風力発電システム及びその制御装置
【課題】複数の風力発電装置を主変圧器１台で系統に連系する場合、メンテナンスや故障停止などで停止（解列）した風力発電装置を再度運転開始できる状態に復旧する際に、風力発電装置が備える変圧器を接続すると、風力発電機定格の数倍の励磁突入電流が個々の変圧器に流れ、主変圧器で電圧降下が生じる。この電圧降下影響による他の風力発電装置の停止を避ける点にある。
【解決手段】風力発電装置の変圧器を投入する場合、時間差で投入することとした。また、変圧器投入時の主変圧器による電圧歪が運転している発電装置へ影響を与えた際、コンバータが過電流になりにくいように、発電電力を低下することとした。
【解決手段】風力発電装置の変圧器を投入する場合、時間差で投入することとした。また、変圧器投入時の主変圧器による電圧歪が運転している発電装置へ影響を与えた際、コンバータが過電流になりにくいように、発電電力を低下することとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の風力発電装置を備えた風力発システムに関し、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術においては、複数の風力発電装置を系統に連系する場合、各風力発電装置が備える変圧器で数十ｋＶまで一旦昇圧し、主変圧器１台で複数の風力発電システムを一括して１００ｋＶ級の送電線に接続する。
【０００３】
複数の風力発電装置を主変圧器１台で系統に連系する場合、各風力発電装置が備える変圧器を接続すると、風力発電機定格の数倍の励磁突入電流が流れる。この励磁突入電流により主変圧器で電圧降下が生じ、他の風力発電装置に影響を与える恐れがある。
【０００４】
近年の風力発電装置はコンバータを備えており、個々の風力発電装置の運転開始時には突入電流が小さく制御されるため、常時の運転停止による突入電流による主変圧器のインピーダンスによる電圧歪の影響は小さい。しかし、風力発電システムのうち、例えば１台の風力発電装置をメンテナンスのため停止させ、運転再開を行う前の準備段階で、風力発電装置が持つトランスを投入すると、トランスの励磁突入電流によって主変圧器で発生する電圧歪の影響により他の風力発電装置が備えるコンバータが過電流や電圧歪を検出して停止してしまう恐れがある。コンバータは半導体素子で構成されるため、過電流に対して壊れやすく、過渡的な過電流であっても運転を継続できない。
【０００５】
従来、コンバータを備えない誘導発電機を有する風力発電装置による突入電流による影響を緩和する方法は〔特許文献１〕に開示されている。また、常時の運転停止のスケジュール管理の方法が〔特許文献２〕に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０９５６９号公報
【特許文献２】特開２００４−８８８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
複数の風力発電装置を主変圧器１台で系統に連系する場合、メンテナンスや故障停止などで停止（解列）した風力発電装置を再度運転開始できる状態に復旧する際に、風力発電システムが備える変圧器を接続すると風力発電機定格の数倍の励磁突入電流が変圧器に流れ、主変圧器で電圧降下が生じる。この時の影響が他の風力発電装置に影響を与えて停止することを避ける風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、本発明は風力発電システムの変圧器を投入する場合、時間差で投入することとした。また、変圧器投入時の主変圧器による電圧歪が運転している発電システムへ影響を与えた際、コンバータが過電流になりにくいように、発電電力を低下することとした。
【０００９】
より、具体的には、本発明は電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システムにおいて、前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１０】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、前記変換器を制御する制御装置とを備えて、該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記課題を達成するために、本発明は電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システム用の制御装置において、前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１５】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、前記遮断器投入制御手段は各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１６】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、前記遮断器投入制御手段は運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とするものである。
【００１７】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、前記変換器を制御する制御装置とを備えて、該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とするものである。
【００１８】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】風力発電システム群の説明図。
【図２】風力発電装置の回路構成。
【図３】系統側コンバータの制御構成。
【図４】発電機側コンバータの制御構成。
【図５】遮断器１台毎順次投入する方法の説明図。
【図６】遮断器１台毎順次投入した場合の説明図。
【図７】遮断器複数台をグループ化してグループ毎に順次投入する方法の説明図。
【図８】遮断器複数台をグループ化してグループ毎に順次投入した場合の説明図。
【図９】運転中の風力発電システムの発電電力を低下させて遮断器を投入する方法の説明図。
【図１０】運転中の風力発電システムの発電電力を低下させて遮断器を投入した場合の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１を用いて、本発明の一実施例である風力発電システム１００の構成を説明する。
【００２３】
複数の風力発電装置２００−１，２００−２…２００−ｍは、昇圧用変圧器２０９および遮断器２５０により系統の発電設備１１０に接続される。前記風力発電装置は主に、交流励磁型発電機２０２，翼２０４，風車制御装置２０６，ギア２１２，コンバータ２０８，発電機同期遮断器２２０，各風車の連系用トランス２１６，各風車の遮断器２１４から構成される。
【００２４】
風車制御装置２０６は、風速検出や翼の翼角度指令値，発電電力指令値の作成や、無効電力指令の作成，運転停止指令信号を作成し伝送する。
【００２５】
前記風車制御装置２０６で作成された各種指令値は、それぞれコンバータ２０８や翼角度変更装置（図示せず）に伝送される。
【００２６】
コンバータ２０８は、発電指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、発電機から発電する発電量をコントロールし、発電した電力を系統の発電設備１１０に出力するように制御する。
【００２７】
風力発電装置２００−１，２００−２…２００−ｍの各風車の遮断器２１４の投入／開放，故障リセットなどの動作は遮断器投入制御装置２１１にて行われ、人間が直接操作したり、遠方からの指令で動作することができる。
【００２８】
次に、図２を用いて、本発明の風力発電装置の詳細な構成を説明する。なお、図２は多相交流回路を単線結線図で示したものである。
【００２９】
風力発電システム群２００は、送電線を介して系統の発電設備１１０に接続される。風力発電システム群２００は主に、交流励磁型発電機２０２，翼２０４，風車制御装置２０６，コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０から構成される。
【００３０】
翼２０４は、交流励磁型発電機２０２の回転子にギア２１２を介して機械的に接続される。交流励磁型発電機２０２の回転子巻線はコンバータ２０８と電気的に接続される。
【００３１】
風車制御装置２０６は、風速検出や翼２０４の角度制御，有効電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefなどの運転指令信号ＯＰＳを演算する。
