(57)【要約】【課題】過電流を流すことなく二次電池を順変換器と逆変換器の間の直流部に直接接続することが可能で、二次電池に異常が発生した場合にも二次電池を使用することなく装置の運転を継続する。【解決手段】風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器３と、前記直流電圧に変換した風力発電機出力を交流系統電圧に変換する逆変換器５と、平滑コンデンサ４を備え前記順変換器３と逆変換器５を接続する直流部と、前記直流部に直接接続するスイッチ１０及び前記直流部に限流回路７を介して接続する限流スイッチ８を備えた二次電池９と、前記二次電池電圧と平滑コンデンサ電圧を比較し、略一致したとき前記二次電池９を直流部に直接接続するスイッチ１０を投入する切替制御器２６を備えた。【選択図】        図１
2005020805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器と、
前記直流電圧に変換した風力発電機出力を交流電圧に変換する逆変換器と、
平滑コンデンサを備え前記順変換器と逆変換器を接続する直流部と、
前記直流部に直接接続するスイッチ及び前記直流部に限流回路を介して接続する限流スイッチを備えた二次電池と、
前記二次電池電圧と平滑コンデンサ電圧を比較し、略一致したとき前記二次電池を直流部に直接接続するスイッチを投入する切替制御器を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の風力発電機において、
前記限流回路は限流抵抗からなることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の風力発電機において
前記二次電池は、順変換器及び逆変換器を収容する盤とは異なる盤に収容することを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の風力発電機において
前記二次電池は、順変換器及び逆変換器を収容する盤とは異なる盤に収容すると共に、前記限流回路とは分離スイッチを介して接続したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１記載の風力発電機において
切替制御器は前記二次電池に異常が発生したとき、二次電池を直流部に直接接続するスイッチ及び前記限流スイッチを開放することを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器と、
前記直流電圧に変換した風力発電機出力を交流電圧に変換する逆変換器と、
平滑コンデンサを備え前記順変換器と逆変換器を接続する直流部と、
前記直流部に直接接続するスイッチ及び前記直流部に限流抵抗を介して接続する限流スイッチを備えた二次電池と、
前記二次電池電圧と平滑コンデンサ電圧との偏差をもとに前記逆変換器の電流指令を出力する自動電圧調整器と、
前記風力発電機出力と逆変換器出力との偏差をもとに前記逆変換器の電流指令を出力する自動電力調整器と、
前記二次電池の電圧と平滑コンデンサの電圧を比較し、略一致したとき前記二次電池を直流部に直接接続するスイッチを投入するとともに、前記自動電圧調整器による制御から前記自動電力調整器による制御に切り換える切替制御器を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６記載の風力発電機において
前記切替制御器は、風力発電装置の起動時、前記自動電圧調整器による制御に切り換えて起動することを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器と、
前記直流電圧に変換した風力発電機出力を交流電圧に変換する逆変換器と、
平滑コンデンサを備え前記順変換器と逆変換器を接続する直流部と、
前記直流部に直接接続するスイッチ及び前記直流部に限流抵抗を介して接続する限流スイッチを備えた二次電池と、
前記二次電池電圧と平滑コンデンサ電圧との偏差をもとに前記逆変換器の電流指令を出力する自動電圧調整器と、
前記風力発電機出力と逆変換器出力との偏差をもとに前記逆変換器の電流指令を出力する自動電力調整器と、
前記二次電池の電圧と平滑コンデンサの電圧を比較し、略一致したとき前記二次電池を直流部に直接接続するスイッチを投入するとともに、前記自動電圧調整器による制御から前記自動電力調整器による制御に切り換える切替制御器と、
