JP2003235298A

JP2003235298A - 風力発電用同期発電機

Info

Publication number: JP2003235298A
Application number: JP2002032701A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Ando; 嘉彦安藤; Motoyasu Sato; 元保佐藤; Kenichi Sato; 健一佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】風力発電用同期発電機自体の発電周波数が低
く、また常に変動するものであっても、また発電電圧自
体も常に変動するものであっても、その発電出力を一旦
直流に変換し、再び商用周波電源系統に連系可能な周波
数・電圧に変換する電力変換装置を用いることなく、翼
車の回転数とは無関係に常に一定の周波数・電圧の発電
電力を形成することができる風力発電用同期発電機を提
供する。【解決手段】風力を受けて回転する翼車１と、翼車の
回転軸に直結した界磁巻線１７を備えた回転子２と、回
転子が形成する回転磁界によって発電電圧を形成する電
機子巻線５とを備えた同期発電機において、翼車に直結
した回転子２を回転させることによって電機子巻線５に
発生する電圧の周波数と、これに連系する商用周波電源
系統の差に相当する周波数の電流を界磁巻線１７に供給
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は風力発電用同期発電
機に係り、風力を受けて回転する翼車と、その翼車の回
転軸に直結した界磁巻線を備えた回転子と、その回転子
が形成する回転磁界によって発電電圧を形成する電機子
巻線を備えた固定子とからなる多極型の同期発電機に関
する。

【０００２】風力発電とは、風力を受けて回転する翼車
を駆動源とし、これに発電機の回転子を直結し、発電機
の回転子を回転させて発電機の回転子巻線と固定子巻線
間の電磁誘導により固定子巻線または回転子巻線に発電
電力を形成するものである。ここで用いる発電機には、
誘導発電機、同期発電機等があり、さらに誘導発電機に
は籠型、巻線型が代表的で、同期発電機では永久磁石
型、励磁型(永久磁石の替わりに界磁巻線を外部電源で
励磁して磁界を作る)がその代表的なものである。ここ
では、風力発電用同期発電機の中で、回転界磁巻線型の
多極同期発電機を対象とし、特にその界磁巻線の界磁電
流供給方法に関する発明についてのものである。

【０００３】

【従来の技術】風車用発電機は駆動源が翼車であるた
め、定格出力は翼車の定格風速時における定格回転数に
合わせて極数等が設計されている。すなわち定格風速時
の翼車定格回転数において、発電機は定格周波数および
定格電圧の定格出力を発揮できることが好ましい。

【０００４】ところで、風速が一定で翼車が定速で回転
することは非常にまれで、風速は常時変動している。そ
のため発電機の回転数も風速に連動する翼車の回転数に
従って常時変動している。しかしながら、商用周波電源
系統と連系するためには商用数波数の定格電圧を出力す
ることが要求され、風力発電機においても発生する電圧
は一定電圧で、周波数も５０または６０Ｈｚが要求され
る。そのため、通常は風力発電機で発生した電圧を整流
装置で一度直流に変換し、ブースタ等の昇圧手段で直流
電圧を昇圧させ、さらに定電圧装置で一定電圧に維持し
てその後インバータ装置で商用周波数・電圧に変換して
商用周波電源系統に電力を供給している。

【０００５】図３は、従来の風力発電用同期発電機の構
成例を示す。翼車１は発電機の回転子２に直結され、回
転子２の外周には永久磁石又は界磁巻線からなる磁束の
発生手段３を備えている。回転子２の外周面と僅かな隙
間を介して対面する固定子４には、電機子巻線５を備
え、回転子２が回転することにより磁束発生手段３が形
成する回転磁界により発電電圧を電機子巻線５に誘起す
る。電機子巻線５に誘起する発電電圧および周波数は、
翼車の回転数（風速）に依存するため、一般に低く且つ
不安定であるため、その出力が電力変換装置７に接続さ
れ、商用周波電源系統と連系可能な周波数・電圧に変換
される。そして、開閉器８を介して商用周波電源系統９
に発電電力が送出される。

