(57)【要約】【課題】風力発電用電力変化装置において、系統電圧低下中でも、電力を供給しながら運転を継続させる。【解決手段】発電に寄与する駆動力によって電力を発電する同期発電機２と、同期発電機の出力を交直変換および直交変換する電力変換部１と、電力変換部１から電力が供給される系統３と、を備えた風力発電用電力変換装置において、電力変換部１の直流電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃ*を超えた場合、同期発電機２を力行動作させる。これにより、回生エネルギーによる直流電圧Ｖｄｃの上昇を抑えることができ、電力変換部１の直流部４が過電圧故障レベル以上となり、電力変換部１が停止することを抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に寄与する駆動力によって電力を発電する同期発電機と、
同期発電機の出力を交直変換および直交変換する電力変換部と、
電力変換部から電力が供給される系統と、を備えた風力発電用電力変換装置において、
電力変換部の直流電圧検出値が直流電圧指令値を超えた場合、同期発電機を力行動作させることを特徴とする風力発電用電力変換装置。
【請求項２】
風車の回転速度が、過速度よりも低い値に予め設定されたプレ過速度よりも大きくなった場合、力行動作している風車の回転速度を抑制することを特徴とする風力発電用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期発電機を用いた風力発電用電力変換装置において、系統事故等の影響により系統電圧が低下した時に、故障停止することなく運転動作を継続させる制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は風力発電用電力変換装置の主回路を示し、同期発電機２で発電した電力を電力変換部１において交直変換、直交変換して系統３に供給している。
【０００３】
図７は風力発電用電力変換装置の制御回路である。風力発電用電力変換装置の制御回路では、図７に示すように、直流電圧制御部６において直流電圧指令値Ｖｄｃ*と直流電圧検出値ＶｄｃとをＰＩ演算し、この演算結果をリミッタ７でリミッタ処理し、電流指令値Ｉ*を算出する。
【０００４】
この電流指令値Ｉ*と電流検出値Ｉとを電流制御器８に入力し、ＰＩ演算して電圧指令値Ｖ*を算出する。この電圧指令値Ｖ*により電力変換部１のインバータ１ｃを駆動し、系統３に電力を供給する。また、インバータ１ｃと系統３との間に電流検出器１０を設け、この電流検出器１０で検出された電流検出値Ｉを電流制御器８に出力している。
【０００５】
同期発電機２で１００％発電している場合、系統３の事故等の影響により系統電圧が低下すると、電力変換部１には電流制限があるため、おおよそ系統電圧が低下した割合で系統３に送電できる電力が低減する。
【０００６】
このとき電力変換部１は電力変換部１の最大出力電流まで系統３に電力を送電できるが、系統３に送電できる有効電力が、同期発電機２が生成する有効電力よりも小さくなったとき、この同期電動機２が生成する有効電力と系統３に送電できる有効電力との差分が直流部４に蓄積されることになる。
【０００７】
したがって、上記のような場合、図６に示すような風力発電用電力変換装置の制御回路では、直流電圧一定制御ができなくなり、直流部４の電圧が上昇する。図８に示すように、系統電圧が低下する時間が長い場合、直流部４の電圧が上昇し続けて過電圧故障レベル以上となり、電力変換部１は停止することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１２５１４４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３１６２４号公報
【特許文献３】特開２００４−１９４４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
系統電圧の低下に起因する直流部４の過電圧故障による電力変換部１の停止は即座に復旧ができない場合が多く、電力安定供給の妨げとなる。風力発電用電力変換装置の使用において、多数の電力変換部１が系統３につながれた場合、同時に系統３への電力供給を止めると他の機器が遮断されたエネルギーを補おうとし、系統電源が不安定となるか、最悪の場合は停電となってしまう恐れがある。
【００１０】
