JP2021044887A

JP2021044887A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2021044887A
Application number: JP2019163892A
Authority: JP
Inventors: 真二窪田; Shinji Kubota
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-18

Abstract

【課題】受動的なコンバータを使用しつつ、ブレーキに頼らないで風車の過回転を防止する。【解決手段】風力発電装置１は、風車１０を用いて交流電力を生成する発電機２０と、発電機２０から入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ３０と、直流電力を商用電力系統の電圧及び周波数へ変換し、商用電力系統に出力する電流が前記風車１０の速度に基づく電流指令値に近づくように制御する連系インバータ４０と、を備え、連系インバータ４０は、風車１０が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、電流指令値を増加させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力発電において、強風時には風車が最大定格を超える回転数になり、危険な状態になる。そのため、強風時に風車が過回転状態になることを防止することが重要である。従来は、機械ブレーキ、ダイナミックブレーキなどの外部ブレーキを用いるものや、風車のピッチ角を変えて風車トルクが小さくなるように制御する方法などが考えられてきた。これらの手法はいずれも連系インバータ以外に別途ハードウェアを必要とするものであり、ハードウェアの追加をせずに過回転を防止することはできない。

また、コンバータにより発電機の制御を行う風力発電装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、外部ブレーキに頼らない風車の減速方法が提案されている。特許文献１に記載の風力発電装置は、コンバータによる発電機のトルク制御により、風車が持つ失速領域へ風車の動作点を移動させることで、風車が過回転状態になることを防止している。より具体的には、発電機のトルクが保護検出レベルを超えた場合には、保護トルク指令パターンへ切り替えることで、風車の動作点を失速領域へ移動させる手法をとっている。

特開２００６−２９６１８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の風力発電装置は、連系インバータのほかに発電機制御機能を有する能動的なコンバータが必要である。そのため、小型の風力発電機など低コストが要求される場合においては、該コンバータのコストが余分に必要となるという課題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、ダイオード整流に代表される受動的なコンバータを使用しつつ、ブレーキに頼らないで風車の過回転を防止することが可能な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、風車を用いて交流電力を生成する発電機と、前記発電機から入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記直流電力を商用電力系統の電圧及び周波数へ変換し、前記商用電力系統に出力する電流が前記風車の速度に基づく電流指令値に近づくように制御する連系インバータと、を備え、前記連系インバータは、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記電流指令値を増加させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る風力発電装置において、前記連系インバータは、風車速度に対する電流指令値を示す電流指令テーブルを参照して、前記風車の速度に対応する主電流指令値を決定する主電流指令生成部と、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、減速用電流指令値を生成する減速用電流指令生成部と、前記電流指令値及び前記減速用電流指令値を加算した電流指令値を求める加算部と、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記商用電力系統に出力する電流が前記加算部により求められた電流指令値に近づくように制御する電流制御部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る風力発電装置において、前記減速用電流指令生成部は、前記風車の速度、及びあらかじめ保持している前記風車の慣性モーメントから、前記風車が有する運動エネルギーを求めるエネルギー演算部と、前記運動エネルギーから前記閾値を減算した運動エネルギー差分値を求める減算部と、前記運動エネルギー差分値に比例定数を乗じて前記減速用電流指令値を求める比例演算部と、前記運動エネルギー差分値が正である場合には前記減速用電流指令値を出力し、前記差分値が正でない場合には前記減速用電流指令値をゼロとする指令値更新部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る風力発電装置において、前記連系インバータは、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記風車の速度があらかじめ設定されている安全速度以下となり、かつ前記風車の速度及び前記風車のトルクのいずれもが直前の値より小さくなるまで、前記電流指令値を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、連系インバータと受動的なコンバータを除く機械ブレーキ（外部ブレーキ）やハードウェアを用いることなく、風車が高速回転して危険な状態になることを防止することができ、従来よりも装置全体のコストを下げることができる。

また、機械ブレーキが不要となるため、機械ブレーキの磨耗によるメンテナンスも不要となる。

さらに、強風時においても風車を完全に停止させることはなく発電し続けることができるため、稼働効率を向上させることも可能となる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置における連系インバータの構成例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置における電流指令生成部の構成例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置における連系インバータの動作を示すフローチャートである。風車の速度−トルク特性の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成例を示すブロック図である。風力発電装置１は、風車１０と、発電機２０と、コンバータ３０と、連系インバータ４０とを備える。

風車１０は、風のエネルギーを回転する運動エネルギーに変換し、発電機２０に出力する。

発電機２０は、風車１０から入力された運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、交流電力をコンバータ３０に出力する。

コンバータ３０は、発電機２０から入力された交流電力をダイオード整流回路により直流電力に変換し、連系インバータ４０に出力する。

連系インバータ４０は、コンバータ３０から入力された直流電力を商用電力系統（以下、「系統」という。）の電圧及び周波数へ変換し、系統に出力する電流が風車１０の速度である風車速度ωに基づく電流指令値に近づくように制御する。また、連系インバータ４０は、風車１０が有する運動エネルギーＥが閾値を超えた場合には、電流指令値を増加させる。

