JP5672301B2

JP5672301B2 - 風力発電システム及び風力発電システムの制御方法

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Description

本発明は風力発電システム及び風力発電システムの制御方法に関するものであり、特に制御用電源に関するものである。

風力発電システムは太陽光発電システム等と並ぶ再生可能エネルギー生産手段として大きな注目を集めている。風力発電システムは風の力によって翼を回転駆動させ、該回転駆動するエネルギーを用いて発電機の回転子を回転させ、発電運転を行うものである。そして、発電運転時には、風の力を効率的に発電運転へと利用するべく、風向き及び風速に応じて翼のピッチ角や翼の水平方向の回転角等の制御を行っている。これらの制御を始めとした風車の制御を行う制御装置は補機と呼ばれ、この補機の駆動電源は一般に電力系統側から供給される電力によって賄っている。

上記の様に補機の駆動電源を電力系統側から供給される電力によって賄う場合、例えば落雷や地絡事故等により電力系統側の電圧が大きく低下した場合、補機の駆動電源を得ることができず、結果的に補機の駆動を継続することができなくなる。そして、補機の駆動が継続できなくなった場合、発電運転自体の継続も困難となる。しかし、例えば落雷や地絡事故等が生ずる度に、電力供給源である風力発電システムが、発電運転を行えないとすれば、安定的な電力供給が困難となるため、風力発電システムはこの様な電力系統側の電圧低下に対しても、耐性を有していることが望まれる（ＬＶＲＴ：Low Voltage Ride Through）。

ここで、上記のようなＬＶＲＴを実現するものとして例えば特許文献１及び特許文献２に記載されたものがある。

特許文献１には、上記の如き電力系統側の電圧低下時は、無停電電源（ＵＰＳ）を使用することで補機電源を賄うことが記載されている。

一方、特許文献２には非常用発電機と、非常切換スイッチとを有する非常用電力供給システムを備え、系統電圧が低下する異常発生時には、非常切換スイッチを切り換えてピッチ制御機構，主制御装置等の電源を非常用電力供給システムによって賄うことが記載されている。

米国特許第６９２１９８５号公報特開２００７−２３９５９９号公報

しかし、特許文献１では、電力系統異常時用にわざわざＵＰＳを設けておかなければならず、構成が複雑となる恐れがある。

一方、特許文献２では、電力系統が正常な場合には電力系統側のみから補機電源を賄っており、切替時には発電運転中の風車の電源に移行させる必要があることから、スムーズな移行は困難であるか、またはスムーズな移行のために装置が複雑化する恐れ等があった。

そこで、本発明では電源切替時のスムーズな移行を装置の複雑化等につながらずに行うことを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムの制御方法は、風を受けて発電運転する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムの制御方法であって、前記風車は主発電機と、補助発電機または主発電機に形成された補助巻線を備え、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の前記補助巻線または前記補助発電機からの発電電力によって前記制御装置を駆動し、前記風車が発電運転可能な風速範囲外にある場合には、電力系統側から供給される電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、電源切替時のスムーズな移行を装置の複雑化等につながらずに行うことが可能になる。

実施例１に係る風力発電システムの単線結線図である。実施例１に係る風車が風向きに応じて支柱を中心に回転する様子を示す上面図である。実施例１に係る開閉器７の詳細図である。実施例１に係る風力発電システムに異常が生じた場合の補機電源の供給先の時間的変化を示す図である。実施例２に係る風力発電システムの単線結線図である。実施例２に係る開閉器７の詳細図である。実施例２に係る風力発電システムに異常が生じた場合の補機電源の供給先の時間的変化を示す図である。実施例３に係る風力発電システムの単線結線図である。実施例３に係る電力変換装置１２の詳細図である。実施例４に係る風力発電システムの単線結線図である。実施例４に係るダイオード整流回路の詳細図である。実施例５に係る風力発電システムの単線結線図である。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明に係る実施例１について、図１ないし図４を用いて説明する。

図１に示す様に本実施例に係る風力発電システムは、翼５を備え、風を受けて発電運転する風車と、風車の制御を行う制御装置の総称である補機８と、電力系統１側に接続される主変圧器２と、主変圧器２と補機８との間に接続される補機変圧器６と、補機８に電気的に接続される側を切り換える開閉器７とから概略構成される。

