JP2012231607A

JP2012231607A - 風力発電装置

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Publication number: JP2012231607A
Application number: JP2011098464A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Umezawa; 一喜梅沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-22

Abstract

【課題】稼働率および変換効率が高くなるとともに、制御を円滑に行うことのできる風力発電装置を提供することを課題とする。
【解決手段】風車と、これにより駆動される発電機と、この発電機の出力を電力系統に供給するための電力変換装置とを備えた風力発電装置において、前記発電機が２組の出力巻線を備え、前記電力変換装置が２組の電力変換装置を備え、風速に応じて、前記発電機の各組の出力巻線をそれぞれ前記の各組の電力変換装置に個別にまたは並列に切替え接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力により回転駆動される風車により発電機を駆動して発電を行い、発電した電力を電力系統へ給電する風力発電装置に関する。

近年、地球温暖化の抑制のために、自然エネルギーの風力を利用した風力発電装置の導入が拡大し、その重要性も高まり、より安定した運転が可能な装置が要求されるようになってきた。

風力発電装置は、風車と、これによって駆動される発電機と、発電機の出力を、系統と連系するための電力変換装置とで構成される(特許文献１参照)。

また、風力発電装置の発電量は、風速の３乗に比例するので、風速の変動に伴う発電量の変動が大きく、かつ低風速での発電量の低下が著しくなる。このため、風力発電装置では、風速の変動する中で、可能な限り効率よく大きな電力を取り出すために種々の工夫が行われている。

特許文献２に示す風力発電装置は、複数の出力巻線を組み込んだ発電機、または、１軸に結合した複数の発電機により構成した発電機を風車により駆動し、風速に応じて、発電機の複数の出力巻線の接続を切り替えて取り出すようにしたものである。この従来の風力発電装置によれば、風速が高いときは、発電機の複数の出力巻線を並列に接続して大電力を取り出し、風速が低いときには並列接続した複数の出力巻線のうちの幾つかを切り離して、少数の、例えば１つの出力巻線から小電力を取り出すことにより、風速によって大幅に変動する風車の回転数を効率よく制御することができる。しかし、発電機の出力巻線の接続を切替える時に発電機および風車への電気的および機械的な大きなショックが生じ、制御の円滑性が欠ける不都合がある。

さらに、風力発電装置に備えられる電力変換装置は、他の機器に比べて故障率の高い電子部品を多く含んでいるため、１台だけ設けたのでは、故障率が高くなり、発電装置の稼働率が低下する不都合がある。また、１台の電力変換装置によれば、風速が低下して小電力しか発電されていないときでも、発電機の定格容量で運転が行われるので、電力変換装置の変換効率が悪くなる不都合もある。

特開平１１‐０６２８１４号公報特開２００７‐０８９３６５号公報

この発明は、前記のような従来の風力発電装置における不都合を解消するために、稼働率および変換効率が高くなるとともに、制御を円滑に行うことのできる風力発電装置を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、請求項１の発明は、風車と、これにより駆動される発電機と、この発電機の出力を電力系統に供給するための電力変換装置とを備えた風力発電装置において、前記発電機が２組の出力巻線を備え、かつ前記電力変換装置が２組の電力変換装置を備え、前記発電機の各組の出力巻線をそれぞれ前記の各組の電力変換装置に個別にまたは並列に切替え接続する手段を有することを特徴とするものである。

請求項１の発明は、前記各組の電力変換装置は、発電機側コンバータとこのコンバータに平滑コンデンサを有する直流中間回路を介して接続された系統側インバータおよび前記直流中間回路に接続されたチョッパ制御抵抗負荷回路とを備えるようにすることができる（請求項２）。
請求項２の発明においては、風速が規定の風速より高い状態では通常運転モードとし、前記２組の電力変換装置にそれぞれ前記発電機の各組の出力巻線を接続し、これらの２組の電力変換装置を並行して運転し、風速が規定の風速より低い状態では低風速運転モードとし、前記２組の電力変換装置の何れか一方の電力変換装置の運転を停止し、他方の電力変換装置に前記発電機の２組の出力巻線を並列に接続して、この電力変換装置を単独運転するのがよい（請求項３）。
請求項３の発明においては、通常運転モードから低風速運転モードへの切り替え時、および低風速運転モードから通常運転モードへの切り替え時に、運転から運転停止、または運転停止から運転開始への運転切り替えを行う電力変換装置において、この運転切り替えの過程で前記発電機の発生電力を前記チョッパ制御抵抗負荷回路で負担するようにすることにより、運転の切り替えを円滑に行うことができる（請求項４）。

