JP2014036574A - 太陽光発電所 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽光発電所によって発電される電気エネルギが、できる限りオーバーシュートおよびアンダーシュートがなく供給することが可能となるように太陽光発電所を提供する。
【解決手段】 太陽光発電所は、複数の支線（２）に結合される発電用太陽電池モジュール（１）と、太陽電池モジュールによって生み出された電気エネルギを、給電網における電圧の電圧形式に対応する電圧形式を有する電圧の電気エネルギに変換するための第１セントラルコンバータ（５）と、給電網に、変換された電流を供給するための出力部とを備え、第１セントラルコンバータ（５）は、それぞれの回転軸が互いに連結されている、少なくとも１つの電気モータ（５１）と同期発電機（５２）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電所であって、並列に接続された複数の支線に結合される発電用太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールによって生み出された電気エネルギを、給電網における電圧の電圧形式に対応する電圧形式を有する電圧の電気エネルギに変換するための第１セントラルコンバータと、給電網に、変換された電流を供給するための出力部とを備える、太陽光発電所に関する。

太陽光発電所は、今日では世界の各地で一般的になっている。通常比較的低い出力能力しか有していないスタンドアロン型以外にも、給電網に結合されて運転される太陽光発電所の重要性が一層高まってきている。スタンドアロン型の太陽光発電所とは異なり、給電網に結合された施設は得られた電気エネルギを蓄電するのではなく、その電気エネルギを給電網に供給する。給電網に供給される場合、低電圧網、中電圧網、または高電圧網に供給することが可能であり、その場合、その供給は、ドイツ国においては現在のところ、通常、低位または中位のネットワークレベル、すなわち、低電圧網または中電圧網において行われている。

電気エネルギの主たる供給者は、多くの工業地域においては汽力発電所および水力発電所である。汽力発電所は、石炭、ガスもしくは石油における化学エネルギ、または核エネルギを電気エネルギに変換する。水力発電所は、水の運動エネルギから電気エネルギを生み出している。蒸気または水によって通常、同期発電機が駆動され、該同期発電機は、発電所の出力部において正弦形状電圧を利用可能であり、これを給電網に供給する。同期発電機によって発電された電圧は、オーバーシュートおよびアンダーシュートがない。

このことは、太陽光発電所においては、特別な費用をかけずに達成できることではなく、なぜなら、太陽光発電所の太陽電池モジュールはまず直流電圧を供給し、該直流電圧は、支線インバータやセントラルインバータなどのインバータによって交流電圧に変換される。この変換は、今日では大量に、しかも受け入れ可能な価格で手に入れることが可能である電力工学要素によって行われる。インバータによって自由に利用できる電圧は、しかしながら、原則的にオーバーシュート、アンダーシュートがないというわけではない。したがって、今のところ、生み出された電気エネルギを供給する前にオーバーシュート、アンダーシュートをフィルタリングするためにかなりの費用を要している。大規模な太陽光発電所の場合その費用はかなりのものである。

太陽光発電所を給電網に接続する前に、まずもって電気エネルギの供給に関する給電網事業者の要求が満たされることを給電網事業者に証明することが必要である。その場合、発電所の出力が高くなればなるほど、証明に関する費用が大きくなる、という原則が当てはまる。

この費用を低下させることが、本発明の目的である。
本発明は、太陽光発電所によって発電される電気エネルギが、できる限りオーバーシュートおよびアンダーシュートがなく供給することが可能となるように太陽光発電所を開発することを課題とする。

本発明は、複数の支線（２）に結合される発電用太陽電池モジュール（１）と、
太陽電池モジュールによって生み出された電気エネルギを、給電網における電圧の電圧形式に対応する電圧形式を有する電圧の電気エネルギに変換するための第１セントラルコンバータ（５）と、
給電網に、変換された電流を供給するための出力部とを備え、
第１セントラルコンバータ（５）は、それぞれの回転軸が互いに連結されている、少なくとも１つの電気モータ（５１）と同期発電機（５２）とを有することを特徴とする太陽光発電所である。

