(57)【要約】  電力変換器（３）に於いて、ＤＣチョッパ回路（３３）を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することを課題とする。この課題を解決するため、電力変換器（３）は、直流コンデンサＣ１およびＤＣチョッパ回路（３３）が接続された直流回路（３２）と、直流回路（３２）の一方に接続された回転子側コンバータ（３１）と、直流回路（３２）の他方に接続された系統側コンバータ（３４）と、直流コンデンサＣ１に電荷を初充電する初充電回路（３６）と、直流コンデンサＣ１の初充電時または放電時にＤＣチョッパ回路（３３）に係る電気的な量である電圧または電流を計測して、このＤＣチョッパ回路（３３）の故障を検出する制御回路（３９）とを備えている。
2014188535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
を備えることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記コンデンサの充電開始後の所定時間に計測した前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量と、充電時故障検出レベルとを比較して、短絡故障を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記コンデンサの充電開始後の前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき充電の時定数を算出し、充電の時定数理論値と比較して、短絡故障を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記制御回路は、
前記コンデンサの放電開始後の所定時間に計測した前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量と放電時故障検出レベルとを比較して、前記ＤＣチョッパ回路の開放故障を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記制御回路は、
前記コンデンサの充電時に短絡故障を検出しなかったならば、前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量に基づき、前記放電時故障検出レベルを算出して自身に設定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
【請求項６】
前記制御回路は更に、
運転時間による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電時故障検出レベルを補正する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
【請求項７】
前記制御回路には、温度を計測するセンサが接続されており、前記センサが計測した温度による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電時故障検出レベルを補正する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記コンデンサの放電後の前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき放電の時定数を算出し、放電の時定数理論値と比較して、前記ＤＣチョッパ回路の開放故障を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記制御回路は、
前記コンデンサの充電時に短絡故障を検出しなかったならば、前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量の変化に基づき前記放電の時定数理論値を算出して自身に設定する、
ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記制御回路は更に、
運転時間による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電の時定数理論値を補正する、
ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記制御回路には、温度を計測するセンサが接続されており、前記センサが計測した温度による前記コンデンサの容量変化を推定して、前記放電の時定数理論値を補正する、
ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量は、前記ＤＣチョッパ回路に印加される電圧である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量は、前記ＤＣチョッパ回路に流れる電流である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１４】
電力変換器と、
ブレードと、
前記ブレードに機械的に接続されるロータと、
前記ロータによって駆動される二次励磁発電機と、
を備えており、
前記電力変換器は、
コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
を含んで構成され、
前記第１のコンバータには、前記二次励磁発電機の回転子が電気的に接続される、
ことを特徴とする風力発電システム。
【請求項１５】
電力変換器と、
ブレードと、
前記ブレードに機械的に接続されるロータと、
前記ロータによって駆動される永久磁石同期発電機と、
を備えており、
前記電力変換器は、
コンデンサおよびＤＣチョッパ回路を備える直流回路と、
前記直流回路の一方に接続される第１のコンバータと、
前記直流回路の他方に接続される第２のコンバータと、
前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、
前記コンデンサの充電時または放電時に前記ＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、当該ＤＣチョッパ回路の故障を検出する制御回路と、
を含んで構成され、
前記第１のコンバータには、前記永久磁石同期発電機の固定子が電気的に接続される、
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、故障検出機能を備えた電力変換器、および、この電力変換器を備える風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の温暖化防止の環境活動や、化石燃料の枯渇に伴い、再生可能な自然エネルギを利用した風力発電システムが注目され、その設置台数が増加している。この風力発電システムは、気象や気候の変動によって風車の回転速度が変動するため、発電する電力が変動し、かつ、発電した電圧や電流の周波数が変動する。そのため、風力発電システムは、電力系統と連系するための電力変換器を備えている。この電力変換器は、いったん交流を直流に変換し、その直流を電力系統と連系するように直流に変換するものである。電力変換器の直流回路には、過大な電力が突発的に供給された時に、直流回路の電荷を放電して熱に変換し、電圧の上昇を抑制するＤＣチョッパ回路が接続されている。このＤＣチョッパ回路は、例えば半導体スイッチング素子と抵抗とが直列接続されたものである。【０００３】
このＤＣチョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子が破損して開放状態となったならば、電力変換器は、直流回路の電圧上昇を抑制することができず、過電圧によって破損する虞がある。このような場合に備えて、ＤＣチョッパ回路は、複数のスイッチング素子を並列接続した構成のものが多い。更に、複数のスイッチング素子のうちいずれかが故障したならば、その故障を迅速に検出して、風力発電システムを停止することが望ましい。【０００４】
特許文献１の課題には、「１つのゲート駆動回路によって駆動する半導体スイッチング素子を並列接続した素子のうち少なくとも１つの素子に故障が発生した時にこれを検出し、被害拡大を防ぐことができるチョッパ回路の故障検出装置を提供するものである。」と記載され、その解決手段には、「電力変換装置の主回路に接続され、複数のＩＧＢＴ素子１１〜１４を並列接続したチョッパ回路３において、素子１１〜１４のオン・オフを制御するゲート信号を発生するゲート制御部２０と、ゲート信号を並列接続した全てのＩＧＢＴ素子１１〜１４に与えるゲート駆動回路３０と、前記素子１１〜１４のオン・オフ状態をゲート−エミッタ間電圧の大きさと基準電圧を比較し、ゲート−エミッタ間電圧の大きさが基準電圧より大きい時にオン状態と判別し、それ以外の時はオフ状態と判別する比較回路４５と、フィードバック信号の有無により故障と判別する第１の故障判別部２６とを備えたものである。」と記載されている。【０００５】
特許文献１の段落００２１には、ＩＧＢＴ素子の故障検出方法として、「ゲート制御部２０の第１の故障判別部２６では、オンゲート指令信号を与えた結果として各ＩＧＢＴ素子１１〜１４がオン状態であるフィードバック信号を受信することになり、この状態を正常と判別する。」と記載されている。
