JP6238998B2 - 風力発電装置および電気エネルギーを注入する方法 - Google Patents

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Description

本発明は電気エネルギーを注入する方法および装置に関し、特にかかる注入を行う風力発電装置に関する。
今日、電力グリッド（以下では、単に電力網または電力ネットワークとも呼ぶ。）に対して、風力発電装置やウィンドファームのような再生可能なエネルギー源からの供給が増大しつつある。風力発電装置やウィンドファームと、少なくとも１つの大規模発電機を使用して電流を注入する一般的な大規模発電所とでは、電気的な振る舞いが異なる。
このような大規模発電機は、徐々に、サイクロインバータ（Wechselumrichter）などの他の注入ユニットに置き換えられつつある。これは、専門家によって置き換え（Substitution）とも呼ばれる。特にドイツのような国々では比較的高い度合いで置き換えが進展しており、これは比較的多数の発電機が他の注入ユニットに置き換えられていることを意味する。このことは、電力網に対して深刻な影響を及ぼすおそれがある。置き換えの度合いが高くなるに従って、特に従来の注入用の発電機による潜在的なバランス作用（対称化作用、Symmetrierungswirkungen）が失われ、または、少なくとも弱められるおそれがある。
そこで、計画中の欧州電力網ガイドラインＥＮＴＳＯ−Ｅ（European Network of Transmission System Operators for Electricity）が電力網のオペレータに対して非対称電流の注入を要求可能としている。ここで、対称性または非対称性の概念は、３相電力網における３つの位相の相互の関係に関連している。特に、電力網における非対称障害（例えば、２相間の短絡または１相の接地への短絡）が生じた場合、可能な限り補償すべく電力エネルギーの注入が行われる。特に電力網における少なくとも１つの位相の電圧の実測値が設定値および／または定格値から１０％を超えて外れた場合、障害が生じたものと想定される。
初期の目標は存在するものの、十分に達成されるには至っていない。
そこで、本発明は上述の問題の少なくともいずれかに対処することを目的とする。本発明は、特に電力網の品質を向上させ、少なくとも電力網の品質が悪化し、または著しく悪化することを防ぐことに寄与する解決手段を提案することを目的とする。また、本発明は少なくとも既知の概念に対する代替手段を提案する。
本発明の第１の態様によると、３相電力網に電気エネルギーを注入する方法であって、
注入部を用いて電力網接続点に電流を注入するステップと、
電力網における非対称性として電力網における逆相成分を検出するステップと、
前記検出された逆相成分を少なくとも部分的に補償するために、非対称電流部分を電力網に注入するステップと、を含み、
前記非対称電流部分の注入は、前記注入部が負荷として振る舞うようにして行われ、
電力網に接続された注入部は、インピーダンスZ-として関係式
で表される逆相を有する負荷のように制御され、但し、Znは電力網接続点に対する電力網の定格インピーダンス値、
は調整位相角、
はスカラー調整係数を表し、
前記インピーダンスに含まれる前記調整係数
および／または前記調整位相角
は、電力網の少なくとも１つの特性に基づいて設定される、方法が提供される。
本発明の第２の態様によると、風力エネルギーから得られた電気エネルギーを電力網に注入する風力発電装置であって、電力網接続点において電力網に非対称電流成分を注入する注入部を含み、上記方法を用いる風力発電装置が提供される。
本発明の第３の態様によると、電力網に電気エネルギーを注入するインバータであって、上記方法を用い、風力発電装置とともに動作させるために設けられたインバータが提供される。
風力発電装置の斜視図である。 非対称電流注入について説明するための図である。 非対称電流注入について説明するための図である。 非対称電流注入について説明するための図である。 一実施例に係る注入方法を説明するための図である。
本発明によると、３相電力網に電気エネルギーを注入する請求項１に係る方法が提案される。
すなわち、電流は注入部を用いて電流網接続点において３相電力網に注入される。さらに、電力網における非対称性が検出される。これは、特に逆相成分を検出することによって行われる。また、検出された非対称性を少なくとも部分的に補償する目的で、これに応じて非対称電流部分が電力網に注入される。この際、注入部がいわゆる逆相領域において負荷（Verbraucher）として振る舞うように非対称電流部分を注入することが提案される。目標とする非対称電流部分の注入、すなわち、目標とする非対称注入は、対応する負荷を定義することによって行われる。かかる解決手段は、注入部の振る舞いを電力網の一部とみなし、電力網全体の振る舞いの中で考慮する考え方に基づく。
