JP2011041392A - スイッチング電源装置、発電機および電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流れを利用した発電の際に、安定性の高い電力供給を行うことが可能なスイッチング電源装置、発電機および電力供給装置を提供する。
【解決手段】コンバータ３内の制御装置３５は、検出された風車１１における風速および発電部１２のトルクのうちの一方を用いて、他方に対するフィードバック制御を行う。また、スイッチング素子３３Ｓに対するスイッチング駆動の際のデューティ比を制御すると共に、フィードバック制御の際の位相余裕θが、所定の範囲（位相余裕範囲Δθ）内に収まるようにする。これにより、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。なお、入力電圧Ｖinを検出することによって風速を間接的に検出すると共に、入力電流Ｉinを検出することによってトルクを間接的に検出し、入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinを用いてフィードバック制御を行うようにするのが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、風等の流体の流れを利用して発電を行う発電機、およびそのような発電機に適用されるスイッチング電源装置、ならびにそのようなスイッチング電源装置を備えた電力供給装置に関する。

近年、地球温暖化などの問題を受け、再生可能エネルギーである風力の利用が盛んに行なわれている。この風力の利用方法の１つとして、風車と発電機とを組み合わせて風力−電力変換を行い、得られた電力を使用用途に合わせた形に変換して利用するもの（風力発電システム）が挙げられる。このような風力発電システムは応用用途が広いため、現在盛んに開発が行なわれている。

例えば、特許文献１〜８および非特許文献１，２には、風力発電システムに適用されるスイッチング電源装置（コンバータ）におけるフィードバック制御方法がいくつか提案されている。

具体的には、例えば、風力のエネルギーは風速の３乗に比例することが知られているが、これを電力に変換する風車および発電機における変換効率は、風速と発電機のトルクとに依存している。したがって、風速を計測し、これに応じて発電機のトルクを制御する手法が提案されている（例えば、特許文献６参照）。この手法は、風速をパラメータにしたトルクのフィードバック制御である。

また、上記した風車−発電機における変換効率においては、風速と風車の回転数との比を選択することにより、最大の変換効率が得られることが知られている。そこで、風速を計測し、これに応じて風車の回転数を制御する手法が提案されている。この手法は、風速をパラメータにした回転数のフィードバック制御である。

更に、これらの２つの手法を組み合わせ、風車の回転数を計測し、これに応じて発電機のトルクを制御する手法も提案されている（例えば、特許文献５参照）。この手法は、回転数がアウターループであり、かつトルクがインナーループであるフィードバック制御となる。

一方、風力を利用して発電機により得られる電圧―電流特性の関係を用いて、この発電機から得られる電圧を計測し、これに応じて電流を制御する手法も提案されている（例えば、特許文献７および非特許文献１参照）。この場合は、電圧がアウターループであり、かつ電流がインナーループであるフィードバック制御となる。

また、その他にも、風車の回転数を計測して回転数が大きい場合は、その値を平準化すると共に、その平準化の程度を回転数によって変化させるようにした制御手法などが提案されている。

特開昭５６−１０７７９７号公報 特開昭５８−９５９９８号公報 特開昭６２−１２３９９２号公報 特開２００２−１３６１９２号公報 特開２００４−６４９２９号公報 特開２００５−２８７０９５号公報 特開２００５−３３３７８８号公報 特開２００７−１８９７７０号公報

久保大次郎著，「マイクロ風力発電機の設計と製作」，ＣＱ出版， ２００７年３月１５日，ｐ．１４２−１８３ 鳥谷、渡辺、大屋著，「小型・マイクロ風車の風速変動に対する応答について」，九州大学応用力学研究所報，第１２７号（６９−７３），２００４年９月，ｐ．６９−７３

ところが、上記特許文献１〜８および非特許文献１の手法では、いずれにおいても、風速や発電機のトルク等に応じたフィードバック制御の応答について考慮されていない。一方、上記非特許文献２では、風速に対する風車や発電機の応答時間についての考察がなされているものの、やはり風速や発電機のトルク等に応じたフィードバック制御の安定性等については考察がなされておらず、かつ実際の制御手法の詳細については何ら開示されていない。

これらのことから、従来の風力発電システム等（より一般には、流体の流れを利用した発電システム）では、フィードバック制御の際の安定性を高めて電力供給を行うことが困難であり、改善するための手法の提案が望まれていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、流体の流れを利用した発電の際に、安定性の高い電力供給を行うことが可能なスイッチング電源装置、発電機および電力供給装置を提供することにある。

本発明のスイッチング電源装置は、流体の流れに応じて回転する羽根車と、この羽根車の回転動作に応じて発電を行う発電部とを含んで構成され、流体の流れを利用して発電を行う発電システムに適用されるものであって、発電部から入力される入力電圧に対して電圧変換を行って出力電圧を生成するためのスイッチング素子と、流体の流速および発電部のトルクをそれぞれ、直接もしくは間接的に検出する検出部と、スイッチング素子に対してパルス幅変調によりスイッチング駆動を行うと共に、検出部により検出された流速およびトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御を行うことにより、スイッチング駆動の際のデューティ比を制御する制御部とを備えたものである。また、この制御部は、フィードバック制御の際の位相余裕が所定の範囲内に収まるように、フィードバック制御を行うようになっている。

本発明の発電機は、上記羽根車と、上記発電部と、上記スイッチング電源装置とを備えたものである。

本発明の電力供給装置は、上記スイッチング電源装置と、上記出力電圧を蓄電するためのバッテリと、この出力電圧に対して電圧変換を行うことにより交流電圧を生成する電圧変換部とを備えたものである。

本発明のスイッチング電源装置、発電機および電力供給装置では、発電部から入力される入力電圧に対してスイッチング素子を用いて電圧変換を行うことにより、出力電圧が生成される。この際、流体の流速および発電部のトルクがそれぞれ、直接もしくは間接的に検出される。そして、検出された流速およびトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御が行われることにより、スイッチング素子に対するパルス幅変調によるスイッチング駆動の際のデューティ比が制御される。ここで、このフィードバック制御の際には、その際の位相余裕が所定の範囲内に収まるように制御されることにより、フィードバック制御の際の安定性が高まる。

本発明のスイッチング電源装置では、上記検出部が、入力電圧を検出することにより流速を間接的に検出すると共に、発電部から入力される入力電流を検出することにより、トルクを間接的に検出するようにするのが好ましい。このように構成した場合、流体の流速や発電部のトルクを直接検出する場合のように、流速計や回転計を設置する必要がなくなるため、そのような場合と比べ、装置の小型化および低コスト化が図れる。

この場合において、上記制御部は、検出部により検出された入力電圧および入力電流のうちの一方を用いて、この一方の値が所定の閾値を超えないように、他方に対するフィードバック制御を行うのが好ましい。このように構成した場合、例えば暴風等による過大な流速に起因して羽根車の回転数が過大に上昇したような場合であっても、上記一方の値が所定の閾値以下に制限されるため、羽根車の破損が防止される。よって、装置の安全性の確保が可能となる。

あるいは、上記制御部は、検出部により検出された入力電圧および入力電流のうちの一方を用いて、他方に対するフィードバック制御を行うと共に、一方の値と所定の閾値との大小関係に応じて、フィードバック制御の際の制御量を変化させるようにしてもよい。このように構成した場合、目的や用途に応じて、自由度の高い様々なフィードバック制御を行うことが可能となる。

具体的には、例えば、上記制御部は、上記一方の値が上記閾値未満のときには、上記制御量が、上記他方の目標値の大きさに応じて変化する第１の関数により規定されるように設定し、上記一方の値が上記閾値以上のときには、上記制御量が、上記他方の目標値の大きさに応じて変化すると共に上記第１の関数とは異なる第２の関数により規定されるように設定することが可能である。このように構成した場合、上記一方の値と上記閾値との大小関係に応じて、より精密なフィードバック制御を行うことが可能となる。

