JP2016167900A - 風力発電システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系統電圧低下時に、運転を継続しつつＤＣリンク電圧の変動を抑制することができる風力発電システムの制御装置を提供する。
【解決手段】交流側が発電機２に接続された発電機側コンバータ３と、直流側が前記発電機側コンバータ３の直流側に接続され、交流側が系統５に接続された系統側コンバータ４と、ＤＣリンク部６のＤＣリンク電圧Ｖｄｃ、ＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*および発電機２の３相電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷに基づいて、系統電圧低下時に発電機２のトルクを低下させる制御を行う発電機側コンバータ制御部３１と、前記系統５の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*に基づいて系統側コンバータ４を制御する系統側コンバータ制御部４１と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に連系される風力発電システムの制御装置に係り、系統電圧低下時のコンバータ連続運転制御技術に関する。

従来の風力発電システムの構成例を図１２に示す。図１２において、１は発電機２の軸に取り付けられた風車であり、発電機２は発電機側コンバータ３の交流側に接続されている。発電機側コンバータ３は、例えばＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を３相ブリッジ接続して構成され、発電機２の交流電力を直流電力に変換する。

発電機側コンバータ３の直流側は、正、負極母線Ｐ，Ｎを介して系統側コンバータ４の直流側に接続されている。系統側コンバータ４は、例えばＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を３相ブリッジ接続して構成され、直流電力を交流電力に変換する。

系統側コンバータ４の交流側は、連系する系統５（電力系統；以下、単に系統と称することもある）に接続されている。

発電機側コンバータ３および系統側コンバータ４の直流側どうしを結ぶＤＣリンク部６、すなわち正極母線Ｐと負極母線Ｎの間には、キャパシタ７と、半導体スイッチ８および回生抵抗器（ＤＢＲ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｒａｋｅ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）９の直列回路とが並列に接続されている。

１０は回生抵抗器制御部であり、正極母線Ｐの直流電圧を検出したＤＣリンク電圧Ｖｄｃが、設定したＤＣリンク電圧最大値Ｖｄｃ_ｍａｘを超えたときに、半導体スイッチ制御信号Ｓ_DBRを出力して半導体スイッチ８をオン制御し、ＤＣリンク部６の電流を回生抵抗器９に流してＤＣリンク電圧Ｖｄｃが最大値Ｖｄｃ_ｍａｘを超えないようにしている。

発電機側コンバータ３は発電機側コンバータ制御部３０によって制御され、系統側コンバータ４は系統側コンバータ制御部４０によって制御される。

上記のように構成された風力発電システムにおいて、風車１が風からエネルギーを受け取ると、風車１および発電機２が回転する。発電機２の回転により発生した交流電力は、発電機側コンバータ３で直流電力に変換され、その直流電力は系統側コンバータ４によって再度交流電力に変換されて系統５に送られる。

このときの発電機側と系統側のコンバータ（３、４）の制御方式を以下に説明する。まず発電機側コンバータ制御部３０は、発電機２に流れる電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷおよび発電機のトルク指令Ｔｇ^*を入力とし、発電機側コンバータ制御信号Ｓｇを出力するものであり、その詳細は例えば図１３のように構成されている。

図１３において、３３は発電機のトルク指令Ｔｇ^*に係数をかけて発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を出力するトルク指令→電流指令変換部である。３４は、発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを、下記式（１）を用いて発電機ｄｑ軸電流Ｉｇ_ｄ・Ｉｇ_ｑへ変換するｄｑ変換部である。

式（１）において、
θ：発電機電流ａ相の位相
ｉｇ_Ｕ：Ｕ相発電機電流
ｉｇ_Ｖ：Ｖ相発電機電流
ｉｇ_Ｗ：Ｗ相発電機電流
である。

前記変換された発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑとトルク指令→電流指令変換部３３の出力であるＩｇ_ｑ^*はｑ軸電流制御部３５に入力される。ｑ軸電流制御部３５では、ＰＩ制御などによりＩｇ_ｑがＩｇ_ｑ^*になるように制御し発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*を出力する。

前記変換された発電機ｄ軸電流Ｉｇ_ｄと予め設定された発電機ｄ軸電流指令Ｉｇ_ｄ^*はｄ軸電流制御部３６に入力される。ｄ軸電流制御部３６では、ＰＩ制御などによりＩｇ_ｄがＩｇ_ｄ^*になるように制御し発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*を出力する。

ｑ軸電流制御部３５の出力である発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*とｄ軸電流制御部３６の出力である発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*は、三相変換部３７に入力されて、下記式（２）を用いて３相各相の発電機電圧指令Ｖｇ_Ｕ^*、Ｖｇ_Ｖ^*、Ｖｇ_Ｗ^*に変換される。

式（２）において、
Ｖｇ_Ｕ^*：Ｕ相発電機電流
Ｖｇ_Ｖ^*：Ｖ相発電機電流
Ｖｇ_Ｗ^*：Ｗ相発電機電流
である。

三相変換部３７の出力である３相の発電機電圧指令Ｖｇ_ＵＶＷ^*は、ＰＷＭ変調部３８に入力されＰＷＭ変調が施されて、発電機側コンバータ制御信号Ｓｇが出力される。この発電機側コンバータ制御信号Ｓｇは、発電機側コンバータ３内の６つの半導体スイッチング素子のゲート信号である。

また、系統側コンバータ制御部４０は、系統５の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴ、ＤＣリンク電圧ＶｄｃおよびＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*を入力とし、系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄを出力するものであり、その詳細は例えば図１４のように構成されている。

