(57)【要約】【課題】無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができる風力発電施設及びその運転方法を提供する。【解決手段】風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える。前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置からの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成される。【選択図】  図１
2014128158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの風力発電装置と、
前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、
前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、
前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、
前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備え、
前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成されたことを特徴とする風力発電施設。
【請求項２】
前記充放電ケーブルは、前記直流送電路の予備回線であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設。
【請求項３】
前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記送り出し変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第１遮断器と、
前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記受け取り変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第２遮断器とを備えることを特徴とする請求項２に記載の風力発電施設。
【請求項４】
少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える風力発電施設の運転方法であって、
前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって前記充放電ケーブルを充電する充電ステップと、
前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して電力が供給されるように前記充放電ケーブルから放電する放電ステップとを備えることを特徴とする風力発電施設の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電装置で生成した交流電力を直流電力に変換してグリッド側へ直流送電する風力発電施設及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、大規模な風力発電施設の普及が進んでいる。風力発電施設は、一般に、複数の風力発電装置からなるウィンドファームから出力した電力をグリッド（系統）に供給するようになっている。
【０００３】
このような風力発電装置は、停電等の系統異常事象の発生によって系統電圧が低下した場合には、電圧低下の程度や、電圧低下の継続時間が所定の範囲内であれば、運転を継続してグリッドへの連系を維持することが求められる場合がある。すなわち、グリッドに連系される風力発電装置はＬＶＲＴ（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｉｄｅ−Ｔｈｒｏｕｇｈ）機能の具備を求められる。
系統異常事象の発生時、通常はグリッド側から供給される電力によって制御される制御装置や各種の補機（例えば、ピッチ駆動機構）は、グリッド側からの電力供給が断たれ、その動作を維持できない。そのため、ＬＶＲＴ機能を実現するためには、運転を継続してグリッドへの連系を維持するのに必要な制御装置や各種補機への電力供給源が必要となる。
【０００４】
ＬＶＲＴ時にこういった機器の動作を維持する方法の一つとして、例えば特許文献１には、無停電電源装置（ＵＰＳ）を使用する構成が開示されている。これは、系統電圧の低下が検出された時、必要な機器（例えば、電力変換器、タービンコントローラ、ブレードピッチ制御システム、クローバー回路（ｃｒｏｗｂａｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ）などに無停電電源装置から電力が供給されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６９２１９８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載される無停電電源装置はメンテナンスを多く必要とし、また、無停電電源装置に用いられるバッテリーは経年変化によって劣化しやすいため、無停電電源装置の機能を維持するためには定期的にバッテリーを交換する必要がある。これは、風力発電システムのメンテナンスに必要な労力とコストを増大させることとなる。
【０００７】
