JP2004187431A

JP2004187431A - 二次電池を備えた風力発電システム

Info

Publication number: JP2004187431A
Application number: JP2002353179A
Authority: JP
Inventors: Teru Kikuchi; 輝菊池; Motoo Futami; 基生二見; Koichi Miyazaki; 晃一宮崎; Satoshi Maekawa; 聡前川
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP3978126B2

Abstract

【課題】風車を動かしながら、出力変動補償用二次電池を回復充電する。
【解決手段】本発明の風力発電システムは、風車に回転子が接続した発電機と、発電機の固定子に接続した第１の変換器と、電力系統に接続した第２の変換器と、第１の変換器と第２の変換器に並列接続した二次電池と、第１の変換器の制御手段と、第２の変換器の制御手段とを備え、二次電池を回復充電する場合には、第１の変換器の制御手段が、回転速度制御器と第１の有効電力制御器とによって、発電機の回転速度と発電機の有効電力とを調整する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を備えた風力発電システムに関し、特に二次電池の充電制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電システムでは、風速の変動に伴う発電機の出力変動をそのまま電力系統に送り出すと、電力系統の電圧や周波数の変動を招く原因になるので、発電機の出力変動を打ち消すように二次電池を充放電し、電力系統へ送り出す出力が一定になるように制御している。こうした二次電池による出力の補償動作は常時行う必要があり、一例として、特開平１１−２９９２９５号公報にこのような構成の風力発電システムが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、二次電池を放電状態で放置すると極板に結晶が著しく発達するサルフェーション現象が発生する。こうしたサルフェーション現象が発生するとその二次電池の容量や電圧が低下するため、二次電池の寿命を長く保つためには定期的に定電流充電あるいは定電圧充電を行って、回復充電をすることが必要である。この回復充電は、例えば鉛蓄電池の場合には約１週間に１回程度の周期で行われなければならず、またその回復充電に要する時間は約８〜１０時間程度である。このような回復充電中には二次電池による出力変動補償動作を行うことができないために、従来技術では風車を停止させている。
【０００４】
風車は発電するほどその発電コストが下がるために、できるだけ風車を運転してその利用率を向上させることが重要である。しかしながら、風車を停止させると、発電に適した風が吹いてもそれが無駄になる。すなわち、風のエネルギーを有効活用することができない問題がある。
【０００５】
本発明は、風車の利用率を向上しつつ、出力変動補償用の二次電池を回復充電する風力発電システムの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電システムは、風車の軸に回転子が接続した発電機と、該発電機の固定子に接続した第１の変換器と、該第１の変換器と電力系統とに接続した第２の変換器と、前記第１の変換器と第２の変換器とに並列に接続した二次電池と、前記第１の変換器の制御手段と、第２の変換器の制御手段とを備え、前記発電機の交流発電電力を前記第１の変換器で直流電力に変換し、該直流電力を前記第２の変換器で交流電力に変換し、前記二次電池が、前記第１の変換器が出力する有効電力と前記第２の変換器の出力する有効電力との差分を出力するように制御し、前記第１の変換器の制御手段は、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記発電機が出力する有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、前記発電機の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記発電機が出力する有効電力を制御する第１の有効電力制御器とを備え、該第１の変換器の制御手段によって、前記発電機の回転速度と前記発電機が出力する有効電力とを調整し、前記第２の変換器の制御手段は、前記二次電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、前記二次電池の直流電圧を制御する直流電圧制御器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を制御する第２の有効電力制御器とを備え、前記第２の変換器の制御手段が、前記二次電池を充電するモードを備え、前記二次電池を充電する場合には、前記第１の変換器の制御手段が、回転速度制御器と第１の有効電力制御器とで前記同期発電機の回転速度と前記発電機が出力する有効電力とを調整する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【０００８】
