JP2005184961A - 分散電源用発電装置の主回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 風速に見合った概略の最高出力を取り出してバッテリー充電を行うためには、ＰＷＭコンバータによる制御が必要であったが、ＰＷＭコンバータは高価であるという問題があった。
【解決手段】 風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する風力用発電装置において、前記永久磁石型発電機の交流出力をタップ付きリアクトルを経て整流器に接続し、前記永久磁石型発電機の回転数上昇に伴い前記タップ付きリアクトルを短絡するスイッチを設けるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風車又は水車により駆動される発電機から、ＰＷＭコンバータを用いずに、常に、風から概略の最大出力を取り出してバッテリー充電を行う分散電源用発電装置の主回路に関するものである。

本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線の出力端子にリアクトルを経て直列に整流器を接続し、この整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する分散電源用発電装置について提案している（例えば、特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図６の風車に接続された小型風力発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図６において、１は風車、２は先願技術の小型風力発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３の整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリーである。

この永久磁石型発電機３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧の低い第１の巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧の高い第３の巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３の整流器９に接続される。
上記第１〜第３の整流器７〜９の各直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１２に接続される。

このように構成される小型風力発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図５は、風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図５の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図５の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図５の風車の回転数対出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。

すなわち、図５の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。

図４は、先願技術が対象とする小型風力発電装置２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、小型風力発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線Ｗ１〜Ｗ３の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各巻線出力に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図４の各巻線による風車の回転数対出力特性に示すＰ１〜Ｐ３のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線Ｗ３の発生電圧Ｖ３がバッテリー電圧Ｖｂより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、第３の巻線Ｗ３の出力Ｐ３はＰ３１となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテリー電圧Ｖｂは、ほぼ一定であり、第３の巻線Ｗ３および第３のリアクトルのインダクタンス等によるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ３はＰ３１よりも漸増するに留まる。
第２の巻線Ｗ２については、さらに回転数Ｎが上昇することにより誘起電圧が上昇して出力が取れ始めるが、内部インダクタンス等が小さいために大きな出力が取れる。第１の巻線Ｗ１については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。

このように構成される小型風力発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力と同じであり、図３の点線で示す近似出力曲線で表される。従って、図６に示すように、この合計出力は図３の実線で示す最大出力曲線の近似を実現している。
特願２００２−２２１７１４号（第1図）

解決しようとする問題点は、上記のように３種類の巻線と３種類のリアクトルにより構成される小型風力発電装置２においては、多くのリアクトルが必要であり、永久磁石型発電機３内の巻線構成が複雑なので製作工数も多くなり、高価になるという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車又は水車より概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機３内の巻線を１種類とし、外部に接続するタップ付きリアクトルに短絡スイッチを設けたことを特徴とする分散電源用発電装置の主回路である。

本発明の分散電源用発電装置の主回路２は、永久磁石型発電機３内の巻線の種類が減少したために、製作工数が少なくなり、永久磁石型発電機の価格を下げることができる。

永久磁石型発電機３内の巻線を１種類とし、外部に接続するタップ付きリアクトルに２種類の短絡スイッチを設けて、永久磁石型発電機３の出力電圧より検出した回転数により、前記２種類の短絡スイッチのＯＮ、ＯＦＦを決定するように構成した。

図1は、本発明の、風車により駆動される分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
同図において、２は分散電源用発電装置の主回路、３は永久磁石型発電機、９は整流器、１３はタップ付きリアクトル、１４は第１のスイッチ、１５は第２のスイッチ、１６は回転数検出回路であり、図６と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。

本発明の分散電源用発電装置の主回路２を構成する永久磁石型発電機３は、１種類の巻線により構成し、その出力端子はタップ付きリアクトル１３に接続される。
第１のスイッチ１４の一端は永久磁石型発電機３の出力に、他端はタップ付きリアクトル１３のタップ端子に接続される。第２のスイッチ１５の一端はタップ付きリアクトル１３のタップ端子に、他端は整流器９に接続される。
回転数検出回路１６は、永久磁石型発電機３の交流出力電圧から永久磁石型発電機３の回転数Ｎを検出し、回転数Ｎが上昇するとスイッチ信号Ｓ１を出力して第１のスイッチ１４をＯＮにし、さらに回転数Ｎが上昇するとスイッチ信号Ｓ２を出力して第２のスイッチ１５をＯＮにして、タップ付きリアクトル１３を短絡する。

このように構成される分散電源用発電装置の主回路２より、種々の風速において、風車の形状より一義的に定まる最大出力を、近似的に取り出す方法を、図１および図２の本発明における分散電源用発電装置の主回路の回転数対出力特性図を参照して説明する。
図１において、タップ付きリアクトル１３の全インダクタンス値をＬａ、タップ端子から整流器９側の部分的インダクタンス値をＬｂとする。
図２において風により回転数ＮがＮ３になると、永久磁石型発電機３の磁束量と固定子巻線の巻数より決まる誘起電圧値がバッテリー１２の電圧値Ｖｂより上昇して、タップ付きリアクトル１３を経由して電流が流れ始め、出力Ｐ３を出力する。流れる電流値は、誘起電圧値とタップ付きリアクトル１３の全インダクタンス値Ｌａと永久磁石型発電機３の内部インダクタンス値Ｌｍ、およびバッテリー１２の電圧値Ｖｂにより決まり、誘起電圧値とリアクタンス電圧降下は回転数に比例するために、さらに回転数Ｎが上昇しても出力は漸増するに留まる。

