(57)【要約】【課題】システム各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加できる風力発電システムを提供する。【解決手段】風力発電システム１は、風力発電を行うための複数の発電用風車１１−１〜１１−ｎを電気的に直列接続して構成される複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと、これらの複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数に応じた相数を有し、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの個々の出力端に接続される単一の同期発電機４０と、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと同期発電機４０との合成出力の電圧位相を揃える位相整合回路３０−１〜３０−ｋと、を備え、位相整合回路３０−１〜３０−ｋにより電圧位相を揃えられた電力を合成して出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電を行うための複数の発電用風車を電気的に直列接続して構成される複数の直列接続風車群と、
前記複数の直列接続風車群の組数に応じた相数を有し、前記複数の直列接続風車群の個々の出力端に接続される単一の同期機と、
前記複数の直列接続風車群と前記同期機との合成出力の電圧位相を揃える位相整合手段と、
を備え、
前記位相整合手段により電圧位相を揃えられた電力を合成して出力する
ことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記複数の直列接続風車群と前記同期機との間に波形改善手段を備え、
前記位相整合手段が前記波形改善手段の出力端に接続される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記同期機が、前記複数の直列接続風車群の個々の出力端に接続される複数の三相巻線を有し、前記複数の三相巻線が、同一の鉄心に位相をずらして設置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記同期機が同期発電機であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記複数の直列接続風車群のそれぞれが、
風力に応じて回転エネルギを発生させる風力タービン、該風力タービンで発生した回転エネルギに応じて交流電力を発生させる風力発電機、該風力発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ、及び前記風力タービンを回転させる風力の風速を測定する風速計を、それぞれ有する前記複数の発電用風車と、
前記複数の発電用風車の前記コンバータがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータを有する変換ユニットと、
前記複数の発電用風車の前記風速計が測定する前記風速をそれぞれ監視し、前記風速に応じて前記コンバータそれぞれの出力電圧及び前記インバータの入力電圧をリアルタイムに制御するために、前記コンバータの出力電圧を調整するコンバータパラメータを変更するコンバータ出力制御信号を前記コンバータにそれぞれ出力し、前記インバータの入力電圧を調整するインバータパラメータを変更するインバータ制御信号を前記インバータに出力するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記複数の発電用風車のうちで最大風速が測定された最大風速風車の出力電流を用いて前記インバータの入力電圧を制御し、且つ、前記最大風速風車以外の前記発電用風車の出力する各出力電流が前記最大風速風車の出力電流と同一になるように前記発電用風車それぞれの前記コンバータの出力電圧を制御する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風カエネルギの密度は低いので、単機の風力発電機の出力容量は、火力発電などの既存の発電システムと比べて相対的に小さい。したがって、実用規模の風力発電所は、一般に、複数台の風力発電機を電気的に相互接続したウインドファーム（風力発電システム）により構成される。風力発電機の相互接続の方法として、例えば特許文献１には、個々の風力発電機の出力を整流して、これらの整流された出力を電気的に直列接続する直列接続方式が提案されている。この直列接続方式は、従来の並列接続方式と比べてシステム構成が簡潔であるため、高い信頼性や低コスト化が期待できるだけでなく、高品質の電気出力が得られるなどの多くの利点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７１１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力発電システムを構成する風力発電機の台数が多くなれば、その分だけシステムは出力容量を増加でき、また、出力変動の平準化も期待できる。特許文献１に記載の直列接続方式の風力発電システムは、直列接続される風力発電機の台数に特に制限は無いが、台数の増加と共にシステム各部の対地電圧が上昇するので、絶縁に対する特別な配慮が必要となる。このため、直列接続方式の風力発電システムにおいて、風力発電機の台数増加に伴うシステム各部の電圧上昇を抑制し、絶縁に特別な配慮をせずに出力容量の増大を可能とする相互接続法の開発が望まれる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、システム各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加できる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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、風力発電を行うための複数の発電用風車を電気的に直列接続して構成される複数の直列接続風車群と、前記複数の直列接続風車群の組数に応じた相数を有し、前記複数の直列接続風車群の個々の出力端に接続される単一の同期機と、前記複数の直列接続風車群と前記同期機との合成出力の電圧位相を揃える位相整合手段と、を備え、前記位相整合手段により電圧位相を揃えられた電力を合成して出力することを特徴とする。
【０００７】
また、上記の風力発電システムは、前記複数の直列接続風車群と前記同期機との間に波形改善手段を備え、前記位相整合手段が前記波形改善手段の出力端に接続されることが好ましい。
【０００８】
前記同期機が、前記複数の直列接続風車群の個々の出力端に接続される複数の三相巻線を有し、前記複数の三相巻線が、同一の鉄心に位相をずらして設置されることが好ましい。
【０００９】
前記同期機が同期発電機であることが好ましい。
【００１０】
また、上記の風力発電システムにおいて、前記複数の直列接続風車群のそれぞれが、風力に応じて回転エネルギを発生させる風力タービン、該風力タービンで発生した回転エネルギに応じて交流電力を発生させる風力発電機、該風力発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ、及び前記風力タービンを回転させる風力の風速を測定する風速計を、それぞれ有する前記複数の発電用風車と、前記複数の発電用風車の前記コンバータがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータを有する変換ユニットと、前記複数の発電用風車の前記風速計が測定する前記風速をそれぞれ監視し、前記風速に応じて前記コンバータそれぞれの出力電圧及び前記インバータの入力電圧をリアルタイムに制御するために、前記コンバータの出力電圧を調整するコンバータパラメータを変更するコンバータ出力制御信号を前記コンバータにそれぞれ出力し、前記インバータの入力電圧を調整するインバータパラメータを変更するインバータ制御信号を前記インバータに出力するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記複数の発電用風車のうちで最大風速が測定された最大風速風車の出力電流を用いて前記インバータの入力電圧を制御し、且つ、前記最大風速風車以外の前記発電用風車の出力する各出力電流が前記最大風速風車の出力電流と同一になるように前記発電用風車それぞれの前記コンバータの出力電圧を制御する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る風力発電システムは、個々の直列接続風車群において発電用風車の台数を所定数に抑えると共に、直列接続風車群の組数を増加すれば、個々の直列接続風車群の対地電圧を増やすことなくシステム全体の出力容量を増加できることが可能となるので、システム各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、図１中の直列接続風車群の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図２中の各発電用風車の動作を説明するための模式図である。