請求項１から４の何れかの発明おいて、前記発電機の並列に接続された２組の出力巻線に接続する１組の電力変換装置を、各組の電力変換装置の稼働する時間ができる限り均等になるように決められた順序で選択するのがよい(請求項５)。

請求項６の発明は、風車と、この風車により駆動される発電機とを備え、かつ発電機側コンバータと平滑コンデンサを有する直流中間回路を介して接続された系統側インバータおよび前記直流中間回路に接続されたチョッパ制御抵抗負荷回路とで構成された電力変換装置を備え、この電力変換装置により前記発電機の出力を電力系統に送るようにした風力発電装置であって、前記発電機が２組の出力巻線を備えるとともに、前記電力変換装置が２組の電力変換装置を備え、かつ、前記発電機の各組の出力巻線をそれぞれ前記各組の電力変換装置に個別または並列に切替え可能に接続したものにおいて、
所定風速より高い風速で運転する通常運転モードでは、前記発電機の２組の発電機出力巻線をそれぞれ前記各組の電力変換装置に接続して前記２組の電力変換装置を並行に運転し、所定風速より低い風速で運転する低風速運転モードでは、何れか一方の組の電力変換装置の運転を停止し、他方の組の電力変換装置に前記発電機の２組の出力巻線を並列に接続してこの他方の組の電力変換装置を単独で運転することを特徴とするものである。

また、請求項６の発明においては、低風速運転モードで運転中に風速の増大により通常風速運転モードに切り替える際に、停止していた側の組の電力変換装置の運転を開始する前に、この組の電力変換装置内の直流中間回路の平滑コンデンサを前記発電機側または電力系統側から規定電圧まで充電してから、この組の電力変換装置の発電機側コンバータを前記発電機の並列接続されている２組の出力巻線に接続して運転を開始するとともに、直流中間回路のチョッパ制御抵抗負荷回路を動作させてこの負荷回路により負荷をとり、前記２組の電力変換装置の発電機側コンバータの運転が平衡したところで、前記発電機の２組の出力巻線の並列接続を切り離し、前記運転を停止していた側の組の電力変換装置の前記チョッパの動作を停止して系統側インバータの運転を開始するのがよい（請求項７）。

この発明よれば、風車により駆動される発電機の発電機出力巻線を２組設け、これに対応して発電機の発生電力を電力系統へ送る電力変換装置も２組設けているので、１組の電力変換装置が故障しても他方の正常な電力変換装置を使用して風力発電装置の運転を継続することができるので、風力発電装置の稼働率を高めることができる。そして、大きな発電電力の得られる通常風速運転状態では並列に構成して２組の電力変換装置を並行運転し、発電電力の低下する低風速運転状態においては、発電機の２組の発電機出力巻線を並列接続して、２組の何れか一方の組の電力変換装置に接続して１組の電力変換装置の単独運転することができるので、低風速運転状態での発電機および電力変換装置の運転効率を高めることができる。

この発明の風力発電装置の実施例を示すブッロク構成図。この発明の風力発電装置の実施例の主回路を示す回路構成図。図１に示す風力発電装置の動作波形図。通常運転状態（電力変換装置の２台運転状態）の動作説明図。電力変換装置の２台運転から１台運転への切替準備状態の動作説明図。電力変換装置の１台運転への移行過程の動作説明図。電力変換装置の１台運転へ移行した状態（低風速運転状態）の動作説明図。電力変換装置の１台運転から２台運転への切替準備状態の動作説明図。電力変換装置の２台運転への移行過程の動作説明図。電力変換装置の２台運転へ移行した状態（通常運転状態）の動作説明図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の風力発電装置の実施例を示すブロック構成図である。