【０００６】図４は、従来の電力変換装置を示す。この
電力変換装置７は、電機子巻線５に誘起される交流電圧
を直流に変換する整流装置１１と、生成された直流電力
を保持するコンデンサからなる直流部１２と、昇圧装置
１３と、昇圧された直流電圧を保持する直流部１４と、
商用周波電源系統に連系可能な周波数・電圧を形成する
インバータ装置１５等から構成されている。なお、イン
バータ装置１５に一定の直流電圧を供給するための定電
圧装置が通常備えられているが、図４には示していな
い。

【０００７】しかしながら、例えば１０００ｋＷ以上の
発電電力を出力しようとすると、翼車径も数十メートル
におよび、翼車回転数も毎分数回転乃至毎分数十回転等
の低いものとなる。一方で、発電機の構造上の制約から
極数をあまり大きくすることはできず、界磁巻線型同期
発電機の発電周波数は極めて低いものとなる。このた
め、上述した電力変換装置７においては、低周波発電電
圧を脈流の少ない直流に整流するには大容量のコンデン
サが必要であり、あまりにも周波数が低い場合にはダイ
オード等の整流素子では不十分であり、ＩＧＢＴ等の点
弧制御可能な整流素子を用いる必要がある。また、発電
電圧が風速に応じて変化するので、同期発電機出力を整
流した直流電圧も変動が大きく、このためインバータ装
置で必要とする一定電圧を保持するためのブースタ等の
昇圧装置にも大きな負担がかかり、大容量のリアクタン
スが必要となる。また、定電圧装置も容量の大きなもの
が必要となる。さらに、直流電力を商用周波電源系統の
周波数・電圧に変換して出力するインバータ装置も大容
量のものが必要となってくる。

【０００８】また、これらの設備は当然のことながら発
電機の定格容量に等しいか若しくは若干大きめの容量が
必要となり、発電機そのものも大型で整流器、ブース
タ、インバータ等の電力変換装置も大型のものが必要と
なる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みて為されたもので、風力発電用同期発電機自体の
発電周波数が低く、また常に変動するものであっても、
また発電電圧自体も常に変動するものであっても、比較
的簡単な装置構成により、翼車の回転数とは無関係に常
に一定の周波数・電圧の発電電力を形成することができ
る風力発電用同期発電機を提供することを目的とする。
換言すれば、その発電出力を一旦直流に変換し、再び商
用周波電源系統に連系可能な周波数・電圧に変換する大
容量の電力変換装置を用いることなく、翼車の回転数と
は無関係に常に一定の周波数・電圧の発電電力を電機子
巻線に直接形成することができる風力発電方法を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の風力発電用同期
発電機は、風力を受けて回転する翼車と、該翼車の回転
軸に直結した界磁巻線を備えた回転子と、前記回転子が
形成する回転磁界によって発電電圧を形成する電機子巻
線とを備えた同期発電機において、前記翼車に直結した
回転子を回転させることによって電機子巻線に発生する
電圧の周波数と、これに連系する商用周波電源系統の差
に相当する周波数の電流を前記界磁巻線に供給するよう
にしたことを特徴とする。

【００１１】ここで、前記翼車の回転数を取り込み、こ
れによって電機子巻線に発生する電圧の周波数を演算
し、さらに連系する商用周波電源系統との周波数差を演
算し、電力変換器で前記周波数差の周波数に変換した電
力を前記界磁巻線に励磁電流として供給する制御装置を
備えることが好ましい。

【００１２】上記本発明によれば、翼車に直結した回転
子の界磁巻線に、翼車の回転に起因して電機子巻線に発
生する周波数と、連系する商用周波電源系統の周波数と
の差の周波数を界磁巻線に供給することで、固定子の電
機子巻線に誘起される周波数を商用周波数に調整するこ
とができる。したがって同期発電機の界磁巻線に可変周
波の三相交流を流して励磁することで、翼車の回転数に
かかわりなく、商用周波電源系統に直接連系可能な交流
電力を発生させることができる。

