WO2014188535A1 - 電力変換器および風力発電システム - Google Patents

電力変換器および風力発電システム Download PDF

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WO2014188535A1
WO2014188535A1 PCT/JP2013/064219 JP2013064219W WO2014188535A1 WO 2014188535 A1 WO2014188535 A1 WO 2014188535A1 JP 2013064219 W JP2013064219 W JP 2013064219W WO 2014188535 A1 WO2014188535 A1 WO 2014188535A1
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WO
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circuit
capacitor
discharge
control circuit
failure
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PCT/JP2013/064219
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English (en)
French (fr)
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智浩 藤井
光 目黒
良平 宮川
信吾 仲二見
Original Assignee
株式会社日立製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the present invention relates to a power converter having a failure detection function, and a wind power generation system including the power converter.
  • the wind power generation system includes a power converter for linking with the power system.
  • This power converter once converts alternating current into direct current, and converts the direct current into direct current so as to be linked to the power system.
  • the DC circuit of the power converter is connected with a DC chopper circuit that discharges the electric charge of the DC circuit and converts it into heat when excessive power is suddenly supplied to suppress the voltage rise.
  • a semiconductor switching element and a resistor are connected in series.
  • the power converter cannot suppress the voltage rise of the DC circuit and may be damaged by overvoltage.
  • many DC chopper circuits have a configuration in which a plurality of switching elements are connected in parallel. Furthermore, if any of the plurality of switching elements fails, it is desirable to detect the failure quickly and stop the wind power generation system.
  • Patent Document 1 The problem of Patent Document 1 is that “a chopper that can detect when a failure has occurred in at least one of the elements in which semiconductor switching elements driven by one gate drive circuit are connected in parallel, and prevent the damage from spreading.
  • the circuit fault detection device In the chopper circuit 3 connected to the main circuit of the power converter and connected in parallel to the plurality of IGBT elements 11 to 14, the circuit fault detection device is provided.
  • a gate control unit 20 that generates a gate signal for controlling on / off of the elements 11 to 14, a gate drive circuit 30 that applies the gate signal to all the IGBT elements 11 to 14 connected in parallel, and the on / off of the elements 11 to 14 ⁇
  • the gate-emitter voltage is larger than the reference voltage when the gate-emitter voltage is compared with the reference voltage in the off state.
  • a comparison circuit 45 that discriminates a fault state, and otherwise discriminates an off state, and a first fault discrimination unit 26 that discriminates a fault based on the presence or absence of a feedback signal. Yes.
  • the second failure determination unit 18 determines that this is a failure that does not enter the OFF state, and performs an appropriate protection operation. ”
  • the present invention provides a power converter that can detect a failure of these switching elements regardless of the number of switching elements that constitute a DC chopper circuit, and a wind power generation system including the power conversion device.
  • the task is to do.
  • a power converter includes a DC circuit to which a capacitor and a DC chopper circuit are connected, a first converter connected to one of the DC circuits, and the other of the DC circuit.
  • a second converter connected; a charging circuit that charges the capacitor; and a control circuit.
  • This control circuit measures an electrical quantity related to the DC chopper circuit when the capacitor is charged or discharged, and detects a failure of the DC chopper circuit.
  • the DC chopper circuit and the power converter can be reduced in size and cost. Is possible. Other means will be described in the embodiment for carrying out the invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a power converter 3 for secondary excitation wind power generation used in the wind power generation system 1 in the first embodiment.
  • the wind power generation system 1 includes a power generation unit 2, a power converter 3 connected to the power generation unit 2, and a transformer 4 that links the power converter 3 to a power system 5.
  • the power generation unit 2 includes a blade 21 constituting a windmill, a rotor 22 mechanically connected to the blade 21, and a secondary excitation generator 23 driven by the rotor 22.
  • the secondary excitation generator 23 includes a stator 231 and a rotor 232.
  • the power generation unit 2 converts wind power into AC power by rotating the rotor 22 and the rotor 232 of the secondary excitation generator 23 when the blade 21 receives wind power.
  • the power converter 3 is electrically connected to the stator 231 via the stator wiring 379 and is electrically connected to the rotor 232 of the secondary excitation generator 23 via the rotor wiring 319.
  • the power converter 3 is electrically connected to the power system 5 (not shown) by the system wiring 389 and the transformer 4.
  • the power converter 3 is generated in the stator 231 by excitation of the rotor 232 by exciting the winding of the rotor 232 of the secondary excitation generator 23 with a slip frequency (difference between the system frequency and the rotation frequency).
  • the voltage to be made can be the same frequency as the system frequency.
  • the power converter 3 can change the rotational speed of the windmill (blade 21) by making the excitation frequency (slip frequency) of the rotor 232 variable, and the capacity of the power converter 3 can be increased by secondary excitation power generation.
  • the capacity of the machine 23 can be reduced.
  • the power converter 3 includes an inductor L1, a rotor side converter 31, a DC circuit 32, a DC chopper circuit 33, a DC capacitor C1, a system side converter 34, a filter circuit 35, an initial charging circuit 36, The electromagnetic contactor 37, the circuit breaker 38, and the control circuit 39 which controls these collectively are provided.
  • the power converter 3 further includes current sensors 311, 351, 372, and 381 that measure currents flowing through the respective parts, voltage sensors 321, 364, and 371 that measure voltages applied to the respective parts, and temperature sensors that measure internal temperatures. 394.
  • an inductor L1 and a current sensor 311 connected in series are installed and connected to the AC side of the rotor-side converter 31.
  • the DC side of the rotor side converter 31 is connected to the positive electrode 32H and the negative electrode 32L of the DC circuit 32.
  • the rotor side converter 31 and the system side converter 34 are controlled by the control circuit 39 to convert DC power and AC power to each other.
  • the rotor-side converter 31 that is the first converter mainly converts AC power supplied from the secondary excitation generator 23 into DC power.
  • a DC chopper circuit 33, a DC capacitor C1, and a voltage sensor 321 are connected between the positive electrode 32H and the negative electrode 32L of the DC circuit 32.
  • the DC chopper circuit 33 includes a series connection of a resistor r1 and a switching element Q1, a series connection of a resistor r2 and a switching element Q2, a series connection of a resistor r3 and a switching element Q3, and a series connection of a resistor r4 and a switching element Q4. It is configured to be connected in parallel.
  • the positive electrode 32H and the negative electrode 32L of the DC circuit 32 are connected to the DC side of the system side converter 34.
  • the resistance value of each of the resistors r1 to r4 is r [ ⁇ ].
  • the switching elements Q1 to Q4 are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the switching elements Q1 to Q4 are not limited to IGBTs, but may be other semiconductor switching elements such as MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) and GTO (Gate Turn-Off thyristor).
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • GTO Gate Turn-Off thyristor
  • the AC side of the system side converter 34 is connected to the system wiring 369.
  • the system side converter 34 which is the second converter mainly converts DC power supplied from the DC circuit 32 into AC power.
  • a filter circuit 35, a current sensor 351, and an initial charging circuit 36 that are connected in series are installed, and are connected to the stator wiring 379 and the system wiring 389 via the node ND1.
  • the voltage sensor 364 is connected to a portion near the power system 5 on the system wiring 369.
  • the initial charging circuit 36 (charging circuit) is configured by connecting a series connection circuit of a resistor 362 and an electromagnetic contactor 363 and an electromagnetic contactor 361 in parallel. The initial charging circuit 36 initially charges the DC capacitor C1 of the DC circuit 32.
  • the initial charging circuit 36 first turns on the electromagnetic contactor 363 and causes a current to flow through the resistor 362. After the current converges, the initial charging circuit 36 turns on the electromagnetic contactor 361, whereby a large current is supplied to the electromagnetic contactor 361. Is prevented from flowing, and the resistance value during operation of the initial charging circuit 36 is kept low. Therefore, a thing with a small rated current can be used for the magnetic contactors 361 and 363.
  • the stator wiring 379 is provided with an electromagnetic contactor 37 and a current sensor 372 connected in series, and is connected to the system wiring 389 and the system wiring 369 via the node ND1.
  • the voltage sensor 371 is connected to the most power system 5 side on the stator wiring 379.
  • the system wiring 389 is provided with a current sensor 381 and a circuit breaker 38 connected in series.
  • One of the system wirings 389 is connected to the stator wiring 379 and the system wiring 369 via the node ND1, and the other of the system wirings 389 is connected to the power system 5 via the transformer 4 and interconnected. .
  • the control circuit 39 includes an initial charge processing unit 391, a discharge processing unit 392, and a storage unit 393.
  • the storage unit 393 stores temperature correction data 3931 and aging correction data 3932.
  • the control circuit 39 is connected to the sensor outputs of the current sensors 311, 351, 372 and 381, the sensor outputs of the voltage sensors 321, 364 and 371, and the sensor output of the temperature sensor 394.
  • a rotor side converter 31, a DC chopper circuit 33, a system side converter 34, an initial charging circuit 36, an electromagnetic contactor 37, and a circuit breaker 38 are connected. It can be controlled.
  • the control circuit 39 outputs H level signals to the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 and turns them on.
  • the control circuit 39 further outputs an L level signal to each of the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 to turn them off.
  • the initial charging processing unit 391 of the control circuit 39 charges the DC capacitor C1 of the DC circuit 32 by the initial charging circuit 36 when the wind power generation system 1 is activated. By this charging operation, a predetermined voltage is applied to the DC circuit 32 in advance. Thereby, the wind power generation system 1 can prevent a large current from flowing into the DC circuit 32 at the start of operation.
  • the initial charging process will be described in detail with reference to FIG.
  • the control circuit 39 controls the system side converter 34 so that the voltage of the DC circuit 32 becomes a target value.
  • the control circuit 39 causes the rotor-side converter 31 to cause a current to flow through the rotor wiring 319 so that the output voltage frequency to the stator wiring 379 matches the system frequency according to the rotational speed of the secondary excitation generator 23.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 The chopper circuit 33 is operated and discharged to protect the power converter 3. This discharge process will be described in detail with reference to FIG.
  • the temperature correction data 3931 is correction data indicating the relationship between the temperature and the capacity of the DC capacitor C1.
  • the aging correction data 3932 is correction data indicating the relationship between the cumulative operation time and the capacity of the DC capacitor C1.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 uses these correction data to estimate the temperature change and secular change of the capacity of the DC capacitor C1, and correct the failure detection level, the time constant theoretical value, and the like.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams showing equivalent circuits 6c and 6d of the DC circuit 32 in the first embodiment.
  • FIG. 2A is a circuit diagram showing an equivalent circuit 6c of the DC circuit 32 at the time of initial charge.
