JP2005201260A - 油圧装置を備えた風力発電プラントの制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】部分的負荷範囲における風ロータの効率を最適化するために、一定速度で主回路網に接続される発電機の制御システムを提供する。
【解決手段】少なくとも３つの制御レベルを持ち、第１制御レベルは風ロータと、風ロータにより駆動され、第１および第２動力分岐路を持つ動力分割ギアと、第１動力分岐路から動力を受け、第２動力分岐路を介して動力分割ギアへ動力のフィードバックを行う反動部材を備えた油圧速度変換器と、一定のシステム周波数で回路網への電力を発生する発電機とから成り、動力分割ギアと油圧速度変換器との組合せは最適効率速度の場合に風ロータの入力に対応し、第２制御レベルは、ロータブレードの角度位置と反動部材と発電機のパワーエレクトロニクスのためのコントローラから成り、第３制御レベルは、風力発電プラントの操作状態と回路網と風特性に依存して、第２制御レベルのコントローラを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風ロータと固定周波数を持つ回路網に接続される発電機との間の駆動列内で油圧装置を持つ風力発電プラントの制御システムに関する。

最初に入力側に関して風力発電プラントの特別なシステム特性に留意すると、特に、空気流の典型的に強く変動する動力ポテンシャルの時間経過に加えて、空気流の機械的動力の風ロータの機械的動力への動力変換がある。これに関して、駆動空気流の各流速を、一部分で風ロータの幾何学形状および設計に依存する風ロータのための最適速度−トルク比と組み合わせることができる。風速に依存する風ロータの最適速度を表す経過曲線は放物線として知られている。最適効率速度の用語は、この出願では前記放物線に従うロータ速度のために使用される。

風力発電プラントの機械動力の発電機による電力への変換は、風力発電プラントにおける別の必要性に通じる。電気相互接続回路網への発電機の接続は一定システム周波数の監視を必要とするからである。

発電機を主回路網に接続する時、第１の解決策は固定速度方式で風力発電プラント（および風ロータも）の完全な駆動列を提供することである。そのような固定速度風力発電プラントは、この原理により生じるスリップに基づいて非同期発電機を使用することにより電気相互接続回路網に容易に連結できる。駆動列での速度の不変は、ギアにより風ロータに伝達され、風ロータは異なる風速で、最適性能を越えて回転することはない。

固定速度風力発電プラント内での特に不利益な観点は、風力発電プラントが度々、典型的な風条件下で起こる部分的負荷での減少効率で操作できるだけということである。

風力発電プラントが一般的に操作され、特に部分的負荷範囲において可変ロータ速度で操作されると、可変発電機速度または一定発電機速度に至る可変初期速度または一定初期速度を駆動列に提供する可能性がある。また、出力は時間的に変化するモーメントにより両方の場合に時間経過により変化する。

第１の場合は風力発電プラントにおいて、周波数変換器の使用に通じ、周波数変換器は必要な周波数で発電機を励起するか、存在するシステム周波数の差に対する補正を提供し、それで、速度可変発電機を実現する。このアプローチは、ここで解決すべき問題から離れ、複雑な開ループ制御回路および閉ループ制御回路、周波数変換器内の風ロータの逆反映放物線特性、周波数変換器により定められる発電機特性の剛性、厳しい環境制限の場合の低い操作信頼性のような特別な問題に繋がり、無駄な費用で、わずかだけの調和の発生および無効電力の低い生産のような操作される主入力特性に繋がる。

すなわち、周波数変換器を使用することなく、風力発電プラントの可変ロータ速度を一定の発電機速度と組み合わせる第２アプローチは、可変入力速度と一定出力速度での風力発電プラントの、ここで現れる話題に対応する。この問題の周知な解決策は機械的動力を分岐する重合ギアを使用する。これに基づく２つのアプローチだけが、発電機周波数を一定に保持するために使用される可変速度風力発電プラントに関連して知られている。

第１システムにおいて、入力は重合ギアを介して大きい発電機と、小さいサーボモータとに分割され、入力の約３０％が通常、サーボモータへ伝達される。
発電機は固定周波数で回路網へ接続され、他方、サーボモータは周波数変換器を介して主回路網に接続されるか、発電機と機械的に連結される補助発電機を介して給電される。発電機速度を安定するため、サーボモータは異なる周波数を持つモータまたは発電機として操作される。そのようなシステムは、周波数制御される発電機を持つ風力発電機と同じ問題を有する。

