JP2014126017A - 風力発電施設及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置からグリッドへ直流電力を送電する直流送電路に設けられる遮断器の負担を軽減し、遮断器の寿命を向上させることができる風力発電施設及びその運転方法を提供する提供する。
【解決手段】風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための交直変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための直交変換器と、前記直流送電路に設けられた直流遮断器と、前記直流送電路の異常事象発生時に、前記少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させるための風車制御部と、前記直流送電路の異常事象発生時において、前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くように構成された遮断器制御部とを備える。
【選択図】 図１

Description

本開示は、風力発電装置で生成した交流電力を直流電力に変換してグリッド側へ直流送電する風力発電施設及びその運転方法に関する。

近年、地球環境の保全の観点から、大規模な風力発電施設の普及が進んでいる。風力発電施設は、一般に、複数の風力発電装置を含むウィンドファームと、ウィンドファームで生成した電力をグリッド（系統）に送電する送電設備とを備えている。

大規模なウィンドファームは、洋上や山間部などグリッドへの連系点から離れた場所に設けられることが多い。例えば、洋上風力発電施設では、グリッドへの連系点からの距離が１００ｋｍを超すような場所にウィンドファームを設置することがあり得る。この場合、ウィンドファームからグリッドの連系点までの送電距離が大きいと、無効電力が存在しない直流送電の方が交流送電に比べて送電ロスの観点から有利である。特に、長距離の海底ケーブルを用いる場合には、交流送電だと送電ロスが大きくなる傾向にあり、直流送電が適切であるとされている。これは、海底ケーブルは、一般的に、絶縁体および導体シースの比較的薄い層で導体が囲まれた構成になっており、高い静電容量を有するためである。

直流送電方式の発電施設として、高圧直流（ＨＶＤＣ；Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）システムを介してグリッドに連系されたものが知られている（特許文献１参照）。
ＨＶＤＣシステムは、発電施設側に設けられる交直変換器（送り出し変換器；ＳＥＣ）と、グリッド側に設けられる直交変換器（受け取り変換器；ＲＥＣ）とを有している。交直変換器と直交変換器の間には、直流送電路が設けられる。交直変換器は、発電施設からの交流電力を直流電力に変換し、直流送電路を介して直交変換器に直流電力を供給する。直交変換器は、直流送電路を介して交直変換器から受け取った直流電力を交流電力に変換し、グリッドにこれを供給する。

米国特許第６４７９９０７号明細書

ところで、直流送電方式を採用した風力発電施設では、直流送電路に地絡や短絡等の事故が発生した場合に、直流送電路を遮断する遮断器が設けられている。直流送電路に設けられる遮断器は、交流送電路のように周期的に訪れる零点が存在しないので、大容量の遮断器を事故発生時に即座に遮断すると大きな事故電流が流れることからアークが発生し、遮断器の溶損を引き起こすおそれがある。特に、洋上風力発電施設のように遮断器へのアクセスが困難な場合には、遮断器が故障した際の補修や交換の頻度を少なくするために遮断器の寿命向上が要求される。
この点、特許文献１には、直流送電路に設けられる遮断器を保護するための対策については何ら開示されていない。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、風力発電装置からグリッドへ直流電力を送電する直流送電路に設けられる遮断器の負担を軽減し、遮断器の寿命を向上させることができる風力発電施設及びその運転方法を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための交直変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための直交変換器と、前記直流送電路に設けられた直流遮断器と、前記直流送電路の異常事象発生時に、前記少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させるための風車制御部と、前記直流送電路の異常事象発生時において、前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くように構成された遮断器制御部とを備えることを特徴とする。

上記風力発電施設によれば、直流送電路の異常事象発生時に、少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させ、直流送電路の電流が閾値以下になったときに直流遮断器を開くようにする。これにより、直流遮断器を開く時には風力発電装置側から流れる電流が抑制されるので、遮断時におけるアークによる溶損を低減させて直流遮断器への負担を軽減でき、よって直流遮断器の寿命を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つの風力発電装置の異常事象を検出するための風車異常検出部をさらに備え、前記遮断器制御部は、前記風車異常検出部によって前記少なくとも一つの風力発電装置の重度異常事象が検出されたとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流の大きさにかかわらず前記直流遮断器を即座に開き、前記風車異常検出部によって前記少なくとも一つの風力発電装置の軽度異常事象が検出されたとき、または、異常事象が検出されなかったとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くように構成される。
風力発電施設では、直流送電路に異常が発生して風力発電装置から電力を出力できなくなると、例えば風車ロータの回転数が異常上昇し、風力発電装置に重大な損傷を及ぼす可能性がある。そこで、直流送電路の異常事象が発生した時に、風車異常検出部によって風力発電装置の状態を検出するようにしている。そして、風力発電装置に発生した異常が重大な損傷をもたらさない軽度異常事象であったり、あるいは、風力発電装置に異常が発生していない場合、直流送電路の電流が閾値以下になるのを待ってから直流遮断器を開く。これにより、風力発電装置に重大な損傷を及ぼすことなく、直流遮断器への負担を軽減して直流遮断器を開くことができる。一方、風力発電装置に発生した異常が重大な損傷をもたらしかねない重度異常事象であれば、直流遮断器を即座に開くことにより、風力発電装置から直流遮断器をすぐに切り離すことができ、風力発電装置の損傷を最小限に抑えることができる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設の運転方法は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための交直変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための直交変換器と、前記直流送電路に設けられた直流遮断器とを備える風力発電施設の運転方法であって、前記直流送電路の異常事象発生時に、前記少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させる出力低減ステップと、前記直流送電路の異常事象発生時において、前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開く遮断器開ステップとを備えることを特徴とする。