  • the equivalent circuit 6c is connected in series with a power supply Vd that supplies a voltage E, a switch 61 and a resistor 62 connected in series, a DC capacitor C1, a resistor r1 and a switching element Q1 connected in series.
  • a resistor r2 and a switching element Q2, a resistor r3 and a switching element Q3 connected in series, and a resistor r4 and a switching element Q4 connected in series are provided.
  • the DC capacitor C1 is connected between the positive electrode and the negative electrode of the power source Vd via a switch 61 and a resistor 62 connected in series.
  • the switch 61 corresponds to the initial charging circuit 36.
  • the resistor 62 corresponds to the resistance value of the system side converter 34 and the filter circuit 35.
  • the power source Vd corresponds to DC power supplied by the system side converter 34.
  • the DC capacitor C1 is connected in parallel to the resistors r1 to r4 and the switching elements Q1 to Q4 connected in series.
  • a capacitor voltage Vc is applied between one end and the other end of the DC capacitor C1.
  • a current Id flows through resistors r1 to r4 and switching elements Q1 to Q4 connected in series.
  • Each of the switching elements Q1 to Q4 is turned off when in a normal state, and turned on when in a short circuit failure state.
  • This figure shows a case where the switching element Q1 has a short circuit failure.
  • the time constant ⁇ c at the time of initial charge is calculated as follows. E Voltage supplied by power supply Vd [V] Resistance value of Rc resistor 62 [ ⁇ ] C 1 Capacitance [F] of DC capacitor C1 r Resistance values [ ⁇ ] of resistors r1 to r4
  • the capacitor voltage Vc at the time of initial charge is calculated as follows.
  • the current Id at the time of initial charge is calculated as follows.
  • FIG. 2B is a circuit diagram showing an equivalent circuit 6d of the DC circuit 32 during discharging.
  • This equivalent circuit 6d has a configuration in which the power supply Vd, the switch 61 and the resistor 62 connected in series are removed from the equivalent circuit 6c shown in FIG.
  • Each of the switching elements Q1 to Q4 is on when in a normal state and off when in an open failure state.
  • This figure shows a case where the switching element Q4 has an open failure. For example, if n of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure, the time constant ⁇ d at the time of discharging is calculated as follows.
  • the capacitor voltage Vc at the time of discharging is calculated as follows.
  • the current Id at the time of discharge is calculated as follows.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform of the capacitor voltage Vc at the time of initial charging according to the first embodiment.
  • the vertical axis represents the capacitor voltage Vc measured by the voltage sensor 321.
  • the horizontal axis indicates time t.
  • the black square marker indicates the voltage waveform in the normal operation.
  • the black rhombus marker indicates the voltage waveform when one of the switching elements Q1 to Q4 has a short circuit failure.
  • the black triangular marker shows the voltage waveform when two of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • the cross mark marker indicates a voltage waveform when three of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • White rhombus markers indicate voltage waveforms when four of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • the initial charging circuit 36 charges the DC capacitor C ⁇ b> 1 via the filter circuit 35 and the system side converter 34. At this time, the capacitor voltage Vc converges to the voltage Vi in a step response.
  • the initial charge processing unit 391 measures the capacitor voltage Vc with the voltage sensor 321.
  • the capacitor voltage Vc at this time is 0.632 times the voltage Vi.
  • the voltage V1 is a failure detection level.
  • the initial charging circuit 36 similarly charges the DC capacitor C1.
  • the capacitor voltage Vc is step-responsive and converges to a lower value than in normal operation according to the number of short-circuited switching elements.
  • the case where the electromagnetic contactors 361 and 363 of the initial charging circuit 36 are welded is the same as the case where one to four of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • FIGS. 4A and 4B are flowcharts showing the initial charging process and the in-operation process in the first embodiment.
  • FIG. 4A is a flowchart showing the initial charging process.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 starts the initial charge process shown below when operating the wind power generation system 1 by the initial charge circuit 36.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 controls so that all the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are turned off. However, if any of the switching elements Q1 to Q4 is short-circuited, the switching element remains conductive.
  • process S ⁇ b> 11 the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 starts the initial charge by the initial charge circuit 36. The time t at this time is 0.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 measures the capacitor voltage Vc at time t ⁇ b> 1 using the voltage sensor 321.
  • the capacitor voltage Vc is a voltage applied to the DC circuit 32 and the DC chopper circuit 33, and is therefore an electrical quantity related to the DC chopper circuit 33.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 compares the measured capacitor voltage Vc with the voltage V1 (see FIG. 3) which is a failure detection level, and determines whether or not it is within an appropriate range.
  • the appropriate range is, for example, not less than the voltage V1 and less than the voltage Vi. If the determination condition is satisfied (Yes), the initial charge processing unit 391 determines that the condition is normal and performs the process S14. If the determination condition is not satisfied (No), the initial charge processing unit 391 determines that a short circuit failure has occurred. Then, process S17 is performed. In process S14, the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 calculates a time constant for discharge.
  • the initial charge processing unit 391 calculates the capacitance of the DC capacitor C1 from the capacitor voltage Vc at time t1, and multiplies it by the resistance value of the DC chopper circuit 33 when all of the switching elements Q1 to Q4 are turned on.
  • the theoretical value of the time constant is calculated.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 corrects the theoretical value of the time constant of discharge based on the operating environment.
  • the operating environment refers to, for example, the total of temperature and operating time.
  • the initial charge processing unit 391 corrects the temperature of the DC capacitor C1 based on the temperature information measured by the temperature sensor 394 and the temperature correction data 3931, and determines the DC capacitor based on the accumulated operating time and the aging correction data 3932.
  • the initial charge processing unit 391 calculates the theoretical value of the time constant of discharge based on the corrected capacity of the DC capacitor C1.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 calculates a failure detection level at the time of discharging.
  • the failure detection level at the time of discharge is, for example, the voltage V2 (see FIG. 5), which is a voltage level at which the capacitor voltage Vc is determined not to be in an appropriate range.
  • the initial charge processing unit 391 calculates the theoretical value of the capacitor voltage Vc during normal operation at time t2 based on the time constant at the time of discharge, and takes into account the tolerances of each element and each circuit.
  • the voltage V2 see FIG.
  • the wind power generation system 1 can start operation.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 detects a short circuit failure.
  • the short circuit failure means that one or more of the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are in a short circuit state without depending on the control signal, or the electromagnetic contactors 361 and 363 of the initial charging circuit 36 are welded. It means that it is in a short-circuit state.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 disconnects the power converter 3 from the power system 5 by disconnecting with the circuit breaker 38.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 turns off the electromagnetic contactor 37 and abnormally ends the initial charge process shown in FIG.
  • the initial charging processing unit 391 of the control circuit 39 determines whether or not there is a short-circuit failure and calculates a theoretical value of the time constant of discharge. Therefore, at the time of discharging, the discharge processing unit 392 can accurately detect the presence or absence of an open failure of the DC chopper circuit 33 regardless of the variation in the capacity of each DC capacitor C1 or the change in capacity due to the operating environment. it can.
  • FIG. 4B is a flowchart showing the operation process.
  • the control circuit 39 repeatedly performs the following in-operation processing during the operation of the wind power generation system 1 by, for example, timer interruption. As a result, it is possible to estimate the change in the capacity of the DC capacitor C1 due to the operating environment and correct the failure detection level during discharge.
  • the control circuit 39 corrects the theoretical value of the discharge time constant based on the operating environment.
  • the control circuit 39 calculates and sets a failure detection level at the time of discharge, as in the above-described process S16.
  • the control circuit 39 ends the in-operation process shown in FIG. By this processing during operation, the control circuit 39 can prevent a decrease in failure detection accuracy during discharge due to the influence of operation time or temperature.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform of the capacitor voltage Vc during the discharge according to the first embodiment.
  • the vertical axis represents the capacitor voltage Vc measured by the voltage sensor 321.
  • the horizontal axis indicates time t.
  • the black square marker indicates the voltage waveform in the normal operation.
  • a black diamond marker indicates a voltage waveform when one of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure.
  • the black triangular marker indicates the voltage waveform when two of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • a cross mark marker indicates a voltage waveform when three of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • White rhombus markers indicate voltage waveforms when four of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by four parallel resistors.
  • the capacitor voltage Vc gradually decreases.
  • the capacitor voltage Vc is the voltage Vt at the start of discharge.
  • the capacitor voltage Vc decreases to 0.368 times the voltage Vt at the start of discharge when the time constant ⁇ 0 has elapsed. This time constant ⁇ 0 is derived by the following equation (7).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by three parallel resistors.
  • the capacitor voltage Vc gradually decreases.
  • the capacitor voltage Vc is the voltage Vt at the start of discharge.
  • the capacitor voltage Vc decreases to 0.368 times the voltage Vt at the start of discharge when the time constant ⁇ 1 has elapsed.
  • This time constant ⁇ 1 is derived by the following equation (8).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge of the DC capacitor C1 by two parallel resistors.
  • the capacitor voltage Vc gradually decreases.
  • the capacitor voltage Vc is the voltage Vt at the start of discharge.
  • the capacitor voltage Vc decreases to 0.368 times the voltage Vt at the start of discharge when the time constant ⁇ 2 has elapsed.
  • This time constant ⁇ 2 is derived by the following equation (9).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge stored in the DC capacitor C1 by one resistor, and the capacitor voltage Vc gradually decreases.
  • the capacitor voltage Vc is the voltage Vt at the start of discharge.
  • the capacitor voltage Vc decreases to 0.368 times the voltage Vt at the start of discharge when the time constant ⁇ 3 has elapsed. This time constant ⁇ 3 is derived by the following equation (10).
  • the DC chopper circuit 33 cannot discharge the charge accumulated in the DC capacitor C1.
  • the capacitor voltage Vc maintains a voltage Vt that is a predetermined value.
  • the time constant becomes infinite.
  • the time constant ⁇ is different between the normal operation and the case where any of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the discharge process in the first embodiment.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 starts the following discharge process for protecting the DC circuit 32.
  • the failure detection level at the time of discharge calculated in the process S16 of the initial charge process (see FIG. 4A) and the process S21 of the in-operation process (see FIG. 4B) is set.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 measures the capacitor voltage Vc. The time t at this time is 0.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 controls so that all the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are turned on.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 measures the capacitor voltage Vc at time t2.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 compares the measured capacitor voltage Vc with the voltage V2 (see FIG. 5) which is the failure detection level, and determines whether or not it is within an appropriate range.
