JP2015140726A - ピッチ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 他のピッチ駆動装置が非動作中でも、回生動作を行う。【解決手段】 商用交流電力を直流化するコンバータ２２の出力がインバータ１６に供給される。インバータ１６の出力が電動モータ１２に供給される。電動モータ１２の出力が減速機１０、ピニオン６を介してブレードに関連するリングギア２に供給される。リングギア２の回転に従って、ブレードのピッチが変化させられる。コンバータ２２とインバータ１６との間の中間電位部に、充電／放電回路２６を介して停電用蓄電器２８が接続されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電装置のブレードのピッチを調整して駆動するピッチ駆動装置に関し、特に、回生電力を使用するものに関する。

風力発電装置では、垂直なタワーの上端部に水平にナセルが取り付けられ、ナセル内に水平に取り付けられた動力伝達軸の先端がナセルから突出させられ、この先端にハブが設けられている。このハブに複数枚のブレードが等角度に取り付けられている。風力エネルギーによってブレードを連続回転させることで、動力伝達軸を回転させ、この回転を発電機に伝達して電力を発生させる。ブレードのピッチを制御するために、電動モータを減速機等を介してブレードに結合したピッチ駆動装置が、各ブレードに設けられている。ブレード角の動作には、ブレードのピッチを変化させる期間と、発電機として動作する期間とがある。発電機として動作する期間では、ブレードが風力エネルギーによって回転させられて、その結果、ブレードのピッチ制御用の電動モータも回転させられて、発電機として動作し、回生電力を発生する。

或るブレードの電動モータが発電機として動作している期間に発生した回生電力を、他のブレードのピッチを変化させる電力として使用する技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、各ブレードと同数の電動モータが設けられ、これら電動モータによって対応したブレードのピッチが風向及び風速に応じて変更させられる。これら電動モータごとにインバータが設けられている。発電機として動作している期間において、或るブレードが風力エネルギーを受けて、そのブレードに結合されているモータが回転して発生した回生電力を、残りのインバータに供給可能に構成されており、残りのインバータを介して電動モータが回転し、他のブレードのピッチが変更される。

特開２０１２−９２７３３号公報

しかし、特許文献１の技術では、或るピッチ駆動装置が回生電力を発生したときに、他のピッチ駆動装置がブレードのピッチを変化させる動作をしていないなら、発生した電力を消費することができず、回生動作を行うことができない。

本発明は、他のピッチ駆動装置が非動作中でも回生動作を行うことができるピッチ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のピッチ駆動装置は、コンバータとインバータとを有している。このインバータに電動モータが接続されている。前記電動モータの出力が減速機に入力される。前記減速機の出力にピニオンが連結され、このピニオンがリングギアに噛み合っている。コンバータは、交流電力を直流電力に変換し、インバータに供給する。インバータは、コンバータからの直流化電力を所望の交流電力に変換して電動モータに供給し、電動モータを回転させる。モータの出力は減速機、ピニオンを介してリングギアに加えられる。リングギアは、例えばブレードの基端周囲に設けられており、リングギアの回転に従って、ブレードのピッチが変化させられる。前記コンバータと前記インバータとの間の中間電位部に、充電／放電回路が接続され、この充電／放電回路に蓄電器が接続されている。蓄電器としては、通常の二次電池を使用することも、コンデンサ、例えば電気二重層コンデンサを使用することもできる。

このように構成されたピッチ駆動装置では、ブレードが風力エネルギーを受けて電動モータが発電機として動作したときに発電された回生電力は、充電／放電回路を介して蓄電器に蓄電される。従って、他のピッチ駆動装置が動作して無くても、１台のピッチ駆動装置において回生動作を行うことができる。蓄電器に充電された回生用電力は、例えば停電時にブレードのピッチを変更するのに使用することができるし、電動モータを加速する際に、コンバータからの直流電力に加えて、インバータに供給することもできる。

上記の態様のピッチ駆動装置において、停電時にピッチをフェザーリング位置（ブレードが風を受けない位置）まで戻すエネルギーを、前記蓄電器に蓄積することもできる。

このように構成すると、停電時に前記蓄電器に蓄電された回生電力を充電／放電回路によって放電し、インバータを介して電動モータに供給することによって、ブレードのピッチをフェザーリング位置に移動させることができる。

