(57)【要約】【課題】複数台の風力発電機を直列接続する場合における各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加させることのできる風力発電システムを提供する。【解決手段】風力に応じて回転エネルギーを発生させる風力タービン１１１、該風力タービンで発生した回転エネルギーに応じて交流電力を発生させる風力発電機１２１、風力発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ１３１と、を有する風力発電ユニット１１〜１ｎが複数個で構成される風力発電ユニット群Ｕ１，Ｕ２を２組有し、風力発電ユニット群毎に設けられ、複数の風力発電ユニットのコンバータがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、直列和を交流電力に変換するインバータを有する２組の変換ユニット２０ａ、２０ｂとを備え、２組の変換ユニットの間に、２組の変換ユニットで共用される同期調相機５０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力に応じて回転エネルギーを発生させる風力タービン、該風力タービンで発生した回転エネルギーに応じて交流電力を発生させる風力発電機、該風力発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、を有する風力発電ユニットが複数個で構成される風力発電ユニット群を２組有し、
前記風力発電ユニット群毎に設けられ、前記複数の風力発電ユニットの前記コンバータがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータを有する２組の変換ユニットと
を備え、
前記２組の変換ユニットの間に、前記２組の変換ユニットで共用される同期調相機を有することを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記同期調相機は、同期発電ユニットを有し、前記同期発電ユニットが出力する電力と前記インバータが出力する電力とが合成されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記インバータがサイリスタインバータであって、前記同期発電ユニットが、前記インバータに転流に必要な無効電力を供給することを特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力を利用した風力発電システムに係り、特に複数の風力タービンを有する風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化問題の解決等に向けた様々な検討・努力がなされている。
【０００３】
特に近年では、原子力発電を取り巻く様々な課題や、原油価格の急激な上昇などにより再生可能エネルギーの有効利用が急務となっている。
【０００４】
ここで、風力発電は燃料が不要であることなどから、地球環境保全・改善のための有望・有力な手段の一つと考えられている。
【０００５】
ところで、風力エネルギーの密度が低いことから、単機の風力発電機の出力容量は、火力発電所などの既存の発電システムと比べて相対的に小さいという難点がある。
【０００６】
そのため、実用規模の風力発電所は一般に、複数台の風力発電機を相互接続したウインドファームにより構成される。
【０００７】
風力発電機の相互接続の方法としては、個々の風力発電機の出力を整流してこれらを直列接続する方式が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００８】
この方式は、従来の並列接続方式と比べてシステム構成が簡潔であるため、高い信頼性や低コスト化が期待できるだけでなく、高品質の電気出力が得られるなどの多くの利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−７１１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、直列接続方式を採用する風力発電システムでは、直列接続される風力発電機の台数に特に制限は無い。
【００１１】
しかしながら、台数の増加に伴い、システム各部の対地電圧が上昇することとなるので、絶縁に対する特別な配慮（例えば、システムの各部の絶縁性や耐圧性を高めるなどの配慮）が必要となり、コストが嵩むという課題がある。
【００１２】
