JP2012170305A - 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，直流過電圧から保護し、発電機を系統から切り離さずに運転できるようにする。
【解決手段】回転子巻線及び系統側のコンバータ２０４１の直流部と接続される交流励磁用のコンバータ２０４２と、系統側のコンバータ２０４１と交流励磁用のコンバータ２０４２を制御するためのコンバータ制御装置２０５と、直流部に短絡スイッチ部を介して接続され複数の抵抗器で構成されるエネルギー消費部を有する過電流消費装置２１２とを備え、コンバータ制御装置２０５は、交流励磁型発電機と交流励磁用のコンバータとの間の電流を検出する手段又は直流電圧上昇検知手段により過大電流が検出された時は、短絡スイッチ部により短絡させる及び交流励磁用のコンバータのゲートを停止させ、エネルギー消費部の複数の抵抗器に過大電流を流すことを特徴とする。
【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、風力発電システムを系統から解列させなくても、過大な電流を吸収して回転子に接続されるコンバータが運転を再開することができ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、電力変換器の容量を発電機の容量に比べて小さくすることができ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。例えば〔特許文献１〕に記載の従来の技術として、系統電圧低下を検出したときに、短絡回路を動作させる方式がある。

近年、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。この運用を実現するためには、前述のような短絡回路ではなく、整流器の直流部に設置した抵抗器に電流を流す方法などが用いられる。

ＵＳＰ７，３２１，２２１

本発明の目的は、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できる風力発電システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、特に、系統事故時の電圧に不平衡成分が含まれる場合に、回転子に系統電圧の逆相成分に起因する電流成分が発生し、これにより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を防止した風力発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の風力発電システムは、系統事故時過電流消費装置（整流器の直流部に複数の抵抗器とスイッチ素子を直列に接続）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、励磁用コンバータの直流電圧上昇を検出してスイッチ素子を動作させて抵抗回路を動作させ、系統電圧の逆相成分（あるいは不平衡）が減少するまで、抵抗器を接続し続けるものである。

本発明によれば、系統電圧に逆相成分（不平衡成分）が含まれる場合にも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。

本発明の一実施例である風力発電システムの構成図。 系統側のコンバータの構成図。 短絡防止回路の構成図。 発電機側のコンバータの構成図。 コンバータ制御装置によるコンバータを制御するための構成図。 コンバータ制御装置によるコンバータを制御するための構成図。 位相検出器ＴＨＤＥＴの構成図。 切り替え器の構成図。 過電流消費装置の回路構成図。 過電流消費装置の動作を説明する図。 過電流消費装置の制御装置の構成図。 発電機側のコンバータの監視ループ処理器の処理フロー図。

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は、本実施例である風力発電システムの構成図である。図１により、単線結線図で示した装置構成を説明する。

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、主として、発電機２０１，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，過電流消費装置２１２，過電流消費装置２１２のコントローラ２１３で構成される。

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、発電機２０１の固定子巻線は遮断器２０６やトランス２０７などを介して電力系統１０に電気的に接続される。

例えば電流過大が継続する時には、風力発電装置２０を保護するため、遮断器２０６を開放して電流を遮断し、風力発電装置２０を完全に停止させて電力系統１０から電気的に切り離すために遮断器２０６が使用される。

風車制御装置２０３は、風速検出、翼２０２の角度制御，発電電力指令値Ｐｒｅｆの作成，運転／停止指令値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。風車制御装置２０３で作成された無効電力指令値Ｑｒｅｆ，発電電力指令値Ｐｒｅｆ，運転／停止指令値Ｒｕｎなどの各種運転信号ＯＰＳ０，翼角度指令値ＰＣＨは、それぞれコンバータ制御装置２０５，図示しない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を制御して電力系統１０の電力（発電電力，無効電力）を制御する。