【図４】図４は、図１に示す風力発電システムに基づくシミュレーションの構成図である。
【図５】図５は、図４のシミュレーションにおける直列接続風車群の出力電力の電流（インバータ出力電流）の波形の一例を示す図である。
【図６】図６は、図４のシミュレーション結果における同期発電機に発生した誘導起電力の波形の一例を示す図である。
【図７】図７は、図４のシミュレーション結果における同期発電機から出力された電機子電流の波形の一例を示す図である。
【図８】図８は、図４のシミュレーション結果における波形改善リアクトル出力電流の波形の一例を示す図である。
【図９】図９は、図４のシミュレーション結果における負荷電流の波形の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図４のシミュレーション結果における負荷電圧の波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る風力発電システムの実施形態について説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１４】
まず図１、２を参照して、本発明の一実施形態に係る風力発電システム１の構成を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの概略構成を示す機能ブロック図であり、図２は、図１中の直列接続風車群の構成を示す模式図である。
【００１５】
本実施形態の風力発電システム１は、風力発電機の出力を一旦コンバータで直流電力に変換し、インバータにより再度一定の電圧及び周波数の交流電力に変換して、三相負荷または電力系統などの出力先（以下では単に「負荷」とも表記する）に供給するＤＣリンク方式の風力発電システムである。図１に示すように、風力発電システム１は、複数のｋ組の風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋを電気的に並列接続して構成され、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋから出力された交流電力を合成して負荷に出力することができる。以降では、風力発電システム１が負荷に出力する電力の電圧を「負荷電圧」、電流を「負荷電流」とも表記する。
【００１６】
風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋは、図１に示すように、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋ、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋ（波形改善手段）、位相整合回路３０−１〜３０−ｋ（位相整合手段）を有する。ここで、風力発電ユニットとその構成要素の符号に付された添え字１〜ｋは、ｋ組の風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋのそれぞれに割り当てられた番号であり、ｋは２以上の整数である。つまり、直列接続風車群、波形改善リアクトル、位相整合回路は、符号の添え字が同一の風力発電ユニットに１つずつ含まれる。例えば、ｋ番目の風力発電ユニット１００−ｋは、直列接続風車群１０−ｋ、波形改善リアクトル２０−ｋ、位相整合回路３０−ｋを有する。また、風力発電システム１は、単一の同期発電機４０（同期機）を備え、この同期発電機４０を風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋのそれぞれに接続する構成をとる。
【００１７】
直列接続風車群１０−１〜１０−ｋは、風力発電を行うための複数の発電用風車を有し、これらの風車を電気的に直列接続して構成される。直列接続風車群１０−１〜１０−ｋは、これらの電気的に直列接続された発電用風車により生成された交流電力を合成して出力する。つまり、風力発電システム１は、電気的に直列接続された風車群を複数組備え、これらの複数組の風車群からの出力電力を合成して出力するものである。
【００１８】
図２に示すように、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋのそれぞれは、直列接続された複数の発電用風車１１−１〜１１−ｎ（以降では、単に「風車」とも標記する）と、これらの風車１１−１〜１１−ｎからそれぞれ出力される直流電力の直列和を入力し、その直列和を交流電力に変換する変換ユニット１６と、当該直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの動作を制御するコントローラ１７とを有する。
【００１９】
複数の風車１１−１〜１１−ｎのそれぞれは、風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎに応じて回転エネルギを発生させる風力タービン１２−１〜１２−ｎと、その風力タービン１２−１〜１２−ｎで発生した回転エネルギに応じて交流電力を発生させる風力発電機１３−１〜１３−ｎと、その風力発電機１３−１〜１３−ｎで発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ１４−１〜１４−ｎと、風力タービン１２−１〜１２−ｎを回転させる風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎの風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎを測定する風速計１８−１〜１８−ｎと、を有する。
【００２０】
ここで、複数の風車とその構成要素の符号に付された添え字１〜ｎは、ｎ台の風車１１−１〜１１−ｎのそれぞれに割り当てられた番号であり、ｎは２以上の整数である。つまり、風力タービン、風力発電機、コンバータ、風速計は、符号の添え字が同一の風車に１つずつ含まれる。例えば、ｎ番目の風車１１−ｎは、風力タービン１２−ｎ、風力発電機１３−ｎ、コンバータ１４−ｎ、風速計１８−ｎを有する。なお、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋのそれぞれが有する複数の風車１１−１〜１１−ｎの台数ｎは、各風車群ごとに異なるものであってもよい。
【００２１】
風力タービン１２−１〜１２−ｎは、風の持つ運動エネルギを回転エネルギに変換し、風力発電機１３−１〜１３−ｎをそれぞれ駆動する。具体的には、風力タービン１２−１〜１２−ｎの回転軸に風力発電機１３−１〜１３−ｎが機械的に接続され、風力発電機１３−１〜１３−ｎは風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎに応じて電力をコンバータ１４−１〜１４−ｎに出力する。
【００２２】
風力発電機１３−１〜１３−ｎには、永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）や巻線界磁形同期発電機等の同期発電機が採用可能である。例えば、ＰＭＳＧは界磁励磁のための電源回路が不要であり、構造が簡単で保守が容易であるため、本実施形態に好適である。
【００２３】
コンバータ１４−１〜１４−ｎには、例えばサイリスタコンバータが採用可能である。ただし、サイリスタコンバータ以外のコンバータであっても、外部からの信号によって出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを制御可能な、自己消弧型素子を用いた電流型コンバータであれば、コンバータ１４−１〜１４−ｎに採用可能である。出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを制御するためにコンバータ１４−１〜１４−ｎの外部から調整可能なパラメータを、以下において「コンバータパラメータ」という。
【００２４】
コンバータ１４−１〜１４−ｎにサイリスタコンバータを採用した場合は、コンバータ１４−１〜１４−ｎの各制御角を調整することにより、出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎが制御される。つまり、制御角がコンバータ１４−１〜１４−ｎのコンバータパラメータである。コンバータ１４−１〜１４−ｎに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた場合には、ゲート電圧を調整することにより、コンバータ１４−１〜１４−ｎの出力が制御される。
【００２５】
図２に示すように、風車１１−１〜１１−ｎの出力端は直列接続される。そして、風車１１−１〜１１−ｎがそれぞれ出力する直流電力の直列和が、直流送電線１５を介して、変換ユニット１６に送られる。ここで、風車１１−１〜１１−ｎから変換ユニット１６に送られる直流電流（以下において、「ＤＣリンク電流」という）をＩｄとする。また、風車１１−１〜１１−ｎの出力電圧和（以下において、「ＤＣリンク電圧」という）Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｖｄ１＋Ｖｄ２＋・・・＋Ｖｄｎである。
