风力发电装置的制作方法

专利名称：风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具备发电机和进行PWM控制的多相电力变换装置的 风力发电装置。
背景技术：
风力发电装置其构成是具备将风能变换成旋转能的翼(叶片)、从传 递给转子的旋转能提取电力的发电机和将提取的电力向电力系统输出的 电力变换装置，向与电力系统连接的家庭和工厂等负荷供给电力。另外， 专利文献1中揭示了一种在用于多相脉沖宽度调制的各电压指令上加上相 同补偿量、减少开关期间的技术。
专利文献l: U S 5041343 「Process of pulse duration modulation of a multi-phase converter」
要想有效地将风能变换成电力，重要的是发电机、电力变换装置的高 效率化。特别是在电力变换装置中使用的I G B T (Insulated Gate Bipolar Transistor)等的开关损失成为问题。
即使是将专利文献1所述的技术用于电力变换装置的情况，也基于为 了开关器件的短路保护而设定的接通断开脉冲的接通延迟时间(死区时 间)，而使电力变换器输出的交流电流的低频高次谐波电流变大。关系到 电力系统，在输出发电电力的电力变换器中，必须抑制电流的高次谐波成 分使之小。另外，由于高次谐波成分的存在而存在铁损及铜损增加的问题。

发明内容
本发明的课题在于，提供一种能够降低电力变换装置损失的风力发电 装置。
为了解决所述课题，本发明的风力发电装置，其包括在轴上至少安装有l片叶片的风车、利用所述轴的旋转进行多相交流发电的发电机和为
了调节输出该发电机的发电电力而进行PWM控制的电力变换装置，所述 风力发电装置的特征在于，所述PWM控制对各相设置了在1个周期期间不 重复的控制停止期间。
由此，由于各相设置了PWM控制的控制停止期间，因此电力变换装 置的开关损失降低，能够实现高效率的风力发电装置。此时， 一个相的控 制停止期间和其他相的控制期间重叠，相间电压的脉冲密度变粗。另外， 一个相的控制期间和其他相的控制期间重叠，相间电压的脉冲密度变密。 从而，该PWM脉冲波形控制具备脉冲密度变化的特征。特别是在作为发 电机使用绕组型感应发电机的情况下，通过控制加载在一侧绕组上的励磁 电流的频率，从而能够使发电频率与连接另一侧绕组的电力系统的系统频 率一致。还有，为了避免控制停止期间的开关元件的发热，优选是当电力 变换器输出的交流电压的频率(基本波)高时采用改变脉冲密度的PWM 方式。
发明效果
根据本发明，能够降低电力变换装置的损失。


图1是表示本发明的一实施方式的风力发电装置和电力系统的整体构 成图。
图2是本发明的一实施方式的风力发电装置的详细构成图。
图3是转换器的电路图。
图4是转换器控制装置的内部构成图的一部分。
图5是转换器控制装置的内部构成图的其他部分。
图6是用于说明PWM运算方式的图。
图7是风车控制装置的内部构成图。
图8是表示被PWM控制的转换器的输出波形的图。
图9是用于说明基于死区时间设定的低频高次谐波的图。
图IO是关于死区时间补偿的动作说明图。
图11是表示死区时间补偿适用时的高次谐波解析结果的图。
图12是本发明的其他实施方式的风力发电装置的详细构成图。
图13是转换器控制装置的其他内部构成图。
图中，110、 115 —发电机，120 —风车，120a—叶片，130—风车控制 装置，140 —转换器(电力变换装置)，150、 155 —转换器控制装置，160 —遮断器，170 —变压器，250—电力系统，200、 210—风力发电装置，301、 302—电磁接触器，310—初充电电路，320 —转换器(第一电力变换器)， 330—转换器(第二电力变换器)，340—门电路，401、 402、 403 —加法器， SW—切换器，Lr、 Ln—电抗器，Cr、 Cn—电容器，Cd—蓄电器，PTs、 PTg—电压传感器，CTr、 CTn、 CTs—电流传感器，Sll、 S12、 S21、 S22、 S31、 S32—IGBT元件，PCHCAL—倾斜角指令运算器，PREFCAL—电力 指令运算器，THDET—相位检测器，ROTDET—旋转相位检测器，SLDET 一励磁相位运算器，PQCAL—电力运算器，SYNC—同步控制器，dqtrs — 旋转坐标变换器，32trs—3相2相变换器，APR—有效电力调节器，AQR 一无效电力调节器，AVR—电压调节器，DCAVR—直流电压调节器， dq23trs-01、 dq23trs-02—2相3相坐标变换器，32dqtrs-01、 32dqtrs-02—3 