JP5276709B2 - 風力発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置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。この場合、電力系統側では事故が発生した系統を切り離し、再度健全な系統のみを復旧させる。この間長くても３秒程度である。
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、非特許文献１、非特許文献２に開示の技術が提案されている。
例えば、非特許文献１には、過速度の発生を抑えるために、ブレードのピッチコントロールを利用することが開示されている（非特許文献１の１８０頁 ６行目、および１８１頁の１４行目を参照）。
また、非特許文献１には、過渡的に発電機ロータ巻線に大電流が流れてロータ電流を制御するコンバータを損傷させる可能性を回避するために、コンバータを一旦停止させる技術が開示されている。具体的には、発電機ロータ巻線に所定値以上の電流が流れた場合に、コンバータのスイッチングをオフにする技術が開示されている。また、非特許文献１には、上記事象が発生した場合には、ロータ巻線を短絡させることにより、通常の誘導発電機と同じ動作をさせ、コンバータの制御能力を失わせる技術が開示されている。
また、非特許文献２には、電圧低下時において、無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible
Power Supply）からドライブ回路等に電源を供給することが開示されている。
Vladislav Akhmatov, "Variable-speed Wind Turbineswith Doubly-fed Induction Generators Part II: Power system Stability", WindEngineering Vol.26, No.3, 2002, pp. 171-188 Eric M. Sisa, "Power Outages And Power DipRide- Through", IEEE Annual Texile, Fiber and Film Industry Conference, 1995,pp. 37-43
しかしながら、上記非特許文献１および２には、系統電圧が低下したときの具体的な対応方法が提示されていない。また、補機の取り扱いについても考慮されていない。
本発明は、系統事故発生時においても補機の運転を継続して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。
本発明は、発電機と、前記発電機と電力系統とを接続する電力線に設けられた主ブレーカと、補機と該電力系統とを接続する電力線に設けられた補機ブレーカとを備え、前記補機ブレーカは、低電圧事象に流れる電流を許容し、かつ、前記補機が備えるモータの許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有し、前記主ブレーカは、前記補機ブレーカの耐電流性能よりも優れており、かつ、前記発電機の許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有し、前記低電圧事象とは、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って系統電圧が０Ｖになり、かつ、系統電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象であり、前記補機が備えるモータは、前記低電圧事象に流れる電流よりも高い電流を許容する風力発電装置である。
本発明によれば、補機ブレーカは、低電圧事象による電圧の落ち込みに起因する過電流の発生に耐え得る耐電流性能を有しており、また、主ブレーカは、補機ブレーカよりも優れた耐電流性能を有している。従って、低電圧事象が発生したとしても、いずれのブレーカも解列することなく、電力系統と補機ブレーカとの接続状態、並びに、電力系統と発電機との接続状態を維持することが可能となる。これにより、低電圧事象が発生した場合でも、補機の運転を維持することが可能となる。
主ブレーカの耐電流性能が補機ブレーカの耐電流性能よりも優れているとは、例えば、主ブレーカの電流許容値が補機ブレーカの電流許容値よりも大きく設定されていることをいう。
上記風力発電装置は、複数のブレードと、前記複数のブレードのピッチ角を制御するブレード制御部とを具備し、前記ブレード制御部は、作動可能な駆動電力が供給されている期間において、前記ブレードのピッチ角制御を行うこととしてもよい。
このような構成によれば、ブレード制御部に対して作動可能とする駆動電力が供給されている限り、ブレード制御部によるブレードのピッチ角制御が行われるので、低電圧事象が発生したか否かに拘らず、同じ制御ロジックに従ったブレードのピッチ角制御が継続して行われることとなる。これにより、低電圧事象が発生した場合と発生していない場合とで制御内容を切り替える必要がなくなり、制御の簡素化を図ることができる。
上記風力発電装置は、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制御部とを備え、前記制御部は、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を監視し、該ロータ電流または前記直流電圧が既定の電流閾値または電圧閾値を超えた場合に、前記コンバータおよび前記インバータの作動を停止させることとしてもよい。
このように、コンバータおよびインバータについては、補機や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、低電圧事象のために、新たな機能を追加したり、新たな判断基準を設定する必要がなくなり、通常の制御をそのまま用いることができる。
