電力変換システムおよび方法
電力変換のためのシステム（２０）および方法について説明する。タービン発電装置からの高電圧ＤＣ電力出力を、ＡＣ電力グリッドへの接続に好適なＡＣ電力信号に変換する際に使用するためのシステム（２０）が意図される。本システム（２０）は、分離を提供するために同期発電装置（２８）を駆動するとともに、本システムによる実電力出力の制御を可能にする同期モータ（２６）間の機械的結合（２７）を利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システムおよび方法に関し、特に、ＡＣ電気グリッドへの接続のための潮流発電構成用の電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー源を開発しているたくさんの形態の発電は、発電装置を採用し、支配的な条件に応じて変わる速度で発電装置を駆動させる。たとえば、風力タービンは、風速に依存する速度で発電装置を駆動し、潮流タービンは、水流の支配的な速度に依存する速度で発電装置を駆動し、波力コンバータは、周期的に変わる速度で駆動される発電装置を含むことができる。そのような場合には、発電装置からの電気出力の電圧および周波数は、絶えず変化する。しかしながら、電気グリッドは、一定の電圧および周波数で動作し、グリッドコードで実施される厳格な調節が、グリッドに接続されるべき発電システムに適用される。
【０００３】
風車群または潮流タービン群のような大型発電システムの場合、グリッドコードは、典型的には、以下の主要要件を含む。
１．大型発電システムは、支配的な風速、潮速などから独立して出力された実電力を修正するための静電容量を有することによって、グリッド周波数の制御に寄与することができなければならない。
２．大型発電システムは、最大で特定の規定された割合の供給された実電力となる無効電力を供給するための静電容量を有することによって、グリッド電圧の制御に寄与することができなければならない。
３．大型発電システムは、正弦波形の電流を生成することができなければならない。この電流は、ＤＣ成分を有さなくてもよく、すべての高調波成分および副高調波成分は、前述の上限に満たなくてもよい。
４．発電システムは、グリッド上の低電圧の一時的フォールト全体を通して、グリッドに接続されたままであり、それにより、当該フォールトが解消されたときには電力を供給し続けるように準備できていなければならない。
【０００４】
これらのレギュレーションのうち第１の要件を満たすために、最も大型の風力タービンは、最大で支配的な風速に対応する最大値となる、ブレードによって生成された機械的動力を調節するためのピッチ制御メカニズムを含むことができる。
【０００５】
第２および第３の要件を満たすために、発電装置からの電力は、通常はパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータを採用するパワーエレクトロニクスシステムによって、一定の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の３相ＡＣに変換される。
【０００６】
最後の要件を満たすために、インバータは、短絡からインバータを保護するために、単に接続解除するのではなく、出力電流を制限するように制御される。
【０００７】
好適なインバータは、好ましい標準的な電圧のうちの１つである、ライン間で最大６９０Ｖｒｍｓの出力電圧定格で利用可能である。より高い電圧も可能であるが、コストが高くなり、効率が低くなり、変調周波数が低くなることの代償として、より高い電圧が達成され、グリッドに送られたより高い高調波電流、したがって、補助フィルタに対するニーズにつながる。したがって、電圧をグリッド電圧まで上昇させる変圧器を介して、接続点でグリッドに接続される６９０Ｖインバータを使用するのが一般的である。
【０００８】
陸上風力タービンの場合、この構成は定置型である。しかしながら、提案された潮流タービンの場合、この構成は、いくつかの相違点を提供する。
【０００９】
第一に、海底に設置された潮流タービンは、記載される形態の変換機器を収容するために、非常に大型で高価な海中エンクロージャを必要とすることになる。変換機器が故障すると、変換機器を回収し、交換するために、高価な海洋作業が必要になり、支配的な気象条件により、長期間にわたって作業が遅延することがある。したがって、一般には、グリッドに接続するために、タービンから海岸まで、または、そのようなタービンの集合から電力を受ける特別な変電施設を収容するオフショアプラットフォームまで電力を送るためのケーブルの受端部に、できるだけ多くの変換機器を配置することが望ましい。
【００１０】
送電距離を理由にして、送電損失を低減させるために、ほどよい高さの送電電圧を使用することが好ましい。たとえば、コンダクタ断面が２５０ｍｍ２であり、送電損失が４％である２コアケーブルを介して、５ｋｍの距離にわたって５ＭＷを送電するためには、約１０ｋＶの作動電圧が必要となる。この大きさの電圧は、発電装置によって発生させることができ、それにより、電力変換機器を全く必要としないシステムがタービンにおいて存在することが可能である。
【００１１】
海中ケーブルおよびその設置には高いコストがかかるので、共通ケーブルを共有する、できるだけ多くのタービンを有することが望ましい。各タービンの電気出力がＡＣである場合、もしタービンが一緒に接続されているのであれば、それらの出力を同期させなければならない。しかしながら、タービン出力がＤＣである場合、タービンが同じ電圧で動作することができると仮定するなら、それらを並列に安全に接続することができる。
【００１２】
コストが高く、海中環境において、ピッチ制御メカニズムが故障するリスクがあるので、一定のピッチのブレードをもつタービンを使用することが望ましい。単純性および効率を理由にして、中間ギヤボックスのないタービンによって直接的に駆動される発電装置を使用すること、および発電装置フィールドの永久磁石励起を使用することがさらに好ましい。ＡＣ出力は、発電装置巻線または端子ボックスに埋め込むことができるダイオードを用いて、ＤＣに容易かつ効率的に変換される。次いで、タービンおよび発電装置の回転速度、ならびに関連付けられた出力電力は、支配的なフロー、およびタービン−発電装置−ダイオードがフィードするＤＣシステムの電圧に応じて変化する。
【００１３】
したがって、潮流タービン群の好ましい電気的構成を図１に示し、（整流ダイオード１２を介して）直流電力出力を生成する一連のタービン発電機１０が示されている。発電機１０は、短いケーブル１４のセットおよびより長いケーブル１６によって、受電ステーション１８に並列に接続される。受電ステーション１８は、海岸にあってもよく、あるいは機器を修理点検するためにアクセスできるオフショアプラットフォームに設けてもよい。受電ステーション１８の出力は、ＡＣ電力グリッドに接続される。
【００１４】
ＨＶＤＣをＡＣ電力に変換するための既知の方法は、サイリスタインバータ回路を使用するものである。図２に、サイリスタ１００のアレイを有する３相電流源サイリスタインバータが示される。動作中、ＤＣ電圧は、端子Ａ全体に印加される。サイリスタ１００の点孤角を制御する信号の位相は交互に変わり、したがって、３相ＡＣ信号が、端子Ｘ、ＹおよびＺで提供される。サイリスタインバータは、比較的安価であるとともに、効率と信頼性の組合せという利点を提供する。
【００１５】
電流源サイリスタインバータは、ＨＶＤＣからＡＣ電力への変換のために使用されることが知られているが、電流源サイリスタインバータは、大振幅高調波電流を発生させ、グリッドから無効電力を取り出すので、一般には、グリッド接続に好適ではない。さらに、電流源サイリスタインバータは、電圧のグリッドに依拠して導通期間の終わりにサイリスタをオフし、それにより、低電圧グリッド障害中には動作することができない。
【００１６】
