風力発電システム
【課題】電力変換器によって発電機の発電電力を制御する風力発電システムにおいて、前記電力変換器を冷却する冷却能力の低下により、電力変換器の送電可能電力が制限されたとき、ブレードのピッチ角を可変制御することで、前記送電可能電力に応じた前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止する風力発電システムを提供する。
【解決手段】前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行う。
【解決手段】前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統と連系し、風力による入力エネルギーから発電機を用いて発電し、前記発電電力を、電力変換器を用いて所望の電力に変換して前記電力系統に送電する風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電システムの発電効率向上のため、インバータやコンバータといった電力変換器を用いて発電機を可変速で運転する可変速風力発電システムが主流になっている。
【０００３】
該可変速風車システムのエネルギー伝達部は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード、該ブレードにより得られた回転エネルギーを増速器であるギアに伝えるシャフト、該シャフトに機械的に接続されるギア、該ギアに機械的に接続され回転エネルギーを電力に変換する発電機、該発電機の出力周波数を連系する電力系統の周波数に変換する電力変換器、該電力変換器により商用周波数に変換された交流電力を昇圧して電力系統に送電する変圧器、により構成される。
【０００４】
該風力発電システムが風から該風力発電システムの定格に相当する入力エネルギーを受け取っており、なおかつ何らかの要因により該電力変換器より連系する電力系統へ送電する電力が制限される場合、入力エネルギーである風のエネルギーと、電力系統に出力する電気エネルギーに差異が生じ、このエネルギー差によりブレードの回転数が増して過回転になる恐れがある。
【０００５】
電力変換器が系統に送電する電力は、連系点における系統電圧と系統に流す電流の積である。地絡等の系統事故が発生した場合、該系統電圧が定格値より低くなる。電力変換器は通常、定格電流以上の電流を継続して流すことはできないため、系統事故継続期間において、電力変換器の送電可能電力は定格値以下に制限されてしまう。ゆえに、風力発電システムがその定格近傍の発電をしている状態で系統事故が発生すると、ブレードが過回転になる恐れがある。
【０００６】
特許文献１では、電力系統の事故を検出した場合、風車のピッチ角をフェザー状態にして風の入力エネルギーを低減させるとともに、クローバー回路を投入することで電力変換器への過電流流入を防止する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２では、電力系統事故継続中に適切にピッチ角を制御することで系統事故継続中のブレード回転速度を該風力発電システムの運転可能範囲に保ち、系統事故が解除されたことを検出したら速やかに発電を再開させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０６７９５８
【特許文献２】特許第４５０１９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記公知技術は、系統側の要因により風力発電システムの定格電力を受け取ることができなくなる事象に対する解決策である。一方、系統側の要因ではなく、電力変換器自体の要因により風力発電システムの定格電力を系統に送れなくなる事象も存在する。
【００１０】
具体的には、電力変換器周囲温度上昇によるトリップが考えられる。該電力変換器の動作温度範囲以上に該電力変換器の周囲温度が高くなってしまった場合、電力変換器の十分な冷却能力が得られなくなり、電力変換器内部の部品（半導体スイッチング素子やリアクトル等）の温度が設計値以上に高温になり、故障してしまう可能性がある。
【００１１】
電力変換器の故障を回避するため、電力変換器内部の部品温度を検出し、該部品温度の異常上昇を検出したときには該電力変換器を停止する電力変換器保護方法が考えられるが、該電力変換器が発電を停止することに変わりはない。
【００１２】
電力変換器の温度異常により該電力変換器がトリップもしくは発電を停止すると、風力発電システムの入力エネルギーがブレード等の回転体回転エネルギーとして蓄えられ、回転数が上昇し、最終的にはブレードが過回転になる恐れがある。
【００１３】
電力変換器周囲温度上昇は、系統側要因とは異なるものであり、ブレード過回転を回避するためには新たな対策機構が必要となる。
【００１４】
本発明の課題は、前記電力変換器を冷却する冷却能力の低下により、電力変換器の送電可能電力が制限されたとき、前記送電可能電力に応じたブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止する風力発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題を解決するための手段として、ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、を有する風力発電システムであって、前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
前記ブレードのピッチ角を可変制御することで、電力変換システムの運転を継続したまま、前記電力変換器の送電可能電力に応じて、前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールでき、前記ブレードの過回転を防止するとともに、前記電力変換器の故障を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明第一実施例の風力発電システムの全体構成説明図。
【図２】本発明第一実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図３】本発明第一実施例の電力変換器コントローラ説明図。
【図４】本発明第一実施例の冷却能力検出器３０００の冷却能力検出テーブル。
【図５】本発明第一実施例の上位コントローラ１０００およびピッチ角補正器６０００演算ブロック説明図。
【図６】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図７】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図８】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図９】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図１０】本発明第一実施例の動作波形説明図。
【図１１】本発明第二実施例の風力発電システムの電力変換器および冷却システム説明図。
【図１２】本発明第二実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１３】本発明第三実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１４】本発明第四実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１５】本発明第五実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１６】本発明におけるブレード１０のピッチ角を可変制御した前後の状態についての説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、実施例を説明する各図面では、同一の機能を有する要素には同一の符号をつけてある。また、図１３等に示される、同一冷却フィンに設置され、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴと逆並列に接続されるダイオードからなる並列体２１ｍ〜２１ｒ、および２２ｍ〜２２ｒを、半導体スイッチング素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒと呼ぶことにする。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、電力変換器が冷却水により冷却される場合の風力発電システム１の例を説明する。
【００２０】
本実施例の風力発電システム１は、風のエネルギーをブレードと永久磁石を備えた発電機により電力に変換し、該電力を電力変換器によって商用周波数に変換して電力系統に送電する風力発電システムである。
【００２１】
図１には、本実施例の風力発電システム１の構成例を示す。
【００２２】
風力発電システム１は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード１０、該ブレードを支え、ブレードの回転力をシャフトに伝えるハブ１１、回転力をギア１４に伝達するシャフト１３、ギアと機械的に接続されて回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機１５、発電機１５から出力された交流電力を連系する電力系統の周波数を持つ電力に変換する電力変換器２０、電力変換器２０の交流出力電力を昇圧して系統に送る変圧器３０により構成される。
【００２３】
発電機１５と電力変換器２０は電力ケーブル２５を介して接続され、また電力変換器２０と変圧器３０は、電力ケーブル２６により接続される。シャフト１３、ギア１４、発電機１５はナセル６０内に設置され、電力変換器２０はタワー７０内に設置される。
【００２４】
ナセル６０の上部には風速計２０１が設置され、該風速計２０１の出力は後述の上位コントローラ１０００に入力される。電力変換器２０は冷却水により冷却される水冷式電力変換器であり、冷却水配管を介して冷却水を冷やす冷却システム３と接続される。
【００２５】
風力発電システム１の動作について、説明する。
【００２６】
風力発電システム１は、ブレード１０が風を受けることにより回転エネルギーを得、該回転エネルギーによりシャフト１３、ギア１４を介して、発電機１５の回転子を回転させる。
【００２７】
発電機１５の回転子には永久磁石が備えられており、該回転子が回転することで固定子巻線に鎖交する磁束が変化し、固定子巻線には交流の誘起電力が発生する。
【００２８】
電力変換器２０は発電機１５の固定子巻線に、該誘起電圧の周波数と等しい周波数を有し、該誘起電圧に対して位相の遅れた交流電圧を出力することにより発電機１５から有効電力を受け取る。電力変換器２０は発電機１５から得た有効電力を電力系統２と等しい周波数に変換し、電力系統２へ送電する。
【００２９】
風からの入力トルクの調整はブレード１０のピッチ角調整により実施し、ブレードの回転速度を風速に対応した回転速度指令値となるよう、後述の上位コントローラ１０００によりピッチ角が調整される。
【００３０】
風力発電システム１の制御システムおよび電力変換器２０の詳細を、図２を用いて説明する。
【００３１】
風力発電システム１は、大きく分けて２つのコントローラを備える。一つは風速計２０１により検出した風速に応じてブレード１０の回転速度を制御すべくピッチ角指令値φｒｅｆと電力変換器２０の系統送電電力指令値Ｐｒｅｆを算出する上位コントローラ１０００、そして第二のコントローラは、上位コントローラ１０００により出力された発電電力指令Ｐｒｅｆに従い、電力系統２への送電電力を制御する電力変換器コントローラ２０００である。
【００３２】
上位コントローラ１０００は、風速計２０１の出力ｖと、電力変換器コントローラ２０００が算出する発電電力値Ｐとブレード回転角速度ωと、を入力とし、ピッチ角φｒｅｆと、電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを出力する。
【００３３】
上位コントローラ１０００により算出されたピッチ角指令φｒｅｆは、本発明の新規な点であるピッチ角補正器６０００を介してピッチ角調整機１２に入力され、ピッチ角調整機１２は調整されたピッチ角指令に従ってブレード１０のピッチ角を調整する。
【００３４】
上位コントローラ１０００により算出された発電電力指令Ｐｒｅｆは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。電力変換器コントローラ２０００は、電力変換器２０が発電機１５より受け取る有効電力が上記発電電力指令と一致するようにコンバータ２１を制御する。
【００３５】
電力変換器２０を詳細に説明する。
【００３６】
電力変換器２０の主回路は、コンバータ２１、インバータ２２、平滑コンデンサ２２ｃｄｃ、高調波フィルタ２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌにより構成される。コンバータ２１は、上位コントローラ１０００から出力される発電電力指令Ｐｒｅｆに従い発電機１５から受け取る電力を制御する機能と、発電機から受け取る無効電流を制御する機能を有する。インバータ２２は、固定値である直流電圧指令値に従い、平滑コンデンサ２２ｃｄｃ端子間電圧を制御することにより、コンバータ２１が受け取った発電機１５の発電電力を電力系統２に送電する機能、および電力系統２に出力する無効電流を制御する機能を有する。