図１において、１は、風力により回転駆動される風車、２は、この風車１により駆動される永久磁石交流発電機である。この発電機２は、永久磁石の磁極を有する回転子２１を備え、この回転子２１は、風車１に連結され、回転駆動される。発電機２の固定子には起電力を発生しこの電力を出力する２組の出力巻線２２_A，２２_Bが設けられている。発電機２の各出力巻線２２_A，２２_Bの容量は、両方の巻線で発電機２の定格容量となるように任意に選ぶことができるが、ここではそれぞれ定格容量の５０％の容量としている。３は、風車１の受ける風力の風速を検出する風速計である。

さらに、４_A，４_Bは、それぞれ発電機２の各出力巻線２２_A，２２_Bから出力される交流電力を系統電力と同じ周波数の交流電力に変換して商用電源等に接続された系統母線８へ送る電力変換装置であり、２組設けられている。各電力変換装置４_A，４_Bは、発電機の出力巻線２２_A，２２_Bと同様に発電機２の定格容量の５０％の容量に選ばれている。５は、風力発電装置からその都度の風速における最大電力が取り出されるように全体を制御する発電制御装置、６_A，６_Bはそれぞれ、発電制御装置５から指令を受けて電力変換装置４_A，４_Bの変換動作を制御する電力変換制御装置、７は、電力変換装置４_A，４_Bの出力を、系統母線８に接続するための連系変圧器である。

電力変換装置４_A，４_Bは、図２に示すように、それぞれトランジスタとダイオードとを逆並列接続して形成したスイッチング回路を３相ブリッジ接続して構成され、発電機２から供給される３相交流電力を直流電力に変換する発電機側コンバータ４１_A，４１_Bと、同様にスイッチング回路を３相ブリッジ接続して構成され、前記コンバータの直流出力を３相交流電力に変換する系統側インバータ４２_A，４２_Bとを備え、このコンバータとインバータとを連系する直流中間回路には、平滑コンデンサ４５_A，４５_Bと、チョッパ４３_A，４３_Bと負荷抵抗４４_A，４４_Bとで構成されたチョッパ制御抵抗負荷回路とが接続されている。このチョッパ制御抵抗負荷回路は、直流中間回路の電圧、したがって平滑コンデンサ４５_A，４５_Bの電圧を監視していて、この電圧が予め設定された規定電圧以上にならないように調整する機能を有する。

発電機側コンバータ４１_A，４１_Bの入力は、風車１で駆動される交流発電機２の各出力巻線２２_A，２２_Bから引き出された出力母線２３_A，２３_BにスイッチＳＧ_A、ＳＧ_Bを介して接続さる。系統側インバータ４２_A，４２_Bの出力は、それぞれスイッチＳＳ_A，ＳＳ_Bを介して連系変圧器７の１次巻線７１に接続され、この連系変圧器の２次巻線７２が系統開閉スイッチＳＢを介して系統母線８に接続される。スイッチＳＰは、オフした状態で独立構成とされた発電機２の２組の出力巻線２２_A，２２_Bを、オンすることにより並列接続構成に切り替える接続切替スイッチである。

さらに、各電力変換装置４_A，４_Bの直流中間回路の平滑コンデンサの初期充電時の突入電流を抑制するために、各発電機側コンバータ４１_A，４２_Bの入力に接続された充電抵抗ＲＣ_A，ＲＣ_Bを、それぞれ、充電スイッチＳＣ１_A，ＳＣ２_AおよびＳＣ１_B，ＳＣ２_Bを介して、交流発電機２の出力母線２３_A，２３_Bおよび系統変圧器の１次巻線７１_A，７１_Bに接続して構成した充電回路が設けられている。これにより、発電機側および系統側のどちらからでも平滑コンデンサの初期充電を行なうことができる。

