JP2008138636A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転している内に羽根自身が変形してピッチ角が自動的に変化するパッシヴセルフピッチコントロール羽根の風力発電機については、その動作モードがあまり解明されていなかった。そのため、風速に対応した最大出力電力を取り出すには、どのように運転制御すればよいかが判然としていなかった。
【解決手段】この種の風力発電機の動作モードには、出力電圧がゼロから緩やかにしか増加しない第１モードと、その緩やかな増加から急激な増加に転じることにより入る第２モードとがあり、最大出力電力は第２モードで動作している時に得られることが判明した。モード判定部１２でモードを判定し、第２モードの時に出力取出スイッチ部５をオンし、出力を取り出す。ＭＰＰＴ制御部１０により、風速に対応した最大出力電力，その出力時の電圧，電流をそれぞれ算出し、風力発電機１からの電圧，電流がその値となるよう、制御部７を制御する。これにより、風速が変わっても効率よく速やかに最大出力電力を取り出すことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の屋上等にも設置できる小型の風力発電機を用いた風力発電システムに関するものである。

風力発電機は、羽根が風を受けて回転し、その回転力により発電するものであるが、風のエネルギー密度（ａｉｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）は低い値である（０．１２２５Ｋｇ／ｍ³ ）。このようにエネルギー密度が低い風を効率よく利用するために、羽根のピッチ角を可変制御することが考えられている。
人里離れた高台等に設置される大型の風力発電機では、羽根のピッチ角の可変機構およびその可変機構を作動させる制御装置等が設けられたものが、数多く提案されている（例、下記の特許文献１）。しかし、都会のビル等に設置される小型の風力発電機においては、コストやサイズ等の制約があるため、羽根のピッチ角を可変にする機構まで組み込んだものは殆ど見られなかった。

ところが、最近、パッシヴセルフピッチコントロール羽根と呼ばれる羽根を具えた小型の風力発電機が開発されている。この羽根は、高弾性のカーボンファイバーで作られ、回転していて遠心力が或る程度大になると、そこで急に羽根自身が変形して（捩られて）羽根のピッチ角が変るという性質を有している。
これだと、ピッチ角を可変制御する装置を別に組み込むわけではないから、コストやサイズ等が増えるわけではないし、ピッチ角が変化しない羽根の風力発電機よりも、風のエネルギーを効率よく利用することが出来る。そこで、この種の風力発電機の建物等への設置が、いろいろと考えられている。
特開２００６−２３３９１２号公報 登録実用新案公報 第３０５７４１４号

パッシヴセルフピッチコントロール羽根の風力発電機については、その動作モードがあまり解明されておらず、風速に対応した最大発電電力を取り出すには、どのように運転制御すればよいかが判然とせず、それを明確にすることが望まれていた。
本発明は、もっと多くの電力が取り出せた筈なのに、少ない電力しか取り出さない運転しかしなかったというようなことがないよう、風速に応じて常に最大電力を取り出すことが出来る風力発電システムを提供することを、課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、パッシブセルフピッチコントロールの羽構造を有する小型風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、風が吹き始めてから発電機が発生する出力電圧の過渡応答波形に着目しその形状が変化する時点を検出する起動判定手段を設け、当該起動判定手段から得られる情報を基に、最大電力取得追従制御（ＭＰＰＴ）を起動させることとした。

なお、前記の風力発電システムにおいて、その最大電力取得追従制御は、風速を検出する手段と、検出された風速を使って、その風速で出力できる最大電力を予測する最大電力予測手段と、その時点の最大電力を出力させる最適電圧を発生させるための最適電圧指令演算手段と、当該最大電力予測手段によって予測された最大電力と当該最適電圧指令演算手段から得られる最適電圧指令からその時点の最大電力を出力させる最適電流指令を演算する最適電流指令演算手段、乃至、検出された風速を使ってその時点の最大電力を出力させる最適電流指令演算手段とを具備して、当該最適電圧指令演算手段と当該最適電流指令演算手段からそれぞれ得られた最適電圧指令と最適電流指令に基づいて行うようにすることが出来る。

また、複数台の小型風力発電機を並列に接続して電力を取得する風力発電システムにおいて、各々の風力発電機の出力電圧を検出する電圧検出手段と、当該電圧検出手段から検出された電圧中から最大の電圧を検出する最大電圧検出手段とを具備し、当該最大電圧検出手段によって検出された最大電圧を出力している風力発電機から最大電力を取得するようにすることとした。