さらに、風速増加により回転数Ｎが上昇してＮ２になると、第１のスイッチ１４をＯＮにし、タップ付きリアクトル１３を部分的に短絡すると、直列に接続されるインダクタンス値の減少により大きな電流が流れて、出力Ｐ２を出力する。同様に、タップ付きリアクトル１３の部分的インダクタンス値Ｌｂと永久磁石型発電機３の内部インダクタンス値Ｌｍにより、さらに回転数Ｎが上昇しても出力は漸増するに留まる。
次に、さらなる風速増加により回転数Ｎが上昇してＮ１になると、第２のスイッチ１５もＯＮにし、タップ付きリアクトル１３を短絡すると、より大きな電流が流れて、出力Ｐ１を出力する。同様に、永久磁石型発電機３の内部インダクタンス値Ｌｍにより、さらに回転数Ｎが上昇しても出力は漸増するに留まる。

逆に、風速が減少して回転数ＮがＮ１より低下すると、第２のスイッチ１５をＯＦＦにし、さらに風速が減少して回転数ＮがＮ２より低下すると第１のスイッチ１４をＯＦＦにする。
このようにして、本発明の分散電源用発電装置の主回路２の出力特性は、図２の点線で示す近似出力曲線のようになり、実線で示す風車の最大出力曲線の近似を実現しているので、風からほぼ最大出力を得ることができる。

本発明において、図２で示す近似出力曲線を、より最大出力曲線に近づけて、風からのエネルギーを可能な限り取り出すためには、本発明の永久磁石型発電機３の誘起電圧値および内部インダクタンス値Ｌｍと、タップ付きリアクトル１３の全インダクタンス値Ｌａと部分的インダクタンス値Ｌｂ、および第１、２のスイッチ１４，１５のＯＮ，ＯＦＦ状態を回転数により決定する事で可能である。
すなわち、第１のスイッチ１４のＯＮを開始する回転数ＮをＮ２より早めると、風車の最大出力よりも多くの出力を取り出すことになり、風車は失速状態となる。逆に、第１のスイッチ１４のＯＮを開始する回転数ＮをＮ２より遅くすると、風車の最大出力を取り出すことができなくなる。

以上説明した本発明の風力用発電装置２は、３相に限らず、他の相数でも可能である。
又、本発明の分散電源用発電装置から、バッテリー１２等の定電圧源へ充電する場合について説明したが、充電により直流電圧が上昇するような場合には、上昇した直流電圧に充電しようとするために、図２の小型風力発電装置の近似出力曲線は最大出力曲線から右側に乖離して、出力が減少する。これは、バッテリー１２等の定電圧源への充電が、風力発電により十分に行われた結果の電圧上昇であり、バッテリー１２等の定電圧源を含めたシステム全体として、何ら不具合となるものでは無い。さらに電圧上昇するようなシステムにおいては、バッテリー１２等の定電圧源を切り離すか、風車を停止すれば良い。
さらに、充電電流の大きさにより直流電圧が変化するような場合には、分散電源用発電装置の近似出力曲線を最大出力曲線に、最も近づけるようにタップ付きリアクトルのインダクタンス値およびスイッチのＯＮ、ＯＦＦを決定する回転数Ｎを調整すれば良い。

本発明の風力用発電装置の主回路２によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であり、さらに永久磁石型発電機３内の巻線の種類およびリアクトルを減少させたために、安価に構成することができ、実用上おおいに有用である。
上記は、風力により説明したが、例えば、水力のように水車の形状が定まれば、最大出力を取り出すときの回転数対出力特性が一義的に定まるような用途にも適用可能である。

本発明の実施例であり、風力用発電装置の主回路単線結線図である。 本発明における分散電源用発電装置の主回路の回転数対出力特性図である。 従来の小型風力発電装置の回転数対風車出力特性図である。 従来の小型風力発電装置の各巻線の回転数対出力特性図である。 風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明する図である。 従来の小型風力発電装置の主回路単線結線図である。

符号の説明

１ 風車
２ 分散電源用発電装置の主回路
３ 永久磁石型発電機
４〜６ 第１〜第３のリアクトル
７〜９ 第１〜第３のダイオード整流器
１０ 正側出力端子
１１ 負側出力端子
１２ バッテリー
１３ タップ付きリアクトル
１４ 第１のスイッチ
１５ 第２のスイッチ
１６ 回転数検出回路

Claims (1)

1. 風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分散電源用発電装置の主回路において、前記永久磁石型発電機の交流出力をタップ付きリアクトルに接続し、該タップ付きリアクトルの反永久磁石型発電機側を整流器に接続し、前記タップ付きリアクトルの前記永久磁石型発電機側と前記タップ付きリアクトルのタップを短絡する第１のスイッチを接続し、前記タップ付きリアクトルのタップと前記タップ付きリアクトルの前記整流器側を短絡する第２のスイッチを接続し、前記永久磁石型発電機の回転数を検出し、該回転数の上昇に伴い前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチをＯＮすることを特徴とする分散電源用発電装置の主回路。

Images