更に、前記蓄電器は、前記停電時に前記フェザーリング位置まで前記ピッチを戻すのに必要な第１の電位を保持するように、前記回生電力を放電または充電することもできる。

このように構成すると、フェザーリング位置までピッチを戻すのに必要な第１の電位を蓄電器において保持することができるので、停電時には確実にフェザーリング位置までブレードのピッチを戻すことを、前記蓄電器の蓄電電力によって行うことができる。

前記蓄電器を、直列接続された複数のコンデンサから構成することができる。この場合、これらコンデンサの一部の電位を制御用電力線に接続する。制御用電力線は、例えばインバータの制御手段に接続されている。

このように構成すると、蓄電器に蓄積された電力の一部を使用して、例えばインバータの制御手段を動作させることができ、蓄電器に蓄積された電力を例えば制御手段において消費することができるので、蓄電器への充電を促進することができる。

本発明の他の態様のピッチ駆動装置も、コンバータと、インバータと、電動モータと、減速機と、ピニオンとを、備えている。前記コンバータと前記インバータとの間の中間電位部に回生用蓄電器が接続され、前記インバータ及びコンバータを介して、前記回生用蓄電器に充電と放電とを行う。

このように構成すると、ブレードが風力エネルギーを受けて電動モータを発電機として動作させたとき、発電された回生電力はインバータを介して回生用蓄電器に蓄電される。また、コンバータを介して回生用蓄電器に充電される。従って、他のピッチ駆動装置が動作して無くても、１台のピッチ駆動装置において回生動作を行うことができる。なお、回生用蓄電器の蓄電電力は、例えば電動モータの加速時にコンバータからの直流電力に加えてインバータに供給することができる。

更に、停電時にピッチをフェザーリング位置まで戻すエネルギーを蓄積する停電用蓄電器を設けることもできる。この停電用蓄電器は、回生用蓄電器よりも大容量であることが望ましい。

このように構成すると、回生用蓄電器に回生電力を蓄積することができる上に、停電用蓄電器にも回生電力を蓄積することが可能であるので、停電時には停電用蓄電器の回生電力によってピッチをフェザーリング位置まで戻すことができるし、回生用蓄電器の蓄積電力によって例えば電動モータの加速を行うことも可能である。

更に、停電用蓄電器は、停電時にフェザーリング位置まで戻すのに必要な第１の電位以上で回生電力を充電又は充電することができる。

このように構成すると、フェザーリング位置までピッチを戻すのに必要な第１の電位を停電用蓄電器において保持することができるので、停電時には確実にフェザーリング位置までピッチを戻すことを、停電用蓄電器の蓄電電力によって行うことができる。また、第１の電位以上に停電用蓄電器に充電された場合、回生用蓄電器に充電することが可能となる。

停電用蓄電器を、直列接続された複数のコンデンサから構成することができる。この場合、これらコンデンサの一部の電位を制御用電力線に接続してある。制御用電力線は、例えばインバータの制御手段に接続されている。

このように構成すると、停電用蓄電器に蓄積された電力の一部を使用して、例えばインバータの制御手段を動作させることができ、蓄電器に蓄積された電力を例えば制御手段において消費することができるので、蓄電器への充電を促進することができる。

以上のように、本発明によれば、他のピッチ駆動装置が非動作中でも回生動作を行うことができる。また、回生エネルギーを有効に利用することができる。

本発明の第１の実施形態のピッチ駆動装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態のピッチ駆動装置のブロック図である。 第２の実施形態のピッチ駆動装置における直流中間部電圧対エネルギー特性図である。

本発明の第１の実施形態のピッチ駆動装置は、図１に示すように、風力発電装置のハブに取り付けられたブレードを旋回させる旋回輪２が有するリングギア４に噛み合ったギア６が出力軸８に結合されている減速機１０を有している。この減速機１０は、電動モータ１２の出力軸１４に結合されている。従って、モータ１２の出力軸１４を回転させることによって、ブレードのピッチが変更される。