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｏｗｅｎの「Ｈｏｍｏｐｏｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｏｔａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ （ＨＥＲＰＣ）」（ＩＥＥＥ Ｍｅｌｅｃｏｎ ２００４、２００４年５月１２〜１５日、クロアチア、ドゥブロヴニク）は、高電圧ＤＣ電力をＡＣグリッド供給電力に変換するための電力変換システムを開示し、このシステムは、高電圧ＤＣ電力入力を受けるためのライン電圧入力と、前記高電圧ＤＣ電力入力をＡＣ電力に変換するための変換モジュールと、前記変換モジュールによって提供されたＡＣ電力によって駆動される同期モータと、グリッド供給への接続のためにＡＣ出力電力を提供するように動作可能な同期発電装置とを備え、前記同期発電装置は、前記同期モータによって駆動される。
【００１７】
本発明の目的は、高ＤＣ電圧で動作することができ、グリッドコードのすべての要件を満たすＤＣ−ＡＣコンバータを提供することである。
【発明の概要】
【００１８】
したがって、請求項１に記載の特徴部分による電力変換システムが提供される。
【００１９】
同期発電装置は、同期モータによって駆動されるので、もともとのＤＣ入力信号から、または変換されたＡＣ信号からの任意の高調波を通した供給を妨げる機械的分離段が存在する。本発明は、本質的には、潮流タービンのアレイとともに使用することが意図されるが、他の電力変換環境、たとえば、オフショア風力タービンまたは波力コンバータにおいて使用できることが理解できよう。さらに、本発明による電力変換システムとともに使用するための、比較的単純で経済的な設計の陸上風力タービンを実現することができる。同期発電装置の駆動は、同期モータのシャフトに直接的に結合される、あるいは、モータと発電装置との間の任意の好適な機械的結合が可能であることが理解されよう。
【００２０】
好ましくは、前記変換モジュールは、多相サイリスタブリッジインバータを備える。
【００２１】
多相サイリスタブリッジインバータの位相数は、同期モータに供給される高調波電流、ならびに／あるいはライン電圧入力にフィードバックされるリップル電流および電圧の効果を低減するように選択することができる。
【００２２】
好ましくは、前記変換モジュールは、３相サイリスタブリッジインバータを備える。
【００２３】
好ましくは、前記同期モータの位相数は、多相サイリスタブリッジインバータの位相数に等しい。
【００２４】
代替的には、変換モジュールは、多相サイリスタブリッジインバータの出力を、前記同期モータを駆動するのに好適な電圧を有するＡＣ電力に変換するための変圧器をさらに備える。
【００２５】
好ましくは、本システムは、コントローラをさらに備え、このコントローラは、前記１つまたは複数のタービン発電装置の動作を調整するためにＤＣライン電圧入力を変動させるように、サイリスタブリッジインバータの位相角を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能である。
【００２６】
サイリスタブリッジインバータの動作を調節すると、これにより、関連付けられたタービン発電装置に関するＤＣライン電圧の変動が可能になる。ライン電圧の調節は、タービンの作動条件に影響を与え、それに応じて、変換システムによってグリッドに提供される実電力の調整が可能になる。
【００２７】
それに加えて、またはそれに代えて、前記同期モータは、界磁巻線タイプ同期モータであり、本システムは、前記タービン発電装置の動作を調整するためにＤＣライン電圧入力を変動させるように、同期モータの界磁巻線の励起を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能なコントローラを備える。
【００２８】
同様に、同期モータの励起フィールドが変動するにつれて、モータ端末におけるＡＣ電圧、したがって、ＤＣライン電圧が変動し、関連付けられたタービンの作動条件の調節によって、出力ＡＣ電力の実電力成分を調節することができるようになる。
【００２９】
好ましくは、当該システムは、前記同期モータと並列に設けられた補助負荷回路をさらに備え、当該システムは、前記変換モジュールによって提供されたＡＣ電力の少なくとも一部分を前記補助負荷回路に供給するように動作可能である。
【００３０】
補助負荷回路という手段は、関連付けられたタービン発電装置によって発生した余剰電力がある場合には、それを負荷回路中に破棄することができることを意味し、それにより、本変換システムが、必要なグリッド条件を満たすことができるようになる。
【００３１】
好ましくは、補助負荷回路は、前記変換モジュールからのＡＣ電力を蓄積するためのエネルギー蓄積デバイスを備え、前記エネルギー蓄積デバイスは、さらに、そのデバイスに蓄積されたＡＣ電力を前記同期モータに選択的に提供するように動作可能である。
【００３２】
補助負荷回路は、エネルギー蓄積デバイス、たとえば、バッテリー、フライホール、キャパシタなどを備えるので、関連付けられたタービンによって発生する余剰電力を蓄積し、は、後の段でエネルギー変換システムに提供することができる。これは、潮流タービン発電装置に関する場合であり得、余剰電力は、高潮流期間中には蓄積し、低潮流期間中および／またはグリッドの高需要期間中には、変換システム（および、延長によって、電力グリッド）中に戻して放出することができる。
【００３３】
それに加えて、またはそれに代えて、補助負荷回路は、負荷バンクを備える。
【００３４】
負荷バンクは、余剰電力を破棄し、変換システムがグリッド要件を満たし続けることを保証する、効果的な方法として使用することができる。
【００３５】
請求項１１の特徴部分による、タービン発電装置からの高電圧ＤＣ電力をＡＣグリッド供給電力に変換するための方法がさらに提供される。
【００３６】
好ましくは、本方法は、前記タービン発電装置の動作を調節するために、ＤＣ電力のライン電圧を変動させることによって、同期発電装置の実電力出力を制御する、さらなるステップを含む。
【００３７】
好ましくは、変換する前記ステップは、多相サイリスタブリッジインバータの位相角を制御するステップを含み、前記制御するステップが、ＤＣライン電圧入力を変動させるために、サイリスタブリッジインバータの位相角を調節するステップを含む。
【００３８】
それに加えて、またはそれに代えて、前記制御するステップは、ＤＣ電力入力のライン電圧を変動させるために、同期モータの励起を調節するステップを含む。
【００３９】
好ましくは、本方法は、同期発電装置の出力が所要のレベルを超えたときに、前記変換されたＡＣ電力の少なくとも一部分を補助負荷回路に迂回させるステップをさらに含む。
【００４０】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を単に例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】潮流タービンの先行技術のセットアップを示す図である。
【図２】既知のサイリスタインバータ回路を示す図である。
【図３】本発明による、電力変換システムの図である。
【図４】図３のシステムの第１のエンハンスメントの図である。
【図５】図３のシステムの第２のエンハンスメントの図である。
【図６】サンプルタービン特性曲線のプロットである。
【図７】潮流速度が異なるアレイにおいて動作する５つのタービンのセットに関するタービン特性曲線のプロットである。
【図８】負荷バンク回路をさらに備える図３のシステムの図である。
【図９】エネルギー蓄積デバイス回路をさらに備える図３のシステムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
必要な分離を有し、適切な実電力制御および無効電力制御と組み合わせられた変換システムを提供するために、電力は、電気モータによって駆動される同期発電装置により、ＡＣグリッドに送達される。このモータには、１つまたは複数のタービンから受け、モータにフィードするのに好適な形態に変換された高電圧直流電流からの電力が供給される。
【００４３】
図３を参照すると、本発明による電力変換システムが全体的に２０で示されている。高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力は、入力端子２２で提供される。入来するＨＶＤＣは、電流源サイリスタインバータ２４を用いてＡＣに変換される。個々のサイリスタは、最大で約８ｋＶの電圧定格で利用可能である。したがって、図３に示された回路は、最大で約５ｋＶのＤＣ電圧をもつシステムに好適となる。
