JP5354892B2

JP5354892B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP5354892B2
Application number: JP2007304831A
Authority: JP
Inventors: 康宏高田; 功一五十嵐; 千尋岡土; 秀明田中
Original assignee: Nikko Co Ltd; Toshiba IT and Control Systems Corp
Current assignee: Nikko Co Ltd; Toshiba IT and Control Systems Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: JP2009131086A

Description

本発明は、交流電源に系統連系する風力発電装置に関する。

従来、低風速時、したがって低出力電力時において系統連系する風力発電装置として特開２００７−１９５３１５号公報（特許文献１）の記載の装置が知られている。この従来の風力発電装置では、風力発電機の発電電力を整流し、整流出力を昇圧チョッパ回路で系統連系用インバータが必要とする直流電圧まで昇圧し、インバータにて直流交流変換して商用交流電源系統に連系している。

ところが、このような従来の風力発電装置では、系統連系用インバータを常時動作させているので、風が弱くて発電機の発電電力が低出力の時にはインバータを効率の悪い範囲で動作させなければならず、このような低出力動作が多くの時間を占める風力発電装置の場合には、極めて効率の悪い連系への電力変換を行うことになる。この効率の悪さは、特に風況の悪い場所に設置されることが多い小形の風力発電装置では顕著な問題となる。
特開２００７−１９５３１５号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、発電電力が低出力時にも効率の良い電力変換をして系統連系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、風力発電機と、前記風力発電機の交流発電電力を直流に変換する交流直流変換部と、前記交流直流変換部の変換した直流発電電力を所定電流若しくは所定電力の交流に変換して商用交流電源系統に連系するインバータと、前記インバータの直流側に設けられた平滑コンデンサと、前記風力発電機の交流発電電力又は直流発電電力を監視する発電電力検出器と、前記平滑コンデンサの両端電圧を監視する直流電圧検出器と、前記インバータを連続運転モードと間欠運転モードとのいずれかに切り替えて動作させるインバータ制御装置と、前記発電電力検出器の検出する交流発電電力又は直流発電電力が所定値よりも大きい時に前記インバータを連続運転モードにて変換動作させ、前記所定値よりも小さい時に前記インバータを間欠運転モードに切り替え、かつ当該間欠運転モードでは前記直流電圧検出器の検出する前記平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した運転開始用所定値以上に上昇したときだけ変換動作させるインバータ運転モード切替部とを備えた風力発電装置を特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、風力発電機の発電電力が所定値よりも大きい時にはインバータを連続運転モードにて動作させ、所定値よりも小さい時にはインバータを間欠運転モードに切り替え、かつ、平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した所定電圧値以上に上昇したときだけ変換動作させて系統連系するので、発電電力が低出力時にもインバータを効率の良い電流範囲にて変換動作させることができ、発電電力が低出力時にも効率の良い電力変換をして系統連系できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の風力発電装置の回路構成を示している。本実施の形態の風力発電装置は、風により回転する風車１、この風車１の回転力によって発電する発電機２、発電機２の交流発電電力を整流して直流発電電力を出力する整流器３、整流器２の出力からリプル電流を吸収するコンデンサ４を備えている。また、風力発電装置は、電流センサ５、リアクトル６、自己消弧素子７（本実施の形態ではＩＧＢＴ素子）、ダイオード８そしてケミカルコンデンサの大容量コンデンサ９にて構成される昇圧チョッパ回路ＣＨＰを備えている。さらに、風力発電装置は、インバータブリッジ１０、リアクトル１１，１２、コンデンサ１４により構成される系統連系用インバータＩＮＶを備え、この系統連系用インバータＩＮＶの交流出力を商用交流電源系統１５に連系するようにしている。

本風力発電装置は、発電電力に比例する直流発電電圧Ｖ_ＩＮを計測するための電圧検出器２０Ａ、系統連系用インバータＩＮＶの直流電圧Ｖ_ＤＣを計測するための電圧検出器２０Ｂを備えている。

