(57)【要約】【課題】発電機と可変ピッチ翼との協調によりモード遷移時の出力を安定化する技術を確立すること。【解決手段】、風車発電機１と電力供給系統との間に介設されるサイリスタ群２と、風車の可変翼のピッチ角を制御するピッチ角制御器２６と、サイリスタ群２のゲート角を制御するゲート角制御器３２とから構成されている。ピッチ角制御器３２の数値計算プログラム２７は、ピッチ角増大量を規定する。そのピッチ角増大量は、起動時の制御プロセスの時系列的前半部分に対応するより小さい値の第１時系列的ピッチ角増分と、時系列的後半部分に対応するより大きい第２時系列的ピッチ角増分との組合せとして設定されている。ピッチ角は、規定される数値的増分に対応して確実にゆっくりと増加し、このような確実なピッチ角増大は、突入電流の大きさを十分に小さい値に制御することができ、その制御が確実である。【選択図】          図２
2005039924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車に結合する発電機と、
前記発電機と電力供給系統との間に介設されるサイリスタ群と、
前記風車の可変翼のピッチ角を制御するピッチ角制御器と、
前記サイリスタ群のゲート角を制御するゲート角制御器とを構成し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車の起動時に前記ピッチ角を時系列的に増大する数値計算プログラムを有し、
前記数値計算プログラムは、ピッチ角増大量を規定し、
前記ピッチ角増大量は、
前記起動時の制御プロセスの時系列的前半部分に対応する第１時系列的ピッチ角増分と、
前記起動時の制御プロセスの時系列的後半部分に対応する第２時系列的ピッチ角増分とを形成し、
前記第２時系列的ピッチ角増分は前記第１時系列的ピッチ角増分より小さく、
前記ゲート角制御器は、発電機回転数の上昇に対応して前記ゲート角を減少させるゲート角制御プログラムを有する
風力発電システム。
【請求項２】
前記数値計算プログラムは規定電圧を規定し、
前記ゲート角制御プログラムは、発電機電圧が前記規定電圧に到達すれば、前記ゲートを全開する
請求項１の風力発電システム。
【請求項３】
前記数値計算プログラムは規定電圧を規定し、
前記数値計算プログラムは、発電機電圧が前記規定電圧に到達しなければ前記ピッチ角を増大させる
請求項１の風力発電システム。
【請求項４】
前記数値計算プログラムは、規定回転数と規定ゲート角とを規定し、
前記規定回転数は、
第１規定回転数と、
前記第１規定回転数より多い第２規定回転数とを形成し、
前記規定ゲート角は、
第１規定ゲート角と、
前記第１規定ゲート角より小さい第２規定ゲート角を形成し、
前記発電機回転数が前記第１規定回転数を越えれば、前記ゲート角を前記第１規定ゲート角に減少させ、前記発電機回転数が前記第２規定回転数を越えなければ、前記ピッチ角を増大させ、前記発電機回転数が前記第２規定回転数を越えれば、前記ゲート角を前記第２規定ゲート角に減少させる
請求項１の風力発電システム。
【請求項５】
前記数値計算プログラムは規定電圧を更に規定し、
前記発電機電圧が前記規定電圧に到達しなければ、前記ピッチ角を増大させる
請求項４の風力発電システム。
【請求項６】
バイパスコンタクトを更に構成し、
前記数値計算プログラムは、前記発電機電圧が前記規定電圧に到達すれば、前記バイパスコンタクトをＯＮにすることにより、前記サイリスタ群を介さずに前記発電機を前記電力供給系統に接続する
請求項５の風力発電システム。
【請求項７】
前記ピッチ角制御器は回転数制御器を形成し、
前記数値計算プログラムにより前記風車に与えられる前記ピッチ角は第１ピッチ角としてθｃ１で表され、
前記回転数制御器は、前記発電機回転数の増加分に対応する第２ピッチ角を定義し、前記第２ピッチ角はθｃ２で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θｃ５＝ｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）を与える
請求項１〜６から選択される１請求項の風力発電システム。
【請求項８】
前記θｃ２は、下記式：
θｃ２＝Ｋ・ΔＮ，
ΔＮ＝ｋＮｓｅｔ−Ｎｇｅｎｅ
で表され、ここで、Ｋとｋはそれぞれに設定係数であり、Ｎｓｅｔは設定発電機回転数であり、Ｎｇｅｎｅはリアルタイムの発電機回転数であり、ｋは１より大きく近似的に１である
請求項７の風力発電システム。
【請求項９】
前記ピッチ角制御器は出力制御器を更に形成し、
前記出力制御器は、前記発電機出力の増加分に対応する第３ピッチ角を定義し、前記第３ピッチ角はθｃ３で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θｃ＝ｍｉｎ（θｃ５，θｃ３）を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてｍｉｎ（θｃ５，θｃ３）を与える
請求項１〜６から選択される１請求項の風力発電システム。
【請求項１０】
