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特許5960291風力発電施設及びその運転方法、並びにウィンドファームの制御装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5960291
(24)【登録日】2016年7月1日
(45)【発行日】2016年8月2日
(54)【発明の名称】風力発電施設及びその運転方法、並びにウィンドファームの制御装置
(51)【国際特許分類】
F03D 9/11 20160101AFI20160719BHJP
H02P 9/00 20060101ALI20160719BHJP
【ＦＩ】
F03D9/11
H02P9/00 F
【請求項の数】15
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2014-557209(P2014-557209)
(86)(22)【出願日】2013年1月15日
(86)【国際出願番号】JP2013050523
(87)【国際公開番号】WO2014112033
(87)【国際公開日】20140724
【審査請求日】2015年3月12日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】山下 幸生
(72)【発明者】
【氏名】篠田 尚信
(72)【発明者】
【氏名】名嘉 丈博
(72)【発明者】
【氏名】若狭 強志
【審査官】
加藤 一彦
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０７４９２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０８−１０３１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００３−５１１９９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５３３０１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００９／０８２３２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００１−３３９９９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０３Ｄ ７／０４
Ｆ０３Ｄ ９／１１
Ｈ０２Ｐ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームと、
前記ウィンドファームが接続されるローカルグリッドと、
前記ローカルグリッドとグリッドとの間に設けられる直流送電路と、
前記ローカルグリッドからの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、
前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、
前記グリッドの異常事象を検出するための異常検出部と、
前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラとを備えることを特徴とする風力発電施設。
前記ウィンドファームが接続されるローカルグリッドと、
前記ローカルグリッドとグリッドとの間に設けられる直流送電路と、
前記ローカルグリッドからの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、
前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、
前記グリッドの異常事象を検出するための異常検出部と、
前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラとを備えることを特徴とする風力発電施設。
【請求項2】
前記第１ＷＦコントローラは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるような目標ローカルグリッド電圧位相を求め、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設。
【請求項3】
前記第１ＷＦコントローラは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相のうち最小の位相を目標ローカルグリッド電圧位相として選択し、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設。
【請求項4】
各風力発電装置は、風力エネルギーによって駆動されて圧油を生成するための油圧ポンプと、前記圧油によって駆動されて前記同期発電機に機械的エネルギーを入力するための油圧モータと、各風力発電装置の前記油圧モータの押しのけ容積を制御するモータ制御部とを有し、
前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るように構成された第２ＷＦコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電施設。
前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るように構成された第２ＷＦコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電施設。
【請求項5】
前記第２ＷＦコントローラは、各風力発電装置の個別情報に基づき前記機械的エネルギーの低減量を各風力発電装置について決定し、該低減量に基づいて各風力発電装置の前記油圧モータへの前記指令値を送るように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の風力発電施設。
【請求項6】
前記第２ＷＦコントローラは、前記複数の風力発電装置のうちロータ回転数が定格回転数に達した風力発電装置について前記負荷角を０ｒａｄ以上の範囲に制限し、他の風力発電装置に関する前記負荷角については０ｒａｄ未満の範囲を許容するように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の風力発電施設。
【請求項7】
前記ウィンドファームの各風力発電装置は、前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するための励磁機と、前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出された直後、前記界磁電流が増加するように各風力発電装置の前記励磁機を制御するための励磁機制御部とをさらに有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の風力発電施設。
【請求項8】
同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームと、前記ウィンドファームが接続されるローカルグリッドと、前記ローカルグリッドとグリッドとの間に設けられる直流送電路と、前記ローカルグリッドからの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器とを備える風力発電施設の運転方法であって、
前記グリッドの異常事象を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御する変換器制御ステップとを備えることを特徴とする風力発電施設の運転方法。
前記グリッドの異常事象を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御する変換器制御ステップとを備えることを特徴とする風力発電施設の運転方法。
【請求項9】
前記変換器制御ステップは、
各風力発電装置についての前記発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるような目標ローカルグリッド電圧位相を求め、
前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電施設の運転方法。
各風力発電装置についての前記発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるような目標ローカルグリッド電圧位相を求め、
前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項10】
前記変換器制御ステップは、
各風力発電装置についての前記発電機電圧位相のうち最小の位相を目標ローカルグリッド電圧位相として選択し、
前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電施設の運転方法。
