JP2009189189A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
交流励磁型発電機の励磁用コンバータを系統事故や系統擾乱により発生する過電流から保護し、さらに電力変換器の運転継続性を確保した風力発電システムを提供する。
【解決手段】
系統故障対応装置の交流入力を励磁用コンバータに接続し、系統故障対応装置の直流部分をコンバータの直流部分に抵抗を介して接続する構成とし、系統故障対応装置の直流部分に抵抗器とスイッチング手段で構成されたエネルギー消費回路を複数接続する構成を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統で停電などの電圧低下が発生した際、交流励磁型発電機の回転子に発生する過大な電流を吸収し、回転子に接続されるコンバータを保護することを実現した風力発電システムに関する。

発電装置に用いられる交流励磁型発電機は、電力変換器で回転子巻線をすべり周波数（系統周波数と回転周波数の差）で交流励磁することで、回転子の励磁により固定子側に発生する電圧を系統周波数と同じ周波数にすることができる。回転子の励磁周波数（すべり周波数）を可変にすることで、風車の回転数を可変にすることができるとともに、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などの利点がある。

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、交流励磁型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、回転子巻線に過大な電流が誘起され、回転子側に接続した励磁用コンバータに過大な電流が流れるため、クローバー（Crow-bar）と呼ばれる回転子回路をサイリスタで短絡する装置を設置する等の方法が用いられている。

最近では、系統事故時に、風力発電システムを系統から解列せずに、運転を継続しなければならないという規格が、欧州などで定められており、短時間の電圧低下時に風力発電システムが電力系統から解列せずに、事故後に発電運転を再開することで、電力系統に与える影響を小さくするような運用が求められてきている。

従来、交流励磁発電機は主に揚水発電所など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、回転子回路を他励式の素子で短絡する運転方法が用いられてきた。

日立評論（HITACHI REVIEW）１９９５ Ｖol.４４

本発明が解決しようとする課題は、交流励磁型発電機の励磁用電力変換器を系統事故や系統擾乱により発生する過電流から保護し、発電機を系統から切り離さずに運転する風力発電システムを提供することにある。

上記課題を達成するために本発明の風力発電システムは、系統故障対応装置の交流入力を励磁用コンバータに接続し、系統故障対応装置の直流部分をコンバータの直流部分に抵抗を介して接続する構成とし、系統故障対応装置の直流部分に抵抗器とスイッチング手段で構成された過電流消費手段を備えたものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段の直流部分を、インピーダンスを介して励磁用および系統側コンバータの直流部分に接続する手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段の直流部分と前記励磁用および系統側コンバータの直流部分を接続するインピーダンスに抵抗を用いることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、抵抗の抵抗値Ｒは、コンバータ直流部分のコンデンサ容量Ｃとしたとき、時定数ＣＲが１００ｍｓ以上となるように設定することを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、複数の抵抗器は、整流手段の直流部の電位が高い方に接続し、スイッチング手段は電位が低い方に接続することを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段は、対地静電容量を小さくするために、接地部位との距離を前記コンバータよりも大きくとる構造とすることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段の整流手段の交流端子は、交流励磁用コンバータの交流端子に直接接続することを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、コンバータの制御装置とは別に、電源をバックアップされた過電流消費手段の制御装置を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、系統側コンバータと交流励磁用コンバータが停止した際に、過電流消費手段のスイッチング素子をオンして、直流部の電荷を放電する手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段は、励磁用コンバータの交流側電流の過電流で動作する手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の風力発電システムは、過電流消費手段の制御装置は、発電機固定子電流の過電流で動作する手段を備えることを特徴とするものである。

本発明の風力発電システムによれば、交流励磁型発電機の励磁用電力変換器を系統事故や系統擾乱により発生する過電流から保護し、発電機を系統から切り離さずに運転することが実現できる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１を用いて、本発明の一実施例の装置構成（単線結線図）を説明する。