上記風力発電施設の運転方法によれば、直流送電路の異常事象発生時に、少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させ、直流送電路の電流が閾値以下になったときに直流遮断器を開くようにする。これにより、直流遮断器を開く時には風力発電装置側から流れる電流が抑制されるので、遮断時におけるアークによる溶損を低減させて直流遮断器への負担を軽減でき、よって直流遮断器の寿命を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、前記遮断器開ステップでは、前記少なくとも一つの風力発電装置の重度異常事象が検出されたとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流の大きさにかかわらず前記直流遮断器を即座に開き、前記少なくとも一つの風力発電装置の軽度異常事象が検出されたとき、または、異常事象が検出されなかったとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開く。
このように、風力発電装置に発生した異常が重大な損傷をもたらさない軽度異常事象であったり、あるいは、風力発電装置に異常が発生していない場合、直流送電路の電流が閾値以下になるのを待ってから直流遮断器を開くことで、風力発電装置に重大な損傷を及ぼすことなく、直流遮断器の負担を軽減できる。一方、風力発電装置に発生した異常が重大な損傷をもたらしかねない重度異常事象であれば、直流遮断器を即座に開くことにより、風力発電装置の損傷を最小限に抑えることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、風力発電装置からグリッドへ直流電力を送電する直流送電路に設けられる遮断器の負担を軽減し、遮断器の寿命を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電施設の運転方法を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
同図に示すように、風力発電施設１は、少なくとも一つの風力発電装置３（３ａ，３ｂ，…３ｘ）を含むウィンドファーム２と、風力発電装置３とグリッド（系統）５０とを接続するローカルグリッド４と、風力発電装置３とグリッド５０との間に設けられる送電設備１０とを備える。

風力発電装置３は、風を受けて回転するロータの回転エネルギーを電力に変換する発電機を有する。
幾つかの実施形態では、複数の風力発電装置３ａ，３ｂ，…３ｘは、同一の連系点４５に接続されることによって一つのウィンドファーム２を構成する。各風力発電装置３ａ，３ｂ，…３ｘから出力される交流電力はローカルグリッド４に送り出され、ローカルグリッド４に設けられる送電設備１０を経てグリッド５０に供給される。なお、風力発電施設１において、風力発電装置３は少なくとも一つ設けられればよいが、図１には一例として、複数の風力発電装置３ａ，３ｂ，…３ｘが設けられた構成を示している。

一実施形態において、ローカルグリッド４は、風力発電装置３（３ａ，３ｂ，…３ｘ）側から順に、交流送電路５（５ａ，５ｂ，…５ｘ）と、直流送電路６（６ａ，６ｂ，…６ｘ），７と、交流送電路８とから構成されてもよい。なお、複数の風力発電装置３ａ，３ｂ，…３ｘに対応して設けられた複数の直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘは、任意の接続点９で一つの直流送電路７に接続されてもよい。

また、一実施形態において、ローカルグリッド４には、送り出し側遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ）及び受け取り側遮断器１５が設けられている。なお、図には模式的に、各直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘに各一つの送り出し側遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ）が設けられ、直流送電路７に一つの受け取り側遮断器１５を設けた構成を示しているが、各直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘ及び直流送電路７にそれぞれ複数の遮断器が設けられてもよい。グリッド５０及びローカルグリッド４に異常がない場合、送り出し側遮断器１４及び受け取り側遮断器１５は全て閉になっており、風力発電装置３で生成された電力はローカルグリッド４内をグリッド５０に向かって送電される。

