JP6951436B2 - 自励式変換器からの電力交換を制御すること - Google Patents

自励式変換器からの電力交換を制御すること Download PDF

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Description

本開示において提示される実施形態は、包括的には、高圧直流（ＨＶＤＣ：high-voltage direct current）リンク上で風力タービン電力を伝送させることに関し、より具体的には、風力電力がローカルＡＣグリッドのために発生される第１のモードと、風力電力がローカルＡＣグリッドを介してＨＶＤＣリンク上で伝送される第２のモードとの間で切換えるために、積分動作を有するコントローラーを選択的に作動させることに関する。
陸上と比較して、より強い風速が、洋上で通常利用可能であるため、多くの状況において、陸上風力タービンの代わりに洋上風力タービンが所望される。さらに、洋上風力タービンは、木、丘、建物等によって妨げられない。洋上風力タービンを陸上グリッド（数十キロメートル又は数百キロメートル離れて位置する場合がある）に結合するために、風力タービンオペレータは、ＡＣ信号を伝送する代わりに、ＨＶＤＣリンクを使用することができ、それは、伝送効率を改善することができる。水中電力ケーブルの場合、ＨＶＤＣは、サイクルごとにケーブルキャパシタンスを充放電するために必要とされる大電流を回避する。しかし、風力タービンをＨＶＤＣリンクに結合させるために必要とされる回路要素は高価である。
本開示の１つの実施形態は、無効電力制御脚及び有効電力制御脚を備える制御システムを使用して、電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで風力タービンを運転することを含む方法である。方法は、無効電力制御脚と有効電力制御脚との間に結合された、積分動作を有するコントローラーを作動させることによって第１のモードから第２のモードに切換えることも含み、第２のモードにあるとき、風力タービンは、ローカルＡＣグリッドを介して、高圧直流（ＨＶＤＣ）リンクに電力を伝送し、風力タービンは、ダイオード整流器を使用してＨＶＤＣリンクに結合される。
本明細書で述べる別の実施形態は、風力タービンであり、風力タービンは、無効電力制御脚と、有効電力制御脚と、無効電力制御脚と有効電力制御脚との間に選択的に結合された、積分動作を有するコントローラーとを備える、制御システムを含む。制御システムは、電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで風力タービンを運転させ、コントローラーを作動させることによって第１のモードから第２のモードに切換えるように構成され、第２のモードにあるとき、風力タービンは、ローカルＡＣグリッドを介して、ＨＶＤＣリンクに電力を伝送し、風力タービンは、ダイオード整流器を使用してＨＶＤＣリンクに結合される。
本明細書で述べる別の実施形態は、風力タービンのための制御システムであり、制御システムは、プロセッサと、プロセッサによって実行されると、運転を実施するプログラムを記憶するように構成されるメモリとを含み、運転は、無効電力制御脚及び有効電力制御脚を備える制御システムを使用して、電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで風力タービンを運転することと、無効電力制御脚と有効電力制御脚との間に結合された、積分動作を有するコントローラーを作動させることによって第１のモードから第２のモードに切換えることとを含み、第２のモードにあるとき、風力タービンは、ローカルＡＣグリッドを介して、ＨＶＤＣリンクに電力を伝送し、風力タービンは、ダイオード整流器を使用してＨＶＤＣリンクに結合される。
本開示の上記で挙げた特徴が詳細に理解され得るように、上記で簡潔に要約された本開示のより詳細な説明を、その一部が添付図面に示される実施形態を参照して行うことができる。しかし、添付図面が、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって、その範囲を制限するものと考えられず、開示のために、他の同様に効果的な実施形態を認める場合があることが留意される。
本開示で述べる一実施形態による風力タービンの線図である。 本開示で述べる一実施形態による風力タービンのナセル(nacelle)及びタワーの内部の構成要素の線図である。 本開示で述べる一実施形態による電力システムのブロック図である。 本開示で述べる一実施形態によるＨＶＤＣリンクに結合された非制御式ダイオード整流器を示す図である。 本開示で述べる一実施形態による風力タービン発電機の制御システムを示す図である。 本開示で述べる一実施形態によるダイオード整流器の作動電圧を示すグラフである。 本開示で述べる一実施形態によるベクトル図である。 本開示で述べる一実施形態による風力タービンを異なるモードで運転するためのフローチャートである。 本開示で述べる一実施形態による風力タービンを異なるモードで運転するためのフローチャートである。 本開示で述べる一実施形態によるＨＶＤＣリンクの機能に応じて異なるモードで運転する少なくとも１つの風力タービンを含む風力発電所のブロック図である。 本開示で述べる一実施形態による、ＨＶＤＣリンクが機能しない状態で風力タービンによって使用される補助制御システムを示す図である。
理解を容易にするために、複数の図に共通である同一要素を指定するために、可能である場合、同一参照数字が使用されている。１つの実施形態において開示される要素が、特に列挙しなければ、他の実施形態に関して有利に利用することができることが企図される。
非制御式ダイオード整流器は、風力発電所内の風力タービンをＨＶＤＣリンクに結合する従来の回路に対する代替法を提供する。しかし、風力タービン内の制御システムは、風力タービンが、整流器内のダイオードを作動させるために十分な電力を発生し、ＨＶＤＣリンクに沿って電力を伝送できるように修正される必要がある場合がある。１つの実施形態において、中央制御システムを使用する代わりに、各風力タービンは、２つのモード、すなわちアイランドモード及び大電力モードで運転する個々の制御システムを有する。アイランドモードは、風力タービンがＨＶＤＣリンク上で電力を伝送しないときに使用される。例えば、アイランドモードにおいて、風力タービンはダイオード整流器を作動させるために十分な電力を発生しない場合がある。代わりに、アイランドモードは、発電所内の風力タービンが、タービンをヨー運動させること又はタービン内のポンプを働かせること等、補助制御のために電力を発生させることを可能にする。別の例において、風力タービンは、ローカルＡＣグリッドに結合することができ、ローカルグリッドに電力を出力するためにアイランドモードを使用できる。大電力モードにおいて、風力タービン内の制御システムは、ダイオード整流器が作動されるまでローカルＡＣグリッドに対する出力電力を増加させ、それにより、風力タービンによって発生した電力をＨＶＤＣリンク上で伝送する。ローカルＡＣグリッドはダイオード整流器を介してＨＶＤＣリンクに接続される。このモードにおいて、制御システムは、風力タービンの所望の出力電力（発電出力抑制を含む）を設定できる。
１つの実施形態において、アイランドモードと大電力モードとの間で切換えるために、風力タービンは、その制御システムにおける無効電力制御脚と有効電力制御脚との間に結合される比例積分（ＰＩ：proportional-integral）コントローラーを作動させる。ＰＩコントローラーは、入力として、所望の有効電力値と風力タービンによって発生される実際の有効電力値との差を受信し、対応する電圧調整を出力する。この電圧調整は、その後、電圧値の振幅を変更するために無効電力制御脚で使用される。１つの実施形態において、アイランドモードから大電力モードに切換えるとき、風力タービンは、ＰＩコントローラーを作動し、ＰＩコントローラーは、ダイオード整流器の両端の平均ＡＣ電圧がダイオードのカットイン電圧を超えるまで風力タービンの出力を増加させ、風力タービンが、ローカルＡＣグリッドを介して、ＨＶＤＣリンク上で電力を伝送することを可能にする。
［例示的な実施形態］
