JP2007074783A - 流体発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 風車１により得られたエネルギーで、固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機２を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置３で直流エネルギーに変換する風力発電設備に於いて、出力電圧や出力周波数を安定して発電することができ、しかも、より経済的な風力発電設備を提供する。
【解決手段】 風車１が回転するまでは、ギャップ長を広げ、風車１が回転を始め流体エネルギーが所定以上あるときは、発電機２の固定子と界磁のギャップ長を所定以上のエネルギーが得られるように狭め、さらにコンバータ装置３で発電機２の最大エネルギーを取り出す制御を行う風力発電設備１０。
【選択図】 図１

Description

この発明は、永久磁石同期発電機を用いた流体発電設備に関するものである。

特許第３３６８５３６号公報 特開２００４−６４８０９号公報

エネルギー需要は化石燃料の枯渇化や環境破壊の問題が深刻化し、このため、太陽光や風力、水力、潮力などの自然力にクリーンで無尽蔵の自然エネルギーの導入が要求されている。従来の風力発電設備は、風車などにより得られた回転エネルギーを増速機を介して発電機を駆動し、発電機としては、電気設備が簡単で済む誘導発電機や出力電圧調整が発電機の励磁回路でできる同期発電機が使用されているのが一般的である。

永久磁石同期発電機は構造が簡単で、保守性、信頼性が優れているが、風力の変動により、出力電圧や出力周波数が変化する。そのため、発電機の交流エネルギーを一旦直流エネルギーに変換するコンバータ装置と、更に直流エネルギーを交流エネルギーに変換するインバータ装置が必要になる。

また特許文献１は、定格出力が異なる複数の同期発電機を翼回転軸に連結し、流体の速度に応じて複数の発電機から最適な定格出力の発電機を選択して組み合わせ、広い流速範囲に対応した連続可変出力を得るように構成した運転モードを採用すると共に、流体の速度と前記翼回転軸の回転数から算出した周速比に基づき、運転モードによる発電機の運転を制御することを提案している。しかしこの装置は最大出力を得ることを目的とするものであり、出力電圧や出力周波数の安定は考慮されていない。さらに定格出力が異なる多数の発電機の組み合わせを切り替えるので、設備が大型になり、制御方法も複雑である。

他方、特許文献２は、ＰＷＭコンバータにより永久磁石同期発電機のベクトル制御を行う風力発電設備の運転制御方法において、誘導起電力の積分演算から得られる鎖交磁束数を用いて回転子位置角を推定して回転位置センサを省略すること、および同一次元オブザーバを用いて推定速度および推定風車入力トルクより風速を推定することを提案している。この制御方法は、回転位置センサや風速センサを省略できるメリットがあるが、推定した風速などに基づいて、風車の羽根のピッチ角を変えたり、増速比を変えることを想定している。そのため、ピッチ角の変更が困難なジャイロミル風車の場合は採用できない。

前述のように、風力（流体）発電設備に永久磁石同期発電機を採用すると、出力電圧や出力周波数を安定させるためにインバータやコンバータが必要になるため、従来は経済的な理由で避けられていた。最近これらの設備がパワーエレクトロニクス技術の急速な進歩に伴い経済化や小型化ができてきたこと、更に永久磁石同期発電機は発電機自体の構造が簡単で、保守性、信頼性に優れていることなどからこの方式が見直されてきた。

本発明は永久磁石同期発電機およびコンバータ装置に新しい発明を取り入れ、インバータを介して出力電圧や出力周波数を安定して発電することができ、しかも、より経済的な流体発電設備を構築することを課題としている。

上記の課題を解決するため、第１発明は、翼車により得られたエネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、翼車が回転するまでは、ギャップ長を広げ、翼車が回転を始め、流体エネルギーが所定以上あるときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を狭め、さらにコンバータ装置で発電機の最大エネルギーを取り出す制御を行うことを特徴とする流体発電設備である。

第２発明は、翼車により得られた流体エネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように広げ、さらにコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とする流体発電設備である。

第３発明は、翼車により得られた流体エネルギーで、永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをＰＷＭコンバータ装置により直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、ＰＷＭコンバータ装置は、所定の進み無効電力成分の電流を発電機に供給しながら、発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とする流体発電設備である。

第４発明は、翼車により得られた流体エネルギーで、永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをＰＷＭコンバータ装置により直流エネルギーに変換する設備に於いて、流体発電エネルギーが所定値を超えたときは、ＰＷＭコンバータ装置で発電機に遅れ無効電力を供給しながら発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とする流体発電設備である。

第５発明は、第１発明の流体発電設備に於いて、流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように広げ、さらにコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とするものであり、第１発明と第２発明の両方の特徴を備えている。