コンバータ（励磁装置）２０４２，コンバータ（励磁装置）２０４１，過電流消費装置２１２のコントローラ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遮断器２０８，系統連携用のトランス２０７，遮断器２０６を介して電力系統１０に接続される。系統連携用のトランス２０７は、遮断器２０９，フィルタ回路２１４を介して、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の直流回路に接続され、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。リアクトル２１５のコンバータ２０４２側は、過電流消費装置２１２の交流入力端子に接続され、過電流消費装置２１２の直流出力端子をコンバータ２０４１および２０４２の直流回路２１０に接続している。過電流消費装置２１２の直流端子とコンバータ２０４の直流端子は、インピーダンスを介して接続しても良いし、低インピーダンスで接続しても良い。

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。過電流消費装置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。

発電機側のコンバータ２０４２および系統側のコンバータ２０４１は、例えば半導体のスイッチング素子（ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳ，ＳｉＣなど）を用いて構成されており、交流を直流に変換する、又は直流を交流に変換する。系統側のコンバータ２０４１の交流出力端子には、高調波電流，高調波電圧を減衰させるために、リアクトルやコンデンサで構成されたフィルタ回路２１４が設置される。

風の力を受けて回転する風力発電用の翼２０２にギア２１８を介して接続された、発電機２０１の回転部分には、回転位置を検出するために、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。

発電電力を制御するための回路および装置について説明する。トランス２０７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により検出され、低電圧の電圧検出信号ＶＳＹ，低電圧の電流検出信号ＩＳＹに変換されて、コンバータ制御装置２０５に入力される。

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により検出され、低電圧の信号ＶＳＴに変換されてコンバータ制御装置２０５に入力される。コンバータ２０４１，２０４２の直流回路２１０に接続されたコンデンサＣｄの電圧は、図示しない電圧センサにより検出され、低電圧の直流電圧信号ＶＤＣに変換されてコンバータ制御装置２０５に入力される。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および電流検出値ＩＧはコンバータ制御装置２０５に伝送される。

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ＯＰＳ０を送信する、風車やシステムの状態量を検出して外部と通信する。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、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、上述した無停電電源装置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。

過電流消費装置２１２のコントローラ２１３は、過電流消費装置２１２に動作指令Ｐ３を伝送する。コントローラ２１３の詳細な動作は後述する。

図２は、コンバータ２０４１の構成を示す図である。コンバータ２０４１は、半導体素子などで構成される。本実施例では、三相コンバータの構成例を示しており、半導体素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２で構成される。なお、本実施例では、ＩＧＢＴ（Ｉnsulated Gate Bipolar Transistor）とダイオオードで構成されるコンバータを例に説明する。半導体素子Ｓ１１，Ｓ１２はＵ相の上下アームを、半導体素子Ｓ２１，Ｓ２２はＶ相上下アームを、半導体素子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、コンバータ制御装置２０５から与えられる。ここで、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。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、同様にコンバータ制御装置２０５から与えられる。

Ｕ相の下アームの半導体素子Ｓ１２のゲート信号として、上アームの半導体素子Ｓ１１の反転信号、すなわち半導体素子Ｓ１１がオンのとき、半導体素子Ｓ１２はオフの信号が与えられ、同様に、Ｖ相，Ｗ相の上下アームに関しても、下アームには上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。半導体素子Ｓ１１から半導体素子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２３０内の短絡防止回路２３１で付加する。

