JP2001522218A - 可変周波数型パルスインバータ及び該パルスインバータを備えた風力発電設備 - Google Patents

可変周波数型パルスインバータ及び該パルスインバータを備えた風力発電設備

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Abstract

(57)【要約】 風力発電装置に関していえば、この風力発電装置には同期発電機が備わっていること、また、中間直流電源回路と、周波数変換器としてその出力側に接続したパルスインバータとを設けて同期発電機を可変速稼働することが知られている。そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解消して、高調波を全体として最小にしつつパワー損失を減少しうる風力発電装置用のパルスインバータを提供することである。本発明では、請求項１で記載する特徴を備えたパルスインバータによってこの目的を達成している。有利な改良については請求項２で記載している。請求項３では、請求項１又は２に記載のパルスインバータを備えた風力発電装置について記載している。請求項４では、請求項３に記載の風力発電装置を並列接続して複数配置したものについて記載している。本発明は、現今の技術において知られていると共に、図２に示した如くの、固定スイッチング周波数やパルスデュテイサイクルのパルスインバータから完全に離れた考えに基づいており、特に生成する交流に応じてスイッチング周波数を可変としている。それについて詳述すれば、生成する交流が０になる領域でスイッチング周波数が最大になる、つまり、パルスデュテイサイクルが最小になり、一方、交流の振幅が最大になる領域でスイッチング周波数が最小になる、つまり、パルスデュテイサイクルが最大になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 風力発電装置に関していえば、この風力発電装置には同期発電機が備わってい
ること、また、中間直流電源回路と、周波数変換器としてその出力側に接続した
パルスインバータとを設けて同期発電機を可変速稼働することが知られている。
【０００２】 （背景技術） 図４は、風力発電装置の原理を説明する回路線図であり、ロータで直接駆動さ
れる可変速同期発電機の出力側に周波数変換器が接続されている。中間直流回路
では、発電機で発生した可変周波数の電流は先ず整流され、その後周波数変換器
を経由して電力幹線網に供給される。
【０００３】 このような構成では、中間直流回路で発電機、ひいてはそのロータ速度を幹線
電源周波数から完全に切り離すことができるので、広範囲の回転速度が利用でき
る。広範囲の速度でロータの効果的な風量制御(wind-controlled)操作ができる ので、そのような構成が適切であれば、空力学的に決定される電力供給量をかな
り増加させることができる。この構成で、同期発電機が幹線電力網に直接接続さ
れている場合に当該発電機に生ずる好ましくないダイナミック特性を完全に除去
できるのは大概明らかである。
【０００４】 数年前までは、「中間直流回路を備えた同期発電機」システムの重大な問題点
は、高コストと電気効率の全体としての貧弱さにあった。全ての電力出力がコン
バータを経由して流れることから、古い発電装置の場合での効率レベルは、コン
バータを非同期発電機のロータ回路電流にのみ用いる可変速発電装置での場合よ
りも基本的に低い。しかし、現在のコンバータ技術では、そのような問題点は実
質的に問題とされない。現在のところ、整流器及びコンバータは、発電機システ
ムの全体の効率レベルが２倍供給(double-feed)型の非同期発電機の場合に相当 する程、その損失が非常に低くなるように作られている。
【０００５】 それゆえ、中間直流回路を備えた可変速同期発電機は、現今の風力発電設備技
術に非常に広く使われている。特に、現在のインバータは、その関連で重要な寄
与を果たしている。それに関して、問題となる(troublesome)高調波(harmonics)
は、いわゆる「パルス幅変調（ＰＷＭ）型インバータ」を利用することでなくし
ている。既知のＰＷＭインバータは、一定のスイッチング周波数又はパルスデュ
テイサイクル（パルス周波数又はパルス繰り返しレートともいう）を有していて
、供給するべき所望の正弦波交流が、二つのスイッチＳ１、Ｓ２のスイッチオン
時間とスイッチオフ時間の比で形成される。上述のように、スイッチＳ１、Ｓ２
がスイッチオン又はスイッチオフされる場合のパルスデュテイサイクルはそれぞ
れ一定であり、インバータのパワー損失で制限されている。既知のインバータで
は、損失は発生する全電気的出力パワーの２％か、それ以上であり、風力発電装
置のコストが高レベルであることを鑑みればこの損失は無視できない。
【０００６】 スイッチング周波数を減少させることができれば、パワー損失は明らかに減ら
