JP2006296189A - 風力発電装置の発電機制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過大風速により回転数が過大に上昇してもブレーキなどの外部装置を用いずに風車の回転を減速するとともに、発電装置の稼働率を向上できる発電機制御方法を提供する。
【解決手段】 風車１０と、発電機２０と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータ３０と、コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータ４０とを備え、ある風速での風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、発電機２０の回転数が上昇した時にトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへ移行する保護検出レベルを設け、また、発電機２０の回転数が下降した時にトルク指令パターンへ復帰する復帰検出レベルを設けたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力を電力へ変換する風力発電装置の発電機制御方法およびその装置に関する。

従来の風力発電装置では、暴風等の過大風速により回転数が過大に上昇した場合、風車の破損を防止するため電気ブレーキまたは機械ブレーキにより風車を減速するようにしている（例えば、非特許文献１参照）。
また、目標のトルク指令値に対して風速エネルギーが小さい領域ではトルク指令値を下降し、風速エネルギーが大きい領域ではトルク指令値を上昇することで一定トルクを保つようにした発電機制御もある（例えば、特許文献１参照）。
また、低風速時には最大出力を取り出し、高風速時には平準化した出力を取り出すようにした発電機制御もある（例えば、特許文献２参照）。
また、風況予測情報によって出力可能な風車の出力をスケジューリングして風車ブレードのピッチおよび電力変換機を制御し、所定の出力を取り出すようにした発電機制御もある（例えば、特許文献３参照）。

図４は非特許文献１の原理に係る従来の風力発電装置を示すブロック図である。
図において、１１は風車であり、風１０のエネルギーを回転エネルギーへ変換する。２０は発電機であり、風車１１の回転エネルギーを交流の電気エネルギーへ変換する。３０はコンバータであり発電機２０を制御して取り出した交流を直流へ変換してＤＣリンクへ３１出力する。４０はインバータであり、直流を所定の電圧と周波数の交流へ変換して系統へ出力する。５０はシーケンサなどからなるコントローラであり、コンバータ３０を介して発電機２０の回転数をモニタし、過大風速時に発電機２０の回転数が過大に上昇した場合にブレーキ６０を動作して風車１１を減速する。
このように、従来の風力発電装置では、ブレーキ６０により風車１１を減速することで過大風速時に風車１１の破損を防止するという手順がとられていた。

佐藤 雄志著「小型風力発電「そよ風くん(登録商標)」の開発」電気学会論文誌産業応用部門誌 Ｖｏｌ．１２４ Ｎｏ．９ ２００４ ｐ．９７６ 特開平１１−６２８１４号公報（第４−６頁、図２） 特開２００４−６４９２９号公報（第４−６頁、図１、図２） 特開２００３−８３２２９号公報（第４−６頁、図１）

このように、従来の風力発電装置では、過大風速により回転数が過大に上昇した場合、ブレーキ６０により風車を減速するという手順をとっているので、発電装置が複雑になり信頼性が低下するという問題があった。
また、長時間のブレーキ６０による減速回転を行うと、ブレーキ６０が過熱したり磨耗が激しくなり、減速回転を維持できなくなるという問題あった。
さらに、ブレーキ６０の過熱や磨耗を避けるため風車１１を停止した場合、風圧により風車１１が破損するという問題もあった。
そして、過大風速によりブレーキ６０が動作すると、通常の運転に復帰する際には手動により復帰となるため、発電装置の稼働率が低下するという問題もあった。
また、特許文献１記載の発明のように、目標のトルク指令値に対して風速エネルギーが小さい領域ではトルク指令値を下降し、風速エネルギーが大きい領域ではトルク指令値を
上昇することで一定トルクを保つようにした場合、過大風速時には発電機２０とコンバータ３０とインバータ４０が過負荷運転となり、過熱から制御不能となるという問題があった。
また、特許文献２記載の発明のように、低風速時には最大出力を取り出し、高風速時には平準化した出力を取り出すようにした場合も同様に、過大風速時には発電機２０とコンバータ３０とインバータ４０が過負荷運転となり、過熱から制御不能となるという問題があった。
そして、特許文献３記載の発明のように、風況予測情報によって出力可能な風車１１の出力をスケジューリングして風車ブレードのピッチおよび電力変換機を制御し、所定の出力を取り出すようにした場合、ブレードのピッチを調整することにより風車を減速するという手段をとっているので、発電装置が複雑になり信頼性が低下するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに風車１１の回転を減速するとともに、発電装置の稼働率を向上することができる風力発電装置の発電機制御方法およびその装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は風力発電装置の発電機制御方法に係り、風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータとを備えた風力発電装置の発電機制御方法において、ある風速での風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、前記発電機の回転数が所定の値を超えた時に前記トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行するようにしたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は請求項１記載の風力発電装置の発電機制御方法において、前記保護トルク指令パターンでの制御で、前記発電機の回転数が下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記トルク指令パターンへ復帰するようにしたことを特徴としている。

