JP2021044887A - 風力発電装置 - Google Patents

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真二 窪田
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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、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、及び風車10の慣性モーメントJから、風車10の速度がωである時の運動エネルギーEを求め、減算部423に出力する。なお、風車速度保護閾値ωを固定値とする場合には、あらかじめ演算したE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における風車10の運動エネルギーE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に加え、減速用電流I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をメインの電流指令値*I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をゼロとして、メインの電流指令値*I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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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