相2相坐标变换器，1一ACR、 2—ACR、 3—ACR、 4—ACR—电流调节器， PWMn、 PWMr—PWM运算器，Vs—系统电压，Vg—定子电压，Vr—发 电机电压，Ir一发电机电流，Is—系统电流，In—转换器输出电流，U—风 速，旋转速度，SgO—控制切换信号，Sgl —动作信号，Sg2 —外部信 号，TH、 THs—相位信号，Eref—电压指令，Edc—直流电压，Qref—无效 电力指令，Pref—有效电力指令，Pchref—叶片角度指令，Ipnstr—p轴电 流指令，Pulse_cnv—u、 Pulse—cnv— v、 Pulse—cnv—w—脉冲指令，Uav—平 均风速，Pchref-倾斜角指令，Iqr—r、 Ipr—r—发电机电流指令。
具体实施例方式
(第一实施方式)
利用附图，对本发明的第一实施方式的风力发电装置的构成进行说明。
图1中，风力发电装置200与电力系统250连接，具备作为电力变换装 置的转换器(励磁装置)140、发电机11O、风车120、风车控制装置130、转换器控制装置150、变压器170及遮断器160。在此，电力系统250在容量 大时可以只当作电源，利用没有图示的输电线向家庭和大厦、工厂等输电。
风车120具备3片叶片120a，与发电机110的转子机械连接，发电机IIO 与转换器140电连接。还有，根据需要，风车120和转子经由齿轮连接。遮 断器160具备用于将风力发电装置200从电力系统250电断开的功能。
风车控制装置130具备的功能是输入风速U和发电机110的旋转速度o) 的值，向叶片120a输出倾斜角指令Pchref,控制叶片角度，或进行有效电 力指令Pre撤运算，向转换器控制装置150输送有效电力指令Pref、无效电 力指令Qref。
转换器控制装置150按照各种指令对转换器140进行PWM控制，调节 并控制发电机110向电力系统250直接输出的电力和将发电机110发电的电 力经由转换器140内部的蓄电器Cd (图2)向电力系统250输出的电力(有 效电力、无效电力)。另外，转换器控制装置150还具备分别控制倾斜角指 令Pchre汲发电机110的励磁电流的频率、使发电频率和系统频率一致的功 能。
接下来，利用图2关于风力发电装置200进行详细说明。图2是表示发 电机110采用绕组型感应发电机的构成。如上所述，风力发电装置200具备 转换器140、发电机IIO、风车120、风车控制装置130和转换器控制装置150， 转换器140和电力系统250经由变压器170和遮断器160连接。
转换器140具备能够双向进行交流一直流转换的2个转换器320、 330、 配备在转换器320、 330之间充入直流电力的蓄电器Cd、对蓄龟器Cd及进 行初期充电的初充电电路310、电容器Cr、 Cn及电抗器Lr、 Ln、电磁接触 器301、 302、电压传感器PTs、 PTg和电流传感器CTr、 CTn、 CTs。还有， 蓄电器Cd使用电容器还有蓄电池和超级电容器的任意一种。
电磁接触器301的构成是能够根据动作信号Sgl进行开闭， 一端与电磁 接触器302的一端和外部的遮断器160连接，另一端与发电机110的定子侧 绕组连接。电磁接触器302的另一端经由以电容器Cn、电抗器Ln构成的交 流滤波器与作为第二电力变换器的转换器330连接。
转换器330的直流侧和转换器320的直流侧与蓄电器Cd连接，作为第一 电力变换器的转换器320的交流输出，经由以电抗器Lr、电容器Cr构成的
交流滤波器与发电机110的转子绕组连接。该交流滤波器具备将被PWM调 制的开关波形转换成交流波形的功能，向转子绕组流通励磁电流。
相对于蓄电器Cd设置在发电机110侧的转换器320及设置在电力系统 250侧的转换器330具备将交流电力变换成直流电力、再将直流电力变换成 交流电力的双向变换功能，采用作为半导体开关元件的IGBT元件而构成。 还有，并不限定于IGBT元件，也能够采用晶闸管、GTO、 MOS—FET等。
另外，设置在电力系统侧的转换器330的交流输出端子上、由电抗器 Ln和电容器Cn构成的交流滤波器具备衰减高次谐波电流、高次谐波电压的 功能，将被PWM调制的开关波形转换成交流波形。
发电机110的转子，连接风车120的轴，依靠风车120受到的风力旋转。 还有，也能够在转子和风车120的连接中采用齿轮等，提高旋转速度。另 外，在转子上连接由例如编码器构成的速度检测器，该速度检测器将旋转 速度w的值向转换器控制装置150及风车控制装置130输出。另外，风车120 的构成是按照倾斜角指令Pchre凍变更叶片120a的角度(叶片角度)。在将 风的入射方向定义为O度时，若叶片角度变大，则受风的面积增加。
