JP2013066319A - Wind generator system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wind generator system, controlling generated power of a generator with a power converter, capable of preventing excessive rotation of a blade and failure of the power converter by variably controlling a pitch angle of the blade, thus controlling input energy from the blade corresponding to transmittable power of the power converter, when the transmittable power is restricted due to degradation in cooling performance for cooling the power converter.SOLUTION: The wind generator system comprises: cooling performance detection means for detecting cooling performance of a cooling system or a cooling state of a power converter including a converter and an inverter; and pitch angle command value correction means for correcting a pitch angle command value calculated by a pitch angle command value calculation means. On the basis of a detection result of the cooling performance detection means, the pitch angle command value correction means corrects the pitch angle command value and performs a command of variably controlling a pitch angle of the blade.

Description

本発明は、電力系統と連系し、風力による入力エネルギーから発電機を用いて発電し、前記発電電力を、電力変換器を用いて所望の電力に変換して前記電力系統に送電する風力発電システムに関するものである。   The present invention relates to a wind power generation system that is connected to a power system, generates electric power from input energy by wind power using a generator, converts the generated power into desired power using a power converter, and transmits the power to the power system. It is about the system.

近年、風力発電システムの発電効率向上のため、インバータやコンバータといった電力変換器を用いて発電機を可変速で運転する可変速風力発電システムが主流になっている。   In recent years, in order to improve the power generation efficiency of wind power generation systems, variable speed wind power generation systems that operate power generators at variable speeds using power converters such as inverters and converters have become mainstream.

該可変速風車システムのエネルギー伝達部は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード、該ブレードにより得られた回転エネルギーを増速器であるギアに伝えるシャフト、該シャフトに機械的に接続されるギア、該ギアに機械的に接続され回転エネルギーを電力に変換する発電機、該発電機の出力周波数を連系する電力系統の周波数に変換する電力変換器、該電力変換器により商用周波数に変換された交流電力を昇圧して電力系統に送電する変圧器、により構成される。   The energy transmission unit of the variable-speed wind turbine system is mechanically connected to a blade that converts wind energy into rotational energy, a shaft that transmits rotational energy obtained by the blade to a gear that is a speed increaser, and the shaft A gear, a generator mechanically connected to the gear for converting rotational energy into electric power, a power converter for converting the output frequency of the generator into a frequency of an interconnected power system, and conversion into a commercial frequency by the power converter And a transformer that boosts the AC power generated and transmits the AC power to the power system.

該風力発電システムが風から該風力発電システムの定格に相当する入力エネルギーを受け取っており、なおかつ何らかの要因により該電力変換器より連系する電力系統へ送電する電力が制限される場合、入力エネルギーである風のエネルギーと、電力系統に出力する電気エネルギーに差異が生じ、このエネルギー差によりブレードの回転数が増して過回転になる恐れがある。   When the wind power generation system receives input energy corresponding to the rating of the wind power generation system from the wind, and the power transmitted from the power converter to the power grid connected to the power converter is limited by some factor, the input energy There is a difference between the energy of a certain wind and the electrical energy output to the power system, and this energy difference may increase the rotation speed of the blade and cause over-rotation.

電力変換器が系統に送電する電力は、連系点における系統電圧と系統に流す電流の積である。地絡等の系統事故が発生した場合、該系統電圧が定格値より低くなる。電力変換器は通常、定格電流以上の電流を継続して流すことはできないため、系統事故継続期間において、電力変換器の送電可能電力は定格値以下に制限されてしまう。ゆえに、風力発電システムがその定格近傍の発電をしている状態で系統事故が発生すると、ブレードが過回転になる恐れがある。   The power transmitted to the grid by the power converter is the product of the grid voltage at the interconnection point and the current flowing through the grid. When a system fault such as a ground fault occurs, the system voltage becomes lower than the rated value. Since a power converter usually cannot continuously flow a current equal to or higher than the rated current, the power that can be transmitted by the power converter is limited to a rated value or less during the system fault continuation period. Therefore, if a system fault occurs in a state where the wind power generation system is generating power in the vicinity of the rating, the blade may be over-rotated.

特許文献1では、電力系統の事故を検出した場合、風車のピッチ角をフェザー状態にして風の入力エネルギーを低減させるとともに、クローバー回路を投入することで電力変換器への過電流流入を防止する方法が開示されている。   In Patent Document 1, when an accident in the power system is detected, the wind turbine pitch angle is set to the feather state to reduce the input energy of the wind, and the crowbar circuit is inserted to prevent the overcurrent from flowing into the power converter. A method is disclosed.

また、特許文献2では、電力系統事故継続中に適切にピッチ角を制御することで系統事故継続中のブレード回転速度を該風力発電システムの運転可能範囲に保ち、系統事故が解除されたことを検出したら速やかに発電を再開させる技術が開示されている。   Further, in Patent Document 2, by appropriately controlling the pitch angle during the power system accident, the blade rotation speed during the system accident is maintained within the operable range of the wind power generation system, and the system accident is canceled. A technique for restarting power generation as soon as it is detected is disclosed.

WO2004/067958WO2004 / 0697958 特許第4501958号公報Japanese Patent No. 4501958

上記公知技術は、系統側の要因により風力発電システムの定格電力を受け取ることができなくなる事象に対する解決策である。一方、系統側の要因ではなく、電力変換器自体の要因により風力発電システムの定格電力を系統に送れなくなる事象も存在する。   The above known technique is a solution to an event in which the rated power of the wind power generation system cannot be received due to factors on the grid side. On the other hand, there is an event in which the rated power of the wind power generation system cannot be sent to the system due to the factor of the power converter itself, not the factor on the grid side.

具体的には、電力変換器周囲温度上昇によるトリップが考えられる。該電力変換器の動作温度範囲以上に該電力変換器の周囲温度が高くなってしまった場合、電力変換器の十分な冷却能力が得られなくなり、電力変換器内部の部品(半導体スイッチング素子やリアクトル等)の温度が設計値以上に高温になり、故障してしまう可能性がある。   Specifically, a trip due to an increase in ambient temperature of the power converter can be considered. If the ambient temperature of the power converter becomes higher than the operating temperature range of the power converter, sufficient cooling capacity of the power converter cannot be obtained, and the components inside the power converter (semiconductor switching elements and reactors) Etc.), the temperature may become higher than the design value, resulting in failure.

電力変換器の故障を回避するため、電力変換器内部の部品温度を検出し、該部品温度の異常上昇を検出したときには該電力変換器を停止する電力変換器保護方法が考えられるが、該電力変換器が発電を停止することに変わりはない。   In order to avoid failure of the power converter, there is a power converter protection method that detects the temperature of a component inside the power converter and stops the power converter when an abnormal rise in the temperature of the component is detected. The converter will not stop generating electricity.

電力変換器の温度異常により該電力変換器がトリップもしくは発電を停止すると、風力発電システムの入力エネルギーがブレード等の回転体回転エネルギーとして蓄えられ、回転数が上昇し、最終的にはブレードが過回転になる恐れがある。   When the power converter trips or stops power generation due to a temperature abnormality of the power converter, the input energy of the wind power generation system is stored as rotational energy of a rotating body such as a blade, and the rotational speed increases. There is a risk of rotation.

電力変換器周囲温度上昇は、系統側要因とは異なるものであり、ブレード過回転を回避するためには新たな対策機構が必要となる。   The increase in ambient temperature of the power converter is different from the system factor, and a new countermeasure mechanism is required to avoid blade over-rotation.

本発明の課題は、前記電力変換器を冷却する冷却能力の低下により、電力変換器の送電可能電力が制限されたとき、前記送電可能電力に応じたブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止する風力発電システムを提供する。   An object of the present invention is to control input energy from a blade according to the transmittable power when the transmittable power of the power converter is limited due to a decrease in cooling capacity for cooling the power converter, and the blade A wind power generation system that prevents over-rotation of the engine and failure of the power converter is provided.

本発明の課題を解決するための手段として、ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、を有する風力発電システムであって、前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする。   As means for solving the problems of the present invention, a converter for converting variable frequency generated power output from a synchronous generator mechanically connected to a variable pitch angle blade to DC power, and output from the converter A smoothing capacitor that smoothes the DC power; and an inverter that is electrically connected to the power system, converts the DC power from the converter to the fixed frequency AC power through the smoothing capacitor, and outputs the AC power to the power system; A pitch angle command value calculating means for calculating a pitch angle command value for performing variable control of the pitch angle of the blade, and a command for mechanically adjusting the pitch angle from the pitch angle command value; the converter; and A wind power generation system having a cooling system for cooling the inverter, the cooling capacity of the cooling system, or the controller And a cooling capacity detecting means for detecting a cooling state of a power converter including the inverter and the inverter, and a pitch angle command value correcting means for correcting the pitch angle command value calculated by the pitch angle command value calculating means. The pitch angle command value correcting means corrects the pitch angle command value based on the detection result of the cooling capacity detecting means, and variably controls the pitch angle of the blade according to the corrected pitch angle command value. It is characterized by issuing a command to perform.

前記ブレードのピッチ角を可変制御することで、電力変換システムの運転を継続したまま、前記電力変換器の送電可能電力に応じて、前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールでき、前記ブレードの過回転を防止するとともに、前記電力変換器の故障を防ぐことが可能となる。   By variably controlling the pitch angle of the blade, the input energy from the blade can be controlled according to the power that can be transmitted by the power converter while the operation of the power conversion system is continued, and the blade can be over-rotated. In addition to preventing the failure of the power converter.

