(57)【要約】【課題】  風速が急変する場合にも風車の回転速度を運転範囲内に制御し、風車の連続運転を行う風力発電装置の提供。【解決手段】  本発明の風力発電装置は、風車の軸に接続した発電機と前記発電機に接続する変換器を備え、前記風車の回転速度が所定の領域にある場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に追従するように制御し、前記風車の回転速度が所定の領域から外れる場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に追従せずに制御する。【選択図】図１
2006050835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の軸に接続した発電機と、該発電機に接続する変換器と、該変換器の制御装置とを備えた可変速駆動の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記風車の回転速度が所定の領域にある場合には、前記発電機から出力される電力を、前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に追従するように制御し、前記風車の回転速度が所定の領域から外れる場合には、前記発電機から出力される電力を、前記発電機出力に関する指令に追従せずに制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置において、前記発電機出力に関する指令が、前記風車から前記変換器へ与えられる発電機トルクに関する指令に前記風車の回転速度を乗じた値であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の風力発電装置において、前記発電機出力に関する指令が、前記風車で予め定めたパワーカーブと、前記風車で計測した風速とから求めた出力であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
風車の軸に接続した発電機と、該発電機に接続する変換器と、該変換器の制御装置とを備えた可変速駆動の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に従って前記発電機が出力する電力を制御する第１の制御モードと、前記風車の回転速度を制御する第２の制御モードとを備え、前記風車の回転速度に応じて前記二つの制御モードを切り替えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電装置において、前記制御装置が、前記発電機出力に関する指令を前記風車の回転速度に応じて修正する修正手段を備え、該修正手段が出力する電力指令によって前記発電機の電力を制御して、前記風車の回転速度を制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項４に記載の風力発電装置において、前記第１の制御モードの発電機出力に関する指令が、前記風車から前記変換器へ与えられる発電機のトルクに関する指令であって、前記発電機が出力する電力に代えて発電機が出力するトルクを制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の風力発電装置において、前記制御装置が、前記発電機トルクに関する指令を前記風車の回転速度に応じて修正する修正手段を備え、該修正手段が出力するトルク指令によって前記発電機のトルクを制御して、前記風車の回転速度を制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
風車と、該風車の軸に回転子を接続した同期発電機と、該同期発電機の固定子巻線に接続した変換器と、該変換器の制御装置と、前記変換器の直流側と電力系統とに接続された別の変換器とを備え、前記同期発電機が出力する可変周波数の交流電力を前記変換器で直流電力に変換し、該直流電力を前記別の変換器で固定周波数の交流電力に変換して出力する可変速駆動の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記風車の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器が出力する速度検出値を入力する速度制御器と、前記同期発電機が出力する電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器が出力する有効電力検出値を入力する有効電力制御器とを備え、
前記速度制御器は、前記速度検出値が所定の領域にある場合には、発電機出力に関する指令を前記有効電力制御器へ有効電力指令として出力し、前記速度検出値が所定の領域から外れる場合には、発電機出力に関する指令を前記速度検出値に基づいて修正し、該修正した指令を前記有効電力制御器へ有効電力指令として出力することを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記電力検出器に代えて前記同期発電機の出力するトルクを検出するトルク検出器を、前記有効電力制御器に代えて前記トルク検出器が出力するトルク検出値を入力するトルク制御器を備え、
