JP4128145B2 - 島ネットワークと島ネットワークを稼働する方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の発電機に連結された少なくとも１つの発電機を備えた電気的な島ネットワークに関する。第２の発電機がさらに設けられ、それは内燃機関に連結可能である。このような島ネットワークでは、第１の発電機に接続された発電機は、しばしば風力発電所や水力発電所などのエネルギー補給が可能な発電機である。

このような島ネットワークは一般に公知であり、特に、中央電力供給ネットワークには接続されていないが、風力及び・または太陽光及び・または水力などの補充可能なエネルギー源が利用できる地域に電力を供給するために使用される。これらの地域は、例えば、島やまたは遠隔地または到着するのが困難な、特有の大きさ、位置及び・または天候型の地域であってもよい。しかし、このような地域にも、電力や水や熱源が供給されなければならない。これらのシステムに必要なエネルギー、少なくとも電気エネルギーが、島ネットワークにより供給配電される。しかし、欠陥のない稼働のために、現代の電気装置は、島ネットワークにおいて、電圧及び・または周波数の変動に対して比較的厳密な制限値の維持を必要とする。

これらの制限値を保持可能とするために、他のものの中から、いわゆる風力式ディーゼルシステムが使用され、そのために風力発電所が第１のエネルギー源として使用される。風力発電所で発生された交流電流は整流された後、インバータによって必要なネットワーク電力周波数を有する交流電流に変換される。この方法は、風力発電所の発電機の毎分回転数(rpm)とは独立しており、従ってその周波数とは独立したネットワーク電力周波数を発生する。

従って、ネットワーク電力周波数はインバータにより決定される。ここで、２つの異なる変形が利用可能である。第１の変形はいわゆる自己整流インバータであり、それ自体で安定したネットワーク電力周波数を発生できる。しかし、このような自己整流インバータは高い技術的費用を要し、よって高価となる。自己整流インバータに対して他の変形は、ネットワーク整流インバータであり、それの出力電圧の周波数を現在あるネットワークのものと同期させるものである。このようなインバータは自己整流インバータよりもかなり経済的であるが、それらが同期されることができるネットワークを常時必要とする。従って、ネットワーク整流インバータ用に、インバータのネットワーク制御に必要な制御パラメータを供給するネットワーク発電機が常時使用可能であらねばならない。このようなネットワーク発電機は例えば同期発電機であり、公知の島ネットワークでは、内燃機関（ディーゼルモータ）により駆動されるものである。

このことは、内燃機関はネットワーク発電機としての同期発電機を駆動するために稼働し続けなければならないことを意味している。このことは、また、メンテナンスの必要性、燃料消費および環境に排気ガスを与えることを考慮すれば不都合である。なぜなら、内燃機関が、ネットワーク発電機としての発電機を駆動するために、その利用可能な電力の僅かな量だけを提供しなければならないとしても、その電力はしばしば３乃至５ｋＷだけと等しくなり、燃料消費は僅かではないが、毎時数リットルの燃料と等しいからである。

既知の島ネットワークの別の問題は、いわゆる余剰負荷の「ダンプ・ロード」が起こるに違いないということで、これは第１の発電機によって生成された過剰の電気エネルギーを消費するもので、負荷が電源オフとされたときに、第１の発電機はフリー運転の動作に設定されず、その結果、高すぎる毎分回転数rpmにより第１の発電機に対して機械的な損傷をもたらす可能性がある。これは、第１の発電機としての風力発電所にとっては特に問題となる。

本発明は、前述の不都合を防止し、島ネットワークの効率を改善する課題に基づくものである。

上記課題は、請求項1に記載の特徴を備えた電気的な島ネットワークを用いた発明、および請求項1７に記載の島ネットワークの動作制御方法を用いた発明により達成される。具体的には、補充可能なエネルギー源を使用し、毎分回転数とブレード位置に関して制御可能である発電機を備えた風力発電の少なくとも１つの第１の発電機と、ネットワーク発電機の機能を有する少なくとも１つの第２の発電機と、起動オン時には前記第２の発電機と連結され、起動オフ時には前記第２の発電機から切り離される内燃機関と、前記第１及び第２の発電機で発生された電気エネルギーを島ネットワークに供給するための母線と、前記ネットワークで必要とされる電力を検知するために該母線に接続された装置と、前記第１の発電機に接続可能であり、電気エネルギーを蓄積するための少なくとも１つの中間蓄積装置であって、ネットワークの電力周波数を安定させる第１の中間蓄積装置と、前記発電機側において数分間の電力欠損を埋め合わせる第２の中間蓄積装置を含む中間蓄積装置と、前記島ネットワークの構成要素を制御するための制御装置と、を備えた電気的島ネットワークであって、前記制御装置による制御により、前記第１の発電機の出力電力が前記ネットワークで必要とされる負荷の電力よりも大きい場合は、前記第１の発電機の電気エネルギーが最初に前記中間蓄積装置に供給され、前記第１の発電機により発電されるよりも多くのエネルギーがネットワークで消費される場合は、電力供給の補充のために前記中間蓄積装置が最初に使用されることを特徴とする。好ましい展開は従属項において記載されている。

