(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生エネルギーを用いて電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
ブレードと、
前記ブレードを介して受け取った前記再生エネルギーによって回転する回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される油圧ポンプ及び該油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータを有する油圧トランスミッションと、
周波数変換回路を介さずに電力系統に連系され、前記油圧モータによって駆動されて生成した電力を前記電力系統に供給する同期発電機と、
前記再生エネルギー型発電装置の通常運転時に、前記電力系統の周波数に基づく同期速度で前記同期発電機が回転する状態を維持しながら、前記再生エネルギーのエネルギー流の流速に対して前記回転シャフトの回転数が可変となるように、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節する通常運転モードで前記油圧トランスミッションを制御するトランスミッション制御手段と、
前記油圧ポンプの吐出側と前記油圧モータの吸入側を接続するための高圧油ラインと、
前記高圧油ラインに接続されたアキュムレータとを備え、
前記トランスミッション制御手段は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるとともに前記油圧モータの押しのけ容積に対して前記油圧ポンプの押しのけ容積が過剰となるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御するとともに、
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記油圧モータの押しのけ容積に対する過剰な前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記アキュムレータに蓄積するように構成されたことを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
【請求項２】
前記トランスミッション制御手段は、
前記通常運転モードにおいて、前記エネルギー流の流速に応じた前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプのトルク目標を決定するトルク目標算出部と、
前記通常運転モードにおいて、前記油圧ポンプの前記トルク目標から前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値ＤＰを決定するポンプ要求値算出部と、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値ＤＰに調節するポンプ制御部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項３】
前記トランスミッション制御手段は、
前記通常運転モードにおいて、前記油圧ポンプの目標出力ＰＯＷＥＲＰに基づいて、前記油圧モータの目標出力ＰＯＷＥＲＭを算出するモータ目標出力算出部と、
前記通常運転モードにおいて、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力ＰＯＷＥＲＭに基づいて、前記同期発電機の回転数が前記同期速度となるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値ＤＭを決定するモータ要求値算出部と、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節するモータ制御部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項４】
前記同期発電機の端子電圧を計測する端子電圧検出器と、
前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給する励磁機と、
前記端子電圧検出器によって計測された前記端子電圧と前記端子電圧の指令値との偏差に基づいて前記励磁機を制御する励磁機制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項５】
前記励磁機制御部は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下した直後、前記界磁電流が増加するように前記励磁機を制御することを特徴とする請求項４に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項６】
前記励磁機制御部は、前記励磁機によって前記界磁電流を増加させた後、前記同期発電機の内部相差角の増大時に前記界磁電流が増加し、前記同期発電機の内部相差角の減少時に前記界磁電流が減少するように前記励磁機を制御することを特徴とする請求項５に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項７】
前記アキュムレータは、電磁弁を介して前記高圧油ラインに接続されており、
前記電磁弁は、前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生直後において、前記高圧油ラインに前記アキュムレータを連通させるように開閉制御されることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項８】
前記トランスミッション制御手段は、
前記異常事象対応モードにおいて、前記同期発電機で発生した電力に基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値ＤＭを決定するモータ要求値算出部と、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節するモータ制御部とを含むことを特徴とする請求項７に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項９】
前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記ピッチ駆動機構は前記ブレードのピッチ角をフェザー側への変化に転ずることを特徴とする請求項８に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１０】
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象からの復旧開始後、前記ピッチ駆動機構は前記ブレードのピッチ角をファイン側に変化させるとともに、前記モータ要求値算出部は前記同期発電機によって発電される電力が増えるように前記油圧モータの押しのけ容積の前記要求値ＤＭを増加させることを特徴とする請求項９に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１１】
前記異常事象は、前記電力系統の電圧が電力系統連系規定に定められた所定電圧以下に低下した状態であることを特徴とする請求項５に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１２】
前記励磁機制御部は、前記励磁機の固定界磁を励磁するサイリスタを有し、
前記励磁機は、前記サイリスタによって励磁される前記固定界磁および前記同期発電機の回転軸とともに回転する回転電機子を有し、該回転電機子から回転整流器を介して前記同期発電機の前記界磁巻線に直流の前記界磁電流を供給する交流励磁機であることを特徴とする請求項４に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１３】
前記同期発電機と同軸上に設けられた永久磁石発電機により構成される副励磁機をさらに備え、
前記励磁機制御部の前記サイリスタは、前記副励磁機を電源として用い、前記励磁機の固定界磁を励磁することを特徴とする請求項１２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１４】
前記再生エネルギー型発電装置が、前記再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１５】
ブレードを介して受け取った再生エネルギーによって回転する回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される油圧ポンプ及び該油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータを有する油圧トランスミッションと、周波数変換回路を介さずに電力系統に連系され、前記油圧モータによって駆動されて生成した電力を前記電力系統に供給する同期発電機とを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
前記再生エネルギー型発電装置の通常運転時に、前記電力系統の周波数に基づく同期速度で前記同期発電機が回転する状態を維持しながら、前記再生エネルギーのエネルギー流の流速に対して前記回転シャフトの回転数が可変となるように、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節する通常運転モードで前記油圧トランスミッションを制御するステップと、
前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるとともに前記油圧モータの押しのけ容積に対して前記油圧ポンプの押しのけ容積が過剰となるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御するステップと、
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記油圧ポンプの吐出側と前記油圧モータの吸入側との間の高圧油ラインに接続されたアキュムレータに、前記油圧モータの押しのけ容積に対する過剰な前記油圧ポンプの押しのけ容積を蓄積するステップとを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置の運転方法。
【請求項１６】
前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下した直後、前記同期発電機の界磁巻線に供給する界磁電流を増加させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の再生エネルギー型発電装置の運転方法。
【請求項１７】
前記アキュムレータは、電磁弁を介して前記高圧油ラインに接続されており、
前記アキュムレータに蓄積するステップでは、前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生直後において前記電磁弁を開いて、前記高圧油ラインに前記アキュムレータを連通させることを特徴とする請求項１５に記載の再生エネルギー型発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧トランスミッションを介して、発電機に回転シャフトの回転を伝達して電力を生成し、この電力を電力系統に供給する再生エネルギー型発電装置及びその運転方法に関する。なお、再生エネルギー型発電装置は、風、潮流、海流、河流等の再生可能なエネルギーを利用した発電装置であり、例えば、風力発電装置、潮流発電装置、海流発電装置、河流発電装置等を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置や、潮流、海流又は河流を利用した発電装置を含む再生エネルギー型発電装置の普及が進んでいる。再生エネルギー型発電装置では、風、潮流、海流又は河流の運動エネルギーをロータ（回転シャフト）の回転エネルギーに変換し、さらにロータの回転エネルギーを発電機によって電力に変換する。
【０００３】
この種の再生エネルギー型発電装置では、通常、発電機は電力系統に連系される。風力発電装置の場合、発電機の種類や電力系統への連系の仕方によって、例えば図１２Ａ〜図１２Ｃのような方式に分類される。
