JP2011127476A - 風力発電機用制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる風力発電機用制動装置を提供することを課題とする。
【解決手段】風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、負荷手段に直列に配置され、負荷手段が発電機と電気的に接続している接続状態と、負荷手段が発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、制動動作を開始してからの時間と回転状態との関係を記憶しており、回転状態検出手段の検出結果に基づいて前記選択スイッチを動作させ、前記風車の制動動作を制御する制御手段と、を有し、関係から算出される目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較し、比較結果に基づいて、前記選択スイッチにより接続状態とするか解放状態とするかを決定することで上記課題を解決する。
【選択図】図３

Description

本発明は、強風時等に風力発電機を停止させる風力発電機の制動装置に関し、さらに詳しくは、電磁力によって風車を停止させる風力発電機用制動装置に関する。

近年、地球温暖化などの問題を受け再生可能エネルギである風力を利用した装置の開発が行われている。この風力を利用した装置としては、風車と発電機とを組み合わせて風力を電力に変換し、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風力発電機がある。

風力発電機では、暴風等の過大風速により風車の回転数が過大に上昇した場合に風車の回転を停止する電磁制動装置（電磁ブレーキ）が備えられている。例えば、特許文献１には、風力によって回転駆動する風車と、風車と一体に回転駆動する永久磁石を含む回転子および回転子に対向配置された電機子回路を有する発電機とを備えた風力発電機の電気ブレーキ装置であって、電機子回路に接続されて風車のブレーキとして機能する短絡装置を設け、短絡装置は、選択的に駆動されることにより、電機子回路を短絡して風車の停止状態を維持することを特徴とする永久磁石型風力発電機の電磁制動装置が記載されている。

特開２００２−３３９８５６号公報

ここで、制動装置は、発電機の回転数を検出し、検出した回転数が一定値を超えたら発電機の回路を短絡させ、回生電流により回転負荷を増大させることで風車の回転子の回転を抑制し、停止させる。なお、ブレーキ動作により生じた回生電流は、短絡時の負荷により熱に変換され放出される。なお、放出される熱エネルギは、ブレーキを始動させたときの風車の回転エネルギと風車が停止するまでに生じる風力エネルギの和となる。

このように制動装置により風車を停止させることで、回転子の故障の発生を抑制することができる。しかしながら、一定回転数以上で回転している風車にブレーキをかける際に、急停止をさせると、風車や発電機等に負荷がかかり、風力発電機の故障の原因となるおそれがある。また、ブレーキ駆動時には、風車が振動することで一定音量以上の音が発生する恐れもある。発生する音が大きいと騒音となってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる風力発電機用制動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、風車の回転エネルギを電力に変換する発電機と、前記発電機で生成された電力を他の機器に出力するコンバータの間に設けられた風力発電機用制動装置であって、前記風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、前記負荷手段に直列に配置され、前記負荷手段が前記発電機と電気的に接続している接続状態と、前記負荷手段が前記発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を記憶しており、前記回転状態検出手段の検出結果に基づいて前記選択スイッチを動作させ、前記風車の制動動作を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、予め設定された条件が満たされたら前記制動動作を開始し、前記関係から算出される目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較し、比較結果に基づいて、前記選択スイッチにより接続状態とするか解放状態とするかを決定することを特徴とする。

これにより、予め設定した条件に沿って風車の回転を減速させることができ、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる。

また、前記制御手段は、前記回転状態検出手段で検出された回転状態が予め設定された回転状態を超えたら前記制動動作を開始することが好ましい。

これにより、回転状態が制限となる条件を超えて運転されることを抑制することができる。

また、前記回転状態検出手段は、前記回転状態の制御対象として前記発電機から出力される電圧を検出し、前記制御手段は、検出された電圧と、前記目標回転状態の電圧の値を比較して制御を行うことが好ましい。

これにより、回転状態を簡単にかつ正確に検出することができる。また、発電機の許容条件に即して制御を行うことが可能となる。

また、前記制御手段は、単位時間毎に、前記回転状態検出手段で回転状態を検出し、前記関係から算出される前記目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較することが好ましい。

このように一定時間間隔で検出を行うことで、制御手段への計算量の負荷を抑制しつつ、的確に回転状態を制御することができる。

また、前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される前記目標回転状態以上である場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を接続状態とし、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される目標回転状態よりも低い場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とすることが好ましい。

これにより、簡単な制御で、目標回転状態に沿って風車の回転を減速させることができる。

また、前記選択スイッチは、第１選択スイッチであり、さらに、前記負荷手段及び前記第１選択スイッチと並列に配置され、前記発電機を短絡させる第２選択スイッチを有し、前記制御手段は、前記風車を停止させた後に、第１選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とし、かつ、前記制動動作を開始してから前記風車を停止させるまでの間の前記第１選択スイッチの動作に基づいて算出される時間の間、前記第２選択スイッチにより前記発電機を短絡させることが好ましい。