【００１３】ここで用いる電力変換器の容量は、界磁巻
線に励磁電流を供給するだけであるため、発電機容量の
１０％以下に抑えることが可能で、上述した発電機と同
等以上の容量を必要とする整流器、ブースタ、インバー
タ等の従来必要とされた電力変換装置を不要とすること
ができる。これにより、発電設備を小型簡素化し、風力
発電の発電コストを低減することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図１および図２を参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の実施形態の風力発電機の
構成例を示す。この風力発電機は、風力を受けて回転す
る翼車１と、翼車１の回転軸１０に直結した回転子２と
を備え、回転子２には磁束発生手段である界磁巻線１７
を備えている。回転子２の外周面と僅かな隙間を隔てて
対面する固定子４には、回転子が形成する回転磁界によ
って発電電圧を誘起する電機子巻線５を備えている。以
上の界磁巻線型の同期発電機の構造自体は従来のものと
同様である。

【００１６】この風力発電用同期発電機においては、回
転子の界磁巻線１７に、可変周波数の励磁電流をスリッ
プリング２３を介して供給する電力変換器２１を備えて
いる。また、主軸１０に近接して回転センサ１８を備
え、翼車１の回転数を制御装置２０にて検出する。ま
た、商用周波電源系統に接続する線路には電圧および電
流の検出センサ２２を備え、この信号も制御装置２０に
入力される。

【００１７】この制御装置２０においては、翼車１の回
転数を取り込み、これによって電機子巻線５に発生する
周波数を演算し、さらに連系する商用周波電源系統との
周波数差を演算し、その周波数差に相当する周波数の電
力を電力変換器２１により生成する。電力変換器２３で
生成された電流はスリップリング２３を介して回転子の
界磁巻線１７に励磁電流として供給される。したがっ
て、電機子巻線５には、翼車の回転に伴って誘起される
回転磁界と、電力変換器２１から供給される励磁電流に
よって誘起される回転磁界とを合成したもの、即ち連系
する商用周波電源系統と同一周波数の回転磁界が見かけ
上、印加される。それ故、電機子巻線５には、連系する
商用周波電源系統と同一周波数の発電電力が形成され、
直接系統連系を行うことができる。また、この発電機に
おいては開閉器２４，２５を備え、商用周波電源系統と
の間で連系動作が行われる。

【００１８】次に、具体的な実施例について説明する。
風速に対応した翼車の回転数は周速比と風速に比例し、
翼車径に反比例することが知られている。即ち、Ｎ＝Ｋ×Ｌ／（π×Ｄ）／６０但し、Ｎ：毎分回転数Ｋ：周速比Ｌ：風速（ｍ／秒）Ｄ：翼車直径（ｍ）

【００１９】例えば、定格出力：１５００ｋＷ、周速
比：５．５、翼車径：６４ｍ、駆動風速：３ｍ／ｓｅ
ｃ、定格風速：１４ｍ／ｓｅｃ、の例で駆動時の毎分回
転数（Ｒ１）はＲ１＝５．５×３／（π×６４）／６０＝４．９ｒｐｍまた、定格風速時における毎分回転数（Ｒ２）は、Ｒ２＝５．５×１４／（π×６４）／６０＝２３ｒｐｍとなる。すなわち上記の例で駆動時から定格風速までの
翼車の回転数は５〜２３ｒｐｍ程度に変化する。

【００２０】一方、同期発電機の出力電圧は一般に次式
で表される。ｅ＝ＬＲＷＢ_ｍｓｉｎ（ωｔ＋φ）但し、ｅ：出力電圧、Ｌ：導体長、ＲＷ：導体を切る速さ、Ｂ
_ｍｓｉｎ（ωｔ＋φ）：導体が切る磁束密度またこれとは別に、回転数と周波数の関係は、Ｎ＝１２０・ｆ／Ｐで表せる。但し、Ｎ：毎分回転数、ｆ：周波数、Ｐ：極数すなわち翼車の回転数が変動することは、導体を切る速
さＲＷが変動することであり、出力電圧も変動する。ま
た、毎分回転数が変動することで周波数も変動する。

