JP2004285991A

JP2004285991A - Starting assist controlling device of wind mill in wind power generating device

Info

Publication number: JP2004285991A
Application number: JP2003082394A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Nomura; 克己野村; Koji Yamamoto; 浩治山本
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP4236969B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve startability of a small capacity type wind power generating device, greatly cut assisting power, and significantly improve the rate of operation by allowing only a very small amount of power to be consumed when heightening startability of a wind mill under a slight wind condition. <P>SOLUTION: A power generator 2 is constituted by a rotor comprising a permanent magnet connected with a wind mill 1, and a stator comprising an armature wire. This device comprises a current supplying system 22 for starting assist generating a magnetic torque negating a cogging torque generated between the system and the rotor to the armature wire of the stator; and a starting assist control means 14 for turning the current supplying system for starting assist on when the wind mill is in a non-rotating condition, and turning the current supplying system for starting assist when the wind mill rotates at over a constant rotation number by a wind power. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の風車を低風速域から起動させる起動アシスト制御装置に係り、特に小容量型風力発電装置に好適で起動性向上およびアシスト用電力の大幅な節減等が図れる風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電技術の分野では、自然エネルギの有効利用、低コスト化および環境保護等の観点から、風車を利用して発電を行なう風力発電装置に期待が寄せられている。風力発電装置の規模は用途に応じて種々考えられるが、例えば公園等の外灯、噴水や池のエアレーション用、各種ＰＲ公告搭、各種計測器、観測器、防災機器等の独立電源、さらに一般家庭のガーデニング電源等に適用される場合には、コンパクトな小容量型風力発電装置が好適である。
【０００３】
ところで、小容量型風力発電装置の風車発電機の回転子には永久磁石を用いることが多い。この永久磁石を用いるタイプの発電機においては、風車自身の回転支持構造に起因する機械的抵抗力を超える自己起動風速が必要であるとともに、これに加えて永久磁石からなる回転子と電機子巻線からなる固定子との間で発生する磁気抵抗により初期トルク、いわゆるコギングトルクが作用するため、このコギングトルクを超える初期起動風速も必要であり、これらの総合風速以上の風速を受けなければ起動することができない。このように、小容量型風力発電装置については起動風速が高いことから、微風の風速条件のもとでは容易に起動することができず、風力発電の稼動率が低くなる傾向がある。
【０００４】
そこで従来では、稼動率を高める手段として種々の提案が行なわれており、例えば自己起動特性が良い風車を組合せた複合型風車（例えば特許文献１参照）、あるいは風車軸に起動用電動機を接続して積極的に回転力を与えて起動させ、起動後の所定回転に至った場合に起動用電動機を風車から切離す技術等が提案されている（例えば特許文献２，３参照）。また、サボニウス型風車を適用して起動し易い構成とするもの（例えば特許文献４参照）、さらに機械的クラッチ（例えば遠心クラッチ）を用いたもの等も提案されている（特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９９２０２号公報
【０００６】
【特許文献２】
実開平６−９４００号（実願平４−５１３５５号）明細書および図面
【０００７】
【特許文献３】
特開平８−３２２２９８号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平２００２−３１７７４８号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開平２００２−３１７６７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
小容量型風力発電装置における上述の稼動率阻害要因のうち、風車自身の自己起動特性に基づく要因の除去技術は向上しているが、これに比してコギングトルクに基づくトルク起動特性の影響については、必ずしも十分に除去できないのが実情である。すなわち、小容量型風力発電装置においては、発電出力が例えば４００Ｗ程度の小容量であり、発生電力等を利用して風車の起動アシストを行なう場合には大電力を利用することが困難である。
【００１１】
これに対し、上述した従来技術（例えば特許文献２，３等）においては、風車軸に起動用電動機を接続し、電動機エネルギにより積極的に回転力を与えるものであるため、比較的大電流の供給が必要である。例えば、無風状態が長時間続くような情況下においては、電動機駆動電流の供給が長時間必要となり、多大な電力エネルギが消費されることになる。したがって、上述した従来技術においては、小容量風力発電装置の実際利用に対して適合困難となる問題が生じる。
【００１２】
なお、起動用電動機の運転を短時間に設定し、運転を間欠的に行なう等の運用を行ない、電力消費量を低減することが考えられる。しかしながら、このように起動用電動機を間欠運転する設定とした場合には、電動機運転時と微風発生時とのタイミングが不一致となることが多く、必ずしも起動アシストが確実に行なわれず、電動機運転が無駄になって消費電力のロスが大きくなり、稼動効率が低下する。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、微風下における風車の起動性を高めるうえで、極めて微小の消費電力のみで済み、それにより小容量型風力発電装置における起動性を向上し、アシスト用電力を飛躍的に節減することができるとともに、稼動率の大幅な向上が図れる風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１５】
請求項２に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が一定時間以上非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、前記風車が風力により一定回転数以上で回転したとき、または前記起動アシスト用電流供給系統をオンとした後さらに一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しない場合に前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１６】
請求項３に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、この回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段から検出信号を取込み、回転数零の状態が一定時間以上継続していると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１７】
請求項４に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１８】
請求項５に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、その後風速が前記風車の自己起動風速未満となったとき、または一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しないときに前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１９】
請求項６に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に設けられ、前記風車の微風下における回転起動を促進させる風車の起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、前記風車位置における風速を検出する風速計と、前記回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段および風速計から検出信号を取込み、前記回転子の回転数が零であり、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２０】
請求項７に係る発明では、前記起動アシスト用電流供給系統は、前記発電電流供給系統における前記蓄電池を電源として適用するとともに、前記整流回路をコンバータ回路として兼用して、前記発電機の固定子に前記回転子の磁極位置に対応する正弦波電流を供給する構成とし、かつ前記起動アシスト制御手段は、前記コンバータ回路のトランジスタを駆動するためのＰＷＭゲートドライバを備えたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２１】
請求項８に係る発明では、前記風車は、垂直な回転軸の周囲に複数の固定ピッチ翼を一体回転可能に設けた垂直軸型風車であることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
第１実施形態（図１〜図３）
本発明の第１実施形態では、風車の回転数のみに基づいて起動アシスト制御を行なう起動アシスト制御装置について説明する。図１は、風力発電装置全体の概略構成およびこの風力発電装置に適用される起動アシスト制御装置の系統構成図であり、図２は起動アシスト作用を示す誘起電圧等の説明図である。図３は制御手順を示すフローチャートである。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の風力発電装置においては、風車１の回転軸１ａに発電機２が直結されている。風車１としては、例えば垂直な回転軸１ａの周囲に複数の固定ピッチ翼１ｂを一体回転可能に設けた垂直軸型風車が適用されている。
