特許 6147342 電気供給系統に電気エネルギーを供給する方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6147342

(24)【登録日】2017年5月26日

(45)【発行日】2017年6月14日

(54)【発明の名称】電気供給系統に電気エネルギーを供給する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/38 20060101AFI20170607BHJP

   H02J 3/00 20060101ALI20170607BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/38 160

   H02J3/00 170

   H02J3/38 110

【請求項の数】19

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2015-520910(P2015-520910)

(86)(22)【出願日】2013年7月3日

(65)【公表番号】特表2015-526053(P2015-526053A)

(43)【公表日】2015年9月7日

(86)【国際出願番号】EP2013064069

(87)【国際公開番号】WO2014009226

(87)【国際公開日】20140116

【審査請求日】2015年2月19日

(31)【優先権主張番号】102012212364.4

(32)【優先日】2012年7月13日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】512197272

【氏名又は名称】ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＷＯＢＢＥＮ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100080816

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 朝道

(74)【代理人】

【識別番号】100098648

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 潔人

(74)【代理人】

【識別番号】100119415

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 充

(72)【発明者】

【氏名】ディードリッヒス、フォルカー

(72)【発明者】

【氏名】ブスカー、カイ

(72)【発明者】

【氏名】ベークマン、アルフレート

【審査官】 猪瀬 隆広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１８７４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５３２５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１０１６４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Volker Diedrichs, Alfred Beekmann, Stephan Adloff，Loss of (Angle) Stability of Wind Power Plants- The Underestimated Phenomenon in Case ofVery Low Short Circuit Ratio -，Proceedings the 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Farms，ドイツ，energynautics Gmbh，２０１１年１０月２５日

【文献】 Volker Diedrichs, Alfred Beekmann, Kai Busker, Swantje Nikolai, Stephan Adolff，Control of Wind Power Plants Ulizing Voltage Source Converter in High Inpedace Grids，Power and Energy Society General Meeting，米国，IEEE，２０１２年 ７月２２日，2012, IEEE，Pages.1-9

【文献】 W. Kuehn，Control and Stability of Power InvertersFeeding Renewable Power to Weak AC Gridswith No or Low Mechanical Inertia，Power Systems Conference and Exposition，米国，IEEE，２００９年 ３月１５日，PSCE 2009，pages.1-9

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ３／００− ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

グリッド接続点（２）において電気供給系統（４）に接続された電気エネルギーの生成装置（１）を制御する方法であって、但し、該生成装置は風力発電装置（１）、もしくは、複数の風力発電装置（１）を含むウィンドパークであり、
前記グリッド接続点（２）に関する前記電気供給系統（４）の少なくとも１つのグリッド特性を組み込み、前記グリッド接続点（２）における電圧の実際のグリッド状態に対する依存性の瞬時値を表すグリッド感度を、前記グリッド接続点（２）に対して決定する、ステップと、
組み込まれたグリッド特性に従って前記電気供給系統（４）に電力を供給するように前記生成装置（１）を制御し、実際のグリッド感度に従って前記生成装置（１）を制御し、及び、グリッド感度の増大に応じてより大きな増幅を伴うコントローラ特性を用いる、ステップと、
を含む、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記生成装置（１）は、電圧インバータ（１６）を用いて前記電気供給系統（４）に電力を供給する、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記グリッド接続点（２）における電圧の実際の風速に対する依存性の瞬時値を表すグリッド感度を、前記グリッド接続点（２）に対して決定する、
請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記グリッド感度は、
前記グリッド接続点（２）における電圧（Ｖ）の前記風力発電装置（１）が生成する電力（８）による偏微分、および／または、
前記グリッド接続点（２）における電圧（Ｖ）の供給無効電力（Ｑ）による偏微分に依存して形成される、または、
これらの両偏微分の和に依存して形成される、
請求項３に記載の方法。

【請求項5】

実際のグリッド感度に従って前記生成装置（１）を制御し、
高速なコントローラ特性、かつ／または、非線形コントローラを用いる、
請求項３または４に記載の方法。

【請求項6】

少なくとも１つのグリッド特性を組み込むことは安定性境界（２０２）を組み込むことを含み、
前記安定性境界（２０２）は、供給無効電力（Ｑ）と供給有効電力（Ｐ）に応じて前記グリッド接続点（２）上のグリッド電圧（Ｖ）の関数として与えられ、かつ／または、
前記安定性境界（２０２）は、前記グリッド接続点（２）におけるグリッド電圧（Ｖ）、供給無効電力（Ｑ）、および、供給有効電力（Ｐ）から成る空間中の曲面として表される、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記供給系統（４）に対するグリッド解析を実行し、
前記グリッド解析に基いて前記供給系統（４）のモデルを生成し、
前記グリッド接続点（２）に対する前記グリッドモデルに基いて異なる複数の動作点をシミュレートし、
前記シミュレーションの結果を少なくとも１つのグリッド特性として使用することによって、
前記少なくとも１つの組み込まれたグリッド特性を組み込む、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

１つの安定性境界または前記安定性境界（２０２）を、テーブルに格納し、かつ／または、解析関数で近似する、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記少なくとも１つのグリッド特性を組み込む際、前記生成装置（１）の特性も考慮し、短絡電流比（Ｓｃｒ）を組み込む、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

グリッド電圧の供給有効電力による偏微分の値が所定の値を超えた場合、
グリッド電圧の供給無効電力による偏微分の値が所定の無効値を超えた場合、
前記供給系統（４）の３相電圧を対称成分法に従って解析した結果、共電圧成分の値が共電圧限界より高い場合、
前記供給グリッドの３相電圧を対称成分法に従って分析した結果、カウンタ電圧成分の値がカウンタ電圧限界よりも高いまたは低い場合、かつ／または、
基準周波数と公称周波数の差が所定の周波数値を超える場合、
前記グリッド接続点（２）における安定性喪失（ＬＯＳ）のおそれを検出し、かつ／または、表示する、
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

６未満、もしくは、４未満、または、２未満、の短絡電流比で前記生成装置（１）を制御する、
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

１つの安定性境界または前記安定性境界（２０２）に対して所定の安定性予備力を設けた箇所に、前記生成装置（１）の１つの動作点または前記動作点を選択する、
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

前記安定性境界（２０２）に対する前記安定性予備力を、
前記供給無効電力（Ｑ）と前記安定性境界（２０２）の無効電力との間の差の最小値、
前記供給有効電力（Ｐ）と前記安定性境界（２０２）の有効電力との間の差の最小値、もしくは、
前記グリッド接続点の電圧（Ｖ）と前記安定度境界の電圧との差の最小値のいずれか、または、
これらの差の少なくともいずれかに依存して算出し、または、これらの差の少なくともいずれかを用いて算出する、
請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記安定性境界（２０２）に対する前記安定性予備力を、
前記供給無効電力（Ｑ）と前記安定性境界（２０２）の無効電力との間の規格化された差の最小値の２乗、
前記供給有効電力（Ｐ）と前記安定性境界（２０２）の有効電力との間の規格化された差の最小値の２乗、および、
前記グリッド接続点（２）の電圧（Ｖ）と前記安定性境界（２０２）の電圧との間の規格化された差の最小値の２乗の和の平方根として定義し、
前記無効電力（Ｑ）および前記有効電力（Ｐ）を、それぞれグリッド接続点における供給系統（４）の短絡電力（Ｓｃｒ）により規格化し、
グリッド接続点（２）における電圧を、グリッド接続点（２）における供給系統（４）の公称電圧（Ｖ_Ｎ）により規格化し、
安全のための距離は０．２未満、または、０．１未満である、
請求項１１または１２に記載の方法。

【請求項15】

実際の動作点の１つの安定性予備力または前記安定性予備力を安定性境界によって監視し、
前記安定性予備力が安定性境界まで減少した場合、動作点を変更する、
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項16】

空力ロータ（１０６）を有し、風から電気エネルギーを発生させる発電機（６）と、
整流器（８）に連結され前記供給系統（４）に電気エネルギーを供給する周波数変換器（１６）、または、インバータ（１６）と、を備え、
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法に従って制御される、
ことを特徴とする風力発電装置（１）。

【請求項17】

前記風力発電装置（１）は前記グリッド接続点（２）に接続され、前記供給系統（４）に対して前記グリッド接続点（２）において電気エネルギーを供給し、
前記グリッド接続点における短絡電流比（Ｓｃｒ）は、１０未満、もしくは、６未満、または、４未満である、
請求項１６に記載の風力発電装置（１）。

【請求項18】

少なくとも１つの組み込まれたグリッド特性、および/または、
少なくとも１つのグリッド状態、および/または
所定の動作点からの前記制御のかい離
に応じて安定性喪失、および/または、安定性喪失のおそれを特定する、
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記生成装置（１）は、複数の風力発電装置（１）を備えたウィンドパークであり、
安定性喪失または安定性損失のおそれを、各風力発電装置（１）に対して、または、少なくとも前記ウィンドパークに含まれる風力発電装置のサブグループに対して、個別に特定する、
請求項１８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、系統接続点で電気供給系統（ネットないしグリッド）に接続された電気エネルギーの生成装置を制御する方法に関する。また、本発明はかかる電気エネルギーの生成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