前記θｃ３は、下記式：
θｃ３＝Ｋ’・ΔＰ，
ΔＰ＝Ｐｓｅｔ−Ｐ
で表され、ここで、Ｋ’は設定係数であり、Ｐｓｅｔは設定発電機出力であり、Ｐはリアルタイムの発電機出力である
請求項９の風力発電システム。
【請求項１１】
前記ピッチ角制御器は加速度対応ピッチ角修正器を更に形成し、
前記加速度対応ピッチ角修正器は、前記発電機回転数の増加分に対応する第４ピッチ角を定義し、前記第４ピッチ角はθｃ４で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θｃ’＝ｍｉｎ（θｃ５，θｃ３，θｃ４）を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてｍｉｎ（θｃ５，θｃ３，θｃ４）を与える
請求項９〜１０から選択される１請求項の風力発電システム。
【請求項１２】
前記θｃ４は、下記式：
θｃ４＝θｃ＋Δθ，
Δθ＝Ｋ”・ｆ（θｃ）・ΔＮｇｅｎｅ
で表され、ここで、Ｋ”は設定係数であり、ｆ（θｃ）は設定関数であり、ΔＮｇｅｎｅ規定時間の間の回転数変化量である
請求項１１の風力発電システム。
【請求項１３】
下記複数のステップ：
発電機に連結されている風車の回転を開始すること、
前記発電機を電動機モードから発電機モードに遷移させること、
前記発電機を電動機モードから発電機モードに遷移させる遷移過程を時系列前半部分と時系列後半部分とに分割すること、
前記時系列前半部分で前記風車のピッチ角を第１ピッチ角増分で増大させること、
前記時系列後半部分で前記風車のピッチ角を第２ピッチ角増分で増大させること、
前記時系列前半部分で前記発電機と電力投入系統との間に介設されるサイリスタのサイリスタゲート角を第１サイリスタゲート角に設定すること、
前記時系列後半部分で前記サイリスタゲート角を第２サイリスタゲート角に設定すること、
前記第１ピッチ角増分を前記第２ピッチ角増分より大きく設定すること、
前記第１サイリスタゲート角を前記第２サイリスタゲート角より大きく設定すること
を構成する風力発電方法。
【請求項１４】
前記ステップは発電機電圧が規定電圧を越えれば、前記サイリスタゲート角を全開角度に設定することを更に含む
請求項１３の風力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電システム、及び、風力発電方法に関し、特に、誘導発電機を搭載し、ソフトスタータを用いて起動時の運転を制御する風力発電システム、及び、風力発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンにエネルギーを提供する風力発電装置は、その実用化が加速されている。風力が変動して発電力が変動する風力発電機を電気系統母線に接続することは、母線と発電機との間の相対的電圧の好ましくない急変を招く。このような問題は、風力発電に限られずボイラーから出力される蒸気エネルギーが変動する蒸気タービン発電機にも存在している。出力変動を抑制して母線の電圧を好ましい電圧に保持するための制御技術は、数多く且つ多様に知られている。
【０００３】
誘導発電機においては、機械系の同期速度に対して速い回転速度はその機械系を発電機として提供し、機械系の同期速度に対して遅い回転速度はその機械系を電動機として提供する。外界環境の変化により、風力発電機は発電機モードから電動機モードに遷移し、逆に、電動機モードから発電機モードに遷移する。風力発電機は、通常、電動機モードで系統母線に併入されるが、直入れした場合には定格電流の１０倍程度の電流が瞬時に流れ、系統電圧の低下を招く。これを防止するために、風力発電機には、ソフトスタータが系統母線との間に設けられる。しかし、電動機モードから発電機モードに遷移する際に、定格電流程度の無効電流が流れ、弱小系統ではこの程度の電流でも系統電圧低下を招く。このような遷移の期間で問題が生じないように、風速、風向、風車の回転速度、回転速度変化、すべり率、発電機の出力電圧のような多くの多様なパラメータに多次元的に対応してサイリスタの導通間隔（ゲート角）を制御する技術は、多様に知られている。誘導機と系統の間に挿入されサイリスタが逆並列に接続されるソフトスタータが設けられる制御回路は、風力発電制御のために広く用いられている。併入時の突入電流の抑制は、サイリスタゲート角を一定値に設定することにより可能である。
【０００４】
電動機モードから発電機モードに安定的に遷移させる技術は、後掲特許文献１の米国特許で知られている。この技術は、発電機電圧をフィードバック信号として利用することにより、サイリスタゲート角を制御している。このようなフィードバック制御では、高速サンプリングの制御技術が利用されている。高速サンプリングを要する制御技術では、人里離れ特に海外の僻地で運転開始のために行う調整が容易でない。ソフトスタータを用いる公知の制御技術は、風車本体に協調させる協調制御ではなく、風車と発電機との間の共振現象を起こす恐れがあり、そのような共振現象の存在が報告されている。
【０００５】