（実施例１）
図１は本実施例の全体構成を示す。図１において、同期発電機２の回転子は風車１の軸に直結あるいは、歯車などの減速装置あるいは増速装置を介して接続しており、風のエネルギーで風車１が回転すると、同期発電機２は風車１の回転速度に応じた可変周波数の交流電力を発生する。同期発電機２が発生する可変周波数の交流電力は、同期発電機２の固定子に接続した変換器３で直流電力に変換する。変換器３は二次電池４を介して、変換器５に直流で接続し、変換器５は変換器３や二次電池４から供給される直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、系統連系用変圧器６を介して、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【０００９】
本実施例では二次電池４に、鉛蓄電池や、ニッケルカドミニウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池などを用いることができる。
【００１０】
同期発電機２と変換器３との間には、電圧検出器７と電流検出器８とが設置してあり、電圧検出器７は同期発電機２の端子電圧を、電流検出器８は同期発電機２の固定子に流れる電流を検出する。検出された電圧、電流値は３相／２相変換器１２でｄ軸分とｑ軸分の２軸成分に変換する。電圧検出器７が検出する３相の電圧検出値をＶＧ＿Ｕ、ＶＧ＿Ｖ、ＶＧ＿Ｗ、電流検出器８が検出した３相の電流検出値をＩＧ＿Ｕ、ＩＧ＿Ｖ、ＩＧ＿Ｗ（図１では３相分をまとめてＩＧ＿ＵＶＷと表す。）、３相／２相変換器１２が出力する２軸成分の電圧検出値をＶＧ＿ｄ、
ＶＧ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＶＧ＿ｄｑと表す。）、２軸成分の電流検出値をＩＧ＿ｄ、ＩＧ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＩＧ＿ｄｑと表す。）とすると、これらの関係は（数１）式〜（数４）式で与えられる。ここで、θは同期発電機２の磁極位置を表す位相角である。
【００１１】
ＶＧ＿ｄ＝２／３×（ＶＧ＿Ｕ×ｃｏｓθ＋ＶＧ＿Ｖ×ｃｏｓ（θ−２π／３）＋ＶＧ＿Ｗ×ｃｏｓ（θ＋２π／３）） …（数１）
ＶＧ＿ｑ＝２／３×（ＶＧ＿Ｕ×ｓｉｎθ＋ＶＧ＿Ｖ×ｓｉｎ（θ−２π／３）＋ＶＧ＿Ｗ×ｃｏｓ（θ＋２π／３）） …（数２）
ＩＧ＿ｄ＝２／３×（ＩＧ＿Ｕ×ｃｏｓθ＋ＩＧ＿Ｖ×ｃｏｓ（θ−２π／３）＋ＩＧ＿Ｗ×ｃｏｓ（θ＋２π／３）） …（数３）
ＩＧ＿ｑ＝２／３×（ＩＧ＿Ｕ×ｓｉｎθ＋ＩＧ＿Ｖ×ｓｉｎ（θ−２π／３）＋ＩＧ＿Ｗ×ｃｏｓ（θ＋２π／３）） …（数４）
有効電力検出器１３は３相／２相変換器１２の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機２の出力する有効電力を検出する。有効電力検出器１３は（数５）式で与えられる演算を行う。
【００１２】
ＰＧ＝３／２×（ＶＧ＿ｄ×ＩＧ＿ｄ＋ＶＧ＿ｑ×ＩＧ＿ｑ） …（数５）
回転速度検出器２４は３相／２相変換器１２の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機２の回転速度を検出する。回転速度の検出は例えばＰＬＬ等を利用する。回転速度制御器２５の入力は回転速度指令と回転速度検出器２４の検出する同期発電機２の回転速度と充電制御器１９の出力する変動抑制信号であり、出力は変換器３の有効電力指令となる。
【００１３】
回転速度制御器２５は例えば比例積分制御系で構成する。同期発電機２の回転速度が回転速度指令より大きい場合には回転速度制御器２５の出力が大きくなり、すなわち変換器３の有効電力指令が大きくなり、同期発電機２が出力する有効電力が大きくなる。この結果、風から風車１へ与えられる機械的入力より同期発電機２の出力する有効電力が大きくなると入力が不足するが、入力の不足分は風車１のブレードに蓄えられた回転エネルギーから補われるために、同期発電機２の回転速度が低下し、回転速度指令に追従する。
【００１４】
逆に同期発電機２の回転速度が回転速度指令より小さい場合には回転速度制御器２５の出力が小さくなり、すなわち変換器３の有効電力指令が小さくなり、同期発電機２が出力する有効電力が小さくなる。この結果、風から風車１へ与えられる機械的入力より同期発電機２の出力する有効電力が小さくなって入力に余剰が生じ、この入力の余剰分は風車１のブレードに回転エネルギーとして蓄えられて、同期発電機２の回転速度が上昇し、回転速度指令に追従する。回転速度制御器２５に与えられる充電制御器１９からの変動抑制信号については後で詳細に説明する。また、回転速度指令は通常は風が風車１へ与える機械的入力が最大になるようにする。