本発明第一実施例の風力発電システムの全体構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The whole structure explanatory drawing of the wind power generation system of 1st Example of this invention. 本発明第一実施例の風力発電システムの制御システム説明図。Control system explanatory drawing of the wind power generation system of 1st Example of this invention. 本発明第一実施例の電力変換器コントローラ説明図。The power converter controller explanatory drawing of 1st Example of this invention. 本発明第一実施例の冷却能力検出器3000の冷却能力検出テーブル。The cooling capacity detection table of the cooling capacity detector 3000 of the first embodiment of the present invention. 本発明第一実施例の上位コントローラ1000およびピッチ角補正器6000演算ブロック説明図。Explanatory drawing of the high-order controller 1000 and the pitch angle corrector 6000 calculation block of 1st Example of this invention. 本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。Other embodiment explanatory drawing of this invention 1 Example. 本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。Other embodiment explanatory drawing of this invention 1 Example. 本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。Other embodiment explanatory drawing of this invention 1 Example. 本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。Other embodiment explanatory drawing of this invention 1 Example. 本発明第一実施例の動作波形説明図。Explanatory drawing of the operation | movement waveform of 1st Example of this invention. 本発明第二実施例の風力発電システムの電力変換器および冷却システム説明図。The power converter and cooling system explanatory drawing of the wind power generation system of 2nd Example of this invention. 本発明第二実施例の風力発電システムの制御システム説明図。Control system explanatory drawing of the wind power generation system of 2nd Example of this invention. 本発明第三実施例の風力発電システムの制御システム説明図。Control system explanatory drawing of the wind power generation system of 3rd Example of this invention. 本発明第四実施例の風力発電システムの制御システム説明図。Control system explanatory drawing of the wind power generation system of 4th Example of this invention. 本発明第五実施例の風力発電システムの制御システム説明図。Control system explanatory drawing of the wind power generation system of 5th Example of this invention. 本発明におけるブレード10のピッチ角を可変制御した前後の状態についての説明図。Explanatory drawing about the state before and behind variably controlling the pitch angle of the braid | blade 10 in this invention.

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、実施例を説明する各図面では、同一の機能を有する要素には同一の符号をつけてある。また、図13等に示される、同一冷却フィンに設置され、IGBTと該IGBTと逆並列に接続されるダイオードからなる並列体21m〜21r、および22m〜22rを、半導体スイッチング素子21m〜21r、22m〜22rと呼ぶことにする。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings for explaining the embodiments, elements having the same function are given the same reference numerals. Moreover, parallel switching elements 21m to 21r and 22m to 22r, which are installed in the same cooling fin and are connected in reverse parallel to the IGBT, as shown in FIG. 13 or the like, are replaced with semiconductor switching elements 21m to 21r and 22m. Will be referred to as ~ 22r.

本実施例では、電力変換器が冷却水により冷却される場合の風力発電システム1の例を説明する。   A present Example demonstrates the example of the wind power generation system 1 in case a power converter is cooled with cooling water.

本実施例の風力発電システム1は、風のエネルギーをブレードと永久磁石を備えた発電機により電力に変換し、該電力を電力変換器によって商用周波数に変換して電力系統に送電する風力発電システムである。   A wind power generation system 1 according to the present embodiment converts wind energy into electric power by a generator having blades and permanent magnets, converts the electric power to a commercial frequency by a power converter, and transmits the electric power to an electric power system. It is.

図1には、本実施例の風力発電システム1の構成例を示す。   In FIG. 1, the structural example of the wind power generation system 1 of a present Example is shown.

風力発電システム1は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード10、該ブレードを支え、ブレードの回転力をシャフトに伝えるハブ11、回転力をギア14に伝達するシャフト13、ギアと機械的に接続されて回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機15、発電機15から出力された交流電力を連系する電力系統の周波数を持つ電力に変換する電力変換器20、電力変換器20の交流出力電力を昇圧して系統に送る変圧器30により構成される。   The wind power generation system 1 includes a blade 10 that converts wind energy into rotational energy, a hub 11 that supports the blade and transmits the rotational force of the blade to the shaft, a shaft 13 that transmits the rotational force to the gear 14, and the gear mechanically. A generator 15 that is connected to convert rotational energy into electric energy, a power converter 20 that converts AC power output from the generator 15 into power having a frequency of a power system linked thereto, and an AC output of the power converter 20 It is composed of a transformer 30 that boosts electric power and sends it to the system.

発電機15と電力変換器20は電力ケーブル25を介して接続され、また電力変換器20と変圧器30は、電力ケーブル26により接続される。シャフト13、ギア14、発電機15はナセル60内に設置され、電力変換器20はタワー70内に設置される。   The generator 15 and the power converter 20 are connected via a power cable 25, and the power converter 20 and the transformer 30 are connected via a power cable 26. The shaft 13, the gear 14, and the generator 15 are installed in the nacelle 60, and the power converter 20 is installed in the tower 70.

ナセル60の上部には風速計201が設置され、該風速計201の出力は後述の上位コントローラ1000に入力される。電力変換器20は冷却水により冷却される水冷式電力変換器であり、冷却水配管を介して冷却水を冷やす冷却システム3と接続される。   An anemometer 201 is installed in the upper part of the nacelle 60, and the output of the anemometer 201 is input to a host controller 1000 described later. The power converter 20 is a water-cooled power converter that is cooled by cooling water, and is connected to a cooling system 3 that cools the cooling water via a cooling water pipe.

風力発電システム1の動作について、説明する。   The operation of the wind power generation system 1 will be described.

風力発電システム1は、ブレード10が風を受けることにより回転エネルギーを得、該回転エネルギーによりシャフト13、ギア14を介して、発電機15の回転子を回転させる。   The wind power generation system 1 obtains rotational energy when the blade 10 receives wind, and rotates the rotor of the generator 15 via the shaft 13 and the gear 14 by the rotational energy.

発電機15の回転子には永久磁石が備えられており、該回転子が回転することで固定子巻線に鎖交する磁束が変化し、固定子巻線には交流の誘起電力が発生する。   The rotor of the generator 15 is provided with a permanent magnet. When the rotor rotates, the magnetic flux linked to the stator winding changes, and an AC induced power is generated in the stator winding. .

電力変換器20は発電機15の固定子巻線に、該誘起電圧の周波数と等しい周波数を有し、該誘起電圧に対して位相の遅れた交流電圧を出力することにより発電機15から有効電力を受け取る。電力変換器20は発電機15から得た有効電力を電力系統2と等しい周波数に変換し、電力系統2へ送電する。   The power converter 20 has a frequency equal to the frequency of the induced voltage in the stator winding of the generator 15, and outputs an alternating voltage whose phase is delayed with respect to the induced voltage, thereby generating effective power from the generator 15. Receive. The power converter 20 converts the active power obtained from the generator 15 into a frequency equal to that of the power system 2 and transmits the power to the power system 2.

風からの入力トルクの調整はブレード10のピッチ角調整により実施し、ブレードの回転速度を風速に対応した回転速度指令値となるよう、後述の上位コントローラ1000によりピッチ角が調整される。   The input torque from the wind is adjusted by adjusting the pitch angle of the blade 10, and the pitch angle is adjusted by the host controller 1000 described later so that the rotation speed of the blade becomes a rotation speed command value corresponding to the wind speed.

風力発電システム1の制御システムおよび電力変換器20の詳細を、図2を用いて説明する。   Details of the control system of the wind power generation system 1 and the power converter 20 will be described with reference to FIG.

風力発電システム1は、大きく分けて2つのコントローラを備える。一つは風速計201により検出した風速に応じてブレード10の回転速度を制御すべくピッチ角指令値φrefと電力変換器20の系統送電電力指令値Prefを算出する上位コントローラ1000、そして第二のコントローラは、上位コントローラ1000により出力された発電電力指令Prefに従い、電力系統2への送電電力を制御する電力変換器コントローラ2000である。   The wind power generation system 1 roughly includes two controllers. One is a host controller 1000 that calculates the pitch angle command value φref and the system transmission power command value Pref of the power converter 20 to control the rotational speed of the blade 10 according to the wind speed detected by the anemometer 201, and the second The controller is a power converter controller 2000 that controls transmission power to the power grid 2 in accordance with the generated power command Pref output by the host controller 1000.

上位コントローラ1000は、風速計201の出力vと、電力変換器コントローラ2000が算出する発電電力値Pとブレード回転角速度ωと、を入力とし、ピッチ角φrefと、電力変換器20の発電電力指令値Prefを出力する。   The host controller 1000 receives the output v of the anemometer 201, the generated power value P calculated by the power converter controller 2000, and the blade rotation angular velocity ω, the pitch angle φref, and the generated power command value of the power converter 20. Pref is output.

上位コントローラ1000により算出されたピッチ角指令φrefは、本発明の新規な点であるピッチ角補正器6000を介してピッチ角調整機12に入力され、ピッチ角調整機12は調整されたピッチ角指令に従ってブレード10のピッチ角を調整する。   The pitch angle command φref calculated by the host controller 1000 is input to the pitch angle adjuster 12 via the pitch angle corrector 6000, which is a novel point of the present invention, and the pitch angle adjuster 12 adjusts the adjusted pitch angle command. Then, the pitch angle of the blade 10 is adjusted.

上位コントローラ1000により算出された発電電力指令Prefは、電力変換器コントローラ2000に入力される。電力変換器コントローラ2000は、電力変換器20が発電機15より受け取る有効電力が上記発電電力指令と一致するようにコンバータ21を制御する。   The generated power command Pref calculated by the host controller 1000 is input to the power converter controller 2000. The power converter controller 2000 controls the converter 21 so that the active power received by the power converter 20 from the generator 15 matches the generated power command.

電力変換器20を詳細に説明する。   The power converter 20 will be described in detail.

電力変換器20の主回路は、コンバータ21、インバータ22、平滑コンデンサ22cdc、高調波フィルタ21fil、22filにより構成される。コンバータ21は、上位コントローラ1000から出力される発電電力指令Prefに従い発電機15から受け取る電力を制御する機能と、発電機から受け取る無効電流を制御する機能を有する。インバータ22は、固定値である直流電圧指令値に従い、平滑コンデンサ22cdc端子間電圧を制御することにより、コンバータ21が受け取った発電機15の発電電力を電力系統2に送電する機能、および電力系統2に出力する無効電流を制御する機能を有する。   The main circuit of the power converter 20 includes a converter 21, an inverter 22, a smoothing capacitor 22cdc, and harmonic filters 21fil and 22fil. The converter 21 has a function of controlling the power received from the generator 15 in accordance with the generated power command Pref output from the host controller 1000 and a function of controlling the reactive current received from the generator. The inverter 22 controls the voltage between the terminals of the smoothing capacitor 22cdc in accordance with a DC voltage command value that is a fixed value, thereby transmitting the generated power of the generator 15 received by the converter 21 to the power system 2, and the power system 2 Has a function of controlling the reactive current to be output.

コンバータ21、インバータ22の主要部の構成を説明する。   The configuration of main parts of the converter 21 and the inverter 22 will be described.