【００３７】
コンバータ２１、インバータ２２の主要部の構成を説明する。
【００３８】
本実施例では、コンバータ２１、インバータ２２の構成を６アーム構成のＩＧＢＴ変換器の場合で説明する。ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒがそれぞれコンバータ２１とインバータ２２のアームを構成している。各ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒの制御電極であるゲートには、電力変換器コントローラ２０００からゲート駆動信号を入力する。ＰＷＭ変調したゲート駆動信号を入力して各ＩＧＢＴ素子をスイッチングさせることにより、発電機１５の交流出力電力は直流電力に、該直流電力は電力系統２に出力される交流電力に変換される。
【００３９】
発電機１５の出力電流は、発電機誘起電圧とコンバータ２１出力電圧の差と、その間にある発電機１５の漏れインダクタンスと高調波フィルタ２１ｆｉｌのインダクタンスと、により決まる。該出力電流はコンバータ２１により直流電流に変換され、該直流電流により平滑コンデンサ２２ｃｄｃが充電される。
【００４０】
電力系統２への出力電流は、電力系統２の連系点系統電圧とインバータ２２の出力電圧の差と、高調波フィルタ２２ｆｉｌのインピーダンスと、により決まる。該出力電流はインバータ２２のスイッチングにより直流電流から交流電流に変換されたものであり、インバータ２２が系統に有効電力を出力することにより平滑コンデンサ２２ｃｄｃが放電される。
【００４１】
ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、および２２ｍ〜２２ｒは、スイッチングの度にスイッチング損失を発生する。また、ＩＧＢＴ素子に電流が流れるときには、該素子に導通損失が発生する。それら損失はＩＧＢＴ素子内部温度を上昇させる。ＩＧＢＴ素子のジャンクション温度が所定の値以上になると、ＩＧＢＴのワイヤ切断等が発生し、ＩＧＢＴ素子が破損する可能性がある。また、ＩＧＢＴ素子以外の回路要素、例えば高調波フィルタ２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌのリアクトルなどでも、電流が流れることにより銅損と鉄損が発生し、温度が上昇する。該リアクトルの温度が異常上昇すると、絶縁破壊が起き、電力変換器２０の破損につながる可能性がある。
【００４２】
本実施例の風力発電システム１は、上記温度上昇による破損を回避するため、冷却システム３を備え、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの損失により発生した熱を、冷却システム３により供給される冷却水で冷やすことにより、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの温度上昇を抑制する。
【００４３】
冷却システム３は、熱交換器４０と、冷却水を熱交換器４０とコンバータ２１、インバータ２２との間に循環させるポンプ４１により構成される。冷却システム３より送りだされた冷却水は、コンバータ２１、インバータ２２の冷却水配管５１から上記ＩＧＢＴ素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を介して冷却水配管５２に流れ、再び冷却システム３に戻る。該冷却水はポンプ４１により強制的に循環される。
【００４４】
上記冷却水は上記ＩＧＢＴ素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を流れる過程において、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの温度と該冷却水温度との差に応じた熱量を受け取る。ポンプ４１により冷却水はコンバータ２１もしくはインバータ２２から熱交換器４０に運ばれる。このとき、該冷却水の温度は、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタから受け取った熱により上昇し、その温度は外気温度より高くなる。熱交換器４０は該熱交換器４０の周辺空気を該冷却水の流れる配管に吹き付けることにより該冷却水を冷却する。熱交換器４０により冷却された冷却水は、再びコンバータ２１およびインバータ２２のＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを流れることにより該ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを冷却し、該ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを過度な温度上昇による破壊から保護する。
【００４５】
電力変換器コントローラ２０００には、交流電圧センサ１００、１０１により検出した交流電圧値Ｖｇｕ、Ｖｇｖ、Ｖｇｗ、Ｖｓｕ、Ｖｓｖ、Ｖｓｗ、電流センサ１０３、１０４により検出した交流電流値Ｉｇｕ、Ｉｇｖ、Ｉｇｗ、Ｉｓｕ、Ｉｓｖ、Ｉｓｗ、直流電圧センサ１０２により検出した直流電圧値Ｖｄｃが入力される。
【００４６】
電力変換器コントローラ２０００は、発電機１５から受け取る電力を上記交流電圧値、交流電流値から算出し、この交流電力検出値を上位コントローラ１０００から受け取った電力指令値に一致するよう、コンバータ２１の交流電圧を調整する。
【００４７】
電力変換器コントローラ２０００の詳細構成を、図３を用いて説明する。
【００４８】
まず、電力算出器２０００６により発電機１５から受け取る有効電力Ｐｇを算出する。
有効電力制御器２０００１では、上記電力指令値と前記有効電力算出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、コンバータ２１が発電機１５に流す有効電流指令値Ｉｄｒｅｆを算出する。発電機１５の誘起電力位相を検出する位相検出器２０００９は、発電機端子電圧検出値Ｖｇｕ、Ｖｇｖ、Ｖｇｗを入力とし、誘起電圧の位相推定値θｇ、およびブレード１０の回転角速度推定値ωを算出し、該位相推定値θｇは発電機電流制御器２０００３へ出力する。発電機１５から受け取る有効電力算出値Ｐｇおよびブレード１０の回転角速度推定値ωは、上位コントローラ１０００に出力される。
【００４９】
発電機電流制御器２０００３は、有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ、発電機電流検出値Ｉｇｕ、Ｉｇｖ、Ｉｇｗ、そして位相推定値θｇを入力し、有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、および所定の無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ（ここでは零）と、発電機１５より受け取る交流電流検出値が一致するよう、発電機電流制御器２０００３では上記電流検出値と発電機電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、発電機側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてＰＷＭ制御ブロック２０００７に入力する。ＰＷＭ制御ブロック２０００７は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒの各ゲートへ出力する。
【００５０】
ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、コンバータ２１は、発電機電流制御器２０００３により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を発電機１５側に出力することができる。以上により、コンバータ２１は、上位コントローラ１０００から出力された発電指令値にしたがって発電機１５の発電電力を制御できる。
【００５１】
電力変換器コントローラ２０００は、平滑コンデンサ２２ｃｄｃの端子間電圧を所定の値に制御するよう、インバータ２２の交流電圧を調整する。
【００５２】
具体的には、まず直流電圧センサ１０２により平滑コンデンサ２２ｃｄｃの端子間電圧を検出する。直流電圧制御器２０００４では、上記所定値と平滑コンデンサ２２ｃｄｃ端子間電圧検出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、インバータ２２が電力系統２に出力する有効電流指令値Ｉｄｒｅｆを算出する。
【００５３】
インバータ電流制御器２０００５は、直流電圧制御器２０００４により算出された有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、所定の無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ（ここでは零）と、電力系統２に出力する交流電流検出値、位相検出器２００１０より出力した系統電圧位相θｓを入力とする。インバータ電流制御器２０００５は、該電流指令値と電力系統２に出力する交流系統検出値が一致するよう、上記電流検出値と系統電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、系統側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてＰＷＭ制御ブロック２０００８に入力する。ＰＷＭ制御ブロック２０００８は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、ＩＧＢＴ素子２２ｍ〜２２ｒの各ゲートへ出力する。
【００５４】
ＩＧＢＴ素子２２ｍ〜２２ｒが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、インバータ２２は、インバータ電流制御器２０００５により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を電力系統２側に出力することができる。以上により、インバータ２２は、電力変換器２０の直流電圧を一定に制御するよう、インバータ２２の交流出力電圧を調整する。
【００５５】
以降、本発明の新規な点である、温度センサ２００の出力である温度検出値Ｔａｍｂに応じたピッチ角補正によるブレード過回転防止機構を説明する。
【００５６】
熱交換器４０における冷却水の冷却能力は、冷却水の熱交換器４０入口の冷却水温度と外気温の差に依存し、外気温が高くなると冷却水を十分冷やすことができなくなる。十分冷却水を冷やすことができないと、熱交換器４０出口における冷却水温度が高くなり、結果として冷却システム３による上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの冷却能力が低下する。
【００５７】
本発明の過回転防止機構は、冷却システム３の冷却能力の低下を間接的に検出する温度センサ２００、該温度測定手段の出力に応じて冷却能力を検出する冷却能力検出器３０００、およびピッチ角補正器６０００により構成される。該過回転防止機構は、冷却システム３の冷却能力が低下したとき、ピッチ角をフェザー側に調整し、風による入力エネルギーを制限する。これにより、電力変換器２０が電力系統２に送電できる電力が制限された場合でも、風による入力エネルギーを電力変換器２０が送電できるエネルギー以下に低減することができるため、ブレードの過回転を防止することができる。
【００５８】
以降、本実施例のブレード過回転防止機構について、詳細に説明する。
【００５９】
風力発電システム１は、外気温度を検出する温度センサ２００を備える。温度センサ２００は、外気温度に正比例した値Ｔａｍｂを出力し、該出力は冷却能力検出器３０００に入力される。外気温検出場所は、冷却システム３近傍であることが望ましく、好ましくは冷却システム入気口１００ｍ以内である。
【００６０】
冷却能力検出器３０００は、図４に示すようなＴａｍｂに対する冷却能力検出テーブルを備える。すなわち、温度センサ２００からの入力Ｔａｍｂが所定の値ｔ１より高い場合、冷却能力検出器３０００は、該検出手段の出力を入力Ｔａｍｂに対して単調減少させる特性を有する。
【００６１】
ここで、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳは、電力変換器２０が電力系統２に送電可能な電力の低減幅に相当する。該冷却能力検出器３０００の出力信号は、ピッチ角補正器６０００に入力される。
【００６２】
ピッチ角補正器６０００は、上位コントローラ１０００からのピッチ角指令φｒｅｆ、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳを入力し、補正されたピッチ角指令φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に出力する。
【００６３】
具体的なピッチ角補正方法について、図５を用いて説明する。
【００６４】
