(57)【要約】【課題】  発電機または制御機器に異常が生じた場合における運転継続性を高めた発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】  上記の課題を解決するために、固定子に設けられる複数の固定子巻線１００１２、１００１３を備える発電機１０１と、固定子巻線毎に設けられる電力変換器３１、３２と、固定子巻線または電力変換器毎に設けられ、その状態を検出するセンサと、センサの出力に基づき、固定子巻線または電力変換器の異常を検出する異常検出手段とを備え、異常検出手段は、固定子巻線または電力変換器毎に、異常があるか否かを出力し、異常検出手段から異常があると出力された場合には、異常が検出された電力変換器、または異常が検出された固定子巻線に設けられる電力変換器で固定子巻線の電流を遮断することを特徴とする。【選択図】  図２
2014027824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、該回転子に対向する固定子と、該固定子に設けられる複数の固定子巻線を備える発電機と、
電力系統側に配置されるインバータと、発電機側に配置されるコンバータと、該インバータ及び該コンバータの間に配置されるコンデンサとを備え、かつ、前記固定子巻線毎に設けられる電力変換器と、
前記固定子巻線または前記電力変換器毎に設けられ、該固定子巻線または電力変換器の状態を検出するセンサと、
前記センサの出力に基づき、前記固定子巻線または電力変換器の異常を検出する異常検出手段とを備え、
該異常検出手段は、前記固定子巻線または電力変換器毎に、異常があるか否かを出力し、
該異常検出手段から異常があると出力された場合には、異常が検出された前記電力変換器、または異常が検出された前記固定子巻線に設けられる前記電力変換器で前記固定子巻線の電流を遮断することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の発電システムであって、
更に風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転するシャフトと、前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御手段とを備え、
前記回転子は前記シャフトの回転に伴って回転し、
前記異常検出手段から異常があると出力された場合には、前記ピッチ角制御手段を用いて前記ブレードのピッチ角を調整し、受風面積を減らすことを特徴とする発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発電システムであって、
前記固定子は前記回転子を挟んで二つ設けられ、各前記固定子毎に前記固定子巻線が備えられることを特徴とする発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の発電システムであって、
前記電力変換器における前記インバータ及び前記コンデンサは電力変換器間で共有され、前記コンバータは三レベル変換器であり、
二つの前記固定子毎に備えられる前記固定子巻線に誘起される誘起電圧が前記固定子巻線間で等しくなると共に、前記固定子巻線同士の電気角が略６０度ずれる様に配置されることを特徴とする発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の発電システムであって、
前記固定子巻線毎に、前記異常検出手段は過電流検出手段を備えており、
前記センサは前記固定子巻線に流れる電流を測定すると共に、測定した電流値を前記過電流検出手段に出力し、
前記過電流検出手段は、測定した電流値を所定の閾値と比較して前記測定電流値が前記閾値を上回る場合には、異常であると出力することを特徴とする発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の発電システムであって、
前記固定子巻線毎に、前記異常検出手段は電流の逆相成分値を算出する逆相算出器及び該逆相算出器が算出した逆相成分値を所定の閾値と比較する比較手段を備えており、
前記センサは前記固定子巻線に流れる電流を測定すると共に、測定した電流値を前記逆相算出器に出力し、
前記比較手段は、該逆相算出器が算出した逆相成分値を所定の閾値と比較して前記逆相成分値が前記閾値を上回る場合には、異常であると出力することを特徴とする発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の発電システムであって、
前記固定子巻線毎に、前記異常検出手段は温度判定器を備えており、
前記センサは前記インバータまたは前記コンバータの温度を測定すると共に、測定した温度を前記温度判定器に出力し、
前記温度判定器は、測定した温度を所定の閾値と比較して前記測定温度が前記閾値を上回る場合には、異常であると出力することを特徴とする発電システム。
【請求項８】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の発電システムであって、
前記固定子巻線毎に、前記異常検出手段は過電圧算出器を備えており、
前記センサは前記コンデンサの電圧を測定すると共に、測定した電圧を前記過電圧算出器に出力し、
前記過電圧算出器は、測定した電圧を所定の閾値と比較して前記測定電圧が前記閾値を上回る場合には、異常であると出力することを特徴とする発電システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一つに記載の発電システムであって、
前記固定子に設けられ、電力系統により励磁される第１のコイルと、
前記回転子に設けられ、前記第１のコイルにより発生した交流磁束の鎖交により非接触で電力系統より交流電力を得る第２のコイルと、
前記回転子に設けられ、前記第２のコイルに誘起された交流電圧を整流するダイオード整流器と、
前記回転子に設けられ、前記ダイオード整流器から励磁電流を供給される回転子巻線を備え、
該回転子巻線に流れる励磁電流が生じさせる磁束が前記回転子の回転に伴って時間的に変化することで、前記固定子巻線に交流電流を発生させることを特徴とする発電システム。
【請求項１０】
請求項１ないし３、または５ないし９のいずれか一つに記載の発電システムであって、  前記電力変換器における前記インバータ及び前記コンデンサは電力変換器間で共有されることを特徴とする発電システム。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の発電システムであって、
更に異常であるか否かを表示する表示器と、該表示器に接続される通信システムを備えており、
前記異常検出手段は、該表示器にも異常があるか否かを出力し、
前記表示器は前記異常検出手段からの出力に応じて表示を切り替え、
