JP2006311684A

JP2006311684A - 永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置

Info

Publication number: JP2006311684A
Application number: JP2005129817A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Nakayama; 仁中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】低周波の電流を検出し風力発電設備を安全に停止させることが出来る永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置を提供する。
【解決手段】風力によって回転駆動される風車１と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子５と、回転子に対向配置された電機子回路６とを有する発電機及び電機子回路と主回路ケーブル７によって接続され、電力制御を行なう電力変換装置１３を備えた永久磁石式風力発電設備において、主回路ケーブル７に設けた直流変流器８〜１０と、直流変流器に接続された過電流検出器１１とを備え、風車１の低回転状態において発電機と電力変換装置１３間で短絡事故が発生した場合に直流変流器８〜１０及び過電流検出器１１によって短絡電流を検出し、風力発電設備を停止させる構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置、特に風力発電設備の低回転状態における短絡事故電流もしくは短絡状態を検出し、風力発電設備を安全に停止させる永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置に関するものである。

従来、永久磁石を搭載した風力発電装置においては、電機子回路短絡用のスイッチをオンとすることにより、永久磁石の磁極からの発生磁束を捕えて、回転子を拘束する力を発生するため、この拘束力を利用することにより、通常、風力発電設備を停止させるのに用いられている機械式ブレーキを無くすことが可能であった。この場合、短絡電流によって発電機を損傷させないために、短絡回路にインピーダンスを接続し、必要なブレーキ力を確保する必要があった。
（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−３１５３９５号公報

従来の風力発電装置は、上述のように、風力発電設備を停止させる機械式ブレーキを無くすために、電機子回路に短絡装置を設け、風力発電設備を停止させたい時には、積極的に短絡状態として風車を停止させることができるシステムとしていた。

これは積極的に短絡させることによって風力発電設備のブレーキを無くすものであったが、事故により回転中に発電機とインバータ間で短絡事故が発生した場合には、発電機から短絡点に対して過電流が流れるため、回転数によっては、発電機に損傷を与えるような過電流が発生する可能性があるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、低周波の電流を検出し、風力発電設備を安全に停止させることができる永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置は、風力によって回転駆動される風車と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子と、上記回転子に対向配置された電機子回路とを有する発電機及び上記電機子回路と主回路ケーブルによって接続され、電力制御を行なう電力変換装置を備えた永久磁石式風力発電設備において、上記主回路ケーブルに設けた直流変流器と、上記直流変流器に接続された過電流検出器とを備え、上記風車の低回転状態において上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に上記直流変流器及び過電流検出器によって短絡電流を検出し、上記風力発電設備を停止させるようにしたものである。

この発明に係る永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置は上記のように構成されているため、遊転中における過電流保護装置を設けることなく、市販の電流検出装置によって過電流を検出することができ、安価で確実な保護システムを構築することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１の構成を示すブロック図である。

図１において、風車ブレード１は主軸２に直結され、さらにその端部に永久磁石発電機用の回転子５が接続されている。また、主軸２には、ブレーキ用ディスク３が固定され、ブレーキ用ディスク３をディスクブレーキ４で両側から挟んで制動力を与える油圧駆動部が設けられている。さらに、電機子回路を構成する固定子コイル６に主回路ケーブル７が接続され、電力変換装置１３に接続されている。

電力変換装置１３内には固定子コイル６と電力変換装置１３の電力変換部（図示せず）とをオンオフさせるための開閉器１２が内蔵されており、運転状態に合わせて動作させている。
また、制御部１４は、回転数検出器１５にてピックアップした回転数を入力し、電力変換装置１３へ起動停止の情報として与えるようにされている。

固定子コイル６と電力変換装置１３との間の主回路ケーブル７には直流変流器８、９、１０が取り付けられている。各相ごとの短絡事故を検出するためには、少なくとも２相以上に直流変流器を取り付けることが必要である。実施の形態１では、この直流変流器は、数Hz〜数十Hzの電流を検出する必要があるため、磁束零補償型電流センサ、磁気コイル補償型電流センサのいずれかを用いている。

また、この直流変流器８、９、１０の出力を過電流継電器検出器１１に入力している。この過電流継電器検出器１１は低周波検出可能なものを選定する必要がある。
制御部１４は、過電流などの風力発電装置の異常が発生した場合、ディスクブレーキ４を動作させ風力発電設備を停止させるようになっている。

永久磁石を搭載した風力発電設備は、図４にフローを示すように、ステップＳ４１で風速が上昇すると、風車ブレード１がその風速を受けて揚力が発生し、その結果ステップＳ４２のように回転が上昇して遊転状態となる。さらに回転数が上がると電力変換装置１３の開閉器１２がステップＳ４３でオン動作した後、ステップＳ４４で電力変換装置１３が動作して発電を開始する。

