JP6445976B2 - コンバータシステム及び風力発電設備又は水力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、１つの整流器と、少なくとも２つのインバータとを備え、整流器には交流電源からエネルギーを供給することが可能であり、整流器がインバータへのエネルギー供給のために共通の直流回路を介して各インバータに接続されており、各インバータが、当該各電気消費部のエネルギー供給のために、それぞれ１つの電気消費部に接続可能である、コンバータシステムに関するものである。

米国特許第７，１２６，２３６Ｂ２号明細書には、風力発電設備における少なくとも１つの直流モータのエネルギー供給のための方法及びシステムが開示されており、このシステムは、直流電圧を発生し、この直流電圧を少なくとも１つの直流モータへ供給するためにエネルギー源へ接続されたブリッジ整流器と、中間回路コンデンサとを備えていて、この中間回路コンデンサは、直流電圧をフィルタし、少なくとも１つの直流モータのためのエネルギー貯蔵部又はエネルギー源として機能する。さらに、複数の直流モータを利用することも開示されており、これら直流モータは別々の駆動システムからエネルギー供給され、これら駆動システムの中間回路が互いに接続されている。そのため、これら中間回路間のエネルギーを交換することができる。

米国特許第７，７４０，４４８Ｂ２号明細書には風力発電設備のロータブレードの動作角度の制御のための装置が開示されており、この装置は、ＭＯＦＳＥＴに基づく出力変換器を備えた動作角度制御システムと、直流回路コンデンサを有しつつＭＯＦＳＥＴに基づく出力変圧整流器を介して動作角度制御システムへエネルギーを供給するよう構成された直流電圧回路と、直流電圧回路へのエネルギー供給のための交流電流入力エネルギーのためのソースと、フルに交流電流入力エネルギーが供給される場合に直流電圧回路へのエネルギー供給を行わないよう構成されたリザーブバッテリとを備え、さらに、この装置は、交流電流入力エネルギーの損失中又は急激な低下中にＭＯＦＳＥＴに基づく出力変圧整流器を介してエネルギーを動作角度制御システムへ供給し、動作角度制御システムへのエネルギー供給中に電圧が直流電圧回路コンデンサを介して低下するとすぐに、リザーブバッテリの使用の下で直流電圧回路コンデンサでのチャージを維持するために、直流電圧回路コンデンサに蓄えられたエネルギーを使用するように構成されている。このとき、交流電源は再生不能なソースであり、直流電圧回路は複数の動作角度モータシステムについて共通であり、チャージされたリザーブバッテリの使用の下での直流電圧回路コンデンサにおけるチャージの維持は、リザーブバッテリから共通の直流電圧回路への電流の供給を含んでいる。

米国特許第７，１２６，２３６Ｂ２号明細書 米国特許第７，７４０，４４８Ｂ２号明細書

上述の従来技術は、例えば中間回路、特に駆動システムのうち１つのものの中間回路コンデンサにおける短絡時に、この短絡によって全ての中間回路が完全に放電してしまい、いずれのモータにも駆動システムからエネルギーを供給できなくなってしまうという欠点を有している。このことは、直流電流によって動作可能でないモータにおいて特に問題である。なぜなら、直流モータは、駆動システムを介した動作の代わりに、非常時に少なくともバッテリあるいはコンデンサに蓄えられたエネルギーによって、制限された時間だけ駆動するために、バッテリ又はコンデンサに直接接続されることができるためである。これに対して、交流モータにおいてはこれが容易に可能ではない。

本発明は、さらに、ロータを有し、該ロータが１つのロータハブ及び少なくとも２つのロータブレードを備えており、該ロータブレードが電気消費部によってその各長手軸周りに回転可能である、風力発電設備又は水力発電設備に関するものである。

これにより、本発明の課題は、特に信頼性の高いコンバータシステム及び風力発電設備又は水力発電設備を提供することにある。

上記課題は、冒頭に記載したコンバータシステムにおいて、直流回路とインバータのうち１つとの間の接続部の少なくとも１つに接続解除装置が配置されており、該接続解除装置が、インバータから直流回路の方向への電気エネルギーの伝達を阻止することによって解決される。驚くべきことに、本発明によるコンバータシステムが従来技術において公知のシステムに比して本質的な複数の利点を備えていることが判明した。特に、直流回路からインバータを接続解除することで、したがって互いにも接続解除することで、他の構成要素において生じる障害から各インバータが保護される。接続解除装置なしでは、インバータの直流側での例えば短絡が全ての他のインバータへ直接影響してしまう。