図１４において、４３は、ＰＩ制御などによりＤＣリンク電圧ＶｄｃがＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*となるように制御し、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を出力するＤＣリンク電圧制御部である。

４４は、系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを、前記式（１）と同様の式を用いて系統ｄｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄ・Ｉｇｒｉｄ_ｑへ変換するｄｑ変換部である。

前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑとＤＣリンク電圧制御部４３の出力であるＩｇｒｉｄ_ｑ^*はｑ軸電流制御部４５に入力される。ｑ軸電流制御部４５では、ＰＩ制御などによりＩｇｒｉｄ_ｑがＩｇｒｉｄ_ｑ^*になるように制御し系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を出力する。

前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄと予め設定された系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*はｄ軸電流制御部４６に入力される。ｄ軸電流制御部４６では、ＰＩ制御などによりＩｇｒｉｄ_ｄがＩｇｒｉｄ_ｄ^*になるように制御し系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を出力する。

ｑ軸電流制御部４５の出力である系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*とｄ軸電流制御部４６の出力である系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*は、三相変換部４７に入力されて、前記式（２）と同様の式を用いて３相各相の系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*に変換される。

三相変換部４７の出力である３相の系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴ^*は、ＰＷＭ変調部４８に入力されＰＷＭ変調が施されて、系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄが出力される。この系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄは、系統側コンバータ４内の６つの半導体スイッチング素子のゲート信号である。

尚、従来の風力発電システムとしては、例えば特許文献１に記載のものが提案されていた。この特許文献１は、風力発電システムにおいて、低発電量の時には、回転子が過電流レベルに達する前にコンバータ直流電圧が上昇して、コンバータが運転できないケースがあることを課題とし、この課題を解決するために、系統事故時過電流消費装置の交流入力を発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、系統電圧低下と励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統事故時に前記過電流消費装置を動作させるように構成している。

特開２００９−２７３２８１号公報

風力発電システムにおいては、系統電圧低下が生じた際に、風力発電システムをすぐに系統から切り離すのではなく、連続運転する機能（事故時運転継続（ＦＲＴ：Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ）要件）が求められる。

ここで、図１２に示す従来の風力発電システムにおいて、系統電圧低下が生じた際のシミュレーション波形を図１５に示す。

図１５において、シミュレーションは系統電圧が時刻０．５[ｓ]から時刻１．５[ｓ]の１．０[ｓ]間低下する条件で行った。図１５の上段から下段にかけて、系統電圧（Ｒ相）、風車１の回転数、電力（発電機電力と系統電力）、発電機トルク、ＤＣリンク電圧および系統側コンバータ制御部４０のｑ軸電流（検出値と指令値）の各波形を示している。

時刻０．５[ｓ]以降、系統電圧が低下すると、系統の電力も低下し、発電機の電力との差が生じる。この発電機側と系統側の電力差によってＤＣリンク電圧の変動が生じてしまう。

このＤＣリンク電圧の変動は、図１４の系統側コンバータ制御部４０のＤＣリンク電圧制御部４３が、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を大きくするように動作することで、抑制しようとしている。

しかし、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が上限値に達するため、制御可能な値まで系統ｑ軸電流を大きくすることができていない。この場合には、系統側コンバータ４によるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの制御を行うことができなくなる。ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの制御ができないため、Ｖｄｃは上昇を続けるが、この上昇は系統側コンバータ４の半導体スイッチング素子の破損の原因等になるため危険である。

そこで、ＤＣリンク電圧最大値Ｖｄｃ_ｍａｘを予め定め、回生抵抗器制御部１０においてＤＣリンク電圧ＶｄｃがＤＣリンク電圧最大値Ｖｄｃ_ｍａｘを超えた場合には、半導体スイッチ８をオン制御し、ＤＣリンク部６の電流を回生抵抗器（ＤＢＲ）９に流すことで、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが制限値を超えないようにしている。

発電機側コンバータ制御部３０では発電機のトルク指令Ｔｇ^*から発電機電流を制御しているので、系統の状態にかかわらずトルクは一定である。

尚、ここでは風車１と発電機２の回転数は一致するものと考えることとし、ピッチ制御等の回転数の制御は行っていない。図１５のシミュレーションでは回転数が一定であるが、これは風エネルギーと発電機エネルギーが等しい条件でのシミュレーションであるためである。

上記のように従来の制御方式では、系統電圧低下時に運転継続をするためにはＤＣリンク電圧Ｖｄｃの変動が生じてしまうという問題がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、系統電圧低下時に、運転を継続しつつＤＣリンク電圧の変動を抑制することができる風力発電システムの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の風力発電システムの制御装置は、交流側が風力発電設備の発電機に接続された発電機側コンバータと、直流側が前記発電機側コンバータの直流側に接続され、交流側が電力系統に接続された系統側コンバータと、を備えた風力発電システムにおいて、
前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側共通接続点の電圧を検出した直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧指令Ｖｄｃ^*および前記発電機の３相電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷに基づいて、系統電圧低下時に発電機のトルクを低下させる発電機側コンバータの制御信号を生成し、該制御信号によって前記発電機側コンバータを制御する発電機側コンバータ制御部と、
前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*に基づいて系統側コンバータの制御信号を生成し、該制御信号によって前記系統側コンバータを制御する系統側コンバータ制御部と、
を備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の風力発電システムの制御装置は、請求項１において、前記発電機側コンバータ制御部は、
前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側共通接続点の電圧を検出した直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧指令Ｖｄｃ^*および前記発電機の３相電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを入力とし、
直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令Ｖｄｃ^*となるように制御して発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を生成し、
発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを発電機ｄｑ軸電流に変換し、
前記変換された発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑが発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*となるように制御して発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*を生成し、
前記変換された発電機ｄ軸電流Ｉｇ_ｄが、予め設定した発電機ｄ軸電流指令Ｉｇ_ｄ^*となるように制御して発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*を生成し、
前記生成された発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*および発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*を三相変換した電動機電圧指令Ｖｇ_Ｕ^*、Ｖｇ_Ｖ^*、Ｖｇ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記発電機側コンバータの制御信号を生成する
ことを特徴としている。