  • the appropriate range is, for example, a voltage V2 or lower and 0 [V] or higher. If the determination condition is satisfied (Yes), the discharge processing unit 392 ends the discharge process shown in FIG. 6, and if the determination condition is not satisfied (No), the discharge processing unit 392 performs the process S34.
  • process S ⁇ b> 34 the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 detects an open failure of the DC chopper circuit 33.
  • the open failure of the DC chopper circuit 33 means that any one or more of the switching elements Q1 to Q4 are open regardless of the control signal.
  • process S ⁇ b> 35 the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 disconnects the power converter 3 from the power system 5 by disconnecting with the circuit breaker 38.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 turns off the electromagnetic contactor 37 and abnormally ends the discharge process shown in FIG.
  • the control circuit 39 determines whether there is a failure in the DC chopper circuit 33 based on the information of the voltage sensor 321 mounted on the power converter 3. As a result, it is not necessary to add a new element or circuit for detecting a failure to the plurality of switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33. Therefore, the portion relating to the failure detection of the power converter 3 can be reduced in size. And simplification is possible.
  • the control circuit 39 calculates the capacity of the DC capacitor C1, the theoretical value of the discharge time constant ⁇ , and the failure detection level during discharge from the capacitor voltage Vc measured when the power converter 3 is initially charged. As a result, the control circuit 39 can correctly set the failure detection level at the time of discharge regardless of the variation in the capacitance of the DC capacitor C1 or the change in the capacitance, so that it is possible to improve the detection accuracy of the open failure.
  • the control circuit 39 constantly measures the operation time and temperature, estimates the change in the capacity of the DC capacitor C1, and corrects the failure detection level during discharge. As a result, the control circuit 39 can prevent a drop in the detection accuracy of a failure during discharge due to the influence of the operation time or temperature.
  • the wind power generation system 1 of the second embodiment calculates a time constant from the measured value of the capacitor voltage Vc and compares it with the theoretical value of the time constant. Other than that, it is the same as the wind power generation system 1 of the first embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are flowcharts showing the initial charging process and the in-operation process in the second embodiment.
  • FIG. 7A is a flowchart showing the initial charging process.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 starts the initial charge process shown below when operating the wind power generation system 1 by the initial charge circuit 36.
  • Processes S41 to S43 are the same as the processes S10 to S12 of FIG.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 calculates a time constant for charging.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 compares the calculated charge time constant with the theoretical value of the charge time constant, and determines whether or not it is within the appropriate range.
  • the theoretical value of the time constant for charging refers to, for example, the time constant ⁇ a shown in FIG.
  • the appropriate range means, for example, an error range of the charging time constant due to the tolerance of each element or each circuit. If the determination condition is satisfied (Yes), the initial charge processing unit 391 determines that the condition is normal and performs the process S46. If the determination condition is not satisfied (No), the initial charge processing unit 391 determines that a short circuit failure has occurred.
  • process S48 is performed.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 calculates the time constant of the discharge as in the process S14 of FIG.
  • the initial charge processing unit 391 calculates the capacity of the DC capacitor C1 from the charging time constant, and multiplies it by the resistance value of the DC chopper circuit 33 when all of the switching elements Q1 to Q4 are turned on. Calculate the theoretical value.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 corrects based on the operating environment of the theoretical value of the time constant of the discharge as in the process S15 of FIG. 4, and the initial charge shown in FIG.
  • the charging process ends.
  • the operating environment refers to, for example, the accumulated temperature and operating time. Thereby, the wind power generation system 1 can start operation.
  • Processes S48 to S50 are processes at the time of failure detection similar to the processes S17 to S19 of FIG.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 abnormally ends the initial charge process shown in FIG.
  • the initial charging processing unit 391 of the control circuit 39 compares the voltage time constant during charging with the theoretical value of the charging time constant to determine whether there is a short circuit failure in the DC chopper circuit 33.
  • the time constant of charging is a value determined by the capacity of the DC capacitor C1, the resistance value of the DC chopper circuit 33, the internal resistance of the system side converter 34, etc., and does not depend on the initial value of the capacitor voltage Vc.
  • the control circuit 39 can always detect a short-circuit fault in the DC chopper circuit 33 with suitable accuracy.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 calculates the theoretical value of the time constant of discharge. Therefore, even when the capacitance of the DC capacitor C1 changes, it is possible to accurately detect an open failure of the DC chopper circuit 33.
  • FIG. 7B is a flowchart showing the process during operation.
  • the control circuit 39 repeatedly performs the following in-operation processing during the operation of the wind power generation system 1 by, for example, timer interruption. As a result, it is possible to estimate the change in the capacity of the DC capacitor C1 due to the operating environment and correct the failure detection level during discharge.
  • Process S60 corrects the theoretical value of the time constant of the discharge based on the operating environment, similar to the above-described process S47. When the process S60 ends, the control circuit 39 ends the in-operation process shown in FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a discharge process in the second embodiment.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 starts the following discharge process for protecting the DC circuit 32.
  • the discharge processing unit 392 calculates (corrects) the initial charge processing in steps S46 and S47 (see FIG. 7A) and corrects the discharge corrected in the in-operation processing S60 (see FIG. 7B).
  • the theoretical value of the time constant is set.
  • Processes S70 to S72 are the same as processes S30 to S32 of FIG.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 calculates an actual measurement value of the time constant of discharge. As shown in FIG.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 compares the measured value of the discharge time constant with the theoretical value of the discharge time constant, and determines whether or not it is within the appropriate range.
  • the theoretical value of the discharge time constant is, for example, the time constant ⁇ 0 shown in FIG.
  • the appropriate range refers to, for example, an error range of a discharge time constant due to tolerance of each element or each circuit. If the determination condition is satisfied (Yes), the discharge processing unit 392 ends the discharge process shown in FIG.
  • Processes S75 to S77 are processes upon failure detection similar to the processes S34 to S36 of FIG. When the process S77 ends, the discharge processing unit 392 abnormally ends the discharge process shown in FIG.
  • the control circuit 39 compares the time constant of the voltage at the time of charging with the theoretical value of the time constant of the charging, and determines whether there is a short circuit failure in the DC chopper circuit 33.
  • the time constant of charging is a value determined by the capacity of the DC capacitor C1, the resistance value of the DC chopper circuit 33, the internal resistance of the system side converter 34, etc., and does not depend on the initial value of the capacitor voltage Vc. As a result, the control circuit 39 can always determine whether or not there is a short circuit fault in the DC chopper circuit 33 with suitable accuracy.
  • the control circuit 39 compares the time constant of the voltage measured at the time of discharge with the theoretical value of the time constant of discharge, and determines whether there is an open failure of the DC chopper circuit 33.
  • the discharge time constant is determined by the capacitance of the DC capacitor C1 and the resistance value of the DC chopper circuit 33, and does not depend on the initial value of the capacitor voltage Vc. As a result, the control circuit 39 can always determine whether there is an open failure of the DC chopper circuit 33 with suitable accuracy.
  • the control circuit 39 calculates the actual capacity of the DC capacitor C1 from the voltage measured at the time of initial charge, and further calculates the theoretical value of the time constant of discharge. As a result, the control circuit 39 correctly sets the theoretical value of the time constant of discharge regardless of variations in capacity of the individual DC capacitors C1 and changes in capacity due to the operating environment, and the DC chopper circuit 33 always has a suitable accuracy. It is possible to determine whether or not there is an open failure.
  • the control circuit 39 constantly measures the operation time and temperature, estimates the change in the capacity of the DC capacitor C1, and corrects the discharge time constant. Thereby, the control circuit 39 can prevent a failure detection accuracy from being lowered due to the influence of the operation time or temperature.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a power converter 3B for secondary excitation wind power generation used in the wind power generation system 1 in the third embodiment.
  • the power converter 3B of the third embodiment includes a current sensor 322 that measures the current flowing through the DC chopper circuit 33.
  • the power converter 3B of the third embodiment does not include the voltage sensor 321.
  • the storage unit 393B does not store the temperature correction data 3931 and the aging correction data 3932 of the first embodiment.
  • the other configuration is the same as that of the power converter 3 of the first embodiment.
  • the power converter 3 ⁇ / b> B of the third embodiment detects a failure by measuring a current flowing through the DC chopper circuit 33 by the current sensor 322. Thereby, power converter 3B can detect a fault at the time of initial charge and discharge, and can detect a short circuit fault that occurred during operation.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a current waveform of the DC chopper circuit 33 at the time of initial charge according to the third embodiment.
  • the vertical axis represents the current Id measured by the current sensor 322.
  • the horizontal axis indicates time t.
  • the black square marker indicates the current waveform in the normal operation.
  • the black rhombus marker indicates the current waveform when one of the switching elements Q1 to Q4 has a short circuit failure.
  • the black triangular marker shows the current waveform when two of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • the cross mark marker indicates a current waveform when three of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • White rhombus markers indicate current waveforms when four of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited.
  • the current Id flowing through the DC chopper circuit 33 is 0 [A] during normal operation, and when 1 to 4 of the switching elements Q1 to Q4 are short-circuited, they converge to a value corresponding to the number of failures.
  • the current Id can be calculated by dividing the capacitor voltage Vc by the resistance value of the DC chopper circuit 33.
  • the time t3 is set longer than the time constant when any of the switching elements Q1 to Q4 is short-circuited. Thereby, since the current value after the transient response has sufficiently converged is measured, the presence or absence of a short-circuit failure can be reliably determined.
  • the current I3 is a failure detection level of a short circuit failure. For example, when one of the switching elements Q1 to Q4 has a short circuit failure, the current value flowing at time t3 is multiplied by 0.5. Thereby, the control circuit 39 can suppress the influence of noise and detect a short-circuit failure more accurately.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an initial charging process and an in-operation process in the third embodiment.
  • FIG. 11A is a flowchart showing the initial charging process.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 starts the initial charge process shown below when the wind power generation system 1 is operated by the initial charge circuit 36.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 controls so that all the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are turned off. However, if any one of the switching elements Q1 to Q4 is short-circuited, the switching element remains conductive.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 starts the initial charge by the initial charge circuit 36.
  • the time t at this time is 0.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 measures the current Id of the DC chopper circuit 33 at time t3 by the current sensor 322.
  • the current Id is an electrical quantity related to the DC chopper circuit 33.
  • the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 compares the measured current Id with the current I3 (see FIG. 10) which is the failure detection level, and determines whether or not it is within the proper range.
  • the appropriate range is, for example, a current I3 or less and 0 [A] or more. If the determination condition is not satisfied (No), the initial charge processing unit 391 determines that a short-circuit failure has occurred, performs the process S84, and if the determination condition is satisfied (Yes), determines that the condition is normal. Then, the initial charging process shown in FIG. By completing the initial charging process, the wind power generation system 1 can start operation.