油圧式に作動する第２システム内で、油圧モータおよびポンプは電気サーボモータの代わりに使用される。このシステムは、異なる制御特性の問題、特に、鈍い応答特性、適切なアイドル時間および強い非直線性を有する。さらに、油圧システム構成要素は構造上の複雑さのため不利である。

主回路網に接続される発電機の速度および用途の最適効率案内から生じる風力発電機の制御系に設置される上記の要求に加えて、風力発電プラントの異なる操作範囲および操作状態から生じる制御系に設置される別の要求がある。この出願では、操作範囲の用語は有効な風および風力発電プラントの容量利用度に依存して理解される。３つの異なる相互に隣接する操作範囲が、例示の仕方で以下に区別される。それらの操作範囲は、部分的負荷範囲または放物線負荷範囲、ノイズ減少および性能制限全負荷範囲のための速度案内範囲のように低風速から高風速へ分類されることにより選定される。これは、始動段階、同期段階、停止までの風力発電プラントの停止段階またはブレーキである。別の操作状態は主回路網接続の要求から生じることができる。これは、負荷減少、短絡、有効電力要求または出力減少に関するものである。

本発明は、部分的負荷範囲のための風ロータの効率を最適化した速度案内に関連して一定速度で主回路網に接続される発電機の作動を許容する風力発電プラントの制御システムを提供することを目的とする。また制御システムは同時に、ノイズ制限に関する速度減少、および全負荷操作に同時に適しているものとする。さらに、制御システムは全ての操作範囲および風力プラントの操作時に発生する局面に適するものである。

これらの目的を達成するために、風力発電プラントに適する制御システムは、少なくとも３つの制御レベルで構成しなければならないことを、発明者は認識した。

第１制御レベルは、本発明によると、駆動列を介して接続される風ロータと主回路網接続発電機とから成る。これは、動力分割ギアと油圧フェッティンガー速度変換器との組合せを表す。この第１制御レベルは、最適な効率の仕方でロータ速度を案内し、同時に一定の発電機速度を確保することができる特性を有する。これは、駆動列の次の構成による可能な実施例で達成される。

動力分割ギアの入力軸は、少なくとも風力発電プラントの風ロータと間接的に連結される。風ロータと動力分割ギアの入力との間の可能な中間部材は速度変換器である。剛性継ぎ手も可能である。

２つの動力分岐路は、可変ギア比を持つ遊星ギアとして構成できる動力分割ギア内に形成される。駆動列の出力軸は機械的動力を持つ第１動力分岐路内で風ロータにより駆動され、前記出力軸は少なくとも発電機と間接的に接続される。発電機駆動のための出力軸は一定速度で回転する必要がある。これを達成するために、油圧変換器は駆動列の出力により少なくともポンプインペラーと間接的に駆動され、出力軸とポンプインペラーとの間で直接接続が存在する。これは、出力軸が入力軸の速度に比較してかなり高速で動力分割ギア内で速度変換されることを必要とする。発電機の典型的な速度は、例えば、１５００ｒｐｍである。出力軸でのそのような高速により、油圧フェッティンガー速度変換器の有効な操作を提供できる。

典型的には案内羽根を持つ案内羽根車である油圧フェッティンガー速度変換器の反動部材の位置に依存して、ポンプの特別な動力吸収が起こり、それで、油圧フェッティンガー速度変換器のタービン羽根車へ連結される動力伝達が起こる。これは、空気流から風ロータの運動エネルギーへの動力変換のシステム固有特性の結果として、速度変換器のシステム特性の結果として、一般的には重合ギアに関連し、特に、風力発電プラントの部分的負荷に関連する速度変換器のシステム固有制御効果により、駆動列の出力軸での押圧一定発電機速度で駆動列の入力軸に風ロータのために最適入力速度を達成できるようにして、動力分割ギアおよび油圧変換器の反動部材の伝達比が設定できることになる。これは、風ロータおよびターボ機械としての速度変換器が速度／動力および速度／モーメントの同じ特性を持ち、同一システム特性の結果として制御のために同一の特性が必要であるという結果となる。