風力発電システム２０は、送電線を介して商用の電力系統１０に接続される。風力発電システム２０は主に、発電機２０１，羽根２０２，風車制御装置２０３，コンバータ（励磁装置）２０４，コントローラ２０５，系統故障対応装置２１２，コントローラ２１３から構成される。

羽根２０２は、発電機２０１の回転子にギア２１８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、風速検出や羽根２０２の角度制御、発電の有効電力指令値Ｐrefの作成や、起動／停止などの起動／停止指令Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefの作成などの運転指令信号ＯＰＳ１を演算する。

前記風車制御装置２０３で作成された無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐref，前記起動／停止指令Ｒun、翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳ１は、コントローラ２０５や翼角度変更装置に伝送される。

コントローラ２０５は、指令値に従うようにコンバータ２０４の出力する電圧を調整し、発電機２０１と系統との間の電力（発電電力，無効電力）を制御する。

次に、コンバータ（励磁装置）２０４，コントローラ２０５，系統故障対応装置２１２，コントローラ２１３について簡単に説明する。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遮断器２０８と遮断器２０６とトランス２０７を介して電力系統１０に接続される。また遮断器２０６の遮断器２０８側の回路は、別の遮断器２０９を介して、フィルタ回路２１４，コンバータ２０４１に接続される。

コンバータ２０４１の直流回路２１０はコンバータ２０４２の直流回路にも接続され、前記コンバータ２０４２の交流出力は、ｄｖ／ｄｔ抑制用のリアクトル２１５を介して発電機２０１の回転子巻線に接続される。

また、前記リアクトル２１５のコンバータ２０４２側には、系統故障対応装置２１２の交流入力端子を接続し、直流出力端子をコンバータ２０４１および２０４２の直流回路２１０に接続する。

また、コントローラ２０５は、無停電電源装置２１６により電力がバックアップされており、系統電圧が低下した際には無停電電源装置２１６からコントローラ２０５に電力が供給される。また、系統故障対応装置２１２のコントローラ２１３も、無停電電源装置２１６により電力がバックアップされており、系統電圧が低下した際には無停電電源装置２１６からコントローラ２１３に電力が供給される。

前記遮断器２０６は、例えば、風力発電システム２０を保護するため、電流過大が継続する時に遮断器２０６を開放して電流を遮断する機能や、風力発電システム２０を完全停止させて電力系統１０から電気的に切り離すために使用される。

発電機側コンバータ２０４２および系統側コンバータ２０４１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２０４１の交流出力端子には、リアクトルやコンデンサで構成された、高調波電流，高調波電圧を減衰させるフィルタ回路２１４が設置される。

発電機２０１の回転部分には、ギア２１８を介して風力発電用の羽根２０２が接続されており、風の力を受けて回転する。また、回転部分には、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、回転数信号ωが出力される。検出した回転数信号ωは、風車制御装置２０３とコントローラ２０５に入力される。

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、それぞれ電圧センサ２２０ａ，電流センサ２１９ａによりその値を低電圧の電圧検出信号ＶＳＹ，低電圧の電流検出信号ＩＳＹに変換され、前記低電圧の電圧検出信号ＶＳＹおよび電流検出信号ＩＳＹはコントローラ２０５に入力される。

また、遮断器２０８の二次側（遮断器２０８と発電機２０１の固定子との間）の電圧は、電圧センサ２２０ｂによりその値を低電圧の電圧検出信号ＶＳＴに変換されコントローラ２０５に入力される。

前記コンバータ２０４１，２０４２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ＶＤＣに変換され、直流電圧信号ＶＤＣはコントローラ２０５に入力される。

また、コンバータ２０４２の出力電流信号ＩＲは電流センサ２１９ｃにより検出され、コンバータ２０４１の出力電流信号ＩＧは電流センサ２１９ｄにより検出され、出力電流信号ＩＲおよびＩＧはコントローラ２０５に伝送される。

