JP2589508Y2 - 発電装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は，原動機により駆動され
る発電機を利用した発電装置等から供給される交流電源
に系統連携する風力等の自然エネルギーを利用した発電
装置に係り，特に，発電装置の始動と発電動作を継続
的，安定に機能させることにより，例えば，風力により
回転する風車等の原動機の広い回転速度範囲において効
率よく発電動作を実行できる発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時，クリーンエネルギーを活用し，
又，石油系エネルギーの消費節約のために自然力を利用
した例えば，風力発電装置が注目をあびて来ている。上
述した風力発電装置は風力によって風車を回転させ，こ
の回転によって発電機を回転させて電気エネルギーを得
ている。風速は常に大きく変動し，風車の羽根角度を制
御することによって，変動する風力を有効に利用するこ
とができるが，羽根角度の制御のみでは十分ではない。
また，風力発電装置を所定の交流電源に接続するには，
風力発電交流波を接続すべき交流電源の交流波に合わせ
ることが必要であって，そのために，誘導発電機とイン
バータとの結合方式等が利用されている。このような風
力発電装置には，特開昭６２−１２３９９２号公報に開
示されているものがある。この特開昭６２−１２３９９
２号公報に記載のものは，風力を軸動力に変換する風車
と，この軸動力を電力に変換する動力−電力変換器と，
風車の回転数に応じて予め定められた指令信号により動
力−電力変換器の出力電力を制御する制御装置とからな
っている。

【０００３】風車の運動エネルギーは風速の３乗に比例
するが，風速が低く風車が停止している場合は風車が発
電機の負荷トルクに勝って回転できないために発電でき
ない。しかし，風車が回転を始めると起動できなかった
風車の回転速度以下まで発電を継続することができる。
即ち，風車は回転を始めると，回転系が有する回転負荷
条件によって風車の回転を起動する風力よりも低い風力
でも回転を継続し発電することができる。そのために，
風車の回転を起動するには，風車に始動用電動機を結合
して風力発電装置を始動させるか，交流発電機の発電電
力変換にインバータを接続した装置において，ベクトル
制御やすべり周波数制御を行うようなデジタル制御イン
バータを使用している場合は，風力発電装置始動時に，
例えば，図３に示すようにインバータをトルク制御か，
Ｖ／ｆ制御に切替えて発電機を電動機として機能するよ
うにしている。図３において，１は風車であって，風車
１は誘導発電機２に結合している。この風車１が回転し
て発電装置が稼働していると，この誘導発電機２の回転
速度，即ち風車１の回転速度は回転速度検出器３によっ
て計測されている。誘導発電機２の発電出力はコンバー
タ機能回路１４によって直流に変換され，この変換され
た直流はインバータ機能回路１６によって交流電源１０
から供給される交流電力に合わせた波形と位相に変換さ
れて交流電源１０と負荷装置１１とが接続された電力回
路に供給される。上述したコンバータ機能回路１４とイ
ンバータ機能回路１６は回転速度検出器３から得られる
風車１即ち，誘導発電機２の回転速度に対応して所定の
出力を得られるように電力指令器１９に予め設定され，
スイッチ機能１８を介して得られる制御信号とに従って
機能する制御装置１７によって制御され，風速に対応し
て所定の電力を交流電源１０に重畳して負荷装置１１に
供給している。上述の機能構成において，風車１の回転
を起動してこの風力発電装置を始動する時はスイッチ機
能１８を始動指令器２０に切替える。図示しない操作機
能によってこの風力発電装置の始動操作を行うと，交流
電源１０から供給される交流電力は，前述したインバー
タ機能回路１６の機能がコンバータとしての機能に変換
され，コンバータ機能回路１４がインバータとしての機
能に変換されることによって，誘導発電機２を誘導電動
機として機能して風車１を駆動する。即ち，始動指令器
２０に予め設定された指令信号と回転速度検出器３によ
って得られる風車１即ち，誘導発電機２の回転速度とに
従って，誘導発電機２が誘導電動機として所定のトルク
を発生するように制御する。風車１の回転速度が上昇し
て回転速度検出器３により得られる回転速度値が予め設
定された所定値以上になるとスイッチ機能１８を電力指
令器１９に切替える。従って，以降は風車１の回転速度
に対応し，電力指令器１９に記録された指令信号によっ
てこの風力発電装置は発電動作を継続する。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】ところで，上述したよ
うな風力発電装置によると，特開昭６２−１２３９９２
号公報に記載のものは，風車を回転できる風力以下の微
弱な風力の時に風力発電装置を始動できないので風力を
有効に利用できない。図３に示した風力発電装置による
と風車を回転できる風力以下の微弱な風力の時にもこの
発電装置を始動できるが，その始動時と継続運転時とに
対応してスイッチ機能１８を切替える必要があるため制
御が不連続になる。従って，この風力発電装置を安定に
機能させるための制御内容が複雑になり，従って不経済
にならざるを得なかった。また，風力の有効利用もでき
ないという問題があった。本考案は上記従来の問題点を
解決して，発電機を電動機として風車等の原動機の回転
を起動して微弱な風力等の自然力においてもこの発電装
置を始動し，発電装置始動後は自動的に連続して発電機
を本来の発電機として機能するようにすることによって
風力等の自然エネルギーを有効に利用できるようにする
ことを目的（課題）としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本考案に基づく発電装置においては，自然力，例えば
風力により駆動される自然力を利用した原動機としての
風車に結合される誘導発電機と，誘導発電機の出力を直
流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の交直変換
回路と，該変換された直流電力を交流電力に変換して，
所定の交流電源に接続される負荷装置に接続する順逆両
方向変換可能な第２の交直変換回路と，上記交直変換回
路を直接的又は間接的に制御する制御機能と，当該誘導
発電機の始動時と発電時における前記原動機回転速度に
対応して設定される上記制御機能の指令信号記録装置と
を備え，上記指令信号記録装置には，制御機能によっ
て，原動機の回転速度が所定値までは，第２の交直変換
回路を交流電源の出力交流を直流に変換するように機能
し，第１の交直変換回路を前記直流を誘導発電機を誘導
電動機として駆動する交流に変換するように機能させる
ことによって，原動機を交流電源によって始動または駆
動し，前記原動機の回転速度が前記所定値以上になる
と，第１の交直変換回路を誘導発電機の交流出力を直流
に変換するように機能し，第２の交直変換回路を前記直
流値に対応した所定特性で，交流電源の周波数と位相に
対応した交流に変換するように機能させることによっ
て，原動機の出力を交流電源の出力に付加して負荷装置
に供給する指令信号を記録するように構成した。

