JP2016123196A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流集電ウィンドファームにおいて，無風時や停電状態からの起動時等における補機類への給電の目的で，蓄電池等のエネルギー貯蔵装置を設けるが，例えば前記ウィンドファームを洋上に設けた場合では，前記エネルギー貯蔵装置を支持するための洋上プラットフォームや浮体が必要となってしまうという課題があった。
【解決手段】本発明は，１つまたは複数の風力発電装置の発電電力を集電する第１の直流系統と，第１の直流系統と第２の直流系統の間で電力を授受するＤＣ−ＤＣ変換器と，前記第２の直流系統からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えた電力変換装置において，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が，変圧器の一方次側に１つまたは複数のＤＣ−ＡＣ変換器を接続し，該変圧器の他方次側に１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を接続して構成した変換器セルを１つまたは複数備えており，該ＡＣ−ＤＣ変換器が複数のダイオードをブリッジ状に接続し，かつ，前記ダイオードの一部と逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は，電力変換装置に関し，特に，直流送電に供するに，例えば，ウィンドファームを構成する各風力発電装置からの発電電力を直流として集電する直流集電系統と，長距離送電のための直流ケーブルとの間で電力を授受するためのＤＣ−ＤＣ変換器を有するのに好適な電力変換装置に関する。

風力発電装置の一方式として，いわゆる「フルコンバータ方式」が広く用いられている。

フルコンバータ方式は，風力タービンに直接，あるいはギアボックスを介して永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）を接続し，該ＰＭＳＧの出力する可変周波数の交流電力を整流器によって直流電力に変換し，さらに前記の直流電力をインバータによって概ね一定周波数の交流電力に変換する方式である。

複数の風力発電装置を用いてウィンドファームを構成する場合，各風力発電装置のインバータの出力端を直接，あるいは変圧器を介して並列接続し，交流集電系統を設ける方式，すなわち交流集電方式が広く用いられている。

一方，各風力発電装置からインバータを省略し，整流器の出力端を並列接続し，直流集電系統を設ける方式の研究開発が進んでいる。これを直流集電方式と称する。インバータの省略によって部品点数削減や効率向上を期待できる。

例えば〔特許文献１〕は，洋上に設けたウィンドファームを構成する各風力発電装置からの発電電力を集電する直流集電系統と，長距離送電のための高圧直流系統とを備えており，前記直流集電系統と高圧直流ケーブルの間に接続したＤＣ−ＤＣ変換器によって電力を授受する集電・送電方式を開示している。高圧直流ケーブルを用いて送電された電力は，インバータによって交流電力に変換され，陸上の交流系統に送電される。

米国ＵＳ２０１４−０１９７７０４Ａ１公報

一般に，風力発電装置には，風力タービンや整流器を制御，保護する制御装置，保護装置，他のシステムと通信するための通信装置，また，各機器からの発熱を処理する冷却装置が必要である。本明細書では，制御装置，保護装置，通信装置，冷却装置等を総称して「補機類」と称する。

風力発電装置の発電電力に関わらず，補機類には給電が必要である。言い換えれば，無風時や，停電状態からの起動（black-start）時においても，補機類への給電が不可欠である。

〔特許文献１〕では，停電状態からの起動の目的で，直流集電系統にＤＣ−ＤＣ変換器を介してエネルギー貯蔵装置を接続している。エネルギー貯蔵装置としては，例えば蓄電池等が考えられる。

ウィンドファームを例えば洋上に設ける場合，前記エネルギー貯蔵装置も洋上に設けることになるが，そのために，前記エネルギー貯蔵装置を支持するための洋上プラットフォームや浮体が必要となってしまうという課題がある。

エネルギー貯蔵装置に代えて，ディーゼル発電機やガスタービン発電機等の非常用電源装置を用いる方式も考えられるが，やはり，洋上プラットフォームや浮体が必要となってしまうという課題がある。

また，前記ＤＣ−ＤＣ変換器を双方向形とすれば，陸上の交流系統から補機類に給電するための電力を得ることができるが，前記ＤＣ−ＤＣ変換器に必要なスイッチング素子の数が増加してしまうという課題がある。

以上の少なくともいずれかの課題を解決するために，本発明は，１つまたは複数の風力発電装置の発電電力を集電する第１の直流系統と，第１の直流系統と第２の直流系統の間で電力を授受するＤＣ−ＤＣ変換器と，前記第２の直流系統からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えた電力変換装置において，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が，変圧器の一方次側に１つまたは複数のＤＣ−ＡＣ変換器を接続し，該変圧器の他方次側に１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を接続して構成した変換器セルを１つまたは複数備えており，該ＡＣ−ＤＣ変換器が複数のダイオードをブリッジ状に接続し，かつ，前記ダイオードの一部と逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置を提供するものである。

また，以上の少なくともいずれかの課題を解決するために，本発明は，１つまたは複数の風力発電装置と直流系統の間で電力を授受する多入力ＤＣ−ＤＣ変換器と，前記直流系統からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えた電力変換装置において，前記多入力ＤＣ−ＤＣ変換器が，変圧器の一方次側に１つまたは複数のＤＣ−ＡＣ変換器を接続し，該変圧器の他方次側に１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を接続して構成した変換器セルを１つまたは複数備えており，該ＡＣ−ＤＣ変換器が複数のダイオードをブリッジ状に接続し，かつ，前記ダイオードの一部と逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置を提供するものである。