ゲートブロック信号Ｐ１_ＧＢはパルス信号Ｐ１_ＵなどとともにＡＮＤ回路２３２に入力する。ゲート停止の際にはＰ１_ＧＢ＝“０”の状態にするため、このときの半導体素子Ｓ１１〜Ｓ３２はパルス信号Ｐ１_Ｕ，Ｐ１_Ｖ，Ｐ１_Ｗ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２３１の構成を示す図である。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）２３５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２３６に入力され、論理積（ＡＮＤ）が演算される。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ので、例えば上側のスイッチング素子がオフするときに、下側のスイッチング素子は、上側のスイッチング素子のオフから時間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の構成を示す図である。コンバータ２０４２は、コンバータ２０４１と同様、半導体素子などで構成される。本実施例では、三相コンバータの構成例を示しており、半導体素子（ＩＧＢＴとダイオード）Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ６１，Ｓ６２で構成される。半導体素子Ｓ４１，Ｓ４２はＵ相の上下アームを、半導体素子Ｓ５１，Ｓ５２はＶ相の上下アームを、半導体素子Ｓ６１，Ｓ６２はＷ相の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、コンバータ制御装置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）、ゲートブロック信号を含み、それぞれ、Ｐ２_Ｕ，Ｐ２_Ｖ，Ｐ２_Ｗ，Ｐ２_ＧＢの信号名で示している。ここで、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相の下アームの半導体素子Ｓ４２のゲート信号は、上アームの半導体素子Ｓ４１の反転（すなわち半導体素子Ｓ４１がオンのとき、半導体素子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、下アームは上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。半導体素子Ｓ４１から半導体素子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２４０内の短絡防止回路２４１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）毎に設けられた各ＡＮＤ回路２４２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。

コンバータ制御装置２０５について、図５から図８を用いて説明する。図５はコンバータ制御装置２０５によるコンバータ２０４１を制御するための構成を示す図である。

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。このため、コンバータ２０４１の制御部は、系統電圧ＶＳＹ（三相）の位相を検出し、検出した電圧位相を用いて電流ＩＧ（三相）を制御して、電力系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。

発電機励磁用のコンバータ２０４２が直流部の電力を使用し、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、系統側のコンバータ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、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する。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、コンバータ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に、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、遮断器２０９（電磁接触器２０９ともいう）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。

三相交流電圧検出値、すなわち系統電圧ＶＳＹは、位相検出器（ＴＨＤＥＴ）２４２と、３相２相変換器（３２ＴＲＳ）２４１に入力する。位相検出器２４２は、電力系統１０の電圧に追従する位相信号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）２４４，２相ｄｑ変換器（２ＤＱ０２）２４３，２相３相回転座標変換器（ＤＱ２３−０１）２４７に出力する。

直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと直流電圧検出値ＶＤＣは、直流電圧調整器（ＤＣＡＶＲ）２４９に入力される。直流電圧調整器（ＤＣＡＶＲ）２４９は、例えば比例積分（ＰＩ）制御器により構成される。直流電圧調整器２４９は入力された直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと直流電圧検出値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、図示していない加減算器で電流指令ＩｐＨを加減算し、その加減算結果の電流指令値Ｉｐｎｓｔｒを電流調整器（ＡＣＲ１）２４６に出力する。

系統側のコンバータ２０４１の出力三相電流ＩＧは、過電流検出器（ＯＣ１）２５０に、直流電圧ＶＤＣは過電圧検出器（ＯＶ２）２５２に入力される。過電流検出器２５０，過電圧検出器２５２の出力は、比較器と保持回路で構成されており、過電流または過電圧を検知したときには過電流信号ＯＰＳ１ｂ，過電圧検出信号ＯＰＳ１ｃを“１”から“０”に変更して保持する。過電流検出器２５０は、過電流信号の保持を設定された時間（例えば１ｍｓ）保持し、過電流が無くなれば再起動する。

直流過電圧は、過電圧検出器２５２により監視され、直流電圧ＶＤＣが過電圧レベルＯＶ_ＲＥＦ２よりも大きいとき、過電圧信号ＯＰＳ１ｃを出力する。過電圧検出器２５２は、過電圧検出信号ＯＰＳ１ｃを、過電圧を検出すると“０”に、それ以外は“１”になるように作成し、過電圧を検出して信号が“０“となると、その値を保持する。過電圧検出信号ＯＰＳ１ｃは、図７に示すコンバータ２０４２の制御部分にも用いられる。

３相ＤＱ座標変換器（３ＤＱ０１）２４４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）２４６に、ｑ軸電流検出値Ｉｑｎを電流調整器（ＡＣＲ２）２４５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。以下、電圧なども同様に表記する。例えば系統電圧ＶＳＹのＵ相はＶＳＹＵなどである。ここで、係数ｋ１は、マイコン内部の任意の単位に換算する係数である。