欧州グリッド、米国電力グリッド等の電気供給グリッドに対して電気エネルギーを供給する技術が知られている。以下に説明する電気供給グリッドは、広く知られている交流（ＡＣ）電圧グリッドを指す。ただし、このことは、グリッド中に直流（ＤＣ）電圧の区間が存在することを排除しない。また、周波数に依存しない様相（アスペクト）は、一般に直流電圧グリッドにも当てはまる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第６８９１２８１号明細書

【特許文献2】米国特許第７４６２９４６号明細書

【特許文献3】米国特許第６９６５１７４号明細書

【特許文献4】米国特許第６９８４８９８号明細書

【特許文献5】独国特許出願公開第１０２０１１０５３２３７号明細書

【特許文献6】国際公開第２０１０／０６０９０３号

【特許文献7】米国特許出願公開第２０１０／０１４８５０８号明細書

【特許文献8】独国特許出願公開第１０２００７０４４６０１号明細書

【特許文献9】独国特許出願公開第１０２００７０１８８８８号明細書

【特許文献10】米国特許出願公開第２０１０／０２３７８３４号明細書

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】V. Diedrichs et al., "Loss of (Angle) Stability of Wind Power Plants," 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as an Transmission Networks for Offshore Wind Farms, Aarhus (Denmark), October 25-26, 2011.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

歴史的には、１次エネルギーを用いて同期発電機を駆動する石炭、原子力、ガス等の大型発電所を備えた電気供給系統に対するエネルギー供給が行われている。供給グリッドに対するエネルギーの供給は、同期発電機の極対の数と速度に応じて、一定の周波数で行われる。同期発電機を技術的に制御することにより、例えば、出力を調整することができる。しかし、この調整プロセスには長い時間を要する。

【0006】

エネルギー供給を受ける供給グリッドの状態が変化すると、同期発電機が物理的に反応し、多くの場合、少なくとも短期間に亘ってグリッド状態に変化が生じる。例えば、同期発電機が提供する電力、または、提供し得る電力を供給グリッドが完全に受け入れることができない場合、同期発電機の速度が増加する。この余剰電力により同期発電機が加速されると、結果として、供給周波数の増大を招く。これにより、供給グリッドの周波数も増大する。

【0007】

供給グリッドにエネルギーを供給する際、グリッドの安定性も考慮する必要がある。グリッドの安定性喪失、すなわち、供給グリッドの安定性が失われると、生成装置の電源停止に至るおそれがある。安定性喪失（以下、単に「安定性喪失」という。なお、ドイツ語圏の専門家の間では「ＬＯＳ」とも略称される。）は、もはや運転の継続が不可能であり、カットオフによって停止しなければならない物理的なプロセスを表す。発電所を考えた場合、このことは、発電所の出力に影響を及ぼし、いわゆる出力不足をエスカレートさせる。最悪のケースでは、安定性喪失が生じると、エラーがカスケードして不足が累積し、エネルギーシステム全体の障害に至る。かかるシステム全体の障害は非常にまれであるが、２００４年９月２４日にイタリアで発生している。

【0008】

グリッドの安定性の喪失、いわゆる安定性喪失は、まず角度安定性が失われ、これにより電圧安定性の喪失に至る現象を指す。

【0009】

特に、安定性の基準として、達成すべき過電流が決定されるが、該過電流は安定性喪失の際に用いられることができなければならない。このとき、システムは特定のデザインを有していることが前提となる。そこで、新しい発電所、特に新設予定の発電所は、発電所の接続先であるグリッド接続点にて表されるように、供給グリッドに対して適合される。

【0010】

電気供給グリッドに大きな発電所を接続する場合、短絡電流比が重要な基準となる。短絡電流比は、ドイツでは専門家の間で「短絡比（Short circuit ratio）」として知られており、「Ｓｃｒ」と略記される。短絡電流比は、接続電力（負荷）に対する短絡電力の比である。また、短絡電力とは、発電所の接続先のグリッド接続点での個々の供給グリッドが、短絡が生じた際に供給し得る電力をいう。さらに、接続電力（Anschlussleistung）とは、接続する発電所の接続電力であり、特に、接続する発電機の公称出力（容量、Nennleistung）をいう。

【0011】

信頼性の高い動作を実現するため、すなわち、可能な限り安定性喪失を避けるため、一般に、各グリッド接続点に対して、短絡電流比の値が１０を超え、通常、さらに１５を超えるように、発電所の設計が行われる。これにより、供給グリッドは比較的高い短絡電力をグリッド接続点に供給することができる。これは、グリッドが低インピーダンスであることを意味し、強いグリッドと呼ばれる。

【0012】

弱いグリッド、言い換えると、高インピーダンスが存在する場合、接続電力が小さいときに限って電力供給が可能となる。すなわち、接続電力が小さい発電所のみ接続可能となる。このような場合、通常、グリッド接続点に新しい発電所を接続できなくなるか、または、より強力な送電線をさらに敷設することでグリッドを変更する必要が生じる。これは、一般に、グリッド強化と呼ばれる。

【0013】

分散型発電ユニット、特に、風力発電装置による電気エネルギーの供給に関して、グリッドの安定性喪失の問題はほとんど知られていない。すでに１９世紀末において、グリッドの電力を支えるために風力発電装置も寄与することを裏付ける最初の提案がなされている。しかしながら、安定性喪失の原因、特に、供給グリッドへの電力供給により安定性喪失が生じるおそれがあることは考慮されていない。

【0014】

例えば、発明者等の特許出願（特許文献１）には、風力発電装置がグリッド周波数に応じて風力発電装置による電力供給を変更する（例えば、低減する）方法が記載されている。また、特許文献２において、グリッドの障害の場合、特に、短絡の場合、グリッドのサポートを実現するために、風力発電装置をグリッドから解列する代わりに、風力発電装置が供給する電力を制限することが提案されている。さらに、特許文献３には、風力発電装置を用いてグリッドをサポートする方法であって、グリッド電圧に応じて供給電力の位相角を調整し、すなわち、電圧に応じてグリッドに無効電力を供給することによりグリッドをサポートする方法が記載されている。また、特許文献４は、風力発電装置を用いてグリッドをサポートする方法に関し、グリッドに供給する電力を風力発電装置がグリッド電圧に応じて低減することにより、グリッドからの解列を回避し、これにより風力発電装置を用いてグリッドをサポートする方法に関する。

【0015】

従来、風力発電装置等の分散型発電ユニットがグリッドの安定性喪失の潜在的な要因と成り得るという事実は考慮されていなかった。非特許文献１において、電力供給のために供給グリッドに接続された風力発電装置に関しても、グリッド内の安定性喪失が起こり得るという問題に対する実質的な言及がなされた。すなわち、この論文によって、上記の問題に対する認識が高まった。ここでは、この論文およびその内容を明示的に参照するものとする。特に、この論文の技術説明は本願にも適用されるものとする。

【0016】

大規模な発電所の運転および電気供給グリッドへの接続に関する発見、経験その他の知識を、電力供給のために供給グリッドに接続された多数の風力発電装置を備えた大規模なウィンドパークを含む風力発電装置に転用することは不可能である。供給グリッドに発電所を接続して発電所を運転する際の信頼のおける専門家は、供給グリッドに風力発電装置を接続して風力発電装置を運転したいと考える専門家とは、別の専門家である。風力発電装置（以下は多くの点で分散型発電ユニットにも該当する）は風に依存するため、変動するエネルギー源を考慮する必要がある。風力発電装置は、通常、直接グリッドに連結された同期発電機を用いて供給グリッドにエネルギーを供給する代わりに、電圧ベースのインバータを使用する。風力発電装置は大型発電所とはサイズが異なり、通常、公称出力（容量）は大型発電所の出力（容量）の１，０００分の１にすぎない。通常、風力発電装置は電気供給グリッドの事業者による電力供給の受け入れを確保する法律に従う必要がある。通常、風力発電装置は分散化されている。大きな発電所は、通常、超高圧グリッドに電力供給し、一方、風力発電装置は、通常、中電圧グリッドに電力供給する。

【0017】

なお、ドイツ特許商標庁は、本願に対する先行技術として、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９および特許文献１０、ならびに、非特許文献１を抽出した。

