JP2007043824A

JP2007043824A - 発電装置

Info

Publication number: JP2007043824A
Application number: JP2005225357A
Authority: JP
Inventors: Takehito Noda; 岳人野田; Kazuo Okubo; 和夫大久保; Tsutomu Araya; 勉新谷; Hideaki Moriya; 英朗守屋; Katsuyoshi Nakano; 克好中野; Kyoji Sakamoto; 恭二坂本
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】発電機の待機電力等の損失を抑制するとともに、流体エネルギーを有効に発電することができる発電装置を提供することである。
【解決手段】風力発電装置５００においては、風車３００により風力エネルギーが回転エネルギーに変換される。また、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄにより風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が検出される。そのエネルギー量に対応する物理量の計測値がコントローラユニット１６２保護協調に与えられ、コントローラユニット１６２を介して複数の電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄへの電力供給が指示される。そして、複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄからの電力がコントローラユニット１６２の指示により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄにより発電された電力が変換される。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう発電装置に関する。

従来、流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換する装置として、水力発電装置および風力発電装置等が開発されている。

例えば、特許文献１には、ビル風力発電装置について開示されている。この特許文献２記載のビル用風力発電装置においては、検出手段により風の向きを検知し、その検出手段からの情報を走行手段に送って羽根の位置をもっとも発電可能な場所に移動させるものである。

この特許文献１記載のビル用風力発電装置により、風力発電装置における羽根の位置や向きを可変とし、風がある限りいかなる方向からの風に対しても、最大の効率で発電が行なえるようになり、継続して大きな電力を供給でき、ビルの電力需要に効果的に対応することができる。

また、特許文献２には、エネルギー変換装置について開示されている。特許文献２記載のエネルギー変換装置においては、複数の直流電源および複数の直流―直流コンバータが個々に接続された後、エネルギー合成回路に集約され、インバータに供給される。

特許文献２記載のエネルギー変換装置により、直流電力を効率よく取り出すことができ、又はシステム全体の発電効率を向上させることができる。

このように、特許文献１，２記載の発電装置により、発電効率を高めることができる。
特許２８５８０９０号公報特開２０００−３４１９５９号公報

しかしながら、従来の発電装置においては、複数の発電機からの経路を設けて発電効率の向上を図っているが、全部の経路における機器の消費電力または待機電力が必要となり、流体エネルギーが少量の場合、その消費電力または待機電力以上の発電をすることができないので、見かけ上発電が行なわれていても、発電された電力を自己消費してしまうという課題がある。

本発明の目的は、発電機の待機電力等の損失を抑制するとともに、少量の流体エネルギーから有効に発電することができる発電装置を提供することである。

課題を解決するための手段および効果

（１）
第１の発明に係る発電装置は、自然界に存在する流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう発電装置であって、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量を検出する検出装置と、流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換する変換装置と、変換装置により変換された回転運動エネルギーを用いて複数の系統に供給可能な電力を発電する複数の発電機と、複数の発電機により発電された電力をそれぞれ変換する複数の電力変換装置と、検出装置により検出されたエネルギー量に対応する物理量に基づいて、当該物理量に応じた複数の電力変換装置の負荷を判定する最適負荷状態判定装置と、最適負荷状態判定装置により判定された結果に基づいて、動作させる電力変換装置を決定して当該電力変換装置の動作を制御する動作制御装置とを含むものである。

第１の発明に係る発電装置においては、変換装置により流体エネルギーが回転運動エネルギーに変換される。また、検出装置により流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が検出される。

そして、最適負荷状態判定装置により判定された結果に基づいて動作制御装置により複数の電力変換装置への電力供給が制御される。そして、複数の発電機からの電力が動作制御装置の制御に応じて動作する電力変換装置により変換される。例えば、電力変換装置により三相交流を直流に、または商用電源に応じた形式に変換される。

ここで、流体エネルギーのエネルギー量すなわち流体がもつ運動エネルギーに対応する物理量が少ない場合、最適負荷状態判定装置により複数の電力変換装置のうち、エネルギー量に対応する物理量に最大追従しつつ、かつ最小の待機電力となる電力変換装置の個数に応じた制御が動作制御手段により行なわれる。その結果、全ての電力変換装置の動作を行なう場合と比較して損失を最低限に抑制しつつ、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量に応じて効率のよい発電を行なうことができる。

