风力发电用电力转换装置、风力发电装置以及风场的制作方法
【专利摘要】风力发电用电力转换装置（20）具备电力转换部（21）和控制部（22）。控制部（22）控制电力转换部（21），使其对发电机（15）通过风车（14）的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统（30），其中，该风车通过风力进行旋转。此外，控制部（22）还控制电力转换部（21）以将发电机（15）用作电动机而控制风车（14）的旋转位置。
【专利说明】风力发电用电力转换装置、风力发电装置以及风场
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及风力发电用电力转换装置、风力发电装置、风场以及风车的制造方法。
【背景技术】
[0002]风力发电装置一般具备具有多个叶片从中央部向不同方向延伸的转子的风车，其通过发电机将风车受到风力而旋转的机械能向电能转换。
[0003]在设置风力发电装置的风车时，虽然有在对转子进行地面组装之后再安装到塔体上的方法，但该方法需要用于对转子进行地面组装的作业空间，在转子大的情况下，需要巨大的作业空间。
[0004]因此，提出了不需要巨大的作业空间的风车的设置方法(例如，专利文献I)。在该方法中，首先将安装有一个叶片的转子轮毂安装到塔体上。然后，通过起重机或油压装置使该转子轮毂进行旋转并停止到预定位置，再依次安装剩余的叶片。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利第4547039号公报实用新型内容
[0008]实用新型要解决的问题
[0009]但是，在现有的风车设置方法中，当向转子轮毂安装叶片时，需要通过起重机或油压装置使转子轮毂进行旋转，从而无法容易地进行风车的组装作业。这种情况不仅仅是向转子轮毂安装叶片时，为了保养进行叶片的拆卸或检修的保养作业时也是同样。
[0010]公开的技术是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供使叶片的安装、拆卸或检修变得容易的风力发电用电力转换装置、风力发电装置、风场以及风车的制造方法。
[0011]解决问题的手段
[0012]本申请所公开的风力发电用电力转换装置的特征是具备:电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部，所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
[0013]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述电力转换部是对所述发电机与所述电力系统之间的电力进行双向全转换的矩阵转换器。
[0014]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述控制部控制所述矩阵转换器具有的多个开关的通断，以保持所述风车的旋转位置。
[0015]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述电力转换部具备:按照所述发电机的各相串联连接地设置有多个、并且各自进行双向的电力转换的单相电力转换器；以及耦合部，其使从多个所述单相电力转换器输出的电力彼此绝缘地耦合，所述耦合部使耦合的所述电力的电压通过所述电力系统侧具有的绕组升压至该电力系统的电压。
[0016]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述单相电力转换器是单相矩阵转换器。
[0017]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述电力转换部是并联连接多个矩阵转换器而得到的并联多级电力转换器。
[0018]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述单相矩阵转换器具备缓冲电路，该缓冲电路将浪涌电压转换为直流电压并进行蓄积，对该蓄积的直流电压进行放电，所述控制部具备放电指令部，该放电指令部根据所述发电机的旋转速度或所述发电机的发电电压，向所述缓冲电路输出指示所述直流电压的放电的放电指令。
[0019]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，该风力发电用电力转换装置具备无停电电源，该无停电电源具有蓄电池，在满足预定条件的情况下从所述蓄电池向所述控制部供电，所述蓄电池通过所述缓冲电路的直流电压进行充电。
[0020]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，该风力发电用电力转换装置具备:无停电电源；切换器，其根据切换信号切换从所述无停电电源输出的电压与从所述发电机输出的电压而作为用于使所述控制部进行动作的电压输出；以及电源切换指令部，其根据所述发电机的发电电压，向所述切换器输出所述切换信号。
[0021]另一方式的风力发电用电力转换装置的特征在于，所述控制部具备:系统电压波形存储部，其存储预定周期的所述电力系统的电压波形；以及停电检测部，其检测所述电力系统的停电，在使所述电力转换部进行从所述发电机向所述电力系统的电力转换的过程中由所述停电检测部检测到所述电力系统的停电的情况下，所述控制部根据所述系统电压波形存储部存储的电压波形控制所述电力转换部，使所述电力转换部继续进行从所述发电机向所述电力系统的电力转换。
[0022]本申请公开的风力发电装置的特征在于，该风力发电装置具备:电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部，所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
[0023]本申请公开的风场具备多个风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置具备:电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部，所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
[0024]实用新型效果