電力変換装置１３は、通常、直流コンデンサ（図示せず）を使ってDC-DCリンク方式を採用し、電力制御用の変流器（図示せず）を使用している。従って、図４に示すフローにおいて、ステップＳ４４で示す発電状態である場合、即ち、電力変換装置１３が動作中である場合に、発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合には、図５でステップＳ５４以降に示すようなフローとなる。

即ち、ステップＳ５４は発電状態を示し、この状態で上述の短絡事故が発生すると、電力変換装置１３内の直流コンデンサ（図示せず）に蓄えられた電気エネルギーが短絡点に流れ込むため、ステップＳ５５で電力変換装置１３内の電流検出装置によってその過電流を検出して過電流信号を制御部１４に送る。

制御部１４は過電流信号にもとづいてステップＳ５６でディスクブレーキを動作させると共に、風車ブレード１のピッチ角を０度にすることで、短絡事故に起因する過電流をステップＳ５７で除去することができる。

しかしながら、図５に示すフローのように、ステップＳ５２で遊転の状態が長く続いている間に固定子コイル６と電力変換装置１３との間でステップＳ５３の短絡事故が発生すると、ステップＳ５４で電力変換装置１３が動作し、その電流検出装置がステップＳ５５で過電流を検出するまでに時間がかかり、発電機を損傷させる可能性がある。

その発電機損傷を防ぐためには、電力変換装置１３内の電流検出装置以外の装置によって早期に短絡電流を検出し、風力発電設備を停止させることが必要となる。

次に、実施の形態１の構成及びその動作について説明する。実施の形態１は、遊転状態における過電流検出に特徴がある。
遊転状態とは、発電ができない低回転（数回転）状態をいう。この遊転状態においては、有効なパワーを取ることができないため、電流検出が可能な電力変換装置１３は待機状態にある。

このときの発電機は回転子に永久磁石を採用しているため、次式で表される電圧が発生している。
Eo(V)＝発電機端子電圧＝α×回転数
ただし α：発電機特性によって決定される一定係数

つまり、低回転（遊転）状態においても、発電機固定子コイル６の端子部には電圧Eoが発生しているため、その状態で発電機固定子コイル６と電力変換装置１３との間で短絡事故が発生した場合には、発電機固定子コイル６から短絡点に向かって連続して電流が流れる危険性がある。従って、安全性と発電機保護の観点からその電流を検出して、風力発電設備を完全に停止させる必要がある。

実施の形態１では、遊転状態での短絡事故を検出し、電力変換装置１３の電流検出装置に頼らない方法として図１に示す過電流継電器検出器１１からなる電流検出器を設置するものである。

図６に実施の形態１の動作フローを示す。ステップＳ６１で風速が上昇すると、ブレード１がその風速を受けて揚力が発生し、その結果ステップＳ６２のように回転が上昇して遊転状態となる。その状態において発電機と電力変換装置１３との間でステップＳ６３のように短絡事故が発生すると、発電機と電力変換装置１３間の主回路ケーブルに短絡電流が流れる。この短絡電流の発生源電圧は、極低回転であるため、次式で表されるように低周波となる。この発電機の極数は数極から数十極である。

遊転状態では、電力変換装置１３が運転状態ではないため、通常では電流が流れないが、発電機固定子コイル６と電力変換装置１３との間で短絡事故が発生すると、上記式で決定される低周波成分の電流が流れることになる。遊転状態で低周波成分が主成分の電流でも直流変流器８〜１０ではステップＳ６４のように検出することができる。

直流変流器８〜１０によって検出された過電流検出信号は、過電流継電器検出器１１から制御部１４へ送信される。過電流継電器検出器１１は、遊転状態（電力変換装置の遊転状態ではない）では、電流が流れないため、短絡発生時に上記電流が流れると、ステップＳ６５で制御部１４の電流検出器が動作し、短絡状態と判定する。

この過電流検出信号を受信すると制御部１４は、ステップＳ６６でディスクブレーキ４を動作させる等のブレードの動作を行い、かつ、運転を継続させないように風車ブレード１をフェザリング状態にさせ、空力的に回転子を停止状態とする。従って、固定子コイル６から短絡点に向かっての短絡電流、即ち、過電流がステップＳ６７で除去されることになる。

実施の形態１は上記のように構成されているため、遊転中における過電流保護装置を設けることなく、市販の電流検出装置によって過電流を検出できるため、安価で確実な保護システムを構築することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。
上述した実施の形態１では、発電機固定子コイル６と電力変換装置１３との間に直流変流器８、９、１０を設置して過電流を検出したが、実施の形態２は図２に示すように、電力変換装置１３に内蔵されている開閉器１２と直流変流器８、９、１０と過電流継電器検出器１１を利用することにより、過電流を検出するものである。