また、本風力発電装置は、昇圧チョッパＣＨＰの制御回路部として、増幅器１７（Ａ_１）、増幅器１８（Ａ_２）、そして自己消弧素子７をＰＷＭゲート駆動するＰＷＭ回路１９を備えている。

また、系統連系用インバータＩＮＶの制御回路部として、増幅器２２（Ａ_３）、掛算器２３、増幅器２４（Ａ_４）、インバータブリッジ１０をＰＷＭゲート駆動するＰＷＭ回路２５、そしてＡＮＤ論理回路２７を備えている。さらに、増幅器２２の出力（Ａ端子）と基準電流Ｉ_Ｒ（Ｂ端子）とを切り替えると同時に、“１”出力（Ｃ端子）とインバータ直流電圧Ｖ_ＤＣ（Ｄ端子）とを切り替えるスイッチ回路２８、直流発電電圧Ｖ_ＩＮの高低にてスイッチ回路２８を切り替え動作させることで連続発電運転モードと間欠発電運転モードとのモード切替を行うＶ_ＩＮレベル検出器２９、インバータ直流電圧Ｖ_ＤＣのレベル検出を行い、間欠運転モード時のインバータＩＮＶの起動／停止を切り替えるＶ_ＤＣレベル検出器３０、系統電源１５の交流波形のゼロクロス点を検出する１サイクル検出器３１、フリップフロップ回路３２（Ｆ／Ｆ）を備えている。このフリップフロップ回路３２はＡＮＤ論理回路２７に“１”又は“０”を出力し、ＰＷＭ回路２５のゲート出力がインバータＩＮＶのインバータブリッジ１０に出力されるのを最終的に接続若しくは切断する。

本実施の形態の風力発電装置による風力発電制御は、次のようにして行う。風車１に接続された発電機２にて風車１の回転速度に比例した交流電力を発電し、この交流電力を整流器３にて整流して直流に変換し、昇圧チョッパ回路ＣＨＰに出力する。この整流器３の出力電圧、すなわちコンデンサ４の両端電圧Ｖ_ＩＮは、電圧検出器２０Ａにて監視している。

整流器３の出力電圧Ｖ_ＩＮは、昇圧チョッパ回路ＣＨＰにて所定電圧まで昇圧して出力し、系統連系用インバータＩＮＶの大容量コンデンサ９に蓄電させる。昇圧チョッパ回路ＣＨＰにおける自己消弧素子７のスイッチング制御にてその出力電圧、すなわち大容量コンデンサ９の両端電圧Ｖ_ＤＣＣを制御する。この大容量コンデンサ９の両端電圧Ｖ_ＤＣＣは、電圧検出器２０Ｂにて監視している。

インバータＩＮＶにおいては、昇圧チョッパ回路ＣＨＰの出力電圧ＶＤＣＣはインバータブリッジ１０により交流電流に変換し、さらにリアクトル１１，１２とコンデンサ１４により高周波フィルタリングした後に系統電源１５に注入する。電流検出器１３は系統電源１５に連携する電流を正弦波状に制御するためのセンサとして使用している。

昇圧チョッパ回路ＣＨＰは次のように動作する。大容量コンデンサ９の両端電圧Ｖ_ＤＣＣを電圧検出器２０Ｂで検出する。この電圧検出器２０Ｂの電圧検出値をＶ_ＤＣとする。この電圧検出値Ｖ_ＤＣを電圧基準Ｖ^＊１６と比較し、その誤差を増幅器１７（Ａ_１）にて増幅して電流基準Ｉ^＊を出力する。この電流基準Ｉ^＊をチョッパ入力電流を検出する電流検出器５の電流検出値Ｉ_ＤＣと比較し、その誤差を増幅器１８（Ａ_２）にて増幅し、ＰＷＭ回路１９にてＰＷＭ信号にして自己消弧素子７をＰＷＭ駆動する。これら増幅器１７，１８とＰＷＭ回路にて電流マイナーループ付電圧制御回路を構成している。

