JP5409335B2 - 風力発電システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流励磁型風力発電システムの同期遮断器が故障した場合に、同期遮断器の故障を検知してコンバータの運転を止めることで、交流励磁型風力発電システムを過電流や過電圧から保護するための装置およびその制御方法に関する。

発電装置に用いられる交流励磁型発電機は、コンバータで回転子巻線をすべり周波数（系統周波数と回転周波数の差）で交流励磁することで、回転子の励磁により固定子側に発生する電圧を系統周波数と同じ周波数にすることができる。そして、回転子の励磁周波数（すべり周波数）を可変にすることで、風車の回転数を可変にすることができるとともに、電力変換器の容量を発電機の容量にくらべて小さくすることができるなどの利点がある。

しかしながら、交流励磁型発電機の同期遮断器に故障がある場合、発電機の運転モードと遮断器の開閉状態が一致せず、固定子過電圧や回転子過電流の影響で、遮断器以外の機器にも故障をきたしてしまう問題が発生してしまう。

〔特許文献１〕では、系統電圧と発電機の固定子電圧を同期遮断器投入の判定に用いることが示されているが、同期遮断器の故障判定に用いられる事例はない。

特開２００９−２７７６６号公報

本発明で解決しようとする問題点は、交流励磁型風力発電システムの同期遮断器に故障が発生した場合に、故障を検知することでコンバータの運転を停止して、システム全体を過電流や過電圧から保護する風力発電システムおよびその制御方法を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明は交流励磁型発電機の固定子を遮断器を介して電力系統に接続し、該交流励磁型発電機の回転子に交流励磁用コンバータを接続し、該交流励磁型発電機の回転子をタービンに接続してタービンの動力で回転子を回転させ、該交流励磁型発電機の固定子と電力系統に接続された系統側コンバータと、該系統側コンバータの直流部分を前記交流励磁用コンバータの直流部分に接続し、前記交流励磁用コンバータと前記系統側コンバータを制御するための制御装置と、該制御装置が前記交流励磁用コンバータを制御することにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧と系統電圧を同期させて遮断器を投入する手段を備えた風力発電システムにおいて、前記制御装置は、前記遮断器の動作信号と固定子電圧，系統電圧から故障を判定する故障検出手段を備え、前記遮断器の故障を検出した場合には、前記系統側コンバータおよび前記励磁用コンバータの運転を停止することを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムおいて、前記制御装置は、前記遮断器を開閉するための遮断器開閉信号を送る手段を備え、前記遮断器は前記制御装置から遮断器開閉信号を受け取ったことを前記制御装置に知らせるための開閉状態信号を送る手段を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムおいて、前記制御装置は、系統電圧と固定子電圧を検出する手段と、該系統電圧と該固定子電圧の差を取る手段を備え、該系統電圧と該固定子電圧の差が所定の値を超えた場合に前記遮断器の故障と判定する機能を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムおいて、前記制御装置は、前記遮断器開閉信号に対して前記開閉状態信号が所定の時間の後も返ってこなかった場合に、前記遮断器の故障と判定する手段を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムおいて、前記制御装置は、前記遮断器の故障を検出した場合に、故障したことをモニタ装置に表示することを特徴とするものである。

また、上記課題を達成するために、本発明は交流励磁型発電機の固定子を遮断器を介して電力系統に接続し、該交流励磁型発電機の回転子に交流励磁用コンバータを接続し、該交流励磁型発電機の回転子をタービンに接続してタービンの動力で回転子を回転させ、該交流励磁型発電機の固定子と電力系統に接続された系統側コンバータと、該系統側コンバータの直流部分を前記交流励磁用コンバータの直流部分に接続し、前記交流励磁用コンバータと前記系統側コンバータを制御するための制御装置と、該制御装置が前記交流励磁用コンバータを制御することにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧と系統電圧を同期させて遮断器を投入する手段を備えた風力発電システムの制御方法において、前記制御装置は、前記遮断器の動作信号と固定子電圧，系統電圧から故障を判定する故障検出手段を備え、前記遮断器の故障を検出した場合には、前記系統側コンバータおよび前記励磁用コンバータの運転を停止することを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムの制御方法において、前記制御装置は、前記遮断器を開閉するための遮断器開閉信号を送る手段を備え、前記遮断器は前記制御装置から遮断器開閉信号を受け取ったことを前記制御装置に知らせるための開閉状態信号を送る手段を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムの制御方法において、前記制御装置は、系統電圧と固定子電圧を検出する手段と、該系統電圧と該固定子電圧の差を取る手段を備え、該系統電圧と該固定子電圧の差が所定の値を超えた場合に前記遮断器の故障と判定する機能を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は風力発電システムの制御方法において、前記制御装置は、前記遮断器開閉信号に対して前記開閉状態信号が所定の時間の後も返ってこなかった場合に、前記遮断器の故障と判定する手段を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、同期遮断器故障による過電流や過電圧を防止する交流励磁型風力発電システムおよびその制御方法提供できる。