【００２５】
発電機２は、永久磁石を使用した三相交流発電機とされている。すなわち、風車１の回転軸１ａには永久磁石からなる回転子２ａが接続され、この回転子２ａに対応して電機子巻線からなる固定子２ｂが設けられている。
【００２６】
発電機２の固定子２ｂには、発生する三相交流電流を供給するための電路３が導かれ、この電路３を含めて発電電流供給系統４が形成されている。発電電流供給系統４は、発電機２で発生する三相交流電流を整流して直流とする整流回路５を備え、この整流回路５にはスイッチングトランジスタもしくはサイリスタ等の複数のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）が備えられている。なお、この整流回路５は、後述するように、起動アシスト制御装置により正弦波電圧を発電機に出力するためのコンバータ回路として兼用される構成のものである。
【００２７】
整流回路５には、コンデンサ７を介在させた後、電力変換回路としての降圧チョッパ回路８が接続されている。降圧チョッパ回路８は、スイッチングトランジスタもしくはサイリスタ等の変換素子９、リアクトル１０およびコンデンサ１１が備えられている。変換素子９は、後述する発電制御手段の指令により駆動される。
【００２８】
さらに発電電流供給系統４には、蓄電池１２および所定の負荷１３が接続されている。蓄電池１２は、後述する起動アシスト用電流供給系統の電源として兼用される。
【００２９】
以上の基本構成のもとで、本実施形態の風力発電装置では、風車１が風力を受けて回転した場合に、風車１の回転軸１ａに直結された発電機２により発電が行なわれ、発電電流は、整流回路５および降圧チョッパ回路８により整流および変換された後、蓄電池１２および負荷１３等に供給される。
【００３０】
本実施形態では、このような構成の風力発電装置を基本として、風車１の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置１４を備えている。本実施形態による起動アシスト制御装置１４は、風車１の微風下における回転起動を促進するため、発電機２の固定子２ｂの電機子巻線に、起動アシスト用電流を供給し、回転子２ａとの間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させるものである。
【００３１】
この起動アシスト制御装置１４は、発電機２における回転子２ａの回転を検出する回転子センサ１５と、この回転子センサ１５からの出力信号に基づいて起動アシスト制御を行なうコンピュータシステム等により構成された制御装置本体１６とを備えている。
【００３２】
回転子センサ１５は例えばホールセンサであり、発電機２の固定子２ｂに対する回転子２ａの磁極位置を電圧信号により検出するタイプのものとされている。
【００３３】
制御装置本体１６は、回転子２ａの回転数を検出する回転数検出手段としての回転数検出回路１７ａと、回転子２ａの各磁極位置を検出する磁極位置検出手段としての磁極位置検出回路１７ｂとを備えている。
【００３４】
また、制御装置本体１６は、回転数検出回路１７ａおよび磁極位置検出回路１７ｂから回転子２ａの回転数情報および磁極位置情報を取込み、風車１の起動アシスト制御演算を行なう起動アシスト制御手段としての起動アシスト制御回路１８を備えている。この起動アシスト制御回路１８は、アシスト制御用演算を行なう主演算装置、風車１の自己起動風速等のアシストデータを保存するメモリ、および時間設定用のタイマ回路等を備えた構成とされ、回転数および時間経過等の演算および判断等を行ない、風車の起動アシストモードの選定、オン・オフ制御等に関する起動アシスト指令を出力するようになっている。この起動アシスト制御回路１８には、起動アシスト指令を受けてアシスト用のコンバータ駆動を行なうＰＷＭゲートドライバ１９が接続されている。
【００３５】
また、制御装置本体１６は、風車起動後に発電制御を行なう発電制御手段としての発電制御回路２０を備えている。この発電制御回路２０は回転数検出回路１７ａから回転子２ａの回転数情報を取込み、風車１の起動後における発電時の発電制御演算を行なうものであり、主演算装置、発電モードオフ用データを保存するメモリ、および時間設定用のタイマ回路等を備えた構成とされ、回転数および経過時間等の演算および判断等を行ない、発電運転モードの選定、オン・オフ制御等に関する発電運転指令を出力するようになっている。この発電制御回路２０には、発電運転指令を受けて降圧チョッパ回路８の駆動を行なうＰＷＭゲートドライバ２１が接続されている。
【００３６】
そして、本実施形態では、上述した起動アシスト制御回路１８からの指令に基づいて、発電機２の固定子２ｂに電流を供給し、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクを回転子２ａの磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統２２を備えている。
【００３７】
この起動アシスト用電流供給系統２２は、発電電流供給系統４における蓄電池１２を電源として適用するとともに、整流回路５をコンバータ回路２３として兼用して、発電機２の固定子２ｂに回転子２ａの磁極位置に対応する正弦波電流を供給する構成となっている。すなわち、起動アシスト制御回路１８から起動アシスト指令が出力された場合、ＰＷＭゲートドライバ１９により、整流回路５を兼用したコンバータ回路２３のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）が駆動され、蓄電池１２からの微弱電流が発電機２の固定子２ｂの電機子巻線に供給され、これにより発生する磁気トルクにより、回転子２ａに発生する上述したコギングトルクが打消されるようにするものである。
【００３８】
この起動アシスト用電流の供給状態を図２に示している。この図２に示すように、ホールセンサ（例えばＡ，Ｂ２系統）によって検出される回転子２ａの磁極位置に対応して、コンバータ回路２３のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）をオンとする組合せを変化させる。これにより、図２の下段に示すように、印加電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが設定され、同図の上段に示すように、位相領域（ＡＲＥＡ１〜４）ごとに異なる電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが印加される。本実施形態においては、このような電圧印加によりモータリングさせないレベルのデューティ比が設定される。すなわち、発電機２をモータとして駆動させることなく、コギングトルクを打消す程度の微弱電流の供給に留まる方式が採用される。
【００３９】
次に、図３によって起動アシスト制御の手順について説明する。
【００４０】
図３に示すように、制御スタートの後、回転子センサ１５および回転数検出回路１６からの出力に基づいて風車１の回転数（Ｎ）が起動アシスト制御回路１８で判断され、風車停止（Ｎ＝０）か否かの判断が行なわれる（Ｓ１０１）。
【００４１】
風車が停止している場合（Ｎ＝０（Ｓ１０１：ＹＥＳの場合））には、起動アシストモードとなり（Ｓ１０２）、図示しないタイマ回路によってインターバルのための一定時間（Ｔ０：例えば５分）の経過が判断される（Ｓ１０３）。
【００４２】
この風車停止の状態が一定時間（Ｔ０）経過しても風車停止が継続している場合には、起動アシスト制御動作、すなわち蓄電池１２を電流供給源として、コンバータ回路２３（５）のスイッチング素子６をＰＷＭ制御することにより、発電機２の電機子巻線に交流電圧を印加する制御動作が行なわれる（Ｓ１０４）。
【００４３】
この際、回転子センサ３および磁極位置検出回路１７ｂにより回転子２ａの磁極位置が検出され、コギングトルクを打ち消すような最適な位相制御が行われる。これにより、発電機２の起動トルクが軽減された状態が実現できる。この状態で、風車１の自己起動風速が加わると、風車１は回転し始める。風車１の回転数Ｎが風速に基づく所定の回転数Ｎ１以上（Ｎ≧Ｎ１）となれば（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、起動アシスト制御はオフとなり、発電運転モードに移行する。
【００４４】
なお、起動アシスト状態が、一定時間（Ｔ１（例えば１０秒））経過しても、風車１に所定の回転Ｎ１が得られない無風状態の場合（（Ｓ１０５：ＮＯ），（Ｓ１０６：ＹＥＳ））にも、起動アシスト制御はオフとなり（Ｓ１０７）、一定時間（Ｔ０）経過まで、初期の待機状態となる。そして、一定時間（Ｔ０）経過後に、再び起動アシストモードとなり、前記作用が繰返される。
【００４５】
また、風車１が風力により回転する場合には（Ｓ１０１：ＮＯ）、発電運転モードとなる（Ｓ１０８）。この場合には、コンバータ回路２３のスイッチング素子６が全てオフ状態にあり、コンバータ回路は整流回路５として機能する。
【００４６】
この場合、回転子２ａの回転数Ｎが発電出力できる回転数（発電開始回転数）Ｎ２以上まで上昇したことが回転数検出手段１７ａにより検出されると（Ｓ１０９：ＹＥＳ）、ＰＷＭゲートドライバ２１から、回転数に見合う出力が降圧チョッパ回路８の変換素子９に入力されてＰＷＭ制御が行なわれ、発電制御動作が行なわれる（Ｓ１１０）。
【００４７】
この場合には、発電機２から発生する発電電流は、発電電流供給系統４を介して蓄電池１２または負荷１３に供給される。なお、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には（Ｓ１０９：ＮＯ）、発電制御オフとなり（Ｓ１１１）、その後、風速が低下して、風車が自然停止したら（Ｎ＝０）、再び起動アシストモードに移行する（Ｓ１０１，Ｓ１０２）。
【００４８】
以上の本実施形態においては、回転子センサ１５により発電機２の回転子２ａの回転が検出され、この回転子センサ１５からの出力信号に基づいて回転子２ａの回転数および磁極位置が回転数検出回路１７ａおよび磁極位置検出回路１７ｂによって検出され、回転数零の状態が一定時間以上継続していると判断された場合には、風車１の起動アシストモードが選定される。
【００４９】
そして、起動アシスト制御回路１８からの指令に基づいて発電機２の固定子２ｂに電流が供給され、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクが回転子２ａの磁極位置に対応して発生する。
【００５０】
さらに風車１が風力により回転することにより、回転子２ａの回転数が一定以上となったことが回転数検出回路１７ａにより検出された場合には、発電運転モードが選定されて、発電機２から発生する発電電流が発電電流供給系統を介して負荷１３または蓄電池１２に供給される一方、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には発電運転モードをオフとする発電制御が行なわれる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、コギングトルクを打消すトルクを効果的に発生させ、極めて少ない消費電力を利用して、微風下でも風車１を鋭敏に回転させることができ、従来に比して起動性を大幅に向上することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、連続的もしくは５０ｓｅｃ／ｍｉｎ程度の長時間の通電も可能である。これにより、１分間のうち大部分の時間に亘ってアシストをかけ続けることが可能となるため、微風発生とのタイミングを一致させる機会が従来に比して大幅に向上し、自己起動風速に達する微風があれば、即座に回転するので、総発電量を高めることができる。