あるいは、上記制御部は、上記一方の値が上記閾値未満のときには、上記制御量が第１の固定値となるように設定し、上記一方の値が上記閾値以上のときには、上記制御量が、上記第１の固定値とは異なる第２の固定値となるように設定してもよい。このように構成した場合、上記一方の値と上記閾値との大小関係に応じて、より簡単なフィードバック制御を行うことが可能となる。

また、上記制御部は、上記一方の値が上記閾値未満のときには、上記制御量が固定値となるように設定し、上記一方の値が上記閾値以上のときには、上記制御量が、上記他方の目標値の大きさに応じて変化する関数により規定されるように設定してもよい。このように構成した場合、上記一方の値が相対的に小さいときにより簡単なフィードバック制御を行いつつ、上記一方の値が相対的に大きいときには、例えば過大な流速等に対応したより精密なフィードバック制御を行うことが可能となる。

更に、上記制御部は、上記一方の値が上記閾値未満のときには、上記制御量が、上記他方の目標値の大きさに応じて変化する関数により規定されるように設定し、上記一方の値が上記閾値以上のときには、上記制御量が固定値となるように設定してもよい。このように構成した場合、上記一方の値が相対的に大きくなったときに、例えば過大な流速等に対する制御に起因して制御部における処理速度の低下が生じ得るような場合であっても、フィードバック制御をより簡単なものとすることにより、そのような処理速度の低下を低減もしくは回避することが可能となる。

本発明のスイッチング電源装置では、上記制御部が、入力電圧Ｖinと入力電流ＩinとがＩin∝Ｖinⁿ（ｎ＝２〜４）という関係を満たすように、フィードバック制御を行うのが好ましい。このように構成した場合、流体の流速が変化した場合であっても、常に最大電力が得られるようにすることができると共に、電力変換効率を略一定に保持することが可能となる。なお、電力変換効率を向上させるという観点からは、上記ｎ＝２という関係を満たすようにするのが、より好ましいと言える。

本発明のスイッチング電源装置では、上記制御部が、Ｐ補償器、ＰＩ補償器またはＰＩＤ補償器を有するように構成することが可能である。また、上記制御部を、デジタル演算装置（ＤＳＰ）を用いて構成することが可能である。

本発明のスイッチング電源装置では、上記流体の流れが風である場合には、風力発電システムに適用されるスイッチング電源装置として構成することが可能である。

本発明のスイッチング電源装置、発電機および電力供給装置によれば、直接もしくは間接的に検出された流体の流速および発電部のトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御を行うことによって、スイッチング駆動の際のデューティ比を制御すると共に、このフィードバック制御の際の位相余裕が所定の範囲内に収まるようにしたので、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。よって、流体の流れを利用した発電の際に、安定性の高い電力供給を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る電力供給装置（パワーコンディショナ）を備えた風力発電システムの概略構成を表すブロック図である。 図１に示したスイッチング電源装置（コンバータ）の詳細構成例を表す図である。 図２に示した制御装置の要部構成例を表すブロック図である。 コンバータに対する入力電圧と入力電流との関係の一例を風速の変化と併せて表す特性図である。 図４に示した電圧−電流特性における最大電力線の一例を表す特性図である。 周速比の変化に応じた風車のトルク係数の変化の一例を表す特性図である。 風速とフィードバック系の遅れ時間（目標電圧値までの到達時間）との関係の一例を表す特性図である。 比較例に係る制御装置におけるボード線図の一例を表す特性図である。 図２に示した制御装置におけるボード線図の一例を表す特性図である。 第１の実施の形態に係る入力電圧と位相余裕範囲との関係の一例を表す特性図である。 第１の実施の形態の変形例（変形例１）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 第１の実施の形態の他の変形例（変形例２）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 第１の実施の形態の他の変形例（変形例３）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 入力電圧と閾値電圧との大小に応じた最大電力線の変動例を表す特性図である。 第２の実施の形態に係る入力電圧と位相余裕範囲との関係の一例を表す特性図である。 第２の実施の形態に係る入力電圧と位相余裕範囲との関係の他の例を表す特性図である。 第２の実施の形態の変形例（変形例４）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 第２の実施の形態の他の変形例（変形例５）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 第２の実施の形態の他の変形例（変形例６）に係る制御装置の要部構成を表すブロック図である。 本発明の他の変形例に係るスイッチング電源装置（コンバータ）の詳細構成例を表す図である。 図２１に示した制御装置の要部構成例を表すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
（風力発電システム１の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る風力発電システム１の概略構成を表すものである。風力発電システム１は、風車１１と、発電部１２と、本発明の第１の実施の形態に係る「電力供給装置」としてのパワーコンディショナ２とを備えている。この風力発電システム１は、風車１１および発電部１２により得られる入力電圧Ｖinに基づいて交流の出力電圧Ｖout２を生成し、電力系統６へと出力（供給）するものであり、特に数１０ｋＷ程度以下の小型の風力発電に好適なシステムである。

風車１１は、風の流れ（風力）に応じて回転するように構成されている。発電部１２は、この風車１１の回転動作に応じて発電を行うことにより、パワーコンディショナ２に対して入力電圧Ｖinおよび後述する入力電流Ｉinを供給するものである。なお、これらの風車１１および発電部１２と、以下説明するコンバータ３とが、本発明の第１の実施の形態に係る「発電機」に対応している。

パワーコンディショナ２は、入力端子Ｔ１１，Ｔ１２から入力される入力電圧Ｖinに対して電圧変換を行うことにより、交流の出力電圧Ｖout２（交流電圧）を生成し、出力端子Ｔ１３，Ｔ１４を介して電力系統６へと出力（供給）する安定電力供給装置である。このパワーコンディショナ２は、本発明の第１の実施の形態に係る「スイッチング電源装置」としてのコンバータ３と、バッテリ４と、系統連係インバータ５とを備えている。

コンバータ３は、上記した入力電圧Ｖinに対して電圧変換を行うことにより、直流の出力電圧Ｖout１を生成するものであり、このような電圧変換を行うためのスイッチング素子（後述するスイッチング素子３３Ｌ）を含んで構成されている。なお、このコンバータ３の詳細構成については後述する。

バッテリ４は、コンバータ３から出力される直流の出力電圧Ｖout１を蓄電するためのバッテリである。ただし、場合によっては、このようなバッテリ４を設けないようにしてもよい。

系統連係インバータ５は、コンバータ３から出力される直流の出力電圧Ｖout１に対して電圧変換（ＤＣ−ＡＣ変換）を行うことにより、交流の出力電圧Ｖout２を生成するものである。なお、このような系統連係インバータ５としては、種々の回路構成のものを用いることが可能である。

（コンバータ３の詳細構成）
続いて、図２〜図７を参照して、コンバータ３の構成について詳細に説明する。なお、ここでは、このコンバータ３が昇圧動作を行うものである場合を例に挙げて説明するが、逆に降圧動作を行うものであってもよい。また、回路構成についても、以下説明するようなチョッパ型の構成には限られず、他の構成のものであってもよい。

図２は、コンバータ３の詳細構成を回路図およびブロック図で表したものである。このコンバータ３は、入力電圧Ｖinが入力される入力端子Ｔ２１，Ｔ２２と、出力電圧Ｖout１が出力される出力端子Ｔ２３，Ｔ２４と、入力電圧検出部３１と、入力電流検出部３２と、入力平滑コンデンサＣinと、昇圧回路３３と、出力平滑コンデンサＣoutと、出力電圧検出部３４と、制御装置３５とを有している。

