JP2007239599A - 風力発電システム、及び風力発電システムの非常用電力供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多くのメンテナンスを必要としない機構によって風力発電システムにＬＶＲＴ能力を提供する。
【解決手段】本発明による風力発電システムは、ピッチ角が可変であるブレード５を備える風車ロータ２と、ブレード５を駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ制御機構２２と、電力系統１３の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、風車ロータ２の回転から発生された電力をピッチ制御機構２２に供給する非常用電力供給機構２９とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電システムに関しており、特に、風力発電システムを電力系統の電圧（系統電圧）の異常な低下に対応させるための技術に関している。

近年の風力発電システムは、電力系統に電力を安定的に、且つ、高い信頼性で供給することが求められている。特に重要な要求の一つは、ＬＶＲＴ能力（low voltage ride through）、即ち、系統事故が発生して系統電圧が低下した場合でも風力発電システムが電力系統から解列しないという特性である。最も初期的な風力発電システムは、電力系統から供給される電力によって制御装置や各種の補機（例えば、ピッチ駆動機構）が動作するように構成されている。しかし、このような構成では、系統電圧が低下すると風力発電システムの動作が維持できない。特に重要な問題は、系統電圧が低下すると発電機の負荷が小さくなるため、風車ロータの回転数が増大することである。風車ロータの回転数が増大することは、それ自体が安全性の観点から好ましくない上に、発電機に接続された電力変換器に過剰な電圧が印加される原因となる。このような事態を避けるためには、風力発電システムを停止させ、電力系統から解列させざるを得ない。

ＬＶＲＴ能力を提供する一つの方法は、米国特許６，９２１，９８５号公報に開示されているように、無停電電源装置（ＵＰＳ：uninterruptible power supply）を使用することである。この公報に開示されている技術では、系統電圧の低下が検出されると、必要な機器（例えば、電力変換器、タービンコントローラ、ブレードピッチ制御システム、クローバー回路（crowbar circuit）など）に無停電電源装置から電力が供給される。不必要な機器には電力は供給されない。ブレードピッチ制御システムに電力が供給されることにより、風車ロータのブレードのピッチ角が制御され、これによって風車ロータの速度が制御される。加えて、クローバー回路に電力が供給されることにより、電力変換器が保護される。

無停電電源装置を使用することの一つの問題は、無停電電源装置が多くのメンテナンスを必要とすることである。無停電電源装置に用いられるバッテリーは経年変化によって劣化しやすいため、無停電電源装置の機能を維持するためには定期的にバッテリーを交換する必要がある。これは、風力発電システムのメンテナンスに必要な労力とコストを不所望に増大させる。

特開２００４−１４０９７１号公報は、風車ロータと共に回転する回転体に搭載された機器に、非接触的に電力を供給するための機構を開示している。この機構は、ロータリートランスや誘導機を用いて電力を非接触的に伝送し、これにより、メンテナンスの必要性を低減させることができる。しかしながら、この公報には、系統電圧の異常な低下に対応することについては、何らの言及もない。

したがって、多くのメンテナンスを必要としない機構によって風力発電システムにＬＶＲＴ能力を提供することには、技術的なニーズが存在する。
米国特許第６，９２１，９８５号公報 特開２００４−１４０９７１号公報

したがって、本発明の目的は、多くのメンテナンスを必要としない機構によって風力発電システムにＬＶＲＴ能力を提供する技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明による風力発電システムは、ピッチ角が可変であるブレード（５）を備える風車ロータ（２）と、ブレード（５）を駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ制御機構（２２）と、電力系統（１３）の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、風車ロータ（２）の回転から発生された電力をピッチ制御機構（２２）に供給する非常用電力供給機構（２９）とを具備する。非常用電力供給機構（２９、２９Ａ−２９Ｃ）は、電力系統（１３）の系統電圧が低下する異常の発生に応答してピッチ制御機構（２２）に電力を供給し、これにより、当該風力発電システムにＬＶＲＴ能力を提供する。非常用電力供給機構（２９）は、風車ロータ（２）の回転から電力を発生するため、無停電電源装置のようにバッテリーを必要としない。これは、メンテナンスを削減するために有効である。

