JP2005224079A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連系する電力系統への影響を軽減するとともに、効率の良い発電を実現可能な風力発電装置を提供する。
【解決手段】 本発明の風力発電装置は、固定翼風車１と、増速機２と、かご形誘導発電機３と、回転形位相機４とが接続され、回転形位相機４の回転子には、駆動装置５が軸結合されている。周速比制御部１３は、風速Ｖと、風車回転速度Ωと周速比基準値λｒｅｆを入力とし、トリップ抑制指令部１４は、風車回転速度Ωを入力とする。加算器１５は、周速比制御部１３の出力、トリップ抑制指令部１４の出力及び電力検出器１２の出力である発電出力Ｐｇとを合算して発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとする。放出指令値生成部１６は、貯蔵量検出器９によって出力される貯蔵量Ｃと発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとを入力とする。定電力制御装置１７は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと電力検出器１２より送られる発電出力Ｐｇを入力として駆動装置５を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置の制御に係り、特に、連系する電力系統への影響を軽減するとともに、効率の良い発電を実現可能な風力発電装置に関するものである。

近年の環境負荷軽減の観点から、再生可能エネルギーを活用した風力発電は、今後さらなる需要の増加が予想され、２０１０年で３０００ＭＷが目標とされている。現状の風力発電システムは、風車ピッチ角などの機械系制御とＤＣリンクなどの電気系制御が独立で行われており、風速の変動がある場合の発電効率は必ずしも最適化されていない。また、風速が急増した場合は、機械系の応答速度が遅いため、回転数が上昇して、トリップする場合がある。

そこで、例えば、下記特許文献１では、風力発電機からの発電出力を高速に制御して風車翼の回転スピードを変化できる電力制御装置と、その電力変動を平滑化して外部へ擾乱を与えないようにするための電力貯蔵装置を備え、風車翼の回転スピードは風力変換効率を考慮して高い変換効率を追従するように制御される風力発電装置が開示されている。
特開２００２−２８５９４９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、風速に合わせて回転スピードを変えることが効率を上昇させるために必要である旨は記載されているものの、系統と風車発電機の周波数の差を補完するとしているのみで、その具体的な構成に関しては言及されておらず、機械系と電気系を協調させ、総合的に発電効率を向上させる技術を提供するには至っていなかった。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、連系する電力系統への影響を軽減するとともに、効率の良い発電を実現可能な風力発電装置を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決するため、本発明の風力発電装置は、風車と、前記風車に軸結合された増速機と、前記増速機に軸結合され前記風車の回転エネルギーを電力に変換する誘導発電機と、前記誘導発電機に固定子巻線または回転子巻線の一方を接続し他方を電力系統に接続した回転形位相機と、この回転形位相機の回転子と軸結合された駆動装置と、回転形位相機の端部に接続された電力貯蔵装置とを備えた風力発電装置において、前記風車に対する風速と風車回転速度とを計測して得られる周速比とあらかじめ設定された周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、前記周速比指令値と前記誘導発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、前記発電出力指令値と前記電力貯蔵装置の貯蔵量とを入力として電力貯蔵装置の放出指令値を生成する放出指令値生成部と、駆動装置を介して回転形位相機の回転子の角度を制御することにより通過電力を前記発電出力指令値に制御する定電力制御装置と、前記電力貯蔵装置を前記放出指令値に基づいて制御する電力変換装置とを備えることを特徴とする。

以上の態様では、ある風速Ｖにおける現在の周速比が、最も効率の良い周速比基準値のλｒｅｆより小さい場合には、発電出力Ｐｇは、定電力制御装置、駆動装置及び回転形位相機によって電圧位相差が調整されて低下し、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆに制御される。すると、風車回転速度Ωは上昇し、その結果、周速比λも上昇して、λｒｅｆに制御される。この時、回転形位相機は、風車回転数上昇によって生じる周波数差を回転数制御により調整する。一方、周速比が周速比基準値λｒｅｆより大きい場合には、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆは発電出力Ｐｇより大きい値となる。

すると、風車回転速度Ωは低下し、その結果周速比λも低下して周速比基準値λｒｅｆに制御される。このように、回転形位相機で発電出力Ｐｇおよび周波数差を調整することによって、周速比を最も高いパワー係数が得られる周速比基準値λｒｅｆに制御することができる。これにより、発電効率を向上させることが可能となる。さらに、風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制することにより、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。