前記通信システムは前記異常検出手段が異常を検出した際には、発電システム外の通信端末に異常が検出されたことを通信で伝達することを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器により発電電力が制御される発電システムに関わるものであり、特に運転継続性を向上させるもの等に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムは再生可能エネルギーの柱として、太陽光発電システムや地熱発電システム等を超えて、多くの容量が世界中で導入されている。ここで、風力発電システムにおける発電機は、スペースが限られたナセル内等に配置されるので、大型化には制約がある。一方、発電容量を大きくしようとすると、回転子や固定子が大型化するのは回避し難い。ここで、一台の発電機内に複数の回転子を備えて、発電効率を高めるものとして例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
該特許文献によれば、発電装置の発電機では、第１および第２の回転子を備えて、少なくとも一方の回転に伴い、固定子と両回転子で形成される磁気回路を介して、少なくとも一方の動力を電力に変換し、固定子に出力して発電し、発電に伴って発生する回転磁界、第１および第２の回転子が互いの間に回転数の所定の共線関係を保ちながら回転する。また、羽根車を２つ備え、第１の羽根車は、流体の運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換して第１の回転子に伝達し、一方向に回転させる第１トルクを第１の回転子に作用させる。第２の羽根車は、流体の運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換して第２の回転子に伝達し、第１の回転子とは逆方向に回転させ、第１のトルクよりも大きな第２トルクを第２の回転子に作用させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2009-185782号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、風力発電システムは大容量化が続いており、風車のタワーの高さが70ｍを超えるものも多くなっている。また、設置場所についても、陸上のみならず洋上に設置されるケースが増えている。
【０００６】
また、風車の大型化に伴い、機器不具合が発生した場合の修理が困難になっており、特に洋上では風車までのアクセスが困難であることから、部品交換を長期化し、メンテナンス周期を長期化させる等でメンテナンス負担を低減することが望まれる。
【０００７】
風力発電システム運営者にとっては、メンテナンス負担の低減も重要だが、異常発生時には直ちに修理できるものではないため、異常発生後も修理を行う迄の間、たとえ発電可能電力が減ったとしても風力発電システムが発電を継続できる方が（稼働率が上がるため）望ましい。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載された発電装置においては、発電機または制御器に異常が生じた場合における運転継続性については、何ら記載されていない。
【０００９】
そこで、本発明では発電機または制御機器に異常が生じた場合における運転継続性を高めた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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係る発電システムは、回転子と、該回転子に対向する固定子と、該固定子に設けられる複数の固定子巻線を備える発電機と、電力系統側に配置されるインバータと、発電機側に配置されるコンバータと、該インバータ及び該コンバータの間に配置されるコンデンサとを備え、かつ、前記固定子巻線毎に設けられる電力変換器と、前記固定子巻線または前記電力変換器毎に設けられ、該固定子巻線または電力変換器の状態を検出するセンサと、前記センサの出力に基づき、前記固定子巻線または電力変換器の異常を検出する異常検出手段とを備え、該異常検出手段は、前記固定子巻線または電力変換器毎に、異常があるか否かを出力し、該異常検出手段から異常があると出力された場合には、異常が検出された前記電力変換器、または異常が検出された前記固定子巻線に設けられる前記電力変換器で前記固定子巻線の電流を遮断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電機または制御機器に異常が生じた場合における運転継続性を高めた発電システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る発電システム全体の概略図である。
【図２】実施例１に係る発電システムの制御の流れを説明する図である。
【図３】実施例１に係る電力変換器の構成を説明する図である。
【図４】実施例１に係る発電機内の配置を説明する図である。
【図５】実施例１に係る発電機内機器の大きさを説明する図である。
【図６】実施例１に係る発電機の軸方向断面図である。
【図７】実施例１に係る電力変換器コントローラ説明図である。
【図８】実施例２に係る電力変換器コントローラ説明図である。
【図９】実施例３に係る発電システムの制御の流れを説明する図である。
【図１０】実施例３に係る電力変換器コントローラ説明図である。
【図１１】実施例４に係る電力変換器コントローラ説明図である。
【図１２】実施例５に係る発電機の軸方向断面図である。
【図１３】実施例５に係る発電機の軸方向断面図である。
【図１４】実施例６に係る発電システムの制御の流れを説明する図である。
【図１５】実施例６に係る電力変換器コントローラ説明図である。
【図１６】実施例７に係る発電システムの制御の流れを説明する図である。
【図１７】実施例７に係るコンバータの構成を説明する図である。
【図１８】実施例７に係る発電機内の配置を説明する図である。
【図１９】実施例７に係る中性点脈動における電圧が相殺される原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施する上で好適となる実施例について、図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、本発明の実施態様を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。本発明は下記実施態様以外にも種々の態様に変形等が可能である。
【実施例１】
【００１４】