【0018】

本発明の目的は、上述の問題のうちの少なくとも１つを解決することである。特に、風力発電装置等の分散型発電ユニットを、供給グリッドの安定性が失われる現象を考慮しつつ運転可能とする解決手段が提案されるべきである。特に、グリッドの安定性喪失を防ぐことによって、風力発電装置やウィンドパーク等の分散型発電ユニットがグリッドの安定化に寄与するような解決手段が提案されるべきである。また、その他の解決手段も提供される。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明の一視点によると、グリッド接続点において電気供給系統に接続された電気エネルギーの生成装置を制御する方法であって、但し、該生成装置は風力発電装置もしくは複数の風力発電装置を含むウィンドパークであり、前記グリッド接続点に関する前記電気供給系統の少なくとも１つのグリッド特性を組み込み、前記グリッド接続点における電圧の実際のグリッド状態に対する依存性の瞬時値を表すグリッド感度を、前記グリッド接続点に対して決定する、ステップと、組み込まれたグリッド特性に従って前記電気供給系統に電力を供給するように前記生成装置を制御し、実際のグリッド感度に従って前記生成装置を制御し、及び、グリッド感度の増大に応じてより大きな増幅を伴うコントローラ特性を用いる、ステップと、を含む方法が提供される。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る方法によると、供給グリッドの安定性喪失を考慮しつつ、風力発電装置等の分散型発電ユニットを運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】風力発電装置を示す斜視図である。

【図2】グリッドに接続された、電圧制御システム（ＶＣＳ）に基く風力発電装置の概略図である。

【図3】風力発電装置によりＡＣグリッドへ電圧制御された電力供給を行う回路構成の概略図である。

【図4】ジョイントグリッド接続点を介してグリッドに接続された２つの風力発電装置の概略図である。

【図5】グリッドに接続された風力発電装置の感度に影響を及ぼすパラメータを示す図である。

【図6】グリッド接続点におけるグリッドの動作を、供給無効電力と供給有効電力に対する電圧の振る舞いとして示す図である。

【図7】規格化された供給無効電力と有効電力に応じた有効電力の変化による電圧変化として、感度を示す図である。

【図8】規格化された無効電力と有効電力に応じた無効電力の変化による電圧変化として、感度を示す図である。

【図9】一般的なグリッドを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明によると請求項１に記載された方法が提案される。かかる方法によると、グリッド接続点において電気供給グリッドに接続された電気エネルギーの生成装置が制御される。電気エネルギーの生成装置は既存のエネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、ここではこれを単に生成と呼ぶことに注意する。提案された制御方法によると、グリッド接続点に関して、電気供給グリッドの少なくとも１つのグリッド特性が組み込まれる。ここで、組み込まれるグリッド特性は、例えば、グリッドの異なる運転状態、および／または、エネルギー供給についての異なる状態やエネルギー供給についての異なる境界条件の下での、安定性に関するグリッドの振る舞いである。特に、公称動作点から外れた場合における供給グリッドの動作を表すグリッド特性が組み込まれる。

【0023】

さらに、この組み込まれたグリッド特性に基いて、電気供給グリッドに電力を供給することが提案される。これにより、電力供給の制御は、予め規定されたグリッド特性に依存することになる。この点は、グリッド特性を考慮しないで制御が行われる生成装置の技術的設計とはまったく異なる。また、組み込まれたグリッド特性に応じた電力供給の制御は、実際のグリッド状態に応じた制御とも異なる。同様に、組み込まれたグリッド特性に応じて電力供給を制御することに加えて、本願の主題ではないものの、組み込まれたグリッド特性に応じて生成装置を設計すること、および、グリッド状態に応じて制御を行うことも、同様に有利な効果を奏する。

【0024】

本発明によると、接続された生成装置または接続すべき生成装置を設計する際に特にグリッド特性を考慮するだけでは不十分である可能性があることが分かる。このことは、分散型発電ユニットまたは新しい状態に動的に適応可能な分散型生成装置に対して、特に当てはまる。しかし、供給グリッドにおける新しい状態、すなわち、変化した状態に適応することは、供給グリッドにおいて現在起きている問題が完全には解消されないおそれがあるというリスクを伴う。電気供給グリッドへの電力供給に対する予測的（ないし、プロアクティブ、vorausschauend、proactive）制御は、すでに組み込まれた少なくとも１つのグリッド特性を考慮することによってはじめて可能となる。このようなプロアクティブ制御は、供給グリッドにおける安定性の問題、特に、安定性喪失を初期段階で回避すること、または、少なくとも検出することを目的としている。

【0025】

好ましくは、いわゆる分散型生成装置、および／または、風力発電装置、もしくは、複数の風力発電所を含むウィンドパークに対して、この制御方法を適用することが提案される。通常、風力発電装置は風の状態に依存する複数の離れた場所に設置される分散型の生成装置であり、接続電力に関して、大規模発電所とは異なり中心的なエネルギー源とみなすことはできない。複数の風力発電装置を備えたウィンドパークにも、通常、同じことが言える。また、風力発電装置および小規模ウィンドパークは、基本的に、既存の供給グリッドに接続される。供給グリッドへの接続のために、１または複数の接続線が設けられることもある。しかし、供給グリッドの基本的な構造が変わるわけではない。

【0026】

これまでは、このような分散型生成装置を接続したとしても、各供給グリッドの基本特性や基本構造に対して大きな影響を及ぼすものではないことが前提とされてきた。また、分散型の電力サプライヤの接続に対して各グリッドが十分な容量を有しているか否か、すなわち、分散型生成装置から供給されると予測される追加の電力を輸送する容量を各グリッドが十分に有しているか否かが検討されてきた。特に、生成装置の電力供給によるグリッド安定性という側面は、まったく考慮されてこなかった。特に、かかる分散型生成装置に関して、電気エネルギーの供給量がどの程度になると、供給グリッドの安定性喪失が生じるかという点は、まったく考慮されてこなかった。すなわち、本発明の方法は、このような分散型サプライヤ、特に、風力発電装置およびウィンドパークに向けられたものである。

【0027】

分散型生成装置による電力供給は、電圧インバータを用いて行うことが好ましい。電圧インバータを用いた電力供給によると、インバータは供給すべきエネルギーの供給先、例えば、直流中間回路上で使用され、さらに、電圧インバータは可能な限り正弦波に近い電圧変化信号を生成する。この電圧変化信号は、ラインチョークを用いることで、供給グリッドに供給される電力に反映される。１または複数の変圧器を用いて、さらに電圧変換を行うようにしてもよい。

【0028】

ここで、供給対象の全電力をこの電圧インバータを用いて供給する、いわゆる完全電力変換コンセプトを提案する。ここでは、電力損失を考慮しない。風力発電装置について、例えば、ダブルフィード非同期発電機等の発電機の制御を介して、電圧インバータが電力供給を間接的に制御するような、電圧インバータに関する他のコンセプトも考慮することができる。

【0029】

供給グリッドの電力供給のために、完全電力変換コンセプトに従って電圧インバータを使用することと、大規模発電所を用いて電力を供給することは、根本的に異なる。電圧インバータは、供給する電圧振幅および周波数をグリッド状態に応じてつねに適合させることができ、かつ／または、適合させなければならない。結果として、電圧インバータによると、グリッドでの変化に対して迅速に反応することができる。ただし、これによると、迅速な反応が不適切になされた場合、グリッドが急速に不安定化するリスクを伴う。特に、この問題は、本発明によって対処する問題である。

【0030】

一実施形態によると、生成装置（ないし発電機、Erzeuger）は、組み込まれたグリッド特性に依存する動作点において生成装置の制御が行われるように、生成装置を制御することが提案される。動作点は、組み込まれたこれらの特性に依存するのみならず、供給グリッド（すなわち、グリッド接続点またはその近傍）における電圧振幅と周波数にも依存してもよい。さらに、動作点は、現在供給中の有効電力、および／または、現在供給中の無効電力に依存してもよい。これにより、組み込まれたグリッド特性を有するグリッド接続点に対して設計された公称動作点であって、特定の生成装置用の動作点が得られる。グリッドまたは電力供給の状態の変化に伴い、すでに組み込んだグリッド特性を考慮した他の動作点を選択してもよい。グリッド接続点における生成装置の動作点を、生成装置が供給グリッドに供給する有効電力、および／または、無効電力を用いて指定してもよい。

【0031】

一実施形態によると、組み込まれたグリッド特性に依存する少なくとも１つの制御特性曲線を、動作点を設定するために適用することが提案される。この制御特性曲線も多次元であってもよい。すなわち、制御特性曲線は複数の入力パラメータに依存してもよく、かつ／または、同時に設定する複数のパラメータを含んでいてもよい。一例として、制御特性曲線はグリッド接続点におけるグリッド電圧に依存し、供給すべき無効電力、および／または、有効電力を決定するものであってもよい。制御特性曲線は、少なくとも１つの組み込まれたグリッド特性に基いて生成される。一例として、動作特性曲線は、生成装置の動作により供給グリッドの安定性喪失が生じることがないように選択される。

【0032】

一提案によると、例えば、非線形、かつ／または、不定のコントローラ特性を有するコントローラのような、非線形コントローラを使用することが提案される。一例として、排他コントローラとしてのＰＩＤコントローラの使用を避けることが提案される。ＰＩＤコントローラは、多くの要件に対して不十分であり、最適なパラメータ化の要件を満たさないと考えられているからである。非線形コントローラは、制御対象のシステムにより良く適応することができる。非線形コントローラとしては、ファジーコントローラ、ニューラルグリッドに基くコントローラ、乗算コントローラ、ヒステリシス機能を備えたコントローラ、および／または、デッドタイム特性を用いるコントローラであってもよい。