また、本発明の風力発電装置は、羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された同期発電機と、前記同期発電機が発電した電力を直流に変換する第一の交直変換装置と、直流を交流に変換して電力を電力系統に供給する第二の交直変換装置と、前記直流回路に接続された電力貯蔵装置とを備えた風力発電装置において、前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値を生成する周速比基準値生成部と、前記風車に対する風速と風車回転速度とを計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、前記周速比制御部の出力と前記同期発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、前記発電出力指令値と計測した前記電力貯蔵装置の充電量とを入力として交直変換装置の出力指令値を生成する出力指令値生成部と、変換する電力を前記発電出力指令値に制御する第一の交直変換装置の定電力制御装置と、変換する電力を前記出力指令値に制御する第二の交直変換装置の定電力制御装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の風力発電装置は、羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された増速機と、前記増速機に軸結合された巻線形誘導発電機と、前記巻線形誘導発電機の回転子巻線を励磁する励磁回路と、巻線形誘導発電機端に接続された電力貯蔵装置とを備える風力発電装置において、巻線形誘導発電機端の電圧を計測する電圧検出器と、前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値を生成する周速比基準値生成部と、前記風車に対する風速と風車の回転速度とを計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、前記周速比制御部の出力と前記巻線形誘導発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、前記発電出力指令値と前記電力貯蔵装置の貯蔵量を入力として電力貯蔵装置の放出指令値を生成する放出指令値生成部と、前記巻線形誘導発電機からの発電出力が前記発電出力指令値となるように前記励磁回路を制御する励磁制御装置と、前記電力貯蔵装置を前記放出指令値に基づいて制御する電力変換装置とを備えることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、周速比を最も高いパワー係数が得られる周速比基準値λｒｅｆに制御することができ、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電出力Ｐｇの変動に応じた電力を電力貯蔵装置で放出または蓄積することにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができる。さらに、風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制することにより、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。

次に、本発明に係る風力発電装置を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照して説明する。

[１．第１の実施形態］
[１−１．構成]
本発明の第１の実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。本実施形態における風力発電装置は、図１に示すように、固定翼風車１と、この固定翼風車１と軸結合された増速機２と、この増速機２と軸結合されたかご形誘導発電機３とを備える。さらに、このかご形誘導発電機３には、回転形位相機４が固定子巻線または回転子巻線の一方で接続され、この回転形位相機４は他方を電力系統に接続する。また、回転形位相機４の回転子には、駆動装置５が軸結合されている。

電力貯蔵装置７は、電力変換装置８を介して回転形位相機４および変圧器６と電気的に接続されおり、貯蔵量検出器９は、この電力貯蔵装置７の電力貯蔵量を計測する手段である。また、風速検出器１０は、固定翼風車１に対する風速を計測する手段であり、回転速度検出器１１は、固定翼風車１の回転速度を計測する手段である。また、電力検出器１２は、かご形誘導発電機３から出力される電力を計測する手段である。

周速比制御部１３は、風速検出器１０の出力である風速Ｖと、回転速度検出器１１の出力である風車回転速度Ωと周速比基準値λｒｅｆを入力とする手段である。また、トリップ抑制指令部１４は、風車回転速度Ωを入力とする手段である。そして、加算器１５は、周速比制御部１３の出力、トリップ抑制指令部１４の出力及び電力検出器１２の出力である発電出力Ｐｇとを合算して発電出力指令値Ｐｇｒｅｆを出力する手段である。

放出指令値生成部１６は、貯蔵量検出器９によって出力される貯蔵量Ｃと発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとを入力とする手段である。また、定電力制御装置１７は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと電力検出器１２より送られる発電出力Ｐｇを入力として駆動装置５の回転角を制御する手段である。

図２に、周速比制御部１３及びトリップ抑制指令部１４の詳細な構成を示す。周速比制御部１３は、風速Ｖと風車回転速度Ωから周速比を求める周速比算出部２０と、周速比と周速比基準値λｒｅｆの差分を求める減算器２１と、減算器２１の出力を入力とするＰＩ回路２２と、ＰＩ回路２２の出力に制限をかけるリミッタ２３からなる。また、トリップ抑制指令部１４は、風車回転速度Ωと回転速度上限値Ωｍａｘの差分を求める減算器２４と、減算器２４の出力に制限をかけるリミッタ２５と、リミッタ２５の出力を定数倍するゲイン要素２６とからなる。

図３に、放出指令値生成部１６の詳細な構成を示す。放出指令値生成部１６は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動成分を抽出するバンドパスフィルタ３０と、貯蔵量Ｃと貯蔵量基準値Ｃｒｅｆの差分を求める減算器３１と、減算器３１の出力を入力とする不感帯３２と、不感帯３２の出力を入力とするＰＩ回路３３と、バンドパスフィルタ３０の出力とＰＩ回路３３の出力を合算する加算器３４とを備える。

ここで、本実施形態における固定翼風車１、増速機２及びかご形誘導発電機３の組合せは、一般的な風力発電装置の構成を簡易的に示したものであり、風によって生じた固定翼風車１の回転を増速機２を介してかご形誘導発電機３に伝達させることにより、回転数に応じた有効電力が発生する構成である。風から得られる力の割合はパワー係数と呼ばれ、このパワー係数は、図４に示すように特定の周速比で最大値となり、風車のピッチ角によってその特性は異なる。