負荷をインピーダンスZ-として表し、式
によって定義することが好ましい。
すなわち、インピーダンス
は定格インピーダンス値Zn、調整位相角
およびスカラー調整係数（因子）
によって表される。
定格インピーダンスZnは、以下の式によって定義される。
すなわち、インピーダンスZnの値は、商の分子に２乗で含まれる電力網電圧Vnと、商の分母に含まれる注入された皮相電力Snから求められる。なお、Znを定格インピーダンスと呼ぶのは説明を分かり易くやすくするためであることを、念のために指摘しておく。実際、インピーダンス
の値は調整係数
および調整位相角
にも依存する。
したがって、逆相インピーダンスの値は調整係数
および調整位相角
によって調整することができ、必要に応じて予め設定される。また、調整位相角も、必要に応じて予め設定してもよい。したがって、例えば、90°または- 90°の調整位相角を有するリアクタンスが提供されるのみならず、位相角についても必要に応じて振幅と同様に設定される。
一実施形態によると、インピーダンスに含まれる調整係数
および調整位相角
を電力網の特性に基づいて設定することが提案される。すなわち、インピーダンスを規定または設定する際、電力網（簡単のため、単に「ネット」ともいう。）内の実際の状態（状況、Zustanden）に適合させるのみならず、ネット特性、すなわち、電力網の特性（Eigenshaften）も考慮される。電力網の状態の具体例として、電力網における電圧レベル、非対称性の存在、または、電力網における障害が挙げられる。電力網のレジスタンスに対するリアクタンスの比（Ｘ／Ｒ比ともいう。）も、電力網の特性の一例である。なお、これらの特性およびその他の特性は、特に電力網接続点に対して観測される。したがって、電力網の特性は電力網接続点の地理的な位置にも通常依存し、少なくとも対象とする電力網に関連する。
したがって、現実の電力網の状態のみならず、電力網の特性を考慮に入れることが提案される。
調整位相角を0°ないし90°の範囲で設定することが好ましい。電力網接続点における電力網のレジスタンスに対するリアクタンスの比（Ｘ／Ｒ比）が大きくなるに従って、位相角を大きい値に設定してもよい。Ｘ／Ｒ比の値が大きく、例えば10ないし15の範囲の場合、調整位相角を90°に近い値に設定してもよい。一方、Ｘ／Ｒ比の値がより小さい場合、例えば値約2をとる場合、上述の調整位相角を50°ないし60°の範囲で設定してもよい。すなわち、電力網内の状態に加えて、電力網の特性（ネット特性ともいう。）も考慮してもよい。
電力網の等価回路図を注入点に対して作成して、負荷、特にインピーダンスを調整するための基礎とすることが好ましい。特に、調整位相角
および／または調整係数
は特定した等価回路図を用いて調整される。特に対象とする電力網の特性を反映する等価回路図は、電力網接続点または電力網接続点に関連して、一度または少なくとも稀に用意される。したがって、電力網特性を反映する等価回路図は、上記の電力網特性と同様に、全く変化しないか、または、僅かに変化するにすぎない。いずれにせよ、電力網特性は、基本的に電力網の状態よりも稀にゆっくりと変化する。
電力網の非対称性は、電力網内の電圧の逆相成分を特定または決定することによって特定されることが好ましい。これは、３相の電圧が特定され、対称座標法（対称成分法、Methode der symmetrischen Komponenten）に従って正相成分と逆相成分に分解されることを意味する。完全を期すために指摘するならば、対称座標法の理論には零相成分も含まれるが、零相成分は無視される。したがって、非対称性は、逆相成分を観測することにより、容易に考慮することができる。一実施形態によると、さらに追加的に、非対称電流部分が逆相成分として指定され、または、注入されることが好ましい。すなわち、逆相成分は測定に用いられるにとどまらず、注入または少なくとも注入のための予設定（事前設定）のために用いられる。
