JP2009273281A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
低発電量の時には、回転子が過電流レベルに達する前に、コンバータ直流電圧が上昇して、コンバータが運転できないケースがある。
【解決手段】
系統電圧低下と励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統事故時過電流消費装置を動作させるようにする。そして、系統事故時過電流消費装置の交流入力を発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、系統電圧低下と励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統事故時に過電流消費装置を動作させることとした。
【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する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。

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

本発明で解決しようとする問題点は、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点にある。特に、低発電量の時には、回転子が過電流レベルに達する前に、コンバータ直流電圧が上昇して、コンバータが運転できないケースがある。このようなケースを回避してコンバータ直流過電圧を防止し、系統事故復旧直後から発電運転を再開可能にする点にある。

系統事故時過電流消費装置の交流入力を発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、系統電圧低下と励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統事故時に過電流消費装置を動作させることとした。

本発明の風力発電システムによれば、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確実に保護することが実現出来る。

交流励磁型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、系統故障対応装置の交流入力を発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、系統電圧低下と励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統故障対応装置を動作させることで実現した。

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。

風力発電装置２０は、送電線を介して電力系統１０に接続される。風力発電装置２０は主に、発電機２０１，翼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，系統故障対応装置２１２，系統故障対応装置制御装置２１３から構成される。

翼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、風速検出や翼２０２の角度制御，発電電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力、無効電力指令値Ｑrefの作成などの運転指令信号ＯＰＳ０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、発電電力指令値Ｐref，前記運転／停止指令値Ｒun，翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳ０は、コンバータ制御装置２０５や翼角度変更装置に伝送される。

コンバータ制御装置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，コンバータ制御装置２０５，系統故障対応装置２１２，系統故障対応装置制御装置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と系統連系用トランス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、コンバータ制御装置２０５は、無停電電源装置２１６により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からコンバータ制御装置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、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、システム２０を完全停止させて系統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交流フィルタ回路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とコンバータ制御装置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、前記低電圧の信号ＶＳＹおよびＩＳＹはコンバータ制御装置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信号ＶＳＴ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はコンバータ制御装置２０５に入力される。

また、コンバータ２０４２の出力電流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ＩＧは電流センサ２１９ｄにより検出され、電流検出値ＩＲおよびＩＧはコンバータ制御装置２０５に伝送される。

また、風車コントローラ２０３は、コンバータ制御装置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ＯＰＳ０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。

コンバータ制御装置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。

また、系統故障対応装置２１２の制御装置２１３は、系統故障対応装置２１２に動作指令Ｐ３を伝送する。また、制御装置２１３は、インバータ入力電流を入力し、過電流を監視している。詳細な動作は後で説明するのでここでは省略する。

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（本実施例ではＩＧＢＴとダイオードで構成されるコンバータを例に説明する）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、出力する電流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、制御装置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。また、Ｐ１＿ＰＯＷＥＲは、コンバータ２０４１の素子をオンオフさせるためのゲート回路電源で、制御装置２０５から、絶縁された電源で供給される。また、ゲートブロック信号Ｐ１＿ＧＢは、ゲート信号による半導体素子Ｓ１１〜Ｓ３２のオンオフ動作を停止（半導体素子Ｓ１１〜Ｓ３２をすべてオフ）する信号で、同様に制御装置２０５から与えられる。

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（同時オン防止）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。

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。

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。

図４は、コンバータ２０４２の構成を示す。コンバータ２０４２は、コンバータ２０４１同様、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、コンバータ２０４２が出力する電流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Ｐ２は、制御装置２０５から与えられる。ゲート信号Ｐ２は、各相のゲート信号（三相分），ゲート回路動作電源，ゲートブロック信号を含み、それぞれ、Ｐ２＿Ｕ，Ｐ２＿Ｖ，Ｐ２＿Ｗ，Ｐ２＿ＰＯＷＥＲ，Ｐ２＿ＧＢの信号名で示す（信号名の添え字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、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、運転状態信号ＯＰＳ２が系統故障対応装置のコントローラ２１３から与えられ、ゲート信号Ｐ２＿ＧＢとＡＮＤをとる。信号ＯＰＳ２またはＰ２＿ＧＢのいずれか、または両方がゼロのときは、半導体素子Ｓ４１〜Ｓ６２はオンオフ動作から、オフ状態になる。