これにより、負荷手段が一定以上発熱することを抑制でき、負荷手段を長期間使用することが可能となり、また、設計自由度を高くすることができる。

さらに、外部から供給される外部電力供給部と、電力を蓄積する電力蓄積部と、前記外部電力供給部または前記電力蓄積部から供給された電力を前記制御手段に供給する電力供給手段とを有し、前記制御手段は、前記外部から前記外部電力供給部への電力供給が停止したことを検出したら、前記電力蓄積部から供給される電力を使用しつつ、前記制動動作を開始することが好ましい。

これにより、停電時等の不測の事態が発生した場合も適切に、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる。

本発明にかかる風力発電機用制動装置は、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図３は、制御装置による制御動作の一例を示すグラフである。 図４−１は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。 図４−２は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。 図５は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図７は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。 図８は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。 図９は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の一実施形態の概略構成を示す模式図である。風力発電機用制動装置（以下、必要に応じて制動装置という）１０は、風力発電機１に組み込まれている。風力発電機１は、発電機２と、この発電機２の入力軸４に取り付けられる風車３と、制動装置１０とを含んで構成される。風車３が風を受けると風車３が回転する。風車３の回転力は入力軸４を介して発電機２へ入力されて、これを駆動する。これによって、発電機２は電気エネルギを発生する。このように、発電機２は、風力を電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。発電機２が発生した電気エネルギは、制動装置１０を介して電力変換装置であるコンバータ５に入力さる。コンバータ５は、発電機２が発生した電気エネルギを変換し、家電製品等の電力消費対象６に出力する。

本実施形態において、制動装置１０は、発電機２とコンバータ５との間に配置される。制動装置１０は、入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂと、出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂとを有しており、入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂに発電機２の出力端子が接続される。また、制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂには、コンバータ５の入力端子が接続される。制動装置１０は、発電機２の回路を短絡させ、回生電力により発電機２の回転負荷を増大させながら発電機２を停止させることによって風車３を停止させるものであり、いわゆる電磁制動装置としての機能を発揮する。次に、制動装置１０の構成を説明する。

制動装置１０は、電力消費手段である電力消費装置１２と、切替手段である切替装置１３と、発電機２から出力される電圧を検出する電圧検出手段である電圧計１４と、制御手段である制御装置１５とを有する。

電力消費装置１２は、発電機２から供給される電気エネルギを消費するものである。電力消費装置１２としては、例えば、抵抗がある。電力消費装置１２は、発電機２の回路に並列に接続される。図１に示す例では電力消費装置１２の一方の端子が制動装置１０の入力端子Ｔｉｂと電気的に接続され、他方の端子は、切替装置１３を介して制動装置１０の入力端子Ｔｉａと電気的に接続される。なお、電力消費装置１２は、電気エネルギを消費できればよいので、抵抗に限定されるものではなく、例えば、電動機、照明装置、磁気発生装置等であってもよい。

切替装置１３は、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続又は遮断するものであり、例えば、スイッチ、リレー、半導体スイッチング素子等を用いることができる。本実施形態では、切替装置１３としてスイッチを用いる。切替装置１３が、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続することにより、発電機２と電力消費装置１２とは閉回路を形成する。

電圧計１４は、発電機２から出力される電圧（発電機出力電圧）を検出するものである。具体的には、入力端子Ｔｉａと入力端子Ｔｉｂとの電位差を検出する。なお、発電機出力電圧は、発電機２の回転速度（回転角速度、回転数）にほぼ比例する。また、発電機２の回転速度は風速に比例する。電圧計１４は、制御装置１５と電気的に接続されており、検出した発電機出力電圧を制御装置１５に送る。

本実施形態では、制御装置１５は、電圧計１４の検出結果に基づいて切替装置１３の動作を制御する。具体的には、制御装置１５は、切替装置１３を閉じる、すなわち電気的に接続することにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギの供給先は電力消費装置１２となる。また、制御装置１５は、切替装置１３を開く、すなわち、電気的に遮断することにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギの供給先は制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂ、より具体的にはコンバータ５となる。このように、制御装置１５は、切替装置１３を切り替えることで、発電機２が発電した電気エネルギの供給先を、電力消費装置１２又は制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂのいずれか一方に切り替える。

制御装置１５は、演算処理を行う処理部１５Ｐと、演算処理に必要な情報を記憶する記憶部１５Ｍとを備える、いわゆるマイクロコンピュータで構成される。そして、処理部１５Ｐは、記憶部１５Ｍから風力発電機１の制動制御用のコンピュータプログラムを読み出してこれを実行し、風力発電機１を制動する。また、記憶部１５Ｍには、制動動作（ブレーキ動作）を開始する基準となる電圧値や、制動動作を開始してからの時間と目標電圧値との関係を示すマップ、式等が記憶されている。