系統連系用インバータＩＮＶは次のように動作する。

（連続運転モード）
風況が良くて風車１が勢いよく回転し、発電機２が十分大きな発電電力を出力している場合、直流発電電圧Ｖ_ＩＮも高くて所定電圧値以上となるので、Ｖ_ＩＮレベル検出器２９は連続運転モード信号を出力してスイッチ回路２８をＡ端子、Ｃ端子側に切り替えた状態にする。

この連続運転モードでは、電圧検出器２０Ｂにて検出した電圧検出値Ｖ_ＤＣを電圧基準Ｖ_Ｒ２１と比較し、その誤差を増幅器２２（Ａ_３）にて増幅し、この増幅器２２（Ａ_３）の出力とトランス２６にて検出した系統電源１５の系統電圧Ｖ_２６とを掛算器２３にて掛け合わせて交流電流基準Ｉ_ＲＡＣを得る。この交流電流基準Ｉ_ＲＡＣと電流検出器１３で検出した電流検出値Ｉ_ＡＣとを比較し、その差を増幅器２４（Ａ_４）にて増幅し、ＰＷＭ回路２５でＰＷＭ信号に変換してインバータブリッジ１０を駆動し、系統連系電流Ｉ_ＡＣをＩ_ＲＡＣに一致するように制御する。

尚、このとき、フリップフロップ回路３２はスイッチ回路２８のＣ端子側から“１”を常時入力されるので、ＡＮＤ論理回路２７の一方の入力は常時“１”が入力されていることになる。したがって、ＡＮＤ論理回路２７の他方の入力にＰＷＭ回路２５のＰＷＭ信号が入力されることで、そのＰＷＭ信号がそのままインバータブリッジ１０に出力され、このインバータブリッジ１０をＰＷＭ動作させて電力変換させることになる。

こうして、連続運転モードでは、Ｖ_ＤＣが少しでも上昇するとＩ_ＲＡＣの振幅が大きくなりＩ_ＡＣが大きくなるように制御し、Ｖ_ＤＣが少しでも下降するとＩ_ＲＡＣが減少してＩ_ＡＣが小さくなるように制御することで、インバータ直流電圧Ｖ_ＤＣ一定の制御を行う。

（間欠運転モード）
図２に系統連系用インバータＩＮＶの出力と効率の特性を示している。インバータＩＮＶの効率は、一般的に出力７０％で最大効率１００％となる設定である。そしてインバータＩＮＶの効率は、特に出力１０％を切る低出力のときには極端に効率が低下する。そこで、本発明では、インバータＩＮＶの出力がこの低出力状態では動作させず、出力がＡ点（約１５％程度）になる電圧Ｖ_ＤＣまで待機させておき、大容量コンデンサ９がインバータＩＮＶにＡ点の出力が出せる電圧になるまで蓄電したところでインバータＩＮＶを動作させる間欠運転制御を行う。

このため、本実施の形態では、Ｖ_ＩＮレベル検出器２９にて低出力状態を判定させてスイッチ回路２８を低出力状態の時にはＢ端子、Ｄ端子側に切り替えさせる。ただし、このＶ_ＩＮレベル検出器２９はヒシテリシスを持たせ、連続運転モードへの切替閾値Ｖ_ＩＮＵＰと間欠運転モードへの切替閾値Ｖ_ＩＮＤＮとは異ならせてチャタリングが発生しないように配慮している。このＶ_ＩＮレベル検出器２９は直流発電電圧Ｖ_ＩＮにて低出力状態を判定する。図３に、風車１の回転数ｎと発電機２の発電電力Ｐとの関係を示してある。一般にＰ≒ｋｎ^３である。この風車１の回転数ｎは、風速、発電機２の発電電力の周波数ｆ、また発電電圧Ｖ_ＩＮともほぼ比例関係にある。そこで、本実施の形態の場合、直流発電電圧Ｖ_ＩＮにて低出力状態を判定するようにしている。