  • Processes S84 to S86 are processes upon failure detection similar to the processes S17 to S19 shown in FIG. When the process S86 is finished, the initial charge processing unit 391 of the control circuit 39 abnormally ends the initial charge process shown in FIG. By this initial charging process, the initial charging processing unit 391 of the control circuit 39 can determine the presence or absence of a short circuit failure.
  • FIG. 11B is a flowchart showing the operation process.
  • the control circuit 39 repeatedly performs the following in-operation processing during the operation of the wind power generation system 1 by, for example, timer interruption. As a result, it is possible to estimate the change in the capacity of the DC capacitor C1 due to the operating environment and correct the failure detection level during discharge.
  • the processes S20 to S21 are the same as the processes S20 to S21 shown in FIG. As a result, the control circuit 39 estimates the change in the capacity of the DC capacitor C1, corrects the preset failure detection level during discharge together with the operation time and temperature, and improves the detection accuracy of the failure due to these effects. Prevents the decline.
  • the control circuit 39 measures the current Id of the DC chopper circuit 33 as in the process S82.
  • the control circuit 39 compares the measured current Id with the failure detection level as in the process S83, and determines whether or not it is within the appropriate range. If the determination condition is satisfied (Yes), the control circuit 39 determines that the condition is normal and ends the in-operation processing shown in FIG. 11B. If the determination condition is not satisfied (No), It is determined that a short circuit failure has occurred, and processing S24 is performed. Processes S24 to S26 are processes upon failure detection similar to the processes S17 to S19 shown in FIG. When the process S26 ends, the control circuit 39 abnormally ends the in-operation process shown in FIG. By this processing during operation, the control circuit 39 can immediately detect the failure of any of the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 even during operation.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a current waveform of the DC chopper circuit 33 at the time of discharging according to the second embodiment.
  • the vertical axis represents the current Id measured by the current sensor 322.
  • the horizontal axis indicates time t.
  • the black square marker indicates the current waveform in the normal operation.
  • the black rhombus marker indicates the current waveform when one of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure.
  • the black triangular marker indicates the current waveform when two of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • a cross mark marker indicates a current waveform when three of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • White rhombus markers indicate current waveforms when four of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure.
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by four parallel resistors.
  • the current Id gradually decreases.
  • the current Id is (4 E / r) at the start of discharge.
  • the current Id decreases to 0.368 times that at the start of discharge when the time constant ⁇ 0 has elapsed.
  • the time constant ⁇ 0 is derived by the above equation (7).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by three parallel resistors.
  • the current Id gradually decreases.
  • the current Id is (3E / r) at the start of discharge.
  • the current Id decreases to 0.368 times that at the start of discharge when the time constant ⁇ 1 has elapsed.
  • the time constant ⁇ 1 is derived by the above equation (8).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by two parallel resistors.
  • the current Id gradually decreases.
  • the current Id is (2E / r) at the start of discharge.
  • the current Id decreases to 0.368 times that at the start of discharge when the time constant ⁇ 2 has elapsed.
  • the time constant ⁇ 2 is derived by the above equation (9).
  • the DC chopper circuit 33 discharges the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 by one parallel resistor.
  • the current Id gradually decreases.
  • the current Id is (E / r) at the start of discharge.
  • the current Id decreases to 0.368 times that at the start of discharge when the time constant ⁇ 3 has elapsed.
  • the time constant ⁇ 3 is derived by the above equation (10).
  • the DC chopper circuit 33 cannot discharge the charge accumulated in the DC capacitor C1.
  • the current Id is 0 [A] regardless of time.
  • the time constant is infinite.
  • the time constant ⁇ is different between the normal operation and the case where any of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure.
  • FIG. 13 is a flowchart showing a discharge process in the third embodiment.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 starts the discharge process shown below to protect the DC circuit 32.
  • a failure detection level during discharge is set in advance.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 controls so that all the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are turned on. As a result, the electric charge accumulated in the DC capacitor C1 is discharged. However, if any of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure, the switching element remains non-conductive.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 measures the current Id flowing through the DC chopper circuit 33 at time t4.
  • the time t4 is a time during which the current Id is stabilized after the discharge starts.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 compares the measured current Id with the current I4 (see FIG. 12) that is the failure detection level, and determines whether or not it is within the proper range.
  • the appropriate range is, for example, the current I4 or more and less than the current (4E / r).
  • Processes S93 to S95 are processes upon failure detection similar to the processes S34 to S36 shown in FIG. When the process S95 ends, the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 abnormally ends the discharge process shown in FIG.
  • the control circuit 39 determines whether or not there is a short circuit failure in the DC chopper circuit 33 based on the current information measured by the current sensor 322. As a result, it is possible to immediately detect a short-circuit failure of the switching elements Q1 to Q4 during operation as well as during initial charging.
  • the control circuit 39 determines the presence or absence of an open failure based on the current of the DC chopper circuit 33 at the start of discharge. As a result, the control circuit 39 can quickly determine whether there is a failure and abnormally stop the wind power generation system 1.
  • the control circuit 39 constantly measures the operation time and temperature, estimates the change in the capacity of the DC capacitor C1, and corrects the failure detection level during discharge. Thereby, the control circuit 39 can prevent a failure detection accuracy from being lowered due to the influence of the operation time or temperature.
  • the wind power generation system 1 of the fourth embodiment calculates a discharge time constant from an actual measurement value of the current Id measured at the time of discharge, and compares it with the theoretical value of the discharge time constant. Is. Other than that is the same as that of the wind power generation system 1 of 3rd Embodiment.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a discharge process in the fourth embodiment.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 starts the following discharge process for protecting the DC circuit 32.
  • a theoretical value of a time constant of discharge is set in advance.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 performs control so that all the switching elements Q1 to Q4 of the DC chopper circuit 33 are turned on, similarly to the process S90 (see FIG. 13).
  • the charge stored in the DC capacitor C1 is discharged, provided that any of the switching elements Q1 to Q4 has an open failure, the switching element remains non-conductive.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 measures the current Id flowing through the DC chopper circuit 33 at time t4 (similar to FIG. 13).
  • the time t4 is discharged.
  • the current Id is stabilized after the start of the discharge, thus avoiding a sharp pulse immediately after the start of discharge and measuring after the current Id is stabilized, so that it is possible to correctly determine the presence or absence of a failure.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 measures the current Id flowing through the DC chopper circuit 33 at time t5. As described above, since the current Id is measured at each of the times t4 and t5, the time constant of the discharge can be calculated regardless of the initial value of the current Id.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 calculates an actual measurement value of the time constant of discharge. As shown in FIG. 12, when any one or more of the switching elements Q1 to Q4 have an open failure, the discharge is delayed, and the time constant of the discharge is longer than the appropriate range. Therefore, it becomes possible to detect an open failure.
  • the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 compares the measured value of the discharge time constant with the theoretical value of the discharge time constant, and determines whether or not the value is within the appropriate range.
  • the theoretical value of the time constant of discharge means, for example, the time constant ⁇ 0 shown in FIG.
  • the appropriate range refers to, for example, an error range of a discharge time constant due to tolerance of each element or each circuit.
  • Processes S105 to S107 are processes upon failure detection similar to the processes S34 to S36 shown in FIG. When the process S107 ends, the discharge processing unit 392 of the control circuit 39 abnormally ends the discharge process shown in FIG.
  • the control circuit 39 compares the time constant of the current measured at the time of discharge with the theoretical value of the time constant of discharge, and determines whether there is an open failure of the DC chopper circuit 33.
  • the discharge time constant is determined by the capacitance of the DC capacitor C1 and the resistance value of the DC chopper circuit 33, and does not depend on the capacitor voltage Vc. Thereby, the control circuit 39 can always detect an open failure of the DC chopper circuit 33 with suitable accuracy.
  • the control circuit 39 constantly measures the operating time and temperature, estimates the change in the capacity of the DC capacitor C1, and corrects the theoretical value of the discharge time constant. Thereby, the control circuit 39 can prevent a failure detection accuracy from being lowered due to the influence of the operation time or temperature.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Each of the above-described configurations, functions, processing units, and the like may be partially or entirely realized by hardware such as an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by a processor interpreting and executing a program that realizes each function.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function may be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as a flash memory card or a DVD (Digital Versatile Disk). it can.
  • a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as a flash memory card or a DVD (Digital Versatile Disk).
  • the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other. Examples of modifications of the present invention include the following (a) to (j).
  • the power converters 3 and 3B may be applied to a permanent magnet synchronous generator, and the first converter of the power converters 3 and 3B is electrically connected to the stator of the permanent magnet synchronous generator. It may be connected.
  • the power converters 3 and 3B are not limited to the wind power generation system 1 and can be applied to other power generation systems that convert driving force into electric power using a generator.
  • Other power generation systems include, for example, geothermal power generation, solar thermal power generation, ice thermal power generation, ice and snow thermal power generation, underground thermal power generation, ocean temperature difference power generation, ocean current (tidal current) power generation, tidal power generation, wave power generation, hydroelectric power generation, thermal power Power generation, nuclear power generation, etc.
  • the control circuit 39 may detect a change in the capacitor voltage Vc with the voltage sensor 321 and may further detect a change in the current Id flowing through the DC chopper circuit 33 with the current sensor 322. As a result, the control circuit 39 can determine whether there is a short circuit failure or an open failure of the switching element by measuring the voltage or current (electrical quantity) suitable for each of the initial charge and discharge.
  • the control circuit 39 may correct the failure detection level at the first charging by calculating the capacity of the DC capacitor C1 from the electrical quantity measured at the time of discharging. As a result, the control circuit 39 can detect the failure more accurately at the next initial charge.
  • the control circuit 39 may correct the theoretical value of the time constant of the next initial charge by calculating the capacity of the DC capacitor C1 from the electrical quantity measured at the first charge. As a result, the control circuit 39 can detect the failure more accurately at the next initial charge.
  • the control circuit 39 may correct the theoretical value of the time constant of the next initial charge by calculating the capacity of the DC capacitor C1 from the electrical quantity measured at the time of discharging. As a result, the control circuit 39 can detect the failure more accurately at the next initial charge.
  • the control circuit 39 may stop the power conversion operation of the rotor-side converter 31 during the initial charging. Thereby, since the control circuit 39 can suppress the disturbance by the electric power system 5 or the power generation unit 2, it becomes possible to detect the failure more accurately, and from the electrical quantity measured at the first charging, The capacity can be calculated accurately.
