JP2016133002A - アシスト機能を備えた風力発電装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電力系統への非連系時間帯に発電された電気を利用して、商用電力系統への連系時間帯に安定した発電出力が得られ、また、発電効率を高めることが可能な風力発電装置とその制御方法を提供する。【解決手段】土台100上に支持された風車200と、風車の回転により発電を行う発電機300と、パワーコンディショナー400と、蓄電池500と、回転アシスト部600と、制御ユニット700を備える。制御ユニット700は、商用電力系統への非連系時間帯に蓄電池500に蓄電された電気に基づき、風速が風車200を回転起動させる風速未満であるとき回転アシスト部を作動させ、風車200を回転起動させる。また、供給電圧がパワーコンディショナー400の動作下限電圧未満であるとき、定格電圧未満であるとき、蓄電された電気をパワーコンディショナー400に補充的に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置、特に風車の回転やパワーコンディショナーの動作に対するアシスト機能を備えた風力発電装置とその制御方法に関するものである。

近年、再生可能エネルギー分野において、太陽光、地熱、水力、バイオマス等と並び、風力を利用した風力発電が注目を集めている。風力発電は風力という自然エネルギーがほぼ無尽蔵に得られ、二酸化炭素等の温暖化ガスが発生しない等の利点がある反面、風が常に変化して風向きや風速が絶えず変動するため、安定した発電出力が得にくいという課題もある。

このため、従来より、風力発電手段により発電した電力を貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵した電力を利用して低風速時に風車が回転するように補助駆動する回転補助駆動手段を備えた風力発電装置（特許文献１〜２）や、簡易なシステム構成で発電抵抗を減らすことにより風力発電の効率を従来よりも大きくした風力発電とその制御方式（特許文献３）、太陽光と風力を利用したハイブリッド型の発電装置（特許文献４〜５）の各提案がなされている。

特開２００８−２５４３２号公報 特開２００８−２５４３３号公報 特開２００２−２７６５３７号公報 特開２００８−１１５８９号公報 特開２００８−１１５９０号公報

しかしながら、上記特許文献１〜２の風力発電装置は、低風速時に風車が回転するように補助駆動制御するに留まり、上記特許文献３の風力発電は、全体システムの構成と運用制御が複雑になりがちであり、上記特許文献４〜５の発電装置は、太陽光発電による電力を風車の回転アシストに利用するに留まっている。

一方、商用電力における再生可能エネルギーの系統連系においては、昼間の日照時間帯に太陽光発電設備と連系する場合、当該時間帯の電力の需給バランスおよび送電網の容量制限等の理由から、他の発電設備に対しては連系できない時間帯が発生する。このため、当該時間帯に風力発電により発電した電気は廃棄され、有効活用する手段がこれまで提案されていなかった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、商用電力系統への非連系時間帯に発電された電気を利用して、商用電力系統への連系時間帯に安定した発電出力が得られ、また、発電効率を高めることが可能な風力発電装置とその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る風力発電装置は、
土地または建物に設置される架台と、当該架台上に回転軸を介して回転可能に支持された風車と、当該風車の回転により発電を行う発電手段と、当該発電手段に接続されたパワーコンディショナーと、前記発電手段に接続された蓄電手段と、前記風車の回転をアシストする回転アシスト手段と、商用電力系統への連系時間帯の風速が前記風車を回転起動させる風速未満であるとき、商用電力系統への非連系時間帯に蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記風車を回転起動させるように前記回転アシスト手段を作動させる制御手段を備える、ことを主要な特徴とする。

なお、商用電力系統への非連系時間帯とは、本発明に係る風力発電装置が商用電力系統に接続されていない状態の時間帯を指し、風力発電装置により発電された電気の商用電力系統への送電が禁止されている指定の時間帯の他、商用電力系統への送電が認められている時間帯であっても発電者側が送電することなく蓄電手段に蓄電を行う任意の時間帯も含まれる。

本発明に係る風力発電装置は、前記制御手段が、前記回転アシスト手段に対する回転アシスト制御部と、前記蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記パワーコンディショナーに対する電力アシストを行う電力アシスト制御部を備えることを第２の特徴とする。