また、請求項３に記載の風力発電システムの制御装置は、請求項２において、前記系統側コンバータ制御部は、
前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび電力系統の系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を入力とし、
系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、設定した系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’で除算して系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
前記系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを系統ｄｑ軸電流に変換し、前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記生成された系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるように制御して系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄが、予め設定した系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*となるように制御して系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を生成し、
前記生成された系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*および系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を三相変換した系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記系統側コンバータの制御信号を生成する
ことを特徴としている。

上記構成において、電力系統に系統電圧低下が生じると、系統電力も低下し、系統に送ることのできない発電機電力が生じるので、直流電圧Ｖｄｃが一時的に上昇し、直流電圧指令Ｖｄｃ^*を超える。すると発電機側コンバータ制御部では、前記上昇した直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令Ｖｄｃ^*となるように抑制する発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を生成し、発電機のトルク発生として使われる発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑが前記発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*となるよう制御する発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*が生成される。この生成されたＶｇ_ｑ^*を三相変換した発電機電圧指令に基づいて発電機側コンバータが制御されるため、発電機のトルクが落ち、発電機側の電力が、前記低下していた系統側の電力と等しくなり、直流電圧Ｖｄｃの上昇が抑えられる。

このとき系統側コンバータ制御部では、系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、系統電圧検出値ではなく系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’で除算した系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を生成するので、系統電圧が変化しても系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*は変化しない。

そして、系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるよう制御する系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*が生成される。この生成されたＶｇｒｉｄ_ｑ^*を三相変換した系統電圧指令に基づいて系統側コンバータが制御されるため、系統電圧低下直後に系統ｑ軸電流が大きく流れるが、その後は正常時と同じ電流値に制御することができる。

上記のように、系統電圧が低下した際に、運転を継続しつつ直流電圧の変動を抑制することができる。

また、直流電圧変動抑制のために回生抵抗器などのエネルギー消費装置を設ける必要がない。

また、請求項４に記載の風力発電システムの制御装置は、請求項２において、前記系統側コンバータ制御部は、
前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴ、電力系統の系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*および前記電力系統の電圧を検出した系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴを入力とし、
系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxに達しない範囲内の系統電圧低下の場合は、前記系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、前記系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴから求めた系統電圧Ｖｇｒｉｄで除算した結果を系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定し、
前記系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*max以上となる系統電圧低下の場合は、前記系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxを系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定し、
前記系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを系統ｄｑ軸電流に変換し、前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記決定された系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるように制御して系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄが、予め設定した系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*となるように制御して系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を生成し、
前記生成された系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*および系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を三相変換した系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記系統側コンバータの制御信号を生成する
ことを特徴としている。

上記構成において、系統電圧低下発生時に、発電機側コンバータ制御部は請求項２、３の発電機側コンバータ制御部と同様の制御を行う。すなわち、上昇した直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令Ｖｄｃ^*となるように抑制する発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を生成し、発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑが前記発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*となるよう制御する発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*を生成し、このＶｇ_ｑ^*を三相変換した発電機電圧指令に基づいて発電機側コンバータを制御する。これによって、発電機のトルクが落ち、発電機側の電力が系統側の電力と等しくなり、直流電圧Ｖｄｃの上昇が抑えられる。

このとき系統側コンバータ制御部では、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*＜系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxとなる系統電圧低下の場合は、系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*／系統電圧Ｖｇｒｉｄ、で算出されるＩｇｒｉｄ_ｑ^*に決定する（Ｖｇｒｉｄに応じて値が変化する指令値とする）。

また、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*≧系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxとなる系統電圧低下の場合は、Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxを系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定する（固定の最大指令値とする）。

そして、系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるよう制御する系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、このＶｇｒｉｄ_ｑ^*を三相変換した系統電圧指令に基づいて系統側コンバータを制御する。

これによって、系統電圧低下が大きい場合に、系統ｑ軸電流を系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxまで流して系統電力を多く戻すことができる。このため、風車が慣性エネルギーとして用いるエネルギーが小さくなり、系統電圧低下後の風車の回転数上昇は請求項３の場合よりも小さくなる。

上記のように、系統電圧が低下した際に、できるだけ系統に電力を送りながら運転を継続しつつ直流電圧の変動を抑制することができる。

また、直流電圧変動抑制のために回生抵抗器などのエネルギー消費装置を設ける必要がない。

また、請求項５に記載の風力発電システムの制御装置は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側どうしを結ぶ正、負直流母線間に直列に接続された半導体スイッチおよび回生抵抗器と、
前記発電機の回転軸に設けられた風車の回転数を検出した風車回転数ｗ、風車の回転数最大値ｗ_ｍａｘおよび風車の回転数制限値ｗ_ｓａｔを入力とし、前記風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したか否かを判定し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達していないときは、前記半導体スイッチをオフとする制御信号を出力し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したときは、風車回転数ｗおよび回転数制限値ｗ_ｓａｔの偏差を入力とするＰＩ制御器の出力Ｏｕｔ_ＰＩと三角波信号との比較出力によって前記半導体スイッチをチョッパ制御する制御信号を出力する回生抵抗器制御部と、
を備えたことを特徴としている。