このように構成された風力発電装置における制御装置の機能をもう少し詳しく説明する。

発電制御装置５は、風車１に付設された風速計３で検出された風車１の受ける風速Ｗｓを監視する。トルク演算指令部５１においては、この風速から、風車特性に応じた最適なトルク指令Ｔ^*を算出し、この算出したトルク指令Ｔ^*を電力変換制御装置６_A，６_Bに送出する。電力変換制御装置６_A，６_Bは、相互に運転状態の情報を交換し、両方の電力変換制御装置が運転されているときはトルク指令Ｔ^*の１／２の値をそれぞれのトルク指令値Ｔ_A ^*，Ｔ_B ^*とする。一方、電力変換制御装置６_A，６_Bが、いずれか１台のみが運転されているときは、トルク指令Ｔ^*をそのままトルク指令値Ｔ_A ^*またはＴ_B ^*とする。

なお、ピッチ制御部５２は、風車１の回転数が、前記の検出された風速に対応する最適回転数となるように風車１へピッチ制御信号Ｐｃを送り、風車の羽根のピッチを制御することにより、風車１の回転数を、風速に対応した最適回転数に保つ。

各電力変換制御装置６_A，６_Bの発電機側コンバータ側の電力調節部６１_A，６１_Bは、それぞれトルク指令部５１から受け取ったトルク指令値Ｔ_A ^*，Ｔ_B ^*対応する電力指令値Ｐ_A ^*，Ｐ_B ^*を求め、この電力指令値と、発電機側コンバータの入力側の検出電圧ＶＧ_A，ＶＧ_Bおよび電流ＩＧ_A，ＩＧ_Bから求め発電機の出力電力ＰＧ_A，ＰＧ_Bとを比較して両者の偏差が零となるような電流指令値Ｉ_A ^*，Ｉ_B ^*を求める調節演算を行う。この電流指令値Ｉ_A ^*，Ｉ_B ^*は、それぞれ電流調節部６２_A，６２_Bに与えられ、ここでコンバータ４１_A，４１_Bの入力電流ＩＧ_A，ＩＧ_Bと比較され、偏差が零になるようにコンバータ４１_A，４１_Bの変換動作を制御する。これによりコンバータ４１_A，４１_Bは、発電機２の出力電力を、指令された電力の直流電力に変換する。

一方、系統側インバータ４２_A，４２_Bを制御する電力調節部６３_A，６３_B、電流調節部６４_A，６４_Bも、発電機側コンバータ４１_A，４１_Bを制御する電力調節部６１_A，６１_B、電流調節部６２_A，６２_Bと同様に、系統８へ送られる交流電力が発電制御装置５の電力演算指令部５１から与えられる電力指令値Ｐ_A ^*，Ｐ_B ^*と等しい電力となるように、インバータ４２_A，４２_Bの変換動作を制御する。

電圧調節部６５_A，６５_Bは、コンバータ４１_A，４１_Bとインバータ４２_A，４２_Bの間の直流中間回路の電圧ＶＤ_A，ＶＤ_Bを検出してこの電圧が予め設定した電圧設定値Ｖ^*を超えないようにチョッパ４３_A，４３_Bの導通を制御する動作を行う。この電圧が電圧調節部６５_A，６５_Bによってチョッパ４３_A，４３_Bの導通を制御することにより、系統側のインバータ４２_A，４２_Bが変換電力を系統へ出力できなくなったとき、抵抗４４_A，４４_Bによって電力が消費され直流中間回路の電圧ＶＤの上昇を抑えることができる。

また、発電制御装置５の運転制御部５３は、スイッチＳＧ_A，ＳＧ_B，ＳＳ_A，ＳＳ_Bの開閉状態から電力変換装置４_A，４_Bの運転状態を検知し、その運転時間をカウントするなどして、電力変換装置４_A，４_Bを単独運転する際には、両方の電力変換装置を交互に均等に選択制御すことにより両方の電力変換装置の運転時間の平均化を図る機能をする。

