JP2022173293A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム出力の力率を任意に制御できる風力発電システムを提供する。
【解決手段】出力先に交流電力を出力する風力発電システム１は、風力発電を行うウインドファーム１０と、ウインドファーム１０よりも出力側に設けられる変換ユニット２０と、変換ユニット２０の出力端に接続され、出力先へ無効電力を供給する同期機４０と、変換ユニット２０と同期機４０との合流点より出力側に設けられ、合流点より出力側のリアクタンスを調整する調整部５０と、を備え、調整部５０は、ウインドファーム１０の出力変動に応じて、当該風力発電システム１の出力の力率角を一定に維持するようにリアクタンスを調整して、出力の有効電力および無効電力を制御する。
【選択図】図１

Description

本開示は、風力発電システムに関する。

従来、風力発電システムに同期機を組み合わせることにより、システム出力の安定化を図ることが提案されている（例えば特許文献１）。

また、近年、世界各国では発電関連設備の安全性、信頼性を担保するための法規制、所謂グリッドコードが定められている。ある国に風車を納入する際には、この国のグリッドコードに沿った製品でなければ国内で使用できない。例えば非特許文献１に記載されるように、デンマークのグリッドコードでは、有効電力を１ｐｕ（per unit）供給するときには、無効電力も±０．３３ｐｕの範囲として、進み力率０．９５から遅れ力率０．９５の範囲で電力を供給することが要求される。

特開２０１５－００２５９７号公報

V. Yaramasu 他、"High-Power Wind Energy Conversion Systems: State-of-the-Art and Emerging Technologies"、Proceedings of the IEEE、２０１５年５月、Vol.103、No.5、p.740～788

特許文献１に記載の従来の発電システムでも、各国のグリッドコードに対応できるよう、システム出力の有効電力だけでなく無効電力も制御できる、すなわち、システム出力の力率を任意に制御できることが望ましい。

本開示は、システム出力の力率を任意に制御できる風力発電システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態の一観点に係る風力発電システムは、出力先に交流電力を出力する風力発電システムであって、風力発電を行うウインドファームと、前記ウインドファームよりも出力側に設けられる変換ユニットと、前記変換ユニットの出力端に接続され、前記出力先へ無効電力を供給する同期機と、前記変換ユニットと前記同期機との合流点より出力側に設けられ、前記合流点より出力側のリアクタンスを調整する調整部と、を備え、前記調整部は、前記ウインドファームの出力変動に応じて、当該風力発電システムの出力の力率角を一定に維持するように前記リアクタンスを調整して、前記出力の有効電力および無効電力を制御する。

本開示によれば、システム出力の力率を任意に制御できる風力発電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る発電システムの一例としての風力発電システムの概略構成を示す機能ブロック図である。 図１に示す風力発電システムのインバータ出力側の等価回路を示す図である。 所定条件下で、図１及び図２に示した風力発電システムにおいて、システム出力が１ｐｕのときに進み力率ｐｆ＝０．９５を実現するフェーザ図である。 所定条件下で、図１及び図２に示した風力発電システムにおいて、システム出力が０．５ｐｕのときに進み力率ｐｆ＝０．９５を実現するフェーザ図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの一例としての風力発電システム１の概略構成を示す機能ブロック図である。

本実施形態の風力発電システム１は、風力発電機の出力を一旦コンバータ（図示せず）で直流電力に変換し、インバータ２２により再度一定の電圧及び周波数の交流電力に変換して、三相負荷または電力系統などの出力先（以下では単に「負荷」とも表記する）に供給するＤＣリンク方式の風力発電システムである。

風力発電システム１は、図１に示すように、ウインドファーム１０（発電機）と、変換ユニット２０（発電機）と、波形改善リアクトル３０（波形改善部）と、同期調相機４０（同期機）と、補償リアクトル５０（調整部）と、コントローラ６０と、を有する。

ウインドファーム１０は、風力発電を行うための複数の発電用風車（図示せず）を有し、これらの風車を電気的に接続して構成される施設である。なお、ウインドファーム１０の各風車は直列または並列に接続され、ウインドファーム１０はこれらの風車により生成された直流電力を合成して出力する。なお、風力発電システム１は、発電機としてウインドファームの代わりに単数の発電用風車を有する構成でもよい。

