(57)【要約】  電力系統等の交流電源に供給する電力を発生させる回転電機を小型化した回転電機システムまたは風力発電システムの提供の為、電力系統等の交流電源に供給する電力を発生させる第１の回転電機及び第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、第１の回転子巻線に接続されて交流と直流を切り替える第１の電力変換器と、第２の回転子巻線に接続されると共に前記第１の電力変換器の直流側に接続されて直流と交流を切り替える第２の電力変換器とに分配する。
2014181454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の固定子巻線を有する第１の固定子、及び該第１の固定子と間隙を設けて配置されると共に第１の回転子巻線を有する第１の回転子を備え、交流電源に供給する電力を発生させる第１の回転電機と、
第２の固定子巻線を有する第２の固定子、及び該第２の固定子と間隙を設けて配置されると共に第２の回転子巻線を有する第２の回転子を備える第２の回転電機と、
前記第１の回転子巻線に接続され、交流と直流を切り替える第１の電力変換器と、前記第２の回転子巻線に接続されると共に前記第１の電力変換器の直流側に接続されて直流と交流を切り替える第２の電力変換器を備え、
前記第１の固定子巻線及び前記第２の固定子巻線は前記交流電源に接続され、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機が出力する有効電力と無効電力を検出する第１の検出手段及び当該第１の検出手段を制御する第１の制御手段と、
前記第２の回転電機が出力する有効電力と無効電力を検出する第２の検出手段及び当該第２の検出手段を制御する第２の制御手段とを備えていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機に流れる電流が略最小になる様に、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機に流れる電流の絶対値が略等しくなる様に、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機で発生する損失が略最小になる様に、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第２の回転電機に流れている無効電力値と前記第２の回転電機に流れるべき無効電力指令値の比較を行い、該比較結果に基づき前記第２の電力変換器に無効電力指令が出力されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器を備え、
前記第１の固定子巻線及び前記交流電源を接続する電気経路と、前記第２の固定子巻線及び前記交流電源とを接続する電気経路が接続部で互いに接続され、前記接続部は前記交流電源と電気的に接続されており、
前記第１の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記第２の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流を検出する第２の検出器と、前記接続部と前記交流電源の間に流れる電流を検出する第３の電流検出器のうち、少なくとも２つを備え、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記第１の回転子巻線及び前記第１の電力変換器の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記第２の回転子巻線及び前記第２の電力変換器の間に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器を備え、
前記第１の固定子巻線と前記交流電源を接続する電気経路と前記第２の固定子巻線と前記交流電源とを接続する電気経路が接続部で互いに接続され、前記接続部は前記交流電源と電気的に接続されており、
前記第１の固定子巻線及び前記接続部の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記第２の固定子巻線及び前記接続部の間に流れる電流を検出する第２の検出器と、前記接続部及び前記交流電源の間に流れる電流を検出する第３の電流検出器のうち、少なくとも２つを備え、
前記第１の回転子巻線及び前記第１の電力変換器の間に流れる電流を検出する第４の電流検出器と、前記第２の回転子巻線及び前記第２の電力変換器の間に流れる電流を検出する第５の電流検出器と、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１０】
請求項７に記載の回転電機システムであって、
前記第１の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流値から前記第１の回転子巻線と前記第１の電力変換器の間に流れる電流値を推定し、