【００５３】
また、特別のアシスト電源を必要とせず、蓄電池をアシスト電源として利用する方式のため、起動アシストにより風車が回転し、発電モードに移行して発電が行なわれる場合には、起動アシストで消費した電力以上に蓄電池に充電されることが期待できる。このように、回転頻度が多くなるとともに、発電効率が向上することから、さらにアシスト電力が少なくて済むという良好な循環が行われる。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、極めて微小の電力のみを利用して、微風下における風車の起動性を高めることができ、特に小容量型風力発電装置における起動性を向上してアシスト用電力を飛躍的に節減することができ、これにより稼動率の大幅な向上が図れる。
【００５５】
第２実施形態（図４，図５）
本実施形態では、風車の回転数に加え、風速も制御要素として取込んで起動アシスト制御を行なう起動アシスト制御装置について説明する。図４は、風力発電装置全体の概略構成およびこの風力発電装置に適用される起動アシスト制御装置の系統構成図であり、図５は制御手順を示すフローチャートである。なお、本実施形態において、第１実施形態と共通な構成および作用については、図４および図５に、図１および図３と同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００５６】
図４に示すように、本実施形態では、第１実施形態の構成に加え、風車位置における風速を検出する風速計２４を備えている。そして、この風速計２４によって検出される風速情報が起動アシスト制御回路１８に入力されるようになっている。
【００５７】
起動アシスト制御回路１８においては、回転子センサからの出力信号に基づいて回転子２ａの回転数および磁極位置がそれぞれ演算されるとともに、風速計２４から検出信号が取込まれ、回転子２ａの回転数が零であり、かつ風速が風車の自己起動風速以上であると判断された場合に、風車の起動アシストモードを選定するようになっている。
【００５８】
風車が風力により回転し、それにより回転子２ａの回転数が一定以上となったことが、回転数検出手段１７ａにより検出された場合に発電運転モードが選定され、発電機２から発生する発電電流が発電電流供給系統４を介して負荷１３または蓄電池１２に供給される。一方、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には、発電運転モードがオフとなる。
【００５９】
すなわち、風速計２４により常時風速を計測し、風車自己起動風速を超えた場合に起動アシストオンとする構成となっている。
【００６０】
なお、風車自己起動風速としては、例えば０〜１．５ｍ／ｓｅｃに設定され、また、２．０ｍ／ｓｅｃで起動アシスト力をかける設定としてある。さらに、例えば４ｍ／ｓｅｃの風速による回転により起動アシストオフとするようになっている。
【００６１】
図５によって、風速を検出する場合の制御手順を説明する。
【００６２】
風車停止（回転数：以下Ｎと表す＝０）か否かにより（Ｓ２０１）、制御部は起動アシストモード（Ｓ２０２）と発電運転モード（Ｓ２０７）を切り換える。
【００６３】
風車１が停止状態であると起動アシストモードに入り（Ｓ２０２）、風速２が風車の自己起動風速（ｖ０）以上の場合には（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、第１実施形態に記載した起動アシスト制御が行なわれる（Ｓ２０４）。また、風速が風車２の自己起動風速（ｖ０）未満の場合には（Ｓ２０３：ＮＯ）、起動アシスト制御はオフのままとなる（Ｓ２０６）。
【００６４】
すなわち、風車１が非回転状態で、かつ風速が風車の自己起動風速以上であるときに、起動アシスト用電流供給系統２２がオンとなり、その後風速が風車の自己起動風速未満となったとき、または一定時間経過しても風車の回転数Ｎが一定回転数Ｎ１に到達しないときに（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、起動アシスト用電流供給系統２２がオフとなる。
【００６５】
このように、回転子２ａの回転数が零であり、かつ風速が風車１の自己起動風速以上であると判断された場合には、風車の起動アシストモードが選定され、固定子２ｂに電流が供給され、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクが回転子２ａの磁極位置に対応して発生する。一方、風車１が風力により回転し、それにより回転子２ａの回転数が一定以上となったことが検出された場合には、発電運転モードが選定され、発電機１から発生する発電電流が発電電流供給系統２２を介して負荷１３または蓄電池１２に供給され。さらに、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には、発電運転モードがオフとなる。
【００６６】
本実施形態によれば、風速に基づいて起動アシストを判断する手段を加えることにより、無風または風車が起動できない極微風状態下においては無駄にアシストを掛けることがないため、蓄電池エネルギの無駄な消費を回避することができる。
【００６７】
すなわち、風車１の自己起動風速以上の場合にのみアシスト制御が行なわれることにより、有効に蓄電池エネルギを活用することができ、総合的な発電効率を向上することができる。
【００６８】
なお、以上の各実施形態においては、コンバータ回路２３と整流回路５とを兼用する回路構成として説明したが、これは構成簡素化を図るうえで好適な例を示したものであり、本発明においては前記構成にかぎられず、コンバータ回路２３と整流回路５とを個別構成とすることも可能である。また、電源等の構成についても前記実施形態にかぎらず、種々変更することが可能である。
【００６９】
また、上記各実施形態においては、本発明を垂直軸型風車に適用したが、水平軸型のプロペラを用いた風車等に対しても、同様に適用することが可能である。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石発電機のコギングトルクを打消した状態で風車を待機しておくことが可能であり、微風下における起動特性を大幅に改善することができる。したがって、従来では起動できなかった風速下においても、風車が回転可能となるため、風車の運転時間ひいては発電運転時間を長くすることができ、発電電力回収効率の向上に寄与するものとなる。また、従来技術における発電機を電動機として起動させる構成に比し、蓄電池の消費エネルギを低減することができ、この点においても総合的な発電効率の向上が図れる。よって、本発明によれば、微風下における風車の起動性を高めるうえで、極めて微小の消費電力のみで済み、それにより小容量型風力発電装置における起動性を向上し、アシスト用電力を飛躍的に節減することができるとともに、稼動率の大幅な向上が図れる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す系統構成図。
【図２】上記第１実施形態におけるアシスト作用を示す説明図。
【図３】上記実施形態における制御手順を示すフローチャート。
【図４】本発明の第２実施形態を示す系統構成図。
【図５】上記第２実施形態における制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１風車
１ａ回転軸
２発電機
１ｂ固定ピッチ翼
２ａ回転子
２ｂ固定子
３電路
４発電電流供給系統
５整流回路
６スイッチング素子
７コンデンサ
８降圧チョッパ回路（電力変換回路）
９変換素子
１０リアクトル
１１コンデンサ
１２蓄電池
１３負荷
１４起動アシスト制御装置
１５回転子センサ
１６制御装置本体
１７ａ回転数検出回路
１７ｂ磁極位置検出回路
１８起動アシスト制御回路（起動アシスト制御手段）
１９ＰＷＭゲートドライバ
２０発電制御回路（発電制御手段）
２１ＰＷＭゲートドライバ
２２起動アシスト用電流供給系統
２３コンバータ回路
２４風速計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a start-up assist control device that starts a wind turbine of a wind power generation device from a low wind speed range, and is particularly suitable for a small-capacity wind power generation device, which can improve start-up performance and greatly reduce power for assistance. The present invention relates to a wind turbine start-up assist control device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of power generation technology, wind power generation apparatuses that generate power using a windmill are expected from the viewpoints of effective use of natural energy, cost reduction, environmental protection, and the like. The scale of the wind power generator can be considered in various ways according to the application. For example, outdoor lights for parks, etc., for aeration of fountains and ponds, various public notice boards, various measuring instruments, observation instruments, independent power sources such as disaster prevention equipment, and general households When applied to a gardening power supply or the like, a compact small-capacity wind power generator is suitable.
[0003]