変換ユニット２０は、ウインドファーム１０の各風車からそれぞれ出力される直流電力の総和を入力し、その総和を交流電力に変換する。例えば変換ユニット２０は、直流リアクトル２１とインバータ２２とを有する。直流リアクトル２１は、ウインドファーム１０から送られた直流電流を平滑化する。図１に示した例では、直流リアクトル２１はインダクタンスＬｄｃのコイルから成る構成を示しているが、他の構成としてもよい。

インバータ２２は、直流リアクトル２１によって平滑化された直流電流を交流電流に変換する。インバータ２２には、例えば他励式サイリスタインバータが採用可能である。ただし、サイリスタインバータ以外のインバータであっても、外部からの信号によって入力電圧Ｅｄを制御可能な、自己消弧型素子を用いた電流形インバータであれば、インバータ２２に採用可能である。入力電圧Ｅｄを制御するための、インバータ２２の外部から調整可能なパラメータを、以下において「インバータパラメータ」という。インバータ２２にサイリスタインバータを採用した場合は、制御進み角γを調整することにより、入力電圧Ｅｄが制御される。つまり、制御進み角γがインバータ２２のインバータパラメータである。

変換ユニット２０により出力された交流電力は、波形改善リアクトル３０に入力される。本実施形態では、ウインドファーム１０及び変換ユニット２０が、交流電力を出力する発電機として機能する。変換ユニット２０が出力する交流電力のうちの交流電流を、以下では「インバータ出力電流Ｉ_ＩＮＶ」とも表記する。なお、本実施形態では、インバータ２２は電流形であるため、インバータ出力電流Ｉ_ＩＮＶはほぼ方形波形状となる。

波形改善リアクトル３０は、変換ユニット２０を介してウインドファーム１０の出力端に接続されている。図１に示した例では、波形改善リアクトル３０は、変換ユニット２０の出力端に直列に接続された２つのコイル３１，３２を有する。両コイル３１，３２は、同一鉄心上に図示の極性で巻装されている。

波形改善リアクトル３０は、図１に示すように、２つのコイル３１，３２の自己インダクタンスＬ１，Ｌ２と、両コイル３１，３２間の相互インダクタンスＭを適切に選定することにより、同期調相機４０の初期過渡インダクタンスを等価的に打ち消すことができる。この結果、変換ユニット２０のインバータ２２のサイリスタの転流時に発生する出力電圧の跳躍や陥没などの歪みを本質的に除去することができ、これにより、常に高品質の電力を出力することができる。

また、図１に示すように、波形改善リアクトル３０の両コイル３１，３２の間の直列接続点３３（合流点）が、同期調相機４０と接続されている。この接続により、波形改善リアクトル３０は、変換ユニット２０が出力する交流電力と、同期調相機４０が出力する電力とを合成した電力を出力する。

同期調相機４０は、変換ユニット２０のインバータ２２のサイリスタの転流と、風力発電システム１の出力先の負荷とが必要とする無効電力を供給する役割を担う。なお、同期調相機４０は、界磁電流Ｉｆを調整することによって、内部誘導起電力Ｖｉを調整でき、これにより無効電力の出力を調整できる。

図２は、図１に示す風力発電システム１のインバータ出力側の等価回路を示す図である。図２では、波形改善リアクトル３０は、相互誘導の無い回路に等価交換されている。図２において、波形改善リアクトル３０の仮想接続点３３Ａよりインバータ２２側のインダクタンスＬαは、Ｌα＝Ｌ１＋Ｍである。波形改善リアクトル３０の仮想接続点３３Ａより同期調相機４０側のインダクタンスＬβは、Ｌβ＝－Ｍである。波形改善リアクトル３０の仮想接続点３３Ａより出力側のインダクタンスＬγは、Ｌγ＝Ｌ２＋Ｍである。

補償リアクトル５０は、図１に示すように、変換ユニット２０の出力と同期調相機４０の出力との合流点である直列接続点３３より出力側に設けられる。より詳細には、波形改善リアクトル３０のコイル３２より出力側に設けられ、波形改善リアクトル３０の２つのコイル３１，３２と直列接続される。補償リアクトル５０は、リアクタンスＸｃｏｍを変更可能であり、これにより、直列接続点３３より出力側のリアクタンスを調整できる。図２の等価回路で考えると、波形改善リアクトル３０の仮想接続点３３Ａより出力側の等価リアクタンスＸγと、補償リアクトル５０のリアクタンスＸｃｏｍとの和（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）を調整することができる。

