(57)【要約】【課題】風力発電システムにおいて、風速変動に起因する出力変動を高応答に抑制しながら、高効率に発電すると共に、風車の速度制御及び構造を簡素化した風力発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】風速検出器２１からの風速に応じた効率的な回転速度と、回転速度検出器１１からの風車の回転速度との差分を回転速度制御器１２に入力し、回転速度制御器からの有効電力指令と同期発電機２からの有効電力との差分を電力制御器例えば１３に入力し、電力制御器１３は有効電力指令に従って同期発電機の出力を制御し、同期発電機の出力の増減に応じて風車１の回転速度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の軸に接続された同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続された前記同期発電機の可変周波数の発電電力を直流電力に変換する変換器と、前記変換器と電力系統との間に接続された前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換して電力系統に供給する逆変換器とを備えた風力発電装置において、
風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、風速を検出する風速検出器からの検出値に基づいて効率的な回転速度を求める回転速度指令演算手段と、該回転速度指令演算器からの回転速度指令と前記回転速度検出器の回転速度とから有効電力指令を求める回転速度制御手段と、該回転速度制御器からの有効電力指令と前記同期発電機からの有効電力とから前記同期発電機の出力を制御する電力制御手段とを備え、
風速の状態に応じて、前記回転速度制御手段の制御ゲインを調整することで、前記風車の回転速度を優先して制御するか、前記同期発電機の出力する有効電力を優先して制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記回転速度指令演算手段の制御ゲインは所定の風速に基づいて切り替えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風車により駆動される同期発電機の出力変動を抑制する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電システムを説明する。風車は同期発電機に接続され、風のエネルギーによって風車が回転し、風車が同期発電機を駆動することで同期発電機が発電する。同期発電機の出力する交流電力は順変換器により直流電力に変換され、さらに逆変換器により商用周波数の交流電力に変換されて電力系統に供給される。一例として、特開平２０００−３４５９５２号公報にこのような構成の風力発電システムが記載されている。
【０００３】
一方、風力発電システムは風速の変動に大きく影響され、風速変動に起因する出力変動は電力系統の周波数や電圧を変動させ、電力系統に悪影響を与えることになるため、風力発電システムを導入する場合にはこうした出力変動を抑制することが必須となる。
【０００４】
そこで、近年の風車では風車のブレードの角度を風速に応じて変化させることにより、風車への機械的入力を調節するピッチ制御を行うことで、風速変動に起因する出力変動を抑制する方法が採られる。また、更に順変換器による同期発電機の出力制御も合わせて行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では高応答に出力変動を抑制しながら高効率に発電することが困難となる。これは、風車には風速毎に最も効率良く風のエネルギーを受けることのできる回転数が存在するために、最大の効率を得るためには風速を検出し、その風速に応じて風車の回転数を制御する必要があるためである。
【０００６】
本発明の目的は、風速の弱いときは回転速度を優先して制御することで高効率な運転を行い、風速の強いときは同期発電機の出力する有効電力を優先して制御することで風速変動に起因する出力変動を抑制する風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、風車の軸に接続された同期発電機と、前記同期発電機の固定子に接続された前記同期発電機の可変周波数の発電電力を直流電力に変換する変換器と、前記変換器と電力系統との間に接続された前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換して電力系統に供給する逆変換器とを備えた風力発電装置において、風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、風速を検出する風速検出器からの検出値に基づいて効率的な回転速度を求める回転速度指令演算手段と、該回転速度指令演算器からの回転速度指令と前記回転速度検出器の回転速度とから有効電力指令を求める回転速度制御手段と、該回転速度制御器からの有効電力指令と前記同期発電機からの有効電力とから前記同期発電機の出力を制御する電力制御手段とを備え、風速の状態に応じて、前記回転速度制御手段の制御ゲインを調整することで、前記風車の回転速度を優先して制御するか、前記同期発電機の出力する有効電力を優先して制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、回転速度制御器の制御ゲインを調節することで、風車の回転速度を優先する運転を行うか、同期発電機の出力する有効電力を優先して制御するかが切替可能になり、風速の弱いときは同期発電機の回転速度を優先して制御することで高効率な運転を行い、風速の強いときは同期発電機の出力する有効電力を優先して制御することで風速変動に起因する出力変動を抑制することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に掛かる一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明実施例の全体構成を示す。