[0025]根据本实用新型，将发电机用作电动机而控制风车的旋转位置，所以能够使风车的组装作业或保养作业变得容易，能够实现作业的效率化。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是示出实施例1的风力发电装置的结构的图。
[0027]图2A是示出实施例1的风力发电部的叶片安装顺序的图。
[0028]图2B是示出实施例1的风力发电部的叶片安装顺序的图。
[0029]图2C是示出实施例1的风力发电部的叶片安装顺序的图。[0030]图3是实施例1的风力发电装置的框图。
[0031]图4是示出实施例1的电力转换部的结构的框图。
[0032]图5是示出利用并联连接使额定电流增加的串联多级矩阵转换器的结构的图。
[0033]图6是示出图4所示的单相矩阵转换器的结构的一例的图。
[0034]图7是示出功率因数控制部的结构的一例的图。
[0035]图8是说明控制信号产生部的电力转换部的控制例的图。
[0036]图9是示出位置控制部的结构的一例的图。
[0037]图10是示出放电指令部的结构的一例的图。
[0038]图11是示出电源切换部的结构的一例的图。
[0039]图12是示出图10所示的电压切换指令部的结构的一例的图。
[0040]图13是示出系统电力停电时控制的顺序的图。
[0041]图14是示出实施例2的风场的结构的图。
【具体实施方式】
[0042]以下，根据附图详细说明本申请公开的风力发电用电力转换装置、风场以及风车的制造方法的实施例。此外，本实用新型不被这些实施例限定。
[0043]实施例1
[0044]图1是示出实施例1的风力发电装置的结构的图。如图1所示，实施例1的风力发电装置I具备风力发电部10和风力发电用电力转换装置20，对电力系统30进行供电。此夕卜，为了便于理解说明，在图1中未图示一部分的结构。参照图2来说明该未图示的结构。
[0045]风力发电部10具备风车14，该风车14具有塔体11、机舱12以及转子13。机舱12旋转自如地支承在塔体11上。另外，转子13具备转子轮毂13a和安装在转子轮毂13a的不同位置上的多个叶片13b。
[0046]在该风车14的机舱12内收纳有经由轴17与转子13连接的发电机15。发电机15是还可以用作电动机的旋转电机，例如是永磁型的旋转电机。
[0047]另外，在机舱12内收纳有位置检测器16，该位置检测器16检测通过风力进行旋转的风车14的旋转位置。该位置检测器16例如通过检测轴17的旋转位置，来检测风车14的旋转位置。
[0048]另一方面，风力发电用电力转换装置20具备电力转换部21、控制部22、无停电电源(以下，记为UPS)23和操作部24。该风力发电用电力转换装置20配置在塔体11内。当电力系统30的电压高于发电机15的电压时,流过电力转换部21与电力系统30之间的电力传递用电缆的电流小于流过发电机15与电力转换部21之间的电力传递用电缆的电流，所以可减小向塔体11外引出的电缆的直径。
[0049]电力转换部21是在风力发电部10的发电机15与电力系统30之间使电力双向全转换(full convert)的电力转换部。即，电力转换部21不是仅调整如DFIG (双馈感应发电机)类型那样与电力系统直接连接的发电机的输出的频率，而存在于发电机15与电力系统30之间，在发电机15与电力系统30之间双向地进行电力转换。
[0050]电力转换部21由将交流电压转换为期望的交流电压的矩阵转换器构成。此外，电力转换部21也可以是由进行交流-直流转换的转换器与进行直流-交流转换的逆变器的组合构成的电力转换部。
[0051]控制部22向电力转换部21输出控制信号，使其在发电机15与电力系统30之间进行双向的电力转换。例如，控制部22根据对操作部24的操作向电力转换部21输出控制信号，使电力转换部21执行发电控制处理、风车位置控制处理。
[0052]当通过对操作部24的操作选择了发电控制处理时，控制部22执行发电控制处理，当通过对操作部24的操作选择了风车位置控制处理时，控制部22执行风车位置控制处理。发电控制处理是将从发电机15输出的电力转换为与电力系统30相应的电力而输出到电力系统30的处理。另外，风车位置控制处理是转换从电力系统30输出的电力提供给发电机15而使发电机15作为电动机进行动作的处理。
[0053]风车位置控制处理是在将叶片13b安装到转子轮毂13a上、从转子轮毂13a拆卸叶片13b、以及进行叶片13b的检修或维护等情况下执行的处理，使风车的旋转位置与通过对操作部24的操作而指定的目标位置一致。
[0054]目标位置的信息作为容易进行叶片13b的安装或拆卸的位置，针对每个叶片13b预先设定在控制部22内，通过对操作部24的操作进行选择。此外，还可以将通过对操作部24的操作而输入的位置信息作为目标位置，由此设定任意的目标位置。
[0055]控制部22根据由位置检测器16检测出的风车14的旋转位置的信息(以下，记为“位置检测值”)和通过对操作部24的操作而指定的目标位置，向电力转换部21输出控制信号，使风车的旋转位置与目标位置一致。
[0056]这里，对风力发电部10中的叶片13b的安装方法进行说明。图2是示出风力发电部10中的叶片13b的安装顺序的图。此外，图2示出在安装了一个叶片13bl的转子轮毂13a上安装下一个叶片13b2时的顺序，可以同样地进行任意的叶片13b的安装。
[0057]在图2A所示的状态下，作业者对操作部24进行操作，指定风车位置控制处理，选择叶片13b2 (参照图2B)作为安装到转子轮毂13a上的叶片。由此，在控制部22中指定用于进行叶片13b2的安装的目标位置。位置检测器16检测风车14的旋转位置，从位置检测器16向控制部22输入该检测的结果。
[0058]控制部22检测由位置检测器16检测出的风车14的旋转位置与由操作部24指定的目标位置之差。然后，根据风车14的旋转位置与目标位置之差，生成使风车14的旋转位置与目标位置一致的控制信号，向电力转换部21输入。由此，如图2B所示，风车14的旋转位置向目标位置进行变化，最后，风车14停止在目标位置上。
[0059]如果不再变更目标位置，则电力转换部21继续输出使风车14的旋转位置与目标位置一致的控制信号，结果，风车14继续停止在旋转位置上。然后，如图2C所示，在已停止的风车14上安装叶片13b2。因为风车14继续停止在目标位置上保持静止，所以容易将叶片13b2安装到转子轮毂13a上。