請求項３記載の発明は風力発電装置の発電機制御方法に係り、風車と、発電機と、発電機の回転に応じた保護トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータと、を備えた風力発電装置の発電機制御方法であって、前記発電機の回転に応じて決まる前記保護トルク指令パターンを決める要素としてゲインＫを含み、速度ωの関数ｆ（ω）との積として、トルク指令Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｋ・ｆ（ω）で与えられる構成において、所定のレベルに満たない風速で平常に運転する場合は平常時用のゲインＫnormで運転し、風速がある所定のレベルを超えた場合に、前記所定のレベルを超えたことを判定し、前記所定のレベルを超えたと判断した場合には、前記保護トルク指令パターンを決めるゲインを所定の変化量で増加させ、前記ゲインを上昇させたことにより回転数が低下し、前記発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判断した場合に、その時点でゲインの大きさでゲインを固定し運転を継続することを特徴としている。
請求項４記載の発明は請求項３記載の風力発電装置の発電機制御方法において、前記保護トルク指令パターンでの制御で、風力が平常のレベルまで低下した場合に、その状態を発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなったことにより検出し、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻して平常運転状態に復帰すようにしたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は風力発電装置の発電機制御装置に係り、風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータとを備えた風力発電装置の発電機制御方法において、ある風速での風車の最大トルクとなる点よりも低
い回転数の領域に保護トルク指令パターンを有し、前記発電機の回転数が上昇した時に前記トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させる保護検出レベルを設けたことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の風力発電装置の発電機制御装置において、前記保護トルク指令パターンでの制御において、前記発電機の回転数が下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記トルク指令パターンへ復帰する復帰検出レベルを設けたことを特徴としている。

請求項７記載の発明は風力発電装置の発電機制御装置に係り、風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータと、を備えた風力発電装置の発電機制御装置であって、前記発電機の回転に応じて決まる前記トルク指令パターンを決める要素としてゲインＫを含み、速度ωの関数ｆ（ω）との積として、トルク指令Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｋ・ｆ（ω）で与えられる構成において、平常時用のゲインＫnormで運転する平常時用低ゲイン運転部と、前記トルク指令パターンを決めるゲインを所定の変化量で増加させるゲイン増加部と、ゲインの大きさをそのときのゲインに固定するゲイン固定部と、風速が所定のレベルを超えたかどうか判定する風速判定部と、発電機トルクが所定のレベルかどうかを判定する発電機トルク判定部を備え、前記風速判定部が所定のレベルに満たない風速と判定したときは前記平常時用低ゲイン運転部を動作させ、前記風速判定部が風速がある所定のレベルを超えたと判断した場合には、前記ゲイン増加部を動作させ、ゲインを上昇させたことにより、回転数が低下し、前記発電機トルク判定部が発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判定した場合に前記ゲイン固定部を動作させてその時点でのゲインの大きさで運転を継続させるようにしたことを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の風力発電装置の発電機制御装置において、前記保護トルク指令パターンでの制御において、風力が平常のレベルかどうか判定する風力平常レベル判定部を有し、前記風力平常レベル判定部が風力が平常のレベルまで低下したと判定し、かつ前記発電機トルク判定部が発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判定した場合に、平常時用低ゲイン運転部を動作させて、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻し、平常運転状態に復帰させるようにしたことを特徴としている。
請求項９記載の発明は、請求項３記載の風力発電装置の発電機制御装置において、ゲインを上昇させたことにより、回転数が低下し、発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判断した場合に、その時点の回転数で発電機の回転数を一定として運転を継続することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の風力発電装置の発電機制御装置において、風力が平常のレベルまで低下した場合に、その状態を発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなったことにより検出し、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻す処理により、平常運転状態に復帰することを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項９記載の風力発電装置の発電機制御装置において、風速が前記所定のレベルを超えた状態が所定の時間継続した場合に前記所定のレベルを超えたと判定することを特徴とするものである。
請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の風力発電装置の発電機制御装置において、発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなった状態が所定の時間継続した場合に風力が平常のレベルに低下したと判定することを特徴とするものである。