図５から図８を用いて制御装置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、系統電圧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ＶＤＣを充電し、その後、電磁接触器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。

前記交流電圧検出値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角度信号）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と前記直流電圧検出値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と検出値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）ＩｐＲを調整し、加減算器３０３で電流指令ＩｐＨを加減算し、その結果Ｉpnstrを電流調整器ＡＣＲ１に出力する。

系統側コンバータ２０４１の出力電流ＩＧは、過電流検出器ＯＣ１と過電流検出器ＯＣ２に入力される。過電流検出器ＯＣ１と過電流検出器ＯＣ２は、比較器と保持回路で構成され、過電流を検知したときに出力（ＯＰＳ１ａ，ＯＰＳ１ｂ）を“０”に変更し、保持する。監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ１）からのリセット信号（ＲＥＳＥＴ１，ＲＥＳＥＴ２）が入力されると、過電流検出器１および２の出力“０”保持は解除され、出力が“１“に変更される。

過電流検出器ＯＣ１は、過電流検出器ＯＣ２よりも低い電流レベルで動作するように設定する。

過電流検出信号（ＯＰＳ１ａ，ＯＰＳ１ｂ）は、ＯＲ演算器と、監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ１）に伝送される。演算器“ＯＲ”は、過電流検出信号（ＯＰＳ１ａ，ＯＰＳ１ｂ）のＯＲ演算を行い、その結果Ｐ１＿ＧＢをコンバータ２０４１に伝送する。

また、監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ１）は、直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと、有効分電流指令値補正量ＩｐＨを出力する。

３相ＤＱ座標変換器３ＤＱ０１は、入力された電流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、電流ＩＧのＵ相電流はＩＧＵと表記する。以降電圧なども同様（系統電圧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＿Ｕ，Ｐ１＿Ｖ，Ｐ１＿Ｗを演算し、前記電力変換器２０４１に出力する。

図６を用いて監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ１）について、説明する。

図６は、系統側コンバータの動作を説明した処理フローを示す。

系統側コンバータは、系統電圧低下が低下すると、直流電圧の指令値を５％低下させる。これは、発電機側コンバータからのエネルギーにより直流過電圧の発生を防止するために実施する。直流部のコンデンサ容量を大きくすれば、直流電圧の上昇は小さくできるがコストアップにつながるため、直流電圧を下げておくことで、直流電圧の上昇に対し、余裕を持たせる。

また、上記直流電圧下げ運転でも直流電圧が上昇してしまう場合、直流電圧を下げるため、有効分電流指令値を直接変更するようにする（ここでは−５０％の例で説明する）。通常運転では、有効分電流指令値は、図５でも説明したように、直流電圧調整器ＡＶＲ出力で決まる。しかし、直流電圧調整器により過電圧を抑制すると、制御遅れがあるため、電圧を下げる動作に遅れが生じる。そこで、直流電圧偏差（指令値と検出値の差）の大きさを検知して、有効分電流指令値を放電側に変更することとする。

また、系統側電圧変動により過電流が発生する恐れがあるが、運転継続をできる限りさせるため、系統側コンバータの過電流保護レベル１よりも小さい、過電流レベル２を持ち、過電流保護レベル２を検知した場合に一旦系統側コンバータのゲート，制御を停止させる。ゲートが停止すると、ＩＧＢＴのスイッチングが停止するため、単なる整流器となり、過電流は減衰する。過電流レベル２が発生した後、過電流レベル１を検知した場合は、ＩＧＢＴ素子を破損してしまう恐れがあるため、系統側コンバータは停止させる。過電流レベル１がなく、過電流レベル２のみ検出した場合は、一旦停止した後、一定時間経過後（約１ｍｓ後）に再起動させる。