前記第２の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流値から前記第２の回転子巻線と前記第２の電力変換器の間に流れる電流値を推定することを特徴とする請求項２の回転電機システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転子巻線と前記第１の電力変換器の間に流れる電流値から前記第１の固定子巻線に流れる電流値を推定し、
前記第２の回転子巻線と前記第２の電力変換器の間に流れる電流値から前記第２の固定子巻線に流れる電流値を推定することを特徴とする請求項２の回転電機システム。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段は前記回転部に備えられ、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段からの検出値はいずれも前記静止部に備えられる前記制御装置に送信され、前記電力変換器を制御する信号が前記静止部に備えられる前記制御装置から前記回転部に送信されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記回転部に備えられる前記制御装置と前記静止部に備えられる前記制御装置がブラシとスリップリングからなる摺動部を介して制御信号を通信することを特徴とする回転電機システム
【請求項１４】
請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記回転部に備えられる前記制御装置と前記静止部に備えられる前記制御装置が非接触通信方式を介して制御信号を通信することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか一つに記載の回転電機システムと、風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転するシャフトを備え、前記各回転電機は該シャフトの回転に伴って回転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、回転子に電力変換器を実装する回転電機システムに係り、回転電機から出力される有効電力および無効電力を制御する制御装置および制御に必要な検出装置等の機器構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源問題や地球温暖化防止への関心の高まりから、風力発電システムと言った自然エネルギーを利用した発電システムが急速に普及している。風力発電システムでは風速に依存して風から得られるエネルギーが絶えず変動するため、風車の翼角度を風速に応じて可変とするピッチ機構や風車の回転速度に依存して変動する発電電力の周波数を電力系統の周波数に変換する電力変換器等を用いて、より広い風速域で効率良く発電運転が実施できるように工夫されている。このような風力発電システムの運転は可変速運転と呼ばれる。【０００３】
可変速運転が可能な風力発電システム形態の中で、励磁式の回転電機システム（巻線型２次励磁方式）は、風力発電システムの総出力電力量の３０％程度と小容量の電力変換器で、発電機と同容量の電力変換器を必要とする同期型の回転電機システムと同程度の可変速運転が可能なため、広く採用されている。励磁式の回転電機システムは電力変換器が小型でかつ、扱う電力が小容量であるため電力変換に伴う発生損失が少なく、高効率な発電運転が可能である。同種の励磁式の回転電機システムは例えば特許文献１に記載されている。【０００４】
また、風力発電システムは、発電電力（有効電力）を出力することに加えて、電力系統の電圧安定化のために無効電力を出力することが求められる。励磁式回転電機システムでは、回転電機を介して小容量の電力変換器で電力系統に出力する無効電力を制御できるため、一般に、回転機側の電力変換器のみで電力系統に無効電力を出力し、電力系統側の電力変換器は無効電力を出力しないように制御される。このため、電力系統側の電力変換器の容量は回転機側の電力変換器の容量と比べてさらに小容量となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転電機システムにおける制御方式では、回転電機は電力変換器の片側にのみ設けられているため、無効電力は当該回転電機側からのみ出力される。即ち、当該回転電機に備えられる巻線に流れる電流量が大きくなり、回転電機が大型化する。電力系統等の交流電源に供給する電力を発生させる回転電機が大型化すると、回転電機及び電力変換器を搭載する回転電機システムの大型化等にもつながる。【０００７】
