JP2017163659A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】断線検出機能を備えた風力発電システムを提供する。【解決手段】風力発電システムは、風車１と、三相交流発電機３と、電力変換装置７と、三相電力線４〜６と、制御装置１５とを備える。電圧検出器１０，１１は、三相電力線４〜６の２つの線間電圧を検出する。制御装置１５は、電圧検出器１０，１１により検出された２つの線間電圧の振幅差または位相差に基づいて、三相交流発電機３の三相巻線または三相電力線４〜６の断線を検出するように構成された断線検出部２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電システムに関し、特に、風車と交流発電機とを備えた風力発電システムに関する。

風力発電システムには、風力によって回転駆動される風車と、風車によって回転駆動され、交流電力を発生する交流発電機と、交流発電機から出力される交流電力を、負荷または電力系統に供給する電力に変換する電力変換装置とを備えたものがある。このような風力発電システムでは、風車におけるブレードのピッチ角制御、および電力変換装置を用いた発電機の励磁調整によるトルク制御などを実行することにより、風車の回転速度を制御している。

上記の風力発電システムにおいて、交流発電機の回転速度が過回転になると、交流発電機が破損する虞がある。そのため、たとえば強風時に、電気式ブレーキを動作させて交流発電機の出力端子間を短絡することにより、風車に制動をかけ、風車の回転速度を低下させて過回転を防止する技術が採用されている（たとえば、特開２０００−１９９４７３号公報（特許文献１）および特開２００２−３３９８５６号公報（特許文献２）参照）。

特開２０００−１９９４７３号公報 特開２００２−３３９８５６号公報

しかしながら、上記の風力発電システムでは、交流発電機の電機子巻線、もしくは発電機と電力変換装置とを結ぶ電力線に断線が生じると、風車の回転速度の制御ができなくなる。また、交流発電機の出力端子間を短絡させることができないため、風車に制動がかからなくなる。この結果、風車が過回転になり、風車の破損を招く可能性がある。このような風車の過回転を防止するためには、交流発電機または電力線で生じた断線を検出する機能を備える必要がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、断線検出機能を備えた風力発電システムを提供することである。

この発明に係る風力発電システムは、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の前記回転エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された三相交流発電機と、三相交流発電機が発電した三相交流電力を、負荷または電力系統への供給電力に変換するように構成された電力変換装置と、三相交流発電機の三相巻線と電力変換装置とを結ぶ三相電力線と、三相電力線の少なくとも２つの線間電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器により検出された少なくとも２つの線間電圧に基づいて、三相巻線または三相電力線の断線を検出するように構成された断線検出部とを備える。

この発明に係る風力発電システムによれば、断線検出機能を備えた風力発電システムを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図である。 図１における電圧検出器および断線検出部の構成を説明するためのブロック図である。 三相交流発電機におけるＵ−Ｖ線間電圧およびＷ−Ｖ線間電圧の波形の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１の変形例に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図である。 図５における電圧検出器および断線検出部の構成を説明するためのブロック図である。 比較器から出力されるパルス信号の波形の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で示された構成を適宜組合せることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図である。図１を参照して、風力発電システムは、風車１と、三相交流発電機３と、電力変換装置７と、三相電力線４〜６と、制動装置９と、電圧検出器１０，１１と、制御装置１５とを備える。

風車１は、回転軸が水平に置かれた水平軸型（プロペラ型）風車であって、ブレード、ナセル、支柱などを含む。風車１は、ブレードにより風を受け、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する。風車１の主軸２は三相交流発電機３の回転子に結合され、回転子を回転駆動する。なお、主軸２と回転子との間には増速機（図示せず）が接続されていてもよい。増速機は、ギヤなどで構成され、風車１の回転速度を三相交流発電機３に適した回転速度に変換（増速）する。