本発明の風力発電システムによれば、次のような効果を奏する。
１．パッシヴセルフピッチコントロール羽根を具えた風力発電機において、電力を効率よく取り出すことが出来る。
この種の風力発電機の動作モードには第１モードと第２モードとがあり、最大出力電力は第２モードにおいて得られることが判明した。そして、第１モードでは電力を取り出すことはせず、第２モードでのみ取り出すこととし、最大出力電力が得られるよう追従制御したので、電力を効率よく取り出すことが可能となった。
２．最大出力電力追従制御を、短時間で速やかに行うことが出来る。
風力発電機の最大出力電力は、風速ｖの３乗に比例する。従って、風速が検出されれば、最大出力電力は計算出来る。それに伴い、最大出力電力を出力する場合の電圧や電流も計算できるが、本発明ではそれらを算出して目標値となし（これらにより到達すべき動作点を指し示し）、風力発電機の出力電圧，出力電流を真っ直ぐその値となるよう制御するようにした。そのため、試行錯誤的に模索して最大出力電力を出力する動作点を探し当てる制御に比べ、短時間で速やかに最大出力電力を取り出すことが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本件の発明者は、パッシヴセルフピッチコントロール羽根の風力発電機に関し、実験等により次のような重要な知見を得た。
（１）次のような２つの動作モードが存在する
第１モード＝出力電圧がゼロから緩やかにしか増加しない動作モード
第２モード＝出力電圧が第１モードより高く、緩やかな増加から急激な増加に転じた後の動作モード
（２）第１モードでは殆ど電力を取り出すことが出来ず、大きな電力を取り出すには第２モードで動作させる必要がある。
（３）風速に対応した最大電力は、第２モードでの動作で取り出すことが出来る。

図４は、パッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性には、２つのモードがあることを示す図である。横軸は時間，縦軸は出力電圧であり、曲線イは、風速を一定にして負荷はかけない（無負荷）状態での、風力発電機の出力電圧の変化を示している。
一定の風速で回転させ始めると、出力電圧の過渡応答波形ないし特性において、その波形ないし特性が明確に変化する点が見出される。当初、出力電圧は低くてゆっくりとしか上昇しない。しかし、或る点を境にして出力電圧は急激に増加するように変化する。その境界点をモード境界点Ｓと言うことにし、モード境界点Ｓに至るまでの範囲での動作モードを第１モード、モード境界点Ｓ以降の範囲での動作モードを第２モードと言うことにする。

図５も、パッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性図であるが、風速をいろいろに変えた場合を示している。曲線イ，ロ，ハ，ニは、それぞれ風速をｖ_{1 ,} ｖ_{2 ,} ｖ_{3 ,} ｖ₄ にした場合の出力電圧の変化を示している。いずれの曲線においても、出力電圧が上昇する過程において、初めはゆっくりと上昇し、或る点のところで急激に上昇するという変化をしており、第１モード，第２モードの存在が明確に読み取られる。
図３は、ピッチ角が変らない羽根（言わば、非パッシヴセルフピッチコントロール羽根）の風力発電機の出力電圧特性図であり、図５と同様に、風速をいろいろに変えた場合を示している。この風力発電機では、出力電圧が上昇する過程において、上昇具合が急激に増大するというような点はない。

図６は、風速一定で負荷を異ならせた場合のパッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性図である。曲線イ，ロ，ハ，ニは、それぞれ負荷を定格負荷のＬ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，Ｌ₄ （％）とした場合の曲線である。なお、負荷の大小関係は、Ｌ₁ ＞Ｌ₂ ＞Ｌ₃ ＞Ｌ₄ である。負荷をかけた場合も、やはり第１モード，第２モードの存在が明確に読み取られる。
ピッチ角が変らない羽根の風力発電機の特性（図３）との対比から理解されるように、第１モード，第２モードの存在は、パッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機に特有の性質であるということが出来る。このような性質は、羽根が回転している内に遠心力が大となり、その力で羽根自身が変形し（捩られ）ピッチ角が変化することによりもたらされるものと考えられる。