補償リアクトル５０は、例えば、コイルの巻き数を変更できる可変コイルや、異なるリアクタンスをもつ複数のコイルをスイッチで切りかえる構成によって実装できる。

コントローラ６０は、ウインドファーム１０、変換ユニット２０、補償リアクトル５０などの風力発電システム１の各要素の動作を制御する。例えば、コントローラ６０は、風速計１１の測定値である風速に応じて、インバータ２２の制御進み角γをリアルタイムで制御する。インバータ２２は、制御進み角γの調整によって入力電圧Ｅｄを調整することができる。また、コントローラ６０は、風速に応じて、補償リアクトル５０のリアクタンスＸｃｏｍをリアルタイムで制御する。補償リアクトル５０のリアクタンスの調整によってシステム出力の力率ｐｆを制御できる。

なお、コントローラ６０によるインバータ２２の制御進み角γの制御など、風力発電システム１の全体的な動作に係る制御については、例えば特許文献１に記載されているのでここでは説明を省略する。

図３、図４を参照して、コントローラ６０による補償リアクトル５０の制御について説明する。コントローラ６０は、ウインドファーム１０の出力変動に応じて、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆを一定に維持するように補償リアクトル５０のリアクタンスＸｃｏｍを調整する。ここでシステム出力Ｐ_ＯＵＴ＝３×Ｖ_ＯＵＴ×Ｉ_ＯＵＴ×ｐｆで表される。

例えば、インバータ２２の基本波進み角γ－ｕ／２を３０°、波形改善リアクトル３０の仮想接続点３３Ａにおける交流電圧Ｖμを２／√３ｐｕ（一定）、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを１ｐｕ（一定）との条件を設定した場合を考える。

図３は、上記の条件下で、図１及び図２に示した風力発電システム１において、システム出力Ｐ_ＯＵＴが１ｐｕのときに進み力率ｐｆ＝０．９５を実現するフェーザ図である。図３のフェーザ図では、風力発電システム１の各部の交流電流及び交流電圧の各値Ｉ_ＩＮＶ１（Ｉ_ＩＮＶの基本波）、Ｉ_ＳＣ１（Ｉ_ＳＣの基本波）、Ｉ_ＯＵＴ、Ｖμ、Ｖ_ＯＵＴを複素フェーザで表している。なお、図３及び図４では、複素電圧フェーザ及び複素電流フェーザを次のように、文字の上部にドットを付けたベクトル表記としているが、本文ではドットを付けずに「フェーザＶ」、「フェーザＩ」と表記する。

図３において、フェーザＶ_ＯＵＴはシステム出力の電圧フェーザを示す。フェーザＩ_ＯＵＴはシステム出力の電流フェーザを示し、進み力率ｐｆ＝０．９５を実現するため、フェーザＶ_ＯＵＴに対して力率角φ＝ｃｏｓ^－１（ｐｆ）≒１８．２°だけ進んでいる。

フェーザＩ_ＩＮＶ１はインバータ出力電流Ｉ_ＩＮＶの基本波の電流フェーザを示す。フェーザＩ_ＩＮＶ１は、基本波進み角γ－ｕ／２＝３０（ｄｅｇ）を満たすように、実数部Ｉ_{ＩＮＶ１ｒｅ}と虚数部Ｉ_{ＩＮＶｉｍ}が定められる。フェーザＶμは、仮想接続点３３Ａにおける電圧フェーザを示す。フェーザＩ_ＳＣ１は、同期調相機４０の電機子電流Ｉ_ＳＣの基本波の電流フェーザを示す。フェーザＩ_ＳＣ１は、同期調相機４０が有効電力を発生しないので、電圧フェーザＶμと直交する。

フェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴは、仮想接続点３３Ａより出力側のリアクタンス（すなわち波形改善リアクトル３０のコイル３２の等価リアクタンスＸγと、補償リアクトル５０のリアクタンスＸｃｏｍの和）による電圧フェーザを示す。

図３に示すように、フェーザ図上では、フェーザＩ_ＯＵＴがフェーザＩ_ＩＮＶ１とフェーザＩ_ＳＣ１とのベクトル和で表され、フェーザＶμがフェーザＶ_ＯＵＴとフェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴとのベクトル和で表される。

