風力タービン用のＦＲＴ（Ｆａｕｌｔ−ｒｉｄｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）方法、コンバータおよび発電ユニット
【課題】たとえば弱い接続系統を有するネットワークシステムにおいて安定なＦＲＴを可能とするＦＲＴ（Fault-ride-through）制御を提供する。
【解決手段】提供されるＦＲＴ方法は、電力を送電する送電線（４）における瞬時電圧低下を検出するステップと、送電線（４）において瞬時電圧低下が検出されたとき、複数の送電線を有する電力ネットワークに給電点にて発電ユニット（２）によって供給される有効電流および／または有効電力を、特定値まで減少させるステップと、を有する。
【解決手段】提供されるＦＲＴ方法は、電力を送電する送電線（４）における瞬時電圧低下を検出するステップと、送電線（４）において瞬時電圧低下が検出されたとき、複数の送電線を有する電力ネットワークに給電点にて発電ユニット（２）によって供給される有効電流および／または有効電力を、特定値まで減少させるステップと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン用の高度なＦＲＴ（Fault-ride-through）方法に関する。さらに、本発明は、コンバータ、かかる風力タービン用コンバータを備える発電ユニット、および、かかる発電ユニットを有する少なくとも１つの風力タービンを含むウインドファームに関する。
【背景技術】
【０００２】
短絡故障などの歪みが電力系統に発生した場合、電力ネットワークシステムが不安定となる場合がある。一時的な短絡が発生するとき、たとえば電力線が短絡すると、電力システムの構成要素に機能障害または破壊が生じる。
【０００３】
発電ユニットが瞬時電圧低下を検出したとき、系統に供給される有効電流は減少される。特に、従来技術のＦＲＴ制御においては、接続系統を介して電力ネットワークに供給される有効電流は瞬時電圧低下に応じて減少される。接続系統に供給される有効電流は、比較的短い時間、減少される。その後、有効電力は瞬時電圧低下前の値まで増加される。
【０００４】
図１は、従来技術におけるウインドファームに関する送電シナリオの例を示す。このようなウインドファームにはそれぞれがたとえば０．７ｋＶの電圧を発生する複数の風力タービン２が含まれている。風力タービン２の電力は、風力タービン接続線４によって、電圧をたとえば３３ｋＶに変換する風力タービン変圧器６に送られる。この電力は、電力線８によってウインドファームコレクタ系統（すなわち、低電圧バスバー）１０に供給される。コレクタ系統の電圧値は、ウインドファーム昇圧変圧器１２によって、送電システム電圧たとえば１３２ｋＶに変換される。ローカル負荷１６が、分岐点（または第１のバス）１４に接続されている。
【０００５】
分岐点１４（系統分岐ラジアルともいう）から、接続線１８が共通接続点（第２のバスともいう）２０において送電ネットワークシステムに接続されている。スイッチキャパシタ２２は共通接続点に補助要素として接続されている。これらの補助要素は、システムの系統電圧の全般的な無効電力制御のために用いられる。
【０００６】
送電ネットワークのネットワーク点２８は、発電ユニット３２を含む送電系統システムの均等点を構成する。このシステムは、相互接続線（または第１の電力線）２４、共通接続点２０および地域送電ネットワーク（または第２の電力線）２６を介して、第２の発電ユニット３４、および、消費者３６を含む地域系統システムの消費点３０を含んで表される地域送電ネットワークシステムと相互接続されている。
【０００７】
例示のシナリオにおいて、電力は送電ネットワークのネットワーク点（または第３のバス）２８から、共通接続点２０を介して、消費点（または第４のバス）３０に送られる。さらに、ウインドファームの風力タービン２から生成された電力はそれぞれ、一般送電系統、接続系統および接続線１８を介して、共通接続点２０に供給される。
【０００８】
故障シナリオの一例では、地域送電線２６は、深刻かつ損害を生じさせる短絡障害に曝されると、ネットワーク保護リレーによって切り離される。故障の生じた地域送電線２６は重大な損害を受け、修復前に再接続は不可能である。この故障シナリオによれば、地域系統システムの消費点３０はウインドファームおよびネットワーク点２８に位置する系統システムからはもはや電力の供給は不可能となる。短絡はネットワークシステム全体に深刻な瞬時電圧低下を引き起こす。
【０００９】
図２〜９を参照して、従来技術におけるＦＲＴおよび故障後有効電力回復制御アルゴリズムについて説明する。
【００１０】
特に、図２〜５は、４９基の風力タービン２が接続線１８を介して共通接続点２０に接続されているシナリオのシミュレーションプロットを示す。図２は、共通接続点２０の相対電圧のシミュレーションプロットを示す。短絡故障が地域送電線２６において生じた約１秒の時点で１５０ｍｓの深刻な瞬時電圧低下が生じている。故障が解消したとき、共通接続点２０における電圧は回復し、故障後電圧振動がおさまった後、点２０における電圧は瞬時電圧低下以前と同じ電圧レベルに達する。
【００１１】
図３は、風力タービン接続線４の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示す。したがって、図３は、風力タービン２のコンバータの相対電圧を表している。この従来技術のＦＲＴ制御において、コンバータは瞬時電圧低下の値に依存する値だけ、風力タービン接続線４に供給される有効電流を減少させる。
【００１２】
図４は、統合ウインドファーム変圧器からウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０への全有効電力のシミュレーションプロットを示す。従来技術のＦＲＴ制御において、０．５〜１の値を有する係数によって、電流減少と瞬時電圧低下値との間の関係が定義される。このシナリオでは、減少係数は約０．５である。有効電力は、図４に示されるように、故障前の値の１５％に減少される。風力タービン接続線４における電圧は、図３に示されるように、故障前の値の約３０％である。
【００１３】
有効電力は１秒未満という比較的短い時間で故障前の値に戻ることに留意すべきである。有効電力の振動は、基本的に瞬時電圧低下前の値におさまっていく。
【００１４】
図５は、ウインドファームの統合風力タービン２によって生成された無効電力のシミュレーションプロットを示す。統合ウインドファーム変圧器からの全無効電力は、ウインドファーム変圧器１２の低電圧バス線１０に供給される。システム保護リレーが故障の生じた地域送電線２６を切り離すことにより、ネットワーク系統のシナリオが変わるので、故障後の無効電力の全量は変化する。
【００１５】
地域送電線２６における深刻な故障によって引き起こされる瞬時電圧低下の後の比較的短い時間のうちに、ネットワークが安定に維持され、集約化されることに留意すべきである。地域送電線２６および地域系統システムの消費点３０が共通接続点２０から切り離される一方で、ネットワークシステムは集約化される。
【００１６】
特定のＦＲＴ回復条件は、いわゆる系統コードにより、各送電システムオペレータ、国のサービス提供者および各地方の流通サービス提供者によって標準化されている。
【００１７】
図６〜９は、５０基の風力タービン２がウインドファーム変圧器１２および接続線１８を介して共通接続点２０に接続されているシナリオを示す。図６は、共通接続点２０の電圧のシミュレーションプロットを示す。図６は図２に対応しており、図２は４９基の風力タービンだけでウインドファームが構成されている場合を示している。図７は、風力タービン接続線４に電力を供給する風力タービン２のコンバータ電圧のシミュレーションプロットを示す。従って、図７は、接続された風力タービンの数を除いて、図３に対応している。
【００１８】
図８は、統合ウインドファーム変圧器からウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０への全有効電力のシミュレーションプロットを示す。したがって、図８は図４に対応しており、図４はウインドファーム１２に接続された４９基だけの風力タービンのシミュレーションである。
【００１９】
最後に、図９は、ウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０に供給される無効電力のシミュレーションプロットを示す。すなわち、図９は図５に対応する。
【００２０】
図６〜９からわかるように、地域送電線２６の故障により生じる瞬時電圧低下の後、ネットワークは不安定となる。接続線（すなわち接続系統）１８は非常に弱い系統システムであるので、ネットワーク、および特に風力タービン２からの電圧および生成された電力は、不安定となる。この場合、ウインドファーム全体を負荷１６が接続される分岐点１４から切り離す必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明の目的は、従来技術の問題を克服し、たとえば弱い接続系統を有するネットワークシステムにおいて安定なＦＲＴを可能とするＦＲＴ制御を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の目的は、請求項１に係るＦＲＴ回復方法、請求項９に係るコンバータ、請求項１０に係る発電ユニット、請求項１１に係るウインドファーム、および請求項１２に係るコンピュータプログラムによって達成される。
