JP4864124B2 - 風力発電用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電用電力変換装置に関するものである。

風力発電においては、その発電電力を電力系統に供給する場合に、供給する電力会社との契約により、最大発電電力が定められている。このため、発電電力を最大発電電力以下に抑制することは風力発電設備実現のための経済性等に大きく関わってくる。

これに対し、従来の風力発電装置として、風力により発電を行う同期発電機と、同期発電機の発電電圧を制御するための電圧指令を出力する可変速コンバ−タ制御部と、前記電圧指令に基づいて前記同期発電機の発電電圧を制御する可変速コンバ−タとを具備し、前記可変速コンバ−タ制御部が、発電電力の目標値と前記同期発電機の発電した電力の発電電流及び発電電圧に基づいて、前記発電電圧が予め設定された電圧制限値以上の場合に、前記同期発電機に対して弱め界磁制御を行うように前記電圧指令を出力して、風車可変速運転範囲を拡大することを可能にしている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の風力発電装置として、風車プロペラのピッチ（風に対するプロペラ羽根の迎え角度）を変化させるピッチ駆動装置と、風車プロペラの回転エネルギを電力エネルギに変換する誘導電動機とを備えた風力発電装置において、風速の検出値に基づき前記発電機出力の設定値を算出する発電機出力設定手段と、前記発電機出力の設定値と検出値との偏差に基づき前記発電機の２次側励磁電流値を制御する２次側励磁制御装置とを備え、風力エネルギの余剰分を回転エネルギとして貯え、風力エネルギの低下時に電力エネルギに変換して、発電機出力変動を抑制し、発電機出力及び電力系統に供給する電力を一定に保持し得るようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２３３１９３号公報（第１頁、図１） 特開２０００−６９７９７号公報（第１頁、図２）

特許文献１に記載の従来技術は、同期発電機の発電電圧のみを一定値以下にする目的で同期発電機に対して弱め界磁制御を実行している。

特許文献２に記載の従来技術は、風速の検出値に基づいて、ピッチを変化させることによる風車プロペラの機械的出力の制御と誘導電動機の２次側励磁電流値の制御とを行って誘導発電機の出力変動を抑制するようにしている。

しかし、例えば、突風などにより、風車プロペラの回転速度が急激に変化した場合、ピッチ変化の応答速度が間に合わず、発電設備として許容される最大発電電力を超えてしまう恐れがある。短時間であれば、事実上の問題はないが、電力会社との契約によっては、発電電力が超過した際に、系統連系を遮断され、切り離されてしまう場合もある。一定期間の後、連系は再度許可されるが、その間、発電が行えず、発電効率を下げてしまう要因となる。

また、十分な風速がある場合、即ち、風速が十分あり常に風車プロペラからの機械的入力が最大発電電力以上にある場合、最大発電電力制御が有効に機能すれば、風力発電の大きな弱点の一つである風速の変化により発電電力が変化する点が大きく改善されることになるが、従来技術では、発電電力を一定に制御するのは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、発電電力が最大発電電力を超える可能性がある場合に、交流電力の演算結果を基に発電機の界磁巻線電流を制御することで、発電電力を最大発電電力を超えない一定値に保持することができる風力発電用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、風力タ−ビンで駆動される発電機の出力電力に基づいて得た交流電力を当該風力発電設備の発電電力として系統に供給する風力発電用電力変換装置であって、前記発電機としての同期発電機と、該同期発電機の出力電力を直流電力に変換するコンバ−タ手段と、変換された前記直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバ−タ手段と、変換された前記交流電力を演算する電力演算手段と、演算された前記交流電力と最大発電電力基準との差分を基に界磁電流補正信号を演算する電力リミット制御手段と、前記界磁電流補正信号を用いて前記発電電力が予め定められた最大発電電力を超える可能性がある場合に、前記インバ−タ手段の出力交流電力が前記最大発電電力を超えないように前記同期発電機の界磁巻線電流を制御するチョッパ制御手段とを有することを要旨とする。

風速の上昇により風力タ−ビンからの機械的入力が増大して発電電力が最大発電電力を超える可能性がある場合に、交流電力の演算結果を基に発電機の界磁巻線電流を制御することで、交流電力、即ち発電電力を最大発電電力を超えない一定値に保持することが可能となる。

具体的には、電力演算手段で交流電力を演算し、電力リミット制御手段でその交流電力の演算結果を基に界磁電流補正信号を作成し、チョッパ制御手段でその界磁電流補正信号により同期発電機の界磁巻線電流を制御することで、発電電力が最大発電電力を超えない一定値に保持される。

請求項２記載の発明は、前記同期発電機の回転速度信号の大きさに応じて前記界磁電流補正信号の信号レベルを変化させ、前記界磁巻線電流の過度の抑制を制限する界磁電流補正信号リミッタを具備することを要旨とする。

