(57)【要約】【課題】風力発電システムにおいて、発電機の実際の回転角度と制御回路で検出している回転角度に偏差（軸ずれ状態）が生じた場合に、正常な電力制御ができなくなり電力制御の振動状態が発生する。【解決手段】発電機の有効電力と無効電力の指令値と検出値の偏差がともに一定レベルを超えた場合に、回転角度に偏差が生じたと判断して風力発電システムを制御する。【選択図】図１
2010130739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータとを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定された有効電力指令値および無効電力指令値を決定する電力指令値決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は、電圧および電流から前記交流励磁型発電機の有効電力検出値および無効電力検出値を演算する電力演算手段と、前記有効電力指令値と有効電力検出値から有効電力偏差を検出し前記無効電力指令値と無効電力検出値から無効電力偏差を検出する電力偏差検出手段と、前記有効電力指令値に有効電力検出値が一致し前記無効電力指令値に前記無効電力検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記有効電力偏差と無効電力偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
同期型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を同期制御コンバータに接続し、前記同期制御コンバータに電力系統に接続された系統側コンバータを接続し、前記同期制御コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段により検出した回転子の回転角度をもとに前記同期制御コンバータにより前記同期型発電機の同期制御を行い同期型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定された有効電力指令値および無効電力指令値を決定する電力指令値決定手段をもち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機の有効電力検出値および無効電力検出値を演算する電力演算手段と、前記有効電力指令値と有効電力検出値から有効電力偏差を検出し前記無効電力指令値と無効電力検出値から無効電力偏差を検出する電力偏差検出手段と、前記有効電力指令値に前記有効電力検出値が一致し前記無効電力指令値に前記無効電力検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記有効電力偏差と無効電力偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って、交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定されたトルク指令値および力率指令値を決定するトルク力率決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機のトルク検出値および力率検出値を演算するトルク力率演算手段と、前記トルク指令値とトルク検出値からトルク偏差を検出し前記力率指令値と力率検出値から力率偏差を検出する力率偏差検出手段と、前記トルク指令値に前記トルク検出値が一致し前記力率指令値に前記力率検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記トルク偏差と前記力率偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記同期制御コンバータと前記系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って、交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定されたトルク指令値および力率指令値を決定するトルク力率決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機のトルク検出値および力率検出値を演算するトルク力率演算手段と、前記トルク指令値とトルク検出値からトルク偏差を検出し前記力率指令値と力率検出値から力率偏差を検出する力率偏差検出手段と、前記トルク指令値に前記トルク検出値が一致し前記力率指令値に前記力率検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記トルク偏差と前記力率偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項５】
請求項１に記載された風力発電システムにおいて、前記回転角度検出手段により検出した交流励磁型発電機の回転子の回転角度検出値と、前記交流励磁型発電機の回転子の実際の回転角度に偏差が生じたことを検出する偏差検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
