JP6117011B2

JP6117011B2 - 風力発電機の出力制御装置及び出力制御方法、並びに風力発電システム

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Publication number: JP6117011B2
Application number: JP2013127078A
Authority: JP
Inventors: 貢中原; 中原　　貢; 啓角谷; 鈴木　英一; 英一鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: JP2015001212A

Description

本発明は、風力発電機の出力制御装置並びに出力制御方法、並びに風力発電システムに関する。

代表的な風力発電機として、巻線型誘導発電機を用い、回転子巻線と電力系統との間に電力変換装置を設けて励磁電流を制御する、いわゆる二次励磁方式の風力発電機が知られている。二次励磁方式によれば、同期速度の±数１０％という比較的広い速度範囲で発電機を運転することができる。

このような二次励磁方式風力発電機の出力制御技術として、非特許文献１に記載の技術が知られている。本技術においては、先ず、風力発電機の回転数信号と、発電機出力信号から演算される発電機の回転数参照信号との回転数誤差信号から、タービン翼ピッチ角信号を演算生成する。さらに、この回転数誤差信号から求めたトルクに風力発電機の回転数信号を乗算することで、発電機出力要求信号を求める。この発電機出力要求信号に応じて、電力変換装置によって回転子巻線の励磁電流が制御される。次に、発電機出力要求信号と発電機最大出力設定値信号との発電機出力誤差信号に応じて、タービン翼ピッチ角の補償信号を演算生成する。このタービン翼ピッチ角補償信号とタービン翼ピッチ角信号を加算してタービン翼ピッチ角要求信号を作成し、このタービン翼ピッチ角要求信号に基づきタービン翼のピッチ角を適正値に制御する。

このような出力制御技術によれば、風力発電機のタービン翼ピッチ角制御と、発電機励磁電流制御による電力制御との協調制御により、風力エネルギーから高効率に電気エネルギーを得ることができる。特に、タービン翼ピッチ角制御においては、風力発電機の回転数信号と発電機出力信号に基づいて演算された回転数参照信号との誤差信号に基づきタービン翼ピッチ角要求信号を生成し、風速に対する風力発電機の回転数が適正値となるように制御することができる。

N.W.Miller et.al., Dynamic Modeling of GE 1.5 and 3.6 Wind Turbine-Generators, GE-Power Ｓystems Energy Consulting (October 27,2003)

上記従来技術では、タービン翼ピッチ角制御において、発電機出力要求信号と発電機最大出力設定値との誤差信号から作成するタービン翼ピッチ角補償信号を、前述したタービン翼ピッチ角信号に加算してタービン翼ピッチ角要求信号とする。これにより、風速が風力発電機の定格風速を超えて上昇した場合には、タービン翼が過剰な風力を受けないようにタービン翼のピッチ角度を調整して風力を逃がし、発電機の回転数が過大とならないようにする。このように、従来技術では、高風速域において、タービン翼ピッチ角による出力制御が支配的となる。このため、高風速域において、風力エネルギーを有効活用することが難しいという問題がある。

本発明は、上記問題を考慮してなされたものであり、高風速域において風力エネルギーを有効に電気エネルギーに変換することを可能にする、風力発電機の出力制御装置および出力制御方法、並びに風力発電システムを提供する。

本発明による風力発電機の出力制御装置および出力制御方法、並びに風力発電システムにおいては、風力タービンのタービン回転数と、発電機の出力電力に応じたタービン回転数目標値との偏差に基づいて、タービン翼ピッチ角を制御し、タービン回転数と、制限値を有するタービン回転数目標値との偏差に基づいて励磁電流を制御することにより出力電力を制御し、タービン翼ピッチ角を、風速に応じて変更する。タービン翼ピッチ角の変更においては、出力電力と、予め設定される発電機の最大出力値との偏差に基づいて、タービン翼ピッチ角の補償角度を設定し、風速に応じて、最大出力値を設定し、風速が定格風速を超えたら、最大出力値を発電機の定格出力よりも大きな値に変更する。

上記のように、タービン翼ピッチ角を制御する時に、タービン翼ピッチ角を変更することにより、高風速領域、例えば定格風速を超えるような風速における大きな風力エネルギーのうち、タービン翼から逃がさすことなく翼で受けて回転エネルギーに変換される分を増加することができる。しかも、タービン回転数と、制限値を有するタービン回転数目標値との偏差に基づいて励磁電流を制御することにより出力電力を制御するので、高風速領域で大きな風力エネルギーをタービン翼で受けながらも、発電機回転子の回転数が、予め設定された制限値に抑えられ、過大になることが防止される。