また、後述するように、系統連系して交流電力を系統電源１５に注入する場合、直流成分がないことが連系の条件とされている。そのため、風力発電電力を系統電源１５に注入する時には、１サイクル単位にする。つまり最初のゼロクロス点からはじめて何サイクルか後のゼロクロス点まで整数サイクル単位で系統電源１５に注入する。そして同時に、系統電源１５の波形と同期させる必要もある。

そこで、本実施の形態では、図４の波形図に示したように、Ｖ_ＤＣレベル検出器３０にて大容量コンデンサ９の電圧Ｖ_ＤＣがインバータ起動用の所定電圧閾値Ｖ_ＤＣＵＰを超えたと判断すると（タイミングｔ_１）、フリップフロップ回路３２に出力Ｖ_３０として“１”を出力し始める。そして、１サイクル検出器３１が系統電源１５の変圧電圧Ｖ_２６の１サイクルのゼロクロス点ｘ_１を検出したタイミングｔ_２にてフリップフロップ回路３２が開き、“１”を出力し続ける。こうしてフリップフロップ回路３２の出力Ｖ_３２が“１”であれば、上述したようにＡＮＤ論理回路２７はＰＷＭ回路２５のＰＷＭ信号をスルーさせてインバータブリッジ１０をそのＰＷＭ信号にて動作させる。

インバータＩＮＶが電力変換動作し、低出力発電状態であるので大容量コンデンサ１０の蓄電電荷が消費されるとその両端電圧Ｖ_ＤＣは低下する。そこでＶ_ＤＣレベル検出器３０はＶ_ＤＣが所定のインバータ停止用の電圧閾値Ｖ_ＤＣＤＮ（この閾値としてはインバータ電流Ｉ_ＡＣの波形が歪むようになる点の直前の点に設定する）まで低下すると（タイミングｔ_３）、その直後の１サイクル検出器３１が系統電源１５の変圧電圧Ｖ_２６の１サイクルのゼロクロス点ｘ_２を検出したタイミングｔ_４にてフリップフロップ回路３２を反転させてＶ_３２として“０”を出力させＡＮＤ論理回路２７に与える。これによりＡＮＤ論理回路２７はＰＷＭ信号の出力を停止し、インバータブリッジ１０の動作を停止させる。これにより、インバータブリッジ１０はタイミングｔ_２〜ｔ_４の期間、整数サイクル分だけ系統電源１５と同じ周波数でかつそれに同期した交流Ｉ_ＡＣをこの系統電源１５に注入することになる。

以下、同様にしてタイミングｔ_５にて大容量コンデンサ９の両端電圧Ｖ_ＤＣがインバータ起動用の電圧閾値Ｖ_ＤＣＵＰを超えるとその直後のタイミングｔ_６にてゼロクロス点ｘ_３を検出するとインバータブリッジ１０を再起動させて風力発電電力を系統電源１５に注入し、同様にタイミングｔ_７にてＶ_ＤＣが所定のインバータ停止用の電圧閾値Ｖ_ＤＣＤＮまで低下すると、その直後のタイミングｔ_８にゼロクロス点ｘ_４を検出するとインバータブリッジ１０を停止させる動作を繰り返す。すなわち、インバータＩＮＶを間欠運転動作させて、インバータＩＮＶを常に効率が良い電流範囲で運転する制御を繰り返す。

尚、このような間欠運転モード中に風が強くなり発電電圧Ｖ_ＩＮが上昇すれば、Ｖ_ＩＮレベル検出器２９はスイッチ回路２８を再び連続運転モード側に切り替え、連続運転モードに移行することになる。

本実施の形態の風力発電装置によれば、風力発電電力が少ない期間には間欠運転モードにしてインバータの変換効率が良い点だけで運転し、変換効率が悪い点では運転停止しておく制御をすることで、風力発電装置を常に高効率で運転することができる。