また、風車コントローラ２０３は、コントローラ２０５に起動／停止指令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、コントローラ２０５は、遮断器２０８，２０９を、それぞれ信号ＳＧ１，ＳＧ２で制御し、また、半導体スイッチング素子で構成されるコンバータ２０４１，２０４２のそれぞれを駆動制御するパルス信号Ｐ１，Ｐ２を出力する。

コントローラ２０５は、系統電圧が低下したときにも動作できるように、電源は無停電電源装置２１６に接続されている。無停電電源装置２１６は、トランス２１７により調整された電圧を入力する。無停電電源装置２１６の入力電圧が正常なときは、系統電圧からコントローラ２０５に電力を供給するが、系統電圧が異常な場合には、無停電電源装置２１６内のエネルギー蓄積要素（例えば電池）からコントローラ２０５に電力を供給する。

図２は、コンバータ２０４１の構成を示す。コンバータ２０４１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とダイオオード）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。

これら半導体素子のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）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、出力する出力電流信号ＩＧ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Ｐ１（Ｐ１_ＧＢ，Ｐ１_Ｕ，Ｐ１_Ｖ，Ｐ１_Ｗ）は、コントローラ２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ１の添え字ＵはＵ相の信号Ｐ１_Ｕを示しており、Ｐ１_ＶはＶ相、Ｐ１_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２０４１−０１内の短絡防止回路２０４１−０２で付加する。

また、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Ｐ１_ＧＢが用いられる。このゲートブロック信号Ｐ１_ＧＢはパルス信号Ｐ１とともにＡＮＤ回路２０４１−０３に入力され、ゲート停止の際にＰ１_ＧＢ＝“０”となるため、このとき半導体素子Ｓ１１〜Ｓ３２はパルス信号Ｐ１の状態によらず、すべてオフ状態になる。

また、コンバータ２０４１の素子をオンオフのためのゲート回路電源Ｐ１_ＰＯＷＥＲは、コントローラ２０５から供給される。

図３は、短絡防止回路２０４１−０２の構成を示す。入力されたパルスは、短絡防止期間の時間遅れを時間遅れ付加器Delayで付加される。この時間遅れを付加された信号と、入力された元の信号は、“ＡＮＤ”演算器に入力され、論理積演算される。これにより、出力信号Ｏutは、元の信号に、時間遅れＴｄのオンディレイを付加した信号になる。このように、上下アームの信号にオンディレイが付加される事で、例えば上のスイッチング素子がオフするときに、下側スイッチング素子は、オフから時間Ｔｄ遅れてからオンすることになり、上下のスイッチング素子が過渡的に同時オン状態となるのを防止し、直流の短絡を防止できる。

次に、図４は、コンバータ２０４２の構成を示す。コンバータ２０４２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とダイオード）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、出力する出力電流信号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Ｐ２は、コントローラ２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ２の添え字ＵはＵ相の信号Ｐ２_Ｕを示しており、Ｐ２_ＶはＶ相、Ｐ２_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２０４２−０１内の短絡防止回路２０４２−０２で付加する。

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Ｐ２_ＧＢが用いられる。このゲートブロック信号Ｐ２_ＧＢは、系統故障対応装置のコントローラ２１３からの状態信号ＯＰＳ２と論理和演算をした後、各パルス信号Ｐ２（Ｐ２_Ｕ，Ｐ２_Ｖ，Ｐ２_Ｗ）ごとに持つ各ＡＮＤ回路２０４２−０３に入力される。ゲート停止の際にＰ２_ＧＢ＝“０”となるため、このとき半導体素子Ｓ４１〜Ｓ６２はパルス信号Ｐ２の状態によらず、すべてオフ状態になる。

