(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の軸に回転子が接続される同期発電機と、
該同期発電機の固定子に接続する順変換器と、
該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器と、
前記順変換器を制御する順変換器制御器と、
前記逆変換器を制御する逆変換器制御器と、を備え、
前記順変換器は前記同期発電機が発生する可変周波数の発電電力を直流電力に変換し、
前記逆変換器は前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する風力発電装置において、
前記順変換器と前記逆変換器との間に設けられた二次電池と、
前記同期発電機から出力される有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、
前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、を備え、
前記順変換器制御器は、
回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御器と、
前記同期発電機から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御器と、を備え、
前記逆変換器制御器は、
第１の有効電力検出器の検出値および第２の有効電力検出器の検出値に応じて前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御器を備え、
前記回転速度制御器から出力される指令は前記第１の有効電力制御器に入力され、前記順変換器は前記第１の有効電力制御器の出力信号に応じて駆動されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記逆変換器制御器は、
前記第１の有効電力検出器の検出値の変動成分を除去するフィルタを備え、前記フィルタの出力を前記第２の有効電力制御器の有効電力指令値とすることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記二次電池の残容量を検出する残容量検出器と、前記残容量検出器の検出値が予め定めた一定範囲内に入る方向に前記第２の有効電力制御器の有効電力指令を調整する運転手段と、を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
風車の軸に回転子が接続される同期発電機と、
該同期発電機の固定子に接続する順変換器と、
該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器との間に設けられた二次電池と、を備える風力発電装置の前記順変換器および前記逆変換器を制御する変換器制御装置において、
前記順変換器を制御する順変換器制御器と、
前記逆変換器を制御する逆変換器制御器と、を備え、
前記順変換器制御器は、
回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御器と、
前記同期発電機から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御器と、を備え、
前記逆変換器制御器は、
前記同期発電機から出力される有効電力および前記逆変換器から出力される有効電力の検出値に応じて前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御器を備え、
前記回転速度制御器から出力される指令は前記第１の有効電力制御器に入力され、前記順変換器制御器は前記第１の有効電力制御器の出力信号に応じて前記順変換器を駆動することを特徴とする変換器制御装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記逆変換器制御器は、前記同期発電機から出力される有効電力の変動成分を除去するフィルタを備え、前記フィルタの出力を前記第２の有効電力制御器の有効電力指令値とすることを特徴とする変換器制御装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記二次電池の残容量が予め定めた一定範囲外にあるときは、前記二次電池の残容量が一定範囲内に入る方向に前記第２の有効電力制御器の有効電力指令値を制御する運転手段を有することを特徴とする変換器制御装置。
【請求項７】
風車の軸に回転子が接続される同期発電機と、
該同期発電機の固定子に接続する順変換器と、
該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器との間に設けられた二次電池と、を備える風力発電装置の前記順変換器および前記逆変換器の制御方法において、
前記順変換器は、
回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御手段と、
前記同期発電機から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御手段と、により制御され、
前記逆変換器は、
前記同期発電機から出力される有効電力および前記逆変換器から出力される有効電力の検出値に応じて前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御手段により制御され、