船体の推進のために用いられる回転翼と同様に、大きく変動する単位時間当たりの風力エネルギーに適正に対応して安定的に回転することが求められる風車では、ピッチが可変的である。
【０００６】
発電機と可変ピッチ翼との協調により、モード遷移時の出力の安定性（又は緩衝性）が求められる。その場合に、ソフトスタータが本来的に有する緩衝性が有効に利用されることが望まれる。運転条件を整えるための調整が容易であることが重要である。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４，６５６，４１３号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、発電機と可変ピッチ翼との協調によりモード遷移時の出力を安定化する技術を確立する風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、ソフトスタータが本来的に有する緩衝性を有効に利用する風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、運転条件を整えるための調整が容易である風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による風力発電システムは、風車（図示されず）に結合する発電機（１）と、発電機（１）と電力供給系統との間に介設されるサイリスタ群（２）と、風車の可変翼のピッチ角を制御するピッチ角制御器（２６）と、サイリスタ群（２）のゲート角を制御するゲート角制御器（３２）とから構成されている。ピッチ角制御器（２６）は、風車の起動時にピッチ角を時系列的に増大する数値計算プログラム（２７）を有している。数値計算プログラム（２７）は、ピッチ角増大量を規定する。そのピッチ角増大量は、起動時の制御プロセスの時系列的前半部分に対応する第１時系列的ピッチ角増分（１゜／ｓ）と、起動時の制御プロセスの時系列的後半部分に対応する第２時系列的ピッチ角増分（０．１゜／ｓ）との組合せとして設定されている。第２時系列的ピッチ角増分は第１時系列的ピッチ角増分より小さい。ゲート角制御器（３２）は、発電機回転数（Ｎｇｅｎｅ）の上昇に対応してゲート角（θｃ）を減少させるゲート角制御プログラム（３３）を有する。
【００１０】
サイリスタ群は、公知技術ではソフトスタータと呼ばれている。電動機モードから発電機モードに移行（遷移）させる起動制御プロセスでは、風車の回転速度をゆっくりと上昇させて突入電流の急上昇を抑制することが重要である。ソフトスタータは、そのような抑制効果を有している。本発明が採用するソフトスタータ（２）は、原則的には、発電機回転数をフィードバック信号として用いない。発電機回転数は、付加的条件としてフィードバック信号として用いられる。発電機回転数をフィードバック信号として原則的に用いないで、数値的プログラムにより規定されるピッチ角は、発電機回転数の関数ではなく、プログラムにより規定される。プログラムにより規定されるピッチ角は、規定される数値的増分に対応して確実にゆっくりと増加する。このような確実なピッチ角増大は、突入電流の大きさを十分に小さい値に制御することができ、その制御が確実である。モード遷移の後半では、ピッチ角増分はより小さい値に設定され、モード移行時に特有である突入電流の急上昇を有効に且つ確実に抑制することができる。このようなモード移行時には、発電機回転数は、ピッチ角増大のための付加的条件であり、発電機回転数をフィードバック信号として用いる場合の共振現象を有効に回避することができる。
【００１１】
数値計算プログラムは規定電圧を規定する。ゲート角制御器（３２）は、発電機電圧が規定電圧に到達すれば、ゲート角制御プログラム（３３）はゲートを全開する。数値計算プログラムは規定電圧を規定する。数値計算プログラムは、発電機電圧が規定電圧に到達しなければピッチ角を増大させる。ピッチ角はこのように徐々にゆっくりと増大する。ピッチ角の増大は発電機回転数の増大に強い相関関係を有しているので、本発明の制御が有効である。
【００１２】
数値計算プログラムは、規定回転数と規定ゲート角とを規定する。規定回転数は、第１規定回転数（例示：１７００ｒｐｍ）と、第１規定回転数より多い第２規定回転数（例示：１７７０）とに段階的に設定されている。規定ゲート角は、第１規定ゲート角（例示：１６０゜）と、第１規定ゲート角より小さい第２規定ゲート角（例示：１５３゜）とに段階的に設定されている。発電機回転数（Ｎｇｅｎｅ）が第１規定回転数を越えれば、ゲート角を第１規定ゲート角に減少させ、発電機回転数が第２規定回転数を越えなければピッチ角を増大させ、発電機回転数が第２規定回転数を越えれば、ゲート角を第２規定ゲート角に減少させる。このような複合的多段設定は、モード移行を更に円滑にする。この場合に、数値計算プログラムは規定電圧（例示：４２０Ｖ）を更に規定する。発電機電圧がその規定電圧に到達しなければ、ピッチ角が増大し、モード移行は更に円滑である。バイパスコンタクト（２１）の追加は効果的である。数値計算プログラムは、発電機電圧が規定電圧に到達すれば、バイパスコンタクトをＯＮにすることにより、サイリスタ群を介さずに発電機（１）を電力供給系統に接続して、円滑なモード遷移制御を完了する。