三相交流発電機３としては、誘導発電機、永久磁石型発電機、同期発電機、二次励磁型発電機などが利用される。三相交流発電機３の回転子の周囲には円筒形状の固定子が配置されている。回転子が回転されると、固定子のスター結線された三相巻線に三相交流電力が誘起され、この発電電力が電力変換装置７へ供給される。すなわち、ブレードの回転エネルギーは、三相交流発電機３で電気エネルギーに変換された後、電力変換装置７へ供給される。

三相電力線４〜６は、三相交流発電機３の三相巻線と電力変換装置７とを結ぶ。三相電力線４〜６は、三相交流発電機３のＵ相巻線と電力変換装置７とを結ぶＵ相電力線４と、Ｖ相巻線と電力変換装置７とを結ぶＶ相電力線５と、Ｗ相巻線と電力変換装置７とを結ぶＷ相電力線６とにより構成される。

電力変換装置７は、三相交流発電機３から出力される三相交流電力を、負荷または電力系統８に供給する電力に変換する。電力変換装置７は、たとえば、コンバータと直流コンデンサとにより構成される。三相交流発電機３から供給される三相交流電力はコンバータで直流電力に変換され、直流コンデンサにより平滑されて負荷８に供給される。

あるいは、電力変換装置７は、コンバータと、インバータと、コンバータおよびインバータの間に介挿される直流コンデンサとにより構成される。三相交流発電機３から供給される三相交流電力は、コンバータによって直流電力に変換され、直流コンデンサにより平滑されてインバータへ供給される。インバータへ供給された直流電力は、電力系統８と同一周波数の交流電力へ変換されて、電力系統８へ供給される。コンバータおよびインバータは、３相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子により構成される。スイッチング素子としては、たとえば、ＭＯＳＦＦＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、トランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタなどが挙げられる。

制動装置９は、たとえば強風時に、風車１の回転を停止させる。制動装置９は、三相交流発電機３の負荷を増大させて風車１の回転速度を低下させる電気式ブレーキである。電気式ブレーキは、たとえば、三相電力線４〜６に設けられた開閉器により構成される。開閉器を閉じると、三相交流発電機３の出力端子間が短絡されて、風車１に制動がかかる。これにより、風車１の回転速度が低下するため、過回転を防止することができる。制動装置は、図示は省略するが、風車１の回転速度を機械的に低下させるディスクブレーキのような機械式ブレーキ（図示せず）をさらに含む。制動装置は、さらに、ブレードのピッチ角、ナセルの方向などを制御して風車１の回転速度を低下させる手段を含んでいても構わない。

制御装置１５は、風力発電システム全体を制御する。制御装置１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびこれを動作させるプログラム、作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory)、不揮発性記憶部などで構成することができる。制御装置１５は、風車１の回転速度を制御するための回転制御部３０と、三相交流発電機３の三相巻線または三相電力線４〜６における断線を検出するための断線検出部２０とを含む。

回転制御部３０は、主要な制御として、風車１におけるブレードのピッチ角制御、および三相交流発電機３の励磁調整によるトルク制御を実行することができる。たとえば、回転制御部３０は、予め定められた定格出力が得られるように、ブレードのピッチ角制御および／または三相交流発電機３のトルク制御を実行する。なお、定格出力は、一定値であっても、時間帯や季節などに応じた可変値であってもよい。

具体的には、回転制御部３０は、風車１の回転速度に応じたフィードバック制御によって、定格出力に応じた所望の定格回転速度が得られるように、ブレードのピッチ角の調整および／または三相交流発電機３のトルク調整を実行する。なお、風車１の回転速度は、主軸２または三相交流発電機３の回転子の回転速度を検出することで取得できる。あるいは、三相交流発電機３から出力される三相交流電力の電圧または周波数に基づいて、風車１の回転速度を取得することができる。

