JP2019176686A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁設計および製造が容易であり、インバータの分圧制御を可能とする発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１００は、一方向に延在する第一回転軸１０１と、第一回転軸１０１の回転に同期して駆動するように、第一回転軸１０１に取り付けられた複数の第一交流電動１０２と、複数の第一交流発電機１０２のそれぞれに電気的に接続され、交流出力を直流出力に変換する複数の第一インバータと、を有する。複数の第一交流発電機１０２同士が互いに絶縁され、複数の第一インバータ同士が直列に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関する。

近年、洋上風車システムにおいて、電気機器の小型化・高効率化・制御性向上などの多くのメリットが得られる、中圧直流（ＤＣ数十〜百ｋＶ程度）で風車の発電出力を送電する技術に対して、ニーズが高まっている。

一般に、交流発電機単体で中圧（数十〜百ｋＶ程度）を得ることは難しく、また、交流の出力を直流に変換（交直変換）するインバータには素子耐圧の制約がある。そのため、中圧直流の出力を得るためには、交流発電機の出力を、変圧器を用いて昇圧してから、高耐圧に対応したマルチレベル変換器で交直変換を行うことが求められ、複数回の電力変換を行うことが必要とされている。

特許第４１５３７１９号公報

従来から、低耐圧インバータを直列接続することで、変圧器による昇圧をすることなく高電圧を出力するシステム構成が検討されている。特許文献１には、単一の交流発電機の巻線を分割・絶縁するシステム構成について記載されている。このシステム構成では、変圧器を省略できる分小型・高効率化が可能である。

しかしながら、このように同一発電機の巻線を分割した場合、各巻線で磁路を共有するために、各インバータでの発電機制御が干渉する虞があること、干渉を防ぐために各インバータを同一タイミングでスイッチングをした場合に、巻線特性のばらつきにより、各インバータの直流側出力電圧に偏差が生じる可能性があること、などの制御上の課題がある。また、多段に直列接続した場合、同一鉄心にすべての巻線を挿入することになるため、巻線・鉄心間の絶縁を、中圧直流電圧と同等まで高耐圧化する必要があること、複数巻線を有する複雑な構造となること、などの設計上の大きな問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁設計および製造が容易であり、インバータの分圧制御を可能とする発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係る発電装置は、一方向に延在する第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に同期して駆動するように、前記第一回転軸に取り付けられた複数の第一交流発電機と、複数の前記第一交流発電機のそれぞれに電気的に接続され、交流出力を直流出力に変換する複数の第一インバータと、を有し、複数の前記第一交流発電機同士が互いに絶縁され、複数の前記第一インバータ同士が直列に接続されている。

（２）上記（１）に記載の発電装置において、複数の前記第一交流発電機のうち、前記第一回転軸の一方の端から数えて２番目以降に位置する交流発電機のそれぞれに、所定の数の碍子が取り付けられていることが好ましい。

（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の発電装置において、前記碍子の数は、前記第一回転軸の一方の端に近づくにつれて少なくなっていることが好ましい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の発電装置において、前記第一交流発電機が、３相の交流発電機であってもよい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の発電装置において、前記第一回転軸の径方向に配された第二回転軸と、前記第一回転軸の回転動力を前記第二回転軸に伝達する第一動力伝達機構と、前記第二回転軸の回転に同期して駆動するように、前記第二回転軸に取り付けられた複数の第二交流発電機と、複数の前記第二交流発電機のそれぞれに電気的に接続され、交流出力を直流出力に変換する複数の第二インバータと、をさらに有し、複数の前記第二交流発電機同士が互いに絶縁され、複数の前記第二インバータ同士が直列に接続されていてもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の発電装置において、前記第二回転軸が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構を介して、前記第一回転軸に対して直列に連結されていてもよい。

（７）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の発電装置において、前記第二回転軸が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構を介して、前記第一回転軸に対して並列に連結されていてもよい。

本発明の発電装置では、隣接する交流発電機同士の間が絶縁されていることにより、１つの交流発電機内の巻線電圧差は、最大でも各インバータの直流電圧の大きさ程度となる。従来の発電装置では、交流発電機全体を高耐圧絶縁する必要があったが、本発明の発電装置では、低圧側の交流発電機の要求耐圧が低くなり、絶縁設計が容易となる。また、本発明の発電装置は、交流発電機として、一般的な３相交流発電機を適用することができるため、容易に製造することができる。さらに、本発明の発電装置では、磁路が各交流発電機で独立しており、各交流発電機の発電出力制御を独立して行えるため、各交流発電機の出力を一様に制御することによって、各インバータの分圧制御を行うことができる。

