(57)【要約】【課題】電力変換装置において、 発電している電力を消費させる抵抗値により、無駄な消費電力の低減、機械ダメージを回避する。【解決手段】発電機４から出力される交流電力を直流電力に変換する順変換部５と、直流電力を交流電力に変換し、商用電源２と接続される逆変換部６と、順変換部５と逆変換部６の接続点である直流回路に接続され、直流電圧上昇時にＯＮ／ＯＦＦ動作するＥＤＲ制御回路１と、ＥＤＲ制御回路１に直列接続されて直流電圧上昇時に電力を消費させるＥＤＲ回路８と、順変換部５と逆変換部６とＥＤＲ制御回路１とＥＤＲ回路８とを制御する制御器７と、を備えた電力変換装置において、 前記ＥＤＲ回路８は、複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４と複数の開閉器Ｓ１〜Ｓ３とを有し、前記制御器７が、ＥＤＲ回路８の総抵抗値を開閉器Ｓ１〜Ｓ３の操作によって切り替える 。【選択図】図２
2017103917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する順変換部と、
直流電力を交流電力に変換し、商用電源と接続される逆変換部と、
順変換部と逆変換部の接続点である直流回路に接続され、直流電圧上昇時にＯＮ／ＯＦＦ動作するＥＤＲ制御回路と、
ＥＤＲ制御回路に直列接続されて直流電圧上昇時に電力を消費させるＥＤＲ回路と、
順変換部と逆変換部とＥＤＲ制御回路とＥＤＲ回路とを制御する制御器と、
を備える電力変換装置であって、
前記ＥＤＲ回路は、複数の抵抗と複数の開閉器とを有し、
前記制御器は、ＥＤＲ回路の総抵抗値を開閉器の操作によって切り替えることを特徴とする 電力変換装置。
【請求項２】
前記制御器は、
ＥＤＲ回路の総抵抗値が、発電機の発電電力に応じて常に直流過電圧を回避して電流を消費できる抵抗値となるように開閉器を制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御器は、ＥＤＲ回路とＥＤＲ制御回路が同時に動作することがないように制御することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御器は、ＥＤＲ回路の開閉器における開路時間の累積時間を記憶し、その累積時間に応じて各抵抗の負荷率が均等になるように制御することを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の電力変換装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 風力発電あるいは水力発電およびそれに搭載されるＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換器に係り、特に、瞬時電圧低下発生時の運転継続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示すように、風力や水力などの発電機に適用する系統連系インバータ（ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換器：以下、電力変換装置）の直流回路には、通常、ＥＤＲ制御回路１を介してエナジーダンプ抵抗（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｕｍｐ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）ＥＤＲが設けられている。
【０００３】
ＥＤＲ制御回路１は通常、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチが用いられており、その半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる。半導体スイッチがＯＮするとエナジーダンプ抵抗ＥＤＲに電流が流れ、結果としてインバータの直流電圧が上昇するような状況下においても直流電圧の上昇を抑えることができる。
【０００４】
エナジーダンプ抵抗ＥＤＲを使用する一例としては、図８、図９に示すように商用電源２が系統事故（例えば、落雷）などにより瞬時電圧低下した場合に、電流をエナジーダンプ抵抗ＥＤＲに流すことが考えられる。
【０００５】