特に、電機子反作用の大きい高速回転領域で、界磁巻線電流が過度に抑制されることで起きる乱調、脱調の発生が防止され、発電電力を最大発電電力を超えない一定値に保持することが可能となる。

以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、風速の上昇による風力タ−ビンからの機械的入力の増大等により、発電電力が最大発電電力を超える可能性がある場合に、交流電力の演算結果を基に発電機の界磁巻線電流を制御することで、発電電力を最大発電電力を超えない一定値に保持することができる。

請求項２記載の発明によれば、特に、電機子反作用の大きい高速回転領域で、界磁巻線電流が過度に抑制されることで起きる乱調、脱調の発生を防止することができて、発電電力を最大発電電力を超えない一定値に保持することができる。

本発明の第１の実施の形態である風力発電用電力変換装置のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。まず、本実施の形態の構成を説明する。風車（風力タ−ビン）で駆動される発電機には同期発電機が用いられている。以下、この風車で駆動される同期発電機を単に風力発電機１と言う。２は、その界磁巻線である。

風力発電機１の出力線は、この風力発電機１の交流出力電力を一旦直流電力に変換するコンバ−タ装置１１に接続され、コンバ−タ装置１１の出力線は、その出力直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバ−タ装置１２に接続されている。そして、このインバ−タ装置１２の出力である交流電力を、当該風力発電設備の発電電力として系統１４に供給するようになっている。また、コンバ−タ装置１１で変換された直流電力の一部は界磁チョッパ装置１３に入力され、界磁チョッパ装置１３から出力される界磁巻線電流により界磁巻線２を駆動して風力発電機１の励磁を行うようになっている。

風力発電機１の出力線には、第１の電圧検出装置２１及び第１の電流検出装置２２が設けられ、両検出装置２１、２２の検出出力はコンバ−タ制御回路３１に入力されている。コンバ−タ制御回路３１の制御信号出力はコンバ−タ装置１１に入力され、コンバ−タ制御回路３１によりコンバ−タ装置１１の一連の動作を制御するようになっている。インバ−タ装置１２の出力線には、第２の電圧検出装置２４及び第２の電流検出装置２５が設けられ、両検出装置２４、２５の検出出力は電力演算装置２６に入力されている。電力演算装置２６はインバ−タ装置１２で変換された交流電力を演算する。電力演算装置２６の演算信号出力は、インバ−タ制御回路３２に入力され、インバ−タ制御回路３２からの制御信号出力によりインバ−タ装置１２の一連の動作を制御するようになっている。

また、電力演算装置２６で演算された交流電力と最大発電電力基準４１との差分がとられ、この差分信号が電力リミット制御回路４２に入力されている。電力リミット制御回路４２は、この差分入力に基づいて界磁電流補正信号４３を演算し、この界磁電流補正信号４３がチョッパ制御回路３３に入力されている。チョッパ制御回路３３には、界磁電流補正信号４３の他に、コンバ−タ制御回路３１からの界磁電流指令信号４４及び界磁チョッパ装置１３の出力線に設けられた界磁巻線電流検出用の第３の電流検出装置２３の検出出力が入力されている。チョッパ制御回路３３は、これらの信号入力を基に界磁電流制御信号を演算し、その制御信号出力は、界磁チョッパ装置１３に入力されている。

次に、上述のように構成された風力発電用電力変換装置の動作を説明する。通常、風力発電機１の交流出力電力の周波数は、数Ｈｚから十数Ｈｚであり、その周波数は、風速により時々刻々変化する。そのため、風力発電機１の交流出力電力を当該風力発電設備の発電電力として直接系統１４に供給することは困難である。そこで、風力発電機１の交流出力電力をコンバ−タ装置１１で一旦直流電力に変換する。インバ−タ装置１２は、一旦変換された直流電力を、系統１４に当該風力発電設備の発電電力として供給するために、系統１４と同等の周波数の交流電力に再度変換する。

第１の電圧検出装置２１は、風力発電機１の出力電圧の周波数と位相を検出し、コンバ−タ制御回路３１は、その周波数（即ち、風車の回転数に比例した周波数となる）に応じた一定電力となるように、コンバ−タ装置１１への入力電流を制御する。第１の電流検出装置２２の検出出力は、入力電流制御に用いられる。

このようにして、コンバ−タ装置１１の一連の制御は、コンバ−タ制御回路３１により実行される。

インバ−タ装置１２は、インバ−タ制御回路３２により、風力発電機１の出力電力に基づく交流電力を系統１４に出力するように制御される。通常は、インバ−タ制御回路３２により、インバ−タ装置１２の入力部分である直流回路の電圧が一定値となるように制御される。第２の電圧検出装置２４、第２の電流検出装置２５は、各々インバ−タ装置１２の出力電圧、出力電流を計測し、電力演算装置２６により、インバ−タ装置１２の出力交流電力を演算する。この交流電力の演算信号は、インバ−タ制御回路３２に入力され、インバ−タ装置１２の出力交流電力の制御に用いられる。