接下来，对用于控制发电电力的布线及装置进行说明。遮断器160的 三相系统电压Vs及系统电流Is分别由电压传感器PTs、电流传感器CTs转换 成低电压的电压检测信号、电流检测信号，这些信号向转换器控制装置150 输入。
另外，电磁接触器301的二次侧(电磁接触器301和发电机110的定子 之间)的电压由电压传感器PTg检测，所检测出的定子电压Vg的信号向转 换器控制装置150输入。
与转换器320及转换器330的直流电路连接的蓄电器Cd的直流电压Edc 通过电压传感器以直流电压信号向转换器控制装置150输入。在蓄电器Cd 上连接有利用电磁接触器301的系统电压进行充电的初充电电路310。
另外，转换器320的交流侧的发电机电流Ir由电流传感器CTr检测，另 外，转换器330的交流侧的转换器输出电流In由电流传感器CTn检测，所检 测出的发电机电流Ir及转换器输出电流In向转换器控制装置150输入。
风车控制装置130具备的功能是输入风速U和旋转速度co，运算有效电 力指令Pref和无效电力指令Qref，将这些各种指令传送给转换器控制装置150，运算对叶片120a的角度(倾斜角)进行指令的倾斜角指令Pchref，将 该指令向风车120传送。
转换器控制装置150分别用动作信号Sgl、外部信号Sg2控制电磁接触 器301、 302。另外，转换器控制装置150输出驱动控制由半导体开关元件 构成的各个转换器320、 330的脉冲信号Pulse—inv、 Pulse_cnv。
电磁接触器302的开闭由外部信号Sg2进行指令，若电磁接触器302接 通，则转换器330根据脉冲信号Pulsejiw开始运转，控制蓄电器Cd的直流 电压Edc为一定。
图3是转换器330的电路图。(转换器320也是同样的电路)。转换器330 具备6个IGBT元件(S11 S32)，上侧元件Sll、 S21、 S31和下侧元件S12、 S22、 S32分别串联连接。各IGBT元件将脉冲信号Pulse—cnv输入到门中， 从而进行接通断开控制，例如转换器控制装置150接通U相的IGBT元件S11 时，设定脉冲信号Pulse—cnv—u为"1"，而断开时设定脉冲信号Pulse—cnv—u 为"0"。还有，各IGBT元件上附加了钳位二极管。
此时，向作为U相的下侧元件的IGBT元件S12的门输入的脉冲信号 Pulse—cnv—un利用作为上侧元件的IGBT元件Sll的门信号Pulse—cnv—u的反 相信号(如果是"1"则反过来为"0"，如果是"0"则反过来为"1")而 生成。这种情况下，若IGBT元件Sll、 S12同时接通则直流侧短路，所以 延迟接通的定时，设定IGBT元件S11和IGBT元件S12双方断开的期间(称 作死区时间)。另外，为了在停止中和紧急时断开全部的IGBT元件，具备 门电路340，门组(gate block)信号GB与脉冲信号一同向OR门输入。以 下，由于V相、W相的动作同样，因此说明省略。
接下来，用图2、图4及图5关于转换器控制装置150的功能进行说明。 还有，图4及图5的功能，依靠CPU、 ROM、 RAM及程序实现。
首先，关于转换器330的控制进行详细说明。在图2的详细构成图中， 在转换器330开始运转前，用初充电电路310充入直流电压，根据外部信号 Sg2接入电磁接触器302，转换器330与电力系统250连接。
图4中，系统电压Vs的检测值，向相位检测器THDET和3相2相变换 器32trs输入。相位检测器THDET例如用相位同步循环(PLL : Phase—Locked—Loop)方式运算追随于电力系统250 (图2)的电压的相位信号THs,将相位信号THs (THs:将系统U相电压设为正弦波时的相位信 号)向3相2相坐标变换器32dqtrs-01、旋转坐标变换器dqtrs及2相3相坐标 变换器dq23trs-01输出，向图5所示的3相2相坐标变换器32dqtrs-02及励磁相 位运算器SLDET输出。
再返回图4，电压指令Eref和直流电压Edc向直流电压调节器DCAVR (例如、由比例积分控制器PI构成)输入。直流电压调节器DCAVR调节输 出的p轴电流指令(有效量电流指令)Ipnstr，以使输入的电压指令Eref^口 直流电压Edc的偏差为O，并向电流调节器1-ACR输出。
3相2相坐标变换器32dqtrs-01利用(1)式及(2)式所示的变换式根 据输入的转换器输出电流In的检测值运算p轴电流检测值Ipn(有效量电流) 和q轴电流检测值Iqn (无效量电流)，将p轴电流检测值Ipn向电流调节器 l-ACR输出，将q轴电流检测值Iqn向电流调节器2-ACR输出。
