JP2016116305A - 発電システムまたは風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により、ＬＶＲＴ機能を実現することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決すべく、外力を受けて回転し、発電運転する発電機４と、発電機４に交流側が接続され、交流と直流を変換する電力変換器２と、電力変換器２の直流側に接続されて直流電力が供給されると共に、直流側の電力を用いて動作し、回転エネルギー調整を行う電気機器７を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムまたは風力発電システムに関するものであり、特に、ＬＶＲＴ機能を備えるものに関する。

近年、エネルギー資源問題や地球温暖化防止への関心の高まりから、風力発電システムと言った自然エネルギーを利用した発電システムが急速に普及している。風力発電システムでは風速に依存して風から得られるエネルギーが絶えず変動するため、風車の翼角度を風速に応じて可変とするピッチ駆動装置や風車の回転速度に依存して変動する発電電力の周波数を電力系統の周波数に変換する電力変換器を用いて、より広い風速域で効率良く発電運転が実施できるように工夫されている。

電力系統で地絡事故などの系統事故により電圧低下が発生すると、風力発電システムは発電電力を送電することができなくなる。このとき、電力に変換できなかった風のエネルギーは、風車の回転エネルギーに変換されるため、風車は過回転になる。また、送電できない余剰な発電電力は、電力変換器の直流部の平滑コンデンサに蓄積されるため、平滑コンデンサが過電圧となる。

このような事象が発生すると、風力発電システムは発電運転の継続が困難になるため、通常は電力系統から解列し、発電運転を停止する。しかし、風力発電システムが一斉に解列すると、系統事故が除去され復電したときに、発電電力の供給不足が発生し、電力系統が不安定になる。このため、風力発電システムは電力系統の電圧が低下した場合にも、解列せず復電したときに、速やかに発電運転を再開するＬＶＲＴ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ）機能が求められる。

ＬＶＲＴ機能を実現する方法として、例えば特許文献１に開示される技術がある。特許文献１に開示の技術によると、ピッチ駆動装置の電源となる補助発電機を設け、ピッチ駆動装置の電源を電力系統と補助発電機のそれぞれから受電できるようにし、電力系統の電圧低下が発生した場合に、ピッチ駆動装置の電源を補助発電機に切り換えることで、ピッチ駆動装置の電源を確保し、ピッチ駆動装置によって翼角度を受風面積が小さくなるフェザー角側へ変更する。これにより、系統事故時の風車の過回転を抑制する。

さらに、電力変換器の直流部の平滑コンデンサが過電圧になる問題に対しては、特許文献１に開示されるように、クローバー回路によって巻線型二次励磁発電機の固定子巻線と電力変換器を接続する三相交流を短絡することで、電力変換器に電力が流入しないようにすることでＬＶＲＴ機能を実現する。

電力変換器の直流部の平滑コンデンサが過電圧になる問題に対しては、クローバー回路による方法の他に、特許文献２に開示される技術がある。

特許文献２に開示の技術によると、平滑コンデンサと並列に抵抗チョッパ回路（ＬＶＲＴチョッパ）を設け、平滑コンデンサが過電圧になると、抵抗チョッパを動作させ抵抗で熱としてエネルギーを消費することで過電圧を抑制する。

また、特許文献３には、永久磁石式回転電機の発電電力を調整して風車制御装置及び補機に供給する電力変換器と、永久磁石式回転発電機に接続されて交流電力を直流電力に変換する直流変換器と、直流変換器に接続されて変換された直流電力により、電力変換器を制御する制御装置について記載されている。

特開２００７−２３９５９９号公報 特開２００９−１８９１８９号公報 WO２０１３−１０８２８８号公報

ＬＶＲＴ機能を実現するためには、系統事故時に回転エネルギーの調整を行う機器の動作電源の確保と、電力変換器の直流部の過電圧を抑制する必要がある。

しかし、従来技術によると、回転エネルギーの調整を行う機器としてのピッチ駆動装置の動作電源の確保のために補助発電機を設け、かつ、平滑コンデンサの過電圧を抑制するために抵抗チョッパを設けるなど、平常時の発電システムの発電運転に必要としない機器が必要となる。

また、特許文献３では、補機や風車制御装置に対して交流電力を供給しているが、その場合、交流を直流に変換し、再度交流に変換する必要がある等、機器構成が複雑になる。

本発明は、簡易な構成により、ＬＶＲＴ機能を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る発電システムは、外力を受けて回転し、発電運転する発電機と、前記発電機に交流側が接続され、交流と直流を変換する電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続されて直流電力が供給されると共に、該直流側の電力を用いて動作し、回転エネルギーの調整を行う電気機器、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電システムは、上記発電システムの特徴に加えて、更に風を受けて回転する翼を備え、前記発電機は前記翼の回転力を用いて発電運転する風力発電システムであって、前記電気機器は前記翼のピッチ角を操作するピッチ駆動装置であることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成により、ＬＶＲＴ機能を実現することが可能となる。