【００２１】上記翼車の例で発電周波数を推定すると、
駆動時の周波数は極数を８０として３．３Ｈｚ、定格風
速時で１５．３Ｈｚが得られる。電機子巻線に生成する
発電電圧は回転数に比例するとして、定格風速時の発電
電圧を例えば１００Ｖとすれば駆動時の発電電圧は２１
Ｖ程度になる。当然極数を多くすることで周波数を高く
することも可能であるが８０極以上は風力発電を考慮し
た現状技術では実用的でない。

【００２２】したがって、上記諸元の風力用多極同期発
電機は、駆動時には３．３Ｈｚで２１Ｖ、定格風速時に
は１５．３Ｈｚで１００Ｖの電圧を発生することにな
る。当然、商用周波電源系統と連系するには商用周波数
の定格電圧が要求され、風力発電機であっても発生する
電圧は一定電圧で、周波数も５０または６０Ｈｚが要求
される。

【００２３】そこで、同期発電機の界磁巻線に可変周波
の３相交流を流して励磁することで翼車の回転数に関わ
りなく、商用周波電源系統に連系可能な電力を発生させ
ることができる。また、ここで用いる可変周波の電力変
換器２１の容量は界磁巻線１７に励磁電流が流れるだけ
であるため、発電機容量の１０％以下に抑えることが可
能で、従来必要とされていた発電機と同等以上の容量の
電力変換装置は必要なくなり、連系も容易に行えるよう
になる。

【００２４】上述したように、翼車１に直結した回転子
２の界磁巻線１７は、電機子巻線４（固定子４）と同様
に３相巻線とし、スリップリング２３を介して外部から
励磁電流を供給できる。なお、この励磁電流は連系する
商用周波電源系統９から電力変換器２５を介して供給で
きるように結線した。ここで、電力変換器２１は、図２
に示すように商用周波電源系統の交流電力を整流する整
流装置２１ａと、整流した直流電力を制御装置２０の指
令する電圧・周波数の交流電力に逆変換して励磁電流と
して送出するインバータ装置２１ｂとから構成されてい
る。

【００２５】電力変換器２１から供給する励磁電流の周
波数は、翼車１の回転軸１０に直結した回転センサ１８
により回転数を測定し、この回転によって電機子巻線に
発生する周波数を制御装置２０にてまず演算する。これ
によって、風速に対応して電機子巻線５に誘起される電
圧・周波数を推定できる。

【００２６】次に、制御装置２０によって商用周波電源
系統の周波数・電圧との差に相当する周波数・電圧を演
算する。この信号を電力変換器２１のインバータ装置２
１ｂに送り、演算結果の周波数・電圧の電流を励磁電流
として界磁巻線１７に供給する。

【００２７】例えば、従来技術の例と同様に、風速３ｍ
で翼車１を駆動時には４．９ｒｐｍで３．３Ｈｚの電圧
が電機子巻線５に発生する。このため、商用周波電源系
統周波数５０Ｈｚを電力変換器２１で４６．７Ｈｚに変
換して界磁巻線１７に励磁電流として供給する。界磁巻
線１７は物理的には４．９ｒｐｍの回転で従来の永久磁
石方式では周波数３．３Ｈｚの電圧が電機子巻線に誘起
される。この場合には、界磁巻線が４６．７Ｈｚの回転
磁界を形成することで、相対的に界磁巻線は５０Ｈｚに
相当する速度で回転するのと同様の効果を生じる。これ
により、電機子巻線５には商用周波電源系統と同じ５０
Ｈｚの電圧を誘起させることができる。

【００２８】また、定格風速１４ｍ／ｓｅｃでは翼車回
転数は２３ｒｐｍで１５．３Ｈｚの周波数を発生するた
め、電源周波数５０Ｈｚとの差３４．７Ｈｚの励磁電流
を供給する。ここでも界磁巻線は物理的に２３ｒｐｍの
回転であり、電機子巻線１７には１５．３Ｈｚの周波数
の電圧を誘起する。回転センサ１８により回転数を検出
し、制御装置２０で演算を行い、電力変換器２１で界磁
巻線１７に３４．７Ｈｚの励磁電流を供給することで、
見かけ上５０Ｈｚに相当する回転磁界が形成され、当然
のことながら電機子巻線には５０Ｈｚの電圧を誘起する
ことができる。