第６発明は、前記第３発明において、流体発電エネルギーが所定値を超えたときは、ＰＷＭコンバータ装置で発電機に遅れ無効電力を供給しながら発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とするものである。第３発明と第４発明を合わせたものに相当する。

第７発明は、第３発明、第４発明あるいは第５発明の何れかにおいて、前記永久磁石同期発電機が、固定子と界磁のギャップ長を調整できるものであり、翼車が回転するまでは、ギャップ長を最長に広げ、翼車が回転を始め流体エネルギーが所定以上あるときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を狭め、さらにコンバータ装置で発電機の最大エネルギーを取り出す制御を行い、流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように広げ、さらにＰＷＭコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とする。これは第３発明、第４発明あるいは第５発明の何れかに、第１発明と第２発明の構成を加えたものに相当する。さらに第１発明、第２発明、第３発明および第４発明の全部を組み合わせた流体発電設備が好ましい。

第８発明は、翼車により得られた流体エネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する設備に於いて、コンバータ装置を整流器で構成し、このコンバータ装置に整流器が発生する高調波を吸収し、さらに力率調整ができるアクティブフィルタ装置を並列に接続したことを特徴とする流体発電設備である。

第９発明は、第８発明のコンバータを、整流器だけでなく、整流器と直流リアクトルと昇圧チョッパの直列回路で構成することを特徴としている。

第１発明は、翼車が回転するまでは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を拡げているので、発電機の抵抗が少ない。そのため、翼車が容易に回転を開始することができる。そして翼車が回転を始め、流体エネルギーが所定以上になると、ギャップ長を狭めるので、充分な発電量が得られる。さらにそのとき、コンバータ装置で発電機の最大エネルギーを取り出すようにギャップ長を制御するので、効率的に発電することができる。

なお、ここで「所定以上のエネルギーが得られるように」としているのは、所定値よりも少ないエネルギーが得られる場合は、まだギャップ長を狭めず、所定の値のエネルギーが得られる程度に流体エネルギーが強くなったときに、ギャップ長を狭くする意味である。すなわち、流体エネルギーが弱いときにギャップを狭くすると回転が止まるので、これを防止するためである。また、「最大エネルギーを取り出すように制御する」とは、コンバータ装置で直流を交流に変換するとき、取り出すエネルギーが最大になるようにコンバータ装置の入力電流、すなわち発電機の出力電流を制御する意味である。

第２発明は、流体エネルギーが所定値を超えたときは、ギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように拡げると共に、コンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うので、発電量はそれ以上増加しない。そのため、出力が安定する。なお、「コンバータ装置が発電エネルギーを抑制するように制御する」とは、コンバータ装置の入力電流が発電機の最大出力エネルギーを取り出さない方向になるように制御する意味である。

第３発明では、所定の進み無効電力成分の電流を発電機に供給しながら、発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換するので、発電機の内部インピーダンス電圧降下が減少し、発電機の電圧が上昇する。そのため、発電機の体格を小型にできる。

第４発明では、ＰＷＭコンバータ装置で発電機に遅れ無効電力を供給しながら発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換する。それにより発電機の内部インピーダンス降下が増加し、これにより発電機の出力電圧が低下して発電の余剰エネルギーを抑制する効果がある。

第５発明は第１発明と第２発明の両方の特徴とを備えているので、両方の作用効果を達成することができる。

第６発明は第３発明と第４発明の両方の特徴を備えているので、両方の作用効果を達成することができる。

第７発明は第３発明、第４発明あるいは第５発明の何れかに、第１発明と第２発明の特徴を組み合わせたものである。いずれも組み合わせた発明の作用効果を合わせて達成することができる。

第８発明は、コンバータ装置を整流器で構成し、このコンバータ装置に整流器が発生する高調波を吸収し、さらに力率調整ができるアクティブフィルタ装置を並列に接続しているので、小容量のアクティブフィルタ装置を利用することでコンバータ装置を安価にでき、第３発明と第４発明の効果を得ることができる。
第９発明では、第８発明のコンバータを、整流器だけでなく、整流器と直流リアクトルと昇圧チョッパの直列回路で構成しているので、発電機には昇圧チョッパの出すサージ電圧が低下し、発電機の電圧責務が低下するという利点がある。

以下、風力発電設備を例にあげて説明するが、本発明はこれに限らず、水力発電、蒸気発電、ガス発電、潮の干満を空気圧の変動に変換して発電する潮力発電など、他の自然力を利用した流体発電設備にも適用することができる。
図１は風力発電設備１０の概略構成図であり、符号１は風車で、２は風車の回転によって発電する永久磁石発電機（ＰＭＧ）である。符号３はその発電機２が発生する交流を直流に変換するコンバータ装置であり、符号４はコンバータ装置３が変換した直流を再度交流に変換するインバータ装置である。５は前述のコンバータ装置３とインバータ装置４からなるパワーコンディショナ装置であり、そのパワーコンディショナ装置５には系統保護設備（系統連系装置）６が連結されている。それにより風車１により得られた風力エネルギーは、発電機２で電気エネルギーとなり、パワーコンディショナ装置５を介して商用電源と同等の周波数と電圧に変換され、系統に連系される。