本実施例では、コンバータ21、インバータ22の構成を6アーム構成のIGBT変換器の場合で説明する。IGBT素子21m〜21r、22m〜22rがそれぞれコンバータ21とインバータ22のアームを構成している。各IGBT素子21m〜21r、22m〜22rの制御電極であるゲートには、電力変換器コントローラ2000からゲート駆動信号を入力する。PWM変調したゲート駆動信号を入力して各IGBT素子をスイッチングさせることにより、発電機15の交流出力電力は直流電力に、該直流電力は電力系統2に出力される交流電力に変換される。   In this embodiment, the configuration of the converter 21 and the inverter 22 will be described in the case of a 6-arm IGBT converter. The IGBT elements 21m to 21r and 22m to 22r constitute the arms of the converter 21 and the inverter 22, respectively. A gate drive signal is input from the power converter controller 2000 to the gate which is the control electrode of each of the IGBT elements 21m to 21r and 22m to 22r. By switching the IGBT elements by inputting a PWM-modulated gate drive signal, the AC output power of the generator 15 is converted into DC power, and the DC power is converted into AC power output to the power system 2.

発電機15の出力電流は、発電機誘起電圧とコンバータ21出力電圧の差と、その間にある発電機15の漏れインダクタンスと高調波フィルタ21filのインダクタンスと、により決まる。該出力電流はコンバータ21により直流電流に変換され、該直流電流により平滑コンデンサ22cdcが充電される。   The output current of the generator 15 is determined by the difference between the generator induced voltage and the converter 21 output voltage, the leakage inductance of the generator 15 between them, and the inductance of the harmonic filter 21fil. The output current is converted into a direct current by the converter 21, and the smoothing capacitor 22cdc is charged by the direct current.

電力系統2への出力電流は、電力系統2の連系点系統電圧とインバータ22の出力電圧の差と、高調波フィルタ22filのインピーダンスと、により決まる。該出力電流はインバータ22のスイッチングにより直流電流から交流電流に変換されたものであり、インバータ22が系統に有効電力を出力することにより平滑コンデンサ22cdcが放電される。   The output current to the electric power system 2 is determined by the difference between the interconnection system voltage of the electric power system 2 and the output voltage of the inverter 22 and the impedance of the harmonic filter 22fil. The output current is converted from a direct current to an alternating current by switching of the inverter 22, and the smoothing capacitor 22cdc is discharged when the inverter 22 outputs active power to the system.

IGBT素子21m〜21r、および22m〜22rは、スイッチングの度にスイッチング損失を発生する。また、IGBT素子に電流が流れるときには、該素子に導通損失が発生する。それら損失はIGBT素子内部温度を上昇させる。IGBT素子のジャンクション温度が所定の値以上になると、IGBTのワイヤ切断等が発生し、IGBT素子が破損する可能性がある。また、IGBT素子以外の回路要素、例えば高調波フィルタ21fil、22filのリアクトルなどでも、電流が流れることにより銅損と鉄損が発生し、温度が上昇する。該リアクトルの温度が異常上昇すると、絶縁破壊が起き、電力変換器20の破損につながる可能性がある。   The IGBT elements 21m to 21r and 22m to 22r generate a switching loss each time switching is performed. Further, when a current flows through the IGBT element, conduction loss occurs in the element. These losses increase the internal temperature of the IGBT element. When the junction temperature of the IGBT element becomes equal to or higher than a predetermined value, there is a possibility that the IGBT element is broken and the IGBT element is damaged. Further, even in circuit elements other than the IGBT element, for example, the reactors of the harmonic filters 21fil and 22fil, copper loss and iron loss occur due to current flow, and the temperature rises. If the temperature of the reactor rises abnormally, dielectric breakdown may occur, leading to damage to the power converter 20.

本実施例の風力発電システム1は、上記温度上昇による破損を回避するため、冷却システム3を備え、上記IGBT素子や高調波フィルタの損失により発生した熱を、冷却システム3により供給される冷却水で冷やすことにより、上記IGBT素子や高調波フィルタの温度上昇を抑制する。   The wind power generation system 1 of the present embodiment includes a cooling system 3 in order to avoid the damage due to the temperature rise, and the cooling water supplied by the cooling system 3 with the heat generated by the loss of the IGBT element and the harmonic filter. The temperature rise of the IGBT element and the harmonic filter is suppressed by cooling at.

冷却システム3は、熱交換器40と、冷却水を熱交換器40とコンバータ21、インバータ22との間に循環させるポンプ41により構成される。冷却システム3より送りだされた冷却水は、コンバータ21、インバータ22の冷却水配管51から上記IGBT素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を介して冷却水配管52に流れ、再び冷却システム3に戻る。該冷却水はポンプ41により強制的に循環される。   The cooling system 3 includes a heat exchanger 40 and a pump 41 that circulates cooling water between the heat exchanger 40, the converter 21, and the inverter 22. The cooling water sent out from the cooling system 3 flows from the cooling water piping 51 of the converter 21 and the inverter 22 to the cooling water piping 52 via the IGBT element and the water passage in the cooling fin of the harmonic filter, and again enters the cooling system 3. Return. The cooling water is forcibly circulated by a pump 41.

上記冷却水は上記IGBT素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を流れる過程において、上記IGBT素子や高調波フィルタの温度と該冷却水温度との差に応じた熱量を受け取る。ポンプ41により冷却水はコンバータ21もしくはインバータ22から熱交換器40に運ばれる。このとき、該冷却水の温度は、上記IGBT素子や高調波フィルタから受け取った熱により上昇し、その温度は外気温度より高くなる。熱交換器40は該熱交換器40の周辺空気を該冷却水の流れる配管に吹き付けることにより該冷却水を冷却する。熱交換器40により冷却された冷却水は、再びコンバータ21およびインバータ22のIGBT素子や高調波フィルタを流れることにより該IGBT素子や高調波フィルタを冷却し、該IGBT素子や高調波フィルタを過度な温度上昇による破壊から保護する。   The cooling water receives an amount of heat corresponding to the difference between the temperature of the IGBT element and the harmonic filter and the cooling water temperature in the process of flowing through the cooling fin water channels of the IGBT element and the harmonic filter. The cooling water is conveyed from the converter 21 or the inverter 22 to the heat exchanger 40 by the pump 41. At this time, the temperature of the cooling water rises due to the heat received from the IGBT element and the harmonic filter, and the temperature becomes higher than the outside air temperature. The heat exchanger 40 cools the cooling water by blowing the air around the heat exchanger 40 to the piping through which the cooling water flows. The cooling water cooled by the heat exchanger 40 flows again through the IGBT element and the harmonic filter of the converter 21 and the inverter 22 to cool the IGBT element and the harmonic filter, and makes the IGBT element and the harmonic filter excessive. Protects against destruction due to temperature rise.

電力変換器コントローラ2000には、交流電圧センサ100、101により検出した交流電圧値Vgu、Vgv、Vgw、Vsu、Vsv、Vsw、電流センサ103、104により検出した交流電流値Igu、Igv、Igw、Isu、Isv、Isw、直流電圧センサ102により検出した直流電圧値Vdcが入力される。   The power converter controller 2000 includes AC voltage values Vgu, Vgv, Vgw, Vsu, Vsv, Vsw detected by the AC voltage sensors 100, 101, AC current values Igu, Igv, Igw, Isu detected by the current sensors 103, 104. , Isv, Isw, and the DC voltage value Vdc detected by the DC voltage sensor 102 are input.

電力変換器コントローラ2000は、発電機15から受け取る電力を上記交流電圧値、交流電流値から算出し、この交流電力検出値を上位コントローラ1000から受け取った電力指令値に一致するよう、コンバータ21の交流電圧を調整する。   The power converter controller 2000 calculates the power received from the generator 15 from the AC voltage value and the AC current value, and the AC of the converter 21 is set so that the detected AC power value matches the power command value received from the host controller 1000. Adjust the voltage.

電力変換器コントローラ2000の詳細構成を、図3を用いて説明する。   A detailed configuration of the power converter controller 2000 will be described with reference to FIG.

まず、電力算出器20006により発電機15から受け取る有効電力Pgを算出する。
有効電力制御器20001では、上記電力指令値と前記有効電力算出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにPI演算を行い、コンバータ21が発電機15に流す有効電流指令値Idrefを算出する。発電機15の誘起電力位相を検出する位相検出器20009は、発電機端子電圧検出値Vgu、Vgv、Vgwを入力とし、誘起電圧の位相推定値θg、およびブレード10の回転角速度推定値ωを算出し、該位相推定値θgは発電機電流制御器20003へ出力する。発電機15から受け取る有効電力算出値Pgおよびブレード10の回転角速度推定値ωは、上位コントローラ1000に出力される。
First, the power calculator 20006 calculates the effective power Pg received from the generator 15.
The active power controller 20001 obtains a deviation between the power command value and the calculated active power value, performs PI calculation so that the deviation becomes zero, and obtains an active current command value Idref that the converter 21 flows to the generator 15. calculate. A phase detector 20009 that detects the induced power phase of the generator 15 receives the generator terminal voltage detection values Vgu, Vgv, and Vgw as inputs, and calculates the phase estimation value θg of the induced voltage and the rotation angular velocity estimation value ω of the blade 10. The estimated phase value θg is output to the generator current controller 20003. The calculated active power value Pg received from the generator 15 and the estimated rotational angular velocity value ω of the blade 10 are output to the host controller 1000.

発電機電流制御器20003は、有効電流指令値Idref、無効電流指令値Iqref、発電機電流検出値Igu、Igv、Igw、そして位相推定値θgを入力し、有効電流指令値Idref、および所定の無効電流指令値Iqref(ここでは零)と、発電機15より受け取る交流電流検出値が一致するよう、発電機電流制御器20003では上記電流検出値と発電機電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにPI演算を行い、発電機側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてPWM制御ブロック20007に入力する。PWM制御ブロック20007は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、IGBT素子21m〜21rの各ゲートへ出力する。   The generator current controller 20003 receives the effective current command value Idref, the reactive current command value Iqref, the generator current detection values Igu, Igv, Igw, and the phase estimation value θg, and receives the effective current command value Idref and a predetermined invalidity. The generator current controller 20003 calculates a deviation between the current detection value and the generator current command value so that the current command value Iqref (here, zero) and the AC current detection value received from the generator 15 match. PI calculation is performed so that the deviation becomes zero, a generator-side AC voltage command value is determined, and this voltage command value is input to the PWM control block 20007 as a modulation wave. The PWM control block 20007 compares the modulated wave with the carrier wave, generates a gate drive signal, and outputs it to each gate of the IGBT elements 21m to 21r.