特許文献１の段落００２８には、ＩＧＢＴ素子の故障検出方法として、「ＩＧＢＴ素子１１〜１４にオフゲート信号を与えた場合に、このコレクタ−エミッタ間と並列に接続した電圧検出回路１５で、ゲート制御部２０よりオフゲート指令を与えたにも関わらず該電圧検出回路１５の電圧値がゼロあるいはこれに近い値を示すならば、該ＩＧＢＴ素子のうち少なくとも１つの素子が短絡故障を発生している状態であり、これを第２の故障判別部１８でオフ状態にならない故障と判別して、適切な保護動作を行う。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０１１０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術によれば、半導体スイッチング素子の故障を検出するためには、ゲート−エミッタ間の電圧およびコレクタ−エミッタ間の電圧を検出する回路を複数追加する必要がある。そのため、半導体スイッチング素子の数を増加させた場合に、監視すべきフィードバック信号が増え、ゲート駆動回路も複数となり、ＤＣチョッパ回路および電力変換器が大型化すると共にコストアップしてしまう虞がある。【０００８】
そこで、本発明は、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することを可能とする電力変換器、および、この電力変換装置を備える風力発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するため、本発明の電力変換器は、コンデンサおよびＤＣチョッパ回路が接続された直流回路と、前記直流回路の一方に接続された第１のコンバータと、前記直流回路の他方に接続された第２のコンバータと、前記コンデンサに電荷を充電する充電回路と、制御回路とを備えている。この制御回路は、コンデンサの充電時または放電時にＤＣチョッパ回路に係る電気的な量を計測して、このＤＣチョッパ回路の故障を検出するものである。
これにより、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数を増加させても、故障検出のための素子や回路を新たに追加せずともよいので、ＤＣチョッパ回路および電力変換器の小型化とコストダウンとが可能となる。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＤＣチョッパ回路を構成するスイッチング素子の数に依らず、これらスイッチング素子の故障を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に於ける二次励磁風力発電用電力変換器を示す図である。
【図２】第１の実施形態に於ける直流回路の等価回路を示す図である。
【図３】第１の実施形態の初充電時に於けるコンデンサ電圧波形を示す図である。
【図４】第１の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態の放電時に於けるコンデンサ電圧波形を示す図である。
【図６】第１の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
【図９】第３の実施形態に於ける二次励磁風力発電用電力変換器を示す図である。
【図１０】第３の実施形態の初充電時に於けるＤＣチョッパ回路の電流波形を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
【図１２】第３の実施形態の放電時に於けるＤＣチョッパ回路の電流波形を示す図である。
【図１３】第３の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
【図１４】第４の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に於ける風力発電システム１に用いられている二次励磁風力発電用の電力変換器３の概略の構成を示す図である。
風力発電システム１は、発電部２と、発電部２に接続された電力変換器３と、電力変換器３を電力系統５に連系する変圧器４とを備えている。
【００１３】
発電部２は、風車を構成するブレード２１と、ブレード２１に機械的に接続されたロータ２２と、ロータ２２によって駆動される二次励磁発電機２３とを備えている。二次励磁発電機２３は、固定子２３１と回転子２３２とを備えている。
発電部２は、ブレード２１が風力を受けて、ロータ２２と二次励磁発電機２３の回転子２３２とを回転駆動して、風力を交流電力に変換するものである。
【００１４】
電力変換器３は、固定子配線３７９を介して固定子２３１と電気的に接続され、回転子配線３１９を介して、二次励磁発電機２３の回転子２３２と電気的に接続される。電力変換器３は、システム配線３８９と変圧器４とにより、図示しない電力系統５に電気的に接続される。
電力変換器３は、二次励磁発電機２３の回転子２３２の巻線をすべり周波数（系統周波数と回転周波数の差）で交流励磁することで、この回転子２３２の励磁により固定子２３１に発生する電圧を系統周波数と同じ周波数にすることができる。電力変換器３は、回転子２３２の励磁周波数（すべり周波数）を可変にすることで、風車（ブレード２１）の回転速度を可変にすることができ、電力変換器３の容量を二次励磁発電機２３の容量に比べて小さくすることができる。
電力変換器３は、インダクタＬ１と、回転子側コンバータ３１と、直流回路３２と、ＤＣチョッパ回路３３と、直流コンデンサＣ１と、系統側コンバータ３４と、フィルタ回路３５と、初充電回路３６と、電磁接触器３７と、遮断器３８と、これらを統括して制御する制御回路３９とを備えている。電力変換器３は更に、各部に流れる電流を計測する電流センサ３１１，３５１，３７２，３８１と、各部に印加された電圧を計測する電圧センサ３２１，３６４，３７１と、内部温度を計測する温度センサ３９４とを備えている。
【００１５】
回転子配線３１９には、直列に接続されたインダクタＬ１と電流センサ３１１とが設置され、回転子側コンバータ３１の交流側に接続されている。回転子側コンバータ３１の直流側は、直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとに接続されている。
回転子側コンバータ３１と系統側コンバータ３４とは、制御回路３９に制御されて、直流電力と交流電力とを相互に変換するものである。第１のコンバータである回転子側コンバータ３１は、主に二次励磁発電機２３から供給された交流電力を直流電力に変換する。
直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとの間には、ＤＣチョッパ回路３３と、直流コンデンサＣ１と、電圧センサ３２１とが接続されている。ＤＣチョッパ回路３３は、抵抗ｒ１とスイッチング素子Ｑ１の直列接続と、抵抗ｒ２とスイッチング素子Ｑ２の直列接続と、抵抗ｒ３とスイッチング素子Ｑ３の直列接続と、抵抗ｒ４とスイッチング素子Ｑ４の直列接続とが並列に接続されて構成されている。直流回路３２の正極３２Ｈと負極３２Ｌとは、系統側コンバータ３４の直流側に接続されている。ここで、各抵抗ｒ１〜ｒ４の抵抗値をｒ［Ω］とする。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。しかし、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）などの他の半導体スイッチング素子であってもよい。
【００１６】
系統側コンバータ３４の交流側は、系統配線３６９に接続されている。第２のコンバータである系統側コンバータ３４は、主に直流回路３２から供給された直流電力を交流電力に変換する。
系統配線３６９には、直列に接続されたフィルタ回路３５と電流センサ３５１と初充電回路３６とが設置され、ノードＮＤ１を介して固定子配線３７９とシステム配線３８９とに接続されている。電圧センサ３６４は、系統配線３６９上の電力系統５に近い部分に接続されている。
初充電回路３６（充電回路）は、抵抗器３６２および電磁接触器３６３の直列接続回路と、電磁接触器３６１とが並列に接続されて構成されている。初充電回路３６は、直流回路３２の直流コンデンサＣ１を初充電するものである。初充電回路３６は、最初に電磁接触器３６３をオンして抵抗器３６２を介して電流を流し、その電流が収束したのちに電磁接触器３６１をオンすることにより、電磁接触器３６１に大電流が流れないようにすると共に、この初充電回路３６の運転時の抵抗値を低く保っている。よって、電磁接触器３６１，３６３には、定格電流の小さいものが使用可能である。
【００１７】
固定子配線３７９には、直列に接続された電磁接触器３７と電流センサ３７２とが設置され、ノードＮＤ１を介してシステム配線３８９と系統配線３６９とに接続されている。電圧センサ３７１は、固定子配線３７９上の最も電力系統５側に接続されている。
システム配線３８９には、直列に接続された電流センサ３８１と遮断器３８とが設置されている。システム配線３８９の一方は、ノードＮＤ１を介して固定子配線３７９と系統配線３６９とに接続され、システム配線３８９の他方は、変圧器４を介して電力系統５に接続されて連系している。
【００１８】
制御回路３９は、初充電処理部３９１と、放電処理部３９２と、記憶部３９３とを備えている。記憶部３９３は、温度補正データ３９３１と、経年変化補正データ３９３２とを格納している。