  • the control circuit 39 may stop the power conversion operation of the rotor side converter 31 and the system side converter 34 during the discharge process. Thereby, since the control circuit 39 can suppress the disturbance by the electric power grid
  • the control circuit 39 is at a time when the difference between the theoretical value during normal operation of the capacitor voltage Vc and the theoretical value when one switching element has an open failure is maximized.
  • the capacitor voltage Vc may be measured and compared with the failure detection level during discharge. Thereby, the control circuit 39 can suppress the influence of noise and detect the open failure more accurately.

Landscapes

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Abstract

　電力変換器（３）に於いて、ＤＣチョッパ回路（３３）を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することを課題とする。この課題を解決するため、電力変換器（３）は、直流コンデンサＣ１およびＤＣチョッパ回路（３３）が接続された直流回路（３２）と、直流回路（３２）の一方に接続された回転子側コンバータ（３１）と、直流回路（３２）の他方に接続された系統側コンバータ（３４）と、直流コンデンサＣ１に電荷を初充電する初充電回路（３６）と、直流コンデンサＣ１の初充電時または放電時にＤＣチョッパ回路（３３）に係る電気的な量である電圧または電流を計測して、このＤＣチョッパ回路（３３）の故障を検出する制御回路（３９）とを備えている。

Description

電力変換器および風力発電システム
　本発明は、故障検出機能を備えた電力変換器、および、この電力変換器を備える風力発電システムに関するものである。
　近年、地球環境の温暖化防止の環境活動や、化石燃料の枯渇に伴い、再生可能な自然エネルギを利用した風力発電システムが注目され、その設置台数が増加している。この風力発電システムは、気象や気候の変動によって風車の回転速度が変動するため、発電する電力が変動し、かつ、発電した電圧や電流の周波数が変動する。そのため、風力発電システムは、電力系統と連系するための電力変換器を備えている。この電力変換器は、いったん交流を直流に変換し、その直流を電力系統と連系するように直流に変換するものである。電力変換器の直流回路には、過大な電力が突発的に供給された時に、直流回路の電荷を放電して熱に変換し、電圧の上昇を抑制するＤＣチョッパ回路が接続されている。このＤＣチョッパ回路は、例えば半導体スイッチング素子と抵抗とが直列接続されたものである。
　このＤＣチョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子が破損して開放状態となったならば、電力変換器は、直流回路の電圧上昇を抑制することができず、過電圧によって破損する虞がある。このような場合に備えて、ＤＣチョッパ回路は、複数のスイッチング素子を並列接続した構成のものが多い。更に、複数のスイッチング素子のうちいずれかが故障したならば、その故障を迅速に検出して、風力発電システムを停止することが望ましい。
　特許文献１の課題には、「１つのゲート駆動回路によって駆動する半導体スイッチング素子を並列接続した素子のうち少なくとも１つの素子に故障が発生した時にこれを検出し、被害拡大を防ぐことができるチョッパ回路の故障検出装置を提供するものである。」と記載され、その解決手段には、「電力変換装置の主回路に接続され、複数のＩＧＢＴ素子１１～１４を並列接続したチョッパ回路３において、素子１１～１４のオン・オフを制御するゲート信号を発生するゲート制御部２０と、ゲート信号を並列接続した全てのＩＧＢＴ素子１１～１４に与えるゲート駆動回路３０と、前記素子１１～１４のオン・オフ状態をゲート－エミッタ間電圧の大きさと基準電圧を比較し、ゲート－エミッタ間電圧の大きさが基準電圧より大きい時にオン状態と判別し、それ以外の時はオフ状態と判別する比較回路４５と、フィードバック信号の有無により故障と判別する第１の故障判別部２６とを備えたものである。」と記載されている。
　特許文献１の段落００２１には、ＩＧＢＴ素子の故障検出方法として、「ゲート制御部２０の第１の故障判別部２６では、オンゲート指令信号を与えた結果として各ＩＧＢＴ素子１１～１４がオン状態であるフィードバック信号を受信することになり、この状態を正常と判別する。」と記載されている。
　特許文献１の段落００２８には、ＩＧＢＴ素子の故障検出方法として、「ＩＧＢＴ素子１１～１４にオフゲート信号を与えた場合に、このコレクタ－エミッタ間と並列に接続した電圧検出回路１５で、ゲート制御部２０よりオフゲート指令を与えたにも関わらず該電圧検出回路１５の電圧値がゼロあるいはこれに近い値を示すならば、該ＩＧＢＴ素子のうち少なくとも１つの素子が短絡故障を発生している状態であり、これを第２の故障判別部１８でオフ状態にならない故障と判別して、適切な保護動作を行う。」と記載されている。
特開２００９－０１１０４３号公報
　特許文献１に記載の技術によれば、半導体スイッチング素子の故障を検出するためには、ゲート－エミッタ間の電圧およびコレクタ－エミッタ間の電圧を検出する回路を複数追加する必要がある。そのため、半導体スイッチング素子の数を増加させた場合に、監視すべきフィードバック信号が増え、ゲート駆動回路も複数となり、ＤＣチョッパ回路および電力変換器が大型化すると共にコストアップしてしまう虞がある。
　そこで、本発明は、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することを可能とする電力変換器、および、この電力変換装置を備える風力発電システムを提供することを課題とする。
　前記した課題を解決するため、本発明の電力変換器は、コンデンサおよびＤＣチョッパ回路が接続された直流回路と、前記直流回路の一方に接続された第１のコンバータと、前記直流回路の他方に接続された第２のコンバータと、前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、制御回路とを備えている。この制御回路は、コンデンサの充電時または放電時にＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、このＤＣチョッパ回路の故障を検出するものである。
　これにより、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数を増加させても、故障検出のための素子や回路を新たに追加せずともよいので、ＤＣチョッパ回路および電力変換器の小型化とコストダウンとが可能となる。
　その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
　本発明によれば、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することが可能となる。
第１の実施形態に於ける二次励磁風力発電用電力変換器を示す図である。 第１の実施形態に於ける直流回路の等価回路を示す図である。 第１の実施形態の初充電時に於けるコンデンサ電圧波形を示す図である。 第１の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。 第１の実施形態の放電時に於けるコンデンサ電圧波形を示す図である。 第１の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。 第２の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。 第３の実施形態に於ける二次励磁風力発電用電力変換器を示す図である。 第３の実施形態の初充電時に於けるＤＣチョッパ回路の電流波形を示す図である。 第３の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。 第３の実施形態の放電時に於けるＤＣチョッパ回路の電流波形を示す図である。 第３の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。 第４の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
　以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に於ける風力発電システム１に用いられている二次励磁風力発電用の電力変換器３の概略の構成を示す図である。
　風力発電システム１は、発電部２と、発電部２に接続された電力変換器３と、電力変換器３を電力系統５に連系する変圧器４とを備えている。
　発電部２は、風車を構成するブレード２１と、ブレード２１に機械的に接続されたロータ２２と、ロータ２２によって駆動される二次励磁発電機２３とを備えている。二次励磁発電機２３は、固定子２３１と回転子２３２とを備えている。
　発電部２は、ブレード２１が風力を受けて、ロータ２２と二次励磁発電機２３の回転子２３２とを回転駆動して、風力を交流電力に変換するものである。
　電力変換器３は、固定子配線３７９を介して固定子２３１と電気的に接続され、回転子配線３１９を介して、二次励磁発電機２３の回転子２３２と電気的に接続される。電力変換器３は、システム配線３８９と変圧器４とにより、図示しない電力系統５に電気的に接続される。
　電力変換器３は、二次励磁発電機２３の回転子２３２の巻線をすべり周波数（系統周波数と回転周波数の差）で交流励磁することで、この回転子２３２の励磁により固定子２３１に発生する電圧を系統周波数と同じ周波数にすることができる。電力変換器３は、回転子２３２の励磁周波数（すべり周波数）を可変にすることで、風車（ブレード２１）の回転速度を可変にすることができ、電力変換器３の容量を二次励磁発電機２３の容量に比べて小さくすることができる。
　電力変換器３は、インダクタＬ１と、回転子側コンバータ３１と、直流回路３２と、ＤＣチョッパ回路３３と、直流コンデンサＣ１と、系統側コンバータ３４と、フィルタ回路３５と、初充電回路３６と、電磁接触器３７と、遮断器３８と、これらを統括して制御する制御回路３９とを備えている。電力変換器３は更に、各部に流れる電流を計測する電流センサ３１１，３５１，３７２，３８１と、各部に印加された電圧を計測する電圧センサ３２１，３６４，３７１と、内部温度を計測する温度センサ３９４とを備えている。
　回転子配線３１９には、直列に接続されたインダクタＬ１と電流センサ３１１とが設置され、回転子側コンバータ３１の交流側に接続されている。回転子側コンバータ３１の直流側は、直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとに接続されている。
　回転子側コンバータ３１と系統側コンバータ３４とは、制御回路３９に制御されて、直流電力と交流電力とを相互に変換するものである。第１のコンバータである回転子側コンバータ３１は、主に二次励磁発電機２３から供給された交流電力を直流電力に変換する。
　直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとの間には、ＤＣチョッパ回路３３と、直流コンデンサＣ１と、電圧センサ３２１とが接続されている。ＤＣチョッパ回路３３は、抵抗ｒ１とスイッチング素子Ｑ１の直列接続と、抵抗ｒ２とスイッチング素子Ｑ２の直列接続と、抵抗ｒ３とスイッチング素子Ｑ３の直列接続と、抵抗ｒ４とスイッチング素子Ｑ４の直列接続とが並列に接続されて構成されている。直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとは、系統側コンバータ３４の直流側に接続されている。ここで、各抵抗ｒ１～ｒ４の抵抗値をｒ［Ω］とする。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。しかし、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、ＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）などの他の半導体スイッチング素子であってもよい。
　系統側コンバータ３４の交流側は、系統配線３６９に接続されている。第２のコンバータである系統側コンバータ３４は、主に直流回路３２から供給された直流電力を交流電力に変換する。
　系統配線３６９には、直列に接続されたフィルタ回路３５と電流センサ３５１と初充電回路３６とが設置され、ノードＮＤ１を介して固定子配線３７９とシステム配線３８９とに接続されている。電圧センサ３６４は、系統配線３６９上の電力系統５に近い部分に接続されている。
　初充電回路３６（充電回路）は、抵抗器３６２および電磁接触器３６３の直列接続回路と、電磁接触器３６１とが並列に接続されて構成されている。初充電回路３６は、直流回路３２の直流コンデンサＣ１を初充電するものである。初充電回路３６は、最初に電磁接触器３６３をオンして抵抗器３６２を介して電流を流し、その電流が収束したのちに電磁接触器３６１をオンすることにより、電磁接触器３６１に大電流が流れないようにすると共に、この初充電回路３６の運転時の抵抗値を低く保っている。よって、電磁接触器３６１，３６３には、定格電流の小さいものが使用可能である。
　固定子配線３７９には、直列に接続された電磁接触器３７と電流センサ３７２とが設置され、ノードＮＤ１を介してシステム配線３８９と系統配線３６９とに接続されている。電圧センサ３７１は、固定子配線３７９上の最も電力系統５側に接続されている。
　システム配線３８９には、直列に接続された電流センサ３８１と遮断器３８とが設置されている。システム配線３８９の一方は、ノードＮＤ１を介して固定子配線３７９と系統配線３６９とに接続され、システム配線３８９の他方は、変圧器４を介して電力系統５に接続されて連系している。
　制御回路３９は、初充電処理部３９１と、放電処理部３９２と、記憶部３９３とを備えている。記憶部３９３は、温度補正データ３９３１と、経年変化補正データ３９３２とを格納している。
　制御回路３９には、各電流センサ３１１，３５１，３７２，３８１のセンサ出力と、各電圧センサ３２１，３６４，３７１のセンサ出力と、温度センサ３９４のセンサ出力とが接続されている。制御回路３９の出力側には、回転子側コンバータ３１と、ＤＣチョッパ回路３３と、系統側コンバータ３４と、初充電回路３６と、電磁接触器３７と、遮断器３８とが接続され、これらを制御可能である。制御回路３９は、例えば、ＤＣチョッパ回路３３の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４にＨレベル信号を出力して、これらをオンする。制御回路３９は更に、ＤＣチョッパ回路３３の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４にＬレベル信号を出力して、これらをオフする。
　制御回路３９の初充電処理部３９１は、この風力発電システム１の起動の際に、初充電回路３６により、直流回路３２の直流コンデンサＣ１を充電する。この充電動作により、直流回路３２には、所定の電圧が予め印加される。これにより、風力発電システム１は、運転開始時に、直流回路３２に大電流が流れ込むことを防ぐことができる。初充電処理は、後記する図４で詳細に説明する。
　制御回路３９はその後、系統側コンバータ３４により、直流回路３２の電圧が目標値となるように制御する。制御回路３９は、回転子側コンバータ３１により、二次励磁発電機２３の回転速度に応じて固定子配線３７９への出力電圧周波数が系統周波数と一致するように、回転子配線３１９に電流が流れるように制御する。
　風力発電システム１の運転中に、発電部２から回転子側コンバータ３１を介して過電流が直流回路３２に流れ込んで動作可能範囲を超えたならば、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３を動作させて放電し、電力変換器３を保護する。この放電処理は、後記する図６で詳細に説明する。
　温度補正データ３９３１は、温度と直流コンデンサＣ１の容量との関係を示す補正データである。経年変化補正データ３９３２は、運転時間の累計と直流コンデンサＣ１の容量との関係を示す補正データである。制御回路３９の初充電処理部３９１は、これらの補正データを用いて、直流コンデンサＣ１の容量の温度変化や経年変化を推定し、故障検出レベルや時定数理論値などを補正する。
　図２（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に於ける直流回路３２の等価回路６ｃ，６ｄを示す図である。
　図２（ａ）は、初充電時に於ける直流回路３２の等価回路６ｃを示す回路図である。
　この等価回路６ｃは、電圧Ｅを供給する電源Ｖｄと、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２と、直流コンデンサＣ１と、直列に接続された抵抗ｒ１およびスイッチング素子Ｑ１と、直列に接続された抵抗ｒ２およびスイッチング素子Ｑ２と、直列に接続された抵抗ｒ３およびスイッチング素子Ｑ３と、直列に接続された抵抗ｒ４およびスイッチング素子Ｑ４とを備えている。直流コンデンサＣ１は、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２を介して電源Ｖｄの正極と負極との間に接続されている。スイッチ６１は、初充電回路３６に相当する。抵抗６２は、系統側コンバータ３４とフィルタ回路３５の抵抗値に相当する。電源Ｖｄは、系統側コンバータ３４が供給する直流電力に相当する。
　更に直流コンデンサＣ１は、直列に接続された抵抗ｒ１～ｒ４およびスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に対して並列に接続されている。直流コンデンサＣ１の一端と他端との間には、コンデンサ電圧Ｖｃが印加されている。直列に接続された抵抗ｒ１～ｒ４およびスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４には、電流Ｉｄが流れる。
　各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、正常状態ならばオフであり、短絡故障状態ならばオンである。この図では、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障している場合を示している。
