JP4865861B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

風車の運転制御において、系統電圧が停電等の発生により低下した場合には、風車と電力系統との接続を速やかに切断して過電流による発電機等の損傷を回避するという運用が採られている。その一方で、例えば、ＬＶＲＴ（Low voltage ride-through）で要求される電圧低下パターン等のような低電圧事象が発生した場合には、風車と電力系統との接続を維持し、風車の運転を継続して行うよう規格化されつつある。
これは、電力系統の短絡事故等で系統電圧が瞬間的に低下しても所定の時間内であれば、風車を系統から切り離さずに事故回復後の電圧回復や周波数変動回復に風車の発生する電力、無効電力も寄与させようとするものである。
事故後の系統電圧の回復を早めるためには、電力系統に対して無効電力を供給することが重要となる。例えば、特許文献１には、電力低下事象時において、電力系統に対して無効電力を供給する風力発電装置が開示されている。
米国特許出願公開第２００７／０２７３１５５号明細書

電力低下事象後において系統電圧を速やかに回復させるためには、無効電力、即ち、無効電流を適切に制御するための制御ロジックを設計することが重要となる。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、瞬時停電や、低電圧の状態が所定期間連続するような低電圧事象（例えば、ＬＶＲＴで既定される事象）等の発生時において、系統電圧の回復を速やかに行うことのできる風力発電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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、電力系統に接続される発電機と、通常運転モードと、該発電機の端子電圧に応じて無効電流を制御する低電圧制御モードとを有し、該電力系統の系統電圧が予め設定されている所定のモード切替値よりも低下した場合に、該通常運転モードから該低電圧制御モードへ切り替え、該電力系統の系統電圧が基準端子電圧よりも高くなった場合に、該低電圧制御モードから該通常運転モードに切り替える制御手段とを備え、前記制御手段は、該通常運転モードから該低電圧制御モードへ切り替える場合に、該発電機の力率の状態を検出し、その力率の状態に応じて、該低電圧制御モードから前記通常運転モードへ切り替えるときの前記基準端子電圧を設定する風力発電装置を提供する。

例えば、力率が誘導性の場合には、電力系統から無効電力を吸収する制御が行われ、力率が容量性の場合には、電力系統へ無効電力を供給する制御が行われる。ここで、例えば、瞬時停電や低電力事象等が発生することにより、系統の状態が通常の状態から変化した場合には、モードが通常運転モードから低電圧制御モードに切り替えられることとなるが、その後、低電圧制御モードから通常運転モードに切り替えられるときの条件は、通常運転モードに切り替えられた後の制御を考慮して決定することが好ましい。本発明によれば、力率の状態に応じて、基準端子電圧が設定されるので、適切なタイミングで低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替ることが可能となる。

上記風力発電装置において、前記制御手段は、前記通常運転モードから前記低電圧制御モードへ切り替えたときの前記発電機の力率が誘導性だった場合に、前記基準端子電圧を予め登録されている第１の値に設定し、前記発電機の力率が容量性だった場合に、前記基準端子電圧を該第１の値よりも小さい第２の値に設定することとしてもよい。

力率が容量性の場合には、通常運転モードにおいても電力系統へ無効電力を供給する制御が行われるため、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えられた後も電力系統に対して無効電力の供給が継続して行われることとなる。一方、力率が誘導性の場合には、通常運転モードにおいて、電力系統から無効電力を吸収する制御が行われることとなるため、電力系統が復電しない状態で早期にモード切替を行ってしまうと、電力系統の不安定化を助長してしまうこととなる。
このような事象を勘案して、力率が容量性の場合には、発電機の基準端子電圧を誘導性の場合よりも小さい値に設定することで、低電圧制御モードの採用時間を短くし、早期に通常運転モードに戻すことが可能となる。
また、力率が誘導性の場合には、電力系統が復電したことをきちんと確かめられるような値に設定しておくことで、電力系統を低電圧事象から確実に回復させることが可能となる。