すことができるが、問題となる高調波については増加することになる。スイッチ
ング周波数を増加すると、上述のようにパワー損失も増えるが、高調波はほとん
ど除かれる。
【０００７】 ドイツ特許公報DE 3204266では、所望のインバータ出力電圧に同期している交
流電圧をデルタ電圧と比較し、これらの二つの電圧が同一になると、インバータ
スイッチの切換スイッチング信号を生成する、パルスインバータの作動のための
プロセス及び装置が開示されている。出力電圧の大きさを増すと、制御電圧の大
きさとデルタ電圧の大きさの比は、正比例するに必要な値よりも大きくなる。
【０００８】 ドイツ特許公報DE 3207440では、特に中間回路から一定の直流電圧が供給され
ている三相パルスインバータの電圧制御を最適化するプロセスが開示されている
。三相パルスインバータの電圧制御を最適化するのに、このプロセスでは、高調
波による影響を最小限に抑制して基本発振電圧を連続的調整できるスイッチング
パターンを生成している。
【０００９】 そして、ドイツ特許公報DE 3230055では、周波数制御により定まる基準周波数
と、振幅制御により定まる基準振幅とを持つ交流出力電圧を生成するパルスイン
バータ用の制御装置が開示されている。この制御装置で、電圧の利用効率及び高
調波の影響に関して最適化した、インバータのための出力電圧を容易に求めるこ
とができる。
【００１０】 そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解消して、高調波を全体として最小
にしつつパワー損失を減少しうる風力発電装置用のパルスインバータを提供する
ことである。
【００１１】 本発明では、請求項１で記載する特徴を備えたパルスインバータによってこの
目的を達成している。有利な改良については請求項２で記載している。請求項３
では、請求項１又は２に記載のパルスインバータを備えた風力発電装置について
記載している。請求項４では、請求項３に記載の風力発電装置を並列接続して複
数配置したものについて記載している。
【００１２】 本発明は、現今の技術において知られていると共に、図２に示した如くの、固
定スイッチング周波数やパルスデュテイサイクルのパルスインバータから完全に
離れた考えに基づいており、特に生成する交流に応じてスイッチング周波数を可
変としている。それについて詳述すれば、生成する交流が０になる領域でスイッ
チング周波数が最大になる、つまり、パルスデュテイサイクルが最小になり、一
方、交流の振幅が最大になる領域でスイッチング周波数が最小になる、つまり、
パルスデュテイサイクルが最大になる。
【００１３】 そのようなパルスインバータでは、パワー半導体でのスイッチング損失が最小
となってパワー損失が劇的に減少する結果となり、供給すべき電流は、問題とな
る高調波もなく非常に高い基本発振周波数を有していることを見出すことができ
る。それに加えて、明らかに固定スイッチング周波数を持たないので、並列関係
で複数の風力発電装置を切り換えても問題となる共振現象は発生せず、従って基
本発振周波数についてさらに相対的に改善することができるのである。従来のパ
ルスインバータでは、パワー損失を減らし、高調波を最小にするために、固定ス
イッチング周波数が使われており、スイッチＳ１、Ｓ２のスイッチング時間の領
域で要件を最適化することが行なわれていたが、これに対して本発明はパルスイ
ンバータのスイッチング周波数を最適化するものであり、この場合、スイッチン
グ周波数が供給する正弦波電流に応じて変化するようにしている。可変スイッチ
ング周波数の構成を図３（ｂ）に簡略化して示している。
【００１４】 本発明を、添付図面に示した実施形態について以下に詳述する。
【００１５】 （発明を実施するための最良の形態） 図１は、スイッチＳ１、スイッチＳ２とそれらの出力側に接続したインダクタ
Ｌを示している。スイッチＳ１は直流電源の正極側に、また、スイッチＳ２は負
極側にそれぞれ接続されている。
【００１６】 図２（ａ）には、図１で示したような従来のパルスインバータの場合でのパル
ス反転の結果を示している。この場合にスイッチング周波数ｆｓないしスイッチ
ング周波数の逆数、パルスデュテイサイクルＴは、図２（ｂ）に示すように一定
である。一サイクルの中では、一方のスイッチＳ１は、期間ｔ１においてスイッ
チオンの状態になり、もう一方のスイッチＳ２は期間ｔ２においてスイッチオン
の状態になる。スイッチング期間ｔ１、ｔ２、又はそれぞれに対応するスイッチ
Ｓ１、Ｓ２のスイッチオフ期間を適当に設定したり変化させることにより、図２
（ａ）に示すような正弦波交流を直流電源から生成することができる。この正弦
波の形状は、スイッチングサイクルＴ内でのスイッチング期間ｔ１をスイッチン
グ期間ｔ２に対して最適化することで得られる。図２に示すスイッチオンとスイ
ッチオフの様子は、図示の都合上相当に簡略化して示している。しかし、スイッ
