JP5186039B2 - 風力発電装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置およびその制御方法に関するものである。
風車が連系している電力系統で事故が発生すると瞬間的に系統電圧が低下する。系統電圧が低下すると風車では以下の事象が発生する。
１）発電機出力が瞬時に低下するため、過速度が発生する。
２）発電機に過渡的に大電流が流れる。
３）補機の電動機にも過渡的に大電流が流れる。
このような事象に対して風車を安全に運転するために、例えば、風車翼のピッチ角をフェザー側に移動させるフェザリングと呼ばれる制御が一般的に行われている。
また、系統電圧が低下すると、発電機のステータ電流やロータ電流が増加する。従って、これらの電流増加を抑えるために、クローバ回路等を作動させて、発電機のロータ巻線を短絡させ、コンバータ素子等を過電流から保護することが一般的に行われている。
しかしながら、上述したような発電機の状態で、系統電圧が回復すると、そのときのすべりに応じて大きな電流が流れるとともに、大きなトルクが発生する。
図４に、誘導機のすべりに対するトルクおよび電流の関係を示す。図４に示すように、すべりが大きくなると、トルクおよび電流が共に大きくなることがわかる。
ここで、すべりとは、以下の（１）式で表されるパラメータである。
すべり＝（同期回転数−誘導機回転数）／同期回転数 （１）
すべりがゼロよりも大きいときには、誘導機は電動機として働き、すべりがゼロよりも小さいときには、誘導機モータは発電機（回生運転）として働く。
本発明は、系統電圧の回復時におけるトルクの上昇を抑制し、トルクによる機器への荷重を低減させることのできる風力発電装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、発電機と、前記発電機ロータの出力を三相交流電力から直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する電力制御部とを備え、前記電力制御部が、前記発電機のロータ電流または前記コンバータにより変換された直流電圧に基づいて、前記コンバータおよび前記インバータの作動の停止／再開を制御する風力発電装置であって、風車翼のピッチ角を制御するブレード制御部を有し、前記ブレード制御部は、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する風力発電装置である。
このように、コンバータおよびインバータについては、電力系統の状態に拘らず、発電機のロータ電流または前記コンバータにより変換された直流電圧の状態に応じて作動の停止が決められる。この制御は、従来から一般的に行われている制御である。従って、系統電圧が低下したか否かを検出するための新たなセンサ等を設ける必要がなく、従来の技術を用いて系統電圧の低下等を検知することができる。そして、コンバータ等の作動が停止した場合には、ブレード制御部は、発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御するので、系統電圧が回復し、コンバータおよびインバータの制御が再開されたときにおける大きなトルクの発生あるいは反負荷トルクの発生を防止することが可能となる。これにより、トルクによる機器への荷重を低減させることができる。
上記風力発電装置は、前記発電機のロータ巻線に接続され、該ロータ巻線を流れる電流が既定の電流閾値以上となった場合または前記コンバータにより変換された直流電圧が既定の電圧閾値以上となった場合に作動して、ロータ巻線を短絡させるクローバ回路を有し、前記ブレード制御部は、前記クローバ回路が作動し、かつ、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、前記クローバ回路が作動停止し、かつ、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御することとしてもよい。
このように、クローバ回路を有している場合には、コンバータおよびインバータの作動状態の他、クローバ回路の作動状態を考慮して風車翼のピッチ角制御を切り替えることとしても良い。
本発明の第２の態様は、発電機と、前記発電機ロータの出力を三相交流電力から直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する電力制御部とを備え、前記電力制御部が、前記発電機のロータ電流または前記コンバータにより変換された直流電圧に基づいて、前記コンバータおよび前記インバータの作動の停止・再開を制御する風力発電装置の制御方法であって、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する風力発電装置の制御方法である。
本発明によれば、系統電圧の回復時におけるトルクの上昇を抑制し、トルクによる機器への荷重を低減させる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。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の制御について説明したフローチャートである。 誘導機のすべりに対するトルクおよび電流の関係を示した図である。
符号の説明
１ 風力発電装置
３ ナセル
５ 風車翼
６ 発電機
１３ 電力系統
１４ コンバータ
１５ ＤＣバス
１６ インバータ
１７ ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ
２１ 電力制御部
２２ ブレード制御部
２７ クローバ回路
以下に、本発明に係る風力発電装置及びその制御方法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、支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状に３枚の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力がナセル３内に収容された発電機によって電気エネルギーに変換されるようになっている。
また、ナセル３には、風速風向計（図示略）が設けられている。風速風向計は、風速と風向とを測定する。ナセル３は、風速風向計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６及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態において、発電機（誘導機）６は、発電機６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に出力できるように構成されている。具体的には、発電機６は、そのステータ巻線が電力系統１３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、コンバータ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。コンバータ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。コンバータ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。
また、ロータ巻線には、コンバータ１４の過電流保護のためのクローバ回路２７が接続されている。クローバ回路２７は、ロータ巻線を流れる電流またはＤＣバス１５の電圧が既定の閾値を越えた場合に作動し、ロータ巻線を抵抗を介して短絡させる。これによりロータ巻線の電流を減衰させて、コンバータ１４へ過電流が流れないようにしている。なお、抵抗を介さず直接短絡させることとしてもよい。
また、発電機５を電力系統１３に接続する電力線には、発電機５の出力電圧Ｖと出力電流Ｉとを計測する電圧／電流センサ（図示略）が設けられている。この電圧／電流センサの計測値は、電力制御部２１に与えられる。
