JP2005045849A - 風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】風力発電装置の軸系に発生するねじれ振動を抑制し、安定に風車を運転する。
【解決手段】本発明の風力発電装置は、風車の軸に接続した同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続する順変換器と、前記順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器とを備え、風車の軸に接続した同期発電機の回転速度検出値から風車と同期発電機の間の軸系のねじれ振動成分を抽出し、この振動成分に基づいて順変換器への電流指令の有効成分を調整して、同期発電機の回転速度の変化を抑制する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車と同期発電機の間の軸系に発生するねじれ振動を抑制する風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の風力発電システムを説明する。風車は同期発電機に接続され、風のエネルギーによって風車が回転し、風車が同期発電機を駆動することで同期発電機が発電する。同期発電機の出力する交流電力は順変換器により直流電力に変換され、さらに逆変換器により商用周波数の交流電力に変換されて電力系統に供給される。一例として、特許文献１にこのような構成の風力発電システムが記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−１２０５０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、風車と同期発電機の間に軸系のねじれ振動が発生すると上記従来技術では運転を継続することが困難となる。軸系のねじれ振動が発生すると軸の破損を避けるために風車を停止させ、発電を停止する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、風力発電装置の軸系に発生するねじれ振動を抑制して、安定に風車を運転し、発電を継続できる風力発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電装置は、風車の軸に接続した同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続する順変換器と、前記順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器とを備え、風車の軸に接続した同期発電機の回転速度検出値から風車と同期発電機の間の軸系のねじれ振動成分を抽出し、この振動成分に基づいて順変換器への電流指令の有効成分を調整して、同期発電機の回転速度の変化を抑制する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の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の軸に接続されており、風車１が風のエネルギーにより回転すると、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の固定子には順変換器３が接続されており、同期発電機２が発生する可変周波数の交流電力は、順変換器３により直流電力に変換される。順変換器３の直流側は、直流コンデンサ４を介し、逆変換器５の直流側に接続されている。逆変換器５は順変換器３から送られる直流電力を固定周波数の交流電力に変換する。逆変換器５の交流側は系統連系用変圧器６を介して電力系統に接続されており、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【０００８】
同期発電機２と順変換器３との間には、電圧検出センサ７と電流検出センサ８とが設置されている。電圧検出センサ７は同期発電機２の端子電圧を検出し、電流検出センサ８は同期発電機２の固定子に流れる電流を検出する。電圧検出センサ７が検出した電圧値は、３相／２相変換器９によってｄ軸成分とｑ軸成分とに変換される。電流検出センサ８が検出した電流値は、３相／２相変換器１０によってｄ軸成分とｑ軸成分とに変換される。なお、本実施例においてｄ軸成分は無効成分を、ｑ軸成分は有効成分を表す。
【０００９】
回転速度検出器１１は、３相／２相変換器９、１０が出力するｄ軸成分とｑ軸成分との信号に基づいて、同期発電機２の回転速度を検出する。フィルタ１２は、回転速度検出器１１が出力する同期発電機２の回転速度信号を入力し、この入力信号から特定周波数成分を抽出する。フィルタ１２が抽出する周波数成分は、風車１と同期発電機２の間の軸系のねじれ振動の周波数に設定する。位相ゲイン調整器１３は、フィルタ１２が出力する信号の位相とゲインとを調整して出力する。このフィルタ１２と位相ゲイン調整器１３とで、振動抑制部を構成する。
【００１０】
電流指令演算器１４は、順変換器３への電力指令を入力し、順変換器３への電流指令のｄ軸成分及びｑ軸成分を出力する。電流指令演算器１４が出力する電流指令のｑ軸成分に、位相ゲイン調整器１３が出力する信号が加算される。
【００１１】
ｄ軸電流制御器１５には、３相／２相変換器１０が出力する電流検出値のｄ軸成分と順変換器３への電流指令のｄ軸成分とを入力する。ｄ軸電流制御器１５は、順変換器３への出力電圧指令のｄ軸成分を出力する。このｄ軸電流制御器１５は、例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への出力電圧指令を決定する。
【００１２】
ｑ軸電流制御器１６は、３相／２相変換器１０の出力する電流検出値のｑ軸成分と順変換器３への電流指令のｑ軸成分を入力し、順変換器３への出力電圧指令のｑ軸成分を出力する。ｑ軸電流制御器１６は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への出力電圧指令を決定する。
【００１３】
ｄ軸電流制御器１５及びｑ軸電流制御器１６が出力する、出力電圧指令のｄ軸成分及びｑ軸成分は、２相／３相変換器１７により３相の出力電圧指令に変換される。
【００１４】
パルス発生器１８は、２相／３相変換器１７が出力する３相の出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により順変換器３へのゲートパルス信号を出力する。順変換器３は、ゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の電力半導体スイッチング素子を高速にスイッチングさせて、出力電圧指令に応じた電圧を出力する。
【００１５】