一実施形態では、非常用電力供給機構（２９、２９Ａ−２９Ｃ）は、風車ロータ（２）によって駆動される発電機構（３１、３２）と、系統電圧が低下する異常が検出されたとき、発電機構（３１、３２）を前記ピッチ制御機構（２２）に電気的に接続する非常切換スイッチ（３３）を備えている。非常切換スイッチ（３３）は、系統電圧が正常であるとき、発電機構（３１、３２）をピッチ制御機構（２２）から切り離して発電機構（３１、３２）の出力端子をオープンにすることが好ましい。

一実施形態では当該風力発電システムは、更に、風車ロータ（２）に機械的に接続されているシャフト（８）と、前記シャフト（８）に一体に接続されている回転体（１１）とを備えている。この場合、非常用電力供給機構（２９）は、非常用発電機（３１）と、回転体（１１）の回転を非常用発電機（３１）のロータに伝達する動力伝達機構（３０）とを備えている。非常用発電機（３１）は、動力伝達機構（３０）を介して受け取った動力によって駆動されて前記電力を発生する。

前記回転体（１１）は、ブレーキディスクであることが好ましい。

好適な実施形態では、非常用電力供給機構（２９）は、風車ロータ（２）に機械的に結合され、且つ、電動機としても機能し得るように構成された非常用発電機（３１）と、電力系統（１３）を非常用発電機（３１）に接続するためのスイッチ（３４）とを備えている。

当該風力発電システムが、更に、ブレード（５）の前記ピッチ角を指示するピッチ指令を生成する制御装置（２７）を備え、且つ、ピッチ制御機構（２２）が、前記ピッチ指令に応答して前記ピッチ角を制御する場合、非常用電力供給機構（２９、２９Ａ−２９Ｃ）は、電力系統（１３）の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、風車ロータ（２）の回転から発生された前記電力を制御装置（２７）に供給することが好ましい。

当該風力発電システムが、更に、風車ロータ（２）によって駆動される巻線誘導発電機（４）と、巻線誘導発電機（４）のロータ巻線に接続され、且つ、制御信号に応答して前記ロータ巻線から受け取った電力を消費する保護回路（１８）とを具備する場合には、非常用電力供給機構（２９、２９Ａ−２９Ｃ）は、電力系統（１３）の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、風車ロータ（２）の回転から発生された前記電力を保護回路（１８）に供給することが好ましい。
風力発電システム。

当該風力発電システムが、更に、風車ロータ（２）に機械的に接続されているシャフト（８）を具備する場合、非常用電力供給機構（２９Ａ−２９Ｃ）は、シャフト（８）に一体に接続された回転体（１１Ａ−１１Ｃ）を備え、且つ、該回転体（１１Ａ−１１Ｃ）の回転に伴う電磁誘導によって電力を発生することが好ましい。

好適な実施形態では、非常用電力供給機構（２９Ａ）は、回転体（１１Ａ）に近接して設けられたコイル（４２）を更に備えており、回転体（１１Ａ）は、永久磁石（４３）を備えており、非常用電力供給機構（２９Ａ）は、系統電圧が低下する異常が検出されたとき、コイル（４２）によって電力を発生してピッチ制御機構（２２）に供給する。

他の好適な実施形態では、非常用電力供給機構（２９Ｂ）は、更に、前記回転体（１１Ｂ）に近接して設けられたコイル（４２）と、コイル（４２）に挿入された永久磁石（４１Ａ）とを備えており、回転体（１１Ｂ）には、開口（４４）が設けられる。非常用電力供給機構（２９Ｂ）は、系統電圧が低下する異常が検出されたとき、コイル（４２）によって電力を発生してピッチ制御機構（２２）に供給する。