そこで本発明では、交流電源に供給する電力を発生させる回転電機を小型化した回転電機システムまたは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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機システムは、第１の固定子巻線を有する第１の固定子、及び該第１の固定子と間隙を設けて配置されると共に第１の回転子巻線を有する第１の回転子を備え、交流電源に供給する電力を発生させる第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、及び該第２の固定子と間隙を設けて配置されると共に第２の回転子巻線を有する第２の回転子を備える第２の回転電機と、前記第１の回転子巻線に接続され、交流と直流を切り替える第１の電力変換器と、前記第２の回転子巻線に接続されると共に前記第１の電力変換器の直流側に接続されて直流と交流を切り替える第２の電力変換器を備え、前記第１の固定子巻線及び前記第２の固定子巻線は前記交流電源に接続され、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする。【０００９】
また、本発明に係る風力発電システムは上記回転電機システムと、風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転するシャフトを備え、前記各回転電機は該シャフトの回転に伴って回転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、交流電源に供給する電力を発生させる回転電機を小型化した回転電機システムまたは風力発電システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例に係る回転電機システム
【図２】実施例に係る回転電機システムの結線略図および検出装置
【図３】実施例に係る回転電機システムの制御方式
【図４】図３の代案に相当する実施例に係る回転電機システムの制御方式
【図５】比較用の励磁式回転電機システムの制御方式
【図６】他の実施例に係る回転電機システム
【図７】更に他の実施例に係る回転電機システム
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る回転電機システムの実施形態について各図を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の実施態様が下記態様に限定されるものではない。
《第１実施形態》
本実施例に係る回転励磁機（１５）は、その固定子巻線（１７）が電力系統（１）に電気的に接続され、その回転子にＩｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）等の電力用半導体スイッチング素子と還流用整流素子であるダイオード素子が逆並列接続された半導体スイッチングユニットが複数ユニット直列接続および並列接続されることで構成される、一般に２レベル変換器や３レベル変換器等の交直電力変換器（３，４）が実装され、その交流端子が回転子巻線（１２，１９）に接続され、かつ、その直流端子に平滑コンデンサ（５）が接続される。図１は、励磁式回転電機の回転子（１１）が前述の回転励磁機（１５）によって需給される直流電力を再び交流電力に変換する交直電力変換器（３）によって交流励磁されることで運転される回転電機システムである。ここで励磁式回転電機（２０）は、電力系統側に発電電力を送る上で主たる回転電機となる。
【００１３】
励磁式回転電機（２０）及び回転励磁機（１５）は同軸のシャフト８に接続されており、シャフト８は、図示しないブレード側へと接続されている。当該ブレードは風を受けて回転するが、当該回転に伴ってシャフト８も回転する。これにより、励磁式回転電機（２０）及び回転励磁機（１５）の回転子も回転する。
【００１４】
前述の図１に示される本発明が適用される回転電機システムに内蔵される電力変換器（３，４）の制御装置（６）は、図２に示される電気的検出器群（２１〜２８）からの入力を用いて、上位制御装置である風車制御装置（７）から与えられる有効電力指令および無効電力指令に従って本回転電機システムを制御する。前記電気的検出器群は、電力系統（１）の電圧Ｖを検出する電圧検出器（２１），回転機電力系統側（１次側）の電流Ｉｇｅｎを検出する電流検出器（２２），回転励磁機電力系統側（１次側）の電流Ｉｅｘｉを検出する電流検出器（２３），回転機電力変換器側（２次側）の電流Ｉｇｅｎ’を検出する電流検出器（２４），回転励磁機電力変換器側の電流Ｉｅｘｉ’を検出する電流検出器（２５），電力変換器（２）の直流部平滑コンデンサ（５）の電圧Ｖｄｃを検出する電圧検出器（２６）および回転子の回転速度ｒｏｔを検出する回転計（２７）から構成される。
【００１５】
尚、電流検出器（２２）もしくは電流検出器（２３）に代えて電力系統の電流を検出する電流検出器（２８）を備え、かつ、キルヒフォッフの電流則および検出したい検出点間におけるインピーダンス情報を用いて補正演算することで、電流検出器（２２）もしくは電流検出器（２３）による検出値の代用とすることも可能である。
【００１６】
