JP2018135800A - 風力発電機の電気式ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡させた瞬間のサージノイズを小さくする事が出来、また発電機に与えるダメージを小さくして、発電機の損傷を防ぐことが出来る風力発電機の電気式ブレーキ装置を提供する。【解決手段】風車１、発電機３、および制御装置４を備えた風力発電機３における前記風車１の回転を制動する風力発電機の電気式ブレーキ装置１０である。発電機３と制御装置４の間に設けられて発電機３を短絡させる短絡用スイッチ１１を有する。ブレーキオンの指令に応答し、前記発電機３の線間電圧が極性の変化により零ボルトまたはその近傍の設定範囲内になった時点で短絡用スイッチ１１を閉じさせる短絡時点制御手段１５を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、風力発電機における風車の回転を制動する電気式ブレーキ装置に関する。

風力発電装置では、制御装置が風車の主軸に接続された発電機の負荷を風速に応じて変化させて発電機のトルクを調整し、風車の回転数を制御している。また、強風などのために風車が過回転になって破損するのを防止するため、風車の回転が一定回転数以上になった場合、風速が閾値を越えた場合、発電機の出力が過大になった場合などに発電機を短絡して電気式ブレーキをかけ風車の回転を失速させている。電気式ブレーキは、発電機出力の整流前の交流側に設置する場合と整流後の直流側に設置する場合がある。

特開２００２−３３９８５６号公報

直流側にブレーキを設置した場合、ブレーキのスイッチを入れた瞬間に大きい短絡電流が急激に流れるため、大きいノイズを放射する場合がある。また、交流側にブレーキを設置した場合、交流である発電機の線間電圧が零ボルトでないときにスイッチを閉じた場合、急激に大きい短絡電流が流れるため大きいノイズを放射する場合がある。また、発電機にダメージを与える場合もある。

この発明の目的は、短絡させた瞬間のサージノイズを小さくする事が出来、また発電機に与えるダメージを小さくして、発電機の損傷を防ぐことが出来る風力発電機の電気式ブレーキ装置を提供することである。

この発明の風力発電機の電気式ブレーキ装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車１と、風車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３と、発電機３の発電電力を電力系統に出力し、発電機３の負荷を調整して風車１の回転数を制御する制御装置４とを備えた風力発電機３における前記風車１の回転を制動する風力発電機の電気式ブレーキ装置であって、
前記発電機３と前記制御装置４の間に設けられ閉状態で前記発電機３を短絡させる短絡用スイッチ１１と、ブレーキオンの指令に応答し、前記発電機３の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で前記短絡用スイッチ１１を閉じさせる短絡時点制御手段１５とを備える事を特徴とする。

この構成によると、交流側となる発電機３と制御装置４の間に、電気式ブレーキとして機能させる短絡用スイッチ１１を設置しており、短絡時点制御手段１５は、ブレーキオンの指令があると、発電機３の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で前記短絡用スイッチ１１を閉じさせる。短絡電流は、線間電圧が十分に小さな値に設定される設定範囲から徐々に大きくなっていくので、短絡させた瞬間のノイズを小さくする事が出来る。また、発電機３に与えるダメージを小さくする事が出来る。
なお、前記ブレーキオンの指令は、前記制御装置４等に設けられて、風力発電機３の所定の状況、例えば、風速や風車１の回転数、発電機３の出力が規定値を超えたときや、制御装置４が故障した時に前記指令を出力するように、ブレーキ指令手段１４等から出力するようにしても、また手動の操作によって出力されるようにしても良い。

前記短絡時点制御手段１５の前記設定範囲は、零ボルト、すなわち零クロスにより短絡用スイッチ１１を閉じさせるようにしても良く、また、例えば±１０Ｖ程度としても良い。
前記設定範囲が零であると、短絡用スイッチ１１が短絡するときの電圧が零であるため、瞬間のノイズやダメージをより小さくすることができる。
前記設定範囲を零ではなく、例えば±１０Ｖ程度の範囲とした場合は、ブレーキオンの指令の後、発電機３の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になることを待つ時間が短くなる。そのため、ブレーキオンの指令後の応答性の低下を回避しながら、短絡時のノイズやダメージを、実用上で無くすことができる。

