JP2007267586A - 風力発電装置，風力発電システムおよび電力系統制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力系統で主となる電源と、電力系統の電源が電力を供給する系統の負荷との間で、無効電力の過不足が起き、既設の電圧調整設備等の能力を超えた場合に、無効電力を調整することが出来なくなる点にある。
【解決手段】
本発明では電力系統の電圧調整装置から、電力系統に応じた無効電力指令を、前記電力系統と電気的に接続された風力発電装置に送信し、風力発電装置は無効電力指令を受け取るインターフェース手段を有する。さらに、風力発電装置は前記無効電力指令に、風力発電装置の出力電力に起因する電圧変動を抑制するための無効電力指令を加算した値に従って無効電力を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に対し必要な無効電力を、電力系統に供給する風力発電装置，風力発電システムおよび電力系統制御装置に関する。

通常、風力発電装置は風のエネルギーを回転エネルギーに変換して発電機の回転子に回転トルクを発生させる。このとき発生したトルクから電力を取り出し、電力系統に出力することで、風のエネルギーを有効電力に変換し、電力系統に接続される家庭や工場などに有効電力を供給する構成となっている。

また、電力系統には抵抗成分で消費される有効電力の他に、送電線や負荷の誘導成分や容量成分により消費される無効電力がある。負荷や線路の誘導成分が大きい場合は系統の負荷端で電圧が低下したり、負荷の容量成分が大きくなると電圧が上昇したりする。そのため、電圧を適正値に維持するためには、無効電力の調整が必要である。

このとき通常、無効電力は系統の発電機の電圧調整や、変電所などのトランスのタップ切り替え，電力用コンデンサ，分路リアクトル，同期調相機などにより調整される。また、コンデンサやインダクタンスで無効電力の値を連続に制御するためには、様々な値のコンデンサまたはインダクタンス装置が必要になるため、無効電力を連続に制御できる装置が用いられることもある。

以下の特許文献１及び特許文献２には無効電力を電力系統に出力する装置が記載されている。

特開２０００−３３３３７３号公報（以下、引例１） ＵＳ２００５００４６１９６（以下、引例２）

本発明で解決しようとする課題は、電力系統で主となる電源（大容量の電源、例えば火力発電所など）と、電力系統の負荷との間で、無効電力の過不足が生じ、既設の調整設備（発電機の電圧調整や、変電所などのトランスのタップ切り替え，電力用コンデンサ，分路リアクトル，同期調相機）の能力を超えた場合に、無効電力を調整することが出来なくなる点にある。

また、風力発電装置は変動が大きい有効電力を出力するため、風力発電設備の連系点の電圧変動を発生しやすい。

引例１では、需要家設備の受電点で、無効電力を零にすべく電圧指令値を作成、もしくは無効電力を調整して負荷および分散型電源を含む受電点電圧を一定に制御するための電圧指令値を作成しており、その電圧指令値を分散型電源の電圧制御の指令値として用いている。このため、系統全体で無効電力が過不足しているかどうかは、制御に考慮されていない。

また、引例２では、無効電力指令値はファームコントローラから与えられており、系統側の無効電力量の過不足は風力発電装置の無効電力制御に考慮されていない。本発明の目的は、電力系統の電圧を適正値に維持するために必要な無効電力を発電装置から電力系統へ供給することである。

電力系統に備えられた電圧検出器からの第一の無効電力指令値を受け取るインターフェース装置と、発電機の出力電力の変動を抑制する第二の無効電力指令値を作成する手段と、前記第一の無効電力指令値と前記第二の無効電力指令値とから第三の無効電力指令値を演算し、この第三の無効電力指令値に従って無効電力を出力する手段と、を備えることを特徴とする風力発電装置により上記課題を解決することができる。

もしくは、電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の電圧検出値より無効電力指令値を作成する無効電力指令値作成部と、前記無効電力指令値を前記風力発電装置に伝送する伝送部と、を備え、前記発電機の出力変動を抑制し、前記無効電力指令に応じた無効電力を前記風力発電機より受け取ることを特徴とする電力系統によって上記課題は解決することができる。

もしくは、電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の電圧検出値から第一の無効電力指令値を作成する無効電力指令値作成部と、前記第一の無効電力指令値を前記風力発電装置に伝送する伝送部と、を備え、前記風力発電装置は前記第一の無効電力指令値を受け取るインターフェース装置と、前記発電機の出力電力の変動を抑制する第二の無効電力指令値を作成する手段と、前記第一の無効電力指令値と前記第二の無効電力指令値とにより第三の無効電力指令値を演算し、この第三の無効電力指令値に従って無効電力を出力する手段と、を備えることを特徴とする風力発電システムによっても上記課題は解決することができる。

