JP5765043B2

JP5765043B2 - 風力発電用電力変換装置

Info

Publication number: JP5765043B2
Application number: JP2011099090A
Authority: JP
Inventors: 梅沢　一喜; 一喜梅沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012231624A

Description

本発明は、風力発電システムなどの分散型電源システムに使用される系統連系変換装置に関する。

近年、風力発電システムの導入が進み、風力発電設備が分散型電源として商用電力系統に組み入れられつつあるが、風力発電設備を系統に組み入れて運用するには一抹の不安があり、風力発電設備の系統連系(すなわち風力発電設備などを商用電力系統に並列／解列する時点における状態)が技術的な課題となっている。

風力発電システムには、系統に連係するための機能として、系統電圧低下時においての運転継続機能（ＦＲＴ：Fault Ride Through ）が義務付けられている。この機能は、系統異常など瞬時電圧低下時に一斉に系統から脱落することを防止するために、系統の瞬時電圧低下時においても風力発電システムは運転を継続し、系統の安定性を確保するように運用動作しなければならない機能のことである。

下記特許文献１には、異常検出後の異常時運転継続モードにおいてピッチ角制御方式を異常時運転継続モードに切り替え、ピッチ角指令を風車の回転速度に応じて切り替える、または、回転速度を一定の目標値に制御するためにピッチ角指令を調整して、異常時継続運転モードにおいてもローターの回転速度を運転可能領域に収められるようにする風力発電システムの制御方法が開示されている。

また下記非特許文献１には、フルコンバータ方式を採る風力発電機の瞬低時の制御機能として、瞬低時の運転継続機能（ＦＲＴ）および瞬低時の電圧回復支援機能（ＤＶＳ：Dynamic Voltage Support）を持つことが重要であることを開示している。

特開2010-35418号公報

金尾則一「風力発電機のＦＲＴ・ＤＶＳに関する一検討」，Ｈ２１年電気学会，Ｂ部門大会，No.252，2008

しかし、風力発電システムにおける系統異常が発生する原因の大半をしめる自然現象の激変、特に雷発生時には気圧や風雨などが激しく変化するため、風力発電機の回転数の変動がおきやすく、ＦＲＴ(運転継続機能)制御時において、発電機側コンバータがトルクを低減させる制御を行うと風車の回転数が過回転近辺の場合には異常停止に至る危険が増す。雷発生は自然現象のため、雷発生時にどのような状況に至るかは予想することが困難である。

したがって本発明の目的は、発電機の出力電力と回転数、チョッパの電力消費レベルとそのＦＲＴの頻度に応じて、熱保護のためにチョッパの通電時間を変更制御して運転継続を可能にする風力発電用電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の風力発電用電力変換装置は、電力系統に対して、風力発電機、発電機側コンバータ、チョッパ、抵抗、および、系統側コンバータを含んで成る風力発電用電力変換装置であって、該電力変換装置は、
前記チョッパの出力に接続された前記抵抗により消費される電力を基に生成され、運転継続を行うために風力発電機のトルク低減の指令を出力する熱モデルと、
系統電圧低下時に前記電力系統に有効電力として出力可能な電力を計算する手段と、
発電機制御システムの出力である第１のトルク指令を電力換算部で電力換算して電力指令として出力する手段と、
該電力指令と、系統電圧低下時に計算された前記出力可能電力との差から系統に出力できない電力を電力偏差として算出する手段と、
前記電力偏差を前記熱モデルに入力し、該熱モデルで設定されたある時限後に前記熱モデルから第２のトルク指令を出力する手段と、
前記第１のトルク指令から前記第２のトルク指令を減算して前記発電機側コンバータに出力する減算器と、
該減算器の出力に基づいて前記風力発電機のトルクを減ずる制御が行われたときの前記チョッパの電力消費を算出し前記熱モデルに出力する手段と、
算出された前記チョッパの電力消費に対し、前記熱モデルが熱耐量に対応して決められた時間要素を基に低減する発電電力を算出し、発電電力抑制要求指令として前記発電機制御システムに出力する手段と、を備えることを特徴とする。