【0033】

一実施形態によると、コントローラを使用することで、結果として、動作点は制御特性曲線に応じて調整される。例えば、供給無効電力Ｑは、供給有効電力Ｐとグリッド電圧Ｕに依存し、式Ｑ＝ｆ（Ｐ，Ｕ）で表される制御特性曲線としてもよい。

【0034】

少なくとも１つのグリッド特性の組み込み（グリッド特性を求めることにより組み込んでもよい）は、供給無効電力とグリッド接続点におけるグリッド電圧との関係の組み込みであってよい。また、これに加えて、または、この代わりに、グリッド特性の組み込みは、供給される有効電力とグリッド接続点におけるグリッド電圧の関係の組み込みであってもよい。さらに、グリッド特性の組み込みは、供給される有効電力と、供給無効電力と、グリッド接続点におけるグリッド電圧との関係の組み込みであってもよい。この場合、３次元の関係が組み込まれることになる。このようにして、無効電力と有効電力とグリッド電圧の関係が組み込まれる。この関係によると、グリッド接続点に関する供給グリッドの挙動が導出され、さらに、この関係は供給グリッドへの電力供給を行う際に発電機を制御するための基礎となる。

【0035】

一実施形態によると、グリッド特性の組み込みは安定性境界の組み込みを含むことが提案される。安定性境界はグリッド接続点におけるグリッド電圧の関数として与えられ、供給無効電力と供給有効電力に依存する。安定性境界は３つのパラメータによって規定され、３次元的に表示することができる。安定性境界は、３次元表示において、湾曲面またはアーチ面、すなわち境界面を有する。したがって、各動作点、すなわち、動作点によって与えられる特性は、安定性境界の安定側で選択される。供給グリッド、および／または、生成装置、ならびに、風力発電装置の場合には風のダイナミクスについての予測に従って、安定境界から小の（近い）、または、大の（遠い）距離だけ離れた動作点が選択される。

【0036】

一実施形態によると、組み込まれた少なくとも１つのグリッド特性をモデルに従って求めることが提案される。このため、例えば、送電線システム、供給グリッドに含まれる変圧器、切替機、（電力）消費装置（負荷）、および、生成装置（ないし発電機）を考慮して、まず、供給グリッドのグリッド解析を実施する。以下では、変圧器を単にトランスとも呼ぶ。一例として、変圧器の値を、計算またはシミュレーションプログラムに入力する。既存のグリッド接続点または計画中のグリッド接続点に対して、グリッド解析を実施する。グリッド接続点に対して明らかに重要でないような個別の要素は、グリッド解析において無視することができる。例えば、代替インピーダンスを用いる等、等価モデルの使用により、各グリッド区画を考慮することができる。また、グリッド解析に基いて供給グリッドのモデルを作成するとともに、グリッド解析モデル用の各ソフトウェアによって、作成したモデルを編集ないしテストすることができる。次に、このような解析ソフトウェアを使用するとともに、具体的なグリッド接続点に対するグリッドモデルに基いて、異なる動作点のシミュレーションを実行して、シミュレーション結果を記録する。シミュレーション結果は、前記組み込まれた少なくとも１つのグリッド特性である。一例として、シミュレートされた複数の個別の動作点は、この目的で決定され、または、基礎とされる。

【0037】

なお、「供給系統（グリッドないしネット）」という用語を、単に「系統（グリッドないしネット）」とも略記することに留意されたい。

【0038】

生じた、または、例えば上記シミュレーションによって得られた安定性境界を、テーブルに格納してもよい。これに加えて、または、この代わりに、得られた安定性境界を解析関数で近似してもよい。記録されなかった中間値については、補間することで求めてもよい。

【0039】

一実施形態によると、前記少なくとも１つのグリッド特性を組み込む際、生成装置の複数の特性または少なくとも１つの特性も考慮し、短絡電流比を組み込むことが提案される。生成装置の特性をも考慮することで、電力供給における接続ノードのグリッド特性が組み込まれる。また、６未満の短絡電流比で生成装置を制御することが好ましい。さらに、短絡電流比を４未満とし、特に２未満とすることが好ましい。すなわち、通常よりも小さい短絡電流比に対する制御方法が提案される。このため、しばしば、上記の特定の設計を実装するか、または、少なくとも受け入れることが前提となる。すなわち、発電機を使用して意図的に弱いグリッドに対して電力を供給することが提案される。ここで、特に、発電機の接続電力は意識的にこの接続点に関するグリッドの短絡電力と比較して大きく、例えば、接続点に対するグリッドの短絡電力の１／６よりも大きく、または、１／４よりも大きく、さらには１／２よりも大きい。いずれにしても、電圧源変換器を備えた風力発電装置の使用を、略して（特に、フルコンバータ構造を備えた）電圧変換器と呼ぶ。電圧変換器の作動は、弱いグリッドにおいて可能とされる。小さい短絡電流比を選択または受け入れることにより、安定性境界近傍での作動が意識的に得られる。電圧変換器を用いた制御によると、対応する制御、特に、電力供給の対応する高速かつ正確な制御を確実に行うことができる。結果として、従来は不適当と考えられていたグリッド接続点にも、生成装置を接続することが可能となる。

【0040】

一実施形態によると、安定性境界に対して所定の安定性予備力を設けた箇所に生成装置の動作点を選択することが好ましい。すなわち、安定性を確保するために、動作点を特定の箇所に選択することが好ましい。このことは、非常に大きい短絡電流比を用いた設計を見込んで、具体的な動作点の選択を行わない従来のコンセプトとはまったく異なるものである。言い換えると、過度に慎重な設計を避けることができる。動作点は所定の安定性予備力の内部において選択され、制御中に安定性予備力に追随する。例えば、一時的に安定性予備力が減少するよう、グリッド状態またはグリッド中の境界条件が変化すると、動作点をこれに応じて適合させることで、動作点は再び安定性予備力に追随する。

【0041】

一実施形態によると、動作点および安定性境界が規格化されている場合、安定性予備力は動作点の安定性境界に対する最小許容距離である。例えば、安定性境界および動作点は、それぞれ、供給無効電力、供給有効電力、および、グリッド接続点での電圧によって規定することができる。ここで、有効電力は生成装置の公称出力（容量）に基いて規格化することができ、無効電力も生成装置の公称出力（容量）に基いて規格化することができる。また、電圧は公称電圧に基いて規格化することが好ましい。結果として、これらの値はいずれも無次元量となり、互いに比較することが可能となる。これは、異なる単位を用いたときには、通常は容易でない。

【0042】

上述の例において、無効電力と有効電力と電圧から成るデカルト座標の空間において、安定性境界は曲面となる。この例において、安定性予備力は、例えば、０．１の距離を有する別の曲面となる。すなわち、視覚的に説明すると、安定性予備力はバッファ層と同様のものを形成する。

【0043】

数学的には、そのような最小許容距離は、例えば、それぞれ規格化された値の差の２乗の和の平方根として求めることができる。

【0044】

異なる安定性予備力に対して、異なる動作点を与えることが好ましい。かくて、例えば、定格有効電力が供給され、無効電力が供給されず、公称電圧を有する最適動作点の安定性予備力を小さく選択することができる。他の動作点については、安全のためにより大きな距離をとることが好ましい。バッファ層（説明を分かりやすくするためにこのように呼んだにすぎない）の厚みは、一定ではない。この可変または一定の距離を、少なくとも０．０５もしくは０．１、特に、少なくとも、０．２とすることが好ましい。

【0045】

実際の動作点の安定性予備力を運転中に絶えず観測し、安定性予備力との距離が短くなった場合、特に、安定性予備力の値を下回った場合には、動作点を変更することが好ましい。観測時刻の間隔が短く、かつ／または、わずかな時間のシフトないし遅れを伴うダイナミックな観測装置によるオンラインまたは準オンラインの方式で、この観測を行ってもよい。安定性に関連する変化に対して迅速かつ非常に短い時間で応答し、結果として、安定性境界の近傍においても安定した運転を確保する目的で、このような観測を行うことができる。

【0046】

さらに、風から電気エネルギーを生成する空力ロータに連結された発電機であって、電気エネルギーを供給グリッドに供給する周波数変換器を有する発電機を備えた風力発電装置が提案される。ここで、風力発電装置は、上述の実施形態のうちの少なくとも１つの方法に従って制御される。また、風力発電装置は生成装置であり、供給グリッドに電力を供給するように制御される。さらに、周波数変換器は、発電機からの交流電圧を整流する整流器と、直流電圧を交流電圧に変換して供給グリッドに供給するインバータを備えていることが好ましい。かかる周波数変換器においては、損失を無視すると、生成した全電気エネルギーが整流器およびインバータを介して完全に供給されることになる。これを完全電力変換コンセプトまたは完全電力変換トポロジーともいう。１つの整流器の代わりに複数の整流器の組み合わせを設けてもよく、かつ／または、１つのインバータの代わりに、個別にエネルギーの一部のみを変換する複数のインバータを設けてもよい。

