JP2005218229A

JP2005218229A - 風力発電設備

Info

Publication number: JP2005218229A
Application number: JP2004022074A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Nakada; 浩人中田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】電力系統への出力抑制ができるとともに高調波の発生が少ない出力抑制装置が備えられた風力発電設備を提供すること。
【解決手段】風力発電設備は、風車と、上記風車に連結された発電機と、電力系統に供給される電力を抑制するために上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を消費する電力抑制装置と、を有する風力発電設備において、上記電力抑制装置が、上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を直流電力に変換するＰＷＭ整流回路と、上記直流電力を出力抑制値に相当する交流電力に変換する３相ＰＷＭインバータと、印加された上記交流電力を消費する抵抗器と、を有し、上記発電機に並列に接続された。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力で発電された電力を電力系統に逆潮流するとともに出力抑制装置が備えられた風力発電設備に関する。

従来の風力発電設備では、風力による風車の回転を誘導発電機で電力に変換し、一部は直接電気負荷に接続して消費する一方、余った電力を電力系統に逆潮流している。このときに、誘導発電機で発電された交流電力が、整流回路とインバータとで電力系統に送り出すことのできる交流電力に変換している（例えば、特許文献１参照。）。
そして、整流回路とインバータとに並列に、発電された交流電力を直流に変換する補助電力制御回路と、その電力を熱エネルギに変換して消費する補助電力消費装置とを有する出力抑制装置が設けられている（例えば、特許文献２参照。）。

特表２００１−５２２２１８号公報特開２００３−２６４９９４号公報

しかし、補助電力制御回路として１２相整流回路で交流を整流すると、１１次や１３次の高調波が発生し、その高調波が逆潮流された電力に重畳されて電力系統に送り出される。これらの高調波は電力系統に接続されている他の機器に影響を与えるという問題があった。

この発明の目的は、電力系統への出力抑制ができるとともに高調波ノイズの発生が少ない出力抑制装置が備えられた風力発電設備を提供することである。

この発明に係わる風力発電設備は、風車と、上記風車に連結された発電機と、電力系統に供給される電力を抑制するために上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を消費する電力抑制装置と、を有する風力発電設備において、上記電力抑制装置が、上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を直流電力に変換するＰＷＭ整流回路と、上記直流電力を出力抑制値に相当する交流電力に変換する３相ＰＷＭインバータと、印加された上記交流電力を消費する抵抗器と、を有し、上記発電機に並列に接続されている。

この発明に係わる風力発電設備の効果は、電力消費において、ＰＷＭ整流回路で整流されているので、ＰＷＭ制御の基準波と搬送波とを適切に定めることにより、高調波ノイズの発生を少なくすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる風力発電設備のブロック図である。
図１に示すように、風力発電設備１は、風力を受けて回転する風車２と、風車２に連結されている同期発電機３と、同期発電機３で発電された電力を電力系統４の連系条件を満足する電力に変換する電力変換回路５と、連系条件を満足する系統電圧に昇圧する昇圧トランス６と、昇圧トランス６で昇圧された電力を電力系統４に連系する連系遮断器７と、昇圧トランス６の電力系統４側に接続された降圧トランス８と、降圧トランス８に接続された出力抑制装置９とを備えている。

出力抑制装置９は、降圧トランス８の低圧側に接続された３相ＰＷＭ整流回路１０と、３相ＰＷＭ整流回路１０に接続されたＰＷＭインバータ１１と、ＰＷＭインバータ１１で電圧の調整された電力を消費する抵抗器１２と、昇圧トランス６の系統側の電圧を計測する変圧器１３と、連系遮断器７に流れる電流を計測する電流変成器１４と、変圧器１３で計測された電圧および電流変成器１４で計測された電流に基づいてＰＷＭインバータ１１を制御する制御回路１５とを有している。

図２に示すように、３相ＰＷＭ整流回路１０は、ＩＧＢＴ素子１６が相毎に上アームと下アームに配置されている。
また、図３に示すように、ＰＷＭインバータ１１は、ＩＧＢＴ素子１７が３相ブリッジに構成されていて、ＩＧＢＴ素子１７毎に制御回路１５により発生されたＯＮーＯＦＦ信号が入力されて所望の電力に変換する。

