JP2013526254A - 発電機制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係るシステムおよび方法は、電力系統における電圧降下期間に、当該電力系統に接続された発電機を制御するものである。システムは、電力系統（４）と発電機（３）との間に接続された連続変換器（２）と、そしてさらに、発電機（３）と連続変換器（２）のＤＣリンク（２ｂ）との間に直列に接続された、発電機側変換器（２ａ）と並列な整流装置（５）とを備え、これにより、発電機側の過剰エネルギーをＤＣリンク（２ｂ）に入力する選択的な回路を提供する。

Description

本発明は、電力系統における電圧降下期間に、当該電力系統に接続される発電機を制御するシステムおよび方法に関する。

近年、電力系統に接続された風力発電機や風力発電地帯の数が劇的に増加している。そのため、系統接続への要求はますます多くなってきており、結果として、風力発電制御システムは年を追ってより複雑なものになってきている。具体的には、系統接続への要求として、電力系統における短期間の電圧降下期間に、風力発電機が好適に動作することが求められている。

発電機を電力系統に接続するための装置として連続変換器が知られている。連続変換器は、直流リンクによって接続された、発電機側変換器と電力系統側変換器とを備えている。連続変換器がＤＦＩＧ（二次励磁誘導発電機）システムに用いられた場合、連続変換器は、発電機の回転子を電力系統に接続する。また、連続変換器がフルコンバータシステムに用いられた場合、連続変換器は、発電機または固定子を電力系統に接続する。ＤＦＩＧおよびフルコンバータシステムは共に先行技術の一部である。

さらに詳しく述べると、ＤＦＩＧは他の多くのシステムよりも多数の経済的および技術的な利点をもたらすという事実により、現在広く用いられている。ＤＦＩＧおいて、何らの対策も講じなければ、電力系統における電圧降下は、回転子巻線に過電圧を引き起こす一時的な期間（a transient phase）を生じさせ、この過電圧が発電機側変換器を破壊することがある。

それゆえ、系統接続への要求を満たすために、ＤＦＩＧシステムは、一方で上記一時的な期間において発電機の系統への接続を保ち、且つ、他方で風力タービンの制御を維持することを可能にする装置を備えている。この装置は“クローバー”または“クローバーユニット”として一般的に知られている。国際特許出願PCT/ES2006/000264には、電力系統における電圧降下が検出されたときに動作するクローバーユニットについて開示されている。このクローバーユニットは、基本的には、短絡回路によって回転子巻線における電圧を低くすることによって、連続変換器の発電機側変換器を保護している。

近年、ますます必要とされている系統接続への要求は、上記一時的な期間をより短くすることである。しかしながら、電流クローバーユニットの動作を早い段階で停止させた場合、回転子巻線には破壊的な電圧が残存する可能性がある。したがって、電力系統に接続された発電機のための制御システムの必要性は未だに存在する。

国際公開第ＰＣＴ／ＥＳ２００６／０００２６４号（２００７年１１月２９日公開）

通常、連続変換器は、電力変換システムに求められる定格容量を処理するように設計されている（フルコンバータにおいては風力タービン出力の１００％であり、ＤＦＩＧにおいては風力タービン出力の３０％）。そのため、連続変換器における逆並列のダイオード（例えば、ＩＧＢＴｓ）は、電圧降下時に発生する可能性がある過電流に耐え得るように定格化されておらず、よって、発電機から発電機側変換器が断絶されていない場合、発電機側変換器が破損する可能性がある。

このような問題を解決するために、本発明の第一の特徴として、発電機制御システムは、発電機と電力系統との間に接続される連続変換器を備え、さらに、発電機と連続変換器のＤＣリンクとの間に直列に接続された、発電機側変換器と並列な整流装置を備えている。

この新たな形態は、全ての電圧降下期間において連続変換器を制御下に置くことができる。そのため、現行のクローバーシステムとの比較において、系統に対する無効電力の注入を、より早期に行うことが可能となる。加えて、非常に高い電流に耐え得る特性を有するように連続変換器を設計および製造することを必要としないので、より経済的で製造が容易となる。

整流装置は、発電機側における三相電圧と三相電流とを、直流電圧と直流電流とに変換する。好ましくは、整流装置は、ダイオードを備えるブリッジ、ＩＧＢＴ’ｓを備えるブリッジ、もしくは、サイリスタを備えるブリッジを備える。整流装置が能動素子（ＩＧＢＴ’ｓ、サイリスタ、およびその他）を備える場合、電力系統における電圧降下が検出されたあと選択された瞬間に、本発明の制御システムが始動するように動作させることができる。

したがって、本発明の制御システムは、発電機とＤＣリンクとの間における、発電機側変換器に並列な選択的接続を提供する。これにより、発電機側の過剰エネルギーをＤＣリンクに入力することが可能となり、同時に、発電機側変換器の破損を防ぐために、当該発電機側変換器における電圧を充分に低く保つことが可能となる。