請求項１および５記載の発明によると、ブレーキなどの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。
また、過大風速時に風車を停止することがないため、風車が破損することがない。
また、請求項２および６記載の発明によると、自動的に平常の運転に復帰し、風車を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。

請求項３および７記載の発明によると、コンバータの制御において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行の手順をとるので、ブレーキなどの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。
また、過大風速時に風車を停止することがないため、風車が破損することがない。
また、請求項４および８記載の発明によると、保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへの復帰の手順をとるので、自動的に平常の運転に復帰し、風車を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。
請求項９記載の発明によると、ブレーキなどの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車が過回転となることが無く、風車を停止することもないため、風車に過大な力が掛かることがなく風車を破損することがない。また、過大風速時には風車を低回転数の領域で運転するため、発電装置が過負荷となることが無く過熱により制御不能となることが無い。
また、請求項１０に記載の発明によると、自動的に平常の運転に復帰し、風車を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。
また、請求項１１に記載の発明によると瞬間的な風力の変動により所定のレベルを超えたと判定することが無く、また請求項１２に記載の発明によると瞬間的な風力の変動により所定のレベルより小さくなったと判定することが無く、安定して平常運転または過大風速時に風車の回転を減速した運転を継続することができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１に係る方法を実施する風力発電装置の構成を示すブロック図である。図において１１は風車であり、風１０のエネルギーを回転エネルギーへ変換する。２０は発電機であり、風車１１と直結またはギアなどを介して接続されており、風車１１の回転エネルギーを交流の電気エネルギーへ変換する。３０はコンバータであり発電機２０を制御して取り出した交流を直流へ変換してＤＣリンク３１へ出力する。４０はインバータであり、直流を所定の電圧と周波数の交流へ変換して系統へ出力する。

図２は、本発明のトルク指令パターンおよび風車１１の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフで、（ａ）は風車の回転数対トルク特性、（ｂ）は風車の回転数対出力特性である。
図において（ａ）のＷＴ１はある風速１における風車１のトルク特性であり、（ｂ）のＷＰ１はその時の出力特性である。同様に、ＷＴ２とＷＰ２、ＷＴ３とＷＰ３、ＷＴ４とＷＰ４は、風速２、風速３、風速４における風車１１のトルク特性と出力特性である。なお、風速は風速１＜風速２＜風速３＜風速４の順で大きくなる。また、風速１、風速２、風速３は平常時の風速であり、風速４は平常時の風速を上回る過大な風速である。発電機は風車の回転数に比例して回転数が増減する。Ｔnormは平常時のトルク指令パターンであり、発電機の回転数に応じたトルク指令となっている。Ｐnormは、平常時のトルク指令パターンによって発電機制御を行った結果得られる風車１１の出力である。Ｔerは保護トルク指令パターンであり、Ｐerは、保護トルク指令パターンによって発電機制御を行った結果得られる風車１１の出力である。
また、図３は本発明の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行および復帰する処理手順を示すフローチャートである。

図２および図３を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
平常時は、風１０は風速１、風速２、風速３の間で変動している。
コンバータ３０は、平常時のトルク指令パターンＴnormで発電機２０を制御しており、風速に応じてＴｎ１、Ｔｎ２、Ｔｎ３のトルク指令により、風車１１からＰｎ１、Ｐｎ２、Ｐｎ３の出力を取り出している。このとき、コンバータ３０では、発電機２０から出力される電圧と電流から計算により発電機２０の回転数と電力および風車１１が出力しているトルクを求めて発電機２０の状態を監視している。
次に、風速が上昇して過大な風速である風速４になると、風車１１の回転数が上昇するとともにトルク指令値も上昇しＴｎ４となる。このとき、回転数が保護検出レベルωerを超えるため、コンバータ３０では過大な風速になったと判断し、平常のトルク指令パターンＴnormから保護トルク指令パターンＴerへ移行を開始する。
次に、平常のトルク指令パターンＴnormから保護トルク指令パターンＴerへの移行の手順について説明する。風速４により、回転数が保護検出レベルを超えて上昇しＴ１になると、コンバータ３０ではトルク指令値をＴ１より微少量ΔＴだけ大きいトルク指令を出力する。コンバータ３０によりＴ１＋ΔＴのトルク指令が与えられると、風車１１が出力できるトルクはＴ１であるため、風車１１にはΔＴの減速するトルクがかかり回転数が下降する。風車１１の回転数が下降すると、風車１１が出力できるトルクは上昇するため、コンバータ３０ではトルク指令値をさらにΔＴだけ大きくしＴ１＋２ΔＴのトルク指令を出力する。この手順を繰り返してトルク指令値を徐々に大きくしていくことで、風車１１の回転数が下降していく。