電流調整器２４６は、ｐ軸電流指令値Ｉｐｎｓｔｒと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、電流調整器２４５は、ｑ軸電流指令値（＝０）と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、電流調整器２４５，２４６は、たとえば比例積分（ＰＩ）制御器により構成される。

３相２相変換器２４１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、２相ｄｑ変換器２４３は、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（ｐ軸電圧検出値Ｖｐｓと直交する成分）Ｖｑｓを演算し、それぞれを加算器３０１，３０２に出力する。ここで、係数ｋ２は、マイコン内部の任意の単位に換算する係数である。

加算器３０１は、ｐ軸電圧指令値Ｖｐｎ０とｐ軸電圧検出値Ｖｐｓを加算して２相３相座標変換器２４７に出力する。同様に加算器３０２は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｎ０とｑ軸電圧検出値Ｖｑｓを加算して２相３相座標変換器２４７に出力する。

２相３相座標変換器２４７は、位相信号ＴＨＳと、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２相３相座標変換器２４７の出力する電圧指令値Ｖｕｎ，Ｖｖｎ，Ｖｗｎを演算し、パルス演算器（ＰＷＭ１）２４８に出力する。ここで、係数ｇ１は、マイコン内部の任意の単位の値を、変調率［％］に換算する係数である。

パルス演算器２４８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コンバータ２０４１（電力変換器２０４１ともいう）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、コンバータ２０４１に出力する。

図６はコンバータ制御装置２０５によるコンバータ２０４２を制御するための構成を示す図である。

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）２６３に入力される。回転位相検出器２６３には、例えばＡＢＺ式のエンコーダを用いる。回転位相検出器２６３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し、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３０４に出力する。

位相信号ＲＴＨと同期制御器（ＳＹＮＣ）２７２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、コンバータ２０４１の制御で既に説明した位相信号ＴＨＳとともに励磁位相演算器（ＳＬＤＥＴ）２６５に入力される。励磁位相演算器２６５は、位相信号ＴＨと位相信号ＴＨＳを減算し、さらに発電機の極対数ｋでｋ倍して、発電機回転子のすべり位相信号ＴＨＲ（ＴＨＲ＝ｋ（ＴＨＳ−ＴＨ））を出力する。

電力演算器（ＰＱＣＡＬ）２６７は、システム電流ＩＳＹを数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、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）２６９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、電力指令値Ｐｒｅｆと電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように、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。

無効電力調整器（ＡＱＲ）２６８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、電力指令値Ｑｒｅｆと電力検出値Ｑｓの偏差を零にするように、励磁電流指令値Ｉｑ０を出力する。ここで、有効電力調整器２６９，有効電力調整器２６８は、たとえば比例積分器により構成できる。

有効／無効電力調整器の各出力の有効分電流指令値Ｉｐ０および励磁電流指令値Ｉｑ０は切換器（ＳＷ）２７３に入力される。

発電機固定子電流ＩＳＴは、３相回転座標変換器（３ＤＱ０３）２６２に入力される。３相回転座標変換器２６２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）２７１，発電機電流調整器（ＡＣＲＱ）２７０に入力される。

発電機電流調整器２７１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電流Ｉｐｓｔがゼロになるように、回転子電流指令値Ｉｐ２を演算し、回転子電流指令値Ｉｐ２を切り替え器２７３に出力する。発電機電流調整器２７０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、回転子電流指令値Ｉｑ２を切り替え器２７３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電力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）２７４について説明する。電圧調整器２７４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を通した値、あるいは平均値を指令値Ｖｒｅｆとして入力し、発電機固定子電圧ＶＳＴの振幅値と指令値Ｖｒｅｆの偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を切り替え器（ＳＷ）２７３に出力する。ここで、電圧調整器２７４は、例えば比例積分制御器により構成できる。この電圧調整器２７４は、遮断器２０８（電磁接触器２０８）を開状態で動作させ、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）２８１と３相回転座標変換器（３ＤＱ０４）２６０にも入力される。過電流検出器２８１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信号ＯＰＳ２ａを“０”に変更して保持する。監視ループ処理器（ＣＴＬ_ＷＴＣＨ）２８２からのリセット信号（ＲＥＳＥＴ３）が入力されると、過電流検出器２８１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ＯＰＳ２ａは、監視ループ処理器２８２とＡＮＤ演算器２８３，２８４に伝送される。監視ループ処理器２８２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２７３に伝送される。

