JP5714563B2 - 風力タービンを動作させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力設備を運転する方法、および該方法を実施するための風力設備に関する。

最新技術の注目は、とりわけ、「Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems」、Siegfried Heier、1998年のとりわけ263ff頁、ならびに米国第7345373号およびWO 01/086143に向けられている。

最も関連性のある最新技術は文書WO 01/086143に関連している。

この文書には、ネットワーク周波数、つまり風力設備がその電力をネットワークに供給する周波数が、所与の値だけ目標周波数より高くなると、風力設備の電力を少なくする教示が開示されている。

中央ヨーロッパネットワークの場合、目標周波数は、通常、50Hzであり、一方、米国ネットワークの場合、60Hzである。

しかしながら、それと同時に、この目標周波数の相違だけでなく、電気ネットワークに接続されているエネルギー生産者によって生産される電力の比率が、消費者、つまり電気ネットワークに接続されている、何らかの電気設備を動作させるために電気エネルギーを消費する人々によって消費される電力との関係でどの程度平衡しているかによって決まるネットワーク周波数の若干の変動が必ず存在している。

例えば、発電機からの電力供給の方が、ネットワークに接続されている消費者が電力の形で消費している電力より多い場合、ネットワーク周波数が高くなり、逆に、提供される電力供給の方が、ネットワークに接続されている電気消費者によって消費されている電力より少ない場合、周波数が目標周波数、例えば50Hzより低くなることになる。

ネットワーク管理、つまり生産者の管理および同じく大量の消費者の管理は、通常、ネットワークオペレータによって実施される。その場合、ネットワーク管理は、全く異なる調整機構を提供することができ、例えば特定の発電機(例えばガス燃焼発電所)の自動スイッチオン、所与の大量の消費者の自動スイッチオフあるいは同じく揚水式発電所、等々の使用を提供することができる。さらに、通常の運転中は、大量供給ネットワークのネットワーク管理は、ネットワーク周波数を目標周波数の範囲内に常に良好に維持し、その点に関しては些細な逸脱は確かに許容される。しかしながら、これらの些細な逸脱も、一般的には±1‰の範囲を超えてはならない。また、ネットワーク管理は、そのネットワークに接続されている他のネットワークのスイッチオンを含むことも可能であり、それによりそのネットワークに追加電力を供給することができ、あるいはそのネットワークから追加電力を取り上げてそれを他のネットワークに供給することができることは理解されよう。

風力設備に対しては、既に上で言及した文書WO 01/086143は、所与のネットワーク周波数値が例えばそのネットワーク周波数の目標値より3‰高い値を超えると(例えば50Hzを超えると)、電力を利用可能な現在の電力より少なくすることを教示している。

この文書は、さらに、周波数が高くなり続けると、ネットワーク周波数のそのさらなる上昇に応じて電力を直線的にさらに少なくすることを教示している。

米国特許第7345373号 WO 01/086143

「Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems」、Siegfried Heier、1998年のとりわけ263ff頁

したがって本発明の目的は、最新技術と比較して風力設備の運転を改善し、また、ネットワークに対する風力設備のネットワークサポートを総合的に改善することである。

本発明によれば、この目的は、請求項1の特徴を有する方法によって達成される。有利な開発は、従属請求項によって記述されている。

本発明によれば、風力設備は、所与の周波数値がネットワーク周波数の目標値より小さくなっても最早スイッチオフすることはなく、風力設備は、より詳細には電力が増加した状態で運転を継続し、つまり速やかに、かつ、短期間の間、電力がそのネットワークにそれまで供給されていた電力より多くなる。そのために、例えばロータ/発電機システムの慣性モーメントに蓄積された回転エネルギーが使用され、つまりより多くの電力がロータ/発電機システム全体から一時的に消費され、それにより、ネットワーク周波数が所定の目標値より小さくなると、増加したレベルの電力を直ちに速やかに利用することができる。これは、風力設備が定格電力でそれまで供給していた場合、つまり風力設備がその通常の最大量の電力、すなわち風力設備が風から得ることができる電力を引き渡していた場合にも生じる。

電力が速やかに増加する量は、定格電力の最大10%ないし30%の範囲内であり、好ましくは定格電力の約20%である。

所定の周波数値は、例えば不感帯周波数をプリセットすることによって確立することができる。ネットワーク周波数がこの不感帯周波数より低くなると、風力設備の現在優勢である電力が直ちに増加し、また、風力設備によって引き渡される電力、より詳細にはネットワークに供給される電力が同じく増加する。その場合、不感帯周波数は、ネットワークの所望の目標周波数より所定の周波数値だけ低くなる。

所定の周波数値は、ネットワーク目標周波数の1‰、2‰または3‰より大きいことが好ましい。したがってネットワーク目標周波数が50Hzの場合、システムは、値がそれぞれ49.95Hz、49.90Hzおよび49.85Hzの周波数未満になると検出する。

別法または追加として、相対周波数変化を考慮することも可能であり、つまりdf/dtすなわち周波数勾配によって相対周波数降下を表すことも可能である。時間に対するこのようなネットワーク周波数変化の大きさが過度に大きく、したがって周波数がはなはだしく急激に低下すると、ネットワークに現在供給すべき電力を一時的に多くしてネットワークをサポートすることができる。時間に対するこのような周波数変化、つまりdf/dtを検出することにより、ネットワーク周波数の降下をより速やかに検出することができ、延いてはネットワークサポートの必要性をより速やかに認識することができる。また、絶対周波数値の検出、つまり値が所定の絶対周波数値未満になったことの検出と、同じく時間に対する変化とを組み合わせることも可能である。したがって、例えば、ネットワーク周波数の絶対値が定格周波数より高い場合、高速ネットワーク周波数降下は、それほど危機的なものではないものとして評価することができる。