上記風力発電装置において、前記第１の値及び前記第２の値は、事前にシミュレーション計算を行い、そのシミュレーションの結果に基づいて決定されることとしてもよい。

このように、事前にシミュレーション計算を行い、上記第１の値及び第２の値を決定するので、適切な時期にモード切替を行わせることが可能となる。

本発明によれば、瞬時停電や、低電圧の状態が所定期間連続するような低電圧事象等の発生時において、系統電圧の回復を速やかに行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示したブロック図である。 発電機及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。 制御装置が保有する電流−電圧テーブルの一例を示した図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ タワー
３ ナセル
４ ナセル旋回機構
５ 発電機
６ ギア
７ 風車ロータ
８ ブレード
９ ハブ
１３ 電力系統
１４ 能動整流器
１５ ＤＣバス
１６ インバータ
１７ ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ
２０ 電圧／電流センサ
２１ 制御装置

以下に、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示したブロック図である。風力発電装置１は、図１に示されるように、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、発電機５とギア６とが搭載されている。発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７に接合されている。

風車ロータ７は、ブレード８と、ブレード８を支持するハブ９とを備えている。ブレード８は、そのピッチ角が可変であるように設けられている。
ナセル３には、更に、風速風向計１０が設けられている。風速風向計１０は、風速と風向とを測定する。ナセル３は、風速風向計１０によって測定された風速と風向に応答して旋回される。

図２は、発電機５及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の発電機５は、発電機５が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統１３に出力可能であるように構成されている。具体的には、発電機５は、そのステータ巻線が電力系統１３に直接に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統１３に接続されている。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換する。
具体的には、能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を出力する。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統１３から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風力発電装置１の運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を発電機５のロータ巻線に供給する。

電圧／電流センサ２０は、発電機５を電力系統１３に接続する電力線に設けられており、発電機５の出力電圧（以下「発電機端子電圧」という。）と、出力電流とを測定する。

制御装置２１は、電力系統１３に供給する有効電力Ｐと無効電力Ｑとを制御するべく、能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。
具体的には、制御装置２１は、通常運転モードと、発電機５の端子電圧に応じて無効電流を制御する低電圧制御モードとを有し、電力系統１３の系統電圧が予め設定されている所定のモード切替値よりも低下した場合に、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替え、電力系統１３の系統電圧が基準端子電圧よりも高くなった場合に、低電圧制御モードから通常運転モードに切り替える。

ここで、電力系統１３の系統電圧と、発電機端子電圧とは略同一であるので、電力系統１３の系統電圧と、発電機端子電圧とは同様にみなすことができる。つまり、上記説明では、電力系統１３の系統電圧に応じてモード切替を行う場合を説明したが、これは、発電機端子電圧に基づいてモード切替を行うのと同様の意味である。

上記通常運転モードでは、例えば、力率一定制御を行う。力率一定制御では、駆動制御２１は、電圧／電流センサ２０によって測定された発電機端子電圧及び出力電流から有効電力Ｐと無効電力Ｑとを算出し、この有効電力Ｐと無効電力Ｑとが、力率を一定とするための有効電力指令値Ｐ^＊及び無効電力指令値Ｑ^＊にそれぞれ一致するように、能動整流器１４及びインバータ１６をＰＷＭ制御する。上記有効電力指令値Ｐ^＊及び無効電力指令値Ｑ^＊は、例えば、電力系統（グリッド）１３における電力制御をモニタする電力監視装置（図示略）から無線或いは有線により与えられる指令値である。なお、通常運転モード時においては、上記運転制御方法に限られず、出力一定等の公知の制御ロジックを採用することも可能である。

また、制御装置２１は、上記通常運転モードを行っている際に、ＬＲＶＴ等で既定されている低電圧事象が発生した場合、或いは、瞬時停電が発生した場合には、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替える。
例えば、発電機５の力率が誘導性、換言すると、無効電流を電力系統１３から吸収している場合には、発電機端子電圧がモード切替値Ｖｈｉｇｈ（例えば、１．１ｐｕ）を上回ったときにモード切り替えを行い、発電機５の力率が容量性、換言すると、無効電流を電力系統１３へ供給している場合には、発電機端子電圧がモード切替値Ｖｌｏｗ（例えば、０．９ｐｕ）を下回ったときにモード切り替えを行う。

低電圧制御モードとして、無効電流吸収ロジックと無効電流供給ロジックの２つの制御ロジックが用意されており、発電機５の力率が誘導性の場合には、無効電流吸収ロジックが、力率が容量性の場合には、無効電流供給ロジックが採用される。