By the way, a permanent magnet is often used for a rotor of a windmill generator of a small-capacity wind power generator. This type of generator using a permanent magnet requires a self-starting wind speed that exceeds the mechanical resistance caused by the rotation support structure of the wind turbine itself, and additionally, a rotor composed of a permanent magnet and an armature winding. The initial torque, so-called cogging torque, acts due to the magnetic resistance generated between the stator and the stator consisting of wires.Therefore, an initial startup wind speed exceeding this cogging torque is also necessary. Can not do it. As described above, since the starting wind speed of the small-capacity wind power generation device is high, it cannot be easily started under the condition of the wind speed of the small wind, and the operation rate of the wind power generation tends to decrease.
[0004]
Therefore, conventionally, various proposals have been made as means for increasing the operation rate. For example, a composite wind turbine (for example, see Patent Document 1) in which a wind turbine having good self-starting characteristics is combined, or a startup motor is connected to a wind turbine shaft. There has been proposed a technique of positively applying a rotational force to start the motor, and separating the starting motor from the windmill when a predetermined rotation is reached after the start (for example, see Patent Documents 2 and 3). In addition, a configuration in which a Savonius-type wind turbine is configured to be easily activated by application (for example, see Patent Literature 4), and a configuration using a mechanical clutch (for example, a centrifugal clutch) have been proposed (see Patent Literature 5).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-299202
[0006]
[Patent Document 2]
Specification and drawing of Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 6-9400 (Japanese Utility Model Application No. 4-51355)
[0007]
[Patent Document 3]
JP-A-8-322298
[0008]
[Patent Document 4]
JP-A-2002-317748
[0009]
[Patent Document 5]
JP-A-2002-317678
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Among the above-mentioned impediments to the operating rate of small-capacity wind power generators, the technology for removing the factors based on the self-starting characteristics of the wind turbine itself has been improved, but the effect of the torque starting characteristics based on the cogging torque has been improved. The fact is that it is not always possible to completely remove them. That is, in the small-capacity wind power generation device, the power generation output is a small capacity of, for example, about 400 W, and it is difficult to use a large amount of power when assisting the start of the windmill by using the generated power or the like.
[0011]
On the other hand, in the above-mentioned prior arts (for example, Patent Documents 2 and 3), a starting motor is connected to a windmill shaft and a rotational force is positively applied by the motor energy, so that a relatively large current is applied. Supply is required. For example, in a situation where the windless state continues for a long time, the supply of the motor drive current is required for a long time, and a large amount of power energy is consumed. Therefore, in the above-mentioned prior art, there is a problem that it is difficult to adapt to the practical use of the small-capacity wind power generator.
[0012]
It is conceivable to reduce the power consumption by setting the operation of the starting motor to a short time and performing operations such as performing the operation intermittently. However, when the startup motor is set to operate intermittently in this way, the timing of the operation of the motor and the timing of the occurrence of the breeze often become inconsistent, and the startup assistance is not always reliably performed, and the operation of the motor is wasted. As a result, the loss of power consumption increases, and the operating efficiency decreases.
[0013]
The present invention has been made in view of such circumstances, and in order to enhance the startability of a wind turbine under a slight wind, only very small power consumption is required, thereby improving the startability of a small-capacity wind power generator. It is another object of the present invention to provide a start-up assist control device for a wind turbine in a wind turbine generator capable of dramatically reducing the power for assist and significantly improving the operation rate.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a generator configured by a wind turbine, a rotor composed of a permanent magnet connected to the wind turbine, and a stator composed of an armature winding, Applied to a wind power generator having a power generation current supply system that supplies a current generated in the wind turbine to a load or a storage battery via a rectifier circuit and a power conversion circuit, and starts the wind turbine to promote rotation start under a light wind. An assist control device, comprising: a start assist current supply system that generates a magnetic torque that cancels a cogging torque generated between the stator and the armature winding of the stator, the wind turbine being in a non-rotating state. And a start-up assist control means for turning on the start-up assist current supply system when the start-up assist current supply system is in the position. To.