図１は、水平軸風力タービン発電機１００の線図を示す。風力タービン発電機１００は、通常、タワー１０２と、タワー１０２の上部に位置する風力タービンナセル１０４とを備える。風力タービンローター１０６は、ナセル１０４の外に延在する低速シャフトを通してナセル１０４に接続することができる。風力タービンローター１０６は、ローター平面で回転する、共通ハブ１１０上に搭載された３つのローターブレード１０８を備えるが、任意の適した数のブレード、例えば、１つ、２つ、４つ、５つ、又はそれより多い数のブレードを備えることができる。ブレード１０８（又は翼型部）は、通常それぞれ、空気力学的形状を有し、空気力学的形状は、風に向く前縁１１２と、ブレード１０８用のコードの対向端の後縁１１４と、先端１１６と、任意の適した方法でハブ１１０に取付ける根元部１１８とを有する。
幾つかの実施形態の場合、ブレード１０８は、ピッチ軸受け１２０を使用してハブ１１０に接続することができ、それにより、各ブレード１０８は、ブレードのピッチを調整するためにその長手方向軸の周りに回転することができる。ローター平面に対するブレード１０８のピッチ角は、例えば、ハブ１１０とブレード１０８との間に接続される、リニアアクチュエーター、油圧アクチュエーター、又はステッパーモーターによって制御することができる。
図２は、風力タービン発電機１００のナセル１０４及びタワー１０２の内部の典型的な構成要素の線図を示す。風２００がブレード１０８を押すと、ローター１０６は、スピンし、低速シャフト２０２を回転させる。ギアボックス２０４内のギアは、低速シャフト２０２の低回転速度を、発電機２０６を使用して電気を発生させるのに適した高速シャフト２０８の比較的高い回転速度に機械的に変換する。
コントローラー２１０は、シャフト２０２、２０８の一方又は両方の回転速度を検知することができる。シャフト（複数可）があまりにも速く回転しているとコントローラーが判断する場合、コントローラーは、シャフトの回転を遅くするために制動システム２１２に合図することができ、制動システム２１２は、ローター１０６の回転を遅くする、すなわち、回転／分（ＲＰＭ）を減少させる。制動システム２１２は、風力タービン発電機１００の構成要素に対する損傷を防止することができる。コントローラー２１０は、風速計２１４（風速を提供する）及び／又は風向計２１６（風向を提供する）からの入力を受信することもできる。受信した情報に基づいて、コントローラー２１０は、ブレードのピッチ２１８を調整しようとしてブレード１０８の１つ以上に制御信号を送出することができる。風向に関してブレードのピッチ２１８を調整することによって、ローター（したがって、シャフト２０２、２０８）の回転速度を増加又は減少させることができる。例えば、風向に基づいて、コントローラー２１０は、タワー１０２に関してナセル１０４を回転させる制御信号を、ヨーモーター２２０及びヨードライブ２２２を備える組立体に送出することができ、それにより、ローター１０６は、より大幅に（又は、或る特定の状況において、より小幅に）風上に向くように位置決めすることができる。
図３は、本開示で述べる一実施形態による電力システム３００のブロック図である。電力システム３００は、共通結合点（ＰＣＣ：point of common coupling）３３０において非制御式ダイオード整流器３３５に結合された風力タービン１００Ａ〜１００Ｃを含む。整流器３３５は、次に、風力タービン１００によって発生された電力をグリッド３４５に伝送するＨＶＤＣリンク３４０に結合される。１つの実施形態において、風力タービン１００は洋上風力発電所に位置し、一方、グリッド３４５は陸上電気グリッドである。しかし、他の実施形態において、風力発電所及びグリッド３４５は共に陸上である場合がある。
風力タービン１００Ａは、ＡＣ電力を発生させる発電機２０６と、発電機２０６によって提供されるＡＣ信号を所望の周波数に変換する電力変換器３０５と、変換器３０５の出力からノイズ及び高調波を除去するフィルター３２０とを含む。図示するように、電力変換器３０５は、ＤＣバス３１２を介して共に結合された、発電機側変換器３１０及びグリッド側変換器３１５を含む。１つの実施形態において、発電機側変換器３１０は、発電機２０６によって提供されるＡＣ信号を、ＤＣバス３１２上で伝送されるＤＣ電力に変換する複数のスイッチ（例えば、パワートランジスタ）を含む。グリッド側変換器３１５は、ＤＣ電力を受信し、スイッチを使用して、ＤＣ電力を、所望の周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を有するＡＣ電力（例えば、３相ＡＣ電力）に戻るように変換する。図示しないが、風力タービン１００Ｂ及び１００Ｃは、風力タービン１００Ａと同様の配置構成を有することができる。
風力タービン１００Ａは、タービン１００ＡをＰＣＣ３３０に結合するタービン変圧器３２５を含む。１つの実施形態において、グリッド変圧器３２５は、タービン１００Ａ内に、例えば、タワー内にある。さらに、図示しないが、風力タービン１００Ｂ及び１００Ｃも、それぞれのタービン変圧器を使用してＰＣＣ３３０に結合され得る。
タービン変圧器の出力はローカルＡＣグリッド３３６を形成する。そのため、タービン１００Ａ〜１００Ｃに接続するグリッドはローカルＡＣグリッド３３６として理解され得る。ＰＰＣ３３０はローカルＡＣグリッド３３６内に含まれる。以下でより詳細に述べるように、運転の第１のモード（例えば、アイランドモード）において、風力タービン１００の１つ以上は、電力を、ローカルＡＣグリッド３３６に結合された負荷３５０に提供する。例えば、風力タービン１００は、洋上に位置し得るが、近くの住民のいる陸地等のローカル負荷３５０に結合され得る。そのため、風力タービン１００は、グリッド３４５に対してＨＶＤＣリンク３４０上で電力を伝送していないときでも、ローカル負荷３５０に電力を供給できる。さらに、アイランドモードにあるとき、風力タービン１００の１つ以上は、発電所内の残りのタービン１００のために補助電力を供給し得る。例えば、風力タービン１００のうちの少数の風力タービンは、運転のアイランドモードを使用して依然として電力を発生させて、補助電力を提供し、それにより、残りのタービン１００をヨー動作させ得る又はタービン１００内のポンプを働かせ得る。これは、風力タービンがＨＶＤＣリンク３４０上で電力を伝送していないときに補助電力を提供するために洋上風力発電所内に代替の電力供給部（例えば、ディーゼル発電機）を有しなければならないことを回避する。
ＨＶＤＣリンク３４０を介してグリッド３４５に電力を伝送するために、風力タービン１００は、運転の第２のモード（例えば、大電力モード）に切換えて、非制御式ダイオード整流器３３５内のダイオードのカットイン電圧を超えるようにＰＣＣ３３０においてそれらの結合した電力出力を増加させる。そうすることにより、ＨＶＤＣリンク３４０が作動され、グリッド３４５に電力が伝送される。
図４は、本開示で述べる実施形態によるＨＶＤＣリンク３４０に結合された非制御式ダイオード整流器３３５を示す。図４に示すダイオード整流器３３５は、本明細書で述べる制御システムと共に使用され得る整流器の単に１つの適した配置構成である。他のタイプ又は配置構成のダイオード整流器３３５が使用され得る。例えば、図４は１２パルス整流器３３５を示すが、整流器３３５は異なる数のパルスを含むことができる。１つの実施形態において、ダイオード整流器３３５は、ダイオード整流器３３５を働かせるために制御信号が必要とされない又は使用されないため、「非制御式」である。したがって、ダイオード整流器３３５は、働くためにデジタル又はアナログ制御信号を必要としない受動構成要素のみを含み得る。
図示するように、ダイオード整流器３３５は、ＰＣＣ３３０に結合された第１の変圧器４０５及び第２の変圧器４１０を含む。第１の変圧器４０５はＹ−Δ変圧器であり、一方、第２の変圧器４１０はＹ−Ｙ変圧器である。さらに、整流器３３５は第１のダイオード４１５及び第２のダイオード４２０を含む。概して、整流器３３５内の変圧器及びダイオードは、ローカルＡＣグリッド３３６内で、ＰＣＣ３３０において風力タービンによって提供されるＡＣ電力信号を、ＨＶＤＣリンク３４０上で伝送されるＤＣ電力信号に変換する。
図５は、本開示で述べる一実施形態による風力タービンの制御システム５００を示す。１つの実施形態において、風力発電所内の各風力タービンは、制御システム５００の複製を含む。制御システム５００を、風力タービンコントローラーによって実施することができ、また、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、又は、ソフトウェア及びハードウェア要素の或る混合物を使用して実装することができる。１つの実施形態において、制御システム５００は、１つ以上のプロセッサ及びメモリを含むコンピューティングシステムを使用して実装される。
