JP5420273B2 - エネルギー・システム - Google Patents

Description

本発明は、再生可能なエネルギーの分野に係り、独立請求項の前提部分に規定されたエネルギー・システムに基づいている。

風力エネルギー・システムは、エネルギー源が次第に消失しつつあることから、代替エネルギーの供給源としての使用が増大しており、それらは、従来から、陸上にまたは海岸に近い海の中に設置されている。更には、潮力エネルギー・システムは、典型的に、海底に設置され、潮差または海水の流れが、主たるエネルギー源として使用される。

この一般的なタイプの風力エネルギー・システムは、“Power Quality Measurements Performed on a Large Wind Park at Low and Medium Voltage Level”, E. Ghiani et al., International Conference on Power System Transients, June 4-7, 2007. の中に規定されている。この文献において、風力エネルギー・システムは、風力タービンを有していて、この風力タービンは、発電機に接続され、この発電機は、典型的に、少なくとも二つのステータ巻線を有している。これらのステータ巻線は、高い交流電圧を作り出すために用いられる変圧器に接続され、その結果として、これに関係する電気的なエネルギーが、損失無く且つ効率良く、伝送されることが可能である。

しかしながら、特に、沖合いの海中に設置される風力エネルギー・システムの場合、または、典型的に海面の下に設置される潮力エネルギー・システムの場合には、変圧器、特に油変圧器は、設置上の理由及びメインテナンス上の理由のために、好ましくない。更に、もし、変圧器が適切に且つ定期的にメインテナンスされていない場合には、故障率、及びエネルギー・システムの故障の感受性が、大きく増大して、その結果、稼働率が減少する。

"Power Quality Measurements Performed on a Large Wind Park at Low and Medium Voltage Level", E. Ghiani et al., International Conference on Power System Transients, June 4-7, 2007.

本発明の目的は、それ故に、頑丈で且つ変圧器を必要とない、シンプルなデザインのエネルギー・システムを規定することにある。この目的は、請求項１の特徴により実現される。本発明の好ましい発展形態は、従属請求項の中に規定されている。

本発明に基づくエネルギー・システムは、風力タービンまたは水力タービンを有していて、そのタービンは発電機に接続され、この発電機は少なくとも二つのステータ巻線を有している。本発明によれば、各ステータ巻線は、それぞれ対応する整流器ユニットを有し、各ステータ巻線は、対応する整流器ユニットの交流電圧側に接続されている。整流器ユニットの数は、それ故に、ステータ巻線の数に対応している。更に、各整流器ユニットは、それぞれ対応するエネルギー貯蔵回路を有し、各整流器ユニットは、直流電圧側で、対応するエネルギー貯蔵回路に並列に接続されている。エネルギー貯蔵回路の数は、それ故に、整流器ユニットの数に対応している。更に、エネルギー貯蔵回路は、互いに直列に接続されている。

少なくとも二つの整流器ユニットは、それぞれの直流電圧側に、即ち、対応するエネルギー貯蔵回路を横切って、直流電圧を作り出し、エネルギー貯蔵回路の直列接続部に、直流電圧が加えられると言う結果をもたらし、かくして、好ましくも、エネルギー貯蔵回路を横切って、高いトータルの直流電圧（Gesamtgleichspannung）をもたらす。それ故に、高い交流電圧を作り出すための変圧器が余分になり、好ましくも省略されることが可能になる。

例として挙げると、これに関係する電気的なエネルギーが、損失無しで且つ効率良く、中電圧の直流伝送または高電圧の直流伝送（ＨＶＤＣＴ）により、伝送されることが可能である。本発明に基づくエネルギー・システムは、変圧器を有していないので、複雑な設置作業及びメインテナンス作業も無くなり、その結果として、全体として、エネルギー・システムがよりシンプルで且つより頑丈になり、高い稼働率が得られることになる。