本発明は、ネットワーク発電機の機能を有する第2の発電機はまた第１の発電機(風力発電所)の電気的なエネルギーで運転することができ、その結果、内燃機関を第2の発電機から完全に切り離すことができるという知見に基づくものである。ここで、第2の発電機はもはや発電機の動作状態ではないが、モータの動作状態であり、この機能のために必要な電気エネルギーは第１の発電機またはそれの発電機により供給される。

第2の発電機と内燃機関の間のカップリングが、電磁カップリングである場合、このカップリングは、第１の発電機あるいはその発電機からの電力の供給により起動化される。電力がカップリングにおいて電源オフに切られる場合、カップリングは分離される。その後、内燃機関の非起動化された動作のために、前述のように第１の発電機からの電気エネルギーで第2の発電機は動力供給され駆動される(モータ動作)。その結果、非起動化された内燃機関にもかかわらず、ネットワーク発電機は動作状態を持続する。内燃機関の作動およびこれによる第2の発電機の発電機動作が要求されるとすぐに、内燃機関は、電気的に起動化されたカップリングによって起動され、第2の発電機と連結することができ、この第2の発電機が、発電機動作中の電気的な島ネットワークのために追加エネルギーを提供することができる。

風力発電所がその完全な管理可能であることによって必要な電力をこのような可変の毎分回転数rpm及び可変ブレード位置で生成することができるので、完全に制御可能な風力発電所を使用することで「ダンプ・ロード」の除去を可能にし、その結果、風力発電所が正確な量の必要な電力を生成するので、超過エネルギーの「廃棄」は不必要となる。したがって、風力発電所はネットワークで必要とされる(あるいは中間の蓄積装置の充電のために必要となる)だけのエネルギーのみ生成し、余分の電力を無用に消費せず、風力発電所だけでなく島ネットワーク全体の全効率は、「ダンプ・ロード」を使用する場合よりも相当によくなる。

発明の1つの好ましい実施の形態では、風力発電所は、インバーターの後に接続された同期発電機を含む。このインバーターは整流器と直流電圧中間回路、及び周波数変換器から成る。別の直流電圧(直流電流)を提供する別のエネルギー源、例えば、光起電力素子が、島ネットワークで具体化される場合、光起電力素子のような他のそのような第１の発電機がインバータの直流電圧中間回路に接続されることは有利であり、付加的な補充可能エネルギー源のエネルギーは直流電圧中間回路に供給することができる。この構成は、最初の第１発電機によって利用可能になった電力を増大することができる。

一方では利用可能な電力および(または)増加した電力要求の変動を自然に等しくするために、また、他方では、ちょうど今需要がない利用可能なエネルギーを使用することができるために、好ましくは中間の蓄積装置が設けられ、電気的なエネルギーを蓄積し、要求に応じて迅速に出力することができる。そのような蓄積装置は、例えば、アキュムレーターのような電気化学的蓄積装置、また、余分の電気エネルギーで電気分解により生成された水素を格納する水素蓄積装置のような、コンデンサー(キャップ)あるいは化学的蓄積装置であってもよい。それらの電気エネルギーを放出するために、そのような蓄積装置も、インバーターの直流電圧中間回路に、直接あるいは対応する充電・放電回路を介して、接続される。

エネルギー蓄積の別の形態は、フライホイール（はずみ車）に格納される回転エネルギーへの転換である。このフライホイールは、発明の好ましい改良では第2の同期発電機に連結され、これにより格納されたエネルギーがネットワーク発電機の駆動のために使用されることも可能にしている。