【００４４】
次いで、変換されたＡＣ電力は、同期モータ２６を駆動するために使用される。入来するＨＶＤＣ電力は、通常、モータタイプの具体的な選択とすべきＤＣ電気モータには電圧が高すぎるので、したがって、図３の構成は、励起のための従来の界磁巻線または永久磁石のいずれかを有するＡＣ同期モータ２６を利用する。
【００４５】
同期モータ２６の出力（シャフト２７）は、同期発電装置２８の入力に結合される。同期発電装置２８は、直接的にＡＣ電力グリッドに容易に接続することができるＡＣ出力３０を提供する。このような同期発電装置は、化石燃料によって燃料供給される従来の発電所において見られるものと同じタイプのものとすることができる。このような発電装置は、グリッドコードの要件のほとんどを満たすことになり、最大で１ＧＷの電力定格で利用可能である。
【００４６】
上述のように、一般には、電流源サイリスタインバータは、グリッド接続には好適ではない。ただし、本発明のシステムでは、電流源サイリスタインバータは、グリッドには接続されず、要求に応じてサイリスタをオフするために必要な無効電力および電圧を提供する同期モータに接続される。さらに、高調波電流が同期モータに及ぼす影響は大きくない。
【００４７】
同期発電装置を駆動させるための同期モータを機械的に結合することにより、グリッド接続から、サイリスタインバータの不完全性が機械的に分離される。したがって、図３のシステムは、ＨＶＤＣをＡＣグリッド供給に変換するための変換システムを提供する。
【００４８】
上述のように、図３のシステムは、最大で約５ｋＶのＤＣ入力電圧をもつシステムには好適となる。ただし、最大ＤＣ入力電圧が、この値、たとえば、最大１０ｋＶよりも高い場合には、初期変換段を変えることができる。たとえば、図４を見ると分かるように、直列の２つのサイリスタを使用して、サイリスタブリッジ２４を構築することができ、それにより、入力電圧定格をより高くすることができるようになる。
【００４９】
代替的には、図５の回路に関して、２つ以上の完全なサイリスタインバータ２４を、それらのＡＣ出力を１対の変換器用変圧器３２への入力として図５に示されたように組み合わせて、それらのＤＣ入力で直列に接続することができる。次いで、変圧器３２のＡＣ出力を組み合わせて、同期モータ２６の入力として提供することができる。
【００５０】
図５に示された変換器用変圧器３２の各々は、各々が専用のインバータブリッジインバータによって給電される２つの別々の入力巻線３４を有する。一方の巻線３４ａは、星形接続されており、他方の巻線３４ｂはデルタ接続されている。２つのブリッジは、３０電気角度だけ位相が異なる電流を供給し、出力巻線における電流は、１２パルスパターンに従う。これは、単一の３相ブリッジによって生成された６パルスパターンよりもはるかに小さい高調波含有率を有する。整流回路およびサイリスタ回路における電流の高調波含有率を低減させるためのこの構成により、高調波電流に関連付けられた同期モータ２６における損失の一部が回避される。
【００５１】
図３から図５に示されたシステムは、３相インバータを使用しているが、所望に応じて、様々な数の位相を使用することも可能となる。これは、同期モータ２６に供給される高調波電流、あるいはＤＣシステム上のリップル電流および電圧を制限するために好ましいことがある。
【００５２】
電流源サイリスタインバータ２４からのＡＣ出力は、好適に接続された変圧器３２を用いて３相に変換することができるが、代替的には、同期モータ２６を、使用されるインバータ２４と同じ数の位相を有するように構成してもよいことが理解されよう。
【００５３】
一般には、サイリスタインバータ２４は、入力ＤＣ電圧を超えるピーク値をもつＡＣ電圧を必要とする。したがって、変換器用変圧器３４は、サイリスタインバータ２４の電圧を、関連付けられたモータ２６の定格に合う値と適合させるという、さらなる目的を有する。
【００５４】
同期発電装置２８の回転速度は、ＡＣグリッドの周波数に結合される。たとえば、５０Ｈｚグリッドに接続された２極発電装置は、３０００ｒｐｍで回転しなければならず、４極機械は１５００ｒｐｍで回転し、６極機械は、１０００ｒｐｍで回転する。好ましい機械的構成は、モータ２６と発電装置２８とに直接的に結合されるものであり、この場合、モータ２６は、同じ速度で回転する。モータ２６は、発電装置２８と同じ数の磁極を有する必要はない。同様に、モータ２６のＡＣ端末におけるＡＣ電流および電圧の周波数は、モータ２６の回転速度に結び付けられる。
【００５５】
モータ２６の磁極数と発電装置２８の磁極数とが等しく、２つの機械が、同じ回転速度で作動するために、シャフト２７を介して直接的に結合されている場合、モータ２６への入力における電圧および電流の周波数は、ＡＣグリッドの周波数に等しい。この構成により、全く同じ機械を、モータ２６と発電装置２８の両方に使用することができるようになる。
【００５６】
モータ２６の磁極数が発電装置２８よりも高い場合、モータ周波数は、グリッド周波数よりも高くなる。代替的には、モータ２６と発電装置２８との間の結合により、モータ２６が、たとえばギヤボックスを用いて、発電装置２８よりも早く回転する場合、モータ周波数は、発電装置周波数よりも高くなる。
【００５７】
反対に、モータ２６の磁極数が、発電装置２８の磁極数よりも小さい場合、あるいはモータ２６の回転速度が、（２つの機械の間で使用されるカップリングに起因して）発電装置２８の回転速度よりも低い場合、モータ周波数は、グリッド周波数よりも低くなる。
【００５８】
たとえば、５０Ｈｚグリッドに接続された４極発電装置を駆動する６極モータは、７５Ｈｚの供給周波数を必要とすることになる。このようにしてモータ周波数を上昇させるために構成する際の１つの利点は、変圧器の物理的サイズおよび効率が、作動周波数に部分的に依存することである。好適な作動周波数を選択することによって、変換器用変圧器３４を、それに応じて、より小さくし、より効率的にすることができる。
【００５９】
タービン特性曲線の一例を図６に示す。グリッド３０に送達された実電力を制御するために、ＤＣ電圧を制御することができ、それにより、関連付けられたタービンの作動条件と、それらによって送達された電力とに影響が及ぼされる。たとえば、電圧が上昇した場合、各タービンの速度が上昇することになり、典型的なタービン特性にしたがって発生する電力の変化につながる。
【００６０】
実際には、タービン群は、それぞれ、海底の領域にわたる流速が変化するので、他のタービン群からの異なる流速を受けることになる。したがって、各タービンは、電力対速度（したがって、電圧）の異なる特性を有するが、タービン群は全体として、電力対ＤＣ電圧の特性の集合的な特性を有する。図７は、一緒に動作しているが、潮流速度が１．８ｍ／ｓから２．６ｍ／ｓまでに及ぶ５つのタービンの例を示している。これらのタービンを、全部がたとえば５ｋＶで動作するように、並列で接続する場合、総電力は、約２１００ｋＷとなる。流速が最も高いタービンは、最適電圧よりもわずかに低い電圧で動作し、流速が最も低いタービンは、最適電圧よりもわずかに高い電圧、したがって速度で動作することになる。電圧が、たとえば６ｋＶまで上昇する場合、総電力は、約１９００ｋＷまで低減されることになる。電圧を８ｋＶまで上昇させると、総電力が１ＭＷ未満まで低減される。したがって、電圧制御は、グリッドコードとの適応性に関する要求に応じて、電力を調節する好適な手段である。
【００６１】
ＤＣ電圧は、使用されるサイリスタインバータ２４のサイリスタゲート端子に供給される切替信号の位相制御を用いて調節することができる。代替的には、従来の界磁巻線によって同期モータ２６が励起される場合、同期モータ２６の励起は、要求に応じて、その端末におけるＡＣ電圧、次いで、関連付けられたタービンに提供されるＤＣライン電圧を調節するように制御することができる。
【００６２】
図８は、抵抗負荷バンク３６のような、同期モータ２６と並列の補助負荷中に余剰電力を廃棄することにより、グリッド３０に送達した電力の制御に影響を与え得るさらなる代替実施形態を示す。図８では、抵抗負荷バンク３６は、制御混合サイリスタブリッジインバータ３８によって制御され、整流を制御するために他に必要なものはない。制御混合ブリッジ３８は、前記同期モータ２６の電圧を使用して、ブリッジ３８のサイリスタをオフし、ブリッジ３８によって吸収される無効電力を提供する。