チング周波数は、パルスインバータのパワー損失Ｐｖで制限される。つまり、ス
イッチング周波数が増加するにつれてパワー損失Ｐｖは増加する。スイッチング
周波数が低下するにつれてパワー損失Ｐｖは明らかに低下するが、高調波が増加
することから、幹線電源電圧と対応がとれなくなる問題が生ずる。。
【００１７】 図３（ａ）を参照すると、供給される電流ｉのスイッチング周波数は、可変と
なるようになっており、スイッチング周波数は、生成される交流ｉが減少してい
って０となる領域で最大値をとり、また、生成される交流ｉの振幅が最大となる
領域で最小値となっている。生成する交流ｉの振幅が最大になる領域では、スイ
ッチング周波数ｆｓは、最大値が約１６ｋＨｚ、最小値が約１ｋＨｚである。ス
イッチング周波数の変化によって、振幅が０となる領域で、生成する交流は、理
想的な正弦波曲線について事実上一致した状態で生成され、他方、振幅が最大と
なる領域では、生成される交流は、振幅が０となる領域での場合よりも大きな高
調波成分を有している。しかし、全体的には高調波成分は最小値をとり、交流の
大きさが０となる領域で実質的に０である。
【００１８】 図３（ｂ）に示したように同期発電機と対応する制御器付きパルスインバータ
とを備えた風力発電装置を複数、並列に接続している場合では、今まで問題を発
生させている固定スイッチング周波数は問題とならず、可変スイッチング周波数
によって各風力発電装置間の問題となる共振現象もなく、複数の風力発電装置に
ついて基本発振が全体として大きく改善される。
【００１９】 図４は、出力側に整流器Ｇと、例えば図５に示した「ENERCON」の「型式Ｅ−４ ０」の如くの風力発電装置あるものとして知られているパルスインバータＰＷＲ
とを備え、ロータＲで駆動される可変速同期発電機ＳＧの原理を説明する回路線
図である。「型式Ｅ−４０」用に開発された発電機についての同期発電機は、８
４極電気励起型同期発電機である。その直径は約４．８ｍである。
【００２０】 図２に示したように作動させる周波数インバータの全体の損失は、「型式Ｅ−
４０」における全発生電力パワーの約２．５％に過ぎない。そのような損失は、
電源が実質的に発振を伴わないものであれば、本発明によって３０％以上相当減
らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パルスインバータの原理を説明する回路線図。
【図２】 ａ）波形図、ｂ）スイッチング周波数線図、ｃ）スイッチＳ１、
Ｓ２についてのスイッチオンとスイッチオフを示す図。
【図３】 本発明によるパルスインバータのａ）波形図、ｂ）スイッチング
周波数の線図。
【図４】 直接駆動型可変速同期発電機を備えた風力発電装置の原理を説明
する回路線図。
【図５】 型式Ｅ−４０の風力発電装置におけるインバータのブロック回路
線図。
【符号の説明】
ｉ 交流 ｆｓ パルス周波数 Ｓ１ スイッチ１ Ｓ２ スイッチ２ Ｌ インダクタ ＳＧ 同期発電機 Ｒ ロータ Ｇ 整流器 ＰＷＲ パルスインバータ
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 する交流が０になる領域でスイッチング周波数が最大に なる、つまり、パルスデュテイサイクルが最小になり、 一方、交流の振幅が最大になる領域でスイッチング周波 数が最小になる、つまり、パルスデュテイサイクルが最 大になる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルス周波数が可変である正弦交流生成用のパルスインバー
    タであって、 前記パルス周波数の変化は生成する交流の構成に依存するものであって、 前記交流が０となるときの前記パルス周波数は、前記交流の振幅が最大となる
    領域でのパルス周波数よりも２倍以上大きいものであり、 前記交流の振幅が最大となる領域での最低のパルス周波数は少なくとも略１０
    ０Ｈｚであることを特徴とするパルスインバータ。
  2. 【請求項２】 前記生成する交流が０になる領域での前記パルス周波数が約
    １４〜１８ｋＨｚの範囲内にあり、前記交流の振幅が最大になる領域での前記パ
    ルス周波数が約５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１
    に記載のパルスインバータ。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のパルスインバータを備えた風力発電
    装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の風力発電装置を複数配置した風力発電装置
    。
  5. 【請求項５】 請求項１又は２に記載の複数のパルスインバータを並列に接
    続したパルスインバータ。
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