CN103023407A - 风力发电*** - Google Patents

Abstract

提供如下的风力发电***，该***通过电力转换器控制发电机的发电电力，在因对电力转换器进行冷却的冷却能力降低而导致电力转换器的能够输送的电力受到限制时，通过对叶片的俯仰角进行可变控制，从而对与能够输送的电力对应的来自叶片的输入能量进行控制，从而能够防止叶片的过旋转及电力转换器发生故障。该***具备：对冷却***的冷却能力或包括换流器及逆变器的电力转换器的冷却状态进行检测的冷却能力检测部、对通过俯仰角指令值算出部算出的俯仰角指令值进行修正的俯仰角指令值修正部，根据冷却能力检测部的检测结果，俯仰角指令值修正部对俯仰角指令值进行修正，并且根据修正后的俯仰角指令值进行对叶片的俯仰角实施可变控制的指令。

Description

风力发电***

技术领域

本发明涉及与电力***关联而从基于风力的输入能量使用发电机进行发电，并使用电力转换器将所述发电电力转换成期望的电力并向所述电力***输送电力的风力发电***。

背景技术

近年，为了提高风力发电***的发电效率，使用称为逆变器或换流器的电力转换器使发电机可变速地运转的可变速风力发电***成为主流。

该可变速风车***的能量传递部包括：将风能转换为旋转能量的叶片、将通过该叶片获得的旋转能量向作为增速器的齿轮传递的轴、与该轴机械连接的齿轮、与该齿轮机械连接且将旋转能量转换为电力的发电机、将该发电机的输出频率转换为所关联的电力***的频率的电力转换器、使通过该电力转换器转换为商用频率的交流电力升压而向电力***输送电力的变压器。

在该风力发电***从风中获取与该风力发电***的额定值相当的输入能量，并且在因某种原因导致从该电力转换器向所关联的电力***输送的电力受到限制时，作为输入能量的风能与向电力***输出的电气能量产生差异，可能因该能量差导致叶片的转速增加而成为过旋转。

电力转换器向***输送的电力为关联点的***电压与在***中流动的电流的积。在发生接地故障等***事故的情况下，该***电压比额定值低。对于电力转换器而言，通常，由于无法继续流动额定电流以上的电流，从而在***事故继续期间，电力转换器的能够输送的电力被限制为额定值以下。因此，当在风力发电***以接近其额定值的方式发电的状态下发生***事故时，叶片可能会成为过旋转。

在专利文献1中，公开了如下方法，即，在检测到电力***的事故的情况下，风车的俯仰角成为顺浆(feather)状态而使风的输入能量降低，且同时通过闭合过压保护电路而防止向电力转换器流入过电流的方法。

另外，在专利文献2中公开了如下技术，即，通过在电力***事故继续过程中适当地控制俯仰角，从而将***事故继续过程中的叶片旋转速度保持在该风力发电***的可运转的范围内，在检测到***事故得以解除后快速地再次发电。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】WO2004/067958

【专利文献2】专利第4501958号公报

上述公知技术是针对因***侧的原因导致无法获取风力发电***的额定电力的现象的解决对策。另一方面，不是因为***侧的原因，而是因为电力转换器本身的原因导致无法将风力发电***的额定电力向***输送的现象也存在。

具体而言，可以想到的是，因电力转换器周围温度上升导致跳闸。在该电力转换器的周围温度高到该电力转换器的动作温度范围以上的情况下，对电力转换器无法获得充分的冷却能力，从而电力转换器内部的部件(半导体开关元件、电抗器等)的温度成为设计值以上的高温，从而可能发生故障。

为了避免电力转换器的故障，可以想到的是如下的电力转换器保护方法，即，检测电力转换器内部的部件温度，在检测到该部件温度的异常上升时停止该电力转换器，但这在使该电力转换器停止发电方面并没有改变。

若因电力转换器的温度异常造成该电力转换器跳闸或停止发电，则风力发电***的输入能量作为叶片等的旋转体旋转能量被蓄积，从而转速上升而最终可能造成叶片成为过旋转。

电力转换器周围温度上升与***侧原因不同，为了避免叶片过旋转，需要新的对策机构。

发明内容

本发明的课题提供如下的风力发电***，即，当因对所述电力转换器进行冷却的冷却能力降低导致电力转换器的能够输送的电力受到限制时，对与所述能够输送的电力对应的来自叶片的输入能量进行控制，从而防止所述叶片的过旋转及所述电力转换器发生故障。

作为用于本发明的课题的手段的风力发电***具有：换流器，其将从与俯仰角可变的叶片机械连接的同步发电机输出的可变频率的发电电力转换为直流电力；平滑电容器，其使所述换流器所输出的直流电力平滑化；逆变器，其与电力***电连接，从所述换流器经由所述平滑电容器将所述直流电力转换为固定频率的交流电力，并向所述电力***输出；俯仰角指令值算出部，其算出用于进行所述叶片的俯仰角的可变控制的俯仰角指令值，并根据所述俯仰角指令值进行对所述俯仰角实施机械式调整的指令；冷却***，其对所述换流器及所述逆变器进行冷却，所述风力发电***的特征在于，还具备：冷却能力检测部，其对所述冷却***的冷却能力或电力转换器的冷却状态进行检测，该电力转换器包括所述换流器及所述逆变器；俯仰角指令值修正部，其对利用所述俯仰角指令值算出部算出的所述俯仰角指令值进行修正，根据所述冷却能力检测部的检测结果，所述俯仰角指令值修正部对所述俯仰角指令值进行修正，且根据所述修正后的俯仰角指令值进行对所述叶片的俯仰角实施可变控制的指令。