次に、図３を参照して実施例装置の動作を具体的に説明する。

ここでは、風速が定格の１００％から２８％に低下し、さらに６０％に増加するような変化を示したときを例にとって説明する。また風速が１００％から３０％までの間での運転を通常運転、風速が定格の３０％以下の風速に低下したところでの運転を低風速運転と呼ぶことにする。

定格の１００％の風速のｔ0時点では通常運転モードで運転されており、トルク指令部５１から定格の１００％のトルク指令Ｔ^*が発生され、２組の電力変換装置の電力変換制御装置６_A，６_Bにその１／２の５０％のトルク指令Ｔ_A ^*，Ｔ_B ^*がそれぞれ送られる。このときは、発電機２から定格の１００％の電力を得る必要があるので、出力巻線２２_A，２２_Bの出力端に接続された接続切替スイッチＳＰはオフにされ、出力巻線２２_A，２２_Bの並列接続が解除されている。そして、スイッチＳＧ_A，ＳＧ_BおよびＳＳ_A，ＳＳ_Bがオンにされ、発電機２の出力巻線２２_A，２２_Bの出力は、それぞれ電力変換装置４_A，４_Bおよび連系変圧器７を介して系統母線８に送られる。

電力変換装置４_A，４_Bの発電機側コンバータ４１_A，４１_Bの変換動作を制御する電力調節部６１_A，６１_Bは、トルク指令部５１から与えられた定格の５０％のトルク指令Ｔ_A ^*、Ｔ_B ^*に対応して内部に設定する電力指令Ｐ_A*，Ｐ_B ^*を定格の５０％に設定し、電圧検出器４６_A，４６_B，電流検出器４７_A，４７_Bにより検出した発電機出力電圧ＶＧ_A，ＶＧ_Bおよび電流ＩＧ_A，ＩＧ_Bから、それぞれ、発電機２の出力巻線２２_A，２２_Bから出力される発電機の出力電力ＰＧ_A，ＰＧ_Bを求め、これらが、前記の電力指令Ｐ_A ^*、Ｐ_B ^*と一致するように電力調節部６２_A，６２_Bを介して発電機側コンバータ４１_A，４１_Bの交流電力から直流電力へ変換する動作を制御する。また、系統側電力調節部６２_A，６２_Bも同様に、発電制御装置５のトルク指令部５１から与えられた定格の５０％のトルク指令Ｔ_A ^*、Ｔ_B ^*に対応して内部に設定する電力指令Ｐ_A ^*，Ｐ_B ^*を定格の５０％に設定し、電圧検出器４８_A．４８_Bおよび電流検出器４９_A，４９_Bから検出される系統側インバータ４２_A，４２_Bの出力電圧ＶＳ_A，ＶＳ_Bおよび電流ＩＳ_A，ＩＳ_Bから系統側インバータ４２_A，４２_Bの出力電力ＰＳ_A，ＰＳ_Bを求め、これらの出力電力ＰＳ_A，ＰＳ_Bが前記の電力指令Ｐ_A ^*，Ｐ_B ^*と一致するようにそれぞれ電流調節部６４_A，６４_Bを介してインバータ４２_A，４２_Bの直流電力から交流電力への変換動作を制御する。
これは通常運転状態であり、２台の電力変換装置４_A，４_Bが共に運転されており、図４−１に矢印で示すように、電力調節部６１_A，６１_B，６２_A，６２_Bに設定された電力指令Ｐ_A ^*，Ｐ_B ^*に等しい定格の５０％ずつの電力が発電機２の出力巻線２２_A，２２_Bから取り出されて電力変換装置４_A，４_Bを介して並行して系統母線８へ送られる。