電動モータ１２は、例えば三相電動モータであって、その電源端子には、インバータ１６によって生成された所望周波数、所望電圧の三相交流電圧が供給されて、電動モータ１２が駆動される。このインバータ１６は、複数、例えば６つの半導体スイッチング素子、具体的にはＩＧＢＴ１８を有する公知のものである。なお、これらＩＧＢＴ１８には、図示を省略したが、逆並列ダイオードがそれぞれ接続されている。ＩＧＢＴ１８が制御部２０によって制御されて、上述した三相交流電圧が電動モータ１２に供給される。

インバータ１６は、上記三相交流電圧を、コンバータ２２から供給される直流電圧に基づいて生成する。コンバータ２２は、複数、例えば６つのダイオード２４を含み、商用電源、例えば交流電圧の値が４００Ｖである三相商用電源（図示せず）からの交流電圧を直流化して、インバータ１６に供給する。

ところで、ブレードが１回転する間に、風力エネルギー応じてブレードのピッチを変化させる期間の他に、ブレードが風力エネルギーによって回転させられて、その結果、電動モータ１２も回転させられて、電動モータ１２が発電機として動作する期間がある。このとき電動モータ１２が発生した電力を回収するために、コンバータ２２の出力側とインバータ１６の入力側との間の中間電位部に、充電／放電回路２６を介して蓄電器、例えば停電用蓄電器２８が接続されている。停電用蓄電器２８は、複数のコンデンサ、例えば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）３０を直列に接続したものである。電動モータ１２が発電機として動作している間、電動モータ１２が発電した電力は、インバータ１６の逆並列ダイオード、充電／放電回路２６を介して停電用蓄電器２８に供給され、停電用蓄電器２８に充電される。

この充電された電力は、例えば停電時に、ブレードをフェザーリング位置に駆動するために、充電／放電回路２６及びインバータ１６を介して電動モータ１２に供給される。そのため、充電／放電回路２６は、停電時にピッチをフェザーリング位置まで戻すのに必要な電力を、最低限度、停電用蓄電器２８に蓄積している。この必要な電力に相当する電位、例えば第１の電位、具体的にはＶｍｉｎ以上に停電用蓄電器２８を充電する。なお、蓄電器２８は、ブレードをフェザーリング位置まで戻すことができる電力を蓄積可能な大容量のものである。非停電時でも、停電用蓄電器２８がＶｍｉｎ以上の電圧に充電された場合、充電／放電回路２６を介してインバータ１６に対して停電用蓄電器２８から放電して、電動モータ１２を例えば加速して駆動する場合に使用することもできる。

停電用蓄電器２８中の１つの電気二重層コンデンサ３０の両端の電圧が、制御部２０を動作させるために制御用電力線３１を介して制御部２０に供給されている。即ち、１つの電気二重層コンデンサ３０が制御用電源として使用されている。このように使用することによって、停電用電源器２８中の電気二重層コンデンサ３０の電力を消費して、停電用蓄電器２８への充電を促進することができる。なお、１つの電気二重層コンデンサ３０を制御用電源として使用したが、電気二重層コンデンサ３０のうち一部の直列に接続された複数の電気二重層コンデンサ３０を制御用電源として使用することもできる。

本発明の第２の実施形態のピッチ駆動装置を図２及び図３に示す。第２の実施形態のピッチ駆動装置は、図２に示すように、インバータ１６の入力側とコンバータ２２の出力側との間にある中間電位部に回生用蓄電器用充電／放電回路２６を介して回生用蓄電器３２も接続したものである。回生用蓄電器３２も複数の電気二重層コンデンサ３４を直列に接続したものである。この回生用蓄電器３２は、停電用蓄電器２８よりも小容量のものである。他の構成は、第１の実施形態のピッチ駆動装置と同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