前記自動電圧調整器による電流指令あるいは前記自動電力調整器による電流指令のいずれかと前記逆変換器の出力電流との偏差をもとに前記逆変換器の電圧指令を出力する電流制御器を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
請求項８記載の風力発電機において
前記切替制御器は、風力発電装置の起動時、前記自動電圧調整器による制御に切り換えて起動することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
請求項１記載の風力発電機において
前記切替制御器は、風力発電装置の起動時、前記自動電圧調整器による制御に切り換えて起動することを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電装置に係り、特に風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器の出力側に二次電池を備えた風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、風車を同期発電機に接続し、風のエネルギーによって回転する風車により同期発電機を駆動する風力発電装置が示されている。前記同期発電機により発電した交流電力は順変換器により直流電力に変換し、さらに逆変換器により商用周波数の交流電力に変換して電力系統に供給している。
【０００３】
ところで、風力発電装置の出力は風速に大きく依存し、風速変動に起因する出力変動は電力系統の周波数や電圧を大きく変動させ、電力系統に悪影響を与えることになる。従って、風力発電装置を導入する際には、このような出力変動を抑制する技術が必須となる。
【０００４】
また、特許文献１には、二次電池を変換器の直流部に直結し、風速変動に伴う出力変動を二次電池で補償することにより、風速が変動した場合においても、二次電池を充放電することで電力系統へ悪影響を抑制した風力発電装置が示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９９２９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に示すように、二次電池を変換器の直流部に接続すると、二次電池の充電量が少なく二次電池端子電圧が低い場合には、変換器による電力制御が困難となる。すなわち、変換器においては還流ダイオードがＩＧＢＴ等のスイッチング素子と逆並列に接続されているため、変換器の直流側電圧が低下すると交流側（系統側）から前記環流ダイオードを介して過電流が流れ込むことになる。
【０００７】
また、風力発電装置の運転中に二次電池に異常が発生した場合運転継続が不可能となる。また、二次電池をメンテナンスする際には装置を停止しなければならない。
【０００８】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、過電流を流すことなく二次電池を順変換器と逆変換器の間の直流部に直接接続することが可能で、また、二次電池に異常が発生した場合にも二次電池を使用することなく装置の運転を継続することのできる風力発電装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１０】
風力発電機の交流出力を直流電圧に変換する順変換器と、前記直流電圧に変換した風力発電機出力を交流電圧に変換する逆変換器と、平滑コンデンサを備え前記順変換器と逆変換器を接続する直流部と、前記直流部に直接接続するスイッチ及び前記直流部に限流回路を介して接続する限流スイッチを備えた二次電池と、前記二次電池電圧と平滑コンデンサ電圧を比較し、略一致したとき前記二次電池を直流部に直接接続するスイッチを投入する切替制御器を備えた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる風力発電装置を説明する図である。図において、同期発電機２等の発電機の回転子は風車１の軸に接続されており、風車１が風のエネルギーにより回転すると、同期発電機２は風車１の回転速度に応じた可変周波数の交流電力を発生する。同期発電機２の固定子側巻線には順変換器３が接続されており、同期発電機２の発生する可変周波数の交流電力は順変換器３により直流電力に変換される。順変換器３は直流コンデンサ４を介して逆変換器５に接続されており、逆変換器５は順変換器３から供給される直流電力を固定周波数の交流電力に変換する。逆変換器５は系統連系用変圧器６を介して電力系統に接続されており、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【００１２】