【００１３】
ピッチ角制御器（２６）には回転数制御器（２８）の追加が好ましい。発電機回転数のフィードバック信号は、ピッチ角の不用意な増大を抑制する。数値計算プログラムにより風車に与えられるピッチ角は第１ピッチ角としてθｃ１で表される。回転数制御器（２８）は、発電機回転数の増加分に対応する第２ピッチ角を定義し、第２ピッチ角はθｃ２で表される。ピッチ角制御器（２６）は、関数として、θｃ５＝ｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）を定義している。ピッチ角制御器（２６）は、風車にピッチ角としてｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）を与える。θｃ１とθｃ２のうちの小さいピッチ角を選択的に決定することにより、急速な回転数上昇を抑制することができる。
【００１４】
θｃ２は、下記式：θｃ２＝Ｋ・ΔＮ，ΔＮ＝ｋＮｓｅｔ−Ｎｇｅｎｅで表され、ここで、Ｋとｋはそれぞれに設定係数であり、Ｎｓｅｔは設定発電機回転数であり、Ｎｇｅｎｅはリアルタイムの発電機回転数であり、ｋは１より大きく近似的に１である。Ｎｓｅｔは、発電系同期回転数として設定されることが好ましい。ｋは、１より僅かに大きい値（例示：１．０１）であり、発電機回転数Ｎｇｅｎｅが同期回転数を越えて同期回転数より僅かに大きい回転数ｋＮｓｅｔを越えれば、θｃ２はθｃ１より大きくなり零に接近し、θｃ１に優先して、遷移過程の末期の回転数がθｃ２に選択的に採択される。
【００１５】
ピッチ角制御器（２６）に出力制御器（４１）が更に追加されることが有利である。出力制御器（４１）は、発電機出力の増加分に対応する第３ピッチ角を定義する。第３ピッチ角はθｃ３で表される。ピッチ角制御器（２６）は、関数として、θｃ＝ｍｉｎ（θｃ５，θｃ３）を定義する。ピッチ角制御器（２６）は、風車にピッチ角としてｍｉｎ（θｃ５，θｃ３）を与える。θｃ３は、下記式：θｃ３＝Ｋ’・ΔＰ，ΔＰ＝Ｐｓｅｔ−Ｐで表され、ここで、Ｋ’は設定係数であり、Ｐｓｅｔは設定発電機出力であり、Ｐはリアルタイムの発電機出力である。出力制御開始前のピッチ角は、既述のθｃ５にトラッキングされる。遷移過程の末期では、θｃ１とθｃ２に優先されて、出力に対応するθｃ３が優先される。
【００１６】
ピッチ角制御器（２６）に加速度対応ピッチ角修正器（４２）が更に追加されることはより有利である。加速度対応ピッチ角修正器（４２）は、発電機回転数の増加分（加速度）に対応する第４ピッチ角を定義する。第４ピッチ角は、θｃ４で表される。ピッチ角制御器（２６）は、関数として、θｃ’＝ｍｉｎ（θｃ５，θｃ３，θｃ４）を定義する。ピッチ角制御器は、風車にピッチ角としてｍｉｎ（θｃ５，θｃ３，θｃ４）を与える。回転数が上昇する場合のピッチ角増分が規定され、加速度が大きく加速度対応ピッチ角θｃ４がプログラム制御のピッチ角θｃ１より小さい場合には、プログラム制御のピッチ角θｃ１より小さいピッチ角度で風車の回転数増大を抑制することは効果的である。θｃ４は、θｃ４＝θｃ＋Δθ，Δθ＝Ｋ”・ｆ（θｃ）・ΔＮｇｅｎｅで表され、ここで、Ｋ”は設定係数であり、ｆ（θｃ）は設定関数であり、ΔＮｇｅｎｅ規定時間の間の回転数変化量である。
【００１７】
このように、回転数、出力、加速度が大きくなって遷移過程が末期に近づく間では、プログラム制御により確実にゆっくりと風車の回転数を上昇させ、末期では、出力次第では、プログラム制御のピッチ角よりも小さいピッチ角で出力上昇が実行され、常に、小さい方のピッチ角の選択的設定により、突入電流が過度に増大することを有効に回避することができる。
【００１８】
本発明による風力発電方法は、複数のステップ：発電機（１）に連結されている風車の回転を開始すること、発電機（１）を電動機モードから発電機モードに遷移させること、発電機（１）を電動機モードから発電機モードに遷移させる遷移過程を時系列前半部分と時系列後半部分とに分割すること、時系列前半部分で風車のピッチ角を第１ピッチ角増分で増大させること、時系列後半部分で風車のピッチ角を第２ピッチ角増分で増大させること、時系列前半部分で発電機（１）と電力投入系統（３）との間に介設されるサイリスタ（２）のサイリスタゲート角を第１サイリスタゲート角に設定すること、時系列後半部分でサイリスタゲート角を第２サイリスタゲート角に設定すること、第１ピッチ角増分を第２ピッチ角増分より大きく設定すること、第１サイリスタゲート角を第２サイリスタゲート角より大きく設定すること、により構成され、プログラム制御により時系列後半部分の出力上昇を緩和し、全遷移過程で突入電流の過度の上昇を抑制することができる。