本実施例について、図１ないし図７を用いて説明する。図１には、本実施例の発電システムを備える風力発電システムの概略を示している。該図に示す様に、風力発電システム１は、風の力を受けて回転力を得るブレード１０と、ブレード１０の回転力をシャフト１４に伝達するハブ１１と、シャフト１４に機械的に接続して機械的入力を電気に変換し、電力系統２に該発電電力を送電する発電・変換器部１００と、シャフト１４に接続され、シャフト１４の一部と発電・変換器部１００を内部に有するナセル６０と、ナセル６０を水平方向に回転可能に支持するタワー７０により概略構成される。ナセル６０の上部には風速計２０３が設置され、該風速計２０３の出力は後述の上位コントローラ１０００に入力される。また、ハブ１１及びブレード１０の接続部には、ブレード１０の角度を調整するピッチ角調整機１２（図２に記載）が備えられる。
【００１５】
図２に示す様に、発電・変換器部１００は、主として、後述する発電機１０１と、電力変換器３１、３２と、電力変換器３１、３２のコントローラである電力変換器コントローラ２０００により構成されており、発電機１０１の発電電力は上記電力変換器により周波数変換され、ケーブル２６を介して電力系統２に送電される。
【００１６】
以下、風力発電システム１の制御システムおよび発電・変換器部１００の各部の詳細構成について説明する。
【００１７】
風力発電システム１は、大きく分けて２つのコントローラを備える。一つは、風速計２０３により検出した風速に応じてブレード１０の回転速度を制御すべくピッチ角指令値φｒｅｆ及び電力変換器３１、３２の合計系統送電電力指令値（発電電力指令値）Ｐｒｅｆ、を算出する上位コントローラ１０００であり、もう一つのコントローラは、上位コントローラ１０００から出力された発電電力指令Ｐｒｅｆに従い、電力系統２への送電電力を制御する電力変換器コントローラ２０００である。
【００１８】
上位コントローラ１０００は、風速計２０３の出力ｖと、電力変換器コントローラ２０００が算出する発電電力値Ｐと、ブレード回転角速度ωと、後述する発電システム異常信号Ｌ＿ＥＲＲと、を入力され、ピッチ角指令値φｒｅｆと、電力変換器３１、３２の合計発電電力指令値Ｐｒｅｆを出力する。
【００１９】
上位コントローラ１０００から出力されたピッチ角指令値φｒｅｆはピッチ角調整機１２に入力され、ピッチ角調整機１２は入力されたピッチ角指令値φｒｅｆに従ってブレード１０のピッチ角を調整する。ピッチ角の調整により、ブレードの受風面積を変更することが出来る。
【００２０】
上位コントローラ１０００から出力された発電電力指令Ｐｒｅｆは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。電力変換器３１、３２が発電機１０１より受け取る有効電力の合計が上記発電指令と一致するように、電力変換器コントローラ２０００は両電力変換器３１、３２を制御する。
【００２１】
上位コントローラ１０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された発電システム異常信号Ｌ＿ＥＲＲがアクティブ（本実施例では異常検出信号が０のときがアクティブ、つまり異常検出の状態とし、異常検出信号が１のときがネガティブ、つまり正常状態、とする）のとき、発電・変換器部１００から得られるブレード減速トルク最大値が半減したと判定し、ピッチ角指令値φｒｅｆ及び合計系統送電電力指令値Ｐｒｅｆを各々制限する。制限するとは、ピッチ角指令値φｒｅｆにおいては、受風面積を減らす方向に制御することを指し、合計系統送電電力指令値Ｐｒｅｆについては、指令値を小さくすることを指す。ピッチ角指令値φｒｅｆを制限することで、風から受ける回転トルクを低減でき、ブレード１０の過回転を回避することができる。
【００２２】
次に、発電・変換器部１００について詳細に説明する。
【００２３】
発電機１０１は、２組の３相固定子巻線１００１２、１００１３、を備える永久磁石同期発電機である。電力変換器３１、３２については同じ構成を備える電力変換器である。
尚、同じ構成としたのは部材の汎用化を意図したためであり、異なる構成を備えるものを排除した訳ではない。また、後述する様に、インバータ及びコンデンサを、電力変換器間で共有することも可能である。
【００２４】
電力変換器３１は、発電機１０１側に接続され、具体的には３相固定子巻線１００１２に接続されるコンバータ２１と、電力系統２側に接続されるインバータ２３と、コンバータ２１及びインバータ２３の間に配置される平滑コンデンサ３１ｃｄｃ（と、固定子巻線電圧ｖｓｔ１を検出する電圧センサ３０１と、固定子巻線電流ｉｓｔ１を検出する電流センサ３０２と、平滑コンデンサ３１ｃｄｃの端子間電圧を検出する電圧センサ３０３と、系統出力電流ｉｇ１を検出する電流センサ３０４とを備える。これら各電圧センサ、電流センサの出力は、電力変換器コントローラ２０００に入力される。発電機１０１の固定子巻線１００１２から電力変換器３１が所望の電力を受け取り、出力系統２に送電する様、電力変換器コントローラ２０００はコンバータ２１とインバータ２３の制御信号であるゲート信号Ｇａｔｅ１を算出し、電力変換器３１に出力する。具体的には、固定子巻線１００１２の電圧ｖｓｔ１と同じ周波数であり、位相の遅れた電圧をコンバータ２１に出力させることにより、固定子巻線１００１２より電力変換器３１に有効電力を流し、平滑コンデンサ３１ｃｄｃの電圧ｖｄｃ１が所定の閾値となるように、インバータ２３に電力系統２の連系点電圧ｖｇより位相の進んだ電圧を出力させ、該固定子巻線より得た有効電力を電力系統２に送電させる。
【００２５】
電力変換器３２は、発電機１０１側に接続され、具体的には３相固定子巻線１００１３に接続されるコンバータ２２と、電力系統２側に接続されるインバータ２４、コンバータ２２及びインバータ２４の間に配置される平滑コンデンサ３２ｃｄｃと、固定子巻線電圧ｖｓｔ２を検出する電圧センサ３０６と、固定子巻線電流ｉｓｔ２を検出する電流センサ３０７と、平滑コンデンサ３２ｃｄｃの端子間電圧を検出する電圧センサ３０８と、系統出力電流ｉｇ２を検出する電流センサ３０９とを備える。これら各電圧センサ、電流センサの出力も、電力変換器３１の場合と同様に、電力変換器コントローラ２０００に入力される。インバータ２３及びインバータ２４の電力系統２側は電気的に接続されており、接続されてから電力系統２に繋がる。電力系統２の連系点電圧ｖｇの測定は、連係点電圧を検出する電圧センサ３０５により行う。発電機１０１の固定子巻線１００１３から電力変換器３２が所望の電力を受け取り、出力系統２に送電する様、電力変換器コントローラ２０００はコンバータ２２とインバータ２４の制御信号であるゲート信号Ｇａｔｅ２を算出し、電力変換器３２に出力する。具体的には、固定子巻線１００１３の電圧ｖｓｔ２と同じ周波数であり、位相の遅れた電圧をコンバータ２２に出力させることにより、固定子巻線１００１３より電力変換器３２に有効電力を流し、平滑コンデンサ３２ｃｄｃの電圧ｖｄｃ２が所定の閾値となるように、インバータ２４に電力系統２の連系点電圧ｖｇより位相の進んだ電圧を出力させ、該固定子巻線より得た有効電力を電力系統２に送電させる。
【００２６】