島ネットワークでのエネルギー消費が、例えば、風力発電所などの第１の発電機の電力容量より少ない場合、すべての蓄積装置に電気エネルギーを供給することができる。例えば、第１の発電機が1.5MWの名目上の電力を有する風力発電所あるいは10MWの名目上の電力を有するいくつかの風力発電所を備えたウインドアレーであり、第１の発電機が通常のモードで動作可能であるようなウインドパターンである場合は、島ネットワークにおける電力消費は明らかに第１の発電機の名目上の電力より少ないが、そのようなモード（特に、夜や島ネットワークにおいて低消費である時間）では、第１の発電機は、全てのエネルギー蓄積装置が充電される（満たされる）ように制御される。このようにして、エネルギー蓄積装置は起動化され、島ネットワークの電力消費が第１の発電機によって利用可能になった電力より大きな時間など、いくつかの状況の下では、ただ一時的に起動化される。

本発明の1つの好ましい改善では、第2の発電機(内燃機関、フライホイール)に接続されたエネルギー構成要素を例外とした、発電機および中間の蓄積装置がすべて、共通の直流電圧中間回路に接続され、該中間回路はバスのように形成され、個々のネットワーク整流変換器(インバータ)で終端する。直流電圧中間回路上に個々のネットワーク整流インバータを使用することで、非常に経済的な配置構成を製造する。

さらに好ましくは、他の(余分)内燃機関およびこれらの機関と連結できる第3の発電機(例えば同期発電機)が設けられ、補充可能エネルギー発電機および蓄積された電力から利用可能であるより大きな電力需要がある場合に、上記他の(余分)発電機システムを稼働することにより電力を生成する。

一般に、ネットワークにおける電力周波数は、利用可能な電力が必要とされた電力に相当するかどうか決めるのに利用することができる。過剰な電力供給に対しては、ネットワークの電力周波数は増加するが、一方、非常に小さい電力に対してはそれは減少する。しかしながら、そのような周波数変動は遅延となって現れ、また、そのような周波数変動を等しくすることは、ネットワークの複雑さが増すにともなってますます困難となる。

電力への迅速な適応を可能にするために、ネットワークにおいて要求された電力を検知できる装置が母線に接続される。このように、ネットワークの電力周波数の変動が現われ得る直前に、電力の需要あるいは電力の過剰供給が確認され補正される。

本発明の一実施の形態について、以下にさらに詳細に説明する。ここで、図１は本発明にかかる島ネットワークのブロック回路図、図２は図１に示す基本構成の変形、図３は本発明にかかる島ネットワークの好ましい実施の形態である。

図１は、整流器２０より成る下流側変換器を備えた風力発電所を示し、風力発電所は整流器２０により直流電圧中間回路２８に接続され、また、インバータ２４が直流電圧中間回路２８の出力部に接続されている。

インバータ２４の出力と並列に第２の同期発電機３２が接続され、該第２の同期発電機３２は電磁結合（カップリング）３４を介して内燃機関３０に接続されている。インバータ２４と第２の同期発電機３２の出力線は負荷（図示せず）に必要なエネルギーを供給するものである。

このようにして、風力発電所１０は電力を発生して負荷に供給している。風力発電所１０により発生されたエネルギーは整流器２０により整流され、直流電圧中間回路２８に供給される。

インバータ２４は入力された直流電圧から交流電圧を発生し、島ネットワークに供給する。インバータ２４は費用の理由により好ましくはネットワーク整流インバータとして実施されるので、ネットワーク発電機が存在し、インバータ２４がネットワーク発電機と同期可能である。

このネットワーク発電機は第２の同期発電機３２である。この同期発電機３２はモータ動作においては非起動化された内燃機関３０用に作動し、ここではネットワーク発電機として機能する。この動作モードでは、駆動エネルギーは風力発電所１０からの電気エネルギーである。同期発電機３２の駆動エネルギーもまた、ちょうど整流器２０とインバータ２４の浪費のように、風力発電所１０により発生されねばならない。

同期発電機３２は、上記ネットワーク発電機の機能の他に、ネットワークにおける無効電力の発生、短絡電流の供給、フリッカフィルタとして動作すること、および電圧調整などの他の動作を行う。

負荷が電源オフされてエネルギー需要が下降すると、風力発電所１０はそれに対応してより少ないエネルギーを発生するように制御され、ダンプロード（余剰負荷）の使用が解消される。

