JP2010136515A

JP2010136515A - 風力発電システム

Info

Publication number: JP2010136515A
Application number: JP2008309441A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Miyagawa; 良平宮川; Hiromitsu Sakai; 洋満酒井; Masaya Ichinose; 雅哉一瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-06-17

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により発生する事故電流から保護する系統故障保護装置を設け、さらに励磁用コンバータのスイッチング動作によって系統故障保護装置内で発生する共振現象を抑制する。
【解決手段】励磁用コンバータと系統故障保護装置との間に共振抑制用のインダクタンスを接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電システムにおいて、電力系統で停電などの電圧低下が発生した際に、交流励磁型発電機の回転子に発生する事故電流を吸収消費し、発電機に接続される励磁用コンバータを保護する保護装置に関する。

発電装置に用いられる交流励磁型発電機は、励磁用コンバータ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を可変にすれば、風車の回転数を可変にすることができるとともに、励磁用コンバータの容量を発電機の容量に比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により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、回転子に過大な事故電流が誘起され、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、従来は特許文献１に示すようにクローバー回路（Ｃｒｏｗ−ｂａｒＣｉｒｃｕｉｔ）と呼ばれる、回転子回路をサイリスタで短絡する保護回路を設ける等の方法が用いられている。

この場合、励磁用コンバータのスイッチング動作によるクローバー回路の交流側端子電圧の変化によって微小電流が流れるとき、クローバー回路内で共振現象が発生することがある。

特開２００７−２４４１３６号公報

交流励磁型発電機の励磁用コンバータを系統事故により発生する事故電流から保護するためのクローバー回路で共振現象が発生すると、クローバー回路に用いられているサイリスタおよびダイオード等の回路素子に耐電圧を超えた共振電圧が印加されこれら素子が破損する。特に、交流励磁型発電機と励磁用コンバータとの間にダイオード整流ブリッジを設けて接続したクローバー回路では、ダイオードのＰＮ接合容量と配線のインダクタンスとで共振現象が発生し易く、ダイオードの耐電圧を超えた共振電圧が印加されてダイオードを破損させるケースがしばしば生じる。本発明はこのような問題を回避して、系統事故時の事故電流から励磁用コンバータを保護することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、固定子と回転子を有する交流励磁型発電機の前記固定子を電力系統に接続し、交流励磁コンバータと系統コンバータを有する励磁コンバータを設け、前記回転子を前記交流励磁コンバータに接続し、前記固定子と電力系統に前記系統コンバータを接続し、前記回転子を風車のロータに接続してロータで前記回転子を駆動し、前記交流励磁コンバータと前記回転子の間に系統事故時の事故電流を消費する系統故障保護装置を有し、前記系統コンバータの直流回路を前記交流励磁コンバータの直流回路に接続し、系統電圧低下時に無停電電源装置でバックアップされ励磁用コンバータと系統コンバータを制御するコンバータ制御装置を有し、前記交流励磁型発電機により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、前記交流励磁コンバータと回転子の間に前記系統故障保護装置を接続し、前記系統故障保護装置は、交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段の直流回路を短絡するスイッチング手段と、前記整流手段の直流回路に設けたコンデンサを備えたことを特徴とする。

また、系統故障保護装置は、前記交流励磁コンバータと接続される前記整流手段の直流回路に放電用の複数の抵抗器を設けたことを特徴とする。

また、交流励磁コンバータと前記回転子の間に交流リアクトルを接続し、前記交流リアクトルと前記交流励磁コンバータとの間に前記系統故障保護装置を備えたことを特徴とする。

また、前記系統故障保護装置の前記整流手段の直流回路にコンデンサと直列に共振抑制用抵抗器を備えたことを特徴とする。

また、交流励磁コンバータと前記回転子の間に共振抑制インダクタンスを介して前記系統故障保護装置を接続することを特徴とする。

また、系統故障保護装置の直流回路をインピーダンスを介して前記交流励磁コンバータおよび系統コンバータの直流回路に接続することを特徴とする。

また、系統故障保護装置の直流回路と前記交流励磁コンバータおよび系統コンバータの直流回路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。