上記構成において、系統電圧低下発生時に、発電機側コンバータ制御部および系統側コンバータ制御部は、請求項１〜４の場合と同様の制御を行う。このため、発電機のトルクを低下させて、発電機側の電力を系統側の電力と等しくさせて直流電圧の上昇を抑制することができる。

これによって、系統電圧が低下した際に、運転を継続しつつ直流電圧の変動を抑制することができる。

系統電圧低下時は、系統に送れないエネルギーが慣性エネルギーとして蓄えられることにより、風車の回転数が上昇する。

回生抵抗器制御部では、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したときに、前記半導体スイッチをチョッパ制御する制御信号を出力するので、回生抵抗器によってエネルギーを消費することができ、風車の回転数を制限することができる。また、この回生抵抗器によるエネルギー消費によって、発電機側の電力を正常時と同じ電力に戻すことができる。

（１）請求項１〜５に記載の発明によれば、系統電圧が低下した際に、運転を継続しつつ直流電圧の変動を抑制することができる。
（２）請求項１〜４に記載の発明によれば、回生抵抗器などのエネルギー消費装置を設ける必要がなく、機器の省スペース化と低コスト化が実現できる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、系統電圧が変化しても系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*は変化せず、系統電圧低下直後に電流が大きく流れるが、その後は系統ｑ軸電流を正常時と同じ電流値に制御することができる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、系統電圧低下時にできるだけ系統に電力を送ることができる。
（５）請求項５に記載の発明によれば、系統電圧低下時に、回生抵抗器によってエネルギーを消費することができ、風車の回転数を制限することができる。また、この回生抵抗器によるエネルギー消費によって、発電機側の電力を正常時と同じ電力に戻すことができる。

本発明の実施例１による風力発電システムの構成図。 本発明の実施例１による発電機側コンバータ制御部のブロック図。 本発明の実施例１による系統側コンバータ制御部のブロック図。 本発明の実施例１による系統電圧低下のシミュレーション波形図。 本発明の実施例２による風力発電システムの構成図。 本発明の実施例２による系統側コンバータ制御部のブロック図。 本発明の実施例２による系統電圧低下のシミュレーション波形図。 本発明の実施例３による風力発電システムの構成図。 本発明の実施例３による回生抵抗器制御部のブロック図。 本発明の実施例３による系統電圧低下のシミュレーション波形図。 本発明の実施例１〜３と従来技術による系統電圧低下のシミュレーション波形図。 従来技術による風力発電システムの構成図。 従来技術による発電機側コンバータ制御部のブロック図。 従来技術による系統側コンバータ制御部のブロック図。 従来技術による系統電圧低下のシミュレーション波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１〜図３は本実施例１による風力発電システムの構成を示しており、従来の図１２〜図１４の構成と同一部分は同一符号をもって示している。図１において図１２と異なる点は、図１２の半導体スイッチ８、回生抵抗器９および回生抵抗器制御部１０を除去し、発電機側コンバータ制御部３０に代えて発電機側コンバータ制御部３１を設け、系統側コンバータ制御部４０に代えて系統側コンバータ制御部４１を設けた点にある。

発電機側コンバータ制御部３１は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃ，予め設定したＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*および発電機２に流れる電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを入力とし、発電機側コンバータ制御信号Ｓｇを出力するものであり、その詳細は例えば図２のように構成されている。

図２において、１３３は、ＰＩ制御などによりＤＣリンク電圧ＶｄｃがＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*となるように制御し、発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を出力するＤＣリンク電圧制御部である。

発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷはｄｑ変換部３４に入力されて、前記式（１）の演算により発電機ｄ軸電流Ｉｇ_ｄおよび発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑに変換される。ｑ軸電流制御部３５では、Ｉｇ_ｑがＩｇ_ｑ^*になるようにＰＩ制御などに制御が行われ、ｄ軸電流制御部３６では、Ｉｇ_ｄがＩｇ_ｄ^*になるようにＰＩ制御などに制御が行われる。

ｑ軸電流制御部３５の出力である発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*とｄ軸電流制御部３６の出力である発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*は、三相変換部３７に入力されて、前記式（２）を用いて３相各相の発電機電圧指令Ｖｇ_Ｕ^*、Ｖｇ_Ｖ^*、Ｖｇ_Ｗ^*に変換される。

三相変換部３７の出力である３相の発電機電圧指令Ｖｇ_ＵＶＷ^*は、ＰＷＭ変調部３８に入力されＰＷＭ変調が施されて、発電機側コンバータ制御信号Ｓｇが出力される。この発電機側コンバータ制御信号Ｓｇは、発電機側コンバータ３内の６つの半導体スイッチング素子のゲート信号である。

また、系統側コンバータ制御部４１は、系統５の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を入力とし、系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄを出力するものであり、その詳細は例えば図３のように構成されている。

図３において、１４３は、下記式（３）の演算、すなわち系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、設定した系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’で除算して系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を生成する電力指令→電流指令変換部である。

式（３）は系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’を用いているため、系統電圧の検出は行わない。そのため、系統電力指令に係数をかけた結果がＩｇｒｉｄ_ｑ^*となる。

４４は、系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを、前記式（１）と同様の式を用いて系統ｄｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄ・Ｉｇｒｉｄ_ｑへ変換するｄｑ変換部である。