IGBT素子21m〜21rが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、コンバータ21は、発電機電流制御器20003により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を発電機15側に出力することができる。以上により、コンバータ21は、上位コントローラ1000から出力された発電指令値にしたがって発電機15の発電電力を制御できる。   When the IGBT elements 21m to 21r are turned on / off by a given gate signal, the converter 21 outputs a voltage corresponding to the AC voltage command value output by the generator current controller 20003 to the generator 15 side. Can do. As described above, the converter 21 can control the generated power of the generator 15 according to the power generation command value output from the host controller 1000.

電力変換器コントローラ2000は、平滑コンデンサ22cdcの端子間電圧を所定の値に制御するよう、インバータ22の交流電圧を調整する。   The power converter controller 2000 adjusts the AC voltage of the inverter 22 so as to control the voltage across the terminals of the smoothing capacitor 22cdc to a predetermined value.

具体的には、まず直流電圧センサ102により平滑コンデンサ22cdcの端子間電圧を検出する。直流電圧制御器20004では、上記所定値と平滑コンデンサ22cdc端子間電圧検出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにPI演算を行い、インバータ22が電力系統2に出力する有効電流指令値Idrefを算出する。   Specifically, first, the DC voltage sensor 102 detects the voltage across the terminals of the smoothing capacitor 22cdc. The DC voltage controller 20004 obtains a deviation between the predetermined value and the detected voltage value between the smoothing capacitor 22 cdc terminals, performs a PI operation so that the deviation becomes zero, and an effective current command output from the inverter 22 to the power system 2. The value Idref is calculated.

インバータ電流制御器20005は、直流電圧制御器20004により算出された有効電流指令値Idref、所定の無効電流指令値Iqref(ここでは零)と、電力系統2に出力する交流電流検出値、位相検出器20010より出力した系統電圧位相θsを入力とする。インバータ電流制御器20005は、該電流指令値と電力系統2に出力する交流系統検出値が一致するよう、上記電流検出値と系統電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにPI演算を行い、系統側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてPWM制御ブロック20008に入力する。PWM制御ブロック20008は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、IGBT素子22m〜22rの各ゲートへ出力する。   The inverter current controller 20005 includes an active current command value Idref calculated by the DC voltage controller 20004, a predetermined reactive current command value Iqref (here, zero), an AC current detection value output to the power system 2, and a phase detector The system voltage phase θs output from 2001 is input. The inverter current controller 20005 calculates the deviation between the current detection value and the system current command value so that the current command value and the AC system detection value output to the power system 2 match, and sets the deviation to zero. PI calculation is performed to determine a system side AC voltage command value, and this voltage command value is input to the PWM control block 20008 as a modulated wave. The PWM control block 20008 compares the modulated wave with the carrier wave to create a gate drive signal and outputs it to each gate of the IGBT elements 22m to 22r.

IGBT素子22m〜22rが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、インバータ22は、インバータ電流制御器20005により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を電力系統2側に出力することができる。以上により、インバータ22は、電力変換器20の直流電圧を一定に制御するよう、インバータ22の交流出力電圧を調整する。   When the IGBT elements 22m to 22r are turned on / off by a given gate signal, the inverter 22 can output a voltage corresponding to the AC voltage command value output by the inverter current controller 20005 to the power system 2 side. it can. As described above, the inverter 22 adjusts the AC output voltage of the inverter 22 so that the DC voltage of the power converter 20 is controlled to be constant.

以降、本発明の新規な点である、温度センサ200の出力である温度検出値Tambに応じたピッチ角補正によるブレード過回転防止機構を説明する。   Hereinafter, a blade over-rotation preventing mechanism by pitch angle correction according to the temperature detection value Tamb that is an output of the temperature sensor 200, which is a novel point of the present invention, will be described.

熱交換器40における冷却水の冷却能力は、冷却水の熱交換器40入口の冷却水温度と外気温の差に依存し、外気温が高くなると冷却水を十分冷やすことができなくなる。十分冷却水を冷やすことができないと、熱交換器40出口における冷却水温度が高くなり、結果として冷却システム3による上記IGBT素子や高調波フィルタの冷却能力が低下する。   The cooling capacity of the cooling water in the heat exchanger 40 depends on the difference between the cooling water temperature at the inlet of the cooling water heat exchanger 40 and the outside air temperature. When the outside air temperature becomes high, the cooling water cannot be cooled sufficiently. If the cooling water cannot be cooled sufficiently, the cooling water temperature at the outlet of the heat exchanger 40 increases, and as a result, the cooling capacity of the IGBT element and the harmonic filter by the cooling system 3 decreases.

本発明の過回転防止機構は、冷却システム3の冷却能力の低下を間接的に検出する温度センサ200、該温度測定手段の出力に応じて冷却能力を検出する冷却能力検出器3000、およびピッチ角補正器6000により構成される。該過回転防止機構は、冷却システム3の冷却能力が低下したとき、ピッチ角をフェザー側に調整し、風による入力エネルギーを制限する。これにより、電力変換器20が電力系統2に送電できる電力が制限された場合でも、風による入力エネルギーを電力変換器20が送電できるエネルギー以下に低減することができるため、ブレードの過回転を防止することができる。   The over-rotation prevention mechanism of the present invention includes a temperature sensor 200 that indirectly detects a decrease in the cooling capacity of the cooling system 3, a cooling capacity detector 3000 that detects the cooling capacity according to the output of the temperature measuring means, and a pitch angle. It is comprised by the corrector 6000. When the cooling capacity of the cooling system 3 decreases, the over-rotation prevention mechanism adjusts the pitch angle to the feather side to limit the input energy due to wind. Thereby, even when the power that can be transmitted to the power system 2 by the power converter 20 is limited, the input energy due to wind can be reduced below the energy that can be transmitted by the power converter 20, thereby preventing blade over-rotation. can do.

以降、本実施例のブレード過回転防止機構について、詳細に説明する。   Hereinafter, the blade over-rotation preventing mechanism of this embodiment will be described in detail.

風力発電システム1は、外気温度を検出する温度センサ200を備える。温度センサ200は、外気温度に正比例した値Tambを出力し、該出力は冷却能力検出器3000に入力される。外気温検出場所は、冷却システム3近傍であることが望ましく、好ましくは冷却システム入気口100m以内である。   The wind power generation system 1 includes a temperature sensor 200 that detects the outside air temperature. The temperature sensor 200 outputs a value Tamb that is directly proportional to the outside air temperature, and the output is input to the cooling capacity detector 3000. The outside air temperature detection location is desirably in the vicinity of the cooling system 3, and is preferably within the cooling system inlet 100m.

冷却能力検出器3000は、図4に示すようなTambに対する冷却能力検出テーブルを備える。すなわち、温度センサ200からの入力Tambが所定の値t1より高い場合、冷却能力検出器3000は、該検出手段の出力を入力Tambに対して単調減少させる特性を有する。   The cooling capacity detector 3000 includes a cooling capacity detection table for Tamb as shown in FIG. That is, when the input Tamb from the temperature sensor 200 is higher than the predetermined value t1, the cooling capacity detector 3000 has a characteristic of monotonously decreasing the output of the detection means with respect to the input Tamb.

ここで、冷却能力検出器3000の出力ΔSは、電力変換器20が電力系統2に送電可能な電力の低減幅に相当する。該冷却能力検出器3000の出力信号は、ピッチ角補正器6000に入力される。   Here, the output ΔS of the cooling capacity detector 3000 corresponds to a reduction range of power that the power converter 20 can transmit to the power system 2. The output signal of the cooling capacity detector 3000 is input to the pitch angle corrector 6000.

ピッチ角補正器6000は、上位コントローラ1000からのピッチ角指令φref、冷却能力検出器3000の出力ΔSを入力し、補正されたピッチ角指令φref2をピッチ角調整機12に出力する。   The pitch angle corrector 6000 receives the pitch angle command φref from the host controller 1000 and the output ΔS of the cooling capacity detector 3000 and outputs the corrected pitch angle command φref2 to the pitch angle adjuster 12.

具体的なピッチ角補正方法について、図5を用いて説明する。   A specific pitch angle correction method will be described with reference to FIG.

上位コントローラ1000は、風速計201の出力vを入力とし、該風速計出力vと、風速とブレードの回転速度を対応づける回転速度指令演算器10001を用いてブレード回転速度指令値ωrefを算出する。さらに、上位コントローラ1000の回転速度制御器10002は、電力変換器コントローラ2000より入力したブレード角速度ωと上記回転速度指令ωrefを入力としてピッチ角指令値φrefと電力変換器20の発電電力指令値Prefを算出し、ピッチ角指令値φrefをピッチ角補正器6000に、発電電力指令値Prefを電力変換器コントローラ2000に出力する。   The host controller 1000 receives the output v of the anemometer 201 and calculates a blade rotation speed command value ωref using a rotation speed command calculator 10001 that associates the anemometer output v with the wind speed and the rotation speed of the blade. Further, the rotational speed controller 10002 of the host controller 1000 receives the blade angular speed ω input from the power converter controller 2000 and the rotational speed command ωref, and inputs the pitch angle command value φref and the generated power command value Pref of the power converter 20. The pitch angle command value φref is output to the pitch angle corrector 6000 and the generated power command value Pref is output to the power converter controller 2000.

ピッチ角補正器6000は、冷却能力検出器3000の出力ΔSを乗算器6001によりゲインKで乗算し、その積を加算器6002に入力する。ここで、ゲインKは、電力変換器20の送電可能電力低減幅ΔSをピッチ角に補正するゲインであり、ΔSが負の場合にはピッチ角がフェザー側に変更され、ブレード10の回転方向のトルクが減少する。ゲインKは、ピッチ角の補正により、風による入力エネルギーが電力変換器20の発電可能電力より小さくなるように設計する。   Pitch angle corrector 6000 multiplies output ΔS of cooling capacity detector 3000 by gain K using multiplier 6001 and inputs the product to adder 6002. Here, the gain K is a gain for correcting the transmittable power reduction width ΔS of the power converter 20 to the pitch angle. When ΔS is negative, the pitch angle is changed to the feather side, and the rotation direction of the blade 10 is changed. Torque decreases. The gain K is designed so that the input energy due to wind becomes smaller than the power that can be generated by the power converter 20 by correcting the pitch angle.