前記回転速度制御手段から出力される指令は前記第１の有効電力制御手段に入力され、前記順変換器は前記第１の有効電力制御手段の出力信号に応じて制御されることを特徴とする電力変換器の制御方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記逆変換器は、
前記同期発電機から出力される有効電力の変動成分を除去するフィルタの出力を前記第２の有効電力制御手段の有効電力指令値とすることを特徴とする電力変換器の制御方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記二次電池の残容量が予め定めた一定範囲外にあるときは、前記二次電池の残容量が一定範囲内に入る方向に前記第２の有効電力制御手段の有効電力指令値を調整することを特徴とする電力変換器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車によって駆動される同期発電機の出力変動を抑制する二次電池を備えた風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術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、風のエネルギーで風車が回転し、風車が同期発電機を駆動して同期発電機が発電する。同期発電機が出力する交流電力を順変換器で直流電力に変換し、さらに逆変換器によって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。このような従来技術の例が、特開２０００−３４５９５２号公報に開示されている。
【０００３】
このような従来技術の風力発電システムでは、出力電力が風速の変動に大きく影響される。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、電力系統に影響を与えるので、風力発電システムを導入する場合には、このような出力電力の変動を抑制することが必須となる。そこで、風車のブレードの角度を風速に応じて変化させて、風車への機械的入力を調節するピッチ制御で風速変動に起因する出力変動を抑制する方法が採られている。さら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ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においてピッチ制御では風から受けるトルクを逃がすために、特に定格以下の低風速領域で出力変動抑制を行うと、風車の利用率が低下する問題がある。風車では風のエネルギーを最も効率良く利用できるピッチの角度が決まっており、風車の利用率を向上するためには、最適な角度で運転することが最も良いが、そのような角度に設定すると出力変動が大きくなる。また、風が急に止んだ場合や風車が機械的なトラブル等によって急停止した場合には、風車のブレードが回転せず発電できないので、風車出力に変動が生じる。
【０００５】
本発明は、風力発電システムで風車の利用率を向上しつつ、出力電力の変動を抑制することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴の一つは、順変換器と逆変換器との間に設けられた二次電池と、同期発電機から出力される有効電力を検出する第１の有効電力検出器と、前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を検出する第２の有効電力検出器と、を備え、順変換器制御器は、回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記順変換器から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御器と、を備え、逆変換器制御器は、第１の有効電力検出器の検出値および第２の有効電力検出器の検出値に応じて前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御器を備え、前記回転速度制御器から出力される指令は前記第１の有効電力制御器に入力され、前記順変換器は前記第１の有効電力制御器の出力信号に応じて駆動される風力発電装置にある。
または、順変換器を制御する順変換器制御器と、逆変換器を制御する逆変換器制御器と、を備え、前記順変換器制御器は、回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御器と、前記順変換器から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御器と、を備え、前記逆変換器制御器は、前記同期発電機から出力される有効電力および前記逆変換器から出力される有効電力の検出値に応じて前記逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御器を備え、前記回転速度制御器から出力される指令は前記第１の有効電力制御器に入力され、前記順変換器制御器は前記第１の有効電力制御器の出力信号に応じて前記順変換器を駆動する変換器制御装置にある。
または、順変換器は、回転速度指令と前記風車の回転速度との偏差が入力され、風車の回転速度を制御する回転速度制御手段と、同期発電機から出力される有効電力を制御する第１の有効電力制御手段と、により制御され、逆変換器は、同期発電機から出力される有効電力および逆変換器から出力される有効電力の検出値に応じて逆変換器から電力系統へ出力される有効電力を制御する第２の有効電力制御手段により制御され、前記回転速度制御手段から出力される指令は前記第１の有効電力制御手段に入力され、前記順変換器は前記第１の有効電力制御手段の出力信号に応じて制御される電力変換器の制御方法にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【０００８】