さらに、電流検出器（２２）と電流検出器（２４）の組、もしくは、電流検出器（２３）と電流検出器（２５）の組は、それぞれ励磁式回転電機（２０）もしくは回転励磁機（１５）の電気的特性情報を用いてどちらか一方の検出値によって他方を推定し、推定値を検出値の代用とすることもできる。たとえば、電流検出器（２４）の検出値Ｉｇｅｎ’と励磁式回転電機（２０）の電気的特性情報を用いて電流検出器（２２）の検出値を推定し、推定値を検出値Ｉｇｅｎの代用として制御しても良い。以下、制御ブロック図（図３）を用いた制御方法の説明においては全て検出値とし、前述の推定値を用いる場合の推定処理や補正処理等については詳述しないものとする。但し、無論推定値を用いても同様の制御を行うことは可能である。
【００１７】
図３に示す制御ブロック図は、前述の電気的検出器群（２１〜２８）による各検出値および風車制御装置（７）から与えられる有効電力指令（Ｐ*）と無効電力指令（Ｑ*）を入力として、回転電機システム（図１）を制御するためのものである。また、比較対象として従来型の励磁式回転電機システムを制御するための制御ブロックを図５に示す。図３〜５の制御ブロックにおいて、効果発現に関与しない補正処理等については省略して示すものとする。以下、共通する制御ブロックの各機能について述べる。正相検出器（２９）は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのどちらか一方の周波数であり、かつ、交流３相（ＵＶＷ）が、Ｖ相がＵ相に対し１２０度位相遅れ、Ｗ相がＶ相に対し１２０度位相遅れの順となる正相成分の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの内部信号に対する同期信号（Ｒｅ成分）および９０度位相進み成分（Ｉｍ成分）を算出するものであり、前述の５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚは本システムが接続される電力系統（１）の交流周波数に合わせて設定される。電力算出器（３０）は前述の正相検出器２９の算出値Ｖ＿Ｒｅ，Ｖ＿Ｉｍ及びＩ＿Ｒｅ，Ｉ＿Ｉｍ（Ｉｇｅｎ，Ｉｅｘｉの両方）によって有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。位相検出器（３１）は正相検出器（２９）の算出値から位相情報Ｖ＿ｃｏｓ，Ｖ＿ｓｉｎのみを抽出する。回転子位相検出器（３２）は回転機の極対数と回転計２７からの情報ｒｏｔを入力として回転子の電気角位相情報ｇｅｎ＿ｃｏｓ，ｇｅｎ＿ｓｉｎまたはｅｘｉ＿ｃｏｓ，ｅｘｉ＿ｓｉｎを検出する。励磁位相検出器（３３）は電力系統（１）の電圧位相情報Ｖ＿ｃｏｓ，Ｖ＿ｓｉｎと回転子の電気角位相情報ｇｅｎ＿ｃｏｓ，ｇｅｎ＿ｓｉｎ（またはｅｘｉ＿ｃｏｓ，ｅｘｉ＿ｓｉｎ）から位相差情報（すべり）Ｓｇｅｎ＿ｃｏｓ，Ｓｇｅｎ＿ｅｘｉ（またはＳｅｘｉ＿ｃｏｓ，Ｓｅｘｉ＿ｓｉｎ）を算出する。励磁電流検出器（３４）は、入力された位相情報Ｓｇｅｎ＿ｃｏｓ，Ｓｇｅｎ＿ｅｘｉ（またはＳｅｘｉ＿ｃｏｓ，Ｓｅｘｉ＿ｓｉｎ）及びＩｇｅｎ‘を用いて位相情報Ｓ＿ｃｏｓ，Ｓ＿ｓｉｎ（ｇｅｎ，ｅｘｉの両方）に同期した有効電流成分Ｉｄ＿ｇｅｎ及び無効電流成分Ｉｑ＿ｇｅｎ（またはＩｄ＿ｅｘｉ及びＩｑ＿ｅｘｉ）を検出する。ＤＣ−ＡＶＲは平滑コンデンサ５の直流電圧（Ｖｄｃ）を直流電圧指令値（Ｖｄｃ*）に一致させるように有効電流指令値（Ｉｄ*＿ｅｘｉ）を算出する。ＡＣＲは入力された電流指令値Ｉｄ*＿ｇｅｎ及びＩｑ*＿ｇｅｎ（またはＩｄ*＿ｅｘｉ及びＩｑ*＿ｅｘｉ）と検出値Ｉｄ＿ｇｅｎ及びＩｑ＿ｇｅｎ（またはＩｄ＿ｅｘｉ及びＩｑ＿ｅｘｉ）の偏差が最小となるように電圧指令値Ｖｄ*＿ｇｅｎ及びＶｑ*＿ｇｅｎ（またはＶｄ*＿ｅｘｉ及びＶｑ*＿ｅｘｉ）を算出する。ＰＷＭパルス生成器（３５）は入力される位相情報Ｓｇｅｎ＿ｃｏｓ，Ｓｇｅｎ＿ｅｘｉ（またはＳｅｘｉ＿ｃｏｓ，Ｓｅｘｉ＿ｓｉｎ）および電圧指令値Ｖｄ*＿ｇｅｎ及びＶｑ*＿ｇｅｎ（またはＶｄ*＿ｅｘｉ及びＶｑ*＿ｅｘｉ）に基づいて各電力変換器の半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成する。尚、図３におけるＡとＢ，ＣとＤはそれぞれ同種の制御機構であるが、図５では、回転励磁機を用いていなかったので、回転励磁機の回転速度に応じた��波数制御を行う必要はない。よって、図３内に示すＤの制御機構が不要となる。また、回転励磁機が電力変換器の系統側に設けられていないので無効電力制御を行う必要もない。よって、図３内に示すＢの制御機構も不要となる。Ｂの制御機構が不要となるので、回転励磁機（１５）に流れている無効電力値Ｑｅｘｉと回転励磁機（１５）に流れるべき無効電力指令値Ｑｅｘｉ*の比較を行う必要がない。
【００１８】
