JP2015089197A - 風力発電用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電機による電磁騒音を抑制する。【解決手段】風力発電機１から出力される交流電圧を直流電圧に変換する発電機側コンバータ２と、発電機側コンバータ２から出力される直流電圧を交流電圧に変換して電力系統１０に連系させる系統側コンバータ４と、発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４をＰＷＭ制御する制御装置２０と、を備えた風力発電用電力変換装置において、制御装置２０内の一つのマイクロコンピュータが、発電機側コンバータ２をＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、発電機側コンバータ２の入力電圧・入力電流のサンプリング周波数と同期させながら周期的に変化させて発電機側コンバータ２のスイッチング周波数を所定範囲内で分散させる。また、上記サンプリング周波数を発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４で共有し、系統側コンバータ４のキャリア周波数もサンプリング周波数に同期させる。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電用電力変換装置における電磁騒音を抑制する技術に関する。

近年、風力発電機が普及し、郊外だけでなく住宅地や都心などにも風力発電施設の導入が進みつつある。この風力発電施設では、風力発電機から出力される交流電圧を発電機側コンバータにて直流電圧に変換し、更に系統側コンバータ（インバータ）により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電力系統に供給している。その際、発電機側コンバータは、ＰＷＭ制御によるスイッチング動作を行うので、発電機のインダクタンス成分に起因する電磁騒音が発生し、特にスイッチング周波数が可聴領域に存在する場合には健康や近隣施設への悪影響が懸念される。
ここで、電力変換装置における電磁騒音を抑制する従来技術としては、特許文献１，２に記載されたものが知られている。

例えば、図５は特許文献１に記載された電動機駆動システムを示しており、直流電源６０１にコンバータ６０２を介して互いに並列接続されたインバータ６０３，６０４を、電子制御ユニット５００によりＰＷＭ制御することによって電動機（発電動機）ＭＧ_１，ＭＧ_２を駆動するものである。
図６は、電子制御ユニット５００の構成を示しており、各電動機ＭＧ_１，ＭＧ_２に対する電圧指令がパルス幅変調部７０１，７０２に入力されている。キャリア周波数制御部７０３は、互いに異なるキャリア周波数ｆ_１，ｆ_２を周期的に変化させて出力し、キャリア発生部７０４，７０５はキャリア周波数ｆ_１，ｆ_２に基づいてキャリア信号ＣＳ_１，ＣＳ_２をそれぞれ発生する。パルス幅変調部７０１，７０２は、電圧指令とキャリア信号ＣＳ_１，ＣＳ_２とをそれぞれ比較してインバータ６０３，６０４のスイッチング素子に対するゲートパルスを生成する。
この従来技術では、キャリア周波数ｆ_１，ｆ_２を異なる周波数領域に分散して周期的に変化させることにより、インバータ６０３，６０４のスイッチングに伴う電磁騒音を抑制している。

更に、図７は特許文献２に記載された従来技術であり、直流電源８０１に接続されたインバータ８０２のＰＷＭ制御により電動機Ｍを駆動するシステムを示している。ここで、制御装置９００は、電流指令生成部９０１、ＰＩＤ制御部９０２、キャリア周波数生成部９０３、キャリア信号生成部９０４及びコンパレータ９０５等を備えている。
この従来技術においても、キャリア周波数生成部９０３がキャリア周波数ｆ_ｃを離散的かつ周期的に変化させてインバータ８０２のスイッチング周波数を分散させることにより、電磁騒音を抑制している。

再表２０１１／１３５６８７（段落［００３３］〜［００６６］、図３〜図９等） 特開２００８−９９４７５号公報（段落［０００８］〜［００２４］、図１〜図５等）

ここで、風力発電用電力変換装置においては、例えば発電機側コンバータを制御するためにその入力電圧、入力電流等の状態量を検出するサンプリング周期と、発電機側コンバータのスイッチング周波数とが同期していないと、スイッチングに伴うリプルを含んだ電流等を検出する際にリプルの中心点をサンプリングすることができず、その結果、状態量の検出値にオフセットが含まれて制御誤差が生じる。このことは、系統側コンバータの出力電圧、出力電流等をサンプリングする場合にも同様であり、発電機側コンバータ及び系統側コンバータの何れも、サンプリング周期とスイッチング周期とが同期していることが求められる。