本発明に係る風力発電装置の制御方法は、
土地または建物に設置される架台と、当該架台上に回転軸を介して回転可能に支持された風車と、当該風車の回転により発電を行う発電手段と、当該発電手段に接続されたパワーコンディショナーと、前記発電手段に接続された蓄電手段と、前記風車の回転をアシストする回転アシスト手段と、制御手段を備える風力発電装置の制御方法であって、
商用電力系統への非連系時間帯に発電された電気を前記蓄電手段に蓄電しておき、
商用電力系統への連系時間帯の風速が前記風車を回転起動させる風速未満であるとき、前記蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記制御手段により、前記風車を回転起動させるように前記回転アシスト手段を作動させることを主要な特徴とする。

本発明に係る風力発電装置の制御方法は、
風車の回転起動後の、発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの動作下限電圧未満であるとき、前記制御手段により、前記蓄電手段に蓄電された電気を、前記パワーコンディショナーへの供給電圧が前記動作下限電圧以上になるように、補助的に供給することを第２の特徴とする。

本発明に係る風力発電装置の制御方法は、
風車の回転起動後の、発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの定格電圧未満であるとき、前記制御手段により、前記蓄電手段に蓄電された電気を、前記パワーコンディショナーへの供給電圧が前記定格電圧を維持するように、補助的に供給することを第３の特徴とする。

本発明に係る風力発電装置の制御方法は、
商用電力系統への連系時間帯であるときは、前記制御手段により、前記発電手段により発電された電気を前記パワーコンディショナー側へ、それ以外の時間帯であるときは前記蓄電手段側へ、それぞれ切り替えて供給することを第４の特徴とする。

本発明に係る風力発電装置の制御方法は、
発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの動作上限電圧または設定上限電圧を超えるとき、前記制御手段により、余剰電気を前記蓄電手段に分配して蓄電することを第５の特徴とする。

以上説明したように、本発明によると、商用電力系統への連系時間帯に発電された電気はそのままパワーコンディショナーに供給し、風速が風車の回転起動に足らないときは、商用電力系統への非連系時間帯に蓄電手段に蓄電した電気に基づき回転アシスト手段を作動させて風車を常時回転させ、風速の変動にかかわらず、安定した発電出力を得ると共に、風力発電の発電効率を向上させることができる。

また、本発明によると、パワーコンディショナーへの供給電圧がパワーコンディショナーの動作下限電圧に満たないときやパワーコンディショナーの定格電圧に至らないときは、蓄電手段に蓄電された電気をパワーコンディショナーに直接供給することで、風力の不安定な風力発電にあっても、パワーコンディショナーの動作を安定させ、定格出力運転を安定して行うことができ、これにより収益性の高い風力発電装置を実現することができる。

さらに、本発明によると、昼間の太陽光発電設備が稼動する時間帯に蓄電しておき、蓄電された電気に基づき、太陽光発電設備が稼働しない夜間等の時間帯に風力発電を安定して稼動できるから、昼間の太陽光発電設備と夜間の風力発電設備を併用することで、商用電力系統への常時安定した系統連系を実現することができる。

本発明に係る風力発電装置の全体構成例を示す図、 図１に示す風力発電装置の回転アシスト部の構造を示す図、 図１に示す風力発電装置の制御ユニットの構成を示す図、 従来の風力発電装置による時間毎の発電出力例を示す図、 本発明に係る風力発電装置による時間毎の発電出力例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、風力発電装置Ｓは、一例として一定の風力が期待できる土地Ｇ（例えば、高台、斜面、風が通過する山間や平地など）に設置される。当該風力発電装置Ｓは、土台（支持部）１００と、風車２００と、発電機３００と、パワーコンディショナー４００と、蓄電池５００と、回転アシスト部６００と、制御ユニット７００を備えている。なお、パワーコンディショナー４００には商用電力用の送電網８００が接続されている。

風車２００は、本実施形態では垂直軸型風車、すなわち風向きに依存しない全方位型の風車が採用されており、風車本体２１０に垂直回転軸２２０と複数の重り２３０を備えている。前記垂直回転軸２２０は土地Ｇに設置された土台１００に回転自在に支持されており、全方位からの風力エネルギを風車本体２１０が回転エネルギに変換し、垂直回転軸２２０を回転させるようになっている。本実施形態の風車２００は、低速（１．０〜１．５ｍ／Ｓ）の風力で回転起動する。

発電機３００は、風車２００の垂直回転軸２２０に接続されており、同垂直回転軸２２０と発電機３００の間には、垂直回転軸２２０の回転数を増速させる増速歯車装置（図示せず）が介在されている。したがって、発電機３００は増速された回転数による発電を行う。発電機３００には通常、交流発電機（誘導発電機、同期発電機）が用いられる。交流発電機のうち、誘導発電機は構造が簡単で低コストである。一方、同期発電機は電圧制御が可能で、系統連系への影響が殆どなく、また、独立運転も可能とされている。