また、回転形位相機４は、固定子巻線を有する固定子と回転子巻線を有する回転子で構成される位相機であり、回転子と軸結合した駆動装置５により回転子を回転させることで固定子巻線と回転子巻線に生じる電圧の位相差および周波数の差を制御することができる。リアクタンスＸに流れる有効電力はその両端の電圧をそれぞれＶ１、Ｖ２、その位相差をδとすると、式（１）で表すことができるので、回転形位相機４の回転子の角度を変更することにより有効電力を制御できる。

[１−２．作用]
以上のような構成を有する本実施の形態において、図１を参照すると、風車１に風が当たると、風速検出器１０は、この風車１に対する風速を計測し、また、回転速度検出器１１は、風車１の回転速度を計測し、それぞれ風速Ｖと風車回転速度Ωを周速比制御部１３に入力する。また、この周速比制御部１３には周速比基準値λｒｅｆが入力される。これと同時に、トリップ抑制指令部１４には、風車回転速度Ωが入力される。

そして、図２に示すように、周速比制御部１３では、まず、周速比算出部２０において風速Ｖと風車回転速度Ωから周速比が算出され、減算器２１にこの周速比と周速比基準値λｒｅｆが入力される。次に周速比から周速基準値ｒｅｆが減算され、その算出値は、ＰＩ回路２２と、リミッタ２３に入力される。そして、加算器１５において、周速比制御部１３の出力、トリップ抑制指令部１４の出力及び電力検出器１２の出力である発電出力Ｐｇとが合算され、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが算出される。

このとき、例えば現在の周速比が、最も効率の良い周速比基準値のλｒｅｆより小さい場合には、減算器２１、ＰＩ回路２２及びリミッタ２３の出力は負となり、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆは発電出力Ｐｇより小さい値となる。そして、発電出力Ｐｇは、定電力制御装置１７、駆動装置５及び回転形位相機４によって電圧位相差が調整されて低下し、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆに制御される。

すると、下記式（２）で表される風車回転速度Ωは上昇し、その結果、下記式（３）で表される周速比λも上昇して、λｒｅｆに制御される。この時、回転形位相機４は、風車回転数上昇によって生じる周波数差を回転数制御により調整する。なお、式（２）において、Ｋは増速機のギヤ比、Ｍは慣性定数、Ｐｍは発電機の電気トルク、Ｄは減衰定数、ｓはラプラス演算子であり、式（３）において、Ｒは風車半径、Ｖは風速である。

一方、周速比が周速比基準値λｒｅｆより大きい場合には、減算器２１、ＰＩ回路２２及びリミッタ２３の出力は正となり、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆは発電出力Ｐｇより大きい値となる。すると、風車回転速度Ωは低下し、その結果周速比λも低下して周速比基準値λｒｅｆに制御される。ただし、「風車回転速度Ω＞回転速度上限値Ωｍａｘ」の関係が成り立つときには、周速比λと周速比基準値λｒｅｆの偏差に関係なく、正の値のみ通過させるリミッタ２５およびゲイン要素２６の出力は正となり、「発電出力指令値Ｐｇｒｅｆ＞発電出力Ｐｇ」となるので、風車回転速度Ωを低下させるように作用し、風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。

ここで、一般に風力発電装置は風速の変化によって発電出力が変動する。さらに、式（３）のように周速比λは風速Ｖに反比例するので、周速比を一定に制御する周速比制御部１３の出力は風速の変化によって変動し、その結果発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが変動するため、発電出力の変動を助長する可能性がある。

そこで、図３の放出指令値生成部１６においては、貯蔵量Ｃと貯蔵量基準値Ｃｒｅｆの差分が不感帯３２の不感帯幅に収まっている場合には、ＰＩ回路３３の出力は０となるので、バンドパスフィルタ３０で抽出した発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が放出指令値Ｐｏｕｔとなる。そして、放出指令値Ｐｏｕｔをもとに電力変換装置８が電力貯蔵装置７を制御するので、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で出し入れされて電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

ただし、貯蔵量Ｃと貯蔵量基準値Ｃｒｅｆの差分が不感帯３２の不感帯幅を超える場合は、貯蔵量Ｃ＞貯蔵量基準値ＣｒｅｆならばＰＩ回路３３の入力が正となって放出指令値Ｐｏｕｔは増加し、逆に貯蔵量Ｃ＜貯蔵量基準値ＣｒｅｆならばＰＩ回路３３の入力が負となって放出指令値Ｐｏｕｔは減少して電力貯蔵装置７の電力貯蔵量が一定の範囲内に制御される。

[１−３．効果]
以上のように作用する本実施形態によれば、回転形位相機４で発電出力Ｐｇおよび周波数差を調整することによって、周速比を最も高いパワー係数が得られる周速比基準値λｒｅｆに制御することができる。これにより、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電出力Ｐｇの変動に応じた電力を電力貯蔵装置７で放出または蓄積することにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができる。さらに、風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制することにより、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。