作为用于本发明的课题的手段的风力发电***具有：发电机，其与俯仰角可变的叶片机械连接；电力转换器，其将从所述发电机输出的发电电力转换为规定频率的交流电力或直流电力；俯仰角指令值算出部，其算出用于对所述叶片的俯仰角进行控制的俯仰角指令值，并进行对所述俯仰角实施机械式调整的指令，所述风力发电***的特征在于，还具备：冷却能力检测部，其对所述冷却***的冷却能力或电力转换器的冷却状态进行检测，该电力转换器包括所述换流器及所述逆变器；俯仰角指令值修正部，其对利用所述俯仰角指令值算出部算出的所述俯仰角指令值进行修正，根据所述冷却能力检测部的检测结果，所述俯仰角指令值修正部对所述俯仰角指令值进行修正，且根据所述修正后的俯仰角指令值进行对所述叶片的俯仰角实施可变控制的指令。

【发明效果】

通过对所述叶片的俯仰角进行可变控制，从而能够在电力转换***的运转继续进行的状态下根据所述电力转换器的能够输送的电力控制来自所述叶片的输入能量，从而能够在防止所述叶片的过旋转的同时防止所述电力转换器发生故障。

附图说明

图1是本发明第一实施例的风力发电***的整体结构说明图。

图2是本发明第一实施例的风力发电***的控制***说明图。

图3是本发明第一实施例的电力转换控制器说明图。

图4是本发明第一实施例的冷却能力检测器3000的冷却能力检测图表。

图5是本发明第一实施例的上位控制器1000及俯仰角修正器6000运算块说明图。

图6是本发明第一实施例的其他实施方式说明图。

图7是本发明第一实施例的其他实施方式说明图。

图8是本发明第一实施例的其他实施方式说明图。

图9是本发明第一实施例的其他实施方式说明图。

图10是本发明第一实施例的动作波形说明图。

图11是本发明第二实施例的风力发电***的电力转换器及冷却***说明图。

图12是本发明第二实施例的风力发电***的控制***说明图。

图13是本发明第三实施例的风力发电***的控制***说明图。

图14是本发明第四实施例的风力发电***的控制***说明图。

图15是本发明第五实施例的风力发电***的控制***说明图。

图16是关于对本发明的叶片10的俯仰角进行可变控制的前后状态的说明图。

【符号说明】

1风力发电***

2电力***

3冷却***

10叶片

11枢毂

12俯仰角调整器

13轴

14齿轮

15发电机

20电力转换器

21换流器

21up、21un、21vp、21vn、21wp、21wn、22up、22un、

22vp、22vn、22wp、22wn半导体开关元件

21fil、22fil高频滤波器

22逆变器

22cdc平滑电容器

23电磁接触器

24电力转换器入气口

25、26电缆

30变压器

40热交换器

41泵

50冷却风扇

60发动机舱

70塔

80风

81上风处

82下风处

83升力

84旋转面

85叶片角

86、87俯仰角

100、101交流电压传感器

102直流电压传感器

103、104电流传感器

200温度传感器

201风速仪

300、6002加算器

1000上位控制器

2000电力转换控制器

3000冷却能力检测器

6000俯仰角修正器

6001乘算器

10000框体

10001旋转速度指令运算器

10002旋转速度控制器

20001有效电力控制器

20002端子电压控制器

20003发电机电流控制器

20004直流电压控制器

20005逆变器电流控制器

20006电力算出器

20007、20008PWM控制块

20009、20010相位检测器

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施例。需要说明的是，在说明实施例的各附图中，对于具有相同功能的要素标记相同的符号。另外，图13等所示的设置在同一冷却片上且由IGBT和与该IGBT反向并列连接的二极管构成的并列体21m～21r及22m～22r称为半导体开关元件21m～21r，22m～22r。

【实施例1】

在本实施例中，说明通过冷却水冷却电力转换器时的风力发电***1的例子。

本实施例的风力发电***1通过具备叶片和永久磁铁的发电机将风能转换为电力，并通过电力转换器将该电力转换为商用频率而向电力***输送电力。

图1示出本实施例的风力发电***1的结构例。

风力发电***1具备：将风能转换为旋转能量的叶片10、支承该叶片而将叶片的旋转力向轴传递的枢毂11、将旋转力向齿轮14传递的轴13、与齿轮机械连接而将旋转能量转换为电气能量的发电机15、将从发电机15输出的交流电力转换成为带有所关联的电力***的频率的电力的电力转换器20、使电力转换器20的交流输出电力升压而向***输送的变压器30。

发电机15和电力转换器20经由电缆25连接，另外，电力转换器20和变压器30通过电缆26连接。轴13、齿轮14、发电机15设置在发动机舱60内，电力转换器20设置在塔70内。

在发动机舱60的上部设置风速仪201，该风速仪201的输出向后述的上位控制器1000输入。电力转换器20是通过冷却水冷却的水冷式电力转换器，其经由冷却水配管与对冷却水进行冷却的冷却***3连接。

以下，说明风力发电***1的动作。

风力发电***1通过叶片10接收风而获得旋转能量，并利用该旋转能量经由轴13、齿轮14而使发电机15的转子旋转。

发电机15的转子具备永久磁铁，通过该转子旋转而使与定子绕组磁连的磁通发生变化，从在定子绕组中产生交流的感应电力。

电力转换器20在发电机15的定子绕组中具有与该感应电压的频率相等的频率，通过输出相对于该感应电压而言相位迟延的交流电压，从发电机15获取有效电力。电力转换器20将从发电机15获得的有效电力转换为与电力***2相等的频率，从而向电力***2输送电力。