風力発電装置の回路構成。 系統側コンバータ２０８−１の制御構成。 発電機側コンバータ２０８−２の制御構成。 位相検出器ＴＨＤＥＴの説明図。 切り替え器ＳＷの説明図。 遮断器２２０の動作ケースの説明図。 遮断器２２０の動作ケース１から４のフローチャート。 遮断器２２０の動作ケース５から８のフローチャート。 モニタ装置７００の説明図。

図１を用いて、本発明の１実施例の装置構成を説明する。なお、図１は多相交流回路を単線結線図で示したものである。

風力発電装置２００は、送電線を介して電力系統１００に接続される。風力発電装置２００は主に、交流励磁型の発電機２０２，翼２０４，風車制御装置２０６，コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０から構成される。

翼２０４は、発電機２０２の回転子にギア２１２を介して機械的に接続される。発電機２０２の回転子巻線はコンバータ２０８と電気的に接続される。

風車制御装置２０６は、風速検出や翼２０４の角度制御，有効電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefなどの運転指令信号ＯＰＳを演算する。

前記風車制御装置２０６で作成された無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐref、前記運転／停止指令値Ｒun、翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳは、コンバータ制御装置２１０や翼角度変更装置に伝送される。

コンバータ制御装置２１０は、指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、発電機２０２と電力系統１００との間の電力（発電電力，無効電力）を制御する。

前記コンバータ制御装置２１０の電源は、トランス２１８を介して供給される。

次に、コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０について簡単に説明する。発電機２０２の固定子側の３相出力は、外部信号ＳＧ１によって開閉可能な例えば遮断器２２０と系統連系用トランス２１６と遮断器２１４を介して電力系統１００に接続される。また連系用トランス２１６は、遮断器２２２，交流フィルタ回路２２４を介して、系統側のコンバータ２０８−１に接続される。

コンバータ２０８−１の直流回路２２６はコンバータ２０８−２の直流回路にも接続され、前記コンバータ２０８−２の交流出力は、ｄＶ／ｄｔ抑制用のリアクトル２２８を介して発電機２０２の回転子巻線に接続される。

前記遮断器２１４は、例えば、風力発電装置２００を保護するため、電流過大が継続する時に遮断器２１４を開放して電流を遮断する機能や、風力発電装置２００を完全停止させて系統１００から電気的に切り離すために使用される。

発電機側コンバータ２０８−２および系統側コンバータ２０８−１は、例えば半導体のスイッチング素子（サイリスタ，ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳ，ＳｉＣなど）を用いて構成されており、交流を直流に変換または直流を交流に変換する機能を備える。

また、前記系統側コンバータ２０８−１の交流入力端子には、リアクトルやコンデンサで構成された、高調波電流，高調波電圧を減衰させる交流フィルタ回路２２４が設置される。
発電機２０２の回転部分には、ギア２１２を介して風力発電用の翼２０４に接続されており、風の力を受けて回転する。また、回転部分には、回転位置を検出する、例えばエンコーダなどの位置検出器が接続され、回転数信号ωが出力される。検出した回転数信号ωは、風車制御装置２０６とコンバータ制御装置２１０に入力される。