前記速度制御器が、前記速度検出値が所定の領域にある場合には、発電機トルクに関する指令を前記トルク制御器へトルク指令として出力し、前記速度検出値が所定の領域から外れる場合には、発電機トルクに関する指令を前記速度検出値に基づいて修正し、該修正した指令を前記トルク制御器へトルク指令として出力することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
風車と、該風車の軸に回転子を接続した二次励磁発電機と、該二次励磁発電機の回転子巻線に接続した変換器と、該変換器の制御装置と、前記変換器の直流側と電力系統とに接続された別の変換器とを備え、前記変換器が前記二次励磁発電機の回転子巻線を交流励磁し、前記二次励磁発電機の固定子巻線は電力系統に接続されて固定周波数の交流電力を出力する可変速駆動の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記風車の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器が出力する速度検出値を入力する速度制御器と、前記二次励磁発電機が出力する電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器が出力する有効電力検出値を入力する有効電力制御器とを備え、
前記速度制御器は、前記速度検出値が所定の領域にある場合には、発電機出力に関する指令を前記有効電力制御器へ有効電力指令として出力し、前記速度検出値が所定の領域から外れる場合には、発電機出力に関する指令を前記速度検出値に基づいて修正し、該修正した指令を前記有効電力制御器へ有効電力指令として出力することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の風力発電装置において、
前記制御装置が、前記電力検出器に代えて前記二次励磁発電機の出力するトルクを検出するトルク検出器を、前記有効電力制御器に代えて前記トルク検出器が出力するトルク検出値を入力するトルク制御器を備え、
前記速度制御器が、前記速度検出値が所定の領域にある場合には、発電機トルクに関する指令を前記トルク制御器へトルク指令として出力し、前記速度検出値が所定の領域から外れる場合には、発電機トルクに関する指令を前記速度検出値に基づいて修正し、該修正した指令を前記トルク制御器へトルク指令として出力することを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に関し、特に風車の回転速度を維持することで風車の連続運転を可能とする風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の風力発電システムを説明する。風車は発電機に接続され、風のパワーによって風車が回転し、風車が発電機を駆動することで発電機が発電する。発電機として同期発電機を用いる場合は、発電機の固定子は順変換器に接続されて、発電機の出力する交流電力が変換器により直流電力に変換されて、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。変換器は外部から与えられる電力指令に従って発電機の出力を制御する。このような構成の風力発電システムの一例が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
風力発電システムは風速の変動に大きく影響されて風車の回転速度が変動する。風車の回転速度が運転範囲を逸脱する場合には通常は風車を保護するために運転を停止する。そこで、従来は風速が変動する場合には風速に応じて風車のブレードのピッチ角を制御したり、変換器へ与える電力指令を風速に応じて調整し、風車の回転速度変動を抑制している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２３３１９３号公報（(００２９)段落から(００３１)段落の記載。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、風速に応じて風車のブレードを駆動してピッチ角を制御することは機械的動作を含むために応答性が高くなく、風速に応じて変換器へ与える電力指令を調整する際も、通常は平均風速に基づいたパワーカーブにより決定するために、過渡的な風速の変化に追従することが困難である。このため、風速が急変する時に風車の回転速度が運転範囲を逸脱して風車が停止する場合があり、このような場合には再度風車を起動させる必要がある。
【０００６】
しかしながら、風車発電量を増加させるためには、風速が急変する場合にもできるだけ風車が連続運転できることが望ましい。風車発電量が増加すれば風車発電コストを低減できるため、風車を連続運転して風車利用率を向上することが重要である。また、風車を連続運転できれば風車を系統に連系する開閉器等の動作回数が低減し、それらの機器の長寿命化も図れる。
【０００７】
本発明の目的は、風速が急変する場合にも、風車の回転速度を運転範囲内に制御し、風車の連続運転を行うことで風車利用率の向上を図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】
【０００８】
本発明の風力発電装置は、風車の軸に接続した発電機と前記発電機に接続する変換器を備え、前記風車の回転速度が所定の領域にある場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に追従するように制御し、前記風車の回転速度が所定の領域から外れる場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機出力に関する指令に追従せずに制御する。