また、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が多い場合、最適負荷状態判定装置によりエネルギー量に対応する物理量に最大追従しつつ電力変換装置の全てに対する動作指示が動作制御手段により行なわれるので、発電された電力を有効に供給することができる。

（２）
複数の電力変換装置は、少なくとも２以上の電力変換装置の定格容量が同一であってもよい。

この場合、複数の電力変換装置のうち１の電力変換装置が故障した場合でも、定格容量が同一の電力変換装置が他に存在するので、その他の電力変換装置を用いることで、発電を確実に行なうことができる。

（３）
複数の電力変換装置は、少なくとも２以上の電力変換装置の定格容量が異なってもよい。

この場合、電力変換装置の定格容量が異なるので、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が小さい場合でも、そのエネルギー量に対応する物理量に応じて最適な定格容量となるような電力変換装置の組み合わせを作成することができる。その結果、流体エネルギーを最小の損失でかつ最大の発電効率で電力に変換することができる。

（４）
電力変換器は、発電された電力の接続および遮蔽のいずれか一方を制御する切換装置と、切換装置から与えられた電圧を所定の電圧に変換するトランスと、変換された電圧を整流する整流器と、整流された電圧を降圧する降圧コンバータと、降圧された電圧を出力する出力部とを含み、動作制御装置は、切換装置のオンオフを制御する制御回路を含んでもよい。

この場合、最適負荷状態判定装置により判定された結果に基づいて動作制御装置による指示により電力変換装置内の切換装置のオンオフが制御される。それにより、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量に応じた電力変換装置の動作がオンされ、発電機から与えられた三相交流の電力が、指示を受けた電力変換装置の昇圧トランスのみにより交流に変換され、その変換された交流が整流器により直流に整流され、降圧コンバータによりＤＣ／ＤＣ変換がされ、出力部から安定した直流電力として出力される。その結果、動作制御装置による指示が与えられた電力変換装置内の動作が制御され、不必要な電力変換装置の動作が停止されるので、不必要な電力変換装置内の昇圧トランスによる待機電力を削減することができる。

（５）
切換装置は、リレー制御回路からなってもよい。この場合、安価でかつ安定したスイッチの切換えを行なうことができる。また、リレー制御回路の代わりに寿命の長い半導体スイッチを用いてもよい。

（６）
流体エネルギーは、風力エネルギーを含み、変換装置は、風力エネルギーを翼形状の羽根により享受し、揚力を発生させて回転運動エネルギーに変換する風車装置からなってもよい。

この場合、翼形状の羽根を有する風車装置により、風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換させることができる。また、風力エネルギーを用いることにより自然のエネルギーを利用したクリーンな発電が実現できる。

（７）
風車装置は、垂直回転軸を有する直線翼垂直軸型風車を縦方向に複数段積層配置させてもよい。

この場合、風車装置は、直線翼垂直軸型風車縦型の風車を複数段積層配置するので、風力エネルギーが少ない場合でも、風力エネルギーを享受する面積を大きくとることができるので、効率よく風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、本発明に係る発電装置の一例として、風力発電装置５００に本発明を適用した場合について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、風力発電装置５００の一例を示す模式的側面図である。
図１に示すように風力発電装置５００は、主に発電装置１００、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の翼形状の羽根を有する風車３００、風車支持パイプ３２０、風車保持パイプ３１０およびシャフト４００からなる。

図１に示す風力発電装置５００は、主柱２００が４隅に設けられ、主柱２００の上端部および主柱２００の中部にそれぞれ保持板２１０が設けられる。さらにその下方に、主柱２００を互いに支持するために支持梁２２０が隣接する主柱２００同士を支持しあうように垂直方向に設けられ、さらに主柱２００が傾斜しないように地中から支持柱２３０が設けられている。これらの主柱２００等により構成された櫓内に風車３００が垂直縦方向に４段設けられている。

主柱２００等により構成された櫓内の中心にシャフト４００が垂直に設けられる。このシャフト４００の下端部には、発電装置１００が設けられている。この発電装置１００の詳細構造および動作については後述する。

また、シャフト４００の上部で、かつ主柱２００および２枚の保持板２１０ａ，２１０ｂにより囲まれた空間内に、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられ、シャフト４００の下部で、かつ主柱２００、支持梁２２０および保持板２１０ｂにより囲まれた空間内に、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられる。

