JP4448114B2 - 一定の皮相電力の風力発電装置又は複数の風力発電装置を備えたウィンドパーク - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置又は複数の風力発電装置を備えたウィンドパークに関するものである。

風力発電装置又はこれを備えたウィンドパークは、通常、電流電圧ネットワークに接続され、生成された電流が該ネットワークに供給ないしは配給されるようになっている。

風力発電装置を用いる場合における電流供給の特殊性は、大きく変動する風の状態が、供給される電力にもこれに相応する変動を惹起するということである。これは、電力の変動が長期間にわたっては明らかに生じるものの比較的短い期間では電力の変動が生じない原子力発電所、水力発電所、石炭又は天然ガスの燃焼による火力発電所などのエネルギ生成施設との大きな相違点である。それゆえ、原子力発電所、水力発電所、天然ガスの燃焼による火力発電所等は、どちらかといえばネットワークの基本負荷をまかなうために用いられ、他方風力発電装置が基本電流負荷をまかないうるのは、連続的に風が吹いている地域においてのみである。
ＵＳ５１８７４２７Ａ ＤＥ２９６２１４４９Ｕ ＤＥ１００１９３６２Ａ ＷＯ０１７３５１８Ａ ＵＳ５２２５７１２Ａ ＪＰ２０００−０７８８９６Ａ CARLIN P W: "An Investigation Of The Interaction Of A Wind Farm And Hawaiian utility Line" PROCEEDINGS OF THE 25TH INTERSOCIETY, Online, 12-17 August 1990, pages 202-206, XP002195327, Energy conversion engineering conference IECEC-90, ISBN: 0-8169-0490-1, <URL:http://ieeexplore.ieee.org/ie14/5796/16147/00747951.pdf>, retrieved on 2002-04-08, page 203, column 1, paragraph 3

それゆえ、電力供給の変動がとくに大きい風力発電装置がネットワークに接続されているところではどこでも、電気供給ユーティリティ（ＥＳＵ）は、しばしばネットワークのための安定化手段又は支援手段も備えていなければならない。なぜなら、ＥＳＵ側では、ネットワークに電流及び電圧の変動が存在しないことが望まれるからである。

本発明の目的は、上記不具合を防止すること、あるいは、少なくとも低減することである。

上記の目的は、請求項１にかかる特徴を備えた風力発電装置（wind power installation）、又は、複数の風力発電装置を備えたウィンドパーク（wind park）によって達成される。有利な発展形は、従属請求項に規定されている。

本発明は、現実に吹いている風の量及び風力発電装置から得られる有効電力（active power）とは独立して、ネットワークに一定の皮相電力（apparent power）を常時供給する風力発電装置又は複数の風力発電装置を備えたウィンドパークを提供する。

皮相電力は、次の式によって計算される。
Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２
ここで、Ｓは皮相電力をあらわし、Ｐは有効電力をあらわし、Ｑは無効電力（reactive power）をあらわしている。したがって、もし対応する風量に起因して現実の有効電力が上昇すれば、無効電力の比率はまた、これに対応して減少する。この関係は、添付の図１及び図２により、非常に詳細に理解することができる。

本発明の利点は、電流供給ネットワークの動作の安定化又は支援（support）を図ることができることである。例えば、風が弱いことに起因して有効電力が少なくなれば、無効電力の供給によりネットワークの質（quality）が改善される。すなわち、これは電圧の変動を低減し、これはさらに、もしネットワークの電圧が上限値に到達すれば、ネットワークへの電気エネルギの供給が低減されなければならないということを確実に意味する。無効電力の時々刻々の比率（respective proportion）は、キャパシタンス（capacitance）又はインダクタンス（inductive）で調整されることができる。

もし十分な有効電力が存在すれば、それはネットワークに供給され、電力需要が変動する場合はネットワークを支援する。すなわち、無効電力の残りの比率部分は、容量性又は誘導性の無効電力として既知の手法で供給されることができる。

電力勾配（ｄＰ／ｄｔ）の自在な調整は、電力の急速な変化に関するネットワークの受け入れ能力への適合を可能にする。風力発電が支配的なネットワークにおいてでも、前記の皮相電力の管理は、とくにコスト低減効果を得るために必要な強化手段に関して、計画段階ですでに考慮されることができる。

本発明によれば、風力発電装置に作用している風を最適な態様で用いて電気エネルギに変換することができるだけでなく、またネットワークに関して欠点のない仕様の操作が可能であり、それらの操作効率の点で支援されることができる。それゆえ、それは、ネットワークの質にも積極的に寄与する風力装置全体又はネットワークに供給される電流の質の基準（quality standard）を総括的に高めることができ、これは本発明にかかる風力発電装置の皮相電力調整により可能となる。