入力電圧検出部３１は、入力端子Ｔ２１，Ｔ２２に接続された接続ラインＬ１，Ｌ２上において、入力端子Ｔ２１，Ｔ２２と、後述する入力平滑コンデンサＣoutとの間に配置されている。この入力電圧検出部３１は、入力端子Ｔ２１，Ｔ２２間に入力される入力電圧Ｖinを検出すると共に、この検出した入力電圧Ｖinに対応する検出信号Ｓ（Ｖin）を、制御装置３５内の図示しないＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部へ出力するものである。すなわち、入力電圧検出部３１は、入力電圧Ｖinを検出することにより、風車１１を回転させている風の風速を、間接的に検出する役割を果たしている。これは、入力電圧Ｖinと風車１１の回転数とが比例関係にあると共に、この風車１１の回転数は風速に依存するためである。なお、この入力電圧検出部３１の具体的な回路構成としては、例えば、接続ラインＬ１，Ｌ２間に配置された分圧抵抗（図示せず）によって、入力電圧Ｖinを検出してこれに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。

入力電流検出部３２は、接続ラインＬ１上において、入力平滑コンデンサＣinと、後述する昇圧回路３３との間に配置されている。この入力電流検出部３２は、発電部１２から入力される入力電流Ｉinを検出すると共に、この検出した入力電流Ｉinに対応する検出信号Ｓ（Ｉin）を、制御装置３５内の図示しないＡ／Ｄ変換部へ出力するものである。すなわち、入力電流検出部３２は、入力電流Ｉinを検出することにより、発電部１２のトルクを間接的に検出する役割を果たしている。これは、入力電流Ｉinと発電部１２のトルクとが、比例関係にあるためである。なお、この入力電流検出部３２の具体的な回路構成としては、例えばカレントトランスを含んだものが挙げられる。

入力平滑コンデンサＣinは、入力電圧Ｖinを平滑化して昇圧回路３３へと供給するためのコンデンサである。

昇圧回路３３は、スイッチング素子３３Ｓ、インダクタ３３Ｌおよびダイオード３３Ｄを有しており、入力電圧Ｖinを昇圧して出力するチョッパ型の昇圧回路となっている。具体的には、インダクタ３３Ｌおよびダイオード３３Ｄはそれぞれ、接続ラインＬ１上において互いに直列接続されて挿入配置されており、インダクタ３３Ｌの一端が、スイッチング素子３３Ｓの一端およびダイオード３３Ｄのアノードに接続されている。また、スイッチング素子３３Ｓの他端は接続ラインＬ２に接続され、ダイオード３３Ｄのカソードは後述する出力平滑コンデンサＣoutの一端に接続されている。ここで、スイッチング素子３３Ｓは、例えば、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などにより構成されている。そして、このスイッチング素子３３Ｓは、後述する制御装置３５から供給されるＳＷ制御信号Ｓｄに従って、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）によるスイッチング駆動がなされると共に、その際のデューティ比が制御されるようになっている。

出力平滑コンデンサＣoutは、昇圧回路３３からの出力電圧（昇圧電圧）を平滑化し、直流の出力電圧Ｖout１を生成するためのコンデンサである。

出力電圧検出部３４は、接続ラインＬ１，Ｌ２上において、出力平滑コンデンサＣoutと出力端子Ｔ２３，Ｔ２４との間に配置されている。この出力電圧検出部３４は、出力端子Ｔ２３，Ｔ２４を介してバッテリ４へと供給される出力電圧Ｖout１を検出すると共に、この検出した出力電圧Ｖout１に対応する検出信号Ｓ（Ｖout１）を、制御装置３５内の図示しないＡ／Ｄ変換部へ出力するものである。なお、出力電圧検出部３４の具体的な回路構成としては、入力電圧検出部３１と同様に、例えば、接続ラインＬ１，Ｌ２間に配置された分圧抵抗（図示せず）によって出力電圧Ｖout１を検出してこれに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。

制御装置３５は、入力電圧検出部３１および入力電流検出部３２から供給される検出信号Ｓ（Ｖin），Ｓ（Ｉin）を用いて、昇圧回路３３内のスイッチング素子３３Ｓに対するＳＷ制御信号Ｓｄを生成・出力することにより、このスイッチング素子３３Ｓに対してＰＷＭによるスイッチング駆動を行うものである。具体的には、制御装置３５は、検出信号Ｓ（Ｖin）を用いて検出信号Ｓ（Ｉin）に対するフィードバック制御を行うことにより、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比を制御するようになっている。すなわち、後述する図３に示したように、検出信号Ｓ（Ｖin）をアウターループにすると共に、検出信号Ｓ（Ｉin）をインナーループにしたフィードバック制御を行っている。そして、詳細は後述するが、この制御装置３５は、このようなフィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲内に収まるように、フィードバック制御を行うようになっている。なお、出力電圧検出部３４から供給される検出信号Ｓ（Ｖout１）については、制御装置３５内において、例えば過電圧検出に用いられている。

このような制御装置３５は、例えばデジタル演算装置（ＤＳＰ；Digital Signal Processor）を用いて構成されている。具体的には、入力される検出信号Ｓ（Ｖin），Ｓ（Ｉin），Ｓ（Ｖout１）を、図示しないＡ／Ｄ変換部を介してそれぞれデジタル信号に変換すると共に、それらのデジタル信号を用いて上記したような制御処理を行うというものである。これは、アナログ回路によってそのような制御処理を行う場合、大規模な回路網が必要となり、回路を構成する部品によっては精度やコストに問題が生じるからである。これに対し、ＤＳＰを用いてデジタル制御処理を行う場合、上記したような制御処理を簡単な回路網で精度よく行なうことができる。また、上記の制御処理の際には、後述する図３に示したように、乗算が多数回行なわれている。したがって、専用の乗算論理回路を持つＤＳＰを用いるようにすれば、高速な演算および制御処理が可能となる。

（制御装置３５の詳細構成）
ここで、図３は、制御装置３５における要部のブロック構成を、風車１１、発電部１２およびコンバータ３の伝達関数を表すブロックである伝達関数部３６１，３６２と併せて示したものである。制御装置３５は、目標電流算出部３５１と、制御量算出部３５２と、減算部３５３と、Ｐ補償器３５４とを含んでいる。なお、図３において、制御装置３５に含まれるブロック構成のうち、検出信号Ｓ（Ｖout１）を用いた制御ブロックについては図示を省略しており、以下の制御装置についての同様の図面についても同様である。

伝達関数部３６１は、電圧に関するコンバータ３の伝達関数である伝達関数Ｐｖ（ｓ）と、電圧に関する風車１１および発電部１２の伝達関数である伝達関数Ｇｖ（ｓ）との乗算を用いて構成されている。一方、伝達関数部３６２は、電流に関するコンバータ３の伝達関数である伝達関数Ｐｉ（ｓ）と、電流に関する風車１１および発電部１２の伝達関数である伝達関数Ｇｉ（ｓ）との乗算を用いて構成されている。

目標電流算出部３５１は、検出信号Ｓ（Ｖin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の目標電流ｉｒｅｆを算出するものである。具体的には、まず、風力を利用して発電部１２により得られる入力電圧Ｖin―入力電流Ｉinの特性は、例えば図４に示したようになる。この図４に示した各特性は、風速がそれぞれ風速Ｗａ〜Ｗｄ（Ｗａ＜Ｗｂ＜Ｗｃ＜Ｗｄ）のときのものである。ここで、各風速のときの最大電力点を結んでいくと、そのときの入力電圧Ｖin―入力電流Ｉinの特性は、例えば図５および以下の（１）式に示したようになる。すなわち、この（１）式を満たす図５中の特性線上に入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが設定されているときに、最大電力が得られることになり、このときの風力−電力変換の変換効率はほぼ一定となる。したがって、目標電流算出部３５１は、この（１）式を利用して、以下の（２）式を用いることにより、検出信号Ｓ（Ｖin）に対応する入力電圧Ｖinから、目標電流ｉｒｅｆを算出するようになっている。言い換えると、制御装置３５では、これらの（１）式および（２）式の関係を満たすように、フィードバック制御を行っている。なお、これらの式における比例定数ａおよび乗数ｎは、風車１１やその翼（羽根）の形状や大きさ、羽根の枚数、および発電部１２の特性等によって定まるものである。また、乗数ｎとしては、電力変換効率を向上させるという観点からは、ｎ＝２であることが好ましい。その場合に、電力変換効率が最も高くなるからである。
Ｉin∝Ｖinⁿ（ｎ＝２〜４） ……（１）
ｉｒｅｆ＝ａ×Ｘⁿ＝ａ×Ｖinⁿ（ａ：比例定数） ……（２）