【００２６】
変換ユニット１６は、複数の風車１１−１〜１１−ｎのコンバータ１４−１〜１４−ｎがそれぞれ出力した直流電力の直列和を交流電力に変換して出力する。図２に示した変換ユニット１６は、直流リアクトル１６ａとインバータ１６ｂとを有する。直流リアクトル１６ａは、風車１１−１〜１１−ｎから送られた直流電流を平滑化する。図２に示した例では、直流リアクトル１６ａはインダクタＬｄから成る構成を示しているが、他の構成としてもよい。
【００２７】
インバータ１６ｂは、直流リアクトル１６ａによって平滑化された直流電流を交流電流に変換する。インバータ１６ｂには、例えば他励式サイリスタインバータが採用可能である。ただし、サイリスタインバータ以外のインバータであっても、外部からの信号によって入力電圧Ｅｄを制御可能な、自己消弧型素子を用いた電流型インバータであれば、インバータ１６ｂに採用可能である。入力電圧Ｅｄを制御するための、インバータ１６ｂの外部から調整可能なパラメータを、以下において「インバータパラメータ」という。インバータ１６ｂにサイリスタインバータを採用した場合は、制御進み角を調整することにより、入力電圧Ｅｄが制御される。つまり、制御進み角がインバータ１６ｂのインバータパラメータである。
【００２８】
変換ユニット１６により出力された交流電力は、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋに入力される。なお、変換ユニット１６が出力する交流電力、すなわち直列接続風車群１０−１〜１０−ｋが出力する交流電力のうちの交流電流を、以下では「インバータ出力電流ｉｉｎｖ＃１〜ｋ」とも表記する。なお、本実施形態では、インバータ１６ｂは電流形であるため、インバータ出力電流はほぼ方形波形状となる（図５参照）。
【００２９】
コントローラ１７は、複数の風車１１−１〜１１−ｎの風速計１８−１〜１８−ｎが測定する風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎをそれぞれ監視し、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じて、コンバータ１４−１〜１４−ｎそれぞれの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎ及びインバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄをリアルタイムに制御する。コントローラ１７は、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じて、コンバータ１４−１〜１４−ｎの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを調整するコンバータパラメータを変更するコンバータ出力制御信号をコンバータ１４−１〜１４−ｎにそれぞれ出力する。更に、コントローラ１７は、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じて、インバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄを調整するインバータパラメータを変更するインバータ制御信号をインバータ１６ｂに出力する。
【００３０】
本実施形態では、コンバータ１４−１〜１４−ｎにサイリスタコンバータを採用し、インバータ１６ａにサイリスタインバータを採用した場合を説明する。つまり、コントローラ１７は、風速計１８−１〜１８−ｎの各測定値である風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じてコンバータ１４−１〜１４−ｎの各制御角α１〜αｎをリアルタイムに制御する。そして、コントローラ１７は、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じてインバータ１６ｂの制御進み角γをリアルタイムに制御する。制御角α１〜αｎ及び制御進み角γの設定方法の詳細は後述する。
【００３１】
図１に戻り、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各出力端に接続されている。図１に示した例では、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋのそれぞれは、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各出力端に直列に接続された２つのコイルを有する。両コイルは、同一鉄心上に図示の極性で巻装されている。
【００３２】
波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、２つのコイルの自己インダクタンスと、両コイル間の相互インダクタンスを適切に選定することにより、同期発電機４０の初期過渡インダクタンスを等価的に打ち消すことができる。この結果、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各インバータ１６ｂのサイリスタの転流時に発生する出力電圧の跳躍や陥没などの歪みを本質的に除去することができ、これにより、常に高品質の電力を出力することができる。
【００３３】
また、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの両コイルの直列接続点が、同期発電機４０と直接接続されている。この接続により、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋが出力する交流電力と、同期発電機４０が出力する電力とを合成した電力を出力する。
【００３４】
同期発電機４０は、上述のように、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋのそれぞれにおいて両コイル間の直列接続点に接続されている。本実施形態において、同期発電機４０は、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋ（直列接続風車群１０−１〜１０−ｋ）の組数に応じた相数を有し、具体的には３×ｋ相の相数を有する。すなわち同期発電機４０の電機子巻線は、ｋ組の三相巻線により構成される。ｋ組の三相巻線は、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋのいずれかに個別に割り当てられている。ｋ組の三相巻線のそれぞれは、割り当てられた風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋにおいて、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋを介して、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力（すなわちインバータ１６ｂ）に接続されている。
【００３５】
同期発電機４０は、図示しない原動機により駆動され、交流電力を出力する。同期発電機４０は、風力発電システム１の出力先の負荷が要求する有効電力のうち、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋからの出力で賄うことのできない不足分の有効電力を供給する。また、同期発電機４０は、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各インバータ１６ｂのサイリスタの転流と、風力発電システム１の出力先の負荷とが必要とする無効電力を供給する役割を担う。
【００３６】
本実施形態の同期発電機４０は単一の装置であるので、ｋ組の三相巻線、すなわち３×ｋ相分の電機子巻線は全て同一の鉄心に設置される。本実施形態の同期発電機４０では、３×ｋ相の電機子巻線のそれぞれが、同一の鉄心にそれぞれが３６０／（３×ｋ）度間隔で配置されている。ここで、一般に、一組の三相巻線の各相の電機子巻線は、３６０／３＝１２０度の間隔で配置される。すなわち、同期発電機４０の電機子巻線は、複数のｋ組の三相巻線が、３６０／（３×ｋ）度ずつ位相をずらして配置された状態と等価である。例えばｋ＝４の場合、風力発電ユニットは４組であり、同期発電機４０が１２相であるので、各相の電機子巻線は３６０／（３×４）＝３０度の間隔で配置されており、４組の三相巻線が３０度ずつ順番に位相をずらして配置されることになる。
【００３７】
位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力端と、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの出力端との間に配置されている。位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋからの出力、すなわち、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力と同期発電機４０からの出力を合成した電力について、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋ間の電圧の位相差を解消することにより、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの出力電圧の位相を揃える。