以下に本発明の実施例を図面につき説明する。図１は、本発明の実施例の回路図である。図１において、風力発電システム２０は送電線を介して電力系統１０に接続される。風力発電システム２０は、主に発電機２０１、翼２０２、風車制御装置２０３、励磁用コンバータ２０４、コンバータ制御装置２０５、系統故障保護装置２１２、系統故障保護制御装置２１３から構成される。

翼２０２を有するロータＲ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Ａは励磁用コンバータ２０４と電気的に接続される。発電機２０１の固定子Ｓ側の３相出力は、外部信号ＳＧ１によって開閉可能な遮断器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。

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Ｑｒｅｆの作成などの運転指令信号ＯＰＳ１を演算する。

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ＯＰＳ１、および角度変更信号ＰＣＨは、コンバータ制御装置２０５や翼２０２の角度変更装置に伝送される。
〔励磁用コンバータ〕
次に、励磁用コンバータ２０４について説明する。励磁用コンバータ２０４は系統コンバータ２０４１と、発電機２０１の回転子Ａを励磁する交流励磁コンバータ２０４２から構成される。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及び系統コンバータ２０４１に接続される。

系統コンバータ２０４１の直流回路２１０は交流励磁コンバータ２０４２の直流回路にも接続され、前記交流励磁コンバータ２０４２の交流出力は、電圧変化ｄＶ／ｄｔ抑制用のリアクトル２１５を介して発電機２０１の回転子Ａに接続される。

また、系統故障保護装置２１２の交流入力端子を交流励磁コンバータ２０４２と反対側において交流リアクトル２１５に接続し、系統故障保護装置２１２の直流出力端子を系統コンバータ２０４１および交流励磁コンバータ２０４２の間に設けられた直流回路２１０に接続する。

交流励磁コンバータ２０４２および系統コンバータ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／直流変換機能を備える。

前記系統コンバータ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。遮断器２０６は、過大電流が継続する時に接点を開放して電流を遮断し、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。
〔コンバータ制御装置〕
次にコンバータ制御装置２０５について説明する。コンバータ制御装置２０５は、風車制御装置２０３の指令値に従って励磁用コンバータ２０４の出力電圧を調整し、発電機２０１と電力系統１０との間の電力（発電電力、無効電力）を制御する。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、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。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、系統電圧からコンバータ制御装置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）からコンバータ制御装置２０５に電力を供給する。また、系統故障保護装置２１２の系統故障保護制御装置２１３にも、コンバータ制御装置２０５を経由して間接的に電力が供給される。

発電機２０１には、ギア２１８を介して風力発電用の翼２０２およびロータＲが接続されており、風の力を受けて回転する。また、ロータＲには回転位置を検出する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回路構成について説明する。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Ｓ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。

前記系統コンバータ２０４１、交流励磁コンバータ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に変換されコンバータ制御装置２０５に入力される。また、交流励磁コンバータ２０４２の出力電流ＩＲは電流センサ２１９ｃにより検出され、系統コンバータ２０４１の出力電流ＩＧは電流センサ２１９ｄにより検出されコンバータ制御装置２０５に伝送される。

風力発電システム２０を制御する風車制御装置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Ｐｒｅｆ、無効電力指令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。

コンバータ制御装置２０５は、遮断器２０８、２０９をそれぞれ信号ＳＧ１、ＳＧ２で制御し、系統コンバータ２０４１、交流励磁コンバータ２０４２を駆動制御するパルス信号Ｐ１、Ｐ２を出力する。

発電機２０１と励磁用コンバータ２０５の間には交流リアクトル２１５が設けられ、発電機２０１と系統故障保護装置２１２の間には共振抑制インダクタンス３０３が設けられている。
〔系統故障保護装置〕
図２は、系統故障保護装置２１２の具体的構成を示す回路図である。系統故障保護装置２１２は、半導体素子などで構成される。ここでは、ダイオード整流ブリッジ（ダイオード３０２ｇ、３０２ｈ、３０２ｉ、３０２ｊ、３０２ｋ、３０２ｌ）の構成を示しており、これらダイオードをＯＮ/ＯＦＦすることで、交流電圧を直流電圧に変換する。