【００１５】
有効電力制御器２６の入力は回転速度制御器２５が出力する有効電力指令と、有効電力検出器１３が検出する有効電力検出値との偏差であり、出力が変換器３の電流指令となる。有効電力制御器２６は例えば比例積分制御系で構成し、有効電力指令と有効電力検出値の偏差が零になるように変換器３の電流指令を決定する。
【００１６】
電流制御器２７の入力は、３相／２相変換器１２が出力する２軸成分の電流検出値と、有効電力制御器２６が出力する変換器３の電流指令とであり、出力が変換器３の交流側出力電圧指令になる。電流制御器２７は例えば比例積分制御系で構成し、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように変換器３の交流側出力電圧指令を決定する。
【００１７】
電流制御器２７が出力する変換器３の交流側出力電圧指令は２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器２８によって３相の電圧指令に変換する。なお、図１では省略しているが、電流制御器２７はｄ軸分とｑ軸分の二軸成分の電流制御を両方行う。電流制御器２７の出力する２軸成分の電圧指令をＶＧＲ＿ｄ、ＶＧＲ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＶＧＲ＿ｄｑと表す。）、２相／３相変換器２８の出力する３相の電圧指令をＶＧＲ＿Ｕ、ＶＧＲ＿Ｖ、ＶＧＲ＿Ｗ（図１では３相分をまとめてＶＧＲ＿ＵＶＷと表す。）とすると、これらの関係は（数６）式〜（数８）式で与えられる。ここで、θは同期発電機２の磁極位置を表す位相角である。
【００１８】
ＶＧＲ＿Ｕ＝ＶＧＲ＿ｄ×ｃｏｓθ−ＶＧＲ＿ｑ×ｓｉｎθ …（数６）
ＶＧＲ＿Ｖ＝−１／２×（ＶＧＲ＿ｄ×ｃｏｓθ−ＶＧＲ＿ｑ×ｓｉｎθ）＋√３／２×（ＶＧＲ＿ｄ×ｓｉｎθ＋ＶＧＲ＿ｑ×ｃｏｓθ） …（数７）
ＶＧＲ＿Ｗ＝−１／２×（ＶＧＲ＿ｄ×ｃｏｓθ−ＶＧＲ＿ｑ×ｓｉｎθ）−√３／２×（ＶＧＲ＿ｄ×ｓｉｎθ＋ＶＧＲ＿ｑ×ｃｏｓθ） …（数８）
パルス発生器２９は、２相／３相変換器２８が出力する変換器３の交流側３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で変換器３にゲートパルス信号を出力する。変換器３はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の絶縁ゲート型電力半導体スイッチング素子を高速にスイッチングし、指令に応じた電圧を出力する。
【００１９】
以上のような変換器３の制御系の構成によって、同期発電機２の回転速度の制御や、出力する有効電力を制御できる。
【００２０】
二次電池４には直流電圧検出器９が設置されており、直流電圧検出器９は二次電池４の直流端子電圧を検出する。変換器５と系統連系用変圧器６との間には電圧検出器１０と電流検出器１１とが設置されていて、電圧検出器１０は系統電圧を、電流検出器１１は電力系統へ流れる電流を検出する。
【００２１】
検出した電圧値、電流値は３相／２相変換器１５でｄ軸分とｑ軸分の２軸成分に変換する。電圧検出器１０が検出する３相の電圧検出値をＶＳ＿Ｕ、ＶＳ＿Ｖ、ＶＳ＿Ｗ（図１では３相分をまとめてＶＳ＿ＵＶＷと表す。）、電流検出器１１が検出する３相の電流検出値をＩＳ＿Ｕ、ＩＳ＿Ｖ、ＩＳ＿Ｗ（図１では３相分をまとめてＩＳ＿ＵＶＷと表す。）、３相／２相変換器１５が出力する２軸成分の電圧検出値をＶＳ＿ｄ、ＶＳ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＶＳ＿ｄｑと表す。）、２軸成分の電流検出値をＩＳ＿ｄ、ＩＳ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＩＳ＿ｄｑと表す。）とすると、これらの関係は（数９）式〜（数１２）式で与えられる。ここで、θｓは系統電圧位相を表す位相角である。
【００２２】
ＶＳ＿ｄ＝２／３×（ＶＳ＿Ｕ×ｃｏｓθｓ＋ＶＳ＿Ｖ×ｃｏｓ（θｓ−２π／３）＋ＶＳ＿Ｗ×ｃｏｓ（θｓ＋２π／３）） …（数９）
ＶＳ＿ｑ＝２／３×（ＶＳ＿Ｕ×ｓｉｎθｓ＋ＶＳ＿Ｖ×ｓｉｎ（θｓ−２π／３）＋ＶＳ＿Ｗ×ｃｏｓ（θｓ＋２π／３）） …（数１０）
ＩＳ＿ｄ＝２／３×（ＩＳ＿Ｕ×ｃｏｓθｓ＋ＩＳ＿Ｖ×ｃｏｓ（θｓ−２π／３）＋ＩＳ＿Ｗ×ｃｏｓ（θｓ＋２π／３）） …（数１１）
ＩＳ＿ｑ＝２／３×（ＩＳ＿Ｕ×ｓｉｎθｓ＋ＩＳ＿Ｖ×ｓｉｎ（θｓ−２π／３）＋ＩＳ＿Ｗ×ｃｏｓ（θｓ＋２π／３）） …（数１２）