本実施形態では、強風時に制動装置１０が風力発電機１を制動することによって風車３を停止させる。これによって、制動装置１０は、風車３の過回転を回避するとともに、コンバータ５の許容入力を超える電力がコンバータ５へ入力されないようにする。風力発電機１を制動して風車３を停止させるか否かは、電圧計１４での検出結果に基づいて判定される。

制動装置１０が風力発電機１を制動する場合、制御装置１５は、切替装置１３を閉じることにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギは、電力消費装置１２で消費される。発電機２が発電した電気エネルギが消費されることで、発電機２の回転負荷は増大する。さらに、回転負荷が増大することで、風車３は減速し、最終的に停止する。なお、風車３が停止する際に放出される電気エネルギは、制動を開始したときにおける風車３の回転エネルギと風車３が停止するまでに生じる風力エネルギとの和にほぼ等しくなる。本実施形態では、電力消費装置１２に抵抗を用いているので、電力消費装置１２で消費された電気エネルギは熱として、例えば、空気中（液体中でもよい）に放出される。

また、制動装置１０は、風力発電機１を制動する場合、電圧計１４から送られる計測結果に基づいて、切替装置１３を制御する。つまり、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する状態と、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断している状態とを切り替える。

次に、制動装置１０の動作を説明する。なお、次に説明する制動装置１０の動作は、以下の変形例や実施形態においても原則として共通である。図２は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。なお、下記では、切替装置１３を閉じ、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続させる状態を、切替装置１３がＯＮの状態と定義し、切替装置１３を開き、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断する状態を、切替装置１３がＯＦＦの状態と定義する。

まず、風力発電機１が動作している期間中、制動装置１０は、ステップＳ１２として、風力発電機１の運転上における制限を超えた風が吹いているか否かを監視する。具体的には、制動装置１０の制御装置１５は、所定の周期で電圧計１４から発電機出力電圧Ｅｇを取得する。

制御装置１５は、ステップＳ１２で発電機出力電圧Ｅｇを取得したが、ステップＳ１４として、電圧計１４から取得した発電機出力電圧Ｅｇと、所定の閾値（制動開始電圧）Ｅｇｃとを比較する。具体的には、Ｅｇｃ≦Ｅｇであるかを判定する。なお、制動開始電圧Ｅｇｃは、風力発電機１の運転上における制限の強さの風速で風車３を回転させた場合に、風力発電機１の発電機２が出力する電圧であり、風力発電機１やコンバータ５の仕様等から設定される。つまり、風車３が許容限界の回転数で回転することで、発電機２から出力される電圧である。

制御装置１５は、ステップＳ１４でＥｇｃ≦Ｅｇである、つまり、計測された電圧が閾値以上である（Ｙｅｓ）と判定したら、風力発電機１の運転上における制限を超えた運転状態、つまり制限を越えた風が吹いている、制限を越えた速度で回転していると判断し、ステップＳ１６として、風力発電機１の制動を開始する。なお、制御装置１５は、制動を開始したら、切替装置１３を操作し、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続させる。つまり、切替装置１３をＯＮの状態にする。また、制御装置１５は、ステップＳ１４でＥｇｃ≦Ｅｇではない、つまり、Ｅｇｃ＞Ｅｇ、計測された電圧が閾値以下である（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ１２に進み、監視を行う。つまり、制御装置１５は、計測した電圧が閾値を超えるまで、制動動作を開始させずに、風力発電機１を稼動させる。

制御装置１５は、ステップＳ１６で制動開始したら、ステップＳ１８として、電圧計１４から発電機出力電圧Ｅｇを再び取得し、取得した発電機出力電圧Ｅｇと目標電圧Ｅｔとを比較する。具体的には、Ｅｔ≦Ｅｇであるかを判定する。なお、目標電圧Ｅｔは、予め設定されている値であり、制動開始からの時間の関数である。つまり、目標電圧Ｅｔは、制動開始からの時間によって変動する値である。なお、目標電圧Ｅｔは時間の経過とともに徐々に低下する値である。

制御装置１５は、ステップＳ１８で、Ｅｔ≦Ｅｇである、つまり、発電機出力電圧Ｅｇが目標電圧Ｅｔ以上である（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ２０として、切替装置１３がＯＮ状態であるかを判定する。制御装置１５は、ステップＳ２０で切替装置１３がＯＮである（Ｙｅｓ）と判定したら、そのままステップＳ２８に進む。また、ステップＳ２０で切替装置１３がＯＮではない、つまりＯＦＦである（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ２２として、切替装置１３をＯＮにした後、ステップＳ２８に進む。つまり、ステップＳ１８でＹｅｓと判定したら、切替装置１３をＯＮにする。