【００２３】
本ＦＲＴ回復方法は、送電を行う電力線における瞬時電圧低下を検出するためにこの電力線を監視する。好ましくは、監視される電力線は、本ＦＲＴ回復方法を実行する発電ユニットが接続される電力線である。瞬時電圧低下がこの電力線に検出されると、複数の電力線を含む電力ネットワークに発電ユニットにより給電点において供給される有効電流および／または有効電力が、瞬時電圧低下の値に依存しない特定値、たとえば固定されたおよび／または予め定められた値まで減少される。
【００２４】
発電ユニットを電力ネットワークに接続する電力線における電圧は、電力ネットワークにおける短絡によって瞬時電圧低下値へと減少しうる。瞬時電圧低下値はたとえば瞬時電圧低下前の値の５０％、３０％、２５％または１０％である。
【００２５】
従来技術のＦＲＴ回復方法は、故障前の発電および瞬時電圧低下値に依存して、発電ユニットにより電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力を減少させる。すなわち、故障前の発電が定格生産であり、瞬時電圧低下値が故障前の電圧の５０％である場合、電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力は、発電ユニットの定格電流値のたとえば５０％に減少される。
【００２６】
図６〜９を参照して上記にて説明したように、複数の、特に多数の発電ユニットたとえば風力タービンが電力ネットワークシステムの弱い接続系統を介して接続される場合には、従来技術のＦＲＴおよび／または故障後の有効電力回復方法によれば不安定なものとなる。
【００２７】
本発明の発明者らは、電力線に瞬時電圧低下が検出された場合に有効電流および／または有効電力が特定値まで減少されると、このような不安定さは回避可能であることを認識した。この特定値は、たとえば、所与の、予め定められたおよび／または固定された値である。すなわち、電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力は、瞬時電圧低下値に依存しないか、または、必ずしも瞬時電圧低下値にのみ依存するわけではない特定値まで減少される。したがって、各発電ユニットおよび全体のネットワークまたは電力系統の、向上された、安定なＦＲＴ能力が実現される。発電ユニットを接続する弱い接続系統がネットワークに含まれ、深刻な短絡故障に曝される場合に、発電ユニットは切り離される必要はない。これにより、電力ネットワーク全体および各発電ユニットの利用率が向上される。
【００２８】
本発明の特に有利な実施形態および特徴は、従属請求項に記載されており、以下の説明にて明らかとされる。
【００２９】
有効電流および／または有効電力の特定値、すなわち減少値は、たとえば、発電ユニットが接続される電力ネットワークの性質に依存する。有効電流および／または有効電力の特定値は、たとえば、電力ネットワークの給電点に接続された発電ユニットの数に依存する。電力ネットワークの性質は、たとえば、給電点と他の電力ネットワークを接続する接続系統によって定められる。給電点は、たとえば、共通接続点を構成するバスに接続系統を介して接続される。この性質は、たとえば、電力線、接続系統および／またはこれらに接続された電力構成要素たとえば変圧器の短絡容量、送電容量、インピーダンスその他である。
【００３０】
複数の発電ユニットが電力ネットワークの給電点に接続されている場合、より多くの電力が、給電点と電力ネットワークとを接続している送電線または接続系統を介して、電力ネットワークに送られなければならない。
【００３１】
給電点が弱い送電線または弱い接続系統によって他の電力ネットワークに接続されている場合、有効電流および／または有効電力の特定値は低いものとされる。さらに、より多くの発電ユニットが弱い電力線または弱い接続系統により電力ネットワークに接続される場合、有効電流および／または有効電力の特定値は調整され、たとえば低いものとされる。電力線または接続系統の性質は、たとえば、電力線または接続系統のインピーダンスおよび送電性質によって定められる。弱い電力線または接続系統は、たとえば、強い電力線または接続系統と比較して、より高いインピーダンスおよび／またはより低い送電容量を有する。ＦＲＴ回復方法は、たとえばＦＲＴ有効電力回復方法である。
【００３２】
ＦＲＴ回復方法は、たとえば、瞬時電圧低下による有効電流および／または有効電力の減少後、有効電流および／または有効電力の振動がおさまるまで待機するステップを含む。その後、たとえば、有効電流および／または有効電力は戻され、すなわち瞬時電圧低下前の値まで増加される。有利には、たとえば、ＦＲＴ回復方法は、有効電流および／または有効電力の振動が予め定められたしきい値未満に減少するまで待機するステップを含む。故障が解消され、発電機の電圧が予め定められたしきい値まで回復した後では、有効回復電流および／または有効電力は特定値から増加するのみであるため、発電機および電力ネットワーク全体の安定性は保証される。有効電流および／または有効電力の増加は、特に、予め定められた関数、たとえば線形関数により実行可能である。
【００３３】
弱い電力線または弱い接続系統により複数の発電ユニットが給電点において電力システムネットワークに接続されている場合に、このＦＲＴ回復方法は特に適している。この高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、特に電力ネットワークの弱い電力線または接続系統により多数の発電ユニットが電力システムネットワークに接続されている状況において、電力ネットワークシステムの安定性を向上させ保証するための発電ユニットに関する新規で高度なコンセプトとして解釈可能である。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、より多くの新たな大規模ウインドファームが遠隔の人口のまばらな地帯に配置されていることから、多くの場合弱い系統システムに接続されているウインドファームに特に適している。ウインドファームはたとえば外れの人気のない地帯または海岸沿いまたは沖合に配置されており、既存の強い電力ネットワーク系統から離れている。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、オーストラリア、ニュージーランド、アメリカにおける田舎の人口のまばらな地帯などの、地理的な理由から強い相互接続を有しない、電力ネットワークにも適している。
【００３４】
高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、電圧が通常の動作状態から瞬時電圧低下の前の故障前の値に回復させるとき、有効電流および／または有効電力を予め定められたおよび／または特定期間にわたって特定値から特定関数により増加させる。特に、故障後有効電流および／または有効電力の回復は、基本的に線形に増加する。ウインドファームおよび発電ユニットを接続する弱い系統の全体的な故障後安定性は、大きく向上させる。
【００３５】
予め定められた、故障後有効電流および／または電力回復期間は、ウインドファームまたは発電ユニットが電力システムへの共通接続点にて接続された電力ネットワークの性質、および／または、発電ユニットの数に依存し、そして発電された有効電力は電力ネットワークの給電点に注入される。経験的に、より多くの発電ユニットおよびこのようなより高い有効電力生産が電力ネットワークの給電点にて注入される場合、この特定期間はより長いものとなる。また、発電ユニットを給電点にて電力ネットワークに接続するための弱い電力線または接続系統を電力ネットワークが含む場合、この特定期間はより長いものとなる。
【００３６】
この特定期間は、共通接続ネットワーク系統の静的および動的性質に依存し、たとえば典型的には１秒よりも長く、数秒以下である。故障後の有効電流の特定かつ最適化された値および／または特定期間、すなわち、有効電力の戻り時間は、シミュレーションにより定めることができる。
【００３７】
したがって、本発明は、また、ＦＲＴ回復イベントをシミュレートする方法によって適切な固定値を定める方法を開示する。統合発電ユニットが接続される電力ネットワークのデータが提供される。電力ネットワークについてのデータはたとえば発電ユニットのための給電点を電力システムネットワークに接続する接続系統または電力線のデータを含む。接続系統に接続されるべき少なくとも１つの統合発電ユニットのデータが提供される。少なくとも１つの統合発電ユニットのデータには、たとえば、発電ユニットのインピーダンス、最大供給電力、電力制御の完全なデータおよびコンバータのデータなどが含まれる。ＦＲＴ回復は、電力ネットワークおよび少なくとも１つの統合発電ユニットにおける電圧、電流、電力および／または瞬時電圧低下をシミュレートすることによりシミュレートすることができる。電気装置および電力ネットワーク全体の値をシミュレートする必要はない。典型的には、他のネットワークに対する給電点に接続される送電線または接続系統の静的状態および動的性質に関するデータおよび電気的な値のみが考慮されるべきである。有効電流およびまたは有効電力の適切な特定値は電力ネットワークの少なくとも一部の性質に依存し、完全なＦＲＴおよび／または故障後シーケンスイベントをシミュレートすることにより定められる。ＦＲＴ回復をシミュレートすることにより、電力ネットワークの給電点に接続される発電ユニットの数および生成される有効電力生産に依存して、適切な特定値を定めることができる。適切な特定値は、たとえば、許容される時間内に、電力ネットワークの少なくとも一部の不安定さを引き起こすことなく、かつ、発電ユニットの不安定な動作のリスクを生じさせることなく、通常の動作が保持されるように定められる。
