KR20130109236A

KR20130109236A - 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치, 풍력 발전 장치, 윈드 팜 및 풍차의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130109236A
Application number: KR1020137021308A
Authority: KR
Inventors: 쥰지 후지이; 히토시 야마모토; 데츠오 오오야마; 다카시 다나카
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-10-07
Also published as: CN203670098U; CN103370534B; US20130328309A1; TW201308860A; KR101509371B1; EP2677168A1; WO2012111115A1; WO2012111416A1; CN103370534A

Abstract

실시 형태에 따른 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치는, 매트릭스 컨버터와 제어부를 구비한다. 매트릭스 컨버터는, 풍력에 의해 회전하는 풍차의 회전력에 의해 발전기에서 발전된 전력을, 풀 컨버트하여 전력 계통에 공급하도록 제어부에 의해 제어된다.

Description

풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치, 풍력 발전 장치, 윈드 팜 및 풍차의 제조 방법{MATRIX CONVERTER DEVICE FOR WIND-POWER ELECTRICITY-GENERATION, WIND-POWER ELECTRICITY-GENERATION DEVICE, WIND FARM, AND WIND TURBINE MANUFACTURING METHOD}

개시된 실시 형태는, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치, 풍력 발전 장치, 윈드 팜 및 풍차의 제조 방법에 관한 것이다.

풍력 발전 장치는, 일반적으로, 풍차와 발전기를 구비하고 있고, 풍차가 풍력을 받아 회전하는 기계 에너지를 발전기에 의해 전기 에너지로 변환한다.

풍력 발전 장치에서 발전기로부터 출력되는 전기 에너지는, 전력 변환 장치를 거쳐서 전력 계통에 공급된다. 이 전력 변환 장치로서는, 발전기로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 이 컨버터로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터를 조합한 것이 사용되고 있었다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

특허 문헌 1 : 일본 특개 제2007－124779호 공보

그러나, 종래의 풍력 발전용 전력 변환 장치에서는, 바람의 힘이 약하고, 발전기가 저속으로 회전하는 경우, 내부의 1개 혹은 몇 개의 스위칭 소자에 연속하여 긴 시간 전류가 흐르는 전류 집중이 발생한다. 이 전류 집중에 대응하기 위해, 종래의 풍력 발전용 전력 변환 장치에서는, 스위칭 소자의 용량을 크게 하지 않으면 안 된다고 하는 문제가 있었다.

실시 형태의 한 종류는, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 스위칭 소자의 용량을 억제할 수 있는 풍력 발전용 전력 변환 장치, 풍력 발전 장치, 윈드 팜 및 풍차의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

실시 형태의 한 종류에 따른 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치는, 매트릭스 컨버터와 제어부를 구비한다. 상기 매트릭스 컨버터는, 풍력에 의해 회전하는 풍차의 회전력에 의해 발전기에서 발전된 전력을, 풀 컨버트하여 전력 계통에 공급하도록 제어부에 의해 제어된다.

실시 형태의 한 종류에 따른 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치에 의하면, 스위칭 소자의 용량을 억제할 수 있다.

도 1은 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2(a)는, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전부의 블레이드 부착 순서를 나타내는 도면이다.
도 2(b)는, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전부의 블레이드 부착 순서를 나타내는 도면이다.
도 2(c)는, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전부의 블레이드 부착 순서를 나타내는 도면이다.
도 3은, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 블럭도이다.
도 4는, 제 1 실시 형태에 따른 매트릭스 컨버터의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는, 병렬 접속에 의해 전류 정격을 증가시킨 직렬 다중 매트릭스 컨버터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 4에 나타내는 단상 매트릭스 컨버터의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 역률 제어부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은, 제어 신호 발생부에 의한 매트릭스 컨버터의 제어예를 설명하는 도면이다.
도 9는, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 다른 블럭도이다.
도 10은, 정전 시 제어의 순서를 나타내는 도면이다.
도 11은, 위치 제어부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는, 방전 지령부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은, 전원 전환부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 13에 나타내는 전압 전환 지령부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는, 제 2 실시 형태에 따른 윈드 팜의 구성을 나타내는 도면이다.

이하에, 본원이 개시하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치, 풍력 발전 장치, 윈드 팜 및 풍차의 제조 방법의 실시 형태를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이러한 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(제 1 실시 형태)

도 1은, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(1)는, 풍력 발전부(10)와, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)를 구비하며, 전력 계통(30)에 전력을 공급한다. 또한, 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 도 1에서는 일부의 구성을 도시하고 있지 않다. 이러한 미도시의 구성에 있어서는, 도 3 등을 참조하여 설명한다.

풍력 발전부(10)는, 탑체(11), 나셀(nacelle)(12) 및 로터(13)를 갖는 풍차(14)를 구비한다. 나셀(12)은, 탑체(11)에 회전 자유롭게 지지된다. 또한, 로터(13)는, 로터 허브(13a)와, 로터 허브(13a)의 상이한 위치에 부착되는 복수의 블레이드(13b)를 구비한다.

이러한 풍차(14)의 나셀(12) 내에는, 샤프트(17)를 거쳐서 로터(13)에 접속된 발전기(15)가 수납되어 있다. 발전기(15)는, 전동기로서도 이용할 수 있는 회전 전기이며, 예를 들면, 영구 자석 타입의 회전 전기이다.

또한, 나셀(12) 내에는, 풍력에 의해 회전하는 풍차(14)의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기(16)가 수납되어 있다. 이 위치 검출기(16)는, 예를 들면, 샤프트(17)의 회전 위치를 검출하는 것에 의해 풍차(14)의 회전 위치를 검출한다.

한편, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 풍력 발전용의 전력 변환 장치이며, 매트릭스 컨버터(21)와, 제어부(22)와 무정전 전원(이하, UPS라고 기재함)(23)ㄱ과 조작부(24)를 구비한다. 이러한 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 탑체(11) 내에 배치된다. 전력 계통(30)의 전압이 발전기(15)의 전압보다 높은 경우, 발전기(15)와 매트릭스 컨버터(21)의 사이의 전력 전달용 케이블에 흐르는 전류보다, 매트릭스 컨버터(21)와 전력 계통(30)의 사이의 전력 전달용 케이블을 흐르는 전류가 작다. 그 때문에, 풍력 발전 장치(1)에서는, 탑체(11) 외부에 인출되는 케이블의 직경을 작게 할 수 있다.

매트릭스 컨버터(21)는, 풍력 발전부(10)의 발전기(15)와 전력 계통(30)의 전력을 쌍방향으로 풀 컨버트하는 전력 변환부이다. 이러한 매트릭스 컨버터(21)는, DFIG(이중 급전 유도 발전기) 타입과 같이, 전력 계통에 직접 접속된 발전기의 출력의 주파수만을 조정하는 것은 아니다. 즉, 매트릭스 컨버터(21)는, 발전기(15)와 전력 계통(30)의 사이에 개재하여, 발전기(15)와 전력 계통(30)의 사이에 쌍방향으로 전력 변환을 행하는 것이다.

제어부(22)는, 매트릭스 컨버터(21)에 제어 신호를 출력하고, 발전기(15)와 전력 계통(30)의 사이에서 쌍방향의 전력 변환을 행하게 한다. 이러한 제어부(22)는, 예를 들면, 조작부(24)로의 조작에 근거하여 매트릭스 컨버터(21)에 제어 신호를 출력하고, 발전 제어 처리나 풍차 위치 제어 처리를 매트릭스 컨버터(21)로 하여금 행하게 한다.

조작부(24)로의 조작에 의해 발전 제어 처리가 선택되었을 경우, 제어부(22)는 발전 제어 처리를 실행하고, 조작부(24)로의 조작에 의해 풍차 위치 제어 처리가 선택되었을 경우, 제어부(22)는 풍차 위치 제어 처리를 실행한다. 발전 제어 처리는, 발전기(15)로부터 출력된 전력을 전력 계통(30)에 따른 전력으로 변환하여 전력 계통(30)에 출력하는 처리이다. 또한, 풍차 위치 제어 처리는, 전력 계통(30)으로부터 출력되는 전력을 변환하고 발전기(15)에 공급하여 발전기(15)를 전동기로서 동작시키는 처리이다.

풍차 위치 제어 처리는, 로터 허브(13a)에 블레이드(13b)를 부착하는 경우, 로터 허브(13a)로부터 블레이드(13b)를 분리하는 경우, 및 블레이드(13b)의 점검이나 유지 보수를 행하는 경우 등에 실행되는 처리이다. 제어부(22)는, 풍차 위치 제어 처리를 실행함으로써, 예를 들면, 조작부(24)로의 조작에 의해 지정된 목표 위치에 풍차의 회전 위치를 일치시킨다.

목표 위치의 정보는, 블레이드(13b)의 부착이나 분리가 용이한 위치로서 블레이드(13b)마다, 미리 제어부(22) 내에 설정되어 있고, 조작부(24)로의 조작에 의해 선택된다. 또한, 조작부(24)로의 조작에 의해 입력되는 위치 정보를 목표 위치로 함으로써, 임의의 목표 위치를 설정할 수도 있다.

제어부(22)는, 위치 검출기(16)에 의해 검출된 풍차(14)의 회전 위치의 정보(이하, 「위치 검출치」라고 기재함)와 조작부(24)로의 조작에 의해 지정된 목표 위치에 근거하여, 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치에 일치시키도록 제어 신호를 생성한다. 제어부(22)는, 생성한 제어 신호를 매트릭스 컨버터(21)에 출력한다.

여기서, 풍력 발전부(10)에 있어서의 블레이드(13b)의 설치 방법에 대해 설명한다. 도 2는, 풍력 발전부(10)에 있어서의 블레이드(13b)의 부착 순서를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는, 하나의 블레이드(13b1)를 부착한 로터 허브(13a)에 다음의 블레이드(13b2)를 부착하는 경우의 순서를 나타내고 있지만, 어느 하나의 블레이드(13b)의 부착도 마찬가지로 행할 수 있다.