好ましい実施形態によると、本発明はさらに、整流装置と直列に接続された半導体装置を備える。半導体装置は、電圧降下がないときに、ＤＣリンクから発電機側へ電流が逆流することを回避する役割を主に果たす。この逆流の問題は、ある種の整流装置を用いたときに発生し得る。好ましくは、半導体装置は、２つのサイリスタまたは２つのダイオードをさらに備え、各サイリスタまたは各ダイオードは、ＤＣリンクと整流装置との、陽極および陰極をそれぞれ接続する。半導体装置が能動素子で形成されたとき、半導体装置は、さらに、電力系統における電圧降下が検出されたあと選択された瞬間に本発明の制御システムを動作させるために用いられてもよい。

ＤＣリンクに伝達した過剰エネルギーは、多くの方法によって処理することができる。例えば、電力系統側変換器を介して過剰エネルギーを電力系統へ向かわせてもよい。その他の好ましい実施形態によると、本発明は、さらに、ＤＣリンクに接続されたエネルギー散逸装置を備える。エネルギー散逸装置はどうようなタイプのものでもよい（容量性、誘導性、または抵抗性）。しかし、過剰エネルギーを散逸させる場合、好ましい実施形態においては、エネルギー散逸装置を、例えばチョッパー回路のような抵抗性とすることができる。これに対して、電力系統における電圧降下のあと、過剰エネルギーが吸収され、その後、放出される場合は、エネルギー散逸装置を容量性とすることができる。さらなる効果として、一般的な連続変換器のＤＣリンクは、通常、コンデンサバンクを備えるので、容量性のエネルギー散逸装置はそのコンデンサバンクに組み込むことができる。

好ましくは、本発明のシステムにより制御される発電機は、風力タービンと接続される。

本発明の他の好ましい実施形態では、発電機は二次励磁誘導発電機（ＤＦＩＧ）であり、この場合、整流装置は発電機の回転子に接続される。

先行技術のシステムでは、発電機の固定子が系統に接続される。よって、過電圧および発電機の回転子において引き起こされた過電流は、一般的な連続変換器にとって耐えることができないほど非常に高いおそれがある。したがって、発電機側変換器がそのような状況下での処理容量を有する場合を除いて、発電機側変換器は断絶される。クローバーが回転子と発電機側変換器との間に配置される場合、前述の過剰電流が変換器に貫流することを抑制するために、過剰電流を散逸可能である。本発明では、電圧降下時の間における連続変換器の制御を保つことができるというさらなる効果とともに、発電機側変換器を損傷させることなく当該電流がＤＣリンクに流入することを可能にする。この効果は、変換器システムにおいて、発電機制御を迅速に正常な状態に戻し、且つ、低電圧を乗り切るための風力タービンの動作を改善することを可能にする。一例を挙げれば、好ましいが制限的でない実施形態において、系統における低下が検出されたあと、短時間で系統に無効電力を供給する。

さらに、本発明の他の好ましい実施形態において、発電機はフルコンバータモードで制御されており、この場合、整流装置は発電機の固定子に接続される。フルコンバータシステムでは、発電機は系統に直接接続されないため、システムの動作はＤＦＩＧシステムほど厳格ではない。しかしながら、本発明は、その上で、電力変換器のダイオードにおいてさらに付加的な容量を備える。よって、過速度（そして、その結果生じる可能性がある永久磁石発電機における過電圧）または過負荷が発生した場合、本発明は、そのような状況に耐えられるように連続変換器を補助し、より大きな電流量が発電機側変換器からＤＣリンクへ向かって貫流することを可能にする。

本発明の第２の特徴は、連続変換器によって電力系統に接続された発電機を制御する方法であって、電力系統の電圧降下に応じて、発電機側変換器と並列に配置された、整流装置および半導体装置を介して、連続変換器のＤＣリンクに発電機を接続することにより、発電機における過剰エネルギーをＤＣリンクに向けて伝導させることにある。

好ましい実施形態において、過剰エネルギーはＤＣリンクに接続された抵抗性の散逸装置によって散逸される。

さらに好ましい実施形態において、過剰エネルギーは連続変換器の系統側変換器を介して電力系統に伝達される。

また、さらに好ましい実施形態において、過剰エネルギーはＤＣリンクに接続された容量性の散逸装置によって吸収され、その後、系統が電力降下から正常な状態に戻るとすぐ放出される。

図１ａは、先行技術である、電力系統に接続された風力発電機のためのＤＦＩＧ制御システムを示す。 図１ｂは、先行技術である、電力系統に接続される風力発電機のためのフルコンバータシステムを示す。 図２は、二次励磁誘導発電機に接続された本発明の好ましい実施形態の制御システムを示す。

ここからは、本発明の好ましい実施形態について前述の図面を参照して説明する。

図１ａは、風力タービンに接続され、且つ、先行技術に基づくクローバーユニット（１００）を備えたＤＦＩＧを示す。電力系統（１０４）において電圧降下が発生したときクローバーユニット（１００）が動作し、これにより、過剰エネルギーは散逸する。一方、図１ｂは、風力タービンに接続され、且つ、フルコンバータモードにおいて制御される発電機を示す。