更に他の好適な実施形態では、非常用電力供給機構（２９Ｃ）は、更に、回転体（１１Ｃ）に近接して設けられた永久磁石（４５）と、回転体（１１Ｃ）の外周に押し当てられる第１ブラシ（４６）と、シャフト（８）に押し当てられる第２ブラシ（４７）とを備えている。非常用電力供給機構（２９Ｃ）は、系統電圧が低下する異常が検出されたとき、第１ブラシ（４６）と第２ブラシ（４６）から電力を取り出してピッチ制御機構（２２）に供給する。

本発明による非常用電力供給方法は、ピッチ角が可変であるブレード（５）を備える風車ロータ（２）と、ピッチ角を制御するピッチ制御機構（２２）を備える風力発電システムの非常用電力供給方法である。当該非常用電力供給方法は、
電力系統（１３）の系統電圧が低下する異常を検出するステップと、
前記異常の発生に応答して、前記風車ロータ（２）の回転から発生された電力をピッチ制御機構（２２）に供給するステップ
とを具備する。

本発明によれば、多くのメンテナンスを必要としない機構によって風力発電システムにＬＶＲＴ能力を提供する技術が提供される。

図１は、本発明の一実施形態の風力発電システム１の構成を示すブロック図である。風力発電システム１は、風車ロータ２と、ドライブトレイン３と、巻線誘導発電機４とを備えている。風車ロータ２は、ドライブトレイン３を介して巻線誘導発電機４のロータに機械的に接続されている。風車ロータ２の回転動力は、ドライブトレイン３を介して巻線誘導発電機４に伝達され、これにより、巻線誘導発電機４が駆動される。

風車ロータ２は、ブレード５と、ブレード５を支持するハブ６とを備えている。ブレード５は、そのピッチ角が可変であるように支持されている。

ドライブトレイン３は、ギアボックス７と、風車側シャフト８と、発電機側シャフト９と、クラッチ機構１０とを備えている。風車ロータ２のハブ６は、ギアボックス７を介して風車側シャフト８に接続され、風車側シャフト８は、カップリング機構１０を介して発電機側シャフト９に接続されている。カップリング機構１０は、風車側シャフト８と発電機側シャフト９とを機械的に弾力的に接続し、これにより、風車側シャフト８の変位と、発電機側シャフト９の変位との差を吸収する。発電機側シャフト９は、巻線誘導発電機４のロータに固定的に接続されている。

風車側シャフト８には、ブレーキディスク１１が接合されている。ブレーキディスク１１は、風車ロータ２を減速させ、又は停止させる為に使用される回転体である。ブレーキディスク１１の近傍には、ブレーキキャリパ１２が設けられており、ブレーキディスク１１がブレーキキャリパ１２に挟まれることにより、風車ロータ２が減速され、又は停止される。

巻線誘導発電機４は、そのステータ巻線及びロータ巻線の両方から、電力系統１３に電力を出力することができるように構成されている。即ち、巻線誘導発電機４のステータ巻線が電力系統１３に直接に接続され、ロータ巻線が電力変換器１４を介して電力系統１３に接続されている。電力変換器１４は、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換するためのものである。電力変換器１４は、能動整流器１５とＤＣバス１６とインバータ１７とを備えている。能動整流器１５は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１６に出力する。インバータ１７は、ＤＣバス１６から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を電力系統１３に出力する。

巻線誘導発電機４のロータ巻線は、更に、クローバー回路１８に接続されている。クローバー回路１８は、ロータ巻線を過電流から保護するために使用される回路であり、整流器１９と、スイッチ２０と、負荷抵抗２１とを備えている。整流器１９は、ロータ巻線から受け取った交流電力を、直流電力に変換する。スイッチ２０は、外部から供給される制御信号に応答して、整流器１９と負荷抵抗２１とを電気的に接続し、又は切り離す。ロータ巻線を保護する動作が行われる場合、クローバー回路１８のスイッチ２０がオンされる。スイッチ２０がオンされると、ロータ巻線に発生した交流電力が、整流器１９によって直流電力に変換され、負荷抵抗２１によって消費される。これにより、ロータ巻線を流れる電流が減少し、ロータ巻線が保護される。