도 2(a)에 나타내는 상태에 있어서, 작업자가 조작부(24)를 조작하여, 풍차 위치 제어 처리를 지정하고, 로터 허브(13a)에 부착하는 블레이드로서 블레이드(13b2)(도 2(c) 참조)를 선택한다. 이에 의해, 제어부(22)에 있어서 블레이드(13b2)의 부착을 행하기 위한 목표 위치가 지정된다. 위치 검출기(16)는, 풍차(14)의 회전 위치를 검출하고 있고, 이러한 검출 결과가 위치 검출기(16)로부터 제어부(22)에 입력된다.

제어부(22)는, 위치 검출기(16)에 의해 검출된 풍차(14)의 회전 위치와 조작부(24)에 의해 지정된 목표 위치의 차이를 검출한다. 그리고, 풍차(14)의 회전 위치와 목표 위치의 차이에 근거하여, 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치와 일치시키는 제어 신호를 생성하여 매트릭스 컨버터(21)에 입력한다. 이에 의해, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 풍차(14)의 회전 위치가 목표 위치로 변화하여 가고, 마지막에 풍차(14)는 목표 위치에 정지한다.

목표 위치를 더 변경하지 않으면, 매트릭스 컨버터(21)는 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치와 일치시키는 제어 신호의 출력을 계속하고, 결과적으로 풍차(14)는, 회전 위치에서의 정지를 계속한다. 그 후, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 정지시킨 풍차(14)에 블레이드(13b2)를 부착한다. 풍차(14)가 목표 위치에서의 정지를 계속하는 것으로 하여 정지함으로써, 로터 허브(13a)로의 블레이드(13b2)의 부착을 용이하게 하고 있다.

또한, 상술에 있어서는, 블레이드(13b)의 풍차(14)로의 부착 순서에 대해 설명했지만, 제어부(22)는, 블레이드(13b)의 풍차(14)로부터의 분리에 대해서도, 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치에 일치시킬 수 있다. 이에 의해, 풍차(14)를 목표 위치에 정지시킬 수 있어, 블레이드(13b)의 분리를 부착과 마찬가지로 용이하게 행할 수 있다.

이와 같이, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 풍력 발전부(10)의 발전기(15)와 전력 계통(30)의 사이에서 전력을 쌍방향으로 풀 컨버트할 수 있다. 또한, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 발전기(15)를 전동기로서 사용하여 풍차(14)의 회전 위치를 제어하도록 매트릭스 컨버터(21)를 제어하는 풍차 위치 제어 처리에 의해, 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치에 일치시킬 수 있다. 이에 의해, 풍차(14)의 조립 작업이나 보수 작업 등을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 상술에 있어서는, 위치 검출기(16)에 의해 풍차(14)의 회전 위치를 검출하는 것으로서 하고 있지만, 풍차(14)의 회전 위치의 검출은, 위치 검출기(16)로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 발전기(15)의 회전 속도를 검출하는 로터리 인코더 등의 속도 검출기로부터 출력되는 속도 검출치를 적분한 회전 검출치를 풍차(14)의 회전 위치로서 검출하도록 해도 좋다.

[풍력 발전 장치(1)의 구성］

이하, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(1)의 구성에 있어서, 도면을 이용하여 더 구체적으로 설명한다. 도 3은 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(1)의 블럭도이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는, 풍력 발전부(10)와, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)를 구비한다. 풍력 발전부(10)는, 상술한 발전기(15) 및 위치 검출기(16)에 부가하여 속도 검출기(18)를 구비한다. 속도 검출기(18)는, 발전기(15)의 회전 속도를 검출하고, 검출한 회전 속도의 값을 속도 검출치로서 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에 출력한다.

풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 발전기 전류 검출기(19), 상술한 매트릭스 컨버터(21), 제어부(22), UPS(23) 및 조작부(24)를 구비한다. 제어부(22)는, 풍력 발전부(10)의 발전기(15)에 의해 발전되는 전력에 의해 동작하지만, 발전기(15)에 의해 전력을 얻을 수 없는 경우에는, 후술하는 바와 같이, UPS(23)로부터 전력의 공급을 받아 동작한다.

발전기 전류 검출기(19)는, 매트릭스 컨버터(21)와 발전기(15)의 사이에 흐르는 전류를 검출하고, 검출한 전류의 순간치를 발전기 전류 검출치로서 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에 출력한다. 또한, 발전기 전류 검출기(19)로서, 예를 들면, 자전(磁電) 변환 소자인 홀 소자를 이용하여 전류를 검출하는 전류 센서를 이용할 수 있다.

매트릭스 컨버터(21)는, 발전기(15)와 전력 계통(30)의 사이에 전력을 쌍방향으로 풀 컨버트할 수 있도록 구성된다. 도 4는 매트릭스 컨버터(21)의 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 컨버터(21)는, R상 유닛(41a)과, S상 유닛(41b)과, T상 유닛(41c)과, 삼상 변압기(42)를 구비하는 직렬 다중 매트릭스 컨버터이다. R상 유닛(41a)은, 발전기(15)의 R상과 중성점 N의 사이에 접속되고, S상 유닛(41b)은, 발전기(15)의 S상과 중성점 N의 사이에 접속되고, T상 유닛(41c)은, 발전기(15)의 T상과 중성점 N의 사이에 접속된다.

각 유닛(41a∼41c)은, 각각 복수의 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)를 직렬로 접속한 접속체이다. 구체적으로는, 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 단자 a는 발전기(15)에 접속되고, 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 단자 b는 단상 매트릭스 컨버터(43b)의 단자 a에 접속된다. 또한, 단상 매트릭스 컨버터(43b)의 단자 b는, 단상 매트릭스 컨버터(43c)의 단자 a에 접속되고, 단상 매트릭스 컨버터(43c)의 단자 b는 중성점 N에 접속된다.

한편, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)의 3개의 단자 u, v, w는, 각각 독립한 삼상 변압기(42)의 2차 코일(44)에 접속된다. 한편, 삼상 변압기(42)의 1차 권선(45)은, 전력 계통(30)에 접속된다. 이러한 삼상 변압기(42)는, 결합부로서 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)로부터 출력되는 전력을, 각각 절연하면서 결합시키고, 이 결합시킨 전력의 전압을, 전력 계통(30)측에 갖는 1차 권선(45)에 의해 전력 계통(30)의 전압으로 승압시킨다.

이와 같이, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 매트릭스 컨버터(21)는 직렬 다중 매트릭스 컨버터를 구성하고 있다. 그 때문에, 발전기(15)측과 전력 계통(30)측의 쌍방으로 흘리는 전류의 고조파를 저감할 수 있다.

또한, 각 유닛(41a∼41c)에 있어서, 3개의 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)가 직렬 접속되고, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)는, 발전기(15)의 발전 전압을 대략 3으로 나눈 전압을 출력한다. 또한, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)로부터 발전기(15)에 출력되는 서지 전압은 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)의 출력 전압에 비례한다. 따라서, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 단상 매트릭스 컨버터를 직렬 접속하지 않는 경우에 비해, 발전기(15)의 발전 전압에 대한 서지 전압의 비율이 작다. 그 결과, 서지 전압에 의한 발전기(15)로의 영향을 저감할 수 있다. 또한, 서지 전압에 의한 발전기(15)로의 영향은, 단상 매트릭스 컨버터의 직렬 접속 수를 크게 할수록 저감할 수 있다.

또한, 삼상 변압기(42)의 1차측 전압을 높게 함으로써, 삼상 변압기(42)에 있어서의 1차 권선(45)의 선경을 작게 할 수 있고, 이에 의해, 유지 보수성을 높일 수 있다. 또한, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)의 단자 u, v, w를 각각 독립한 2차 코일(44)에 접속하고, 각 2차 코일(44)이 출력하는 전압의 사이에 일정한 위상차가 발생하도록 삼상 변압기(42)를 구성할 수도 있다. 이에 의해, 예를 들면, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)에서 발생하는 노이즈 등을 소거할 수 있다.

또한, 매트릭스 컨버터(21)는, 발전기(15)의 회전 속도가 늦고, 예를 들면, 발전기(15)로부터 출력되는 발전 전압의 주파수가 제로이더라도, 전력 계통(30)으로의 운전을 행할 수 있다. 발전기(15)의 주파수가 제로이더라도, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 전력 계통(30)의 전압의 위상에 따라 온 오프하는 스위칭 소자를 전환하므로, 특정의 스위칭 소자에 전류가 연속하여 흐르는 전류 집중이 방지되기 때문이다. 따라서, 스위칭 소자(후술의 쌍방향 스위치(53a∼53f))의 용량을 억제하면서, 풍차(14)의 회전 위치를 정지시킬 수도 있다.

또한, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)에 각각 단상 매트릭스 컨버터를 병렬로 접속함으로써, 각 유닛(41a∼41c)의 전류 정격치를 배증시킬 수 있다. 매트릭스 컨버터를 병렬로 접속했을 경우에는, 인버터를 병렬로 접속했을 경우와 달리, 용량이 큰 콘덴서가 존재하지 않는다. 그 때문에, 전력 계통(30)측에 접속된 삼상 변압기(42)의 2차 코일(44)의 인덕턴스나 전력 계통(30)측의 필터 리액터가, 발전기(15)측의 전류를 밸런스시키는 효과를 갖고, 전류 밸런스용의 리액터도 생략할 수 있다.

예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 각 유닛(41a∼41c)에 있어서, 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)에 각각 단상 매트릭스 컨버터(46a∼46c)를 병렬로 접속할 수 있다. 도 5는, 병렬 접속에 의해 전류 정격을 증가시킨 직렬 다중 매트릭스 컨버터의 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에 있어서는, S상 유닛(41b)과 T상 유닛(41c)의 구성은 도시하고 있지 않지만, R상 유닛(41a)과 마찬가지의 구성이다. 또한, 병렬 접속하는 단상 매트릭스 컨버터를 증가시킬수록, 각 유닛(41a∼41c)의 전류 정격치를 증가시킬 수 있다.

또한, 매트릭스 컨버터(21)를 직렬 다중 매트릭스 컨버터로 하는 것이 아니라, 예를 들면, 매트릭스 컨버터를 복수 병렬로 접속한 병렬 다중 매트릭스 컨버터로 하고, 전류 밸런스용의 리액터도 생략한 구성으로 해도 좋다.

