JP2006246661A - 風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 風力発電機により発電した電力を系統電源側に供給する。
【解決手段】 風力発電部10により電力が発電され、発電された電力(直流電圧)の電力値に応じて位相制御信号生成部16により位相制御信号S3を生成し、また、系統電源側の交流電圧E1と周波数F1に基づき同期合わせ部15により同期制御信号S2を生成し、位相制御信号S3と同期制御信号S2に基づいて風力発電部10から供給される電力を所定の交流電圧E2に変換し、変換した交流電圧E2を接続部13を介して系統電源に供給する。
【選択図】 図1
【解決手段】 風力発電部10により電力が発電され、発電された電力(直流電圧)の電力値に応じて位相制御信号生成部16により位相制御信号S3を生成し、また、系統電源側の交流電圧E1と周波数F1に基づき同期合わせ部15により同期制御信号S2を生成し、位相制御信号S3と同期制御信号S2に基づいて風力発電部10から供給される電力を所定の交流電圧E2に変換し、変換した交流電圧E2を接続部13を介して系統電源に供給する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、風車により発電された電力を系統電源に供給する風力発電装置に関する。
風力発電装置は、風のよく吹く地点に風車を設置して、その回転力で発電機を回して発電する装置である。この風力発電装置は、環境対策として非常に優れた発電装置であるため、今日までに急速に発展・増加するとともに、技術の進歩・改良がおこなわれている。
ここで、従来の風力発電装置について説明する。風力発電装置50は、図6に示すように、風の流れを利用して風車を回し、その動力で電力を発電する風力発電機51と、風力発電機51から供給される電力を監視する監視装置52と、監視装置52を介して風力発電機51から供給される電力を蓄える蓄電池53と、蓄電池53が過充電とならないように制御するチャージコントローラ54と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ55とを備える。
監視装置52は、風力発電機51から供給される電力の発電量を監視するための電流計と、風力発電機51に電磁ブレーキをかけるためのブレーキスイッチを備えている。監視装置52は、風力発電機51から供給される電力を短絡させることにより、電磁ブレーキをかけることができる。これは、風力発電機51に理論上、無限大の付加をかけることに相当する。
蓄電池53は、風力発電機51の定格出力ワット数に合わせて、容量が決定される。例えば、風力発電機51の定格出力が100Wの場合には、100Ah程度の蓄電池53が用いられる。
チャージコントローラ54は、ダミーロード等の投げ捨て用の負荷56を備えている。チャージコントローラ54は、蓄電池53に蓄えられる充電電圧を制御するために、風力発電機51と蓄電池53の間の接続が切断(開放)されない設計になっている。風力発電機51と蓄電池53とが切断されてしまうと、風力発電機51が無負荷状態(フリースピン)となり、過回転によって風力発電機51自体を破損してしまうからである。したがって、風力発電機51は、常に有負荷状態に保ち続ける必要がある。そこで、チャージコントローラ54は、過剰な電力が生じた場合には、ダミーロードによって投げ捨てる構造となっている。
また、蓄電池53は、直流電源なので負荷として交流機器を使用する場合には、インバータ55によって直流電源を交流電源に変換する。なお、負荷として直流機器を使用する場合には、インバータ55は不要である。
http://www.northpower.co.jp/
ところで、上述した風力発電装置50は、発電所から送られてくる電気(系統電源)とは接続しない構成であり、蓄電池53による独立型の電力供給である。したがって、負荷の設備容量、種類、使用方法(時間)等と風車の出力容量のバランスをとる必要がある。また、部品点数も多いため、装置が大型化し、高価なものとなり、また、蓄電池53の交換も発生する。
また、風力発電機51を複数台設置し、並列接続する場合には、負荷容量、蓄電池53の容量等のバランスを検討する必要がある。
そこで、本願発明では、上述した課題を解決するために、蓄電池を不要とし、風力発電機により発生した電力を、系統電源へ直接供給する風力発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る風力発電装置は、上述の課題を解決するために、風車の回転により得られる動力で電力を発電する風力発電部と、風力発電部で発電された電力を交流電圧に変換する電圧変換部と、電圧変換部を系統電源側に接続する接続部と、風力発電部で発電された電力が第1の任意値以上のときに、第1の信号を生成し、生成した第1の信号を電圧変換部に供給する信号供給部と、系統電源により生じている交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