負荷のエネルギー需要が増大して風力発電所だけではもはや補償されない場合は、内燃機関３０が起動されて電圧が電磁カップリング３４に供給される。このようにして、カップリング３４は内燃機関３０と第２の同期発電機３２間の機械的な接続を行い、発電機３２（およびネットワーク発電機）は必要なエネルギーを負荷に供給する（今や発電機動作状態となる）。

風力発電所１０を好適な大きさにすることにより、負荷を起動するのに充分な平均的なエネルギーが風力発電から供給されることが達成される。従って、内燃機関３０の使用とそれによる燃料消費が最小限に低減される。

図２では、図１に示す島ネットワークの変形が示されている。その構成は図１に示す解決策と基本的に対応するものである。ここでの相違点は、内燃機関３０は第２の発電機３２に割り当てられていないことであり、第２の発電機３２はネットワーク発電機として機能する。内燃機関３０は、需要に応じて起動化できる別の第３の（同期）発電機３６に接続されている。これにより、第２の同期発電機３２は、ネットワーク発電機、無効発電機、短絡電流源、フリッカフィルタおよび電圧調整器としてモータ動作において常に機能する。

図３では島ネットワークの他の好ましい実施の形態が示されている。この図は３個の風力発電所１０を示し、例えば、各々が整流器２０と接続された第１の（同期）発電機を有するウインドアレーを形成している。整流器２０はその出力側に並列に接続され、風力発電所１０で発生されたエネルギーを直流電圧中間回路２８に供給する。

さらに、３個の光起電力素子１２が示され、各々がブースト（昇圧）変換器２２に接続されている。ブースト変換器２２の出力側は直流電圧中間回路２８に並列に接続されている。

さらに、アキュムレータ１４のブロックが示され、これは中間蓄積装置を象徴するものである。アキュムレータ１４のような電気化学蓄積装置の他に、この中間蓄積装置はまた化学的や水素蓄積装置（図示せず）であってもよい。水素蓄積装置は、例えば電気分解で得られる水素で被膜されるものでもよい。

これの次にコンデンサーのブロック１８が示され、これは中間蓄積装置として適当なコンデンサーを使用できることを示している。これらのコンデンサーとしては、例えば、ジーメンズ（Siemens）のいわゆるウルトラキャップが可能であり、高蓄積容量であり、且つ低損失であることによって特徴づけられている。

アキュムレータのブロック１４とコンデンサーのブロック１８（両ブロックとも数個の例を有することができる）は各々充電・放電回路２６を介して直流電圧中間回路２８に接続されている。直流電圧中間回路２８は（単一の）インバータ２４（または並列に接続された複数のインバータ）で終端され、インバータ２４は好ましくはネットワーク整流方法で実施される。

インバータ２４の出力側には配電器４０（変圧器を備えることは任意）が接続され、該配電器４０はインバータ２４によりネットワーク電圧が動力供給される。インバータ２４の出力側には第２の同期発電機３２もまた接続されている。この同期発電機３２は、ネットワーク発電機、無効電力及び短絡電流発生器、フリッカフィルタ、および島ネットワークの電圧調整器となる。

フライホイール１６が第２の同期発電機３２に連結されている。このフライホイール１６もまた中間蓄積装置であり、例えば、ネットワーク発電機のモータ駆動動作期間中にエネルギーを蓄積することができる。

さらに、発電機３２を駆動し、補充可能エネルギー源からの電力が少なすぎる場合に発電機として動作する内燃機関３０と電磁カップリング３４は、第２の同期発電機３２に割り当てられることができる。このようにして欠損エネルギーを島ネットワークに供給することができる。

第２の同期発電機３２は、モータ動作モード中（および中間蓄積装置としてフライホイールを備えることは任意）においてのみ、ネットワーク発電機、無効発電機、短絡電流源、フリッカフィルタ、および電圧調整器として代替的に動作することができるということを明確にするために、第２の同期発電機３２に割り当てられた内燃機関３０と電磁カップリング３４は破線で示されている。

特に、第２の同期発電機３２が内燃機関３０なしで設けられた場合は、内燃機関を備えた第３の同期発電機３６を設けることで、より長く続く電力ギャップを等価することができる。この第３の同期発電機３６は、島ネットワークに追加のエネルギー負荷としての負荷を与えるために、他のモード中において切替装置４４により島ネットワークから分離されることができる。

