(57)【要約】  【課題】  可動電極を用いてＬＶＲＴ機能を固定側に実装し、回転子実装部品を低減する。  【解決手段】  回転子に電力変換器を実装する回転電機システムであって、前記回転子に、前記電力変換器に接続する蓄電装置と、前記蓄電装置の電圧値を検出する電圧センサと、前記電圧センサで検出した電圧値情報を固定子側へ送信する回転側制御装置を備え、前記固定子に、前記電圧値情報を受信する固定側制御装置と、電力を消費する電力消費装置を備え、前記電圧センサで検出した電圧値が所定の値を超えた場合、前記蓄電装置と前記電力消費装置とを電気的に接続し、前記蓄電装置の電力を消費することを特徴とする。【選択図】  図３
2017153201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子に電力変換器を実装する回転電機システムであって、
前記回転子に、前記電力変換器に接続する蓄電装置と、
前記蓄電装置の電圧値を検出する電圧センサと、
前記電圧センサで検出した電圧値情報を固定子側へ送信する回転側制御装置を備え、
前記固定子に、前記電圧値情報を受信する固定側制御装置と、
電力を消費する電力消費装置を備え、
前記電圧センサで検出した電圧値が所定の値を超えた場合、前記蓄電装置と前記電力消費装置とを電気的に接続し、前記蓄電装置の電力を消費することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記回転子に可動電極を備え、
前記固定子にスリップリングを備え、
前記電圧センサの電圧値が所定の値を超えた場合、前記可動電極と前記スリップリングを接続することで、前記蓄電装置と前記電力消費装置を電気的に接続することを特徴とする回転電機システム。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記固定子に、前記電力消費装置に流れる電流値を検出する電流センサと、
前記電力消費装置に流れる電流を制御するチョッパ素子をさらに備え、
前記電流センサで検出した電流値が所定の値以下の場合、前記チョッパ素子により前記電力消費装置に流れる電流を遮断することを特徴とする回転電機システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機システムであって、
前記電流センサで検出した電流値が所定の値以下で、かつ、前記電圧センサで検出した電圧値が所定の値より低い場合、前記蓄電装置と前記電力消費装置の電気的接続を遮断することを特徴とする回転電機システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機システムであって、
前記回転側制御装置と前記固定側制御装置との間の前記電圧値情報の送受信は、無線通信、光通信、スリップリングのいずれかを介して行われることを特徴とする回転電機システム。
【請求項６】
回転子に電力変換器を実装する回転電機システムの制御方法であって、
前記電力変換器に接続された蓄電装置の電圧値が所定の値を超えた場合、固定子側に設けられた電力消費装置と前記蓄電装置とを電気的に接続し、前記蓄電装置の電力を消費することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の回転電機システムの制御方法であって、
前記回転子に設けられた可動電極と、前記固定子側に設けられたスリップリングを接続することで、前記電力消費装置と前記蓄電装置とを電気的に接続することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項８】
請求項６に記載の回転電機システムの制御方法であって、
前記電力消費装置に流れる電流値が所定の値以下の場合、チョッパ素子により前記電力消費装置に流れる電流を遮断することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電機システムの制御方法であって、
前記電力消費装置に流れる電流値が所定の値以下で、かつ、前記蓄電装置の電圧値が所定の値より低い場合、前記蓄電装置と前記電力消費装置の電気的接続を遮断することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の回転電機システムの制御方法であって、