本発明によれば，例えば直流集電方式のウィンドファームにおいて，ＤＣ−ＤＣ変換器のスイッチング素子数を大幅に増加させることなく，該ウィンドファーム等の機器の近傍に必要であったエネルギー貯蔵装置や非常用電源装置を省略，あるいは大幅に削減できるという効果を得られる。

また，ウィンドファームを洋上に設ける場合には，エネルギー貯蔵装置や非常用電源装置のために必要であった洋上プラットフォームや浮体を省略，あるいは大幅に小形化できるという効果を得られる。

本発明の第１の実施形態 ３巻線変圧器を用いた変換器セルの一形態 通常運転時における各スイッチング素子のオン・オフ状態の概略波形 逆送電運転時における各スイッチング素子のオン・オフ状態の概略波形 モードＩにおける電流経路 モードＩＩにおける電流経路 モードＩＩＩにおける電流経路 モードＩＶにおける電流経路 モードＶにおける電流経路 モードＶＩにおける電流経路 モードＶＩＩにおける電流経路 モードＶＩＩＩにおける電流経路 ２巻線変圧器を用いた変換器セルの一形態 直流集電系統を用いず，各風力発電装置が独立している場合の構成例

以下，本発明の第１の実施形態について説明する。

実施例１は，直流集電方式のウィンドファームにおいて，直流集電系統と直流ケーブルの一端との間にＤＣ−ＤＣ変換器を設け，また，該直流ケーブルの他端にインバータを設け，前記ウィンドファームの発電電力を，前記交流系統まで伝送する構成である。

前記ＤＣ−ＤＣ変換器は，前記直流集電系統側のＤＣ−ＡＣ変換器，３巻線変圧器，前記ケーブル側のＡＣ−ＤＣ変換器で構成されている。

本実施例の特徴は，前記ＤＣ−ＤＣ変換器において，前記ＡＣ−ＤＣ変換器のダイオードの一部と逆並列に，ＩＧＢＴ（insulated-gate bipolar transistor）等のスイッチング素子を接続した点にある。

このような構成によって，従来に比べて少ないスイッチング素子数で，前記ＤＣ−ＤＣ変換器による双方向電力伝送が可能となる。

したがって，実施例１では，無風時や停電状態からの起動時においては，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が，ウィンドファームからの発電時とは逆方向に送電することによって，補機類に給電できるという効果を得られる。

また，無風時や停電状態からの起動時にも，補機類に給電可能となるため，ウィンドファームの近傍に設ける蓄電池等のエネルギー貯蔵装置や，ディーゼル発電機，ガスタービン発電機等の非常用電源装置を省略，あるいは大幅に小形化できるという効果が得られる。

以下，図１を参照して実施例１の全体構成を説明する。

電力変換装置１０２は，Ｎ個の風力発電装置１０３からの発電電力を，直流集電系統１０４，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５，正側直流ケーブル１０６，負側直流ケーブル１０７，インバータ１０８を介して交流系統１０１に送電する構成である。以下，特に区別する必要が無い場合，正側直流ケーブル１０６と負側直流ケーブル１０７を総称して単に「直流ケーブル」と称する。

Ｎ個の風力発電装置１０３の出力端子は，直流集電系統１０４のｐ点，ｎ点に並列接続している。

ＤＣ−ＤＣ変換器１０５の入力端子は直流集電系統１０４のｐ点，ｎ点に接続している。
また，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５の出力端子は直流ケーブルのＰ点，Ｎ点に接続している。
ＤＣ−ＤＣ変換器１０５は，直流集電系統１０４と直流ケーブルの間の電力授受を制御する機能を有する。なお，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５の内部構成については，図２を参照して後述する。

ここで，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５は，第１の直流系統である前記直流集電系統１０４と，第２の直流系統である直流ケーブルとの間の電力授受を制御すると言える。第１，第２の直流系統は，必ずしも前記直流集電系統１０４や直流ケーブルに限定されるものではない。

以下，風力発電装置１０３の内部構成を説明する。

風力タービン１０９は，ギアボックス１１０を介して発電機１１１に接続している。ただし，ギアボックスを介さず，風力タービン１０９と発電機１１１が直接接続されている場合にも，本実施例の効果を得ることができる。

発電機用ＡＣ−ＤＣ変換器１１２の交流側は，発電機１１１に接続しており，発電機１１１が発生する交流電圧を直流電圧に変換し，直流側から出力する。発電機用変換器１１２の直流側は，直流集電系統１０４のｐ点，ｎ点に接続している。また，ｐ点，ｎ点にはコンデンサ１１３も接続している。

また，風力発電装置１０３は，電力供給手段１１４と補機類１１５を備えている。電力供給手段１１４は直流集電系統１０４のｐ点とｎ点に接続しており，直流集電系統１０４から受電し，補機類１１５に給電する。