図５に示す従来型の励磁式回転電機システムの制御方式では、電力系統側電力変換器（４）が、ＤＣ−ＡＶＲによって電力変換器（２）の直流部平滑コンデンサ（５）の電圧（Ｖｄｃ）が電圧指令値（Ｖｄｃ*）に一致するように電力系統（１）と有効電力の需給を制御し、回転機側電力変換器（３）が、励磁式回転電機の固定子から出力する有効電力および無効電力を制御する。電力系統側電力変換器（４）で電力系統（１）と無効電力の需給はしないため、無効電流指令（Ｉｑ*＿ｅｘｉ）に固定値の０が入力されていたものである。
【００１９】
一方、図３に示す本実施例に係る回転電機システム（図１）の制御方式では、回転励磁機（１５）からも有効電力更には無効電力を需給するため、前述の従来型の励磁式回転電機システムの制御方式（図５）に加えて、有効電力指令値（Ｐ*）および無効電力（Ｑ*）を回転励磁機（１５）と励磁式回転電機（２０）に分配する指令値分配器（３６）が備わり、指令値分配器（３６）は、各電力指令値（Ｐ*，Ｑ*），各回転機（１５，２０）のすべり信号Ｓｇｅｎ，Ｓｅｘｉおよび電力系統（１）の電圧振幅Ｖを入力として、各回転機（１５，２０）の電気的特性情報を基に各電力指令値（Ｐｇｅｎ*，Ｐｅｘｉ*，Ｑｇｅｎ*，Ｑｅｘｉ*）を算出する。回転励磁機（１５）が受給する有効電力（Ｐｅｘｉ）は、電力変換器（４）の動作に伴う電力損失を無視すればＤＣ−ＡＶＲで制御される直流部平滑コンデンサ（５）が需給する有効電力と等価となるため、図３に示す制御方式では陽に後段の制御に用いない。しかし、ＤＣ−ＡＶＲの代わりにＡＰＲを備え、電力変換器（３）と同等の制御を実施しても良い。
【００２０】
回転励磁機を備える回転電機システムとしては電力系統１に出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑが上位コントローラによって定められる所望の値に一致する限りにおいては、有効電力Ｐと無効電力Ｑを各電力変換器３，４に、如何にして分配するかは任意に定めることが可能となる。
【００２１】
指令値分配器（３６）は電力系統（１）に出力する有効電力指令（Ｐ*）と無効電力指令（Ｑ*）から各回転機（１５，２０）に流れるべき電流値を算出し、各回転機（１５，２０）に流れるべき電流がおよそ最小になるように、各電力指令値（Ｐ*，Ｑ*）を分配することで、各回転機（１５，２０）を予め大きな電流に耐え得るように設計する必要が無く、小型にすることが可能となる。
【００２２】
また、指令値分配器（３６）は電力系統に出力する有効電力指令（Ｐ*）と無効電力指令（Ｑ*）から各回転機（１５，２０）に流れるべき電流値を算出し、各回転機（１５，２０）に流れるべき電流の絶対値がおよそ等しくなるように、各電力指令値（Ｐ*，Ｑ*）を分配することで、各回転機（１５，２０）の一方のみを予め大きな電流に耐え得るように設計する必要が無く、小型にすることが可能となる。
【００２３】
また、指令値分配器（３６）は電力系統に出力する有効電力指令（Ｐ*）と無効電力指令（Ｑ*）から各回転機（１５，２０）に流れるべき電流値を算出し、各回転機（１５，２０）に流れるべき電流と各回転機の電気的特性から各回転機（１５，２０）で発生する損失がおよそ最小になるように、各電力指令値（Ｐ*，Ｑ*）を分配することで、各回転機（１５，２０）の一方のみを予め大きな発熱に耐え得るように設計する必要が無く、小型にすることが可能となる。
【００２４】
その他、設計事由に係る項目を最適化するように指令値分配器（３６）の内部演算処理を設計することによっても、各回転機（１５，２０）の小型化が可能となる。
【００２５】
なお、本発明に係る回転電機システム（図１）は回転部に電力変換装置（２）が実装されるため、回転系に実装される電気部品と静止系に実装される電気部品が存在する。本発明に係る回転電機システム（図１）は、励磁式回転電機システムのブラシ（１３）とスリップリング（１４）を用いることなく回転子に電力を需給することでメンテナンス性を高めたシステムである。しかし、制御信号のように大きな電力を扱わない配線にはブラシとスリップリングからなる機構によって静止系と回転系の信号伝送を実施しても、ブラシの摩耗は少なくシステムとしてのメンテナンス性は損なわない。従って、図３に示す制御方式において、制御回路を実現する上で適切な信号線をブラシとスリップリングからなる配線としても良い。また、静止系と回転系の信号伝送の方法として無線や光等の非接触通信による方法も採用できる。
【００２６】
例えば、図３に示す制御方式において、長破線矢印が静止系から回転系への非接触な信号伝送により実現されるものを表し、破線矢印が回転系から静止系への非接触な信号伝送により実現されるものを表す。陽に図示しないが、これらの信号通信経路には、非接触伝送に必要な付加的な処理および機器があるものとする。また、図３では回転系と静止系の区分けが明確になる様に仮想の実線Ｅを追加している。この様にすることで電流制御装置の入力となる電流検出信号の信号伝達経路に非接触な信号伝送を介さず、非接触な信号を送信及び受信する回路が不要となり、高速高応答な電流制御が実現できる。これにより電力系統の事故など高速な電流制御が求められる事象にも対応が容易となる。
【００２７】