次に、風車１１の回転数が下降して行くと、上昇していた風車１１の出力できるトルクがＴｍを最大として減少し始める。コンバータ３０では発電機２０の回転数と風車１１が出力しているトルクを求めて監視しているため、トルク指令をΔＴ増加する前後の風車１
１が出力しているトルクを比較することで、風車１１の出力できるトルクが減少し始めたことを検出することができる。
風車１１の出力できるトルクが減少し始めると、コンバータ３０のトルク指令が増加していくと風車１１の回転数が急激に下降してしまう。このため、コンバータ３０は風車１１の出力できるトルクが減少し始めたことを検出すると、トルク指令をその時点でのトルク指令値に固定する。このときのトルク指令値はＴｍよりも大きくなっているため、トルク指令値を固定していても風車１１の回転数は下降して行き、風車１１の回転数が下降するに連れて風車１１が出力するトルクも下降していく。

次に、回転数が下降するに連れて風車１１が出力するトルクも下降していく。平常時の風速３におけるトルク指令値Ｔｎ３よりも下降すると、出力はＰｎ３よりも小さくなり、発電機２０、コンバータ３０、インバータ４０が過熱することなく正常に運転が可能である。このため、風車１１の出力するトルクがＴｎ３よりも下降した時点で保護トルク指令パターンＴerをトルク指令パターンとして設定する。なお、トルク指令パターンは、通常、回転数の２乗に比例する特性など簡単な式で表わせる特性となっているため、保護トルク指令パターンＴerは設定する時点の回転数と風車１１が出力しているトルクから容易に決定することができる。
これにより、過大風速時において風車１１の回転数を低い回転数に抑制しながら運転を継続することができる。
このようにコンバータ３０の制御において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行の手順をとるので、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車１１の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車１１を停止することがないため、風車が破損することがない。

次に、保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへの復帰の手順について説明する。
風速が低下して過大な風速４から平常の風速３、風速２、風速１と低下するに連れて、風車１１が出力するトルクは低下し、回転数も低下していく。これにより、風車１１の回転数が低下したことから風速が低下したことが分かる。そこで、コンバータ３０では、風車１１の回転数が復帰検出レベルωｒｅｓよりも下降したことを検出し、トルク指令パターンを保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへ復帰する。
このように、保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへの復帰の手順をとるので、自動的に平常の運転に復帰し、風車１１を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。

図２および図４を用いて本発明の実施例２に係る方法を説明する。
平常時は、風１０は風速１、風速２、風速３の間で変動している。コンバータ３０は、平常時のトルク指令パターンＴnormで発電機２０を制御しており、風速に応じてＴｎ１、Ｔｎ２、Ｔｎ３のトルク指令により、風車１１からＰｎ１、Ｐｎ２、Ｐｎ３の出力を取り出している。このとき、コンバータ３０では、発電機２０から出力される電圧と電流から計算により発電機２０の回転数と電力および風車１１が出力しているトルクＴｗｉｎｄを求めて発電機２０の状態を監視している。このとき、図４において、平常運転中は保護動作移行完了フラグは”０”であり、（Ｓ１）の判定で”ｎｏ”の条件の処理（Ｓ２）が実行され、ここでも過大風力条件を越えていないため、（Ｓ３）の処理でトルクゲインＫとして平常時のトルクゲインＫnormが用いられ、（Ｓ４）の処理でトルク指令Ｔ＿ｒｅｆを演算している。
次に、風速が上昇して過大な風速である風速４になると、風車１１の回転数が上昇するとともにトルク指令値も上昇しＴｎ４となる。このとき、発電機の回転数が保護検出レベルωerを超えることもしくはトルク指令Ｔ＿ｒｅｆが保護検出レベルＴer＿ｌｖｌを越えることから、コンバータ３０では過大な風速になったと判断し（Ｓ２）、平常のトルク指令パターンＴnormから保護トルク指令パターンＴerへ移行を開始する。