図３を用いて、コンバータ２１、インバータ２３の主回路構成および動作原理について、説明する。尚、上述した様に、本実施例では電力変換器３１、３２については同じ構成としており、電力変換器３１、３２の内部に設けられるコンバータ及びインバータについても同様の構成となる。故に、コンバータ２２、インバータ２４の主回路構成及び動作原理は、図示及び説明を省略するものの、コンバータ２１、インバータ２３と同様である。
【００２７】
本実施例では、コンバータ２１、インバータ２３の構成を６アーム構成のＩＧＢＴ変換器の場合で説明する。ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２３ｍ〜２３ｒがそれぞれコンバータ２１とインバータ２３のアームを構成している。各ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２３ｍ〜２３ｒの制御電極であるゲートには、電力変換器コントローラ２０００からゲート駆動信号を入力する。ゲート駆動信号が０のときは、ＩＧＢＴ素子はオフ、ゲート駆動信号が１のときは、ＩＧＢＴ素子はオンとなる。
【００２８】
ＰＷＭ変調したゲート駆動信号を入力して各ＩＧＢＴ素子をスイッチングさせることにより、発電機１０１の固定子巻線１００１２より得られる交流出力電力は直流電力に、該直流電力は電力系統２に出力される交流電力に変換される。
【００２９】
発電機１０１の固定子巻線１００１２から出力される電流は、発電機誘起電圧とコンバータ２１の出力電圧の差と、固定子巻線１００１２の漏れインダクタンスにより決まる。
該固定子巻線電流はコンバータ２１により直流電流に変換され、該直流電流により平滑コンデンサ３１ｃｄｃが充電される。
【００３０】
電力系統２への出力電流は、電力系統２の連系点系統電圧とインバータ２３の出力電圧の差と、高調波フィルタ２３ｆｉｌのインピーダンスと、により決まる。該出力電流はインバータ２３のスイッチングにより直流電流から交流電流に変換されたものであり、インバータ２３が系統に有効電力を出力することにより平滑コンデンサ３１ｃｄｃが放電される。
【００３１】
コンバータはＩＧＢＴ素子のスイッチングによって矩形波電圧を出力する。この矩形波電圧は発電機の絶縁劣化を引き起こす原因となるため，コンバータ２１は電圧変化率制限用のフィルタ２１ｆｉｌを介して発電機１０１に連系する。
上述の様に、電力変換器３２は、電力変換器３１と同じ構成を有するため、重複説明を省略する。
【００３２】
次に、図４及び図５を用いて発電機１０１について説明する。図４は発電機の半径方向断面図を説明するために実際の大小関係とは離れて表示した図であり、実際の大小関係としては図５に近いものとなる。
【００３３】
発電機１０１は、永久磁石を備える回転子５０２と、該回転子５０２を半径方向に挟む二つの固定子５０１及び固定子５０３を有する。回転子５０２はシャフト１４に機械的に接続されており、ブレード１０の回転に伴い、固定子５０１と５０３の間を反時計回り（時計回りに回る様な仕様を排除するものではない）に回転する。
【００３４】
固定子５０１は複数の磁極と、該磁極に巻かれる固定子巻線１００１２を備える。図を簡潔に説明するため、図中の巻線端子に記載した記号（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｎ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２、Ｎ２）は、同一記号のついた端子は互いに電気的に接続されていることを示すものとする。
【００３５】
固定子５０３は複数の磁極と、該磁極に巻かれる固定子巻線１００１３を備える。尚、端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２、Ｎ２の結線を記載していないが、端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｎ１と同様に接続されている。
【００３６】
回転子５０２の永久磁石の発生する磁束は、固定子５０１と固定子５０３両方の固定子巻線１００１２、１００１３に鎖交する。回転子５０２が回転することにより、固定子巻線１００１２、１００１３には誘起電圧が発生する。
【００３７】
コンバータ２１、２２から、上記誘起電圧と同じ周波数で位相の遅れた電圧を固定子巻線１００１２、１００１３に印加することで、発電機１０１からコンバータ２１、２２へ固定子巻線１００１２、１００１３を介して有効電流が流れ、発電することができる。以上の原理により、固定子巻線１００１２、１００１３の両方で発電が可能となる。
【００３８】
図４に示す発電機は、磁極や固定子巻線の構成を説明するため、磁極数の少ない構成とした。そのため、該図では固定子５０１と固定子５０３の磁極面における発電機回転中心からの距離が大きく異なる。そのため、固定子巻線１００１２と１００１３に鎖交する磁束の変化率に大きな差ができ、結果として誘起される電圧が大きく異なる。
【００３９】
しかし、定格回転数が２０ｒｐｍ程度の風力発電システムでは、発電機半径は数メートルに達するため、実際は図５に示すように固定子５０１と５０３の磁極面における発電機回転中心からの距離は相対的に小さくなり、固定子５０１と５０３の大きさはほぼ同程度となる。故に、当該サイズ等、ある程度の大きさを有する発電機は同一体積を持つ固定子を１つ備える発電機に比べて略２倍の発電が原理的に可能となる。
【００４０】
続いて、風力発電システム１の動作について、説明する。
【００４１】
風力発電システム１は、ブレード１０が風を受けることにより回転エネルギーを得、該回転エネルギーによりシャフト１４を介して発電・変換器部１００内の発電機１０１の回転子５０２を回転させる。
【００４２】
回転子５０２は複数の永久磁石５２０、５２１（図６に記載）を備えており、該回転子５０２が回転することにより発電機１０１の固定子巻線１００１２、１００１３には交流の誘起電圧が発生する。
【００４３】
電力変換器３１、３２は、それぞれ接続される固定子巻線１００１２、１００１３に誘起された交流電圧と等しい周波数を有し、該誘起電圧に対して位相の遅れた交流電圧を出力することにより発電機１０１から有効電力を受け取る。電力変換器３１、３２は該有効電力を電力系統２と等しい周波数に変換し、電力系統２へ送電する。
【００４４】
風からの入力トルクの調整はブレード１０のピッチ角調整により実施し、ブレードの回転速度を風速に対応した回転速度指令値となる様、上位コントローラ１０００によりピッチ角が調整される。
【００４５】
次に、発電機構成および発電・変換器部１００の異常検出機能について、図６及び図７を用いて詳細に説明する。尚、図６では発電機構成を説明し、図７では異常検出機能について説明する。
【００４６】
本実施例の発電システムは、固定子に各々接続される電力変換器と発電システムの異常を検出する検出器を備え、異常を検出したときには当該電力変換器または当該固定子巻線の接続される電力変換器で当該固定子巻線の電流を遮断して健全な固定子巻線と電力変換器で発電を継続させる制御システムを備えている。