補機類１１５は，例えば風力タービン１０９，発電機１１１，発電機用ＡＣ−ＤＣ変換器１１２の制御装置，保護装置，通信装置，冷却装置等である。

以下，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５の内部構成を説明する。

ＤＣ−ＤＣ変換器１０５は，Ｍ個の変換器セル１１６で構成されている。

Ｍ個の各変換器セル１１６の入力側は，直流集電系統１０４のｐ点，ｎ点に接続している。また，Ｍ個の変換器セル１１７の出力側は直列接続されており，第１番目の変換器セル１１６の出力側のＰ１点が直流ケーブルのＰ点に，第Ｍ番目の変換器セル１１６の出力側のＮＭ点が直流ケーブルのＮ点に接続している。

言い換えると，ＤＣ−ＤＣ変化器１０５は，Ｍ個の変換器セル１１６の入力側を並列接続，出力側を直列接続した構成である。

以下，説明の為に，各部の電圧，電流を定義する。

直流集電系統１０４の電圧をＶｃｏｌ，各変換器セル１１６の出力側の電圧をＶｄｃ１，Ｖｄｃ２，…，ＶｄｃＭと表記する。また，直流ケーブルのＰ点，Ｎ点間の電圧をＶｄｃと表記する。Ｖｄｃ＝Ｖｄｃ１＋Ｖｄｃ２＋…＋ＶｄｃＭである。

以下，図２を参照して，変換器セル１１６の内部構成を説明する。

なお，図２に図示したのは，第ｋ番目の変換器セル１１６である（１≦ｋ≦Ｍ）。

変換器セル１１６は，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１，３巻線変圧器２０２，２つのＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４から構成されている。また，２つのＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４のそれぞれの直流側を直列接続している。

本明細書では，３巻線変圧器２０２の１次巻線または１次側の各相を，ａ，ｂ，ｃ相と称し，２次巻線または２次側の各相をｕ，ｖ，ｗ相と称し，３次巻線または３次側の各相をｒ，ｓ，ｔ相と称する。

また，３巻線変圧器２０２の１次側の線間電圧を，図２に示す通り，Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａと表記する。同様に２次側の線間電圧をＶｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ，３次側の線間電圧をＶｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒと表記する。

ＤＣ−ＡＣ変換器２０１の交流側は３巻線変圧器２０２の１次側のａ，ｂ，ｃ点に接続している。

また，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３の交流側は３巻線変圧器２０２の２次側のｕ，ｖ，ｗ点に接続している。

同様に，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４の交流側は３巻線変圧器２０２の３次側のｒ，ｓ，ｔ点に接続している。

以下，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１の内部構成を説明する。

スイッチング素子２０５ａｐとダイオード２０６ａｐを逆並列接続した回路と，スイッチング素子２０５ａｎとダイオード２０６ａｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第１のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のａ点に接続する。

また，スイッチング素子２０５ｂｐとダイオード２０６ｂｐを逆並列接続した回路と，スイッチング素子２０５ｂｎとダイオード２０６ｂｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第２のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｂ点に接続する。

さらに，スイッチング素子２０５ｃｐとダイオード２０６ｃｐを逆並列接続した回路と，スイッチング素子２０５ｃｎとダイオード２０６ｃｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第３のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｃ点に接続する。

以上の第１，２，３のレグを並列接続し，並列接続した点を直流集電系統１０４のｐ点とｎ点に接続している。

言い換えると，スイッチング素子２０５ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎと，ダイオード２０６ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎが三相フルブリッジインバータを構成している。

以下，特に区別する必要が無い場合，スイッチング素子２０５ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎ，および後述するスイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎ，ｒｎ，ｓｐを単に「スイッチング素子２０５」と称する。以降，符号「２０５」に付す２文字のアルファベットの１文字目はそのスイッチング素子２０５が接続する相を，２文字目は正側のスイッチング素子であれば「ｐ」，負側のスイッチング素子であれば「ｎ」とする。

同様に，特に区別する必要が無い場合，ダイオード２０６ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎ，および後述するダイオード２０６ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎ，ｗｐ，ｗｎ，ｒｐ，ｒｎ，ｓｐ，ｓｎ，ｔｐ，ｔｎを単に「ダイオード２０６」と称する。以降，符号「２０６」に付す２文字のアルファベットの１文字目はそのダイオード２０６が接続する相を，２文字目は正側のダイオードであれば「ｐ」，負側のダイオードであれば「ｎ」とする。

また，本明細書では，スイッチング素子２０５としてＩＧＢＴの記号を用いて図示しているが，スイッチング素子２０５がＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor），ＧＴＯ（gate turn-off）サイリスタ，ＧＣＴ（gate-commutated thyristor），その他オン・オフ制御可能なパワー半導体デバイスであれば，本実施例の効果を得ることができる。

以下，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３の内部構成を説明する。

スイッチング素子２０５ｕｐとダイオード２０６ｕｐを逆並列接続した回路と，ダイオード２０６ｕｎとを直列接続し，第１のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｕ点に接続する。

また，ダイオード２０６ｖｐと，スイッチング素子２０５ｕｐとダイオード２０６ｕｐを逆並列接続した回路とを直列接続し，第２のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｖ点に接続する。

さらに，ダイオード２０６ｗｐとダイオード２０６ｗｎとを直列接続し，第３のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｗ点に接続する。