【００３８】
また、本発明は、ＦＲＴおよび／または回復シーケンスイベントをシミュレートすることにより適切な予め定められた期間を定める方法を開示する。発電ユニットが接続される電力ネットワークの少なくとも一部のデータが提供される。電力ネットワークに接続される少なくとも１つの発電ユニットのデータが提供される。ＦＲＴおよび／または故障後有効電流および／または有効回復は、電力ネットワークの少なくとも一部および少なくとも１つの発電ユニットにおける電圧、電力および／または瞬時電圧低下をシミュレートすることによりシミュレートされる。適切な故障後有効電力回復時間および／または関数は、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復イベントシーケンスをシミュレートすることにより、電力ネットワークの少なくとも一部の性質に依存して定められる。適切な予め定められたまたは特定期間および／または関数は、たとえば、発電ユニットの数および電力ネットワークの給電点に注入された生成された有効電力生産に依存して、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復をシミュレートすることにより、定められる。予め定められた期間および／または関数は、たとえば、瞬時電圧低下後の許容される時間の通常動作が保持され、かつ、電力ネットワークまたは発電ユニットにおける不安定性が生じないように選択される。ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復をシミュレートする第１および第２の方法は組み合わされてもよい。
【００３９】
本発明は、瞬時電圧低下を検出する検出器、および、高度なＦＲＴを実行するリデューサを有するコンバータおよび／または故障後有効電力回復方法を開示する。検出器は、たとえば、監視ユニットから信号を受信するインタフェース、または、瞬時電圧低下の発生を示す決定ユニットである。
【００４０】
各風力タービンは、１つのコンバータを有する。コンバータは、たとえば、サイリスタ、ＴＲＩＡＣ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＰＷＭなどのパワーエレクトロニクス部品を有する。
【００４１】
さらに、本発明は、このようなコンバータを有する発電ユニットを開示する。この発電ユニットは、たとえば、風力タービンである。
【００４２】
本発明は、また、複数の風力タービンを有するウインドファームを開示し、ここでは、少なくとも１つの風力タービンが上述の発電ユニットを有する。
【００４３】
また、本発明は、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法ならびにＦＲＴをシミュレートする方法のステップを実行するプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム製品を開示する。これらの方法は、プログラム可能なコンピュータにおいて実行可能である。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法はまた、プログラム可能なロジック要素を含んでも良いロジック要素によって実行されても良い。
【００４４】
本発明の他の目的および特徴は、添付の図面と関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、図面は例示のみを目的としたものであり、本発明を限定するものではないことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】昇圧変圧器および電力線を介して送電システムネットワークの相互接続点に接続される発電ユニットを有するウインドファームの概略を示す。
【図２】従来技術のＦＲＴ方法の相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図３】従来技術のＦＲＴ方法の風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図４】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファーム変圧器を介して供給された統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図５】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図６】従来技術のＦＲＴ方法の相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図７】従来技術のＦＲＴ方法の風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図８】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファーム変圧器を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図９】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１０】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法における相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１１】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法における風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１２】本発明に係る高度なＦＲＴおよび故障後有効電力回復制御シーケンスを示す。
【図１３】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファーム変圧器を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１４】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１５】電力線に接続された風力タービンの詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図面中、同様の番号は全体を通して同様の対象を意味する。図面中の対象は必ずしも寸法を表すものではない。
【００４７】
本発明について好ましい実施形態およびその変形として開示するが、種々のさらなる修正および変形が本発明の範囲を逸脱することなくなし得ることは理解されるべきである。
【００４８】
本発明にかかる高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法について、図１、１０〜１４を参照して説明する。図１を参照して、６０基の風力タービン２がウインドファームコレクタバス１０を介してウインドファーム昇圧変圧器１２に接続されている。６０基の風力タービンは共通接続点（または第２のバス）２０および地域送電線２６を介して地域系統システムの消費点３０に電力を供給する。上述のように、消費者３６は風力タービン２により生成される電力、および、たとえば第１の発電ユニット３２のネットワーク系統システムから送られる電力を消費する。
【００４９】
シミュレートされる故障シナリオでは、上述のように、地域送電線２６の故障および切り離しが発生する。したがって、シミュレートされる故障シナリオは、従来技術のＦＲＴ方法に関して図１〜９を参照して説明されたシナリオに、弱い接続系統または接続線１８を有する電力ネットワークに更に多くの風力タービン、たとえば２０％より多くの風力タービンが接続されていることを除いて対応している。
【００５０】
図１０はＦＲＴの間の共通接続点２０の相対電圧のシミュレーションプロットを示す。地域送電線２６が短絡故障に曝されてその後切り離されるため、１秒の時点で瞬時電圧低下が発生する。地域送電線２６の切り離しおよび高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法の開始後、共通接続点２０の相対電圧は故障前の値に戻る。
【００５１】
図１１は、本発明1に係るＦＲＴにおける統合風力タービン接続線４の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示す。地域送電線２６の切り離しおよび高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法の開始の後、風力タービン接続線４の相対電圧は故障前の値に戻る。