【００４７】
回転子５０２、固定子５０３の支持方法を、図６を用いて説明する。図６は発電機１０１の軸方向断面図である。
【００４８】
固定子５０１は、発電機１０１の外側を覆うような構成となっており、ブレード１０の回転力を回転子５０２に伝達するシャフト１４とはベアリング５０６を介して接する。固定子５０１には、固定子５０３の半径方向中心に敷設され、スポークを介して固定子５０３を支持する軸５１０が固定される。軸５１０の他端はベアリング５０５を介して回転子５０２に接する。そして、回転子５０２はシャフト１４に固定され、回転子５０２の他端はベアリング５０４を介して軸５１０に接する。
【００４９】
本構成により、回転子５０２、固定子５０３は直接的に、またはベアリングを介して間接的に固定子５０１または軸５１０に支持され、２つの固定子に半径方向に挟まれる回転子を備える発電機を形成できる。
【００５０】
なお、軸５１０は内部に空洞を持つ円筒構成とし、固定子巻線１００１３を、該空洞を通して発電機外部に引き出す。本構成により、電力変換器３２と固定子巻線１００１３を接続することを可能とする。また、永久磁石５２０、５２１は回転子５０２内部に埋め込むことにより支持しており、発電機１０１は固定子巻線に鎖交させる磁束を発生する永久磁石を支持可能となる。一方、固定子巻線１００１２、１００１３については固定子５０１、５０３の磁極に巻かれることにより固定可能である。
【００５１】
本実施例における発電機１０１では、複数の固定子を備えているので、同一定格電力を持つ従来発電機に比べて小型な発電機を構成することができる。
【００５２】
また、本実施例における固定子巻線１００１２、１００１３は、上述のように発電機内の空間的に離れた場所に設置されるため、一方の固定子巻線で短絡や絶縁劣化などによる異常発熱があった場合でも、他方の固定子巻線が受ける影響が少ないため、健全な固定子巻線への事故拡大を回避することができるメリットがある。
【００５３】
次に、電力変換器コントローラ２０００について、図７を用いて説明する。
【００５４】
電力変換器コントローラ２０００は、上位コントローラ１０００より入力された発電電力指令Ｐｒｅｆから電力変換器３１と３２の発電電力指令Ｐｒｅｆ１、Ｐｒｅｆ２に分解する乗算器２１００と、減算器２１０１と、分解された発電電力指令Ｐｒｅｆ１に従って電力変換器３１の発電電力を調整するよう電力変換器３１のゲート信号Ｇａｔｅ＿０１を算出するコントローラ２１１０と、Ｐｒｅｆ２に従って電力変換器３２の発電電力を調整するよう電力変換器３２のゲート信号Ｇａｔｅ＿０２を算出するコントローラ２１１１と、発電・変換器部１００の異常を検出するための演算を行い、異常か否かを出力する異常検出器２２００と、該異常検出器２２００の出力に応じて電力変換器３１、３２のゲート信号を調整するゲート信号調整器２３０１、２３０２とを備える。
【００５５】
電力変換器コントローラ２０００の電力指令分配方法について、説明する。
【００５６】
上位コントローラ１０００から入力された発電電力指令値Ｐｒｅｆは、乗算器２１００と、減算器２１０１に入力される。乗算器２１００は、０＜ｋ＜１である固定値ｋを発電指令値Ｐｒｅｆに乗算し、乗算結果（ｋ＊Ｐｒｅｆ）をコントローラ２１１０および減算器２１０１に出力する。
【００５７】
減算器２１０１は、発電電力指令値Ｐｒｅｆおよび乗算器２１００の乗算結果を入力とし、発電電力指令値Ｐｒｅｆに対する乗算結果の差分を計算することで、電力変換器３２の発電電力指令値Ｐｒｅｆ２（＝（１−ｋ）＊Ｐｒｅｆ）を算出する。
【００５８】
固定値ｋは、固定子巻線１００１２、１００１３および電力変換器３１、３２の熱設計から発電可能な電力の比率に応じて設計する値であり、本実施例では、図５に関連して説明した様に固定子巻線１００１２及び固定子巻線１００１３に発生する電力は同程度であると期待されるので、０．５に略等しい値としている。無論、仕様に応じて期待される出力比に応じて固定値ｋを変化させても良い。
【００５９】
電力変換器３１が固定子巻線１００１２より受け取る有効電力算出値Ｐ１が電力指令値Ｐｒｅｆ１と一致し、直流電圧ｖｄｃ１が所定の閾値となる様に、コントローラ２１１０は、各電流センサ・電圧センサから出力される、平滑コンデンサ電圧ｖｄｃ１、電力系統連系点電圧ｖｇ、系統出力電流ｉｇ１、固定子巻線１００１２の出力電圧ｖｓｔ１、固定子巻線１００１２の出力電流ｉｓｔ１および電力指令値Ｐｒｅｆ１を入力とし、電力変換器３１のゲート信号Ｇａｔｅ＿０１を算出する。固定子巻線１００１２から受け取る有効電力算出値Ｐ１は、固定子巻線１００１２出力電圧ｖｓｔ１と固定子巻線１００１２出力電流ｉｓｔ１の積で算出される。Ｐ１はコントローラ２１１０内の演算に用いられる他に加算器２１０２に出力される。
【００６０】
電力変換器３２が固定子巻線１００１３より受け取る有効電力算出値Ｐ２が電力指令値Ｐｒｅｆ２と一致し、直流電圧ｖｄｃ２が所定の閾値となる様に、コントローラ２１１１は、各電流センサ・電圧センサから出力される、平滑コンデンサ電圧ｖｄｃ２、電力系統連系点電圧ｖｇ、系統出力電流ｉｇ２、固定子巻線１００１３の出力電圧ｖｓｔ２、固定子巻線１００１３の出力電流ｉｓｔ２および電力指令値Ｐｒｅｆ２を入力とし、電力変換器３２のゲート信号Ｇａｔｅ＿０２を算出する。固定子巻線１００１３から受け取る有効電力算出値Ｐ２は、固定子巻線１００１３の出力電圧ｖｓｔ２と固定子巻線１００１３の出力電流ｉｓｔ２の積で算出される。Ｐ２はコントローラ２１１１内の演算に用いられる他に加算器２１０２に出力される。更に、コントローラ２１１１は、コントローラ２１１０の演算に加え、固定子巻線１００１３の出力電圧ｖｓｔ２と出力電流ｉｓｔ２より発電機１０１の回転数ωを算出し、上位コントローラ１０００に出力する。
【００６１】
加算器２１０２は、有効電力Ｐ１、Ｐ２を加算し、発電機１０１の合計発電電力Ｐを上位コントローラ１０００に出力する。
【００６２】
以下、異常検出器２２００及びゲート信号調整器２３０１、２３０２について、説明する。
【００６３】
異常検出器２２００は、固定子巻線１００１２、１００１３の出力電流ｉｓｔ１、ｉｓｔ２を入力とし、電力変換器３１のゲート調整信号ＣＴＲL１、電力変換器３２のゲート調整信号ＣＴＲＬ２を出力する。
【００６４】
異常検出器２２００の異常検出演算について説明する。
【００６５】
異常検出器２２００は、固定子巻線１００１２及び１００１３の出力電流の絶対値が所定の閾値以上となった場合に、固定子巻線もしくは電力変換器に異常があったと判断し、ゲート調整信号を１から０に変化させる。
【００６６】
具体的には、異常検出器２２００は過電流検出演算器２２０１、２２０２を備えており、該過電流検出演算器は固定子巻線出力電流の絶対値を算出し、所定の閾値と大小比較演算を実施する。所定の閾値は、固定子巻線電流ｉｓｔ１、ｉｓｔ２の定格電流値より大きい値、例えば定格電流の１．２倍の値等と設定でき、該所定の閾値との比較をして、算出した固定子巻線出力電流の絶対値が上回っている場合には、固定子巻線１００１２、１００１３の短絡または電力変換器３１、３２のＩＧＢＴ素子が故障している等、異常を検出する。