このように、系統電圧低下時に直流電圧を低下させておくことで、過電圧状態になりにくいシステムを提供できる。

また、直流電圧が指令値よりも大きくなったときに、有効分電流を直接変更する手段を持つことで、直流電圧制御よりも速く、直流電圧を下げる動作を実現でき、直流電圧制御の応答遅れによる過電圧を防止し、過電圧状態になりにくいシステムを提供できる。

また、過電流を検出した際に一旦停止することで、コンバータの素子の故障を防止し、即再起動をかけることで直流電圧上昇を防止するシステムを提供できる。

次に、図７を用いてコンバータ２０４２の制御について説明する。

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。回転数信号に、ＡＢＺ式のエンコーダを用いた例で説明する。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルスＡおよびＢ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を作成し、作成した位相信号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３０４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回転子のすべり位相信号ＴＨＲを出力する。

電力演算器ＰＱＣＡＬは、システム電流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と風力発電装置の出力電力指令Ｐrefを入力し、前記電力指令値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と風力発電装置の出力電力指令Ｑrefを入力し、前記電力指令値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は切換器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、式１および式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、指令値Ｉｐ２を切り替え器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、指令値Ｉｑ２を切り替え器ＳＷに出力する。固定子無効電流指令値Ｉqstrは、例えば、系統電圧低下量の関数で与えられ、系統電圧が低下したときに系統に無効電流を供給するために設定される。

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ＶＳＴの振幅値Ｖpkをフィードバック値とし、系統電圧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、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。

コンバータ２０４２の出力電流ＩＲは、過電流検出器ＯＣ３にも入力される。過電流検出器ＯＣ３は、比較器と保持回路で構成され、過電流を検知したときに出力（Ｐ２＿ＧＢ）を“０”に変更し、保持する。監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２）からのリセット信号（ＲＥＳＥＴ３）が入力されると、過電流検出器ＯＣ３の出力“０”保持は解除され、出力が“１“に変更される。

過電流検出信号（Ｐ２＿ＧＢ）は、監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２）とコンバータ２０４２に伝送される。また、監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２）は、運転モード信号ＭＤを作成し、運転モード信号ＭＤは、切り替え器ＳＷに伝送される。

また、逆相電圧成分検出器ＵＢＶは、系統電圧ＶＳＹを入力し、例えば、三相電圧の各相電圧実効値から、実効値最大値と実効値最小値の差分とから逆相電圧の大きさＶＮＥＧを計算して、監視ループ処理（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２）に伝送する。

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ＶＳＹＵ，ＶＳＹＶ，ＶＳＹＷ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。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９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（スイッチ位置“ａ”）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（スイッチ位置“ｂ”）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（スイッチ位置“ｃ”）のいずれかを出力するかを決定する。

切り替え器ＳＷは遮断器２０８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、遮断器２０８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、図７に示した同期制御器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２０４２を構成する半導体素子をオン・オフするゲート信号Ｐ２＿Ｕ，Ｐ２＿Ｖ，Ｐ２＿Ｗを演算し、前記コンバータ２０４２に出力する。

図１０は、発電機側変換器２０４２の制御の動作を説明する処理フローの図である。ロータ過電流を検出すると、図７で説明したように系統故障時の過電流を監視する監視制御（ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２）に、運転状態信号Ｐ２＿ＧＢが入力されている。運転中にロータ過電流を検知した際に、発電機側コンバータ２０４２および図７で説明した発電機制御は停止状態になり、コンバータ２０４２もスイッチング素子のオンオフの停止状態に移行する。

運転状態から、信号Ｐ２＿ＧＢ＝１を検出して停止状態に移行したとき、抵抗器の状態信号Ｒ＿ＯＦＦＳＩＧから、抵抗器オフ状態を監視し、動作が終了していれば、運転モードＭＤ＝２として、発電機側コンバータ２０４２の運転を再開し、タイマーをスタートさせる。このとき、過電流保持信号を解除するため、解除信号ＲＥＳＥＴ３を出力し、図７に示した過電流保持回路ＯＣ３の出力をリセットする。