ステップは発電機電圧が規定電圧を越えれば、サイリスタゲート角を全開角度に設定して、遷移プロセスが完了する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による風力発電システム、及び、風力発電方法は、プログラム制御を優先して徐々にピッチ角を上昇させ、制御プロセスの後半のピッチ角の時系列的増分を制御プロセスの前半のピッチ角の時系列的増分より少なくすることにより、電流出力を円滑に上昇させることができ、結果的に、発電機と可変ピッチ翼との協調によりモード遷移時の出力を安定化する技術を確立することができる。更には、公知のソフトスタータが本来的に有する緩衝性を有効に活用することができる。更には、運転条件を整えるための調整が容易である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による風力発電システムは、誘導発電機がピッチ対応制御器とともに設けられている。その誘導発電機１の発電出力は、図１に示されるように、ピッチ対応制御器２を介して系統母線３に供給される。ピッチ対応サイリスタ制御器２は、３相サイリスタ群で形成されるソフトスタータ２として構成されている。ピッチ対応サイリスタ制御器２の３相サイリスタ群は、Ｕ相サイリスタ対４と、Ｖ相サイリスタ対５と、Ｗ相サイリスタ対６とから構成されている。
【００２１】
Ｕ相サイリスタ対４は、Ｕ相順方向サイリスタ７とＵ相逆方向サイリスタ８とから形成されている。Ｕ相順方向サイリスタ７とＵ相逆方向サイリスタ８は、互いに並列に接続されている。Ｖ相サイリスタ対５は、Ｖ相順方向サイリスタ９とＶ相逆方向サイリスタ１１とから形成されている。Ｖ相順方向サイリスタ９とＶ相逆方向サイリスタ１１は、互いに並列に接続されている。Ｗ相サイリスタ対６は、Ｗ相順方向サイリスタ１２とＷ相逆方向サイリスタ１３とから形成されている。Ｗ相順方向サイリスタ１２とＷ相逆方向サイリスタ１３は、互いに並列に接続されている。誘導発電機１のＵ相出力線１４は、Ｕ相サイリスタ対４に接続されている。誘導発電機１のＶ相出力線１５は、Ｖ相サイリスタ対５に接続されている。誘導発電機１のＷ相出力線１６は、Ｗ相サイリスタ対６に接続されている。
【００２２】
Ｕ相出力線１４は、Ｖ相出力線１５とＷ相出力線１６とともに、出力検出器１７に接続されている。出力検出器１７は、３相の出力電流、出力電圧、出力（パワー）、力率を検出する。Ｕ相出力線１４は、更に、誘導発電機１の出力回転数Ｎを検出する回転数検出器１８に接続されている。ピッチ対応サイリスタ制御器２と系統母線３との間には、昇圧トランス１９が介設されている。昇圧トランス１９と誘導発電機１との間には、ピッチ対応サイリスタ制御器２と並列に、バイパスコンタクタ２１が介設されている。バイパスコンタクタ２１は、Ｕ相出力線１４と昇圧トランス１９との間を相独立に接続するＵ相開閉器２２と、Ｖ相出力線１５と昇圧トランス１９との間を相独立に接続するＶ相開閉器２３と、Ｗ相出力線１６と昇圧トランス１９との間を相独立に接続するＷ相開閉器２４とから形成されている。ピッチ対応サイリスタ制御器２と昇圧トランス１９とを接続する各相出力線は、トランス二次電圧検出器２５に接続されている。
【００２３】
本発明による風力発電システムでは、図２に示されるように、ピッチ角制御器２６が追加される。ピッチ角制御器２６は、プログラム制御器２７を備えている。プログラム制御器２７のプログラム制御による回転数上昇過程で、実機のリアルタイムの回転数を考慮してピッチ角の増加率を選択的に修正する回転数制御器２８の追加は好ましい。ピッチ角制御器２６は、基本的にプログラム制御を実行するが、実機の力学的状態を考慮してプログラム制御を実行することは後述されるように現実的に有効である。
【００２４】
プログラム制御器２７は、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で回転数上昇を滑らかに適正化するための規則を有している。現在の風速が発電機モード遷移可能値に到達していれば、風車の回転速度を零から徐々に上昇させる併入制御が実行される。現在の回転速度に依存しない回転翼（風車）のピッチ角θは、図３に示されるように、プログラムの中に与えられている。ピッチ角変数は、θｃ１で表される。ピッチ角θｃ１は、プログラムにより時系列的に増加する。
θｃ１＝θｃ＋（Δθ／Δｔ）Δｔ・・・（１）
ここで、Δｔは一定値として設定されている。Δｔとして、１秒が適正である。（Δθ／Δｔ）はピッチ角変化速度であり、プログラムにより下記のように規定されている。
Δθ／Δｔ＝１゜／ｓ，θ≦−４０゜
Δθ／Δｔ＝０．１゜／ｓ，−４０゜＜θ＜０゜
【００２５】
回転数制御器２８の補正制御は、実施の本形態としては選択的補正制御が採択されている。図３に示されるように、下記のＰＩ制御が規定される。
θｃ２＝（Ｋｐ２＋１／（Ｔｉ２・ｓ））ΔＮ・・・（２）
ΔＮ＝１．０１・Ｎｓｅｔ−Ｎ
Ｎｓｅｔ：設定回転数
Ｎ：時系列現時刻点の回転数
Ｋｐ２＝０．３
Ｔｉ２＝７．０
現在回転数が設定回転数（例示：発電系同期回転数）を僅かに越えれば、ΔＮは絶対値が非常に小さい負の値になり、ピッチ角θｃ２は０゜（ファイン側）に漸近する。プログラム制御によるピッチ角θｃ１を補正する補正ピッチ角Δθｃ１（Ｎ）を実機の回転数Ｎの関数としてプログラム中に設定することは否定されない。
【００２６】