回転制御部３０は、風車１の回転速度が定格回転速度よりも低い場合には、そのときの平均風速における最大効率で発電できるように、平均風速に応じて、最適な風車１の回転速度指令値を設定する。また、風速が大きくなり、風車１の回転速度が定格回転速度に近づくと、回転制御部３０は、三相交流発電機３の出力が定格出力で一定となるように、風車１の回転速度指令値を設定する。そして、回転制御部３０は、設定された回転速度指令値と実際の風車１の回転速度との偏差を比例積分演算することによって、ピッチ角指令値を生成する。

回転制御部３０は、さらに、回転速度指令値と実際の風車１の回転速度との偏差に基づいて、発電のためのトルク指令値を演算する。回転制御部３０は、トルク指令値に三相交流発電機３の回転速度を乗算することで、三相交流発電機３の要求出力を求めると、この要求出力に従って電力変換装置７により、三相交流発電機３の三相巻線の励磁電流を制御する。

また、風車１の回転速度が所定の上限値を超えた場合には、回転制御部３０は、制動装置９を用いて風車１の回転速度を低下させる。回転速度の上限値は、風車１に障害が発生する回転速度よりも低い値に設定されている。回転制御部３０は、開閉器を閉じて三相交流発電機３の出力端子間を短絡させる。

ここで、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかにおいて断線が発生すると、電力変換装置７による励磁電流制御に基づいた三相交流発電機３のトルク制御が実行できなくなる。そのため、風車１の回転速度を適正値に制御することが困難となる。また、制動装置９では、開閉器を閉じても三相交流発電機３の出力端子間が短絡しないため、風車１に制動がかからなくなる。その結果、風車１の過回転を防止できなくなり、風車１を破損させてしまう可能性がある。

そこで、制御装置１５は、上述した風車１の回転速度の制御に並行して、三相交流発電機３の三相巻線または三相電力線４〜６に生じた断線を検出する断線検出を行なう。

（断線検出）
以下、制御装置１５が行なう断線検出について、図２および図３を参照して詳細に説明する。

図２は、図１における電圧検出器１０，１１および断線検出部２０の構成を説明するためのブロック図である。図２を参照して、電圧検出器１０は、Ｕ相電力線４の電圧（Ｕ相電圧Ｖｕ）およびＶ相電力線５の電圧（Ｖ相電圧Ｖｖ）の差であるＵ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖ（＝Ｖｕ−Ｖｖ）を検出する。電圧検出器１０は、たとえば、Ｕ相電力線４およびＶ相電力線５の間に直列に接続された２つの抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と、差動増幅器１６とを含む。

抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の直列回路は分圧回路を構成する。分圧回路は、Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖを分圧し、分圧電圧を抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の接続ノードｎ１に出力する。以下では、Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖの分圧電圧を、ｋ１・Ｖｕｖと表記する。なお、ｋ１は分圧回路の分圧比を表す。

差動増幅器１６は、非反転（＋）入力端子が接続ノードｎ１に接続され、反転（−）入力端子がＶ相電力線５に接続される。差動増幅器１６は、分圧電圧ｋ１・ＶｕｖとＶ相電力線５の電圧Ｖｕとの差を増幅する。差動増幅器１６の出力端子には、分圧電圧ｋ１・Ｖｕｖに応じた値の差動電圧が出力される。

電圧検出器１１は、Ｗ相電力線６の電圧（Ｗ相電圧Ｖｗ）およびＶ相電力線５の電圧（Ｖ相電圧Ｖｖ）の差であるＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖ（＝Ｖｗ−Ｖｖ）を検出する。電圧検出器１１は、たとえば、Ｖ相電力線５およびＷ相電力線６の間に直列接続された２つの抵抗素子Ｒ３，Ｒ４と、差動増幅器１７と、整流回路２２とを含む。

抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の直列回路は分圧回路を構成する。分圧回路は、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖを分圧し、分圧電圧を抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の接続ノードｎ２に出力する。以下では、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの分圧電圧を、ｋ２・Ｖｗｖと表記する。なお、ｋ２は分圧回路の分圧比を表しており、ｋ１＝ｋ２の関係を満たす。