【０００９】
本発明の風力発電装置は、前記風車の回転速度が所定の領域にある場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機トルクに関する指令に前記風車の回転速度を乗じた値に追従するように制御し、前記風車の回転速度が所定の領域から外れる場合には前記発電機から出力される電力を前記風車から前記変換器へ与えられる発電機トルクに関する指令に前記風車の回転速度を乗じた値に追従せずに制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、風車の回転速度が設定範囲内にある場合には外部から与えられる指令に従って風車の出力を制御することができ、風車の回転速度が設定範囲を逸脱した場合には風車の回転速度を設定範囲内で抑えるように速度制御を行うので、風速が変動した場合に風車の停止を避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本実施例の全体構成を示す。図１に示す同期発電機２の回転子は風車１の軸に接続し、風車１が風速に応じた風のパワーで回転すると、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。同期発電機２の固定子には変換器３が接続し、同期発電機２が発生する可変周波数の交流電力を変換器３により直流電力に変換する。変換器３は直流コンデンサ４を介し、変換器５に直流で接続しており、変換器５は変換器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。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しており、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【００１３】
同期発電機２と変換器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７は同期発電機２の固定子の端子電圧を、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。検出した電圧値を３相／２相変換器９によってｄ軸成分Ｖ_ｄとｑ軸成分Ｖ_ｑとに変換し、検出した電流値を３相／２相変換器１０によってｄ軸成分Ｉ_ｄとｑ軸成分Ｉ_ｑに変換する。なお、本実施例では、ｄ軸成分は無効成分を、ｑ軸成分は有効成分を表す。
【００１４】
速度検出器１１は３相／２相変換器９、１０が出力するＶ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑの信号に基づいて、風車１の回転速度ω及び同期発電機２の回転子位相θを検出する。
【００１５】
電力検出器１２は３相／２相変換器９、１０が出力するＶ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑの信号に基づいて、同期発電機２の出力する有効電力Ｐ及び無効電力Ｑを検出する。
【００１６】
速度制御器１３は、予め定められたパワーカーブと風車で計測された風速とから求めた出力に応じて外部から同期発電機２へ与えられる有効電力指令Ｐ_ｃ を、速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωに応じて修正し、同期発電機２へ修正した有効電力指令Ｐ_ｒｅｆを出力する。
【００１７】
無効電力指令演算器１４は速度制御器１３が出力する同期発電機２への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆから同期発電機２への無効電力指令Ｑ_ｒｅｆ を出力する。無効電力指令Ｑ_ｒｅｆは同期発電機２の力率を調整するために設定される。
【００１８】
有効電力制御器１５の入力は速度制御器１３の出力する有効電力指令Ｐ_ｒｅｆ と電力検出器１２が出力する有効電力検出値Ｐとであり、有効電力制御器１５の出力は変換器３への電流指令のｑ軸成分Ｉ_ｑ_ｒｅｆとなる。有効電力制御器１５は例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令Ｐ_ｒｅｆと有効電力検出値Ｐの偏差が零になるように変換器３への電流指令Ｉ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００１９】
無効電力制御器１６の入力は無効電力指令演算器１４の出力する無効電力指令Ｑ_ｒｅｆと電力検出器１２の検出する無効電力検出値Ｑであり、出力は変換器３への電流指令のｄ軸成分Ｉ_ｄ_ｒｅｆとなる。無効電力制御器１６は例えば比例積分制御系により構成され、無効電力指令Ｑ_ｒｅｆ と無効電力検出値Ｑの偏差が零になるように変換器３への電流指令Ｉ_ｄ_ｒｅｆを決定する。
【００２０】
ｑ軸電流制御器１７の入力は３相／２相変換器１０が出力する電流検出値のｑ軸成分Ｉ_ｑと変換器３への電流指令のｑ軸成分Ｉ_ｑ_ｒｅｆ であり、出力は変換器３への出力電圧指令のｑ軸成分Ｖ_ｑ_ｒｅｆとなる。ｑ軸電流制御器１７は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値Ｉ_ｑと電流指令Ｉ_ｑ_ｒｅｆ の偏差が零になるように変換器３への出力電圧指令Ｖ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００２１】