例えば、制御装置２１は、図３に示す電流−電圧テーブルを有しており、このテーブルを用いて無効電流を制御する。図３において、横軸は発電機端子電圧であり、縦軸は無効電流である。このように、低電圧制御モードにおいては、発電機端子出力に応じて出力電流が制御される。なお、ここでは、テーブルとして説明したが、テーブルに代えて、無効電流と発電機端子電圧とをパラメータとする演算式を有していても良い。

また、制御装置２１は、発電機５の力率の状態に応じて、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り換える切替条件を保有している。低電圧制御モードから通常運転モードへの切替条件は、発電機５の基準端子電圧と基準継続期間との組み合わせからなる。
具体的には、制御装置２１は、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替えたときの発電機５の力率が誘導性だった場合には、発電機５の基準端子電圧を予め登録されている第１の値に設定し、発電機５の力率が容量性だった場合に、発電機５の基準端子電圧を予め登録されている第１の値よりも小さい第２の値に設定する。

より具体的には、制御装置２１は、「系統電圧が基準端子電圧以上となる状態が３秒間継続したら低電圧制御モードから通常運転モードへ切り換える」との切り替え条件を保有しており、誘導性の場合には、該基準端子電圧に第１の値を設定し、容量性の場合には、該基準端子電圧に第２の値を設定する。

本実施形態では、第１の値として、１．０ｐｕが、第２の値として０．８５ｐｕが登録されている。なお、この第１の値、第２の値の決定方法の詳細については、後述する。

次に、上記風力発電装置１の作用について説明する。
通常の制御においては、制御装置２１により通常運転モードが採用され、発電機５の出力が力率一定となるように制御される。このような通常運転モードを採用しているときに、低電圧事象が発生し、発電機端子電圧がモード切替値Ｖｈｉｇｈ以上（誘導性の場合）、または、発電機端子電圧がモード切替値Ｖｌｏｗ以下（容量性の場合）となると、制御装置２１は、通常運転モードから低電圧制御モードにモードを切り替える。

更に、制御装置２１は、発電機５の力率が誘導性か容量性かを判定し、誘導性の場合には、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの切替条件として、「系統電圧が１．０ｐｕ以上となる状態が３秒間継続したらモード切替を行う」を設定し、一方、容量性であれば、「系統電圧が０．８５ｐｕ以上となる状態が３秒間継続したらモード切替を行う」を設定する。

低電圧制御モードでは、電圧／電流センサ２０によって検出された発電端子電圧が制御装置２１に入力される。制御装置２１は、発電端子電圧に対応する無効電流を図３に示した電流−電圧テーブルから取得し、取得した無効電流となるように、ＰＷＭ制御信号を作成し、これらの指令をインバータ１６、能動整流器１４に出力する。これにより、図３に基づく無効電流が電力系統１３に供給され、通常運転モードのときよりも比較的多めの無効電力が電力系統１３に供給されることとなる。
なお、図３に示すように、誘導性の場合の傾きの方が、容量性の場合傾きよりも大きくなっている。これは、発電端子電圧の変化に対する無効電流の変化の絶対値が誘導性の方が大きいことを示している。これにより、系統電圧の上昇に対する発電機の制御の応答を、その降下に対する場合よりも速くすることが可能となる。

このようにして、無効電力が電源系統１３に供給されることにより、電源系統１３の電圧が徐々に回復し、そして、制御装置２１が設定したモード切替の切替条件を充足すると、制御装置２１は、低電圧制御モードから通常制御モードに切替を行い、再び、力率一定制御を実施する。

次に、上記基準端子電圧の決め方について説明する。
基準端子電圧については、事前にシミュレーションを実施し、誘導性及び容量性のそれぞれの場合において最適な基準端子電圧を決定する。
例えば、図３に示されるように、低電圧制御モードにおける無効電流吸収制御ロジックでは、出力電圧Ｖｎｄｈが大きいほど無効電流Ｉｑｎｄｈの絶対値が大きくなるように制御され、また、無効電流供給制御ロジックでは、出力電圧Ｖｎｄｈが小さいほど無効電流Ｉｑｎｄｈの絶対値が大きくなるように制御される。