上位コントローラ１０００は、風速計２０１の出力ｖを入力とし、該風速計出力ｖと、風速とブレードの回転速度を対応づける回転速度指令演算器１０００１を用いてブレード回転速度指令値ωｒｅｆを算出する。さらに、上位コントローラ１０００の回転速度制御器１０００２は、電力変換器コントローラ２０００より入力したブレード角速度ωと上記回転速度指令ωｒｅｆを入力としてピッチ角指令値φｒｅｆと電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを算出し、ピッチ角指令値φｒｅｆをピッチ角補正器６０００に、発電電力指令値Ｐｒｅｆを電力変換器コントローラ２０００に出力する。
【００６５】
ピッチ角補正器６０００は、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳを乗算器６００１によりゲインＫで乗算し、その積を加算器６００２に入力する。ここで、ゲインＫは、電力変換器２０の送電可能電力低減幅ΔＳをピッチ角に補正するゲインであり、ΔＳが負の場合にはピッチ角がフェザー側に変更され、ブレード１０の回転方向のトルクが減少する。ゲインＫは、ピッチ角の補正により、風による入力エネルギーが電力変換器２０の発電可能電力より小さくなるように設計する。
【００６６】
加算器６００２は上位コントローラ１０００から入力されたピッチ角指令φｒｅｆに乗算器６００１出力を加算し、その和を補正されたピッチ角φｒｅｆ２としてピッチ角調整器１２に出力する。
【００６７】
以上より、温度センサ２００の出力が所定の値ｔ１より高い場合、ブレード１０のピッチ角指令値φｒｅｆ２はフェザー側に補正され、風によりブレード１０に入力されるトルクが減少し、風力発電システムの入力エネルギーが低減する。
【００６８】
本実施例の風力発電システムの動作波形例を図１０に示す。
【００６９】
図１０のグラフは、上から順に温度センサ２００検出値Ｔａｍｂ、送電可能電力低減幅ΔＳ、ピッチ角指令φｒｅｆ２、ブレード回転角速度ω、そして発電機発電電力Ｐの時間変化を示すものである。
【００７０】
時刻ｔｉｍｅ１において、温度センサ２００が所定の判定温度ｔ１を超える。本発明の風力発電システム１は、冷却能力検出器３０００により温度センサ２００出力値が所定温度ｔ１を超えたことを検出し、送電可能電力低減幅ΔＳをピッチ角補正器６０００に出力する。ピッチ角補正器６０００は、ΔＳに応じて上位コントローラ１０００から出力されたピッチ角指令値φｒｅｆを、ピッチ角指令値φｒｅｆ２をフェザー側であるマイナス方向に変更し、ピッチ角調整器１２に出力する。ピッチ角調整器１２は指令値φｒｅｆ２に従いピッチを調整するため、ブレード１０に印加される回転方向のトルクが減少する。
【００７１】
ブレード１０の回転方向トルクが減少し、時刻ｔｉｍｅ１においては電力変換器２０が発電機１５より受け取る電力は変化しないので、ブレード１０の回転角速度ωが過渡的に低下する。
【００７２】
上位コントローラ１０００は、回転角速度ωの低下を検出して、該回転角速度が指令値ωｒｅｆに一致するよう、電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを下げる。
【００７３】
電力変換器コントローラ２０００は、Ｐｒｅｆに従い、発電電力Ｐを下げる。発電電力量Ｐが下がるため、電力変換器２０内部の損失による発熱が低下し、電力変換器２０は運転を継続することができる。
【００７４】
電力変換器２０が運転を継続することができるため、ブレード１０には発電機１５の発電による負荷トルクがかかるため、ブレード１０の回転角速度ωが急上昇することなく過回転を回避することができる。
【００７５】
本実施例では、外気温度を温度センサ２００により検出することで冷却システム３の冷却能力低下を推定しているが、図６に示すように温度センサ２００は冷却システム３の出口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム３の冷却能力低下を推定しても良い。
【００７６】
また、温度センサ２００は、図７に示すように冷却システム３の入口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム３の冷却能力を推定しても良い。
【００７７】
また、本実施例の電力変換器は冷却水を用いて発熱の大きい要素であるＩＧＢＴ素子や高調波フィルタリアクトルを冷却する水冷式電力変換器であったが、図８に示すような冷却ファン５０を用いた強制風冷式電力変換器であっても良い。本構成においては、ＩＧＢＴ素子が冷却風との接触面積を増やすための冷却フィンを備えることが望ましい。この場合、温度センサは冷却風入口温度を検出しても良いし、冷却風吐き出し口の空気温度を検出しても良い。
【００７８】
また、本実施例では、冷却能力検出器３０００は電力変換器コントローラ２０００には含まれないが、図９に記載のように電力変換器コントローラ２０００内で送電可能電力低減幅を演算しても良い。
【００７９】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【実施例２】
【００８０】
本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【００８１】
図１１は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【００８２】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００８３】
本実施例と、実施例１記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が電力変換器２０のコンバータ２１とインバータ２２を収納する筐体内に設置される点である。
【００８４】
実施例１では、冷却水の温度を直接、もしくは周囲温度検出により間接的に検出することにより、電力変換器２０を冷却する冷却システム３の冷却能力の低下を検出することに対し、本実施例は電力変換器２０の筐体内温度を検出することで冷却システム３の冷却能力低下を推定し、ブレード１０のピッチ角指令値を補正するものである。
【００８５】
本構成により、電力変換器２０の内部損失による発熱と、冷却による熱放出のアンバランスを直接検出することができるため、電力変換器２０のトリップを回避でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【００８６】
以下、図１１、図１２を用いて本実施例の風力発電システムを説明する。
【００８７】
図１１には、本実施例の風力発電システムの電力変換器２０および冷却システム３を示す。電力変換器２０は、電力ケーブル２５を介して発電機１５へ、電力ケーブル２６を介して変圧器３０へ接続する。図示しないブレード、ハブ、シャフト、発電機、ナセル、タワー、変圧器、電力系統は実施例１で示した風力発電システム１と同様である。
【００８８】
図１２に本実施例の風力発電システムの詳細を示す。
【００８９】
本実施例の風力発電システムは、電力変換器２０が筺体１００００を備え、該筺体内にコンバータ２１、インバータ２２を備える。また、本実施例の風力発電システムでは、温度センサ２００を冷却システム３の近傍ではなく、筐体１００００内に備える。
【００９０】
外気温度上昇により、電力変換器２０を冷却する冷却システム３の冷却能力が低下した場合、電力変換器２０内の損失による発熱が冷却システム３により筺体１００００の外部に引き抜かれる熱量を上回り、電力変換器２０の盤内温度が上昇する。温度センサ２００は、該盤内温度を検出し、冷却能力検出器３０００に検出した温度Ｔａｍｂを出力する。
【００９１】
温度センサ２００は、筐体内の発熱と冷却による放熱のバランスを検出することが目的であるため、筐体上部に備えられることが望ましい。具体的には、筺体の高さ方向１／２以上高い場所に供えられることが望ましい。
【００９２】
温度センサ２００と風力発電システムのコントローラとの関係を図１２に示す。
【００９３】
温度センサ２００で検出した筐体内温度Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力され、電力変換器コントローラ２０００は実施例１で説明した冷却能力検出器３０００と同じ演算を実施し、送電電力低減幅ΔＳをピッチ角補正器６０００に出力する。
【００９４】
本構成とすることにより、本実施例の風力発電システムでは電力変換器２０筐体内の温度上昇を検出し、ブレード１０のピッチ角を補正することができるため、電力変換器２０への発電電力指令が減少し、電力変換器２０の発熱が低減される。発熱が低減されることにより、電力変換器２０の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転を継続できるため、ブレード１０の過回転を回避することができる。
【００９５】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【００９６】
さらに、本実施例によれば電力変換器２０の筺体内の温度を検出することにより、電力変換器２０内部の損失による発熱と、電力変換器２０の冷却システム３による冷却のアンバランスを検出することができるため、より確実に冷却システム３の冷却能力低下を検出でき、電力変換器２０の運転継続を実現でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例３】
【００９７】
本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【００９８】
図１３は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【００９９】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１００】
本実施例と、実施例２記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が電力変換器２０の半導体素子の冷却フィンに設置される点である。
【０１０１】
水冷の電力変換器では、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに半導体素子のジャンクション温度が許容値を超え、素子破壊を起こす可能性がある。冷却フィン温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができるため、より確実に半導体素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１０２】
以降、図１３を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１０３】
図１３には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１および２に記載のものと同一である。
【０１０４】
本実施例の電力変換器２０は、半導体素子２２ｑの冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１０５】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１および実施例２のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１０６】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により該半導体素子の冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０の半導体素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１０７】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１０８】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１０９】
さらに、本実施例によれば、半導体素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、半導体素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例４】
【０１１０】
本実施例では、冷却能力を高調波フィルタ内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【０１１１】
図１４は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【０１１２】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１１３】
本実施例と、実施例２または３記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンに設置される点である。
【０１１４】
前記実施例３と同様に水冷の高調波フィルタでは、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに高調波フィルタの温度が許容値を超え、絶縁破壊が起き、電力変換器２０の破損につながる可能性がある。よって、高調波フィルタの冷却フィン温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、フィルタ素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができるため、より確実にフィルタ素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１１５】
