JP2019030039A

JP2019030039A - 風力発電装置

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Publication number: JP2019030039A
Application number: JP2017143831A
Authority: JP
Inventors: 英児野村; Hideji Nomura
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】風車の回転速度が低い場合の送電を可能とし、装置の小型・低電力化を図る。【解決手段】風力発電装置１は、風車２で駆動される発電機３と、発電機３の交流発電出力を直流に変換して出力する整流回路５と、整流回路５の出力の正電圧側に一端が接続されたリアクトル６１と、整流回路５の出力の負電圧側に一端が接続されたリアクトル６２と、一端がリアクトル６１の一端に接続され、他端がリアクトル６２の他端に接続されたコンデンサ６３と、一端がリアクトル６１の他端に接続され、他端がリアクトル６２の一端に接続されたコンデンサ６４とを有し、整流回路５の出力を昇圧するＺソース昇圧回路６と、複数のスイッチング素子７１〜７６が複数相の回路を構成し、Ｚソース昇圧回路６の出力を複数相の交流に変換して出力する系統インバータ７と、系統インバータ７の出力を正弦波状に変換して商用系統２００に出力する交流フィルタ９と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、風力を利用して発電する風力発電装置に関する。

風力を利用して発電する風力発電システムでは、風車で得られたエネルギーを商用系統に効率よく供給するために、風車により駆動される発電機が発電した交流電力を、コンバータにより一旦直流に変換し、その直流電力をインバータにより交流電力に変換して、商用系統に供給している（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来の風力発電装置１００の構成例を示す図である。

図７に示す風力発電装置１００は、風車２と、発電機３と、コンバータ１１０と、フィルタコンデンサ１３０と、系統インバータ７と、交流フィルタ９と、商用系統開放接触器１０とを備える。

風車２は、発電機３と接続されている。風車２は、風力により回転し、その回転に伴い、発電機３を駆動する。発電機３は、風車２により駆動されて、交流電力を発電する交流発電機である。

コンバータ１１０は、スイッチング素子１１１〜１１６と、スイッチング素子１１１〜１１６それぞれに逆接続されたフリーホイールダイオード１１７〜１２２とを備える。スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２とは直列に接続され、コンバータ１１０のＲ相アームを構成する。スイッチング素子１１３とスイッチング素子１１４とは直列に接続され、コンバータ１１０のＳ相アームを構成する。スイッチング素子１１５とスイッチング素子１１６とは直列に接続され、コンバータ１１０のＴ相アームを構成する。スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２との接続点、スイッチング素子１１３とスイッチング素子１１４との接続点、および、スイッチング素子１１５とスイッチング素子１１６との接続点はそれぞれ、発電機１２と接続される。また、スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２との直列体、スイッチング素子１１３とスイッチング素子１１４との直列体、および、スイッチング素子１１５とスイッチング素子１１６との直列体はそれぞれ、フィルタコンデンサ１３０および系統インバータ７と接続される。

コンバータ１１０は、スイッチング素子１１１〜１１６のオン・オフを制御することで、入力側に接続された発電機３の交流発電出力を直流に変換し、出力側に接続された系統インバータ７に出力する。

フィルタコンデンサ１３０は、コンバータ１１０から出力された直流電力を平滑化して、系統インバータ７に出力する。

系統インバータ７は、スイッチング素子７１〜７６と、スイッチング素子７１〜７６それぞれに逆接続されたフリーホイールダイオード７７〜８２とを備える。スイッチング素子７１とスイッチング素子７２とは直列に接続され、系統インバータ７のＵ相アームを構成する。スイッチング素子７３とスイッチング素子７４とは直列に接続され、系統インバータ７のＶ相アームを構成する。スイッチング素子７５とスイッチング素子７６とは直列に接続され、系統インバータ７のＷ相アームを構成する。スイッチング素子７１とスイッチング素子７２との直列体、スイッチング素子７３とスイッチング素子７４との直列体、および、スイッチング素子７５とスイッチング素子７６との直列体はそれぞれ、フィルタコンデンサ１３０を介してコンバータ１１０と接続される。また、スイッチング素子７１とスイッチング素子７２との接続点、スイッチング素子７３とスイッチング素子７４との接続点、および、スイッチング素子７５とスイッチング素子７６との接続点はそれぞれ、交流フィルタ９と接続される。