加算器6002は上位コントローラ1000から入力されたピッチ角指令φrefに乗算器6001出力を加算し、その和を補正されたピッチ角φref2としてピッチ角調整器12に出力する。   The adder 6002 adds the output of the multiplier 6001 to the pitch angle command φref input from the host controller 1000 and outputs the sum to the pitch angle adjuster 12 as a corrected pitch angle φref2.

以上より、温度センサ200の出力が所定の値t1より高い場合、ブレード10のピッチ角指令値φref2はフェザー側に補正され、風によりブレード10に入力されるトルクが減少し、風力発電システムの入力エネルギーが低減する。   As described above, when the output of the temperature sensor 200 is higher than the predetermined value t1, the pitch angle command value φref2 of the blade 10 is corrected to the feather side, the torque input to the blade 10 by the wind is reduced, and the input of the wind power generation system Energy is reduced.

本実施例の風力発電システムの動作波形例を図10に示す。   An example of operation waveforms of the wind power generation system of the present embodiment is shown in FIG.

図10のグラフは、上から順に温度センサ200検出値Tamb、送電可能電力低減幅ΔS、ピッチ角指令φref2、ブレード回転角速度ω、そして発電機発電電力Pの時間変化を示すものである。   The graph of FIG. 10 shows temporal changes of the temperature sensor 200 detected value Tamb, the transmittable power reduction width ΔS, the pitch angle command φref2, the blade rotation angular velocity ω, and the generator generated power P in order from the top.

時刻time1において、温度センサ200が所定の判定温度t1を超える。本発明の風力発電システム1は、冷却能力検出器3000により温度センサ200出力値が所定温度t1を超えたことを検出し、送電可能電力低減幅ΔSをピッチ角補正器6000に出力する。ピッチ角補正器6000は、ΔSに応じて上位コントローラ1000から出力されたピッチ角指令値φrefを、ピッチ角指令値φref2をフェザー側であるマイナス方向に変更し、ピッチ角調整器12に出力する。ピッチ角調整器12は指令値φref2に従いピッチを調整するため、ブレード10に印加される回転方向のトルクが減少する。   At time time1, the temperature sensor 200 exceeds the predetermined determination temperature t1. In the wind power generation system 1 of the present invention, the cooling capacity detector 3000 detects that the output value of the temperature sensor 200 exceeds the predetermined temperature t1, and outputs the transmittable power reduction width ΔS to the pitch angle corrector 6000. The pitch angle corrector 6000 changes the pitch angle command value φref output from the host controller 1000 in accordance with ΔS, changes the pitch angle command value φref2 in the minus direction on the feather side, and outputs it to the pitch angle adjuster 12. Since the pitch angle adjuster 12 adjusts the pitch in accordance with the command value φref2, the torque in the rotational direction applied to the blade 10 decreases.

ブレード10の回転方向トルクが減少し、時刻time1においては電力変換器20が発電機15より受け取る電力は変化しないので、ブレード10の回転角速度ωが過渡的に低下する。   The rotational direction torque of the blade 10 decreases, and the electric power received by the power converter 20 from the generator 15 does not change at time time 1, so the rotational angular velocity ω of the blade 10 decreases transiently.

上位コントローラ1000は、回転角速度ωの低下を検出して、該回転角速度が指令値ωrefに一致するよう、電力変換器20の発電電力指令値Prefを下げる。   The host controller 1000 detects a decrease in the rotational angular velocity ω and decreases the generated power command value Pref of the power converter 20 so that the rotational angular velocity matches the command value ωref.

電力変換器コントローラ2000は、Prefに従い、発電電力Pを下げる。発電電力量Pが下がるため、電力変換器20内部の損失による発熱が低下し、電力変換器20は運転を継続することができる。   The power converter controller 2000 reduces the generated power P in accordance with Pref. Since the generated power amount P is reduced, heat generation due to loss inside the power converter 20 is reduced, and the power converter 20 can continue to operate.

電力変換器20が運転を継続することができるため、ブレード10には発電機15の発電による負荷トルクがかかるため、ブレード10の回転角速度ωが急上昇することなく過回転を回避することができる。   Since the power converter 20 can continue to operate, the blade 10 is subjected to load torque generated by the power generation of the generator 15, so that over-rotation can be avoided without causing the rotation angular velocity ω of the blade 10 to rapidly increase.

本実施例では、外気温度を温度センサ200により検出することで冷却システム3の冷却能力低下を推定しているが、図6に示すように温度センサ200は冷却システム3の出口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム3の冷却能力低下を推定しても良い。   In this embodiment, the temperature sensor 200 estimates the decrease in the cooling capacity of the cooling system 3 by detecting the outside air temperature with the temperature sensor 200. However, as shown in FIG. 6, the temperature sensor 200 determines the cooling water temperature at the outlet of the cooling system 3. It is also possible to detect and estimate a decrease in cooling capacity of the cooling system 3 using the detected value.

また、温度センサ200は、図7に示すように冷却システム3の入口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム3の冷却能力を推定しても良い。   Further, the temperature sensor 200 may detect the cooling water temperature at the inlet of the cooling system 3 as shown in FIG. 7 and estimate the cooling capacity of the cooling system 3 using the detected value.

また、本実施例の電力変換器は冷却水を用いて発熱の大きい要素であるIGBT素子や高調波フィルタリアクトルを冷却する水冷式電力変換器であったが、図8に示すような冷却ファン50を用いた強制風冷式電力変換器であっても良い。本構成においては、IGBT素子が冷却風との接触面積を増やすための冷却フィンを備えることが望ましい。この場合、温度センサは冷却風入口温度を検出しても良いし、冷却風吐き出し口の空気温度を検出しても良い。   Moreover, although the power converter of a present Example was a water cooling type power converter which cools the IGBT element and harmonic filter reactor which are elements with big heat_generation | fever using cooling water, it is a cooling fan 50 as shown in FIG. It may be a forced air-cooled power converter using. In this configuration, it is desirable that the IGBT element includes a cooling fin for increasing the contact area with the cooling air. In this case, the temperature sensor may detect the cooling air inlet temperature, or may detect the air temperature of the cooling air outlet.

また、本実施例では、冷却能力検出器3000は電力変換器コントローラ2000には含まれないが、図9に記載のように電力変換器コントローラ2000内で送電可能電力低減幅を演算しても良い。   In the present embodiment, the cooling capacity detector 3000 is not included in the power converter controller 2000, but the power transmission available power reduction width may be calculated in the power converter controller 2000 as shown in FIG. .

以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。   As described above, the wind power generation system according to the present embodiment is capable of limiting the input energy due to the wind and continuing the operation of the power converter even if the cooling capacity of the power converter is reduced due to an increase in the outside air temperature. The blade can be prevented from over-rotating.

本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム1の例を説明する。   In this embodiment, an example of the wind power generation system 1 that detects the cooling capacity based on the internal temperature of the power converter will be described.

図11は、実施例1における風力発電システム1を示す構成図の例である。   FIG. 11 is an example of a configuration diagram illustrating the wind power generation system 1 according to the first embodiment.

図1の風力発電システム1のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。   In the wind power generation system 1 of FIG. 1, the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 1 is omitted.

本実施例と、実施例1記載の風力発電システムとの差は、温度センサ200が電力変換器20のコンバータ21とインバータ22を収納する筐体内に設置される点である。   The difference between the present embodiment and the wind power generation system described in the first embodiment is that the temperature sensor 200 is installed in a housing that houses the converter 21 and the inverter 22 of the power converter 20.

実施例1では、冷却水の温度を直接、もしくは周囲温度検出により間接的に検出することにより、電力変換器20を冷却する冷却システム3の冷却能力の低下を検出することに対し、本実施例は電力変換器20の筐体内温度を検出することで冷却システム3の冷却能力低下を推定し、ブレード10のピッチ角指令値を補正するものである。   In the first embodiment, the temperature of the cooling water is detected directly or indirectly by detecting the ambient temperature, thereby detecting a decrease in the cooling capacity of the cooling system 3 that cools the power converter 20. Is for estimating the cooling capacity drop of the cooling system 3 by detecting the temperature in the housing of the power converter 20 and correcting the pitch angle command value of the blade 10.

本構成により、電力変換器20の内部損失による発熱と、冷却による熱放出のアンバランスを直接検出することができるため、電力変換器20のトリップを回避でき、結果としてブレード10の過回転を防止することができる。   With this configuration, it is possible to directly detect the imbalance between heat generation due to internal loss of the power converter 20 and heat release due to cooling, so that tripping of the power converter 20 can be avoided and, as a result, over-rotation of the blade 10 is prevented. can do.

以下、図11、図12を用いて本実施例の風力発電システムを説明する。   Hereinafter, the wind power generation system of a present Example is demonstrated using FIG. 11, FIG.

図11には、本実施例の風力発電システムの電力変換器20および冷却システム3を示す。電力変換器20は、電力ケーブル25を介して発電機15へ、電力ケーブル26を介して変圧器30へ接続する。図示しないブレード、ハブ、シャフト、発電機、ナセル、タワー、変圧器、電力系統は実施例1で示した風力発電システム1と同様である。   In FIG. 11, the power converter 20 and the cooling system 3 of the wind power generation system of a present Example are shown. The power converter 20 is connected to the generator 15 via the power cable 25 and to the transformer 30 via the power cable 26. Blades, hubs, shafts, generators, nacelles, towers, transformers, and a power system (not shown) are the same as those of the wind power generation system 1 shown in the first embodiment.

図12に本実施例の風力発電システムの詳細を示す。   FIG. 12 shows details of the wind power generation system of the present embodiment.

本実施例の風力発電システムは、電力変換器20が筺体10000を備え、該筺体内にコンバータ21、インバータ22を備える。また、本実施例の風力発電システムでは、温度センサ200を冷却システム3の近傍ではなく、筐体10000内に備える。   In the wind power generation system of the present embodiment, the power converter 20 includes a housing 10000, and includes a converter 21 and an inverter 22 in the housing. In the wind power generation system according to the present embodiment, the temperature sensor 200 is provided not in the vicinity of the cooling system 3 but in the housing 10000.