請求項２に記載された風力発電システムにおいて、前記回転角度検出手段により検出した同期型発電機の回転子の回転角度検出値と、前記同期型発電機の回転子の実際の回転角度に偏差が生じたことを検出する偏差検出手段を持つことを特徴とする風力発電システム。
【請求項７】
請求項１に記載された風力発電システムにおいて、前記交流励磁型発電機の回転子の回転軸に回転角度検出手段を取り付け、該回転角度検出手段により検出した回転角度検出値と、前記交流励磁型発電機の回転子の実際の回転角度に偏差が生じたことを検出する偏差検出手段を持つことを特徴とした風力発電システム。
【請求項８】
請求項２に示す風力発電システムにおいて、該同期型発電機の回転子の回転軸に回転角度検出手段を取り付け、該回転角度検出手段により検出した回転角度検出値と、前記同期型発電機の回転子の実際の回転角度に偏差が生じたことを検出する偏差検出手段を持つことを特徴とした風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車により駆動される交流励磁型発電機や同期型発電機の回転子の回転角度を検出する検出手段に異常が生じ、検出手段により検出した回転子の検出角度と実際の回転子の回転角度にずれが生じた状態での運転継続を防止することを実現する風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電装置に用いられる交流励磁型発電機は、コンバータで回転子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、回転子の励磁により固定子側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。このすべり周波数を求めるには回転子の回転角度から演算でもとめる回転周波数が必要であり、回転子の回転角度の検出は発電機の回転軸に取り付けたエンコーダを使用する他、固定子の発電電圧から演算により求めることができる。
【０００３】
回転子のすべり周波数の演算は、回転子の実際の回転角度と回転角度検出手段による回転角度が一致し偏差が生じないことを前提としているため、検出手段の異常などにより前述の二つの回転角度に偏差（以下軸ずれ状態と記す）が生じ正しい回転角度が検出できない場合には、正常な電力制御ができなくなる。
【０００４】
同期発電機を用いた発電装置では、エンコーダを使用せず発電電圧から発電機の回転角度を演算で求めるセンサレス方式が主流であるが、この場合も検出手段の異常などにより、発電機の実際の回転角度と発電電圧から検出した回転角度に偏差が生じた場合、同様に正常な電力制御ができなくなる。
【０００５】
交流励磁発電機または同期発電機を使用した風力発電システムは、通常は有効電力と無効電力を独立して制御することができるが、軸ずれ状態が生じた場合には独立した制御ができず、有効電力の制御を行うと同時に無効電力まで変動し逆に無効電力の制御を行うと有効電力まで変動する相互干渉状態となり、有効電力制御と無効電力制御がお互いの偏差を拡大する振動制御状態に陥いる。
【０００６】
この有効電力制御と無効電力制御の振動により風車タワー等の設備にも振動が発生するが、この振動周波数が風車タワーの共振周波数と一致すると、風車タワーが共振により大きなダメージを受ける場合がある。
【０００７】
従来の保護装置では過電流検出センサや加速度センサにより軸ずれ状態による電力制御の振動状態を検出することができるが、いずれの場合も電力振動が拡大して定格以上の状態になるまでは検出することはできない。
【０００８】
上記の軸ずれ状態の確実な検出は、回転角度検出手段にバックアップ用の回転角度検出手段を設けて二重化することにより信頼性を高めることが可能であるが、この場合には回転角度検出手段の二重化のためのコストが増加し現実的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
回転子の回転角度検出手段により検出した回転子の回転角度と実際の回転角度に軸ずれ状態が生じると、電力制御が正常に行えずに電力制御の振動現象が発生する。本発明が解決しようとする課題は、電力の振動現象が小さな状態において早期に軸ずれ状態を検出可能な信頼性の高い風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータとを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定された有効電力指令値および無効電力指令値を決定する電力指令値決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は、電圧および電流から前記交流励磁型発電機の有効電力検出値および無効電力検出値を演算する電力演算手段と、前記有効電力指令値と有効電力検出値から有効電力偏差を検出し前記無効電力指令値と無効電力検出値から無効電力偏差を検出する電力偏差検出手段と、前記有効電力指令値に有効電力検出値が一致し前記無効電力指令値に前記無効電力検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記有効電力偏差と無効電力偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とし、設備の損傷等が発生する前に電力振動を検出し抑制することができる。