更に、非接触な信号伝送を採用する信号経路の分け方は図３の限りではなく、例えば図４に示すように、回転系に実装される検出器群からの出力を全て静止系に送信し、静止系で制御方式に従って演算した後、半導体スイッチング素子の駆動パルスのみを回転系に送信しても良い。図４でも回転系と静止系の区分けが明確になる様に仮想の実線Ｆを追加している。この様にすることで回転系に搭載する制御機構を低減でき、回転に伴う故障リスクの低減を図ることができる。無論、回転系と静止系の区分けは、本明細書及び図面で示す様な信号伝送形態に係らず、回転電機システムが出力する有効電力指令値（Ｐ*）および無効電力指令値（Ｑ*）を各回転機（１５，２０）が扱う交流電力を制御する電力変換器（３，４）に分配する機能を有するものであれば、この限りではない。
【００２８】
《その他の実施形態》
本発明に係る回転電機システムは風力発電システムのみならず水力発電システムなど、回転エネルギーを電力変換する発電システムに適用可能である。さらに、電気的エネルギーをトルクとして回転エネルギーに変換する電動機システムにおいても、回転速度とトルクの積がエネルギーであることから、上記実施例で説明した指令値分配器においてトルク指令を各回転機に分配することで同様にシステムを構成する回転機の小型化が可能となる。
【００２９】
また、システムのメンテナンス性が運用上の課題とならない用途では、本発明に係る電力変換器（３）および電力変換器（４）を静止系に実装し、励磁式回転電機システムと同様にブラシ（１３）とスリップリング（１４）によって、回転子へ電力を需給する構成（図６）や、一方の回転機に電力変換器（３，４）を実施し、他方の回転機にブラシ（１３）とスリップリング（１４）によって、電力を受給する構成（図７）においても、同様にシステムを構成する回転機の小型化が可能となる。この場合、回転計は各回転電機毎に設ける必要があり、励磁式回転電機（２０）側の回転子位相検出器（３２）と、回転励磁機（１５）側の回転子位相検出器（３２）には異なる回転速度が入力される。
【００３０】
尚、上記各実施例によれば、励磁式回転電機（２０）が、励磁式回転電機（２０）の出力する有効電力と無効電力を検出する励磁式回転電機側の電力算出器（３０）（励磁式回転電機用の検出手段に相当）及び励磁式回転電機側の電力算出器（３０）を制御する制御手段を備え、回転励磁機（１５）が、回転励磁機（１５）の出力する有効電力と無効電力を検出する回転励磁機側の電力算出器（３０）（回転励磁機用の検出手段に相当）及び回転励磁機側の電力算出器（３０）を制御する制御手段を備えており、励磁式回転電機（２０）と回転励磁機（１５）のそれぞれの無効電力の制御が独立している。従って、電力系統（１）の電圧安定化のために無効電流を出力する際に、励磁式回転電機（２０）と回転励磁機（１５）のそれぞれの無効電力の制御方式が緩衝する恐れもない。
【符号の説明】
【００３１】
１                  電力系統
２                  電力変換器
３、４          （個別の）電力変換器
５                  直流部平滑コンデンサ
６                  電力変換器制御装置
７                  風車制御装置
８                  回転軸もしくはシャフト
９                  回転機固定子鉄心
１０                回転機固定子巻線
１１                回転機回転子鉄心
１２                回転機回転子巻線
１３                ブラシ
１４                スリップリング
１５                回転励磁機
１６                回転励磁機固定子鉄心
１７                回転励磁機固定子巻線
１８                回転励磁機回転子鉄心
１９                回転励磁機回転子巻線
２０                励磁式回転電機
２１                電力系統の電圧検出器
２２                回転機電力系統側（１次側）電流検出器
２３                回転励磁機電力系統側（１次側）電流検出器
２４                回転機電力変換器側（２次側）電流検出器
２５                回転励磁機電力変換器側（２次側）電流検出器
２６                直流部平滑コンデンサ電圧検出器
２７                回転計
２８                電力系統の電流検出器
２９                正相検出器
３０                電力算出器
３１                位相振幅算出器
３２                回転子位相検出器
３３                励磁位相算出器
３４                励磁電流検出器
３５                ＰＷＭパルス生成器
