JP4725777B2

JP4725777B2 - 風力発電装置の発電機制御方法および発電機制御装置

Info

Publication number: JP4725777B2
Application number: JP2005077048A
Authority: JP
Inventors: 賛恵光林; 進也森本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: JP2006257985A

Description

本発明は、風力を電力へ変換する風力発電装置の発電機制御方法および発電機制御装置に関する。

従来の風力発電装置では、暴風等の過大風速により回転数が過大に上昇した場合、風車の破損を防止するため電気ブレーキまたは機械ブレーキにより風車を減速するようにしている（例えば、非特許文献１参照）。

また、目標のトルク指令値に対して風速エネルギーが小さい領域ではトルク指令値を下降し、風速エネルギーが大きい領域ではトルク指令値を上昇することで一定トルクを保つようにした発電機制御もある（例えば、特許文献１参照）。

また、低風速時には最大出力を取り出し、高風速時には平準化した出力を取り出すようにした発電機制御もある（例えば、特許文献２参照）。

また、風況予測情報によって出力可能な風車の出力をスケジューリングして風車ブレードのピッチおよび電力変換機を制御し、所定の出力を取り出すようにした発電機制御もある（例えば、特許文献３参照）。

図４において、１１は風車であり、風１０のエネルギーを回転エネルギーへ変換する。２０は発電機であり、風車１１の回転エネルギーを交流の電気エネルギーへ変換する。３０はコンバータであり発電機２０を制御して取り出した交流を直流へ変換してＤＣリンクへ３１出力する。４０はインバータであり、直流を所定の電圧と周波数の交流へ変換して系統へ出力する。５０はシーケンサなどからなるコントローラであり、コンバータ３０を介して発電機２０の回転数をモニタし、過大風速時に発電機２０の回転数が過大に上昇した場合にブレーキ６０を動作して風車１１を減速する。このように、従来の風力発電装置では、ブレーキ６０により風車１１を減速することで過大風速時に風車１１の破損を防止するという手順がとられていた。
佐藤雄志著「小型風力発電「そよ風くん」の開発」電気学会論文誌産業応用部門誌Ｖｏｌ.124 No.9 2004 P．976 、「そよ風くん」は神鋼電機(株)の登録商標特開平１１−６２８１４号公報（第４−６頁、図２）特開２００４−６４９２９号公報（第４−６頁、図１、図２）特開２００３−８３２２９号公報（第４−６頁、図１）

従来の風力発電装置では、過大風速により回転数が過大に上昇した場合、ブレーキ６０により風車を減速するという手順をとっているので、発電装置が複雑になり信頼性が低下するという問題があった。また、長時間のブレーキ６０による減速回転を行うと、ブレーキ６０が過熱したり磨耗が激しくなり、減速回転を維持できなくなるという問題あった。また、ブレーキ６０の過熱や磨耗を避けるため風車１１を停止した場合、風圧により風車１１が破損するという問題もあった。また、過大風速によりブレーキ６０が動作すると、通常の運転に復帰する際には手動により復帰となるため、発電装置の稼働率が低下するという問題もあった。

また、目標のトルク指令値に対して風速エネルギーが小さい領域ではトルク指令値を下降し、風速エネルギーが大きい領域ではトルク指令値を上昇することで一定トルクを保つようにした場合、過大風速時には発電機２０とコンバータ３０とインバータ４０が過負荷運転となり、過熱から制御不能となるという問題があった。

また、低風速時には最大出力を取り出し、高風速時には平準化した出力を取り出すようにした場合も同様に、過大風速時には発電機２０とコンバータ３０とインバータ４０が過負荷運転となり、過熱から制御不能となるという問題があった。

また、風況予測情報によって出力可能な風車１１の出力をスケジューリングして風車ブレードのピッチおよび電力変換機を制御し、所定の出力を取り出すようにした場合、ブレードのピッチを調整することにより風車を減速するという手段をとっているので、発電装置が複雑になり信頼性が低下するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、過大風速時にブレーキ６０などの外部装置を用いずに風車１１の回転を減速し、発電装置を簡略化でき、発電装置の信頼性とその稼働率を向上する方法および発電機制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。