動力分割ギアと、出力軸にタップを備え動力分割ギアへの動力環流をする油圧速度変換器とを有する駆動列は、おおよその仕方で放物線曲線を持つ風ロータの最適吸収特性が駆動列により反映されるようにして機械的ギア要素の調整により設計される。可変入力、入力のための最適速度に沿った風ロータの案内、一定の発電機速度は、油圧速度変換器の反動部材の実質的に一定の設定のため、
そのような調整駆動列のために達成できる。この設計に依存する駆動列の出力速度の自己調整だけに通じるこの結果は、動力を動力分割ギアに戻すことができる油圧速度変換器がまた、放物線特性を有するようにして説明できる。結局、実際の意味では第１制御レベルのための所望値／実際値による制御はない。実際には、油圧速度変換器の反動部材の制御または放物線に沿った風ロータの速度案内と関連する実質的な一定値の設定だけが存在する。したがって、自己調整の用語は、この出願では第１制御レベルのために使用される。

本発明による第２制御レベルは、ロータブレード位置のためのコントローラと、油圧速度コントローラの反動部材の位置のためのコントローラと、発電機のパワーエレクトニクスのためのコントローラとから成る。前記第２制御レベルのコントローラは、それらが目標値と実際値との比較を実行し、動作信号を検出するので、実際の意味でループコントローラである。本発明によると、第２制御レベルのコントローラは、全操作範囲または操作状態に対して同時に動作せず、同じウエイティングを持たない。操作状態または操作範囲間の移行中に、さらに、コントローラウエイティング内で徐々の移行が起こるのが好ましい。

第３制御レベルは、本発明によると、異なる操作範囲および操作状態に依存して第２制御レベルのコントローラの選択を制御し、それらのウエイティングまたは、それぞれの徐々の移行を決める課題が割り当てられる。さらに、第３制御レベルは目標値、操作点および、好ましくは、第２制御レベルのためのコントローラ設定を決める。

本発明による方法を、図面を参照して次に詳細に説明する。

風力発電プラントのP_Rは近似した仕方で風速V_Wに関連する。

ブレード幾何学形状や空気密度のような種々の定数は、ここでは、ｋとして
組み合わせられる。さらに、c_pは動力係数と称され、それは、上式で示すように風速V_Wと、ロータ速度ω_Rと、ロータブレードの角度位置、いわゆるピッチ角度に依存する。この動力係数は包括的な最大値により特徴付けられ、風速V_Wの増加の場合、より高いロータ速度ω_Rに向けて変化する。

図３は、この関連において、異なる風速を考慮した風ロータの有効動力を例示する。曲線の組（実線）は、例示の仕方で、風速１８ｍ／ｓ、１６ｍ／ｓ、１４ｍ／ｓ、１２ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、８ｍ／ｓの一定のロータブレードピッチ角度での空気流から直径７０ｍの風ロータにより受ける動力を示す。風速の上昇による高い値に向かう最適なロータ速度の移行が特徴的である。それぞれの動力最大値は放物線として知られている曲線上に位置する。最適動力の前記の曲線に沿う速度ダイダンスは、以下では、本発明による駆動列の入力軸のための最適効率速度ガイダンスと称される。それで、変速ユニットは最適動力係数での有効な風速にしたがって操作できる。部分的負荷での変速操作に加えて、風力発電プラントは、典型的には、各々が達成され、全負荷で保持される定格速度に関連したある種の定格出力ために設計される。

風ロータのトルクは、破線で示される曲線の組に基づき図３で示される。図示のトルク曲線は風速に依存するそれぞれの動力に関連し、すなわち、トルク値は各々の最適効率速度に属し、このトルク値は、それぞれの風速での最大トルクに対応するのではなくて、他の値（図２の太線のトルク入力曲線を参照）をとる。風ロータにより生じるこのトルクにより、発電機は本発明による駆動列を介して駆動される。図３で示される同期発電機のためのトルク／速度比から、一定速度（この例では１５００ｒｐｍ）が設定され、異なる伝達トルクのための駆動要素の被駆動軸上に印加される回路網周波数５０Ｈｚため、被駆動側に保持されるのが分かる。

同期発電機の代わりに非同期発電機が使用されるならば、急勾配のトルク／速度比のような線形範囲での操作中に、駆動列の被駆動軸の速度は実質的に一定値を持つと仮定できるので、状態は実質的に同様である。

