(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機から入力される交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
前記交直変換器を制御する第１制御回路と、
前記交直変換器から印加される直流電圧を昇圧する直流−直流変換器と、
前記直流−直流変換器を制御する第２制御回路と、を備え、
前記第１制御回路は、前記直流−直流変換器の出力電力が、所定の出力電力指令値に等しくなるように前記交直変換器を制御し、
前記第２制御回路は、前記直流−直流変換器の入力側の直流電圧が、所定の直流電圧指令値に等しくなるように前記直流−直流変換器を制御すること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１制御回路は、前記出力電力と前記出力電力指令値との差に基づいて、前記交直変換器の入力側の交流電流の指令値である交流電流指令値を設定し、前記交流電流指令値に基づいて、前記交直変換器を制御し、
前記第２制御回路は、前記直流電圧と前記直流電圧指令値との差に基づいて、前記直流−直流変換器の入力側の直流電流の指令値である直流電流指令値を設定し、前記直流電流指令値に基づいて、前記直流−直流変換器を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記発電機は、風力発電機であり、
前記第１制御回路は、風速の検出値に基づいて、前記出力電力指令値を設定すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
発電機から入力される交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
前記交直変換器を制御する第１制御回路と、
前記交直変換器から印加される直流電圧を昇圧する直流−直流変換器と、
前記直流−直流変換器を制御する第２制御回路と、を備え、
前記第１制御回路は、前記直流−直流変換器の入力側の直流電圧が、所定の直流電圧指令値に等しくなるように前記交直変換器を制御し、
前記第２制御回路は、前記直流−直流変換器の出力電力が、所定の出力電力指令値に等しくなるように前記直流−直流変換器を制御すること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記第１制御回路は、前記直流電圧と前記直流電圧指令値との差に基づいて、前記交直変換器の入力側の交流電流の指令値である交流電流指令値を設定し、前記交流電流指令値に基づいて、前記交直変換器を制御し、
前記第２制御回路は、前記出力電力と前記出力電力指令値との差に基づいて、前記直流−直流変換器の入力側の直流電流の指令値である直流電流指令値を設定し、前記直流電流指令値に基づいて、前記直流−直流変換器を制御すること
を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記発電機は、風力発電機であり、
前記第２制御回路は、風速の検出値に基づいて、前記出力電力指令値を設定すること
を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置を備えるとともに、
前記発電機と、
ケーブル接続部と、を備え、
前記ケーブル接続部は、前記直流−直流変換器の出力側と、他の発電装置と、を集電ケーブルを介して接続すること
を特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の発電装置を複数備え、
複数の前記発電装置が、前記集電ケーブルを介して順次に接続され、前記集電ケーブルを介して集電された直流電力を、送電ケーブルを介して電力系統側に送電すること
を特徴とする発電システム。
【請求項９】
複数の前記発電装置のうち、前記送電ケーブルが接続される発電装置は、前記送電ケーブルを別の発電装置に接続する場合よりも、複数の前記集電ケーブルの総体積が小さくなるように選定されること
を特徴とする請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記発電機は、風力発電機であること
を特徴とする請求項８又は請求項９に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置、発電装置、及び発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保全の観点から、複数の風力発電装置を備えるウィンドファームの普及が進んでいる。ウィンドファームは、風況や土地の制約、騒音や景観等を考慮して、海岸や洋上に設置されることが多いため、電力系統までの送電距離が長くなる傾向がある。そこで、ウィンドファームから電力系統への送電方式として、送電損失が比較的小さい直流送電が行われている。このような直流送電に関する技術として、例えば、特許文献１には、風力発電装置の発電電力を整流器で直流電力に変換し、さらに、ブーストコンバータで昇圧し、昇圧後の直流電力を電力系統に供給することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５３２６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、風力発電装置が備える風車の回転速度の変化に伴って、整流器の出力側の電圧（つまり、ブーストコンバータの入力側の電圧）が変動する。したがって、例えば、風車の回転速度が小さくなって、整流器の出力側の電圧が低下すると、場合によっては、ブーストコンバータから所望の出力が得られない可能性がある。また、ブーストコンバータの入力側の電圧が低いほど、入力側の電流が大きくなるため、昇圧に伴う損失が増加するという事情もある。
【０００５】
そこで、本発明は、効率の高い電力変換装置等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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は、第１制御回路によって、直流−直流変換器の出力電力が、所定の出力電力指令値に等しくなるように交直変換器を制御し、第２制御回路によって、直流−直流変換器の入力側の直流電圧が、所定の直流電圧指令値に等しくなるように直流−直流変換器を制御することを特徴とする。なお、その他については、実施形態の中で説明する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、効率の高い電力変換装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電システムを含む構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る発電システムの電力変換装置を含む機能ブロック図である。