在此，添加字u、 v、 w表示相，例如，转换器输出电流In的U相电流表 述为Inu。以下电压等也同样。
数1
<formula>see original document page 10</formula> (1)
数2
<formula>see original document page 10</formula>(2)
电流调节器l-ACR向加法器401输出将p轴电流指令Ipnstr的值和p轴电 流检测值Ipn的偏差调节为0的p轴电压指令VpnO。同样，电流调节器2-ACR 向加法器402输出将q轴电流指令(=0)和q轴电流检测值Iqn的偏差调节 为0的q轴电压指令VqnO。该电流调节器1-ACR， 2-ACR例如由比例积分控 制器PI构成。
3相2相变换器32trs利用(3)式的变换式根据输入的系统电压Vs的值运算瞬时电压矢量的a成分Vsa和p成分Vsl3。再有，旋转坐标变换器dqtrs 用(4)式运算p轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位成分)Vps和q 轴电压检测值(和p轴电压检测值Vps正交的成分)Vqs，将各值向加法器 401、 402输出。
数3
<formula>see original document page 11</formula>
(3)
数4<formula>see original document page 11</formula>(4)
加法器401将p轴电压指令值VpnO和p轴电压检测值Vps相加的加法结 果Vpn向2相3相坐标变换器dq23trs-01输出。同样，加法器402将q轴电压指 令值VqnO和q轴电压检测值Vqs相加并向2相3相坐标变换器dq23trs-01输出。
2相3相坐标变换器dq23trs-01输入相位信号THs、各加法器的加法结果 Vpn、 Vqn，利用(5)式及(6)式所示的变换式运算转换器330输出的电 压指令Vun、 Vvn、 Vwn，向PWM运算器PWMn输出。
数5
<formula>see original document page 11</formula>(5)
数6
<formula>see original document page 12</formula>(6)
PWM运算器PWMn根据电压指令Vun、 Vvn、 Vwn运算利用脉冲宽度 调制方式(PWM方式)接通*断开构成电力变换器310的n个半导体元件 的脉冲信号Pulse—crw，将运算结果向转换器330输出。
接下来，对转换器320的控制进行说明。
图5中，发电机110(图2)的旋转速度co的值向旋转相位检测器ROTDET 输入。旋转相位检测器ROTDET将旋转速度o)换算成相位，将相位信号RTH 向加法器403输出。
作为同步控制器SYNC的输出的相位信号LTH在加法器403中与相位 信号RTH相加，成为新的相位信号TH，相位信号TH与相位信号THs(图4) 一同向励磁相位运算器SLDET输入。
励磁相位运算器SLDET将相位信号TH和相位信号THs相减，再乘以发 电机的极对数k，运算发电机110的转子的电气角频率的相位信号THr (=k (THs — TH))，向3相2相坐标变换器32dqtrs-03和2相3相坐标变换器 dq23trs-02输出。
电力运算器PQCAL输入3相2相坐标变换器32dqtrs-02输出的p轴电流 Ips (与系统电压Vs的U相矢量相同方向)和与系统电压的U相矢量正交的q 轴电流Iqs，同时，输入p轴电压检测值Vps(图4)和q轴电压检测值Vqs(图 4)。并且，利用(7)式及(8)式，运算电力系统250 (图2)的有效电力 Ps及无效电力Qs。
数7
Ps = 3 (Vp s X I p s十Vq s X I q s) /2 ...(7) Qs = 3 (—Vp s X I q s十Vq s X I p s ) /2....(8)
有效电力调节器APR输入有效电力Ps的换算值和风力发电装置200的
有效电力指令Pref，输出有效量电流指令IpO以使有效电力指令PrefSl有效 电力Ps的换算值的偏差为O。另外，无效电力调节器AQR输入无效电力Qs 的换算值和无效电力指令Qref，输出励磁电流指令IqO以使电力指令Qref 和电力检测值Qs的偏差为O。还有，电力调节器APR， AQR例如由比例积
分器构成。
有效电力调节器APR输出的电流指令IpO及无效电力调节器AQR输出 的电流指令IqO向切换 器SW输入。