系統インバータ７は、スイッチング素子７１〜７６のオン・オフを制御することで、入力側に接続されたコンバータ１１０から出力された直流電力を交流に変換し、交流フィルタ９に出力する。

交流フィルタ９は、交流リアクトル９１と交流コンデンサ９２とを備え、系統インバータ７から出力された矩形状の電圧を正弦波状に変換する。

商用系統開放接触器１０は、商用系統２００と風力発電装置１００（交流フィルタ９の出力）とを接続・遮断する。

図７に示すような風力発電装置２００では、各相の位相が１２０度ずつずれるようにコンバータ１１０のスイッチング素子１１１〜１１６のオン・オフを制御することにより、発電機２００の回転数やトルクが制御される。また、特許文献２には、発電機の制御に有効電力を用いる技術が開示されている。

特許第３４３５４７４号特開２０１１−２１７５７４号公報

図７に示す風力発電装置２００では、コンバータ１１０と系統インバータ７という、能動素子を備えた２つの電力変換装置が必要となる。能動的な電力変換装置が増加すると、制御電源などの待機電力の増加、能動素子のスイッチング損失の増加などが生じる。そのため、スイッチング損失の増加などにより生じる発熱を冷却するための冷却機構などが大きくなり、装置の小型化が困難となる。

発電機３の制御用に、能動素子を有するコンバータ１１０の代わりに、受動素子であるダイオードにより構成される電力変換器を用いることも考えられる。しかしながら、風車の回転速度が低い場合には、電力変換器の出力が小さくなり、系統インバータ７が動作できない場合がある。

そこで、ダイオードにより構成される電力変換器と、系統インバータ７との間に昇圧チョッパ回路を挿入することも考えられる。しかしながら、この場合、昇圧チョッパ回路を構成する能動素子のスイッチング損失の増加などが生じ、ダイオードにより構成される電力変換器を用いる利点が無くなってしまうことがある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、風車の回転速度が低い場合にも、商用系統への送電を可能とするとともに、装置の小型化・低待機電力化を図ることができる風力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る風力発電装置は、風車で駆動される発電機と、前記発電機の交流発電出力を直流に変換して出力する整流回路と、前記整流回路の出力の正電圧側に一端が接続された第１のリアクトルと、前記整流回路の出力の負電圧側に一端が接続された第２のリアクトルと、一端が前記第１のリアクトルの一端に接続され、他端が前記第２のリアクトルの他端に接続された第１のコンデンサと、一端が前記第１のリアクトルの他端に接続され、他端が前記第２のリアクトルの一端に接続された第２のコンデンサとを有し、前記整流回路の出力を昇圧するＺソース昇圧回路と、複数のスイッチング素子が複数相の回路を構成し、前記Ｚソース昇圧回路の出力側である前記第１のリアクトルの他端および前記第２のリアクトルの他端に接続され、前記Ｚソース昇圧回路の出力を前記複数相の交流に変換して出力する系統インバータと、前記系統インバータの出力を正弦波状に変換して商用系統に出力する交流フィルタと、を備える。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記交流フィルタは、一端が前記系統インバータの出力に接続され、他端が商用系統に接続された交流リアクトルと、前記交流リアクトルの他端に接続された交流コンデンサとを有し、前記発電機の回転数に基づき、前記系統インバータの出力電力を指示する出力電力指令を演算する出力電力指令演算部と、前記交流リアクトルの出力側の電圧に基づき、前記系統インバータの出力電圧の実効値を演算する出力電圧実効値演算部と、前記商用系統の電圧に基づき、前記商用系統の電圧の位相を演算する系統電圧位相演算部と、前記出力電力指令演算部により演算された出力電力指令と、前記出力電圧実効値演算部により演算された前記系統インバータの出力電圧の実効値と、前記系統電圧位相演算部により演算された前記商用系統の電圧の位相と、前記商用系統への出力電流とに基づき、前記系統インバータの出力電圧を指示する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、前記第１のコンデンサの電圧と、前記第１のコンデンサの電圧の指令値とに基づき、前記Ｚソース昇圧回路の出力を短絡する短絡時間を演算する短絡時間演算部と、所定のキャリア信号と、前記電圧指令演算部により演算された電圧指令と、前記短絡時間演算部により演算された短絡時間とに基づき、前記複数のスイッチング素子へのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、をさらに備えることが好ましい。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記電圧指令演算部は、前記出力電力指令と、前記系統インバータの出力電圧の実効値と、前記商用系統の電圧の位相と、前記商用系統への出力電流と、前記商用系統への出力の力率を指示する力率指令とに基づき、前記電圧指令を演算することが好ましい。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記出力電力指令演算部は、最大電力点追従制御方式により前記出力電力指令を演算することが好ましい。

