(57)【要約】【課題】本発明は、誘導発電機を用いた風力発電機を含む風力発電システムにおいて、系統故障時に起こる加速脱調や電圧不安定化を抑え、安定して電力を供給しつづけることが出来る風力発電システムを提供するものである。【解決手段】課題解決のため、本発明は、風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、その回転速度と電圧を検出する装置と、誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う装置とを備え、異常時に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システムを提供するものである。【選択図】  図１
2005051867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、該誘導機型風力発電機の回転速度と電圧を検出する検出装置と、該誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、該交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う二次励磁制御装置とを備え、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に、該誘導機型風力発電機に無効電力を注入して誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
請求項１において、該検出装置で電圧に加え、電力または電流または周波数のいずれかを検出し、異常があった際に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、該交流励磁型発電機を、通常時は有効電力を発生する発電機とした発電システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３において、該誘導機型風力発電機および該交流励磁型発電機、またはどちらかを並列に複数設置した発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、該誘導機型風力発電機および該交流励磁型発電機に、並列に同期発電機を一機または複数設置した発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導発電機を用いた風力発電機を含む風力発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導発電機を用いた風力発電機においては、系統故障時に誘導機型風力発電機の回転速度および電圧が不安定になる場合がある。以下、その現象について説明する。
【０００３】
図５に誘導発電機と２回線送電線からなるモデル系統を示す。誘導発電機端子には並列コンデンサ１３を設置し、誘導発電機１の運転に必要な無効電力を補償している。図６において、実線は図５のモデルの誘導発電機１について有効電力と端子電圧の特性を計算したものであり、初期動作点は電圧高め側の安定領域に存在している。一方点線は１回線開放後の有効電力と端子電圧の特性であり、これより送電線を１回線開放すると電圧不安定になることが予想される。図７，図８は送電線を１回線開放した場合の計算結果である。計算条件は２回線送電線の片側１回線を０．１  秒において三相開放するものである。図７は誘導発電機１の端子電圧の時間変化を示すものであり、横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は端子電圧を示す。図８は誘導発電機の回転速度の時間変化を示すものであり、横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は回転角速度を示している。図７の電圧変化は電圧の低下を示しており、電圧不安定現象が起こっている。また図８の回転速度は上昇しており、過渡的な不安定で加速脱調したと見なせる。すなわち、計算結果は誘導発電機の加速脱調と電圧不安定の両者を伴う過渡不安定現象を示すものである。実機においても系統故障等の外乱が加わった場合には、誘導発電機に同様の現象が起こると考えられる。
【０００４】
風力発電機の回転速度安定化のためには、例えば特開２００２−１５５８５０号公報に記載されているようなフライホイールを用いて回転変動を緩和する方法、および特開２００２−３３９８５５号公報に記載されているような風車のピッチ角制御による方法が公知である。しかしフライホイールを用いる場合、フライホイール質量は発電機出力に比例するため、発電機容量の増大に伴い個々の発電機に対して大型のフライホイールが必要となる。一方、現状の風力発電機において用いられているピッチ角制御は（ａ）風速変化に対し発電機出力を設定値に維持する制御と（ｂ）過剰な風速に対し風車を保護する制御があるが、（ａ）の制御は系統故障等に伴って加速脱調する発電機に対しては逆に過渡安定度を悪化させる恐れがあり、（ｂ）の制御には加速脱調する発電機を過渡的に安定化させる作用は無い。