制御システム５００の１つの利点は、個々の風力タービン内の制御システム５００の間のデータ通信が高速である必要がないことである。すなわち、個々の制御システム５００が中央風力発電所コントローラーから基準設定点を受信することができるものの、個々の風力タービン内の制御システム５００は、運転中に同期する必要はない。異なる制御システム５００の間で通信を必要としないことによって、制御システム５００の信頼性が上がる。さらに、制御システム５００は、風力タービン内の制御システムの間で通信を必要とするシステムと違って、運転のために位相ロックループ（ＰＬＬ：phase locked loop）を必要としない。
制御システム５００は無効電力制御脚５８５及び有効電力制御脚５８０を有する。無効電力制御脚５８５は、風力発電所コントローラーからの所望の無効電力値ＱＤ、及び、グリッド側変換器３１５の出力で発生される目下の無効電力を示す実際の無効電力値ＱＡを受信する。実際の無効電力値ＱＡは、任意選択のフィルター５０５を通され、所望の無効電力値ＱＤと共に第１の加算器５１０に提供される。第１の加算器５１０は、所望の無効電力値ＱＤ（すなわち、風力発電所コントローラーが風力タービンに出力して欲しい無効電力）と風力タービンから目下出力されている実際の無効電力ＱＡとの差を決定する。この差は電圧ルックアップモジュール５１５に入力され、電圧ルックアップモジュール５１５は、風力タービンの出力電圧を調整するために使用される電圧調整値ＶＡＤＪを出力する。１つの実施形態において、電圧ルックアップモジュールは、所望の無効電力値と実際の無効電力値とのそれぞれの差にマッピングされる複数の増分的電圧値を含む。種々の風力タービン内の各制御システム５００についての複数の電圧値は、異なる又は同じ電圧値とすることができる。すなわち、１つの風力タービンの電圧ルックアップモジュール５１５についての電圧値は、第２の風力タービンの電圧値と異なることができる。
第２の加算器５２０は、電圧調整値ＶＡＤＪを公称電圧ＶＮ（風力発電所コントローラーが提供することができる）に加算して、振幅電圧ＶＭＡＧを出力する。また、第２の加算器５２０は、後で述べることになるＰＩコントローラー５６５に結合される。振幅電圧ＶＭＡＧは、任意選択のフィルター５２５を通され、３相変圧モジュール５３０に至る。概して、３相変圧モジュール５３０は、振幅電圧ＶＭＡＧ及び有効電力制御脚５８０によって出力される電圧係数角度θＷを、グリッド側変換器３１５用の制御信号に変換する。換言すると、変圧モジュール５３０は、無効電力制御脚５８５及び有効電力制御脚５８０の出力を使用して、対応する３相ＡＣ電圧信号を出力するためにグリッド側変換器３１５内のスイッチ（例えば、パワートランジスタ）を働かせる制御信号を発生させる。
有効電力制御脚５８０において、制御システム５００は、風力発電所コントローラーからの所望の有効電力値ＰＤ、及び、グリッド側変換器３１５によって出力される目下の有効電力を示す実際の有効電力値ＰＡを受信する。実際の有効電力値ＰＡは、任意選択のフィルター５３５を通される。第３の加算器５４０は、所望の有効電力値ＰＤを実際の有効電力値ＰＡと比較し、２つの値の差を出力する。この差は、対応する角度調整ωＶを出力する角度ルックアップモジュール５４５に提供される。角度ルックアップモジュール５４５は、実際の有効電力値ＰＡと所望の有効電力値ＰＤとのそれぞれの差に対応する複数の増分的角度調整値を含むことができる。角度ルックアップモジュール５４５に記憶される角度調整値は、発電所内の異なる風力タービンについて同じであり得る又は異なり得る。
角度ルックアップモジュール５４５によって出力される角度調整ωＶは第４の加算器５５０に渡され、第４の加算器５５０は、角度調整ωＶを、風力発電所コントローラーから受信される所望の角度ωＤと結合させる。無効電力制御脚５８５によって出力される振幅電圧ＶＭＡＧはグリッド側変換器３１５によって発生されるＡＣ信号の振幅を制御し、角度ωＶ及びωＤはＡＣ信号の周波数を制御する。例えば、所望の角度ωＤはローカルＡＣグリッド３３６の所望の周波数（例えば、５０Ｈｚ）を示すことができる。制御システム５００は、角度調整ωＶを使用して、グリッド側変換器によって発生される有効電力を増加又は減少させ、それにより、所望の有効電力値ＰＤに一致させる。
第４の加算器５５０は、結合した角度ωＶ ＊を、電圧係数角度θＷを出力する積分器５５５に出力する。電圧係数角度θＷは、振幅電圧ＶＭＡＧと共に、３相変圧モジュール５３０によって使用されて、グリッド側変換器３１５によって出力される３相ＡＣ信号の振幅及び周波数を設定する制御信号を発生させる。
また、制御システム５００は、ＰＩコントローラー５６５を第３の加算器５４０の出力に選択的に結合するスイッチ５６０と、無効電力調整器５７５を第１の加算器５１０の出力に選択的に結合するスイッチ５７０とを含む。アイランドモードで運転するとき、スイッチ５６０及び５７０は、開放しており、それにより、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５を停止させ、それにより、これらの構成要素は、無効電力制御脚５８５及び有効電力制御脚５８０によって発生される電圧係数角度θＷ及び振幅電圧ＶＭＡＧに影響を及ぼさない。しかし、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５が停止されるときでも、制御システム５００は、ローカルＡＣグリッド３３６に結合されるローカル負荷に電力供給するためにＡＣ信号を依然として発生し得る。上記で述べたように、アイランドモードにおいて、グリッド側変換器３１５は、ローカルＡＣグリッド３３６に結合される、近くの住民のいる陸地にＡＣ電力を出力することができる。付加的に又は代替的に、発電所内の風力タービンのうちの１つ以上の風力タービンは、発電所内の残りの風力タービンのために補助電力を発生させることができる。すなわち、風力タービンの一部は、シャットダウンする（すなわち、電力を発生しない）ことができ、一方、他の風力タービンは、シャットダウンされるタービンのために補助電力を提供するために図５に示すアイランドモードで運転する。
１つの実施形態において、アイランドモードで運転するとき、制御システム５００は、風力タービンに出力される実際の電力（すなわち、実際の無効電力値ＱＡ及び実際の有効電力値ＰＡ）を所望の電力値（すなわち、所望の無効電力値ＱＤ及び所望の有効電力値ＰＤ）に設定できない場合がある。代わりに、風力タービンによって出力される実際の電力は、タービン上のローカル負荷によって左右される。
アイランドモードから大電力モードに切換えるために、制御システム５００は、スイッチ５６０及び５７０を閉鎖し、それにより、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５の入力を有効電力制御脚５８０及び無効電力制御脚５８５にそれぞれ接続する。制御システム５００はＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５の入力をそれぞれの脚５８０及び５８５に接続するスイッチを示すが、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５に送出される電力をターンオンしターンオフすること等、他の作動手段を使用することができる。
