(57)【要約】【課題】安定した発電電力の供給を安価に、且つ高効率で行う。【解決手段】電力変換装置１０は、永久磁石型交流発電機３によって発電される交流電力を直流電力に変換するとともに、３相ブリッジ接続された６つのダイオードで構成するコンバータ１０１と、コンバータ１０１から供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータ１０２とを備える。【選択図】　図１
2004147423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
コンバータから供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータと、
を具備する電力変換装置であって、
前記コンバータは、３相ブリッジ接続された６つのダイオードを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記コンバータから供給される直流電力を昇圧して、前記インバータへ供給する昇圧手段を具備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】
請求項１に記載の電力変換装置の制御方法であって、
永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置の制御方法であって、
永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うとともに、前記永久磁石型交流発電機の発電電力を電力系統へ供給できない場合には、前記昇圧手段を作動させることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型発電機による発電電力を電力系統へ供給するための電力変換装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電システムでは、例えば、特開２００１−１９００９６号公報に示されているように、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を電力変換装置を介して制御することにより、風の瞬時的な変動に起因する発電電力の変動、及びプロペラの羽がプロペラを指示するポールと重なることに起因する発電電力の変動などを適切に制御し、電力系統への安定した電力供給を可能としている。
【０００３】
上述した電力変換装置は、風力発電によって発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換して、電力系統へ供給するインバータとを備えている。
従来、上記コンバータやインバータは、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子が３相ブリッジ接続されて構成されており、これらのスイッチング素子のオンオフ制御を行うことにより、安定した発電電力を電力系統へ供給している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２０６１３３号公報
【特許文献２】
特開平１１−１３６０５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＩＧＢＴなどのスイッチング素子はいずれも高額であり、また、ブリッジ接続されていることから素子数が非常に多いため、電力変換装置が非常に高額になってしまうという欠点があった。また、常に、これらのスイッチング素子を作動させているため、スイッチング損失が大きいといった問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安定した発電電力の供給を安価に、且つ高効率で行うことが可能な電力変換装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータとを具備する電力変換装置であって、前記コンバータは、３相ブリッジ接続された６つのダイオードを備えることを特徴とする電力変換装置を提供する。
【０００８】
本発明によれば、スイッチング素子に代わって、ダイオードを３相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【０００９】
また、上記記載の電力変換装置は、前記コンバータから供給される直流電力を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができるので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【００１１】
また、本発明は、請求項１に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【００１２】
この発明によれば、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【００１３】
また、本発明は、請求項２に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うとともに、前記永久磁石型交流発電機の発電電力を電力系統へ供給できない場合には、前記昇圧手段を作動させることを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【００１４】
この発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されない場合には、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くするので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１に本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合のシステム全体の構成を示す。