ピッチ角制御器２６は、図２に示されるように、適正ピッチ角選択器２９を備えている。適正ピッチ角選択器２９には、プログラム制御器２７が出力する第１ピッチ角候補θｃ１と回転数制御器２８が出力する第２ピッチ角候補θｃ２が入力される。適正ピッチ角選択器２９は、関数特に選択関数を有し、選択関数に従ってピッチ角θｃ５を決定する。
θｃ５＝ｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）・・・（３）
適正ピッチ角選択器２９は、第１ピッチ角候補θｃ１と第２ピッチ角候補θｃ２とのうちで小さい方の値を選択的に決定して、選択的決定ピッチ角θＣ５をピッチ角指令信号３１として出力する。
【００２７】
ピッチ角指令信号３１は、ゲート角制御器３２に入力される。ゲート角制御器３２は、ゲート角制御プログラム３３を内蔵している。ゲート角制御プログラム３３は、ステップＳ１〜Ｓ８を形成している。時系列現在時刻点の選択的決定ピッチ角θＣ５で回転している風車の回転軸にギアセットを介して連結している誘導発電機１の発電機回転数Ｎｇｅｎｅは、回転数検出器１８で検出されている。ステップＳ１は、選択的決定ピッチ角θＣ５に対応する現在時刻の誘導発電機１の発電機回転数Ｎｇｅｎｅと第１規定回転数（例示：１７００ｒｐｍ）との大小関係を判定する。発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第１規定回転数より大きくない場合には、プロセスはステップＳ０に戻り、起動条件の成立性が判定される。起動条件の１つは、既述の通り、１０分間平均風速がカットイン風速より大きいことである。以下、起動条件が成立している場合の制御方法が述べられる。
【００２８】
発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第１規定回転数より大きくない場合には、プログラム制御器２７と回転数制御器２８で選択的決定ピッチ角θＣ５が選択的に決定される。プログラム制御器２７は、ピッチ角度を＋１゜だけファイン側に増加させる。ピッチ角のファイン側の増加は、風車の回転速度を上昇させる方向の増加に一致している。このような増加の結果、発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第１規定回転数（例示：１７００ｒｐｍ）を越えて大きくなれば、プロセスはステップＳ２に進む。ステップＳ２で、ゲート角制御プログラム３３は、Ｕ相順方向サイリスタ７、特には、Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第１規定ゲート角（例示：１６０゜）に設定するための第１ゲート角設定信号３４を出力する。
【００２９】
第１ゲート角設定信号３４は、図１に示されるように、ゲート信号発生器３５に入力される。ゲート信号発生器３５は、第１ゲート角設定信号３４に対応する第１ゲート角信号３６を生成して出力する。第１ゲート角信号３６はピッチ対応サイリスタ制御器２に入力され、Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は第１規定ゲート角に現実に設定される。このようなサイリスタゲート角の設定が誘導発電機１の回転数を変動させるかどうかによらずに、ゲート角制御器３２は、ステップＳ３で、発電機回転数Ｎｇｅｎｅと第２規定回転数（例示：１７７０ｒｐｍ）との大小関係を判定する。第２規定回転数（＝１７７０）は、第１規定回転数（＝１７００）より大きく設定されている。
【００３０】
発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第２規定回転数より大きくない場合には、ピッチ角制御器２６の適正ピッチ角選択器２９で選択的決定ピッチ角θＣ５が新たに決定される。プログラム制御器２７は、ピッチ角度を＋１゜だけ又は＋０．１゜だけファイン側に増加させる。このような増加の結果、発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第２規定回転数（例示：１７７０）を越えて大きくなれば、プロセスはステップＳ４に進む。ステップＳ４で、ゲート角制御プログラム３３は、Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第２規定ゲート角（例示：１５３゜）に設定的に変更するための第２ゲート角設定信号３７を出力する。第２規定ゲート角（＝１５３゜）は、第１規定ゲート角（＝１６０゜）より小さく設定されている。Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は、第２規定ゲート角に現実に設定される。ステップＳ４とステップＳ５との間に、ステップＳ３’とステップＳ４’の追加は、更に好ましい。発電機回転数Ｎｇｅｎｅが第３規定回転数（例示：１７９５）を越えて大きくなれば、プロセスはステップＳ４’に進む。ステップＳ４’で、ゲート角制御プログラム３３は、Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第３規定ゲート角（例示：１６２゜）に設定的に変更する。このような回転数増大に対応するゲート角制御は、３段に限られず更に多段にプログラム制御により実行される。
