JP3494987B2 - 可変周波数型パルスインバータ及び該パルスインバータを備えた風力発電設備 - Google Patents

可変周波数型パルスインバータ及び該パルスインバータを備えた風力発電設備

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（技術分野） 風力発電装置に関していえば、この風力発電装置には同
期発電機が備わっていること、また、中間直流電源回路
と、周波数変換器としてその出力側に接続したパルスイ
ンバータとを設けて同期発電機を可変速稼働することが
知られている。
【０００２】（背景技術） 図４は、風力発電装置の原理を説明する回路線図であ
り、ロータで直接駆動される可変速同期発電機の出力側
に周波数変換器が接続されている。中間直流回路では、
発電機で発生した可変周波数の電流は先ず整流され、そ
の後周波数変換器を経由して電力幹線網に供給される。
【０００３】このような構成では、中間直流回路で発電
機、ひいてはそのロータ速度を幹線電源周波数から完全
に切り離すことができるので、広範囲の回転速度が利用
できる。広範囲の速度でロータの効果的な風量制御(win
d-controlled)操作ができるので、そのような構成が適
切であれば、空力学的に決定される電力供給量をかなり
増加させることができる。この構成で、同期発電機が幹
線電力網に直接接続されている場合に当該発電機に生ず
る好ましくないダイナミック特性を完全に除去できるの
は大概明らかである。
【０００４】数年前までは、「中間直流回路を備えた同
期発電機」システムの重大な問題点は、高コストと電気
効率の全体としての貧弱さにあった。全ての電力出力が
コンバータを経由して流れることから、古い発電装置の
場合での効率レベルは、コンバータを非同期発電機のロ
ータ回路電流にのみ用いる可変速発電装置での場合より
も基本的に低い。しかし、現在のコンバータ技術では、
そのような問題点は実質的に問題とされない。現在のと
ころ、整流器及びコンバータは、発電機システムの全体
の効率レベルが２倍供給(double-feed)型の非同期発電
機の場合に相当する程、その損失が非常に低くなるよう
に作られている。
【０００５】それゆえ、中間直流回路を備えた可変速同
期発電機は、現今の風力発電設備技術に非常に広く使わ
れている。特に、現在のインバータは、その関連で重要
な寄与を果たしている。それに関して、問題となる(tro
ublesome)高調波(harmonics)は、いわゆる「パルス幅変
調（ＰＷＭ）型インバータ」を利用することでなくして
いる。既知のＰＷＭインバータは、一定のスイッチング
周波数又はパルスデュテイサイクル（パルス周波数又は
パルス繰り返しレートともいう）を有していて、供給す
るべき所望の正弦波交流が、二つのスイッチＳ１、Ｓ２
のスイッチオン時間とスイッチオフ時間の比で形成され
る。上述のように、スイッチＳ１、Ｓ２がスイッチオン
又はスイッチオフされる場合のパルスデュテイサイクル
はそれぞれ一定であり、インバータのパワー損失で制限
されている。既知のインバータでは、損失は発生する全
電気的出力パワーの２％か、それ以上であり、風力発電
装置のコストが高レベルであることを鑑みればこの損失
は無視できない。
【０００６】スイッチング周波数を減少させることがで
きれば、パワー損失は明らかに減らすことができるが、
問題となる高調波については増加することになる。スイ
ッチング周波数を増加すると、上述のようにパワー損失
も増えるが、高調波はほとんど除かれる。
【０００７】ドイツ特許公報DE 3204266では、所望のイ
ンバータ出力電圧に同期している交流電圧をデルタ電圧
と比較し、これらの二つの電圧が同一になると、インバ
ータスイッチの切換スイッチング信号を生成する、パル
スインバータの作動のためのプロセス及び装置が開示さ
れている。出力電圧の大きさを増すと、制御電圧の大き
さとデルタ電圧の大きさの比は、正比例するに必要な値
よりも大きくなる。
【０００８】ドイツ特許公報DE 3207440では、特に中間
回路から一定の直流電圧が供給されている三相パルスイ
ンバータの電圧制御を最適化するプロセスが開示されて
いる。三相パルスインバータの電圧制御を最適化するの
に、このプロセスでは、高調波による影響を最小限に抑
制して基本発振電圧を連続的調整できるスイッチングパ
ターンを生成している。