風速がt１時点から低下をはじめ、t３時点で２８％まで達すると、トルク指令部５１から与えられるトルク指令Ｔ^*がこの風速の変化に合わせて図３の（ａ）に示すように、定格の２８％となるまで低下する。この風速の低下過程において、トルク指令Ｔ^*が運転モードの切替設定値である、例えば定格トルクの３０％に達するｔ２時点において、運転制御部５３から運転モードを通常運転モードから低風速運転モードへ切り替える指令が出され、接続切替スイッチＳＰがオンされ、低風速運転モードへの移行の準備が行われる（図３（ａ）、（ｄ））参照）。

接続切替スイッチＳＰのオン指令が送出されたところで、Ｂ系統の電力変換装置４_Bは、電力調節部６２_Bから系統側インバータ４２_Bへの制御パルスをオフにしてこれを停止させ、同時に電圧調節部６５_Bが同系統のチョッパ４３_Bに制御パルスを送りこれの動作を開始することにより、Ｂ系統の発電機側コンバータ４１_Bにより直流電力に変換された発電機２の出力巻線２２_Bの発生電力は、系統８へ送出される代わりにチョッパ制御負荷回路の抵抗により消費されることにより確保される（図４−２参照）。
そして、接続切替スイッチＳＰがオンされることにより、さらに発電制御装置５の運転制御部５３が、運転台数指令を２台運転から１台運転へ切り替えを指令するため、予め設定された切り替え順序に従って、運転の継続される側、ここではＡ系統の電力変換制御装置６_Aへ、トルク指令Ｔ_A ^*を２倍（１４％を２８％に）にして与え、停止する側、ここではＢ系統の電力変換制御装置６_Bへのトルク指令Ｔ_B ^*は零にするとともに、このＢ系統の発電機側コンバータ４１_Bへの制御パルスをオフしてこれの運転を停止し、かつ、チョッパ４３_Bの運転を停止する（図３（ｅ）、（ｍ）、（ｐ）、（ｑ）参照）。この状態での電力の流れは、図４−３に矢印で示すように、発電機２の出力巻線２２_Bの出力電力がスイッチＳＰを介してＡ系統の電力変換装置４_A側に流れるようになる。

１台運転への切り替え時の電力変換装置の選択は、２台の電力変換装置４_A，４_Bの運転積算時間が平均化されるように、両方の電力変換装置の運転積算時間を監視するなどして、予め定めたアルゴリズムに従って決定するようにしている。

さらに、発電機側コンバータ４１_Bおよび系統側インバータ４２_Bが両方とも運転を停止したところで、このＢ系統の発電機側スイッチＳＧ_Bおよび系統側のスイッチＳＳ_Bをオフにして（図３（ｎ），（ｏ）参照）、このＢ系統の電力変装置４_Bを系統８から完全に切り離すことにより、発電機２の２組の出力巻線の出力電力を並列に合わせた電力を１台のＡ系統の電力変換装置４_Aから系統母線８へ送る、低風速運転モードへ移行する。

この低風速運転モードでは、図４−４に示すように、発電機２の２組の出力巻線２２_A，２２_Bの出力を並列に加えた電力を１台の電力変換装置４_A（または４_B）で所定の電力に変換して系統母線８へ送るようになるので、運転を継続している変換装置としては２台運転の場合より大きな電力を変換することになり、変換効率を高くすることができる。

なお、前記の低風速運転モードにおいては、電力変換装置側から発電制御装置５へ電力低減指令ＰＤが出されているため、トルク指令部５１の出力する最大のトルク指令Ｔ^*が、定格の４５％に制限されるようになる。

このため、風速がｔ５時点から増加を始め、２８％トルク指令相当から６０％トルク指令に相当するまで増大しても、発電制御装置５のトルク指令部５１から出力されるトルク指令Ｔ^*は、４５％のトルク指令に達したｔ６時点から、４５％のトルク指令に一定に保たれる（図３（ａ）参照）。

風速の増大により、トルク指令が、予め設定した運転モード切替設定値の例えば定格の４５％に達したｔ６時点で、運転を停止しているＢ系統のスイッチＳＧ_BおよびＳＳ_Bがオンにされ、かつ、Ｂ系統の発電側コンバータ４１_Bへの制御パルスをオンにして、電力変換装置の２台運転となる通常運転モードへの移行の準備が開始される。