風力発電装置３は、発電機として例えば同期発電機や誘導発電機が用いられる。風力発電装置３とグリッド５０との間には、交直変換器（コンバータ又は送り出し変換器とも言う）１２ａ，１２ｂ，…１２ｘと、直交変換器（インバータ又は受け取り変換器とも言う）１６と、変圧器１８とを含む送電設備１０が設けられる。そして、複数の風力発電装置３ａ，３ｂ，…３ｘから出力される交流電力は、それぞれ、交流送電路５ａ，５ｂ，…５ｘを介して各交直変換器１２ａ，１２ｂ，…１２ｘに導入され、直流電力に変換される。各交直変換器１２ａ，１２ｂ，…１２ｘで変換された直流電力は、直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘ及び直流送電路７によって直流送電され、直交変換器１６に導入される。直交変換器１６では直流電力を交流電力に変換し、この変換された交流電力は変圧器１８によって変圧されてグリッド５０に供給される。

なお、風力発電施設１において、ウィンドファーム２及び交直変換器１２は洋上に設置され、直交変換器１６及び変圧器１８、グリッド５０は陸上に設置されてもよい。この場合、直流送電路６，７の大部分は海底に設置される海底ケーブルである。

幾つかの実施形態では、風力発電施設１は、ウィンドファーム２内の風力発電装置３の出力低減制御を行う風車制御部３０と、風力発電装置３の異常を検出する風車異常検出部３２と、送り出し側遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ）及び受け取り側遮断器１５の開閉を制御する遮断器制御部４０とを備えている。風車制御部３０は、直流送電路６，７の異常事象発生時に、風力発電装置３を制御してその発電出力を低減させる。そして、遮断器制御部４０は、直流送電路６，７の直流電流が閾値以下になったときに遮断器１４，１５を開く。
以下、風車制御部３０及び遮断器制御部４０について詳述する。

風車制御部３０は、一実施形態では、遮断器制御部４０から出力低減指令を受け取った時に、風力発電装置３のブレードのピッチ角をフェザー側に制御するなどの風力発電装置３の出力低減制御を行う。他の実施形態では、風車制御部３０は、直流送電路６，７の異常事象の検出信号を後述の検出部３４から受け取った時に、風力発電装置３の出力低減制御を行う。

この際、風車異常検出部３２は、遮断器制御部４０から直流送電路６，７の異常検出信号を受け取った時、あるいは、直流送電路６，７の異常事象の検出信号を後述の検出部３４から受け取った時に、風力発電装置３の状態を検出する。具体的には、風力発電装置３の異常の有無を検出し、異常が発生している場合には、異常事象が軽度異常事象か重度異常事象かを判断する。ここで、軽度異常事象とは、風力発電装置３の重大な損傷をもたらさない異常事象であり、例えば、風力発電装置３の風向偏差異常、各種温度センサの温度異常等が挙げられる。一方、重度異常事象とは、風力発電装置３の重大な損傷をもたらしかねない異常事象であり、例えば、風力発電装置３の発電機の過回転、過出力等の異常が挙げられる。

遮断器制御部４０は、各直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘ及び直流送電路７の少なくともいずれかに、地絡や短絡等のような遮断を要する異常を検出したら、送り出し側遮断器１４及び受け取り側遮断器１５を開いて、異常が検出された直流送電路６，７を切り離すように制御する。具体的には、各直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘ及び直流送電路７の少なくともいずれかには、地絡や短絡等のような遮断を要する異常が発生したことを検出する検出部３４が設けられている。検出部３４は、例えば、電圧又は電流を検出して、直流送電路６，７の異常を検出するように構成される。なお、図１には一例として直流送電路７に設けられた構成を示しているが、異常が発生した直流送電路を特定できるように、各直流送電路６ａ，６ｂ，…６ｘにそれぞれ検出部を設けてもよい。

一実施形態では、遮断器制御部４０は、風車異常検出部３２によって風力発電装置３の軽度異常事象が検出されたとき、または、異常が検出されなかったとき、直流送電路６，７の異常事象発生時において直流送電路６，７の電流が閾値以下になったときに直流遮断器１４，１５を開く。一方、風車異常検出部３２によって風力発電装置３の重度異常事象が検出されたとき、直流送電路６，７の電流の大きさにかかわらず直流遮断器１４，１５を即座に開く。

