JP2007336639A

JP2007336639A - 風力発電制御システム及びインバータ装置

Info

Publication number: JP2007336639A
Application number: JP2006163299A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 幸一佐藤; 英治 ▲高▼山; Eiji Takayama; Yukihisa Fujita; 幸央藤田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: JP4920315B2

Abstract

【課題】風速センサを必要としない風力発電制御システムを提供する。
【解決手段】風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車２と、風車２の回転力を基に発電する発電機３と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷５に電力を出力し、発電機３の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置４とで構成した風力発電制御システムにおいて、インバータ装置４は、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を記憶する記憶部１２を備え、内蔵インバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに発電制御を開始し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに発電制御を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電制御システム及びインバータ装置に関し、特に風速センサを不要とする風力発電システムの制御システムに関する。

一般に風力発電システムは、風速センサを用いて風速を測定し、風速の測定値が予め設定しているカットイン風速（始動）以上となったときに運転を開始し、風速の測定値が予め設定しているカットアウト風速（停止）以下になったときに停止するシステムとなっている。風速計にて測定された風速の測定値は、表示されたり、風車及び発電機の回転数を想定する等に利用されている。あるいは、風速の測定値からこれらの回転数を想定し、さらにこの発電機の回転数に基づいて発電量も予測している。これらの関係は予め設計値として求めたり、実機を製作し測定して求めている。

従って、風速センサを有する風力発電システムでは、この風速センサ単体の信頼性がシステム全体の信頼性を支配している。この風速センサは、台風又はこれに近い高風速で破損したり、経年劣化等で風速を検出できなくなる等の事例がある。
特開２００３−７０２９６号公報

従来の風速センサを用いた風力発電システムでは、この風速センサが風速を検出できないと発電運転ができないばかりではなく、風速表示ができず、風速が分かればこれから風車の回転数や発電機の回転数を想定することができるが、これが出来ないという課題があった。

本発明の目的は、風速センサを必要としない風力発電制御システム及びインバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、前記インバータ装置は、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応したインバータ周波数を記憶する記憶部を備え、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに発電制御を開始し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに発電制御を停止する風力発電制御システムである。

また、本発明は、前記インバータ装置は、前記インバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数が前記カットイン風速対応インバータ周波数以上になるたびに発電制御を開始し、前記カットアウト風速対応インバータ周波数以下になるたびに発電制御を停止し、発電運転及び発電停止を繰り返す風力発電制御システムである。

そして、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、前記インバータ装置は、カットイン風速、カットアウト風速、及びこれらの風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときにカットイン風速を表示し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときにカットアウト風速を表示する表示部とを備える風力発電制御システムである。

更に、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、前記インバータ装置は、風速、及び該風速に対応するインバータ周波数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数を、前記風速と該風速に対応するインバータ周波数との関連付けを基に変換した風速を表示する表示部とを備える風力発電制御システムである。

また、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、前記インバータ装置は、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数、及び始動時と停止時の風車回転数又は発電機回転数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに始動時の風車回転数又は発電機回転数を表示し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに停止時の風車回転数又は発電機回転数を表示する表示部とを備える風力発電制御システムである。

そして、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、前記インバータ装置は、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数を、Ｎ（ｒｐｍ）＝１２０ｆ（Ｈｚ）／Ｐ（ただし、Ｎは風車回転数又は発電機回転数、ｆはインバータ周波数、Ｐは発電機極数）の関係式を基に算出した風車回転数又は発電機回転数を表示する表示部を備える風力発電制御システムである。

更に、本発明は、風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車の回転力を基に発電する発電機から入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して風力発電制御するインバータ装置において、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を記憶する記憶部を備え、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに風力発電制御を開始し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに風力発電制御を停止するインバータ装置である。

本発明によれば、風速センサを使用しないので、信頼性を向上させることができ、かつ、低価格化が実現できる効果がある。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の風力発電制御システムは、風速センサを用いず風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、これと一体となって回転駆動される発電機と、この発電機の回転によって得られた電力を入力して直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力するインバータと、記憶部と、表示部とで構成する。予め、風速と風車及び発電機回転数とインバータがこの発電機電圧から検出した周波数とを関連付けて記憶部に記憶しておく。これらの関連は設計値又は、より精度を要する場合には実験値を用いる。そして、発電機電圧から得られたインバータ周波数が予め設定しているカットイン風速に対応したインバータ周波数以上になったとき始動し、予め設定しているカットアウト風速に対応したインバータ周波数以下になったとき停止して発電運転する。又、風速、風車及び発電機回転数、カットイン及びカットアウト風速、及び始動、停止風車及び発電機回転数を表示部に適宜表示する。

以下、本発明の風力発電制御システム及びインバータ装置の実施例について、図１〜図４を用いて説明する。図１に、本実施例として風力発電制御システムの概略構成図を示す。２は風力１をエネルギー源とする風車、３は風車２と一体でこれによって駆動され発電する発電機、１５は図２に示すインバータ４等を内蔵する制御装置であり、ケーブル１４により発電機３と接続する。