風車ロータ２のブレード５のピッチ角の制御は、ピッチ制御機構２２によって行われる。図１では、ピッチ制御機構２２とハブ６とに、ブレード５が別々に接続されているように示されているが、これは、説明の便宜のために過ぎないことに留意されたい；図１においてピッチ制御機構２２に接続されているブレード５とハブ６に接続されているブレード５とは、同一物である。ピッチ制御機構２２は、油圧シリンダ２３と、油量調整バルブ２４と、油圧源２５ａと、アキュムレータ２５ｂと、ピッチ制御装置２６とを備えている。油圧シリンダ２３は、油圧源２５ａから供給された作動流体によって動作してブレード５を駆動する。油圧源２５ａは、電力系統１３から供給された電力によって駆動され、油圧シリンダ２３に供給される作動流体に圧力エネルギーを供給する。油圧源２５ａとしては、好適には油ポンプが使用される。油ポンプに代えて、又は油ポンプに加えて油タンクが油圧源２５ａとして使用されることが可能である。アキュムレータ２５ｂは、作動流体に供給されている圧力エネルギーを蓄積する。アキュムレータ２５ｂは、油圧現２５ａに電力系統１３から電力が供給されなくなった場合に、作動流体に圧力エネルギーを供給する役割も有している。油量調整バルブ２４は、油圧源２５ａ及びアキュムレータ２５ｂから油圧シリンダ２３に供給される作動流体の量を調整する。ピッチ制御装置２６は、油量調整バルブ２４に直流の駆動電流を供給し、その駆動電流の大きさによって、油量調整バルブ２４の開度を制御する。油量調整バルブ２４の開度によって油圧シリンダ２３に供給される作動流体の量が調整され、これにより、ブレード５が、所望のピッチ角に制御される。ピッチ制御機構２２は、その全体がハブ６に収容されていてもよく、その一部（例えば、油圧シリンダ２３、アキュムレータ２５、及び油量調整バルブ２４）のみがハブ６に収容されていてもよい。

風力発電システム１全体の制御は、主制御装置２７によって行われる。第１に、主制御装置２７は、ブレード５のピッチ角を指示するピッチ指令を生成してピッチ制御装置２６に供給する。このピッチ指令に応答して、ピッチ制御装置２６は油量調整バルブ２４に駆動電流を供給する。第２に、主制御装置２７は、クローバー回路制御信号を生成して、クローバー回路１８に供給する。クローバー回路制御信号が活性化されると、クローバー回路１８は、スイッチ２０をオンしてロータ巻線に発生した交流電力を負荷抵抗２１で消費する動作を行う。主制御装置２７は、更に、電力変換器１４の制御その他の様々な制御を行う。

通常動作時には、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７が動作するための電力は、電力系統１３から供給される。具体的には、巻線誘導発電機４と電力系統１３との間の電力線には整流器２８が接続され、この整流器２８により、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７が動作するための直流電力が生成される。

一方、系統電圧（電力系統１３の電圧）が低下する異常が発生したときにおいても、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７が動作可能であるように、風力発電システム１には、非常用電力供給システム２９が設けられている。非常用電力供給システム２９は、動力伝達機構３０と、非常用発電機３１と、整流器３２と、非常切換スイッチ３３とを備えている。