追加または同じく別法として周波数勾配が検出される場合、0.1Hz/sの勾配からの電力の増加を提供することが望ましいことが分かっている。一定の量の変化、つまり0.2〜7Hz/sの勾配、とりわけ0.5〜2Hz/sの勾配が電力の増加を開始するための有利な範囲であることが分かっている。したがって例えば0.2Hz/s、0.5Hz/s、1Hz/s、2Hz/sおよび5Hz/sが有利な値である。例えば1Hz/sの周波数勾配の検出は、通常、まるまる1秒間の期間にわたる何らかの測定が前提ではないことに留意されたい。むしろ20ms以下の測定時間、とりわけ10msの測定時間が適切な測定時間である。もっと短い、例えば5msの測定時間、さらにはもっと短い測定時間も同じく好ましい値である。さらに、測定時間と、それに、基礎をなしている変化の量または基礎をなしている周波数勾配は、いずれも、ネットワーク目標周波数によって決まることがある。周波数勾配および測定時間に対して上で言及した値は、目標周波数が同じく50Hzに関連して提供したものである。目標周波数が60Hzの場合は、幾分か急峻な勾配および/または幾分か短い測定時間を提供することができる。

また、同じく、短期間の電力増加を使用してネットワーク周波数を安定または円滑にすることも可能であり、あるいは周波数変動を減衰させることも可能であることに留意されたい。とりわけ周波数変動の減衰は、周波数勾配を有利に考慮することができる。

好ましいことには、短期間の電力増加は、ロータ/発電機システムの慣性モーメントに蓄積された回転エネルギーを利用して実施される。したがって短期間の電力増加は、1つまたは複数のロータブレードを有する回転ロータ、それに発電機の回転ロータ部材の両方に蓄積される運動エネルギーの利用に関係している。より大量の電力の取得は、とりわけエキサイタ電流を大きくし、したがって発電機ロータ部材の発電機逆モーメントを大きくすることによって実施することができる。とりわけ、直径が大きく、したがって質量が大きく、それに応じて慣性モーメントが大きいロータ部材を備えた歯車なし発電機は、かなりの量の運動エネルギーを蓄積することができる。

ネットワークに供給される電力の周波数は、常に現在優勢なネットワーク周波数に対応していることが好ましい。したがってネットワーク周波数が降下すると、電力増加を実施することができるが、その場合、ネットワークへの供給周波数が低減され、現在優勢な周波数に適合される。

ネットワークへのそれまでの供給が定格電力での供給であった場合、現在優勢な電力を超えて、つまり同じく定格電力を超えて電力の増加が実施されることを特徴とする方法が提案されることが好ましい。したがって風力設備が定格モードで動作している場合であっても、周波数が臨界降下すると電力増加が実施される。その点に関して、進行中の運転に対するいかなる事象においても通常は最大電力を表すことも可能である定格電力は、風力設備を損傷することなく、短期間ネットワークサポートのために超過することができることが認識された。

一実施形態では、上記方法は、周波数値がネットワーク周波数の所定の周波数値より小さくなった後、あるいは所定の変化量を超過した後、10msないし1000msの期間内、とりわけ20msないし500msの期間内、好ましくは50msないし100msの期間内に、さらに少なくとも0.5秒、好ましくは少なくとも1秒ないし最大30秒の期間、好ましくは最大約3秒ないし6秒、8秒、10秒、12秒または15秒の期間にわたって電力増加が実施され、および/または増加した電力、つまりそれまで設定されていた電力を超える電力で供給が実施されることを特徴とすることが提案されている。原理的には、可能な限り短い、例えば10msの反応時間を、電力増加を実施するための理想値と見なすべきである。詳細には、この10msという時間は、50Hzのネットワーク周波数の半波に対応している。過剰感応または全くの不安定システムを防止するためには、最大1秒のより長い応答時間が望ましい。詳細には、50msないし100msの値が有利な妥協であることが分かっている。

電力増加は、原理的には短い時間期間の間、必要である。この時間期間は、通常、少なくとも0.5秒継続するが、好ましくは1秒ないし3秒、6秒、8秒、10秒、12秒、15秒および最大30秒である。10秒より長い、あるいは10秒よりはるかに長い増加電力供給が必要である場合、それは、一般的には最早瞬時サポート手段とは見なされず、どちらかと言えば増加電力要求事項である。電力増加の有効範囲は、3秒ないし6秒、8秒、10秒、12秒または15秒であることが分かっている。

個々の風力設備が本発明による方法に従って制御される、ウィンドパークを制御する方法が提供されることが好ましい。詳細には、個々の風力設備は、周波数が低くなると増加したレベルの電力をネットワークに引き渡すように適合される。その点に関し、ウィンドパークには少なくとも2基の風力設備が含まれているが、一般的には10基の風力設備など、はるかに多くの設備が含まれている。50基、さらにはそれ以上の風力設備も可能である。しかしながら、ウィンドパーク内のすべての風力設備のうち、考慮すべき風力設備は、説明されている方法に同じく包含されている風力設備のみである。