一方で、ウインドファームを構成する風車や風力発電機の台数が多くなると、それだけ出力容量を増加できると共に、出力変動の平準化が期待できるので、絶縁に特別な配慮をせずに出力容量の増大を可能とする相互接続方式の開発が望まれている。
【００１３】
本発明は、上述のような課題を解決すべくなされたものであり、複数台の風力発電機を直列接続する場合における各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加させることのできる風力発電システム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】
【００１４】
本発明の一態様によれば、風力に応じて回転エネルギーを発生させる風力タービン、該風力タービンで発生した回転エネルギーに応じて交流電力を発生させる風力発電機、該風力発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、を有する風力発電ユニットが複数個で構成される風力発電ユニット群を２組有し、前記風力発電ユニット群毎に設けられ、前記複数の風力発電ユニットの前記コンバータがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータを有する２組の変換ユニットとを備え、前記２組の変換ユニットの間に、前記２組の変換ユニットで共用される同期調相機を有することを特徴とする風力発電システムが提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数台の風力発電機を直列接続する場合における各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加させることのできる風力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る風力発電システムの構成例（ａ）〜（ｃ）を示す概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係る風力発電システムにおけるインバータ出力電圧（制御進み角＝２０°、２０°）の波形（ａ）〜（ｇ）を示すグラフである。
【図３】本実施の形態に係る風力発電システムにおけるインバータ出力電圧（制御進み角＝５０°、５０°）の波形（ａ）〜（ｇ）を示すグラフである。
【図４】比較例に係る風力発電システムの構成例を示す概略構成図である。
【図５】比較例に係る風力発電システムにおけるインバータ出力電圧の波形を示すグラフである。
【図６】比較例に係る風力発電システムにおけるシステムの出力電圧の波形を示すグラフである。
【図７】比較例に係る風力発電システムにおけるインバータの出力電流の波形を示すグラフである。
【図８】比較例に係る風力発電システムにおける負荷電流の波形を示すグラフである。
【図９】比較例に係る風力発電システムにおける電機子電流の波形を示すグラフである。
【図１０】比較例に係る風力発電システムにおける実験条件の例を示す図表である。
【図１１】図１０の実験条件に基づく実験結果を示す図表である。
【図１２】基本構成に係る風力発電システムの構成例を示す構成図である。
【図１３】基本構成に係る風力発電システムの構成例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００１８】
（基本構成に係る風力発電システム）
本実施の形態に係る風力発電システムについて説明する前に、図１２および図１３を参照して、基本構成に係る風力発電システムＳ２０について説明する。
【００１９】
基本構成に係る風力発電システムＳ２０は、図１２に示すように、風力に応じて回転エネルギーを発生させる風力タービン１１１〜１１ｎ（ｎは２以上の整数）、その風力タービン１１１〜１１ｎで発生した回転エネルギーに応じて交流電力を発生させる風力発電機１２１〜１２ｎ、その風力発電機１２１〜１２ｎで発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ１３１〜１３ｎと、風力タービン１１１〜１１ｎを回転させる風力の風速を測定する図示しない風速計をそれぞれ有する複数の風力発電ユニット１１〜１ｎと、複数の風力発電ユニット１１〜１ｎのコンバータ１３１〜１３ｎがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、その直列和を交流電力に変換するインバータ２１を有する変換ユニット２０と、複数の風力発電ユニット１１〜１ｎの風速計が測定する風速をそれぞれ監視し、風速に応じてコンバータ１３１〜１３ｎそれぞれの出力電圧Ｖd1 〜Ｖdn 及びインバータの入力電圧をリアルタイムに制御する制御ユニット（図示せず）とを備える（ｎ：２以上の整数）。
