）が、あらかじめ決められた最大電流を超えれば、インバータ１８が次のような手法で制御される。すなわち、電流（レベル）が、あらかじめ決められた最大電流Ｉ（最大）より低くなる。風のエネルギから生成され、グリッドの供給されない電気エネルギは他の場所で用いられる。例えば抵抗（ダンプロード）に出力され、又は一時的な蓄電装置（例えば、コンデンサ又はウルトラキャップ（Ultracap））に蓄積される。

風力タービン用の制御システムは独立して操作することができる。この後、風力タービンは、例えば個別のグリッド位相の電圧及び／又はそれらの位相状態（phase position）を監視することにより、グリッド内の短絡を検出する。もし位相差及び／又は電圧のためのあらかじめ決められた閾値に達すれば、風力タービンは短絡を認識し、このような場合のためのアルゴリズムに従って操作する。

外部からのアクセス（２２）により、例えば、そのグリッドに風力タービンが接続されている電力供給会社は風力タービンの運転を中断することが可能である。そして、例えばグリッドに供給されるべき電流の量、電流のタイプ（有効電流、無効電流）及び／又は位相角及び／又は位相状態等を修正する。このようにして、電力供給会社は、ネットワークのオペレータの要求に対応する風力タービンによりグリッドに供給されるべき電力について、正確にこれらの値（電流、電圧、電力）を調整することができる。

グリッドに電力を供給する風力タービンの単純化された図である。 風力タービンを操作するための、本発明にかかる制御装置の図である。 制御及び調整を行なう装置の主な部品を示すブロック図である。

符号の説明

２ 風力タービン、４ ロータ、６ グリッド、８ 電気負荷、１０ 調整装置、１２ 発電機、１６ 整流器、１８ インバータ、２０ マイクロプロセッサ、２２ 外部アクセス手段。

Claims (18)

1. ロータ（４）によって駆動可能である、電気グリッド（６）に電力を出力するための発電機（１２）を備えた風力タービン（２）を操作するための方法であって、
   電気グリッド（６）に出力される電力の電流を検出し、
   電気グリッド（６）に故障が起こったときに、検出された電流に応答して、電気グリッド（６）に出力される電流があらかじめ決められた最大電流値を超えないように、電気グリッド（６）に出力される電力を制御し、
   これにより、風力タービン（２）は電気グリッド（６）に接続された状態を維持することができ、かつ、風力タービン（２）は電気グリッド（６）の迅速な支援を行うために電気グリッド（６）に電力を出力することができることを特徴とする方法。
2. 電気グリッド（６）に出力される電流が上記のあらかじめ決められた最大電流値を超えたときに、発電機（１２）によって負荷に出力される電力を、負荷に出力される電流の絶対値に応答して調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記電流が、あらかじめ決めることができる周波数の交流電流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. 上記の決めることができる周波数が、上記電気グリッド（６）の周波数と等しいことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 電気グリッド（６）に出力される電力の制御を、出力される電力があらかじめ決めることができる量を超えないようにする制御と、出力される電流があらかじめ決めることができる位相状態となるようにする制御と、出力される電流が、電気グリッド（６）に出力される電流の全量に対してあらかじめ決めることができる比率の無効電力電流を含むようにする制御とのうちの少なくとも１つにより行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 多相システムにおいては、電気グリッド（６）に出力される電力の制御を、出力される電力の量と、出力される電流の位相状態と、出力される電流における各位相に対する無効電力電流の比率とのうちの少なくとも１つが、それぞれのあらかじめ決めることができる値を超えないようにする制御により行うことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 各位相に対して、それぞれあらかじめ決めることができる値を、他の位相と独立してあらかじめ決めることができることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 短絡が起こる瞬間における瞬間値に対して、短絡により影響される全ての位相に対して電流を制限することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 電気グリッド（６）内の故障が短絡である場合は、風力タービン（２）は、電気グリッド（６）を保護するために、電気グリッド（６）に出力される電流が上記のあらかじめ決められた最大電流値を超えないように、電気グリッド（６）に電力を出力することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. ロータ（４）と、該ロータ（４）に連結され電気グリッド（６）に電力を出力するための発電機（１２）とを備えた風力タービン（２）であって、
    電気グリッド（６）に出力される電流を検出するための電流センサを備えた調整装置を有していて、
    上記調整装置は、電気グリッド（６）内に故障が起こったときに、電流センサによって検出される電流に応答して、電気グリッド（６）に出力される電流があらかじめ決められた最大電流値を超えないように、電気グリッド（６）に出力される電力を制御し、
    これにより、風力タービン（２）は電気グリッド（６）に接続された状態を維持することができ、かつ、風力タービン（２）は電気グリッド（６）の迅速な支援を行うために電気グリッド（６）に電力を出力することができるようになっていることを特徴とする風力タービン。
11. 上記調整装置がマイクロプロセッサ（２０）を有することを特徴とする、請求項１０に記載の風力タービン。
12. 上記調整装置に制御信号を伝送するための外部制御入力部（２２）を有することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の風力タービン。
13. 電気グリッド（６）における短絡を検出するための装置を有することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の風力タービン。
14. 上記電気グリッド（６）における少なくとも１つの位相の電圧を検出するための電圧検出装置を有することを特徴とする、請求項１３に記載の風力タービン。
15. 電流の位相状態及び／又は電気グリッド（６）における少なくとも１つの位相の電圧を検出するための位相モニタを有することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の風力タービン。
16. 上記調整装置は、電気グリッド（６）における少なくとも１つの位相の検出電圧が基準値から２０％より多く逸脱したときに、風力タービンの電気グリッド（６）への接続を維持することを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか１つに記載の風力タービン。
17. 上記調整装置は、電気グリッド（６）における少なくとも１つの位相の検出電圧が基準値から４０％より多く逸脱したときに、風力タービンの電気グリッド（６）への接続を維持することを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか１つに記載の風力タービン。
18. 上記制御信号を、外部制御入力部を経由して、電気グリッド（６）のオペレータから、又は電気グリッド（６）を操作するエネルギ供給者から受け取り、
    上記制御信号に応答して、該風力タービン（２）を、電気グリッド（６）のオペレータの需要に応じて制御し、
    これにより、電気グリッド（６）に出力される電力を、電気グリッド（６）のオペレータによって要求される非無効電力の量と、電流状態と、電圧状態と、位相状態とのうちの少なくとも１つに応じて電気グリッド（６）に供給するようになっていることを特徴とする、請求項１０〜１７のいずれか１つに記載の風力タービン。

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