【００５２】
図１２は、本発明に係る高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御シーケンスを示す。故障の検出後、有効電力および／または電流は所定の値まで減少される。有効電力基準も特定値まで減少する。ＦＲＴの停止後、風力タービンにより供給される故障後有効電流は戻り時間にわたって線形に増加する。戻り時間は、たとえば、２秒より長く、好ましくは４秒より長く、より好ましくは６秒より長く、最も好ましくは８秒より長い。
【００５３】
図１３は、本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法のウインドファーム変圧器１２を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示す。瞬時電圧低下の後、各風力タービン２により供給される有効電力は予め定められた値まで減少される。ＦＲＴの停止後、故障後有効電力は予め定められた時間にわたって増加し、好ましくは有効電力は線形に増加する。図１３から理解されるように、振動がおさまるかまたは予め定められたしきい値未満まで減少した後、有効電力は予め定められた値まで増加される。これにより、ウインドファームおよび電力ネットワークの安定性および利用率は向上され、弱い接続系統１８を含む電力ネットワークにより多くの風力タービン２が接続可能である。
【００５４】
図１４は、本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示す。無効電力は統合風力タービンの動的な電圧制御を反映し、包括的なサポートを提供し、故障後系統電圧を安定化するために用いられる。電流および／または電力は、振動が予め定められたしきい値未満に減少した後、安定な値まで戻される。この方法は、電力ネットワークの安定性および利用率を向上させ、弱い接続系統１８を含む電力ネットワークにより多くの風力タービン２が接続可能である。
【００５５】
ネットワーク構成は、地域送電線２６、および／または、地域系統システム３０の消費点に接続された別の系統要素を切り離すことにより変更されるので、図１４に記載のシミュレーションにおいて無効電力は故障前の値まで戻らない。
【００５６】
風力タービンの詳細を示す図１５を参照する。この風力タービンは３本のブレード３８を有する。ブレード３８は発電機のロータ４０に接続され、ロータ４０はステータ４２に囲まれている。発電機により生成される電力はコンバータ機械ブリッジを介してＡＣからＤＣリンクに整流され、さらにネットワークブリッジインバータによって変換され、風力タービン接続線８を介して電力ネットワークに注入される。風力タービンはさらにコンバータターミナル電圧と風力タービン接続線４の電力状態を監視する監視ユニット５０を有する。瞬時電圧低下が発生する場合、監視ユニット５０は瞬時電圧低下が発生していることを示す信号をコンバータ４６の検出器４８に送る。その後、コンバータ４６のリデューサ５２の高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御システムは、上述の改善されたＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法を実行開始する。
【００５７】
このようなリデューサ５２は、サイリスタ、ＴＲＩＡＣ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＰＷＭなどのパワーエレクトロニクス部品および／または本発明において適切な有効電流および／または電力を減少するソフトウェアから構成される。
【００５８】
本発明に係る高度なＦＲＴ方法は、複数の発電ユニットが弱い接続系統を含む電力ネットワークに接続された電力ネットワークに関して、新たな系統コードまたは補助系統コードを定義可能である。このような高度なＦＲＴ方法によれば、電力ネットワークの安定性および利用率が向上され、より多くの発電ユニットが弱い接続系統を含む電力ネットワークに接続可能となる。
【００５９】
意味を明りょうとするため、本願の全体において「１つの」とは複数を除くものではなく、「含む」、「有する」、「備える」とは他のステップまたは要素を除く物ではないことを理解されたい。
【符号の説明】
【００６０】
２ 風力タービン、 ４ 風力タービン接続線、 ６ 風力タービン変圧器、 ８ 電力線、 １０ ウインドファームコレクタ系統、 １２ ウインドファーム昇圧変圧器、 １４ 分岐点、 １６ 局所負荷、 １８ 接続線、 ２０ 共通接続点、 ２２ スイッチキャパシタ、 ２４ 相互接続線、 ２６ 地域送電ネットワーク、 ２８ ネットワーク点、 ３０ 消費点、 ３２ 発電ユニット、 ３４ 発電ユニット、 ３６ 消費者
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン用の高度なＦＲＴ（Fault-ride-through）方法に関する。さらに、本発明は、コンバータ、かかる風力タービン用コンバータを備える発電ユニット、および、かかる発電ユニットを有する少なくとも１つの風力タービンを含むウインドファームに関する。
【背景技術】
【０００２】
短絡故障などの歪みが電力系統に発生した場合、電力ネットワークシステムが不安定となる場合がある。一時的な短絡が発生するとき、たとえば電力線が短絡すると、電力システムの構成要素に機能障害または破壊が生じる。
【０００３】
発電ユニットが瞬時電圧低下を検出したとき、系統に供給される有効電流は減少される。特に、従来技術のＦＲＴ制御においては、接続系統を介して電力ネットワークに供給される有効電流は瞬時電圧低下に応じて減少される。接続系統に供給される有効電流は、比較的短い時間、減少される。その後、有効電力は瞬時電圧低下前の値まで増加される。
【０００４】
図１は、従来技術におけるウインドファームに関する送電シナリオの例を示す。このようなウインドファームにはそれぞれがたとえば０．７ｋＶの電圧を発生する複数の風力タービン２が含まれている。風力タービン２の電力は、風力タービン接続線４によって、電圧をたとえば３３ｋＶに変換する風力タービン変圧器６に送られる。この電力は、電力線８によってウインドファームコレクタ系統（すなわち、低電圧バスバー）１０に供給される。コレクタ系統の電圧値は、ウインドファーム昇圧変圧器１２によって、送電システム電圧たとえば１３２ｋＶに変換される。ローカル負荷１６が、分岐点（または第１のバス）１４に接続されている。
【０００５】
分岐点１４（系統分岐ラジアルともいう）から、接続線１８が共通接続点（第２のバスともいう）２０において送電ネットワークシステムに接続されている。スイッチキャパシタ２２は共通接続点に補助要素として接続されている。これらの補助要素は、システムの系統電圧の全般的な無効電力制御のために用いられる。
【０００６】
送電ネットワークのネットワーク点２８は、発電ユニット３２を含む送電系統システムの均等点を構成する。このシステムは、相互接続線（または第１の電力線）２４、共通接続点２０および地域送電ネットワーク（または第２の電力線）２６を介して、第２の発電ユニット３４、および、消費者３６を含む地域系統システムの消費点３０を含んで表される地域送電ネットワークシステムと相互接続されている。
【０００７】
例示のシナリオにおいて、電力は送電ネットワークのネットワーク点（または第３のバス）２８から、共通接続点２０を介して、消費点（または第４のバス）３０に送られる。さらに、ウインドファームの風力タービン２から生成された電力はそれぞれ、一般送電系統、接続系統および接続線１８を介して、共通接続点２０に供給される。
【０００８】
故障シナリオの一例では、地域送電線２６は、深刻かつ損害を生じさせる短絡障害に曝されると、ネットワーク保護リレーによって切り離される。故障の生じた地域送電線２６は重大な損害を受け、修復前に再接続は不可能である。この故障シナリオによれば、地域系統システムの消費点３０はウインドファームおよびネットワーク点２８に位置する系統システムからはもはや電力の供給は不可能となる。短絡はネットワークシステム全体に深刻な瞬時電圧低下を引き起こす。
【０００９】
図２〜９を参照して、従来技術におけるＦＲＴおよび故障後有効電力回復制御アルゴリズムについて説明する。
【００１０】
特に、図２〜５は、４９基の風力タービン２が接続線１８を介して共通接続点２０に接続されているシナリオのシミュレーションプロットを示す。図２は、共通接続点２０の相対電圧のシミュレーションプロットを示す。短絡故障が地域送電線２６において生じた約１秒の時点で１５０ｍｓの深刻な瞬時電圧低下が生じている。故障が解消したとき、共通接続点２０における電圧は回復し、故障後電圧振動がおさまった後、点２０における電圧は瞬時電圧低下以前と同じ電圧レベルに達する。
【００１１】
図３は、風力タービン接続線４の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示す。したがって、図３は、風力タービン２のコンバータの相対電圧を表している。この従来技術のＦＲＴ制御において、コンバータは瞬時電圧低下の値に依存する値だけ、風力タービン接続線４に供給される有効電流を減少させる。
