JP2013128379A

JP2013128379A - 電力変換装置およびそれを備える風力発電システム

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Publication number: JP2013128379A
Application number: JP2011277508A
Authority: JP
Inventors: Koji Takemoto; 光司嶽本; Hiroshi Ota; 博太田; Takuya Endo; 卓也遠藤; Hitoshi Kimura; 均木村
Original assignee: OHATSU CO Ltd; V TEC KK
Current assignee: OHATSU CO Ltd; V TEC KK
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: JP5590472B2

Abstract

【課題】各相のステータコイルが直列接続から並列接続に切り替えられても、出力電力が大きく低下することを防止できる、電力変換装置およびそれを備える風力発電システムを提供する。
【解決手段】電力変換回路２３により、整流回路２１から出力される直流電力が所定の電圧の直流電力に変換される。交流発電機のステータに備えられている各相の２個のステータコイルが直列接続されているときには、電力変換回路２３の出力電力が入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧の３乗値に所定の第１係数を乗じて得られる値となるように、各相の２個のステータコイルが並列接続されているときには、直流電圧の３乗値に第１係数よりも大きい第２係数を乗じて得られる値となるように、電力変換回路２３が制御される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置およびそれを備える風力発電システムに関する。

近年、環境保護の観点などから、自然エネルギーを利用したクリーンな発電方式の１つである風力発電が注目されている。

従来の典型的な風力発電システムは、風車と、風車の回転を電力に変換する発電機と、電力を蓄積するバッテリと、発電機から出力される電力を直流電力に変換する電力変換装置とを備えている。

発電機は、ロータおよびステータを備えている。ロータは、風車の回転軸に結合されている。ロータには、永久磁石が設けられている。ステータには、Ｙ結線されたＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータコイルが設けられている。

風車が風を受けて回転すると、発電機のロータが風車の回転軸と一体的に回転し、電磁誘導により、発電機の各相のステータコイルに電流が流れ、発電機から３相交流電力が出力される。発電機から出力される３相交流電力は、電力変換装置により、直流電力に変換され、さらに所定の電圧に降圧される。そして、その直流電力により、バッテリが充電される。

発電機の出力電圧は、ロータの回転速度（回転数）に比例する。そのため、風速が小さく、風車の回転速度が小さいと、発電機の出力電圧が低く、バッテリを充電することができない。各相巻線の巻数を増やせば、発電機の出力電圧を上げることができる。しかしながら、各相巻線の巻数を単純に増やすと、風速が大きいときに、発電機の出力電圧が大きくなりすぎ、電力変換装置に故障が生じるおそれがある。

そこで、本願出願人は、先に、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相について２個のステータコイルを設けて、風速が小さいときには、各相のステータコイルを直列に接続し、風速が大きいときには、各相のステータコイルを並列に接続する構成を提案している。ステータコイルが直列に接続されたときの巻数は、ステータコイルが並列に接続されたときの２倍になるので、風速が小さいときにも、発電機からバッテリの充電に必要な電圧を出力させることができる。一方、ステータコイルが並列に接続されたときの巻数は、ステータコイルが直列に接続されたときの巻数の半分になるので、風速が大きいときには、発電機から出力される電圧が大きくなりすぎることを防止できる。

特開２０１１−１１４９３８号公報

ところが、各相のステータコイルの接続が直列接続から並列接続に切り替えられると、発電機の出力電圧が半減する。そのため、ステータコイルの接続状態に関係なく、電力変換装置の回路が同様に制御されていると、ステータコイルの接続が直列接続から並列接続に切り替えられたときに、電力変換装置による変換後の電力が大きく低下する。その結果、風速が上がっているにもかかわらず、電力変換装置から出力される電力が低下するという事態が生じる。

本発明の目的は、各相のステータコイルが直列接続から並列接続に切り替えられても、出力電力が大きく低下することを防止できる、電力変換装置およびそれを備える風力発電システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る発電システムは、ロータおよびステータを有し、前記ステータに各相について複数のステータコイルが設けられた交流発電機と、各相の前記複数のステータコイルの接続を直列接続と並列接続とに切り替える切替回路と、前記交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換装置とを備える。

