(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポートＡと、ポートＢと、ポートＣと、乗切時にステータ電圧を安定させながら無効電力を提供する内蔵補助コンバータと、有効電力を吸収するための制御可能な能動負荷とを備え、
前記ポートＡと前記ポートＢとの間に高速スイッチが設けられ、
前記高速スイッチは、ゲートターンオフサイリスタ又はリバースターンオフ回路を有するサイリスタであり、
前記ポートＡが風力発電機のステータ巻線に接続され、
前記ポートＡと前記ポートＣとの間に前記内蔵補助コンバータが設けられ、該内蔵補助コンバータの交流バスが前記ポートＡに接続され、該内蔵補助コンバータの直流側が前記ポートＣに接続され、
前記制御可能な能動負荷が前記内蔵補助コンバータの直流出力端に接続されることによって、前記内蔵補助コンバータと前記制御可能な能動負荷とが連続して前記ポートＡと前記ポートＣとの間に直列に接続され、又は、三相ブリッジ整流器を介して、前記内蔵補助コンバータが前記ポートＡから前記制御可能な能動負荷に接続されることによって、該内蔵補助コンバータの分岐が前記制御可能な能動負荷の分岐と並列に接続されることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットにおいて、
前記制御可能な能動負荷は、ブレーキスイッチとブレーキレジスタとにより構成されることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット。
【請求項３】
請求項２記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットにおいて、
前記ブレーキスイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット。
【請求項４】
請求項１記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットにおいて、
前記三相ブリッジ整流器の交流側にＬＣバイパス フィルター回路が設けられていることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用であって、
前記ポートＢが電気ネットワークに接続されることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用。
【請求項６】
請求項５記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用において、
前記ポートＣが外部の補助コンバータの直流バスに接続されていることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用。
【請求項７】
請求項６記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用において、
前記外部の補助コンバータは、前記電気ネットワークに接続された補助コンバータ、若しくは二重給電風力発電機のローター側の二重給電コンバータ、又は前記電気ネットワークに接続された補助コンバータと二重給電風力発電機のローター側の二重給電コンバータとの各々の直流バスが接続されることによるコンバータの組合せであることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用。
【請求項８】
請求項６記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用において、
前記ポートＣと前記外部の補助コンバータの直流バスとの間にキャパシタが設置されていることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用。
【請求項９】
請求項６又は７記載の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用において、
風力発電機のステータ巻線が連系スイッチを介してポートＡに接続されていることを特徴とする低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット及びその応用、特に低電圧乗切（LVRT）機能を有しない各種の風力発電機の設計についての低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットに関する。該低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニットは、従来の非同期型風力発電機（asynchronous wind turbine）の改造及びコンバータを備える二重給電型風力発電機の改良に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
