(57)【要約】【課題】直流電圧回路の過剰なエネルギーを消費するエネルギー消費手段の半導体スイッチング素子破損を防止する回路を小型化した電力変換器を提供する。【解決手段】直流電圧回路と、該直流電圧回路の直流電圧を交流電圧に変換して、二次励磁発電機の回転子配線に供給する回転子側コンバータと、系統配線の交流電圧を直流電圧に変換して、前記直流電圧回路に供給する系統側コンバータと、前記直流電圧回路のエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、半導体スイッチング素子の端子電圧を検出して制御する電圧抑制回路とを備え、前記二次励磁発電機の回転子配線側からの過剰な電流の流入により前記直流電圧回路の電圧が上昇した場合に、前記エネルギー消費手段をオンさせて前記直流電圧回路の電圧を所定の範囲に低下させ、前記エネルギー消費手段がオフする際に、前記電圧抑制回路が前記半導体スイッチング素子のオフ時の跳ね上がり電圧を抑制する。【選択図】図１
2014027789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧回路と、
該直流電圧回路の直流電圧を交流電圧に変換して、二次励磁発電機の回転子配線に前記交流電圧を供給する回転子側コンバータと、
系統配線の交流電圧を直流電圧に変換して、前記直流電圧回路に前記直流電圧を供給する系統側コンバータと、
前記直流電圧回路のエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、
前記エネルギー消費手段に具備された半導体スイッチング素子の端子電圧を検出して制御する電圧抑制回路と、
を備え、
前記二次励磁発電機の回転子配線側からの過剰な電流の流入により前記直流電圧回路の電圧が所定の範囲を超えて上昇した際に、前記エネルギー消費手段をオンさせて前記直流電圧回路の電圧を所定の範囲に低下させ、
前記エネルギー消費手段がオフする際に、前記電圧抑制回路が前記半導体スイッチング素子のオフ時の跳ね上がり電圧を抑制する
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
直流電圧回路と、
永久磁石同期発電機の固定子配線から出力される交流電圧を直流電圧に変換して、該直流電圧を前記直流電圧回路へ供給するコンバータと、
前記直流電圧回路の直流電圧を交流電圧に変換して、該交流電圧を系統配線に供給するインバータと、
前記直流電圧回路のエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、
前記エネルギー消費手段に具備された半導体スイッチング素子の端子電圧を検出して制御する電圧抑制回路と、
を備え、
前記永久磁石同期発電機の固定子配線側からの過剰な電流の流入により前記直流電圧回路の電圧が所定の範囲を超えて上昇した際に、前記エネルギー消費手段をオンさせて前記直流電圧回路の電圧を所定の範囲に低下させ、
前記エネルギー消費手段がオフする際に、前記電圧抑制回路が前記半導体スイッチング素子のオフ時の跳ね上がり電圧を抑制する
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
請求項１において、
前記エネルギー消費手段が複数備えられ、互いに並列に接続されることを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項２において、
前記エネルギー消費手段が複数備えられ、互いに並列に接続されることを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記複数、並列に接続されたエネルギー消費手段が、独立して制御されることを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、
前記複数並列接続したエネルギー消費手段の各エネルギー消費手段は、それぞれの電圧変動から復電するまでにオン・オフの一連の動作が１回であって、それぞれのエネルギー消費手段が独立して制御方法されることを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記エネルギー消費手段は、抵抗手段とチョッパ回路とを備えて構成されることを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において
前記電圧抑制回路は、ツェナーダイオードを備えて構成されることを特徴とする電力変換器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記電力変換器は、風力発電用の発電機に接続されることを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機用の電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムでは、発電機によって発生した電力を電力系統に送電する場合に、電力変換器を介して供給する。したがって、電力系統で地絡事故などによって電圧低下が発生した場合には、電力変換器も影響を受ける。例えば交流励磁型発電機の場合には、事故点に電流を供給しようと動作し、回転子巻線に過大な電流が誘起され、電力変換器の中の励磁用コンバータに過大な電流が流れる。そして、このような系統事故時においても、風力発電システムを電力系統から解列せずに、運転を継続しなければならないという規格が欧州や中国などで定められている。