以降、図１４を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１１６】
図１４には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１乃至３に記載のものと同一である。
【０１１７】
本実施例の電力変換器２０は、高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。なお、高調波フィルタ２１ｆｉｌの冷却フィンに温度センサ２００を備える構成としても良い。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１１８】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１乃至３のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１１９】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０のフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１２０】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１２１】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１２２】
さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例５】
【０１２３】
本実施例では、冷却能力を半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【０１２４】
図１５は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【０１２５】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１２６】
本実施例と、実施例２乃至４記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに設置される点である。
【０１２７】
前記実施例３乃至４と比較して水冷の半導体素子および高調波フィルタより、冷却フィンの熱時定数は長いが、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するより早く、冷却能力の低減を検出することができ、さらに実施例３および４と比較して、温度センサ２００を個々の半導体素子および高調波フィルタに取り付ける必要もないため、コストを削減できる。さらに、個々の半導体素子や高調波フィルタに温度センサ２００を取り付ける実施例よりも、一元化して管理が可能である。そのことにより、半導体素子やフィルタ素子の温度が許容値を超える前に、前記冷却フィン内温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子やフィルタ素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができる。
【０１２８】
そして、より確実に半導体素子やフィルタ素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１２９】
以降、図１５を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１３０】
図１５には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１乃至４に記載のものと同一である。
【０１３１】
本実施例の電力変換器２０は、半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１３２】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１乃至４のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１３３】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０の半導体素子およびフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１３４】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１３５】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１３６】
さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【０１３７】
図１６に、本発明におけるブレード１０のピッチ角を可変制御した前後の状態について例示する。
【０１３８】
まず、ブレード１０を含む風車からどのように風力を得るかについて説明すると、ブレード１０に風８０が当たると、ブレード１０の周りに相対的な空気の流れができ、この空気の流れは、ブレードの風上８１および風下８２で速さが異なるため、その速さの違いから圧力差が生じる。その圧力差が揚力８３となりブレードは回転面８４を軸として回転する。
【０１３９】
この回転速度を可変するには、前記ブレードの取り付け角度であるピッチ角を可変させることで、ブレードの周囲の空気の流速が変化し、揚力も変化する。
【０１４０】
具体的には、冷却機能の低下により、電力変換器の出力電圧可能量が減少している場合、図１６（ａ）のピッチ角制御前のブレードのピッチ角８６を、同図（ｂ）のブレードのピッチ角８７のように大きくし、ブレードに当たる風８０の向きと平行に近づけるようにブレードを調整する。このことにより、ブレードに係る揚力を減少させ、回転力を減少させる。
【０１４１】
結果、前記送電可能電力に応じた前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【０１４２】
１ 風力発電システム
２ 電力系統
３ 冷却システム
１０ ブレード
１１ ハブ
１２ ピッチ角調整器
１３ シャフト
１４ ギア
１５ 発電機
２０ 電力変換器
２１ コンバータ
２１ｕｐ、２１ｕｎ、２１ｖｐ、２１ｖｎ、２１ｗｐ、２１ｗｎ、２２ｕｐ、２２ｕｎ、２２ｖｐ、２２ｖｎ、２２ｗｐ、２２ｗｎ 半導体スイッチング素子
２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌ 高調波フィルタ
２２ インバータ
２２ｃｄｃ 平滑コンデンサ
２３ 電磁接触器
２４ 電力変換器入気口
２５、２６ 電力ケーブル
３０ 変圧器
４０ 熱交換器
４１ ポンプ
５０ 冷却ファン
６０ ナセル
７０ タワー
８０ 風
８１ 風上
８２ 風下
８３ 揚力
８４ 回転面
８５ ブレード角
８６、８７ ピッチ角
１００、１０１ 交流電圧センサ
１０２ 直流電圧センサ
１０３、１０４ 電流センサ
２００ 温度センサ
２０１ 風速計
３００、６００２ 加算器
１０００ 上位コントローラ
２０００ 電力変換器コントローラ
３０００ 冷却能力検出器
６０００ ピッチ角補正器
６００１ 乗算器
１００００ 筺体
１０００１ 回転速度指令演算器
１０００２ 回転速度制御器
２０００１ 有効電力制御器
２０００２ 端子電圧制御器
２０００３ 発電機電流制御器
２０００４ 直流電圧制御器
２０００５ インバータ電流制御器
２０００６ 電力算出器
２０００７、２０００８ ＰＷＭ制御ブロック
２０００９、２００１０ 位相検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統と連系し、風力による入力エネルギーから発電機を用いて発電し、前記発電電力を、電力変換器を用いて所望の電力に変換して前記電力系統に送電する風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電システムの発電効率向上のため、インバータやコンバータといった電力変換器を用いて発電機を可変速で運転する可変速風力発電システムが主流になっている。
【０００３】
該可変速風車システムのエネルギー伝達部は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード、該ブレードにより得られた回転エネルギーを増速器であるギアに伝えるシャフト、該シャフトに機械的に接続されるギア、該ギアに機械的に接続され回転エネルギーを電力に変換する発電機、該発電機の出力周波数を連系する電力系統の周波数に変換する電力変換器、該電力変換器により商用周波数に変換された交流電力を昇圧して電力系統に送電する変圧器、により構成される。
【０００４】
該風力発電システムが風から該風力発電システムの定格に相当する入力エネルギーを受け取っており、なおかつ何らかの要因により該電力変換器より連系する電力系統へ送電する電力が制限される場合、入力エネルギーである風のエネルギーと、電力系統に出力する電気エネルギーに差異が生じ、このエネルギー差によりブレードの回転数が増して過回転になる恐れがある。
【０００５】
電力変換器が系統に送電する電力は、連系点における系統電圧と系統に流す電流の積である。地絡等の系統事故が発生した場合、該系統電圧が定格値より低くなる。電力変換器は通常、定格電流以上の電流を継続して流すことはできないため、系統事故継続期間において、電力変換器の送電可能電力は定格値以下に制限されてしまう。ゆえに、風力発電システムがその定格近傍の発電をしている状態で系統事故が発生すると、ブレードが過回転になる恐れがある。
【０００６】
特許文献１では、電力系統の事故を検出した場合、風車のピッチ角をフェザー状態にして風の入力エネルギーを低減させるとともに、クローバー回路を投入することで電力変換器への過電流流入を防止する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２では、電力系統事故継続中に適切にピッチ角を制御することで系統事故継続中のブレード回転速度を該風力発電システムの運転可能範囲に保ち、系統事故が解除されたことを検出したら速やかに発電を再開させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０６７９５８
【特許文献２】特許第４５０１９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記公知技術は、系統側の要因により風力発電システムの定格電力を受け取ることができなくなる事象に対する解決策である。一方、系統側の要因ではなく、電力変換器自体の要因により風力発電システムの定格電力を系統に送れなくなる事象も存在する。
【００１０】
具体的には、電力変換器周囲温度上昇によるトリップが考えられる。該電力変換器の動作温度範囲以上に該電力変換器の周囲温度が高くなってしまった場合、電力変換器の十分な冷却能力が得られなくなり、電力変換器内部の部品（半導体スイッチング素子やリアクトル等）の温度が設計値以上に高温になり、故障してしまう可能性がある。
【００１１】
電力変換器の故障を回避するため、電力変換器内部の部品温度を検出し、該部品温度の異常上昇を検出したときには該電力変換器を停止する電力変換器保護方法が考えられるが、該電力変換器が発電を停止することに変わりはない。
【００１２】
電力変換器の温度異常により該電力変換器がトリップもしくは発電を停止すると、風力発電システムの入力エネルギーがブレード等の回転体回転エネルギーとして蓄えられ、回転数が上昇し、最終的にはブレードが過回転になる恐れがある。
【００１３】
電力変換器周囲温度上昇は、系統側要因とは異なるものであり、ブレード過回転を回避するためには新たな対策機構が必要となる。
【００１４】
本発明の課題は、前記電力変換器を冷却する冷却能力の低下により、電力変換器の送電可能電力が制限されたとき、前記送電可能電力に応じたブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止する風力発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題を解決するための手段として、ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、を有する風力発電システムであって、前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
前記ブレードのピッチ角を可変制御することで、電力変換システムの運転を継続したまま、前記電力変換器の送電可能電力に応じて、前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールでき、前記ブレードの過回転を防止するとともに、前記電力変換器の故障を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明第一実施例の風力発電システムの全体構成説明図。