【００１１】
また、同期型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を同期制御コンバータに接続し、前記同期制御コンバータに電力系統に接続された系統側コンバータを接続し、前記同期制御コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段により検出した回転子の回転角度をもとに前記同期制御コンバータにより前記同期型発電機の同期制御を行い同期型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定された有効電力指令値および無効電力指令値を決定する電力指令値決定手段をもち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機の有効電力検出値および無効電力検出値を演算する電力演算手段と、前記有効電力指令値と有効電力検出値から有効電力偏差を検出し前記無効電力指令値と無効電力検出値から無効電力偏差を検出する電力偏差検出手段と、前記有効電力指令値に前記有効電力検出値が一致し前記無効電力指令値に前記無効電力検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記有効電力偏差と無効電力偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする。
【００１２】
また、交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って、交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定されたトルク指令値および力率指令値を決定するトルク力率決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機のトルク検出値および力率検出値を演算するトルク力率演算手段と、前記トルク指令値とトルク検出値からトルク偏差を検出し前記力率指令値と力率検出値から力率偏差を検出する力率偏差検出手段と、前記トルク指令値に前記トルク検出値が一致し前記力率指令値に前記力率検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記トルク偏差と前記力率偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする。
【００１３】
さらに、交流励磁型発電機の回転子を風車に接続して回転子を回転させ固定子を電力系統に接続し、前記回転子を交流励磁コンバータに接続するとともに前記固定子と電力系統に系統側コンバータを接続し、前記同期制御コンバータと前記系統側コンバータを接続し、前記交流励磁コンバータと前記系統側コンバータを制御するコンバータ制御装置を設け、回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度をもとに、前記交流励磁コンバータにより前記交流励磁型発電機の固定子電圧が電力系統に同期するように前記回転子の励磁制御を行って、交流励磁型発電機の発電電力を電力系統に供給する風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは運転状態に応じ又はあらかじめ設定されたトルク指令値および力率指令値を決定するトルク力率決定手段を持ち、前記コンバータ制御装置は電圧および電流から前記交流励磁型発電機のトルク検出値および力率検出値を演算するトルク力率演算手段と、前記トルク指令値とトルク検出値からトルク偏差を検出し前記力率指令値と力率検出値から力率偏差を検出する力率偏差検出手段と、前記トルク指令値に前記トルク検出値が一致し前記力率指令値に前記力率検出値が一致するように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記トルク偏差と前記力率偏差がともに設定値以上となったことを検出する軸ずれ状態検出手段を持つことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
風力発電システムでは風速や風車の回転数、あるいは発電機の発電電力に応じて電力指令値を決め、その指令値にしたがい電力変換装置は電力制御を行う。また、電力指令値をあらかじめ設定しておく。風車制御装置は、電力制御を行うために発電電圧と電流から有効電力と無効電力を演算している。本発明における風力発電システムは有効電力と無効電力の検出値と指令値の差から電力偏差を求め、有効電力と無効電力それぞれの電力偏差がともに一定レベルを超えた場合に軸ずれ状態が発生したと判断する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、交流励磁発電機を用いた本発明の実施例１の風力発電システムを示す機能ブロック図である。
【００１６】