制御装置１５は、ステップＳ１８で、Ｅｔ≦Ｅｇではない、つまり、Ｅｔ＞Ｅｇ、発電機出力電圧Ｅｇが目標電圧Ｅｔよりも小さい（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ２４として、切替装置１３がＯＦＦ状態であるかを判定する。制御装置１５は、ステップＳ２４で切替装置がＯＦＦである（Ｙｅｓ）と判定したら、そのままステップＳ２８に進む。また、ステップＳ２４で切替装置がＯＦＦではない、つまりＯＮである（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ２６として、切替装置をＯＦＦにした後、ステップＳ２８に進む。つまり、ステップＳ１８でＮｏと判定したら、切替装置をＯＦＦにする。

次に、制御装置１５は、ステップＳ２８として、発電機２、すなわち風車３が停止したと認められるか否かを判定する。本実施形態において、発電機２が停止したと認められるか否かは、発電機出力電圧Ｅｇが停止閾値Ｅｇ０以下になったか否かで判定される。停止閾値Ｅｇ０は、発電機２が停止したと認められるか否かを判定するために用いる値である。

ここで、発電機２の回転速度が低下すると発電機出力電圧Ｅｇも低下し、発電機２が停止すると発電機出力電圧Ｅｇは０になる。また、発電機２が完全に停止していなくても、停止したと認められる程度の回転速度であれば、発電機２は停止したと認めてもよい。本実施形態では、停止閾値Ｅｇ０は、発電機２が停止したと認められる場合において発電機２が出力する電圧以下の値とする。したがって、停止閾値Ｅｇ０は０、すなわち、発電機２が完全に停止したときにおける発電機出力電圧Ｅｇとしてもよい。

制御装置１５は、ステップＳ２８で、発電機２が停止していない（Ｎｏ）、つまり、電圧Ｅｇが電圧Ｅｇ０以上であると判定したら、ステップＳ１８に進み上記処理を繰り返す。また、制御装置１５は、ステップＳ２８で、発電機２が停止している（Ｙｅｓ）、つまり、電圧Ｅｇが電圧Ｅｇ０未満であると判定したら、処理を終了する。

このように、制動装置１０の制動動作においては、切替装置１３のＯＮ、ＯＦＦを繰り返し、ＯＮ状態のときは、発電機２が発電した電気エネルギを電力消費装置１２で消費させることで、発電機２に回転負荷を与え、発電機２から出力される電圧を徐々に低減させることで、発電機２、すなわち風車３の回転速度を低下させることができる。風車３の回転速度を低下させ、最終的に停止しているとみなせる状態にすることで、風車３を実質的に停止させることができる。

以下、図３を用いて、具体的に説明する。ここで、図３は、制御装置による制御動作の一例を示すグラフである。ここで、図３では、３つのグラフを示しているが、また、一番上のグラフは、電圧と時間との関係を示し、真ん中のグラフは、切替装置のＯＮ、ＯＦＦ、つまりスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦと時間との関係を示し、一番下のグラフは、目標電圧の加速度（傾き）と時間の関係を示している。また３つのグラフの横軸は時間軸で統一されており、一番上のグラフは、縦軸を電圧とし、真ん中のグラフは、縦軸がスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦとし、一番下のグラフは、目標電圧の加速度とした。また、時間軸は、制動開始がＴ＝０となる。

まず、図３に示すように本実施形態では、目標電圧の加速度つまり、変化量を一定としたため、目標電圧は、時間に比例して減少する。制御装置１５は、電圧計１４で検出した電圧（出力電圧）が目標電圧に近づくように、スイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦを切り替える。具体的には、図３に示すように、Ｔ＝０でスイッチ状態をＯＮにし、その後Ｔ＝ｔ１となるまでは、出力電圧が目標電圧以上となるため、スイッチ状態をＯＮで維持する。つまり、図２で示す動作では、ステップＳ１８でＹｅｓが選択され続ける状態となる。ここで、Ｔ＝ｔ１のタイミング検出した出力電圧は、目標電圧よりも低くなる。これにより、図２で示す動作では、ステップＳ１８でＮｏが選択され、ステップＳ２４でＮｏが選択される。これにより、制御装置１５は、スイッチ状態をＯＦＦに切り替える。

また、その後、Ｔ＝ｔ２となるまでは、出力電圧が目標電圧よりも低くなるため、スイッチ状態はＯＦＦで維持される。その後、Ｔ＝ｔ２で出力電圧が目標電圧以上となるため、再びスイッチ状態がＯＮに切り替えられる。その後、Ｔ＝ｔ３で再び、ＯＦＦに切り替えられ、Ｔ＝ｔ４で再び、ＯＮに切り替えられる。その後Ｔ＝ｔ５で出力電圧が実質的に０となり、風力発電機１が停止した状態となる。

以上のように切替装置のＯＮ、ＯＦＦの切替を行うことで、出力電圧を目標電圧に沿って低減させることができ、予め設定された減速モデルに基づいて、風車を減速させることができる。これにより、制動動作、つまり風車の減速時に急減速、急停止が発生することを抑制することができ、風車の振動を抑制することができる。風車の振動を抑制できることで、騒音を低減することができ、また、局所的または一時的に大きな負荷がかかることを抑制することができる。このように大きな負荷がかかることを抑制できることで、装置を長期間使用することが可能となる。