【0047】

風力発電装置をグリッド接続点に接続し、生成した電気エネルギーをこの接続点において供給グリッドに供給し、１０未満、好ましくは６未満、さらに好ましくは４未満、特に２未満の短絡電流比を選択することが好ましい。電力供給に際して、生成装置、すなわち、風力発電装置を相応して制御することによって、このように非常に小さい短絡電流比を選択することが可能となる。したがって、大きい接続電力、特に、大きい公称出力（容量）を有する電力発電装置の比較的弱いグリッドへの接続が可能となり、すなわち、遠隔地への設置が可能となる。結果として、これまでは、そうでなければ供給グリッドの大幅な適合を伴って初めて接続でき、不適当とされていた設置箇所を使用することが可能となる。

【0048】

グリッド接続点における安定性喪失のおそれを検出し、および／または、表示することが好ましい。これは、万一安定性喪失の際、電力供給の中断を回避し、または、生成装置を電力供給の迅速な再開に備えさせるためである。

【0049】

グリッド電圧の偏微分量が供給有効電力に応じた予め所定の有効電力限界を上回った場合、安定性喪失のおそれを検出または表示することが好ましい。

【0050】

有効電力に応じたグリッド電圧の偏微分量を考慮することによってグリッド感度（敏感性）を検出することができ、さらに、より安定な動作点を選択する指標として偏微分の結果を利用することが可能となる。

【0051】

グリッド電圧の偏微分量に基いて、また、この偏微分量が所定の無効電力限界を上回った場合には供給有効電力に従って、安定性喪失のおそれを検出または表示することが好ましい。この場合にも、グリッド感度を考慮し、または、決定してもよい。

【0052】

対称成分法に従って供給グリッドの３相電圧を解析することにより、安定性喪失のおそれを検出または表示することが好ましい。ここで、一共電圧成分が一共電圧限界よりも大きい場合に安定性喪失のおそれがあるものとみなしてもよい。これに加え、または、これに代えて、一カウンタ電圧成分が一カウンタ電圧限界よりも大きい場合、安定性喪失のおそれがあるものとみなしてもよい。公知の対称成分法によると、特に非対称性が考慮される。共電圧成分量を監視する場合、簡単に言うと、３相電圧系の対称部分がある値を超えるか、または、下回ることを監視することになる。カウンタ電圧成分を考慮することにより、非対称度が過大であり、結果的に安定性喪失に至るようなグリッド内障害の発生を示唆していないかどうかを把握することが可能となる。

【0053】

基準周波数と公称周波数の差も考慮に入れてもよい。この差が予め所定の周波数限界を超え、または、下回った場合、ないしは、差がある値（絶対値）だけ所定の周波数限界値を超えた場合、安定性喪失のおそれがあるものとみなしてもよい。

【0054】

同様に、複数の風力発電装置を備えたウィンドパークが提供される。ここで、各風力発電装置は、上記のように、空力ロータ、発電機、および、周波数変換器を備えている。さらに、上記の実施形態の１つの方法に基いてウィンドパークを運転することが好ましい。このとき、上述の方法においてウィンドパーク全体を１つの生成装置とみなして運転する。特に、この場合、短絡電流比は、ウィンドパークの接続電力（ないし負荷、Anschlussleistung、load）について、接続点における供給グリッドの短絡電流比と関係し、特に、対象とするウィンドパーク内の全風力発電装置の公称出力（容量）の合計に関係する。一実施形態によると、１０未満、６未満、４未満、好ましくは２未満といった小さな短絡電流比を有するウィンドパークを設計することが好ましい。複数の風力発電装置を１つのウィンドパークに結合することにより、個々の風力発電装置とは対照的に、大きな接続電力がもたらされる。このため、接続点に関して、比較的弱いグリッドへの接続を可能とする手段が提供される。

【0055】

グリッドに電気エネルギーを供給する際、本願によって提供される生成装置の制御に対して、グリッド感度（Netzsensitivitat）は重要な情報である。グリッド感度は、特にグリッド接続点に関する特性である。グリッド感度は、グリッドトポロジー、実際のグリッド状態等のグリッド特性に依存する。グリッド感度は、グリッド接続点に与えられた影響に対して電圧がどのように反応するかの感度を示す。生成装置が風力発電装置または複数の風力発電装置を備えたウィンドパークである場合、風速の揺らぎは風力発電装置を介してグリッドに影響を及ぼし、結果的に接続点における電圧にも影響を及ぼす外部要因となる。風速の揺らぎ（変動）は接続点の電圧に対して大きな影響を及ぼす場合もあれば、わずかな影響を及ぼすにすぎない場合もある。したがって、風への感度に関して、グリッド感度は高いことも低いこともあり得る。

【0056】

さらに、実際のグリッド状態は、グリッド接続点における電圧の感度に影響を及ぼす可能性がある。例えば、外部要因に対するグリッドの感度がより鈍い場合において、グリッドがグリッド接続点に関して安定動作点で動作するとき、グリッド接続点における電圧はより安定する。逆に、例えば、風力発電装置の場合において、グリッドが風力発電装置によってすでにサポートされているような安定度のより低い動作点でグリッドが動作するとき、グリッド接続点における電圧はより影響を受けやすい。

【0057】

例えば、風力発電装置は無効電力を供給することによって、グリッドをサポートすることができる。したがって、グリッド接続点における供給無効電力による電圧の偏微分に従って、グリッド感度を決定（形成）することが好ましい。供給無効電圧の変化に伴ってグリッド接続点における電圧が大きく変化した場合、結果的にグリッド感度が高くなり、電圧はより影響を受けやすくなる。

【0058】

これに代えて、または、これに加えて、風力発電装置により生成される電力（すなわち、有効電力）のグリッド接続点における電圧の偏微分に基いて、グリッド感度を決定（形成）してもよい。風力発電装置が生成して供給する有効電力は、実際の風速を測るものである。供給電力の変化によりグリッド接続点の電圧が大きく変動する場合、この供給電力、かくて、風速の変化に関する高い感度が得られる。

【0059】

グリッド感度を、双方の偏微分の和としてもよい。ここで、異なった強度の影響を考慮または取り込むために、重み付けをして和を求めてもよい。

【0060】

さらに、かかるグリッド感度に基いて生成装置を制御することが好ましい。特に、感度が高く、外部からの干渉により迅速な応答が求められる場合、高速な制御、または、増幅を伴った制御が可能であり、また、そのような制御を行うべきである。一方、感度が弱い場合、低速のコントローラまたは小さな強度（ないし出力振幅、Starke）のコントローラでも十分である。

【0061】

以下に述べる負荷潮流計算は、エネルギー供給グリッド（システム）の定常運転状態を解析するのに用いられる。図９に示すように、各グリッドをグリッドのインピーダンスＺまたはグリッドのアドミタンスＹ（複素コンダクタンス、Leitwerte）とする。

【0062】

古典的なグリッド解析によると、オームの法則に基いて、ｎ個の結び目の相関を表す以下の行列表示の線形方程式系を用いてグリッドが規定される。

【0063】

【0064】

すなわち、次の線形方程式系のとおりである。

【0065】

【0066】

グリッドのｎ個の結び目のそれぞれにおける電圧を決定することが求められる（→電圧維持）。

【0067】

グリッドにおける電流は不明であるが、（想定された）電流供給と電圧降下は既知であるため、電流を出力によって表すことができる。

【0068】

【0069】

出力を介してグリッド方程式を表すことで、次の非線形方程式系が得られる。

【0070】

【0071】

この非線形方程式系は、（通常、ニュートン法を用いて）数値的に解くことができる。この方程式系を数値的に解く際には、方程式系を線形化する必要がある。行列要素を未知数によって、すなわち、ここでは、結び目における電圧の振幅（Ｕ_２…Ｕ_ｎ）と位相（δ_２…δ_ｎ）によって偏微分することによって、線形化を行う。

【0072】

偏微分した行列は、ヤコビ行列（ヤコビアン）と呼ばれる。方程式系を解くためには、以下のヤコビ行列は可逆、すなわち、正則でなければならない。

【0073】

ヤコビアン行列

【0074】

以下では、添付図面を参照しつつ、実施形態を例として発明をより詳細に説明する。

【0075】

以下では、類似するものの同一でない要素に対しても、同一の参照符号を付すことがある。また、単に概略的または象徴的に示したにすぎず、個々の説明には関係しない細かい点では異なる要素についても、同一の参照符号を付すこともある。

【0076】

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。３枚のロータブレード１０８とスピナ１１０を備えたロータ１０６は、ナセル１０４に配置されている。ロータ１０６は、動作中において風により回転運動を行い、ナセル１０４内の発電機を駆動する。