次に、発電電力を制御するための配線および装置について説明する。連系用トランス２１６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧センサ２３２ａ，電流センサ２３４ａによりその値を低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹ，低電圧の電流検出値ＩＳＹに変換され、前記低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹおよび電流検出値ＩＳＹはコンバータ制御装置２１０に入力される。前記コンバータ制御装置２１０は、系統電圧検出値ＶＳＹと電流検出値ＩＳＹからシステムが出力する電力を演算し、有効電力指令値Ｐref，無効電力指令値Ｑrefと一致するようにコンバータ２０８を制御する。

前記コンバータ２０８−１，２０８−２の直流回路２２６に接続されたコンデンサＣｄの電圧は、電圧センサにより低電圧の直流電圧信号ＶＤＣに変換され、直流電圧信号ＶＤＣはコンバータ制御装置２１０に入力される。

また、コンバータ２０８−２の出力電流ＩＲは電流センサ２３４ｄにより検出され、コンバータ２０８−１の入力電流ＩＧは電流センサ２３４ｃにより検出され、出力電流ＩＲおよび入力電流ＩＧはコンバータ制御装置２１０に伝送される。

また、コンバータ制御装置２１０は、遮断器２２０，２２２を、それぞれ開閉指令信号ＳＧ１、ＳＧ２で制御し、また、半導体スイッチング素子で構成されるコンバータ２０８−１，２０８−２のそれぞれを駆動制御するパルス信号Ｐ１，Ｐ２を出力する。

前記制御装置２１０の発電機側コンバータ２０８−２の制御は、出力電流ＩＲを制御するための電流制御系を備え、コンバータ２０８−２をパルス信号Ｐ２で駆動して、出力電流ＩＲを制御する。

次に、図２から図３を用いて制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。

図２はコンバータ２０８−１の制御構成を示す。コンバータ２０８−１は、平滑コンデンサＣｄの直流電圧信号ＶＤＣを一定に制御する機能を持つ。このため、コンバータ２０８−１は、系統電圧検出値ＶＳＹの位相を検出し、検出した電圧位相を用いて電流を有効分，無効分に分けてベクトル制御して、系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。

発電機励磁用コンバータ２０８−２が直流電力を使用して平滑コンデンサＣｄのエネルギーを消費して直流電圧信号ＶＤＣが低下すれば、系統側コンバータ２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整して平滑コンデンサＣｄを充電して直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作し、逆に電力変換器２０８−２が直流電力を充電して直流電圧信号ＶＤＣが上昇する場合には電力変換器２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電するため有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整し、直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作する。

コンバータ２０８−１が運転を開始する前に、直流電圧の初充電回路（図示していない）から直流電圧信号ＶＤＣを充電し、その後、遮断器２２２の投入指令の開閉指令信号ＳＧ２が出力され、コンバータ２０８−１は系統に接続される。

前記系統電圧検出値ＶＳＹは、位相検出器ＴＨＤＥＴと３相２相変換器３２ＴＲＳに入力される。前記位相検出器ＴＨＤＥＴは、系統の電圧に追従する位相信号ＴＨＳ（ＴＨＳ：系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの位相信号）を演算し、前記位相信号ＴＨＳを３相ＤＱ座標変換器３ＤＱ，２ＤＱ、２相３相回転座標変換器ＤＱ２３に出力する。

直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと前記直流電圧信号ＶＤＣは直流電圧調整器ＤＣＡＶＲ（たとえば比例積分制御器ＰＩにより構成）に入力される。前記直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは入力された指令値ＶＤＣＲＥＦと直流電圧信号ＶＤＣの偏差が零になるように出力のｐ軸電流指令値（有効分電流指令値）Ｉpnstrを調整し、電流調整器ＡＣＲ２に出力する。

３相ＤＱ座標変換器３ＤＱは入力された入力電流ＩＧから（数１））に示す３相２相変換式および（数２））に示す回転座標変換式を用いて、ｐ軸電流検出値Ｉpn（有効電流）とｑ軸電流検出値Ｉｑｎ（無効電流）を演算し、ｐ軸電流検出値Ｉpnを電流調整器ＡＣＲ２に、ｑ軸電流検出値Ｉqnを電流調整器ＡＣＲ１に出力する。なお、図２中の入力電流ＩＧは単線で記載してあるが、実際はＩＧＵ，ＩＧＶ，ＩＧＷの三相交流成分である。系統電圧検出値ＶＳＹも同様に三相の信号である。