ｄ軸電流制御器１８の入力は３相／２相変換器１０が出力する電流検出値のｄ軸成分Ｉ_ｄ と変換器３への電流指令のｄ軸成分Ｉ_ｄ_ｒｅｆであり、出力は変換器３への出力電圧指令のｄ軸成分Ｖ_ｄ_ｒｅｆとなる。ｄ軸電流制御器１８は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値Ｉ_ｄと電流指令Ｉ_ｄ_ｒｅｆ の偏差が零になるように変換器３への出力電圧指令Ｖ_ｄ_ｒｅｆを決定する。
【００２２】
ｑ軸電流制御器１７及びｄ軸電流制御器１８の出力する出力電圧指令のｑ軸成分Ｖ_ｑ_ｒｅｆ及びｄ軸成分Ｖ_ｄ_ｒｅｆは２相／３相変換器１９により３相の出力電圧指令Ｖ_ｕｖｗ_ｒｅｆに変換される。
【００２３】
パルス発生器２０は２相／３相変換器１９の出力する３相の出力電圧指令Ｖ_ｕｖｗ_ｒｅｆに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変換器３へのゲートパルス信号を出力する。変換器３はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の電力半導体スイッチング素子が高速にスイッチングを行うことで、変換器３は指令に応じた電圧を出力する。
【００２４】
図２に速度制御器１３の詳細な構成を示す。速度制御器１３はリミッタ２１と減算器２２と有効電力修正指令演算器２３と変化率リミッタ２４と加算器２５とを備えている。リミッタ２１の入力は速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωであり、リミッタ２１の上限値及び下限値は風車１の回転速度の上限値ω_ｍａｘ及び下限値ω_ｍｉｎでそれぞれ与えられる。減算器２２は回転速度検出値ωとリミッタ２１の出力との差分を演算する。有効電力修正指令演算器２３は減算器２２の出力に基づいて、有効電力修正指令ΔＰ１を演算する。有効電力修正指令演算器２３は例えば比例積分制御系で構成され、さらにその入力が零になった場合はその積分値をリセットし、その出力を零にする。変化率リミッタ２４は定常的には有効電力修正指令演算器２３の出力する有効電力修正指令ΔＰ１をそのまま出力するが、その出力の変化率をある一定範囲内に抑える機能を備え、その出力をΔＰ２とする。加算器２５は変化率リミッタの出力ΔＰ２と外部から与えられる有効電力指令Ｐ_ｃとを加算し、同期発電機２への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆを出力する。
【００２５】
次に、速度制御器１３の動作を説明する。図３に速度制御器１３の動作波形の例を示す。速度検出器１１が検出する回転速度検出値ωがリミッタ２１の上限値ω_ｍａｘと下限値ω_ｍｉｎとの間にある場合は減算器２２の出力は零になるので、有効電力修正指令演算器２３が出力する有効電力修正指令ΔＰ１はリセットされて零となり、変化率リミッタ２４の出力ΔＰ２も定常的には零となる。従って、加算器２５の出力Ｐ_ｒｅｆ は外部から与えられる有効電力指令Ｐ_ｃ に一致する。すなわち、回転速度検出値ωが風車１の回転速度の上限値ω_ｍａｘと下限値ω_ｍｉｎ の間にある場合は、速度制御器１３は外部から与えられる有効電力指令Ｐ_ｃをそのまま同期発電機２への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆとして出力する。
【００２６】
一方、速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωがリミッタ２１の上限値ω_ｍａｘよりも大きい場合は減算器２２の出力は正となるので、有効電力修正指令演算器２３の出力する有効電力修正指令ΔＰ１は増加し、変化率リミッタ２４の出力ΔＰ２も増加する。従って、加算器２５の出力Ｐ_ｒｅｆは外部から与えられる有効電力指令Ｐ_ｃよりも大きな値を出力する。すなわち、回転速度検出値ωが風車１の回転速度の上限値ω_ｍａｘ よりも大きい場合には、速度制御器１３は同期発電機２への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆ を増やす方向へ修正し、この修正は速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωがリミッタ２１の上限値ω_ｍａｘ を下回るまで継続される。風から風車１のブレードへ与えられるパワーよりも同期発電機２の出力する有効電力が大きくなると、風車１の回転速度が減少するので、回転速度検出値ωが上限値ω_ｍａｘよりも大きい場合には風車１の回転速度を減少させる方向へ修正が働くことになる。
【００２７】
逆に、速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωがリミッタ２１の下限値ω_ｍｉｎよりも小さい場合は減算器２２の出力は負となるので、有効電力修正指令演算器２３の出力する有効電力修正指令ΔＰ１は減少し、変化率リミッタ２４の出力ΔＰ２も減少する。従って、加算器２５の出力Ｐ_ｒｅｆは外部から与えられる有効電力指令Ｐ_ｃよりも小さな値を出力する。すなわち、回転速度検出値ωが風車１の回転速度の下限値ω_ｍｉｎよりも小さい場合には、速度制御器１３は同期発電機２への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆを減らす方向へ修正し、この修正は速度検出器１１の検出する回転速度検出値ωがリミッタ２１の下限値ω_ｍｉｎ を上回るまで継続される。風から風車１のブレードへ与えられるパワーよりも同期発電機２の出力する有効電力が小さくなると、風車１の回転速度が増加するので、回転速度検出値ωが下限値ω_ｍｉｎ よりも小さい場合には風車１の回転速度を増加させる方向へこの修正が働くことになる。