利用叶片10的俯仰角调整对来自风的输入转矩进行调整，为了使叶片的旋转速度成为与风速对应的旋转速度指令值而通过后述的上位控制器1000调整俯仰角。

使用图2说明风力发电***1的控制***及电力转换器20的详细内容。

风力发电***1具备大致分开的两个控制器。一个控制器是为了根据利用风速仪201检测到的风速来控制叶片10的旋转速度而算出俯仰角指令值

和电力转换器20的***输送电力电力指令值Pref的上位控制器1000，此外，第二的控制器是根据由上位控制器1000输出的发电电力指令Pref控制向电力***2输送的输送电力的电力转换控制器2000。

上位控制器1000以风速仪201的输出v和电力转换控制器2000所算出的发电电力值P和叶片旋转角速度ω作为输入，从而输出俯仰角

和电力转换器20的发电电力指令值Pref。

通过上位控制器1000算出的俯仰角指令经由作为本发明的新颖点的俯仰角修正器6000输入到俯仰角调整机12中，俯仰角调整机12根据调整后的俯仰角指令调整叶片10的俯仰角。

通过上位控制器1000算出的发电电力指令Pref被输入给电力转换控制器2000。电力转换控制器2000以电力转换器20从发电机15获取的有效电力与上述发电电力指令一致的方式控制换流器21。

以下，详细说明电力转换器20。

电力转换器20的主电路包括：换流器21、逆变器22、平滑电容器22cdc、高频滤波器21fil、22fil。换流器21具有如下功能：根据由上位控制器1000输出的发电电力指令Pref控制从发电机15获取的电力的功能、控制从发电机获取的无效电流的功能。逆变器22具备如下功能：根据作为固定值的直流电压指令值控制平滑电容器22cdc端子间电压，由此将换流器21所获取的发电机15的发电电力向电力***2输送的功能；控制向电力***2输出的无效电流的功能。

以下，说明换流器21、逆变器22的主要部分的结构。

在本实施例中，以6臂结构的IGBT转换器的情况说明换流器21、逆变器22的结构。IGBT元件21m～21r、22m～22r分别构成换流器21和逆变器22的臂。从电力转换控制器2000向作为各IGBT元件21m～21r、22m～22r的控制电极的栅极输入栅极驱动信号。通过输入PWM调制后的栅极驱动信号而使各IGBT元件开关，从而发电机15的交流输出电力转换为直流电力，该直流电力转换为向电力***2输出的交流电力。

发电机15的输出电流根据发电机感应电压与换流器21输出电压的差、处于其间的发电机15的泄漏电感和高频滤波器21fil的电感来确定。该输出电流由换流器21转换为直流电流，平滑电容器22cdc由该直流电流充电。

向电力***2输出的输出电流根据电力***2的关联点***电压与逆变器22的输出电压的差、高频滤波器22fil的阻抗确定。该输出电流通过逆变器22的开关从直流电流转为交流电流，逆变器22通过向***输出有效电力而使平滑电容器22cdc放电。

IGBT元件21m～21r及22m～22r在开关时产生开关损失。另外，当在IGBT元件中流动有电流时，在该元件中产生导通损失。所述损失使IGBT元件内部温度上升。当IGBT元件的结温(junction temperature)成为规定值以上时，发生IGBT的导线切断等，从而存在IGBT元件发生破损的可能性。另外，即使IGBT元件以外的电路元件例如为高频滤波器21fil、22fil的电抗器等，也会因电流流动而产生铜损和铁损，从而导致温度上升。若该电抗器的温度异常上升，则引起绝缘破坏，从而可能导致电力转换器20的破损。

为了避免上述温度上升造成的破损，本实施例的风力发电***1具备冷却***3，通过利用由冷却***3供给的冷却水冷却因上述IGBT元件、高频滤波器的损失产生的热量，从而抑制上述IGBT元件、高频滤波器的温度上升。

冷却***3包括：热交换器40、使冷却水在热交换器40与换流器21、逆变器22之间循环的泵41。由冷却***3送出的冷却水从换流器21、逆变器22的冷却水配管51经由上述IGBT元件及高频滤波器的冷却片内水路向冷却水配管52流动，并再次返回冷却***3。该冷却水利用泵41而强制循环。

在上述冷却水在上述IGBT元件及高频滤波器的冷却片内水路中流动的过程中，获取与上述IGBT元件、高频滤波器的温度与该冷却水温度的差对应的热量。通过泵41将冷却水从换流器21或逆变器22向热交换器40输送。此时，该冷却水的温度因从上述IGBT元件或高频滤波器获取的热量而上升，其温度变得比外部气体温度高。热交换器40通过将该热交换器40的周边空气向该冷却水所流动的配管喷出而冷却该冷却水。通过热交换器40冷却的冷却水再次在换流器21及逆变器22的IGBT元件、高频滤波器中流动，由此来冷却该IGBT元件、高频滤波器，从而保护该IGBT元件、高频滤波使其避免因过度的温度上升而产生破坏。

向电力转换控制器2000输入：由交流电压传感器100/101检测到的交流电压值Vgu、Vgv、Vgw、Vsu、Vsv、Vsw；由电流传感器103、104检测到的交流电流值Igu、Igv、Igw、Isu、Isv、Isw；由直流电压传感器102检测到的直流电压值Vdc。

电力转换控制器2000根据上述交流电压值、交流电流值算出从发电机15获取的电力，并以使该交流电力检测值与从上位控制器1000获取的电力指令值一致的方式调整换流器21的交流电压。