各風力発電装置についての前記発電機電圧位相のうち最小の位相を目標ローカルグリッド電圧位相として選択し、
前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項11】
各風力発電装置は、風力エネルギーによって駆動されて圧油を生成するための油圧ポンプと、前記圧油によって駆動されて前記同期発電機に機械的エネルギーを入力するための油圧モータと、各風力発電装置の前記油圧モータの押しのけ容積を制御するモータ制御部とを有し、
前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るモータ指令ステップをさらに備えることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一項に記載の風力発電施設の運転方法。
前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るモータ指令ステップをさらに備えることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一項に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項12】
前記モータ指令ステップは、
各風力発電装置の個別情報に基づき前記機械的エネルギーの低減量を各風力発電装置について決定し、
前記低減量に基づいて各風力発電装置の前記油圧モータへの前記指令値を送ることを特徴とする請求項１１に記載の風力発電施設の運転方法。
各風力発電装置の個別情報に基づき前記機械的エネルギーの低減量を各風力発電装置について決定し、
前記低減量に基づいて各風力発電装置の前記油圧モータへの前記指令値を送ることを特徴とする請求項１１に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項13】
前記モータ指令ステップでは、前記複数の風力発電装置のうちロータ回転数が定格回転数に達した風力発電装置について前記負荷角を０ｒａｄ以上の範囲に制限し、他の風力発電装置に関する前記負荷角については０ｒａｄ未満の範囲を許容することを特徴とする請求項１２に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項14】
前記ウィンドファームの各風力発電装置は、前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するための励磁機をさらに有し、
前記検出ステップによって前記異常事象が検出された直後、前記界磁電流が増加するように各風力発電装置の前記励磁機を制御する励磁機制御ステップをさらに備えることを特徴とする請求項８乃至１３の何れか一項に記載の風力発電施設の運転方法。
前記検出ステップによって前記異常事象が検出された直後、前記界磁電流が増加するように各風力発電装置の前記励磁機を制御する励磁機制御ステップをさらに備えることを特徴とする請求項８乃至１３の何れか一項に記載の風力発電施設の運転方法。
【請求項15】
送り出し変換器、直流送電路及び受け取り変換器を介してグリッドに連系されるローカルグリッドに接続され、同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームの制御装置であって、
前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラを備えることを特徴とするウィンドファームの制御装置。
前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラを備えることを特徴とするウィンドファームの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、風力発電施設及びその運転方法並びにウィンドファームの制御装置に関する。【背景技術】
【0002】
近年、地球環境の保全の観点から、大規模な風力発電施設の普及が進んでいる。風力発電施設は、一般に、複数の風力発電装置からなるウィンドファームと、各風力発電装置を集中制御するウィンドファームコントローラ（ＷＦコントローラ）とを備えている。【0003】
グリッド（系統）に連系される風力発電施設や風力発電装置はグリッドコード（系統連系規定）に従う必要がある。グリッドコードには、例えば、線路短絡や地絡等の系統事故が発生しても、電圧低下の程度や、電圧低下の継続時間が所定の範囲内であれば、発電施設の連系の維持を求める規定（ＦＲＴ；Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ）が含まれている。【0004】
例えば、特許文献１には、発電機側コンバータ及び系統側インバータを介して、風力発電装置の永久磁石式発電機がグリッドに接続された風力発電装置におけるＦＲＴ技術が開示されている。特許文献１のＦＲＴ技術では、永久磁石式発電機と発電機側コンバータとの間に設けられた電気抵抗や、発電機側コンバータと系統側インバータとの間に設けられた電気抵抗を利用して、風力発電装置から出力される有効電力のうち、グリッドが受け取ることができない余剰エネルギーを消散するようになっている。【0005】
ところで、風力発電施設は、洋上や山間部などグリッドへの接続点から離れた場所に設けられることが多い。例えば、洋上風力発電施設では、グリッドへの接続点からの距離が１００ｋｍを超すような場所に設置を計画することがあり得る。この場合、風力発電施設からグリッドの接続点までの送電距離が大きいと、無効電力が存在しない直流送電の方が交流送電に比べて送電ロスの観点で有利である。特に、長距離の海底ケーブルを用いる必要がある場合には、交流送電だと送電ロスが大きくなる傾向にあり、直流送電が適切であるとされている。これは、海底ケーブルは、一般的に、絶縁体および導体シースの比較的薄い層で導体が囲まれた構成になっており、高い静電容量を有するためである。直流送電方式の風力発電施設では、高圧直流（ＨＶＤＣ；Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）システムを介してグリッドに接続される。ＨＶＤＣシステムは、風力発電施設側に設けられる送り出し変換器（ＳＥＣ；Ｓｅｎｄｉｎｇ Ｅｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、グリッド側に設けられる受け取り変換器（ＲＥＣ；Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ｅｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とを有している。送り出し変換器と受け取り変換器の間には、直流送電路が設けられる。送り出し変換器は、風力発電施設からの交流電力を直流電力に変換し、直流送電路を介して受け取り変換器に直流電力を供給する。受け取り変換器は、直流送電路を介して送り出し変換器から受け取った直流電力を交流電力に変換し、グリッドにこれを供給する。
【0006】
特許文献２及び非特許文献１には、直流送電方式の風力発電施設又は風力発電装置におけるＦＲＴ技術が開示されている。具体的には、特許文献２（Ｆｉｇ．２０及び３１頁２１〜３０行）には、高圧直流システムを介してグリッドに接続されたウィンドファームにおいて、系統異常時、各風力発電装置のピッチ制御により風から受け取るエネルギーを低減することが記載されている。また、特許文献２には、発電効率の向上などの目的で、高圧直流システムによって発電機側グリッドの周波数を変更して、各風力発電装置の固定速式の誘導発電機の周波数を変化させることも開示されている。
また、非特許文献１には、高圧直流システムを介してグリッドに接続された風力発電装置において、系統異常時、送り出し変換器の周波数を変化させてＤＦＩＧ式の誘導発電機のすべりを調節し、風力発電装置から出力される有効電力を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】欧州特許出願公開第２２７０３３１号明細書
【特許文献2】国際公開第２００９／０８２３２６号
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｆｅｌｔｅｓ、外３名、“Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ−Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｇｒｉｄ Ｔｈｒｏｕｇｈ ＶＳＣ−ＢａｓｅｄＨＶＤＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＰＯＷＥＲ ＳＹＳＴＥＭＳ、２００９年８月、ＶＯＬ．２４、ＮＯ．３、１５３７−１５４６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献１記載のＦＲＴ技術では、ウィンドファーム全体の発電電力のうち数％〜数十％程度の過剰エネルギーを電気抵抗で消散しなければならないため、大容量の電気抵抗を設置する必要があり、コストが嵩む。また、特許文献２記載の方法では、ピッチ制御の応答速度が比較的遅いため、系統異常発生後の非常に短い時間で対応を迫られるＦＲＴ技術としては十分とはいえない。