여기서, 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)의 구성을 설명한다. 각 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)는, 동일 구성이기 때문에, 여기에서는 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 구성을 설명한다. 도 6은 도 4에 나타내는 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 단상 매트릭스 컨버터(43a)는, 단상 매트릭스 컨버터 본체(50)와, 필터(51)와, 스너버(snubber) 회로(52)를 구비한다.

단상 매트릭스 컨버터 본체(50)는, 쌍방향 스위치(53a∼53f)를 구비한다. 쌍방향 스위치(53a∼53c)의 일단에는 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 단자 a가 접속되고, 쌍방향 스위치(53d∼53f)의 일단에는 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 단자 b가 접속된다.

그리고, 쌍방향 스위치(53a)의 타단은 쌍방향 스위치(53d)의 타단에 접속되고, 또한 필터(51)를 거쳐서 단자 w에 접속된다. 마찬가지로, 쌍방향 스위치(53b)의 타단은 쌍방향 스위치(53e)의 타단에 접속되고, 또한 필터(51)를 거쳐서 단자 v에 접속된다. 또한, 쌍방향 스위치(53c)의 타단은 쌍방향 스위치(53f)의 타단에 접속되고, 또한 필터(51)를 거쳐서 단자 u에 접속된다.

쌍방향 스위치(53a∼53f)는, 예를 들면, 단일 방향의 스위칭 소자를 역방향으로 병렬 접속한 2 소자로 구성할 수 있다. 스위칭 소자로서는, 예를 들면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 스위치가 있고, 특히 역저지 능력을 가진 반도체 스위치가 스위칭 소자로서 이용된다. 그리고, 이러한 반도체 스위치의 게이트에 신호를 입력하여 각 반도체 스위치를 ON/OFF함으로써, 통전 방향이 제어된다.

필터(51)는, 단상 매트릭스 컨버터 본체(50)의 스위칭에 의해 발생하는 고조파 전류를 저감하기 위한 필터이며, 콘덴서 C1a∼C1c와, 인덕턴스(리액턴스) L1a∼L1c를 구비한다. 인덕턴스 L1a∼L1c는, 단상 매트릭스 컨버터 본체(50)와 단자 u, v, w의 사이에 접속되고, 콘덴서 C1a∼C1c는, 각각의 일단이 단자 u, v, w에 접속되고, 타단이 공통으로 접속된다.

여기서, 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 단자 u, v, w에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 삼상 변압기(42)에 접속되어 있다. 즉, 단자 u, v, w에는, 인덕턴스 성분이 접속되어 있게 된다. 따라서, 삼상 변압기(42)에 의해 인덕턴스 L1a∼L1c의 일부 또는 전부의 기능을 담당할 수 있고, 필터(51)의 소형화나 비용 저감을 도모할 수 있다. 이와 같이, 직렬 다중 매트릭스 컨버터에서는, 단상 매트릭스 컨버터(43a)의 소형화나 비용 저감을 도모할 수 있다고 하는 이점이 있다.

다음에, 도 6에 나타내는 스너버 회로(52)에 대해 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 스너버 회로(52)는, 발전기측 전파 정류 회로(54)와, 전력 계통측 전파 정류 회로(55)와, 콘덴서 C2와, 방전 회로(56)를 구비한다. 스너버 회로(52)는, 단상 매트릭스 컨버터 본체(50)의 단자 간에 발생하는 서지 전압을 발전기측 전파 정류 회로(54) 및 전력 계통측 전파 정류 회로(55)에 의해 직류 전압으로 변환하여 콘덴서 C2에 축적하고, 해당 축적한 직류 전압을 방전 회로(56)에 의해 방전한다.

또한, 방전 회로(56)에 의한 방전은, 콘덴서 C2의 전압이 소정치 이상의 전압이 되었을 경우에 행해진다. 또한, 방전 회로(56)는, 발전기(15)의 발전 전압의 변화율이 소정치 이상이 되었을 경우, 혹은 발전기(15)의 회전 속도의 변화율이 소정치 이상이 되었을 경우에 제어부(22)로부터 출력되는 방전 지령에 의해 동작하는 회로이다. 방전 회로(56)는, IGBT 등의 스위칭 소자와 저항이 직렬로 접속되어 구성되고, 콘덴서 C2와 병렬로 접속된다.

도 3으로 복귀하여, 제어부(22)의 구성을 설명한다. 제어부(22)는, 토크 지령 생성부(61)와, 전압 지령 생성부(62)와, 계통 전압 검출부(63)와, 참조 전압 출력부(64)와, PLL(Phase Locked Loop)(65)와, 역률 제어부(66)와, 제어 신호 발생부(67)와, 역률 설정부(77)를 구비한다.

토크 지령 생성부(61)는, 발전기(15)의 회전 토크를 결정하는 토크 지령을 생성하여 출력한다. 구체적으로는, 토크 지령 생성부(61)는, 발전기(15)의 회전 속도의 정보인 속도 검출치를 속도 검출기(18)로부터 취득하고, 발전기(15)의 회전 속도에 따른 토크 지령을 출력한다. 이에 의해, 풍차(14)의 회전 속도에 따라 효율적으로 발전을 행할 수 있도록 하고 있다.

전압 지령 생성부(62)는, 입력되는 토크 지령에 따른 발전기(15)에 대한 전압 지령을 생성하여 제어 신호 발생부(67)에 출력한다. 예를 들면, 전압 지령 생성부(62)는, 토크 지령 생성부(61)로부터 토크 지령을 취득했을 경우, 이 토크 지령에 근거하여 전압 지령을 생성하여, 제어 신호 발생부(67)에 출력한다. 이 경우, 전압 지령 생성부(62)는, 예를 들면, 하나의 방법으로서, 전압 지령을 생성하기 위해서 발전기 전류 검출기(19)가 검출한 발전기 전류 검출치를 취득하고, 발전기 전류 검출치로부터 토크 발생에 기여하는 토크 전류 성분을 추출한다. 전압 지령 생성부(62)는, 이와 같이 추출한 토크 전류 성분과 토크 지령 생성부(61)로부터 취득한 토크 지령의 편차에 근거하여 전압 지령을 생성한다.

계통 전압 검출부(63)는, 매트릭스 컨버터(21)와 전력 계통(30)의 사이의 접속점을 감시하여 전력 계통(30)의 전압을 검출하고, 검출한 전압의 순간치를 계통 전압 검출치로서 참조 전압 출력부(64)에 출력한다. 이에 의해, 계통 전압 검출치가 계통 전압 검출부(63)로부터 참조 전압 출력부(64)에 출력된다. 참조 전압 출력부(64)는, 계통 전압 검출부(63)로부터 취득한 계통 전압 검출치를 PLL(65)에 출력한다.

PLL(65)은 전력 계통(30)의 삼상의 전압치로부터, 전력 계통(30)의 전압 위상의 정보를 생성하여, 역률 제어부(66)에 출력한다. 역률 제어부(66)는, 입력되는 전력 계통(30)의 전압 위상의 정보에 근거하여, 전류 위상의 정보를 생성한다. 또한, PLL(65)은 전압 위상 생성부의 일례이다. 도 7은, 역률 제어부(66)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 역률 제어부(66)는, PLL(65)로부터 입력되는 전압 위상의 정보에 역률 각 지령 β을 가산하여 전력 계통(30)의 전류 위상을 생성하는 가산기(80)를 구비한다. 역률 제어부(66)는, 입력되는 전력 계통(30)의 전압 위상의 정보와, 생성한 전류 위상의 정보를 제어 신호 발생부(67)(도 3 참조)에 출력한다. 이에 의해, 전력 계통(30)측의 역률이 설정된다.

역률 각 지령 β은, 역률 설정부(77)(도 3 참조)에 의해 설정되는 지령이다. 역률 설정부(77)는, 예를 들면, 전력 계통(30)측의 시스템으로부터 설정되는 정보에 근거하여, 역률 각 지령 β을 결정한다. 또한, 전력 계통(30)측의 상태 등에 따라 역률 설정부(77)가 역률 각 지령 β을 결정하도록 해도 좋다.

도 3에 나타내는 제어 신호 발생부(67)는, 매트릭스 컨버터(21)로 하여금 전력 변환을 행하게 하는 PWM 펄스 패턴의 제어 신호를 생성하고, 생성한 제어 신호를 매트릭스 컨버터(21)에 출력한다. 제어 신호 발생부(67)는, 제어 신호의 생성을, 전압 지령 생성부(62)로부터 취득한 전압 지령, 역률 제어부(66)로부터 취득한 전압 위상의 정보 및 전류 위상의 정보 등에 기초하여 행한다.

매트릭스 컨버터(21)는, 제어 신호 발생부(67)로부터 출력되는 PWM 펄스 패턴의 제어 신호에 근거하여, 쌍방향 스위치(53a∼53f)를 ON/OFF하여, 전력 변환을 행한다. 이러한 매트릭스 컨버터(21)는, 입력되는 전압을 쌍방향 스위치(53a∼53f)에 의해 직접 스위칭함으로써, 발전기(15)측의 제어와 전력 계통(30)측의 제어를 각각 행한다. 이에 의해, 매트릭스 컨버터(21)는, 발전기(15)의 발전 전력을 전력 계통(30)측의 전압치 및 주파수에 맞추어 전력 변환하여, 출력할 수 있다.

도 8은, 제어 신호 발생부(67)에 의한 매트릭스 컨버터(21)의 제어예를 설명하는 도면이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 발전기(15)로부터 출력되는 삼상 교류 전압(R상 전압 ER, S상 전압 ES, T상 전압 ET)이 PWM 펄스 패턴의 제어 신호에 의해 선택되어, 펄스 형상의 출력 전압이 전력 계통(30)측에 출력된다.

여기에서는, 제어 신호 발생부(67)로부터 출력되는 제어 신호에 의해, 기준이 되는 최소 전압상과 중간 전압상이 선택된 후, 최소 전압상과 최대 전압상이 선택되고, 그 후, 재차 최소 전압상과 중간 전압상이 선택된다. 그 때문에, 일반적인 인버터와 비교하여 1회의 전압 변동이 적게 되고, 이 결과, 서지 전압이나 누설 전류를 억제할 수 있다.

