JP2020088926A - 電力変換装置、電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統に連系する風力発電システム向け電力変換装置において、風力の利用率低下を抑制しつつ、風車機械系部品の寿命低下を抑制可能な高効率で信頼性の高い風力発電システム向け電力変換装置とその制御方法を提供する。【解決手段】風車の軸に接続された発電機の出力する可変周波数の交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、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第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器の間に接続され、前記直流電力を制御する直流電力制御器と、前記可変周波数の交流電力および前記商用周波数の交流電力に基づき、前記直流電力制御器を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置の構成とその制御に係り、特に、電力系統に連系する風力発電システム向け電力変換装置に適用して有効な技術に関する。

近年、風力発電システムの電力系統への導入が進んでいる。風力発電システムの一例として、風力用発電機で発電された交流電力を直流電力へ変換し、その直流電力を商用周波数の交流電力へ変換して電力系統に電力を供給する電力変換装置を用いた構成が挙げられる。

風力発電は、風速の変動による発電変動があるため系統電圧に影響を与える。風力発電を大量に導入するために、系統における電源品質が要求される。

一方、風力発電システムは、風を受ける風車ブレードや風車ブレードと発電機の間に接続されて回転数を変換するギアなどの機械系部品を備えている。このような機械系部品はトルク変動のような機械的変動を受けることで寿命が低下するため、機械系部品の長寿命化を図るためにはそのようなトルク変動を抑制することが重要である。

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「チョッパと抵抗器で構成される抵抗チョッパ回路を直流部に設け、抵抗チョッパ回路で電力を消費することで発電機トルクの急変を抑制する制御方法」が開示されている。

また、特許文献２には「発電機の出力電力と回転数、チョッパの電力消費レベルとそのＦＲＴ（運転継続機能）の頻度に応じて、熱保護のためにチョッパの通電時間を変更制御して運転継続を可能にする風力発電用電力変換装置」が開示されている。

米国特許第８９８１５８４号明細書 特開２０１２−２３１６２４号公報

しかし、上記特許文献１では、発電機トルクの急変を抑制するために、抵抗チョッパ回路で電力を消費すると、風からのパワーを熱に変換して消費していることになるため、風からのパワーの利用率が低下することになる。一方で、抵抗チョッパ回路で電力を消費しない場合は発電機トルクが急変することで、風車の機械系部品の寿命が低下する。

また、上記特許文献２では、電力特性値が安全電力設定値を超えた場合はその超えた部分の電力特性値を発電機制御システムに発電電力抑制要求指令として送出して電力制限（トルク制限）運転モードにする。そのため、電力制限運転モード時および電力制限運転モードから定常運転モードへ復帰するまでの間、風力の利用率が低下する。

そこで、本発明の目的は、電力系統に連系する風力発電システム向け電力変換装置において、風力の利用率低下を抑制しつつ、風車機械系部品の寿命低下を抑制可能な高効率で信頼性の高い風力発電システム向け電力変換装置とその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、風車の軸に接続された発電機の出力する可変周波数の交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、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第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器の間に接続され、前記直流電力を制御する直流電力制御器と、前記可変周波数の交流電力および前記商用周波数の交流電力に基づき、前記直流電力制御器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記可変周波数の交流電力に基づき、前記発電機の運転状態を検出する発電機運転状態検出器と、前記商用周波数の交流電力に基づき、前記電力系統の系統出力を検出する系統出力検出器と、前記発電機運転状態検出器の出力、および前記系統出力検出器の出力に基づき、前記発電機の出力制限値を演算する発電機出力制限値演算器と、前記発電機出力制限値演算器の出力、および前記系統出力検出器の出力に基づき、前記直流電力制御器に対する電力指令を演算する電力指令演算器と、を有し、前記電力指令演算器からの電力指令に基づき、前記発電機の出力が前記出力制限値の範囲内に収まるように、前記直流電力制御器により前記直流電力を制御することを特徴とする。