第１実施形態に係る風力発電システムの概略図 第２実施形態に係る風力発電システムの概略図 第３実施形態に係る風力発電システムの概略図 第４実施形態に係る風力発電システムの概略図 第６実施形態に係る風力発電システムの概略図 第７実施形態に係る風力発電システムの概略図

以下、本発明に係る発電システムの実施形態について、各図を参照しながら詳細に説明する。尚、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。下記の各実施例で説明する発電システムでは、本発明を実施する上で好適な形態として、以下の様な点を有している。

以下、各実施例では、外力によって回転運動する機械が外力から受け取る回転エネルギーを調整する装置と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（４）と、発電機（４）によって発電された電気エネルギーを電力系統（１）に送電する電力変換器（２）を備える発電システムに関して、回転エネルギーを調整する装置の駆動電力を、電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）から受電するようにすることで、電力系統（１）に系統事故が発生した場合に、平滑コンデンサ（３）に余剰電力から生ずる過電圧を、回転エネルギー調整等を行う電気機器で消費する様にして、エネルギーの有効活用を行っている。また、電気機器には直流電力を供給するようにし、交流電力を供給する場合と比較して、交流から直流に変換する機器を不要にし、構造の簡素化を図っている。更に、電気機器についてはピッチ駆動装置を中心に説明しているが、ピッチ駆動装置を用いて発電に用いられる風から受ける力を減らす様に制御することで、過電圧の発生を減ずることが可能になる。尚、ここで記載した内容はあくまでも実施例を説明するものであって、本発明の実施態様を限定するものではない。本発明の範囲はあくまで特許請求の範囲に基づいて定められるものであることは勿論である。

本実施例に係る風力発電システムの例を図１に示す。風を受けて回転する翼（５）と、翼（５）を支持するハブ（３８）と、翼（５）の回転力を用いて発電運転する発電機（４）が、回転力を伝える軸（６，６’）および必要に応じて歯車や油圧機構等による増速機（１０）を介して接続される。軸（６）は、主軸であり、増速機（１０）に対して翼（５）側に位置し、軸（６‘）は、発電機軸（或いは発電機軸と一体に回転する他の軸）であり、増速機（１０）に対して翼（５）とは反対側（或いは発電機側）に位置する。風速に応じて発電機（４）で発電される任意の周波数の発電電力は、三相交流側を発電機（４）と接続する電力変換器（２）によって、交流から直流に変換され、さらに、再度直流から電力系統（１）の周波数と同じ周波数をもつ交流の電力に変換され、電力系統（１）に発電電力が送電される。図１では、発電機（４）の例として、発電機（４）の回転子（１４）が永久磁石を用いる永久磁石型発電機の場合を例示している。このため、電力変換器（２）の交流側は発電機（４）の固定子（１２）の固定子巻線（１３）と接続される。翼（５）の翼角度（ピッチ角）を操作するピッチ駆動装置（７）は、電力変換器（２）の直流側に接続される。本実施例においては、ピッチ駆動装置（７）は電力変換器（２）が接続される電力系統の正常時及び事故時共に（即ち、常時）電力変換器（２）の直流側電力から給電される。

ピッチ駆動装置（７）は翼（５）と共に風を受けて回転し、本実施例における電力変換器（２）は、図１に図示しない風力発電システムのナセルもしくはタワー等に例えば配置されている。そのため、ピッチ駆動装置（７）と電力変換器（２）の直流側を接続する直流電線は、その配線経路の一部にブラシとスリップリング（１１）などを設けて、回転部と静止部の導通を確保している。ピッチ駆動装置（７）はピッチ駆動機（９）（本実施例では、特に電動モータ）及びピッチ駆動機（９）に交流電力を供給するピッチ駆動変換器（８）を備えており、ピッチ駆動機（９）からの駆動力によってピッチ駆動装置（７）は各翼（５）のピッチ角を調節する。本実施例では、ピッチ駆動機（９）に電動モータを用いており、また上述の様に、ピッチ駆動装置（７）は電力変換器（２）の直流側に接続されているので、直流電力から交流電力に変換して供給するピッチ駆動変換器（８）を併せて用いている。ピッチ駆動機（９）を電動モータに代えて、例えば油圧機構などに変更する場合、直流と交流を変換するピッチ駆動変換器（８）を省略することが可能である。尚、ピッチ駆動変換器（８）については必ずしもピッチ駆動装置（７）が備えていなくとも良く、例えばその外部に配置されていても良い。