図１に示す様に、電力系統１には、主変圧器２の高圧（Ｖ１）側端子が接続される。主変圧器２の低圧（Ｖ２）側端子には、発電機３の固定子巻線端子ＴＳ，電力制御装置４、および補機変圧器６の高圧（Ｖ２）側端子が接続される。補機変圧器６の低圧側端子には、開閉器７を介して補機８が接続される。また、補機８は補助発電機１１の巻線端子ＴＳ２とも開閉器７を介して接続される。

風車の各部について、図２を用いて説明する。風車は、前述の翼５と、翼５によって回転する発電機３が搭載されるナセル９と、ナセル９に接続され風車を支持する支柱１０と、補助発電機１１とから主に構成される。翼５は、風車の正面から見て１２０度間隔に均等に配置された３枚の羽根から構成される。ナセル９には、発電機３及び補助発電機１１の他に、風車の回転角を制御する装置も収納されている。風車の回転角は、支柱１０を軸として水平方向に３６０度回転することが可能となっており、風向きに応じてナセル９を回転させる。風のエネルギーをより多く受けられる方向へと翼５を向けることにより、効率的な発電が可能となる。なお、風車の方式には、支柱１０から見て翼５が風上側に位置するか、風下側に位置するか２通りがある。図２では、支柱１０から見て翼５が風下側に位置するダウンウインド風車の例を示している。なお、ダウンウインド風車は、その構造上、フリー・ヨー制御が可能な特徴がある。フリー・ヨー制御とは、回転動力を使わず、風の力によって前述の風車の回転角を変化させることである。前述の翼５の一枚一枚の羽根の傾きは、ピッチ角制御装置によって制御されている。羽根が風を受けることができる面積を増減させることにより、効率的に風のエネルギーを翼５の回転に変換することが可能となり、逆に、強風時には羽根の受風面積を最小として翼５の回転を停止させることもできる。以上のナセルの回転角制御と羽根のピッチ角制御を組み合わせることで、風向きに対して効率的に翼５及び羽根の位置を変化させ、結果として効率的な発電運転を実現したり、または風車を停止状態とすることを可能にしている。なお、図１に示す補機８には、上述の回転角制御装置，ピッチ角制御装置が含まれる。また、発電機３の回転子巻線端子ＴＲは、電力制御装置４を介して主変圧器２の低圧側端子と接続される。発電機３の回転子（図示なし）は、翼５に接続されており、風を受けて翼５が回転することで該回転子も回転する。ここで、本実施例における発電機３には、二次励磁式の交流発電機を用いている。そして、発電機３の回転子巻線端子ＴＲには電力制御装置４が接続されており、該電力制御装置４は上述のように主変圧器２の低圧（Ｖ２）側が接続されている。即ち、電力系統１側から電力制御装置４を介して回転子へと発電運転のための励磁電流を導通させている。これにより、風を受けて翼５が回転するに伴って回転子が回転することで磁界が変化し、その結果、主として固定子側に誘導起電力が発生し、発電運転される。上述の様に、固定子巻線端子ＴＳは主変圧器２を介して電力系統１側へと接続されており、発電電力が電力系統側へと送られる。また、本実施例における風車は補助発電機１１も備えており、該補助発電機１１も風を受けて翼５が回転することで、補助発電機１１の回転子も発電機３の回転子と共に回転して発電運転を行う。補助発電機１１は、その出力端子ＴＳ２が開閉器７へと接続されている。

開閉器７の内部構成について、図３を用いて説明する。開閉器７の内部には、計測用変圧器７１と、制御装置７２と、スイッチ回路７３と、スイッチ回路７４と、信号の論理反転器７５が含まれている。開閉器７の内部では、補助発電機１１の端子電圧ＴＳ２を計測用変圧器７１によって検出する。計測用変圧器７１の２次側端子には、不足電圧を判定する制御装置７２が接続される。制御装置７２の出力信号によって、スイッチ回路７３の開閉が制御される。また、制御装置７２の出力信号の論理を論理反転器７５で反転し、スイッチ回路７４の開閉が制御される。即ちスイッチ回路７３とスイッチ回路７４は、相補的に動作する。開閉器７としての動作は、電圧Ｖ４が所定の電圧より大きい場合にはスイッチ回路７３はオン、スイッチ回路７４はオフに制御される。また、電圧Ｖ４が所定の電圧より小さい場合には、スイッチ回路７３はオフ、スイッチ回路７４はオンに制御される。なお、スイッチ回路７３とスイッチ回路７４の切り替え法として、補助発電機１１の端子電圧ＴＳ２で判断する例を説明したが、発電機の回転速度情報、あるいは風速情報を用いてもよい。

