JP2006121803A - 流体発電装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化や経年劣化等の影響を受けることがなく、かつ利用率の高い流体発電装置の制御装置を提供する。
【解決手段】作動流体エネルギーを駆動源として回転する風車によって駆動される翼回転軸へ連結された同期発電機と、翼回転軸の回転数を検出する回転数検出装置と、翼回転軸を制動するブレーキ装置からなる流体発電装置を制御する制御装置において、翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出した実測の回転数と予め測定した風車の特性から算出した負荷基準から制御負荷量を算出する制御回路と、この制御回路からの制御負荷量信号に対応して負荷量を増減する順変換回路と、この順変換回路が電力を供給する二次電池と逆変換回路とを備えているので、流体発電装置全体の効率を向上でき、温度変化や経年劣化の影響を受けず安定な制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風等の作動流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、電気エネルギーとして利用する流体発電装置の制御装置に関する。

従来の流体発電装置は、例えば特許文献１に開示されているように、翼回転軸は発電機に接続され、作動流体のエネルギーで風車を回転し、風車に連結された翼回転軸が発電機を駆動して発電し、この発電機が出力する交流電力を順変換回路で直流電力に変換し、負荷に電力を供給するように構成されている。

このような従来の流体発電装置では、出力電力が流速の変動に大きく影響されるため、流体発電装置の効率を改善するために常時流速を監視して周速比を計算し、必要に応じてモータによる加速が行われるように制御装置にて制御されている。また、流体発電装置の稼働率を向上させるために、流速が低い場合にも流体発電装置を作動させる必要があるため、流体発電装置の始動トルクは小さいことが求められている。
特開２００３−１５３５９５号公報

しかしながら、上述したような従来の制御装置の場合、流速がしばしば変化するような環境下においては頻繁にモータによる加速を行う必要があり、発電装置から得られる電力量に対して発電装置の制御に必要な電力量が大きくなり流体発電装置全体としての効率が低下する。また、発電装置の制御に周速比を用いており、温度変化や経年劣化等により流体発電装置の風損や、摩擦損が増加した場合などには、実測の風速に対して翼回転軸が設定された回転数で回転せず、翼回転軸を設定された回転数で回転させるために駆動回路が頻繁に動作するため、流体発電装置全体としての稼働率が大きく低下する。

また、発電効率を改善するために同期発電機として永久磁石型同期発電機を採用する場合には、定格運転領域の総合発電効率が改善されるが、始動トルクが大きくなる傾向にある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は流体発電装置の制御に必要なエネルギーを低減することにより流体発電装置の利用率を向上しつつ、温度変化や経年劣化等の影響を受けない制御回路を構成し、発電機として永久磁石型同期発電機を適用できるような流体発電装置の制御装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、作動流体エネルギーを駆動源として回転する風車によって駆動される翼回転軸と、この翼回転軸へ連結された同期発電機と、前記翼回転軸の回転数を検出する回転数検出装置と、前記翼回転軸を制動するブレーキ装置からなる流体発電装置を制御する制御装置において、前記翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出した実測の回転数と予め測定した前記風車の特性から算出した負荷基準から制御負荷量を算出する制御回路と、この制御回路からの制御負荷量信号に対応して負荷量を増減する順変換回路と、この順変換回路が電力を供給する二次電池と逆変換回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２は、請求項１記載の流体発電装置の制御装置において、
前記流体発電装置の発電機として永久磁石型同期発電機を用い、当該流体発電装置の始動のために前記永久磁石型同期発電機を電気的に駆動する駆動回路と、この駆動回路と前記順変換回路を切換えるための切換回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の流体発電装置の制御装置において、前記逆変換回路は前記順変換回路と前記二次電池から電力を供給され、また作動流体の流速変動の影響を受けず常に所望の電力を負荷回路に供給できるように制御し、あるいは二次電池が満充電になることを防ぐためのダミー負荷の切り替え制御を前記制御回路に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、流体発電装置の制御を翼回転軸の回転数のみを用いて構成することが可能で、制御に必要なエネルギーを低減することにより流体発電装置全体の効率を向上でき、温度変化や経年劣化の影響を受けず安定な制御を行うことができる。