系統故障保護装置２１２の直流電圧側には例えば半導体スイッチング素子（サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、Ｓｉｃなど）を用いて直流回路間に接続する。系統事故時には、半導体スイッチング素子をＯＮして直流回路を短絡し、系統事故時の事故電流から交流励磁コンバータを保護する。ここではサイリスタ３０６を用いた構成を示す。

交流励磁コンバータ２０４２および系統側コンバータ２０４１間の直流回路２１０は系統故障保護装置２１２の直流回路に抵抗器３０５ａ、３０５ｂを介して接続されている。ここで事故電流の発生時には、系統故障保護装置２１２の直流回路に接続されたサイリスタ３０６を用いて直流回路を短絡し、抵抗器３０５ａ、３０５ｂを介して直流回路２１０の直流電圧を放電する。抵抗器３０５ｃは回路インダクタンス３０４およびコンデンサ３０７による共振現象に対する共振抑制用抵抗として、コンデンサ３０７と直列に設けられる。
〔共振抑制インダクタンス〕
交流励磁コンバータ２０４２のＩＧＢＴ３０１ｆがＯＮしているとき、系統故障保護装置２１２のダイオード整流ブリッジの交流側端子３１１の電圧は−１／２Ｖｄｃとなる。ＩＧＢＴ３０１ｆがＯＦＦしたとき、ｄＶ／ｄｔ抑制用の交流リアクトル２１５に蓄えられたエネルギーにより、交流励磁コンバータ２０４２の還流ダイオード３０２ｃを介して電流３０９が流れる。このとき、ダイオード整流ブリッジ交流側端子３１１の電圧は
＋１／２Ｖｄｃとなる。ダイオード整流ブリッジ交流側端子３１１の電圧が交流励磁コンバータ２０４２の直流電圧より低いとき、ダイオード３０２ｉを介して電流３１０が流れ、ダイオード３０２ｉの静電容量と配線のインダクタンス３０４とで共振現象を起こす。

共振抑制インダクタンス３０３は、高周波成分に対してのみインピーダンスが大きくなるようにインダクタンス成分で構成し、系統故障装置２１２においてダイオード整流ブリッジ交流側端子３１１の電圧が１／２Ｖｄｃから＋１／２Ｖｄｃの変化をしたときにダイオード３０２ｉを介して流れる電流３１０を抑制して、ダイオード３０２ｉの静電容量と配線のインダクタンス３０４により発生する共振現象を抑制する。

上記共振抑制インダクタンス３０３は、微小電流にはインピーダンスが大きく過大電流にはインピーダンスが小さくなる可飽和リアクトルを使用すれば、系統事故における過大電流を速やかに遮断できるため、遮断時に支障はない。

次に図３は共振抑制インダクタンス３０３の具体的構成を示す。図３ではコア３２０に電線３２１を通した可飽和リアクトルで構成し、共振抑制インダクタンス３０３は交流励磁コンバータ２０４２の交流側端子と系統故障装置２１２のダイオード整流ブリッジの交流側端子との間に接続される。
〔共振インダクタンスの変形例〕
共振インダクタンスの変形例について以下に説明する。

図４に示す変形例１は、共振抑制インダクタンスに電線３２１を巻いてコイル状に長くしたものを用いる。

図５に示す変形例２は、共振抑制インダクタンスに三脚鉄心３２２とコイル３２７からなる三相可飽和リアクトルを用いる。

図６に示す変形例３は、３相＋０相（対アース間）用に、共振抑制インダクタンスに四脚鉄心３２３の三相可飽和リアクトルを使用している。

図７に示す変形例４は、３相＋０相（対アース間）用に、共振抑制インダクタンス３０３に五脚鉄心３２４の三相可飽和リアクトルを使用している。変形例４では変形例３に比べて０相のＬ分を更に多くすることができる。