ここで、図３に示す例では、目標電圧を等加速度で減速させるようにしたが、これに限定されず、装置構成や、仕様に応じて、種々のパターンの目標電圧を設定することができる。以下、図４−１及び図４−２を用いて、目標電圧のパターンを説明する。ここで、図４−１及び図４−２は、それぞれ制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。また、図４−１と図４−２には、それぞれ２つのグラフを示す。上のグラフは、目標電圧と時間との関係を示すグラフであり、下のグラフは、目標電圧の加速度（傾き）と時間の関係を示すグラフである。なお、２つのグラフの横軸は時間軸で統一されており、上のグラフは、縦軸を目標電圧とし、下のグラフは、目標電圧の加速度とした。また、時間軸は、制動開始がＴ＝０となる。また、いずれのパターンの場合でも上述した図２の制御方法で処理することができる。

図４−１に示す目標電圧のパターンは、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で大きくなる単調増加加速度パターンである。このように、加速度が徐々に大きくなることで、制動開始は、目標電圧の変化量が少なく、制動終了直前（停止直前）は、目標電圧の変化量が大きくなる。

このように、制動開始の目標電圧の変化量を少なくしたパターンに基づいて制動動作を制御することで、制動開始直後で、高速で回転している風車に対して大きな力を作用させることを抑制することができる。つまり、高速で回転している風車に対して長時間ブレーキを掛けることを抑制することができる。これにより、風車を緩やかに減速させることが可能となり、制動開始直後に騒音が発生したり、大きな負荷が生じたりすることを抑制することができる。

図４−２に示す目標電圧のパターンは、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で大きくなり、一定時間経過後、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で小さくなる、単調増加と単調減速を組み合わせた加速度パターンである。このように、加速度が徐々に大きくなることで、制動開始は、目標電圧の変化量が少なる。また、一定時間経過後、本実施形態では目標電圧が初期電圧（制動開始の閾値電圧）の半分の電圧になったら、加速度を徐々に小さくすることで、制動終了直前（停止直前）も目標電圧の変化量が小さくなる。

このように、制動開始の目標電圧の変化量を少なくし、かつ、制動終了直前（停止直前）も目標電圧の変化量を少なくしたパターンに基づいて制動動作を制御することで、制動開始直後で、高速で回転している風車に対して大きな力を作用させることを抑制することができる。つまり、高速で回転している風車に対して長時間ブレーキを掛けることを抑制することができる。さらに、停止直前も目標電圧の変化量を少なくすることで、風車の減速終了時も徐々に減速させることができる。つまり、風車が急停止することを抑制することができる。これにより、風車に対して、緩やかに減速を開始、緩やかに減速を終了させることが可能となり、制動動作時に騒音が発生したり、大きな負荷が生じたりすることをより適切に抑制することができる。

なお、目標電圧のパターンは、上記三つのパターンにも限定されない。なお、図３に示した目標電圧の加速度（傾き）が一定となるパターンは、制御が簡単であるため、制御装置を簡単な構成にできる利点がある。

ここで、上記実施形態では、発電機から出力される電圧を電圧計で計測し、電圧に基づいて制御を行ったが、本発明はこれに限定されず、風車の回転数を検出できるものであればよい。以下、図５を用いて、制動装置の他の例を説明する。ここで、図５は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図５に示す風力発電機１ａの制動装置１０ａは、電圧計１４に代えて、回転計１６を設けた点を除いて他の構成は、上述した風力発電機１の制動装置１０と同様である。以下では、制動装置１０ａに特有の点を説明する。

回転計１６は、風力発電機１ａの風車３の回転数（すなわち発電機２、風車３の回転速度）を検出する。回転計１６は、検出した風車３の回転数を制御装置１５に送る。なお、本実施形態のように、計測結果に回転数を用いる場合は、上述した目標電圧に代えて目標回転数を用いればよい。なお、風車３の回転数と、発電機２から出力される電圧とはほぼ比例関係にあるので、いずれの値を用いても同様の制御ができる。なお、計算量は多くなるが、比例関係を利用して、回転数から電圧を算出して、目標電圧との比較を行うようにしてもよい。

このように、電圧計に代えて、回転計を設け、風車の回転数を算出しても同様の制御が可能となる。なお、装置を簡単にできる、装置コストが安くなるため、上述した回転数、出力電圧を測定対象とすることが好ましいがこれにも限定されない。風車または発電機の駆動状態をリニアに検出することができる測定対象であればよく、その検出結果に基づいて、ブレーキのＯＮ、ＯＦＦを制御することで、上述したように、予め設定したパターンに基づいて風車を制動させることができる。

また、上記実施形態では、各時間における目標値を１つの値としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、目標値に一定の幅を持たせるようにしてもよい。また、切替装置をＯＮからＯＦＦに切り替える閾値と、切替装置をＯＦＦからＯＮに切り替える閾値と別々の閾値としてもよい。