風力発電産業の急速な発展につれ、風力発電機の設備容量が次第に増大し、発電総容量における比率も次第に高くなってきた。電力システムにおいて風力発電機の設備容量の比率が比較的大きい場合、電力システムの故障による電圧降下の後、風力発電地帯（wind farm）の供給電力停止により、電力システムの運転安定性が深刻な影響を受けることになる。研究によれば、風力発電機が低電圧乗切（Low Voltage Ride Through・LVRT）能力を備えている場合、電力システム全体の安定性が向上しうる。従って、世界中で電力システムにおける風力発電機の設備容量の比率が高い国、例えば、デンマーク、ドイツ、アメリカ等において、風力・電気ネットワーク連系（connection）に関する規定は、いずれも、風力発電機がＬＶＲＴ能力を備えることを要求している。これによって、電力システムに故障が発生した場合でも、風力発電システムが中断することなく連系運行（online operation）することが保障されている。
【０００３】
各国においては、風力発電機のＬＶＲＴ能力に対する要求がそれぞれ異なるものの、いずれの要求にも次の幾つかの内容が含まれている。中国において施行されている風力発電地帯から電力システムへの接続に関する技術規定（Ｑ／ＧＤＷ ３９２−２００９）を例として取り上げると、該技術規定には次の内容が明確に要求されている。
【０００４】
ａ）風力発電地帯は、電圧が定格電圧の２０％に降下した場合でも連系運行を６２５ｍｓ継続するのに十分な低電圧乗切能力を有しなければならない。
【０００５】
ｂ）風力発電地帯は、電圧降下後３ｓ以内に定格電圧の９０％に復帰できる場合、連系運行を維持しなければならない。
【０００６】
ｃ）風力発電地帯は、昇圧器（boost transformer）の高電圧側の電圧が定格電圧の９０％以上である場合、中断することなく連系運行しなければならない。
【０００７】
現在、中国の風力発電システム（WTGS）は主に次の４種類がある:定速定周波数非同期発電システム（constant-speed constant-frequency asynchronous generator system）、有限変速非同期発電システム（limited variable-speed asynchronous generator system）、変速定周波数二重給電発電システム（variable-speed constant-frequency double-fed generator system）及び変速定周波数直結発電システム（variable-speed constant-frequency direct-drive generator system）。その中、定速定周波数非同期発電システム及び有限変速非同期発電システムは、それら自体ではＬＶＲＴ能力を備えていない。変速定周波数二重給電発電システムは、現在ローター側にＣｒｏｗｂaｒを導入することによってＬＶＲＴ能力を備えるようになるものの、メインコントローラ（main controller）と可変ピッチプロペラコントローラ（variable pitch propeller controller）等のいくつかの設備に対し、大きな変更を施す必要があるとともに、制御も複雑になる。加えて、乗切過程中に電気ネットワークから無効電力が吸収される必要がある。変速定周波数直結発電システムは、該システムに全出力コンバータ（full power converter）が採用されているため、ＬＶＲＴを実現することが比較的簡単である。
【０００８】
現在、中国の風力発電地帯に設置された風力発電システムのほとんどが定速定周波数非同期発電システム又は変速定周波数二重給電発電システムであり、これらの発電システムのほとんどは低電圧乗切能力を備えていない。従って、低電圧乗切能力を備えるようにこれらの発電システムに対して改造することは、電気ネットワークの安定的な運行に非常に重要な意義を持つ。
【発明の概要】
【０００９】
現在、既存のほとんどの風力発電機の連系運行の間に低電圧乗切能力が低い、特に定速定周波数非同期発電システム又は変速定周波数二重給電発電システムの低電圧乗切能力が低いという問題を解決するため、本発明は、低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット及びその応用を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の目的は次のように実現される。本発明の低電圧乗切インテリジェント電力制御ユニット（Intelligent Power Control Unit for Low Voltage Ride Through、以降、ＩＰＣＵと略称する。）は、
