JP6021147B2

JP6021147B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP6021147B2
Application number: JP2012195689A
Authority: JP
Inventors: 英児野村
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: JP2014054036A

Description

本発明は、風力を利用して発電する風力発電システムに係わり、風力に対して効率的な発電を行う風力発電装置に関する。

風力発電システムでは、風車で得られたエネルギーを商用系統に効率よく配給するために、発電機出力をコンバータにて一旦直流に変換し、変換した直流をインバータにて交流に変換、商用系統に配給している（例えば、特許文献１参照）

図４は従来の風力発電システムの主回路構成図の一例である。

図４において、１は風車、２は発電機、５１はコンバータ、４はフィルタコンデンサ、５は系統インバータ、６は交流リアクトル、７は交流コンデンサ、８は商用系統開放接触器、９は商用系統である。

コンバータ５１は、スイッチング素子５２〜５７と、それぞれのスイッチング素子５２〜５７に逆並列接続されるフリーホイールダイオード５８〜６３とを備えて構成される。スイッチング素子５２、５３は直列接続しコンバータ５１のＲ相アームを構成し、スイッチング素子５４、５５は直列接続しコンバータ５１のＳ相アームを構成し、スイッチング素子５６、５７は直列接続しコンバータ５１のＴ相アームを構成し、コンバータ５１の出力にフィルタコンデンサ４が接続される。各相の位相が互いに１２０度ずつずれるようにスイッチング素子５２〜５７をオン・オフして制御することにより、コンバータ回路５１の入力に接続された発電機２を制御する。

系統インバータ５は、入力側にフィルタコンデンサ４を接続し、スイッチング素子２７〜３２と、それぞれのスイッチング素子２７〜３２に逆並列接続されるフリーホイールダイオード３３〜３８とを備えて構成される。スイッチング素子２７、２８は直列接続し系統インバータ５のＵ相アームを構成し、スイッチング素子２９、３０は直列接続し系統インバータ５のＶ相アームを構成し、スイッチング素子３１、３２は直列接続し系統インバータ５のＷ相アームを構成している。各相の位相が互いに１２０度ずつずれるようにスイッチング素子２７〜３２をオン・オフして制御することにより、系統インバータ５の出力側に接続された商用系統に交流を出力する。

交流リアクトル６と交流コンデンサ７は、交流フィルタを構成し、系統インバータ５が出力する矩形波状の電圧を正弦波に変換する。

商用系統開放接触器８は、交流リアクトル６を通した交流出力を連係しようとしている商用系統に対して、開放・釈放を行う。

コンバータ回路５１は、発電機２の制御において、回転数やトルクで制御する場合が多い。

また、発電機２の制御に有効電力を用いているものもある。（例えば、特許文献２参照）。

系統インバータ５は、コンバータ５１の直流出力を電源とし、商用系統に電圧・周波数および位相制御した交流出力に変換する

特許３４３５４７４公報特開２０１１−２１７５７４号公報

しかしながら、従来技術では発電機制御にコンバータ、系統側制御に系統インバータの２つの能動的な電力変換装置が必要となる。

また、能動的な電力変換装置が多くなると、制御電源等の待機電力の増加、電力変換装置の能動素子のスイッチング損失の増加があるため、冷却機構等が大きくなり、装置の小型化が困難となる。

そこで、本発明では、発電機用のコンバータは能動素子による変換器では無く、受動素子のダイオードによる変換器とし、発電機の制御を系統用インバータが行うことで、装置の小型化・待機電力の低減を図ることを目的とする。