使用图3说明电力转换控制器2000的详细结构。

首先，通过该电力算出器20006算出从发电机15获取的有效电力Pg。在有效电力控制器20001中，求出上述电力指令值与所述有效电力算出值的偏差，并以使该偏差成为零的方式进行PI运算，从而算出换流器21向发电机15流动的有效电流指令值Idref。对发电机15的感应电力相位进行检测的相位检测器20009以发电机端子电压检测值Vgu、Vgv、Vgw作为输入，算出感应电压的相位推定值θg及叶片10的旋转角速度推定值ω，该相位推定值θg向发电机电流控制器20003输出。从发电机15获取的有效电力算出值Pg及叶片10的旋转角速度推定值ω向上位控制器1000输出。

发电机电流控制器20003输入有效电流指令值Idref、无效电流指令值Iqref、发电机电流检测值Igu、Igv、Igw，然后输入相位推定值θg，以使有效电流指令值Idref及规定的无效电流指令值Iqref(在此为零)与从发电机15获取的交流电流检测值一致的方式，在发电机电流控制器20003算出上述电流检测值与发电机电流指令值的偏差，并以该偏差成为零的方式运行PI运算，从而确定发电机侧交流电压指令值并将该电压指令值作为调制波向PWM控制块20007输入。PWM控制块20007对该调制波和输送波进行比较，并制成栅极驱动信号而向IGBT元件21m～21r的各栅极输出。

IGBT元件21m～21r通过被提供的栅极信号而接通·断开，由此，换流器21能够将与由发电机电流控制器20003输出的交流电压指令值对应的电压向发电机15侧输出。以上，换流器21能够根据从上位控制器1000输出的发电指令值来控制发电机15的发电电力。

电力转换控制器2000以将平滑电容器22cdc的端子间电压控制成规定值的方式调整逆变器22的交流电压。

具体而言，首先，通过直流电压传感器102检测平滑电容器22cdc的端子间电压。在直流电压控制器20004中，求出上述规定值与平滑电容器22cdc端子间电压检测值的偏差，以使该偏差成为零的方式进行PI运算，从而算出逆变器22向电力***2输出的有效电流指令值Idref。

逆变器电流控制器20005以由直流电压控制器20004算出的有效电流指令值Idref、规定的无效电流指令值Iqref(在此为零)、向电力***2输出的交流电流检测值、从相位检测器20010输出的***电压相位θs作为输入。逆变器电流控制器20005以使该电流指令值与向电力***2输出的交流***检测值一致的方式算出上述电流检测值与***电流指令值的偏差，以使该偏差成为零的方式进行PI运算，从而确定***侧交流电压指令值，并将该电压指令值作为调制波向PWM控制块20008输入。PWM控制块20008对该调制波和输送波进行比较，并制成栅极驱动信号而向IGBT元件22m～22r的各栅极输出。

IGBT元件22m～22r根据被提供的栅极信号而接通·断开，由此，逆变器22能够将与由逆变器电流控制器20005输出的交流电压指令值对应的电压向电力***2侧输出。以上，逆变器22以将电力转换器20的直流电压控制成恒定的方式调整逆变器22的交流输出电压。

以下，对作为本发明的新颖点的、利用根据作为温度传感器200的输出的温度检测值Tamb进行的俯仰角修正来实现的叶片过旋转防止机构进行说明。

热交换器40中的冷却水的冷却能力依存于冷却水的热交换器40入口的冷却水温度与外部气体温度的差，若外部气体温高，则冷却水无法充分冷却。若无法充分将冷却水冷却，则热交换器40出口的冷却水温度变高，结果导致冷却***3的对上述IGBT元件、高频滤波器的冷却能力降低。

本发明的过旋转防止机构包括：对冷却***3的冷却能力的降低间接地进行检测的温度传感器200、根据该温度测定单元的输出而检测冷却能力的冷却能力检测器3000及俯仰角修正器6000。该过旋转防止机构在冷却***3的冷却能力降低时将俯仰角向顺浆侧调整，从而限制基于风的输入能量。由此，即使在电力转换器20能够向电力***2输送的电力受到限制的情况下，由于能够使基于风的输入能量降低为电力转换器20能够输送的能量以下，从而能够防止叶片的过旋转。

以下，对本实施例的叶片过旋转防止机构进行详细说明。

风力发电***1具备对外部气体温度进行检测的温度传感器200。温度传感器200输出与外部气体温度成正比例的值Tamb，该输出被输入给冷却能力检测器3000。外部气体温检测场所可以为冷却***3附近，优选为冷却***入气口100m以内。

冷却能力检测器3000具备图4所示那样的对于Tamb的冷却能力检测图表。即，在来自温度传感器200的输入Tamb比规定的值t1高的情况下，冷却能力检测器3000具有使该检测单元的输出相对于输入Tamb单调减少的特性。

在此，冷却能力检测器3000的输出ΔS相当于电力转换器20向电力***2所能够输送的电力的降低幅度。该冷却能力检测器3000的输出信号向俯仰角修正器6000输入。

俯仰角修正器6000输入来自上位控制器1000的俯仰角指令

冷却能力检测器3000的输出ΔS，将修正后的俯仰角指令向俯仰角调整机12输出。

使用图5对具体的俯仰角修正方法进行说明。

上位控制器1000以风速仪201的输出v作为输入，使用使该风速仪输出v、风速和叶片的旋转速度对应起来的旋转速度指令运算器10001算出叶片旋转速度指令值ωref。进一步而言，上位控制器1000的旋转速度控制器10002将由电力转换控制器2000输入的叶片角速度ω和上述旋转速度指令ωref作为输入而算出俯仰角指令值