前記短絡用スイッチ１１は半導体スイッチで構成されていても良い。半導体スイッチとしては、例えばトライアックやトランジスタが使用できる。半導体スイッチによると、
応答速度が速いと言う利点が得られる。

前記短絡用スイッチは、開閉接点を有するスイッチである機械的スイッチで構成されていても良い。機械的スイッチとしてはリレーまたは電磁接触器等が使用できる。機械的スイッチの場合、ブレーキ制御回路を簡略化できると言う利点が得られる。

この発明の風力発電機の電気式ブレーキ装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の発電電力を電力系統に出力し、発電機の負荷を調整して風車の回転数を制御する制御装置とを備えた風力発電機における前記風車の回転を制動する風力発電機の電気式ブレーキ装置であって、前記発電機と前記制御装置の間に設けられ閉状態で前記発電機を短絡させる短絡用スイッチと、ブレーキオンの指令に応答し、前記発電機の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で前記短絡用スイッチを閉じさせる短絡時点制御手段とを備えるため、短絡させた瞬間のサージノイズを小さくする事が出来、また発電機に与えるダメージを小さくして、発電機の損傷を防ぐことが出来る。

この発明の一実施形態に係る風力発電機の電気式ブレーキ装置の概念構成を示すブロック図である。 同電気式ブレーキ装置における短絡用スイッチの一例を示す回路図である。 従来の風力発電機の電気式ブレーキ装置における発電機の線間電圧が零ボルトではないところで短絡用スイッチを閉じた場合の電圧および電流の変化を示すグラフである。 同実施形態に係る風力発電機の電気式ブレーキ装置により短絡用スイッチを閉じた場合の電圧および電流の変化を示すグラフである。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１に示す風力発電機は、水平軸型（プロペラ型）風力発電機の例である。風の運動エネルギーにより風車１が回転し、風車の主軸２が発電機３を回転させる。発電機３は、例えば永久磁石を使用した三相同期発電機であり、主軸２にカップリング等で締結されている。主軸２と発電機３の間に増速機（図示せず）が設けられていても良い。

発電機３に負荷を接続して出力をとると、風車１に発電機３からトルクがかかり、風車１の回転が制動される。負荷を重くすると風車の回転速度は遅くなり、負荷を軽くすると風車の回転速度は速くなる。発電機３の負荷として制御装置４が接続され、制御装置４に、発電電力を使用する電力系統５の負荷５ａが接続される。

制御装置４は、風速に応じて発電機３のトルクを増減させ風車１が最適な回転数で回転するように制御する。制御装置４には、インバータ６やＡＣ／ＤＣコンバータ７等が使用される。ＡＣ／ＤＣコンバータ７は、発電機３の３相交流を直流に変換する。インバータ６は、直流を電力系統５での使用に適した周波数の単相または３相の交流に変換する手段である。電力系統に接続しない場合は、インバータをなくしてＡＣ／ＤＣコンバータの直流出力をバッテリーに接続し、バッテリーに負荷を接続してもよい。インバータ６は、半導体スイッチング素子等のブリッジ回路等で構成され、パルス幅制御等により出力を調整可能であり、この調整により発電機３のトルクを増減する。制御装置４は、コンピュータ等で構成される制御手段８を有し、これに設けられた負荷制御手段９により、風速に応じて前記インバータ６の出力を制御し、前記風速に応じた発電機３のトルクの増減による風車１の回転数の制御を行わせる。

発電機３と制御装置４の間に電気式ブレーキ１０が設けられている。電気式ブレーキ１０は、発電機３と制御装置４との間の各相電線を短絡させる短絡用スイッチ１１と、ブレーキ指令手段１４からの指令に応答して短絡用スイッチ１１を開閉させる短絡時点制御手段１５とを備える。

電気式ブレーキ１０は、前記短絡用スイッチ１１を閉じて発電機３の出力を、抵抗１２を介して短絡させて風車１に大きい制動力を与え、風車１を減速させるものであり、短絡用スイッチ１１と抵抗１２とでブレーキ部１３が構成される。抵抗１２を無くして、直接に発電機３の出力を短絡用スイッチ１１で短絡しても良い。