本発明に係る風力発電装置によれば、風車の回転速度が低い場合にも、商用系統への送電を可能とするとともに、装置の小型化・低待機電力化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成例を示す図である。図１に示す制御部の構成例を示す図である。図２に示す３相電圧指令演算部の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る制御部の構成例を示す図である。図４に示す３相電圧指令演算部の構成例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る制御部の構成例を示す図である。従来の風力発電装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置１の構成例を示す図である。本実施形態に係る風力発電装置１は、風力を利用して発電し、得られた発電電力を商用系統２００に供給するものである。

図１に示す風力発電装置１は、風車２と、発電機３と、交流コンデンサ４と、整流回路５と、Ｚソース昇圧回路６と、系統インバータ７と、交流フィルタ９と、商用系統開放接触器１０と、回転センサ１１と、電圧センサ１２〜１５，１８，１９と、電流センサ１６，１７と、制御部２０とを備える。

風車２は、発電機３と接続されている。風車２は、風力により回転し、その回転に伴い、発電機３を駆動する。発電機３は、風車２により駆動されて、３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電力を発電する交流発電機である。発電機３は、交流発電電力（３相交流電力）を整流回路５に出力する。

交流コンデンサ４は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相それぞれに対応して設けられており、一端が発電機３の対応する相の出力ラインと接続されている。また、交流コンデンサ４の他端同士が互いに接続されている。交流コンデンサ４は、発電機３の出力電力を平滑化して、整流回路５に出力する。

整流回路５は、ダイオード５１〜５６を備える。ダイオード５１とダイオード５２とは直列に接続され、Ｒ相のアームを構成する。ダイオード５３とダイオード５４とは直列に接続され、Ｓ相のアームを構成する。ダイオード５５とダイオード５６とは直列に接続され、Ｔ相のアームを構成する。ダイオード５１とダイオード５２との接続点、ダイオード５３とダイオード５４との接続点、および、ダイオード５５とダイオード５６との接続点はそれぞれ、発電機３と接続される。また、ダイオード５１とダイオード５２との直列体、ダイオード５３とダイオード５４との直列体、および、ダイオード５５とダイオード５６との直列体はそれぞれ、Ｚソース昇圧回路６と接続される。

整流回路５は、上述した構成を有することにより、入力側に接続された発電機３の交流発電出力を直流に変換し、出力側に接続されたＺソース昇圧回路６に出力する。

Ｚソース昇圧回路６は、リアクトル６１，６２と、コンデンサ６３，６４とを備える。

リアクトル６１（第１のリアクトル）は、一端が整流回路５の出力の正電圧側（ダイオード５１，５３，５５のカソード）に接続され、他端が系統インバータ７に接続される。リアクトル６２（第２のリアクトル）は、一端が整流回路５の出力の負電圧側（ダイオード５２，５４，５６のアノード）に接続され、他端が系統インバータ７に接続される。