ここで、添え字Ｕ，Ｖ，Ｗは三相交流の各相を表し、例えば、入力電流ＩＧのＵ相電流はＩＧＵと表記する。以降電圧なども同様（系統電圧検出値ＶＳＹのＵ相はＶＳＹＵなど）である。

前記電流調整器ＡＣＲ２は、前記ｐ軸電流指令値Ｉpnstrと前記ｐ軸電流検出値Ｉpnの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖpn０を調整し、加算器３００に出力する。同様に、前記電流調整器ＡＣＲ１は、ｑ軸電流指令値（＝０）と前記ｑ軸電流検出値Ｉqnの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqn０を調整し、加算器３０２に出力する。ここで前記電流調整器（ＡＣＲ１，ＡＣＲ２）はたとえば比例積分（ＰＩ）制御器により構成できる。

前記３相２相変換器３２ＴＲＳは入力された系統電圧検出値ＶＳＹから（数３）に示した変換式を用いて、α成分Ｖｓαとβ成分Ｖｓβを演算し、さらに（数４）を用いてｐ軸電圧検出値（系統電圧ベクトルに一致する位相成分）Ｖpsとｑ軸電圧検出値（前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsと直交する成分）Ｖqsを演算し、それぞれを前記加算器３００，３０２に出力する。

前記加算器３０２は、前記ｐ軸電圧指令値Ｖpn０と前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。同様に前記加算器３０２は、前記ｑ軸電圧指令値Ｖqn０と前記ｑ軸電圧検出値Ｖqsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。

前記２相３相座標変換器ＤＱ２３は、前記位相信号ＴＨＳと、前記各加算器の結果Ｖpn，Ｖqnを入力し、（数５）および（数６））に示した変換式により前記変換器ＤＱ２３の出力する電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを演算し、パルス演算器ＰＷＭに出力する。パルス演算器ＰＷＭは電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを三角波を代償比較して、パルスＰ１＿Ｕ，Ｐ１＿Ｖ，Ｐ１＿Ｗを作成し、系統側コンバータ２０８−１を制御する。

次に、図３を用いて制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。

発電機２０２の回転数および位置を示す回転数信号ωは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルスを計数して位相信号に換算するとともに、位相信号を一回転に一回のパルス（例えばＡＢＺ方式のエンコーダではＺ相パルス）で０にリセットし、０から３６０度の位相信号ＲＴＨを加算器４００に出力する。

位相信号ＲＴＨと同期制御器ＳＹＮＣの出力位相信号ＬＴＨは加算器４００で加算されて位相信号ＴＨとなり、位相信号ＴＨは前記位相信号ＴＨＳ（コンバータ２０８−１の制御で説明した）とともに励磁位相演算器ＳＬＤＥＴに入力される。

前記励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは、前記位相信号ＴＨとＴＨＳを減算し、さらに発電機の極対数ｋ倍（ＴＨＲ＝ＴＨＳ−ｋ×ＴＨ）、換算して発電機の回転子の電気角周波数の位相信号ＴＨＲを出力する。

電力演算器ＰＱＣＡＬは、電流検出値ＩＳＹを前記数１と同じ変換行列により変換し、得られたα軸電流Ｉｓαと、β軸電流Ｉｓβと、前記式３により計算されたα軸電圧検出値Ｖｓαと、β軸電圧検出値Ｖｓβとを入力し、数７により、システムの有効電力Ｐｓと無効電力Ｑｓを演算する。

有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力Ｐｓと風力発電装置の有効電力指令Ｐrefを入力し、前記有効電力指令値Ｐrefと前記電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値Ｉｐ０を出力する。ここでは、有効電力指令の例で説明するが、トルク指令の場合は、トルク指令に発電機の回転数を乗じて有効電力指令に変換して制御することが可能である。有効電力制御はトルク制御と異なり、回転数が変化してもその影響を受けずに出力電力を一定に制御できる。

また、無効電力調整器ＡＱＲは、無効電力検出値Ｑｓと風力発電装置の無効電力指令値Ｑrefを入力し、前記無効電力指令値Ｑrefと前記無効電力検出値Ｑｓの偏差を零にするように出力の励磁電流指令値Ｉｑ０を出力する。ここで前記電力調整器ＡＰＲ，ＡＱＲはたとえば比例積分器により構成できる。