切换器SW确定是使用有效电力调节器APR及无效电力调节器AQR的 输出IpO、 IqO，或者还是有效量电流指令使用O、励磁电流指令使用电压调 节器AVR的输出Iql，将确定的指令值作为电流调节器3-ACR的指令信号 Ipr-r、或作为电流调节器4-ACR的指令信号Iqr-r输出。在此，切换器SW在 电磁接触器301 (图2)接入前(即、使检测发电机IIO (图2)的定子电压 的定子电压Vg与系统电压Vs同步的电压同步运转时)，使用后者的设定 (有效量电流指令为O、励磁电流指令为电压调节器的输出Iql)，接入电 磁接触器301后，选择前者的设定(各电力调节器的输出IpO、 IqO)。
同步控制器SYNC运算对系统电压Vs (图2、图4)的瞬时电压矢量的 a成分Vsa、卩成分Vs(3使用滤波器而求得的振幅指令Vsref，另外，从定子 电压Vg也同样地运算对瞬时电压矢量使用滤波器而求得的定子电压振幅 值Vgpk。同步控制器SYNC具备判定振幅指令Vsre待卩发电机110的电压振 幅Vgpk是否同步的功能、还在系统电压Vs (图2、图4)和定子电压Vg的 相位不同时输出用于对其进行修正的相位修正信号LTH的功能、在系统电 压Vs和定子电压Vg的相位在规定的范围内判定是否同步的功能，具备输 出电磁接触器301 (图2)的动作信号Sgl和虚线所示的控制切换信号SgO 的功能。
在此，关于电压调节器AVR进行说明。电压调节器AVR将定子电压Vg 的振幅值Vgpk作为反馈值，还将在系统电压Vs的振幅值上通过了滤波器 的振幅指令Vsref作为指令进行输入，从而，将励磁电流指令Iql向切换器 SW输出以使定子电压Vg和振幅指令Vsref的偏差为O。在此，电压调节器
AVR例如由比例积分控制器构成。该电压调节器AVR调节从转换器320向 发电机110的转子侧流动的励磁电流指令Iqr一r，以使电磁接触器301在开状 态下动作，使系统电压Vs的振幅值与发电机110的定子电压Vg的振幅值一致。
如此，同步控制器SYNC使电压调节器AVR和切换器SW动作，由此能 够在发电机110与电力系统250连接之前(图2)，使定子电压Vg与系统电压 Vs包括相位在内同步，另外，与电力系统250连接后，能够迅速地切换成 电力控制。换言之，即使风车120的旋转速度co慢，也能够通过改变转子的 励磁电流的频率而使定子电压Vg的频率与系统频率一致。
关于按照电流指令控制转子电流的构成进行说明。3相2相坐标变换器 32dqtrs-03利用(9)式及(10)式所示的变换式根据输入的发电机电流Ir 及转子的相位THr运算q轴电流检测值Iqr (励磁电流成分)和p轴电流检测 值Ipr (有效量电流成分)，将q轴电流检测值Iqr向电流调节器4-ACR输出， 将P轴电流检测值Ipr向电流调节器3-ACR输出。
数8
<formula>see original document page 14</formula>(9)
数9
<formula>see original document page 14</formula>
电流调节器4-ACR调节输出的q轴电压指令Vqr以使q轴电流指令Iql或 IqO和q轴电流检测值Iqr的偏差为0。同样地，电流调节器3-ACR调节输出 的p轴电压指令Vpr以使p轴电流指令Ipl (=0)或IpO和p轴电流检测值Ipr 的偏差为0。在此，电流调节器3-ACR， 4-ACR能够例如由比例积分器构成。
p轴电压指令Vpr和q轴电压检测值Vqr向2相3相坐标变换器dq23trs-02输入，2相3相坐标变换器dq23trs-02利用(11)式及(12)式所示的变 换式根据相位信号THr和各输入值运算电压指令Vur、 Vvr、 Vwr，向PWM 运算器PWMr输出。
数10
<formula>see original document page 15</formula>(1 1)
数ll
<formula>see original document page 15</formula>(1 2)
PWM运算器PWMr根据输入的电压指令Vur、 Vvr、 Vwr运算利用脉冲 宽度调制方式接通 断开构成转换器320的IGBT元件(图2)的m相的脉冲 信号Pulse一inv，向转换器320输出。
接下来，用图6关于PWM运算器PWMn进行说明。将PWM运算器的三 角波振幅设定为士l的范围。利用(13)式及(14)式将电压指令Vun、 Vvn、 Vwn变形为用于脉冲生成的电压指令VunP、 VvnP、 VwnP。还有，图6中， 只对比较U相电压指令VunP和三角波生成的脉冲信号Pulse—inv—u进行表 示。
数12
abs(Max(Vun, Vvn,Vwn))≤Abs(Min(Vun, Vvn,Vwn))