また、ブラシとスリップリング（１１）の小径化のため、発電機（４）や増速機（１０）などの回転体の軸中心を中空にし、ブラシとスリップリング（１１）と電力変換器（２）の直流側との間の直流電線は、回転体における中空の空間に配線することで、回転による電線の捩れが起こらないようにする。尚、ブラシとスリップリング（１１）からピッチ駆動装置（７）までの直流電線は、翼と共に回転するため、回転体の軸中心に限らず、軸（６，６‘）の側面など任意の場所に固定しても、回転による電線の捩れの影響がない。また、図１では、ブラシとスリップリング（１１）を増速機（１０）より翼（５）側に図示したが、これに限られるものではない。さらに、大径のブラシとスリップリング（１１）を用いる場合には、ブラシとスリップリング（１１）から電力変換器（２）の直流部までの直流電線も、回転体の軸中心に限らず、軸（６，６‘）の側面など任意の場所に固定してもよい。

本実施例においては、翼（５）のピッチ角を操作するピッチ駆動装置（７）は、電力変換器（２）の直流側に接続されており、ピッチ駆動装置（７）は、電力変換器（２）の直流側の平滑コンデンサ（３）に蓄えられた直流電力を駆動電源として動作することができる。これにより、電力系統（１）が系統事故により電圧低下が発生した場合であっても、電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）に蓄えられた電力を駆動電源とするため、電力系統（１）の影響を受けることなくピッチ駆動装置（７）が動作できる。具体的には、各翼をフェザー側に移行させることなどが例えば考えられる。

さらに、電力系統（１）が系統事故により電圧低下が発生し、発電機（４）で発電した発電電力が送電できない場合に、送電できない余剰な電力が電力変換器（２）の直流側の平滑コンデンサ（３）に蓄えられるが、本実施例では、これを有効活用してピッチ駆動装置を動作させており、発電電力の有効活用ができる。

さらに、ピッチ駆動装置（７）は電力変換器（２）の直流側に接続されており、電力変換器（２）が接続される電力系統の正常時及び事故時共に電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）に蓄えられた電力を駆動電源とするため、補助発電機等の予備電源を必要としない。これにより、風力発電システムの簡素化が可能となる。

さらに、電力系統（１）が系統事故により電圧低下が発生し、発電機（４）で発電した発電電力が送電できない場合に、送電できない余剰な電力により電力変換器（２）直流の部の平滑コンデンサ（３）が過電圧になるため、通常、平滑コンデンサ（３）と並列にＬＶＲＴチョッパ（電力消費装置の一種）を設け、余剰な電力を抵抗で熱として消費することで過電圧を抑制する。しかし、本実施例に係る風力発電システムによれば、ピッチ駆動装置（７）の駆動電源として平滑コンデンサ（３）に蓄えられたエネルギーを消費するため、電力変換器（２）の直流側に接続されて電力を消費するＬＶＲＴチョッパで消費する電力を少なくできる。これにより、電力変換器（２）の直流側に接続されて電力を消費するＬＶＲＴチョッパの小容量化もしくはＬＶＲＴチョッパを不要とすることができる。これにより、風力発電システムの機器構成の簡素化が可能となる。尚、必要な際に電力を消費出来るものであれば、電力消費装置はＬＶＲＴチョッパに限定されるものではない。系統事故時には、過電圧からの保護のため、平滑コンデンサに生ずる余剰電力を消費する必要がある。一方、系統事故時にも、風車を制御（安全な停止動作など）させる必要もあり、そのためにブレードの制御が必要になる。本実施例に示す風力発電システムではその点に着目し、消費すべき電力をブレード制御に利用するものである。

さらに、前述の風力発電システムの構成を採用することで、通常設けられるピッチ駆動装置（７）に動作電力を提供する充放電可能な二次電池や電気二重層キャパシタやコンデンサなどの電力蓄積装置の充電電源として電力変換器（２）の直流側の平滑コンデンサ（３）を利用できる。電力変換器（２）に設けられる平滑コンデンサも電力蓄積装置であるため、前述の通常ピッチ駆動装置（７）に備わる電力蓄積装置の冗長化ができ、風力発電システムの信頼性向上が可能である。さらに、電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）の容量が十分に大きく、平滑コンデンサ（３）に蓄えらえる電力でピッチ駆動装置（７）の動作が確保できる場合には、ピッチ駆動装置（７）側の電力蓄積装置が平滑コンデンサ（３）で代用することができる。よって、風力発電システムの機器構成の簡素化が可能となる。また、電力蓄積装置はピッチ駆動装置（７）と同様の回転体側（ハブなど）に設置されることが多く、電力蓄積装置は、電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）よりも外気に曝される可能性がある。電力蓄積装置を構成する電気二重層キャパシタなどは、周囲温度によりその特性変化や寿命劣化が進展する恐れがあり、信頼性向上には電力蓄積装置保護を別途行う必要があった。しかし、本実施例の様に平滑コンデンサ（３）で代用し、電力蓄積装置を不要とすることで、風力発電システムの信頼性向上にも繋がる。

