(57)【要約】【課題】  送電ケーブルの異常発生時やメンテナンス時にも電力供給を可能とする電力変換器および風力発電システムを提供する。【解決手段】  複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第一の変換器モジュール群と、複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第二の変換器モジュール群と、複数の前記変換器モジュールを制御する中央制御装置と、複数の前記変換器モジュールの入力端子をそれぞれ並列に接続する並列接続部と、前記第一のモジュール群の出力端子の一端と接続した第一の出力端子と、前記第一のモジュール群の出力端子の他端と前記第二のモジュール群の出力端子の一端を接続した中性点端子と、前記第二のモジュール群の出力端子の他端と接続した第二の出力端子と、を備えた電力変換器。【選択図】  図１
2018107980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第一の変換器モジュール群と、
複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第二の変換器モジュール群と、
複数の前記変換器モジュールを制御する中央制御装置と、
複数の前記変換器モジュールの入力端子をそれぞれ並列に接続する並列接続部と、
前記第一のモジュール群の出力端子の一端と接続した第一の出力端子と、
前記第一のモジュール群の出力端子の他端と前記第二のモジュール群の出力端子の一端を接続した中性点端子と、
前記第二のモジュール群の出力端子の他端と接続した第二の出力端子と、
を備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換器において、
前記中央制御装置の指令により、
前記第一の出力端子と前記第二の出力端子の両方またはいずれかの出力を停止することを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力変換器において、
前記中央制御装置は、
前記第一の変換器モジュール群が正電圧を出力し、前記第二の変換器モジュール群が負電圧を出力する第一の出力モードと、
前記第一の変換器モジュール群が負電圧を出力し、前記第二の変換器モジュール群が正電圧を出力する第二の出力モードと、を切り替えることを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換器において、
複数の前記変換器モジュールの出力端子は、それぞれ開閉装置を介して直列に接続されており、
前記第一の出力モードを実行するとき、複数の前記開閉装置を短絡または開放させて前記第一、第二の変換器モジュール群にそれぞれ正電圧、負電圧を出力させ、
前記第二の出力モードを実行するとき、複数の前記開閉装置を開放または短絡させて前記第一、第二の変換器モジュール群にそれぞれ負電圧、正電圧を出力させる
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項４に記載の電力変換器において、
前記中央制御装置は、
前記変換器モジュールの出力電圧と出力時間との電圧時間積を逐次計算し、
前記電圧時間積が正符号の第一の閾値よりも大きくなった場合に、前記第一の出力モードから前記第二の出力モードへと切り替え、
前記電圧時間積が負符号の第二の閾値よりも小さくなった場合に、前記第二の出力モードから前記第一の出力モードへと切り替えることを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記変換器モジュールは、
直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換手段と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段の交流出力電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流出力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段と、で構成されており、
前記変圧器は、油浸変圧器であることを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記変換器モジュールは、
直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換手段と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段の交流出力電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流出力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段と、で構成されており、
前記変圧器は、複数の二次巻線を備え、前記ＡＣ／ＤＣ変換手段は、前記二次巻線と同数設けられていることを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記変換器モジュールは、
直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換手段と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段の交流出力電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流出力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段と、で構成されており、
前記変圧器は、商用周波数以上の周波数で励磁され、
前記変圧器の鉄心は、薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心であって、
鉄を主成分とするアモルファス構造、または微細な結晶構造を有する薄帯状合金で構成されていることを特徴とする、電力変換器。