<formula>see original document page 15</formula> (13)
其中、A=I-Max(Vun, Vvn, Vwn)
数13
另夕卜、Abs(Max(Vun,Vvn,Vwn))>Abs(Min(Vun,Vvn,Vwn)时、
<formula>see original document page 16</formula>(14)
其中、S = —1 - M/"(V""， W"， Vhti)
在此，用于脉冲生成的电压指令的相间电压为(VunP—VvnP) = (Vun +A) — (Vvn+A) =Vun—Vvn，与电压指令的相间电压一致。换言之， 即使相电压加上任意的值A，相间电压也不会变化。
如图6所示，当U相电压指令VunP为三角波的值以上时(图6 (a))， 接通断开IGBT元件的脉冲指令Pulse—convj维持接通状态(图6 (b))。反 之，当U相电压指令为三角波的值以下时，脉冲指令Pulse—conv—u维持断 开状态。
通过如此将各相的电压指令VunP、 VvnP、 VwnP与三角波的值比较， 从而根据其大小关系生成使转换器330的IGBT元件(图2)动作的脉冲指 令Pulse—cnv一u、 Pulse_cnv—v、 Pulse_cnv—w。
简单说明如此构成的转换器330的动作。图2中，转换器控制装置150 检测系统电压Vs的相位，控制与检测出的电压相位同相的电流指令，由此 在能够双向变换的转换器330和电力系统250之间接收发送有效电力，控制 直流电压Edc。另外，发电机侧的转换器320使用蓄电器Cd的电力，例如如 果直流电压Ed降低，电力系统250侧的转换器330就使用交流电力，对蓄电 器Cd充电，保持直流电压Edc为一定地进行动作。反之，当转换器320充入 直流电力，直流电压Edc上升时，转换器330将直流电力变换成交流电力， 将蓄电器Cd放电，保持直流电压Edc为一定地进行动作。
接下来，用图7的内部构成图，关于风车控制装置130的内部构成进行 简单说明。图7中，风车控制装置130输入风速U的值，利用一级延迟滤波 器LPF等运算风速U的平均值即平均风速Uav。运算出的平均风速Uav向倾 斜角指令运算器PCHCAL和电力指令运算器PREFCAL输入。
倾斜角指令运算器PCHCAL中，例如用平均风速Uav和倾斜角表运算 倾斜角指令Pchref 。倾斜角指令Pchref向风车120和电力指令运算器 PREFCAL传送。另外，电力指令运算器PREFCAL根据从平均风速Uav获 得的发电目标量和旋转速度目标值(周速比)输出有效电力指令Pref。从 而，转换器控制装置150 (图2)对转换器320进行PWM控制，控制转子的 旋转速度o为规定值。还有，风车控制装置130 (图2)生成无效电力指令 值Qref。
图8表示由PWM运算器PWMn生成的相间电压的脉冲波形。图8 (a) 表示U相的进行PWM的电压指令(利用(13)式、(14)式生成的调制波) 和三角波(输送波)，纵轴表示调制度，横轴表示相位(。)。另外，图8 (b) 根据图8 (a)生成，表示接通断开IGBT元件的U相脉冲波形，纵轴表示脉 冲电平。图8 (c)、 (d)表示关于V相的PWM波形及脉冲波形。另外，图8 (e)表示根据U相和V相的脉冲波形生成的转换器320、 330的相间电压波 形。在U相、V相都不同的期间脉冲停止，因此，相间的电压波形产生脉 冲密度高的地方和低的地方，在相间电压的l个周期中形成4次疏密。用Ln、 Cn (图2)的交流滤波器对该疏密波进行滤波，从而对电力系统250供给电 力，或者用Lr、 Cr的交流滤波器进行滤波，从而发电机110的转子被励磁。
若用各相来看，则存在脉冲停止的期间，因此，降低由于IGBT元件 接通断开造成的开关损失。不过，若电压指令的频率降低，贝Ul个周期期 间的接通时间变长，从而半导体元件的发热局部性集中。从而，当频率低 于由发热确定的规定值时，本PWM方式不适合。
另外，由图可知，调制波的大的变化在1个周期内存在6点，因而为了 防止相位偏离，三角波的载波频率(三角波频率)优选是6的整数倍。
如此，在风力发电装置200的电力变换器中，与频率没有大变化的电 力系统侧连接的转换器330采用(13)式及(14)式所示的PWM调制方式，
由此能够实现低损失的电力变换器。
另外，发电机侧的转换器320采用(13)式及(14)式所示的PWM调 制方式时，只在发电机110的旋转速度变快(大体在电气角频率接近系统 频率的范围内)的情况下采用，因而发电机侧的转换器320也能够谋求低