【００３８】
各直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力された交流電圧は、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの作用により、正弦波状に調整される。上述の通り、本実施形態の同期発電機４０では、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋに割り当てられたｋ組の三相巻線は、同一の鉄心上に３６０／（３×ｋ）度ずつ位相をずらして設置されるため、各組の三相巻線から発生して各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋへ送られる電圧には、必ず同期発電機の三相巻線同士の位相ずれに対応する３６０／（３×ｋ）度の位相差が生じる。このため、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋ間において、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力にも必ず同様の位相差が発生する。
【００３９】
位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、例えば同期発電機４０の三相巻線同士の位相差に基づいて、これらの位相差を解消するよう動作する。位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、例えば三相変圧器を適用し、結線方式、巻数比、相順の組み合わせを適宜設定することで、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋ間の位相差を解消する機能を実現できる。また、位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、インバータを適用し、周波数を変えずに位相を変えることでも上記の機能を実現可能である。
【００４０】
次に、本実施形態に係る風力発電システム１の動作を説明する。
【００４１】
まず、図１に示す各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの直列接続風車群１０−１〜１０−ｋにおいて、図２に示す複数の風車１１−１〜１１−ｎのそれぞれにより風力発電が行われ、交流電力が生成される。直列接続風車群１０−１〜１０−ｋは、複数の風車１１−１〜１１−ｎで生成された交流電力を合成して、三相交流電力を波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋに出力する。
【００４２】
ここで、上述した直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの動作の詳細を説明する。まずは、図３を参照して、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各風車１１−１〜１１−ｎの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎについて説明する。図３は、図２中の各風車の動作を説明するための模式図である。以下では、風車１１−１〜１１−ｎを代表して風車１１−１について説明するが、他の風車１１−２〜１１−ｎも風車１１−１と同様である。
【００４３】
図３に示した例では、風車１１−１の風力タービン１２−１が、半径Ｒｒｏｔｏｒ、ピッチ角βのブレード１２ａ−１を有する。また、風力発電機１３−１としてＰＭＳＧを採用する。
【００４４】
風力タービン１２−１に流入する風力Ｗｄ１が風速Ｖｗｉｎｄ１の場合に、この風車１１−１の出力Ｐｔ１は、以下の（１）式で表される。
Ｐｔ１＝（Ｃｐ×ρ×ＡＷ×Ｖｗｉｎｄ１３）／２＝Ｖｄ１×Ｉｄ  ・・・（１）
ここで、Ｃｐは風力タービン１２−１が風力を機械出力に変換する割合を示す出力係数であり、ＡＷは風力タービン１２−１の受風面積であり、ρは空気密度である。
【００４５】
出力係数Ｃｐは、周速比λとブレード１２ａ−１のピッチ角βの関数として表され、最大効率が得られる周速比λが存在することが知られている。周速比λは、ブレード先端の周速度と風速との比であり、風力タービン１２−１の回転角速度ω１とすると、周速比λは以下の（２）式で表される。
λ＝ω１×Ｒｒｏｔｏｒ／Ｖｗｉｎｄ１  ・・・（２）
【００４６】
風力タービン１２−１を効率良く運転するためには、なるべく大きな出力係数Ｃｐが得られる一定の周速比λを動作点として風力タービン１２−１を運転することが望ましい。このため、風力エネルギを有効に抽出・変換することを目的として、例えば、風速変動に関わらず出力係数Ｃｐ（効率に相当）が最大となる周速比λを維持するように、風力タービン１２−１の回転数を操作する変速制御運転法が採用される。図２に示した風車群１０−１〜１０−ｋは、直流送電線１５を有するため、コンバータ１４−１の出力に依存せずに、独立して風力タービン１２−１の周波数を制御できるという利点がある。
【００４７】
周速比λ及び出力係数Ｃｐが一定という条件において風力タービン１２−１を運転すると、風力発電機１３−１の出力電圧の大きさは風速Ｖｗｉｎｄ１にほぼ比例する。風力発電機１３−１としてＰＭＳＧを使用しているので、コンバータ１４−１の出力電圧Ｖｄ１は、風力発電機１３−１の回転角速度にほぼ比例する。出力電圧Ｖｄ１と風力発電機１３−１の回転角速度との比例係数（発電機定数）をＫｄとすると、出力電圧Ｖｄ１は以下の（３）式で表される。
Ｖｄ１＝Ｋｄ×ω１×ｃｏｓα１
＝（Ｋｄ×λ／Ｒｒｏｔｏｒ）×Ｖｗｉｎｄ１×ｃｏｓα１  ・・・（３）
ここで、α１はコンバータ１４−１の制御角である。
【００４８】
上記では、風車１１−１の出力電圧Ｖｄ１について説明したが、他の風車１１−２〜１１−ｎの出力電圧Ｖｄ２〜Ｖｄｎについても出力電圧Ｖｄ１と同様に式（３）で表される。
【００４９】
次に、図２を参照して直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの動作を説明する。風力タービン１２−１〜１２−ｎにそれぞれ流入する風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎの風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎが風速計１８−１〜１８−ｎによって測定される。測定された風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎの情報は、風速計１８−１〜１８−ｎからコントローラ１７に送られる。
【００５０】
コントローラ１７は、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎのうちの最大風速ＶＷＭＡＸを選択する。つまり、ＶＷＭＡＸ＝ｍａｘ（Ｖｗｉｎｄ１、Ｖｗｉｎｄ２、・・・、Ｖｗｉｎｄｎ）である。以下において、最大風速ＶＷＭＡＸが測定された風車１１−ｍを「最大風速風車」という（１≦ｍ≦ｎ）。最大風速風車１１−ｍのコンバータ１４−ｍの制御角αｍを、コンバータ１４−ｍの出力電圧Ｖｄｍが最大になるように、例えば０（ｄｅｇ）とする。式（１）〜式（３）を用いて、最大風速風車１１−ｍの出力Ｐｔｍ、出力電圧Ｖｄｍ、及び出力電流であるＤＣリンク電流Ｉｄは、それぞれ以下の式（４）〜式（６）で表される。
Ｐｔｍ＝（Ｃｐ×ρ×ＡＷ×ＶＷＭＡＸ３）／２  ・・・（４）
Ｖｄｍ＝（Ｋｄ×λ）／Ｒｒｏｔｏｒ×ＶＷＭＡＸ  ・・・（５）
Ｉｄ＝Ｐｔｍ／Ｖｄｍ
＝（Ｃｐ×ρ×ＡＷ×Ｒｒｏｔｏｒ×ＶＷＭＡＸ２）／（２×Ｋｄ×λ）
・・・（６）
【００５１】
風車１１−１〜１１−ｎの出力の総和である総出力ＰｔＴｏｔａｌ、及びＤＣリンク電圧Ｖｄは、それぞれ以下の式（７）〜式（８）で表される。
ＰｔＴｏｔａｌ＝｛Ｃｐ×ρ×ＡＷ×Σ（Ｖｗｉｎｄｉ３）｝／２  ・・・（７）
Ｖｄ＝ＰｔＴｏｔａｌ／Ｉｄ  ・・・（８）
式（７）で、Σはｉ＝１〜ｎまでの和を意味する。
【００５２】
インバータ１６ｂがサイリスタインバータである場合、インバータ１６ｂの直流側入力電圧である入力電圧Ｅｄ、交流側出力電圧である出力（線間）電圧Ｖａ、制御進み角γの関係は、以下の式（９）で表される。
Ｅｄ＝３×２１／２／π×Ｖａ×ｃｏｓγ  ・・・（９）
【００５３】
このとき、ＤＣリンク電流Ｉｄは、以下の式（１０）で表される。
Ｉｄ＝（Ｖｄ−Ｅｄ）／Ｒｄ
＝｛Ｖｄ−（３×２１／２／π×Ｖａ×ｃｏｓγ）｝／Ｒｄ  ・・・（１０）
【００５４】
ここで、変換ユニット１６が出力する交流出力の線間電圧（実効値）について予め設定された交流電力の電圧（以下において「設定出力電圧」という）がＶｌ−ｌであるとする。コントローラ１７は、変換ユニット１６の交流側出力が設定出力電圧Ｖｌ−ｌで安定するように、以下の式（１１）を用いて制御進み角γを調整する。