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができる風力発電施設及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備え、前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
上記風力発電施設では、グリッド（系統）の正常時に風力発電装置から直流送電路を充電しておき、非常時（例えばＬＶＲＴ時）に、直流送電路に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
【００１０】
幾つかの実施形態では、前記充放電ケーブルは、前記直流送電路の予備回線である。
このように、直流送電路に冗長性（Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）を持たせるために設けられた直流送電路の予備回線を充放電ケーブルとして利用することで、別途充放電ケーブルを敷設する必要がない。よって、設備コストの削減を図ることができる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記送り出し変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第１遮断器と、前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記受け取り変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第２遮断器とを備える。
上記実施形態において、直流送電路の正常時には、第１遮断器及び第２遮断器を開いて、充放電ケーブルを送り出し変換器及び受け取り変換器とを切り離して風力発電装置から充放電ケーブルが充電されるようになっている。また、直流送電路の異常時には第１遮断器及び第２遮断器を閉じて、予備回線が直流送電路に代替可能になっている。
これにより、第１遮断器及び第２遮断器の操作のみで、直流送電路の予備回線を充放電ケーブルとして利用したり、直流送電路に代替させたりできる。
【００１２】
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設の運転方法は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える風力発電施設の運転方法であって、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって前記充放電ケーブルを充電する充電ステップと、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して電力が供給されるように前記充放電ケーブルから放電する放電ステップとを備えることを特徴とする。
【００１３】
上記風力発電施設の運転方法によれば、グリッドの正常時に風力発電装置から直流送電路を充電しておき、非常時（例えばＬＶＲＴ時）に、直流送電路に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の運転方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の変形例に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、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。
【００１７】
図１は、一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
同図に示すように、幾つかの実施形態において、風力発電施設１は、少なくとも一つの風力発電装置１０を備え、風力発電装置１０から出力した電力をローカルグリッド２を介してグリッド５０へ送電するようになっている。
【００１８】
風力発電装置１０は、主要機器として、風車ロータと、該風車ロータの回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機とを備える。風力発電装置１０の発電機は、例えば同期発電機や誘導発電機が用いられる。さらに、風力発電装置１０は、ブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構等の各種の補機やこれらの機器を制御する制御装置を備えている。この風力発電装置１０で出力された電力は、交流電力としてローカルグリッド２に出力される。なお、図１には一つの風力発電装置１０を示しているが、複数の風力発電装置を含むウィンドファームで構成されてもよい。
【００１９】
ローカルグリッド２は、風力発電装置１０とグリッド５０との間に設けられる主要送電路として、風力発電装置１０側から順に、交流送電路１１、直流送電路１２、交流送電路１３を含むとともに、風力発電装置１０に接続される充放電ケーブル２０を含んでいる。
【００２０】
主要送電路には、交直変換器によって構成される送り出し変換器（ＳＥＣ；Ｓｅｎｄｉｎｇ  Ｅｎｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３、直交変換器によって構成される受け取り変換器（ＲＥＣ；Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  Ｅｎｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）４、変圧器５が設けられている。