[0060]此外，以上说明了将叶片13b安装到风车14上的顺序，关于从风车14上拆卸叶片13b,也可以通过使风车14的旋转位置与目标位置一致,使风车14停止在目标位置上，由此能够与叶片13b的安装同样地容易地进行拆卸。
[0061 ] 这样，在实施例1的风力发电用电力转换装置20中，可通过风车位置控制处理，使风车14的旋转位置与目标位置一致，所以能够容易地进行风车14的组装作业、保养作业等，其中，风车位置控制处理是控制电力转换部21以将发电机15用作电动机而控制风车14的旋转位置的处理。
[0062]此外，以上是通过位置检测器16检测风车14的旋转位置，但风车14的旋转位置的检测不限于位置检测器16。例如，也可以检测对从检测发电机15的旋转速度的旋转编码器等速度检测器输出的速度检测值进行积分而得的旋转检测值，作为风车14的旋转位置。
[0063][风力发电装置I的具体结构]
[0064]以下，采用附图来进一步具体说明实施例1的风力发电装置I的结构。图3是实施例I的风力发电装置I的框图。
[0065]如图3所示,风力发电装置I具备风力发电部10和风力发电用电力转换装置20。风力发电部10除了上述发电机15以及位置检测器16之外，还具备速度检测器18和风检测器19。
[0066]速度检测器18检测发电机15的旋转速度，将检测到的旋转速度的值作为速度检测值输出到风力发电用电力转换装置20。另外，风检测器19检测风车14周边的风量、风向以及气温，将检测到的风量、风向以及气温作为风量检测值、风向检测值以及气温检测值输出到风力发电用电力转换装置20。
[0067]风力发电用电力转换装置20具备上述的电力转换部21、控制部22、UPS23以及操作部24。该风力发电用电力转换装置20的控制部22利用由风力发电部10的发电机15发出的电力进行动作，但在无法利用发电机15获得电力的情况下，如后所述，从UPS23接受电力供给进行动作。
[0068]电力转换部21构成为可在发电机15与电力系统30之间进行双向的电力转换。这里，采用由将交流电压转换为期望的交流电压的矩阵转换器构成的电力转换部，作为电力转换部21。图4是示出电力转换部21的结构的框图。
[0069]如图4所示，电力转换部21是具备R相单元41a、S相单元41b、T相单元41c和三相变压器42的串联多级矩阵转换器。R相单元41a连接在发电机15的R相与中性点N之间，S相单元41b连接在发电机15的S相与中性点N之间，T相单元41c连接在发电机15的T相与中性点N之间。
[0070]各个单元41a?41c分别是将多个单相矩阵转换器43a?43c串联连接的连接体。具体地说，单相矩阵转换器43a的端子a与发电机15连接，单相矩阵转换器43a的端子b与单相矩阵转换器43b的端子a连接。另外，单相矩阵转换器43b的端子b与单相矩阵转换器43c的端子a连接，单相矩阵转换器43c的端子b与中性点N连接。
[0071]另一方面，各单相矩阵转换器43a?43c的3个端子U、V、w与分别独立的三相变压器42的二次绕组44连接。另一方面，三相变压器42的一次绕组45与电力系统30连接。该三相变压器42作为耦合部，使从作为单相电力转换器的单相矩阵转换器43a?43c输出的电力彼此绝缘地耦合，利用电力系统30侧具有的一次绕组45，将该耦合的电力的电压升压至电力系统30的电压。
[0072]这样，在风力发电用电力转换装置20中，将串联多级矩阵转换器作为电力转换部21。因此，可降低流过发电机15侧与电力系统30侧双方的电流的高次谐波。
[0073]另外，在各单元41a?41c中串联连接3个单相矩阵转换器43a?43c，各单相矩阵转换器43a?43c输出将发电机15的发电电压大致除以3而得的电压。因此，从各个单相矩阵转换器43a?43c向发电机15输出的浪涌电压与各单相矩阵转换器43a?43c的输出电压成比例，所以与不将单相矩阵转换器串联连接的情况相比，浪涌电压相对于发电机15的发电电压的比例较小。其结果，能够降低浪涌电压对发电机15的影响。此外，单相矩阵转换器的串联连接数越大，则越能够降低浪涌电压对发电机15的影响。
[0074]另外，可通过提高三相变压器42的一次侧电压，来减小三相变压器42中的一次绕组45的线径，由此，能够提高维护性。此外，将各个单相矩阵转换器43a?43c的端子U、V、w与分别独立的二次绕组44连接，以使在各个二次绕组44所输出的电压之间产生一定的相位差的方式构成三相变压器42，由此例如能够去除在各个单相矩阵转换器43a?43c中产生的噪声等。
[0075]此外，以上说明了由串联多级矩阵转换器构成电力转换部21的例子，但串联多级电力转换器可以不是串联多级矩阵转换器。例如，可取代单相矩阵转换器43a?43c，由包含进行直流-交流转换的转换器和进行直流-交流转换的逆变器的单相电力转换器构成各个单兀41a?41c。
[0076]另外，电力转换部21在利用矩阵转换器进行电力转换的情况下，即使发电机15的旋转速度变慢、例如从发电机15输出的发电电压的频率是零，也能够进行针对电力系统30的运转。这是因为，即使发电机15的频率为零，单相矩阵转换器43a?43c也根据电力系统30的电压相位来切换后述的双向开关53a?53f (参照图6)导通断开的时机，所以能够防止负载集中于特定的双向开关。因此，既能够防止负载集中于特定的双向开关，又能够使风车14的旋转位置静止。
[0077]另外，可通过将单相矩阵转换器与各单相矩阵转换器43a?43c分别并联连接，使各个单元41a?41c的电流额定值倍增，而且还能够节省电流平衡用的电抗器。
[0078]例如，如图5所示，在各单元41a?41c中，能够分别使单相矩阵转换器46a?46c与各单相矩阵转换器43a?43c并联连接。在图5中，没有图示S相单元41b与T相单元41c的结构，其结构与R相单元41a相同。此外，越增加并联连接的单相矩阵转换器，越能够增加各个单元41a?41c的电流额定值。
[0079]另外，可以不将电力转换部21设为串联多级电力转换器，而是例如采用将电力转换部21设为并联连接多个矩阵转换器而成的并联多级电力转换器从而节省电流平衡用电抗器的结构。
[0080]这里，说明单相矩阵转换器43a?43c的结构。各个单相矩阵转换器43a?43c是相同的结构，所以在此说明单相矩阵转换器43a的结构。图6是示出图4所示的单相矩阵转换器43a的结构的一例的图。