風力発電装置２０は送電線を介して電力系統１０に接続される。風力発電装置２０は、主に交流励磁発電機２０１、風車２０２、風車制御装置２０３、コンバータ（励磁装置）２０４、コンバータ制御装置２０５から構成される。
【００１７】
風車２０２は、交流励磁発電機２０１の回転子にギア２１８を介して機械的に接続される。
【００１８】
交流励磁発電機２０１の回転子巻線はコンバータ２０４と電気的に接続され、また、交流励磁発電機２０１の固定子は遮断器２０６やトランス２０７等を介して電力系統１０に電気的に接続される。
【００１９】
風車制御装置２０３は風力発電システムの基本的制御を行い、電力指令値決定手段として作動する。また、風速検出や風車２０２の翼角度制御、有効電力指令値Ｐｒｅｆの作成、運転／停止などの指令値Ｒｕｎの出力、無効電力指令値Ｑｒｅｆの作成などの運転指令信号ＯＰＳ０を生成し、さらに翼角度指令値ＰＣＨを生成する。
【００２０】
前記風車制御装置２０３で生成された無効電力指令値Ｑｒｅｆや、有効電力指令値Ｐｒｅｆ、前記運転／停止指令値Ｒｕｎなどの各種運転信号ＯＰＳ０および翼角度指令値ＰＣＨは、コンバータ制御装置２０５や翼角度変更装置に伝送される。
【００２１】
コンバータ制御装置２０５は、上記指令値に従うようにコンバータ２０４の出力する電圧を調整し、交流励磁発電機２０１と電力系統１０との間の電力（発電電力、無効電力）を制御する。コンバータ制御装置２０５は、通常、マイクロコンピュータ上で作動するソフトウェアによって実現されるが、その他専用のＩＣ回路等によって構成することができる。
【００２２】
次に、コンバータ２０４、コンバータ制御装置２０５について説明する。交流励磁発電機２０１の固定子側の３相出力は、外部信号ＳＧ１によって開閉可能な遮断器２０８と遮断器２０６と系統連系用トランス２０７を介して電力系統１０に接続される。また遮断器２０６の遮断器２０８側の回路は、外部信号ＳＧ２によって開閉可能な別の遮断器２０９を介して、フィルタ回路２１４と系統側コンバータ２０４１に接続される。
【００２３】
前記系統側コンバータ２０４１の交流出力端子に接続されるフィルタ回路２１４は、リアクトルやコンデンサで構成され、高調波電流、高調波電圧を減衰させる機能を持つ。
【００２４】
系統側コンバータ２０４１の直流回路２１０は交流励磁コンバータ２０４２の直流回路に接続される。前記交流励磁コンバータ２０４２の交流出力は、ｄＶ／ｄｔ抑制用のリアクトル２１５を介して交流励磁発電機２０１の回転子巻線に接続される。
【００２５】
交流励磁コンバータ２０４２および系統側コンバータ２０４１は、例えば半導体のスイッチング素子（サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、ＳｉＣなど）を用いて構成されており、交流を直流に変換し、または直流を交流に変換する機能を備える。
【００２６】
交流励磁発電機２０１の回転子には、ギア２１８を介して風力発電用の風車２０２が接続されており風の力を受けて回転する。また、交流励磁発電機２０１の回転軸には回転位置を検出するエンコーダ等の位置検出器２１１が接続され、回転数信号ωが出力される。検出した回転数信号ωは、風車制御装置２０３とコンバータ制御装置２０５に入力される。
【００２７】
次に、発電電力を制御するための構成について説明する。遮断器２０６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧センサ２２０ａ、電流センサ２１９ａによりその値を低電圧の電圧検出信号ＶＳＹ、低電圧の電流検出信号ＩＳＹに変換され、コンバータ制御装置２０５に入力される。
【００２８】
また、遮断器２０８の二次側（遮断器２０８と交流励磁発電機２０１の固定子との間）の電圧は、電圧センサ２２０ｂによりその値を低電圧の信号ＶＳＴに変換されコンバータ制御装置２０５に入力される。ＩＳＴは電流センサ２１９ｂで検出された固定子電流である。
【００２９】
また、交流励磁コンバータ２０４２の出力電流ＩＲは電流センサ２１９ｃにより検出され、系統側コンバータ２０４１の出力電流ＩＧは電流センサ２１９ｄにより検出され、電流検出値ＩＲおよびＩＧはコンバータ制御装置２０５に伝送される。Ｐ１は系統側コンバータ制御指令値、Ｐ２は交流励磁コンバータ制御指令値である。２１０はコンバータ直流回路、ＶＤＣはコンバータ直流回路電圧である。
【００３０】
風車制御装置２０３は、さらに風車やシステムの状態量を検出して外部と通信する通信機能などを備える。
【００３１】
図２のブロック図を用いて、コンバータ制御装置２０５のうち、発電電力の制御を行う交流励磁コンバータ２０４２の有効電力及び無効電力制御を行う制御手段について説明する。
【００３２】
電圧センサ２２０ａにより検出された交流電圧検出値ＶＳＹは、位相検出器ＴＨＤＥＴと三相二相変換器３２ＴＲＳ２に入力される。前記位相検出器ＴＨＤＥＴは、電力系統の電圧に追従する位相信号ＴＨＳ（系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの角度信号）を計算し、三相二相変換器３２ＴＲＳ２は行列変換により前記電圧検出信号ＶＳＹから制御座標軸上のｐ軸電圧検出値Ｖｐｓとｑ軸電圧検出値Ｖｑｓを計算する。