有効電力検出器１６は３相／２相変換器１５が出力する２軸成分の信号に基づいて変換器５が電力系統側へ出力する有効電力を検出する。有効電力検出器１６は（数１３）式に示す演算を行う。
【００２３】
ＰＳ＝３／２×（ＶＳ＿ｄ×ＩＳ＿ｄ＋ＶＳ＿ｑ×ＩＳ＿ｑ） …（数１３）
充電制御器１９は、二次電池４を定電流充電するか定電圧充電するかを制御する充電方法制御信号と、充電中に同期発電機２の出力変動を抑制する変動抑制信号と、充電電流指令あるいは充電電圧指令とを出力する。有効電力指令演算器１４は、充電制御器１９が出力する充電電流指令と、有効電力検出器１３が出力する有効電力検出値と、直流電圧検出器９が出力する直流電圧検出値とから、変換器５の有効電力指令を演算する。
【００２４】
有効電力制御器１８の入力は有効電力指令演算器１４の出力する有効電力指令と有効電力検出器１６の検出する有効電力検出値との偏差であり、出力は変換器５の電流指令となる。有効電力制御器１８は例えば比例積分制御系で構成され、有効電力指令と有効電力検出値との偏差が零になるように変換器５の電流指令を決定する。
【００２５】
直流電圧制御器１７の入力は充電制御器１９の出力する充電電圧指令と直流電圧検出器９の検出する直流電圧検出値との偏差であり、出力は変換器５の電流指令となる。直流電圧制御器１７は例えば比例積分制御系で構成され、充電電圧指令と直流電圧検出値との偏差が零になるように変換器５の電流指令を決定する。
【００２６】
切換器２０は充電制御器１９の出力する充電方法制御信号に従って、直流電圧制御器１７の出力あるいは有効電力制御器１８の出力のいずれかの電流指令を電流制御器２１の入力とする。
【００２７】
電流制御器２１の入力は３相／２相変換器１５の出力する２軸成分の電流検出値と直流電圧制御器１７あるいは有効電力制御器１８の出力する変換器５の電流指令であり、出力は変換器５の交流側出力電圧指令となる。電流制御器２１は例えば比例積分制御系で構成し、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように変換器５の交流側出力電圧指令を決定する。電流制御器２１が出力する変換器５の交流側出力電圧指令は、２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器２２によって３相の電圧指令に変換する。なお、図１では省略しているが、電流制御器２１はｄ軸分とｑ軸分の二軸成分の電流制御を両方行う。電流制御器２１の出力する２軸成分の電圧指令をＶＳＲ＿ｄ、ＶＳＲ＿ｑ（図１では２相分をまとめてＶＳＲ＿ｄｑと表す。）、２相／３相変換器２２の出力する３相の電圧指令をＶＳＲ＿Ｕ、ＶＳＲ＿Ｖ、ＶＳＲ＿Ｗ（図１では３相分をまとめてＶＳＲ＿ＵＶＷと表す。）とすると、これらの関係は（数１４）式から（数１６）式で与えられる。ここで、θｓは系統電圧位相を表す位相角である。
【００２８】
ＶＳＲ＿Ｕ＝ＶＳＲ＿ｄ×ｃｏｓθｓ−ＶＳＲ＿ｑ×ｓｉｎθｓ …（数１４）
ＶＳＲ＿Ｖ＝−１／２×（ＶＳＲ＿ｄ×ｃｏｓθｓ−ＶＳＲ＿ｑ×ｓｉｎθｓ）＋√３／２×（ＶＳＲ＿ｄ×ｓｉｎθｓ＋ＶＳＲ＿ｑ×ｃｏｓθｓ）…（数１５）
ＶＳＲ＿Ｗ＝−１／２×（ＶＳＲ＿ｄ×ｃｏｓθｓ−ＶＳＲ＿ｑ×ｓｉｎθｓ）−√３／２×（ＶＳＲ＿ｄ×ｓｉｎθｓ＋ＶＳＲ＿ｑ×ｃｏｓθｓ）…（数１６）
パルス発生器２３は、２相／３相変換器２２の出力する変換器５の交流側３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で変換器５のゲートパルス信号を出力する。変換器５はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の絶縁ゲート型半導体スイッチング素子が高速にスイッチングして、変換器５が指令に応じた電圧を出力する。
【００２９】
次に、二次電池４の充電方法を説明する。二次電池４を回復充電する場合には二次電池４による出力変動補償動作ができないので、その時に風速が変動して同期発電機２の出力が変動すると、その出力変動が電力系統へ出力されることになる。本実施例では、二次電池４の回復充電中には同期発電機２の出力が変動しないように抑制する。二次電池４の回復充電中には充電制御器１９からの変動抑制信号に従って、同期発電機２の出力が変動しないように回転速度制御器２５が制御される。以下、回転速度制御器２５の詳細を説明する。
【００３０】
図２に本実施例の回転速度制御器２５を示す。図２に示すように、回転速度制御器２５は比例積分制御器３０からなり、充電制御器１９からの変動抑制信号に従って比例積分制御器３０の制御ゲインの調節が可能になっている。比例積分制御器３０の制御ゲインを高く設定すると、変換器３の有効電力指令の変化が大きくなるために同期発電機２の出力する有効電力の変動は大きくなるが、同期発電機２の回転速度の制御応答が上がる。この時の同期発電機２の回転速度及び出力する有効電力の波形例を図３に示す。図３に示すように、同期発電機２の回転速度の変動は小さく抑えられるが、同期発電機２が出力する有効電力が大きく変動する。