本発明によれば、高風速域において、発電機回転子の回転数を過大にすることなく、発電量を増加することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例である風力発電システムを示す。図1におけるタービン発電機出力制御器の詳細構成を示す。タービン回転数とタービン出力との関係の一例を示す。風速に対する発電機最大出力設定値との関係の一例を示す。風速変化時における、発電機出力変化、タービン回転数変化、タービン翼ピッチ角変化を示す。風速と、発電機出力、タービン回転数およびタービン翼ピッチ角との関係を示す。本発明の一実施例における発電機出力設定値変更器を示す。本発明の一実施例における発電機出力設定値変更器を示す。本発明の一実施例タービン発電機出力制御器を示す。図９におけるタービン翼ピッチ角変更器を示す。本発明の一実施例におけるタービン翼ピッチ角変更器を示す。本発明の一実施例である、蓄電システムを備える風力発電システムを示す。

以下、本発明による実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である風力発電システムを示す。本実施例においては、本発明が適用された、風力発電機の出力制御装置および出力制御方法が用いられる（以下の各実施例も同様）。すなわち、本実施例によれば、タービン翼ピッチ角制御と発電機励磁電流制御による電力制御との協調的な制御により、発電機の定格風速を超える高風速域において発電機回転子回転数が過回転数になることなく、発電量の増大を可能とする。なお、電力系統５００は三相交流電力系統である。このため、電力系統５００に連系する風力発電システムも三相交流システムであるが、図１においては、三相交流の中の一相について代表的に図示する（各図とも同様）。また、本実施例においては、二次励磁型発電機が使用される。

図１において、風を受けて回転する風力タービン１（風車）は、タービン連結軸２を介して交流発電機３の回転子の回転軸に機械的に接続されている。交流発電機３の回転子には、回転子励磁系より、回転軸に取り付けられるスリップリングを介して励磁電力が供給される。また、交流発電機３の固定子の出力は、電力系統５００に接続されている。なお、交流発電機３としては、例えば、巻線型誘導発電機が適用される。

交流発電機３の回転子励磁系は、系統側電力変換器５、回転子側電力変換器４、直流コンデンサ６を含み、これら電力変換器の各直流側が接続される直流リンク部から構成される。系統側電力変換器５の交流側は、抵抗分及びリアクタンス分を含む線路インピーダンス７を介して交流発電機３の固定子の出力側に接続される。また、回転子側電力変換器４の交流側は、回転子のスリップリングに電気的に接続される。なお、これら電力変換器としては、例えば、半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を交流電力に変換したりするＰＷＭ電力変換装置が用いられる。

交流発電機３における、回転子の回転数、固定子側電力及び回転子側電力の関係について以下に述べる。

回転子が電力系統５００を基準とする同期回転数（周波数）以下で回転している場合、系統側電力変換器５は、交流電力を直流電力に電力変換する機能により、直流リンク部の直流コンデンサ６に直流電力を出力する。この直流電力は、回転子側電力変換器４が備える直流電力を交流電力に電力変換する機能により、周波数調整された交流電力に変換される。この交流電力は、回転子側電力変換器４の交流側に出力され、励磁電力として、交流発電機３の回転子に供給される。

回転子が同期回転数（周波数）以上で回転している場合、回転子から交流電力が出力される。この交流電力は回転子側電力変換器４で直流電力に変換され、この直流電力はさらに直流コンデンサ６を介して系統側電力変換器５で交流電力に変換される。系統側電力変換器５から出力される交流電力は、風力発電による発電電力として固定子側から出力される電力と共に電力系統５００に供給される。また、定格風速を超えた風が発生した場合には、風力タービン１（風車）を過回転から保護するために、タービン翼ピッチ角を調整して風力タービン１が風から受ける風力を逃がしたうえで、予め設定された発電機出力値を維持しながら風力発電を継続し、この時に発電された電力は電力系統５００に供給される。

風速が変化した場合の基本的な発電特性についてさらに説明する。風速の変化によって、風力タービン１と軸接続された交流発電機３の回転子の回転数は変化するが、それに伴い回転子励磁系の動作は以下のように変化する。

回転子の回転数が、電力系統５００の系統周波数と同じである同期回転数である場合、回転子励磁系は回転子に対してスリップリングを介して直流電力を供給する。このような状態においては、風力発電機の内部磁束は同期回転数で変化していることから、電力系統に対して電力を供給している風力発電機の固定子には、電力系統と同期した周波数の発電機電圧及び電流が発生する。