特許文献１には、系統事故時過電流消費装置の交流入力を、発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、励磁用コンバータ直流電圧上昇を検出して系統事故時に短絡回路を動作させ、これによって、交流励磁型発電機の励磁用電力変換器を系統擾乱による過電流から保護し、更に運転継続を実現する短絡回路（過電流消費装置）を発電機回転子と励磁用コンバータの間に接続し、系統電圧低下と励磁用コンバータの直流電圧上昇を検出して過電流消費装置を動作させることで実現するという技術が開示されている。
また、電圧上昇を抑制するためにエネルギーを消費する放電回路として、抵抗器とＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子を組み合わせ、さらに放電回路にスナバ回路（Snubber circuit）を付加し、単にＩＧＢＴをオン（ＯＮ）させてエネルギーを消費させるのみならず、ＩＧＢＴのオフ（ＯＦＦ）時に配線路の寄生インダクタンスによる電圧の跳ね上がりをスナバ回路で抑制する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１３５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、過電流消費装置を動作させることしか記載されていない。したがって、過電流消費装置をオフしたときに、配線等のインダクタンスにより発生する電圧の跳ね上がりについての対策が示されていないという問題がある。
また、抵抗器と半導体スイッチング素子を有する放電回路にスナバ回路を取り付ける方式であって、風力発電システムを対象とするような場合の放電回路においては、放電回路にある半導体スイッチング素子がオフするとき、数千アンペア程度の電流を遮断する。
したがって、配線等のインダクタンスによる跳ね上がり電圧も高くなるため、これを防止するためには、定格およびサイズが大きいスナバ回路を接続しなければならないという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、その目的および課題は、直流電圧回路の過剰なエネルギーを消費するエネルギー消費手段の半導体スイッチング素子破損を防止する回路を小型化した電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、本発明の電力変換器は、直流電圧回路と、該直流電圧回路の直流電圧を交流電圧に変換して、二次励磁発電機の回転子配線に前記交流電圧を供給する回転子側コンバータと、系統配線の交流電圧を直流電圧に変換して、前記直流電圧回路に前記直流電圧を供給する系統側コンバータと、前記直流電圧回路のエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、前記エネルギー消費手段に具備された半導体スイッチング素子の端子電圧を検出して制御する電圧抑制回路と、を備え、前記二次励磁発電機の回転子配線側からの過剰な電流の流入により前記直流電圧回路の電圧が所定の範囲を超えて上昇した際に、前記エネルギー消費手段をオンさせて前記直流電圧回路の電圧を所定の範囲に低下させ、前記エネルギー消費手段がオフする際に、前記電圧抑制回路が前記半導体スイッチング素子のオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、直流電圧回路の過剰なエネルギーを消費するエネルギー消費手段の半導体スイッチング素子破損を防止する回路を小型化した電力変換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電力変換器の構成例と、この電力変換器と、電力系統および風力発電用の発電機との関連する構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電力変換器におけるアクティブクランプ回路を構成するツェナーダイオードと、チョッパ回路を構成するＩＧＢＴとの接続関係を示した図である。
【図３】図１に表記した回転子側コンバータの概要の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電力変換器に、第２の系統配線の系統電圧が低下した場合の現象と、それに対処する電力変換器の動作を模式的に示すタイムチャートであり、（ａ）は第２の系統電圧の変化を示し、（ｂ）は発電機の回転子の電流の変化を示し、（ｃ）は直流電圧回路の直流電圧の変化を示し、（ｄ）はチョッパ回路１のオン・オフ動作を示し、（ｅ）はチョッパ回路２のオン・オフ動作を示し、（ｆ）はチョッパ回路３のオン・オフ動作を示し、（ｇ）はチョッパ回路４のオン・オフ動作を示し、（ｈ）は直流電圧回路の直流電流の変化を示している。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電力変換器の構成例と、この電力変換器と、電力系統および風力発電用の発電機との関連する構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本願の発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称す）を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態として、電力変換器の構成例を説明する。
【００１１】
＜電力変換器１０１の構成例＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換器１０１の構成例と、この電力変換器１０１と、電力系統（第１の系統配線１１０、変圧器１１１）および風力発電用の発電機１０４との関連する構成の一例を示す図である。
図１において、電力変換器１０１は、固定子配線１０２と回転子配線１０３とによって、風力発電用の二次励磁発電機である発電機１０４に接続されている。