コンデンサ６３（第１のコンデンサ）は、一端がリアクトル６１の一端に接続され、他端がリアクトル６２の他端に接続される。コンデンサ６４（第２のコンデンサ）は、一端がリアクトル６１の他端に接続され、他端がリアクトル６２の一端に接続される。

系統インバータ７は、複数相の回路を構成するスイッチング素子７１〜７６と、スイッチング素子７１〜７６それぞれに逆接続されたフリーホイールダイオード７７〜８２とを備える。スイッチング素子７１とスイッチング素子７２とは直列に接続され、系統インバータ７のＵ相アームを構成する。スイッチング素子７３とスイッチング素子７４とは直列に接続され、系統インバータ７のＶ相アームを構成する。スイッチング素子７５とスイッチング素子７６とは直列に接続され、系統インバータ７のＷ相アームを構成する。スイッチング素子７１とスイッチング素子７２との直列体、スイッチング素子７３とスイッチング素子７４との直列体、および、スイッチング素子７５とスイッチング素子７６との直列体はそれぞれ、Ｚソース昇圧回路６の出力（リアクトル６１の他端およびリアクトル６２の他端）と接続される。また、スイッチング素子７１とスイッチング素子７２との接続点、スイッチング素子７３とスイッチング素子７４との接続点、および、スイッチング素子７５とスイッチング素子７６との接続点はそれぞれ、交流フィルタ９と接続される。

系統インバータ７は、スイッチング素子７１〜７６のオン・オフを制御することにより、入力側に接続されたＺソース昇圧回路６から出力された直流電力を複数相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流に変換し、交流フィルタ９に出力する。

系統インバータ７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相の上下のスイッチング素子が同時にオンとなる短絡状態になると、コンデンサ６３，６４の放電とリアクトル６１，６２の充電とが同時に行われる。次に、同時にオンしたスイッチング素子の一方がオフになると、リアクトル６１，６２の放電とコンデンサ６３，６４の充電とが同時に行われる。その結果、系統インバータ７に出力される電圧が上昇する。

Ｚソース昇圧回路６による電圧の昇圧量は、系統インバータ７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相の上下のスイッチング素子が同時にオンとなる短絡時間に依存する。また、上述した短絡動作は、各スイッチング素子がオンからオフに、または、オフからオンにスイッチングするときに行われる。

交流リアクトル９１は、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応して設けられおり、一端が、対応する相のアームを構成する２つスイッチング素子の接続点に接続され、他端が、商用系統開放接触器１０に接続される。交流コンデンサ９２は、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応して設けられおり、一端が、対応する相の交流リアクトル９１の他端と接続され、他端同士が互いに接続されている。

系統インバータ７から出力された矩形状の電圧は正弦波状に変換され、交流リアクトル９１の他端から出力される。

商用系統開放接触器１０は、商用系統２００と風力発電装置１（交流フィルタ９の出力）とを接続・遮断する。

回転センサ１１は、発電機３の回転数Ｎｇを検出し、検出結果を制御部２０に出力する。

電圧センサ１２は、コンデンサ６３に印加される電圧Ｖｃを検出し、検出結果を制御部２０に出力する。

電圧センサ１３〜１５）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに対応して設けられており、交流リアクトル９１の他端から出力される各相の電圧（Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧Ｖｖ、Ｗ相電圧Ｖｗ）を検出し、検出結果を制御部２０に出力する。

電流センサ１６，１７は、商用系統２００に出力する３相出力電流Ｉｕ，Iｗ（商用系統２００への出力電流）を検出し、検出結果を制御部２０に出力する。

電圧センサ１８，１９は、商用系統２００の系統電圧ＶＬｕ，ＶＬｖ（商用系統２００の電圧）を検出し、検出結果を制御部２０に出力する。

制御部２０は、回転センサ１１により検出された回転数Ｎｇ、電圧センサ１２により検出された電圧Ｖｃ、電圧センサ１３〜１５により検出された電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、電流センサ１６，１７により検出された３相出力電流Ｉｕ，Iｗ、および、電圧センサ１８，１９により検出された系統電圧ＶＬｕ，ＶＬｖに基づき、系統インバータ７を構成するスイッチング素子７１〜７６それぞれのオン・オフを制御するゲート信号Ｇｕｐ，Ｇｕｎ，Ｇｖｐ，Ｇｖｎ，Ｇｗｐ，Ｇｗｎを生成し、スイッチング素子７１〜７６それぞれに出力する。