そして、本発明に係る電力変換装置は、前記交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電力を変換するための電力変換回路と、前記整流回路から出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記複数のステータコイルが直列接続されているか並列接続されているかを判定する接続判定手段と、前記接続判定手段によって前記複数のステータコイルが直列接続されていると判定された場合には、前記電力変換回路から出力される直流電力が前記電圧検出手段による検出電圧の３乗値に所定の第１係数を乗じて得られる値となるように、前記電力変換回路を制御し、前記接続判定手段によって前記複数のステータコイルが並列接続されていると判定された場合には、前記電力変換回路から出力される直流電力が前記電圧検出手段による検出電圧の３乗値に前記第１係数よりも大きい第２係数を乗じて得られる値となるように、前記電力変換回路を制御する制御手段とを含む。

交流発電機のステータには、各相について複数のステータコイルが設けられている。各相の複数のステータコイルは、切替回路により、それらが直列に接続された状態と並列に接続された状態とに切り替えられる。ロータが回転すると、ステータコイルに電流が流れ、交流発電機から交流電力が出力される。

電力変換装置には、整流回路および電力変換回路が備えられている。交流発電機から出力される交流電力は、整流回路により、直流電力に変換される。電力変換回路により、整流回路から出力される直流電力が所定の電力の直流電力に変換される。

電力変換回路は、整流回路から出力される直流電圧および各相の複数のステータコイルの接続が直列接続であるか並列接続であるかに基づいて制御される。具体的には、各相の複数のステータコイルが直列接続されているときには、電力変換回路から出力される直流電力が整流回路の出力電圧の３乗値に所定の第１係数を乗じて得られる値となるように、電力変換回路が制御される。一方、各相の複数のステータコイルが並列接続されているときには、電力変換回路から出力される直流電力が整流回路の出力電圧の３乗値に第１係数よりも大きい第２係数を乗じて得られる値となるように、電力変換回路が制御される。

整流回路の出力電圧は、電圧検出手段によって検出される。

風力によって発電する交流発電機の出力電力は、風速の３乗に比例する。一方、整流回路の出力電圧は、風速に比例する。したがって、整流回路の出力電圧の３乗値と第１係数または第２係数との乗算値は、交流発電機の最大出力電力に対応した値となる。よって、電力変換回路から出力される電力がその乗算値となるように、電力変換回路が制御されることにより、交流発電機の最大出力電力がほぼ低下せずに（風速がほぼ低下せずに）、各相の複数のステータコイルの接続の切替えに起因して整流回路の出力電圧が大きく変化しても、電力変換回路から出力される電力が大きく低下することを防止できる。

各相の複数のステータコイルの接続状態は、整流回路の出力電圧（電圧検出手段による検出電圧）に基づいて判定することができる。

たとえば、電圧検出手段による検出電圧（整流回路の出力電圧）が所定の第１電圧以上である状態から当該検出電圧が所定の低下率以上の低下率で低下するか、または、電圧検出手段による検出電圧が第１電圧よりも大きい第２電圧以上に上昇した場合、複数のステータコイルが直列接続から並列接続に切り替えられたと判定することができる。

また、電圧検出手段による検出電圧（整流回路の出力電圧）が所定の第３電圧以下である状態から当該検出電圧が所定の上昇率以上の上昇率で上昇するか、または、電圧検出手段による検出電圧が第３電圧よりも小さい第４電圧以下に低下した場合、複数のステータコイルが並列接続から直列接続に切り替えられたと判定することができる。