【０００９】そして、ドイツ特許公報DE 3230055では、
周波数制御により定まる基準周波数と、振幅制御により
定まる基準振幅とを持つ交流出力電圧を生成するパルス
インバータ用の制御装置が開示されている。この制御装
置で、電圧の利用効率及び高調波の影響に関して最適化
した、インバータのための出力電圧を容易に求めること
ができる。
【００１０】そこで、本発明の目的は、上述の問題点を
解消して、高調波を全体として最小にしつつパワー損失
を減少しうる風力発電装置用のパルスインバータを提供
することである。
【００１１】本発明では、請求項１で記載する特徴を備
えたパルスインバータによってこの目的を達成してい
る。有利な改良については請求項２で記載している。請
求項３では、請求項１又は２に記載のパルスインバータ
を備えた風力発電装置について記載している。請求項４
では、請求項３に記載の風力発電装置を並列接続して複
数配置したものについて記載している。
【００１２】本発明は、現今の技術において知られてい
ると共に、図２に示した如くの、固定スイッチング周波
数やパルスデュテイサイクルのパルスインバータから完
全に離れた考えに基づいており、特に生成する交流に応
じてスイッチング周波数を可変としている。それについ
て詳述すれば、生成する交流が０になる領域でスイッチ
ング周波数が最大になる、つまり、パルスデュテイサイ
クルが最小になり、一方、交流の振幅が最大になる領域
でスイッチング周波数が最小になる、つまり、パルスデ
ュテイサイクルが最大になる。
【００１３】そのようなパルスインバータでは、パワー
半導体でのスイッチング損失が最小となってパワー損失
が劇的に減少する結果となり、供給すべき電流は、問題
となる高調波もなく非常に高い基本発振周波数を有して
いることを見出すことができる。それに加えて、明らか
に固定スイッチング周波数を持たないので、並列関係で
複数の風力発電装置を切り換えても問題となる共振現象
は発生せず、従って基本発振周波数についてさらに相対
的に改善することができるのである。従来のパルスイン
バータでは、パワー損失を減らし、高調波を最小にする
ために、固定スイッチング周波数が使われており、スイ
ッチＳ１、Ｓ２のスイッチング時間の領域で要件を最適
化することが行なわれていたが、これに対して本発明は
パルスインバータのスイッチング周波数を最適化するも
のであり、この場合、スイッチング周波数が供給する正
弦波電流に応じて変化するようにしている。可変スイッ
チング周波数の構成を図３（ｂ）に簡略化して示してい
る。
【００１４】本発明を、添付図面に示した実施形態につ
いて以下に詳述する。
【００１５】（発明を実施するための最良の形態） 図１は、スイッチＳ１、スイッチＳ２とそれらの出力側
に接続したインダクタＬを示している。スイッチＳ１は
直流電源の正極側に、また、スイッチＳ２は負極側にそ
れぞれ接続されている。
【００１６】図２（ａ）には、図１で示したような従来
のパルスインバータの場合でのパルス反転の結果を示し
ている。この場合にスイッチング周波数ｆｓないしスイ
ッチング周波数の逆数、パルスデュテイサイクルＴは、
図２（ｂ）に示すように一定である。一サイクルの中で
は、一方のスイッチＳ１は、期間ｔ１においてスイッチ
オンの状態になり、もう一方のスイッチＳ２は期間ｔ２
においてスイッチオンの状態になる。スイッチング期間
ｔ１、ｔ２、又はそれぞれに対応するスイッチＳ１、Ｓ
２のスイッチオフ期間を適当に設定したり変化させるこ
とにより、図２（ａ）に示すような正弦波交流を直流電
源から生成することができる。この正弦波の形状は、ス
イッチングサイクルＴ内でのスイッチング期間ｔ１をス
イッチング期間ｔ２に対して最適化することで得られ
る。図２に示すスイッチオンとスイッチオフの様子は、
図示の都合上相当に簡略化して示している。しかし、ス
イッチング周波数は、パルスインバータのパワー損失Ｐ
ｖで制限される。つまり、スイッチング周波数が増加す
るにつれてパワー損失Ｐｖは増加する。スイッチング周
波数が低下するにつれてパワー損失Ｐｖは明らかに低下
するが、高調波が増加することから、幹線電源電圧と対
応がとれなくなる問題が生ずる。。
【００１７】図３（ａ）を参照すると、供給される電流
ｉのスイッチング周波数は、可変となるようになってお
り、スイッチング周波数は、生成される交流ｉが減少し
ていって０となる領域で最大値をとり、また、生成され