なお、上記実施形態では、装置構成が簡単になるため、切替装置のＯＮ、ＯＦＦの制御の基準となる検出値と制動開始の判定の基準となる検出値とを同一の計測器の検出値を用いて判定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、制動開始の判定は、風速計を用い、風速が一定速度以上となったら、制動開始するようにしてもよい。

（実施形態２）
次に、図６から図８を用いて、実施形態２に係る制動装置について説明する。ここで、図６は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図６に示す風力発電機１ｂの制動装置１０ｂは、風力発電機の発電機の出力を短絡する短絡手段を設けた点を除いて他の構成は、上述した風力発電機１の制動装置１０と同様である。以下では、制動装置１０ｂに特有の点を説明する。また、他の構成は、実施形態１やその変形例と同様であるとともに、上述した実施形態やその変形例の構成は、本実施形態に対して適宜組み合わせることができる。

図６に示すように、制動装置１０ｂは、入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂ間に、短絡器（短絡手段）１８を備える。つまり、短絡器１８は、電力消費装置１２及び切替装置１３に並列して配置されている。短絡器１８は、発電機２の出力端子を電気的に接続して短絡させ、また、当該出力端子の電気的な接続を遮断して短絡を解除する機能を有している。短絡器１８は、例えば、スイッチ、リレー、半導体スイッチング素子等を用いることができる。本実施形態では、短絡器１８として制御装置１５によって制御されるスイッチを用いる。なお、以下では、短絡器１８が発電機２の出力端子と電気的に接続して発電機２を短絡させている状態を短絡器１８がＯＮの状態と定義し、短絡器１８が発電機２の出力端子との電気的な接続を遮断して発電機２の短絡を解除する、つまり、短絡していない状態を、短絡器１８がＯＦＦの状態と定義する。

本実施形態において、短絡器１８は、電力消費装置１２及び切替装置１３と出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂとの間に設けられるが、制動装置１０ｂの入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂと電力消費装置１２及び切替装置１３との間に設けてもよい。

制御装置１５は、上述した図２のフローチャートに示す動作により、風車３の回転を停止させる。なお、この際、短絡器１８は、発電機２との電気的な接続が遮断された状態、つまり接続していない状態となっている。また、この際、制御装置１５は、制動動作時に切替装置１３をＯＮ状態とした時間を計測する。

制御装置１５は、風車３の回転が停止したら、切替装置１３をＯＦＦ状態として、さらに、短絡器１８によって、発電機２の出力端子を電気的に接続して短絡させ、発電機２を電気的に接続して短絡させる。なお、発電機２は、短絡した状態では、発電機２が回転できない状態であるため、風車３も発電機２も回転できない状態となる。

その後、制御装置１５は、所定の算出した時間（冷却期間）の間、発電機２を短絡させたら、短絡器１８を、発電機２との電気的な接続が遮断された状態とする。これにより、風力発電機１ｂは、回転可能な状態となる。なお、所定の算出した時間とは、制動動作時に切替装置１３がＯＮ状態であった時間の合計に基づいて算出される時間である。冷却期間は、ＯＮ状態であった合計時間が長いほど、長くなる。なお、冷却期間とＯＮ状態であった合計時間とは、比例関係としても、ステップ状に変化させるようにしてもよい。また、出力電圧の履歴により電力消費装置が消費した電力を推定し、その電力で生じた熱が放散されるのに必要な時間を冷却期間として算出してもよい。例えば、定格７５０Ｗのホーロー抵抗に１１ＫＷの電力を１０秒間印加した時は、冷却期間を１００秒間とする。

以下、図７及び図８を用いて、より詳細に説明する。ここで、図７及び図８は、それぞれ制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。図７及び図８は、それぞれ３つのグラフを示している。具体的には、また、一番上のグラフは、電圧と時間との関係を示し、真ん中のグラフは、切替装置のＯＮ、ＯＦＦ（第１のスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦともいう。）と時間との関係を示し、一番下のグラフは、短絡器１８のＯＮ、ＯＦＦ（第２のスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦともいう。）と時間との関係を示している。また３つのグラフの横軸は時間軸で統一されており、一番上のグラフは、縦軸を電圧とし、真ん中のグラフと一番下のグラフは、縦軸がスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦとした。また、時間軸は、制動開始がＴ＝０となる。

図７に示す例では、Ｔ＝０からＴ＝ｔ１０となるまでの時間をかけて、風車３の回転を停止させる。なお、制動動作は、上述と同様の方法で行った。この時、制御装置１５は、時間Ｔが０からｔ６まで、ｔ７からｔ８まで、ｔ９からｔ１０までの間は、出力電圧が目標電圧以上であるため、切替装置１３をＯＮ（第１のスイッチ状態をＯＮ）とした。また、時間Ｔがｔ６からｔ７まで、ｔ８からｔ９までの間は、出力電圧が目標電圧より低いため、切替装置１３をＯＦＦ（第１のスイッチ状態をＯＦＦ）とした。なお、Ｔ＝０からＴ＝ｔ１０となるまで、短絡器１８は、ＯＦＦつまり、第２のスイッチ状態はＯＦＦの状態とし、短絡させない。