以下、本発明を、添付の図面を参照しつつ、実施の形態により非常に詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる風力発電装置の調整における、無効電力／有効電力の時間に対する変化を示している。ここで、Ｐは有効電力を示し、Ｑは無効電力を示している。

この図から明らかなとおり、有効電力の値及び無効電力の値は、互いに相反的（reciprocal）な関係を示している。すなわち、有効電力の上昇に伴って無効電力が低下し、また逆の場合は逆の結果となる。
この場合、有効電力の２乗と無効電力の２乗の合計は一定である。

図２は、風力発電装置において本発明にかかる制御を実施するための調整装置を示している。風力発電装置の制御調整装置は、まず、この風力発電装置の発電機によって生成された交流電圧を整流する整流器１６を有している（直流電圧中間回路）。この整流器に接続された周波数変換器は、最初は中間回路と同一である直流電圧を、配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を経由して３相交流電圧の形態でネットワークに供給される交流電圧に変換する。周波数変換器１８は、包括的な調整装置の一部をなすマイクロコンピュータ２０により制御される。この目的を達するため、マイクロプロセッサは周波数変換器１８に接続されている。電圧と位相と電流位置（current position）を調整するための入力パラメータは、皮相電力Ｓと、発電機の電力Ｐと、無効電力係数ｃｏｓ と、電力勾配ｄＰ／ｄｔとである。これらのパラメータでもって、風力発電装置で得られた電気エネルギがネットワークに供給される。生成される時々刻々の有効電力（respective active power）に応じて、次の式により、予め設定された皮相電力となるように、無効電力も調整される。
Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２

例えば有効電力又は無効電力が所定の値を超えないことが定められている場合、もし必要であれば操作モードを変更することもまた可能であるということが理解されるであろう。例えば、接続されたネットワークのＥＳＵが、所定の量の無効電力がネットワークに常時供給されることを要求する場合、それは適切な調整により考慮されなければならない。本発明にかかるエネルギ供給ネットワークへの一定の皮相電力の送電（feed）の結果、あるいはエネルギ供給ネットワークへの一定皮相電力の送電（feed）の供給（supply）の結果、変動する有効電力でもって、一定の皮相電力が達成されるように、これに応じて無効電力（有効電力と相反的関係にある）が調整される。

一定の皮相電力でもってネットワークに介在することを可能にするために、風力発電装置によって生成された有効電力は、当然、ネットワークに高い比率の（容量性又は誘導性の）無効電力を送電できるように適切かつ特別に低減されることもできる（例えば、ロータブレードのピッチ制御により）。このような手段は、理論的にはより高い現実の有効電力であっても、ネットワークがこれに対応して積極的に操作されることができるということを意味する。

本出願にかかる発明においては、例えば、それは第１の目的である一定電圧の維持ではなく、ネットワークのオペレータの要望に応じたネットワーク電圧の操作であってもよい。かくして、無効電力の比率で有効電力の比率を補助することにより、ネットワーク内の電圧レベルを所望の値に高めることが可能となる。これらの効果はとくにネットワークの地勢（ないしは位相形態：topology）にも依存するということが理解されるであろう。しかしながら、風力発電装置の近くにおける無効電力に対する高い需要がある場合は、この無効電力は、長距離にわたりこれに相応する損失を伴うネットワークを経由して伝送される必要はなく、風力発電装置によって消費者の比較的近くで供給されることができる。

風力装置の制御における、有効電力／無効電力の時間に対する変化を示すグラフである。 風力装置の調整装置の回路を示すブロック図である。

符号の説明

１６ 整流器
１８ 周波数変換器
２０ マイクロコンピュータ

Claims (16)