これは、商用電源２の電圧が低下すると、電圧低下量に応じた分の有効電力を商用電源２へ逆潮流させることができなくなり、その結果、その分だけ電力変換装置の直流電圧が上昇し、最悪の場合コンバータ故障停止に至るからである。電力変換装置と商用電源２の連系点に遮断器３が設けられており、その遮断器３の定格電流は風車定格出力に応じて決められているため電流を増やせない。風力事業者としては瞬時電圧低下等の系統事故が発生しても可能な限り電力変換装置の運転継続を望むため、瞬時電圧低下発生時にエナジーダンプ抵抗ＥＤＲに電流を通流させて有効電力を消費させる方法を採用する場合がある。
【０００６】
この方法の場合、発電機４および電力変換装置の順変換部５においては系統事故が発生しても、上記エナジーダンプ抵抗ＥＤＲの制御が機能している限りは、有効電力が通常運転時と同じであるため、発電機４自体および発電機４とブレードの間にギヤやドライブトレインが装備されている場合はそれらに対し、機械的なダメージが加わるのを避けることができる。逆に、電力変換装置の逆変換部６の制御に異常が生じたり、故障に至るとトルク急変につながり、それらにダメージが加わるおそれがある。
【０００７】
上述のように、電力変換装置にエナジーダンプ抵抗ＥＤＲを設ける主な目的は、瞬時電圧低下発生時に運転を継続すること、および、発電機４やギヤ等の機械系にダメージが印加することを回避するためである。
【０００８】
制御器７は、通常、風車システムや水車システム全体を統括するコントローラから与えられるトルク指令などの指令値に基づいて、順変換部５や逆変換部６を制御する。電力変換装置に遮断器３が内蔵されている場合はそれも運転・停止に応じて開閉制御する。図７の破線矢印は制御器７が制御することを示す。
【０００９】
運転中に直流電圧が上昇した場合は、順変換部５と逆変換部６の接続部の直流電圧が故障レベルに達しないよう、エナジーダンプ抵抗ＥＤＲで電流を消費させるように、ＥＤＲ制御回路１をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１８９１８９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７６９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
抵抗値Ｒ、電力変換装置の直流電圧Ｖ、エナジーダンプ抵抗ＥＤＲに流れる電流値Ｉの関係はＩ＝Ｖ／Ｒとなる。 従来は、抵抗値Ｒは固定値であった。
【００１２】
電力変換装置の直流電圧Ｖは、基本的には固定であるが、可変制御する場合においてもその変動可能領域は小さい。例として、商用電源電圧や発電機定格電圧（通常商用電源電圧）がＡＣ６９０Ｖの場合、ダイオード整流される電圧９７５Ｖに商用電源電圧変動やＡＣＲ制御の余裕ために１０％ずつ見込み（上乗せ）、インバータの直流過電圧保護レベルを１２００Ｖ程度に設定する。そこからＡＣＲ制御余裕を１０％程度見込み、１０７０Ｖ〜１０８０Ｖ程度とほとんど調整の幅がない。
【００１３】
したがって、エナジーダンプ抵抗ＥＤＲに流れる電流値Ｉもほぼ固定値である。 通常、電流値Ｉが逆変換部６の定格電流相当となるように抵抗値Ｒを選定する。なぜならば、商用電源２の電圧が０Ｖまで低下した場合、発電可能な全電力（定格電力）を瞬間的に通流させることが必要だからである。
【００１４】
抵抗値Ｒが固定の場合、瞬時電圧低下時でも商用電源２の電圧が０Ｖまで低下しない場合（例えば５０％しか低下しない場合）、あるいは発電している電力が定格電力より小さい場合、ＥＤＲ発電電力分に相当する電流と、設定されているＶ，Ｒによる電流値Ｉ＝Ｖ／Ｒとの差分は、商用電源２から通流することになる。この抵抗値Ｒは装置能力としてのＶとＩが与えられているので唯一の値として決められる。その場合、商用側インバータ制御の外乱になる、通常逆潮流のみで運用している商用電源２から電流を潮流させる、無駄な電力を抵抗に消費させる、といった問題が生じる。
【００１５】
以上示したようなことから、電力変換装置において、 発電している電力を消費させる抵抗値により、無駄な消費電力の低減、機械ダメージの回避することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する順変換部と、直流電力を交流電力に変換し、商用電源と接続される逆変換部と、順変換部と逆変換部の接続点である直流回路に接続され、直流電圧上昇時にＯＮ／ＯＦＦ動作するＥＤＲ制御回路と、ＥＤＲ制御回路に直列接続されて直流電圧上昇時に電力を消費させるＥＤＲ回路と、順変換部と逆変換部とＥＤＲ制御回路とＥＤＲ回路とを制御する制御器と、を備える電力変換装置であって、 前記ＥＤＲ回路は、複数の抵抗と複数の開閉器とを有し、前記制御器は、ＥＤＲ回路の総抵抗値を開閉器の操作によって切り替えることを特徴とする 。
