JP2008301584A - 風力発電システムおよび電力変換器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力系統の事故中に二次励磁発電機から無効電流を電力系統へ供給することで、電力系統の電力の安定化に寄与する。
【解決手段】
系統擾乱時に一旦電力変換器を停止し、系統の事故中に二次励磁発電機に現れる事故の影響（固定子過電流，固定子直流成分，回転子過電流など）が解消されたことを検出してから電力変換器を再起動する構成とし、系統事故中であっても、風力発電システムの機器を破損することなく二次励磁発電機から電力系統へ安全に無効電流を出力できる構成としたことである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に電力を供給する発電システム、特に風力発電システムに関する。

発電システムに用いられる二次励磁発電機（巻線型誘導発電機）は、電力変換器で回転子巻線をすべり周波数で励磁することで、固定子側に系統周波数と同じ周波数の交流電圧を出力することができ、回転数を可変に制御することができる。さらに、二次励磁発電機を用いた発電システムは、電力変換器の容量を発電機の容量にくらべて小さくすることが出来るという利点がある。

しかしながら、電力系統で地絡事故などの電圧低下が発生すると、二次励磁発電機は事故点に電流を供給しようと動作する。このとき、二次側巻線に過大な電流が誘起され、二次側に接続した励磁用電力変換器に過大な電流が流れるため、それに耐えられるように電力変換器の素子容量を発電機定格と同程度またはそれ以上に大きくするか、二次巻線を短絡する交流リアクトルを設置する等の方法が用いられている。

従来、二次励磁発電機は主に大規模な発電システムに用いられており、系統での大規模な停電では、電力変換器を一旦停止し、系統電圧が正常に戻ってから再度起動する運転方法が用いられてきた。

特開平１１−１８４８６号公報

系統事故時に、風力発電システムを系統から解列せずに、系統事故中に無効電流を供給する規格が、欧州などで定められており、系統電圧低下中に無効電流を制御して電力系統に供給する技術が系統運用者から求められてきている。このように系統電圧低下中に無効電流を制御して電力系統に供給することで、電力系統の電力の安定化に寄与することができる。

二次励磁発電機を用いた従来の風力発電システムにおいては、電力系統で電力低下等の事故が発生した場合には、電力変換器を停止させ、電力系統の電圧が復帰した後に、電力変換器が再起動される。このような制御方法では、系統の事故中に無効電流を電力系統へ供給することができないという問題があった。

本発明の目的は、系統事故中に電力系統へ無効電流を供給することが可能な風力発電システムを供給することにある。

本発明の特徴の一つは、二次励磁発電機を備える風力発電システムにおいて、系統の事故中に固定子電流の減少を検出してから電力変換器を再起動する構成とし、系統事故中であっても、発電機から電力系統へ無効電流を出力できる構成としたことである。

本発明により、系統事故中に電力系統へ無効電流を供給することが可能な風力発電システムを提供することができる。

二次励磁発電機の励磁用電力変換器を系統擾乱による過電流から保護し、更に運転継続を実現するという動作を、発電機の系統事故による影響が除去されてから運転再開することとし、また、系統電圧が所定値よりも低下した場合には位相検出器の検出位相を電圧低下前の周波数から演算するという手段で実現した。

図１および図２を用いて、本発明の１実施例の装置構成（単線結線図）を説明する。風力発電装置２００は、送電線を介して電力系統１００に接続される。

風力発電装置２００は主に、発電機２０１，風車２０２，風車制御装置２０３，コンバータ（励磁装置）２０４，コンバータ制御装置２０５から構成される。

風車２０２は、発電機２０１の回転子に（ギアなどを介して）機械的に接続される。発電機２０１の回転子巻線はコンバータ２０４と電気的に接続され、また、発電機２０１の固定子は遮断器２０６やトランス２０７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２０３は、風速検出や風車２０２のピッチ角度制御，有効電力指令値の演算および有効電力指令値Ｐｒｅｆの出力，運転／停止などの指令値Ｒｕｎの出力，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２０５に送られる。

コンバータ制御装置２０５は、指令値に従いコンバータ２０４を制御し、発電機２０１と系統との間の電力（有効電力，無効電力）を制御する。また、系統電圧低下や発電機固定子の電流の直流分と交流分の過電流などの事故検出機能をもち、事故を検出した際にはコンバータ制御の運転モードを変更する機能などを備える。

次に、図２から図５を用いて、風力発電装置２００について詳しく説明する。発電機２０１の固定子側の３相出力は、外部信号Ｓｇ１によって開閉可能な例えば電磁接触器２０８の二次側に接続される。また電磁接触器２０８の一次側は、第二の電磁接触器２０９の一次側に接続される。電磁接触器２０９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２１０はコンバータＩＮＶの直流回路２１０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などを介して発電機２０１の回転子巻線に電気的に接続される。また、電磁接触器２０８の一次側は遮断器２０６やトランス２０７を介して電力系統に接続される。