この場合も、すべての風力設備からネットワークに引き渡される電力の増加は、一元的に、および/または中央関係で実施されることが好ましい。それは、一方では、異なる時間に応動するウィンドパークの異なる設備を妨害し、互いに妨げる可能性がある。さらに、ウィンドパークは、ウィンドパークがすべての風力設備の電力をネットワーク接続位置でネットワークに供給している場合、ネットワークへの結合のための制限値などの特定の条件の制約を受けることもある。しかしながら、そのために、ネットワークのための中央変圧器を使用する場合、例えば、一部の接続線路上のネットワークに供給される電力に対する上限が同じくプリセットされる可能性がある。中央制御は、このような境界条件を考慮することができる。風力設備の一元制御は、ウィンドパーク内の異なる風力設備と共に可能である場合、場合によっては有用である。したがって、例えば応答時間および/または電力増加の期間に関して、少なくとも部分的に一元制御を実施することができる。例えばウィンドパークのすべての風力設備またはほとんどの風力設備が定格運転モードにある状況では、ウィンドパークに対する電力供給上限のため、すべての風力設備の電力増加を制限しなければならず、最初に風力設備の一部が電力増加に寄与し、次に風力設備の他の部分が電力増加に寄与する方法で制御を実施することができる。さらに、例えば電力増加のために、対応する電力目標値をウィンドパーク内の個々の風力設備に単に引き渡すだけの中央制御ユニットによって、制御のレベル、複雑化の調整および経費を低減することも可能である。

さらに、本発明による方法を使用するように適合された風力設備が提案される。さらに、本発明による複数の風力設備を含み、かつ、好ましくは中央制御方法を使用し、および/またはネットワークに引き渡される風力設備の電力の増加が少なくとも部分的に一元的に制御されるウィンドパークが提案される。すべての風力設備からネットワークに引き渡される電力の増加の中央制御は、個別の中央制御ユニットによって実施することができ、および/または風力設備は、他の風力設備がその設備に依存するよう、マスタとして機能することができる。また、ウィンドパークは、原理的には、例えば、いずれの場合にも制御手順の点で同じタイプまたは類似したタイプの設備を1つに束ねるために、制御手順に関して複数のパーク部分に分割することも可能である。

電力の引渡しを増すために、慣性モーメントの回転エネルギーの利用が考慮されるだけでなく、ウィンドイールドを高くするために、サポートとして、あるいは恐らく排他的に、ロータブレードの設定角度の変化、つまりピッチングと呼ばれているピッチ角の変化を実施することができる。この変化は、詳細には、風力設備が定格負荷の下で動作している場合、つまり風力設備が既に定格電力を引き渡している場合に実施され、詳細には、定格回転速度を調整するためにロータブレードが既に部分的にピッチされている場合に実施される。

電力が増加すると、運動エネルギーが取り除かれているため、ロータの回転速度を遅くすることができる。しかしながら、とりわけ定格負荷運転モードの場合の電力増加事象では、このような減速は、ごくわずかな減速にすることも、あるいは全く減速させなくてもよい。回転速度の減速は、とりわけ部分負荷範囲で期待すべきであり、その場合、電力増加のレベルおよび継続期間、つまり追加的に引き渡される電力で決まる。

以下、本発明について、一例として実施形態によって、添付の図を参照しながらより詳細に説明する。

ハブおよび発電機の部品の線図と共に風力設備の部分的に開いたポッドを示す線図である。 周波数測定を備えた歯車なしロータ/発電機結合構造の概観を示す線図である。 一例として風力設備の電力/周波数特性の一実施形態を示す図である。 図3に対する一代替実施形態を示す図である。 定電力増加のための電力構成を示す一例を示す図である。 ロータの回転速度に応じて実施される電力増加事象における電力構成を示す一例を示す図である。 ロータの回転速度に応じて電力が増加する場合の電力の測値を示す一例を示す図である。 定電力増加の場合の電力の測値を示す図である。 周波数に応じて実施される電力増加によって増加する電力値の可能変化、および電力増加に対する異なる調整可能最大値の可能変化を示す図である。

以下、全く同じ参照番号は全く同じコンポーネントを示すことができるが、同様の、全く同じではないコンポーネントにも全く同じ参照番号が振られている。以下、完全性を期すために、同期発電機および全波コンバータを使用した歯車なし設計を有する風力設備について説明する。

図1は、歯車なし風力設備のポッド1を線図で示したものである。部分的に開いて示されているハウジング(スピンナ)によってハブ2を見ることができる。3つのロータブレード4はハブに固定されており、ロータブレード4は、ハブの近くのそれらの領域のみが示されている。ロータブレード4を備えたハブ2は、空気力学ロータ7を形成している。ハブ2は、回転子部材6とも呼ぶことができ、以下、回転子部材6で参照される発電機回転子6に機械的に固定されている。回転子部材6は、固定子8に対して回転可能に取り付けられている。

回転子部材6は、固定子8に対して回転している間、通常は直流である電流が供給され、それにより磁界が生成され、そのエキサイタ電流によっても適切に設定することができ、また、変更することができる発電機モーメントまたは発電機逆モーメントが蓄積される。したがって回転子部材6が電気的に励起されると、固定子8に対するその回転によって固定子8中に電界が生成され、したがって電気的に交番する電流が生成される。