差動増幅器１７は、非反転（＋）入力端子が接続ノードｎ２に接続され、反転（−）入力端子がＶ相電力線５に接続される。差動増幅器１７は、分圧電圧ｋ２・ＶｗｖとＶ相電力線５の電圧Ｖｖとの差を増幅する。差動増幅器１７の出力端子には、分圧電圧ｋ２・Ｖｗｖに応じた値の差動電圧が出力される。

断線検出部２０は、電圧検出器１０，１１により検出された２つの線間電圧に基づいて、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６の断線を検出する。

具体的には、断線検出部２０は、整流回路２１，２２と、判定部２４とを含む。整流回路２１は、たとえば、ブリッジ接続された４つのダイオードによって構成される。整流回路２１は、差動増幅器１６から入力される差動電圧を全波整流して判定部２４へ出力する。なお、整流回路２１は、必ずしも全波整流回路である必要はなく、半波整流回路であってもよい。整流回路２１は、分圧電圧ｋ１・Ｖｕｖに応じた値の差動電圧を直流電圧に変換する。すなわち、整流回路２１から出力される直流電圧値は、Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖの振幅に応じた値となる。

整流回路２２は、整流回路２１と同様の構成を備えており、差動増幅器１７から入力される差動電圧を全波整流して判定部２４へ出力する。整流回路２２は、分圧電圧ｋ２・Ｖｗｖに応じた値の差動電圧を直流電圧に変換する。すなわち、整流回路２２から出力される直流電圧値は、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの振幅に応じた値となる。

図２の例では、電圧検出器１０，１１は、Ｖ相電圧Ｖｕを基準として、Ｕ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖをそれぞれ検出すると、検出した線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｗｖを所定の分圧比で分圧した電圧を出力する。このように線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｗｖを分圧するのは、整流回路２１，２２にて線間電圧の振幅を検出するのに最適な大きさにするためである。したがって、線間電圧自体が振幅を検出するのに最適な大きさであれば、分圧回路は必ずしも必要ではない。この場合、線間電圧を直接的に（すなわち、分圧せずに）整流回路によって整流して直流電圧に変換することができる。

判定部２４は、整流回路２１から与えられる直流電圧値および整流回路２２から与えられる直流電圧値に基づいて、断線検出を行なう。

図３は、三相交流発電機３におけるＵ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの波形の一例を示す図である。

三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれにも断線が生じていない場合、Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗの基本波成分はともに正弦波となり、その振幅が互いに等しくなる。したがって、２つの相電圧の差である線間電圧の基本波成分も正弦波となる。

Ｕ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖは、図３に示されるように、振幅が互いに等しく、位相が６０°ずれた波形となる。なお、各相電圧の基本波成分の振幅をＥとした場合、線間電圧の基本波成分の振幅は√３Ｅとなる。

図２に示した電圧検出器１０，１１において、整流回路２１は分圧電圧ｋ１・Ｖｕｖの振幅に応じた直流電圧値を出力し、整流回路２２は分圧電圧ｋ２・Ｖｗｖの振幅に応じた直流電圧値を出力する。分圧比ｋ１＝ｋ２であるため、三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていなければ、Ｕ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの振幅が互いに等しいことにより、整流回路２１から出力される直流電圧値と、整流回路２２から出力される直流電圧値とは互いに等しくなる。

これに対して、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が発生すると、Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗの少なくとも１つにおいて、基本波成分が正弦波を維持できなくなる。そのため、線間電圧の基本波成分も正弦波から崩れた波形となり、結果的にＵ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖは振幅に差が生じる。これにより、電圧検出器１０，１１において、整流回路２１から出力される直流電圧値と、整流回路２２から出力される直流電圧値とは異なる値となる。

