JP5427793B2 - ダブルフェッド誘導発電機を備えた風力発電システムに用いられる保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルフェッド誘導発電機を備えた風力発電システムに用いられる保護回路に関する。

一般に、風力発電システムは、ダブルフェッド誘導発電機を用いることがある。ダブルフェッド誘導発電機は、固定子及び回転子を備えている。固定子は、グリッド（電力系統）に直接接続されている。回転子は、この回転子を励磁するコンバータ（電力変換装置）と接続されている。また、この回転子は、風力により回転させる。このような構成により、風力発電システムは、風力により発電し、グリッドに電力を供給する。

このような風力発電システムにおいて、グリッド事故などの発生により、グリッド電圧が低下することがある。グリッド電圧が低下すると、過大な電流が回転子からコンバータに流れ込む。また、突風により回転子が過速すると、回転子側の電圧が上がるため、過大な電流が回転子からコンバータに流れ込む。このような電流は、コンバータの過電流又は過電圧を引き起こす。

そこで、このような過電流などからコンバータを保護するために、風力発電システムに、保護回路を設けることが知られている（例えば、日本国特許出願公開２００６−２３００８５号公報参照）。

しかしながら、グリッド事故時においても、風力発電システムを継続して運転（ＬＶＲＴ：low voltage ride through）させようとすると、保護回路は、大型なものしか知られていない。

本発明の目的は、ダブルフェッド誘導発電機を用いた風力発電システムにおいて、系統事故が発生しても運転を継続でき、より小型化することのできる保護回路を提供することにある。

本発明の観点に従った保護回路は、ダブルフェッド誘導発電機の二次巻線と接続された電力変換装置を保護する保護回路であって、前記二次巻線と接続され、前記二次巻線から流入する電力を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電力を消費させるための電力消費手段と、前記電力消費手段と直列に接続され、前記電力消費手段に流入する電力を調整するためのスイッチングをするスイッチング手段と、前記電力消費手段に流入する電力を平滑化するためのコンデンサと、前記整流手段により整流された電圧を短絡するための短絡手段と、前記コンデンサからの電流が前記短絡手段に流れ込まないように設けられたダイオードとを備えている。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る風力発電システムの構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る保護回路の構成を示す回路図である。 図３は、第１の実施形態に係る制御装置による制御方法を示す論理回路図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る保護回路の構成を示す構成図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る保護回路の構成を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る風力発電システム１の構成を示す構成図である。なお、以降の図において、同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

風力発電システム１は、ダブルフェッド誘導発電機６と、グリッド５と、保護回路１０と、制御装置２０と、ＢＴＢ（back to back）変換器３０（４クアドラント・コンバータ）と、交流電流検出器Ｃ１と、交流電圧検出器Ｐ１を備えている。

ダブルフェッド誘導発電機６は、固定子と回転子とを備えている。回転子は、風により回転する。

グリッド５は、ダブルフェッド誘導発電機６の固定子側（一次側）の巻線（一次巻線）と直接接続されている。グリッド５は、ダブルフェッド誘導発電機６により発電された電力の供給を受ける交流の電力系統である。

交流電流検出器Ｃ１は、ダブルフェッド誘導発電機６の回転子側（二次側）の巻線（二次巻線）とＢＴＢ変換器３０とを接続する経路を流れる交流電流を検出する。交流電流検出器Ｃ１は、検出値を交流電流信号ＳＣ１として、制御装置２０に送信する。

交流電圧検出器Ｐ１は、ＢＴＢ変換器３０とグリッド５を接続する経路に印加される交流電圧を検出する。交流電圧検出器Ｐ１は、検出値を交流電圧信号ＳＰ１として、制御装置２０に送信する。

ＢＴＢ変換器３０は、ロータ側コンバータ２と、グリッド側コンバータ３と、コンデンサ４と、直流電圧測定器ＤＰ１を備えている。

ロータ側コンバータ２とグリッド側コンバータ３は、それぞれの直流側を互いに直流リンクで接続している。ロータ側コンバータ２は、交流側をダブルフェッド誘導発電機６の二次巻線と接続している。グリッド側コンバータ３は、交流側をグリッド５と接続している。

ロータ側コンバータ２は、直流リンクから供給される直流電力を交流電力に変換する。ロータ側コンバータ２は、変換した交流電力により、ダブルフェッド誘導発電機６の二次巻線を励磁する。