本発明によれば、交流発電機の出力電力がほぼ低下せずに（風速がほぼ低下せずに）、各相の複数のステータコイルの接続の切替えに起因して整流回路の最大出力電圧が大きく変化しても、電力変換回路から出力される電力が大きく低下することなく、最大出力電力を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの構成を示す図である。図２Ａは、ステータコイルの接続状態（直列接続）を示す図である。図２Ｂは、ステータコイルの接続状態（並列接続）を示す図である。図３は、切替回路の構成を図解的に示す図である。図４は、電力変換装置の構成を示す図である。図５は、風速と発電機の出力電力との関係を示すグラフである。図６は、電力変換装置のマイクロプロセッサによって実行される切替判定処理（１Ｙ結線→２Ｙ結線）のフローチャートである。図７は、電力変換装置のマイクロプロセッサによって実行される切替判定処理（２Ｙ結線→１Ｙ結線）のフローチャートである。図８は、電力変換回路に入力される直流電圧（風力発電装置の発電電圧）と電力変換回路から出力される直流電力（バッテリへの充電量）との関係を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの構成を示す図である。

風力発電システム１は、風力発電装置２、切替回路３、電力変換装置４およびバッテリ５を含む。

風力発電装置２には、垂直軸風車１１と、垂直軸風車１１の回転を電力に変換する交流発電機１２とが備えられている。

垂直軸風車１１は、たとえば、鉛直方向に延びる複数枚のブレード１３を備え、鉛直方向（垂直方向）に延びる回転軸１４を中心に回転可能に設けられている。

交流発電機１２は、たとえば、３相交流発電機であり、ロータ１５およびステータ１６を備えている。

ロータ１５は、垂直軸風車１１の回転軸１４と一体的に回転可能に設けられている。ロータ１５には、永久磁石（図示せず）が保持されている。

図２Ａ，２Ｂは、ステータコイルの接続状態を示す図である。

ステータ１６には、２個のＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、２個のＶ相ステータコイル１７Ｖ，１８Ｖおよび２個のＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが設けられている。Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの巻数は、同じである。

各相の一方のＵ相ステータコイル１７Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗは、たとえば、Ｙ結線されている。

各相の他方のＵ相ステータコイル１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１８ＶおよびＷ相ステータコイル１８Ｗは、それぞれ一方のＵ相ステータコイル１７Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗと直列接続および並列接続可能に設けられている。

図３は、切替回路の構成を図解的に示す図である。

切替回路３には、第１リレーＲｙ１、第２リレーＲｙ２、第３リレーＲｙ３、第４リレーＲｙ４、第５リレーＲｙ５、第６リレーＲｙ６および第７リレーＲｙ７が含まれる。

第１リレーＲｙ１は、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕの一端に設けられた端子Ｔ１の接続先を他方のＵ相ステータコイル１８Ｕの一端に設けられた端子Ｔ４とその他端に設けられた端子Ｔ５とに切り替えるためのものである。端子Ｔ４は、第１リレーＲｙ１を介して、Ｕ相出力端子ＴＵに接続されている。

第２リレーＲｙ２は、一方のＶ相ステータコイル１７Ｖの一端に設けられた端子Ｔ２の接続先を他方のＶ相ステータコイル１８Ｖの一端に設けられた端子Ｔ６とその他端に設けられた端子Ｔ７とに切り替えるためのものである。端子Ｔ６は、第２リレーＲｙ２を介して、Ｖ相出力端子ＴＶに接続されている。

第３リレーＲｙ３は、一方のＷ相ステータコイル１７Ｗの一端に設けられた端子Ｔ３の接続先を他方のＷ相ステータコイル１８Ｗの一端に設けられた端子Ｔ８とその他端に設けられた端子Ｔ９とに切り替えるためのものである。端子Ｔ８は、第３リレーＲｙ３を介して、Ｗ相出力端子ＴＷに接続されている。

第４リレーＲｙ４は、Ｕ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ５とＶ相ステータコイル１８Ｖの端子Ｔ７とを接続するか否かを切り替えるためのものである。

第５リレーＲｙ５は、Ｕ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ５とＷ相ステータコイル１８Ｗの端子Ｔ９とを接続するか否かを切り替えるためのものである。

第１リレーＲｙ１、第２リレーＲｙ２および第３リレーＲｙが制御されて、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕの端子Ｔ１と他方のＵ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ５とが接続され、一方のＶ相ステータコイル１７Ｖの端子Ｔ２と他方のＶ相ステータコイル１８Ｖの端子Ｔ７とが接続され、一方のＷ相ステータコイル１７Ｗの端子Ｔ３と他方のＷ相ステータコイル１８Ｗの端子Ｔ９とが接続される。また、第４リレーＲｙ４および第５リレーＲｙ５が制御されて、他方のＵ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ５とＶ相ステータコイル１８Ｖの端子Ｔ７とＷ相ステータコイル１８Ｗの端子Ｔ９とが相互に切り離される。