次に、平常のトルク指令パターンＴnormから保護トルク指令パターンＴerへの移行の手順について説明する。
風速４により、発電機の回転数が保護検出レベルを超えて上昇しＴ１になると、過大風力条件を検出し（Ｓ２）、コンバータ３０ではトルクゲインＫをΔＫ加算し（Ｓ５）、次に風車の出力トルクと保護トルクレベルを比較する（Ｓ６）。ここで、保護トルクレベルは、過大風力時に保護動作中のトルク指令パターンであるトルク指令パターンとなったと判断するためのトルクレベルであり、トルク指令の保護検出レベルＴer＿ｌｖｌよりも小さい値に設定したものである。最初は、風車出力トルク＞保護トルクレベルであるので、次のステップでトルク指令Ｔ＿ｒｅｆを前述の（Ｓ５）の処理でΔＫ加算したトルクゲインＫを用いて演算した値で制御を行う。
ゲインＫをΔＫだけ大きくすると図２におけるトルク指令パターンＴnormの曲線は傾きが急になり保護トルク指令パターンＴerに近づくいていく。そのためトルク指令Ｔ＿ｒｅｆが大きくなっていくが、風車１１が出力できるトルクはＴ１であるため、風車１１にはトルク指令の増加分の減速するトルクがかかり発電機の回転数が下降していく。このとき風車のトルクＴｗｉｎｄも上昇していくが、発電機の回転数が下がり、ピークＴｍを超えると、今度は減少し始める。
引き続き、次の演算周期で図４のフローが実行されたときに、同様に、（Ｓ１），（Ｓ２），（Ｓ５），（Ｓ６）の処理が繰り返され、（Ｓ６）の条件処理で風車出力トルクＴｗｉｎｄが保護トルクレベルを下回ったと判定した場合に、保護動作移行完了フラグを”１”にセットする。
保護動作移行完了フラグを”１”にセットされた次の周期では、（Ｓ１）の処理で保護動作移行完了フラグが”１”であるので、（Ｓ８）の復帰条件検出の処理が実行される。
（Ｓ８）における復帰条件は、風車の出力トルクＴｗｉｎｄが復帰検出レベルＴｒｅｓ＿ｌｖｌを下回ったこともしくは風車１１による発電機の回転数が復帰検出レベルωｒｅｓよりも下降したことを検出することで行っている。
復帰条件を満たすまでの間は、何もせずに次の（Ｓ４）が実行されるため、保護動作移行完了時のトルクゲインＫを保持して、トルク指令Ｔ＿ｒｅｆが演算される。
保護動作中は図２の保護トルク指令パターンＴerで示されるように、平常時の風速３におけるトルク指令値Ｔｎ３よりも下降すると、出力はＰｎ３よりも小さくなり、発電機２０、コンバータ３０、インバータ４０が過熱することなく正常に運転が可能である。なお、トルク指令パターンは、通常、回転数の２乗に比例する特性など簡単な式であらわせる特性となっているため、平常時の指令トルクパターンＴnormは風車の特性に基づき事前に設定することができる。
これにより、過大風速時において風車１１の回転数を低い回転数に抑制しながら運転を継続することができる。

このように、コンバータ３０の制御において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行の手順をとるので、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車１１の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車１１を停止することがないため、風車が破損することがない。

次に、保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへの復帰の手順について説明する。
風速が低下して過大な風速４から平常の風速３、風速２、風速１と低下するに連れて、風車１１が出力するトルクは低下し、発電機の回転数も低下していく。これにより、風車１１による発電機の回転数が低下したことから風速が低下したことが分かる。そこで、（
Ｓ８）の復帰条件を満たした場合は、トルクゲインＫを平常のトルク指令パターンのゲインであるＫnormとし、保護動作移行完了フラグに”０”をセットする（Ｓ９）。
次の周期では、保護動作移行完了フラグが”０”となっているので、上記の平常状態の処理に戻って、（Ｓ１）、（Ｓ２）、（Ｓ３）、（Ｓ４）の各処理が実行される。
このように、保護トルク指令パターンＴerから平常のトルク指令パターンＴnormへの復帰の手順をとるので、自動的に平常の運転に復帰し、風車１１を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。

