JPWO2009078075A1

JPWO2009078075A1 - 風力発電装置

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Publication number: JPWO2009078075A1
Application number: JP2009546089A
Authority: JP
Inventors: 有永　真司; 真司有永; 崇俊松下; 強志若狭; 柴田　昌明; 昌明柴田; 明八杉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: BRPI0722025A2; US20100213712A1; KR20100049112A; AU2007362451B2; CN101809837B; CA2697236C; CA2697236A1; US8222758B2; EP2221934A1; WO2009078075A1; EP2221934A4; KR101134960B1; JP4801779B2; CN101809837A; AU2007362451A1

Abstract

稼働率向上を図ることを目的とする。発電機と電力系統とをつなぐ電力線に第１スイッチを設けるとともに、発電機と第１スイッチとの間の電力線に遠隔操作により開閉可能な第２スイッチを設ける。第２スイッチは、低電圧事象に流れる電流を許容しつつ、発電機のサーマル設定による電流値を超えない範囲で、その耐電流性能が決められており、第１スイッチは、第２スイッチの耐電流性能よりも優れており、かつ、発電機のサーマル設定を超えない範囲で、その耐電流性能が決められている。

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

風車の運転制御において、系統電圧が停電等の発生により低下した場合には、風車と電力系統との接続を速やかに切断して過電流による発電機等の損傷を回避するという運用が採られている。その一方で、例えば、ＬＶＲＴ（Low voltage ride-through）で要求される電圧低下パターン等のような低電圧事象が発生した場合には、風車と電力系統との接続を維持し、風車の運転を継続して行う必要がある。
米国特許第６９２１９８５号明細書

ところで、上述した低電圧事象よりも大きな電圧の落ち込みが発生した場合、発電機電流が過大になり、系統電圧の低下が検出される前に、発電機と電力系統とを接続する電力系統に介装されているサーキットブレーカが解列状態となる可能性がある。
サーキットブレーカが解列状態になると、再起動のために作業員が風車のところまで訪れ、手動によりサーキットブレーカをクローズさせる作業が必要となる。したがって、再起動までに相当な時間を要し、稼働率が悪化するという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、稼働率の向上を図ることのできる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、発電機と、発電機と電力系統とをつなぐ電力線に設けられる第１スイッチと、前記発電機と前記第１スイッチとの間の電力線に設けられ、遠隔操作により開閉可能な第２スイッチとを備え、前記第２スイッチは、低電圧事象に流れる電流を許容しつつ、前記発電機のサーマル設定による電流値を超えない範囲の耐電流性能を有し、前記第１スイッチは、前記第２スイッチの耐電流性能よりも優れており、かつ、前記発電機のサーマル設定を超えない範囲の耐電流性能を有している風力発電装置を提供する。

このように、第２スイッチ及び第１スイッチは、低電圧事象による電圧の落ち込みに起因する過電流の発生に耐え得る耐電流性能を有している。従って、低電圧事象が発生したとしても解列することなく、発電機と電力系統との接続状態を維持することが可能となる。また、低電圧事象に流れる過電流よりも大きな電流が流れた場合には、第１スイッチよりも先に第２スイッチが解列状態となるので、第１スイッチが解列することを回避することが可能となる。また、第２スイッチは遠隔操作による開閉が可能とされているので、解列後においても、容易にオン状態とすることが可能となる。
第１スイッチの耐電流性能が第２スイッチの耐電流性能よりも優れているとは、例えば、第１スイッチの電流許容値が第２スイッチの電流許容値よりも大きく設定されていることをいう。

上記風力発電装置において、前記第２スイッチは、起動条件を満足した場合に、前記発電機と前記電力系統とを接続するために用いられるスイッチであってもよい。

上記風力発電装置において、前記低電圧事象は、例えば、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って電圧が０Ｖになり、かつ、電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象である。
例えば、上記低電圧事象は、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンである。

本発明によれば、稼働率向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示した図である。図１に示した風力発電装置の構成をより具体的に示した図である。発電機及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンの一例を示した図である。図４に示される電圧低下パターンが発生したときの発電機の出力電圧をシミュレーションにより解析したときの解析結果を示した図である。図４に示される電圧低下パターンが発生したときの発電機の出力電流をシミュレーションにより解析したときの解析結果を示した図である。図６に示した発電機の出力電流を定格電流との比で表し、更に、時間軸を拡大して表示した図である。本発明の一実施形態に係るマグネットコンタクタ、サーキットブレーカ、及び発電機のサーマル設定の関係の一例を示した図である。

符号の説明

１風力発電装置
５発電機
３０サーキットブレーカ
４０マグネットコンタクタ

以下に、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示したブロック図である。風力発電装置１は、図１に示されるように、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、発電機５とギア６とが搭載されている。発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７に接合されている。