また、前記励磁用コンバータＩＮＶと並列に整流装置２１２を、リアクトルＬｘを介して接続する。整流装置２１２は、整流器ＤＯＤとエネルギー消費装置ＣＨＰで構成される。整流器ＤＯＤは、発電機Ｇｅｎの二次側巻線端子に接続する。前記整流器ＤＯＤはその直流部分にコンデンサＣｘを持つ。前記整流器ＤＯＤは前記電力変換器の直流部分２１０に接続し、また、半導体スイッチと抵抗Ｒで構成されるエネルギー消費装置ＣＨＰにも接続する。

前記遮断器２０６は、例えば、風力発電装置２００を保護するため、電流過大が継続する時に遮断器を開放して電流を遮断する機能や、風力発電装置２００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。

発電機側コンバータＩＮＶおよび系統側コンバータ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、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、前記系統側コンバータ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２０１の回転子には、ギアなどを介して風力発電用の羽根に接続されており、風の力を受けて回転する。また、回転子には、回転位置を検出する、例えばエンコーダなどの位置検出器２１１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２０６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧検出器ＰＴｓ，電流センサＣＴｓによりその値を低電圧の系統電圧検出値Ｖｓ，低電圧の電流検出信号Ｉｓに変換され、前記低電圧の系統電圧検出値ＶｓおよびＩｓがコンバータ制御装置２０５に入力される。

また、電磁接触器２０８の二次側（電磁接触器２０８と発電機２０１の固定子との間）の電圧は、電圧検出器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２０５に入力される。

前記コンバータＩＮＶ，ＣＮＶの直流部２１０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２０５に入力される。

また、コンバータＩＮＶの出力電流Ｉｒは電流センサＣＴｒにより検出され、コンバータＣＮＶの出力電流Ｉｎは電流センサＣＴｎにより検出され、電流検出値ＩｒおよびＩｎはコンバータ制御装置２０５に伝送される。

また、風車制御装置２０３は、コンバータ制御装置２０５に運転／停止指令値Ｒｕｎ，有効電力指令値Ｐｒｅｆ，無効電力指令値Ｑｒｅｆなどの各種指令値を送ったり、風車やシステムの状態量を検出して外部と通信する通信機能などを備える。

また、コンバータ制御装置２０５は、電磁接触器２０８，２０９を、それぞれ信号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コンバータＩＮＶ，ＣＮＶのそれぞれを駆動制御するパルス信号Ｐ＿ＩＮＶ，Ｐ＿ＣＮＶを出力する。また、コンバータ制御装置２０５は、整流装置２１２を信号Ｐ＿ＣＨＰで制御する。

図３は、コンバータＩＮＶの構成を示す。コンバータＩＮＶは、半導体素子などで構成される。ここでは、三相コンバータの構成を示しており、半導体素子（ＩＧＢＴ）Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２で構成される。素子Ｓ１１，Ｓ１２はＵ相の上下アームを、素子Ｓ２１，Ｓ２２はＶ相上下アームを、素子Ｓ３１，Ｓ３２はＷ相上下アームを構成する。

これら半導体素子をオンオフすることで、交流端子に三相の交流電圧を発生し、この交流電圧を調整することで、出力する電流Ｉｒが制御できる。

半導体素子をオンオフするためのゲート信号Ｐ＿ＩＮＶは、コンバータ制御装置２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ＿ＩＮＶの添え字ＵはＵ相の信号Ｐ＿ＩＮＶ＿Ｕを示しており、Ｐ＿ＩＮＶ＿ＶはＶ相、Ｐ＿ＩＮＶ＿ＷはＷ相のゲート信号を表している。

Ｕ相の下アーム素子Ｓ１２のゲート信号は、上アーム素子Ｓ１１の反転（すなわちＳ１１がオンのとき、素子Ｓ１２はオフ）が与えられ、同様に、Ｖ相，Ｗ相の上下アームに関しても、下側アームは上側アームの反転信号が与えられる。反転信号を作成するため、反転器ＮＯＴが用いられる。ゲート信号Ｓ１１からＳ３２には、上下アームの短絡防止期間のため、デッドタイムとよばれる期間をゲート回路内で付加するが、ここでは省略している。

半導体素子のオンオフを停止するために、ゲートブロック信号ＧＢが用いられる。このゲートブロック信号ＧＢはパルス信号Ｐ＿ＩＮＶとともにＡＮＤ回路に入力され、ゲート停止の際にＧＢ＝“０“となるため、このとき半導体素子Ｓ１１〜Ｓ３２はパルス信号Ｐ＿ＩＮＶによらず、すべてオフ状態になる。