制御回路３９には、各電流センサ３１１，３５１，３７２，３８１のセンサ出力と、各電圧センサ３２１，３６４，３７１のセンサ出力と、温度センサ３９４のセンサ出力とが接続されている。制御回路３９の出力側には、回転子側コンバータ３１と、ＤＣチョッパ回路３３と、系統側コンバータ３４と、初充電回路３６と、電磁接触器３７と、遮断器３８とが接続され、これらを制御可能である。制御回路３９は、例えば、ＤＣチョッパ回路３３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にＨレベル信号を出力して、これらをオンする。制御回路３９は更に、ＤＣチョッパ回路３３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にＬレベル信号を出力して、これらをオフする。
制御回路３９の初充電処理部３９１は、この風力発電システム１の起動の際に、初充電回路３６により、直流回路３２の直流コンデンサＣ１を充電する。この充電動作により、直流回路３２には、所定の電圧が予め印加される。これにより、風力発電システム１は、運転開始時に、直流回路３２に大電流が流れ込むことを防ぐことができる。初充電処理は、後記する図４で詳細に説明する。
【００１９】
制御回路３９はその後、系統側コンバータ３４により、直流回路３２の電圧が目標値となるように制御する。制御回路３９は、回転子側コンバータ３１により、二次励磁発電機２３の回転速度に応じて固定子配線３７９への出力電圧周波数が系統周波数と一致するように、回転子配線３１９に電流が流れるように制御する。
風力発電システム１の運転中に、発電部２から回転子側コンバータ３１を介して過電流が直流回路３２に流れ込んで動作可能範囲を超えたならば、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３を動作させて放電し、電力変換器３を保護する。この放電処理は、後記する図６で詳細に説明する。
【００２０】
温度補正データ３９３１は、温度と直流コンデンサＣ１の容量との関係を示す補正データである。経年変化補正データ３９３２は、運転時間の累計と直流コンデンサＣ１の容量との関係を示す補正データである。制御回路３９の初充電処理部３９１は、これらの補正データを用いて、直流コンデンサＣ１の容量の温度変化や経年変化を推定し、故障検出レベルや時定数理論値などを補正する。
【００２１】
図２（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に於ける直流回路３２の等価回路６ｃ，６ｄを示す図である。
図２（ａ）は、初充電時に於ける直流回路３２の等価回路６ｃを示す回路図である。
この等価回路６ｃは、電圧Ｅを供給する電源Ｖｄと、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２と、直流コンデンサＣ１と、直列に接続された抵抗ｒ１およびスイッチング素子Ｑ１と、直列に接続された抵抗ｒ２およびスイッチング素子Ｑ２と、直列に接続された抵抗ｒ３およびスイッチング素子Ｑ３と、直列に接続された抵抗ｒ４およびスイッチング素子Ｑ４とを備えている。直流コンデンサＣ１は、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２を介して電源Ｖｄの正極と負極との間に接続されている。スイッチ６１は、初充電回路３６に相当する。抵抗６２は、系統側コンバータ３４とフィルタ回路３５の抵抗値に相当する。電源Ｖｄは、系統側コンバータ３４が供給する直流電力に相当する。
【００２２】
更に直流コンデンサＣ１は、直列に接続された抵抗ｒ１〜ｒ４およびスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対して並列に接続されている。直流コンデンサＣ１の一端と他端との間には、コンデンサ電圧Ｖｃが印加されている。直列に接続された抵抗ｒ１〜ｒ４およびスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、電流Ｉｄが流れる。
各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、正常状態ならばオフであり、短絡故障状態ならばオンである。この図では、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障している場合を示している。
例えば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうちｎ個が短絡故障していたならば、初充電時の時定数τｃは以下のように算出される。
Ｅ  電源Ｖｄが供給する電圧［Ｖ］
Ｒc  抵抗６２の抵抗値［Ω］
Ｃ1  直流コンデンサＣ１の容量［Ｆ］
ｒ  抵抗ｒ１〜ｒ４の各抵抗値［Ω］
【数１】
2014188535.tif 000003
【００２３】
初充電時のコンデンサ電圧Ｖｃは、以下のように算出される。
【数２】
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【００２４】
初充電時の電流Ｉｄは、以下のように算出される。
【数３】
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【００２５】
図２（ｂ）は、放電時に於ける直流回路３２の等価回路６ｄを示す回路図である。
この等価回路６ｄは、図２（ａ）に示す等価回路６ｃから、電源Ｖｄと、直列に接続されたスイッチ６１および抵抗６２とを取り除いた構成である。
各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、正常状態ならばオンであり、開放故障状態ならばオフである。この図では、スイッチング素子Ｑ４が開放故障している場合を示している。
例えば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうちｎ個が開放故障していたならば、放電時の時定数τｄは以下のように算出される。
【数４】
2014188535.tif 000006
【００２６】
放電時のコンデンサ電圧Ｖｃは、以下のように算出される。
【数５】
2014188535.tif 000007
【００２７】
放電時の電流Ｉｄは、以下のように算出される。
【数６】
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【００２８】
図３は、第１の実施形態の初充電時に於けるコンデンサ電圧Ｖｃの波形を示す図である。
縦軸は、電圧センサ３２１が測定したコンデンサ電圧Ｖｃを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電圧波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個が短絡故障した場合の電圧波形を示している。
【００２９】
正常動作の場合、初充電回路３６は、フィルタ回路３５および系統側コンバータ３４を介して直流コンデンサＣ１を充電する。このとき、コンデンサ電圧Ｖｃは、ステップ応答して電圧Ｖｉに収束する。時間τａ（τａ＝ｔ１）は、時定数の理論値である。初充電処理部３９１は、電圧センサ３２１によりコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。このときのコンデンサ電圧Ｖｃは、電圧Ｖｉの０．６３２倍である。電圧Ｖ１は、故障検出レベルである。
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１〜４個が短絡故障した場合、同様に初充電回路３６は、直流コンデンサＣ１を充電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、ステップ応答すると共に、短絡故障したスイッチング素子の数に応じて、正常動作時よりも低い値に収束する。初充電回路３６の電磁接触器３６１，３６３が溶着した場合も、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１〜４個が短絡故障した場合と同様である。
【００３０】
図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
図４（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１を運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
処理Ｓ１０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てオフ状態になるように制御する。但し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが短絡故障しているならば、そのスイッチング素子は、導通したままである。
処理Ｓ１１に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６による初充電を開始する。このときの時間ｔは、０である。
処理Ｓ１２に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電圧センサ３２１により、時間ｔ１に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。コンデンサ電圧Ｖｃは、直流回路３２およびＤＣチョッパ回路３３に印加されている電圧であり、よって、ＤＣチョッパ回路３３に係る電気的な量である。