逆相電圧成分検出器（ＵＢＶ）２７９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を計算する。逆相電圧の大きさＶＮＥＧと、系統電圧の振幅値Ｖｐｋは、監視ループ処理器２８２に伝送される。直流電圧ＶＤＣの過電圧検出器（ＯＶ１）２８０の検出レベルは、コンバータ２０４２がスイッチング動作すると、素子が破壊されるおそれがある電圧レベルに設定しておく。

抵抗器の温度計測器（ＴｅｍｐＣＡＬ）２８５は、抵抗器のオンオフ指令を入力し、オンオフ指令から後述する図９の各抵抗器のオン時間を算出し、変換器の直流電圧ＶＤＣとオン時間Ｔｏｎから、抵抗器Ｒの消費エネルギーＷ＝ＶＤＣ²／Ｒ×Ｔｏｎ［Ｊ］を計算する。温度計測器２８５は、消費エネルギーが、抵抗器の許容範囲を超えるときには、抵抗器の使用を停止するため、許可信号Ｒｅｎｂ＝０を論理演算器（ＡＮＤ）２８６に出力し、抵抗器オン信号ＯＰＳ２ｃを零（抵抗器オフ）にホールドさせる。

図７を用いて、位相検出器（ＴＨＤＥＴ）２６４を説明する。位相検出器２６４は、系統電圧ＶＳＹＵ，ＶＳＹＶ，ＶＳＹＷを入力し、３相２相変換器（３２ＴＲＳ）２９０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）２９１は、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（ＴＨＣＡＬ）２９３に入力され、積分器２９３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、切り替え器（ＳＷ）２７３の構成を示す図である。切り替え器２７３は、電力調整器２６９および無効電力調整器２６８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、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、発電機の固定子電流を調整する発電機電流調整器２７１，発電機電流調整器２７０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”）のいずれを出力するかを決定する。

切り替え器２７３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（投入信号ＳＧ０＝“ａ”の状態）した後は、電力調整器２６９，無効電力調整器２６８の出力Ｉｐ０，Ｉｑ０を選択する。

通常の発電運転時には、運転モードＭＤ信号は“１”の通常運転の状態であり、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、固定子の発電機電流調整器２７１，発電機電流調整器２７０の出力であるＩｐ２とＩｑ２が選択される。

図６に示した同期制御器（ＳＹＮＣ）２７２は、遮断器２０８が開放状態のとき、系統電圧検出値と発電機固定子電圧検出値から、発電機の電圧振幅が同期しているか判定し、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を出力し、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し、遮断器の動作信号ＳＧ１と制御切替信号ＳＧ０を出力する。遮断器の動作信号ＳＧ１により遮断器２０８が閉状態となったとき、位相補正信号ＬＴＨはそのときの値を保持する。

同期制御器２７２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でき、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２６０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）２７５に、ｐ軸電流検出値Ｉｐｒを電流調整器（ＡＣＲ３）２７６に出力する。ここで、係数ｋ３は、マイコン内部の任意の単位に換算する係数である。

電流調整器２７５は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ１またはＩｑ０またはＩｑ２と、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、電流調整器２７６は、ｐ軸電流指令値Ｉｐ１またはＩｐ０またはＩｐ２と、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。ここで電流調整器２７５，２７６はたとえば比例積分器により構成できる。