図２に、本実施例の風力発電制御システムのブロック図を示す。同図において３は発電機、２は、風力１からのエネルギーを回転運動へ変える為の風車であり、４はインバータ装置であり発電制御装置である。この発電機３の回転速度を制御することにより、回生度合いの強弱を制御して発電力を調整するものである。

インバータ装置４内の電力変換器９は、直流出力を得るために、発電機３からの交流出力を直流に変換して平滑コンデンサ１０に与える還流ダイオードと、平滑コンデンサ１０の直流電圧を交流に変換して発電機３の電機子に与え、発電機３を駆動するための回転磁界を発生させる半導体スイッチで構成されるモジュールである。発生した電力は、電力変換器９により直流出力に変換された後、平滑コンデンサ１０により平滑され、系統連系装置、蓄電池や負荷等５へ出力される。

発電機３の回転速度（ｆ＊）は、ＣＰＵ７内の周波数指令機能部（図示せず）により決定される。決定された回転速度ｆ＊に基づいて、周波数生成器８がＰＷＭ波形を電力変換器９の半導体スイッチに出力して発電機３の回転速度をｆ＊に制御する。

電力変換器９と発電機３の間には電流測定器６を設けて、発電機３から流れてくる電流値Ｉを測定する。直流部に平滑コンデンサ１０の電圧を測定する電圧測定器１１を設けて、直流電圧Ｖｐｎを測定する。周波数指令機能部は、該電流値Ｉを基に指令周波数ｆ＊を決定する。又、ＣＰＵ７の周辺には、これらの制御手順（プログラム）、カットイン風速に対応したインバータ周波数及びカットアウト風速に対応したインバータ周波数等のパラメータを記憶する記憶部１２と、表示部１３ａと設定部１３ｂから成るデジタルオペレータ１３を備える。表示部１３ａでは、風速、風車及び発電機の回転数、カットイン風速とこれに対応したインバータ周波数、カットアウト風速とこれに対応したインバータ周波数等を表示する。設定部１３ｂではカットイン風速とこれに対応したインバータ周波数、カットアウト風速とこれに対応したインバータ周波数等を設定する。

図３に本実施例の風力発電制御制御システム制御装置の制御手順を示すフローチャート図を示す。ステップ３００において、制御装置１５に備わるスイッチ１５ａの入、切状態を判定する。判定結果が入状態であればステップ３０１に進む。ここで、デジタルオペレータ１３のキー操作が有るかを判定する。判定結果がキー操作無しであればステップ３０３の表示処理へすすみ、キー操作有りであれば、ステップ３０２のパラメータ設定処理に進む。表示処理（ステップ３０３）では、前述した風速、風車及び発電機の回転数、カットイン風速とこれに対応したインバータ周波数、カットアウト風速とこれに対応したインバータ周波数等を表示し、パラメータ設定処理（ステップ３０２）では、前述したカットイン風速とこれに対応したインバータ周波数、カットアウト風速とこれに対応したインバータ周波数等を設定する。これらの処理の後、ステップ３０４へ進み、発電機の周波数検出処理を実行する。図２において、この状態では電力変換機９はスイッチングしていないので、発電機３（例えば、永久磁石発電機）の誘起電圧は、前記電力変換機９の還流ダイオード９ａ通して平滑コンデンサ１０にチャージする。このときの誘起電圧から電流、周波数測定器６を介してＣＰＵ７に取り込み、周波数を拾い込んで周波数を検出する。これは記憶部１２に保存される。この処理が済むと、ステップ３０５へ進む。ここで、検出した周波数がカットイン風速に対応した周波数以上になっているか判定し、対応周波数以上になっている場合はステップ３０６でカットイン風速を表示してステップ３０７へ進み、ここで、電力変換機９をスイッチングし回生処理し、ステップ３０８で電圧、電流、周波数を検出する。続いてステップ３０９で、これらの電圧、電流、周波数に基づいて発電運転処理する。前述したステップ３０５での判定結果がカットイン風速に対応した風速以下であれば、ステップ３００に戻りこれ以降の処理を続ける。

ステップ３１０では、現在の運転周波数がカットオフ風速に対応した周波数以下に低下したか判定する。判定した結果、対応周波数以下に低下していなければステップ３０８に戻り、これ以降の電圧、電流、周波数検出処理、発電運転処理を継続する。対応周波数以下に低下していればステップ３１１へ進み、カットアウト風速を表示し、続いてステップ３１２で停止処理を実行し、ステップ３００へ戻り、これ以降の処理を継続する。