電力系統で必要な無効電力を風力発電装置から供給し、かつ出力変動の大きな風力発電装置による連系点の電圧変動を抑制すことで、電圧等の調整設備の能力を超えた場合にも、電力系統の電圧を調節することが可能となる。

電力系統で必要な無効電力を補うという目的を、風力発電設備の活用されていない出力容量分で補うため、電力系統からの無効電力指令を受けるインターフェースを風力発電設備に備える方法で実現した。

（実施例１）
図１は、本発明の１実施例の装置構成を示す単線結線図である。

まず、電力系統の構成について説明する。電力系統の発電設備１０１は容量が大きく、単に電源と考えることが出来る。電力系統の発電設備１０１からの電力は、送電線を用いて送られるため、送電線のインピーダンス１０２が存在する。この送電線の電圧を低い電圧に変換するため、変電所などの変圧器が用いられ、家庭やビル，工場などの負荷１０３が接続される。また、風力発電装置１０４は、負荷１０３と同様、送電線に接続される。

前記変電所には、前記変圧器の巻数比を調整したり、コンデンサを接続したりして、負荷の電圧を所定範囲になるように調整する系統電圧調整装置１０５が用いられる。

系統電圧調整装置１０５は、電力系統の電圧を検出し、電圧を維持するために必要な無効電力指令値を風力発電装置１０４に伝送する。

次に、風力発電装置の構成について説明する。風力発電装置１０４は主に、発電機（巻線形誘導発電機）１０４−０１，羽１０４−０２，風車制御装置１０４−０３，コンバータ（励磁装置）１０４−０４，コンバータ制御装置１０４−０５から構成される。

羽１０４−０２は、発電機１０４−０１の回転子に機械的に接続されており、発電機
１０４−０１の回転子巻線はコンバータ１０４−０４と電気的に接続され、また、発電機１０４−０１の固定子は遮断器１０４−０６やトランス１０４−０７などを介して電力系統に電気的に接続される。

風車制御装置１０４−０３は、風速検出や羽１０４−０２の角度制御，有効電力指令値Ｐref の演算および出力，運転／停止指令値Ｒunの出力，系統電圧調整装置１０５からの無効電力指令値Ｑrefの受信，受信した無効電力指令値Ｑrefの伝送などを行う。

前記無効電力指令値Ｑrefや、前記有効電力指令値Ｐref、前記運転／停止指令値Ｒunの各種指令値は、コンバータ制御装置１０４−０５に送られる。コンバータ制御装置１０４−０５は、指令値に従いコンバータ１０４−０４を制御し、発電機１０４−０１と系統との間の有効電力と無効電力を制御する。

次に、図２を用いて、風力発電装置１０４について詳しく説明する。

発電機１０４−０１の固定子側の３相出力は、電磁接触器３０１の二次側に接続される。また、電磁接触器３０１の一次側は、電磁接触器３０２の一次側に接続される。電磁接触器３０２の二次側は、コンデンサＣｎ，リアクトルＬｎで構成される交流フィルタ回路を介して、コンバータＣＮＶに接続される。

コンバータＣＮＶの直流回路３０３はコンバータＩＮＶの直流回路３０３に接続され、前記コンバータＩＮＶの交流出力は、リアクトルＬｒ，コンデンサＣｒで構成される交流フィルタ回路を介して発電機１０４−０１の回転子巻線に電気的に接続される。また、電磁接触器３０１の一次側は遮断器１０４−０６やトランス１０４−０７を介して電力系統にも接続される。

前記遮断器１０４−０６は、例えば、風力発電装置１０４のシステムを保護するため、電流過大時に遮断器を開放し電流を遮断して、風力発電装置１０４のシステムを完全停止させて系統から電気的に切り離すための機能を具備する。

発電機側のコンバータＩＮＶおよび電力系統側のコンバータＣＮＶは、例えば半導体のスイッチング素子（サイリスタ，ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳ，ＳｉＣなど）を用いて構成されており、コンバータＩＮＶおよびコンバータＣＮＶはそれぞれ、交流を直流に変換または直流を交流に変換する機能を備える。

また、電力系統側のコンバータＣＮＶの交流出力端子には、リアクトルＬｎやコンデンサＣｎで構成された、高調波電流，高調波電圧を減衰させる交流フィルタが設置される。

発電機１０４−０１の回転子には、ギアなどを介して風力発電用の羽根が接続されており、風を受けて回転する。また、回転子には、回転位置を検出する位置検出器３０４が接続され、位置信号ＰＬｒが出力される。