スイッチ５６０が閉鎖すると、ＰＩコントローラー５６５は、第３の加算器５４０から、所望の有効電力値ＰＤと実際の有効電力値ＰＡとの差を受信する。ＰＩコントローラーが示されるが、ＰＩコントローラー５６５又は比例積分微分（ＰＩＤ：proportion-integral-derivative）コントローラー等の積分動作を有する任意のコントローラーが使用され得る。ＰＩコントローラー５６５は、調整電圧を出力し、調整電圧は、実際の有効電力値ＰＡが所望の有効電力値ＰＤに一致するまで振幅電圧ＶＭＡＧに加算される。１つの実施形態において、ＰＩコントローラー５６５は、無効電力制御脚５８５が、グリッド側変換器３１５によって発生されるＡＣ信号の振幅を、その振幅が非制御式ダイオード整流器内のダイオードのカットイン電圧を超えるまで増加するようにさせる。これは図６に示され、グラフ６００は、本開示で述べる一実施形態によるダイオード整流器の作動電圧を示す。グラフ６００は、ｙ軸上にダイオード整流器を通して流れる電力、及び、ｘ軸上にダイオードの両端の電圧を示す。ＰＩコントローラー５６５が、風力タービンによって発生されるＡＣ信号の振幅を増加させるにつれて、ダイオードの両端の平均電圧は、最終的に作動電圧６０５（すなわち、ダイオードカットイン電圧）に達し、それにより、ダイオード整流器が作動し、電力がＨＶＤＣリンク上で伝送されることを可能にする。作動されると、制御システム５００は、風力発電所コントローラーによって左右されるように風力タービンの出力電力を制御するためにＰＩコントローラー５６５を使用し続け得る。すなわち、アイランドモードにあるときと違って、大電力モードにおいて、制御システム５００は、（作動電圧６０５に達した後に）所望の電力に一致するように出力電力を制御し得る。例えば、風力発電所コントローラーが新しい所望の有効電力値ＰＤを送出する場合、ＰＩコントローラー５６５は、所望の有効電力を出力するようにＡＣ信号の振幅を調整し得る。
大電力モードで運転するときにＰＩコントローラー５６５を作動することに加えて、制御システム５００は、スイッチ５７０を閉鎖することによって無効電力調整器５７５も作動する。概して、無効電力調整器５７５は、ＰＣＣに結合された風力タービンの間での循環する無効電力の形成を防止する。各タービンがどれだけ多くの無効電力を生成しているかに応じて無数の解決策が存在するため、これは、循環する無効電力をもたらす可能性がある。スイッチ５７０が閉鎖されると、加算器５１０によって出力された所望の無効電力値ＱＤと実際の無効電力値ＱＡとの差（又は誤差）は、無効電力調整器５７５に送信される。次に、無効電力調整器５７５は、加算器５５０に送出される角度値を出力する。すなわち、角度値は、角度調整ωＶ及び所望の角度ωＤに加算されて、結合された角度電圧係数角度ωＶ ＊を発生させる。所望の無効電力値ＱＤと実際の無効電力値ＱＡとの大きい差は、風力タービンがあまりにも多くの無効電力を発生していることを意味する。そのため、無効電力調整器５７５によって発生される角度値は、制御システム５００がグリッド側変換器３１５によって出力される無効電力を低減するようにさせる。逆に、所望の無効電力値ＱＤと実際の無効電力値ＱＡとの小さい差は、風力タービンがあまりにも少ない無効電力を発生していることを意味する。応答して、無効電力調整器５７５は、タービンによって発生される無効電力を増加させる。風力タービン内の各制御システム５００が無効電力調整器５７５を含む場合、これは、複数の風力タービンが風力タービン自身同士の間で無効電流の発生を共有することをもたらし、循環する無効電流の可能性を軽減する。
１つの実施形態において、制御システム５００は、例えば、ＨＶＤＣリンクが破断する又はその他の方法で働かないとき、大電流モードからアイランドモードに切換えるプロンプトを受信する。例えば、風力タービン用の各制御システム５００は、運転のアイランドモードに切換えるコマンドを風力発電所コントローラーから受信することができる。応答して、制御システム５００は、スイッチ５６０及び５７０を開放し、これらのスイッチは、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５を停止させる。こうして、制御システム５００は、運転のアイランドモードと大電力モードとの間で切換え得る。
図７は、本開示で述べる一実施形態によるベクトル図である。ベクトルＶＦはダイオード整流器における共通電圧を示し、一方、ベクトルＶＷ１、ＶＷ２、ＩＷ１、及びＩＷ２は、発電所内の２つの風力タービン、すなわち、風力タービン１（Ｗ１）及び風力タービン２（Ｗ２）についてのそれぞれの電圧及び電流を示す。２つの電流ベクトルＩＷ１及びＩＷ２は２つの風力タービンが異なる無効電力を発生させることを示す。特に、風力タービン２は風力タービン１より多くの無効電力を送出し、それは、電圧ベクトルＶＷ２が大き過ぎることを意味する。換言すれば、ベクトルＶＦとＶＷ２との間の角度は最適でない。図５において上記で述べたように、制御システム５００は無効電力調整器５７５を含み、無効電力調整器５７５は、ＶＦとＶＷ２との間の角度がＶＦとＶＷ１との間の角度に近くなるように風力タービン２の出力を調整し得る。結果として、無効電力出力は、複数の風力タービンによってより均等に共有され、それは、風力タービンの間の循環する無効電流を防止し得る。
図８は、本開示で述べる一実施形態による風力タービンを異なるモードで運転するための方法８００のフローチャートである。ブロック８０５にて、風力発電所コントローラーは、第１のモードで運転して、ローカルＡＣグリッド３３６に電力を提供するように風力タービン内の制御システムに指令する。１つの実施形態において、風力発電所コントローラーは、第１のモード（すなわち、アイランドモード）で運転するように風力タービンのサブセットに指令する。例えば、発電所内のタービンのうちの少数のタービンのみが、アイランドモードで運転されて、電力を発生しない残りのタービン用の補助電力を発生させることができる。代替的に、発電所内のタービンの全てが、アイランドモードで運転されて、例えば、島等の、近くの住民のいる陸地を含むことができるローカルＡＣグリッド３３６に電力を提供することができる。
ブロック８１０にて、風力発電所コントローラーがＨＶＤＣリンク上で電力を伝送しないと判定する場合、方法８００はブロック８０５に戻り、少なくとも１つの風力タービンがアイランドモードで運転し続ける。そうでなければ、方法８００はブロック８１５に進み、風力発電所コントローラーは、風力タービンコントローラー（例えば、図５の制御システム５００）内の有効電力制御脚と無効電力制御脚との間でＰＩコントローラーを作動させることによって第２のモードで運転するように風力タービンのうちの少なくとも１つの風力タービンに指令する。１つの実施形態において、ＰＩコントローラーは、風力タービンコントローラーの無効電力制御脚において決定された実際の無効電力値と所望の無効電力値との差（又は、誤差）を使用して、タービンコントローラーの有効電力制御脚において使用される電圧調整を発生させる。電圧調整は、風力タービンによって発生されたＡＣ電圧の振幅を増加させて、電力がＨＶＤＣリンク上で伝達されるように整流器のダイオードを作動させる。
１つの実施形態において、ダイオード整流器がアクティブであり、ＨＶＤＣリンクが電力を伝送するとき、電力を目下のところ伝送していない風力タービンは、風力タービンをＰＣＣに結合する前に、ＨＶＤＣリンク上で電力を伝送している風力タービンに同期する。例えば、新しい風力タービンをＰＣＣに電気結合する場合、新しいタービンの制御システムにおける角度ωが同期しないとき、新しい風力タービンを、電力を既に発生させている風力タービンに結合することは短絡を生じ得る。そのため、新しいタービンを付加する前に、その制御システムは、角度ωのその値を、ＨＶＤＣリンク上で電力を既に伝送している風力タービンの制御システムにおいて使用される同じ角度値に同期することができる。図５を参照して、１つの実施形態において、新しいタービンの積分器５５５についての初期値は、ローカルＡＣグリッド３３６の低圧側の電圧の位相を測定することによって導出される。積分器５５５を初期値に初期化することによって、新しいタービンは、目下接続されている風力タービンと同じ角度を有し、したがって、新しいタービンがＰＣＣに結合されると、ＰＣＣにおける電力は増加し、短絡が回避される。この同期プロセスは、更なる風力タービンをＰＣＣ及びＨＶＤＣリンクに結合するために反復され得る。
ブロック８２０にて、制御システム内のＰＩコントローラーは、風力タービンによって発生される電力を増加させて、非制御式ダイオード整流器を作動させ、ＨＶＤＣリンク上で電力を伝送する。図６に示すように、ＰＩコントローラーは、ダイオードが作動され、電力がＨＶＤＣリンク上で伝送されるまで、整流器内のダイオードの両端の電圧の振幅を増加させ得る。さらに、大電力モードにおいて、制御システムは、最大Ｃｐ追跡アルゴリズムによって計算される最適電力基準より小さくアクティブ電力基準を設定することによって発電出力抑制を実施し得る。