また、発電機側コンバータと系統側コンバータとを備えた風力発電用電力変換装置では、一つのマイクロコンピュータ（演算処理装置）により、電圧、電流等のサンプリング周波数を共有しながら２台のコンバータを制御可能であることが望ましい。
その理由は、例えば電力系統または系統側コンバータの状態量を用いて発電機側コンバータの制御を補償する場合などに、各コンバータを個別のマイクロコンピュータによりそれぞれ制御する方式では、制御情報を通信等の手段を用いて共有する際に時間遅れが生じて制御に支障をきたすためである。また、風力発電システムにおいては、一般的に、瞬時停電などの系統擾乱時にも装置を停止させずに電力系統との連系を保つＦＲＴ（Fault Ride Through）制御を行っているので、擾乱発生時に制御モードを切り替える必要があるが、一つのマイクロコンピュータにより２台のコンバータを制御することができれば、制御モードのスムーズな切り替えも可能になる。

前述したように、特許文献１，２には、２台または１台のインバータに対するキャリア周波数を変化させて電磁騒音を抑制する技術が開示されている。
しかしながら、これらの騒音抑制技術を風力発電用電力変換装置にそのまま適用する場合には、以下のような問題が生じる。

すなわち、電磁騒音を抑制するためには、ＰＷＭ制御される発電機側コンバータのスイッチング周波数（キャリア周波数）を周期的に変化させることが有効であるが、その場合には、前述した理由により、発電機側コンバータのスイッチング周波数に同期させてサンプリング周波数も変化させなくてはならない。このため、制御装置が、一つのマイクロコンピュータを用いて、サンプリング周波数を共有しながら発電機側コンバータ及び系統側コンバータを制御する場合には、発電機側コンバータのスイッチング周波数の変化に応じて系統側コンバータのスイッチング周波数も変化させなくてはならず、系統電圧の歪を低減させるための同期ＰＷＭ制御を行うことができなくなるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、系統側コンバータの動作に影響を及ぼすことなく、発電機側コンバータのキャリア周波数のみを変化させて風力発電機による電磁騒音を抑制するようにした風力発電用電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、風力発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換する発電機側コンバータと、前記発電機側コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電力系統に連系させる系統側コンバータと、前記発電機側コンバータ及び前記系統側コンバータをＰＷＭ制御する制御装置と、前記発電機側コンバータの入力電圧・入力電流をサンプリングする手段と、前記系統側コンバータの出力電圧・出力電流をサンプリングする手段と、を備えた風力発電用電力変換装置において、
前記制御装置は、
前記発電機側コンバータをＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と同期させながら周期的に変化させて前記発電機側コンバータのスイッチング周波数を所定範囲内で分散させ、かつ、前記系統側コンバータをＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、前記系統側コンバータ用のサンプリング周波数と同期させるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した風力発電用電力変換装置において、前記制御装置は、前記発電機側コンバータ及び前記系統側コンバータをＰＷＭ制御するための一つの演算処理装置を備え、前記演算処理装置が、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と前記系統側コンバータ用のサンプリング周波数とを共有していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した風力発電用電力変換装置において、前記演算処理装置は、前記サンプリング周波数を生成するためのサンプリング用カウンタと、前記発電機側コンバータのキャリア周波数を生成するための変動用カウンタと、を備え、前記変動用カウンタによるカウント値と前記サンプリング用カウンタによるカウント値との比を変化させて前記発電機側コンバータのキャリア周波数を周期的に変化させることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載した風力発電用電力変換装置において、前記演算処理装置は、前記系統側コンバータ用のキャリアを前記電力系統の電圧に同期させる同期ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。
ここで、上記同期ＰＷＭ制御は、請求項５に記載するように、前記演算処理装置が、前記電力系統の電圧から算出した第３調波を前記系統側コンバータ用のキャリアに同期した第３調波データテーブル波形に同期させて行うものである。

本発明によれば、発電機側コンバータをＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と同期させながら周期的に変化させることにより、発電機側コンバータのスイッチング周波数を所定範囲内で分散させて風力発電機による電磁騒音を抑制することができる。また、発電機側コンバータのキャリア周波数を変化させても系統側コンバータのキャリア周波数を変化させる必要がなく、系統側コンバータの動作に影響を及ぼさずに同期ＰＷＭ制御を行うことが可能である。
更に、発電機側コンバータと系統側コンバータとを一つの演算処理装置によって制御することにより、制御情報に時間遅れが生じる恐れもなく、ＦＲＴ制御における制御モードの切り替えもスムーズに行うことができる。