判定部２４は、整流回路２１から出力される直流電圧値と、整流回路２２から出力される直流電圧値とを比較する。２つの直流電圧値の電圧差が所定の閾値より小さい場合、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていないと判断する。一方、上記２つの直流電圧値の電圧差が所定の閾値以上である場合には、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が生じていると判断する。なお、所定の閾値は、電圧検出器１０，１１の検出誤差に起因して生じる電圧差よりも大きい値に設定されている。

判定部２４は、断線が生じていると判断されると、断線検出信号ＤＥＴを生成して回転制御部３０へ出力する。回転制御部３０は、断線検出信号ＤＥＴを受けると、機械式ブレーキを制御することにより、風車１に制動をかけて風車１の回転を停止させる。これにより、三相交流発電機３による交流電力の生成が停止される。

実施の形態１に係る風力発電システムによれば、三相電力線の少なくとも２つの線間電圧の検出値の振幅差に基づいて、三相交流発電機の三相巻線または三相電力線に生じた断線を検出することができる。これによれば、断線が検出されると、風車の回転を停止させることができるため、風車の回転速度が制御不能となることによって風車が過回転になることを未然に防止することができる。

（変形例）
上述の実施の形態１では、２つの線間電圧（Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖ、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖ）に基づいて断線検出を行なう構成について説明したが、３つの線間電圧（Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖ、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖ、Ｗ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕ）に基づいて断線検出を行なうことも可能である。

図４は、この発明の実施の形態１の変形例に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図であって、図２と対比される図である。本変形例に係る風力発電システムは、実施の形態１に従う風力発電システムに対して、電圧検出器１２および整流回路２３をさらに設けたものである。

電圧検出器１２は、Ｗ相電力線６の電圧（Ｗ相電圧Ｖｗ）およびＵ相電力線４の電圧（Ｕ相電圧Ｖｕ）の差であるＷ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕ（＝Ｖｗ−Ｖｕ）を検出する。電圧検出器１２は、たとえば、Ｗ相電力線６およびＵ相電力線４の間に直列接続された２つの抵抗素子Ｒ５，Ｒ６と、差動増幅器１８とを含む。

抵抗素子Ｒ５，Ｒ６の直列回路は分圧回路を構成する。分圧回路は、Ｗ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕを分圧し、分圧電圧を抵抗素子Ｒ５，Ｒ６の接続ノードｎ３に出力する。以下では、Ｗ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕの分圧電圧を、ｋ３・Ｖｗｕと表記する。なお、ｋ３は分圧回路の分圧比を表しており、ｋ１＝ｋ２＝ｋ３の関係を満たす。

差動増幅器１８は、非反転（＋）入力端子が接続ノードｎ３に接続され、反転（−）入力端子がＵ相電力線４に接続される。差動増幅器１８は、分圧電圧ｋ３・ＶｗｕとＵ相電力線４の電圧Ｖｕとの差を増幅する。差動増幅器１８の出力端子には、分圧電圧ｋ３・Ｖｗｕに応じた値の差動電圧が出力される。

整流回路２３は、整流回路２１，２２と同様の構成を備えており、差動増幅器１８から入力される差動電圧を全波整流して判定部２４へ出力する。整流回路２３は、分圧電圧ｋ３・Ｖｗｕに応じた値の差動電圧を直流電圧に変換する。すなわち、整流回路２３から出力される直流電圧値は、Ｗ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕの振幅に応じた値となる。

判定部２４は、整流回路２１から与えられる直流電圧値、整流回路２２から与えられる直流電圧値および整流回路２３から与えられる直流電圧値に基づいて、断線検出を行なう。具体的には、判定部２４は、これら３つの直流電圧値のうちの最大値と最小値との電圧差が所定の閾値より小さい場合、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていないと判断する。一方、上記最大値と最小値との電圧差が所定の閾値以上である場合には、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が生じていると判断する。

以上のように、本変形例によっても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本変形例によれば、全ての線間電圧を比較して断線を検出するため、実施の形態１と比較して、断線検出の精度を高めることができる。