【００３１】
逆に、比例積分制御器３０の制御ゲインを低く設定すると、変換器３の有効電力指令の変化が小さくなるために同期発電機２の出力する有効電力の変動は小さくなるが、同期発電機２の回転速度の制御応答が下がる。この時の同期発電機２の回転速度及び出力する有効電力の波形例を図４に示す。図４に示すように、同期発電機２の回転速度の変動は大きくなるが、同期発電機２の出力する有効電力の変動は小さく抑えることができる。
【００３２】
従って、二次電池４を回復充電する場合には充電制御器１９からの変動抑制信号に従って比例積分制御器３０の制御ゲインを低く調節して、風車１を運転しながら二次電池４を回復充電すればよい。
【００３３】
図５は本実施例の二次電池４の充電パターンの一例を示す。図５に示すように、まず二次電池４を定電流充電する場合は、図１に示した切換器２０は有効電力制御器１８の出力を選択する。有効電力制御器１８への有効電力指令は、有効電力指令演算器１４により（数１７）式で与えられる。ここで、Ｐｒｅｆは有効電力制御器１８への有効電力指令、ＰＧは有効電力検出器１３の検出する有効電力検出値、Ｖｄｃは直流電圧検出器９の検出する直流電圧検出値、Ｉｒｅｆは充電制御器１９の出力する充電電流指令である。（数１７）式で与えられる有効電力制御器１８への有効電力指令に従って変換器５が電力系統へ出力し、風車１を運転中でも二次電池４を定電流充電できる。
【００３４】
Ｐｒｅｆ＝ＰＧ−Ｖｄｃ・Ｉｒｅｆ …（数１７）
二次電池４は充電の進行に伴って端子電圧が上昇するので、予め定められた切換電圧まで上昇すると充電制御器１９はその充電電流指令を図５に示すように段階的に下げて行き、３〜６段階の定電流充電を行った後に、定電圧充電を行う。定電圧充電は二次電池４が満充電状態になるように通常の端子電圧値より高い電圧で充電する。二次電池４を定電圧充電する場合は図１に示した切換器２０が直流電圧制御器１７の出力を選択する。充電電圧指令は充電制御器１９より与えられる。
【００３５】
以上のように本実施例では、風車１の運転中でも二次電池４を図５に示すように定電流充電及び定電圧充電でき、二次電池４を回復充電中も電力系統への出力変動を抑制できる。
【００３６】
（実施例２）
図６に本実施例の回転速度制御器２５を示す。図６に示すように、回転速度制御器２５は比例積分制御器３０とリミッタ３１とを備え、充電制御器１９からの変動抑制信号に従ってリミッタ３１の上限値の調節が可能になっている。このほかは実施例１と同様である。
【００３７】
図７に風速と発電機出力との関係を示す。風のパワーは風速の３乗に比例するために、風速が変動すると図７に示すように同期発電機２の出力も変動するが、リミッタ３１の上限値を低く設定することで変換器３の有効電力指令がリミッタ３１の上限値までに制限されるために、図７に示すように同期発電機２の出力の変動を小さく抑えることができる。従って、充電制御器１９からの変動抑制信号に従ってリミッタ３１の上限値を低く調節することで、風車１を運転しながら二次電池４を回復充電できる。
【００３８】
（実施例３）
図８に本実施例の回転速度制御器２５を示す。図８に示すように、回転速度制御器２５は速度指令調整器３２と比例積分制御器３０とを備え、充電制御器１９からの変動抑制信号に従って速度指令調整器は回転速度指令の調整を行う。これ以外は実施例１と同様である。
【００３９】
図９に風車１の回転速度と、風から風車１のブレードに入る機械的入力の関係を示す。図９に示すように、風速に応じて最も効率良く風からの機械的入力が得られる回転速度が決まっており、その回転速度で運転すると発電効率が最も良いので、通常の回転速度指令はその最適値を与える。ここで、充電制御器１９からの変動抑制信号に従って図８の速度指令調整器３２の回転速度指令を最適値からずらすことで、風から風車１のブレードに入る機械的入力を調節できる。
【００４０】
図１０に通常運転時と変動抑制時の風車１の回転速度と風から風車１のブレードに入る機械的入力の関係を示す。本実施例では、図１０に示すように変動抑制時は通常運転時より回転速度を上げたり、あるいは下げたりすることで、風から風車１のブレードに入る機械的入力を、通常運転時１００％とした場合の５０％〜７０％、好ましくは５０％〜６０％に減少させ、風車の効率を意図的に低下させる。
【００４１】
図１１に風速と発電機出力の関係を示す。図１１に示すように風速が変動すると同期発電機２の出力が変動するが、回転速度指令を最適値からずらすことで、同期発電機２の出力の変動を小さく抑えることができる。従って、二次電池４を回復充電する場合には充電制御器１９からの変動抑制信号に従って速度指令調整器３２が回転速度指令を調整することで、風車１を運転しながら二次電池４を回復充電できる。