[0015]
In the invention according to claim 2, a generator constituted by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a rectifier circuit for current generated by the generator. And a start-up assist control device applied to a wind power generator having a power generation current supply system for supplying a load or a storage battery via a power conversion circuit, and for promoting rotation start of the windmill under a slight wind. An armature winding of a stator, a current supply system for starting assist that generates a magnetic torque for canceling a cogging torque generated between the rotor and the rotor, and the wind turbine is in a non-rotating state for a predetermined time or more. The start assist current supply system is turned on, and the wind turbine is rotated at a certain rotation speed or more by wind power, or is more constant after the start assist current supply system is turned on. Start-up assist control means for turning off the start-up assist current supply system when the wind turbine does not reach the predetermined rotation speed even after a lapse of time. Provide equipment.
[0016]
In the invention according to claim 3, a generator constituted by a wind turbine, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the wind turbine, and a stator consisting of an armature winding, and a rectifier circuit for converting a current generated by the generator into a rectifier circuit And a start-up assist control device applied to a wind power generator having a power generation current supply system for supplying a load or a storage battery via a power conversion circuit, and for promoting rotation start of the windmill under a slight wind. A rotor sensor for detecting rotation of the rotor, rotation speed detection means and magnetic pole position detection means for respectively detecting a rotation speed and a magnetic pole position of the rotor based on an output signal from the rotor sensor; A start-up assist system that takes in a detection signal from the detection means and selects the start-up assist mode of the wind turbine when it is determined that the state of zero rotation speed has continued for a predetermined time or more. Means, a current is supplied to the stator based on a command from the start assist control means, and a torque for canceling a cogging torque between the rotor and the stator corresponds to a magnetic pole position of the rotor. And a power supply operation mode when the rotation speed detection means detects that the windmill is rotated by wind power and the rotation speed of the rotor is equal to or higher than a certain value. The power generation operation is selectively supplied to the load or the storage battery through the power generation current supply system, and thereafter, when the rotation speed of the rotor becomes equal to or less than a certain value, the power generation operation is performed. And a power generation control means for turning off the mode.
[0017]
In the invention according to claim 4, a generator constituted by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a rectifier circuit for generating a current generated by the generator. And a start-up assist control device applied to a wind power generator having a power generation current supply system for supplying a load or a storage battery via a power conversion circuit, and for promoting rotation start of the windmill under a slight wind. A current supply system for starting assist that generates a magnetic torque that cancels a cogging torque generated between the rotor and the armature winding of the stator, the wind turbine is in a non-rotating state, and the wind speed is the wind speed of the wind turbine. Starting assist control means for turning on the starting assist current supply system when the self-starting wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed. To provide a control device.
[0018]
In the invention according to claim 5, a generator constituted by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a rectifier circuit for converting a current generated by the generator into a rectifier circuit And a start-up assist control device applied to a wind power generator having a power generation current supply system for supplying a load or a storage battery via a power conversion circuit, and for promoting rotation start of the windmill under a slight wind. A current supply system for starting assist that generates a magnetic torque that cancels a cogging torque generated between the rotor and the armature winding of the stator, the wind turbine is in a non-rotating state, and the wind speed is the wind speed of the wind turbine. When the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed, the start-up assist current supply system is turned on. There is provided a wind turbine start assist control device in a wind power generation apparatus characterized by comprising a start assist control means for turning off said start assist current supply system when not reaching the constant speed.
[0019]
In the invention according to claim 6, a generator constituted by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a rectifier circuit for generating a current generated by the generator. And a wind turbine starter assist control device that is provided in a wind turbine generator that includes a load and a power generation current supply system that supplies a storage battery through a power conversion circuit to promote rotation start of the wind turbine under a slight wind. A rotor sensor for detecting the rotation of the rotor, an anemometer for detecting a wind speed at the windmill position, and a rotational speed for respectively detecting the rotation speed and the magnetic pole position of the rotor based on an output signal from the rotor sensor. Detecting means and magnetic pole position detecting means, detection signals are taken from the rotational speed detecting means and the anemometer, the rotational speed of the rotor is zero, and the wind speed is When it is determined that the wind speed is equal to or more than the start wind speed, start assist control means for selecting a start assist mode of the wind turbine, and supplies a current to the stator based on a command from the start assist control means, and the rotor A starting assist current supply system for generating a torque for canceling the cogging torque between the stator and the rotor in accordance with the magnetic pole position of the rotor, and the windmill is rotated by wind power, whereby the rotation speed of the rotor is increased. The power generation operation mode is selected when the rotation speed detection means detects that the rotation speed has become equal to or more than a predetermined value, and the generated current generated from the generator is supplied to the load or the storage battery through the generated current supply system. And a power generation control unit that turns off the power generation operation mode when the rotation speed of the rotor thereafter becomes lower than a certain value. Providing windmill start assist control device in collector.
[0020]
In the invention according to claim 7, the start-up assist current supply system uses the storage battery in the generated current supply system as a power supply, and also uses the rectifier circuit as a converter circuit to provide a stator for the generator. 2. The configuration according to claim 1, wherein a sine wave current corresponding to a magnetic pole position of the rotor is supplied, and the start-up assist control means includes a PWM gate driver for driving a transistor of the converter circuit. 7. A start-up assist control device for a wind turbine in a wind turbine generator according to any one of the above items 1 to 6.
[0021]
In the invention according to claim 8, the windmill is a vertical axis type windmill provided with a plurality of fixed pitch blades integrally rotatable around a vertical rotation axis. A start assist control device for a wind turbine in a wind power generator according to any one of the above items.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a wind turbine start-up assist control device in a wind turbine generator according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
First embodiment (FIGS. 1 to 3)
In the first embodiment of the present invention, a start assist control device that performs start assist control based on only the rotation speed of a windmill will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the entire wind power generator and a system configuration diagram of a start-up assist control device applied to the wind power generator, and FIG. 2 is an explanatory diagram of an induced voltage and the like indicating a start-up assist action. FIG. 3 is a flowchart showing the control procedure.
[0024]
As shown in FIG. 1, in the wind turbine generator of the present embodiment, a generator 2 is directly connected to a rotation shaft 1 a of a wind turbine 1. As the windmill 1, for example, a vertical axis windmill in which a plurality of fixed pitch blades 1 b are provided so as to be integrally rotatable around a vertical rotating shaft 1 a is applied.
[0025]
The generator 2 is a three-phase AC generator using a permanent magnet. That is, a rotor 2a composed of a permanent magnet is connected to the rotation shaft 1a of the wind turbine 1, and a stator 2b composed of an armature winding is provided corresponding to the rotor 2a.
[0026]
An electric circuit 3 for supplying the generated three-phase alternating current is led to the stator 2 b of the generator 2, and a generated current supply system 4 including the electric circuit 3 is formed. The power generation current supply system 4 includes a rectification circuit 5 that rectifies a three-phase AC current generated by the generator 2 and converts the rectification into a DC current. The rectification circuit 5 includes a plurality of switching elements 6 (a1, a2, a3, b1, b2, b3). The rectifier circuit 5 has a configuration that is also used as a converter circuit for outputting a sine wave voltage to the generator by the start-up assist control device, as described later.
[0027]
After a capacitor 7 is interposed in the rectifier circuit 5, a step-down chopper circuit 8 as a power conversion circuit is connected. The step-down chopper circuit 8 includes a conversion element 9 such as a switching transistor or a thyristor, a reactor 10, and a capacitor 11. The conversion element 9 is driven by a command of a power generation control unit described later.
[0028]
Further, a storage battery 12 and a predetermined load 13 are connected to the generated current supply system 4. The storage battery 12 is also used as a power source for a startup assist current supply system described later.