损失化。(也就是说，低速区采用常用的脉冲宽度调制方式，高速区采用(13)式及(14)式所示的PWM调制方式)。另外，将此时的载波频率(输 送波频率)设定为6的整数倍，由此能够减小电流失真。
如以上说明，根据本实施方式，风力发电装置200的电力变换装置中， 在转换器330输出的交流电压的频率(基本波)高的情况下，采用相间电 压脉冲的疏密变化的PWM调制方式，由此能够实现低损失的电力变换装 置。从而，风力发电装置200能够减小线圈Ln、 Lr及电容器Cn、 Cr的形状。 另外，风力发电装置200将此时的载波频率(三角波频率)设定为6的整 数倍，由此能够减小电流失真。另外，在三相的电压指令Vun、 Vvn、 Vwn 上加上不同的值用于死区时间补偿，由此能够减小高次谐波。
(第二实施方式)
接下来，用图9 图11关于第二实施方式进行说明。本实施方式与第一 实施方式的电压指令Vun、 Vvn、 Vwn的生成方法不同。以下，与第一实 施方式具有同样功能的表示为同一符号或同一部分，因此省略说明。
如图3所说明，根据由PWM运算器生成的脉冲信号，加载向构成电力 变换装置的IGBT元件的上侧元件和下侧元件输入的接通断开指令的脉 冲，在上侧元件中输入(Pulse_cnv_u、 Pulse_cnv_v、 Pulse_cnv_w)、下侧 元件中输入其反相脉冲(Pulse_cnv_un、 Pulse_cnv_vn、 Pulse_cnv_wn)。 在此，脉冲信号的添加字n表示反相信号即下侧元件的接通断开脉冲。
相同相的脉冲信号中，若上侧脉冲和下侧脉冲同时成为高电平，则直 流电压短路，由于过电流而破坏IGBT元件，从而为了使上侧脉冲和下侧 脉冲不同时成为高电平，而在脉冲信号上加入接通延迟，设置双方都确实 断开的期间(死区时间)。该死区时间由于产生电压失真，从而高次谐波 增加。
图9 (a)为PWM调制波、及三角波，图9 (b)是PWM脉冲波形，与 图8 (a)、 (b)同样。图9 (c)是不设定死区时间时的相间电压脉冲的傅 立叶解析结果，图9 (d)是设定了5μs的死区时间时的相间电压脉冲的傅 立叶解析结果。图9 (c)、 (d)的纵轴是振幅[%]，横轴是高次谐波的次
数。还有，图9 (a)、 (c)、 (d)中，三角波的载波频率为3kHz，调制率为 0.8。如果比较图9 (c)和图9 (d)，则可知由于死区时间的设定，特别是 低次(5、 7次)的电压高次谐波增加。
由于死区时间的设定，输出宽度比本来要输出的电压脉冲窄的电压脉 冲，平均电压下降。从而，将如图10所示那样的死区时间补偿量加在PWM 调制波上。从而，低次(5、 7次)的高次谐波減少。图10所示的补偿量的 相位表示功率因数l即电压指令(调制波)Vim和电流Imi的相位一致的情 况。与之相对，在功率因数(电压和电流的相位差)变化的情况下，补偿 量也追从于电流Inu的相位而变化，从而，能够始终使基于死区时间的电 压失真最小。在此以U相为例进行了说明，不过，各相都加上依存于各电 流Inv、 Inw的死区时间的补偿量。
图ll是表示使用了死区时间补偿时的相间电压脉冲的傅立叶解析结 果的图。与图9 (d)相比，可知5次、7次的高次谐波振幅变小。如此，通 过进行死区时间补偿，由此能够降低电流失真。
(第三实施方式)
所述各实施方式中，发电机110采用了绕组型感应发电机(二级励磁 发电机)，不过，也能够采用永磁铁发电机(此外也可以采用同步发电机。)。
图12中，风力发电装置210具备发电机150、风车120、电力指令生成 装置135、转换器320、 330、转换器控制装置155、变压器170、遮断器160、 蓄电器Cd、电容器Cr、 Cn、电抗器Lr、 Ln、电磁接触器302、电压传感器 PTs、 PTg及电流传感器CTr、 CTn，与电力系统250连接。
在此，电力指令生成装置135根据风速U生成电力指令Pref、 Qref，转 换器控制装置155根据发电机电压Vr和发电机电流Ir运算有效电力Ps及无 效电力Qs ，控制发电机侧的转换器320以使有效电力指令Pre汲无效电力指 令Qref分别一致。还有，图12中，发电机115与电力系统250没有连接、而 经由转换器320、 330与电力系统250连接这点和转换器控制装置155检测发 电机电压Vr这点与图2有很大不同。
图13中，转换器控制装置155利用有效电力调节器APR、无效电力调
节器AQR，根据有效电力指令Pref及无效电力指令Qre输出发电机电流指 令lqr—r、 Ipr一r，运算转换器320输出的电压指令Vur、 Vvr、 Vwr并控制转 换器320，以使该电流指令Iqr—r、 Ipr一r与发电机电流Ir的p轴成分Ipr、 q轴 成分Iqr—致。还有，转换器330与第一实施方式同样，因此在此省略说明。 与第一实施方式同样，系统侧的转换器330的PWM调制方式采用(13)式、 (14)式所示的方式。从而，获得与第一实施方式、第二实施方式同样的 效果。