図２は、入力軸２が少なくとも風力エンジンのロータ３と間接的に接続される駆動列１から成る本発明による第１制御レベルの可能な実施例を示す。この場合、一定のギヤ比を持つギア４は風力エンジンのロータ３と入力軸２との間に設置される。ここで示すような実施例では、入力軸２が遊星キャリア６と連結され、駆動列１の動力分割ギア５として遊星ギアが使用される。動力分割ギア５内には２つの動力分岐路がある。第１分岐路７は太陽ホイール９を介して駆動列１の出力軸１０へ動力を案内する。前記出力軸１０は、少なくとも間接的に発電機１１を駆動し、油圧速度変換器１２と作用的に連結される。このために、出力軸１０は少なくとも間接的に油圧速度変換器１２のポンプホイール１３に連結される。調整ブレードを持つガイドホイールは油圧速度変換器１２内の反動部材１５として使用され、油圧速度変換器によりタービンホイール１４での動力流を設定できる。動力分割ギア５の外ギアホイール１７に部分的に作用してギア比に影響し、第２固定遊星ホイールセット１６を介して案内され、
タービンホイール１４を経る動力戻り流がある。これは、動力戻り流のために使用される動力分割ギアの第２動力分岐路１８に現れる。

本発明による第１制御レベルは、動力分割ギア内での機械的伝達を選択し、速度変換器のサイズを決めることにより、風ロータ３による最適動力入力の放物線特性が反映されるようにして、構造的な観点から構成される。始動点は、各風速にとって空気流からの最大動力入力のための理想的なロータ速度を決定できる。これに関連して図３との関係で先の議論を言及する。発電機のための駆動列の一定出力速度は、同時に別の前提条件として設定される。この場合、これは１５００ｒｐｍである。動力分割ギアのギア要素（例えば、外ギアおよび太陽ホイール）の必要な回転速度は、上記前提条件を考慮して部分的負荷範囲内で風速毎に決定できる。駆動列は、油圧速度変換器１２の反動部材１５の実質的に一定に維持する位置のための放物線動力入力特性を反映することに注意しなければならない。

図４は駆動列に生じる速度と、個々の分岐路内に伝達される動力とを表す。
詳細には、曲線Ａは被駆動軸１０の速度を示し、曲線Ｂは油圧速度変換器１２のタービンホイール１４の速度を示し、曲線Ｃは入力軸２の速度を示し、曲線Ｄは動力分割ギア５の外ギア１７の速度を示す。動力流のため、曲線Ｅは風ロータにより生じる動力を表し、曲線Ｆは太陽ホイール９での動力であり、曲線Ｇは駆動列により伝達される動力であり、曲線Ｈは油圧速度変換器１２から動力分割ギア５へ第２動力分岐路１８を介して戻る動力流を示す。

図５は、再び、この実施例の動力流と、この場合には油圧速度変換器のガイドホイールである反動部材の設定とを示す。動力流曲線Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは図４のＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈに対応する。駆動列の特性により再生できる放物線に沿った最適動力入力の場合、図示の全部分負荷範囲に亘り実質的に均等に維持するガイドブレード位置で作用できることは明らかである。この設定は、以下では、油圧速度変換器の調整設定と称する。同期可変最適風ロータ速度で発電機にチャージングする駆動列の出力速度の不変を達成するための反動部材の制御は不要である。その結果、動力入力を特徴付ける放物線の急勾配は、速度変換器のサイズに関連した動力分割ギアの要素の伝達部のサイズにより設定できることを言及する。本発明による駆動列のこの特性は以下において自己調整と称する。

図１は本発明による風力発電プラント用の制御レベルの階層的構造を示す。第１制御レベルは上記のように風ロータと発電機とを持つ自己調整駆動列である。第１制御レベルは、ロータブレード角度の制御と、油圧速度変換器の反動部材の位置と、発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラとから成る第２制御レベルにより重ねられる。実際値と目標値との比較は、上記の各コントローラのため、この第２制御レベルで生じ、それにより、それぞれの動作信号が発せられる。

経験では、第２制御レベルの全てのコントローラは全ての操作範囲および操作状態で動作しないことを示している。個々のコントローラの徐々の切換えと同様にコントローラ動作およびコントローラウエイティングの制御は、第３制御レベルで発生される。第３制御レベルは操作状態または操作範囲に依存して制御される変化を選択するのでなくて、一方の変数および同じ変数、例えば、ロータブレード角度のため、異なるコントローラまたは異なるコントローラ設定を使用することもできる。これは、それぞれの特別状況に対する制御特性と同様に制御特性および制御速度の調整を許容する。さらに、目標コントローラ値および選択される操作点の設定は、第３制御レベルにより上位制御レベルとして得られる。

異なる操作範囲のための制御レベル２の異なるコントローラの選択を、図６を参照にして説明する。ロータ速度に依存する風ロータにより生じるモーメントが示される。さらに、この図は油圧速度変換器の反動部材の異なる位置（Ｈ）のトルク／速度比を示す曲線の組を示す。