ｐ軸電圧指令値Ｖｐｒとｑ軸電圧検出値Ｖｑｒは２相３相回転座標変換器（ＤＱ２３−０２）２７７に入力され、２相３相座標変換器２７７は、位相信号ＴＨＲと、各入力値から、数１０および数１１に示した変換式により２相３相座標変換器２７７の出力する電圧指令値Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒを演算し、パルス演算器（ＰＷＭ２）２７８に出力する。ここで、係数ｇ２は、マイコン内部の任意の単位の値を、変調率［％］に換算する係数である。

パルス演算器２７８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、コンバータ２０４２に出力する。

図９は、過電流消費装置２１２の回路構成を示す図である。過電流消費装置２１２は、主に整流器２１２１と、エネルギー消費部２１２２と、短絡スイッチ部２１２６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。

整流器２１２１は、その直流部分にコンデンサＣｘが設けられる。また、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が設けられる。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。

短絡スイッチ部２１２６は、短絡のために、スイッチ手段Ｔ１（ここでは半導体スイッチであるサイリスタ）を用いており、コントローラ２１３からのオン指令（Ｐ３_ＴＨＹＯＮ）により、スイッチ手段Ｔ１をオンして短絡回路を動作させることができる。

半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンオフするためのゲート信号Ｐ３_ＲＯＮは、コントローラ２１３から与えられる。ゲート信号Ｐ３_ＲＯＮは、半導体素子Ｓ７１をオンする信号として使われる。入力信号Ｓ８１は、オフディレイ器２１２８にも入力される。オフディレイ器２１２８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Ｓ８１（オン信号Ｓ８１ともいう）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Ｓ８１ＡをＯＲ演算回路２１２７に出力する。ＯＲ演算回路２１２７は、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦ信号と、入力信号Ｓ８１Ａを入力し、信号Ｓ８２（オン信号Ｓ８２ともいう）を出力する。信号Ｓ８２がオン（“１”）のときは、抵抗器Ｒ３がオンする。

このように、図９に示した構成により、抵抗器Ｒ２とＲ３は同時にオンし、オフするときは抵抗器Ｒ２が先にオフし、遅れて抵抗器Ｒ３がオフする動作が実現できる。抵抗器Ｒ３のオフタイミングは、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦが零になるまで延長することが可能になる。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つ以上でも同様な構成となり、抵抗器オフのタイミングをずらすことで、短絡する抵抗値を段階的に変更でき、最終抵抗器のオフは、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦでコントロールできる。

最後にオフ動作する抵抗器の動作信号Ｒ_ＯＦＦＳＩＧ（＝信号Ｓ８２）は、図６に示したコンバータ制御装置２０５に伝送される。

コントローラ２１３からの指令により、過電流消費装置２１２が動作する場合、コンバータ２０４２はゲート停止状態になり、ゲート停止状態となったコンバータ２０４２はダイオード整流器として動作する。例えば、発電機の回転子に過電流が発生すると、コンバータ２０４２のゲートを停止し、過電流消費装置２１２の直流部にある半導体素子Ｓ７１とＳ７２をオンする。このときダイオード整流器として動作しているコンバータ２０４２に比べて過電流消費装置２１２のインピーダンスが小さくなるため、回転子に発生した過電流のほとんどは過電流消費装置２１２に流れ、コンバータ２０４２に流れ込む電流値を小さくできるので、過大な電流でコンバータ２０４２の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、三相交流から過電流消費装置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。このようにして、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て回転子に接続されるコンバータを保護することができる。

図１０および図１１を用いて、図９に示す過電流消費装置２１２の動作を説明する。系統電圧の低下により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９に示した構成により、半導体素子Ｓ７１とＳ７２は同時にオンし、オフするときは、半導体素子Ｓ７１がオフした後、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦ信号が許可（＝０）であれば、オフディレイ時間ＴＤ２だけ遅れて半導体素子Ｓ７２がオフする。オフディレイ時間ＴＤ２経過後も、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦ信号が不許可（＝１）であれば、オン信号Ｓ８２は“オン”のままになり、抵抗器オフ許可信号Ｐ３_ＲＯＦＦ信号が許可（＝０）となるまで抵抗器Ｒ３は接続されたままになる。抵抗器が接続されている間は発電機側コンバータは停止したままで待機する。