【００３１】
処理Ｓ１３に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃを故障検出レベルである電圧Ｖ１（図３参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電圧Ｖ１以上かつ電圧Ｖｉ未満である。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して処理Ｓ１４を行い、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ１７を行う。
処理Ｓ１４に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数を算出する。初充電処理部３９１は、時間ｔ１に於けるコンデンサ電圧Ｖｃから直流コンデンサＣ１の容量を算出し、それにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を全てオンしたときのＤＣチョッパ回路３３の抵抗値を乗算して、放電の時定数の理論値を算出する。
処理Ｓ１５に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数の理論値を運転環境に基づいて補正する。ここで運転環境とは、例えば温度や運転時間の累計のことをいう。初充電処理部３９１は、温度センサ３９４で計測した温度情報と温度補正データ３９３１とに基づき、直流コンデンサＣ１の容量を温度補正し、運転時間の累計と経年変化補正データ３９３２とに基づき、直流コンデンサＣ１の容量の経年変化を補正する。更に初充電処理部３９１は、補正した直流コンデンサＣ１の容量に基づき、放電の時定数の理論値を算出する。
処理Ｓ１６に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電時の故障検出レベルを算出する。放電時の故障検出レベルとは、例えば電圧Ｖ２（図５参照）であり、コンデンサ電圧Ｖｃが適正範囲でないと判断する電圧レベルのことをいう。初充電処理部３９１は、例えば、放電時の時定数に基づいて、時間ｔ２に於ける正常動作時のコンデンサ電圧Ｖｃの理論値を算出し、各素子や各回路の公差を加味して、放電時の故障検出レベルである電圧Ｖ２（図５参照）を算出する。算出した放電時の故障検出レベルは、放電処理部３９２に設定される。
処理Ｓ１６が終了すると、初充電処理部３９１は、図４（ａ）に示す初充電処理を終了する。これにより、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
【００３２】
処理Ｓ１７に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障を検出する。短絡故障とは、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれか１つ以上が制御信号に依らずに短絡状態であることや、初充電回路３６の電磁接触器３６１，３６３が溶着などにより短絡状態のままであることをいう。
処理Ｓ１８に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、遮断器３８で遮断することにより、電力変換器３を電力系統５から遮断する。
処理Ｓ１９に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電磁接触器３７をオフし、図４（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
【００３３】
この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障の有無を判断すると共に、放電の時定数の理論値を算出する。よって、放電時に於いて放電処理部３９２は、直流コンデンサＣ１の個体ごとの容量のばらつきや、運転環境による容量の変化に依らず、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を正確に検出することができる。
【００３４】
図４（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
処理Ｓ２０に於いて、前記した処理Ｓ１５と同様に、制御回路３９は、放電の時定数の理論値を、運転環境に基づいて補正する。
処理Ｓ２１に於いて、前記した処理Ｓ１６と同様に、制御回路３９は、放電時の故障検出レベルを算出して設定する。処理Ｓ２１が終了すると、制御回路３９は、図４（ｂ）に示す運転中処理を終了する。
この運転中処理により、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による放電時の故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
【００３５】
図５は、第１の実施形態の放電時に於けるコンデンサ電圧Ｖｃの波形を示す図である。
縦軸は、電圧センサ３２１が測定したコンデンサ電圧Ｖｃを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電圧波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が開放故障した場合の電圧波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が開放故障した場合の電圧波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が開放故障した場合の電圧波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個が開放故障した場合の電圧波形を示している。
【００３６】
正常動作の場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を４個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ０が経過したときである。この時定数τ０は、以下の式（７）によって導出される。
【数７】
2014188535.tif 000009
【００３７】
図３に示すように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時間ｔ２（ｔ２＝時定数τ０）に於けるコンデンサ電圧Ｖｃが異なる。実測したコンデンサ電圧Ｖｃと、故障検出レベルである電圧Ｖ２とを比較することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を３個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ１が経過したときである。この時定数τ１は、以下の式（８）によって導出される。
【数８】
2014188535.tif 000010
【００３８】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１の電荷を２個の並列抵抗によって放電する。コンデンサ電圧Ｖｃは、次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ２が経過したときである。この時定数τ２は、以下の式（９）によって導出される。
【数９】
2014188535.tif 000011
【００３９】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を１個の抵抗によって放電し、コンデンサ電圧Ｖｃは次第に減少する。コンデンサ電圧Ｖｃは、放電開始時に於いて電圧Ｖｔである。コンデンサ電圧Ｖｃが放電開始時の電圧Ｖｔの０．３６８倍に減少するのは、時定数τ３が経過したときである。この時定数τ３は、以下の式（１０）によって導出される。
【数１０】
2014188535.tif 000012
【００４０】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個全てが開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電できない。コンデンサ電圧Ｖｃは、所定値である電圧Ｖｔを維持する。このとき、時定数は無限大となる。
このように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時定数τが異なる。実測した時定数τと、時定数τ０（理論値）とを比較し、誤差の範囲であるか否かを判断することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
【００４１】
図６は、第１の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、初充電処理の処理Ｓ１６（図４（ａ）参照）や、運転中処理の処理Ｓ２１（図４（ｂ）参照）で算出された放電時の故障検出レベルが設定されている。
処理Ｓ３０に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、コンデンサ電圧Ｖｃを計測する。このときの時間ｔは、０である。
処理Ｓ３１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷がＤＣチョッパ回路３３を介して放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