また、電力変換器１０１の第２の系統配線１０９は、固定子配線１０２に接続されるとともにシステム配線１０５に接続されている。
システム配線１０５は、変圧器１１１に接続されている。そして変圧器１１１を介し、第１の系統配線１１０と接続されている。
【００１２】
また、電力変換器１０１は、系統側コンバータ１０７、直流電圧回路１０６、回転子側コンバータ１０８、および制御回路１１４を備えている。
電力変換器１０１は、第２の系統配線１０９（システム配線１０５、固定子配線１０２と相互に接続）の交流電圧を系統側コンバータ１０７で直流電圧に変換して直流電圧回路１０６に供給し、この直流電圧回路１０６の直流電圧を回転子側コンバータ１０８で再び三相交流電力に変換して、風力発電用の二次励磁発電機である発電機１０４の回転子配線１０３に供給する。
【００１３】
《系統側コンバータ１０７と回転子側コンバータ１０８》
系統側コンバータ１０７は、制御回路１１４によって、直流電圧回路１０６の直流電圧レベルが一定となるように動作を制御される。
回転子側コンバータ１０８は、固定子配線１０２への出力電圧の周波数が第２の系統配線１０９の周波数と一致するように、発電機１０４の回転子（不図示）を励磁する電流を流すべく、発電機１０４の回転数を参照した制御回路１１４によって回路動作を制御される。
【００１４】
《第２の系統配線１０９とシステム配線１０５と固定子配線１０２》
また、第２の系統配線１０９とシステム配線１０５と固定子配線１０２とは、配線の途中において事故が発生していなければ、実質的には概ね、同電圧（同電位）である。しかしながら、電力変換器１０１においては、系統側であるので、電力変換器１０１内部では「第２の系統配線」としている。
また、システム配線１０５は、変圧器１１１から見てシステム側にあるので、変圧器１１１から電力変換器１０１に接続される間を「システム配線」としている。
また、固定子配線１０２とは、発電機１０４からみると固定子配線であるので発電機１０４から電力変換器１０１に接続される間を「固定子配線」としている。
なお、第２の系統配線１０９とシステム配線１０５と固定子配線１０２との間には図示していない遮断器が設けられていることもある。
【００１５】
《ＬＣＬフィルタ１１３と平滑コンデンサ１１２とインダクタ１２３》
また、電力変換器１０１は、ＬＣＬフィルタ１１３と平滑コンデンサ１１２とインダクタ１２３とを備えている。
ＬＣＬフィルタ１１３は、第２の系統配線１０９と系統側コンバータ１０７との間に接続され、系統側コンバータ１０７で発生する高調波を第２の系統配線１０９へ流出するのを抑制する。
平滑コンデンサ１１２は、直流電圧回路１０６の直流電源間に接続され、系統側コンバータ１０７で出力された直流電圧の高周波成分を除去するとともに、直流電圧回路１０６の直流電圧（電力）を安定化させる。
インダクタ１２３は、二次励磁発電機である発電機１０４の回転子配線１０３に突発的に発生する高電圧から回転子側コンバータ１０８を保護する役目をする。
【００１６】
《抵抗手段とチョッパ回路とアクティブクランプ回路》
また、電力変換器１０１は、抵抗手段１１９〜１２２とチョッパ回路１１５〜１１８とアクティブクランプ回路（電圧抑制回路）１２５〜１２８とを備えている。
抵抗手段１１９〜１２２は、抵抗素子もしくは抵抗素子を有する抵抗回路で構成され、電流が流れるとジュール熱によってエネルギーを消費する。
チョッパ回路１１５〜１１８は、ＩＧＢＴによって構成され、それぞれ抵抗手段１１９〜１２２と直列に接続されている。これらの直列回路は、それぞれ直流電圧回路１０６の直流電源間に接続されている。また、チョッパ回路１１５〜１１８がそれぞれオンすると抵抗手段１１９〜１２２にそれぞれ電流が流れ、抵抗手段１１９〜１２２はエネルギーを消費する。
したがって、抵抗手段１１９〜１２２、もしくは抵抗手段１１９〜１２２とチョッパ回路１１５〜１１８を組み合わせた回路をエネルギー消費手段と称するものとする。
【００１７】
アクティブクランプ回路１２５〜１２８は、図２で後記するように、ツェナーダイオードによって構成されている。ツェナーダイオードに所定の電圧（ツェナー電圧、降伏電圧）以上の電圧が印加されると、急激に電流が流れる特性を利用する。
なお、ツェナーダイオードのアノードがチョッパ回路１１５〜１１８であるＩＧＢＴのゲートに接続され、ＩＧＢＴを制御するので、ツェナーダイオードをアクティブクランプ回路１２５〜１２８としている。
なお、抵抗手段１１９〜１２２にそれぞれ接続されているインダクタンス１２９〜１３２は配線に付随する寄生インダクタンスである。
【００１８】
《アクティブクランプ回路１２５とチョッパ回路１１５との接続関係》
図２は、本発明の第１実施形態に係る電力変換器におけるアクティブクランプ回路１２５を構成するツェナーダイオードと、チョッパ回路１１５を構成するＩＧＢＴとの接続関係を示した図である。
なお、図２の構成では、アクティブクランプ回路１２５は、単体のツェナーダイオードで構成されているので、ツェナーダイオードをツェナーダイオード１２５と適宜、表記する。また、チョッパ回路１１５は、単体のＩＧＢＴで構成されているので、ＩＧＢＴをＩＧＢＴ１１５と適宜、表記する。
図２において、ＩＧＢＴ１１５のコレクタとツェナーダイオード１２５のカソードとが互いに接続され、ＩＧＢＴ１１５のゲートとツェナーダイオード１２５のアノードが互いに接続されている。
したがって、ＩＧＢＴ１１５のカソードとゲート間に所定の電圧（ツェナーダイオード１２５のツェナー電圧、降伏電圧）以上の過大な電圧が加わらない構成となっている。
【００１９】
《電流センサ１４１〜１４４と電圧センサ１５１、１５２》
また、図１において、電力変換器１０１は、電流センサ１４１〜１４４と電圧センサ１５１、１５２とを備えている。