前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑと電力指令→電流指令変換部１４３の出力であるＩｇｒｉｄ_ｑ^*はｑ軸電流制御部４５に入力される。ｑ軸電流制御部４５では、ＰＩ制御などによりＩｇｒｉｄ_ｑがＩｇｒｉｄ_ｑ^*になるように制御し系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を出力する。

前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄと予め設定された系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*はｄ軸電流制御部４６に入力される。ｄ軸電流制御部４６では、ＰＩ制御などによりＩｇｒｉｄ_ｄがＩｇｒｉｄ_ｄ^*になるように制御し系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を出力する。

ｑ軸電流制御部４５の出力である系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*とｄ軸電流制御部４６の出力である系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*は、三相変換部４７に入力されて、前記式（２）と同様の式を用いて３相各相の系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*に変換される。

三相変換部４７の出力である３相の系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴ^*は、ＰＷＭ変調部４８に入力されＰＷＭ変調が施されて、系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄが出力される。この系統側コンバータ制御信号Ｓｇｒｉｄは、系統側コンバータ４内の６つの半導体スイッチング素子のゲート信号である。

上記のように構成された本実施例１において、系統電圧低下が生じた際のシミュレーション波形を図４に示す。図４において、シミュレーションは系統電圧が時刻０．５[ｓ]から時刻１．５[ｓ]までの１．０[ｓ]間低下する条件で行った。図４の上段から下段にかけて、系統電圧（Ｒ相）、風車１の回転数、電力（発電機電力と系統電力）、発電機トルク、ＤＣリンク電圧および系統側コンバータ制御部４１のｑ軸電流（検出値と指令値）の各波形を示している。

図４では、ピッチ制御を行っていないにも関わらず時刻０．５[ｓ]まで、回転数の変動がないが、これは発電機２側でのトルク指令とその時の回転数が、風車１が風から得るエネルギーと等しいためである。また、風速は常に一定であるという条件で行っている。

まず時刻０．５[ｓ]までの時間において、系統電圧は正常値であり、本発明の発電システムの発電機２で発電した電力を系統５へ送ることができている。この時のＤＣリンク電圧Ｖｄｃも定常値となっており電圧変動はない。この状態での発電機２側の発電電力と系統５側の電力は平衡している。

次に、時刻０．５[ｓ]に達した瞬間は系統電圧が低下する。系統電圧の低下が生じると系統５の電力も系統電圧低下割合と同じだけ低下する。すると系統５に送ることのできない発電電力が生じる。この電力は一時的にＤＣリンク電圧Ｖｄｃを上昇させる。ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇すると、発電機側コンバータ制御部３１でＤＣリンク電圧Ｖｄｃが落ちるように、発電機２のトルクを制御する。

すなわち発電機側コンバータ制御部３１では、図２のＤＣリンク電圧制御部１３３の出力である発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*が小さくなって、発電機のトルク発生として使われる発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑを小さくする発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*が生成される。これによって、図４の各波形に示すように、発電機トルクを落とすことで、発電機２側の電力を系統５側の電力と等しくして、ＤＣリンク電圧の上昇を抑えている。

その後、系統電圧低下が継続しているがＤＣリンク電圧は一定のままである。この時、風から受けたエネルギーは風車１の慣性エネルギーとして消費しているため風車１の回転速度は上昇する。

尚、この時の系統側コンバータ４の系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*は系統電圧が変化した場合でも変化しない。この理由は、系統電圧が低下しても系統電圧の検出を行っておらず、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*生成のために系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’を採用している（ＤＣリンク電圧制御部１３３における式（３）の演算）ので、系統側コンバータ４では正常状態と同じ制御を行うためである。系統電圧低下直後に系統ｑ軸電流が大きく流れるが、その後は制御により正常時と同じ電流値に制御できていることがわかる。

次に、式（４）〜式（８）により図１に示す風力発電システムのエネルギーの関係を示す。

式４）〜式（８）において、
Ｐ_dc：ＤＣリンク電力
Ｐ_g：発電機電力
Ｐ_grid：系統電力
Ｃ：キャパシタ
Ｐ_t：風車発電エネルギー
ω_m：発電機回転数
Ｐ_g.loss：発電機損失エネルギー
Ｋ：風車発電係数（効率・受風面積・空気密度等の係数）
ｖ：風速
Ｖ_grid：系統電圧
Ｉ_grid：系統電流
である。

ＤＣリンク電力Ｐ_dcは式（４）で表すことができる。式（４）から、ＤＣリンク電力は発電機電力と系統電力の差である。ＤＣリンク電力Ｐ_dcは式（５）でも表すことができる。式（５）は、ＤＣリンク電力はＤＣリンク電圧とキャパシタ容量とＤＣリンク電圧微分値の積であることを示している。

発電機電力Ｐ_gは式（６）で表現することができる。式（６）は式（７）で示す風車発電エネルギーＰ_tから発電機の慣性エネルギーと発電機の損失を減算したものである。尚、式（７）の風車発電係数Ｋは風車の受風面積や空気密度、発電効率等を考慮した係数とする。

系統電力Ｐ_gridは、式（８）で表され、３相の電圧Ｖ_gridと３相の電流Ｉ_gridを乗算したものである。

本実施例では、系統電圧低下時に系統電力Ｐ_gridが低下しＤＣリンク電力Ｐ_dcは変動するが、発電機電力Ｐ_gを変化させることでＤＣリンク電力Ｐ_dcを再び系統電圧低下前と同じ値とすることで、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを一定に制御している。