本発明によれば、系統事故発生時においても補機の運転を継続して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。 ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンの一例を示した図である。 図３に示される電圧低下パターンが発生したときの発電機の出力電圧をシミュレーションにより解析したときの解析結果を示した図である。 図３に示される電圧低下パターンが発生したときの発電機の出力電流をシミュレーションにより解析したときの解析結果を示した図である。 図３に示した発電機の出力電流を定格電流との比で表し、更に、時間軸を拡大して表示した図である。 本発明の一実施形態に係る補機ブレーカ及び発電機のモータの許容電流の関係の一例を示した図である。
符号の説明
１ 風力発電装置
５ 発電機
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
１９ 主制御部
２１ コンバータ駆動制御部
２２ ブレード制御部
２４ トランス
２５ 補機
２７ クローバ回路
３０ 主ブレーカ
４０ 補機ブレーカ
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。ハブ９には、ブレード８を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダに油圧を供給するサーボバルブとが収容されている。サーボバルブの開度によって油圧シリンダに供給される油圧が制御され、これにより、ブレード８が、所望のピッチ角に制御される。
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（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。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。
また、ロータ巻線には、能動整流器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。また、抵抗を介さず直接短絡させることとしてもよい。これによりロータ巻線の電流を減衰させて、能動整流器１４へ過電流が流れないようにしている。
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、コンバータ駆動制御部（制御部）２１に与えられる。
コンバータ駆動制御部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、能動整流器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、コンバータ駆動制御部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。更にコンバータ駆動制御部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＊との差に応答してＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を能動整流器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。
コンバータ駆動制御部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、能動整流器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、低電圧事象のために、新たな機能を追加したり、新たな判断基準を設定する必要がない。
ブレード制御部２２は、主制御部１９から送られるピッチ指令β＊に応答して、ブレード８のピッチ角βを制御する。ブレード８のピッチ角βは、ピッチ指令β＊に一致するように制御される。
ブレード制御部２２は、作動可能な駆動電力が供給されている期間において、ピッチ指令β＊にブレード８のピッチ角βを一致させるように制御を行う。従って、後述する低電圧事象が発生している場合であっても、継続してピッチ角制御を行うことが可能となる。これにより、低電圧事象が発生した場合と発生していない場合とで制御内容を切り替える必要がなくなり、制御の簡素化を図ることができる。また、低電圧事象が発生している期間においても通常のピッチ角制御が継続して行われることにより、過速度発生を回避することができる。
また、電力線において上記電圧／電流センサよりも下流側には、トランス２４が接続されている。このトランス２４は、電力線を介して電力系統１３から受け取った交流電力を降圧して風力発電装置１が備える複数の補機２５に供給する。補機２５としては、例えば、ブレード８のピッチ角βを制御するために使用されるポンプモータ、ファンモータ等が一例として挙げられる。また、トランス２４によって生成された交流電力からさらにＡＣ／ＤＣコンバータ（図示略）を用いて直流電力に変換して、主制御部１９、コンバータ駆動制御部２１、ブレード制御部２２の駆動電力として供給されることとしてもよい。
本実施形態において、各補機２５と電力系統１３とを接続する電力線には、補機ブレーカ４０がそれぞれ設けられている。なお、この構成に代えて、例えば、複数の補機２５に対して１つの補機ブレーカ４０が設けられていてもよいし、全ての補機２５に対して１つの補機ブレーカ４０が設けられていても良い。
また、発電機５と電力系統１３とをつなぐ電力線には、主ブレーカ３０が設けられている。具体的には、主ブレーカ３０は、風車が備える全ての構成要素の中で、電力系統１３に最も近い位置に設けられる。
上記主ブレーカ３０、補機ブレーカ４０は、例えば、タワー２の下方に配置されている連系盤（図示略）の中に配置されている。
次に、本発明の特徴部分である上記主ブレーカ３０及び補機ブレーカ４０の耐電流性能について図を参照して説明する。
補機ブレーカ４０は、低電圧事象に流れる電流を許容し、かつ、補機２５が備えるモータの許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有している。
主ブレーカ３０は、補機ブレーカ４０の耐電流性能よりも優れており、かつ、発電機５の許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有している。