　例えば、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうちｎ個が短絡故障していたならば、初充電時の時定数τｃは以下のように算出される。
　　　Ｅ　電源Ｖｄが供給する電圧［Ｖ］
　　　Ｒc　抵抗６２の抵抗値［Ω］
　　　Ｃ1　直流コンデンサＣ１の容量［Ｆ］
　　　ｒ　抵抗ｒ１～ｒ４の各抵抗値［Ω］
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　初充電時のコンデンサ電圧Ｖｃは、以下のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　初充電時の電流Ｉｄは、以下のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　図２（ｂ）は、放電時に於ける直流回路３２の等価回路６ｄを示す回路図である。
　この等価回路６ｄは、図２（ａ）に示す等価回路６ｃから、電源Ｖｄと、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２とを取り除いた構成である。
　各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、正常状態ならばオンであり、開放故障状態ならばオフである。この図では、スイッチング素子Ｑ４が開放故障している場合を示している。
　例えば、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうちｎ個が開放故障していたならば、放電時の時定数τｄは以下のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
　放電時のコンデンサ電圧Ｖｃは、以下のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
　放電時の電流Ｉｄは、以下のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
  
　図３は、第１の実施形態の初充電時に於けるコンデンサ電圧Ｖｃの波形を示す図である。
　縦軸は、電圧センサ３２１が測定したコンデンサ電圧Ｖｃを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電圧波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。
　正常動作の場合、初充電回路３６は、フィルタ回路３５および系統側コンバータ３４を介して直流コンデンサＣ１を充電する。このとき、コンデンサ電圧Ｖｃは、ステップ応答して電圧Ｖｉに収束する。時間τａ（τａ＝ｔ１）は、時定数の理論値である。初充電処理部３９１は、電圧センサ３２１によりコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。このときのコンデンサ電圧Ｖｃは、電圧Ｖｉの０．６３２倍である。電圧Ｖ１は、故障検出レベルである。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１～４個が短絡故障した場合、同様に初充電回路３６は、直流コンデンサＣ１を充電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、ステップ応答すると共に、短絡故障したスイッチング素子の数に応じて、正常動作時よりも低い値に収束する。初充電回路３６の電磁接触器３６１，３６３が溶着した場合も、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１～４個が短絡故障した場合と同様である。
　図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
　図４（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１を運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
　処理Ｓ１０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４が全てオフ状態になるように制御する。但し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが短絡故障しているならば、そのスイッチング素子は、導通したままである。
　処理Ｓ１１に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６による初充電を開始する。このときの時間ｔは、０である。
　処理Ｓ１２に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電圧センサ３２１により、時間ｔ１に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。コンデンサ電圧Ｖｃは、直流回路３２およびＤＣチョッパ回路３３に印加されている電圧であり、よって、ＤＣチョッパ回路３３に係る電気的な量である。
　処理Ｓ１３に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃを故障検出レベルである電圧Ｖ１（図３参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電圧Ｖ１以上かつ電圧Ｖｉ未満である。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して処理Ｓ１４を行い、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ１７を行う。
　処理Ｓ１４に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数を算出する。初充電処理部３９１は、時間ｔ１に於けるコンデンサ電圧Ｖｃから直流コンデンサＣ１の容量を算出し、それにスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を全てオンしたときのＤＣチョッパ回路３３の抵抗値を乗算して、放電の時定数の理論値を算出する。
　処理Ｓ１５に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数の理論値を運転環境に基づいて補正する。ここで運転環境とは、例えば温度や運転時間の累計のことをいう。初充電処理部３９１は、温度センサ３９４で計測した温度情報と温度補正データ３９３１とに基づき、直流コンデンサＣ１の容量を温度補正し、運転時間の累計と経年変化補正データ３９３２とに基づき、直流コンデンサＣ１の容量の経年変化を補正する。更に初充電処理部３９１は、補正した直流コンデンサＣ１の容量に基づき、放電の時定数の理論値を算出する。
　処理Ｓ１６に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電時の故障検出レベルを算出する。放電時の故障検出レベルとは、例えば電圧Ｖ２（図５参照）であり、コンデンサ電圧Ｖｃが適正範囲でないと判断する電圧レベルのことをいう。初充電処理部３９１は、例えば、放電時の時定数に基づいて、時間ｔ２に於ける正常動作時のコンデンサ電圧Ｖｃの理論値を算出し、各素子や各回路の公差を加味して、放電時の故障検出レベルである電圧Ｖ２（図５参照）を算出する。算出した放電時の故障検出レベルは、放電処理部３９２に設定される。
　処理Ｓ１６が終了すると、初充電処理部３９１は、図４（ａ）に示す初充電処理を終了する。これにより、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
　処理Ｓ１７に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障を検出する。短絡故障とは、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれか１つ以上が制御信号に依らずに短絡状態であることや、初充電回路３６の電磁接触器３６１，３６３が溶着などにより短絡状態のままであることをいう。
　処理Ｓ１８に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、遮断器３８で遮断することにより、電力変換器３を電力系統５から遮断する。
　処理Ｓ１９に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電磁接触器３７をオフし、図４（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
　この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障の有無を判断すると共に、放電の時定数の理論値を算出する。よって、放電時に於いて放電処理部３９２は、直流コンデンサＣ１の個体ごとの容量のばらつきや、運転環境による容量の変化に依らず、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を正確に検出することができる。
　図４（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
　処理Ｓ２０に於いて、前記した処理Ｓ１５と同様に、制御回路３９は、放電の時定数の理論値を、運転環境に基づいて補正する。
　処理Ｓ２１に於いて、前記した処理Ｓ１６と同様に、制御回路３９は、放電時の故障検出レベルを算出して設定する。処理Ｓ２１が終了すると、制御回路３９は、図４（ｂ）に示す運転中処理を終了する。
　この運転中処理により、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による放電時の故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
　図５は、第１の実施形態の放電時に於けるコンデンサ電圧Ｖｃの波形を示す図である。
　縦軸は、電圧センサ３２１が測定したコンデンサ電圧Ｖｃを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電圧波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が開放故障した場合の電圧波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が開放故障した場合の電圧波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が開放故障した場合の電圧波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個が開放故障した場合の電圧波形を示している。
　正常動作の場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を４個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ０が経過したときである。この時定数τ０は、以下の式（７）によって導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
  
　図３に示すように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時間ｔ２（ｔ２＝時定数τ０）に於けるコンデンサ電圧Ｖｃが異なる。実測したコンデンサ電圧Ｖｃと、故障検出レベルである電圧Ｖ２とを比較することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を３個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ１が経過したときである。この時定数τ１は、以下の式（８）によって導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
  
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１の電荷を２個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ２が経過したときである。この時定数τ２は、以下の式（９）によって導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
  
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を１個の抵抗によって放電し、コンデンサ電圧Ｖｃは次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ３が経過したときである。この時定数τ３は、以下の式（１０）によって導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
  
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個全てが開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電できない。コンデンサ電圧Ｖｃは、所定値である電圧Ｖｔを維持する。このとき、時定数は無限大となる。
　このように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時定数τが異なる。実測した時定数τと、時定数τ０（理論値）とを比較し、誤差の範囲であるか否かを判断することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
　図６は、第１の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、初充電処理の処理Ｓ１６（図４（ａ）参照）や、運転中処理の処理Ｓ２１（図４（ｂ）参照）で算出された放電時の故障検出レベルが設定されている。
　処理Ｓ３０に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、コンデンサ電圧Ｖｃを計測する。このときの時間ｔは、０である。
　処理Ｓ３１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷がＤＣチョッパ回路３３を介して放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
　処理Ｓ３２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ２に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。
　処理Ｓ３３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃを故障検出レベルである電圧Ｖ２（図５参照）と比較して、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電圧Ｖ２以下かつ０［Ｖ］以上である。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図６に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ３４を行う。
　処理Ｓ３４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出する。ＤＣチョッパ回路３３の開放故障とは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれか１つ以上が、制御信号に依らず開放状態であることをいう。
　処理Ｓ３５に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、遮断器３８で遮断することにより、電力変換器３を電力系統５から遮断する。
　処理Ｓ３６に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、電磁接触器３７をオフし、図６に示す放電処理を異常終了する。
（第１の実施形態の効果）
　以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）～（Ｃ）のような効果がある。
（Ａ）　制御回路３９は、電力変換器３に実装されている電圧センサ３２１の情報によって、ＤＣチョッパ回路３３の故障の有無を判断する。これにより、ＤＣチョッパ回路３３の複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に対して、故障検出のための素子や回路を新たに追加する必要がないので、電力変換器３の故障検出に係る部分の小型化と簡素化とが可能である。
（Ｂ）　制御回路３９は、電力変換器３の初充電時に測定したコンデンサ電圧Ｖｃから、直流コンデンサＣ１の容量、放電の時定数τの理論値、および、放電時の故障検出レベルを算出する。これにより制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の容量のばらつきや容量の変化に依らず、放電時の故障検出レベルを正しく設定できるので、開放故障の検出精度を向上させることができる。
（Ｃ）　制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電時の故障検出レベルを補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による放電時の故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
（第２の実施形態）
　第２の実施形態の風力発電システム１は、第１の実施形態とは異なり、コンデンサ電圧Ｖｃの実測値から時定数を算出して、時定数の理論値と比較するものである。それ以外は、第１の実施形態の風力発電システム１と同様である。
　図７（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
　図７（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１を運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
　処理Ｓ４０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、時間ｔ＝０に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。
　処理Ｓ４１～Ｓ４３は、前記した図４（ａ）の処理Ｓ１０～Ｓ１２と同様である。
　処理Ｓ４４に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、充電の時定数を算出する。