次に、図４は、コンバータＣＮＶの構成を示す。コンバータＣＮＶは、半導体素子などで構成される。ここでは、三相コンバータの構成を示しており、半導体素子（ＩＧＢＴ）Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ６１，Ｓ６２で構成される。素子Ｓ４１，Ｓ４２はＵ相の上下アームを、素子Ｓ５１，Ｓ５２はＶ相上下アームを、素子Ｓ６１，Ｓ６２はＷ相上下アームを構成する。

これら半導体素子をオンオフすることで、交流端子に三相の交流電圧を発生し、この交流電圧を調整することで、出力する電流Ｉｎが制御できる。

半導体素子をオンオフするためのゲート信号Ｐ＿ＣＮＶは、コンバータ制御装置２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ＿ＣＮＶの添え字ＵはＵ相の信号Ｐ＿ＣＮＶ＿Ｕを示しており、Ｐ＿ＣＮＶ＿ＶはＶ相、Ｐ＿ＣＮＶ＿ＷはＷ相のゲート信号を表している。

Ｕ相の下アーム素子Ｓ４２のゲート信号は、上アーム素子Ｓ４１の反転（すなわちＳ４１がオンのとき、素子Ｓ４２はオフ）が与えられ、同様に、Ｖ相，Ｗ相の上下アームに関しても、下側アームは上側アームの反転信号が与えられる。反転信号を作成するため、反転器ＮＯＴが用いられる。ゲート信号Ｓ４１からＳ６２には、上下アームの短絡防止期間のため、デッドタイムとよばれる期間をゲート回路内で付加するが、ここでは省略している。

半導体素子のオンオフを停止するために、ゲートブロック信号ＧＢが用いられる。このゲートブロック信号ＧＢはパルス信号Ｐ＿ＣＮＶとともにＡＮＤ回路に入力され、ゲート停止の際にＧＢ＝“０“となるため、このとき半導体素子Ｓ４１〜Ｓ６２はパルス信号Ｐ＿ＣＮＶによらず、すべてオフ状態になる。

図５は、整流装置２１２の構成を示す。整流器ＤＯＤは、半導体素子などで構成する。ここでは、整流器ＤＯＤはダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２で構成した図を示している。ダイオード整流器の直流部分にはコンデンサＣに接続されており、さらにエネルギー消費装置ＣＨＰに接続する。エネルギー消費装置ＣＨＰは、半導体素子（ＩＧＢＴ）Ｓ７１と抵抗Ｒを直列に接続して、ダイオード整流器ＤＯＤの直流部に接続される。

半導体素子Ｓ７１をオンすることで、三相交流から直流部に入力されるエネルギーを消費して、直流部の過電圧を防止できる。この過電圧防止機能は、例えば、系統の電圧低下により発電機の回転子に発生する過電流を吸収する場合などに動作する。

半導体素子Ｓ７１をオンオフするためのゲート信号Ｐ＿ＣＨＰは、コンバータ制御装置２０５から与えられる。

次に、図６から図１０を用いてコンバータ制御装置２０５の機能について説明する。図６はコンバータＣＮＶの制御構成を示す。コンバータＣＮＶは、平滑コンデンサＣｄの直流電圧Ｅｄｃを一定に制御する機能を持つ。このため、コンバータＣＮＶは、系統電圧検出値Ｖｓの位相を検出し、検出した電圧位相を用いて電流を制御して、系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。

発電機励磁用コンバータＩＮＶ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Ｅｄｃが低下すれば、系統側コンバータＣＮＶ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Ｅｄｃを一定に保つように動作する。

コンバータＣＮＶが運転を開始する前に電磁接触器２０９の投入指令Ｓｇ２が出力され、コンバータＣＮＶは系統に接続される。

前記系統電圧検出値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、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、前記位相信号ＴＨＳ（ＴＨＳ：系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの位相信号）を３相２相回転座標変換器３ＤＱ０１，３ＤＱ０２、２相３相回転座標変換器ＤＱ２３−０１に出力する。直流電圧指令値Ｅｒｅｆと前記直流電圧検出値Ｅｄｃは直流電圧調整器ＤＣＡＶＲ（たとえば比例積分制御器ＰＩにより構成）に入力される。前記直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは入力された指令値Ｅｒｅｆと検出値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ＡＣＲ１に出力する。

３相ＤＱ座標変換器３ＤＱ０１は入力された電流Ｉｎから数１に示す３相２相変換式および数２に示す回転座標変換式を用いて、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ＡＣＲ１に、ｑ軸電流検出値Ｉｑｎを電流調整器ＡＣＲ２に出力する。

ここで、添え字ｕ，ｖ，ｗは三相交流の各相を表し、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（系統電圧検出値ＶｓのＵ相はＶｓｕなど）である。

前記電流調整器ＡＣＲ１は、前記ｐ軸電流指令値Ｉｐｎｓｔｒと前記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３０１に出力する。同様に、前記電流調整器ＡＣＲ２は、ｑ軸電流指令値（＝０）と前記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３０２に出力する。ここで前記電流調整器（ＡＣＲ１，ＡＣＲ２）はたとえば比例積分（ＰＩ）制御器により構成できる。