風力エネルギーは風によるエネルギーのため、風がないと電気エネルギーは零となり、損失等がなければ風速の３乗で電気エネルギーを出力することができる。このため、課題は微風のときの風力エネルギーを如何に確保し、定格出力までの風力エネルギーを如何に有効に活用できるかであり、さらに強風等で定格を超えた風力エネルギーを如何に抑えることができるかが、風力発電設備の大きな課題である。

同期発電機は固定子巻線と永久磁石による回転子とのギャップ（空隙）をηとすると、誘起電圧Eはギャップが狭いほど誘起電圧は上昇し、ギャップが広がるほど誘起電圧は減少する。また、風車の回転速度は、ギャップ長が広いほど速くなり、ギャップ長が狭いほど回転数が低下する。このため微風で風車が廻り始めのときは、ギャップを広げたほうが回転がしやすくなる。

通常の永久磁石発電機は固定子と回転子の距離は最大エネルギーを取り出すために、製作上許容できる最短距離に固定されている。このため微風のときは回転子のイナーシャまたは永久磁石の吸引力等のため回転し難い欠点があった。

強風等で風速が必要以上に早くなると、発電能力が増加し風力発電設備の責務が大きくなる。風車自体は、パワーコンディショナの突然の故障や、停電等で出力が無負荷になると回転数が増加するため、また風に晒されるため、ある程度の風速までは耐えるようにしないとならないが、非常に稀な高速回転数のエネルギーまで利用しようとすると発電機やパワーコンディショナ設備を大きくする必要があり不経済な設備となる。

このことから、プロペラ型風車の場合は所定以上の風速になった場合は、翼の角度を変えるピッチ制御等で風車の回転数を抑制して、発電機やパワーコンディショナ設備が過負荷にならないようにしている。このため翼の角度を変える特別な設備が必要となっていた。また、ジャイロミル型風車は、風向きが３６０度で回転できる優れた特長があるが、ピッチ制御が構造上でき難い等の理由から余り普及していないのが現状である。 ジャイロミル風車の翼と発電機の概念図を図２に示す。

図２において、符号１１は風車の翼、１２は軸、１３は固定子、１４は回転子、１５はギャップ、１６はベアリング、１７は固定材である。この風力発電設備では、固定子１３を上下方向にずらすことで、発電機２の固定子１３と永久磁石を備えた回転子１４のギャップ１５を調整することができる。

また更に、必要以上の強風になった場合は、発電機２の固定子１３と回転子１４のギャップ長を広げると、風力エネルギーから電気エネルギーの変換が弱まることは一般的に知られていたが、ギャップ調整が困難であったため、この方法は採用されず固定子と回転子を固定し、ピッチ制御等に頼っていた。

風車の風速エネルギーがすべて風車の回転トルクに変換され、風車出力トルクから風車損失トルクを引いたエネルギーが風車の発電エネルギーPとなったとすると、発電機出力端の出力Poutは発電エネルギーから、発電機の鉄損Pilosと銅損Pclosを引いたものとなる。

また、発電機端の消費電力をPoutすれば、以下の関係式が成立している。
P−Pilos−Pclos ＝Pout・・・・ １式

発電機は内部にリアクタンスがなければ、発電機の容量はPで製作すれば良いことになるが、発電機の内部にリアクタンスあるため、この分だけ大きくしなければならない。

発電機の誘起相電圧をE、内部抵抗をR、内部リアクタンスをX、発電機出力端の相電圧をVとし、発電機出力端の負荷が完全な抵抗成分でこの電流をIrとすると、鉄損を無視した等価回路は図３、ベクトル図は図４となり、以下の関係式が成立する。
・E=V+R*Ir+jX*Ir・・・２式
・V=√｛（E-R*Ir）＾2＋（-X*Ir)＾2・・・３式
なお、符号「*」は、「×」と同じく「積」を意味し、符号「＾2」は「２」と同じく「べき乗（この場合は二乗）」を意味する。以下の式でも同様である。

発電機出力端の三相負荷電力Poutと発電機自体の体格容量Pは以下の式で表される。
・Pout=3*V*Ir・・・４式
・P=3*E*Ir・・・５式

λ＝Pout/Pとするとλ＝V/Eで表され、λは無負荷電圧と全負荷電圧の電圧降下率となる。発電機自体の体格容量PはP=Pout/λとなり発電機出力端の容量よりも増加することになる。通常の永久磁石発電機はX"RでXそのものが大きいため電圧降下率はほぼＸで決まっている。通常の発電機の電圧降下率は３０％から４０％のため、発電機出力端容量を１００％とすると１４０％から１６０％大きさの発電機を製作していることになる。