さらに、前述の電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）をピッチ駆動装置（７）の動作電源とする構成は、ピッチ駆動装置（７）のみに限られない。例えば、その他の補助的な装置（例えば、風速風向計等のセンサ関係の補機）の電源とすることもでき、この場合、風力発電システムの機器構成の簡素化が可能となる。特に、翼（５）と共に回転するピッチ駆動装置（７）の受電電力を、さらに翼（５）と共に回転する他の補助的な装置の電源とすることで、回転体への電源供給を簡素化することができる。

電力変換器（２）の直流部を電源とする対象は上記に限定されない。即ち、電力変換器の直流側に接続されて、直流側の電力を用いて動作（駆動する電力を賄うことのみでなく、制御など駆動に必要な電力を直流側から賄うことも含まれる）して回転エネルギーを調節する役割を備える電気機器に置き換えることが可能である。この電気機器は、電気機器自体に直流電力が供給されると共に、供給された直流電力を所望の電圧に変換する電力変換器を備えても良い。また、電力変換器（２）の直流側と電気機器との間に配置されて、主として電気機器に対して所望の電力を供給し、直流電圧を変換する変換器とを備える様にしても良い。主としてと述べているのは、単に発電機と電力系統の間に接続される電力変換器の直流側と電気機器との間に配置される電力変換器と相違し、実質的に電気機器を対象にすることを示すためである。電気機器に対して直流電力が供給される場合には、電気機器そのものに直流電力が供給される場合（電気機器自体が更に変換器を備えていても良い。）と、主として電気機器に対して所望の電力を供給し、直流電圧を変換する変換器を備える場合とが含まれる。

また、本実施例では、上記の様に電気機器に対して直流電力が供給される様にしている。電気機器が他の機器と共に接続された状態で交流電源を提供された場合、提供された電圧は、当該電気機器に適したものとは限られず、通常は交流を直流に変換し、再度交流に変換して適正な電圧に変換する必要がある。その場合、備えておくべき機器の数が増えることになる。しかし、本実施例においては、直流電力をそもそも電気機器に供給するようにしており、交流と直流を改めて変換する必要はなく、従って必要な機器を減らすことが可能になる。

また、図１では発電機（４）が永久磁石型発電機の場合を図示したが、回転子（１４）に巻線が設けられ，巻線に電流を通電することで電磁石とする巻線型同期機の場合も同様に、翼（５）の回転力によって発電機（４）は発電することができる。発電電力は、電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）に蓄電されるため、平滑コンデンサ（３）を、ピッチ駆動装置（７）を含む補機の電源とすることで、風力発電システム自体を、風力発電システムの非常用電源として使用し、電力を自給することができる。これにより、ＵＰＳやディーゼル発電機など他の蓄電設備および発電設備が不要となり、風力発電システムの機器構成の簡素化が可能となる。

前述の構成により、電力系統（１）が系統事故等で停電している場合においても、風力発電システムの機能を維持するためのピッチ駆動装置（７）や風速風向計等のセンサ関係の補機の動作継続が可能となる。

本実施例に係る風力発電システムの例を図２に示す。本実施例では、実施例１と比較して、発電機（４）が永久磁石型発電機でなく、巻線型二次励磁発電機を用いている点が異なる。そのため、巻線型二次励磁発電機の固定子巻線（１３）が電力系統（１）に接続され、巻線型二次励磁発電機の回転子巻線（１５）がブラシとスリップリング（１６）を介して、電力変換器（２）の交流側と接続される。前述の構成以外は実施例１と同様であり、同様の効果和得ることが可能である。