外気温度上昇により、電力変換器20を冷却する冷却システム3の冷却能力が低下した場合、電力変換器20内の損失による発熱が冷却システム3により筺体10000の外部に引き抜かれる熱量を上回り、電力変換器20の盤内温度が上昇する。温度センサ200は、該盤内温度を検出し、冷却能力検出器3000に検出した温度Tambを出力する。   When the cooling capacity of the cooling system 3 that cools the power converter 20 decreases due to an increase in the outside air temperature, the heat generated by the loss in the power converter 20 exceeds the amount of heat extracted by the cooling system 3 to the outside of the housing 10000, and the power conversion The internal temperature of the vessel 20 rises. The temperature sensor 200 detects the temperature in the panel and outputs the detected temperature Tamb to the cooling capacity detector 3000.

温度センサ200は、筐体内の発熱と冷却による放熱のバランスを検出することが目的であるため、筐体上部に備えられることが望ましい。具体的には、筺体の高さ方向1/2以上高い場所に供えられることが望ましい。   Since the temperature sensor 200 is intended to detect the balance between heat generation in the housing and heat radiation by cooling, it is desirable that the temperature sensor 200 be provided on the top of the housing. Specifically, it is desirable to be provided in a place that is 1/2 or more higher in the height direction of the housing.

温度センサ200と風力発電システムのコントローラとの関係を図12に示す。   FIG. 12 shows the relationship between the temperature sensor 200 and the wind power generation system controller.

温度センサ200で検出した筐体内温度Tambは、電力変換器コントローラ2000に入力され、電力変換器コントローラ2000は実施例1で説明した冷却能力検出器3000と同じ演算を実施し、送電電力低減幅ΔSをピッチ角補正器6000に出力する。   The in-casing temperature Tamb detected by the temperature sensor 200 is input to the power converter controller 2000, and the power converter controller 2000 performs the same calculation as that of the cooling capacity detector 3000 described in the first embodiment, and the transmission power reduction width ΔS. Is output to the pitch angle corrector 6000.

本構成とすることにより、本実施例の風力発電システムでは電力変換器20筐体内の温度上昇を検出し、ブレード10のピッチ角を補正することができるため、電力変換器20への発電電力指令が減少し、電力変換器20の発熱が低減される。発熱が低減されることにより、電力変換器20の過熱を回避しながら電力変換器20の運転を継続できるため、ブレード10の過回転を回避することができる。   By adopting this configuration, the wind power generation system according to the present embodiment can detect a temperature rise in the housing of the power converter 20 and correct the pitch angle of the blade 10, so that the generated power command to the power converter 20 can be corrected. And the heat generation of the power converter 20 is reduced. By reducing the heat generation, the operation of the power converter 20 can be continued while avoiding the overheating of the power converter 20, and therefore, the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。   As described above, the wind power generation system according to the present embodiment is capable of limiting the input energy due to the wind and continuing the operation of the power converter even if the cooling capacity of the power converter is reduced due to an increase in the outside air temperature. The blade can be prevented from over-rotating.

さらに、本実施例によれば電力変換器20の筺体内の温度を検出することにより、電力変換器20内部の損失による発熱と、電力変換器20の冷却システム3による冷却のアンバランスを検出することができるため、より確実に冷却システム3の冷却能力低下を検出でき、電力変換器20の運転継続を実現でき、結果としてブレード10の過回転を回避することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, by detecting the temperature in the casing of the power converter 20, heat generation due to loss in the power converter 20 and cooling imbalance between the cooling system 3 of the power converter 20 are detected. Therefore, it is possible to detect a decrease in the cooling capacity of the cooling system 3 more reliably, and to continue the operation of the power converter 20, and as a result, it is possible to avoid over-rotation of the blade 10.

本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム1の例を説明する。   In this embodiment, an example of the wind power generation system 1 that detects the cooling capacity based on the internal temperature of the power converter will be described.

図13は、実施例1における風力発電システム1を示す構成図の例である。   FIG. 13 is an example of a configuration diagram illustrating the wind power generation system 1 according to the first embodiment.

図1の風力発電システム1のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。   In the wind power generation system 1 of FIG. 1, the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 1 is omitted.

本実施例と、実施例2記載の風力発電システムとの差は、温度センサ200が電力変換器20の半導体素子の冷却フィンに設置される点である。   The difference between the present embodiment and the wind power generation system described in the second embodiment is that the temperature sensor 200 is installed on the cooling fin of the semiconductor element of the power converter 20.

水冷の電力変換器では、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム3の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに半導体素子のジャンクション温度が許容値を超え、素子破壊を起こす可能性がある。冷却フィン温度を温度センサ200により検出し、該検出温度が所定温度t1より高くなったときにブレード10のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子が過熱する前に電力変換器20の発電電力を低減することができるため、より確実に半導体素子を保護しながら電力変換器20の運転を継続させることができる。電力変換器20が運転を継続できるため、ブレード10には電力変換器20の発電電力によりブレード10の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード10の過回転を防止することができる。   In a water-cooled power converter, the junction temperature of the semiconductor element exceeds the allowable value before the temperature in the housing rises to a detectable level when the cooling fins have a short thermal time constant and the cooling capacity of the cooling system 3 decreases. There is a possibility of causing element destruction. The temperature of the cooling fin is detected by the temperature sensor 200, and when the detected temperature becomes higher than the predetermined temperature t1, the pitch angle of the blade 10 is adjusted to the feather side, so that the power converter 20 is heated before the semiconductor element is overheated. Since the generated power can be reduced, the operation of the power converter 20 can be continued while protecting the semiconductor element more reliably. Since the power converter 20 can continue to operate, the blade 10 can generate a torque that decelerates the rotation of the blade 10 by the power generated by the power converter 20, and as a result, the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以降、図13を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。   Hereinafter, the wind power generation system of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図13には、風力発電システム1のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル60、タワー70は実施例1および2に記載のものと同一である。   In FIG. 13, the energy transmission part of the wind power generation system 1 is shown. Here, the nacelle 60 and the tower 70 (not shown) are the same as those described in the first and second embodiments.

本実施例の電力変換器20は、半導体素子22qの冷却フィンに接する温度センサ200を備える。温度センサ200の出力Tambは、電力変換器コントローラ2000に入力される。該コントローラ内部では、実施例1記載の冷却能力検出器3000の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔS算出値をピッチ角補正器6000に出力する。   The power converter 20 of the present embodiment includes a temperature sensor 200 in contact with the cooling fin of the semiconductor element 22q. The output Tamb of the temperature sensor 200 is input to the power converter controller 2000. In the controller, the same calculation as that of the cooling capacity detector 3000 described in the first embodiment is performed, and the calculated value of the transmittable power reduction width ΔS is output to the pitch angle corrector 6000.

ピッチ角補正器6000は、電力変換器コントローラ2000から出力された送電可能電力低減幅ΔSを入力とし、実施例1および実施例2のピッチ角補正器6000の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φref2をピッチ角調整機12に送信する。   The pitch angle corrector 6000 receives the transmittable power reduction width ΔS output from the power converter controller 2000 and corrects the pitch angle command value in the same manner as the calculation of the pitch angle corrector 6000 of the first and second embodiments. Then, the pitch angle command value φref2 as the output is transmitted to the pitch angle adjuster 12.

上記構成により、本実施例の風力発電システム1は、温度センサ200により該半導体素子の冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード10のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器20の発電電力を減少させ、電力変換器20の半導体素子の過熱を回避しながら電力変換器20の運転継続を可能とする。   With the above configuration, the wind power generation system 1 according to the present embodiment detects the temperature of the cooling fin of the semiconductor element by the temperature sensor 200, and if the temperature of the cooling fin is equal to or higher than a predetermined value, the pitch angle of the blade 10 is set to the feather side. Correction is performed to reduce the generated power of the power converter 20 and to allow the power converter 20 to continue operating while avoiding overheating of the semiconductor elements of the power converter 20.

電力変換器20が運転を継続するので、ブレード10の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード10の過回転を防止することができる。   Since the power converter 20 continues to operate, a torque in the direction of decelerating the rotation of the blade 10 is applied, so that the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。   As described above, the wind power generation system according to the present embodiment is capable of limiting the input energy due to the wind and continuing the operation of the power converter even if the cooling capacity of the power converter is reduced due to an increase in the outside air temperature. The blade can be prevented from over-rotating.

さらに、本実施例によれば、半導体素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、半導体素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器20の運転を継続でき、結果としてブレード10の過回転を回避することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the pitch angle can be corrected using the cooling fin detection temperature of the semiconductor element, so that the operation of the power converter 20 can be continued while the semiconductor element is more reliably protected from overheating. As a result, the blade Ten over-rotations can be avoided.

本実施例では、冷却能力を高調波フィルタ内部温度により検出する風力発電システム1の例を説明する。   In this embodiment, an example of the wind power generation system 1 that detects the cooling capacity based on the internal temperature of the harmonic filter will be described.

図14は、実施例1における風力発電システム1を示す構成図の例である。   FIG. 14 is an example of a configuration diagram illustrating the wind power generation system 1 according to the first embodiment.

図1の風力発電システム1のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。   In the wind power generation system 1 of FIG. 1, the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 1 is omitted.

本実施例と、実施例2または3記載の風力発電システムとの差は、温度センサ200が高調波フィルタ22filの冷却フィンに設置される点である。   The difference between the present embodiment and the wind power generation system described in the embodiment 2 or 3 is that the temperature sensor 200 is installed on the cooling fin of the harmonic filter 22fil.