また、コンバータ２０４２の素子をオンオフのためのゲート回路電源Ｐ２_ＰＯＷＥＲは、コントローラ２０５から供給される。

次に、図５から図８を用いてコントローラ２０５の機能について説明する。図５はコンバータ２０４１の制御構成を示す。コンバータ２０４１は、平滑コンデンサＣｄの直流電圧信号ＶＤＣを一定に制御する機能を持つ。このため、コンバータ２０４１は、電圧検出信号ＶＳＹ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２０４２が直流電力を使用して平滑コンデンサＣｄのエネルギーを消費して直流電圧信号ＶＤＣが低下すれば、系統側コンバータ２０４１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整して平滑コンデンサＣｄを充電して直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作し、逆に電力変換器２０４２が直流電力を充電して直流電圧信号ＶＤＣが上昇する場合には電力変換器２０４１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電するため有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整し、直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作する。

コンバータ２０４１が運転を開始する前に、直流電圧の初充電回路（図示していない）から直流電圧信号ＶＤＣを充電し、その後、遮断器２０９の投入指令ＳＧ２が出力され、コンバータ２０４１は系統に接続される。

前記交流の電圧検出信号ＶＳＹ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ＶＤＣＲＥＦと前記直流電圧信号ＶＤＣ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ＶＤＣＲＥＦと直流電圧信号ＶＤＣ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は入力された出力電流信号ＩＧ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、出力電流信号ＩＧのＵ相電流はＩＧＵと表記する。以降電圧なども同様（電圧検出信号ＶＳＹのＵ相はＶＳＹＵ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は入力された電圧検出信号ＶＳＹ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２０４１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Ｐ１を演算し、前記電力変換器２０４１に出力する。

次に、コンバータ２０４２の制御について、図６を用いて説明する。

発電機２０１の回転数および位置を示す回転数信号ωは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルス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、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２０４１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））、ギア比換算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、電流検出信号ＩＳＹ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、前記数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ようになる。

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ＩＳＴ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、数１および数２に示した変換式により、有効分電流Ｉpstと無効分電流Ｉqsｔ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Ｉpstをゼロになるように、回転子電流指令値Ｉｐ２を演算し、切り換え器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Ｉqstrを入力し、発電機固定子電流の無効分電流成分Ｉqst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、切り換え器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、発電機固定子の電圧検出信号ＶＳＴの振幅値Ｖpkをフィードバック値とし、系統の電圧検出信号ＶＳＹの振幅値にフィルタＦＩＬを通した値Ｖrefを指令値として入力し、前記発電機の電圧検出信号ＶＳＴ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、遮断器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２０４２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。

次に、図７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Ｖｓを入力し、３相２相変換３２ＴＲＳにて数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、数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。周波数補正値ＯＭＧ０は積分器に入力され、積分器ＴＨＣＡＬで積分することで周波数信号ＯＭＧ０を位相信号ＴＨＳに変換する。

図８は切り換え器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。

切り換え器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による指令値切り換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、切り換え器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と制御切換信号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換えることが可能になる。

３相回転座標変換器３ＤＱ０４は入力された出力電流信号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２０４２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Ｐ２を演算し、前記コンバータ２０４２に出力する。

図９から図１３を用いて、前記系統故障対応装置２１２を説明する。

図９は、系統故障対応装置２１２の回路構成を示す。系統故障対応装置２１２は、整流器２１２１とエネルギー消費部２１２２で構成される。整流器２１２１の交流入力は、発電機２０１の二次側巻線端子に接続される。ここでは、整流器２１２１はダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２で構成した図を示している。

前記整流器２１２１はその直流部分にコンデンサＣｘを持つ。また、前記整流器２１２１の直流部には、半導体スイッチＳ７１とＳ７２にそれぞれ抵抗Ｒ２とＲ３を接続する回路で構成されるエネルギー消費部２１２２を持つ。エネルギー消費部２１２２とコンバータ２０４の直流部は抵抗Ｒ１を介して接続される。

半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンすることで、発電機２０１の回転子に発生する過電流を吸収して、コンバータ２０４２に流れ込む電流を小さくできる。このとき、三相交流から系統故障対応装置２１２の直流部に流入するエネルギーは抵抗器Ｒ２とＲ３で消費される。