次に、発電電力を制御するための配線および装置について説明する。

遮断器１０４−０６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧センサＰＴｓ，電流センサＣＴｓによりその値を低電圧の電圧検出信号Ｖｓ、低電圧の電流検出信号
Ｉｓに変換され、前記低電圧の信号ＶｓおよびＩｓがコンバータ制御装置１０４−０５に入力される。また、電磁接触器３０１と発電機１０４−０１の固定子との間の電圧は、電圧センサＰＴｇによりその値を低電圧の信号Ｖｇに変換されコンバータ制御装置１０４−０５に入力される。

コンバータＩＮＶとコンバータＣＮＶの直流部３０３に接続されたコンデンサＣｄの電圧は、電圧センサにより低電圧の直流電圧信号Ｅdcに変換され、直流電圧信号Ｅdcはコンバータ制御装置１０４−０５に入力される。

また、電流センサＣＴｒにより検出されたコンバータＩＮＶの出力電流の検出値Ｉｒと、電流センサＣＴｎにより検出されたコンバータＣＮＶの出力電流の検出値Ｉｎはコンバータ制御装置１０４−０５に伝送される。

風車制御装置１０４−０３は、起動／停止指令Ｒun，有効電力指令Ｐref ，無効電力指令Ｑref の各種指令をコンバータ制御装置１０４−０５に送り、風車やシステムの状態量を検出して外部との通信機能を備える。

コンバータ制御装置１０４−０５は、風力発電装置の出力電流の検出信号と、出力電圧の検出信号と、系統電圧調節装置からの無効電力指令を受け取り、有効電力指令と無効電力指令を演算する。

コンバータ制御装置１０４−０５は、演算した有効電力指令と無効電力指令に従って、電磁接触器３０１，３０２を信号Ｓｇ１，Ｓｇ２で制御する。また、半導体スイッチング素子で構成される各コンバータＩＮＶ，ＣＮＶを駆動制御するパルス信号Ｐulse_inv，
Ｐulse_cnvを出力する。このとき、コンバータＩＮＶ，ＣＮＶに入力されるパルス信号
Pulse_inv，Pulse_cnvは、電力系統で必要な無効電力を風力発電装置から出力し、かつ風力発電装置の出力無効電力の変動を抑制するように作成される。

コンバータＣＮＶは、平滑コンデンサＣｄの直流電圧Ｅdcを一定に制御する。このため、コンバータＣＮＶは、電圧検出値Ｖｓの位相を検出し、検出した電圧位相と同相の電流指令値を制御することで系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。

発電機側コンバータが直流電力を使用して平滑コンデンサのエネルギーを消費して直流電圧が低下すれば、系統側コンバータの直流電圧制御は交流電力を使用して平滑コンデンサＣｄを充電して直流電圧検出値Ｅdcを一定に保つように動作し、逆に電力変換器ＩＮＶが直流電力を充電して直流電圧検出値Ｅdcが上昇する場合には電力変換器ＣＮＶの直流電圧制御は直流電力を交流電力に変換して放電し、直流電圧検出値Ｅdcを一定に保つように動作する。

次に、図３を用いてコンバータ制御装置１０４−０５の詳細な機能について説明する。

前記電圧検出値Ｖｓは、位相検出器ＴＨＤＥＴと３相２相変換器３２trsに入力される。前記位相検出器ＴＨＤＥＴは、電力系統の電圧に追従する位相信号ＴＨｓを｛例えば位相同期ループ（ＰＬＬ： Phase Locked Loop）方式で｝演算し、位相信号ＴＨｓ（ＴＨｓ：電力系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの位相信号）を３相２相座標変換器３２dqtrs−０１，３２dqtrs−０２，回転座標変換器dqtrs，励磁位相演算器ＳＬＤＥＴ，２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０１に出力する。直流電圧指令値Ｅref と直流電圧検出値Ｅdcは直流電圧調整器ＤＣＡＶＲに入力される。直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは入力された直流電圧指令値Ｅref と直流電圧検出値Ｅdcの偏差が零になるように出力のｐ軸電流指令値
（有効分電流指令値）Ｉpnstr を調整し、電流調整器１−ＡＣＲに出力する。ここで、直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは例えば比例積分制御器により構成できる。

３相２相座標変換器３２dqtrs−０１ は入力された電流Ｉｎから数１および数２に示した変換式を用いて、ｐ軸電流検出値Ｉpn（有効分電流）とｑ軸電流検出値Ｉqn（無効分電流）を演算し、ｐ軸電流検出値Ｉpnを電流調整器１−ＡＣＲに、ｑ軸電流検出値Ｉqnを電流調整器２−ＡＣＲに出力する。