（第２、第３の実施の形態）
図３に示したように風車１の回転数ｎは、発電機２の周波数ｆ、発電電圧Ｖ_ＩＮはほぼ比例関係にあるので、風力発電電力の少ない期間の判定には、直流発電電圧Ｖ_ＩＮに代えて、発電機２の発電電圧の周波数ｆを基準として用いることができる。図５は本発明の第２の実施の形態の風力発電装置を示しており、発電電圧の周波数検出器５１を発電機２の出力線に設け、かつ、Ｖ_ＩＮレベル検出器２９に代えて周波数レベル検出器２９Ａにて図３のように周波数−発電電力特性に基づき発電電力の大小を周波数ｆの大（ｆ＞ｆ_ＵＰ）か小（ｆ＜ｆ_ＤＮ）かにて判定しスイッチ回路２８を切り替える構成にしている。図５において図１と共通する符号を共通の回路要素を示している。

図６は本発明の第３の実施の形態の風力発電装置を示している。風車１の回転数ｎは風力にほぼ比例する。そこで、図６の風力発電装置は、風力発電設備に付設されているモニタ風力計５２の計測する風力計測信号Ｗ_５２を利用して、かつ、Ｖ_ＩＮレベル検出器２９に代えて風力レベル検出器２９Ｂにて発電電力の大小を風力Ｗ_５２の大（Ｗ_５２＞Ｗ_５２ＵＰ）か小（Ｗ_５２＜Ｗ_５２ＤＮ）かにて判定しスイッチ回路２８を切り替える構成にしたものである。図６においても図１と共通する符号を共通の回路要素を示している。

尚、発電機２の交流発電電力を直流発電電力に変換する回路部分については、上記各実施の形態における整流器３、昇圧チョッパ回路ＣＨＰに代えて、図７に示したように交流直流直接変換形コンバータ３３を採用し、図８（Ａ）に示したように整流器３Ａと共に極性反転形昇降圧コンバータ３４を採用し、あるいは図８（Ｂ）に示したように整流器３と共に極性非反転形昇降圧コンバータ３５を採用することもできる。ただし、図７に示した交流直流直接変換形コンバータ３３を採用した場合、直流発電電圧Ｖ_ＩＮを利用せずに、発電電圧の周波数ｆ若しくは風力計の計測信号Ｗ_５２を利用することになる。

本発明の第１の実施の形態の風力発電装置の回路図。一般的な風車発電機の効率特性を示すグラフ。一般的な風車発電機の回転数ｎ、発電電圧Ｖ_ＩＮ、電圧周波数ｆと出力パワーとの関係を示すグラフ。上記実施の形態の風力発電装置による低出力発電制御時の各部の波形図。本発明の第２の実施の形態の風力発電装置の回路図。本発明の第３の実施の形態の風力発電装置の回路図。本発明の第１〜３の実施の形態の風力発電装置における発電機の交流発電電力を直流発電電力に変換する回路部分の変形例であって、交流直流直接変換形コンバータの回路図。図８（Ａ）は、本発明の第１〜３の実施の形態の風力発電装置における発電機の交流発電電力を直流発電電力に変換する回路部分の別の変形例であって、極性反転形昇降圧コンバータの回路図。

図８（Ｂ）は、本発明の第１〜３の実施の形態の風力発電装置における発電機の交流発電電力を直流発電電力に変換する回路部分の別の変形例であって、極性非反転形昇降圧コンバータの回路図。

符号の説明

１風車
２発電機
３整流器
５電流センサ
９コンデンサ
１５交流電源系統
２０Ａ，２０Ｂ電圧検出器
２５ＰＷＭ回路
２６変圧器
２７ＡＮＤ論理回路
２８スイッチ回路
２９Ｖ_ＩＮレベル検出器
３１１サイクル検出器
３２フリップフロップ回路
Ｖ_ＩＮ発電直流電圧
ＣＨＰ昇圧チョッパ
ＩＮＶインバータ