また、抵抗器Ｒ２，Ｒ３は直流部の電位が高い側に設置し、スイッチング素子（Ｓ７１，Ｓ７２）は電位が低い方に配置する。これにより、スイッチング素子を駆動する電源は、直流電位の低い側を基準にして同じ電源が使える。

半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンオフするためのゲート信号Ｐ３は、コントローラ２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ３は、まずオン状態保持器２１２４に入力される。オン状態保持器２１２４は、出力信号Ｓ７１を所定時間オン状態に保持する機能を備える。これにより、抵抗器Ｒ２を所定時間オンする。また、信号Ｓ７１は、オフディレイ器２１２６に入力される。オフディレイ器２１２６は、信号に遅れ時間を付加するディレイ器２１２３と論理和演算器２１２５の両方に入力され、入力信号Ｓ７１に対して、オフタイミングがオフディレイ時間ＴＤ２だけ遅れた信号Ｓ７２を出力する。信号Ｓ７２がオンのときは、抵抗器Ｒ３がオンする。このように図に示した構成によると、抵抗器Ｒ２とＲ３は同時にオンし、オフするときはＲ２が先にオフし、遅れてＲ３がオフする動作になる。

図１０は、系統故障対応装置２１２の構造について示す。系統故障対応装置２１２は、盤内に設置される。このとき、整流器２１２１，コンデンサＣｘ，エネルギー消費部２１２２はベースの上などに配置されるが、これら部品は、盤（接地された）から絶縁距離をとり、対アースに対して静電容量を小さくする。静電容量を小さくすることで、整流器２１２１の交流端子が対地電位に対して変動する場合に、零相電流が整流器２１２１を通してコンデンサＣｘに流れ込む量を小さくできる（静電容量を小さくするということは対地に対してインピーダンスを高くすることになる。）。

図９の動作を図１１を用いて説明する。図９の構成により、信号Ｓ７１とＳ７２は同時にオンし、オフするときは、Ｓ７１が先にオフしてその後オフディレイ時間ＴＤ２だけ遅れてＳ７２がオフする。そのため、抵抗器Ｒ２とＲ３が同時に接続され、ホールド時間ＴＨＬＤの間Ｒ２とＲ３は接続されたままになる。その後、抵抗器Ｒ２がオフし、オフディレイ時間ＴＤ２後抵抗器Ｒ３がオフすることになる。

ホールド時間ＴＨＬＤは、発電機の過渡現象が減衰する時間を確保し、１００ｍｓ程度以上に設定するのがよい。

しかし、瞬間的な電圧低下により抵抗器がオンした場合には、系統電圧はすぐに正常に戻るため、このようなケースでは抵抗器をオンさせる時間は短くするほうが、系統に与える影響が小さくできる。そのため、ホールド時間は、系統電圧の振幅や、逆相電圧の大きさを用いて、系統電圧が正常に戻ったときにはホールド時間を短くする構成とする。

また、抵抗Ｒ１の値は、コンバータ２０４の直流部のコンデンサＣｄの容量との直列回路を構成したときの時定数ＴＣＲ（＝Ｒ１［Ω］×Ｃｄ［Ｆ］）がホールド時間ＴＨＬＤ以上となるように設定するのがよく、上記のようにホールド時間ＴＨＬＤが１００ｍｓの場合、時定数ＴＣＲも１００ｍｓ以上がよい。このように設定することで、素子Ｓ７１やＳ７２がオンしたときに、コンバータ２０４の直流電圧が低下する量を小さく出来る。

オフディレイ時間ＴＤ２は、Ｓ７１がオフした時の過渡現象が減衰する時間以上確保するのが良い。

次に、系統故障対応装置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、コントローラ２０５は、コンバータ２０４２に入力される電流過大を検知して、前記ゲートブロック信号Ｐ２_ＧＢがＰ２_ＧＢ＝０になることにより、前記コンバータ２０４２は半導体素子のスイッチング動作を停止する。