この風車３００は、翼形状の羽根が１段毎に４枚ずつ設けられ、それぞれ水平方向に９０度毎にずらして設けられる。そして、この翼形状の羽根が２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０によりシャフト４００に固定される。このような風車３００は、一般に直線翼垂直軸型風車と呼ばれる。

この風力３００は、翼形状の羽根により風力エネルギーを享受し、羽根に揚力が生じて時計回りに回転する。翼形状の羽根を有する風車３００が時計回りに回転することにより、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。

次に、図２は、発電装置１００の内部構成の一例を示す模式図である。
図２に示すように、発電装置１００は、主に発電機１１０ａ〜１１０ｄ、電力制御ユニット１２０、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄ、制動ブレーキ１４０、パワーコンディショナー１６０ａ〜１６０ｄおよび系統電力経路１７０を含む。

電力制御ユニット１２０は、主に保護協調制御回路１２１および電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄを含む。なお、図２においては図示していないが、電力制御ユニット１２０は、後述するようにユニット毎にもうけられたコントローラユニット１６２も含む。

図２に示すように、発電機１１０ａ〜１１０ｄ、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄおよび制動ブレーキ１４０は、風車３００のシャフト４００の下端に設けられている。

風車３００の下方のシャフト４００に制動ブレーキ１４０が設けられるとともに、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄが設けられる。回転センサ１３０ａ〜１３０ｄは、流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量、すなわち、風量および／または風速を計測する。その下方に発電機１１０ａ〜１１０ｄがシャフト４００に沿って積層して配置される。

以下、発電装置１００の動作の概略について説明する。
まず、風車３００の翼形状の羽根が、風力エネルギーを享受して揚力を発生させ、その揚力を回転運動エネルギーに変換することによりシャフト４００が回転される。

シャフト４００が回転されることにより発電機１１０ａ〜１１０ｄが発電を行なう。発電機１１０ａ〜１１０ｄにより発電された電力は、電力制御ユニット１２０の電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄにそれぞれ入力される。

電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄは、保護協調制御回路１２１および後述するコントローラユニット１６２からの指示に基づいて入力された電力の変換を行い、変換された直流電力をパワーコンディショナー１６０ａ〜１６０ｄに与える。パワーコンディショナー１６０ａ〜１６０ｄは、直流電力を連系している商用電源の電圧、周波数および位相と同じ交流の電力に変換し、系統電力経路１７０に与える。

なお、本実施の形態においては、系統電力経路１７０により系統連系しているが、系統連系しない自立運転構成であってもよい。また、電力変換ユニット１５０の出力は、パワーコンディショナー１６０に入力されているが、バッテリーに充電する構成であってもよい。この場合、バッテリーの出力は、ＤＣ負荷（例えば、ヒータや照明装置）やインバータを介した一般交流負荷でもよい。

また、シャフト４００の軸回転を検知して回転センサ１３０ａ〜１３０ｄによりシャフト４００の回転数が計測される。回転センサ１３０ａ〜１３０ｄは、計測した回転数を電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄのコントローラユニット１６２（図３参照）にそれぞれ与える。

次いで、電力制御ユニット１２０の電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの詳細について説明する。

図３は本発明に係る発電機１１０ａ，１１０ｂ、昇圧トランス１１５ａ，１１５ｂ、電力変換装置１５０ａ，１５０ｂ、ブレーキ制御ユニット１５９、パワーコンディショナー１６０ａ，１６０ｂ、コントローラユニット１６２および系統電力経路１７０の一配線例を示す模式的回路図である。

図３に示すように、電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄは、主に３相全波整流ダイオード１５１、安定化コンデンサ１５２および降圧コンバータ１５３等を含む。

また、切換えリレー１５５には、コントローラユニット１６２が接続される。コントローラユニット１６２は、回転センサ１３０の回転数に応じてブレーキ制御ユニット１５９に指示を与える。ブレーキ制御ユニット１５９は、制動ブレーキ１４０に指示を与える（図２参照）。制動ブレーキ１４０は、ブレーキ制御ユニット１５９からの指示に基づいてシャフト４００の回転動作を停止させる。

一方、発電機１１０ａの出力は、昇圧トランス１１５ａを介して電力変換ユニット１５０ａに与えられ、電力変換ユニット１５０ａからの出力は、パワーコンディショナー１６０ａを介して系統電力経路１７０に与えられる。