【００２８】
以上の速度制御器１３の動作により、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合に風車１の回転速度を設定範囲内で抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は外部から与えられる有効電力指令に従って有効電力制御する。本実施例に示すように、風速が急変する場合にも風車の連続運転が可能なので、風車利用率が向上して、風車発電量の増加が図れ、風車発電コストを低減できる。さらに風車を連続運転できるので風車を系統に連系する開閉器等の動作回数が低減し、それらの機器の寿命を長くできる。
【実施例２】
【００２９】
図４に二次励磁発電機を用いた本実施例の全体構成を示す。図４において、二次励磁発電機２６の回転子が風車１の軸に接続し、風車１が風速に応じた風のパワーで回転すると、固定子が電力系統に接続した二次励磁発電機２６が系統周波数に一致した交流電力を電力系統に供給する。二次励磁発電機２６の回転子には変換器２７が接続し、変換器２７が二次励磁発電機２６の回転子を交流励磁する。変換器２７は直流コンデンサ２８を介し、変換器２９に直流で接続し、変換器２９は変換器２７に励磁電力を供給する。変換器２９は系統連系用変圧器６を介して電力系統に接続される。
【００３０】
二次励磁発電機２６と変換器２７との間には電圧検出センサ３０と電流検出センサ３１とが設置されており、電圧検出センサ３０は二次励磁発電機２６の回転子の端子電圧を、電流検出センサ３１は二次励磁発電機２６の回転子に流れる電流をそれぞれ検出する。検出した電圧値は３相／２相変換器３２によってｄ軸成分Ｖｒ_ｄとｑ軸成分Ｖｒ_ｑとに変換され、検出した電流値は３相／２相変換器３３によってｄ軸成分Ｉｒ_ｄ とｑ軸成分Ｉｒ_ｑに変換される。
【００３１】
二次励磁発電機２６と系統連系用変圧器６との間には電圧検出センサ３５と電流検出センサ３６が設置されており、電圧検出センサ３５は系統電圧を、電流検出センサ３６は電力系統へ流れる電流をそれぞれ検出する。検出した電圧値は３相／２相変換器３７でｄ軸成分Ｖｓ_ｄとｑ軸成分Ｖｓ_ｑとに変換し、検出した電流値は３相／２相変換器３８でｄ軸成分Ｉｓ_ｄとｑ軸成分Ｉｓ_ｑに変換する。
【００３２】
速度検出器３４は３相／２相変換器３２、３３、３７、３８が出力するＶｒ_ｄ、Ｖｒ_ｑ、Ｉｒ_ｄ、Ｉｒ_ｑ、Ｖｓ_ｄ、Ｖｓ_ｑ、Ｉｓ_ｄ、Ｉｓ_ｑの信号に基づいて、風車１の回転速度ωと、二次励磁発電機２６の回転子位相θｒと、系統電圧位相θｓとを検出する。
【００３３】
電力検出器１２は３相／２相変換器３７、３８が出力するＶｓ_ｄ、Ｖｓ_ｑ、Ｉｓ_ｄ、Ｉｓ_ｑの信号に基づいて、二次励磁発電機２６が出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑとを検出する。
【００３４】
速度制御器１３は、予め定められたパワーカーブと風車で計測された風速とから求めた出力に応じて外部から二次励磁発電機２６へ与えられる有効電力指令Ｐ_ｃ を、速度検出器３４の検出する回転速度検出値ωに応じて修正し、二次励磁発電機２６へ修正した有効電力指令Ｐ_ｒｅｆ を出力する。ここで、速度制御器１３は、実施例１と同様の構成である。
【００３５】
無効電力指令演算器１４は、速度制御器１３が出力する二次励磁発電機２６への有効電力指令Ｐ_ｒｅｆから二次励磁発電機２６への無効電力指令Ｑ_ｒｅｆを出力する。無効電力指令Ｑ_ｒｅｆは系統との連系点の力率を調整するために設定される。
【００３６】
有効電力制御器１５の入力は、速度制御器１３の出力する有効電力指令Ｐ_ｒｅｆ と電力検出器１２の検出する有効電力検出値Ｐであり、有効電力制御器１５の出力が変換器２７への電流指令のｑ軸成分Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆになる。有効電力制御器１５は例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令Ｐ_ｒｅｆ と有効電力検出値Ｐの偏差が零になるように変換器２７への電流指令Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００３７】
無効電力制御器１６の入力は、無効電力指令演算器１４が出力する無効電力指令Ｑ_ｒｅｆと電力検出器１２の検出する無効電力検出値Ｑであり、無効電力制御器１６の出力が変換器２７への電流指令のｄ軸成分Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆになる。無効電力制御器１６は例えば比例積分制御系により構成され、無効電力指令Ｑ_ｒｅｆ と無効電力検出値Ｑの偏差が零になるように変換器２７への電流指令Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆを決定する。
【００３８】