【００１０】
図１において、同期発電機２の回転子は風車１の軸に接続されており、風車１が風のエネルギーにより回転すると、同期発電機２は風車１の回転速度に応じた可変周波数の交流電力を発生する。
【００１１】
同期発電機２の固定子には順変換器３が接続されており、同期発電機２の発生する可変周波数の交流電力は順変換器３により直流電力に変換される。順変換器３は直流コンデンサ４を介し、逆変換器５に直流で接続されており、逆変換器５は順変換器３から送られる直流電力を固定周波数の交流電力に変換する。逆変換器５は系統連系用変圧器６を介して電力系統に接続されており、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【００１２】
同期発電機２と順変換器３との間には電圧検出センサ７と電流検出センサ８が設置されており、電圧検出センサは同期発電機２の端子電圧を、電流検出センサ８は同期発電機２の固定子に流れる電流をそれぞれ検出する。検出された電圧、電流値は３相／２相変換器１７によって有効分と無効分の２軸成分に変換される。
【００１３】
有効電力検出器９は３相／２相変換器１７の出力する２軸成分の信号に基づいて、同期発電機２の出力する有効電力を検出し、無効電力検出器１０は３相／２相変換器１７の出力する２軸成分の信号に基づいて、同期発電機２の出力する無効電力を検出する。回転速度検出器１１は風車１の回転速度を検出する。
【００１４】
回転速度制御器１２の入力は回転速度検出器１１の検出する風車１の回転速度と回転速度指令の偏差であり、出力は順変換器３への有効電力指令となる。回転速度制御器１２は例えば比例積分制御系により構成されている。回転速度指令は風速検出器２１が風速を検出し、その検出値に基づいて回転速度指令演算器２２は最も効率良く風のエネルギーを受けることのできる回転速度を求め、回転速度制御器１２への回転速度指令として出力する。
【００１５】
風車１の回転速度が回転速度指令よりも大きい場合には、回転速度制御器１２の出力が大きくなり、これは順変換器３への有効電力指令が大きくなることであり、同期発電機２の出力する有効電力が大きくなる。
【００１６】
この結果、風から風車１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機２の出力する有効電力が大きくなると、入力が不足することになるが、入力の不足分は風車１のブレードに蓄えられた慣性エネルギーから補われることになるため、風車１の回転速度が低下し、回転速度指令に追従する。
【００１７】
逆に風車１の回転速度が回転速度指令よりも小さい場合には回転速度制御器１２の出力が小さくなり、これは順変換器３への有効電力指令が小さくなることであり、同期発電機２の出力する有効電力が小さくなる。
【００１８】
この結果、風から風車１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機２の出力する有効電力が小さくなると入力が余剰することになるが、入力の余剰分は風車１のブレードに慣性エネルギーとして蓄えられることになり、風車１の回転速度が上昇し、回転速度指令に追従する。つまり、同期発電機２の出力の増減に応じて風車１の回転速度を制御することができる。
【００１９】
図２に示す風車１の回転速度と風からの機械的入力の関係から分かるように、風車１には風速毎に最も効率良く風のエネルギーを受けることのできる回転速度が存在する。つまり、最大の効率を得ようとすると風車１は風速によって回転速度を変える必要がある。従って、風速検出器２１が風速を検出し、その検出値に基づいて回転速度指令演算器２２は最も効率良く風のエネルギーを受けることのできる回転速度を求め、回転速度制御器１２への回転速度指令として出力する。この回転速度指令に基づいて風車１が運転すると、効率良く風のエネルギーを受けることが可能となる。
【００２０】
有効電力制御器１３の入力は回転速度制御器１２の出力する有効電力指令と有効電力検出器９の検出する有効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器３への電流指令の有効分となる。無効電力制御器１４の入力は外部より与えられる無効電力指令と無効電力検出器１０の検出する無効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器３への電流指令の無効分となる。
【００２１】
有効電力制御器１３及び無効電力制御器１４はいずれも例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令と有効電力検出値の偏差及び無効電力指令と無効電力検出値の偏差が零になるように順変換器３への電流指令を決定する。なお、無効電力と有効電力は独立に制御することが可能であり、例えば無効電力指令を零に設定すると、順変換器３は力率１で運転されることとなる。
【００２２】
また、無効電力指令を調整することで同期発電機２の端子電圧を制御することが可能であり、同期発電機２の回転速度が上昇した場合にも同期発電機２の端子電圧を低く抑えられる等のメリットがある。
【００２３】
電流制御器１５への入力は３相／２相変換器１８の出力する２軸成分の電流検出値と有効電力制御器１３の出力する順変換器３への電流指令における有効分、及び無効電力制御器１４の出力する順変換器３への電流指令の無効分であり、出力は順変換器３への出力電圧指令となる。電流制御器１５は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への出力電圧指令を決定する。
【００２４】