図７は、風速一定のときの出力電力Ｐ，出力電圧Ｖ，出力電流Ｉの関係を示す図である。左側縦軸は出力電流，右側縦軸は出力電力，横軸は出力電圧であり、曲線イは出力電流Ｉの変化を示し、曲線ロは出力電力Ｐの変化を示している。
当初、出力電圧が増加しても出力電流はあまり増加しない。従って、得られる出力電力は僅かである。しかし、やがて出力電流は不連続的に急増し、それに伴い出力電力も不連続的に急増する。この不連続的に変化する境界は、解析の結果、第１モードと第２モードとの境界に対応していることが判明している。

出力電圧Ｖの増加と共に出力電流Ｉを曲線イの如く変化させると、出力電力Ｐは曲線ロの如く変化する。第２モード範囲での曲線ロは、ゆるやかに上昇し、点Ｍで最大となり、やがてゆるやかに減少してゆく。つまり、点Ｍは最大出力電力点である。
一般に発電機からは出来るだけ大きな電力を取り出すことが要請されているから、この風速の場合、第２モード範囲における点Ｍで電力を取り出すことが望まれる。点Ｍ以外の点の電力、例えば第１モード範囲での点Ａを動作点としている場合や、第２モード範囲でも点Ｍより低い点であるＢを動作点としている場合の電力は、点Ｍの時の電力より小さい。

図７によれば、点Ｍでの出力電力はＰ_M ，出力電圧はＶ_M ，出力電流はＩ_M であるから、この風速の下で最大出力電力Ｐ_M を出力させるためには、出力電圧をＶ_M ，出力電流をＩ_M に制御しつつ発電させれば良いことが分かる。
なお、風速をｖとした場合、Ｐ_M ，Ｖ_M ，Ｉ_M と風速ｖとの間には、次のような関係があることが知られている。なお、Ｋ₁ ，Ｋ₂ ，Ｋ₃ は、羽根や風力発電機の構造等により定まる定数である。
Ｖ_M ＝Ｋ₁ ×ｖ （１）
Ｉ_M ＝Ｋ₂ ×ｖ² （２）
Ｐ_M ＝Ｋ₃ ×ｖ³ （３）

図８は、風速が異なった場合の最大出力電力点の軌跡を示す図であり、縦軸は出力電力Ｐ，横軸は出力電圧Ｖである。曲線イ，ロ，ハはそれぞれ風速がｖ_{1 ,} ｖ_{2 ,} ｖ₃ の場合の出力電力の変化を示す曲線（第２モード範囲のみ示している）であり、点Ｍ_{1 ,} Ｍ_{2 ,} Ｍ₃ はそれぞれ曲線イ，ロ，ハの最大出力電力点である。曲線ニは、最大出力電力点Ｍ_{1 ,} Ｍ_{2 ,} Ｍ₃ を連ねた軌跡、即ち最大出力電力線である。
屋外に設置される風力発電機への風速は絶えず変化するものであるが、その風速の変化に対応しつつ最大出力電力を発電し続けるためには、風力発電機の動作点を、常に曲線ニに乗って動くように制御してやる必要がある。
本発明は、風速が変化しても最大出力電力点（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）に追従する（Ｔｒａｃｋｉｎｇ）よう制御すること、即ち、ＭＰＰＴ制御をする風力発電システムを実現しようとするものである。

図１は、本発明の風力発電システムの構成を示す図である。図１において、１は風力発電機、２は保護スイッチ部、３は電流検出器、４は平滑部、５は出力取出スイッチ部、６は発電出力取出装置、７は制御部、８Ａ，８Ｂは出力端子、９は風速検出器、１０はＭＰＰＴ制御部、１１は風速判定部、１２はモード判定部、１３はＭＰＰＴ制御信号発生部である。
風力発電機１は、パッシヴセルフピッチコントロール羽根を具えた風力発電機である。保護スイッチ部２は、過大な風速が検出された場合に、風力発電システムの保護のためオンされるスイッチ部である（保護スイッチ部２をオンすると風力発電機の出力端子は短絡され、誘起電圧はゼロとなる。そして、風力発電機の回転を抑制するブレーキ力が発生する。）。
風速判定部１１は、風速ｖが過大な風速になったかどうかを判定し、過大になったら保護スイッチ部２をオンにする信号を送出する。例えば、検出された風速ｖを所定のカットアウト風速ｖ_out （風車の安全を確保するために定められている上限の風速。風車の構造に応じて定められる。）と比較し、それより大であればオン信号を送出する。
保護スイッチ部２および風速判定部１１は、本発明に必須のものではなく、設置環境等を考慮して必要に応じて設ければ良いものである。