ｑ軸電流制御器１７の入力は、３相／２相変換器３３が出力する電流検出値のｑ軸成分Ｉｒ_ｑと変換器２７への電流指令のｑ軸成分Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆ であり、ｑ軸電流制御器１７の出力が変換器２７への出力電圧指令のｑ軸成分Ｖｒ_ｑ_ｒｅｆになる。ｑ軸電流制御器１７は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値Ｉｒ_ｑと電流指令Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆの偏差が零になるように変換器２７への出力電圧指令Ｖｒ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００３９】
ｄ軸電流制御器１８の入力は３相／２相変換器３３が出力する電流検出値のｄ軸成分Ｉｒ_ｄと変換器２７への電流指令のｄ軸成分Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆ であり、ｄ軸電流制御器１８の出力が変換器２７への出力電圧指令のｄ軸成分Ｖｒ_ｄ_ｒｅｆになる。ｄ軸電流制御器１８は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値Ｉｒ_ｄ と電流指令Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆの偏差が零になるように変換器２７への出力電圧指令Ｖｒ_ｄ_ｒｅｆを決定する。
【００４０】
ｑ軸電流制御器１７とｄ軸電流制御器１８が出力する出力電圧指令のｑ軸成分Ｖｒ_ｑ_ｒｅｆとｄ軸成分Ｖｒ_ｄ_ｒｅｆとは２相／３相変換器１９により３相の出力電圧指令Ｖｒ_ｕｖｗ_ｒｅｆに変換される。
【００４１】
パルス発生器２０は２相／３相変換器１９が出力する３相の出力電圧指令Ｖｒ_ｕｖｗ_ｒｅｆに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変換器２７へのゲートパルス信号を出力する。変換器２７はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の電力半導体スイッチング素子が高速にスイッチングを行うことで、変換器２７は指令に応じた電圧を出力する。
【００４２】
本実施例でも、速度制御器１３が実施例１と同様に動作するので、二次励磁発電機を用いた場合でも、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合には風車１の回転速度を設定範囲内で抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は外部から与えられる有効電力指令に従って有効電力制御を行う。
【実施例３】
【００４３】
図５は本実施例の風力発電装置の全体構成を示す。本実施例は、同期発電機を用い、外部から与えられる指令が発電機へのトルク指令となる。図５に示すトルク検出器３９は、３相／２相変換器９、１０が出力するＶ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑの信号と、速度検出器１１が検出した回転速度検出値ωとに基づいて、同期発電機２が出力するトルクＴを検出する。
【００４４】
速度制御器４０は外部から同期発電機２へ与えられるトルク指令Ｔ_ｃ を速度検出器１１の検出した回転速度検出値ωに応じて修正し、同期発電機２へ修正したトルク指令Ｔ_ｒｅｆを出力する。速度制御器４０は実施例１や実施例２で説明した速度制御器１３と同様に構成できる。
【００４５】
トルク制御器４１の入力は、速度制御器４０が出力したトルク指令Ｔ_ｒｅｆ とトルク検出器３９が検出したトルク検出値Ｔであり、トルク制御器４１の出力が、変換器３への電流指令のｑ軸成分Ｉ_ｑ_ｒｅｆとなる。トルク制御器４１は、例えば比例積分制御系により構成され、トルク指令Ｔ_ｒｅｆ とトルク検出値Ｔとの偏差が零になるように変換器３への電流指令Ｉ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００４６】
ｄ軸電流指令演算器４２の入力は、トルク制御器４１が出力する電流指令のｑ軸成分Ｉ_ｑ_ｒｅｆであり、ｄ軸電流指令演算器４２の出力が変換器３への電流指令のｄ軸成分Ｉ_ｄ_ｒｅｆとなる。電流指令のｄ軸成分Ｉ_ｄ_ｒｅｆは同期発電機２の力率を調整するために設定される。
【００４７】
本実施例の風力発電装置は、図５に示したその他の構成は図１と同様であり、外部から与えられる指令が発電機へのトルク指令の場合にも、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合に風車１の回転速度を設定範囲内に抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は、外部から与えられるトルク指令に従ってトルク制御を行う。
【実施例４】
【００４８】
図６は本実施例の風力発電装置の全体構成を示す。本実施例は、二次励磁発電機を用い、外部から与えられる指令が発電機へのトルク指令となる。図６に示すトルク検出器３９は３相／２相変換器３７、３８が出力するＶｓ_ｄ、Ｖｓ_ｑ、Ｉｓ_ｄ、Ｉｓ_ｑの信号と、速度検出器３４が検出した回転速度検出値ωとに基づいて、二次励磁発電機２６が出力するトルクＴを検出する。
【００４９】