前記３相２相変換器３２ＴＲＳは入力された系統電圧検出値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、さらに数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３０１，３０２に出力する。

前記加算器３０１は、前記ｐ軸電圧指令値Ｖｐｎ０と前記ｐ軸電圧検出値Ｖｐｓを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３−０１に出力する。同様に前記加算器３０２は、前記ｑ軸電圧指令値Ｖｑｎ０と前記ｑ軸電圧検出値Ｖｑｓを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３−０１に出力する。

前記２相３相座標変換器ＤＱ２３−０１は、前記位相信号ＴＨＳと、前記各加算器の結果Ｖｐｎ，Ｖｑｎを入力し、数５および数６に示した変換式により前記変換器ＤＱ２３−０１の出力する電圧指令値Ｖｕｎ，Ｖｖｎ，Ｖｗｎを演算し、パルス演算器ＰＷＭ１に出力する。

前記パルス演算器ＰＷＭ１は、入力された電圧指令Ｖｕｎ，Ｖｖｎ，Ｖｗｎからパルス幅変調方式により前記電力変換器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Ｐ＿ＣＮＶを演算し、前記電力変換器ＣＮＶに出力する。

また、ゲート信号ＧＢから運転状態を判定し、ＰＩリセット信号（ＰＩ：比例積分調整器）を作成し、ＧＢ＝０のときはＰＩリセット信号を出力し、ＧＢ＝１のときはＰＩリセット信号は出力しない。これにより、コンバータが停止するＧＢ＝０状態で、制御器内の積分器をリセットでき、再始動時に積分器が以前の値を保持していたり、積分器が飽和しているような状態を防止でき、再始動を確実に行うことができる。

次に、コンバータＩＮＶの制御について、図７を用いて説明する。

発電機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０にリセットし、オーバーフローしない０から３６０度の位相信号ＲＴＨを加算器３０３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３０３で加算されて位相信号ＴＨとなり、位相信号ＴＨは前記位相信号ＴＨＳ（コンバータＣＮＶの制御で説明した）とともに励磁位相演算器ＳＬＤＥＴに入力される。

前記励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは、前記位相信号ＴＨとＴＨＳを減算し、さらに発電機の極対数ｋ倍（ＴＨＲ＝ｋ（ＴＨＳ−ＴＨ））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を前記数１と同じ変換行列により変換し、得られたα軸電流Ｉｓαと、β軸電流Ｉｓβと、前記式３により計算されたα軸電圧検出値Ｖｓαと、β軸電圧検出値Ｖｓβとを入力し、数７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値Ｐｒｅｆを入力し、前記有効電力指令値Ｐｒｅｆと前記電力検出値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、無効電力調整器ＡＱＲは、無効電力Ｑｓと風力発電装置の無効電力指令値Ｑｒｅｆを入力し、前記無効電力指令値Ｑｒｅｆと前記電力検出値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はたとえば比例積分器により構成できる。

前記有効／無効電力調整器の各出力の電流指令値Ｉｐ０およびＩｑ０は切り換え器ＳＷに入力される。

また、発電機固定子電流Ｉｇは、３相回転座標変換器３ＤＱ０３に入力される。３相回転座標変換器３ＤＱ０３は、式１および式２に示した変換式により、有効分電流Ｉｐｇと無効分電流Ｉｑｇに分解され、それぞれ発電機電流調整器ＡＣＲＰ，ＡＣＲＱに入力される。

また、発電機電流調整器ＡＣＲＰは、固定子有効電流指令値としてゼロを入力し、発電機固定子電流の有効分成分Ｉｐｇをゼロになるように、回転子電流指令値Ｉｐ２を演算し、切り替え器ＳＷに出力する。また、発電機電流調整器ＡＣＲＱは、固定子無効電流指令値Ｉｑｇを入力し、発電機固定子電流の無効分電流成分Ｉｑｇを指令値に一致するように、回転子電流指令値Ｉｑ２を演算し、切り替え器ＳＷに出力する。

次に、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、系統電圧検出値Ｖｓの振幅値にフィルタＦＩＬを通した値Ｖｓｒｅｆを指令値として入力し、前記発電機Ｖｇの振幅値と前記指令値の偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を前記切り換え器ＳＷに出力する。ここで前記電圧調整器ＡＶＲはたと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２０８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、コンバータＩＮＶから発電機２０１の二次側に流す励磁電流指令値を調整する。