以上示したようなことから、風力発電用電力変化装置において、系統電圧低下中でも、電力を供給しながら運転を継続させることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、発電に寄与する駆動力によって電力を発電する同期発電機と、同期発電機の出力を交直変換および直交変換する電力変換部と、電力変換部から電力が供給される系統と、を備えた風力発電用電力変換装置において、電力変換部の直流電圧検出値が直流電圧指令値を超えた場合、同期発電機を力行動作させることを特徴とする。
【００１２】
また、その一態様として、風車の回転速度が、過速度よりも低い値に予め設定されたプレ過速度よりも大きくなった場合、力行動作している風車の回転速度を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、風力発電用電力変化装置において、系統電圧低下中でも、電力を供給しながら運転を継続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１における風力発電用電力変化装置の制御回路を示すブロック図である。
【図２】実施形態１における風力発電用電力変化装置において、系統電圧が低下した場合の各波形を示すタイムチャートである。
【図３】風車の回転数とトルクおよび出力電力の関係を示す特性図である。
【図４】実施形態２における風力発電用電力変化装置の制御回路を示すブロック図である。
【図５】実施形態２における風力発電用電力変化装置において、系統電圧が低下した場合の各波形を示すタイムチャートである。
【図６】風力発電用電力変化装置の主回路を示す概略図である。
【図７】従来の風力発電用電力変化装置の制御回路を示すブロック図である。
【図８】従来の風力発電用電力変化装置において、系統電圧が低下した場合の各波形を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本願発明に係る風力発電用電力変換装置における実施形態１，２を図１〜図６に基づいて詳述する。
【００１６】
［実施形態１］
本実施形態１における風力発電用電力変化装置の主回路は、図６と同様に構成されている。図６に示すように、同期発電機２には電力変換部１が接続されている。同期電動機２は、発電に寄与する駆動力によって電力を発電する。電力変換部１は、同期発電機２から出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ１ａと、コンバータ１ａで直流に変換されたエネルギーを充電するコンデンサ１ｂと、コンデンサ１ｂに充電されたエネルギーを交流電圧に変換するインバータ１ｃと、を有している。インバータ１ｃから出力された交流電圧は変圧器５を介して系統３に供給される。
【００１７】
制御回路は、図１に示すように、トルク指令値Ｔ*から後述する補正トルク指令値Ｔｃ１*を減算する。ここで、トルク指令値Ｔ*は発電のためのトルク指令値であり、補正トルク指令値Ｔｃ１*は風車の回転速度を増速させるためのトルク指令値である。
【００１８】
この減算結果をリミッタ１１でリミッタ処理し、電流指令演算部１２に出力する。電流指令演算部１２では、リミッタ１１の出力値に基づいて電流指令値Ｉ*を演算し、電流制御部８に出力する。電流制御部８では、電流指令値Ｉ*と電流検出値ＩとをＰＩ演算し、この演算結果を電圧指令値Ｖ*として出力する。
【００１９】
この電圧指令値Ｖ*によりインバータ１ｃを駆動し、系統３に電力を供給する。また、電力変換器１ｃと系統３との間に電流検出器１０を介挿し、この電流検出器１０で検出された電流検出値Ｉを電流制御器８に出力する。
【００２０】
直流電圧抑制部１３では、風車速度を増速させる補正トルク指令Ｔｃ１*を算出する。まず、直流電圧指令値Ｖｄｃ*と直流部４から検出された直流電圧検出値Ｖｄｃを直流電圧制御部１４に入力してＰＩ演算し、この演算結果をリミッタ１５でリミッタ処理し、補正トルク指令値Ｔｃ１*を算出する。
【００２１】
系統電圧が低下した場合、系統３に送電できる電力が少なくなるため、同期発電機２からのエネルギーが直流部４に余剰電力として蓄積される。
【００２２】
この時、同期発電機２を加速させる補正トルク指令値Ｔｃ１*を与えることにより、同期発電機２を電動機として運転させるモードとし、風車の回転速度を増加させる。その結果、風車の慣性エネルギーを増大させることで直流部４に蓄積されたエネルギーを消費させて、直流部４の電圧を低下させる。この後、直流電圧を安定させて系統３に電力供給する。
【００２３】
図２は系統電圧が低下した場合の各波形を示すタイムチャートであり、図３は風車の回転数とトルクおよび出力電力の関係を示す特性図である。図３に示すＷＴ１〜ＷＴ４は風速のパラメータである。図示していないが、風速をパラメータにした系統電圧に対するトルク指令値Ｔ*は上位コントローラから出力される。
【００２４】