順変換器３と逆変換器５の間の直流部には、限流回路７及びスイッチ８（限流スイッチ）を介して二次電池９を接続する。二次電池９としては鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池等が使用可能である。また、前記限流回路７は限流抵抗等で構成することができる。
【００１３】
直流コンデンサ４には直流コンデンサ４の端子電圧を検出する電圧検出センサ１５が設置されており、二次電池９には二次電池９の二次電池端子電圧を検出する電圧検出センサ１６が設置されている。
【００１４】
同期発電機２と順変換器３の間には電圧検出センサ１１と電流検出センサ１２が設置されており、電圧検出センサ１１は同期発電機２の端子電圧を、電流検出センサ１２は同期発電機２の固定子側巻線に流れる電流を検出する。検出された電圧、電流値は３相／２相変換器１３によって有効分と無効分の２軸成分に変換される。
【００１５】
有効電力検出器１４は３相／２相変換器１３の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機２の出力する有効電力を検出する。
【００１６】
有効電力指令演算器１７は有効電力検出器１４の検出する同期発電機２の出力する有効電力及び電圧検出センサ１６の検出する二次電池９の端子電圧に基づいて逆変換器５への有効電力指令を演算する。
【００１７】
図２は、有効電力指令演算器１７の詳細を説明する図である。有効電力指令演算器１７はフィルタ３０と二次電池端子電圧補正器３１から構成される。フィルタ３０はローパスフィルタであり、有効電力検出器１４の検出する同期発電機２の出力する有効電力の検出値ＰＧから変動成分を除去した値を逆変換器５への有効電力指令Ｐｒｅｆとして与える機能を有する。このように構成することで、逆変換器５が系統へ出力する有効電力は同期発電機２の出力する有効電力から変動成分を除去したものとなり、系統電圧や系統周波数に悪影響を与えない。すなわち、同期発電機２の出力する有効電力に含まれる変動成分は二次電池９の充放電により補償されることになる。
【００１８】
二次電池端子電圧補正器３１は電圧検出センサ１６の検出する二次電池９の端子電圧が通常範囲を逸脱した場合に二次電池９の端子電圧が通常範囲内に収まるように逆変換器５への有効電力指令Ｐｒｅｆを調整する機能を有する。例えば、二次電池９の端子電圧が通常範囲よりも高い場合には逆変換器５への有効電力指令Ｐｒｅｆを増加させる。その結果、二次電池９が放電され、二次電池９の端子電圧が低くなる。逆に、二次電池９の端子電圧が通常範囲よりも低い場合には逆変換器５への有効電力指令Ｐｒｅｆを減少させる。その結果、二次電池９が充電され、二次電池９の端子電圧が高くなる。
【００１９】
図３は、直流電圧指令演算器２２の詳細を説明する図である。直流電圧指令演算器２２は電圧検出センサ１６の検出する二次電池９の端子電圧に基づいて逆変換器５への直流電圧指令を演算する。
【００２０】
直流電圧指令演算器２２は上限値、下限値を備えたリミッタから構成される。二次電池９の端子電圧がリミッタの範囲内であれば二次電池９の端子電圧検出値が逆変換器５への直流電圧指令となる。逆に、二次電池９の端子電圧がリミッタの範囲外であればリミッタの上限値あるいは下限値が逆変換器５への直流電圧指令となる。
【００２１】
図１において、逆変換器５と系統連系用変圧器６の間には電圧検出センサ１８と電流検出センサ１９が設置されており、電圧検出センサ１８は系統電圧を、電流検出センサ１９は系統へ流れる電流を検出する。検出された電圧、電流値は３相／２相変換器２０によって有効分と無効分の２軸成分に変換される。
【００２２】
有効電力検出器２１は３相／２相変換器２０の出力する２軸成分の信号に基づいて逆変換器５が系統側へ出力する有効電力を検出する。
【００２３】
直流電圧制御器２３の入力は直流電圧指令演算器２２の出力する直流電圧指令と電圧検出センサ１５の検出する直流コンデンサ４の端子電圧の偏差であり、出力は逆変換器５が直流電圧制御を行う場合の逆変換器５への電流指令の有効分となる。直流電圧制御器２３は例えば比例積分制御系により構成され、直流電圧指令と直流電圧検出値の偏差が零になるように逆変換器５への電流指令を決定する。
【００２４】