低電圧事象とは、例えば、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って電圧が０Ｖになり、かつ、電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象をいう。この低電圧事象として、例えば、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンが一例として挙げられる。
図３に、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンの一例を示す。図３に示される電圧低下パターンでは、まず、系統電圧Ｖｇｒｉｄが瞬時的に０Ｖに落ち込み、この状態が１５０ｍｓ維持され、その後徐々に電圧が回復し、電圧の瞬時低下時点から約４ｓで系統電圧Ｖｇｒｉｄが回復する。このように系統電圧Ｖｇｒｉｄが変化した場合に、発電機５の出力電圧Ｖおよび出力電流Ｉがどのように変化するのかシミュレーション解析を行った。
その結果を図４及び図５に示す。図４は発電機５の出力電圧Ｖの変化を、図５は、発電機５の出力電流Ｉの変化を示している。図４に示される発電機５の出力電圧Ｖは、図３に示される系統電圧Ｖｇｒｉｄと略同様の変化を見せている。図５に示される発電機５の出力電流Ｉは、系統電圧Ｖｇｒｉｄの瞬時低下に伴い、過電流が瞬時的に流れ、その後、定格電流を跨ぐように変動し、系統電圧Ｖｇｒｉｄが回復してから約数百ｍｓ後に安定する。
図６は、図５に示した発電機５の出力電流Ｉを定格電流との比で表し、更に、時間軸(横軸)を拡大して表示したものである。図６では、１／６０ｓ毎に発電機５の出力電流Ｉの実効値を計算していることから、電流値が階段状に示されている。図６に示されるように、図３に示した電圧低下パターンの低電圧事象が発生した場合には、最大で５．５倍程度の電流が１／６０秒間流れることがわかる。
従って、図３に示される電圧低下パターンに対応するためには、少なくとも定格に対して５．５倍の過電流が流れた場合でも解列しない程度の耐電流性能を、補機ブレーカ４０が有している必要がある。
なお、図３に示した低電圧事象の電圧低下パターンは、あくまでも一例であり、補機ブレーカ４０は、例えば、ＬＶＲＴの要求による電圧低下パターンを全て克服する耐電流性能を有する必要がある。
次に、図７に、補機ブレーカ及び補機のモータの許容電流の関係の一例を示す。図７において、横軸は、補機のモータ電流の定格電流に対する倍率を、縦軸は許容時間（秒）をそれぞれ示している。
図７に示されるように、補機ブレーカ４０の最大許容電流は、モータの許容電流に比べて低く設定されており、かつ、低電圧発生時のモータ過渡電流に比べて高く設定されている。
また、図示していないが、主ブレーカの耐電流特性は、発電機の許容電流よりも小さく、補機ブレーカ４０よりも高い設定とされている。
図７における低電圧発生時のモータ過渡電流は、例えば、上述した過渡解析を行った結果を示したものでもよいし、また、上記過渡解析を行わずに発電機モータの３相短絡時の電流を計算することから求めることとしてもよい。
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１によれば、補機ブレーカ４０及び主ブレーカ３０が、低電圧事象による電圧の落ち込みに起因する過電流の発生に耐え得る耐電流性能を有しているので、低電圧事象が発生したとしても解列することなく、電力系統１３と各補機２５との接続、並びに、電力系統１３と発電機５との接続状態を維持することが可能となる。これにより低電圧事象が発生している期間においても補機２５を通常通りに運転することが可能となる。すなわち、低電圧事象が発生している期間に補機類の開閉をする必要がないという利点がある。
更に、コンバータ駆動制御部２１及びブレード制御部２２についても、低電圧事象が発生している期間において通常の制御を継続して行うので、低電圧事象のために新たな制御ロジックを用意することなく、従来と同様の構成によってブレード８のピッチ角制御、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７の制御を行うことが可能となる。

Claims (3)

  1. 発電機と、
    前記発電機と電力系統とを接続する電力線に設けられた主ブレーカと、
    補機と該電力系統とを接続する電力線に設けられた補機ブレーカと
    を備え、
    前記補機ブレーカは、低電圧事象に流れる電流を許容し、かつ、前記補機が備えるモータの許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有し、
    前記主ブレーカは、前記補機ブレーカの耐電流性能よりも優れており、かつ、前記発電機の許容電流を超えない範囲の耐電流性能を有し、
    前記低電圧事象とは、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って系統電圧が０Ｖになり、かつ、系統電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象であり、
    前記補機が備えるモータは、前記低電圧事象に流れる電流よりも高い電流を許容する風力発電装置。
  2. 複数のブレードと、
    前記複数のブレードのピッチ角を制御するブレード制御部と
    を具備し、
    前記ブレード制御部は、作動可能な駆動電力が供給されている期間において、前記ブレードのピッチ角制御を行う請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 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制御部と
    を備え、
    前記制御部は、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を監視し、該ロータ電流または前記直流電圧が予め設定されている電流閾値または電圧閾値を超えた場合に、前記コンバータおよび前記インバータの作動を停止させる請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
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