JP2015162958A - 風力発電機及び風力発電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】低周波数送電に適用されてもナセル重量増を抑制することのできる風力発電機を提供する。
【解決手段】タワー上端にナセルを介してブレードを設置して構成される風力発電機は、風力を回転エネルギーに変換するブレードの後段に発電機とコンバータとインバータと変圧器とを備えている。コンバータは、回転エネルギーを交流電力に変換する。コンバータは、発電機の交流電力を直流電力に変換する。インバータは、コンバータの直流電力を商用周波数以下の交流電力に変換する。変圧器は、インバータの交流電力を変圧する。このうち、少なくとも変圧器は、ナセル内部ではなく、地上に設置される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、低周波交流電圧で送電する場合の風力発電機、及びこの風力発電機を複数備える風力発電機システムに関する。

近年、風力発電機を電力消費地から遠方に設置する洋上風力発電や海洋発電の実用化が進められている。風力発電機は、風を受けて回転するブレードのロータ軸に発電機を連結して回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、コンバータ、インバータ、変圧器により系統周波数及び系統電圧に合わせた電力を生成する。通常、発電機、コンバータ、インバータ、及び変圧器は、風力発電機のナセルに収容されている。

この風力発電機を洋上風力発電や海洋発電に利用する場合には、ケーブルによる大容量長距離送電が必要となる。一般的な商用周波数を用いた交流ケーブル送電では、長大な送電距離を有するケーブルの静電容量が充電電流を増加させ、送電損失が大きくなってしまうという問題がある。そこで、長距離送電では、直流送電が検討されることが多い。

しかしながら、直流送電では、電流零点を意図的に作出しなくてはならない等の要因により、交流送電で利用されていた一般的な遮断器が適用できない。そのため、交流送電と同等の系統保護を実現しようとすると、直流遮断器の導入が必要となり高コストを招来する。直流遮断器は、接点の他、電流零点を作出するためのリアクトルやコイルを接点と並列接続する構成が余計に必要となるからである。

そこで、長距離送電においては、低周波交流送電が提案されている。低周波交流送電では、送電区間を商用周波数の３分の１程度の周波数で送電する方式であり、その送電区間にサイクロコンバータを設置する（例えば、特許文献１参照。）。サイクロコンバータは、サイリスタなどを用いたブリッジ整流回路の位相制御角を調整して、任意の交流出力を実現するコンバータである。この低周波交流送電によれば、長距離送電による送電損失を抑制することが可能となる。

特開２０００−２７８８６７号公報

低周波交流送電を風力発電機に適用しようとすると、風力発電機のナセルに収容されている変圧器を低周波数用に置き換える必要がある。しかしながら、電磁誘導を利用して電圧変換する変圧器では、その出力電圧が周波数と巻数とコア面積と磁束密度の積に比例するため、低周波数で所望の出力電圧を得ようとすれば大型化せざるを得ない。変圧器が大型化してしまうと、風力発電機のナセル重量が増加しまい、風力発電機の安定性を低下させる虞がある。

本実施形態に係る風力発電機は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低周波交流送電に適用されてもナセル重量増を抑制することのできる風力発電機及び風力発電機システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の風力発電機は、タワー上端にナセルを介してブレードを設置して構成される風力発電機であって、風力を回転エネルギーに変換するブレードと、前記回転エネルギーを交流電力に変換する発電機と、前記発電機の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電力を商用周波数以下の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力を変圧する変圧器と、を備え、前記変圧器は、地上に設置されること、を特徴とする。

前記発電機と前記コンバータはナセル内部に格納され、前記インバータと前記変圧器は地上に設置され、前記コンバータと前記インバータとはタワー内部に架線されたケーブルで接続され、前記コンバータは、１ｋＶ以上の直流電圧に昇圧して直流電力を地上の前記インバータへ送電するようにしてもよい。

前記コンバータ及び前記インバータに代えてマトリックスコンバータを備え、前記発電機と前記マトリックスコンバータはナセル内部に格納され、前記変圧器は地上に設置されているようにしてもよい。

前記コンバータ又は前記インバータに代えて、前記コンバータ及び前記インバータを合わせた装置又はマトリックスコンバータである周波数変換装置を備え、前記発電機はナセル内部に格納され、前記周波数変換装置は地上に設置されているようにしてもよい。

また、上記の目的を達成するために、本実施形態の風力発電機システムは、このような風力発電機を複数備え、地上に送電された電力を一旦纏めてから地上に設置した少なくとも前記変圧器により電力を変換すること、を特徴とする。