有効電力制御器２４の入力は有効電力指令演算器１７の出力する有効電力指令と有効電力検出器２１の検出する有効電力検出値の偏差であり、出力は逆変換器５が有効電力制御を行う場合の逆変換器５への電流指令の有効分となる。有効電力制御器２４は例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令と有効電力検出値の偏差が零になるように逆変換器５への電流指令を決定する。
【００２５】
切替スイッチ２５は切換制御器２６からの指令により直流電圧制御器２３あるいは有効電力制御器２４の出力する逆変換器５への電流指令のいずれかを選択する。切換制御器２６は電圧検出センサ１５の検出する直流コンデンサ４の端子電圧及び電圧検出センサ１６の検出する二次電池９の端子電圧を入力とし、それらの値を比較することで切替スイッチ及びスイッチ８及びスイッチ１０の制御を行う。
【００２６】
電流制御器２７への入力は３相／２相変換器２０の出力する２軸成分の電流検出値と切替スイッチ２５の出力する逆変換器５への電流指令であり、出力は逆変換器５への出力電圧指令となる。電流制御器２７は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように逆変換器５への出力電圧指令を決定する。電流制御器２７の出力する逆変換器５への出力電圧指令は２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器２８によって３相の電圧指令に変換する。
【００２７】
パルス発生器２９は、２相／３相変換器２８の出力する逆変換器５への３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により逆変換器５へのゲートパルス信号を出力する。逆変換器５はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を高周波でスイッチングする。これにより逆変換器５は指令に応じた電圧を出力することになる。
【００２８】
以上のような制御系の構成により、逆変換器５による直流電圧制御および有効電力制御が可能となる。
【００２９】
次に、図１に示す風力発電装置の運転方法について説明する。まず、逆変換器５に備えられた初充電回路により直流コンデンサ４を初充電する。次に切換制御器２６からの指令によりスイッチ８を投入する。これにより二次電池９は限流回路７を介して順変換器３と逆変換器５の間の直流部に接続されることになる。このとき、限流回路７を介して接続しているので直流コンデンサ４及び二次電池９に過電流が流れることはない。
【００３０】
次に、切替制御器２６からの指令により切替スイッチ２５は直流電圧制御器２３が出力する逆変換器５への電流指令を選択する。これにより逆変換器５は直流電圧指令演算器２２の出力する直流電圧指令に従って直流電圧制御を行う。なお、直流電圧指令演算器２２は、前述のようにリミッタにより構成され、その上限値及び下限値は有効電力制御器２４が有効電力制御が可能となるような直流電圧の範囲に設定されている。
【００３１】
続いて、切替制御器２６は直流コンデンサ４の端子電圧と二次電池９の端子電圧を比較し、それらの電圧が略一致した場合、スイッチ１０に投入指令を与える。これにより二次電池９を順変換器３と逆変換器５の間の直流部に直接接続する。更に、切替スイッチ２５に有効電力制御器２４の出力する逆変換器５への電流指令を選択する指令を与える。これにより逆変換器５の制御を直流電圧制御から有効電力制御に切り替えることができる。
【００３２】
このように、直流コンデンサ４の端子電圧と二次電池９の端子電圧とを比較し差異がある場合（二次電池９の端子電圧が有効電力制御器２４の有効電力制御が可能となる直流電圧の範囲外にある場合）には、逆変換器５の直流電圧制御により二次電池９の端子電圧が有効電力制御器２４の有効電力制御が可能となる直流電圧範囲内に入るまで限流回路７を介して二次電池９を充放電し、直流コンデンサ４の端子電圧と二次電池９の端子電圧が略一致したとき（二次電池９の端子電圧が有効電力制御器２４の有効電力制御が可能となる直流電圧の範囲内になったとき）スイッチ１０を投入して、二次電池９を順変換器３と逆変換器５の間の直流部に直接接続し、逆変換器５による有効電力制御を開始する。このように、直流コンデンサ４の端子電圧と二次電池９の端子電圧が略一致したときスイッチ１０を投入するので、スイッチ１０を投入したときに過電流を流すことなく有効電力制御を開始することができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、二次電池９の端子電圧に応じて順変換器３と逆変換器５の間の直流部と二次電池９間の接続方法及び逆変換器５の制御方法を切り替える。