図１０は切り替え器ＳＷの構成を示す。ＳＷは前記電力調整器ＡＰＲおよびＡＱＲの出力（Ｉｐ０およびＩｑ０）を使用する通常発電運転モードか、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の出力Ｉｑ１を使用する系統同期運転モードか、あるいは、発電機の固定子電流を調整する固定子電流調整器ＡＣＲＰ，ＡＣＲＱの出力（Ｉｐ２，Ｉｑ２）を使用する系統事故時運転モードのいずれかを出力するかを決定する。

切り替え器ＳＷは３０１が投入される前（すなわち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、投入信号Ｓｇ０＝“ｂ“）は、有効分電流指令値に零、励磁電流指令値に電圧調整器の出力Ｉｑ１を使用し、電磁接触器３０１を投入してから（投入信号Ｓｇ０＝“ａ“の状態）は各電力調整器ＡＰＲ，ＡＱＲの出力Ｉｐ０，Ｉｑ０を選択する。また、通常の発電運転時には運転モードＭＤ信号は“１”の状態であり、上記投入信号Ｓｇ０による指令値切り替えが選択されているが、系統事故などを検出して運転モードＭＤ＝“２”の状態になると、前記固定子の電流調整器ＡＣＲＰ，ＡＣＲＱの出力であるＩｐ２とＩｑ２が選択され、切り替え器ＳＷから出力される。

また、同期制御器ＳＹＮＣは、遮断器２０８が開放状態のとき、前記系統電圧検出値Ｖｓｒｅｆと前記発電機固定子電圧検出値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、さらに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。信号Ｓｇ１により遮断器２０８が閉状態となったとき、前記位相補正信号ＬＴＨはそのときの値を保持する。

この同期制御器の機能により、発電機２０１が系統に接続する前に、系統電圧と同期することが出来、また、系統に接続された後は、速やかに電力制御に制御を切り替えることが可能になる。

３相回転座標変換器３ＤＱ０４は入力された電流Ｉｒおよびロータの位相ＴＨＲから数８および数９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ＡＣＲ４に、ｐ軸電流検出値Ｉｐｒを電流調整器ＡＣＲ３に出力する。

前記電流調整器ＡＣＲ４は、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ１またはＩｑ０またはＩｑ２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ＡＣＲ３は、前記ｐ軸電流指令値Ｉｐ１またはＩｐ０またはＩｐ２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。

前記ｐ軸電圧指令値Ｖｐｒと前記ｑ軸電圧検出値Ｖｑｒは２相３相回転座標変換器ＤＱ２３−０２に入力され、前記２相３相座標変換器ＤＱ２３−０２は、前記位相信号ＴＨＲ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ＤＱ２３−０２の出力する電圧指令値Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒを演算し、パルス演算器ＰＷＭ２に出力する。

前記パルス演算器ＰＷＭ２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Ｐ＿ＩＮＶを演算し、前記コンバータＩＮＶに出力する。

次に、図８を用いて、前記位相検出器ＴＨＤＥＴを説明する。位相検出器ＴＨＤＥＴは、系統電圧検出値Ｖｓを入力し、３相２相変換３２ＴＲＳにて式３で示した計算を行い、２相の電圧信号ＶｓαとＶｓβに変換する。回転座標変換器ＡＢＤＱは、前記２相信号ＶｓαとＶｓβを入力し、式４で示した座標変換式にてＶｐｓとＶｑｓを演算する。演算した位相ＴＨＳが系統電圧のＵ相に一致していれば、Ｖｑｓはゼロになることを利用して、Ｖｑｓがゼロとなるように位相を補正する。そのため、Ｖｑｓをゼロと比較して周波数補正指令ＯＭＧ０を作成する。電圧低下検出器からホールド器ＨＯＬＤに入力されるホールド指令ＨＬＤが保持を示すとき、ホールド器ＨＯＬＤに入力された周波数補正値ＯＭＧ０は無視されて、前回の周波数の値が出力される。保持信号が保持を示さないとき、入力された周波数補正信号ＯＭＧ０が、ホールド器から出力される。ホールド器ＨＯＬＤの出力信号ＯＭＧ１は積分器に入力され、積分器で積分することで周波数信号ＯＭＧ１を位相信号ＴＨＳに変換する。

位相検出器ＴＨＤＥＴは、電圧振幅を判定して周波数信号を保持する機能を持つ。電圧振幅は、前記２相の電圧信号Ｖｓα，Ｖｓβの二乗和ルートから計算される。電圧振幅が通常時の１０％以下では、電圧検出精度が低下するので、電圧低下検出器は周波数信号を保持するため、前記ホールド器ＨＯＬＤに周波数を保持するホールド指令ＨＬＤを送る。系統事故によりトランスの系統側の端子で電圧が零となった際に、トランスの発電機側（システム側）で観測される電圧は、トランスの漏れ分が１０％程度でシステム電流が１００％の場合には、通常の１０％程度の電圧が現れる。このことから、トランスの発電機側で観測される電圧が１０％程度では、システムは系統から切り離された状態になっていることが予測されるため、系統電圧が通常の１０％以下で周波数を保持する。