Iで示される操作範囲は、部分的負荷範囲または放物線負荷操作を表す。この部分的負荷範囲では第１制御レベルの自己調整だけが適用され、すなわち、第２制御レベルのコントローラは、いずれも作動しない。このため、風ロータは、その回転速度に関して最適効率路で案内され、空気流から最大動力を得るように（最適一定値に設定されることを意味する。）、反動部材が第１制御レベルで制御される。

センサおよびそれぞれのセンサは、部分的負荷範囲または放物線負荷範囲での風ロータの最適効率ガイドを監視するために第３制御レベルに付設される。このため、平均風速、風ロータの速度および発電機速度が考慮される。さらに、駆動列および発電機の別の操作パラメータを監視し、モデルに基づき同じものを評価することができる。電流作用範囲または、現在の操作状態のこの考慮に基づき、デフォルト値を第３制御レベルにより風力発電プラントの第２制御レベルおよび第１制御レベルに送ることができる。信号判別ユニットは当業者には任意であり、例えば、バスシステムとして構成できる。

部分負荷範囲または放物線負荷範囲での通常の操作の場合、第３制御レベルにより、第１制御レベルが油圧速度変換器の反動部材の最適設定を使用するかどうかが決定される。この最適設定が油圧放物線に沿う自己調整を可能にする。
上記のように、反動部材の最適設定はシステムの固有変数である。しかしながら、風力ユニットのためのプロジェクト構成データは、平均風速、ロータブレードの幾何学形状および同一のものに基づく油圧駆動列のサイズに関して実際の操作条件とわずかに異なることが起こるかもしれない。この場合、第１制御レベルの最適効率ガイドからのずれは、第３制御レベルにより検出され、それにより、それぞれの調整をする必要がある。このため、第３制御レベルは第１制御レベル内の油圧速度変換器の反動部材の調整設定と対抗し、必要であれば、第２制御レベルでロータブレードの角度位置のためのコントローラを作動する。ロータブレードのための全アタックからの小さいずれは、典型的には、第１制御レベルの自己調整効果を単に支持する第２制御レベルのロータブレード位置のコントローラにより実際値として選択されるであろう。第２制御レベルのこの従属関係は、好ましくは、制御パラメータの設定中、例えば、通常の操作のこの場合の部分負荷での第３制御レベルにより設定される制御時間定数でも反映される。

図６による実施例において、ほぼ１５．５ｍ^−１の速度に対応する任意速度閾値を越えて部分負荷範囲を離れ、ノイズ制限のための減少されるロータ速度を持つ操作範囲に達する。IIで示されるこの操作範囲では、油圧速度変換器の反動部材の制御または反動部材の一定値の設定は、フィードバック制御により交換される。このフィードバック制御は、速度が最も簡単な場合に一定に保持され、一般的に風ロータにより生じるトルクに依存する曲線に沿って案内されるように反動部材のための操作点を選択する。風ロータの設定目標速度により、第２動力分岐路への戻り動力流の結果として伝達比が動力伝達ギア内で変化し、速度の不変の結果として発電機により押圧され、任意の目標速度が動力分割ギアの第１動力分岐路内で達成されるように反動部材は再調整される。コントローラ特性のそれぞれの設定をすることにより、コントローラは、平均風速の変化および突風により発生されるような短期間の変化の結果として操作点を再調整し、この制御された操作点の周囲での速度変化に至ることが達成される。第１制御レベルの自己調整特性は、このために使用され、それで、突風による衝撃は短期間エネルギー蓄積期間内で減少され、短期間の風力増加は駆動列で伝達される有効動力を増加するために使用される。

ノイズ制限操作範囲IIのためにされる第２制御レベルに対するコントローラのこの選択、動作およびウエイティングは、本発明において第３制御レベルにより実行される。このため、システムおよび周辺の測定変化、特に、ロータ速度、発電機速度、発電機出力、平均風速は第３制御レベルで処理され、現在の操作範囲および操作状態が決定され、それに基づき、第１制御レベルおよび第２制御レベルのための設定、操作点および操作範囲が設定される。

さらに、図６は参照数字IIIで示される風力発電プラントの全負荷操作への移行を示す。風力発電プラントの動力入力は一定に保持されねばならない。これは、第２制御レベルからのコントローラに油圧変速変換器の反動部材のためさらに使用されるコントローラを加えることにより達成される。これは、風ロータのブレード角度位置のコントローラ、いわゆるピッチコントローラに関連する。第２制御レベルのためのコントローラのそれぞれの選択は、本発明では第３制御レベルにより開始される。