【００２０】
図１２に示した基本構成では、同期発電ユニット１５０をさらに備えている。
【００２１】
この風力発電システムＳ２０は、風力発電ユニット１１〜１ｎの出力の直列和と同期発電ユニット１５０の出力とを合成した交流電力を出力できる。
【００２２】
風力タービン１１１〜１１ｎは、風の持つ運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、風力発電機１２１〜１２ｎをそれぞれ駆動する。
【００２３】
具体的には、風力タービン１１１〜１１ｎの回転軸に風力発電機１２１〜１２ｎが機械的に接続され、風力発電機１２１〜１２ｎは風力に応じた電力をコンバータ１３１〜１３ｎに出力する。
【００２４】
風力発電機１２１〜１２ｎには、永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）や巻線界磁形同期発電機等の同期発電機が採用可能である。
【００２５】
例えば、ＰＭＳＧは界磁励磁のための電源回路が不要であり、構造が簡単で保守が容易であるため好適である。
【００２６】
コンバータ１３１〜１３ｎには、例えばサイリスタコンバータが採用可能である。但し、サイリスタコンバータ以外のコンバータであっても、外部からの信号によって出力電圧Ｖd1 〜Ｖdn を制御可能な、自己消弧型素子を用いた電流型コンバータであれば、コンバータ１３１〜１３ｎに採用可能である。
【００２７】
ここで、出力電圧Ｖd1 〜Ｖdn を制御するためにコンバータ１３１〜１３ｎの外部から調整可能なパラメータを、以下において「コンバータパラメータ」という。
【００２８】
コンバータ１３１〜１３ｎにサイリスタコンバータを採用した場合は、コンバータ１３１〜１３ｎの各制御角を調整することにより、出力電圧Ｖd1 〜Ｖdn が制御される。つまり、制御角がコンバータ１３１〜１３ｎのコンバータパラメータである。
【００２９】
コンバータ１３１〜１３ｎに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた場合には、ゲート電圧を調整することにより、コンバータ１３１〜１３ｎの出力が制御される。
【００３０】
図１２に示すように、風力発電ユニット１１〜１ｎの出力端は直列接続される。そして、風力発電ユニット１１〜１ｎがそれぞれ出力する直流電力の直列和が、直流送電線４０を介して、変換ユニット２０に送られる。
【００３１】
ここで、風力発電ユニット１１〜１ｎから変換ユニット２０に送られる直流電流（以下において、「ＤＣリンク電流」という）をＩｄとする。また、風力発電ユニット１１〜１ｎの出力電圧和（以下において、「ＤＣリンク電圧」という）Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｖd1 ＋Ｖd2 ＋・・・＋Ｖdn である。
【００３２】
変換ユニット２０は、インバータ２１が出力する交流電力を、図示を省略した電力系統又は負荷に供給する。
【００３３】
図１２に示した変換ユニット２０は、直流リアクトル２２とインバータ２１とを有する。
【００３４】
直流リアクトル２２は、風力発電ユニット１１〜１ｎから送られた直流電流を平滑化するためのものである。
【００３５】
インバータ２１は、直流リアクトル２２によって平滑化された直流電流を交流に変換する。
【００３６】
インバータ２１には、例えば他励式サイリスタインバータが採用可能である。但し、サイリスタインバータ以外のインバータであっても、外部からの信号によって入力電圧を制御可能な、自己消弧型素子を用いた電流型インバータであれば、インバータ２１に採用可能である。
【００３７】
インバータの入力電圧Ｅｄを制御するための、インバータ２１の外部から調整可能なパラメータを、以下において「インバータパラメータ」という。インバータ２１にサイリスタインバータを採用した場合は、制御進み角を調整することにより、インバータの入力電圧Ｅｄが制御される。つまり、制御進み角がインバータ２１のインバータパラメータである。
【００３８】
図示しない制御ユニットは、風速計が測定する風速を監視する。そして、制御ユニットは、風速に応じて、コンバータ１３１〜１３ｎの出力電圧Ｖd1 〜Ｖdn を調整するコンバータパラメータを変更するコンバータ出力制御信号をコンバータ１３１〜１３ｎにそれぞれ出力する。