実質的に回転子部材6および固定子8から構築されている発電機10の中で生成された交番電流は、図2に示されている構造に従って整流器12によって整流される。次に、整流された電流または整流された電圧がインバータ14によって所望の周波数で3相システムに変換される。このようにして生成された3相電流-電圧システムは、変圧器16によって詳細には電圧で逓昇され、接続されている電力ネットワーク18に供給される。理論的には、変圧器を省略し、あるいは変圧器をチョークに置き換えることが可能である。しかしながら、通常、ネットワーク18の電圧要求事項は、電圧を変圧器によって逓昇する必要のある要求事項になっている。

制御は、主制御ユニットと呼ぶこともできる、風力設備の最も高いレベルの調整および制御ユニットを形成している主制御装置20を使用して実施される。主制御装置20は、とりわけネットワーク周波数に関するその情報を付随しているネットワーク測定ユニット22から獲得する。主制御装置20は、インバータ14および整流器12を制御している。原理的には非制御整流器を使用することも可能であることは理解されよう。さらに、主制御装置20は、エキサイタ電流を発電機10の一部である回転子部材6に供給するための直流設定部材24を制御している。主制御装置20は、ネットワーク周波数が所定のネットワーク周波数制限値より低くなると、とりわけネットワークへの供給または発電機の動作点を修正する。発電機は回転速度可変方式で運転されるため、ネットワークへの供給は、整流器12およびインバータ14によって実質的に形成されている全波コンバータを使用して、上で説明したように実施される。

運転中、ネットワーク電圧およびネットワーク周波数がネットワーク測定ユニット22によって常に3相測定される。ネットワーク周波数が50Hzの場合、いかなる事象においても、3相電圧のうちの1つに対する新しい値が3.3ms毎に測定動作からもたらされる。したがって電圧半波毎にネットワーク周波数が検出され、フィルタリングされ、かつ、現在の制限値と比較される。60Hzシステムの場合、3相電圧のうちの1つに対する値は、概ね2.7ms毎に、より詳細には概ねゼロを交差する毎に利用することができる。

図3は、時間に対する周波数構成および周波数範囲の線図例を示したもので、同じく関連する電力構成が示されている。

図3から、主制御装置は、主として不感帯範囲30、制御帯範囲32およびアンダー周波数範囲34の3つの動作範囲の間の周波数に関して区別していることが分かる。不感帯範囲は、定格周波数f_normまたはf_Nとその下側の不感帯周波数f_deadbandの間の周波数範囲である。定格周波数は、例えばヨーロッパネットワークシステムの場合の50Hzまたは米国領域の60Hzなどの、通常は固定の予め決定済みの周波数である。不感帯周波数f_deadbandは調整が可能であり、それによりいかなる事象においても、その下限に関して不感帯範囲を調整することができる。不感帯範囲では電力増加は提供されない。

制御帯範囲32は、不感帯周波数f_deadbandとその下の制御帯周波数f_controlbandの間に展開している。制御帯範囲は、不感帯周波数f_deadband、それに制御帯周波数f_controlbandの両方を予め決定することによって適切に設定することができる。制御帯範囲では、つまり実際の周波数を制御帯範囲の値と仮定すると、周波数の逸脱、より詳細には、とりわけ不感帯周波数からの実際の周波数の逸脱に応じて、電力増加P_increaseだけ有効電力の増加を実施することができる。その場合、とりわけ周波数の逸脱に比例して、それに応じた有効電力の増加が存在する。したがって有効電力増加P_increaseも同じく制御帯範囲の可変パラメータである。したがって周波数の逸脱に応じて、0%の追加電力P_increaseないしプリセット値P_{increase_set}だけ有効電力を増加させることができる。有効電力の最大増加は、P_{increase_set}によってプリセットすることができ、P_{increase_set}は、0%からP_{increase_max}まで1%ステップで大きくすることができる。

アンダー周波数範囲34は、制御帯周波数f_controlbandから下に向かって展開している。実際の周波数が制御帯周波数f_controlbandより低くなると、アンダー周波数範囲内で最大プリセット電力増加が実施される。したがって電力増加P_increaseには、例えば定格電力の10%であってもよい最大値が仮定されている。

図3には、一例として実際の周波数の構成がくっきりと示されている。周波数は、最初は、時間t₀で降下するまで定格周波数f_normの値を有している。実際の周波数の構成は、参照番号36で識別されている。一例として、設定すべき電力の構成が同じく参照番号38で識別されている。電力は、所望の、あるいは少なくとも所望の最大電力増加を実施することができるようにするために一例として本明細書において説明されている制御のためには、定格電力の少なくとも4%でなければならないことに留意されたい。

実際の周波数36は、時間t₀で降下しているが、最初は不感帯範囲30に存在しているため、電力増加は生じない。したがって、定格電力の少なくとも4%である実際の電力は、最初は一定の電力を維持する。実際の周波数36は、時間t₁で不感帯周波数f_deadbandに到達し、かつ、不感帯周波数f_deadbandより低くなる。図に示されている例では、電力38は、周波数36がさらに降下するにつれて直線的に増加する。つまり電力増加P_increaseすなわち初期値P_Aに対する個々の増加は、ここでは実際の周波数36と不感帯周波数f_deadbandの差に比例している。比例因子は、ここでは、周波数が制御帯周波数f_controlbandに到達すると、電力増加P_increaseがその最大値、つまり定格電力P_nの10%に到達するように設定されている。これは、時間t₂で生じる。したがって電力増加P_increaseは、同じく最大時間のような他の境界条件が電力増加に対して観察される限り、原理的には、制御帯範囲に対して、P_increase=P_{increase_set}×P_N×(f_deadband-f)/(f_deadband- f_controlband)で規定することができる。