図６において、数字IIで示される操作範囲「ノイズ減少のための速度制御範囲」は、風力発電プラントの組立場所に依存する、異なる値を仮定でき、または、例では沖合地域では、さらに省略でき、部分的負荷範囲または放物線負荷操作Iから直接、全負荷範囲IIIへ移動できる。

始動段階、停止段階、同期段階となることができる風力発電プラントの異なる操作状態に基づいて、風力発電プラントの制御システムに応答する必要となる別の必要性が生じる。システムが接続される回路網と関連する（これは、短絡、動力減少または反動部材のための必要性に関連する）結果または必要性の場合でさえ、第３制御レベルによるコントローラの選択が起こり得る。そのような回路網が必要な場合、第２制御レベルのための発電機の電力コントローラは第３制御レベルにより動作されるのが好ましい。

異なるコントローラ動作のための別の例は図８ａから図８ｆで順次に示される。これは、風力発電プラントの始動段階および停止段階に関連する。

風力発電プラントが始動すると、ブレード角度位置は最大動力の一部分だけが生じるように調整される。この動力は所要の速度のため風力発電プラントを加速するのに十分である。風ロータのブレード角度位置のコントローラは、いわゆるピッチコントローラは、ユニットが発電機速度の領域に達するように制御される。それから、第１制御レベル油圧速度変換器の反動部材は、実際の発電機速度がわずかな極偏差で目標速度に対応するように制御される。この目標（わずかな極偏差での発電機速度）は、システムの固有値であり、それで事前に設定される。同様に、フィードバック制御により反動部材のためにこの初期設定を調整することもできる。発電機のわずかな極偏差で設定速度に達すると直ちに、回路網の同期がおこる。同期後、風内でのロータブレード位置を変えることにより生じる全動力が起きるであろう。この時から、好ましくは、ロータブレード位置はもはや活発に制御されず、設定値に維持される。

ブレーキ段階を開始すると、例えば、図８ｅで示すようにロータブレードコントローラは再作動できる。ロータブレードはロータブレードピッチ角度を調整することにより風から外される。

第３制御レベルが応答する可能な操作状態は、大きい消費装置の突然の損失で起こり、特に、回路網不安定を逆転させるための超電圧ネットワーク接続の遮断の場合に生じる負荷減少である。風力発電プラントはエネルギー均衡を突然に失う。空気流により風力発電プラントに供給される実際の動力は、電力形式では最早供給できない。ロータ、ハブ、駆動列は加速され、過剰動力は回転質量の運動エネルギーに変換される。回転部分の回転速度が構造上の設定閾値を越えると、ロータ、発電機ロータ、軸および軸受は損傷を受けるか、完全に破壊されることになる。回転部分の損傷は、主に安全危機を表し、全状況下で回避する必要がある。そのような安全臨界状態を避けるために、上記のように第３制御レベル内に分離して設けられるフィードバック制御アルゴリズムが設備される。第２レベルのコントローラは、その時点で有効な操作状態から「負荷減少」の操作状態へ移動される。この操作状態は主に、ブレード角度が最大調整速度で風から外されることで特徴付けられる。この処置は空気流により風力発電プラントに供給される動力が、出来る限り迅速に減少されることを確実にする。０点を通過後、エネルギーはロータから生じる。ユニットは確実な操作状態に再び達するまでずっと遅延される。さらに、トルクコンバータ内の反動部材のためのコントローラは、上記のように、発電機ロータが定格速度を越えて出来る限り少なく加速され、安全にブレーキできるように第２制御レベル内で影響される。このために、トルクコンバータ内の油圧接続は最高値となることを確実にする必要がある。したがって、トルクコンバータ内のアクチュエータは案内される。これらの２つの制御特性は、風力発電プラントのロータおよび発電機ロータのみならず、また、重合分岐路内のタービンが安全限界または損傷を引き起こす過剰速度を越えないことを確実にする。

発電機内の固定子は送電のために少なくとも間接的に回路網に連結される。電力の生成が同期発電機に関するものであれば、その操作特性はロータでの励起電圧を介して影響される。回路網内で電圧低下が起こると、上記のように第３制御レベルは、風力発電プラントが最低に可能な負荷に向けられ、回路網が最良に可能な仕方で支持されるように第２制御レベルから、発電機のための励起電圧に影響するにちがいない。