【００３９】
さらに、制御ユニットは、風速に応じて、インバータ２１の入力電圧を調整するインバータパラメータを変更するインバータ制御信号をインバータ２１に出力する。
【００４０】
次に、同期発電ユニット１５０について説明する。
【００４１】
変換ユニット２０の出力は、エネルギー源である風力によって変動する。例えば各設置場所の地形や季節風等の風力の変動要因が多いため、風速は不安定である。このため、風力変動に起因する変換ユニット２０の出力変動を緩和するために、変換ユニット２０の出力と他の発電システムの出力とを合成する、いわゆるハイブリッド風力発電システムが有効である。
【００４２】
図１２に示した風力発電システムＳ２０では、変換ユニット２０の出力と同期発電ユニット１５０の出力とを合成した交流電力を出力し得る。
【００４３】
図１２に示した同期発電ユニット１５０は、同期発電機（同期調相機）５０、波形改善リアクトル５２および図示しない原動機を有する。
【００４４】
原動機は、例えば太陽エネルギー等の自然界に存在する様々なエネルギーを力学的エネルギーに変換して、同期発電機５０を駆動する。
【００４５】
原動機は、例えばガスタービンやガソリンエンジン等で構成することができる。
【００４６】
なお、負荷の変動等に起因して同期発電機５０の出力が変動した場合にも同期発電機５０の回転速度を一定に保つため、図示しないガバナ（調速機）で原動機の出力を制御するようにしても良い。
【００４７】
同期発電機５０は、原動機により駆動され、交流電力を出力する。同期発電機５０は、風力発電システムＳ２０全体の出力を一定に維持するため、コンバータ１３１〜１３ｎの出力で賄うことのできない不足分の電力（有効分）を供給する。
【００４８】
つまり、変換ユニット２０の出力する電力が、負荷が必要とする所定の電力に足りない場合に、同期発電機５０は不足分の電力を負荷に供給する。
【００４９】
したがって、同期発電ユニット１５０を有する風力発電システムＳ２０は、風力の変動に依存せずに、必要な所定の電力を負荷に供給できる。
【００５０】
また、同期発電機５０は、サイリスタインバータが採用されたインバータ２１に、転流に必要な無効電力を波形改善リアクトル５２を介して供給する。
【００５１】
インバータ２１の制御進み角と電流重なり角とが等しくなった場合には、インバータ２１において転流失敗が発生する。したがって、制御進み角は、電流重なり角よりも大きい状態で制御される必要がある。なお、同期発電機５０がインバータ２１の転流を制御するため、同期発電機５０の回転速度に基づき、風力発電システムＳ２０の出力周波数は決定される。
【００５２】
さらに、同期発電機５０は、風力発電システムＳ２０の負荷が必要とする無効電力を供給する。
【００５３】
波形改善リアクトル５２は、変換ユニット２０が出力する交流電力と同期発電機５０が出力する電力とを合成し、所定の電力を負荷に出力する。その際、波形改善リアクトル５２は、出力電圧の高調波分を除去する。また、波形改善リアクトル５２は、二つのリアクトルコイルの自己インダクタンスＬ１、Ｌ２と相互インダクタンスＭの適切な選定により、同期発電機５０の初期過渡インダクタンスを等価的に打ち消すことができる。このため、インバータ２１の転流による出力電圧の波形陥没を防止できる。
【００５４】
図１２に示すように、変換ユニット２０と同期発電機５０の出力端との両方から電流が流入したときに、両方の電流により生じる磁束が加わり合うように、波形改善リアクトル５２が、同一鉄心上に巻装され且つ直列に接続された二つのコイルから構成されるようにできる。
【００５５】
あるいは、図１３に示すように、波形改善リアクトル１５２は、図１２に示す変換ユニット２０と、風力発電システムＳ２０の出力端との両方から電流が流入したときに、両方の電流より生じる磁束が打ち消し合うように、同一鉄心上に巻装され且つ直列に接続された二つのコイル１５２ａ、１５２ｂから構成されるようにしても良い。
【００５６】
なお、波形改善リアクトル５２は必ずしも必須の構成要件ではない。波形改善リアクトル５２を設けない場合でも、風力発電システムＳ２０を動作させることは可能である。但し、何らかのフィルタは必要であると考えられる。また、波形改善リアクトル５２を採用する場合には、電流重なり角を所定の値以下に抑えるために、波形改善リアクトル５２を構成する二つのリアクトルコイルの自己インダクタンスＬ１、Ｌ２、及び相互インダクタンスＭは、適切に選定される必要がある。
【００５７】