以上の第１，２，３のレグを並列接続し，並列接続した点にコンデンサ２０７Ｕを接続している。コンデンサ２０７Ｕの電圧をＶｄｃｋＵと表記する。

言い換えると，ダイオード２０６ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎ，ｗｐ，ｗｎが三相フルブリッジダイオード整流器を構成しており，ダイオード２０６ｕｐ，ｖｎに，スイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎがそれぞれ逆並列接続している構成である。

すなわち，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３は，フルブリッジダイオード整流器の一部のダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続した構成である。

以下，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４の内部構成を説明する。

ダイオード２０６ｒｐと，スイッチング素子２０５ｒｎとダイオード２０６ｒｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第１のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｒ点に接続する。

また，スイッチング素子２０５ｓｐとダイオード２０６ｓｐを逆並列接続した回路と，ダイオード２０６ｓｎとを直列接続し，第２のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｓ点に接続する。

さらに，ダイオード２０６ｔｐとダイオード２０６ｔｎとを直列接続し，第３のレグを構成する。前記の直列接続した点を，３巻線変圧器２０２のｔ点に接続する。

以上の第１，２，３のレグを並列接続し，並列接続した点にコンデンサ２０７Ｌを接続している。コンデンサ２０７Ｌの電圧をＶｄｃｋＬと表記する。

言い換えると，ダイオード２０６ｒｐ，ｒｎ，ｓｐ，ｓｎ，ｔｐ，ｔｎが三相フルブリッジダイオード整流器を構成しており，ダイオード２０６ｒｎとダイオード２０６ｓｐに，スイッチング素子２０５ｒｎとスイッチング素子２０５ｓｐがそれぞれ逆並列接続している構成である。

すなわち，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４は，フルブリッジダイオード整流器の一部のダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続した構成である。

以下，図３〜１２を参照して，変換器セル１１６の動作原理を説明する。

なお，本明細書では，３巻線変圧器２０２の１次，２次，３次巻線がそれぞれデルタ結線であり，位相角の変化が無い，すなわち，ａ，ｂ，ｃ相の組と，ｕ，ｖ，ｗ相の組と，ｒ，ｓ，ｔ相の組はそれぞれ同位相である（３巻線変圧器２０２のベクトル群記号がＤｄ０ｄ０である）と仮定して説明する。ただし，必ずしもデルタ結線に限るものではなく，デルタ結線でなくても，本実施例の効果を得ることができる。

まず，風力発電装置１０３から交流系統１０１に送電する場合における動作原理を説明する。本明細書では，風力発電装置１０３から交流系統１０１に送電する運転を「通常運転」と称する。

図３に，通常運転時における各スイッチング素子２０５のオン，オフ状態を示す。

ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のａ相のスイッチング素子２０５ａｐ，ａｎを相補的にオン，オフさせる。また，ｂ相のスイッチング素子２０５ｂｐ，ｂｎを相補的にオン，オフさせる。同様に，ｃ相のスイッチング素子２０５ｃｐ，ｃｎを相補的にオン，オフさせる。

ａ，ｂ，ｃ相のスイッチング素子２０５のオン・オフ状態の時間変化を，図３に示すように，１／３周期ずつシフトさせる。

すなわち，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１を三相フルブリッジインバータとして動作させる。

一方，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４のスイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎ，ｒｎ，ｓｐはオフさせたままとする。

すなわち，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４は三相フルブリッジダイオード整流器として動作させる。

図３に示すように，通常運転において，各スイッチング素子２０５のオン・オフ状態の組み合わせは，モードＩからモードＶＩの６つに分けられ，以降はその繰り返しである。

以下，図５〜１０を参照して，通常運転の各モードにおける電流経路を説明する。

図５に，モードＩにおける電流経路を示す。

モードＩでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ｂｎ，ｃｎがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ａ点に電流が流入し，ｂ点，ｃ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｕ点から電流が流出し，ｖ点，ｗ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｐ，ｖｎ，ｗｎが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｒ点から電流が流出し，ｓ点，ｔ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｒｐ，ｓｎ，ｔｎが導通する。

図６に，モードＩＩにおける電流経路を示す。

モードＩＩでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ｂｐ，ｃｎがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ａ点，ｂ点に電流が流入し，ｃ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｕ点，ｖ点から電流が流出し，ｗ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｐ，ｖｐ，ｗｎが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｒ，ｓ点から電流が流出し，ｔ点に電流が流入する。
これに伴い，ダイオード２０６ｒｐ，ｓｐ，ｔｎが導通する。

図７に，モードＩＩＩにおける電流経路を示す。

モードＩＩＩでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｎ，ｂｐ，ｃｎがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ｂ点に電流が流入し，ａ点，ｃ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｖ点から電流が流出し，ｕ点，ｗ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｎ，ｖｐ，ｗｎが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｓ点から電流が流出し，ｒ点，ｔ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｒｎ，ｓｐ，ｔｎが導通する。