さらに、非特許文献１に記載の方法は、有効電力がすべりに依存する誘導発電機の特性を利用したものであって、同期発電機の場合にはすべりが存在しないため、同期発電機を備えた風力発電装置を含む風力発電施設には適用できない。
【0010】
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームを有し、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで具備した風力発電施設及び風力発電施設の運転方法、並びにウィンドファームの制御装置を提供することである。【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設は、同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームと、前記ウィンドファームが接続されるローカルグリッドと、前記ローカルグリッドとグリッドとの間に設けられる直流送電路と、前記ローカルグリッドからの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記グリッドの異常事象を検出するための異常検出部と、前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラとを備えることを特徴とする。【0012】
上記風力発電施設では、異常検出部によってグリッドの異常事象が検出されたとき、第１ＷＦコントローラによる制御下で送り出し変換器がローカルグリッド電圧位相を調節し、各風力発電装置の同期発電機の負荷角を減少させる。これにより、ウィンドファームの各風力発電装置の発電出力（有効電力）が送り出し変換器の制御によって一括して迅速に低減され、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を緩和できる。また、電気抵抗のように過剰エネルギーを消散するための部品を導入する必要がない。したがって、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで実現できる。
【0013】
幾つかの実施形態において、前記第１ＷＦコントローラは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるような目標ローカルグリッド電圧位相を求め、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御するように構成されている。これにより、ウィンドファーム全体から発生する有効電力を効果的に低減することができる。また、発電機電圧位相は各風力発電装置の発電出力に応じて異なるから、各風力発電装置についての発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるように目標ローカルグリッド電圧位相を求めれば、一部の同期発電機は負荷角が負になる。そして、負荷角が負になった一部の同期発電機は一時的にモータとして機能し、他の同期発電機からの有効電力を受け容れてこれを消費する。したがって、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0014】
他の実施形態において、前記第１ＷＦコントローラは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相のうち最小の位相を目標ローカルグリッド電圧位相として選択し、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御するように構成されている。これにより、全ての同期発電機の負荷角をゼロ以上として、同期発電機が一時的であれモータとして機能することが無いようにすることができる。よって、第１ＷＦコントローラの上記構成は、同期発電機のモータ動作に起因した風力発電装置のドライブトレインへの負担を避けたい場合に好適である。
【0015】
幾つかの実施形態では、各風力発電装置は、風力エネルギーによって駆動されて圧油を生成するための油圧ポンプと、前記圧油によって駆動されて前記同期発電機に機械的エネルギーを入力するための油圧モータと、各風力発電装置の前記油圧モータの押しのけ容積を制御するモータ制御部とを有し、前記風力発電施設は、前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るように構成された第２ＷＦコントローラをさらに備える。これにより、系統異常時、油圧モータから同期発電機に入力される機械的エネルギーを迅速に低減し、前記機械エネルギーと同期発電機の発電出力とのミスマッチに起因した同期発電機の回転子の加速を抑制することができる。
【0016】
幾つかの実施形態において、前記第２ＷＦコントローラは、各風力発電装置の個別情報に基づき前記機械的エネルギーの低減量を各風力発電装置について決定し、該低減量に基づいて各風力発電装置の前記油圧モータへの前記指令値を送る。これにより、各風力発電装置の個別情報を考慮して、各風力発電装置の同期発電機の負荷角を個別かつ細やかに制御することで、同期発電機に対する電気的ストレス及び油圧ポンプ及び油圧モータを含むドライブトレインに対する機械的ストレスを効果的に緩和できる。
【0017】
一実施形態では、前記第２ＷＦコントローラは、前記複数の風力発電装置のうちロータ回転数が定格回転数に達した風力発電装置について前記負荷角を０ｒａｄ以上の範囲に制限し、他の風力発電装置に関する前記負荷角については０ｒａｄ未満の範囲を許容するように構成される。これにより、比較的弱い風を受けており、ロータ回転数が未だ定格回転数に達していない風力発電装置の同期発電機を一時的にモータとして機能させて、他の風力発電装置からの有効電力を消費することができる。よって、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0018】
幾つかの実施形態において、前記ウィンドファームの各風力発電装置は、前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するための励磁機と、前記異常検出部によって前記グリッドの異常事象が検出された直後、前記界磁電流が増加するように各風力発電装置の前記励磁機を制御するための励磁機制御部とをさらに有する。グリッドに異常事象が発生した直後、同期発電機の発電機端子電圧は瞬時に低下し、これに伴って発電機の電気的出力（有効電力）も瞬時に低下する。そのため、油圧モータからの機械的入力が発電機の電気的出力に対して過剰になり、同期発電機の回転子が加速され、同期発電機の脱調が起きてしまうおそれがある。そこで、系統異常発生直後、界磁電流を増加させることで、発電機内部誘起電圧が大きくなり、発電機の電気的出力が上昇する。そのため、同期発電機の同期化力が大きくなって、異常事象発生後の同期発電機の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。このようにして同期発電機の脱調が防止される。
なお、このような過渡安定度を向上させるための励磁機の制御は、超速応励磁方式と称される応答速度が非常に速い励磁方式（例えばサイリスタ励磁方式）によって好適に実現できる。
【0019】
また、本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設の運転方法は、同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームと、前記ウィンドファームが接続されるローカルグリッドと、前記ローカルグリッドとグリッドとの間に設けられる直流送電路と、前記ローカルグリッドからの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器とを備える風力発電施設の運転方法であって、前記グリッドの異常事象を検出する検出ステップと、前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御する変換器制御ステップとを備えることを特徴とする。【0020】