前記電力変換器に接続された蓄電装置の電圧値が所定の値を超えた場合、前記電圧値情報を無線通信、光通信、スリップリングのいずれかを介して固定子側に設けられた制御装置へ伝送し、
前記制御装置により、前記電力消費装置と前記蓄電装置とを電気的に接続することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子に電力変換器を実装する回転電機システムに係り、特に、直流部のコンデンサ等のエネルギーを電圧として蓄える蓄電装置の過電圧を抑制する機能に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源問題や地球温暖化防止への関心の高まりから、風力発電システムと言った自然エネルギーを利用した発電システムが急速に普及している。風力発電システムでは風速に依存して風から得られるエネルギーが絶えず変動するため、風車の翼角度を風速に応じて可変とするピッチ機構や風車の回転速度に依存して変動する発電電力の周波数を電力系統の周波数に変換する電力変換器等を用いて、より広い風速域で効率良く発電運転が実施できるように工夫されている。このような風力発電システムの運転は可変速運転と呼ばれる。
【０００３】
可変速運転が可能な風力発電システムの形態の中で、例えば、図１に示す励磁式回転電機システム（巻線型２次励磁方式）は、風力発電システムの総出力電力量の３０％程度と小容量の電力変換器で可変速運転が可能なため、広く採用されている。図１の励磁式回転電機システムは電力変換器２が小型でかつ、扱う電力が小容量であるため電力変換に伴う発生損失が少なく、高効率な発電運転が可能である。
【０００４】
しかし、発電運転中に回転している回転子内の回転子巻線に励磁電力を供給する必要があるため、回転子巻線に電力を供給するスリップリングとブラシを設け、回転するスリップリングにブラシを接触させ静止系に設置された電力変換器から励磁電力を供給している。
【０００５】
励磁電力供給用にスリップリング及びブラシを設けると、ブラシの摩耗が発生するため、定期的なメンテナンスが必要となる。しかしながら、風力発電システムでは、図１のような励磁式回転電機システムは風車のタワー上部にあるナセル内という限られた空間内に設置されるため、メンテナンス作業が困難であり、その軽減方法が求められている。
【０００６】
そこで、スリップリングとブラシを用いない励磁電力の供給方法として、図２に示すような構成の回転電機システムが検討されている。
【０００７】
風翼発電システムでは、電力系統で地絡事故等の系統事故により電圧低下が発生すると、発電電力を送電することができなくなる。このとき、電力に変換できなかった風のエネルギーは、風車の回転エネルギーに変換されるため、風車は過回転になる。もしくは、送電できない余剰な発電電力によって電力変換器の直流部のコンデンサ等の蓄電装置が過電圧となる。このような事象が発生すると、風力発電システムは発電運転の継続が困難になるため、通常は電力系統から解列し、発電運転を停止する。
【０００８】
しかし、風力発電システムが一斉に解列すると、系統事故が除去され復電したときに、発電電力の供給不足が発生し、電力系統が不安定になる。このため、風力発電システムは電力系統の電圧が低下した場合にも、解列せず復電したときに、速やかに発電運転を再開するＬＶＲＴ（Low Voltage ride Through）機能が求められる。
【０００９】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、電力変換器が回転子に配置された回転電機システムが開示されている。
【００１０】
また、ＬＶＲＴ機能を実現する方法として、例えば特許文献２や特許文献３に開示される技術がある。特許文献２に開示の技術によると、クローバー回路によって巻線型二次励磁発電機の固定子巻線と電力変換器を接続する三相交流を短絡することで、電力変換器に電力が流入しないようにすることでＬＶＲＴ機能を実現する。
【００１１】