最後に（マイクロプロセッサμｐ／コンピュータ）コントローラ４２が設けられ、島ネットワークの個々の構成要素を制御し、島ネットワークの基本的に自動運転を可能にしている。

島ネットワークの個々の構成要素の好適な設計により、風力発電所１０は負荷に対して平均的な充分なエネルギーを供給することができる。このようなエネルギーの供給は光起電力素子により任意に補充される。

風力発電所１０および・または光起電力素子１２により供給される電力が負荷からの需要よりも少ない・多い場合は、中間蓄積装置１４，１６，１８は欠損電力を供給（放出）または余剰エネルギーを蓄積（充電）するように適用（放電／充電）することができる。このように、中間蓄積装置１４，１６，１８は補充可能なエネルギーからの常時変動する供給を一定にしている。

ここで、電力変動が等価され得る時間間隔および変動量は、基本的には中間蓄積装置１４，１６，１８の蓄積容量に依存する。中間蓄積装置の大きさを調整することにより、数時間から数日まで時間間隔を設定することができる。

内燃機関３０と第２および第３の同期発電機３２，３６は、電力ギャップが中間蓄積装置１４，１６，１８の容量を超える場合にのみ、オン動作にされねばならない。

前述の実施の形態では、第１の発電機は常に風や太陽（光）などの補充可能なエネルギー源を使用するものである。しかし、第１の発電機は水力などの他の補充可能なエネルギー源を用いて稼働することもでき、あるいは化石燃料を消費する発電機であってもよい。

海水脱塩プラント（図示せず）もまた島ネットワークに接続することができ、島ネットワーク上の負荷が必要とする電力が第１の発電機が供給する電力よりも遙かに少ない電力で足りるときに、海水脱塩プラントは「余剰」電力、即ち、さらに利用可能な電力を、給水・飲料水の生成とそれを貯蔵所に貯蔵されるために消費する。島ネットワークの電気エネルギー消費がある時に非常に大きくなって、すべてのエネルギー発生器がこの電力を供給することがほとんどできなくなった場合は、海水脱塩プラントの稼働は最小限に降下され、完全に非起動化されることも任意である。また、海水脱塩プラントはコントローラ４２により制御される。

第１の発電機の電力が電気ネットワークが必要とする電力の一部だけである時間中は、不図示であるが、ポンプ式蓄積装置もまた稼働され、これにより水（または他の流体）が低電位から高電位にされ、必要なときにポンプ式蓄積装置の電力を取り出すことができる。ポンプ式蓄積装置もまたコントローラ４２により制御できる。

海水脱塩プラントとポンプ式蓄積装置とを組み合わせることも可能であり、その結果、海水脱塩プラントにより生成された給水（飲料水）はポンプで高い位置に汲み上げられ、次に必要に応じてポンプ式蓄積装置の発電機を駆動するのに使用することもできる。

図３に示す発明のまた別の変形例として、本発明にかかる解決の他の変形も可能である。例えば、発電機３２と３６（図３参照）の電力は整流器を介して整流されて母線２８に供給することができる。

そのとき、第１の発電機１０または中間蓄積装置１２，１４，１６，１８により供給される電力が低すぎるかまたは最大限に適用される場合は、内燃機関３０が起動されて、これは発電機３２，３６を駆動する。そのとき内燃機関は島ネットワーク内の電気エネルギーを最大限島ネットワークに対して供給するが、同時にそれは中間蓄積装置１６の充電も行い、これにより次にフライホイールと、電気エネルギー供給のために直流電流中間回路２８内の発電機３２と３６もまたそこに示す中間蓄積装置１４，１８を充電することもできる。このような解決策は利点があり、特に、内燃機関が好都合に稼働でき、即ち、最適な稼働が可能であり、廃棄ガスはまた最低限に抑えられ毎分回転数rpmも最適な範囲内となり、内燃機関の消費は最良の範囲となる。

このような動作のために、例えば、中間蓄積装置１４，１８または１６が最大限充電されるとき、内燃機関は非起動化され、それにより、エネルギー発生器１０，１２から供給可能なエネルギーが不十分な場合は、ネットワークの電力供給が蓄積装置１４，１６，１８に蓄積されたエネルギーを用いて最大限となることが実現される。中間蓄積装置１４，１６，１８の充電状態が限界値以下に下降した場合、次に内燃機関がオン動作され、内燃機関３０により供給されたエネルギーが直流電流中間回路２８の発電機３２と３６に供給され、次に中間蓄積装置１４，１６，１８もまた充電される。