【図３】風速と出力指令値との関係を示すパワーカーブである。
【図４】（ａ）はＤＣ／ＤＣ電力変換器の出力指令値及び実際の出力の変化を示す説明図であり、（ｂ）は交流電流指令値及び実際の交流電流の変化を示す説明図であり、（ｃ）は直流電圧指令値及び実際の直流電圧の変化を示す説明図であり、（ｄ）は直流電流指令値及び実際の直流電流の変化を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る発電システムの電力変換装置を含む機能ブロック図である。
【図６】（ａ）はＤＣ／ＤＣ電力変換器の出力指令値及び実際の出力の変化を示す説明図であり、（ｂ）は交流電流指令値及び実際の交流電流の変化を示す説明図であり、（ｃ）は直流電圧指令値及び実際の直流電圧の変化を示す説明図であり、（ｄ）は直流電流指令値及び実際の直流電流の変化を示す説明図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る発電システムの構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る発電システムの説明図であり、（ａ）は風力発電装置のケーブル接続部、及び、別の風力発電装置のケーブル接続部の説明図であり、（ｂ）は送電ケーブルが接続される風力発電装置のケーブル接続部の説明図である。
【図９】（ａ）は第３実施形態に係る発電システムにおける集電ケーブル及び送電ケーブルの接続関係を示す説明図であり、（ｂ）は比較例に係る発電システムにおける集電ケーブル及び送電ケーブルの接続関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
≪第１実施形態≫
＜発電システムの構成＞
図１は、第１実施形態に係る発電システム１００を含む構成図である。
図１に示す発電システム１００は、複数の風力発電装置１０α，１０β，…（発電装置）を備えるウィンドファームである。
風力発電装置１０αは、風力発電を行う装置である。風力発電装置１０αは、風車１１と、発電機１２と、電力変換装置Ｗと、電流計１７ａ，１７ｂ（図２参照）と、電圧計１７ｃ（図２参照）と、電力計１７ｄ（図２参照）と、を備えている。
【００１０】
風車１１は、風力によって回転するブレードである。
発電機１２は、風車１１の回転エネルギ（運動エネルギ）を交流電力に変換する風力発電機である。発電機１２は、図示はしないが、風車１１の回転軸に連結される回転子と、この回転子に対して同軸で配置される固定子と、を備えている。なお、発電機１２として、例えば、誘導発電機や同期発電機を用いることができるが、これに限定されない。
【００１１】
電力変換装置Ｗは、発電機１２の発電電力（交流電力）を直流電力に変換し、さらに、この直流電力を昇圧する装置である。電力変換装置Ｗは、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３（交直変換器）と、制御回路１４（第１制御回路）と、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５（直流−直流変換器）と、制御回路１６（第２制御回路）と、を備えている。
【００１２】
ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３は、発電機１２から入力される交流電力を直流電力に変換する自励式のコンバータである。ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３は、図示なしないが、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）がブリッジ形に接続されてなるブリッジ回路と、このブリッジ回路の直流側に並列接続される平滑コンデンサと、を備えている。図１に示すように、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３は、その入力側が発電機１２に接続され、出力側がＤＣ／ＤＣ電力変換器１５に接続されている。
【００１３】
制御回路１４は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力が、所定の出力指令値に等しくなるようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御する回路である。制御回路１４は、図示はしないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。そして、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、ＣＰＵが各種処理を実行するようになっている。なお、制御回路１４が実行する処理については、後記する。
【００１４】
ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５は、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３から印加される直流電圧を昇圧するコンバータである。ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５として、例えば、周知のチョッパ回路、スイッチングレギュレータ、リニアレギュレータを用いることができるが、これに限定されない。
【００１５】
制御回路１６は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧が、所定の直流電圧指令値に等しくなるようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御する回路である。制御回路１６は、図示はしないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。なお、制御回路１６が実行する処理については、後記する。
【００１６】
他の風力発電装置１０β，…は、風力発電装置αと同様の構成を備えている。そして、風力発電装置１０α，１０β，…の発電電力がケーブルＨを介して集電され、集電された発電電力が電力系統３０側に送電されるようになっている。
なお、風力発電装置１０α，１０β，…は、それぞれ、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力側とケーブルＨとを接続するケーブル接続部（図示せず）を備えている。
【００１７】