このように構成することにより、実施の形態１で電力変換装置と発電機間に設置していた直流変流器、過電流検出装置が省略でき、システムを簡素化できるため、安価なシステムとすることができる。

図２は、実施の形態２の構成を示すものであるが、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略している。風力発電設備における電力変換装置１３は、通常、待機電力を少なくするため、遊転状態においては開閉器１２をオフにして電力変換部のIGBT（図示せず）をオフの状態としているが、実施の形態２では、運転状態ではない低回転状態においても、数秒程度の一定周期で開閉器１２をオンオフさせ、直流変流器８、９、１０による短絡電流の検出を可能にしている。

なお、この高頻度動作型の開閉器は、半導体スイッチで構成してもよい。半導体スイッチとする場合、主回路の電流容量が足りない場合には、遊転状態のみ検出できるように主回路からバイパス（開閉器と並列）させた半導体スイッチを遊転状態のみオンオフし、運転状態ではオフとする。

この高頻度型の開閉器１２のオン時には、発電機側電力変換装置のPWMスイッチング素子（IGBT）を起動し、一定電圧を発生させるようにする。発電機と電力変換装置間で短絡状態になっていれば、電力変換装置１３内のコンデンサ部分から短絡電流を供給し、その電流を直流変流器８、９、１０にて検出すると共に、その状態を過電流継電器検出器１１を経由して制御部１４に送る。

回転数が一定値以下であれば過電流とみなし、風力発電設備の運転を停止させる。
回転数が一定値以上であれば、通常の運転状態であるため、電流検出はしないように図２の運転条件１６の開のインターロックを追加し、誤検出を防止するようにしている。

図７に停止までのフローを示す。まず、ステップＳ７１で風速が上昇すると、風車ブレード１がその風速を受けて揚力が発生し、その結果ステップＳ７２のように回転が上昇して遊転状態となる。その状態において、ステップＳ７３で発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生すると、ステップＳ７４で開閉器１２がオンの時、短絡、地絡点に向かって電力変換装置１３内のコンデンサから過電流が流れる。この過電流をステップＳ７５で直流変流器８、９、１０が検出し、ステップＳ７６で過電流継電器検出器１１がオンして制御部１４に信号を送る。

この後、ステップＳ７７でディスクブレーキを動作させると共に、風車ブレードのピッチ角を制御して実施の形態１と同様に風力発電設備を停止させる。
実施の形態２は上記のように構成されているため、実施の形態１で電力変換装置１３と発電機間に設置していた直流変流器８、９、１０及び過電流継電器検出器１１が省略でき、システムを簡素化することができるため、安価なシステムとすることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態３の構成を示すブロック図である。
上述した実施の形態１及び２においては、直流変流器８、９、１０を設置することが必要であり、さらに過電流継電器検出器１１を設ける必要があったが、実施の形態３は、それを是正するためになされたものであり、短絡電流に伴う制動トルクを有効活用して過電流を検出するものである。発電機が短絡状態になると短絡電流が流れ、その電流値によって次式に示す制動トルクが発生する。

そのため、遊転状態において発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合には、制動トルクが発生し、風速が上昇しても回転数が発生しない状態となる。この特性を利用して図９に示すように短絡事故発生を風速及び回転数から判定することができる。風速は風向風速計１７から入力する。

まず、風速９１と、回転数９２とを制御部に入力し、風速がXm/sより大で且つ回転数が予め定められているYmin-lより小であれば、９３で短絡事故と判定する。図８にその場合における風力発電設備停止までのフローを示す。

ステップＳ８１で風速が上昇すると、風車ブレード１がその風速を受けて揚力が発生し、その結果ステップＳ８２で回転が上昇して遊転状態となる。その状態において発電機と電力変換装置間でステップＳ８３のように短絡事故が発生すると、発電機と電力変換装置間の主回路ケーブル７に短絡電流が流れる。

この短絡電流によってステップＳ８４で上述した制動トルクが発生し、回転数が減少してステップＳ８５で風速が上昇しても回転数が上昇しない状態になる。その状態を上述のようにステップＳ８６で図９に示すロジックにより短絡状態と判定し、以下ステップＳ８７でディスクブレーキを動作させると共に、風車ブレードのピッチ角を制御して実施の形態１と同様に風力発電設備を停止させる。