風力発電機１からの出力電流は電流検出器３により検出され、出力電圧は適宜な電圧検出手段により線路に現れる電圧を取り込むことにより検出される。これらの検出信号は、ＭＰＰＴ制御部１０に入力される。
出力取出スイッチ部５は、風力発電機１の出力線路に直列に接続されたスイッチ部で、発電出力を制御部７を経て出力端子８Ａ，８Ｂに取り出す時にオンされる。
発電出力取出装置６は、これら出力取出スイッチ部５，電流検出器３，出力電圧検出手段等で構成され、風力発電機１の出力側に配設される。
発電出力取出装置６の出力側に接続される制御部７は、電圧，電流を制御し得る制御部であり、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを中心として構成される。

出力取出スイッチ部５がオフされている状態では、検出される出力電流はほぼゼロである（平滑部４のコンデンサに流れる僅かな電流のみ）。一方、風力発電機１からの発電電圧は、出力電圧として検出される。
ＭＰＰＴ制御部１０には、前記した出力電流検出信号，出力電圧検出信号のほか、風速検出器９で検出された風速検出信号が入力される。そして、ＭＰＰＴ制御部１０からは、出力取出スイッチ部５へのスイッチ信号、および制御部７への制御信号等が出力される。

ＭＰＰＴ制御部１０には、モード判定部１２およびＭＰＰＴ制御信号発生部１３等が内蔵されている。
モード判定部１２は、風力発電機１の出力電圧の変化状況を監視していて、その動作モードが第２モードになったかどうかを判定し、第２モードになったら出力取出スイッチ部５をオンにする信号を送出する。なお、第２モードになったかどうかの判定は、図４を基に次のようにして行う。
図４の曲線イで示されるように、ゼロからほぼ単調に緩やかに増加して来た出力電圧は、モード境界点Ｓのところから、急激な増加に転じる。モード判定は、この特性に着目してなされる。即ち、微小な時間ΔＴと、そのΔＴの間における出力電圧の増加分ΔＶとの比βを取り（β＝ΔＶ／ΔＴ）、その変化率ｄβ／ｄｔを算出する。そして、ｄβ／ｄｔ＞０となった時をもって第２モードに入ったと判定する。

図１に戻るが、ＭＰＰＴ制御信号発生部１３は、検出された風速ｖが所定の風速（例、カットイン風速ｖ_IN＝風車が回転し始める風速。風車の構造によって定まる。）より大であり、風力発電機１が第２モードに入ったことが確認された場合には、風力発電機１から最大出力電力を取り出すよう電圧，電流を制御する信号を制御部７へ送出する。図７，図８等で説明したように、風力発電機１から取り出せる最大出力電力は、風速によって異なるから、その時の風速に対応した最大出力電力が取り出せるよう、出力電圧，出力電流を制御する。

図２は、本発明の風力発電システムでの制御を説明するフローチャートである。なお、フローチャートには、２つの大きなブロックＡ，Ｂがある。ステップ２〜７までのモード判定ブロックＡは、動作モードが第２モードに入ったかどうかを判定するブロックであり、ステップ８以降のＭＰＰＴ制御ブロックＢは、第２モードに入った後、風速に応じて最大出力電力を取り出す制御をするブロックである。

ステップ１…初期状態では、保護スイッチ部２，出力取出スイッチ部５は、オフとしておく。
ステップ２…風力発電機１からの出力電圧Ｖおよび風速ｖを検出する。
ステップ３…風速ｖが、所定のカットアウト風速ｖ_out 以上かどうか調べる。
ステップ４…カットアウト風速ｖ_out 以上であれば、保護スイッチ部２をオンする。これにより、風力発電システムの保護がなされる。

ステップ５…風速ｖが、所定のカットイン風速ｖ_IN以上かどうか調べる。それより小であれば、ステップ２に戻る。
ステップ６…カットイン風速ｖ_IN以上であれば、出力電圧の変化割合β（＝ΔＶ／ΔＴ）を算出する。
ステップ７…風力発電機１のモードが第２モードに入ったかどうか調べる。即ち、βの変化率ｄβ／ｄｔを求め、ｄβ／ｄｔ＞０となったかどうか調べる。