このように本実施形態においては、整流回路５と系統インバータ７との間にＺソース昇圧回路６を設け、整流回路５の出力電圧をＺソース昇圧回路６により昇圧して、系統インバータ７に入力する。そのため、風車２の回転速度が低く、発電電圧が低い場合にも、Ｚソース昇圧回路６で昇圧して系統インバータ７に入力することができるので、商用系統２００への送電が可能となる。また、Ｚソース昇圧回路６は、受動素子からなるため、待機電力の増加、スイッチング損失の増加などによる発熱が生じることが無く、装置の小型化・低待機電力化を図ることができる。

次に、制御部２０の構成について説明する。

図２は、本実施形態に係る制御部２０の構成例を示す図である。

図２に示す制御部２０は、出力電力指令演算部２１と、出力電圧実効値演算部２２と、除算器２３と、系統電圧位相演算部２４と、３相電圧指令演算部（電圧指令演算部）２５と、短絡時間演算部２６と、ゲート信号生成部２７とを備える。

出力電力指令演算部２１は、回転センサ１１により検出された発電機３の回転数Ｎｇが入力され、入力された回転数Ｎｇに基づき、系統インバータ７が商用系統２００に出力する出力電力を指示する出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を演算する。出力電力指令演算部２１は、風車２を回転させる風力に応じた、発電機３の回転数Ｎｇと系統インバータ７の出力電力との関数を記憶しており、この関数に基づき、出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を演算する。出力電力指令演算部２１は、演算した出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を除算器２３に出力する。

出力電圧実効値演算部２２は、電圧センサ１３，１４，１５により検出されたＵ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗが入力され、入力されたＵ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗに基づき、商用系統２００への出力電圧の実効値（出力電圧実効値Ｖｏｕｔ）を演算する。出力電圧実効値演算部２２は、演算した出力電圧実効値Ｖｏｕｔを除算器２３に出力する。

除算器２３は、出力電力指令演算部２１から出力された出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を、出力電圧実効値演算部２２から出力された出力電圧実効値Ｖｏｕｔで除算して、系統インバータ７の出力電流を指示する出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊を演算する。除算器２３は、演算した出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊を３相電圧指令演算部２５に出力する。

系統電圧位相演算部２４は、電圧センサ１８，１９により検出された系統電圧ＶＬｕ，ＶＬｖが入力され、入力されたＶＬｕ，ＶＬｖに基づきＰＬＬ演算（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ；位相同期演算）を行い、系統電圧の位相θを演算する。系統電圧位相演算部２４は、演算した系統電圧の位相θを３相電圧指令演算部２５に出力する。

３相電圧指令演算部２５は、電流センサ１６，１７により検出された３相出力電流Ｉｕ，Iｗと、除算器２３により演算された出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊と、系統電圧位相演算部２４により演算された系統電圧の位相θとが入力され、入力された３相出力電流Ｉｕ，Iｗ、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊および系統電圧の位相θに基づき、Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧Ｖｖ、Ｗ相電圧Ｖｗそれぞれを指示する３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を演算する。３相電圧指令演算部２５は、演算した３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊をゲート信号生成部２７に出力する。

短絡時間演算部２６は、電圧センサ１２により検出されたコンデンサ６３の電圧Ｖｃと、コンデンサ６３の電圧Ｖｃを指示する指令値である直流電圧指令Ｖｃ^＊とが入力され、入力された電圧Ｖｃおよび直流電圧指令Ｖｃ^＊に基づき、Ｚソース昇圧回路６の出力電圧を昇圧するために、系統インバータ７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相の上下のスイッチング素子をオンにして短絡状態とする時間（Ｚソース昇圧回路６の出力を短絡する時間）である短絡時間ＳＣｔを演算する。短絡時間演算部２６は、演算した短絡時間ＳＣｔをゲート信号生成部２７に出力する。