本発明の実施形態に係る風力発電用電力変換装置の構成図である。 サンプリング用カウンタの動作と系統側コンバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアの関係を示す図である。 本発明の実施形態における発電機側コンバータ用キャリアの変調方式の説明図である。 同期ＰＷＭ制御を説明するための波形図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 特許文献１における主要部の構成図である。 特許文献２に記載された従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る風力発電用電力変換装置３０の構成図である。図１において、三相交流電圧を出力する風力発電機１には発電機側コンバータ２が接続され、その出力側には直流中間コンデンサ３が接続されている。直流中間コンデンサ３の両端は系統側コンバータ４の直流入力側に接続され、系統側コンバータ４の交流出力側には、フィルタリアクトル５及びフィルタコンデンサ６を介して電力系統１０が接続されている。

発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４は、例えば還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成されている。ここで、系統側コンバータ４は、直流中間回路の直流電圧を三相交流電圧に変換して電力系統１０に連系するインバータ（逆変換器）として動作するが、ここでは広義に「コンバータ」と称している。

また、発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４を制御する制御装置２０には、電圧検出器２１による発電機側電圧検出値ａと、電流検出器２２による発電機側電流検出値ｂと、電圧検出器２３による直流電圧検出値ｃと、電流検出器２４による系統側電流検出値ｄと、電圧検出器２５による系統側電圧検出値ｅと、が入力されており、これらに基づいて制御装置２０内のマイクロコンピュータ（図示せず）により生成された発電機側コンバータ電圧指令ｆが発電機側コンバータ２に与えられ、系統側コンバータ電圧指令ｇが系統側コンバータ４に与えられている。

この実施形態では、制御装置２０内の一つのマイクロコンピュータによって発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４を制御しており、電圧、電流等のサンプリング周波数を両コンバータ２，４が共有している。前述したように、サンプリング周波数に対して発電機側コンバータ２のキャリア周波数及び系統側コンバータ４のキャリア周波数は同期関係にある。
図２は、サンプリング信号を生成するサンプリング用カウンタの動作と、ＰＷＭ制御用の系統側コンバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアの関係を示す図である。

図２において、系統側コンバータ４は、制御周期（電圧指令ｇの演算周期）１周期当たりのサンプリング回数が常に４回であり、系統側コンバータ４のキャリア周波数はサンプリング周波数の１／４となっている。
一方、発電機側コンバータ２については、サンプリング用カウンタに同期した変動用カウンタのカウント値に基づいて、制御周期（電圧指令ｆの演算周期）１周期当たりのサンプリング回数が、例えば６回→６回→７回→７回→８回→８回→６回→６回→……となるようにキャリア周波数を変化させる。図２では、上記のようにキャリア周波数を変化させるパターンを、キャリア変動パターン「６」，「７」，「８」，……として示し、各変動パターンにおけるサンプリング回数を下段に示してある。

なお、図２では、便宜的に、発電機側コンバータ２のキャリアの１周期ごとにキャリア変動パターンが変化するように描かれているが、図３に示すように、例えば変動用カウンタのカウント値が０〜８９の範囲で変化する期間を変動用カウンタの１周期とし、キャリア変動パターン「６」の期間（カウント値＝０〜２９）ではキャリアが１０周期連続し、キャリア変動パターン「７」の期間（カウント値＝３０〜５７）ではキャリアが８周期連続し、キャリア変動パターン「８」の期間（カウント値＝５８〜８９）ではキャリアが８周期連続するように制御されて発電機側コンバータ２のキャリアが生成される。すなわち、発電機側コンバータ２のキャリアは、キャリア変動パターン「６」，「７」，「８」がそれぞれ複数周期連続しつつ遷移していくパターンが周期的に繰り返されることとなる。
ちなみに、サンプリング用カウンタは、基準クロック信号の１０００カウントを１サンプリング周期としているので、発電機側コンバータ２のキャリアの半周期は、キャリア変動パターン「６」の時が基準クロック信号の６０００カウント、「７」の時が同じく７０００カウント、「８」の時が同じく８０００カウントとなる。