風車ロータ７は、ブレード８と、ブレード８を支持するハブ９とを備えている。ブレード８は、そのピッチ角が可変であるように設けられている。詳細には、図２に示されているように、ハブ９には、ブレード８を駆動する油圧シリンダ１１と、油圧シリンダ１１に油圧を供給するサーボバルブ１２とが収容されている。サーボバルブ１２の開度によって油圧シリンダ１１に供給される油圧が制御され、これにより、ブレード８が、所望のピッチ角に制御される。

図１に戻り、ナセル３には、更に、風速風向計１０が設けられている。風速風向計１０は、風速と風向とを測定する。ナセル３は、風速風向計１０によって測定された風速と風向に応答して旋回される。

図３は、発電機５及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の発電機５は、発電機５が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統１３に出力可能であるように構成されている。具体的には、発電機５は、そのステータ巻線が電力系統１３に直接に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統１３に接続されている。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換する。能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を出力する。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統１３から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風力発電装置１の運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を発電機５のロータ巻線に供給する。

電圧／電流センサ２０は、発電機５を電力系統１３に接続する電力線に設けられており、発電機５の出力電圧Ｖと、出力電流Ｉとを測定する。

コンバータ駆動制御装置２１は、有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊に応答して出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御するべく、能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。具体的には、コンバータ駆動制御装置２１は、電圧／電流センサ２０によって測定された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから、有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更にコンバータ駆動制御装置２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ^＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ^＊との差に応答してＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を能動整流器１４及びインバータ１６に供給する。これにより、有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。

ピッチ制御装置２２は、主制御装置１９から送られるピッチ指令β^＊に応答して、ブレード８のピッチ角βを制御する。ブレード８のピッチ角βは、ピッチ指令β^＊に一致するように制御される。
ヨー制御装置２３は、主制御装置１９から送られるヨー指令に応答して、ナセル旋回機構４を制御する。ナセル３は、ヨー指令によって指示された方向に向けられる。

また、電力線において上記電圧／電流センサよりも下流側には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４が接続されている。このＡＣ／ＤＣコンバータ２４は、電力線を介して電力系統１３から受け取った交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を風力発電装置１の制御系、特に、ブレード８のピッチ角βを制御するために使用されるサーボバルブ１２（図２参照）、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給する。

更に、サーボバルブ１２（図２参照）、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に安定的に直流電力を供給するために、風力発電装置１には、充電装置２７と非常用バッテリ２８とを備えた無停電電源システム２６が設けられている。
例えば、ＬＶＲＴの要求により、たとえ系統電圧Ｖｇｒｉｄが低下した場合でも、発電機５が電力系統１３に接続された状態が維持される必要がある。このためには、電力系統１３の電圧が低下した場合でもブレード８のピッチ角が適切に制御され、これにより発電機５の回転数が所望値に維持される必要がある。このような要求を満足するために、系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の電圧まで低下した場合、無停電電源システム２６がスイッチ２５によってサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に接続され、非常用バッテリ２８からサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に電力が供給される。これにより、ブレード８のピッチ角の制御が維持される。非常用バッテリ２８は、充電装置２７に接続されている。充電装置２７は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から供給される直流電力によって非常用バッテリ２８を充電する。

また、更に、発電機５と電力系統１３とをつなぐ電力線には、サーキットブレーカ（第１スイッチ）３０が設けられている。具体的には、サーキットブレーカ３０は、風車が備える全ての構成要素の中で、電力系統１３に最も近い位置に設けられる。
また、発電機５とサーキットブレーカ３０との間の電力線には、マグネットコンタクタ（第２スイッチ）４０が設けられている。具体的には、マグネットコンタクタ４０は、風車が備える全ての構成要素の中で、上記サーキットブレーカ３０に次いで、電力系統１３に近い位置に設けられている。

サーキットブレーカ３０、マグネットコンタクタ４０は、タワー２の下方に配置されている連系盤（図示略）の中に配置されている。
マグネットコンタクタ４０は、発電機５の出力が起動条件を満足した場合に、発電機５と電力系統１３とを接続するために用いられるスイッチであり、遠隔操作による開閉が可能な構成とされている。
サーキットブレーカ３０は、過電流による発電機５等の損傷を回避するために設けられているリレーであり、遠隔から操作することが不可能な構成とされている。従って、一度解列状態となった場合には、作業員が手動により直接的にクローズ状態とする必要がある。

次に、本発明の特徴部分である上記サーキットブレーカ３０及びマグネットコンタクタ４０の耐電流性能について図を参照して説明する。
マグネットコンタクタ４０は、低電圧事象に流れる電流を許容しつつ、発電機５のサーマル設定による電流値を超えない範囲の耐電流性能を有している。サーキットブレーカ３０は、マグネットコンタクタ４０の耐電流性能よりも優れ、かつ、発電機５のサーマル設定を超えない範囲の耐電流性能を有している。