次に、この風力発電設備１の動作について説明する。
風力により風車２が回転され、それに回転軸が連結された同期発電機３が電力を発電する。その発電された電力は、電力系統４に連系できる周波数範囲を満足した商用周波数の電力に電力変換器５により変換される。商用周波数に変換された電力が、昇圧トランス６で昇圧される。通常の風力のもとで発電されているときには、系統連系の条件を満足している。

しかし、風力が強く、同期発電機３で発電されている電力が大きいときには、系統連系の条件、例えば、有効電力量が所定の電力量の範囲内にあること、または、力率が許容値内にあること、を満足できなくなることがおこる。そのとき、制御回路１５が、変圧器１３と電流変成器１４により計測された電圧と電流の値に基づき、電圧指令値を算出し、ＰＷＭインバータ１１に入力する。
昇圧トランス６で昇圧された電力の一部がバイパスされ、降圧トランス８により、所定の電圧に降圧される。この降圧された電力がＰＷＭ整流回路１０で直流に整流される。この整流された直流がＰＷＭインバータ１１で入力された電圧指令値に基づいて電圧Ｖが制御された交流に変換される。そして、電圧Ｖが制御された交流が抵抗器１２に印加されるので、消費電力Ｐ_Ｌ＝Ｖ^２／Ｒが抵抗器１２で消費される。尚、Ｒは抵抗器１２の抵抗値である。

このように、昇圧トランス６から電力系統４に流れる電力のうち、抵抗器１２でＰ_Ｌが消費されるので、系統連系から電力系統４に流れる電力が減少し、系統連系の条件を満足させることができる。この電力消費において、ＰＷＭ整流回路１０で整流されているので、ＰＷＭ制御の基準波と搬送波とを適切に定めることにより、高調波ノイズの発生を少なくすることができる。
また、基準波と搬送波があらかじめ定められているので、適切なフィルタを挿入することにより、より高調波ノイズを減少することができる。

また、１２相整流回路と比較して、スイッチング素子の数が半分でいいので、トータルコストを半減することができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係わる風力発電設備のブロック図である。
実施の形態２の風力発電設備は、実施の形態１の風力発電設備に遠方制御装置がさらに備えられていることが異なっており、その他は同様であるので、同様な部分には符号を付けて説明を省略する。

図４に示すように、風力発電設備２０は、風車が設置されている場所から離れた場所に、通信回線２１を介して制御回路２２に出力抑制値を送信する遠方制御装置２３が備えられている。遠方制御装置２３は、制御回路２２にＰＷＭインバータ１１で消費される外部から設定された出力抑制量Ｐ_Ｌを送信する制御量設定手段２４を有している。外部からの出力抑制量の入力は図示しないキーボードなどの入力手段を用いて行われる。
風力発電設備の稼働の制御は、風車などが設定されている場所から離れた中央制御所で行われている。制御においては、電力系統全体を表示している図示しない制御盤から、風力発電から電力系統に逆潮流できる電力量を計算し、それに基づいて出力抑制量を計算して、その値を通信回線２１を介して制御回路２２に送信する。制御回路２２は、その出力抑制量に基づいて、ＰＷＭインバータ１１への電圧指令値を算出し、ＰＷＭインバータ１１に入力する。この電圧指令値に従い、電圧が制御された交流に変換され、この交流が抵抗器１２に印加されて消費される。

このような風力発電設備は、遠方制御装置が備えられ、出力抑制量を外部から入力することができるので、通常交通の便の悪い風車などが設置されている場所にあえて行かなくても制御することができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係わる風力発電設備のブロック図である。
実施の形態３の風力発電設備は、実施の形態２の風力発電設備と遠方制御装置における制御が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分には符号を付けて説明を省略する。

図５に示すように、風力発電設備３０は、系統連系点から離れた遠方の電力系統４内の電圧を計測する変圧器３１と、その地点の電流を計測する電流変成器３２と、この電圧と電流が入力され、それらに基づいて電力系統４内の電力量を算出し、その電力量と同期発電機３が発電できる発電可能電力量とから出力抑制量を算出する抑制量算出手段３５およびその出力抑制量を通信回線２１を介して制御回路２２に送信する制御量設定手段２４を有した遠方制御装置３４とを備えている。