ここで、図１の各部位の電圧について説明する。本実施例では、主変圧器２と補機変圧器６があり電圧振幅の異なる交流電圧を扱う。電力系統１と主変圧器２との間の電圧Ｖ１は、電圧が６〜３３ｋＶ程度である。これは、日本国内で高電圧，特別高電圧の区分になる。主変圧器２と発電機３の間の電圧Ｖ２は、６００〜１５００Ｖ程度とする方式が一般的である。なお、主変圧器２は、発電機３で発電された発電電圧を電力輸送用に昇圧する役目を果たしている。補機変圧器６は、主変圧器２の低圧側端子に接続され、電圧Ｖ２を降圧する。なお、補機変圧器６は、電力系統１と主変圧器２との間の電圧Ｖ１を降圧してもよい。補機変圧器６の低圧側端子電圧Ｖ３は、補機８が必要とする電圧値で良いため、４００Ｖ以下の低圧電圧としている。なお、ここで述べた電圧の数値や電圧の範囲は、本明細書の理解を助けるために示すものであって、本発明の動作範囲を限定するものでないことは言うまでもない。

次に、本実施例に係る風力発電システムの制御の仕方について図４のタイムチャートを用いて説明する。本実施例に係る風力発電システムは、風速や発電機の出力電圧等を常時監視しながら、ナセルの回転角制御やピッチ角制御等を行い、発電運転を行っている。

風車が発電運転可能な風速の範囲内にある（即ちカットイン風速以上で、かつカットアウト風速以下）時は、図４のＣａｓｅ１に示す様に、翼５は駆動し、発電機３及び補助発電機１１の回転子が回転することで、発電機３及び補助発電機１１は発電運転を行う。この時発電機３による電圧は主変圧器２を介して昇圧された後、電力系統１側へと送られる。一方、補助発電機１１による発電電力は、出力端子ＴＳ２から開閉器７内のスイッチ回路７３に送られる。前述のように、電圧Ｖ４が所定の電圧より大きい場合には、スイッチ回路７３はオン、スイッチ回路７４はオフに制御されるため、この時、補機８の駆動電力は、補助発電機１１の発電電力によって賄われている。

一方、風車が発電運転可能な風速の範囲外（即ちカットイン風速未満またはカットアウト風速より上の風速）時は、図４のＣａｓｅ２に示すように、翼５は停止しているか、発電運転に充分な駆動を行っておらず、補機８の駆動電力を充分に賄うことができない。そこで、風速が発電運転可能な風速の範囲外である場合、本実施例では開閉器７内のスイッチ回路を電力系統１側に切り換える。前述のように、電圧Ｖ４が所定の電圧より小さい場合には、スイッチ回路７３はオフ、スイッチ回路７４はオンに制御されるため、補機８の駆動電力は電力系統１側から賄われる。これによって、風速が発電運転可能な風速の範囲外の場合であっても補機８の駆動を継続することが可能となる。

上記の様に、本実施例によれば補助発電機１１が補機８の駆動のための発電電力を供給できない場合に、電源の切り替えを行うようにしていることから、切り替え前後の状態の調整をせずとも電源の切り替えが可能であり、風車が発電運転中に電源の切り替えを行う場合と比較して、切り替え前後の状態の調整が不要となるため、切り替え動作はスムーズに行うことができる様になる。

また、本実施例によれば更に以下のような利点がある。即ち、電力系統１に落雷や地絡といった異常が生じた場合、電力系統１の電圧Ｖ１が、０.１秒間〜１.５秒間低下することがある。この場合の動作を図４のＣａｓｅ３及びＣａｓｅ４に示す。図４のＣａｓｅ３は、風車が発電運転可能な風速の範囲内にある時に、電力系統１の電圧が低下した場合の動作を表している。前述したように、風車が発電運転可能な風速の範囲内にある時は、補機８の駆動電力は補助発電機１１側から賄うこととしており、電力系統１側の影響を受けない。従って、電力系統１の状態に関わらず、補機８を駆動するための電源を確保することができるようになり、電力系統１の異常時にも補機電源を確保できるため、ひいてはＬＶＲＴを実現することもできる。