【0077】

図２は、グリッド接続点２において電気供給グリッド４に接続された風力発電装置を概略的に示す図である。電気供給グリッド４を単にグリッド４とも呼び、これらを同義の用語として用いる。

【0078】

風力発電装置１は、風により駆動され電気エネルギーを生成する発電機６を備えている。実施形態の１つにおいて、発電機６は、図２の発電機内に２つの星印で示すように、相互に接続された２つの星形の３相システムを備えた、電気励磁型の多相の同期発電機６である。生成された交流電流（すなわち、上記の例では６相交流電流）は整流器８で整流された後、直流電流線１０（複数のラインを含んでいてもよい）を介して、ナセル１２からタワー１４を下ってインバータ１６へと直流電流として伝送される。インバータ１６は直流電流から交流電流（本例においては、グリッド４に供給される３相交流電流）を生成する。インバータ１６によって生成された交流電流は変圧器１８によって昇圧され、グリッド接続点２においてグリッド４に供給される。図示した変圧器１８は、１次側をスター接続とし、２次側をデルタ接続としたスターデルタ接続を使用する。ただし、かかる構成は一実施形態の例示にすぎない。グリッド４への電力供給は、矢印２０で示すように、有効電力Ｐの供給に加えて、無効電力Ｑの供給を含んでいてもよい。具体的には、電力供給のために、インバータ１６を制御部（ユニット）２２によって制御する。ここで、制御部２２は構造上インバータ１６と組み合わされていてもよい。図２は基本的な構造を示すためのものにすぎず、各要素の特定の配置を図示した配置とは異なるものとしてもよい。例えば、変圧器１８を、タワー１４の外部に設けてもよい。

【0079】

特に、制御部２２は、グリッド４への電力供給の仕方が制御されるように、インバータ１６を制御する。ここで、グリッド４の状態（Situation）、特に、グリッドにおける周波数と、電圧の位相および振幅に対して、供給すべき電流（電力）を適合する等のタスクを実施する。さらに、グリッド４に実際に供給される電力のうちの有効電力Ｐと無効電力Ｑの成分（比）を調整するように、制御部２２を設計する。ここで、グリッド４内、特にグリッド接続点２において測定を行い、これに応じて評価が行われる。特に、グリッド４における実際の電圧を電圧の実効値として測定し、測定した電圧を電圧の（所定の）規定値Ｖ_ＳＥＴと比較する。

【0080】

図示したシステムは、特にインバータ１６は制御部２２とともに、電圧制御システム（「ＶＣＳ」と略記する）を構成する。

【0081】

風力発電装置の発電機を制御するために、電力制御ブロック２４および電力評価ブロック２６がナセルの領域に設けられている。図に例示した実施形態では、電力制御ブロック２４は、特に、励磁電流、すなわち、他励式同期発電機の励磁電流を制御する。電力評価ブロック２６は整流器８に導入される電力を評価し、この電力を整流器８から直流電流線１０を経由してインバータ１６に放出される出力電力と比較する。評価結果は、電力制御ブロック２４に転送される。

【0082】

図２は、特に安定性境界の近傍において、風力発電装置を可能な限り安定に運転するために、図示したシステムがインテリジェントな電力供給用の電圧制御システムを有することを示す。

【0083】

図３は風力発電装置１’の「弱いグリッド４」に対する接続を示す。図３では、直列インピーダンス５’によって、この接続を示している。さらに、図３に示す構造に相当するこのような直列インピーダンス５’を試験構造に設置し、これを弱いグリッド４における風力発電装置１’の動作の検証のために使用する。

【0084】

図３の構成は、風によって駆動される同期発電機を備える発電機６’を想定している。発電機６’により生成された電力は整流器８’により整流され、中間回路キャパシタ２８’を備えた直流リンクの側からインバータ１６’に供給される。図示の構造において、図示の簡略化のため、ＤＣライン１０’は、インバータ１６’の入力側の直流中間回路に相当する。実際には、入力側のＤＣラインは中間回路と電気的に等価であってもよく、また、ここでは詳細な説明を省略するが、さらに、昇圧コンバータを入力側に設けてもよい。整流器８とインバータ１６についてすでに図２で説明したように、整流器１’とインバータ１６’も空間的に分離されていてもよい。

【0085】

最後に、中間回路キャパシタ２８’によって代表される直流リンクからのエネルギーが供給される励磁機制御部２４’が設けられている。励磁機制御部２４’は他励式発電機６’の励磁電流を制御するものであり、基本的に図２の電力制御ブロック２４に相当する。

【0086】

インバータ（直交変換機）１６’は有効電力Ｐ、および／または、無効電力Ｑを供給することができる。図３では、インバータ１６’の出力側の電圧を、風力発電装置電圧Ｖ_ＷＥＣとしている。電力供給に際して、この電圧は変圧器１８’によって昇圧され、グリッド接続点２’においてグリッド４’に供給される。ここで、グリッド４’も、グリッド変圧器３０’を備えている。グリッド変圧器３０’の後段に位置する実際のグリッドは、符号４”で表わされる。グリッド接続点２’における電圧をグリッド電圧Ｖ_Ｇｒｉｄと呼ぶ。

【0087】

弱いグリッドを表すために、グリッド接続点２’の前段に直列インピーダンス５’が表示されている。この直列インピーダンス５’はグリッドインピーダンスを表し、試験構造または説明用の構成にのみ存在する。したがって、変圧器１８’に隣接する箇所も、グリッド接続点２”と呼ぶことができる。２つのグリッド接続点２’と２”の区別は、専ら直列インピーダンス５’を用いたことによるものであり、実際のグリッドにおいてこのような区別が存在するわけではない。

【0088】

図４は２つの風力発電装置１が供給グリッド４に接続されたさらに他の例を概略的に示す。各風力発電装置１は図２を参照して説明したのと同様にデザインされており、発電機６、整流器８およびＤＣライン１０を備えている。ここで、ＤＣライン１０は、実際には正負の電流用の少なくとも２本のラインを備えている（図２のＤＣライン１０についても同様）。さらに、風力発電装置１は、インバータ１６と変圧器１８を備えている。接続線３２は、２つの風力発電装置１から風力発電装置側のグリッド接続点２’へと至る。したがって、例示した２つの風力発電装置１は、はるかに多くの風力発電装置を備えたウィンドパークを代表するものであり、風力発電装置側のグリッド接続点２’において生成した電力をまとめて供給する。供給電力Ｐと供給無効電力Ｑ（存在する場合）はグリッド側の接続点２”に導入され、電気供給グリッド４に供給される。

【0089】

風力発電装置側のグリッド接続点２’とグリッド側の接続点２”との間の接続線は、無視することができない。したがって、風力発電装置側のグリッド接続点２’においては風力発電装置側の電圧Ｖ_ＷＰが生じ、一方、グリッド側の接続点２”においては電圧Ｖ_Ｇｒｉｄが生じる。

【0090】

制御に際して、風力発電装置側の電圧Ｖ_ＷＰが検出され、そして、制御用の評価ブロック３４によってさらに評価される。評価の際、まず、測定ブロック３６を用いて測定値の記録が行われる。測定値は、安定性制御ブロック３８（安定性電圧制御システム、ＳＶＣＳ（Stability Voltage Control System）ともいう。）に転送される。安定性制御ブロック３８は、供給すべき無効電力Ｑ_Ｓｅｔに対する規定値を算出する。この達成すべき無効電力は規定値として両風力発電装置１に送出され、したがって、すべての風力発電装置（複数）に同一の値が送出される。特に、風力発電装置が同一のサイズを有し、同一の風の条件下にある場合、この規定値を絶対値として送出してもよい。一方、対象とする風力発電装置の公称出力等の各風力発電装置の特性に対する規定値、例えばパーセント値として、この規定値を提供してもよい。

【0091】

さらに、測定ブロック３６は監視ブロック４０に値を送信する。監視ブロック４０は、求められた観測値に基いて、供給有効電力、供給無効電力等のさらなる条件を算出して、算出結果をシステムモデルブロック４２に送信する。監視ブロック４０は、必要に応じて、電力需要に関する情報をも取得または導出することができる。

【0092】

システムモデルブロック４２のシステムモデルを用いて、供給すべき最大有効電力Ｐ_ｍａｘを決定し、決定した最大有効電力Ｐ_ｍａｘを風力発電装置１に送出する。供給すべき最大有効電力は、絶対値または相対値として提供してもよい。評価ブロック３４の図示は、構成を説明するためのものであることに留意されたい。一般に、評価ブロック３４を独立した装置として物理的に設計する必要はない。

【0093】

次に、所定の無効電力Ｑ_Ｓｅｔおよび最大有効電力Ｐ_ｍａｘを、各風力発電装置１のＦＡＣＴＳ制御ブロック４４に送信する。「ＦＡＣＴＳ」はドイツ語としても用いられる用語であり、フレキシブルＡＣ伝送システム（Flexible AC Transmission System）の略である。ＦＡＣＴＳ制御ブロック４４は、与えられた値を変換して（直交）インバータ１６を制御する。ここで、ＦＡＣＴＳ制御ブロック４４は、風力発電装置から得られた状態（複数）の測定値を考慮してもよい。