この後、ｔ７時点で、運転制御部５３から２台運転への切替指令が出され、両系統へ４５％の１／２の２２．５％のトルク指令Ｔ_A ^*、Ｔ_B ^*が与えられ、かつＢ系統のチョッパ４３_Bがオンされる。これにより、Ｂ系統の発電機側コンバータ４１_Bが電力変換動作を開始し、２台運転への移行を始める。この状態では、図４−６に示すように、発電機２で発生される電力は、定格の２２．５％の電力がＡ系統の電力変換装置４_Aから系統８へ送られ、残りの定格の２２．５％の出力巻線２２_Bの電力は、Ｂ系統の発電機側コンバータ４１_Bからチョッパ４３_Bを介して、抵抗４４_Bで負担されるようになる。

次いで、ｔ８時点において、図３（ｄ）に示すように、接続切替スイッチＳＰがオフにされる。これにより発電機２の２組の出力巻線２２_A，２２_Bの並列接続がショックなしに解除され、出力巻線２２_A，２２_Bがそれぞれ個別に電力変換装置４_A，４_Bに接続される。同時に、Ｂ系統の系統側インバータ６２_Bをオンにし、チョッパ４３_Bをオフにして、Ｂ系統の電力変換装置４_Bから系統８への電力供給を開始し、電力変換装置２台運転へ移行する。

２台運転へ移行されると、ｔ９時点で電力低減指令ＴＤが解除される（図３（ｂ）参照）。これにともなって、トルク指令Ｔ^*の制限が解除されることにより、トルク指令部５１からはそのときの風速に対応した定格の６０％のトルク指令Ｔ^*が発生され、電力変換装置４_A，４_Bへの指令トルクＴ_A ^*，Ｔ_B ^*がその１／２の３０％のトルク指令に変更される（図３（ｅ），（ｍ）参照）。これによって、電力変換装置４_A，４_Bが完全に２台運転に移行を完了し、電力変換装置４_Aおよび４_Bは、それぞれ、図４−７に示すようにその時の風速に対応して発電機２で発生される定格の６０％電力を、定格の３０％ずつ分担して、系統８へ送る。

このように、この発明によれば、風速に応じて自動的に運転モードを切り替えて運転を行うので、風力発電装置を高効率で運転することができる。すなわち、高風速時の通常運転モードでは、発電機の出力電力が大きくなるが、２組の出力巻線２２_A，２２_Bが１／２ずつ分担するので、各出力巻線に流れる電流は定格電流の１／２となるため、各出力巻線の抵抗損を減らすことが出来、発電効率を高めることができる。また、低風速時の低風速運転モードにおいては、発電機の出力電力が低下するが、２組の出力巻線の出力電力を合わせされて１台の電力変換装置で変換することになるので、２台の電力変換装置で変換する場合より変換電力が増えることにより電力変換装置の変換効率が高くなる。

また、この発明においては、通常運転モードにおいても、２組の電力変換装置のうちの１組の電力変換装置が故障した場合、低風速運転モードにおけるように正常な電力変換装置での１台運転に切り替えて運転を継続することができる。このため、この場合は、変換する電力が、最大で定格電力の５０％に低下するが、１台の電力変換装置が故障しても風力発電装置の運転を停止することなく継続することができるので、風力発電装置の稼働率が高くなる。故障した電力変換装置は、正常な電力変換装置を１台運転している間に取り外して修理を行うことができる。

また、風速の変化に伴って運転モードを変化する際、運転の切り替えが行われる電力変換装置内のチョッパ制御負荷回路において移行過程での電力の変動を負担することにより、発電機に対して大きな負荷変動を与えることなく極めて円滑に運転モードの切替を行うことができる。