同図に示すように、風力発電システムにおいて、プロペラ２は永久磁石型交流発電機３の回転子に結合され、回転子を回転駆動する。回転子の周囲には円筒形状の固定子が配置されている。なお、永久磁石型交流発電機３については、周知であるので説明を省略する。
永久磁石型交流発電機３の回転子には、回転角センサ４が直結接続されており、回転に応じたパルスを制御装置５へ出力する。なお、回転角センサ４は、例えばシャフトエンコーダである。
また、プロペラ２によって永久磁石型交流発電機３の回転子が回転されると、固定子のコイルに３相交流電力が誘起され、この発電電力が電力変換装置１０へ供給される。
【００１６】
ここで、電力変換装置１０は、３相ブリッジ接続された６つのダイオード１１〜１６により構成されるコンバータ１０１、同様に、３相ブリッジ接続されたスイッチング素子２１〜２６により構成されるインバータ１０２、コンバータ１０１とインバータ１０２との間に介挿されるコンデンサ１０３とから構成される。
【００１７】
電力変換装置１０へ供給された３相交流電力は、コンバータ１０１によって直流電力に変換され、コンデンサ１０３により平滑されてインバータ１０２へ供給される。
そして、インバータ１０２内のスイッチング素子２１〜２６が制御装置５のスイッチング指令に基づいてスイッチング制御されることにより、インバータ１０２へ供給された直流電力は、電力系統と同一周波数の交流電力へ変換され、電力系統へ供給される。
なお、上記スイッチング素子２１〜２６としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタなどが挙げられる。
【００１８】
次に、制御装置５の動作について図２を参照して説明する。
図２は、制御装置５の制御ロジックを示した図である。
同図に示すように、制御装置５の減算器５１は、回転角センサ４から出力されるパルスに基づき得られる実回転数ωと目標回転数ω＊とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御部５２へ出力する。
なお、上記目標回転数ω＊とは、目標発電電力から導出される情報である。
【００１９】
制御器５２は、減算器５１の算出結果に基づき、ＰＩＤ制御を行うことにより、直流電圧指令Ｖｄｃ＊を算出し、この直流電圧指令Ｖｄｃ＊を減算器５３へ出力する。
続いて、減算器５３は、制御器５２から供給される直流電圧指令Ｖｄｃ＊と、実直流電圧Ｖｄｃとを比較し、指令に対する実測値の差を算出し、算出結果を制御器５４へ供給する。ここで、実直流電圧Ｖｄｃは、コンデンサ１０３の両端の電圧である。
【００２０】
制御器５４は、減算器５３の算出結果に基づいて、ＰＩＤ制御を行うことにより、有効電流指令Ｉｄ＊を算出し、減算器５５へ出力する。
減算器５５は、制御器５４から供給された有効電流指令Ｉｄ＊と実有効電流Ｉｄとを比較し、有効電流指令Ｉｄ＊に対する実有効電流Ｉｄの差を算出し、算出結果を制御器５６へ出力する。
制御器５６は、減算器５５の算出結果に基づいて、ＰＩＤ制御を行うことにより、電力系統側の有効電圧指令Ｖｄ＊を算出し、制御器５９へ出力する。
【００２１】
一方、減算器５７は、無効電流指令Ｉｑ＊と実無効電流Ｉｑとを比較し、その差を算出して制御器５８へ出力する。なお、このときの無効電流指令Ｉｑ＊は、電力系統からの力率要求に基づいて決定するが、ここでは、基本的に「０」とする。制御器５８は、減算器５７の算出結果に基づいて、ＰＩＤ制御を行うことにより電力系統側の無効電圧指令Ｖｑ＊を算出し、制御器５９へ出力する。
【００２２】
制御器５９は、有効電圧指令Ｖｄ＊と無効電圧指令Ｖｑ＊とに基づいて、インバータ１０２のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、インバータ１０２を構成するスイッチング素子２１〜２６をＰＷＭ制御（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅制御）する。
【００２３】
なお、上記説明において、実直流電圧Ｖｄｃ、実有効電流Ｉｄ、実無効電流Ｉｑは、それぞれ風力発電システム内に設置された図示しない電流センサ及び電圧センサにより検出され、制御装置５へ通知された値、若しくは、該値に基づいて制御装置５が演算した値である。
【００２４】
また、図２に示したロジックにおいて、制御器５２及び減算器５３とを省略することも可能である。この場合、減算器５１の算出結果に基づいてＰＩＤ制御を行うことにより、有効電流指令Ｉｄ＊を算出することとなる。
また、各制御器は、ＰＩＤ制御に代わって、ＰＩ制御により各指令を算出するような構成としても良い。
【００２５】
上述したように、本実施形態に係る電力変換装置１０によれば、コンバータ１０１をダイオードを３相ブリッジ接続して構成したので、スイッチング素子数を半減させることが可能となる。これにより、電力変換装置１０を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
更に、発電機側をダイオードブリッジとして構成することにより、コンバータを制御する必要がなくなり、電力系統連系インバータがＤＣリンク電圧を上下させる制御を行うことにより、発電機の電流を制御することができ、制御系のシステムを簡素化することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
上述した第１の実施形態に係る電力変換装置１０は、永久磁石型交流発電機３による発電電圧が実直流電圧Ｖｄｃ以上でないと発電することができないため、永久磁石型交流発電機３の高電圧化や、可変速範囲の減少を招くおそれがある。
そこで、本実施形態においては、上述した第１の実施形態に係る電力変換装置１０のコンバータと、インバータとの間に、更に、昇圧装置１０４を付加し、上述のような欠点を回避する。