本発明の第一実施形態に係る、発電装置の構成を模式的に示す図である。 発電装置を構成する交流発電機およびインバータの等価回路図である。 本発明の第二実施形態に係る、発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の第三実施形態に係る、発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の第四実施形態に係る、発電装置の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明を適用した実施形態に係る発電装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る発電装置１００の構成について、模式的に示す図である。本実施形態では、発電装置１００を、風車ナセルとして用いる場合について例示する。図２は、発電装置１００を構成する、第一交流発電機１０２および第一インバータ１０７の等価回路図である。

発電装置１００は、主に、一方向に延在する第一回転軸（機械軸）１０１と、複数の第一交流発電機１０２（１０２Ａ〜１０２Ｄ）と、複数の第一インバータ１０７（１０７Ａ〜１０７Ｄ）からなる変換器１０３と、を有する。

複数の第一交流発電機１０２は、所定の間隔を空けて、それぞれ第一回転軸１０１の回転に同期して駆動するように、第一回転軸１０１に対して並列に取り付けられている。

図２に示すように、第一交流発電機１０２は、３相の交流発電機であってもよいし、他のタイプのものであってもよい。本実施形態では、第一交流発電機１０２、第一インバータ１０７がそれぞれ４つ含まれる場合について例示するが、それぞれの数についての制限はなく、３つ以下であってもよいし、５つ以上であってもよい。

複数の第一インバータ１０７は、交流出力を直流出力に変換する交直変換素子であって、複数の第一交流発電機１０２のそれぞれに電気的に接続されている。つまり、複数の第一交流発電機１０２のそれぞれに、第一インバータ１０７が１つずつ接続されている。

第一回転軸１０１は、複数の棒状部材１０１Ａを、絶縁継手１０１Ｂを介して直列に連結してなる。つまり、複数の棒状部材１０１Ａが、軸方向に並んで配置されており、隣接する棒状部材１０１Ａの一端部同士が、絶縁継手１０１Ｂを介して連結されている。複数の棒状部材１０１Ａのそれぞれに、第一交流発電機１０２が、１つずつ取り付けられている。これにより、第一交流発電機１０２同士は、互いに電気的に絶縁されている。第一回転軸の一端１０１ａには、第一回転軸１０１の回転速度を調整する変速機１０５等を介して風車１０６が取り付けられている。

複数の第一交流発電機１０２のうち、第一回転軸１０１の一方の端１０１ａから数えて１番目に位置する交流発電機１０２Ａは、電気的に接地されている。２番目以降に位置する交流発電機１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄのそれぞれには、要求耐圧に応じた所定の数の碍子１０４が取り付けられている。

碍子１０４の数は、低圧側となる第一回転軸の一方の端１０１ａに近づくにつれて、少なくなっている。具体的には、交流発電機１０２Ｄ、１０２Ｃに取り付けるべき碍子の数が、それぞれ、交流発電機１０２Ｂに取り付けられる碍子の数の３倍、２倍となる。図１では、４つの交流発電機が取り付けられている場合について例示しているが、交流発電機の数に制限はない。例えば、Ｎ個（Ｎは自然数）の交流発電機が取り付けられている場合、第一回転軸の一方の端１０１ａから数えて、Ｎ番目に位置する交流発電機１０２Ａに対し、取り付けるべき碍子の数は、交流発電機１０２Ｂに取り付けられる碍子の数の（Ｎ−１）倍となる。

碍子がグラウンドに接続されて電気的に浮いていない場合には、グラウンドを基準にした高い電圧が印加されることになるため、交流発電機の要求耐圧が高くなり、その分、取り付けるべき碍子の数が増加する。これに対し、本実施形態の碍子１０４は、いずれもグラウンドには接続されておらず、グラウンドから電気的に浮いている。したがって、第一交流発電機１０２Ａ〜１０２Ｄに印加される電圧は、それぞれ交流発電機１０２Ａの電位を基準にした電圧となるため、低電圧側では要求耐圧が低くなり、その分、取り付ける碍子の数を減らすことができる。