図１１は、過電流消費装置２１２のコントローラ２１３の構成を示す図である。

コントローラ２１３は、コンバータ制御装置２０５からの信号ＯＰＳ２ｂ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過電流消費装置２１２に出力される。コントローラ２１３は、コンバータ制御装置２０５からの信号ＯＰＳ１ｃを入力し、オンディレイの設定時間ＴＤ４経過後に、スイッチ手段Ｔ１をオンする信号Ｐ３_ＴＨＹＯＮが過電流消費装置２１２に出力される。

これらオンディレイ設定時間ＴＤ３，ＴＤ４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。

次に、図１２の処理フローを用いてコンバータ２０４２の監視ループ処理器（ＣＴＬ_ＷＴＣＨ）２８２の動作を説明する。

処理１００１で、運転状態が、発電運転（ＭＤ＝１かつＳＧ０＝“ａ”）と判断された場合は、処理１００２で、発電機側のコンバータ２０４２の過電流（過電流信号ＯＰＳ２ａ＝０）を監視し、処理１００３で、直流電圧ＶＤＣの上昇（過電圧信号ＯＰＳ２ｄ）監視処理を行う。

処理１００２で、ロータ過電流を検出（ＯＰＳ２ａ＝“０”）するか、処理１００３で、直流過電圧（ＯＰＳ２ｄ＝“０”）を検出した場合は、処理１００４で、タイマースタートさせ、Ｐ３_ＲＯＦＦ＝１、信号ＯＰＳ２ｃ＝０とし、Ｐ３_ＲＯＮ＝１とする。過電流消費装置２１２の動作信号ＯＰＳ２ｂ＝“０”となると、図１１に示したように、過電流消費装置２１２の抵抗器がオンする。ここで、図６で説明したように発電機側のコンバータ２０４２は、ロータ過電流を検出（ＯＰＳ２ａ＝“０”）するか、過電流消費装置２１２の動作信号（ＯＰＳ２ｂ＝“０”）を検出すると停止状態（Ｐ２_ＧＢ＝０）になる。また、動作信号（ＯＰＳ２ｂ＝“０”）により過電流消費装置２１２の抵抗器がオンする。

前述の過電流または過電圧を検出し、過電流消費装置２１２の抵抗器（Ｒ２，Ｒ３）がオンするタイミングでタイマーをスタートさせ、処理１００５で、設定時間Ｔｒ（＝ＴＨＬＤ）抵抗器をオンさせる。処理１００６，処理１００７で、時間Ｔｒが経過するまで、逆相電圧ＶＮＥＧの大きさと、電圧Ｖｐｋの低下の有り無しを判定する。

逆相電圧が高いときは抵抗器をオフしないように、処理１００８で、信号Ｐ３_ＲＯＦＦ＝１（抵抗器オフ不許可）を指令する。逆相電圧が小さくて電圧低下から復帰していなかったら、処理１００９で、信号Ｐ３_ＲＯＦＦ＝０（抵抗器オフ許可）を指令する。逆相電圧が小さくて電圧低下から復帰していたら、処理１００７から処理１０１０に移行して、抵抗器オフ指令Ｐ３_ＲＯＮ＝０を出力する。逆相電圧が大きいまま時間ＴＨＬＤ経過したら、処理１０１０で、抵抗器オフ不許可（Ｐ３_ＲＯＦＦ＝１）のままでＰ３_ＲＯＮ＝０（抵抗器オフ指令）が指令されるので、最後の抵抗器はオフされないようにする。

処理１０１１で、再度逆相電圧の監視処理があり、ここで逆相電圧が小さければ、処理１０１２で、抵抗器のオフ許可指令（Ｐ３_ＲＯＦＦ＝０）が出て、処理１０１４で、抵抗器オフ動作を確認したら、処理１０１７に進む。処理１０１１で、逆相電圧が高いままであれば、抵抗器オフ不許可（Ｐ３_ＲＯＦＦ＝１）のままが継続し、処理１０１４から処理１０１５に進み、ＬＶＲＴ継続最大時間が経過していれば、系統異常で処理１０１９に遷移する。