注入部としてインバータを用いることが好ましい。少なくとも注入部はインバータを備え、インバータは注入のために有意に使用される。かかる注入部を用いることで、再生可能に生成された電気エネルギーを電力網の要件を考慮しつつ電力網に注入することが可能となる。かかるインバータを用いることにより、注入すべき電流は、基本的に、値、周波数および位相に応じて動的に調整することもできる。このようにして、注入部として使用されるインバータは、負荷（Verbraucher）として振る舞うように、または、所望のインピーダンス特性を示すように予設定される。
本発明に係る方法は、電力網について非対称障害の有無を確認するステップを含むことが好ましい。非対称障害が検出されない場合、上記実施形態の少なくともいずれかに記載された非対称注入が行われることが好ましい。このことは、非対称障害が存在しない場合、注入部が負荷、特にインピーダンスとして振る舞うことを意味する。すなわち、これらの方法は電力網の正常運転時における品質を考慮し、特に向上させることを目的として提供される。
一実施形態によると、電流は中間電圧の電力網に注入される。このため、調整位相角
は40°ないし70°、特に50°ないし60°の値に設定される。特に中間電圧の電力網に対しては、比較的小さい値の、例えば２程度のＸ／Ｒ比を考慮する必要がある。したがって、異なる調整位相角、特により大きい調整位相角を用いた場合と比較して、上記調整位相角を用いることで中間電圧電力網の特性により適合するインピーダンスを設定することが提案される。
さらに、風力エネルギーから得られた電気エネルギーを注入する風力発電装置であって、上記実施形態の少なくともいずれかに基づく方法を用いる風力発電装置が提案される。かかる風力発電装置は、電流を注入するために、特に注入部としてインバータを備えている。
かかるインバータまたはその他の注入部によって、逆相電流成分（Gegenstromkomponent）が注入され、すなわち逆相インピーダンスが設定される。
以下では、添付図面を参照して実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
図１は、タワー１０２とナセル１０４を備えた風力発電装置１００を示す。ナセル１０４には、３枚のロータブレード１０８とスピナ１１０を有するロータ１０６が設けられている。ロータ１０６は風によって駆動されて回転運動を行い、これによりナセル１０４内の発電機を駆動する。
以下、図２（ａ）ないし図２（ｃ）を参照して説明する。
電圧（および電流）の基本周波数は、フェーザを用いて対称成分で表現される。
これらは、通常、以下のように変換される。
非対称性の尺度となる非対称性レベルは、逆相電圧フェーザの正相電圧フェーザに対する比、および、零相電圧フェーザの正相電圧フェーザに対する比で与えられる。
電力網に接続されたインバータ（Wechselrichter）は、基本周波数および（準）定常動作条件に関して、典型的な（時間および状態に依存する）等価回路によって解釈することができる。インバータの非孤立動作条件に対して適用しうる選択肢として、インピーダンス等価回路（図２（ａ））がある。試験的な電力系統における変圧器ベクトル群によると、零相成分はインバータには無関係である。正相インピーダンスは、インバータに対する標準的な電力制御レイヤであるＦＡＣＴＳ（Flexible Alternating Current Transmission System）制御アーキテクチャによって決定される。一方、逆相インピーダンスは、追加的なＡＣＩ（Asymmetrical Current Injection）制御によって制御される（図２（ｃ））。
両相成分（正相および逆相）のインピーダンスは、同時に物理的な振る舞いに影響を及ぼす。両相成分のインピーダンスは実際の端子相（成分）電圧およびインバータの電流の実際の振幅と参照値に依存し、正相および逆相について互いに独立に制御される（図２（ｂ））。逆相インピーダンスの負の実部は、電力網への有効電力の注入を表す。一方、対応する負の虚部は、無効電力を表す。なお、この表示に関する解釈は、インバータの非孤立動作条件の場合に限定される。
相電圧の振幅に関して、正常運転時におけるインバータと電力網の間の電力の交換は、専ら正相によって支配される。すなわち、正常運転時における正相インピーダンスは、実際の全インバータ電力と実際の端子正相電圧による結果として解釈することができる。
独立にＡＣＩを考慮して規定された逆相インピーダンスは、逆相インバータ電流を介して、実際の端子逆相電圧に依存して達成される。この機能は付加的なＡＣＩ制御モジュールを提供する。かかるモジュールは、適用されるインバータ制御のアーキテクチャの電力制御レイヤに属する（図２（ａ）右側）。ベクトル制御により、通常のようにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に対する入力信号の制御が行われる。
