(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風のエネルギーによって回転する風車と、風車の回転エネルギーを交流電力に変換する同期発電機と、前記交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記直流電力を商用周波数の交流電力に変換して電力系統に供給する逆変換器とを備えた風力発電装置において、
前記同期発電機の出力変動を抑制する前記順変換器と前記逆変換器との間に設けた前記直流電力を充電及び放電するコンデンサと、
前記同期発電機の出力する有効電力に含まれるタワーブロック効果に起因する出力変動分を抽出する変動抽出フィルタを有し、
該出力変動分を抑制するために直流電圧指令値補正分を出力する出力変動抑制ブロックと、
前記コンデンサの直流電圧を直流電圧検出値として出力する電圧検出センサとを備え、
前記直流電圧指令値補正分と直流電圧指令ベース分の和からなる直流電圧指令値と前記直流電圧検出値との偏差値に応じて、前記コンデンサ間の端子電圧を増減するように前記逆変換器を通過する電力を制御する指示を前記逆変換器に出す制御部を設けることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記同期発電機の出力が増加する時には、前記畜電手段間の端子電圧を高くし直流電力を前記畜電手段に充電すると共に、前記同期発電機の出力が減少する時には、前記畜電手段間の端子電圧を低くし前記畜電手段から直流電力を逆変換器に放電する指令を前記逆変換器に出す制御部を設けることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記出力変動抑制ブロックは前記同期発電機から有効電力を検出する有効電力検出器と、前記出力変動分を抽出する変動抽出フィルタと、前記出力変動分の位相及びゲインを調整して直流電圧指令値補正分を出力するゲイン位相補償部とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記直流電圧指令値が前記蓄電手段を破損しない直流電圧値に制限する直流電圧指令リミッタを設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項５】
風のエネルギーによって回転する風車の回転エネルギーを同期発電機により交流電力に変換し、前記交流電力を順変換器で直流電力に変換し、前記直流電力を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する風力発電方法において、
前記同期発電機の出力変動を抑制する前記順変換器と前記逆変換器との間に設けたコンデンサに前記直流電力を充電及び放電し、前記同期発電機の出力する有効電力を出力変動抑制ブロックに入力し、前記出力変動抑制ブロックは前記同期発電機の出力する有効電力に含まれるタワーブロック効果に起因する出力変動分を抑制するために直流電圧指令値補正分を出力し、前記コンデンサの直流電圧を電圧検出センサにより検出し、前記出力変動抑制ブロックの出力する直流電圧指令値補正分と直流電圧指令ベース分の和からなる直流電圧指令値と前記電圧検出センサの直流電圧検出値との偏差値を制御部に入力し、前記制御部により前記コンデンサ間の端子電圧を増減するように前記逆変換器を通過する電力を制御することを特徴とする風力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車により駆動される同期発電機の出力変動を抑制する風力発電装置及びその発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電システムを説明する。風車は同期発電機に接続され、風のエネルギーによって風車が回転し、風車が同期発電機を駆動することで同期発電機が発電する。同期発電機の出力する交流電力は順変換器により直流電力に変換され、更に逆変換器により商用周波数の交流電力に変換されて電力系統に供給される。風力発電システムの一例として、特開平２０００−３４５９５２号公報に記載されている。
【０００３】
一方、風力発電システムは風速の変動例えば風車のブレードがタワーの近くを横切る時に、そのブレードが風の力を受けにくくなることから生じる所謂タワーブロック効果等がある。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変動させ、電力系統に悪影響を与えることになるため、風力発電システムを導入する場合にはこうした出力変動を抑制することが必須となる。