本発明の有利な形態によれば、接続解除装置又は複数の接続解除装置のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのダイオードを備えている。接続解除装置又は複数の接続解除装置のうちの少なくとも１つが少なくとも１つのダイオードで形成されていることが特に有利である。１つ又は直列接続された複数のダイオードの使用により、１つ又は複数のインバータの直流回路からの確実な接続解除が達成され、１つ又は複数のインバータから直流回路へ戻るエネルギー伝達が阻止されている。

本発明の有利な形態は、インバータのうち少なくとも１つが非常エネルギー貯蔵部を備えており、非常エネルギー貯蔵部によってインバータに電気エネルギーを供給可能であることによって傑出している。非常エネルギー貯蔵部を設けることで、非常エネルギー貯蔵部に蓄えられた電気エネルギーを各インバータへ供給することが可能である。これにより、例えば直流回路を介したインバータへのエネルギー供給の停止である非常時に、インバータは、少なくとも限定された時間だけ非常エネルギー貯蔵部からエネルギーを電気消費部へ供給することができ、そのため、特に非常時に所望され、必然的に必要となる電気消費部の対応が可能である。電気消費部のこのような所望の又は必要な対応は、例えば風力発電設備の場合のいわゆる非常モードである。このとき、風力発電設備のできる限り全てのロータブレードが風により回転し、その結果、これらロータブレードは、空気流に基づくエネルギーをもはや受け取らず、流体力学的な制動により風力発電設備のロータを徐々に静止状態へもたらす。

本発明の特に有利な形態によれば、１つの非常エネルギー貯蔵部又は複数の非常エネルギー貯蔵部のうち少なくとも１つが、複数のコンデンサ、特にウルトラキャパシタによって形成されるようになっている。コンデンサ、とりわけウルトラキャパシタは、コンバータシステムにおける応用において特に有利であることが判明した。わずかな体積での高い静電容量及びかなり長い寿命により、これらコンデンサは、通常使用されるバッテリより明らかに優れている。特に、非常エネルギー貯蔵部は、１つのコンデンサ又は複数のコンデンサによって形成されることが可能である。

本発明の好ましい形態においては、１つの非常エネルギー貯蔵部又は複数の非常エネルギー貯蔵部のうち少なくとも１つが、各インバータの中間回路コンデンサに直接接続されるようになっている。各インバータの中間回路コンデンサと非常エネルギー貯蔵部の間のこの直接的な接続によって、所定の動作状況において電気消費部からインバータへ放出され、かつ、このインバータによって整流される電気エネルギーが非常エネルギー貯蔵部へ導かれるとともに蓄えられ得る。また、中間回路コンデンサへの非常エネルギー貯蔵部の直接的な接続によって、中間回路コンデンサを比較的小さく、すなわちわずかな静電容量で設計することが可能であることが達成される。なぜなら、非常エネルギー貯蔵部が中間回路コンデンサの役割を少なくとも部分的に担うためである。特に、本発明の他の形態においては、中間回路コンデンサをごく小さく形成することが可能であり、つまり、中間回路コンデンサを省略することが可能である。この場合、非常エネルギー貯蔵部が中間回路コンデンサとして機能し、この中間回路コンデンサと置き換えられる。

本発明の別の好ましい形態によれば、整流器の初期電圧が１つの非常エネルギー貯蔵部又は複数の非常エネルギー貯蔵部のうちの１つの公称電圧に適合されるようになっている。これにより、１つ又は複数の非常エネルギー貯蔵部のための外部のチャージ装置を省略することが可能である。なぜなら、１つ又は複数の非常エネルギー貯蔵部が、整流器から直流回路へ供給され、そこからインバータへ導かれるエネルギーによってチャージされ得るためである。

さらに、整流器が入口側に過電圧保護装置を備えていれば有利である。これにより、コンバータシステム全体が、交流電源により生じる過電圧から保護される。これにより、過電圧が例えば落雷によって生じ得るような、特に誘導式に交流電源に関連付けされた過電圧からコンバータシステムが保護されている。

本発明の別の好ましい形態によれば、整流器が内蔵プログラム制御部を備えるようになっている。内蔵プログラム制御部は、特に整流器及び／又はインバータの制御部として機能し得る。

本発明の有利な形態においては、整流器及び／又はインバータのうち少なくとも１つが、フィールドバスインターフェースを備えるようになっている。フィールドバスインターフェースを介して、他のシステムを有する通信手段が与えられる。このような他のシステムは、特に上位の制御装置であり得る。風力発電設備においては、例えば、このような上位の制御装置は設備制御部によって形成されており、この設備制御部は、特にロータブレードの位置についての目標値をあらかじめ設定するものであり、目標値の遵守が、コンバータシステムによって監視され、インバータに接続された電気消費部、特に電気モータの対応する作動によって保証される。