【００３２】
前記風車制御装置２０６で作成された無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐref，前記運転／停止指令値Ｒun，翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳは、コンバータ制御装置２１０や翼角度変更装置に伝送される。
【００３３】
コンバータ制御装置２１０は、指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、交流励磁型発電機２０２と系統の発電設備１１０との間の電力（発電電力，無効電力）を制御する。
【００３４】
前記コンバータ制御装置２１０の電源は、トランス２１８を介して供給される。
【００３５】
次に、コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０について説明する。交流励磁型発電機２０２の固定子側の３相出力は、外部信号ＳＧ１によって開閉可能な例えば発電機同期遮断器２２０と連系用トランス２１６と遮断器２１４を介して系統の発電設備１１０に接続される。また連系用トランス２１６は、遮断器２２２，交流フィルタ回路２２４を介して、系統側のコンバータ２０８−１に接続される。
【００３６】
コンバータ２０８−１の直流回路２２６はコンバータ２０８−２の直流回路にも接続され、前記コンバータ２０８−２の交流出力は、ｄｖ／ｄｔ抑制用のリアクトル２２８を介して交流励磁型発電機２０２の回転子巻線に接続される。
【００３７】
前記遮断器２１４は、例えば、風力発電システム群２００を保護するため、電流過大が継続する時に遮断器２１４を開放して電流を遮断する機能や、風力発電システム群２００を完全停止させて系統の発電設備１１０から電気的に切り離すために使用される。
【００３８】
発電機側コンバータ２０８−２および系統側コンバータ２０８−１は、例えば半導体のスイッチング素子（サイリスタ，ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳ，ＳｉＣなど）を用いて構成されており、交流を直流に変換または直流を交流に変換する機能を備える。
【００３９】
また、前記系統側コンバータ２０８−１の交流入力端子には、リアクトルやコンデンサで構成された、高調波電流，高調波電圧を減衰させる交流フィルタ回路２２４が設置される。
【００４０】
交流励磁型発電機２０２の回転部分には、ギア２１２を介して風力発電用の翼２０４に接続されており、風の力を受けて回転する。また、回転部分には、回転位置を検出する、例えばエンコーダなどの位置検出器が接続され、回転数信号ωが出力される。検出した回転数信号ωは、風車制御装置２０６とコンバータ制御装置２１０に入力される。
【００４１】
次に、発電電力を制御するための配線および装置について説明する。連系用トランス２１６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧センサ２３２ａ，電流センサ２３４ａによりその値を低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹ，低電圧の電流検出値ＩＳＹに変換され、前記低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹおよび電流検出値ＩＳＹはコンバータ制御装置２１０に入力される。前記コンバータ制御装置２１０は、系統電圧検出値ＶＳＹと電流検出値ＩＳＹからシステムが出力する電力を演算し、有効電力指令値Ｐref，無効電力指令値Ｑrefと一致するようにコンバータ２０８を制御する。
【００４２】
前記コンバータ２０８−１，２０８−２の直流回路２２６に接続されたコンデンサＣｄの電圧は、電圧センサにより低電圧の直流電圧信号ＶＤＣに変換され、直流電圧信号ＶＤＣはコンバータ制御装置２１０に入力される。
【００４３】
また、コンバータ２０８−２の出力電流ＩＲは電流センサ２３４ｄにより検出され、コンバータ２０８−１の入力電流ＩＧは電流センサ２３４ｃにより検出され、出力電流ＩＲおよび入力電流ＩＧはコンバータ制御装置２１０に伝送される。
【００４４】
また、コンバータ制御装置２１０は、遮断器２２０，２２２を、それぞれ開閉指令信号ＳＧ１，ＳＧ２で制御し、また、半導体スイッチング素子で構成されるコンバータ２０８−１，２０８−２のそれぞれを駆動制御するパルス信号Ｐ１，Ｐ２を出力する。
【００４５】
前記コンバータ制御装置２１０の発電機側コンバータ２０８−２の制御は、出力電流ＩＲを制御するための電流制御系を備え、コンバータ２０８−２をパルス信号Ｐ２で駆動して、出力電流ＩＲを制御する。
【００４６】
次に、図３から図４を用いてコンバータ制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。
【００４７】
図３はコンバータ２０８−１の制御構成を示す。コンバータ２０８−１は、平滑コンデンサＣｄの直流電圧信号ＶＤＣを一定に制御する機能を持つ。このため、コンバータ２０８−１は、系統電圧検出値ＶＳＹの位相を検出し、検出した電圧位相を用いて電流を有効分，無効分に分けてベクトル制御して、系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。
【００４８】
発電機励磁用コンバータ２０８−２が直流電力を使用して平滑コンデンサＣｄのエネルギーを消費して直流電圧信号ＶＤＣが低下すれば、系統側コンバータ２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整して平滑コンデンサＣｄを充電して直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作し、逆に電力変換器２０８−２が直流電力を充電して直流電圧信号ＶＤＣが上昇する場合には電力変換器２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電するため有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整し、直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作する。
【００４９】
コンバータ２０８−１が運転を開始する前に、直流電圧の初充電回路（図示していない）から直流電圧信号ＶＤＣを充電し、その後、遮断器２２２の投入指令の開閉指令信号ＳＧ２が出力され、コンバータ２０８−１は系統に接続される。
【００５０】
前記系統電圧検出値ＶＳＹは、位相検出器ＴＨＤＥＴと３相２相変換器３２ＴＲＳに入力される。前記位相検出器ＴＨＤＥＴは、系統の電圧に追従する位相信号ＴＨＳ（ＴＨＳ：系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの位相信号）を演算し、前記位相信号ＴＨＳを３相ＤＱ座標変換器３ＤＱ，２ＤＱ，２相３相回転座標変換器ＤＱ２３に出力する。
【００５１】
直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと前記直流電圧信号ＶＤＣは直流電圧調整器ＤＣＡＶＲ（たとえば比例積分制御器ＰＩにより構成）に入力される。前記直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは入力された指令値ＶＤＣＲＥＦと直流電圧信号ＶＤＣの偏差が零になるように出力のｐ軸電流指令値（有効分電流指令値）Ｉpnstrを調整し、電流調整器ＡＣＲ２に出力する。
【００５２】
３相ＤＱ座標変換器３ＤＱは入力された入力電流ＩＧから〔数１〕に示す３相２相変換式および〔数２〕に示す回転座標変換式を用いて、ｐ軸電流検出値Ｉpn（有効電流）とｑ軸電流検出値Ｉqn（無効電流）を演算し、ｐ軸電流検出値Ｉpnを電流調整器ＡＣＲ２に、ｑ軸電流検出値Ｉqnを電流調整器ＡＣＲ１に出力する。なお、図３中の入力電流ＩＧは単線で記載してあるが、実際はＩＧＵ，ＩＧＶ，ＩＧＷの三相交流成分である。系統電圧検出値ＶＳＹも同様に三相の信号である。
【００５３】
ここで、添え字Ｕ，Ｖ，Ｗは三相交流の各相を表し、例えば、入力電流ＩＧのＵ相電流はＩＧＵと表記する。以降電圧なども同様（系統電圧検出値ＶＳＹのＵ相はＶＳＹＵなど）である。
【００５４】
【数１】
【００５５】
【数２】
【００５６】