本発明の、これらの及び更なる目的、優位性及び特徴は、本発明の好ましい実施形態の例についての以下の詳細な説明及び図面から、明らかになるであろう。

図１は、本発明に基づくエネルギー・システムの第一の実施形態を示す。 図２は、本発明に基づくエネルギー・システムの第二の実施形態を示す。 図３は、本発明に基づくエネルギー・システムの第三の実施形態を示す。 図４は、本発明に基づくエネルギー・システムの第四の実施形態を示す。

図面の中で使用されている参照符号、及びそれらの意味は、参照符号のリストの中に、まとめの形で挙げられている。これらの図において、原則として、同一の部分には同一の参照符号が付与されている。ここに記載された実施形態は、本発明の主題の例を表していて、本発明を限定する効果は有していない。

図１は、本発明に基づくエネルギー・システムの第一の実施形態を示す。このエネルギー・システムは、例えば風力エネルギー・システムの場合には、風力タービン１を有し、また、例えば潮力エネルギー・システムの場合には、水力タービン１を有している。そのタービンは発電機２に接続され、この発電機２は少なくとも二つのステータ巻線３を有している。如何なるタイプの発電機も実現可能であり、それは、例えば、同期式マシン、非同期式マシン、永久磁石マシン、リラククタンス・マシン（Reluktanzmaschine）マシン、などである。

本発明によれば、一般的に、各ステータ巻線３は、それぞれ対応する整流器ユニット４を有していて、各ステータ巻線３は、対応する整流器ユニット４の交流電圧側に接続されている。従って、整流器ユニット４の数は、ステータ巻線３の数に対応する。更に、各整流器ユニット４は、それぞれ対応するエネルギー貯蔵回路５を有していて、各整流器ユニット４は、直流電圧側で、対応するエネルギー貯蔵回路５に対して並列に接続されている。それ故に、エネルギー貯蔵回路の数５は、整流器ユニット４の数に対応している。更に、エネルギー貯蔵回路５は、互いに直列に接続されている。

例えば、図１に示された実施形態は、五つのステータ巻線３を有していて、それ故にまた、五つの整流器ユニット４を有し、それ故にまた、五つのエネルギー貯蔵回路５を有している。一般的に少なくとも二つの整流器ユニット４が、それぞれの直流電圧側に、即ち対応するエネルギー貯蔵回路５を横切って、直流電圧を作り出し、エネルギー貯蔵回路の直列接続部５に直流電圧が加えられると言う結果をもたらし、かくして、エネルギー貯蔵回路５を横切る高いトータル直流電圧を、好ましくも、もたらす。それ故に、高い交流電圧を作り出すための変圧器が余分になり、好ましくも、省略されることが可能になる。更に、エネルギー・システムの接続部ポイントに敷設されなければならない、必要なケーブル数及び断面積が減少される。

例として挙げると、これに関係する電気的なエネルギーが、中電圧の直流伝送または高電圧の直流伝送（ＨＶＤＣＴ）の助けにより、損失無く且つ効率良く、伝送されることが可能であり、特に、風力エネルギー・システムの場合、または、潮力エネルギー・システムの場合に（例えば、この場合には、陸地への伝送）、効果が大きい。本発明に基づくエネルギー・システムは、変圧器を有していないので、このことはまた、複雑な設置作業及びメインテナンス作業を不要にし、その結果として、当該エネルギー・システムが、全体としてよりシンプルで且つより頑丈になり、高い稼働率が得られることになる。整流器ユニット４は、それぞれ、二つのハーフ・ブリッジ回路、即ち一つのフル・ブリッジ回路の形態である。

図１に示されているような、本発明に基づくエネルギー・システムの第一の実施形態によれば、あるいは、図２、図３及び図４にそれぞれ示されているような第二の、第三の及び第四の実施形態（それらについては、以下のテキストにおいてより詳細に説明される）、各整流器ユニット４は、一般的に、コントロール可能な電力半導体スイッチを備えた能動的な整流器ユニット４の形態であり、即ち、フル・ブリッジ回路は、コントロール可能な電力半導体スイッチを有している。能動的な整流器ユニット４の優位性は、例えば突風または流れの変化によって、負荷が変動する場合に、発電機２がより良くコントロールされることが可能であると言うことである。更に、ロータ・ブレードの取付けのためにロータ・スター（Rotorstern）を配置するために、発電機４をモータとして駆動することが可能である。