上記風力発電施設の運転方法によれば、検出ステップによってグリッドの異常事象が検出されたとき、送り出し変換器の制御によってローカルグリッド電圧位相が調節され、各風力発電装置の同期発電機の負荷角が小さくなる。これにより、ウィンドファームの各風力発電装置の発電出力（有効電力）が送り出し変換器の制御によって一括して迅速に低減され、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を緩和できる。また、電気抵抗のように過剰エネルギーを消散するための部品を導入する必要がない。したがって、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで実現できる。
【0021】
幾つかの実施形態において、前記変換器制御ステップは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相との偏差の二乗の総和が最小になるような目標ローカルグリッド電圧位相を求め、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御する。これにより、ウィンドファーム全体から発生する有効電力を効果的に低減することができる。また、負荷角が負になった一部の同期発電機は一時的にモータとして機能し、他の同期発電機からの有効電力を受け容れてこれを消費する。したがって、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0022】
他の実施形態において、前記変換器制御ステップは、各風力発電装置についての前記発電機電圧位相のうち最小の位相を目標ローカルグリッド電圧位相として選択し、前記ローカルグリッド電圧位相が前記目標ローカルグリッド電圧位相になるように前記送り出し変換器を制御する。これにより、全ての同期発電機の負荷角をゼロ以上として、同期発電機が一時的であれモータとして機能することが無いようにすることができる。よって、変換器制御ステップの上記内容は、同期発電機のモータ動作に起因した風力発電装置のドライブトレインへの負担を避けたい場合に好適である。
【0023】
幾つかの実施形態において、各風力発電装置は、風力エネルギーによって駆動されて圧油を生成するための油圧ポンプと、前記圧油によって駆動されて前記同期発電機に機械的エネルギーを入力するための油圧モータと、各風力発電装置の前記油圧モータの押しのけ容積を制御するモータ制御部とを有し、前記風力発電施設の運転方法は、前記検出ステップによって前記異常事象が検出されたとき、各風力発電装置の前記油圧モータの前記機械的エネルギーが低減されるように前記押しのけ容積の指令値を前記モータ制御部に送るモータ指令ステップをさらに備える。これにより、系統異常時、油圧モータから同期発電機に入力される機械的エネルギーを迅速に低減し、前記機械エネルギーと同期発電機の発電出力とのミスマッチに起因した同期発電機の回転子の加速を抑制することができる。
【0024】
幾つかの実施形態において、前記モータ指令ステップは、各風力発電装置の個別情報に基づき前記機械的エネルギーの低減量を各風力発電装置について決定し、前記低減量に基づいて各風力発電装置の前記油圧モータへの前記指令値を送る。これにより、各風力発電装置の個別情報を考慮して、各風力発電装置の同期発電機の負荷角を個別かつ細やかに制御することで、同期発電機に対する電気的ストレス及び油圧ポンプ及び油圧モータを含むドライブトレインに対する機械的ストレスを効果的に緩和できる。
【0025】
一実施形態では、前記モータ指令ステップでは、前記複数の風力発電装置のうちロータ回転数が定格回転数に達した風力発電装置について前記負荷角を０ｒａｄ以上の範囲に制限し、他の風力発電装置に関する前記負荷角については０ｒａｄ未満の範囲を許容する。これにより、比較的弱い風を受けており、ロータ回転数が未だ定格回転数に達していない風力発電装置の同期発電機を一時的にモータとして機能させて、他の風力発電装置からの有効電力を消費することができる。よって、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0026】
幾つかの実施形態において、前記ウィンドファームの各風力発電装置は、前記同期発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するための励磁機をさらに有し、前記風力発電施設の運転方法は、前記検出ステップによって前記異常事象が検出された直後、前記界磁電流が増加するように各風力発電装置の前記励磁機を制御する励磁機制御ステップをさらに備える。これにより、界磁電流の増加に伴い同期発電機の同期化力が大きくなって、異常事象発生後の同期発電機の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。このようにして同期発電機の脱調が防止される。
【0027】
また本発明の少なくとも一実施形態に係るウィンドファームの制御装置は、送り出し変換器、直流送電路及び受け取り変換器を介してグリッドに連系されるローカルグリッドに接続され、同期発電機をそれぞれ有する複数の風力発電装置を含むウィンドファームの制御装置であって、前記グリッドの異常事象が検出されたとき、前記ローカルグリッドにおけるローカルグリッド電圧位相に対する、各風力発電装置の前記同期発電機の発電機電圧位相の差を示す負荷角が小さくなるように前記送り出し変換器を制御して前記ローカルグリッド電圧位相を調節するための第１ＷＦコントローラを備えることを特徴とする。【0028】
上記ウィンドファームの制御装置によれば、グリッドの異常事象が検出されたとき、第１ＷＦコントローラによる制御下で送り出し変換器がローカルグリッド電圧位相を調節し、各風力発電装置の同期発電機の負荷角を減少させる。これにより、ウィンドファームの各風力発電装置の発電出力（有効電力）が送り出し変換器の制御によって一括して迅速に低減され、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を緩和できる。また、電気抵抗のように過剰エネルギーを消散するための部品を導入する必要がない。したがって、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで実現できる。
【発明の効果】
【0029】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、グリッドの異常事象が検出されたとき、送り出し変換器の制御によってローカルグリッド電圧位相を調節し、各風力発電装置の同期発電機の負荷角が減少する。これにより、ウィンドファームの各風力発電装置の発電出力（有効電力）が送り出し変換器の制御によって一括して迅速に低減され、送り出し変換器からグリッド側に供給可能な有効電力に対してウィンドファームから発生する有効電力が過剰である状態を緩和できる。また、電気抵抗のように過剰エネルギーを消散するための部品を導入する必要がない。したがって、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
【図2】一実施形態に係る第１ＷＦコントローラにおける制御ロジックを示すブロック図である。
【図3】実施形態における、目標位相決定部における目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔの決定原理を示す図であり、図３（ａ）はグリッドに異常事象が発生していない通常運転時におけるベクトル図であり、図３（ｂ）及び（ｃ）はグリッドに異常事象が発生した後のベクトル図である。
【図4】グリッドにおける異常事象発生前後における有効電力Ｐｅと負荷角Ｄとの例示的な関係を示すグラフである。
【図5】一実施形態に係る第２ＷＦコントローラにおける制御ロジックを示すブロック図である。
【図6】実施形態に係る第２ＷＦコントローラによる制御が同期発電機の電気的出力Ｐｅと油圧モータによる機械的入力Ｐｍとのバランスに与える影響を示す図である。
【図7】各風力発電装置の個別情報の例を示す図である。
【図8】一実施形態に係る風力発電施設の運転方法の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。【0032】
図１は、一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。同図に示すように、風力発電施設１は、複数の風力発電装置１２を含むウィンドファーム１０と、ウィンドファーム１０が接続されるローカルグリッド２と、ローカルグリッド２とグリッド４との間に設けられるＨＶＤＣ２０とを備える。
【0033】
ウィンドファーム１０の各風力発電装置１２は、風を受けて回転するロータ１３と、ロータ１３に接続されるドライブトレイン１４と、ドライブトレイン１４を介して伝達されるロータ１３の回転エネルギーを電力エネルギーに変換する同期発電機１５とを有する。なお、ロータ１３のブレードは、ピッチ制御装置１８による制御下で作動するピッチ制御機構によってピッチ角の調節が可能になっている。【0034】