ここで、図２を参照して、一実施形態に係る風力発電施設１の運転方法について説明する。
風力発電施設１の通常運転時（Ｓ１）、検出部３４によって直流遮断器１４，１５の状態を監視し、直流送電路６，７に遮断を要する異常が発生したか否かを判定する（Ｓ２）。直流送電路６，７に遮断を要する異常が発生したとき（Ｓ２のＹＥＳ判定）、風車異常検出部３２によって風力発電装置３の状態を検出する（Ｓ３）。そして、風力発電装置３に軽度異常事象が発生しているか、あるいは、風力発電装置３に異常が発生していないかについて判定する（Ｓ４）。風力発電装置３に軽度異常事象が発生しているか、あるいは、風力発電装置３に異常が発生していない場合（Ｓ４のＹＥＳ判定）、風車制御部３０は風力発電装置３の出力を低下させる制御を行う（Ｓ５）。そして、風力発電装置３の出力が低下し、検出部３４で検出される直流送電路６，７の電流値が閾値以下となったら（Ｓ６）、遮断器制御部３０によって直流遮断器１４，１５を開いて直流送電路６，７をローカルグリッド４から切り離す（Ｓ７）。一方、風力発電装置３に発生した異常が重度異常事象である場合（Ｓ４のＮＯ判定）には、風車制御部３０は風力発電装置３を停止させる停止制御を開始すると共に、直流送電路６，７の直流電流の大きさにかかわらず直流遮断器１４，１５を即座に開く（Ｓ８）。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、直流送電路６（６ａ，６ｂ，…６ｘ），７の異常事象発生時に、少なくとも一つの風力発電装置３（３ａ，３ｂ，…３ｘ）に発電出力を低減させ、直流送電路６（６ａ，６ｂ，…６ｘ），７の電流が閾値以下になったときに直流遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ），１５を開くようにする。これにより、直流遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ），１５を開く時には風力発電装置３側から流れる電流が抑制されるので、遮断時におけるアークによる溶損を低減させて直流遮断器１４，１５への負担を軽減でき、よって直流遮断器１４，１５の寿命を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、風力発電装置３から出力された電力をグリッド５０へ送電する送電設備１０において、複数の交流送電路５ａ，５ｂ，…５ｘにそれぞれ交直変換器１２ａ，１２ｂ，…１２ｘが設けられた構成を例示したが、図３に示すように、複数の交流送電路５ａ，５ｂ，…５ｘが接続された一本の交流送電路５０に交直変換器１２が設けられた構成としてもよい。なお、図３は、本発明の変形例に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。この場合、交直変換器１２と直交変換器１６との間は一本の直流送電路６０で接続され、直流送電路６０には、送り出し側遮断器１４と受け取り側遮断器１５がそれぞれ一つずつ設けられる。

１ 風力発電施設
２ ウィンドファーム
３（３ａ，３ｂ，…３ｘ） 風力発電装置
４ ローカルグリッド
５（５ａ，５ｂ，…５ｘ），８，５０ 交流送電路
６（６ａ，６ｂ，…６ｘ），７，６０ 直流送電路
９ 接続点
１０ 送電設備
１２（１２ａ，１２ｂ，…１２ｘ） 交直変換器
１４（１４ａ，１４ｂ，…１４ｘ），１５ 遮断器（開閉器）
１６ 直交変換器
１８ 変圧器
３０ 風車制御部
３２ 風車異常検出部
３４ 検出部
４０ グリッド
４５ 連系点

Claims (4)

1. 少なくとも一つの風力発電装置と、
   前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、
   前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための交直変換器と、
   前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための直交変換器と、
   前記直流送電路に設けられた直流遮断器と、
   前記直流送電路の異常事象発生時に、前記少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させるための風車制御部と、
   前記直流送電路の異常事象発生時において、前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くように構成された遮断器制御部とを備えることを特徴とする風力発電施設。
2. 前記少なくとも一つの風力発電装置の異常事象を検出するための風車異常検出部をさらに備え、
   前記遮断器制御部は、
   前記風車異常検出部によって前記少なくとも一つの風力発電装置の重度異常事象が検出されたとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流の大きさにかかわらず前記直流遮断器を即座に開き、
   前記風車異常検出部によって前記少なくとも一つの風力発電装置の軽度異常事象が検出されたとき、または、異常事象が検出されなかったとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設。
3. 少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための交直変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための直交変換器と、前記直流送電路に設けられた直流遮断器とを備える風力発電施設の運転方法であって、
   前記直流送電路の異常事象発生時に、前記少なくとも一つの風力発電装置に発電出力を低減させる出力低減ステップと、
   前記直流送電路の異常事象発生時において、前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開く遮断器開ステップとを備えることを特徴とする風力発電施設の運転方法。
4. 前記遮断器開ステップでは、
   前記少なくとも一つの風力発電装置の重度異常事象が検出されたとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流の大きさにかかわらず前記直流遮断器を即座に開き、
   前記少なくとも一つの風力発電装置の軽度異常事象が検出されたとき、または、異常事象が検出されなかったとき、前記直流送電路の異常事象発生時において前記直流送電路の電流が閾値以下になったときに前記直流遮断器を開くことを特徴とする請求項３に記載の風力発電施設の運転方法。
   
   

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