ゲート信号生成部２７は、３相電圧指令演算部２５により演算された３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊と、短絡時間演算部２６により演算された短絡時間ＳＣｔと、電圧センサ１２により検出されたコンデンサ６３の電圧Ｖｃと、所定のキャリア信号とが入力され、入力された相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊、短絡時間ＳＣｔ、電圧Ｖｃおよびキャリア信号に基づき、系統インバータ７を構成するスイッチング素子７１〜７６それぞれのオン・オフを制御するゲート信号Ｇｕｐ，Ｇｕｎ，Ｇｖｐ，Ｇｖｎ，Ｇｗｐ，Ｇｗｎを生成する。ゲート信号生成部２７は、生成したゲート信号Ｇｕｐ，Ｇｕｎ，Ｇｖｐ，Ｇｖｎ，Ｇｗｐ，Ｇｗｎをそれぞれ、スイッチング素子７１〜７６に出力する。

次に、３相電圧指令演算部２５の構成について説明する。

図３は、３相電圧指令演算部２５の構成例を示す図である。

図３に示す３相電圧指令演算部２５は、３相−ｄｑ座標変換部２５１と、電流指令生成部２５２と、減算器２５３，２５４と、ＰＩ制御部２５５，２５６と、ｄｑ座標−３相変換部２５７とを備える。

３相−ｄｑ座標変換部２５１は、３相出力電流Ｉｕ，Iｗと、系統電圧の位相θとが入力され、入力された位相θに基づき、３相出力電流Ｉｕ，Iｗをｄｑ座標系の電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。３相−ｄｑ座標変換部２５１は、電流Ｉｄを減算器２５３に出力し、電流Ｉｑを減算器２５４に出力する。

電流指令生成部２５２は、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊に基づき、ｄｑ座標系での電流指令Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊を生成する。ここで、電流指令生成部２５２は、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊で指示される出力電流を電流指令Ｉｄ^＊と電流Ｉｑ^＊とに分配する。電流指令生成部２５２は、生成した電流指令Ｉｄ^＊を減算器２５３に出力し、生成した電流指令Ｉｑ^＊を減算器２５４に出力する。

減算器２５３は、電流指令生成部２５２から出力された電流指令Ｉｄ^＊から、３相−ｄｑ座標変換部２５１から出力された電流Ｉｄを減算し、偏差ΔＩｄをＰＩ制御部２５５に出力する。減算器２５４は、電流指令生成部２５２から出力された電流指令Ｉｑ^＊から、３相−ｄｑ座標変換部２５１から出力された電流Ｉｑを減算し、偏差ΔＩｑをＰＩ制御部２５６に出力する。

ＰＩ制御部２５５は、減算器２５３から出力された偏差ΔＩｄに基づき、ＰＩ（比例積分）演算を行い、電圧指令Ｖｄ^＊を生成する。ＰＩ制御部２５５は、生成した電圧指令Ｖｄ^＊をｄｑ座標−３相変換部２５７に出力する。ＰＩ制御部２５６は、減算器２５４から出力された偏差ΔＩｑに基づき、ＰＩ演算を行い、電圧指令Ｖｑ^＊を生成する。ＰＩ制御部２５６は、生成した電圧指令Ｖｑ^＊をｄｑ座標−３相変換部２５７に出力する。

ｄｑ座標−３相変換部２５７は、ＰＩ制御部２５５，２５６から出力された電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊と、系統電圧の位相θとに基づき、３相座標系の電圧指令である３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を生成し、ゲート信号生成部２７に出力する。