また、本発明は、電力系統に連系される風力発電システム向け電力変換装置の制御方法であって、発電機から出力される可変周波数の交流電力に基づき、前記発電機の運転状態を検出し、前記電力系統へ供給される商用周波数の交流電力に基づき、前記電力系統への系統出力を検出し、前記検出した発電機の運転状態、および前記検出した系統出力に基づき、前記発電機の出力制限値を算出し、前記算出した出力制限値、および前記検出した系統出力に基づき、前記発電機から出力される可変周波数の交流電力と前記電力系統へ供給される商用周波数の交流電力間の直流電力を制御する電力指令値を算出し、当該算出した電力指令値に基づき、前記直流電力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、電力系統に連系する風力発電システム向け電力変換装置において、風力の利用率低下を抑制しつつ、風車機械系部品の寿命低下を抑制可能な高効率で信頼性の高い風力発電システム向け電力変換装置とその制御方法を実現することができる。

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。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図１における発電機出力制限値演算器の構成を示す図である。 図１における消費電力指令演算器の構成を示す図である。 図２におけるデータベースの出力特性の一例を示す図である。 実施例１に係る電力変換装置の動作波形の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図６における充電電力指令演算器の構成を示す図である。 実施例２に係る電力変換装置の動作波形の一例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図５を参照して、本発明の実施例１の電力変換装置とその制御方法について説明する。図１は、本実施例の電力変換装置の構成を示す図である。本実施例の電力変換装置１は、主要な構成として、電力変換器２、電力変換器３、電力消費器４、電圧検出器５、電流検出器６、電圧検出器７、電流検出器８、制御部９を有している。

電力変換器２の三相交流部は発電機１０の三相交流端子に接続している。電力変換器２と電力変換器３の直流部は互いに接続し、その直流部には電力消費器４が接続している。電力変換器３の三相交流部は電力系統１２に接続している。発電機１０の回転子は風車ブレード１１に接続し、風車ブレード１１が風から受けるパワー（風力）で回転することで発電機１０の回転子が回転すると、発電機１０は回転数に応じた周波数の三相交流電力を出力する。電力変換器２は発電機１０の出力する三相交流電力を直流電力に変換し、直流部へ出力する。

電力変換器３は電力変換器２が直流部に出力する直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換し、電力系統１２に三相交流電力を供給する。電力消費器４は消費電力指令に応じて電力変換器２と電力変換器３の直流部から電力を消費する。電力消費器４は例えば抵抗とチョッパを組み合わせた抵抗チョッパ回路などで構成されるが、その他の構成であっても良い。また、発電機１０と風車ブレード１１の間に回転数を変換するギア（増速機）が接続されていても良い。

電圧検出器５は電力変換器２の三相交流側に接続し、発電機１０の端子電圧を検出する。電流検出器６は電力変換器２の三相交流側に接続し、発電機１０から電力変換器２へ流れる端子電流を検出する。電圧検出器７は電力変換器３の三相交流側に接続し、電力系統１２の系統電圧を検出する。電流検出器８は電力変換器３の三相交流側に接続し、電力変換器３から電力系統１２へ流れる系統電流を検出する。

制御部９は電圧検出器５の出力する端子電圧検出値、電流検出器６の出力する端子電流検出値、電圧検出器７の出力する系統電圧検出値、電流検出器８の出力する系統電流検出値を入力として、電力消費器４への消費電力指令を出力する。制御部９は、系統出力検出器１３、発電機運転状態検出器１４、発電機出力制限値演算器１５、消費電力指令演算器１６を有している。

系統出力検出器１３は電圧検出器７の出力する系統電圧検出値、電流検出器８の出力する系統電流検出値を入力として、電力変換器３が電力系統１２へ出力する電力である系統出力検出値を発電機出力制限値演算器１５へ出力する。

発電機運転状態検出器１４は電圧検出器５の出力する端子電圧検出値、電流検出器６の出力する端子電流検出値を入力として、発電機１０の回転数を表す発電機速度検出値、発電機１０の出力する電力を表す発電機出力検出値を発電機出力制限値演算器１５へ出力する。