また、システム電流Ｉｓとトランス２０７の漏れインピーダンスの積で計算される電圧以下は、風力発電システムが系統の電源とは関係なく動作している単独運転状態であるので、このような場合にもホールド器ＨＯＬＤを動作させて内部周波数信号ＯＭＧ１の保持信号を出力する。

系統電圧が低下し、短時間で再度復帰するような場合、復帰するときの電圧位相は、事故前の周波数を用いて推定される位相から大きくずれないので、位相を事故前の周波数と事故からの経過時間により推定される位相とすることで、系統電圧が復帰したときの位相ずれを小さくできる。この周波数保持機能により、位相検出器は電圧が低下した際にも、位相を推定でき、事故復帰時の位相ずれを小さくできる。

次に、図９を用いて、前記整流装置２１２の動作を説明する。系統擾乱、例えば系統電圧が低下したとき、誘起電圧と系統電圧の電圧差ΔＶにより電流がΔＩ増加する。このとき、二次励磁発電機の巻数比ａとすると、二次巻線にはΔＩ／ａの電流が増加する。このΔＩ／ａの電流が大きいとき、二次巻線には過大な電流が流れることになる。このとき、過電流を検知して、前記ゲートブロック信号ＧＢがＧＢ＝０になることにより、前記コンバータＣＮＶ，ＩＮＶは半導体素子のスイッチング動作を停止する。このとき、発電機の二次側には、コンバータＩＮＶと整流装置２１２がリアクトルＬｒ，Ｌｘを介して接続されているので、Ｌｒに流れる電流Ｉｒと、Ｌｘに流れる電流Ｉｘは、リアクトルの比で分流される。

このように分流された電流は、直流部分のコンデンサＣｄおよびＣｘを充電し、直流電圧を上昇させる。直流電圧が上昇すると整流器ＤＯＤや電力変換器ＩＮＶ，ＣＮＶを構成する素子やコンデンサが絶縁破壊を起こすので、直流電圧が所定値（例えば通常時の１１０％）を越えた際に前記エネルギー消費装置ＣＨＰを動作させる。そのため、図９に示すように、直流電圧Ｅｄｃを過電圧レベルＥｒｅｆ＿ＯＶと比較し、直流電圧Ｅｄｃが大きい場合にエネルギー消費装置ＣＨＰのＩＧＢＴ素子をオン（“１”）する指令Ｐ＿ＣＨＰを出力する。

次に、図１０に示した運転モードについて、図１１から図１４を用いて説明する。図１１は状態遷移図を示す。図に示すように、通常の発電運転モードでは運転モードＭＤは“１”とし、電圧低下などの系統事故などを検知した際には運転モードＭＤは“２”とする。

次に図１２から図１４のフローチャートを用いて、事故時の運転状態の動作を示す。図中Ｍ１からＭ４は別図のフローチャートへの接続点を示している。

図１２は通常運転のフローチャートを示す。まず、運転開始指令が入力されると通常運転モードＭＤ＝１で運転を開始する。このときゲートブロック信号ＧＢはＧＢ＝１としてゲートブロック解除状態にする。運転中は発電機固定子電流Ｉｇの過電流や、回転子電流Ｉｒの過電流、コンバータＩＮＶの直流電圧Ｅｄｃの過電圧を常に監視し、異常が検知されたときは異常モードへ移行する。

次に、異常モードへの遷移について図１３を用いて説明する。系統異常が検知されると、まずゲートブロック信号ＧＢをＧＢ＝０の状態にする。これにより、前述したように制御の比例積分調整器がリセットされ、また、ゲート信号Ｐ＿ＩＮＶ，Ｐ＿ＣＮＶは無視され、コンバータＩＮＶとＣＮＶを構成する半導体スイッチング素子はすべてオフ状態になる。また、タイマーの動作を開始する。次に、発電機固定子電流Ｉｇの過電流や、回転子電流Ｉｒの過電流、コンバータＩＮＶの直流電圧Ｅｄｃの過電圧、発電機固定子電流Ｉｇの直流成分を監視し、異常がなくなり運転可能な場合は次の運転モード（図１４）へ移る。ここでは、発電機電流の直流成分を監視する例を示したが、そのほかに発電機の回路定数（抵抗，インダクタンス）で決まる減衰時定数Ｔ０で判定しても良い。この場合、タイマーによる時間監視で、タイマー値がＴ０より経過したことを使って、発電機過大電流の異常除去監視の代わりに用いることが出来る。

異常が継続しており、かつタイマー値により復帰待ち時間が経過しても異常が除去されない場合には、停止処理に移行し、ＧＢ＝０としてさらに遮断機２０８や２０６を開放させる。タイマー値が復帰待ち時間に達していないときは、前記異常の監視と運転可能の判定を繰り返す。