図６および図７を用いて本発明の実施例３に係る方法を説明する。
図６は、本発明のトルク指令パターンおよび風車１１の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフである。

図６においてWT1はある風速１における風車１のトルク特性であり、WP1はその時の出力特性である。同様に、WT2とWP2、WT3とWP3、WT4とWP4は、風速２、風速３、風速４における風車１１のトルク特性と出力特性である。なお風速は風速１＜風速２＜風速３＜風速４の順で大きくなる。また、風速１、風速２、風速３は平常時の風速であり、風速４は平常時の風速を上回る過大な風速である。発電機は風車の回転数に比例して回転数が増減する。したがってここでは，風車の回転数と発電機の回転数を同義で用いて説明している。Tnormは平常時のトルク指令パターンであり、発電機の回転数に応じたトルク指令となっている。したがって、Tnormは発電機の回転数ωを入力として、ωの関数f(ω)と傾きの勾配を示すトルクゲインKの積で表され、ある発電機回転数ωにおけるトルク指令T_refはT_ref=K・f(ω)で与えられる。Pnormは、平常時のトルク指令パターンによって発電機制御を行った結果得られる風車１１の出力である。Ter_lvlは保護動作を開始するトルクレベルであり，ωerは保護動作を開始する発電機の回転数である。Tp_lvlは保護運転条件のトルクレベルであり，ωpは保護運転条件における発電機の回転数である。

図７は、本発明の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護運転条件への移行および復帰する処理手順を示すフローチャートである。図７が図４と異なる部分はステップS10を備え部分であり、その他は図４と同一である。

図６、図７を用いて本発明の方法を順を追って説明する。

平常時は、風１０は風速１、風速２、風速３の間で変動している。コンバータ３０は、平常時のトルク指令パターンTnormで発電機２０を制御しており、風速に応じてTn1、Tn2、Tn3のトルク指令により、風車１１からPn1、Pn2、Pn3の出力を取り出している。このとき、コンバータ３０では、発電機２０から出力される電圧と電流から計算により発電機２０の回転数と電力および風車１１が出力しているトルクTwindを求めて発電機２０の状態を監視している。このとき図７において、平常運転中は保護動作移行完了フラグは"0"であり、（S1)の判定で"no"の条件の処理(S2)が実行され、ここでも過大風力条件を越えていないため、(S3)の処理でトルクゲインKとして平常時のトルクゲインKnormが用いられ、(S4)の処理でトルク指令T_refを演算している。

次に、風速が上昇して過大な風速である風速４になると、風車１１の回転数が上昇するとともにトルク指令値も上昇しTn4となる。このとき、発電機の回転数が保護検出レベルωerを超えることもしくはトルク指令T_refが保護検出レベルTer_lvlを越え、あらかじめ定めておいた所定の時間経過すると、コンバータ３０では過大な風速になったと判断し(Ｓ２)、平常のトルク指令パターンTnormから保護運転条件ωpへ移行を開始する。
ここで、ωpは保護動作移行完了時の発電機回転数であり、保護運転中は発電機回転数がωpとなるように運転を行う。

次に、平常のトルク指令パターンTnormから保護運転条件ωp への移行の手順について説明する。風速４により、発電機の回転数が保護検出レベルを超えて上昇しTn4になると、過大風力条件を検出し(S2)、コンバータ３０ではトルクゲインKをΔK加算し(S5)、次に風車の出力トルクと保護トルクレベルTp_lvlを比較する(S6)。ここで、保護トルクレベルTp_lvlは、過大風力時に保護動作中の風車出力トルクが所定のトルクとなったと判断するためのトルクレベルであり、トルク指令の保護検出レベルTer_lvlよりも小さい値に設定したものである。最初は、風車出力トルク＞保護トルクレベルであるので、次のステップでトルク指令T_refを前述の(S5)の処理でΔK加算したトルクゲインKを用いて演算した値で制御を行う。

ゲインKをΔKだけ大きくすると図６におけるトルク指令パターンTnormの曲線は傾きが急になっていく。そのためトルク指令T_refが大きくなっていくが、風車１１が出力できるトルクはTn4であるため、風車１１にはトルク指令の増加分の減速するトルクがかかり発電機の回転数が下降していく。このとき風車のトルクTwindも上昇していくが、発電機の回転数が下がり、ピークTmを超えると、今度は減少し始める。