このピッチ駆動装置では、図３に示すように、停電用蓄電器２８の電位がＶｍｉｎとなるまでは停電用蓄電器２８に、インバータ１６、停電用蓄電器用の充電／放電回路２６を介して電動モータ１２が発生した電力を充電し、中間部電位がＶｍｉｎ以上になると、停電用蓄電器用の充電／放電回路２６による停電用蓄電器２８への充電を中止し、インバータ１６及び回生用蓄電器用の充電／放電回路２６を使用して中間部電位が第２の電位、例えばＶｍａｘになるまで、回生用蓄電器３２に充電したり、コンバータ２２から充電したりする。回生用蓄電器３２に蓄積された電力は、回生用蓄電器用の充電／放電回路２６及びインバータ１６を介して例えば電動モータ１２を加速させる場合に使用される。また、停電用蓄電器２８に蓄積された電力は、主に停電時にブレードをフェザーリング位置まで駆動するために使用される。その場合、放電は、停電用蓄電器用充電／放電回路２６及びインバータ１６を介して電動モータ１２に対して行われる。

上記の両実施形態では、停電用蓄電器２８や回生用蓄電器３２には、電気二重層コンデンサを使用したが、通常のコンデンサや充電可能な二次電池を使用することもできる。上記の両実施形態では、コンバータ２２をダイオード２４によって構成したが、例えばサイリスタやＩＧＢＴを使用して構成することもできる。その場合、サイリスタやＩＧＢＴは、制御部２０によって制御される。上記の両実施形態では、インバータ１６をＩＧＢＴ１８によって構成したが、ＭＯＳＦＥＴやダイオードによって構成することもできる。第２の実施形態では、充電／放電回路２６と停電用蓄電器２８とを設けたが、場合によっては、これらを除去して、回生用蓄電器３２のみを設けることもできる。

２ リングギア
６ ピニオン
１０ 減速機
１２ 電動モータ
１６ インバータ
２２ コンバータ
２６ 充電／放電回路
２８ 停電用蓄電器（蓄電器）

Claims (8)

1. コンバータと、
   インバータと、
   前記インバータに接続された電動モータと、
   前記電動モータの出力が入力される減速機と、
   前記減速機の出力に連結され、リングギアに噛み合うピニオンとを、
   備えたピッチ駆動装置において、
   前記コンバータと前記インバータとの間に、充電／放電回路を接続し、前記充電／放電回路に蓄電器を接続したことを特徴とするピッチ駆動装置。
2. 請求項１記載のピッチ駆動装置において、
   前記蓄電器に停電時にピッチをフェザーリング位置まで戻すエネルギーを蓄積し、回生電力を前記蓄電器に蓄電することを特徴とするピッチ駆動装置。
3. 請求項２記載のピッチ駆動装置において、
   前記蓄電器は、前記停電時に前記フェザーリング位置まで前記ピッチを戻すのに必要な第１の電位を保持するように、前記回生電力を放電または充電することを特徴とするピッチ駆動装置。
4. 請求項１乃至３いずれか記載のピッチ駆動装置において、前記蓄電器は、直列接続された複数のコンデンサから構成され、これらコンデンサの一部の電位を制御用電力線に接続したことを特徴とするピッチ駆動装置。
5. コンバータと、
   インバータと、
   前記インバータに接続された電動モータと、
   前記電動モータの出力が入力される減速機と、
   前記減速機の出力に連結され、リングギアに噛み合うピニオンとを、
   備えたピッチ駆動装置において、
   前記コンバータと前記インバータとの間の中間電位部に回生用蓄電器を接続し、前記インバータ及びコンバータで前記回生用蓄電器に充電と放電とを行うことを特徴とするピッチ駆動装置。
6. 請求項５記載のピッチ駆動装置において、停電時にピッチをフェザーリング位置まで戻すエネルギーを蓄積する停電用蓄電器を設けたことを特徴とするピッチ駆動装置。
7. 請求項６記載のピッチ駆動装置において、前記停電用蓄電器は、停電時にフェザーリング位置まで戻すのに必要な第１の電位を保持し、前記第１の電位以上で回生電力を放電又は充電することを特徴とするピッチ駆動装置。
8. 請求項６または７記載のピッチ駆動装置において、前記停電用蓄電器は、直列接続された複数のコンデンサから構成され、これらコンデンサの一部の電位を制御用電力線に接続したことを特徴とするピッチ駆動装置。

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