パワーコンディショナー４００は、発電機３００に接続されており、発電機３００により発電された電気を商用電力系統に系統連系するにあたり、直流電力を交流電力に変換する。本実施形態のパワーコンディショナー４００は、一定範囲（例：５０Ｖ〜４５０Ｖ）の入力電圧で動作し、定格電圧（例：３５０Ｖ）の入力で定格出力し、最も効率よい出力運転を行う。

上記パワーコンディショナー４００は、発電機３００からの入力電圧が動作下限電圧（上記例：５０Ｖ）を下回ると動作せず、また、強風時など動作上限電圧（上記例：４５０V）を上回ると動作しない。さらに、入力電圧が動作上限電圧以内であっても、電力会社により設定された上限電圧を超える場合は、出力抑制機能が働くようになっている。

蓄電池５００は、通常の鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等が用いられるが、本実施形態の場合、風車２００の発電容量に応じて１〜複数台（直列または並列接続）の蓄電池が用いられる。同蓄電池５００には、風車２００の回転により発電機３００で発電された電気が、商用電力の系統に連系していない時間帯（以下、非連系時間帯という）に蓄電されるようになっている。

また、蓄電池５００には、商用電力の系統に連系する時間帯（以下、連系時間帯という）であっても、強風時等に余剰電力（パワーコンディショナー４００の動作上限電圧や設定された上限電圧を超える余剰電力）が生じると、パワーコンディショナー４００の手前に配置された分配器３１０により余剰電力が蓄電池５００側へ分配され、蓄電されるようになっている。

回転アシスト部６００は、蓄電池５００に蓄電された電気に基づき、風車２００の回転をアシストするもので、風速が風車２００を回転起動させる風速に達しないとき、制御ユニット７００からの制御信号により、風車２００の回転起動をアシストする。

図２は回転アシスト部６００の構成例を示している。同図に示すように回転アシスト部６００は、ケース６１０内に、蓄電池５００を動力源とするアシスト用モータ６２０と、風車２００の垂直回転軸２２０に固定されたラチェット機構付き歯車６３０と、前記アシスト用モータ６２０の出力軸６２１に連結された歯車６２２と前記歯車６３０の間に設けられた歯車又はベルト等からなる動力伝達機構６４０を備えている。

制御ユニット７００は、風力発電装置Ｓ全体を制御すると共に、タイマー制御部７１０と、回転アシスト部６００に対する回転アシスト制御部７２０と、パワーコンディショナー４００に対する電力アシスト制御部７３０を備えている。制御部ユニット７００による各制御の内容については後述する。なお、風車２００の近傍に風速を測定する風速センサー７４１、風車２００の垂直回転軸２２０に風車２００の回転数を測定する回転数センサー７４２、パワーコンディショナー４００の手前に供給電圧を測定する電圧センサー７４３が、それぞれ配置されている。

次に、以上のように構成された風力発電装置Ｓの制御方法について述べる。

本実施形態では、風力発電装置による電力会社への非連系時間帯（＝太陽光発電装置による電力会社への連系時間帯）を９時から１５時まで、風力発電装置による電力会社への連系時間帯（＝太陽光発電装置による電力会社への非連系時間帯）を１５時から翌９時までとし、説明を進める。

図４は、従来の風力発電装置による時間毎の発電出力例を示している。同図に示すように、１５時から翌９時の時間帯は風力の変動により、発電出力がゼロの時間帯（範囲Ａ）、定格出力未満の時間帯（範囲Ｂ１、Ｂ２）が存在する。

そこで、風力発電装置の非連系時間帯である９時から１５時の間は、風力発電装置Ｓで発電された電気を蓄電池５００に蓄電する。すなわち、制御ユニット７００のタイマー制御部７１０が、発電された電気の供給先をパワーコンディショナー４００から蓄電池５００に切り替え、風車２００の回転により発電された電気を蓄電池５００に蓄電する。