前記実施例3と同様に水冷の高調波フィルタでは、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム3の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに高調波フィルタの温度が許容値を超え、絶縁破壊が起き、電力変換器20の破損につながる可能性がある。よって、高調波フィルタの冷却フィン温度を温度センサ200により検出し、該検出温度が所定温度t1より高くなったときにブレード10のピッチ角をフェザー側に調整することにより、フィルタ素子が過熱する前に電力変換器20の発電電力を低減することができるため、より確実にフィルタ素子を保護しながら電力変換器20の運転を継続させることができる。電力変換器20が運転を継続できるため、ブレード10には電力変換器20の発電電力によりブレード10の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード10の過回転を防止することができる。   In the water-cooled harmonic filter as in the third embodiment, the thermal time constant of the cooling fin is short, and when the cooling capacity of the cooling system 3 is reduced, before the temperature in the housing rises to be detectable, There is a possibility that the temperature exceeds an allowable value, dielectric breakdown occurs, and the power converter 20 is damaged. Accordingly, the cooling fin temperature of the harmonic filter is detected by the temperature sensor 200, and the pitch angle of the blade 10 is adjusted to the feather side when the detected temperature becomes higher than the predetermined temperature t1, so that the filter element is overheated. In addition, since the generated power of the power converter 20 can be reduced, the operation of the power converter 20 can be continued while protecting the filter element more reliably. Since the power converter 20 can continue to operate, the blade 10 can generate a torque that decelerates the rotation of the blade 10 by the power generated by the power converter 20, and as a result, the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以降、図14を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。   Hereinafter, the wind power generation system of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図14には、風力発電システム1のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル60、タワー70は実施例1乃至3に記載のものと同一である。   In FIG. 14, the energy transmission part of the wind power generation system 1 is shown. Here, the nacelle 60 and the tower 70 (not shown) are the same as those described in the first to third embodiments.

本実施例の電力変換器20は、高調波フィルタ22filの冷却フィンに接する温度センサ200を備える。なお、高調波フィルタ21filの冷却フィンに温度センサ200を備える構成としても良い。温度センサ200の出力Tambは、電力変換器コントローラ2000に入力される。該コントローラ内部では、実施例1記載の冷却能力検出器3000の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔS算出値をピッチ角補正器6000に出力する。   The power converter 20 of the present embodiment includes a temperature sensor 200 in contact with the cooling fin of the harmonic filter 22fil. In addition, it is good also as a structure provided with the temperature sensor 200 in the cooling fin of the harmonic filter 21fil. The output Tamb of the temperature sensor 200 is input to the power converter controller 2000. In the controller, the same calculation as that of the cooling capacity detector 3000 described in the first embodiment is performed, and the calculated value of the transmittable power reduction width ΔS is output to the pitch angle corrector 6000.

ピッチ角補正器6000は、電力変換器コントローラ2000から出力された送電可能電力低減幅ΔSを入力とし、実施例1乃至3のピッチ角補正器6000の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φref2をピッチ角調整機12に送信する。   The pitch angle corrector 6000 receives the transmittable power reduction width ΔS output from the power converter controller 2000 and corrects the pitch angle command value in the same manner as the calculation of the pitch angle corrector 6000 of the first to third embodiments. The output pitch angle command value φref 2 is transmitted to the pitch angle adjuster 12.

上記構成により、本実施例の風力発電システム1は、温度センサ200により高調波フィルタ22filの冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード10のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器20の発電電力を減少させ、電力変換器20のフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器20の運転継続を可能とする。   With the above configuration, the wind power generation system 1 of the present embodiment detects the temperature of the cooling fins of the harmonic filter 22fil by the temperature sensor 200, and if the temperature of the cooling fins is equal to or higher than a predetermined value, the pitch angle of the blade 10 is set to the feather side. To reduce the generated power of the power converter 20 and to allow the power converter 20 to continue operating while avoiding overheating of the filter element of the power converter 20.

電力変換器20が運転を継続するので、ブレード10の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード10の過回転を防止することができる。   Since the power converter 20 continues to operate, a torque in the direction of decelerating the rotation of the blade 10 is applied, so that the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。   As described above, the wind power generation system according to the present embodiment is capable of limiting the input energy due to the wind and continuing the operation of the power converter even if the cooling capacity of the power converter is reduced due to an increase in the outside air temperature. The blade can be prevented from over-rotating.

さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器20の運転を継続でき、結果としてブレード10の過回転を回避することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the pitch angle can be corrected using the cooling fin detection temperature of the filter element, so that the operation of the power converter 20 can be continued while protecting the filter element from overheating more reliably. As a result, the blade Ten over-rotations can be avoided.

本実施例では、冷却能力を半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン内部温度により検出する風力発電システム1の例を説明する。   In the present embodiment, an example of the wind power generation system 1 that detects the cooling capacity based on the internal temperature of the cooling fins other than the cooling fins of the semiconductor element and the harmonic filter will be described.

図15は、実施例1における風力発電システム1を示す構成図の例である。   FIG. 15 is an example of a configuration diagram illustrating the wind power generation system 1 according to the first embodiment.

図1の風力発電システム1のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。   In the wind power generation system 1 of FIG. 1, the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 1 is omitted.

本実施例と、実施例2乃至4記載の風力発電システムとの差は、温度センサ200が半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに設置される点である。   The difference between the present embodiment and the wind power generation systems described in Embodiments 2 to 4 is that the temperature sensor 200 is installed on a cooling fin other than the cooling fins of the semiconductor element and the harmonic filter.

前記実施例3乃至4と比較して水冷の半導体素子および高調波フィルタより、冷却フィンの熱時定数は長いが、冷却システム3の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するより早く、冷却能力の低減を検出することができ、さらに実施例3および4と比較して、温度センサ200を個々の半導体素子および高調波フィルタに取り付ける必要もないため、コストを削減できる。さらに、個々の半導体素子や高調波フィルタに温度センサ200を取り付ける実施例よりも、一元化して管理が可能である。そのことにより、半導体素子やフィルタ素子の温度が許容値を超える前に、前記冷却フィン内温度を温度センサ200により検出し、該検出温度が所定温度t1より高くなったときにブレード10のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子やフィルタ素子が過熱する前に電力変換器20の発電電力を低減することができる。   Although the thermal time constant of the cooling fin is longer than that of the water-cooled semiconductor element and the harmonic filter as compared with the third to fourth embodiments, the temperature inside the casing rises to be detectable when the cooling capacity of the cooling system 3 is reduced. As a result, it is possible to detect a reduction in the cooling capacity earlier, and it is not necessary to attach the temperature sensor 200 to individual semiconductor elements and harmonic filters as compared with the third and fourth embodiments, so that the cost can be reduced. Furthermore, it is possible to manage in a unified manner as compared with the embodiment in which the temperature sensor 200 is attached to individual semiconductor elements and harmonic filters. As a result, the temperature inside the cooling fin is detected by the temperature sensor 200 before the temperature of the semiconductor element or the filter element exceeds the allowable value, and the pitch angle of the blade 10 when the detected temperature becomes higher than the predetermined temperature t1. By adjusting to the feather side, the generated power of the power converter 20 can be reduced before the semiconductor element or the filter element is overheated.

そして、より確実に半導体素子やフィルタ素子を保護しながら電力変換器20の運転を継続させることができる。電力変換器20が運転を継続できるため、ブレード10には電力変換器20の発電電力によりブレード10の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード10の過回転を防止することができる。   And the operation | movement of the power converter 20 can be continued, protecting a semiconductor element and a filter element more reliably. Since the power converter 20 can continue to operate, the blade 10 can generate a torque that decelerates the rotation of the blade 10 by the power generated by the power converter 20, and as a result, the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以降、図15を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。   Hereinafter, the wind power generation system of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図15には、風力発電システム1のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル60、タワー70は実施例1乃至4に記載のものと同一である。   In FIG. 15, the energy transmission part of the wind power generation system 1 is shown. Here, the nacelle 60 and the tower 70 (not shown) are the same as those described in the first to fourth embodiments.

本実施例の電力変換器20は、半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに接する温度センサ200を備える。温度センサ200の出力Tambは、電力変換器コントローラ2000に入力される。該コントローラ内部では、実施例1記載の冷却能力検出器3000の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔS算出値をピッチ角補正器6000に出力する。   The power converter 20 of the present embodiment includes a temperature sensor 200 that contacts a cooling fin other than the cooling fins of the semiconductor element and the harmonic filter. The output Tamb of the temperature sensor 200 is input to the power converter controller 2000. In the controller, the same calculation as that of the cooling capacity detector 3000 described in the first embodiment is performed, and the calculated value of the transmittable power reduction width ΔS is output to the pitch angle corrector 6000.

ピッチ角補正器6000は、電力変換器コントローラ2000から出力された送電可能電力低減幅ΔSを入力とし、実施例1乃至4のピッチ角補正器6000の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φref2をピッチ角調整機12に送信する。   The pitch angle corrector 6000 receives the transmittable power reduction width ΔS output from the power converter controller 2000 and corrects the pitch angle command value in the same manner as the calculation of the pitch angle corrector 6000 of the first to fourth embodiments. The output pitch angle command value φref 2 is transmitted to the pitch angle adjuster 12.

上記構成により、本実施例の風力発電システム1は、温度センサ200により半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード10のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器20の発電電力を減少させ、電力変換器20の半導体素子およびフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器20の運転継続を可能とする。   With the above configuration, the wind power generation system 1 of the present embodiment detects the temperature of the cooling fins other than the cooling fins of the semiconductor element and the harmonic filter by the temperature sensor 200, and if the temperature of the cooling fin is equal to or higher than a predetermined value, The pitch angle is corrected to the feather side to reduce the generated power of the power converter 20, and the operation of the power converter 20 can be continued while avoiding overheating of the semiconductor element and the filter element of the power converter 20.

電力変換器20が運転を継続するので、ブレード10の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード10の過回転を防止することができる。   Since the power converter 20 continues to operate, a torque in the direction of decelerating the rotation of the blade 10 is applied, so that the blade 10 can be prevented from over-rotating.

以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。   As described above, the wind power generation system according to the present embodiment is capable of limiting the input energy due to the wind and continuing the operation of the power converter even if the cooling capacity of the power converter is reduced due to an increase in the outside air temperature. The blade can be prevented from over-rotating.

さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器20の運転を継続でき、結果としてブレード10の過回転を回避することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the pitch angle can be corrected using the cooling fin detection temperature of the filter element, so that the operation of the power converter 20 can be continued while protecting the filter element from overheating more reliably. As a result, the blade Ten over-rotations can be avoided.

図16に、本発明におけるブレード10のピッチ角を可変制御した前後の状態について例示する。   FIG. 16 illustrates a state before and after the pitch angle of the blade 10 according to the present invention is variably controlled.