[0081]如图6所示，单相矩阵转换器43a具备单相矩阵转换器主体50、滤波器51和缓冲电路52。
[0082]单相矩阵转换器主体50具备双向开关53a?53f。双向开关53a?53c的一端连接单相矩阵转换器43a的端子a,双向开关53d?53f的一端连接单相矩阵转换器43a的端子bo
[0083]并且，双向开关53a的另一端与双向开关53d的另一端连接，经由滤波器51与端子w连接。同样，双向开关53b的另一端与双向开关53e的另一端连接,经由滤波器51与端子V连接。另外，双向开关53c的另一端与双向开关53f的另一端连接,经由滤波器51与端子u连接。[0084]双向开关53a?53f例如可由反向并联连接单一方向的开关元件后的2个元件构成。作为开关元件例如可采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)等半导体开关。并且，通过向该半导体开关的栅极输入信号使各个半导体开关导通/关断，从而控制通电方向。
[0085]滤波器51是用于降低由于单相矩阵转换器主体50的开关动作而产生的高次谐波电流的滤波器，具备电容器Cla?Clc和电感器Lla?Lie。电感器Lla?Llc连接在单相矩阵转换器主体50与端子U、V、w之间，电容器Cla?Clc各自的一端与端子U、V、w连接，另一端公共连接。
[0086]这里，如图4所示，单相矩阵转换器43a的端子u、v、w与三相变压器42连接。即，端子U、v、w与电感成分连接。因此，可利用三相变压器42来承担电感器Lla?Llc的一部分或全部的功能，可实现滤波器51的小型化、成本降低。这样，串联多级矩阵转换器具有能够实现单相矩阵转换器43a的小型化、成本降低的优点。
[0087]缓冲电路52具备发电机侧全波整流电路54、电力系统侧全波整流电路55、电容器C2和放电电路56。该缓冲电路52利用发电机侧全波整流电路54以及电力系统侧全波整流电路55将在单相矩阵转换器主体50的端子间产生的浪涌电压转换为直流电压而蓄积在电容器C2中，利用放电电路56释放该蓄积的直流电压。
[0088]此外，在电容C2的电压为预定值以上的电压时进行放电电路56的放电。另外，放电电路56是根据在发电机15的发电电压的变化率为预定值以上时、或者发电机15的旋转速度的变化率为预定值以上时从控制部22输出的放电指令进行动作的电路。放电电路56构成为串联连接IGBT等开关元件和电阻，并与电容器C2并联连接。
[0089]返回图3说明控制部22的结构。控制部22具备转矩指令生成部61、电压指令生成部62、系统电压检测部63、参照电压输出部64、PLL (Phase Locked Loop:锁相环)65、功率因数控制部66、控制信号产生部67和功率因数设定部78。
[0090]转矩指令生成部61生成并输出决定发电机15的转矩的转矩指令。具体地说，转矩指令生成部61从速度检测器18取得作为发电机15的旋转速度信息的速度检测值，输出与发电机15的旋转速度对应的转矩指令。由此，能够根据风车14的旋转速度有效地进行发电。
[0091]电压指令生成部62生成与输入的转矩指令对应的电压指令，输出到控制信号产生部67。例如，在从转矩指令生成部61取得转矩指令的情况下，根据该转矩指令生成电压指令，输出到控制信号产生部67。另外，在电力系统30侧发生停电的情况下，功率因数设定部78变更设定的功率因数，电压指令生成部62根据功率因数的变更而检测停电，发电机15侧的功率因数也发生变更。
[0092]系统电压检测部63监视电力转换部21与电力系统30之间的连接点，检测电力系统30的电压值，将检测到的电力系统30的电压值输出到参照电压输出部64。由此，从系统电压检测部63向参照电压输出部64输出电力系统30的电压值。参照电压输出部64在电力系统30不停电的情况下，将从系统电压检测部63取得的电力系统30的电压值输出到PLL65。
[0093]PLL65根据电力系统30的三相电压值生成电力系统30的电压相位的信息,输出到功率因数控制部66。功率因数控制部66根据所输入的电力系统30的电压相位的信息，生成电流相位的信息。此外，PLL65是电压相位生成部的一例。图7是示出功率因数控制部66的结构的一例的图。
[0094]如图7所示，功率因数控制部66具备加法器80，该加法器80使功率因数角指令β与从PLL65输入的电压相位的信息相加而生成电力系统30的电流相位。功率因数控制部66向控制信号产生部67 (参照图3)输出所输入的电力系统30的电压相位的信息和已生成的电流相位的信息。由此，设定电力系统30侧的功率因数。
[0095]功率因数角指令β是由功率因数设定部78设定的指令。功率因数设定部78例如根据从电力系统30侧的系统设定的信息来决定功率因数角指令β。此外，功率因数设定部78也可根据电力系统30侧的状态等决定功率因数角指令β。
[0096]图3所示的控制信号产生部67根据从电压指令生成部62取得的电压指令、从功率因数控制部66取得的电压相位的信息以及电流相位的信息等，生成使电力转换部21进行电力转换的PWM脉冲图形的控制信号，将所生成的控制信号输出到电力转换部21。
[0097]电力转换部21根据从控制信号产生部67输出的PWM脉冲图形的控制信号，使双向开关53a?53f导通/断开，进行电力转换。该电力转换部21可利用双向开关53a?53f直接对所输入的电压进行开关，由此能够分别进行发电机15侧的控制和电力系统30侧的控制，使发电机15的发电电力对应于电力系统30侧的电压值以及频率而进行电力转换并输出。
[0098]图8是说明控制信号产生部67的电力转换部21的控制例的图。如图8所示，利用PWM脉冲图形的控制信号来选择从发电机15输出的三相交流电压(R相电压ER、S相电压ES、T相电压ET)，输出脉冲形状的输出电压。
[0099]这里，在利用从控制信号产生部67输出的控制信号选择了作为基准的最小电压相和中间电压相之后，选择最小电压相和最大电压相，然后，选择最小电压相和中间电压相。因此，与一般的逆变器相比，I次的电压变动减小，结果，能够抑制浪涌电压、漏电流。
[0100]在图8所示的例子中，在图中的区间I内，选择作为基准的T相电压ET和作为中间电压相的S相电压ES，将第I脉冲95作为输出电压输出，然后选择T相电压ET和作为最大电压相的R相电压ER，将第2脉冲96、96作为输出电压输出，然后选择T相电压ET和S相电压ES,将第I脉冲95作为输出电压输出。