同様に、発電機１１０ｂの出力は、昇圧トランス１１５ｂを介して切換えリレー１５５により電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂのいずれか一方に与えられる。

例えば、図３に示すように、保護協調制御回路１２１および電力制御ユニット１２０内のコントローラユニット１６２からの信号に基づいて切換えリレー１５５が端子Ａに接続された場合、電力は端子Ａからダイオード１５６を介して電力変換ユニット１５０ａの整流器１５１に供給される。

一方、コントローラユニット１６２からの信号に基づいて切換えリレー１５５が端子Ｂに接続された場合、電力は端子Ｂから電力変換ユニット１５０ｂに供給される。このコントローラユニット１６２による切換えリレー１５５の動作については、後述する。

同様に、図２の電力制御ユニット１２０の電力変換ユニット１５０ｃ，１５０ｄについても、電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂと同様の構成からなる。なお、本実施の形態においては、発電機１１０ａ〜発電機１１０ｄおよび電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの各経路における許容電力が異なることとしたが、これに限定されず、同じ許容電力を有してもよい。

次いで、図２および図３の構成を有する発電装置１００の効果について説明する。図４は、発電装置１００の稼動可能範囲および制御電力の比較を示す図である。

図４（ａ）は従来の１台の電力変換ユニットを有する発電装置の場合の運転範囲と制御電力との関係を示し、図４（ｂ）は本発明に係る発電装置１００の場合の運転範囲と制御電力との関係を示す。

図４（ａ１），（ｂ１）に示すように、発電可能な電力は、一般に風力の３乗に比例して変動する。したがって、風力が大きくなるに連れて、発電可能な電力が急激に増加する。その結果、風力が大きくなった場合にも対応できる発電装置を準備する必要があるため、１台の電力変換ユニットで発電できる範囲を大きく設定する必要がある。

この場合、図４（ａ２）に示すように、わずかな風力でも１台の電力変換装置により発電を行なうため、制御電力（待機電力）が一定量ＭＰ１必要となる。

一方、図４（ｂ１）に示すように、本発明に係る発電装置１００のリレー切換え装置１５５を端子Ａに接続することにより、電力変換ユニット１５０ａのみを動作させた場合、電力変換ユニット１５０ａの定格容量ＭＡａ（Ｗ）が最大値となるので、対応できる風力エネルギーは、風力ａ（ｍ/ｓ）までに制限されるが、図４（ｂ２）に示すように、制御電力ＭＰ１よりも低い制御電力ＭＰａ（Ｗ）に低減することができる。

また、本発明に係る電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂを動作させた場合、電力変換ユニット１５０ａの定格容量ＭＡａに電力変換ユニット１５０ｂの定格容量ＭＡｂを足し合わせた定格容量（ＭＡｂ＋ＭＡａ）（Ｗ）が最大値となるので、対応できる風力エネルギーは、風力（ａ＋ｂ）（ｍ/ｓ）までに制限されるが、図４（ｂ２）に示すように、制御電力ＭＰ１よりも低い制御電力ＭＰａ＋ＭＰｂ（Ｗ）に低減することができる。

同様に、本発明に係る発電装置１００の電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを動作させた場合、電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂの定格容量（ＭＡａ＋ＭＡｂ）に電力変換ユニット１５０ｃの定格容量ＭＡｃを足し合わせた定格容量（ＭＡａ＋ＭＡｂ＋ＭＡｃ）（Ｗ）が最大値となるので、対応できる風力エネルギーは、風力（ａ＋ｂ＋ｃ）（ｍ／ｓ）までに制限されるが、図４（ｂ２）に示すように、制御電力ＭＰ１よりも低い制御電力ＭＰａ＋ＭＰｂ＋ＭＰｃ（Ｗ）に低減することができる。

そして、本発明に係る発電装置１００の電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄを動作させた場合、電力変換ユニット１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの定格容量（ＭＡａ＋ＭＡｂ＋ＭＡｃ）に電力変換ユニット１５０ｄの定格容量ＭＡｄを足し合わせた定格容量（ＭＡａ＋ＭＡｂ＋ＭＡｃ＋ＭＡｄ）（ｗ）が最大値となるので、対応できる風力エネルギーは、風力（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）（ｍ／ｓ）となり、従来の発電装置と同じ能力を発揮することができる。また、この場合、図４（ｂ２）に示すように、従来の図４（ｂ１）の制御電力ＭＰ１と等しい制御電力（待機電力）が必要となる。