幾つかの実施形態では、図１に示すように、ドライブトレイン１４は、ロータ１３によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ１４Ａと、油圧ポンプ１４Ａで生成された圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータ１４Ｂとを備える。油圧ポンプ１４Ａ及び油圧モータ１４Ｂは、高圧油ライン１４Ｃと低圧油ライン１４Ｄを介して互いに接続されている。そのため、油圧ポンプ１４Ａから吐出された作動油（高圧油）は高圧油ライン１４Ｃを介して油圧モータ１４Ｂに供給され、油圧モータ１４Ｂで仕事をした後の作動油（低圧油）は低圧油ライン１４Ｄを介して油圧ポンプ１４Ａに戻される。なお、低圧油ライン１４Ｄには、作動油が貯留されたオイルタンクを接続してもよい。一実施形態では、高圧油ライン１４Ｃにはアキュムレータ１４Ｅが接続される。アキュムレータ１４Ｅは、高圧油ライン１４Ｃにおける脈動を防止したり、油圧ポンプ１４Ａで生成された高圧油を蓄積したり、油圧ポンプ１４Ａの吐出量と油圧モータ１４Ｂの吸込み量との差を吸収したりする役割を有する。また、一実施形態では、風力発電装置１２は、同期発電機１５の界磁巻線に界磁電流を供給するための励磁機１６をさらに有する。なお、油圧ポンプ１４Ａ及び油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積は、それぞれ、ポンプ制御部１７Ａとモータ制御部１７Ｂとで制御される。他の実施形態では、ドライブトレイン１４は、ロータ１３と発電機１５との間に設けられる歯車式の増速機を備える。
【0035】
ＨＶＤＣ２０は、ローカルグリッド２からの交流電力を直流電力に変換する送り出し変換器（ＳＥＣ）２２と、ＳＥＣ２２側から受け取った直流電力を交流電力に変換してグリッド４に供給する受け取り変換器（ＲＥＣ）２４と、ＳＥＣ２２及びＲＥＣ２４間に設けられる直流送電路２６とを備える。幾つかの実施形態では、ウィンドファーム１０及びＳＥＣ２２が洋上に設置され、グリッド４及びＲＥＣ２４が陸上に設置される。この場合、直流送電路２６の大部分は海底に設置される海底ケーブルである。
【0036】
グリッド４に連系される風力発電施設１は、グリッドコードの要求に従う必要がある。例えば、線路短絡や地絡等の系統事故が発生しても、電圧低下の程度や、電圧低下の継続時間が所定の範囲内であれば、風力発電施設１はグリッド４への連系を維持しなければならない（ＦＲＴ）。このとき、風力発電施設１には次のような影響が表れる。まず、グリッド４の異常事象発生により、ＨＶＤＣ２０からグリッド４に送り出すことができる有効電力が減少する。そのため、グリッド４の異常事象発生直後、ウィンドファーム１０からＨＶＤＣ２０に供給される有効電力が余剰になり、直流送電路２６における電力の需給の不均衡に起因して直流送電路２６の電圧が上昇し、ＳＥＣ２２やＲＥＣ２４が損傷する可能性がある。よって、直流送電路２６における電圧上昇を抑制する観点から、ウィンドファーム１０からＨＶＤＣ２０に供給される有効電力を迅速に低減することが望まれる。
【0037】
そこで、幾つかの実施形態では、ＳＥＣ２２の制御によって、グリッド４の異常事象発生時にウィンドファーム１０からの有効電力の出力を抑制するようになっている。図１に示す例示的な実施形態では、風力発電施設１にはウィンドファーム集中制御装置（ＷＦ集中制御装置）６が設けられており、ＷＦ集中制御装置６に含まれる第１ＷＦコントローラ３０によって、ウィンドファーム１からの有効電力の出力を抑制するためにＳＥＣ２２の制御を行う。
【0038】
図２は、一実施形態に係る第１ＷＦコントローラ３０における制御ロジックを示すブロック図である。同図に示すように、第１ＷＦコントローラ３０は、各風力発電装置１２の同期発電機１５の負荷角を算出するための負荷角算出部３２と、ローカルグリッド２の目標ローカルグリッド電圧位相を決定するための目標位相決定部３４と、目標ローカルグリッド電圧位相に基づいてＳＥＣ２２に指令値を出力する指令値出力部３６とを有する。
負荷角算出部３２は、グリッド４における異常事象の検出結果を異常検出部２８から受け取ると、各風力発電装置１２−ｉ（ただし、ｉは２以上の整数）の同期発電機１５の発電機電圧位相角ｄｉをウィンドファーム１０から取得し、ローカルグリッド２のローカルグリッド電圧位相角ＤＳＥＣを検出器２７から取得する。そして、負荷角算出部３２において、ローカルグリッド電圧位相角ＤＳＥＣを基準とした発電機電圧位相角ｄｉの角度である負荷角Ｄｉ（＝ｄｉ−ＤＳＥＣ）が算出される。なお、各風力発電装置１２−ｉに関して負荷角Ｄｉを算出するのは、各風力発電装置１２−ｉの発電出力に応じて負荷角Ｄｉにばらつきがあるためである。
目標位相決定部３４は、負荷角算出部３２から受け取った負荷角Ｄｉに基づいてローカルグリッド２の目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを求める。目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔは、各風力発電装置１２−ｉに関する負荷角Ｄｉが小さくなるように決定される。
指令値出力部３６は、目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔが実現されるように、ＳＥＣ２２に指令値（例えば、指令値としてのＰＷＭ信号）を送る。ＳＥＣ２２は、指令値出力部３６からの指令値に従って、ローカルグリッド２の電圧位相を目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔに調節する。
【0039】
図３は実施形態に係る、目標位相決定部３４における目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔの決定原理を示す図であり、図３（ａ）がグリッド４に異常事象が発生していない通常運転時におけるベクトル図であり、図３（ｂ）及び（ｃ）はグリッド４に異常事象が発生した後のベクトル図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、ウィンドファーム１０が２台の風力発電装置１２−１，１２−２を含む場合について記述したものであり、ウィンドファーム１０を構成する風力発電装置が３台以上の場合にも同様な原理で目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを決定することができる。
【0040】
図３（ａ）に示すように、通常運転時、風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５の発電機電圧を示すベクトル１０１，１０２は、それぞれ、ローカルグリッド２におけるローカルグリッド電圧を示すベクトル１００に対して相差角Ｄ１及びＤ２を有する。これは、風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５が、ローカルグリッド２の電圧位相に対して負荷角Ｄ１及びＤ２だけ進んだ位相にて同期速度で運転されていることを意味する。なお、同期発電機から出力される有効電力は負荷角の正弦関数に比例することが知られている。そのため、負荷角Ｄ１，Ｄ２が小さい範囲では、各風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５からの有効電力は負荷角Ｄ１，Ｄ２に比例するものとして扱うことができる。
よって、目標位相決定部３４は、目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを負荷角Ｄ１，Ｄ２寄りに設定すれば、ＳＥＣ２２の制御によって各風力発電装置１２−１，１２−２の負荷角が小さくなり、同期発電機１５から出力される有効電力を抑制できる。
【0041】
一実施形態では、図３（ｂ）に示すように、全風力発電装置１２−１，１２−２に関する負荷角（Ｄ１，Ｄ２）の中で最大の負荷角Ｄ１と最小の負荷角Ｄ２との間の値に目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを設定する。例えば、各風力発電装置１２−１，１２−２についての発電機電圧位相角ｄ１，ｄ２との偏差の二乗の総和が最小になるように目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを設定してもよい。すなわち、次式に示す評価関数Ｊが最小となるような目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを設定してもよい。