【０００４】
そこで、近年の風車では風車のブレードの角度を風速に応じて変化させることで、風車への機械的入力を調節するピッチ制御を行うことにより、風速変動に起因する出力変動を抑制する方法が採られる。また、更に順変換器による同期発電機の出力制御も合わせて行われる。逆変換器においては直流電圧を一定に制御することが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では変動周期の短い変動については、十分な変動抑制効果を得ることが困難となる。それは、逆変換器において直流電圧を一定に制御することを行っているために、順変換器の出力がそのまま系統側へ出力されることになるためである。即ち、風車のピッチ制御や順変換器の出力制御では応答することのできない短い周期変動がそのまま系統側へ出力されることになり、電力系統への電力の品質が低下する恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、風車のピッチ制御や順変換器の出力制御では応答することのできない短い周期の変動を抑制することにより、電力系統に品質を向上した電力を供給することが出来る風力発電装置を提供することにある。
【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、本発明の風力発電装置は、同期発電機の出力が増加する時には、直流コンデンサ間の端子電圧を高くし直流電力を畜電手段に充電すると共に、同期発電機の出力が減少する時には、直流コンデンサ間の端子電圧を低くし直流コンデンサから直流電力を逆変換器に放電する指令を逆変換器に出す制御部を設けることにより、周期変動を抑制することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に掛かる一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例の全体構成を示す。図１において、同期発電機２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の回転速度に応じ回転子が固定子内で回転し、固定子から可変周波数の交流電力を出力する。同期発電機２の固定子には順変換器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は蓄電手段である直流コンデンサ４を介し、逆変換器５に接続されており、逆変換器５は順変換器３から送ら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。
【０００９】
逆変換器５と系統連系用変圧器６の間には電流検出センサ８が設置されており、電流検出センサ８は逆変換器５から系統側へ流れる電流を検出する。検出された電流値は３相／２相変換器９によって有効分と無効分の２軸成分に変換される。
【００１０】
また、順変換器３と逆変換器５の間の直流部分には直流電圧検出センサ７が設置されており、直流電圧検出センサ７は直流コンデンサ４に掛かる電圧を検出する。
【００１１】
同期発電機２と順変換器３の間には電圧検出センサ１６及び電流検出センサ１７が設置されており、電圧検出センサ１６は同期発電機２の端子電圧検出値を、電流検出センサ１７は同期発電機２の固定子に流れる電流の検出値を、それぞれ出力変動抑制ブロック１０に入力する。出力変動抑制ブロック１０は直流電圧制御器１１へ与える直流電圧指令の補正分を出力する。この直流電圧指令の補正分を直流電圧指令のベース分に加えたものが直流電圧制御器１１に与える直流電圧指令となる。
【００１２】
直流電圧制御器１１の入力は直流電圧指令と直流電圧検出器７の出力する直流電圧検出値の偏差値である。但し、直流電圧指令が大きくなり過ぎて、直流コンデンサ４の耐電圧よりも直流電圧が大きくなると直流コンデンサ４が壊れるので、直流電圧指令制限リミッタ１５を設けて、直流電圧指令があまり大きくなり過ぎないようにする。直流電圧制御器１１は例えば比例積分制御系により構成され、直流電圧検出値と直流電圧指令の偏差値が零になるように逆変換器５への電流指令を決定する。
【００１３】