【００２９】このことは見かけ上、界磁巻線は一定速度
で且つ一定の励磁電流で回転しているということで、電
機子巻線１７に誘起される発電電圧も一定となる。その
ため励磁電流は一定で良く、周波数のみ回転数に関わっ
た制御をすればよい。

【００３０】上述した風力発電機用同期発電機では、回
転数を検出できる回転センサ１８と、この回転数を入力
して商用周波電源系統の周波数との差を演算できる制御
装置２０と、この周波数差の励磁電流を界磁巻線に供給
する電力変換器を用いることで、風力発電によって得ら
れた周波数、電圧がともに常時変動する電力であって
も、容易に系統連系可能な電力を電機子巻線から直接発
生することができる。

【００３１】なお、上記の本発明の実施形態は、本発明
の一実施態様について述べたもので、本発明の趣旨を逸
脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論で
ある。

【００３２】

【発明の効果】上記本発明によれば、従来設備のような
翼車によって発生する低周波の電圧を整流する整流装
置、電圧を一定値に昇圧するための昇圧装置、および定
電圧装置、さらには電源系統と連系するためのインバー
タ装置を含む大容量の電力変換装置が不要となる。ま
た、本発明の風力発電機に用いる電力変換器は、発電機
出力の５〜１０％程度の容量で十分であり、これにより
発電システムを全体として小型・低コスト化することが
可能である。

【００３３】さらに従来のシステムでは、商用周波電源
系統と連系するにあたって、インバータ装置で変換した
出力波形と商用周波電源系統との波形確認が重要であっ
たが、本発明の風力発電機では発生した波形そのものが
商用周波電源系統と一致した波形を発生させるため、系
統連系が非常に楽になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の風力発電用同期発電機を示
す図である。

【図２】図１における電力変換器の詳細を示す回路図で
ある。

【図３】従来の風力発電用同期発電機を示す図である。

【図４】図３における電力変換装置の詳細を示す回路図
である。

【符号の説明】

１翼車２回転子４固定子５電機子巻線９商用周波電源系統１７界磁巻線２０制御装置２１電力変換器２３スリップリング

フロントページの続き (72)発明者佐藤健一東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 5H575 AA20 BB03 DD06 FF03 HA10 HB08 LL01 5H590 AA03 CA14 CC03 CC18 CD01 CD03 CE01 DD25 DD26 EB07 FA06 FB02 FC12 GA09 HA02 HA04 HA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風力を受けて回転する翼車と、該翼車の
回転軸に直結した界磁巻線を備えた回転子と、前記回転
子が形成する回転磁界によって発電電圧を形成する電機
子巻線とを備えた同期発電機において、前記翼車に直結した回転子を回転させることによって電
機子巻線に発生する電圧の周波数と、これに連系する商
用周波電源系統の差に相当する周波数の電流を前記界磁
巻線に供給するようにしたことを特徴とする風力発電用
同期発電機。
【請求項２】前記翼車の回転数を取り込み、これによ
って電機子巻線に発生する電圧の周波数を演算し、さら
に連系する商用周波電源系統との周波数差を演算し、電
力変換器で前記周波数差の周波数に変換した電力を前記
界磁巻線に励磁電流として供給する制御装置を備えたこ
とを特徴とする請求項１記載の風力発電用同期発電機。
【請求項３】前記翼車の回転数を検出するセンサと、
検出された翼車の回転数から前記電機子巻線に誘起され
る電圧の周波数を演算する手段と、該周波数と連系する
商用周波電源系統の差に相当する周波数の電流を前記界
磁巻線に供給する手段とを備えたことを特徴とする請求
項１記載の風力発電用同期発電機。
【請求項４】風力を受けて回転する翼車に直結した発
電機の回転子を回転させ、これによって電機子巻線に発
生する電圧の周波数に対して、連系する商用周波電源系
統の差に相当する周波数の電流を発電機の界磁巻線に供
給し、前記電機子巻線に前記連系する商用周波電源系統
と同一の周波数の電圧を発生することを特徴とする風力
発電方法。