[0029]
Under the above-described basic configuration, in the wind turbine generator according to the present embodiment, when the wind turbine 1 rotates by receiving the wind, the generator 2 is directly connected to the rotating shaft 1a of the wind turbine 1 to generate power. The current is rectified and converted by the rectifier circuit 5 and the step-down chopper circuit 8, and then supplied to the storage battery 12, the load 13, and the like.
[0030]
In the present embodiment, based on the wind power generator having such a configuration, a start assist control device 14 for promoting rotation start of the wind turbine 1 under a slight wind is provided. The start-up assist control device 14 according to the present embodiment supplies a start-up assist current to the armature winding of the stator 2b of the generator 2 in order to promote the rotation start of the wind turbine 1 under a slight wind. This generates a magnetic torque that cancels the cogging torque generated between the two.
[0031]
The start assist control device 14 includes a rotor sensor 15 for detecting rotation of the rotor 2a in the generator 2, a computer system for performing start assist control based on an output signal from the rotor sensor 15, and the like. And a control device main body 16.
[0032]
The rotor sensor 15 is, for example, a Hall sensor, and is of a type that detects a magnetic pole position of the rotor 2a with respect to the stator 2b of the generator 2 by a voltage signal.
[0033]
The control device main body 16 includes a rotation speed detection circuit 17a as rotation speed detection means for detecting the rotation speed of the rotor 2a, and a magnetic pole position detection circuit 17b as magnetic pole position detection means for detecting each magnetic pole position of the rotor 2a. It has.
[0034]
In addition, the control device main body 16 takes in the rotation speed information and the magnetic pole position information of the rotor 2a from the rotation speed detection circuit 17a and the magnetic pole position detection circuit 17b, and starts up as start-up assist control means for performing start-up assist control calculation of the wind turbine 1. An assist control circuit 18 is provided. The start assist control circuit 18 includes a main arithmetic unit that performs arithmetic for assist control, a memory that stores assist data such as a self-starting wind speed of the wind turbine 1, a timer circuit for setting time, and the like. In addition, calculations and determinations such as lapse of time and the like are performed, and a start assist command relating to selection of a wind turbine start assist mode, on / off control, and the like is output. The start-up assist control circuit 18 is connected to a PWM gate driver 19 that receives a start-up assist command and drives an assist converter.
[0035]
Further, the control device main body 16 includes a power generation control circuit 20 as power generation control means for performing power generation control after starting the wind turbine. The power generation control circuit 20 fetches the rotation speed information of the rotor 2a from the rotation speed detection circuit 17a, and performs a power generation control operation at the time of power generation after the start of the wind turbine 1. It is configured to include a memory to save, a timer circuit for time setting, etc., performs calculations and judgments such as the number of revolutions and elapsed time, and outputs a power generation operation command related to selection of a power generation operation mode, on / off control, etc. It is supposed to. The power generation control circuit 20 is connected to a PWM gate driver 21 that drives the step-down chopper circuit 8 in response to a power generation operation command.
[0036]
In the present embodiment, a current is supplied to the stator 2b of the generator 2 based on a command from the above-described start assist control circuit 18 to cancel the cogging torque between the rotor 2a and the stator 2b. A start assist current supply system 22 for generating torque in accordance with the magnetic pole position of the rotor 2a is provided.
[0037]
This start-up assist current supply system 22 uses the storage battery 12 in the generated current supply system 4 as a power source, and also uses the rectifier circuit 5 as a converter circuit 23 to provide the stator 2b of the generator 2 with the magnetic pole of the rotor 2a. It is configured to supply a sinusoidal current corresponding to the position. That is, when a start assist command is output from the start assist control circuit 18, the PWM gate driver 19 causes the switching elements 6 (a 1, a 2, a 3, b 1, b 2, b 3) of the converter circuit 23 also serving as the rectifier circuit 5. When driven, the weak current from the storage battery 12 is supplied to the armature winding of the stator 2b of the generator 2 so that the magnetic torque generated thereby cancels the above-described cogging torque generated in the rotor 2a. Is what you do.
[0038]
FIG. 2 shows the supply state of the start-up assist current. As shown in FIG. 2, the switching elements 6 (a1, a2, a3, b1, b2, and b2) of the converter circuit 23 correspond to the magnetic pole positions of the rotor 2a detected by the Hall sensors (for example, the A and B2 systems). The combination for turning on b3) is changed. Thereby, the applied voltages U, V, and W are set as shown in the lower part of FIG. 2, and the different voltages U, V, and W are applied to the respective phase regions (AREA1 to 4) as shown in the upper part of FIG. Is done. In the present embodiment, such a voltage application sets a duty ratio at a level at which motoring is not performed. That is, a method is employed in which the generator 2 is not driven as a motor but only supplies a weak current that cancels the cogging torque.
[0039]
Next, the procedure of the start assist control will be described with reference to FIG.
[0040]
As shown in FIG. 3, after the control is started, the rotation assist (N) of the wind turbine 1 is determined by the start-up assist control circuit 18 based on the outputs from the rotor sensor 15 and the rotation speed detection circuit 16, and the wind turbine is stopped (N = 0) is determined (S101).
[0041]
When the windmill is stopped (N = 0 (S101: YES)), the start-up assist mode is set (S102), and a timer circuit (not shown) elapses a predetermined time (T0: 5 minutes, for example) for an interval. Is determined (S103).
[0042]
If the wind turbine is stopped even if the wind turbine is stopped for a predetermined time (T0), the start assist control operation is performed, that is, the switching element 6 of the converter circuit 23 (5) is operated using the storage battery 12 as a current supply source. Is subjected to PWM control to perform a control operation of applying an AC voltage to the armature winding of the generator 2 (S104).
[0043]
At this time, the magnetic pole position of the rotor 2a is detected by the rotor sensor 3 and the magnetic pole position detection circuit 17b, and the optimal phase control for canceling the cogging torque is performed. Thereby, a state in which the starting torque of the generator 2 is reduced can be realized. In this state, when the self-starting wind speed of the windmill 1 is applied, the windmill 1 starts rotating. When the rotation speed N of the wind turbine 1 becomes equal to or higher than a predetermined rotation speed N1 based on the wind speed (N ≧ N1) (S105: YES), the start-up assist control is turned off, and the operation mode shifts to the power generation operation mode.
[0044]
In addition, even if a predetermined time (T1 (for example, 10 seconds)) has elapsed in the start-up assist state, the windmill 1 is in a windless state where the predetermined rotation N1 is not obtained ((S105: NO), (S106: YES)). At this time, the startup assist control is turned off (S107), and the apparatus enters an initial standby state until a predetermined time (T0) elapses. Then, after a lapse of a predetermined time (T0), the mode becomes the start assist mode again, and the above operation is repeated.
[0045]
When the windmill 1 is rotated by the wind (S101: NO), the power generation operation mode is set (S108). In this case, all the switching elements 6 of the converter circuit 23 are in the off state, and the converter circuit functions as the rectifier circuit 5.
[0046]
In this case, when the rotation speed detection unit 17a detects that the rotation speed N of the rotor 2a has increased to a rotation speed (power generation start rotation speed) N2 or more (S109: YES), the PWM gate driver 21 The output corresponding to the rotation speed is input to the conversion element 9 of the step-down chopper circuit 8, and the PWM control is performed, and the power generation control operation is performed (S110).