权利要求
1.一种风力发电装置，其包括在轴上至少安装有1片叶片的风车、利用所述轴的旋转进行多相交流发电的发电机和为了调节并输出该发电机的发电电力而进行PWM控制的电力变换装置，所述风力发电装置的特征在于，所述电力变换装置对各相设置在1个周期期间不重复的控制停止期间来进行PWM控制。
2. 根据权利要求l所述的风力发电装置，其特征在于， 所述电力变换装置对基于所连接的端子电压的频率的指令值和三角波进行比较，来进行所述PWM控制，所述三角波的频率为所述端子电压的频率的6n倍，其中，n为正整数。
3. 根据权利要求l所述的风力发电装置，其特征在于， 所述电力变换装置在所述发电机的旋转速度为规定值以下或规定值以上时设置所述控制停止期间。
4. 根据权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于， 所述规定值由开关元件的发热量确定。
5. —种风力发电装置，其包括在轴上至少安装有l片叶片的风车、 利用所述轴的旋转进行多相交流发电的发电机和为了调节并输出该发电 机的发电电力而进行PWM控制的电力变换装置，所述风力发电装置的特 征在于，所述电力变换装置通过改变相间的脉冲密度来进行所述PWM控制。
6. 根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于， 所述电力变换装置在1个周期期间改变4次所述脉冲密度。
7. 根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于， 所述电力变换装置进行设有防止串联连接的开关元件短路的短路防止期间的PWM控制， -将相当于基于所述短路防止期间的不足量的值加在各相的指令值上。
8. 根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于，.还具备根据风速变更所述叶片的角度的叶片角度变更机构。
9. 根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于， 所述发电机为在定子侧及转子侧缠绕绕组的绕组型感应发电机， 所述电力变换装置具备能够双向变换交流电力和直流电力的第一电力变换器、蓄积所述直流电力的蓄电器和与该蓄电器连接并能够双向变换 直流电力和交流电力的第二电力变换器，所述绕组型感应发电机的一侧绕组与电力系统连接，另一侧绕组与所 述第一电力变换器连接，将所述第二电力变换器的交流侧与所述电力系统连接。
10. 根据权利要求9所述的风力发电装置，其特征在于， 在所述第二电力变换器的交流侧和所述电力系统之间插入低通滤波器，所述低通滤波器的输入侧的相间电压的脉冲密度变化。
11. 根据权利要求l所述的风力发电装置，其特征在于， 所述发电机为永磁铁型发电机，所述电力变换装置具备能够双向变换交流电力和直流电力的第一电 力变换器、蓄积所述直流电力的蓄电器和与该蓄电器连接并能够双向变换 直流电力和交流电力的第二电力变换器，将所述永磁铁型发电机的绕组侧与所述第一电力变换器的交流侧连 接，将所述第二电力变换器的交流侧与电力系统连接。
12. 根据权利要求l所述的风力发电装置，其特征在于， 所述发电机为同步发电机，所述电力变换装置具备能够双向变换交流电力和直流电力的第一电 力变换器、蓄积所述直流电力的蓄电器和与该蓄电器连接并能够双向变换 直流电力和交流电力的第二电力变换器，将所述同步发电机的定子侧与所述第一电力变换器的交流侧连接，将 所述第二电力变换装置的交流侧与电力系统连接，所述1个周期由所述电力系统的系统频率确定。.
全文摘要
本发明的风力发电装置能够降低电力变换装置的损失。该风力发电装置(200)具备在轴上至少安装有1片叶片(120a)的风车(120)、利用所述轴的旋转进行多相交流发电的发电机(110)和为了调节输出该发电机的发电电力而进行PWM控制的多相电力变换装置(140)，所述PWM控制对各相设置了在1个周期期间不重复的控制停止期间。从而，控制期间和其他相的控制停止期间的脉冲密度变粗，在相间脉冲上产生疏密。
文档编号H02J3/38GK101207289SQ20071019947
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月13日 优先权日2006年12月14日
发明者一濑雅哉, 二见基生, 大原伸也, 松竹贡 申请人:株式会社日立制作所