動力伝達機構３０は、風車ロータ２の回転を非常用発電機３１に伝達する。一実施形態では、動力伝達機構３０は、ブレーキディスク１１の回転を伝達して非常用発電機３１のロータを駆動する。例えば、ブレーキディスク１１として歯車が使用され、動力伝達機構３０として非常用発電機３１のロータに接続された歯車が使用されることが可能である。その代わりに、動力伝達機構３０としては、ブレーキディスク１１の回転を非常用発電機３１に伝達するベルトが使用されてもよい。また、動力伝達機構３０は、ブレーキディスク１１ではなく、風車側シャフト８と一体となって回転する他の機械要素に接続されてもよい。ただし、動力伝達機構３０がブレーキディスク１１に機械的に結合される構成は、風力発電システム１を構成する部品の数を減らすために好適である。

非常用発電機３１と整流器３２は、風車ロータ２の回転から電力を発生する発電機構として機能する。詳細には、非常用発電機３１は、風車ロータ２の回転から交流電力を発生して整流器３２に供給する。整流器３２は、非常用発電機３１から受け取った交流電力を直流電力に変換する。

非常切換スイッチ３３は、電力系統１３に接続されている整流器２８と、非常用電力供給システム２９の整流器３２との一方をピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に接続する。

通常動作時には（即ち、系統電圧が正常であるときには）、非常切換スイッチ３３は、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７を電力系統１３に接続されている整流器２８に接続する。ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７には、電力系統１３から電力が供給される。本実施形態では、通常動作時には非常用発電機３１が無負荷状態に設定される。即ち、非常用発電機３１に接続された整流器３２の出力端子が、通常動作時に非常切換スイッチ３３によってオープンにされる。これは、通常動作時にドライブトレイン３に及ぼす影響、例えば、非常用発電機３１の磁束分布の不均一性によるトルク脈動を少なくするために有効である。

一方、系統電圧が低下する異常が発生すると、非常切換スイッチ３３は、ピッチ制御機構２２、主制御装置２７、及びクローバー回路１８を非常用電力供給システム２９の整流器３２に接続する。非常用電力供給システム２９は、ピッチ制御機構２２、主制御装置２７、及びクローバー回路１８に電力を供給し、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７の動作を維持する。ピッチ制御機構２２及び主制御装置２７の動作が維持されることにより、風力発電システム１を電力系統１３から解列させる必要がなくなり、風力発電システム１にＬＶＲＴ能力を与えることが可能になる。加えて、ピッチ制御機構２２及び主制御装置２７の動作が維持されることにより、ブレード５のピッチ角が制御されて風車ロータ２の回転の過剰な増加が抑制される。更に、クローバー回路１８の動作が維持されることにより、ロータ巻線の保護を維持することができる。系統電圧が低下する異常が発生すると、巻線誘導発電機４のロータ巻線には過電流が発生する。しかしながら、クローバー回路１８のスイッチ２０が、非常用電力供給システム２９から供給された電力によってオンされ、発生した過電流が負荷抵抗２１によって速やかに減衰される。これにより、ロータ巻線が保護される。

このような構成の非常用電力供給システム２９の一つの利点は、メンテナンスの労力が少なくてよいことである。無停電電源装置とは異なり、非常用発電機３１を備えた非常用電力供給システム２９はバッテリーを必要としない。バッテリーを排除することは、メンテナンスの労力を少なくするために有効である。

他の利点は、系統電圧が低下する異常が発生したときに、非常用電力供給システム２９自体が、風車ロータ２の回転数を低下させる機能を有していることである。上述のように、系統電圧が低下する異常が発生すると、巻線誘導発電機４の負荷が小さくなるため、風車ロータ２の回転数が増加しようとする。しかしながら、本実施形態では、系統電圧が低下する異常が発生すると、非常用発電機３１が風車ロータ２の回転によって駆動されてピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に電力を供給し始める。従って、風車ロータ２の回転エネルギーが失われ、風車ロータ２の回転数が制限される。これは、風車ロータ２の回転数の過剰な増加を防ぐために好ましい。