を検出し、検出した交流電圧と周波数に、電圧変換部により変換される交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を同期させるための同期制御信号を生成し、生成した同期制御信号を電圧変換部に供給する同期部と、風力発電部で発電された電力に基づいて、位相を制御する位相制御信号を生成する位相制御信号生成部と、電圧変換部により変換された交流電圧に基づき、接続部を接続状態又は非接続状態に制御する接続制御部とを備え、信号供給部は、位相制御信号生成部により生成された位相信号に基づいて、生成した第1の信号を変調し、変調後の第1の信号を電圧変換部に供給し、電圧変換部は、信号供給部から供給された第1の信号に基づいて、風力発電部で発電された電力を交流電圧に変換する。
本発明では、風力発電部で発電される電圧値が一定になるように電圧変換部を位相制御し、また、電圧変換部で変換される交流電圧及び周波数を、時間的に変動する系統電源側の交流電圧と周波数に同期合わせを行うことにより、安定した交流電圧を系統電源側に供給することができる。
以下、本発明の実施の形態としての風力発電装置について説明する。
風力発電装置1は、図1に示すように、風の流れを利用して風車を回し、その動力で電力Pを発電する風力発電部10と、風力発電部10により発電された電力Pから交流成分を除去する平滑回路(フィルタ)部11と、平滑後の電力を交流電圧E2に変換する電圧変換部12と、電圧変換部12を系統電源側に接続する接続部13と、風力発電部10で発電された電力が第1の任意電圧値(以下、電圧Esという。)以上のときに、第1の信号(ゲート信号S1)を生成し、生成したゲート信号S1を電圧変換部12に供給するゲート信号供給部14と、系統電源により生じている交流電圧E1と、当該交流電圧E1に起因する周波数F1を検出し、検出した交流電圧E1と周波数F1に、電圧変換部12により変換される交流電圧E2と、当該交流電圧E2に起因する周波数F2を同期させるための同期制御信号S2を生成し、生成した同期制御信号S2を電圧変換部12に供給する同期合わせ部15と、風力発電部10で発電された電力Pに基づいて、位相を制御する位相制御信号S3を生成する位相制御信号生成部16と、電圧変換部12により変換された交流電圧E2に基づき、接続部13を接続状態(ON)又は非接続状態(OFF)に制御する接続制御部17とを備える。
また、風力発電装置1は、系統電源により生じている交流電圧E1の異常を感知する感知部18を備える。感知部18は、交流電圧E1の異常を感知した場合、接続部13を非接続状態に制御する。
また、風力発電装置1は、風力発電部10で発電された電力が第2の任意電圧値に達しているかどうかを判断する接地判断部20と、接地判断部20により風力発電部10で発電された電力が第2の任意電圧値に達していると判断した場合に、風力発電部10で発電された電力を接地する接地部21を備える。なお、本実施例では、風車の定格電圧が24Vであり、出力電力が0V〜30Vである風車を用いることとする。
接地判断部20と接地部21は、いわゆる風車の過回転を防止するための回路部を構成しており、風力発電部10の風車が強風により過回転している場合に、得られる過電力により装置が破壊されてしまうのを防いでいる。
系統電源は、電圧と周波数が一定となるように制御されているが、実際には、電圧値と周波数が時間的に変動することが知られている。したがって、風力発電装置1から系統電源に供給される電力(電圧と、周波数)を系統電源側の変化に応じて適宜変化させる必要がある。そこで、本願発明では、風力発電装置1から出力される電圧と周波数を、時間的に変動する系統電源側の電力(電圧と、周波数)にマッチングさせるために同期合わせ部15を備える。
また、風力発電部10は、風の流れを利用して風車を回しているため、風力の変動に応じて発電する電力が変動してしまう。これでは、系統電源側に安定して電力の供給が行えなくなるので、電圧変換部12の出力を安定させ、かつ系統電源側に電力を供給するためにゲート信号供給部14及び位相制御信号生成部16を備えている。以下に、各構成部の動作について詳述する。
まず、電圧変換部12の構成及び動作について詳述する。電圧変換部12は、図2に示すように、フィルタ部11で平滑された直流電圧が入力され、任意の直流電圧に昇圧するDC−DCコンバータ22と、DC−DCコンバータで昇圧された直流電圧を任意の交流電圧に変換するDC−ACコンバータ23とから構成されている。
DC−DCコンバータ22は、詳細は後述するゲート信号供給部14から供給されるゲート信号S1に基づき、例えば、平滑後の直流電圧を100Vの直流電圧に昇圧し、昇圧後の直流電圧をDC−ACコンバータ23に供給する。
DC−ACコンバータ23は、DC−DCコンバータ22から供給された100Vの直流電圧を100Vの交流電圧に変換する。
また、電圧変換部12により変換されて接続部13に出力される交流電圧E2は、ゲート信号供給部14から供給されるゲート信号S1に基づいて位相がシフトされ、また、同期合わせ部15から供給される制御信号に基づいて電圧値及び周波数が適宜変調される。