風速が上昇し回転子の回転数が同期回転数を超えて上昇した場合、回転子に直流電力を供給したままであれば、固定子から得られる電圧及び電流の周波数は系統周波数と異なってしまい、交流発電機３で発生した電力を電力系統５００に安定に供給することは難しい。このため、回転子側電力変換器４を制御し、回転子の回転数に見合った周波数、具体的には固定子から得られる電圧及び電流の周波数が同期周波数となるように、回転子の励磁電流周波数を調整するとともに、発電機内部で発生した余剰な電力を回転子から回転子側電力変換器４を介して直接的に取り出す。回転子側電力変換器４から取り出されたこの余剰電力の電圧及び電流周波数は系統周波数と異なるが、回転子側電力変換器４により交流電力から直流電力に電力変換され、さらにその後、直流リンク部を介して系統側電力変換器５により、直流電力から、電力系統５００に供給可能な電圧及び周波数の交流電力に電力変換され、電力系統５００に供給される。

また、風速が減少し回転子の回転数が同期回転数以下に下降した場合、回転子に直流電力を供給したままであれば、固定子から得られる電圧及び電流の周波数は系統周波数と異なってしまい、回転子回転数が上昇した場合と同様に、交流発電機３で発生した電力を電力系統５００に安定に供給することは難しい。このため、回転子側電力変換器４を制御し、回転子の回転数に見合った周波数、具体的には固定子から得られる電圧及び電流の周波数が同期周波数となるように、励磁電流周波数が調整された励磁電力を回転子に供給し、固定子から発電電力として取り出す。回転子に供給される励磁電流は、固定子から得られた交流電力を系統側電力変換器５で直流電力に電力変換し、さらにその後、直流リンク部を介して回転子側電力変換器４で直流電力を交流電力に電力変換することにより得られる。

前述した風速変化に対する二次励磁型発電機の基本的な発電特性は、以下のように示すことができる。すなわち、風力タービン１が風力を受け回転開始する風車回転開始風速では、まだ交流発電機３の発生電圧は不十分であるため交流発電機３から電力系統５００への電力供給はほとんどない。さらに風速が上昇し、回転子励磁系により回転子に励磁電流が供給されて発電機の電圧が電力系統程度まで上昇した場合に、交流発電機３と電力系統５００は連系可能となり交流発電機３で発生した電力は電力系統５００に供給される。この時、回転子回転数は系統周波数より低く、交流発電機３で発生した電力は固定子より取り出される。その後、風速の上昇に伴い交流発電機３の発生電圧はさらに増加するが、交流発電機３の出力電圧は電力系統５００の系統電圧に調整されることから、発電機電流が増加し、発電機から得られる電力は増加する。この時、回転子の励磁電流の周波数は、回転子の回転数の上昇に伴って低下する。

その後、回転子の回転数が同期回転数まで増加すると、回転子に供給される励磁電流は直流電力として供給される。さらに回転子の回転数が同期回転数を超えて上昇すると、励磁電流は直流から交流となってその周波数は増加する。交流発電機３で発生する電力も増加するが、その発生電力は固定子から得られるだけでなく、回転子からも得られるようになる。

本実施例の風力発電システムについて、回転子励磁系による発電制御の概要を説明する。

系統側電力変換器５は、交流発電機３が出力する交流電圧を、回転子励磁系の直流リンク部における直流電圧に変換する。直流リンク部の直流電圧を制御するために、次のような直流電圧制御系が設けられる。すなわち、直流リンク部の直流電圧設定値Ｓ７と直流電圧の測定値Ｓ８との偏差が減算器で求められる。この直流電圧の偏差値に基づき、直流電圧制御器１２によって系統側電力変換器５に対する電流設定値が演算される。具体的に、本実施例においては、ベクトル制御が用いられ、有効電力に影響を与えるｑ軸電流の設定値、および無効電力に影響を与えるｄ軸電流の設定値が演算され、風力発電システムの力率制御に適用される。これらの電流設定値に基づき、電流制御器１３により系統側電力変換器５に対するＰＷＭ制御信号が演算される。

風力タービン１においては、風力エネルギーを最大限に回転エネルギーとして利用できることが好ましく、風速に依存して風力タービン１の回転数の適正最大値が設定される。風力タービン１の回転数最大値は、交流発電機３の最大電力点（ＭＰＰ）に対応するので、風力タービン１が受ける風速値に基づく最大電力点（ＭＰＰ）算出により、風力タービン１の適正な回転数は設定される。交流発電機３の回転子のスリップリングに接続される回転子側電力変換器４は、回転子の励磁によって、交流発電機３の回転子回転数を、広範囲に変動する風速によって回転数が変化する風力タービン１の回転エネルギー（機械エネルギー）に対応する最大電力点（ＭＰＰ）に追従した最適回転数に制御する。この時、回転子側電力変換器４の制御系は、回転子の回転数、電力及び電流に関わる制御系を含む多重制御系となる。