도 8에 나타내는 예에서는, 도면 중 구간 1에 있어서, 기준이 되는 T상 전압 ET와 중간 전압상인 S상 전압 ES가 선택되고 제 1 펄스(95)가 전력 계통(30)측에 출력 전압으로서 출력된다. 그 후, T상 전압 ET와 최대 전압상인 R상 전압 ER이 선택되고 제 2 펄스(96)가 전력 계통(30)측에 출력 전압으로서 출력되고, 계속해서, T상 전압 ET와 S상 전압 ES가 재차 선택되고 제 1 펄스(95)가 전력 계통(30)측에 출력 전압으로서 출력된다.

이와 같이, 제어 신호 발생부(67)는, 계통 전압 검출부(63)로부터 취득한 전력 계통(30)의 전압 검출치를 참조하여, 전압 지령 생성부(62)로부터 입력되는 전압 지령에 따른 PWM 펄스를 생성한다. 그리고, 제어 신호 발생부(67)는, PWM 펄스의 면적으로 출력 전압간의 전압치를 제어하여, PWM 펄스의 비율로 전력 계통(30)측의 전류인 입력 전류를 정현파로 접근하고 있다. 여기서, PWM 펄스의 비율은, 계통 전압치 중 최소 전압상과 중간 전압상, 또는 최대 전압상과 중간 전압상에 의해 형성되는 제 1 펄스의 시간 폭과, 최소 전압상과, 최대 전압상에 의해 형성되는 제 2 펄스의 시간 폭의 비이다.

예를 들면, 도 8에 나타내는 PWM 펄스(94)는, 제 1 펄스(95)와 제 2 펄스(96)에 의해 형성되어 있고, 제 1 펄스(95)의 기간 T1과 제 2 펄스(96)의 기간 T2의 비 α를 변화시킴으로써, 입력 전류의 파형 형상이 변화한다. 예를 들면, 기간 T1과 기간 T2의 비(PWM 펄스 폭의 비)인 α을 전력 계통(30)의 전압인 입력 전압의 위상에 따라 변화시키고, 또한 입력 전압의 위상에 있어서의 최대 전압상 또는 최소 전압상의 전압치와 중간 전압상의 전압치의 비로 한다. 또한, 입력 전압의 위상에 따라 제어 주기 T인 동안 계속해서 전류를 계속 흘리는 것을 최대 전압상으로 하거나, 최소 전압상으로 할지를 결정하는 것에 의해, 입력 전류의 파형을, 입력 전압과 위상이 동일한 정현파로 하여, 역률을 1로 할 수 있다.

또한, 제어 신호 발생부(67)는, 역률 제어부(66)로부터 출력되는 전류 위상에 따라, PWM 펄스의 비 α를 결정하고, 또한 제어 주기 T인 동안 계속해서 전류를 계속 흘리는 것을 최대 전압상으로 하거나, 최소 전압상으로 할지를 결정한다. 이에 의해, 전력 계통(30)측의 역률을 역률 설정부(77)에 의해 설정된 역률로 하는 제어 신호가 매트릭스 컨버터(21)에 출력된다.

도 3으로 복귀하여, 계속해서 제어부(22)의 설명을 한다. 제어부(22)는, 또한, 위치 지령부(68)와, 위치 제어부(69)와, 전환기(70)와, 발전 전압 검출부(71)와, 방전 지령부(72)와, 전원 전환부(73)와, 정전 검출부(74)와, 상태량 전환부(75)를 구비한다. 그리고, 제어부(22)는, 정전 시 제어, 풍차 회전 위치 제어, 잉여 전력 방전 제어, 전원 전환 제어 등의 각종의 제어를 행한다. 이하, 이들 제어에 대해 구체적으로 설명한다.

(정전 시 제어)

우선, 제어부(22)가 행하는 정전 시 제어에 대해 설명한다. 이 정전 시 제어를 행하기 위해서, 제어부(22)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정전 검출부(74), 상태량 전환부(75) 및 참조 전압 출력부(64)를 구비한다.

정전 검출부(74)는, 계통 전압 검출부(63)에 의해 검출된 계통 전압 검출치로부터, 전력 계통(30)이 정전한 것을 검출하고, 정전 검출 신호를 생성한다. 그리고, 정전 검출부(74)는, 생성한 정전 검출 신호를, 전압 지령 생성부(62), 역률 제어부(66), 제어 신호 발생부(67) 및 상태량 전환부(75)에 출력한다. 여기에서는, 정전 검출부(74)는, 계통 전압 검출치로부터 전력 계통(30)의 정전을 검출하지만, 정전 검출 방법은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 정전 검출부(74)에 있어서, 매트릭스 컨버터(21)와 전력 계통(30)의 사이에 흐르는 전류의 값(이하, 「계통 전류치」라고도 기재하는 경우가 있음)에 근거하여, 전력 계통(30)의 정전을 검출해도 좋다.

또한, 계통 전압 검출치나 계통 전류치에 근거하여 전력 계통(30)의 정전을 검출하는 방법은, 주지의 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 컨버터(21)에 있어서 정전 검출용 신호 발생부(도시하지 않음)를 마련하고, 매트릭스 컨버터(21)로부터 전력 계통(30)에 출력되는 전압에 정전 검출용 신호를 중첩시킨다. 그리고, 계통 전압 검출부(63)에 의해 정전 검출용 신호가 검출되었을 경우에, 정전 검출부(74)는, 전력 계통(30)이 정전한 것을 검출한다. 또한, 정전 검출부(74)에 있어서, 예를 들면, 매트릭스 컨버터(21)이 출력하는 전압이나 전류의 위상과 전력 계통(30)에 있어서의 전압이나 전류의 위상을 비교하는 것에 의해 전력 계통(30)이 정전한 것을 검출할 수 있도록 해도 좋다.

또한, 정전 검출부(74)는, 전력 계통(30)의 전압이나 전력 계통(30)에 흐르는 전류를 검출함으로써 전력 계통(30)의 정전을 검출하는 것 대신에, 전력 계통(30)측으로부터 송출되는 정전 정보(도시하지 않음)를 취득했을 경우에 전력 계통(30)의 정전을 검출하도록 해도 좋다.

발전 전압 검출부(71)는, 발전기(15)의 출력 전압(발전 전압)의 전압을 검출하고, 검출한 전압의 순간치를 발전 전압 검출치로서 상태량 전환부(75)에 출력한다.

상태량 전환부(75)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 출력되었을 경우, 내부에 갖는 전환기를 전환하여, 참조 전압 출력부(64)와 제어 신호 발생부(67)에 출력하는 신호를 계통 전압 검출치로부터 발전 전압 검출치로 전환한다. 이에 의해 정전이 발생하면, 참조 전압 출력부(64) 및 제어 신호 발생부(67)는, 전력 계통(30)의 전압이 아니라, 발전기(15)의 전압에 근거하여 동작하게 된다.

전압 지령 생성부(62)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 출력되었을 경우, 생성하는 전압 지령을 상술한 발전기(15)에 대한 전압 지령으로부터 전력 계통(30)에 대한 전압 지령으로 전환한다. 이 전력 계통(30)에 대한 전압 지령은, 예를 들면, 제로 전압을, 토크 지령과 토크 전류 성분의 편차에 근거하여 보정한 것이다. 이 경우, 전압 지령 생성부(62)는, 발전기 전류 검출기(19)가 검출한 발전기 전류 검출치를 취득하고, 이 발전기 전류 검출치로부터 토크 발생에 기여하는 토크 전류 성분을 추출한다. 전압 지령 생성부(62)는, 이와 같이 추출한 토크 전류 성분과 토크 지령 생성부(61)로부터 취득한 토크 지령의 편차를 산출하고, 이러한 편차에 근거하여, 제로 전압을 보정하고, 전력 계통(30)에 대한 전압 지령을 생성한다. 상기 제로 전압은, 정전이 발생했을 경우에, 전력 계통(30)의 전압이 제로가 되는 것을 전제로 한 것이다.

또한, 전압 지령 생성부(62)는, 상술한 전력 계통(30)에 대한 전압 지령을, 계통 전압 검출치를 사용하여 생성할 수도 있다. 예를 들면, 전압 지령 생성부(62)는, 계통 전압 검출부(63)에 의해 검출된 전압을 상술한 토크 지령과 토크 전류 성분의 편차에 근거하여 보정한 것을 전력 계통(30)에 대한 전압 지령으로 할 수 있다.

역률 제어부(66)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되었을 경우, 제어 신호 발생부(67)에 출력하는 전류 위상으로서 발전기(15)를 구동하는데 필요한 전류 위상을 출력한다. 예를 들면, 발전기(15)가 영구 자석 타입의 회전 전기이면, 제어 신호 발생부(67)에 출력하는 전류 위상을 PLL(65)로부터 입력되는 발전기(15)의 전압 위상과 동일한 값으로 한다. 또한, 발전기(15)가 유도형 회전 전기와 같이, 전류 중에 여자 전류 성분과 토크 전류 성분을 포함하는 경우에는, 토크 전류 성분은 발전기(15)의 전압과 위상이 동일하고, 토크 전류 성분과 90도 위상차에서 여자 전류 성분이 흐르는 것으로 한다. 역률 제어부(66)는, 전압 지령 생성부(62)로부터 토크 전류 성분의 지령치 Iq 및 여자 전류 성분의 지령치 Iq를 취득하고(미도시), tan^―1(Id/Iq)로 구해지는 각도를 역률 각 지령 β로 한다. 그리고, 역률 제어부(66)는, 발전기(15)의 전압 위상에 역률 각 지령 β을 가산하여 제어 신호 발생부(67)에 출력하는 전류 위상을 생성한다. 역률 제어부(66)는, 정전 검출 신호가 입력되고 있는 동안, 이와 같이 하여 생성한 전류 위상을 제어 신호 발생부(67)에 출력한다.

