JP4239088B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、風車に連結された巻線形誘導機とその二次励磁を行うコンバータと高調波電流除去用のコンデンサとを備えた風力発電設備に関し、特に、前記コンデンサ及び連系系統のインダクタンスによる並列共振を抑制可能とした風力発電設備に関するものである。

図３は、上位の電力系統に連系されるこの種の風力発電設備の従来技術を示している。なお、この構成は、後述する非特許文献１のＦｉｇ.５に記載されているものである。
図３において、１０は風車、２０はギアボックス、３０は巻線形誘導機、４０は連系変圧器、５０は二次励磁装置（周波数変換装置）としてのコンバータ、５１は順変換部（コンバータ部）、５２は逆変換部（インバータ部）、５３は直流リンク部のコンデンサ、６１はフィルタ用（高調波電流除去用）のコンデンサ、６２はリアクトル、１００は電力系統、１０１は引込ケーブルを示している。

上記構成において、誘導機３０の一次巻線（固定子巻線）は引込ケーブル１０１及び連系変圧器４０を介して電力系統１００に接続され、また、誘導機３０の二次巻線（回転子巻線）はコンバータ５０の逆変換部５２にスリップリングを介して接続されている。

図４は、コンバータ５０の制御回路の一例として非特許文献１のＦｉｇ.９に記載されている制御ブロック図である。
図４において、電流検出器５０１、電圧検出器５０２により検出した誘導機３０の一次側の電流Ｉ_Ｎ、電圧Ｖ_Ｓは電力演算器５０３に入力され、有効電力Ｐ及び無効電力Ｑが検出される。電力調節器５０４，５０５は各電力の指令値Ｐ^＊，Ｑ^＊と検出値Ｐ，Ｑとのそれぞれの偏差がゼロになるように調節動作し、これらの出力が電流制御回路５０６に入力される。

電流検出器５０７により検出された誘導機３０の二次巻線３２の電流Ｉ_Ｒは、三相／二相変換器５０８によりｄ軸、ｑ軸成分に分解され、これらの各成分Ｉ_Ｒｄ，Ｉ_Ｒｑが電流制御回路５０６に入力される。同様に、電流検出器５１１により検出された誘導機３０の一次巻線３１の電流Ｉ_Ｓは三相／二相変換器５０９によりｄ軸成分，ｑ軸成分に分解され、これらの各成分Ｉ_Ｓｄ，Ｉ_Ｓｑも電流制御回路５０６に入力される。
電流制御回路５０６では、調節器５０４，５０５の出力と上記Ｉ_Ｒｄ，Ｉ_Ｒｑ，Ｉ_Ｓｄ，Ｉ_Ｓｑとに基づいて、ｄ軸電圧指令Ｖ_Ｒｄ及びｑ軸電圧指令Ｖ_Ｒｑを演算し出力する。

更に、誘導機３０の一次巻線３１の電圧Ｖ_Ｓは角度演算器５１０にも入力されており、この角度演算器５１０により演算された電圧ベクトルの角度φ_ＶＳと、誘導機３０の回転子の位置検出器５１２による検出角度φ_Ｒとの差（φ_ＶＳ−φ_Ｒ）が三相／二相変換器５０８、二相／三相変換器５１３に入力されている。なお、前記角度φ_ＶＳは三相／二相変換器５０９にも入力されている。

二相／三相変換器５１３では、各軸の電圧指令Ｖ_Ｒｄ，Ｖ_Ｒｑ及び角度(φ_ＶＳ−φ_Ｒ)に基づいて、三相の電圧指令Ｖ_Ｒ ^＊を生成し、ＰＷＭ回路５１４に出力する。ＰＷＭ回路５１４では、電圧指令Ｖ_Ｒ ^＊をキャリアと比較することにより、逆変換部５２に対するＰＷＭパルスを生成し、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を駆動して誘導機３０の二次巻線３２に所定周波数及び大きさを持つ交流電圧を供給する。

また、電圧検出器５１６により検出したコンバータ５０の直流リンク電圧Ｖ_ＤＣが、順変換部５１側のＰＷＭ回路５１７に入力されている。更に、電流検出器５１５により検出された順変換部５１の交流電流Ｉ_ＧＣが、前記電圧Ｖ_Ｓ，Ｖ_ＤＣと共にＰＷＭ回路５１７に入力されている。ＰＷＭ回路５１７では、これらの電圧Ｖ_Ｓ，Ｖ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＧＣに基づいてＰＷＭパルスを生成し、順変換部５１のスイッチング素子を駆動して直流リンク電圧Ｖ_ＤＣを所定値に制御する。

この風力発電設備では、周知の二次励磁制御により、風速、風向の変動等によって回転子の速度が変動し、誘導機３０の出力が変動した場合でも、出力が常に指令値に一致するように誘導機３０の二次電圧すなわち回転子速度を制御する動作が行われるため、回転子の速度変動を抑制して安定した運転を継続することができる。