本発明において、回転軸の少なくとも１つが、フライホイール質量と結合されるか、または、フライホイール質量は回転軸の１つによって駆動可能であることを特徴とする。

本発明において、フライホイール質量は、回転軸の１つと継ぎ手を介して結合可能であり、継ぎ手の状態に応じて、回転軸のエネルギがフライホイール質量に、もしくは、フライホイール質量のエネルギが回転軸に伝達可能であることを特徴とする。

本発明において、太陽電池モジュール（１）によって発電された直流電流を交流電流に変換するために、第１セントラルコンバータ（５）に加えて、第２セントラルコンバータ、すなわちセントラルインバータを有し、
第１セントラルコンバータ（５）の電気モータ（５１）は、非同期モータであることを特徴とする。

本発明において、第１セントラルコンバータ（５）に加えて、セントラルではないコンバータ（３）、特に、支線インバータを有しており、これによって、支線の太陽電池モジュール（１）によって発電された直流電流を交流電流に変換するために、支線のそれぞれが切り換えられ、
第１セントラルコンバータ（５）の少なくとも１つの電気モータ（５１）は、非同期モータであることを特徴とする。

本発明において、第１セントラルコンバータ（５）は、それぞれの回転軸が互いに結合された複数の非同期モータ（５１）を有することを特徴とする。

本発明において、各非同期モータ（５１）には、太陽光発電所の１つまたは複数の支線（２）が設けられ、非同期モータ（５１）には、これらの支線（２）を介して電気エネルギが供給可能であることを特徴とする。

本発明において、非同期モータ（５１）は、多相非同期モータ、特に三相非同期モータであることを特徴とする。

本発明において、相の数は、太陽光発電所の支線（２）の数に相当させることを特徴とする。

本発明において、非同期モータ（５１）の固定子は、１つ以上の極対を有することを特徴とする。

本発明において、極対の数は、太陽光発電所の支線（２）の数に相当させることを特徴とする。

本発明において、第１セントラルコンバータ（５）の電気モータ（５１）は、直流モータであることを特徴とする。

本発明において、第１コンバータ（５）と太陽光発電所の出力部との間には、第１セントラルコンバータ（５）によって送ることができる電圧を、給電網の電圧に高めるために変圧器（６）が結合されることを特徴とする。

本発明において、支線（２）は、地理的に分散させて配設されることを特徴とする。
本発明において、太陽光発電所は、１００ｋＷ以上の出力があることを特徴とする。

この課題は、発明に従えば、太陽光発電所の第１のセントラルコンバータが、それぞれの回転軸が互いに連結されている、少なくとも１つの電気モータと同期発電機とを有することによって解決される。

太陽光発電所の歴史的推移は、８０年代および９０年代に電力網にエネルギを供給するために、出力が比較的低い第１の太陽光発電所を給電網に結合した太陽光発電のパイオニアに始まる。この太陽光発電のパイオニアによって一部自ら構成された太陽光発電所は、その基本形においては今もなお利用されているインバータを有している。用いられたパワー半導体構成要素と、それから構成されるインバータとが、そのときから絶えず技術的に改良されてきた。モジュールの出力とインバータとは大型化された。このことが太陽光発電所を絶えず大型化させ、したがって、今日のような何メガワットもあるような太陽光発電所が出現した。

実際には、太陽光発電所の位相幾何学においては過去にわずかの変更があっただけである。供給の前に常に、パワー半導体を有するインバータによる直流電流の交流電流への変換が行われてきており、今も行われている。さらなる進展があったということは知られていない。

この場合、かかるものとして長く知られている電気モータおよび同期発電機を用いた直流電流から交流電流への発明に従った変換は、一連の利点を提供する。

まず一つには、太陽光発電所を給電網に結合することが可能であり、太陽光発電所からオーバーシュートおよびアンダーシュートが給電網に伝達される危険がない。

さらにまた、電気エネルギの変換と給電網に合致した電圧の供給とが、さらなる利点を提供する。

電気モータも同期発電機も、回転子に基づいた回転質量を有している。この回転質量は運動エネルギを蓄え、たとえば雲などによって、短い時間で変動する太陽光に起因する太陽電池モジュールの出力の変動を、突然出力が減少するときに、回転子と回転軸との運動エネルギが電気エネルギに変換されることによって弱めることが可能である。