ブロック８２５にて、風力発電所コントローラーは、風力タービンが運転の第２のモードにあるままであるべきか否かを判定する。例えば、風力発電所コントローラーは、ＨＶＤＣリンクが働いている限り、個々の制御システムを大電力モードに維持することができる。しかし、ＨＶＤＣリンクが切断される、又は、陸上ステーションが切離される場合、ブロック８３５にて、風力発電所コントローラーは、ＰＩコントローラー及び無効電力調整器を停止し、運転の第１のモードに切換えるように個々の制御システムに指令する。１つの実施形態において、風力発電所コントローラーは、風力タービンの出力をモニターして、電圧がスパイクする（例えば、閾値を超えて上昇する）（ローカルＡＣグリッド３３６上の過電圧につながる）か否かを判定する。応答して、風力発電所コントローラーは、風力タービンを第１のモードに切換えて、最大電圧基準電圧が制限される過電圧ライドスルー（ＯＶＲＴ：over voltage ride-through）保護を提供し得る。さらに、過電圧が検出される場合、基準電圧は低減され、ローカルＡＣグリッド３３６上の電圧の高速低下をもたらし得る。１つの実施形態において、制御システムが第２のモードから第１のモードに切換わるときのタービン内の制御システムの間の通信の必要性が全く存在しない（すなわち、制御システム同士は同期する必要がない）。１つの実施形態において、風力発電所コントローラーは、風力タービンの幾つかを第２のモードから第１のモードに切換えることができ、一方、残りの風力タービンは、シャットダウンされる、すなわち、電力をもはや発生しない。
しかし、過電圧条件が検出されない場合、方法８００はブロック８３０に進み、風力タービンは、ＨＶＤＣリンク上で電力を伝送し続ける。１つの実施形態において、上述した制御システムは、通常運転についてＰＬＬを必要としない。すなわち、大電力モードにあるとき、制御システムは、風力タービンの出力を制御するために使用される有効電力値及び無効電力値を設定するために、伝統的又は離散的フーリエ変換（ＤＦＴ：discrete Fourier transform）ベースのＰＬＬを使用しない。さらに、異なる風力タービン内の制御システムは、運転の大電力モード及びアイランドモードで運転するとき、互いに通信する必要はなく、そのことが、コストを低減し、信頼性を改善する。さらに、非制御式ダイオード整流器は、デジタル信号を使用して制御される代替の結合システムを使用することと比較して、風力タービンをＨＶＤＣリンクに結合するための高価でない選択肢であり得る。
本明細書の実施形態は、風力タービンの個々の制御システムにコマンド（例えば、第１のモードと第２のモードとの間で切換えるコマンド、所望の有効電力値及び所望の無効電力値を含むコマンド、発電出力抑制コマンド等）を送出する中央風力発電所コントローラーを述べるが、個々の制御システムは、制御システムと風力発電所コントローラーとの間の通信リンクが喪失される場合でも運転できる。
図９は、本開示で述べる一実施形態による風力タービンを異なるモードで運転するための方法９００のフローチャートである。方法９００は、ブロック９０５にて始まり、風力発電所（例えば、洋上風力発電所）内の風力タービンは、ＨＶＤＣリンク上で電力を伝送するために１次制御システムを使用して運転される。１つの実施形態において、風力タービンはローカルＡＣグリッド３３６に結合され、ローカルＡＣグリッド３３６は、次に、ＡＣ−ＤＣ変換器及びＨＶＤＣリンクに結合される。上述したように、ＡＣ−ＤＣ変換器は、非制御式ダイオード整流器であり得る。しかし、他の実施形態において、ＡＣ−ＤＣ変換器は制御式整流器であり、制御式整流器は、風力発電所コントローラーからのデジタル制御信号を使用して、風力タービンから受信されるＡＣ電力信号を変換し、ＨＶＤＣリンク上で伝送されるＤＣ電力信号の量を決定する。ＡＣ−ＤＣ変換器は、ＨＶＤＣリンク上で、風力発電所によって発生した電力を伝送し得る任意のタイプの変換器であり得る。
ＨＶＤＣリンクに結合されたＡＣ−ＤＣ変換器を有する本明細書の実施形態が述べられるが、方法９００は、風力発電所が、ＡＣ−ＡＣ変換器を介して風力発電所に結合される高圧交流（ＨＶＡＣ：high voltage alternating current）リンクに結合される電力システムでも使用され得る。
ブロック９１０にて、風力発電所コントローラーは、ＨＶＤＣ（又はＨＶＡＣ）リンクが機能するか否かを判定する。上記で論じたように、ＨＶＤＣリンクが切断される可能性がある、又は、陸上ステーションが切離され、それにより、風力発電所を１次グリッド（例えば、陸上グリッド）から切離す可能性がある。さらに、グリッドオペレーターが、ＨＶＤＣリンクを切離すことを自主的に判断する場合がある。そのため、ＨＶＤＣリンクは、偶然の理由（例えば、ラインが切断される又はグリッドが故障する）であれ、意図的な理由（例えば、陸上グリッドが、風力発電所に接続する用意ができていない）であれ、リンクが作動されないときはいつでも機能しない。ＨＶＤＣリンクが機能するままでいる場合、方法９００はブロック９０５に戻る。しかし、ＨＶＤＣリンクが機能しない場合、方法９００はブロック９１５に進み、風力発電所コントローラーは、風力発電所内の風力タービンの一部分をシャットダウンする。本明細書で使用するとき、風力タービンをシャットダウンすることは、風力タービンがローカルＡＣグリッド３３６上で出力電力を発生しないことを意味する。しかし、シャットダウンしている風力タービン内の他の補助システム、例えば、ヨー運動用モーター、ポンプ、又は、氷がナセル又はブレード上に蓄積することを防止するための加熱要素は、依然として運転することができる。
ブロック９２０にて、風力発電所内の残りの運転中の風力タービンのうちの少なくとも１つの風力タービン（すなわち、シャットダウンされなかった風力タービン）は、補助制御システムを使用して、シャットダウンされている風力タービン内の補助システムに電力供給する。すなわち、発電所内の風力タービンのうちの少なくとも１つの風力タービンは、（電力がＨＶＤＣリンク上で伝送されないが）ローカルＡＣグリッド３３６上で電力を出力し続ける。この電力は、シャットダウンされたタービンによって受信され、シャットダウンされたタービンは、それらのタービンの補助システムを運転するためにその電力を使用する。そうすることにより、ＨＶＤＣリンクが機能しないときに風力タービン内の補助システムに電力供給するための、ディーゼル又はガス発電機等の代替のエネルギー源を風力発電所内に有することが回避される。
１つの実施形態において、ブロック９２０中に風力タービンを運転するために使用される補助制御システムは、ＨＶＤＣリンクから切離されたときに風力タービンがアイランドモードで運転しているときの、図５に示す制御システム５００と同様である。すなわち、補助制御システムは、タービンコントローラー又は風力発電所コントローラーによって提供される所望の電力ではなく、負荷によって主に左右される電力（例えば、シャットダウンされた風力タービン上で補助システムによって引出される電力）を発生させる。
ブロック９２５にて、風力発電所コントローラーは、ＨＶＤＣリンクが機能しているか否かを判定する。機能していない場合、方法９００はブロック９２０に戻る。しかし、ＨＶＤＣリンクが機能している場合、方法９００はブロック９０５に戻り、風力発電所内の全ての風力タービンが１次制御システムを使用して運転され、電力が、ＨＶＤＣリンク上で伝送される。換言すれば、ＨＶＤＣリンクが再び機能すると、シャットダウンされたタービンは、再始動し、補助制御システムを使用して運転する風力タービンは、代わりに、１次制御システムを使用して運転される。
図１０は、本開示で述べる一実施形態によるＨＶＤＣリンクの機能に応じて異なるモードで運転する複数の風力タービンを含む風力発電所１０００のブロック図である。例において、風力発電所１０００は、ＨＶＤＣリンク１０４０を介して陸上グリッド１０４５に結合される洋上風力発電所である。しかし、以下の実施形態は、遠方グリッドに電力を伝送するためにＨＶＤＣリンク１０４０（又はＨＶＡＣリンク）を使用する陸上風力発電所にも適用され得る。