[0101]这样，控制信号产生部67生成与从电压指令生成部62输入的电压指令相应的PWM脉冲，通过PWM脉冲的面积控制输出电压之间的电压值，通过PWM脉冲的比率使输入电流接近于正弦波。这里，PWM脉冲的比率是由最小电压相和中间电压相或最大电压相和中间电压相形成的第I脉冲的时间幅度与由最小电压相和最大电压相形成的第2脉冲的时间幅度之比。
[0102]例如，图8所示的PWM脉冲94由第I脉冲95和第2脉冲96形成，通过使第I脉冲95的期间Tl与第2脉冲96的期间T2之比α进行变化，输入电流的波形形状进行变换。例如，使期间Tl与期间Τ2之比(PWM脉宽之比)即α根据输入电压的相位进行变化，而且作为输入电压相位中的最大电压相或最小电压相的电压值与中间电压相的电压值之比。此夕卜，通过决定是使最大电压相根据输入电压的相位在控制周期T的期间持续流过电流、还是使最小电压相根据输入电压的相位在控制周期T的期间持续流过电流，能够使输入电流的波形成为相位与输入电压相等的正弦波，使功率因数成为I。[0103]另外，控制信号产生部67根据从功率因数控制部66输出的电流相位，决定PWM脉冲之比α，进而决定是使最大电压相在控制周期T的期间持续流过电流、还是使最小电压相在控制周期T的期间持续流过电流。由此，向电力转换部21输出控制信号，该控制信号使电力系统30侧的功率因数成为由功率因数设定部78设定的功率因数。
[0104]返回图3，继续进行控制部22的说明。控制部22还具备位置指令部68、位置控制部69、切换器70、发电电压检测部71、放电指令部72、电源切换部73、停电检测部74、系统电压波形存储部75、风况预测部76和加法器77。并且，控制部22进行风车旋转位置控制、剩余电力放电控制、电源切换控制、系统电力停电时控制、考虑了风况的发电控制等各种控制。以下，对这些控制具体地进行说明。
[0105](风车旋转位置控制)
[0106]首先，说明控制部22进行的风车旋转位置控制。为了进行该风车旋转位置控制，如图3所示，控制部22具备位置指令部68以及位置控制部69。
[0107]位置指令部68在内部的存储部中存储有多个规定目标位置的位置指令的信息，从内部的存储部中读出与由操作部24指定的风车14的旋转位置相应的位置指令，然后向位置控制部69输出。位置指令部68所存储的位置指令是这样的信息:将在安装或拆卸各个叶片13b (参照图1)时最佳的转子轮毂13a的位置作为目标位置。或者还可以构成为由操作部24直接指定目标位置，使风车停止在任意的位置，而不仅仅是最适于叶片13b的安装或拆卸的位置。
[0108]例如，转子轮毂13a的O度旋转位置是最适于叶片13bl (参照图2A)的安装等的位置，转子轮毂13a的120度旋转位置是最适于叶片13b2 (参照图2B)的安装等的位置，转子轮毂13a的240度旋转位置是最适于剩余的叶片13b的安装等的位置。
[0109]在此情况下，位置指令部68在内部的存储部中存储将转子轮毂13a的O度旋转位置、120度旋转位置、240度旋转位置分别作为目标位置的位置指令。并且，例如在由操作部24指定了叶片13b2 (参照图2)时，位置指令部68从内部的存储部读出将转子轮毂13a的240度旋转位置作为目标位置的位置指令并向位置控制部69输出。
[0110]此外，位置指令部68还可以生成与由操作部24指定的转子轮毂13a的旋转位置对应的位置指令，向位置控制部69输出。另外，在位置指令部68内，例如也可在内部的存储部中存储将转子轮毂13a的大于等于O度小于360度的各个旋转位置(例如，每I度的旋转位置)作为目标位置的位置指令。在此情况下，当从操作部24指定了转子轮毂13a的旋转位置时，从内部的存储部中读出将指定的旋转位置作为目标位置的位置指令，向位置控制部69输出。
[0111]另外，位置指令部68在由操作部24指定了转子轮毂13a的旋转位置时，向切换器70输出切换信号。通过该切换信号，将向电压指令生成部62输入的转矩指令从转矩指令生成部61的转矩指令切换为位置控制部69的转矩指令。
[0112]位置控制部69取得从位置指令部68输出的位置指令，取得从位置检测器16输出的位置检测值，还取得从速度检测器18输出的速度检测值。然后，位置控制部69根据位置指令、位置检测值以及速度检测值，输出使风车14的旋转位置与位置指令规定的目标位置一致的转矩指令。图9是示出位置控制部69的结构的一例的图。
[0113]如图9所示，位置控制部69具备减法器81、83和PI放大器82、84。减法器81向PI放大器82输入从位置指令减去位置检测值而生成的位置差分信号。即，减法器81对位置指令规定的目标值与风车14的当前旋转位置进行比较，将目标值与风车14的旋转位置的差分作为位置差分信号进行输出。
[0114]PI放大器82对从减法器81输出的位置差分信号进行PI (比例积分)放大，转换为速度信号，向减法器83输出。减法器83取得从PI放大器82输出的速度信号，还取得从速度检测器18输出的速度检测值。然后，减法器83向PI放大器84输入从速度信号减去速度检测值而生成的速度差分信号。
[0115]PI放大器84取得从减法器83输出的速度差分信号，对速度差分信号进行PI (比例积分)放大，转换为转矩指令并向切换器70 (参照图3)输出。
[0116]如图3所示，从位置控制部69输出的转矩指令被输入到切换器70，经由切换器70输出至电压指令生成部62。电压指令生成部62向控制信号产生部67输出与从位置控制部69输入的转矩指令相应的电压指令。由此，进行从电力系统30向发电机15的电力转换，风车14移动至由操作部24指定的目标位置后停止。
[0117]这样，在风力发电用电力转换装置20中，通过设置位置指令部68和位置控制部69，能够在不使用起重机或油压装置等的情况下，使风车14的旋转位置与通过来自操作部24的操作指定的目标位置一致，能够使风车14停止，所以可容易地进行叶片13b的安装或拆卸。因此，能够提高风力发电部10的设置作业或保养作业的作业性。