前記有効／無効電力調整器の各出力の電流指令値Ｉｐ０およびＩｑ０は切り換え器ＳＷに入力される。

次に、電圧調整器ＡＶＲについて説明する。電圧調整器ＡＶＲは、発電機固定子電圧ＶＳＴの振幅値Ｖpkをフィードバック値とし、系統電圧検出値ＶＳＹの振幅値にフィルタＦＩＬを通した値Ｖrefを指令値として入力し、前記発電機ＶＳＴの振幅値と前記指令値の偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を前記切り換え器ＳＷに出力する。ここで前記電圧調整器ＡＶＲはたとえば比例積分制御器により構成できる。この電圧調整器ＡＶＲは、遮断器２２０が開状態で動作させ、系統電圧の振幅値に発電機２０２の固定子電圧の振幅値を一致させるために、コンバータ２０８−２から発電機２０２の二次側に流す励磁電流指令値を調整する。

次に、図４を用いて、前記位相検出器ＴＨＤＥＴを説明する。位相検出器ＴＨＤＥＴは、系統電圧検出値ＶＳＹを入力し、３相２相変換３２ＴＲＳにて（数３）で示した計算を行い、２相の電圧信号ＶｓαとＶｓβに変換する。回転座標変換器ＡＢＤＱは、前記２相信号ＶｓαとＶｓβを入力し、（数４）で示した座標変換式にてＶpsとＶqsを演算する。演算した位相ＴＨＳが系統電圧のＵ相に一致していれば、Ｖqsはゼロになることを利用して、Ｖqsがゼロとなるように位相を補正する。そのため、Ｖqsをゼロと比較して周波数補正指令ＯＭＧ０を作成する。周波数補正値ＯＭＧ０は積分器に入力され、積分器ＴＨＣＡＬで積分することで周波数信号ＯＭＧ０を位相信号ＴＨＳに変換する。

図５は切り替え器ＳＷの構成を示す。ＳＷは前記電力調整器ＡＰＲおよびＡＱＲの出力（Ｉｐ０およびＩｑ０）を使用する通常発電運転モードか、または、有効分電流指令値に零を、励磁電流指令値に電圧調整器の出力Ｉｑ１を使用する系統同期運転モードのいずれかを出力するかを決定する。

切り替え器ＳＷは遮断器２２０が投入される前（すなわち発電機固定子電圧を系統電圧に同期させる電圧同期運転時、投入信号ＳＧ０＝“ｂ”）は、有効分電流指令値Ｉpr_rに零、励磁電流指令値Ｉqr_rに電圧調整器の出力Ｉｑ１を使用し、遮断器２２０を投入してから（投入信号ＳＧ０＝“ａ”の状態）は各電力調整器ＡＰＲ，ＡＱＲの出力Ｉｐ０，Ｉｑ０を選択する。

また、同期制御器ＳＹＮＣは、遮断器２２０が開放状態のとき、前記系統電圧検出値ＶＳＹと前記発電機固定子電圧検出値ＶＳＴから、発電機の電圧振幅が同期しているか判定する機能と、さらに系統電圧と固定子電圧の位相が異なる場合は、それを補正するための位相補正信号ＬＴＨを出力する機能と、系統電圧と固定子電圧の位相が所定の範囲に入り、同期しているかを判定する機能を備え、遮断器の動作信号ＳＧ１と制御切替信号ＳＧ０を出力する。信号ＳＧ１により遮断器２２０が閉状態となったとき、前記位相補正信号ＬＴＨはそのときの値を保持する。

この同期制御器の機能により、発電機２０２が系統に接続する前に、系統電圧と同期することができ、また、系統に接続された後は、速やかに電力制御に制御を切り替えることが可能になる。

３相回転座標変換器３ＤＱ０４は入力された出力電流ＩＲおよびロータの位相ＴＨＲから数８および数９に示した変換式を用いて、ｑ軸電流検出値Ｉqr（励磁電流成分）とｐ軸電流検出値Ｉpr（有効分電流成分）を演算し、ｑ軸電流検出値Ｉqrを電流調整器ＡＣＲ４に、ｐ軸電流検出値Ｉprを電流調整器ＡＣＲ３に出力する。