【００４２】
（実施例４）
図１２に本実施例の全体構成を示す。図１２は図１と異なり、充電制御器１９からの変動抑制信号をピッチ・ヨー制御器３３に与える。ピッチ・ヨー制御器
３３は変動抑制信号を受けると、風車１のピッチ制御及びヨー制御を行う。通常、風車１のピッチ制御は風から風車１のブレードに与えられる機械的入力が最大になるようにブレードのピッチ角を調整し、またヨー制御は風車１を風の吹いてくる方向に向けるように調整する。すなわち、通常は最も効率よく風のパワーを得られるようにピッチ制御およびヨー制御が行われる。
【００４３】
本実施例では、風車１は充電制御器１９からの変動抑制信号を受けると、その風のパワーを風車の機械的入力に変換する効率を低下させるように制御する。例えば、ピッチ制御においては最適なピッチ角からずらしたところにピッチを制御し、ヨー制御においては風の吹いてくる方向とは異なる方向に風車１を向ける。このようにして、風から風車１のブレードに入る機械的入力を調節する。
【００４４】
本実施例でも実施例３と同様に、風速が変動すると同期発電機２の出力が変動するが、風からの機械的入力を調節することで風車の効率が低下し、同期発電機２の出力の変動を小さく抑えることができる。従って、二次電池４を回復充電する場合には充電制御器１９からの変動抑制信号に従って風車１のピッチ制御あるいはヨー制御を調整することで、風車１を運転しながら二次電池４を回復充電できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、風車を停止せずに二次電池を回復充電することができ、風のパワーを有効に活用して風車発電コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の二次電池を備えた風力発電システムの構成図。
【図２】実施例１の回転速度制御器の説明図。
【図３】実施例１で制御ゲインが高い場合の波形の説明図。
【図４】実施例１で制御ゲインが低い場合の波形の説明図。
【図５】実施例１の二次電池の充電パターンの説明図。
【図６】実施例２の回転速度制御器の説明図。
【図７】実施例２における風速と発電機出力の関係の説明図。
【図８】実施例３の回転速度制御器の説明図。
【図９】風車の回転速度と機械的入力の関係の説明図。
【図１０】実施例３の風車の回転速度と機械的入力の関係の説明図。
【図１１】風速と発電機出力の関係の説明図。
【図１２】実施例４の二次電池を備えた風力発電システムの構成図。
【符号の説明】
１…風車、２…同期発電機、３，５…変換器、４…二次電池、６…系統連系用変圧器、７，１０…電圧検出器、８，１１…電流検出器、９…直流電圧検出器、１２，１５…３相／２相変換器、１３，１６…有効電力検出器、１４…有効電力指令演算器、１７…直流電圧制御器、１８，２６…有効電力制御器、１９…充電制御器、２０…切換器、２１，２７…電流制御器、２２，２８…２相／３相変換器、２３，２９…パルス発生器、２４…回転速度検出器、２５…回転速度制御器、３０…比例積分制御器、３１…リミッタ、３２…速度指令調整器、３３…ピッチ・ヨー制御器。

Claims

風車の軸に回転子が接続した同期発電機と、該同期発電機の固定子に接続した第１の変換器と、該第１の変換器と電力系統とに接続した第２の変換器と、前記第１の変換器と第２の変換器とに並列に接続した二次電池と、前記第１の変換器の制御手段と、第２の変換器の制御手段とを備え、前記同期発電機の交流発電電力を前記第１の変換器で直流電力に変換し、該直流電力を前記第２の変換器で交流電力に変換し、前記二次電池が、前記第１の変換器が出力する有効電力と前記第２の変換器の出力する有効電力との差分を出力するように制御する風力発電システムにおいて、
前記第１の変換器の制御手段は、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記同期発電機が出力する有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、前記同期発電機の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記同期発電機が出力する有効電力を制御する第１の有効電力制御器とを備え、該第１の変換器の制御手段によって、前記同期発電機の回転速度と前記同期発電機が出力する有効電力とを調整し、
前記第２の変換器の制御手段は、前記二次電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、前記二次電池の直流電圧を制御する直流電圧制御器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を制御する第２の有効電力制御器とを備え、
前記第２の変換器の制御手段が、前記二次電池を充電するモードを備え、