これにより、図２Ａに示されるように、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗの中性点とＵ相出力端子ＴＵとの間で、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕと他方のＵ相ステータコイル１８Ｕとが直列に接続される。また、その中性点とＶ相出力端子ＴＶとの間で、一方のＶ相ステータコイル１７Ｖと他方のＶ相ステータコイル１８Ｖとが直列に接続される。さらに、その中性点とＷ相出力端子ＴＷとの間で、一方のＷ相ステータコイル１７Ｗと他方のＷ相ステータコイル１８Ｗとが直列に接続される。

そして、この状態で、垂直軸風車１１が回転すると、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗに交流電圧が生じ、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから交流電力が出力される。

一方、第１リレーＲｙ１、第２リレーＲｙ２および第３リレーＲｙが制御されて、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕの端子Ｔ１と他方のＵ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ４とが接続され、一方のＶ相ステータコイル１７Ｖの端子Ｔ２と他方のＶ相ステータコイル１８Ｖの端子Ｔ６とが接続され、一方のＷ相ステータコイル１７Ｗの端子Ｔ３と他方のＷ相ステータコイル１８Ｗの端子Ｔ８とが接続される。また、第４リレーＲｙ４および第５リレーＲｙ５が制御されて、他方のＵ相ステータコイル１８Ｕの端子Ｔ５とＶ相ステータコイル１８Ｖの端子Ｔ７とＷ相ステータコイル１８Ｗの端子Ｔ９とが相互に接続される。

これにより、図２Ｂに示されるように、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗの中性点とＵ相出力端子ＴＵとの間で、一方のＵ相ステータコイル１７Ｕと他方のＵ相ステータコイル１８Ｕとが並列に接続される。また、その中性点とＶ相出力端子ＴＶとの間で、一方のＶ相ステータコイル１７Ｖと他方のＶ相ステータコイル１８Ｖとが並列に接続される。さらに、その中性点とＷ相出力端子ＴＷとの間で、一方のＷ相ステータコイル１７Ｗと他方のＷ相ステータコイル１８Ｗとが並列に接続される。

Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの直列接続と並列接続との切替えは、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから出力される交流電力の周波数に基づいて行われる。たとえば、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから出力される交流電力の周波数が風速５ｍ／ｓに対応する周波数未満である場合には、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続される。一方、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから出力される交流電力の周波数が風速５ｍ／ｓに対応する周波数以上である場合には、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続される。

第６リレーＲｙ６は、Ｖ相出力端子ＴＶとＷ相出力端子ＴＷとを接続するか否かを切り替えるためのものである。

第７リレーＲｙ７は、Ｖ相出力端子ＴＶとＵ相出力端子ＴＵとを接続するか否かを切り替えるためのものである。

第６リレーＲｙ６および第７リレーＲｙ７が制御されて、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷが相互に接続されることにより、電力変換装置４への３相交流電力の入力が遮断される。

図４は、電力変換装置の構成を示す図である。

電力変換装置４には、切替回路３のＵ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路２１と、整流回路２１から出力される直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ２２と、整流回路２１から出力される直流電力を変換するための電力変換回路２３とが備えられている。

Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷと整流回路２１とを接続する各配線の途中部には、過電圧（高圧）から電力変換装置４の各部を保護するためのリレー２４およびヒューズ２５が介装されている。リレー２４には、バッテリ５の出力電圧（２４Ｖ）が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６で適当な電圧（１２Ｖ）に降圧されて、リレー２４の動作電圧として入力されている。たとえば、Ｕ相出力端子ＴＵ、Ｖ相出力端子ＴＶおよびＷ相出力端子ＴＷから２４０Ｖ以上の交流電圧が出力されると、各リレー２４の接点が開かれて、その交流電圧の入力が遮断される。