ステップ８…第２モードに入っていれば、出力取出スイッチ部５をオンにする。
ステップ９…出力電流Ｉを検出する。
ステップ１０…検出された風速ｖを基に、その風速で得られる最大出力電力Ｐ_M を算出する。そして、その最大出力電力Ｐ_M を得るための目標電圧Ｖ_M ，目標電流Ｉ_M も算出する。これらの算出には、前記した式（１）〜（３）を使用する。
Ｐ_M ＝Ｋ₃ ×ｖ³
Ｖ_M ＝Ｋ₁ ×ｖ
Ｉ_M ＝Ｋ₂ ×ｖ²
なお、Ｉ_M は、算出したＰ_M ，Ｖ_M を用い、Ｉ_M ＝Ｐ_M ／Ｖ_M の計算で求めてもよい。

ステップ１１…制御部７に制御信号を送って、電圧，電流が目標電圧Ｖ_M ，目標電流Ｉ_M となるよう制御する。これにより風力発電機１の動作点は図７の点Ｍに誘導され、最大出力電力Ｐ_M を発生させることが可能となる。
ステップ１２…風速ｖが、カットイン風速ｖ_INとカットアウト風速ｖ_OUT との間の範囲にあるか、それともその範囲外にあるかをチェックする。その範囲外にある場合（言い換えれば、風速が弱すぎて発電出来ない場合や、風速が強すぎて風車保護のため停止させなければならない場合）には、ステップ２に戻る。即ち、このような場合には、一旦入っていたＭＰＰＴ制御ブロックＢから、モード判定ブロックＡに戻される。その後、状況が変化し、また第２モードに入ったと判定されれば、ふたたびＭＰＰＴ制御ブロックＢに入って行くことになる。
ステップ１３…風速が前記の範囲内にあれば、電圧Ｖ，風速ｖを検出し、ステップ８に戻る。即ち、風速が前記範囲内にある限り、ステップ８〜１３をぐるぐる回り、最大出力追従制御（ＭＰＰＴ制御）を実行し続ける。

ところで、パッシヴセルフピッチコントロール羽根を使用するような小型の風力発電機は、風のエネルギー密度が低いこともあり、１台だけでは出力容量が小さい。従って、用途に応じて出力容量を大にするには、複数個の風力発電機を並列接続して運転することがしばしば必要とされる。
図９は、風力発電機を並列運転する風力発電システムの構成を示す図である。符号は図１のものに対応し、２０は並列接続点、２１は電流検出器、２２はダイオード、２３は制御部、２４Ａ，２４Ｂは出力端子、２５、２６は発電出力取出装置、２７はＭＰＰＴ制御部、２８はモード判定部、２９はＭＰＰＴ制御信号発生部、３１は風力発電機、３２は保護スイッチ部、３３は電流検出器、３４は平滑部、３５は出力取出スイッチ部、４１は風力発電機、４２は保護スイッチ部、４３は電流検出器、４４は平滑部、４５は出力取出スイッチ部である。

風力発電機３１，４１は、パッシヴセルフピッチコントロール羽根を具えた風力発電機である。風力発電機３１の出力側には発電出力取出装置２５が接続され、風力発電機４１の出力側には発電出力取出装置２６が接続される。発電出力取出装置２５，２６の内部構成は、図１の発電出力取出装置６とほぼ同様である。
発電出力取出装置２５，２６の出力端子は並列接続点２０で共通の出力線路に接続され、更に共通の制御部２３を経て出力端子２４Ａ，２４Ｂに取り出される。電流検出器２１は、合流した全電流を検出する検出器である。制御部２３は、電圧，電流を制御し得る制御部であり、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを中心として構成される。

ＭＰＰＴ制御部２７へは、風速検出器９からの検出信号，発電出力取出装置２５，２６からの出力電圧検出信号Ｖ，出力電流検出信号Ｉが入力される。そして、モード判定部２８は、各風力発電機の動作モードを順次判定し、各発電出力取出装置内にある出力取出スイッチ部３５，４５へ順次スイッチ信号を送出する。ＭＰＰＴ制御信号発生部２９は、電圧，電流の制御信号を発生し、制御部２３へ送出する。
風力発電機の組は２組並列接続されているが、ＭＰＰＴ制御部２７や制御部２３は１つのものを共通に使用することが出来る。
一方、風速判定部１１で風速が過大であると判定された時（例、風速ｖ＞カットアウト風速ｖ_out の時）には、保護スイッチ部３２，４２がオンされる。