［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２に係る風力発電システムの構成を説明するためのブロック図であって、図１と対比される図である。図５を参照して、風力発電システムは、風車１Ａと、三相交流発電機３と、電力変換装置７と、三相電力線４〜６と、制動装置９と、電圧検出器１０，１１と、制御装置１５とを備える。風車１Ａは、回転軸が垂直に置かれた垂直軸型風車であって、ブレード、ナセル、支柱などを含む。

制御装置１５は、風車１Ａの回転速度の制御に並行して、三相交流発電機３の三相巻線または三相電力線４〜６に生じた断線を検出する断線検出を行なう。

（断線検出）
以下、実施の形態２に係る風力発電システムにおける制御装置１５が行なう断線検出について、図６および図７を参照して詳細に説明する。

図６は、図５における電圧検出器１０，１１および断線検出部２０の構成を説明するためのブロック図であって、図２と対比される図である。実施の形態２に係る風力発電システムにおける断線検出部２０は、図２に示した断線検出部２０に対して、整流回路２１，２２に代えて、比較器２５，２６を含む点が異なる。

図６を参照して、比較器２５は、電圧検出器１０内の差動増幅器１６から入力される差動電圧と基準値との高低を比較する。基準値は、たとえば接地電圧（０Ｖ）に設定される。比較器２５の出力信号は、差動電圧が基準値よりも高い場合はＨ（論理ハイ）レベルにされ、差動電圧が基準値以下の場合はＬ（論理ロー）レベルにされる。比較器２５は、差動増幅器１６から入力される差動電圧を、差動電圧と同一周期のパルス信号に変換する。

比較器２６は、比較器２５と同様の構成を備えており、電圧検出器１１内の差動増幅器１７から入力される差動電圧と基準値との高低を比較する。基準値は、たとえば接地電圧（０Ｖ）に設定される。比較器２６の出力信号は、差動電圧が基準値よりも高い場合はＨレベルにされ、差動電圧が基準値以下の場合はＬレベルにされる。比較器２６は、差動増幅器１７から入力される差動電圧を、差動電圧と同一周期のパルス信号に変換する。

判定部２４は、比較器２５から与えられるパルス信号および比較器２６から与えられるパルス信号に基づいて、断線検出を行なう。

図７は、比較器２５および２６から出力されるパルス信号の波形の一例を示す図である。

図３に示したように、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれにも断線が生じていない場合、Ｕ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖは、振幅が互いに等しく、位相が６０°ずれた波形となる。

この場合、図６に示した断線検出部２０において、比較器２５は、分圧電圧ｋ１・Ｖｕｖに応じた差動電圧と同一周期で、かつ、デューティ比が５０％のパルス信号を出力する。比較器２６は、分圧電圧ｋ２・Ｖｗｖに応じた差動電圧と同一周期で、かつ、デューティ比が５０％のパルス信号を出力する。上述のように、三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていなければ、Ｕ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの位相差が６０°であるため、比較器２５から出力されるパルス信号と、比較器２６から出力されるパルス信号との位相差も６０°となる。

これに対して、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が発生すると、線間電圧の基本波成分も正弦波から崩れた波形となり、結果的にＵ−Ｖ線間電圧ＶｕｖおよびＷ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖの位相差を６０°に保てなくなる。したがって、比較器２５から出力されるパルス信号と、比較器２６から出力されるパルス信号との位相差も６０°とは異なる値となる。

判定部２４は、比較器２５から出力されるパルス信号と、比較器２６から出力されるパルス信号とを比較する。２つのパルス信号の位相差が所定の範囲内にある場合、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていないと判断する。一方、上記２つのパルス信号の位相差が所定の範囲から外れた場合には、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が生じていると判断する。なお、所定の範囲とは、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれにも断線が生じていないときの２つのパルス信号の位相差（たとえば、６０°）を中心値として設定された位相範囲である。所定の範囲は、電圧検出器１０，１１の検出誤差などを考慮して、たとえば、６０°±ｘ°（０≦ｘ≦５）に設定されている。