前記電流調整器ＡＣＲ２は、前記ｐ軸電流指令値Ｉpnstrと前記ｐ軸電流検出値Ｉpnの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖpn０を調整し、加算器３００に出力する。同様に、前記電流調整器ＡＣＲ１は、ｑ軸電流指令値（＝０）と前記ｑ軸電流検出値Ｉqnの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqn０を調整し、加算器３０２に出力する。ここで前記電流調整器（ＡＣＲ１，ＡＣＲ２）はたとえば比例積分（ＰＩ）制御器により構成できる。
【００５７】
前記３相２相変換器３２ＴＲＳは入力された系統電圧検出値ＶＳＹから〔数３〕に示した変換式を用いて、α成分Ｖｓαとβ成分Ｖｓβを演算し、さらに〔数４〕を用いてｐ軸電圧検出値（系統電圧ベクトルに一致する位相成分）Ｖpsとｑ軸電圧検出値（前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsと直交する成分）Ｖqsを演算し、それぞれを前記加算器３００，３０２に出力する。
【００５８】
【数３】
【００５９】
【数４】
【００６０】
前記加算器３０２は、前記ｐ軸電圧指令値Ｖpn０と前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。同様に前記加算器３０２は、前記ｑ軸電圧指令値Ｖqn０と前記ｑ軸電圧検出値Ｖqsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。
【００６１】
前記２相３相座標変換器ＤＱ２３は、前記位相信号ＴＨＳと、前記各加算器の結果Ｖpn，Ｖqnを入力し、〔数５〕および〔数６〕に示した変換式により前記変換器ＤＱ２３の出力する電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを演算し、パルス演算器ＰＷＭに出力する。パルス演算器ＰＷＭは電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを三角波を代償比較して、パルスＰ１_Ｕ，Ｐ１_Ｖ，Ｐ１_Ｗを作成し、系統側コンバータ２０８−１を制御する。
【００６２】
【数５】
【００６３】
【数６】
【００６４】
次に、図４を用いてコンバータ制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。
【００６５】
交流励磁型発電機２０２の回転数および位置を示す回転数信号ωは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルスを計数して位相信号に換算するとともに、位相信号を一回転に一回のパルス（例えばＡＢＺ方式のエンコーダではＺ相パルス）で０にリセットし、０から３６０度の位相信号ＲＴＨを加算器４００に出力する。
【００６６】
位相信号ＲＴＨと同期制御器ＳＹＮＣの出力位相信号ＬＴＨは加算器４００で加算されて位相信号ＴＨとなり、位相信号ＴＨは前記位相信号ＴＨＳ（コンバータ２０８−１の制御で説明した）とともに励磁位相演算器ＳＬＤＥＴに入力される。
【００６７】
前記励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは、前記位相信号ＴＨとＴＨＳを減算し、さらに発電機の極対数ｋ倍（ＴＨＲ＝ＴＨＳ−ｋ×ＴＨ）、換算して発電機の回転子の電気角周波数の位相信号ＴＨＲを出力する。
【００６８】
電力演算器ＰＱＣＡＬは、電流検出値ＩＳＹを前記数１と同じ変換行列により変換し、得られたα軸電流Ｉｓαと、β軸電流Ｉｓβと、前記式３により計算されたα軸電圧検出値Ｖｓαと、β軸電圧検出値Ｖｓβとを入力し、数７により、システムの有効電力Ｐｓと無効電力Ｑｓを演算する。
【００６９】
【数７】
【００７０】
有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力Ｐｓと風力発電装置の有効電力指令Ｐrefを入力し、前記有効電力指令値Ｐrefと前記電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値Ｉｐ０を出力する。ここでは、有効電力指令の例で説明するが、トルク指令の場合は、トルク指令に発電機の回転数を乗じて有効電力指令に変換して制御することが可能である。有効電力制御はトルク制御と異なり、回転数が変化してもその影響を受けずに出力電力を一定に制御できる。
【００７１】
また、無効電力調整器ＡＱＲは、無効電力検出値Ｑｓと風力発電装置の無効電力指令値Ｑrefを入力し、前記無効電力指令値Ｑrefと前記無効電力検出値Ｑｓの偏差を零にするように出力の励磁電流指令値Ｉｑ０を出力する。ここで前記電力調整器ＡＰＲ，ＡＱＲはたとえば比例積分器により構成できる。
【００７２】
前記有効／無効電力調整器の各出力の電流指令値Ｉｐ０およびＩｑ０は切り換え器ＳＷに入力される。
【００７３】
次に、電圧調整器ＡＶＲについて説明する。電圧調整器ＡＶＲは、発電機固定子電圧ＶＳＴの振幅値Ｖpkをフィードバック値とし、系統電圧検出値ＶＳＹの振幅値にフィルタＦＩＬを通した値Ｖrefを指令値として入力し、前記発電機ＶＳＴの振幅値と前記指令値の偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を前記切り換え器ＳＷに出力する。ここで前記電圧調整器ＡＶＲはたとえば比例積分制御器により構成できる。この電圧調整器ＡＶＲは、発電機同期遮断器２２０が開状態で動作させ、系統電圧の振幅値に交流励磁型発電機２０２の固定子電圧の振幅値を一致させるために、コンバータ２０８−２から交流励磁型発電機２０２の二次側に流す励磁電流指令値を調整する。
【００７４】
図５に、本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４投入動作のフローを示す。
【００７５】
このフローでは、各風力発電装置の遮断器２１４の投入タイミングに所定時間差を設けることを目標としている。
【００７６】
まずステップＳ１０１では、１台の昇圧用変圧器２０９に接続されるｍ台の風力発電システムで構成される風力発電システム群の全台数ｍが運転しているかどうかを判定し、全台数運転中の時には何もせずに終了する。
【００７７】
ステップＳ１０２では、停止台数ｎ（ｎ≦ｍ）を検出し、ステップＳ１０３で停止中風車に割り付けたナンバーａ（ａ＝１，２，…ｎ）を１に初期化する。ステップＳ１０４で現在のナンバーａに従って、停止中風車のトランスの投入を指令し、ステップＳ１０５に移行する。
【００７８】
ステップＳ１０５では、タイマーを初期化した後、タイマー動作を開始し、ステップＳ１０６にて時間計測（ここでは、トランスの過渡現象が終了する３０秒とした）を開始し、所定時間経過後にステップＳ１０７に移行する。
【００７９】
ステップＳ１０７では、ナンバーａの値を変更（ここでは１を加算して作成）し、次の停止中風車の遮断器投入の準備を行うステップＳ１０８では、ナンバーａが停止中の全台数を超えているか（風車全台数が遮断器投入を終えたか）を判定し、全台数の投入を終えていない場合は、ステップＳ１０４に戻り、次の遮断器投入動作に移行する。
【００８０】
以上の動作により、各風力発電装置の遮断器２１４の投入タイミングに所定時間差を設けることができる。
【００８１】
図６に図５に示した本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４の投入動作を示した図面を示す。
【００８２】
この図面では風力発電装置２００−１から風力発電装置２００−３の３台の風力発電装置が遮断機投入動作するときの遮断器動作６０２，６０４，６０６を示したものである。
【００８３】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１の遮断器２１４が投入される。そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−２の遮断機投入が行われる。
【００８４】
そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−３の遮断機投入が行われる。
【００８５】
このような、一連の装置の構成，動作を行うことで、本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【実施例２】
【００８６】
図７は、風力発電装置が複数台あるときの遮断器投入動作を複数台まとめて実施する場合のフローを示す。まずステップＳ２０１では、１台の昇圧用変圧器２０９に接続されるｍ台の風力発電システムで構成される風力発電システム群の全台数ｍが運転しているかどうかを判定し、全台運転中の時には何もせずに終了する。
【００８７】