ここで、添え字ｕ，ｖ，ｗは相を表し、例えば、ＩｎのＵ相電流はＩｎｕと表記する。以降電圧なども同様である。

電流調整器１−ＡＣＲは、ｐ軸電流指令値Ｉpnstr とｐ軸電流検出値Ｉpnの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖpn０を調整し、加算器４０１に出力する。同様に、電流調整器２−ＡＣＲは、ｑ軸電流指令値（図中では零）とｑ軸電流検出値Ｉqnの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqn０を調整し、加算器４０２に出力する。ここで各電流調整器（１−ＡＣＲ，２−ＡＣＲ）は例えば比例積分制御器により構成できる。

３相２相変換器３２trs は入力された電圧Ｖｓから数３に示した変換式を用いて、α成分Ｖｓαとβ成分Ｖｓβを演算し、回転座標変換器dqtrsに出力する。回転座標変換器
dqtrs は数４を用いてｐ軸電圧検出値（系統電圧ベクトルに一致する位相成分）Ｖpsとｑ軸電圧検出値（前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsと直交する成分）Ｖqsを演算し、それぞれを前記加算器４０１，４０２に出力する。

加算器４０１は、ｐ軸電圧指令値Ｖpn０とｐ軸電圧検出値Ｖpsを加算して２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０１に出力する。同様に加算器４０２は、ｑ軸電圧指令値Ｖqn０とｑ軸電圧検出値Ｖqsを加算して２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０１に出力する。

２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０１は、位相信号ＴＨｓと各加算器の出力Ｖpn，
Ｖqnを入力し、数５および数６に示した変換式により電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを演算し、ＰＷＭ演算器ＰＷＭｎに出力する。

ＰＷＭ演算器ＰＷＭｎはパルス幅変調方式を用いて、入力された電圧指令Ｖun，Ｖvn，ＶwnからコンバータＣＮＶを構成するｎ個の半導体素子をオン・オフするゲート信号
Ｐulse_cnvを演算し、コンバータＣＮＶに出力する。

発電機１０４−０１の回転数および位置を示す位相信号ＰＬｒは、回転位相検出器
ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、位相信号のパルスＰＬｒを計数して位相信号に換算するとともに、位相信号を一回転に一回のパルス（例えばＡＢＺ方式のエンコーダではＺ相パルス）で零にリセットし、オーバーフローしない０〜３６０度の位相信号ＲＴＨを加算器４０３に出力する。

位相信号ＲＴＨと同期制御器ＳＹＮＣの出力位相信号ＬＴＨは加算器４０３で加算されて位相信号ＴＨとなり、位相信号ＴＨは位相信号ＴＨｓとともに励磁位相演算器SLDET に入力される。
励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは、位相信号ＴＨとＴＨｓを減算（ＴＨｒ＝ＴＨｓ−ＴＨ）し、さらに発電機の極対数倍して発電機の回転子の電気角周波数の位相信号ＴＨｒを出力する。

電力演算器ＰＱＣＡＬは、システム電流Ｉｓを数１および数２に示す変換行列により変換されて得られたｐ軸電流Ｉps（系統電圧のＵ相ベクトルと同じ向き）と、系統電圧のＵ相ベクトルと直行するｑ軸電流Ｉqsと、ｐ軸電圧検出値Ｖpsと、ｑ軸電圧検出値Ｖqsとを入力し、数７および数８によりシステムの有効電力Ｐｓと無効電力Ｑｓを演算する。

有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力Ｐｓと風力発電装置の有効電力指令Ｐref を入力し、電力指令値Ｐref と電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値
Ｉｐ０を出力する。ここでは、有効電力指令の例で説明するが、トルク指令の場合は、トルク指令に発電機の回転数を乗じて有効電力指令に変換して制御することが可能である。有効電力制御はトルク制御と異なり、回転数が変化してもその影響を受けずに出力電力を一定に制御できる。

また、系統電圧調整装置１０５からの無効電力指令値Ｑref と、風力発電装置の有効電力Ｐｓに起因する電圧変動を抑制するための無効電力指令値ｄＱは加算される。例えば、ｄＱはα×Ｐｓ（α：比例係数）で作成される。各無効電力指令値の加算結果Ｑref１ と無効電力Ｑｓは無効電力調整器ＡＱＲに入力され、電力指令値Ｑref１ と無効電力Ｑｓの偏差を零にするように出力の励磁電流指令値Ｉｑ０を出力する。ここで前記電力調整器
ＡＰＲ，ＡＱＲは例えば比例積分器により構成できる。

この演算方法により、系統で不足する無効電力を補償しながら、風力発電装置が出力する有効電力変動に起因する電圧変動も、補償できる。有効・無効電力調整器の各出力の電流指令値Ｉｐ０およびＩｑ０は切換器ＳＷに入力される。