風力発電所１０００は、それぞれが、タービンコントローラー１０１０及び補助システム１０２５（例えば、ヨーコントローラー／モーター、ポンプ、除氷システム等）を含む３つの風力タービン１００５Ａ、１００５Ｂ、及び１００５Ｃを含む。タービンコントローラー１０１０は、ＨＶＤＣリンク１０４０の機能に応じてそれぞれの風力タービン１００５の運転を制御する２つの別個の制御システムを有する。図９の方法９００で述べたように、タービンコントローラー１０１０は、ＨＶＤＣリンク１０４０が機能しているときに１次制御システム１０１５を使用し、それは、電力が発電所１０００から陸上グリッド１０４５に伝送されることをもたらす。しかし、ＨＶＤＣリンク１０４０が機能しないとき、風力発電所コントローラー１０５０は、代わりに補助制御システム１０２０を使用して運転するようにタービンコントローラー１０１０の１つ以上に指令することができる。例えば、ここで示す３つの風力タービン１００５は、ＨＶＤＣリンク１０４０がダウンするときに発電所１０００内の全ての風力タービンの補助システム１０２０に電力を提供する発電所１０００内のバックアップ風力タービンとして指定することができる。換言すれば、風力発電所１０００内の図１０に示す３つのタービン１００５以外の全てのタービンを、ＨＶＤＣリンクが使用不能になるとシャットダウンすることができる。シャットダウンされる代わりに、風力タービン１００５Ａ、１００５Ｂ、及び１００５Ｃは、１次制御システム１０１５を使用して運転することから補助制御システム１０２０を使用して運転することに切換わり、補助制御システム１０２０は、ローカルＡＣグリッド１０３０（図３及び図４のローカルＡＣグリッドを示すために参照３３６が使用された）上で十分な量の電力を出力して、シャットダウンされたタービン内の補助システム並びにタービン１００５Ａ、１００５Ｂ、及び１００５Ｃ上の補助システム１０２５Ａ、１０２５Ｂ、１０２５Ｃを運転する。
図示するように、風力タービン１００５は、ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５を含む洋上グリッドサブステーション１０３３を介してＨＶＤＣリンク１０４０に結合される。１つの実施形態において、洋上グリッドサブステーション１０３３は、洋上風力発電所１０００内のプラットフォーム上に配設され、ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５を封入する（encloses）構造を含む。しかし、別の実施形態において、洋上グリッドサブステーション１０３３及びＡＣ−ＤＣ変換器１０３５を、同じプラットフォーム上に配設するが、異なる筐体（enclosures）に収容することができる。いずれの場合も、ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５は、ローカルＡＣグリッド１０３０上の電力を、ＨＶＤＣリンク１０４０上での伝送のためのＤＣ電力に変換するために使用される。
ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５は、非制御式変換器又は制御式変換器（例えば、自励式又は更に他励式変換器）であり得る。例えば、多くの現行の洋上風力発電所は、図４において上述した非制御式ダイオード整流器より通常高価である制御式変換器を使用して、陸上グリッドにタービンを接続する。方法９００に挙げられ、風力発電所１０００に示される制御技法は、ローカルＡＣグリッド１０３０をＨＶＤＣリンク１０４０に結合するために使用されるＡＣ−ＤＣ変換器１０３５のタイプによらず使用され得る。例えば、１次制御システム１０１５は、ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５が風力発電所コントローラー１０５０によって能動的に制御される制御技法であり得る。１つの実施形態において、１次制御システム１０１５を使用するときに風力タービン１００５によって出力される電力はＡＣ−ＤＣ変換器１０３５によって決定される。すなわち、個々の風力タービン１００５によって出力される電力は、例えば、風力発電所コントローラー１０５０によって送信される所望の設定点からではなく、変換器１０３５によって左右される場合がある。
代替的に、ＡＣ−ＤＣ変換器１０３５が図４に示す非制御式ダイオード整流器である場合、１次制御システム９１５は、図５のＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５が個々の風力タービン１００５の出力を制御するために作動される上述した大電力モードとすることができる。この実施形態において、風力タービン１００５の出力はＡＣ−ＤＣ変換器１０３５ではなく所望の設定点によって制御される。
発電所１０００内のシャットダウンされた風力タービンに補助電力を提供することに加えて、風力タービン１００５Ａ〜１００５Ｃは、ＨＶＤＣリンクが機能しないときに、洋上グリッドサブステーション１０３３及びＡＣ−ＤＣ変換器１０３５にも電力を提供することができる。例えば、サブステーション１０３３及び変換器１０３５は、陸上グリッド１０４５に対する能動的接続が存在しないときに運転するために、タービン１００５Ａ〜１００５Ｃによって提供される補助電力を使用し得る制御システム及び回路要素を含むことができる。そのため、風力発電所１０００は、ＨＶＤＣリンク１０４０が機能しないときに、グリッドサブステーション１０３３及び変換器１０３５に電力を提供する発電機又は電池システムを必要としない場合がある。
１つの実施形態において、補助制御システム１０２０及び１次制御システム１０１５は、ＨＶＤＣリンクの状態に応じて実行されるそれぞれのソフトウェアアプリケーション又はモジュールである。そのため、風力発電所コントローラーは、ＨＶＤＣリンクの状態に応じて補助制御システム１０２０又は１次制御システム１０１５を実行するように個々のタービンコントローラーに指令し得る。例えば、タービンコントローラー１０１０は、少なくとも１つのプロセッサ及びソフトウェアアプリケーションを記憶するのに十分なメモリを含むことができる。しかし、他の実施形態において、補助制御システム１０２０及び１次制御システム１０１５はハードウェア又はファームウェア構成要素を含む。
さらに、図１０は、風力発電所１０００をＨＶＤＣリンクに結合することを示すが、別の実施形態において、風力発電所１０００は、ローカルＡＣグリッド１０３０上のＡＣ電力信号をＨＶＡＣリンクに適する高電圧ＡＣ電力信号に変換するＡＣ−ＡＣ変換器を介してＨＶＡＣリンクに結合される。
図１１は、本開示で述べる一実施形態による、ＨＶＤＣリンクが機能しない状態で風力タービンによって使用される補助制御システム１０２０を示す。補助制御システム１０２０は、補助制御システム１０２０が、ＰＩコントローラー５６５、無効電力調整器５７５、及びスイッチ５６０、５７０を含まないことを除いて、図５の制御システム５００と同じである。換言すれば、補助制御システム１０２０は、ＰＩコントローラー５６５及び無効電力調整器５７５が停止されるときに風力タービンがアイランドモードで運転するときに使用される構成要素を含む。
図示するように、補助制御システム１０２０は、無効電力制御脚１１０５及び有効電力制御脚１１１０を含む。これらの脚１１０５、１１１０内の種々の構成要素は、制御システム５００がアイランドモードで運転するときの図５の無効電力制御脚５８５及び有効電力制御脚５８０と同じ方法で働く。そのため、脚１１０５及び１１１０の機能はここでは繰返されない。
上記において、本開示で提示される実施形態に対して参照が行われている。しかし、本開示の範囲は、特定の述べる実施形態に限定されない。代わりに、上記で提供された特徴及び要素の任意の組合せが、異なる実施形態に関連してもしなくても、企図される実施形態を実装し実施することを企図される。さらに、本明細書で開示される実施形態は、他の考えられる解決策に勝る又は従来技術に勝る利点を達成することができるが、特定の利点が所与の実施形態によって達成されるか否かは、本開示の範囲を制限しない。そのため、本明細書で述べる態様、特徴、実施形態、及び利点は、単に例証であり、特許請求項（複数の場合もある）において明示的に挙げられる場合を除いて、添付特許請求項の要素又は制限と考えられない。
当業者によって認識されるように、本明細書で開示される実施形態は、システム、方法、又はコンピュータープログラム製品として具現化することができる。したがって、態様は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）、又は、全てを全体的に、本明細書で「回路（circuit）」、「モジュール（module）」、又は「システム（system）」と呼ぶことができるソフトウェア及びハードウェア態様を組み合わせる実施形態の形態をとることができる。さらに、態様は、コンピューター可読プログラムコードを具現化する１つ以上のコンピューター可読媒体において具現化されたコンピュータープログラム製品の形態をとることができる。