【請求項９】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記変換器モジュールは、
直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換手段と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段の交流出力電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流出力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段と、で構成されており、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とダイオードからなる２レベルフルブリッジ型インバータ回路、または、３レベルフルブリッジ型インバータ回路、または３レベルハーフブリッジ型インバータ回路、のいずれかで構成されていることを特徴とする。電力変換器。
【請求項１０】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記変換器モジュールは、
直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換手段と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換手段の交流出力電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流出力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段と、で構成されており、
前記ＡＣ／ＤＣ変換手段は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とダイオードからなる２レベルフルブリッジ型コンバータ回路、または３レベルハーフブリッジ型コンバータ回路、または３レベルフルブリッジ型コンバータ回路、または、ダイオードからなる整流回路、のいずれかで構成されていることを特徴とする、電力変換器。
【請求項１１】
複数の風力発電装置と、
該複数の風力発電装置が並列に接続され、発電電力を遠隔地へ送電する高圧直流ケーブルと、
前記複数の風力発電装置を制御するファーム制御装置と、
を具備する風力発電システムであって、
前記風力発電装置の各々は、
風車の回転によって交流電力を発電する発電機と、
前記交流電力を直流電力に変換するパワーコンディショナと、
前記直流電力を昇圧する、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の電力変換器と、
前記パワーコンディショナと前記電力変換器を収納したタワーと、
を具備することを特徴とする風力発電システム。
【請求項１２】
複数の風力発電装置と、
該複数の風力発電装置が並列に接続され、発電電力を送電する中圧直流ケーブルと、
該中圧直流ケーブルから供給された電力を昇圧して出力する中圧直流−高圧直流変換器と、
該中圧直流−高圧直流変換器が出力した電力を遠隔地へ送電する高圧直流ケーブルと、
前記複数の風力発電装置および前記中圧直流−高圧直流変換器を制御するファーム制御装置と、
を具備する風力発電システムであって、
前記風力発電装置の各々は、
風車の回転によって交流電力を発電する発電機と、
前記交流電力を直流電力に変換するパワーコンディショナと、
前記直流電力を昇圧する、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の電力変換器と、
前記パワーコンディショナと前記電力変換器を収納したタワーと、
を具備することを特徴とする風力発電システム。
【請求項１３】
複数の風力発電装置と、
該複数の風力発電装置の発電電力を遠隔地へ送電する高圧直流ケーブルと、
前記複数の風力発電装置を制御するファーム制御装置と、
を具備する風力発電システムであって、
前記風力発電装置の各々は、
風車の回転によって交流電力を発電する発電機と、
前記交流電力を直流電力に変換するパワーコンディショナと、
前記直流電力を昇圧する、請求項３から請求項５の何れか一項に記載の電力変換器と、
前記パワーコンディショナと前記電力変換器を収納したタワーと、
を具備しており、
前記ファーム制御装置は、
前記複数の風力発電装置の合計発電電力が所定値以下である場合に、
各電力変換器に対し、前記第一の出力モードと前記第二の出力モードの切り替えを許可することを特徴とする、風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力の電圧を昇圧する電力変換器、およびこれを用いた風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電や風力発電をはじめする再生可能エネルギーの大量導入が期待されている。風力発電においては、複数の風力発電装置を備え、総発電電力が数１００ＭＷに達するような風力発電システム（ウインドファーム）の開発が検討されている。風力発電システムの総発電電力が大きいほど、その集電系統も大きくなる傾向にある。また、このような大規模風力発電システムは海岸や洋上に設置されることが多く、送電距離が長くなる傾向がある。そして、このような遠隔地に設置された大規模風力発電システムにおいては、集電系統、送電系統における送電損失が大きいという問題がある。
【０００３】
交流送電に比べて、直流送電は送電損失が小さいことが知られている。直流送電を風力発電システムの集電および送電系統に適用するためには、風車の回転エネルギーによって得られた交流電力を直流電力に変換し、さらに所定の電圧に昇圧する必要がある。
【０００４】
これに関する技術として、特許文献１では、複数ある変換器モジュールの入力端子が各々並列に接続され、出力端子各々が直列に接続された電力変換器の構成とその制御方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された電力変換器は、同文献の図２等から明らかなように、モノポーラ出力であり、出力先の送電ケーブルに異常が発生した場合やメンテナンス時に電力変換器を停止させなければならない。すなわち、このような場合には風力発電システムで発電された電力の全てを送電することができなくなるという問題がある。