式（６）のＰ_tは風車発電エネルギーでありピッチ制御等を行うことで変化させることが可能であるが、本実施例では変化させることができない場合を考えた。そこで発電機の慣性エネルギーに相当する式（６）の右辺第二項の発電機回転数を変化させている。

以上のように本実施例１によれば、系統電圧が低下した際に、運転を継続しつつ直流電圧（ＤＣリンク電圧）変動を抑制することができる。このため、機器の省スペース化と低コスト化が実現できる。

図５、図６は本実施例２による風力発電システムの構成を示しており、実施例１の図１〜図３の構成と同一部分は同一符号をもって示している。図５において図１と異なる点は、系統側コンバータ制御部４１に代えて系統５の３相電圧を検出した系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴをさらに入力とした系統側コンバータ制御部４２を設けた点にある。

この系統側コンバータ制御部４２は、図６に示すように、入力された系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*に基づいて、下記式（９）に示す系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を出力するｑ軸電流指令出力部２４３を備えている。

式（９）において、
Ｖｇｒｉｄ：系統電圧
Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*max：系統ｑ軸電流指令最大値
である。

式（９）の系統電圧Ｖｇｒｉｄは系統３相電圧より求める。また系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxは予め定めておく必要がある。

式（９）は、系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxに達しない範囲内の系統電圧低下の場合は、前記系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、前記系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴから求めた系統電圧Ｖｇｒｉｄで除算した結果を系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定し、前記系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*max以上となる系統電圧低下の場合は、前記系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxを系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定することを意味している。

このように決定された系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*は、ｑ軸電流制御部４５に入力されるが、系統側コンバータ制御部４２の、ｄｑ変換部４４、ｑ軸電流制御部４５、ｄ軸電流制御部４６、三相変換部４７およびＰＷＭ変調部４８の各動作は、実施例１の系統側コンバータ制御部４１と同様である。

また、発電機側コンバータ制御部３１の動作も実施例１と同様である。

上記のように構成された本実施例２において、系統電圧低下が生じた際のシミュレーション波形を図７に示す。図７において、シミュレーションは系統電圧が時刻０．５[ｓ]から時刻１．５[ｓ]までの１．０[ｓ]間低下する条件で行った。図７の上段から下段にかけて、系統電圧（Ｒ相）、風車１の回転数、電力（発電機電力と系統電力）、発電機トルク、ＤＣリンク電圧および系統側コンバータ制御部４２のｑ軸電流（検出値と指令値）の各波形を示している。

図７のシミュレーションにおいて、時刻０．５[ｓ]での系統電圧低下の際に系統５の電力低下が生じる。発電機側コンバータ制御部３１では、実施例１と同様の動作により、その系統電力の低下割合に応じて発電機のトルクを下げて発電機側の電力を小さくする制御を行う。

一方系統側コンバータ制御部４２では、式（９）を用いて系統ｑ軸電流、予め設定した最大値まで活用する。Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*がＩｇｒｉｄ_ｑ^*maxに達しない程度の系統電圧低下であれば、系統電力は時刻０．５[ｓ]以前の電力まで復帰が可能である。しかし、図７の場合にはＩｇｒｉｄ_ｑ^*がＩｇｒｉｄ_ｑ^*maxに決定されるため、系統電力の時刻０．５[ｓ]以前の復帰はできていないが、系統に電力を実施例１よりも多く戻しているので、慣性エネルギーとして用いるエネルギーが小さい。そのため、実施例１の場合よりも、系統電圧低下後の回転数の上昇は小さくなる。

このように、実施例２を用いることで、系統電圧低下時にできるだけ系統に電力を送りつつ、ＤＣリンク電圧の変動も抑えることができる。また、ＤＣリンク電圧変動抑制のために回生抵抗器などのエネルギー消費装置を設ける必要がないので、機器の省スペース化と低コスト化が実現できる。

本実施例３では、風車１の回転数を検出し、風車１の回転数が最大値となった場合に回生抵抗器を用いて風車エネルギーを消費するように構成した。

図８は本実施例３による風力発電システムの構成を示しており、実施例１の図１の構成と同一部分は同一符合をもって示している。図８において図１と異なる点は、ＤＣリンク部６の正、負極母線Ｐ，Ｎ間に直列接続された半導体スイッチ８、回生抵抗器９と、回生抵抗器制御部１００とを設けた点にある。

本実施例３における発電機側コンバータ制御部３１および系統側コンバータ制御部４１は実施例１と同一に構成されている。また、系統側コンバータ制御部は実施例２の系統側コンバータ制御部４２を用いてもよい。

回生抵抗器制御部１００は、風車１の回転数を検出した風車回転数ｗ、風車１の回転数最大値ｗ_ｍａｘおよび風車１の回転数制限値ｗ_ｓａｔを入力とし、前記風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したか否かを判定し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達していないときは、前記半導体スイッチ８をオフとする制御信号を出力し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したときは、風車回転数ｗおよび回転数制限値ｗ_ｓａｔの偏差を入力とするＰＩ制御器の出力Ｏｕｔ_ＰＩと三角波信号との比較出力によって前記半導体スイッチ８をチョッパ制御する制御信号を出力するものであり、その詳細は図９のように構成されている。

図９において、回転数制限値ｗ_ｓａｔと回転数最大値ｗ_ｍａｘは任意に設定できるが、ｗ_ｓａｔはｗ_ｍａｘより小さい値とする必要がある。

回転数制限値ｗ_ｓａｔおよび回転数最大値ｗ_ｍａｘは加減算器１０１に入力されて両者の偏差がとられる。風車回転数ｗは比較器１０２にも入力されて回転数最大値ｗ_ｍａｘと比較される。