電流センサ１４１〜１４４は、システム配線１０５、固定子配線１０２、第２の系統配線１０９、回転子配線１０３のそれぞれの配線に流れる電流を測定する。したがって、システム配線１０５、固定子配線１０２、回転子配線１０３を電力変換器１０１の内部にそれぞれ引き入れた箇所に電流センサ１４１、１４２、１４４を設置する。また、電流センサ１４３をＬＣＬフィルタ１１３と系統側コンバータ１０７との間に設置し、第２の系統配線１０９に流れる電流に相当する電流を測定する。
電圧センサ１５１は、固定子配線１０２を電力変換器１０１の内部にそれぞれ引き入れた箇所に設置される。電圧センサ１５２は、第２の系統配線１０９に設置される。電圧センサ１５１、１５２は、それぞれの三相配線の線間電圧を測定する。
電流センサ１４１〜１４４と電圧センサ１５１、１５２において測定された信号を出力する信号線は、それぞれ制御回路１１４に接続されている。
【００２０】
《制御回路１１４》
制御回路１１４の出力である制御信号線は、系統側コンバータ１０７と回転子側コンバータ１０８とアクティブクランプ回路１２５〜１２８とチョッパ回路１１５〜１１８にそれぞれ接続されている。
制御回路１１４は、電流センサ１４１〜１４４と電圧センサ１５１、１５２において測定されたシステム配線１０５、固定子配線１０２、系統配線１０９、回転子配線１０３の電流と電圧の情報を参照して、系統側コンバータ１０７と回転子側コンバータ１０８とアクティブクランプ回路１２５〜１２８とチョッパ回路１１５〜１１８とをそれぞれ制御する。
なお、チョッパ回路１１５〜１１８は、制御回路１１４によって別々に制御されるので、チョッパ回路１１５〜１１８と抵抗手段１１９〜１２２とを備えて構成される複数のエネルギー消費手段は、制御回路１１４によって、独立して制御される。
【００２１】
《回転子側コンバータ１０８の概要の構成》
図３は、図１に表記した回転子側コンバータ１０８の概要の構成を示す図である。
回転子側コンバータ１０８は、直流電力を三相交流電力に変換する機能を有している。
ＩＧＢＴ１００１とＩＧＢＴ１００２とが直列に接続され、直流電源の正極配線１０８１と負極配線１０８２との間に接続されている。ＩＧＢＴ１００１とＩＧＢＴ１００２との接続点から交流出力線１１１２が出力されている。
また、ＩＧＢＴ１００３とＩＧＢＴ１００４とが直列に接続され、直流電源の正極配線１０８１と負極配線１０８２との間に接続されている。ＩＧＢＴ１００３とＩＧＢＴ１００４との接続点から交流出力線１３１４が出力されている。
また、ＩＧＢＴ１００５とＩＧＢＴ１００６とが直列に接続され、直流電源の正極配線１０８１と負極配線１０８２との間に接続されている。ＩＧＢＴ１００５とＩＧＢＴ１００６との接続点から交流出力線１５１６が出力されている。
【００２２】
ＩＧＢＴ１００１〜１００６の各ゲート端子は、それぞれ制御回路１１４に接続され、制御されている。
制御回路１１４は、ＩＧＢＴ１００１とＩＧＢＴ１００２をそれぞれ適切にオン・オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御することにより、三相交流を構成するＵ相に相当する交流電流を交流出力線１１１２から出力する。
また、制御回路１１４は、ＩＧＢＴ１００３とＩＧＢＴ１００４をそれぞれ適切にオン・オフ制御することにより、三相交流を構成するＶ相に相当する交流電流を交流出力線１３１４から出力する。
また、制御回路１１４は、ＩＧＢＴ１００５とＩＧＢＴ１００６をそれぞれ適切にオン・オフ制御することにより、三相交流を構成するＷ相に相当する交流電流を交流出力線１５１６から出力する。
【００２３】
以上の回転子側コンバータ１０８の構成と制御回路１１４によるＩＧＢＴ１００１〜１００６の制御によって、直流電源の正極配線１０８１と負極配線１０８２から、回転子側コンバータ１０８の交流出力線１１１２、１３１４、１５１６に可変電圧可変周波数の三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの出力が得られる。
このとき、回転子側コンバータ１０８は、直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換するインバータとして動作する。
なお、以上のコンバータ（回転子側コンバータ１０８）の動作を適正に遂行させるために、ＩＧＢＴ１００１〜１００６には、それぞれダイオード１０１１〜１０１６が逆並列に接続されている。
【００２４】
また、回転子側コンバータ１０８の交流出力線１１１２、１３１４、１５１６に三相交流電力を入力し、制御回路１１４でＩＧＢＴ１００１〜１００６を適切に制御すれば、正極配線１０８１と負極配線１０８２との間に直流電力を出力することもできる。
この場合には、回転子側コンバータ１０８は、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータとして動作する。
【００２５】
＜発電機から電力変換器へのエネルギー流入＞
次に、風力発電システムにおける系統電圧低下時の発電機から電力変換器へのエネルギーが流入する現象と、その対策としてのエネルギー消費手段と電圧上昇を防止するアクティブクランプ回路の構成と動作について、図１と図４を参照して説明する。
【００２６】
図４は、本発明の第１実施形態に係る電力変換器に、第２の系統配線の系統電圧が低下した場合の現象と、それに対処する電力変換器の動作を模式的に示すタイムチャートであり、（ａ）は第２の系統電圧の変化を示し、（ｂ）は発電機１０４の回転子の電流の変化を示し、（ｃ）は直流電圧回路１０６の直流電圧の変化を示し、（ｄ）はチョッパ回路１（１１５、図１）のオン・オフ動作を示し、（ｅ）はチョッパ回路２（１１６、図１）のオン・オフ動作を示し、（ｆ）はチョッパ回路３（１１７、図１）のオン・オフ動作を示し、（ｇ）はチョッパ回路４（１１８、図１）のオン・オフ動作を示し、（ｈ）は直流電圧回路１０６の直流電流の変化を示している。