以上のように、第１の実施の形態に係る風力発電装置５００においては、風車３００により風力エネルギーが回転エネルギーに変換される。また、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄにより風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が計測される。そして、コントローラユニット１６２により切換えリレー１５５の切換えが行われ、複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄへの電力供給が指示される。その結果、複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄからの電力がコントローラユニット１６２の指示により最適な電源変換ユニットに供給され、必要な個数の電源変換ユニットの使用により最適な発電が行なわれる。

例えば、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が少ない場合、保護協調制御回路１２１により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄおよび複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄのうち、エネルギー量に対応する物理量に最大追従しつつ、かつ最小の待機電力となる１または複数の電源変換ユニットに動作指示を行なうので、全ての電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの動作を行なう場合と比較して、待機電力等により生じる損失を最低限に抑制しつつ、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量を有効に発電させることができる。

また、電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの定格容量がそれぞれ異なるので、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が小さい場合でも、そのエネルギー量に対応する物理量に応じて最適な定格容量となるような電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの組み合わせを形成することができるので、風力エネルギーを最小の損失でかつ最大の発電効率で電力に変換することができる。

さらに、切換えリレー１５５を用いているので、安価でかつ安定したスイッチの切換えを行なうことができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る構成が、第１の実施の形態に係る構成と異なる点は以下の通りである。

図５は、第２の実施の形態に係る発電機１１０ａ，１１０ｂ、昇圧トランス１１５ａ，１１５ｂ、電力変換装置１５０ａ，１５０ｂ、ブレーキ制御ユニット１５９、パワーコンディショナー１６０ａ，１６０ｂ、コントローラユニット１６２および系統電力経路１７０の他の配線例を示す模式的回路図である。

図５に示すように、電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄは、主に３相全波整流ダイオード１５１、安定化コンデンサ１５２および高圧コンバータ１５３等を含む。

図５に示すように、発電機１１０ａおよび発電機１１０ｂは直列に接続されており、発電機１１０ａおよび発電機１１０ｂの間に切換えリレー１５５ｂが設けられている。また、発電機１１０ａからの出力は、昇圧トランス１１５ａ、電力変換回路１５０ａ、パワーコンディショナー１６０ａを介して系統電源１７０に接続される。

例えば、コントローラユニット１６２の指示により切換えリレー１５５ｂの端子Ｃがオンされ、切換え回路１５５ａが端子Ａに接続された場合、発電機１１０ｂにより発電された電力は、発電機１１０ａにより発電された電力と合わせて電力変換ユニット１５０ａに供給される。

一方、切換え回路１５５ｂが開放され、切換え回路１５５ａが端子Ｂに接続された場合、発電機１１０ａにより発電された電力は、電力変換ユニット１５０ａに供給され、発電機１１０ｂにより発電された電力は、電力変換ユニット１５０ｂに供給される。

例えば、風力エネルギーが小さい場合、電力変換ユニット１５０ｂを使用しないことにより、電力変換ユニット１５０ｂにおける電力損失を削減することができる。

一方、風力エネルギーが大きい場合、発電機１１０ａにより発電された電力は、電力変換ユニット１５０ａに供給され、発電機１１０ｂにより発電された電力は、電力変換ユニット１５０ｂに供給される。それにより、電力変換ユニット１５０ａにより変換された電力が、パワーコンディショナー１６０ａを介して系統電力経路１７０に与えられるとともに、電力変換ユニット１５０ｂにより変換された電力が、パワーコンディショナー１６０ｂを介して系統電力経路１７０に与えられる。

この場合、第２の実施の形態に係る風力発電装置５００は、コントローラユニット１６２により切換えリレー１５５ａ，１５５ｂの切換えが行われ、複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄへの電力供給が指示される。そして、複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄからの電力がコントローラユニット１６２の指示により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄにより発電された電力が変換される。

例えば、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が少ない場合、保護協調制御回路１２１により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄおよび複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄのうち、エネルギー量に対応する物理量に最大追従しつつ、かつ最小の待機電力となるように電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの一部に動作指示を行なうので、全ての電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの動作を行なう場合と比較して昇圧トランス等の待機電力による損失を最低限に抑制しつつ、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量を有効に発電させることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る構成が、第１および第２の実施の形態に係る構成と異なる点は以下の通りである。