る交流ｉの振幅が最大となる領域で最小値となってい
る。生成する交流ｉの振幅が最大になる領域では、スイ
ッチング周波数ｆｓは、最大値が約１６ｋＨｚ、最小値
が約１ｋＨｚである。スイッチング周波数の変化によっ
て、振幅が０となる領域で、生成する交流は、理想的な
正弦波曲線について事実上一致した状態で生成され、他
方、振幅が最大となる領域では、生成される交流は、振
幅が０となる領域での場合よりも大きな高調波成分を有
している。しかし、全体的には高調波成分は最小値をと
り、交流の大きさが０となる領域で実質的に０である。
【００１８】図３（ｂ）に示したように同期発電機と対
応する制御器付きパルスインバータとを備えた風力発電
装置を複数、並列に接続している場合では、今まで問題
を発生させている固定スイッチング周波数は問題となら
ず、可変スイッチング周波数によって各風力発電装置間
の問題となる共振現象もなく、複数の風力発電装置につ
いて基本発振が全体として大きく改善される。
【００１９】図４は、出力側に整流器Ｇと、例えば図５
に示した「ENERCON」の「型式Ｅ−４０」の如くの風力発
電装置あるものとして知られているパルスインバータＰ
ＷＲとを備え、ロータＲで駆動される可変速同期発電機
ＳＧの原理を説明する回路線図である。「型式Ｅ−４
０」用に開発された発電機についての同期発電機は、８
４極電気励起型同期発電機である。その直径は約４．８
ｍである。
【００２０】図２に示したように作動させる周波数イン
バータの全体の損失は、「型式Ｅ−４０」における全発
生電力パワーの約２．５％に過ぎない。そのような損失
は、電源が実質的に発振を伴わないものであれば、本発
明によって３０％以上相当減らすことができる。 ［図面の簡単な説明］
【図１】 パルスインバータの原理を説明する回路線
図。
【図２】 ａ）波形図、ｂ）スイッチング周波数線図、
ｃ）スイッチＳ１、Ｓ２についてのスイッチオンとスイ
ッチオフを示す図。
【図３】 本発明によるパルスインバータのａ）波形
図、ｂ）スイッチング周波数の線図。
【図４】 直接駆動型可変速同期発電機を備えた風力発
電装置の原理を説明する回路線図。
【図５】 型式Ｅ−４０の風力発電装置におけるインバ
ータのブロック回路線図。
【符号の説明】
ｉ 交流 ｆｓ パルス周波数 Ｓ１ スイッチ１ Ｓ２ スイッチ２ Ｌ インダクタ ＳＧ 同期発電機 Ｒ ロータ Ｇ 整流器 ＰＷＲ パルスインバータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/48

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スイッチング周波数が可変である正弦交
    流生成用のパルスインバータであって、 前記スイッチング周波数の変化は生成する交流の構成に
    依存するものであって、前記スイッチング周波数は前記
    交流の一周期中に前記交流の振幅に応じて変化し、 前記交流が０となるときの前記スイッチング周波数は、
    前記交流の振幅が最大となる領域でのスイッチング周波
    数よりも２倍以上大きいものであり、 前記交流の振幅が最大となる領域での最低のスイッチン
    グ周波数は少なくとも略１００Ｈｚであることを特徴と
    するパルスインバータ。
  2. 【請求項２】 前記生成する交流が０になる領域での前
    記スイッチング周波数が約１４〜１８ｋＨｚの範囲内に
    あり、前記交流の振幅が最大になる領域での前記スイッ
    チング周波数が約５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のパルスインバー
    タを備えた風力発電装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の風力発電装置を複数配
    置した風力発電装置。
  5. 【請求項５】 請求項１又は２に記載の複数のパルスイ
    ンバータを並列に接続したパルスインバータ。
JP2000519498A 1997-11-03 1998-10-16 可変周波数型パルスインバータ及び該パルスインバータを備えた風力発電設備 Expired - Lifetime JP3494987B2 (ja)

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