次に、風力発電装置Ｓの連系時間帯である１５時から翌９時の間は、制御ユニット７００のタイマー制御部７１０により、発電された電気の供給先をパワーコンディショナー４００側に切り替える。図４を参照して、同連系時間帯で風速が風車２００を回転起動させる速度に満たないとき（図４の範囲Ａ）、風速センサー７４１からの信号に基づき、制御ユニット７００の回転アシスト制御部７２０が、蓄電池５００に蓄電された電気に基づき、回転アシスト部６００を作動させ、風車２００を回転起動させる。

風車２００の回転起動後、発電機３００で発電された電気がパワーコンディショナー４００へ供給されるが、供給電圧がパワーコンディショナー４００の定格電圧（定格出力）に満たないとき（図４の範囲Ｂ１、Ｂ２）、電圧センサー７４３からの信号に基づき、制御ユニット７００の電力アシスト制御部７３０が、蓄電された電気をパワーコンディショナー４００に補充的に供給し、定格電圧（定格出力）を維持するようにパワーコンディショナー４００を電力アシスト制御する。これにより、風車発電装置Ｓは安定した定格出力運転を行う。

ここで、上述した定格電圧（定格出力）を維持するとは、機器の負荷変動等を考慮し、定格電圧付近のみならず、設定された上限電圧を超えない限り、定格電圧を超える供給電圧がある場合も許容することを意味する。

なお、供給電圧がパワーコンディショナー４００の動作下限電圧に満たないときも、電圧センサー７４３からの信号に基づき、制御ユニット７００の電力アシスト制御部７３０が、蓄電された電気をパワーコンディショナー４００に補充的に供給し、動作下限電圧を超えてパワーコンディショナー４００が安定動作するように電力アシスト制御する。

図５に、風力発電装置Ｓの制御方法、すなわち、制御ユニット７００の回転アシスト制御部７２０および電力アシスト制御部７３０の組合せ制御による発電出力例を示す。同図に示すように、風力発電装置の非連系時間帯（９時から１５時）に太陽光発電による発電を行い、その間に風力発電装置により蓄電された電気を利用して、風力発電装置の連系時間帯（１５時から翌９時）に安定した定格出力運転が行われることが分かる。

このように、非連系時間帯に蓄電した電気に基づき、風力発電装置Ｓの連系時間帯に、風車２００が回転起動しないときは回転アシスト制御部７２０により風車２００を回転アシストし、風車２００の回転後はパワーコンディショナー４００への供給電圧が動作下限値以上、さらには定格電圧を維持するように、電力アシスト制御部７３０によりパワーコンディショナー４００への電力アシストを行い、非連系時間帯に蓄電された電気を最大限利用しつつ、連系時間帯に高効率の出力運転を行える。

強風等によりパワーコンディショナー４００への供給電圧が、設定された上限電圧や動作上限電圧を超える場合（図４の範囲Ｃ）、電圧センサー７４３からの信号に基づき、電力アシスト制御部７３０が、パワーコンディショナー４００の手前に配置された分配器３１０により余剰電気を蓄電池５００側へ分配し、蓄電池５００に蓄電する。これにより、従来有効利用されてこなかった余剰電気をも有効利用できるようになる。

本実施形態の風力発電装置Ｓによると、電力会社が買取しない時間帯（上記例の９時から１５時）の蓄電分を、買取時間帯（上記例の１５時から翌９時）にレバレッジ利用することで、すなわち、風力の変動があって、買取時間帯の発電出力が変動する場合でも、風車の回転アシスト制御およびパワーコンディショナーに対する電力アシスト制御を組み合わせることで、買取時間帯の発電出力を全体にわたり定格以上に安定させることができ、蓄電分を買取時間帯にそのまま売電するよりもレバレッジ（てこ）利用で、売電による収益性を向上させることができる。

また、太陽光発電装置と組み合わせて、日照時間帯は太陽光発電による売電、日照時間帯以外は風力発電装置による売電を組み合せ、売電による安定した収益を上げることができる。

なお、制御ユニット７００による制御方法として、風車２００の回転起動後、パワーコンディショナー４００への供給電圧が動作下限電圧や定格電圧に満たない場合、蓄電された電気に基づき、回転アシスト部６００を作動させ、それらの電圧を満たすように風車２００を増速回転させてもよい。

上記実施形態では風車２００に垂直軸型風車を採用したが、これに限らず、プロペラ形あるいは多翼形等の水平軸型風車等を採用してよい。

上記実施形態では連系時間帯の定格出力運転を維持するように制御したがこれに限らない。パワーコンディショナー４００への供給電圧が動作下限未満（図４の範囲Ｂ１）である場合に動作下限ラインを超えるように電力アシスト制御部７３０による電力アシストを行うこともできる。これにより、低出力運転ながらも、売電による収益時間帯を増加させることができる。