図６は、第３の実施の形態に係る発電機１１０ａ，１１０ｂ、昇圧トランス１１５ａ，１１５ｂ、電力変換装置１５０ａ，１５０ｂ、ブレーキ制御ユニット１５９、パワーコンディショナー１６０ａ，１６０ｂ、コントローラユニット１６２および系統電力経路１７０の他の配線例を示す模式的回路図である。

図６に示すように、発電機１１０ａは、スイッチ回路１５７ａ、昇圧トランス１１５ａ、電力変換ユニット１５０ａ、パワーコンディショナー１６０ａを介して、系統電力経路１７０に接続され、発電機１１０ｂは、スイッチ回路１５７ｂ、昇圧トランス１１５ｂ、電力変換ユニット１５０ｂ、パワーコンディショナー１６０ｂを介して系統電力経路１７０に接続される。

スイッチ回路１５７ａ，１５７ｂは、コントローラユニット１６２の指示により開閉動作を行なう。

例えば、スイッチ回路１５７ａに閉の指示があり、スイッチ回路１５７ｂに開の指示があった場合、発電機１１０ａで発電された電力は、スイッチ回路１５７ａを介して昇圧トランス１１５ａ、電力変換ユニット１５０ａ、パワーコンディショナー１６０ａを介して系統電力経路１７０に供給される。

一方、発電機１１０ｂで発電された電力は、スイッチ回路１５７ｂにより遮蔽される。その結果、昇圧トランス１１５ｂおよび電力変換ユニット１５０ｂにおいて発生する電力損失が生じない。すなわち、コントローラユニット１６２は、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄからの回転数に応じて、発電機１１０ｂにより発電された電力を変換するよりも電力損失の方が大きいと判断した場合、スイッチ回路１５７ｂに対して開の指示を行なう。

一方、発電機１１０ｂにより発電された電力を変換するよりも電力損失の方が小さいと判断した場合、スイッチ回路１５７ｂに対して閉の指示を行なう。この場合、発電機１１０ａで発電された電力は、スイッチ回路１５７ａを介して昇圧トランス１１５ａ、電力変換ユニット１５０ａ、パワーコンディショナー１６０ａを介して系統電力経路１７０に供給され、発電機１１０ｂで発電された電力は、スイッチ回路１５７ｂを介して昇圧トランス１１５ｂ、電力変換ユニット１５０ｂ、パワーコンディショナー１６０ｂを介して系統電力経路１７０に供給される。

以上の構成により、第３の実施の形態に係る風力発電装置５００は、コントローラユニット１６２によりスイッチ回路１５７ａ，１５７ｂの開閉の切換えが行われ、複数の電源変換ユニット１５０ａ，１５０ｂへの電力供給が指示される。発電機１１０ｃ，１１０ｄにおいても同様に動作が行なわれ、複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄからの電力がコントローラユニット１６２の指示により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄにより発電された電力が変換される。

例えば、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が少ない場合、保護協調制御回路１２１により複数の発電機１１０ａ〜１１０ｄおよび複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄのうち、エネルギー量に対応する物理量に最大追従しつつ、かつ最小の待機電力となる１または複数の電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄに応じた動作指示が行なわれるので、全ての電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの動作を行なう場合と比較して損失を最低限に抑制しつつ、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量を有効に発電させることができる。

また、電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの定格容量がそれぞれ異なるので、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が小さい場合でも、そのエネルギー量に対応する物理量に応じて最適な定格容量となるような電源変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄの組み合わせを形成することができる。具体的には、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が小さい場合には、４つの内の定格電力の低い昇圧トランス１１５ａおよび電力変換ユニット１５０ａのみを介して系統電源１７０から電力を出力させことができるので、不必要な昇圧トランス１１５ｂ〜１１５ｄの負荷を低減することができる。

また、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が大きい場合には、４つの内の４台の昇圧トランス１１５ａ〜１１５ｄを足し合わせて従来の定格電力と同様に昇圧トランス１１５ａ〜１１５ｄを設けることができる。