【００６３】
代替的には、図９に示されるように、余剰電力は、駆動モータ２６と並列のバッテリー４０のようなエネルギー蓄積デバイスに提供され、バッテリー４０は、適切な整流回路４２と結合されている。図９に示されたシステムは、電力制御のニーズを満たすだけではなく、高潮流期間中にタービンからのエネルギーを吸収し、この過剰な電力をグリッド３０に後で提供するために、エネルギー蓄積システム（バッテリー４０）を使用することができるようにする。
【００６４】
タービンが高電力を生成する高潮流期間は、しばしば、グリッド３０の高重要期間と一致しないことが予想される。したがって、エネルギー蓄積システムは、発生したエネルギーの値を上昇させること、ならびにグリッドコードの電力および周波数レギュレーション態様を満たすための手段を提供することができる。さらに、エネルギーシステムは、同期モータ２６および発電装置２８を逆向きの電力潮流構成で動作させることによって、潮流速が低いときには、グリッド３０からエネルギーを引き出すことができ、それにより、モータ２６は発電装置を動作させ、その逆も可能である。この場合、低需要時には、エネルギーをグリッド３０から吸収し、高需要時には、エネルギーをグリッド３０に戻す。これにより、図９の実施形態のさらなる追加の利点が提供される。
【００６５】
本発明は、本明細書に記載した実施形態に限定されるものではないが、本発明の範囲から逸脱することなく、補正または修正することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システムおよび方法に関し、特に、ＡＣ電気グリッドへの接続のための潮流発電構成用の電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー源を開発しているたくさんの形態の発電は、発電装置を採用し、支配的な条件に応じて変わる速度で発電装置を駆動させる。たとえば、風力タービンは、風速に依存する速度で発電装置を駆動し、潮流タービンは、水流の支配的な速度に依存する速度で発電装置を駆動し、波力コンバータは、周期的に変わる速度で駆動される発電装置を含むことができる。そのような場合には、発電装置からの電気出力の電圧および周波数は、絶えず変化する。しかしながら、電気グリッドは、一定の電圧および周波数で動作し、グリッドコードで実施される厳格な調節が、グリッドに接続されるべき発電システムに適用される。
【０００３】
風車群または潮流タービン群のような大型発電システムの場合、グリッドコードは、典型的には、以下の主要要件を含む。
１．大型発電システムは、支配的な風速、潮速などから独立して出力された実電力を修正するための静電容量を有することによって、グリッド周波数の制御に寄与することができなければならない。
２．大型発電システムは、最大で特定の規定された割合の供給された実電力となる無効電力を供給するための静電容量を有することによって、グリッド電圧の制御に寄与することができなければならない。
３．大型発電システムは、正弦波形の電流を生成することができなければならない。この電流は、ＤＣ成分を有さなくてもよく、すべての高調波成分および副高調波成分は、前述の上限に満たなくてもよい。
４．発電システムは、グリッド上の低電圧の一時的フォールト全体を通して、グリッドに接続されたままであり、それにより、当該フォールトが解消されたときには電力を供給し続けるように準備できていなければならない。
【０００４】
これらのレギュレーションのうち第１の要件を満たすために、最も大型の風力タービンは、最大で支配的な風速に対応する最大値となる、ブレードによって生成された機械的動力を調節するためのピッチ制御メカニズムを含むことができる。
【０００５】
第２および第３の要件を満たすために、発電装置からの電力は、通常はパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータを採用するパワーエレクトロニクスシステムによって、一定の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の３相ＡＣに変換される。
【０００６】
最後の要件を満たすために、インバータは、短絡からインバータを保護するために、単に接続解除するのではなく、出力電流を制限するように制御される。
【０００７】
好適なインバータは、好ましい標準的な電圧のうちの１つである、ライン間で最大６９０Ｖｒｍｓの出力電圧定格で利用可能である。より高い電圧も可能であるが、コストが高くなり、効率が低くなり、変調周波数が低くなることの代償として、より高い電圧が達成され、グリッドに送られたより高い高調波電流、したがって、補助フィルタに対するニーズにつながる。したがって、電圧をグリッド電圧まで上昇させる変圧器を介して、接続点でグリッドに接続される６９０Ｖインバータを使用するのが一般的である。
【０００８】
陸上風力タービンの場合、この構成は定置型である。しかしながら、提案された潮流タービンの場合、この構成は、いくつかの相違点を提供する。
【０００９】
第一に、海底に設置された潮流タービンは、記載される形態の変換機器を収容するために、非常に大型で高価な海中エンクロージャを必要とすることになる。変換機器が故障すると、変換機器を回収し、交換するために、高価な海洋作業が必要になり、支配的な気象条件により、長期間にわたって作業が遅延することがある。したがって、一般には、グリッドに接続するために、タービンから海岸まで、または、そのようなタービンの集合から電力を受ける特別な変電施設を収容するオフショアプラットフォームまで電力を送るためのケーブルの受端部に、できるだけ多くの変換機器を配置することが望ましい。
【００１０】
送電距離を理由にして、送電損失を低減させるために、ほどよい高さの送電電圧を使用することが好ましい。たとえば、コンダクタ断面が２５０ｍｍ２であり、送電損失が４％である２コアケーブルを介して、５ｋｍの距離にわたって５ＭＷを送電するためには、約１０ｋＶの作動電圧が必要となる。この大きさの電圧は、発電装置によって発生させることができ、それにより、電力変換機器を全く必要としないシステムがタービンにおいて存在することが可能である。
【００１１】
海中ケーブルおよびその設置には高いコストがかかるので、共通ケーブルを共有する、できるだけ多くのタービンを有することが望ましい。各タービンの電気出力がＡＣである場合、もしタービンが一緒に接続されているのであれば、それらの出力を同期させなければならない。しかしながら、タービン出力がＤＣである場合、タービンが同じ電圧で動作することができると仮定するなら、それらを並列に安全に接続することができる。
【００１２】
コストが高く、海中環境において、ピッチ制御メカニズムが故障するリスクがあるので、一定のピッチのブレードをもつタービンを使用することが望ましい。単純性および効率を理由にして、中間ギヤボックスのないタービンによって直接的に駆動される発電装置を使用すること、および発電装置フィールドの永久磁石励起を使用することがさらに好ましい。ＡＣ出力は、発電装置巻線または端子ボックスに埋め込むことができるダイオードを用いて、ＤＣに容易かつ効率的に変換される。次いで、タービンおよび発電装置の回転速度、ならびに関連付けられた出力電力は、支配的なフロー、およびタービン−発電装置−ダイオードがフィードするＤＣシステムの電圧に応じて変化する。
【００１３】
したがって、潮流タービン群の好ましい電気的構成を図１に示し、（整流ダイオード１２を介して）直流電力出力を生成する一連のタービン発電機１０が示されている。発電機１０は、短いケーブル１４のセットおよびより長いケーブル１６によって、受電ステーション１８に並列に接続される。受電ステーション１８は、海岸にあってもよく、あるいは機器を修理点検するためにアクセスできるオフショアプラットフォームに設けてもよい。受電ステーション１８の出力は、ＡＣ電力グリッドに接続される。
【００１４】