図１に示すＤＣ／ＡＣ電力変換器２１は、ケーブルＨを介して送電されてくる直流電力を交流電力に変換するコンバータである。ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１から出力される交流電力は、電力系統３０に供給される。
制御回路２２は、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１を制御する回路であり、図示はしないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。
【００１８】
図２は、発電システム１００の電力変換装置Ｗを含む機能ブロック図である。
なお、図２では、電力線を実線で図示し、信号線を破線で図示している。
図２に示す電流計１７ａは、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側の交流電流を検出するセンサである。電流計１７ｂは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電流を検出するセンサである。電圧計１７ｃは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧を検出するセンサである。電力計１７ｄは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力（電力）を検出するセンサである。
【００１９】
電流計２３ａは、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の出力側の交流電流を検出するセンサである。電圧計２３ｂは、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の入力側の直流電圧を検出するセンサである。
【００２０】
図２に示すように、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の制御回路１４は、電力制御部１４１と、変換器制御部１４２と、を備えている。
電力制御部１４１は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃと、所定の出力指令値Ｐｄｃｒ（つまり、発電電力の指令値）との差に基づいて、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを設定する。前記した交流電流指令値Ｉ１ａｃｒとは、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側における交流電流の指令値である。図２に示すように、電力制御部１４１は、減算器１４１ａと、ＰＩ制御部１４１ｂと、を備えている。
【００２１】
減算器１４１ａは、出力指令値Ｐｄｃｒから、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃを減算する機能を有している。この出力Ｐｄｃは、電力計１７ｄによって検出される。
ＰＩ制御部１４１ｂは、ＰＩ制御（比例積分制御）に基づいて、減算器１４１ａの減算結果がゼロに近づくように交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを設定する。ＰＩ制御部１４１ｂによって設定された交流電流指令値Ｉ１ａｃｒは、変換器制御部１４２に出力される。
【００２２】
変換器制御部１４２は、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側の交流電流Ｉ１ａｃが交流電流指令値Ｉ１ａｃｒに等しくなるように、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御する（つまり、各スイッチング素子のゲートパルスを生成する）。なお、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側の交流電流Ｉ１ａｃは、電流計１７ａによって検出される。このようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御することで、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃを、前記した出力指令値Ｐｄｃｒに近づけることができる。
次に、制御回路１４における出力指令値Ｐｄｃｒの設定方法の一例を、図３を用いて説明する。
【００２３】
図３は、風速と出力指令値との関係を表すパワーカーブである。
制御回路１４は、風速計（図示せず）によって検出される風速（図１の風車１１に吹きつける風の風速）に基づき、図３に示すパワーカーブを用いて、出力指令値Ｐｄｃｒを設定する。つまり、制御回路１４は、風速が大きくなるにつれて出力指令値Ｐｄｃｒを大きくし、さらに、風速が所定値ｗｓ１に達したら定格運転を行う（つまり、出力指令値Ｐｄｃｒを一定にする）。このようなパワーカーブは、事前の実験に基づいて設定され、制御回路１４に予め記憶されている。
【００２４】
ちなみに、風速によって実際の発電電力が一義的に決まるとは限らない。例えば、風が吹いているときでも、風車１１を遊転又は停止させることがある。その他、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力よりも出力の方が一時的に小さくなったときには、余剰のエネルギによって風車１１が加速する。一方、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力よりも出力の方が一時的に大きくなったときには、不足分のエネルギによって風車１１が減速する。このように風車１１の回転速度は、風速の他に、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３等の動作によっても変動する。図３に示すパワーカーブは、このような変動も考慮して、風力発電を高効率で行えるように設定されている。
【００２５】
再び、図２に戻って説明を続ける。
ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の制御回路１６は、直流電圧制御部１６１と、変換器制御部１６２と、を備えている。
直流電圧制御部１６１は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側（低圧側）の直流電圧Ｖ１ｄｃと、所定の直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒとの差に基づいて、直流電流指令値Ｉｄｃｒを設定する。前記した直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒは、例えば、直流送電に伴う送電損失を考慮して、直流電圧Ｖ１ｄｃの定格値に設定される。図２に示すように、直流電圧制御部１６１は、減算器１６１ａと、ＰＩ制御部１６１ｂと、を備えている。