【００３３】
位置検出器２１１で検出された交流励磁発電機２０１の回転子の回転数および位置を示す回転数信号ωは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転数信号にＡＢＺ式のエンコーダを用いた例で説明する。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルスＡおよびＢを計数して位相信号に換算するとともに、位相信号を一回転に一回のパルス（例えばＡＢＺ方式のエンコーダではＺ相パルス）で０にリセットし、０から３６０度の位相信号ＲＴＨを作成する。
【００３４】
励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは前記回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴからの位相信号ＲＴＨ、同期制御器ＳＹＮＣの出力位相信号ＬＴＨ、前記位相信号ＴＨＳに基づき、回転子のすべり位相信号ＴＨＲを出力する。
【００３５】
電力演算器ＰＱＣＡＬは、三相二相変換器３２ＴＲＳ１によりシステム電流ＩＳＹを行列変換して得られたｐ軸電流Ｉｐｓ、ｑ軸電流Ｉｑｓと、前記ｐ軸電圧検出値Ｖｐｓと、ｑ軸電圧検出値Ｖｑｓとを入力し、システムの有効電力Ｐｓと無効電力Ｑｓを演算する。
【００３６】
有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力検出値Ｐｓと風車制御装置２０３の有効電力指令値Ｐｒｅｆを入力し、有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値Ｉｐ０を出力する。有効電力制御はトルク制御と異なり回転数が変化しても出力電力を一定に制御できる。
【００３７】
また、無効電力調整器ＡＱＲは、無効電力検出値Ｑｓと風車制御装置２０３の無効電力指令値Ｑｒｅｆを入力し、無効電力指令値Ｑｒｅｆと無効電力検出値Ｑｓの偏差を零にするように出力の無効分電流指令値Ｉｑ０を出力する。
【００３８】
また、固定子電流ＩＳＴは、三相回転座標変換器３ＤＱ０３に入力される。固定子電流ＩＳＴは三相回転座標変換器３ＤＱ０３により有効分電流Ｉｐｓｔと無効分電流Ｉｑｓｔに分解され、それぞれ発電機電流調整器ＡＣＲＰ、ＡＣＲＱに入力される。発電機電流調整器ＡＣＲＰは、固定子有効電流指令値としてゼロを入力し、発電機固定子電流の有効分電流Ｉｐｓｔがゼロになるように回転子電流指令値Ｉｐ２を演算し切換スイッチに出力する。また、発電機電流調整器ＡＣＲＱは、固定子有効電流指令値としてＩｑｓｔｒを入力し、発電機固定子電流の無効分電流Ｉｑｓｔが指令値に一致するように、回転子電流指令値Ｉｑ２を演算し切換スイッチに出力する。
【００３９】
三相回転座標変換器３ＤＱ０４は、入力された電流検出値ＩＲおよびすべり位相信号ＴＨＲから、ｑ軸電流検出値Ｉｑｒとｐ軸電流検出値Ｉｐｒを電流調整器に出力する。
【００４０】
交流励磁発電機を用いた風力発電システムでは、一般に交流励磁発電機の回転子に取り付けたエンコーダ等により回転子の回転角度を検出しているが、エンコーダに異常が発生しエンコーダにより検出した回転子の回転角度と実際の回転子の回転角度に差が生じた場合について軸ずれ状態を説明する。
【００４１】
制御演算では回転子電流ＩＲを制御上のｐ−ｑ座標軸を用いて、有効電力を表すｐ軸成分と無効電力を表すｑ軸成分に分離する。軸ずれ状態が発生した状態では、エンコーダにより検出した回転子の回転角度信号ωと実際の回転子の回転角度に差が生じるため、回転角度信号ωから計算で求めたすべり位相信号ＴＨＲ（制御上のすべり位相）が実際のすべり位相に対し偏差が生じる。つまり、制御上のｐ−ｑ座標軸と実際のｐ−ｑ座標軸にずれが生じている状態である。
【００４２】
制御演算では回転子電流ＩＲを制御上のｐ−ｑ座標軸を用いてｐ軸成分とｑ軸成分に分離するため、ずれが生じた座標軸を用いて分離した場合には正常な分離ができない。その結果、ｐ軸成分である有効電力とｑ軸成分である無効電力の独立制御ができなくなる。
【００４３】
この状態で有効電力を制御すると無効電力も変動し、逆に無効電力を制御すると有効電力も変動してしまい、有効電力制御と無効電力制御がお互いの偏差を拡大するような振動制御となり、振動が拡大すると過電流の発生や風車の振動という状態へ至る。
【００４４】
図３に、本発明の実施例１における軸ずれ状態を検出する検出手段２０５ａのブロック図を示す。検出手段２０５ａはコンバータ制御回路２０５の一部を構成する。減算器３０１、３０２により、有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力検出値Ｐｓの偏差ΔＰ、無効電力指令値Ｑｒｅｆと無効電力検出値Ｑｓの偏差ΔＱを求める。
【００４５】
このΔＰ、ΔＱの絶対値に平均化処理を行った値ΔＰ１、ΔＱ１をそれぞれレベル判定し、ΔＰ１、ΔＱ１がともに設定レベル以上になった場合に軸ずれ状態が発生した状態と判断する。ここでの平均化処理とは移動平均や一次遅れなどの処理を意味する。
【００４６】