[２．第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

本実施形態は、第１の実施形態に改良を加えたものであり、第１の実施形態における固定翼風車１に代えて可動翼風車５０を用い、また、風車回転速度Ωと発電出力Ｐｇから可動翼風車５０のピッチ角を制御するピッチ角制御装置５１を追加している。さらに、周速比基準値λｒｅｆを第１の実施形態のように固定値とするのではなく、周速比基準生成部５２で算出されように構成している。

以上のように構成される第２の実施形態では、まず、第１の実施形態と同様に、風車５０に風が当たると、風速検出器１０及び回転速度検出器１１によって、それぞれ風速Ｖと風車回転速度Ωとが周速比制御部１３に入力される。また、周速比基準値λｒｅｆは、周速比基準生成部５２に風車回転速度Ωが入力されることにより生成され、周速比制御部１３に入力される。また、これと同時に、トリップ抑制指令部１４に、風車回転速度Ωが入力される。また、ピッチ角制御装置５１は、風車回転速度Ωと発電出力Ｐｇとから翼のピッチ角を制御する。

ここで、風車回転速度Ωが入力される周速比基準生成部５２の作用について図６を用いて説明する。すなわち、可動翼風車５０のピッチ角最大時にパワー係数最大となる周速比をλｍ、ピッチ角最小値にパワー係数最大となる周速比をλ０とし、リミッタ６３の下限値をλｍ、上限値をλ０とすると、ピッチ角が変化し始める回転速度基準値Ω０より風車回転速度Ωが小さい領域、つまり、ピッチ角が最小で変化しない領域では減算器６０、ゲイン要素６１の出力は正となるが、加算器６２の出力はリミッタ６３に制限されて周速比基準値λｒｅｆはλ０となる。逆に、風車回転速度Ωが回転速度基準値Ω０より大きい領域、すなわちピッチ角が変化する領域では、減算器６０及びゲイン要素６１の出力は負となる。

以下、第１の実施形態と同様であり、まず、図２に示すように、周速比制御部１３においては、周速比算出部２０において風速Ｖと風車回転速度Ωから周速比が算出され、減算器２１にこの周速比と周速比基準生成部５２によって生成された周速比基準値λｒｅｆが入力される。次に周速比から周速基準値ｒｅｆが減算され、その算出値は、ＰＩ回路２２と、リミッタ２３に入力される。そして、加算器１５において、周速比制御部１３の出力、トリップ抑制指令部１４の出力及び電力検出器１２の出力である発電出力Ｐｇとが合算され、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが算出される。

また、放出指令値生成部１６は、図３に示すように、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を抽出して放出指令値Ｐｏｕｔとし、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を電力貯蔵装置７で出し入れすることにより電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

そして、このとき例えば現在の周速比が、最も効率の良い周速比基準値のλｒｅｆより小さい場合には、減算器２１、ＰＩ回路２２及びリミッタ２３の出力は負となり、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆは発電出力Ｐｇより小さい値となる。そして、発電出力Ｐｇは、定電力制御装置１７、駆動装置５及び回転形位相機４によって電圧位相差が調整されて低下し、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆに制御される。

以上のように作用する本実施形態によれば、周速比基準生成部５２の作用によって周速比基準値λｒｅｆはその大きさに応じて、周速比λｍから周速比λ０までの間で変化するので、変化するピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御される。また、第１の実施形態と同様に、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘを超える場合はトリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。また、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で吸収される。これにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減でき、引いては発電効率を向上させることができる。

[３．第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について、図７及び図８を用いて説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態においてかご形誘導発電機３及び回転形位相機４に代えて同期発電機７０及び交直変換装置７１、７２を用い、放出指令値生成部１６に代えて出力指令値生成部７７を用いたものである。また、電力貯蔵装置として蓄電池７３を用いたものである。なお、第１、第２の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

本実施形態の風力発電装置は、可動翼風車５０と、この可動翼風車５０に軸結合された同期発電機７０と、さらにこの同期発電機７０と電気的に接続された交直変換装置７１とを備える。さらに、この交直変換装置７１の直流側には交直変換装置７２が接続され、この交直変換装置７２の交流側は電力系統に接続されている。また、交直変換装置７１及び７２の直流側には、コンデンサ７４ａ，７４ｂ及び蓄電池７３が接続されている。

また、風速検出器１０は、可動翼風車５０に対する風速を計測する手段であり、回転速度検出器１１は、可動翼風車５０の回転速度を計測する手段である。また、電力検出器７５ａは、同期発電機７０から出力される電力を計測する手段であり、電力検出器７５ｂは、交直変換装置７２から電力系統への電力を計測する手段である。さらに、充電量検出器７６は、蓄電池７３の充電量を計測する手段である。