제어 신호 발생부(67)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되었을 경우, 전압 지령 생성부(62)로부터의 전압 지령을 전력 계통(30)으로의 전압 지령으로서 취급하고, 계통 전압 검출치 대신에 발전 전압 검출치를 참조하여, 전압 지령 생성부(62)로부터 입력되는 전압 지령과, 역률 제어부(66)로부터 입력되는 전압 위상, 전류 위상에 따른 PWM 펄스를 생성한다. 또한, 발전 전압치에 근거하여 전력 계통(30)에 전압이 출력되도록, 매트릭스 컨버터(21) 내의 쌍방향 스위치(53a∼53f)를 선택하고, 선택한 쌍방향 스위치에 PWM 펄스 신호를 분배한다. 이에 의해, 매트릭스 컨버터(21)는, 정전 발생 직후에 있어서의 전력 계통(30)의 전압 강하 중, 전력 계통(30)의 전압이 제로가 되는 완전 정전 중, 복전 시에 있어서의 전력 계통(30)의 전압 상승 중을 통해서, 발전기(15)에 대해서 토크 지령과 동일한 토크를 발생하는 전류를 흘리면서, 정전 발생 시에 있어서도 운전을 계속할 수 있다.

풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)의 구성은, 도 3에 나타내는 예 이외의 구성에서도, 정전 시 제어를 실행하는 것이 가능하고, 예를 들면, 도 9에 나타내는 구성으로 해도 좋다. 도 9는, 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 다른 블럭도이다. 도 9에 나타내는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)는, 발전기 전류 검출기(19)에 부가하고, 또한, 계통 전류 검출기(25)와, 상태량 전환부(78)를 구비한다. 또한, 도 9에 나타내는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 정전 검출부(74)로부터의 정전 검출 신호에 관계없이, 계통 전압 검출부(63)에 의해 취득된 전력 계통(30)의 전압 검출치가 참조 전압 출력부(64), 역률 제어부(66) 및 제어 신호 발생부(67)에 출력된다.

계통 전류 검출기(25)는, 매트릭스 컨버터(21)와 전력 계통(30)의 사이에 흐르는 전류를 검출하고, 검출한 전류의 순간치를 계통 전류 검출치로서 제어부(22)에 출력한다. 또한, 계통 전류 검출기(25)로서, 예를 들면, 자전 변환 소자인 홀 소자를 이용하여 전류를 검출하는 전류 센서를 이용할 수 있다.

상태량 전환부(78)는, 발전기 전류 검출기(19)가 검출한 발전기 전류 검출치와 계통 전류 검출기(25)가 검출한 계통 전류 검출치를 취득한다. 이러한 상태량 전환부(78)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 출력되었을 경우, 전압 지령 생성부(62)에 출력하는 신호를 발전기 전류 검출치로부터 계통 전류 검출치로 전환한다.

전압 지령 생성부(62)는, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되었을 경우, 토크 지령 생성부(61)로부터의 토크 지령 대신에 자신이 유지하는 정전 시 계통 전류 지령을 사용하여, 정전 시 계통 전류 지령과 계통 전류 검출치에 근거하여 발전기(15)에 대한 전압 지령을 생성한다. 한편, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되지 않는 경우, 전압 지령 생성부(62)는, 위에서 설명한 바와 같이, 예를 들면, 발전기 전류 검출치로부터 추출한 토크 전류 성분과 토크 지령 생성부(61)로부터 취득한 토크 지령의 편차에 근거하여 전압 지령을 생성한다.

제어 신호 발생부(67)는, 전압 지령 생성부(62)로부터 출력되는 발전기(15)에 대한 전압 지령에 근거하여, 매트릭스 컨버터(21)로 하여금 전력 변환을 행하게 하는 제어 신호를 생성하고, 생성한 제어 신호를 매트릭스 컨버터(21)에 출력한다. 이에 의해 매트릭스 컨버터(21)는, 전력 계통(30)에 정전 시 계통 전류 지령 그대로의 전류를 흘리면서, 정전 시에 있어서도 운전을 계속할 수 있다.

이 경우, 정전에 의해 참조 전압 출력부(64)로부터 출력되는 계통 전압 검출치가 정상치가 아니게 된다. 이러한 경우에 있어서도, PLL(65) 내부의 이득 설정 등에 의해, 정전 발생 중에서도 PLL(65)가 전력 계통(30)의 전압 위상의 정보를 계속 출력하도록 구성하는 것이 가능하다.

또한 이 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 계통 전압 검출부(63)에 의해 검출된 전력 계통(30)의 전압 파형을 최신의 소정 주기분(예를 들면, 5 주기분)만큼 기억하는 링 버퍼인 계통 전압 파형 기억부(76)를 설치해도 좋다. 이러한 계통 전압 파형 기억부(76)는, 가장 오래 기억한 계통 전압 검출치를 소거하면서 계통 전압 검출부(63)에 의해 검출된 계통 전압 검출치를 순차적으로 기억하는 기억 처리를 실행한다. 또한, 계통 전압 파형 기억부(76)에 있어서, 최신의 소정 주기분의 전압 파형이 아니며, 최신의 지정 시간분의 전압 파형을 기억하도록 해도 좋다.

또한, 계통 전압 파형 기억부(76)는, 전력 계통(30)의 전압 파형을 기억하고 있는 상태에 있어서, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되었을 경우, 기억 처리를 정지하여, 기억 상태를 유지한다. 참조 전압 출력부(64)는, 계통 전압 검출부(63)로부터 취득한 계통 전압 검출치를 PLL(65)에 출력하고 있는 상태에서 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호가 입력되었을 경우, 계통 전압 파형 기억부(76)로부터 전압치의 정보를 판독하여 PLL(65)에 출력한다.

도 10은, 정전 시 제어의 순서를 나타내는 도면이다. 발전기(15)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 변환이 매트릭스 컨버터(21)에 의해 행해지고 있는 도중에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 전력 계통(30)에 정전이 발생했을 경우, 정전 검출부(74)로부터 정전 검출 신호(H 레벨의 신호)가 출력된다. 이에 의해, 계통 전압 파형 기억부(76)의 기억 처리가 정지되고, 계통 전압 파형 기억부(76)에 기억된 전압치가 참조 전압 출력부(64)에 의해 지정 주기분 전의 것으로부터 순차적으로 판독되어, PLL(65)에 출력된다. 이에 의해, 정전 발생 후도 PLL(65)은 전압치의 정보를 취득할 수 있고, 전력 계통(30)의 전압 위상의 정보를 계속 출력할 수 있다.

또한 이 경우, 정전 검출부(74)는, 상술한 바와 같이 정전 검출 신호를 역률 제어부(66)나 제어 신호 발생부(67)에 출력하고 있고, 이에 의해, 전력 계통(30)측의 역률이 변경된다. 예를 들면, 역률 제어부(66)는, 전력 계통(30)이 정전이 되었을 경우에, 역률 각 지령 β의 값을 변경하고, PLL(65)로부터 입력되는 전압 위상에 역률 각 지령 β을 가산하여 전류 위상의 정보를 생성한다. 제어 신호 발생부(67)는, 역률 제어부(66)로부터 출력되는 정보에 근거하여, 전력 계통(30)측의 역률을 변경한다. 이에 의해, 순간 정전이 발생했을 경우에도 풍력 발전부(10)를 정지시키지 않고 계통 련계를 유지시키면서, 상술의 정전 시 계통 전류 지령 및 변경한 역률 각 지령 β로 정해지는 전류를 계통측에 출력함으로써, 전력 계통(30)이 요구하는 무효 전력을 공급하는 것이 가능해진다.

이상과 같이, 제어부(22)는, 전력 계통(30)측의 전류치와 전압치, 및 발전기(15)측의 전류치와 전압치 중 3개 이상의 상태량을 취득한다. 그리고, 제어부(22)는, 이들 3개 이상의 상태량 중 전력 계통(30)측의 상태량과 발전기(15)측의 상태량의 조합을, 정전 검출부(74)에 의한 검출 결과에 근거하여, 상태량 전환부(75)나 상태량 전환부(78)에 의해 전환한다. 이에 의해, 정전 시에도 운전을 계속하는 정전 시 제어를 행할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 9를 참조하여 설명한 상태량의 조합의 전환 패턴은, 일례에 지나지 않고, 그 외의 전환 패턴으로 정전 검출부(74)에 의한 검출 결과에 근거하는 상태량의 전환 제어를 행하여 정전 시에도 운전을 계속하는 정전 시 제어를 행해도 좋다.

또한, 제어부(22)는, 전력 계통(30)측의 전류치와 전압치, 및 발전기(15)측의 전류치와 전압치 중 3개 이상의 상태량을 취득하는 상태량 취득부로서 기능한다. 예를 들면, 제어부(22)는, 전력 계통(30)측의 전류치를, 계통 전류 검출기(25)(도 9 참조)로부터 계통 전류 검출치로서 취득하고, 전력 계통(30)측의 전압치를, 계통 전압 검출부(63)(도 3 및 도 9 참조)에 의해 전력 계통(30)의 전압치로서 검출한다. 또한, 제어부(22)는, 발전기(15)측의 전류치를, 발전기 전류 검출기(19)(도 3 및 도 9 참조)로부터 발전기 전류 검출치로서 취득하고, 발전기(15)측의 전압치를, 발전 전압 검출부(71)(도 3 및 도 9 참조)에 의해 발전 전압 검출치로서 취득한다.

(풍차 회전 위치 제어)

다음에, 제어부(22)가 행하는 풍차 회전 위치 제어에 대해 설명한다. 이 풍차 회전 위치 제어를 행하기 위해서, 제어부(22)는, 도 3 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 위치 지령부(68) 및 위치 제어부(69)를 구비한다.

위치 지령부(68)는, 목표 위치를 규정하는 위치 지령의 정보를 내부의 기억부에 복수 기억하고 있고, 조작부(24)에 의해 지정된 풍차(14)의 회전 위치에 따른 위치 지령을 내부의 기억부로부터 판독하여 위치 제어부(69)에 출력한다. 위치 지령부(68)에 기억되는 위치 지령은, 각 블레이드(13b)(도 1 참조)를 부착하거나 또는 분리할 때에 최적인 로터 허브(13a)의 위치를 목표 위치로 하는 정보이다. 혹은 조작부(24)에서 목표 위치를 직접 지령하고, 블레이드(13b)의 부착 또는 분히에 최적인 회전 위치 뿐만 아니라, 임의의 회전 위치에 풍차(14)를 정지시키는 구성으로 하는 것도 가능하다.

예를 들면, 로터 허브(13a)의 0도의 회전 위치가 블레이드(13b1)(도 2(a) 참조)의 부착 등에 최적인 위치이며, 로터 허브(13a)의 120도의 회전 위치가 블레이드(13b2)(도 2(c) 참조)의 부착 등에 최적인 위치인 것으로 한다. 또한, 로터 허브(13a)의 240도의 회전 위치가 나머지의 블레이드(13b)의 부착 등에 최적인 위치인 것으로 한다.