次に、図１４を用いて、事故除去後の運転モード（ＭＤ＝“２”）について説明する。事故による過電流や過電圧が除去され、運転可能な状態になったとき、事故時運転モードＭＤ＝２として運転を開始する。そのために、ゲート信号ＧＢ＝１とする。運転モードＭＤ＝２とすることで、図１０にて説明したように制御は発電機固定子電流の制御に切り替わる。事故時運転モードで運転を開始した後、発電機固定子電流Ｉｇの過電流や、発電機回転子電流Ｉｒの過電流や、発電機固定子の直流分減衰、コンバータＩＮＶの直流電圧過電圧を監視し、異常が検知された場合は、図１３の異常待機モードに移る。系統事故により系統電圧が複数回低下することも考えられ、そのときは図１３の待機モードに一旦遷移することになる。異常時運転モードで、系統電圧が復帰した場合には通常運転移行待ち時間を経過したら、タイマーをクリアして有効電力と無効電流（または無効電力）を事故前の値に戻してから、通常運転モードに戻る。通常運転移行待ち時間や、電力の復帰のレートは、系統運用者からの要求などにより決まる。

また、通常運転モードに戻る際には、有効電力を緩やかに増加させるとともに、無効電流（または無効電力）を緩やかに減少させて事故前の値に戻す。このように有効電力と無効電流（または無効電力）を緩やかに事故前の値に戻すことで、有効電力と無効電流（または無効電力）の急変に伴う過電流や過電圧を防止することができる。

異常時運転モードで系統電圧が復帰しなかった場合、復帰待ち時間経過しても系統電圧が復帰しなかった場合は停止処理に移る。復帰待ち時間経過していない場合は異常時運転モードを継続する。

系統電圧低下中に発電機が無効電流を供給することで、発電システム連系点の電圧は上昇する。このときにもコンバータＣＮＶは運転を開始することになる。このとき系統電圧が完全にゼロに低下していても、トランスのインピーダンスで連系点（トランス二次側）の電圧は上昇する。このときコンバータＣＮＶが運転するので、発電機の電力を使って直流電圧Ｅｄｃを一定に制御できる。

以上のような構成により、風力発電システムは以下に示す運転が可能になる。

固定子電流の減衰や、固定子電流の直流成分の減少を検出して再起動することで事故中の無効電流の出力制御の開始を確実に実施できる。

系統事故中にもコンバータＣＮＶを運転することで、発電機の電圧をつかってコンバータＣＮＶが運転でき、直流電圧Ｅｄｃの充電電流を発電機からとることができ、長い時間の停電でも直流を維持して運転を継続できる。

系統事故時に固定子電流制御に切り替えることで、固定子電流を所定値に制御できる。

系統電圧が急激に復帰するような場合に発生する過電流などがコンバータの保護レベルより大きな場合にゲートを停止して、再起動することで、事故復帰時も確実な無効電流供給が実現できる。

系統電圧低下時の、特に電圧ゼロ近傍では、制御の位相検出をロックして、系統電圧低下前の位相と周波数とから算出した位相信号に追従することで系統電圧がゼロまで低下するときの周波数変動を小さくでき、また系統電圧復帰時の過電流を防止できる。

電力系統および風力発電装置の回路構成の説明図。 風力発電装置の構成の説明図。 コンバータＩＮＶの構成図。 コンバータＣＮＶの構成図。 整流装置２１２の構成図。 コンバータＣＮＶの制御の実施方法を示した説明図。 コンバータＩＮＶの制御の実施方法を示した説明図。 位相検出器ＴＨＤＥＴの説明図。 整流装置２１２の制御の実施方法を示した説明図。 切り替え器ＳＷの説明図。 運転モードの状態遷移を示した説明図。 通常運転時の運転動作を示した説明図。 異常検知時の運転待機動作を示した説明図。 系統異常時の運転動作を示した説明図。

符号の説明

１００ 電力系統
２００ 風力発電装置
２０１ 発電機
２０２ 風車
２０３ 風車制御装置
２０４ コンバータ
２０５ コンバータ制御装置
２０６ 遮断器
２０７ トランス
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^* ピッチ角度指令
ＰＴｓ，ＰＴｇ 電圧検出器
Ｖｓ 系統電圧検出値

Claims (18)