電力変換回路２３の構成は、風力発電装置２（図１参照）の出力電圧とバッテリ５の充電電圧との関係に基づいて決定される。具体的には、バッテリ５の充電電圧が風力発電装置２の最小出力電圧よりも小さい場合には、電力変換回路２３は、降圧コンバータとして構成される。また、バッテリ５の充電電圧が風力発電装置２の最大出力電圧よりも大きい場合には、電力変換回路２３は、昇圧コンバータとして構成される。バッテリ５の充電電圧が風力発電装置２の最小出力電圧以上かつ最大出力電圧以下である場合には、電力変換回路２３は、昇降圧コンバータとして構成される。この実施形態では、電力変換回路２３は、降圧コンバータとして構成されている。

また、電力変換装置４には、電力変換回路２３を動作させるためのプリアンプ２７と、プリアンプ２７を介して電力変換回路２３の動作を制御するためのマイクロプロセッサ２８とが備えられている。

マイクロプロセッサ２８による電力変換回路２３の動作制御のために、電力変換装置４には、電力変換回路２３に入力される直流電圧を検出する入力電圧検出部２９と、電力変換回路２３から出力される直流電流を検出する出力電流検出部３０と、電力変換回路２３から出力される直流電圧を検出する出力電圧検出部３１とが備えられている。

マイクロプロセッサ２８は、入力電圧検出部２９、出力電流検出部３０および出力電圧検出部３１から入力される検出信号、ならびに、交流発電機１２のステータ１６に設けられているＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されているか並列接続されているかに基づいて、プリアンプ２７を介して、電力変換回路２３の動作を制御する。

具体的には、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されているときには、マイクロプロセッサ２８は、入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３と所定の第１係数Ｋ１とが乗算され、その乗算値が電力変換回路２３から出力される直流電力の目標値（目標電力）Ｗ１＝Ｋ１×Ｖｉｎ^３とされる。また、出力電流検出部３０によって検出される直流電流値と出力電圧検出部３１によって検出される直流電圧値との乗算により、電力変換回路２３から実際に出力されている直流電力（実電力）が求められる。そして、目標電力Ｗ１が実電力と一致するように、電力変換回路２３の動作が制御される。

また、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続されているときには、マイクロプロセッサ２８は、入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３と所定の第２係数Ｋ２（＞Ｋ１）とが乗算され、その乗算値が電力変換回路２３から出力される直流電力の目標値（目標電力）Ｗ２＝Ｋ２×Ｖｉｎ^３とされる。また、出力電流検出部３０によって検出される直流電流値と出力電圧検出部３１によって検出される直流電圧値との乗算により、電力変換回路２３から実際に出力されている直流電力（実電力）が求められる。そして、目標電力Ｗ２が実電力と一致するように、電力変換回路２３の動作が制御される。電力変換回路２３から出力される直流電力は、バッテリ５に供給される。

また、電力変換装置４には、自動起動部３２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３３，３４が備えられている。

自動起動部３２には、整流回路２１から出力される直流電圧が入力されるようになっている。自動起動部３２は、整流回路２１から出力される直流電圧が３０Ｖ以上になると、バッテリ５の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３３に供給する。

これにより、バッテリ５の出力電圧（たとえば、２４Ｖ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３で第１動作電圧（１２Ｖ）に降圧されて、第１動作電圧で動作する各部（プリアンプ２７、整流平滑回路４３など）に供給される。また、第１動作電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４で第２動作電圧（５Ｖ）にさらに降圧されて、第２動作電圧で動作する各部（マイクロプロセッサ２８など）に供給される。この第１動作電圧および第２動作電圧の供給により、電力変換装置４の各部が起動する。