ａ）ポートＡと、ポートＢと、ポートＣと、乗切時にステータ電圧を安定させながら無効電力を提供する内蔵補助コンバータと、有効電力を吸収するための制御可能な能動負荷とを備え、
ｂ）前記ポートＡと前記ポートＢとの間に高速スイッチが設けられ、前記高速スイッチは、ゲートターンオフサイリスタ又はリバースターンオフ回路を有するサイリスタであり、前記ポートＡが風力発電機のステータ巻線に接続され、
ｃ）前記ポートＡと前記ポートＣとの間に前記内蔵補助コンバータが設けられ、該内蔵補助コンバータの交流（ＡＣ）バスが前記ポートＡに接続され、該内蔵補助コンバータの直流（ＤＣ）側が前記ポートＣに接続され、
ｄ）前記制御可能な能動負荷が前記内蔵補助コンバータのＤＣ出力端に接続されることによって、前記内蔵補助コンバータと前記制御可能な能動負荷とが連続して前記ポートＡと前記ポートＣとの間に直列に接続され、又は、三相ブリッジ整流器を介して、前記内蔵補助コンバータが前記ポートＡから前記制御可能な能動負荷に接続されることによって、該内蔵補助コンバータの分岐が制御可能な能動負荷の分岐と並列に接続される。
【００１１】
本発明において、前記制御可能な能動負荷は、ブレーキスイッチとブレーキレジスタにより構成され、前記ブレーキスイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
【００１２】
本発明において、前記三相ブリッジ整流器のＡＣ側にＬＣフィルター回路が設けられている。
【００１４】
前記ＩＰＣＵの使用であって、前記ポートＢが電気ネットワークに接続され、前記ポートＣが外部の補助コンバータのＤＣバスに接続されている。
【００１５】
前記ＩＰＣＵの使用において、前記外部の補助コンバータは、前記電気ネットワークに接続された補助コンバータ、若しくは二重給電風力発電機のローター側のコンバータ、又は電気ネットワークに接続された補助コンバータと二重給電風力発電機のローター側のコンバータとの各々のＤＣバスが接続されることによる組合せである。
【００１６】
前記ＩＰＣＵの使用において、前記ポートＣと前記外部の補助コンバータの前記ＤＣバスとの間にキャパシタが設けられている。
【００１７】
前記ＩＰＣＵの使用において、連系スイッチが前記ポートＡ側に設置され、前記風力発電システムの前記ステータ巻線は前記連系スイッチを介して前記ポートＡに接続される。
【００１８】
本発明の長所は、前記ＩＰＣＵが各種類の風力発電機に適用できることである。前記ＩＰＣＵを採用した場合、風力発電システムは次の長所を有する。
【００１９】
風力発電システムは、最適な低電圧乗切能力を備え、零電圧降下（zero voltage drop）と電気ネットワークトリップ（trip of the electric network）等を含む故障の際にしても確実に乗り切ることができる。
【００２０】
該ＩＰＣＵは、風力発電機の運行に悪影響を与えない。メインコントローラ及び可変ピッチプロペラコントローラに対し変更を施す必要がない。即ち、該ＩＰＣＵの応用が非常に簡単である。
【００２１】
風力発電機は、故障後に正常の運行に非常に素早く復帰できる。該風力発電機は、故障の場合でも２ｓ以内に前の作動状態に復帰できるため、電気ネットワークによる低電圧乗切への要求を満たしている。
【００２２】
該ＩＰＣＵは、風力発電機の機械駆動系に悪影響を与えない。該ＩＰＣＵは、電気ネットワークの故障による軸系装置の歪み、振動等の影響を大いに回避し、風力発電機の使用寿命を延ばす。
【００２３】
該ＩＰＣＵは、故障期間において、有効及び無効電力のサポート（選択的）を電気ネットワークに提供することができる。
【００２４】
該ＩＰＣＵは、コストが低く、信頼性が高い。ＩＰＣＵに選択的に使用される部品の価格がかなり低いため、ＩＰＣＵを用いて風力発電機を改造するコストはかなり低い。さらに、双方向サイリスタ（bidirectional thyristors）等の部品は風力発電機の高い信頼性という要求を満たす。
【００２５】
該ＩＰＣＵによって、故障期間では電気ネットワークが風力発電機から分離されるため、電気ネットワーク電圧の突然の変化に起因する風力発電機のステータとローターに複雑な電磁気と電気機械との各々の過渡過程のいずれの発生もが回避されうる。このため、信頼性のある乗切が保障された上で、機械駆動系への衝撃が回避されるとともに、メインコントローラ及び可変ピッチプロペラコントローラのプログラムについて変更されることがない。このため、風力発電システム全体の設計が大幅に簡素化され、低電圧乗切過程の信頼性が向上されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るＩＰＣＵの実施形態の構成を示す概略図。
