JP2004064807A

JP2004064807A - 風力発電装置及びその運転方法

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Publication number: JP2004064807A
Application number: JP2002215653A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Hirata; 平田　和也; Kazuyoshi Yamamoto; 山本　和義; Noboru Aoki; 青木　登
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】風速の変化により発電機の発電電圧が蓄電池の適正な充電電圧範囲外になることを防止し、広い風力範囲において発電電圧を適正な充電電圧の範囲内に収めることができ、発電機で発電した電力を効率よく蓄電池に充電できる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】風車と、永久磁石式発電機と、整流回路と、蓄電池を具備する風力発電装置において、発電機は各相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗの途中に、複数個のタップＵ_２、Ｕ_２’、Ｖ_２、Ｖ_２’、Ｗ_２、Ｗ_２’を有し、該タップを切り替えることにより、１相あたりの巻線を１個の巻線又は複数個の並列巻線とする切替手段を設け、１相あたりの巻線を風速に応じて１個又は複数個の並列巻線とすることにより、発電機の発電電圧を蓄電池の適正な充電電圧範囲になるように制御できる。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギーの一種である風力を電気エネルギー（電力）に変換し、負荷へ供給したり、蓄電池に蓄電する風力発電装置とその運転方法に関し、特に商用電源の引き込みが難しい場所に設置するのに好適な風力発電装置とその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公園等の夜間照明装置、時計、表示板等の駆動電源、即ち商用電源の引き込みが難しい場所での駆動電源として、風力発電装置と太陽光発電装置からなるハイブリット電源が普及しつつある。一方、これまでの風力発電装置においては風速の変化による風車回転速度の変化のため発電機の出力電圧が大幅に変化して蓄電池への充電電圧が適正でなくなり、風速の低速又は高速時の発電電力を蓄電池の適正な電圧で充電できなかった。
【０００３】
一般に発電機の回転速度の上昇に伴って発電電圧は図１（ａ）に示すように定格回転数ｎ_ｎまで比例的に上昇し、低速回転時の発電電圧を蓄電池の適正充電電圧範囲内になるように設計すれば、高速回転時の発電電圧は高すぎて充電できない。また、この逆も成り立つ。従って、適正な充電電圧の範囲が狭くなり、風力エネルギーを有効に電力に変換し、蓄電池に充電しにくいという問題があった。このような風力発電装置において、蓄電池の充電電圧を適正な充電電圧に保つことは蓄電池の寿命を延ばすのに不可欠な条件である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記のように風速の変化により発電機の発電電圧が蓄電池の適正な充電電圧範囲外になることを防止し、簡単な構成で風速が変化しても発電機の発電電圧を適正な充電電圧の範囲内に収めることができ、発電機で発電した電力を効率よく蓄電池に充電できる風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、風車と、回転軸が該風車の回転軸と直接又は間接的に連結される永久磁石式発電機と、該永久磁石式発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、該直流電力を充電する蓄電池を具備する風力発電装置において、発電機は各相の巻線の途中に、複数個のタップを有し、該タップを切り替えることにより、１相あたりの巻線を１個の巻線又は複数個の並列巻線とする切替手段を設けたことを特徴とする。
【０００６】