また、系統故障対応装置のコントローラ２１３も、コンバータ２０４２に入力される電流から電流過大を検知してゲート信号Ｐ３をオン状態（Ｐ３＝１）とする。このとき、状態信号ＯＰＳ２をコントローラ２０５に出力する。

次に、図８に示した運転モードについて、図１３を用いて説明する。図１３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。

系統事故による過電流や過電圧／低電圧が除去され、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。ＭＤ＝２とすることで、図８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換わる。ＭＤ＝２の状態は系統規格（例えばE.ON GRID “ＣＯＤＥ“）により定められた時間継続する。

このように、系統故障対応装置２１２の直流部分を、抵抗を介してコンバータ２０４の直流部に接続することで、系統故障対応装置２１２が動作してもコンバータ２０４の直流部の電圧は維持される。また、系統故障対応装置２１２の動作が終了すると、コンバータ２０４の直流部の電荷で、系統故障対応装置２１２の直流部が充電でき、コンバータ２０４２が動作開始するときに発生する、コンバータ２０４２の交流出力から系統故障対応装置２１２の直流部を充電する動作がなくなり、充電による突入電流を抑制できる。

また、系統故障対応装置２１２のコントローラ２１３をコントローラ２０５とは別とすることで、コントローラ２０５が故障しても、回転子過電流を吸収できるようになる。

エネルギー消費のための抵抗器を複数備え、オフするときに段階的に切り離すことで、回転子に流れている電流を段階的に減少させることが出来、抵抗オフ時にコンバータ２０４２に流れ込む電流を小さくできるようになる。

エネルギー消費部の抵抗オン時間（ＴＨＬＤ）は、系統電圧の状態によって可変（系統が速く正常に戻ったときは、時間を短く）することで、系統に与える影響を小さくできるようになる。

また、系統故障対応装置２１２の直流部にコンデンサを持つことで、コンバータ２０４２のスイッチング波形（方形波状の電圧）が、系統故障対応装置２１２の直流部に印加されるのを防止でき、サージから保護できるようになる。

また、コンバータ２０４の直流電圧が上昇してシステム停止した際、系統故障対応装置の抵抗をオンすることで、直流電圧信号ＶＤＣを少しずつ放電し、システム再起動が早く可能になる。また、通常の停止時にも、直流電圧の放電装置として使うことができるようになる。

他の実施例について、図１４を用いて説明する。実施例１との違いは、系統故障対応装置のコントローラ２１３に入力されるセンサ入力である。

この実施例では、系統故障対応装置のコントローラ２１３の動作は、発電機固定子電流ＩＳＴの過電流で判定する。固定子電流でも、コンバータの出力電流信号ＩＲと同様に系統故障時に過大な電流が流れるため、系統故障を判定できる。また、回転子巻線端子のブラシ部で短絡するような場合は、固定子電流よりもコンバータ２０４２出力電流信号ＩＲの方が急激に増加するが、そのような場合に系統故障対応装置２１２を動作させずに、システムを停止させることができる。

本発明の技術は、二次励磁型発電機の励磁用電力変換器や、発電装置に適用することが可能である。

風力発電装置の回路構成の説明図。 系統側コンバータ２０４１の構成の説明図。 デッドタイム付加器２０４１−０２，２０４２−０２の説明図。 発電機側コンバータ２０４２の構成の説明図。 コンバータ２０４１の制御構成の説明図。 コンバータ２０４２の制御構成の説明図。 位相検出器ＴＨＤＥＴの説明図。 指令切換器ＳＷの構成図。 系統故障対応装置２１２の回路構成の説明図。 系統故障対応装置２１２の構成の説明図。 系統故障対応装置２１２のゲート信号Ｓ７１，Ｓ７２の動作説明図。 系統故障対応装置のコントローラ２１３の制御構成の説明図。 運転モードの状態遷移を示した説明図。 実施例２の風力発電装置の回路構成の説明図。