図１０は、並列運転する風力発電システムでの制御を説明するフローチャートである。ステップ１…初期状態では、各発電出力取出装置２５，２６内の、保護スイッチ部３２，４２および出力取出スイッチ部３５，４５は、オフとしておく。
ステップ２…各Ｇ（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）即ち各風力発電機３１，４１からの出力電圧Ｖを検出すると共に、風速検出器９により風速ｖを検出する。
ステップ３…風速ｖが、所定のカットアウト風速ｖ_out 以上かどうか調べる。
ステップ４…カットアウト風速ｖ_out 以上であれば、各発電出力取出装置２５，２６内の保護スイッチ部３２，４２をオンする。これにより、風力発電システムの保護がなされる。
ステップ５…風速ｖが、所定のカットイン風速ｖ_IN以上かどうか調べる。それより小であれば、ステップ２に戻る。

ステップ６…カットイン風速ｖ_IN以上であれば、発電出力取出装置内の出力取出スイッチ部がオフになっている風力発電機の中から、出力電圧が最大である風力発電機Ｇk を選ぶ（Ｇk は、複数個の中の１つの風力発電機のことを便宜的に表したものである）。例えば、発電出力取出装置２５，２６内の出力取出スイッチ部３５，４５が共にオフになっていて、風力発電機３１からの出力電圧の方が風力発電機４１からの出力電圧より大であった場合、風力発電機３１を選ぶ（風力発電機３１がＧk に相当）。
ステップ７…選ばれた風力発電機Ｇk の出力電圧Ｖk についての変化割合β（＝ΔＶ／ΔＴ）を算出する。
ステップ８…選ばれた風力発電機Ｇk のモードが、第２モードに入ったかどうか調べる。即ち、風力発電機Ｇk の出力電圧Ｖk についてのβの変化率ｄβ／ｄｔを求め、ｄβ／ｄｔ＞０となったかどうか調べる。まだ入っていなければ、ステップ７に戻る。

ステップ９…第２モードに入っていれば、風力発電機Ｇk に対応する出力取出スイッチ部をオンにする。例えば、風力発電機３１が選ばれている場合なら、それに対応する出力取出スイッチ部３５をオンにする。
ステップ１０…選ばれた風力発電機Ｇk の出力電流Ｉk を検出する。
ステップ１１…選ばれた風力発電機Ｇk に関し、検出された風速ｖを基に、その風速で得られる最大出力電力Ｐ_M を算出する。そして、その最大出力電力Ｐ_M を得るための目標電圧Ｖ_M ，目標電流Ｉ_M も算出する。これらの算出には、前記した式（１）〜（３）を使用する。
Ｐ_M ＝Ｋ₃ ×ｖ³
Ｖ_M ＝Ｋ₁ ×ｖ
Ｉ_M ＝Ｋ₂ ×ｖ²
なお、Ｉ_M は、算出したＰ_M ，Ｖ_M を用い、Ｉ_M ＝Ｐ_M ／Ｖ_M の計算で求めてもよい。

ステップ１２…制御部２３に制御信号を送って、風力発電機Ｇk についての出力電圧Ｖk
，出力電流Ｉk が目標電圧Ｖ_M ，目標電流Ｉ_M となるよう制御する。これにより風力発電機Ｇk の動作点は図７の点Ｍに誘導され、最大出力電力Ｐ_M を発生させることが可能となる。
ステップ１３…出力電圧Ｖk が、目標電圧Ｖ_M 以上となったかどうか調べる。まだなっていなかったら、ステップ９に戻る。
ステップ１４…並列接続されている全ての風力発電機に対応する出力取出スイッチ部が、全てオンになったかどうか点検する。全てオンになっていればステップ２に戻り、まだオフのものがあればステップ６に戻る。

ステップ１５…風速ｖが変動したかどうかチェックする。
ステップ１６…風速ｖが変動していない場合は、各風力発電機の出力電圧，出力電流を検出する。そして、ステップ１２に戻る。風速が変化しない限りステップ１２〜１６をぐるぐる回り、同じ目標値での制御が行われ、最大電力の取得が行われる。
ステップ１７…ステップ１５で風速ｖが変動した場合、風速ｖが、カットイン風速ｖ_INとカットアウト風速ｖ_OUT との間の範囲にあるか、それともその範囲外にあるかをチェックする。その範囲外にある場合は、ステップ２に戻る。即ち、その後、状況が変化し、また第２モードに入ったか否かの判定に付される。
ステップ１８…風速ｖが変動しても前記範囲内にある場合は、各風力発電機の出力電圧，出力電流を検出する。そして、ステップ１１に戻る。変動した新たな風速に対応して新たな目標値を算出し、その目標値での制御が行われ、最大電力の取得が行われる。