【００１７】
また、その一態様として、前記制御器は、 ＥＤＲ回路の総抵抗値が、発電機の発電電力に応じて常に直流過電圧を回避して電流を消費できる抵抗値となるように開閉器を制御することを特徴とする。
【００１８】
また、その一態様として、前記制御器は、ＥＤＲ回路とＥＤＲ制御回路が同時に動作することがないように制御することを特徴とする。
【００１９】
また、その一態様として、前記制御器は、ＥＤＲ回路の開閉器における開路時間の累積時間を記憶し、その累積時間に応じて各抵抗の負荷率が均等になるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電力変換装置において、 発電している電力を消費させる抵抗値により、無駄な消費電力の低減、機械ダメージの回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態１の電力変換装置を示す構成図。
【図２】実施形態１のＥＤＲ回路を示す構成図。
【図３】実施形態１の制御を示すフローチャート。
【図４】実施形態２のＥＤＲ回路を示す構成図。
【図５】実施形態２の制御を示すフローチャート。
【図６】実施形態３のＥＤＲ回路を示す構成図。
【図７】従来の電力変換装置を示す構成図。
【図８】商用電圧低下が大きいときの各電流を示すタイムチャート。
【図９】商用電圧低下が小さいときの各電流を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［実施形態１］
図１は本実施形態１における電力変換装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態１における電力変換装置は、発電機４が出力した交流電力を直流電力に変換する順変換部５と、順変換部５が出力する直流電力を交流電力に変換する逆変換部６と、電力変換装置と商用電源２との間に介挿された遮断器３と、順変換部５と逆変換部６との間の直流回路に接続され、直流電圧上昇時にＯＮ／ＯＦＦ動作するＥＤＲ制御回路１と、ＥＤＲ制御回路１に直列接続されて直流電圧上昇時に電力を消費させるＥＤＲ回路８と、順変換部５と逆変換部６と遮断器３とＥＤＲ制御回路１とＥＤＲ回路８とを制御する制御器７と、を有する。
【００２３】
エナジーダンプ抵抗ＥＤＲを抵抗値可変な構成とする。例えば、従来ステンレス鋼板や巻線などの直列接続で構成されていた抵抗器に、適宜スイッチを設けてワンパッケージで直列接続させることにより抵抗値を可変にする。
【００２４】
並列接続回路を導入してもよいが、制御の構成のしやすさと回路総抵抗値の均等・不均等により本実施形態１では直列接続で構成する。
【００２５】
発電機４の最大の発電電力をＰｍａｘとすると、その時点でＥＤＲ回路８に消費させるべき最大の電力（商用電圧が０Ｖまで低下する場合の電力）もＰｍａｘである。
【００２６】
電力変換装置の直流電圧Ｖｄｃとする。通常、ＦＲＴ（Ｆａｕｌｔ  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ）のときも含め電力変換装置は、逆変換部６にて直流電圧Ｖｄｃを一定に制御している。したがって、その時点での発電電力をＰ、直流電流をＩとすれば、ＥＤＲ回路に消費させるべき電流はＩ＝Ｐ／Ｖｄｃである。したがって、抵抗値ＲはＲ＝Ｖｄｃ／（Ｐ／Ｖｄｃ）＝Ｖｄｃ2／Ｐとしておけばよい。
【００２７】
本実施形態１によるＥＤＲ回路８の直列接続構成の場合、抵抗値は連続的に変化させられないので、ＥＤＲ回路８の抵抗値Ｒ’は、Ｖｄｃ2／Ｐｍａｘ（＝Ｒｍｉｎ）を最小値として制御すればよい。
【００２８】
設定抵抗値Ｒ’が必要な抵抗値Ｖｄｃ／Ｉより高いとコンバータ直流電圧が上昇して故障停止するおそれがあり、本来の目的である運転継続を果たせないおそれがある。よって、Ｒ’の範囲はＶｄｃ／Ｉ≧Ｒ’≧Ｒｍｉｎとする。
【００２９】
図２は本実施形態１におけるＥＤＲ回路８を示す図である。図６の場合との差異は、抵抗のみから構成されたエナジーダンプ抵抗ＥＤＲが、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と開閉器Ｓ１〜Ｓ３から構成された回路となっており、ＥＤＲ回路が制御器７によって制御されることである。
【００３０】