図１では省略してあるが、実際は図３に示すように電流の有効分を制御する有効電流制御器１９、及び電流の無効分を制御する無効電流制御器２０から電流制御器１５は構成される。電流制御器１５の出力する順変換器３への出力電圧指令は２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器１８によって３相の電圧指令に変換される。
【００２５】
パルス発生器１６は、２相／３相変換器１８の出力する順変換器３への３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により順変換器３へのゲートパルス信号を出力する。順変換器３はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が高速にスイッチングを行うことで、順変換器３は指令に応じた電圧を出力することになる。
【００２６】
以上のような制御系の構成により、風車１の回転速度の制御や同期発電機２の出力する有効電力及び無効電力の制御が可能となる。ここで、回転速度制御器１２の制御ゲインを高く設定すると、順変換器３への有効電力指令の変化速度が上昇するのに伴い、風車１の回転速度の制御応答が上がる。但し、順変換器３への有効電力指令の変化が大きくなるために、同期発電機２の出力する有効電力の変動は大きくなる。この時の風車１における回転速度及び同期発電機２の出力する有効電力の波形例を図４に示す。
【００２７】
図４に示すように、風車１の回転速度の変動は小さく抑えられるが、同期発電機２の出力する有効電力が大きく変動することになる。逆に、回転速度制御器１２の制御ゲインを低く設定すると、順変換器３への有効電力指令の変化速度が低下するのに伴い、風車１の回転速度の制御応答が下がる。但し、順変換器３への有効電力指令の変化が小さくなるために、同期発電機２の出力する有効電力の変動は小さくなる。この時の風車１における回転速度及び同期発電機２の出力する有効電力の波形例を図５に示す。
【００２８】
図５に示すように、風車１の回転速度の変動は大きくなるが、同期発電機２の出力する有効電力の変動は小さく抑えることができる。即ち、回転速度制御器１２の制御ゲインを調節することで、風車１の回転速度を優先して制御するか、同期発電機２の出力する有効電力を優先して制御するかが調節可能となる。
【００２９】
図６に風速と発電出力の関係を示す。風のエネルギーは風速の３乗に比例するので、風速が増加するにつれて発電出力も増加する。一方で、風速が定格を越えると風車１はピッチ制御を行うことで、ブレードが受ける風のエネルギーを逃がすことで、発電出力を一定に保つようにする。ここで、風車１は定格風速未満では効率を優先するために、回転速度を優先して制御する。一方、定格風速以上では変動の少ない一定の出力を得るために、有効電力を優先して制御する。
【００３０】
従って、風速検出器２１の検出する風速に応じて回転速度制御器１２の制御ゲインを切りかえることになる。即ち、定格風速未満では制御ゲインを高く、定格風速以上では制御ゲインを低く設定する。また、回転速度制御器１２の制御ゲインを変化させると、それに応じて回転速度制御器１２の制御応答速度が変化することになる。
【００３１】
回転速度制御器１２の出力する有効電力指令に応じて、有効電力制御器１３が有効電流指令を決定することから、回転速度制御器１２の制御応答速度は有効電力制御器１３の制御応答速度よりも遅く設定する必要がある。通常、回転速度制御器１２の制御応答速度が有効電力制御器１３の制御応答速度における約５〜３００倍の間に入るような範囲に設定される。
【００３２】
以上のように、風車１の回転速度及び同期発電機２の出力する有効電力を制御することが可能であり、定格風速未満では同期発電機２の回転速度を優先して制御することで高効率な運転を行い、定格風速以上では同期発電機２の出力する有効電力を優先して制御することで風速変動に起因する出力変動を抑制することが可能となる。
【００３３】
また、風車の回転速度を検出する回転速度検出器と、風速を検出する風速検出器からの検出値に基づいて効率的な回転速度を求める回転速度指令演算器とを備え、回転速度検出器からの回転速度と回転速度指令演算器とからの回転速度の差分を回転速度制御器に入力し、回転速度制御器からの有効電力指令と同期発電機からの有効電力との差分を入力した電力制御器を備え、電力制御器は有効電力指令に従って同期発電機の出力を制御し、同期発電機の出力の増減に応じて、風車１の回転速度を制御することができる。つまり、風車１の回転速度の制御は同期発電機により制御されるので、風車１の機構及び制御を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を適用した風力発電装置の構成図。
【図２】回転速度と機械的入力の関係を示す特性図。
【図３】図１に使用した電流制御器の詳細図。
【図４】回転速度を優先して制御する場合の波形例を示す特性図。
【図５】有効電力を優先して制御する場合の波形例を示す特性図。
【図６】風速と発電出力の関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００３５】
１…風車、２…同期発電機、３…順変換器、４…直流コンデンサ、５…逆変換器、６…系統連系用変圧器、７…電圧検出センサ、８…電流検出センサ、９…有効電力検出器、１０…無効電力検出器、１１…回転速度検出器、１２…回転速度制御器、１３…有効電力制御器、１４…無効電力制御器、１５…電流制御器、１６…パルス発生器、１７…３相／２相変換器、１８…２相／３相変換器、１９…有効電流制御器、２０…無効電流制御器、２１…風速検出器、２２…回転速度指令演算器。
【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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