次に、風車１と同期発電機２の間の軸系にねじれ振動が発生した場合の動作について説明する。図２にねじれ振動が発生した場合の同期発電機２の回転速度と、順変換器３への電流指令のｑ軸成分との関係を示す。
【００１６】
本実施例では、ねじれ振動の発生により同期発電機２の回転速度が増加した場合には、図１の回転速度検出器１１と、フィルタ１２と、位相ゲイン調整器１３とを介して順変換器３への電流指令のｑ軸成分を増加させる。このように電流指令のｑ軸成分を増加させると同期発電機２の出力が増加する。
【００１７】
この結果、風車１から同期発電機２へ与えられる機械的入力パワーより同期発電機２の出力が大きくなるために入力パワーが不足することになるが、この不足分が同期発電機２の回転子の回転エネルギーから補われることになるために、同期発電機２の回転速度が減少する。
【００１８】
逆に、同期発電機２の回転速度が減少した場合には、回転速度検出器１１及びフィルタ１２及び位相ゲイン調整器１３を介して順変換器３への電流指令のｑ軸成分を減少させる。電流指令のｑ軸成分を減少させると同期発電機２の出力が減少する。
【００１９】
この結果、風車１から同期発電機２へ与えられる機械的入力パワーより同期発電機２の出力が小さくなると入力パワーに余剰が生じることになるが、その余剰分の入力パワーは同期発電機２の回転子の回転エネルギーとして蓄えられることになるため、同期発電機２の回転速度が増加する。
【００２０】
以上のように、本実施例では、同期発電機２の回転速度の変化に応じて順変換器３への電流指令のｑ軸成分を調整することで、同期発電機２の回転速度の変化を抑制することができる。なお、風車１と同期発電機２の間の軸系がねじれ振動以外の周波数成分で振動した場合は、フィルタ１２が抽出する周波数領域から外れるためにその振動を抑制する制御は働かない。すなわち、フィルタ１２で設定する特定周波数の振動が発生した場合にその振動を抑制するので、通常の運転に支障を与えることはない。
【００２１】
ここで、フィルタ１２は、風車１と同期発電機２の間の軸系がねじれ振動する周波数成分を抽出できる構成のものであれば、振動の周波数成分を含む特定の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタであっても良いし、振動の周波数成分を含む特定の周波数以下を通過させるローパスフィルタや、振動の周波数成分を含む特定の周波数以上を通過させるハイパスフィルタであっても良い。また、フィルタ１２は、アナログ回路で構成したフィルタであっても良いし、デジタル信号処理回路で構成したフィルタであっても良い。
【００２２】
本実施例では、同期発電機２の回転速度を、同期発電機２の電圧、電流検出値に基づいて検出しているが、機械式の回転速度検出器を用いて検出した回転速度信号をフィルタ１２を通して用いても良いことは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、風車と同期発電機の間に発生する軸系のねじれ振動を抑制し、安定に風車を運転し発電を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の風力発電装置の構成の説明図である。
【図２】ねじれ振動が発生した場合の同期発電機の回転速度と、順変換器への電流指令のｑ軸成分との関係の説明図である。
【符号の説明】
１…風車、２…同期発電機、３…順変換器、４…直流コンデンサ、５…逆変換器、６…系統連系用変圧器、７…電圧検出センサ、８…電流検出センサ、９、１０…３相／２相変換器、１１…回転速度検出器、１２…フィルタ、１３…位相ゲイン調整器、１４…電流指令演算器、１５…ｄ軸電流制御器、１６…ｑ軸電流制御器、１７…２相／３相変換器、１８…パルス発生器。

Claims (4)

  1. 風車の軸に接続した同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続する順変換器と、前記順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する風力発電装置において、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、前記同期発電機の固定子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器の検出する電流値を制御しかつ電圧指令として出力する電流制御器と、前記回転速度検出器の検出する回転速度値を入力として特定周波数成分を抽出して出力するフィルタと、前記フィルタの出力信号を入力として位相及びゲインを調整して出力する位相ゲイン調整器とを備え、
    前記位相ゲイン調整器が出力する信号を、前記電流制御器へ与える電流指令に加算することを特徴とする風力発電装置。
  2. 風車の軸に接続した同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続する順変換器と、前記順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する風力発電装置において、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、前記同期発電機の固定子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器の検出する３相の電流値を有効成分と無効成分に変換する演算器と、前記有効成分及び無効成分を制御しかつ電圧指令として出力する電流制御器と、前記回転速度検出器の検出する回転速度値を入力として特定周波数成分を抽出して出力するフィルタと、前記フィルタの出力信号を入力として位相及びゲインを調整して出力する位相ゲイン調整器とを備え、
    前記位相ゲイン調整器が出力する信号を、前記電流制御器へ与える電流指令の有効成分に加算することを特徴とする風力発電装置。
  3. 請求項１または請求項２の何れかに記載の風力発電装置において、前記フィルタが前記風車と前記同期発電機の間の軸系に発生するねじれ振動成分を抽出するフィルタであることを特徴とする風力発電装置。
  4. 風車の軸に接続した同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続する順変換器と、前記順変換器の直流側に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器と、前記順変換器の制御部とを備えた風力発電装置において、
    該順変換器の制御部が、前記同期発電機の回転速度検出値から風車と同期発電機の間の軸系のねじれ振動成分を抽出し、該振動成分に基づいて順変換器への電流指令の有効成分を調整して前記同期発電機の回転速度の変化を抑制するように制御することを特徴とする風力発電装置。
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