[0047]
In this case, the generated current generated from the generator 2 is supplied to the storage battery 12 or the load 13 via the generated current supply system 4. If the rotation speed of the rotor 2a becomes equal to or lower than a predetermined value (S109: NO), the power generation control is turned off (S111). Thereafter, when the wind speed decreases and the windmill stops naturally (N = 0). ), And shifts to the start-up assist mode again (S101, S102).
[0048]
In the above embodiment, the rotation of the rotor 2a of the generator 2 is detected by the rotor sensor 15, and the rotation speed and the magnetic pole position of the rotor 2a are determined based on the output signal from the rotor sensor 15. If it is detected by the detection circuit 17a and the magnetic pole position detection circuit 17b that it is determined that the state of zero revolution has continued for a certain period of time or more, the start assist mode of the wind turbine 1 is selected.
[0049]
Then, a current is supplied to the stator 2b of the generator 2 based on a command from the start-up assist control circuit 18, and the torque for canceling the cogging torque between the rotor 2a and the stator 2b becomes the magnetic pole position of the rotor 2a. Occurs in response to
[0050]
Further, when the rotation speed detection circuit 17a detects that the rotation speed of the rotor 2a has become equal to or higher than a predetermined value due to the rotation of the wind turbine 1 by the wind, the power generation operation mode is selected, and The generated power generated is supplied to the load 13 or the storage battery 12 via the generated current supply system, and when the rotation speed of the rotor 2a becomes equal to or less than a certain value, power generation control for turning off the power generation operation mode is performed. Done.
[0051]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to effectively generate the torque for canceling the cogging torque, and to rotate the wind turbine 1 sharply even under a slight wind by utilizing extremely small power consumption. Startability can be greatly improved.
[0052]
In the present embodiment, continuous or long-time energization of about 50 sec / min is also possible. As a result, it is possible to continue assisting for most of the one minute, so that the opportunity to match the timing with the generation of the breeze is greatly improved as compared with the conventional case, and the self-starting wind speed is reached. If there is a breeze, it will rotate immediately, so the total power generation can be increased.
[0053]
In addition, since a storage battery is used as an assist power source without the need for a special assist power source, when the wind turbine is rotated by the start assist and the power is transferred to the power generation mode, power is consumed by the start assist. As described above, it can be expected that the storage battery is charged. As described above, the rotation frequency is increased and the power generation efficiency is improved, so that a favorable circulation is achieved in which the assist power is further reduced.
[0054]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the startability of a wind turbine under a slight wind by using only a very small amount of electric power, and particularly to improve the startability of a small-capacity wind power generator to assist the windmill. The power consumption can be drastically reduced, and the operating rate can be greatly improved.
[0055]
Second embodiment (FIGS. 4 and 5)
In the present embodiment, a start assist control device that performs start assist control by taking in the wind speed as a control element in addition to the rotation speed of the wind turbine will be described. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the entire wind power generator and a system configuration diagram of a start-up assist control device applied to the wind power generator, and FIG. 5 is a flowchart illustrating a control procedure. Note that, in the present embodiment, configurations and operations common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals in FIGS. 4 and 5 as in FIGS. 1 and 3, and redundant description is omitted.
[0056]
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, an anemometer 24 for detecting a wind speed at a windmill position is provided. The wind speed information detected by the anemometer 24 is input to the start-up assist control circuit 18.
[0057]
In the start-up assist control circuit 18, the rotation speed and the magnetic pole position of the rotor 2a are respectively calculated based on the output signal from the rotor sensor, and the detection signal is taken in from the anemometer 24, and the rotation of the rotor 2a is obtained. When it is determined that the number is zero and the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the windmill, the start-up assist mode of the windmill is selected.
[0058]
The power generation operation mode is selected when the rotation speed detecting means 17a detects that the windmill has been rotated by the wind power and the rotation speed of the rotor 2a has become equal to or higher than a certain value, and the power generation current generated from the generator 2 Is supplied to the load 13 or the storage battery 12 via the generated current supply system 4. On the other hand, when the rotation speed of the rotor 2a becomes equal to or less than a certain value thereafter, the power generation operation mode is turned off.
[0059]
In other words, the wind speed is always measured by the anemometer 24, and when the wind speed exceeds the wind turbine self-starting wind speed, the start assist is turned on.
[0060]
In addition, the windmill self-starting wind speed is set to, for example, 0 to 1.5 m / sec, and is set to apply a starting assist force at 2.0 m / sec. Further, the start assist is turned off by rotation at a wind speed of, for example, 4 m / sec.
[0061]
The control procedure for detecting the wind speed will be described with reference to FIG.
[0062]
The control unit switches between the start assist mode (S202) and the power generation operation mode (S207) depending on whether or not the windmill is stopped (the number of rotations: hereinafter expressed as N = 0) (S201).
[0063]
When the windmill 1 is stopped, the start-up assist mode is entered (S202). When the wind speed 2 is equal to or higher than the self-starting wind speed (v0) of the windmill (S203: YES), the start-up assist control described in the first embodiment is performed. This is performed (S204). If the wind speed is less than the self-starting wind speed (v0) of the wind turbine 2 (S203: NO), the start assist control remains off (S206).
[0064]
That is, when the wind turbine 1 is in a non-rotating state and the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the wind turbine, the startup assist current supply system 22 is turned on, and thereafter, when the wind speed becomes lower than the self-starting wind speed of the wind turbine, or When the rotation speed N of the wind turbine does not reach the certain rotation speed N1 even after the lapse of the certain time (S205: YES), the startup assist current supply system 22 is turned off.
[0065]
As described above, when it is determined that the rotation speed of the rotor 2a is zero and the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the wind turbine 1, the start assist mode of the wind turbine is selected, and the current is supplied to the stator 2b. The torque that is supplied and cancels the cogging torque between the rotor 2a and the stator 2b is generated corresponding to the magnetic pole position of the rotor 2a. On the other hand, when it is detected that the windmill 1 is rotated by the wind and the rotation speed of the rotor 2a is equal to or higher than a certain value, the power generation operation mode is selected, and the power generation current generated from the generator 1 is generated. The current is supplied to the load 13 or the storage battery 12 via the current supply system 22. Further, when the rotation speed of the rotor 2a becomes equal to or less than a certain value thereafter, the power generation operation mode is turned off.
[0066]
According to the present embodiment, by adding the means for determining the start-up assist based on the wind speed, the assist is not wasted unnecessarily under no wind or in a very small wind state where the windmill cannot be started, so that the wasteful consumption of the energy of the storage battery is prevented. Can be avoided.
[0067]
That is, since the assist control is performed only when the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the wind turbine 1, the energy of the storage battery can be effectively used, and the overall power generation efficiency can be improved.
[0068]
In each of the embodiments described above, the circuit configuration is used as the converter circuit 23 and the rectifier circuit 5. However, this is a preferred example for simplifying the configuration. Is not limited to the configuration described above, and the converter circuit 23 and the rectifier circuit 5 may be configured separately. Also, the configuration of the power supply and the like is not limited to the above embodiment, and can be variously changed.
[0069]
In each of the above embodiments, the present invention is applied to a vertical axis type wind turbine, but the present invention can be similarly applied to a wind turbine using a horizontal axis type propeller.