このような風力発電設備は、入力された電力系統内の電力量と、風車が可能な発電可能電力量とから出力抑制量が自動的に算出されるので、出力抑制値を計算して設定入力する手間が省け、経済的に優れた装置を提供することができる。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係わる風力発電設備のブロック図である。
実施の形態４の風力発電設備は、実施の形態３の風力発電設備と遠方制御装置における制御が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分には符号を付けて説明を省略する。
図６に示すように、風力発電設備４０は、抵抗器１２の異常状態、例えば、図示しない端子取付部での接触不良など、を検出する抵抗器異常検出器４１と、抵抗器異常検出器４１と遠方制御装置４２との間を通信可能に接続する第１の伝送路４３と、抵抗器異常検出器４１から異常信号が発報されたときに、連系遮断器７を遮断する遮断信号を発するとともに、警報信号を発する異常処理手段４４を有する遠方制御装置４２と、風車３などが設置されている近くにおかれた監視所４６とを備えている。遠方制御装置４２と連系遮断器７および監視所４６の間には第２の伝送路４７および第３の伝送路４８が接続されている。

抵抗器異常検出器４１が抵抗器１２の加熱などの異常を検出したとき、異常信号が異常処理手段４４に送られるので、連系遮断器７を切断する信号を第２の伝送路４７を介して送られ、連系遮断器７がトリップされる。同時に、警報信号が監視所４６に送信されるので、監視所４６に監視している人が異常になった抵抗器１２を確認し、保守する。

このような風力発電設備は、抵抗器などの異常を検出し、異常が検出されたときには電力系統との連系が切断されるとともに風力発電を監視している監視所に警報することができるので、信頼性の高い風力発電設備を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係わる風力発電設備のブロック図である。実施の形態１のＰＷＭ整流回路の回路図である。実施の形態１のＰＷＭインバータの回路図である。この発明の実施の形態２に係わる風力発電設備のブロック図である。この発明の実施の形態３に係わる風力発電設備のブロック図である。この発明の実施の形態４に係わる風力発電設備のブロック図である。

符号の説明

１、２０、３０、４０風力発電設備、２風車、３同期発電機、４電力系統、５電力変換器、６昇圧トランス、７連系遮断器、８降圧トランス、９出力抑制装置、１０ＰＷＭ整流回路、１１ＰＷＭインバータ、１２抵抗器、１３、３１変圧器、１４、３２電流変成器、１５、２２制御回路、１６、１７ＩＧＢＴ素子、２１通信回線、２３、３４、４２遠方制御装置、２４制御量設定手段、３５抑制量算出手段、４１抵抗器異常検出器、４３、４７、４８伝送路、４４異常処理手段、４６監視所。

Claims

風車と、上記風車に連結された発電機と、電力系統に供給される電力を抑制するために上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を消費する電力抑制装置と、を有する風力発電設備において、
上記電力抑制装置が、
上記発電機で発電された電力の少なくとも一部を直流電力に変換するＰＷＭ整流回路と、
上記直流電力を出力抑制値に相当する交流電力に変換する３相ＰＷＭインバータと、
印加された上記交流電力を消費する抵抗器と、
を有し、
上記発電機に並列に接続されたことを特徴とする風力発電設備。
上記電力抑制装置から遠方に離れた所に配置され、上記出力抑制値を上記３相ＰＷＭインバータに送信する遠方制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
上記遠方制御装置が、入力された上記電力系統全体の消費電力と上記風車および上記発電機で発電可能な出力可能電力とから上記３相ＰＷＭインバータに送信する出力抑制値を算出することを特徴とする請求項２に記載の風力発電設備。
上記遠方制御装置が、上記抵抗器の異常を検出し、異常を検出したとき、上記発電機で発電された電力の電力系統への供給を遮断させるとともに、警報を発することを特徴とする請求項２または３に記載の風力発電設備。