第１の実施形態に係る風力発電機の構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る風力発電機の構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る風力発電機の構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る風力発電機の変形例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る風力発電機の変形例を示す模式図である。 第３の実施形態に係る風力発電機の変形例を示す模式図である。 従来の風力発電機の構成を示す模式図である。

（第１の実施形態）
図１に示すように、風力発電機１は、風力を回転エネルギーに変換するブレード２がナセル３を介してタワー４上端に設置されて成る。ナセル３は、ブレード２が生成した回転エネルギーを電気エネルギーに変換する電気系統を格納した装置である。この電気系統は、ナセル３の他、タワー４内にケーブル４ａを架設して地上にも分散設置される。尚、地上に設置するとは、地上に直接的に設置する他、地上に置かれた架台上に設置する間接的態様も含まれる。

風力発電機１の電気系統は、ブレード２から近い順に発電機５、コンバータ６、インバータ７、及び変圧器８から成る。発電機５及びコンバータ６は、ナセル３内に設置される。インバータ７及び変圧器８は、地上に設置される。ナセル３内のコンバータ６と地上のインバータ７とはタワー４内のケーブル４ａにより接続されている。

発電機５は、ブレード２の回転エネルギーが軸により伝達されて回転子を回転させ、回転子の界磁磁束が固定子巻線を横切ることで起電力を発生させ、三相交流電力を出力する。ブレード２に連結したロータ軸の回転数を増幅する多軸歯車式又は遊星歯車式等の増速機が付随し、回転子の回転数を増速している。

コンバータ６は、例えば、整流回路とチョッパー回路より成り、ＩＧＢＴ等の自己消弧形素子とダイオードとを逆並列接続した複数の電力変換素子をブリッジ接続して構成され、ＰＷＭ制御回路を有し、各自己消弧形素子のＰＷＭゲート駆動の切り換えタイミングを制御する。このコンバータ６は、不安定な風力に起因する発電機５の不安定な可変周波数の交流電力を直流電力に変換し、出力電圧を１ｋＶ以上に昇圧した上で地上に送電する。

インバータ７は、例えば、ＩＧＢＴ等の自己消弧形素子とダイオードとを逆並列接続した複数の電力変換素子をブリッジ接続して構成され、ＰＷＭ制御回路を有し、各自己消弧形素子のＰＷＭゲート駆動の切り換えタイミングを制御する。このインバータ７は、コンバータ６の直流電力を地上で受けて低周波数の交流電力に変換する。インバータ７が変換する低周波数は、商用周波数以下である。

変圧器８は、電磁誘導により交流電圧を昇圧する機器であり、例えば一次コイル及び二次コイルを備え、一次コイルにインバータ７の出力電流を流して変動磁場を発生させ、相互インダクタンスで結合された二次コイルに変動磁場を伝えて二次コイルに電流を発生させる。この変圧器８は、コイルの巻数や結合係数が調整されており、インバータ７の交流電力を系統電力に合わせて昇圧し、電力系統に送電する。

以上の風力発電機１では、ブレード２が発生させた回転エネルギーを発電機５により交流電力に変換し、交流電力をコンバータ６で直流電力に変換し、タワー４内のケーブル４ａを介して地上に直流電力を送電し、地上のインバータ７でコンバータ６の直流電力を再度交流電力に変換した後、変圧器８により昇圧して電力系統に送出する。

このとき、変圧器８は地上に設置されているため、低周波交流送電に風力発電機１を適用してもナセル３の重量が増加することはない。従って、風力発電機１の重心が下がり安定性を保つことができる。但し、変圧器８を地上に設置すると、風力発電機１のタワー４内にケーブル４ａを架線しなくてはならないが、コンバータ６をナセル３内に残し、コンバータ６で出力電圧を１ｋＶ以上に昇圧しているため、タワー４内のケーブル４ａによる送電損失は５％以内に抑えられている。

また、この風力発電機１では、故障率の比較的高いパワエレ機器であるインバータ７及びコンバータ６のうち、インバータ７を地上に設置し、ナセル３内にはコンバータ６を残すのみとなっている。そのため、図７に示されるような発電機５、コンバータ６、インバータ７、及び変圧器８の全てをナセル３内に格納していた従来と比べ、点検や交換が非常に容易となる。