切換器ＳＷは電力調整器ＡＰＲおよびＡＱＲの出力を使用するか、または有効分電流指令値に零を、励磁電流指令値に電圧調整器ＡＶＲの出力Ｉｑ１を使用するかを決定する。ＳＷは電磁接触器３０１が投入される前には、有効分電流指令値に零を、励磁電流指令値に電圧調整器の出力を使用し、電磁接触器３０１を投入してからは各電力調整器の出力を選択する。ここで、電磁接触器３０１が投入される前とは発電機固定子電圧を系統電圧に同期させる電圧同期運転時である。

電圧調整器ＡＶＲについて説明する。電圧調整器ＡＶＲは、発電機固定子電圧Ｖｇの振幅値Ｖgpk をフィードバック値とし、系統電圧Ｖｓの振幅値にフィルタを通した値Ｖsrefを指令値として入力し、発電機固定子電圧Ｖｇの振幅値Ｖgpk と前記指令値Ｖsrefの偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を切換器ＳＷに出力する。ここで前記電圧調整器ＡＶＲは例えば比例積分制御器により構成できる。この電圧調整器ＡＶＲは、電磁接触器３０１が開状態で動作させ、系統電圧の振幅値に発電機Ｇenの固定子電圧の振幅値を一致させるために必要な、コンバータＩＮＶから発電機１０４−０１の二次側に流す励磁電流指令値を調整する。

また、同期制御器ＳＹＮＣは、前記指令値Ｖsrefと発電機固定子電圧の振幅値Ｖgpk から、発電機の電圧振幅が同期しているか判定する機能と、系統電圧と固定子電圧の位相が異なる場合は、それを補正するための位相補正信号ＬＴＨを出力する機能と、系統電圧と固定子電圧の位相が所定の範囲に入り、同期しているかを判定する機能を備え、遮断器の動作信号Ｓｇ１と制御切替信号Ｓｇ０を出力する。

これにより、発電機１０４−０１が電力系統に接続する前に、系統電圧と同期することができ、また電力系統に接続された後は、速やかに電力制御へ制御を切り替えることができる。

３相２相座標変換器３２dqtrs−０３ は入力された電流Ｉｒおよびロータの位相ＴＨｒから数９および数１０に示した変換式を用いて、ｑ軸電流検出値Ｉqr（励磁電流成分）とｐ軸電流検出値Ｉpr（有効分電流成分）を演算し、ｑ軸電流検出値Ｉqrを電流調整器４−ＡＣＲに、ｐ軸電流検出値Ｉprを電流調整器３−ＡＣＲに出力する。

前記電流調整器４−ＡＣＲは、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ１またはＩｑ０と前記ｑ軸電流検出値Ｉqrの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqrを調整する。同様に、前記電流調整器３−ＡＣＲは、前記ｐ軸電流指令値Ｉｐ１またはＩｐ０と前記ｐ軸電流検出値Ｉprの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖprを調整する。ここで前記電流調整器はたとえば比例積分器により構成できる。

ｐ軸電圧指令値Ｖprとｑ軸電圧検出値Ｖqrは２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０２に入力され、２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０２は、位相信号ＴＨｒと、各入力値から、数１１および数１２に示した変換式により２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−
０２の出力する電圧指令値Ｖur，Ｖvr，Ｖwrを演算し、ＰＷＭ演算器ＰＷＭｒに出力する。

ＰＷＭ演算器ＰＷＭｒは、入力された電圧指令Ｖur，Ｖvr，Ｖwrからパルス幅変調方式によりコンバータＩＮＶを構成するｍ個の半導体素子をオン・オフするゲート信号Ｐulse_invを演算し、前記コンバータＩＮＶに出力する。

次に、図４を用いて、系統電圧調整装置１０５のアルゴリズムについて説明する。系統電圧調整装置１０５のアルゴリズムとしては、まず制御を開始すると（Ｓ４５０）、系統電圧調整装置１０５は、例えば家庭などの負荷側の系統電圧値ＶＬを検出し、この系統電圧値ＶＬが上限の規定値よりも大きいか比較する（Ｓ４５２）。そして、系統電圧値ＶＬが上限の規定値よりも大きい場合は、定数Ａの値を加算する（Ｓ４５４）。

また、この系統電圧値ＶＬが上限の規定値よりも小さい場合は、系統電圧値ＶＬが下限の規定値よりも小さいか比較する（Ｓ４５６）。そして、系統電圧値ＶＬが下限の規定値よりも小さい場合は、定数Ａの値を減算する（Ｓ４５８）。また、系統電圧値ＶＬが下限の規定値よりも大きい場合は定数Ａの値には加減算は行わない（Ｓ４６０）。