本実施例に係る風力発電システムの例を図３に示す。本実施例では、実施例２と比較して、巻線型二次励磁発電機である発電機（４）と同軸に巻線型二次励磁発電機である補助発電機（１７）を設け、発電機（４）および補助発電機（１７）の同軸で回転する回転子（１４）または回転子（２０）に電力変換器（２）が搭載される。発電機（４）の固定子巻線（１３）および補助発電機（１７）の固定子巻線（１９）が電力系統（１）に接続され、発電機（４）の回転子巻線（１５）および補助発電機（１７）の回転子巻線（２１）は、回転子に搭載される電力変換器（２）の交流側に接続される（実際には、電力変換器（２）には交流側が両端にあり、発電機（４）と補助発電機（１７）は電力変換器（２）の互いに異なる交流側に接続されている。）。

前述の構成を採用することで、少なくともいずれかの回転子（１４）または（２０）（本実施例では、回転子（１４））に搭載の電力変換器（２）に非接触に給電することが可能になる。これにより、実施例２の形態で必要であったブラシとスリップリング（１６）が不要となり、風力発電システムの機器構成の簡素化および定期交換部品の削減が可能となる。また、ブラシの摺動塵の発生がなくなるため、発電機（４），補助発電機（１７）および電力変換器（２）等に対するブラシの摺動塵による絶縁劣化や故障の可能性も排除される。

さらに、実施例３の実施形態においては、電力変換器（２）は回転系に含まれる。この状態で更に増速機（１０）を設けない構成（所謂ダイレクトドライブ方式）とし、軸（６、６‘）を介して発電機（４）および補助発電機（１７）に接続する構成の場合、翼（５）の回転速度と発電機（４）および補助発電機（１７）の回転子（１４，２０）の回転速度は同一となる。よって、電力変換器（２）とピッチ駆動装置（７）を接続する直流電線に（相対的な回転運動が生じる場合に必要な）ブラシとスリップリング（１１）が不要となる。これにより、前述の場合と同様に、風力発電システムの機器構成の簡素化および定期交換部品の削減が可能となり、ブラシの摺動塵の発生がなくなるため、発電機（４），補助発電機（１７）および電力変換器（２）等に対するブラシの摺動塵による絶縁劣化や故障の可能性も排除される。

さらに、前述の増速機（１０）を設けない場合、ブラシとスリップリング（１１）が不要なため、直流電線は主軸（６）（主軸と発電機軸などを別体で形成する場合、別体の軸を含めても良い）の側面等、主軸（６）の外部に配置しても良く、固定方法に関する制約がない。これにより、主軸（６）の中心を中空構造にする必要がないため、主軸（６）の中実化が可能となり、主軸（６）の加工作業の簡素化および中実構造の採用により主軸（６）の小径化・強度信頼性の向上を図ることができる。

本実施例に係る風力発電システムは、実施例１から実施例３の風力発電システムに以下の特徴を付与するものである。まず図４を用いて、電力系統（１）が健全な場合での一般的な風力発電システムの発電運転を説明する。

風車制御装置（２２）は、風速風向計（２８）からの風速風向計測値（２９）を受信し、風速風向計測値（２９）を元に、発電電力量と風車回転数を決定する。ただし、発電電力量は風速風向計測値（２９）を図示しない風車群制御装置などに送信し、風車群制御装置が、複数台の風車の発電電力量の総和が任意の基準に準じるように、各風車の発電電力量を決めても良く、風力発電システムは風車群制御装置から発電電力量を受信しても良い。風車制御装置（２２）は、このように決定された発電電力量を電力変換器制御装置（２３）へ、発電指令（３０）として送信する。電力変換器制御装置（２３）は、電力変換器（２）からの状態検出値（３３）と発電指令（３０）に基づいて電力変換器（２）へ制御信号（３２）を送信する。電力変換器（２）は受信した制御信号（３２）を元に、電力変換器を構成する半導体スイッチング素子を駆動し、発電指令（３０）を満たすように動作する。また、風車制御装置（２２）は、回転速度計（２６）から受信する回転速度計測値（２７）と、ピッチ駆動装置（７）から送信される状態フィードバック（３５）に基づいて、発電電力量を満たすように風車回転速度を制御するため、ピッチ駆動装置（７）へピッチ角指令（３４）を送信する。

このようにして、風力発電システムは、風のエネルギーを電力へと変換する。次に、電力系統（１）に系統事故が発生した場合について説明する。（図４では便宜上離れて示されているが、）電力変換器（２）に系統事故検出センサ（２５）が備えられる。電力変換器制御装置（２３）には系統事故検出センサ（２５）の検出値によって電力系統（１）の事故を判断する系統事故検出器（２４）が備えられる。系統事故検出器（２４）で電力系統（１）に事故が発生していると判断された場合に、電力変換器制御装置（２３）は、風車制御装置（２２）に対して状態フィードバック（３１）を用いて電力系統（１）の事故発生を送信する。風車制御装置（２２）は、状態フィードバック（３１）に基づいて、ピッチ制御装置（７）に風速風向計測値（２９）に基づいて決定された発電電力量以下となるようなピッチ角指令（３４）を送信する。通常、発電電力量が下がるようにピッチ角を変更することをフェザリングと呼ばれ、前述の動作によって、翼（５）はフェザー側にピッチ角が変更される。フェザリング後に、更に翼が回転しない様に翼の回転を抑制するブレーキ装置を設けておくことも有効である。