和电力转换器20的发电电力指令值Pref，并将俯仰角指令值

向俯仰角修正器6000算出，将发电电力指令值Pref向电力转换控制器2000输出。

俯仰角修正器6000通过乘算器6001对冷却能力检测器3000的输出ΔS用增益K进行乘积运算，并将该乘积向加算器6002输入。在此，增益K是将电力转换器20的能够输送的电力的电力降低幅度ΔS修正为俯仰角的增益，在ΔS为负时俯仰角向顺浆侧变更，而叶片10的旋转方向的转矩减小。增益K设计成通过俯仰角的修正使基于风的输入能量比电力转换器20能够发电的电力小。

加算器6002对从上位控制器1000输入的俯仰角指令和乘算器6001输出进行加法运算，将其和作为修正后的俯仰角

向俯仰角调整器12输出。

以上，当温度传感器200的输出比规定的值t1高时，叶片10的俯仰角指令值

被向顺浆侧修正，从而因风向叶片10输入的转矩减小，从而风力发电***的输入能量降低。

本实施例的风力发电***的动作波形例在图10中示出。

图10的曲线图从上至下依次表示温度传感器200检测值Tamb、能够输送的电力的电力降低幅度ΔS、俯仰角指令

叶片旋转角速度ω、还有发电机发电电力P的时间变化。

在时刻time1，温度传感器200超过规定的判定温度t1。本发明的风力发电***1通过冷却能力检测器3000对温度传感器200输出值超过规定温度t1的情况进行检测，并将能够输送的电力的电力降低幅度ΔS向俯仰角修正器6000输出。俯仰角修正器6000将俯仰角指令值

变更为作为顺浆侧的负方向，而将对应于ΔS从上位控制器1000输出的俯仰角指令值

向俯仰角调整器12输出。由于俯仰角调整器12根据指令值

来调整俯仰角，从而对叶片10施加的旋转方向的转矩减小。

由于叶片10的旋转方向转矩减小，在时刻time1电力转换器20从发电机15获取的电力不发生变化，因此叶片10的旋转角速度ω过渡性地降低。

上位控制器1000检测旋转角速度ω的降低，并以该旋转角速度与指令值ωref一致的方式使电力转换器20的发电电力指令值Pref降低。

电力转换控制器2000根据Pref使发电电力P降低。由于发电电量P下降，所以因电力转换器20内部的损失产生的发热降低，从而电力转换器20能够继续运转。

由于电力转换器20能够继续运转，在叶片10上作用发电机15的发电产生的负载转矩，因此叶片10的旋转角速度ω不会急剧上升而能够避免过旋转。

在本实施例中，通过利用温度传感器200检测外部气体温度而推定冷却***3的冷却能力下降，但是，如图6所示，温度传感器200可以检测冷却***3的出口处的冷却水温度，从而使用该检测值推定冷却***3的冷却能力下降。

另外，温度传感器200如图7所示那样可以检测冷却***3的入口处的冷却水温度，并使用该检测值来推定冷却***3的冷却能力。

另外，本实施例的电力转换器是使用冷却水对发热量大的元件即IGBT元件、高频滤波电抗器进行冷却的水冷式电力转换器，但是也可以使用了图8所示那样的冷却风扇50的强制风冷式电力转换器。在本结构中，优选具备用于增大IGBT元件与冷却风接触的接触面积的冷却片。在这种情况下，温度传感器可以检测冷却风入口温度，还可以检测冷却风喷出口的空气温度。

另外，在本实施例中，冷却能力检测器3000虽然为包含在电力转换控制器2000中，但是可以如图9记载那样在电力转换控制器2000内计算能够输送电力的电力降低幅度。

如上所述，对于本实施例的风力发电***而言，即使因外部气体温度上升导致电力转换器冷却能力降低，通过限制风的输入能量而实现电力转换器的继续运转，从而能够防止叶片的过旋转。

【实施例2】

在本实施例中，对通过电力转换器内部温度检测冷却能力的风力发电***1的例子进行说明。

图11是表示实施例1的风力发电***1的结构图的例子。

对于与图1的风力发电***1中的已经说明的图1所示的赋予相同符号的结构具有相同功能的部分省略说明。

本实施例与实施例1记载的风力发电***的差别点在于，温度传感器200设置在收纳电力转换器20的换流器21和逆变器22的框体内。

在实施例1中，直接或通过周围温度检测间接地检测冷却水的温度，对将电力转换器20冷却的冷却***3的冷却能力的降低进行检测，相对于此，本实施例通过检测电力转换器20的框体内温度而推定冷却***3的冷却能力降低，从而对叶片10的俯仰角指令值进行修正。

通过本结构，能够对因电力转换器20的内部损失产生的发热与因冷却产生的热放出的不平衡进行直接检测，因此能够避免电力转换器20的跳闸，其结果是能够防止叶片10的过旋转。

以下，使用图11、图12说明本实施例的风力发电***。

图11示出本实施例的风力发电***的电力转换器20及冷却***3。电力转换器20经由电缆25与发电机15连接，并经由电缆26向变压器30连接。未图示的叶片、枢毂、轴、发电机、发动机舱、塔、变压器、电力***与实施例1所示的风力发电***1同样。

图12示出本实施例的风力发电***的详细内容。

对于本实施例的风力发电***而言，电力转换器20具备框体10000，在该框体内具备换流器21、逆变器22。另外，在本实施例的风力发电***中，并非在冷却***3的附近，而是在框体10000内具备温度传感器200。

在因外部气体温度上升而造成对电力转换器20进行冷却的冷却***3的冷却能力下降的情况下，因电力转换器20内的损失产生的发热超过利用冷却***3向框体10000的外部排出的热量，从而电力转换器20的盘内温度上升。温度传感器200检测该盘内温度，并向冷却能力检测器3000输入检测到的温度Tamb。