上記において、前記熱モデルは、算出された前記電力偏差をチョッパによる電力消費に対応する電力レベルとしてプロットし、該プロットした電力レベルから装置特性から決められた時限によって電力がゼロに減衰するものとし、系統電圧低下によって再度、前記チョッパが動作した場合は、再度、電力偏差を算出し、算出した前記電力偏差をチョッパによる電力消費に対応する再度の電力レベルとして前記プロットした電力レベルから前記時限により電力低減した上にさらに電力を加算し、前記チョッパのフル運転可能時間から、前記加算された電力部分を減じて前記チョッパ運転可能時間を算出することを特徴とする。

また上記において、風車の回転数に応じて変動する安全電力設定値を算出する手段と、ＦＲＴ実施時のチョッパ消費電力値を算出する手段と、該消費電力値をある熱モデルにて時限的に放熱復帰させる電力特性値上に、再度のＦＲＴ発生時に加算する手段と、該加算した電力特性値から、前記再度のＦＲＴ制御における、又は前記チョッパにおける電力消費時間と前記発電機側コンバータにおける電力制限（トルク制限）の時間を制御する手段、とを備え、前記安全電力設定値を前記電力特性値が超えた場合はその超えた部分の電力特性値を前記発電機制御システムに発電電力抑制要求指令として送出して電力制限運転モードにすることを特徴とする。

本発明によれば、風力発電機の出力電力と回転数、チョッパの電力消費レベルとそのＦＲＴの頻度に応じて、運転継続のためにチョッパ３、抵抗７の熱保護のために通電時間を変更するように制御し、風力発電機の回転数が過回転とならないように、発電機制御システムへ電力低減指令を出力し安定に運転継続することができる。

また本発明によれば、発電機制御システムへ電力低減指令を出力し安定に運転継続する最適運転条件で制御するため、チョッパの出力に接続されている抵抗の値を最適値に選定することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電用電力変換装置の構成を示す図である。図１に示した熱モデル内におけるトルク指令回路の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る熱モデル内の発電電力抑制要求指令を出力させるためのアルゴリズムおよびそのアルゴリズムに基づく熱モデルの動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る風力発電用電力変換装置の構成を示す図である。図１において風力発電機１には発電機側コンバータ２と、該発電機側コンバータ２で変換された直流を受けるチョッパ３および系統側コンバータ４とが接続されると共に、チョッパ３の出力には抵抗７が接続されている。

商用電力側の系統電圧５が低下した場合、系統側コンバータ４が出力している有効電力を第１の電力演算部６において瞬時に演算し、系統電圧５が低下した時点における有効電力として出力可能な電力、すなわち出力電力１９を演算結果として出力する。

また風力発電機１は、発電機制御システム１０においてピッチ制御などが行われて制御されているが、風車回転数に応じて要求トルクを第１のトルク指令１１として発電機側コンバータ２に出力する。

発電機制御システム１０から出力される第１のトルク指令１１を電力換算部１４で受令し、該電力換算部１４は第１のトルク指令１１を電力換算して電力指令１６として出力する。そして電力指令１６と上記した出力電力１９とを第１の減算器１７に入力し、第１の減算器１７は減算を行って、電力偏差１８を出力し、それを熱モデル１５に入力する。と同時に、第２の電力演算部２１は、チョッパ３の出力に接続された抵抗７による消費電力を算出し、熱モデル１５に入力する。熱モデル１５は、自身のアルゴリズムにしたがって算出された時間の時限後に、前記入力された電力偏差１８に基づいて第２のトルク指令１３を出力し、この第２のトルク指令１３を第２の減算器１２に入力し、該第２の減算器１２は、上記第１のトルク指令と第２のトルク指令とを減算し、その結果を発電機側コンバータ２に出力して風力発電機１におけるトルク制御を実施する。また、熱モデル１５は、前記入力された消費電力に基づいて発電電力抑制要求指令９を算出する。そして熱モデル１５は、算出した発電電力抑制要求指令９を発電機制御システム１０に入力し、発電機制御システム１０は入力された発電電力抑制要求指令９を第１のトルク指令１１に反映させることで発電機の発電量に制限をかけ、発電機回転数の過回転を抑制する。