上記のように、この実施形態では、サンプリング周波数に対して発電機側コンバータ２のキャリア周波数及び系統側コンバータ４のキャリア周波数を同期させながら、発電機側コンバータ２のキャリア周波数のみを変化させている。つまり、サンプリング周波数に対する発電機側コンバータ２のキャリア周波数の比を周期的に変化させることにより、発電機側コンバータ２のスイッチング周波数を所定範囲内で広範囲に分散させ、ＰＷＭ制御に伴う風力発電機１の電磁騒音を抑制するものである。

ここで、図４は、系統電圧と系統側コンバータ用キャリア（ＰＷＭキャリア）とを同期させる同期ＰＷＭ制御の説明図であり、この同期ＰＷＭ制御は、系統電圧の歪を低減するために有効な制御方式として知られている。
まず、図１の制御装置２００は、電圧検出器２５により検出した系統電圧から第３調波波形を算出する。同時に、制御装置２００は、前記第３調波波形と系統側コンバータの制御周期から作成した第３調波データテーブル波形とを同期させる。この第３調波データテーブル波形は系統側コンバータ用キャリアと同期しているので、系統側コンバータ用キャリアを系統電圧に同期させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、一つのマイクロコンピュータにより発電機側コンバータ２及び系統側コンバータ４のサンプリング周波数を共有すると共に、各コンバータ２，４のキャリア周波数を上記サンプリング周波数と同期させながら発電機側コンバータ２のキャリア周波数のみを周期的に変化させることにより、系統側コンバータ４の動作に影響を与えることなく電磁騒音を抑制することが可能である。

１：風力発電機
２：発電機側コンバータ
３：直流中間コンデンサ
４：系統側コンバータ
５：フィルタリアクトル
６：フィルタコンデンサ
１０：電力系統
２０：制御装置
２１：電圧検出器
２２：電流検出器
２３：電圧検出器
２４：電流検出器
２５：電圧検出器
３０：風力発電用電力変換装置
ａ：発電機電圧検出値
ｂ：発電機側コンバータ出力電流検出値
ｃ：直流電圧検出値
ｄ：系統側コンバータ出力電流検出値
ｅ：系統電圧検出値
ｆ：発電機側コンバータ電圧指令
ｇ：系統側コンバータ電圧指令

Claims (5)

1. 風力発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換する発電機側コンバータと、前記発電機側コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電力系統に連系させる系統側コンバータと、前記発電機側コンバータ及び前記系統側コンバータをＰＷＭ制御する制御装置と、前記発電機側コンバータの入力電圧・入力電流をサンプリングする手段と、前記系統側コンバータの出力電圧・出力電流をサンプリングする手段と、を備えた風力発電用電力変換装置において、
   前記制御装置は、
   前記発電機側コンバータをＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と同期させながら周期的に変化させて前記発電機側コンバータのスイッチング周波数を所定範囲内で分散させ、かつ、前記系統側コンバータをＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を、前記系統側コンバータ用のサンプリング周波数と同期させることを特徴とする風力発電用電力変換装置。
2. 請求項１に記載した風力発電用電力変換装置において、
   前記制御装置は、
   前記発電機側コンバータ及び前記系統側コンバータをＰＷＭ制御するための一つの演算処理装置を備え、
   前記演算処理装置が、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と前記系統側コンバータ用のサンプリング周波数とを共有していることを特徴とする風力発電用電力変換装置。
3. 請求項２に記載した風力発電用電力変換装置において、
   前記演算処理装置は、前記サンプリング周波数を生成するためのサンプリング用カウンタと、前記発電機側コンバータのキャリア周波数を生成するための変動用カウンタと、を備え、
   前記変動用カウンタによるカウント値と前記サンプリング用カウンタによるカウント値との比を変化させて前記発電機側コンバータのキャリア周波数を周期的に変化させることを特徴とする風力発電用電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載した風力発電用電力変換装置において、
   前記演算処理装置は、
   前記系統側コンバータ用のキャリアを前記電力系統の電圧に同期させる同期ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする風力発電用電力変換装置。
5. 請求項４に記載した風力発電用電力変換装置において、
   前記演算処理装置は、
   前記電力系統の電圧から算出した第３調波波形を前記系統側コンバータ用のキャリアに同期した第３調波データテーブル波形に同期させることにより、前記同期ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする風力発電用電力変換装置。

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