グリッド側コンバータ３は、グリッド５から供給される交流電力を直流電力に変換する。グリッド側コンバータ３は、変換した直流電力を直流リンクに供給する。

コンデンサ４は、２つの端子がそれぞれ直流リンクの正極側と負極側に接続されている。コンデンサ４は、直流リンクに印加されている直流電力を平滑化する。コンデンサ４は、直流リンクから供給される直流電力を充電する。コンデンサ４は、充電されているエネルギーを直流リンクに放電する。

直流電圧検出器ＤＰ１は、測定するための２つの端子がそれぞれ直流リンクの正極側と負極側に接続されている。即ち、直流電圧検出器ＤＰ１は、コンデンサ４の両端に接続されている。直流電圧検出器ＤＰ１は、直流リンク（コンデンサ４の両端）に印加される直流電圧を検出する。直流電圧検出器ＤＰ１は、検出値を直流電圧信号ＳＤＰ１として、制御装置２０に送信する。

保護回路１０は、ダブルフェッド誘導発電機６の二次巻線と接続されている。保護回路１０は、グリッド５の電圧低下時又は突風による回転子の過速時に、ロータ側コンバータ２に流れ込む過電流から保護するための回路である。

制御装置２０は、風力発電システム１を制御する装置である。制御装置２０は、保護回路１０を制御する。具体的には、制御装置２０は、グリッド５の事故が発生すると、保護回路１０に、ロータ側コンバータ２の保護をするための動作をさせる。制御装置２０は、グリッド５の事故が復帰すると、保護回路１０に、ロータ側コンバータ２の保護をするための動作を停止させる。

図２は、本実施形態に係る保護回路１０の構成を示す回路図である。

保護回路１０は、ダイオード整流器１３と、スイッチング素子１６と、抵抗器１５と、直流電圧検出器ＤＰ２とを備えている。

スイッチング素子１６と抵抗器１５は、ダイオード整流器１３の直流側の両端子間に、直列に接続されている。即ち、ダイオード整流器１３とスイッチング素子１６と抵抗器１５により、閉回路を構成している。

ダイオード整流器１３の交流側は、ダブルフェッド誘導発電機６の二次巻線と接続されている。ダイオード整流器１３は、ダブルフェッド誘導発電機６から流れ込む交流電流を直流電流に整流する。

スイッチング素子１６は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。スイッチング素子１６には、環流ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子１６は、スイッチングされることにより、抵抗器１５に流れる電流を調整する。スイッチング素子１６は、制御装置２０によりスイッチング制御される。

抵抗器１５は、スイッチング素子１６を介して流れ込む電流を消費する。これにより、抵抗器１５は、ダイオード整流器１３により整流された直流電力を消費する。抵抗器１５は、スイッチング素子１６がオン状態の場合、流れ込む電流を消費する。抵抗器１５は、スイッチング素子１６がオフ状態の場合、電流が流れ込まないため、電力を消費しない。

直流電圧検出器ＤＰ２は、ダイオード整流器１３の直流側の電圧（保護回路１０の直流電圧）を検出する。直流電圧検出器ＤＰ２は、検出値を直流電圧検出ＳＤＰ２として、制御装置２０に送信する。

図３は、本実施形態に係る制御装置２０による制御方法を示す論理回路図である。

制御装置２０による制御方法を示す論理回路は、過電圧検出器２１，２３，２５と、過電流検出器２２と、不足電圧検出器２４と、消費電力検出器２６と、ヒステリシスコンパレータ２７と、ＯＲ回路Ａ１と、ＡＮＤ回路Ａ２，Ａ３と、フリップフロップＦ１とを含む構成である。

過電圧検出器２１には、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された直流リンクの電圧を示す直流電圧信号ＳＤＰ１が入力される。過電圧検出器２１は、直流電圧信号ＳＤＰ１が過電圧となる所定の電圧以上の場合、信号を「１」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。過電圧検出器２１は、直流電圧信号ＳＤＰ１が所定の電圧より低い場合、信号を「０」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。