【図２】本発明第一実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図３】本発明第一実施例の電力変換器コントローラ説明図。
【図４】本発明第一実施例の冷却能力検出器３０００の冷却能力検出テーブル。
【図５】本発明第一実施例の上位コントローラ１０００およびピッチ角補正器６０００演算ブロック説明図。
【図６】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図７】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図８】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図９】本発明第一実施例のその他の実施形態説明図。
【図１０】本発明第一実施例の動作波形説明図。
【図１１】本発明第二実施例の風力発電システムの電力変換器および冷却システム説明図。
【図１２】本発明第二実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１３】本発明第三実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１４】本発明第四実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１５】本発明第五実施例の風力発電システムの制御システム説明図。
【図１６】本発明におけるブレード１０のピッチ角を可変制御した前後の状態についての説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、実施例を説明する各図面では、同一の機能を有する要素には同一の符号をつけてある。また、図１３等に示される、同一冷却フィンに設置され、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴと逆並列に接続されるダイオードからなる並列体２１ｍ〜２１ｒ、および２２ｍ〜２２ｒを、半導体スイッチング素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒと呼ぶことにする。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、電力変換器が冷却水により冷却される場合の風力発電システム１の例を説明する。
【００２０】
本実施例の風力発電システム１は、風のエネルギーをブレードと永久磁石を備えた発電機により電力に変換し、該電力を電力変換器によって商用周波数に変換して電力系統に送電する風力発電システムである。
【００２１】
図１には、本実施例の風力発電システム１の構成例を示す。
【００２２】
風力発電システム１は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するブレード１０、該ブレードを支え、ブレードの回転力をシャフトに伝えるハブ１１、回転力をギア１４に伝達するシャフト１３、ギアと機械的に接続されて回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機１５、発電機１５から出力された交流電力を連系する電力系統の周波数を持つ電力に変換する電力変換器２０、電力変換器２０の交流出力電力を昇圧して系統に送る変圧器３０により構成される。
【００２３】
発電機１５と電力変換器２０は電力ケーブル２５を介して接続され、また電力変換器２０と変圧器３０は、電力ケーブル２６により接続される。シャフト１３、ギア１４、発電機１５はナセル６０内に設置され、電力変換器２０はタワー７０内に設置される。
【００２４】
ナセル６０の上部には風速計２０１が設置され、該風速計２０１の出力は後述の上位コントローラ１０００に入力される。電力変換器２０は冷却水により冷却される水冷式電力変換器であり、冷却水配管を介して冷却水を冷やす冷却システム３と接続される。
【００２５】
風力発電システム１の動作について、説明する。
【００２６】
風力発電システム１は、ブレード１０が風を受けることにより回転エネルギーを得、該回転エネルギーによりシャフト１３、ギア１４を介して、発電機１５の回転子を回転させる。
【００２７】
発電機１５の回転子には永久磁石が備えられており、該回転子が回転することで固定子巻線に鎖交する磁束が変化し、固定子巻線には交流の誘起電力が発生する。
【００２８】
電力変換器２０は発電機１５の固定子巻線に、該誘起電圧の周波数と等しい周波数を有し、該誘起電圧に対して位相の遅れた交流電圧を出力することにより発電機１５から有効電力を受け取る。電力変換器２０は発電機１５から得た有効電力を電力系統２と等しい周波数に変換し、電力系統２へ送電する。
【００２９】
風からの入力トルクの調整はブレード１０のピッチ角調整により実施し、ブレードの回転速度を風速に対応した回転速度指令値となるよう、後述の上位コントローラ１０００によりピッチ角が調整される。
【００３０】
風力発電システム１の制御システムおよび電力変換器２０の詳細を、図２を用いて説明する。
【００３１】
風力発電システム１は、大きく分けて２つのコントローラを備える。一つは風速計２０１により検出した風速に応じてブレード１０の回転速度を制御すべくピッチ角指令値φｒｅｆと電力変換器２０の系統送電電力指令値Ｐｒｅｆを算出する上位コントローラ１０００、そして第二のコントローラは、上位コントローラ１０００により出力された発電電力指令Ｐｒｅｆに従い、電力系統２への送電電力を制御する電力変換器コントローラ２０００である。
【００３２】
上位コントローラ１０００は、風速計２０１の出力ｖと、電力変換器コントローラ２０００が算出する発電電力値Ｐとブレード回転角速度ωと、を入力とし、ピッチ角φｒｅｆと、電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを出力する。
【００３３】
上位コントローラ１０００により算出されたピッチ角指令φｒｅｆは、本発明の新規な点であるピッチ角補正器６０００を介してピッチ角調整機１２に入力され、ピッチ角調整機１２は調整されたピッチ角指令に従ってブレード１０のピッチ角を調整する。
【００３４】
上位コントローラ１０００により算出された発電電力指令Ｐｒｅｆは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。電力変換器コントローラ２０００は、電力変換器２０が発電機１５より受け取る有効電力が上記発電電力指令と一致するようにコンバータ２１を制御する。
【００３５】
電力変換器２０を詳細に説明する。
【００３６】
電力変換器２０の主回路は、コンバータ２１、インバータ２２、平滑コンデンサ２２ｃｄｃ、高調波フィルタ２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌにより構成される。コンバータ２１は、上位コントローラ１０００から出力される発電電力指令Ｐｒｅｆに従い発電機１５から受け取る電力を制御する機能と、発電機から受け取る無効電流を制御する機能を有する。インバータ２２は、固定値である直流電圧指令値に従い、平滑コンデンサ２２ｃｄｃ端子間電圧を制御することにより、コンバータ２１が受け取った発電機１５の発電電力を電力系統２に送電する機能、および電力系統２に出力する無効電流を制御する機能を有する。
【００３７】
コンバータ２１、インバータ２２の主要部の構成を説明する。
【００３８】
本実施例では、コンバータ２１、インバータ２２の構成を６アーム構成のＩＧＢＴ変換器の場合で説明する。ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒがそれぞれコンバータ２１とインバータ２２のアームを構成している。各ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、２２ｍ〜２２ｒの制御電極であるゲートには、電力変換器コントローラ２０００からゲート駆動信号を入力する。ＰＷＭ変調したゲート駆動信号を入力して各ＩＧＢＴ素子をスイッチングさせることにより、発電機１５の交流出力電力は直流電力に、該直流電力は電力系統２に出力される交流電力に変換される。
【００３９】
発電機１５の出力電流は、発電機誘起電圧とコンバータ２１出力電圧の差と、その間にある発電機１５の漏れインダクタンスと高調波フィルタ２１ｆｉｌのインダクタンスと、により決まる。該出力電流はコンバータ２１により直流電流に変換され、該直流電流により平滑コンデンサ２２ｃｄｃが充電される。
【００４０】
電力系統２への出力電流は、電力系統２の連系点系統電圧とインバータ２２の出力電圧の差と、高調波フィルタ２２ｆｉｌのインピーダンスと、により決まる。該出力電流はインバータ２２のスイッチングにより直流電流から交流電流に変換されたものであり、インバータ２２が系統に有効電力を出力することにより平滑コンデンサ２２ｃｄｃが放電される。
【００４１】
ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒ、および２２ｍ〜２２ｒは、スイッチングの度にスイッチング損失を発生する。また、ＩＧＢＴ素子に電流が流れるときには、該素子に導通損失が発生する。それら損失はＩＧＢＴ素子内部温度を上昇させる。ＩＧＢＴ素子のジャンクション温度が所定の値以上になると、ＩＧＢＴのワイヤ切断等が発生し、ＩＧＢＴ素子が破損する可能性がある。また、ＩＧＢＴ素子以外の回路要素、例えば高調波フィルタ２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌのリアクトルなどでも、電流が流れることにより銅損と鉄損が発生し、温度が上昇する。該リアクトルの温度が異常上昇すると、絶縁破壊が起き、電力変換器２０の破損につながる可能性がある。
【００４２】
本実施例の風力発電システム１は、上記温度上昇による破損を回避するため、冷却システム３を備え、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの損失により発生した熱を、冷却システム３により供給される冷却水で冷やすことにより、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの温度上昇を抑制する。
【００４３】
冷却システム３は、熱交換器４０と、冷却水を熱交換器４０とコンバータ２１、インバータ２２との間に循環させるポンプ４１により構成される。冷却システム３より送りだされた冷却水は、コンバータ２１、インバータ２２の冷却水配管５１から上記ＩＧＢＴ素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を介して冷却水配管５２に流れ、再び冷却システム３に戻る。該冷却水はポンプ４１により強制的に循環される。
【００４４】
上記冷却水は上記ＩＧＢＴ素子および高調波フィルタの冷却フィン内水路を流れる過程において、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの温度と該冷却水温度との差に応じた熱量を受け取る。ポンプ４１により冷却水はコンバータ２１もしくはインバータ２２から熱交換器４０に運ばれる。このとき、該冷却水の温度は、上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタから受け取った熱により上昇し、その温度は外気温度より高くなる。熱交換器４０は該熱交換器４０の周辺空気を該冷却水の流れる配管に吹き付けることにより該冷却水を冷却する。熱交換器４０により冷却された冷却水は、再びコンバータ２１およびインバータ２２のＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを流れることにより該ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを冷却し、該ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタを過度な温度上昇による破壊から保護する。
【００４５】
電力変換器コントローラ２０００には、交流電圧センサ１００、１０１により検出した交流電圧値Ｖｇｕ、Ｖｇｖ、Ｖｇｗ、Ｖｓｕ、Ｖｓｖ、Ｖｓｗ、電流センサ１０３、１０４により検出した交流電流値Ｉｇｕ、Ｉｇｖ、Ｉｇｗ、Ｉｓｕ、Ｉｓｖ、Ｉｓｗ、直流電圧センサ１０２により検出した直流電圧値Ｖｄｃが入力される。
【００４６】
電力変換器コントローラ２０００は、発電機１５から受け取る電力を上記交流電圧値、交流電流値から算出し、この交流電力検出値を上位コントローラ１０００から受け取った電力指令値に一致するよう、コンバータ２１の交流電圧を調整する。
【００４７】
電力変換器コントローラ２０００の詳細構成を、図３を用いて説明する。
【００４８】
まず、電力算出器２０００６により発電機１５から受け取る有効電力Ｐｇを算出する。
有効電力制御器２０００１では、上記電力指令値と前記有効電力算出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、コンバータ２１が発電機１５に流す有効電流指令値Ｉｄｒｅｆを算出する。発電機１５の誘起電力位相を検出する位相検出器２０００９は、発電機端子電圧検出値Ｖｇｕ、Ｖｇｖ、Ｖｇｗを入力とし、誘起電圧の位相推定値θｇ、およびブレード１０の回転角速度推定値ωを算出し、該位相推定値θｇは発電機電流制御器２０００３へ出力する。発電機１５から受け取る有効電力算出値Ｐｇおよびブレード１０の回転角速度推定値ωは、上位コントローラ１０００に出力される。