一方、図４のＣａｓｅ４は、風車が発電運転可能な風速の範囲外にある時に、さらに電力系統１の電圧が低下した場合の動作を表している。前述のように、風車が発電運転可能な風速の範囲外となった場合、風車は発電運転を停止し、補機８の駆動電力は電力系統１側から賄うように変化する。ここでさらに電力系統１の電圧が低下すると、補機８の電力供給源は電圧が低下した状態となり、補機８は停止した状態となる。よって、ＬＶＲＴを実現することができないが、そもそも風車が発電運転可能な風速の範囲外にあり、風力発電システムにおいては発電を停止した状態で生じる事象であるため、電力系統１側に与える影響は小さい。

尚、カットアウト風速を超えた暴風によって発電運転を停止している状態でも、本実施例では、電力系統１の電圧が低下すると補機８が停止する。しかし、本実施例で図２のダウンウインド風車を用いれば、補機８が停止中でもフリー・ヨー制御によって風車回転角の変化が可能なため、風車の暴風待機能力を下げずに維持することができる。

上記では、補機８は、風車の制御を行う制御装置の総称であると述べたが、より詳細には補機８には、風車の回転角制御用のモータドライブ装置，ピッチ角制御のモータドライブ装置，潤滑オイルを循環させるためのオイルポンプ装置等、比較的消費電力の大きな装置と、制御装置の制御用回路基板等の消費電力の小さな装置がある。消費電力の大きな装置の電源電圧としては、例えば２００〜４００Ｖを必要とするものが多い。また、制御基板用電源としては、電源電圧として１００Ｖで足りるものが多い。

上記の装置群で構成される補機８を２つのグループに分け、一方のグループは電力系統１側から電力を賄い、もう一方のグループは補助発電機１１から電力を賄うようにする構成も可能である。補助発電機１１から電力を賄う装置として、消費電力の小さな制御回路基板のみとすれば、補機発電機１１の発電電力を小さくでき、発電機の小型化が可能である。また、補助発電機１１から電力を賄う装置として、消費電力の変動が小さな装置を選択すれば、補機８の受電電圧の変動を抑えることが可能である。

また、本実施例では補助発電機１１の出力電圧に応じて補機８の駆動電力を異なるように制御したが、補助発電機１１の出力電圧の代わりに風速に応じて風車が発電運転可能な風速の範囲内にある時と範囲外にある時とで、補機８の駆動電力を異なるように制御しても良い。

また、本実施例では補機８の電源を補助発電機１１によって賄っていたが、発電機３に補助巻線を形成することによって行っても良い。更に、それ以外にも発電電力を発生することができるものであれば代用は可能である。

本実施例における開閉器には、風速の変化は瞬間的なものではなく、徐々に変化していくものであることから、予測可能であり、瞬間的な開閉動作は必ずしも必要とされない。よって、開閉器の種類としては、高速開閉が可能なスイッチ（一例として、サイリスタスイッチ）のみならず、電磁接触器を用いることが可能となる。

本発明に係る実施例２について、図５ないし図７を用いて説明する。上述した実施例１では、風車が発電運転可能な風速の範囲内にある時には、補助発電機１１による発電電力によって補機８の電源を賄うこととし、風車が発電運転可能な風速の範囲外にある時には、開閉器７を切り換えて電力系統１側から補機８の電源を賄うこととしており、補助発電機１１による発電電力または電力系統１側からの供給電力のいずれか一方によって補機８の電源を賄っていた。

しかし、本実施例では発電機３に補助巻線を形成し、補助巻線端子ＴＳＡを補機へと接続することに加えて、さらに電力系統１側からの供給電力も定常的に補機へ接続するようにしている。

即ち、風車が発電運転可能な風速の範囲内にあり、かつ、電力系統１側が正常な場合には、補機８の電源は、補助巻線から発生された電力と、電力系統１側から供給された電力のいずれかによって賄われることになる。

本実施例において、実施例１と異なる構成について説明する。下述箇所以外は実施例１と同様であり、重複説明は省略する。

本実施例では、発電機３に補助巻線を設けており、補助巻線は、発電機３内部の回転磁束と鎖交するように巻かれており、励磁電流が供給されている際には、発電機３の回転子の回転によって、補助巻線端子ＴＳＡには交流電圧が誘起される。また、補助巻線の巻数は、補助巻線端子ＴＳＡに誘起される発電電圧Ｖ４が、補機８が必要とする電圧値（たとえば、４００Ｖ以下の低圧電圧）になるように決める。そして、本実施例では電圧Ｖ４の位相と補機変圧器６の低圧側電圧Ｖ３の位相とを同位相にするように補助巻線を組む。同位相にするための具体的な方法としては、発電機３の固定子巻線が巻かれているスロットに、発電機３の補助巻線を巻けばよい。同じスロットに巻くことで発電機３の固定子巻線端子ＴＳに誘起される交流電圧と、端子ＴＳＡに誘起される交流電圧とは位相が一致する。また、発電機３の固定子巻線端子ＴＳに誘起される交流電圧は、電力系統１側に供給する必要があることから、主変圧器２の低圧側端子の電圧Ｖ２と平均的に一致するように制御される。故に、同じスロットに巻いた補助巻線の誘起電圧（端子ＴＳＡの電圧）は、電圧Ｖ２と位相が一致することになる。補機変圧器６の結線方式として、一次側と二次側の電圧で位相角が変位しない方式を選ぶことで、電圧Ｖ４の位相と電圧Ｖ３の位相を一致させることができる。