図３に示した力率が誘導性、容量性の場合の発電機端子電圧と無効電流との関係は、式で示すと以下の（１）、（２）式のように表される。

Ｉｑｎｄｈ＝２×（１−Ｖｎｄｈ） （Ｖｎｄｈ＜１．０ｐｕの場合：容量性） （１）

Ｉｑｎｄｈ＝１０Ｖｎｄｈ−１０ （Ｖｎｄｈ＞１．０ｐｕの場合：誘導性） （２）

上記（１），（２）式において、Ｉｑｎｄｈは無効電流、Ｖｎｄｈは発電機端子電圧である。

一方、通常運転モードでは、力率一定制御が行われるため、このときの無効電流は、以下の（３）式に示すように、力率によって決定される。

Ｉｑｎ＝Ｉｎ×ｓｉｎθｎ （３）

上記（３）式において、Ｉｑｎは無効電流、θnは力率角である。

今、例えば、通常制御モードから低電圧制御モードに切り替えられるときの発電機５の力率が容量性であった場合、通常運転モードにおける発電機端子電圧は、出力が一定であるという条件の下では、以下の理由から、無効電流の一次関数で表される。

例えば、受電端の電圧（電圧系統（グリッド）の電圧）、有効電力、無効電力、及び受電端から送電端までに存在するリアクタンスをそれぞれＰr，Ｑｒ，Ｖｒ，Ｘとし、送電端の電圧（発電機端子電圧）をＶｓとすると、次の（４）式が成立する。このとき、送受電間（発電機出力端子と電圧系統との間）のインピーダンスをＺとする。

Ｐｒ^２＋（Ｑ＋Ｖｒ^２／Ｘ）^２＝（Ｖｓ×Ｖｒ／Ｘ）^２ （４）

上記（４）式において、出力√３×Ｖｒ×Ｉｎ、送電端電圧及びインピーダンスが一定であると仮定とすると、上記（４）式は以下の（５）式のように変形できる。

Ｖｒ＝γＩｎ・ｓｉｎθ （５）

これは、系統電圧及び出力が一定である場合、発電機端子電圧は、無効電流の一次関数で表されることを示している。

上記から、低電圧制御モードから通常運転モードに切り替わるときの発電機端子電圧、及び無効電流は、以下の（６）式を満たすこととなる。

Ｉｑｎ−Ｉｑｎｄｈ＝αＶｎ−βＶｎｄｈ （６）
上記（６）式において、Ｉｑｎは通常運転モード時の無効電流、Ｉｑｎｄｈは、低電圧制御モード時の無効電流、Ｖｎは通常運転モード時の発電機端子電圧、Ｖｎｄｈは低電圧制御モード時の発電機端子電圧、α及びβは、それぞれ任意の比例定数である。
上記各々をパーユニット（ｐｕ）で表し、かつ、上記（１）式を代入してまとめると、次の（７）式が導出される。

Ｖｎｄｈ＝１／３（３−Ｉｑｎ） （７）

上記（７）式から容量性のときの力率（０．９５以上１．０以下）を想定したときに、低電圧制御モードから通常運転モードへのモード切替時の発電機端子電圧を求めると、以下の表１のようになる。

上記表１から以下のことがいえる。
１）通常運転モード時の力率が０．９７よりも小さい値であり、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値が０．８５に設定されていた場合には、通常運転モードへのモード切替が最短時間で実現できる。一方、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値が０．９であった場合には、この基準値を充足しないため、低電圧制御モードから通常運転モードへのモード切替がなされないこととなる。

２）通常運転モード時の力率が０．９８よりも大きい値であり、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値が０．８５に設定されていた場合には、系統電圧が回復していない状態を回復したと誤認識して、最短で通常運転モードに切り替えられてしまう。しかしながら、この場合でも、通常運転モードで電力系統１３へ無効電流が供給され続けるので、系統電圧の安定化に継続して寄与できることとなる。一方、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値が０．９であった場合には、通常運転モードへのモード切替が比較的最短時間で実現できる。

以上から、例えば、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替えられるときの力率が容量性であった場合には、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値を例えば、０．８５に登録しておけば、比較的短時間で、かつ、系統の電圧を安定した状態とすることができる。