代替として、及び更なるシンプル化として、特に駆動の複雑さを減らすために、一般的に、各整流器ユニット４が、受動的なコントロールできない電力半導体スイッチを備えた受動的な整流器ユニット４の形態であること、即ち、フル・ブリッジ回路が、受動的なコントロールできない電力半導体スイッチ（例えば電力ダイオード）のみを有していることもまた、実現可能である。

もし、整流器ユニット４が受動的な整流器ユニット４の形態のであって、発電機が、例えば、永久磁石マシンの形態のである場合には、キャパシタ８は、好ましくは、ステータ巻線３と受動的な整流器ユニット４の間に直列に接続され、かくして、高い力率での運転を実現することを可能にする。このようなキャパシタ８の回路は、図４に示されているような第四の実施形態の中に示されている。更に、各整流器ユニット４が、一般的に、複数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための複数ポイントのコンバータの形態であることも実現可能である。

図１によれば、エネルギー貯蔵回路５は、容量性エネルギー貯蔵装置を有していて、かくして、極めてシンプルなエネルギー貯蔵回路を作り出すことを可能にする。この代替形態として、及び図２に示されているような、本発明に基づくエネルギー・システムの第二の実施形態によれば、及び図３に示されているような、本発明に基づくエネルギー・システムの第三の実施形態よれば、エネルギー貯蔵回路５が第一の容量性エネルギー貯蔵装置及び第二の容量性エネルギー貯蔵装置を有していることもまた、実現可能であり、この場合、第二の容量性エネルギー貯蔵装置は、第一の容量性エネルギー貯蔵装置に対して直列に接続され、かくして、エネルギー貯蔵回路５当りのより高い直流電圧を、好ましくも、実現することを可能にする。

図２によれば、各ステータ巻線３は、第一の接続部Ａ及び第二の接続部Ｂを有していて、第一の接続部Ａは、対応する整流器ユニット４の交流電圧側に接続され、第二の接続部Ｂは、第一の容量性エネルギー貯蔵装置と第二の容量性エネルギー貯蔵装置の結合ポイントに接続されている。それぞれの整流器ユニット４は、図２に示されているように、好ましくは、単一のハーフ・ブリッジ回路の形態であることが可能であり、その結果として、フル・ブリッジ回路の形態のそれぞれの整流器ユニット４のための電力半導体スイッチを省略することが可能である。それ故に、これは、全体としてエネルギー・システムを更にシンプルにする。

図３に示されているように、各ステータ巻線３は、三つの巻線要素３ａ，３ｂ，３ｃにより形成され、各巻線要素３ａ，３ｂ，３ｃは、それぞれのステータ巻線３に対応する整流器ユニット４の交流電圧側に接続されている。図３に示されているように、三つの巻線要素３ａ，３ｂ，３ｃは、好ましくは、スター回路に接続される。

漏電（例えば、整流器ユニット４の漏電）の場合に、そして、図１、図２、図３及び図４に示されているように、短絡手段６が各エネルギー貯蔵回路５に対して並列に接続され、それにより、対応するエネルギー貯蔵回路５が短絡されることを可能にする。それでも、当然、エネルギー・システムの更なる運転が、好ましくも可能であり、その場合には、全てのエネルギー貯蔵回路５を横切るトータルの直流電圧が減少される。漏電の場合の、トータルの直流電圧の減少が、エネルギー・システムの適切なデザインにより、もたらされることが可能であり、それによって、たとえ１つのＧエネルギー貯蔵回路５が短絡されたとしても、残りの整流器ユニット４により、定格のトータルの直流電圧が作り出されることが可能になる。

更に、図１、図２、図３及び図４に示されているように、絶縁手段７が各接続部の中でステータ巻線３に接続され、その絶縁手段７は、ステータ巻線３の電気的な絶縁のために使用される。例えば、ステータ巻線３の中での漏電の場合に、このステータ巻線３が、好ましくも絶縁されことが可能である。