非常用発電機３１が、電動機としても使用可能に構成されている場合には、非常用発電機３１が、風力発電システム１のメンテナンス時に風車ロータ２をマニュアルで回転させるためのローターターニング用電動機と兼用されてもよい。この場合、図２に示されているように、非常用発電機３１のステータ巻線が、スイッチ３４に接続される。スイッチ３４は、非常用発電機３１のステータ巻線を、整流器３２と電力系統１３との一方に接続する。非常用発電機３１がローターターニング用電動機として使用される場合には、非常用発電機３１のステータ巻線が電力系統１３に接続される。非常用発電機３１は、電力系統１３から供給された電力によって風車側シャフト８を駆動し、これにより、風車ロータ２を回転させる。

ブレーキディスクを動力伝達機構３０によって非常用発電機３１に機械的に接続する代わりに、ブレーキディスクそれ自体が、発電機の一部として使用されることも可能である。この場合、ブレーキディスクの回転により電磁誘導が誘起され、その電磁誘導によって生成された電力が、ピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に供給される。

一実施形態では、図３に示されているように、非常用電力供給システム２９Ａが、風車側シャフト８と一体に回転するブレーキディスク１１Ａと、鉄心４１と、鉄心４１が挿入されたコイル４２とを備えて構成される。コイル４２は整流器３２に接続され、且つ、ブレーキディスク１１Ａの近傍に配置されている。ブレーキディスク１１Ａには永久磁石４３が埋め込まれている。コイル４２に挿入された鉄心４１は、永久磁石４３が発生する磁束をコイル４２に集める役割をする。

このような構成によれば、風車側シャフト８及びブレーキディスク１１Ａが発電機のロータとして機能し、鉄心４１及びコイル４２が発電機のステータとして機能し、従って、電力を発生することができる。ブレーキディスク１１Ａが回転すると、コイル４２に鎖交する磁束が変化し、これにより、コイル４２に交流電力が発生する。発生された交流電力は、整流器３２によって直流電力に変換される。系統電圧が低下する異常が発生した場合、整流器３２によって生成された直流電力が、非常切換スイッチ３３を介してピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に供給される。

図３の構成の利点は、発電機構（非常用発電機３１）と風車側シャフト８とを機械的に接続する動力伝達機構３０を排除できる点にある。動力伝達機構３０は、風車ロータ２の回転に伴って駆動されるため、ある程度の損失が発生せざるを得ない。動力伝達機構３０を排除することは、風力発電システム１の損失を低減するために好適である。

ブレーキディスク１１Ａの代わりに、風車側シャフト８と一体となって回転する円板がブレーキディスク１１Ａとは別に設けられ、その円板に永久磁石４３が埋め込まれてもよい。この場合、コイル４２は、当該円板の近傍に配置される。

他の実施形態では、図４に示されているように、非常用電力供給システム２９Ｂが、風車側シャフト８と一体に回転するブレーキディスク１１Ｂと、永久磁石４１Ａと、永久磁石４１Ａが挿入されたコイル４２とを備えて構成される。コイル４２は、整流器３２に接続され、且つ、ブレーキディスク１１Ｂと対向するように設けられている。ブレーキディスク１１Ｂには、複数の開口４４が設けられている。開口４４は、コイル４２の前を通過するように、且つ、ブレーキディスク１１Ｂを厚さ方向に貫通するように形成されている。

このような構成によれば、風車側シャフト８及びブレーキディスク１１Ｂが発電機のロータとして機能し、永久磁石４１Ａ及びコイル４２が発電機のステータとして機能し、従って、電力を発生することができる。ブレーキディスク１１Ｂが回転すると、開口４４がコイル４２の前を通過し、コイル４２に鎖交する磁束の磁束分布が変化し、これにより、コイル４２に交流電力が発生する。発生された交流電力は、整流器３２によって直流電力に変換される。系統電圧が低下する異常が発生した場合、整流器３２によって生成された直流電力が、非常切換スイッチ３３を介してピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に供給される。図４の構成でも、動力伝達機構３０を排除し、これによって風力発電システム１の損失を低減することができる。