つぎに、接続部13について詳述する。接続部13は、図1に示すように、接続制御部17により接続状態(ON)又は非接続状態(OFF)に制御されるスイッチ部24と、スイッチ部24が接続状態(ON)のときに、電圧変換部12により変換された交流電圧E2を系統電源側に供給するためのプラグ部25を備えている。また、ここで、プラグ部25の構成について以下に述べる。汎用されている形状のプラグ部は、端子の金属部分が裸となっており、ユーザが感電する可能性がある。そこで、本願発明に係るプラグ部25は、図3に示すように、ユーザに感電をさせないように、端子部をカバー25aにより覆う形状とする。端子部を覆っているカバー25aは、例えば、プラグ内部からスプリング等の弾性部材25bによって固定されており、コンセントに差し込むときに、プラグ内部に引っ張り込まれ(押し込まれ)、端子部をコンセントに接触させる構造を成している。このような構造によって、プラグ部25の端子部は、カバー25aによって保護されており、使用時(コンセントに接続される時)にのみ表出する構造である。さらに、カバー25aがスプリング等による構造であるため、コンセントから抜けかかっていても、端子部が表出することなく安全性を確保することができる。なお、図3(A)は、コンセントに差し込まれる前のプラグ部25を示し、図3(B)は、コンセントに差し込まれた後のプラグ部25を示している。
また、接続制御部13は、ゲート信号供給部14からゲート信号S1が供給されず、交流電圧に変換されない場合(無風状態により風力発電部10から全く電力が供給されない場合を含む)には、スイッチ部20が非接続状態(OFF)となるように制御する。
つぎに、ゲート信号出力部14の構成について詳述する。ゲート信号出力部14は、図4に示すように、風力発電部10から供給された平滑後の電圧(直流)を測定し、測定した電圧が電圧Esに達しているかどうかを判断する判断部30と、キャリア周波数を発生するキャリア周波数発生部31と、出力指令部15により制御される基準周波数を発生する基準周波数発生部32と、キャリア周波数発生部31により発生されたキャリア周波数と、基準周波数発生部32により発生された基準周波数とによりPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、判断部30の判断に応じて、PWM信号をゲート信号S1として電圧変換部12に出力する出力部33とを備える。
判断部30は、例えば、電圧Esを12Vとし、風力発電部10から供給された平滑後の電圧が12Vに達しているかどうかを判断する。判断部30は、風力発電部10から供給された平滑後の電圧が電圧Esに達していると判断した場合には、出力部33に所定の信号を供給する。出力部33は、判断部30から所定の信号を受信した場合には、ゲート信号S1を電圧変換部12に供給する。電圧変換部12は、出力部33から供給されるゲート信号S1に基づいて、風力発電部10から供給された平滑後の電圧を交流電圧に変換し、系統電源へ出力する。なお、風力発電部10から供給された平滑後の電圧Eが、電圧Esに達していない場合には、出力部33から電圧変換部12にゲート信号S1は供給されないため、電圧変換部12から系統電源への電力の供給は行われない。
キャリア周波数発生部31は、例えば、15kHzのキャリア周波数を生成し、生成したキャリア周波数を出力部33に供給する。
基準周波数発生部32は、例えば、50Hz又は60Hzの基準周波数を生成し、生成した基準周波数を出力部33に供給する。また、基準周波数発生部32は、詳細は後述するが、出力指令部15から供給される制御信号に基づいて、基準周波数の位相をシフトし、シフト後の基準周波数を出力部33に供給する。
出力部33は、キャリア周波数発生部31から供給されるキャリア周波数と、基準周波数発生部32から供給される基準周波数に基づき、パルス幅を適宜変調されたPWM信号を生成し、生成したPWM信号をゲート信号S1として電圧変換部12に供給する。なお、出力部33は、変調するパスル幅を基準周波数発生部32から供給される基準周波数の位相に応じて変調させる。
つぎに、同期合わせ部15について説明する。同期合わせ部15は、例えば、図1中A点から電圧変換部12から出力される交流電圧E2を検出し、図1中B点から系統電源側の交流電圧E1を検出する。そして、同期合わせ部15は、系統電源側から検出した交流電圧E1と、交流電圧E1に起因する周波数F1に基づいて、電圧変換部12から出力される交流電圧E2と、交流電圧E2に起因する周波数F2を同期させるための同期制御信号S2を生成し、電圧変換部12に供給する。電圧変換部12は、同期合わせ部15から供給された同期制御信号S2に基づいて、交流電圧を変調し、変調後の交流電圧を出力する。このようにして、風力発電装置1は、系統電源に供給する交流電圧E2と、周波数F2を、系統電源側の交流電圧E1と、周波数F1にマッチングさせることができる。