また、特許文献３に開示の技術によると、コンデンサと並列に抵抗チョッパ回路（ＬＶＲＴチョッパ）を設け、コンデンサが過電圧になると、抵抗チョッパを動作させ抵抗で熱としてエネルギーを消費することで過電圧を抑制し、ＬＶＲＴ機能を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１３−１１０８０１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１３５６３号公報
【特許文献３】特開平１１−１８４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、スリップリングとブラシを用いない励磁電力の供給方法を採用する図２の回転電機システムでは、回転子７，７’に電力変換器２の主回路が実装されるため、従来技術によってＬＶＲＴ機能を実現しようとする場合、回転子側にさらにＬＶＲＴ回路の実装が必要となる。このため、実装スペースの制約が課題となる。
【００１４】
また、回転子側にエネルギー消費器である抵抗器を実装する場合、通常運転時の主回路の冷却設計に加え、系統事故運転中のＬＶＲＴ回路の冷却設計も課題となる。
【００１５】
上記特許文献１から特許文献３のいずれにおいても、上述したような課題やその解決方法に関する記載はない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、回転子側に抵抗器等のエネルギー消費装置を実装することなく、ＬＶＲＴ機能を備えた回転電機システムを提供することにある。
【００１７】
また、本発明の別の目的は、回転子側に抵抗器等のエネルギー消費装置を実装することなく、ＬＶＲＴ機能を備えた回転電機システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る回転子に電力変換器を実装する回転電機システムにおいて、回転部に備わる電力の蓄電装置の両端電圧を検出する電圧センサと、回転部と固定部の電気的接続を可能とする可動電極と、固定部に電力を消費する電力消費装置と、電力消費装置に流れる電流を検出する電流センサを備え、前記電圧センサにより前記蓄電装置の電圧が所定の値を超過したことを検出した場合に、前記可動電極によって固定部と回転部を接続し、固定部の電力消費装置によって電力を消費し、前記電流が十分に抑制されているときに前記可動電極を非接続とすることで、前記蓄電装置の電圧上昇を抑制する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、回転部への抵抗器等のエネルギー消費装置を実装することなく、ＬＶＲＴ機能を実現することが可能となる。
【００２０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】巻線型２次励磁方式による回転電機システムの例を示す図である。
【図２】回転子に電力変換器を実装する回転電機システムの例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る回転電機システムの電気構成を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る回転電機システムの動作を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る回転電機システムの制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る回転電機システムの実施形態について、各図を参照しながら詳細に説明する。尚、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。ここで記載した内容はあくまでも実施例を説明するものであって、本発明の実施態様を限定するものではない。また、本発明の範囲はあくまで特許請求の範囲に基づいて定められるものであることは勿論である。
【実施例１】
【００２３】
本実施例に係る回転電機システムの電気構成の例を図３に示す。本実施例は図２に示す回転電機システムに適用するものである。図２の回転電機システムは、電力変換器２の直流部の蓄電装置（コンデンサ）３を基準に、その両側に電気回路として直流−交流電力変換器と巻線型回転機４がそれぞれ備わる。このため、図３では片側の主回路に相当する電気回路のみを図示している。