温度传感器200的目的在于检测框体内的发热与因冷却产生的放热的平衡，因此优选在框体上部具备温度传感器200。具体而言，优选设置在框体的高度方向上高度为1/2以上的场所。

温度传感器200与风力发电***的控制器的关系在图12中示出。

利用温度传感器200检测到的框体内温度Tamb向电力转换控制器2000输入，电力转换控制器2000实施与实施例1中说明的冷却能力检测器3000相同的运算，并将输送电力降低幅度ΔS向俯仰角修正器6000输出。

通过形成为本结构，在本实施例的风力发电***中能够检测电力转换器20框体内的温度上升而对叶片10的俯仰角进行修正，因此向电力转换器20发出的发电电力指令减少，从而电力转换器20的发热降低。通过使发热降低，能够在避免电力转换器20的过热的同时继续电力转换器20的运转，因此能够避免叶片10的过旋转。

如上所述，对于本实施例的风力发电***而言，即使因外部气体温度上升导致电力转换器冷却能力下降，也能够通过限制基于风的输入能量实现电力转换器的继续运转，从而防止叶片的过旋转。

而且，根据本实施例，通过检测电力转换器20的框体内的温度，从而检测因电力转换器20内部的损失产生的发热与通过电力转换器20的冷却***3实现的冷却间的不平衡，从而能够更可靠地检测冷却***3的冷却能力降低，实现电力转换器20的继续运转，其结果是能够避免叶片10的过旋转。

【实施例3】

在本实施例中，说明通过电力转换器内部温度检测冷却能力的风力发电***1的例子。

图13是表示实施例1的风力发电***1的结构图的例子。

对于与图1的风力发电***1中的已经说明的图1所示的赋予相同符号的结构具有相同功能的部分，省略其说明。

本实施例与实施例2记载的风力发电***的差别点在于温度传感器200设置在电力转换器20的半导体元件的冷却片上。

在水冷的电力转换器中，在冷却片的热时常数短而冷却***3的冷却能力下降时，在框体内温度上升到能够检测这种程度之前，存在半导体元件的结温超过允许值而引起元件破坏的可能性。当通过温度传感器200检测冷却片温度而该检测温度比规定温度t1高时，通过将叶片10的俯仰角调整为顺浆侧，从而在半导体元件过热前能够降低电力转换器20的发电电力，从而能够更加可靠地保护半导体元件而使电力转换器20的运转继续。由于电力转换器20能够继续运转，在叶片10上产生因电力转换器20的发电电力使叶片10的旋转减速的转矩，其结果是能够防止叶片10的过旋转。

以下，使用图13说明本实施例的风力发电***。

在图13中示出风力发电***1的能量传递部。在此，未图示的发动机舱60、塔70与实施例1及2中记载的结构相同。

本实施例的电力转换器20具备与半导体元件22q的冷却片相接的温度传感器200。温度传感器200的输出Tamb被输入给电力转换控制器2000。在该控制器内部，实施与实施例1记载的冷却能力检测器3000的运算相同的运算，将能够输送的电力的电力降低幅度ΔS算出值向俯仰角修正器6000输出。

俯仰角修正器6000以从电力转换控制器2000输出的能够输送的电力的电力降低幅度ΔS作为输入，与实施例1及实施例2的俯仰角修正器6000的运算同样地对俯仰角指令值进行修正，将作为该输出的俯仰角指令值向俯仰角调整机12发送。

根据上述结构，本实施例的风力发电***1通过温度传感器200检测该半导体元件的冷却片的温度，若冷却片的温度为规定值以上，则将叶片10的俯仰角向顺浆侧修正而使电力转换器20的发电电力减少，从而能够在避免电力转换器20的半导体元件的过热的同时实现电力转换器20的继续运转。

由于电力转换器20继续运转，所以作用有使叶片10的旋转减速的方向上的转矩，因此能够防止叶片10的过旋转。

如上所述，对于本实施例的风力发电***而言，即使外部气体温度上升也能够减小电力转换器冷却能力，因此通过限制基于风的输入能量并实现电力转换器的继续运转，从而能够防止叶片的过旋转。

进一步而言，根据本实施例，由于能够使用半导体元件的冷却片检测温度修正俯仰角，从而能够更为可靠地保护半导体元件而防止其过热且同时能够使电力转换器20的运转继续，其结果是能够避免叶片10的过旋转。

【实施例4】

在本实施例中，说明通过高频滤波器内部温度检测冷却能力的风力发电***1的例子。

图14是表示实施例1中的风力发电***1的结构图的例子。

对于与图1的风力发电***1中的已经说明的图1所示的相同符号的结构具有相同功能的部分省略说明。

本实施例与实施例2或3记载的风力发电***的差别点在于温度传感器200设置在高频滤波器22fil的冷却片上。

与所述实施例3同样，在水冷的高频滤波器中，当冷却片的热时常数短而冷却***3的冷却能力降低时，在框体内温度上升到能够检测这种程度之前，存在如下可能性，即，高频滤波器的温度超过允许值而引起绝缘破坏，从而导致电力转换器20的破损。因此，通过温度传感器200检测高频滤波器的冷却片温度，当该检测温度比规定温度t1高时，通过将叶片10的俯仰角向顺浆侧调整，从而能够在滤波器元件过热之前降低电力转换器20的发电电力，从而能够更为可靠地保护滤波器元件且同时使电力转换器20的运转继续进行。由于电力转换器20能够继续运转，所以能够在叶片10产生因电力转换器20的发电电力使叶片10的旋转减速的转矩，其结果是能够防止叶片10的过旋转。