図５は、風速と発電機の出力電力との関係を示すグラフである。

垂直軸風車１１が受ける風力エネルギーＥは、式（１）で求められる。

Ｅ＝０．５×ρ×Ｖ^３×Ａ・・・（１）
ρ：空気密度（＝１．２２５ｋｇ／ｍ^３）
Ｖ：風速（ｍ／ｓ）
Ａ：ブレード１３の受風面積（ｍ^２）

交流発電機１２の出力電力Ｗｏｕｔは、式（２）で求められる。

Ｗｏｕｔ＝Ｅ×Ｃｐ×ηｇ・・・（２）
Ｃｐ：ロータ効率
ηｇ：発電機効率

ブレード１３の受風面積Ａを２．８（＝１．７５×１．６）ｍ^２とし、ロータ効率Ｃｐを０．２５とし、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されているときの発電機効率ηｇを０．５５とし、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続されているときの発電機効率ηｇを０．８とし、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの直列接続と並列接続とが風速５ｍ／ｓのときに切り替えられるとして、式（１），（２）に基づいて、風速と交流発電機１２の出力電力Ｗｏｕｔとの関係を求めた。その結果が図５に示されている。

Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されている状態において、風速が５ｍ／ｓのときの交流発電機１２の出力電力Ｗｏｕｔは、２９．４７７Ｗである。一方、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続されている状態において、風速が５ｍ／ｓのときの交流発電機１２の出力電力Ｗｏｕｔは、４２．８７５Ｗである。

Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が直列接続から並列接続に切り替えられることにより、同じ風速であっても、交流発電機１２の出力電力Ｗｏｕｔが少し上昇することが理解される。

そして、実験により、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されている状態において、風速が５ｍ／ｓのときに入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎ（整流回路２１の出力電圧）が取得され、そのときの出力電力Ｗｏｕｔ（＝２９．４７７Ｗ）が直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３で除算されることにより、第１係数Ｋ１が設定されている。

また、実験により、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続されている状態において、風速が５ｍ／ｓのときに入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎ（整流回路２１の出力電圧）が取得され、そのときの出力電力Ｗｏｕｔ（＝４２．８７５Ｗ）が直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３で除算されることにより、第２係数Ｋ２が設定されている。

図６，７は、電力変換装置のマイクロプロセッサによって実行される切替判定処理のフローチャートである。

電力変換装置４のマイクロプロセッサ２８は、第２動作電圧が供給されている間、図６，７に示される切替判定処理を繰り返し実行している。

図６に示される切替判定処理では、まず、現在のＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続状態が直列接続（１Ｙ結線）であるか否かが確認される（ステップＳ１）。

現在の接続状態が直列接続（１Ｙ結線）でない場合、つまり現在の接続状態が並列接続（２Ｙ結線）である場合には（ステップＳ１のＮＯ）、図６に示される切替判定処理が直ちに終了される。

現在の接続状態が直列接続（１Ｙ結線）であれば（ステップＳ１のＹＥＳ）、次に、入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎが所定の第１電圧（たとえば、９２Ｖ）以上であるか否かが調べられる（ステップＳ２）。

直流電圧Ｖｉｎが第１電圧以上でない場合には（ステップＳ２のＮＯ）、図６に示される切替判定処理が直ちに終了される。

直流電圧Ｖｉｎが第１電圧以上であれば（ステップＳ２のＹＥＳ）、次に、直流電圧Ｖｉｎの急激な低下の有無が調べられる（ステップＳ３）。具体的には、直流電圧Ｖｉｎが瞬時に４０％以上の低下率で低下したかどうかが調べられる。

そして、直流電圧Ｖｉｎが急激に低下した場合には（ステップＳ３のＹＥＳ）、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が直列接続（１Ｙ結線）から並列接続（２Ｙ結線）に切り替わったと判定される（ステップＳ４）。

一方、直流電圧Ｖｉｎの急激な低下がない場合には（ステップＳ３のＮＯ）、直流電圧Ｖｉｎが第１電圧よりも大きい第２電圧（たとえば、１４５Ｖ）以上であるか否かが調べられる（ステップＳ５）。

直流電圧Ｖｉｎが第２電圧以上である場合には（ステップＳ５のＹＥＳ）、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が直列接続から並列接続に切り替わったと判定される（ステップＳ４）。

直流電圧Ｖｉｎが第２電圧未満である場合には（ステップＳ５のＮＯ）、この処理が終了される。

図７に示される処理では、まず、現在のＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続状態が並列接続（２Ｙ結線）であるか否かが確認される（ステップＳ１１）。