前記電流調整器ＡＣＲ４は、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ１またはＩｑ０と前記ｑ軸電流検出値Ｉqrの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqrを調整する。同様に、前記電流調整器ＡＣＲ３は、前記ｐ軸電流指令値Ｉｐ１またはＩｐ０と、前記ｐ軸電流検出値Ｉprの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖprを調整する。ここで前記電流調整器はたとえば比例積分器により構成できる。

前記ｐ軸電圧指令値Ｖprと前記ｑ軸電圧検出値Ｖqrは２相３相回転座標変換器ＤＱ２３−０２に入力され、前記２相３相座標変換器ＤＱ２３−０２は、前記位相信号ＴＨＲと、前記各入力値から、数１０および数１１に示した変換式により前記変換器ＤＱ２３−０２の出力する電圧指令値Ｖur，Ｖvr，Ｖwrを演算し、パルス演算器ＰＷＭ２に出力する。

前記パルス演算器ＰＷＭ２は、入力された電圧指令Ｖur，Ｖvr，Ｖwrからパルス幅変調方式により前記コンバータ２０８−２を構成する半導体素子をオン・オフするゲート信号Ｐ２を演算し、前記コンバータ２０８−２に出力する。

次に、図６を用いて、遮断器２２０の動作ケースについて説明する。

遮断器２２０は、コンバータ制御装置２１０からの開閉指令信号ＳＧ１によって制御され、また、前記遮断器２２０は、開閉指令信号ＳＧ１を受け取ったことを示す開閉状態信号ＳＧ３を、前記コンバータ制御装置２１０に伝達する。前記コンバータ制御装置２１０は、前記遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３を用いて、発電機の運転状態を決定する。このとき、コンバータ制御装置２１０からの開閉指令信号ＳＧ１と、遮断器２２０の実際の開閉状態と、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３が一致している状態が正常な状態である。正常な状態において、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３がオンならば、発電機２０２が発電していることを意味し（発電モード）、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３がオフならば、発電機２０２は発電待機中であることを意味する（待機モード）。つまり、発電モードに移行するには、開閉指令信号ＳＧ１がオン信号、且つ、開閉状態信号ＳＧ３がオン信号、という条件を満たさなければならない。

しかし、例えばコンバータ制御装置２１０からの開閉指令信号ＳＧ１にノイズが混入したり、遮断器２２０が故障するなどの要因で、前記コンバータ制御装置２１０からの開閉指令信号ＳＧ１と、遮断器２２０の実際の開閉状態と、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３が一致しなかった場合、風力発電装置２００の中に故障箇所がある可能性があり、コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めて、前記風力発電装置２００全体を保護する必要がある。

次に、図７および図８を用いて、遮断器２２０の動作故障と風力発電装置２００の保護方法について説明する。前記遮断器２２０からの開閉指令信号ＳＧ１と、遮断器２２０の実際の開閉状態と、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３の組み合わせは８ケースある。

このうち、ケース１および５は前記コンバータ制御装置２１０からの開閉指令信号ＳＧ１と、遮断器２２０の実際の開閉状態と、遮断器２２０からの開閉状態信号ＳＧ３が一致しており、風力発電装置２００が正常に運転している状態である。

図７は、ケース１からケース４のフローチャートを示す。

ケース２は、開閉指令信号ＳＧ１のオン信号に従って前記遮断器２２０がオンとなっているが、開閉状態信号ＳＧ３がオフ、つまり、発電モードに移行しない。このとき、固定子電圧または系統電圧の取り込みにセンサ誤差があると、固定子電圧を系統電圧に一致させようとして前記コンバータ２０８−２の電圧制御がセンサ誤差を拡大し、過電流になる恐れがある。この場合、開閉指令信号ＳＧ１と開閉状態信号ＳＧ３の不一致を所定時間ｔ_judge観測し、開閉状態信号ＳＧ３がオンにならなかったら、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めることで、前記風力発電装置２００を保護する。