【００６７】
異常検出器２２００は、電力変換器３１のゲート調整信号ＣＴＲL１、電力変換器３２のゲート調整信号ＣＴＲＬ２を出力する。ゲート調整信号ＣＴＲＬ１は、ゲート信号調整器２３０１に、ゲート調整信号ＣＴＲＬ２は、ゲート信号調整器２３０２にそれぞれ入力される。
【００６８】
ゲート信号調整信号ＣＴＲＬ１は、固定子巻線１００１２もしくは電力変換器３１の異常を検出した場合は０、それ以外は１である２値信号である。異常を検出したときには、電力変換器３１のゲート信号Ｇａｔｅ１はゲート信号Ｇａｔｅ＿０１の値に関わらず０となる様に設定しており、電力変換器３１のＩＧＢＴ素子全てがＯＦＦ、即ちゲートブロックされ、固定子巻線１００１２の電流を遮断する。
【００６９】
ゲート信号調整信号ＣＴＲＬ２は、固定子巻線１００１３もしくは電力変換器３２の異常を検出した場合は０、それ以外は１である２値信号である。異常を検出したときには、電力変換器３２のゲート信号Ｇａｔｅ２はゲート信号Ｇａｔｅ＿０２の値に関わらず０となる様に設定しており、電力変換器３１のＩＧＢＴ素子全てがＯＦＦ、即ちゲートブロックされ、固定子巻線１００１３の電流を遮断する。
【００７０】
発電・変換器部１００における、異常検出信号の上位コントローラへの伝達および風力発電システム１の保守員に対する異常通知インターフェースについて説明する。
【００７１】
異常検出器２２００の出力ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２は、ＯＲ演算器２３０３および表示器２７００に出力される。ＯＲ演算器２３０３は、ＣＴＲＬ１とＣＴＲＬ２のＯＲ演算を実施し、演算結果を異常検出信号Ｌ＿ＥＲＲとして上位コントローラ１０００に出力する。
【００７２】
上述の様に、上位コントローラ１０００は異常検出信号Ｌ＿ＥＲＲが０の場合には、発電・変換器部１００により得られるブレード減速トルク最大値がおよそ半減（二つの固定子巻線が同程度の体格のため。容量に差がある場合には、異常が生じた固定子が有する容量比に応じた割合で減ずる。）したと判定し、ピッチ角指令値φｒｅｆ及び合計系統送電電力指令値Ｐｒｅｆを制限する。ピッチ角指令値φｒｅｆの制限により、風により受ける回転トルクを低減でき、ブレード１０の過回転を回避することができる。
【００７３】
表示器２７００は、ＣＴＲＬ１とＣＴＲＬ２を入力とし、異常を検出した電力変換器名称を電力変換器外部に取り付けられた（液晶）画面に表示する。即ち、異常検出器２２００からの出力に応じて表示を切り替える役割を果たす。ここで、（液晶）画面への表示は異常を検出した電力変換器名称の背景を赤色でハイライトしても良いし、（液晶）画面ではなく、電力変換器の故障を示すランプを点灯しても良い。また、表示器２７００は通信システム２７０１を介し、遠方にいる風力発電システム１の保守員の通信端末に故障発生を通信で伝達する。本構成により、該風力発電システムの保守員は発電・変換器部１００の異常を知ることができ、速やかに補修計画を立てることができる。
【００７４】
本実施例では、発電機における固定子が回転子を挟んで二つ設けられ、各固定子毎に固定子巻線が備えられる様にしたので、回転子の半径方向外側と内側の両方で発電することができ、発電機の空間利用率が向上し、従来の発電機と同じ体積で、より大きな発電電力を得ることができる。つまり、従来発電機に比べて所定の定格電力を得るための発電機体積を小型化することができる。また、固定子に設けられる固定子巻線の数は二つでなければならないと言う訳ではなく、更に多くすることも可能である。その場合には、固定子巻線毎に電力変換器を設ける必要があり、また、固定子巻線または電力変換器毎に設けられ、当該固定子巻線または電力変換器の状態を検出するセンサを設ける必要もある。後は、センサの出力に応じて異常を検出する異常検出手段があれば良い。
【００７５】
また、固定子巻線と発電電力を制御する電力変換器を複数備え、発電システムにおいて異常が検出された際には、不具合の検出された電力変換器をゲートブロックすることで、健全な固定子巻線と電力変換器については発電を継続することができる。
【００７６】
さらに、複数の固定子巻線の配置についても、回転子の半径方向外側と内側に分けて（回転子を挟んで）設置することにより、不具合の発生した固定子巻線の発熱等の影響から、他方の健全な固定子巻線を保護することができ、健全な固定子巻線については、不具合の影響を受けることがない。故に、発電継続性を向上させることを意図する上では一層好適なものとなる。
【００７７】
さらに、上記異常検出手段から異常検出信号を該風力発電システムの保守者へも併せて表示する様にしており、発電継続性は維持しつつも、遅滞なく保守者が修理を行える状況を形成できる。
【００７８】
さらに、発電・変換器部１００に設けた異常検出手段から上位コントローラに異常検出信号を伝達出来る様にインターフェースを備えることで、発電・変換器部１００外の上位コントローラは発電システムによるブレード減速トルク最大値が低下したことを反映したピッチ角指令値φｒｅｆを算出でき、ブレードの過回転を回避することができる。
【実施例２】
【００７９】
実施例２について図８を用いて説明する。実施例１では、発電・変換器部１００の異常を固定子巻線電流の過電流により検出したが、図８に示す様に異常検出器２２００が電流逆相成分を算出する逆相算出器２２０３、２２０４、該逆相成分算出器出力と第二の所定の閾値を大小比較して第二の所定の閾値より逆相算出器２２０３、２２０４の出力が大きい場合にはゲート調整信号ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２を１から０に変化させる比較器２２０５、２２０６を備えることにより、固定子巻線１００１２、１００１３の断線を検出し、発電機１０１に大きなトルク脈動を与えることを回避しても良い。ここで、第二の所定の閾値は、適切な異常検出と同時に、巻線抵抗のアンバランスやノイズによる異常誤検出を避けるため、固定子巻線１００１２、１００１３の定格電流の１０〜２０％程度に設定することが望ましい。他の点については、実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。本実施例においても実施例１で説明したものと同様の効果を奏することが出来る。
【実施例３】
【００８０】
実施例３について図９及び図１０を用いて説明する。上記各実施例では、異常検出の対象を固定子下記線電流の過電流や電流逆相成分としていたが、インバータもしくはコンバータの盤内温度の異常上昇に基づき異常検出を行っても良い。発電・変換器部１００は、インバータもしくはコンバータの盤内温度の異常上昇を検出し、該当する電力変換器をゲートブロックする。