また、周速比基準生成部５２は、第２の実施形態同様、回転速度検出器１１の出力である風車回転速度Ωを入力として周速比基準値λｒｅｆを生成する手段であり、周速比制御部１３は、風速検出器１０の出力である風速Ｖと風車回転速度Ωと周速比基準生成部５２の出力である周速比基準値λｒｅｆを入力とする手段である。トリップ抑制指令部１４は、風車回転速度Ωを入力とする手段であり、加算器１５は、周速比制御部１３の出力とトリップ抑制指令部１４の出力と電力検出器７５ａの出力である発電出力Ｐｇを合算して発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとする手段である。

出力指令値生成部７７は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと充電量検出器７６の出力である充電量Ｃｂを入力として出力指令値Ｐｏｕｔ２を出力する手段である。また、定電力制御装置７８ａは、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと発電出力Ｐｇを入力として交直変換装置７１の出力を制御する手段であり、定電力制御装置７８ｂは、出力指令値Ｐｏｕｔ２と電力検出器７５ｂの出力を入力として交直変換装置７２の出力を制御する手段である。

図８を用いて、出力指令値生成部７７の詳細な構成を示す。出力指令値生成部７７は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆを入力とするローパスフィルタ８０と、充電量Ｃｂと充電量基準値Ｃｂｒｅｆの差分を求める減算器８１とを備える。さらに、この減算器８１の出力を入力とする不感帯８２と、不感帯８２の出力を入力とするＰＩ回路８３と、ローパスフィルタ８０の出力とＰＩ回路８３の出力を合算する加算器８４とを備える。

以上のような実施形態では、第２の実施形態と同様に、風車５０に風が当たると、風速検出器１０及び回転速度検出器１１によって、それぞれ風速Ｖと風車回転速度Ωとが周速比制御部１３に入力される。また、周速比基準値λｒｅｆは、周速比基準生成部５２に風車回転速度Ωが入力されることにより生成され、周速比制御部１３に入力される。また、これと同時に、トリップ抑制指令部１４に、風車回転速度Ωが入力される。また、ピッチ角制御装置５１は、風車回転速度Ωと発電出力Ｐｇとから翼のピッチ角を制御する。

周速比制御部１３においては、周速比算出部２０において風速Ｖと風車回転速度Ωから周速比が算出され、減算器２１にこの周速比と周速比基準生成部５２によって生成された周速比基準値λｒｅｆが入力される。次に周速比から周速基準値ｒｅｆが減算され、その算出値は、ＰＩ回路２２と、リミッタ２３に入力される。そして、加算器１５において、周速比制御部１３の出力、トリップ抑制指令部１４の出力及び電力検出器１２の出力である発電出力Ｐｇとが合算され、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが算出される。

このように可動翼風車５０のピッチ角に応じて最大のパワー係数が得られる周速比とするための発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが加算器１５から出力されると、この発電出力指令値Ｐｇｒｅｆは、定電力制御装置７８ａと出力指令値生成部７７にそれぞれ入力される。この定電力制御装置７８ａは、交直変換装置７１において変換される電力が発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとなるように制御する。

一方、出力指令値生成部７７は、図８に示すように、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと充電量検出器７６の出力である充電量Ｃｂを入力として出力指令値Ｐｏｕｔ２を出力する。具体的には、充電量Ｃｂと充電量基準値Ｃｂｒｅｆの差分が不感帯８２の不感帯幅に収まっている場合には、ＰＩ回路８３の出力は０となるので、ローパスフィルタ８０で抽出した発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を除いたベース分が出力指令値Ｐｏｕｔ２となり、交直変換装置７２が電力系統へ出力する電力は出力指令値Ｐｏｕｔ２に制御される。その結果、電力系統へ出力される電力は概ね一定となり、交直変換装置７１によって変換される電力と交直変換装置７２によって電力系統へ出力される電力の差分は蓄電池７３に蓄積される。

ただし、充電量Ｃｂと充電量基準値Ｃｂｒｅｆの差分が不感帯８２の不感帯幅を超える場合は、充電量Ｃｂ＞充電量基準値ＣｂｒｅｆならばＰＩ回路８３の入力が正となって出力指令値Ｐｏｕｔ２は増加し、逆に充電量Ｃｂ＜充電量基準値ＣｂｒｅｆならばＰＩ回路８３の入力が負となって出力指令値Ｐｏｕｔ２は減少して蓄電池７３の充電量が一定の範囲内に制御される。なお、交直変換装置７１、７２の直流回路に配した蓄電池７３は、本実施形態における電力貯蔵装置の一例として用いたものであり、電力変換装置を付加したフライホイールや電気２重層キャパシタ等の電力貯蔵装置でも同様の作用が得られる。

以上のように作用する本実施形態によれば、交直変換装置７１、７２を介して電力系統と発電機を接続する風力発電装置においても、変化する風車のピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御される。また、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘ以上になると、トリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの上昇が抑制され、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が蓄電池７３で吸収される。これにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減でき、風力発電装置全体として発電効率を向上させることができる。