図１２Ａに示す方式では、増速機５００を介して、かご型誘導発電機５１０がロータ２に接続されている。かご型誘導発電機５１０は、不図示のソフトスタータを介して電力系統５０に直接連系されている。この方式は、電気機器がシンプル且つ安価であるものの、電力系統５０の周波数が一定であるためにロータ２の回転数が固定される。そのため、風力の変動が直接的に出力の変動となって現れてしまう。また、パワー係数Ｃｐが最大になるロータ２の回転数は風速ごとに異なることが知られており、発電効率の向上の観点からも、ロータ２の回転数が風速によらずに一定とすることは望ましくない。
【０００４】
そこで、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すような方式を採用して、可変速運転を行うようにした風力発電装置が提案されている。
図１２Ｂに示す方式の風力発電装置では、増速機５００を介して、二次巻線誘導発電機５２０がロータ２に接続されている。二次巻線誘導発電機５２０は、その固定子巻線が電力系統５０に直接接続され、その回転子巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ５３０を介して電力系統５０に接続されている。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ５３０は、発電機側インバータ５３２、ＤＣバス５３４及び系統側インバータ５３６で構成されている。発電機側インバータ５３２は、回転子巻線に与える電流を制御して発電機トルクを調節することで、可変速運転を可能とする。一方、系統側インバータ５３６は、二次巻線誘導発電機５２０の回転子巻線から受け取った電力を電力系統５０の周波数に適合した交流電力に変換する。
また図１２Ｃに示す方式では、同期発電機５４０がロータ２に接続されている。同期発電機５４０は、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク５５０を介して電力系統５０に接続される。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク５５０は、コンバータ５５２、ＤＣバス５５４及びインバータ５５６により構成される。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク５５０は、同期発電機５４０のトルクを調節することで可変速運転を可能にするとともに、同期発電機５４０で生成された電力を電力系統５０の周波数に適合した交流電力に変換する役割を担う。
【０００５】
ところで、最近になって注目を集めるようになったのが、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを採用した再生エネルギー型発電装置である。
例えば、特許文献１には、ロータの回転により駆動される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータとを組み合わせた油圧トランスミッションを用いた風力発電装置が記載されている。この風力発電装置の油圧トランスミッションでは、油圧ポンプ及び油圧モータは、高圧リザーバと低圧リザーバを介して互いに接続されている。これにより、ロータの回転エネルギーが、油圧トランスミッションを介して発電機に伝わるようになっている。なお、油圧ポンプは、複数組のピストン及びシリンダと、シリンダ内でピストンを周期的に摺動させるカムとで構成されている。
【０００６】
なお、再生エネルギー型発電装置の可変速運転技術や系統連系技術に直接関係するものではないが、落雷や送電設備の故障（例えば鉄塔の倒壊）に起因する系統電圧低下時における風力発電装置の運転技術も知られている（特許文献２〜９参照）。
【０００７】
また、再生エネルギー型発電装置の可変速運転技術や系統連系技術に直接関係するものではないが、系統電圧低下時における発電機動揺の抑制技術として、超速応励磁装置や電力系統安定化装置を利用したものが知られている（非特許文献１参照）。ここで、発電機の「動揺」とは、電力系統に連系された同期発電機の内部相差角の振動を意味する。
なお、超速応励磁装置とは、電力系統に短絡事故や地絡事故などの大きなじょう乱が発生した際の発電機の第一波動揺を抑制するために、発電機端子電圧の低下を迅速に検出し、急速に界磁電流を増加させて、発電機の内部誘起電圧を上昇させて同期化力を増大させる励磁装置をいう。また、電力系統安定化装置とは、超速応励磁装置の採用により低下する定態安定度を向上させるために、ダンピングトルクが増加するように励磁機を制御して、発電機動揺を速やかに抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００３２９５９号明細書
【特許文献２】中国特許出願公開第１０１９６４５３３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１１／００２５０５９号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１０／０８５９８８号
【特許文献５】韓国登録特許第１０−０９４７０７５号公報
【特許文献６】国際公開第２００９／０７８０７２号
【特許文献７】中国特許出願公開第１０１３８３５８０号明細書
【特許文献８】米国特許第７７０９９７２号明細書
【特許文献９】特開２００７−２３９５９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】矢部宏（やべひろし）、西村昭（にしむらあきら）著「Ｖ．超速応励磁制御方式」、電気学会雑誌、社団法人電気学会、１９８６年７月２０日発行、第１０６巻、第７号、ｐ．６４３−６４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、既存の再生エネルギー型発電装置については、可変速運転と系統連系とを両立するための技術として、図１２Ｂ及び図１２Ｃのような方式が確立されている。これに対して、最近注目を集めている特許文献１のような再生エネルギー型発電装置については、可変速運転と系統連系とを両立するための技術が十分に確立されているとはいえない。
また、図１２Ｂ及び図１２Ｃのような方式では、可変速運転と系統連系の両立を実現するには、高価な周波数変換回路（５３０，５５０）が必要不可欠であり、コスト削減の障壁となる。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、周波数変換回路を用いずに可変速運転と系統連系を両立することが可能な、油圧トランスミッションを用いた再生エネルギー型発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る再生エネルギー型発電装置は、
再生エネルギーを用いて電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
ブレードと、
前記ブレードを介して受け取った前記再生エネルギーによって回転する回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される油圧ポンプ及び該油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータを有する油圧トランスミッションと、
周波数変換回路を介さずに電力系統に連系され、前記油圧モータによって駆動されて生成した電力を前記電力系統に供給する同期発電機と、
前記再生エネルギー型発電装置の通常運転時に、前記電力系統の周波数に基づく同期速度で前記同期発電機が回転する状態を維持しながら、前記再生エネルギーのエネルギー流の流速に対して前記回転シャフトの回転数が可変となるように、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節する通常運転モードで前記油圧トランスミッションを制御するトランスミッション制御手段と、
前記油圧ポンプの吐出側と前記油圧モータの吸入側を接続するための高圧油ラインと、
前記高圧油ラインに接続されたアキュムレータとを備え、
前記トランスミッション制御手段は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるとともに前記油圧モータの押しのけ容積に対して前記油圧ポンプの押しのけ容積が過剰となるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御するとともに、
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記油圧モータの押しのけ容積に対する過剰な前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記アキュムレータに蓄積するように構成されたことを特徴とする。
なお、「再生エネルギーのエネルギー流」とは、例えば再生エネルギー型発電装置が風力発電装置の場合、風を意味する。また、この場合における「再生エネルギーのエネルギー流の流速」は風速のことである。
【００１３】
この再生エネルギー型発電装置では、発電機として、周波数変換回路を介さずに電力系統に連系された同期発電機を採用したため、通常運転時における可変速運転と系統連系の両立を、周波数変換回路に頼らずにトランスミッション制御手段によって実現している。すなわち、トランスミッション制御手段が、電力系統の周波数に基づく同期速度で同期発電機が回転する状態を維持しながら、再生エネルギーの流速に対して回転シャフトの回転数が可変となるように油圧ポンプ及び油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節することで、可変速運転と系統連系を両立できる。
【００１４】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記トランスミッション制御手段は、前記通常運転モードにおいて、前記エネルギー流の流速に応じた前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプのトルク目標を決定するトルク目標算出部と、前記通常運転モードにおいて、前記油圧ポンプの前記トルク目標から前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値ＤＰを決定するポンプ要求値算出部と、前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値ＤＰに調節するポンプ制御部とを含んでいてもよい。
これにより、エネルギー流の流速（例えば風速）に応じた理想トルクに基づいて油圧ポンプのトルク目標が決定され、該トルク目標から決定された要求値ＤＰに油圧ポンプの押しのけ容積が調節されるので、エネルギー流の流速に対して回転シャフトの回転数を可変にすることができる。すなわち、トランスミッション制御部によって、再生エネルギー型発電装置の可変速運転が可能になる。
【００１５】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記トランスミッション制御手段は、前記通常運転モードにおいて、前記油圧ポンプの目標出力ＰＯＷＥＲＰに基づいて、前記油圧モータの目標出力ＰＯＷＥＲＭを算出するモータ目標出力算出部と、前記通常運転モードにおいて、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力ＰＯＷＥＲＭに基づいて、前記同期発電機の回転数が前記同期速度となるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値ＤＭを決定するモータ要求値算出部と、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節するモータ制御部とを含んでいてもよい。
これにより、油圧ポンプの目標出力ＰＯＷＥＲＰから求めた油圧モータの目標出力ＰＯＷＥＲＭに基づいて、同期発電機の回転数が同期速度となるように決定された要求値ＤＭに油圧モータの押しのけ容積が調節されるため、同期発電機が同期速度で回転する状態を維持できる。すなわち、トランスミッション制御部によって、同期発電機の電力系統への連系が可能になる。
【００１６】
上記再生エネルギー型発電装置は、前記同期発電機の端子電圧を計測する端子電圧検出器と、前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給する励磁機と、前記端子電圧検出器によって計測された前記端子電圧と前記端子電圧の指令値との偏差に基づいて前記励磁機を制御する励磁機制御部とをさらに備えていてもよい。