[0118]另外，位置控制部69在风车14的旋转位置到达目标位置之后，从控制信号产生部67继续向电力转换部21输出基于风车14的旋转位置和目标位置的控制信号。由此，能够在风车14的旋转位置到达目标位置之后使风车14的旋转位置静止在目标位置，此外，为了在强风等的情况下使风车14更稳定地静止，风力发电部10设置有用于固定叶片13b的位置的固定机构。这里，作为固定机构，设置有用于固定转子轮毂13a的锁定销(未图示)。因此，能够更容易地进行叶片13b的安装或拆卸，能够进一步提高风力发电部10的设置作业或保养作业的作业性。此外，在电力转换部21是矩阵转换器时，即使在保持风车14的旋转位置的静止状态下，也不会引起电流集中于内部的特定双向开关的情况，所以能够实现不会超过双向开关的容许温度的稳定静止动作。
[0119]此外，在出现对操作部24的预定操作时，风车位置控制结束，例如可以设置检测叶片13b的安装或拆卸的检测器，在该检测器检测到叶片13b的安装或拆卸时，可结束风车旋转位置控制。
[0120]此外，在上述说明中，位置控制部69生成基于从位置检测器16输出的位置检测值和从速度检测器18输出的速度检测值的转矩指令，但位置控制部69还可以根据风检测器19检测到的风量或风向等调整转矩指令。另外，位置控制部69还可以根据从风况预测部76输出的转矩预测值调整转矩指令。
[0121]另外，在位置控制部69中，也可以根据安装到转子轮毂13a上的叶片13b的片数、叶片13b的间距(角度)来调整转矩指令。在此情况下，设置检测叶片13b的安装片数的叶片片数检测器或变更叶片13b的间距的间距变更机构，位置控制部69根据从叶片片数检测器或间距变更机构输出的叶片片数的信息或间距的信息，调整转矩指令。
[0122]这样，除了位置检测值、速度检测值以外，还考虑了风量、风向、叶片13b的安装片数、叶片13b的间距等生成转矩指令，由此能够使风车14的旋转位置更迅速地变化至目标位置，另外，能够更稳定地使风车14的旋转位置静止。
[0123]另外，当使风车14向目标位置移动时，如果使风车14的转子13急剧旋转，则对发电机15产生应力。可通过限制风车14的旋转速度来抑制该应力。例如，可通过设置限制器电路，来抑制风车14的旋转速度，该限制器电路以使从位置控制部69输出的转矩指令不会成为预定值以上的方式进行限制。此外，也可以使得能够通过对操作部24的操作来调整PI放大器82或PI放大器84的增益。
[0124]另外，在组装风车14的情况下，控制部22还可以进行以下的控制:在使风车14的旋转位置与由操作部24指定的目标位置一致之后，当判定为已安装叶片13b时，将风车14的旋转位置变更为用于安装剩余叶片13b的目标位置。由此，可更迅速地进行风车14的组装作业。另外，在此情况下，例如，在风车14上设置检测叶片13b的安装的检测部等，根据该检测部的检测结果，判定为已安装叶片13b。
[0125](剩余电力放电控制)
[0126]接着，说明控制部22进行的剩余电力放电控制。剩余电力放电控制是在已产生剩余电力的情况下释放该剩余电力的控制。剩余发电电力是在吹过突然的暴风而使风车14的旋转增加的情况或电力系统30停电的情况等情况下产生的。为了进行该剩余电力放电控制，如图3所示，控制部22具备发电电压检测部71以及放电指令部72。
[0127]发电电压检测部71检测发电机15的输出电压(发电电压)的电压值，向放电指令部72输出检测到的电压值(以下，记为“发电电压检测值”)。
[0128]放电指令部72根据从速度检测器18输出的速度检测值或从发电电压检测部71输出的发电电压检测值，来判定是否已产生剩余发电电力。放电指令部72在判定为已产生剩余发电电力时，向电力转换部21输出放电指令。图10是示出放电指令部72的结构的一例的图。
[0129]如图10所示，放电指令部72具备微分电路85、86、比较器87、88和逻辑“或”电路(0R电路)89。从速度检测器18输出的速度检测值由微分电路85进行微分后作为速度变化率值输出。从微分电路85输出的速度变化率值输入至比较器87，由比较器87与预先设定的速度变化率异常检测电平进行比较。在从微分电路85输出的速度变化率值高于速度变化率异常检测电平的情况下，比较器87输出高电平的信号。
[0130]另外，从发电电压检测部71输出的发电电压检测值由微分电路86进行微分后作为发电电压变化率值输出。从微分电路86输出的发电电压变化率值输入至比较器88,由比较器88与预先设定的发电电压变化率异常检测电平进行比较。在从微分电路86输出的发电电压变化率值高于发电电压变化率异常检测电平时，比较器88输出高电平信号。
[0131]然后，在从比较器87与比较器88的任意一个输出了高电平信号时，逻辑“或”电路89输出作为高电平信号的放电指令。例如，在由于吹过突然的暴风而使风车14的旋转增加、以及由未图示的开闭器等切断电力转换部21和电力系统30而产生剩余发电电力时，放电指令部72向电力转换部21输出放电指令。
[0132]放电指令被输入到构成电力转换部21的单相矩阵转换器43a?43c。具体地说，放电指令被输入到单相矩阵转换器43a?43c所包含的缓冲电路52的放电电路56。由此，各放电电路56成为接通状态，由各放电电路56消耗剩余发电电压。尤其，直流多级转换器具有多个单相矩阵转换器，所以可利用单相矩阵转换器43a?43c各自的缓冲电路52分散地消耗剩余发电电压。
[0133]这样，在风力发电用电力转换装置20中，即使在由于突然的风暴或与电力系统30切断而产生剩余发电电力的情况下，也向缓冲电路52输出指示直流电压放电的放电指令，所以能够利用缓冲电路52消耗剩余发电电力。由此，可继续风力发电用电力转换装置20的运转或者实现保护。
[0134]此外，在上述说明中，是利用缓冲电路52消耗剩余发电电力，但也可以将剩余发电电力充入UPS23的蓄电池。在此情况下，设置充电部，该充电部在放电指令被输入时，将发电机15的输出交流电压转换为直流电压而输入至UPS23的蓄电池。此外，也可以不设置充电部，而是并联连接缓冲电路52的电容器C2 (参照图6)和UPS23的蓄电池。
[0135]另外，放电指令部72也可以利用缓冲电路52消耗剩余发电电力，并且对UPS23的蓄电池进行充电。例如，放电指令部72在剩余发电电力小于阈值的情况下，向缓冲电路52和上述充电部中的一方输出放电指令，利用缓冲电路52以及UPS23消耗剩余发电电力。另夕卜，放电指令部72在剩余发电电力是预定值以上时，向缓冲电路52和充电部双方输出放电指令，利用缓冲电路52以及UPS23消耗剩余发电电力。