上記手法で目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを設定すると、ＳＥＣ２２の制御によって、各風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５の負荷角が小さくなり、ウィンドファーム１０からの有効電力の出力が抑制される。なお、上記手法では、一部の風力発電装置（図３（ｂ）に示す例では風力発電装置１２−１）の同期発電機１５は負荷角が負となって一時的にモータとして機能し、他の風力発電装置（図３（ｂ）に示す例では風力発電装置１２−２）の同期発電機１５からの有効電力を受け容れてこれを消費する。そのため、ＳＥＣ２２からグリッド４側で受け入れ可能な有効電力に対してウィンドファーム１０から出力される有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0042】
他の実施形態では、図３（ｃ）に示すように、全風力発電装置１２−１，１２−２に関する負荷角（Ｄ１，Ｄ２）の中で最小の負荷角Ｄ２を選択し、目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを最小負荷角Ｄ２に設定する。上記手法で目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを設定すると、ＳＥＣ２２の制御によって、各風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５の負荷角が小さくなり、ウィンドファーム１０からの有効電力の出力が抑制される。また、上記手法では、全ての風力発電装置１２−１，１２−２の同期発電機１５の負荷角がゼロ以上に維持されるから、同期発電機１５が一時的であれモータとして機能することが無いようにすることができる。よって、上記手法は、同期発電機のモータ動作に起因した風力発電装置のドライブトレインへ１４の負担を避けたい場合に好適である。
【0043】
ところで、グリッド４に異常事象が発生すると、同期発電機１５の端子電圧の低下に伴って同期発電機１５から出力される有効電力も急低下するから、油圧モータ１４Ｂからの機械的入力が同期発電機１５の電気的出力を上回り、同期発電機１５の回転子が加速される可能性がある。また、上述のように第１ＷＦコントローラ３０による制御でウィンドファーム１０から出力される有効電力を抑制する場合には、油圧モータ１４Ｂからの機械的入力が同期発電機１５の電気的出力に対してより一層過剰になって、同期発電機１５の回転子が加速されやすい。【0044】
ここで、グリッド４における異常事象発生に伴う同期発電機１５の回転子の加速現象について具体的に説明する。図４は、グリッド４における異常事象発生前後における有効電力Ｐｅと負荷角Ｄとの例示的な関係を示すグラフである。
グリッド４で異常事象が発生すると、同期発電機１５の端子電圧が急激に低下し、同期発電機１５から出力される有効電力Ｐｅも急低下する（図４の状態１→状態２）。グリッド４は、線間短絡や地絡等の事故の影響を最小限に止めるために複数回線になっている場合があり、この場合には事故が生じた回線を遮断することで、グリッド４での異常事象が除却される。グリッド４での異常事象が除却されると、同期発電機１５から出力される有効電力Ｐｅは回復する（状態３）。ただし、事故が生じた一部の回線は遮断されたままであり、それ以外の回線のみでの送電であるから、同期発電機１５から出力される電力は短絡事故発生前のレベル（状態１）まで回復しない。
異常事象発生前は、状態１におけるＰｅ−Ｄ曲線上のｌ点で同期発電機１５が運転されており、このときの負荷角ＤはＤａである。ｌ点は、油圧モータ１４Ｂからの機械的入力Ｐｍと状態１におけるＰｅ−Ｄ曲線との交点である。仮に負荷角ＤがＤａから少しでも逸脱すると、負荷角ＤをＤａに戻そうとする同期化力ｄＰ／ｄＤが働くため、負荷角ＤはＤａで安定している。
ところが、グリッド４で異常事象が発生すると、同期発電機１５のＰｅ−Ｄ曲線は状態１から状態２に瞬時に降下する。一方、短絡事故が発生した直後は、同期発電機１５の回転子の慣性によって、負荷角ＤはＤａのままである。そのため、異常事象発生によって、同期発電機１５の運転点はｌ点からｍ点に瞬時に移行する。そして、油圧モータ１４Ｂからの機械的入力Ｐｍが同期発電機１５の電気的出力Ｐｅに対して過剰になり、同期発電機１５の回転子が加速されて、ｍ点からｎ点に向かって同期発電機１５の運転点が移動する。そのため、負荷角ＤはＤａからＤｂに向かって増加する。
そして、負荷角ＤがＤｂに達したときに、異常事象が生じた回線が遮断され、異常事象が除却される。これにより、同期発電機１５のＰｅ−Ｄ曲線は状態２から状態３に瞬時に増加する。一方、異常事象が除去された直後は、同期発電機１５の回転子の慣性によって、負荷角ＤはＤｂのままである。そのため、異常事象の除去によって、同期発電機１５の運転点はｎ点からｏ点に瞬時に移行する。よって、同期発電機１５の電気的出力Ｐｅが油圧モータ１４Ｂからの機械的入力Ｐｍを上回るようになり、同期発電機１５の回転子が減速され始める。したがって、負荷角ＤはＤｃに達した後に減少に転じ、それ以降の負荷角は増加と減少とを繰り返して振動するが、最終的には同期発電機１５のダンピング力によって減衰して安定になる。
なお、負荷角Ｄの折り返し点であるｐ点は、油圧モータ１４Ｂからの入力Ｐｍと状態２におけるＰｅ−Ｄ曲線で囲まれる面積Ｓ１で表される加速エネルギーと、状態３におけるＰｅ−Ｄ曲線と油圧モータ１４の出力Ｐｍで囲まれる面積Ｓ２で表される減速エネルギーとが一致する運転点である。
【0045】
このようにグリッド４における異常事象の発生に伴い同期発電機１５の回転子が加速されるおそれがある。同期発電機１５の回転子が加速されると、同期発電機１５の負荷角が大きくなり、最終的には安定限度を超えて同期発電機１５の脱調が起きてしまう。よって、グリッド４における異常事象の発生時、各風力発電装置１２の油圧モータ１４Ｂから同期発電機１５への機械的入力を抑制してもよい。幾つかの実施形態では、図１に示すように、ＷＦ集中制御装置６に含まれる第２ＷＦコントローラ４０から油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値をモータ制御部１７Ｂに与え、油圧モータ１４Ｂの機械的入力（機械的エネルギー）を減少させる。
【0046】
図５は、一実施形態に係る第２ＷＦコントローラ４０における制御ロジックを示すブロック図である。同図に示すように、第２ＷＦコントローラ４０は、各風力発電装置１２の同期発電機１５の負荷角を算出するための負荷角算出部４２と、各風力発電装置１２に関する目標負荷角を決定するための目標負荷角決定部４４と、目標負荷角に基づいてモータ制御部１７Ｂに指令値を出力する指令値出力部４６とを有する。
負荷角算出部４２は、グリッド４における異常事象の検出結果を異常検出部２８から受け取ると、各風力発電装置１２−ｉ（ただし、ｉは２以上Ｎ以下の整数であり、Ｎはウィンドファーム１０に属する風力発電装置１２の総数。）の同期発電機１５の発電機電圧位相角ｄｉをウィンドファーム１０から取得し、ローカルグリッド２のローカルグリッド電圧位相角ＤＳＥＣを検出器２７から取得する。そして、負荷角算出部４２において、ローカルグリッド電圧位相角ＤＳＥＣを基準とした発電機電圧位相角ｄｉの角度差である負荷角Ｄｉ（＝ｄｉ−ＤＳＥＣ）が算出される。なお、負荷角算出部４２は、基本的には第１ＷＦコントローラ３０の負荷角算出部３２と同様な役割を担うから、負荷角算出部３２としても兼用されてもよい。
目標負荷角決定部４４は、負荷角算出部４２から受け取った負荷角Ｄｉおよびウィンドファーム１０から受け取った各風力発電装置１２−ｉの個別情報に基づいて、各風力発電装置１２−ｉに関する目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを決定する。なお、各風力発電装置１２−ｉの個別情報とは、風速、ロータ１３のブレードのピッチ角、ロータ１３の回転数、アキュムレータ１４Ｅの圧力、発電出力、無効電力、力率、フィーダケーブルの電力損失の少なくとも一つを含む。
指令値出力部４６は、各風力発電装置１２−ｉに関して目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔが実現されるように、各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂに油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値を送る。モータ制御部１７Ｂは、指令値出力部４６からの指令値に従って、油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積を調節する。
【0047】