次に系統電圧の正常／異常を判定し、正常でかつ時間Ｔ１経過していたら、運転モードＭＤをＭＤ＝１、制御内のスイッチＳＧ０＝ａとして、系統事故対応制御の状態から復帰する。系統電圧の正常／異常を判定し、異常が時間Ｔ２以上経過したら、系統事故継続のため、システムを停止させる。

このように、系統故障対応装置２１２を動作させる前に、コンバータ２０４２のゲートを停止させることで、ロータ電流のみを系統故障対応装置２１２に分流させることができる。

また、抵抗器のオフ動作完了してから、コンバータ２０４２の運転を再開させることで、コンバータ２０４２が出力する電流を系統故障対応装置２１２に流すことなく、運転を再開できる。

図１１から図１６を用いて、前記系統故障対応装置２１２を説明する。

図１１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、主に整流器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の直流部のプラス側とマイナス側は、抵抗Ｒ１を介して接続される。

電力変換器２０４２がゲートを停止状態になると、電力変換器２０４２もダイオード整流器として動作する。発電機の回転子に過電流が発生すると、電力変換器２０４２のゲートを停止し、さらに系統故障対応装置の直流部にある半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンすると、ダイオード整流器として動作している電力変換器２０４２に比べて系統故障対応装置２１２のインピーダンスが小さくなる。このため、回転子に発生した過電流は、電力変換器２０４２に流れ込む量を小さくでき、過大な電流で半導体スイッチング素子が破壊されるのを防止できる。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。エネルギーを消費させる抵抗器を小さくするため、系統故障対応装置２１２の動作回数に制限を設け、連続で２回〜３回程度とするのが実用上好ましい。

半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンオフするためのゲート信号Ｐ３＿ＲＯＮは、制御装置２１３から与えられる。ゲート信号Ｐ３＿ＲＯＮ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、入力信号Ｐ３＿ＲＯＮがオン状態になってから出力信号Ｓ７１を所定時間オン状態に変更し、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にも入力される。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がオフする動作が実現できる。ここでは抵抗器Ｒ２とＲ３の２つのケースを示したが、抵抗器の数は３つ以上でも同様に、オフのタイミングを変えることで、短絡する抵抗値を段階的に変更できる。

また、最後にオフする抵抗器の動作信号Ｒ＿ＯＦＦＳＩＧは、図７に示したコンバータ制御装置２０５に伝送される。

図１２を用いて図１１の動作を説明する。まず系統事故を検出すると検出信号Ｐ３＿ＲＯＮは０から１に変化する。図１１に示した構成により、信号Ｓ７１とＳ７２は同時にオンし、オフするときは、Ｓ７１がオフした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。

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、例えば、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。

図１３を用いて系統故障対応装置２１２のコントローラ２１３の構成を示す。

信号Ｐ２＿ＧＢを入力し、オンディレイの設定時間ＴＤ３経過後に、抵抗器をオンする信号が系統故障対応装置２１２に出力される。

これにより、コンバータ２０４２が動作中に抵抗器がオンするのを確実に防止できる。

図１４は、本発明他の実施例を示す。図１との相違点は、コンバータコントローラ２０５は、系統故障対応装置２１２のコントローラ２１３に、抵抗動作信号ＯＰＳ２を直接伝送している点である。実施例１では、コントローラ２１３からの信号で、装置２１２内のオン状態ホールド器２１２４で、抵抗Ｒ２のオンとオフの時間を決めていたが、本実施例では、コントローラ２０５の出力する信号ＯＰＳ２で抵抗Ｒ２のオンとオフの時間を決める。