上記のように、原動機の出力を制御することにより、風速の変動による風力発電機１２１〜１２ｎの出力変動を補償できる。なお、原動機を駆動するためのエネルギー源はどのようなものでもよく、例えば太陽光等の再生可能エネルギーやバイオマス資源を利用することもできる。また、原動機を省略することも可能である。この場合、同期発電機５０は同期調相機として動作し、風力発電システムＳ２０の交流出力は風力発電による出力のみとなる。
【００５８】
なお、同期発電ユニット１５０は風力発電システムＳ２０に必須の構成要素ではない。例えば、サイリスタインバータが採用されたインバータ２１の転流に必要な無効電力を、風力発電システムＳ２０の負荷側から供給してもよい。
【００５９】
図１３は、図１２に示す風力発電システムＳ２０を簡略化して示す概略構成図である。
【００６０】
図１３において、図１２に示す直列接続されるサイリスタ整流回路は、直列接続風車群（ユニット群）Ｕに包含されている。
【００６１】
このような基本構成に係る風力発電システムＳ２０によれば、従来の並列接続方式と比べてシステム構成を簡潔にすることができ、高い信頼性や低コスト化が期待できるという利点がある。また、高品質の電気出力が得られるという利点も有している。
【００６２】
しかしながら、基本構成に係る風力発電システムＳ２０では、直列接続される風力発電機の台数に特に制限は無いが、台数の増加に伴い、システム各部の対地電圧が上昇することとなる。その対地電圧は、風力発電機の台数によっては、数万〜数十万Ｖにも達し、絶縁に対する特別な配慮が必要である。
【００６３】
絶縁に対する特別な配慮とは、例えば、システムの各部の絶縁性や耐圧性を高めるなどの配慮であるが、これを実現するためには、多大の費用が必要であった。
【００６４】
一方で、ウインドファームを構成する風車や風力発電機の台数が多くなると、それだけ出力容量を増加できると共に、出力変動の平準化が期待できるので、上述のような絶縁に特別な配慮をせずに出力容量の増大を可能とする風力発電システムの開発が望まれていた。
【００６５】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、本発明に係る風力発電システムを完成するに至った。
【００６６】
（実施の形態に係る風力発電システム）
図１〜４を参照して、実施の形態に係る風力発電システムＳ１（Ｓ１ａからＳ１ｃ）について説明する。
【００６７】
図１（ａ）は、第１実施例に係る風力発電システムＳ１ａの構成例を示す概略構成図である。
【００６８】
第１実施例に係る風力発電システムＳ１ａは、複数の風力発電ユニットで構成される２組のユニット群Ｕ１，Ｕ２と、ユニット群Ｕ１，Ｕ２毎に設けられ、複数の風力発電ユニットのコンバータ（図１２に示すサイリスタコンバータ１３１〜１３ｎを参照）がそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータ（サイリスタインバータ）２１ａ、２１ｂを有する２組の変換ユニット２０ａ、２０ｂとを備えている。
【００６９】
ユニット群Ｕ１側である上側出力側には、変圧器（トランス）５００が接続されている。
【００７０】
変圧器（トランス）５００は、巻数比＝１：１の理想変圧器とした。
【００７１】
なお、初期過渡インダクタンスは１ｍＨとし、波形改善リアクトルは、初期過渡インダクタンスを完全にキャンセルできる値の２倍とした。
【００７２】
また、波形改善リアクトル５２ａは、コイル３００ａと３００ｂを接続して構成され、波形改善リアクトル５２ｂは、コイル３００ｃと３００ｄを接続して構成されている。
【００７３】
また、波形改善リアクトル５２ａと波形改善リアクトル５２ｂの中間点２０１において１台の同期調相機５０が接続されている。
【００７４】
なお、図１に示す直列接続風車群（ユニット群）Ｕ１，Ｕ２の具体的な構成は、前述の図１２に示す基本構成に係る風力発電システムＳ２０の直列接続風車群（ユニット群）Ｕと同様である。
【００７５】
また、図１（ｂ）は、第２実施例に係る風力発電システムＳ１ｂの構成例を示す概略構成図である。
【００７６】
第２実施例に係る風力発電システムＳ１ｂと、第１実施例に係る風力発電システムＳ１ａとの相違点は、風力発電システムＳ１ａにおける変圧器（トランス）５００を省いている点である。このような構成においても波形改善リアクトル５２ａと波形改善リアクトル５２ｂの中間点２０１において１台の同期調相機５０を共用するように接続することができる。
【００７７】
また、図１（ｃ）は、第３実施例に係る風力発電システムＳ１ｃの構成例を示す概略構成図である。