ＨＶＤＣをＡＣ電力に変換するための既知の方法は、サイリスタインバータ回路を使用するものである。図２に、サイリスタ１００のアレイを有する３相電流源サイリスタインバータが示される。動作中、ＤＣ電圧は、端子Ａ全体に印加される。サイリスタ１００の点孤角を制御する信号の位相は交互に変わり、したがって、３相ＡＣ信号が、端子Ｘ、ＹおよびＺで提供される。サイリスタインバータは、比較的安価であるとともに、効率と信頼性の組合せという利点を提供する。
【００１５】
電流源サイリスタインバータは、ＨＶＤＣからＡＣ電力への変換のために使用されることが知られているが、電流源サイリスタインバータは、大振幅高調波電流を発生させ、グリッドから無効電力を取り出すので、一般には、グリッド接続に好適ではない。さらに、電流源サイリスタインバータは、電圧のグリッドに依拠して導通期間の終わりにサイリスタをオフし、それにより、低電圧グリッド障害中には動作することができない。
【００１６】
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｏｗｅｎの「Ｈｏｍｏｐｏｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｏｔａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ （ＨＥＲＰＣ）」（ＩＥＥＥ Ｍｅｌｅｃｏｎ ２００４、２００４年５月１２〜１５日、クロアチア、ドゥブロヴニク）は、高電圧ＤＣ電力をＡＣグリッド供給電力に変換するための電力変換システムを開示し、このシステムは、高電圧ＤＣ電力入力を受けるためのライン電圧入力と、前記高電圧ＤＣ電力入力をＡＣ電力に変換するための変換モジュールと、前記変換モジュールによって提供されたＡＣ電力によって駆動される同期モータと、グリッド供給への接続のためにＡＣ出力電力を提供するように動作可能な同期発電装置とを備え、前記同期発電装置は、前記同期モータによって駆動される。
【００１７】
本発明の目的は、高ＤＣ電圧で動作することができ、グリッドコードのすべての要件を満たすＤＣ−ＡＣコンバータを提供することである。
【発明の概要】
【００１８】
したがって、請求項１に記載の特徴部分による電力変換システムが提供される。
【００１９】
同期発電装置は、同期モータによって駆動されるので、もともとのＤＣ入力信号から、または変換されたＡＣ信号からの任意の高調波を通した供給を妨げる機械的分離段が存在する。本発明は、本質的には、潮流タービンのアレイとともに使用することが意図されるが、他の電力変換環境、たとえば、オフショア風力タービンまたは波力コンバータにおいて使用できることが理解できよう。さらに、本発明による電力変換システムとともに使用するための、比較的単純で経済的な設計の陸上風力タービンを実現することができる。同期発電装置の駆動は、同期モータのシャフトに直接的に結合される、あるいは、モータと発電装置との間の任意の好適な機械的結合が可能であることが理解されよう。
【００２０】
好ましくは、前記変換モジュールは、多相サイリスタブリッジインバータを備える。
【００２１】
多相サイリスタブリッジインバータの位相数は、同期モータに供給される高調波電流、ならびに／あるいはライン電圧入力にフィードバックされるリップル電流および電圧の効果を低減するように選択することができる。
【００２２】
好ましくは、前記変換モジュールは、３相サイリスタブリッジインバータを備える。
【００２３】
好ましくは、前記同期モータの位相数は、多相サイリスタブリッジインバータの位相数に等しい。
【００２４】
代替的には、変換モジュールは、多相サイリスタブリッジインバータの出力を、前記同期モータを駆動するのに好適な電圧を有するＡＣ電力に変換するための変圧器をさらに備える。
【００２５】
好ましくは、本システムは、コントローラをさらに備え、このコントローラは、前記１つまたは複数のタービン発電装置の動作を調整するためにＤＣライン電圧入力を変動させるように、サイリスタブリッジインバータの位相角を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能である。
【００２６】
サイリスタブリッジインバータの動作を調節すると、これにより、関連付けられたタービン発電装置に関するＤＣライン電圧の変動が可能になる。ライン電圧の調節は、タービンの作動条件に影響を与え、それに応じて、変換システムによってグリッドに提供される実電力の調整が可能になる。
【００２７】
それに加えて、またはそれに代えて、前記同期モータは、界磁巻線タイプ同期モータであり、本システムは、前記タービン発電装置の動作を調整するためにＤＣライン電圧入力を変動させるように、同期モータの界磁巻線の励起を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能なコントローラを備える。
【００２８】
同様に、同期モータの励起フィールドが変動するにつれて、モータ端末におけるＡＣ電圧、したがって、ＤＣライン電圧が変動し、関連付けられたタービンの作動条件の調節によって、出力ＡＣ電力の実電力成分を調節することができるようになる。
【００２９】
好ましくは、当該システムは、前記同期モータと並列に設けられた補助負荷回路をさらに備え、当該システムは、前記変換モジュールによって提供されたＡＣ電力の少なくとも一部分を前記補助負荷回路に供給するように動作可能である。
【００３０】
補助負荷回路という手段は、関連付けられたタービン発電装置によって発生した余剰電力がある場合には、それを負荷回路中に破棄することができることを意味し、それにより、本変換システムが、必要なグリッド条件を満たすことができるようになる。
【００３１】
好ましくは、補助負荷回路は、前記変換モジュールからのＡＣ電力を蓄積するためのエネルギー蓄積デバイスを備え、前記エネルギー蓄積デバイスは、さらに、そのデバイスに蓄積されたＡＣ電力を前記同期モータに選択的に提供するように動作可能である。
【００３２】
補助負荷回路は、エネルギー蓄積デバイス、たとえば、バッテリー、フライホール、キャパシタなどを備えるので、関連付けられたタービンによって発生する余剰電力を蓄積し、は、後の段でエネルギー変換システムに提供することができる。これは、潮流タービン発電装置に関する場合であり得、余剰電力は、高潮流期間中には蓄積し、低潮流期間中および／またはグリッドの高需要期間中には、変換システム（および、延長によって、電力グリッド）中に戻して放出することができる。
【００３３】
それに加えて、またはそれに代えて、補助負荷回路は、負荷バンクを備える。
【００３４】
負荷バンクは、余剰電力を破棄し、変換システムがグリッド要件を満たし続けることを保証する、効果的な方法として使用することができる。
【００３５】
請求項１１の特徴部分による、タービン発電装置からの高電圧ＤＣ電力をＡＣグリッド供給電力に変換するための方法がさらに提供される。
【００３６】
好ましくは、本方法は、前記タービン発電装置の動作を調節するために、ＤＣ電力のライン電圧を変動させることによって、同期発電装置の実電力出力を制御する、さらなるステップを含む。
【００３７】
好ましくは、変換する前記ステップは、多相サイリスタブリッジインバータの位相角を制御するステップを含み、前記制御するステップが、ＤＣライン電圧入力を変動させるために、サイリスタブリッジインバータの位相角を調節するステップを含む。
【００３８】
それに加えて、またはそれに代えて、前記制御するステップは、ＤＣ電力入力のライン電圧を変動させるために、同期モータの励起を調節するステップを含む。
【００３９】
好ましくは、本方法は、同期発電装置の出力が所要のレベルを超えたときに、前記変換されたＡＣ電力の少なくとも一部分を補助負荷回路に迂回させるステップをさらに含む。
【００４０】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を単に例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】潮流タービンの先行技術のセットアップを示す図である。
【図２】既知のサイリスタインバータ回路を示す図である。
【図３】本発明による、電力変換システムの図である。
【図４】図３のシステムの第１のエンハンスメントの図である。
【図５】図３のシステムの第２のエンハンスメントの図である。
【図６】サンプルタービン特性曲線のプロットである。