これにより、励磁機から同期発電機の界磁巻線に供給される界磁電流を調節して、同期発電機の端子電圧を指令値に応じて一定に維持することができる。なお、同期発電機の端子電圧を一定に維持するこの制御は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）を用いて行ってもよい。
【００１７】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記励磁機制御部は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下した直後、前記界磁電流が増加するように前記励磁機を制御してもよい。
送電線または電力系統において異常事象が発生すると、発電機端子電圧が瞬時に低下し、これに伴って発電機の電気的出力（有効電力）も瞬時に低下する。そのため、油圧モータからの機械的入力が発電機の電気的出力に対して過剰になり、同期発電機の回転子が加速され、同期発電機の脱調が起きてしまうおそれがある。そこで、送電線または電力系統における異常事象の発生により同期発電機の端子電圧が低下した直後、界磁電流を増加させることで、発電機内部誘起電圧が大きくなり、発電機の電気的出力が上昇する。そのため、同期発電機の同期化力が大きくなって、異常事象発生後の同期発電機の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。このようにして同期発電機の脱調が防止される。
なお、このような過渡安定度を向上させるための励磁機の制御は、超速応励磁方式と称される応答速度が非常に速い励磁方式（例えばサイリスタ励磁方式）によって好適に実現できる。
【００１８】
異常事象の発生により端子電圧が低下した直後に界磁電流を増加させる場合、前記励磁機制御部は、前記励磁機によって前記界磁電流を増加させた後、前記同期発電機の内部相差角の増大時に前記界磁電流が増加し、前記同期発電機の内部相差角の減少時に前記界磁電流が減少するように前記励磁機を制御してもよい。
異常事象発生による端子電圧の低下直後に界磁電流を増加させると、既に説明したように同期発電機の第一波動揺が抑制され過渡安定度が向上するものの、応答性が良いためにかえって第一波動揺以降の定態安定度を損なうおそれがある。そこで、内部相差角の増大時に界磁電流を増加させ、内部相差角の減少時に界磁電流を減少させることで、同期発電機の動揺を速やかに抑制し、定態安定度を向上させることができる。
なお、このような定態安定度を向上させるための励磁機の制御は、電力系統安定化装置（ＰＳＳ：Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）によって好適に実現できる。
【００１９】
また、前記トランスミッション制御手段は、前記送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御してもよい。
異常事象が発生すると、異常事象発生とほぼ同時に発電機端子電圧および同期発電機の電気的出力が低下するため、同期発電機の脱調を防止するための非常に迅速な対応を迫られる。この点、油圧モータの制御を通常運転モードにより行っていては発電機トルクの急激な変動に油圧モータトルクが追従できず、両者がアンバランスとなって、同期発電機の内部相差角が大きく変動してしまう。そこで、異常事象対応モードでは、発電機トルクと油圧モータトルクの偏差が小さくなるように油圧モータの押しのけ容積を調節する。これにより、発電機トルクの急激な変化に油圧モータトルクを追従させることができ、同期発電機の内部相差角の変動を抑制できる。よって、異常事象に起因する同期発電機の動揺を迅速に抑制できる。
【００２０】
異常事象対応モードで発電機トルクに油圧モータトルクを追従させる場合、前記トランスミッション制御手段は、前記異常事象対応モードにおいて、前記同期発電機で発生した電力に基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値ＤＭを決定するモータ要求値算出部と、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節するモータ制御部とを含んでいてもよい。
このように、同期発電機で発生した電力（電気的出力）に基づいて決定した要求値ＤＭに油圧モータの押しのけ容積を調節することで、異常事象発生後における同期発電機の発生電力の変動に追従して油圧モータの押しのけ容積を変化させ、発電機トルクと油圧モータトルクの偏差を小さくすることができる。よって、異常事象に起因する同期発電機の動揺を迅速に抑制できる。
【００２１】
また、異常事象対応モードにおいて同期発電機の発生電力に基づいて決定した要求値ＤＭに油圧モータの押しのけ容積を調節する場合、上記再生エネルギー型発電装置が前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記ピッチ駆動機構は前記ブレードのピッチ角をフェザー側への変化に転ずるようにしてもよい。
異常事象発生時は、同期発電機の端子電圧が通常運転時に比べて低下しているから、同期発電機の電気的出力（同期発電機の発生電力）も通常運転時に比べて小さい。そのため、同期発電機の発生電力に基づいて決定した要求値ＤＭに油圧モータの押しのけ容積を調節すると、油圧モータの出力が低下して、油圧ポンプの出力が過剰になる。そこで、ブレードのピッチ角をピッチ駆動機構によりフェザー側への変化に転ずることで、油圧ポンプの加速を抑制しながら、油圧モータの出力低下に応じて油圧ポンプの出力を絞ることができる。
【００２２】
また、異常事象発生時にブレードのピッチ角をフェザー側への変化に転ずる場合、前記送電線または前記電力系統における前記異常事象からの復旧開始後、前記ピッチ駆動機構は前記ブレードのピッチ角をファイン側に変化させるとともに、前記モータ要求値算出部は前記同期発電機によって発電される電力が増えるように前記油圧モータの押しのけ容積の前記要求値ＤＭを増加させてもよい。
これにより、異常事象からの復旧開始後、油圧モータの押しのけ容積を増大させて発電量を増やすことができる。
【００２３】
なお、前記異常事象は、例えば、前記電力系統の電圧が電力系統連系規定（ｇｒｉｄ  ｃｏｄｅ）に定められた所定電圧以下に低下した状態であってもよい。
【００２４】
上記再生エネルギー型発電装置は、前記励磁機制御部が前記励磁機の固定界磁を励磁するサイリスタを有し、前記励磁機は、前記サイリスタによって励磁される前記固定界磁および前記同期発電機の回転軸とともに回転する回転電機子を有し、該回転電機子から回転整流器を介して前記同期発電機の前記界磁巻線に直流の前記界磁電流を供給する交流励磁機であってもよい。
このように、交流励磁機の回転電機子からの交流電流を回転整流器で整流して、同期発電機の界磁巻線に供給することで、ブラシレスの構成を実現でき、ブラシの保守（定期的交換）が不要になる。再生エネルギー型発電装置は、一般に僻地（山岳地や洋上等）に設置されることが多いため、ブラシの保守（定期的交換）が不要であることは、ランニングコストの低減に大きく寄与する。
【００２５】
また、上記再生エネルギー型発電装置は、前記同期発電機と同軸上に設けられた永久磁石発電機により構成される副励磁機をさらに備え、前記励磁機制御部の前記サイリスタは、前記副励磁機を電源として用い、前記励磁機の固定界磁を励磁してもよい。
このように、同期発電機と同軸上に設けられた永久磁石発電機を、励磁機制御部のサイリスタの電源として用いることで、同期発電機の電力系統への併入前であっても、外部電源を必要とせずに同期発電機の励磁を行うことができる。このことは、一般的に外部電源を得にくい性質がある風力発電装置において非常に有利である。
【００２６】
また、前記再生エネルギー型発電装置は、前記再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であってもよい。
【００２７】
本発明に係る再生エネルギー型発電装置の運転方法は、ブレードを介して受け取った再生エネルギーによって回転する回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される油圧ポンプ及び該油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータを有する油圧トランスミッションと、周波数変換回路を介さずに電力系統に連系され、前記油圧モータによって駆動されて生成した電力を前記電力系統に供給する同期発電機とを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
前記再生エネルギー型発電装置の通常運転時に、前記電力系統の周波数に基づく同期速度で前記同期発電機が回転する状態を維持しながら、前記再生エネルギーのエネルギー流の流速に対して前記回転シャフトの回転数が可変となるように、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節する通常運転モードで前記油圧トランスミッションを制御するステップと、
前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるとともに前記油圧モータの押しのけ容積に対して前記油圧ポンプの押しのけ容積が過剰となるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御するステップと、
前記送電線または前記電力系統における前記異常事象の発生時において、前記油圧ポンプの吐出側と前記油圧モータの吸入側との間の高圧油ラインに接続されたアキュムレータに、前記油圧モータの押しのけ容積に対する過剰な前記油圧ポンプの押しのけ容積を蓄積するステップとを備えることを特徴とする。
【００２８】
この再生エネルギー型発電装置の運転方法によれば、電力系統の周波数に基づく同期速度で同期発電機が回転する状態を維持しながら、再生エネルギーの流速に対して回転シャフトの回転数が可変となるように油圧ポンプ及び油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節することで、可変速運転と系統連系を両立できる。
【００２９】
上記再生エネルギー型発電装置の運転方法は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下した直後、前記同期発電機の界磁巻線に供給する界磁電流を増加させるステップをさらに備えてもよい。
送電線または電力系統において異常事象が発生すると、発電機端子電圧が瞬時に低下し、これに伴って発電機の電気的出力（有効電力）も瞬時に低下する。そのため、油圧モータからの機械的入力が発電機の電気的出力に対して過剰になり、同期発電機の回転子が加速され、同期発電機の脱調が起きてしまうおそれがある。そこで、送電線または電力系統における異常事象の発生により同期発電機の端子電圧が低下した直後、界磁電流を増加させることで、発電機内部誘起電圧が大きくなり、発電機の電気的出力が上昇する。そのため、同期発電機の同期化力が大きくなって、異常事象発生後の同期発電機の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。このようにして同期発電機の脱調が防止される。
【００３０】
前記再生エネルギー型発電装置の運転方法は、前記電力系統と前記同期発電機との間の送電線または前記電力系統における異常事象の発生により前記同期発電機の端子電圧が低下したとき、前記油圧モータから前記同期発電機に入力されるトルクの前記同期発電機の負荷トルクに対する偏差が小さくなるように前記油圧モータの押しのけ容積を調節する異常事象対応モードで前記油圧トランスミッションを制御するステップをさらに備えていてもよい。
異常事象が発生すると、異常事象発生とほぼ同時に発電機端子電圧および同期発電機の電気的出力が低下するため、同期発電機の脱調を防止するための非常に迅速な対応を迫られる。この点、油圧モータの制御を通常運転モードにより行っていては発電機トルクの急激な変動に油圧モータトルクが追従できず、両者がアンバランスとなって、同期発電機の内部相差角が大きく変動してしまう。そこで、異常事象対応モードでは、発電機トルクと油圧モータトルクの偏差が小さくなるように油圧モータの押しのけ容積を調節する。これにより、発電機トルクの急激な変化に油圧モータトルクを追従させることができ、同期発電機の内部相差角の変動を抑制できる。よって、異常事象に起因する同期発電機の動揺を迅速に抑制できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、電力系統の周波数に基づく同期速度で同期発電機が回転する状態を維持しながら、再生エネルギーの流速に対して回転シャフトの回転数が可変となるように油圧ポンプ及び油圧モータの押しのけ容積をそれぞれ調節するようにしたので、周波数変換回路を用いずに可変速運転と系統連系を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】風力発電装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２】風力発電装置の油圧トランスミッションとトランスミッション制御部の構成を示す図である。