周波数36が制御帯周波数f_controlbandよりさらに低くなっても、それ以上電力38を増加させることはできず、したがって時間t₂以降は、最初は最大値、すなわち初期値+P_increaseの最大値、すなわち定格電力の+10%を維持する。ここで周波数が再び上昇し、時間t₃で制御帯周波数f_controlbandの値を超えると、それに応じて電力増加も同じく、時間t₄で周波数36が不感帯周波数f_deadbandより高くなるまで再び減少する。その時間t₄では電力は再び初期値P_Aに到達し、電力はそれ以上減少しない。

図3は、理想化された構成を示したものであり、最初はすべての調整力学が無視されていることを強調しておかなければならない。さらに、言及されている例では、線図とは逆に、電力が増加する最大時間は8秒以内でなければならない。しかしながら、より少ない電力増加の場合、場合によっては最大時間の延長を考慮することができることは正にその通りである。線形周波数降下および線形周波数上昇は、制御線図を説明するために選択されたものであり、電力供給ネットワークに一般的に期待される周波数特性と必ずしも一致するとは限らないことに留意されたい。

図3には、ネットワーク周波数の構成と、それに対する反応として、風力設備から供給される電力の変化を示す線図が示されている。

さらに、所与の時間t₁でネットワーク周波数が低下し、より詳細には約50Hzの目標周波数より所与の周波数値だけ低くなることが分かる。周波数が目標値より例えば1‰の周波数値だけ低くなると(また、さらに低くなると)、風力設備の電力は、その現在優勢な値を超えて増加し、実際には瞬時に、つまり極端に短い時間に、短い期間の間、つまり数ms以内、例えば50msないし100ms以内、あるいはさらに例を挙げると500msないし1000ms以内の間、例えば現在優勢な電力の20%だけ、あるいは定格電力を超えて最大30%だけ増加する。図3の例は、定格電流が10%増加することに基づいている。極端な場合、電力が定格電力のちょうど4%であり、定格電力の10%だけ電力が増加する場合、少なくとも理論的には現在の電力の2.5倍の電力増加を実施することが可能である。それは、とりわけ、電力の引渡しが少ない場合であっても、比較的速い回転速度、したがってそれに応じて大量の回転エネルギーが既に蓄積されていることに基づいて正当化することができる。したがって例えば4%定格電力で、定格速度の約50%の回転速度に到達することが既に可能である。

多くの風力設備が上で説明したように挙動する場合、大量の追加電力を極めて速やかに利用することができ、したがって生産者/消費者の不平衡が極めて速やかに補償され、延いては、さらに、ネットワーク周波数がより速やかに上昇し、さらに速やかにその目標値を超える。

図に示されている実施形態では、ネットワークに供給される電力の増加が実施されるのは、周波数挙動の様子に応じて、約2秒ないし10秒間にすぎず、好ましくは最大約3秒間にすぎない。

例えば周波数が極めて速やかに再上昇する場合、どちらかと言えば供給される電力の増加を再び少なくして、完結することも可能であり、一方、その逆に、アンダー周波数電力供給がより長い時間期間にわたって残存する場合、電力供給の増加は、より長く実施される。

図4は、同じく、例えば風の全体的な変動によって電力が変動する状況に対する増加電力供給を示したものである。さらに、図4は、実際に期待される挙動に基づく構成にも関している。

周波数36は、最初は定格周波数、すなわち50Hzである。次に、時間t₀ ^*で極めて速やかに周波数36が降下し、同じく極めて速やかに不感帯周波数f_deadbandより低くなる。図4には、同じく、周波数が不感帯周波数より低くなる状況が明らかに含まれているが、それは、検出時間Δt_detectが経過した後、周波数が選択された不感帯周波数より低くなった場合に初めて検出され、この検出時間は最大20msである。したがってアンダー周波数は、図4に示されているように時間t₁ ^*で検出され、その時点で電力38が増加する。800ms以下である増加時間Δt_increaseは、最大、時間t₁ ^*で依然として優勢な電力より多い10%定格電力の最大電力増加P_increaseまで経過する。周波数が選択された不感帯周波数f_deadbandより低くなると、主制御装置は、その内部制御機能によって、プリセット時間t_maxの間、風力設備の定格電力の最大10%である電力増加P_increaseを発電機から提供する。アンダー周波数を認識する時間は20ms未満である。追加電力P_increaseのレベルは、設定された最大許容電力増加および周波数逸脱に比例的に依存している。電力は、いかなる事象においても周波数逸脱に基づくものと見なされる限り、約250kW/sの固定勾配で増加する。この方法によれば、ここで説明されている例の場合、風力設備の定格電力の最大10%の最大値までの電力増加が800ms以内に達成される。電力増加P_increaseは、最大8秒の時間にわたって利用することができる。一番遅い8秒が経過すると、図に示されている例では、風力設備の有効電力が約250kW/sで通常の電力、詳細にはそれまでの動作点に復帰する。