ステップＳ２０２では、停止台数ｎ（ｎ≦ｍ）を検出し、ステップＳ２０３で停止中風車に割り付けたナンバーａ（ａ＝１，２，…ｎ）を１からｎに初期化する。ステップＳ２０４で現在のナンバーＫａに従って、停止中の風力発電装置のトランスの投入指令を複数台（ここでは３台分：Ｋａ，Ｋａ＋１，Ｋａ＋２）作成し、ナンバー１〜３の風力発電装置のトランスに投入を指令してステップＳ２０５に移行する。
【００８８】
ステップＳ２０５では、タイマーを初期化した後、タイマー動作を開始し、ステップＳ２０６にて時間計測（ここでは、トランスの過渡現象が終了する３０秒とした）を開始し、所定時間経過後に処理００７に移行する。
【００８９】
ステップＳ２０７では、ナンバーａの値を変更（ここでは３台ごとに投入するので３を加算して作成）し、ナンバー４〜６の次の停止中風車の遮断器投入の準備を行う。ステップＳ２０８では、風車全台数が遮断器投入を終えたかを判定し、全台数の投入を終えていない場合は、ステップＳ２０４に戻り、次の遮断器投入動作に移行する。
【００９０】
以上の動作により、複数台毎の風力発電装置の各遮断器２１４の投入タイミングに所定時間を設けて投入することができる。
【００９１】
図８に図７に示した本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４の投入動作を示した図面を示す。
【００９２】
この図面では風力発電装置２００−１から風力発電装置２００−３、及び風力発電装置２００−４から風力発電装置２００−６の計６台の風力発電装置が同時に３台ずつ遮断機投入動作するときの遮断器動作８０１から８０６の動作を示したものである。
【００９３】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１から２００−３の３台のコンバータ２０８が投入される（遮断機動作８０１，８０２，８０３）。そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−４から２００−６の遮断機投入が行われる（遮断器動作８０４，８０５，８０６）。
【００９４】
本発明の実施例では、このような、一連の構成，動作を行うことで、本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【実施例３】
【００９５】
図９は、停止中風力発電システムの遮断器を投入する動作の前に、運転中の風力発電システムの発電電力を低下させる実施例を示す。図２，図３との違いは、ステップＳ３０３の後にステップＳ３０４，Ｓ３０５，Ｓ３０６を追加した点、およびステップＳ３１１の後にステップＳ３１２を追加した点にある。
【００９６】
図９では、図５を例に説明するが、ここで説明する処理は図７にも同様に追加できる。
【００９７】
以下、前記図５，図７で説明した部分と重複する説明は省略し、追加した部分を主に説明する。ステップＳ３０４は、発電運転中の風力発電システム（Ｋｎ＋１，Ｋｎ＋２…Ｋｍ）に対し、発電電力の低下を指令する処理である。この低下指令は、各風力発電装置の風車制御装置２０６に伝送され、各風力発電システムは発電電力を例えば１０％程度まで低下させるため、発電機出力指令、及び翼角度などを調整する。
【００９８】
具体的には、前述したように風車制御装置２０６は、風速検出や翼２０４の角度制御，有効電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefなどの運転指令信号ＯＰＳを演算するが、前記風車制御装置２０６で作成する無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐrefを発電電力が例えば１０％程度まで低下するようにし、前記運転／停止指令値Ｒun，翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳは、コンバータ制御装置２１０や翼角度変更装置に伝送される。
【００９９】
コンバータ制御装置２１０は、指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、これにより、高速に交流励磁型発電機２０２と系統の発電設備１１０との間の発電電力が例えば１０％程度まで低下するように制御することが可能になる。
【０１００】
遮断器制御装置は、ステップＳ３０５で風力発電装置（Ｋｎ＋１，Ｋｎ＋２…Ｋｍ）の出力が低下したかを各風力発電装置からの出力電力のデータを通信で監視し、低下したらステップＳ３０６に移行する。
【０１０１】
ステップＳ３０６では、これから遮断器投入および運転開始する風力発電システム（Ｋ１，Ｋ２…Ｋｎ）の発電電力指令を低下させておくように指令値低下を伝送する。
【０１０２】
ステップＳ３１２は、ステップＳ３１１の全台数運転終了後に実施される。ステップＳ３１２は発電電力低下指令を解除するための指令を各風力発電装置に伝送する。
【０１０３】
以上の動作により、遮断器投入時に運転中の風力発電装置の発電電力を低下させておき、系統電圧の過渡的な歪により風力発電装置が過電流になることを防止できる。
【０１０４】
図１０に図９の風力発電システムの遮断器を投入する動作の前に、運転中風力発電システムの発電電力を低下させた実施例の図面を示す。
【０１０５】
この図面では風力発電装置２００−１の遮断機投入動作するときの動作を示したものである。
【０１０６】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１の遮断器２１４が投入される。そして、この遮断器２１４が投入される前に、風力発電装置２００−２，２００−３のそれぞれの発電出力指令９０４，９０６を減少させる。
【０１０７】
そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−２，２００−３の発電出力指令９０４，９０６は通常の発電動作時の指令値に戻される。
【０１０８】
このような、一連の装置の構成，動作を行うことで、遮断器投入時に運転中の風力発電装置の発電電力を低下させておき、系統電圧の過渡的な歪により風力発電装置が過電流になることを防止することを実現している。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は風力発電や太陽光発電など複数台の発電装置で構成される発電設備に適用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１１０ 系統の発電設備
２００ 風力発電システム群
２０２ 交流励磁型発電機
２０４ 翼
２０６ 風車制御装置
２０８ コンバータ
２０９ 昇圧用変圧器
２１０ コンバータ制御装置
２１２ ギア
２１４ 各風車の遮断器
２１６ 各風車の連系用トランス
２２０ 発電機同期遮断器
２５０ 風車群の遮断器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の風力発電装置を備えた風力発システムに関し、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術においては、複数の風力発電装置を系統に連系する場合、各風力発電装置が備える変圧器で数十ｋＶまで一旦昇圧し、主変圧器１台で複数の風力発電システムを一括して１００ｋＶ級の送電線に接続する。
【０００３】
複数の風力発電装置を主変圧器１台で系統に連系する場合、各風力発電装置が備える変圧器を接続すると、風力発電機定格の数倍の励磁突入電流が流れる。この励磁突入電流により主変圧器で電圧降下が生じ、他の風力発電装置に影響を与える恐れがある。
【０００４】
近年の風力発電装置はコンバータを備えており、個々の風力発電装置の運転開始時には突入電流が小さく制御されるため、常時の運転停止による突入電流による主変圧器のインピーダンスによる電圧歪の影響は小さい。しかし、風力発電システムのうち、例えば１台の風力発電装置をメンテナンスのため停止させ、運転再開を行う前の準備段階で、風力発電装置が持つトランスを投入すると、トランスの励磁突入電流によって主変圧器で発生する電圧歪の影響により他の風力発電装置が備えるコンバータが過電流や電圧歪を検出して停止してしまう恐れがある。コンバータは半導体素子で構成されるため、過電流に対して壊れやすく、過渡的な過電流であっても運転を継続できない。
【０００５】
従来、コンバータを備えない誘導発電機を有する風力発電装置による突入電流による影響を緩和する方法は〔特許文献１〕に開示されている。また、常時の運転停止のスケジュール管理の方法が〔特許文献２〕に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０９５６９号公報
【特許文献２】特開２００４−８８８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