軸ずれ状態は過電流や加速度センサーでも検出可能であるが、これらの検出手段では現象が定格以上になった場合にしか検出できない。本実施例の場合はレベル判定の設定レベルを定格Ｐｕより低く（たとえば０．３Ｐｕ）設定することが可能なため、風車に不要な振動などのダメージを与えずに、未然に異常を検出することができる。
【実施例２】
【００４７】
図３では交流励磁発電機の有効電力と無効電力の場合で説明したが、交流励磁発電機のトルク指令値とトルク検出値の偏差、及び力率指令値と力率検出値の偏差を検出する構成の場合でも同様な効果を得ることができる。
【００４８】
トルク指令値を用いる場合は、トルク指令値に交流励磁発電機の回転数を乗じて有効電力指令値に変換し、次いで得られた有効電力指令値に力率指令値を乗じて無効電力指令値に変換する。得られた有効電力指令値Ｐｒｅｆと無効電力指令値Ｑｒｅｆとから、実施例１と同様の制御ロジックで無効電力の制御が可能となる。
【実施例３】
【００４９】
実施例１、実施例２では交流励磁発電機で回転子に取り付けたエンコーダを使用した場合を例に説明を行ったが、図４に示す同期発電機を用い、エンコーダを用いないセンサレス方式でも発電機の回転角度を検出するための電圧、電流の検出回路に異常が生じた場合には、軸ずれ状態による問題が発生する。従って本発明の軸ずれ状態検出方式は、センサレス制御においても同様に有効である。
【００５０】
図４における図１との相違点については、同期発電機２００の固定子電圧ＶＳＴが電圧センサ２２０ｂで測定され、直接コンバータ制御回路２０５に入力される。また、同期発電機２００の固定子が交流励磁コンバータ２０４２で励磁される。その他の構成は基本的に図１と共通である。
【００５１】
図５を用いて図４のコンバータ制御装置２０５のうち、発電電力の制御を行うコンバータ２０４２の発電機の有効電力、無効電力を制御する制御手段２０５ｂについて説明する。
【００５２】
固定子電圧検出値ＶＳＴは、三相二相変換器３２ＴＲＳ２に入力される。三相二相変換器３２ＴＲＳ２は回転子位相推定値ＴＨＲによる行列変換により前記電圧検出値ＶＳＴからｐ軸電圧検出値Ｖｐｓとｑ軸電圧検出値Ｖｑｓを計算する。
【００５３】
固定子電流検出値ＩＳＴは三相二相変換器３２ＴＲＳ１に入力され、回転子位相推定値ＴＨＲをもとに、ｐ軸電流検出値Ｉｐｓとｑ軸電流検出値Ｉｑｓを計算する
誘起電圧推定器ＶＥＤＥＴは三相二相変換器３２ＴＲＳ１、３２ＴＲＳ２から出力されるｐｑ軸の電流、電圧信号と角速度推定器ＲＯＭＧＤＥＴから出力される角速度信号ＯＭＧＴＨＲに基づいて同期発電機２００の誘起電圧を演算し、そのｐ軸成分Ｖｐｅを出力する。
【００５４】
角速度推定器ＲＯＭＧＤＥＴは誘起電圧推定器ＶＥＤＥＴから出力される誘起電圧のｐ軸成分Ｖｐｅと零の偏差から角速度信号ＯＭＧＴＨＲを演算する。回転子位相推定器ＲＯＴＤＥＴは積分器でにより構成され、入力信号の角速度信号ＯＭＧＴＨＲから、回転子位相推定値ＴＨＲを演算する。
【００５５】
電力演算器ＰＱＣＡＬは、前記固定子ｐ軸電流Ｉｐｓ、ｑ軸電流Ｉｑｓと、前記ｐ軸電圧検出値Ｖｐｓと、ｑ軸電圧検出値Ｖｑｓとを入力し、発電機の有効電力Ｐｇと無効電力Ｑｇを演算する。
【００５６】
有効電力制御器ＡＰＲは前記有効電力演算値Ｐｇと有効電力指令値Ｐｒｅｆとの偏差が零になるように制御を行い、無効電力制御器ＡＱＲは前記無効電力演算値Ｑｇと無効電力指令値Ｑｒｅｆとの偏差が零になるように制御を行う。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
同期型発電機、交流励磁型発電機の励磁用コンバータや、発電装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の風力発電システムの実施例１における機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１のコンバータ制御装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の軸ずれ状態検出手段を示すブロック図である。
【図４】本発明の風力発電システムの実施例３における機能ブロック図である。
【図５】本発明の実施例３の軸ずれ状態検出手段を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０：電力系統
２０：風力発電装置
２００：同期型発電機
２０１：交流励磁型発電機
２０２：風車
２０３：風車制御装置
２０４：コンバータ
２０４１：系統側コンバータ
２０４２：交流励磁コンバータ
２０５：コンバータ制御装置
２１９ａ、２１９ｂ、２１９ｃ、２１９ｄ：電流センサ
２２０ａ、２２０ｂ：電圧センサ
ＰＱＣＡＬ：電力演算器
ＡＰＲ：有効電力調整器
ＡＱＲ：無効電力調整器
ＡＣＲＰ：発電機電流調整器
ＡＣＲＱ：発電機電流調整器
Ｑｒｅｆ：無効電力指令値
Ｐｒｅｆ：有効電力指令値
Ｒｕｎ：運転／停止指令値
ω：回転子回転数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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