図１に示す回転子側電力変換器４の制御において、タービン発電機出力制御器９には風力タービン１近傍に設置された風速検出器１００にて測定された風速信号Ｓ１００が入力される。また、交流発電機３の出力である電流、電圧、及び周波数は、発電機電力演算器８に入力され、発電機出力信号Ｓ４として出力されて、タービン発電機出力制御器９に入力される。さらに、タービン結合軸の回転数信号は、発電機回転子回転数と同等であるタービン回転数信号Ｓ１としてタービン発電機出力制御器９に入力される。

タービン発電機出力制御器９では、図１では図示していないが、発電機出力信号Ｓ４に基づいて発電機出力に対応する適切なタービン回転数参照信号（図２のＳ９２）が演算される。すなわち、タービン回転数参照信号と発電機出力Ｓ４との関係は、交流発電機３の回転子回転数の最適値すなわち風力タービン１の最適な回転数と前述した最大電力点との関係に相当する。タービン回転数参照信号とタービン回転数Ｓ１との偏差信号に基づいて作成されるタービンントルク信号Ｓ５が、タービン発電機出力制御器９から電力制御器１０に出力される。電力制御器１０では、タービントルク信号Ｓ５、タービン回転数信号Ｓ１および発電機固定子出力信号Ｓ２に基づいて、回転子の励磁電流を制御するための参照電流値を演算する。この参照電流値に基づき、電流制御器１１によって回転子側電力変換器４に対するＰＷＭ制御信号が演算される。

また、タービン回転数参照信号とタービン回転数信号Ｓ１との偏差信号に基づいて、タービン翼ピッチ角制御信号が作成される。タービン翼ピッチ角制御信号に対し、発電機出力信号Ｓ４と、風速信号に基づいて演算された発電機出力設定値変更信号との偏差信号をタービン翼ピッチ角補償信号として加算し、加算された信号は、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０としてタービン発電機出力制御器９から出力される。タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０により、風力タービン１のタービン翼ピッチ角が制御される。

図２は、図１にて示したタービン発電機出力制御器９について、さらに詳細構成を示したものである。図２のタービン発電機出力制御器９では、風速信号Ｓ１００、発電機出力信号Ｓ４及びタービン回転数信号Ｓ１が入力信号となる。また、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０及びタービントルク信号Ｓ５が出力となる。ここで、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０によるタービン翼ピッチ角制御は、タービン翼が受ける風力をタービン翼ピッチ角制御によって調整することにより、交流発電機３の出力電力を制御する。また、タービン発電機出力制御器９が出力するタービントルク信号Ｓ５に基づいて、電力制御器１０によりタービン回転数Ｓ１や発電機固定子出力Ｓ２を参照しながら、交流発電機３の励磁電流を調整することで、交流発電機３の出力電力が制御される。このように、タービン翼ピッチ角制御と発電機励磁電流制御による電力制御との協調制御により、風力発電システムにおける交流発電機３の出力電力が制御される。

図２において、発電機出力信号Ｓ４は、タービン回転数参照信号演算器９１に入力される。タービン回転数参照信号演算器９１は、予め関数化された発電機出力とタービン回転数との関係に従って、タービン回転数参照信号Ｓ９２を出力する。タービン回転数参照信号Ｓ９２とタービン回転数信号Ｓ１との偏差信号に基づき、第一の比例積分演算器９３によってタービン翼ピッチ角制御信号Ｓ９３が演算される。一方、風力タービン１近傍で測定される時間的に変化する風速信号Ｓ１００は、風速信号処理フィルタ９６のよってノイズ等が除去されて波形整形され、発電機出力設定値変更器９７に入力される。発電機出力設定値変更器９７は、風速信号Ｓ１００に応じて、予め関数化された風速と発電機最大出力設定値との関係に従い、発電機出力設定値変更信号Ｓ９４を出力する。この発電機出力設定値変更信号Ｓ９４と発電機出力信号Ｓ４との偏差信号に基づいて、第三の比例積分演算器９４によって、タービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５が演算される。タービン翼ピッチ角制御信号Ｓ９３とタービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５とが加算演算された信号は、タービン翼ピッチ角制限器９５に入力される。タービン翼ピッチ角制限器９５は、タービン翼ピッチ角に上下限を設定するリミッタである。すなわち、タービン翼ピッチ角制限器９５は、タービン翼ピッチ角制御信号Ｓ９３とタービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５とが加算演算された信号が示すタービン翼ピッチ角が、上限値を超える場合、上下限値の間の値である場合、および下限値を下回る場合について、それぞれ、上限値、加算演算された信号をそのまま、および下限値を、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０として出力する。出力されたタービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０が示すピッチ角となるように、タービン翼ピッチ角が制御される。

また、タービン回転数参照信号Ｓ９２とタービン回転数信号Ｓ１との偏差信号に基づいて、第二の比例積分演算器９２によって演算されるタービントルク信号Ｓ５が、タービン発電機出力制御器９から出力される。出力されたタービントルク信号Ｓ５は、発電機励磁電流制御による電力制御に使用される。