３６                有効電力指令・無効電力指令分配器
ＤＣ−ＡＶＲ        直流電圧自動制御装置
ＡＣＲ              自動電流制御装置
ＡＰＲ              自動有効電力制御装置
ＡＱＲ              自動無効電力制御装置
Ｐ*        有効電力指令
Ｑ*        無効電力指令
Ｖｄｃ          直流電圧検出値
Ｖｄｃ*    直流電圧指令値
Ｉｄ                有効電流
Ｉｄ*     有効電流指令値
Ｉｑ                無効電流
Ｉｑ*     無効電流指令値
Ｖｄ                電力系統電圧と同相成分
Ｖｑ                電力系統電圧と９０度位相進み成分
Ｖ                  電力系統電圧
【図１】
2014181454.tif 000003
【図２】
2014181454.tif 000004
【図３】
2014181454.tif 000005
【図４】
2014181454.tif 000006
【図５】
2014181454.tif 000007
【図６】
2014181454.tif 000008
【図７】
2014181454.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月15日(2016.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の固定子巻線を有する第１の固定子、及び該第１の固定子と間隙を設けて配置されると共に第１の回転子巻線を有する第１の回転子を備え、交流電源に供給する電力を発生させる第１の回転電機と、
第２の固定子巻線を有する第２の固定子、及び該第２の固定子と間隙を設けて配置されると共に第２の回転子巻線を有する第２の回転子を備える第２の回転電機と、
前記第１の回転子巻線に接続され、交流と直流を切り替える第１の電力変換器と、前記第２の回転子巻線に接続されると共に前記第１の電力変換器の直流側に接続されて直流と交流を切り替える第２の電力変換器を備え、
前記第１の固定子巻線及び前記第２の固定子巻線は前記交流電源に接続され、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力の指令もしくはトルク指令、及び無効電力の指令を、それぞれ前記第１の電力変換器に対する指令、及び前記第２の電力変換器に対する指令、に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機が出力する有効電力と無効電力を検出する第１の検出手段及び当該第１の検出手段を制御する第１の制御手段と、
前記第２の回転電機が出力する有効電力と無効電力を検出する第２の検出手段及び当該第２の検出手段を制御する第２の制御手段とを備えていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機に流れる電流が略最小になる様に、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機に流れる電流の絶対値が略等しくなる様に、  前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機で発生する損失が略最小になる様に、前記第１の回転電機及び前記第２の回転電機から前記交流電源に出力される有効電力指令もしくは機械トルク指令、及び無効電力指令を、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に分配することを特徴とする回転電機システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第２の回転電機に流れている無効電力値と前記第２の回転電機に流れるべき無効電力指令値の比較を行い、該比較結果に基づき前記第２の電力変換器に無効電力指令が出力されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器を備え、
前記第１の固定子巻線及び前記交流電源を接続する電気経路と、前記第２の固定子巻線及び前記交流電源とを接続する電気経路が接続部で互いに接続され、前記接続部は前記交流電源と電気的に接続されており、
前記第１の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記第２の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、前記接続部と前記交流電源の間に流れる電流を検出する第３の電流検出器のうち、少なくとも２つを備え、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記第１の回転子巻線及び前記第１の電力変換器の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記第２の回転子巻線及び前記第２の電力変換器の間に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転電機は励磁式回転電機であり、前記第２の回転電機は回転励磁機であり、