【００３４】
これにより、過放電あるいは過充電等の要因により二次電池９の充電量が適正範囲内にない場合においても、順変換器３と逆変換器５の間の直流部と二次電池９間を限流回路を介して接続することにより装置を起動することが可能になる。
【００３５】
更に、二次電池９の充電量が適正範囲内に入るように調整され二次電池９の充電量が適正範囲内に入った時点（直流コンデンサ４の端子電圧と二次電池９の端子電圧が略一致した時点）で二次電池９を順変換器３と逆変換器５の間の直流部に直接接続して運転をすることができる。なお、有効電力指令演算器１７に備えられた二次電池９の端子電圧補正機能により二次電池９の充電量が適正範囲内に入るように常時制御されているので、システム起動時に二次電池９の充電量が適正範囲外になることは通常は防止されている。
【００３６】
また、本実施形態では風力発電装置の運転中に二次電池９に異常が発生した場合に、切替制御器２６を介してスイッチ８及びスイッチ１０に開放指令を与えることで、二次電池９を順変換器３と逆変換器５の間の直流部から開放し、また、切替スイッチ２５に直流電圧制御器２３の出力する逆変換器５への有効電流指令を選択するように指令を与える。これにより、逆変換器５により直流電圧制御を行いながら連係運転を継続することが可能である。また、二次電池９をメンテナンスする場合には、切替制御器２６を介してスイッチ８及びスイッチ１０を開放し、更に、切替スイッチ２５に直流電圧制御器２３の出力する逆変換器５への有効電流指令を選択するように指令を与えることで、二次電池９を使用することなく連係運転を継続することが可能である。
【００３７】
図４は、図１に示す風力発電装置の制御盤構成を説明する図である。図に示すように、二次電池９は二次電池用制御盤３４に配置する。一方、順変換器３、直流コンデンサ４、逆変換器５、限流回路７、スイッチ８，１０等は前記制御盤３４とは異なる主制御盤３３に配置する。スイッチ３５は主制御盤３３と二次電池用制御盤３４間の配線を遮断する分離スイッチである。従って、分離スイッチ３５を遮断しておけばスイッチ８あるいはスイッチ１０の状態に係わらず二次電池９を順変換器３と逆変換器５間の直流部から完全に切り離すことができる。このため二次電池９のメンテナンスを装置の運転中にも行うことが可能となる。
【００３８】
このように本実施形態によれば、過電流を流すことなく二次電池を順変換器と逆変換器間の直流部に直接接続することが可能となる。また、二次電池に異常が発生した場合においても装置の運転を継続することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、過電流を流すことなく二次電池を順変換器と逆変換器の間の直流部に直接接続することが可能で、二次電池に異常が発生した場合にも二次電池を使用することなく装置の運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる風力発電装置を説明する図である。
【図２】有効電力指令演算器１７の詳細を説明する図である。
【図３】直流電圧指令演算器２２の詳細を説明する図である。
【図４】図１に示す風力発電装置の制御盤構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  風車
２  同期発電機
３  順変換器
４  直流コンデンサ
５  逆変換器
６  系統連系用変圧器
７  限流回路
８，１０  スイッチ
９  二次電池
１１，１５、１６，１８  電圧検出センサ
１２，１９  電流検出センサ
１３，２０  ３相／２相変換器
１４，２１  有効電力検出器
１７  有効電力指令演算器
２２  直流電圧指令演算器
２３  直流電圧制御器
２４  有効電力制御器
２５  切替スイッチ
２６  切替制御器
２７  電流制御器
２８  ２相／３相変換器
２９  パルス発生器
３０  フィルタ
３１  二次電池端子電圧補正器
３３  主制御盤
３４  二次電池用制御盤
３５  分離スイッチ
【図１】
2005020805.tif 000003
【図２】
2005020805.tif 000004
【図３】
2005020805.tif 000005
【図４】
2005020805.tif 000006