したがって時間t₁ ^*から見ると、最大電力増加は、したがって約800ms後の時間t₂ ^*に達成される。現在設定されている最大増加電力は、次に時間t₄ ^*における概ね初期値まで、あるいは風に応じて新しい値まで徐々に再降下させるために時間t₃ ^*まで保持される。tmax_p-increaseと呼ぶこともできるt₁ ^*からt₄ ^*までの時間は、図に示されている例の場合、最大8秒である。図4も同じく線図であり、正確な時間値を含む正確な値を図から正確に読み取ることはできないことに留意されたい。

周波数36は、電力が増加している間、詳細には時間t₂ ^*の後、再び上昇し、これも同じく電力増加によるものであり、つまりネットワークに追加供給される電力によるものであると見なすことができることに留意されたい。それでもなお、電力増加は、個々のネットワークおよび個々の風力設備に決定的に依存しており、また、詳細には、さらに他の風力設備がネットワークへのこのような電力供給を実施するかどうかに決定的に依存している。ついでながら、図に示されている例の場合、周波数は、しかしながら電力増加範囲内では定格周波数まで再上昇しない。それにもかかわらず、達成される最大時間によって電力増加が減少し、かつ、完結される。

ネットワークへの増加電力供給の場合、本発明による風力設備には、ロータ/発電機を備えた回転システムに慣性モーメントによって蓄積される回転エネルギーが使用される。つまり、消費される、風力設備の電力特性によって実際に予め決定される量を超える電力の追加量のため、総合ロータ/発電機システムは、明らかに回転を継続するが、システムは回転エネルギーを失い、したがって増加電力がネットワークに供給されると、風によって引き渡された電力より多い電力が総合システムから消費されたため、それまでの速度より遅い速度で回転する。

しかしながら、風力設備の本発明による挙動は、詳細には、臨界アンダー周波数状況が既存の風力設備によって首尾よく管理され、あるいは首尾よく架橋され、したがってさらなるネットワーク管理の介在を、アンダー周波数状況が発生した後、例えば1秒ないし8秒、とりわけ1秒ないし3秒の臨界時間期間内に開始することができ、1基または複数基の風力設備(あるいはウィンドパーク全体)がその追加電力をネットワークに供給した後のこのようなネットワーク管理の介在は、その作用に介在し、首尾よくネットワークをサポートする、という結果を有している。

ネットワークアンダー周波数の場合の電力増加P_increaseの技術的有効性は、定格電力の4%の瞬時電力P_actualによって基本的に与えられる。この場合、定格電力に対する10%の電力増加P_increaseが可能である。以下、図5ないし8を参照して、一例として風力設備の200kWの電力増加の原理を説明する。この場合、200kWは、定格電力の10%を構成している。原理的には、周波数サポート中の電力増加に関する挙動に対して2つのオプションの間、すなわち図5に示されている周波数依存電力増加と、図6に示されている周波数依存および回転速度依存電力増加との間で選択することができる。

図4を参照して説明することも可能であり、また、図4にその値が明記されている一実施形態は、以下のように説明することができる。

周波数が不感帯未満まで変化する場合、必要な電力増加は、約250kWの固定勾配で生じる。風力設備(WPI)の定格電力の最大10%の電力増加P_increaseは、約80ms後に達成される。制御帯内および500kW未満の電力範囲内における小さい周波数変化の場合、電力が変化する際の発電機誘導挙動によって電力勾配が若干小さくなる。電力増加P_increaseは、最大6.4sの時間にわたって利用することができる。一番遅い7sが経過すると、WPIの有効電力が再び250kW/sの通常の動作点に設定される。制御安定化時間は、風の状態および実施時間の間に設定される設備回転速度で決まる。ネットワークへの通常運転での電力供給の移行は、約1sで完結する。

図5は、電力増加が実施されない状況における、時間に対する目標電力P_orderを示したものである。また、図5の曲線は、比較のために含まれている。アンダー周波数は図5の時間t_Bで検出され、また、200kWの電力増加P_increaseは予め決定済みである。基本的に角構成で示されている図5の電力曲線は、P_increaseによって識別されている。その電力P_increaseは、時間t_Bで、200kW増加する値まで上昇し、終了時間t_Eまでその値を一定に維持した後、通常の電力目標曲線P_orderの値まで減少する。その間に、通常の電力曲線P_orderは、曲線P_increaseに影響を及ぼすことなく減少している。初期時間t_Eと終了時間t_Eの間の時間は約8秒である。さらに、ネットワークに供給される電力の実際に達成された値に対応する電力曲線P_actualが同じく示されている。したがって図5に示されているように、プリセット実施時間t_maxにわたる電力増加P_increaseは、ネットワーク周波数に比例している。それは、生じる風力設備のロータの回転速度に無関係の電力引渡しに対応している。

また、図5に関連して、風力設備の電力は、周波数サポート中、ネットワーク周波数のみに依存することを補足説明しておかなければならない。さらに、周波数逸脱に比例することが要求される電力増加P_increaseは、プリセット実施時間t_maxにわたって生じる。したがって総有効電力引渡しP_actualは、慣性対抗および必要な電力増加P_increaseを起動する瞬間における回転速度-電力特性に従う総電力である。総合有効電力引渡しは、風力設備の最大皮相電力によってその範囲が定められる。風力設備構成のこれらの制限は、図解7ないし9に電力線図で示されている。