前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器の直流接続部の電圧を検出する第１の電圧検出器を備え、
前記第１の固定子巻線と前記交流電源を接続する電気経路と前記第２の固定子巻線と前記交流電源とを接続する電気経路が接続部で互いに接続され、前記接続部は前記交流電源と電気的に接続されており、
前記第１の固定子巻線及び前記接続部の間に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、    前記第２の固定子巻線及び前記接続部の間に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、前記接続部及び前記交流電源の間に流れる電流を検出する第３の電流検出器のうち、少なくとも２つを備え、
前記第１の回転子巻線及び前記第１の電力変換器の間に流れる電流を検出する第４の電流検出器と、前記第２の回転子巻線及び前記第２の電力変換器の間に流れる電流を検出する第５の電流検出器と、
各前記回転電機の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記交流電源の電圧を検出する第２の電圧検出器を備え、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段の検出値に基づき、前記第１の電力変換器及び前記第２の電力変換器に出力する指令が作成されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１０】
請求項７に記載の回転電機システムであって、
前記第１の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流値から前記第１の回転子巻線と前記第１の電力変換器の間に流れる電流値を推定し、
前記第２の固定子巻線と前記接続部の間に流れる電流値から前記第２の回転子巻線と前記第２の電力変換器の間に流れる電流値を推定することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の回転電機システムであって、
前記第１の回転子巻線と前記第１の電力変換器の間に流れる電流値から前記第１の固定子巻線に流れる電流値を推定し、
前記第２の回転子巻線と前記第２の電力変換器の間に流れる電流値から前記第２の固定子巻線に流れる電流値を推定することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段は前記回転部に備えられ、
前記各電圧検出器、前記各電流検出器及び前記回転状態検出手段からの検出値はいずれも前記静止部に備えられる前記制御装置に送信され、前記電力変換器を制御する信号が前記静止部に備えられる前記制御装置から前記回転部に送信されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記回転部に備えられる前記制御装置と前記静止部に備えられる前記制御装置がブラシとスリップリングからなる摺動部を介して制御信号を通信することを特徴とする回転電機システム
【請求項１４】
請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の回転電機システムであって、
前記電力変換器を制御する制御装置が、少なくともいずれかの前記回転子とともに回転する回転部と、静止部に分割して備えられ、
前記回転部に備えられる前記制御装置と前記静止部に備えられる前記制御装置が非接触通信方式を介して制御信号を通信することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか一つに記載の回転電機システムと、
風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転するシャフトを備え、前記各回転電機は該シャフトの回転に伴って回転することを特徴とする風力発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2014181454.tif 000010
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2014181454.tif 000011
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2014181454.tif 000012
【国際調査報告】
2014181454.tif 000013
2014181454.tif 000014
2014181454.tif 000015
2014181454.tif 000016