【００１２】
図４は、統合ウインドファーム変圧器からウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０への全有効電力のシミュレーションプロットを示す。従来技術のＦＲＴ制御において、０．５〜１の値を有する係数によって、電流減少と瞬時電圧低下値との間の関係が定義される。このシナリオでは、減少係数は約０．５である。有効電力は、図４に示されるように、故障前の値の１５％に減少される。風力タービン接続線４における電圧は、図３に示されるように、故障前の値の約３０％である。
【００１３】
有効電力は１秒未満という比較的短い時間で故障前の値に戻ることに留意すべきである。有効電力の振動は、基本的に瞬時電圧低下前の値におさまっていく。
【００１４】
図５は、ウインドファームの統合風力タービン２によって生成された無効電力のシミュレーションプロットを示す。統合ウインドファーム変圧器からの全無効電力は、ウインドファーム変圧器１２の低電圧バス線１０に供給される。システム保護リレーが故障の生じた地域送電線２６を切り離すことにより、ネットワーク系統のシナリオが変わるので、故障後の無効電力の全量は変化する。
【００１５】
地域送電線２６における深刻な故障によって引き起こされる瞬時電圧低下の後の比較的短い時間のうちに、ネットワークが安定に維持され、集約化されることに留意すべきである。地域送電線２６および地域系統システムの消費点３０が共通接続点２０から切り離される一方で、ネットワークシステムは集約化される。
【００１６】
特定のＦＲＴ回復条件は、いわゆる系統コードにより、各送電システムオペレータ、国のサービス提供者および各地方の流通サービス提供者によって標準化されている。
【００１７】
図６〜９は、５０基の風力タービン２がウインドファーム変圧器１２および接続線１８を介して共通接続点２０に接続されているシナリオを示す。図６は、共通接続点２０の電圧のシミュレーションプロットを示す。図６は図２に対応しており、図２は４９基の風力タービンだけでウインドファームが構成されている場合を示している。図７は、風力タービン接続線４に電力を供給する風力タービン２のコンバータ電圧のシミュレーションプロットを示す。従って、図７は、接続された風力タービンの数を除いて、図３に対応している。
【００１８】
図８は、統合ウインドファーム変圧器からウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０への全有効電力のシミュレーションプロットを示す。したがって、図８は図４に対応しており、図４はウインドファーム１２に接続された４９基だけの風力タービンのシミュレーションである。
【００１９】
最後に、図９は、ウインドファーム変圧器１２の低電圧バスバー１０に供給される無効電力のシミュレーションプロットを示す。すなわち、図９は図５に対応する。
【００２０】
図６〜９からわかるように、地域送電線２６の故障により生じる瞬時電圧低下の後、ネットワークは不安定となる。接続線（すなわち接続系統）１８は非常に弱い系統システムであるので、ネットワーク、および特に風力タービン２からの電圧および生成された電力は、不安定となる。この場合、ウインドファーム全体を負荷１６が接続される分岐点１４から切り離す必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明の目的は、従来技術の問題を克服し、たとえば弱い接続系統を有するネットワークシステムにおいて安定なＦＲＴを可能とするＦＲＴ制御を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の目的は、請求項１に係るＦＲＴ回復方法、請求項９に係るコンバータ、請求項１０に係る発電ユニット、請求項１１に係るウインドファーム、および請求項１２に係るコンピュータプログラムによって達成される。
【００２３】
本ＦＲＴ回復方法は、送電を行う電力線における瞬時電圧低下を検出するためにこの電力線を監視する。好ましくは、監視される電力線は、本ＦＲＴ回復方法を実行する発電ユニットが接続される電力線である。瞬時電圧低下がこの電力線に検出されると、複数の電力線を含む電力ネットワークに発電ユニットにより給電点において供給される有効電流および／または有効電力が、瞬時電圧低下の値に依存しない特定値、たとえば固定されたおよび／または予め定められた値まで減少される。
【００２４】
発電ユニットを電力ネットワークに接続する電力線における電圧は、電力ネットワークにおける短絡によって瞬時電圧低下値へと減少しうる。瞬時電圧低下値はたとえば瞬時電圧低下前の値の５０％、３０％、２５％または１０％である。
【００２５】
従来技術のＦＲＴ回復方法は、故障前の発電および瞬時電圧低下値に依存して、発電ユニットにより電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力を減少させる。すなわち、故障前の発電が定格生産であり、瞬時電圧低下値が故障前の電圧の５０％である場合、電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力は、発電ユニットの定格電流値のたとえば５０％に減少される。
【００２６】
図６〜９を参照して上記にて説明したように、複数の、特に多数の発電ユニットたとえば風力タービンが電力ネットワークシステムの弱い接続系統を介して接続される場合には、従来技術のＦＲＴおよび／または故障後の有効電力回復方法によれば不安定なものとなる。
【００２７】
本発明の発明者らは、電力線に瞬時電圧低下が検出された場合に有効電流および／または有効電力が特定値まで減少されると、このような不安定さは回避可能であることを認識した。この特定値は、たとえば、所与の、予め定められたおよび／または固定された値である。すなわち、電力ネットワークに供給される有効電流および／または有効電力は、瞬時電圧低下値に依存しないか、または、必ずしも瞬時電圧低下値にのみ依存するわけではない特定値まで減少される。したがって、各発電ユニットおよび全体のネットワークまたは電力系統の、向上された、安定なＦＲＴ能力が実現される。発電ユニットを接続する弱い接続系統がネットワークに含まれ、深刻な短絡故障に曝される場合に、発電ユニットは切り離される必要はない。これにより、電力ネットワーク全体および各発電ユニットの利用率が向上される。
【００２８】
本発明の特に有利な実施形態および特徴は、従属請求項に記載されており、以下の説明にて明らかとされる。
【００２９】
有効電流および／または有効電力の特定値、すなわち減少値は、たとえば、発電ユニットが接続される電力ネットワークの性質に依存する。有効電流および／または有効電力の特定値は、たとえば、電力ネットワークの給電点に接続された発電ユニットの数に依存する。電力ネットワークの性質は、たとえば、給電点と他の電力ネットワークを接続する接続系統によって定められる。給電点は、たとえば、共通接続点を構成するバスに接続系統を介して接続される。この性質は、たとえば、電力線、接続系統および／またはこれらに接続された電力構成要素たとえば変圧器の短絡容量、送電容量、インピーダンスその他である。
【００３０】
複数の発電ユニットが電力ネットワークの給電点に接続されている場合、より多くの電力が、給電点と電力ネットワークとを接続している送電線または接続系統を介して、電力ネットワークに送られなければならない。
【００３１】
給電点が弱い送電線または弱い接続系統によって他の電力ネットワークに接続されている場合、有効電流および／または有効電力の特定値は低いものとされる。さらに、より多くの発電ユニットが弱い電力線または弱い接続系統により電力ネットワークに接続される場合、有効電流および／または有効電力の特定値は調整され、たとえば低いものとされる。電力線または接続系統の性質は、たとえば、電力線または接続系統のインピーダンスおよび送電性質によって定められる。弱い電力線または接続系統は、たとえば、強い電力線または接続系統と比較して、より高いインピーダンスおよび／またはより低い送電容量を有する。ＦＲＴ回復方法は、たとえばＦＲＴ有効電力回復方法である。
【００３２】
ＦＲＴ回復方法は、たとえば、瞬時電圧低下による有効電流および／または有効電力の減少後、有効電流および／または有効電力の振動がおさまるまで待機するステップを含む。その後、たとえば、有効電流および／または有効電力は戻され、すなわち瞬時電圧低下前の値まで増加される。有利には、たとえば、ＦＲＴ回復方法は、有効電流および／または有効電力の振動が予め定められたしきい値未満に減少するまで待機するステップを含む。故障が解消され、発電機の電圧が予め定められたしきい値まで回復した後では、有効回復電流および／または有効電力は特定値から増加するのみであるため、発電機および電力ネットワーク全体の安定性は保証される。有効電流および／または有効電力の増加は、特に、予め定められた関数、たとえば線形関数により実行可能である。
【００３３】