[0070]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to keep the wind turbine on standby in a state where the cogging torque of the permanent magnet generator is canceled, and it is possible to greatly improve the startup characteristics under a slight wind. Therefore, the windmill can rotate even at a wind speed that could not be started in the past, so that the operation time of the windmill and thus the power generation operation time can be lengthened, which contributes to the improvement of the power generation power recovery efficiency. Further, compared to the configuration in which the generator is started as a motor in the related art, the energy consumption of the storage battery can be reduced, and in this respect, the overall power generation efficiency can be improved. Therefore, according to the present invention, in order to enhance the startability of the windmill under a slight wind, only a very small amount of power consumption is required, thereby improving the startability of the small-capacity wind power generation device and dramatically increasing the power for assistance. In addition to this, excellent effects can be achieved, such as a significant improvement in operation rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an assisting action in the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure in the embodiment.
FIG. 4 is a system configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 windmill
1a Rotary axis
2 generator
1b Fixed pitch wing
2a rotor
2b Stator
3 Electric circuit
4 Generated current supply system
5 Rectifier circuit
6 Switching element
7 Capacitor
8. Step-down chopper circuit (power conversion circuit)
9 Conversion element
10 reactor
11 Capacitor
12 Storage battery
13 Load
14 Start assist control device
15 Rotor sensor
16 Control device body
17a Revolution detection circuit
17b Magnetic pole position detection circuit
18 Start assist control circuit (Start assist control means)
19 PWM gate driver
20 Power generation control circuit (power generation control means)
21 PWM gate driver
22 Startup current supply system
23 Converter circuit
24 Anemometer

Claims

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a start-up assist control device that is applied to a wind power generator having a power generation current supply system that supplies a storage battery, and that promotes rotation start of the windmill under a slight wind, wherein the stator has an armature winding. A current supply system for starting assistance that generates a magnetic torque that cancels the cogging torque generated between the rotor and the current supply system for starting assistance when the windmill is in a non-rotating state, Start-up assist control means for turning off the start-up assist current supply system when the windmill is rotated at a certain rotation speed or more by wind power. Windmill activation assist controller apparatus in the location.

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a start-up assist control device that is applied to a wind power generator having a power generation current supply system that supplies a storage battery, and that promotes rotation start of the windmill under a slight wind, wherein the stator has an armature winding. A start-up assist current supply system that generates a magnetic torque that cancels the cogging torque generated between the rotor and the start-up assist current supply system when the windmill is in a non-rotation state for a predetermined time or more. When the windmill is rotated at a certain rotation speed or more by the wind, or even after a certain time has elapsed after turning on the start-up assist current supply system, the windmill is Serial constant if the rotational speed does not reach the windmill in the starting wind turbine generator to assist current supply system is characterized in that a start assist control means for turning off start assist control device.

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a start-up assist control device that is applied to a wind power generator including a power generation current supply system that supplies a storage battery and that starts rotation of the windmill under a slight wind, and detects rotation of the rotor. A child sensor, a rotation speed detection means and a magnetic pole position detection means for detecting a rotation speed and a magnetic pole position of the rotor based on an output signal from the rotor sensor, and taking in a detection signal from the rotation speed detection means, Starting assist control means for selecting the starting assist mode of the wind turbine when it is determined that the state of zero rotation speed has continued for a predetermined time or more; For starting assistance, a current is supplied to the stator based on a command from control means, and torque for canceling cogging torque between the rotor and the stator is generated in accordance with the magnetic pole position of the rotor. The power supply operation mode is selected when the rotation speed detection unit detects that the current supply system and the windmill are rotated by wind power, and thereby the rotation speed of the rotor is equal to or higher than a predetermined value. Power supply to the load or the storage battery via the power generation current supply system, and then turning off the power generation operation mode when the rotation speed of the rotor becomes lower than a certain value. A start-up assist control device for a wind turbine in a wind turbine generator, comprising: a control unit.

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a start-up assist control device that is applied to a wind power generator having a power generation current supply system that supplies a storage battery, and that promotes rotation start of the windmill under a slight wind, wherein the stator has an armature winding. A current supply system for starting assist that generates a magnetic torque that cancels the cogging torque generated between the rotor and the wind turbine, when the wind turbine is in a non-rotating state, and when the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the wind turbine. A start assist control device for a wind turbine in a wind power generator, comprising: start assist control means for turning on the start assist current supply system.

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a start-up assist control device that is applied to a wind power generator having a power generation current supply system that supplies a storage battery, and that promotes rotation start of the windmill under a slight wind, wherein the stator has an armature winding. A current supply system for starting assist that generates a magnetic torque that cancels the cogging torque generated between the rotor and the wind turbine, when the wind turbine is in a non-rotating state, and when the wind speed is equal to or higher than the self-starting wind speed of the wind turbine. The start assist current supply system is turned on, and thereafter, when the wind speed becomes lower than the self-start wind speed of the wind turbine, or even after a certain period of time, the wind turbine reaches the certain rotation speed. Windmill activation assist controller apparatus in a wind power generation apparatus characterized by comprising a start assist control means for turning off said start assist current supply system in the absence.

A generator formed by a windmill, a rotor consisting of a permanent magnet connected to the windmill, and a stator consisting of an armature winding, and a current generated by the generator is loaded through a rectifier circuit and a power conversion circuit. Or a wind turbine start-up assist control device provided in a wind power generation device having a power generation current supply system for supplying a storage battery and promoting rotation start of the wind turbine under a slight wind, wherein the rotation detecting the rotation of the rotor is provided. A child sensor, an anemometer for detecting a wind speed at the windmill position, a rotation speed detecting means and a magnetic pole position detecting means for respectively detecting a rotation speed and a magnetic pole position of the rotor based on an output signal from the rotor sensor. Detecting signals from the rotation speed detecting means and the anemometer, it is determined that the rotation speed of the rotor is zero and the wind speed is higher than the self-starting wind speed of the wind turbine. When the start-up assist control means for selecting the start-up assist mode of the wind turbine, the current is supplied to the stator based on a command from the start-up assist control means, and a current is supplied between the rotor and the stator. A starting assist current supply system that generates a torque for canceling cogging torque in accordance with the magnetic pole position of the rotor, and that the windmill is rotated by wind power, whereby the rotation speed of the rotor is equal to or higher than a certain value. When the power generation operation mode is selected when the rotation speed is detected by the rotation speed detection means, the generation current generated from the generator is supplied to the load or the storage battery through the generation current supply system, and thereafter, the rotation Power generation control means for turning off the power generation operation mode when the number of rotations of the rotor becomes lower than a predetermined value. Assist control unit.

The start-up assist current supply system uses the storage battery in the power generation current supply system as a power supply, and also uses the rectifier circuit as a converter circuit to correspond to the magnetic pole position of the rotor on the stator of the generator. 7. The configuration according to claim 1, wherein a sine-wave current is supplied, and said startup assist control means includes a PWM gate driver for driving a transistor of said converter circuit. Start-up control device for wind turbines in wind power generators.

The wind turbine according to any one of claims 1 to 7, wherein the wind turbine is a vertical axis wind turbine provided with a plurality of fixed pitch blades integrally rotatable around a vertical rotation axis. Start assist control device for windmill.