図１５は、コンバータ制御装置２０５の構成を示している。実施例１の図７との違いは、コンバータコントローラ２０５内の監視ループ処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２が、抵抗Ｒ２のオンとオフのタイミングを決める信号ＯＰＳ２を、系統故障対応装置２１２出力する点にある。

図１６は、系統故障対応装置２１２の構成を示している。実施例１の図１１との違いは、図１６（本実施例）では抵抗Ｒ２のオンとオフのタイミングを決める信号ＯＰＳ２があるため、図１１に記載したオン状態ホールド器２１２４が不要となっている点である。

図１７は、系統故障対応装置２１２のコントローラ２１３の構成を示している。実施例１の図１３との違いは、入力される信号が異なるだけである。

図１８は、発電機側変換器２０４２の制御の動作を説明する処理フローの図である。状態が運転中に、系統故障時の過電流を監視する監視動作を行っており、過電流を示す信号Ｐ２＿ＧＢ＝１であれば、過電流なしと判断し、監視ループを終了する。

過電流信号Ｐ２＿ＧＢ＝０を検知したら、すでに、コンバータ２０４２はゲートが停止状態になっているので、系統故障対応装置の抵抗Ｒ２をオンする信号ＯＰＳ２を“１”に設定すると同時にタイマーを開始する。タイマーは、抵抗器Ｒ２をオンする最大時間を監視するために用い、抵抗Ｒ２をオンさせる最大時間が経過したら、抵抗Ｒ２をオフするため、信号ＯＰＳ２＝０とする。抵抗Ｒ２をオフにすると、オフディレイ２１２５により、Ｒ２のオフから遅れて抵抗Ｒ３がオフする。

抵抗器Ｒ２，Ｒ３をオンさせた後、タイマーがスタートし、所定時間（抵抗器をオフさせるまでの最大時間Ｔｒ）、例えば１５０ｍｓの間、系統電圧が正常な値に復帰するか監視する。期間Ｔｒの範囲で、系統電圧が１００％±１０％の正常な値に復帰したら、タイマーをリセットし、抵抗器順次オフ動作に移行する。したがって、系統電圧が正常な値に復帰すると、期間Ｔｒの終了を待たずに、抵抗器はオフ動作に入り、系統電圧が正常な値に戻らないときは、期間Ｔｒの終了後に抵抗器オフ動作となる。

このように、系統電圧の状態を監視して、正常に戻るのが早い場合に抵抗オフのタイミングを早くする点が、実施例１の図１０と異なる点である。

このように、系統電圧の復帰により抵抗器のオフ開始時間を早めることで、回転子に抵抗器を接続する時間を短くし、余分な抵抗接続時間をなくし、正常な運転に復帰する時間を短縮できる。

図１９は、本発明他の実施例を示す。図１５との相違点は、処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２からの信号ＯＰＳ２で、コンバータ２０４２のゲート信号Ｐ２＿ＧＢ′を停止状態“０”にできるように、ＮＯＴ演算とＡＮＤ演算を追加した点にある。

図２０は、発電機側変換器２０４２の制御の動作を説明する処理フローの図である。図１８との違いは、状態が運転中に、系統故障時の過電流を監視する監視動作を行っており、過電流を示す信号Ｐ２＿ＧＢ＝１であれば、過電流なしと判断し、さらに、“系統電圧低下かつ直流電圧の上昇“を監視し、“系統電圧低下かつ直流電圧の上昇“を検知したら、抵抗器Ｒ２，Ｒ３をオンさせる処理に移行する。

もし、“系統電圧低下かつ直流電圧の上昇”が無ければ、監視処理を終了する。

このように、系統電圧の低下と直流電圧の上昇を監視して、抵抗器Ｒ２，Ｒ３をオンさせることができるので、過電流発生が遅い場合（例えば発電電力が小さくて、電流が小さいときの系統故障時）に、早期に抵抗器をオンさせることができ、直流過電圧を防止することができる。