　処理Ｓ４５に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、算出した充電の時定数を充電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。充電の時定数の理論値は、例えば図３に示す時定数τａのことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による充電の時定数の誤差範囲のことをいう。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して処理Ｓ４６を行い、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ４８を行う。
　処理Ｓ４６に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図４の処理Ｓ１４と同様に、放電の時定数を算出する。初充電処理部３９１は、充電の時定数から直流コンデンサＣ１の容量を算出し、それにスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を全てオンしたときのＤＣチョッパ回路３３の抵抗値を乗算して、放電の時定数の理論値を算出する。
　処理Ｓ４７に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図４の処理Ｓ１５と同様に、放電の時定数の理論値の運転環境に基づいて補正し、図７（ａ）に示す初充電処理を終了する。ここで運転環境とは、例えば温度や運転時間の累計などのことをいう。これにより、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
　処理Ｓ４８～Ｓ５０は、前記した図４（ａ）の処理Ｓ１７～Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ５０が終了すると、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図７（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
　この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、充電時の電圧の時定数と、充電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。充電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値、系統側コンバータ３４の内部抵抗などで決定される値であり、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の短絡故障を検出することができる。
　更に、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数の理論値を算出する。よって、直流コンデンサＣ１の容量が変化した場合でも、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を正確に検出することができる。
　図７（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
　処理Ｓ６０は、前記した処理Ｓ４７と同様に、放電の時定数の理論値を、運転環境に基づいて補正するものである。処理Ｓ６０が終了すると、制御回路３９は、図７（ｂ）に示す運転中処理を終了する。
　図８は、第２の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、初充電処理の処理Ｓ４６，Ｓ４７（図７（ａ）参照）で算出（補正）され、運転中処理の処理Ｓ６０（図７（ｂ）参照）で補正された放電の時定数の理論値が設定されている。
　処理Ｓ７０～Ｓ７２は、前記した図６の処理Ｓ３０～Ｓ３２と同様である。
　処理Ｓ７３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を算出する。図５に示したように、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれか１つ以上が開放故障の場合、放電が遅くなり、よって放電の時定数は適正範囲よりも長くなる。そのため、開放故障の有無を判断することができる。
　処理Ｓ７４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を放電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。放電の時定数の理論値は、例えば図５に示す時定数τ０のことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による放電の時定数の誤差範囲のことをいう。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図８に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ７５を行う。
　処理Ｓ７５～Ｓ７７は、前記した図６の処理Ｓ３４～Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ７７が終了すると、放電処理部３９２は、図８に示す放電処理を異常終了する。
（第２の実施形態の効果）
　以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｄ）～（Ｇ）のような効果がある。
（Ｄ）　制御回路３９は、充電時の電圧の時定数と、充電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。充電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値、系統側コンバータ３４の内部抵抗などで決定される値であり、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断することができる。
（Ｅ）　制御回路３９は、放電時に測定した電圧の時定数と、放電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断する。放電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量とＤＣチョッパ回路３３の抵抗値とで決定され、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
（Ｆ）　制御回路３９は、初充電時に測定した電圧から、直流コンデンサＣ１の実際の容量を算出し、更に放電の時定数の理論値を算出する。これにより制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の個体ごとの容量のばらつきや、運転環境による容量の変化に依らず、放電の時定数の理論値を正しく設定し、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
（Ｇ）　制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電の時定数を補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
（第３の実施形態）
　図９は、第３の実施形態に於ける風力発電システム１に用いられている二次励磁風力発電用の電力変換器３Ｂの概略の構成を示す図である。
　第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、第１の実施形態の電力変換器３とは異なり、ＤＣチョッパ回路３３に流れる電流を測定する電流センサ３２２を備えている。第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、電圧センサ３２１を備えていない。記憶部３９３Ｂは、第１の実施形態の温度補正データ３９３１と、経年変化補正データ３９３２とを格納していない。
それ以外の構成は、第１の実施形態の電力変換器３と同様である。
　第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、電流センサ３２２によってＤＣチョッパ回路３３に流れる電流を測定して故障検出している。これにより、電力変換器３Ｂは、初充電時と放電時に故障を検出すると共に、運転中に発生した短絡故障を検出することができる。
　図１０は、第３の実施形態の初充電時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流波形を示す図である。
　縦軸は、電流センサ３２２が測定した電流Ｉｄを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電流波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合の電流波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が短絡故障した場合の電流波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が短絡故障した場合の電流波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個が短絡故障した場合の電流波形を示している。
　ＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄは、正常動作時には０［Ａ］であり、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１～４個が短絡故障した場合には、その故障数に応じた値に収束する。電流Ｉｄは、コンデンサ電圧ＶｃをＤＣチョッパ回路３３の抵抗値で除算して算出することができる。
　時間ｔ３は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが短絡故障した場合の時定数よりも長く設定している。これにより、過渡応答が充分に収束したあとの電流値を計測しているので、確実に短絡故障の有無を判断することができる。電流Ｉ３は、短絡故障の故障検出レベルであり、例えば、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合、時間ｔ３にて流れる電流値に、０．５を掛けたものである。これにより、制御回路３９は、ノイズの影響を抑止して、更に正確に短絡故障を検出することができる。
　図１１は、第３の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理を示すフローチャートである。
　図１１（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１の運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
　処理Ｓ８０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４が全てオフ状態になるように制御する。但し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが短絡故障しているならば、そのスイッチング素子は、導通ししたままである。
　処理Ｓ８１に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６による初充電を開始する。このときの時間ｔは、０である。
　処理Ｓ８２に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電流センサ３２２により時間ｔ３に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流Ｉｄを計測する。電流Ｉｄは、ＤＣチョッパ回路３３に係る電気的な量である。
　処理Ｓ８３に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルである電流Ｉ３（図１０参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲とは、例えば電流Ｉ３以下かつ０［Ａ］以上である。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ８４を行い、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して図１１（ａ）に示す初充電処理を終了する。初充電処理の終了により、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
　処理Ｓ８４～Ｓ８６は、図４（ａ）に示す処理Ｓ１７～Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ８６を終了すると、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図１１（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
　この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障の有無を判断することができる。
　図１１（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
　処理Ｓ２０～Ｓ２１は、前記した図４（ｂ）に示す処理Ｓ２０～Ｓ２１と同様である。これにより、制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して、予め設定された放電時の故障検出レベルを運転時間および温度に併せて補正し、これらの影響による故障の検出精度の低下を防いでいる。
　処理Ｓ２２に於いて、制御回路３９は、処理Ｓ８２と同様に、ＤＣチョッパ回路３３の電流Ｉｄを計測する。
　処理Ｓ２３に於いて、制御回路３９は、処理Ｓ８３と同様に、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルと比較し、適正範囲であるか否かを判断する。制御回路３９は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して図１１（ｂ）に示す運転中処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ２４を行う。
　処理Ｓ２４～Ｓ２６は、図４（ａ）に示す処理Ｓ１７～Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ２６を終了すると、制御回路３９は、図１１（ｂ）に示す運転中処理を異常終了する。
　この運転中処理により、制御回路３９は、運転時にもＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが短絡故障したときに、その故障をすぐさま検知することができる。
　図１２は、第２の実施形態の放電時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流波形を示す図である。
　縦軸は、電流センサ３２２が測定した電流Ｉｄを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電流波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が開放故障した場合の電流波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が開放故障した場合の電流波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が開放故障した場合の電流波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個が開放故障した場合の電流波形を示している。
　正常動作の場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を４個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（４Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ０が経過したときである。時定数τ０は、前記した式（７）によって導出される。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち１個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を３個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（３Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ１が経過したときである。時定数τ１は、前記した式（８）によって導出される。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち２個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を２個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（２Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ２が経過したときである。時定数τ２は、前記した式（９）によって導出される。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち３個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を１個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ３が経過したときである。時定数τ３は、前記した式（１０）によって導出される。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうち４個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電できない。電流Ｉｄは、時間に依らず０［Ａ］である。このとき、時定数は無限大である。
　このように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時定数τが異なる。実測した時定数τと、時定数τ０（理論値）とを比較し、誤差の範囲であるか否かを判断することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出することができる。
　図１３は、第３の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始。放電処理部３９２には、放電時の故障検出レベルが予め設定されている。
　処理Ｓ９０に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷が放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
　処理Ｓ９１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ４に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。ここで時間ｔ４は、放電開始後に電流Ｉｄが安定する時間である。このように、放電開始直後の鋭いパルスを避けて、電流Ｉｄが安定してから計測しているので、正しく故障の有無を判断することができる。