電流制御器１２への入力は３相／２相変換器９の出力する２軸成分の電流検出値と直流電圧制御器１１の出力する逆変換器５への電流指令である。電流制御器１２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値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１２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１３によって３相の電圧指令に変換される。
【００１４】
制御部であるパルス発生器１４は、２相／３相変換器１３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が高速にスイッチングを行うことで、逆変換器５は指令に応じた電圧を出力することになる。つまり、直流電圧指令値と直流電圧検出値との偏差値に応じて、制御部であるパルス発生器１４から逆変換器５に直流コンデンサ４間の端子電圧Ｖを増減するように逆変換器５を通過する電力を制御する指示をする。
【００１５】
以上のような制御系の構成により、直流コンデンサ4間の端子電圧を抑制することができる。
【００１６】
次に直流電圧指令補正分について説明する。発電機出力に変動がない場合、この直流電圧指令の補正分は零であり、直流電圧指令のベース分がそのまま直流電圧指令となる。
【００１７】
発電機出力が増加した場合、直流電圧指令の補正分を正の方向へ大きくすることで、パルス発生器１４より直流コンデンサ４間の端子電圧Ｖの直流電圧を高くする指示を逆変換器５に出し、直流コンデンサ４に蓄えるエネルギーを大きくする。この結果、順変換器３から直流部分への入力の増加分を直流コンデンサ４に蓄え、逆変換器５は一定の出力を保つことができる。
【００１８】
逆に、発電機出力が減少した場合、直流電圧指令の補正分を負の方向へ大きくすることで、パルス発生器１４より逆変換器５に直流コンデンサ４間の端子電圧Ｖを低くする指示を逆変換器５に出し、直流コンデンサ４に蓄えるエネルギーを小さくする。この結果、順変換器３から直流部分への入力の不足分は直流コンデンサ４に蓄えられていたエネルギーから補われるため、逆変換器５は一定の出力を保つことができる。
【００１９】
このように、順変換器３と逆変換器５を接続する直流部分の直流電圧制御が可能となり、直流コンデンサ４にエネルギーを蓄えたり、或いは直流コンデンサ４に蓄えたエネルギーを放出したりすることで、同期発電機２の出力が変動した場合にも電力系統側への出力変動を抑制することが可能となり、電力系統に出力変動を抑制した分品質の良い電力を供給することが出来るようになった。
【００２０】
図２は出力変動抑制ブロック１０を詳細に示した図である。同期発電機２と順変換器３の間には電圧検出センサ１６及び電流検出センサ１７が設置されており、電圧検出センサ１６は同期発電機２の端子電圧を検出し、電流検出センサ１７は同期発電機２の固定子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１８によって有効分と無効分の２軸成分に変換される。
【００２１】
有効電力検出器１９は３相／２相変換器１８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。変動抽出フィルタ２０は有効電力検出器１９の出力する有効電力検出値からある特定の周波数領域における変動分を抽出する。この周波数領域は風車１のピッチ制御や順変換器３の出力制御では応答することのできない高い周波数領域が設定される。風車１のピッチ制御は機械的な制御であるために、その応答時定数は数秒オーダであり、順変換器３の出力制御は電気的な制御であるため、ピッチ制御に比べると応答は速いが、通常は制御の安定性を考慮して約１００ｍｓ程度に設定する。
【００２２】
一方、風車１のブレードがタワーの近くを横切るときに、同期発電機２の出力には数Ｈｚ程度の周期の出力変動が生じる。この変動は風車１のブレードがタワーの近くを横切る時にそのブレードが風の力を受けにくくなることから生じるもので、タワーブロック効果と呼ばれる。
【００２３】
この変動は風車１のピッチ制御や順変換器３の出力制御では応答することができない周波数領域であるために、変動抽出フィルタ２０の抽出する周波数領域はこの周波数領域が設定される。変動抽出フィルタ２０は変動を抑制する特定の周波数成分を検出するものであれば良く、フーリエ変換による特定の周波数成分検出を用いることもできる。
【００２４】
ゲイン位相補償２１は変動抽出フィルタ２０の抽出した出力変動信号のゲイン及び位相を調整し、直流電圧指令の補正分を作成する。ゲイン、位相の調整はゲイン余裕、位相余裕、逆変換器５の動作遅れ時間等を考慮して決定する。ゲイン位相補償２１の出力する直流電圧指令の補正分は直流電圧指令ベース分に加算され、逆変換器５への直流電圧指令が作成される。つまり、ゲイン位相補償部２１は出力変動分の位相及びゲイン幅を調整して直流電圧指令値補正分を出力する。