低電圧事象とは、例えば、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って電圧が０Ｖになり、かつ、電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象をいう。この低電圧事象として、例えば、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンが一例として挙げられる。

図４に、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンの一例を示す。図４に示される電圧低下パターンでは、まず、系統電圧Ｖｇｒｉｄが瞬時的に０Ｖに落ち込み、この状態が１５０ｍｓ維持され、その後徐々に電圧が回復し、電圧の瞬時低下時点から約４ｓで系統電圧Ｖｇｒｉｄが回復する。このように系統電圧Ｖｇｒｉｄが変化した場合に、発電機５の出力電圧Ｖおよび出力電流Ｉがどのように変化するのかシミュレーション解析を行った。

その結果を図５及び図６に示す。図５は発電機５の出力電圧Ｖの変化を、図６は、発電機５の出力電流Ｉの変化を示している。図５に示される発電機５の出力電圧Ｖは、図４に示される系統電圧Ｖｇｒｉｄと略同様の変化を見せている。図６に示される発電機５の出力電流Ｉは、系統電圧Ｖｇｒｉｄの瞬時低下に伴い、過電流が瞬時的に流れ、その後、定格電流を跨ぐように変動し、系統電圧Ｖｇｒｉｄが回復してから約数百ｍｓ後に安定する。

図７は、図６に示した発電機５の出力電流Ｉを定格電流との比で表し、更に、時間軸(横軸)を拡大して表示したものである。図７では、１／６０ｓ毎に発電機５の出力電流Ｉの実効値を計算していることから、電流値が階段状に示されている。図７に示されるように、図４に示した電圧低下パターンの低電圧事象が発生した場合には、最大で５．５倍程度の電流が１／６０秒間流れることがわかる。
従って、図４に示される電圧低下パターンに対応するためには、少なくとも定格に対して５．５倍の過電流が流れた場合でも解列しない程度の耐電流性能を、マグネットコンタクタ４０が有している必要がある。

なお、図４に示した低電圧事象の電圧低下パターンは、あくまでも一例であり、マグネットコンタクタ４０は、例えば、ＬＶＲＴの要求による電圧低下パターンを全て克服する耐電圧性能を有する必要がある。

次に、図８に、マグネットコンタクタ、サーキットブレーカ、及び発電機のサーマル設定の関係の一例を示す。図８において、横軸は、発電機５の定格電流に対する倍率を、縦軸は許容時間をそれぞれ示している。
図８に示されるように、マグネットコンタクタ４０の最大許容電流は、サーキットブレーカ３０に比べて低く設定されており、かつ、サーキットブレーカ３０及びマグネットコンタクタ４０の最大許容電流は、サーマル設定の範囲内とされている。

以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置１によれば、マグネットコンタクタ４０及びサーキットブレーカ３０は、低電圧事象による電圧の落ち込みに起因する過電流の発生に耐え得る耐電流性能を有しているので、低電圧事象が発生したとしても解列することなく、発電機５と電力系統１３との接続状態を維持することが可能となる。

また、低電圧事象の発生時に流れる過電流よりも大きな電流が流れた場合には、サーキットブレーカ３０よりも先にマグネットコンタクタ４０が解列状態となるので、サーキットブレーカ３０が解列することを回避することが可能となる。ここで、マグネットコンタクタ４０は遠隔操作による開閉が可能とされているので、解列後においても、容易にオン状態とすることが可能となる。従って、低電圧事象の発生時に流れる過電流よりも大きな電流が流れた場合でも、遠隔地からマグネットコンタクタ４０を再度閉状態とするだけで、風力発電装置１の起動を行わせることが可能となる。つまり、風力発電装置１の再起動に際して、作業員が風車まで訪れて手動によりサーキットブレーカ３０をクローズ状態にする手間を省略することができる。これにより、風力発電装置１を速やかに再起動可能な状態とすることができ、稼動率を向上させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

Claims

発電機と、
発電機と電力系統とをつなぐ電力線に設けられる第１スイッチと、
前記発電機と前記第１スイッチとの間の電力線に設けられ、遠隔操作により開閉可能な第２スイッチと
を備え、
前記第２スイッチは、低電圧事象に流れる電流を許容しつつ、前記発電機のサーマル設定による電流値を超えない範囲の耐電流性能を有し、
前記第１スイッチは、前記第２スイッチの耐電流性能よりも優れており、かつ、前記発電機のサーマル設定を超えない範囲の耐電流性能を有する風力発電装置。
前記第２スイッチは、起動条件を満足した場合に、前記発電機と前記電力系統とを接続するために用いられる請求項１に記載の風力発電装置。
前記低電圧事象は、百ｍｓ以上数百ｍｓ未満の範囲に渡って電圧が０Ｖになり、かつ、電圧の落ち込みから復帰までに数秒を要する事象である請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
前記低電圧事象は、ＬＶＲＴで要求される電圧低下パターンである請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。