[0136]另外，也可以根据剩余发电电力的大小变更由缓冲电路52消耗的电量和由USP23消耗的电量之比。此外，在USP23的蓄电池处于满充电状态的情况下，还可以不执行UPS23中的功耗。
[0137]另外，在上述说明中示出了利用放电电路56消耗剩余发电电力的例子，但也可以与放电电路56不同地设置用于消耗剩余发电电力的放电电路。另外，也可以为了消耗剩余发电电力而预先准备2个以上的放电电路，根据剩余发电电力的大小选择输入放电指令的放电电路。另外，放电指令部72在速度变化率或发电电压变化率为阈值以上时检测剩余电力,但也可以在风车14的旋转速度或发电机15的发电电压为阈值以上时检测剩余电力。
[0138](电源切换控制)
[0139]接着，说明控制部22进行的电源切换控制。为了进行该电源切换控制，如图3所示，控制部22具备发电电压检测部71以及电源切换部73。
[0140]如上所述，发电电压检测部71检测发电机15的发电电压的电压值，将检测到的电压值作为发电电压检测值输出到电源切换部73。电源切换部73取得从发电电压检测部71输出的发电电压检测值，根据该发电电压检测值判定是否需要电源切换。图11是示出电源切换部73的结构的一例的图。
[0141]如图11所示，电源切换部73具备电压切换指令部90和切换器91。电压切换指令部90根据从发电电压检测部71输出的发电电压检测值来控制切换器91。图12是示出图11所示的电压切换指令部90的结构的一例的图。
[0142]如图12所示，电压切换指令部90具有比较器92，由该比较器92对发电电压检测值与发电低电压检测电平进行比较。并且，当发电电压检测值低于发电低电压检测电平时，从比较器92向切换器91输出切换指令信号(高电平的信号)。另一方面，在发电电压检测值是发电低电压检测电平以上时，从比较器92向切换器91输出低电平的信号，不输出切换指令信号。
[0143]在电源切换部73不输出切换指令信号时，图11所示的切换器91将发电机15的发电电压作为用于使控制部22动作的控制电压进行输出。另一方面，在电源切换部73输出切换指令信号时，切换器91将UPS23的输出电压作为用于使控制部22动作的控制电压输出。
[0144]这里，在无法确保使控制部22动作的控制电压时，发电低电压检测电平被设定为将UPS23的输出电压选择为控制电压的值。因此，在风力较强而发电机15的发电电压能够确保控制电压时，提供发电机15的发电电压作为控制电压,在风力较弱而发电机15的发电电压无法确保控制电压时，提供UPS23的电压作为控制电压。
[0145]控制部22这样根据发电机15的发电电压进行电源切换控制，所以与发电机15的发电状态无关地向控制部22提供控制电压，从而能够使风力发电用电力转换装置20稳定地工作。
[0146]此外，在风力较强而发电机15的发电电压是能够充分确保控制电压的电压时，也可以将发电机15的发电电压输出到UPS23。由此，可利用发电机15的发电电压对UPS23的蓄电池进行充电，使风力发电用电力转换装置20更稳定地工作。
[0147]另外，在上述说明中，电源切换部73根据发电机15的发电电压向切换器91输出切换信号，但也可以根据发电机15的旋转速度向切换器91输出切换信号。在此情况下，电源切换部73例如对从速度检测器18输出的旋转速度值与低旋转速度检测电平进行比较，输出切换信号。
[0148](系统电力停电时控制)
[0149]接着，说明控制部22进行的系统电力停电时控制。为了进行该系统电力停电时控制，如图3所示，控制部22具备停电检测部74、系统电压波形存储部75以及参照电压输出部64。
[0150]停电检测部74根据由系统电压检测部63检测出的电压来检测电力系统30停电的情况。这里，根据电力系统30的电压值来检测电力系统30的停电，但也可以根据流过电力转换部21与电力系统30之间的电流的值，检测电力系统30的停电。
[0151]此外，根据电力系统30的电压值或电力系统30的电流值检测电力系统30的停电的方法可采用公知的方法。例如，在电力转换部21中设置停电检测用信号产生部(未图示)，使停电检测用信号与从电力转换部21向电力系统30输出的电压叠加。然后,在由系统电压检测部63检测到停电检测用信号时，停电检测部74检测出电力系统30停电的情况。另外，例如，通过比较电力转换部21所输出的电压或电流的相位与电力系统30中的电压或电流的相位来检测电力系统30停电的情况。
[0152]另外，停电检测部74也可以在从电力系统30取得停电信息时检测电力系统30的停电，从而取代通过检测电力系统30的电压或流过电力系统30的电流来检测电力系统30的停电。
[0153]系统电压波形存储部75是存储最新的预定周期(例如，5个周期)的由系统电压检测部63检测出的电力系统30的电压波形的环状缓存器。即，系统电压波形存储部75执行这样的存储处理:一边删除最先存储的电力系统30的电压值一边依次存储由系统电压检测部63检测出的电力系统30的电压值。此外，在系统电压波形存储部75中，也可以存储最新的指定时间的电压波形，而不是最新的预定周期的电压波形。
[0154]另外，在系统电压波形存储部75存储有电力系统30的电压波形的状态下，当从停电检测部74输出停电检测信号时，系统电压波形存储部75停止存储处理，保持存储状态。当在向PLL65输出了从系统电压检测部63取得的电力系统30的电压值的状态下从停电检测部74输出停电检测信号时，参照电压输出部64从系统电压波形存储部75读出电压值的信息，输出到PLL65。
[0155]图13是示出系统电力停电时控制的顺序的图。在由电力转换部21进行从发电机15向电力系统30的电力转换的过程中，如图13所示，当在电力系统30中产生停电时，从停电检测部74输出停电检测信号(高电平的信号)。由此，停止系统电压波形存储部75的存储处理，参照电压输出部64从指定周期之前的电压值起依次读出系统电压波形存储部75中存储的电压值，输出到PLL65。由此，继续进行从发电机15向电力系统30的电力转换。
[0156]参照电压输出部64在依次读出系统电压波形存储部75存储的电压值直到读出最新的电压值的情况下，如果仍然从停电检测部74输出停电检测信号，则再次从指定周期之前的电压值起依次读出系统电压波形存储部75所存储的电压值。参照电压输出部64反复进行该读出处理直到停电检测部74不再输出停电检测信号为止。