図３は、図２に示したタービン回転数参照信号演算器９１において予め関数化して格納される、タービン回転数とタービン出力との関係の一例を示す。風力タービン１では、風力エネルギーを回転エネルギーに変換するが、エネルギー変換効率が最大となるタービン回転数の適正値が存在する。例えば、図３における破線で示すタービン出力特性のように、定格風速１２ｍ／ｓにおいては、タービン回転数１．２ｐｕで変換効率が最大となり、この時、タービン出力は０．７ｐｕ程度の最大出力を示す。タービン回転数の適正値は風速に応じて変化するが、この時のタービン回転数の適正値と発電機の最大出力の関係は、図３における実線のようなトラッキング特性を示す。タービン回転数参照信号演算器９１は、予め格納したトラッキング特性において、タービン出力を発電機出力に置き換えて、発電機出力信号Ｓ４が示す発電機出力に対して最大効率となるタービン回転数を求め、タービン回転数の目標値とするタービン回転数参照信号Ｓ９２として出力する。このタービン回転数参照信号Ｓ９２を用いて、すなわち図３に示したようなトラッキング特性を用いて、上述したような最大電力点（ＭＰＰ）に追従した制御が実行される。なお、タービン回転数参照信号Ｓ９２は、タービン回転数参照信号演算器９１が備える上下限制限器によりあらかじめ設定したタービン回転数の範囲内に制限される。

図４は、図２に示した発電機出力設定値変更器において、関数化して予め格納された風速に対する発電機最大出力設定値との関係の一例を示したものである。すなわち、風力発電システムの定格風速を１２ｍ／ｓとした場合、測定された風速信号が定格風速以下では発電機最大出力設定値を１ｐｕすなわち定格出力とする。また、風速信号が定格風速以上の所定の範囲、図４では１２ｍ／ｓ以上かつ約１６ｍ／ｓ以下の範囲では、発電機最大出力設定値を定格出力よりも大きな例えば１．１５ｐｕとする。ここで、１．１５ｐｕは定格出力の１．１５倍であることを示す。このように定格出力よりも大きな発電機最大出力設定値は、発電機の出力増加に伴う発電機の熱的な制限に対する設計余裕、電力系統の電圧変動や発電機出力変化によるタービン連結軸トルク変化の制限値に対する設計余裕等から定められる。上記のような風速の所定範囲を超えて風速が増加した場合には、風力発電システムがカットアウトされて電力系統から解離されることがあるため、電力系統に対する発電機出力の急変の影響を少なくするために、本実施例では発電機最大出力設定値を１ｐｕとする。

図５は、本実施例における風速変化時の発電機出力（有効電力及び無効電力）の変化、タービン回転数変化、及びタービン翼ピッチ角変化を示す。

図５に示すように、風速が風力発電システムの定格風速である１２ｍ／sから定格風速以上の１３ｍ／sに上昇した場合、図２に示したタービン発電機出力制御器９の発電機出力設定値変更器９７では、図４に示すように風速信号Ｓ１００に基づいて発電機最大出力設定値が求められ、発電機出力設定値変更信号Ｓ９４として出力される。風速の上昇によるタービン回転数変化を制御するために、発電機出力設定値変更信号Ｓ９４に基づいて演算されたタービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５が増加するので、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０が増加する。この時、発電機出力設定値変更信号Ｓ９４は、従来技術においては予め固定値として設定されていた発電機定格出力設定値と比較して、図４に示すように発電機定格出力値（１．０ｐｕ）よりも大きな値（１．１５ｐｕ）となる。その結果、タービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０は、図５に示す従来例と比較して小さい値となるため、図５に示すようにタービン翼ピッチ角は従来例よりも小さくなる。風速の上昇によりタービン回転数も上昇するが、タービン翼ピッチ角制御によるタービン回転数制御、及びタービン回転数信号とタービン回転数参照信号との偏差に基づいた発電機励磁電流制御による発電機電力制御によって、タービン回転数参照信号Ｓ９２が示すタービン回転数に制御される。ここで、定格風速以上の風速に対するタービン翼ピッチ角が従来よりも小さくなることから、風力タービン１は従来よりも大きな風力エネルギーを受ける。この時、タービン回転数は、タービン回転数参照信号演算器に予め設定された上限制限値によりタービン回転数参照信号が制限されるので、発電機励磁電流制御の影響が大きくなり、従来と同等のタービン回転数に制御される。