請求項１に記載の発明は、風車と、発電機と、発電機の回転に応じた平常時トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換するインバータとを備えた発電装置の発電機制御方法において、予めトルクの保護検出レベルと風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、トルク指令値が前記保護検出レベル以下では前記平常時トルクパターンを適用し、前記発電機の回転数が上昇しトルク指令値が前記保護検出レベル以上に上昇した時に、トルク指令値の増加を前記風車の出力するトルクが減少を始めるまで繰り返し、前記風車の出力するトルクが前記保護検出レベル以下に減少した時に、前記保護トルク指令パターンを適用することにより、前記平常時トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置の発電機制御装置において、
保護検出レベルより小さい値に予めトルクの復帰検出レベルを設定し、前記発電機の回転数が下降し前記風車の出力するトルクが前記復帰検出レベル以下に下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記平常時トルク指令パターンへ復帰させるものである。
また、請求項３に記載の発明は、風車と、発電機と、発電機の回転に応じた平常時トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換するインバータとを備えた発電装置の発電機制御装置において、予めトルクの保護検出レベルと風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、トルク指令値が前記保護検出レベル以下では前記平常時トルクパターンを適用し、前記発電機の回転数が上昇しトルク指令値が前記保護検出レベル以上に上昇した時に、トルク指令値の増加を前記風車の出力するトルクが減少を始めるまで繰り返し、前記風車の出力するトルクが前記保護検出レベル以下に減少した時に、前記保護トルク指令パターンを適用することにより、前記平常時トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させ、前記保護検出レベルより小さい値に予めトルクの復帰検出レベルを設定し、前記発電機の回転数が下降し前記風車の出力するトルクが前記復帰検出レベル以下に下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記平常時トルク指令パターンへ復帰させる手段を備えたものである。

請求項１に記載の発明によると、ブレーキなどの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車を停止することがないため、風車が破損することがない。また、請求項２に記載の発明によると、自動的に平常の運転に復帰し、風車を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに風車１１の回転を減速し、発電装置を簡略化でき、発電装置の信頼性とその稼働率を向上できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施する風力発電装置の構成を示すブロック図である。図において１１は風車であり、風１０のエネルギーを回転エネルギーへ変換する。２０は発電機であり、風車１１と直結またはギアなどを介して接続されており、風車１１の回転エネルギーを交流の電気エネルギーへ変換する。３０はコンバータであり発電機２０を制御して取り出した交流を直流へ変換してＤＣリンク３１へ出力する。４０はインバータであり、直流電圧を所定の可変電圧と可変周波数の交流へ変換して系統あるいは負荷へ出力する。

図２は、本発明のトルク指令パターンおよび風車１１の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフである。図においてＷＴ１はある風速１における風車１のトルク特性であり、ＷＰ１はその時の出力特性である。同様に、ＷＴ２とＷＰ２、ＷＴ３とＷＰ３、ＷＴ４とＷＰ４は、風速２、風速３、風速４における風車１１のトルク特性と出力特性である。なお風速は風速１＜風速２＜風速３＜風速４の順で大きくなる。また、風速１、風速２、風速３は平常時の風速であり、風速４は平常時の風速を上回る過大な風速である。Ｔｎｏｒｍは平常時のトルク指令パターンであり、発電機の回転数に応じたトルク指令となっている。Ｐｎｏｒｍは、平常時のトルク指令パターンによって発電機制御を行った結果得られる風車１１の出力である。Ｔｅｒは保護トルク指令パターンであり、Ｐｅｒは、保護トルク指令パターンによって発電機制御を行った結果得られる風車１１の出力である。

図３は、本発明の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行および復帰する処理手順を示すフローチャートである。

図２、図３を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
平常時（ＳＴ１）は、風１０は風速１、風速２、風速３の間で変動している。コンバータ３０は、平常時のトルク指令パターンＴｎｏｒｍで発電機２０を制御しており、風速に応じてＰｎ１、Ｐｎ２、Ｐｎ３の出力を風車１１から取り出している。このとき、コンバータ３０では、発電機２０から出力される電圧と電流から計算により発電機２０の回転数と電力および風車１１が出力しているトルクを求めて発電機２０の状態を監視している。

次に、風速が上昇して過大な風速である風速４になると、風車１１の回転数が上昇するとともにトルク指令値も上昇しＴ１となる。このとき、トルク指令値が保護検出レベルを超えるため、コンバータ３０では過大な風速になったと判断し（ＳＴ２）、平常のトルク指令パターンＴｎｏｒｍから保護トルク指令パターンＴｅｒへ移行を開始する。

次に、平常のトルク指令パターンＴｎｏｒｍから保護トルク指令パターンＴｅｒへの移行の手順について説明する。風速４により、トルク指令値が保護検出レベルを超えて上昇しＴ１になると、コンバータ３０ではトルク指令値をＴ１より微少量ΔＴだけ大きいトルク指令を出力する（ＳＴ３）。コンバータ３０によりＴ１＋ΔＴのトルク指令が与えられると、風車１１が出力できるトルクはＴ１であるため、風車１１にはΔＴの減速するトルクがかかり回転数が下降する。風車１１の回転数が下降すると、風車１１が出力できるトルクは上昇するため、コンバータ３０ではトルク指令値をさらにΔＴだけ大きくしＴ１＋２ΔＴのトルク指令を出力する。この手順を繰り返してトルク指令値を徐々に大きくしていくことで、風車１１の回転数が下降していく。

