JP2005051867A - 風力発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】課題解決のため、本発明は、風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、その回転速度と電圧を検出する装置と、誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う装置とを備え、異常時に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システムを提供するものである。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導発電機を用いた風力発電機を含む風力発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
誘導発電機を用いた風力発電機においては、系統故障時に誘導機型風力発電機の回転速度および電圧が不安定になる場合がある。以下、その現象について説明する。
【0003】
図5に誘導発電機と2回線送電線からなるモデル系統を示す。誘導発電機端子には並列コンデンサ13を設置し、誘導発電機1の運転に必要な無効電力を補償している。図6において、実線は図5のモデルの誘導発電機1について有効電力と端子電圧の特性を計算したものであり、初期動作点は電圧高め側の安定領域に存在している。一方点線は1回線開放後の有効電力と端子電圧の特性であり、これより送電線を1回線開放すると電圧不安定になることが予想される。図7,図8は送電線を1回線開放した場合の計算結果である。計算条件は2回線送電線の片側1回線を0.1 秒において三相開放するものである。図7は誘導発電機1の端子電圧の時間変化を示すものであり、横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は端子電圧を示す。図8は誘導発電機の回転速度の時間変化を示すものであり、横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は回転角速度を示している。図7の電圧変化は電圧の低下を示しており、電圧不安定現象が起こっている。また図8の回転速度は上昇しており、過渡的な不安定で加速脱調したと見なせる。すなわち、計算結果は誘導発電機の加速脱調と電圧不安定の両者を伴う過渡不安定現象を示すものである。実機においても系統故障等の外乱が加わった場合には、誘導発電機に同様の現象が起こると考えられる。
【0004】
風力発電機の回転速度安定化のためには、例えば特開2002−155850号公報に記載されているようなフライホイールを用いて回転変動を緩和する方法、および特開2002−339855号公報に記載されているような風車のピッチ角制御による方法が公知である。しかしフライホイールを用いる場合、フライホイール質量は発電機出力に比例するため、発電機容量の増大に伴い個々の発電機に対して大型のフライホイールが必要となる。一方、現状の風力発電機において用いられているピッチ角制御は(a)風速変化に対し発電機出力を設定値に維持する制御と(b)過剰な風速に対し風車を保護する制御があるが、(a)の制御は系統故障等に伴って加速脱調する発電機に対しては逆に過渡安定度を悪化させる恐れがあり、(b)の制御には加速脱調する発電機を過渡的に安定化させる作用は無い。
【0005】
また可変速発電機においては、例えば特開2003−102129号公報に記載されているように、有効電力を用いた電圧安定化が図られている。しかし誘導発電機で変換器を経ずに直接系統に電力を供給する場合には電圧安定化の手立てが無く、遮断を余儀なくされる。
【0006】
無効電力を調整する例として特開2003−23733号公報に記載されているように、交直変換回路を備えた発電装置の無効電力を調整して、誘導機型発電機の無効電力を補償している。しかし、交直変換回路にて無効電力調整を行うため、発電機容量に見合った変換器が必要となる。また通常時のみの無効電力補償であるため、過渡安定化には寄与しない。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−155850号公報
【特許文献2】
特開2003−102129号公報
【特許文献3】
特開2003−23733号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、誘導発電機を用いた風力発電機を含む風力発電システムにおいて、系統故障時に起こる加速脱調や電圧不安定化を抑え、安定して電力を供給し続けることが出来る風力発電システムを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
課題解決のため、本発明は、風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、その回転速度と電圧を検出する検出装置と、誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う装置とを備え、異常時に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システムを提供するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態1を示すもので、誘導発電機1は風車6の回転力から交流電力を発電し電力系統に供給する。検出装置2は誘導発電機1の回転速度および電圧を検出する検出装置、発電装置3は誘導発電機1に並列に接続され無効電力の調整が可能な発電装置、3aは風車7の回転力から電力を発電する交流励磁型同期発電機、3bは交直変換器(コンバータ)、3cは直流コンデンサ、3dは交直変換器(インバータ)である。二次励磁制御装置4は検出装置2が異常を検出した際に交流励磁型同期発電機3aの交流励磁を制御する二次励磁制御装置である。風車6の回転力から誘導発電機1によって発電した電力を、変換器を介さず直接電力系統に供給すると、系統側の故障時に加速脱調や電圧不安定が起こる。この時、検出装置2が物理量の異常を検出し、二次励磁制御装置4は検出装置2の異常検出を受けて交流励磁型同期発電機3aの二次側を励磁制御し、発電装置3は無効電力を発電機1に注入し、誘導発電機1の電圧不安定と加速脱調を抑制して安定化する。
【0011】
以下、特に断らない限り図2〜図10において符号は図1と同様である。
【0012】
図2は本発明の実施の形態2を示すもので、9は風車10の回転力から交流電力を発電し交直変換器を介さず電力系統に供給する誘導発電機である。誘導発電機1または誘導発電機9のいずれかの回転速度あるいは電圧の異常を検出装置2が検出した場合、二次励磁制御装置4が交流励磁型同期発電機3aの二次励磁制御を行い、発電装置3より無効電力を注入する。