現在の接続状態が並列接続（２Ｙ結線）でない場合、つまり現在の接続状態が直列接続（１Ｙ結線）である場合には（ステップＳ１１のＮＯ）、図７に示される切替判定処理が直ちに終了される。

現在の接続状態が並列接続（２Ｙ結線）であれば（ステップＳ１１のＹＥＳ）、次に、直流電圧Ｖｉｎが所定の第３電圧（たとえば、６９Ｖ）以下であるか否かが調べられる（ステップＳ１２）。

直流電圧Ｖｉｎが第３電圧以下でない場合には（ステップＳ１２のＮＯ）、図７に示される切替判定処理が直ちに終了される。

直流電圧Ｖｉｎが第３電圧以下であれば（ステップＳ１２のＹＥＳ）、次に、直流電圧Ｖｉｎの急激な上昇の有無が調べられる（ステップＳ１３）。具体的には、直流電圧Ｖｉｎが瞬時に６０％以上の上昇率で上昇したかどうかが調べられる。

そして、直流電圧Ｖｉｎが急激に上昇した場合には（ステップＳ１３のＹＥＳ）、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が並列接続（２Ｙ結線）から直列接続（１Ｙ結線）に切り替わったと判定される（ステップＳ１４）。

一方、直流電圧Ｖｉｎの急激な上昇がない場合には（ステップＳ１３のＮＯ）、直流電圧Ｖｉｎが第３電圧よりも小さい第４電圧（たとえば、３５Ｖ）以下であるか否かが調べられる（ステップＳ１５）。

直流電圧Ｖｉｎが第４電圧以下である場合には（ステップＳ１５のＹＥＳ）、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が並列接続から直列接続に切り替わったと判定される（ステップＳ１４）。

直流電圧Ｖｉｎが第４電圧より大きい場合には（ステップＳ１５のＮＯ）、この処理が終了される。

電力変換装置４のマイクロプロセッサ２８は、図６，７に示される処理を繰り返し実行して、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの直列接続と並列接続との切り替わりを常に監視している。この切り替わりの監視により、マイクロプロセッサ２８は、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続状態を常に把握している。

以上のように、交流発電機１２のステータ１６には、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが設けられている。Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗは、切替回路３により、直列に接続された状態と並列に接続された状態とに切り替えられる。ロータ１５が回転すると、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗに電流が流れ、交流発電機１２から交流電力が出力される。

電力変換装置４には、整流回路２１および電力変換回路２３が備えられている。交流発電機１２から出力される交流電力は、整流回路２１により、直流電力に変換される。そして、電力変換回路２３により、整流回路２１から出力される直流電圧がバッテリ５の出力電圧に等しい２４Ｖに変圧される。

電力変換回路２３の動作は、入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧（整流回路２１の出力電圧）Ｖｉｎ、ならびにＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続が直列接続であるか並列接続であるかに基づいて制御される。具体的には、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが直列接続されているときには、電力変換回路２３から出力される電力が入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３に所定の第１係数Ｋ１を乗じて得られる値となるように、電力変換回路２３の動作が制御される。一方、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが並列接続されているときには、電力変換回路２３から出力される電力が入力電圧検出部２９によって検出される直流電圧Ｖｉｎの３乗値Ｖｉｎ^３に第１係数Ｋ１よりも大きい第２係数Ｋ２を乗じて得られる値となるように、電力変換回路２３の動作が制御される。

風力によって発電する交流発電機１２の出力電力は、風速の３乗に比例する。一方、整流回路２１の出力電圧は、風速に比例する。したがって、整流回路２１の出力電圧の３乗値Ｖｉｎ^３と第１係数Ｋ１または第２係数Ｋ２との乗算値は、交流発電機１２の出力電力に対応した値となる。よって、電力変換回路２３から出力される電力がその乗算値となるように、電力変換回路２３の動作が制御されることにより、交流発電機１２の出力電力がほぼ低下せずに（風速がほぼ低下せずに）、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続の切替えに起因して整流回路２１の出力電圧が大きく変化しても、電力変換回路２３から出力される電力が大きく低下することを防止できる。