【００２６】
減算器１６１ａは、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒから、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃを減算する機能を有している。この直流電圧Ｖ１ｄｃは、電圧計１７ｃによって検出される。
ＰＩ制御部１６１ｂは、ＰＩ制御（比例積分制御）に基づいて、減算器１６１ａの減算結果がゼロに近づくように直流電流指令値Ｉｄｃｒを設定する。この直流電流指令値Ｉｄｃｒは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側における直流電流の指令値である。ＰＩ制御部１６１ｂによって設定された直流電流指令値Ｉｄｃｒは、変換器制御部１６２に出力される。
【００２７】
変換器制御部１６２は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側（低圧側）の直流電流Ｉｄｃが直流電流指令値Ｉｄｃｒに等しくなるように、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御する。なお、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電流Ｉｄｃは、電流計１７ｂによって検出される。このようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御することで、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃを、前記した直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに近づけることができる。
【００２８】
ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の制御回路２２は、直流電圧制御部２２１と、変換器制御部２２２と、を備えている。
直流電圧制御部２２１は、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の入力側の直流電圧Ｖ２ｄｃが、所定の直流電圧指令値Ｖ２ｄｃｒに等しくなるように交流電流指令値Ｉ２ａｃｒを設定する。この交流電流指令値Ｉ２ａｃｒは、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の出力側における交流電流の指令値である。
変換器制御部２２２は、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の出力側の交流電流Ｉ２ａｃが、所定の交流電流指令値Ｉ２ａｃｒに等しくなるようにＤＣ／ＡＣ電力変換器２１を制御する。なお、交流電流Ｉ２ａｃは、電流計２３ａによって検出される。
【００２９】
＜発電システムにおける処理＞
図４（ａ）は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力指令値Ｐｄｃｒ、及び実際の出力Ｐｄｃの変化を示す説明図である（適宜、図２を参照）。
図４（ａ）に示す例では、制御回路１４が、時刻ｔ１において出力指令値Ｐｄｃｒ（つまり、発電電力の指令値）をステップ状に増加させた後、時刻ｔ２において出力指令値Ｐｄｃｒをステップ状に減少させている。
【００３０】
図４（ｂ）は、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒ、及び実際の交流電流Ｉ１ａｃ（実効値）の変化を示す説明図である。
前記したように、時刻ｔ１において出力指令値Ｐｄｃｒがステップ状に増加すると（図４（ａ）参照）、この出力指令値Ｐｄｃｒよりも実際の出力Ｐｄｃの方が一時的に小さくなる。したがって、電力制御部１４１は、実際の出力Ｐｄｃを出力指令値Ｐｄｃｒに近づけるために交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを増加させ（図４（ｂ）参照）、この交流電流指令値Ｉ１ａｃｒに基づいて、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３のゲートパルスを生成する。その結果、交流電流Ｉ１ａｃが交流電流指令値Ｉ１ａｃｒに略一致するまで増加し（図４（ｂ）参照）、また、出力Ｐｄｃが出力指令値Ｐｄｃｒに略一致するまで増加する（図４（ａ）参照）。
【００３１】
図４（ｃ）は、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒ、及び実際の直流電圧Ｖ１ｄｃの変化を示す説明図である。図４（ｄ）は、直流電流指令値Ｉｄｃｒ、及び実際の直流電流Ｉｄｃの変化を示す説明図である。
前記したように、時刻ｔ１以後に交流電流Ｉ１ａｃが増加すると（図４（ｂ）参照）、それに伴って、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５に供給される直流電流Ｉｄｃも増加する（図４（ｄ）参照）。その結果、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５において、出力よりも入力の方が一時的に大きくなるため、直流電圧Ｖ１ｄｃがいったん上昇する（図４（ｃ）参照）。したがって、直流電圧制御部１６１は、実際の直流電圧Ｖ１ｄｃを直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに近づけるために、直流電流指令値Ｉｄｃｒを増加させる（図４（ｄ）参照）。これによって、いったん増加した直流電圧Ｖ１ｄｃが、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに略一致するまで低下する。
【００３２】
その後、時刻ｔ２において出力指令値Ｐｄｃｒがステップ状に減少された場合にも同様に（図４（ａ）参照）、電力制御部１４１は、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを減少させることで（図４（ｂ）参照）、実際の出力Ｐｄｃを出力指令値Ｐｄｃｒに近づける（図４（ａ）参照）。また、直流電圧制御部１６１は、直流電流指令値Ｉｄｃｒを減少させることで（図４（ｄ）参照）、いったん低下した直流電圧Ｖ１ｄｃを直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに近づける（図４（ｃ）参照）。