図４は、上記の条件下で、図１及び図２に示した風力発電システム１において、システム出力Ｐ_ＯＵＴが０．５ｐｕのときに進み力率ｐｆ＝０．９５を実現するフェーザ図である。図４のフェーザ図の概要は図３と同様である。

図４は、システム出力Ｐ_ＯＵＴが図３と比較して減少している状態を示すフェーザ図である。上記条件のとおりフェーザＶ_ＯＵＴは一定なので、図４に示すように、フェーザＩ_ＯＵＴが図３と比較して減少している。フェーザＩ_ＳＣ１がフェーザＶμと直交することは図３と変わらないので、フェーザＩ_ＯＵＴの減少と共にフェーザＩ_ＩＮＶ１も図３と比べて減少している。つまり、図４のフェーザ図は、風力の減少などの原因によりインバータ出力電流Ｉ_ＩＮＶ１（すなわちウインドファーム１０の出力）が減少することによって、システム出力Ｐ_ＯＵＴが減少している状態を示す。

ここで、本実施形態の風力発電システム１とは異なり、システムに補償リアクトル５０を設けない構成、すなわち、仮想接続点３３Ａより出力側のリアクタンスが固定値である構成を考える。この構成では、図３、図４のフェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴがフェーザｊＸγ・Ｉ_ＯＵＴとなる。この場合、図４に示すフェーザＩ_ＩＮＶ１及びフェーザＩ_ＯＵＴの減少に伴って、フェーザｊＸγ・Ｉ_ＯＵＴも減少する。そうすると、フェーザＶ_ＯＵＴがフェーザＩ_ＯＵＴに接近して力率角φが減少し、システム出力の進み力率が０．９５ではなくなる。つまり、ウインドファーム１０の出力変動に応じて、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆも変動してしまう。

これに対して本実施形態の風力発電システム１では、システムの仮想接続点３３Ａより出力側にリアクタンスＸｃｏｍを変更可能な補償リアクトル５０が設けられる。この構成により、仮想接続点３３Ａより出力側のリアクタンスを任意に調整できる。

図３、図４に示すように、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆ＝０．９５を一定に維持するためには、フェーザ図において力率角φ≒１８・２°を維持できればよい。このためには、フェーザＩ_ＩＮＶ１及びフェーザＩ_ＯＵＴが変動しても、仮想接続点３３Ａより出力側のリアクタンスによる電圧フェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴを一定に維持する必要がある。例えば、図４に示すようにＩ_ＯＵＴが減少した場合には、Ｘｃｏｍを増やしてフェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴを一定に維持することにより、フェーザＶμ、Ｖｏｕｔ，フェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴの幾何的関係を一定に維持できる。これにより、力率角φを一定に維持でき、システム出力Ｐ_ＯＵＴの進み力率ｐｆを０．９５に維持できる。

なお、図３、図４に示すフェーザ図において、システム出力Ｐ_ＯＵＴの進み力率ｐｆ＝０．９５を維持するためには、フェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴの長さを０．９６８５ｐｕで一定とすればよい。同様に、フェーザｊ（Ｘγ＋Ｘｃｏｍ）・Ｉ_ＯＵＴの長さを０．５７７ｐｕで一定とすれば、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆを１に固定でき、０．３４４２ｐｕで一定とすればシステム出力Ｐ_ＯＵＴを遅れ力率ｐｆ＝０．９５で維持できる。

このように、本実施形態の風力発電システム１は、変換ユニット２０の出力端と同期調相機４０の出力とが合流する直列接続点３３より出力側に、直列接続点３３より出力側のリアクタンスを調整する調整部として、リアクタンスＸｃｏｍを変更可能な補償リアクトル５０を備える。この構成により、例えば風速が変動することなどによりウインドファーム１０の出力が変動した場合でも、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆを所望の値で維持でき、任意に制御できる。これにより、システム出力Ｐ_ＯＵＴの有効電力だけでなく無効電力も制御可能となり、世界各国のグリッドコードに適した電力供給が可能となり、システムの汎用性を向上できる。

また、本実施形態の風力発電システム１は、補償リアクトル５０を設けてシステム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆを任意に制御できるので、システム出力Ｐ_ＯＵＴの無効電力も任意に制御できる。変換ユニット２０のインバータ２２のサイリスタの転流余裕角γ－ｕは、システム出力Ｐ_ＯＵＴの無効電力に応じて変動することが知られており、システム出力Ｐ_ＯＵＴの力率ｐｆが変動して無効電力が変動した際に、転流余裕角γ－ｕが最低角より小さくなると転流失敗の虞がある。本実施形態では無効電力を任意に制御できるので、例えば無効電力を一定に制御すれば、転流余裕角γ－ｕもほぼ一定に維持することが可能となり、転流失敗を防止できる。