連系インバータ４０の詳細について、図２を参照して説明する。図２は、連系インバータ４０の構成例を示すブロック図である。連系インバータ４０は、主電流指令生成部４１と、減速用電流指令生成部４２と、加算部４３と、電流制御部４４とを備える。

主電流指令生成部４１は、風車速度に対する電流指令値を示す電流指令テーブルを有しており、電流指令テーブルを参照して、入力された風車速度ωに対応するメインの電流指令値（以下、「主電流指令値」という。）＊Ｉ_ｍを決定し、加算部４３に出力する。風車速度ωは、風車１０の速度を直接検出して得てもよいし、推定して求めてもよい。

減速用電流指令生成部４２は、風車１０が有する運動エネルギーＥが閾値を超えた場合には、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂを生成し、加算部４３に出力する。減速用電流指令生成部４２の詳細については後述する。

加算部４３は、主電流指令生成部４１から入力された電流指令値＊Ｉ_ｍ、及び減速用電流指令生成部４２から入力された減速用電流指令値＊Ｉ_ｂを加算した電流指令値を求め、電流制御部４４に出力する。

電流制御部４４は、インバータ回路を有しており、スイッチング素子を用いてコンバータ３０から入力された直流電力を交流電力に変換し、系統に出力する。その際、加算部４３から入力された電流指令値に基づいて、系統に出力する電流に対してフィードバック制御（例えば、ＰＩ制御）を行う。電流制御部４４は、風車１０が有する運動エネルギーＥが閾値を超えた場合には、系統に出力する電流が加算部４３により求められた電流指令値に近づくように制御する。

減速用電流指令生成部４２の詳細について、図３を参照して説明する。図３は、減速用電流指令生成部４２の構成例を示すブロック図である。減速用電流指令生成部４２は、第１エネルギー演算部４２１と、第２エネルギー演算部４２２と、減算部４２３と、比例演算部４２４と、指令値更新部４２５と、を備える。

第１エネルギー演算部４２１は、風車速度ω、及びあらかじめ保持している風車１０の慣性モーメントＪから、風車１０が現在有する運動エネルギーＥを求め、減算部４２３に出力する。

第２エネルギー演算部４２２は、あらかじめ保持している風車速度保護閾値ω_ｐ、及び風車１０の慣性モーメントＪから、風車１０の速度がω_ｐである時の運動エネルギーＥ_ｐを求め、減算部４２３に出力する。なお、風車速度保護閾値ω_ｐを固定値とする場合には、あらかじめ演算したＥ_ｐを保持しておけばよいので、第２エネルギー演算部４２２は不要となる。

減算部４２３は、第１エネルギー演算部４２１から入力された運動エネルギーＥから、第２エネルギー演算部４２２から入力された運動エネルギーＥ_ｐを減算して運動エネルギー差分値ΔＥを求め、比例演算部４２４に出力する。つまり、運動エネルギー差分値ΔＥは、風車１０が現在有する運動エネルギーＥと、風車速度保護閾値ω_ｐにおける風車１０の運動エネルギーＥ_ｐとの差分値である。

比例演算部４２４は、減算部４２３から入力された運動エネルギー差分値ΔＥに比例定数Ｋを乗じて減速用電流指令値＊Ｉ_ｂを求め、指令値更新部４２５に出力する。

指令値更新部４２５は、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂが正、すなわち運動エネルギー差分値ΔＥが正である場合に、外部に減速用電流指令値＊Ｉ_ｂを出力する。これにより、運動エネルギー差分値ΔＥが正の場合には減速モードに移行し、メインの出力電流Ｉ_ｍに加え、減速用電流Ｉ_ｂを系統に出力し、風車１０の運動エネルギーを消費させることができる。系統が消費するエネルギーは、出力する電力Ｐとその期間ｔとの積によって決まる。指令値更新部４２５は、運動エネルギー差分値ΔＥが正でない場合には、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂをゼロとする。

次に、連系インバータ４０の動作について説明する。図４は、連系インバータ４０の動作を示すフローチャートである。

連系インバータ４０は、運動エネルギー差分値ΔＥが正でない場合には（ステップＳ１０１−Ｎｏ）、通常モードで動作する（ステップＳ１０６）。通常モードでは、メインの電流指令値＊Ｉ_ｍのみで系統に出力する電流の制御を行う。

一方、運動エネルギー差分値ΔＥが正になった場合には（ステップＳ１０１−Ｙｅｓ）、通常モードから減速モードへ以降する（ステップＳ１０２）。減速モードでは、連系インバータ４０は、減速用電流指令生成部４２により生成された減速用電流指令値＊Ｉ_ｂをメインの電流指令値＊Ｉ_ｍに加算して電流制御する。そのため、風車１０を減速させることが可能となる。