【０００７】
また、一般的に、電力変換器を構成する変換器モジュールは変圧器を搭載している。変圧器には油浸絶縁紙や高分子を用いた複合誘電体が用いられる。このような誘電体に直流電界が印加されると、その界面で空間電荷が蓄積する。空間電荷は局所的な電界の歪みを生むため、絶縁破壊の一因となる。
【０００８】
特許文献１に記載された電力変換器は、複数の変換器モジュールの出力端子を各々直列に接続することにより、高電圧出力を実現している。最上段の変換器モジュールに搭載された変圧器には長時間にわたって直流高電圧が印加されるため、上述の絶縁破壊が懸念され、機器の長期信頼性を保つことが難しいという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、機器の長期信頼性を保ちつつ、出力先の送電ケーブルに異常が発生した場合やメンテナンス時にも出力を停止する必要がない電力変換器、およびこれを用いた風力発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の電力変換器は、複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第一の変換器モジュール群と、複数の変換器モジュールの出力端子を直列接続した第二の変換器モジュール群と、複数の前記変換器モジュールを制御する中央制御装置と、複数の前記変換器モジュールの入力端子をそれぞれ並列に接続する並列接続部と、前記第一のモジュール群の出力端子の一端と接続した第一の出力端子と、前記第一のモジュール群の出力端子の他端と前記第二のモジュール群の出力端子の一端を接続した中性点端子と、前記第二のモジュール群の出力端子の他端と接続した第二の出力端子と、を備えた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、出力先の送電ケーブルに異常が発生した場合やメンテナンス時にも停止する必要のない電力変換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る電力変換器を示す図である。
【図２】実施例１に係る変換器モジュール１０の構成例を示す図である。
【図３】実施例１に係る第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３の構成例を示す図である。
【図４】実施例１に係る第二の変換器ユニット１３の別の構成例を示す図である。
【図５】時間を横軸にとり、各々の変換器モジュール１０に搭載されている変圧器１４の二次巻線の接地点からの電圧とその発生時間との積（電圧時間積）を縦軸にとった関係図である。
【図６】実施例１に係る中央制御装置４０における、変換器モジュール１０の入替手段に関するフローチャートである。
【図７Ａ】実施例１に係る第一の出力モードおける電力変換器１１内の複数の変換器モジュール１０の構成図である。
【図７Ｂ】実施例１に係る第二の出力モードおける電力変換器１１内の複数の変換器モジュール１０の構成図である。
【図８】実施例２に係る電力変換器を示す図である。
【図９】実施例３に係る風力発電システムを示す図である。
【図１０】実施例４に係る風力発電システムを示す図である。
【図１１】実施例５に係る中央制御装置４０、ファーム制御装置６８における、変換器モジュール１０の入替手段に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１に係る電力変換器１１を示している。この電力変換器１１は、複数の変換器モジュール１０と、入力端子３０と、出力端子３１と、中央制御装置４０を含む。入力端子３０と変換器モジュール１０の入力側の間には並列接続部２０が設けられており、並列接続部２０を介して、各々の変換器モジュール１０の入力側が並列に接続されている。また、出力端子３１と変換器モジュール１０の出力側の間には直列接続部２１が設けられており、直列接続部２１を介して、各々の変換器モジュール１０の出力側が直列に接続されている。
【００１５】
複数の変換器モジュール１０は、正側の変換器モジュール群３３と、負側の変換器モジュール群３４とに分類される。正側の変換器モジュール群３３、負側の変換器モジュール群３４は、例えば、それぞれｎ個の変換器モジュール１０を含む。以下では、説明上の区別のため、正側の変換器モジュール群３３を構成する各々の変換器モジュール１０を、出力電圧が接地電圧に近い順に変換器モジュールＰ１、Ｐ２、・・・、Ｐｎと呼称する。同様に、負側の変換器モジュール群３４を構成する各々の変換器モジュール１０を、出力電圧が接地電圧に近い順に変換器モジュールＮ１、Ｎ２、・・・、Ｎｎと呼称する。
【００１６】
電力変換器１１の出力端子３１は、正電圧出力端子３１１、負電圧出力端子３１２、中性点電圧端子３１３とで構成される。正電圧出力端子３１１は、変換器モジュールＰｎの出力端子のうち電圧が高い側と接続される。負電圧出力端子３１２は、変換器モジュールＮｎの出力端子のうち電圧が低い側と接続される。中性点電圧端子３１３は、変換器モジュールＰ１の出力端子のうち電圧が低い側、および、変換器モジュールＮ１の出力端子のうち電圧が高い側と接続される。
【００１７】
中央制御装置４０は、各々の変換器モジュール１０内に搭載される、後述のモジュール制御装置４１と有線または無線で接続され、電力変換器１１の動作を制御するために必要な計算処理およびモジュール制御装置４１とのデータ授受を実施する。
【００１８】
通常、中央制御装置４０は、変換器モジュール１０が入力電圧よりも高い電圧を出力するように、変換器モジュール１０内のモジュール制御装置４１に指令を与える。各々の変換器モジュール１０の出力は、それぞれ直列に接続されているため、電力変換器１１の出力電圧、すなわち出力端子３１の正電圧出力端子３１１と負電圧出力端子３１２との間の電圧は、各々の変換器モジュール１０の出力電圧の総和になる。
【００１９】