以下，使用图14对本实施例的风力发电***进行说明。

图14示出风力发电***1的能量传递部。在此，未图示的发动机舱60、塔70与实施例1至3中记载的结构相同。

本实施例的电力转换器20具备与高频滤波器22fil的冷却片相接的温度传感器200。需要说明的是，可以构成为在高频滤波器21fil的冷却片上具备温度传感器200。温度传感器200的输出Tamb分别输入给电力转换控制器2000。在该控制器内部，实现与实施例1记载的冷却能力检测器3000的运算相同的运算，将能够输送的电力的电力降低幅度ΔS算出值向俯仰角修正器6000输出。

俯仰角修正器6000以从电力转换控制器2000输出的能够输送的电力的电力降低幅度ΔS作为输入，与实施例1乃至3的俯仰角修正器6000的运算同样地修正俯仰角指令值，将作为其输出的俯仰角指令值

向俯仰角调整机12发送。

根据上述结构，本实施例的风力发电***1通过温度传感器200检测高频滤波器22fil的冷却片的温度，若冷却片的温度为规定值以上，则将叶片10的俯仰角向顺浆侧修正而使电力转换器20的发电电力减少，从而能够在避免电力转换器20的滤波器元件的过热的同时使电力转换器20的运转继续进行。

由于电力转换器20继续运转，所以作用有向使叶片10的旋转减速的方向的转矩，因此能够防止叶片10的过旋转。

如上所述，对于本实施例的风力发电***而言，即使因外部气体温度上升导致电力转换器冷却能力降低，通过限制基于风的输入能量且实现电力转换器的继续运转，从而能够防止叶片的过旋转。

进一步而言，根据本实施例，由于能够使用滤波器元件的冷却片检测温度来修正俯仰角，从而能够更为可靠地保护滤波器元件而防止其过热且同时能够继续电力转换器20的运转，其结果是能够避免叶片10的过旋转。

【实施例5】

在本实施例中，对通过半导体元件及高频滤波器的冷却片以外的冷却片内部温度检测冷却能力的风力发电***1的例子进行说明。

图15是表示实施例1的风力发电***1的结构图的例子。

对图1的风力发电***1中的已经说明的图1所示的赋予相同符号的结构具有相同功能的部分省略说明。

本实施例与实施例2乃至4记载的风力发电***的差别点在于温度传感器200设置在半导体元件及高频滤波器的冷却片以外的冷却片上这一点。

对所述实施例3至4进行比较，与水冷的半导体元件及高频滤波器相比，冷却片的热时常数长，但是在冷却***3的冷却能力下降时比框体内温度更快地上升到能够检测的程度而能够检测冷却能力的降低，进一步比较实施例3及4，由于无需将温度传感器200分别安装在各个半导体元件及高频滤波器上，因此能够削减成本。进一步而言，与分别向各个半导体元件、高频滤波器上安装温度传感器200的实施例相比，能够实现一元化管理。由此，在半导体元件、滤波器元件的温度超过允许值之前，通过温度传感器200检测所述冷却片内温度，并在该检测温度超过规定温度t1时将叶片10的俯仰角向顺浆侧调整，由此能够在半导体元件、滤波器元件过热之前降低电力转换器20的发电电力。

此外，能够更加可靠地保护半导体元件、滤波器元件且同时能够使电力转换器20继续运转。由于电力转换器20能够继续运转，因此能够在叶片10上产生因电力转换器20的发电电力使叶片10的旋转减速的转矩，其结果是能够防止叶片10的过旋转。

以下，使用图15说明本实施例的风力发电***。

图15示出风力发电***1的能量传递部。在此，未图示的发动机舱60、塔70与实施例1至4所记载的结构相同。

本实施例的电力转换器20具备与半导体元件及高频滤波器的冷却片以外的冷却片相接的温度传感器200。温度传感器200的输出Tamb被输入给电力转换控制器2000。在该控制器内部中，实施与实施例1记载的冷却能力检测器3000的运算相同的运算，将能够输送的电力的电力降低幅度ΔS算出值向俯仰角修正器6000输出。

俯仰角修正器6000将从电力转换控制器2000输出的能够输送电力的电力降低幅度ΔS作为输入，与实施例1至4的俯仰角修正器6000的运算同样地修正俯仰角指令值，将作为其输出的俯仰角指令值

向俯仰角调整机12发送。

根据上述结构，本实施例的风力发电***1通过温度传感器200检测半导体元件及高频滤波器的冷却片以外的冷却片温度，若冷却片的温度为规定值以上，则将叶片10的俯仰角向顺浆侧修正而使电力转换器20的发电电力减少，从而在避免电力转换器20的半导体元件及滤波器元件的过热的同时使电力转换器20的运转继续进行。

由于电力转换器20进行运转，所以作用有向使叶片10的旋转减速的方向的转矩，从而能够防止叶片10的过旋转。

如上所述，对于本实施例的风力发电***而言，即使因外部气体温度上升导致电力转换器冷却能力减少，也能够通过限制基于风的输入能量且实现电力转换器的继续运转，从而能够防止叶片的过旋转。

进一步而言，根据本实施例，由于能够使用滤波器元件的冷却片检测温度修正俯仰角，所以能够更为可靠地保护滤波器元件而防止其过热且同时能够使电力转换器20的运转继续进行，其结果是能够避免叶片10的过旋转。

图16例示出对本发明的叶片10的俯仰角进行可变控制的前后状态。

首先，说明从包括叶片10的风车如何获得风力，当风80碰撞在叶片10上时，能够在叶片10的周围产生相对的空气流动，该空气的流动在叶片的上风处81及下风处82速度有所不同，因此因该速度的不同产生压力差。该压力差成为升力83而使叶片以旋转面84为轴地进行旋转。