本発明の別の有利な形態によれば、整流器の電流消費が制限されるようになっている。このような制限は、例えば少なくとも１つの抵抗を備えた電流制限装置によって達成され得るとともに、例えば制御可能なブリッジ整流器において適当な制限された電流閉ループ制御によって可能なように、整流器の適当な制御によっても達成され得る。

本発明の特に有利な形態においては、電気消費部のうち少なくとも１つが交流モータ又は直流モータとなっている。

上記課題は、さらに、冒頭に記載した風力発電設備又は水力発電設備において、当該風力発電設備又は水力発電設備が請求項１〜１１のいずれか１項に記載のコンバータシステムを備えており、該コンバータシステムが電気消費部にエネルギーを供給することによって達成される。このような風力発電設備又は水力発電設備においては、コンバータシステムは、各長手軸周りのロータブレードの回転に対して役割を担ういわゆるピッチシステムの一部である。この電気消費部は、通常、複数の交流モータ又は直流モータによって形成される。

詳細には、本発明によるコンバータシステム及び風力発電設備又は水力発電設備を構成し、発展形成するための複数の可能性が存在する。これについては、請求項１につづく各請求項及び図面を参照した本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明を参照されたい。

図１は、本発明の好ましい形態の本発明によるコンバータシステムの概略を示す図である。 図２は、本発明の別の形態に基づく本発明によるコンバータシステムの一部の概略を示す図である。

図１には、１つの整流器１及び３つのインバータ２を有する本発明によるコンバータシステムが示されている。整流器１は交流電源３に接続されており、この交流電源は、例えば給電網によって形成されることが可能である。整流器１は、交流電源３から供給される三相交流電流を整流するとともに、直流回路４を介してインバータ２に三相交流電流を供給する。インバータ２は電気消費部５に接続されており、この電気消費部５にはインバータ２からエネルギーが供給される。電気消費部５は、例えば、複数の直流モータ又は複数の交流モータを含んでいる。直流回路４を有するインバータ２の各接続部には接続解除装置６が配置されており、この接続解除装置は、電気エネルギーがインバータ２から直流回路４の方向へ伝達されるのを防ぐものである。整流器１は入口側において過電圧保護装置１１を備えており、この過電圧保護装置は、本発明によるコンバータシステムを直流電圧源３からの過電圧から保護するものである。また、整流器１は内蔵プログラム制御部１２及びフィールドバスインターフェース１３を備えており、整流器は、このフィールドバスインターフェースを介して、上位の制御部（不図示）との通信のためのフィールドバス１４に接続可能である。内蔵プログラム制御部１２は、特に整流器１及びインバータ２の制御のためのソフトウェアを含んでいる。

図２には、本発明の他の形態に基づく本発明によるコンバータシステムの一部が示されている。部分的にのみ示されている直流回路４には、接続解除装置６を介してインバータ２が接続されている。接続解除装置６は４つのダイオード７で形成されており、これらダイオードは、接続ラインにおいてインバータ２と直流回路４の間に配置されている。このとき、電気エネルギーがインバータ２から直流回路４の方向へ伝達され得ないように接続ラインのそれぞれにおいて２つのダイオード７が直列接続されている。インバータ２は中間回路コンデンサ１０を備えており、この中間回路コンデンサ１０には、接続解除装置６を介して直流回路４からのエネルギーをチャージ可能である。中間回路コンデンサ１０には非常エネルギー貯蔵部８が直接接続されている。非常エネルギー貯蔵部８は、複数のコンデンサ９を備えている。好ましくは、直列接続された複数のコンデンサ９が複数のアセンブリにまとめられており、このようなアセンブリのうち複数が並列接続において非常エネルギー貯蔵部８を形成する。図２に示された非常エネルギー貯蔵部８は、それぞれ２つのコンデンサ９に関してこのような３つのアセンブリで形成されている。