さらに、電力変換器１１は中性点電圧端子３１３を備えており、これを接地電圧とすることで、電力変換器１１は正電圧と負電圧の双極電圧を出力することが可能である。例えば、電力変換器１１が１０個の変換器モジュール１０を有し、このうち５個が正側の変換器モジュール群３３に属し、残る５個が負側の変換器モジュール群３４に属するとする。すなわち、一方の変換器モジュール群に含まれる変換器の個数ｎ＝５であるとする。この場合、例えば、中央制御装置４０が各々の変換器モジュール１０にそれぞれ４０ｋＶを出力するよう指令すると、電力変換器１１の出力電圧は、正電圧出力端子３１１と中性点電圧端子３１３間がプラス２００ｋＶとなり、負電圧出力端子３１２と中性点電圧端子３１３間がマイナス２００ｋＶになる。
【００２０】
また、中央制御装置４０が正側の変換器モジュール群３３、負側の変換器モジュール群３４のそれぞれに属する変換器モジュール１０に異なる指令値を与えることにより、電力変換器１１は、絶対値の異なる正負電圧を出力することもできる。例えば、ｎ＝５とし、中央制御装置４０が、正側の変換器モジュール群３３に属する変換器モジュール１０に対しては４０ｋＶ、負側の変換器モジュール群３４に属する変換器モジュール１０に対しては２０ｋＶを指令値して与えた場合、電力変換器１１はプラス２００ｋＶとマイナス１００ｋＶを出力する。
【００２１】
さらに、中央制御装置４０が、負側の変換器モジュール群３４に属する変換器モジュール１０に０Ｖを出力するように指令した場合には、電力変換器１１の出力はプラス２００ｋＶのみとなり、マイナス側の出力は０Ｖであるので、マイナス側の出力を停止したとみなせる。
【００２２】
また、中央制御装置４０が、すべての変換器モジュール１０に０Ｖの指令値を与えた場合には、電力変換器１１の出力はプラス側、マイナス側ともに０Ｖとなる。この場合、電力変換器１１の出力は停止したとみなせる。
【００２３】
このように本実施例の電力変換器１１は双極電圧を出力し、しかもプラス側、マイナス側の出力を任意に制御できるので、出力端子３１に接続される送電ケーブルの何れかに異常が発生した場合や、送電ケーブルの何れかをメンテナンスする時であっても、異常が発生した送電ケーブル、または、メンテナンス対象の送電ケーブルのみ送電を停止するとともに、それ以外の送電ケーブルを利用することで送電を継続できる冗長性を得ることができる。
【００２４】
なお、ケーブルコスト低減の観点から、中性点電圧端子３１３に接続される送電ケーブルは省略しても良い。この場合、中性点電圧端子３１３を適切に地中または海水と接触させることにより、地中または海水を帰路回路とする大地（海水）帰路方式とみなすことができる。
【００２５】
次に、図２を用いて、実施例１に係る変換器モジュール１０の構成例を説明する。図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。変換器モジュール１０は、第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３、変圧器１４、モジュール制御装置４１、入力部遮断装置５１、出力部遮断装置５２、モジュール短絡装置５３とで構成される。第一の変換器ユニット１２は、入力端子３０間に印加された直流電圧を交流電圧に変換して出力するものである。また、変圧器１４は、第一の変換器ユニット１２が出力する交流電圧を、巻数比に応じて昇圧するものである。さらに、第二の変換器ユニット１３は、変圧器１４が昇圧した交流電圧を整流して直流電圧を出力するものである。
【００２６】
ここで、変換器モジュール１０内の各構成の接続を説明する。第一の変換器ユニット１２の入力端子は、入力部遮断装置５１を介して並列接続部２０と接続される。第二の変換器ユニット１３の出力端子は、出力部遮断装置５２を介して直列接続部２１と接続される。変圧器１４の一次巻線は第一の変換器ユニット１２の出力端子と接続され、二次巻線は第二の変換器ユニット１３の入力端子と接続される。また、モジュール短絡装置５３は、変換器モジュール１０の出力端子間に接続される。
【００２７】
また、モジュール制御装置４１は、変換器モジュール１０の動作を制御するために必要な計算処理を実施するとともに、中央制御装置４０、第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３とのデータ授受を実施する。第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３からモジュール制御装置４１へ送られるデータは、例えば、電圧や電流の瞬時値である。モジュール制御装置４１から第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３へ送られるデータは、例えば、半導体スイッチング素子を駆動するためのゲート信号である。さらに、モジュール制御装置４１は、異常が発生したときなどに、入力部遮断装置５１、出力部遮断装置５２、モジュール短絡装置５３に指令を送ることができる。入力部遮断装置５１は、モジュール制御装置４１の指令を受けて並列接続部２０を接続したり切断したりする。出力部遮断装置５２は、モジュール制御装置４１の指令を受けて直列接続部２１を接続したり切断したりする。モジュール短絡装置５３は、モジュール制御装置４１の指令を受けて変換器モジュール１０の出力端子を開放したり短絡したりする。
【００２８】
図３は、図２の第一の変換器ユニット１２、第二の変換器ユニット１３の構成例を示している。ここに示すように、第一の変換器ユニット１２は、４つのＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１５と４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路とコンデンサ１７で構成される２レベルフルブリッジ型インバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した二つの半導体スイッチング素子１５のそれぞれにダイオードを逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の出力端子を変圧器１４の一次巻線の両端に接続したものである。このような構成とすることで、第一の変換器ユニット１２を位相シフト方式で駆動することが可能となり、半導体スイッチング素子１５のスイッチング損失を大幅に低減できる。