加減算器１０１の偏差出力ｅｗはＰＩ制御器１０３に入力され、ＰＩ制御器１０３からは出力Ｏｕｔ_ＰＩが出力される。前記比較器１０２では、風車回転数ｗと回転数最大値ｗ_ｍａｘを比較して、ｗの方が大きい場合には‘１’を、ｗの方が小さい場合には‘０’を各々出力する信号Ｏｕｔ_Ｃｏｍｐを出力する。

出力選択部１０４では、入力されたＰＩ制御器出力Ｏｕｔ_ＰＩと比較器出力Ｏｕｔ_Ｃｏｍｐを用いて、比較器出力Ｏｕｔ_Ｃｏｍｐが‘０’の場合には‘１’を、比較器出力Ｏｕｔ_Ｃｏｍｐが‘１’の場合には‘Ｏｕｔ_ＰＩ’を各々出力する信号Ｓｉｎを出力する。また、出力選択部出力Ｓｉｎが‘Ｏｕｔ_ＰＩ’となる場合は、系統電圧低下時の連続運転時間の間は出力を継続する。

三角波比較器１０５では、任意の三角波とＳｉｎを比較し、三角波の方がＳｉｎより小さい場合には‘０’を、三角波の方がＳｉｎより大きい場合には‘１’を各々出力する信号Ｓｏｕｔを出力する。

出力信号Ｓｏｕｔは半導体スイッチ８のスイッチング信号となり、‘０’の場合にはスイッチはオフで回生抵抗器９には電流が流れず、‘１’の場合にはスイッチがオンとなり回生抵抗器９に電流が流れる。

例えば風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達していない場合は、比較器１０２の出力が‘０’、出力選択部１０４の出力Ｓｉｎが‘１’となり、三角波比較器１０５の出力信号Ｓｏｕｔは‘０’となるため、半導体スイッチ８はオフ制御される。

また、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達した場合は、比較器１０２の出力が‘１’、出力選択部１０４の出力Ｓｉｎが‘Ｏｕｔ_ＰＩ’となり、三角波比較器１０５はＯｕｔ_ＰＩと三角波の比較により三角波が小なら‘０’、大なら‘１’を出力するので、半導体スイッチ８はチョッパ制御される。

上記のように構成された本実施例３において、系統電圧低下が生じた際のシミュレーション波形を図１０に示す。尚、図１０では、系統側コンバータ制御部として、実施例２の系統側コンバータ制御部４２を用いた場合の波形を示している。

図１０において、シミュレーションは系統電圧が時刻０．５[ｓ]から時刻１．５[ｓ]までの１．０[ｓ]間低下する条件で行った。図１０の上段から下段にかけて、系統電圧（Ｒ相）、風車１の回転数、電力（発電機電力と系統電力）、発電機トルク、ＤＣリンク電圧および系統側コンバータ制御部４２のｑ軸電流（検出値と指令値）の各波形を示している。

図１０のシミュレーションにおいて、時刻０．５[ｓ]の時点で系統電圧低下により系統５の電力が低下する。すると発電機側コンバータ制御部３１の制御により実施例１、２と同様に、発電機のトルクを低下させて発電機側の電力を系統側と同じ値とすることでＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇を防ぐ。

このためＤＣリンク電圧ＶｄｃはＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃ^*に制御される。その際に、系統電圧低下などの事故が生じた場合には、系統５に送れないエネルギーは慣性エネルギーとして蓄えられることとなるので、回転数は上昇する。

回転数に余裕がある場合には回転数の上昇を許容することができるが、回転数が最大値になった場合には、回転数が上らないようにする必要がある。シミュレーションではその値を回転数最大値ｗ_ｍａｘとしている。

図１０では時刻１．２[ｓ]付近で風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達している。前記ｗがｗ_ｍａｘに達するか否かの判定を回生抵抗器制御部１００の比較器１０２で判定し、ｗ_ｍａｘに達している場合には半導体スイッチ８をオンとする（チョッパ制御する）。

上記手順により、回生抵抗器９によってエネルギーを消費することで風車１の回転数を制限している。

図１０では時刻１．２[ｓ]以降は回転数の上昇がなくなっていることが確認できる。またその際の電力は、系統側では、時刻０．５[ｓ]以降変化はないが、発電機側では時刻１．２[ｓ]以後に正常状態時の電力に戻っている。これは、風エネルギーを慣性エネルギーとして消費していた分を時刻１．２[ｓ]以降は回生抵抗器９で消費しているためである。

実施例３を用いることで、回転数の最大値ｗ_ｍａｘとなるまでは、エネルギーを慣性エネルギーとして消費し、もし最大値ｗ_ｍａｘに達したとしても回生抵抗器９をシステムに設けているためエネルギーの消費が可能であり、ＤＣリンク電圧の変動も抑制することが可能である。

尚、図１１に実施例１〜３と従来技術の、系統電圧低下が生じた際のシミュレーション波形を示す。図１１において、上段から下段にかけて、系統電圧（Ｒ相）、風車１の回転数、発電機電力、系統電力およびＤＣリンク電圧の各波形を示している。図中の（１）〜（３）は本発明の実施例１〜３の、（４）は従来技術の波形を各々示している。

実施例２と３の波形は時刻１．２[ｓ]以降に違いがあるが、それ以前の時刻では同じである。本実施例１〜３を用いることで、系統電圧低下時のＤＣリンク電圧の変動を抑制することができていることがわかる。