図６は、本実施例について、風速と、発電機出力（有効電力）、タービン回転数及びタービン翼ピッチ角との関係を示す。なお、本図に示す発電機出力（有効電力）、タービン回転数及びタービン翼ピッチ角は、風速一定時における定常値である。風力発電システムの定格風速を超えた一部風速範囲において、風速に応じて発電機最大出力設定値を変更することによりタービン翼ピッチ角が従来例と比較して少なく変化するため、風力タービン１は従来よりも大きな風力エネルギーを受ける。その結果、発電機の有効電力が増加する。この時、タービン回転数は、タービン回転数参照信号演算器に予め設定された上限制限値によりタービン回転数参照信号が制限されるため、発電機励磁電流制御により、従来と同等のタービン回転数に制御される。
上述したように、本実施例においては、発電機回転子回転数信号と発電機出力から効率的な発電機回転子回転数として演算された回転子回転数参照信号との回転数偏差信号に基づき、発電機励磁電流を制御することにより発電機電力を制御する。この時、発電機の回転子回転数参照信号の最大値は、発電機回転子が過回転数とならないように予め設定された制限値となる。従って、発電機回転子の励磁電流制御に基づく電力制御により、発電機回転子の回転数が間接的に制御されることになる。また同時に、発電機回転子回転数信号と回転子回転数参照信号との回転数偏差信号に基づき、タービン翼ピッチ角制御信号を演算生成する。このタービン翼ピッチ角制御信号に対し、測定した風速信号に応じた発電機出力設定値変更信号を演算し、発電機出力信号との発電機出力偏差信号からタービン翼ピッチ角補償信号を生成する。この発電機出力設定値変更信号は、定格風速以上の風速に応じて発電機の定格出力設定値を一時的、あるいは一定比率で増加させた値とする。これらのタービン翼ピッチ角制御信号とタービン翼ピッチ角補償信号との加算信号によって、タービン翼ピッチ角を制御することにより、風速変化に対して発電機回転子が過回転数になることがないように回転数が制御される。

従って、本実施例によれば、定格風速を超える高風速域ではタービンピッチ角制御により風力を受けて発電機個回転子回転数が増加しようとするが、タービン翼ピッチ角制御と発電機励磁電流制御による電力制御との協調制御により、発電機回転子の回転数設定値を基準として発電機励磁電流の制御による電力制御が行われる。その結果、発電機回転子の回転数が設定値を超えることなく、発電機出力設定値変更信号が参照されることにより発電機出力を増加することができる。

図７は、本発明の一実施例である風力発電システムにおける、タービン発電機出力制御器９の発電機出力設定値変更器９７を示す。本実施例は、図７に示した発電機出力設定器が実施例１と異なり、他の構成は実施例１と同様である。

図７において、予め設定した定格風速設定値９７１と測定した風速信号Ｓ１００との偏差は上下限制限器９７２に入力される。上下限制限器９７２は、偏差の値が上下限値の間に制限し、定格風速以上の風速範囲の風速偏差信号として出力する。この風速偏差信号と風速偏差信号に対する遅れ演算器９７３による遅れ演算値との偏差を求めるとともに、さらに、予め固定値として設定されている発電機定格出力設定値９７４とを加算し、発電機出力設定変更値Ｓ９４として発電機出力設定値変更器９７から出力する。

本実施例によれば、風力発電システムの定格風速を超えて風速が時間的に変化した場合、風速の変化に基づいて一時的に変化する発電機出力設定値変更信号を演算し、発電機定格出力設定値とを加算して発電機出力設定変更値とする。これにより、定格風速を超えて風速が変化するような場合において、定常的に発電機出力が定格値より大きくなる期間を短縮することができる。これにより、発電機の熱的な制限などにより、長い期間発電機出力を定格値より大きくすることができない発電機についても、本実施例により、定格風速を超える風速において発電機出力電力を増加することができる。

図８は、本発明の一実施例である風力発電システムにおける、タービン発電機出力制御器９の発電機出力設定値変更器９７を示す。本実施例は、図８に示した発電機出力設定器が実施例１および実施例２と異なり、他の構成は実施例１および実施例２と同様である。ここで、図８において図７と同一の符号を付された部分については、これらの部分が図７と同一の構成であるため、その説明を省略する。