【００４９】
発電機電流制御器２０００３は、有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ、発電機電流検出値Ｉｇｕ、Ｉｇｖ、Ｉｇｗ、そして位相推定値θｇを入力し、有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、および所定の無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ（ここでは零）と、発電機１５より受け取る交流電流検出値が一致するよう、発電機電流制御器２０００３では上記電流検出値と発電機電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、発電機側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてＰＷＭ制御ブロック２０００７に入力する。ＰＷＭ制御ブロック２０００７は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒの各ゲートへ出力する。
【００５０】
ＩＧＢＴ素子２１ｍ〜２１ｒが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、コンバータ２１は、発電機電流制御器２０００３により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を発電機１５側に出力することができる。以上により、コンバータ２１は、上位コントローラ１０００から出力された発電指令値にしたがって発電機１５の発電電力を制御できる。
【００５１】
電力変換器コントローラ２０００は、平滑コンデンサ２２ｃｄｃの端子間電圧を所定の値に制御するよう、インバータ２２の交流電圧を調整する。
【００５２】
具体的には、まず直流電圧センサ１０２により平滑コンデンサ２２ｃｄｃの端子間電圧を検出する。直流電圧制御器２０００４では、上記所定値と平滑コンデンサ２２ｃｄｃ端子間電圧検出値との偏差を求め、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、インバータ２２が電力系統２に出力する有効電流指令値Ｉｄｒｅｆを算出する。
【００５３】
インバータ電流制御器２０００５は、直流電圧制御器２０００４により算出された有効電流指令値Ｉｄｒｅｆ、所定の無効電流指令値Ｉｑｒｅｆ（ここでは零）と、電力系統２に出力する交流電流検出値、位相検出器２００１０より出力した系統電圧位相θｓを入力とする。インバータ電流制御器２０００５は、該電流指令値と電力系統２に出力する交流系統検出値が一致するよう、上記電流検出値と系統電流指令値との偏差を算出し、その偏差を零にするようにＰＩ演算を行い、系統側交流電圧指令値を決定し、この電圧指令値を変調波としてＰＷＭ制御ブロック２０００８に入力する。ＰＷＭ制御ブロック２０００８は該変調波と搬送波とを比較して、ゲート駆動信号を作成し、ＩＧＢＴ素子２２ｍ〜２２ｒの各ゲートへ出力する。
【００５４】
ＩＧＢＴ素子２２ｍ〜２２ｒが与えられたゲート信号によりオン・オフすることにより、インバータ２２は、インバータ電流制御器２０００５により出力された交流電圧指令値に対応した電圧を電力系統２側に出力することができる。以上により、インバータ２２は、電力変換器２０の直流電圧を一定に制御するよう、インバータ２２の交流出力電圧を調整する。
【００５５】
以降、本発明の新規な点である、温度センサ２００の出力である温度検出値Ｔａｍｂに応じたピッチ角補正によるブレード過回転防止機構を説明する。
【００５６】
熱交換器４０における冷却水の冷却能力は、冷却水の熱交換器４０入口の冷却水温度と外気温の差に依存し、外気温が高くなると冷却水を十分冷やすことができなくなる。十分冷却水を冷やすことができないと、熱交換器４０出口における冷却水温度が高くなり、結果として冷却システム３による上記ＩＧＢＴ素子や高調波フィルタの冷却能力が低下する。
【００５７】
本発明の過回転防止機構は、冷却システム３の冷却能力の低下を間接的に検出する温度センサ２００、該温度測定手段の出力に応じて冷却能力を検出する冷却能力検出器３０００、およびピッチ角補正器６０００により構成される。該過回転防止機構は、冷却システム３の冷却能力が低下したとき、ピッチ角をフェザー側に調整し、風による入力エネルギーを制限する。これにより、電力変換器２０が電力系統２に送電できる電力が制限された場合でも、風による入力エネルギーを電力変換器２０が送電できるエネルギー以下に低減することができるため、ブレードの過回転を防止することができる。
【００５８】
以降、本実施例のブレード過回転防止機構について、詳細に説明する。
【００５９】
風力発電システム１は、外気温度を検出する温度センサ２００を備える。温度センサ２００は、外気温度に正比例した値Ｔａｍｂを出力し、該出力は冷却能力検出器３０００に入力される。外気温検出場所は、冷却システム３近傍であることが望ましく、好ましくは冷却システム入気口１００ｍ以内である。
【００６０】
冷却能力検出器３０００は、図４に示すようなＴａｍｂに対する冷却能力検出テーブルを備える。すなわち、温度センサ２００からの入力Ｔａｍｂが所定の値ｔ１より高い場合、冷却能力検出器３０００は、該検出手段の出力を入力Ｔａｍｂに対して単調減少させる特性を有する。
【００６１】
ここで、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳは、電力変換器２０が電力系統２に送電可能な電力の低減幅に相当する。該冷却能力検出器３０００の出力信号は、ピッチ角補正器６０００に入力される。
【００６２】
ピッチ角補正器６０００は、上位コントローラ１０００からのピッチ角指令φｒｅｆ、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳを入力し、補正されたピッチ角指令φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に出力する。
【００６３】
具体的なピッチ角補正方法について、図５を用いて説明する。
【００６４】
上位コントローラ１０００は、風速計２０１の出力ｖを入力とし、該風速計出力ｖと、風速とブレードの回転速度を対応づける回転速度指令演算器１０００１を用いてブレード回転速度指令値ωｒｅｆを算出する。さらに、上位コントローラ１０００の回転速度制御器１０００２は、電力変換器コントローラ２０００より入力したブレード角速度ωと上記回転速度指令ωｒｅｆを入力としてピッチ角指令値φｒｅｆと電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを算出し、ピッチ角指令値φｒｅｆをピッチ角補正器６０００に、発電電力指令値Ｐｒｅｆを電力変換器コントローラ２０００に出力する。
【００６５】
ピッチ角補正器６０００は、冷却能力検出器３０００の出力ΔＳを乗算器６００１によりゲインＫで乗算し、その積を加算器６００２に入力する。ここで、ゲインＫは、電力変換器２０の送電可能電力低減幅ΔＳをピッチ角に補正するゲインであり、ΔＳが負の場合にはピッチ角がフェザー側に変更され、ブレード１０の回転方向のトルクが減少する。ゲインＫは、ピッチ角の補正により、風による入力エネルギーが電力変換器２０の発電可能電力より小さくなるように設計する。
【００６６】
加算器６００２は上位コントローラ１０００から入力されたピッチ角指令φｒｅｆに乗算器６００１出力を加算し、その和を補正されたピッチ角φｒｅｆ２としてピッチ角調整器１２に出力する。
【００６７】
以上より、温度センサ２００の出力が所定の値ｔ１より高い場合、ブレード１０のピッチ角指令値φｒｅｆ２はフェザー側に補正され、風によりブレード１０に入力されるトルクが減少し、風力発電システムの入力エネルギーが低減する。
【００６８】
本実施例の風力発電システムの動作波形例を図１０に示す。
【００６９】
図１０のグラフは、上から順に温度センサ２００検出値Ｔａｍｂ、送電可能電力低減幅ΔＳ、ピッチ角指令φｒｅｆ２、ブレード回転角速度ω、そして発電機発電電力Ｐの時間変化を示すものである。
【００７０】
時刻ｔｉｍｅ１において、温度センサ２００が所定の判定温度ｔ１を超える。本発明の風力発電システム１は、冷却能力検出器３０００により温度センサ２００出力値が所定温度ｔ１を超えたことを検出し、送電可能電力低減幅ΔＳをピッチ角補正器６０００に出力する。ピッチ角補正器６０００は、ΔＳに応じて上位コントローラ１０００から出力されたピッチ角指令値φｒｅｆを、ピッチ角指令値φｒｅｆ２をフェザー側であるマイナス方向に変更し、ピッチ角調整器１２に出力する。ピッチ角調整器１２は指令値φｒｅｆ２に従いピッチを調整するため、ブレード１０に印加される回転方向のトルクが減少する。
【００７１】
ブレード１０の回転方向トルクが減少し、時刻ｔｉｍｅ１においては電力変換器２０が発電機１５より受け取る電力は変化しないので、ブレード１０の回転角速度ωが過渡的に低下する。
【００７２】
上位コントローラ１０００は、回転角速度ωの低下を検出して、該回転角速度が指令値ωｒｅｆに一致するよう、電力変換器２０の発電電力指令値Ｐｒｅｆを下げる。
【００７３】
電力変換器コントローラ２０００は、Ｐｒｅｆに従い、発電電力Ｐを下げる。発電電力量Ｐが下がるため、電力変換器２０内部の損失による発熱が低下し、電力変換器２０は運転を継続することができる。
【００７４】
電力変換器２０が運転を継続することができるため、ブレード１０には発電機１５の発電による負荷トルクがかかるため、ブレード１０の回転角速度ωが急上昇することなく過回転を回避することができる。
【００７５】
本実施例では、外気温度を温度センサ２００により検出することで冷却システム３の冷却能力低下を推定しているが、図６に示すように温度センサ２００は冷却システム３の出口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム３の冷却能力低下を推定しても良い。
【００７６】
また、温度センサ２００は、図７に示すように冷却システム３の入口における冷却水温度を検出し、該検出値を用いて冷却システム３の冷却能力を推定しても良い。
【００７７】
また、本実施例の電力変換器は冷却水を用いて発熱の大きい要素であるＩＧＢＴ素子や高調波フィルタリアクトルを冷却する水冷式電力変換器であったが、図８に示すような冷却ファン５０を用いた強制風冷式電力変換器であっても良い。本構成においては、ＩＧＢＴ素子が冷却風との接触面積を増やすための冷却フィンを備えることが望ましい。この場合、温度センサは冷却風入口温度を検出しても良いし、冷却風吐き出し口の空気温度を検出しても良い。
【００７８】
また、本実施例では、冷却能力検出器３０００は電力変換器コントローラ２０００には含まれないが、図９に記載のように電力変換器コントローラ２０００内で送電可能電力低減幅を演算しても良い。
【００７９】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【実施例２】
【００８０】
本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【００８１】
図１１は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【００８２】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００８３】
本実施例と、実施例１記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が電力変換器２０のコンバータ２１とインバータ２２を収納する筐体内に設置される点である。
【００８４】
実施例１では、冷却水の温度を直接、もしくは周囲温度検出により間接的に検出することにより、電力変換器２０を冷却する冷却システム３の冷却能力の低下を検出することに対し、本実施例は電力変換器２０の筐体内温度を検出することで冷却システム３の冷却能力低下を推定し、ブレード１０のピッチ角指令値を補正するものである。
【００８５】
本構成により、電力変換器２０の内部損失による発熱と、冷却による熱放出のアンバランスを直接検出することができるため、電力変換器２０のトリップを回避でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【００８６】
以下、図１１、図１２を用いて本実施例の風力発電システムを説明する。
【００８７】
図１１には、本実施例の風力発電システムの電力変換器２０および冷却システム３を示す。電力変換器２０は、電力ケーブル２５を介して発電機１５へ、電力ケーブル２６を介して変圧器３０へ接続する。図示しないブレード、ハブ、シャフト、発電機、ナセル、タワー、変圧器、電力系統は実施例１で示した風力発電システム１と同様である。
【００８８】
図１２に本実施例の風力発電システムの詳細を示す。
【００８９】
本実施例の風力発電システムは、電力変換器２０が筺体１００００を備え、該筺体内にコンバータ２１、インバータ２２を備える。また、本実施例の風力発電システムでは、温度センサ２００を冷却システム３の近傍ではなく、筐体１００００内に備える。