【００８１】
冷却ファン等の故障により、ＩＧＢＴ素子が十分に冷却されない場合、ＩＧＢＴ素子や盤内温度が上昇する。ＩＧＢＴの温度上昇が許容される温度以上になると、ＩＧＢＴ素子モジュールの破裂や短絡等の甚大な被害を引き起こす可能性がある。盤内温度の異常上昇を検出し、該当電力変換器をゲートブロックすることで、さらなる発熱を抑制することができ、発電・変換器部１００を安全に運転継続することが可能となる。
【００８２】
具体的には、図９のようにコンバータ２１、２２、インバータ２３、２４が盤内温度を検出する温度センサ３５０、３５１、３５２、３５３を備え、該温度センサの出力Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２が電力変換器コントローラ２０００に入力される。図１０に記載の様に電力変換器コントローラの異常検出器２２００が温度判定器２２０７、２２０８を備え、該判定器がＴ１１、Ｔ１２を入力とし、第三の所定の閾値より温度センサ出力値が大きければ、ゲート調整信号ＣＴＲＬ１を１から０に変化させることで電力変換器３１をゲートブロックし、上記温度センサ出力値Ｔ２１もしくはＴ２２が第三の所定の閾値より温度センサ出力値が大きければ、ゲート調整信号ＣＴＲＬ２を１から０に変化させることにより電力変換器３２をゲートブロックする構成を備えることにより、電力変換器３１、３２の過熱による損傷を回避できる。ここで、温度センサをＩＧＢＴ素子直近に設置し、盤内温度の代わりにＩＧＢＴ素子温度の異常上昇を検出しても良い。他の点については、実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。本実施例においても上記実施例で説明したものと同様の効果を奏することが出来る。
【実施例４】
【００８３】
実施例４について図１１を用いて説明する。上記各実施例で説明した異常検出の他、発電・変換器部１００は、平滑コンデンサ電圧の異常上昇を検出しても良い。そして、異常検出した際に、該当する電力変換器をゲートブロックする。インバータ２３、もしくは２４を電力系統２に接続するケーブルが断線した場合、該当インバータは自身の定格電力を電力系統２に送電できなくなり、該インバータが接続するコンバータから入力された電力がコンデンサを過充電してしまう可能性がある。コンデンサの過充電が起きると、コンデンサの損傷、ＩＧＢＴ素子の損傷等、甚大な被害が起こり得る。
【００８４】
そこで、平滑コンデンサ電圧の異常上昇を検出し、該当電力変換器をゲートブロックすることにより、更なる平滑コンデンサの充電を回避することができ、発電・変換器部１００の安定な運転を実現できる。具体的には、図１１に示す様に異常検出器２２００が平滑コンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２を入力とし、該平滑コンデンサ電圧と第四の所定の閾値を大小比較することにより電力変換器３１、３２の直流過電圧を検出する直流過電圧算出器２２０９、２２１０を備える。該直流化電圧算出器２２０９、２２１０は、平滑コンデンサ電圧ｖｄｃ１が第四の所定の閾値より大きければゲート調整信号ＣＴＲＬ１を１から０に変化させ、また平滑コンデンサ電圧ｖｄｃ２が第四の所定の閾値より大きければゲート調整信号ＣＴＲＬ２を１から０に変化させる。本構成を備えることで、電力変換器３１、３２を直流過充電による損傷から保護できる。
【００８５】
尚、実施例１から４に記載の内容については、各々を単独で使用することも考えられる他、併せて使用することも可能である。それぞれが異なる測定値に基づき、異なる事象に対する異常検出を行うので、併せて使用することで様々な異常のパターンに対して異常検出を行うことができ、異常検出精度を向上させることが可能になる。
【実施例５】
【００８６】
実施例５について図１２及び図１３を用いて説明する。上記各実施例では、発電機１０１が永久磁石同期発電機である場合について説明したが、電磁石発電機を使用することも可能である。具体的には、図１２記載のように電力系統２の電圧を変圧器５５で降圧し、ダイオード整流器５４で整流したのち、ブラシ５２、５３、及びブラシリング５０、５１を介して回転子巻線１００２０に励磁電流を流しても、永久磁石と同様に固定子巻線１００１２、１００１３に鎖交磁束を生じさせることが可能である。
【００８７】
また、図１３に記載のように、発電機１０１は、固定子５０１に備えられ、電力系統２により励磁されるコイル６０と、回転子５０２に備えられ、コイル６０により発生した交流磁束の鎖交により非接触で電力系統２より交流電力を得るコイル６１と、回転子５０２に備えられ、コイル６１に誘起された交流電圧を整流するダイオード整流器５４とを備え、回転子巻線１００２０に励磁電流を供給する構成を備え、発電機のメンテナンスを低減しても良い。即ち、本構成によれば電磁石発電機に対する励磁電流を非接触のコイル６０、コイル６１間の誘導電流から得ており、ブラシを通じて（直接に）接触して励磁電流を得る必要が無くなる。故に、ブラシレス構造を実現できる。
【００８８】
本実施例の様に、高価な永久磁石を使わなくても、出力密度の高い発電機を構成し、なおかつ発電システムに故障が発生した場合でも、健全な固定子巻線と電力変換器を用いた高い発電継続を実現できる。なおかつ、図１３の構成の場合はメンテナンスが必要なブラシを削除することができるため、電磁石発電機を用いた場合でも、ブラシ交換のためのメンテナンスを不要化でき、発電継続性を改善した風力発電システムを実現できる。
【００８９】
尚、上記の各実施例においては各電力変換器が一つずつインバータ及びコンバータを備える例について説明したが、後述する様に、電力系統側に配置されるインバータやコンデンサについては共有化することも可能である。即ち、電力変換器が各々インバータ及びコンバータを備えることは必要であるが、各々備えるインバータについては、電力変換器が各々独立に有しなければならないものではない。
【実施例６】
【００９０】
実施例６について図１４及び図１５を用いて説明する。上記の各実施例においては各電力変換器が一つずつインバータ及びコンバータを備える例について説明したが、図１４に記載の様に、電力変換器３１と３２は、直流部を共有する構成とし、発電・変換器部１００は、単一のインバータにより電力系統２に発電電力を送電する構成としても良い。この場合、直流回路が共通となるため、コンバータ２１とコンバータ２２の直流回路電圧は等しくなる。直流回路電圧が等しくなることで、（コントローラ２１１１がインバータ制御を行う必要がなく、）コントローラ２１１０が直流電圧センサ３０３の出力値に基づいてインバータ２３を制御することで発電機１０１から得た発電電力を電力系統２に送電することができる。また、インバータ２４が不要になるため、インバータ２４の交流出力電流を検出する電流センサが不要となる。ゆえに、本構成とすることにより、電力変換器３２側の平滑コンデンサ３２ｃｄｃ及び該平滑コンデンサ３２ｃｄｃの電圧を検出するための電圧センサ３０８の削減、系統電流検出用電流センサ３０９の削減が可能となる。