上記のように、発電機は各相の巻線の途中に、複数個のタップを有し、該タップを切り替えることにより、１相あたりの巻線を１個の巻線又は複数個の並列巻線とする切替手段を設けたことにより、風速が所定の速度以下の場合は該切替手段により１相あたりの巻線を１個とし、風速が該所定の速度を越えて速くなった場合、１相あたりの巻線を風速に応じて複数個の並列巻線とすることにより、発電機の発電電圧を蓄電池の適正な充電電圧範囲になるように制御できる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置の運転方法において、切替手段は、風速が所定速度以下の場合１相あたりの巻線を１個の巻線とし、風速が該所定速度を越えて速くなるとその速度に応じて１相あたりの巻線を複数個の並列巻線とし、発電機の発電電圧を蓄電池の適正な充電電圧の範囲内に保つことを特徴する。
【０００８】
上記のように発電機の発電電圧を蓄電池の１相あたりの巻線を風速に応じて１個の巻線、複数個の並列巻線とすることにより、適正な充電電圧の範囲内に保つことができ、低速から高速の広い風速範囲で発電機が発電した電力を効率よく蓄電池に充電できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る風力発電装置のシステム構成例を示す図である。図２において、１は風車であり、該風車１の回転軸は直接又は変速機（図示せず）等を介して間接的に発電機２の回転軸に機械的に結合されている。発電機２で発電された交流電力は整流回路３により直流電力に変換され、蓄電池４に充電される。
【００１０】
発電機２は永久磁石式発電機であり、図３に示すように、各相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗの途中に複数（図では２個）のタップＵ_２、Ｕ_２’、Ｖ_２、Ｖ_２’、Ｗ_２、Ｗ_２’を有している。そして風速が所定の速度以下の場合は、図３に示すようにタップＵ_２とＵ_２’、タップＶ_２とＶ_２’、タップＷ_２とＷ_２’とをそれぞれ接続し、１相あたりの巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗを１個の巻線とし、風速が該所定の速度を越えた場合は、図４に示すように端子Ｕ_１とタップＵ_２’、中性点端子ＮとタップＵ_２、端子Ｖ_１とタップＶ_２’、タップＶ_２と中性端子Ｎ、端子Ｗ_１とタップＷ_２’、中性点端子ＮとタップＷ_２とをそれぞれ接続し、１相あたりの巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗを
複数個（図では２個）の並列巻線とする。
【００１１】
上記巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗを図３から図４に、またその逆に切り替えるのは図示しない切替スイッチ等の切替手段で行う。各相巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_ＷのタップＵ_２、Ｕ_２’、Ｖ_２、Ｖ_２’、Ｗ_２、Ｗ_２’を巻数半分の位置に設ければ、図３の１個の巻線から、図４の２個の並列巻線とすることにより、各相で発電された電圧Ｅｔは図１（ｂ）に示すように半分となる。これにより、発電機２の各相巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗを図３の１個の巻線として運転していた場合に、風速が速くなり各相の発電電圧が適正な充電電圧範囲を越えた場合、図４の２個の並列巻線とすることにより、発電電圧を再び適正な充電電圧範囲内に戻すことができる。なお、上記例では１相あたりの並列巻線の個数を２個とする例を示したが、１相あたりの巻線の並列巻線の個数はこれに限定されるものではなく、３、４、５・・個としてもよい。
【００１２】
ここで発電機２の最大出力を１相分の回路である図５を用いて検討する。発電機の最大出力Ｐ_ｍａｘは、
Ｐ_ｍａｘ＝ｍ×Ｅｔ×Ｉ_ｍａｘ×ｃｏｓ（φ）
で決まる。ここで、Ｐは出力、ｍは相数、Ｉ_ｍａｘはその巻数における最大許容電流、φは内部相差角、φ_ｏ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｒ）、ｃｏｓ（φ）は負荷力率、Ｅｔは端子電圧、Ｘはリアクタンス、ｒは抵抗である。
【００１３】
誘起起電力はＥ_Ｏは、
Ｅ_Ｏ＝Ｋ_Ｅ×ｎ
となる。ここで、ｎは回転速度、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数である。
【００１４】
端子電圧Ｅｔをベクトル表示すれば数１のようになる。
【数１】