【図２】本発明に係るＩＰＣＵの他の実施形態の構成を示す概略図。
【図３】ＩＰＣＵの応用形態を示す図。
【図４】ＩＰＣＵがネットワーク側の補助コンバータ（auxiliary converter）に接続された応用形態を示す図。
【図５】ＩＰＣＵが二重給電（Doubly-Fed）風力発電システムにおけるローター側のコンバータに接続された応用形態を示す図。
【図６】ＩＰＣＵがネットワーク側とローター側のコンバータに接続された二重給電風力発電システムに関する応用形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面により、本発明に係る実施形態の具体的構成及びいくつかの応用が非限定的に開示されている。以下、図面を参照して、本発明についてさらに詳述する。
【００２８】
図１に示されるように、ＩＰＣＵはポートＡ、ポートＢ及びポートＣを備えている。制御ユニット（ＩＰＣＵ）は、さらに、乗切時にステータ電圧を安定させながら無効電力（Reactive power）を提供する内蔵（built-in）補助コンバータＡＩと、有効電力（active power）を吸収するための制御可能な能動負荷（controllable active load）とを備えている。前記ポートＡと前記ポートＢとの間に高速スイッチ（high speed switch）ＧＫが設けられ、前記ポートＡと前記ポートＣとの間に内蔵補助コンバータＡＩが設けられている。内蔵補助コンバータＡＩは、ＡＣバスが前記ポートＡに接続され、ＤＣ側が前記ポートＣに接続されている。
【００２９】
本実施形態において、制御可能な能動負荷が内蔵補助コンバータＡＩのＤＣ出力端に接続されることによって、内蔵補助コンバータＡＩと制御可能な能動負荷とが連続して、ポートＡとポートＣとの間に直列に接続されている。前記制御可能な能動負荷はブレーキスイッチ（braking switch）ＺＫとブレーキレジスタ（braking resistor）ＺＲとからなる。
【００３０】
具体的に実施する際において、前記高速スイッチＧＫはゲートターンオフサイリスタ（gate turn off thyristor（GTO））或はターンオフ回路（turn-off circuit）を有するサイリスタであり、ブレーキスイッチＺＫは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
【００３１】
図２に示される如くＩＰＣＵの他の実施形態と図１に示された実施形態との違いは、内蔵補助コンバータＡＩがポートＡから制御可能な能動負荷に三相ブリッジ整流器ＲＦを介して接続されることによって、ステータ電圧を安定させながら無効電力を提供する内蔵補助コンバータＡＩの分岐（branch）が制御可能な能動負荷の分岐（branch）と並列に接続されることのみにある。
【００３２】
具体的に実施する際において、ブリッジ整流器（rectifier bridge）が動作中に、内蔵補助コンバータから出力される電圧の品質に悪影響を与える高調波電流（harmonic current）を発生する。このため、三相ブリッジ整流回路ＲＦのＡＣ側にＬＣフィルター回路（filter circuit）ＦＬが設けられている。
【００３３】
図１及び図２の前記ＩＰＣＵにおいて、高速スイッチＧＫ（ゲートターンオフサイリスタ（GTO）或はターンオフ回路を有するサイリスタ）は、１ｍｓ以内のターンオフ時間を有するとともに、風力発電機の出力電流と整合する必要がある。ブレーキスイッチＺＫは、ブレーキ回路（braking circuit）の許容最大電圧と許容最大電流の要求を満たす必要がある。ブレーキレジスタＺＲは、風力発電機の出力エネルギーより高い放出エネルギーを出力可能である必要がある。また、内蔵補助コンバータＡＩの電力定格（power rating）が風力発電機に整合する必要がある。
【００３４】
図３はＩＰＣＵの風力発電機における応用形態を示す図である。該ＩＰＣＵとして図１に示された実施形態又は図２に示された実施形態が採用されてもよい。説明の便宜を図るべく、図１に示された実施形態を例にして説明する。
【００３５】
図３に示されるように、ＩＰＣＵのポートＡが風力発電機のステータ巻線（stator winding）に接続され、ＩＰＣＵのポートＢが電気ネットワーク（electric network）に接続されている。
【００３６】