前述の変形例では、内燃機関が最適の毎分回転数rpm範囲で運転可能であり、それの動作全体を改良していることに特に留意されている。ここで、従来の整流器（例えば、整流器２０）が発電機３２，３６の下流側に接続され、これにより電気エネルギーが直流電流中間回路２８に供給される。

適用された中間蓄積装置１４の形態は、例えばバッテリなどのアキュムレータのブロックである。中間蓄積装置の他の形態は、例えば、ジーメンズ製のウルトラキャップモデルのコンデンサーなどのコンデンサーのブロック１８である。充電動作は、一次的には前述の中間蓄積装置の放電動作は相対的に異なるが、本発明において満足されねばならない。

他の従来のバッテリのようなアキュムレータは、たとえ少量であったとしても各充電・放電サイクルで取り消し得ない容量の損失を表す。非常に頻繁な充電・放電サイクルに対しては、このことは比較的短時間で重大な容量損失となり、その適用により対応した迅速な時間でこの中間蓄積装置を取り替えることが必要となる。

ウルトラキャップモデルコンデンサーの蓄積装置のような動的に搭載可能な中間蓄積装置やフライホイールの蓄積装置はまた前述の問題がない。しかし、ウルトラキャップモデルコンデンサーの蓄積装置とフライホイールの蓄積装置はまた、１キロワット時の観点では、従来のアキュムレータブロックまたは他のバッテリ蓄積装置よりも相当高価となる。

補充可能な原材料または太陽（ソーラー）エネルギーの適用とは違って、風力エネルギーはあまり信頼できる予想はできない。従って、補充可能なエネルギー源を用いて可能な限り多くのエネルギーを生成し、もしこのエネルギーを消費することがなければ、このエネルギーを利用可のとし必要に応じて放出するために可能な限り大きな蓄積容量を有する蓄積装置に蓄積する試みがなされている。当然のことであるが、すべてのエネルギー蓄積装置は、電力なしで最長時間埋め合わせできる最大の大きさを有するように設計される。

アキュムレータブロック型の中間蓄積装置とウルトラキャップモデルの中間蓄積装置またはフライホイールの蓄積装置との他の相違点は、ウルトラキャップおよびフライホイールの蓄積装置は非常に短時間に無害で放電可能であるが、アキュムレータブロック型の中間蓄積装置はこのような高放電率(DE/DT)を有していないことである。

従って、本願発明の１つの態様はまた、異なる型の中間蓄積装置が種々の作業用の道具を操作し経費を費やす機能としても、使用できることである。従って、先行する観察の観点では、電力なしで可能な最長時間埋め合わせるために最大容量のフライホイール蓄積装置型またはウルトラキャップの中間蓄積装置を使用することは、好適ではないようであるが、これらの蓄積装置は、特に、短時間の無電力で中間蓄積装置に対して無害で埋め合わせることができる点において実に強みがあり、一方それらは電力なしで非常に長時間埋め合わせるためには非常に高価である。

頻繁な調整のためにアキュムレータブロック型またはバッテリ型の中間蓄積装置を使用することはまた無意味である、なぜなら、一定の充電・放電サイクルは非常に速く、即ち、最良の月で数週間以内に、容量の損失が不可避となり、前述したこのような蓄積装置の交換を余儀なくさせるからである。しかし、アキュムレータブロック型または他のバッテリ型の中間蓄積装置は、数分単位（例えば、５乃至１５分の範囲）での欠損の間、電力の供給を引き継ぐ「長期間の蓄積装置」を形成するのに使用することができ、一方、動的に負荷できるウルトラキャップモデルの中間蓄積装置および・またはフライホイールの蓄積装置は、頻繁な調整用、即ち、ネットワークにおいて追加エネルギーを供給する回数を低減するためおよびネットワークにエネルギーを蓄積する回数を増加するために、使用することができる。

従って、ネットワーク特に、島ネットワークにおけるさらに適正な経費のために、種々の型式の中間蓄積装置を使用する異なった方法が、ネットワークの周波数の安定に貢献することができ、また、発電機側における電気エネルギーの発生において数分間の電力欠損を確実に埋め合わせることもできる。従って、異なった種類の中間蓄積装置の異なった使用により、発電機側で使用可能なエネルギーが充分ではないときに、ネットワークは、１つの観点では周波数の安定性、他の観点では、数分の時間範囲の間充分な電力供給を行うことから、保護される。