送り出し変換器３は、風力発電装置１０からの交流電力を直流電力に変換して直流送電路１２に供給する。受け取り変換器４は、直流送電路１２からの直流電力を交流電力に変換してグリッド５０に供給する。変圧器５は、受け取り変換器４で変換された交流電力を変圧する。
【００２１】
また、一実施形態において、直流送電路１２には、第１遮断器７及び第２遮断器８が設けられている。第１遮断器７及び第２遮断器８は、主として、直流送電路１２において短絡事故や地絡事故が生じた場合に直流送電路１２から送り出し変換器３及び受け取り変換器４を切り離し、これらを過電圧又は過電流から保護する役割を担う。グリッド５０及びローカルグリッド２に異常がない場合、第１遮断器７及び第２遮断器８は全て閉になっており、風力発電装置１０で生成された電力は直流送電路１２をグリッド５０に向かって送電される。
【００２２】
一実施形態において、充放電ケーブル２０は、交直変換器２６を介して風力発電装置１０に接続されている。充放電ケーブル２０は、風力発電装置１０又はグリッド５０からの電力によって充電され、グリッド５０の異常事象発生時に風力発電装置１０に対して放電するように構成される。すなわち、風力発電装置１０の発生電力が交直変換器２６によって直流電力に変換されて、該直流電力によって充放電ケーブル２０が充電される。そして、グリッド５０の異常事象発生時、充放電ケーブル２０からの直流電力が交直変換器２６によって交流電力に変換されて、該交流電力が風力発電装置１０に供給される。
この充放電ケーブル２０は複数設けられてもよい。また、充放電ケーブル２０と風力発電装置１０との間には、変圧器２１と、開閉器２２が設けられている。開閉器２２は、後述する充放電制御部４０によって開閉制御される。
【００２３】
なお、風力発電施設１において、少なくとも一つの風力発電装置１０及び送り出し変換器３は洋上に設置され、受け取り変換器４及び変圧器５、グリッド５０は陸上に設置されてもよい。この場合、直流送電路１２及び充放電ケーブル２０の大部分は海底に設置される海底ケーブルである。
【００２４】
幾つかの実施形態において、風力発電施設１は、充放電ケーブル２０と風力発電装置１０との間に設けられた開閉器２２及び交直変換器２６を制御することによって、充放電ケーブル２０の充電と放電とを切り替える充放電制御部４０をさらに備える。
【００２５】
グリッド５０の異常事象発生前、充放電制御部４０は開閉器２２及び交直変換器２６を制御して、開閉器２２を閉じた状態で、風力発電装置１０又はグリッド５０からの電力を交直変換器２６によって直流電力に変換し、該直流電力を充放電ケーブル２０に供給する。これにより、充放電ケーブル２０は充電される。充放電ケーブル２０が充電されたら、開閉器２２を開き、交直変換器２６の制御を停止する。
一方、グリッド５０の異常事象発生時、開閉器２２及び交直変換器２６を制御して、開閉器２２を閉じた状態で、充放電ケーブル２０からの直流電力を交直変換器２６で交流電力に変換し、該交流電力を風力発電装置１０に供給する。
ここで、検出部４２によって風力発電装置１０の発電機の端子電圧を検出し、発電機の端子電圧に基づいてグリッド５０で異常事象が発生したか否かを判定するようにしてもよい。
【００２６】
このように、グリッド５０の正常時に風力発電装置１０から充放電ケーブル２０を充電しておき、グリッド５０に異常事象が発生した時に、充放電ケーブル２０から風力発電装置１０に対して給電することによって、無停電電源装置を用いることなく、ＬＶＲＴ時に風力発電装置１０を構成する機器へ電力を供給することができ、ＬＶＲＴ時においても風力発電装置１０の動作を維持できる。
【００２７】
図２は本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
図２に示すように、本回線としての直流送電路１２に並行して設けられる予備回線１２’を充放電ケーブル２０として用いてもよい。このように、直流送電路（本回線）１２に冗長性を持たせるために設けられた予備回線１２’を充放電ケーブル２０として利用することで、別途充放電ケーブル２０を敷設する必要がない。よって、設備コストの削減を図ることができる。
【００２８】
図２に示す例示的な実施形態では、直流送電路（本回線）１２と送り出し変換器３との間、および、直流送電路１２と受け取り変換器４との間には、それぞれ、送り出し変換器３側の第１遮断器（ＳＥＣ側遮断器）７ａと受け取り変換器４側の第２遮断器（ＲＥＣ側遮断器）８ａが設けられる。同様に、予備回線１２’と送り出し変換器３との間、および、予備回線１２’と受け取り変換器４との間には、それぞれ、第１遮断器７ｂと第２遮断器８ｂが設けられる。
【００２９】
これら第１遮断器７ａ，７ｂと第２遮断器８ａ，８ｂは、直流遮断器制御部６０によって開閉制御され、直流送電路（本回線）１２の異常時に直流送電路１２を送り出し変換器３及び受け取り変換器４から切り離し、予備回線１２’で代替するようになっていてもよい。
すなわち、直流送電路（本回線）１２の正常時、直流遮断器制御部６０によって、直流送電路（本回線）１２の第１遮断器７ａ及び第２遮断器８ａはいずれも閉じられ、且つ、予備回線１２’の第１遮断器７ｂ及び第２遮断器８ｂはいずれも開かれた状態になっている。これに対し、直流送電路（本回線）１２の異常時、直流遮断器制御部６０によって、直流送電路（本回線）１２の第１遮断器７ａ及び第２遮断器８ａが開かれるとともに、予備回線１２’の第１遮断器７ｂ及び第２遮断器８ｂは閉じられる。こうして、異常が発生した直流送電路（本回線）１２は予備回線１２’によって代替される。