本発明は、システム、方法、及び／又はコンピュータープログラム製品とすることができる。コンピュータープログラム製品は、本発明の態様をプロセッサに実施させるためのコンピューター可読プログラム命令をその上に有する、１つ（又は複数）のコンピューター可読記憶媒体（例えば、ポータブルコンピューターディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバー、ポータブルコンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光記憶デバイス、磁気記憶デバイス、又は上記の任意の適した組合せ）を含むことができる。
本開示の態様は、本開示において提示される実施形態による、方法、装置（システム）、及びコンピュータープログラム製品のフローチャート例証及び／又はブロック図を参照して以下で述べられる。フローチャート例証及び／又はブロック図の各ブロック並びにフローチャート例証及び／又はブロック図のブロックの組合せがコンピュータープログラム命令によって実装され得ることが理解されるであろう。これらのコンピュータープログラム命令は、汎用コンピューター、専用コンピューター、又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供されて、コンピューター又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１つ以上のブロックで指定される機能／行為を実装するための手段を作成するようなマシンを生成することができる。
図のフローチャート及びブロック図は、種々の実施形態による、システム、方法、及びコンピュータープログラム製品の考えられる実装態様のアーキテクチャ、機能、動作を示す。この点に関して、フローチャート又はブロック図の各ブロックは、指定された論理機能（複数の場合もある）を実装するための１つ以上の実行可能命令を含む、モジュール、コードのセグメント、又はコードの所定の部分を示すことができる。幾つかの代替の実装態様において、ブロックに記す機能が、図で記す順序から外れて行うことができることにも留意されるべきである。例えば、連続して示す２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実施することができる、又は、ブロックは、時として、関係する機能に応じて逆順で実行することができる。ブロック図及び／又はフローチャート例証の各ブロック並びにブロック図及び／又はフローチャート例証のブロックの組合せが、指定された機能若しくは行為を実施する専用ハードウェアベースシステム又は専用ハードウェア及びコンピューター命令の組合せによって実装され得ることにも留意されたい。
上記を考慮して、本開示の範囲は、添付特許請求項によって決定される。

Claims (15)

  1. 無効電力制御脚及び有効電力制御脚を備える制御システムを使用して、電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで風力タービンを運転することと、
    積分動作を有するコントローラーを作動させることによって前記第１のモードから第２のモードに前記風力タービンの運転を切換えることであって、それにより、前記風力タービンによって出力される電力を増加させることと、
    を含み、前記コントローラーは、前記無効電力制御脚と前記有効電力制御脚との間に結合され、前記第２のモードにあるとき、前記風力タービンは、前記ローカルＡＣグリッドを介して、高圧直流（ＨＶＤＣ）リンクに電力を伝送し、前記風力タービンは、ダイオード整流器を使用して前記ＨＶＤＣリンクに結合される、方法。
  2. 前記第２のモードにあるとき、前記コントローラーは、入力として、所望の有効電力値と実際の有効電力値との差を前記有効電力制御脚から受信し、前記無効電力制御脚についての電圧調整を出力し、前記コントローラーは比例積分（ＰＩ）コントローラーを備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ＰＩコントローラーによって出力される前記電圧調整と、所望の無効電力値と実際の無効電力値との差から導出される電圧とを結合することによって、前記無効電力制御脚において振幅電圧を生成することを更に含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記有効電力制御脚は電圧係数角度を出力し、前記無効電力制御脚は振幅電圧を出力し、前記方法は、
    前記電圧係数角度及び前記振幅電圧に基づいて前記風力タービン内の電力変換器についての制御信号を生成することを更に含み、前記電力変換器は３相ＡＣ信号を出力する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記第１のモードから前記第２のモードに切換えることは、
    前記無効電力制御脚と前記有効電力制御脚との間に結合された無効電力調整器を作動させることを含み、前記無効電力調整器は、入力として、所望の無効電力値と実際の無効電力値との差を前記無効電力制御脚から受信し、前記有効電力制御脚についての角度調整を出力する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記無効電力調整器によって出力される前記角度調整と、所望の有効電力値と実際の有効電力値との差から導出される角度とを結合することによって、前記有効電力制御脚において電圧係数角度を生成することを更に含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記無効電力調整器は、前記風力タービンによって出力される無効電力を、前記ローカルＡＣグリッドを介して前記ＨＶＤＣリンクに結合された他の風力タービンによって出力される無効電力に対して等化させる、請求項５に記載の方法。
  8. 風力タービンであって、
    制御システムであって、
    無効電力制御脚と、
    有効電力制御脚と、
    積分動作を有するコントローラーであって、前記無効電力制御脚と前記有効電力制御脚との間に選択的に結合される、コントローラーと、
    を備える、制御システムを備え、
    前記制御システムは、
    電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで該風力タービンを運転させ、
    前記コントローラーを作動させることによって前記第１のモードから第２のモードに該風力タービンの運転を切換え、それにより、該風力タービンによって出力される電力を増加させるように構成され、前記第２のモードにあるとき、該風力タービンは、前記ローカルＡＣグリッドを介して、高圧直流（ＨＶＤＣ）リンクに電力を伝送し、該風力タービンは、ダイオード整流器を使用して前記ＨＶＤＣリンクに結合される、風力タービン。
  9. 前記第２のモードにあるとき、前記コントローラーは、入力として、所望の有効電力値と実際の有効電力値との差を前記有効電力制御脚から受信し、前記無効電力制御脚についての電圧調整を出力し、前記コントローラーはＰＩコントローラーを備える、請求項８に記載の風力タービン。
  10. 前記制御システムは、前記ＰＩコントローラーによって出力される前記電圧調整と、所望の無効電力値と実際の無効電力値との差から導出される電圧とを結合することによって、前記無効電力制御脚において振幅電圧を生成するように構成される、請求項９に記載の風力タービン。
  11. 前記有効電力制御脚は電圧係数角度を出力し、前記無効電力制御脚は振幅電圧を出力し、前記制御システムは、
    前記電圧係数角度及び前記振幅電圧に基づいて前記風力タービン内の電力変換器についての制御信号を生成するように更に構成され、前記電力変換器は３相ＡＣ信号を出力するように構成される、請求項８、９、又は１０に記載の風力タービン。
  12. 前記制御システムは、前記無効電力制御脚と前記有効電力制御脚との間に選択的に結合された無効電力調整器を備え、
    前記第１のモードから前記第２のモードに切換えられると、前記制御システムは、
    前記無効電力調整器を作動させるように構成され、前記無効電力調整器は、入力として、所望の無効電力値と実際の無効電力値との差を前記無効電力制御脚から受信し、前記有効電力制御脚についての角度調整を出力する、請求項８、９、１０、又は１１に記載の風力タービン。