1. 二次励磁発電機の固定子が電力系統に接続され、前記二次励磁発電機の回転子が交流励磁用電力変換器に接続され、前記回転子が風車に機械的に接続され、前記固定子と前記電力系統に接続された系統側電力変換器の直流側が前記交流励磁用電力変換器の直流側に接続され、前記交流励磁用電力変換器が前記二次励磁発電機を励磁することにより前記二次励磁発電機が電力系統に発電電力を供給する風力発電システムにおいて、
   前記交流励磁用電力変換器および前記系統側電力変換器を制御する制御装置と、前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流を検出する系統事故検出器と、
   前記固定子に流れる電流を検出する固定子電流検出器と、
   前記系統事故検出器が系統の事故を検出した後であって、前記固定子の電流が所定値より低下したときに、前記交流励磁用電力変換器が前記二次励磁発電機の励磁を開始する変換器運転手段と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１において、
   前記変換器運転手段は、前記系統事故検出器が系統の事故を検出した後であって、前記固定子の電流の直流分が所定値より低下したときに、前記交流励磁用電力変換器が前記二次励磁発電機の励磁を開始する運転手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１において、
   前記変換器運転手段は、前記系統事故検出器が系統の事故を検出してからの経過時間を計測する時間計測手段を備え、発電機の回路定数で決まる所定の減衰時定数より長い時間経過したときに、前記二次励磁発電機の励磁を開始する運転手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１において、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記制御装置は、電力系統の電圧位相に追従した電圧位相信号を演算する位相演算手段と、
   前記系統事故検出器が系統の事故を検出した際に、系統事故検出前の電力系統の電圧位相と周波数とから電圧位相信号を演算する事故時位相演算手段と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１において、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記制御装置は、電力系統の電圧位相に追従した電圧位相信号を演算する位相演算手段と、
   前記電力系統の電圧が通常の１０％以下に低下した際に、前記電力系統の電圧低下を検出する前の電力系統の電圧位相と周波数とから電圧位相信号を演算する事故時位相演算手段と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１において、
   系統電圧の低下が除去され系統電圧が上昇する際に、発電機の過電流または前記電力変換器の過電流または前記電力変換器の直流電圧の過電圧を検出するシステム異常検出手段と、
   前記システム異常検出手段が前記システム異常を検出した際に、前記交流励磁用電力変換器をゲートブロックする変換器停止手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６において、
   前記システム異常が解消された後に、前記交流励磁用電力変換器の運転を再開する運転手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項７において、
   前記交流励磁用電力変換器の運転を再開した後に、電力系統へ出力する有効電力を緩やかに増加させる手段と、同時に無効電力または無効電流を緩やかに減少させる手段と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１において、
   系統事故中に前記固定子の電流を所定値に制御するために、交流励磁用電力変換器が前記回転子の電流を調整する手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
10. 風車と機械的に接続された回転子と電力系統と接続された固定子とを備える二次励磁発電機の固定子と接続され、固定子の交流電力を直流電力に変換する系統側電力変換器と、
    前記系統側電力変換器の直流部と接続され、前記直流部の直流電力を交流電力に変換し、前記回転子と接続され、前記交流電力により前記二次励磁発電機を励磁する励磁用電力変換器と、
    を制御して電力系統に供給する電力を調整する電力変換器の制御方法において、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じた後で、前記固定子の電流が所定値より低下したときに、前記励磁用電力変換器に前記二次励磁発電機の励磁を開始させることを特徴とする電力変換器の制御方法。
11. 請求項１０において、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じた後で、前記固定子の電流の直流分が所定値より低下したときに、前記励磁用電力変換器に前記二次励磁発電機の励磁を開始させることを特徴とする電力変換器の制御方法。
12. 請求項１０において、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じてから、発電機の回路定数で決まる所定の減衰時定数より長い時間経過したときに、前記励磁用電力変換器に前記二次励磁発電機の励磁を開始させることを特徴とする電力変換器の制御方法。
13. 請求項１０において、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じた際に、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じる前の電力系統の電圧位相と周波数とから電圧位相信号を演算することを特徴とする電力変換器の制御方法。
14. 請求項１０において、
    前記電力系統の電圧が通常の１０％以下に低下したときに、前記電力系統の電圧が低下する前の電力系統の電圧位相と周波数とから電圧位相信号を演算することを特徴とする電力変換器の制御方法。
15. 請求項１０において、
    系統電圧が減少から増加に転じたあとで、発電機の過電流または前記電力変換器の過電流または前記電力変換器の直流電圧の過電圧が生じたときに、前記励磁用電力変換器をゲートブロックすることを特徴とする電力変換器の制御方法。
16. 請求項１５において、
    前記発電機の過電流または前記電力変換器の過電流または前記電力変換器の直流電圧の過電圧が解消された後に、前記励磁用電力変換器の運転を再開することを特徴とする電力変換器の制御方法。
17. 請求項１６において、
    前記交流励磁用電力変換器の運転を再開した後に、電力系統へ出力する有効電力を緩やかに増加させ、かつ無効電力または無効電流を緩やかに減少させることを特徴とする電力変換器の制御方法。
18. 請求項１０において、
    前記電力系統の電圧低下または前記固定子電流の直流分の過電流または前記固定子電流の交流分の過電流が生じた際に、
    前記固定子の電流を所定値に制御するために、前記励磁用電力変換器により前記回転子の電流を調整することを特徴とする電力変換器の制御方法。

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