【００９１】
図１４の構成を実現する際は、電力変換器コントローラ２０００は、図１５に記載の様に、コントローラ２１１０は、コンバータ２１のゲート信号を駆動するゲート信号Ｇａｔｅ＿０２１、インバータ２３のゲート信号を駆動するゲート信号Ｇａｔｅ＿０２３を出力し、コントローラ２１１１は、コンバータ２２のゲート信号を駆動するゲート信号Ｇａｔｅ＿０２２を出力し、コンバータ２１、２２のゲート信号のみ異常検出器２２００の出力に応じてゲート信号を調整する構成とする。コントローラ２０００としては異常検出器２２００の出力によりコンバータのＩＧＢＴのみＯＦＦすることを可能とする構成が上記実施例との大きな差異であり、直流部を共有する構成においてのゲートブロックとは、インバータ内のＩＧＢＴはＯＦＦとはせず、コンバータ内の全ＩＧＢＴをＯＦＦする様に制御することに当たる。この場合にも、異常を検出したときには異常を検出した電力変換器または異常を検出した固定子巻線に接続される電力変換器によって、当該固定子巻線の電流を遮断して健全な固定子巻線と電力変換器で発電を継続させる。
【００９２】
本実施例によれば、平滑コンデンサ電圧を検出するための電圧センサの削減、系統電流検出用電流センサの削減が可能となり、簡素な構成を実現しつつ、上記各実施例の様な異常検出を同様に行うことが可能になる。
【実施例７】
【００９３】
実施例７について、図１６ないし図１９を用いて説明する。本実施例では、発電・変換器部１００のうち、コンバータ２１、２２に代えて、三レベル変換器であるコンバータ１２５、１２６を備えており、また、発電機２０１の固定子巻線２００１３を、固定子巻線２００１２に対して電気角で略６０度ずれて配置している。
【００９４】
三レベル変換器は２レベル変換器に比べて、より正弦波に近い波形を出力でき、交流出力電圧におけるｄＶ/ｄｔを抑制できるので、固定子巻線の絶縁性能に対する要求を軽減できる。一方、発電機端子における力率が１以外のときには直流回路中性点から交流出力電圧の周波数の３倍の電力変動が発生するため、コンバータ１２５、１２６やインバータ１２３のコンデンサ電圧が半導体スイッチング素子の耐圧範囲に収まるよう、大容量のコンデンサを搭載しなければならなくなる。
【００９５】
これに対し、本実施例では、固定子巻線２００１２、２００１３を電気角で６０度ずれるよう、配置をずらすことにより、上記直流回路中性点を変動させる電圧変動が相殺し、直流中性点電圧変動を低減し、電力変換器１３１が搭載しなければいけないコンデンサ容量を低減することが可能である。
【００９６】
以下、図１６ないし図１９を用いて詳細に説明する。
【００９７】
本実施例の電力変換器は、図１６に記載のように、発電機２０１に接続されるコンバータが三レベルコンバータ１２５、１２６であり、その直流回路は互いに接続される。
【００９８】
本実施例においてもコンバータ１２５とコンバータ１２６の主回路構成は等しくしており、コンバータ１２５の構成のみ図１７を用いて説明する。無論、コンバータ１２５とコンバータ１２６について常に等しい主回路構成としなければならない訳ではなく、異なる構成とすることも可能である。同様の部品を使用することで、部品の種類削減を行うことが出来る。
【００９９】
コンバータ１２５は、１アームに６つのＩＧＢＴ素子および直流中性点に接続する２つのダイオードを備える。ＩＧＢＴ素子のオン、オフにより、フィルタ１２１ｆｉｌには平滑コンデンサ１３１ｄｃｐの正側電位、直流中性点電位、平滑コンデンサ１３１ｄｃｎの負電位、の３つのレベルの電位を出力可能である。
【０１００】
コンバータ１２５が交流電圧をフィルタ１２１ｆｉｌに出力するとき、平滑コンデンサ１３１ｄｃｐ、１３１ｄｃｎの放電電力に差が発生し、脈動が発生する。
【０１０１】
図１８に、本実施例の発電機２０１の構成を示す。図４において説明した発電機１０１と比べ、固定子６０３が固定子６０１に対して電気角６０度だけ位相がずれている。固定子巻線２００１２、２００１３が電気角で６０度ずれることにより、コンバータ１２５とコンバータ１２６の出力電圧、出力電流はともに６０度位相がずれるため、電力脈動も基本波相当で６０度だけ位相がずれる。基本波の電気角６０度は、基本波の３倍の周波数を有する脈動電力では３倍の１８０度に相当する。故に、発電機２０１の固定子巻線２００１２、２００１３を電気角で６０度ずらすことにより、上記脈動を相殺することが可能である。
【０１０２】
この様子を図１９に示す。該図に示す様に、コンバータ１２５から直流中性点に流れ込む脈動電力Ｐｄｃｎ１と、Ｐｄｃｎ２の位相が１８０度ずれることで正負が反転し、コンデンサ１３１ｐｄｃｐ、１３１ｄｃｎの中点に流れ込む脈動電力は各々足し合わされた結果、相殺される。
【０１０３】
本実施例によれば、出力密度の高い発電機を構成し、なおかつ発電システムに故障が発生した場合でも、健全な固定子巻線と電力変換器を用いた高い発電継続を実現できる。また、発電・変換器部２００のコンバータを三レベル変換器とすることにより、発電機２０１の巻線絶縁設計を容易にすることが可能である。さらに、本実施例の特徴である発電機２０１の固定子巻線２００１２、２００１３の位相を６０度ずらすことにより、三レベルコンバータ１２５、１２６から直流中性点に流れ込む脈動電力を相殺することができ、小容量のコンデンサで電力変換器３１を構成することが可能である。
【０１０４】
尚、上記各実施例では風力発電システムを対象にして説明したが、風力発電システムに特有のブレードのピッチ角制御等に関する部分以外は、必ずしも風力発電システムに適用対象が限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１０５】
１  風力発電システム
２  電力系統
１０  ブレード
１１  ハブ
１４  シャフト
３１、３２  電力変換器
２１、２２、２５、２６  コンバータ
２３、２４  インバータ
１００  発電・変換器部
１０１  発電機
５０１、５０３  固定子
５０２  回転子
３０１、３０３、３０５、３０６、３０８  電圧センサ
３０２、３０７、３０９  電流センサ
１０００  上位コントローラ
２０００  電力変換器コントローラ
２２００  異常検出器
１００１２、１００１３  固定子巻線
１００２０  回転子巻線
【図１】
2014027824.tif 000003
【図２】
2014027824.tif 000004
【図３】
2014027824.tif 000005
【図４】
2014027824.tif 000006
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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