過電流検出器２２には、交流電流検出器Ｃ１により検出されたＢＴＢ変換器３０に流れ込む電流を示す交流電流信号ＳＣ１が入力される。過電流検出器２２は、交流電流信号ＳＣ１が過電流となる所定の電流以上の場合、信号を「１」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。過電流検出器２２は、交流電流信号ＳＣ１が所定の電流より少ない場合、信号を「０」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。

過電圧検出器２３には、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された保護回路１０の直流電圧を示す直流電圧信号ＳＤＰ２が入力される。過電圧検出器２３は、直流電圧信号ＳＤＰ２が過電圧となる所定の電圧以上の場合、信号を「１」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。過電圧検出器２３は、直流電圧信号ＳＤＰ２が所定の電圧より低い場合、信号を「０」にして、ＯＲ回路Ａ１に出力する。

ＯＲ回路Ａ１は、過電圧検出器２１、過電流検出器２２及び過電圧検出器２３から入力された信号のいずれかが「１」である場合、信号を「１」にして、フリップフロップＦ１のセットに出力する。即ち、フリップフロップＦ１をセットする。ＯＲ回路Ａ１による信号の「１」の出力は、グリッド５の事故（グリッド５の電圧低下）が発生したことを意味する。なお、図３には示していないが、ＯＲ回路Ａ１は、信号「１」を出力した場合、スイッチング素子１６を一定時間オンにする１パルスを、フリップフロップＦ１を介さずに出力する。

不足電圧検出器２４には、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された直流リンクの電圧を示す直流電圧信号ＳＤＰ１が入力される。不足電圧検出器２４は、直流電圧信号ＳＤＰ１が過電圧を解消したとみなす所定の電圧以下の場合、信号を「１」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。不足電圧検出器２４は、直流電圧信号ＳＤＰ１が所定の電圧より高い場合、信号を「０」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。

過電圧検出器２５には、交流電圧検出器Ｐ１により検出されたグリッド５の電圧を示す交流電圧信号ＳＰ１が入力される。過電圧検出器２５は、交流電圧信号ＳＰ１がグリッド５の電圧低下が解消したとみなす所定の電圧以上の場合、信号を「１」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。過電圧検出器２５は、交流電圧信号ＳＰ１が所定の電圧より低い場合、信号を「０」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。

消費電力検出器２６は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された保護回路１０の直流電圧を示す直流電圧信号ＳＤＰ２が入力される。消費電力検出器２６は、直流電圧信号ＳＤＰ２に基づいて、消費電力量を演算する。消費電力量は、保護回路１０（抵抗器１５）に印加される直流電圧、抵抗器１５の抵抗値、及びスイッチング素子１６のオン時間（抵抗器１５による電力消費時間）を全て掛け合わせることにより演算される。消費電力検出器２６は、消費電力量が所定値以下の場合、信号を「１」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。消費電力検出器２６は、消費電力量が所定値を超える場合、信号を「０」にして、ＡＮＤ回路Ａ２に出力する。

ＡＮＤ回路Ａ２は、不足電圧検出器２４、過電圧検出器２５及び消費電力検出器２６から入力された信号が全て「１」である場合、信号を「１」にして、フリップフロップＦ１のリセットに出力する。即ち、フリップフロップＦ１をリセットする。ＡＮＤ回路Ａ２による信号の「１」の出力は、グリッド５の事故（グリッド５の電圧低下）が解消し（不足電圧検出器２４及び過電圧検出器２５による「１」の出力）、かつ保護回路１０により消費する電力量が少なくなったこと（消費電力検出器２６による「１」の出力）を意味する。

フリップフロップＦ１は、ＯＲ回路Ａ１によりセットされると、ＡＮＤ回路Ａ３に「１」を出力する。また、フリップフロップＦ１は、ＯＲ回路Ａ１によりセットされると、ロータ側コンバータ２を停止させる信号を出力する。

フリップフロップＦ１は、ＡＮＤ回路Ａ２によりリセットされると、ＡＮＤ回路Ａ３に「０」を出力する。但し、フリップフロップＦ１がセットされている場合（ＯＲ回路Ａ１の出力が「１」の場合）、リセットはされない。即ち、フリップフロップＦ１は、セット優先の回路である。