図6に示されている周波数依存および回転速度依存電力増加に関して、プリセット実施時間に関連して達成される電力増加は、ネットワーク周波数に比例し、また、同じく、ロータに対して設定される回転速度に応じて変化する。提供される電力増加は、風速およびロータ回転速度に応じて、回転速度に適合される。図6に使用されている名称は、図5に使用されている名称に対応しており、アンダー周波数は時間t_Bで検出され、また、約200kWの電力増加が実施される。終了時間t_Eまでのさらなる変化で回転速度が遅くなり、それに伴って電力増加を留意することなく同じく目標電力すなわちP_orderが減少する。電力増加P_increaseは、個々の現在の目標電力P_orderより概ね200kW多い値を維持する。次に、時間t_Eで電力増加が終了し、電力P_actualが目標電力P_orderの値まで減少する。

さらに、図6に関連する説明として、風力設備の電力は、周波数サポート中、風速に応じて所定の回転速度-電力特性を使用して制御される状態を維持することに留意されたい。したがってプリセット実施時間t_maxにわたる総合有効電力引渡しP_actualは、現在優勢な回転速度依存電力Pと、周波数逸脱に比例することが要求される電力増加P_increaseの合計である。

図7および8は、図6および5に対応する、電力目標値P_refおよび実際に設定された電力値P_actualの測値すなわち記録を示したものである。その点に関し、電力目標値P_refは目標電力に関しており、電力増加を留意しなければならない。その点に関し、図7に示されている電力構成は、図6に示されている電力構成と同様、周波数依存および回転速度依存電力増加に対応している。図8に示されている電力構成は、図5に示されている電力構成と同様、周波数依存電力増加のみに対応している。しかしながら、図5ないし8は、それぞれ独自の特定の構成を示していることに留意されたい。

図9は、一実施形態に関連して、選択されたP_{increase_set}値に応じたP_increaseの様々な可能周波数依存増加を示したものである。一例として3つの曲線がP_increase’、P_increase”およびP_{increase”‘}によって識別されている。

追加電力P_increaseは、不感帯周波数未満で測定された周波数逸脱に比例的に依存している。電力増加は、制御帯周波数f_controlbandに到達すると、0%の不感帯周波数f_deadbandからプリセット電力増加P_{increase_set}まで直線的に増加する。さらに、ネットワークプロバイダによって要求されると、定格電力から最大許容電力増加P_{increase max}まで、プリセット電力増加P_{increase_set}を定格電力の1%ステップで予め決定することができる。また、P_{increase_set}は、大きい周波数逸脱事象においても超過されることはない。実施時間中に生じる周波数変化は、電力増加に関しては直接適合の原因になる。

%単位の比率P_increase/P_ratedは、実際の周波数すなわち測定された周波数f_measに応じて、また、%で規定される値P_{increase_set}に応じて、次の式を使用して説明することができる。
(P_increase/P_rated)[%]=((f_deadband-f_meas)/(f_deadband-f_controlband))×P_{increase_set}[%]

Table 1(表1)は、一例として設備に対する特性値または設定範囲を規定したものである。原理的には、不感帯周波数はf_deadbandとして識別することができ、また、制御帯周波数はf_controlbandとして識別することができる。電力増加はP_increaseまたはP_extraとして識別することができ、また、定格電力はP_NまたはP_ratedとして識別することができる。「最大電力増加」の欄では、周波数依存電力増加を使用すべきであるか、あるいは周波数依存および回転速度依存電力増加を使用すべきであるかどうかに応じて、使用P_extra=一定またはP_extra=可変の間で選択することができる。

1 ポッド
2 ハブ
4 ロータブレード
6 回転子部材 (発電機回転子)
7 空気力学ロータ
8 固定子
10 発電機
12 整流器
14 インバータ
16 変圧器
18 電力ネットワーク
20 制御装置
22 ネットワーク測定ユニット
24 直流設定部材

Claims (15)