次に、図６を用いて開閉器１７の構成について説明する。開閉器１７の内部には、計測用変圧器１７１と、制御装置１７２と、ゲートドライバ１７３と、スイッチ回路１７４とが含まれている。そして、開閉器１７の内部において、補機変圧器６の低圧側端子電圧Ｖ３を、計測用変圧器１７１によって検出する。計測用変圧器１７１の２次側端子には、不足電圧を判定する制御装置１７２が接続される。制御装置１７２の出力信号は、ゲートドライバ１７３に接続される。ゲートドライバ１７３によって、スイッチ回路１７４が駆動される。なお、図６では、スイッチ回路１７４としては、２つのサイリスタ素子を逆並列に接続したサイリスタスイッチを示している。開閉器１７の動作としては、電圧Ｖ３が正常である場合にはサイリスタをオンとし、電圧Ｖ３が所定値を下回ったらサイリスタをオフする。

上記以外の構成については実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。

次に、本実施例に係る風力発電システムの制御の仕方について実施例１と異なる点について図７を用いて説明する。

風車が発電運転可能な風速の範囲内にあり、かつ、電力系統１側が正常な場合、即ち図７のＣａｓｅ１の場合には、補助巻線端子ＴＳＡには発電電力が発生しており、また、計測用変圧器１７１には不足電圧は発生しておらず、制御装置１７２がゲートドライバ１７３に開信号を出すように指令が行くことはなく、スイッチ回路１７４も閉状態にある。故に、上記の場合には、補助巻線端子ＴＳＡと、電力系統１側の電圧Ｖ３とが電気的に接続され、補機８の電力を賄う。この際、上述のように、補助巻線端子ＴＳＡの交流電圧と電力系統１側から供給される交流電圧は同位相となっていることから、両者の間に電流が流れることはなく、効率的に補機８の電源を賄うことができる。

次に、風車が発電運転可能な風速の範囲外にある場合、即ち図７のＣａｓｅ２にある場合について説明する。この場合には、補助巻線端子ＴＳＡには充分な発電電力は発生していない。しかしながら、電力系統１側が正常な場合には上述の場合と同様に、計測用変圧器１７１に不足電圧は発生しておらず、故にスイッチ回路１７４は閉状態にある。よって、風車が発電運転可能な風速の範囲外にある場合、電力系統１側から供給される発電電力によって、補機８の駆動電源を賄うことができる。補機８の駆動電力は、補助巻線端子の発電電力か、電力系統側の電力のいずれかであるが、その割合は、図７のＣａｓｅ２に示すように発電機の回転速度に応じて変化する。

なお、発電機の回転速度が低下した場合には、補助巻線端子ＴＳＡと補機８の間を電気的に切断したほうが、電力系統側から補助巻線端子ＴＳＡに流れる電流を削減することができ、風車システムの損失を減らす効果がある。

続いて、電力系統１側に落雷や地絡等の事故が発生した場合、即ち、図７のＣａｓｅ３にある場合について説明する。この場合、電力系統１側の電圧は低下し、結果として計測用変圧器１７１には不足電圧が発生することになる。これを受けて制御装置１７２は不足電圧の判定を行い、ゲートドライバ１７３に対してスイッチ回路１７４を開状態にするよう信号を出力する。係る信号を受けて、ゲートドライバ１７３は、スイッチ回路１７４を開状態にするように駆動する。これにより、電力系統１側から補機８に対して電力の供給はされなくなる。しかし、電力系統１側から電力の供給がされなくても、風車が発電運転可能な風速の範囲内にあれば補機８の電源を賄うことは可能であり、補機８の運転を継続することができる。よって、実施例１と同様にＬＶＲＴを実現することが可能になる。