処理Ｓ３２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ２に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。
【００４２】
処理Ｓ３３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃを故障検出レベルである電圧Ｖ２（図５参照）と比較して、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電圧Ｖ２以下かつ０［Ｖ］以上である。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図６に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ３４を行う。
【００４３】
処理Ｓ３４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出する。ＤＣチョッパ回路３３の開放故障とは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれか１つ以上が、制御信号に依らず開放状態であることをいう。
処理Ｓ３５に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、遮断器３８で遮断することにより、電力変換器３を電力系統５から遮断する。
処理Ｓ３６に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、電磁接触器３７をオフし、図６に示す放電処理を異常終了する。
【００４４】
（第１の実施形態の効果）
以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような効果がある。
【００４５】
（Ａ）  制御回路３９は、電力変換器３に実装されている電圧センサ３２１の情報によって、ＤＣチョッパ回路３３の故障の有無を判断する。これにより、ＤＣチョッパ回路３３の複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対して、故障検出のための素子や回路を新たに追加する必要がないので、電力変換器３の故障検出に係る部分の小型化と簡素化とが可能である。
【００４６】
（Ｂ）  制御回路３９は、電力変換器３の初充電時に測定したコンデンサ電圧Ｖｃから、直流コンデンサＣ１の容量、放電の時定数τの理論値、および、放電時の故障検出レベルを算出する。これにより制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の容量のばらつきや容量の変化に依らず、放電時の故障検出レベルを正しく設定できるので、開放故障の検出精度を向上させることができる。
【００４７】
（Ｃ）  制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電時の故障検出レベルを補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による放電時の故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の風力発電システム１は、第１の実施形態とは異なり、コンデンサ電圧Ｖｃの実測値から時定数を算出して、時定数の理論値と比較するものである。それ以外は、第１の実施形態の風力発電システム１と同様である。
【００４９】
図７（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理とを示すフローチャートである。
図７（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１を運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
処理Ｓ４０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、時間ｔ＝０に於けるコンデンサ電圧Ｖｃを計測する。
処理Ｓ４１〜Ｓ４３は、前記した図４（ａ）の処理Ｓ１０〜Ｓ１２と同様である。
【００５０】
処理Ｓ４４に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、充電の時定数を算出する。
処理Ｓ４５に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、算出した充電の時定数を充電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。充電の時定数の理論値は、例えば図３に示す時定数τａのことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による充電の時定数の誤差範囲のことをいう。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して処理Ｓ４６を行い、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ４８を行う。
処理Ｓ４６に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図４の処理Ｓ１４と同様に、放電の時定数を算出する。初充電処理部３９１は、充電の時定数から直流コンデンサＣ１の容量を算出し、それにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を全てオンしたときのＤＣチョッパ回路３３の抵抗値を乗算して、放電の時定数の理論値を算出する。
処理Ｓ４７に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図４の処理Ｓ１５と同様に、放電の時定数の理論値の運転環境に基づいて補正し、図７（ａ）に示す初充電処理を終了する。ここで運転環境とは、例えば温度や運転時間の累計などのことをいう。これにより、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
【００５１】
処理Ｓ４８〜Ｓ５０は、前記した図４（ａ）の処理Ｓ１７〜Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ５０が終了すると、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図７（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
【００５２】
この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、充電時の電圧の時定数と、充電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。充電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値、系統側コンバータ３４の内部抵抗などで決定される値であり、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の短絡故障を検出することができる。
更に、制御回路３９の初充電処理部３９１は、放電の時定数の理論値を算出する。よって、直流コンデンサＣ１の容量が変化した場合でも、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を正確に検出することができる。
【００５３】
図７（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
処理Ｓ６０は、前記した処理Ｓ４７と同様に、放電の時定数の理論値を、運転環境に基づいて補正するものである。処理Ｓ６０が終了すると、制御回路３９は、図７（ｂ）に示す運転中処理を終了する。
【００５４】
図８は、第２の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、初充電処理の処理Ｓ４６，Ｓ４７（図７（ａ）参照）で算出（補正）され、運転中処理の処理Ｓ６０（図７（ｂ）参照）で補正された放電の時定数の理論値が設定されている。
処理Ｓ７０〜Ｓ７２は、前記した図６の処理Ｓ３０〜Ｓ３２と同様である。
処理Ｓ７３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を算出する。図５に示したように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれか１つ以上が開放故障の場合、放電が遅くなり、よって放電の時定数は適正範囲よりも長くなる。そのため、開放故障の有無を判断することができる。
処理Ｓ７４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を放電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。放電の時定数の理論値は、例えば図５に示す時定数τ０のことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による放電の時定数の誤差範囲のことをいう。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図８に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ７５を行う。