更に、例えば、メインテナンスまたは試験目的のために、および／または、それを交換するために、対応する短絡手段６により一つのエネルギー貯蔵回路５を短絡させることによって、且つ同時に、絶縁手段７により対応するステータ巻線３を絶縁することによって、対応する整流器ユニット４が絶縁されることが可能である。

１…風力タービンまたは水力タービン、２…発電機、３…ステータ巻線、３ａ，３ｂ，３ｃ…ステータ巻線の巻線要素、４…整流器ユニット、５…エネルギー貯蔵回路、６…短絡手段、７…絶縁手段、８…キャパシタ。

Claims (11)

1. 風力タービン（１）または水力タービン（１）を有するエネルギー・システムであって、
   このエネルギー・システムは、発電機（２）に接続され、
   この発電機（２）は、少なくとも二つのステータ巻線（３）を有し、
   整流器ユニット（４）が、それぞれ各ステータ巻線（３）に対応して設けられ、
   各ステータ巻線（３）は、対応する整流器ユニット（４）の交流電圧側に接続された、
   エネルギー・システムにおいて、
   各整流器ユニット（４）は、それぞれ対応するエネルギー貯蔵回路（５）を有し、各整流器ユニット（４）は、直流電圧側で、対応するエネルギー貯蔵回路（５）に並列に接続されていること；及び、
   それらのエネルギー貯蔵回路（５）は、互いに直列に接続されていること；
   を特徴とするエネルギー・システム、
2. 下記特徴を有する請求項１に記載のエネルギー・システム：
   前記エネルギー貯蔵回路（５）は、容量性エネルギー貯蔵装置を有している。
3. 下記特徴を有する請求項１に記載のエネルギー・システム：
   前記エネルギー貯蔵回路（５）は、第一の容量性エネルギー貯蔵装置及び第二の容量性エネルギー貯蔵装置を有し、第二の容量性エネルギー貯蔵装置は、第一の容量性エネルギー貯蔵装置に対して直列に接続されている。
4. 下記特徴を有する請求項３に記載のエネルギー・システム：
   各ステータ巻線（３）は、第一の接続部（Ａ）及び第二の接続部（Ｂ）を有し、
   第一の接続部（Ａ）は、対応する整流器ユニット（４）の交流電圧側に接続され、第二の接続部（Ｂ）は、第一の容量性エネルギー貯蔵装置と第二の容量性エネルギー貯蔵装置の結合ポイントに接続されている。
5. 下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
   各ステータ巻線（３）は、三つの巻線要素（３ａ，３ｂ，３ｃ）により形成され、
   各巻線要素（３ａ，３ｂ，３ｃ）は、それぞれのステータ巻線（３）に対応する、整流器ユニット（４）の交流電圧側に接続されている。
6. 下記特徴を有する請求項１から５の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
   短絡手段（６）が、各エネルギー貯蔵回路（５）に対して並列に接続されている。
7. 下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
   絶縁手段（７）が、各接続部の中で前記ステータ巻線（３）に接続され、
   この絶縁手段（７）は、ステータ巻線（３）の電気的な絶縁のために使用される。
8. 下記特徴を有する請求項１から７の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
   各整流器ユニット（４）は、コントロール可能な電力半導体スイッチを備えた能動的な整流器ユニット（４）の形態である。
9. 下記特徴を有する請求項１から７の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
   各整流器ユニット（４）は、受動的なコントロールできない電力半導体スイッチを備えた受動的な整流器ユニット（４）の形態である。
10. 下記特徴を有する請求項９に記載のエネルギー・システム：
    キャパシタ（８）が、ステータ巻線（３）と受動的な整流器ユニット（４）の間に直列に接続されている。
11. 下記特徴を有する請求項８から１０の何れか１項に記載のエネルギー・システム：
    各整流器ユニット（４）は、交流電圧レベルを所望の直流電圧レベルに変換するための、コンバータの形態である。
    

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