  13. 前記制御システムは、前記無効電力調整器によって出力される前記角度調整と、所望の有効電力値と実際の有効電力値との差から導出される角度とを結合することによって、前記有効電力制御脚において電圧係数角度を生成するように構成される、請求項１２に記載の風力タービン。
  14. 前記無効電力調整器は、前記風力タービンによって出力される無効電力を、前記ＨＶＤＣリンクに結合された他の風力タービンによって出力される無効電力に対して等化させるように構成される、請求項１２に記載の風力タービン。
  15. 風力タービンのための制御システムであって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサによって実行されると、運転を実施するプログラムを記憶するように構成されるメモリと、
    を備え、前記運転は、
    無効電力制御脚及び有効電力制御脚を備える制御システムを使用して、電力をローカルＡＣグリッドに提供する第１のモードで風力タービンを運転することと、
    積分動作を有するコントローラーを作動させることによって前記第１のモードから第２のモードに前記風力タービンの運転を切換えることであって、それにより、前記風力タービンによって出力される電力を増加させることと、
    を含み、前記コントローラーは、前記無効電力制御脚と前記有効電力制御脚との間に結合され、前記第２のモードにあるとき、前記風力タービンは、前記ローカルＡＣグリッドを介して、高圧直流（ＨＶＤＣ）リンクに電力を伝送し、前記風力タービンは、ダイオード整流器を使用して前記ＨＶＤＣリンクに結合される、制御システム。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3316438A1 (en) 2016-10-26 2018-05-02 MHI Vestas Offshore Wind A/S Controlling power exchange from self-commutated converters
US12018655B2 (en) 2019-08-08 2024-06-25 Vestas Wind Systems A/S Providing auxiliary power using offshore wind turbines
KR102322887B1 (ko) * 2020-02-05 2021-11-05 효성중공업 주식회사 Hvdc 시스템의 프로그램 안전성 확보 방법 및 이를 이용한 hvdc 시스템
US11641109B2 (en) * 2022-05-17 2023-05-02 Zhejiang University Grid-forming wind turbine control method for diode rectifier unit-based offshore wind power transmission system

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3547355B2 (ja) * 1999-12-28 2004-07-28 株式会社日立製作所 電力変換システム
US8188610B2 (en) * 2008-09-08 2012-05-29 General Electric Company Wind turbine having a main power converter and an auxiliary power converter and a method for the control thereof
EP2166225B1 (en) * 2008-09-19 2016-08-10 Vestas Wind Systems A/S A wind park having an auxiliary power supply
DE102008049630A1 (de) * 2008-09-30 2010-04-08 Repower Systems Ag Überspannungsschutzgerät für Windenergieanlagen
US20100157632A1 (en) * 2008-12-20 2010-06-24 Azuray Technologies, Inc. Energy Conversion Systems With Power Control
JP5226540B2 (ja) * 2009-01-09 2013-07-03 株式会社ダイヘン インバータ制御回路、このインバータ制御回路を備えた系統連系インバータシステム
EP2219277B1 (en) * 2009-02-12 2012-07-11 Viserge Ltd. AC-connection of an off-shore wind-park to an on-shore electricity grid
DK2236821T3 (en) * 2009-04-03 2017-03-20 Xemc Darwind Bv Island operation of wind farm.
WO2011104270A2 (en) * 2010-02-25 2011-09-01 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine controller applying differential pole control algorithm
US9353732B2 (en) * 2010-12-23 2016-05-31 Vestas Wind Systems A/S Method of operating a wind turbine as well as a system suitable therefor
EP2565443A1 (en) * 2011-09-05 2013-03-06 XEMC Darwind B.V. Generating auxiliary power for a wind turbine
EP2662561A1 (en) * 2012-05-09 2013-11-13 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for damping a shaft oscillation
JP6257895B2 (ja) * 2012-12-27 2018-01-10 エムエイチアイ ヴェスタス オフショア ウィンド エー／エス 洋上発電施設及びその運転方法
WO2014131457A1 (de) * 2013-02-28 2014-09-04 Siemens Aktiengesellschaft Umrichterstation mit diodengleichrichter
PT3005516T (pt) * 2013-07-25 2021-01-26 Siemens Ag Método e dispositivo para sinalização e controlo de uma rede elétrica que acopla uma pluralidade de atuadores
WO2016115662A1 (en) * 2015-01-19 2016-07-28 Abb Technology Ltd Method for operating wind farm in islanding mode and control system therefor
EP3116086B1 (en) * 2015-07-07 2019-05-22 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Operating a wind turbine being connected to a utility grid both via a hvdc power connection and via an umbilical ac cable with a network bridge controller performing a power and a voltage control
EP3316438A1 (en) 2016-10-26 2018-05-02 MHI Vestas Offshore Wind A/S Controlling power exchange from self-commutated converters

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