【００３３】
このように、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃが（図４（ｃ）参照）、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒよりも一時的に大きくなったり、また、小さくなったりしても、直流電圧Ｖ１ｄｃが直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに略一致する状態に戻すことができる。
なお、他の風力発電装置１０β，…（図１参照）においても、同様の処理が行われる。
【００３４】
＜効果＞
第１実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃが、所定の出力指令値Ｐｄｃｒに等しくなるようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３が制御されるため、風力発電を高効率で行うことができる。また、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃが、昇圧比等を考慮した所定の直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに等しくなるようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５が制御される。これによって、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５での電力変換に伴う損失を低減し、高効率化を図ることができる。
【００３５】
また、風速の変化に伴って風車１１の回転速度も変化するが、前記した制御回路１４，１６の処理によって、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側における直流電圧Ｖ１ｄｃの変動を抑制できる。したがって、ケーブルＨ（図１参照）を介した送電距離（例えば、数十ｋｍ）が比較的長い場合にも、送電損失を考慮した所定の直流電圧で直流送電を行うことができる。
【００３６】
≪第２実施形態≫
＜発電システムの構成＞
第２実施形態は、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒに基づいて、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃを制御する点が、第１実施形態とは異なっている。また、第２実施形態は、直流電流指令値Ｉｄｃｒに基づいて、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃを制御する点が、第１実施形態とは異なっている。なお、その他については、第１実施形態（発電システム１００の全体構成等：図１参照）と同様である。したがって、第１実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００３７】
＜発電システムの構成＞
図５は、発電システム１００Ａの電力変換装置ＷＡを含む機能ブロック図である。
図５に示すように、電力変換装置ＷＡは、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３と、制御回路１４Ａ（第１制御回路）と、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５と、制御回路１６Ａ（第２制御回路）と、を備えている。
【００３８】
制御回路１４Ａは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃが、所定の直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに等しくなるようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御する。図５に示すように、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の制御回路１４Ａは、直流電圧制御部１４３と、変換器制御部１４４と、を備えている。
【００３９】
直流電圧制御部１４３は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側（低圧側）の直流電圧Ｖ１ｄｃと、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒとの差に基づいて、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを設定する。この交流電流指令値Ｉ１ａｃｒは、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側における交流電流の指令値である。
【００４０】
図５に示すように、直流電圧制御部１４３は、減算器１４３ａと、ＰＩ制御部１４３ｂと、を備えている。
減算器１４３ａは、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒから、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃを減算する機能を有している。
ＰＩ制御部１４３ｂは、ＰＩ制御（比例積分制御）に基づいて、減算器１４３ａの減算結果がゼロに近づくように交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを設定する。ＰＩ制御部１４３ｂによって設定された交流電流指令値Ｉ１ａｃｒは、変換器制御部１４４に出力される。
【００４１】
変換器制御部１４４は、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側の交流電流Ｉ１ａｃが交流電流指令値Ｉ１ａｃｒに等しくなるように、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御する。このようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３を制御することで、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電圧Ｖ１ｄｃを、前記した直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに近づけることができる。
【００４２】