他の実施形態では、第２ＷＦコントローラ４０は目標負荷角決定部４４に替えて目標機械的入力決定部を備えている。目標機械的入力決定部は、ウィンドファーム１０から取得した各風力発電装置１２−ｉの個別情報並びに同期発電機１５の端子電圧及び内部誘起電圧に基づいて目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔを決定する。なお、目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔは、グリッド４における異常事象の発生前の機械的入力Ｐｍよりも小さな値に設定される。指令値出力部４６は、目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔが実現されるように、各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂに油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値を決定する。例えば、指令値出力部４６は、目標機械的入力（目標機械的エネルギー）Ｐｍ＿ｔｇｔを油圧モータ１４Ｂの回転数と高圧油流路１４Ｃの圧力ＰＨとで除算することで油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値を決定してもよい。各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂは、指令値出力部４６からの指令値に従って油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積を調節する。【0048】
図６は、実施形態に係る第２ＷＦコントローラ４０による制御が同期発電機１５の電気的出力Ｐｅと油圧モータ１４Ｂによる機械的入力Ｐｍとのバランスに与える影響を示す図である。図６には、図４と同様に、グリッド４で異常事象の発生によって状態１のＰｅ−Ｄ曲線から状態２のＰｅ−Ｄ曲線に移行し、その後、グリッド４での異常事象の除却によって状態３のＰｅ−Ｄ曲線に移行する場合を例示している。なお、図６に示す状態１〜３のようなＰｅ−Ｄ曲線の変化は、同期発電機１５の端子電圧及び内部誘起電圧から検知可能である。一実施形態では、異常検出部２８によってグリッド４での異常事象が検出されると、Ｐｅ−Ｄ曲線が状態１から状態２に瞬時に下がり、同期発電機１５の運転点がｌ点からｍ点に移行し、同期発電機１５の回転子の加速に伴って負荷角ＤがＤａから増大し始める。そこで、目標負荷角決定部４４は目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを設定し、指令値出力部４６が、同期発電機１５の負荷角Ｄを目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔに抑制しうる新しい機械的入力Ｐｍ２を実現するための油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値をモータ制御部１７Ｂに即座に送るようになっている。これにより、加速エネルギーＳ３を小さくし、減速エネルギーＳ４を大きくして、負荷角Ｄの折り返し点であるｎ点をｍ点に近づけて、Ｐｅ−Ｄ曲線が状態２であるときの同期発電機１５の負荷角Ｄの最大値Ｄｍａｘを低減できる。また、異常事象が生じた回線の遮断によってＰｅ−Ｄ曲線が状態２から状態３に瞬時に回復したら、目標負荷角決定部４４は、目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを再び設定し、指令値出力部４６が、同期発電機１５の負荷角Ｄを新たな目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔに近づけうる新しい機械的入力Ｐｍ３を実現するための油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の指令値をモータ制御部１７Ｂに即座に送る。
他の実施形態では、異常検出部２８によってグリッド４での異常事象が検出されると、目標機械的入力決定部が目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔをＰｍ２に設定し、この目標機械的入力Ｐｍ２を実現するための油圧モータ１４Ｂの指令値が指令値出力部４６から各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂに与えられる。同様に、異常事象が生じた回線の遮断後、目標機械的入力決定部が目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔをＰｍ３に設定し、この目標機械的入力Ｐｍ３を実現するための油圧モータ１４Ｂの新しい指令値が指令値出力部４６から各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂに与えられる。
【0049】
幾つかの実施形態では、目標負荷角決定部４４及び目標機械的入力決定部は、目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔ又は目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔを決定する際、各風力発電装置１２の個別情報を考慮する。【0050】
図７は、各風力発電装置１２の個別情報の例を示す図である。同図に示すウィンドファーム１０は、グループ１〜３のそれぞれに属する複数の風力発電装置１２を含んでいる。ウィンドファーム１０の各風力発電装置１２は、風速、ロータ１３のブレードのピッチ角、ロータ１３の回転数、アキュムレータ１４Ｅの圧力、発電出力、無効電力、力率、フィーダケーブルの電力損失の少なくとも一つを含む個別情報をそれぞれ有している。図７に示すように、各グループ１〜３に属する風力発電装置１２が受ける風速の大きさの程度は、それぞれ、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３であり、グループ１〜３間で異なる。また、同一グループ内であっても、個々の風力発電装置１２によって風速に差が生じる。また、典型的な可変速風力発電装置は風速に応じた所望の運転点で運転されるから、各風力発電装置１２の風速が異なると、各風力発電装置１２の運転状態（ブレードのピッチ角、ロータ１３の回転数、アキュムレータ１４Ｅの圧力、発電出力、無効電力、力率）も相違する。さらに、各風力発電装置１２は、ＨＶＤＣ２０までのフィーダケーブルの長さに差があるためフィーダケーブルの電力損失は互いに異なる。
【0051】
一実施形態では、目標負荷角決定部４４は、風力発電装置１２の個別情報に基づいて、ウィンドファーム１０全体から出力される有効電力に対する寄与が大きい風力発電装置１２についての目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを他の風力発電装置１２に比べて小さく設定する。例えば、風速が大きくＨＶＤＣ２０までの距離が小さい風力発電装置１２は、ウィンドファーム１０全体から出力される有効電力に対する寄与が大きいので、風速が小さくＨＶＤＣ２０までの距離が大きい風力発電装置１２に比べて目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを小さく設定する。【0052】
一実施形態では、目標負荷角決定部４４は、風力発電装置１２の個別情報に基づいて、アキュムレータ１４Ｅの圧力ＰＡＣＣが小さい風力発電装置１２についての目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを他の風力発電装置１２に比べて小さく設定する。小さい目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを実現するには、油圧モータ１４Ｂの機械的入力Ｐｍを減少させることになり、油圧ポンプ１４Ａの吐出量と油圧モータ１４Ｂの吸込み量とのバランスが崩れて高圧油ライン１４Ｃの圧力が上昇しやすくなる。そこで、油圧ポンプ１４Ａの吐出量と油圧モータ１４Ｂの吸込み量との差を吸収可能なアキュムレータ１４Ｅ（即ち、圧力ＰＡＣＣが小さいアキュムレータ１４Ｅ）を有する風力発電装置についての目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを他の風力発電装置１２に比べて小さく設定することで、高圧油ライン１４Ｃの圧力上昇を緩和しながら、同期発電機１５の加速を抑制できる。また、他の実施形態では、目標機械的入力決定部は、風力発電装置１２の個別情報に基づいて、アキュムレータ１４Ｅの圧力ＰＡＣＣが小さい風力発電装置１２についての目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔを他の風力発電装置１２に比べて小さく設定する。
【0053】