制御量算出部３５２は、検出信号Ｓ（Ｖin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の制御量に対応する、Ｐ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを算出するものである。具体的には、まず、一般に風車における運動方程式は、以下の（３）〜（５）式のようになる。なお、（４）式中の風車のトルク係数Ｃ_T（λ）は、例えば図６に示したような周速比λの関数として表される。

ここで、これらの運動方程式を解くと、図７で示したような、風速と応答時間（フィードバック制御の際の遅れ時間）との関係が得られる。具体的には、このような応答遅れは、風車１１および発電部１２が持つ慣性モーメントに起因したものであり、風速に反比例するようになっている。このようにして、フィードバック制御の際の遅れ時間が風速に応じて変化することから、風速に応じてフィードバック制御の際の安定性も変化することが分かる。また、前述した図５とこの図７との関係により、入力電圧Ｖinまたは入力電流Ｉinから、風車１１および発電部１２による遅れ時間を推測することができる。したがって、制御量算出部３５２は、上記したように、フィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを、以下の（７）式を用いて算出するようになっている。すなわち、制御量に対応するＰ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを、ここでは入力電圧Ｖinの大きさに応じて変化（増減）させている。これにより、詳細は後述するが、フィードバック制御の際の全体の系における位相余裕θが所定の範囲内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を保証することが可能となっている。
Ｋｐｉ＝ｂ×Ｘ^m＝ｂ×Ｖin^m（ｂ：比例定数、ｍ＝０．５〜１．５） ……（７）

減算部３５３は、目標電流算出部３５１から出力される目標電流ｉｒｅｆと、検出信号Ｓ（Ｉin）に対応する入力電流Ｉinとを用いて減算を行うことにより、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際のエラー電流値ｉｅを算出するものである。すなわち、減算部３５３は、以下の（８）式を用いてエラー電流値ｉｅを算出するようになっている。
ｉｅ＝ｉｒｅｆ−Ｉin ……（８）

Ｐ補償器３５４は、乗算部３５４Ａを有しており、減算部３５３から出力されるエラー電流値ｉｅと、制御量算出部３５２から出力される比例ゲインＫｐｉとを用いて、以下の（９）式により表されるＰ補償演算を行うものである。これにより、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比Ｓｄ（Duty）が算出されるようになっている。

ここで、風車１１が本発明における「羽根車」の一具体例に対応し、入力電圧検出部３１および出力電圧検出部３４が、本発明における「検出部」の一具体例に対応する。また、制御装置３５（および後述する制御装置３５Ａ〜３５Ｈ）が、本発明における「制御部」の一具体例に対応し、系統連係インバータ５が本発明における「電圧変換部」の一具体例に対応する。

（風力発電システム１の作用・効果）
続いて、本実施の形態の風力発電システム１の作用および効果について説明する。

（１．全体動作）
この風力発電システム１では、図１に示したように、まず、風の流れ（風力）に応じて風車１１が回転すると共に、発電部１２はこの風車１１の回転動作に応じて発電を行う。これにより、発電部１２からパワーコンディショナ２に対し、入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinがそれぞれ供給される。

次に、パワーコンディショナ２内のコンバータ３では、入力電圧Ｖinに対して電圧変換がなされ、直流の出力電圧Ｖout１が生成される。生成された出力電圧Ｖout１は、バッテリ４に対して蓄電されると共に、系統連係インバータ５へ入力される。そして、この系統連係インバータ５では、この出力電圧Ｖout１に対して電圧変換（ＤＣ−ＡＣ変換）がなされ、交流の出力電圧Ｖout２が生成される。

このようにして、パワーコンディショナ２では、入力端子Ｔ１１，Ｔ１２から入力される入力電圧Ｖinに対して電圧変換が行われることにより交流の出力電圧Ｖout２が生成され、出力端子Ｔ１３，Ｔ１４を介して電力系統６へと出力（供給）される。

（２．コンバータ３の詳細動作）
ここで、上記したコンバータ３では、具体的には以下のような電圧変換動作がなされる。すなわち、図２に示したように、まず、入力端子Ｔ２１，Ｔ２２から入力された入力電圧Ｖinは、入力平滑コンデンサＣinによって平滑化され、昇圧回路３３へ供給される。次に、この昇圧回路３３では、スイッチング素子３３ＳがＳＷ制御信号Ｓｄに従ってＰＷＭによるオン・オフ動作を行うことにより、入力電圧Ｖinが昇圧されて出力される。そして、この昇圧回路３３からの出力電圧（昇圧電圧）は、出力平滑コンデンサＣoutによって平滑化されることにより、直流の出力電圧Ｖout１が生成される。

このとき、コンバータ３では、入力電圧検出部３１、入力電流検出部３２および出力電圧検出部３４によってそれぞれ、入力電圧Ｖin，入力電流Ｉin，出力電圧Ｖout１の検出信号に対応する検出信号Ｓ（Ｖin），Ｓ（Ｉin），Ｓ（Ｖout１）が得られる。

そして、制御装置３５では、これらの検出信号のうち、検出信号Ｓ（Ｖin），Ｓ（Ｉin）を用いて、昇圧回路３３内のスイッチング素子３３Ｓに対するＳＷ制御信号Ｓｄを生成・出力することにより、このスイッチング素子３３Ｓに対してＰＷＭによるスイッチング駆動を行う。

具体的には、制御装置３５は、検出信号Ｓ（Ｖin）を用いて検出信号Ｓ（Ｉin）に対するフィードバック制御を行うことにより、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比を制御する。

（３．特徴的部分の作用・効果）
ここで、図８〜図１０を参照して、本実施の形態の特徴的部分の１つである制御装置３５による制御動作（フィードバック動作）について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。図８は、比較例に係る従来の制御装置におけるフィードバック動作の際のボード線図を模式的に表したものであり、（Ａ）は周波数とゲイン（フィードバック制御の際の制御量である比例ゲインＫｐに対応し、以下同様。）との関係を、（Ｂ）は周波数と位相との関係を示している。同様に、図９は、本実施の形態の制御装置３５におけるフィードバック動作の際のボード線図を模式的に表したものであり、（Ａ）は周波数とゲインとの関係を、（Ｂ）は周波数と位相との関係を示している。

（３−１．比較例の作用）
まず、図８に示した比較例では、風速に応じたフィードバック制御の応答について考慮されていない。すなわち、図８（Ａ）に示したように、風速によらず、ゲイン（比例ゲインＫｐ）の周波数特性が一定のものとなっている。

したがって、この比較例では、図８（Ｂ）に示したように、風速が小さい場合であっても位相余裕がある程度確保できるように、例えば図中の位相余裕θ（周波数ｆ１）で示したように、ゲインが低めに設定されている。また、風速の変化に応じて、位相余裕θの値が大きく変動する。このため、ゲインが小さいことに起因して、フィードバック制御の際に収束するまでに時間がかかってしまう。このようにして、この比較例の制御装置では、フィードバック制御の際の安定性が低くなってしまうと共に、応答性も低くなってしまっている。