[４．第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態について、図９を用いて説明する。なお、第１乃至第３の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

本実施形態は、第３の実施形態に改良を加えたものであり、第３の実施形態における蓄電池７３に代えて電力貯蔵装置７が電力変換装置８を介して交流回路に接続され、また充電量検出器７６に代えて電力貯蔵装置７の電力貯蔵量を計測する貯蔵量検出器９で構成する。さらに、定電力制御装置７８ｂの入力を出力指令値Ｐｏｕｔ２に代えて発電出力指令値Ｐｇｒｅｆで構成したものである。

以上のような構成を有する本実施形態は、以下のように作用する。すなわち、第３の実施形態と同様、可動翼風車５０のピッチ角に応じて最大のパワー係数が得られる周速比とするための発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが加算器１５から出力され、交直変換装置７１で変換される電力および交直変換装置７２で電力系統へ出力される電力が発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとなるように定電力制御装置７８ａ、７８ｂによって制御される。また、第２の実施形態における回転形位相機４と同様に交直変換装置７１、７２が発電出力および周波数差の調整を行うので、パワー係数最大となる周速比に制御される。

さらに、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘを超える場合は、トリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。一方、放出指令値生成部１６は実施例１と同様に発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を抽出して放出指令値Ｐｏｕｔとし、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を電力貯蔵装置７で出し入れすることにより電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

以上のように作用する本実施形態によれば、交直変換装置を介して電力系統と発電機を接続する風力発電装置においても、変化する風車のピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御される。また、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘ以上になると発電出力Ｐｇが増加して風車回転速度Ωの上昇が抑制される。さらに、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で吸収される。これにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。これにより、発電効率を向上させることができる。

[５．第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態について、図１０を用いて説明する。なお、第１乃至第４の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

本実施形態は、第４の実施形態に改良を加えたものであり、第４の実施形態の同期発電機７０に代えて第１の実施形態において説明した増速機２とこの増速機２と軸結合された巻線形誘導発電機１０５とを用いたものである。また、以下のような各構成要素を備えるものである。

電力貯蔵装置７は、電力変換装置８を介して巻線形誘導発電機１０５と電気的に接続されている。電力検出器７５は、巻線形誘導発電機１０５から出力される電力を計測する手段である。電圧検出器１０２は、発電機端電圧を計測する手段であり、励磁制御装置１０１は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと発電出力Ｐｇと発電機端電圧を入力とする手段である。励磁回路１０６は、励磁制御装置１０１の出力に応じて巻線形誘導発電機に励磁電流を供給する手段であり、また、励磁回路１０６は、変圧器６、交直変換装置７１’,７２’、コンデンサ７４、直流電圧検出器１０４、直流電圧制御装置１０３からなる。なお、その他の構成要素については、上記各実施形態と同様の構成からなるため、説明を省略する。

以上のような構成を有する本実施形態は、以下のように作用する。すなわち、第２の実施形態と同様、可動翼風車５０のピッチ角に応じて最大のパワー係数が得られる周速比とするための発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが加算器１５から出力される。そうすると、巻線形誘導発電機１０５の発電出力が発電出力指令値Ｐｇｒｅｆとなるよう励磁制御装置１０１によって制御される。また、第２の実施形態おける回転形位相機４と同様に励磁制御装置１０１が発電出力および周波数差の調整を行うので、パワー係数最大となる周速比に制御される。

風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘを超える場合はトリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。一方、放出指令値生成部１６は発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を抽出して放出指令値Ｐｏｕｔとし、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を電力貯蔵装置７で出し入れすることにより電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

以上のように作用する本実施形態によれば、２次励磁制御された巻線形誘導発電機を用いた風力発電装置においても、変化する風車のピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御される。また、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘ以上になると発電出力Ｐｇが増加して風車回転速度Ωの上昇が抑制される。さらに、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で吸収される。これにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。これにより、発電効率を向上させることができる。

[６．第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態について、図１１を用いて説明する。なお、第１乃至第５の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

本実施形態は、第５の実施形態の構成に、第１の実施形態において説明した回転形位相機４と、駆動装置５と、定電力制御装置１７を追加したものであり、それに伴って励磁制御装置１０１の入力から、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆと発電出力Ｐｇを除いて構成したものである。その他の構成については、第５の実施形態と同様であるので省略する。

このように構成された本実施形態において、第２の実施形態同様、可動翼風車５０のピッチ角に応じて最大のパワー係数が得られる周速比とするための発電出力指令値Ｐｇｒｅｆが加算器１５から出力される。そして、定電力制御装置１７と駆動装置５と回転形位相機４が、電圧位相差および周波数差を調整することで、巻線形誘導発電機１０５の発電出力が発電出力指令値Ｐｇｒｅｆに制御され、パワー係数最大となる周速比に制御される。

また、第１の実施形態同様、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘを超える場合はトリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。