（第２の実施形態）
図２に示すように、第２の実施形態に係る風力発電機１は、ナセル３内に発電機５とマトリックスコンバータ９を格納し、タワー４内にケーブル４ａを架線して地上に変圧器８を設置して構成されている。

マトリックスコンバータ９は、各相にリアクトルとコンデンサから構成された入力フィルタと９個の双方向スイッチより構成され、双方向スイッチはＩＧＢＴ等の自己消弧形素子とダイオードとを組み合わせてなる。このマトリックスコンバータ９は、発電機５の交流電力を電力系統の周波数に合わせた交流電力に直接変換し、タワー４内のケーブル４ａを介して変圧器８に送る。

この風力発電機１においても、変圧器８は地上に設置されているため、低周波交流送電に風力発電機１を適用してもナセル３の重量が増加することはない。従って、風力発電機１の安定性を保つことができる。更に、点検及び交換が難しいナセル３内のパワエレ機器はマトリックスコンバータ９の一台となり、コンバータ６及びインバータ７がナセル３内に格納されていた従来と比べて点検及び交換が容易となる。しかも、ケーブル４ａを高電圧直流送電としなくとも送電損失が小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図３に示すように、第３の実施形態に係る風力発電機１は、コンバータ６とインバータ７とを組み合わせた単体装置又はマトリックスコンバータ９等の周波数変換装置１０と変圧器８を地上に設置し、ナセル３内に発電機５のみを残して、発電機５と周波数変換装置１０とをタワー４内のケーブル４ａで接続して構成される。要するに、コンバータ６とインバータ７を地上に設置して構成される。

この風力発電機１では、発電機５が出力した交流電力を其の周波数のままで地上に直接送電し、周波数変換装置１０により周波数を電力系統に合わせて一定に変換する。その後、変圧器８により昇圧して電力系統に送電する。

この風力発電機１によれば、ナセル３内部は発電機５とのみとなるので、ナセル３の重量を軽減することが可能となり、風力発電機１の安定性を向上させることができる。更に、ナセル３内には点検及び交換の難しいパワエレ機器がなくなるため、風力発電機１の点検及び部品交換が容易となる。

（変形例）
以上の第１乃至第３の実施形態では、単体の風力発電機１に焦点を当てて説明したが、図４、５、及び６に示すように、風力発電機１を近接して複数台設置する風力発電機システムの場合には、地上において電力を纏めた後、共通のインバータ７及び変圧器８、マトリックスコンバータ９及び変圧器８、あるいは周波数変換装置１０及び変圧器８で電力変換し、電力系統に送電するようにしてもよい。

（その他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る各種実施形態を説明したが、これら実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。各実施形態で開示の構成の全て又はいずれかを組み合わせたものも包含される。以上のような各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 風力発電機
２ ブレード
３ ナセル
４ タワー
４ａ ケーブル
５ 発電機
６ コンバータ
７ インバータ
８ 変圧器
９ マトリックスコンバータ
１０ 周波数変換装置

Claims (5)

1. タワー上端にナセルを介してブレードを設置して構成される風力発電機であって、
   風力を回転エネルギーに変換するブレードと、
   前記回転エネルギーを交流電力に変換する発電機と、
   前記発電機の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータの直流電力を商用周波数以下の交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの交流電力を変圧する変圧器と、
   を備え、
   前記変圧器は、地上に設置されること、
   を特徴とする風力発電機。
2. 前記発電機と前記コンバータはナセル内部に格納され、
   前記インバータと前記変圧器は地上に設置され、
   前記コンバータと前記インバータとはタワー内部に架線されたケーブルで接続され、
   前記コンバータは、１ｋＶ以上の直流電圧に昇圧して直流電力を地上の前記インバータへ送電すること、
   を特徴とする請求項１記載の風力発電機。
3. 前記コンバータ及び前記インバータに代えてマトリックスコンバータを備え、
   前記発電機と前記マトリックスコンバータはナセル内部に格納され、
   前記変圧器は地上に設置されていること、
   を特徴とする請求項１記載の風力発電機。
4. 前記コンバータ又は前記インバータに代えて、前記コンバータ及び前記インバータを合わせた装置又はマトリックスコンバータである周波数変換装置を備え、
   前記発電機はナセル内部に格納され、
   前記周波数変換装置は地上に設置されていること、
   を特徴とする請求項１記載の風力発電機。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の風力発電機を複数備え、
   地上に送電された電力を纏めてから地上に設置した少なくとも前記変圧器により電力を変換すること、
   を特徴とする風力発電機システム。

Images