空気流から生じて風力発電プラントに供給される動力は、いわゆる動力係数Ｃｐに比例し、風速の第３動力に比例する。少なくとも通常の動力を発生するために必要な風速は、以下では、通常風速と称する。普通の風速が通常風速を越えると、空気流から風力発電プラントに供給される有効動力は制限される必要がある。このために、上記のように第３制御レベルを通して第２レベルでピッチコントローラが動作され、ピッチ角度は、定格電力を越える有効動力にしたがい、風力発電プラントの定格電力を最早越えない限り増加される。同様に、動力係数Ｃｐが最大となり、ロータは定格電力以下に低下する場合、空気流から最大動力を生じるまで、ピッチ角度は減少される。

回路網内の消費装置の一時的に変化する特性の結果として、回路網オペレータは発電ユニットからの容量性無効電力または誘導性無効電力の交替を要求できる。この要求は励起を介した電気装置のような同期発電機を通して簡単に満たすことができる。このために、回路網オペレータにより要求される容量性無効電力または誘導性無効電力は、第３レベルの上記コントローラを通して第２レベルの励起制御の励起電圧の目標値に変換される。第２レベルの励起制御は、風力発電プラントにより回路網へ伝達される無効電力が回路網オペレータにより要求される値に対応する形式で励起電圧が影響されることを確実にする。

さらに、有効な寿命、負荷収集および維持間隔に依存して、ホールドオフ操作状態に導くことができる。これは、ロータブレード位置を通して達成される突風条件の場合に風による風力発電プラントの早期な旋回に関連するかもしれない。さらに、風力発電プラントの立ち上げ後のテスト段階または修正目的のために、特別な操作状態が定義できる。また、風力発電プラントの任意の操作状態は同時に、すなわち、結合して生じることができ、このことは、それから、第２制御レベルでの第３制御レベルの調整された影響に通じる。

図８は、油圧速度変換器の反動部材の制御のための例として、少なくとも３つの制御レベルでの風力発電プラントの構成の例示を示す。図６の操作範囲IIは、風ロータの速度がノイズ限界のために案内されることを仮定する。この簡単化された場合には、第２制御レベル油圧速度変換器の反動部材のコントローラだけが、ロータブレード速度のため第３制御レベルにより設定される設定点で第３制御レベルのこの目標を達成するために作動される。ロータ速度のための実際値と目標値との比較は第２制御レベルで実行され、それで、決定されるコントローラ偏差は油圧速度変換器の反動部材のためのコントローラの入力変化を表す。この場合には、後続回路内に接続されるＩコントローラを持つＰＤコントローラが使用される。本発明の範囲内で、ファジー制御または状態制御のような複数の制御アプローチを使用できる。

出力値として、油圧速度変換器の反動部材のコントローラは、第１制御レベルのため閾値０と１との間で目標設定を事前設定する。反動部材のための従属コントローラは、この実施例では、反動部材のための任意の設定値を設定するために第１制御レベル内で使用される。この簡単化される場合では、このためにＰコントローラが使用され、このコントローラは反動部材の動作装置のシステムに作用する。このコントローラは、出口開口位置に依存する油流の比例特性および油圧アクチュエータの調整特性により簡単な仕方で特徴付けられるシステム特性を有する。

従属位置決めコントローラを介して影響される反動部材の実際の位置は、本発明による前記の油圧駆動列内で風ロータに戻り作用をする（そのことは、図８では示されていない。）。第２制御レベルでの目標値／実際値の比較のための実際のロータ速度のフィードバックも示されていない。

図１は、油圧装置を備えた風力発電プラントの本発明による３つの制御レベルを示す。 図２は、被駆動側に速度変換器を備えた本発明によるトルク分割風力発電プラントの第１制御レベルの概要表示を示す。 図３は、風力発電プラントの最良点での有効電力曲線を示す。 図４は、動力流および風タービン速度に依存する第１制御レベルの機械油圧駆動列の個々の分岐路の速度を示す。 図５は、動力流および風タービン速度に依存する機械油圧駆動列の反動部材の設定を示す。 図６は、風力発電プラントの異なる操作範囲を示す。 図７は、風力発電プラントの異なる操作状態を示す。 図８は、風ロータの速度を設定する油圧速度変換器の反動部材の制御の実施例の概要である。