【００２４】
風力発電システムの系統事故等により余剰電力が発生した場合、電力変換器２の蓄電装置３の電圧が上昇する。
【００２５】
回転側には、電力変換器２の蓄電装置３の電圧を検出する電圧センサ１３と、電圧センサ１３の電圧検出値Ｓｉｎｖを固定側制御装置１９へ伝送する回転側制御装置１８を回転子に備える。
【００２６】
固定側制御装置１９は、蓄電装置３の両端電圧が所定の電圧値Ｖ０以上となったことを判別し、可動電極とスリップリングによって構成される電力授受部１７に駆動信号ＳｏｕｔＣＮＴを送信し、回転側の電力変換器２の直流部と固定側に実装された抵抗チョッパ回路１２を、可動電極を操作することで電気的に接続する。
【００２７】
この所定の電圧値Ｖ０は、電力変換器２の通常運転において蓄電装置３が保持するように設計される電圧値より大きい値とすれば良い。
【００２８】
電力授受部１７を可動電極とスリップリングによって構成することで、抵抗チョッパ回路１２による電力消費が必要となる時のみ、回転部と固定部の摺動による電気接続を獲得でき、本発明が適用される図２の回転電機システムが本来有する電極ブラシとスリップリングから構成される摺動部を用いず、回転子に非接触で給電する利点を損なわない。
【００２９】
さらに、可動電極を固定側とし、前記スリップリングを回転側に備えることで、回転側に可動電極を実装する場合に比べ、回転環境下で電極を可動させる必要がなく、可動部の動作不具合や部品故障の可能性を低減できる。
【００３０】
また、可動電極が回転側に実装された場合、駆動信号ＳｏｕｔＣＮＴは回転側制御装置１８から送信されることになる。しかし、後述の可動電極を電気的に非接続とする動作は、後述する導通電流の判定が必要であり、回転側制御装置１８と固定側制御装置１９の信号伝送を増やすことが必要になる。もしくは、回転側で独自に電流を検出するためのセンサ追加が必要となる。いずれの場合にも、回転側の実装部品を減らす本特許の効果を減じることになる。
【００３１】
抵抗チョッパ回路１２は、電力消費装置である抵抗器１６と半導体スイッチング素子（チョッパ素子）１５が直列に接続され、半導体スイッチング素子１５は、蓄電装置３の電圧が所定の電圧値Ｖ２以下となるように、固定側制御装置１９が出力する半導体スイッチング素子１５の駆動信号ＳｏｕｔＣＨＰによってＯＮ・ＯＦＦ駆動される。
【００３２】
前記駆動形態は、電圧検出値Ｓｉｎｖが所定の電圧Ｖ２を超過した際に、半導体スイッチング素子１５を導通状態とし、所定の電圧値Ｖ１を下回った際に、半導体スイッチング素子１５を非導通状態とするように、導通と非導通の切り替えを異なる電圧所定値Ｖ１，Ｖ２，（Ｖ０＜Ｖ１＜Ｖ２）を用いて制御しても良いし、所定の電圧値Ｖ（Ｖ＞Ｖ０）に一定に制御しても良い。
【００３３】
いずれの場合も、電圧が上昇する限りは、抵抗チョッパ回路１２によって余剰電力を熱エネルギーとして消費する動作を継続し、電圧検出値Ｓｉｎｖが所定の電圧値Ｖ０未満となることで、系統事故等による余剰電力を発生させる状態が終了したことが判定できる。
【００３４】
前記所定の電圧Ｖ２は、蓄電装置３を構成するコンデンサ等の電気部品及び電力変換器２を構成する半導体スイッチング素子群の耐電圧を考慮して設定され、通常前記コンデンサや半導体スイッチング素子の動作が保証される電圧以下に設定される。
【００３５】
前記の固定側制御装置１９は抵抗器１６と半導体スイッチング素子１５を流れる電流を検出する電流センサ１４の検出値Ｓｉｎｉを入力し、前記の蓄電装置３の電圧が所定の電圧値Ｖ０以下もしくはＶ０未満、かつ、前記半導体スイッチング素子１５への駆動信号が非導通状態、かつ、前記電流検出値が所定の電流値Ｉ０以下の場合に、電力授受部１７を動作させ、回転側の電力変換器２の直流部と固定側に実装された抵抗チョッパ回路１２とを非接続とする。
【００３６】
電流検出値Ｓｉｎｉによって電力授受部１７の動作可否を判定することで、可動電極の動作に伴うアーク放電等を抑制することが可能となり、電極の過剰磨耗や回転部と固定部の溶着を防ぐことができる。このため、前記所定の電流値Ｉ０は、蓄電装置３と抵抗チョッパ回路１２及び電力授受部１７からなる電気回路上の閉経路のインダクタンス値と電流遮断時間を考慮して、前記インダクタンス値と遮断における電流の時間変化率の積が、前記アーク等の電極の過剰摩耗を発生させる可能性のある電圧値より小さくなるように設計することが望ましい。