ケース３は、開閉指令信号ＳＧ１のオン信号に対して前記遮断器２２０はオフのままであるのにかかわらず、開閉状態信号ＳＧ３がオン、つまり、発電モードに移行したケースである。このとき、前記コンバータ２０８−２は前記発電機２０２に励磁電流を供給し続け、また、前記電力系統１００と前記発電機２０２は切り離されているため、前記発電機２０２の固定子電圧は上昇し続け過電圧となる恐れがある。この場合、系統電圧と固定子電圧の差を観測しておいて、その差がある判定値Ｖ_judgeを超えたら、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めることで、前記風力発電装置２００を保護する。

ケース４は、開閉指令信号ＳＧ１のオン信号に対して前記遮断器２２０はオフのままであり、また開閉状態信号ＳＧ３がオフ、つまり、発電モードに移行しないケースである。この場合、前記遮断器２２０に故障の可能性はあるものの、前記電力系統１００と前記発電機２０２は切り離されており、また、開閉状態信号ＳＧ３がオフであるため発電モードにも移行しない。よって、過電流や過電圧の恐れはない。開閉指令信号ＳＧ１のオン信号に対して、開閉状態信号ＳＧ３のオン信号がある時間ｔ_judge返ってこない場合、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めて、前記遮断器２２０の点検を行う。

図８は、ケース５からケース８のフローチャートを示す。

ケース６は、開閉指令信号ＳＧ１のオフ信号に対して前記遮断器２２０がオフであるのにかかわらず、開閉状態信号ＳＧ３がオンのままとなるケースである。このとき、開閉状態信号ＳＧ３はオンであるため、発電モードは継続する。そのため、前記コンバータ２０８−２は前記発電機２０２に励磁電流を供給し続け、また、前記電力系統１００と前記発電機２０２は切り離されているため、前記発電機２０２の固定子電圧は上昇し続け過電圧となる恐れがある。この場合、系統電圧と固定子電圧の差を観測しておいて、その差がある判定値を超えたら、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めることで、前記風力発電装置２００を保護する。

ケース７は、開閉指令信号ＳＧ１のオフ信号に対して前記遮断器２２０がオンのままになってしまい、開閉状態信号ＳＧ３がオフとなるケースである。開閉状態信号ＳＧ３がオフなので、発電モードから待機モードに移行し、前記遮断器２２０はオンのままなので、固定子電圧は系統電圧に一致するように制御される。このとき、固定子電圧または系統電圧の取り込みにセンサ誤差があると、固定子電圧を系統電圧に一致させようとして前記コンバータ２０８−２の電圧制御がセンサ誤差を拡大し、過電流になる恐れがある。この場合、系統電圧と固定子電圧の差を観測しておいて、その差がある判定値以内を所定時間ｔ_judge継続したら、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めることで、前記風力発電装置２００を保護する。

ケース８は、開閉指令信号ＳＧ１のオフ信号に対して前記遮断器２２０がオンのままであり、開閉状態信号ＳＧ３もオン、つまり、発電モードが継続するケースである。このとき、開閉指令信号ＳＧ１はオフ信号を送っているが、開閉状態信号ＳＧ３がオンなので、発電モードを維持し続ける。従って、制御は発電モードであるにも関わらず、上位側の制御は指令値をゼロにして、開閉指令信号ＳＧ１をオフする指令を出したので、発電指令が入力されない時間が続く。開閉指令信号ＳＧ１のオフ信号に対して、開閉状態信号ＳＧ３のオフ信号がある時間返ってこない場合、遮断器２２０故障として前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を止めて、前記遮断器２２０の点検を行う。

次に、図９を用いて、前記遮断器２２０の故障判定結果の表示について説明する。

ケース２からケース４およびケース６からケース８において、前記遮断器２２０の故障によって前記コンバータ２０８−１および２０８−２の運転を停止する際は、前記遮断器２２０の遮断器故障判定結果をモニタ装置７００に表示することで、故障個所を明確にし、点検・修理・交換を容易にすることもできる。