この発明は、ジャイロミル型風車の風力エネルギーを、増速機を使用せず永久磁石同期発電機２を駆動し、パワーコンディショナ５を介して商用電源系統に連系するシステムを狙ったものである。発電機には固定子１３と界磁（回転子１４）のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機２を使用し、コンバータ装置３はダイオード整流器、または 力率調整ができるＰＷＭコンバータ設備を使用し上記課題を達成するものである。またプロペラ風車型風力発電設備等に、この発明を適用することでピッチ制御が不要とすることも可能である。

上記の課題を達成するために第１発明は、風車により得られた風力エネルギーで、発電機２の固定子１４と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機２を駆動する。ギャップを調整する方法を図２で説明すると、風車１に直結した回転子１４はベアリング１６を介して上下に移動しないように支持しておき、固定子１３は上下方向に動くようにすることで容易に達成することができる。

風車１が回転する前は、風車１に直結した回転子１４の永久磁石の磁束の影響で、固定子１３とのギャップ１５が狭いと磁束が固定子１３と交鎖しやすくなり回転し難くなる。このため、回転する前は固定子１３と回転子１４のギャップ１５を広げるようにする。このことで微風でも風車は容易に回転できるようになる。風車１が回転を始めるとギャップ１５を狭めていく。所定の風速となったときに最小ギャップとなる。このときのコンバータ装置５は、回転数とギャップ情報、または発電機２の電圧・電流情報などから、発電機２の最大出力となる電流を演算して発電機２から電流を取り出し、所定の直流電圧まで上昇させるようにする。

風力発電装置の特性を図５に示す。カットイン風速を下げ、定格までの風速では効率よく風力エネルギーを取り出し、定格を超える風速では電気エネルギーの出力を如何に抑制するかが大きな課題となる。

カットイン風速を下げるために、発電機の固定子と回転子のギャップ長を広げ風車が回転しやすくなるようにする。ギャップ長は永久磁石の影響が少なくなる位置、とくにほとんど影響がなくなる最長の位置まで拡げる。そして定格風速までは、前記ギャップを最短距離に狭め、発電機の電気エネルギーが最大出力をだせるようにする。このときコンバータ装置は、発電機の回転数やギャップ長の情報から発電機の最大出力となる制御をする。強風などで風力エネルギーが余剰になったときは、発電機のギャップ長を広げ、またコンバータは発電機の最大出力制御から出力抑制制御に切り替え風力余剰エネルギーを抑制するようにする。

次に発電機の最大出力を取り出す制御に付いて説明する。図６に発電機のギャップ長を一定とし、発電機の回転数をパラメータとした発電機の出力電流と出力電圧特性を示す。電流軸に交わる点は出力短絡を意味し、電圧軸に交わる点は無負荷開放電圧を意味している。回転数が大きくなるほど発電機のエネルギーは増大する。

回転数が一定ならば、負荷電流の増加に対して出力電圧は低下する特性になる。発電機の最大出力点は電圧・電流の積の最大値の位置になる。このため、発電機の定数が決まればギャップ長と回転数から、発電機の無負荷開放電圧が求まり、ここから最大エネルギーを出力する電流を求めることができる。このことからコンバータ制御装置に、発電機のギャップ長と回転数の情報を与えると、発電機の出力が最大となる出力電流を演算することができ、この電流を取り出すようににコンバータ装置を運転すればよいことになる。

第１発明の風力発電設備を運転する制御の流れを図７のステップＳ１からステップＳ６に示す。図７に於いて、ステップＳ１では、風車とコンバータ装置は停止状態で、発電機のギャップは最大広め位置にある。このときは図１に示すインバータ装置４は既に系統に連系されて、パワーコンディショナ５の直流電圧は所定の第１レベルで系統側のエネルギーから運転している。

ステップＳ２で運転指令が入る。ステップＳ３で運転指令により発電機のギャップ位置は狭める方向に移動する。ステップＳ４からＳ６で、風速が所定以上の速度があれば、ギャップは最小狭め位置になり、コンバータ装置３は発電機２が最大出力となる制御で運転を開始する。

このときコンバータ制御装置側での直流電圧設定レベルの第２レベルをインバータ装置で設定した第２レベルより高めに設定すると、直流電圧は上昇しようとするが、直流電圧はインバータ装置側の第１レベルで設定されているため、風力エネルギーで上昇しようとした直流電圧は系統にエネルギーを放出することで、インバータ側で設定した所定の第１レベルとなる。