なお、本実施の形態において発電機１１０、回転センサ１３０、電力変換ユニット１５０を４個として説明したが、これに限定されず、他の任意の個数を用いて風力発電装置５００を構成してもよい。さらに、風車発電装置５００を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の任意の風車を用いた発電装置等を用いてもよい。

上記第１〜第３の実施の形態においては、回転センサ１３０ａ〜１３０ｄが検出装置に相当し、風車３００が変換装置に相当し、発電機１１０ａ〜１１０ｄは複数の発電機に相当し、電力変換ユニット１５０ａ〜１５０ｄが複数の電力変換装置に相当し、保護協調制御回路１２１が最適負荷状態判定装置に相当し、コントローラユニット１６２が動作制御装置および制御回路に相当し、切換えリレー１５５，１５５ａ，１５５ｂが切換装置に相当し、トランス１５５ａ〜１５５ｄがトランスに相当し、３相全波整流ダイオード１５１が整流器に相当し、降圧コンバータ１５３が降圧コンバータに相当し、系統電力経路１７０が出力部に相当し、リレー制御回路１５５，１５５ａ，１５５ｂがリレー制御回路に相当する。

本発明は、上記の好ましい第１〜第３の実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

風力発電装置の一例を示す模式的側面図発電装置の内部構成の一例を示す模式図第１の実施の形態に係る発電機、昇圧トランス、電力変換装置、ブレーキ制御ユニット、パワーコンディショナー、コントローラユニットおよび系統電力経路の一配線例を示す模式的回路図発電装置の稼動可能範囲および制御電力の比較を示す図第２の実施の形態に係る発電機、昇圧トランス、電力変換装置、ブレーキ制御ユニット、パワーコンディショナー、コントローラユニットおよび系統電力経路の他の配線例を示す模式的回路図第３の実施の形態に係る発電機、昇圧トランス、電力変換装置、ブレーキ制御ユニット、パワーコンディショナー、コントローラユニットおよび系統電力経路の他の配線例を示す模式的回路図

符号の説明

１１０ａ〜１１０ｄ発電機
１１５ａ〜１１５ｄトランス
１２１保護協調制御回路
１３０ａ〜１３０ｄ回転センサ
１５０ａ〜１５０ｄ電力変換ユニット
１５５，１５５ａ，１５５ｂ切換えリレー
１５５，１５５ａ，１５５ｂリレー制御回路
１５１３相全波整流ダイオード
１５３降圧コンバータ
１６２コントローラユニット
１７０系統電力経路
３００風車

Claims

自然界に存在する流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、前記回転運動エネルギーを用いて発電を行なう発電装置であって、
前記流体エネルギーのエネルギー量に対応する物理量を検出する検出装置と、
前記流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換する変換装置と、
前記変換装置により変換された回転運動エネルギーを用いて複数の系統に供給可能な電力を発電する複数の発電機と、
前記複数の発電機により発電された電力をそれぞれ変換する複数の電力変換装置と、
前記検出装置により検出されたエネルギー量に対応する物理量に基づいて、当該物理量に応じた前記複数の電力変換装置の負荷を判定する最適負荷状態判定装置と、
前記最適負荷状態判定装置により判定された結果に基づいて、動作させる前記電力変換装置を決定して当該電力変換装置の動作を制御する動作制御装置とを含むことを特徴とする発電装置。
前記複数の電力変換装置は、
少なくとも２以上の電力変換装置の定格容量が同一であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記複数の電力変換装置は、
少なくとも２以上の電力変換装置の定格容量が異なることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記電力変換装置は、
前記発電された電力の接続および遮蔽のいずれか一方を制御する切換装置と、
前記切換装置から与えられた電圧を所定の電圧に変換するトランスと、
変換された電圧を整流する整流器と、
整流された電圧を降圧させる降圧コンバータと、
降圧された電圧を出力する出力部とを含み、
前記動作制御装置は、
前記切換装置のオンオフを制御する制御回路を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電装置。
前記切換装置は、
リレー制御回路からなることを特徴とする請求項４記載の発電装置。
前記流体エネルギーは、
風力エネルギーを含み、
前記変換装置は、
前記風力エネルギーを翼形状の羽根により享受し、揚力を発生させて回転運動エネルギーに変換する風車装置からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発電装置。
前記風車装置は、
垂直回転軸を有する直線翼垂直軸型風車を縦方向に複数段積層配置したことを特徴とする請求項６に記載の発電装置。