また、本実施形態の風力発電システム１は、変換ユニット２０と同期調相機４０との間に波形改善リアクトル３０を備え、補償リアクトル５０が波形改善リアクトル３０の出力端に接続される。

この構成により、変換ユニット２０のインバータ２２のサイリスタの転流時に発生する出力電圧の跳躍や陥没などが、波形改善リアクトル３０により除去できるので、常に高品質の電力を出力することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

上記実施形態では、直列接続点３３より出力側のリアクタンスを調整する調整部として補償リアクトル５０を例示したが、直列接続点３３より出力側のリアクタンスを調整できれば他の要素を適用してもよい。例えばコンデンサを調整部として適用できる。この場合、調整部は、静電容量を変更できる可変コンデンサや、異なる静電容量をもつ複数のコンデンサをスイッチで切りかえる構成によって実装できる。

上記実施形態では、風力発電システム１を例示して説明したが、発電機は風力発電機に限られない。風力発電機以外の発電機を適用する場合には、図１のシステム図上で、ウインドファーム１０を別方式の発電機に置き換えればよい。

上記実施形態では、風力発電システム１が同期調相機４０を備える構成を例示したが、風力発電システム１は同期機を備えればよく、同期調相機４０の代わりに同期発電機を備える構成としてもよい。同期発電機は、同期調相機と同様に、変換ユニット２０のインバータ２２のサイリスタの転流と、風力発電システム１の出力先の負荷とが必要とする無効電力を供給すると共に、さらに、風力発電システム１の出力先の負荷が要求する有効電力のうち、ウインドファーム１０からの出力で賄うことのできない不足分の有効電力を供給する機能を担う。

また、上記実施形態では、波形改善リアクトル３０が直列接続された２つのコイルから成り、両コイルの直列接続点３３にて同期調相機４０が接続される構成を例示したが、波形改善リアクトル３０は他の構成としてもよい。例えば、波形改善リアクトル３０の両端部にウインドファーム１０がそれぞれ接続され、波形改善リアクトル３０の２つのコイルの直列接続点３３にて出力側の補償リアクトル５０に接続される構成であってもよい。

また、上記実施形態では、ウインドファーム１０と同期調相機４０との間に波形改善リアクトル３０を備える構成を例示したが、風力発電システム１は、波形改善リアクトル３０を含まない構成とすることも可能である。

１０ ウインドファーム
２０ 変換ユニット
３０ 波形改善リアクトル（波形改善部）
３３ 直列接続点（合流点）
３３Ａ 仮想接続点
４０ 同期調相機（同期機）
５０ 補償リアクトル（調整部）

Claims (4)

1. 出力先に交流電力を出力する風力発電システムであって
   風力発電を行うウインドファームと、
   前記ウインドファームよりも出力側に設けられる変換ユニットと、
   前記変換ユニットの出力端に接続され、前記出力先へ無効電力を供給する同期機と、
   前記変換ユニットと前記同期機との合流点より出力側に設けられ、前記合流点より出力側のリアクタンスを調整する調整部と、を備え、
   前記調整部は、前記ウインドファームの出力変動に応じて、当該風力発電システムの出力の力率角を一定に維持するように前記リアクタンスを調整して、前記出力の有効電力および無効電力を制御する、
   風力発電システム。
2. 前記ウインドファームは、直流電力を出力する複数の発電用風車を有し、
   前記変換ユニットは、前記直流電力の総和を交流電力に変換するサイリスタインバータを有し、
   前記同期機は、前記サイリスタインバータの転流に使用され、
   前記調整部は、前記無効電力に応じて変動する前記サイリスタインバータの転流余裕角γ－ｕが、転流最低角より小さくならないように、前記リアクタンスを調整する、
   請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記調整部は、リアクタンスを変更可能な補償リアクトルである、
   請求項１または２に記載の風力発電システム。
4. 前記変換ユニットと前記同期機との間に波形改善部を備え、
   前記調整部は前記波形改善部の出力端に接続される、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の風力発電システム。

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