一方、放出指令値生成部１６は、第１の実施形態と同様、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を抽出して放出指令値Ｐｏｕｔとし、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を電力貯蔵装置７で出し入れすることにより電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

以上のように作用する本実施形態によれば、２次励磁制御された巻線形誘導発電機を用いた風力発電装置においても、変化する風車のピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御され、また、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘ以上になると発電出力Ｐｇが増加して風車回転速度Ωの上昇が抑制されることとなる。さらに、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で吸収されることとなる。これにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。また、発電効率を向上させることができる。

[７．第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態について、図１２を用いて説明する。本実施形態は、第２の実施形態に改良を加えたものであり、周速比基準生成部５２に代えて、ピッチ角βを入力とする周速比基準検索部１２０で構成したものである。なお、第１乃至第６の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このように構成された本実施の形態において、周速比基準検索部１２０は、例えば最小ピッチ角から最大ピッチ角までをある間隔で分割した各ピッチ角毎のパワー係数が最大となる周速比をテーブルとして持ち、入力されたピッチ角βに最も近い２点をテーブルから検索し、それらのピッチ角においてパワー係数最大となる周速比２点を線形補間してピッチ角β時にパワー係数最大となる周速比を周速比基準値λｒｅｆとして出力する。なお、この周速比基準値λｒｅｆの導き方以外は、第２の実施形態と同様であり、周速比基準検索部１２０が出力した周速比基準値λｒｅｆに周速比が制御される。

また、第１の実施形態で示したとおり、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘを超える場合はトリップ抑制指令部１４の出力が急増し、発電出力Ｐｇが増加するように制御されることにより風車回転速度Ωの過剰な上昇を抑制する。一方、放出指令値生成部１６は、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を抽出して放出指令値Ｐｏｕｔとし、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分を電力貯蔵装置７で出し入れすることにより、電力系統への送電電力を概ね一定に保つ。

以上のような本実施の形態によれば、風車のピッチ角に応じた最も高いパワー係数が得られる周速比に制御されること、風車回転速度Ωが回転速度上限値Ωｍａｘ以上になると発電出力Ｐｇが増加して風車回転速度Ωの上昇が抑制されること、発電出力指令値Ｐｇｒｅｆの変動分が電力貯蔵装置７で吸収されることから、電力系統への送電電力を概ね一定に保つことができるとともに、風車回転速度Ωの上昇による停止の確率を低減できる。また、発電効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック図 風力発電装置における周速比に対するパワー係数の特性を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック図。 本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック図。 本発明の第４の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第５の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第６の実施形態に係る風力発電装置の構成図。 本発明の第７の実施形態に係る風力発電装置の構成図。

符号の説明

１…固定翼風車
２…増速機
３…かご形誘導発電機
４…回転形位相機
５…駆動装置
６…変圧器
７…電力貯蔵装置
８…電力変換装置
９…貯蔵量検出器
１０…風速検出器
１１…回転速度検出器
１２…電力検出器
１３…周速比制御部
１４…トリップ抑制指令部
１５…加算器
１６…放出指令値生成部
１７…定電力制御装置
２０…周速比算出部
２１…減算器
２２…ＰＩ回路
２３…リミッタ
２４…減算器
２５…リミッタ
２６…ゲイン要素
３０…バンドパスフィルタ
３１…減算器
３２…不感帯
３３…ＰＩ回路
３４…加算器
５０…可動翼風車
５１…ピッチ角制御装置
５２…周速比基準生成部
６０…減算器
６１…ゲイン要素
６２…加算器
６３…リミッタ
７０…同期発電機
７１，７１’，７２，７２’…交直変換装置
７３…蓄電池
７４，７４ａ，７４ｂ…コンデンサ
７５，７５ａ，７５ｂ…電力検出器
７６…充電量検出器
７７…出力指令値生成部
７８ａ，７８ｂ…定電力制御装置
８０…ローパスフィルタ
８１…減算器
８２…不感帯
８３…回路
８３…路
８４…加算器
１０１…励磁制御装置
１０２…電圧検出器
１０３…直流電圧制御装置
１０４…直流電圧検出器
１０５…巻線形誘導発電機
１０６…励磁回路
１２０…周速比基準検索部

Claims (8)