【図３】油圧ポンプの具体的な構成例を示す図である。
【図４】油圧モータの具体的な構成例を示す図である。
【図５】同期発電機と電力系統との間の送電線の構成例を示す図である。
【図６】トランスミッション制御部において油圧ポンプの押しのけ容積が決定される際のシグナルフローを示す図である。
【図７】ロータ回転数Ｗｒを横軸にとり、ロータトルクＴを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線を示したグラフである。
【図８】トランスミッション制御部において油圧モータの押しのけ容積が決定される際のシグナルフローを示す図である。
【図９】短絡事故発生前後における有効電力Ｐｅと内部相差角Ａとの関係を示すグラフである。
【図１０】電力系統又は送電線に異常事象が起きた場合の各種パラメータの経時変化の一例を示すグラフである。
【図１１】電力系統又は送電線に異常事象が起きた場合の各種パラメータの経時変化の別の例を示すグラフである。
【図１２Ａ】従来の風力発電装置の例を示す図である。
【図１２Ｂ】従来の風力発電装置の例を示す図である。
【図１２Ｃ】従来の風力発電装置の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００３５】
以下の実施形態では、再生エネルギー型発電装置の一例として風力発電装置について説明する。ただし、本発明は潮流発電装置、海流発電装置、河流発電装置等の他の再生エネルギー型発電装置にも適用できる。
【００３６】
［風力発電装置の装置構成］
図１は風力発電装置の全体構成の一例を示す図である。図２は風力発電装置の油圧トランスミッションとトランスミッション制御部の構成を示す図である。図３は油圧ポンプの具体的な構成例を示す図である。図４は油圧モータの具体的な構成例を示す図である。
【００３７】
図１に示すように、風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力系統に連系された同期発電機２０と、油圧トランスミッション１０を制御するトランスミッション制御部４０（図２参照）と、圧力計３１及び回転数計３２、３６を含む各種計測器とを備える。
油圧トランスミッション１０及び同期発電機２０は、ナセル２２又はこれを支持するタワー２４の内部に収納されていてもよい。なお、図１には、タワー２４が地上に立設された陸上風力発電装置を示したが、風力発電装置１は洋上を含む任意の場所に設置されていてもよい。
【００３８】
ロータ２は、ブレード４が取り付けられたハブ６に回転シャフト８が連結された構成を有する。すなわち、３枚のブレード４がハブ６を中心として放射状に延びており、それぞれのブレード４が、回転シャフト８と連結されたハブ６に取り付けられている。これにより、ブレード４が受けた風の力によってロータ２全体が回転し、回転シャフト８を介して油圧トランスミッション１０に回転が入力される。なお、ブレード４には、ブレード４のピッチ角を調節するためのアクチュエータ（ピッチ駆動機構）５（図２参照）が取り付けられている。
【００３９】
油圧トランスミッション１０は、図２に示すように、回転シャフト８によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ１２と、同期発電機２０に接続される出力軸１５を有する可変容量型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８を有する。
【００４０】
油圧ポンプ１２の吐出側は、高圧油ライン１６によって油圧モータ１４の吸込側に接続されており、油圧ポンプ１２の吸込側は、低圧油ライン１８によって油圧モータ１４の吐出側に接続されている。油圧ポンプ１２から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入し、油圧モータ１４を駆動する。油圧モータ１４で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油ライン１８を介して油圧ポンプ１２に流入して、油圧ポンプ１２で昇圧された後、再び高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入する。
【００４１】
なお、図２には、油圧モータ１４を１個だけ含む油圧トランスミッション１０を示したが、複数の油圧モータ１４を設けて、それぞれの油圧モータ１４を油圧ポンプ１２に接続してもよい。
【００４２】
油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４は、以下で説明するように、図３及び４で示すような具体的構成を有していてもよい。
【００４３】
油圧ポンプ１２は、図３に示すように、シリンダ８０及びピストン８２により形成される複数の作動室（ワーキングチャンバ）８３と、ピストン８２に係合するカム曲面を有するリングカム８４と、各作動室８３に対して設けられる高圧弁８６および低圧弁８８とにより構成されてもよい。高圧弁８６は、各作動室８３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路８７に設けられ、低圧弁８８は、各作動室８３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路８９に設けられている。
油圧ポンプ１２の運転時において、回転シャフト８とともにリングカム８４が回転すると、カム曲線に合わせてピストン８２が周期的に上下動し、ピストン８２が下死点から上死点に向かうポンプ工程と、ピストン８２が上死点から下死点に向かう吸入工程とが繰り返される。そのため、ピストン８２とシリンダ８０の内壁面によって形成される作動室８３の容積は周期的に変化する。
油圧ポンプ１２では、高圧弁８６および低圧弁８８の開閉制御によって、各作動室８３をアクティブ状態又はアイドリング状態に切替えることができる。作動室８３がアクティブ状態である場合、吸入工程において高圧弁８６を閉じ低圧弁８８を開くことで低圧油ライン１８から作動室８３内に作動油を流入させるとともに、ポンプ工程において高圧弁８６を開き低圧弁８８を閉じることで作動室８３から高圧油ライン１６に圧縮された作動油を送り出す。一方、作動室８３がアイドリング状態である場合、吸入工程及びポンプ工程の両方において、高圧弁８６が閉じて低圧弁８８が開いた状態を維持して、作動室８３と低圧油ライン１８との間で作動油を往復させる（すなわち、高圧油ライン１６には作動油を送り出さない）。したがって、アクティブ状態にある作動室８３の個数の全作動室数に対する割合を変化させることで、油圧ポンプ１２の全体としての押しのけ容積を調節することができる。油圧ポンプ１２の全体としての押しのけ容積の調節は、後述のトランスミッション制御部４０によって行われる。
【００４４】
油圧モータ１４は、図４に示すように、シリンダ９０及びピストン９２により形成される複数の作動室９３と、ピストン９２に係合するカム曲面を有する偏心カム９４と、各作動室９３に対して設けられた高圧弁９６および低圧弁９８とにより構成されてもよい。高圧弁９６は、各作動室９３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路９７に設けられ、低圧弁９８は、各作動室９３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路９９に設けられている。
油圧モータ１４の運転時において、油圧ポンプ１２が作った高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との差圧によって、ピストン９２が周期的に上下動し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン９２が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。油圧モータ１４の運転中、ピストン８２とシリンダ８０の内壁面によって形成される作動室８３の容積は周期的に変化する。
油圧モータ１４は、高圧弁９６および低圧弁９８の開閉制御によって、各作動室８３をアクティブ状態又はアイドリング状態に切替えることができる。作動室９３がアクティブ状態である場合、モータ工程において高圧弁９６を開き低圧弁９８を閉じることで高圧油ライン１６から作動室９３内に作動油を流入させるとともに、排出工程において高圧弁９６を閉じ低圧弁９８を開くことで作動室９３内で仕事をした作動油を低圧油ライン１８に送り出す。一方、作動室９３がアイドリング状態である場合、モータ工程及びポンプ工程の両方において、高圧弁９６が閉じて低圧弁９８が開いた状態を維持して、作動室９３と低圧油ライン１８との間で作動油を往復させる（すなわち、高圧油ライン１６からの高圧油を作動室９３に受け入れない）。これにより、油圧モータ１４は、油圧ポンプ１２と同様に、アクティブ状態にある作動室９３の個数の全作動室数に対する割合を変化させることで、全体としての押しのけ容積を調節することができる。油圧モータ１４の全体としての押しのけ容積の調節は、後述のトランスミッション制御部４０によって行われる。
【００４５】
また、図２に示すように、高圧油ライン１６にはアキュムレータ６４が接続されている。高圧油ライン１６とアキュムレータ６４との間には電磁弁６６を設けてもよい。電磁弁６６の開閉によって、アキュムレータ６４は高圧油ライン１６に連通したり、高圧油ライン１６から切り離されたりする。例えば、高圧油ライン１６における作動油が過剰であるときに、電磁弁６６を開いてアキュムレータ６４に作動油を吸収した後に電磁弁６６を閉じることで、過剰な作動油をアキュムレータ６４に蓄えることができる。この場合、電磁弁６６を再び開くことで、アキュムレータ６４内に蓄えた作動油を高圧油ライン１６に放出することもできる。なお、電磁弁６６が無い運用も可能である。
なお、アキュムレータ６４の圧力は、圧力計６８によって取得されるようになっている。
【００４６】
高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との間には、油圧モータ１４をバイパスするバイパス流路６０が設けられている。そして、バイパス流路６０には、高圧油ライン１６の作動油の圧力を設定圧力以下に保持するリリーフ弁６２が設けられている。これにより、高圧油ライン１６内の圧力がリリーフ弁６２の設定圧力まで上昇すれば、リリーフ弁６２が自動的に開いて、バイパス流路６０を介して低圧油ライン１８に高圧油を逃すことができる。
【００４７】
また、油圧トランスミッション１０には、オイルタンク７０、補充ライン７２、ブーストポンプ７４、オイルフィルタ７６、返送ライン７８、低圧リリーフ弁７９が設けられている。
オイルタンク７０は、補充用の作動油が貯留されている。補充ライン７２は、オイルタンク７０を低圧油ライン１８に接続している。ブーストポンプ７４は、補充ライン７２に設けられ、オイルタンク７０から低圧油ライン１８に作動油を補充するようになっている。
返送ライン７８は、オイルタンク７０と低圧油ライン１８との間に配置されている。低圧リリーフ弁７９は、返送ライン７８に設けられており、低圧油ライン１８内の圧力を設定圧力と同じ又はそれ以下に保持するようになっている。これにより、ブーストポンプ７４によって作動油が低圧油ライン１８に供給されても、低圧油ライン１８内の圧力が低圧リリーフ弁７９の設定圧力に達すれば、低圧リリーフ弁７９が自動的に開いて、返送ライン７８を介してオイルタンク７０に作動油を逃すことができる。
【００４８】
なお、風力発電装置１には、図２に示すように、回転数計３２及び３４と圧力計３１とが設けられている。回転数計３２及び３４は、それぞれ、回転シャフト８の回転速度と油圧モータ１４の出力軸１５の回転速度を計測する。また圧力計３１は、高圧油ライン１６の作動油（高圧油）の圧力を計測する。さらに、ナセル２２の外部に取り付けられて風速を計測する風速計３３や、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度を計測する温度センサ３４が設けられていてもよい。これら各種計測器による計測結果は、トランスミッション制御部４０に送られて、油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の制御に用いてもよい。