同期発電機は、何十年来、給電網に適合した電気エネルギを発電するために、しばしば使用されている。給電網事業者は、給電網に関連した同期発電機の技術と、その影響について知っている。したがって、発明に従った太陽光発電所を給電網に結合する許可は、給電網事業者の考えにほとんど一致しない。給電網事業者は、太陽光発電所を供給網に結合することを好んでおり、待望している。なぜなら供給網側の障害補償が不要であり、反対に利用可能な電気の質が一般的には向上するからである。

従来のインバータとは反対に、同期発電機においては、励磁の調整によって、結合された出力を蓄えることが、または制御することが可能である。

もともと、同期発電機は、パワー半導体構成要素を有するインバータと比較して、短絡および過電圧に対して強い。

これらの強力な利点は、大きな太陽光発電所の従来の設計者および開発者には知られていなかった。過去も現在も、目が向けられているのは、パワー半導体構成要素を有するインバータによって、太陽光発電所を結合することに限られている。

発明に従った太陽光発電所の場合、回転軸の少なくとも１つが、フライホイール質量と結合されるか、または、フライホイール質量は回転軸の１つによって駆動可能である。フライホイール質量は、運動エネルギをさらに蓄えることを可能とし、このことが、太陽光発電所を、太陽光の短期的変動から独立したものにする。

フライホイール質量は、発明の特定の実施形態においては、回転軸の１つと継ぎ手を介して結合される。継ぎ手の状態に応じて、回転軸のエネルギがフライホイール質量に、もしくは、フライホイール質量のエネルギが回転軸に伝達される、またはエネルギはフライホイール質量に蓄えられたままである。継ぎ手が結合されると、エネルギが伝達される。継ぎ手の結合が解除されると、エネルギの伝達は起こらない。したがって、運動エネルギは必要に応じて蓄えられたり、電気エネルギに変換されたりする。

太陽電池モジュールによって発電された直流電流を交流電流に変換するために、発明に従った太陽光発電所は、第１セントラルコンバータに加えて、第２セントラルコンバータ、すなわちセントラルインバータを有している。この交流電流は、オーバーシュートおよびアンダーシュートを含んでいる。第１セントラルインバータの電気モータは、好ましくは非同期モータであり、該非同期モータには、セントラルインバータによって電気エネルギが供給される。セントラルインバータは電流の利用が可能であるが、この電流は、本発明の場合、給電するための、給電網事業者の要請を十分満たすものである必要はない。しかしながら、これは、セントラルインバータと給電網との間の電気的結合は存在しないので無害である。非同期モータは、セントラルインバータの出力部において、オーバーシュートおよびアンダーシュートによる害に及ぼされることがないように構成されている。セントラルインバータの出力部のところに特殊なフィルタが必要ということもない。

発明に従った太陽光発電所は、第１セントラルコンバータに加えて、セントラルではないコンバータ、特に、支線インバータを有しており、これによって、支線の太陽電池モジュールによって発電された直流電流を交流電流に変換するために、支線のそれぞれが切り換えられる。このような太陽光発電所の場合にも、第１セントラルコンバータの少なくとも１つの電気モータは、非同期モータであってもよい。支線インバータも、本発明の場合、電力を供給するための給電網事業者の要請を満たす必要がない電流を利用することができる。したがって、給電網に適した電圧を得るために、特別のフィルタを太陽光発電所の出力部に必要としない。

さらにまた、第１セントラルコンバータは、それぞれの回転軸が互いに結合された複数の非同期モータを有している。各非同期モータには、太陽光発電所の１つまたは複数の支線が設けられ、非同期モータには、これらの支線を介して電気エネルギが供給される。非同期モータの回転軸は互いに結合して固定することが可能である。さらにまた、各回転軸は、継ぎ手、および／またはたとえばスイッチギアなどのギア装置を介して互いに結合することが可能である。

この、または、これらの非同期モータは多相非同期モータ、特に、三相非同期モータであればよい。相の数は、太陽光発電所の支線の数に相当させる、または支線の数の一部である整数とすればよい。

非同期モータの固定子、または同期モータの固定子は、１つ以上の極対を有してもよい。極対の数は、太陽光発電所の支線の数に相当させる、または支線の数の一部である整数とすればよい。