その後、時間Ｔ＝ｔ１０以降は、切替装置１３をＯＦＦ状態としたのに対し、短絡器１８をＯＮ状態とする。つまり、風車３の回転が停止したら、発電機２を短絡させて風車３が回転しないようにする。また、制御装置１５は、制動動作時に、切替装置１３がＯＮとなっていた時間、つまり、時間Ｔが０からｔ６まで、ｔ７からｔ８まで、ｔ９からｔ１０の時間の和に基づいて、冷却期間を算出し、その期間は、短絡器１８をＯＮ状態とする。図７の例では、時間Ｔがｔ１０からｔ１１の間を冷却期間とした。その後、時間Ｔがｔ１１以降となったら、切替装置１３と短絡器１８の両方をＯＦＦ状態とし、制動動作を終了する。

また、図８に示す例では、Ｔ＝０からＴ＝ｔ１４となるまでの時間をかけて、風車３の回転を停止させる。なお、制動動作は、上述と同様の方法で行った。この時、制御装置１５は、時間Ｔが０からｔ１２まで、ｔ１３からｔ１４までの間は、出力電圧が目標電圧以上であるため、切替装置１３をＯＮ（第１のスイッチ状態をＯＮ）とした。また、時間Ｔがｔ１２からｔ１３までの間は、出力電圧が目標電圧より低いため、切替装置１３をＯＦＦ（第１のスイッチ状態をＯＦＦ）とした。なお、図８に示す例は、図７に示す例よりも切替装置１３をＯＮにしている時間が短かった。また、Ｔ＝０からＴ＝ｔ１４となるまで、短絡器１８は、ＯＦＦつまり、第２のスイッチ状態はＯＦＦの状態とし、短絡させない。

その後、時間Ｔ＝ｔ１４以降は、切替装置１３をＯＦＦ状態としたのに対し、短絡器１８をＯＮ状態とする。つまり、風車３の回転が停止したら、発電機２を短絡させて風車３が回転しないようにする。また、制御装置１５は、制動動作時に、切替装置１３がＯＮとなっていた時間、つまり、時間Ｔが０からｔ１２まで、ｔ１３からｔ１４の時間の和に基づいて、冷却期間を算出し、その期間は、短絡器１８をＯＮ状態とする。図８の例では、時間Ｔがｔ１４からｔ１５の間を冷却期間とした。なお、０からｔ１２まで、ｔ１３からｔ１４の和は、上述の０からｔ６まで、ｔ７からｔ８まで、ｔ９からｔ１０までの和よりも短いため、ｔ１４からｔ１５も、ｔ１０からｔ１１より短くなる。つまり、冷却期間は短くなる。その後、時間Ｔがｔ１５以降となったら、切替装置１３と短絡器１８の両方をＯＦＦ状態とし、制動動作を終了する。

このように、制動装置１０ｂは、切替装置１３をＯＮにしている時間に応じて、つまり、発電機２と電力消費装置１２とを接続させ、発電機２にブレーキをかけている時間に応じて、冷却期間（発電機２を停止させる時間）を設ける。これにより、制動動作により、電力を消費し、発熱した電力消費装置１２を冷却することができ、電力消費装置１２が過剰に加熱することを抑制することができる。電力消費装置１２の熱成立条件、熱に対する強度設計の条件を緩和することができ、電力消費装置１２の選択に自由度を大きくすることができる。また、熱成立条件を緩和できることで電力消費装置１２を小型化、低コスト化することができる。また、電力消費装置１２の使用状態に応じて、冷却期間を設定（算出）することで、必要以上に多くの冷却期間を設けることがなくなり、風力発電機を効率よく利用することができる。

なお、上記実施形態では、切替装置１３をＯＦＦにし、かつ、短絡器１８をＯＮにしたが、切替装置１３と短絡器１８の両方をＯＮ状態として、発電機を短絡させ、風車が回転しないようにしてもよい。

（実施形態３）
次に、図９を用いて、実施形態３に係る制動装置について説明する。ここで、図９は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図９に示す風力発電機１ｃの制動装置１０ｃは、制御装置１５に電力を供給する手段を設けた点を除いて他の構成は、上述した風力発電機１の制動装置１０と同様である。以下では、制動装置１０ｃに特有の点を説明する。また、他の構成は、実施形態１やその変形例と同様であるとともに、上述した実施形態やその変形例の構成は、本実施形態に対して適宜組み合わせることができる。また上述した実施形態において電源装置の記載を省略したが、何らかの制御装置１５に電力を供給する手段は備えている。