S.Muller, M.Deicke, Rik W. De Doncker,"Doubly fed induction generator systems for Wind turbines ", Industry Applications Magazine, IEEE , Volume: 8 Issue: 3 , May-June 2002, p.26-p.32

さて、前記コンバータ５０を構成する順変換部５１及び逆変換部５２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御する場合、キャリア周波数に相当する高調波電流が発生することが知られており、図４の従来技術では、上記高調波電流を除去するためにフィルタ用のコンデンサ６１が設けられている。
一方、この種の風力発電設備は、ノイズや電圧変動に比較的強い電源（配電線長が短い電源）に連系されることを仮定して構成されているため、上記フィルタの設計においてはコンバータ５０からの高調波電流を除去することのみを考慮すればよい。

しかしながら、風力発電設備を比較的弱い電源（配電線長が長い電源）に連系する場合には、高調波電流除去用のコンデンサ６１と系統インダクタンス（連系変圧器４０の漏れインダクタンスを含む）とによる並列共振現象を考慮する必要があり、この共振周波数における系統電圧の振動が発生し易い条件に置かれることとなる。

ここで、図５は、従来の風力発電設備が比較的弱い電源に連系された場合の等価回路を示している。
図５において、Ｅは電圧源で表現した上位系統１００(無限大母線）の電圧、ｒ_１，Ｌ_１，Ｃ_１は上位系統１００の配電線の抵抗、インダクタンス、静電容量、ｒ_２，Ｌ_２，Ｃ_２は引込ケーブル１０１の抵抗、インダクタンス、静電容量、Ｌ_ＴＲは連系変圧器４０の漏れインダクタンス、Ｃ_ｈは高調波電流除去用コンデンサ６１の静電容量、Ｇは電流源で表現した誘導機３０を示す。
図５から明らかなように、コンデンサ６１の静電容量Ｃ_ｈは、インダクタンスＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_ＴＲの直列回路と共に並列共振回路を構成している。

いま、系統に接続されている負荷の変動、他の風力発電設備の停止・起動による外乱が発生すると、上記並列共振回路の共振周波数による電圧振動が励起される。
その結果、図６(ａ)に示すように、誘導機３０から出力される基本波電圧に共振周波数の振動電圧が重畳されて運転が不安定になるおそれがあり、最悪の場合には周波数継電器等の保護機器が動作して風力発電設備の運転が停止してしまうという問題があった。なお、図６(ａ)において横軸は時間、縦軸は単位法表示した電圧の振幅である。
更に、上述した電圧の振動は、系統１００に接続された機器に種々の悪影響を与えるという問題があった。

ここで、図６(ｂ)は風力発電設備の誘導機３０から見たインピーダンスの大きさ（上段）及び位相角（下段）を示すもので、横軸は周波数である。この図から、約１．３［ｋＨｚ］付近のインピーダンスが大きくなっており、前述した外乱によって並列共振が生じ、その共振周波数(約１．３［ｋＨｚ］)における電圧振動が励起されていることがわかる。

そこで本発明は、高調波電流除去用のコンデンサに起因する並列共振現象による出力電圧の不安定性を抑制して、安定した運転を可能する風力発電設備を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、風車により駆動され、かつ発生電力を連系系統に供給する巻線形誘導機と、この巻線形誘導機を二次励磁するコンバータと、このコンバータの運転により発生する高調波電流を除去するためのコンデンサとを備えた風力発電設備において、
前記コンデンサ及び系統インダクタンスによる並列共振を抑制するために、以下の数式で与えられる値Ｒ_ｈを持つ抵抗を、前記コンデンサに直列に接続したものである。
Ｒ_ｈ＝２ζ√（Ｘ_０／Ｙ_０）
（ここで、Ｘ_０は風力発電設備の出力電圧の基本波周波数における誘導機から見た系統リアクタンス［ｐｕ］、Ｙ_０は同じく基本波周波数における前記コンデンサのサセプタンス［ｐｕ］、ζは減衰係数）

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した風力発電設備において、前記減衰係数ζが約０．０１〜約０．０３であることを特徴とする。

本発明によれば、高調波電流吸収用のコンデンサに直列に接続した抵抗により、前記コンデンサと系統インダクタンスとによる並列共振が抑制され、風力発電設備の出力電圧に共振周波数成分が重畳されることはない。これにより、風力発電設備を停止させずに安定した運転を継続することができ、また、系統に接続された機器に対する悪影響を未然に防止することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、ノイズや電圧変動に比較的弱い電源に連系された本発明に係る風力発電設備の等価回路図である。なお、図５と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に述べる。

図１と図５との比較から明らかなように、この実施形態では、高調波電流除去用コンデンサ６１と直列に、抵抗Ｒ_ｈ（その抵抗値もＲ_ｈにて表す）が接続されている。なお、風力発電設備の制御回路としては、例えば図４に示したような制御回路が使用される。