逆相が小さくなり、処理１０１７に進んだ場合、系統電圧が復帰していれば処理１０２０に進んで、通常の発電運転に戻る。しかし、処理１０１７で、電圧低下が観測され続けていれば、処理１０１６に進んで、系統に無効電流を出力する運転モードに移行する。この無効電流出力モードは、電圧低下中はＬＶＲＴ継続最大時間経過まで続け、時間経過したら、処理１０１９で、系統異常で停止処理に入る。ＬＶＲＴ継続最大時間以内に電圧低下から復帰したら、処理１０２０で、通常の発電運転に復帰する。

このように、系統電圧に異常が発生した際、系統電圧の逆相電圧が大きい時は、抵抗器をオンし続けるようにしたため、変換器の直流部に流れ込む逆相電圧に起因する電流を抑制でき、直流部分の過電圧を防止できる。この結果、系統事故時の電圧に不平衡成分が含まれる場合、回転子に系統電圧の逆相成分に起因する電流成分が発生し、これにより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が、これを防止できる。

１０ 電力系統
２０ 風力発電装置
２０１ 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
２０６，２０８，２０９ 遮断器
２０７ トランス
２１０ 直流回路
２１１ 位置検出器
２１２ 過電流消費装置
２１３ コントローラ
２１４ フィルタ回路
２１５ リアクトル
２１６ 無停電電源装置

Claims (5)

1. 電力系統に電気的に接続される交流励磁型発電機の固定子巻線に接続された系統側のコンバータと、回転子が翼と機械的に接続される前記交流励磁型発電機の回転子巻線と電気的に接続され、前記系統側のコンバータの直流部分に接続される交流励磁用のコンバータと、前記系統側のコンバータと交流励磁用のコンバータを制御するためのコンバータ制御装置と、前記系統側又は交流励磁用のコンバータの直流部分と接続され、エネルギー消費部を具備する過電流消費装置と、該過電流消費装置を制御するための制御装置を備え、前記交流励磁用のコンバータの過大電流が検出された時に、前記コンバータ制御装置により交流励磁用のコンバータを停止し、前記制御装置により前記過大電流消費装置のエネルギー消費部で前記過電流を消費することを特徴とする風力発電システム。
2. 電力系統に接続される固定子巻線と風車の翼に機械的に接続される回転子の巻線である回転子巻線を具備した交流励磁型発電機と、前記固定子巻線と電力系統に接続される系統側のコンバータと、前記回転子巻線及び前記系統側のコンバータの直流部と接続される交流励磁用のコンバータと、前記系統側のコンバータと交流励磁用のコンバータを制御するための制御装置と、前記直流部に短絡スイッチ部を介して接続され複数の抵抗器で構成されるエネルギー消費部を有する過電流消費装置とを備え、前記制御装置は、前記交流励磁型発電機と交流励磁用のコンバータとの間の電流を検出する手段又は直流電圧上昇検知手段により過大電流が検出された時は、前記短絡スイッチ部により短絡させる及び前記交流励磁用のコンバータのゲートを停止させ、前記エネルギー消費部の複数の抵抗器に過大電流を流すことを特徴とする風力発電システム。
3. 前記電力系統の逆相成分を検出手段により逆相成分が大きいと判定された時は、短絡を解除する時に、順次オフする前記複数の抵抗器のうちの最後に抵抗器のオン時間を延長する請求項２に記載の風力発電システム。
4. 前記系統側のコンバータの出力交流電流の過電流を検知する過電流検知手段を備え、前記過電流検知手段により過電流が検出された場合に、前記系統側のコンバータを一旦停止させ、その後再起動を行う再起動手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電システム。
5. 前記制御装置は複数の抵抗器の消費エネルギーを計算する手段を具備し、該手段により計算された消費エネルギーが抵抗器の許容値を越えた時に、抵抗器のオンを防止することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電システム。

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