制御回路１６Ａは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃが、所定の出力指令値Ｐｄｃｒに等しくなるようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御する。図５に示すように、制御回路１６Ａは、電力制御部１６３と、変換器制御部１６４と、を備えている。
【００４３】
電力制御部１６３は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃと、所定の出力指令値Ｐｄｃｒとの差に基づいて、直流電流指令値Ｉｄｃｒを設定する。前記した直流電流指令値Ｉｄｃｒは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側における直流電流の指令値である。図５に示すように、電力制御部１６３は、減算器１６３ａと、ＰＩ制御部１６３ｂと、を備えている。
【００４４】
減算器１６３ａは、出力指令値Ｐｄｃｒから、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃを減算する機能を有している。なお、出力指令値Ｐｄｃｒは、例えば、第１実施形態で説明したパワーカーブ（図３参照）に基づいて設定される。
ＰＩ制御部１６３ｂは、ＰＩ制御に基づいて、減算器１６３ａの減算結果がゼロに近づくように直流電流指令値Ｉｄｃｒを設定する。ＰＩ制御部１６３ｂによって設定された直流電流指令値Ｉｄｃｒは、変換器制御部１６４に出力される。
【００４５】
変換器制御部１６４は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の直流電流Ｉｄｃが直流電流指令値Ｉｄｃｒに等しくなるように、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御する。このようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５を制御することで、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃを、前記した出力指令値Ｐｄｃｒに近づけることができる。
【００４６】
なお、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２１の制御回路２２については、第１実施形態（図２参照）と同様の構成であるから、説明を省略する。
【００４７】
＜発電システムにおける処理＞
図６は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の「出力」、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３の入力側の「交流電流」、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の「直流電圧」、及び、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の入力側の「直流電流」の説明図である。
例えば、時刻ｔ１において出力指令値Ｐｄｃｒがステップ状に増加されると（図６（ａ）参照）、電力制御部１６３は、実際の発電電力Ｐｄｃを出力指令値Ｐｄｃｒに近づけるために、直流電流指令値Ｉｄｃｒを増加させる（図６（ｄ）参照）。その結果、直流電流Ｉｄｃが直流電流指令値Ｉｄｃｒに略一致するまで増加し、また、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃが出力指令値Ｐｄｃｒに略一致するまで増加する（図６（ａ）参照）。
【００４８】
また、直流電流Ｉｄｃが増加すると、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５において、入力よりも出力の方が一時的に大きくなるため、直流電圧Ｖ１ｄｃがいったん低下する（図６（ｃ）参照）。したがって、直流電圧制御部１６１は、実際の直流電圧Ｖｄｃを直流電圧指令値Ｖｄｃｒに近づけるために、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを増加させる（図６（ｂ）参照）。その結果、いったん低下した直流電圧Ｖ１ｄｃが、直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに略一致するまで上昇する（図６（ｃ）参照）。
【００４９】
その後、時刻ｔ２において出力指令値Ｐｄｃｒがステップ状に減少された場合についても同様に（図６（ａ）参照）、電力制御部１６３は、実際の出力Ｐｄｃを出力指令値Ｐｄｃｒに近づけるために、直流電流指令値Ｉｄｃｒを減少させる（図６（ｄ）参照）。また、直流電圧制御部１４３は、いったん上昇した直流電圧Ｖ１ｄｃを直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに近づけるために（図６（ｃ）参照）、交流電流指令値Ｉ１ａｃｒを減少させる（図６（ｂ）参照）。
【００５０】
＜効果＞
第２実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力Ｐｄｃが、所定の出力指令値Ｐｄｃｒに等しくなるようにＡＣ／ＤＣ電力変換器１３が制御されるため、風力発電を高効率で行うことができる。また、直流電圧Ｖ１ｄｃが、昇圧比等を考慮した所定の直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒに等しくなるようにＤＣ／ＤＣ電力変換器１５が制御される。これによって、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５での電力変換に伴う損失を低減できる。
【００５１】
≪第３実施形態≫
第３実施形態は、風力発電装置１０α等（図７参照）の発電電力を集電する集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の接続関係が第１実施形態とは異なっているが、その他については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００５２】
なお、第１実施形態では、集電ケーブル及び送電ケーブルを「ケーブルＨ」（図１参照）として記載し、また、ケーブルＨが接続されるケーブル接続部の図示を省略していた（図１参照）。第３実施形態では、これらのケーブル接続部１８α，１８β等（図７参照）について詳細に説明するとともに、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の接続関係についても詳細に説明する。
【００５３】
図７は、第３実施形態に係る発電システム１００Ｂの構成図である。