なお、図９では図が煩雑となるのを避けるため、並列接続組数が２組のものを示して説明したが、３組以上の場合でも同様に並列接続し（並列接続点２０に接続）、同様の要領で制御することが出来る。
以上述べたように、本発明では、パッシヴセルフピッチコントロール羽根を具えた風力発電機には、
（１）第１，第２の動作モードがあること、
（２）最大出力電力は第２モードにおいて取り出すことが出来ること
等の特性があることを解明し、その知見に基づいて、第２モードに入ったことの判定や、風速の変化に応じた最大出力電力追従制御（ＭＰＰＴ制御）の仕方に関し、単独運転および並列運転についてそれぞれ工夫を施したものである。

特に本発明での最大出力電力追従制御は、最大出力電力が得られる目標電圧，目標電流を風速を基に速やかに算出し、直ちにその目標に向かって電圧，電流を制御するので、最大出力電力が取り出せる状態に短時間で到達することが出来る。その結果、試行錯誤的に電圧や電流を変えて手さぐりで最大出力電力を取り出す方法に比べて、最大出力電力を効率よく速やかに取り出すことが出来る。
なお、最大出力電力が得られる目標電圧，目標電流のことを、それぞれ「最適電圧」，「最適電流」と言うこともある。

本発明の風力発電システムの構成を示す図 本発明の風力発電システムでの制御を説明するフローチャート ピッチ角が変らない羽根の風力発電機の出力電圧特性図 パッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性には２つのモードがあることを示す図 パッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性図 風速一定で負荷を異ならせた場合のパッシヴセルフピッチコントロール羽根風力発電機の出力電圧特性図 風速一定のときの出力電力，出力電圧，出力電流の関係を示す図 風速が異なった場合の最大出力点の軌跡を示す図 風力発電機を並列運転する風力発電システムの構成を示す図 並列運転する風力発電システムでの制御を説明するフローチャート

符号の説明

１…風力発電機、２…保護スイッチ部、３…電流検出器、４…平滑部、５…出力取出スイッチ部、６…発電出力取出装置、７…制御部、８Ａ，８Ｂ…出力端子、９…風速検出器、１０…ＭＰＰＴ制御部、１１…風速判定部、１２…モード判定部、１３…ＭＰＰＴ制御信号発生部、２０…並列接続点、２１…電流検出器、２２…ダイオード、２３…制御部、２４Ａ，２４Ｂ…出力端子、２５、２６…発電出力取出装置、２７…ＭＰＰＴ制御部、３１…風力発電機、３２…保護スイッチ部、３３…電流検出器、３４…平滑部、３５…出力取出スイッチ部、４１…風力発電機、４２…保護スイッチ部、４３…電流検出器、４４…平滑部、４５…出力取出スイッチ部、Ｓ…モード境界点

Claims (3)

1. パッシブセルフピッチコントロールの羽構造を有する小型風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、
   風が吹き始めてから発電機が発生する出力電圧の過渡応答波形に着目しその形状が変化する時点を検出する起動判定手段を設け、
   当該起動判定手段から得られる情報を基に、最大電力取得追従制御（ＭＰＰＴ）を起動させる
   ことを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１の最大電力取得追従制御は、
   風速を検出する手段と、
   検出された風速を使って、その風速で出力できる最大電力を予測する最大電力予測手段と、
   その時点の最大電力を出力させる最適電圧を発生させるための最適電圧指令演算手段と、
   当該最大電力予測手段によって予測された最大電力と当該最適電圧指令演算手段から得られる最適電圧指令からその時点の最大電力を出力させる最適電流指令を演算する最適電流指令演算手段、乃至、検出された風速を使ってその時点の最大電力を出力させる最適電流指令演算手段と
   を具備して、
   当該最適電圧指令演算手段と当該最適電流指令演算手段からそれぞれ得られた最適電圧指令と最適電流指令に基づいて行う
   ことを特徴とする風力発電システム。
3. 複数台の小型風力発電機を並列に接続して電力を取得する風力発電システムにおいて、
   各々の風力発電機の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   当該電圧検出手段から検出された電圧中から最大の電圧を検出する最大電圧検出手段と
   を具備し、
   当該最大電圧検出手段によって検出された最大電圧を出力している風力発電機から最大電力を取得するようにした風力発電システム。
   
   

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