これにより、電力変換器制御装置（２３）で電力系統（１）の系統事故を検出した場合に、系統事故によって発生する余剰な電力を電力変換器（２）内で消費させる通常動作に加えて、ピッチ駆動装置（７）が電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）から受電している。これにより、ピッチ駆動装置（７）を動作させることで、余剰電力を消費すると共に、ピッチ角を発電電力が下がるように動作させるため、電力変換器（２）に入力される電力が下がるため、余剰電力を抑制することができる。

前述のフェザー側に動作させるピッチ角の変更量は、発電電力が零となるピッチ角への変更を含め、任意の変更量で良い。これにより、例えば、電力系統（１）の系統事故が除去され復電した場合に、すばやく発電量を事故前の発電量に戻すことができる。

また、系統事故検出センサ（２５）は、電力変換器（２）の直流側の電圧を検出する電圧検出器で構成されても良い。この場合、系統事故検出器（２４）は、予め定められた規定値と比較することで、系統事故が発生した場合の余剰電力による直流側の電圧上昇を検出し、これにより電力系統（１）の事故発生を検出しても良い。

更に、系統事故検出センサ（２５）は、電力変換器（２）の交流側の電圧を検出する電圧検出器で構成されても良い。この場合、系統事故検出器（２４）は、予め定められた規定値と比較することで、系統事故が発生した場合に発生する電圧低下を検出し、これにより電力系統（１）の事故発生を検出しても良い。

また、系統事故検出器センサ（２５）は、電力変換器（２）の直流側または交流側の電流を検出する電流検出器で構成されても良い。この場合、系統事故検出器（２４）は、予め定められた規定値と比較することで、系統事故が発生した場合に発生する過電流を検出し、これにより電力系統（１）の事故発生を検出しても良い。

本実施例に係る風力発電システムは、実施例１〜４の風力発電システムに以下の特徴を付与するものである。ピッチ駆動装置（７）が電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）から受電する風力発電システムにおいて、ピッチ駆動装置（７）の受電電力が喪失した場合に、物理的にピッチ角度の変更を抑制するブレーキ装置（３９）を備えることを特徴とする（図１〜４）。これにより、電力系統（１）の系統事故が長期化し、これにより電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）に蓄えられた電力が喪失し、ピッチ駆動装置（７）の動作が保証できない場合に、ピッチ角の不要な変更を抑制し、風車が意図しない回転状態になることを防ぐ。これにより風力発電システムが意図しない過回転で破損することを防止することができる。

尚、ブレーキ装置は、例えば、バネなどの機械的な機構によって動作する機構や、油圧ポンプ等の動作に電力を必要としない構成や、翼側に設置された円形歯車の回転軸に対して、ピッチ駆動装置（７）を構成するピッチ駆動機（９）の回転力によって回転する歯車の回転軸が、互いの回転軸の軸方向の延長線が交わることなく垂直の関係をなす、一般にウォームギアと呼ばれる構成が望ましい。これらの機構を用いることで、ピッチ駆動装置（７）が電力を受電する場合は、電磁石等の電磁気力を用いてのブレーキ機構を働かないようにし、電力が喪失した場合に、自動的に電磁石等による電磁気力が喪失することで、機械的なバネや油圧圧力弁の開放等によりブレーキ力を発生させることができる。また前述のウォームギアを用いた場合、ピッチ角が変化する方向の機械的動作は、ウォームギアの回転軸方向になるため、翼が受ける風の力によってウォームギアを回転させることができないため、これにより同様にブレーキ力を発生させることができ、電力系統（１）の系統事故が長期化した場合に、ピッチ駆動装置（７）の受電電力が喪失した際の不要な風車回転を防止することができる。

尚、上記ではピッチ駆動装置（７）の受電電力が喪失した場合に、物理的にピッチ角度の変更を抑制するブレーキ装置を備える場合について説明したが、ピッチ駆動装置（７）の受電電力が喪失しなくともブレードの回転を停止させるべく動作するブレーキ装置であっても良い。そして、ブレーキ装置の駆動または制御に、やはり電力変換器（２）の直流部の電源を用いることも可能である。特に、当ブレーキがピッチ駆動装置（７）によるフェザリング動作終了後に行われると、安全に停止できるので有効である。