γ＝ｃｏｓ−１｛π（Ｖｄ−Ｉｄ×Ｒｄ）／（３×２１／２×Ｖｌ−ｌ）｝  
・・・（１１）
コントローラ１７は、式（１１）を用いて算出した制御進み角γを、インバータ１６ｂに送信する。
【００５５】
上記のように、コントローラ１７は、最大風速風車１１−ｍの出力電流であるＤＣリンク電流Ｉｄと設定出力電圧Ｖｌ−ｌとを用いて、インバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄを制御する。これにより、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力される交流電圧の実効値は、設定出力電圧Ｖｌ−ｌで安定する。
【００５６】
更に、コントローラ１７は、最大風速風車１１−ｍ以外の風車１１−１〜１１−ｎのコンバータ１４−１〜１４−ｎの制御角α１〜αｎを調整する。以下の説明において、最大風速風車１１−ｍ以外の風車１１−１〜１１−ｎを風車１１−ｊで示す。風車１１−ｊの出力Ｐｔｊ及び出力電圧Ｖｄｊは、それぞれ以下の式（１２）〜式（１３）で表される。
Ｐｔｊ＝（Ｃｐ×ρ×ＡＷ×Ｖｗｉｎｄｊ３）／２  ・・・（１２）
Ｖｄｊ＝（Ｋｄ×λ）／Ｒｒｏｔｏｒ×Ｖｗｉｎｄｊ×ｃｏｓαｊ  ・・・（１３）
【００５７】
風車１１−１〜１１−ｎの出力電流はＤＣリンク電流Ｉｄで共通であり、式（６）の値になるように制御される。このため、以下の式（１４）が成立する。
Ｐｔｊ／Ｐｔｍ＝Ｖｄｊ／Ｖｄｍ＝Ｖｗｉｎｄｊ３／Ｖｗｉｎｄｍ３
＝Ｖｗｉｎｄｊ×ｃｏｓαｊ／ＶＷＭＡＸ  ・・・（１４）
【００５８】
式（１４）から、コントローラ１７は、以下の式（１５）を用いて制御角αｊを調整す
る。
αｊ＝ｃｏｓ−１（Ｖｗｉｎｄｊ２／ＶＷＭＡＸ２）  ・・・（１５）
コントローラ１７は、式（１５）を用いて算出した制御角α１〜αｎをコンバータ１４−１〜１４−ｎに送信する。
【００５９】
上記のように、コントローラ１７は、最大風速風車１１−ｍ以外の風車１１−１〜１１−ｎの出力する各出力電流がＤＣリンク電流Ｉｄと同一になるように、コンバータ１４−１〜１４−ｎそれぞれの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを制御する。このように、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋは、最大風速風車１１−ｍの出力から定まるＤＣリンク電流Ｉｄを用いて風車１１−１〜１１−ｎの負荷分担率を算出し、制御角α１〜αｎを設定することにより、風車１１−１〜１１−ｎの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを制御する。
【００６０】
なお、ＤＣリンク電圧Ｖｄは式（１６）で表され、式（１６）の値は式（８）の値と等しい。
Ｖｄ＝Ｋｄ×λ／Ｒｒｏｔｏｒ×Σ（Ｖｗｉｎｄｉ×ｃｏｓαｉ）｝
・・・（１６）
【００６１】
以上に説明したように、図２に示した直列接続風車群１０−１〜１０−ｋによれば、複数の風車１１−１〜１１−ｎのそれぞれにおいて測定された風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎを用いてコンバータ１４−１〜１４−ｎの制御角α１〜αｎ、及びインバータ１６ｂの制御進み角γを調整する。コンバータ１４−１〜１４−ｎの制御角α１〜αｎの調整により、風車１１−１〜１１−ｎが出力する各出力電流をＤＣリンク電流Ｉｄに統一することができる。インバータ１６ｂの制御進み角γの調整により、すべての直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力される三相交流電力の交流電圧を、その実効値が設定出力電圧Ｖｌ−ｌとなるよう統一することができる。なお、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力される三相交流電力の交流電流（インバータ出力電流）はすべて方形波となるが、これらの交流電流の振幅や位相は、上記のように各直列接続風車群１０−１〜１０−ｋごとに調整される制御進み角γの大きさに応じて個別に決まる。
【００６２】
以上が直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの動作説明である。なお、以降では、図１に示す風力発電システム１の動作説明に併せて、図４〜１０を参照して、この風力発電システム１に従ったシミュレーションの結果も挙げて説明する。
【００６３】
図４は、図１に示す風力発電システム１に基づくシミュレーションの構成図である。図４に示すように、本シミュレーションでは、風力発電システム１は４組の風力発電ユニット１００−１〜１００−４を有する構成とした（ｋ＝４）。風力発電システム１は、相数を３φ（三相）、定格電圧を２００／√３（Ｖ）、定格周波数を５０（Ｈｚ）とした。
【００６４】
直列接続風車群１０−１〜１０−４は、それぞれの出力を２．２７３、２．６６８、３．０６８、３．４３４（ｋＷ）、制御進み角γを２５、３０、３５、４０（°）と設定し、これらのパラメータに対応した振幅及び位相となる方形波状のインバータ出力電流ｉｉｎｖ＃１，ｉｉｎｖ＃２，ｉｉｎｖ＃３，ｉｉｎｖ＃４を出力する構成とした。以下ではこれらのインバータ出力電流ｉｉｎｖ＃１，ｉｉｎｖ＃２，ｉｉｎｖ＃３，ｉｉｎｖ＃４を纏めて「インバータ出力電流ｉｉｎｖ」とも表記する。
【００６５】
同期発電機４０は、３×４＝１２相を有し、４組の風力発電ユニット１００−１〜１００−４にそれぞれ割り当てられる４組の三相巻線が、それぞれ３６０／（３×４）＝３０（°）ずつ位相をずらして配置される構成とした。４組の三相巻線の誘導起電力ＳＧｅｍｆ＃１，ＳＧｅｍｆ＃２，ＳＧｅｍｆ＃３，ＳＧｅｍｆ＃４は、周波数を５０（Ｈｚ）、相電圧を２００／√３（Ｖ）とした。以下では、これらの誘導起電力ＳＧｅｍｆ＃１，ＳＧｅｍｆ＃２，ＳＧｅｍｆ＃３，ＳＧｅｍｆ＃４を纏めて「同期発電機起電力ＳＧｅｍｆ」とも表記する。
【００６６】
位相整合回路３０−１〜３０−４は、各風力発電ユニット１００−１〜１００−４間の３０度の位相差を解消し、風力発電ユニット１００−１〜１００−４の出力電力の位相を一致させるための構成として、図４に示す三相変圧器を適用した。具体的には、図４に示すように、風力発電ユニット１００−１の位相整合回路３０−１は、結線方式をデルタ・デルタ結線、巻数比を１：１、一次側の相順をＡ−Ｂ−Ｃ、二次側の相順をａ−ｂ−ｃとした。風力発電ユニット１００−２の位相整合回路３０−２は、結線方式をデルタ・スター結線、巻数比を１．７３：１、一次側の相順をＡ−Ｂ−Ｃ、二次側の相順をａ−ｂ−ｃとした。風力発電ユニット１００−３の位相整合回路３０−３は、結線方式をデルタ・デルタ結線、巻数比を１：１、一次側の相順をＣ−Ａ−Ｂ、二次側は相順をａ−ｂ−ｃとしたうえで極性を反転した。風力発電ユニット１００−４の位相整合回路３０−４は、結線方式をデルタ・スター結線、巻数比を１．７３：１、一次側の相順をＡ−Ｃ−Ｂ、二次側の相順をｂ−ａ−ｃとした。また、位相整合回路３０−１〜３０−４では、三相変圧器の出力側にそれぞれ０．１（Ω）の抵抗と、１０（μＨ）のコイルを設けた。
【００６７】
その他、図４のシミュレーションでは、同期発電機４０から波形改善リアクトル２０−１〜２０−４に流れる電機子電流をそれぞれｉＳＧ＃１，ｉＳＧ＃２，ｉＳＧ＃３，ｉＳＧ＃４と表記し、以下ではこれらを纏めて「ＳＧ電機子電流ｉＳＧ」とも表記する。また、図４では、波形改善リアクトル２０−１〜２０−４から出力される交流電流をｉｏｕｔ＃１，ｉｏｕｔ＃２，ｉｏｕｔ＃３，ｉｏｕｔ＃４と表記し、以下ではこれらを纏めて「波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔ」とも表記する。また、図４では、風力発電システム１が負荷に出力する負荷電圧及び負荷電流をそれぞれｖＯｕｔＴｏｔａｌ，ｉＯｕｔＴｏｔａｌと表記する。
【００６８】
図１に示す風力発電システム１の動作説明に戻る。直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力された電力は波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋに入力される。波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋからの出力電圧の高調波分を除去する。
【００６９】
図５は、図４のシミュレーションにおける直列接続風車群１０−１〜１０−４の出力電力の電流（インバータ出力電流ｉｉｎｖ）の波形の一例を示す図である。図５の縦軸はインバータ出力電流ｉｉｎｖ（Ａ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図５には、実線のグラフＡと、破線のグラフＢが図示されている。グラフＡは、風力発電ユニット１００−１の三相のうちａ相におけるインバータ出力電流ｉｉｎｖの時間推移を示し、グラフＢは、風力発電ユニット１００−２の三相のうちａ相におけるインバータ出力電流ｉｉｎｖの時間推移を示す。図５のグラフＡ，Ｂに一例を示すように、各直列接続風車群１０−１〜１０−４から出力されるインバータ出力電流ｉｉｎｖは、インバータ１６ｂが電流型のため、ほぼ方形波となる。また、図４のシミュレーションでは、各直列接続風車群１０−１〜１０−４のそれぞれの制御進み角γを異なる値に設定したので、直列接続風車群１０−１〜１０−４のインバータ出力電流ｉｉｎｖの波形は振幅及び位相が相違している。