このように本実施形態によれば、風力発電装置１は、風車２で駆動される発電機３の交流発電出力を直流に変換する整流回路５と、整流回路５の出力の正電圧側に一端が接続されたリアクトル６１（第１のリアクトル）と、整流回路５の出力の負電圧側に一端が接続されたリアクトル６２（第２のリアクトル）と、一端がリアクトル６１の一端に接続され、他端がリアクトル６２の他端に接続されたコンデンサ６３（第１のコンデンサ）と、一端がリアクトル６１の他端に接続され、他端がリアクトル６２の一端に接続されたコンデンサ６４（第２のコンデンサ）とを有し、整流回路５の出力を昇圧するＺソース昇圧回路６と、Ｚソース昇圧回路６の出力を交流に変換し、交流フィルタ９および商用系統開放接触器１０を介して商用系統２００に出力する系統インバータ７とを備える。

整流回路５の出力を、リアクトル６１，６２およびコンデンサ６３，６４という能動素子からなるＺソース昇圧回路６により昇圧して系統インバータ７に供給することにより、風車２の回転速度が低い場合にも、商用系統２００への送電が可能となる。また、Ｚソース昇圧回路６は能動素子からなるため、スイッチング損失の増加などによる発熱が抑制され、装置の小型化・低待機電力化を図ることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る制御部２０Ａの構成例を示す図である。なお、本実施形態に係る風力発電装置は、第１の実施形態に係る風力発電装置１と比較して、制御部２０を制御部２０Ａに変更した点のみが異なるため、以下では、制御部２０Ａの構成について説明し、他の構成については説明を省略する。

図４に示す制御部２０Ａは、図２に示す制御部２０と比較して、３相電圧指令演算部２５を３相電圧指令演算部２５Ａに変更した点が異なる。

３相電圧指令演算部２５Ａは、電流センサ１６，１７から３相出力電流Ｉｕ，Iｗが入力され、除算器２３から出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊が入力され、系統電圧位相演算部２４から系統電圧の位相θが入力される。さらに、３相電圧指令演算部２５Ａは、外部から商用系統２００への出力の力率を指示する力率指令φが入力される。３相電圧指令演算部２５Ａは、３相出力電流Ｉｕ，Iｗと、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊と、系統電圧の位相θと、力率指令φとに基づき、３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を演算する。

図５は、３相電圧指令演算部２５Ａの構成例を示す図である。

図５に示す３相電圧指令演算部２５Ａは、図３に示す３相電圧指令演算部２５と比較して、電流指令生成部２５２を電流指令生成部２５２Ａに変更した点が異なる。

電流指令生成部２５２Ａは、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊と、力率指令φとが入力され、入力された出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊および力率指令φに基づき、電流指令Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊を生成する。電流指令生成部２５２Ａは、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊で指示される出力電流を電流指令Ｉｄ^＊と電流Ｉｑ^＊とに分配する。ここで、電流指令生成部２５２Ａは、力率指令φに応じて、出力電流指令Ｉｏｕｔ^＊で指示される出力電流の、電流指令Ｉｄ^＊と電流Ｉｑ^＊とへの分配を変更する。

力率指令φを変更することで、電流指令Ｉｄ^＊および電流Ｉｑ^＊を変更し、ひいては、３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を変更することができる。そのため、力率指令φを制御することで、商用系統２００の電圧の上昇などを防ぐことができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る制御部２０Ｂの構成例を示す図である。なお、本実施形態に係る風力発電装置は、第１の実施形態に係る風力発電装置１と比較して、制御部２０を制御部２０Ｂに変更した点のみが異なるため、以下では、制御部２０Ｂの構成について説明し、他の構成については説明を省略する。

図６に示す制御部２０Ｂは、図２に示す制御部２０と比較して、出力電力指令演算部２１を出力電力指令演算部２１Ｂに変更した点が異なる。

出力電力指令演算部２１Ｂは、発電機３の回転数Ｎｇに基づき、出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を演算する。ここで、出力電力指令演算部２１Ｂは、回転数Ｎｇに対して一定の関数ではなく、出力電力を最大とする最大電力点追従制御方式により、出力電力指令Ｐｏｕｔ^＊を演算する。