Claims

風力発電機と、
前記風力発電機の交流発電電力を直流に変換する交流直流変換部と、
前記交流直流変換部の変換した直流発電電力を所定電流若しくは所定電力の交流に変換して商用交流電源系統に連系するインバータと、
前記インバータの直流側に設けられた平滑コンデンサと、
前記風力発電機の交流発電電力又は直流発電電力を監視する発電電力検出器と、
前記平滑コンデンサの両端電圧を監視する直流電圧検出器と、
前記インバータを連続運転モードと間欠運転モードとのいずれかに切り替えて動作させるインバータ制御装置と、
前記発電電力検出器の検出する交流発電電力又は直流発電電力が所定値よりも大きい時に前記インバータを連続運転モードにて変換動作させ、前記所定値よりも小さい時に前記インバータを間欠運転モードに切り替え、かつ当該間欠運転モードでは前記直流電圧検出器の検出する前記平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した運転開始用所定値以上に上昇したときだけ変換動作させるインバータ運転モード切替部とを備えたことを特徴とする風力発電装置。
前記インバータ運転モード切替部は、前記間欠運転モードに切り替えている期間、前記インバータをその交流出力が整数サイクル分出力するように間欠運転させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記交流電源系統の１サイクルのゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出器を備え、
前記インバータ運転モード切替部は、前記平滑コンデンサの両端電圧が所定値以上になれば、前記交流電源系統の１サイクルのゼロクロス点で前記インバータの変換動作を開始させ、前記平滑コンデンサの電圧があらかじめ設定した運転停止用所定値以下になった時に、前記交流電源系統の１サイクルのゼロクロス点で前記インバータの変換動作を停止させることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
前記風力発電機の交流発電電力又は直流発電電力を監視する発電電力検出器は、前記直流発電電力の直流電圧を監視する直流電圧検出器であり、
前記インバータ運転モード切替部は、前記直流電圧検出器の検出する直流発電電圧が所定電圧値よりも大きい時に前記インバータを連続運転モードにて変換動作させ、前記所定値よりも小さい時に前記インバータを間欠運転モードに切り替え、かつ当該間欠運転モードでは前記直流電圧検出器の検出する前記平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した運転開始用所定値以上に上昇している期間だけ変換動作させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
前記風力発電機の交流発電電力又は直流発電電力を監視する発電電力検出器は、前記風力発電機の交流発電電力の周波数を検出する周波数検出器であり、
前記インバータ運転モード切替部は、前記周波数検出器の検出する前記発電電力の周波数が所定周波数よりも大きい時に前記インバータを連続運転モードにて変換動作させ、前記所定周波数よりも小さい時に前記インバータを間欠運転モードに切り替え、かつ当該間欠運転モードでは前記直流電圧検出器の検出する前記平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した運転開始用所定値以上に上昇している期間だけ変換動作させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
前記風力発電機の交流発電電力又は直流発電電力を監視する発電電力検出器は、前記風力発電機と共に備えられている風速計であり、
前記インバータ運転モード切替部は、前記風速計の検出する風速が所定風速よりも大きい時に前記インバータを連続運転モードにて変換動作させ、前記所定風速よりも小さい時に前記インバータを間欠運転モードに切り替え、かつ当該間欠運転モードでは前記直流電圧検出器の検出する前記平滑コンデンサの両端電圧があらかじめ設定した運転開始用所定値以上に上昇している期間だけ変換動作させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
前記交流直流変換部として、前記風力発電機の交流発電電力を直流に変換する整流器と、前記整流器の整流出力を所定電圧の直流に変換するコンバータとを備え、
前記コンバータは、直流・直流昇圧変換するコンバータ、極性反転形昇降圧コンバータ若しくは極性非反転形昇降圧コンバータであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
前記交流直流変換部として、前記風力発電機の交流発電電力を直接に直流に変換する直接変換コンバータを備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の風力発電装置。