複数の風力発電装置を主変圧器１台で系統に連系する場合、メンテナンスや故障停止などで停止（解列）した風力発電装置を再度運転開始できる状態に復旧する際に、風力発電システムが備える変圧器を接続すると風力発電機定格の数倍の励磁突入電流が変圧器に流れ、主変圧器で電圧降下が生じる。この時の影響が他の風力発電装置に影響を与えて停止することを避ける風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、本発明は風力発電システムの変圧器を投入する場合、時間差で投入することとした。また、変圧器投入時の主変圧器による電圧歪が運転している発電システムへ影響を与えた際、コンバータが過電流になりにくいように、発電電力を低下することとした。
【０００９】
より、具体的には、本発明は電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システムにおいて、前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１０】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、前記変換器を制御する制御装置とを備えて、該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明は風力発電システムにおいて、前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記課題を達成するために、本発明は電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システム用の制御装置において、前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１５】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、前記遮断器投入制御手段は各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とするものである。
【００１６】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、前記遮断器投入制御手段は運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とするものである。
【００１７】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、前記変換器を制御する制御装置とを備えて、該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とするものである。
【００１８】
更に、本発明は風力発電システム用の制御装置において、前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】風力発電システム群の説明図。
【図２】風力発電装置の回路構成。
【図３】系統側コンバータの制御構成。
【図４】発電機側コンバータの制御構成。
【図５】遮断器１台毎順次投入する方法の説明図。
【図６】遮断器１台毎順次投入した場合の説明図。
【図７】遮断器複数台をグループ化してグループ毎に順次投入する方法の説明図。
【図８】遮断器複数台をグループ化してグループ毎に順次投入した場合の説明図。
【図９】運転中の風力発電システムの発電電力を低下させて遮断器を投入する方法の説明図。
【図１０】運転中の風力発電システムの発電電力を低下させて遮断器を投入した場合の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１を用いて、本発明の一実施例である風力発電システム１００の構成を説明する。
【００２３】
複数の風力発電装置２００−１，２００−２…２００−ｍは、昇圧用変圧器２０９および遮断器２５０により系統の発電設備１１０に接続される。前記風力発電装置は主に、交流励磁型発電機２０２，翼２０４，風車制御装置２０６，ギア２１２，コンバータ２０８，発電機同期遮断器２２０，各風車の連系用トランス２１６，各風車の遮断器２１４から構成される。
【００２４】
風車制御装置２０６は、風速検出や翼の翼角度指令値，発電電力指令値の作成や、無効電力指令の作成，運転停止指令信号を作成し伝送する。
【００２５】
前記風車制御装置２０６で作成された各種指令値は、それぞれコンバータ２０８や翼角度変更装置（図示せず）に伝送される。
【００２６】
コンバータ２０８は、発電指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、発電機から発電する発電量をコントロールし、発電した電力を系統の発電設備１１０に出力するように制御する。
【００２７】
風力発電装置２００−１，２００−２…２００−ｍの各風車の遮断器２１４の投入／開放，故障リセットなどの動作は遮断器投入制御装置２１１にて行われ、人間が直接操作したり、遠方からの指令で動作することができる。
【００２８】
次に、図２を用いて、本発明の風力発電装置の詳細な構成を説明する。なお、図２は多相交流回路を単線結線図で示したものである。
【００２９】
風力発電システム群２００は、送電線を介して系統の発電設備１１０に接続される。風力発電システム群２００は主に、交流励磁型発電機２０２，翼２０４，風車制御装置２０６，コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０から構成される。
【００３０】
翼２０４は、交流励磁型発電機２０２の回転子にギア２１２を介して機械的に接続される。交流励磁型発電機２０２の回転子巻線はコンバータ２０８と電気的に接続される。
【００３１】
風車制御装置２０６は、風速検出や翼２０４の角度制御，有効電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefなどの運転指令信号ＯＰＳを演算する。
【００３２】
前記風車制御装置２０６で作成された無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐref，前記運転／停止指令値Ｒun，翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳは、コンバータ制御装置２１０や翼角度変更装置に伝送される。
【００３３】
コンバータ制御装置２１０は、指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、交流励磁型発電機２０２と系統の発電設備１１０との間の電力（発電電力，無効電力）を制御する。
【００３４】
前記コンバータ制御装置２１０の電源は、トランス２１８を介して供給される。
【００３５】
次に、コンバータ（励磁装置）２０８，コンバータ制御装置２１０について説明する。交流励磁型発電機２０２の固定子側の３相出力は、外部信号ＳＧ１によって開閉可能な例えば発電機同期遮断器２２０と連系用トランス２１６と遮断器２１４を介して系統の発電設備１１０に接続される。また連系用トランス２１６は、遮断器２２２，交流フィルタ回路２２４を介して、系統側のコンバータ２０８−１に接続される。
【００３６】
コンバータ２０８−１の直流回路２２６はコンバータ２０８−２の直流回路にも接続され、前記コンバータ２０８−２の交流出力は、ｄｖ／ｄｔ抑制用のリアクトル２２８を介して交流励磁型発電機２０２の回転子巻線に接続される。
【００３７】
前記遮断器２１４は、例えば、風力発電システム群２００を保護するため、電流過大が継続する時に遮断器２１４を開放して電流を遮断する機能や、風力発電システム群２００を完全停止させて系統の発電設備１１０から電気的に切り離すために使用される。
【００３８】
発電機側コンバータ２０８−２および系統側コンバータ２０８−１は、例えば半導体のスイッチング素子（サイリスタ，ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳ，ＳｉＣなど）を用いて構成されており、交流を直流に変換または直流を交流に変換する機能を備える。
【００３９】
また、前記系統側コンバータ２０８−１の交流入力端子には、リアクトルやコンデンサで構成された、高調波電流，高調波電圧を減衰させる交流フィルタ回路２２４が設置される。
【００４０】
交流励磁型発電機２０２の回転部分には、ギア２１２を介して風力発電用の翼２０４に接続されており、風の力を受けて回転する。また、回転部分には、回転位置を検出する、例えばエンコーダなどの位置検出器が接続され、回転数信号ωが出力される。検出した回転数信号ωは、風車制御装置２０６とコンバータ制御装置２１０に入力される。
【００４１】