【００３７】
なお、可動電極を設けたことで、余剰電圧発生時だけでなく、電力変換器２の蓄電装置３を初充電するために外部から電力を供給することも可能となる。
【００３８】
また、回転側制御装置１８と固定側制御装置１９の信号伝送は、図３のように非接触な通信方法（無線通信）以外にも、例えば、スリップリングを介した接触通信や光通信などの通信手段を用いても良い。
【００３９】
以上の一連の時系列動作を図４に示す。また、その際の回転電機システムの制御フローを図５に示す。
【００４０】
回転電機システムの通常動作時は、蓄電装置３の電圧検出値ＳｉｎｖはＶ０より低い値で推移する。系統事故が発生し、電圧センサ１３が蓄電装置３の電圧検出値Ｓｉｎｖ≧Ｖ０となったのを検知した場合、ステップＳ１からステップＳ２へ移行する。それ以外では、制御フローに従い通常動作の状態を維持する。
【００４１】
ステップＳ２では、固定側制御装置１９から電力授受部１７へ接続の駆動信号ＳｏｕｔＣＮＴが送信され、ステップＳ３で電力授受部１７の可動電極とスリップリングを接続する。
【００４２】
その後、蓄電装置３の電圧検出値Ｓｉｎｖの値を判定する。電圧検出値Ｓｉｎｖ＞Ｖ２の場合、ステップＳ４へ移行する。電圧検出値Ｓｉｎｖ≦Ｖ２の場合は、ステップＳ１へ戻る。
【００４３】
ステップＳ４では、固定側制御装置１９からスイッチング素子１５へ導通の駆動信号ＳｏｕｔＣＨＰが送信され、ステップＳ５でスイッチング素子１５がＯＮとなり、蓄電装置３の余剰電力が抵抗チョッパ回路１２で消費される。
【００４４】
続いて、蓄電装置３の電圧検出値Ｓｉｎｖの値を判定する。電圧検出値Ｓｉｎｖ＜Ｖ１の場合、ステップＳ６へ移行する。電圧検出値Ｓｉｎｖ≧Ｖ１の場合は、ステップＳ４へ戻る。
【００４５】
ステップＳ６では、固定側制御装置１９からスイッチング素子１５へ非導通の駆動信号ＳｏｕｔＣＨＰが送信され、ステップＳ７でスイッチング素子１５がＯＦＦとなり、抵抗チョッパ回路１２での電力消費が停止される。
【００４６】
続いて、蓄電装置３の電圧検出値Ｓｉｎｖの値を判定する。電圧検出値Ｓｉｎｖ＞Ｖ２の場合、ステップＳ４へ戻り、電圧検出値Ｓｉｎｖ＜Ｖ１の場合、続いて、電流センサ１４の電流検出値Ｓｉｎｉを判定する。電流センサ１４の電流検出値Ｓｉｎｉ≦Ｉ０である場合、ステップＳ８へ移行する。一方、電流検出値Ｓｉｎｉ＞Ｉ０の場合は、ステップＳ６へ戻る。
【００４７】
ステップＳ８では、固定側制御装置１９から電力授受部１７へ非接続の駆動信号ＳｏｕｔＣＮＴが送信され、ステップＳ９で電力授受部１７の可動電極とスリップリングが非接続となり、ステップＳ１へ戻る。
【００４８】
以上の制御フローにより蓄電装置３に余剰電力が発生した場合、速やかにスイッチング素子１５で消費することができる。
【００４９】
以上の実施例では、風力発電システムに搭載される回転電機システムの例を用いて、本発明を詳しく説明したが、風力発電以外でも、例えば、水力発電システムなどの回転電機システムにも適用することができる。
【００５０】
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…電力系統、２…電力変換器、３…蓄電装置（コンデンサ）、４…巻線型回転機、５,５’…固定子、６,６’…固定子巻線、７,７’…回転子、８,８’…回転子巻線、９…主軸、１０…ブラシ、１１…スリップリング、１２…抵抗チョッパ回路、１３…電圧センサ、１４…電流センサ、１５…半導体スイッチング素子（チョッパ素子）、１６…抵抗器（電力消費装置）、１７…電力授受部、１８…回転側制御装置、１９…固定側制御装置、Ｓｉｎｖ…蓄電装置の電圧検出信号、Ｓｉｎｉ…抵抗チョッパ回路の電流検出信号、ＳｏｕｔＣＮＴ…電力授受部の駆動信号、ＳｏｕｔＣＨＰ…抵抗チョッパ素子の駆動信号。
【図１】
2017153201.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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