図８は、電力変換回路に入力される直流電圧と電力変換回路から出力される直流電力との関係を示すグラフである。

第１係数Ｋ１＝０．００００２とし、第２係数Ｋ２＝０．００００８として、電力変換回路２３に入力される直流電圧Ｖｉｎと電力変換回路２３から出力される直流電力（バッテリ５への充電量）との関係を求めた。その結果が図８に示されている。

Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続状態が直列接続（１Ｙ結線）から並列接続（２Ｙ結線）に切り替えられると、破線で示されるように、直流電圧Ｖｉｎが低下するとともに、電力変換回路２３から出力される直流電力がわずかに増加する。この図８に示されるグラフから、Ｕ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、Ｖ相ステータコイル１７Ｖ，１８ＶおよびＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗの接続状態が直列接続（１Ｙ結線）から並列接続（２Ｙ結線）に切り替えられても、電力変換回路２３から出力される電力が低下しないことが理解される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではない。

たとえば、交流発電機１２のステータ１６には、２個のＵ相ステータコイル１７Ｕ，１８Ｕ、２個のＶ相ステータコイル１７Ｖ，１８Ｖおよび２個のＷ相ステータコイル１７Ｗ，１８Ｗが設けられているとしたが、各相について３個以上のステータコイルが設けられていてもよい。

また、バッテリ５の出力電圧が２４Ｖであるとした。しかしながら、バッテリ５の出力電圧は、２４Ｖ未満であってもよいし、２４Ｖより大きくてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１風力発電システム
３切替回路
４電力変換装置
１２交流発電機
１５ロータ
１６ステータ
１７ＵＵ相ステータコイル
１８ＵＵ相ステータコイル
１７ＶＶ相ステータコイル
１８ＶＶ相ステータコイル
１７ＷＷ相ステータコイル
１８ＷＷ相ステータコイル
２１整流回路
２３電力変換回路
２８マイクロプロセッサ（接続判定手段、制御手段）
２９入力電圧検出部（電圧検出手段）

Claims

ロータおよびステータを有し、前記ステータに各相について複数のステータコイルが設けられた交流発電機と、各相の前記複数のステータコイルの接続を直列接続と並列接続とに切り替える切替回路とを備える風力発電システムに用いられ、前記交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電力を変換するための電力変換回路と、
前記整流回路から出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数のステータコイルが直列接続されているか並列接続されているかを判定する接続判定手段と、
前記接続判定手段によって前記複数のステータコイルが直列接続されていると判定された場合には、前記電力変換回路から出力される直流電力が前記電圧検出手段による検出電圧の３乗値に所定の第１係数を乗じて得られる値となるように、前記電力変換回路を制御し、前記接続判定手段によって前記複数のステータコイルが並列接続されていると判定された場合には、前記電力変換回路から出力される直流電力が前記電圧検出手段による検出電圧の３乗値に前記第１係数よりも大きい第２係数を乗じて得られる値となるように、前記電力変換回路を制御するスイッチング制御手段とを含む、電力変換装置。
前記接続判定手段は、
前記電圧検出手段による検出電圧が所定の第１電圧以上である状態から当該検出電圧が所定の低下率以上の低下率で低下するか、または、前記電圧検出手段による検出電圧が前記第１電圧よりも大きい第２電圧以上に上昇すると、前記複数のステータコイルが直列接続から並列接続に切り替えられたと判定し、
前記電圧検出手段による検出電圧が所定の第３電圧以下である状態から当該検出電圧が所定の上昇率以上の上昇率で上昇するか、または、前記電圧検出手段による検出電圧が前記第３電圧よりも小さい第４電圧以下に低下すると、前記複数のステータコイルが並列接続から直列接続に切り替えられたと判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
ロータおよびステータを有し、前記ステータに各相について複数のステータコイルが設けられた交流発電機と、
各相の前記複数のステータコイルの接続を直列接続と並列接続とに切り替える切替回路と、
請求項１または２に記載の電力変換装置とを含む、風力発電システム。