図１のように抵抗Ｒ_ｈを付加することにより、負荷変動や他の風力発電設備の停止・起動等の外乱が発生した場合でも、コンデンサ６１の静電容量Ｃ_ｈとインダクタンスＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_ＴＲの直列回路とによる並列共振現象が抑制され、誘導機３０から出力される基本周波数の電圧に共振周波数の電圧が重畳されることはない。このため、周波数継電器等の保護機器が動作して風力発電設備の運転が停止するおそれはなく、安定した運転を継続することができる。

図２(ａ)は、風力発電設備（誘導機３０）の出力電圧波形であり、図６(ａ)と同様に横軸は時間、縦軸は単位法表示した電圧の振幅である。また、図２(ｂ)は、図６(ｂ)と同様に、誘導機３０から見たインピーダンスの大きさ（上段）及び位相角（下段）を示しており、横軸は周波数である。
図２(ａ)から、抵抗Ｒ_ｈを付加したことによって並列共振現象が抑制され、出力電圧波形はほぼ基本波成分のみになっていると共に、図２(ｂ)から、共振周波数に相当する約１．３［ｋＨｚ］におけるインピーダンスの変動も抑制されているのがわかる。

ここで、高調波電流除去用コンデンサ６１に直列に接続される抵抗Ｒ_ｈは、以下の数式１で与えられる値Ｒ_ｈであることが望ましい。
［数式１］
Ｒ_ｈ＝２ζ√（Ｘ_０／Ｙ_０）
上記数式１において、Ｘ_０は風力発電設備の出力電圧の基本波周波数における誘導機３０から見た系統リアクタンス［ｐｕ］、Ｙ_０は同じく基本波周波数における高調波電流除去用コンデンサ６１のサセプタンス［ｐｕ］、ζは減衰係数（約０．０１〜約０．０３程度）である。

以下に、上述した数式１の導出方法を述べる。
図１における誘導機３０の一次巻線電流をＩ_Ｇ、端子電圧をＶ_ｆとし、抵抗ｒ_１，ｒ_２及び静電容量Ｃ_１，Ｃ_２を無視すると共に、インダクタンスＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_ＴＲの合成値（誘導機３０から見た系統のインダクタンス）をＬとすると、数式２が成り立つ。
［数式２］
Ｖ_ｆ／Ｉ_Ｇ＝（Ｒ_ｈｓ^２＋ｓ／Ｃ_ｈ）／［ｓ^２＋ｓ（Ｒ_ｈ／Ｌ）＋（１／ＬＣ_ｈ）］
なお、ｓはラプラス演算子である。

ここで、二次振動系の特性方程式を考慮して、数式２におけるＲ_ｈ／Ｌ＝２ζω_ｎ，１／ＬＣ_ｈ＝ω_ｎ ^２とおくと、数式３が得られ、Ｘ_０＝ω_０Ｌ，Ｙ_０＝ω_０Ｃ_ｈより、前記数式１が得られる。
［数式３］
Ｒ_ｈ＝２ζ√（Ｌ／Ｃ_ｈ ）＝２ζ√（ω_０Ｌ／ω_０Ｃ_ｈ）
なお、ω_ｎは非減衰固有振動数（または単に固有振動数）であり、この固有振動数ω_ｎ及び前記減衰係数ζは、二次振動系の過渡応答特性を決定するパラメータとして良く知られている。

以上のように、本発明は、特に長距離配電線の系統末端において連系された風力発電設備のごとく、系統インダクタンスと高調波電流除去用のコンデンサとによる並列共振が問題となる風力発電設備に適用することにより、その停止を回避して安定した運転を継続することが可能になる。

本発明の実施形態を示す等価回路図である。 本発明の実施形態の特性図である。 従来技術を示す構成図である。 従来技術の制御ブロック図である。 従来技術の等価回路図である。 従来技術の特性図である。

符号の説明

１０：風車
２０：ギアボックス
３０：巻線形誘導機
４０：連系変圧器
５０：コンバータ
５１：順変換部（コンバータ部）
５２：逆変換部（インバータ部）
５３：コンデンサ
６１：コンデンサ
６２：リアクトル
１００：電力系統
１０１：引込ケーブル
Ｒ_ｈ：抵抗
Ｃ_ｈ：静電容量

Claims (2)

1. 風車により駆動され、かつ発生電力を連系系統に供給する巻線形誘導機と、この巻線形誘導機を二次励磁するコンバータと、このコンバータの運転により発生する高調波電流を除去するためのコンデンサとを備えた風力発電設備において、
   前記コンデンサ及び系統インダクタンスによる並列共振を抑制するために、以下の数式で与えられる値Ｒ_ｈを持つ抵抗を、前記コンデンサに直列に接続したことを特徴とする風力発電設備。
   Ｒ_ｈ＝２ζ√（Ｘ_０／Ｙ_０）
   （ここで、Ｘ_０は風力発電設備の出力電圧の基本波周波数における誘導機から見た系統リアクタンス［ｐｕ］、Ｙ_０は同じく基本波周波数における前記コンデンサのサセプタンス［ｐｕ］、ζは減衰係数）
2. 請求項１に記載した風力発電設備において、
   前記減衰係数ζが約０．０１〜約０．０３であることを特徴とする風力発電設備。

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