【００２９】
一方、第二の変換器ユニット１３は、例えば４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路とコンデンサ１７で構成される。このブリッジ回路は、具体的には、二つのダイオード１６の直列接続回路を並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器１４の二次巻線の両端に接続したものである。ダイオード１６は半導体スイッチング素子１５に比べて低コストであり、また受動部品であることから駆動回路を不要とできるので、低コストで第二の変換器ユニット１３を構成することができる。
【００３０】
また、図４は、図２の第二の変換器ユニット１３の別の構成例を示している。なお、ここに示す第一の変換器ユニット１２は図３と同等であるので重複説明は省略する。第二の変換器ユニット１３は、例えば４つのＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１５と４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路とコンデンサ１７で構成される２レベルフルブリッジ型コンバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した２つの半導体スイッチング素子１５のそれぞれにダイオードを逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器１４の二次巻線の両端に接続したものである。このようにすることで、電力変換器１１は双方向に電力を融通することが可能となる。また、第二の変換器ユニット１３を同期整流方式で駆動することにより、図３で示した、４つのダイオードで構成されたブリッジ回路で整流する場合に比べて導通損失を低減できる。
【００３１】
以上、本実施例の第一の変換器ユニット１２と第二の変換器ユニット１３の具体例を図３および図４に示したが、変換器ユニットの組み合わせはこれらに限定するものではない。例えば、３レベルハーフブリッジ型、３レベルフルブリッジ型のインバータ回路、コンバータ回路、整流回路の任意の組み合わせによっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
次に、図２の変圧器１４に関して、空間電荷の発生を抑制し絶縁劣化を防ぐ方法を説明する。図１でも示したように、電力変換器１１は、複数の変換器モジュール１０の出力端子を直列接続することにより、高電圧出力を実現している。そのため、例えば最上段の変換器モジュール１０である変換器モジュールＰｎに搭載された変圧器１４の二次巻線には、変換器モジュールＰｎ自身が出力する電圧に加えて、下段の複数の変換器モジュール１０の出力電圧が重畳されている。ここで、空間電荷の発生量は、直流電圧の大きさとその印加時間との積に依存するため、各々の変圧器１４の二次巻線の接地点からの電圧と、その発生時間との積（電圧時間積）がゼロ近傍で推移するように、各々の変換器モジュール１０の構成を入れ替えることで、空間電荷の発生を抑制し絶縁劣化を防ぐことができる。
【００３３】
この具体的な方法を、図５を用いて説明する。図５は、時間を横軸にとり、各々の変換器モジュール１０に搭載されている変圧器１４の二次巻線の接地点からの電圧とその発生時間との積（電圧時間積）を縦軸にとった関係図である。変換器モジュール１０の電気的な接続を入れ替える前を第一の出力モード、入れ替えた後を第二の出力モードと呼称する。
【００３４】
第一の出力モードでは、正側の変換器モジュール群３３に属する変換器モジュールＰ１〜Ｐｎにおける各々の電圧時間積（実線）は、時間に比例して増加し、負側の変換器モジュール群３４に属する変換器モジュールＮ１〜Ｎｎにおける各々の電圧時間積（破線）は、時間に比例して減少する。一方、第二の出力モードでも、正側の変換器モジュール群３３に属する変換器モジュールＰ１〜Ｐｎにおける各々の電圧時間積（実線）が時間に比例して増加し、負側の変換器モジュール群３４に属する変換器モジュールＮ１〜Ｎｎにおける各々の電圧時間積（破線）が時間に比例して減少する点は第一の出力モードと共通するが、第二の出力モードの開始後に各々の電圧時間積がゼロに向かって変化している。
【００３５】
出力モードの入替は、例えば、変換器モジュールＰｎの電圧時間積が閾値ＶＴｔｈに到達したタイミングで行われ、このタイミングで、変換器モジュール１０の電気的接続の切り替えを実施し、正側の変換器モジュール群３３と負側の変換器モジュール群３４が置き換わる。
【００３６】
変換器モジュール１０の電気的接続の入替は、複数の変換器モジュール１０のうち、絶対値が等しく正負が逆の変換器モジュール１０同士を入れ替えることで行われる。すなわち、変換器モジュールＰ１とＮ１、変換器モジュールＰ２とＮ２とを相互に入れ替えるように接続を切り替える。これを一般化すると、変換器モジュールＰｎとＮｎを相互に入れ替えるように接続を切り替える。このようなモジュール入替を繰り返すことで、各々の変換器モジュール１０の電圧時間積がゼロ近傍（−ＶＴｔｈ〜＋ＶＴｔｈの範囲）で推移するように調整されるので、空間電荷の発生を抑制することができる。また、変圧器１４が油浸変圧器である場合には、油が流動することにより油及び絶縁物が帯電する現象が知られている。このような帯電状態が継続すると部分放電が発生し、変圧器の故障の一因となるが、図５のように制御することで、このような流動帯電現象も抑制できる。
【００３７】
図６は、図１の中央制御装置４０が、図５の出力モード入替を判定する際に用いるフローチャートである。電力変換器１１が起動すると、中央制御装置４０は、変換器モジュール１０の入替判定処理を開始し、先ず第一の出力モードを実行する（ステップＳ０１）。次に、中央制御装置４０は、異常発生などが原因の停止の要否を判定する（ステップＳ３１）。電力変換器１１の停止が必要と判断したらならば（Ｙｅｓ）、本入替判定処理のフローチャートを終了するとともに、電力変換器１１を停止させる。一方、電力変換器１１を停止する必要はないと判断したらならば（Ｎｏ）、ステップＳ１０に移行する。
【００３８】