処理Ｓ７５〜Ｓ７７は、前記した図６の処理Ｓ３４〜Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ７７が終了すると、放電処理部３９２は、図８に示す放電処理を異常終了する。
【００５５】
（第２の実施形態の効果）
以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｄ）〜（Ｇ）のような効果がある。
【００５６】
（Ｄ）  制御回路３９は、充電時の電圧の時定数と、充電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。充電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値、系統側コンバータ３４の内部抵抗などで決定される値であり、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断することができる。
【００５７】
（Ｅ）  制御回路３９は、放電時に測定した電圧の時定数と、放電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断する。放電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量とＤＣチョッパ回路３３の抵抗値とで決定され、コンデンサ電圧Ｖｃの初期値に依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
【００５８】
（Ｆ）  制御回路３９は、初充電時に測定した電圧から、直流コンデンサＣ１の実際の容量を算出し、更に放電の時定数の理論値を算出する。これにより制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の個体ごとの容量のばらつきや、運転環境による容量の変化に依らず、放電の時定数の理論値を正しく設定し、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断することができる。
【００５９】
（Ｇ）  制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電の時定数を補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に於ける風力発電システム１に用いられている二次励磁風力発電用の電力変換器３Ｂの概略の構成を示す図である。
第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、第１の実施形態の電力変換器３とは異なり、ＤＣチョッパ回路３３に流れる電流を測定する電流センサ３２２を備えている。第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、電圧センサ３２１を備えていない。記憶部３９３Ｂは、第１の実施形態の温度補正データ３９３１と、経年変化補正データ３９３２とを格納していない。
それ以外の構成は、第１の実施形態の電力変換器３と同様である。
第３の実施形態の電力変換器３Ｂは、電流センサ３２２によってＤＣチョッパ回路３３に流れる電流を測定して故障検出している。これにより、電力変換器３Ｂは、初充電時と放電時に故障を検出すると共に、運転中に発生した短絡故障を検出することができる。
【００６１】
図１０は、第３の実施形態の初充電時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流波形を示す図である。
縦軸は、電流センサ３２２が測定した電流Ｉｄを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電流波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合の電流波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が短絡故障した場合の電流波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が短絡故障した場合の電流波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個が短絡故障した場合の電流波形を示している。
ＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄは、正常動作時には０［Ａ］であり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１〜４個が短絡故障した場合には、その故障数に応じた値に収束する。電流Ｉｄは、コンデンサ電圧ＶｃをＤＣチョッパ回路３３の抵抗値で除算して算出することができる。
時間ｔ３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが短絡故障した場合の時定数よりも長く設定している。これにより、過渡応答が充分に収束したあとの電流値を計測しているので、確実に短絡故障の有無を判断することができる。電流Ｉ３は、短絡故障の故障検出レベルであり、例えば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が短絡故障した場合、時間ｔ３にて流れる電流値に、０．５を掛けたものである。これにより、制御回路３９は、ノイズの影響を抑止して、更に正確に短絡故障を検出することができる。
【００６２】
図１１は、第３の実施形態に於ける初充電処理と運転中処理を示すフローチャートである。
図１１（ａ）は、初充電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６により、この風力発電システム１の運転するにあたり、以下に示す初充電処理を開始する。
処理Ｓ８０に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てオフ状態になるように制御する。但し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが短絡故障しているならば、そのスイッチング素子は、導通ししたままである。
処理Ｓ８１に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、初充電回路３６による初充電を開始する。このときの時間ｔは、０である。
処理Ｓ８２に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、電流センサ３２２により時間ｔ３に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流Ｉｄを計測する。電流Ｉｄは、ＤＣチョッパ回路３３に係る電気的な量である。
【００６３】
処理Ｓ８３に於いて、制御回路３９の初充電処理部３９１は、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルである電流Ｉ３（図１０参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲とは、例えば電流Ｉ３以下かつ０［Ａ］以上である。初充電処理部３９１は、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ８４を行い、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して図１１（ａ）に示す初充電処理を終了する。初充電処理の終了により、風力発電システム１は、運転を開始することができる。
処理Ｓ８４〜Ｓ８６は、図４（ａ）に示す処理Ｓ１７〜Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ８６を終了すると、制御回路３９の初充電処理部３９１は、図１１（ａ）に示す初充電処理を異常終了する。
この初充電処理により、制御回路３９の初充電処理部３９１は、短絡故障の有無を判断することができる。
【００６４】
図１１（ｂ）は、運転中処理を示すフローチャートである。
制御回路３９は、例えばタイマ割り込みによって、以下に示す運転中処理を、風力発電システム１の運転中に繰り返し行う。これにより、運転環境による直流コンデンサＣ１の容量変化を推測し、放電時の故障検出レベルを補正することができる。
処理Ｓ２０〜Ｓ２１は、前記した図４（ｂ）に示す処理Ｓ２０〜Ｓ２１と同様である。これにより、制御回路３９は、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して、予め設定された放電時の故障検出レベルを運転時間および温度に併せて補正し、これらの影響による故障の検出精度の低下を防いでいる。
【００６５】
処理Ｓ２２に於いて、制御回路３９は、処理Ｓ８２と同様に、ＤＣチョッパ回路３３の電流Ｉｄを計測する。