【００３０】
また、予備回線１２’は、充放電ケーブル２０としての役割も兼ねるため、交直変換器３６を介して風力発電装置１０に接続される。一実施形態では、図２に示すように、交直変換器３６の両側に位置する交流ライン３１及び直流ライン３２によって構成される接続ライン３０が、充放電ケーブル２０としての予備回線１２’における第１遮断器７ｂの近傍の接続点３３に接続される。なお、交流ライン３１には変圧器３５が設けられていてもよい。
【００３１】
充放電制御部４０は、グリッド５０の異常事象発生前、開閉器３７及び交直変換器３６を制御して、開閉器３７を閉じた状態で、風力発電装置１０又はグリッド５０からの電力を交直変換器３６によって直流電力に変換し、該直流電力を充放電ケーブル２０（予備回線１２’）に供給する。これにより、充放電ケーブル２０は充電される。充放電ケーブル２０が充電されたら、開閉器３７を開き、交直変換器３６の制御を停止する。
一方、グリッド５０の異常事象発生時、開閉器３７及び交直変換器３６を制御して、開閉器３７を閉じた状態で、充放電ケーブル２０からの直流電力を交直変換器３６で交流電力に変換し、該交流電力を風力発電装置１０に供給する。
なお、充放電ケーブル２０（予備回線１２’）の充放電時、直流遮断器制御部６０によって、充放電ケーブル２０（予備回線１２’）の両側の第１遮断器７ｂ及び第２遮断器８ｂは開かれている。
【００３２】
ここで、図３を参照して、一実施形態に係る風力発電施設１の運転方法について説明する。
風力発電施設１の通常運転時（Ｓ１）、開閉器２２、３７を閉じた状態で交直変換器２６，３６を制御し、風力発電装置１０又はグリッド５０からの電力によって充放電ケーブル２０，１２’（２０）の充電を行う（Ｓ２）。なお、充放電ケーブル２０，１２’（２０）が充電されたら、開閉器２２，３７を開き、交直変換器２６，３６の制御を停止する。
この後、検出部４２によって風力発電装置１０の端子電圧を検出し、端子電圧に基づいてグリッド５０における異常事象の発生の有無を判定する（Ｓ３）。グリッド５０にて異常事象が発生したと判定されたら、開閉器２２，３７を閉じ、交直変換器２６，３６を制御して充放電ケーブル２０，１２’（２０）から風力発電装置１０に給電（放電）する（Ｓ４）。
これにより、グリッド５０から電力供給を受けることができない場合であっても、風力発電装置１０の動作を維持することができる。
【００３３】
以上説明したように、上述の実施形態によれば、グリッド５０の正常時において充放電ケーブル２０，１２’（２０）を充電しておき、グリッド５０の異常事象発生時に、充放電ケーブル２０，１２’（２０）に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置１０に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、ＬＶＲＴ時に風力発電装置１０を構成する機器へ電力を供給することができる。
【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】
例えば、上述の実施形態では、グリッド５０における異常事象の発生を、風力発電装置１０の端子電圧に基づいて判定したが、グリッド５０における異常事象は、グリッド５０側の電圧情報や、グリッド５０側の変電所や給電指令所から取得可能なグリッド５０各所における遮断器の開閉状態を含む事故情報に基づいて判定してもよい。
図４は、本発明の変形例に係る風力発電施設１の全体構成を示す図である。図４に示すように、グリッド５０に設けられた系統監視部５２からの信号に基づいて異常事象の発生を検出してもよい。また、系統監視部５２は、グリッド５０を構成している各種設備の状態や各所に設置されるセンサの情報等を監視し、風力発電施設１の充放電制御部４０に監視結果を報告するようになっている。この場合、充放電制御部４０は、系統監視部５２からの報告結果に基づいて、グリッド５０における異常事象の発生の有無を判定してもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１              風力発電施設
２              ローカルグリッド
３              送り出し変換器
４              受け取り変換器
５，２１，３５  変圧器
７，７ａ，７ｂ  第１遮断器
８，８ａ，８ｂ  第２遮断器
１０            風力発電装置
１１，１３      交流送電路
１２            直流送電路
１２’         予備回線（充放電ケーブル）
２０            充放電ケーブル
２２，３７      開閉器
３０            接続ライン
４０            充放電制御部
４２            検出部
５０            グリッド
５２            系統監視部
【図１】
2014128158.tif 000003
【図２】
2014128158.tif 000004
【図３】
2014128158.tif 000005
【図４】
2014128158.tif 000006