【００３１】
ゲート角制御プログラム３３のプロセスと適正ピッチ角選択器２９の再選択的決定が繰り返され、回転数が定格回転数又は同期回転数Ｎｓｙｎｃに接近し、誘導発電機１の発電機電圧が４２０Ｖを越えれば（ステップＳ５）、ゲート角制御器３２は、ステップＳ６で、第３ゲート角設定信号３８を出力する。第３ゲート角設定信号３８に対応して、Ｕ相サイリスタ７，８とＶ相サイリスタ９，１１とＷ相サイリスタ１２，１３のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は、第３規定ゲート角に現実に設定される。第３規定ゲート角として、全開の９０゜が適正である。第２規定ゲート角から第３規定ゲート角に移行する遷移時間として、１秒が適正に例示されている。
【００３２】
このようなゲート角の設定により、誘導発電機１の発電機出力の２秒平均値は設定出力（例示：１０ｋＷ）を越えることがあり得る。発電機出力の２秒平均値は１０ｋＷを越えない場合には、ピッチ角制御器２６でピッチ角θＣ５の再決定が実行される。発電機出力の２秒平均値が１０ｋＷを越える場合には（ステップＳ７）、ゲート角制御器３２はバイパス信号３９を出力する。バイパスコンタクタ２１に入力されるバイパス信号３９は、図１に示されるように、バイパスコンタクタ２１のＵ相開閉器２２とＶ相開閉器２３とＷ相開閉器２４を閉じて、ピッチ対応サイリスタ制御器２の出力制御を停止する。
【００３３】
ピッチ角θｃ５が増大し、更に、−４０゜よりファイン側に増大し、−４０゜を越えるとピッチ角はゆっくりと増大し、発電機回転数Ｎｇｅｎｅが１７００ｒｐｍに到達すれば、ピッチ対応サイリスタ制御器２のサイリスタ群のゲートがＯＦＦ状態からＯＮ状態に移行する。ゲートがＯＦＦ状態からＯＮ状態に移行すれば、発電機に電圧が印加されて誘導発電機１に発電機電流が流れる。このときの電圧実効値は、定格電圧の１０分の１程度であり、誘導発電機１からピッチ対応サイリスタ制御器２を介して系統母線３に突入する突入電流は、定格電流の２分の１以下に抑えられる。
【００３４】
発電機回転数が更に上昇して１７７０ｒｐｍを越えれば、ゲート角は１５３゜に下げられる。このようなゲート角の減少制御は、同期速度（例示：１８００ｒｐｍ）で実行する併入を容易にすることができる。その併入の際に、ピッチ角に対応する回転数の制御を同時的に実行することにより、同期速度の１．０１倍の目標回転数の上昇速度が回転数制御器２８により有効に抑制され得る。その抑制の適正化は、係数Ｋｐ２とＴｉ２の適正値の選択により可能である。回転数が同期速度に到達する速度がより速い場合には、発電機電圧の上昇速度が速くなる。発電機電圧のより速い上昇速度は、発電機電流の急上昇を招く。発電機電流の急上昇は、系統電圧降下を招く。このように、回転数の急上昇の抑制は系統電圧の急降下を有効に回避することができる。
【００３５】
回転数が同期速度に接近すれば、発電機電圧が上昇して、その電圧が規定電圧（例示：４２０Ｖ、定格電圧の７０％）以上になれば、サイリスタゲート角が１秒間で９０゜まで変化して、サイリスタはフル導通状態に開放される。回転数が更に増大し同期速度を越えて、発電機出力の２秒平均値が１０ｋＷを越えれば、ソフトスタータ２がバイパスさせられることにより、ピッチ対応サイリスタ制御器２を利用した起動制御が完了する。
【００３６】
図３に示されるように、ピッチ角制御器２６には、出力制御器４１と加速度対応ピッチ角修正器４２が更に追加されている。出力制御器４１のＰＩ制御では、出力変動ΔＰに比例する第３ピッチ角候補θｃ３が下記の式で定義されて導入される。
θｃ３＝（Ｋｐ３＋１／（Ｔｉ３・ｓ）ΔＰ・・・（４）
ΔＰ＝Ｐｓｅｔ−Ｐ
出力制御器４１により規定されるピッチ角は、定格出力又は設定出力Ｐｓｅｔと現在の出力Ｐの差分に比例するピッチ角微分量Δθの増減による比例積分制御により決定される。
【００３７】
加速度対応ピッチ角修正器４２は、加速度増に対応するピッチ角は第４ピッチ角候補θｃ４として下記の式で修正される。
θｃ４＝θｃ＋Δθ・・・（５）
Δθ＝ｆ（θｃ）・Ｋｐｎ１・Ｋｐｎ２・ΔＮｄ
Ｋｐｎ１＝０．０８，Ｋｐｎ２＝０．１
ΔＮｄ＝Ｎ（ｔ）−Ｎ（ｔ−６）
Δθ＝０（ΔＮｄ＜５ｒｐｍ）
ここで、ΔＮｄは、６秒間の回転数変化量を示している。ｆ（θｃ）は、理論的に、経験則的に、又は、ニューラルネットワークにより学習される適正関数である。加速度対応ピッチ角修正器４２により規定されるピッチ角は、一定時間で定義される回転数変化量（加速度）に比例するピッチ角微分量Δθの増減による比例積分制御により決定される。
【００３８】
実施の本形態では、他の適正ピッチ角選択器４３が追加されている。他の適正ピッチ角選択器４３は、下記式により、適正ピッチ角選択器２９が選択的に決定するθｃ５と出力制御器４１が規定するθｃ３と加速度対応ピッチ角修正器４２が規定するθｃ４とのうちで最小値を選択的に決定する。