弱い電力線または弱い接続系統により複数の発電ユニットが給電点において電力システムネットワークに接続されている場合に、このＦＲＴ回復方法は特に適している。この高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、特に電力ネットワークの弱い電力線または接続系統により多数の発電ユニットが電力システムネットワークに接続されている状況において、電力ネットワークシステムの安定性を向上させ保証するための発電ユニットに関する新規で高度なコンセプトとして解釈可能である。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、より多くの新たな大規模ウインドファームが遠隔の人口のまばらな地帯に配置されていることから、多くの場合弱い系統システムに接続されているウインドファームに特に適している。ウインドファームはたとえば外れの人気のない地帯または海岸沿いまたは沖合に配置されており、既存の強い電力ネットワーク系統から離れている。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、オーストラリア、ニュージーランド、アメリカにおける田舎の人口のまばらな地帯などの、地理的な理由から強い相互接続を有しない、電力ネットワークにも適している。
【００３４】
高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法は、電圧が通常の動作状態から瞬時電圧低下の前の故障前の値に回復させるとき、有効電流および／または有効電力を予め定められたおよび／または特定期間にわたって特定値から特定関数により増加させる。特に、故障後有効電流および／または有効電力の回復は、基本的に線形に増加する。ウインドファームおよび発電ユニットを接続する弱い系統の全体的な故障後安定性は、大きく向上させる。
【００３５】
予め定められた、故障後有効電流および／または電力回復期間は、ウインドファームまたは発電ユニットが電力システムへの共通接続点にて接続された電力ネットワークの性質、および／または、発電ユニットの数に依存し、そして発電された有効電力は電力ネットワークの給電点に注入される。経験的に、より多くの発電ユニットおよびこのようなより高い有効電力生産が電力ネットワークの給電点にて注入される場合、この特定期間はより長いものとなる。また、発電ユニットを給電点にて電力ネットワークに接続するための弱い電力線または接続系統を電力ネットワークが含む場合、この特定期間はより長いものとなる。
【００３６】
この特定期間は、共通接続ネットワーク系統の静的および動的性質に依存し、たとえば典型的には１秒よりも長く、数秒以下である。故障後の有効電流の特定かつ最適化された値および／または特定期間、すなわち、有効電力の戻り時間は、シミュレーションにより定めることができる。
【００３７】
したがって、本発明は、また、ＦＲＴ回復イベントをシミュレートする方法によって適切な固定値を定める方法を開示する。統合発電ユニットが接続される電力ネットワークのデータが提供される。電力ネットワークについてのデータはたとえば発電ユニットのための給電点を電力システムネットワークに接続する接続系統または電力線のデータを含む。接続系統に接続されるべき少なくとも１つの統合発電ユニットのデータが提供される。少なくとも１つの統合発電ユニットのデータには、たとえば、発電ユニットのインピーダンス、最大供給電力、電力制御の完全なデータおよびコンバータのデータなどが含まれる。ＦＲＴ回復は、電力ネットワークおよび少なくとも１つの統合発電ユニットにおける電圧、電流、電力および／または瞬時電圧低下をシミュレートすることによりシミュレートすることができる。電気装置および電力ネットワーク全体の値をシミュレートする必要はない。典型的には、他のネットワークに対する給電点に接続される送電線または接続系統の静的状態および動的性質に関するデータおよび電気的な値のみが考慮されるべきである。有効電流およびまたは有効電力の適切な特定値は電力ネットワークの少なくとも一部の性質に依存し、完全なＦＲＴおよび／または故障後シーケンスイベントをシミュレートすることにより定められる。ＦＲＴ回復をシミュレートすることにより、電力ネットワークの給電点に接続される発電ユニットの数および生成される有効電力生産に依存して、適切な特定値を定めることができる。適切な特定値は、たとえば、許容される時間内に、電力ネットワークの少なくとも一部の不安定さを引き起こすことなく、かつ、発電ユニットの不安定な動作のリスクを生じさせることなく、通常の動作が保持されるように定められる。
【００３８】
また、本発明は、ＦＲＴおよび／または回復シーケンスイベントをシミュレートすることにより適切な予め定められた期間を定める方法を開示する。発電ユニットが接続される電力ネットワークの少なくとも一部のデータが提供される。電力ネットワークに接続される少なくとも１つの発電ユニットのデータが提供される。ＦＲＴおよび／または故障後有効電流および／または有効回復は、電力ネットワークの少なくとも一部および少なくとも１つの発電ユニットにおける電圧、電力および／または瞬時電圧低下をシミュレートすることによりシミュレートされる。適切な故障後有効電力回復時間および／または関数は、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復イベントシーケンスをシミュレートすることにより、電力ネットワークの少なくとも一部の性質に依存して定められる。適切な予め定められたまたは特定期間および／または関数は、たとえば、発電ユニットの数および電力ネットワークの給電点に注入された生成された有効電力生産に依存して、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復をシミュレートすることにより、定められる。予め定められた期間および／または関数は、たとえば、瞬時電圧低下後の許容される時間の通常動作が保持され、かつ、電力ネットワークまたは発電ユニットにおける不安定性が生じないように選択される。ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復をシミュレートする第１および第２の方法は組み合わされてもよい。
【００３９】
本発明は、瞬時電圧低下を検出する検出器、および、高度なＦＲＴを実行するリデューサを有するコンバータおよび／または故障後有効電力回復方法を開示する。検出器は、たとえば、監視ユニットから信号を受信するインタフェース、または、瞬時電圧低下の発生を示す決定ユニットである。
【００４０】
各風力タービンは、１つのコンバータを有する。コンバータは、たとえば、サイリスタ、ＴＲＩＡＣ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＰＷＭなどのパワーエレクトロニクス部品を有する。
【００４１】
さらに、本発明は、このようなコンバータを有する発電ユニットを開示する。この発電ユニットは、たとえば、風力タービンである。
【００４２】
本発明は、また、複数の風力タービンを有するウインドファームを開示し、ここでは、少なくとも１つの風力タービンが上述の発電ユニットを有する。
【００４３】
また、本発明は、ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法ならびにＦＲＴをシミュレートする方法のステップを実行するプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム製品を開示する。これらの方法は、プログラム可能なコンピュータにおいて実行可能である。高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復方法はまた、プログラム可能なロジック要素を含んでも良いロジック要素によって実行されても良い。
【００４４】
本発明の他の目的および特徴は、添付の図面と関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、図面は例示のみを目的としたものであり、本発明を限定するものではないことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】昇圧変圧器および電力線を介して送電システムネットワークの相互接続点に接続される発電ユニットを有するウインドファームの概略を示す。