幾つかの実施形態では、目標負荷角決定部４４は、風力発電装置１２の個別情報に基づいて、ロータ１３の回転数が定格回転数に達した風力発電装置１２について目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを０ｒａｄ以上の範囲に設定し、他の風力発電装置１２に関する目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔについては０ｒａｄ未満の範囲を許容する。これにより、比較的弱い風を受けており、ロータ１３の回転数が未だ定格回転数に達していない風力発電装置１２の同期発電機１５を一時的にモータとして機能させて、他の風力発電装置１２からの有効電力を消費することができる。よって、ＳＥＣ２２からグリッド４側に供給可能な有効電力に対してウィンドファーム１０から発生する有効電力が過剰である状態を効果的に緩和できる。
【0054】
幾つかの実施形態では、モータ制御部１７Ｂによる油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の調節による高圧油ライン１４Ｃの圧力の管理範囲からの逸脱を回避するために、ポンプ制御部１７Ａによる油圧ポンプ１４Ａの押しのけ容積の調節と、ピッチ制御部１８によるピッチ角の調節とを行う。例えば、油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積の低減によって、高圧油ライン１４Ｃの圧力の上昇が見込まれる場合、油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積から定まる油圧モータ１４Ｂの吸込み量と油圧ポンプ１４Ａの吐出量との差が小さくなるようにモータ制御部１７Ａが油圧ポンプ１４Ａの押しのけ容積を調節する。そして、ロータ１３の加速を抑制するために、ピッチ制御部１８がブレードのピッチ角を調節してブレードが受け取る風力エネルギーを低減する。
【0055】
また、幾つかの実施形態では、異常検出部２８によってグリッド４での異常事象が検出された直後、同期発電機１５の界磁電流が増加するように各風力発電装置１２の励磁機１６を制御する。なお、界磁電流を増加することは、図４及び６における状態２又は３におけるＰｅ−Ｄ曲線を上方に持ち上げることを意味する。これにより、同期発電機１５の内部誘起電圧が大きくなり、同期発電機１５の電気的出力Ｐｅが上昇する。そのため、同期発電機１５の同期化力ｄＰｅ／ｄＤが大きくなって、異常事象発生後の同期発電機１５の第一波動揺が抑制され、過渡安定度が向上する。このようにして同期発電機１５の脱調が防止される。
このような過渡安定度を向上させるための励磁機１６の制御は、例えばサイリスタ方式の超速応励磁制御によって好適に行うことができる。なお、同期発電機１５の定態安定度を向上させる観点から、励磁機制御部１９に電力系統安定化装置（ＰＳＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）を設けてもよい。
【0056】
次に、風力発電施設の運転方法について説明する。図８は、一実施形態に係る風力発電施設の運転方法の手順を示すフローチャートである。図８に示すように、異常検出部２８によってグリッド４の異常事象が検出されたか否かを判断する（ステップＳ２）。グリッド４の異常事象が検出されなければステップＳ２が繰り返される。グリッド４の異常事象が検出された場合、ステップＳ４に進んで、各風力発電装置１２の同期発電機１５の負荷角Ｄｉを算出する。続いて、同期発電機１５の負荷角Ｄｉに基づいて、各風力発電装置１２−ｉに関する負荷角Ｄｉが小さくなるように目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを決定する（ステップＳ６）。そして、目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔが実現されるように、ＳＥＣ２２によってローカルグリッド２の電圧位相を目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔに調節する（ステップＳ８）。
また、ステップＳ１０では、同期発電機１５の負荷角Ｄｉとウィンドファーム１０から受け取った各風力発電装置１２−ｉの個別情報とに基づいて、各風力発電装置１２−ｉに関する目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを決定する。なお、各風力発電装置１２−ｉの個別情報とは、風速、ロータ１３のブレードのピッチ角、ロータ１３の回転数、アキュムレータ１４Ｅの圧力、発電出力、無効電力、力率、フィーダケーブルの電力損失の少なくとも一つを含む。そして、各風力発電装置１２−ｉに関して目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔが実現されるように、各風力発電装置１２−ｉのモータ制御部１７Ｂによって油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積を調節する（ステップＳ１２）。
さらに、ステップＳ１４では、同期発電機１５の界磁電流が増加するように各風力発電装置１２の励磁機１６を制御する。
【0057】
なお、図８に示す例示的な実施形態では、ステップＳ２にてグリッド４における異常事象が発生したとき、ステップＳ４〜Ｓ８を含むＳＥＣ２２の制御、ステップＳ１０〜Ｓ１２を含む油圧モータ１４Ｂの制御、および、ステップＳ１４を含む励磁機１６の制御が順次行われるが、他の実施形態ではこれらの制御の順番を入れ替えたり、これらの制御の少なくとも二つを並行して行ったりしてもよい。また、グリッド４の異常事象の有無の判断結果（ステップＳ２）に関わらず、ステップＳ４の負荷角Ｄｉの算出や、ステップＳ６の目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔの決定や、ステップＳ１０の目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔの決定を常時行っておいてもよい。この場合、グリッド４の異常事象が生じた直後、既に決定されている目標ローカルグリッド電圧位相ＤＳＥＣ＿ｔｇｔを用いてＳＥＣ２２の制御を行い、既に決定されている目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔを用いて油圧モータ１４Ｂの制御を行うことが可能である。
【0058】
さらに、図８に示す例示的な実施形態では、ステップＳ１０にて決定された目標負荷角Ｄｉ＿ｔｇｔに基づいてステップＳ１２の油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積調節を行うようになっているが、ウィンドファーム１０から取得した各風力発電装置１２−ｉの個別情報並びに同期発電機１５の端子電圧及び内部誘起電圧に基づいて決定された目標機械的入力Ｐｍ＿ｔｇｔに基づいて油圧モータ１４Ｂの押しのけ容積調節を行ってもよい。【0059】
以上説明したように、上述の実施形態によれば、異常検出部２８によってグリッド４の異常事象が検出されたとき、第１ＷＦコントローラ３０による制御下でＳＥＣ２２がローカルグリッド電圧位相を調節し、各風力発電装置１２−ｉの同期発電機１５の負荷角Ｄｉを減少させる。これにより、ウィンドファーム１０の各風力発電装置１２−ｉの発電出力（有効電力）がＳＥＣ２２の制御によって一括して迅速に低減され、ＳＥＣ２２からグリッド４側に供給可能な有効電力に対してウィンドファーム１０から発生する有効電力が過剰である状態を緩和できる。また、電気抵抗のように過剰エネルギーを消散するための部品を導入する必要がない。したがって、系統異常時におけるＦＲＴ機能を低コストで実現できる。
【0060】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。例えば、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。【符号の説明】
【0061】
１ 風力発電施設２ ローカルグリッド
４ グリッド
６ ＷＦ集中制御装置
１０ ウィンドファーム
１２ 風力発電装置
１３ ロータ
１４ ドライブトレイン
１４Ａ 油圧ポンプ
１４Ｂ 油圧モータ
１４Ｃ 高圧油ライン
１４Ｄ 低圧油ライン
１４Ｅ アキュムレータ
１５ 同期発電機
１６ 励磁機
１７Ａ ポンプ制御部
１７Ｂ モータ制御部
１８ ピッチ制御部
１９ 励磁機制御部
２０ ＨＶＤＣ（高圧直流システム）
２２ ＳＥＣ（送り出し変換器）
２４ ＲＥＣ（受け取り変換器）
２６ 直流送電路
２７ 検出器
２８ 異常検出部
３０ 第１ＷＦコントローラ
３２ 負荷角算出部
３４ 目標位相決定部
３６ 指令値出力部
４０ 第２ＷＦコントローラ
４２ 負荷角算出部
４４ 目標負荷角決定部
４６ 指令値出力部