なお、図４において、横軸は時間の推移を示している。また、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｈ）において、各特性の変化を示すことを主眼としているので縦軸における絶対値については表記していない。
【００２７】
《系統電圧の変化》
図４（ａ）は、第２の系統配線１０９（図１）の系統電圧の変化を示している。
第１の系統配線１１０（図１）と第２の系統配線１０９は、変圧器１１１（図１）の１次側と２次側にそれぞれ接続されているので、互いに電力を送受するとともに電気的に影響を及ぼしあう。したがって、第１の系統配線１１０、もしくは第２の系統配線１０９のいずれかにおいて、地絡などの事故が発生すれば、第２の系統配線１０９の電圧は低下する。
風力発電システムの欧州や中国の規格においては、第１の系統配線１１０に系統事故が発生しても、第２の系統配線１０９に係る風力発電システムを第１の系統配線１１０の電力系統から切り離してはならないと定められている。
図４（ａ）において、時間ｔ１以前で第２の系統電圧が１００％のときは、事故などが発生していない通常の場合であって、風力発電システムが定格値を出力している状況である。
また、時間ｔ１において、第１の系統配線１１０、もしくは第２の系統配線１０９のいずれかに系統事故が発生し、第２の系統電圧が定格値の２０％に落ちた状況について、次に説明する。なお定格値の２０％は、中国の規格で定められている想定値である。
【００２８】
《回転子電流の流入》
風力発電用の発電機１０４は、電圧が低下した場合においても所定の電力を引き続き発生するように、回転子の電流が自動的に増加する機構となっている。
そのために、図４（ｂ）の回転子電流は、時間ｔ１において、第２の系統電圧の低下にともない、逆に大きく上昇する。
発電機１０４の回転子電流の増加は、回転子配線１０３（図１）における電圧の上昇を伴い、回転子側コンバータ１０８（図１）に印加される。回転子側コンバータ１０８は、図３に示すように、ＩＧＢＴ１００１〜１００６には、それぞれ逆並列に接続されたダイオード１０１１〜１０１６が備えられている。
このダイオード１０１１〜１０１６によって、ＩＧＢＴ１００１〜１００６のオン・オフにかかわらず、発電機１０４の大きく上昇した回転子電流が回転子側コンバータ１０８の直流電源（正極配線１０８１、負極配線１０８２間）に流入する。
【００２９】
《直流電圧の上昇とその防止》
直流電圧回路１０６（図１）の直流電圧は、発電機１０４の回転子電流の流入により、平滑コンデンサ１１２によって直流電圧が上昇する。したがって、図４（ｃ）に示すように時間ｔ１〜ｔ２において上昇する。
そのまま直流電圧が上昇するとＩＧＢＴ１００１〜１００６が絶縁破壊（半導体スイッチング素子の破損）を起こす可能性があるので、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）を時間ｔ２で一斉にオン（図４（ｄ）〜（ｇ））させて、抵抗手段１１９〜１２２に流入した回転子電流のエネルギーを消費させ、直流電圧の上昇を防ぐ。
このチョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）と抵抗手段１１９〜１２２によるエネルギー消費手段の作用により、図４（ｃ）の時間ｔ２〜ｔ３においては、直流電圧は減少している。なお、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）をそのままオフさせたままにすると、特性線４０１のように直流電圧は上昇し続ける。この上昇は、ＩＧＢＴの耐圧の限界による絶縁破壊が起こるまで続く可能性がある。
【００３０】
また、時間ｔ３において、チョッパ回路１（１１５）のみをオフしている。このとき、チョッパ回路２〜４はオンしているので、図４（ｃ）の時間ｔ２〜ｔ３においては、直流電圧は低下を続けている。なお、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）をすべてオフにすると、特性線４０２のように直流電圧は再び上昇する。
また、時間ｔ４において、チョッパ回路２（１１６）をオフさせる。
また、時間ｔ５において、チョッパ回路３（１１７）をオフさせる。
また、時間ｔ６において、チョッパ回路４（１１８）をオフさせて、すべてがオフとなる。
なお、特性線４０３は、時間ｔ４において、残りのすべてのチョッパ回路２〜４（１１６〜１１８）をオフさせたときの直流電圧の上昇を示している。
また、特性線４０４は、時間ｔ５において、残りのすべてのチョッパ回路３〜４（１１７〜１１８）をオフさせたときの直流電圧の上昇を示している。
【００３１】
《チョッパ回路のオフ時の跳ね上がり電圧について》
また、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）と抵抗手段１１９〜１２２によるエネルギー消費手段の作用による効果があった時点において、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）をオフすると、配線に寄生するインダクタンス１２９〜１３２の作用により、跳ね上がり電圧が発生する。
チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）の各電流遮断時の電流をＩ１［Ａ］とし、配線などのインダクタンス１２９〜１３２をそれぞれＬ１［Ｈ］とすれば、この跳ね上がり電圧Ｖ１［Ｖ］は、次の（１式）で示す関係がある。
Ｖ１＝Ｌ１（ｄＩ１／ｄｔ）  ・・・（１式）