ただし、減速モードに移行した直後においては、風が強くなった場合などは風車１０が減速モードに以降した時点よりもさらに加速している場合も想定される。そのため、減速モードにおいて、現在の風車速度ωが１サンプル前の風車速度よりも大きい場合においては（ステップＳ１０３−Ｙｅｓ）、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂを計算し直して更新する（ステップＳ１０４）。

一方、減速モード中に風車１０が減速した場合、すなわち現在の風車速度ωが１サンプル前の風車速度よりも小さい場合においては（ステップＳ１０３−Ｎｏ）、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂの計算及び更新を行わず、ステップＳ１０５に進む。

減速モードを抜けるための条件は、風車速度ωがあらかじめ設定されている安全速度ωｓ以下であること（条件１）と、現在の風車速度ω及び風車トルクＴのいずれもが直前の値（１サンプル前の風車速度及び風車トルク）よりも小さいこと（条件２）の２つを同時に満たすこととする（ステップＳ１０５）。

ここで、上記の条件について説明する。風車１０は一般に図５に示す速度−トルク特性を有している。図において、ＷＳ１、ＷＳ２、ＷＳ３の順に速度が大きい。いずれの風速においてもトルクのピークとなる速度が存在し、それよりも低速部分と高速部分の２つに分けて説明する。

高速部分においては、風車速度ωが減少した場合に風車トルクＴが大きくなるため、元の速度を維持するような動作となる。一方、低速部分においては、風車速度ωが減少した場合に風車トルクＴが小さくなるため、風車はさらに減速方向に動作する。そのため、低速部分においては一度風車速度が減少した場合、減速方向にのみ動作することになり、風車１０は安全方向の動作となる。この低速部分の領域である失速領域に風車１０の動作点を移動させることで、安全な領域に達したと判断することができる。上記の減速モードを抜けるための条件のうちの条件２により、失速領域に達したことを判断している。

減速モードを抜けた場合には（ステップＳ１０５−Ｙｅｓ）、通常モードで動作する（ステップＳ１０６）。つまり、減速用電流指令値＊Ｉ_ｂをゼロとして、メインの電流指令値＊Ｉ_ｍのみで電流制御を行う。

上述したように、本発明によれば、連系インバータ４０は風車１０が有する運動エネルギーＥが閾値を超えた場合には、電流指令値を増加させる。そのため、連系インバータ４０と受動的なコンバータ３０を除く機械ブレーキ（外部ブレーキ）やハードウェアを用いることなく、風車１０が高速回転して危険な状態になることを防止することができ、従来よりも風力発電装置のコストを下げることができる。また、機械ブレーキが不要となるため、機械ブレーキの磨耗によるメンテナンスも不要となる。

さらに、連系インバータ４０は、強風時には風車１０を完全に停止させることはなく、所定の条件を満たすまで減速モードで動作する。そのため、強風時においても発電し続けることができ、稼働効率を向上させることも可能となる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１風力発電装置
１０風車
２０発電機
３０コンバータ
４０連系インバータ
４１主電流指令生成部
４２減速用電流指令生成部
４３加算部
４４電流制御部
４２１第１エネルギー演算部
４２２第２エネルギー演算部
４２３減算部
４２４比例演算部
４２５指令値更新部

Claims

風車を用いて交流電力を生成する発電機と、
前記発電機から入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記直流電力を商用電力系統の電圧及び周波数へ変換し、前記商用電力系統に出力する電流が前記風車の速度に基づく電流指令値に近づくように制御する連系インバータと、を備え、
前記連系インバータは、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記電流指令値を増加させることを特徴とする風力発電装置。
前記連系インバータは、
風車速度に対する電流指令値を示す電流指令テーブルを参照して、前記風車の速度に対応する主電流指令値を決定する主電流指令生成部と、
前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、減速用電流指令値を生成する減速用電流指令生成部と、
前記電流指令値及び前記減速用電流指令値を加算した電流指令値を求める加算部と、
前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記商用電力系統に出力する電流が前記加算部により求められた電流指令値に近づくように制御する電流制御部と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電装置。
前記減速用電流指令生成部は、
前記風車の速度、及びあらかじめ保持している前記風車の慣性モーメントから、前記風車が有する運動エネルギーを求めるエネルギー演算部と、
前記運動エネルギーから前記閾値を減算した運動エネルギー差分値を求める減算部と、
前記運動エネルギー差分値に比例定数を乗じて前記減速用電流指令値を求める比例演算部と、
前記運動エネルギー差分値が正である場合には前記減速用電流指令値を出力し、前記差分値が正でない場合には前記減速用電流指令値をゼロとする指令値更新部と、
を備えることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電装置。
前記連系インバータは、前記風車が有する運動エネルギーが閾値を超えた場合には、前記風車の速度があらかじめ設定されている安全速度以下となり、かつ前記風車の速度及び前記風車のトルクのいずれもが直前の値より小さくなるまで、前記電流指令値を増加させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置。