【００４９】
油圧モータ１４の出力軸１５には同期発電機２０が連結されている。同期発電機２０は周波数変換回路（例えば、図１２Ｂ及び図１２Ｃの周波数変換回路５３０，５５０）を介さずに電力系統５０に連系されている。そのために、風力発電装置１では、トランスミッション制御部４０による油圧トランスミッション１０の制御により、電力系統５０の周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に基づく同期速度で同期発電機２０が回転する状態を維持している。なお、トランスミッション制御部４０の具体的な制御手法については、後で詳述する。
【００５０】
図５は、同期発電機２０と電力系統５０との間の送電線の構成例を示す図である。同図に示すように、同期発電機２０は、昇圧変圧器５１を介して母線５２に繋がれており、この母線５２は送電線５４によって電力系統５０に接続されている。送電線５４は変電所変圧器５５および回線５６Ａ，５６Ｂを有しており、各回線５６Ａ，５６Ｂにはそれぞれ遮断器５７，５８が設けられている。電力系統５０及び送電線５４に異常がない場合、遮断器５７，５８は全て閉になっており、同期発電機２０で生成された電力が送電線５４内を電力系統５０に向かって矢印方向に送電される。
【００５１】
また、同期発電機２０は、油圧モータ１４の出力軸１５とともに回転する界磁巻線２１と、昇圧変圧器５１に接続される固定電機子（不図示）とを有する。界磁巻線２１には、励磁機１００から直流の界磁電流が供給されるようになっている。
なお、界磁巻線２１に供給される界磁電流の大きさは、励磁機制御部１１０によって制御される。励磁機制御部１１０は、端子電圧検出器（計器用変圧器：Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）５９による同期発電機２０の端子電圧の計測値に基づいて、該端子電圧が設定値（指令値）となるように励磁機１００を制御してもよい。
【００５２】
励磁機１００の具体的構成として、例えば、図５に示すような交流励磁機を採用してもよい。すなわち、励磁機１００は、回転電機子（不図示）及び界磁巻線（固定子）１０２で構成された交流発電機であってもよい。
この場合、励磁機１００は油圧モータ１４の出力軸１５に直結された交流励磁機であり、励磁機１００の回転電機子から出力される交流電流を整流器（回転整流器）１０４によって直流に変換した後、これを界磁電流として同期発電機２０の界磁巻線２１に供給する。界磁巻線２１と、励磁機１００の電機子と、整流器１０３とが、油圧モータ１４の出力軸１５とともに回転する部分である。このように、交流励磁機１００の回転電機子からの交流電流を整流器（回転整流器）１０３で整流して、回転子である界磁巻線２１に供給することで、ブラシを省略することができ、ブラシの保守（定期的交換）が不要になる。風力発電装置は一般的に山岳地や洋上等の僻地に設置されることが多いため、ブラシの保守（定期的交換）が不要であることは、ランニングコストの低減に大きく寄与する。
【００５３】
また、図５に示す例では、励磁機制御部１１０は、励磁機１００の界磁巻線１０２に供給する界磁電流の大きさを変化させることで、同期発電機２０の界磁巻線２１に流れる界磁電流の大きさを調節するようになっている。
この場合、励磁機制御部１１０は、図５で示すように、電圧設定器１１２と、比較回路１１３と、自動電圧調整器（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）１１４と、サイリスタ１１６とで構成してもよい。電圧設定器１１２は、同期発電機２０の端子電圧の設定値を比較回路１１３に出力する。比較回路１１３では、端子電圧検出器５９による同期発電機２０の端子電圧の計測値と、電圧設定器１１２から入力された設定値とを比較して、両者の偏差をＡＶＲ１１４に出力する。ＡＶＲ１１４では、比較回路１１３から出力された上記偏差に基づいて、サイリスタ１１６にゲート信号を供給する。サイリスタ１１６は、励磁機１００の界磁巻線１０２と、油圧モータ１４の出力軸１５に直結された永久磁石発電機（ＰＭＧ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１０６からなる副励磁機との間に設けられている。サイリスタ１１６は、永久磁石発電機（副励磁機）１０６を電源として用いて、励磁機１００の界磁巻線（固定界磁）１０２を励磁する。
このように、油圧モータ１４の出力軸１５に直結され、同期発電機２０と同軸上に設けられた永久磁石発電機１０４をサイリスタ１１６の電源として用いることで、同期発電機２０の電力系統５０への併入前であっても、外部電源を必要とせずに同期発電機２０の励磁を行うことができる。このことは、一般的に外部電源を得にくい性質がある風力発電装置において非常に有利である。
【００５４】
また、同期発電機２０の定態安定度を向上させる観点から、励磁機制御部１１０に電力系統安定化装置（ＰＳＳ：Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）を設けてもよい。例えば、図５に示すように、同期発電機２０で発生した有効電力Ｐｅに基づいて比較回路１１３における比較結果を補正するＰＳＳ１１８を励磁機制御部１１０に設けてもよい。なお、ＰＳＳ１１８は、主として後述の異常事象対応モードにおいて発電機動揺の抑制のために機能する。なお、有効電力Ｐｅは、同期発電機２０の固定電機子から出力される電流及び電圧の計測値から算出可能である。
【００５５】
［通常運転モードにおける風力発電装置の運転制御］
上記構成の風力発電装置１は、電力系統５０や送電線５４における線間短絡、断線、地絡（送電線が地面に接触すること）等の異常事象の発生がない通常運転時には、以下で説明する通常運転モードで油圧トランスミッション１０を制御する。
【００５６】
トランスミッション制御部４０は、図２に示すように、理想トルク算出部４１、トルク目標算出部４２、ポンプ要求値算出部４３、ポンプ制御部４４、ポンプ目標出力算出部４５、モータ目標出力算出部４６、モータ要求値算出部４７、モータ制御部４８及び記憶部４９を備える。
通常運転モードでは、トランスミッション制御部４０は、電力系統５０の周波数に基づく同期速度で同期発電機２０が回転する状態を維持しながら、風速に対して回転シャフト８の回転数が可変となるように油圧トランスミッション１０を制御する。これにより、周波数変換回路を介さずに同期発電機２０を電力系統５０に連系させるとともに、風速に応じた回転数でロータ２を回転させて風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。
【００５７】
以下、通常運転モードにおけるトランスミッション制御部４０の各部の働きについて説明する。トランスミッション制御部４０の役割は、油圧ポンプ１２の制御と油圧モータ１４の制御に大別されるから、ここでは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積を調節するための制御について詳述した後、油圧モータ１４の押しのけ容積を調節するための制御について詳述する。
【００５８】
図６は、トランスミッション制御部４０において油圧ポンプ１２の押しのけ容積が決定される際のシグナルフローを示す図である。同図に示すように、理想トルク算出部４１は、回転数計３２で検出された回転シャフト８の回転数Ｗｒを受け取って、この回転数Ｗｒから油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを決定する。例えば、理想トルク算出部４１は、予め設定されたＷｒ−Ｔｉ関数（回転数Ｗｒと理想トルクＴｉとの関数）を記憶部４９（図２参照）から読み出し、該Ｗｒ−Ｔｉ関数を用いて回転数Ｗｒに対応する理想トルクＴｉを求める。
【００５９】
ここで、記憶部４９に記憶されたＷｒ−Ｔｉ関数の一例について説明する。
図７は、ロータ回転数Ｗｒを横軸にとり、ロータトルクＴを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線を示したグラフである。Ｃｐ最大曲線３００とは、パワー係数Ｃｐが最大となるような座標（Ｗｒ，Ｔ）を結んだ曲線である。Ｃｐ最大曲線３００は、種々の風速（例えば、風速Ｖ０〜Ｖ５）に関してパワー係数Ｃｐが最大となるような座標Ｚ１〜Ｚ５を通る曲線である。
記憶部４９に記憶されるＷｒ−Ｔｉ関数は、図７の太線で示すように、運転点ａ〜運転点ｂの範囲ではＣｐ最大曲線３００で規定され、運転点ｂ〜運転点ｃの範囲ではロータ回転数が定格回転数Ｗｒａｔｅｄで一定となる直線で規定される関数３１０であってもよい。なお、運転点ａに対応する風速Ｖ０はカットイン風速であり、運転点ｃに対応する風速Ｖ４が定格出力に達する風速（定格風速）である。関数３１０により理想トルクＴｉを決定するには、回転数計３２で検出された回転シャフト８の回転数Ｗｒに対応するロータトルクＴ（すなわち理想トルクＴｉ）を関数３１０から求めればよい。
関数３１０を用いることで、カットイン風速Ｖ０〜風速Ｖ３の風速域において、初期回転数Ｗ０から定格回転数Ｗｒａｔｅｄの範囲で、油圧ポンプ１２の回転数（ロータ回転数）Ｗｒを風速に応じて変化させて、パワー係数Ｃｐが最大の条件で運転を行うことができる。すなわち、初期回転数Ｗ０から定格回転数Ｗｒａｔｅｄの可変速範囲において、最大の効率が得られるような運転が可能となる。また、風速Ｖ３〜定格風速Ｖ４の風速域では、油圧ポンプ１２の回転数（ロータ回転数）Ｗｒが定格回転数Ｗｒａｔｅｄに維持される。なお、定格風速Ｖ４〜カットアウト風速の高風速域では、アクチュエータ（ピッチ駆動機構）５によってブレード４のピッチ角が調節されて定格出力に維持される。
【００６０】
このようにして得られた油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉは、図６に示すように、トルク目標算出部４２において修正され、油圧ポンプ１２のトルク目標Ｔｄが求まる。
トルク目標算出部４２は、理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算して、調整理想トルクＭＴｉを算出する。スケール係数Ｍは０〜１の範囲内であればいずれの値であってもよく、好ましくは０．９〜１の範囲内の値である。スケール係数Ｍを乗算することで、油圧ポンプ１２の実際のトルクは理想トルクＴｉよりわずかに低くなり、突風時にはロータ２がより急速に加速することとなる。その結果、理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算しない場合に比べて、より大きな出力を得ることができる。なお、スケール係数Ｍを用いると、ロータ２はより緩慢に減速するため、凪時においては最適な運転点から少し外れて運転することになってしまう。しかし、突風に対して追従させることにより得られる追加出力は、凪時の非最適運転による出力損失より大きい。
【００６１】
また、トルク目標算出部４２によって求まるトルク目標Ｔｄは、調整理想トルクＭＴｉとトルクフィードバックコントローラ２０１の出力値との差であってもよい。トルクフィードバックコントローラ２０１は、トルク目標の現在値と加速トルクとから空気力学的トルクの推定値Ｔaeroを算出する。加速トルクは、ロータ２の角加速度ａｒと、ロータ２の回転慣性モーメントＪとを乗算することにより求められる。トルクフィードバックコントローラ２０１の出力値は、空気力学的トルクの推定値と調整理想トルクとの偏差Ｔexcessである。この偏差にゲインＧを乗算し、補正トルクＴfeedbackを算出する。ゲインＧは０以上のいずれの値であってもよい。ゲインＧを０に設定すれば、トルクフィードバックコントローラ２０１は無効化される。
【００６２】
トルクフィードバックコントローラ２０１は、加速時には調整理想トルクＭＴｉからトルクを減少させてトルク目標Ｔｄをわずかに減少させるとともに、減速時には調整理想トルクＭＴｉにトルクを追加してトルク目標Ｔｄをわずかに増大させることで、ロータ２の加速及び減速に応答する。これにより、調整理想トルクの制御のみの場合に比べて、風からの入力エネルギーの変化に応じて、回転シャフト８をより迅速に加速及び減速させることができる。よって、風から回収できるエネルギーの総量が増加することとなる。
【００６３】