（３−２．実施の形態の作用）
これに対し、図９に示した本実施の形態では、図９（Ａ）に示したように、風速の変化に応じて、ゲイン（比例ゲインＫｐ）の周波数特性を変化させている。すなわち、制御装置３５は、フィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを、風速の大きさに比例する入力電圧Ｖinの大きさに応じて変化（増減）させている。これにより、図９（Ｂ）および図１０に示したように、風速（入力電圧Ｖin）の大きさによらず、フィードバック制御の際の全体の系における位相余裕θがほぼ一定の値となり（所定の位相余裕範囲Δθ内に収まるようになり）、上記比較例と比べてフィードバック制御の際の安定性が高まる。この際、位相余裕θは、６０度以上であることが望ましい。これにより、風速が大きくなるのに応じて、高速な応答が可能となるからである。また、この結果、図９（Ａ）に示したように、上記比較例とは異なってゲインを大きくとることができるため、フィードバック制御の際に収束するまでの時間が短くなり、上記比較例と比べて応答性が高くなる。

以上のように本実施の形態では、コンバータ３内の制御装置３５において、検出された風車１１における風速および発電部１２のトルクのうちの一方（風速）を用いて他方（トルク）に対するフィードバック制御を行うことによって、スイッチング素子３３Ｓに対するスイッチング駆動の際のデューティ比を制御すると共に、このフィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲（位相余裕範囲Δθ）内に収まるようにしたので、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。よって、風の流れを利用した風力発電の際に、安定性の高い電力供給を行うことが可能となる。また、それと共に、フィードバック制御の際に収束するまでの時間を短くすることができるため、応答性を向上させることも可能となる。

また、コンバータ３において、入力電圧Ｖinを検出することによって上記風速を間接的に検出すると共に、入力電流Ｉinを検出することによって上記トルクを間接的に検出し、これらの入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinを用いてフィードバック制御を行うようにしたので、風速やトルクを直接検出する場合のように、流速計や回転計を設置する必要がなくなり、そのような場合と比べて装置の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

更に、制御部３５において、入力電圧Ｖinと入力電流Ｉinとが上記（１）式および（２）式の関係を満たすようにフィードバック制御を行っているので、風速が変化した場合であっても、常に最大電力が得られるようにすることができると共に、電力変換効率を略一定に保持することが可能となる。

［第１の実施の形態の変形例］
続いて、第１の実施の形態の変形例をいくつか挙げて説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（変形例１）
図１１は、第１の実施の形態の変形例１に係る制御装置３５Ａにおける要部のブロック構成を、伝達関数部３６１，３６２と併せて示したものである。本変形例の制御装置３５Ａは、第１の実施の形態の制御装置３５において、Ｐ補償器３５４の代わりにＰＩ補償器３５５を設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。

ＰＩ補償器３５５は、積分演算部３５５Ａと、加算部３５５Ｂと、乗算部３５５Ｃとを有している。積分演算部３５５Ａは、減算部３５３から入力されるエラー電流値ｉｅに対して以下説明する演算（後述する（１０）式中の積分演算）を行うものである。加算部３５５Ｂは、積分演算部３５５Ａによる積分演算結果の値と、エラー電流値ｉｅとを加算するものである。乗算部３５５Ｃは、加算部３５５Ｂによる加算結果の値と、制御量算出部３５２から入力される制御量（比例ゲインＫｐｉ）とを乗算することにより、ＳＷ制御信号Ｓｄのデューティ比Ｓｄ（Duty）を算出するものである。すなわち、ＰＩ補償器３５５全体では、以下の（１０）式により表されるＰＩ補償演算を行うことにより、ＳＷ制御信号Ｓｄのデューティ比Ｓｄ（Duty）を算出している。なお、（１０）式中のＴｉは、積分時間を表している。

このように、制御装置において、Ｐ補償演算の代わりにＰＩ補償演算を行うようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。

（変形例２）
図１２は、第１の実施の形態の変形例２に係る制御装置３５Ｂにおける要部のブロック構成を、伝達関数部３６１，３６２と併せて示したものである。本変形例の制御装置３５Ｂは、第１の実施の形態の制御装置３５において、Ｐ補償器３５４の代わりにＰＩＤ補償器３５６を設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。

ＰＩＤ補償器３５５は、上記変形例１で説明した積分演算部３５５Ａと、微分演算部３５６Ａと、加算部３５６Ｂと、乗算部３５６Ｃとを有している。微分演算部３５６Ａは、減算部３５３から入力されるエラー電流値ｉｅに対して以下説明する演算（後述する（１１）式中の微分演算）を行うものである。加算部３５６Ｂは、積分演算部３５５Ａによる積分演算結果の値と、微分演算部３５６Ａによる微分演算結果の値と、エラー電流値ｉｅとを加算するものである。乗算部３５６Ｃは、加算部３５６Ｂによる加算結果の値と、制御量算出部３５２から入力される制御量（比例ゲインＫｐｉ）とを乗算することにより、ＳＷ制御信号Ｓｄのデューティ比Ｓｄ（Duty）を算出するものである。すなわち、ＰＩＤ補償器３５６全体では、以下の（１１）式により表されるＰＩＤ補償演算を行うことにより、ＳＷ制御信号Ｓｄのデューティ比Ｓｄ（Duty）を算出している。なお、（１１）式中のＴｄは、微分時間を表している。

このように、制御装置において、Ｐ補償演算の代わりにＰＩＤ補償演算を行うようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。

（変形例３）
図１３は、第１の実施の形態の変形例３に係る制御装置３５Ｃにおける要部のブロック構成を、伝達関数部３６１，３６２と併せて示したものである。本変形例の制御装置３５Ｃは、第１の実施の形態の制御装置３５において、目標電流算出部３５１、制御量算出部３５２、減算部３５３およびＰ補償器３５４の代わりに、目標電圧算出部３５１Ｃ、制御量算出部３５２Ｃ、減算部３５３ＣおよびＰ補償器３５７を設けるようにしたものである。

具体的には、本変形例では、これまで説明したフィードバック制御とは逆に、検出信号Ｓ（Ｉin）を用いて検出信号Ｓ（Ｖin）に対するフィードバック制御を行うことにより、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比を制御している。すなわち、図１３に示したように、検出信号Ｓ（Ｉin）をアウターループにすると共に、検出信号Ｓ（Ｖin）をインナーループにしたフィードバック制御を行っている。

目標電圧算出部３５１Ｃは、検出信号Ｓ（Ｉin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電圧Ｖinに対するフィードバック制御の際の目標電圧ｖｒｅｆを算出するものである。具体的には、この目標電圧算出部３５１Ｃは、第１の実施の形態の目標電流算出部３５１と同様に、以下の（１２），（１３）式を用いることにより、検出信号Ｓ（Ｉin）に対応する入力電流Ｉinから、目標電圧ｖｒｅｆを算出するようになっている。言い換えると、制御装置３５Ｃでは、これらの（１２）式および（１３）式の関係を満たすように、フィードバック制御を行っている。
Ｖin∝Ｉinⁱ（ｉ＝（１／ｎ）＝０．２５〜０．５０） ……（１２）
ｖｒｅｆ＝ｃ×Ｘⁱ＝ｃ×Ｉinⁱ（ｃ：比例定数） ……（１３）

制御量算出部３５２Ｃは、検出信号Ｓ（Ｉin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電圧Ｖinに対するフィードバック制御の際の制御量に対応する、Ｐ補償器３５７の比例ゲインＫｐｖを算出するものである。具体的には、この制御量算出部３５２Ｃは、第１の実施の形態の制御量算出部３５２と同様に、以下の（１４）式を用いることにより、Ｐ補償器３５７の比例ゲインＫｐｖを算出するようになっている。すなわち、制御量に対応するＰ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを、入力電流Ｉinの大きさに応じて変化（増減）させている。これにより、第１の実施の形態と同様に、フィードバック制御の際の全体の系における位相余裕θが所定の範囲内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を保証することが可能となっている。
Ｋｐｖ＝ｄ×Ｘ^j＝ｄ×Ｉin^j（ｄ：比例定数、ｊ＝０．０６〜０．７５） ……（１４）