引き続き、次の演算周期で図７のフローが実行されたときに、同様に、(S1),(S2),(S5),(S6)の処理が繰り返され、(S6)の条件処理で風車出力トルクTwindが保護トルクレベルTp_lvlを下回ったと判定した場合に、保護動作移行完了フラグを"1"にセットし(S7)，このときの発電機の回転数をωpとする。

保護動作移行完了フラグを"1"にセットされた次の周期では、(S1)の処理で保護動作移行完了フラグが"1"であるので、(S8)の復帰条件検出の処理が実行される。

(S8)における復帰条件は、風車の出力トルクTwindが復帰検出レベルTres_lvlを下回り、あらかじめ定めておいた所定の時間経過すると、コンバータ３０では平常の風速になったと判断する。

復帰条件を満たすまでの間は、何もせずに次の(S10)が実行されるため、保護動作移行完了時の回転数ωpを保持して、発電機の回転数がωpとなるよう制御を行う。

保護動作中は、風車１１を低回転数の領域で運転するため、発電機トルクが平常時の風速３におけるトルク指令値Tn3と同程度であっても出力はPn3よりも小さくなり、発電機２０、コンバータ３０、インバータ４０が過熱することなく正常に運転が可能である。

これにより、過大風速時において風車１１の回転数を低い回転数に抑制しながら運転を継続することができる。

このように、コンバータ３０の制御において平常のトルク指令パターンから保護運転条件への移行の手順をとるので、ブレーキ６０などの外部装置を用いずに発電機制御のみで過大風速時に風車１１の回転を減速することができ、発電装置が簡略化して信頼性を向上することができる。また、過大風速時に風車１１を停止することがないため、風車が破損することがない。また、瞬間的な風力の変動により所定のレベルを超えたと判定することが無く安定して平常運転を継続することができる。

次に、保護運転条件ωpから平常のトルク指令パターンTnormへの復帰の手順について説明する。

風速が低下して過大な風速４から平常の風速３、風速２、風速１と低下するに連れて、風車１１が出力するトルクは低下していく。これにより、風速が低下したことが分かる。そこで、(S8)の復帰条件を満たした場合は、トルクゲインKを平常のトルク指令パターンのゲインであるKnormとし、保護動作移行完了フラグに"0"をセットする(S9)。

次の周期では、保護動作移行完了フラグが"0"となっているので、上記の平常状態の処理に戻って、（S1）、(S2)、(S3)、(S4)の各処理が実行される。

このように、保護運転条件ωpから平常のトルク指令パターンTnormへの復帰の手順をとるので、自動的に平常の運転に復帰し、風車１１を停止することなく運転を継続することができ、発電装置の稼働率を向上することができる。また、瞬間的な風力の変動により所定のレベルを下回ったと判定することが無く安定して保護運転条件での運転を継続することができる。

本発明の方法を実施する風力発電装置の構成を示すブロック図 本発明のトルク指令パターンおよび風車の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフ 本発明の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行および復帰する処理手順を示すフローチャート 実施例２の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護トルク指令パターンへの移行および復帰する処理手順を示すフローチャート 従来の風力発電装置の構成を示すブロック図 実施例３のトルク指令パターンおよび風車(発電機)の回転数とトルクおよび出力の特性を示すグラフ 実施例３の制御方法において平常のトルク指令パターンから保護運転条件への移行および復帰する処理手順を示すフローチャート

符号の説明

１０ 風
１１ 風車
２０ 発電機
３０ コンバータ
３１ ＤＣリンク
４０ インバータ
５０ コントローラ
６０ ブレーキ

Claims (12)