例えば、図３における風車が風速ＷＴ２で、トルクＡ１，出力電力Ｂ１で運転していることを想定する。時刻ｔ１までは補正トルク指令値Ｔｃ１*は０であり、電流指令演算部１２に入力されるトルク指令値は発電のためのトルク指令値Ｔ*のみである。この時刻ｔ１までは直流電圧指令値Ｖｄｃ*≒直流電圧検出値Ｖｄｃである。時刻ｔ１で系統電圧の低下により、系統３への出力電力Ｂ１の供給ができず直流電圧Ｖｄｃが上昇し始める。
【００２５】
時刻ｔ１以降、直流電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃ*以上になり、直流電圧制御部１４では、その直流電圧検出値Ｖｄｃと直流電圧指令値Ｖｄｃ*との差分から比例制御と積分制御を用いて風車を加速する補正トルク指令値Ｔｃ１*を生成する。トルク指令値Ｔ*から当該補正トルク指令値Ｔｃ１*を減算することにより、電流指令演算部１２に出力されるトルク指令値Ｔ*−Ｔｃ１*は、風車の回転速度を加速させるトルク指令となり時刻ｔ２で風車が増速し始める。ここで、時刻ｔ１〜ｔ２までは制御遅れである。トルク指令値Ｔ*は風速・系統電圧に依存するため時刻ｔ１前後で変化がある。
【００２６】
時刻ｔ２〜ｔ３では、直流部４に蓄積されたエネルギーを、同期発電機２を電動機として運転することにより放出し直流電圧を抑制する。時刻ｔ３において、直流電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃ*以下になると、補正トルク指令値Ｔｃ１*がゼロになり、トルクおよび出力電力は図３に示すように、Ａ２，Ｂ２の動作点となる。以降時刻ｔ４で系統電圧が復帰した後、時刻ｔ１になる前の状態に戻る。
【００２７】
以上示したように、本実施形態１における風力発電用電力変化装置によれば、同期発電機２の制御に直流電圧制御を取り入れてトルク指令値を減少させトルク指令値を力行領域とすることで、回生エネルギーによる直流電圧Ｖｄｃの上昇を抑えることができ、直流部４が過電圧故障レベル以上となり、電力変換部１が停止することを抑制することが可能となる。その結果、系統電圧低下時の運転継続時間を延ばすことができる。
【００２８】
［実施形態２］
実施形態１では直流電圧抑制部１３の機能により風車の回転速度が加速し、時刻ｔ３で直流部４の直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃ*付近まで戻されるが、トルク指令値Ｔ*が不適切であると、風車の回転速度が過速することがある。本実施形態２では、この風車の回転速度における過速対策を行ったものである。
【００２９】
図４は、本実施形態２における風力発電用電力変化装置の制御装置を示すブロック図である。本実施形態２における風力発電用電力変換装置の制御回路は、実施形態１の電力変換装置の制御装置に対し、速度抑制部１６を追加したものである。
【００３０】
図４に示すように、速度抑制部１６では、速度制御部１７においてプレ過速度ωと速度推定値ωを入力してＰＩ演算し、この演算結果をリミッタ１８でリミッタ処理し、過速抑制トルク指令値Ｔｃ２*を算出する。
【００３１】
前記直流電圧抑制部１３におけるリミッタ１５の出力である補正トルク指令Ｔｃ１*から、前記過速抑制トルク指令値Ｔｃ２*を減算し、トルク指令値Ｔ*から減算する値をＴｃ１*−Ｔｃ２*とする。以降は実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００３２】
速度推定値ωと過速度となる前の速度であり予め設定された値のプレ過速度ω*との差分から比例制御と積分制御を用いて速度制御を行うことで過速抑制トルク指令値Ｔｃ２*を生成し、過速度故障がおきないように風車速度を増速させる補正トルク指令値を調整する。
【００３３】
そのため、図５に示すように図３より系統電圧低下期間が時刻ｔ５まで延びても、風車の回転速度推定値ωが上昇してプレ過速度ω*を超えることで、直流電圧抑制部１３の補正トルク指令値Ｔｃ１*から過速抑制トルク指令値Ｔｃ２*を減算する。その結果、発電機が過速度とならないようにトルク指令を抑制できる。
【００３４】
また、直流電圧Ｖｄｃが上昇して系統電圧低下期間が延びても電力変換装置は故障停止せずに運転継続させることができる期間を延ばすことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…電力変換部
２…同期電動機
３…系統
Ｖｄｃ…直流電圧検出値
Ｖｄｃ*…直流電圧指令値
ω…風車の回転速度
ω*…プレ過速度
【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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