略語ＡＣＩは、非対称電流注入（Asymmetrical Current Injection）を表す。なお、念のために、ＦＡＣＴＳは英語でも（専門家であれば）ドイツ語でも、Flexible AC Transmission Systemという共通の概念を表すことを指摘しておく。
図２（ａ）は、一実施例に係るインバータ２に対する制御部の構成を示す。ここでは、正相インピーダンスの制御および注入部４と、逆相インピーダンスの制御および注入部６とが分離されている。このことは、正相について、
によって定義され、負の実部を有する（正相）インピーダンス
が制御されることを意味する。同様に、逆相については、（逆相）インピーダンス
、すなわち、値
（によって定義されたインピーダンス
）を用いる。
両インピーダンス
および
の意味は、図２（ｂ）の複素平面上に示されている。
図２（ｃ）は、一部をブロック図とした回路図により、一実施例における注入動作を示す。
文字ａ、ｂ、ｃを付した位相を有する３相電力網８において、３つの位相の電圧v(t)は測定場所１０で測定され、分解ブロック１２に供給される。分解ブロック１２は、測定した３相電圧を、正相成分電圧
および逆相成分電圧
に分解する。結果は、電圧の正相成分および逆相成分とともに、さらに他の計算ブロック１４を経由して、無効電力Ｑなどの必要な値を決定する注入予設定値ブロック１６に送出される。次に、注入予設定値ブロック１６は、注入すべき電流の正相部分および逆相部分を決定する。このため、注入予設定値ブロック１６は、正相電流および逆相電流のそれぞれについてｄ軸成分およびｑ軸成分を決定する。これを、d-, q-, d+およびq+のような省略形式で示すこともできる。また、ＤＣリンク電圧Vdcに関する情報も、注入予設定値ブロック１６に供給される。このようにして、計算ブロック１４、および、特に注入予設定値ブロック１６は、電力制御ブロック１８を構成する。
電力制御ブロック１８、特に注入予設定値ブロック１６から収集した値は、ベクトル制御ブロック２０に供給される。逆相ブロック２２および正相ブロック２４は、それぞれ、注入される各位相を制御するための対応するベクトルを決定する。また、逆相ブロック２２および正相ブロック２４は、分解ブロック１２との間で情報を交換する。このため、変換ブロック２６は、注入すべき正相電流および逆相電流の２つのベクトルを注入すべき相電流の具体的な予設定値（パラメータ）に変換して、かかる情報を位相ブロック２８ａ、２８ｂ、２８ｃに供給する。そのため、変換ブロック２６は、式iaref = i-aref + i+aref, ibref = i-bref + i+bref, icref = i-cref + i+crefに従って個々の電流iaref, ibref, icrefを決定する。次に、これらの値は、インバータブロック３２に含まれる許容バンド制御ブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃに供給される。次に、許容バンド制御ブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、既知の許容バンド制御によりインバータ３４のインバータブリッジを具体的に動作させ、また、この過程において実際の電流i(t)を考慮することができる。
図３は、一実施例に係る制御の開始点となる電力網５０を示す。電力網５０は、特に測定を通じて、電力網制御ブロック５２として示された一般的な制御に作用する。かかる一般的な電力網制御において、インピーダンス
を調整するために、調整係数
または
と調整位相角
または
を予設定してもよい。ここで、添字ABは電力網５０の正常動作、すなわち、系統障害を伴わない動作を意味する。ただし、何らかの非対称性が生じていてもよい。
また、図３は非対称性障害が生じた場合、調整係数
または
に一定値（例えば2）が設定されることを示す。このとき、調整位相角
または
に90°が予設定される。ここで、ＶＮＳＲはVoltage Negative Sequence Reactanceを表し、これにより、障害が生じた場合における逆相に対するリアクタンスが予設定される。電力網において非対称性障害が生じた場合、可変な調整位相角
を用いる代わりに、単にリアクタンスを負荷として用いる。
インバータ制御ブロック５４は、インバータ２を制御する。図３のインバータ２は、図２（ａ）のインバータ２に対応する。また、インバータ制御ブロック５４に対する参照符号５４は、図２（ａ）においても使用する。ただし、図２（ａ）および図３は概略図であり、細部においては相違する。