1. ネットワークに電力を供給する風力発電システムであって、
   上記ネットワークに供給される電力の調整を行うための装置を有する複数の風力発電装置を備えていて、
   変動する風の状態に起因して変動する上記風力発電装置の有効電力に応じて無効電力を調整することにより、一定の皮相電力が上記ネットワークに常時供給されるように上記電力の調整を行うことを特徴とする風力発電システム。
2. 上記皮相電力を、Ｓを皮相電力の大きさとし、Ｐを有効電力の大きさとし、Ｑを無効電力の大きさとすれば、次の式
   Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２
   により計算することを特徴とする、請求項１に記載の風力発電システム。
3. 電力の調整を行うための上記装置が、上記風力発電装置に接続された整流器と、上記整流器に接続された周波数変換器とを備えていて、上記周波数変換器は該周波数変換器に接続されたマイクロプロセッサによって制御されることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電システム。
4. ネットワークに電力を供給するウィンドパークであって、
   変動する風の状態により変動する有効電力を生成する少なくとも１つの風力発電機と、
   無効電力供給部と、
   上記風力発電機と上記無効電力供給部とに接続され、上記風力発電装置の変動する有効電力に応じて無効電力を調整することにより、上記ネットワークに一定の皮相電力を常時供給する調整装置とを備えていることを特徴とするウィンドパーク。
5. 上記調整装置が、Ｓを一定の皮相電力の大きさとし、Ｐを有効電力の大きさとし、Ｑを無効電力の大きさとすれば、次の式
   Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２
   により、上記ネットワークに一定の皮相電力を供給することを特徴とする、請求項４に記載のウィンドパーク。
6. 上記調整装置が、上記少なくとも１つの風力発電機に接続された整流器と、上記整流器の出力部に接続された周波数変換器と、上記周波数変換器の出力部に接続され、かつ上記周波数変換器の制御入力部に接続された出力部を有するマイクロプロセッサとを備えていて、
   上記マイクロプロセッサが、有効電力に対して互いに相反的な関係をもつように無効電力を調整することを特徴とする、請求項５に記載のウィンドパーク。
7. 上記調整装置が、全電力の増加を求める上記ネットワークの要求に応じて、上記ネットワークに対する全電力出力が増加するように有効電力と無効電力とを組み合わせることを特徴とする、請求項６に記載のウィンドパーク。
8. 上記無効電力供給部が容量性の電力供給部を備えていることを特徴とする、請求項４に記載のウィンドパーク。
9. 上記無効電力供給部が誘導性の電力供給部を備えていることを特徴とする、請求項４に記載のウィンドパーク。
10. 少なくとも１つの風力発電機を有する風力発電装置に接続されたネットワークに一定の皮相電力を供給する方法であって、
    風力発電機を設けて、変動する風の状態に応じて変動する有効電力を生成する過程と、
    上記風力発電機からの有効電力を整流する過程と、
    整流された有効電力を変換する過程と、
    無効電力を供給する過程と、
    変動する有効電力に応じて無効電力を調整して、一定の皮相電力を上記ネットワークに常時出力する過程とを含むことを特徴とする方法。
11. 有効電力に対して互いに相反的な関係をもつように無効電力を調整して皮相電力を一定にすることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 上記有効電力及び上記無効電力を、Ｓを皮相電力の大きさとし、Ｐを有効電力の大きさとし、Ｑを無効電力の大きさとすれば、次の式
    Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２
    により調整することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
13. 上記調整過程が、全電力の増加を求める上記ネットワークの要求に応じて、上記ネットワークに対する全電力出力が増加するように有効電力と無効電力とを組み合わせる過程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
14. ネットワークに電力を供給するための風力発電装置で生成された電力を調整する装置であって、
    上記風力発電装置に接続され、変動する風の状態に応じて生成された変動する有効電力を受け入れて直流電圧を出力する整流器と、
    上記整流器に接続され、上記整流器からの直流電圧を受け入れるとともに、該直流電圧を、ネットワークに出力する交流電圧に変換する周波数変換器と、
    上記周波数変換器の出力部に接続され、かつ、上記周波数変換器の制御入力部に接続された出力部を有する制御装置とを備えていて、
    上記制御装置は、上記周波数変換器を制御して、上記風力発電装置の変動する有効電力に応じて無効電力を調整することにより一定の皮相電力を上記ネットワークに常時出力し、
    上記皮相電力は、整流器の出力部における直流電圧からの有効電力と、無効電力供給部からの無効電力とを含み、
    これらの電力は、Ｓを皮相電力の大きさとし、Ｐを有効電力の大きさとし、Ｑを無効電力の大きさとすれば、次の式
    Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２
    を満たすことを特徴とする装置。
15. 上記制御装置が、皮相電力Ｓと有効電力Ｐと無効電力係数と電力勾配ｄＰ／ｄｔとを含む入力に応じて電流及び位相を制御するとともに、上記ネットワークに供給される電圧を制御するマイクロプロセッサを備えていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 上記制御装置が、全電圧出力の増加を求める上記ネットワークの要求に応じて、上記ネットワークに対する全電圧出力が増加するよう有効電力と無効電力とを組み合わせることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。

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