【００９０】
外気温度上昇により、電力変換器２０を冷却する冷却システム３の冷却能力が低下した場合、電力変換器２０内の損失による発熱が冷却システム３により筺体１００００の外部に引き抜かれる熱量を上回り、電力変換器２０の盤内温度が上昇する。温度センサ２００は、該盤内温度を検出し、冷却能力検出器３０００に検出した温度Ｔａｍｂを出力する。
【００９１】
温度センサ２００は、筐体内の発熱と冷却による放熱のバランスを検出することが目的であるため、筐体上部に備えられることが望ましい。具体的には、筺体の高さ方向１／２以上高い場所に供えられることが望ましい。
【００９２】
温度センサ２００と風力発電システムのコントローラとの関係を図１２に示す。
【００９３】
温度センサ２００で検出した筐体内温度Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力され、電力変換器コントローラ２０００は実施例１で説明した冷却能力検出器３０００と同じ演算を実施し、送電電力低減幅ΔＳをピッチ角補正器６０００に出力する。
【００９４】
本構成とすることにより、本実施例の風力発電システムでは電力変換器２０筐体内の温度上昇を検出し、ブレード１０のピッチ角を補正することができるため、電力変換器２０への発電電力指令が減少し、電力変換器２０の発熱が低減される。発熱が低減されることにより、電力変換器２０の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転を継続できるため、ブレード１０の過回転を回避することができる。
【００９５】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【００９６】
さらに、本実施例によれば電力変換器２０の筺体内の温度を検出することにより、電力変換器２０内部の損失による発熱と、電力変換器２０の冷却システム３による冷却のアンバランスを検出することができるため、より確実に冷却システム３の冷却能力低下を検出でき、電力変換器２０の運転継続を実現でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例３】
【００９７】
本実施例では、冷却能力を電力変換器内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【００９８】
図１３は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【００９９】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１００】
本実施例と、実施例２記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が電力変換器２０の半導体素子の冷却フィンに設置される点である。
【０１０１】
水冷の電力変換器では、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに半導体素子のジャンクション温度が許容値を超え、素子破壊を起こす可能性がある。冷却フィン温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができるため、より確実に半導体素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１０２】
以降、図１３を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１０３】
図１３には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１および２に記載のものと同一である。
【０１０４】
本実施例の電力変換器２０は、半導体素子２２ｑの冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１０５】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１および実施例２のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１０６】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により該半導体素子の冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０の半導体素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１０７】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１０８】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１０９】
さらに、本実施例によれば、半導体素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、半導体素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例４】
【０１１０】
本実施例では、冷却能力を高調波フィルタ内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【０１１１】
図１４は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【０１１２】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１１３】
本実施例と、実施例２または３記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンに設置される点である。
【０１１４】
前記実施例３と同様に水冷の高調波フィルタでは、冷却フィンの熱時定数が短く、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するまえに高調波フィルタの温度が許容値を超え、絶縁破壊が起き、電力変換器２０の破損につながる可能性がある。よって、高調波フィルタの冷却フィン温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、フィルタ素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができるため、より確実にフィルタ素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１１５】
以降、図１４を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１１６】
図１４には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１乃至３に記載のものと同一である。
【０１１７】
本実施例の電力変換器２０は、高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。なお、高調波フィルタ２１ｆｉｌの冷却フィンに温度センサ２００を備える構成としても良い。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１１８】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１乃至３のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１１９】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により高調波フィルタ２２ｆｉｌの冷却フィンの温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０のフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１２０】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１２１】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１２２】
さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【実施例５】
【０１２３】
本実施例では、冷却能力を半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン内部温度により検出する風力発電システム１の例を説明する。
【０１２４】
図１５は、実施例１における風力発電システム１を示す構成図の例である。
【０１２５】
図１の風力発電システム１のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【０１２６】
本実施例と、実施例２乃至４記載の風力発電システムとの差は、温度センサ２００が半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに設置される点である。
【０１２７】
前記実施例３乃至４と比較して水冷の半導体素子および高調波フィルタより、冷却フィンの熱時定数は長いが、冷却システム３の冷却能力が低減したときに筐体内温度が検出可能なほど上昇するより早く、冷却能力の低減を検出することができ、さらに実施例３および４と比較して、温度センサ２００を個々の半導体素子および高調波フィルタに取り付ける必要もないため、コストを削減できる。さらに、個々の半導体素子や高調波フィルタに温度センサ２００を取り付ける実施例よりも、一元化して管理が可能である。そのことにより、半導体素子やフィルタ素子の温度が許容値を超える前に、前記冷却フィン内温度を温度センサ２００により検出し、該検出温度が所定温度ｔ１より高くなったときにブレード１０のピッチ角をフェザー側に調整することにより、半導体素子やフィルタ素子が過熱する前に電力変換器２０の発電電力を低減することができる。
【０１２８】
そして、より確実に半導体素子やフィルタ素子を保護しながら電力変換器２０の運転を継続させることができる。電力変換器２０が運転を継続できるため、ブレード１０には電力変換器２０の発電電力によりブレード１０の回転を減速させるトルクを発生でき、結果としてブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１２９】
以降、図１５を用いて本実施例の風力発電システムの説明をする。
【０１３０】
図１５には、風力発電システム１のエネルギー伝達部を示す。ここで、図示しないナセル６０、タワー７０は実施例１乃至４に記載のものと同一である。
【０１３１】
本実施例の電力変換器２０は、半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィンに接する温度センサ２００を備える。温度センサ２００の出力Ｔａｍｂは、電力変換器コントローラ２０００に入力される。該コントローラ内部では、実施例１記載の冷却能力検出器３０００の演算と同じ演算を実施し、送電可能電力低減幅ΔＳ算出値をピッチ角補正器６０００に出力する。
【０１３２】
ピッチ角補正器６０００は、電力変換器コントローラ２０００から出力された送電可能電力低減幅ΔＳを入力とし、実施例１乃至４のピッチ角補正器６０００の演算と同様にピッチ角指令値を補正し、その出力であるピッチ角指令値φｒｅｆ２をピッチ角調整機１２に送信する。
【０１３３】
上記構成により、本実施例の風力発電システム１は、温度センサ２００により半導体素子および高調波フィルタの冷却フィン以外の冷却フィン温度を検出し、冷却フィンの温度が所定値以上であればブレード１０のピッチ角をフェザー側に補正して電力変換器２０の発電電力を減少させ、電力変換器２０の半導体素子およびフィルタ素子の過熱を回避しながら電力変換器２０の運転継続を可能とする。
【０１３４】
電力変換器２０が運転を継続するので、ブレード１０の回転を減速させる方向のトルクがかかるため、ブレード１０の過回転を防止することができる。
【０１３５】
以上のように、本実施例の風力発電システムは、外気温上昇によって電力変換器冷却能力が減少しても、風による入力エネルギーを制限することと、電力変換器の運転継続を実現することにより、ブレードの過回転を防止することができる。
【０１３６】
さらに、本実施例によれば、フィルタ素子の冷却フィン検出温度を用いてピッチ角を補正できるため、フィルタ素子をより確実に過熱から保護しながら電力変換器２０の運転を継続でき、結果としてブレード１０の過回転を回避することができる。
【０１３７】
図１６に、本発明におけるブレード１０のピッチ角を可変制御した前後の状態について例示する。
【０１３８】
まず、ブレード１０を含む風車からどのように風力を得るかについて説明すると、ブレード１０に風８０が当たると、ブレード１０の周りに相対的な空気の流れができ、この空気の流れは、ブレードの風上８１および風下８２で速さが異なるため、その速さの違いから圧力差が生じる。その圧力差が揚力８３となりブレードは回転面８４を軸として回転する。
【０１３９】
この回転速度を可変するには、前記ブレードの取り付け角度であるピッチ角を可変させることで、ブレードの周囲の空気の流速が変化し、揚力も変化する。
【０１４０】