１…風車
２…発電機
３…発電機側コンバータ
４…系統側コンバータ
５…系統
６…ＤＣリンク部
７…キャパシタ
８…半導体スイッチ
９…回生抵抗器
３１…発電機側コンバータ制御部
３４、４４…ｄｑ変換部
３５、４５…ｑ軸電流制御部
３６、４６…ｄ軸電流制御部
３７、４７…三相変換部
３８、４８…ＰＷＭ変調部
４１、４２…系統側コンバータ制御部
１００…回生抵抗器制御部
１０１…加減算器
１０２…比較器
１０３…ＰＩ制御器
１０４…出力選択部
１０５…三角波比較器
１３３…ＤＣリンク電圧制御部
１４３…電力指令→電流指令変換部
２４３…ｑ軸電流指令出力部

Claims (5)

1. 交流側が風力発電設備の発電機に接続された発電機側コンバータと、直流側が前記発電機側コンバータの直流側に接続され、交流側が電力系統に接続された系統側コンバータと、を備えた風力発電システムにおいて、
   前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側共通接続点の電圧を検出した直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧指令Ｖｄｃ^*および前記発電機の３相電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷに基づいて、系統電圧低下時に発電機のトルクを低下させる発電機側コンバータの制御信号を生成し、該制御信号によって前記発電機側コンバータを制御する発電機側コンバータ制御部と、
   前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*に基づいて系統側コンバータの制御信号を生成し、該制御信号によって前記系統側コンバータを制御する系統側コンバータ制御部と、
   を備えたことを特徴とする風力発電システムの制御装置。
2. 前記発電機側コンバータ制御部は、
   前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側共通接続点の電圧を検出した直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧指令Ｖｄｃ^*および前記発電機の３相電流を検出した発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを入力とし、
   直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令Ｖｄｃ^*となるように制御して発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*を生成し、
   発電機３相電流ｉｇ_ＵＶＷを発電機ｄｑ軸電流に変換し、
   前記変換された発電機ｑ軸電流Ｉｇ_ｑが発電機ｑ軸電流指令Ｉｇ_ｑ^*となるように制御して発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*を生成し、
   前記変換された発電機ｄ軸電流Ｉｇ_ｄが、予め設定した発電機ｄ軸電流指令Ｉｇ_ｄ^*となるように制御して発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*を生成し、
   前記生成された発電機ｑ軸電圧指令Ｖｇ_ｑ^*および発電機ｄ軸電圧指令Ｖｇ_ｄ^*を三相変換した電動機電圧指令Ｖｇ_Ｕ^*、Ｖｇ_Ｖ^*、Ｖｇ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記発電機側コンバータの制御信号を生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電システムの制御装置。
3. 前記系統側コンバータ制御部は、
   前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴおよび電力系統の系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を入力とし、
   系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、設定した系統電圧定常値Ｖｇｒｉｄ’で除算して系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
   前記系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを系統ｄｑ軸電流に変換し、前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記生成された系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるように制御して系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
   前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄが、予め設定した系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*となるように制御して系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を生成し、
   前記生成された系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*および系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を三相変換した系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記系統側コンバータの制御信号を生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の風力発電システムの制御装置。
4. 前記系統側コンバータ制御部は、
   前記電力系統の３相電流を検出した系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴ、電力系統の系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*および前記電力系統の電圧を検出した系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴを入力とし、
   系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxに達しない範囲内の系統電圧低下の場合は、前記系統電力指令Ｐｇｒｉｄ^*を、前記系統電圧Ｖｇｒｉｄ_ＲＳＴから求めた系統電圧Ｖｇｒｉｄで除算した結果を系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定し、
   前記系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*が系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*max以上となる系統電圧低下の場合は、前記系統ｑ軸電流指令最大値Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*maxを系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*に決定し、
   前記系統３相電流ｉｇｒｉｄ_ＲＳＴを系統ｄｑ軸電流に変換し、前記変換された系統ｑ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｑが前記決定された系統ｑ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｑ^*となるように制御して系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*を生成し、
   前記変換された系統ｄ軸電流Ｉｇｒｉｄ_ｄが、予め設定した系統ｄ軸電流指令Ｉｇｒｉｄ_ｄ^*となるように制御して系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を生成し、
   前記生成された系統ｑ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｑ^*および系統ｄ軸電圧指令Ｖｇｒｉｄ_ｄ^*を三相変換した系統電圧指令Ｖｇｒｉｄ_Ｕ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｖ^*、Ｖｇｒｉｄ_Ｗ^*をＰＷＭ変調して、前記系統側コンバータの制御信号を生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の風力発電システムの制御装置。
5. 前記発電機側コンバータおよび系統側コンバータの直流側どうしを結ぶ正、負直流母線間に直列に接続された半導体スイッチおよび回生抵抗器と、
   前記発電機の回転軸に設けられた風車の回転数を検出した風車回転数ｗ、風車の回転数最大値ｗ_ｍａｘおよび風車の回転数制限値ｗ_ｓａｔを入力とし、前記風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したか否かを判定し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達していないときは、前記半導体スイッチをオフとする制御信号を出力し、風車回転数ｗが回転数最大値ｗ_ｍａｘに達したときは、風車回転数ｗおよび回転数制限値ｗ_ｓａｔの偏差を入力とするＰＩ制御器の出力Ｏｕｔ_ＰＩと三角波信号との比較出力によって前記半導体スイッチをチョッパ制御する制御信号を出力する回生抵抗器制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電システムの制御装置。

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