【００２７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置３０を上述した風力発電システムに適用した場合の全体構成を示す図である。
なお、同図において、図１に示した電力変換装置１０と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２８】
同図に示すように、本実施形態に係る電力変換装置３０は、コンバータ１０１とインバータ１０２との間に、昇圧装置１０４を備え、この昇圧装置１０４によりコンバータ１０１から供給される発電電圧を昇圧して、インバータ１０２へ供給する。
図３では、昇圧装置１０４の一例として昇圧チョッパを示している。
昇圧装置１０４の制御は、制御装置６の昇圧装置制御ロジックにおいて行われる。ここで、制御装置６は、制御装置５が備える制御ロジック（図２参照）と、昇圧装置１０４の制御ロジックとを備える。
【００２９】
図４に昇圧装置１０４の制御ロジックを示す。
同図に示すように、制御装置６の減算器１５１は、回転角センサ４から出力されるパルスに基づいて得られる実回転数ωと目標回転数ω＊とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御器１５２へ出力する。
制御器１５２は、減算器５１の算出結果に基づき、ＰＩＤ制御を行うことにより、昇圧装置１０４のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、昇圧装置１０４のスイッチング素子３１をＰＷＭ制御する。これにより、コンバータ１０１から供給される発電電圧が昇圧され、コンデンサ１０３によって平滑されてインバータ１０２へ供給される。
【００３０】
なお、制御装置６は、永久磁石型交流発電機３の発電相電圧実行値Ｖｇが条件（１）を満たす場合に、上記図４に示した制御ロジックを作動させて、昇圧装置１０４のスイッチング素子３１を制御し、条件（１）を満たさない場合には、図４に示した制御ロジックは作動しないため、電力変換装置３０は、図１に示した第１の実施形態に係る電力変換装置１０と同様の作動状態となる。
Ｖｇ≦（１／√６）Ｖｄｃ　　　（１）
【００３１】
このように、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置３０によれば、永久磁石型交流発電機３の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧装置１０４を作動させて、コンバータ１０１から供給される実直流電圧Ｖｄｃを昇圧させて、インバータ１０２へ供給することが可能となるため、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【００３２】
なお、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０の制御装置５、また、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置３０の制御装置６は、それぞれ、これら制御装置の制御ロジックを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種の処理を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【００３３】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【００３４】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。更に、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００３５】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００３６】
例えば、上述した実施形態では、風力発電を例に挙げて説明したが、これに限らず、本発明の電力変換装置は発電電力が変動するようなシステムに適用可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、ダイオードを３相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【００３８】
また、本発明の電力変換装置によれば、前記コンバータから供給される直流電圧を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を備えるので、永久磁石型交流発電機の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができる。これにより、発電電圧の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【００３９】
また、本発明の電力変換装置の制御方法によれば、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うので、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【符号の説明】
３　永久磁石型交流発電機
４　回転角センサ
５，６　制御装置
１０，３０　電力変換装置
１１〜１６　ダイオード
２１〜２６，３１　スイッチング素子
５１，５３，５５，５７，１５１　減算器
５２，５４，５６，５８，５９，１５２　制御器
１０１　コンバータ
１０２　インバータ
１０３　コンデンサ
１０４　昇圧装置
【図１】
2004147423.tif 000003
【図２】
2004147423.tif 000004
【図３】
2004147423.tif 000005
【図４】
2004147423.tif 000006