短絡用スイッチ１１は、例えば半導体素子で構成される電気的スイッチである。ここでは、図３に示す様にトライアック（双方向サイリスタ）が使用されている。短絡用スイッチ１１に用いる電気的スイッチは、ＦＥＴやバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等で構成成しても良い。また、短絡用スイッチ１１は、リレーや電磁接触器など機械的スイッチであっても良い。

ブレーキ指令手段１４は、風速や風車１の回転数、発電機３の出力をその検出手段（図示せず）を介して監視し、これらの回転数や出力が規定値を超えたとき、および制御装置４の自己診断手段（図示せず）により制御装置４の故障が検出された時に、ブレーキオンの指令を出力する。ブレーキ指令手段１４は、手動のスイッチであっても良い。

短絡時点制御手段１５は、ブレーキ指令手段１４のブレーキオンの指令に応答し、発電機３の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で、前記短絡用スイッチ１１を閉じさせる。線間電圧は、各相の配線に設けられた電圧計１６の検出値を監視して得る。この線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で、前記短絡用スイッチ１１を閉じさせる処理は、各相毎に行われる。なお、各相間電圧は位相が120°ずれているので、同時に閉じることは出来ず、相間で閉のタイミングのずれがあるが、このずれはわずかな時間なので、問題にはならない。前記設定範囲は、零ボルト、すなわち零クロスにより短絡用スイッチを閉じさせるようにしても良いが、短絡用スイッチ１１が閉じるタイミングとなる発電機３の線間電圧が十分小さければよく、例えば±１０Ｖ程度としても良い。

図３、図４に、ブレーキ部１３が作動した時の発電機３の線間電圧波形と線電流波形を示す。図３は、発電機３の線間電圧が零ボルトではないところで短絡用スイッチ１１を閉じた例である。電圧が零ボルトでないところで短絡するので、急激に大きい短絡電流が流れる。

図４は、発電機３の電圧の極性が変わる発電電圧が零ボルトの時点で短絡用スイッチ１１を閉じた実施形態の場合の作動例である。ここで、短絡用スイッチ１１を閉じるタイミングは発電機３の線間電圧が十分小さければよく、前記設定範囲は、例えば±１０Ｖ程度以内であることとする。
短絡した時に線間電圧が零ボルト近傍であるので、瞬間的に大きい短絡電流が流れない。その為、図３と比較して短絡用スイッチ１１を閉じた瞬間に発生するノイズ、いわゆるサージノイズを小さくする事が出来、発電機へのダメージを小さくする事が出来て、損傷を防止することができる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…風車
３…発電機
４…制御装置
５…電力系統
９…負荷制御手段
１０…電気式ブレーキ
１１…短絡用スイッチ
１２…抵抗
１３…ブレーキ部
１４…ブレーキ指令手段
１５…短絡時点制御手段

Claims (4)

1. 風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の発電電力を電力系統に出力し、発電機の負荷を調整して風車の回転数を制御する制御装置とを備えた風力発電機における前記風車の回転を制動する風力発電機の電気式ブレーキ装置であって、
   前記発電機と前記制御装置の間に設けられ閉状態で前記発電機を短絡させる短絡用スイッチと、ブレーキオンの指令に応答し、前記発電機の線間電圧が極性の変化により設定範囲内になった時点で前記短絡用スイッチを閉じさせる短絡時点制御手段とを備える事を特徴とする風力発電機の電気式ブレーキ装置。
2. 請求項１に記載の風力発電機の電気式ブレーキ装置において、前記短絡時点制御手段の前記設定範囲が零ボルトである風力発電機の電気式ブレーキ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の風力発電機の電気式ブレーキ装置において、前記短絡用スイッチが半導体スイッチで構成される風力発電機の電気式ブレーキ装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の風力発電機の電気式ブレーキ装置において、前記短絡用スイッチが、開閉接点を有するスイッチである機械的スイッチで構成される電気式ブレーキ装置。

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