【００７０】
なお、以降の図６〜８においても、図５と同様に風力発電ユニット１００−１の三相のうちａ相に関する情報の時間推移をグラフＡとして、また、風力発電ユニット１００−２の三相のうちａ相に関する情報の時間推移をグラフＢとして、図４のシミュレーション結果の一部を例示している。
【００７１】
図１に戻り、同期発電機４０では、界磁巻線に励磁電流（界磁電流）が供給されて、この励磁電流による磁束により、各相の電機子巻線に誘導起電力が発生する。本実施形態では、上記のように、同期発電機４０の各相の電機子巻線は所定間隔で同一の鉄心に設置されているので、各電機子巻線に発生する誘導起電力は、電機子巻線の間隔に基づく位相差分だけずれたものとなる。つまり、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋにそれぞれ割り当てられたｋ組の三相巻線では、それぞれ他の組と３６０／（３×ｋ）度ずつ位相がずれた誘導起電力が発生する。なお、誘導起電力の振幅は、励磁電流を制御することにより制御することができる。
【００７２】
図６は、図４のシミュレーション結果における同期発電機４０に発生した誘導起電力（同期発電機起電力ＳＧｅｍｆ）の波形の一例を示す図である。図６の縦軸は同期発電機起電力ＳＧｅｍｆ（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図６においても、図５と同様に、風力発電ユニット１００−１の三相のうちａ相に接続される電機子巻線に発生する誘導起電力ＳＧｅｍｆの時間推移をグラフＡとして図示し、風力発電ユニット１００−２の三相のうちａ相に接続される電機子巻線に発生する誘導起電力ＳＧｅｍｆの時間推移をグラフＢとして図示している。図６のグラフＡ，Ｂに一例を示すように、各相の誘導起電力ＳＧｅｍｆは、すべて相電圧が２００／√３（Ｖ）、周波数が５０（Ｈｚ）となるよう生成されている。また、上述のとおり４組の風力発電ユニット１００−１〜１００−４にそれぞれ割り当てられる４組の三相巻線は、それぞれ３０（°）の位相差をつけて配置されるので、図６に示すように、風力発電ユニット１００−１及び風力発電ユニット１００−２の誘導起電力ＳＧｅｍｆには３０（°）の位相差が生じている。
【００７３】
図１に戻り、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、同期発電機４０の初期過渡インダクタンスを打ち消すように設計すると、インバータ１６ｂの転流による電圧の跳躍／陥没を完全に除去することができるので、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力側の電圧・電流波形は正弦波状になる。したがって、同期発電機４０の電機子電流は、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力電流の正弦波と、インバータ出力電流の方形波との差分となるように自動的に生成される。
【００７４】
図７は、図４のシミュレーション結果における同期発電機４０から出力された電機子電流（ＳＧ電機子電流ｉＳＧ）の波形の一例を示す図である。図７の縦軸はＳＧ電機子電流ｉＳＧ（Ａ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図７においても、図５，６と同様に、風力発電ユニット１００−１の三相のうちａ相に接続される電機子巻線に発生する電機子電流ｉＳＧの時間推移をグラフＡとして図示し、風力発電ユニット１００−２の三相のうちａ相に接続される電機子巻線に発生する電機子電流ｉＳＧの時間推移をグラフＢとして図示している。図７のグラフＡ，Ｂに一例を示すように、電機子電流ｉＳＧは、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力電流ｉｏｕｔの正弦波と、インバータ出力電流ｉｉｎｖの方形波との差分となるため、インバータ出力電流ｉｉｎｖの高調波電流を打ち消すように生成される。図７のグラフＡを図５のグラフＡと比較すると、例えば時刻ｔにおいて、方形波状のインバータ出力電流ｉｉｎｖがステップ状に０まで減少するのに応じて、電機子電流ｉＳＧはこのインバータ出力電流ｉｉｎｖの変動分を相殺するようにステップ状に増加している。インバータ出力電流ｉｉｎｖがステップ状に変化する他のタイミングでも電機子電流は時刻ｔと同様の挙動をとっている。
【００７５】
図１に戻り、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力と、同期発電機４０からの出力とを合成した交流電力を位相整合回路３０−１〜３０−ｋに出力する。
【００７６】
図８は、図４のシミュレーション結果における波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋからの出力電流（波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔ）の波形の一例を示す図である。図８の縦軸は波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔ（Ａ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図８においても、図５〜７と同様に、グラフＡは、風力発電ユニット１００−１の三相のうちａ相における波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔの時間推移を示し、グラフＢは、風力発電ユニット１００−２の三相のうちａ相における波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔの時間推移を示す。図８のグラフＡ，Ｂに一例を示すように、波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔは、インバータ出力電流ｉｉｎｖとＳＧ電機子電流ｉＳＧとを合成したことで、正弦波状の波形として出力される。また、図８に示すように、風力発電ユニット１００−１の波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔと風力発電ユニット１００−２の波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔとの間では、同期発電機４０による三相巻線間の位相差の影響によって３０（°）の位相差が生じている。
【００７７】
図１に戻り、同期発電機４０の誘導起電力は三相巻線同士の位相差をもつため、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力電圧にも同様の位相差がある。位相整合回路３０−１〜３０−ｋは、これらの位相差を解消するよう動作し、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋから出力された電圧の位相が揃えられる。
【００７８】
位相整合回路３０−１〜３０−ｋにより電圧の位相が揃えられた各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの電力は、合成されて三相負荷または電力系統などの出力先に供給される。風力発電システム１から出力先に供給される電力は、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの直列接続風車群１０−１〜１０−ｋから出力される電力と、同期発電機４０から出力される有効電力が合成されたものである。なお、図４のシミュレーションでは、直列接続風車群１０−１〜１０−４から出力された電力２．２７３、２．６６８、３．０６８、３．４３４（ｋＷ）と、同期発電機４０から出力された有効電力とが合成され、風力発電システム１から出力先の負荷に供給された電力は１８．９０（ｋＷ）であった。
【００７９】
負荷電流は、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの出力電流を合成したものである。負荷電圧は、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの出力電圧と同一であり、システム全体で共通である。この出力電圧は、同期発電機４０の界磁電圧を調整することで制御できる。例えば、同期発電機４０の界磁電圧を、風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの出力電圧を一定に保つように、例えば直流チョッパ回路における通流率を変更することにより調整する。なお、位相整合回路３０−１〜３０−ｋにより出力電圧を調整することも可能である。
【００８０】