１：風車、２：発電機、２２_A，２２_B：出力巻線、３：風速計、４_A，４_B：電力変換装置、４１_A，４１_B：発電機側コンバータ、４２_A，４２_B：系統側インバータ、４３_A，４３_B：チョッパ、４４_A．４４_B：抵抗、５：発電制御装置、６_A，６_B：電力変換性制御装置、７：連系変圧器、８：電力系統母線。

Claims

風車と、これにより駆動される発電機と、この発電機の出力を電力系統に供給するための電力変換装置とを備えた風力発電装置において、前記発電機が２組の出力巻線を備え、かつ前記電力変換装置が２組の電力変換装置を備え、前記発電機の各組の出力巻線をそれぞれ前記の各組の電力変換装置に個別にまたは並列に切替え接続する手段を有することを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置において、前記各組の電力変換装置は、発電機側コンバータとこのコンバータに平滑コンデンサを有する直流中間回路を介して接続された系統側インバータおよび前記直流中間回路に接続されたチョッパ制御抵抗負荷回路とを備えることを特徴とする風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置において、風速が規定の風速より高い状態では通常運転モードとし、前記２組の電力変換装置にそれぞれ前記発電機の各組の出力巻線を接続し、これらの２組の電力変換装置を並行して運転し、風速が規定の風速より低い状態では低風速運転モードとし、前記２組の電力変換装置の何れか一方の電力変換装置の運転を停止し、他方の電力変換装置に前記発電機の２組の出力巻線を並列に接続して、この電力変換装置を単独運転することを特徴とする風力発電装置。
請求項３に記載の風力発電装置において、通常運転モードから低風速運転モードへの切り替え時、および低風速運転モードから通常運転モードへの切り替え時に、運転から運転停止、または運転停止から運転開始への運転切り替えを行う電力変換装置において、この運転切り替えの過程で前記発電機の発生電力を前記チョッパ制御抵抗負荷回路で負担することを特徴とする風力発電装置。
請求項１から４の何れか１項に記載の風力発電装置において、前記発電機の並列に接続された２組の出力巻線に接続する１組の電力変換装置を、各組の電力変換装置の稼働する時間ができる限り均等になるように決められた順序で選択することを特徴とする風力発電装置。
風車と、この風車により駆動される発電機とを備え、かつ発電機側コンバータと平滑コンデンサを有する直流中間回路を介して接続された系統側インバータおよび前記直流中間回路に接続されたチョッパ制御抵抗負荷回路とで構成された電力変換装置を備え、この電力変換装置により前記発電機の出力を電力系統に送るようにした風力発電装置であって、前記発電機が２組の出力巻線を備えるとともに、前記電力変換装置が２組の電力変換装置を備え、かつ、前記発電機の各組の出力巻線をそれぞれ前記各組の電力変換装置に個別または並列に切替え可能に接続したものにおいて、
所定風速より高い風速で運転する通常運転モードでは、前記発電機の２組の発電機出力巻線をそれぞれ前記各組の電力変換装置に接続して前記２組の電力変換装置を並行に運転し、所定風速より低い風速で運転する低風速運転モードでは、何れか一方の組の電力変換装置の運転を停止し、他方の組の電力変換装置に前記発電機の２組の出力巻線を並列にして接続してこの他方の組の電力変換装置を単独で運転することを特徴とする風力発電装置。
請求項６に記載の風力発電装置において、低風速運転モードで運転中に風速の増大により通常風速運転モードに切り替える際に、停止していた側の組の電力変換装置の運転を開始する前に、この組の電力変換装置内の直流中間回路の平滑コンデンサを前記発電機側または電力系統側から規定電圧まで充電してから、この組の電力変換装置の発電機側コンバータを前記発電機の並列接続されている２組の出力巻線に接続して運転を開始するとともに、直流中間回路のチョッパ制御抵抗負荷回路を動作させてこの負荷回路により負荷をとり、前記２組の電力変換装置の発電機側コンバータの運転が平衡したところで、前記発電機の２組の出力巻線の並列接続を切り離し、前記運転を停止していた側の組の電力変換装置の前記チョッパの動作を停止して系統側インバータの運転を開始することを特徴とする風力発電装置。