第２発明は、強風などで風車エネルギーが定格出力以上になった場合に発電機の電気エネルギーを抑制するためのものである。風力発電設備の特性は風速により電気エネルギーの出力が決まる。風速と電気エネルギーの出力の関係を整理すると、図５に示すように、（１）出力を出す点をカットイン風速、（２）定格出力までの通常風速、（３）出力を抑制している過出力風速、（４）風車が危険速度で回転するためで風車を止めるカットアウト風速に分けられる。

最適な風力発電特性は（１）は微風で如何に風車を回転させるか、（２）は風力エネルギーを如何に効率よく電気エネルギーに変換するか、（３）は設備の経済的な理由から電気エネルギーを如何に抑制するか、（４）は風車の耐量をどこまでもたせるかが課題となる。特に（３）、（４）は国内の風力システムでは、殆ど強風に遭遇しないヨーロッパと異なり、経済的なシステムと安全な設備を構築する上で非常に重要な課題となる。

風速が所定以上に上昇した場合は、インバータ装置の出力にリミッタをもたせておくと、インバータ装置の出力が一定となるため、直流電圧が所定の第１レベル以上に上昇する。所定以上の風速を、コンバータ装置の出力や前記直流電圧上昇値、または回転数等から判断し、コンバータ装置の発電機の最大出力を取りだす制御から、出力を弱める電流制御に切り替え、さらに発電機はギャップ長を広げる制御を行う。これらにより、プロペラ形風車で採用しているピッチ制御等を行わなくても発電機の出力は抑制でき経済的なシステムを構築することができる。図８に第１発明と第２発明に関するギャップ長と発電機の回転数に対する発電機出力特性の一例を示す。発電機の出力特性はギャップ長で大きく変化しているのが分かる。

このときの制御フローは図７に於いて、ステップＳ７からＳ１０になる。風力エネルギーが定格を超えると、インバータ装置の出力も定格を超えようとするが、インバータ装置側はインバータ制御により、インバータ装置の出力が定格になったことで出力にリミッタがかかり、直流が所定レベル１から上昇し、コンバータで設定された所定レベル２に近づく。このことでインバータは定出力で運転することになる。ステップＳ７で風力エネルギーが定格を超えたレベルかを判断し、定格を超えたレベルとなったときは、発電機のギャップを広げる方向に制御する。このことで発電機の電圧は低下してくる。同時にコンバータ制御は発電機の最大出力制御から出力を抑制する制御に切り替える。風力エネルギーが定格を超えたか否かは、直流電圧が所定のレベル１を超えたことから判断でき、このときコンバータ装置の出力はコンバータの取り出す電流を最大制御動作点からずらすことで発電機の余剰エネルギーの抑制を達成することができる。

第３発明はギャップ調整機能を有しない通常の永久磁石同期発電機を使用したときに、インバータ式のＰＷＭ（パルス・ワイド・モジュレーション）コンバータを使用して、最適な風力発電設備を達成することを目標としたものである。ＰＷＭコンバータは、正弦波電圧を模擬したパルス幅を変える制御方式であるが、インバータと同様な制御ができ発電機の電流に低次高調波を殆ど含まず、さらに発電機に進み無効電力成分や遅れ電力成分の電流を供給できる特長があることがよく知られている。
第３発明では、ＰＷＭコンバータ装置を適用し、発電機に進み無効電力成分の特定力率の電流を供給することで発電機のインピーダンス電圧降下が改善でき発電機容量を小型化できる。また、強風などで風力エネルギーが余剰となったときは、インバータ装置側は前述の第２発明の場合と同様な制御になるが、コンバータ装置側はコンバータ装置の制御により遅れ無効電力成分の電流を発電機に流し、発電機の出力電圧を低下させることで風力エネルギーを抑制することができる。

図９に発電機出力端に鉄損を無視した進み無効電力成分の電流をとったベクトル図を示す。このときの進み力率をＰｆとし、電流をＩｒ＝Ｉｒ*Ｐｆ＋ｊＩｃ*√（1-Ｐｆ２）=Ｉｒｒ＋ｊＩｃで表すと以下の関係式が成立する。
Iｒ＝Ir*（Ｐｆ+j√（1-Ｐｆ＾2）＝Irr+jIc ・・・・６式
E=（V+R*Irｒ-Ic*X）+j（X*Irｒ＋R*Iｃ） ・・・・７式
E^2=（V+R*Irｒ-Ic*X）＾2+（X*Irｒ＋R*Iｃ）＾2 ・・・８式
V=(E^2-（X*Irｒ＋R*Iｃ）＾2）＾0.5-R*Irｒ+Ic*X ・・９式

発電機出力端の三相電力Pout、皮相電力Ｐｏｕｔ‘ 発電機の内部皮相電力Ｐはそれぞれ以下の式で表させる。
Pout=3*V*Ir*Ｐｆ＝３*「(E^2-（X*Irｒ＋R*Iｃ）＾2）＾0.5-R*Irｒ+Ic*X」*Ir*γ ・・・・１０式
Ｐｏｕｔ‘＝３*Ｖ*Ｉｒ＝３*「(E^2-（X*Irｒ＋R*Iｃ）＾2）＾0.5-R*Irｒ+Ic*X」*Ir ・・・・１１式
Ｐ ＝３*Ｅ*Ｉｒ ・・・１２式