図２は、図１に示した熱モデル内におけるトルク指令回路の構成を示す図である。図２において、熱モデル自身のアルゴリズムにしたがって算出された時間（スタート信号）２０の発生によってソフトスタータ２３はゲイン０から１にある時限を経てゲインをランプ状に変化させる。これにより、電力偏差１８が入力されていて、ゲインが０のときは、乗算器２４における電力偏差１８と上記ゲイン０との乗算結果は０で、０が入力されたトルク換算部２６の出力も０となり、したがって第２のトルク指令１３は０となるため、発電機コンバータ２は発電機制御システム１０から出力された第１のトルク指令１１に基づいて制御運転する。

コンパレータ５９は、設定値５８と電力偏差１８とを比較しており、電力偏差１８が設定値５８を超えた場合には、オンディレイ５７に入力されているチョッパ電力消費時間５２の設定時限後にオンディレイ５７は、時間（スタート信号）２０を出力し、該時間（スタート信号）２０はソフトスタータ２３に入力されてソフトスタータ２３が動作し、ゲインが０から１にランプ状に変化する過程においては、乗算器２４における電力偏差１８とランプ状に変化するゲインの値との乗算結果がトルク換算部２６に入力され、該トルク換算部２６はトルク換算した値を発電機コンバータ２への第２のトルク指令１３として出力することになる。したがって第２のトルク指令１３は上述の０から次第に増加することになり、第２のトルク指令１３が増加すると、第１のトルク指令１１はこの第２のトルク指令１３により減算器１２にて減算されるので、発電機側コンバータ２は、トルク制御の値が減り、したがって発電電力を低減することになるため、チョッパ３の出力に接続された抵抗７による消費電力は減少する。

図３は、本発明の実施形態に係る熱モデル内の発電電力抑制要求指令を出力させるためのアルゴリズムおよびそのアルゴリズムに基づく熱モデルの動作を説明する図である。
図３に示す図では、図１のチョッパ３の出力に接続された抵抗７による消費電力が太実線で表された電力レベル５３として示され、当該電力レベル５３におけるＦＲＴ１回目で、電力レベルが、設備固有の熱容量や冷却能力に応じて決定された時限にて図３に示されるプロットにしたがって減衰し最終的に零となる。図３における縦軸は、図１に示すチョッパが熱モデル１５に入力される電力偏差１８をフルに消費する時限を表している。

次に図３に示されるＦＲＴ２回目、ＦＲＴ３回目が実行されると共に、電力レベル５３がリセットされない間隔でＦＲＴ動作が発生した場合の時限は、Ｐ２ｏｆｆ，Ｐ３ｏｆｆのように表され、当初の電力レベル５３の上に次のＦＲＴ時の電力レベルが加算されることで、チョッパ３の出力に接続された抵抗７による電力消費する時間は短くなっていく。

この時限後は、図２で示した機能にて熱モデル１５内のトルク指令回路の機能にて発電機側コンバータ２の第１のトルク指令１１から第２のトルク指令１３を減算することで、発電機側コンバータ２は風力発電機１のトルクを下げる制御を実施する。

また、図３に示す電力設定５０のように、発電機回転数に応じて可変する設定値（発電機回転数―電力設定値テーブル）５６(図３右上部参照)より、チョッパの出力に接続された抵抗７による消費電力が電力レベルの電力設定５０を超えた電力ΔＰのようにその超えた電力５４（以降、超過電力値という）は、時間（スタート時間）２０の信号にてサンプルホールド回路６０によりホールドされ、発電電力抑制要求指令９として発電機制御システム１０に出力される(図３下部の回路および図１参照)。また、図３に示す発生熱モデルが時間とともに熱レベルが低下し、ゼロになった時点で、図３下部に示す回路におけるサンプルホールド回路６０にデータリセット信号５５が入力され、サンプルホールド回路６０のホールドしたデータをリセット/クリアすることで、上記発電電力抑制要求指令９は解除されることになる。

図３に示された波形図の中段，下段は、系統電圧の低下発生に応じた動作例を示すもので、ＦＲＴ１回目は、チョッパ３の消費電力はすべて系統出力電力として出力できない電力偏差１８分を消費し、発電機側コンバータ２はトルク低減のための制御運転をしない。しかしＦＲＴ２回目では、チョッパ３が電力消費する時間がＰ２offとなり、発電機側コンバータ２のトルク低減のための制御運転をして発電機電力が低下するため、回転数が少し上昇する。そしてＦＲＴ３回目は同様に、さらにチョッパ３が電力消費する時間がP3offとなり、さらに短くなる。