[0157]然后，在电力系统30恢复的情况下，停电检测部74停止输出停电检测信号。由此，参照电压输出部64停止读出系统电压波形存储部75中存储的电压值，向PLL65输出由系统电压检测部63检测出的电压。另外，系统电压波形存储部75重新开始电力系统30的电压波形的存储处理。
[0158]这样，参照电压输出部64在电力系统30正常的情况下输出电力系统30的电压值，在电力系统30停电的情况下输出系统电压波形存储部75所存储的电压值。因此，即使在电力系统30停电时，也能够进行电力系统30的电压相位的估计，能够继续进行电力转换部21的控制。
[0159]另外，停电检测部74向功率因数控制部66、控制信号产生部67输出停电检测信号，由此，变更发电机15侧的功率因数或电力系统30侧的功率因数。例如，功率因数控制部66在电力系统30停电 的情况下，变更功率因数角指令β的值，使功率因数角指令β与从PLL65输入的电压相位相加而生成电流相位的信息。控制信号产生部67根据从功率因数控制部66输出的信息变更电力系统30侧的功率因数，电压指令生成部62通过变更根据转矩指令生成电压指令的运算方法，变更发电机15侧的功率因数。由此，即使在产生瞬间停电的情况下，也能够不使风力发电部10停止而维持系统互连，并且提供电力系统30所需的无功功率。
[0160](考虑了风况的发电控制)
[0161]接着，说明控制部22所进行的发电控制。为了进行该风车旋转位置控制，如图3所示，控制部22具备风况预测部76以及加法器77。加法器77是转矩指令变更部的一例。
[0162]风况预测部76从风检测器19取得风量检测值、风向检测值以及气温检测值，根据这些信息预测风况，根据预测到的风况计算转矩预测值。该转矩预测值可利用自回归模型来计算。例如，可采用下式进行计算。此外，还可以采用不考虑气温的自回归模型。
[0163][式I]
[0164]
【权利要求】
1.一种风力发电用电力转换装置，其特征在于，该风力发电用电力转换装置具备: 电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部， 所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
2.根据权利要求1所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述电力转换部是对所述发电机与所述电力系统之间的电力进行双向全转换的矩阵转换器。
3.根据权利要求2所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述控制部控制所述矩阵转换器具有的多个开关的通断，以保持所述风车的旋转位置。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述电力转换部具备: 按照所述发电机的各相串联连接地设置有多个、并且各自进行双向的电力转换的单相电力转换器；以及 耦合部，其使从多个所述单相电力转换器输出的电力彼此绝缘地耦合， 所述耦合部使耦合的所述电力的电压通过所述电力系统侧具有的绕组升压至该电力系统的电压。
5.根据权利要求4所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述单相电力转换器是单相矩阵转换器。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述电力转换部是并联连接多个矩阵转换器而得到的并联多级电力转换器。
7.根据权利要求5所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 所述单相矩阵转换器具备缓冲电路，该缓冲电路将浪涌电压转换为直流电压并进行蓄积，对该蓄积的直流电压进行放电， 所述控制部具备放电指令部，该放电指令部根据所述发电机的旋转速度或所述发电机的发电电压，向所述缓冲电路输出指示所述直流电压的放电的放电指令。
8.根据权利要求7所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于， 该风力发电用电力转换装置具备无停电电源，该无停电电源具有蓄电池，在满足预定条件的情况下从所述蓄电池向所述控制部供电， 所述蓄电池通过所述缓冲电路的直流电压进行充电。
9.根据权利要求1至3中的任意一项所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于，该风力发电用电力转换装置具备: 无停电电源； 切换器，其根据切换信号切换从所述无停电电源输出的电压与从所述发电机输出的电压而作为用于使所述控制部进行动作的电压输出；以及 电源切换指令部，其根 据所述发电机的发电电压，向所述切换器输出所述切换信号。
10.根据权利要求1至3中的任意一项所述的风力发电用电力转换装置，其特征在于，所述控制部具备: 系统电压波形存储部，其存储预定周期的所述电力系统的电压波形；以及 停电检测部，其检测所述电力系统的停电， 在使所述电力转换部进行从所述发电机向所述电力系统的电力转换的过程中由所述停电检测部检测到所述电力系统的停电的情况下，所述控制部根据所述系统电压波形存储部存储的电压波形控制所述电力转换部，使所述电力转换部继续进行从所述发电机向所述电力系统的电力转换。
11.一种风力发电装置，其特征在于，该风力发电装置具备: 电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部， 所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
12.—种风场，其具备多个风力发电装置，其特征在于， 所述风力发电装置具备: 电力转换部，其对发电机通过风车的旋转力而发出的电力进行电力转换，提供给电力系统，所述风车通过风 力进行旋转；以及控制部，其控制所述电力转换部， 所述控制部控制所述电力转换部，以将所述发电机用作电动机而控制所述风车的旋转位置。
【文档编号】F03D9/00GK203670098SQ201190001028
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2011年2月16日 优先权日:2011年2月16日
【发明者】藤井顺二, 山本均, 大山哲生, 田中贵志 申请人:株式会社安川电机