図２に示すように、ＥＤＲ回路８は、直列接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、抵抗Ｒ１と並列に接続された開閉器Ｓ１と、抵抗Ｒ２と並列に接続された開閉器Ｓ２と、抵抗Ｒ３と並列に接続された開閉器Ｓ３と、を備える。 図２における開閉器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、制御器７によって制御される。この開閉器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３には、例えば電磁接触器などを用いる。
【００３１】
直流電流を遮断不能な開閉器を用いてもよいが、その場合はＥＤＲ回路８が通電していないときに開閉操作を行う。つまり、ＥＤＲ制御回路１が動作していないときに開閉操作を行う。この場合は、制御器７は、ＥＤＲ制御回路１とＥＤＲ回路８内部のいずれかの開閉器が同時に動作しないようインターロック機能を備える。
【００３２】
図１の回路の場合、抵抗１個の抵抗値をｒとすると、回路の総抵抗値Ｒ’の値はｒ，２ｒ，３ｒ，４ｒの値をとり得る。ｒは上記Ｒｍｉｎである。 
【００３３】
図２のＥＤＲ回路の開閉器Ｓ１〜Ｓ３の切り替え制御は以下の表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】
2017103917.tif 000003
【００３５】
表１では抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を全てｒとしているが、全て異なる抵抗値としてもよい。
【００３６】
表１の状態番号が１⇔２⇔３⇔４と１つずつ遷移するように切り替える。また、ここでは各抵抗Ｒ１〜Ｒ４がいずれも抵抗値ｒの場合を示しているがそうでない場合は表１のＲ’の値が変わる。
【００３７】
制御器７は、常時、直流電圧Ｖｄｃと発電電力Ｐを検出しており、定常的に発電しているその時の電力を全部消費できる抵抗値を演算する。得られた値より小さい値の抵抗値になるようにＥＤＲ回路の各開閉器Ｓ１〜Ｓ３を制御する。発電電力Ｐは順変換部５、あるいは、逆変換部６に備えられている電流検出器および、逆変換部６に通常備えられている商用電源電圧検出器あるいは、順変換部５の発電機制御電圧検出器ないしは発電機制御電圧指令値から求められる場合もある。
【００３８】
図３は、本実施形態１の制御を示すフローチャートである。図３に基づいて本実施形態１の制御フローを説明する。
【００３９】
Ｓ１：Ｒ＝Ｖｄｃ2／Ｐを演算し、Ｒを求める。
【００４０】
Ｓ２：Ｓ１で求めたＲの値よりも小さな値になるようにＥＤＲ回路８内の開閉器Ｓ１〜Ｓ３を制御する。
【００４１】
図７，図８に示すように電圧低下の状況は各様ある。しかし、電圧低下の前の電力状態は上記に述べたように常時監視しているため、それに見合った電力を消費できる抵抗値を常時待機させておくようにする。
【００４２】
ＥＤＲ制御回路１の開閉は、直流電圧が所定の値Ｖ１（Ｖｄｃ以上、例えば、１．１５×Ｖｄｃ）になったとき‘‘閉’’とし、抵抗通電として抵抗に通電させ、直流電圧がＶ２（Ｖ１より小さな値、例えば１．０７×Ｖｄｃ）になったとき‘‘開’’とする動作を行う。このスイッチ動作は順変換部５、逆変換部６の動作とは関係なく、直流電圧のみによる。
【００４３】
本実施形態１ においてＥＤＲ制御回路１とＥＤＲ回路８の制御の相関は、双方同時動作防止のインターロックのみである。
【００４４】
本実施形態１は 抵抗Ｒ１〜Ｒ４の数が４の場合を示しているが、抵抗の数は２以上で任意である。
【００４５】
以上示したように、本実施形態１によれば、 単純で安価な追加回路と制御の実装により、風力／水力等の用途の電力変換システムの、瞬時電圧低下発生時の制御性能、運転継続性能が劇的に向上する。
【００４６】
［実施形態２］
実施形態１のように、ＥＤＲ回路８を直列・並列接続させることが可能な抵抗で構成した場合に、風力発電機発電量に応じて、導通する抵抗と導通しない抵抗がある。
【００４７】
発電量に応じて導通・非導通する抵抗が常に同じだと、各抵抗素子の通電率に差異が生じる。各抵抗の通電率を極力同じにするように制御することで、抵抗器全体の寿命を‘‘導通・非導通する抵抗素子が常に同じ’’場合より延命することができる。
【００４８】
しかし、各抵抗素子に電流検出器を設けると高額かつ回路構成が複雑になってしまう。
【００４９】
本実施形態２では、ＯＮした開閉器と、ＥＤＲ回路８自体の動作信号により、それぞれの抵抗素子に通電した時間を記憶しておき、通電時間が極力均等になるように制御する。
【００５０】