ヒステリシスコンパレータ２７には、閾値が設定されている。閾値は、上限値と下限値に分けられる。ヒステリシスコンパレータ２７には、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された保護回路１０の直流電圧を示す直流電圧信号ＳＤＰ２が入力される。ヒステリシスコンパレータ２７は、直流電圧信号ＳＤＰ２が上限値を超えた場合は、信号を「０」から「１」にして、ＡＮＤ回路Ａ３に出力する。ヒステリシスコンパレータ２７は、直流電圧信号ＳＤＰ２が下限値を下回った場合は、信号を「１」から「０」にして、ＡＮＤ回路Ａ３に出力する。

ＡＮＤ回路Ａ３は、フリップフロップＦ１及びヒステリシスコンパレータ２７から入力された信号が共に「１」である場合、スイッチング素子１６をオンにする。ＡＮＤ回路Ａ３は、入力された信号のどちらか一方が「０」である場合、スイッチング素子１６をオフにする。

本実施形態によれば、スイッチング素子１６と抵抗器１５との構成により、ロータ側コンバータ２に流れ込む電流を消費させることができる。よって、保護回路１０を小型化することができる。

また、スイッチング素子１６をスイッチングさせて、電力を消費させているため、制御装置２０により、保護回路１０による電力の消費動作と消費動作の停止を繰り返し行うことができる。これにより、風力発電システム１は、グリッド事故が発生しても、運転を継続させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る保護回路１０Ａの構成を示す構成図である。

保護回路１０Ａは、第１の実施形態に係る保護回路１０に、コンデンサ１７を追加した構成である。その他の点は、保護回路１０と同様である。

コンデンサ１７は、ダイオード整流器１３により整流された直流電力を平滑化する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

コンデンサ１７を設けることに、ダイオード整流器１３により整流された直流電力が平滑化されるため、直流電圧検出ＳＤＰ２により検出される直流電圧（コンデンサ１７の両端の電圧）を安定させることができる。また、スイッチング素子１６に流れる電流を安定させることができる。

従って、保護回路１０Ａは、制御装置２０により、第１の実施形態に係る保護回路１０よりも安定した保護動作をすることができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る保護回路１０Ｂの構成を示す構成図である。

保護回路１０Ｂは、第２の実施形態に係る保護回路１０Ａに、サイリスタ１４及びダイオード１８を追加した構成である。その他の点は、保護回路１０Ａと同様である。

サイリスタ１４は、保護回路１０Ｂのダイオード整流器１３により整流された直流電圧を短絡させる素子である。

ダイオード１８は、サイリスタ１４をオンにした時に、コンデンサ１７からの電流がサイリスタ１４に流れ込まないようにするために設けられている。これにより、サイリスタ１４の容量を小さく抑えることができる。即ち、サイリスタ１４は、ダブルフェッド誘導発電機６から流れてくる電流のみに対応できる容量以上あればよい。

サイリスタ１４は、制御装置２０により動作する。制御装置２０は、コンデンサ４の両端の電圧（直流電圧検出器ＤＰ１により検出される直流電圧）又はコンデンサ１７の両端の電圧（直流電圧検出器ＤＰ２により検出される直流電圧）が異常に上昇した場合に、サイリスタ１４をオンにする。

本実施形態によれば、第２の実施形態による作用効果を得ることができる。さらに、サイリスタ１４による保護機能を保護回路１０Ｂに設けることにより、ＢＴＢ変換器３０（ロータ側コンバータ２）の保護をより確実にすることができる。

なお、各実施形態において、スイッチング素子１６をオンにする条件として、直流リンクの過電圧（過電圧検出器２１による検出）、ＢＴＢ変換器３０に流れ込む（過電流過電流検出器２２による検出）、及び保護回路１０の直流電圧の過電圧（過電圧検出器２３による検出）を検出し、これらの論理和としたが、これに限らない。スイッチング素子１６をオンにする条件は、グリッド５の事故発生（又は、グリッド５の電圧低下）を示すものであれば、他の構成でもよい。例えば、ＯＲ回路Ａ１に入力される条件のうち２つ以上の条件を論理積した出力により、スイッチング素子１６をオンさせてもよい。

同様に、スイッチング素子１６をオフにする条件は、グリッド５の事故の復帰（又は、グリッド５の電圧復帰）を示すものであれば、実施形態と異なる構成でもよい。例えば、直流リンク電圧の不足電圧（不足電圧検出器２４による検出）、グリッド５の電圧復帰（過電圧検出器２５による検出）、又は所定値以下の電力消費（消費電力検出器２６による検出）のいずれか１つ又は２以上の組合せによる論理積により、スイッチング素子１６をオフさせてもよい。