ブレーキディスク１１Ｂの代わりに、風車側シャフト８と一体となって回転する金属製の円板がブレーキディスク１１Ｂとは別に設けられ、その円板に開口４４が形成されてもよい。この場合、コイル４２は、当該円板の近傍に配置される。

更に他の実施形態では、図５に示されているように、非常用電力供給システム２９Ｃが、風車側シャフト８と一体に回転するブレーキディスク１１Ｃと、ブレーキディスク１１Ｃに対向するように設けられた永久磁石４５と、ブラシ４６、４７とを備えて構成されている。ブレーキディスク１１Ｃは、その中心において風車側シャフト８に接合されている。永久磁石４５は、周方向について一様に磁束をブレーキディスク１１Ｃに鎖交させるように配置される。ブレーキディスク１１Ｃの側面は滑らかに加工され、その側面にはブラシ４６が押し当てられる。加えて、風車側シャフト８の側面に、ブラシ４７が押し当てられる。ブラシ４６、４７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２Ａに接続され、そのＤＣ−ＤＣコンバータ３２Ａの出力端子が、非常切換スイッチ３３に接続されている。

このような構成によれば、単極誘導によって電力を発生することができる。ブレーキディスク１１Ｃが回転すると、単極誘導により、ブレーキディスク１１Ｃの中心と側面との間に直流電圧が誘起される。この直流電圧がブラシ４６、４７によって取り出されてＤＣ−ＤＣコンバータ３２Ａに供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３２Ａは、ブラシ４６、４７から供給されたＤＣ電圧を、所望の電圧レベルのＤＣ電圧に変換する。系統電圧が低下する異常が発生した場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２Ａによって生成された直流電力が、非常切換スイッチ３３を介してピッチ制御機構２２、クローバー回路１８、及び主制御装置２７に供給される。図５の構成でも、動力伝達機構３０を排除し、これによって風力発電システム１の損失を低減することができる。

ブレーキディスク１１Ｃの代わりに、風車側シャフト８と一体となって回転する金属製の円板がブレーキディスク１１Ｃとは別に設けられ、その円板が永久磁石４５の近傍に配置されてもよい。

図１は、本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の他の実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の更に他の実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の更に他の実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の更に他の実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：風力発電システム
２：風車ロータ
３：ドライブトレイン
４：巻線誘導発電機
５：ブレード
６：ハブ
７：ギアボックス
８：風車側シャフト
９：発電機側シャフト
１０：クラッチ機構
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ：ブレーキディスク
１２：ブレーキキャリパ
１３：電力系統
１４：電力変換器
１５：能動整流器
１６：ＤＣバス
１７：インバータ
１８：クローバー回路
１９：整流器
２０：スイッチ
２１：負荷抵抗
２２：ピッチ制御機構
２３：油圧シリンダ
２４：油量調整バルブ
２５：アキュムレータ
２６：ピッチ制御装置
２７：主制御装置
２８：整流器
２９、２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ：非常用電力供給システム
３０：動力伝達機構
３１：非常用発電機
３２：整流器
３２Ａ：ＤＣ−ＤＣコンバータ
３３：非常切換スイッチ
３４：スイッチ
４１：鉄心
４１Ａ：永久磁石
４２：コイル
４３：永久磁石
４４：開口
４５：永久磁石
４６、４７：ブラシ

Claims (13)

1. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、
   前記ブレードを駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ制御機構と、
   電力系統の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、前記風車ロータの回転から発生された電力を前記ピッチ制御機構に供給する非常用電力供給機構
   とを具備する
   風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記非常用電力供給機構は、
   前記風車ロータによって駆動される発電機構と、
   前記系統電圧が低下する異常が検出されたとき、前記発電機構を前記ピッチ制御機構に電気的に接続する非常切換スイッチを備える
   風力発電システム。
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
   前記非常切換スイッチは、前記系統電圧が正常であるとき、前記発電機構を前記ピッチ制御機構から切り離して前記発電機構の出力端子をオープンにする
   風力発電システム。
4. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   更に、
   前記風車ロータに機械的に接続されているシャフトと、
   前記シャフトに一体に接続されている回転体
   とを備え、
   前記非常用電力供給機構は、
   非常用発電機と、
   前記回転体の回転を前記非常用発電機のロータに伝達する動力伝達機構
   とを備え、
   前記非常用発電機は、前記動力伝達機構を介して受け取った動力によって駆動されて前記電力を発生する。
   風力発電システム。
5. 請求項４に記載の風力発電システムであって、
   前記回転体は、ブレーキディスクである
   風力発電システム。
6. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記非常用電力供給機構は、
   前記風車ロータに機械的に結合され、且つ、電動機としても機能し得るように構成された非常用発電機と、
   前記電力系統を前記非常用発電機に接続するためのスイッチ
   とを備える
   風力発電システム。
7. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   更に、
   前記ブレードの前記ピッチ角を指示するピッチ指令を生成する制御装置
   を備え、
   前記ピッチ制御機構は、前記ピッチ指令に応答して前記ピッチ角を制御し、
   前記非常用電力供給機構は、前記電力系統の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、前記風車ロータの回転から発生された前記電力を前記制御装置に供給する
   風力発電システム。
8. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   更に、
   前記風車ロータによって駆動される巻線誘導発電機と、
   前記巻線誘導発電機のロータ巻線に接続され、且つ、制御信号に応答して前記ロータ巻線から受け取った電力を消費する保護回路
   とを具備し、
   前記非常用電力供給機構は、前記電力系統の系統電圧が低下する異常の発生に応答して、前記風車ロータの回転から発生された前記電力を前記保護回路に供給する
   風力発電システム。
9. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   更に、
   前記風車ロータに機械的に接続されているシャフト
   を具備し、
   前記非常用電力供給機構は、前記シャフトに一体に接続された回転体を備え、前記回転体の回転に伴う電磁誘導によって前記電力を発生する
   風力発電システム。
10. 請求項９に記載の風力発電システムであって、
    前記非常用電力供給機構は、前記回転体に近接して設けられたコイルを更に備えており、
    前記回転体は、永久磁石を備えており、
    前記非常用電力供給機構は、前記系統電圧が低下する異常が検出されたとき、前記コイルによって前記電力を発生して前記ピッチ制御機構に供給する
    風力発電システム。
11. 請求項９に記載の風力発電システムであって、
    前記非常用電力供給機構は、更に、
    前記回転体に近接して設けられたコイルと、
    前記コイルに挿入された永久磁石
    とを備えており、
    前記回転体には、開口が設けられており、
    前記非常用電力供給機構は、前記系統電圧が低下する異常が検出されたとき、前記コイルによって前記電力を発生して前記ピッチ制御機構に供給する
    風力発電システム。
12. 請求項９に記載の風力発電システムであって、
    前記非常用電力供給機構は、
    更に、
    前記回転体に近接して設けられた永久磁石と、
    前記回転体の外周に押し当てられる第１ブラシと、
    前記シャフトに押し当てられる第２ブラシ
    とを備えており、
    前記非常用電力供給機構は、前記系統電圧が低下する異常が検出されたとき、前記第１ブラシと前記第２ブラシから前記電力を取り出して前記ピッチ制御機構に供給する
    風力発電システム。
13. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、前記ピッチ角を制御するピッチ制御機構を備える風力発電システムの非常用電力供給方法であって、
    電力系統の系統電圧が低下する異常を検出するステップと、
    前記異常の発生に応答して、前記風車ロータの回転から発生された電力を前記ピッチ制御機構に供給するステップ
    とを具備する
    風力発電システムの非常用電力供給方法。

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