【０００５】
また可変速発電機においては、例えば特開２００３−１０２１２９号公報に記載されているように、有効電力を用いた電圧安定化が図られている。しかし誘導発電機で変換器を経ずに直接系統に電力を供給する場合には電圧安定化の手立てが無く、遮断を余儀なくされる。
【０００６】
無効電力を調整する例として特開２００３−２３７３３号公報に記載されているように、交直変換回路を備えた発電装置の無効電力を調整して、誘導機型発電機の無効電力を補償している。しかし、交直変換回路にて無効電力調整を行うため、発電機容量に見合った変換器が必要となる。また通常時のみの無効電力補償であるため、過渡安定化には寄与しない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５５８５０号公報
【特許文献２】
特開２００３−１０２１２９号公報
【特許文献３】
特開２００３−２３７３３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、誘導発電機を用いた風力発電機を含む風力発電システムにおいて、系統故障時に起こる加速脱調や電圧不安定化を抑え、安定して電力を供給し続けることが出来る風力発電システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
課題解決のため、本発明は、風力による回転力から発電を行う誘導機型風力発電機と、その回転速度と電圧を検出する検出装置と、誘導機型風力発電機に並列に接続され必要時に無効電力を調整できる交流励磁型発電機と、検出装置が回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に交流励磁型発電機の二次励磁制御を行う装置とを備え、異常時に誘導機型風力発電機に無効電力を注入して、誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うことを特徴とする発電システムを提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１を示すもので、誘導発電機１は風車６の回転力から交流電力を発電し電力系統に供給する。検出装置２は誘導発電機１の回転速度および電圧を検出する検出装置、発電装置３は誘導発電機１に並列に接続され無効電力の調整が可能な発電装置、３ａは風車７の回転力から電力を発電する交流励磁型同期発電機、３ｂは交直変換器（コンバータ）、３ｃは直流コンデンサ、３ｄは交直変換器（インバータ）である。二次励磁制御装置４は検出装置２が異常を検出した際に交流励磁型同期発電機３ａの交流励磁を制御する二次励磁制御装置である。風車６の回転力から誘導発電機１によって発電した電力を、変換器を介さず直接電力系統に供給すると、系統側の故障時に加速脱調や電圧不安定が起こる。この時、検出装置２が物理量の異常を検出し、二次励磁制御装置４は検出装置２の異常検出を受けて交流励磁型同期発電機３ａの二次側を励磁制御し、発電装置３は無効電力を発電機１に注入し、誘導発電機１の電圧不安定と加速脱調を抑制して安定化する。
【００１１】
以下、特に断らない限り図２〜図１０において符号は図１と同様である。
【００１２】
図２は本発明の実施の形態２を示すもので、９は風車１０の回転力から交流電力を発電し交直変換器を介さず電力系統に供給する誘導発電機である。誘導発電機１または誘導発電機９のいずれかの回転速度あるいは電圧の異常を検出装置２が検出した場合、二次励磁制御装置４が交流励磁型同期発電機３ａの二次励磁制御を行い、発電装置３より無効電力を注入する。
【００１３】
図３は本発明の実施の形態３を示すもので、１１ａは風車１２の回転力から発電を行う同期発電機、１１ｂは交直変換器（コンバータ）、１１ｃは直流コンデンサ、１１ｄは交直変換器（インバータ）、発電装置１１はこれらより構成される発電装置である。系統故障時の安定化制御は実施の形態１と同様である。
【００１４】
図４は本発明の実施の形態４を示すもので、過渡安定化のための無効電力注入は発電装置３により行い、定常時の無効電力補償を発電装置３のみでなく並列コンデンサ１９からも行う。
【００１５】
本発明の動作を確認するためシミュレーションを行った。以下このシミュレーション結果を用いて本発明の動作を説明する。
【００１６】