図４に発電機出力電圧と、風車風速、インバータ及び発電機運転周波数、発電機回転数の関係の一例を示す図を示す。同図において、縦軸に発電機出力電圧を、横軸に風車風速、インバータ及び発電機運転周波数、発電機回転数を示す。直線（破線）Ａは誘起電圧（無拘束運転、発電運転していない状態）を、直線Ｂは発電運転時の出力電圧を示す。図４はこれらの対応関係を示しており、風速Ｆ２の時にインバータが検出した周波数はｆ２、この時の風車及び発電機の回転数はＮ２で、発電機の無拘束運転時誘起電圧はＶ１、発電機が発電中の出力電圧はＶ２であることを示している。又、発電機回転数をＮ（ｒｐｍ）、発電機極数をＰ、インバータ周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、Ｎ＝１２０ｆ／Ｐの関係がある。従って、前述の風速Ｆ２では、発電機回転数Ｎはこの関係で算出される。例えば、風速１０ｍ／ｓ、極数Ｐが４２、周波数ｆが４０Ｈｚであれば、発電機回転数Ｎは１１４．３ｒｐｍ（１２０×４０／４２）である。

又、カットイン風速Ｆｏｎの時のインバータ周波数はｆｏｎに対応しており、この時の発電機回転数はＮｏｎ、この時の誘起電圧Ｖｏｎに対応している。同様にカットオフ風速Ｆｏｆｆの時のインバータ周波数はｆｏｆｆに対応しており、この時の発電機回転数はＮｏｆｆ、この時の出力電圧Ｖｏｆｆに対応している。これらは設定値として予め、設定手段にて設定され、記憶部に保存している。これらの設定値は、運転中あるいは停止中に適宜設定変更することができる。尚、ここで言うカットインは始動、カットアウトは停止という意味で使用している。

本実施例の風力発電制御システムは、インバータ装置が発電機電圧から検出したインバータ周波数を用いて発電機を制御する際に、そのインバータ周波数を使用して風速等を算出するものであり、風速センサを不要とすることができ、低価格化が実現できる。

実施例の風力発電制御システムの概略構成である。実施例の風力発電制御システムのブロック図である。実施例の風力発電制御システムにおける制御手順を示すフローチャート図である。実施例における発電機出力電圧、風車風速、インバータ及び発電機運転周波数、発電機回転数の関係を示す図である。

符号の説明

１風力エネルギー源
２風車
３発電機
４インバータ装置
５系統連系装置、蓄電池等負荷
６電流、周波数測定器
７ＣＰＵ
８ＰＷＭ出力、周波数生成器
９電力変換器
１０平滑コンデンサ（直流出力部）
１１電圧測定器
１２記憶部
１３デジタルオペレータ
１３ａ表示部
１３ｂ設定部
１５制御装置

Claims

風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を記憶する記憶部を備え、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに発電制御を開始し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに発電制御を停止することを特徴とする風力発電制御システム。
請求項１記載の風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、前記インバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数が前記カットイン風速対応インバータ周波数以上になるたびに発電制御を開始し、前記カットアウト風速対応インバータ周波数以下になるたびに発電制御を停止し、発電運転及び発電停止を繰り返すことを特徴とする風力発電制御システム。
風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、カットイン風速、カットアウト風速、及びこれらの風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときにカットイン風速を表示し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときにカットアウト風速を表示する表示部とを備えることを特徴とする風力発電制御システム。
風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、風速、及び該風速に対応するインバータ周波数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数を、前記風速と該風速に対応するインバータ周波数との関連付けを基に変換した風速を表示する表示部とを備えることを特徴とする風力発電制御システム。
風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数、及び始動時と停止時の風車回転数又は発電機回転数を関連付けて記憶する記憶部と、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに始動時の風車回転数又は発電機回転数を表示し、前記カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに停止時の風車回転数又は発電機回転数を表示する表示部とを備えることを特徴とする風力発電制御システム。
風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車と、該風車の回転力を基に発電する発電機と、入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して発電制御するインバータ装置とで構成した風力発電制御システムにおいて、
前記インバータ装置は、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数を、Ｎ（ｒｐｍ）＝１２０ｆ（Ｈｚ）／Ｐ（ただし、Ｎは風車回転数又は発電機回転数、ｆはインバータ周波数、Ｐは発電機極数）の関係式を基に算出した風車回転数又は発電機回転数を表示する表示部を備えることを特徴とする風力発電制御システム。
風力エネルギー源からの駆動力によって回転する風車の回転力を基に発電する発電機から入力した発電機電力を直流に変換し、系統連系装置又は蓄電池や負荷に電力を出力し、前記発電機の回転速度を制御して風力発電制御するインバータ装置において、
カットイン風速及びカットアウト風速にそれぞれ対応するインバータ周波数を記憶する記憶部を備え、内蔵するインバータが発電機電圧から検出したインバータ周波数がカットイン風速対応インバータ周波数以上になったときに風力発電制御を開始し、カットアウト風速対応インバータ周波数以下になったときに風力発電制御を停止することを特徴とするインバータ装置。