【0094】

また、特に限定されないが、評価ブロック３４は、グリッド４への安定な電力供給のための安定性に関する規定値を提供するようにしてもよい。例えば、供給すべきエネルギー量について好ましい動作点、ないしは、電力量および安定性について好ましい動作点を設定してもよい。また、特に、この際、安定性予備力（Stabilitatsreserve）を伴う動作点を決定してもよい。ここで、安定性制御ブロック３８は、供給すべき無効電力に関して、無効電力Ｑ_Ｓｅｔの規定値によって安定性予備力を実現してもよい。

【0095】

図５は、グリッドに接続された風力発電装置の感度および対応する影響を与える因子（複数）を示す図である。図５のグリッドブロック５０は、グリッド接続点におけるグリッドの動作（挙動）を代表する。グリッドブロック５０は、グリッドが電圧の変動による影響に対して反応することを示す。ここでは、影響として、有効電力の変動ΔＰおよび無効電力の変動ΔＱを示す。有効電力ブロック５２は電力変動の影響を考慮する。一方、無効電力ブロック５４は無効電力の変動の影響を考慮する。有効電力ブロック５２は、有効電力に基く電圧の偏微分（δＶ／δＰ）を表す。一方、無効電力ブロック５４は、無効電力に基く電圧の偏微分（δＶ／δＱ）を表す。これにより、偏微分に基いてグリッド動作のダイナミクス、すなわち、有効電力および無効電力の変動に対する反応であるグリッド感度を考慮することが可能となる。ここで、偏微分は集計ブロック５６で足し合わされる。したがって、グリッドブロック５０および集計ブロック５６は、グリッド接続点におけるグリッド電圧が有効電力および無効電力という２つの変数に依存することを考慮する。ここでは、双方の偏微分を用いて依存性を考慮する。

【0096】

例えば、風速変動ΔＶＷに起因して有効電力が変動し、これが風力発電装置ブロック５８に影響を及ぼす。風力発電装置ブロック５８は、風速変動ΔＶＷが有効電力変動ΔＰに及ぼす影響を明らかにするが、ここで、風力発電装置の制御についても考慮されねばならず、風力発電装置ブロック５８によって考慮する。

【0097】

無効電力変動ΔＱも、風力発電装置、少なくも、風力発電装置の制御に依存し得る。しかし、無効電力変動ΔＱは、本質上風速に依らない他の状態（関連因子）に依存する。無効電力の変動を制御ブロック６０によって示す。説明のために、制御ブロック６０は、無効電力予設定（ＶＣＳ）ブロック６２とＦＡＣＴＳブロック６４に分割されている。制御ブロック６０および無効電力予設定ブロック６２は、まず、グリッド接続点における電圧変動ΔＶから所定の電圧変動ΔＶ_ＳＥＴを差し引いたものに依存する。得られた電圧変動に基いて、無効電力予設定ブロック６２は、供給すべき無効電力を決定するか、または、供給すべき無効電力の所定の変動を電圧変動に従って決定する。決定した値はＦＡＣＴＳブロック６４に転送され、ＦＡＣＴＳブロック６４はこれに応じて無効電力を供給し、または、無効電力の供給を変更する。

【0098】

風力発電装置ブロック５８および制御ブロック６０を、各入力値の伝送機能として理解することができる。また、無効電力予設定ブロック６２およびＦＡＣＴＳブロック６４を制御ブロック６０において結びついた個々の伝送機能として理解することができる。

【0099】

図６は、一実施形態におけるグリッド接続点における電圧の供給無効電力Ｑおよび供給有効電力Ｐに対する依存性を示す図である。無効電力Ｑを対象とするグリッド接続点におけるグリッドの短絡電力Ｓ_ＳＣによって規格化したものを横軸とした。電力Ｐを同一のグリッド接続点における短絡電力Ｓ_ＳＣによって規格化したものを縦軸とした。電圧Ｖ_ＰＣＣ（ＰＣＣ：Point of Common Connection、共通接続点）はグリッド接続点における電圧を公称電圧（Nennspannung）Ｖ_Ｎで規格したものである。グリッド接続点における規格された電圧の依存性をさまざまな電圧についてプロットしたものであり、規格化された無効電圧Ｑおよび規格された有効電力Ｐに対する依存性を示す。例えば、値「１」におけるグラフないし特性は、公称電圧を実現するための無効電力および有効電力を表す。

【0100】

例えば、短絡電力Ｓ_ＳＣの１０％の無効電力Ｑと短絡電力Ｓ_ＳＣの５０％の有効電力Ｐを供給することで、公称電圧（Nennspanunng）が得られる。

【0101】

図６のグラフは、少なくともグリッド接続点に関して高いインピーダンスを有するグリッドのグリッド接続点での特性を示す。

【0102】

通常、ここでのグリッドの例における図示したグリッド接続点に対して、標準運転領域２００内の電力供給が実現される。この電力供給は、短絡電力Ｓ_ＳＣの１０％程度の有効電力Ｐと短絡電力Ｓ_ＳＣの５％程度の無効電力を供給することで実現される。供給有効電力Ｐが発電機またはグリッド接続点に接続された複数の発電機の合計の公称電力または接続電力に相当するという理想的な状況下で、短絡電圧Ｓ_ＳＣの１０％を供給することは、接続電力Ｐ_Ｇｅｎが短絡電力Ｓ_ＳＣの１０％であることを意味する。すなわち、短絡電流比Ｓｃｒ＝Ｓ_ＳＣ／Ｐ_Ｇｅｎは１０程度である。これは、図示した標準運転領域２００のほぼ中心に相当する。図６は、１０、６、４、２、１．５のＳｃｒ値に対する短絡電流比Ｓｃｒを短い線分で示す。

【0103】

本発明によると、さらに大きい有効電力、すなわち、短絡電流ＳＳＣの６０％から７０％の範囲内の有効電力を供給することが提案される。このとき、グリッド接続点における電圧を公称電圧の１００％から１１０％に維持するために、短絡電流ＳＳＣに対して２０％から３０％の無効電力Ｑを供給すればよい。なお、念のために指摘すると、グリッド接続点に公称電圧の１１０％の電圧を供給したからといって、消費者サイドで１１０％への電圧上昇が観測されるわけではない。第１に、グリッド接続点と最初の消費者との間には、通常、相当なグリッド区間が存在する。第２に、グリッド内には、ある程度のバランスを図るために変圧器を設けることができる。ここで採用すべき手段については、消費者、生成装置、その他の様々な基本構造等を含む個々のグリッドに依存するものであり、本願では扱わない。専門家は、通常、これらの必要な手段について熟知している。

【0104】

図６において、本願で提案する部分を増大（ないし上昇）運転領域２１０として示す。増大運転領域２１０は、１．５程度の短絡電流比を有する。従来は、かかる短絡電流比で有意の生成装置がグリッドに接続されることはなかった。

【0105】

図６は、注目するグリッド接続点に関して、グリッドをグリッド解析した結果を示すものである。このため、上述のように、ヤコビ行列を解くことにより、グリッドにおいて関係する要素を解析して決定する。結果は図６に示すとおりである。図６に従って簡単に説明するならば、右側の特性、すなわち、より大きい供給無効電力Ｑの特性は、グリッド接続点におけるより高い電圧を反映している。無効電力Ｑを削減するに従って、すなわち、左側へ移動するにつれて、グリッド接続点における電圧は低下する。しかし、無効電力Ｑを任意の値に削減することはできず、無効電力Ｑが小さすぎる（すでに負の値である）場合、ヤコビ行列は特異となり、対応する有効電力Ｐに関して、数学的に求解不能となる。特異なヤコビ行列は、不安定状態の存在を意味する。これは、図６の左側に示す安定性境界２０２となる。安定性境界２０２の左側における相対的に大きい有効電力Ｐ、および／または、相対的に小さい無効電力Ｑを有する領域は、不安定領域２０４である。安定性境界２０２はグリッド接続点における電圧値の単一の特性曲線に一致するものではなく、むしろ、これらの特性曲線を横切っているように見える。しかし、安定性境界２０２を超えた領域には、値も特性曲線も存在しないため、これらの特性曲線を横切ることはできない。

【0106】

好ましい運転領域、すなわち、増大運転領域２１０は、標準運転領域２００よりも安定性境界２０２に近い。しかし、従来は、図６に示すようなグリッド特性に関する特別な考慮や解析が行われてこなかった点に留意されたい。図６において安定性境界２０２と示したような安定性境界との距離は、少なくとも図６に示すように定性的かつ定量的に知られていたわけではない。むしろ、大規模発電所の導入の際には短絡電流比が基準とされており、短絡電流比の値は可能な限り大きい値、好ましくは１０を超えるか、または、大幅に１０を超える値とされてきた。従来、風量発電装置等の小規模生成装置は、主に風力発電装置の接続に容易に対応可能な強いグリッドに接続されてきた。その結果、意図したか否かにかかわらず、高い短絡電流比Ｓｃｒでの接続が行われていた。