本発明は、風車で駆動される発電機と、発電機の交流発電出力を直流に変換する整流器と、整流器の出力に接続されたフィルタコンデンサと、複数のスイッチング素子が複数相の回路を構成し、前記整流器の出力に接続された系統インバータと、前記系統インバータが出力する矩形波状の電圧を正弦波に変換する交流リアクトル及び交流コンデンサと、前記交流リアクトルの出力に接続し、商用系統との接続・釈放を行う商用系統開放接触器と、前記発電機の回転数を検出する回転センサと、前記フィルタコンデンサに印加される電圧を検出する第1の電圧センサと、交流リアクトルの出力側の電圧を検出する第2の電圧センサと、商用系統に出力される電流を検出する電流センサと、商用系統の電圧を検出する第3の電圧センサと、前記回転センサで検出した回転数に基づき出力電力指令を演算する手段と、交流リアクトルの出力側の電圧を検出する前記第2の電圧センサで検出した電圧に基づき出力電圧の実効値を演算する手段と、前記出力電力指令及び出力電圧実効値に基づき出力電流指令を演算する手段と、商用系統の電圧を検出する前記第3の電圧センサで検出した電圧に基づき電圧位相を演算する手段と、前記出力電流指令及び電圧位相及び出力電流に基づき前記系統インバータが出力する３相電圧指令を演算する３相電圧指令演算部と、前記フィルタコンデンサに印加された電圧及びキャリア信号に基づき前記インバータを構成する複数のスイッチング素子へのゲート信号を生成する手段を備えた風力発電装置において、発電機の回転数に基づき系統インバータの出力する電力を制御する事を特徴とする。

これにより、発電機制御用のコンバータを使用せずに、系統用のインバータが発電機の制御も兼ねる事ができ、風力発電装置全体の小型化、能動素子の削減による待機電力の削減をすることができる。

また、商用系統への出力の力率は固定では無く、可変した任意の力率でも良い。

また、発電機の回転数に基づきインバータの出力する電力を制御は固定値では無く、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御；Maximum Power Point Tracker制御）でも良い。

本発明は、上述したインバータを有する風力発電装置において、風力発電装置全体の小型化、能動素子の削減による待機電力の削減をすることができる。

本発明に係る風力発電装置の回路を示す図である。（実施例１）本発明に係る制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例１）本発明に係る制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例１）従来の技術による風力発電装置の回路を示す図である。本発明に係る制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例２）本発明に係る制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例２）本発明に係る制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例３）

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に関わる風力発電装置を示す図、図２は本発明の実施例１に関わる制御ブロック構成の一例を示す図、図３は本発明の実施例１に関わる制御ブロック構成の一例を示す図である。

図１において、風力発電装置は、風車１と、発電機２と、整流器３と、フィルタコンデンサ４と、系統インバータ５と、交流リアクトル６と、交流コンデンサ７と、商用系統開放接触器８と、回転センサ１１と、電圧センサ１２〜１５及び１８〜１９と、電流センサ１６及び１７と、制御部７１とを備える。

整流器３は、ダイオード２１〜２６を備えて構成される。ダイオード２１、２２は直列接続し整流器３のＲ相アームを構成し、ダイオード２３、２４は直列接続し整流器３のＳ相アームを構成し、ダイオード２５、２６は直列接続し整流器３のＴ相アームを構成している。これらにより、発電機２の交流発電出力を直流に変換する。

フィルタコンデンサ４は、整流器３で変換した直流を平滑する。

系統インバータ５は、スイッチング素子２７〜３２と、それぞれのスイッチング素子２７〜３２に逆並列接続されるフリーホイールダイオード３３〜３８とを備えて構成される。スイッチング素子２７、２８は直列接続しインバータ５のＵ相アームを構成し、スイッチング素子２９、３０は直列接続しインバータ５のＶ相アームを構成し、スイッチング素子３１、３２は直列接続しインバータ５のＷ相アームを構成している。各相の位相が互いに１２０度ずつずれるようにスイッチング素子２７〜３２をオン・オフして制御することにより、系統インバータ５の出力側に接続された商用系統に交流を出力する。

商用系統開放接触器８は、交流リアクトル６を通した交流出力を連係する商用系統に対して、開放・釈放を行う。

回転センサ１１は、発電機２の回転数Ｎｇを検出する。

電圧センサ１２は、フィルタコンデンサ４に印加されている電圧Ｖｃを検出する。

電圧センサ１３〜１５は、交流リアクトル６の出力側に印加されている３相出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを検出する。