減算部３５３Ｃは、目標電圧算出部３５１Ｃから出力される目標電圧ｖｒｅｆと、検出信号Ｓ（Ｖin）に対応する入力電圧Ｖinとを用いて減算を行うことにより、入力電圧Ｖinに対するフィードバック制御の際のエラー電圧値ｖｅを算出するものである。すなわち、減算部３５３Ｃは、以下の（１５）式を用いてエラー電圧値ｖｅを算出するようになっている。
ｖｅ＝ｖｒｅｆ−Ｖin ……（１５）

Ｐ補償器３５７は、乗算部３５７Ａを有しており、減算部３５３Ｃから出力されるエラー電圧値ｖｅと、制御量算出部３５２Ｃから出力される比例ゲインＫｐｖとを用いて、以下の（１６）式により表されるＰ補償演算を行うものである。これにより、第１の実施の形態のＰ補償器３５４と同様に、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比Ｓｄ（Duty）が算出されるようになっている。

本変形例のように、制御装置において、検出信号Ｓ（Ｉin）を用いて検出信号Ｓ（Ｖin）に対するフィードバック制御を行うことによって、ＳＷ制御信号Ｓｄにおけるデューティ比を制御するにした場合であっても、上記実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。

なお、本変形のように、検出信号Ｓ（Ｉin）を用いて検出信号Ｓ（Ｖin）に対するフィードバック制御を行う場合であっても、上記変形例１，２と同様に、Ｐ補償演算の代わりにＰＩ補償演算やＰＩＤ補償演算を行うようにしてもよい。そのような場合であっても、本変形例と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。

［第２の実施の形態］
続いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記第１の実施の形態のように、検出信号Ｓ（Ｖin）を用いて検出信号Ｓ（Ｉin）に対するフィードバック制御を行う際に、入力電圧Ｖinに対して所定の閾値電圧Ｖthを設けて制御を行うようにしたものである。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１４は、本実施の形態に係る制御装置３５Ｄにおける要部のブロック構成を、伝達関数部３６１，３６２と併せて示したものである。本実施の形態の制御装置３５Ｄは、第１の実施の形態の制御装置３５において、目標電流算出部３５１および制御量算出部３５２の代わりに、目標電流算出部３５１Ｄおよび制御量算出部３５２Ｄを設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。

目標電流算出部３５１Ｄは、第１の実施の形態の目標電流算出部３５１と同様に、検出信号Ｓ（Ｖin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の目標電流ｉｒｅｆを算出するものである。ただし、この目標電流算出部３５１Ｄでは、図１５および以下の（１７）式で示したように、入力電圧Ｖinの値と所定の閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じて、比例定数の値を変化させることにより、目標電流ｉｒｅｆの値も変化させるようになっている。
ｉｒｅｆ（Ｉin）＝ａ１×Ｘⁿ＝ａ１×Ｖinⁿ（Ｖin＜Ｖthのとき）
ｉｒｅｆ（Ｉin）＝ａ２×Ｘⁿ＝ａ２×Ｖinⁿ（Ｖin≧Ｖthのとき）
（ａ１，ａ２：比例定数（ａ１＜ａ２）） ……（１７）

また、制御量算出部３５２Ｄも、第１の実施の形態の制御量算出部３５２と同様に、検出信号Ｓ（Ｖin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の制御量に対応する、Ｐ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを算出するものである。ただし、この制御量算出部３５２Ｄでは、入力電圧Ｖinに対して、目標電流算出部３５１Ｄから出力される目標電流ｉｒｅｆの値を考慮した関数ｆ（ｘ，ｙ）を用いて演算を行うことによっても、比例ゲインＫｐｉを算出することが可能となっている。

なお、この際の比例ゲインＫｐｉの変化は、風車１１や発電部１２のパラメータに依存するため、例えば実測により適切な関数（上記した関数ｆ（ｘ，ｙ））を定め、これを用いて変化させるようにするのが好ましい。また、目標電流ｉｒｅｆの値ごとの表を作成し、これを用いて変化させてもよい。この場合、例えば制御装置３５２Ｄを構成するＤＳＰ内に記憶部を設けるようにすれば、そこにこの表を記憶させることが可能となる。

この制御量算出部３５２Ｄでは、具体的には、例えば図１６に示したように、検出信号Ｓ（Ｖin）を用いて入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖthを超えないように、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御を行うことが可能である。これにより、風車１１の回転数がほぼ一定に保たれるため、例えば暴風等による過大な風速に起因して風車１１の回転数が過大に上昇するような場合であっても、入力電圧Ｖinが閾値電圧Ｖth以下に制限されるため、風車１１の破損が防止される。

また、制御量算出部３５２Ｄは、例えば図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）に示したように、入力電圧Ｖinの値と所定の閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じて、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５７の比例ゲインＫｐｉを変化させるようにしてもよい。このように構成した場合、目的や用途に応じて、自由度の高い様々なフィードバック制御を行うことが可能となる。

すなわち、まず、図１７（Ａ）および以下の（１８）式に示したように、制御量算出部３５２Ｄは、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth未満のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに応じて変化する関数ｇ（ｉｒｅｆ）（第１の関数）により規定されるように設定し、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth以上のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに応じて変化すると共に上記関数ｇ（ｉｒｅｆ）とは異なる別の関数ｈ（ｉｒｅｆ）（第２の関数）により規定されるように設定してもよい。このように構成した場合でも、第１の実施の形態と同様の作用により、フィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲（位相余裕範囲Δθ１）内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。また、特にこの場合には、入力電圧Ｖinの値と閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じて、より精密なフィードバック制御を行うことが可能となる。
Ｋｐｉ＝ｇ（ｉｒｅｆ）（Ｖin＜Ｖthのとき）
Ｋｐｉ＝ｈ（ｉｒｅｆ）（Ｖin≧Ｖthのとき） ……（１８）

また、図１７（Ｂ）および以下の（１９）式に示したように、制御量算出部３５２Ｄは、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth未満のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに依存しない固定値Ｋ１（第１の固定値）となるように設定し、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth以上のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに依存しないと共に上記固定値Ｋ１とは異なる別の固定値Ｋ２（第２の固定値）となるように設定してもよい。このように構成した場合でも、第１の実施の形態と同様の作用により、フィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲（位相余裕範囲Δθ２）内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。また、特にこの場合には、入力電圧Ｖinの値と閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じて、より簡単なフィードバック制御を行うことが可能となる。
Ｋｐｉ＝Ｋ１（Ｖin＜Ｖthのとき）
Ｋｐｉ＝Ｋ２（Ｖin≧Ｖthのとき） ……（１９）

更に、図１７（Ｃ）および以下の（２０）式に示したように、制御量算出部３５２Ｄは、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth未満のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに依存しない固定値Ｋ１となるように設定し、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth以上のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに応じて変化する関数ｈ（ｉｒｅｆ）により規定されるように設定してもよい。このように構成した場合でも、第１の実施の形態と同様の作用により、フィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲（位相余裕範囲Δθ３）内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。また、特にこの場合には、入力電圧Ｖinの値が相対的に小さいときにより簡単なフィードバック制御を行いつつ、入力電圧Ｖinの値が相対的に大きいときには、例えば過大な風速等に対応したより精密なフィードバック制御を行うことが可能となる。
Ｋｐｉ＝Ｋ１ （Ｖin＜Ｖthのとき）
Ｋｐｉ＝ｈ（ｉｒｅｆ）（Ｖin≧Ｖthのとき） ……（２０）