この（１式）で表された跳ね上がり電圧を軽減する方法としては、配線に寄生するインダクタンス１２９〜１３２を小さくする方法もある。しかしながら、制約もあって、効果には限界がある。
【００３２】
図４で示しているのは、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）を、独立に制御して、時間をずらして順にオフさせる方法である。この方法によれば、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）によって遮断される電流が集中しないので、各遮断時における（１式）で表される跳ね上がり電圧は、所定の範囲に抑えることができる。
また、この方法では、電圧変動（ｔ１）から復電（ｔ７）までに、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）の各チョッパのオン・オフの一連の動作が１回であり、かつそれぞれのエネルギー消費手段が独立して制御されている。この各チョッパのオン・オフの一連の動作が１回としていることで、チョッパ回路１〜４（１１５〜１１８）の電流遮断回数を少なくして、跳ね上がり電圧と損失を低減する。
【００３３】
《アクティブクランプ回路１２５による跳ね上がり電圧の抑制》
また、図２に示すように、チョッパ回路１１５のコレクタとゲート間には、ツェナーダイオード１２５のカソードとアノードがそれぞれ接続されている。
したがって、チョッパ回路１１５のオフの際に発生する跳ね上がり電圧がツェナーダイオード１２５の検知電圧（ツェナー電圧）に達するとツェナーダイオード１２５は、跳ね上がり電圧を抑制するように作用する。
また、ツェナーダイオード１２５は、単体で構成されているが、チョッパ回路１１５であるＩＧＢＴを制御するのでアクティブクランプ回路１２５と称される。
なお、従来の跳ね上がり電圧を抑制するスナバ回路では、跳ね上がり電圧の大小にかかわらず吸収する方式であって、所定の電圧を検知する機能、作用はない。
したがって、所定の電圧（検知電圧、ツェナー電圧）を超した場合の電圧抑制は、本発明の第１実施形態におけるアクティブクランプ回路１２５の方が効果的で、かつ小型の形状で実現できる。
【００３４】
《第１実施形態としての電力変換器１０１の効果》
アクティブクランプ回路１２５〜１２８を用いた図１の本発明の第１実施形態では、前記したように、エネルギー消費手段（抵抗手段１１９〜１２２＋チョッパ回路１１５〜１１８）で、直流電圧回路１０６の過剰なエネルギーを消費して電圧レベルを低下させる。
さらに、チョッパ回路１１５〜１１８の電流遮断時の損失はインダクタンス１２９〜１３２に蓄えられたエネルギーに関連するため、アクティブクランプ回路１２５〜１２８で跳ね上がり電圧を抑制する。
なお、アクティブクランプ回路１２５〜１２８による跳ね上がり電圧の抑制は、絶縁破壊（半導体スイッチング素子の破損）を防止するのみならず、エネルギー損失を低減することにも有効である。
また、チョッパ回路１１５〜１１８を独立して制御し、各チョッパのオン・オフの一連の動作が１回としていることで、チョッパ回路１１５〜１１８の電流遮断回数を低減して損失を低減することにも効果的である。
【００３５】
また、回転子電流の過電流を検出しても、電力変換器１０１の直流電圧回路１０６等の回路も所定の特性の範囲内に制御できるので、風車と発電機１０４と電力変換器１０１は、引き続き、運転もしくは稼働できるので、発電効率を確保することができる。
また、アクティブクランプ回路１２５〜１２８を用いることによって、前記したように従来のスナバ回路を採用する方式に比較して、電力変換器として小型化できる。
また、以上においては、風力発電システムの風力低下による発電機１０４からの回転子電流の影響を防止する観点から述べたが、系統（第１の系統配線１１０、システム配線１０５、第２の系統配線１０９）側からの過剰な電流の流入の場合についても、同様に過剰なエネルギーを消費して電圧レベルを低下させる作用をし、同様の効果がある。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態として、電力変換器の他の構成例を説明する。
【００３７】
＜電力変換器の他の構成例＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る電力変換器２０１の構成例と、この電力変換器２０１と、電力系統（第１の系統配線２１０）および風力発電用の発電機２０４との関連する構成の一例を示す図である。
図５において、発電機２０４は、永久磁石同期発電機である。したがって、励磁電流に関する配線と回路がない。したがって、発電機２０４と電力変換器２０１との間に接続される配線は、固定子配線２０３である。
なお、図１に示した発電機１０４は、前記したように、二次励磁発電機であり、発電機１０４と電力変換器１０１との間に接続される配線は、固定子配線１０２と回転子配線１０３の２組である。
【００３８】
《コンバータ２０８とインバータ２０７関連の接続構成》
図５において、風力によって駆動され、永久磁石同期発電機である発電機２０４は、固定子配線２０３によって、コンバータ２０８に三相の交流電圧を入力する。
コンバータ２０８は、入力した交流電圧を直流電圧に変換して、直流電圧回路２０６に直流電力を供給する。
直流電圧回路２０６は、インバータ２０７に直流電圧を入力する。
インバータ２０７は、入力した直流電圧を所定の周波数と電圧の三相交流電圧に変換して、第２の系統配線２０９に出力する。
電力変換器２０１の内部の第２の系統配線２０９は、電力変換器２０１の外部のシステム配線２０５に接続されている。
システム配線２０５の三相交流電力は、変圧器２１１で交流電圧を所定の電圧に変換され、第１の系統配線２１０に供給される三相交流電力となる。
【００３９】
《ＬＣＬフィルタ２１３と平滑コンデンサ２１２とインダクタ２２３》