本実施例に係る風力発電システムを図５に示す。図５は、実施例１〜５の風力発電システムに以下の特徴を付与するものである。ピッチ駆動装置（７）が電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）から受電する風力発電システムにおいて、ピッチ駆動装置（７）と平滑コンデンサ（３）との間（即ち、両者を接続する直流電線）に、直流電圧を変換する直流・直流電力変換器（３６）を備えることを特徴とする。

直流・直流電力変換器は、平滑コンデンサ（３）から給電される直流電圧を、ピッチ駆動装置（７）の駆動に適切な直流電圧に変換する装置であり、任意の直流電圧を所定の直流電圧に変換する機能を有する装置であれば良い。そして、その電気回路構成や動作機構は前述の機能を果たすものであれば良い。また、平滑コンデンサ（３）と並列に繋いだ複数の直列接続された抵抗（図示を省略）から分圧する等により、直流・直流電圧変換器（３６）の動作に適した電圧に平滑コンデンサ（３）の電圧を降圧しても良い。直流・直流電力変換器（３６）は、入力側の直流電力を磁気エネルギーを介して出力側の直流電力に変換する。

本構成とすることで、ピッチ駆動装置（７）に対する電力変換器（２）の動作によって起こる平滑コンデンサ（３）の電圧変動の影響を小さくすることができ、ピッチ駆動装置（７）の動作の安定化を図ることができる。

さらに、前述の直流・直流電圧変換器について、内部に絶縁型トランスを利用する直流・直流電力変換器とすることができ、絶縁型トランスの平滑コンデンサ（３）側（入力側）と、ピッチ駆動装置（７）側（出力側）とが、互いに電気的に絶縁された絶縁型直流・直流電力変換器を構成しても良い。

本構成とすることで、平滑コンデンサ（３）とピッチ駆動装置（７）との絶縁性を確保でき、翼（５）やピッチ駆動装置（７）に侵入した雷電流の影響による電力変換器（２）の破損を防止することができる。

さらに、前述の絶縁型トランスの平滑コンデンサ（３）側の巻線とピッチ駆動装置（７）側の巻線とが、非接触であり、空隙を設けて設置され、巻線の一方もしくは両方が外力によって回転できる構成であっても良い。これにより、相対的に回転する機器に対して非接触に電力を給電する機構を提供する。

本構成とすることで、図５に示すブラシとスリップリング（１１）が提供する互いに回転する電線間の導通を確保する機能の代用となり、本発明における風力発電システムの機器構成の簡素化ができる。

本実施例に係る風力発電システムを図６に示す。図６は、実施例１〜６の風力発電システムに以下の特徴を付与するものである。ピッチ駆動装置（７）が電力変換器（２）の直流部の平滑コンデンサ（３）から受電する風力発電システムにおいて、ピッチ駆動装置（７）と平滑コンデンサ（３）を接続する直流電線に雷電流が入るのを防止する避雷器（３７）を備えることを特徴とする。直流電線に雷電流が流れない様にする配置としては、例えば図示したように、直流電線の前後に配置することが考えられる。

避雷器（３７）は、特定の電圧以上が加わるとその抵抗値が低下する特性を有するものであり、直流電線に雷電流が侵入し電圧が対地に対して過剰な状態になると、その抵抗値が低下し、雷電流を対地に逃がす役割を果たす。

本発明に係る風力発電システムは、ピッチ駆動装置（７）が電力変換器（２）の直流部のコンデンサ（３）と接続されるため、それらを繋ぐ直流電線に雷電流が侵入するとピッチ駆動装置（７）および電力変換器（２）共に故障する恐れがある。ピッチ駆動装置（７）および電力変換器（２）はいずれも風力発電システムに不可欠な装置であるため、故障によって発電運転が不可能となる。本構成とすることで、直流電線に侵入した雷電流をピッチ駆動装置（７）および電力変換器（２）のそれぞれに達することを防ぐことができ、雷により風力発電システムの故障を防止することができる。

尚、上記はいずれも風力発電システムを例にして説明してきたが、発明の適用対象は風力発電システムに限定されるものではなく、外力を受けて回転し、発電運転する発電機と、この発電機に交流側が接続され、交流と直流を変換する電力変換器と、この電力変換器の直流側に接続されて直流電力が供給されると共に、当該直流側の電力を用いて動作し、回転エネルギーの調整を行う電気機器、を備える任意の発電システムに適応することが可能である。適用先としては、例えば水力発電システム等にも適応することが考えられる。