【図７】潮流速度が異なるアレイにおいて動作する５つのタービンのセットに関するタービン特性曲線のプロットである。
【図８】負荷バンク回路をさらに備える図３のシステムの図である。
【図９】エネルギー蓄積デバイス回路をさらに備える図３のシステムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
必要な分離を有し、適切な実電力制御および無効電力制御と組み合わせられた変換システムを提供するために、電力は、電気モータによって駆動される同期発電装置により、ＡＣグリッドに送達される。このモータには、１つまたは複数のタービンから受け、モータにフィードするのに好適な形態に変換された高電圧直流電流からの電力が供給される。
【００４３】
図３を参照すると、本発明による電力変換システムが全体的に２０で示されている。高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力は、入力端子２２で提供される。入来するＨＶＤＣは、電流源サイリスタインバータ２４を用いてＡＣに変換される。個々のサイリスタは、最大で約８ｋＶの電圧定格で利用可能である。したがって、図３に示された回路は、最大で約５ｋＶのＤＣ電圧をもつシステムに好適となる。
【００４４】
次いで、変換されたＡＣ電力は、同期モータ２６を駆動するために使用される。入来するＨＶＤＣ電力は、通常、モータタイプの具体的な選択とすべきＤＣ電気モータには電圧が高すぎるので、したがって、図３の構成は、励起のための従来の界磁巻線または永久磁石のいずれかを有するＡＣ同期モータ２６を利用する。
【００４５】
同期モータ２６の出力（シャフト２７）は、同期発電装置２８の入力に結合される。同期発電装置２８は、直接的にＡＣ電力グリッドに容易に接続することができるＡＣ出力３０を提供する。このような同期発電装置は、化石燃料によって燃料供給される従来の発電所において見られるものと同じタイプのものとすることができる。このような発電装置は、グリッドコードの要件のほとんどを満たすことになり、最大で１ＧＷの電力定格で利用可能である。
【００４６】
上述のように、一般には、電流源サイリスタインバータは、グリッド接続には好適ではない。ただし、本発明のシステムでは、電流源サイリスタインバータは、グリッドには接続されず、要求に応じてサイリスタをオフするために必要な無効電力および電圧を提供する同期モータに接続される。さらに、高調波電流が同期モータに及ぼす影響は大きくない。
【００４７】
同期発電装置を駆動させるための同期モータを機械的に結合することにより、グリッド接続から、サイリスタインバータの不完全性が機械的に分離される。したがって、図３のシステムは、ＨＶＤＣをＡＣグリッド供給に変換するための変換システムを提供する。
【００４８】
上述のように、図３のシステムは、最大で約５ｋＶのＤＣ入力電圧をもつシステムには好適となる。ただし、最大ＤＣ入力電圧が、この値、たとえば、最大１０ｋＶよりも高い場合には、初期変換段を変えることができる。たとえば、図４を見ると分かるように、直列の２つのサイリスタを使用して、サイリスタブリッジ２４を構築することができ、それにより、入力電圧定格をより高くすることができるようになる。
【００４９】
代替的には、図５の回路に関して、２つ以上の完全なサイリスタインバータ２４を、それらのＡＣ出力を１対の変換器用変圧器３２への入力として図５に示されたように組み合わせて、それらのＤＣ入力で直列に接続することができる。次いで、変圧器３２のＡＣ出力を組み合わせて、同期モータ２６の入力として提供することができる。
【００５０】
図５に示された変換器用変圧器３２の各々は、各々が専用のインバータブリッジインバータによって給電される２つの別々の入力巻線３４を有する。一方の巻線３４ａは、星形接続されており、他方の巻線３４ｂはデルタ接続されている。２つのブリッジは、３０電気角度だけ位相が異なる電流を供給し、出力巻線における電流は、１２パルスパターンに従う。これは、単一の３相ブリッジによって生成された６パルスパターンよりもはるかに小さい高調波含有率を有する。整流回路およびサイリスタ回路における電流の高調波含有率を低減させるためのこの構成により、高調波電流に関連付けられた同期モータ２６における損失の一部が回避される。
【００５１】
図３から図５に示されたシステムは、３相インバータを使用しているが、所望に応じて、様々な数の位相を使用することも可能となる。これは、同期モータ２６に供給される高調波電流、あるいはＤＣシステム上のリップル電流および電圧を制限するために好ましいことがある。
【００５２】
電流源サイリスタインバータ２４からのＡＣ出力は、好適に接続された変圧器３２を用いて３相に変換することができるが、代替的には、同期モータ２６を、使用されるインバータ２４と同じ数の位相を有するように構成してもよいことが理解されよう。
【００５３】
一般には、サイリスタインバータ２４は、入力ＤＣ電圧を超えるピーク値をもつＡＣ電圧を必要とする。したがって、変換器用変圧器３４は、サイリスタインバータ２４の電圧を、関連付けられたモータ２６の定格に合う値と適合させるという、さらなる目的を有する。
【００５４】
同期発電装置２８の回転速度は、ＡＣグリッドの周波数に結合される。たとえば、５０Ｈｚグリッドに接続された２極発電装置は、３０００ｒｐｍで回転しなければならず、４極機械は１５００ｒｐｍで回転し、６極機械は、１０００ｒｐｍで回転する。好ましい機械的構成は、モータ２６と発電装置２８とに直接的に結合されるものであり、この場合、モータ２６は、同じ速度で回転する。モータ２６は、発電装置２８と同じ数の磁極を有する必要はない。同様に、モータ２６のＡＣ端末におけるＡＣ電流および電圧の周波数は、モータ２６の回転速度に結び付けられる。
【００５５】
モータ２６の磁極数と発電装置２８の磁極数とが等しく、２つの機械が、同じ回転速度で作動するために、シャフト２７を介して直接的に結合されている場合、モータ２６への入力における電圧および電流の周波数は、ＡＣグリッドの周波数に等しい。この構成により、全く同じ機械を、モータ２６と発電装置２８の両方に使用することができるようになる。
【００５６】
モータ２６の磁極数が発電装置２８よりも高い場合、モータ周波数は、グリッド周波数よりも高くなる。代替的には、モータ２６と発電装置２８との間の結合により、モータ２６が、たとえばギヤボックスを用いて、発電装置２８よりも早く回転する場合、モータ周波数は、発電装置周波数よりも高くなる。
【００５７】
反対に、モータ２６の磁極数が、発電装置２８の磁極数よりも小さい場合、あるいはモータ２６の回転速度が、（２つの機械の間で使用されるカップリングに起因して）発電装置２８の回転速度よりも低い場合、モータ周波数は、グリッド周波数よりも低くなる。
【００５８】
たとえば、５０Ｈｚグリッドに接続された４極発電装置を駆動する６極モータは、７５Ｈｚの供給周波数を必要とすることになる。このようにしてモータ周波数を上昇させるために構成する際の１つの利点は、変圧器の物理的サイズおよび効率が、作動周波数に部分的に依存することである。好適な作動周波数を選択することによって、変換器用変圧器３４を、それに応じて、より小さくし、より効率的にすることができる。
【００５９】
タービン特性曲線の一例を図６に示す。グリッド３０に送達された実電力を制御するために、ＤＣ電圧を制御することができ、それにより、関連付けられたタービンの作動条件と、それらによって送達された電力とに影響が及ぼされる。たとえば、電圧が上昇した場合、各タービンの速度が上昇することになり、典型的なタービン特性にしたがって発生する電力の変化につながる。
【００６０】
実際には、タービン群は、それぞれ、海底の領域にわたる流速が変化するので、他のタービン群からの異なる流速を受けることになる。したがって、各タービンは、電力対速度（したがって、電圧）の異なる特性を有するが、タービン群は全体として、電力対ＤＣ電圧の特性の集合的な特性を有する。図７は、一緒に動作しているが、潮流速度が１．８ｍ／ｓから２．６ｍ／ｓまでに及ぶ５つのタービンの例を示している。これらのタービンを、全部がたとえば５ｋＶで動作するように、並列で接続する場合、総電力は、約２１００ｋＷとなる。流速が最も高いタービンは、最適電圧よりもわずかに低い電圧で動作し、流速が最も低いタービンは、最適電圧よりもわずかに高い電圧、したがって速度で動作することになる。電圧が、たとえば６ｋＶまで上昇する場合、総電力は、約１９００ｋＷまで低減されることになる。電圧を８ｋＶまで上昇させると、総電力が１ＭＷ未満まで低減される。したがって、電圧制御は、グリッドコードとの適応性に関する要求に応じて、電力を調節する好適な手段である。