前記二次電池を充電する場合には、前記第１の変換器の制御手段が、回転速度制御器と第１の有効電力制御器とで前記同期発電機の回転速度と前記同期発電機が出力する有効電力とを調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記第２の変換器の制御手段が前記二次電池を充電するモードが、定電圧充電モードであって、前記二次電池を定電圧充電する場合に、前記第１の変換器の制御手段が、回転速度制御器と第１の有効電力制御器とで前記同期発電機の回転速度と前記同期発電機が出力する有効電力とを調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電圧充電する場合に、前記回転速度制御器の制御ゲインを下げて前記回転速度制御器の制御応答速度を下げることを特徴とする風力発電システム。
請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電圧充電する場合に、前記回転速度制御器の回転速度指令を最適値からずらして、風から前記風車に与えられる機械的な入力を調節することを特徴とする風力発電システム。
請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電圧充電する場合に、前記回転速度制御器が有効電力指令を所定の上限値以下に制限するリミッタ機能を有していて、前記同期発電機が出力する有効電力を制限することを特徴とする風力発電システム。
請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電圧充電する場合には、前記第２の変換器の制御手段に備えた直流電圧制御器の直流電圧指令が、前記二次電池の充電電圧指令で与えられることを特徴とする風力発電システム。
請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記風車を運転した状態で、前記二次電池を充電することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記第２の変換器の制御手段が前記二次電池を充電するモードが、定電流充電モードであって、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記第１の変換器の制御手段が、回転速度制御器と第１の有効電力制御器とで、前記同期発電機の回転速度と前記同期発電機が出力する有効電力とを調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項８に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記回転速度制御器の制御ゲインを下げて前記回転速度制御器の制御応答速度を下げることを特徴とする風力発電システム。
請求項８に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記回転速度制御器の回転速度指令を最適値からずらして、風から前記風車に与えられる機械的な入力を調節することを特徴とする風力発電システム。
請求項８に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記回転速度制御器が有効電力指令を所定の上限値以下に制限するリミッタ機能を有していて、前記同期発電機が出力する有効電力を制限することを特徴とする風力発電システム。
請求項８に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電流充電する場合には、前記第１の変換器の制御手段に備えた有効電力検出器の検出する有効電力検出値と、前記第２の変換器の制御手段に備えた直流電圧検出器の検出する直流電圧検出値と、前記二次電池の充電電流指令とを用いて、前記第２の変換器に備えた有効電力制御器の有効電力指令を演算することを特徴とする風力発電システム。
風車の軸に回転子が接続した発電機と、該発電機の固定子に接続した第１の変換器と、該第１の変換器と電力系統とに接続した第２の変換器と、前記第１の変換器と第２の変換器とに並列に接続した二次電池と、前記第１の変換器の制御手段と、第２の変換器の制御手段とを備え、前記発電機の交流発電電力を前記第１の変換器で直流電力に変換し、該直流電力を前記第２の変換器で交流電力に変換し、前記二次電池が、前記第１の変換器が出力する有効電力と前記第２の変換器の出力する有効電力との差分を出力するように制御する風力発電システムにおいて、