電流センサ１６及び１７は、商用系統に出力する３相出力電流Ｉｕ、Ｉｗを検出する。

電圧センサ１８及び１９は、商用系統の系統電圧ＶＬｕ、ＶＬｖを検出する。

制御部７１は、回転センサ１１、電圧センサ１２〜１５、電流センサ１６及び１７、電圧センサ１８及び１９から値を入力し、系統インバータ５のスイッチング素子に対してゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｕｎ、Ｇｖｐ、Ｇｖｎ、Ｇｗｐ、Ｇｗｎを出力する。

図２は、制御部７１の構成を示しており、制御部７１は、出力電力指令演算部７２Ａと、出力電圧実効値演算部７３と、除算器７４と、系統電圧位相演算部７５と、３相電圧指令演算部７６Ａと、ゲート信号生成部７７とを備える。

出力電力指令演算部７２Ａは、発電機回転数Ｎｇに基づき、系統インバータ５が商用系統に出力する出力電力指令Ｐｏｕｔ＊を演算する。

出力電圧実効値演算部７３は、３相出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づき、出力電圧実効値Ｖｏｕｔを演算する。

除算器７４は、出力電力指令Ｐｏｕｔ＊を出力電圧実効値Ｖｏｕｔで除算し、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊を演算する。

系統電圧位相演算部７５は、系統電圧ＶＬｕ、ＶＬｖに基づき、ＰＬＬ演算（Phase
Locked Loop；位相同期演算）を行い、系統電圧の位相θを演算する。

３相電圧指令演算部７６Ａは、３相出力電流Ｉｕ、Ｉｗと、系統電圧位相θと、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊に基づき、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。

ゲート信号生成部７７は、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と、キャリア信号と、電圧Ｖｃに基づき、ゲート信号を生成する。例えば、キャリア信号を三角波とし、電圧指令とキャリア信号を比較する三角波比較方式を使用する。このゲート信号は、系統インバータ５のスイッチング素子をオン、オフする。

図３は、３相電圧指令演算部７６Ａの構成を示しており、３相電圧指令演算部７６Ａは、３相―ｄｑ座標変換部８１と、電流指令生成部８２Ａと、減算部８３及び８４と、ＰＩ制御部８５及び８６と、ｄｑ座標―３相変換部８７とを備える。

３相−ｄｑ座標変換部８１は、３相出力電流Ｉｕ、Ｉｗと、系統電圧位相θに基づき、ｄｑ座標に対する電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する。

電流指令生成部８２Ａは、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊に基づき、ｄｑ座標に対する電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に変換する。

減算器８３は、電流指令Ｉｄ＊から電流Ｉｄを減算し、ΔＩｄを出力する。

減算器８４は、電流指令Ｉｑ＊から電流Ｉｑを減算し、ΔＩｑを出力する。

ＰＩ制御部８５は、ΔＩｄに基づき、ＰＩ演算を行い、電圧指令Ｖｄ＊を出力する。

ＰＩ制御部８６は、ΔＩｑに基づき、ＰＩ演算を行い、電圧指令Ｖｑ＊を出力する。

ｄｑ座標−３相変換部８７は、電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と、系統電圧位相θに基づき、３相座標に対する３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換する。

図５は、本発明の実施例２に関わる風力発電装置を示す図、図６は本発明の実施例２に関わる制御ブロック構成の一例を示す図である。本実施形態は、実施例１において、３相電圧指令演算部７６Ａに外部からの力率指令φをさらに入力するもので、７２Ａ、７３〜７５、７７、８１、８３〜８７は、図２、図３と同じである。力率を固定では無く、可変にすることにより、商用系統側の電圧上昇等を防ぐことができる。

３相電圧指令演算部７６Ｂは、３相出力電流Ｉｕ、Ｉｗと、系統電圧位相θと、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と、力率指令φに基づき、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。