なお、図７では、風力発電装置１０αが備える風車１１、発電機１２、ＡＣ／ＤＣ電力変換器１３、制御回路１４，１６，２２（図１参照）の図示を省略している。
図７に示すように、風力発電装置１０αは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５やケーブル接続部１８α等を備えている。ケーブル接続部１８αは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の出力側と、他の風力発電装置１０β（つまり、風力発電装置１０βのケーブル接続部１８β）と、を集電ケーブルＨ１を介して接続するためのものである。
【００５４】
なお、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…は、風力発電装置１０α，１０β，…，１０φ，…，１０ψ，１０ωの発電電力を集電するためのケーブルである。
また、送電ケーブルＨ２は、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して集電された発電電力（直流電力）を電力系統３０側に送電するためのケーブルである。
【００５５】
図８（ａ）は、風力発電装置１０αのケーブル接続部１８α、及び、別の風力発電装置１０βのケーブル接続部１８βの説明図である。
図８（ａ）に示すように、ケーブル接続部１８αは、正側（＋）の端子台１８ａと、負側（−）の端子台１８ｂと、を備えている。正側の端子台１８ａは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の正側に接続された電力線ｉ１と、集電ケーブルＨ１の正側の電力線ｉ２と、を接続するものである。負側の端子台１８ｂは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５の負側に接続された電力線ｊ１と、集電ケーブルＨ１の負側の電力線ｊ２と、を接続するものである。このように、風力発電装置１０αと、別の風力発電装置１０βと、が集電ケーブルＨ１を介して相互に接続されている。
【００５６】
図７に示す風力発電装置１０βは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器１５やケーブル接続部１８β等を備えている。図８（ａ）に示すように、ケーブル接続部１８βは、正側（＋）の端子台１８ｃと、負側（−）の端子台１８ｄと、を備えている。端子台１８ｃ，１８ｄは、集電ケーブルＨ１の電力線ｉ３，ｊ３を介して供給される風力発電装置１０αの発電電力、及び、電力線ｉ４，ｊ４を介して供給される風力発電装置１０βの発電電力を集電し、集電した発電電力を別の集電ケーブルＨ１の電力線ｉ５，ｊ５に導くものである。ちなみに、集電ケーブルＨ１の正側・負側の電力線に流れる電流が大きいほど、また、電力線間の電位差が大きいほど、径の大きな（つまり、太い）集電ケーブルＨ１が用いられる。
【００５７】
図８（ｂ）は、送電ケーブルＨ２が接続される風力発電装置１０φのケーブル接続部１８φの説明図である。
図８（ｂ）に示すように、ケーブル接続部１８φは、正側（＋）の端子台１８ｅと、負側（−）の端子台１８ｆと、を備えている。端子台１８ｅ，１８ｆは、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して、風力発電装置１０α，１０β，…（図７参照）から順次に集電された発電電力、及び、風力発電装置１０ω，１０ψ，…（図７参照）から順次に集電された発電電力を周縁し、集電した発電電力（直流電力）を送電ケーブルＨ２に導くものである。このように、風力発電装置１０α，１０β，…，１０φ，…，１０ψ，１０ω（図７参照）が、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して順次に接続され、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して集電された発電電力を、送電ケーブルＨ２を介して電力系統３０側に送電するようになっている。
【００５８】
次に、一例として、５つの風力発電装置１０α，１０β，１０γ，１０δ，１０ε（図９（ａ）、（ｂ）参照）から集電する際の集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…及び送電ケーブルＨ２の接続関係について説明する。
【００５９】
図９（ａ）は、本実施形態に係る発電システム１００Ｂにおける集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…及び送電ケーブルＨ２の接続関係を示す説明図である。
図９（ａ）に示す例では、風力発電装置１０α，１０βの発電電力を風力発電装置１０γに向けて順次に集電するとともに、風力発電装置１０ε，１０δの発電電力を風力発電装置１０γに向けて順次に集電し、集電した発電電力を送電ケーブルＨ２に導くようになっている。つまり、風力発電装置１０γに向けて両側から集電するように、各集電ケーブルＨ１及び送電ケーブルＨ２が接続されている。
【００６０】
ここで、一つの風力発電装置（例えば、風力発電装置１０α）の発電電力の集電に要する集電ケーブルＨ１の断面積をＳとする。また、集電ケーブルＨ１の断面積が、集電される発電電力の大きさに比例するものとする。また、それぞれの集電ケーブルＨ１の長さＬが同一であるものとする。そうすると、図９（ａ）に示す４本の集電ケーブルＨ１の総体積ＶＫＢは、以下の（数式１）で表される。
【００６１】
ＶＫＢ＝（Ｓ＋２Ｓ＋２Ｓ＋Ｓ）Ｌ＝６ＳＬ  ・・・（数式１）
【００６２】
図９（ｂ）は、比較例に係る発電システム１００Ｚにおける集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…及び送電ケーブルＨ２の接続関係を示す説明図である。
図９（ｂ）に示す比較例では、図９（ａ）とは異なり、一方側（つまり、風力発電装置１０α側）から風力発電装置１０εに向けて順次に集電するように、各集電ケーブルＨ１及び送電ケーブルＨ２が接続されている。したがって、４本の集電ケーブルＨ１の総体積ＶＫＺは、以下の（数式２）で表される。
【００６３】
ＶＫＺ＝（Ｓ＋２Ｓ＋３Ｓ＋４Ｓ）Ｌ＝１０ＳＬ  ・・・（数式２）
【００６４】
このように、図９（ｂ）に示す比較例では、図９（ａ）に示す本実施形態よりも、４本の集電ケーブルＨ１の総体積が大きくなっている（ＶＫＢ＜ＶＫＺ）。これは、比較例では、送電ケーブルＨ２が接続されている風力発電装置１０εに向けて、一方から（つまり、風力発電装置αから）順次に集電しているためである。
【００６５】