発電機出力制限値演算器１５は系統出力検出器１３の出力する系統出力検出値、発電機運転状態検出器１４の出力する発電機速度検出値及び発電機出力検出値を入力として、発電機の出力上限値及び出力下限値を消費電力指令演算器１６へ出力する。発電機出力制限値演算器１５は、発電機運転状態検出器１４からの発電機速度検出値及び発電機出力検出値に基づき、発電機１０の出力上限値及び出力下限値を算出する。

消費電力指令演算器１６は発電機出力制限値演算器１５の出力する出力上限値及び出力下限値、系統出力検出器１３の出力する系統出力検出値を入力として、電力消費器４に対する消費電力指令を出力する。

図２は、図１における発電機出力制限値演算器１５の構成を示す。発電機出力制限値演算器１５は、データベース１５１、変化率リミッタ１５２、加算器１５３、減算器１５４を有している。データベース１５１は発電機速度検出値及び発電機出力検出値を入力として、風車ブレード１１やギアなどの風車機械系が許容する発電機出力の変化幅及び変化率をそれぞれ変化幅設定値及び変化率設定値として出力する。変化率リミッタ１５２はデータベース１５１が出力する変化率設定値と系統出力検出値を入力として、変化率リミッタ１５２の出力が変化率設定値以下になるように変化率リミッタ処理を系統出力検出値に実施して、発電機出力基準値として出力する。

加算器１５３は変化率リミッタ１５２が出力する発電機出力基準値とデータベース１５１が出力する変化幅設定値を入力として、それらの和を発電機の出力上限値として出力する。減算器１５４は変化率リミッタ１５２が出力する発電機出力基準値とデータベース１５１が出力する変化幅設定値を入力として、それらの差を発電機の出力下限値として出力する。

つまり、発電機出力制限値演算器１５は、発電機速度検出値及び発電機出力検出値に対応する変化幅設定値及び変化率設定値を記憶したデータベース１５１を備えており、所定の変化幅設定値及び所定の変化率設定値に基づき、発電機１０の出力上限値及び出力下限値を変更する。また、変化幅設定値及び変化率設定値は、発電機１０の運転状態に応じて変化する。

このような構成にすることで、発電機１０の速度や出力などの運転状態に応じて、発電機１０の出力上限値及び出力下限値は所定の差を維持しながら、系統出力が変化する方向に所定の変化率以下で変化することになる。発電機１０の出力は出力上限値及び出力下限値の間の領域に制御されるため、発電機１０の出力の急変を抑制することができる。これにより、例えば風車ブレード１１に代表されるような風車の機械系部品に与えるトルク変動を所定の範囲内に抑制し、風車の機械系部品の長寿命化を図ることができる。

図３は、図１における消費電力指令演算器１６の構成を示す。消費電力指令演算器１６は、上下限リミッタ１６１、減算器１６２、下限リミッタ１６３を有している。上下限リミッタ１６１は系統出力検出値、出力上限値、出力下限値を入力として、出力上限値と出力下限値の間の値になるようにリミッタ処理を系統出力検出値に実施して、発電機出力指令として出力する。減算器１６２は上下限リミッタ１６１が出力する発電機出力指令と系統出力検出値を入力として、それらの差を演算して下限リミッタ１６３へ出力する。下限リミッタ１６３は減算器１６２の出力を入力として、下限が零のリミッタ処理を実施することで消費電力指令が負値にならないようにして、消費電力指令として出力する。

系統出力検出値が上下限リミッタ１６１の範囲内であれば、発電機出力指令は系統出力検出値と一致し、消費電力指令は零となる。電力変換装置１の回路損失等を微小量として無視すると、発電機出力は系統出力と一致する。

一方、系統出力検出値が低下して、上下限リミッタ１６１の出力下限値以下になると、消費電力指令は出力下限値と系統出力検出値の差で与えられ、電力消費器４でその値の電力が消費されることになる。発電機出力は電力消費器４で消費される電力と系統出力の和にほぼ等しいので、発電機出力は出力下限値と一致する。すなわち、系統出力が上下限リミッタ１６１の出力下限値以下になるまで低下しても、発電機出力は出力下限値以下にならないように、電力消費器４が電力を消費する。