【図２】従来技術のＦＲＴ方法の相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図３】従来技術のＦＲＴ方法の風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図４】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファーム変圧器を介して供給された統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図５】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、４９基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図６】従来技術のＦＲＴ方法の相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図７】従来技術のＦＲＴ方法の風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図８】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファーム変圧器を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図９】従来技術のＦＲＴ方法のウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、５０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１０】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法における相互接続バスの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１１】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法における風力タービン接続線の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１２】本発明に係る高度なＦＲＴおよび故障後有効電力回復制御シーケンスを示す。
【図１３】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファーム変圧器を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１４】本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示し、ここでは、６０基の風力タービンが電力システムネットワークの給電点に接続されている。
【図１５】電力線に接続された風力タービンの詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図面中、同様の番号は全体を通して同様の対象を意味する。図面中の対象は必ずしも寸法を表すものではない。
【００４７】
本発明について好ましい実施形態およびその変形として開示するが、種々のさらなる修正および変形が本発明の範囲を逸脱することなくなし得ることは理解されるべきである。
【００４８】
本発明にかかる高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法について、図１、１０〜１４を参照して説明する。図１を参照して、６０基の風力タービン２がウインドファームコレクタバス１０を介してウインドファーム昇圧変圧器１２に接続されている。６０基の風力タービンは共通接続点（または第２のバス）２０および地域送電線２６を介して地域系統システムの消費点３０に電力を供給する。上述のように、消費者３６は風力タービン２により生成される電力、および、たとえば第１の発電ユニット３２のネットワーク系統システムから送られる電力を消費する。
【００４９】
シミュレートされる故障シナリオでは、上述のように、地域送電線２６の故障および切り離しが発生する。したがって、シミュレートされる故障シナリオは、従来技術のＦＲＴ方法に関して図１〜９を参照して説明されたシナリオに、弱い接続系統または接続線１８を有する電力ネットワークに更に多くの風力タービン、たとえば２０％より多くの風力タービンが接続されていることを除いて対応している。
【００５０】
図１０はＦＲＴの間の共通接続点２０の相対電圧のシミュレーションプロットを示す。地域送電線２６が短絡故障に曝されてその後切り離されるため、１秒の時点で瞬時電圧低下が発生する。地域送電線２６の切り離しおよび高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法の開始後、共通接続点２０の相対電圧は故障前の値に戻る。
【００５１】
図１１は、本発明1に係るＦＲＴにおける統合風力タービン接続線４の１つの相対電圧のシミュレーションプロットを示す。地域送電線２６の切り離しおよび高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法の開始の後、風力タービン接続線４の相対電圧は故障前の値に戻る。
【００５２】
図１２は、本発明に係る高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御シーケンスを示す。故障の検出後、有効電力および／または電流は所定の値まで減少される。有効電力基準も特定値まで減少する。ＦＲＴの停止後、風力タービンにより供給される故障後有効電流は戻り時間にわたって線形に増加する。戻り時間は、たとえば、２秒より長く、好ましくは４秒より長く、より好ましくは６秒より長く、最も好ましくは８秒より長い。
【００５３】
図１３は、本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法のウインドファーム変圧器１２を介して供給される統合ウインドファームの有効電力のシミュレーションプロットを示す。瞬時電圧低下の後、各風力タービン２により供給される有効電力は予め定められた値まで減少される。ＦＲＴの停止後、故障後有効電力は予め定められた時間にわたって増加し、好ましくは有効電力は線形に増加する。図１３から理解されるように、振動がおさまるかまたは予め定められたしきい値未満まで減少した後、有効電力は予め定められた値まで増加される。これにより、ウインドファームおよび電力ネットワークの安定性および利用率は向上され、弱い接続系統１８を含む電力ネットワークにより多くの風力タービン２が接続可能である。
【００５４】
図１４は、本発明に係るＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法におけるウインドファームの統合風力タービンにより生成される無効電力のシミュレーションプロットを示す。無効電力は統合風力タービンの動的な電圧制御を反映し、包括的なサポートを提供し、故障後系統電圧を安定化するために用いられる。電流および／または電力は、振動が予め定められたしきい値未満に減少した後、安定な値まで戻される。この方法は、電力ネットワークの安定性および利用率を向上させ、弱い接続系統１８を含む電力ネットワークにより多くの風力タービン２が接続可能である。
【００５５】
ネットワーク構成は、地域送電線２６、および／または、地域系統システム３０の消費点に接続された別の系統要素を切り離すことにより変更されるので、図１４に記載のシミュレーションにおいて無効電力は故障前の値まで戻らない。
【００５６】
風力タービンの詳細を示す図１５を参照する。この風力タービンは３本のブレード３８を有する。ブレード３８は発電機のロータ４０に接続され、ロータ４０はステータ４２に囲まれている。発電機により生成される電力はコンバータ機械ブリッジを介してＡＣからＤＣリンクに整流され、さらにネットワークブリッジインバータによって変換され、風力タービン接続線８を介して電力ネットワークに注入される。風力タービンはさらにコンバータターミナル電圧と風力タービン接続線４の電力状態を監視する監視ユニット５０を有する。瞬時電圧低下が発生する場合、監視ユニット５０は瞬時電圧低下が発生していることを示す信号をコンバータ４６の検出器４８に送る。その後、コンバータ４６のリデューサ５２の高度なＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御システムは、上述の改善されたＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復制御方法を実行開始する。
【００５７】
このようなリデューサ５２は、サイリスタ、ＴＲＩＡＣ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＰＷＭなどのパワーエレクトロニクス部品および／または本発明において適切な有効電流および／または電力を減少するソフトウェアから構成される。
【００５８】
本発明に係る高度なＦＲＴ方法は、複数の発電ユニットが弱い接続系統を含む電力ネットワークに接続された電力ネットワークに関して、新たな系統コードまたは補助系統コードを定義可能である。このような高度なＦＲＴ方法によれば、電力ネットワークの安定性および利用率が向上され、より多くの発電ユニットが弱い接続系統を含む電力ネットワークに接続可能となる。
【００５９】
意味を明りょうとするため、本願の全体において「１つの」とは複数を除くものではなく、「含む」、「有する」、「備える」とは他のステップまたは要素を除く物ではないことを理解されたい。
【符号の説明】
【００６０】
２ 風力タービン、 ４ 風力タービン接続線、 ６ 風力タービン変圧器、 ８ 電力線、 １０ ウインドファームコレクタ系統、 １２ ウインドファーム昇圧変圧器、 １４ 分岐点、 １６ 局所負荷、 １８ 接続線、 ２０ 共通接続点、 ２２ スイッチキャパシタ、 ２４ 相互接続線、 ２６ 地域送電ネットワーク、 ２８ ネットワーク点、 ３０ 消費点、 ３２ 発電ユニット、 ３４ 発電ユニット、 ３６ 消費者
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を送電する送電線（４）における瞬時電圧低下を検出するステップと、