制動装置１０ｃは、電源装置２０と、外部電力取得部２１と、蓄電部２２とを有する。電源装置２０は、制御装置１５を駆動する電力を供給するものである。外部電力取得部２１は、発電所等で発電され送電線等を介して供給される電力を取得する部分であり、外部の電力供給源と接続されている。外部電力取得部２１は、取得した電力を、電源装置２０を介して制御装置１５に供給する。

また、蓄電部２２は、一定量の電力を蓄電しているものである。蓄電部２２は、電源装置２０の制御に基づいて、必要に応じて蓄電した電力を制御装置１５に供給する。ここで、蓄電部２２としては、例えば、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、蓄電池（例えば、鉛蓄電池、リチウム−イオン電池、ニッケル−水素電池等）等を用いることができる。なお、蓄電部２２は、外部電力取得部２１から供給された電力により、充電可能な構成としてもよい。

制御装置１５は、上述した制動装置１０と同様に強風等により、風車が所定の条件以上で回転している（電圧値または回転数等が閾値を超えた）場合は、制動動作を行う。さらに、制御装置１５は、停電等が発生した場合、例えば、外部電力取得部２１からの電力供給が停止した場合も、制動動作を行い、風車の回転を停止する。なお、制動装置１０ｃは、外部電力取得部２１からの電力供給が停止した場合でも、蓄電部２２から電力を供給することで、制御装置１５を駆動可能であり、上述した制動動作と同様の動作で風車の回転を停止させることができる。

このように、制動装置１０ｃは、蓄電部２２を設けることで、停電等により、外部からの電力供給が停止した場合でも、風車を停止させることができる。また、上述した制動動作により停止することで、停電時であっても、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる。

なお、停電等を検出する方法は、外部電力取得部２１への電力供給から判定する方法に限定されず、別途センサを設けるようにしてもよい。また、コンデンサ等の装置の不具合が生じ、外部電力取得部２１から電力が取得できない場合も同様の制御をすることで、不測の事態が生じた場合でも風車を停止させることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる風力発電機用制動装置は、風力発電機の停止時のブレーキ装置として用いるのに有用であり、特に、１０ｋＷ以下の小型風力発電のブレーキ装置に適している。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 風力発電機
２ 発電機
３ 風車
４ 入力軸
５ コンバータ
６ 電力消費対象
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 制動装置（風力電機用制動装置）
１２ 電力消費装置
１３ 切替装置
１４ 電圧計
１５Ｍ 記憶部
１５Ｐ 処理部
１５ 制御装置
１６ 回転計
１８ 短絡器
２０ 電源装置
２１ 外部電力取得部
２２ 蓄電部

Claims (7)

1. 風車の回転エネルギを電力に変換する発電機と、前記発電機で生成された電力を他の機器に出力するコンバータの間に設けられた風力発電機用制動装置であって、
   前記風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、
   前記発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、
   前記負荷手段に直列に配置され、前記負荷手段が前記発電機と電気的に接続している接続状態と、前記負荷手段が前記発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、
   制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を記憶しており、前記回転状態検出手段の検出結果に基づいて前記選択スイッチを動作させ、前記風車の制動動作を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、予め設定された条件が満たされたら前記制動動作を開始し、
   前記関係から算出される目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較し、比較結果に基づいて、前記選択スイッチにより接続状態とするか解放状態とするかを決定することを特徴とする風力発電機用制動装置。
2. 前記制御手段は、前記回転状態検出手段で検出された回転状態が予め設定された回転状態を超えたら前記制動動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用制動装置。
3. 前記回転状態検出手段は、前記回転状態の制御対象として前記発電機から出力される電圧を検出し、
   前記制御手段は、検出された電圧と、前記目標回転状態の電圧の値を比較して制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電機用制動装置。
4. 前記制御手段は、単位時間毎に、前記回転状態検出手段で回転状態を検出し、前記関係から算出される前記目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。
5. 前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される前記目標回転状態以上である場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を接続状態とし、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される目標回転状態よりも低い場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。
6. 前記選択スイッチは、第１選択スイッチであり、
   さらに、前記負荷手段及び前記第１選択スイッチと並列に配置され、前記発電機を短絡させる第２選択スイッチを有し、
   前記制御手段は、前記風車を停止させた後に、第１選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とし、かつ、前記制動動作を開始してから前記風車を停止させるまでの間の前記第１選択スイッチの動作に基づいて算出される時間の間、前記第２選択スイッチにより前記発電機を短絡させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。
7. さらに、外部から供給される外部電力供給部と、
   電力を蓄積する電力蓄積部と、
   前記外部電力供給部または前記電力蓄積部から供給された電力を前記制御手段に供給する電力供給手段とを有し、
   前記制御手段は、前記外部から前記外部電力供給部への電力供給が停止したことを検出したら、前記電力蓄積部から供給される電力を使用しつつ、前記制動動作を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。

Images