図２は、本発明の制御システム（１）を備える二次励磁誘導発電機（３）を示す。先行技術と同様に、発電機（３）の回転子は、連続変換器（２）によって電力系統（４）に接続される。連続変換器（２）は、発電機側変換器（２ａ）、ＤＣリンク（２ｂ）および電力系統側変換器（２ｃ）を備える。一方、発電機（３）の固定子は、電力系統（４）に直接接続される。

本例において、本発明のシステム（１）は、整流装置（５）および半導体装置（６）とをさらに備える。整流装置（５）および半導体装置（６）は、ＤＣリンク（２ｂ）と発電機（３）の回転子との間に直列に接続され、且つ、回転子側の変換器（２ａ）と並列に接続される。本例の整流装置（５）は、ダイオードブリッジを備える。一方、半導体装置（６）は、ＤＣリンク（２ｂ）と整流装置（５）との、陽極および陰極にそれぞれ接続された複数のサイリスタを備える。

本願において前述したように、ＤＣリンク（２）に伝わった過剰エネルギーは、電力系統側変換器（２ｃ）を介して電力系統（４）に伝えられてもよい。しかしながら、ＤＣリンク（２ｂ）に接続された散逸装置（７）を有することも可能である。過剰エネルギーが散逸される場合、これらの散逸装置（７）は抵抗性であってもよい。例えば、チョッパーユニットが用いられる。また、過剰エネルギーが吸収され、続いて、電力系統（４）が電力降下から正常な状態に戻ると放出される場合、散逸装置（７）は容量性であってもよい。ここで、容量性散逸装置（７）は、先行技術であるＤＣリンクに通常接続される一般的なコンデンサバンクと融合させてもよい。

Claims (15)

1. 上記発電機（３）と上記電力系統（４）との間に接続される連続変換器（２）を備えた発電機制御システム（１）であって、さらに、上記発電機（３）と上記連続変換器（２）の上記ＤＣリンク（２ｂ）との間に直列に接続された、上記発電機側変換器（２ａ）と並列な整流装置（５）を備えることを特徴とする発電機制御システム（１）。
2. 上記整流装置（５）は、ダイオードを備えたブリッジ、ＩＧＢＴ’ｓを備えたブリッジおよびサイリスタを備えたブリッジから選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の発電機制御システム（１）。
3. 上記整流装置（５）は、上記整流装置（５）と直列に接続された半導体装置（６）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の発電機制御システム（１）。
4. 上記半導体装置（６）は、２つのサイリスタまたは２つのダイオードをさらに備え、各サイリスタまたは各ダイオードは、上記ＤＣリンク（２ｂ）と上記整流装置（５）との、陽極および陰極をそれぞれ接続することを特徴とする請求項３に記載の発電機制御システム（１）。
5. 上記ＤＣリンク（２ｂ）に接続されたエネルギー散逸装置（７）をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発電機制御システム（１）。
6. 上記エネルギー散逸装置（７）は、抵抗性であることを特徴とする請求項５に記載の発電機制御システム（１）。
7. 上記エネルギー散逸装置（７）は、チョッパー回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の発電機制御システム（１）。
8. 上記エネルギー散逸装置（７）は、容量性であることを特徴とする請求項５に記載の発電機制御システム（１）。
9. 上記発電機は二次励磁誘導発電機であり、上記整流装置（５）は上記発電機（３）の回転子に接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発電機制御システム（１）。
10. 上記発電機はフルコンバータモードで制御されており、上記整流装置（５）は上記発電機（３）の固定子に接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発電機制御システム（１）。
11. 上記発電機（３）は、風力タービンに接続されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発電機制御システム（１）。
12. 連続変換器（２）によって上記電力系統（４）に接続された発電機（１）を制御する方法であって、上記電力系統（４）の電圧降下に応じて、上記発電機側変換器（２ａ）と並列に配置された、整流装置（５）および半導体装置（６）を介して、上記連続変換器（２）の上記ＤＣリンク（２ｂ）に上記発電機（３）を接続するステップを実行することにより、上記発電機（３）における過剰エネルギーを上記ＤＣリンク（２ｂ）に向けて伝導させることを特徴とする発電機（１）を制御する方法。
13. 上記過剰エネルギーを、上記ＤＣリンク（２ｂ）に接続された抵抗性散逸装置（７）によって散逸することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 上記過剰エネルギーを、上記連続変換器（２）の上記系統側変換器（２ｃ）を介して上記電力系統（４）に伝導させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 上記過剰エネルギーを上記ＤＣリンク（２ｂ）に接続された容量性散逸装置（７）によって吸収させ、その後、上記電力系統（４）が電力降下から正常な状態に戻るとすぐに放出させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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