一方、系統出力検出値が上昇して、上下限リミッタ１６１の出力上限値以上になっても、消費電力指令は下限リミッタ１６３の影響で零となる。すなわち、発電機出力は系統出力と一致する。したがって、系統出力が上下限リミッタ１６１の出力上限値以上になるまで上昇すると、発電機出力も同様に出力上限値以上になるまで上昇する。発電機出力の上昇を抑制するためには、発電機１０以外に発電する要素が必要であるが、本実施例ではそのような要素はないので、発電機出力の上昇を抑制することはできない。

以上より、系統出力検出値が上下限リミッタ１６１の出力下限値以下になる場合は、発電機出力は出力下限値以下にならないように動作し、発電機出力の低下を抑制することができる。系統出力検出値が上下限リミッタ１６１の出力上限値以上になる場合は、本実施例では発電機出力の上昇を抑制することができないが、後述する別の実施例で発電機出力の上昇を抑制する構成について説明する。

図４は、図２におけるデータベース１５１の出力する変化幅設定値及び変化率設定値の特性の一例を示す。ここでは、発電機速度が低く、発電機出力が高い領域では、変化幅設定値及び変化率設定値を小さくしている。この領域は発電機の出力するトルクが大きいため、このような特性を持たせることで、風車の機械系部品に与えるトルク変動を所定の範囲内に抑制することが可能となり、風車の機械系部品の長寿命化を図ることができる。

一方、その他の領域では、変化幅設定値を相対的に大きくすることで、風車の機械系部品が許容できる範囲で発電機１０の出力するトルクを変動させる。その結果、電力消費器４で消費する電力が低減することになり、風からのパワーの利用率低下を抑制することができる。

このように、発電機１０の運転状態に応じて、変化幅設定値及び変化率設定値を変更することで、風車の機械系部品に与えるトルク変動が厳しい運転領域では、変化率設定値及び変化幅設定値を小さく設定することで、発電機のトルク変動を抑制し、トルク変動が厳しくない運転領域では、変化率設定値及び変化幅設定値を大きく設定することで、風からのパワーの利用率低下を抑制することができる。なお、データベース１５１の出力する特性は図４に示す特性に限定するものではなく、それ以外の特性であっても良い。

図５に、本実施例の電力変換装置の動作波形例を示す。時間T1までは系統出力検出値はP0とする。発電機出力制限値演算器１５の構成から、発電機出力基準値は定常状態ではP0になる。出力上限値は発電機出力基準値に変化幅設定値ΔPを加算した値であり、出力下限値は発電機出力基準値から変化幅設定値ΔPを減算した値である。また、系統出力検出値がP0であることから、消費電力指令演算器１６の構成から発電機出力指令もP0となる。

したがって、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める消費電力指令は零となるため、電力消費器４で消費される電力は零となる。電力変換装置１の回路損失等を微小量として無視すると、電力消費器４で消費される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力はP0となる。

次に、時間T1において系統事故が発生して系統電圧が仮に零になったとする。系統電圧が零であることから電力変換器３から電力系統１２へ電力供給することができなくなるため、系統出力検出値は零となる。系統出力検出値が零になることから、発電機出力指令は上下限リミッタ１６１の出力下限値P0-ΔPと一致し、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める消費電力指令はP0-ΔPとなる。電力消費器４が消費電力指令に従ってP0-ΔPの電力を消費すると、系統出力検出値が零であることから発電機出力はP0-ΔPとなる。

時間T1以降は、系統出力検出値が零であることから、発電機出力基準値は変化率設定値に従って減少し、出力上限値及び出力下限値も減少する。この結果、発電機出力指令は出力下限値と一致して減少することになる。したがって、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める消費電力指令も減少する。電力消費器４が消費する電力が消費電力指令に従って減少すると、系統出力検出値が零であることから発電機出力も減少する。