（実施例１）
図１は本実施例の全体構成を示す。図１に示すように、同期発電機２の回転子が風車１の軸に接続しており、風のエネルギーで風車１が回転すると、同期発電機２が風車１の回転速度に応じて可変周波数の交流電力を発生する。本実施例の同期発電機２の定格出力は１０ｋＷ〜６００ｋＷ程度である。同期発電機２の固定子には順変換器３が接続しており、同期発電機２で発生する周波数可変の交流電力を順変換器３によって直流電力に変換する。順変換器３は二次電池４を介して逆変換器５に直流で接続している。二次電池４には、鉛蓄電池，ニッケルカドミニウム電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池などを適用できる。
【０００９】
逆変換器５は順変換器３や二次電池４が供給する直流電力を、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、固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。同期発電機２と順変換器３との間には、電圧検出器７と電流検出器８とが設置してあり、電圧検出器７で同期発電機２の端子電圧を、電流検出器８で同期発電機２の固定子に流れる電流を検出する。検出した電圧，電流値を３相／２相変換器１７で有効分と無効分との２軸成分に変換する。
【００１０】
有効電力検出器９は３相／２相変換器１７の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機２が出力する有効電力を検出し、無効電力検出器１０は３相／２相変換器１７が出力する２軸成分の信号に基づいて、同期発電機２が出力する無効電力を検出する。
【００１１】
回転速度検出器１１は３相／２相変換器１７が出力する２軸成分の信号に基づいて風車１の回転速度を検出する。風車１の回転速度と回転速度指令との偏差を回転速度制御器１２に入力する。回転速度制御器１２の出力が順変換器３への有効電力指令となる。回転速度制御器１２は例えば比例積分制御系によって構成される。
【００１２】
風車１の回転速度が回転速度指令よりも大きい場合には回転速度制御器１２の出力が大きくなり、順変換器３への有効電力指令を大きくして、同期発電機２の出力する有効電力を大きくする。この結果、風が風車１に与える機械的入力より、同期発電機２が出力する有効電力が大きくなると入力が不足するが、入力の不足分は風車１のブレードに蓄えられた慣性エネルギーで補うため、風車１の回転速度が低下し、回転速度指令に追従する。
【００１３】
逆に風車１の回転速度が回転速度指令よりも小さい場合には回転速度制御器１２の出力が小さくなって、順変換器３への有効電力指令が小さくなり、同期発電機２が出力する有効電力が小さくなる。この結果、風が風車１に与える機械的入力よりも同期発電機２の出力する有効電力が小さくなり入力が余剰になるが、入力の余剰分は風車１のブレードに慣性エネルギーとして蓄えられることになって、風車１の回転速度が上昇し、回転速度指令に追従する。
【００１４】
有効電力制御器１３は、回転速度制御器１２の出力する有効電力指令と有効電力検出器９の検出する有効電力検出値との偏差を入力して、順変換器３への電流指令の有効分を出力する。無効電力制御器１４は、外部から与えられる無効電力指令と、無効電力検出器１０が出力する無効電力検出値との偏差を入力して、順変換器３への電流指令の無効分を出力する。有効電力制御器１３と無効電力制御器１４とはいずれも例えば比例積分制御系によって構成され、有効電力指令と有効電力検出値との偏差及び無効電力指令と無効電力検出値との偏差とが零になるように順変換器３への電流指令を決定する。
【００１５】
電流制御器１５は、３相／２相変換器１７が出力する２軸成分の電流検出値と、有効電力制御器１３が出力する順変換器３への電流指令の有効分と、無効電力制御器１４が出力する順変換器３への電流指令の無効分とを入力し、順変換器３への出力電圧指令を出力する。電流制御器１５は例えば比例積分制御系によって構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への出力電圧指令を決定する。電流制御器１５が出力する順変換器３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１８によって３相の電圧指令に変換する。
【００１６】
パルス発生器１６は、２相／３相変換器１８が出力する順変換器３への３相出力電圧指令を入力して、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって順変換器３へのゲートパルス信号を出力する。順変換器３はゲートパルス信号を受け、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の電力半導体スイッチング素子を高速にスイッチングさせて、指令に応じた電圧を出力する。
【００１７】
逆変換器５と系統連系用変圧器６との間には電圧検出器２３と電流検出器２４が設置し、電圧検出器２３で系統電圧を、電流検出器２４で系統へ流れる電流を検出する。検出した電圧，電流値を３相／２相変換器３１で有効分と無効分の２軸成分に変換する。
【００１８】