이 경우, 위치 지령부(68)는, 로터 허브(13a)의 0도의 회전 위치, 120도의 회전 위치, 240도의 회전 위치를 각각 목표 위치로 하는 위치 지령을 내부의 기억부에 기억한다. 그리고, 예를 들면, 조작부(24)에 의해 블레이드(13b2)(도 2 참조)가 지정되었을 경우, 위치 지령부(68)는, 로터 허브(13a)의 240도의 회전 위치를 목표 위치로 하는 위치 지령을 내부의 기억부로부터 판독하여 위치 제어부(69)에 출력한다.

또한, 위치 지령부(68)는, 조작부(24)로부터 지정된 로터 허브(13a)의 회전 위치에 대응하는 위치 지령을 생성하여 위치 제어부(69)에 출력할 수도 있다. 또한, 위치 지령부(68)에 있어서, 예를 들면, 로터 허브(13a)의 0도 이상 360도 미만의 각각의 회전 위치(예를 들면, 1도마다의 회전 위치)를 목표 위치로 하는 위치 지령을 내부의 기억부에 기억해도 좋다. 이 경우, 조작부(24)로부터 로터 허브(13a)의 회전 위치가 지정되면, 지정된 회전 위치를 목표 위치로 하는 위치 지령을 내부의 기억부로부터 판독하여 위치 제어부(69)에 출력한다.

또한, 위치 지령부(68)는, 조작부(24)에 의해 로터 허브(13a)의 회전 위치가 지정되었을 경우, 전환기(70)에 전환 신호를 출력한다. 이 전환 신호에 의해, 전환기(70)는, 전압 지령 생성부(62)에 입력되는 토크 지령을 토크 지령 생성부(61)의 토크 지령으로부터 위치 제어부(69)의 토크 지령으로 전환한다.

위치 제어부(69)는, 위치 지령부(68)로부터 출력되는 위치 지령을 취득하고, 위치 검출기(16)로부터 출력되는 위치 검출치를 취득하고, 또한, 속도 검출기(18)로부터 출력되는 속도 검출치를 취득한다. 그리고, 위치 제어부(69)는, 위치 지령, 위치 검출치 및 속도 검출치에 근거하여, 풍차(14)의 회전 위치를 위치 지령으로 규정되는 목표 위치에 일치시키는 토크 지령을 출력한다. 도 11은, 위치 제어부(69)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 위치 제어부(69)는, 감산기(81, 83)와, PI 증폭기(82, 84)를 구비한다. 감산기(81)는, 위치 지령으로부터 위치 검출치를 감산하여 생성한 위치 차분 신호를 PI 증폭기(82)에 입력한다. 즉, 감산기(81)는, 위치 지령으로 규정되는 목표치와 풍차(14)의 현재의 회전 위치를 비교하여, 목표치와 풍차(14)의 회전 위치의 차분을 위치 차분 신호로서 출력한다.

PI 증폭기(82)는, 감산기(81)로부터 출력된 위치 차분 신호를 PI(비례 적분) 증폭하고 속도 신호로 변환하여, 감산기(83)에 출력한다. 감산기(83)는, PI 증폭기(82)로부터 출력된 속도 신호를 취득하고, 또한, 속도 검출기(18)로부터 출력되는 속도 검출치를 취득한다. 그리고, 감산기(83)는, 속도 신호로부터 속도 검출치를 감산하여 생성한 속도 차분 신호를 PI 증폭기(84)에 입력한다.

PI 증폭기(84)는, 감산기(83)로부터 출력된 속도 차분 신호를 취득하고, 속도 차분 신호를 PI(비례 적분) 증폭하고 토크 지령으로 변환하여 전환기(70)(도 3 및 도 9 참조)에 출력한다.

도 3 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 위치 제어부(69)로부터 출력되는 토크 지령은, 전환기(70)에 입력되고, 전환기(70)를 거쳐서 전압 지령 생성부(62)에 출력된다. 전압 지령 생성부(62)는, 위치 제어부(69)로부터 입력되는 토크 지령에 따른 전압 지령을 제어 신호 발생부(67)에 출력한다. 이에 의해, 전력 계통(30)으로부터 발전기(15)로의 전력 변환이 행해지고, 풍차(14)가 조작부(24)에 의해 지정된 목표 위치로 이동하여 정지한다.

이와 같이, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 위치 지령부(68)과 위치 제어부(69)를 마련하는 것에 의해, 크레인이나 유압 장치 등을 이용하지 않고, 조작부(24)로부터의 조작에 의해 지정된 목표 위치에 풍차(14)의 회전 위치를 일치시킬 수 있다. 그 때문에, 풍차(14)를 정지시켜 블레이드(13b)의 부착이나 분리를 용이하게 행할 수 있어, 풍력 발전부(10)의 설치 작업이나 보수 작업의 작업성을 향상시킬 수 있다.

또한, 위치 제어부(69)는, 풍차(14)의 회전 위치가 목표 위치에 도달한 후, 풍차(14)의 회전 위치와 목표 위치에 근거한 제어 신호를 제어 신호 발생부(67)로부터 계속해서 매트릭스 컨버터(21)에 출력시킨다. 이에 의해, 풍차(14)의 회전 위치가 목표 위치에 도달한 후에 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치에 정지시킬 수 있다.

풍력 발전부(10)에는, 강풍 등의 경우에 있어서, 풍차(14)를 보다 안정화하여 정지시키기 위해서, 블레이드(13b)의 위치를 고정시키기 위한 고정 기구가 설치되어 있다. 여기에서는, 고정 기구로서, 로터 허브(13a)를 고정하기 위한 록 핀(lock pin)(도시하지 않음)이 설치된다. 그 때문에, 블레이드(13b)의 부착이나 분리를 더 용이하게 행할 수 있어, 풍력 발전부(10)의 설치 작업이나 보수 작업의 작업성을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 매트릭스 컨버터(21)는, 풍차(14)의 회전 위치를 유지하는 정지 상태에서도, 내부의 특정의 쌍방향 스위치(53a∼53f)에 전류가 집중한다고 하는 것이 발생하지 않기 때문에, 쌍방향 스위치(53a∼53f)의 열 정격을 넘지 않는 안정된 정지 동작을 실현될 수 있다.

또한, 조작부(24)로의 소정 조작이 있었을 경우에, 풍차 위치 제어가 종료하지만, 풍차 위치 제어는 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 블레이드(13b)의 부착이나 분리를 검출하는 검출기를 마련하고, 이 검출기에 의해 블레이드(13b)의 부착이나 분리가 검출되었을 경우에, 풍차 회전 위치 제어를 종료하도록 해도 좋다.

또한, 위치 제어부(69)에 있어서, 로터 허브(13a)로의 블레이드(13b)의 부착 개수나 블레이드(13b)의 피치(각도)에 따라 토크 지령을 조정하도록 해도 좋다. 이 경우, 블레이드(13b)의 부착 개수를 검출하는 블레이드 개수 검출기나 블레이드(13b)의 피치를 변경하는 피치 변경 기구를 마련한다. 그리고, 블레이드 개수 검출기나 피치 변경 기구로부터 출력되는 블레이드 개수의 정보나 피치의 정보에 따라 위치 제어부(69)가 토크 지령을 조정한다.

이와 같이, 위치 검출치나 속도 검출치 뿐만이 아니라, 풍량, 풍향, 블레이드(13b)의 부착 개수, 블레이드(13b)의 피치 등도 고려하여 토크 지령을 생성할 수 있다. 이에 의해, 풍차(14)의 회전 위치를 목표 위치로 보다 신속히 변화시킬 수 있고, 또한, 풍차(14)의 회전 위치에서의 정지를 보다 안정화하여 행할 수 있다.

또한, 풍차(14)를 목표 위치로 이동시킬 때에, 급격하게 풍차(14)의 로터(13)를 회전시키면, 발전기(15)에 스트레스가 걸린다. 이러한 스트레스는, 풍차(14)의 회전 속도를 제한하는 것에 의해 억제할 수 있다. 풍차(14)의 회전 속도는, 예를 들면, 위치 제어부(69)로부터 출력되는 토크 지령이 소정치 이상이 되지 않도록 제한하는 리미터 회로를 마련함으로써 억제할 수 있다. 또한, 조작부(24)로의 조작에 의해, PI 증폭기(82) 또는 PI 증폭기(84)의 이득을 조정할 수 있도록 해도 좋다.

또한, 풍차(14)를 조립하는 경우, 제어부(22)는, 블레이드(13b)를 부착하기 위한 목표 위치로 풍차(14)의 회전 위치를 변경하는 제어를 행할 수도 있다. 예를 들면, 제어부(22)는, 조작부(24)에 의해 지정된 목표 위치에 풍차(14)의 회전 위치를 일치시킨 후, 블레이드(13b)가 부착된 것으로 판정하면, 나머지의 블레이드(13b)를 부착하기 위한 목표 위치로 풍차(14)의 회전 위치를 변경하는 제어를 행할 수도 있다. 이에 의해, 풍차(14)의 조립 작업을 보다 신속하게 행할 수 있다. 또한, 이 경우, 예를 들면, 블레이드(13b)의 부착을 검지하는 검지부 등을 풍차(14)에 마련하고, 이러한 검지부에 의한 검지 결과에 따라 블레이드(13b)가 부착된 것으로 판정한다.

(잉여 전력 방전 제어)

다음에, 제어부(22)가 행하는 잉여 전력 방전 제어에 대해 설명한다. 잉여 전력 방전 제어는, 잉여 전력이 발생했을 경우에, 이 잉여 전력을 방전하는 제어이다. 잉여 발전 전력은, 돌풍이 불어 풍차(14)의 회전이 증가했을 경우나 전력 계통(30)이 정전했을 경우 등에 발생한다. 이러한 잉여 전력 방전 제어를 행하기 위해서, 제어부(22)는, 도 3 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 발전 전압 검출부(71) 및 방전 지령부(72)를 구비한다.