また、風車が発電運転可能な風速の範囲外にある時に、さらに電力系統１の電圧が低下した場合、即ち図７のＣａｓｅ４にある場合には、実施例１と同様に、ＬＶＲＴを実現することができないが、そもそも風車が発電運転可能な風速の範囲外にあり、風力発電システムにおいては発電を停止した状態で生じる事象であるため、電力系統１側に与える影響は小さい。

本実施例によっては、正常動作時においては元々、補助巻線端子ＴＳＡから供給される電力と電力系統１側から供給される電力の両者によって補機電源を賄っており、一方からの供給が途絶えたとしても、新規な電源に切り換えるわけではなく、元々供給している電力が供給を継続するので、実施例１と比較しても一層、切り替え動作はスムーズに行うことができる様になる。

また、本実施例によれば、補助巻線端子ＴＳＡから供給される電力と電力系統１側から供給される電力の両者によって、補機電源を賄っており、効率的な補機電源の供給のためには、両者の位相を一致させる必要がある。前述のように発電機３の固定子巻線が巻かれているスロットに、発電機３の補助巻線を巻き、補機変圧器６の結線方式として、一次側と二次側の電圧で位相角が変位しない方式を選べば、電圧Ｖ４の位相と補機変圧器６の低圧側電圧Ｖ３の位相とを同位相にすることが可能となる。よって、効率的な補機電源の供給を行うことが可能となる。さらに、新たに位相制御手段等を用いなくても、発電時から補助巻線端子ＴＳＡと電力系統１側との間で位相は一致していることから、風力発電システムの構成を簡素化することが可能となり、より一層の利点が得られる。

また、電力系統１の異常は、落雷や地絡事故等、予測不能でかつ短時間で起こることが多く、開閉器１７には高速応答が要求されるが、本実施例では電力系統１側のスイッチ回路１７４にサイリスタスイッチを設けていることから、高速での切り替えが可能であり、一層好適である。しかしながら、電磁接触機についても、応答性は落ちるもののサイリスタスイッチの代わりに用いることは可能である。尚、高速切り替え用のスイッチとして、サイリスタスイッチを一例に挙げたが、サイリスタスイッチに限定されるものでないことは言うまでも無く、高速応答可能なスイッチであれば同様の効果が得られることは言うまでも無い。

尚、位相が一致しない条件で補助巻線を組んで、別途位相制御手段等を設けることによっても、構造の簡素化は図れないものの実現自体は可能であり、さらに位相制御手段等を設けず、補助巻線端子ＴＳＡから供給される電力と電力系統１側から供給される電力との間に電流が流れている場合でも、効率的ではないものの、実現自体は可能である。

本発明に係る実施例３について、図８及び図９を用いて説明する。実施例２では、補助巻線を組んで、電力系統１側と接続する例について説明したが、本実施例の様に別途補助発電機を設けて、位相制御手段としての電力変換装置１２を介して電力系統１側と接続することもできる。これ以外の箇所については、実施例２と同様であり、重複説明は省略する。

電力変換装置１２について図９を用いて説明する。電力変換装置１２は、発電機３側の交流を整流する整流回路１２１と、整流回路１２１の直流出力に接続される直流リンクコンデンサ１２２と、直流リンクコンデンサ１２２の電圧を昇圧する昇圧型チョッパ回路１２３と、昇圧型チョッパ回路１２３の出力電圧に接続される直流リンクコンデンサ１２４と，直流リンクコンデンサ１２４の電圧を交流に変換する電圧型インバータ回路１２５から構成される。発電電圧Ｖ４′は、電力変換装置１２において直流電圧に整流され、再び電圧型インバータ回路１２５にて交流電圧に変換される。この際、電圧型インバータ回路１２５の交流側電圧を、電圧Ｖ３と電圧振幅，周波数、かつ位相が一致するように制御することにより、電流が流れることを防止することができる。

補助発電機１１の出力端子ＴＳ２と、補機８の間に電力変換装置１２を入れることで、補助発電機１１の発電電圧と周波数は、補機変圧器６の電圧Ｖ３と合わせる必要がなくなるため、補助発電機１１の選定が容易になる。また、交流電圧の位相を合わせる必要がないので、補助発電機１１の設置も容易になる。

また、上述した実施例２及び実施例３では、補助巻線または補助発電機によって発電した電力は、電力系統１側へと電気的につながっており、補機８の駆動に必要な電力以外の剰余電力は電力系統１側に供給することで、発電効率を向上させることが可能となる。