【0107】

本発明の解決主題によると、図６（特に、後述する図７および図８）に示した状態を定量的に組み込むことにより、提供されたグリッド接続点に関してグリッドの正確な解析が行われる。そのような解析は、例えば、多数の点についてヤコビ行列を繰り返し定式化して解くことによって行われる。そのようなグリッド解析に基いて、安定性境界２０２に応じた安定性境界を決定することができ、図６の増大運転領域２１０に応じた望ましい運転領域の選択が可能となる。

【0108】

さらに、風力発電装置を、例えば図２および図４に示すような閉じた制御ループを用いて制御することが好ましい。図２において、制御ループは、インバータ１６、変圧器１８、および、制御部２２を備え、グリッド接続点２における測定値を考慮し、矢印２０で示す供給有効電力Ｐおよび無効電力Ｑが得られるようにインバータ１６を制御する。かかる制御は、発電機６の領域において風力発電装置の制御にも影響を及ぼす。しかし、インバータ１６、変圧器１８、および、制御部２２を備えた上記の制御ループは機械的な要素を必要とせず、非常に迅速な反応を可能とする。このため、グリッド接続点、すなわち、図２のグリッド接続点２におけるグリッド特性に関する知識を、例えば、制御部２２において考慮してもよい。これにより、グリッド接続点におけるグリッド動作、特に、安定性境界を認識した迅速な制御を実現することができる。これによると、風力発電装置またはウィンドパーク、さらには可能であれば他の生成装置を、図６の増大運転領域２１０のような所望の動作領域内で運転すると同時に、高い安定性と安全性を確保することが可能となる。

【0109】

図７および図８は、無効電力Ｑおよび有効電力Ｐに対する電圧感度の依存性を示す。図７と図８は、縦軸と横軸上に同じ値を示している。すなわち、規格化した無効電力を横軸とし、規格化した有効電力を縦軸としている。

【0110】

図７によると、有効電力の変化に応じた電圧の変化として電圧感度が示される。一方、図８によると、無効電力に応じた電圧の変化として電圧感度が示される。言い換えると、図７は有効電力に応じたグリッド接続点における電圧の偏微分を示し、一方、図８は無効電力に応じた電圧の偏微分を示す。すなわち、図７は、図５の有効電力ブロック５２の動作を示す。一方、図８は、図５の無効電力ブロック５４の動作を示す。ここで、いずれの場合においても、実際の供給無効電力Ｑおよび供給有効電力Ｐによって決まる動作点に対する依存性が示される。各特性曲線の値は、短絡電力Ｓ_ＳＣ＝３．７３ＭＶＡを有するグリッド接続点に対するものである。また、グリッド接続点には、一例として、それぞれ公称（定格）電力２ＭＷを有する２つの風力発電装置が接続されているとする。すなわち、この試験装置によると、１よりも少し小さい短絡電流比についての試験を実施することが可能となるであろう。しかし、実施したテストに関して、試験用ウィンドパークのそれぞれの実際の電力を基礎として使用し、対象とするウィンドパーク、すなわち、検証すべき（架空の）ウィンドパークの接続電力（ないし、出力）として決定した。

【0111】

本実施形態、すなわち、構成例に関して、ＭＷ単位の電力Ｐの変化またはＭＶＡｒ単位の無効電力Ｑの変化に対する、規格化した電圧の変化について説明する。図７および図８にも、望ましい、すなわち、増大動作領域２１０を示す。それによれば、図７によると、有効電力の変化に対する電圧感度は−０．２〜−０．４程度である。一方、図８によると、無効電力の変化に対する増大動作領域２１０における電圧感度は、０．３〜０．５程度である。したがって、グリッド接続点に接続すべき風力発電装置を設計する際に、図７に例示する有効電力の変化に対する電圧感度、および／または、図８に例示する無効電力の変化に対する電圧感度を、制御に組み込んで考慮することが好ましい。特に、これらの値を制御において考慮し、さらに、制御を設計する際にも考慮することが好ましい。また、コントローラの増幅を、感度（特に、電圧感度）に応じて選択することが好ましい。

【0112】

また、図２に示した要素、すなわち、インバータ１６、変圧器１８および制御部２２を用いて実現されるように、これらの値を閉ループにおいて考慮することが好ましい。ここで、変圧器１８は、重要性が低いものの、多くの場合に設置されており、しかるべき高電圧をグリッド接続点２に供給するために必要となる。特に、電圧感度に関する知見が制御部２２において考慮される。このようにして、これらの値を把握することで、具体的なグリッド接続点に対してカスタマイズした制御を設計して実装することが可能となる。これにより、従来用いられてきた１０またはさらに大きい短絡電流比を削減して、短絡電流比として例えば１．５といった小さい値を用いることができる。結果として、図６ないし図８に示した増大運転領域２１０において、風力発電装置を運転することが可能となる。

【0113】

本発明よると、グリッド容量が十分であるとの仮定の下でのグリッド並列運転という古い原理に従って風力発電所やウィンドパークを接続するのではなく、むしろ、接続点を解析し、予め解析結果を十分に考慮し、カスタマイズした風力発電装置または風力発電装置パークをそこ（グリッド接続点）に接続することが提案される。供給すべき無効電力Ｑおよび有効電力Ｐについて制御および運転領域をカスタマイズするとともに、従来専門家によって選ばれた箇所よりも安定性境界に近い箇所に配置することが好ましい。このようにすることで、グリッド状態の変動等の変化に対して迅速かつ狙い通りに応答可能な風力発電装置の長所を生かすことができる。これにより、グリッド接続点、少なくとも、風力発電装置のグリッドへの接続に関して、グリッドの過大な設定（Uberdimensionierung）を避けることができる。それにもかかわらず、制御部やレギュレータがグリッド接続点の特性を把握している場合、または、グリッド接続点についてグリッドを非常に正確に認識し、かつグリッド状態を観測（監視）している場合には、安定を維持し、さらには向上させることすら可能となる。

【0114】

レギュレーション（Regelung）は基本的にはフィードバックを有する閉ループとして理解され、一方、制御（Steuerung）は基本的には開いた「制御ループ（Regelkreis）」、すなわち、フィードバックを有しないものを指すことに留意されたい。ただし、制御方法を実現する制御ブロックを、制御ループ内で使用することができる。図２の例に関して、このことは、制御部２２が制御機能または伝送機能を備えた制御部であればよいことを意味し、制御機能または伝送機能は非線形、および／または、飛躍的（sprunghaft）でよく、かつ／または、様々な大きさないし強さ（Grosen）であってもよい。制御部２２は、制御部２２以外に、インバータ１６と、変圧器１８と、比較部２３を有するグリッド接続点２上の測定部とを備えた図２に示すループ内で使用される。かくて、制御部２２はインバータを制御するものであり、そのため閉ループ内に統合されており、制御（Regelung）の一部を成す。

【符号の説明】

【0115】

１、１’ 生成装置（ないし風力発電装置）
２、２’、２” グリッド接続点
４、４’、４” 電気供給系統（ネットないしグリッド）
５’ 直列インピーダンス
６、６’ 発電機
８、８’ 整流器
１０、１０’ 直流電流線（ＤＣライン）
１２ ナセル
１４ タワー
１６、１６’ 周波数変換器（インバータ、電圧インバータ、Wechselrichter）
１８、１８’ 変圧器
２０ 矢印
２２ 制御部
２３ 比較部
２４ 電力制御ブロック
２４’ 励磁機制御部
２６ 電力評価ブロック
２８’ 中間回路キャパシタ
３０’ グリッド変圧器
３２ 接続線
３４ 評価ブロック
３６ 測定ブロック
３８ 安定性制御ブロック
４０ 監視ブロック
４２ システムモデルブロック
４４ ＦＡＣＴＳ制御ブロック
５０ グリッドブロック
５２ 有効電力ブロック
５４ 無効電力ブロック
５６ 集計ブロック
５８ 風力発電装置ブロック
６０ 制御ブロック
６２ 無効電力予設定ブロック
６４ ＦＡＣＴＳブロック
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ 空力ロータ（ロータ）
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ
２００ 標準運転領域
２０２ 安定性境界
２０４ 不安定領域
２１０ 増大運転領域
δ２…δｎ 位相
ΔＰ 有効電力変動
ΔＱ 無効電力変動
ΔＶＷ 風速変動
Ｐ 有効電力
ＰＧｅｎ 接続電力
Ｐｍａｘ 最大有効電力
Ｑ 無効電力
ＱＳｅｔ 所定の無効電力
Ｓｃｒ 短絡電流比
ＳＳＣ 短絡電力
Ｕ２…Ｕｎ 振幅
Ｖ 電圧
ＶＮ 公称電圧（Nennspannung）
ＶＰＣＣ 電圧
Ｙ アドミタンス
Ｚ インピーダンス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】