次に、発電電力を制御するための配線および装置について説明する。連系用トランス２１６の二次側の三相電圧および三相電流は、それぞれ電圧センサ２３２ａ，電流センサ２３４ａによりその値を低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹ，低電圧の電流検出値ＩＳＹに変換され、前記低電圧の系統電圧検出値ＶＳＹおよび電流検出値ＩＳＹはコンバータ制御装置２１０に入力される。前記コンバータ制御装置２１０は、系統電圧検出値ＶＳＹと電流検出値ＩＳＹからシステムが出力する電力を演算し、有効電力指令値Ｐref，無効電力指令値Ｑrefと一致するようにコンバータ２０８を制御する。
【００４２】
前記コンバータ２０８−１，２０８−２の直流回路２２６に接続されたコンデンサＣｄの電圧は、電圧センサにより低電圧の直流電圧信号ＶＤＣに変換され、直流電圧信号ＶＤＣはコンバータ制御装置２１０に入力される。
【００４３】
また、コンバータ２０８−２の出力電流ＩＲは電流センサ２３４ｄにより検出され、コンバータ２０８−１の入力電流ＩＧは電流センサ２３４ｃにより検出され、出力電流ＩＲおよび入力電流ＩＧはコンバータ制御装置２１０に伝送される。
【００４４】
また、コンバータ制御装置２１０は、遮断器２２０，２２２を、それぞれ開閉指令信号ＳＧ１，ＳＧ２で制御し、また、半導体スイッチング素子で構成されるコンバータ２０８−１，２０８−２のそれぞれを駆動制御するパルス信号Ｐ１，Ｐ２を出力する。
【００４５】
前記コンバータ制御装置２１０の発電機側コンバータ２０８−２の制御は、出力電流ＩＲを制御するための電流制御系を備え、コンバータ２０８−２をパルス信号Ｐ２で駆動して、出力電流ＩＲを制御する。
【００４６】
次に、図３から図４を用いてコンバータ制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。
【００４７】
図３はコンバータ２０８−１の制御構成を示す。コンバータ２０８−１は、平滑コンデンサＣｄの直流電圧信号ＶＤＣを一定に制御する機能を持つ。このため、コンバータ２０８−１は、系統電圧検出値ＶＳＹの位相を検出し、検出した電圧位相を用いて電流を有効分，無効分に分けてベクトル制御して、系統と有効電力をやり取りし、直流電圧を制御する。
【００４８】
発電機励磁用コンバータ２０８−２が直流電力を使用して平滑コンデンサＣｄのエネルギーを消費して直流電圧信号ＶＤＣが低下すれば、系統側コンバータ２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整して平滑コンデンサＣｄを充電して直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作し、逆に電力変換器２０８−２が直流電力を充電して直流電圧信号ＶＤＣが上昇する場合には電力変換器２０８−１の直流電圧制御ＤＣＡＶＲは直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電するため有効分電流Ｉpn（有効電力成分）を調整し、直流電圧信号ＶＤＣを一定に保つように動作する。
【００４９】
コンバータ２０８−１が運転を開始する前に、直流電圧の初充電回路（図示していない）から直流電圧信号ＶＤＣを充電し、その後、遮断器２２２の投入指令の開閉指令信号ＳＧ２が出力され、コンバータ２０８−１は系統に接続される。
【００５０】
前記系統電圧検出値ＶＳＹは、位相検出器ＴＨＤＥＴと３相２相変換器３２ＴＲＳに入力される。前記位相検出器ＴＨＤＥＴは、系統の電圧に追従する位相信号ＴＨＳ（ＴＨＳ：系統Ｕ相電圧を正弦波としたときの位相信号）を演算し、前記位相信号ＴＨＳを３相ＤＱ座標変換器３ＤＱ，２ＤＱ，２相３相回転座標変換器ＤＱ２３に出力する。
【００５１】
直流電圧指令値ＶＤＣＲＥＦと前記直流電圧信号ＶＤＣは直流電圧調整器ＤＣＡＶＲ（たとえば比例積分制御器ＰＩにより構成）に入力される。前記直流電圧調整器ＤＣＡＶＲは入力された指令値ＶＤＣＲＥＦと直流電圧信号ＶＤＣの偏差が零になるように出力のｐ軸電流指令値（有効分電流指令値）Ｉpnstrを調整し、電流調整器ＡＣＲ２に出力する。
【００５２】
３相ＤＱ座標変換器３ＤＱは入力された入力電流ＩＧから〔数１〕に示す３相２相変換式および〔数２〕に示す回転座標変換式を用いて、ｐ軸電流検出値Ｉpn（有効電流）とｑ軸電流検出値Ｉqn（無効電流）を演算し、ｐ軸電流検出値Ｉpnを電流調整器ＡＣＲ２に、ｑ軸電流検出値Ｉqnを電流調整器ＡＣＲ１に出力する。なお、図３中の入力電流ＩＧは単線で記載してあるが、実際はＩＧＵ，ＩＧＶ，ＩＧＷの三相交流成分である。系統電圧検出値ＶＳＹも同様に三相の信号である。
【００５３】
ここで、添え字Ｕ，Ｖ，Ｗは三相交流の各相を表し、例えば、入力電流ＩＧのＵ相電流はＩＧＵと表記する。以降電圧なども同様（系統電圧検出値ＶＳＹのＵ相はＶＳＹＵなど）である。
【００５４】
【数１】
【００５５】
【数２】
【００５６】
前記電流調整器ＡＣＲ２は、前記ｐ軸電流指令値Ｉpnstrと前記ｐ軸電流検出値Ｉpnの偏差を零にするように出力のｐ軸電圧指令値Ｖpn０を調整し、加算器３００に出力する。同様に、前記電流調整器ＡＣＲ１は、ｑ軸電流指令値（＝０）と前記ｑ軸電流検出値Ｉqnの偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｖqn０を調整し、加算器３０２に出力する。ここで前記電流調整器（ＡＣＲ１，ＡＣＲ２）はたとえば比例積分（ＰＩ）制御器により構成できる。
【００５７】
前記３相２相変換器３２ＴＲＳは入力された系統電圧検出値ＶＳＹから〔数３〕に示した変換式を用いて、α成分Ｖｓαとβ成分Ｖｓβを演算し、さらに〔数４〕を用いてｐ軸電圧検出値（系統電圧ベクトルに一致する位相成分）Ｖpsとｑ軸電圧検出値（前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsと直交する成分）Ｖqsを演算し、それぞれを前記加算器３００，３０２に出力する。
【００５８】
【数３】
【００５９】
【数４】
【００６０】
前記加算器３０２は、前記ｐ軸電圧指令値Ｖpn０と前記ｐ軸電圧検出値Ｖpsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。同様に前記加算器３０２は、前記ｑ軸電圧指令値Ｖqn０と前記ｑ軸電圧検出値Ｖqsを加算して２相３相座標変換器ＤＱ２３に出力する。
【００６１】
前記２相３相座標変換器ＤＱ２３は、前記位相信号ＴＨＳと、前記各加算器の結果Ｖpn，Ｖqnを入力し、〔数５〕および〔数６〕に示した変換式により前記変換器ＤＱ２３の出力する電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを演算し、パルス演算器ＰＷＭに出力する。パルス演算器ＰＷＭは電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnを三角波を代償比較して、パルスＰ１_Ｕ，Ｐ１_Ｖ，Ｐ１_Ｗを作成し、系統側コンバータ２０８−１を制御する。
【００６２】
【数５】
【００６３】
【数６】
【００６４】
次に、図４を用いてコンバータ制御装置２１０の系統側コンバータ２０８−１の制御機能について説明する。
【００６５】
交流励磁型発電機２０２の回転数および位置を示す回転数信号ωは、回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴに入力される。回転位相検出器ＲＯＴＤＥＴは、回転数信号ωのパルスを計数して位相信号に換算するとともに、位相信号を一回転に一回のパルス（例えばＡＢＺ方式のエンコーダではＺ相パルス）で０にリセットし、０から３６０度の位相信号ＲＴＨを加算器４００に出力する。
【００６６】
位相信号ＲＴＨと同期制御器ＳＹＮＣの出力位相信号ＬＴＨは加算器４００で加算されて位相信号ＴＨとなり、位相信号ＴＨは前記位相信号ＴＨＳ（コンバータ２０８−１の制御で説明した）とともに励磁位相演算器ＳＬＤＥＴに入力される。
【００６７】
前記励磁位相演算器ＳＬＤＥＴは、前記位相信号ＴＨとＴＨＳを減算し、さらに発電機の極対数ｋ倍（ＴＨＲ＝ＴＨＳ−ｋ×ＴＨ）、換算して発電機の回転子の電気角周波数の位相信号ＴＨＲを出力する。
【００６８】
電力演算器ＰＱＣＡＬは、電流検出値ＩＳＹを前記数１と同じ変換行列により変換し、得られたα軸電流Ｉｓαと、β軸電流Ｉｓβと、前記式３により計算されたα軸電圧検出値Ｖｓαと、β軸電圧検出値Ｖｓβとを入力し、数７により、システムの有効電力Ｐｓと無効電力Ｑｓを演算する。
【００６９】
【数７】
【００７０】