上記実施形態では蓄電池５００への蓄電を９時から１５時の間に行ったが、これに限らない。１５時から翌９時の時間帯であっても、パワーコンディショナー４００への供給電圧が定格出力未満である場合（図４の範囲Ｂ２）には出力運転することなく、発電された電気の供給先を蓄電池５００に切り替えてよい。また、動作下限未満（図４の範囲Ｂ１）である場合も、発電された電気を蓄電池５００に蓄電させてよい。いずれの場合も蓄電された電気を定格出力運転用に有効利用できる。

かくして、従来の風力発電では風の向きや風力が変動し安定した発電出力を得られなかったが、本発明の風力発電ではそれらの変動を解消して安定した高効率の発電出力を実現できるようになった。

本発明に係る風力発電装置は、高台、斜面、風が通過する山間や平地、太陽光発電装置の近傍の土地等に幅広く設置して利用可能である。

１００ 土台（架台）
２００ 風車
２１０ 風車本体
２２０ 垂直回転軸
２３０ ブレード
３００ 発電機（発電手段）
３１０ 分配器
４００ パワーコンディショナー
５００ 蓄電池（蓄電手段）
６００ 回転アシスト部（回転アシスト手段）
６１０ ケース
６２０ アシスト用モータ
６２１ 出力軸
６２２ 歯車
６３０ ラチェット機構付き歯車
６４０ 動力伝達機構
７００ 制御ユニット（制御手段）
７１０ タイマー制御部
７２０ 回転アシスト制御部
７３０ 電力アシスト制御部
７４１ 風速センサー
７４２ 回転数センサー
７４３ 電圧センサー
８００ 送電網
Ｇ 土地
Ｓ 風力発電装置

Claims (7)

1. 土地または建物に設置される架台と、当該架台上に回転軸を介して回転可能に支持された風車と、当該風車の回転により発電を行う発電手段と、当該発電手段に接続されたパワーコンディショナーと、前記発電手段に接続された蓄電手段と、前記風車の回転をアシストする回転アシスト手段と、商用電力系統への連系時間帯の風速が前記風車を回転起動させる風速未満であるとき、商用電力系統への非連系時間帯に蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記風車を回転起動させるように前記回転アシスト手段を作動させる制御手段を備える、ことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記制御手段が、前記回転アシスト手段に対する回転アシスト制御部と、前記蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記パワーコンディショナーに対する電力アシストを行う電力アシスト制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 土地または建物に設置される架台と、当該架台上に回転軸を介して回転可能に支持された風車と、当該風車の回転により発電を行う発電手段と、当該発電手段に接続されたパワーコンディショナーと、前記発電手段に接続された蓄電手段と、前記風車の回転をアシストする回転アシスト手段と、制御手段を備える風力発電装置の制御方法であって、
   商用電力系統への非連系時間帯に発電された電気を前記蓄電手段に蓄電しておき、
   商用電力系統への連系時間帯の風速が前記風車を回転起動させる風速未満であるとき、前記蓄電手段に蓄電された電気に基づき、前記制御手段により、前記風車を回転起動させるように前記回転アシスト手段を作動させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
4. 風車の回転起動後の、発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの動作下限電圧未満であるとき、前記制御手段により、前記蓄電手段に蓄電された電気を、前記パワーコンディショナーへの供給電圧が前記動作下限電圧以上になるように、補助的に供給することを特徴とする請求項３記載の風力発電装置の制御方法。
5. 風車の回転起動後の、発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの定格電圧未満であるとき、前記蓄電手段に蓄電された電気を、前記パワーコンディショナーへの供給電圧が前記定格電圧を維持するように補助的に供給することを特徴とする請求項３または請求項４記載の風力発電装置の制御方法。
6. 商用電力系統への連系時間帯であるときは、前記制御手段により、前記発電手段により発電された電気を前記パワーコンディショナー側へ、それ以外の時間帯であるときは前記蓄電手段側へ、それぞれ切り替えて供給することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の風力発電装置の制御方法。
7. 発電手段からパワーコンディショナーへの供給電圧が当該パワーコンディショナーの動作上限電圧または設定上限電圧を超えるとき、前記制御手段により、余剰電気を前記蓄電手段に分配して蓄電することを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の風力発電装置の制御方法。
   

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