各実施形態において、スイッチング素子１６をオン状態にする条件（ＡＮＤ回路Ａ３の入力）において、保護回路１０の直流電圧を、ヒステリシスコンパレータ２７を介して制御する構成としたが、ヒステリシスでない通常のコンパレータを用いてもよい。

各実施形態における制御装置２０の制御（図３に示す制御）は、ソフトウェアで構成してもよいし、ハードウェアで構成してもよいし、これらを組み合わせたものでもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明によれば、ダブルフェッド誘導発電機を用いた風力発電システムにおいて、ＬＶＲＴを確保し、より小型化することのできる保護回路を提供することができる。

Claims (11)

1. ダブルフェッド誘導発電機の二次巻線と接続された電力変換装置を保護する保護回路であって、
   前記二次巻線と接続され、前記二次巻線から流入する電力を整流する整流手段と、
   前記整流手段により整流された電力を消費させるための電力消費手段と、
   前記電力消費手段と直列に接続され、前記電力消費手段に流入する電力を調整するためのスイッチングをするスイッチング手段と、
   前記電力消費手段に流入する電力を平滑化するためのコンデンサと、
   前記整流手段により整流された電圧を短絡するための短絡手段と、
   前記コンデンサからの電流が前記短絡手段に流れ込まないように設けられたダイオードと
   を備えたことを特徴とする保護回路。
2. ダブルフェッド誘導発電機と、
   前記ダブルフェッド誘導発電機の二次巻線と接続されたロータ側コンバータと、
   直流側を前記ロータ側コンバータの直流側と直流リンクで接続され、交流側をグリッドに接続されたグリッド側コンバータと、
   前記二次巻線と接続され、前記ロータ側コンバータを保護するための保護回路と、
   前記保護回路を制御する制御手段とを備え、
   前記保護回路は、
   前記二次巻線から流入する電力を整流する整流手段と、
   前記整流手段により整流された電力を消費させるための電力消費手段と、
   前記電力消費手段と直列に接続され、前記電力消費手段に流入する電力を調整するためのスイッチングをするスイッチング手段と、
   前記電力消費手段に流入する電力を平滑化するためのコンデンサと、
   前記整流手段により整流された電圧を短絡するための短絡手段と、
   前記コンデンサからの電流が前記短絡手段に流れ込まないように設けられたダイオードとを備えたこと
   を特徴とする風力発電システム。
3. 前記制御手段は、前記グリッドの事故発生により、前記保護回路による保護のための動作をさせること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
4. 前記ロータ側コンバータに流れる電流の過電流を検出する過電流検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記過電流検出手段により過電流が検出された場合、前記スイッチング手段を動作させること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
5. 前記直流リンクの電圧の過電圧を検出する直流リンク電圧過電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記直流リンク電圧過電圧検出手段により過電圧が検出された場合、前記スイッチング手段を動作させること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
6. 前記整流手段により整流された電圧の過電圧を検出する保護回路過電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記保護回路過電圧検出手段により過電圧が検出された場合、前記スイッチング手段を動作させること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
7. 前記整流手段により整流された電圧を検出する保護回路電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記保護回路電圧検出手段により検出された電圧が閾値を超えた場合に、前記スイッチング手段をオンにし、前記保護回路電圧検出手段により検出された電圧が閾値以下の場合に、前記スイッチング手段をオフにするコンパレータを備えたこと
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
8. 前記コンパレータは、ヒステリシスコンパレータであること
   を特徴とする請求項７に記載の風力発電システム。
9. 前記直流リンクの電圧の過電圧を検出する直流リンク電圧過電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記直流リンク電圧過電圧検出手段による過電圧が復帰している場合、前記スイッチング手段を停止させること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
10. 前記グリッドの電圧の不足電圧を検出する不足電圧検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記不足電圧検出手段による不足電圧が復帰している場合、前記スイッチング手段を停止させること
    を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
11. 前記電力消費手段により消費された電力量を計測する消費電力量計測手段を備え、
    前記制御手段は、前記消費電力量計測手段により計測された電力量が所定値以下の場合、前記スイッチング手段を停止させること
    を特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。

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