符号の説明

１０ 電力系統
２０ 風力発電システム
２０１ 発電機
２０２ 羽根
２０３ 風車制御装置
２０４ コンバータ
２０５，２１３ コントローラ
２０６，２０８，２０９ 遮断器
２０７ トランス
２１０ コンバータ直流回路
２１１ 位置検出器
２１２ 系統故障対応装置
２１４ フィルタ回路
２１５ リアクトル
２１６ 無停電電源装置
２１７ トランス（制御電源用）
２１８ ギア
２１９ａ，２１９ｂ，２１９ｃ，２１９ｄ 電流センサ
２２０ａ，２２０ｂ 電圧センサ
２２１ 系統故障対応システム
Ｑref 無効電力指令値
Ｐref 有効電力指令値
Ｒun 起動／停止指令
ＰＣＨ 羽角度指令
ＶＳＹ，ＶＳＴ 電圧検出信号
ＩＳＹ 電流検出信号
ＩＳＴ 固定子電流
ＩＲ，ＩＧ 出力電流信号
ＶＤＣ 直流電圧信号

Claims (11)

1. 固定子を電力系統に接続した交流励磁型発電機と、
   該交流励磁型発電機の回転子に接続した交流励磁用コンバータと、
   該交流励磁型発電機の回転子をタービンに接続してタービンの動力で回転子を回転させ、前記交流励磁用コンバータと回転子の間に系統事故時の過電流を消費する過電流消費手段と、
   前記交流励磁型発電機の固定子と電力系統に接続された系統側コンバータと、
   該系統側コンバータの直流部分を前記交流励磁用コンバータの直流部分に接続し、
   系統電圧低下時にバックアップされた励磁用コンバータと系統側コンバータを制御するための制御装置とを備え、前記交流励磁型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、
   前記過電流消費手段は、交流を直流に変換する整流手段と、
   前記整流手段の直流部に複数の抵抗器と、
   該抵抗器をオンオフするためのスイッチング手段と、
   前記整流手段の直流部にコンデンサ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の風力発電システムにおいて、
   前記過電流消費手段の直流部分を、インピーダンスを介して前記励磁用および系統側コンバータの直流部分に接続する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２の風力発電システムにおいて、
   前記過電流消費手段の直流部分と前記励磁用および系統側コンバータの直流部分を接続するインピーダンスに抵抗を用いることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項３の風力発電システムにおいて、
   前記抵抗の抵抗値Ｒは、コンバータ直流部分のコンデンサ容量Ｃとしたとき、時定数ＣＲが１００ｍｓ以上となるように設定することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１の風力発電システムにおいて、
   前記複数の抵抗器は、前記整流手段の直流部の電位が高い方に接続し、前記スイッチング手段は電位が低い方に接続することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１乃至５のうちの一つの風力発電システムにおいて、
   前記過電流消費手段は、対地静電容量を小さくするために、接地部位との距離を前記コンバータよりも大きくとる構造とすることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１乃至６のうちの一つの風力発電システムにおいて、
   前記過電流消費手段の前記整流手段の交流端子は、前記交流励磁用コンバータの交流端子に直接接続することを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１乃至７のうちの一つの風力発電システムにおいて、
   前記コンバータの制御装置とは別に、電源をバックアップされた過電流消費手段の制御装置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乃至８のうちの一つの風力発電システムにおいて、
   前記系統側コンバータと交流励磁用コンバータが停止した際に、前記過電流消費手段のスイッチング素子をオンして、直流部の電荷を放電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. 請求項１乃至９のうちの一つの風力発電システムにおいて、
    前記過電流消費手段は、励磁用コンバータの交流側電流の過電流で動作する手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１乃至９のうちの一つの風力発電システムにおいて、
    前記過電流消費手段の制御装置は、発電機固定子電流の過電流で動作する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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