図３に示すように、インバータ制御ブロック５４によるインバータ２の制御は様々な制御過程を含む。そこで、図２（ｃ）において説明した制御過程を再度参照されたい。なお、インピーダンスの予設定の説明に関して、図３は調整係数
と調整位相角
のインバータ２への供給または作用を示すにすぎない。しかしながら、インバータの制御は、これらの値を予設定することのみに限定されない。
破線矢印は、インバータ２、または、インバータ出力部５６に存在する要因から生じうるインバータ制御ブロック５６、すなわちインバータ制御への反作用を示す。次に、インバータ２は、インバータ出力部５６において注入するための３相の非対称電流を出力する。出力された非対称電流は、図示した変圧器５８を経由して電力網接続点６０において電力網５０に注入される。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は、図示した形態に限定することを意図するものではなく、専ら理解を助けるためのものである。
また、本発明において、さらに以下の形態が可能である。
［形態１］
３相電力網（８）に電気エネルギーを注入する方法であって、
注入部（２）を用いて電力網接続点（６０）に電流を注入するステップと、
電力網（８）における非対称性、特に電力網（８）における逆相成分を検出するステップと、
前記検出された非対称性を少なくとも部分的に補償するために、非対称電流部分を電力網（８）に注入するステップと、を含み、
前記非対称電流部分の注入は、前記注入部（２）が負荷（６）として振る舞うようにして行われる、
ことを特徴とする方法。
［形態２］
逆相における負荷（６）はインピーダンスZ - として関係式
で表され、Z n はインピーダンス値、
は調整位相角、
はスカラー調整係数を表す、
形態１に記載の方法。
［形態３］
前記インピーダンスに含まれる前記調整係数
および／または前記調整位相角
は、電力網の少なくとも１つの特性に基づいて設定される、
形態２に記載の方法。
［形態４］
前記調整位相角
は0°ないし90°の範囲で設定され、前記電力網接続点における電力網のレジスタンスに対するリアクタンスの比（Ｘ／Ｒ比）が大きくなるに従って大きい値に設定される、
形態２または３に記載の方法。
［形態５］
電力網（８）の等価回路図が注入点（１０）に対して作成され、
負荷（６）または負荷（６）を表すインピーダンスが作成した等価回路図を用いて設定され、特に、調整位相角
および／または調整係数
は把握した等価回路図に依存して設定される、
形態１ないし４のいずれか一に記載の方法。
［形態６］
非対称性は電力網（８）における電圧の逆相成分
を検出することによって検出され、かつ／または、前記非対称電流部分は逆相成分として注入される、
形態１ないし５のいずれか一に記載の方法。
［形態７］
前記注入部（２）はインバータ（２）であるか、または、インバータ（２）を備える、
形態１ないし６のいずれか一に記載の方法。
［形態８］
電力網（８）において非対称障害が存在するか否かを調べ、
非対称障害が検出されない場合、注入部（２）が負荷として振る舞うように非対称注入が行われる、
形態１ないし７のいずれか一に記載の方法。
［形態９］
中間電圧の電力網に電流を注入するために、前記調整位相角
は40°ないし70°、特に50°ないし60°の範囲の値に設定され、かつ／または、前記調整係数
は0ないし10の範囲の値に設定される、
形態２ないし８のいずれか一に記載の方法。
［形態１０］
風力エネルギーから得られた電気エネルギーを電力網（８）に注入する風力発電装置（１００）であって、
形態１ないし９のいずれか一に記載の方法を用いる風力発電装置（１００）。
［形態１１］
注入を行うために、注入部（２）としてインバータ（２）を備える、
形態１０に記載の風力発電装置（１００）。
［形態１２］
電力網（８）に電気エネルギーを注入するインバータ（２）であって、
形態１ないし９のいずれか一に記載の方法を用い、特に風力発電装置とともに動作させるために設けられたインバータ（２）。
２ 注入部（インバータ）
４ 正相インピーダンス
６ 負荷（逆相インピーダンス）
８ ３相電力網（電力網）
１０ 注入点（測定場所）
１２ 分解ブロック
１４ 計算ブロック
１６ 注入予設定値ブロック
１８ 電力制御ブロック
２０ ベクトル制御ブロック
２２ 逆相ブロック
２４ 正相ブロック
２６ 変換ブロック
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ 位相ブロック