実施の形態３は上記のように、風力発電設備の制御部に短絡保護機能をS/Wとして追加することにより、実施の形態２と同様にシステムを簡素化し、安価なシステムとすることが可能となる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図１０は、実施の形態４の構成を示すブロック図である。この図において、図３と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図３と異なる点は、発電機内部に温度センサ１８を内蔵させ、実施の形態３に比してより確実な過電流検出ができるようにしたものである。

発電機は、発電によって固定子コイル６に風によって発生するトルクに見合った電流が流れ、この電流による銅損により発電機は加熱する。この温度上昇は、発電機負荷試験により予め計測することが可能であり、また、運転を停止した場合の温度低下も実測可能である。

これら計測結果に対し、温度低下を妨げる最大値を予想するため、フィールドにて予想される太陽の幅射熱、無風状態での放熱作用を予め計算しておき、図１１に示すように運転停止後の温度低下の最大値を計算する。これに対し、短絡電流が流れると、発電機温度の低下速度が短絡電流により上昇するもしくは、温度低下速度が減少することが分かる。

このため、温度センサ１８により計測した温度と風車停止後の予想される温度低下を制御部１４にて比較し、図１２に判断ロジックを示すように、風車停止後の温度低下が一定値以上であれば、短絡電流が流れたと判断し、以下実施の形態１と同様な方法で風力発電設備を停止させる。このように、実施の形態３に温度センサ１８を追加することにより、より確実な短絡検出を行なうことが可能となり、さらに安全性が向上するものである。

この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３の構成を示すブロック図である。従来装置の発電開始に至る手順を示すフロー図である。運転中における短絡電流検出の手順を示すフロー図である。実施の形態１の動作手順を示すフロー図である。実施の形態２の動作手順を示すフロー図である。実施の形態３の動作手順を示すフロー図である。実施の形態３における短絡電流検出ロジックを示す図である。この発明の実施の形態４の構成を示すブロック図である。発電機巻線の温度特性を示す図である。実施の形態４における動作ロジックを示す図である。

符号の説明

１ブレード、２主軸、３ブレーキ用ディスク、４ディスクブレーキ、
５回転子、６固定子コイル、７主回路ケーブル、
８、９、１０直流変流器、１１過電流継電器検出器、１２開閉器、
１３電力変換装置、１４制御部、１５回転数検出器、
１６運転条件、１７風向風速計。

Claims

風力によって回転駆動される風車と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子と、上記回転子に対向配置された電機子回路とを有する発電機及び上記電機子回路と主回路ケーブルによって接続され、電力制御を行なう電力変換装置を備えた永久磁石式風力発電設備において、上記主回路ケーブルに設けた直流変流器と、上記直流変流器に接続された過電流検出器とを備え、上記風車の低回転状態において上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に上記直流変流器及び過電流検出器によって短絡電流を検出し、上記風力発電設備を停止させることを特徴とする永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置。
風力によって回転駆動される風車と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子と、上記回転子に対向配置された電機子回路とを有する発電機及び上記電機子回路と主回路ケーブルによって接続され、電力制御を行なう電力変換装置を備えた永久磁石式風力発電設備において、上記電力変換装置内に開閉器を介して直流変流器と、上記直流変流器に接続された過電流検出器とを備え、上記風車の低回転状態において上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に、上記開閉器を定期的にオンオフさせて上記直流変流器及び過電流検出器によって短絡電流を検出し、上記風力発電設備を停止させることを特徴とする永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置。
風力によって回転駆動される風車と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子と、上記回転子に対向配置された電機子回路とを有する発電機及び上記電機子回路と主回路ケーブルによって接続され、電力制御を行なう電力変換装置を備えた永久磁石式風力発電設備において、上記主回路ケーブルに設けた直流変流器と、上記直流変流器に接続された過電流検出器とを備え、上記風車の低回転状態において上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に上記主回路ケーブルに流れる低周波が主成分の電流を上記直流変流器及び過電流検出器によって検出し、上記風力発電設備を停止させることを特徴とする永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置。
風力によって回転駆動される風車と、この風車と一体に回転駆動される永久磁石を含む回転子と、上記回転子に対向配置された電機子回路とを有する発電機及び上記電機子回路と主回路ケーブルによって接続され、電力制御を行なう電力変換装置を備えた永久磁石式風力発電設備において、上記発電機に温度センサーを設け、上記風車の低回転状態において上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に、上記温度センサーの計測結果と風車停止後の予測温度低下とを比較し、予測温度低下が所定値以上の時、上記風力発電設備を停止させることを特徴とする永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置。
上記発電機と電力変換装置間で短絡事故が発生した場合に生じる電流の検出器に、低周波電流特性の優れた検出装置を用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石式風力発電設備の短絡事故検出装置。