進み無効電力成分の電流を流すことで発電機出力端の電圧は主にX*Iｃ分で上昇するが、有効電流成分は力率Ｐｆが低下した分減少する。これらの式はＩｒを一定として、力率Ｐｆに対してそれぞれが極大点をもっている。進み無効電力成分を適切に選択すると発電機出力端に力率１の負荷を取ったときよりも、発電機の体格を小さくすることができる。

このため、発電機の誘起電圧Ｅが一定ならば発電機に同じ実効値の電流Ｉｒを流しても特定進み力率で極大点をもつ出力Ｐｏｕｔがとれることを意味している。

ＰＷＭコンバータの直流電圧設定値は前記インバータの所定の第１設定レベルよりも高いレベルとすることにで、第１発明で説明した原理で、流体発電エネルギーを、インバータ装置を介して系統に供給することができる。すなわち、コンバータ制御装置側での直流電圧設定レベルの第２レベルをインバータ装置で設定した第２レベルより高めに設定すると、直流電圧は上昇しようとするが、直流電圧はインバータ装置側の第１レベルで設定されているため、風力エネルギーで上昇しようとした直流電圧は系統にエネルギーを放出することで、インバータ側で設定した所定の第１レベルとなる。

この発明を採用した具体的な例として、図１０に示す発電機出力端の概略図および図１１に示す発電機誘起電圧Ｅを基準にしたベクトル図を参照した解析の条件を表１に示す。さらに表２にその解析結果を示す。

解析結果を分かりやすくするために、発電機の誘起電圧を基準にしたベクトルを採用した。発電機の誘起線間電圧を１６６．６Ｖ一定とし、風力エネルギーは電気エネルギーに換算して、最大５６ｋＷ、発電機出力端を５０ｋＷとし、ＰＷＭコンバータで発電機に流し込む進み無効電力成分の電流で発電機特性（発電機出力端電圧、発電機入力容量、発電機出力端力率等）がどのように変化するかを演算した。発電機の内部定数は最も一般的な３相発電機（定格電圧１００Ｖ インピーダンス降下率４０％ Ｒ／Ｘ＝０．１）を使用した。

表２の解析結果からＰＷＭ装置から進み無効電力成分の電流の大きさの影響で、発電機の内部力率は、誘起電圧を基準に考え、１．０から遅れて０．６７まで変化し、これにより発電機出力端の電圧実効値は１７６．７Ｖから１００Ｖまで変化する。このため５０ｋＷを取るための発電機の出力電流は１８１．８Ａから２８８．７Ａまで変化することになり、この結果、発電機の必要な設備容量は最小で５３ｋＶＡから最大８３．３ｋＶＡまで変化する。

（１）従来方式 従来方式は発電機の出力端の力率１（表２の最下段参照）
出力５０ｋＷの発電機を適用して抵抗負荷で５０ｋＷを取ろうとすると、出力電圧は１００Ｖで負荷電流は２８８．７Ａ 発電機は８３ｋＶＡの体格のものが必要になる。
（２）本発明方式 今回の方式は発電機の出力端の進み力率０.９４ （表の２段目参照）
出力電圧はほぼ発電機の誘起電圧と等しい１６６．３Ｖまで上昇し、このことで５０ｋＷ出力を取り込む負荷電流は１８３.８Ａでよいことになり、発電機は５３ｋＶＡの体格で良いことになる。

以上の計算結果から進み力率０．９４としたときは、従来方式と比較して発電機の体格を６４％に小型化できる。コンバータ装置は余分な進み無効電力を供給するが、進み力率０.９４で良いため、コンバータの容量の増加分は６％で済み、全負荷から無負荷までの範囲で電圧変動が殆どなくなり、逆に主回路素子の選定が楽になりＰＷＭコンバータの設備容量も小型化ができる。ＰＷＭコンバータの力率制御で発電機を小型化できることを中心に話を進めてきたが、有効電力を取り込む量は発電機の回転数や周波数等から発電機が最大出力となる演算をしながら制御を行うことは説明するまでもない。