図２１は、本発明他の実施例を示す。図２０との相違点は、コンバータ２０４２運転開始後の制御動作にある。

ロータ過電流を検出するか、直流電圧上昇かつ系統電圧低下を検出すると、運転モードＯＰＳ２＝１となり、発電機側変換器は停止（スイッチング素子のオンオフの停止）状態に移行する。時間経過後に、抵抗器オフ状態が終了していれば、運転モードＭＤ＝２として、発電機側コンバータ２０４２の運転を再開する。このとき、系統電圧の逆相成分を計算し、逆相電圧が所定値（正常状態の系統での逆相成分（例えば３％）より大きな値に設定されている）よりも大きかったら、有効電力指令値と無効電力指令値を零に設定する。もし、逆相電圧が所定値よりも小さかったら、たとえばＥ．ＯＮのGrid Codeにあるように無効電流出力を所定時間出力する。系統の逆相電圧が大きい場合、交流励磁発電機の二次側端子には逆相成分に起因する脈動電圧が大きく現れる。このため、電流を増加させようとすると再び過電流となるおそれがあるので、逆相電圧が大きいときには固定子側の電力を零の状態にしておくのがよい。逆相電圧が小さいときには、回転子側の逆相電圧に起因する脈動電圧は小さいので、発電機固定子から無効電流を出力しても、過電流とならずに運転できる。無効電流出力または有効電力指令値および無効電力指令値零の状態から所定時間（例えば電力系統の規格などで決まる時間）経過し、そのときにも逆相電圧が高かったら系統異常でシステムを停止させる。もし、逆相電圧が小さかったら通常発電運転に移行する。

このように、逆相電圧が大きい場合、発電電力，無効電力を零に制御することで、系統の逆相成分による回転子過電流を防止できる。

図２２および図２３は、本発明他の実施例を示す。図７との相違点は、過電流検出器ＯＣ３の入力が、固定子電流、またはシステム電流を用いることである。

このように、ロータ電流以外でも、系統故障対応装置を動作させて直流過電圧を防止できる。

二次励磁型発電機の励磁用電力変換器や、発電装置に適用できる。

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２０４１の監視処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ１の処理フロー図。 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。 指令切替器ＳＷの構成図。 コンバータ２０４２の監視処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２の処理フロー図。 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の動作説明図。 系統故障対応装置の制御装置２１３の制御構成の説明図。 実施例２の風力発電装置の回路構成説明図。 実施例２のコンバータ２０４２の制御構成の説明図。 実施例２の系統故障対応装置２１２の回路構成の説明図。 実施例２の制御装置２１３の制御構成の説明図。 実施例２のコンバータ２０４２の監視処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２の処理フロー図。 実施例３のコンバータ２０４２の制御構成の説明図。 実施例３のコンバータ２０４２の監視処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２の処理フロー図。 実施例４のコンバータ２０４２の監視処理ＣＴＬ＿ＷＴＣＨ２の処理フロー図。 実施例５のコンバータ２０４２の制御構成の説明図。 実施例５のコンバータ２０４２の制御構成の説明図。

符号の説明

１０ 系統の発電設備
２０ 風力発電装置
２０１ 交流励磁型発電機
２０２ 翼
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 連系用トランス
２０８，２０９ 電磁接触器または遮断器
２１０ コンバータ直流回路
２１１ エンコーダ
２１２ 系統故障対応装置
２１３ 系統故障対応装置の制御装置
２１４ 交流フィルタ回路
２１５ ｄＶ／ｄｔ抑制用リアクトル
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 運転／停止指令値
ＰＣＨ 羽角度指令
ＶＳＹ 系統電圧検出値
ＶＳＴ 固定子電圧検出値
ＩＳＹ システム電流
ＩＳＴ 固定子電流
ＩＲ コンバータ２０４２電流
ＩＧ コンバータ２０４１電流
ＶＤＣ コンバータ直流部電圧

Claims (16)