방전 지령부(72)는, 속도 검출기(18)로부터 출력되는 속도 검출치나 발전 전압 검출부(71)로부터 출력되는 발전 전압 검출치에 근거하여, 잉여 발전 전력이 발생했는지 여부를 판정한다. 방전 지령부(72)는, 잉여 발전 전력이 발생한 것으로 판정하면, 매트릭스 컨버터(21)에 방전 지령을 출력한다. 도 12는, 방전 지령부(72)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 방전 지령부(72)는, 미분 회로(85, 86)와, 비교기(87, 88)와, 논리합 회로(OR 회로)(89)를 구비한다. 속도 검출기(18)로부터 출력되는 속도 검출치는, 미분 회로(85)에 의해 미분되어 속도 변화율 값으로서 출력된다. 미분 회로(85)로부터 출력되는 속도 변화율 값은 비교기(87)에 입력되고, 비교기(87)에 의해 미리 설정된 속도 변화율 이상 검출 레벨과 비교된다. 미분 회로(85)로부터 출력되는 속도 변화율 값이 속도 변화율 이상 검출 레벨보다 높은 경우, 비교기(87)는, H 레벨의 신호를 출력한다.

또한, 발전 전압 검출부(71)로부터 출력되는 발전 전압 검출치는, 미분 회로(86)에 의해 미분되어 발전 전압 변화율 값으로서 출력된다. 미분 회로(86)로부터 출력되는 발전 전압 변화율 값은 비교기(88)에 입력되어, 비교기(88)에 의해 미리 설정된 발전 전압 변화율 이상 검출 레벨과 비교된다. 미분 회로(86)로부터 출력되는 발전 전압 변화율 값이 발전 전압 변화율 이상 검출 레벨보다 높은 경우, 비교기(88)는, H 레벨의 신호를 출력한다.

그리고, 논리합 회로(89)는, 비교기(87)와 비교기(88) 중 어느 하나로부터 H 레벨의 신호가 출력되었을 경우, H 레벨의 신호인 방전 지령을 출력한다. 예를 들면, 돌풍이 불어 풍차(14)의 회전이 증가하고, 또한, 매트릭스 컨버터(21)와 전력 계통(30)이 도시하지 않는 개폐기 등으로 분리되는 것에 의해 잉여 발전 전력이 발생했을 경우, 방전 지령부(72)는, 매트릭스 컨버터(21)에 방전 지령을 출력한다.

방전 지령은, 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)(도 4 참조)에 입력된다. 구체적으로는, 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)에 포함되는 스너버 회로(52)의 방전 회로(56)에 입력된다. 이에 의해 각 방전 회로(56)가 ON 상태로 되어, 각 방전 회로(56)에 의해 잉여 발전 전력이 소비된다. 특히, 직류 다중 매트릭스 컨버터는, 단상 매트릭스 컨버터를 복수 구비하기 때문에, 단상 매트릭스 컨버터(43a∼43c)의 각각의 스너버 회로(52)에서 분산하여 잉여 발전 전력을 소비할 수 있다.

이와 같이, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)에서는, 돌풍이나 전력 계통(30)으로부터의 분리에 의해 잉여 발전 전력이 발생했을 경우여도, 스너버 회로(52)에 대해서 직류 전압의 방전을 지령하는 방전 지령을 출력한다. 그 때문에, 잉여 발전 전력을 스너버 회로(52)에서 소비할 수 있다. 이에 의해, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)의 운전을 계속하거나, 보호를 도모할 수 있다.

또한, 상술에 있어서는, 잉여 발전 전력을 스너버 회로(52)에서 소비시키도록 했지만, 잉여 발전 전력을 UPS(23)의 축전지에 충전시키도록 해도 좋다. 이 경우, 방전 지령이 입력되었을 경우에, 발전기(15)의 출력 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 UPS(23)의 축전지에 입력하는 충전부를 마련하도록 한다. 또한, 충전부는 마련하지 않고, 스너버 회로(52)의 콘덴서 C2(도 6 참조)의 직류 전압을 UPS(23)의 축전지에 절연 부재를 거쳐서 공급하도록 해도 좋다.

또한, 방전 지령부(72)는, 잉여 발전 전력을 스너버 회로(52)에서 소비시키고, 또한, UPS(23)의 축전지에 충전시키도록 해도 좋다. 예를 들면, 방전 지령부(72)는, 잉여 발전 전력이 임계치 미만인 경우에는, 스너버 회로(52) 및 상술한 충전부 중 한쪽에 방전 지령을 출력하여 스너버 회로(52) 또는 UPS(23)에서 잉여 발전 전력을 소비시킨다. 또한, 방전 지령부(72)는, 잉여 발전 전력이 소정치 이상인 경우에는, 스너버 회로(52) 및 충전부의 양쪽 모두에 방전 지령을 출력하여 스너버 회로(52) 및 UPS(23)에서 잉여 발전 전력을 소비시킨다.

또한, 잉여 발전 전력의 크기에 따라, 스너버 회로(52)에서 소비시키는 전력량과 USP(23)에서 소비시키는 전력량의 비를 변경하도록 해도 좋다. 또한, USP(23)의 축전지가 만충전 상태에 있는 경우에는, UPS(23)에서의 전력 소비를 실행하지 않도록 할 수도 있다.

또한, 상술에 있어서는, 방전 회로(56)에 의해 잉여 발전 전력을 소비하는 예를 나타냈지만, 잉여 발전 전력을 소비하기 위한 방전 회로를 방전 회로(56)와는 별도로 설치해도 좋다. 또한, 잉여 발전 전력을 소비하기 위해서 2개 이상의 방전 회로를 준비해 두고, 잉여 발전 전력의 크기에 따라 방전 지령을 입력하는 방전 회로를 선택하도록 해도 좋다. 또한, 방전 지령부(72)는, 속도 변화율이나 발전 전압 변화율이 임계치 이상이 되었을 경우에 잉여 전력을 검출하도록 했지만, 풍차(14)의 회전 속도나 발전기(15)의 발전 전압이 임계치 이상이 되었을 경우에 잉여 전력을 검출하도록 해도 좋다.

(전원 전환 제어)

다음에, 제어부(22)가 행하는 전원 전환 제어에 대해 설명한다. 이 전원 전환 제어를 행하기 위해서, 제어부(22)는, 도 3 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 발전 전압 검출부(71) 및 전원 전환부(73)를 구비한다.

발전 전압 검출부(71)는, 상술한 바와 같이, 발전기(15)의 발전 전압의 전압치를 검출하고, 검출한 전압치를 발전 전압 검출치로서 전원 전환부(73)에 출력한다. 전원 전환부(73)는, 발전 전압 검출부(71)로부터 출력되는 발전 전압 검출치를 취득하고, 이러한 발전 전압 검출치에 근거하여, 전원 전환이 필요한지 여부를 판정한다. 도 13은, 전원 전환부(73)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 13에 나타내는 바와 같이, 전원 전환부(73)는, 전압 전환 지령부(90)와 전환기(91)를 구비한다. 전압 전환 지령부(90)는, 발전 전압 검출부(71)로부터 출력되는 발전 전압 검출치에 근거하여, 전환기(91)를 제어한다. 도 14는, 도 13에 나타내는 전압 전환 지령부(90)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 14에 나타내는 바와 같이, 전압 전환 지령부(90)는, 비교기(92)를 구비하고 있고, 이 비교기(92)에 의해 발전 전압 검출치와 발전 저전압 검출 레벨을 비교한다. 그리고, 발전 전압 검출치가 발전 저전압 검출 레벨보다 낮은 경우에는, 비교기(92)로부터 전환 지령 신호(H 레벨의 신호)가 전환기(91)에 출력된다. 한편, 발전 전압 검출치가 발전 저전압 검출 레벨 이상인 경우에는, 비교기(92)로부터 L 레벨의 신호가 전환기(91)에 출력되고, 전환 지령 신호는 출력되지 않는다.

도 13에 나타내는 전환기(91)는, 전원 전환부(73)로부터 전환 지령 신호가 출력되지 않는 경우, 발전기(15)의 발전 전압을, 제어부(22)를 동작시키기 위한 제어 전압으로서 출력한다. 한편, 전원 전환부(73)로부터 전환 지령 신호가 출력되었을 경우, 전환기(91)는, UPS(23)의 출력 전압을, 제어부(22)를 동작시키기 위한 제어 전압으로서 출력한다.

여기서, 발전 저전압 검출 레벨은, 제어부(22)를 동작시키는 제어 전압을 확보할 수 없는 경우에, UPS(23)의 출력 전압이 제어 전압으로서 선택되는 값으로 설정된다. 그 때문에, 바람이 강하고 발전기(15)의 발전 전압이 제어 전압을 확보할 수 있는 경우에는, 발전기(15)의 발전 전압이 제어 전압으로서 공급되고, 바람이 약하고 발전기(15)의 발전 전압이 제어 전압을 확보할 수 없는 경우에는, UPS(23)의 전압이 제어 전압으로서 공급된다.

제어부(22)는, 이와 같이 발전기(15)의 발전 전압에 따라 전원 전환 제어를 행하기 때문에, 발전기(15)의 발전 상태에 상관없이 제어부(22)에 제어 전압이 공급되게 되어, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)를 안정화하여 동작시킬 수 있다.

또한, 바람이 강하고 발전기(15)의 발전 전압이 제어 전압을 충분히 확보할 수 있는 전압인 경우, 발전기(15)의 발전 전압을 UPS(23)에 출력하도록 해도 좋다. 이에 의해, 발전기(15)의 발전 전압에 의해 UPS(23)의 축전지를 충전할 수 있어, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)를 보다 안정화하여 동작시킬 수 있다.

또한, 상술에서는, 전원 전환부(73)는, 발전기(15)의 발전 전압에 근거하여 전환기(91)에 전환 신호를 출력하도록 했지만, 발전기(15)의 회전 속도에 근거하여 전환기(91)에 전환 신호를 출력하도록 해도 좋다. 이 경우, 전원 전환부(73)는, 예를 들면, 속도 검출기(18)로부터 출력되는 회전 속도치와 저회전 속도 검출 레벨을 비교하여, 전환 신호를 출력한다.