【００２５】
図３は出力変動を抑制のための出力変動制御ブロックはないが、不感帯２２を用いることで等価的に直流電圧指令を変化させて、電力系統側への出力変動を抑制する。通常は直流電圧指令と直流電圧検出値の間に偏差値が生じると、その偏差値が零になるように直流電圧制御器１１が動作する。
【００２６】
しかし、図３に示すように不感帯２２を用いると、直流電圧指令と直流電圧検出値の間に仮に偏差値が生じても、その偏差値がある一定の範囲内であれば、不感帯２２の出力は零であり、直流電圧制御器１１の入力が零となることから、その出力である電流指令は変化しない。その結果、逆変換器５が系統側へ出力する電力は一定に保たれる。
【００２７】
例えば、同期発電機２の出力が増加した場合、順変換器３から直流部分へ流れ込む電力が増加するが、逆変換器５が系統側へ出力する電力は一定に保たれるため、順変換器３から直流部分へ流れ込む電力の増加分が直流コンデンサ４に蓄えられることとなり、直流電圧が上昇する。
【００２８】
逆に、同期発電機２の出力が減少した場合、順変換器３から直流部分へ流れ込む電力が減少するが、逆変換器５が系統側へ出力する電力は一定に保たれるため、逆変換器５が系統側へ出力する電力の不足分が直流コンデンサ４に蓄えられたエネルギーから補われることとなり、直流電圧が低下する。
【００２９】
以上のように、不感帯２２を用いることで直流電圧指令と直流電圧検出値の間の偏差値がある一定の範囲内であれば、直流電圧を変化させることで、逆変換器５から系統側への出力を一定に保つことができる。即ち、同期発電機２の出力が変動した場合にも等価的に直流電圧指令を変化させることで、電力系統側への出力変動を抑制することが可能となる。また不感帯２２を用いれば、図１，２に比べて出力変動抑制ブロック１０を使用しない分だけ、風力発電装置の構成を簡素化することが出来る。
【００３０】
本発明の風力発電方法の実施例として、例えば風のエネルギーによって回転する風車の回転エネルギーを同期発電機により交流電力に変換し、この交流電力を順変換器で直流電力に変換して逆変換器に入力し、逆変換器により直流電力を商用周波数の交流電力に変換して電力系統に供給し、順変換器と逆変換器との間に設けた蓄電手段に直流電力を充電及び放電し、同期発電機の出力する有効電力を出力変動抑制ブロックに入力し、蓄電手段の直流電圧を電圧検出センサにより検出し、出力変動抑制ブロックの出力する直流電圧指令値補正分と直流電圧指令ベース分の和からなる直流電圧指令値と電圧検出センサの直流電圧検出値との偏差値を制御部に入力し、制御部により畜電手段間の端子電圧を増減するように逆変換器を通過する電力を制御し、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一定の電力を供給することにより、風車による同期発電機の出力が変動した場合にも、電力系統側への出力変動を抑制し、品質を向上した電力を供給することが可能となった。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、風車による同期発電機の出力が変動した場合にも電力系統側への出力変動を抑制することが可能となり、電力系統に出力変動を抑制した分品質の良い電力を供給することが出来るようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例として適用した風力発電装置の構成図。
【図２】本発明の他の実施例である出力変動抑制ブロックの詳細を示した風力発電装置の構成図。
【図３】本発明の他の実施例である不感帯を用いた風力発電装置の構成図。
【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…電圧検出センサ、８…電流検出センサ、９…３相／２相変換器、１０…出力変動抑制ブロック、１１…直流電圧制御器、１２…電流制御器、１３…２相／３相変換器、１４…パルス発生器、１５…直流電圧指令制限リミッタ、１６…電圧検出センサ、１７…電流検出センサ、１８…３相／２相変換器、１９…有効電力検出器、２０…変動抽出フィルタ、２１…ゲイン位相補償、２２…不感帯。
【図１】
0003974373.tif 000002
【図２】
0003974373.tif 000003
【図３】
0003974373.tif 000004