１００ 電力系統
２００ 風力発電装置
２０２ 発電機
２０４ 翼
２０６ 風車制御装置
２０８ コンバータ
２１０ コンバータ制御装置
２１２ ギア
２１４，２２０，２２２ 遮断器
２１６ 連系用トランス
２１８ トランス（制御電源用）
２２４ 交流フィルタ回路
２２６ 直流回路
２２８ ｄＶ／ｄｔ抑制用リアクトル
２３０ 位置検出器
２３２ａ 電圧センサ
２３４ａ，２３４ｂ，２３４ｃ 電流センサ
Ｑref 無効電力指令値
Ｐref 有効電力指令値
Ｒun 運転／停止指令値
ＶＳＹ 系統電圧検出値
ＩＳＹ 電流検出値
ＩＲ，ＩＧ 出力電流
ＶＤＣ 直流電圧信号
Ｃｄ コンデンサ
ＳＧ１，ＳＧ２ 開閉指令信号
ＳＧ３ 開閉状態信号

Claims (9)

1. 交流励磁型発電機の固定子を遮断器を介して電力系統に接続し、該交流励磁型発電機の回転子に交流励磁用コンバータを接続し、該交流励磁型発電機の回転子をタービンに接続してタービンの動力で回転子を回転させ、該交流励磁型発電機の固定子と電力系統に接続された系統側コンバータと、該系統側コンバータの直流部分を前記交流励磁用コンバータの直流部分に接続し、前記交流励磁用コンバータと前記系統側コンバータを制御するための制御装置と、該制御装置が前記交流励磁用コンバータを制御することにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧と系統電圧を同期させて遮断器を投入する手段を備えた風力発電システムにおいて、
   前記制御装置は、前記遮断器の動作信号と固定子電圧，系統電圧から故障を判定する故障検出手段を備え、前記遮断器の故障を検出した場合には、前記系統側コンバータおよび前記励磁用コンバータの運転を停止することを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１の風力発電システムおいて、前記制御装置は、
   前記遮断器を開閉するための遮断器開閉信号を送る手段を備え、前記遮断器は前記制御装置から遮断器開閉信号を受け取ったことを前記制御装置に知らせるための開閉状態信号を送る手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１の風力発電システムおいて、前記制御装置は、
   系統電圧と固定子電圧を検出する手段と、該系統電圧と該固定子電圧の差を取る手段を備え、該系統電圧と該固定子電圧の差が所定の値を超えた場合に前記遮断器の故障と判定する機能を備えることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項２の風力発電システムおいて、前記制御装置は、
   前記遮断器開閉信号に対して前記開閉状態信号が所定の時間の後も返ってこなかった場合に、前記遮断器の故障と判定する手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１から４のうちの１つの風力発電システムにおいて、前記制御装置は、
   前記遮断器の故障を検出した場合に、故障したことをモニタ装置に表示することを特徴とする風力発電システム。
6. 交流励磁型発電機の固定子を遮断器を介して電力系統に接続し、該交流励磁型発電機の回転子に交流励磁用コンバータを接続し、該交流励磁型発電機の回転子をタービンに接続してタービンの動力で回転子を回転させ、該交流励磁型発電機の固定子と電力系統に接続された系統側コンバータと、該系統側コンバータの直流部分を前記交流励磁用コンバータの直流部分に接続し、前記交流励磁用コンバータと前記系統側コンバータを制御するための制御装置と、該制御装置が前記交流励磁用コンバータを制御することにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧と系統電圧を同期させて遮断器を投入する手段を備えた風力発電システムの制御方法において、
   前記制御装置は、
   前記遮断器の動作信号と固定子電圧，系統電圧から故障を判定する故障検出手段を備え、前記遮断器の故障を検出した場合には、前記系統側コンバータおよび前記励磁用コンバータの運転を停止することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
7. 請求項６の風力発電システムの制御法において、前記制御装置は、
   前記遮断器を開閉するための遮断器開閉信号を送る手段を備え、前記遮断器は前記制御装置から遮断器開閉信号を受け取ったことを前記制御装置に知らせるための開閉状態信号を送る手段を備えることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
8. 請求項６の風力発電システムの制御法において、前記制御装置は、
   系統電圧と固定子電圧を検出する手段と、該系統電圧と該固定子電圧の差を取る手段を備え、該系統電圧と該固定子電圧の差が所定の値を超えた場合に前記遮断器の故障と判定する機能を備えることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
9. 請求項７の風力発電システムの制御法において、前記制御装置は、
   前記遮断器開閉信号に対して前記開閉状態信号が所定の時間の後も返ってこなかった場合に、前記遮断器の故障と判定する手段を備えることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
   
   
   

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