1. 交流励磁型発電機の固定子を電力系統に接続し、該交流励磁型発電機の回転子に交流励磁用コンバータを接続し、また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発電機回転子を回転させ、該交流励磁用コンバータと発電機回転子の間に、スイッチング手段で抵抗を切り離し可能な短絡回路手段を備え、
   また該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を持ち、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、また、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をもち、該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、
   前記コンバータの制御装置は、系統電圧を検出する手段と直流電圧を検出する手段を備え、
   系統電圧低下と直流電圧上昇を検知して前記短絡回路手段を動作させる手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載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は、前記発電機と前記コンバータの間の電流を検出し過大電流を検出する手段を持ち、
   また、系統電圧を検出する手段と直流電圧を検出して、系統電圧低下かつ直流電圧上昇を検知する異常検出手段を持ち、
   前記過大電流を検出する手段、または、異常検出手段のいずれかの信号で、前記短絡回路手段を動作させる手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１に記載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は、前記発電機の固定子電流を検出し過大電流を検出する手段を持ち、
   また、系統電圧を検出する手段と直流電圧を検出して、系統電圧低下かつ直流電圧上昇を検知する異常検出手段を持ち、前記過大電流を検出する手段、
   または、異常検出手段のいずれかの信号で、前記短絡回路手段を動作させる手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１に記載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は、前記風力発電システムが系統に出力する電流を検出し過大電流を検出する手段を持ち、
   また、系統電圧を検出する手段と直流電圧を検出して、系統電圧低下かつ直流電圧上昇を検知する異常検出手段を持ち、前記過大電流を検出する手段、
   または、異常検出手段のいずれかの信号で、前記短絡回路手段を動作させる手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
   前記直流電圧上昇とは、通常運転時の値よりも大きな値を検知する手段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に記載の風力発電システムにおいて、
   前記直流電圧上昇とは、直流電圧指令値と検出値の偏差が大きいことを検知する手段であ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に記載の風力発電システムにおいて、
   前記発電機と前記コンバータの間の電流の過大電流で、前記交流励磁用コンバータのゲートを停止させる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１乃至７に記載の風力発電システムにおいて、
   前記短絡回路手段は複数の抵抗器を持ち、短絡するときはほぼ同時に動作し、短絡を解除するときは順次オフする手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項８に記載の風力発電システムにおいて、
   前記短絡回路の解除の順次オフの間隔は、１０ｍｓ以内とす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に記載の風力発電システムにおいて、
    前記短絡回路手段は複数の抵抗器を持ち、短絡するときはほぼ同時に動作し、短絡を解除するときは順次オフする手段を備え、
    前記同時に動作する時間は、系統電圧の振幅値で可変と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１０に記載の風力発電システムにおいて、
    前記短絡回路手段による、短絡された抵抗がすべてオフとなってから、前記交流励磁用コンバータの動作を開始させるまでの時間は１０ｍｓ以内とする手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項１乃至１１に記載の風力発電システムにおいて、
    前記短絡回路手段により短絡された抵抗がすべてオフとなってから、前記交流励磁用コンバータの動作を開始し、動作開始後、電力系統の電圧に逆相成分が大きく存在するときは、発電機固定子の有効電力および無効電力をほぼ零に制御する手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
13. 請求項１乃至１２に記載の風力発電システムにおいて、
    前記短絡回路手段は、同時オンから順次オフまでのサイクルを、連続で２回まで実施することを許可し、３回目にはシステムを停止させることを特徴とする風力発電システム。
14. 請求項１乃至１３に記載の風力発電システムにおいて、
    系統電圧の低下を検出する手段を持ち、系統電圧の低下中に前記コンバータの直流電圧を低下させる手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
15. 請求項１乃至１４に記載の風力発電システムにおいて、
    前記コンバータの直流電圧が上昇した時に、有効分電流を放電方向に変更する手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
16. 請求項１乃至１５に記載の風力発電システムにおいて、
    前記系統コンバータの出力交流電流の過電流を検知する手段を備え、前記過電流検知手段により過電流が検出された場合に、前記系統側コンバータを一旦停止させる手段を持ち、すぐに再起動を行う再起動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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