加えて、図１７（Ｄ）および以下の（２１）式に示したように、制御量算出部３５２Ｄは、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth未満のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに応じて変化する関数ｇ（ｉｒｅｆ）により規定されるように設定し、入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖth以上のときには、比例ゲインＫｐｉが、目標電流ｉｒｅｆの大きさに依存しない固定値Ｋ２となるように設定してもよい。このように構成した場合でも、第１の実施の形態と同様の作用により、フィードバック制御の際の位相余裕θが所定の範囲（位相余裕範囲Δθ４）内に収まるようになり、フィードバック制御の際の安定性を高めることができる。また、特にこの場合には、入力電圧Ｖinの値が相対的に大きくなったときに、例えば過大な風速等に対する制御に起因して制御装置３５Ｄにおける処理速度の低下が生じ得るような場合であっても、フィードバック制御をより簡単なものとすることにより、そのような処理速度の低下を低減もしくは回避することが可能となる。
Ｋｐｉ＝ｇ（ｉｒｅｆ）（Ｖin＜Ｖthのとき）
Ｋｐｉ＝Ｋ２ （Ｖin≧Ｖthのとき） ……（２１）

以上のように本実施の形態では、制御量算出部３５２Ｄにおいて、検出信号Ｓ（Ｖin）を用いて入力電圧Ｖinの値が閾値電圧Ｖthを超えないように、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御を行うようにした場合には、風車１１の回転数がほぼ一定に保たれるため、例えば暴風等による過大な風速に起因して風車１１の回転数が過大に上昇するような場合であっても、入力電圧Ｖinを閾値電圧Ｖth以下に制限することができる。よって、風車１１の破損を防止することができ、装置の安全性を確保することが可能となる。また、従来の風力発電システムでは、そのような場合には、風車の破損を防止するため電磁ブレーキを用いて風車を減速するようにしていたため、回転計が必要となって装置が大型化および高コスト化してしまっていた。これに対し、本実施の形態のフィードバック制御では、従来のような回転計等が不要となるため、装置の安全性を確保するうえで、装置の小型化および低コスト化を図ることも可能となる。

また、制御量算出部３５２Ｄにおいて、入力電圧Ｖinの値と所定の閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じて、入力電流Ｉinに対するフィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５７の比例ゲインＫｐｉを変化させるようにした場合には、例えば上記した図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）のように、目的や用途に応じて、自由度の高い様々なフィードバック制御を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、入力電圧Ｖinの値と所定の閾値電圧Ｖthとの大小関係に応じた２段階のフィードバック制御を行う場合について説明したが、この場合には限られず、例えば、入力電圧Ｖinの大きさに応じて多段階や連続的にフィードバック制御を行うようにしてもよい。

［第２の実施の形態の変形例］
また、本実施の形態においても、上記第１の実施の形態の変形例（変形例１〜３）と同様に、Ｐ補償演算の代わりにＰＩ補償演算やＰＩＤ補償演算を行うようにしたり、検出信号Ｓ（Ｉin）を用いて検出信号Ｓ（Ｖin）に対するフィードバック制御を行うようにしてもよい。これらの場合であっても、上記第２の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。

（変形例４）
すなわち、例えば図１８に示した第２の実施の形態の変形例（変形例４）に係る制御装置３５Ｅのように、第２の実施の形態の制御装置３５Ｄにおいて、Ｐ補償器３５４の代わりにＰＩ補償器３５５を設けるようにしてもよい。

（変形例５）
また、例えば図１９に示した第２の実施の形態の他の変形例（変形例５）に係る制御装置３５Ｆのように、第２の実施の形態の制御装置３５Ｄにおいて、Ｐ補償器３５４の代わりにＰＩＤ補償器３５６を設けるようにしてもよい。

（変形例６）
更に、例えば図２０に示した第２の実施の形態の他の変形例（変形例５）に係る制御装置３５Ｇのように、第２の実施の形態の制御装置３５Ｄにおいて、目標電流算出部３５１Ｄ、制御量算出部３５２Ｄ、減算部３５３およびＰ補償器３５４の代わりに、目標電圧算出部３５１Ｇ、制御量算出部３５２Ｇ、減算部３５３ＣおよびＰ補償器３５７を設けるようにしてもよい。

ここで、目標電圧算出部３５１Ｇは、第２の実施の形態の目標電流算出部３５１Ｄと同様に、検出信号Ｓ（Ｉin）に対して以下説明する所定の演算を行うことにより、入力電圧Ｖinに対するフィードバック制御の際の目標電圧ｖｒｅｆを算出するものである。具体的には、この目標電圧算出部３５１Ｇでは、図２０および以下の（２２）式で示したように、入力電流Ｉinの値と所定の閾値電流Ｉthとの大小関係に応じて、比例定数の値を変化させることにより、目標電圧ｖｒｅｆの値も変化させるようになっている。
ｖｒｅｆ（Ｖin）＝ｃ１×Ｘⁱ＝ｃ１×Ｉinⁱ（Ｉin＜Ｉthのとき）
ｖｒｅｆ（Ｖin）＝ｃ２×Ｘⁱ＝ｃ２×Ｉinⁱ（Ｉin≧Ｉthのとき）
（ｃ１，ｃ２：比例定数（ｃ１＜ｃ２）） ……（２２）

また、制御量算出部３５２Ｇは、第２の実施の形態の制御量算出部３５２Ｄと同様に、入力電流Ｉinに対して、目標電圧算出部３５１Ｇから出力される目標電圧ｖｒｅｆの値を考慮した関数ｇ（ｘ，ｙ）を用いて演算を行うことによって、フィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５７の比例ゲインＫｐｖを算出することが可能となっている。

なお、本変形例においても、上記変形例４，５と同様に、Ｐ補償演算の代わりにＰＩ補償演算やＰＩＤ補償演算を行うようにしてもよい。

［その他の変形例］
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、コンバータ３において、入力電圧Ｖinを検出することによって風速を間接的に検出すると共に、この入力電圧Ｖinと入力電流Ｉinとを用いてフィードバック制御を行う場合について説明したが、例えば、風速を直接検出すると共に、この検出した風速と入力電流Ｉinとを用いてフィードバック制御を行うようにしてもよい。すなわち、例えば図２１に示したコンバータ３Ｈのように、上記実施の形態等における入力電圧Ｖinの代わりに、風速計１３により直接検出された風速Ｗinの検出信号Ｓ（Ｗin）を用いてフィードバック制御を行う制御装置３５Ｈを設けるようにしてもよい。具体的には、この制御装置３５Ｈは、例えば図２２に示したように、第１の実施の形態の制御装置３５において、目標電流算出部３５１および制御量算出部３５２の代わりに、目標電流算出部３５１Ｈおよび制御量算出部３５２Ｈを設けるようにしたものである。なお、この場合には、風速計１３および入力電流検出部３２が、本発明における「検出部」の一具体例に対応する。ここで、目標電流算出部３５１Ｈでは、以下の（２３）式を用いて目標電流ｉｒｅｆを算出している。また、制御量算出部３５２Ｈでは、以下の（２４）式を用いて、フィードバック制御の際の制御量に対応するＰ補償器３５４の比例ゲインＫｐｉを算出している。なお、この場合にも、上記第２の実施の形態や上記変形例１〜６の構成を適用するようにしてもよい。このように、入力電圧Ｖinの代わりに風速Ｗinを用いて制御するようにした場合であっても、上記実施の形態等と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。
ｉｒｅｆ（Ｉin）＝ｅ×Ｘⁿ＝ｅ×Ｗinⁿ（ｅ：比例定数） ……（２３）
Ｋｐｉ＝ｆ×Ｘ^m＝ｆ×Ｗin^m（ｆ：比例定数） ……（２４）