【００６１】
ＤＣ電圧は、使用されるサイリスタインバータ２４のサイリスタゲート端子に供給される切替信号の位相制御を用いて調節することができる。代替的には、従来の界磁巻線によって同期モータ２６が励起される場合、同期モータ２６の励起は、要求に応じて、その端末におけるＡＣ電圧、次いで、関連付けられたタービンに提供されるＤＣライン電圧を調節するように制御することができる。
【００６２】
図８は、抵抗負荷バンク３６のような、同期モータ２６と並列の補助負荷中に余剰電力を廃棄することにより、グリッド３０に送達した電力の制御に影響を与え得るさらなる代替実施形態を示す。図８では、抵抗負荷バンク３６は、制御混合サイリスタブリッジインバータ３８によって制御され、整流を制御するために他に必要なものはない。制御混合ブリッジ３８は、前記同期モータ２６の電圧を使用して、ブリッジ３８のサイリスタをオフし、ブリッジ３８によって吸収される無効電力を提供する。
【００６３】
代替的には、図９に示されるように、余剰電力は、駆動モータ２６と並列のバッテリー４０のようなエネルギー蓄積デバイスに提供され、バッテリー４０は、適切な整流回路４２と結合されている。図９に示されたシステムは、電力制御のニーズを満たすだけではなく、高潮流期間中にタービンからのエネルギーを吸収し、この過剰な電力をグリッド３０に後で提供するために、エネルギー蓄積システム（バッテリー４０）を使用することができるようにする。
【００６４】
タービンが高電力を生成する高潮流期間は、しばしば、グリッド３０の高重要期間と一致しないことが予想される。したがって、エネルギー蓄積システムは、発生したエネルギーの値を上昇させること、ならびにグリッドコードの電力および周波数レギュレーション態様を満たすための手段を提供することができる。さらに、エネルギーシステムは、同期モータ２６および発電装置２８を逆向きの電力潮流構成で動作させることによって、潮流速が低いときには、グリッド３０からエネルギーを引き出すことができ、それにより、モータ２６は発電装置を動作させ、その逆も可能である。この場合、低需要時には、エネルギーをグリッド３０から吸収し、高需要時には、エネルギーをグリッド３０に戻す。これにより、図９の実施形態のさらなる追加の利点が提供される。
【００６５】
本発明は、本明細書に記載した実施形態に限定されるものではないが、本発明の範囲から逸脱することなく、補正または修正することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン発電装置（１０）からの高電圧ＤＣ電力を、ＡＣグリッド供給電力（３０）に変換するための電力変換システム（２０）であって、前記システムが、
高電圧ＤＣ電力入力を受けるためのライン電圧入力（２２）と、
前記高電圧ＤＣ電力入力をＡＣ電力に変換するための変換モジュール（２４）と、
前記変換モジュールによって提供された前記ＡＣ電力によって駆動される同期モータ（２６）と、
前記同期モータによって駆動され、グリッド供給への接続のためにＡＣ出力電力を提供するように動作可能な同期発電装置（２８）とを備え、
前記ライン電圧入力（２２）が、１つまたは複数のタービン発電装置（１０）からのみ前記高電圧ＤＣ電力入力を受けることを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記変換モジュール（２４）が、多相サイリスタブリッジインバータを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記変換モジュール（２４）が、３相サイリスタブリッジインバータを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記同期モータ（２６）の位相数が、前記多相サイリスタブリッジインバータにおける位相数に等しい、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記変換モジュール（２４）が、前記多相サイリスタブリッジインバータの出力を、前記同期モータ（２６）を駆動するのに好適な位相を有するＡＣ電力に変換するための変圧器（３２）をさらに備える、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記システム（２０）が、コントローラをさらに備え、前記コントローラが、前記１つまたは複数のタービン発電装置（１０）の動作を調整するために前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるように、前記サイリスタブリッジインバータ（２４）の位相角を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能である、請求項２から請求項５のうちのいずれか１つに記載のシステム。
【請求項７】
前記同期モータ（２６）が、界磁巻線タイプ同期モータであり、前記システム（２０）が、前記１つまたは複数のタービン発電装置（１０）の前記動作を調整するために前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるように、前記同期モータ（２６）の前記界磁巻線の励起を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の前記実電力成分を制御するように動作可能なコントローラを備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記システム（２０）が、前記同期モータ（２６）と並列に設けられた補助負荷回路（３６）をさらに備え、前記システムが、前記変換モジュール（２４）によって提供された前記ＡＣ電力の少なくとも一部分を前記補助負荷回路（３６）に供給するように動作可能である、請求項１から請求項７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記補助負荷回路（３６）が、前記変換モジュール（２４）からのＡＣ電力を蓄積するためのエネルギー蓄積デバイス（４０）を備え、前記エネルギー蓄積デバイスが、さらに、前記デバイスに蓄積されたＡＣ電力を前記同期モータ（２６）に選択的に提供するように動作可能である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記補助負荷回路（３６）が、負荷バンクを備える、請求項８または請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
１つまたは複数の発電装置（１０）からの高電圧ＤＣ電力を、ＡＣグリッド供給電力（３０）に変換するための方法であって、
高電圧ＤＣ電力入力（２２）を提供するステップと、
前記高電圧ＤＣ電力入力（２２）をＡＣ電力に変換するステップと、
前記変換されたＡＣ電力を用いて同期モータ（２６）を駆動するステップと、
前記同期モータ（２６）の出力を用いて同期発電装置（２８）を駆動するステップであって、前記同期発電装置が、ＡＣグリッド供給電力（３０）を出力するように動作可能である、同期発電装置（２８）を駆動するステップとを含み、
１つまたは複数のタービン発電装置（１０）からのみ前記高電圧ＤＣ電力入力（２２）を提供するステップによって特徴付けられる、方法。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のタービン発電装置の動作を調節するために、前記ＤＣ電力入力（２２）のライン電圧を変動させることによって、前記同期発電装置（２８）の実電力出力を制御するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