図８において、図７と異なる構成点は、風力タービン（風車）あるいは発電機近傍において温度検出器２００で外気温を測定し、測定された外気温を示す温度信号Ｓ２００によって発電機出力設定値変更信号Ｓ９７５と発電機定格出力設定値９７４との加算をスイッチ回路９７５で調整する点にある。すなわち、風力発電システムの外気温が予め設定された所定値、例えば発電機の冷却のための設計温度より低い場合には、発電機の熱的な制限が緩和されるので、スイッチ回路９７５は、上下限制限器９７２が出力する風速偏差信号として出力する風速偏差信号と風速偏差信号に対する遅れ演算器９７３による遅れ演算値との偏差風速信号をそのまま出力する。次に、スイッチ回路９７５の出力と発電機定格出力設定値９７４とを加算して、発電機出力設定変更信号Ｓ９４とする。一方、風力発電システムの外気温が発電機の冷却のための設計温度より高い場合、スイッチ回路９７５は、測定された温度信号Ｓ２００に基づいて、偏差風速信号の出力を阻止するとともに、発電機定格出力設定値９７４を発電機出力設定変更信号Ｓ９７５として出力する。これにより、発電機の熱的な制限を考慮する必要がある場合には、外気温による発電機冷却能力を反映した発電機増出力が可能となる。

図９は、本発明の一実施例である風力発電システムにおける、タービン発電機出力制御器９を示す。本実施例は、図９に示した発電機出力設定器９の具体的な構成が、実施例１〜３と異なり、他の構成は実施例１〜３と同様である。ここで、図９において図２，７，８と同一の符号を付された部分については、これらの部分が図２，７，８と同一の構成であるため、その説明を省略する。

図９において、実施例１〜３と異なる構成点は、次のとおりである。発電機出力信号Ｓ４と、発電機出力設定器９７４にて予め設定された発電機出力設定値との偏差信号に基づき、第三の比例積分器９４でタービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５を演算する。また、風力タービン１近傍で測定した時間的に変化する風速信号Ｓ１００を風速信号処理フィルタ９６でノイズ除去して波形整形した後、タービン翼ピッチ角変更器３００でピッチ角変更値Ｓ９６として演算した後、タービン翼ピッチ角補償信号Ｓ９５とタービン翼ピッチ角制御信号Ｓ９３との加算し、さらにピッチ角変更値信号Ｓ９６を減算してタービン翼ピッチ角要求信号Ｓ１０が作成される。

図１０は、図９におけるタービン翼ピッチ角変更器３００の詳細構成を示す。ここで、図７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、その説明を省略する。

図１０に示すように、図９におけるタービン翼ピッチ角変更器３００においては、上下限制限器９７２が出力する風速偏差信号と、風速偏差信号に対する遅れ演算器９７３による遅れ演算値との偏差風速信号を、これに発電機定格出力設定値（図７の符号９７４）を加算することなく、そのままタービン翼ピッチ角変更値信号Ｓ９７５として出力する。

本実施例によれば、風速信号に応じたタービン翼ピッチ角制御を実行することができるので、発電機の増出力が図れる。

図１１は、本発明の一実施例である風力発電システムにおけるタービン発電機出力制御器９のタービン翼ピッチ角変更器３００を示す。本実施例は、図１１に示したタービン翼ピッチ角変更器３００が図９，１０に示した実施例４と異なり、他の構成は実施例４と同様である。ここで、図１１において図９，１０と同一の符号を付された部分については、これらの部分が図９，１０と同一の構成であるため、その説明を省略する。

本実施例は、図１０に示した実施例４と異なり、図８に示した実施例３と同様のスイッチ回路９７５を設けられる。図１１において、スイッチ回路９７５は、風力タービン１あるいは発電機近傍において温度検出器２００で測定した外気温を示す温度信号Ｓ２００に基づいて、タービン翼ピッチ角変更値信号Ｓ９７５を調整する。すなわち、風力発電システムの外気温が予め設定された所定値、例えば発電機の冷却のための設計温度より低い場合、発電機の熱的な制限が緩和されるので、スイッチ回路９７５は、上下限制限器９７２が出力する風速偏差信号として出力する風速偏差信号と風速偏差信号に対する遅れ演算器９７３による遅れ演算値との偏差風速信号をそのままタービン翼ピッチ角変更値信号Ｓ９７５として出力する。一方、風力発電システムの外気温が発電機の冷却のための設計温度より高い場合、スイッチ回路９７５は、測定された温度信号Ｓ２００に基づいて、偏差風速信号が出力設定変更信号Ｓ９７５として出力されることを阻止する。

本実施例によれば、発電機の熱的な制限を考慮する必要がある場合に、外気温による発電機冷却能力を反映した発電機増出力が可能となる。

図１２は、本発明の一実施例である風力発電システムを示す。図１に示した実施例１と同様に、本実施例においても、本発明が適用された、風力発電機の出力制御装置および出力制御方法が用いられる。なお、図１と同一の符号を付された部分については、これらの部分が図１に示した実施例１と同一の構成あるいは機能であるため、その説明を省略する。