また、本発明によれば、流体発電装置の同期発電機として永久磁石型同期発電機を採用した場合にも、流体発電装置が運転可能な流速範囲に制限が加わることがなく、流体発電装置の利用効率を向上させることができ、さらに、二次電池の満充電を防止する制御を行うことで負荷回路に対して一定の電力を供給し続けた場合にも流体発電装置の運転を安定に継続することで流体発電装置の利用率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例である流体発電装置の制御装置の構成図である。
図１に示すように、風車１は支持翼３に支えられた直線翼２が複数接続された翼回転軸４から構成されている。同期発電機５の回転子は変速機６を介して風車１の翼回転軸４に接続しており、作動流体エネルギーで風車１が回転すると、同期発電機５が翼回転軸４の回転数に応じて可変周波数の交流電力を発生する。同期発電機５の固定子には順変換回路１３が切換器１２を介して接続しており同期発電機５で発生する周波数可変の交流電力を順変換回路１３で直流電力に変換する。順変換回路１３は二次電池１５及び逆変換回路１６に接続している。二次電池１５には、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが適用できる。逆変換回路１６は、順変換回路１３や二次電池１５が供給する直流電力を、固定周波数の交流電力に変換して負荷１８に供給する。

制御装置１０は、翼回転軸４に接続された回転数検出装置８の回転数信号と電流計１４の電流信号から、風車１の特性から予め設定された負荷基準を算出し、順変換回路１３へ制御負荷量信号を出力する。また、回転数検出装置８の回転数信号が予め定められた基準値を超えた場合には風車１の過回転保護のため制御装置１０からブレーキ装置７に対してブレーキ制御信号を出力する。このような制御装置１０の実施例を図２に示す。制御装置１０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などを用いて構成できる。

図３は制御回路１０に設定される負荷基準と、流速Ｖ₀における風車１の特性曲線を示す図である。
一般に、温度変化や経年劣化等により流体発電装置の損失が増加した場合には、流体発電装置が出力し得る最大エネルギーＰ₀’は減少する。風車１の特性から得られる最大出力Ｐ₀’を負荷基準Ｐ₀として設定すると、損失が増加した場合に流体発電装置の供給し得るエネルギー以上の負荷がかかる（Ｐ₀’＜Ｐ₀）のため、過負荷状態となり流体発電装置の運転が継続できなくなる。

そこで、図３のように流速Ｖ₀における制御を翼回転軸４が回転数ｎ₀において安定になるように、負荷基準を風車１の特性及び流体発電装置の風損、摩擦損等の損失を考慮してＰ₀とする。これにより、流速Ｐ₀の条件下ではＰ₀’−Ｐ₀＝ΔＰ₀の流体発電装置の損失に対する制御余裕が生じるため、温度変化や経年劣化等により流体発電装置の損失が増加した場合にも安定した運転を行うことができる。

流速がＶ₀からＶ_１に増加した場合には、風車１のトルクが大きくなることで翼回転軸４に供給されるエネルギーが大きくなり、翼回転軸４の回転数が増加する。流速がＶ_{0 、}Ｖ₁における流速と風車１の特性の関係を図４の特性曲線に示す。この特性曲線から分かるように、翼回転軸４の回転数増加に応じて制御回路１０から出力される制御負荷量信号が大きくなり、翼回転軸４の回転数増加量が低減され最終的に負荷基準はＰ₁となり、翼回転軸４の回転数はｎ₁において安定する。

また、流速がＶ₀からＶ₂に減少した場合には、風車１のトルクが小さくなることで翼回転軸４に供給されるエネルギーが小さくなり、翼回転軸４の回転数が減少する。流速がＶ₀、Ｖ₂における流速と風車１の特性の関係を図５の特性曲線に示す。この特性曲線から分かるように、制御負荷基準信号は過渡的に風車１のトルクよりも大きくなるが、風車１は慣性エネルギーにより回転数が急激に減少することはない。そして、翼回転軸４の回転数が減少したことを回転数検出装置８が検出することで、制御回路１０から出力される制御負荷量信号が小さくなり翼回転軸４の回転数の減少量が低減され最終的に負荷基準はＰ₂となり、翼回転軸４の回転数はｎ₂において安定する。

駆動回路１１は、同期発電機５に永久磁石型同期発電機を適用した場合に流体発電装置の始動トルクが大きくなることにより、始動に必要な作動流体の流速が高くなることで、流体発電装置の稼働率が低下することを防ぐために、同期発電機５を電気的に駆動する。