ステップＳ１０では、中央制御装置４０は、変換器モジュールＰｎの電圧時間積を計算する。ステップＳ１１では、中央制御装置４０は、第一の閾値判定処理を実施し、変換器モジュールＰｎの電圧時間積が閾値ＶＴｔｈより大きくなったと判断したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２で第二の出力モードに入替えた後、ステップＳ３２に移行する。一方、電圧時間積が閾値ＶＴｔｈ以下であると判断したならば（Ｎｏ）、第一の出力モードを継続する（ステップＳ１３）とともにステップＳ３１に戻る。
【００３９】
ステップＳ１２で第二の出力モードに入替えられたときは、ステップ３２で停止の要否を判定する。なお、ステップＳ３２はステップＳ３１と同様であるので説明を省略する。異常が発生しなかったときは、中央制御装置４０は、ステップＳ１０と同様に変換器モジュールＰｎの電圧時間積を計算する（ステップＳ２０）。ステップＳ２１では、中央制御装置４０は、第二の閾値判定処理を実施し、変換器モジュールＮｎの電圧時間積が閾値−ＶＴｔｈより小さくなったと判断したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２２で第一の出力モードに入替えた後、ステップＳ３１に戻る。一方、電圧時間積が閾値−ＶＴｔｈ以上であると判断したならば（Ｎｏ）、第二の出力モードを継続する（ステップＳ２３）とともにステップＳ３２に戻る。
【００４０】
なお、図６のフローチャートでは、ステップＳ０１において、最初に第一の出力モードを実行したが、最初に第二の出力モードを実行しても良い。その場合、ステップＳ０１以降のステップにおいて、第一、第二の出力モードは相互に入れ替える必要がある。また、ステップＳ１０、Ｓ２０では、変換器モジュールＰｎの電圧時間積を計算する例を説明したが、他の１つの変換器モジュール１０の電圧時間積を計算しても良いし、複数の変換器モジュール１０の電圧時間積を計算しても良い。また、電圧が既知である場合などは、出力時間のみを計算してもよい。その場合、ステップＳ１０以降の閾値判定は電圧時間積ではなく出力時間に対して実行される。複数の変換器モジュール１０の電圧時間積を計算する場合は、ステップＳ１１、Ｓ１２において、複数の閾値判定を実行しても良いし、複数の変換器モジュール１０の電圧時間積を用いて計算された総合的な電圧時間積に対して、閾値判定を実行しても良い。
【００４１】
次に、図７Ａおよび図７Ｂを用いて、変換器モジュール１０を入れ替える具体的構成を説明する。図７Ａ、図７Ｂは、それぞれ第一の出力モード、第二の出力モードにおける電力変換器１１内の複数の変換器モジュール１０の構成を示している。上述した変換器モジュール１０の入れ替えには、直列接続部２１内部に設けられる複数の開閉装置２２を用いる。各々の開閉装置２２は、中央制御装置４０からの指令を受けて、開閉装置２２の両端子を開放・短絡する。これにより、正側の変換器モジュール群３３と負側の変換器モジュール群３４の出力端子と出力端子３１を構成する正電圧出力端子３１１、負電圧出力端子３１２、中性点電圧端子３１３の接続を切り替えることができるようになっている。
【００４２】
例えば、第一の出力モードでは、各々の開閉装置２２が図７Ａのように接続されることで、上段の変換器モジュール群が正電圧を出力する正側の変換器モジュール群３３となり、下段の変換器モジュール群が負電圧を出力する負側の変換器モジュール群３４となる。一方、第二の出力モードでは、各々の開閉装置２２が図７Ｂのように接続されることで、上段の変換器モジュール群が負電圧を出力する負側の変換器モジュール群３４となり、下段の変換器モジュール群が正電圧を出力する正側の変換器モジュール群３３となる。
【００４３】
以上で説明したように、本実施例の電力変換器１１では、図７Ａ、図７Ｂに示す複数の開閉装置２２を切り替えることで、各々の変換器モジュール１０の位置を変更せずとも、正側のモジュール群３３と負側のモジュール群３４の電気的な接続を切替可能とし、しかもその切替は中央制御装置４０を用いて自動化できる。これにより、上述した空間電荷発生の抑制、および、流動帯電現象の抑制を実現できる。
【００４４】
さらに、図７Ａ、図７Ｂに示したように、各々の変換器モジュール１０の正側出力端子（＋）を、隣接する変換器モジュール１０の負側出力端子（−）の隣に配置したので、変換器モジュール群内の電気配線が直線的となり、配線構造を簡素化できる。
【００４５】
なお、図７Ａ、図７Ｂは電気的な接続構造を示したものであり、実際の配線構成を示しているわけではない。実際には、配線を３次元的に構成することができる。例えば、図７Ａ、図７Ｂでは、正電圧出力端子３１１、負電圧出力端子３１２が左側に、中性点電圧端子３１３が右側に配置されているが、三次元的な配線によれば、これらを一箇所にまとめることも可能である。このような配線は、電力変換器１１を、風力発電装置のタワー内のような狭いスペースに収納する場合に有効である。
【実施例２】
【００４６】
次に、図８を用いて、実施例２の電力変換器１１を説明する。なお、実施例１ですでに説明した部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図２等で説明したように、実施例１では、変換器モジュール１０内の変圧器１４の二次側に一つの変換器ユニット（第二の変換器ユニット１３）を設けたが、本実施例の変換器モジュール１０では、変圧器１４に代えて設けた多巻線変圧器１８の二次側に複数の変換器ユニットを設けるとともに、それらを直列接続することで、各々の変換器モジュール１０からより高い電圧を出力できるようにしたものである。以下、本実施例の変換器モジュール１０の構成を詳細に説明する。
【００４８】
上述のように、本実施例の多巻線変圧器１８は、複数に分割された二次巻線を有するものであり、図８では、一例として２つに分割された二次巻線の例を示している。多巻線変圧器１８の２つの二次巻線は、それぞれ、第二の変換器ユニット１３、第三の変換器ユニット１９が接続されている。第二の変換器ユニット１３の出力端子、第三の変換器ユニット１９の出力端子は、それぞれ出力部遮断装置５２を介してそれぞれ電力変換器１１の直列接続部２１と接続されており、第二の変換器ユニット１３の負側出力端子（−）と第三の変換器ユニット１９の正側出力端子（＋）を接続することで、第二の変換器ユニット１３と第三の変換器ユニット１９の直列回路を構成している。また、２つのモジュール短絡装置５３は、それぞれ第二の変換器ユニット１３、第三の変換器ユニット１９の出力端子を短絡できるように接続されている。