複数のインバータ１０７を構成する回路は、いずれも同様であり、直列に接続されている。そのため、インバータ１０７を構成する回路の数をＮとし、変換器１０３の両端にかかる電圧をＶとすると、１つ１つのインバータ１０７に対し、電圧Ｖ／Ｎが印加されることになる。例えば変換器１０３の両端にかかる電圧を２０ｋＶとすると、１つ１つのインバータ１０７に対し、その１／４である５ｋＶが、印加されることになる。

以上のように、本実施形態に係る発電装置１００では、隣接する交流発電機１０２同士の間が絶縁されていることにより、１つの交流発電機内の巻線電圧差は、最大でも各インバータの直流電圧の大きさ程度となる。従来の発電装置では、交流発電機の全体を高耐圧絶縁する必要があったが、本発明の交流電動装置では、低圧側の交流発電機の要求耐圧が低くなり、絶縁設計が容易となる。また、本発明の発電装置１００は、交流発電機として、一般的な３相交流発電機を適用することができるため、容易に製造することができる。さらに、本発明の交流電動装置では、磁路が各交流発電機で独立しており、各交流発電機の発電出力制御を独立して行えるため、各交流発電機の出力を一様に制御することによって、各インバータの分圧制御を行うことができる。なお、本実施形態および後述する実施形態に係る発電装置の構成によれば、第一回転軸１０１を船舶等の推進軸とすることも可能である。

＜第二実施形態＞
図３は、本発明の第二実施形態に係る発電装置２００の構成について、模式的に示す図である。本実施形態の発電装置２００では、第一実施形態の発電装置１００の構成に加え、第二回転軸１０８と、第一動力伝達機構（歯車、プーリー等）１０９と、第二交流発電機１１０と、第二インバータ（不図示）と、をさらに有する。その他の構成については、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

第二回転軸１０８は、第一回転軸１０１の軸方向（長手方向）１０１ｃと直交する径方向１０１ｄにおいて、所定の位置に配されている。第二回転軸１０８の軸方向は、第一回転軸１０１の軸方向１０１ｃと略平行であることが好ましい。第二回転軸１０と第一回転軸１０１との距離は、第二交流発電機１１０に取り付けられる碍子の数に律則される。

第二回転軸１０８は、複数の棒状部材１０８Ａを、絶縁継手１０８Ｂを介して直列に連結してなる。つまり、複数の棒状部材１０８Ａが、軸方向１０１ｃに並んで配置されており、隣接する棒状部材１０８Ａの一端部同士が、絶縁継手１０８Ｂを介して連結されている。複数の棒状部材１０８Ａのそれぞれに、第二交流発電機１１０が１つずつ取り付けられている。これにより、第二交流発電機１１０同士は、互いに電気的に絶縁されている。

複数の第二交流発電機１１０は、第一交流発電機１０２と対向する位置に１つずつ配され、碍子１１１を介して互いに連結されている。本実施形態の発電装置２００を構成する交流発電機は、第二交流発電機１１０によって構成される段（上段）と、第一交流発電機１０２によって構成される段（下段）と、の２段重ねの構造を有している。

この場合、重なった第二交流発電機１１０と第一交流発電機１０２とで、同じ碍子１１１を、共通の耐圧用素子とすることができる。したがって、２つの交流発電機が重なっておらず、それぞれに個別に碍子１１１を取り付ける場合に比べて、碍子１１１の総数を減らすことができる。

第一動力伝達機構１０９は、第一回転軸１０１の回転動力を第二回転軸１１０に伝達する機能を有するものである。より詳細には、第二回転軸の一端１１０ａが、第一動力伝達機構１０９を介して第一回転軸の他端１０１ｂに連結され、第一回転軸１０１の回転に同期して、第二回転軸１１０も回転するように構成されている。

複数の第二インバータ（不図示）は、交流出力を直流出力に変換する交直変換素子であって、複数の第二交流発電機１１０のそれぞれに電気的に接続されている。つまり、複数の第二交流発電機１１０のそれぞれに、第二インバータが１つずつ接続されている。

複数の第二インバータ１１１同士は、それぞれ同様の回路で構成されており、それらの回路が直列に接続されている。また、直列接合された第二インバータ１１１は、第一動力伝達機構１０９を介して、同様に直列接合された第一インバータ１０７とも、直列に接続されている。