変換する前記ステップが、多相サイリスタブリッジインバータ（２４）の位相角を制御するステップを含み、前記制御するステップが、前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるために、前記サイリスタブリッジインバータの前記位相角を調節するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御するステップが、前記ＤＣ電力入力（２２）の前記ライン電圧を変動させるために、前記同期モータ（２６）の励起を調節するステップを含む、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記同期発電装置（２８）の出力が所要のレベルを超えたときに、前記変換されたＡＣ電力の少なくとも一部分を補助負荷回路（３６）に迂回させるステップをさらに含む、請求項１１から請求項１４うちののいずれか１つに記載の方法。
【請求項１】
タービン発電装置（１０）からの高電圧ＤＣ電力を、ＡＣグリッド供給電力（３０）に変換するための電力変換システム（２０）であって、前記システムが、
高電圧ＤＣ電力入力を受けるためのライン電圧入力（２２）と、
前記高電圧ＤＣ電力入力をＡＣ電力に変換するための変換モジュール（２４）と、
前記変換モジュールによって提供された前記ＡＣ電力によって駆動される同期モータ（２６）と、
前記同期モータによって駆動され、グリッド供給への接続のためにＡＣ出力電力を提供するように動作可能な同期発電装置（２８）とを備え、
前記ライン電圧入力（２２）が、１つまたは複数のタービン発電装置（１０）からのみ前記高電圧ＤＣ電力入力を受けることを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記変換モジュール（２４）が、多相サイリスタブリッジインバータを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記変換モジュール（２４）が、３相サイリスタブリッジインバータを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記同期モータ（２６）の位相数が、前記多相サイリスタブリッジインバータにおける位相数に等しい、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記変換モジュール（２４）が、前記多相サイリスタブリッジインバータの出力を、前記同期モータ（２６）を駆動するのに好適な位相を有するＡＣ電力に変換するための変圧器（３２）をさらに備える、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記システム（２０）が、コントローラをさらに備え、前記コントローラが、前記１つまたは複数のタービン発電装置（１０）の動作を調整するために前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるように、前記サイリスタブリッジインバータ（２４）の位相角を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の実電力成分を制御するように動作可能である、請求項２から請求項５のうちのいずれか１つに記載のシステム。
【請求項７】
前記同期モータ（２６）が、界磁巻線タイプ同期モータであり、前記システム（２０）が、前記１つまたは複数のタービン発電装置（１０）の前記動作を調整するために前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるように、前記同期モータ（２６）の前記界磁巻線の励起を調節することによって、前記ＡＣ出力電力の前記実電力成分を制御するように動作可能なコントローラを備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記システム（２０）が、前記同期モータ（２６）と並列に設けられた補助負荷回路（３６）をさらに備え、前記システムが、前記変換モジュール（２４）によって提供された前記ＡＣ電力の少なくとも一部分を前記補助負荷回路（３６）に供給するように動作可能である、請求項１から請求項７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記補助負荷回路（３６）が、前記変換モジュール（２４）からのＡＣ電力を蓄積するためのエネルギー蓄積デバイス（４０）を備え、前記エネルギー蓄積デバイスが、さらに、前記デバイスに蓄積されたＡＣ電力を前記同期モータ（２６）に選択的に提供するように動作可能である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記補助負荷回路（３６）が、負荷バンクを備える、請求項８または請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
１つまたは複数の発電装置（１０）からの高電圧ＤＣ電力を、ＡＣグリッド供給電力（３０）に変換するための方法であって、
高電圧ＤＣ電力入力（２２）を提供するステップと、
前記高電圧ＤＣ電力入力（２２）をＡＣ電力に変換するステップと、
前記変換されたＡＣ電力を用いて同期モータ（２６）を駆動するステップと、
前記同期モータ（２６）の出力を用いて同期発電装置（２８）を駆動するステップであって、前記同期発電装置が、ＡＣグリッド供給電力（３０）を出力するように動作可能である、同期発電装置（２８）を駆動するステップとを含み、
１つまたは複数のタービン発電装置（１０）からのみ前記高電圧ＤＣ電力入力（２２）を提供するステップによって特徴付けられる、方法。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のタービン発電装置の動作を調節するために、前記ＤＣ電力入力（２２）のライン電圧を変動させることによって、前記同期発電装置（２８）の実電力出力を制御するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
変換する前記ステップが、多相サイリスタブリッジインバータ（２４）の位相角を制御するステップを含み、前記制御するステップが、前記ＤＣライン電圧入力（２２）を変動させるために、前記サイリスタブリッジインバータの前記位相角を調節するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御するステップが、前記ＤＣ電力入力（２２）の前記ライン電圧を変動させるために、前記同期モータ（２６）の励起を調節するステップを含む、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記同期発電装置（２８）の出力が所要のレベルを超えたときに、前記変換されたＡＣ電力の少なくとも一部分を補助負荷回路（３６）に迂回させるステップをさらに含む、請求項１１から請求項１４うちののいずれか１つに記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１３−５０６３９７（Ｐ２０１３−５０６３９７Ａ）
【公表日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３１４０６（Ｐ２０１２−５３１４０６）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６４４４９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３９２４９
【国際公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５１１１４４３４３）オープンハイドロ アイピー リミテッド (9)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６４４４９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３９２４９
【国際公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５１１１４４３４３）オープンハイドロ アイピー リミテッド (9)
【Ｆターム（参考）】
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