まず、ブレード10を含む風車からどのように風力を得るかについて説明すると、ブレード10に風80が当たると、ブレード10の周りに相対的な空気の流れができ、この空気の流れは、ブレードの風上81および風下82で速さが異なるため、その速さの違いから圧力差が生じる。その圧力差が揚力83となりブレードは回転面84を軸として回転する。   First, how to obtain wind power from the wind turbine including the blade 10 will be described. When the wind 80 hits the blade 10, a relative air flow is generated around the blade 10, and this air flow is Since the speed is different between the windward 81 and the leeward 82, a pressure difference is generated due to the difference in speed. The pressure difference becomes lift 83 and the blade rotates about the rotation surface 84.

この回転速度を可変するには、前記ブレードの取り付け角度であるピッチ角を可変させることで、ブレードの周囲の空気の流速が変化し、揚力も変化する。   In order to vary this rotational speed, by changing the pitch angle, which is the mounting angle of the blade, the flow velocity of air around the blade changes and the lift also changes.

具体的には、冷却機能の低下により、電力変換器の出力電圧可能量が減少している場合、図16(a)のピッチ角制御前のブレードのピッチ角86を、同図(b)のブレードのピッチ角87のように大きくし、ブレードに当たる風80の向きと平行に近づけるようにブレードを調整する。このことにより、ブレードに係る揚力を減少させ、回転力を減少させる。   Specifically, when the output voltage possible amount of the power converter is decreased due to a decrease in the cooling function, the pitch angle 86 of the blade before the pitch angle control in FIG. The blade is adjusted to be as large as the pitch angle 87 of the blade and to be parallel to the direction of the wind 80 hitting the blade. This reduces the lift on the blade and reduces the rotational force.

結果、前記送電可能電力に応じた前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止することが可能となる。   As a result, it is possible to control the input energy from the blade in accordance with the power that can be transmitted, and to prevent over-rotation of the blade and failure of the power converter.

1 風力発電システム
2 電力系統
3 冷却システム
10 ブレード
11 ハブ
12 ピッチ角調整器
13 シャフト
14 ギア
15 発電機
20 電力変換器
21 コンバータ
21up、21un、21vp、21vn、21wp、21wn、22up、22un、22vp、22vn、22wp、22wn 半導体スイッチング素子
21fil、22fil 高調波フィルタ
22 インバータ
22cdc 平滑コンデンサ
23 電磁接触器
24 電力変換器入気口
25、26 電力ケーブル
30 変圧器
40 熱交換器
41 ポンプ
50 冷却ファン
60 ナセル
70 タワー
80 風
81 風上
82 風下
83 揚力
84 回転面
85 ブレード角
86、87 ピッチ角
100、101 交流電圧センサ
102 直流電圧センサ
103、104 電流センサ
200 温度センサ
201 風速計
300、6002 加算器
1000 上位コントローラ
2000 電力変換器コントローラ
3000 冷却能力検出器
6000 ピッチ角補正器
6001 乗算器
10000 筺体
10001 回転速度指令演算器
10002 回転速度制御器
20001 有効電力制御器
20002 端子電圧制御器
20003 発電機電流制御器
20004 直流電圧制御器
20005 インバータ電流制御器
20006 電力算出器
20007、20008 PWM制御ブロック
20009、20010 位相検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wind power generation system 2 Electric power system 3 Cooling system 10 Blade 11 Hub 12 Pitch angle adjuster 13 Shaft 14 Gear 15 Generator 20 Power converter 21 Converter 21up, 21un, 21vp, 21vn, 21wp, 21wn, 22up, 22un, 22vp, 22vn, 22wp, 22wn Semiconductor switching element 21fil, 22fil Harmonic filter 22 Inverter 22cdc Smoothing capacitor 23 Electromagnetic contactor 24 Power converter inlet 25, 26 Power cable 30 Transformer 40 Heat exchanger 41 Pump 50 Cooling fan 60 Nacelle 70 Tower 80 Wind 81 Windward 82 Windward 83 Lifting force 84 Rotating surface 85 Blade angle 86, 87 Pitch angle 100, 101 AC voltage sensor 102 DC voltage sensor 103, 104 Current sensor 200 Temperature sensor 201 Wind Total 300, 6002 Adder 1000 Host controller 2000 Power converter controller 3000 Cooling capacity detector 6000 Pitch angle corrector 6001 Multiplier 10000 Housing 100001 Rotational speed command calculator 10002 Rotational speed controller 20001 Active power controller 20002 Terminal voltage controller 20003 Generator current controller 20004 DC voltage controller 20005 Inverter current controller 20006 Power calculator 20007, 20008 PWM control block 20009, 201010 Phase detector

Claims (11)

ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、
前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、
前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、
を有する風力発電システムであって、
前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、
前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、
前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする風力発電システム。
A converter that converts variable frequency generated power output from a synchronous generator mechanically connected to a variable pitch angle blade to DC power;
A smoothing capacitor for smoothing the DC power output from the converter;
An inverter that is electrically connected to a power system, converts the DC power from the converter to the fixed frequency AC power through the smoothing capacitor, and outputs the AC power to the power system;
A pitch angle command value calculating means for calculating a pitch angle command value for performing variable control of the pitch angle of the blade, and performing a command to mechanically adjust the pitch angle from the pitch angle command value;
A cooling system for cooling the converter and the inverter;
A wind power generation system having
A cooling capacity detecting means for detecting a cooling capacity of the cooling system or a cooling state of a power converter including the converter and the inverter;
Pitch angle command value correcting means for correcting the pitch angle command value calculated by the pitch angle command value calculating means,
Based on the detection result of the cooling capacity detecting means, the pitch angle command value correcting means corrects the pitch angle command value, and variably controls the pitch angle of the blade according to the corrected pitch angle command value. A wind power generation system characterized by performing a command.
請求項1に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、
前記風力発電システム内または前記風力発電システム外の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記電力変換器から前記電力系統に送電することができる電力の低減幅を推定することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 1,
The cooling capacity detecting means is
A temperature sensor that detects a temperature inside or outside the wind power generation system is provided, and a reduction range of power that can be transmitted from the power converter to the power system based on a detection result of the temperature sensor. A wind power generation system characterized by estimating.
請求項2に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、所定の温度を予め設定したデータテーブルをさらに備え、前記温度センサの検出した温度が、前記データテーブルで設定されている温度よりも高くなるにつれて、前記電力の低減幅を単調減少させて推定することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 2,
The cooling capacity detecting unit further includes a data table in which a predetermined temperature is set in advance, and the power reduction range is increased as the temperature detected by the temperature sensor becomes higher than the temperature set in the data table. A wind power generation system characterized by monotonically decreasing estimation.
請求項2または3に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値補正手段は、前記冷却能力検出手段から出力された前記電力の低減幅に基づいて、前記ピッチ角指令値の補正値を求め、前記ピッチ角指令値と前記補正値を加算することで、補正後のピッチ角指令値を出力することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 2 or 3,
The pitch angle command value correction means obtains a correction value of the pitch angle command value based on the reduction range of the electric power output from the cooling capacity detection means, and adds the pitch angle command value and the correction value. Thus, the corrected pitch angle command value is output.
請求項4に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整するピッチ角調整手段を備え、前記ピッチ角調整手段は、前記補正後のピッチ角指令値に基づき、前記ブレードのピッチ角を可変制御することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 4,
Pitch angle adjusting means for mechanically adjusting the pitch angle from the pitch angle command value is provided, and the pitch angle adjusting means variably controls the pitch angle of the blade based on the corrected pitch angle command value. Wind power generation system characterized by
請求項2乃至5の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、前記冷却システム内または前記冷却システム外に備えられ、前記冷却システム内または前記冷却システム外の気温を検出することを特徴とする風力発電システム。
A wind power generation system according to any one of claims 2 to 5,
The temperature sensor is provided in the cooling system or outside the cooling system, and detects a temperature inside the cooling system or outside the cooling system.
請求項2乃至5の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、
前記電力変換器を収納する筺体内または筺体外に備えられ、前記筺体内または筺体外の気温を検出することを特徴とする風力発電システム。
A wind power generation system according to any one of claims 2 to 5,
The temperature sensor is
A wind power generation system that is provided inside or outside a housing that houses the power converter, and detects an air temperature inside or outside the housing.
請求項1乃至7の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記同期発電機と前記コンバータ間、および前記インバータと前記電力系統間に設けられた高調波フィルタリアクトルをさらに冷却し、前記冷却能力検出手段は、前記冷却システムの前記高調波フィルタリアクトルに対する冷却能力または前記高調波フィルタリアクトルの冷却状態を検出することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 1 to 7,
The cooling system further cools a harmonic filter reactor provided between the synchronous generator and the converter, and between the inverter and the power system, and the cooling capacity detecting means is configured to detect the harmonic filter of the cooling system. A wind power generation system characterized by detecting a cooling capacity for a reactor or a cooling state of the harmonic filter reactor.
請求項1乃至8の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記コンバータまたは前記インバータに対し冷却風を用いて熱量を放出させる熱交換器と、前記冷却風を循環させるファンとを備えることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 1 to 8,
The cooling system includes a heat exchanger that releases heat to the converter or the inverter using cooling air, and a fan that circulates the cooling air.
請求項1乃至8の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記電力変換器から熱量を受け取った冷却水の熱量を放出させる熱交換器と、冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に送出するためポンプと、前記ポンプから送出された冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に配水させるため冷却水配管と、前記冷却水配管から配水された冷却水を前記電力変換器内に循環させる冷却フィン水路とを備えることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 1 to 8,
The cooling system includes: a heat exchanger that releases heat of cooling water that has received heat from the power converter; a pump for sending cooling water between the heat exchanger and the power converter; A cooling water pipe for distributing the cooled cooling water between the heat exchanger and the power converter, and a cooling fin water path for circulating the cooling water distributed from the cooling water pipe into the power converter. Wind power generation system characterized by
請求項10に記載の風力発電システムにおいて、
前記冷却水配管内または前記冷却フィン水路内の冷却水の温度を前記温度センサにより検出することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 10,
The wind power generation system characterized by detecting the temperature of the cooling water in the cooling water pipe or the cooling fin water channel by the temperature sensor.
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