有効電力検出器２５は、３相／２相変換器３１が出力する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し、無効電力検出器２６は、３相／２相変換器３１が出力する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無効電力を検出する。
【００１９】
有効電力制御器２７は、逆変換器５への有効電力指令と有効電力検出器２５の検出する有効電力検出値との偏差を入力し、逆変換器５への電流指令の有効分を出力する。無効電力制御器２８は、外部より与えられる無効電力指令と無効電力検出器２６が出力する無効電力検出値の偏差を入力し、逆変換器５への電流指令の無効分を出力する。有効電力制御器２７と無効電力制御器２８とはいずれも例えば比例積分制御系によって構成され、有効電力指令と有効電力検出値との偏差及び無効電力指令と無効電力検出値と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。
【００２０】
有効電力制御器２７へ入力する有効電力指令は、有効電力検出器９が出力する有効電力検出値と二次電池４の残容量とから決定する。二次電池４の残容量は、残容量検出器２０で二次電池４に流れる電流の電流検出器１９の出力を積算して求める。有効電力検出器９と残容量制御器２２との間に配置したフィルタ２１は、有効電力検出器９の出力から変動分を除去する高周波成分除去フィルタである。
【００２１】
二次電池４の残容量検出値が予め定めた一定範囲内である場合には、残容量制御器２２はフィルタ２１の出力を有効電力制御器２７への有効電力指令とする。このようにすることで、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４が充放電することで補償されるので、逆変換器５が系統へ出力する有効電力は、同期発電機２が出力する有効電力から変動成分の除去されたものとなり、系統電圧や系統周波数に影響を与えない。
【００２２】
一方、二次電池４の残容量検出値が予め定めた一定範囲を超える場合には、残容量制御器２２は有効電力制御器２７への有効電力指令を調整する。これは二次電池４の残容量を適切な範囲に制御して運用しないと二次電池４の劣化等を招き、その寿命が低下するためである。したがって、残容量制御器２２は二次電池４の残容量を監視しながら、二次電池４の残容量が予め定めた一定範囲内に入るように制御する機能を備える。
【００２３】
電流制御器２９への入力は、３相／２相変換器３１が出力する２軸成分の電流検出値と、有効電力制御器２７が出力する逆変換器５への電流指令の有効分と、無効電力制御器２８が出力する逆変換器５への電流指令の無効分とである。電流制御器２９は逆変換器５への出力電圧指令を出力する。電流制御器２９は例えば比例積分制御系によって構成され、電流検出値と電流指令と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２９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３２によって３相の電圧指令に変換する。
【００２４】
パルス発生器３０は、２相／３相変換器３２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）によって逆変換器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、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の電力半導体スイッチング素子を高速にスイッチングさせて、指令に応じた電圧を出力する。
【００２５】
本実施例の風力発電装置では、以上のような制御系の構成によって、同期発電機２が出力する有効電力に変動成分が含まれていても、その変動成分を二次電池４で補償することで、逆変換器５が電力系統に出力する有効電力からは変動成分が除去され、系統電圧や系統周波数に影響を与えない。
【００２６】
図２に本実施例の同期発電機２の出力と、二次電池４の出力と、逆変換器５の出力との関係を示す。図２に示すように、風速の変動等で同期発電機２の出力に高周波変動成分が加わっている場合を説明する。この場合、有効電力検出器９はその高周波変動成分の乗った発電機出力を検出する。検出した発電機出力はフィルタ２１によって変動成分が除去される。ここで、二次電池４の残容量が適切な範囲であれば、フィルタ２１の出力が逆変換器５への有効電力指令となるので、図２に示すように逆変換器５の出力は同期発電機２の出力から高周波変動成分が除去されたものになる。二次電池４の出力は同期発電機２と逆変換器５の出力の差分であり、二次電池４が充放電して高周波変動成分を吸収する。
【００２７】
図３はフィルタ２１の時定数を図２より長くした場合である。フィルタ２１の時定数をこのように長くすると低い周波数成分の変動も二次電池４で吸収できる。フィルタ２１の時定数は二次電池４による変動補償を継続する時間を考慮して決定すればよい。通常はこの時間を５分から６０分程度に設定すればよい。この範囲に設定すると、仮に風車が急停止して同期発電機２の出力が零になっても、逆変換器５への有効電力指令が５分から６０分のオーダで零に近づいていくので、逆変換器５が電力系統に出力する有効電力も二次電池４が補償することによって５分から６０分のオーダでゆっくり変化する。そのため、系統電圧や系統周波数に影響を与えない。なお、このとき二次電池４の容量は、風力発電装置の定格出力を５分から６０分間出力できる容量以上が必要である。
【００２８】