次に、風車１１の回転数が下降して行くと、上昇していた風車１１の出力できるトルクがＴｍを最大として減少し始める。コンバータ３０では発電機２０の回転数と風車１１が出力しているトルクを求めて監視しているため、トルク指令をΔＴ増加する前後の風車１１が出力しているトルクを比較することで、風車１１の出力できるトルクが減少し始めたことを検出することができる（ＳＴ４）。

風車１１の出力できるトルクが減少し始めると、コンバータ３０のトルク指令が増加していくと風車１１の回転数が急激に下降してしまう。このため、コンバータ３０は風車１１の出力できるトルクが減少し始めたことを検出すると、トルク指令をその時点でのトルク指令値に固定する（ＳＴ５）。このときのトルク指令値はＴｍよりも大きくなっているため、トルク指令値を固定していても風車１１の回転数は下降して行き、風車１１の回転数が下降するに連れて風車１１が出力するトルクも下降していく。

次に、回転数が下降するに連れて風車１１が出力するトルクも下降していき、保護検出レベルよりも下降した時点での風車の出力はＰｅｒ４となり、平常時の風速３における出力Ｐｎ３よりも小さく、発電機２０、コンバータ３０、インバータ４０が過熱することなく正常に運転が可能である。このため、風車１１が出力するトルクが保護検出レベルよりも下降したことを検出した時点（ＳＴ６）で、保護トルク指令パターンＴｅｒをトルク指令パターンとして設定する（ＳＴ７）。なお、トルク指令パターンは、通常、回転数の２乗に比例する特性など簡単な式であらわせる特性となっているため、保護トルク指令パターンＴｅｒは設定する時点の回転数と風車１１が出力しているトルクから容易に決定することができる。

これにより、過大風速時において風車１１の回転数を低い回転数に抑制しながら運転を継続することができる。

このように、コンバータ３０の制御において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行の手順をとるので、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車１１の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車１１を停止することがないため、風車が破損することがない。

次に、保護トルク指令パターンＴｅｒから平常のトルク指令パターンＴｎｏｒｍへの復帰の手順について説明する。

風速が低下して過大な風速４から平常の風速３、風速２、風速１と低下するに連れて、風車１１が出力するトルクは低下していく。これにより、風車１１が出力するトルクが低下したことから風速が低下したことが分かる。そこで、コンバータ３０では、風車１１が出力するトルクが復帰検出レベルよりも下降したことを検出し（ＳＴ８）、トルク指令パターンを保護トルク指令パターンＴｅｒから平常のトルク指令パターンＴｎｏｒｍへ復帰する（ＳＴ９）。

このように、保護トルク指令パターンＴｅｒから平常のトルク指令パターンＴｎｏｒｍへの復帰の手順をとるので、自動的に平常の運転に復帰し、風車１１を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。

本発明の方法を実施する風力発電装置の構成を示すブロック図本発明のトルク指令パターンおよび風車の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフ本発明の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行および復帰する処理手順を示すフローチャート従来の風力発電装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１０風
１１風車
２０発電機
３０コンバータ
３１ＤＣリンク
４０インバータ
５０コントローラ
６０ブレーキ

Claims

風車と、発電機と、発電機の回転に応じた平常時トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換するインバータとを備えた発電装置の発電機制御方法において、
予めトルクの保護検出レベルと風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、トルク指令値が前記保護検出レベル以下では前記平常時トルクパターンを適用し、前記発電機の回転数が上昇しトルク指令値が前記保護検出レベル以上に上昇した時に、トルク指令値の増加を前記風車の出力するトルクが減少を始めるまで繰り返し、前記風車の出力するトルクが前記保護検出レベル以下に減少した時に、前記保護トルク指令パターンを適用することにより、前記平常時トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させることを特徴とする風力発電装置の発電機制御方法。
前記保護検出レベルより小さい値に予めトルクの復帰検出レベルを設定し、前記発電機の回転数が下降し前記風車の出力するトルクが前記復帰検出レベル以下に下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記平常時トルク指令パターンへ復帰させることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の発電機制御方法。
風車と、発電機と、発電機の回転に応じた平常時トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換するインバータとを備えた発電装置の発電機制御装置において、
予めトルクの保護検出レベルと風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、トルク指令値が前記保護検出レベル以下では前記平常時トルクパターンを適用し、前記発電機の回転数が上昇しトルク指令値が前記保護検出レベル以上に上昇した時に、トルク指令値の増加を前記風車の出力するトルクが減少を始めるまで繰り返し、前記風車の出力するトルクが前記保護検出レベル以下に減少した時に、前記保護トルク指令パターンを適用することにより、前記平常時トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させ、前記保護検出レベルより小さい値に予めトルクの復帰検出レベルを設定し、前記発電機の回転数が下降し前記風車の出力するトルクが前記復帰検出レベル以下に下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記平常時トルク指令パターンへ復帰させる手段を備えたことを特徴とする風力発電装置の発電機制御装置。