1. 風力設備を運転する方法であって、前記風力設備が電気供給ネットワークに接続され、運転中、つまり初期速度より速く、かつ、スイッチオフ速度より遅い風が優勢である場合、前記電気供給ネットワークに、より詳細には前記電気供給ネットワークにとって望ましい、あるいは前記電気供給ネットワークに必要な周波数および電圧で前記電気供給ネットワークに電気エネルギーが供給され、定格値より速い速度またはスイッチオフ速度より遅い速度での前記風力設備の運転中、少なくとも1つのロータブレードを有する前記風力設備のロータが回転し、前記風力設備の前記ロータには、前記ロータによって駆動される発電機が接続されており、それにより電気エネルギーが生成され、前記風力設備が、前記電気供給ネットワークにおける優勢な周波数を測定する手段を有しており、ネットワーク周波数を測定するための前記手段が、前記風力設備の運転を制御するための制御デバイスに接続されており、
   前記電気供給ネットワークの前記ネットワーク周波数が前記ネットワークの望ましい目標周波数より所定の周波数値だけ低くなり、および/または前記ネットワーク周波数がある周波数勾配で低下すると、つまり前記ネットワーク周波数が時間に対して所定の変化量を超える量で変化すると、前記風力設備の前記発電機によって前記ネットワークに引き渡される電力が、前記風力設備の現在優勢な電力から、短期間の間、速やかに増加し、
   不感帯範囲の周波数範囲と、制御帯範囲の周波数範囲と、アンダー周波数範囲の周波数範囲とがネットワーク周波数に関して区別されており、
   前記ネットワーク周波数が前記不感帯範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、定格周波数と該定格周波数の下側にある不感帯周波数との間にあり、
   前記ネットワーク周波数が前記制御帯範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、前記不感帯周波数と該不感帯周波数の下の制御帯周波数との間にあり、前記不感帯周波数からのネットワーク周波数の周波数差に応じて前記電力が増加され、
   前記ネットワーク周波数が前記アンダー周波数範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、前記制御帯周波数から下に向かって展開しており、前記電力は、予め設定された電力増加まで増加される、ことを特徴とする方法。
2. 前記不感帯周波数は、前記ネットワークの前記望ましい目標周波数より前記所定の周波数値だけ低く、前記ネットワークの前記望ましい目標周波数は、前記ネットワークの定格周波数である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記ネットワーク周波数が前記制御帯範囲内であるとき、前記電力は、電力増加まで増加され、前記電力増加は、前記ネットワーク周波数と前記不感帯周波数との間の差に比例している、ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
4. 前記ネットワーク周波数が前記制御帯周波数に達するとき、前記電力増加が前記予め設定された電力増加の最大値に達するように、比例係数が設定される、ことを特徴とする請求項3に記載の方法。
5. 前記電力増加は、下記数式を使用して、前記制御帯範囲おいて特定され、
   Pincrease ＝ Pincrease-set × P_N × (f_deadband − f)/(f_deadband - f_controlband)
   ここで、Ｐincrease-set × P_Nは、定格電力P_Nに関する前記予め設定された電力増加の最大値であり、f_deadbandは、前記不感帯周波数であり、f_controlbandは、前記制御帯周波数であり、fは、前記ネットワーク周波数である、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。
6. 前記予め設定された電力増加は、定格電力の10%から30%の範囲内であって、最大値が設定されている、ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
7. 前記所定の周波数値が前記ネットワークの目標周波数の1‰より大きく、および/または前記所定の変化量が0.1Hz/sより多い、ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
8. 前記速やかな電力増加がロータ/発電機システムの慣性モーメントに蓄積される回転エネルギーを利用して実施され、風による発電効率を増加するために１つ以上のロータブレードのピッチ角の変更を利用する、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
9. 前記ネットワークに供給される電力の周波数が常に現在優勢なネットワーク周波数に対応している、つまり前記ネットワーク周波数が前記ネットワーク周波数の目標値である定格周波数より低い場合、供給される電力の周波数が前記ネットワーク周波数より低くなることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
10. それまでの供給が定格電力で実施されていた場合、前記電力の増加が現在優勢な電力を超えて、つまり同じく定格電力を超えて前記電力の増加が実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
11. 前記ネットワーク周波数が前記所定の周波数値より小さくなった後、あるいは前記所定の変化量を超過した後、10msないし1000msの期間内に、さらに少なくとも0.5秒の期間にわたって電力増加が実施され、および/または増加した電力、つまりそれまで設定されていた電力を超える電力で供給が実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
12. 電力増加は、所定の増加最大時間(tmax_p-increas)まで実行可能であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
13. 少なくとも2基の風力設備を備えたウィンドパークを制御する方法であって、個々の風力設備が請求項1から12の一項に記載の方法に従って制御され、
    すべての風力設備からネットワークに引き渡される電力の増加が一元的に制御され、および/または中央制御されることを特徴とする方法。
14. 請求項1から13の一項に記載の方法を実行するように適合された風力設備であって、
    前記風力設備は、電気供給ネットワークに接続され、運転中、つまり初期速度より速く、かつ、スイッチオフ速度より遅い風が優勢である場合、前記電気供給ネットワークに、より詳細には前記電気供給ネットワークにとって望ましい、あるいは前記電気供給ネットワークに必要な周波数および電圧で前記電気供給ネットワークに電気エネルギーが供給され、定格値より速い速度またはスイッチオフ速度より遅い速度での前記風力設備の運転中、少なくとも1つのロータブレードを有する前記風力設備のロータが回転し、前記風力設備の前記ロータには、前記ロータによって駆動される発電機が接続されており、それにより電気エネルギーが生成され、前記風力設備が、前記電気供給ネットワークにおける優勢な周波数を測定する手段を有しており、ネットワーク周波数を測定するための前記手段が、前記風力設備の運転を制御するための制御デバイスに接続されており、
    前記電気供給ネットワークの前記ネットワーク周波数が前記ネットワークの望ましい目標周波数より所定の周波数値だけ低くなり、および/または前記ネットワーク周波数がある周波数勾配で低下すると、つまり前記ネットワーク周波数が時間に対して所定の変化量を超える量で変化すると、前記風力設備の前記発電機によって前記ネットワークに引き渡される電力が、前記風力設備の現在優勢な電力から、短期間の間、速やかに増加し、
    不感帯範囲の周波数範囲と、制御帯範囲の周波数範囲と、アンダー周波数範囲の周波数範囲とがネットワーク周波数に関して区別されており、
    前記ネットワーク周波数が前記不感帯範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、定格周波数と該定格周波数の下側にある不感帯周波数との間にあり、
    前記ネットワーク周波数が前記制御帯範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、前記不感帯周波数と該不感帯周波数の下の制御帯周波数との間にあり、前記不感帯周波数からのネットワーク周波数の周波数差に応じて前記電力が増加され、
    前記ネットワーク周波数が前記アンダー周波数範囲内であるとき、前記ネットワーク周波数の周波数範囲は、前記制御帯周波数から下に向かって展開しており、前記電力は、予め設定された電力増加まで増加される、ことを特徴とする風力設備。
15. ウィンドパークであって、請求項14に記載の複数の風力設備を含むウィンドパーク。

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