最終決定ピッチ角θｃ＝ｍｉｎ（θｃ３，θｃ４，θｃ５）・・・・（６）
【００３９】
実施例：
式（２）は、下記式に効果的に変更され得る。
θｃ２＝（Ｋｐ＋１／（Ｔｉ・ｓ））ΔＮ−Ｋｄｍａｘ（０，Ｎｇｅｎｅの時間的変化率）・・・（２’）
ΔＮ＝１．００４・Ｎｓｙｎｃ−Ｎｇｅｎｅ
θｃ＝ｍｉｎ（θｃ１，θｃ２）・・・（３’）
Ｋｐ，Ｔｉ，Ｋｄ：制御パラメータ
Ｎｓｙｎｃ：同期回転数
Ｎｇｅｎｅ：発電機回転数
θｃ：ブレードピッチ角（指令）
【００４０】
誘導発電機１を電動機モードから発電機モードに遷移させるために、併入時に回転数Ｎｇｅｎｅが速い速度で同期回転数Ｎｓｙｎｃを越えることがないように、式（２’）に示される制御パラメータＫｐ，Ｔｉ，Ｋｄが適正に設定されて、ブレードピッチ角θｃが制御される。特に、回転数変化率（＝ｄＮｇｅｎｅ／ｄｔ）のフィードバックゲインＫｄを適正に設定することが重要である。
【００４１】
図４は、本実施例の起動シミュレーション計算例を示している。図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ），（ｉ）のそれぞれの横軸は経過時間（時系列時刻で単位は秒）を示している。図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ），（ｉ）のそれぞれの縦軸は、風速（ｍ／ｓ）、空力出力、ブレードピッチ角、回転数（ｒｐｍ）、発電機出力（ｋＷ）、無効電力、発電機電圧（Ｖ）、発電機電流（Ａ）、サイリスタゲート角を示している。図３（ａ）に示されるように、起動条件は満たされている。プログラム制御器２７によりプログラム制御されるピッチ角は、図３（ｃ）に示されるように、１２秒目付近から３６秒目付近まで比例的に増大しているが、回転数制御器２８による回転数制御優先のピッチ角が時々に現れている。図３（ｄ）に示されるように、１７００ｒｐｍを越えてゲートが僅かに開かれてゲート角が１６０゜に設定された後に、回転数は１７００ｒｐｍを越えるが１７７０ｒｐｍを越えずに概ね一定に保持される。図３（ｄ）に示されるように、回転数が９秒目付近で１７７０ｒｐｍを越えると、図３（ｉ）に示されるようにゲート角は１５３゜に低下するように設定されて、図３（ｇ）に示されるように、発電機電圧が上昇する。図３（ｂ）に示されるように、空力出力が顕在化すれば、出力電圧は急に上昇し、発電機電圧が４２０Ｖを越えれば、図３（ｈ）の図示丸枠内に示されるように発電機電流が明白に顕在化して、図３（ｅ）に示されるように、発電機出力が顕在化する。このような発電機出力の顕在化に対応して、ゲート角は９０゜に向かう減少制御が実行される。
【００４２】
ゲート角が減少し始めるゲート角減少時系列帯では、図３（ｇ）に示されるように、発電機電圧が急に上昇するが、図３（ｃ）に示されるようにピッチ角が正比例的に増大する増大制御により、回転数の増大速度は図３（ｃ）に示されるように低加速度で定格回転数に上昇し、発電機電流は図３（ｈ）に示されるように比例的に増大して、発電機電流の急上昇が回避されている。本実施例では、図４（ｉ）に示されるように、ゲート角は１５秒をかけてゆっくり減少する制御が実行されている。無効電流は、図３（ｆ）に示されるように、定格電流より格段に小さい値に制御され、定格電流の１０倍程度の無効電流の発生は回避されている。ピッチ角制御により、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で、回転数の加速度が小さく抑制され、発電機電流の急上昇が抑えられ、系統電圧の急降下が有効に回避される。
【００４３】
本発明によれば、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で、風速が変化し発電機電圧が規定電圧に到達せず、Ｕ相逆方向サイリスタ８とＶ相逆方向サイリスタ９とＷ相逆方向サイリスタ１１を介して電流が逆流する電動機モードが頻繁に現れ、逆に、電動機モードから発電機モードに移行することが繰り返されるが、ピッチ角の安定した比例的増大は、発電機電流が平均的に緩やかに増大する制御を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による風力発電システムの実施の形態を示す回路図である。
【図２】図２は、図１の回路に同体であるフロー図付き回路図である。
【図３】図３は、図２の一部を詳細に示す回路図である。
【図４】図４は、本発明による風力発電システムの実施の形態の実施例を示すグラフである。
【符号の説明】
１…発電機
２…サイリスタ群（ソフトスタータ）
２１…バイパスコンタクト
２６…ピッチ角制御器
２７…数値計算プログラム
２８…回転数制御器
３２…ゲート角制御器
３３…ゲート角制御プログラム
４１…出力制御器
４２…加速度対応ピッチ角修正器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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