ところで、永久磁石型同期発電機の始動トルクは一般に大きくなることが知られており、始動後に流体発電装置が回転を継続するために必要なエネルギーは、流体発電装置の風損及び摩擦損により決定されるため流速が低い場合にも風車１から流体発電装置が回転を継続するために必要なエネルギーは供給される。このため、始動トルクに相当するエネルギーを駆動回路１１から供給できる制御回路を構成することで、同期発電機５に永久磁石型同期発電機を適用した場合にも、運転可能な作動流体の流速範囲に制限が加わらないような流体発電装置を構成することができる。

図１の実施例において、始動時には制御回路１０からの駆動信号により同期発電機５を電気的に駆動し、始動後に切換器１２により回路を切換えて同期発電機５の出力電力を順変換回路１３へ供給する。駆動回路１１は永久磁石型モータが制御できるような汎用インバータなど、また切換器１２は電磁接触器などが適用できる。

逆変換回路１６は、順変換回路１３及び二次電池１５から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷回路１８へ供給する。逆変換回路１６は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータなどが適用できる。

順変換回路１３が供給できる電力は作動流体の流速の変動に伴って変動するが、逆変換回路１６が負荷回路１８に対して供給する交流電力を一定とするため、順変換回路１３の供給電力が逆変換回路１６の供給電力に対して過剰な場合は二次電池１５に対して充電を行う。順変換回路１３の供給電力が逆変換回路１６の供給電力に対して不足する場合は、二次電池１５を放電させることで逆変換回路１６に対して電力を供給する。順変換回路１３の供給電力Ｐ_CON、逆変換回路１６の供給電力Ｐ_INVに対する二次電池１５の充放電の関係を図６の充放電図に示す。ただし、逆変換回路１６の供給電力をｎ_INVとする。

この充放電図から分かるように、二次電池１５が満充電になれば順変換回路１３の供給電力が過剰となるため、二次電池１５が満充電とならないように制御を行う必要がある。この制御を行うために本実施例では電流計１４の電流信号と制御回路１０の制御負荷量信号を制御回路１０で比較しダミー負荷１７の制御を行う。ダミー負荷１７は電流計１４の電流信号が制御負荷量信号に対して小さい場合に投入され一定の時限を持って引き外される。ダミー負荷１７は抵抗器を適用でき、その容量は同期発電機５の容量よりも大きなものを選定すればよい。

本発明の一実施例を示すブロック構成図。 図１の制御回路のブロック構成図。 流速Ｖ₀における風車１の特性曲線図。 流速Ｖ₀、Ｖ₁における風車１の特性曲線図。 流速Ｖ₀、Ｖ₂における風車１の特性曲線。 二次電池１５の充放電動作を示す図。

符号の説明

１…風車、２…直線翼、３…支持翼、４…翼回転軸、５…同期発電機、６…変速機、７…ブレーキ装置、８…回転数検出装置、１０…制御回路、１１…駆動回路、１２…切換器、１３…順変換回路、１４電流計、１５…二次電池、１６…逆変換回路、１７…ダミー負荷、１８…負荷回路、２１…過回転検出回路、２２…負荷基準算出回路、２３…ダミー負荷制御回路。

Claims (3)

1. 作動流体エネルギーを駆動源として回転する風車によって駆動される翼回転軸と、この翼回転軸へ連結された同期発電機と、前記翼回転軸の回転数を検出する回転数検出装置と、前記翼回転軸を制動するブレーキ装置からなる流体発電装置を制御する制御装置において、前記翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出した実測の回転数と予め測定した前記風車の特性から算出した負荷基準から制御負荷量を算出する制御回路と、この制御回路からの制御負荷量信号に対応して負荷量を増減する順変換回路と、この順変換回路が電力を供給する二次電池と逆変換回路とを備えたことを特徴とする流体発電装置の制御装置。
2. 請求項１記載の流体発電装置の制御装置において、
   前記流体発電装置の発電機として永久磁石型同期発電機を用い、当該流体発電装置の始動のために前記永久磁石型同期発電機を電気的に駆動する駆動回路と、この駆動回路と前記順変換回路を切換えるための切換回路とを備えたことを特徴とする流体発電装置の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載の流体発電装置の制御装置において、
   前記逆変換回路は前記順変換回路と前記二次電池から電力を供給され、また作動流体の流速変動の影響を受けず常に所望の電力を負荷回路に供給できるように制御し、あるいは二次電池が満充電になることを防ぐためのダミー負荷の切り替え制御を前記制御回路に備えたことを特徴とする流体発電装置の制御装置。
   
   

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