電流指令生成部８２Ｂは、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と、力率指令φに基づき、ｄｑ座標に対する電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に変換する。

図７は、本発明の実施例３に関わる風力発電装置を示す図である。本実施形態は、実施例１の出力電力指令演算部７２Ａにおいて、回転数Ｎｇに対して一定の関数では無く、最大電力点追従制御方式を用いる。最大電力点追従制御式出力電力指令演算部７２Ｂ以外の７３〜７７は、図２と同じである。これにより、より効率的に風車から電力を取り出すことができる。

出力電力指令演算部７２Ｂは、発電機回転数Ｎｇに基づき、最大電力点追従制御方式を用いて、系統インバータ５が商用系統に出力する出力電力指令Ｐｏｕｔ＊を演算する。

本発明は、風力を利用して発電する風力発電システムにおいて、装置の小型化及び待機電力の低減をすることができる。

１風車
２発電機
３整流器
４フィルタコンデンサ
５系統インバータ
６交流リアクトル
７交流コンデンサ
８商用系統開放接触器
９商用系統
１１回転センサ
１２〜１５電圧センサ
１６〜１７電流センサ
１８〜１９電圧センサ
２１〜２６ダイオード
２７〜３２スイッチング素子
３３〜３８フリーホイールダイオード
５１コンバータ
５２〜５７スイッチング素子
５８〜６３フリーホイールダイオード
７１制御部
７２Ａ、７２Ｂ出力電力指令演算部
７３出力電圧実効値演算部
７４除算器
７５系統電圧位相演算部
７６Ａ、７６Ｂ３相電圧指令演算部
７７ゲート信号生成部
８１３相―ｄｑ座標変換部
８２Ａ、８２Ｂ電流指令生成部
８３〜８４減算器
８５〜８６ＰＩ制御部
８７ｄｑ座標―３相変換部

Claims

風車で駆動される発電機と、発電機の交流発電出力を直流に変換する整流器と、整流器の出力に接続されたフィルタコンデンサと、複数のスイッチング素子が複数相の回路を構成し、前記整流器の出力に接続された系統インバータと、前記系統インバータが出力する矩形波状の電圧を正弦波に変換する交流リアクトル及び交流コンデンサと、前記交流リアクトルの出力に接続し、商用系統との接続・釈放を行う商用系統開放接触器と、前記発電機の回転数を検出する回転センサと、前記フィルタコンデンサに印加される電圧を検出する第1の電圧センサと、交流リアクトルの出力側の電圧を検出する第2の電圧センサと、商用系統に出力される電流を検出する電流センサと、商用系統の電圧を検出する第3の電圧センサと、前記回転センサで検出した回転数に基づき出力電力指令を演算する手段と、交流リアクトルの出力側の電圧を検出する前記第2の電圧センサで検出した電圧に基づき出力電圧の実効値を演算する手段と、前記出力電力指令及び出力電圧実効値に基づき出力電流指令を演算する手段と、商用系統の電圧を検出する前記第3の電圧センサで検出した電圧に基づき電圧位相を演算する手段と、前記出力電流指令及び電圧位相及び出力電流に基づき前記系統インバータが出力する３相電圧指令を演算する３相電圧指令演算部と、前記フィルタコンデンサに印加された電圧及びキャリア信号に基づき前記インバータを構成する複数のスイッチング素子へのゲート信号を生成する手段を備えた風力発電装置において、発電機の回転数に基づき系統インバータの出力する電力を制御する事を特徴とする風力発電装置。
請求項１において、前記３相電圧指令演算部に外部からの力率指令を入力し、力率を固定では無く、可変にすることにより、商用系統側の電圧上昇を防ぐことができる事を特徴とする風力発電装置。
請求項１において、出力電力指令の演算に、発電機回転数に対して一定の関数では無く、最大電力点追従制御方式を用いることにより、より効率的に風車から電力を取り出すことができる事を特徴とする風力発電装置。