速度制御器４０は外部から二次励磁発電機２６へ与えられるトルク指令Ｔ_ｃ を速度検出器３４が検出した回転速度検出値ωに応じて修正し、二次励磁発電機２６へ修正したトルク指令Ｔ_ｒｅｆ を出力する。速度制御器４０は実施例１や実施例２で説明した速度制御器１３と同様に構成できる。
【００５０】
トルク制御器４１の入力は、速度制御器４０が出力するトルク指令Ｔ_ｒｅｆ とトルク検出器３９が検出するトルク検出値Ｔとであり、トルク制御器４１の出力が変換器２７への電流指令のｑ軸成分Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆとなる。トルク制御器４１は、例えば比例積分制御系により構成され、トルク指令Ｔ_ｒｅｆ とトルク検出値Ｔの偏差が零になるように変換器２７への電流指令Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆを決定する。
【００５１】
ｄ軸電流指令演算器４２の入力は、トルク制御器４１が出力する電流指令のｑ軸成分Ｉｒ_ｑ_ｒｅｆであり、ｄ軸電流指令演算器４２の出力が変換器２７への電流指令のｄ軸成分Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆとなる。電流指令のｄ軸成分Ｉｒ_ｄ_ｒｅｆは系統との連系点の力率を調整するために設定される。
【００５２】
本実施例の風力発電装置は、図６に示したその他の構成は図４と同様なので、外部から与えられる指令が発電機へのトルク指令の場合にも、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合には、風車１の回転速度を設定範囲内に抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は外部から与えられるトルク指令に従ってトルク制御を行う。
【実施例５】
【００５３】
図７に、本実施例の風力発電装置の全体構成を示す。本実施例は二次励磁発電機を用い、外部から与えられる指令が発電機への有効電力指令の場合である。図７に示すように、電圧検出センサ４３及び電流検出センサ４４の配置が図４に示す実施例２と異なるが、これ以外は実施例２と同様である。図７に示す本実施例でも、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合には風車１の回転速度を設定範囲内で抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は外部から与えられる有効電力指令に従って有効電力制御を行う。
【実施例６】
【００５４】
図８に、本実施例の風力発電装置の全体構成を示す。本実施例は二次励磁発電機を用い、外部から与えられる指令が発電機へのトルク指令の場合である。本実施例は図８に示すように、電圧検出センサ４３と電流検出センサ４４の配置が図６に示す実施例４と異なるが、これ以外は実施例４と同様である。図８に示す本実施例でも、風車１の回転速度が設定範囲を逸脱した場合に風車１の回転速度を設定範囲内で抑えるように速度制御を行い、風車１の回転速度が設定範囲内の場合は外部から与えられるトルク指令に従ってトルク制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例１の同期発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【図２】本発明の速度制御器の構成図。
【図３】本発明の速度制御器の動作特性を示す波形図。
【図４】実施例２の二次励磁発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【図５】実施例３の同期発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【図６】実施例４の二次励磁発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【図７】実施例５の二次励磁発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【図８】実施例６の二次励磁発電機を用いた風力発電装置の構成図。
【符号の説明】
【００５６】
１…風車、２…同期発電機、３，５，２７，２９…変換器、４，２８…直流コンデンサ、６…系統連系用変圧器、７，３０，３５，４３…電圧検出センサ、８，３１，３６，４４…電流検出センサ、９，１０，３２，３３，３７，３８…３相／２相変換器、１１，３４，４５…速度検出器、１２，４６…電力検出器、１３，４０…速度制御器、１４…無効電力指令演算器、１５…有効電力制御器、１６…無効電力制御器、１７…ｑ軸電流制御器、１８…ｄ軸電流制御器、１９…２相／３相変換器、２０…パルス発生器、２１…リミッタ、２２…減算器、２３…有効電力修正指令演算器、２４…変化率リミッタ、２５…加算器、２６…二次励磁発電機、３９，４７…トルク検出器、４１…トルク制御器、４２…ｄ軸電流指令演算器。
【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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【図７】
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【図８】
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