こうすることで、より効率的に風車２から電力を取り出すことができる。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１風力発電装置
２風車
３発電機
４交流コンデンサ
５整流回路
６Ｚソース昇圧回路
７系統インバータ
９交流フィルタ
１０商用系統開放接触器
１１回転センサ
１２〜１５，１８，１９電圧センサ
１６，１７電流センサ
２０，２０Ａ，２０Ｂ制御部
５１〜５６ダイオード
６１，６２リアクトル
６３，６４コンデンサ
７１〜７６スイッチング素子
７７〜８２フリーホイールダイオード
９１リアクトル
９２コンデンサ
２１，２１Ｂ出力電力指令演算部
２２出力電圧実効値演算部
２３除算器
２４系統電圧位相演算部
２５，２５Ａ３相電圧指令演算部
２６短絡時間演算部
２７ゲート信号生成部
２５１３相−ｄｑ座標変換部
２５２，２５２Ａ電流指令生成部
２５３，２５４減算器
２５５，２５６ＰＩ制御部
２５７ｄｑ座標−３相変換部
２００商用系統

Claims

風車で駆動される発電機と、
前記発電機の交流発電出力を直流に変換して出力する整流回路と、
前記整流回路の出力の正電圧側に一端が接続された第１のリアクトルと、前記整流回路の出力の負電圧側に一端が接続された第２のリアクトルと、一端が前記第１のリアクトルの一端に接続され、他端が前記第２のリアクトルの他端に接続された第１のコンデンサと、一端が前記第１のリアクトルの他端に接続され、他端が前記第２のリアクトルの一端に接続された第２のコンデンサとを有し、前記整流回路の出力を昇圧するＺソース昇圧回路と、
複数のスイッチング素子が複数相の回路を構成し、前記Ｚソース昇圧回路の出力側である前記第１のリアクトルの他端および前記第２のリアクトルの他端に接続され、前記Ｚソース昇圧回路の出力を前記複数相の交流に変換して出力する系統インバータと、
前記系統インバータの出力を正弦波状に変換して商用系統に出力する交流フィルタと、を備えることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記交流フィルタは、一端が前記系統インバータの出力に接続され、他端が商用系統に接続された交流リアクトルと、前記交流リアクトルの他端に接続された交流コンデンサとを有し、
前記発電機の回転数に基づき、前記系統インバータの出力電力を指示する出力電力指令を演算する出力電力指令演算部と、
前記交流リアクトルの出力側の電圧に基づき、前記系統インバータの出力電圧の実効値を演算する出力電圧実効値演算部と、
前記商用系統の電圧に基づき、前記商用系統の電圧の位相を演算する系統電圧位相演算部と、
前記出力電力指令演算部により演算された出力電力指令と、前記出力電圧実効値演算部により演算された前記系統インバータの出力電圧の実効値と、前記系統電圧位相演算部により演算された前記商用系統の電圧の位相と、前記商用系統への出力電流とに基づき、前記系統インバータの出力電圧を指示する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記第１のコンデンサの電圧と、前記第１のコンデンサの電圧の指令値とに基づき、前記Ｚソース昇圧回路の出力を短絡する短絡時間を演算する短絡時間演算部と、
所定のキャリア信号と、前記電圧指令演算部により演算された電圧指令と、前記短絡時間演算部により演算された短絡時間とに基づき、前記複数のスイッチング素子へのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、をさらに備えることを特徴とする風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記電圧指令演算部は、前記出力電力指令と、前記系統インバータの出力電圧の実効値と、前記商用系統の電圧の位相と、前記商用系統への出力電流と、前記商用系統への出力の力率を指示する力率指令とに基づき、前記電圧指令を演算することを特徴とする風力発電装置。
請求項２または３に記載の風力発電装置において、
前記出力電力指令演算部は、最大電力点追従制御方式により前記出力電力指令を演算することを特徴とする風力発電装置。