判定部２４は、断線が生じていると判断されると、断線検出信号ＤＥＴを生成して回転制御部３０へ出力する。回転制御部３０は、断線検出信号ＤＥＴを受けると、機械式ブレーキを制御することにより、風車１に制動をかけて風車１の回転を停止させる。これにより、三相交流発電機３による交流電力の生成が停止される。

実施の形態２に係る風力発電システムによれば、三相電力線の少なくとも２つの線間電圧の検出値の位相差に基づいて、三相交流発電機の三相巻線または三相電力線に生じた断線を検出することができる。これによれば、断線が検出されると、風車の回転を停止させることができるため、風車の回転速度が制御不能となることによって風車が過回転になることを未然に防止することができる。

なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、３つの線間電圧（Ｕ−Ｖ線間電圧Ｖｕｖ、Ｗ−Ｖ線間電圧Ｖｗｖ、Ｗ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕ）に基づいて断線検出を行なうことも可能である。具体的には、図４に示した電圧検出器１２により検出されるＷ−Ｕ線間電圧Ｖｗｕを、比較器を用いてパルス信号に変換する。判定部２４は、３つのパルス信号に基づいて断線検出を行なう。たとえば、これら３つのパルス信号の間の位相差がすべて所定の範囲内にある場合、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６に断線が生じていないと判断する。一方、３つのパルス信号の間の位相差のいずれか１つが所定の範囲から外れた場合には、判定部２４は、三相交流発電機３の三相巻線および三相電力線４〜６のいずれかに断線が生じていると判断する。

ここで、上記の実施の形態１および２は、三相交流発電機における少なくとも２つの線間電圧の振幅差または位相差に基づいて断線検出を行なうように構成されており、風車１の回転速度を検出するための回転速度検出器の検出信号を断線検出に用いる構成とはなっていない。したがって、回転速度検出器を持たない風力発電システムにおいても、本発明を適用して、三相交流発電機の三相巻線または三相電力線に生じた断線を検出することができる。

また、実施の形態１では、水平軸型風車を用いた風力発電システムを例示し、実施の形態２では、垂直軸型風車を用いた風力発電システムを例示したが、本発明に従う風力発電システムに適用される風車は、これらに限定されるものではないことを確認的に記載する。

さらに、上記の実施の形態１および２では、風力発電システムにおける断線検出について説明したが、この発明は水力発電システムにも適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 風車、２ 主軸、３ 三相交流発電機、４ Ｕ相電力線、５ Ｖ相電力線、６ Ｗ相電力線、７ 電力変換装置、８ 負荷または電力系統、９ 制動装置、１０，１１ 電圧検出器、１５ 制御装置、１６，１７ 差動増幅器、２０ 断線検出部、２１，２２，２３ 整流回路、２４ 判定部、２５，２６ 比較器、３０ 回転制御部、Ｒ１〜Ｒ６ 抵抗素子。

Claims (3)

1. 風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、
   前記風車の前記回転エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された三相交流発電機と、
   前記三相交流発電機が発電した三相交流電力を、負荷または電力系統への供給電力に変換するように構成された電力変換装置と、
   前記三相交流発電機の三相巻線と前記電力変換装置とを結ぶ三相電力線と、
   前記三相電力線の少なくとも２つの線間電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器により検出された前記少なくとも２つの線間電圧に基づいて、前記三相巻線または前記三相電力線の断線を検出するように構成された断線検出部とを備える、風力発電システム。
2. 前記断線検出部は、前記少なくとも２つの線間電圧の振幅差に基づいて、前記断線を検出する、請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記断線検出部は、前記少なくとも２つの線間電圧の位相差に基づいて、前記断線を検出する、請求項１に記載の風力発電システム。

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