また、上記実施の形態等では、コンバータ３において、入力電流Ｉinを検出することによって発電部１２のトルクを間接的に検出すると共に、この入力電流Ｉinと入力電圧Ｖinとを用いてフィードバック制御を行う場合について説明したが、例えば、発電部１２のトルクをトルク計等によって直接検出すると共に、この検出したトルクと入力電圧Ｖinとを用いてフィードバック制御を行うようにしてもよい。

更に、これまでは、流体の流れが風であり、風力発電システムに適用されるスイッチング電源装置等を例に挙げて説明したが、本発明は、例えば水力発電システムのような、風力発電システム以外の他の発電システム（流体の流れを利用した発電システム全般）にも適用することが可能である。

加えて、上記実施の形態等において説明した変形例等を組み合わせてもよい。

１…風力発電システム、１１…風車、１２…発電部、１３…風速計、２…パワーコンディショナ、３，３Ｈ…コンバータ、３１…入力電圧検出部、３２…入力電流検出部、３３…昇圧回路、３３Ｓ…スイッチング素子、３３Ｌ…インダクタ、３３Ｄ…ダイオード、３４…出力電圧検出部、３５，３５Ａ〜３５Ｈ…制御装置、３５１，３５１Ｄ，３５１Ｈ…目標電流算出部、３５１Ｃ，３５１Ｇ…目標電圧算出部、３５２，３５２Ｃ，３５２Ｄ，３５２Ｇ，３５２Ｈ…制御量算出部、３５３…減算部、３５４，３５７…Ｐ補償器、３５４Ａ，３５７Ａ…乗算部、３５５…ＰＩ補償器、３５５Ａ…積分演算部、３５５Ｂ…加算部、３５５Ｃ…乗算部、３５６…ＰＩＤ補償器、３５６Ａ…微分演算部、３５６Ｂ…加算部、３５６Ｃ…乗算部、３６１，３６２…伝達関数部、４…バッテリ、５…系統連係インバータ、６…電力系統、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２０，Ｔ２１，Ｔ２２…入力端子、Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ２３，Ｔ２４…出力端子、Ｖin…入力電圧、Ｖout１，Ｖout２…出力電圧、Ｌ１，Ｌ２…接続ライン、Ｃin…入力平滑コンデンサ、Ｃout…出力平滑コンデンサ、Ｓ（Ｖin），Ｓ（Ｉin），Ｓ（Ｖout１），Ｓ（Ｗin）…検出信号、Ｓｄ…ＳＷ制御信号、ｉｒｅｆ…目標電流値、ｖれｆ…目標電圧値、ｉｅ…エラー電流値、ｖｅ…エラー電圧値、Ｋｐｉ，Ｋｐｖ…制御量（比例ゲイン）、Ｋ１，Ｋ２…固定値、ｇ（iref），ｈ（iref）…関数、Ｗａ〜Ｗｄ…風速、Ｃ_T…風車のトルク係数、λ…周速比、ｆ１…周波数、θ…位相余裕、Δθ，Δθ１〜Δθ４…位相余裕範囲、Ｖｔｈ…閾値電圧、Ｉth…閾値電流、ａ１，ａ２，ｃ１，ｃ２…比例定数。

Claims (13)

1. 流体の流れに応じて回転する羽根車と、この羽根車の回転動作に応じて発電を行う発電部とを含んで構成され、前記流体の流れを利用して発電を行う発電システムに適用されるスイッチング電源装置であって、
   前記発電部から入力される入力電圧に対して電圧変換を行って出力電圧を生成するためのスイッチング素子と、
   前記流体の流速および前記発電部のトルクをそれぞれ、直接もしくは間接的に検出する検出部と、
   前記スイッチング素子に対してパルス幅変調によりスイッチング駆動を行うと共に、前記検出部により検出された流速およびトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御を行うことにより、前記スイッチング駆動の際のデューティ比を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記フィードバック制御の際の位相余裕が所定の範囲内に収まるように、フィードバック制御を行う
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記検出部は、
   前記入力電圧を検出することにより、前記流速を間接的に検出すると共に、
   前記発電部から入力される入力電流を検出することにより、前記トルクを間接的に検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記制御部は、前記検出部により検出された入力電圧および入力電流のうちの一方を用いて、この一方の値が所定の閾値を超えないように、他方に対するフィードバック制御を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記制御部は、
   前記検出部により検出された入力電圧および入力電流のうちの一方を用いて、他方に対するフィードバック制御を行うと共に、
   前記一方の値と所定の閾値との大小関係に応じて、前記フィードバック制御の際の制御量を変化させる
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記制御部は、
   前記一方の値が前記閾値未満のときには、前記制御量が、前記他方の目標値の大きさに応じて変化する第１の関数により規定されるように設定し、
   前記一方の値が前記閾値以上のときには、前記制御量が、前記他方の目標値の大きさに応じて変化すると共に前記第１の関数とは異なる第２の関数により規定されるように設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記制御部は、
   前記一方の値が前記閾値未満のときには、前記制御量が第１の固定値となるように設定し、
   前記一方の値が前記閾値以上のときには、前記制御量が、前記第１の固定値とは異なる第２の固定値となるように設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記制御部は、
   前記一方の値が前記閾値未満のときには、前記制御量が固定値となるように設定し、
   前記一方の値が前記閾値以上のときには、前記制御量が、前記他方の目標値の大きさに応じて変化する関数により規定されるように設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
8. 前記制御部は、
   前記一方の値が前記閾値未満のときには、前記制御量が、前記他方の目標値の大きさに応じて変化する関数により規定されるように設定し、
   前記一方の値が前記閾値以上のときには、前記制御量が固定値となるように設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
9. 前記制御部は、前記入力電圧Ｖinと前記入力電流Ｉinとが、Ｉin∝Ｖinⁿ（ｎ＝２〜４）という関係を満たすように、前記フィードバック制御を行う
   ことを特徴とする請求項３ないし請求項８のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
10. 前記制御部は、Ｐ補償器、ＰＩ補償器またはＰＩＤ補償器を有する
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
11. 前記流体の流れが風であり、風力発電システムに適用されるスイッチング電源装置として構成されている
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
12. 流体の流れを利用して発電を行う発電システムに適用される発電機であって、
    前記流体の流れに応じて回転する羽根車と、
    前記羽根車の回転動作に応じて発電を行う発電部と、
    前記発電部から入力される入力電圧に対して電圧変換を行って出力電圧を生成するためのスイッチング素子と、
    前記流体の流速および前記発電部のトルクをそれぞれ、直接もしくは間接的に検出する検出部と、
    前記スイッチング素子に対してパルス幅変調によりスイッチング駆動を行うと共に、前記検出部により検出された流速およびトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御を行うことにより、前記スイッチング駆動の際のデューティ比を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記フィードバック制御の際の位相余裕が所定の範囲内に収まるように、フィードバック制御を行う
    ことを特徴とする発電機。
13. 流体の流れに応じて回転する羽根車と、この羽根車の回転動作に応じて発電を行う発電部とを含んで構成され、前記流体の流れを利用して発電を行う発電システムに適用される電力供給装置であって、
    前記発電部から入力される入力電圧に対して電圧変換を行って出力電圧を生成するためのスイッチング素子と、
    前記出力電圧を蓄電するためのバッテリと、
    前記出力電圧に対して電圧変換を行うことにより、交流電圧を生成する電圧変換部と、
    前記流体の流速および前記発電部のトルクをそれぞれ、直接もしくは間接的に検出する検出部と、
    前記スイッチング素子に対してパルス幅変調によりスイッチング駆動を行うと共に、前記検出部により検出された流速およびトルクのうちの一方を用いて他方に対するフィードバック制御を行うことにより、前記スイッチング駆動の際のデューティ比を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記フィードバック制御の際の位相余裕が所定の範囲内に収まるように、フィードバック制御を行う
    ことを特徴とする電力供給装置。

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