発電機側の個々の構成要素は制御装置４２により制御され、制御装置はまた、どんな種類のネットワーク保持処置が行われなければならないかについても確認するので、中間蓄積装置の対応する制御により、種々の型式のもの、即ち、第１に、ネットワークの電力周波数を安定化するための中間蓄積装置、第２に、発電機側において数分間の無電力時間を埋め合わせるための他の中間蓄積装置、を使用することができる。同時に、異なったネットワークの問題に対して、様々な種類の中間蓄積装置の異なった使用により、中間蓄積装置全体の費用をさらに比較的最小に抑えることができる。

従って、抑制を実行する場合、アキュムレータブロック型またはバッテリ型の中間蓄積装置が、ウルトラキャップの中間蓄積装置またはフライホイールの蓄積装置よりもかなり大きなエネルギー変換容量を提供することが有利である。このようにして、例えば、アキュムレータ型またはバッテリ型の中間蓄積装置の容量は、ウルトラキャップの中間蓄積装置またはフライホイールの蓄積装置型の容量よりも５〜１０倍のかなり大きなものとすることができる。

本発明に係る島ネットワークのブロック回路図である。 図１に示す基本構成の変形を示すブロック回路図である。 本発明に係る島ネットワークの他の好ましい実施の形態を示すブロック回路図である。

符号の説明

１０ 風力発電所、 １２ 光起電力素子、 １４ アキュムレータブロック、 １６ フライホイール、 １８ コンデンサーブロック、 ２０ 整流器、 ２２ ブースト変換器、 ２４ インバータ、 ２６ 充電／放電回路、 ２８ 直流電圧中間回路、 ３０ 内燃機関、 ３２ 第２の同期発電機、 ３４ 電磁カップリング、 ３６ 第３の同期発電機、 ４０ 配電器、 ４２ コントローラ、 ４４ 切替装置

Claims (22)