【００７８】
第３実施例に係る風力発電システムＳ１ｃと、第１実施例に係る風力発電システムＳ１ａとの相違点は、風力発電システムＳ１ａにおける変圧器（トランス）５００を直列接続風車群（ユニット群）Ｕ２側にも設けた点である。このような構成においても波形改善リアクトル５２ａと波形改善リアクトル５２ｂの中間点２０１において１台の同期調相機５０を共用するように接続することができる。
【００７９】
図２および図３に、実施の形態に係る風力発電システムＳ１（Ｓ１ａからＳ１ｃ）のシミュレーション結果の例を示す。
【００８０】
図２は制御進み角＝２０°、２０°の場合、図３は制御進み角＝５０°、５０°の場合をそれぞれ示す。
【００８１】
ここで、図２および図３の各図において、（ａ）は上側インバータ出力電圧、（ｂ）は下側インバータ出力電圧、（ｃ）は上側システム出力電圧、（ｄ）は下側システム出力電圧、（ｅ）はＥｄ１（図１（ａ）参照）のインバータ入力側電圧、（ｆ）はＥｄ２（図１（ａ）参照）のインバータ入力側電圧、（ｇ）はＤＣリンク電流をそれぞれ示す。
【００８２】
図２および図３の（ｃ）および（ｄ）の波形から分かるように、本実施の形態に係る風力発電システムＳ１によれば、歪みの無い完全な三相交流波形を得ることができ、そのまま負荷に接続することができる。
【００８３】
ここで、図１３に示す基本構成に係る風力発電システムＳ２０と、本実施の形態に係る風力発電システムＳ１とを対比すると、風力発電システムＳ２０を単純に２つ設ける場合に比して、同期調相機５０を一つに集約することができ、コストを低減することができる。
【００８４】
また、風力発電機の台数を倍増させても同期調相機５０を増加する必要がないので、比較的簡易な構成で風力発電システムの総出力を倍増することが可能となる。
【００８５】
なお、図１に示す同期調相機５０は、サイリスタインバータ２１ａ、２１ｂのサイリスタを転流するために設置し、波形改善リアクトル５２ａ、５２ｂのパラメータは交流出力側の出力電圧ひずみを完全に打ち消すように選定する。
【００８６】
また、同期調相機５０を原動機で駆動して同期発電機として動作させた場合にはハイブリッドシステムを構成することができ、風速の変動による風力発電機の出力変動を原動機の出力を制御することにより補償することができる。
【００８７】
以上述べたように、本実施の形態に係る風力発電システムＳ１によれば、次のような効果を得ることができる。
【００８８】
１）電力変換器のスイッチング素子としてサイリスタを採用し、かつ平滑用大容量コンデンサを使用しないので、信頼性が向上し、保守が容易である。また、大容量化が容易である。
【００８９】
２）併設する同期調相機を原動機で駆動して同期発電機として使用すれば、所謂ハイブリッド風力発電システムを実現することができ、風車の出力変動の平準化が容易に達成できる。
【００９０】
３）電圧形インバータで必要な高調波除去用のフィルタを用いることなく、原理的に出力電圧歪みを皆無にすることができるため、常に高品質の電力を得ることができる。
【００９１】
４）電流形サイリスタインバータを採用しているため、ＩＧＢＴや平滑用コンデンサ等を必要とする電圧形インバータと比較してコストを低廉化することができる。
【００９２】
５）風力発電機群の直流出力をインバータに送電する手段として、長距離送電に有利な直流送電方式を使用することができるため、風車設置場所の選択における自由度が増す。
【００９３】
（比較例に係る風力発電システム）
図４〜１１を参照して、比較例に係る風力発電システムＳ１０について説明する。
【００９４】
図４は、比較例に係る風力発電システムＳ１０の構成例を示す概略構成図である。
【００９５】
実施の形態に係る風力発電システムＳ１０は、複数の風力発電ユニットで構成される２組のユニット群Ｕ１，Ｕ２と、ユニット群Ｕ１，Ｕ２毎に設けられ、複数の風力発電ユニットのコンバータ（図１２に示すサイリスタコンバータ１３１〜１３ｎを参照）がそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータ（サイリスタインバータ）２１ａ、２１ｂを有する２組の変換ユニット２０ａ、２０ｂとを備え、２組のユニット群Ｕ１，Ｕ２は、各ユニット群Ｕ１，Ｕ２間と各変換ユニット２０ａ、２０ｂとの間の基準電位である中間点１００ａ、１００ｂを結ぶコモンラインＣを介して接続されて構成される。
【００９６】
なお、図４に示す直列接続風車群（ユニット群）Ｕ１，Ｕ２の具体的な構成は、前述の図１２に示す基本構成に係る風力発電システムＳ２０の直列接続風車群（ユニット群）Ｕと同様である。