次に、本実施例での二次電池４の残容量と出力との関係を説明する。二次電池４の残容量が予め定めた一定範囲内である場合は、同期発電機２が出力する有効電力から変動成分の除去したものが逆変換器５への有効電力指令になるので、二次電池４から変動成分を補償するように電力を出力する。一方、二次電池４の残容量が予め定めた一定範囲を超える場合には、残容量制御器２２によって逆変換器５への有効電力指令の調整を行うために、二次電池４の出力は単純に変動成分を補償するだけではなくなる。
【００２９】
図４（Ａ）から図４（Ｃ）に二次電池４の残容量が予め定めた残容量範囲を下回った場合の動作を表す。図４（Ａ）は残容量検出器２０の出力を、図４（Ｂ）は残容量制御器２２の出力を、図４（Ｃ）は有効電力制御器２７の制御によって二次電池４に充放電される出力を表す。二次電池４の残容量が図４（Ａ）に示すように残容量範囲の下限値を下回ると、残容量制御器２２は図４（Ｂ）に示すように逆変換器５への有効電力指令を減少させる。これに伴って二次電池４の出力が図４（Ｃ）に示すように減少し、二次電池４が放電状態から充電状態に移行すると二次電池４の残容量が図４（Ａ）に示すように増加し始める。
【００３０】
図５（Ａ）から図５（Ｃ）に二次電池４の残容量が予め定めた残容量範囲を上回った場合の動作を表す。図５（Ａ）は残容量検出器２０の出力を、図５（Ｂ）は残容量制御器２２の出力を、図５（Ｃ）は有効電力制御器２７の制御によって二次電池４に充放電される出力を表す。二次電池４の残容量が図５（Ａ）に示すように残容量範囲の上限値を上回ると、残容量制御器２２は図５（Ｂ）に示すように逆変換器５への有効電力指令を増加させる。これに伴って二次電池４の出力が図５（Ｃ）に示すように増加し、二次電池４が充電状態から放電状態に移行し、二次電池４の残容量が図５（Ａ）に示すように減少し始める。以上のように、二次電池４の残容量が予め定めた一定範囲を超える場合には、残容量制御器２２によって二次電池４の残容量が予め定めた一定範囲内に収まるように制御される。この結果、二次電池４の劣化を予防し、電池寿命を長くできる。
【００３１】
図６に二次電池４の端子電圧の変動分ΔＶと二次電池出力Ｐとの関係とを示す。ここで、変動分ΔＶは二次電池４の起電力からの変動分を表す。図６に示すように、二次電池４の端子電圧の変動分ΔＶが正の場合、二次電池４は充電される。二次電池４の端子電圧の変動分ΔＶが正ということは二次電池４の端子電圧が大きくなるということであり、二次電池４の端子電圧を大きくすると二次電池４を充電させる方向へ動作させることができる。逆に二次電池４の端子電圧の変動分ΔＶが負の場合、二次電池４は放電する。二次電池４の端子電圧の変動分ΔＶが負ということは二次電池４の端子電圧が小さくなるということであり、二次電池４の端子電圧を小さくすると二次電池４を放電させる方向へ動作させることができる。このように二次電池４の両端に加える電圧を制御することで二次電池４の出力を制御することも可能であり、同期発電機２が出力する有効電力の変動に応じて直流電圧を変動させることで風車の出力変動による出力電力の変動を抑制できる。
【００３２】
（実施例２）
図７に本実施例を示す。本実施例は図１から有効電力制御器１３と、無効電力制御器１４と、無効電力検出器１０とを除いた他は、実施例１と同じである。本実施例では、回転速度制御器１２の出力が順変換器３への有効電流指令となり、順変換器３への無効電流指令は外部から与える。
【００３３】
このような構成の場合でも、同期発電機２が出力する有効電力に変動成分が含まれていても、その変動成分を二次電池４で補償することで、逆変換器５が電力系統に出力する有効電力からは変動成分が除去され、系統電圧や系統周波数に影響を与えないようにできる。
【００３４】
以上のように構成した風力発電システムでは、風からブレードに入る機械的入力が急に零となった場合にも、二次電池４から電力を補い緩やかに風力発電装置の出力電力を緩やかに変化させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の風力発電装置によれば、風のエネルギーを効率良く受け、電力系統への出力変動を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の風力発電装置の構成図である。
【図２】実施例１の風力発電装置の二次電池による補償動作説明図である。
【図３】フィルタ時定数を大きくした場合の実施例１の風力発電装置の二次電池による補償動作の説明図である。
【図４】実施例１の風力発電装置で二次電池残容量が残容量範囲下限を下回ったときの動作の説明図である。
【図５】実施例１の風力発電装置で二次電池残容量が残容量範囲上限を上回ったときの動作の説明図である。
【図６】実施例１の風力発電装置の二次電池の端子電圧変動分と出力の関係の説明図である。
【図７】実施例２の風力発電装置の構成図である。
【符号の説明】
１…風車、２…同期発電機、３…順変換器、４…二次電池、５…逆変換器、６…系統連系用変圧器、７，２３…電圧検出器、８，１９，２４…電流検出器、９，２５…有効電力検出器、１０，２６…無効電力検出器、１１…回転速度検出器、１２…回転速度制御器、１３，２７…有効電力制御器、１４，２８…無効電力制御器、１５，２９…電流制御器、１６，３０…パルス発生器、１７，３１…３相／２相変換器、１８，３２…２相／３相変換器、２０…残容量検出器、２１…フィルタ、２２…残容量制御器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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