そして、無効電力指令値Ｑrefの値を、所定の値Ｑに対して定数Ａと変化幅の値Ｑstepを乗算したものを加算して算出する（Ｓ４６２）。

図４に示すように、系統電圧調整装置１０５は、例えば家庭などの負荷側の系統電圧
ＶＬを検出し、電圧が低下した際には無効電力指令値を進み方向に、電圧が上昇した際には遅れ無効電力を出力するように無効電力指令値Ｑref を変化させ、系統電圧が所定の範囲内になるように無効電力指令値を作成する。

作成された無効電力指令値Ｑrefは、線路や、無線などの通信方法により、風力発電装置１０４に伝送される。風力発電装置１０４では、受信した無効電力指令値に従って無効電力を出力する。本実施例では、系統電圧調整装置１０５で算出した無効電力指令値を風力発電装置１０４に伝送する構成としたが、系統電圧調整装置１０５で検出した電圧検出値を風力発電装置１０４に伝送し、風力発電装置にて無効電力指令値を算出する構成としてもよい。

このように、電力系統側の機器からの無効電力指令値に従い、風力発電装置が無効電力を出力することで、系統電圧を調整できるとともに、同期調相機や電力用コンデンサなどの設置を削減できる。

また図５のように、複数台の風力発電装置が設置されて集中管理されるウィンドファームのような場合、ファーム全体を集中管理・制御しているコントローラで無効電力指令値Ｑrefを受信し、ファーム内で動作している風力発電システムに無効電力指令値Ｑrefを分配することも出来る。例えば、運転している台数がＮ台であるときは１台に指令する無効電力指令値を１／Ｎにするか、もしくは発電量が小さい風力発電装置は無効電力を多く出力するように分配する。

図６は複数台の風力発電装置が設置されて集中管理されるウィンドファーム内で動作している風力発電システムに無効電力指令値Ｑref を分配するような場合の、各風力発電装置に分配された無効電力指令値Ｑref と各風力発電装置の出力する有効電力との関係の一実施例を示す。

図６に示すように、ファーム内で比較的に出力する有効電力の大きい風力発電装置には他の風力発電装置よりも小さな無効電力指令値が分配される。反対に、ファーム内で比較的に出力する有効電力の小さい風力発電装置には他の風力発電装置よりも大きい無効電力指令値が分配される。

有効電力出力の少ない風力発電装置の無効電力出力が大きくなるように指令値を送ることで、風力発電装置の有効電力を減らすことなく発電できる。

これは、有効電力の出力が大きい風力発電装置では、無効電力の出力を大きくする余裕が無くなる為であり、有効電力の出力が少ない風力発電装置では、無効電力の出力を大きくする余裕が有る為である。

このように、巻線形誘導発電機を用いた風力発電装置では、発電機側で有効電力と無効電力を独立制御できるが、無効電力出力が不足した場合には、系統に直接接続されるコンバータＣＮＶにより不足分を補っても良い。

（実施例２）
実施例１では、巻線型誘導発電機をコンバータによって系統に接続する風力発電装置について説明してきたが、誘導発電機や図６に示すような同期発電機を用いた場合にも適用できる。本実施例では発電機に同期発電機を用いた実施形態を説明する。

図７では、発電機に例えば永久磁石発電機を用い、発電機から取り出す電力をコンバータによりＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換して電力系統に出力する。

図８及び図９を用いてコンバータ制御装置６０４−０５の機能について説明する。なお、同じ制御機能を持つものは同様な符号にて表している。

コンバータ制御装置６０４−０５の系統側コンバータＣＮＶの制御との違いは、無効電流調整器２−ＡＣＲに入力される指令値が、コンバータ制御装置６０４−０５では無効電力指令値となっている点である。

また、発電機６０４−０１の回転数および位置を示す位相信号ＰＬｒは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。図３で示したコンバータ制御装置１０４−０５との大きな違いは、発電機６０４−０１の位相検出方法で、回転位相ＲＴＨがそのまま位相信号となる点である。

電力演算器ＰＱＣＡＬは、電流センサＣＴｒにより検出された電流検出値Ｉｒを前記数１および数２に示す変換行列により変換し、得られたｐ軸電流Ｉpr（発電機電圧のＵ相ベクトルと同じ向き）と、系統電圧のＵ相ベクトルと直行するｑ軸電流Ｉqrと、発電機電圧Ｖｒを数３および数４と同じ変換式に用いて得られるｐ軸電圧Ｖprとｑ軸電圧Ｖqrとを入力し、数７および数８の式と同様に、発電機の有効電力検出値Ｐｒと無効電力検出値Ｑｒを演算する。