【００４９】
このように、実施例２に係る変換器モジュール１０は、多巻線変圧器１８の二次巻線に複数の変換器ユニットを設けたので、実施例１の変換器モジュール１０に比べて、高電圧を出力できる。あるいは、電力変換器１１の出力電圧が実施例１と同等で良い場合は、実施例２は、実施例１に比べて少ない個数の変換器モジュール１０で同等の電圧を出力することができ、電力変換器１１のコスト低減、体積縮小に寄与する。このとき、第二の変換器ユニット１３、第三の変換器ユニット１９を構成する半導体スイッチング素子１５、ダイオード１６、コンデンサ１７などに求められる耐圧性は小さくなるので、それぞれ安価な汎用製品を適用でき、コスト低減に寄与する。また、これらの部品に求められる耐圧によっては、複数の素子を直列に接続して耐圧性を向上させる場合がある。このような構成にすると、素子特性のばらつきを起因として信頼性の低下を招く。信頼性を向上させるためにさらなる部品や機能、制御手段を用いる場合もあるが、その場合は電力変換器１１のコストが大きくなる。実施例２に係る多巻線変圧器１８を用いれば、第二の変換器ユニット１３、第三の変換器ユニット１９において、素子を直列接続した部品を用いる必要はない。これにより変換器モジュール１０、ひいては電力変換器１１の信頼性が向上する。
【００５０】
多巻線変圧器１８の存在により、変換器モジュール１０は複数の出力端子を有するが、このような場合であっても、実施例１の図７Ａ、図７Ｂで説明した変換器モジュール１０を入れ替える方法を適用でき、同様の効果を得ることができる。具体的な方法は実施例１の説明から容易に類推できるので重複説明は省略する。
【００５１】
なお、第一の変換器ユニット１２が出力する交流電圧は、商用周波数以上の高周波、例えば１ｋＨｚとするのがよい。このようにすることで、多巻線変圧器１８は高周波で励磁され、体積を小さくできる。さらに多巻線変圧器１８の鉄心に薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心とすることで、高周波領域で顕著となる渦電流損の発生を抑制でき、多巻線変圧器１８の体積を更に小さくできる。このような巻鉄心として、鉄を主成分とするアモルファス構造や微細な結晶構造を有する薄帯状合金が好適であるが、この限りではない。これらの施策は、電力変換器１１を風力発電装置のタワー内のような狭いスペースに収納する場合に特に有効である。
【実施例３】
【００５２】
図９は、電力変換器１１を適用した風力発電システム６６の一形態を示している。ここでは、洋上プラットフォームに設置した大規模な風力発電システム６６を例に説明を行うが、風力発電システム６６は海岸などの陸地に設置したものであっても良い。図９に示すように、風力発電システム６６は、複数の風力発電装置６５、それらを制御するファーム制御装置６８、百ｋＶ以上の高電圧に対応した送電ケーブルである高圧直流ケーブル７２（ＨＶＤＣ）などで構成されている。また、風力発電装置６５は、発電設備と電力変換設備に大別して把握することが可能である。このうち発電設備は、風車６１、ギア６２、交流電力を発電する発電機６３などである。電力変換設備は、発電された交流電力を直流電力に変換するパワーコンディショナ６４、電力変換器１１などである。パワーコンディショナ６４、電力変換器１１は、タワー６７内に収納される。このようにすることで、風力発電装置６５の製造が容易になるほか、風力発電装置６５の重心が低くなりタワー６７の機械的強度に余裕を持たせることができる。
【００５３】
電力変換器１１は、実施例１または実施例２で説明したものであり、パワーコンディショナ６４が出力する直流電力を昇圧し、正負の電圧および中性点電圧を出力する。複数の風力発電装置６５は、高圧直流ケーブル７２を介して、並列に接続される。このような構成とすることで、風力発電システム６６は、複数の風力発電装置６５の出力電力を集め、陸上へと送電することができる。さらに風力発電システム６６は、各風力発電装置６５や電力変換器１１などを統括的に制御するファーム制御装置６８を備えることで、発電量の向上、集電損失の低減といった効果や、風力発電装置６５や電力変換器１１の保護協調といった拡張機能を有することができる。
【００５４】
遠隔地となる陸上では、電力系統７４と連系するための交直変換器７３が設置されており、これにより風力発電システム６６から送電された直流電圧を交流に変換して電力系統７４に供給することができる。
【００５５】
本実施例の電力変換器１１を用いれば、高圧直流ケーブル７２の何れかや交直変換器７３の一部に異常が発生した場合や、メンテナンス時にも、正常に使用できる高圧直流ケーブル７２を用いた送電を継続することができるため、出力を止める必要のない、風力発電システムを提供できる。
【００５６】
また、洋上に設置される風力発電システムでは、送電ケーブルは海底に敷設されるため、交流で送電する場合にはケーブル寄生容量の充放電に伴う損失が発生する。電力変換器１１を適用すれば、直流で送電することができるため、このような損失が発生することはなく、高効率である。
【００５７】
なお、複数の風力発電システム６６を設置して風力発電システム群を構成することも可能である。そのような場合であっても本実施例の電力変換器１１は好適である。また、本実施例では一例として、風力発電システム６６が洋上に設置されることを想定したが、陸上に設置されても良い。風力発電システム６６が陸上に設置される場合は、特に風力発電システム６６が大規模である場合に、本実施例の電力変換器１１は好適である。
【実施例４】
【００５８】
図１０は、電力変換器１１を適用した風力発電システム６６の別の一形態を示している。すでに説明した部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例の風力発電システム６６は、複数の風力発電装置６５、中圧直流ケーブル７１（ＭＶＤＣ）、高圧直流ケーブル７２、中圧直流−高圧直流変換器７５などで構成されている。複数の風力発電装置６５は、中圧直流ケーブル７１を介して並列に接続されて、洋上プラットフォームに設置された中圧直流−高圧直流変換器７５と接続される。