第４発明は強風などで風車エネルギーが定格出力以上になった場合に、発電機出力を抑制するために、前記第１発明の原理を利用して発電機に遅れ無効電力を供給することで達成する。すなわち、発電機のギャップ制御機能とＰＷＭコンバータ装置の力率制御機能を併用して、カットイン風速を下げ、定格風速までは効率よく風力エネルギーを電気エネルギーに変換し、強風などで風力エネルギーが余剰になったときは、発電機のギャップを広げる制御とＰＷＭコンバータ装置の進み無効電力量を低減または遅れ無効電力を供給する制御で、風力余剰エネルギーを抑制するようにする。実効値をＩｒとした遅れ無効電力成分の電流は力率をＰｆとすると以下となる。
Ｉｒ＝Ｉｒ*Ｐｆ-ｊＩｒ*√（1-Ｐｆ2）＝Ｉｒｒ−ｊＩｃ ・・・・１１式

このため、前述の９式は下記となり、発電機出力端子電圧は低下する。
V=(E^2-（X*Irｒ-R*Iｃ）＾2）＾0.5-R*Irｒ-Ic*X ・・・・１２式
発電機出力電力Ｐｏｕｔは3*Ｖ*Ｉｒ*γとなり低下して発電機出力を抑制できる。

図１３に発電機の出力に遅れ力率の負荷をとったときのベクトル図を示す。ＰＷＭコンバータで遅れ無効電力を供給しながら負荷をとると、発電機の出力電圧が低下する。

発電機の出力を抑制する直流電圧制御方法は第２発明の場合と同じであるので説明は割愛する。但し、この場合の発電機の出力抑制制御は、発電機の最大出力となる動作点の電流をずらすのでなく、力率制御の進み量を減らし、さらに発電機の出力電圧を下げる場合は、遅れ力率にすることで達成する。

図２のジャイロミル風車で説明してきたが、この考えは、ギャップ長の調整を必要としないため、通常のプロペラ型風車にも適用することができる。そしてこの方式を適用すると、プロペラ型風車発電機で採用しているピッチ制御が不要になる。

第５発明は第１発明と第２発明の両方を備えた方式である。そのため、両方の作用効果を得ることができる。そのため、両方の発明の作用効果を奏することができる。また、第６の発明は第３発明と第４発明の両方を備えた方式である。この場合も両方の発明の作用効果を奏することができる。

第７発明は第３発明、第４発明あるいは第５発明の何れかに、第１発明と第２発明の特徴を組み合わせたものである。いずれも組み合わせた発明の作用効果を合わせて達成することができる。さらに第１発明、第２発明、第３発明および第４発明を全部備えた方式は、発電機の固定子と回転子のギャップ制御とＰＷＭコンバータの力率制御を同時に行う方式である。このことにより、微風のときでも風車は回転しやすくなる。またＰＷＭコンバータの進み力率制御で発電機を小型化でき、風速により最適なギャップ長に調整し、ＰＷＭコンバータで発電機の最大出力行うことで、最も効率よく風力エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、強風等で風力エネルギーが余剰となったときは、ＰＷＭコンバータの遅れ力率制御と発電機のギャップを広げる制御で余剰エネルギーを効率よく抑制することができる。

第８の発明はコンバータ装置にダイード整流器と昇圧チョッパを適用したときに、コンバータ装置は経済的な設備になるが、ダイオード整流器は発電機に高調波電流を流すことで発電機に悪影響を与え、さらに前記のような力率制御ができないために発電機が大きくなる欠点がある。このため第５発明では、ダイオード整流器からなるコンバータ装置に、ダイオード整流器の高調波電流を吸収できるアクティブフィルタ機能と無効電力を供給できるＰＷＭコンバータを、並列に接続して上記問題を解決した。すなわちコンバータ装置部をダイオード整流器と昇圧チョッパを適用したときに、ダイオード整流器の高調波電流を吸収でき、進みまたは遅れ無効電力を供給できるアクティブフィルタを前記コンバータと並列に接続して、前述の第３発明の場合と同様な制御を行う。

第８発明の実施形態となる風力発電設備の全体回路図を図１２に示す。発電機とコンバータ装置は前記第１と前記第２の発明で動作している。アクティブフィルタ装置２０は、ダイオード整流器１９の高調波電流成分を検出し、制御装置２１によってこの成分と逆方向の高調波電流を流し、発電機２に流れ込む高調波電流を防止する。さらに、流体発電エネルギーが定格以内のときは、第４発明の進み無効電力成分の電流を出力し発電機容量を低減することができる。なお、図１２の符号１９はダイオード整流器の高調波電流成分を検出するためのＣＴ（電流検出器）である。

強風で流体エネルギーが余剰となった場合は、遅れ無効電流を供給し、発電機出力端の電圧を下げ余剰エネルギーを吸収する。ジャイロミル風車で説明しているが、この方式もプロペラ型風車発電設備にも適用することができる。