使用にあたって、電気ネットワークの作動が正常である場合には、ＩＰＣＵにおけるゲートターンオフサイリスタ（GTO）或はターンオフ回路を有するサイリスタがＯＮ状態になり、ブレーキスイッチＩＧＢＴがＯＦＦ状態になる。電気ネットワークにおける奇数次高調波（odd harmonics）が比較的に少ないため、フィルターがほとんど機能せず、ＩＰＣＵの全体がＯＮ状態のＡＣスイッチに相当する。内蔵補助コンバータが待機モード（ready mode）において作動する、即ち、その直流バスの電圧が一定値になるとともに、出力される無効電力が０になるように制御される。この場合、内蔵補助コンバータが有効及び無効電力をほとんど消費せず、風力発電機の正常な作動に影響を与えない。
【００３７】
電気ネットワークの電圧降下の具合（depth）が風力発電機の運行に大きな影響を与える。電圧降下が大きくない場合、風力発電機の正常な運行に対する電気ネットワークの電圧降下による影響はとても小さい。この場合、風力発電機が自身の能力で乗り切る（ride through）ことができる。
【００３８】
一方、電圧降下が極めて大きい場合、風力発電機の特性に応じて電圧降下の許容範囲を設定することができる。該許容範囲は一般的に電気ネットワークの定格電圧（rated voltage）の９０％に設定される。電圧降下が許容範囲から外れた場合、ＩＰＣＵがゲートターンオフサイリスタ（GTO）或はターンオフ回路を有するサイリスタを強制的にＯＦＦにされる。当該ＯＦＦにされる過程は１ｍｓ程度以内に実行される。ゲートターンオフサイリスタ（GTO）或はターンオフ回路を有するサイリスタがＯＦＦになった後、ブレーキスイッチＩＧＢＴがＯＮにされ、ブレーキレジスタが風力発電機の有効電力のための放出チャンネル（release channel）を提供するとともに、内蔵補助コンバータがステータ電圧を安定化し、風力発電機の運行に必要な無効電力を提供する。この結果、風力発電機の安定的な運行が維持される。
【００３９】
電気ネットワークの電圧が所定の低電圧乗切時間内に正常な値に復帰することができれば、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）或はターンオフ回路を有するサイリスタが再びＯＦＦになると同時に、ブレーキスイッチＩＧＢＴがＯＦＦにされる。これにより、風力発電機が電気ネットワークに接続され、正常な作動に復帰する。電気ネットワークの電圧が所定の低電圧乗切時間内に正常な値に復帰することができなければ、ＩＰＣＵも作動が停止する。その結果、風力発電機がオフライン（offline）となり、その作動が停止する。
【００４０】
図４に示されている応用形態と図３に示されている応用形態との違いは、ＩＰＣＵのポートＣが外部の補助コンバータのＤＣバスに接続されていることにある。本実施形態では、外部の補助コンバータは電気ワットワーク側の補助コンバータである。このような応用形態を用いた場合は、乗切過程において、電気ネットワーク側の補助コンバータがブレーキレジスタとともに風力発電機の有効電力の放出チャンネルを提供することに加え、電気ネットワーク側の補助コンバータが故障時乗切期間において有効電力及び無効電力を電気ネットワークに提供することができる、という長所がある。
【００４１】
図５に示されている応用形態と図４に示されている応用形態との違いは、外部の補助コンバータが風力発電機のローター側の二重給電コンバータ（double-fed converter）であることにある。このような応用形態を用いた場合は、二重給電風力発電機そのものがコンバータを備えているため、既存の部品を十分に活用でき、改造コストを削減することができる、という長所がある。乗切過程において、二重給電モータのローター側のコンバータは前述の制御戦略を活用し、内蔵補助コンバータがステータ電圧を安定化しながら二重給電モータの運行に必要な無効電力を提供する。
【００４２】
図６に示される応用形態は実質的に図４及び図５の応用形態の組み合わせである。即ち、外部の補助コンバータは、電気ネットワーク側の補助コンバータのＤＣバスとローター側の二重給電コンバータのＤＣバスとが接続されたものにより構成され、そして、ＩＰＣＵのポートＣに接続される。この実施形態において、二重給電モータのローター側のコンバータが前述の制御戦略を活用し、電気ネットワーク側の補助コンバータとブレーキレジスタとがともに風力発電機の有効電力のための放出チャンネルを提供するとともに、内蔵補助コンバータがステータ電圧を安定化し、二重給電モータの運行に必要な無効電力を提供する。また、電気ネットワーク側の補助コンバータが、故障時乗切期間において有効電力及び無効電力を電気ネットワークに提供することができる。
【図１】
0005895001.tif 000002
【図２】
0005895001.tif 000003
【図３】
0005895001.tif 000004
【図４】
0005895001.tif 000005
【図５】
0005895001.tif 000006
【図６】
0005895001.tif 000007