図９は、図４のシミュレーション結果における負荷電流の波形の一例を示す図であり、図１０は、図４のシミュレーション結果における負荷電圧の波形の一例を示す図である。図９の縦軸は負荷電流ｉＯｕｔＴｏｔａｌ（Ａ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図１０の縦軸は負荷電圧ｖＯｕｔＴｏｔａｌ（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｍｓ）を示す。図９，１０は、風力発電システム１の出力端における三相のうちのａ相の負荷電流ｉＯｕｔＴｏｔａｌ及び負荷電圧ｖＯｕｔＴｏｔａｌを示す。図９に示すように、負荷電流ｉＯｕｔＴｏｔａｌは、波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔの位相差が、三相変圧器の位相整合回路３０−１〜３０−４により解消された後に、４組の風力発電ユニット１００−１〜１００−４から出力された交流電流が合成されたものであるので、負荷電流ｉＯｕｔＴｏｔａｌの振幅は、図８に示した波形改善リアクトル出力電流ｉｏｕｔと比較して約４倍に増大している。また、図４のシミュレーションでは、上述のように各直列接続風車群１０−１〜１０−４の制御進み角γの異なる場合について検討し、それぞれから出力されたインバータ出力電流ｉｉｎｖに位相差があったが、図９に示すように、最終的に風力発電ユニット１００−１〜１００−４間の位相が揃えられ、上手く合成されて出力されている。図１０に示すように、負荷電圧ｖＯｕｔＴｏｔａｌは、図６に示した同期発電機４０の誘導起電力ＳＧｅｍｆと振幅が略同一であり、交流電圧は風力発電システム１で共通であることがわかる。
【００８１】
次に、本実施形態に係る風力発電システム１の効果を説明する。
【００８２】
従来、複数台の風力発電機（発電用風車）を相互接続した風力発電システムでは、風力発電機の出力を並列接続して電力系統に出力する並列接続方式が一般的である。一方、本実施形態の風力発電システム１は、風力発電を行うための複数の風車１１−１〜１１−ｎを相互に直列接続する直列接続方式の構成をとる。このような直列接続方式は、従来の並列接続方式に対して例えば以下の（i）〜（vii）に挙げる利点を有する。
【００８３】
（i）複数台の風車に対してインバータが１台のみで済むなど、構成が極めて簡単である。
（ii）電力変換器のスイッチング素子としてサイリスタを採用し、かつ平滑用大容量コンデンサを使用しないなどの点、及び上記（i）により、信頼性が高くかつ保守が容易である。
（iii）上記（ii）により、システムの大容量化が容易である。
（iv）併設する同期機に原動機で駆動する同期発電機を適用すれば、所謂ハイブリッド風力発電システムを実現することができ、風車の出力変動の平準化が容易に達成できる。
（v）電圧形インバータで必要な高調波除去用のフィルタを用いることなく、原理的に出力電圧歪みを皆無にすることができるため、常に高品質の電力が得られる。
（vi）電流形サイリスタインバータを採用しているため、ＩＧＢＴや平滑用コンデンサ等を必要とする電圧形インバータと比較してコスト面で有利である。
（vii）風力発電機群の直流出力をインバータに送電する手段として、長距離送電に有利な直流送電方式を使用することができるため、風車設置場所の選択における自由度が増す。
【００８４】
ここで、複数台の風力発電用の風車を相互接続した風力発電システムにおいて、システム全体の出力容量を増加させるためには、システム内の風車の台数を増加させればよい。しかしながら、直列接続方式の風力発電システムにおいて、相互に直列接続される風車群の台数を増加させる場合、風車群の両端間の電圧レベル差が増大し、システム各部（例えば図２に示す構成では最上部の発電用風車１１−１など）の対地電圧が上昇する。このため、絶縁に対する特別な配慮が必要となる。
【００８５】
このような問題を考慮して、本実施形態の風力発電システム１は、風力発電を行うための複数の発電用風車１１−１〜１１−ｎを電気的に直列接続して構成される複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと、これらの複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数に応じた相数を有し、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの個々の出力端に接続される単一の同期発電機４０と、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと同期発電機４０との合成出力の電圧位相を揃える位相整合回路３０−１〜３０−ｋと、を備え、位相整合回路３０−１〜３０−ｋにより電圧位相を揃えられた電力を合成して出力する構成をとる。
【００８６】
この構成により、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数を増加することで、システム全体の出力容量を増加することができる。また、個々の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋ同士は、相互に直列接続されないので、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数を増やしても、個々の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの風車１１−１〜１１−ｎの台数を増やさなければ対地電圧は上昇しない。したがって、本実施形態の風力発電システム１は、個々の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋにおいて風車１１−１〜１１−ｎの台数を所定数に抑えると共に、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数を増加すれば、個々の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの対地電圧を増やすことなくシステム全体の出力容量を増加できる。このように、本実施形態の風力発電システム１は、システム各部の電圧上昇を抑制しつつ、出力容量を増加できる。これにより、絶縁に特別な配慮をせずに出力容量の増大を容易に行うことができる。
【００８７】
また、上記構成により、単一の同期発電機４０により複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力を調整できるので、簡易な構成でシステムを実現することができる。さらに、上記構成により、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの組数を増加した際には、単一の同期発電機４０の相数の増加と、これに伴う位相整合回路３０−１〜３０−ｋの調整を行うだけで出力容量を容易に増加させることができるので、システムの拡張性を向上できる。
【００８８】
また、本実施形態の風力発電システム１は、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと同期発電機４０との間に波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋを備え、位相整合回路３０−１〜３０−ｋが波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの出力端に接続される。
【００８９】
この構成により、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各インバータ１６ｂのサイリスタの転流時に発生する出力電圧の跳躍や陥没などが、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋにより除去できるので、常に高品質の電力を出力することができる。
【００９０】
また、本実施形態の風力発電システム１において、同期発電機４０が、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの個々の出力端に接続される複数のｋ組の三相巻線を有し、これらの複数のｋ組の三相巻線が、同一の鉄心に位相をずらして設置される。
【００９１】
この構成により、同期発電機４０から直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの個々の出力端に供給される誘導起電力ＳＧｅｍｆには、ｋ組の三相巻線同士の設置間隔に応じた位相差が発生し、これにより、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと同期発電機４０との合成出力の電圧にも同様の位相差が発生する。この電圧の位相差は、位相整合回路３０−１〜３０−ｋを用いて解消される。つまり、本実施形態の風力発電システム１では、同期発電機４０のｋ組の三相巻線の配置間隔や、位相整合回路３０−１〜３０−ｋの構成などの機械的な設定のみによって、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力を調整することができる。このため、本実施形態の風力発電システム１は、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力を調整するための制御装置等を新たに追加することなく、簡易な構成で直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの間の連携をとることが可能となり、システム全体の出力を安定化できる。