1. 補充可能なエネルギー源を使用し、毎分回転数とブレード位置に関して制御可能である発電機を備えた風力発電の少なくとも１つの第１の発電機と、
   ネットワーク発電機の機能を有する少なくとも１つの第２の発電機と、
   起動オン時には前記第２の発電機と連結され、起動オフ時には前記第２の発電機から切り離される内燃機関と、
   発生されたエネルギーを島ネットワークに供給するための母線と、
   前記ネットワークで必要とされる電力を検知するために該母線に接続された装置と、
   前記第１の発電機に接続可能であり、電気エネルギーを蓄積するための少なくとも１つの中間蓄積装置であって、ネットワークの電力周波数を安定させる第１の中間蓄積装置と、前記発電機側において数分間の電力欠損を埋め合わせる第２の中間蓄積装置を含む中間蓄積装置と、
   前記島ネットワークの構成要素を制御するための制御装置と、を備えた電気的島ネットワークであって、
   前記制御装置による制御により、前記第１の発電機の出力電力が前記ネットワークで必要とされる負荷の電力よりも大きい場合は、前記第１の発電機の電気エネルギーが最初に前記中間蓄積装置に供給され、前記第１の発電機により発電されるよりも多くのエネルギーがネットワークで消費される場合は、電力供給の補充のために前記中間蓄積装置が最初に使用されることを特徴とする電気的島ネットワーク。
2. 前記第１の発電機は同期発電機であり、該同期発電機は少なくとも１つの第１の整流器（２０）とインバータ（２４）を有する直流電圧中間回路（２８）を含む変換器（２２）を備えることを特徴とする請求項１記載の電気的島ネットワーク。
3. 直流電圧を用いて電気エネルギーを供給するために、少なくとも１つの電気素子（１２、１４，１６，１８）が前記直流電圧中間回路に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の電気的島ネットワーク。
4. 前記電気素子は、前記中間蓄積装置としての、光起電力素子および／または機械的エネルギー蓄積装置および／または電気化学的蓄積装置および／またはコンデンサーおよび／または化学的蓄積装置であることを特徴とする請求項３記載の電気的島ネットワーク。
5. 前記第２の中間蓄積装置としてのフライホイールが第２または第３の発電機と連結可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
6. 数個の内燃機関が各々発電機に連結可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
7. 前記中間蓄積装置（１２）と前記直流電圧中間回路（２８）間にブースト／バック変換器（２２）を接続したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
8. 前記中間蓄積装置（１４，１８）と前記直流電圧中間回路（２８）間に充電／放電回路（２６）を接続したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
9. 前記直流電圧中間回路（２８）に電気エネルギーを供給するために発電機と下流側整流器（２０）を有するフライホイールを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
10. 前記少なくとも１つの第１の発電機（１０，１２）と前記少なくとも１つの中間蓄積装置（１４，１６，１８）は、共通の直流電圧中間回路に電力供給することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
11. ネットワーク整流インバータを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
12. 前記第２の発電機（３２）と前記内燃機関（３０）との間に電気カップリング（３４）が接続され、前記電磁カップリングを作動するエネルギーは電気蓄積装置および／または前記少なくとも１つの第１の発電機により供給可能とされることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
13. 海水脱塩／供給水生成プラントが島ネットワークに接続され、前記第１の発電機により供給された電力が前記島ネットワークに接続された他の電気負荷の電力消費よりも大きいときに、上記プラントは供給水を生成することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
14. 前記第１の発電機からその電気エネルギーを受け取るポンプ式蓄積装置が設けられたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
15. 前記第２の発電機はネットワーク発電機の機能を有する同期発電機であり、該同期発電機はモータ動作モードで作動し、モータ動作で必要となるエネルギーは前記第１の発電機により供給可能とされることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電気的島ネットワーク。
16. 前記第２の発電機は内燃機関に接続可能であり、前記第１の発電機の電力が前記島ネットワークでの電力消費よりも大きいかまたは略同じ大きさであるときに、前記内燃機関は非起動化されることを特徴とする請求項１５記載の電気的島ネットワーク。
17. 補充可能なエネルギー源を使用し、毎分回転数とブレード位置に関して制御可能である風力発電機を含む少なくとも１つの第１の発電機と、ネットワーク発電機の機能を有する少なくとも１つの第２の発電機と、前記少なくとも１つの第２の発電機を駆動するための内燃機関と、前記第１の発電機に接続可能であり、電気エネルギーを蓄積するための少なくとも１つの中間蓄積装置と、前記島ネットワークの構成要素を制御するための制御装置と、を備えた電気的島ネットワークの動作制御方法であって、
    発生されたエネルギーを母線を介して島ネットワークに供給し、
    前記ネットワークで必要とされる電力を該母線に接続された装置で検知し、
    前記内燃機関の起動オン時には前記第２の発電機と前記内燃機関を連結し、起動オフ時には前記第２の発電機と前記内燃機関を切り離し、
    前記島ネットワークにおける電力の消費が前記第１の発電機の電気エネルギー発生容量よりも少ないときには、前記中間蓄積装置が飽和状態でない場合は、前記第１の発電機の電気エネルギーを最初に前記中間蓄積装置に供給することで、前記第１の発電機（１０）は、必要とされる電力だけを常に発電するように前記制御装置によって制御され、
    前記第１の発電機により発電されるよりも多くのエネルギーがネットワークで消費される場合は、前記第１の発電機は、電力供給の補充のために前記中間蓄積装置を最初に使用することを特徴とする方法。
18. 前記補充可能なエネルギー源を用いた前記第１の発電機（１０，１２）および／または前記中間蓄積装置（１４，１６，１８）により給電された電力が所定の時間の間所定のしきい値より下に下降したときは、前記内燃機関の電源を入れることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 補充可能なエネルギー源から前記中間蓄積装置を充電するために、前記ネットワーク上の負荷に必要とされるよりも多くのエネルギーを発生することを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記島ネットワークの電力周波数においてその所望の値からの周波数の不安定または偏差を解消するために、前記中間蓄積装置が電力供給用に使用され、該中間蓄積装置による給電は、大きな、取り消しできない容量の損失をすることなく、頻繁かつ迅速に充電または放電可能であることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記島ネットワークに必要とされる電力が補充可能なエネルギー源から全く給電されないかまたは不十分にしか給電されないときは、前記ネットワークを維持するために、アキュムレータブロック型またはバッテリ蓄積装置が第１の中間蓄積装置として使用されることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記島ネットワークに交流電流を供給するためのネットワーク整流インバータ用のネットワーク発電機としての同期発電機である前記第２の発電機を使用し、前記第２の発電機はモータ動作において作動し、該発電機の駆動はフライホイールおよび／または補充可能なエネルギーの発電機から電気エネルギーを供給することにより実行されることを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の方法。

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