为了使该旋转速度可变，通过使所述叶片的安装角度即俯仰角可变，从而叶片周围的空气的流速变化，且升力也变化。

具体而言，在因冷却功能的降低导致电力转换器的能够输出的电压量减小的情况下，如图16(b)的叶片的俯仰角87那样增大图16(a)的俯仰角控制前的叶片的俯仰角86，以使与碰触到叶片的风80的朝向接***行的方式调整叶片。由此，使作用于叶片的升力减小，从而使旋转力减小。

其结果是，对与所述能够输送的电力对应的来自所述叶片的输入能量进行控制，从而能够防止所述叶片的过旋转及所述电力转换器发生故障。

Claims (13)

1.一种风力发电***，其具有：

换流器，其将从与俯仰角可变的叶片机械连接的同步发电机输出的可变频率的发电电力转换为直流电力；

平滑电容器，其使所述换流器所输出的直流电力平滑化；

逆变器，其与电力***电连接，从所述换流器经由所述平滑电容器将所述直流电力转换为固定频率的交流电力，并向所述电力***输出；

俯仰角指令值算出部，其算出用于进行所述叶片的俯仰角的可变控制的俯仰角指令值，并根据所述俯仰角指令值进行对所述俯仰角实施机械式调整的指令；

冷却***，其对所述换流器及所述逆变器进行冷却，

所述风力发电***的特征在于，

还具备：

冷却能力检测部，其对所述冷却***的冷却能力或电力转换器的冷却状态进行检测，该电力转换器包括所述换流器及所述逆变器；

俯仰角指令值修正部，其对利用所述俯仰角指令值算出部算出的所述俯仰角指令值进行修正，

根据所述冷却能力检测部的检测结果，所述俯仰角指令值修正部对所述俯仰角指令值进行修正，且根据所述修正后的俯仰角指令值进行对所述叶片的俯仰角实施可变控制的指令。

2.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，

所述冷却能力检测部具备对所述风力发电***内或所述风力发电***外的温度进行检测的温度传感器，且根据所述温度传感器的检测结果推定从所述电力转换器能够向所述电力***输送的电力的降低幅度。

3.根据权利要求2所述的风力发电***，其特征在于，

所述冷却能力检测部还具备预先设定有规定温度的数据表，随着所述温度传感器所检测到的温度变得比在所述数据表设定的温度高，而推定所述电力的降低幅度单调减少。

4.根据权利要求2或3所述的风力发电***，其特征在于，

所述俯仰角指令值修正部根据从所述冷却能力检测部输出的所述电力的降低幅度求出所述俯仰角指令值的修正值，并通过将所述俯仰角指令值和所述修正值相加而输出修正后的俯仰角指令值。

5.根据权利要求4所述的风力发电***，其特征在于，

具备根据所述俯仰角指令值对所述俯仰角进行机械式调整的俯仰角调整部，所述俯仰角调整部根据所述修正后的俯仰角指令值对所述叶片的俯仰角进行可变控制。

6.根据权利要求2所述的风力发电***，其特征在于，

所述温度传感器设置在所述冷却***内或所述冷却***外，对所述冷却***内或所述冷却***外的气温进行检测。

7.根据权利要求2所述的风力发电***，其特征在于，

所述温度传感器设置在收纳所述电力转换器的框体内或框体外，对所述框体内或框体外的气温进行检测。

8.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，

所述冷却***对设置在所述同步发电机与所述换流器之间以及所述逆变器与所述电力***之间的高频滤波电抗器进一步进行冷却，所述冷却能力检测部检测所述冷却***对所述高频滤波电抗器的冷却能力或所述高频滤波电抗器的冷却状态。

9.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，

所述冷却***具备：对所述换流器或所述逆变器使用冷却风而使热量放出的热交换器、使所述冷却风循环的风扇。

10.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，

所述冷却***具备：使从所述电力转换器获取热量后的冷却水的热量放出的热交换器、用于向所述热交换器与所述电力转换器之间送出冷却水的泵、用于将从所述泵送出的冷却水向所述热交换器与所述电力转换器之间配送的冷却水配管、使从所述冷却水配管配送的冷却水在所述电力转换器内循环的冷却片水路。

11.根据权利要求10所述的风力发电***，其特征在于，

利用所述温度传感器检测所述冷却水配管内或所述冷却片水路内的冷却水的温度。

12.一种风力发电***，其具有：

发电机，其与俯仰角可变的叶片机械连接；电力转换器，其将从所述发电机输出的发电电力转换为规定频率的交流电力或直流电力；俯仰角指令值算出部，其算出用于对所述叶片的俯仰角进行控制的俯仰角指令值，并进行对所述俯仰角实施机械式调整的指令，

所述风力发电***的特征在于，

还具备：

冷却能力检测部，其对所述冷却***的冷却能力或电力转换器的冷却状态进行检测，该电力转换器包括所述换流器及所述逆变器；

俯仰角指令值修正部，其对利用所述俯仰角指令值算出部算出的所述俯仰角指令值进行修正，

根据所述冷却能力检测部的检测结果，所述俯仰角指令值修正部对所述俯仰角指令值进行修正，且根据所述修正后的俯仰角指令值进行对所述叶片的俯仰角实施可变控制的指令。

13.根据权利要求12所述的风力发电***，其特征在于，

所述俯仰角指令值算出部推定能够向所述电力***输送的电力的电量，将所述推定出的电量所涉及的信息向事先注册的注册目标发送。

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