次に、時間T2において系統事故が復旧して系統電圧が回復したとする。電力変換器３から電力系統１２へ電力供給することが可能となるため、系統出力検出値が上昇する。この系統出力検出値が上昇する挙動に関しては電力変換器３の制御方式に依存するため、いろいろなケースが考えられる。ここではP0まで一旦上昇し、その後動揺しながら定常値P0に向かって収束する波形で説明するが、その限りではない。

また、時間T2において、系統出力検出値がP0まで上昇すると、発電機出力指令は出力上限値とP0の値の小さい方まで上昇するが、本実施例では出力上限値＜P0として、発電機出力指令は出力上限値まで上昇するとする。この時、発電機出力指令から系統出力検出値を減算した値は負値となるが、下限リミッタ１６３の作用により消費電力指令は零となり、電力消費器４で消費される電力は零となる。電力消費器４で消費される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力はP0となる。

時間T2以降は、系統出力検出値がP0付近にあるため、発電機出力基準値は変化率設定値に従って増加し、出力上限値及び出力下限値も上昇する。この結果、発電機出力指令は出力上限値と一致して増加するが、発電機出力指令から系統出力検出値を減算した値は負値を維持するため、下限リミッタ１６３の作用により消費電力指令は零となり、電力消費器４で消費される電力は零となる。電力消費器４で消費される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力は系統出力検出値と一致する。

次に、時間T3以降において、系統出力検出値が上下限リミッタ１６１の上下限範囲内に入るようになると、発電機出力指令は系統出力検出値と一致するようになる。発電機出力指令から系統出力検出値を減算した値は零であることから消費電力指令は零となり、電力消費器４で消費される電力は零となる。電力消費器４で消費される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力は系統出力検出値と一致する。つまり、出力上限値及び出力下限値は、所定の差分値（ΔP）を維持しながら変化する。また、差分値（ΔP）は、発電機１０の運転状態に応じて変化する。

以上説明したように、本実施例の電力変換装置１は、風車の軸に接続された発電機１０の出力する可変周波数の交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器（電力変換器２）と、直流電力を商用周波数の交流電力に変換して電力系統１２に供給する第２の電力変換器（電力変換器３）と、第１の電力変換器（電力変換器２）と第２の電力変換器（電力変換器３）の間に接続され、直流電力を制御する直流電力制御器（電力消費器４）と、可変周波数の交流電力および商用周波数の交流電力に基づき、直流電力制御器（電力消費器４）を制御する制御部９と、を備え、制御部９は、可変周波数の交流電力に基づき、発電機１０の運転状態を検出する発電機運転状態検出器１４と、商用周波数の交流電力に基づき、電力系統１２の系統出力を検出する系統出力検出器１３と、発電機運転状態検出器１４の出力、および系統出力検出器１３の出力に基づき、発電機１０の出力制限値を演算する発電機出力制限値演算器１５と、発電機出力制限値演算器１５の出力、および系統出力検出器１３の出力に基づき、直流電力制御器（電力消費器４）に対する電力指令を演算する電力指令演算器（消費電力指令演算器１６）と、を有し、電力指令演算器（消費電力指令演算器１６）からの電力指令（消費電力指令）に基づき、発電機１０の出力が出力制限値の範囲内に収まるように、直流電力制御器（電力消費器４）により直流電力を制御する。

以上のように、本実施例では、系統出力検出値が急峻に低下するようなケースにおいても、電力消費器４で電力を消費することで、発電機出力の低下は系統出力に比べて抑制される。この結果、風車ブレード１１やギアなどの風車機械系に与えるトルク変動を緩和し、風車機械系の長寿命化を図ることができる。