また、電力変換器２０１は、ＬＣＬフィルタ２１３と平滑コンデンサ２１２とインダクタ２２３とを備えている。
ＬＣＬフィルタ２１３は、系統配線２０９とインバータ２０７との間に接続され、インバータ２０７で発生する高調波を第２の系統配線２０９への流出を抑制する。
平滑コンデンサ２１２は、直流電圧回路２０６の直流電源間に接続され、コンバータ２０８で出力された直流電力の高周波成分を除去するとともに、直流電圧回路２０６の直流電圧（電力）を安定化させる。
インダクタ２２３は、発電機２０４の固定子配線２０３に突発的に発生する高電圧からコンバータ２０８を保護する役目をする。
【００４０】
《抵抗手段とチョッパ回路とアクティブクランプ回路》
また、電力変換器２０１は、抵抗手段２１９〜２２２とチョッパ回路２１５〜２１８とアクティブクランプ回路（電圧抑制回路）２２５〜２２８とを備えている。
以上の抵抗手段２１９〜２２２とチョッパ回路２１５〜２１８とアクティブクランプ回路２２５〜２２８は、図１のそれぞれ抵抗手段１１９〜１２２とチョッパ回路１１５〜１１８とアクティブクランプ回路１２５〜１２８と、概ね同一の構成と機能と作用であるので、重複する説明は省略する。
また、図５におけるインダクタンス２２９〜２３２は、図１のインダクタンス１２９〜１３２に対応した配線に付随する寄生インダクタンスであって、その影響は、概ね図１と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００４１】
《電流センサ２４１、２４３、２４４と電圧センサ２５２》
また、図５において、電力変換器２０１は、電流センサ２４１、２４３、２４４と電圧センサ２５２とを備えている。
電流センサ２４１、２４３、２４４は、システム配線２０５、第２の系統配線２０９、固定子配線２０３のそれぞれの配線に流れる電流を測定する。したがって、システム配線２０５、固定子配線２０３を電力変換器２０１の内部にそれぞれ引き入れた箇所に電流センサ２４１、２４４を設置する。また、電流センサ２４３をＬＣＬフィルタ２１３とインバータ２０７との間に設置し、第２の系統配線１０９に流れる電流に相当する電流を測定する。
電圧センサ２５２は、第２の系統配線２０９に設置され、三相配線の線間電圧を測定する。
電流センサ２４１、２４３、２４４と電圧センサ２５２において測定された信号を出力する信号線は、それぞれ制御回路２１４に接続されている。
【００４２】
《制御回路２１４》
制御回路２１４の出力である複数の制御信号線は、インバータ２０７とコンバータ２０８とアクティブクランプ回路２２５〜２２８にそれぞれ接続されている。
制御回路２１４は、電流センサ２４１、２４３、２４４と電圧センサ２５２において測定されたシステム配線２０５、第２の系統配線２０９、固定子配線２０３の電流と電圧の情報を参照して、インバータ２０７とコンバータ２０８とアクティブクランプ回路２２５〜２２８とをそれぞれ制御する。
【００４３】
＜第２実施形態の電力変換器２０１の特徴と効果＞
以上、第２実施形態の電力変換器２０１は、風力発電用の発電機２０４の発電した三相交流電圧をコンバータ２０８で一度、直流電圧に変換し、さらに、この直流電圧をインバータ２０７で所定の周波数と電圧の三相交流電圧（電力）に変換する。
そして、この変換した三相交流電圧を、変圧器２１１を介して第１の系統配線２１０に供給している。
図５において、発電機２０４は、永久磁石同期発電機であるので、図１の二次励磁発電機である発電機１０４のような回転子を励磁する回転子配線（１０３）はない。
しかしながら、直流電圧回路２０６に、系統（第１の系統配線２１０、第２の系統配線２０９）や発電機（固定子配線２０３）からの過剰な電流の流入があって、直流電圧回路２０６の直流電圧が通常（所定）の動作範囲を逸脱して上昇した場合には、制御回路２１４は、チョッパ回路２１５〜２１８を動作させる。
【００４４】
このチョッパ回路２１５〜２１８をオンさせることによって、直流電圧回路２０６に流入した過剰なエネルギーを抵抗手段（エネルギー消費手段）２１９〜２２２で消費して、電圧レベルを適正な所定の範囲に保つ。
また、アクティブクランプ回路２２５〜２２８は、それぞれチョッパ回路２１５〜２１８がオフした際の跳ね上がり電圧を検知して、この電圧の跳ね上がり現象を抑制する。より具体的には、アクティブクランプ回路２２５〜２２８がそれぞれツェナーダイオードで構成されている場合には、前記した跳ね上がり電圧がツェナー電圧を超えないように抑制する。なお、アクティブクランプ回路２２５〜２２８は、所定の電圧（ツェナー電圧）を超えないように制御はするが、跳ね上がり電圧分のエネルギーをアクティブクランプ回路２２５〜２２８が消費するわけではないので、小型の形状の回路、機器で実現する。
【００４５】
以上のように、抵抗手段２１９〜２２２とチョッパ回路２１５〜２１８によるエネルギー消費手段と、アクティブクランプ回路２２５〜２２８を用いて、直流電圧回路２０６の直流電圧を適切に所定の動作範囲に保つ方法は、風力発電用の発電機（１０４、２０４）が、二次励磁発電機のみならず永久磁石同期発電機の場合でも適用できる。
【００４６】
《第２実施形態としての電力変換器２０１の効果》
したがって、永久磁石同期発電機に適用した本発明の第２実施形態としての電力変換器２０１は、二次励磁発電機に適用した本発明の第１実施形態としての電力変換器１０１と同様の効果がある。
すなわち、チョッパ回路２１５〜２１８をオンさせることによって、直流電圧回路２０６に流入した過剰なエネルギーを抵抗手段（エネルギー消費手段）２１９〜２２２で消費して、電圧レベルを適正な所定の範囲に保つ。
また、チョッパ回路２１５〜２１８の電流遮断回数を減らして損失を低減する効果的がある。
【００４７】