つぎに、位相制御信号生成部16について詳述する。位相制御信号生成部16は、風力発電部10で発電された平滑後の電力を測定し、測定した値に基づいて、電圧変換部12から出力される交流電圧E2の位相角を所定量進めるための位相制御信号S3を生成する。ここで、位相制御信号生成部16の動作について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。
ステップST1において、位相制御信号生成部16は、風力発電部10から供給された平滑後の電圧(以下、電圧Eという。)が電圧Es(例えば、12V)以上かどうかを判断する。電圧Eが電圧Es以上であると判断した場合(Yes)には、ステップST2に進み、電圧Eが電圧Es以上ではないと判断した場合(No)には、電圧Eの測定を継続する。上述したように、電圧Eが電圧Es以上の場合には、ゲート信号供給部14からゲート信号S1が電圧変換部12に供給され、電圧Eが交流電圧E2に変換され、接続部13に供給される。また、同期合わせ部15は、接続部13に供給されている交流電圧E2を系統電源側の交流電圧E1に同期させるための同期制御信号S2を生成し、電圧変換部12に出力する。一方、電圧Eが電圧Es以上ではない場合には、ゲート信号供給部14からゲート信号S1が電圧変換部12に供給されず、電圧Eが交流電圧E2に変換されない。
ステップST2において、位相制御信号生成部16は、電圧Eが電圧Ep(例えば、24V)以上かどうかを判断する。電圧Eが電圧Ep以上ではない、すなわち電圧Eが12V〜24Vの間であると判断した場合(No)には、ステップST3の工程に進み、電圧Eが電圧Ep以上である、すなわち電圧Eが24V以上であると判断した場合(Yes)には、ステップST7の工程に進む。
ステップST3において、位相制御信号生成部16は、位相角を数%進める位相制御信号S3を生成し、生成した位相制御信号S3をゲート信号供給部14の基準周波数発生部32に供給する。基準周波数発生部32は、供給された位相制御信号S3に基づいて、基準周波数の位相角を所定量シフトし、シフト後の基準周波数を出力部33に供給する。
ステップST4において、位相制御信号生成部16は、電圧Eが上昇したか又は下降したかを判断する。電圧Eが上昇したと判断した場合(Yes)には、ステップST5に進み、電圧Eが下降したと判断した場合(No)には、ステップST6に進む。
ステップST5において、位相制御信号生成部16は、上昇した電圧Eが電圧Epに達したかどうかを判断する。上昇した電圧Eが電圧Epに達していると判断した場合(Yes)には、ステップST7の工程に進み、上昇した電圧Eが電圧Epに達していないと判断した場合(No)には、ステップST3の工程に戻る。ステップST3の工程に戻った場合には、位相制御信号生成部16は、さらに位相角を所定量シフトする位相制御信号S3を生成し、生成した位相制御信号S3を基準周波数発生部32に供給する。
ステップST6において、位相制御信号生成部16は、ステップST3の工程で生成した位相角を数%進める位相制御信号S3に基づき、当該位相制御信号S3よりも位相角の進みを減少させた位相制御信号S3を生成し、生成した位相制御信号S3を基準周波数発生部32に供給する。そして、ステップST4の工程に戻る。
一方、ステップST7において、位相制御信号生成部16は、電圧Eが電圧Epと同じかどうかを判断する。電圧Eが電圧Epと同じであると判断した場合(Yes)、すなわち電圧Eが24Vであると判断した場合には、ステップST8に進み、電圧Eが電圧Epと同じではないと判断した場合(No)、すなわち電圧Eが24V以上であると判断した場合には、ステップST9に進む。
ステップST8において、位相制御信号生成部16は、電圧Eが24Vを維持するように所定の位相角の位相制御信号S3を生成し、生成した位相制御信号S3を基準周波数発生部32に供給する。
また、ステップST9において、位相制御信号生成部16は、電圧Eを24Vに下降するように位相角を進める位相制御信号S3を生成し、生成した位相制御信号S3を基準周波数発生部32に供給する。
また、接地判断部20は、第2の任意電圧値を30Vに設定しており、電圧Eが30Vに達したと判断した場合、接地部21により接地処理を行う。なお、接地判断部20は、第2の任意電圧値を30V以下又は以上に設定しても良い。
したがって、風力発電装置1では、風力発電部10から供給された電圧Eが0V〜12V付近のときには、ゲート信号供給部14からゲート信号S1が電圧変換部12に供給されないため系統電源側には交流電圧E2の供給が行われず、また、電圧Eが12V〜29Vの場合に、位相制御信号生成部16と、ゲート信号供給部14と、同期合わせ部15との協調により、電圧変換部12に供給される電圧Eが24Vになるように制御しながら、系統電源側に位相制御された交流電圧E2を供給し、さらに、電圧Eが30V以上になった場合に、接地判断部20と接地部21の協調により、接地回路が作動する構成になっている。