本発明に係る実施例４について、図１０及び図１１を用いて説明する。補機変圧器６の低圧側端子には、ダイオード整流回路１３ａを介して補機８が接続される。補助発電機１１の出力端子ＴＳ２は、ダイオード整流回路１３ｂを介して補機８に接続される。

ダイオード整流回路１３ａと１３ｂを用いた接続を、図１１を用いて詳細説明する。ダイオード整流回路１３ａ、または１３ｂは、３相のダイオード整流回路と、直流電圧を平滑する平滑コンデンサから構成される。ここで、ダイオード整流回路１３ａ、または１３ｂにおいて平滑コンデンサの両端電圧はダイオード整流回路の直流側端子である。本発明では、ダイオード整流回路１３ａの直流側端子を、第１の直流側端子と呼ぶ。また、ダイオード整流回路１３ｂの直流側端子を、第２の直流側端子と呼ぶ。上記２つの直流電圧端子は、図１１のようにお互いに接続され、さらに補機８の電源端子に接続される。本実施例では、補機８に対して直流で電力を供給する。

図１１のようにダイオード整流回路１３ａ，１３ｂ、および補機８を接続すると、ダイオード整流回路１３ａの交流側端子電圧、またはダイオード整流回路１３ｂの交流側端子電圧のうち、高い方の交流電圧を供給している側から補機８の駆動エネルギーを供給することができる。以下、具体例をあげて説明する。

本発明では、風車が発電運転可能な風速の範囲内にあり、かつ電力系統１が正常な時、補機変圧器６の低圧側電圧Ｖ３と、補助発電機１１の発電電圧Ｖ４′の大小関係が、
Ｖ４′＞Ｖ３（ただし、Ｖ３＞０，Ｖ４′＞０）
となるように補助発電機の発電定数を選定する。補助発電機１１の発電電圧Ｖ４′が高いため、ダイオード整流回路１３ａのダイオードは、ダイオードが導通する条件にならないため、電流が流れない。その結果、補機８の駆動エネルギーは、補助発電機１１から供給されることとなる。その際、補機８に供給される直流電圧Ｖ５′は、電圧値の高い電圧Ｖ４′によって決まる。

ここで、風車が発電運転可能な風速の範囲外となった場合、補助発電機１１の発電電圧Ｖ４′が低下する。これにより、電圧Ｖ４′と電圧Ｖ３の大小関係は逆転し、
Ｖ３＞Ｖ４′
となる。補機変圧器６の低圧側電圧Ｖ３が電圧Ｖ４′より高くなるため、ダイオード整流回路１３ｂのダイオードは、ダイオードが導通する条件にならず、電流が流れない。その結果、補機８の駆動エネルギーは、電力系統１側から供給される。その際、直流電圧Ｖ５′は、電圧値の高い電圧Ｖ３によって決まる。

この場合にも、風車が発電運転可能な風速の範囲外となった場合に切り替え動作を行っており、実施例１と同様に切り替え前後の状態の調整をせずとも電源の切り替えが可能であり、風車が発電運転中に電源の切り替えを行う場合と比較して、切り替え前後の状態の調整が不要となるため、切り替え動作はスムーズに行うことができる様になる。

本実施形態では、補機変圧器６と補助発電機１１の交流電圧を、整流回路により直流電圧に変換して、どちらも補機８に接続している。これにより、上記各実施例のように開閉器７、あるいは開閉器１７を使用しなくて済む。このため、スイッチの制御に必要となる計測用変圧器７１や制御装置７２も省略できる。このため、風力発電システムの構成を簡単にし、システムの信頼性をあげることができる。

本発明に係る実施例５について、図１２を用いて説明する。上記各実施例では、発電機３として励磁式発電機を用いる場合について説明した。しかしながら、本実施例の様に永久磁石同期発電機を用いることもできる。また、発電機３の固定子巻線端子ＴＳは、電力制御装置１４を介して主変圧器２の低圧側端子と接続されており、出力電圧等を制御している。

本実施例の様に、発電機に永久磁石同期発電機を用いて、上記各実施例に適用することも可能である。また、本明細書で発電機の例として挙げた励磁式発電機や永久磁石同期発電機はあくまで一例であり、これらに限定されるものではない。永久磁石同期発電機を用いた場合には、励磁電流を不要にできる点で有益である。