【００９７】
また、波形改善リアクトル５２ａは、コイル３００ａと３００ｂをノード２００ａで接続して構成され、波形改善リアクトル５２ｂは、コイル３００ｃと３００ｄをノード２００ｂで接続して構成されている。
【００９８】
また、波形改善リアクトル５２ａと波形改善リアクトル５２ｂは、ノード２００ａ、２００ｂを介して接続され、その中間点２０１に同期調相機５０が接続されている。
【００９９】
ここで、図１３に示す基本構成に係る風力発電システムＳ２０と、比較例に係る風力発電システムＳ１０とを対比すると、風力発電システムＳ２０を単純に２つ設ける場合に比して、同期調相機を一つに集約することができ、コストを低減することができる。
【０１００】
また、比較例に係る風力発電システムＳ１０によれば、２組のユニット群Ｕ１，Ｕ２は、各ユニット群Ｕ１，Ｕ２間と各変換ユニット２０ａ、２０ｂとの間の基準電位である中間点１００ａ、１００ｂを結ぶコモンラインＣを介して接続されているので、各ユニット群Ｕ１，Ｕ２の直流出力電圧Ｖｄｌ、Ｖｄ２が図１２の直流電圧Ｖｄと等しくなる場合を想定すると、各部の電圧上昇は風力発電システムＳ１０と風力発電システムＳ２０とも同一になる。
【０１０１】
即ち、図１２に示す基本構成に係る風力発電システムＳ２０よりも風力発電機の台数を倍増させた比較例に係る風力発電システムＳ１０における直流出力電圧Ｖｄｌ、Ｖｄ２は、図１２あるいは図１３に示す風力発電システムＳ２０の直流電圧Ｖｄと同程度であるため、絶縁レベルを変更する必要がない。
【０１０２】
そのため、システムの各部の絶縁性や耐圧性を高めるなどの特別な絶縁対策が不要となり、低コストで風力発電機の台数を倍増させることができ、出力容量を増加できると共に、出力変動の平準化を向上させることができる。
【０１０３】
さらに、風力発電機の台数を倍増させても同期調相機を増加する必要がないので、比較的簡易な構成で風力発電システムの総出力を倍増することが可能となる。
【０１０４】
なお、図４に示す同期調相機５０は、サイリスタインバータ２１ａ、２１ｂのサイリスタを転流するために設置し、波形改善リアクトル５２ａ、５２ｂのパラメータは交流出力側の出力電圧ひずみを完全に打ち消すように選定する。
【０１０５】
また、同期調相機５０を原動機で駆動して同期発電機として動作させた場合にはハイブリッドシステムを構成することができ、風速の変動による風力発電機の出力変動を原動機の出力を制御することにより補償することができる。
【０１０６】
ここで、図５は、比較例に係る風力発電システムＳ１０におけるインバータ出力電圧の波形を示すグラフ、図６は、風力発電システムＳ１０によって波形が改善された出力電圧波形の例を示すグラフである。
【０１０７】
また、図７は風力発電システムＳ１０におけるインバータの出力電流の波形、図８は風力発電システムＳ１０における負荷電流の波形、図９は風力発電システムＳ１０における同期調相機５０の電機子電流の波形をそれぞれ示す。
【０１０８】
図６等に示すように、風力発電システムＳ１０によれば、出力電圧の歪みを抑制することができる。
【０１０９】
また、図１０は風力発電システムＳ１０における実験条件の例を示す図表、図１１は、図１０の実験条件に基づく実験結果を示す図表である。
【０１１０】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【０１１１】
Ｓ１、Ｓ１０、Ｓ２０…風力発電システム
Ｃ…コモンライン
Ｕ１，Ｕ２…ユニット群
１１〜１ｎ…風力発電ユニット
２０（２０ａ、２０ｂ）…変換ユニット
２１…インバータ（サイリスタインバータ）
２２…直流リアクトル
４０…直流送電線
５０…同期発電機（同期調相機）
５２ａ、５２ｂ…波形改善リアクトル（コイル）
１００ａ、１００ｂ…中間点
１１１〜１１ｎ…風力タービン
１２１〜１２ｎ…風力発電機
１３１〜１３ｎ…コンバータ（サイリスタコンバータ）
１５０…同期発電ユニット
１５２…波形改善リアクトル
２００ａ、２００ｂ…ノード
２０１…中間点
３００ａ〜３００ｄ…コイル
５００…変圧器（トランス）
【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１２】
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【図１３】
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