符号の説明

１ 駆動列
２ 入力軸
３ 風ロータ
４ ギア
５ 動力分割ギア
６ 遊星キャリア
７ 第１動力分岐路
９ 太陽ホイール
１０ 出力軸
１１ 発電機
１２ 油圧速度変換器
１３ ポンプホイール
１４ タービンホイール
１５ 反動部材
１６ 第２固定遊星ホイールセット
１７ 外ギア
１８ 第２動力分岐路

Claims (12)

1. 少なくとも３つの制御レベルを持つ風力発電プラントにおいて、第１制御レベルは風ロータと、風ロータ（３）により少なくとも間接的に駆動され、第１動力分岐路および第２動力分岐路（７、１８）から成る動力分割ギア（５）と、
   第１動力分岐路（７）から動力を受け、反動部材（１５）の設定に依存して第２動力分岐路（１８）を介して動力分割ギア（５）へ動力のフィードバックを生じる少なくとも１つの反動部材（１５）を備えた油圧速度変換器（１２）と、第１動力分岐路（７）により少なくとも間接的に駆動され、一定のシステム周波数で回路網への電力を発生する発電機（１１）とから成り、第１制御レベルの動力分割ギア（５）と油圧速度変換器（１２）との組合せは、その特性において最適効率速度案内の場合に風ロータ（３）の入力に実質的に対応し、油圧速度変換器（１２）の反動部材（１５）の設定は第１制御レベルで制御され、第２制御レベルは、ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび／または油圧速度変換器の反動部材を設定するコントローラおよび／または発電機のパワーエレクトロニクスのためのコントローラから成り、第３制御レベルは、風力発電プラントの操作状態および／または回路網および／または風特性に依存して、第２制御レベルのコントローラを活動および不活動にし、および／または第２制御レベルのコントローラにウエイトをかけ、および／または第２制御レベルのため目標特性を設定する前記風力発電プラント。
2. 第２制御レベルのコントローラは、好ましくは、通常操作状態および部分的負荷条件のために不活動にされ、ロータブレードの角度位置および油圧速度変換器の反動部材の設定は固定設定値をとり、油圧速度変換器の反動部材の設定は、風ロータの速度案内が実質的に最適効率となり発電機速度が実質的に一定となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
3. 油圧速度変換器の反動部材の設定のためのコントローラは、通常の操作において風ロータの固定速度閾値外で活動され、風ロータの速度は設定値または設定値範囲をとることを特徴とする少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
4. 風ロータのための設定速度値または速度値範囲は、第３制御レベルにより決定されることを特徴とする請求項３に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
5. 風ロータの決定速度は実質的に一定値または一定値範囲をとることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
6. 風ロータ速度の決定値または値範囲は、風ロータに当るモーメントに依存して決定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
7. ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび油圧速度変換器の反動部材を設定するコントローラは、全負荷の下で通常操作中に活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
8. 発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラは、動力および／または反作用動力のための回路網要求の場合にだけ活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
9. 第２制御レベルのコントローラは、徐々の移行が一方の操作状態または操作条件から他方の操作状態または操作条件で生じるようにして、活動され、不活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
10. 第３制御段階により考慮され、定義される操作状態は、始動段階と、同期段階と、停止段階と、負荷分配と、短絡回路と、反作用動力要求と、動力減少とから成ることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
11. 少なくとも、放物線動力入力下で部分負荷での操作状態および全負荷での操作状態が存在することを特徴とする請求項１乃至請求項１０に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
12. 風力発電プラントの制御方法において、風ロータと、風ロータにより少なくとも間接的に駆動され、第１動力分岐路と第２動力分岐路を含む動力分割ギアとからなる第１制御レベルで制御される油圧速度変換器の反動部材の設定において、少なくとも１つの反動部材を持つ油圧速度変換器は第１動力分岐路から動力を受け、反動部材の設定に依存して第２動力分岐路を介して動力分割ギアへの動力フィードバックを生じ、発電機は第１動力分岐路により少なくとも間接的に駆動され、一定のシステム周波数で回路網へ電力を発生し、第１制御レベルの動力分割ギアと油圧速度変換器との組合せは、その特性において、最適効率速度案内で風ロータの入力に実質的に対応し、ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび／または油圧速度変換器の反動部材の設定および／または発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラから成る第２制御レベルにおいて、風力発電プラントの操作状態および／または回路網および／または風特性に依存する第３制御レベルによる前記目標特性により、コントローラは活動され、停止され、および／またはウエイトをかけられ、および／または設定される前記方法。
    

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