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 許容バンド制御ブロック
３２ インバータブロック
３４ インバータ
５０ 電力網
５２ 電力網制御ブロック
５４ インバータ制御ブロック
５６ インバータ出力部
５８ 変圧器
６０ 電力網接続点
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ ロータ
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ

Claims (10)

  1. ３相電力網（８）に電気エネルギーを注入する方法であって、
    注入部（２）を用いて電力網接続点（６０）に電流を注入するステップと、
    電力網（８）における非対称性として電力網（８）における逆相成分を検出するステップと、
    前記検出された逆相成分を少なくとも部分的に補償するために、非対称電流部分を電力網（８）に注入するステップと、を含み、
    前記非対称電流部分の注入は、前記注入部（２）が負荷として振る舞うようにして行われ、
    電力網（８）に接続された注入部（２）は、インピーダンスZ-として関係式
    で表される逆相（６）を有する負荷のように制御され、但し、Znは電力網接続点（６０）に対する電力網（８）の定格インピーダンス値、
    は調整位相角、
    はスカラー調整係数を表し、
    前記インピーダンスに含まれる前記調整係数
    および／または前記調整位相角
    は、電力網の少なくとも１つの特性に基づいて設定される、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記調整位相角
    は0°ないし90°の範囲で設定され、前記電力網接続点における電力網のレジスタンスに対するリアクタンスの比（Ｘ／Ｒ比）が大きくなるに従って大きい値に設定される、
    請求項１に記載の方法。
  3. 電力網（８）の等価回路図が注入点（１０）に対して作成され、
    負荷または負荷を表すインピーダンスが作成した等価回路図を用いて設定され、調整位相角
    および／または調整係数
    は把握した等価回路図に依存して設定される、
    請求項１又は２に記載の方法。
  4. 非対称性は電力網（８）における電圧の逆相成分
    を検出することによって検出され、かつ／または、前記非対称電流部分は逆相成分として注入される、
    請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記注入部（２）はインバータ（２）であるか、または、インバータ（２）を備える、
    請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 電力網（８）において非対称障害が存在するか否かを調べ、
    非対称障害が検出されない場合、注入部（２）が負荷として振る舞うように非対称注入が行われる、
    請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 中間電圧の電力網に電流を注入するために、前記調整位相角
    は40°ないし70°、または、50°ないし60°の範囲の値に設定され、かつ／または、前記調整係数
    は0ないし10の範囲の値に設定される、
    請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
  8. 風力エネルギーから得られた電気エネルギーを電力網（８）に注入する風力発電装置（１００）であって、
    電力網接続点（６０）において電力網（８）に非対称電流成分を注入する注入部（２）を含み、
    請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法を用いる風力発電装置（１００）。
  9. 電力網（８）への非対称電流成分の注入として電力網（８）に電気エネルギーの注入を行うために、注入部（２）としてインバータを備える、
    請求項８に記載の風力発電装置（１００）。
  10. 電力網（８）に電気エネルギーを注入するインバータ（２）は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法を用い、風力発電装置とともに動作させるために設けられた、
    請求項９に記載の風力発電装置（１００）。
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