これに対して本実施形態では、前記したように、送電ケーブルＨ２が接続されている風力発電装置１０γに向けて両側から集電するようにしている。これによって、４本の集電ケーブルＨ１の総体積ＶＫＢを、比較例の総体積ＶＫＺよりも小さくすることができる。
【００６６】
このように、送電ケーブルＨ２が接続される風力発電装置１０γは（図９（ａ）参照）、送電ケーブルＨ２を別の風力発電装置（例えば、風力発電装置１０ε：図９（ｂ）参照）に接続する場合よりも、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の総体積が小さくなるように選定されている。これによって、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…に要するコストを低減できる。
【００６７】
なお、実際には、風力発電装置１０α，１０β，１０γ，１０δ，１０εが等間隔で設置されているとは限らない。したがって、各風力発電装置の設置位置や、集電される発電電力の電流・電圧等を考慮して、送電ケーブルＨ２を接続する風力発電装置を選定し、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の総体積が最も小さくなるようにすることが好ましい。これによって、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…に要するコストを最小化できる。
【００６８】
＜効果＞
第３実施形態によれば、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して順次に集電し、集電した発電電力を、送電ケーブルＨ２を介して送電するように構成されている。したがって、例えば、複数の風力発電装置を洋上に設ける場合において、各風力発電装置の発電電力を集電するための洋上プラットフォーム（中継設備）を設ける必要がないため、設備コストを従来よりも大幅に低減できる。
【００６９】
また、送電ケーブルＨ２が接続される風力発電装置１０γ（図９（ａ）参照）は、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の総体積が小さくなるように選定されている。したがって、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…に要するコストを従来よりも低減できる。
【００７０】
≪変形例≫
以上、本発明に係る発電システム１００等について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
また、第１実施形態（図２参照）では、制御回路１４が出力指令値Ｐｄｃｒを設定し、別の制御回路１６が直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒを設定する場合について記載したが、これに限らない。例えば、出力指令値Ｐｄｃｒや直流電圧指令値Ｖ１ｄｃｒを上位の制御装置（図示せず）によって設定するようにしてもよい。また、パワーカーブ（図３参照）に基づいて出力指令値Ｐｄｃｒを設定せずに、他の周知の方法を用いて出力指令値Ｐｄｃｒを設定してもよい。なお、第２実施形態（図５参照）についても同様のことがいえる。
【００７１】
また、各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせ、第２実施形態で説明した風力発電装置１０α等を、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…の総体積が小さくなるように接続してもよい。
【００７２】
また、第３実施形態では、風力発電装置１０α等において第１実施形態と同様の処理（電力変換）が行われる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換やＤＣ／ＤＣ変換として、他の周知の方法を用いてもよい。
【００７３】
また、例えば、複数の風力発電装置を備えるウィンドファームが複数設けられた構成において、集電ケーブルＨ１，Ｈ１，…を介して複数のウィンドファームから発電電力を集電し、集電した発電電力を、送電ケーブルＨ２を介して電力系統３０に送電するようにしてもよい。これによって、集電専用の洋上プラットフォームを設ける必要がないため、設備コストを低減できる。
【００７４】
また、各実施形態では、風力発電の発電電力を電力変換し、さらに集電・送電する構成について説明したが、これに限らない。すなわち、潮流発電や地熱発電等、自然エネルギを利用した他の発電方式にも各実施形態を適用できる。
【００７５】
また、各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記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、前記した機構や構成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機構や構成を示しているとは限らない。
【００７６】
また、電力線や信号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電力線や信号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】
【００７７】
１００，１００Ａ，１００Ｂ  発電システム
１０α，１０β，１０γ，１０δ，１０ε，１０φ，１０ψ，１０ω  風力発電装置
１１    風車
１２    発電機
Ｗ，ＷＡ      電力変換装置
１３    ＡＣ／ＤＣ電力変換器（交直変換器）
１４、１４Ａ  制御回路（第１制御回路）
１４１  電力制御部
１４２  変換器制御部
１４３  直流電圧制御部
１４４  変換器制御部
１５    ＤＣ／ＤＣ電力変換器（直流−直流変換器）
１６，１６Ａ    制御回路（第２制御回路）
１６１  直流電圧制御部
１６２  変換器制御部
１６３  電力制御部
１６４  変換器制御部
１８α，１８β，１８φ，１８ψ，１８ω  ケーブル接続部
３０    電力系統
Ｈ１  集電ケーブル
Ｈ２  送電ケーブル
【図１】
0006656081.tif 000002
【図２】
0006656081.tif 000003
【図３】
0006656081.tif 000004
【図４】
0006656081.tif 000005
【図５】
0006656081.tif 000006
【図６】
0006656081.tif 000007
【図７】
0006656081.tif 000008
【図８】
0006656081.tif 000009
【図９】
0006656081.tif 000010