本実施形態２では開閉器Ｓ１〜Ｓ４と抵抗Ｒ１〜Ｒ４が一対となる。すなわち、開閉器Ｓ１〜Ｓ４と抵抗Ｒ１〜Ｒ４が同数で構成される。抵抗Ｒの直列数は任意であるが、本実施形態２では４の場合 を示す。
【００５１】
図４に本実施形態２におけるＥＤＲ回路８の構成を示す。本実施形態２では、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に開閉器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がそれぞれ並列接続される。本実施形態２の場合の抵抗値Ｒ’と各開閉器Ｓ１〜Ｓ４の関係は以下の表２に示す通りである。
【００５２】
【表２】
2017103917.tif 000004
【００５３】
本実施形態２では各開閉器Ｓ１〜Ｓ４と各抵抗Ｒ１〜Ｒ４が一対となって構成されているため、‘‘開’’状態の開閉器と対の抵抗は導通状態である。
【００５４】
したがって、開閉器Ｓ１〜Ｓ４に与えている開信号・閉信号の時間を記憶させておけば各抵抗Ｒ１〜Ｒ４の累積負荷率（負荷時間）を把握することが可能である。
【００５５】
図５は、本実施形態２の制御を示すフローチャートである。図５に基づいて本実施形態２の制御フローを説明する。
【００５６】
Ｓ１：Ｒ＝Ｖｄｃ2／Ｐを演算し、Ｒを求める。
【００５７】
Ｓ３：Ｒ’＞Ｒか否かを判定する。Ｒ’＞Ｒの場合はＳ４へ移行し、Ｒ’≦Ｒの場合はＳ６へ移行する。
【００５８】
Ｓ４：ＥＤＲ回路８内の開閉器Ｓ１〜Ｓ４がＲに応じた状態に合致しているか、すなわち、表２に示す状態となっているかを判定する。開閉器が表２に示す状態となっている場合はＳ８へ移行し、開閉器が表２に示す状態になっていない場合はＳ５へ移行する。
【００５９】
Ｓ５：‘‘開’’状態の開閉器のうち‘‘開’’状態の累積時間がもっとも長い開閉器を‘‘閉’’とする。
【００６０】
Ｓ６：ＥＤＲ回路８内の開閉器Ｓ１〜Ｓ４がＲに応じた状態に合致しているか、すなわち、表２に示す状態となっているかを判定する。開閉器Ｓ１〜Ｓ４が表２に示す状態となっている場合はＳ８へ移行し、開閉器Ｓ１〜Ｓ４が表２に示す状態になっていない場合はＳ７へ移行する。
【００６１】
Ｓ７：‘‘閉’’状態の開閉器のうち‘‘開’’状態の累積時間がもっとも短い開閉器を‘‘開’’とする。
【００６２】
Ｓ８：ＥＤＲ制御回路１がＯＮしたか否かを判定する。ＥＤＲ制御回路１がＯＮした場合はＳ９へ移行し、ＥＤＲ制御回路１がＯＦＦの場合はＳ１へ戻る。
【００６３】
Ｓ９：開状態の開閉器のそれぞれの累積時間データを累積し、Ｓ１へ戻る。
【００６４】
以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４の通電率が均等になり、ＥＤＲ回路の長寿命化を図ることが可能となる。
【００６５】
［実施形態３］
図６は本実施形態３のＥＤＲ回路８を示す構成図である。本実施形態３では、抵抗Ｒ１〜Ｒ４が直並列で接続されている。抵抗の直列接続だけでなく並列接続することも可能である。
【００６６】
図６に示すように、本実施形態３のＥＤＲ回路８は、開閉器Ｓ１と抵抗Ｒ１の直列回路に対して、開閉器Ｓ２と抵抗Ｒ２の直列回路が並列接続される。また、開閉器Ｓ１と抵抗Ｒ１の直列回路に対し、開閉器Ｓ３と抵抗Ｒ３の直列回路が直列接続される。また、開閉器Ｓ３と抵抗Ｒ３の直列回路に対し、開閉器Ｓ４と抵抗Ｒ４の直列回路が並列接続される。
【００６７】
図６の開閉器の切替制御は以下の表３に示すとおりである。
【００６８】
【表３】
2017103917.tif 000005
【００６９】
本実施形態３に示すように、ＥＤＲ回路８は、直列接続構造だけでなく並列接続構造を組むことも可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１…ＥＤＲ制御回路
２…商用電源
３…遮断器
４…発電機
５…順変換部
６…逆変換部
７…制御器
８…ＥＤＲ回路
【図１】
2017103917.tif 000006
【図２】
2017103917.tif 000007
【図３】
2017103917.tif 000008
【図４】
2017103917.tif 000009
【図５】
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【図６】
2017103917.tif 000011
【図７】
2017103917.tif 000012
【図８】
2017103917.tif 000013
【図９】
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