そして、さらに本実施の形態の風力発電用電力変換装置は、次のような制御動作を実行する。即ち、電力演算装置２６の演算出力は、最大発電電力基準４１との差分が演算され、風力発電設備として設定された発電電力以内であるか否かが判定される。また、この最大発電電力基準４１は、発電デマンドなどにより規定される値でも構わない。その場合は、風力発電設備の発電出力は、予め設定されたデマンド値一定に制御されることになる。最大発電電力基準４１との差分は、電力リミット制御回路４２に入力され、インバ−タ装置１２の出力交流電力が最大発電電力基準４１を超える場合に、チョッパ制御回路３３により界磁チョッパ装置１３の界磁巻線電流を抑制し、風力発電機１の界磁巻線２の電流を抑制し、風力発電機１の出力電力を抑制する。

上述したように、本実施の形態によれば、インバ−タ装置１２の出力交流電力が最大発電電力基準４１を超える場合に、風力発電機１の界磁巻線２の電流を抑制し、風力発電機１の出力電力を抑制する。この結果、風力発電設備としての発電電力が最大発電電力以内に抑制されるようになる。そして風力発電設備としての発電電力が許容最大発電量を超えることを理由に、系統１４から強制的に切り離されることがなくなり、風力発電設備の発電効率を高めることが可能となる。

また、最大電力リミットを、予め設定されるデマンド値などとすることで、風力発電を外部デマンドにより一定にコントロ−ルされる発電電源として使用することが可能となる。

図２には、本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、電力リミット制御回路４２の出力信号が界磁電流補正信号リミッタ４５に入力されている。

また界磁電流補正信号リミッタ４５には、コンバ−タ制御回路３１で検出された風力発電機１の回転速度信号４６が入力されている。界磁電流補正信号リミッタ４５は、風力発電機１の回転速度に応じて界磁電流補正信号の信号レベルを変化させ、界磁巻線電流の過度の抑制を制限するものであり、界磁電流補正信号リミッタ４５の出力は、界磁電流補正信号４３としてチョッパ制御回路３３に入力されている。それ以外の構成は、第１の実施の形態を示す図１と同等なので説明を省略する。

電力リミット制御回路４２は、インバ−タ装置１２の出力交流電力が最大発電電力基準４１を超える場合に、風力発電機１の界磁巻線２の電流を抑制し、風力発電機１の出力電力を抑制する。本実施の形態では、さらに、風力発電機１の回転速度により、界磁巻線２の電流値を抑制する限度を調整している。即ち、界磁巻線２の電流の抑制に限度を設け、無制限に界磁巻線２の電流が低減されることを防ぐものである。

一般に、同期発電機では、第１の実施の形態のように、界磁巻線電流を抑制することにより、内部の誘起電圧を制御することができ、出力電力を制御することが可能である。しかしながら、一方で、同期発電機には電機子反作用があり、出力電流によっても内部誘起電圧の低下が起きる。したがって、界磁巻線電流を過度に抑制した場合、内部誘起電圧が低下し過ぎ、最悪の場合、乱調、脱調を起こす可能性がある。

本実施の形態では、界磁電流補正信号リミッタ４５により、界磁電流補正信号４３に制限を設けることで、界磁巻線電流が過度に抑制されて同期発電機が乱調、脱調を起こすのを抑制することができる。

上述したように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同じく、風力発電設備の発電電力を一定値以下に抑制することができ、特に、電機子反作用の大きい高速回転領域で顕著な効果がある。

１ 風力発電機
２ 界磁巻線
１１ コンバ−タ装置
１２ インバ−タ装置
１４ 系統
２６ 電力演算装置 ３３ チョッパ制御回路
４１ 最大発電電力基準
４２ 電力リミット制御回路
４５ 界磁電流補正信号リミッタ

Claims (2)

1. 風力タ−ビンで駆動される発電機の出力電力に基づいて得た交流電力を当該風力発電設備の発電電力として系統に供給する風力発電用電力変換装置であって、前記発電機としての同期発電機と、該同期発電機の出力電力を直流電力に変換するコンバ−タ手段と、変換された前記直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバ−タ手段と、変換された前記交流電力を演算する電力演算手段と、演算された前記交流電力と最大発電電力基準との差分を基に界磁電流補正信号を演算する電力リミット制御手段と、前記界磁電流補正信号を用いて前記発電電力が予め定められた最大発電電力を超える可能性がある場合に、前記インバ−タ手段の出力交流電力が前記最大発電電力を超えないように前記同期発電機の界磁巻線電流を制御するチョッパ制御手段とを有することを特徴とする風力発電用電力変換装置。
2. 前記同期発電機の回転速度信号の大きさに応じて前記界磁電流補正信号の信号レベルを変化させ、前記界磁巻線電流の過度の抑制を制限する界磁電流補正信号リミッタを具備することを特徴とする請求項１記載の風力発電用電力変換装置。

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