また、本実施例で示すように、データベース１５１が出力する変化幅設定値を小さく設定すると、消費電力指令は大きくなり、変化幅設定値を大きく設定すると、消費電力指令は小さくなる。また、データベース１５１が出力する変化率設定値を小さく設定すると、消費電力指令は大きくなり、変化率設定値を大きく設定すると、消費電力指令は小さくなる。すなわち、変化幅設定値及び変化率設定値を調整することで、電力消費器４で消費する電力を調整することができる。風車機械系部品が許容する範囲で変化幅設定値及び変化率設定値を大きく設定することで、電力消費器４で消費する電力を低減し、風からのパワー（風力）の利用率の低下を抑制することができる。

図６から図８を参照して、本発明の実施例２の電力変換装置とその制御方法について説明する。図６は、本実施例の電力変換装置の構成を示す図である。本実施例の電力変換装置１７は、主要な構成として、電力変換器２、電力変換器３、蓄電装置１８、電圧検出器５、電流検出器６、電圧検出器７、電流検出器８、制御部１９を有している。

実施例１の電力変換装置１と異なる点は、電力消費器４の代わりに蓄電装置１８を備えていること、消費電力指令演算器１６の代わりに充電電力指令演算器２０を備えていることである。それ以外に関しては実施例１の電力変換装置１と同様であるため、繰り返しとなる詳細な説明は省略する。

蓄電装置１８は充電電力指令演算器２０からの充電電力指令に応じて電力変換器２と電力変換器３の直流部から電力を充電したり、電力変換器２と電力変換器３の直流部へ電力を放電したりする。充電電力指令演算器２０は発電機出力制限値演算器１５の出力する出力上限値及び出力下限値、系統出力検出器１３の出力する系統出力検出値を入力として、蓄電装置１８に対する充電電力指令を出力する。

図７は、図６における充電電力指令演算器２０の構成を示す。充電電力指令演算器２０は、上下限リミッタ２０１、減算器２０２を有している。上下限リミッタ２０１は系統出力検出値、出力上限値、出力下限値を入力として、出力上限値と出力下限値の間の値になるようにリミッタ処理を系統出力検出値に実施して、発電機出力指令として出力する。減算器２０２は上下限リミッタ２０１が出力する発電機出力指令と系統出力検出値を入力として、それらの差を演算して充電電力指令として出力する。ここで、充電電力指令が正値の場合は充電の電力指令を、負値の場合は放電の電力指令を表す。

系統出力検出値が上下限リミッタ２０１の範囲内であれば、発電機出力指令は系統出力検出値と一致し、充電電力指令は零となり、蓄電装置１８で充放電される電力は零となる。蓄電装置１８で充放電される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致する。

一方、系統出力検出値が低下して、上下限リミッタ２０１の出力下限値以下になると、充電電力指令は出力下限値と系統出力検出値の差で与えられる正値となり、蓄電装置１８はその値の電力を充電することになる。発電機出力は蓄電装置１８に充電される電力と系統出力の和にほぼ等しいので、発電機出力は出力下限値と一致する。

すなわち、系統出力が上下限リミッタ２０１の出力下限値以下になるまで低下しても、発電機出力は出力下限値以下にならないように、蓄電装置１８が電力を充電する。

一方、系統出力検出値が上昇して、上下限リミッタ２０１の出力上限値以上になると、充電電力指令は出力上限値と系統出力検出値の差で与えられる負値となり、蓄電装置１８はその値の大きさの電力を放電することになる。発電機出力は系統出力と蓄電装置１８から放電される電力の差にほぼ等しいので、発電機出力は出力上限値と一致する。

すなわち、系統出力が上下限リミッタ２０１の出力上限値以上になるまで上昇しても、発電機出力は出力上限値以上にならないように、蓄電装置１８が電力を放電する。

以上より、系統出力検出値が上下限リミッタ２０１の出力下限値以下になる場合は、蓄電装置１８が充電することで発電機出力が出力下限値以下にならないように動作し、系統出力検出値が上下限リミッタ２０１の出力上限値以上になる場合は、蓄電装置１８が放電することで発電機出力が出力上限値以上にならないように動作する。このような動作により、発電機出力の低下あるいは上昇を抑制することができる。