尚、添付図面中における単線結線図では、煩雑化を防ぐべく、開閉器，遮断器、およびアレスタやサージ吸収素子等について省略しているが、これらを不要とする趣旨ではない。

また、上記各実施例ではダウンウインド型風車を例にして説明したが、発明の内容をこれに限定する趣旨ではなく、発電運転時に風上方向に翼を向けて発電するアップウインド型風車であっても適用可能であることは言うまでもない。

１電力系統
２主変圧器
３発電機
４，１４電力制御装置
５翼
６補機変圧器
７，１７開閉器
８補機
９ナセル
１０支柱
１１補助発電機
１２電力変換装置
１３ａ，１３ｂダイオード整流回路
３３永久磁石同期発電機
７１，１７１計測用変圧器
７２，１７２制御装置
７３，７４，１７４スイッチ回路
７５論理反転器
１７３ゲートドライバ

Claims

風を受けて発電運転する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムの制御方法であって、
前記風車は主発電機と、補助発電機または主発電機に形成された補助巻線を備え、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の前記補助巻線または前記補助発電機からの発電電力によって前記制御装置を駆動し、
前記風車が発電運転可能な風速範囲外にある場合には、電力系統側から供給される電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項１に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記風車が発電運転可能な風速範囲内にある場合には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の発電電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項１に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記補助巻線または前記補助発電機から発生された出力電圧が所定の電圧以上の場合には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の発電電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
風を受けて発電運転する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムの制御方法であって、
前記風車は主発電機と、補助発電機または主発電機に形成された補助巻線を備え、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の前記補助巻線または前記補助発電機からの発電電力によって前記制御装置を駆動し、
前記補助巻線または前記補助発電機から発生された出力電圧が所定の電圧未満の場合には、電力系統側から供給される電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
風を受けて発電運転する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムの制御方法であって、
前記風車は主発電機と、補助発電機または主発電機に形成された補助巻線を備え、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記風車の前記補助巻線または前記補助発電機からの発電電力によって前記制御装置を駆動し、
前記風車の発電運転中には、前記風車の発電電力及び電力系統側から供給される電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項５に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記風車の発電電力または前記電力系統側から供給される電力の一方が供給されなくなった場合には、他方によって供給される電力によって、前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項５または請求項６に記載の風力発電システムの制御方法であって、前記風車の発電電力及び前記電力系統側から供給される電力がいずれも前記制御装置に供給されている場合には、両者の交流電圧の位相が一致していることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項７に記載の風力発電システムの制御方法であって、前記風車の発電電力及び前記電力系統側から供給される電力がいずれも前記制御装置に供給されている場合には、位相制御手段により両者の交流電圧の位相を一致させることにより、両者が供給する電力の位相は一致していることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
請求項５ないし請求項８のいずれか一つに記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記風車の発電電力のうち、前記制御装置を駆動するための電力以外の剰余電力は、電力系統側に供給されることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
風を受けて回転する翼と、該翼の回転力によって回転子を回転させて発電を行う発電機とを有する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムであって、
前記発電機には電力系統に供給する電力が発生する固定子巻線と、該固定子巻線が置かれるスロットと同じスロットに補助巻線とが設けられており、
前記固定子巻線から発生される電力若しくは前記電力系統から供給される電力、及び前記補助巻線から発生される電力は電気的に接続されており、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記補助巻線から発生される前記風車の発電電力によって前記制御装置を駆動することを特徴とする風力発電システム。
請求項１０に記載の風力発電システムであって、前記発電機は励磁式の発電機であり、該励磁式の発電機は該励磁式の発電機自身または前記電力系統側と電気的に接続されており、自身の発電電力または前記電力系統側から供給される電力によって励磁電流を賄うことを特徴とする風力発電システム。
請求項１１に記載の風力発電システムであって、前記発電機は永久磁石式の発電機であることを特徴とする風力発電システム。
風を受けて回転する翼と、該翼の回転力によって回転子を回転させて発電を行う発電機と、補助発電機を有する風車と、該風車を制御する制御装置とを備える風力発電システムであって、
前記補助発電機により発生される交流電圧は、位相制御手段を介して前記発電機により発生される交流電圧または前記電力系統から供給される交流電圧と電気的に同位相で接続されており、前記風車の発電運転中には、電力系統の状態に関わらず、前記補助発電機から発生される前記風車の発電電力によって前記制御装置を駆動し、
前記発電機は励磁式の発電機であり、該励磁式の発電機は該励磁式の発電機自身または前記電力系統側と電気的に接続されており、自身の発電電力または前記電力系統側から供給される電力によって励磁電流を賄うことを特徴とする風力発電システム。