前記第１の変換器の制御手段は、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記発電機が出力する有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、前記発電機の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記発電機が出力する有効電力を制御する第１の有効電力制御器とを備え、該第１の変換器の制御手段によって、前記発電機の回転速度と前記発電機が出力する有効電力とを調整し、
前記第２の変換器の制御手段は、前記二次電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、前記二次電池の直流電圧を制御する直流電圧制御器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を制御する第２の有効電力制御器とを備え、
前記第２の変換器の制御手段が、前記二次電池を充電するモードを備え、
該二次電池の充電モードが複数段階の設定電流の定電流充電と、該定電流充電に引き続く定電圧充電モードであることを特徴とする風力発電システム。
風車の軸に回転子が接続した同期発電機と、該同期発電機の固定子に接続した第１の変換器と、該第１の変換器と電力系統とに接続した第２の変換器と、前記第１の変換器と第２の変換器とに並列に接続した二次電池と、前記第１の変換器の制御手段と、第２の変換器の制御手段とを備え、前記同期発電機の交流発電電力を前記第１の変換器で直流電力に変換し、該直流電力を前記第２の変換器で交流電力に変換し、前記二次電池が、前記第１の変換器が出力する有効電力と前記第２の変換器の出力する有効電力との差分を出力するように制御する風力発電システムにおいて、
該風力発電システムが、前記風車のピッチ制御とヨー制御とを行うピッチ・ヨー制御手段を備え、
前記第１の変換器の制御手段は、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記同期発電機が出力する有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、前記同期発電機の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記同期発電機が出力する有効電力を制御する第１の有効電力制御器とを備え、該第１の変換器の制御手段によって、前記同期発電機の回転速度と前記同期発電機が出力する有効電力とを調整し、
前記第２の変換器の制御手段は、前記二次電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、前記二次電池の直流電圧を制御する直流電圧制御器と、前記第２の変換器が電力系統へ出力する有効電力を制御する第２の有効電力制御器と、前記二次電池の充電制御器とを備え、
前記第２の変換器の制御手段は、前記二次電池を充電するモードを備え、前記二次電池を充電する場合に、前記二次電池の充電制御器の出力信号に基づいて、前記風車のピッチ・ヨー制御手段によって風から前記風車に与えられる機械的な入力を調節することを特徴とする風力発電システム。
請求項１４に記載の風力発電システムにおいて、前記第２の変換器の制御手段が前記二次電池を充電するモードが、定電圧充電モードであって、前記二次電池を定電圧充電する場合に、前記二次電池の充電制御器の出力信号に基づいて、前記風車のピッチ・ヨー制御手段によって風から前記風車に与えられる機械的な入力を調節することを特徴とする風力発電システム。
請求項１５に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電圧充電する場合には、前記第２の変換器の制御手段に備えた直流電圧制御器の直流電圧指令が、前記二次電池の充電電圧指令で与えられることを特徴とする風力発電システム。
請求項１５に記載の風力発電システムにおいて、前記風車を運転した状態で、前記二次電池を充電することを特徴とする風力発電システム。
請求項１４に記載の風力発電システムにおいて、前記第２の変換器の制御手段が前記二次電池を充電するモードが、定電流充電モードであって、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記二次電池の充電制御器の出力信号に基づいて、前記風車のピッチ・ヨー制御手段によって風から前記風車に与えられる機械的な入力を調節することを特徴とする風力発電システム。
請求項１８に記載の風力発電システムにおいて、前記二次電池を定電流充電する場合に、前記第１の変換器の制御手段に備えた有効電力検出器の検出する有効電力検出値と、前記第２の変換器の制御手段に備えた直流電圧検出器の検出する直流電圧検出値と、前記二次電池の充電電流指令とを用いて、前記第２の変換器に備えた有効電力制御器の有効電力指令を演算することを特徴とする風力発電システム。
請求項１８に記載の風力発電システムにおいて、前記風車を運転した状態で、前記二次電池を充電することを特徴とする風力発電システム。