図８に、本実施例の電力変換装置の動作波形例を示す。時間T1までは系統出力検出値はP0とする。発電機出力制限値演算器１５の構成（図２）から、発電機出力基準値は定常状態ではP0になる。出力上限値は発電機出力基準値に変化幅設定値ΔPを加算した値であり、出力下限値は発電機出力基準値から変化幅設定値ΔPを減算した値である。また、系統出力検出値がP0であることから、充電電力指令演算器２０の構成から発電機出力指令もP0となる。

したがって、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める充電電力指令は零となるため、蓄電装置１８で充電される電力は零となる。電力変換装置１７の回路損失等を微小量として無視すると、蓄電装置１８で充電される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力はP0となる。

次に、時間T1において系統事故が発生して系統電圧が仮に零になったとする。系統電圧が零であることから電力変換器３から電力系統１２へ電力供給することができなくなるため、系統出力検出値は零となる。系統出力検出値が零になることから、発電機出力指令は上下限リミッタ２０１の出力下限値P0-ΔPと一致し、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める充電電力指令はP0-ΔPとなる。蓄電装置１８が充電電力指令に従ってP0-ΔPの電力を充電すると、系統出力検出値が零であることから発電機出力はP0-ΔPとなる。

時間T1以降は、系統出力検出値が零であることから、発電機出力基準値は変化率設定値に従って減少し、出力上限値及び出力下限値も減少する。この結果、発電機出力指令は出力下限値と一致して減少することになる。したがって、発電機出力指令から系統出力検出値を減算して求める充電電力指令も減少する。蓄電装置１８が充電する電力が充電電力指令に従って減少すると、系統出力検出値が零であることから発電機出力も減少する。

次に、時間T2において系統事故が復旧して系統電圧が回復したとする。電力変換器３から電力系統１２へ電力供給することが可能となるため、系統出力検出値が上昇する。この系統出力検出値が上昇する挙動に関しては電力変換器３の制御方式に依存するため、いろいろなケースが考えられる。ここではP0まで一旦上昇し、その後動揺しながら定常値P0に向かって収束する波形で説明するが、その限りではない。

また、時間T2において、系統出力検出値がP0まで上昇すると、発電機出力指令は出力上限値とP0の値の小さい方まで上昇するが、本実施例では出力上限値＜P0として、発電機出力指令は出力上限値まで上昇するとする。この時、発電機出力指令から系統出力検出値を減算した値は負値となり、充電電力指令は負値であることから放電指令となる。蓄電装置１８から電力が放電されることで、発電機出力は出力上限値と一致する。

時間T2以降は、系統出力検出値がP0付近にあるため、発電機出力基準値は変化率設定値に従って増加し、出力上限値及び出力下限値も上昇する。この結果、発電機出力指令は出力上限値と一致して増加するが、蓄電装置１８から電力が放電されることで、発電機出力は出力上限値と一致する。

次に、時間T3以降において、系統出力検出値が上下限リミッタ２０１の上下限範囲内に入るようになると、発電機出力指令は系統出力検出値と一致するようになる。発電機出力指令から系統出力検出値を減算した値は零であることから充電電力指令は零となり、蓄電装置１８で充放電される電力は零となる。蓄電装置１８で充放電される電力が零の場合は発電機出力と系統出力は一致するので、発電機出力は系統出力検出値と一致する。

以上のように、本実施例では、系統出力検出値が急峻に低下するようなケースにおいては、蓄電装置１８が電力を充電することで、発電機出力の低下は系統出力に比べて抑制される。また、系統出力検出値が急峻に上昇するようなケースにおいては、蓄電装置１８が電力を放電することで、発電機出力の上昇は系統出力に比べて抑制される。この結果、風車ブレード１１やギアなどの風車機械系に与えるトルク変動を緩和し、風車機械系の長寿命化を図ることができる。