図８に，モードＩＶにおける電流経路を示す。

モードＩＶでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｎ，ｂｐ，ｃｐがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ｂ点，ｃ点に電流が流入し，ａ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｖ点，ｗ点から電流が流出し，ｕ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｎ，ｖｐ，ｗｐが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｓ点，ｔ点から電流が流出し，ｒ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｒｎ，ｓｐ，ｔｐが導通する。

図９に，モードＶにおける電流経路を示す。

モードＶでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｎ，ｂｎ，ｃｐがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ｃ点に電流が流入し，ａ点，ｂ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｗ点から電流が流出し，ｕ点，ｖ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｎ，ｖｎ，ｗｐが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｔ点から電流が流出し，ｒ点，ｓ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｒｎ，ｓｎ，ｔｐが導通する。

図１０に，モードＶＩにおける電流経路を示す。

モードＶＩでは，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ｂｎ，ｃｐがオンである。３巻線変圧器２０２の１次側では，ａ点，ｃ点に電流が流入し，ｂ点から電流が流出する。

３巻線変圧器２０２の２次側では，ｕ点，ｗ点から電流が流出し，ｖ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｕｐ，ｖｎ，ｗｐが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では，ｒ点，ｔ点から電流が流出し，ｓ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ｒｐ，ｓｎ，ｔｐが導通する。

以上，６つのモードを繰り返すことにより，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１が三相フルブリッジインバータとして動作し，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４が三相フルブリッジダイオード整流器として動作する。

これによって，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５は，直流集電系統１０４から直流ケーブルに送電できる。すなわち，風力発電装置１０３から交流系統１０１に送電できる。

次に，本実施例の特徴である，交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電する場合における動作原理を説明する。本明細書では，交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電する運転を「逆送電運転」と称する。

図４に，逆送電運転時における各スイッチング素子２０５のオン，オフ状態を示す。

ＡＣ−ＤＣ変換器２０３のスイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎを同時にオン，オフさせる。同様に，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４のスイッチング素子２０５ｒｎ，ｓｐを同時にオン，オフさせる。

図４に示すように，スイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎの組と，スイッチング素子２０５ｒｎ，ｓｐの組を相補的にオン・オフさせる。

４つのスイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎ，ｒｎ，ｓｐをこのように動作させることによって，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４は１つの単相インバータのように動作する。

一方，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎはオフさせたままとする。

これによって，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１は三相ダイオード整流器として動作する。ただし，後述するように，実質的には単相ダイオード整流器として動作する。

図４に示すように，逆送電運転において，各スイッチング素子２０５のオン・オフ状態の組み合わせは，モードＶＩＩとモードＶＩＩＩの２つに分けられ，以降はその繰り返しである。

以下，図１１〜１２を参照して，逆送電運転の各モードにおける電流経路を説明する。

図１１に，モードＶＩＩにおける電流経路を示す。

モードＶＩＩでは，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３のスイッチング素子２０５ｕｐ，ｖｎがオンである。３巻線変圧器２０２の２次側では，ｕ点に電流が流入し，ｖ点から電流が流出する。これによって，コンデンサ２０７Ｕが放電する。

３巻線変圧器２０２の１次側では，ａ点から電流が流出し，ｂ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ａｐ，ｂｎが導通する。

３巻線変圧器２０２の３次側では電流は概ね流れない。

図１２に，モードＶＩＩＩにおける電流経路を示す。

モードＶＩＩＩでは，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４のスイッチング素子２０５ｒｎ，ｓｐがオンである。３巻線変圧器２０２の３次側では，ｓ点に電流が流入し，ｒ点から電流が流出する。これによって，コンデンサ２０７Ｌが放電する。

３巻線変圧器２０２の１次側では，ｂ点から電流が流出し，ａ点に電流が流入する。これに伴い，ダイオード２０６ａｎ，ｂｐが導通する。

３巻線変圧器２０２の２次側では電流は概ね流れない。

モードＶＩＩとモードＶＩＩＩを通じて，コンデンサ２０７Ｕ，Ｌが直流ケーブルから充電される。

モードＶＩＩとモードＶＩＩＩを繰り返す１周期を通じて，コンデンサ２０７Ｕ，Ｌの充放電をバランスし，コンデンサ２０７Ｕ，Ｌの電圧を概ね一定に維持する。

以上，２つのモードを繰り返すことにより，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４が単相フルブリッジインバータとして動作し，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１が単相フルブリッジダイオード整流器として動作する。

これによって，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５は，直流ケーブルから直流集電系統１０４に送電できる。すなわち，インバータ１０８が整流器として運転すれば，交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電できる。

本実施例によって交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電できれば，無風時や停電状態からの起動時に，電力供給手段１１４を介して補機類１１５に給電できるという効果を得られる。

また，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４のすべてのダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続する場合に比較して，大幅にスイッチング素子２０５の数を低減できるという効果も得られる。

なお，本実施例では，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３のダイオード２０６ｕｐ，ｖｎ，およびＡＣ−ＤＣ変換器２０４のダイオード２０６ｒｎ，ｓｐと逆並列にスイッチング素子２０５を接続したが，スイッチング素子２０５の接続箇所は，必ずしもこれに限るものではない。

ＡＣ−ＤＣ変換器２０３において，いずれか一つの相の正側ダイオード２０６と，他のいずれかの相の負側ダイオード２０６と逆並列にそれぞれスイッチング素子２０５を接続する。