また、アクティブクランプ回路２２５〜２２８による跳ね上がり電圧の抑制は、半導体スイッチング素子の破損を防止するのみならず、エネルギー損失を低減することにも有効である。
また、固定子電流の過電流を検出しても、電力変換器２０１の直流電圧回路２０６等の回路も所定の特性の範囲内に制御できる。このため、風車と発電機２０４と電力変換器２０１は、引き続き、運転もしくは稼働できるので、発電効率を確保することができる。
また、アクティブクランプ回路２２５〜２２８を用いることによって、従来のスナバ回路を採用する方式に比較して、電力変換器として小型化できる。
【００４８】
（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態およびその変形に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもよく、以下にその例をあげる。
【００４９】
《エネルギー消費手段・その他１》
図１では、エネルギー消費手段としてのチョッパ回路２１５〜２１８の４回路の例を示したが、５回路以上、あるいは３回路以下でもよい。用途や状況に適した回路数を選択すれば、性能の向上やコストの低減に効果がある。
【００５０】
《エネルギー消費手段・その他２》
また、図４では、チョッパ回路１〜４（２１５〜２１８、図１）がすべて動作している例を示したが、発電機１０４（図１）の回転子電流による直流電圧の上昇の状況に応じて、動作をしない回路や、長い時間にわたってオンしている回路があってもよい。
【００５１】
《エネルギー消費手段・その他３》
図１、図４を参照して、エネルギー消費手段を説明した。図４においては、チョッパ回路１〜４のエネルギー消費手段としての効果を、概ね同一の機能として、図示し説明したが、エネルギー消費手段を構成する抵抗手段の抵抗値が異なるものを用いてもよい。
つまり、回転子電流が大きく直流電圧の上昇が大きい場合には、抵抗値の小さいエネルギー消費手段のチョッパ回路を選択し、また回転子電流が小さく直流電圧の上昇が小さい場合には、抵抗値の大きいエネルギー消費手段のチョッパ回路を選択するような方法をとってもよい。
【００５２】
《アクティブクランプ回路》
図２においては、アクティブクランプ回路１２５として、単体のツェナーダイオードの例を示したが、単体のツェナーダイオードに限定されるものではない。
例えば、ツェナーダイオードにコンデンサを並列に接続し、コンデンサによって、急激な電圧上昇を抑制する効果と、ツェナーダイオードによる所定の電圧以上になることを抑制する効果とを、併せて持たせてもよい。
また、ツェナーダイオードを複数個、直列にして、実効的なツェナー電圧（降伏電圧）を調整してもよい。
また、チョッパ回路１１５がＩＧＢＴ以外の半導体スイッチング素子を用いた場合には、その半導体スイッチング素子の特徴に応じて、アクティブクランプ回路１２５の接続方法を変えてもよい。
【００５３】
《制御回路》
図１においては、制御回路１１４が系統側コンバータ１０７、回転子側コンバータ１０８、チョッパ回路１１５〜１１８を一括制御しているが、系統側コンバータ１０７、回転子側コンバータ１０８、チョッパ回路１１５〜１１８の制御を分担して別々の制御回路が行うこともできる。つまり、制御回路１１４は、様々な回路構成で実現できる。
【００５４】
《スイッチング素子》
図１〜図３、図５において、チョッパ回路などのスイッチング素子としてＩＧＢＴで説明したが、ＩＧＢＴに限定されるものではない。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar junction transistor）、ＳｉＣ（Silicon Carbide）、ＧａＮ（gallium nitride）などの半導体トランジスタを用いてもよい。
【００５５】
《発電機の用途》
図１、図５においては、発電機は風力発電の発電機として説明したが、風力発電に限定されるものではない。
例えば、海の潮力発電における発電機に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０１、２０１    電力変換器
１０２、２０３    固定子配線
１０３    回転子配線
１０４    発電機、二次励磁発電機
１０５、２０５    システム配線
１０６、２０６    直流電圧回路
１０７    系統側コンバータ
１０８    回転子側コンバータ
１０９、２０９    系統配線、第２の系統配線
１１０、２１０    系統配線、第１の系統配線
１１１、２１１    変圧器
１１２、２１２    平滑コンデンサ
１１３、２１３    ＬＣＬフィルタ
１１４、２１４    制御回路
１１５〜１１８、２１５〜２１８    チョッパ回路（ＩＧＢＴ、半導体スイッチング素子）
１１９〜１２２、２１９〜２２２    抵抗手段、エネルギー消費手段
１２３、２２３    インダクタ
１２５〜１２８、２２５〜２２８    アクティブクランプ回路（電圧抑制回路、ツェナーダイオード）
１２９〜１３２、２２９〜２３２    インダクタンス、寄生インダクタンス
１４１〜１４４、２４１、２４３、２４４    電流センサ
１５１、１５２、２５２    電圧センサ
２０４    発電機、永久磁石同期発電機
２０７    インバータ
２０８    コンバータ
４０１〜４０４    特性線
１００１〜１００６    ＩＧＢＴ
１０１１〜１０１６    ダイオード
１０８１    正極配線
１０８２    負極配線
１１１２、１３１４、１５１６    交流出力線
【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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