電力制御部２１は、有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊に応答して出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御するべく、コンバータ１４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、電力制御部２１は、電圧／電流センサによって測定された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから、有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更に電力制御部２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ＊との差をゼロとするようなＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号をコンバータ１４に供給する。これにより、有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。
電力制御部２１は、発電機ロータ電流およびＤＣリンク電圧をモニタしており、これらの値が予め設定されている電流閾値、電圧閾値を超えたときに、クローバ回路２７を作動させるとともに、コンバータ１４およびインバータ１６のスイッチングをオフにする。この制御は、一般的に行われているものである。
このように、系統電圧の挙動に応じて、クローバ回路２７等を作動させるのではなく、上記発電機ロータ電流およびＤＣリンク電圧の挙動により制御内容を切り替えるので、系統電圧が低下したことを検知するために、新たな機能を追加したり、新たな判断基準を設定したりする必要がない。
ブレード制御部２２は、ピッチ指令β＊に応答して、風車翼５のピッチ角βを制御する。具体的には、ブレード制御部２２は、ピッチ指令β＊に風車翼５のピッチ角βを一致させるように制御を行う。
次に、系統電圧が低下した場合における本実施形態に係る風力発電装置の制御方法について図３を参照して説明する。
まず、系統側に事故等が発生し、系統電圧が低下すると、発電機６のロータ電流が増加するとともに、ＤＣリンク１５の電圧（換言すると、コンバータ１４により変換された直流電圧）が増加する。
電力制御部２１は、発電機６のロータ電流が予め設定されている電流閾値以上であるか否か、および、ＤＣリンク１５の電圧が予め設定されている電圧閾値以上であるか否かを判定し（ステップＡＳ１）、これら電流および電圧の少なくとも一方がそれぞれの閾値を超えていた場合に（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、クローバ回路２７を作動させるとともに、コンバータ１４およびインバータ１６の作動を停止させる（ステップＳＡ２）。
これにより、クローバ回路２７が作動し、ロータ巻線が抵抗を介して短絡させられる。また、コンバータ１４およびインバータ１６の駆動が停止させられることにより、電力系統１３への電力供給が停止する。
また、電力制御部２１は、クローバ回路２７を作動させた旨の信号をブレード制御部２２に出力する。ブレード制御部２２は、クローバ回路２７の作動開始を受けると、発電機６の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御する（ステップＳＡ３）。これにより、発電機６の回転数は、同期回転数または同期回転数以上に維持される。
次に、系統電圧が回復し、電力制御部２１が、ロータ電流が所定の設定値以下になるか、またはＤＣリンク１５の電圧が所定の設定値以下と判定すると（ステップＳＡ４において「ＹＥＳ」）、電力制御部２１は、クローバ回路２７の作動を停止させるとともに、コンバータ１４およびインバータ１６の駆動を再開させる（ステップＳＡ５）。
また、電力制御部２１は、クローバ回路２７の作動を停止させた旨の信号をブレード制御部２２に出力する。ブレード制御部２２は、クローバ回路２７の作動停止を受けると、風車翼のピッチ角制御を通常モードに戻す（ステップＳＡ６）。即ち、ブレード制御部２２は、風速、発電機６の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する。
このように、本実施形態に係る風力発電装置及びその制御方法によれば、コンバータ１４およびインバータ１６が停止している期間において、発電機の回転数が同期回転数となるように風車翼のピッチ角を制御するので、系統電圧が復帰し、コンバータ１４およびインバータ１６が駆動を開始したときにおける発電機６のすべりをゼロまたはゼロに近い値とすることができる。
これにより、系統電圧の回復時に過渡的に発生するトルクの増加を抑制することができ、トルク増加による機器への影響を回避することが可能となる。特に、トルク上昇による増速機の歯車への影響を回避することが可能となる。
なお、上記実施形態では、コンバータ１４及びインバータ１６の作動が停止され、かつ、クローバ回路２７が作動した場合に、風車翼のピッチ角制御を切り替えていたが、これに代えて、例えば、コンバータ１４及びインバータ１６の作動が停止されるか、或いは、クローバ回路２７が作動した場合に、発電機６の回転数が同期回転数または同期回転数以上になるように風車翼のピッチ角を制御することとしてもよい。
また、クローバ回路を作動させる条件と、コンバータ１４およびインバータ１６の作動を停止させる条件とを異ならせてもよい。

Claims (3)

  1. 発電機と、前記発電機ロータの出力を三相交流電力から直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する電力制御部とを備え、前記電力制御部が、前記発電機のロータ電流または前記コンバータにより変換された直流電圧に基づいて、前記コンバータおよび前記インバータの作動の停止・再開を制御する風力発電装置であって、
    風車翼のピッチ角を制御するブレード制御部を有し、
    前記ブレード制御部は、
    前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、
    前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する風力発電装置。
  2. 前記発電機のロータ巻線に接続され、該ロータ巻線を流れる電流が既定の電流閾値以上となった場合または前記コンバータにより変換された直流電圧が既定の電圧閾値以上となった場合に作動して、ロータ巻線を短絡させるクローバ回路を有し、
    前記ブレード制御部は、
    前記クローバ回路が作動し、かつ、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、
    前記クローバ回路が作動停止し、かつ、前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 発電機と、前記発電機ロータの出力を三相交流電力から直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する電力制御部とを備え、前記電力制御部が、前記発電機のロータ電流または前記コンバータにより変換された直流電圧に基づいて、前記コンバータおよび前記インバータの作動の停止・再開を制御する風力発電装置の制御方法であって、
    前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が停止された場合に、前記発電機の回転数が同期回転数または同期回転数以上となるように、風車翼のピッチ角を制御し、
    前記電力制御部によって、前記コンバータおよび前記インバータの作動が再開された場合に、風速、前記発電機の回転数、および要求出力の少なくともいずれか一つに基づいて決定される目標ピッチ角に一致するように、風車翼のピッチ角を制御する風力発電装置の制御方法。
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