　処理Ｓ９２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルである電流Ｉ４（図１２参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電流Ｉ４以上かつ電流（４Ｅ／ｒ）未満である。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図１３に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ９３を行う。
　処理Ｓ９３～Ｓ９５は、図６に示す処理Ｓ３４～Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ９５が終了すると、制御回路３９の放電処理部３９２は、図１３に示す放電処理を異常終了する。
（第３の実施形態の効果）
　以上説明した第３の実施形態では、次の（Ｈ）～（Ｊ）のような効果がある。
（Ｈ）　制御回路３９は、電流センサ３２２が測定した電流情報によって、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。これにより、初充電時に加えて運転時にもスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の短絡故障をすぐさま検知することができる。
（Ｉ）　制御回路３９は、放電開始時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流に基づき、開放故障の有無を判断する。これにより制御回路３９は、迅速に故障の有無を判断して、風力発電システム１を異常停止させることができる。
（Ｊ）　制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電時の故障検出レベルを補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
（第４の実施形態）
　第４の実施形態の風力発電システム１は、第３の実施形態とは異なり、放電時に測定した電流Ｉｄの実測値から放電の時定数を算出して、放電の時定数の理論値と比較するものである。それ以外は、第３の実施形態の風力発電システム１と同様である。
　図１４は、第４の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
　制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、放電の時定数の理論値が予め設定されている。
　処理Ｓ１００に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、処理Ｓ９０（図１３参照
と同様に、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷が放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
　処理Ｓ１０１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、処理Ｓ９１（図１３参照
と同様に、時間ｔ４に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。ここで時間ｔ４は、放電開始後に電流Ｉｄが安定する時間である。このように、放電開始直後の鋭いパルスを避けて、電流Ｉｄが安定してから計測しているので、正しく故障の有無を判断することができる。
　処理Ｓ１０２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ５に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。このように、時間ｔ４と時間ｔ５に於いて、電流Ｉｄをそれぞれ計測しているので、電流Ｉｄの初期値に依らず、放電の時定数を算出することができる。
　処理Ｓ１０３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を算出する。図１２に示したように、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のいずれか１つ以上が開放故障している場合、放電が遅くなり、よって放電の時定数は適正範囲よりも長くなる。そのため、開放故障を検出することが可能となる。
　処理Ｓ１０４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を放電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。放電の時定数の理論値は、例えば図１２に示す時定数τ０のことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による放電の時定数の誤差範囲のことをいう。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図１４に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ１０５を行う。
　処理Ｓ１０５～Ｓ１０７は、図６に示す処理Ｓ３４～Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ１０７が終了すると、制御回路３９の放電処理部３９２は、図１３に示す放電処理を異常終了する。
（第４の実施形態の効果）
　以上説明した第４の実施形態では、次の（Ｋ），（Ｌ）のような効果がある。
（Ｋ）　制御回路３９は、放電時に測定した電流の時定数と、放電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断する。放電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量と、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値とで決定され、コンデンサ電圧Ｖｃに依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出することができる。
（Ｌ）　制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電の時定数の理論値を補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
（変形例）
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
　上記の各構成、機能、処理部などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。
　各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）～（ｊ）のようなものがある。
（ａ）　電力変換器３，３Ｂは、永久磁石同期発電機に適用されていてもよく、電力変換器３，３Ｂの第１のコンバータが、この永久磁石同期発電機の固定子に電気的に接続されていてもよい。
（ｂ）　電力変換器３，３Ｂは、風力発電システム１に限定されず、発電機によって駆動力を電力に変換する他の発電システムにも適用可能である。他の発電システムとは、例えば地熱発電、太陽熱発電、氷熱発電、氷雪熱発電、地中熱発電、海洋温度差発電、海流（潮流）発電、潮力発電、波力発電、水力発電、火力発電、原子力発電などである。
（ｃ）　第１～第４の実施形態のＤＣチョッパ回路３３は、直列接続された抵抗とスイッチング素子とが、４個並列に接続されている。しかし、これに限られず、並列接続の個数は、１以上の任意個数であればよく、好ましくは２以上の任意個数であればよい。
（ｄ）　制御回路３９は、電圧センサ３２１によりコンデンサ電圧Ｖｃの変化を検知し、更に電流センサ３２２によりＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄの変化を検知してもよい。これにより、制御回路３９は、電圧または電流（電気的な量）のうち、初充電時と放電時それぞれに適したものを測定して、スイッチング素子の短絡故障や開放故障の有無を判断できる。
（ｅ）　制御回路３９は、放電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して初充電時に於ける故障検出レベルを補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
（ｆ）　制御回路３９は、初充電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して、次回の初充電の時定数の理論値を補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
（ｇ）　制御回路３９は、放電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して次回の初充電の時定数の理論値を補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
（ｈ）　制御回路３９は、初充電時に、回転子側コンバータ３１の電力変換動作を停止させてもよい。これにより、制御回路３９は、電力系統５や発電部２による外乱を抑止できるので、更に正確に故障を検出することが可能となると共に、初充電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を正確に算出することができる。
（ｉ）　制御回路３９は、放電処理の際に、回転子側コンバータ３１と系統側コンバータ３４の電力変換動作を停止させてもよい。これにより、制御回路３９は、電力系統５や発電部２による外乱を抑止できるので、更に正確に故障を検出することが可能となる。
（ｊ）　制御回路３９は、放電処理の際に、コンデンサ電圧Ｖｃの正常動作時の理論値と１個のスイッチング素子が開放故障したときの理論値との差が最大となる時間に於いて。コンデンサ電圧Ｖｃを計測し、放電時の故障検出レベルと比較してもよい。これにより、制御回路３９は、ノイズの影響を抑止して、更に正確に開放故障を検出することが可能となる。
１　風力発電システム
２　発電部
２１　ブレード
２２　ロータ
２３　二次励磁発電機
２３１　固定子
２３２　回転子
３，３Ｂ　電力変換器
３１　回転子側コンバータ　（第１のコンバータ）
３１１，３２１，３６４，３７１　電圧センサ
３２２，３５１，３７２，３８１　電流センサ
３２，３２Ｈ，３２Ｌ　直流回路
Ｃ１　直流コンデンサ
ｒ１～ｒ４　抵抗
Ｑ１～Ｑ４　スイッチング素子
３２　直流回路
３３　ＤＣチョッパ回路
３４　系統側コンバータ　（第２のコンバータ）
３５　フィルタ回路
３６　初充電回路　（充電回路）
３７　電磁接触器
３８　遮断器
３９　制御回路
３９１　初充電処理部
３９２　放電処理部
３９３，３９３Ｂ　記憶部
３９３１　温度補正データ
３９３２　経年変化補正データ
３９４　温度センサ
４　変圧器
５　電力系統
 

Claims (15)

  1. 　コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
    　前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
    　前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
    　前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
    　前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
    　を備えることを特徴とする電力変換器。
  2. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの充電開始後の所定時間に計測した前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量と、充電時故障検出レベルとを比較して、短絡故障を検出する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  3. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの充電開始後の前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき充電の時定数を算出し、充電の時定数理論値と比較して、短絡故障を検出する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  4. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの放電開始後の所定時間に計測した前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量と放電時故障検出レベルとを比較して、前記ＤＣチョッパ回路の開放故障を検出する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  5. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの充電時に短絡故障を検出しなかったならば、前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量に基づき、前記放電時故障検出レベルを算出して自身に設定する、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
  6. 　前記制御回路は更に、
    　運転時間による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電時故障検出レベルを補正する、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
  7. 　前記制御回路には、温度を計測するセンサが接続されており、前記センサが計測した温度による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電時故障検出レベルを補正する、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
  8. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの放電後の前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき放電の時定数を算出し、放電の時定数理論値と比較して、前記ＤＣチョッパ回路の開放故障を検出する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  9. 　前記制御回路は、
    　前記コンデンサの充電時に短絡故障を検出しなかったならば、前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき前記放電の時定数理論値を算出して自身に設定する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
  10. 　前記制御回路は更に、
    　運転時間による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電の時定数理論値を補正する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
  11. 　前記制御回路には、温度を計測するセンサが接続されており、前記センサが計測した温度による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電の時定数理論値を補正する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
  12. 　前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量は、前記ＤＣチョッパ回路に印加される電圧である、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  13. 　前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量は、前記ＤＣチョッパ回路に流れる電流である、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  14. 　電力変換器と、
    　ブレードと、
    　前記ブレードに機械的に接続されるロータと、
    　前記ロータによって駆動される二次励磁発電機と、
    　を備えており、
    　前記電力変換器は、
    　コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
    　前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
    　前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
    　前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
    　前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
    　を含んで構成され、
    　前記第１のコンバータには、前記二次励磁発電機の回転子が電気的に接続される、
    　ことを特徴とする風力発電システム。
  15. 　電力変換器と、
    　ブレードと、
    　前記ブレードに機械的に接続されるロータと、
    　前記ロータによって駆動される永久磁石同期発電機と、
    　を備えており、
    　前記電力変換器は、
    　コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
    　前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
    　前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
    　前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
    　前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
    　を含んで構成され、
    　前記第１のコンバータには、前記永久磁石同期発電機の固定子が電気的に接続される、
    　ことを特徴とする風力発電システム。
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