一方、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替えられるときの力率が誘導性であった場合には、上記（７）式に相当する式は、以下の（８）式として与えられる。ここで、以下の（８）式は、上記（６）式に上記（２）式を代入して得られる式である。

Ｖｎｄｈ＝（Ｉｑｎ＋９）／９ （８）

上記（８）式から誘導性のときの力率（０．９５以上１．０以下）を想定したときに、低電圧制御モードから通常運転モードへのモード切替時の発電機端子電圧を求めると、以下の表２のようになる。

上記表２から以下のことがいえる。
１）通常運転モード時の力率が１．０よりも小さい値であった場合、系統電圧が回復していない状態を回復したとご認識して、最短で通常運転モードに切り替わるが、通常運転モードで系統から無効電流を吸収してしまうため、系統電圧の不安定性を更に助長することとなる。

２）通常運転モード時の力率が１．０の場合、ほぼ系統電圧が回復した状態を検知して、最短で通常運転モードへの切替が最短時間で実現できる。

以上から、例えば、通常運転モードから低電圧制御モードへ切り替えられるときの力率が誘導性であった場合には、低電圧制御モードから通常運転モードへ切り替えるときの発電機端子電圧の基準値を１．０に登録しておけば、系統電圧が回復していないのに、回復しているとしてモード切替を行ってしまうという誤判定を回避でき、比較的短時間で、かつ、系統の電圧を安定した状態とすることができる。
なお、計算上では、系統電圧が回復しているときの発電機端子電圧Ｖｎｄｈは１．０ｐｕを超えていると考えられ、Ｖｎｄｈが１．０ｐｕよりも小さい値であれば系統電圧が不安定であると考えられる。

このように、図２の制御装置２１が保有している発電機５の基準端子電圧については、事前に上述したようなシミュレーション計算を行い、どのような基準端子電圧に設定したときに、比較的短時間で、かつ、系統電圧の安定状態を誤判定せずに、低電圧制御モードから通常運転モードに切替を行うことができるかを考察し、この考察の結果、最もよいと考えられる基準端子電圧を力率が容量性及び誘導性のときでそれぞれ決定するとよい。

また、このとき、力率が容量性の場合には、通常運転モードに切り替えられた後も、発電機５から無効電力が供給される制御が継続して行われるため、多少早めにモード切替が行われたとしても、通常運転モードにおいて系統電圧を安定させることが可能となる。従って、基準端子電圧は、比較的小さい値、例えば、０．８５付近の値に設定することができる。

これに対し、力率が誘導性の場合には、通常運転モードに切り替えられた後は、電力系統１３から無効電力を吸収するような制御がされてしまうため、誤って早めにモード切替を行ってしまった場合には、電力系統１３の不安定を助長してしまうこととなる。
このようなことから、力率が誘導性の場合には、安全性に重点をおき、１．０付近に基準端子電圧を設定することが好ましいといえる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置によれば、力率の状態に応じて、低電圧制御モードから通常運転モードへの切替の条件が決定されるので、適切なタイミングで通常運転モードへのモード切替を実施することが可能となる。

Claims (3)

1. 電力系統に接続される発電機と、
   通常運転モードと、該発電機の端子電圧に応じて無効電流を制御する低電圧制御モードとを有し、該電力系統の系統電圧が予め設定されている所定のモード切替値よりも低下した場合に、該通常運転モードから該低電圧制御モードへ切り替え、該電力系統の系統電圧が基準端子電圧よりも高くなった場合に、該低電圧制御モードから該通常運転モードに切り替える制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、該通常運転モードから該低電圧制御モードへ切り替える場合に、該発電機の力率の状態を検出し、その力率の状態に応じて、該低電圧制御モードから前記通常運転モードへ切り替えるときの前記基準端子電圧を設定する風力発電装置。
2. 前記制御手段は、前記通常運転モードから前記低電圧制御モードへ切り替えたときの前記発電機の力率が誘導性だった場合に、前記基準端子電圧を予め登録されている第１の値に設定し、前記発電機の力率が容量性だった場合に、前記基準端子電圧を該第１の値よりも小さい第２の値に設定する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記第１の値及び前記第２の値は、事前にシミュレーション計算を行い、そのシミュレーションの結果に基づいて決定される請求項２に記載の風力発電装置。

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