以上のように、風力発電機の出力電力と回転数、チョッパの電力消費とそのＦＲＴの頻度に応じて、運転継続のためにチョッパ３、抵抗７の熱保護のために通電時間を変更するように制御し、風力発電機の回転数が過回転とならないように、発電機制御システムへ電力低減指令を出力して安定に運転継続できるようにしている。

１風力発電機
２発電機側コンバータ
３チョッパ
４系統側コンバータ
５系統電圧
６第１の電力演算部
７抵抗
９発電電力抑制要求指令
１０発電機制御システム
１１第１のトルク指令
１２第１の減算器
１３第２のトルク指令
１４電力換算部
１５熱モデル
１６第１の電力指令
１７第２の減算器
１８電力偏差
１９出力電力
２０時間（スタート信号）
２１第２の電力演算部
２３ソフトスタータ
２４乗算器
２６トルク換算部
５０電力設定
５１時間設定
５２チョッパ電力消費時間
５３電力レベル
５４電力設定を超えたレベル
５５熱モデルリセット信号
５６発電機回転数-電力設定値テーブル
５７オンディレイ
５８設定値
５９コンパレータ
６０サンプルホールド回路

Claims

電力系統に対して、風力発電機、発電機側コンバータ、チョッパ、抵抗、および、系統側コンバータを含んで成る風力発電用電力変換装置であって、該電力変換装置は、
前記チョッパの出力に接続された前記抵抗により消費される電力を基に生成され、運転継続を行うために風力発電機のトルク低減の指令を出力する熱モデルと、
系統電圧低下時に前記電力系統に有効電力として出力可能な電力を計算する手段と、
発電機制御システムの出力である第１のトルク指令を電力換算部で電力換算して電力指令として出力する手段と、
該電力指令と、系統電圧低下時に計算された前記出力可能電力との差から系統に出力できない電力を電力偏差として算出する手段と、
前記電力偏差を前記熱モデルに入力し、該熱モデルで設定されたある時限後に前記熱モデルから第２のトルク指令を出力する手段と、
前記第１のトルク指令から前記第２のトルク指令を減算して前記発電機側コンバータに出力する減算器と、
該減算器の出力に基づいて前記風力発電機のトルクを減ずる制御が行われたときの前記チョッパの電力消費を算出し前記熱モデルに出力する手段と、
算出された前記チョッパの電力消費に対し、前記熱モデルが熱耐量に対応して決められた時間要素を基に低減する発電電力を算出し、発電電力抑制要求指令として前記発電機制御システムに出力する手段と、
を備えることを特徴とする風力発電用電力変換装置。
前記熱モデルは、
算出された前記電力偏差をチョッパによる電力消費に対応する電力レベルとしてプロットし、該プロットした電力レベルから装置特性から決められた時限によって電力がゼロに減衰するものとし、系統電圧低下によって再度、前記チョッパが動作した場合は、再度、電力偏差を算出し、算出した前記電力偏差をチョッパによる電力消費に対応する再度の電力レベルとして前記プロットした電力レベルから前記時限により電力低減した上にさらに電力を加算し、前記チョッパのフル運転可能時間から、前記加算された電力部分を減じて前記チョッパ運転可能時間を算出することを特徴とする請求項１記載の風力発電用電力変換装置。
風車の回転数に応じて変動する安全電力設定値を算出する手段と、ＦＲＴ実施時のチョッパ消費電力値を算出する手段と、該消費電力値をある熱モデルにて時限的に放熱復帰させる電力特性値上に、再度のＦＲＴ発生時に加算する手段と、該加算した電力特性値から、前記再度のＦＲＴ制御における、又は前記チョッパにおける電力消費時間と前記発電機側コンバータにおける電力制限（トルク制限）の時間を制御する手段、とを備え、前記安全電力設定値を前記電力特性値が超えた場合はその超えた部分の電力特性値を前記発電機制御システムに発電電力抑制要求指令として送出して電力制限運転モードにすることを特徴とする請求項１記載の風力発電用電力変換装置。