前記送電線（４）において瞬時電圧低下が検出されたとき、複数の送電線を有する電力ネットワークの給電点における発電ユニット（２）によって供給される有効電流および／または有効電力を特定値まで減少させるステップと、
を有する、ことを特徴とするＦＲＴ（Fault-ride-through）方法。
【請求項２】
前記有効電流および／または有効電力の特定値は、前記発電ユニット（２）が接続されている前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存しており、および／または、前記有効電流および／または有効電力の特定値は、前記電力ネットワークの給電点に接続されている前記発電ユニット（２）の数に依存している、請求項１記載のＦＲＴ方法。
【請求項３】
有効電流および／または有効電力の減少後、前記有効電流および／または有効電力の振動が実質的におさまるまで待機するステップと、
その後、有効電流および／または有効電力を前記瞬時電圧低下の前に達していた値まで実質的に増加させるステップと、
をさらに備える、請求項１または２記載のＦＲＴ方法。
【請求項４】
有効電流および／または有効電力を予め定められた期間にわたって、特定関数により、前記固定値から前記瞬時電圧低下の前に達していた値に増加させるステップをさらに有し、
有効電流および／または有効電力は好ましくは線形に増加される、
請求項１乃至３のいずれか１項記載のＦＲＴ方法。
【請求項５】
前記予め定められた期間は、前記発電機（２）が給電点にて接続されている前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存しており、および／または、前記電力ネットワークの給電点にて接続される前記発電ユニット（２）の数に依存している、請求項４記載のＦＲＴ方法。
【請求項６】
前記予め定められた期間は、１秒より長く、好ましくは２秒より長く、より好ましくは４秒より長く、より好ましくは６秒より長く、より好ましくは７秒より長い、請求項４または５記載のＦＲＴ方法。
【請求項７】
前記特定値および／または前記予め定められた期間は、シミュレーションにより定められる、請求項１乃至６のいずれか１項記載のＦＲＴ方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＦＲＴ方法のための適切な特定値および／または適切な特定期間をシミュレーション方法によって定める方法であって、
発電ユニット（２）が接続される電力ネットワークの少なくとも一部のデータを与えるステップと、
前記電力ネットワークに接続される少なくとも１つの発電ユニット（２）のデータを与えるステップと、
前記電力ネットワークの少なくとも一部および前記少なくとも１つの発電ユニット（１）における電圧、電流、電力および／または瞬時電圧低下のシミュレーションにより、ＦＲＴおよび／または故障後の電力回復をシミュレートするステップと、
を有し、さらに、
前記ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復のシミュレーションにより、前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存して、適切な特定値および／または適切な予め定められた期間を定めるステップ、および／または、
前記ＦＲＴおよび故障後有効電力回復シーケンスイベントのシミュレーションにより、前記電力ネットワークの給電点に接続される前記発電ユニット（２）の数に依存して、前記適切な特定値および／または適切な特定期間を定めるステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
瞬時電圧低下を検出する検出器（４８）と、請求項１乃至７のいずれか１項記載のステップを実行するよう構成されたリデューサ（５２）とをさらに備える、コンバータ（４６）。
【請求項１０】
請求項９記載のコンバータを備える発電ユニット（２）。
【請求項１１】
複数の風力タービン（２）を備えるウインドファームであって、少なくとも１つの風力タービン（２）が請求項１０記載の発電ユニットを備える、ウインドファーム。
【請求項１２】
コンピュータのメモリにロードされて、請求項１乃至８のいずれか１項記載のステップを実行するプログラムコード手段を備える、コンピュータプログラム製品。
【請求項１】
電力を送電する送電線（４）における瞬時電圧低下を検出するステップと、
前記送電線（４）において瞬時電圧低下が検出されたとき、複数の送電線を有する電力ネットワークの給電点における発電ユニット（２）によって供給される有効電流および／または有効電力を特定値まで減少させるステップと、
を有する、ことを特徴とするＦＲＴ（Fault-ride-through）方法。
【請求項２】
前記有効電流および／または有効電力の特定値は、前記発電ユニット（２）が接続されている前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存しており、および／または、前記有効電流および／または有効電力の特定値は、前記電力ネットワークの給電点に接続されている前記発電ユニット（２）の数に依存している、請求項１記載のＦＲＴ方法。
【請求項３】
有効電流および／または有効電力の減少後、前記有効電流および／または有効電力の振動が実質的におさまるまで待機するステップと、
その後、有効電流および／または有効電力を前記瞬時電圧低下の前に達していた値まで実質的に増加させるステップと、
をさらに備える、請求項１または２記載のＦＲＴ方法。
【請求項４】
有効電流および／または有効電力を予め定められた期間にわたって、特定関数により、前記固定値から前記瞬時電圧低下の前に達していた値に増加させるステップをさらに有し、
有効電流および／または有効電力は好ましくは線形に増加される、
請求項１乃至３のいずれか１項記載のＦＲＴ方法。
【請求項５】
前記予め定められた期間は、前記発電機（２）が給電点にて接続されている前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存しており、および／または、前記電力ネットワークの給電点にて接続される前記発電ユニット（２）の数に依存している、請求項４記載のＦＲＴ方法。
【請求項６】
前記予め定められた期間は、１秒より長く、好ましくは２秒より長く、より好ましくは４秒より長く、より好ましくは６秒より長く、より好ましくは７秒より長い、請求項４または５記載のＦＲＴ方法。
【請求項７】
前記特定値および／または前記予め定められた期間は、シミュレーションにより定められる、請求項１乃至６のいずれか１項記載のＦＲＴ方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＦＲＴ方法のための適切な特定値および／または適切な特定期間をシミュレーション方法によって定める方法であって、
発電ユニット（２）が接続される電力ネットワークの少なくとも一部のデータを与えるステップと、
前記電力ネットワークに接続される少なくとも１つの発電ユニット（２）のデータを与えるステップと、
前記電力ネットワークの少なくとも一部および前記少なくとも１つの発電ユニット（１）における電圧、電流、電力および／または瞬時電圧低下のシミュレーションにより、ＦＲＴおよび／または故障後の電力回復をシミュレートするステップと、
を有し、さらに、
前記ＦＲＴおよび／または故障後有効電力回復のシミュレーションにより、前記電力ネットワークの少なくとも一部の特性に依存して、適切な特定値および／または適切な予め定められた期間を定めるステップ、および／または、
前記ＦＲＴおよび故障後有効電力回復シーケンスイベントのシミュレーションにより、前記電力ネットワークの給電点に接続される前記発電ユニット（２）の数に依存して、前記適切な特定値および／または適切な特定期間を定めるステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
瞬時電圧低下を検出する検出器（４８）と、請求項１乃至７のいずれか１項記載のステップを実行するよう構成されたリデューサ（５２）とをさらに備える、コンバータ（４６）。
【請求項１０】
請求項９記載のコンバータを備える発電ユニット（２）。
【請求項１１】
複数の風力タービン（２）を備えるウインドファームであって、少なくとも１つの風力タービン（２）が請求項１０記載の発電ユニットを備える、ウインドファーム。
【請求項１２】
コンピュータのメモリにロードされて、請求項１乃至８のいずれか１項記載のステップを実行するプログラムコード手段を備える、コンピュータプログラム製品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１２５１４４（Ｐ２０１２−１２５１４４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２６８９８６（Ｐ２０１１−２６８９８６）
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６８９８６（Ｐ２０１１−２６８９８６）
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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