本実施例は、図1に示した実施例１とは異なり、交流発電機３の固定子出力および電力系統５００と電気的に接続される蓄電システム６００を備える。

本実施例においては、蓄電システム６００により、風速変化時に発電機出力が急峻に増加した場合において、風力発電システムから直接的に電力系統５００に電力が供給されることが抑制される。このため、風力発電システムが電力系統５００に電力擾乱を与えることを抑制できる。また、電力系統５００にて系統短絡や地絡などの異常事象が発生し系統電圧が変動する場合、その系統電圧変化は風力発電システムの交流発電機３に対しても、発電機の電圧や電流変化だけでなくタービン軸トルクにも影響を与える。このような場合においても、蓄電システム６００の電圧調整機能により、電力系統５００の異常状態が風力発電システムの交流発電機３に与える電気的及び機械的な影響を低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例や本発明の範囲内における他の実施例が可能である。例えば、二次励磁方式の誘導発電機に代えて、回転子励磁により出力電力を制御できる他の発電機を用いても良い。

１ … 風力タービン
２ … タービン連結軸
３ … 交流発電機
４ … 回転子側電力変換器
５ … 系統側出電力変換器
９ … タービン発電機出力制御器
１０ … 電力制御器
１００ … 風速検出器
２００ … 温度検出器
３００ … タービン翼ピッチ角制御器
５００ … 電力系統
Ｓ１ … タービン回転数信号
Ｓ４ … 発電機出力信号
Ｓ５ … タービントルク信号
Ｓ１０…タービン翼ピッチ角要求信号
Ｓ１００ … 風速信号
Ｓ２００ … 温度信号

Claims

発電機に連結した風力タービンのタービン翼ピッチ角を制御するタービン翼ピッチ角制御手段と、前記発電機の励磁電流を制御することにより前記発電機の出力電力を制御する発電機電力制御手段と、を備える風力発電機の出力制御装置において、
前記タービン翼ピッチ角制御手段は、前記風力タービンのタービン回転数と、前記出力電力に応じたタービン回転数目標値との偏差に基づいて、前記タービン翼ピッチ角を制御し、
前記発電機電力制御手段は、前記タービン回転数と、制限値を有する前記タービン回転数目標値との偏差に基づいて前記励磁電流を制御することにより前記出力電力を制御し、
前記タービン翼ピッチ角制御手段が設定する前記タービン翼ピッチ角を、風速に応じて変更するピッチ角補正手段を備え、
前記ピッチ角補正手段は、
前記出力電力と、予め設定される前記発電機の最大出力値との偏差に基づいて、前記タービン翼ピッチ角の補償角度を設定するタービン翼ピッチ角補償手段と、
風速に応じて、前記最大出力値を設定し、前記風速が定格風速を超えたら、前記最大出力値を前記発電機の定格出力よりも大きな値に変更する発電機出力設定値変更手段と、
を備えることを特徴とする風力発電機の出力制御装置。
請求項１に記載の風力発電機の出力制御装置において、
前記発電機出力設定値変更手段は、前記風速と前記定格風速の偏差信号と、前記偏差信号の遅れ信号との差分信号と、前記定格出力と、に基づいて、前記最大出力値を設定することを特徴とする風力発電機の出力制御装置。
請求項２に記載の風力発電機の出力制御装置において、前記発電機出力設定値変更手段は、外気温が所定温度を超えたら、前記最大出力値を前記定格出力に設定することを特徴とする風力発電機の出力制御装置。
風力タービンと、
風力タービンに連結する発電機と、
前記発電機の励磁装置と、
前記風力タービンのタービン翼ピッチ角と前記発電機の励磁電流を制御する出力制御装置と、
を備える風力発電システムにおいて、
前記出力制御装置が、請求項１に記載された風力発電機の出力制御装置であることを特徴とする風力発電システム。
請求項４に記載の風力発電システムにおいて、前記発電機の出力は電力系統に接続され、前記発電機の前記出力および前記電力系統に接続される蓄電システムを備えることを特徴とする風力発電システム。
発電機に連結した風力タービンのタービン翼ピッチ角を制御するとともに、前記発電機の励磁電流を制御することにより前記発電機の出力電力を制御する風力発電機の出力制御方法において、
前記風力タービンのタービン回転数と、前記出力電力に応じたタービン回転数目標値との偏差に基づいて、前記タービン翼ピッチ角を制御し、
前記タービン回転数と、制限値を有する前記タービン回転数目標値との偏差に基づいて前記励磁電流を制御することにより前記出力電力を制御し、
前記タービン翼ピッチ角を、風速に応じて変更し、
前記タービン翼ピッチ角の変更において、
前記出力電力と、予め設定される前記発電機の最大出力値との偏差に基づいて、前記タービン翼ピッチ角の補償角度を設定し、
前記風速に応じて、前記最大出力値を設定し、前記風速が定格風速を超えたら、前記最大出力値を前記発電機の定格出力よりも大きな値に変更することを特徴とする風力発電機の出力制御方法。