【００５９】
中圧直流−高圧直流変換器７５は、複数の風力発電装置６５の出力電圧を更に昇圧し、高圧直流ケーブル７２を介して陸上の交直変換器７３と接続される。ここで中圧直流、高圧直流は、例えば、それぞれ数十ｋＶから百ｋＶ、百ｋＶ以上である。
【００６０】
このような構成とすることで、各風力発電装置に収納される電力変換器１１は比較的低い絶縁性を有すればよいので、電力変換器１１の小型化と低コスト化を見込むことができる。本実施例の電力変換器１１を用いれば、中圧直流ケーブル７１、高圧直流ケーブル７２、中圧直流−高圧直流変換器７５などに異常が発生した場合やメンテナンス時でも出力を止める必要のない、風力発電システムを提供できる。
【実施例５】
【００６１】
次に図１１を用いて実施例５の風力発電システム６６を説明する。実施例５は、実施例３または実施例４の風力発電システム６６が有するファーム制御装置６８と中央制御装置４０が共同して実行する変換器モジュール１０の入替方法を説明するものであり、図６のフローチャート等で既に説明した点は説明を省略し、図６等との相違部を中心に説明を行う。
【００６２】
図１１のフローチャートに示すステップＳ１１では、各々の電力変換器１１の中央制御装置４０は、第一の閾値判定処理を実施し、電圧時間積が閾値ＶＴｔｈより大きくなったと判断したならば（Ｙｅｓ）、風力発電システム６６を統括するファーム制御装置６８はステップＳ５１の処理を行う。一方、ステップＳ１１にて、電圧時間積が閾値ＶＴｔｈ以下であると判断したならば（Ｎｏ）、中央制御装置４０はステップＳ１３の処理を行う。
【００６３】
ステップＳ５１において、ファーム制御装置６８は、第一の発電電力判定処理を実施し、風力発電システム６６の総発電電力が所定値以下であると判断したならば（Ｙｅｓ）、中央制御装置４０はステップＳ１２の処理を行う。一方、ステップＳ５１にて、総発電電力が所定値よりも大きいと判断したならば（Ｎｏ）、中央制御装置４０はステップＳ１３の処理を行う。
【００６４】
同様に、ステップＳ２１では、中央制御装置４０は、第二の閾値判定処理を実施し、電圧時間積が閾値−ＶＴｔｈより小さくなったと判断したならば（Ｙｅｓ）、ファーム制御装置６８はステップＳ５２の処理を行う。一方、ステップＳ２１にて、電圧時間積が閾値−ＶＴｔｈ以上であると判断したならば（Ｎｏ）、中央制御装置４０はステップＳ２３の処理を行う。
【００６５】
ステップＳ５２において、ファーム制御装置６８は、ステップＳ５１と同様にして第二の発電電力判定処理を実施し、風力発電システム６６の総発電電力が所定値以下であると判断したならば（Ｙｅｓ）、中央制御装置４０はステップＳ２２の処理を行う。一方、ステップＳ５２にて、総発電電力が所定値よりも大きいと判断したならば（Ｎｏ）、中央制御装置４０はステップＳ２３の処理を行う。
【００６６】
このようにすることで風力発電システム６６は総発電量の少ない期間でのみ変換器モジュール１０の入替を実施し、総発電量の多い期間では変換器モジュール１０の入替を禁止することができる。変換器モジュール１０を入れ替えて電力変換器１１の正負の出力を反転させるためには、各電力変換器１１は出力を停止する必要がある。風力発電システム６６の総発電量が多い期間に各電力変換器１１の出力を停止すると、多くの発電機会を失うことになるが、実施例５によれば、発電機会の損失を最小限にとどめ、かつ電力変換器１１の長期信頼性をも確保した風力発電システム６６を提供できる。
【００６７】
なお、ステップＳ５１、Ｓ５２の第一、第二の発電電力判定処理において、総発電電力量や総発電電力の予測値、総発電電力量の予測値などを使用しても良い。これらの要素を複合的に用い判定することにより、風力発電システム６６の発電機会の損失を小さくできる。
【００６８】
また、風力発電システム６６が長期にわたって安定的に発電することが予想される場合などに、しばらくの間変換器モジュール１０を入れ替えるタイミングを逸し、電圧時間積がゼロ近傍から大きく乖離する場合が想定される。このような場合には、第一、第二の閾値判定で用いる閾値や、第一、第二の発電電力判定で用いる閾値を適宜変更することにより対処できる。
【００６９】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【００７０】
例えば図３で示した半導体スイッチング素子１５は、複数の半導体スイッチング素子を直列、並列に接続して構成した半導体スイッチング素子群を含む。その他の構成部品についても同様である。
【００７１】
なお、各実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０：変換器モジュール
１１：電力変換器
１２：第一の変換器ユニット
１３：第二の変換器ユニット
１４：変圧器
１５：半導体スイッチング素子
１６：ダイオード
１７：コンデンサ
１８：多巻線変圧器
１９：第三の変換器ユニット
２０：並列接続部
２１：直列接続部
２２：開閉装置
３０：入力端子
３１：出力端子
３１１：正電圧出力端子
３１２：負電圧出力端子
３１３：中性点電圧端子
３２：接地点
３３：正側の変換器モジュール群
３４：負側の変換器モジュール群
４０：中央制御装置
４１：モジュール制御装置
５１：入力部遮断装置
５２：出力部遮断装置
５３：モジュール短絡装置
６１：風車
６２：ギア
６３：発電機
６４：パワーコンディショナ
６５：風力発電装置
６６：風力発電システム
６７：タワー
６８：ファーム制御装置
７１：中圧直流ケーブル
７２：高圧直流ケーブル
７３：交直変換器
７４：電力系統
７５：中圧直流−高圧直流変換器
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
2018107980.tif 000012
【図１０】
2018107980.tif 000013
【図１１】
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