有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力検出値Ｐｒと風力発電装置の出力電力指令Ｐrefを入力し、前記電力指令値Ｐrefと前記有効電力検出値Ｐｒの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値Ｉｐ０を出力する。

また、無効電力調整器ＡＱＲは、発電機の力率を調整するために用いられる。力率を１に保つために指令値には零が入力される。前記無効電力検出値Ｑｒと風力発電装置の無効電力指令として零を入力し、制御するため励磁電流指令値Ｉｐ０を出力する。

３相２相座標変換器３２dqtrs−０３は入力された電流検出値Ｉｒおよびロータの位相ＲＴＨから数９および数１０に示した変換式を用いて、ｐ軸電流検出値Ｉpr（有効分電流成分）とｑ軸電流検出値Ｉqr（励磁分電流成分）を演算し、ｑ軸電流検出値Ｉqrを電流調整器４−ＡＣＲに、ｐ軸電流検出値Ｉprを電流調整器３−ＡＣＲに出力する。

電流調整器４−ＡＣＲは、ｑ軸電流指令値Ｉｑ１またはＩｑ０とｑ軸電流検出値Ｉqrの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqrを調整し、電流調整器３−ＡＣＲは、ｐ軸電流指令値Ｉｐ０と前記ｐ軸電流検出値Ｉprの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖprを調整する。

ｐ軸電圧指令値Ｖprと前記ｑ軸電圧検出値Ｖqrは２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０２に入力され、前記２相３相座標変換器ｄｑ２３ｔｒｓ−０２は、前記位相信号ＲＴＨと、前記各入力値から、数１０および数１１に示した変換式により前記変換器dq23trs −０２の出力する電圧指令値Ｖur，Ｖvr，Ｖwrを演算し、ＰＷＭ演算器ＰＷＭｒに出力する。

ＰＷＭ演算器ＰＷＭｒは、入力された電圧指令Ｖur，Ｖvr，Ｖwrからパルス幅変調方式により前記コンバータＩＮＶを構成するｍ個の半導体素子をオン・オフするゲート信号
Ｐulse_invを演算し、前記コンバータＩＮＶに出力する。

本実施例では系統に直接接続したコンバータＣＮＶが出力する有効電力は、発電機側からの入力有効電力に合うように調整され、無効電力は系統の状況に応じて有効電力と独立に制御できる。従って、発電機として誘導発電機を用いても同様の制御が可能である。

このように、系統側の機器からの無効電力指令値に従い、風力発電装置が無効電力を出力することで、系統電圧を調整できるとともに、同期調相機や電力用コンデンサなどの設置を削減できる。

また、複数の風力発電装置が電力系統に接続されている場合には、有効電力出力の少ない風力発電装置が大きな無効電力を出力するように電力指令値を分配することで、風力発電装置の有効電力を減らすことなく効率的に無効電力を供給できる。

本発明によれば、風力発電装置は電力系統に必要な無効電力を供給し、かつ系統の電圧変動を抑制することができる。また、風力発電以外にも入力エネルギーが制御できないために出力電力が変動する電源、例えば自然エネルギーを利用する太陽光発電などにも適用できる。

電力系統および風力発電装置の回路構成を示した説明図。 風力発電装置の構成を示した説明図。 コンバータ制御の実施方法を示した説明図。 系統電圧調整装置の無効電力作成を示した説明図。 複数台風力発電装置の回路構成を示した説明図。 複数台風力発電装置における無効電力指令と出力有効電力との関係図。 電力系統および風力発電装置に同期機型を用いた場合の、回路構成を示した説明図。 風力発電装置の構成を示した説明図。 コンバータ制御の実施方法を示した説明図。

符号の説明

１０１ 系統の発電設備
１０２ 送電線インピーダンス
１０３ 負荷
１０４ 風力発電装置
１０４−０１ 巻線形誘導発電機
１０４−０２ 羽
１０４−０３ 風車制御装置
１０４−０４ コンバータ
１０４−０５ コンバータ制御装置
１０４−０６ 遮断器
１０４−０７ 連系用トランス
１０５ 系統電圧調整装置
Ｑref 無効電力指令値
Ｐref 有効電力指令値
Ｒun 運転／停止指令値
Ｐitch* 羽角度指令
ＰＴＬ 電圧検出器
ＶＬ 系統電圧検出値

Claims (14)