インバータ２はさらにブリッジ配置１５を備えており、このブリッジ配置により、インバータ２が電気消費部５に接続されている。ブリッジ配置１５は３つのブリッジ１６を備えており、これらブリッジは、２つずつ直列接続されたトランジスタ１７によって形成されていて、各トランジスタ１７に対して還流ダイオード１８が並列接続されている。好ましくは、トランジスタ１７は絶縁されたゲート電極を有するバイポーラトランジスタによって形成されており、このバイポーラトランジスタは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とも呼ばれる。還流ダイオード１７により、エネルギーを電気消費部５から中間回路コンデンサ１０及び非常エネルギー貯蔵部８へ戻すことが可能である。これは、例えば、電気消費部５が少なくとも一時的に発電機として動作される電気モータによって形成されている場合であり得る。電気消費部５がブリッジ配置１５を介して中間回路コンデンサ１０及び非常エネルギー貯蔵部８へこれらが確実に収容可能なエネルギーよりも多くのエネルギーを供給する場合のために、ブレーキチョッパ１９が設けられている。ブレーキチョッパ１９により、中間回路コンデンサ１０及び非常エネルギー貯蔵部８からの電気エネルギーを熱エネルギーに変換することが可能である。このために、ブレーキチョッパ１９は、トランジスタ１７及びブレーキ抵抗２０を備えている。トランジスタ１７が導通されるとすぐに、電流がトランジスタ１７及びブレーキ抵抗２０を通って流れる。このとき、ブレーキ抵抗２０が加熱する。中間回路コンデンサ１０及び非常エネルギー貯蔵部８において所定の限界値を超えて電圧が上昇すると、トランジスタ１７が導通され、これにより可能となる電流が電圧の更なる上昇を阻止する。中間回路コンデンサ１０及び／又は非常エネルギー貯蔵部８における電圧の監視のために、これら構成部材の少なくとも１つにおいて電圧センサが設けられている。特に有利な形態においては、内蔵プログラム制御部１２に電圧センサの測定値が提供されるとともに、ブレーキチョッパ１９のトランジスタ１７を内蔵プログラム制御部１２によって操作することが可能である。

各ブリッジにおけるそれぞれ直列接続されたトランジスタの間では、それぞれ１つの接続ラインがインバータ２へ割り当てられた電気消費部５へ向けて出ている。中間回路コンデンサ１０及び非常エネルギー貯蔵部８内に中間貯蔵されたエネルギーは、ブリッジ配置１５を介して、トランジスタ１７の適当な作動により例えば交流電流の形態で電気消費部５へ供給され得る。

１ 整流器
２ インバータ
３ 交流電源
４ 直流回路
５ 電気消費部
６ 接続解除装置
７ ダイオード
８ 非常エネルギー貯蔵部
９ コンデンサ
１０ 中間回路コンデンサ
１１ 過電圧保護装置
１２ 内蔵プログラム制御部
１３ フィールドバスインターフェース
１４ フィールドバス
１５ ブリッジ配置
１６ ブリッジ
１７ トランジスタ
１８ 還流ダイオード
１９ ブレーキチョッパ
２０ ブレーキ抵抗

Claims (8)

1. 少なくとも２つのロータブレードを有する風力発電設備であって、前記ロータブレードが、電気モータ（５）によりそれぞれの長手軸の周りを回転可能である風力発電設備において、
   単一の整流器（１）と、少なくとも２つのインバータ（２）とを有するコンバータシステムを備え、前記単一の整流器（１）には交流電源（３）からエネルギーを供給することが可能であり、前記単一の整流器（１）が前記インバータ（２）へ直流電流を供給するために共通の直流回路（４）を介して前記各インバータ（２）に接続されており、前記各インバータ（２）が、各電気モータ（５）へエネルギーを供給するために、それぞれ１つの電気モータ（５）に接続可能であり、
   前記単一の整流器（１）は、当該単一の整流器（１）の電流消費を制限するために内蔵プログラム制御部（１２）を備えており、前記インバータ（２）のそれぞれが、コンデンサ（９）を有する非常貯蔵部（８）を備えており、各非常貯蔵部（８）が各インバータ（２）に電気エネルギーを供給するように各インバータ（２）に直接接続されており、前記直流回路（４）と前記非常貯蔵部（８）との間の各接続部に接続解除装置（６）が配置されて、当該接続解除装置（６）が、前記インバータ（２）または前記非常貯蔵部（８）から電気エネルギーが前記直流回路（４）の方へ伝送されて流れるのを防ぎ、これにより１のインバータ（２）内にある一方の非常貯蔵部（８）から他のインバータ（２）内にある他方の非常貯蔵部（８）へ電流が流れることを防ぐことを特徴とする風力発電設備。
2. 前記接続解除装置（６）又は複数の前記接続解除装置（６）のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのダイオード（７）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
3. コンデンサ（９）は、ウルトラキャパシタであることを特徴とする請求項２に記載の風力発電設備。
4. 前記１つの非常貯蔵部（８）又は複数の前記非常貯蔵部（８）のうち少なくとも１つが、前記各インバータ（２）の中間回路コンデンサ（１０）に直接接続されていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電設備。
5. 前記整流器（１）の初期電圧が前記１つの非常貯蔵部（８）又は複数の前記非常貯蔵部（８）のうちの１つの公称電圧に適合されていることを特徴とする請求項３または４のいずれか１項に記載の風力発電設備。
6. 前記整流器（１）が入口側に過電圧保護装置（１１）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力発電設備。
7. 前記整流器（１）及び／又は前記インバータ（２）のうち少なくとも１つが、フィールドバスインターフェース（１３）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力発電設備。
8. 前記電気モータ（５）が交流モータ又は直流モータであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力発電設備。

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