このように構成される本願発明によれば、風力発電部10により電力が発電され、発電された電力(直流電圧)の電力値に応じて位相制御信号生成部16により位相制御信号S3を生成し、また、系統電源側の交流電圧E1と周波数F1に基づき同期合わせ部15により同期制御信号S2を生成し、位相制御信号S3と同期制御信号S2に基づいて風力発電部10から供給される電力を所定の交流電圧E2に変換し、変換した交流電圧E2を接続部13を介して系統電源に供給する。したがって、本願発明は、風力発電部10で発電される電圧値が一定になるように電圧変換部12を位相制御し、また、電圧変換部12で変換される交流電圧E2及び周波数F2を、時間的に変動する系統電源側の交流電圧E1と周波数F1に同期合わせを行うことにより、安定した交流電圧E2を系統電源側に供給することができる。また、本願発明は、交流電圧E2の位相を系統電源側の交流電圧E1よりも進ませることにより、系統電源内の機器に、交流電圧E2を優先的に使用させることができ、系統電源に供給された交流電圧E2分の電力消費を系統電源側で低減させることができる。
また、本願発明は、風力発電部10にかかる風力に変動が生じても、系統電源側に供給される交流電圧E2の変動は起こさないので、蓄電池の設置は不要となる。また、本願発明は、部品点数が従来のものよりも少ないため、設置が容易である。
また、本願発明は、系統電源側に複数のコンセントがあれば、それぞれに風力発電装置1を接続することにより、容易に並列増設をすることができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは勿論である。
1 風力発電装置、10 風力発電部、11 平滑回路(フィルタ)部、12 電圧変換部、13 接続部、14 ゲート信号供給部、15 同期合わせ部、16 位相制御信号生成部、17 接続制御部、18 感知部、20 接地判断部、21 接地部、22 DC−DCコンバータ、23 DC−ACコンバータ、24 スイッチ部、25 プラグ部、30 判断部、31 キャリア周波数発生部、32 基準周波数発生部、33 出力部
Claims (5)
- 風車の回転により得られる動力で電力を発電する風力発電手段と、
上記風力発電手段で発電された電力を交流電圧に変換する電圧変換手段と、
上記電圧変換手段を系統電源側に接続する接続手段と、
上記風力発電手段で発電された電力が第1の任意値以上のときに、第1の信号を生成し、生成した上記第1の信号を上記電圧変換手段に供給する信号供給手段と、
上記系統電源により生じている交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を検出し、検出した上記交流電圧と上記周波数に、上記電圧変換手段により変換される交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を同期させるための同期制御信号を生成し、生成した上記同期制御信号を上記電圧変換手段に供給する同期手段と、
上記風力発電手段で発電された電力に基づいて、位相を制御する位相制御信号を生成する位相制御信号生成手段と、
上記電圧変換手段により変換された交流電圧に基づき、上記接続手段を接続状態又は非接続状態に制御する接続制御手段とを備え、
上記信号供給手段は、上記位相制御信号生成手段により生成された位相信号に基づいて、生成した第1の信号を変調し、変調後の第1の信号を上記電圧変換手段に供給し、
上記電圧変換手段は、上記信号供給手段から供給された第1の信号に基づいて、上記風力発電手段で発電された電力を交流電圧に変換することを特徴とする風力発電装置。 - 上記風力発電手段で発電された電力が第2の任意値に達しているかどうかを判断する判断手段と、
上記判断手段により上記風力発電手段で発電された電力が上記第2の任意値に達していると判断した場合に、上記風力発電手段で発電された電力を接地する接地手段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。 - 上記信号供給手段は、上記位相制御信号生成手段で生成された位相制御信号に基づいてパルス幅が変調されるパルス幅変調信号を上記第1の信号として生成することを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
- 上記接続手段は、上記接続制御手段により接続状態又は非接続状態に制御されるスイッチ部と、上記スイッチ部が接続状態のときに、上記電圧変換手段により変換された交流電圧を系統電源側に供給するためのプラグ部により構成されていることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
- 上記系統電源により生じている交流電圧の異常を感知する感知手段を備え、
上記感知手段は、上記交流電圧の異常を感知した場合、上記接続手段を非接続状態に制御することを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
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