トルク目標算出部４２で求めたトルク目標Ｔｄはポンプ要求値算出部４３に送られて、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値ＤＰの算出に用いられる。トルク目標算出部４２では、高圧油ライン１６の作動油の圧力Ｐｓで除算し、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値Ｄｐを算出する。この要求値Ｄｐは、ＰＩＤ式コントローラであってもよく出力値がコントローラの要求値Ｄｐである圧力リミッタ２０２で補正してもよい。また、圧力リミッタ２０２は、油圧ポンプ１２の圧力を許容範囲内に維持する。つまり、ポンプが要求する作動油移動量を修正することで、風力発電装置の安全運転が可能な最大レベル未満に維持する。リリーフ弁６２を介してエネルギーを消散することが望まれるような運転モード（たとえば極度の突風時には風力発電装置が定格速度以上で動作するのを防止する目的）では、圧力リミットは無効としてもよい。あるいは、圧力リミットは、用途によって異ならせてもよい。なお、ポンプ要求値算出部４３において、高圧油ライン１６の作動油の温度に基づいて、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値ＤＰを補正してもよい。
【００６４】
なお、ポンプ要求値算出部４３は、アジャスタ２０３によって、例えばウィンドファームのファーム制御装置や給電指令所等の外部指令所からの電力要求シグナルに応じて、油圧ポンプ１２のトルク目標Ｔｄを補正してもよい。これにより、外部指令所からの要求に見合った発電量を得ることが可能となる。
【００６５】
このようにして得られた押しのけ容積の要求値ＤＰはポンプ制御部４４に送られて、ポンプ制御部４４によって油圧ポンプ１２の押しのけ容積が要求値ＤＰに調節される。例えば、ポンプ制御部４４は、高圧弁８６及び低圧弁８８を開閉制御して、アクティブ状態の作動室８３の個数の全作動室数に対する割合を変化させることで、油圧ポンプ１２の押しのけ容積を要求値ＤＰに調節してもよい。
【００６６】
図８は、トランスミッション制御部４０において油圧モータ１４の押しのけ容積が決定される際のシグナルフローを示す図である。同図に示すように、ポンプ目標出力算出部４５は、トルク目標算出部４２で求めた油圧ポンプ１２のトルク目標Ｔｄに、回転数計３２で取得された回転シャフト８の回転数Ｗｒを乗算して、油圧ポンプ１２の目標出力のベース値ＰＯＷＥＲ０を算出する。また、ポンプ目標出力算出部４５は、ファーム制御装置や給電指令所等の外部指令所２１０からの電力要求シグナルＳｄに応じて、アジャスタ２１２で出力補正値ＰＯＷＥＲＣを算出する。そして、先に求めた目標出力のベース値ＰＯＷＥＲ０に出力補正値ＰＯＷＥＲＣを加算して、油圧ポンプ１２の目標出力ＰＯＷＥＲＰが決定される。
【００６７】
モータ目標出力算出部４６は、一次ローパスフィルタ（伝達関数Ｈ（ｓ）＝１／（Ｔ・ｓ＋１））により油圧ポンプ１２の目標出力ＰＯＷＥＲＰを処理し、油圧モータ１４のモータ目標出力ＰＯＷＥＲＭを算出する。
次いで、モータ要求値算出部４７は、モータ目標出力ＰＯＷＥＲＭを、油圧センサ３１で測定された高圧油圧力Ｐｓ、及び、回転数計３６で計測された油圧モータ１４の回転数Ｗｍで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求める。
【００６８】
このようにして求めた油圧モータ１４の名目要求値Ｄｎは、油圧ポンプ１２から油圧モータ１４に流れ込む単位時間当たりのエネルギー（すなわちＰＯＷＥＲＭ）を、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓと油圧モータ１４の回転数Ｗｍで除算したものである。よって、仮に油圧モータ１４の回転数Ｗｍが低すぎる場合には、名目要求値Ｄｎが大きくなって油圧モータ１４の回転数Ｗｍを上昇させる。逆に、仮に油圧モータ１４の回転数Ｗｍが高すぎる場合には、名目要求値Ｄｎが小さくなって油圧モータ１４の回転数Ｗｍを低下させる。したがって、油圧モータ１４の回転数Ｗｍを一定（すなわち同期発電機２０の同期速度）に維持することができる。
【００６９】
また、モータ要求値算出部４７では、モータ目標出力ＰＯＷＥＲＭから要求補正値Ｄｂを算出し、上述の名目要求値Ｄｎに加算することで油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを求める。この要求補正値Ｄｂは、例えば、図８に示すように、高圧油ライン１６の目標圧力Ｐｄと、圧力計３１の計測値Ｐｓとの偏差に可変ゲインＫＰを乗算する圧力フィードバックコントローラ２２０によって求めてもよい。
【００７０】
なお、高圧油ライン１６の目標圧力Ｐｄは、予め設定されたモータ目標出力と高圧油ライン１６の目標圧力との関数２３０に、現在のモータ目標出力ＰＯＷＥＲＭを入力して求めてもよい。なお、関数２３０は、少なくとも一部が、モータ目標出力が増加するに従って、高圧油ライン１６の目標圧力が単調増加するような曲線で規定される。そのため、モータ目標出力が大きい（すなわち、油圧ポンプ１２の吐出量が多い）場合に比べて、モータ目標出力が小さい（すなわち、油圧ポンプ１２の吐出量が少ない）場合における高圧油ライン１６の目標圧力Ｐｄが小さな値に設定される。これにより、モータ目標出力が小さい場合における油圧ポンプ１２の吐出量に対する作動油の内部漏れ量を減らして、作動油の内部漏れが油圧トランスミッション１０の制御に及ぼす影響を抑制することができる。
【００７１】
また、可変ゲインＫＰは、関数２３２を用いて、高圧油ライン１６の圧力の現在値（圧力計３１の計測値）Ｐｓ、高圧油ライン１６の圧力の許容範囲における最大値Ｐｍａｘ及び最小値Ｐｍｉｎに応じて決定される。例えば、関数２３０は、圧力の現在値Ｐｓが許容範囲外（すなわち、Ｐｓ＜Ｐｍｉｎ又はＰｓ＞Ｐｍａｘ）の場合には可変ゲインＫＰを最大値Ｋｍａｘに設定し、圧力の現在値Ｐｓが許容範囲内（すなわち、Ｐｍｉｎ≦Ｐｓ≦Ｐｍａｘ）の場合には最小値Ｐｍｉｎ又は最大値Ｐｍａｘに近づくにつれて前記最大値Ｋｍａｘに向かって可変ゲインＫＰを増加させてもよい。これにより、圧力Ｐｓが上記許容範囲から外れそうになった場合、あるいは圧力Ｐｓが上記許容範囲から外れた場合に、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓと目標圧力Ｐｄとの偏差に乗じる可変ゲインＫＰを大きくして（又は最大値Ｋｍａｘに設定して）、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓを迅速に許容範囲内に収め、かつ、目標圧力Ｐｄに近づけることができる。
【００７２】
なお、通常運転モードでは、同期発電機２０の端子電圧は、励磁機制御部１１０による励磁機１００の制御によって一定に維持される。例えば、図５に示すように、比較回路１１３において、端子電圧検出器５９による同期発電機２０の端子電圧の計測値と、電圧設定器１１２から入力された設定値との偏差を求め、該偏差に基づいてＡＶＲ１１４からサイリスタ１１６のゲート信号を供給してもよい。これにより、同期発電機２０の界磁巻線２１に供給される界磁電流の大きさが調節され、同期発電機２０の端子電圧が一定に（電圧設定器１１２から入力された設定値に）維持される。
なお、電圧設定器１１２による発電機端子電圧の設定値（指令値）は、例えば、電力系統５０に適合した電圧である。
【００７３】
以上説明したように、トランスミッション制御部４０は、通常運転モードでは、電力系統５０の周波数に基づく同期速度で同期発電機２０が回転する状態を維持しながら、風速に対して回転シャフト８の回転数が可変となるように油圧トランスミッション１０を制御する。
具体的には、トランスミッション制御部４０は、理想トルク算出部４１により回転シャフト８の理想トルクＴｉを求め、該理想トルクＴｉに基づいてトルク目標算出部４２により油圧ポンプ１２のトルク目標Ｔｄを決定する。さらに、トランスミッション制御部４０は、ポンプ要求値算出部４３によってトルク目標Ｔｄから油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値ＤＰを決定し、ポンプ制御部４４により油圧ポンプ１２の押しのけ容積を前記要求値ＤＰに調節する。これにより、風速に応じた回転数でロータ２を回転させて（すなわち、可変速運転を行って）、発電効率を向上させることができる。
また、トランスミッション制御部４０は、油圧ポンプ１２の目標出力ＰＯＷＥＲＰに基づいてモータ目標出力算出部４６により油圧モータ１４の目標出力ＰＯＷＥＲＭを算出する。さらに、トランスミッション制御部４０は、モータ要求値算出部４７によって目標出力ＰＯＷＥＲＭに基づいて、同期発電機２０の回転数が電力系統５０の周波数に応じた同期速度となるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値ＤＭを決定し、モータ制御部４８によって油圧モータ１４の押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節する。これにより、同期発電機２０の回転数が同期速度に維持され、周波数変換回路を介さずに同期発電機２０を電力系統５０に連系させることができる。
【００７４】
［異常事象対応モードにおける風力発電装置の運転制御］
電力系統５０または送電線５４において線間短絡、断線、地絡（送電線が地面に接触すること）等の異常事象が発生すると、電力系統５０側に送ることのできる電力が制限され、同期発電機２０の電気的出力（有効電力）が瞬時に低下する。その結果、油圧モータ１４からの機械的入力が同期発電機２０の電気的出力に対して過剰になり、同期発電機２０の内部相差角が急激に増加して、同期発電機２０の脱調が起きてしまうおそれがある。
このような現象は、異常事象発生直後の極めて短い期間（例えば数ミリ秒〜数秒）に起きる。よって、周波数変換回路（５３０，５５０）がバッファとして機能しうる従来の風力発電装置（図１２Ｂ及び図１２Ｃ参照）とは異なり、異常事象による影響が同期発電機２０に直接及ぶ本実施形態の風力発電装置１では、異常事象発生直後から非常に迅速な対応を採る必要がある。
そのため、エネルギー伝達経路（ロータ２→油圧ポンプ１２→油圧モータ１４→同期発電機２０）の上流側から下流側に向かって制御パラメータを決定していく前述の通常運転モードでは異常事象に十分に対応できない。すなわち、通常運転モードでは、同期発電機２０とともに油圧モータ１４の実際に回転数が上昇したことを受けて油圧モータ１４の押しのけ容積を減少させ始めるが、そのような制御では同期発電機２０の脱調を効果的に防止することは難しい。
【００７５】
そこで、本実施形態では、電力系統５０や送電線５４における異常事象の発生時、前述の通常運転モードとは異なる異常事象対応モードで風力発電装置１の運転を行う。
異常事象対応モードでは、エネルギー伝達経路の上流側から下流側に向かって制御パラメータを決定していく通常運転モードとは異なり、エネルギー伝達経路の下流側から上流側に向かって制御パラメータを決定していく。すなわち、異常事象対応モードでは、異常事象発生直後に同期発電機２０の界磁巻線に供給する界磁電流を制御するとともに、同期発電機２０の電気的出力（発生電力）の変動に追従するように、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭの調節を行い、必要に応じてピッチ制御や油圧ポンプ１２の制御も行う。
なお、同期発電機２０の端子電圧や同期発電機２０からの発生電力の急減に応じて、低電圧検出信号（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔ）が出力され、この信号によって通常運転モードによる運転制御から異常事象対応モードによる運転制御に切替えられるようになっていてもよい。
【００７６】
ここで、異常事象としての短絡（線間短絡や地絡）が回線５６Ｂ（図５参照）の遮断器５８，５８間で発生した場合において、励磁機制御部１１０とトランスミッション制御部４０による制御の具体例について説明する。
【００７７】
図９は、短絡事故発生前後における有効電力Ｐｅと内部相差角Ａとの関係を示すグラフである。
回線５６Ｂの遮断器５８，５８間で短絡が発生すると、短絡事故発生とほぼ同時に、同期発電機２０の端子電圧が急激に低下し、同期発電機２０から出力される有効電力Ｐｅも急低下する（図９の状態１→状態２）。その後、遮断器５８，５８が開いて回線５６Ｂが遮断され、回線５６Ｂにおける短絡事故が除却され、同期発電機２０から出力される電力は回復する（状態３）。しかし、残った回線５６Ａのみでの送電であるから、同期発電機２０から出力される電力は短絡事故発生前のレベル（状態１）まで回復することはない。