具体的には、冷却機能の低下により、電力変換器の出力電圧可能量が減少している場合、図１６（ａ）のピッチ角制御前のブレードのピッチ角８６を、同図（ｂ）のブレードのピッチ角８７のように大きくし、ブレードに当たる風８０の向きと平行に近づけるようにブレードを調整する。このことにより、ブレードに係る揚力を減少させ、回転力を減少させる。
【０１４１】
結果、前記送電可能電力に応じた前記ブレードからの入力エネルギーをコントロールし、前記ブレードの過回転および前記電力変換器の故障を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【０１４２】
１ 風力発電システム
２ 電力系統
３ 冷却システム
１０ ブレード
１１ ハブ
１２ ピッチ角調整器
１３ シャフト
１４ ギア
１５ 発電機
２０ 電力変換器
２１ コンバータ
２１ｕｐ、２１ｕｎ、２１ｖｐ、２１ｖｎ、２１ｗｐ、２１ｗｎ、２２ｕｐ、２２ｕｎ、２２ｖｐ、２２ｖｎ、２２ｗｐ、２２ｗｎ 半導体スイッチング素子
２１ｆｉｌ、２２ｆｉｌ 高調波フィルタ
２２ インバータ
２２ｃｄｃ 平滑コンデンサ
２３ 電磁接触器
２４ 電力変換器入気口
２５、２６ 電力ケーブル
３０ 変圧器
４０ 熱交換器
４１ ポンプ
５０ 冷却ファン
６０ ナセル
７０ タワー
８０ 風
８１ 風上
８２ 風下
８３ 揚力
８４ 回転面
８５ ブレード角
８６、８７ ピッチ角
１００、１０１ 交流電圧センサ
１０２ 直流電圧センサ
１０３、１０４ 電流センサ
２００ 温度センサ
２０１ 風速計
３００、６００２ 加算器
１０００ 上位コントローラ
２０００ 電力変換器コントローラ
３０００ 冷却能力検出器
６０００ ピッチ角補正器
６００１ 乗算器
１００００ 筺体
１０００１ 回転速度指令演算器
１０００２ 回転速度制御器
２０００１ 有効電力制御器
２０００２ 端子電圧制御器
２０００３ 発電機電流制御器
２０００４ 直流電圧制御器
２０００５ インバータ電流制御器
２０００６ 電力算出器
２０００７、２０００８ ＰＷＭ制御ブロック
２０００９、２００１０ 位相検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、
前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、
前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、
を有する風力発電システムであって、
前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、
前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、
前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、
前記風力発電システム内または前記風力発電システム外の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記電力変換器から前記電力系統に送電することができる電力の低減幅を推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２に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、所定の温度を予め設定したデータテーブルをさらに備え、前記温度センサの検出した温度が、前記データテーブルで設定されている温度よりも高くなるにつれて、前記電力の低減幅を単調減少させて推定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２または３に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値補正手段は、前記冷却能力検出手段から出力された前記電力の低減幅に基づいて、前記ピッチ角指令値の補正値を求め、前記ピッチ角指令値と前記補正値を加算することで、補正後のピッチ角指令値を出力することを特徴とする風力発電システム。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整するピッチ角調整手段を備え、前記ピッチ角調整手段は、前記補正後のピッチ角指令値に基づき、前記ブレードのピッチ角を可変制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
請求項２乃至５の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、前記冷却システム内または前記冷却システム外に備えられ、前記冷却システム内または前記冷却システム外の気温を検出することを特徴とする風力発電システム。
【請求項７】
請求項２乃至５の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、
前記電力変換器を収納する筺体内または筺体外に備えられ、前記筺体内または筺体外の気温を検出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１乃至７の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記同期発電機と前記コンバータ間、および前記インバータと前記電力系統間に設けられた高調波フィルタリアクトルをさらに冷却し、前記冷却能力検出手段は、前記冷却システムの前記高調波フィルタリアクトルに対する冷却能力または前記高調波フィルタリアクトルの冷却状態を検出することを特徴とする風力発電システム。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記コンバータまたは前記インバータに対し冷却風を用いて熱量を放出させる熱交換器と、前記冷却風を循環させるファンとを備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１０】
請求項１乃至８の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記電力変換器から熱量を受け取った冷却水の熱量を放出させる熱交換器と、冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に送出するためポンプと、前記ポンプから送出された冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に配水させるため冷却水配管と、前記冷却水配管から配水された冷却水を前記電力変換器内に循環させる冷却フィン水路とを備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の風力発電システムにおいて、
前記冷却水配管内または前記冷却フィン水路内の冷却水の温度を前記温度センサにより検出することを特徴とする風力発電システム。
【請求項１】
ピッチ角可変のブレードと機械的に接続された同期発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力する直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
電力系統に電気的に接続され、前記コンバータから前記平滑コンデンサを介して前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換し、前記電力系統に出力するインバータと、
前記ブレードのピッチ角の可変制御を行うためのピッチ角指令値を算出し、前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整する指令を行うピッチ角指令値算出手段と、
前記コンバータおよび前記インバータを冷却する冷却システムと、
を有する風力発電システムであって、
前記冷却システムの冷却能力、または前記コンバータおよび前記インバータを含む電力変換器の冷却状態を検出する冷却能力検出手段と、
前記ピッチ角指令値算出手段により算出された前記ピッチ角指令値を補正するピッチ角指令値補正手段とを備え、
前記冷却能力検出手段の検出結果に基づいて、前記ピッチ角指令値補正手段が前記ピッチ角指令値を補正し、前記補正されたピッチ角指令値に応じて、前記ブレードのピッチ角を可変制御する指令を行うことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、
前記風力発電システム内または前記風力発電システム外の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記電力変換器から前記電力系統に送電することができる電力の低減幅を推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２に記載の風力発電システムであって、
前記冷却能力検出手段は、所定の温度を予め設定したデータテーブルをさらに備え、前記温度センサの検出した温度が、前記データテーブルで設定されている温度よりも高くなるにつれて、前記電力の低減幅を単調減少させて推定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２または３に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値補正手段は、前記冷却能力検出手段から出力された前記電力の低減幅に基づいて、前記ピッチ角指令値の補正値を求め、前記ピッチ角指令値と前記補正値を加算することで、補正後のピッチ角指令値を出力することを特徴とする風力発電システム。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角指令値から前記ピッチ角を機械的に調整するピッチ角調整手段を備え、前記ピッチ角調整手段は、前記補正後のピッチ角指令値に基づき、前記ブレードのピッチ角を可変制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
請求項２乃至５の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、前記冷却システム内または前記冷却システム外に備えられ、前記冷却システム内または前記冷却システム外の気温を検出することを特徴とする風力発電システム。
【請求項７】
請求項２乃至５の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記温度センサは、
前記電力変換器を収納する筺体内または筺体外に備えられ、前記筺体内または筺体外の気温を検出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１乃至７の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記同期発電機と前記コンバータ間、および前記インバータと前記電力系統間に設けられた高調波フィルタリアクトルをさらに冷却し、前記冷却能力検出手段は、前記冷却システムの前記高調波フィルタリアクトルに対する冷却能力または前記高調波フィルタリアクトルの冷却状態を検出することを特徴とする風力発電システム。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記コンバータまたは前記インバータに対し冷却風を用いて熱量を放出させる熱交換器と、前記冷却風を循環させるファンとを備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１０】
請求項１乃至８の何れかに記載の風力発電システムであって、
前記冷却システムは、前記電力変換器から熱量を受け取った冷却水の熱量を放出させる熱交換器と、冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に送出するためポンプと、前記ポンプから送出された冷却水を前記熱交換器と前記電力変換器間に配水させるため冷却水配管と、前記冷却水配管から配水された冷却水を前記電力変換器内に循環させる冷却フィン水路とを備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の風力発電システムにおいて、
前記冷却水配管内または前記冷却フィン水路内の冷却水の温度を前記温度センサにより検出することを特徴とする風力発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−６６３１９（Ｐ２０１３−６６３１９Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４０５５（Ｐ２０１１−２０４０５５）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【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２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【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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