図８に示す変形例５は、単相交流用に共振抑制インダクタンスに２脚鉄心３２５の単相可飽和リアクトルを使用している。

図９に示す変形例６は、共振抑制インダクタンスに空芯コイル３２６を使用している。

本発明は、二次励磁型発電機の励磁用コンバータや、各種の発電装置の保護回路に適用できる。

本発明の実施例における風力発電システムの回路図である。本発明の実施例における系統故障保護装置を示す回路図である。本発明の実施例における共振抑制インダクタンスの模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例１を示す模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例２を示す模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例３を示す模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例４を示す模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例５を示す模式図である。共振抑制インダクタンスの変形例６を示す模式図である。

符号の説明

１０：電力系統
２０：風力発電システム
２０１：交流励磁型発電機
２０３：風車制御装置
２０４：励磁用コンバータ
２０５：コンバータ制御装置
２１０：コンバータ直流回路
２１２：系統故障保護装置
２１５：ｄＶ／ｄｔ抑制用リアクトル
２１６：無停電電源装置
３０１ａ、３０１、ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅ、３０１ｆ：ＩＧＢＴ
３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ、３０２ｅ、３０２ｆ、３０２ｇ、３０２ｈ、３０２ｉ、３０２ｊ、３０２ｋ、３０２ｌ：ダイオード
３０３：共振抑制インダクタンス
３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ：抵抗
３０６：サイリスタ
３０７：コンデンサ
３２０：コア
３２１：電線
３２２：三脚鉄心
３２３：四脚鉄心
３２４：五脚鉄心
３２５：二脚鉄心
３２６：空芯リアクトル
３２７：コイル
Ａ：回転子
Ｓ：固定子
Ｒ：ロータ

Claims

固定子と回転子を有する交流励磁型発電機の前記固定子を電力系統に接続し、交流励磁コンバータと系統コンバータを有する励磁コンバータを設け、前記回転子を前記交流励磁コンバータに接続し、前記固定子と電力系統に前記系統コンバータを接続し、前記回転子を風車のロータに接続してロータで前記回転子を駆動し、前記交流励磁コンバータと前記回転子の間に系統事故時の事故電流を消費する系統故障保護装置を有し、前記系統コンバータの直流回路を前記交流励磁コンバータの直流回路に接続し、系統電圧低下時に無停電電源装置でバックアップされ励磁用コンバータと系統コンバータを制御するコンバータ制御装置を有し、前記交流励磁型発電機により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、
前記交流励磁コンバータと回転子の間に前記系統故障保護装置を接続し、前記系統故障保護装置は、交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段の直流回路を短絡するスイッチング手段と、前記整流手段の直流回路に設けたコンデンサを備えたことを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載された風力発電システムにおいて、前記系統故障保護装置は、前記交流励磁コンバータと接続される前記整流手段の直流回路に放電用の複数の抵抗器を設けたことを特徴とする風力発電システム。
請求項１又は２に記載された風力発電システムにおいて、前記交流励磁コンバータと前記回転子の間に交流リアクトルを接続し、前記交流リアクトルと前記交流励磁コンバータとの間に前記系統故障保護装置を備えたことを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記系統故障保護装置の前記整流手段の直流回路にコンデンサと直列に共振抑制用抵抗器を備えたことを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記交流励磁コンバータと前記回転子の間に共振抑制インダクタンスを介して前記系統故障保護装置を接続することを特徴とする風力発電システム。
請求項５に記載された風力発電システムにおいて、前記系統故障保護装置の直流回路をインピーダンスを介して前記交流励磁コンバータおよび系統コンバータの直流回路に接続することを特徴とする風力発電システム。
請求項６に記載の風力発電システムにおいて、前記系統故障保護装置の直流回路と前記交流励磁コンバータおよび系統コンバータの直流回路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。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスにコアを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに電線を通したリングコアを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスにコイルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに電線長を長くした配線を用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに三相リアクトルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに三脚鉄心の三相リアクトルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに四脚鉄心の三相リアクトルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに五脚鉄心の三相リアクトルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに２脚鉄心の単相リアクトルを用いたことを特徴とする風力発電システム。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、前記共振抑制インダクタンスに空芯リアクトルを三個用いたことを特徴とする風力発電システム。