また、本実施例では蓄電装置１８で充放電することで、実施例１に比べて風からのパワー（風力）の利用率向上を図ることができる。

なお、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。

１…電力変換装置
２…電力変換器
３…電力変換器
４…電力消費器
５…電圧検出器
６…電流検出器
７…電圧検出器
８…電流検出器
９…制御部
１０…発電機
１１…風車ブレード
１２…電力系統
１３…系統出力検出器
１４…発電機運転状態検出器
１５…発電機出力制限値演算器
１５１…データベース
１５２…変化率リミッタ
１５３…加算器
１５４…減算器
１６…消費電力指令演算器
１６１…上下限リミッタ
１６２…減算器
１６３…下限リミッタ
１７…電力変換装置
１８…蓄電装置
１９…制御部
２０…充電電力指令演算器
２０１…上下限リミッタ
２０２…減算器

Claims (15)

1. 風車の軸に接続された発電機の出力する可変周波数の交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、
   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第２の電力変換器と、
   前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器の間に接続され、前記直流電力を制御する直流電力制御器と、
   前記可変周波数の交流電力および前記商用周波数の交流電力に基づき、前記直流電力制御器を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記可変周波数の交流電力に基づき、前記発電機の運転状態を検出する発電機運転状態検出器と、
   前記商用周波数の交流電力に基づき、前記電力系統の系統出力を検出する系統出力検出器と、
   前記発電機運転状態検出器の出力、および前記系統出力検出器の出力に基づき、前記発電機の出力制限値を演算する発電機出力制限値演算器と、
   前記発電機出力制限値演算器の出力、および前記系統出力検出器の出力に基づき、前記直流電力制御器に対する電力指令を演算する電力指令演算器と、を有し、
   前記電力指令演算器からの電力指令に基づき、前記発電機の出力が前記出力制限値の範囲内に収まるように、前記直流電力制御器により前記直流電力を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記直流電力制御器は、前記直流電力を消費する電力消費器であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記直流電力制御器は、前記直流電力を充放電する蓄電装置であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記発電機出力制限値演算器は、前記発電機運転状態検出器からの発電機速度検出値及び発電機出力検出値に基づき、前記発電機の出力上限値及び出力下限値を算出することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   前記発電機出力制限値演算器は、前記発電機速度検出値及び前記発電機出力検出値に対応する変化幅設定値及び変化率設定値を記憶したデータベースを備え、
   所定の変化幅設定値及び所定の変化率設定値に基づき、前記発電機の出力上限値及び出力下限値を変更することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記変化幅設定値及び前記変化率設定値は、前記発電機の運転状態に応じて変化することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記出力上限値及び前記出力下限値は、所定の差分値を維持しながら変化することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
   前記差分値は、前記発電機の運転状態に応じて変化することを特徴とする電力変換装置。
9. 電力系統に連系される風力発電システム向け電力変換装置の制御方法であって、
   発電機から出力される可変周波数の交流電力に基づき、前記発電機の運転状態を検出し、
   前記電力系統へ供給される商用周波数の交流電力に基づき、前記電力系統への系統出力を検出し、
   前記検出した発電機の運転状態、および前記検出した系統出力に基づき、前記発電機の出力制限値を算出し、
   前記算出した出力制限値、および前記検出した系統出力に基づき、前記発電機から出力される可変周波数の交流電力と前記電力系統へ供給される商用周波数の交流電力間の直流電力を制御する電力指令値を算出し、
   当該算出した電力指令値に基づき、前記直流電力を制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
10. 請求項９に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力指令値に基づき、電力消費器により前記直流電力を消費することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
11. 請求項９に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力指令値に基づき、蓄電装置により前記直流電力を充放電することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
12. 請求項９から１１のいずれか１項に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記発電機の発電機速度及び発電機出力に基づき、前記発電機の出力上限値及び出力下限値を算出することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
13. 請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    所定の変化幅設定値及び所定の変化率設定値に基づき、前記発電機の出力上限値及び出力下限値を変更することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
14. 請求項１３に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記変化幅設定値及び前記変化率設定値は、前記発電機の運転状態に応じて変化することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
15. 請求項１３に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記出力上限値及び前記出力下限値は、所定の差分値を維持しながら変化することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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