以上述べたように、この発明を適用すると、経済的な設備で風力エネルギーを最も効率よく電気エネルギーに変換することができる。さらに風力エネルギーが発電設備の定格を超えたとき、このエネルギーを発電機のギャップ制御およびコンバータ装置の制御等により抑制ができ安定な電気エネルギーを確保することができる。なお、この発明では翼車の回転翼のピッチは固定式でよいが、ピッチ可変式の翼車と組み合わせて、風力の変化に応じてピッチも合わせて制御するようにしてもよい。また、回転翼にフラップを設けておき、強風の場合はフラップを立てて翼の揚力を大きくし、回転抵抗を増すようにすることもできる。同様に翼車にブレーキ手段を設けておき、風が所定以上に強くなるとブレーキを働かせて回転速度を調節することもできる。さらに電流の負荷を部個に設け、強風時に負荷に余分に電流を流して調節するようにしてもよい。

以上、風力発電の例に基づいて説明したが、本発明は水力発電、蒸気を利用する火力発電、ガス発電、空気圧を利用する潮力発電などにも適用することができ、同様の作用効果を奏することができる。

この発明の流体発電設備を風力発電設備に適用した場合の実施の形態を示す全体システム構成図である。 この発明に関わるジャイロミル型風車の翼と発電機を示す構成図である。 この発明に関わる発電機の等価回路図である。 この発明に関わる抵抗負荷時のベクトル図である。 この発明に関わる風力発電設備の特性を示すグラフである。 この発明に関わる発電機の電圧・電流特性を示すグラフである。 本発明の風力発電設備の制御フローである。 この発明に関わる発電機出力特性を示すグラフである。 この発明（第３発明）に関わる進み負荷時のベクトル図である。 この発明に関わる発電機出力端の概略図である。 この発明に関わる発電機誘起電圧Ｅを基準にしたベクトル図である。 この発明（第８発明）に関わるアクティブフィルタ装置を使用した風力発電設備の全体システム構成図である。 この発明（第４発明）に関わる遅れ負荷時のベクトル図である。

符号の説明

１・・・風車
２・・・永久磁石同期発電機
３・・・コンバータ装置
４・・・インバータ装置
５・・・パワーコンディショナ設備
６・・・系統保護連系設備
１０・・・風力発電設備
１１・・・風車の翼
１２・・・軸
１３・・・固定子
１４・・・回転子
１５・・・ギャップ
１６・・・ベアリング
１７・・・固定材
１９・・・ＣＴ（電流検出器）
２０・・・アクティブフィルタ装置
２１・・・制御装置

Claims (9)

1. 翼車により得られたエネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、
   翼車が回転するまでは、ギャップ長を広げ、翼車が回転を始め流体エネルギーが所定以上あるときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を狭め、さらにコンバータ装置で発電機の最大エネルギーを取り出す制御を行うことを特徴とする流体発電設備。
2. 翼車により得られた流体エネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、
   流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように広げ、さらにコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とする流体発電設備。
3. 翼車により得られた流体エネルギーで、永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをＰＷＭコンバータ装置により直流エネルギーに変換する流体発電設備に於いて、
   ＰＷＭコンバータ装置は、所定の進み無効電力成分の電流を発電機に供給しながら、発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とする流体発電設備。
4. 翼車により得られた流体エネルギーで、永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをＰＷＭコンバータ装置により直流エネルギーに変換する設備に於いて、
   流体発電エネルギーが所定値を超えたときは、ＰＷＭコンバータ装置で発電機に遅れ無効電力を供給しながら発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とする流体発電設備。
5. 流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電気エネルギーとなるように広げ、さらにコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の流体発電設備。
6. 流体発電エネルギーが所定値を超えたときは、ＰＷＭコンバータ装置で発電機に遅れ無効電力を供給しながら発電機の交流エネルギーを直流エネルギーに変換することを特徴とする請求項３記載の流体発電設備。
7. 前記永久磁石同期発電機が、固定子と界磁のギャップ長を調整できるものであり、
   翼車が回転するまでは、ギャップ長を広げ、翼車が回転を始め流速が所定以上あるときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を狭め、さらにコンバータ装置で発電機の最大エネルギーを取り出す制御を行うと共に、流体エネルギーが所定値を超えたときは、発電機の固定子と界磁のギャップ長を所定未満の電池エネルギーとなるように広げ、さらにＰＷＭコンバータ装置は発電機の発電エネルギーを抑制する制御を行うことを特徴とする請求項３、４または５のいずれかに記載の風力発電エシステム。
8. 翼車により得られた流体エネルギーで、発電機の固定子と界磁のギャップ長を調整できる永久磁石同期発電機を駆動し、得られた交流電気エネルギーをコンバータ装置で直流エネルギーに変換する設備に於いて、
   コンバータ装置を整流器で構成し、このコンバータ装置に整流器が発生する高調波を吸収し、さらに力率調整ができるアクティブフィルタ装置を並列に接続したことを特徴とする流体発電設備。
9. 前記コンバータを、整流器と直流リアクトルと昇圧チョッパの直列回路で構成する請求項８記載の流体発電設備。