1. 風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータとを備えた風力発電装置の発電機制御方法において、
   ある風速での風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを設け、前記発電機の回転数が所定の値を超えた時に前記トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行するようにしたことを特徴とする風力発電装置の発電機制御方法。
2. 前記保護トルク指令パターンでの制御において、前記発電機の回転数が下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記トルク指令パターンへ復帰するようにしたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の発電機制御方法。
3. 風車と、発電機と、発電機の回転に応じた保護トルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータと、を備えた風力発電装置の発電機制御方法であって、
   前記発電機の回転に応じて決まる前記保護トルク指令パターンを決める要素としてゲインＫを含み、速度ωの関数ｆ（ω）との積として、トルク指令Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｋ・ｆ（ω）で与えられる構成において、所定のレベルに満たない風速で平常に運転する場合は平常時用のゲインＫnormで運転し、風速がある所定のレベルを超えた場合に、前記所定のレベルを超えたことを判定し、前記所定のレベルを超えたと判断した場合には、前記保護トルク指令パターンを決めるゲインを所定の変化量で増加させ、前記ゲインを上昇させたことにより回転数が低下し、前記発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判断した場合に、その時点でゲインの大きさでゲインを固定し運転を継続することを特徴とする風力発電装置の発電機制御方法。
4. 前記保護トルク指令パターンでの制御において、風力が平常のレベルまで低下した場合に、その状態を発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなったことにより検出し、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻して平常運転状態に復帰すようにしたことを特徴とする請求項３記載の風力発電装置の発電機制御方法。
5. 風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータとを備えた風力発電装置の発電機制御方法において、
   ある風速での風車の最大トルクとなる点よりも低い回転数の領域に保護トルク指令パターンを有し、前記発電機の回転数が上昇した時に前記トルク指令パターンから前記保護トルク指令パターンへ移行させる保護検出レベルを設けたことを特徴とする風力発電装置の発電機制御装置。
6. 前記保護トルク指令パターンでの制御において、前記発電機の回転数が下降した時に前記保護トルク指令パターンから前記トルク指令パターンへ復帰する復帰検出レベルを設けたことを特徴とする請求項５記載の風力発電装置の発電機制御装置。
7. 風車と、発電機と、発電機の回転に応じたトルク指令パターンを有して発電機の制御を行うコンバータと、前記コンバータの出力を所定の電圧と周波数に変換して系統へ出力するインバータと、を備えた風力発電装置の発電機制御装置であって、
   前記発電機の回転に応じて決まる前記トルク指令パターンを決める要素としてゲインＫを含み、速度ωの関数ｆ（ω）との積として、トルク指令Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｋ・ｆ（ω）で与えられる構成において、平常時用のゲインＫnormで運転する平常時用低ゲイン運転部と、前記トルク指令パターンを決めるゲインを所定の変化量で増加させるゲイン増加部と、ゲインの大きさをそのときのゲインに固定するゲイン固定部と、風速が所定のレベルを超えたかどうか判定する風速判定部と、発電機トルクが所定のレベルかどうかを判定する発電機トルク判定部を備え、前記風速判定部が所定のレベルに満たない風速と判定したときは前記平常時用低ゲイン運転部を動作させ、前記風速判定部が風速がある所定のレベルを超えたと判断した場合には、前記ゲイン増加部を動作させ、ゲインを上昇させたことにより、回転数が低下し、前記発電機トルク判定部が発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判定した場合に前記ゲイン固定部を動作させてその時点でのゲインの大きさで運転を継続させるようにしたことを特徴とする風力発電装置の発電機制御装置。
8. 前記保護トルク指令パターンでの制御において、風力が平常のレベルかどうか判定する風力平常レベル判定部を有し、前記風力平常レベル判定部が風力が平常のレベルまで低下したと判定し、かつ前記発電機トルク判定部が発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判定した場合に、平常時用低ゲイン運転部を動作させて、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻し、平常運転状態に復帰させるようにしたことを特徴とする請求項７記載の風力発電装置の発電機制御装置。
9. 前記ゲインを上昇させたことにより、回転数が低下し、発電機トルクが所定のレベルより小さくなったと判断した場合に、その時点の回転数で発電機の回転数を一定として運転を継続することを特徴とする請求項３記載の風力発電装置の発電機制御方法。
10. 風力が平常のレベルまで低下した場合に、その状態を発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなったことにより検出し、トルクゲインＫを平常時のゲインＫnormに戻す処理により、平常運転状態に復帰することを特徴とする請求項９記載の風力発電装置の発電機制御方法。
11. 風速が前記所定のレベルを超えた状態が所定の時間継続した場合に前記所定のレベルを超えたと判定することを特徴とする請求項９記載の風力発電装置の発電機制御方法。
12. 発電機トルクが所定のレベルよりも小さくなった状態が所定の時間継続した場合に風力が平常のレベルに低下したと判定することを特徴とする請求項１０記載の風力発電装置の発電機制御方法。

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