さらにまた、第１セントラルコンバータの電気モータは直流モータとすることが可能である。太陽電池モジュールによって発電された電流のインバータは不要とすることが可能である。

第１コンバータと発電所出力部との間には、第１セントラルコンバータによって送ることが可能である電圧を、給電網の電圧に高めるために変圧器を結合することが可能である。電圧の形式に実質的に影響を及ぼさない変圧器は、たとえば、汽力発電所または原子力発電所によって知られている。

発明に従った太陽光発電所の特別な利点は、太陽光発電所の支線を地理的に分散させて配設させることが可能であるという点である。支線に属する太陽電池モジュールは、何キロメートルでも離れて設置することが可能であり、給電網に適した電流に変換するために、ケーブルを介して、太陽電池モジュールによって発電された電流を、場合によってはインバータの中間スイッチを介入させて第１セントラルコンバータに導くことが可能である。モジュールを地理的に分散可能であるのは、太陽光発電所が、局所的条件から独立している、特に、その場所の気候的条件から独立しているという利点がある。したがって、太陽光発電所の出力は、場所的条件に拘束される太陽光発電所の場合よりも、一定した出力となる。強い出力変動を避けることが可能であり、そのことによって、給電網事業者にとっては、太陽光発電所の給電網への結合が容易になる。

好ましくは、発明に従った太陽光発電所は、１００ｋＷ以上の出力、特に、１ＭＷ以上の出力がある。このように、発明に従った太陽光発電所の利点を、良好に生かすことが可能である。
発明に従った太陽光発電所の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。

太陽光発電所の概略的回路図である。

発明に従った太陽光発電所は、多数の太陽電池モジュール１を有し、複数の支線２において直列に接続されている。支線２は、支線インバータ３に結合されている。支線インバータ３の出力部では、１０ｋＶの電圧が利用可能である。支線インバータ３の出力部は、中間電圧ケーブル４を介して、太陽光発電所の第１セントラルコンバータ５と結合される。中間電圧ケーブル４は複数の外部導体を有することが可能である。

第１セントラルコンバータ５は、非同期機械５１を有し、非同期機械５１は、複数の極対を有する多相非同期モータとすることが可能である。相の数は、好ましくは、中間電圧ケーブル４の外部導体の数に対応する。非同期機械５１の極対の数と、相の数との乗数は、通常、太陽光発電所の支線２の数に対応する。

非同期モータ５１の回転軸は、同期発電機５２の回転軸と固定結合される。同期発電機５２は、第１セントラルコンバータ５の一部でもある。したがって、非同期モータ５１は、同期発電機５２を駆動して電流を発生させる。

同期発電機５２の後には、変圧器６が結合され、変圧器６は、同期発電機５２の出力部の電圧を、給電網の電圧に、本実施形態の場合、送電網の電圧に、変圧する。送電網の電圧は、たとえば１１ｋＶになる。

変圧器６の２次側は、電圧１１０ｋＶの高電圧ケーブル７を介して送電網８と結合される。高電圧ケーブル７の端部は、太陽光発電所の出力部の位置の印となる。

太陽光発電所は、インバータ３、非同期モータ、および非同期発電機５２を制御することが可能である、制御装置または制御室１０を有する。制御室１０は、送電網８の事業者の制御室９と結合されている。制御室１０は、送電網事業者の制御室９に、状態と自由な利用の可能性を、すなわち太陽光発電所の出力の蓄積量を伝える。反対に、送電網事業者の制御室９は、太陽光発電所事業者の制御室１０に、予め準備しておくべき曇り日出力Ｑと調整されるべき実効出力係数ｃｏｓφを伝える。