かつ，ＡＣ−ＤＣ変換器２０４では，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３において正側ダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続した相においては負側ダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続し，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３において負側ダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続した相においては正側ダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続する。

以上のようにスイッチング素子２０５を接続すれば，本実施例の効果を得ることができる。

一般に，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１がＸ相インバータであり，かつ，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３，２０４が通常運転時にＸ相ダイオード整流器として動作し，逆送電運転時にＹ相インバータとして動作するようにスイッチング素子２０５を接続しており，Ｘ，Ｙが２以上の自然数であってＸ＞Ｙであれば，本実施例の効果を得ることができる。

以下，本発明の第２の実施形態について説明する。

実施例２は，実施例１と同様に，直流集電方式のウィンドファームにおいて，直流集電系統と直流ケーブルの一端との間にＤＣ−ＤＣ変換器を設け，また，該直流ケーブルの他端にインバータを設け，前記ウィンドファームの発電電力を，前記交流系統まで伝送する構成である。

前記ＤＣ−ＤＣ変換器は，前記直流集電系統側のＤＣ−ＡＣ変換器，２巻線変圧器，前記ケーブル側のＡＣ−ＤＣ変換器で構成されている。

本実施例の特徴は，前記ＤＣ−ＤＣ変換器において，前記ＡＣ−ＤＣ変換器のダイオードの一部と逆並列に，ＩＧＢＴ（insulated-gate bipolar transistor）等のスイッチング素子を接続した点にある。

これによって，実施例２では，実施例１と同様に，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が従来に比べて少ないスイッチング素子数で双方向電力伝送が可能となるため，無風時や停電状態からの起動時にも補機類に給電可能となるという効果を得られる。

また，無風時や停電状態からの起動時にも補機類に給電可能となるため，ウィンドファームの近傍に設ける蓄電池等のエネルギー貯蔵装置や，ディーゼル発電機，ガスタービン発電機等の非常用電源装置を省略，あるいは大幅に小形化できるという効果が得られる。

実施例２と実施例１の相違点は，ＤＣ−ＤＣ変換器１０５に用いている変換器セル１１６に代えて，図１３に示す変換器セル１３０１を用いる点である。

変換器セル１３０１では，変換器セル１１６で用いていた３巻線変圧器に代えて，２巻線変圧器を用いた点に特徴である。

これによって，３巻線変圧器よりも簡易な２巻線変圧器を使用できるという効果が得られる。

実施例２の構成は，変化器セル１３０１を用いる点以外は，実施例１と同様である。したがって，以下，図１３を参照して，実施例２と実施例１の相違点である変換器セル１３０１の内部構成についてのみ説明する。

変換器セル１３０１は，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１，２巻線変圧器１３０２，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３で構成している。

本明細書では，２巻線変圧器１３０２の１次巻線または１次側の各相を，ａ，ｂ，ｃ相と称し，２次巻線または２次側の各相をｕ，ｖ，ｗ相と称する。

また，２巻線変圧器１３０２の１次側の線間電圧を，図２に示す通り，Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａと表記する。同様に２次側の線間電圧をＶｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕと表記する。

ＤＣ−ＡＣ変換器２０１の交流側は３巻線変圧器２０２の１次側のａ，ｂ，ｃ点に接続している。

また，ＡＣ−ＤＣ変換器２０３の交流側は３巻線変圧器２０２の２次側のｕ，ｖ，ｗ点に接続している。

ＤＣ−ＡＣ変換器２０１の内部構成は，実施例１の図２におけるＤＣ−ＡＣ変換器２０１と同様であるため，説明しない。

以下，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３の内部構成を説明する。

スイッチング素子２０５ｕｐとダイオード２０６ｕｐを逆並列接続した回路と，スイッチング素子２０５ｕｎとダイオード２０６ｕｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第１のレグを構成する。前記の直列接続した点を，２巻線変圧器１３０２のｕ点に接続する。

スイッチング素子２０５ｖｐとダイオード２０６ｖｐを逆並列接続した回路と，スイッチング素子２０５ｖｎとダイオード２０６ｖｎを逆並列接続した回路とを直列接続し，第２のレグを構成する。前記の直列接続した点を，２巻線変圧器１３０２のｖ点に接続する。

さらに，ダイオード２０６ｗｐとダイオード２０６ｗｎとを直列接続し，第３のレグを構成する。前記の直列接続した点を，２巻線変圧器１３０２のｗ点に接続する。

以上の第１，２，３のレグを並列接続し，並列接続した点にコンデンサ２０７を接続している。コンデンサ２０７の電圧をＶｄｃｋと表記する。

言い換えると，ダイオード２０６ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎ，ｗｐ，ｗｎが三相フルブリッジダイオード整流器を構成しており，ダイオード２０６ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎに，スイッチング素子２０５ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎがそれぞれ逆並列接続している構成である。

すなわち，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３は，フルブリッジダイオード整流器の一部のダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続した構成である。

以下，変換器セル１３０１を用いて通常運転できる原理を説明する。

実施例１と同様に，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎをオン・オフさせることによって，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１が三相フルブリッジインバータとして動作させる。

ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３では，各スイッチング素子２０５ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎをオフさせたままとする。

これによって，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３は三相フルブリッジダイオード整流器として動作する。

この場合，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１によって発生した三相交流電圧が，変圧器１３０２を介してＡＣ−ＤＣ変換器１３０３で整流される。したがって，直流集電系統１０４から直流ケーブルに送電できる。すなわち，風力発電装置１０３から交流系統１０１に送電できる。

以下，本実施例の特徴である逆送電運転の原理を説明する。

ＤＣ−ＡＣ変換器２０１のスイッチング素子２０５ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｐ，ｃｎをオフさせたままとする。

これによって，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１は三相フルブリッジダイオード整流器として動作する。

一方，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３のスイッチング素子２０５ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎをオン・オフさせることによって，ＤＣ−ＡＣ変換器１３０３を単相フルブリッジインバータとして動作させる。

この場合，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３によって発生した単相交流電圧が，変圧器１３０２を介してＤＣ−ＡＣ変換器２０１で整流される。したがって，直流ケーブルから直流集電系統１０４に送電できる。すなわち，交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電できる。

すなわち，本実施例によって交流系統１０１から風力発電装置１０３に送電できれば，無風時や停電状態からの起動時に，電力供給手段１１４を介して補機類１１５に給電できるという効果を得られる。

また，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３のすべてのダイオード２０６と逆並列にスイッチング素子２０５を接続する場合に比較して，大幅にスイッチング素子２０５の数を低減できるという効果も得られる。

なお，図１３では，２巻線変圧器のｕ相，ｖ相にスイッチング素子２０５を接続しているが，必ずしもこれに限定するものではなく，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３が単相フルブリッジインバータとして動作できるようにスイッチング素子を接続すれは，同様の効果を得ることができる。

以上，本実施例では，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１が三相フルブリッジインバータであり，かつ，逆送電運転時において，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３が単相フルブリッジインバータとして動作するように，スイッチング素子２０５を接続していることを説明した。

一般に，ＤＣ−ＡＣ変換器２０１がＸ相インバータであり，かつ，ＡＣ−ＤＣ変換器１３０３が通常運転時にＸ相ダイオード整流器として動作し，逆送電運転時にＹ相インバータとして動作するようにスイッチング素子２０５を接続しており，Ｘ，Ｙが２以上の自然数であってＸ＞Ｙであれば，本実施例の効果を得ることができる。

以下，本発明の第３の実施形態について説明する。

実施例３は，実施例１，２とは異なり，集電のための直流集電系統を用いない構成である。個々の風力発電装置と直流ケーブルの一端との間に多入力ＤＣ−ＤＣ変換器を設け，また，該直流ケーブルの他端にインバータを設け，ウィンドファームの発電電力を，交流系統まで伝送する構成である。

前記ＤＣ−ＤＣ変換器は，実施例１の図２，または実施例２の図１３の構成のいずれかである。

本実施例の特徴は，前記ＤＣ−ＤＣ変換器において，前記ＡＣ−ＤＣ変換器のダイオードの一部と逆並列に，ＩＧＢＴ（insulated-gate bipolar transistor）等のスイッチング素子を接続した点にある。

これによって，実施例２では，実施例１と同様に，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が従来に比べて少ないスイッチング素子数で双方向電力伝送が可能となるため，無風時や停電状態からの起動時にも補機類に給電可能となるという効果を得られる。

また，無風時や停電状態からの起動時にも補機類に給電可能となるため，ウィンドファームの近傍に設ける蓄電池等のエネルギー貯蔵装置や，ディーゼル発電機，ガスタービン発電機等の非常用電源装置を省略，あるいは大幅に小形化できるという効果が得られる。

実施例３と実施例１，２の相違点は，集電のための直流集電系統を用いず，各風力発電装置に多入力ＤＣ−ＤＣ変換器が直接接続している点である。

これによって，集電のための直流集電系統を省略できるという効果を得られる。

実施例３の構成は，直流集電系統を用いないという点以外は，実施例１，２と同様である。したがって，以下，図１４を参照して，実施例３と実施例１，２の相違点についてのみ説明する。

電力変換装置１４０１は，Ｎ個の風力発電装置１０３からの発電電力を，多入力ＤＣ−ＤＣ変換器１４０２，正側直流ケーブル１０６，負側直流ケーブル１０７，インバータ１０８を介して交流系統１０１に送電する構成である。

Ｎ個の風力発電装置１０３の出力端子は，多入力ＤＣ−ＤＣ変換器１４０２に含まれる変換器セル１１６の入力端子に接続している。

多入力ＤＣ−ＤＣ変換器１４０２の出力端子は直流ケーブルのＰ点，Ｎ点に接続している。多入力ＤＣ−ＤＣ変換器１４０２は，各風力発電装置１０３と直流ケーブルの間の電力授受を制御する機能を有する。

本実施例において，変換器セル１１６の内部構成は図２に示す変換器セル１１６または図１３に示す変換器セル１３０１等を用いることができる。

また，変換器セル１１６または変換器セル１３０１を風力発電装置と同一箇所，例えば風力タービンのナセル内やタワー内に設置できれば，多入力ＤＣ−ＤＣ変換器１４０２を設置するための建屋，洋上プラットフォーム，浮体を省略できるという効果を得られる。