【００７８】
短絡事故発生前は、状態１におけるＰｅ−Ａ曲線上のｌ点で同期発電機２０が運転されており、このときの内部相差角ＡはＡ０である。ｌ点は、油圧モータ１４からの機械的入力Ｐｍ（図８のモータ目標出力ＰＯＷＥＲＭに略一致）と状態１におけるＰｅ−Ａ曲線との交点である。仮に内部相差角ＡがＡ０から少しでも逸脱すると、内部相差角ＡをＡ０に戻そうとする同期化力ｄＰ／ｄＡが働くため、内部相差角ＡはＡ０で安定している。
ところが、短絡事故が発生すると、同期発電機２０のＰｅ−Ａ曲線は状態１から状態２に瞬時に降下する。一方、短絡事故が発生した直後は、同期発電機２０の回転子の慣性によって、内部相差角ＡはＡ０のままである。そのため、短絡事故発生によって、同期発電機２０の運転点はｌ点からｍ点に瞬時に移行する。このとき、油圧モータ１４からの機械的入力Ｐｍが、同期発電機２０の電気的出力Ｐｅに対して過剰になり、同期発電機２０の回転子が加速されて、ｍ点からｎ点に向かって同期発電機２０の運転点が移動する。そのため、内部相差角ＡはＡ０からＡ１に向かって増加する。
そして、内部相差角ＡがＡ１に達したときに、遮断器５８，５８が開いて短絡事故が除却される。これにより、同期発電機２０のＰｅ−Ａ曲線は状態２から状態３に瞬時に増加する。一方、短絡事故が除去された直後は、同期発電機２０の回転子の慣性によって、内部相差角ＡはＡ１のままである。そのため、短絡事故の除去によって、同期発電機２０の運転点はｎ点からｏ点に瞬時に移行する。よって、同期発電機２０の電気的出力Ｐｅが油圧モータ１４からの機械的入力Ｐｍを上回るようになり、同期発電機２０の回転子が減速され始める。したがって、内部相差角ＡはＡ２に達した後に減少に転じ、それ以降の内部相差角は増加と減少とを繰り返して振動するが、最終的には同期発電機２０のダンピング力によって減衰して安定になる。
なお、内部相差角Ａの折り返し点であるｐ点は、油圧モータ１４からの入力Ｐｍと状態２におけるＰｅ−Ａ曲線で囲まれる面積Ｓ１で表される加速エネルギーと、状態３におけるＰｅ−Ａ曲線と油圧モータ１４の出力Ｐｍで囲まれる面積Ｓ２で表される減速エネルギーとが一致する運転点である。
【００７９】
本実施形態では、異常事象発生直後に、励磁機制御部１１０が励磁機１００を制御して、同期発電機２０の界磁巻線２１に供給される界磁電流を増加させる。これは、図９における状態２又は３におけるＰｅ−Ａ曲線を上方に持ち上げることを意味する。内部相差角Ａの同一の変化量についてみれば、Ｐｅ−Ａ曲線が持ち上げられることで、加速エネルギー（面積Ｓ１）が小さくなり、減速エネルギー（面積Ｓ２）が大きくなることは明らかである。そのため、より早い段階で加速エネルギー（面積Ｓ１）に釣り合う減速エネルギー（面積Ｓ２）を確保できるから、内部相差角Ａの折り返し点であるｐ点を初期の運転点ｌ点寄りにすることができる。したがって、異常事象発生後の同期発電機２０の第一波動揺（Ａ２−Ａ０）が抑制され、過渡安定度が向上する。
このような過渡安定度を向上させるための励磁機１００の制御は、例えば図５に示すようなＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６を用いたサイリスタ方式の超速応励磁制御によって好適に行うことができる。
【００８０】
なお、超速応励磁制御を用いて同期発電機の過渡安定度を向上させる技術は、蒸気タービンやガスタービンを用いた発電設備において確立されたものであるが、これを再生エネルギー型発電装置に適用することは知られていない。これは従来の再生エネルギー型発電装置では、周波数変換回路を介して発電機を電力系統に連系していたため、周波数変換回路がバッファとして機能し、発電機の過渡安定度がそれほど問題にならなかったためである。
【００８１】
異常事象発生による発電機端子電圧の低下直後に同期発電機２０を増磁すると、既に説明したように同期発電機２０の第一波動揺が抑制され過渡安定度が向上するものの、応答性が良いためにかえって第一波動揺以降の定態安定度が低下するおそれがある。
そこで、励磁機制御部１１０は、同期発電機２０の内部相差角Ａの増大時に界磁巻線２１の界磁電流が増加し、同期発電機２０の内部相差角Ａの減少時に界磁巻線２１の界磁電流が減少するように励磁機１００を制御してもよい。この場合、図５に示すＰＳＳ１１８を用いて、電力検出器１１９により検出された同期発電機２０の発生電力Ｐｅに基づいて、同期発電機２０の内部相差角Ａの増大時には増磁を行い、同期発電機２０の内部相差角Ａの増大時には減磁を行うようにしてもよい。
【００８２】
ところで、蒸気タービンを用いた発電設備では、ガバナ制御装置によって、タービン出力を調節して発電機回転数を一定に維持するようになっている。しかし、ガバナ制御装置は、蒸気タービンにおける蒸気加減弁やインターセプト弁を開閉して、蒸気タービンに流入する蒸気量を加減することでタービン出力を調節するため、動作開始までに少なくとも数秒は必要である。そのため、蒸気タービンやガスタービンを用いた発電設備では、異常事象への対応は専ら超速応励磁制御やＰＳＳに頼っている。
これに対し、本実施形態の風力発電装置１では、異常事象発生直後〜数秒の短時間において、油圧モータ１４の出力制御を行うことは可能である。とりわけ、図４で示す構成の油圧モータ１４の場合、出力軸１５の回転数が高速（例えば１５００又は１８００ｒｐｍ）であること、油圧室９３が出力軸１５の周方向に複数設けてもよいことを考慮すれば、数ミリ秒〜数十ミリ秒の間に押しのけ容積を調節してモータ出力を制御することは十分に可能である。
【００８３】
そこで、異常事象対応モードでは、トランスミッション制御部４０は、油圧モータ１４から同期発電機２０に入力されるトルクの同期発電機２０の負荷トルクに対する偏差が小さくなるように油圧モータ１４の押しのけ容積を調節し、油圧モータ１４の出力を制御してもよい。すなわち、図９における油圧モータ１４から同期発電機２０への機械的入力Ｐｍを上下動させることで、機械的入力Ｐｍと同期発電機２０の電気的出力（発生電力）Ｐｅとの差を任意に調整し、内部相差角Ａの安定化に寄与できる。よって、異常事象に起因する同期発電機２０の動揺を迅速に抑制できる。
【００８４】
具体的には、異常事象対応モードにおいて、モータ要求値算出部４７により、同期発電機２０で発生した電力に基づいて、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値ＤＭを決定し、モータ制御部４８によって油圧モータ１４の押しのけ容積を前記要求値ＤＭに調節してもよい。
このように、同期発電機２０で発生した電力に基づいて決定した要求値ＤＭに油圧モータ１４の押しのけ容積を調節することで、異常事象発生後における同期発電機２０の発生電力の変動に追従して油圧モータ１４の押しのけ容積を変化させることができる。したがって、同期発電機２０の負荷トルクの急激な変化に油圧モータ１４のトルクを追従させて、異常事象に起因する同期発電機２０の動揺を迅速に抑制できる。
【００８５】
また異常事象発生時は、同期発電機２０の端子電圧が通常運転時に比べて低下しているから、同期発電機２０から電力系統５０に向けて出力可能な電力（同期発電機２０の発生電力）も通常運転時に比べて小さい。そのため、同期発電機２０の発生電力に基づいて決定した要求値ＤＭに油圧モータ１４の押しのけ容積を調節すると、油圧モータ１４の出力が低下して、油圧ポンプ１２の出力が過剰になる。
そこで、油圧ポンプ１２から吐出される高圧油の余剰分をアキュムレータ６４に蓄積してもよい。具体的には、アキュムレータ６４と高圧油ライン１６との間に電磁弁６６が設けられている場合、異常事象発生直後に電磁弁６６を開いてアキュムレータ６４を高圧油ライン１６に連通させて、余剰な高圧油をアキュムレータ６４に蓄積させてもよい。これに対し、アキュムレータ６４が高圧油ライン１６に直接接続されている場合、即ち電磁弁６６が設けられていない場合、異常事象発生後に余剰な高圧油が自然とアキュムレータ６４に蓄積されるので、特段の処理を採る必要はない。
なお、アキュムレータ６４に高圧油を受け容れることができなくなったら、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓがリリーフ弁６２の設定圧力に達するまで上昇し、それ以降はリリーフ弁６２が開き、バイパス流路６０を介して低圧油ライン１８に余剰な高圧油が逃がされる。
【００８６】
また、異常事象対応モードにおける油圧ポンプ１２の出力と油圧モータ１４の出力のアンバランスを解消すべく、アクチュエータ（ピッチ駆動機構）５がブレード４のピッチ角をフェザー側への変化に転ずるようにしてもよい。これにより、油圧ポンプ１２の過速（油圧ポンプ１２の回転数が過剰になること）を防止しながら、油圧モータ１４の出力低下に応じて油圧ポンプ１２の出力をある程度絞ることができる。
なお、油圧ポンプ１２の出力を絞ってもなお油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の出力が互いに均衡しない場合、アキュムレータ６４に余剰な高圧油を蓄積したり、バイパス流路６０を介して余剰な高圧油を低圧油ライン１８に逃がしたりしてもよい。
【００８７】
また、遮断器５８を開くことで回線２の短絡事故から復旧した後、アクチュエータ（ピッチ駆動機構）５がブレード４のピッチ角をファイン側に戻すとともに、モータ要求値算出部４７は同期発電機２０によって発電される電力が増えるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値ＤＭを増加させてもよい。
これにより、異常事象からの復旧開始後、油圧モータ１４の押しのけ容積を増大させて発電量を増やすことができる。
【００８８】
以上説明したように、異常事象対応モードでは、異常事象発生直後に同期発電機２０の界磁巻線２１に供給する界磁電流を制御するとともに、同期発電機２０の発生電力の変動に追従するように、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭの調節を行い、必要に応じてピッチ制御や油圧ポンプ１２の制御も行う。
具体的には、異常事象発生により同期発電機２０の端子電圧が低下した直後、励磁機制御部１１０によって、界磁巻線２１に供給する界磁電流を増加するように励磁機１００を制御する。これにより、同期発電機２０の同期化力が大きくなって、異常事象発生後の同期発電機２０の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。
また、励磁機制御部１１０は、界磁巻線２１に供給する界磁電流を励磁機１００によって増加させた後、同期発電機２０の内部相差角Ａの増大時に前記界磁電流が増加し、内部相差角Ａの減少時に前記界磁電流が減少するように励磁機１００を制御してもよい。これにより、定態安定度が向上し、同期発電機の動揺を速やかに抑制できる。
また、トランスミッション制御部４０は、異常事象対応モードでは、異常事象発生により同期発電機２０の端子電圧が低下したとき、油圧モータ１４から同期発電機２０に入力されるトルクの同期発電機２０の負荷トルクに対する偏差が小さくなるように油圧モータ１４の押しのけ容積を調節する。例えば、トランスミッション制御部４０は、異常事象対応モードにおいて、同期発電機２０で発生した電力に基づいて油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値ＤＭをモータ要求値算出部４７により決定し、油圧モータ１４の押しのけ容積をモータ制御部４８により前記要求値ＤＭに調節してもよい。これにより、発電機トルクの急激な変化に油圧モータトルクを追従させることができ、異常事象に起因する同期発電機２０の動揺を迅速に抑制できる。
【００８９】
ここで、異常事象対応モードによる制御を適用した具体例をいくつか挙げる。図１０及び１１は、電力系統５０又は送電線５４に異常事象が起きた場合の各種パラメータの経時変化を示すグラフである。
【００９０】
図１０に示す例では、異常事象発生前は、発電機２０の端子電圧Ｖｔが定格値Ｖｒａｔｅｄで安定している。ところが、時刻ｔ０において異常事象が発生し、端子電圧Ｖｔが瞬時に低下する。これにより、低電圧検出信号（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔ）が出力され、風力発電装置１の運転制御が通常運転モードから異常事象対応モードに切り替わる。なお、この例では、端子電圧Ｖｔが定格値Ｖｒａｔｅｄの９０％以下であるときに、低電圧検出信号が出力されるようになっている。