処理Ｓ２３に於いて、制御回路３９は、処理Ｓ８３と同様に、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルと比較し、適正範囲であるか否かを判断する。制御回路３９は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、正常と判断して図１１（ｂ）に示す運転中処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、短絡故障していると判断して処理Ｓ２４を行う。
処理Ｓ２４〜Ｓ２６は、図４（ａ）に示す処理Ｓ１７〜Ｓ１９と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ２６を終了すると、制御回路３９は、図１１（ｂ）に示す運転中処理を異常終了する。
この運転中処理により、制御回路３９は、運転時にもＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが短絡故障したときに、その故障をすぐさま検知することができる。
【００６６】
図１２は、第２の実施形態の放電時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流波形を示す図である。
縦軸は、電流センサ３２２が測定した電流Ｉｄを示している。横軸は、時間ｔを示している。凡例に示すように、黒い正方形マーカは、正常動作の場合の電流波形を示している。黒い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が開放故障した場合の電流波形を示している。黒い三角形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が開放故障した場合の電流波形を示している。×印マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が開放故障した場合の電流波形を示している。白い菱形マーカは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個が開放故障した場合の電流波形を示している。
【００６７】
正常動作の場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を４個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（４Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ０が経過したときである。時定数τ０は、前記した式（７）によって導出される。
【００６８】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち１個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を３個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（３Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ１が経過したときである。時定数τ１は、前記した式（８）によって導出される。
【００６９】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち２個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を２個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（２Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ２が経過したときである。時定数τ２は、前記した式（９）によって導出される。
【００７０】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち３個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を１個の並列抵抗によって放電する。電流Ｉｄは、次第に減少する。電流Ｉｄは、放電開始時に於いて（Ｅ／ｒ）である。電流Ｉｄが放電開始時の０．３６８倍に減少するのは、時定数τ３が経過したときである。時定数τ３は、前記した式（１０）によって導出される。
【００７１】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち４個が開放故障した場合、ＤＣチョッパ回路３３は、直流コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電できない。電流Ｉｄは、時間に依らず０［Ａ］である。このとき、時定数は無限大である。
このように、正常動作の場合と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障した場合とでは、時定数τが異なる。実測した時定数τと、時定数τ０（理論値）とを比較し、誤差の範囲であるか否かを判断することにより、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出することができる。
【００７２】
図１３は、第３の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始。放電処理部３９２には、放電時の故障検出レベルが予め設定されている。
処理Ｓ９０に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷が放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
処理Ｓ９１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ４に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。ここで時間ｔ４は、放電開始後に電流Ｉｄが安定する時間である。このように、放電開始直後の鋭いパルスを避けて、電流Ｉｄが安定してから計測しているので、正しく故障の有無を判断することができる。
処理Ｓ９２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、計測した電流Ｉｄを故障検出レベルである電流Ｉ４（図１２参照）と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。適正範囲は、例えば電流Ｉ４以上かつ電流（４Ｅ／ｒ）未満である。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図１３に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ９３を行う。
処理Ｓ９３〜Ｓ９５は、図６に示す処理Ｓ３４〜Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ９５が終了すると、制御回路３９の放電処理部３９２は、図１３に示す放電処理を異常終了する。
【００７３】
（第３の実施形態の効果）
以上説明した第３の実施形態では、次の（Ｈ）〜（Ｊ）のような効果がある。
【００７４】
（Ｈ）  制御回路３９は、電流センサ３２２が測定した電流情報によって、ＤＣチョッパ回路３３の短絡故障の有無を判断する。これにより、初充電時に加えて運転時にもスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の短絡故障をすぐさま検知することができる。
【００７５】
（Ｉ）  制御回路３９は、放電開始時に於けるＤＣチョッパ回路３３の電流に基づき、開放故障の有無を判断する。これにより制御回路３９は、迅速に故障の有無を判断して、風力発電システム１を異常停止させることができる。
【００７６】
（Ｊ）  制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電時の故障検出レベルを補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
【００７７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の風力発電システム１は、第３の実施形態とは異なり、放電時に測定した電流Ｉｄの実測値から放電の時定数を算出して、放電の時定数の理論値と比較するものである。それ以外は、第３の実施形態の風力発電システム１と同様である。
【００７８】
図１４は、第４の実施形態に於ける放電処理を示すフローチャートである。
制御回路３９の放電処理部３９２は、例えば、直流回路３２の電圧が所定値を超えたとき、この直流回路３２の保護のために、以下に示す放電処理を開始する。放電処理部３９２には、放電の時定数の理論値が予め設定されている。
処理Ｓ１００に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、処理Ｓ９０（図１３参照
と同様に、ＤＣチョッパ回路３３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てオン状態になるように制御する。これにより、直流コンデンサＣ１に蓄積されている電荷が放電される。但し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかが開放故障しているならば、そのスイッチング素子は、非導通のままである。