有効電力調整器ＡＰＲは、有効電力Ｐｓと風力発電装置の有効電力指令Ｐrefを入力し、前記有効電力指令値Ｐrefと前記電力検出値Ｐｓの偏差を零にするように出力の有効分電流指令値Ｉｐ０を出力する。ここでは、有効電力指令の例で説明するが、トルク指令の場合は、トルク指令に発電機の回転数を乗じて有効電力指令に変換して制御することが可能である。有効電力制御はトルク制御と異なり、回転数が変化してもその影響を受けずに出力電力を一定に制御できる。
【００７１】
また、無効電力調整器ＡＱＲは、無効電力検出値Ｑｓと風力発電装置の無効電力指令値Ｑrefを入力し、前記無効電力指令値Ｑrefと前記無効電力検出値Ｑｓの偏差を零にするように出力の励磁電流指令値Ｉｑ０を出力する。ここで前記電力調整器ＡＰＲ，ＡＱＲはたとえば比例積分器により構成できる。
【００７２】
前記有効／無効電力調整器の各出力の電流指令値Ｉｐ０およびＩｑ０は切り換え器ＳＷに入力される。
【００７３】
次に、電圧調整器ＡＶＲについて説明する。電圧調整器ＡＶＲは、発電機固定子電圧ＶＳＴの振幅値Ｖpkをフィードバック値とし、系統電圧検出値ＶＳＹの振幅値にフィルタＦＩＬを通した値Ｖrefを指令値として入力し、前記発電機ＶＳＴの振幅値と前記指令値の偏差を零にするような励磁電流指令値Ｉｑ１を前記切り換え器ＳＷに出力する。ここで前記電圧調整器ＡＶＲはたとえば比例積分制御器により構成できる。この電圧調整器ＡＶＲは、発電機同期遮断器２２０が開状態で動作させ、系統電圧の振幅値に交流励磁型発電機２０２の固定子電圧の振幅値を一致させるために、コンバータ２０８−２から交流励磁型発電機２０２の二次側に流す励磁電流指令値を調整する。
【００７４】
図５に、本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４投入動作のフローを示す。
【００７５】
このフローでは、各風力発電装置の遮断器２１４の投入タイミングに所定時間差を設けることを目標としている。
【００７６】
まずステップＳ１０１では、１台の昇圧用変圧器２０９に接続されるｍ台の風力発電システムで構成される風力発電システム群の全台数ｍが運転しているかどうかを判定し、全台数運転中の時には何もせずに終了する。
【００７７】
ステップＳ１０２では、停止台数ｎ（ｎ≦ｍ）を検出し、ステップＳ１０３で停止中風車に割り付けたナンバーａ（ａ＝１，２，…ｎ）を１に初期化する。ステップＳ１０４で現在のナンバーａに従って、停止中風車のトランスの投入を指令し、ステップＳ１０５に移行する。
【００７８】
ステップＳ１０５では、タイマーを初期化した後、タイマー動作を開始し、ステップＳ１０６にて時間計測（ここでは、トランスの過渡現象が終了する３０秒とした）を開始し、所定時間経過後にステップＳ１０７に移行する。
【００７９】
ステップＳ１０７では、ナンバーａの値を変更（ここでは１を加算して作成）し、次の停止中風車の遮断器投入の準備を行うステップＳ１０８では、ナンバーａが停止中の全台数を超えているか（風車全台数が遮断器投入を終えたか）を判定し、全台数の投入を終えていない場合は、ステップＳ１０４に戻り、次の遮断器投入動作に移行する。
【００８０】
以上の動作により、各風力発電装置の遮断器２１４の投入タイミングに所定時間差を設けることができる。
【００８１】
図６に図５に示した本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４の投入動作を示した図面を示す。
【００８２】
この図面では風力発電装置２００−１から風力発電装置２００−３の３台の風力発電装置が遮断機投入動作するときの遮断器動作６０２，６０４，６０６を示したものである。
【００８３】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１の遮断器２１４が投入される。そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−２の遮断機投入が行われる。
【００８４】
そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−３の遮断機投入が行われる。
【００８５】
このような、一連の装置の構成，動作を行うことで、本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【実施例２】
【００８６】
図７は、風力発電装置が複数台あるときの遮断器投入動作を複数台まとめて実施する場合のフローを示す。まずステップＳ２０１では、１台の昇圧用変圧器２０９に接続されるｍ台の風力発電システムで構成される風力発電システム群の全台数ｍが運転しているかどうかを判定し、全台運転中の時には何もせずに終了する。
【００８７】
ステップＳ２０２では、停止台数ｎ（ｎ≦ｍ）を検出し、ステップＳ２０３で停止中風車に割り付けたナンバーａ（ａ＝１，２，…ｎ）を１からｎに初期化する。ステップＳ２０４で現在のナンバーＫａに従って、停止中の風力発電装置のトランスの投入指令を複数台（ここでは３台分：Ｋａ，Ｋａ＋１，Ｋａ＋２）作成し、ナンバー１〜３の風力発電装置のトランスに投入を指令してステップＳ２０５に移行する。
【００８８】
ステップＳ２０５では、タイマーを初期化した後、タイマー動作を開始し、ステップＳ２０６にて時間計測（ここでは、トランスの過渡現象が終了する３０秒とした）を開始し、所定時間経過後に処理００７に移行する。
【００８９】
ステップＳ２０７では、ナンバーａの値を変更（ここでは３台ごとに投入するので３を加算して作成）し、ナンバー４〜６の次の停止中風車の遮断器投入の準備を行う。ステップＳ２０８では、風車全台数が遮断器投入を終えたかを判定し、全台数の投入を終えていない場合は、ステップＳ２０４に戻り、次の遮断器投入動作に移行する。
【００９０】
以上の動作により、複数台毎の風力発電装置の各遮断器２１４の投入タイミングに所定時間を設けて投入することができる。
【００９１】
図８に図７に示した本発明による風力発電装置が複数台あるときの遮断器２１４の投入動作を示した図面を示す。
【００９２】
この図面では風力発電装置２００−１から風力発電装置２００−３、及び風力発電装置２００−４から風力発電装置２００−６の計６台の風力発電装置が同時に３台ずつ遮断機投入動作するときの遮断器動作８０１から８０６の動作を示したものである。
【００９３】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１から２００−３の３台のコンバータ２０８が投入される（遮断機動作８０１，８０２，８０３）。そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−４から２００−６の遮断機投入が行われる（遮断器動作８０４，８０５，８０６）。
【００９４】
本発明の実施例では、このような、一連の構成，動作を行うことで、本発明の風力発電システムによれば、個々の風力発電装置の動作影響を互いに低減した風力発電システムを提供することが実現できる。
【実施例３】
【００９５】
図９は、停止中風力発電システムの遮断器を投入する動作の前に、運転中の風力発電システムの発電電力を低下させる実施例を示す。図２，図３との違いは、ステップＳ３０３の後にステップＳ３０４，Ｓ３０５，Ｓ３０６を追加した点、およびステップＳ３１１の後にステップＳ３１２を追加した点にある。
【００９６】
図９では、図５を例に説明するが、ここで説明する処理は図７にも同様に追加できる。
【００９７】
以下、前記図５，図７で説明した部分と重複する説明は省略し、追加した部分を主に説明する。ステップＳ３０４は、発電運転中の風力発電システム（Ｋｎ＋１，Ｋｎ＋２…Ｋｍ）に対し、発電電力の低下を指令する処理である。この低下指令は、各風力発電装置の風車制御装置２０６に伝送され、各風力発電システムは発電電力を例えば１０％程度まで低下させるため、発電機出力指令、及び翼角度などを調整する。
【００９８】
具体的には、前述したように風車制御装置２０６は、風速検出や翼２０４の角度制御，有効電力指令値Ｐrefの作成や、運転／停止などの指令値Ｒunの出力，無効電力指令値Ｑrefなどの運転指令信号ＯＰＳを演算するが、前記風車制御装置２０６で作成する無効電力指令値Ｑrefや、有効電力指令値Ｐrefを発電電力が例えば１０％程度まで低下するようにし、前記運転／停止指令値Ｒun，翼角度指令値などの各種運転信号ＯＰＳは、コンバータ制御装置２１０や翼角度変更装置に伝送される。
【００９９】
コンバータ制御装置２１０は、指令値に従うようにコンバータ２０８の出力する電圧を調整し、これにより、高速に交流励磁型発電機２０２と系統の発電設備１１０との間の発電電力が例えば１０％程度まで低下するように制御することが可能になる。
【０１００】