図９はシミュレーションに用いたモデルであり、実施の形態１に示した発電システムを、同期発電機を用いた発電装置２０と並列に配置した構成を基にしている。風車６の回転力により発電を行う誘導発電機１の高電圧側に、風車７の回転力により発電を行う交流励磁型発電機を含む発電装置３を並列に設置してあり、誘導発電機１の回転速度と電圧の変化を検出装置２により検出し、異常があれば発電装置３から誘導発電機１に無効電力を注入する。誘導発電機１および発電装置３に対し並列に、同期発電機を用いた発電装置２０が設置されている。１４，１５は変圧器、１６はブレーカーである。１．１  秒に三相地絡地点１７にて三相地絡、１．２  秒にてブレーカー１６を開放、２．０  秒においてブレーカー１６を閉めた条件とした。
【００１７】
図１０は交流励磁型発電機を設置しない場合のモデルであり、誘導発電機１の無効電力補償のため並列コンデンサ１８を設置している。
【００１８】
図１１および図１２においてＡは図９のモデルを計算した結果、Ｂは図１０のモデルにて風車のピッチ角制御を行った結果、Ｃは図１０のモデルにて制御なしの結果である。ただし、ここで行ったピッチ制御は、電気学会論文誌Ｂ１２１巻１２号（２００１年）１６２３頁から１６３０頁において論じられた方法である。これは過渡安定度を改善できるよう考案された制御であり、「従来の技術」にて述べたピッチ制御とは異なる。上述の通り、風車保護を目的とした風車ピッチ制御では過渡安定化することは困難である。
【００１９】
図１１は誘導発電機１の端子電圧の時間変化に対する計算結果である。横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は端子電圧を示す。制御なしのＣの場合、端子電圧は三相地絡の影響により低下したまま戻らない。ピッチ制御を行ったＢの場合、およそ１５秒後にほぼ元の電圧に戻っている。発電装置３からの無効電力注入を行ったＡの場合、Ｂよりも短いおよそ６秒でほぼ元の電圧に戻っている。
【００２０】
図１２は誘導発電機１の回転速度の時間変化に対する計算結果である。横軸は秒を単位とした時間を示し、縦軸は回転角速度を示す。制御なしのＣの場合、加速脱調し回転速度が上昇し続けている。ピッチ制御を行ったＢの場合、およそ５秒後にほぼ元の回転速度に戻っている。発電装置３からの無効電力注入を行ったＡの場合、Ｂよりも短いおよそ２秒でほぼ元の回転速度に戻っている。
【００２１】
以上のように、電圧，回転速度とも交流励磁型発電装置を用いた無効電力注入により効果的に安定化されることが確かめられた。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明により、風力発電設備において系統側の故障によって誘導発電機の不安定が生じた場合、並列に接続された発電装置において交流励磁を制御して無効電力を発生して不安定な発電機に注入することで効果的に安定化し、品質の良好な電力を供給し続ける風力発電システムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す図。
【図２】本発明の実施の形態２を示す図。
【図３】本発明の実施の形態３を示す図。
【図４】本発明の実施の形態４を示す図。
【図５】誘導発電機と２回線送電線からなるモデル系統を示す図。
【図６】図５の誘導発電機の端子電圧と有効電力の特性を示すグラフ。
【図７】図５の誘導発電機の端子電圧の時間変化を示すグラフ。
【図８】図５の誘導発電機の回転角速度の時間変化を示すグラフ。
【図９】シミュレーションに用いたモデルを示す図。
【図１０】図９において交流励磁型発電装置を無くしたモデルを示す図。
【図１１】図９および図１０の誘導発電機の端子電圧の時間変化を示すグラフ。
【図１２】図９および図１０の誘導発電機の回転角速度の時間変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１，９…誘導発電機、２…検出装置、３，１１，２０…発電装置、３ａ…交流励磁型同期発電機、３ｂ，１１ｂ…交直変換器（コンバータ）、３ｃ，１１ｃ…直流コンデンサ、３ｄ，１１ｄ…交直変換器（インバータ）、４…二次励磁制御装置、６，７，１０，１２…風車、８…電力系統、１１ａ…同期発電機、１３，１８，１９…並列コンデンサ、１４，１５…変圧器、１６…ブレーカー、１７…三相地絡地点。
【図１】
2005051867.tif 000003
【図２】
2005051867.tif 000004
【図３】
2005051867.tif 000005
【図４】
2005051867.tif 000006
【図５】
2005051867.tif 000007
【図６】
2005051867.tif 000008
【図７】
2005051867.tif 000009
【図８】
2005051867.tif 000010
【図９】
2005051867.tif 000011
【図１０】
2005051867.tif 000012
【図１１】
2005051867.tif 000013
【図１２】
2005051867.tif 000014