処理Ｓ１０１に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、処理Ｓ９１（図１３参照
と同様に、時間ｔ４に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。ここで時間ｔ４は、放電開始後に電流Ｉｄが安定する時間である。このように、放電開始直後の鋭いパルスを避けて、電流Ｉｄが安定してから計測しているので、正しく故障の有無を判断することができる。
処理Ｓ１０２に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、時間ｔ５に於けるＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄを計測する。このように、時間ｔ４と時間ｔ５に於いて、電流Ｉｄをそれぞれ計測しているので、電流Ｉｄの初期値に依らず、放電の時定数を算出することができる。
【００７９】
処理Ｓ１０３に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を算出する。図１２に示したように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれか１つ以上が開放故障している場合、放電が遅くなり、よって放電の時定数は適正範囲よりも長くなる。そのため、開放故障を検出することが可能となる。
処理Ｓ１０４に於いて、制御回路３９の放電処理部３９２は、放電の時定数の実測値を放電の時定数の理論値と比較し、適正範囲であるか否かを判断する。放電の時定数の理論値は、例えば図１２に示す時定数τ０のことをいう。適正範囲とは、例えば、各素子や各回路の公差による放電の時定数の誤差範囲のことをいう。放電処理部３９２は、当該判断条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、図１４に示す放電処理を終了し、当該判断条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、処理Ｓ１０５を行う。
処理Ｓ１０５〜Ｓ１０７は、図６に示す処理Ｓ３４〜Ｓ３６と同様な故障検出時の処理である。処理Ｓ１０７が終了すると、制御回路３９の放電処理部３９２は、図１３に示す放電処理を異常終了する。
【００８０】
（第４の実施形態の効果）
以上説明した第４の実施形態では、次の（Ｋ），（Ｌ）のような効果がある。
【００８１】
（Ｋ）  制御回路３９は、放電時に測定した電流の時定数と、放電の時定数の理論値とを比較して、ＤＣチョッパ回路３３の開放故障の有無を判断する。放電の時定数は、直流コンデンサＣ１の容量と、ＤＣチョッパ回路３３の抵抗値とで決定され、コンデンサ電圧Ｖｃに依らない。これにより、制御回路３９は、常に好適な精度でＤＣチョッパ回路３３の開放故障を検出することができる。
【００８２】
（Ｌ）  制御回路３９は、運転時間および温度を常時計測し、直流コンデンサＣ１の容量の変化を推定して放電の時定数の理論値を補正する。これにより、制御回路３９は、運転時間または温度の影響による故障の検出精度の低下を防ぐことができる。
【００８３】
（変形例）
本発明は上記した実施形態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形態は、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、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
上記の各構成、機能、処理部などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。
各実施形態に於いて、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。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｊ）のようなものがある。
【００８４】
（ａ）  電力変換器３，３Ｂは、永久磁石同期発電機に適用されていてもよく、電力変換器３，３Ｂの第１のコンバータが、この永久磁石同期発電機の固定子に電気的に接続されていてもよい。
【００８５】
（ｂ）  電力変換器３，３Ｂは、風力発電システム１に限定されず、発電機によって駆動力を電力に変換する他の発電システムにも適用可能である。他の発電システムとは、例えば地熱発電、太陽熱発電、氷熱発電、氷雪熱発電、地中熱発電、海洋温度差発電、海流（潮流）発電、潮力発電、波力発電、水力発電、火力発電、原子力発電などである。
【００８６】
（ｃ）  第１〜第４の実施形態のＤＣチョッパ回路３３は、直列接続された抵抗とスイッチング素子とが、４個並列に接続されている。しかし、これに限られず、並列接続の個数は、１以上の任意個数であればよく、好ましくは２以上の任意個数であればよい。
【００８７】
（ｄ）  制御回路３９は、電圧センサ３２１によりコンデンサ電圧Ｖｃの変化を検知し、更に電流センサ３２２によりＤＣチョッパ回路３３に流れる電流Ｉｄの変化を検知してもよい。これにより、制御回路３９は、電圧または電流（電気的な量）のうち、初充電時と放電時それぞれに適したものを測定して、スイッチング素子の短絡故障や開放故障の有無を判断できる。
【００８８】
（ｅ）  制御回路３９は、放電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して初充電時に於ける故障検出レベルを補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
【００８９】
（ｆ）  制御回路３９は、初充電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して、次回の初充電の時定数の理論値を補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
【００９０】
（ｇ）  制御回路３９は、放電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を算出して次回の初充電の時定数の理論値を補正してもよい。これにより、制御回路３９は、次回の初充電時に於いて、更に正確に故障を検出することが可能となる。
【００９１】
（ｈ）  制御回路３９は、初充電時に、回転子側コンバータ３１の電力変換動作を停止させてもよい。これにより、制御回路３９は、電力系統５や発電部２による外乱を抑止できるので、更に正確に故障を検出することが可能となると共に、初充電時に測定した電気的な量から直流コンデンサＣ１の容量を正確に算出することができる。
【００９２】
（ｉ）  制御回路３９は、放電処理の際に、回転子側コンバータ３１と系統側コンバータ３４の電力変換動作を停止させてもよい。これにより、制御回路３９は、電力系統５や発電部２による外乱を抑止できるので、更に正確に故障を検出することが可能となる。
【００９３】
（ｊ）  制御回路３９は、放電処理の際に、コンデンサ電圧Ｖｃの正常動作時の理論値と１個のスイッチング素子が開放故障したときの理論値との差が最大となる時間に於いて。コンデンサ電圧Ｖｃを計測し、放電時の故障検出レベルと比較してもよい。これにより、制御回路３９は、ノイズの影響を抑止して、更に正確に開放故障を検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００９４】
１  風力発電システム
２  発電部
２１  ブレード
２２  ロータ
２３  二次励磁発電機
２３１  固定子
２３２  回転子
３，３Ｂ  電力変換器
３１  回転子側コンバータ  （第１のコンバータ）
３１１，３２１，３６４，３７１  電圧センサ
３２２，３５１，３７２，３８１  電流センサ
３２，３２Ｈ，３２Ｌ  直流回路
Ｃ１  直流コンデンサ
ｒ１〜ｒ４  抵抗
Ｑ１〜Ｑ４  スイッチング素子
３２  直流回路
３３  ＤＣチョッパ回路
３４  系統側コンバータ  （第２のコンバータ）
３５  フィルタ回路
３６  初充電回路  （充電回路）
３７  電磁接触器
３８  遮断器
３９  制御回路
３９１  初充電処理部
３９２  放電処理部
３９３，３９３Ｂ  記憶部
３９３１  温度補正データ
３９３２  経年変化補正データ
３９４  温度センサ
４  変圧器
５  電力系統
【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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【図１１】
2014188535.tif 000023
【図１２】
2014188535.tif 000024
【図１３】
2014188535.tif 000025
【図１４】
2014188535.tif 000026
【国際調査報告】
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2014188535.tif 000028
2014188535.tif 000029
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