本実施形態では、複数の交流発電機を２段重ねとなるように配置し、上段の交流発電機（第二交流発電機１１０）に第一動力伝達機構１０９で動力を伝えることにより、碍子の総数を削減するとともに、発電装置２００の全長を短縮することが可能である。

＜第三実施形態＞
図４は、本発明の第三実施形態に係る発電装置３００の構成について、模式的に示す図である。本実施形態の発電装置３００では、第一回転軸の径方向１０１ｄにおいて、第二回転軸１１０が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構１１２を介して、第一回転軸１０１に対して直列に連結されている。つまり、第二回転軸１１０は、第二動力伝達機構１１２を境にして１回以上折り返す構造を有している。その他の構成については、第二実施形態の構成と同様であり、第二実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

本実施形態のように、第二回転軸１１０の径方向に、交流発電機を所望の段数を重ねることにより、発電装置３００の全長を一定に保ちながら、交流発電機の数を増加させることができ、出力電圧をさらに高めることができる。

＜第四実施形態＞
図５は、本発明の第四実施形態に係る発電装置４００の構成について、模式的に示す図である。本実施形態の発電装置４００では、第一回転軸の径方向１０１ｄにおいて、第二回転軸１１０が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構１１２を介して、第一回転軸１０１に対して並列に連結されている。つまり、第二回転軸１１０は、第一動力伝達機構１０９を起点として複数の第二回転軸１１０に分岐する構造を有している。その他の構成については、第二実施形態の構成と同様であり、第二実施形態と同じ箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

本実施形態のように、第二回転軸１１０の径方向に、交流発電機を所望の段数重ねることにより、発電装置４００の全長を一定に保ちながら、交流発電機の数を増加させることができ、出力電圧をさらに高めることができる。

１００、２００、３００、４００・・・発電装置
１０１・・・第一回転軸
１０１Ａ・・・棒状部材
１０１Ｂ・・・絶縁継手
１０１ａ・・・第一回転軸の一端
１０１ｂ・・・第一回転軸の他端
１０２、１０２Ａ〜１０２Ｊ・・・交流発電機
１０３・・・変換器
１０４・・・碍子
１０５・・・変速機
１０６・・・風車
１０７、１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ、１０７Ｄ・・・第一インバータ
１０８・・・第二回転軸
１０８Ａ・・・棒状部材
１０８Ｂ・・・絶縁継手
１０９・・・第一動力伝達機構
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ・・・第二交流発電機
１１１・・・碍子
１１２・・・第二動力伝達機構

Claims (7)

1. 一方向に延在する第一回転軸と、
   前記第一回転軸の回転に同期して駆動するように、前記第一回転軸に取り付けられた複数の第一交流発電機と、
   複数の前記第一交流発電機のそれぞれに電気的に接続され、交流出力を直流出力に変換する複数の第一インバータと、を有し、
   複数の前記第一交流発電機同士が互いに絶縁され、
   複数の前記第一インバータ同士が直列に接続されていることを特徴とする発電装置。
2. 複数の前記第一交流発電機のうち、前記第一回転軸の一方の端から数えて２番目以降に位置する交流発電機のそれぞれに、所定の数の碍子が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記碍子の数は、前記第一回転軸の一方の端に近づくにつれて少なくなっていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発電装置。
4. 前記第一交流発電機が、３相の交流発電機であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
5. 前記第一回転軸の径方向に配された第二回転軸と、
   前記第一回転軸の回転動力を前記第二回転軸に伝達する第一動力伝達機構と、
   前記第二回転軸の回転に同期して駆動するように、前記第二回転軸に取り付けられた複数の第二交流発電機と、
   複数の前記第二交流発電機のそれぞれに電気的に接続され、交流出力を直流出力に変換する複数の第二インバータと、をさらに有し、
   複数の前記第二交流発電機同士が互いに絶縁され、
   複数の前記第二インバータ同士が直列に接続されていることを特徴とする１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
6. 前記第二回転軸が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構を介して、前記第一回転軸に対して直列に連結されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置。
7. 前記第二回転軸が複数配されており、それらが、第二動力伝達機構を介して、前記第一回転軸に対して並列に連結されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置。

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