1. 風車と、前記風車に軸結合された増速機と、前記増速機に軸結合され前記風車の回転エネルギーを電力に変換する誘導発電機と、前記誘導発電機に固定子巻線または回転子巻線の一方を接続し他方を電力系統に接続した回転形位相機と、この回転形位相機の回転子と軸結合された駆動装置と、回転形位相機の端部に接続された電力貯蔵装置とを備えた風力発電装置において、
   前記風車に対する風速と風車回転速度とを計測して得られる周速比とあらかじめ設定された周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、
   前記周速比指令値と前記誘導発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、
   前記発電出力指令値と前記電力貯蔵装置の貯蔵量とを入力として電力貯蔵装置の放出指令値を生成する放出指令値生成部と、
   駆動装置を介して回転形位相機の回転子の角度を制御することにより通過電力を前記発電出力指令値に制御する定電力制御装置と、
   前記電力貯蔵装置を前記放出指令値に基づいて制御する電力変換装置とを備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記風車は、羽根の角度を調整可能な可動翼風車からなり、
   前記風車回転速度と前記電力検出器の出力に応じて風車のピッチ角を制御するピッチ角制御装置を備えることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された同期発電機と、前記同期発電機が発電した電力を直流に変換する第一の交直変換装置と、直流を交流に変換して電力を電力系統に供給する第二の交直変換装置と、前記直流回路に接続された電力貯蔵装置とを備えた風力発電装置において、
   前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値を生成する周速比基準値生成部と、
   前記風車に対する風速と風車回転速度とを計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、
   前記周速比制御部の出力と前記同期発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、
   前記発電出力指令値と計測した前記電力貯蔵装置の充電量とを入力として交直変換装置の出力指令値を生成する出力指令値生成部と、
   変換する電力を前記発電出力指令値に制御する第一の交直変換装置の定電力制御装置と、
   変換する電力を前記出力指令値に制御する第二の交直変換装置の定電力制御装置と、を備えることを特徴とする風力発電装置。
4. 羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された同期発電機と、同期発電機が発電した電力を直流に変換する交直変換装置と、直流を交流に変換して電力を電力系統に供給する交直変換装置と、交直変換装置端に接続された電力貯蔵装置とを備える風力発電装置において、
   前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値を生成する周速比基準値生成部と、
   前記風車に対する風速と風車回転速度とを計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、
   前記周速比制御部の出力と前記同期発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、
   前記発電出力指令値と計測した前記電力貯蔵装置の充電量とを入力として交直変換装置の出力指令値を生成する出力指令値生成部と、
   変換する電力を前記発電出力指令値に制御する第一の交直変換装置の定電力制御装置と、
   変換する電力を前記出力指令値に制御する第二の交直変換装置の定電力制御装置と、を備えることを特徴とする風力発電装置。
5. 羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された増速機と、前記増速機に軸結合された巻線形誘導発電機と、前記巻線形誘導発電機の回転子巻線を励磁する励磁回路と、巻線形誘導発電機端に接続された電力貯蔵装置とを備える風力発電装置において、
   巻線形誘導発電機端の電圧を計測する電圧検出器と、
   前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値を生成する周速比基準値生成部と、
   前記風車に対する風速と風車の回転速度とを計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、
   前記周速比制御部の出力と前記巻線形誘導発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、
   前記発電出力指令値と前記電力貯蔵装置の貯蔵量を入力として電力貯蔵装置の放出指令値を生成する放出指令値生成部と、
   前記巻線形誘導発電機からの発電出力が前記発電出力指令値となるように前記励磁回路を制御する励磁制御装置と、
   前記電力貯蔵装置を前記放出指令値に基づいて制御する電力変換装置とを備えることを特徴とする風力発電装置。
6. 羽根の角度を調整可能な可動翼風車と、前記可動翼風車に軸結合された増速機と、前記増速機に軸結合された巻線形誘導発電機と、前記巻線形誘導発電機の回転子巻線を励磁する励磁回路と、線形誘導発電機端の電圧を計測する電圧検出器と、前記電圧検出の出力を入力とする励磁制御装置と、巻線形誘導発電機に固定子巻線または回転子巻線の一方を接続し、他方を電力系統に接続した回転形位相機と、回転形位相機の回転子と軸結合された駆動装置と、巻線形誘導発電機端に接続された電力貯蔵装置とを備える風力発電装置において、
   前記風車の回転速度を入力としてパワー係数最大となる周速比基準値をを生成する周速比基準値生成部と、
   前記風車に対する風速と風車の回転速度を計測して得られる周速比と前記周速比基準値とを入力として周速比指令値を生成する周速比制御部と、
   前記周速比制御部の出力と前記巻線形誘導発電機からの出力電力とを合算して発電出力指令値とする加算器と、
   前記発電出力指令値と前記電力貯蔵装置の貯蔵量とを入力として電力貯蔵装置の放出指令値を生成する放出指令値生成部と、
   前記駆動装置を介して前記回転形位相機の回転子の角度を制御することにより通過電力を前記電力指令値に制御する定電力制御装置と、
   前記電力貯蔵装置を前記放出指令値に基づいて制御する電力変換装置とを有することを特徴とする風力発電装置。
7. 周速比基準値生成は、風車のピッチ角を入力として入力されたピッチ角においてパワー係数最大となる周速比基準値を検索する周速比基準検索部を備え、
   前記周速比基準検索部の出力を周速比基準値とすることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
8. 風車回転速度を入力とするトリップ抑制指令部を備え、周速比制御部の出力と電力検出器の出力とトリップ抑制指令部の出力の合算を発電出力指令値とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力発電装置。

Images