(제 2 실시 형태)

제 1 실시 형태에서는, 풍력 발전부(10)와 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)를 갖는 풍력 발전 장치(1)에 대해 설명했지만, 제 2 실시 형태에서는, 복수의 풍력 발전 장치가 설치되는 윈드 팜에 대해 설명한다. 도 15는, 제 2 실시 형태에 따른 윈드 팜의 구성을 나타내는 도면이다.

도 15에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시 형태에 따른 윈드 팜(100)에는, 복수의 풍력 발전 장치(110)가 설치되어 있고, 각 풍력 발전 장치(110)는 송전선(140)에 접속된다. 또한, 각 풍력 발전 장치(110)는, 풍력 발전부(120)와, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)를 구비한다.

여기서, 각 풍력 발전 장치(110)는, 상술한 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(1)와 마찬가지의 구성이다. 즉, 풍력 발전부(120)는, 풍력 발전부(10)와 마찬가지의 구성이며, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)는, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(20)와 마찬가지의 구성이다.

풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)가 송전선(140)에 출력하는 전압은, 전력 계통의 전압에 맞추어져 있다. 즉, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)에 있어서 전력 변환부를, 예를 들면, 직렬 다중 매트릭스 컨버터로 한다. 또한, 직렬 다중 매트릭스 컨버터가 갖는 변압기(도 4에 나타내는 삼상 변압기(42) 참조)를 1차측의 정격 전압이 전력 계통의 전압과 일치하도록 하는 변압비를 갖는 변압기로 한다. 이에 의해, 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)를 직접 송전선(140)에 접속할 수 있다.

그 때문에, 직렬 다중 매트릭스 컨버터를 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치(130)의 전력 변환부로 했을 경우에는, 별도로 변압기를 준비할 필요가 없고, 구성의 간략화 및 공간 절약화를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 직렬 다중 매트릭스 컨버터가 갖는 변압기의 1차 권선에 복수의 탭을 마련하고, 전력 계통의 전압에 따른 탭을 선택하여 송전선(140)에 접속함으로써, 구성의 간략화 및 공간 절약화를 도모하면서도, 전압이 상이한 전력 계통에 접속하는 것이 가능해진다.

또한, 풍력 발전부(120)의 발전기를 전동기로서 동작시키는 것에 의해, 풍차의 회전 위치를 제어하므로, 블레이드의 부착이나 분리가 용이하게 되어, 윈드 팜 전체의 건설 공사의 효율화 및 공사 기간 단축을 도모할 수 있다.

새로운 효과나 변형예는, 당업자에 의해 용이하게 도출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보다 광범위한 형태는, 이상과 같이 나타내고 또한 기술한 특정의 상세 및 대표적인 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 첨부의 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 총괄적인 발명의 개념의 정신 또는 범위로부터 일탈하는 일 없이, 여러 가지로 변경이 가능하다.

1, 110 : 풍력 발전 장치
10, 120 : 풍력 발전부
14 : 풍차
15 : 발전기
20, 130 : 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치
21 : 매트릭스 컨버터
43a∼43c : 단상 매트릭스 컨버터
22 : 제어부
23 : UPS(무정전 전원)
30 : 전력 계통
42 : 삼상 변압기
52 : 스너버 회로
66 : 역률 제어부
70 : 전환기
73 : 전원 전환부
74 : 정전 검출부
76 : 계통 전압 파형 기억부
77 : 역률 설정부

Claims

풍력에 의해 회전하는 풍차의 회전력에 의해 발전기에서 발전된 전력을, 풀 컨버트하여(fully convert) 전력 계통에 공급하는 매트릭스 컨버터와,
상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어부를 구비하는
것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전력 계통의 전압 또는 상기 발전기의 전압으로부터 상기 전력 계통의 전압 위상의 정보 또는 상기 발전기의 전압 위상의 정보를 생성하는 전압 위상 생성부와,
상기 전력 계통측의 역률을 설정하는 역률 설정부와,
상기 역률 설정부에 의해 설정된 역률에, 상기 전압 위상의 정보를 가산하여, 전류 위상의 정보를 생성하는 역률 제어부를 구비하며,
상기 제어부는, 상기 전류 위상의 정보에 근거하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는
것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전력 계통이 정전인지 여부를 검출하는 정전 검출부와,
상기 전력 계통과 상기 매트릭스 컨버터의 사이에 흐르는 전류의 값 및 상기 전력 계통의 전압의 값의 2개의 전력 계통측의 상태량, 및 상기 발전기와 상기 매트릭스 컨버터의 사이에 흐르는 전류의 값 및 상기 발전기의 전압의 값의 2개의 발전기측의 상태량 중 3개 이상의 상태량을 취득하는 상태량 취득부와,
상기 정전 검출부에 의한 검출 결과에 근거하여, 상기 상태량 취득부에서 취득되는 3개 이상의 상태량 중 상기 전력 계통측의 상태량과 상기 발전기측의 상태량의 조합을 전환하는 상태량 전환부를 구비하며,
상기 제어부는, 상기 상태량 전환부의 출력에 근거하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는
것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 상태량 전환부는, 상기 정전 검출부에 의해 상기 전력 계통의 정전이 검출되지 않는 경우에 상기 전력 계통의 전압의 값을 전압 검출치로서 상기 전압 위상 생성부에 출력하고, 상기 정전 검출부에 의해 상기 전력 계통의 정전이 검출되었을 경우에 상기 발전기의 전압의 값을 전압 검출치로서 상기 전압 위상 생성부에 출력하고,
상기 전압 위상 생성부는, 상기 전압 검출치로부터 상기 전압 위상의 정보를 생성하고,
상기 역률 제어부는, 상기 정전 검출부에 의해 상기 전력 계통의 정전이 검출되었을 경우, 상기 역률 설정부에 설정된 역률 대신에 정전 시 역률을 연산하고, 해당 정전 시 역률을 상기 전압 위상의 정보에 가산하고, 상기 전류 위상의 정보를 생성하는
것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 상태량 전환부는, 상기 정전 검출부에 의해 상기 전력 계통의 정전이 검출되지 않는 경우에 상기 발전기와 상기 매트릭스 컨버터의 사이에 흐르는 전류의 값을 검출 전류치로서 출력하고, 상기 정전 검출부에 의해 상기 전력 계통의 정전이 검출되었을 경우에 상기 전력 계통과 상기 매트릭스 컨버터의 사이에 흐르는 전류의 값을 검출 전류치로서 출력하고,
상기 제어부는, 상기 상태량 전환부로부터 출력되는 상기 검출 전류치에 근거하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는
것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매트릭스 컨버터는,
상기 발전기의 각 상마다 직렬 접속되어 복수 설치되고, 각각 쌍방향의 전력 변환을 행하는 단상 매트릭스 컨버터와,
복수의 상기 단상 매트릭스 컨버터로부터 출력되는 전력을, 각각 절연하면서 결합시키는 결합부
를 갖고,
상기 결합부는,
결합시킨 상기 전력의 전압을, 상기 전력 계통측에 갖는 권선에 의해 상기 전력 계통의 전압으로 승압시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매트릭스 컨버터는,
매트릭스 컨버터를 복수 병렬로 접속한 병렬 다중 전력 변환기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 단상 매트릭스 컨버터는,
서지 전압을 직류 전압으로 변환하여 축적하고, 해당 축적한 직류 전압을 방전하는 스너버(snubber) 회로를 구비하며,
상기 제어부는,
상기 발전기의 회전 속도 또는 상기 발전기의 발전 전압에 근거하여, 상기 스너버 회로에 대해서 상기 직류 전압의 방전을 지령하는 방전 지령을 출력하는 방전 지령부를 구비한 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 8 항에 있어서,
축전지를 갖고, 소정 조건을 만족하는 경우에 상기 축전지로부터 상기 제어부에 전력을 공급하는 무정전 전원을 구비하며,
상기 축전지는 상기 스너버 회로의 직류 전압에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
무정전 전원과,
상기 무정전 전원으로부터 출력되는 전압과 상기 발전기로부터 출력되는 전압을 전환 신호에 따라 전환하여 상기 제어부를 동작시키기 위한 전압으로서 출력하는 전환기와,
상기 발전기의 발전 전압에 근거하여, 상기 전환기에 상기 전환 신호를 출력하는 전원 전환부
를 구비한 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전력 계통의 전압 파형을 소정 주기분 기억하는 계통 전압 파형 기억부를 구비하며,
상기 발전기로부터 상기 전력 계통으로의 전력 변환을 상기 매트릭스 컨버터로 하여금 행하게 하고 있는 도중에, 상기 전력 계통의 정전이 검출되었을 경우, 상기 계통 전압 파형 기억부에 기억된 전압 파형에 근거하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하여, 상기 발전기로부터 상기 전력 계통으로의 전력 변환을 계속시키는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 발전기를 전동기로서 사용하여 상기 풍차의 회전 위치를 제어하도록 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 풍차의 회전 위치를 유지시키도록, 상기 매트릭스 컨버터가 갖는 복수의 스위치의 온 오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 매트릭스 컨버터 장치.
풍력에 의해 회전하는 풍차의 회전력에 의해 발전기에서 발전된 전력을, 풀 컨버트하여 전력 계통에 공급하는 매트릭스 컨버터와,
상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
복수의 풍력 발전 장치를 구비한 윈드 팜(wind farm)으로서,
상기 풍력 발전 장치는,
풍력에 의해 회전하는 풍차의 회전력에 의해 발전기에서 발전된 전력을, 풀 컨버트하여 전력 계통에 공급하는 매트릭스 컨버터와,
상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어부를 구비하는
것을 특징으로 하는 윈드 팜.
청구항 14 또는 15에 기재된 풍력 발전 장치에 있어서의 풍차의 제조 방법으로서,
위치 검출기에 의해 상기 풍력 발전 장치의 풍차의 회전 위치를 검출하고,
상기 검출된 상기 풍차의 회전 위치와 지정된 목표 위치의 차이를 검출하고,
상기 발전기를 전동기로서 사용하여, 상기 검출된 상기 풍차의 회전 위치와 상기 목표 위치의 차이에 근거하여, 상기 풍차의 회전 위치를 상기 목표 위치에 일치시키고,
회전 위치를 상기 목표 위치에 일치시킨 상기 풍차에 블레이드를 부착하는
것을 특징으로 하는 풍차의 제조 방법.