端子電圧Ｖｔの急減にともない、比較回路１１３の出力値、すなわち端子電圧の指令値と端子電圧検出器５９の計測値との偏差は、急激に大きくなる。そのため、励磁機１００は、励磁機制御部１１０（具体的にはＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６）による制御下で、同期発電機２０の界磁巻線２１に供給される界磁電流（Ｅｘｃｉｔｅｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）を増加させる。これにより、同期発電機２０の内部相差角Ａの急激な増加が抑制され、同期発電機２０の過渡的安定性が向上する。なお、図１０には明確に示されていないが、ＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６による制御下で励磁機１００が界磁電流を増加した後、ＰＳＳ１１８による制御で界磁電流が調整され、同期発電機２０の定態安定性を向上させている。
また、時刻Ｔ０において異常事象が発生した後、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭは同期発電機２０で発生した電力Ｐｅに基づいて調節されて減少する。（ただし、界磁巻線２１に供給される界磁電流の増加によって、同期発電機２０の電気的出力Ｐｅが既に上昇しており、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭはそれほど大幅に減少させる必要はない。）これにより、油圧モータ１４からの機械的入力Ｐｍ（図９参照）が低下し、機械的入力Ｐｍと同期発電機２０の電気的出力（発生電力）Ｐｅとの差が小さくなり、異常事象発生による内部相差角Ａの増加が抑制される。よって、異常事象に起因する同期発電機２０の動揺を迅速に抑制できる。
さらに、時刻Ｔ０において異常事象が発生した後、アクチュエータ（ピッチ駆動機構）５によってブレード４のピッチ角の調節が開始され、ピッチ角はフェザー側への変化に転ずる。ただし、アクチュエータ５によるピッチ角調節は、例えば３ｄｅｇ／ｓ〜６ｄｅｇ／ｓ程度の変化速度でしかピッチ角を変更することができないため、励磁機制御部１１０や油圧モータ１４における他の制御と比べて、異常事象に対する応答の遅れが生じやすい。なお、ブレード４のピッチ角をフェザー側に変更した結果、油圧ポンプ１２の過速を防止しながら、油圧モータ１４の出力低下に応じて油圧ポンプ１２の出力をある程度絞ることができる。
さらに、油圧ポンプ１２の出力を絞ってもなお油圧ポンプ１２の出力が油圧モータ１４の出力に対して過剰であるため、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓが上昇するとともに、アキュムレータ６４に余剰な高圧油が蓄積される。その結果、アキュムレータ６４における高圧油の蓄積量Ｖａｃｃは時刻ｔ０から急激に増加していく。
【００９１】
この後、時刻ｔ１において、異常事象が復旧されると、端子電圧Ｖｔは回復し始め、時刻ｔ２には定格値Ｖｒａｔｅｄの９０％に達し、時刻ｔ３では定格値Ｖｒａｔｅｄの９４％に達する。例えば、時刻ｔ１は時刻ｔ０から０．１４秒経過後の時点であり、時刻ｔ３は時刻ｔ０から０．５秒経過後の時点である。
異常事象からの復旧による端子電圧Ｖｔの回復にともない、比較回路１１３の出力値、すなわち端子電圧の指令値と端子電圧検出器５９の計測値との偏差は小さくなる。そのため、励磁機１００は、励磁機制御部１１０（具体的にはＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６）による制御下で、同期発電機２０の界磁巻線２１に供給される界磁電流（Ｅｘｃｉｔｅｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）を減少させる。
また、異常事象からの復旧により端子電圧Ｖｔが定格値Ｖｒａｔｅｄの９０％に達すると（時刻ｔ２）、定電圧検出信号の出力が止んで、風力発電装置１の運転制御は異常事象対応モードから通常運転モードに切り替わる。
そのため、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭは、異常事象から復旧して定格値Ｖｒａｔｅｄの９０％に達する時刻ｔ２において増加し始める。これにより、異常事象からの復旧後、風力発電装置１の発電量を増やすことができる。
また、時刻ｔ２以降、アクチュエータ（ピッチ駆動機構）５によってブレード４のピッチ角が徐々にファイン側に戻され、これに対応して油圧ポンプ１２の押しのけ容積ＤＰも徐々に増大する。このとき、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭの増加速度に比べてゆったりと、ブレード４のピッチ角および油圧ポンプ１２の押しのけ容積ＤＰを変化させることで、アキュムレータ６４に蓄積された高圧油が放出されるとともに、高圧油ライン１６の圧力Ｐｓも低下する。
【００９２】
図１１に示す例は、異常事象発生により端子電圧Ｖｔが瞬時に略ゼロまで低下する点で図１０に示す例と異なる。ここでは、この相違点が、異常事象対応モードにおける制御にどのような影響を与えるのかを中心に説明し、図１０に示す例と共通する制御内容については説明を省略する。
なお、図１１に示す例では、時刻ｔ１は時刻ｔ０から０．１５秒経過後の時点であり、時刻ｔ２は時刻ｔ０から０．７秒経過後の時点であり、時刻ｔ３は時刻ｔ０から１．５秒経過後の時点である。
【００９３】
図１１に示すように、異常事象発生前は端子電圧Ｖｔが定格値Ｖｒａｔｅｄで安定しているが、時刻ｔ０において異常事象が発生すると、端子電圧Ｖｔが瞬時に略ゼロまで低下する。これにより、低電圧検出信号（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔ）が出力され、風力発電装置１の運転制御が通常運転モードから異常事象対応モードに切り替わる。
端子電圧Ｖｔの急減にともない、比較回路１１３の出力値、すなわち端子電圧の指令値と端子電圧検出器５９の計測値との偏差は、急激に大きくなる。そのため、励磁機１００は、励磁機制御部１１０（具体的にはＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６）による制御下で、同期発電機２０の界磁巻線２１に供給される界磁電流（Ｅｘｃｉｔｅｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）を増加させる。ただし、図１０に示す例とは異なり、時刻ｔ０において端子電圧Ｖｔが略ゼロまで低下したため、同期発電機２０の電気的出力Ｐｅは略ゼロであり、界磁巻線２１に供給される界磁電流を増加させても同期発電機２０の動揺抑制にあまり効果がない。
また、時刻Ｔ０において異常事象が発生した後、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭは同期発電機２０で発生した電力Ｐｅに基づいて調節されて減少する。このとき、界磁巻線２１に供給される界磁電流を増加させても同期発電機２０の電気的出力Ｐｅが略ゼロであることから、油圧モータ１４からの機械的出力Ｐｍと同期発電機２０の電気的出力Ｐｅをバランスさせようとして、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭは略ゼロまで低減される。これにより、機械的入力Ｐｍと同期発電機２０の電気的出力（発生電力）Ｐｅとの差が小さくなり、異常事象発生による内部相差角Ａの増加が抑制される。よって、異常事象に起因する同期発電機２０の動揺を抑制できる。
【００９４】
図１０に示す例では、時刻ｔ０〜ｔ１における端子電圧Ｖｔは略ゼロではないために、主として励磁機制御部１１０（具体的にはＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６とＰＳＳ１１８）を用いた界磁電流の制御によって、同期発電機２０の動揺を抑制できる。したがって、異常事象発生直後に、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭを略ゼロに低減する必要はない。
これに対して、図１１に示す例では、時刻ｔ０〜ｔ１における端子電圧Ｖｔは略ゼロであるために、励磁機制御部１１０（具体的にはＡＶＲ１１４及びサイリスタ１１６とＰＳＳ１１８）を用いた界磁電流の制御は、同期発電機２０の動揺抑制にそれほど寄与しない。そのため、異常事象発生直後から、油圧モータ１４の押しのけ容積ＤＭを略ゼロまで急減することで、同期発電機２０の動揺が抑制される。
このように、異常事象の態様によって、同期発電機２０の動揺を抑制するための制御内容が異なっていてもよい。
【００９５】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９６】
１            風力発電装置
２            ロータ
４            ブレード
６            ハブ
８            回転シャフト
１０          油圧トランスミッション
１２          油圧ポンプ
１４          油圧モータ
１５          出力軸
１６          高圧油ライン
１８          低圧油ライン
２０          同期発電機
２１          界磁巻線
２２          ナセル
２４          タワー
３１          圧力計
３２          回転数計
３３          風速計
３４          雰囲気温度センサ
３６          回転数計
４０          トランスミッション制御部
４１          理想トルク算出部
４２          トルク目標算出部
４３          ポンプ要求値算出部
４４          ポンプ制御部
４５          ポンプ目標出力算出部
４６          モータ目標出力算出部
４７          モータ要求値算出部
４８          モータ制御部
４９          記憶部
５０          電力系統
５１          昇圧変圧器
５２          母線
５４          送電線
５５          変電所変圧器
５６Ａ        回線
５６Ｂ        回線
５７，５８    遮断器
５９          端子電圧検出器
６０          バイパス流路
６２          リリーフ弁
６４          アキュムレータ
６６          電磁弁
６８          圧力計
７０          オイルタンク
７２          補充ライン
７４          ブーストポンプ
７６          オイルフィルタ
７８          返送ライン
７９          低圧リリーフ弁
１００        励磁機（交流励磁機）
１０２        界磁巻線
１０３        回転整流器
１０６        永久磁石発電機
１１０        励磁機制御部
１１２        電圧設定器
１１３        比較回路
１１４        自動電圧調整器（ＡＶＲ）
１１６        サイリスタ
１１８        電力系統安定化装置（ＰＳＳ）
２０１        トルクフィードバックコントローラ
２０２        圧力リミッタ
２０３        アジャスタ
２１０        外部指令所
２１２        アジャスタ
２２０        圧力フィードバックコントローラ
３００        Ｃｐ最大曲線
３１０        Ｗｒ−Ｔｉ関数
５００        増速機
５１０        かご型誘導発電機
５２０        二次巻線誘導発電機
５３０        ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ（周波数変換回路）
５４０        同期発電機
５５０        ＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク（周波数変換回路）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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