1. 風を受けて回転する風車と、前記風車の回転により発電する発電機と、
   前記発電機が発電した電力を変換する電力変換器とを備えた風力発電装置において、
   前記風力発電装置は電力系統と電気的に接続され、
   前記電力系統に備えられた電圧検出器により検出される電圧検出値から作成される第一の無効電力指令値を受け取るインターフェース装置と、
   前記発電機の出力電力の変動による電圧変動を抑制する第二の無効電力指令値を作成する手段と、
   前記第一の無効電力指令値と前記第二の無効電力指令値とを加算する無効電力指令値加算手段と、
   該無効電力指令値加算手段の出力する第三の無効電力指令値に従って無効電力を出力する手段と、を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１において、
   複数の前記風力発電装置が、前記電力系統と電気的に接続されている場合において、
   複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が小さい第１の風力発電装置は、出力有効電力が大きい第２の風力発電装置よりも大きい無効電力を出力することを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１において、
   複数の前記風力発電装置が、前記電力系統と電気的に接続されている場合に、
   複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が大きい第１の風力発電装置は、出力有効電力が小さい第２の風力発電装置よりも小さい無効電力を出力することを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１において、
   前記インターフェース装置は前記電圧検出器の電圧検出値が所定値より高いときに遅れ無効電力指令値を受け取り、
   前記電圧検出値が所定値より低いときには進み無効電力指令値を受け取り、
   前記電圧検出値が所定範囲になるように無効電力を電力系統に出力することを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１において、
   有効電力と無効電力を独立に制御できる発電電力制御手段を備えることを特徴とする風力発電装置。
6. 風を受けて回転する風車と、前記風車の回転により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を変換する電力変換器と、を備えた風力発電装置と電気的に接続された電力系統を制御する電力系統制御装置において、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器の電圧検出値より無効電力指令値を作成する無効電力指令値作成部と、
   前記無効電力指令値を前記風力発電装置に伝送する伝送部と、を備え、
   前記発電機の出力変動を抑制し、前記無効電力指令に応じた無効電力を前記風力発電機より電力系統に送電することを特徴とする電力系統制御装置。
7. 請求項６において、
   複数の前記風力発電装置が前記電力系統と電気的に接続されている場合に、
   前記無効電力指令値作成部は、複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が小さい第１の風力発電装置に、出力有効電力が大きい第２の風力発電装置よりも大きな無効電力指令値を伝送する手段を備えることを特徴とする電力系統制御装置。
8. 請求項６において、
   複数の前記風力発電装置が前記電力系統と電気的に接続されている場合に、
   前記無効電力指令値作成部は、複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が大きい第１の風力発電装置に、出力有効電力が小さい第２の風力発電装置よりも小さい無効電力指令値を伝送する手段を備えることを特徴とする電力系統制御装置。
9. 請求項６において、
   前記無効電力指令値作成部は前記電圧検出値が所定値より高いときに遅れ無効電力指令を作成し、
   前記電圧検出値が所定値より低いときには進み無効電力指令を作成し、
   前記電圧検出値が所定範囲になるように第一の無効電力指令値を変化させることを特徴とする電力系統制御装置。
10. 風を受けて回転する風車と、前記風車の回転により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を変換する電力変換器と、を備えた風力発電装置と電力系統が電気的に接続された風力発電システムにおいて、
    前記電力系統は該電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の電圧検出値から第一の無効電力指令値を作成する無効電力指令値作成部と、
    前記第一の無効電力指令値を前記風力発電装置に伝送する伝送部と、を備え、
    前記風力発電装置は前記第一の無効電力指令値を受け取るインターフェース装置と、
    前記発電機の出力電力の変動による電圧変動を抑制する第二の無効電力指令値を作成する手段と、
    前記第一の無効電力指令値と前記第二の無効電力指令値とを加算する無効電力指令値加算手段と、
    該無効電力指令値加算手段の出力する第三の無効電力指令値に従って無効電力を出力する手段と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１０において、
    複数の前記風力発電装置が、前記電力系統と電気的に接続されている場合に、
    複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が小さい第１の風力発電装置は、出力有効電力が大きい第２の風力発電装置よりも大きい無効電力を出力することを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項１０において、
    複数の前記風力発電装置が、前記電力系統と電気的に接続されている場合に、
    複数の前記風力発電装置のうち出力有効電力が大きい第１の風力発電装置は、出力有効電力が小さい第２の風力発電装置よりも小さい無効電力を出力することを特徴とする風力発電システム。
13. 請求項１０において、
    前記インターフェース装置は前記電圧検出器の電圧検出値が所定値より高いときに遅れ無効電力指令値を受け取り、
    前記電圧検出値が所定値より低いときには進み無効電力指令値を受け取り、
    前記電圧検出値が所定範囲になるように無効電力を電力系統に出力することを特徴とする風力発電システム。
14. 請求項１０において、
    前記風力発電装置は有効電力と無効電力を独立に制御できる発電電力制御手段を備えることを特徴とする風力発電システム。

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