ここで、・印を付してベクトル表示したＺ_Ｓは内部インピーダンスである。
【００１５】
次に各巻線の最大許容電流Ｉ_ｍａｘは完全短絡電流Ｉ_Ｏ、短絡電流Ｉ_Ｓより、
Ｉ_Ｏ＝Ｅ_Ｏ／Ｘ
Ｉ_Ｓ＝Ｉ_Ｏ×ｓｉｎ（φ_ｏ）
Ｉ_ｍａｘ＝Ｉ_Ｓ／｛２ｃｏｓ（（φ_ｏ−φ）／２）｝
で示される。
【００１６】
従って、発電機２の出力は負荷インピーダンスＺ_Ｌ、及び負荷力率ｃｏｓ（φ）が一定であれば、最大許容電流Ｉ_ｍａｘ、即ち短絡電流Ｉ_Ｓに比例する。又、抵抗ｒは巻線の巻回数ｗに比例し、リアクタンスＸは二乗に比例する。一例で１相あたりの巻線の並列巻線数ａをパラメータとして計算してみると、図６、図７に示すように、並列巻線数ａの増加に従い端子電圧Ｅｔは其々の巻線数で最大回転速度で一定にでき（図６菱形印◆参照）、且つ風車１の回転速度が大きくなると最大許容電流Ｉ_ｍａｘは大きくなり、最大出力Ｐ_ｍａｘも大きくなることが解る（図６の四角印■参照）。また、並列巻線数ａを増加することにより結果として抵抗ｒ、リアクタンスＸも小さくなる（図７の四角印■、菱形印◆参照）ので、発電機の効率Ｅ_ｆｆ（図６の三角印▲参照）が大きくできることが解る。
【００１７】
一方、他の効果として並列巻線数ａの増加は、その巻線の断面積Ｑ_Ａは１個の巻線の場合のａ倍大きくなるので、電流密度σ＝Ｉ_ｍａｘ／Ｑ_Ａは略一定となって（図７の三角印▲参照）、広い回転速度範囲で巻線の経済的設計が可能となる。このように多段の巻線のタップを設け、風速に応じて順次切替て運転することで、発電電圧、負荷の制御が効率的にできる。
【００１８】
図８は風車の特性、即ち風車又は発電機の回転数と風車出力又は発電機負荷の関係を示す図である。図８において、曲線Ａは風速をパラメータとして表した風車出力を示し、曲線Ｂは発電機負荷曲線を示す。本発明に係る風力発電装置は、発電機２の各相巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗの途中にタップＵ_２、Ｕ_２’、Ｖ_２、Ｖ_２’、Ｗ_２、Ｗ_２’を設け、発電機２の回転速度に応じて切り替え並列巻線数を増減させて発電機２の出力電圧、出力を調整するので蓄電池７の充電電圧の適正化を図ることができる。これに併せて風車１の負荷を該風車１の最大出力まで運転することが可能となる。即ち、風車１の各風速における出力は図８の曲線Ａで示す通りで、各風速における風車出力曲線Ａの右側の最大出力点で作動させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、切替手段により、発電機の１相あたりの巻線を風速に応じて１個又は複数個の並列巻線とすることにより、発電機の発電電圧を蓄電池の適正な充電電圧範囲内にすることができ、簡単な構成で広い風速範囲で発電された発電電力を蓄電池に充電できる高効率の風力発電装置を提供できる。また発電機の巻線の電流密度も略一定値以内に抑えることができるので、発電機の出力増加に従って内部抵抗も小さくなるため更に効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、発電機の発電電圧を蓄電池の１相あたりの巻線を風速に応じて１個の巻線、複数個の並列巻線とすることにより、適正な充電電圧の範囲内に保つことができ、低速から高速の広い風速範囲で発電機が発電した電力を効率よく蓄電池に充電できる運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電機の回転速度と端子電圧の関係を示す図である。
【図２】本発明に係る風力発電装置のシステム構成を示す図である。
【図３】本発明に係る風力発電装置の巻線構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る風力発電装置の巻線構成例を示す図である。
【図５】発電機の等価回路を示す図である。
【図６】本発明に係る風力発電装置の発電機の等価回路定数の計算例を示す図である。
【図７】本発明に係る風力発電装置の発電機の等価回路定数の計算例を示す図である。
【図８】風車又は発電機の出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　風車
２　　　　　　発電機
３　　　　　　整流回路
４　　　　　　蓄電池
Ｌ_Ｕ　　　　　発電機のＵ相巻線
Ｌ_Ｖ　　　　　発電機のＶ相巻線
Ｌ_Ｗ　　　　　発電機のＷ相巻線
Ｕ_２，Ｕ_２’　　タップ
Ｖ_２，Ｖ_２’　　タップ
Ｗ_２，Ｗ_２’　　タップ

Claims

風車と、回転軸が該風車の回転軸と直接又は間接的に連結される永久磁石式発電機と、該永久磁石式発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、該直流電力を充電する蓄電池を具備する風力発電装置において、
前記発電機は各相の巻線の途中に、複数個のタップを有し、該タップを切り替えることにより、１相あたりの巻線を１個の巻線又は複数個の並列巻線とする切替手段を設けたことを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置の運転方法において、
前記切替手段は、風速が所定速度以下の場合前記１相あたりの巻線を１個の巻線とし、風速が該所定速度を越えて速くなるとその速度に応じて１相あたりの巻線を複数個の並列巻線とし、発電機の発電電圧を前記蓄電池の適正な充電電圧の範囲内に保つことを特徴とする風力発電装置の運転方法。