１０１・・・交流系統
１０２・・・電力変換装置
１０３・・・風力発電装置
１０４・・・直流集電系統
１０５・・・ＤＣ−ＤＣ変換器
１０６・・・正側直流ケーブル
１０７・・・負側直流ケーブル
１０８・・・インバータ
１０９・・・風力タービン
１１０・・・ギアボックス
１１１・・・発電機
１１２・・・発電機用ＡＣ−ＤＣ変換器
１１３・・・コンデンサ
１１４・・・電力供給手段
１１５・・・補機類
１１６・・・変換器セル
２０１・・・ＤＣ−ＡＣ変換器
２０２・・・３巻線変圧器
２０３・・・ＡＣ−ＤＣ変換器
２０４・・・ＡＣ−ＤＣ変換器
２０５・・・スイッチング素子
２０６・・・ダイオード
２０７・・・コンデンサ
１３０１・・・変換器セル
１３０２・・・２巻線変圧器
１３０３・・・ＡＣ−ＤＣ変換器
１４０１・・・電力変換装置
１４０２・・・多入力ＤＣ−ＤＣ変換器

Claims (8)

1. １つまたは複数の風力発電装置の発電電力を集電する第１の直流系統と，第１の直流系統と第２の直流系統の間で電力を授受するＤＣ−ＤＣ変換器と，前記第２の直流系統からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えた電力変換装置において，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が，変圧器の一方次側に１つまたは複数のＤＣ−ＡＣ変換器を接続し，該変圧器の他方次側に１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を接続して構成した変換器セルを１つまたは複数備えており，該ＡＣ−ＤＣ変換器が複数のダイオードをブリッジ状に接続し，かつ，前記ダイオードの一部と逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. １つまたは複数の風力発電装置と直流系統の間で電力を授受する多入力ＤＣ−ＤＣ変換器と，前記直流系統からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えた電力変換装置において，前記多入力ＤＣ−ＤＣ変換器が，変圧器の一方次側に１つまたは複数のＤＣ−ＡＣ変換器を接続し，該変圧器の他方次側に１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を接続して構成した変換器セルを１つまたは複数備えており，該ＡＣ−ＤＣ変換器が複数のダイオードをブリッジ状に接続し，かつ，前記ダイオードの一部と逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１，２のいずれかの電力変換装置において，前記ＡＣ−ＤＣ変換器がＸ相インバータであり，前記ＤＣ−ＡＣ変換器がＸ相ダイオード整流器であり，かつ，前記ＤＣ−ＡＣ変換器を構成するダイオードの一部にスイッチング素子を逆並列に接続することによって前記ＤＣ−ＡＣ変換器がＹ相インバータとしても動作する機能を有しており，Ｘ，Ｙが２以上の自然数であり，Ｘ＞Ｙであることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１，２，３のいずれかに記載の電力変換装置において，前記変換器セルの前記変圧器が３巻線変圧器であり，該変圧器の一方次側の巻線に前記ＤＣ−ＡＣ変換器を接続しており，該変圧器の残り２つの他方次側の巻線にそれぞれ前記ＡＣ−ＤＣ変換器を接続しており，前記ＡＣ−ＤＣ変換器２つの直流側を直列接続していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１，２，３のいずれかに記載の電力変換装置において，前記変換器セルの前記変圧器が２巻線変圧器であり，該変圧器の一方次側の巻線に前記ＤＣ−ＡＣ変換器を接続しており，該変圧器の他方次側の巻線に前記ＡＣ−ＤＣ変換器を接続したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１，２，５のいずれかに記載の電力変換装置において，前記ＤＣ−ＡＣ変換器が三相フルブリッジインバータであり，前記ＡＣ−ＤＣ変換器の２つのうち第１の前記ＡＣ−ＤＣ変換器が三相フルブリッジダイオード整流器を構成するように少なくとも６つのダイオードを接続した構成を有し，かつ，いずれか一つの相の正側ダイオード，および他のいずれかの相の負側ダイオードと逆並列にそれぞれスイッチング素子を接続し，第２の前記ＡＣ−ＤＣ変換器が三相フルブリッジダイオード整流器を構成するように少なくとも６つのダイオードを接続した構成を有し，かつ，第１の前記ＡＣ−ＤＣ変換器において正側ダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続した相においては，第２の前記ＡＣ−ＤＣ変換器において負側ダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続し，第１の前記ＡＣ−ＤＣ変換器において負側ダイオードと並列にスイッチング素子を接続した相においては，第２の前記ＡＣ−ＤＣ変換器において正側ダイオードと逆並列にスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１，２，５のいずれかに記載の電力変換装置において，前記ＤＣ−ＡＣ変換器が三相フルブリッジインバータであり，前記ＡＣ−ＤＣ変換器が三相フルブリッジダイオード整流器を構成するように少なくとも６つのダイオードを接続しており，かつ，２つの相のダイオード４つと逆並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の電力変換装置において，前記ＤＣ−ＤＣ変換器が前記交流系統から電力を受電し，前記風力発電装置に給電する機能を有することを特徴とする電力変換装置。