【0013】
図3は本発明の実施の形態3を示すもので、11aは風車12の回転力から発電を行う同期発電機、11bは交直変換器(コンバータ)、11cは直流コンデンサ、11dは交直変換器(インバータ)、発電装置11はこれらより構成される発電装置である。系統故障時の安定化制御は実施の形態1と同様である。
【0014】
図4は本発明の実施の形態4を示すもので、過渡安定化のための無効電力注入は発電装置3により行い、定常時の無効電力補償を発電装置3のみでなく並列コンデンサ19からも行う。
【0015】
本発明の動作を確認するためシミュレーションを行った。以下このシミュレーション結果を用いて本発明の動作を説明する。
【0016】
図9はシミュレーションに用いたモデルであり、実施の形態1に示した発電システムを、同期発電機を用いた発電装置20と並列に配置した構成を基にしている。風車6の回転力により発電を行う誘導発電機1の高電圧側に、風車7の回転力により発電を行う交流励磁型発電機を含む発電装置3を並列に設置してあり、誘導発電機1の回転速度と電圧の変化を検出装置2により検出し、異常があれば発電装置3から誘導発電機1に無効電力を注入する。誘導発電機1および発電装置3に対し並列に、同期発電機を用いた発電装置20が設置されている。14,15は変圧器、16はブレーカーである。1.1 秒に三相地絡地点17にて三相地絡、1.2 秒にてブレーカー16を開放、2.0 秒においてブレーカー16を閉めた条件とした。
【0017】
図10は交流励磁型発電機を設置しない場合のモデルであり、誘導発電機1の無効電力補償のため並列コンデンサ18を設置している。
【0018】
図11および図12においてAは図9のモデルを計算した結果、Bは図10のモデルにて風車のピッチ角制御を行った結果、Cは図10のモデルにて制御なしの結果である。ただし、ここで行ったピッチ制御は、電気学会論文誌B121巻12号(2001年)1623頁から1630頁において論じられた方法である。これは過渡安定度を改善できるよう考案された制御であり、「従来の技術」にて述べたピッチ制御とは異なる。上述の通り、風車保護を目的とした風車ピッチ制御では過渡安定化することは困難である。
【0019】
図11は誘導発電機1の端子電圧の時間変化に対する計算結果である。横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は端子電圧を示す。制御なしのCの場合、端子電圧は三相地絡の影響により低下したまま戻らない。ピッチ制御を行ったBの場合、およそ15秒後にほぼ元の電圧に戻っている。発電装置3からの無効電力注入を行ったAの場合、Bよりも短いおよそ6秒でほぼ元の電圧に戻っている。
【0020】
図12は誘導発電機1の回転速度の時間変化に対する計算結果である。横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は回転角速度を示す。制御なしのCの場合、加速脱調し回転速度が上昇し続けている。ピッチ制御を行ったBの場合、およそ5秒後にほぼ元の回転速度に戻っている。発電装置3からの無効電力注入を行ったAの場合、Bよりも短いおよそ2秒でほぼ元の回転速度に戻っている。
【0021】
以上のように、電圧,回転速度とも交流励磁型発電装置を用いた無効電力注入により効果的に安定化されることが確かめられた。
【0022】
【発明の効果】
以上のように本発明により、風力発電設備において系統側の故障によって誘導発電機の不安定が生じた場合、並列に接続された発電装置において交流励磁を制御して無効電力を発生して不安定な発電機に注入することで効果的に安定化し、品質の良好な電力を供給し続ける風力発電システムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を示す図。
【図2】本発明の実施の形態2を示す図。
【図3】本発明の実施の形態3を示す図。
【図4】本発明の実施の形態4を示す図。
【図5】誘導発電機と2回線送電線からなるモデル系統を示す図。
【図6】図5の誘導発電機の端子電圧と有効電力の特性を示すグラフ。
【図7】図5の誘導発電機の端子電圧の時間変化を示すグラフ。
【図8】図5の誘導発電機の回転角速度の時間変化を示すグラフ。
【図9】シミュレーションに用いたモデルを示す図。
【図10】図9において交流励磁型発電装置を無くしたモデルを示す図。
【図11】図9および図10の誘導発電機の端子電圧の時間変化を示すグラフ。
【図12】図9および図10の誘導発電機の回転角速度の時間変化を示すグラフ。
【符号の説明】
1,9…誘導発電機、2…検出装置、3,11,20…発電装置、3a…交流励磁型同期発電機、3b,11b…交直変換器(コンバータ)、3c,11c…直流コンデンサ、3d,11d…交直変換器(インバータ)、4…二次励磁制御装置、6,7,10,12…風車、8…電力系統、11a…同期発電機、13,18,19…並列コンデンサ、14,15…変圧器、16…ブレーカー、17…三相地絡地点。
Claims (5)
- 風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、該誘導機型風力発電機の回転速度と電圧を検出する検出装置と、該誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、該交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う二次励磁制御装置とを備え、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に、該誘導機型風力発電機に無効電力を注入して誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システム。
- 請求項1において、該検出装置で電圧に加え、電力または電流または周波数のいずれかを検出し、異常があった際に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システム。
- 請求項1または請求項2において、該交流励磁型発電機を、通常時は有効電力を発生する発電機とした発電システム。
- 請求項1または請求項2または請求項3において、該誘導機型風力発電機および該交流励磁型発電機、またはどちらかを並列に複数設置した発電システム。
- 請求項1乃至請求項4のいずれかにおいて、該誘導機型風力発電機および該交流励磁型発電機に、並列に同期発電機を一機または複数設置した発電システム。
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