遮断器制御装置は、ステップＳ３０５で風力発電装置（Ｋｎ＋１，Ｋｎ＋２…Ｋｍ）の出力が低下したかを各風力発電装置からの出力電力のデータを通信で監視し、低下したらステップＳ３０６に移行する。
【０１０１】
ステップＳ３０６では、これから遮断器投入および運転開始する風力発電システム（Ｋ１，Ｋ２…Ｋｎ）の発電電力指令を低下させておくように指令値低下を伝送する。
【０１０２】
ステップＳ３１２は、ステップＳ３１１の全台数運転終了後に実施される。ステップＳ３１２は発電電力低下指令を解除するための指令を各風力発電装置に伝送する。
【０１０３】
以上の動作により、遮断器投入時に運転中の風力発電装置の発電電力を低下させておき、系統電圧の過渡的な歪により風力発電装置が過電流になることを防止できる。
【０１０４】
図１０に図９の風力発電システムの遮断器を投入する動作の前に、運転中風力発電システムの発電電力を低下させた実施例の図面を示す。
【０１０５】
この図面では風力発電装置２００−１の遮断機投入動作するときの動作を示したものである。
【０１０６】
時刻ｔ０で風力発電装置２００−１の遮断器２１４が投入される。そして、この遮断器２１４が投入される前に、風力発電装置２００−２，２００−３のそれぞれの発電出力指令９０４，９０６を減少させる。
【０１０７】
そして、トランスの過渡現象が終了する３０秒後の時刻ｔ１において、風力発電装置２００−２，２００−３の発電出力指令９０４，９０６は通常の発電動作時の指令値に戻される。
【０１０８】
このような、一連の装置の構成，動作を行うことで、遮断器投入時に運転中の風力発電装置の発電電力を低下させておき、系統電圧の過渡的な歪により風力発電装置が過電流になることを防止することを実現している。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は風力発電や太陽光発電など複数台の発電装置で構成される発電設備に適用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１１０ 系統の発電設備
２００ 風力発電システム群
２０２ 交流励磁型発電機
２０４ 翼
２０６ 風車制御装置
２０８ コンバータ
２０９ 昇圧用変圧器
２１０ コンバータ制御装置
２１２ ギア
２１４ 各風車の遮断器
２１６ 各風車の連系用トランス
２２０ 発電機同期遮断器
２５０ 風車群の遮断器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システムにおいて、
前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、
前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
請求項３の風力発電システムにおいて、
前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、
該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、
前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、
前記変換器を制御する制御装置とを備えて、
該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システム用の制御装置において、
前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、
前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【請求項７】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、前記遮断器投入制御手段は各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項８】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、前記遮断器投入制御手段は運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【請求項９】
請求項８の風力発電システムにおいて、
前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、
該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、
前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、
前記変換器を制御する制御装置とを備えて、
該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【請求項１】
電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システムにおいて、
前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、
前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
請求項３の風力発電システムにおいて、
前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、
該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、
前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、
前記変換器を制御する制御装置とを備えて、
該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１の風力発電システムにおいて、
前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
電力系統連系用の第１の変圧器と第１の遮断器を備え、発電電力を調整する複数の風力発電装置を備えた風力発電システム用の制御装置において、
前記第一の遮断器へ投入指令を出力する遮断器投入制御手段を備え、
前記風力発電システム群内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、複数の前記第１の遮断器の投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【請求項７】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記風力発電システムの少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態の時、前記複数の風力発電装置を少なくとも２台以上で構成されるグループに分け、前記遮断器投入制御手段は各グループ毎に遮断器投入に時間差を設定することを特徴とする風力発電システム。
【請求項８】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記風力発電システム内の少なくとも１台以上の風力発電装置が運転状態で、停止状態の風力発電装置の遮断器を投入する際、前記遮断器投入制御手段は運転状態の風力発電装置の発電量を低下させた後、前記停止状態の風力発電装置の遮断器を投入することを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【請求項９】
請求項８の風力発電システムにおいて、
前記風力発電装置は、風車の軸に接続された二次励磁発電機と、
該二次励磁発電機の回転子巻線に接続された変換器と、
前記二次励磁発電機の固定子巻線は前記電力系統に接続され、
前記変換器を制御する制御装置とを備えて、
該制御装置は、前記二次励磁発電機からの発電量を、出力発電指令に追従して制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
請求項６の風力発電システム用の制御装置において、
前記遮断器の投入時間差として、３０秒以上を設定したことを特徴とする風力発電システム用の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２１１８１７（Ｐ２０１１−２１１８１７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６５６８（Ｐ２０１０−７６５６８）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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