送電網事業者の基準に合わせて、太陽光発電所事業者は制御室１０から、太陽光発電所を制御、調整する。特に、非同期モータの空転、回転子変位角δ、および励磁電流Ｉ_Ｅを制御、調整する。インバータ３の出力も、制御室を通じて調整可能である。太陽光発電所内の回路網は、送電網８から電気的にかつ電磁的に完全に分離される、太陽光発電所網と給電網との間の結合は、非同期機械５１と同期発電機５２の互いを機械的に結合している回転軸を介して行われる。この電磁的な結合の分離によって、太陽光発電所内に生じる、または基本的に送電網８の外部に生じ得る外乱の影響が除去される。太陽光発電所内の回路網に生じるオーバーシュートおよびアンダーシュートは、回転コンバータ５を介して伝達されない。また、発電所は、コンバータ５によって、太陽光発電所の電力変動の送電網８への影響が、コンバータ５の回転部分のフライホイール質量および慣性によって少なくなるという利点が得られる。さらにまた、太陽光発電所のそれぞれの支線２を地理的に分布させることが可能であることによって、太陽光発電所の出力をさらに一様にすることが可能となる。従来の太陽光発電所においては、局所的曇りは、全太陽光発電所の急激な出力変動につながるけれども、支線２の太陽電池モジュール１の局所的曇りによって太陽光発電所の出力が低下するのはわずかでしかないからである。

１ 太陽電池モジュール
２ 支線
３ 支線インバータ
４ 中間電圧ケーブル
５ 第１セントラルコンバータ
６ 変圧器
７ 高電圧ケーブル
８ 送電網
９，１０ 制御室
５１ 非同期機械（非同期モータ）
５２ 同期発電機

Claims (15)

1. 複数の支線（２）に結合される発電用太陽電池モジュール（１）と、
   太陽電池モジュールによって生み出された電気エネルギを、給電網における電圧の電圧形式に対応する電圧形式を有する電圧の電気エネルギに変換するための第１セントラルコンバータ（５）と、
   給電網に、変換された電流を供給するための出力部とを備え、
   第１セントラルコンバータ（５）は、それぞれの回転軸が互いに連結されている、少なくとも１つの電気モータ（５１）と同期発電機（５２）とを有することを特徴とする太陽光発電所。
2. 回転軸の少なくとも１つが、フライホイール質量と結合されるか、または、フライホイール質量は回転軸の１つによって駆動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電所。
3. フライホイール質量は、回転軸の１つと継ぎ手を介して結合可能であり、継ぎ手の状態に応じて、回転軸のエネルギがフライホイール質量に、もしくは、フライホイール質量のエネルギが回転軸に伝達可能であることを特徴とする、請求項２に記載の太陽光発電所。
4. 太陽電池モジュール（１）によって発電された直流電流を交流電流に変換するために、第１セントラルコンバータ（５）に加えて、第２セントラルコンバータ、すなわちセントラルインバータを有し、
   第１セントラルコンバータ（５）の電気モータ（５１）は、非同期モータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
5. 第１セントラルコンバータ（５）に加えて、セントラルではないコンバータ（３）、特に、支線インバータを有しており、これによって、支線の太陽電池モジュール（１）によって発電された直流電流を交流電流に変換するために、支線のそれぞれが切り換えられ、
   第１セントラルコンバータ（５）の少なくとも１つの電気モータ（５１）は、非同期モータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
6. 第１セントラルコンバータ（５）は、それぞれの回転軸が互いに結合された複数の非同期モータ（５１）を有することを特徴とする、請求項５に記載の太陽光発電所。
7. 各非同期モータ（５１）には、太陽光発電所の１つまたは複数の支線（２）が設けられ、非同期モータ（５１）には、これらの支線（２）を介して電気エネルギが供給可能であることを特徴とする、請求項６に記載の太陽光発電所。
8. 非同期モータ（５１）は、多相非同期モータ、特に三相非同期モータであることを特徴とする、請求項４または５に記載の太陽光発電所。
9. 相の数は、太陽光発電所の支線（２）の数に相当させることを特徴とする、請求項６に記載の太陽光発電所。
10. 非同期モータ（５１）の固定子は、１つ以上の極対を有することを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
11. 極対の数は、太陽光発電所の支線（２）の数に相当させることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽光発電所。
12. 第１セントラルコンバータ（５）の電気モータ（５１）は、直流モータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
13. 第１コンバータ（５）と太陽光発電所の出力部との間には、第１セントラルコンバータ（５）によって送ることができる電圧を、給電網の電圧に高めるために変圧器（６）が結合されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
14. 支線（２）は、地理的に分散させて配設されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の太陽光発電所。
15. 太陽光発電所は、１００ｋＷ以上の出力があることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の太陽光発電所。