【００９２】
また、本実施形態の風力発電システム１は同期発電機４０を備える構成であるため、同期発電機４０から出力先へ有効電力を供給することができる。これにより、風力発電システム１は、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋの直列接続風車群１０−１〜１０−ｋからの出力と、同期発電機４０からの出力とを合成した交流電力を出力する、所謂ハイブリッド型の風力発電システムとして機能する。
【００９３】
直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力は、エネルギ源である風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎによって変動する。例えば各設置場所の地形や季節風等の風力の変動要因が多いため、風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎの風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎは不安定である。本実施形態の風力発電システム１では、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力する電力が、負荷が必要とする所定の電力に足りない場合に、同期発電機４０が不足分の電力を負荷に供給する。これにより、風力変動に起因する直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの出力変動の影響を緩和して、風力発電システム１全体の出力を一定に維持することができる。したがって、ハイブリッド型である本実施形態の風力発電システム１は、風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎの変動に依存せずに、必要な所定の電力を出力先の負荷に供給できる。
【００９４】
また、本実施形態の風力発電システム１において、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋのそれぞれが、風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎに応じて回転エネルギを発生させる風力タービン１２−１〜１２−ｎ、該風力タービン１２−１〜１２−ｎで発生した回転エネルギに応じて交流電力を発生させる風力発電機１３−１〜１３−ｎ、該風力発電機１３−１〜１３−ｎで発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータ１４−１〜１４−ｎ、及び風力タービン１２−１〜１２−ｎを回転させる風力Ｗｄ１〜Ｗｄｎの風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎを測定する風速計１８−１〜１８−ｎを、それぞれ有する複数の発電用風車１１−１〜１１−ｎと、複数の風車１１−１〜１１−ｎのコンバータ１４−１〜１４−ｎがそれぞれ出力する直流電力の直列和を入力し、該直列和を交流電力に変換するインバータ１６ｂを有する変換ユニット１６と、複数の風車１１−１〜１１−ｎの風速計１８−１〜１８−ｎが測定する風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎをそれぞれ監視し、風速Ｖｗｉｎｄ１〜Ｖｗｉｎｄｎに応じてコンバータ１４−１〜１４−ｎそれぞれの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎ及びインバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄをリアルタイムに制御するために、コンバータ１４−１〜１４−ｎの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを調整するコンバータパラメータ（制御角α１〜αｎ）を変更するコンバータ出力制御信号をコンバータ１４−１〜１４−ｎにそれぞれ出力し、インバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄを調整するインバータパラメータ（制御進み角γ）を変更するインバータ制御信号をインバータ１６ｂに出力するコントローラ１７と、を備える。コントローラ１７は、複数の風車１１−１〜１１−ｎのうちで最大風速ＶＷＭＡＸが測定された最大風速風車１１−ｍ（１≦ｍ≦ｎ）の出力電流であるＤＣリンク電流Ｉｄを用いてインバータ１６ｂの入力電圧Ｅｄを制御し、且つ、最大風速風車１１−ｍ以外の風車１１−１〜１１−ｎの出力する各出力電流が最大風速風車１１−ｍの出力電流Ｉｄと同一になるように風車１１−１〜１１−ｎそれぞれのコンバータ１４−１〜１４−ｎの出力電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎを制御する。
【００９５】
この構成により、個々の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋにおいてインバータ１６ｂの台数を１台にすることで風力発電システムの設置費用を抑制できると共に、各風車１１−１〜１１−ｎの風速に応じてインバータ１６ｂ及びコンバータ１４−１〜１４−ｎをリアルタイムで制御することによって、複数の直列接続風車群１０−１〜１０−ｋを有する風力発電システムの発電効率を向上できる。
【００９６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００９７】
上記実施形態では、風力発電システム１が同期発電機４０を備える構成を例示したが、風力発電システム１は同期機を備えればよく、同期発電機４０の代わりに同期調相機を備える構成としてもよい。同期調相機は、機械的負荷が０の状態で回転する同期機であり、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋの各インバータ１６ｂのサイリスタの転流と、風力発電システム１の出力先の負荷とが必要とする無効電力を供給する役割を担う。
【００９８】
また、上記実施形態では、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋにおいて、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋが直列接続された２つのコイルから成り、両コイルの直列接続点にて同期発電機４０が接続される構成を例示したが、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋは他の構成としてもよい。例えば、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの両端部に直列接続風車群１０−１〜１０−ｋ及び同期発電機４０がそれぞれ接続され、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋの２つのコイルの直列接続点にて出力側の位相整合回路３０−１〜３０−ｋに接続される構成であってもよい。
【００９９】
また、上記実施形態では、各風力発電ユニット１００−１〜１００−ｋにおいて、直列接続風車群１０−１〜１０−ｋと同期発電機４０との間に波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋを備える構成を例示したが、風力発電ユニット１は、波形改善リアクトル２０−１〜２０−ｋを含まない構成とすることも可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１  風力発電システム
１０−１〜１０−ｋ  直列接続風車群
１１−１〜１１−ｎ  発電用風車
１２−１〜１２−ｎ  風力タービン
１３−１〜１３−ｎ  風力発電機
１４−１〜１４−ｎ  コンバータ
１５  直流送電線
１６  変換ユニット
１６ａ  直流リアクトル
１６ｂ  インバータ
１７  コントローラ
１８−１〜１８−ｎ  風速計
２０−１〜２０−ｋ  波形改善リアクトル（波形改善手段）
３０−１〜３０−ｋ  位相整合回路（位相整合手段）
４０  同期発電機（同期機）
１００−１〜１００−ｋ  風力発電ユニット
【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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【図９】
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【図１０】
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