１ 電力系統
２ 電力変換器
３ 平滑コンデンサ
４ 発電機
５ 翼もしくはブレード
６，６’ 軸もしくはシャフト
７ ピッチ駆動装置
８ ピッチ駆動変換器
９ ピッチ駆動機
１０ 増速機
１１ ブラシとスリップリング
１２ 固定子
１３ 固定子巻線
１４ 回転子
１５ 回転子巻線
１６ 回転子巻線に給電するブラシとスリップリング
１７ 補助発電機
１８ 補助発電機の固定子
１９ 補助発電機の固定子巻線
２０ 補助発電機の回転子
２１ 補助発電機の回転子巻線
２２ 風車制御装置
２３ 電力変換器制御装置
２４ 系統事故検出器
２５ 系統事故検出器センサ
２６ 回転速度計
２７ 回転速度計測値
２８ 風速風向計
２９ 風速風向計測値
３０ 電力変換器への発電指令（有効電力，無効電力など）
３１ 電力変換器からの状態フィードバック
３２ 電力変換器の制御信号
３３ 電力変換器の状態検出値
３４ ピッチ角指令
３５ ピッチ駆動装置からの状態フィードバック
３６ 直流・直流電力変換器
３７ 避雷器
３８ ハブ
３９ ブレーキ装置

Claims (15)

1. 外力を受けて回転し、発電運転する発電機と、
   前記発電機に交流側が接続され、交流と直流を変換する電力変換器と、
   前記電力変換器の直流側に接続されて直流電力が供給されると共に、該直流側の電力を用いて動作し、回転エネルギーの調整を行う電気機器を備えることを特徴とする発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムであって、前記電気機器は、前記電力変換器が接続される電力系統の正常時及び事故時共に前記電力変換器の直流側電力から給電されることを特徴とする発電システム。
3. 請求項１または２に記載の発電システムであって、前記電力変換器の直流側電力を消費する電力消費装置を設けないことを特徴とする発電システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電システムであって、前記電気機器に前記電気機器の動作電力を提供する電力蓄積装置を設けないことを特徴とする発電システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電システムは、
   更に風を受けて回転する翼を備え、前記発電機は前記翼の回転力を用いて発電運転する風力発電システムであって、
   前記電気機器は前記翼のピッチ角を操作するピッチ駆動装置であることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項５に記載の風力発電システムであって、
   前記発電機は回転子巻線が設けられる回転子を備え、
   前記電力変換器は、前記回転子に搭載されると共に、前記回転子巻線に接続され、
   前記翼と前記発電機が増速機を介さずに接続されていることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、前記回転部は中実の主軸であり、
   更に前記ピッチ駆動装置と前記電力変換器とを接続する電線を備え、
   該電線が前記中実の主軸外部に配置されることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   該風力発電システムが接続される電力系統の事故時には、前記ピッチ駆動装置は前記翼のピッチ角をフェザー側に動作させることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項８に記載の風力発電システムであって、
   更に前記電力変換器の直流側または交流側の電圧を検知する電圧検出器を備え、
   前記電圧検出器で検出する電圧の上昇が所定値を超過する場合、または前記電圧検出器で検出する電圧の低下が所定値を超過する場合、前記電力系統が事故であると検出することを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項８に記載の風力発電システムであって、
    更に前記電力変換器の直流側または交流側の電流を検知する電流検出器を備え、
    前記電流検出器で検出する電流の上昇が所定値を超過する場合、または前記電流検出器で検出する電流の低下が所定値を超過する場合、前記電力系統が事故であると検出することを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項５ないし１０のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    更にピッチ角変更を抑制するブレーキ装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項５ないし１１のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    更に、前記電力変換器と前記ピッチ駆動装置の間に、直流電圧を変換する直流・直流電力変換器を備えることを特徴とする風力発電システム。
13. 請求項１２に記載の風力発電システムであって、
    更に、前記直流・直流電力変換器は、入力側の直流電力を出力側の直流電力に変換すると共に前記入力側と前記出力側とが互いに絶縁される絶縁トランスを備えることを特徴とする風力発電システム。
14. 請求項１３に記載の風力発電システムであって、
    更に、前記入力側に配置される入力側巻線と、前記出力側に配置される出力側巻線と、を備え、
    前記入力側巻線と前記出力側巻線は非接触であり、
    前記入力側巻線または前記出力側巻線の少なくともいずれかが外力によって回転可能であることを特徴とする風力発電システム。
15. 請求項５ないし１４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    更に前記電力変換器と前記ピッチ駆動装置を接続する電線に雷電流が流れるのを防止する避雷器を備えることを特徴とする風力発電システム。