【０００６】

【作用】本考案に基づく発電装置は上述のように構成し
たので，自然力，例えば，風力の強さに対応して自動的
に発電機機能と電動機機能とが切替え制御される。従っ
て，弱い風力等の自然力においてもこの発電装置は始動
し，始動すると自動的に運転を継続し連続して発電動作
に移行する。発電動作に入ると極微弱な風力になるまで
は効率良く発電動作を実行する。

【０００７】

【実施例】以下，自然力として風力を利用した場合にお
ける本考案の実施例を図を参照して詳細に説明する。図
１は本考案を適用した風力発電装置における要素装置の
構成例を示しているもので，同図中，従来の技術の説明
で参照した図３と同一の要素装置は同一の符号を使用し
ている。図１において，１は風力によって回転する原動
機としての風車であって，風車１は誘導発電機２に結合
している。３は回転速度検出器であって，誘導発電機２
即ち，風車１の回転速度を計測している。誘導発電機２
の出力回路はデジタル処理によって適切な出力波形を得
られるＰＷＭ制御による順逆両方向変換可能な第１の交
直変換回路４に接続している。第１の交直変換回路４の
出力回路はコンデンサ５を並列接続して第１の交直変換
回路４と同一回路構成の第２の交直変換回路６に接続し
ている。１０はディーゼル発電機等の交流電源であっ
て，交流電源１０から出力される電力は負荷装置１１に
供給されており，第２の交直変換回路６の出力回路は交
流電源１０から負荷装置１１に接続される回路に並列に
接続されている。上述した電力回路は詳細を後述するよ
うに，その制御条件によって逆に，交流電源１０からの
出力回路が第２の交直変換回路６に接続し，第２の交直
変換回路６は第１の交直変換回路４に接続し，第１の交
直変換回路４の出力は誘導発電機２を誘導電動機として
機能させるように接続されていると見なすことができ
る。７は第１の交直変換回路４を制御する第１の制御機
能であって，回転速度検出器３による誘導発電機２の回
転速度，即ち，風車１の回転速度と詳細を後述するよう
に風車１の回転速度に対応する所定の制御条件を記録し
た指令信号記録装置（以下電力指令器と称する）８から
出力される信号によって，予め設定された制御条件に従
い第１の交直変換回路４に対応する所定の処理をおこな
って，この第１の交直変換回路４の出力制御を行う。１
２は第２の交直変換回路６を制御する第２の制御機能で
あって，位相検出器１３による交流電源１０の位相信号
と第１の制御機能７から伝送される制御信号に従って，
予め設定された制御条件に従い第２の交直変換回路６に
対応する所定の処理をおこなって，この第２の交直変換
回路６の出力制御を行う。

【０００８】図２には上述した第１の交直変換回路４を
風車１の回転速度に対応して制御する電力指令器８に予
め記録される指令信号例を示している。図２において，
横軸に回転速度検出器３によって得られる誘導発電機
２，即ち風車１の回転速度，縦軸には横軸に記す回転速
度値に対応して第１の交直変換回路４を制御する指令信
号値を示している。図２において，風力が弱く誘導発電
機を駆動するだけのエネルギーが得られない範囲におい
ては，即ち，回転速度検出器３によって得られる回転速
度値がＮｏ以下，Ｍの範囲においては，誘導発電機２を
誘導電動機として機能するように第１の交直変換回路４
を制御するための信号として，回転速度検出器３によっ
て得られる風車１即ち誘導発電機２の回転速度に対応
し，カーブＳに従った指令信号を出力する。回転速度検
出器３によって得られる風車１即ち誘導発電機２の回転
速度がＮｏ以上，即ちＧｓの範囲になると，誘導発電機
２から風車１即ち誘導発電機２自身の回転速度に対応し
た発電出力が得られるように回転速度検出器３によって
得られる風車１即ち誘導発電機２の回転速度値に対応
し，カーブＤｓに従った指令信号を出力する。この風力
発電装置が始動した後，風力が低下すると回転速度検出
器３によって得られる風車１即ち誘導発電機２の回転速
度値に対応して，例えば，カーブＤｓからカーブＤｄに
切替りカーブＤｄに従った指令信号を出力する。即ち，
この風力発電装置を起動し得る風車１の回転速度が図２
に示すＮｏ以下になっても回転速度Ｇｄの範囲内におい
ては発電を実行できるように指令信号を出力する。

【０００９】次に上述した構成と制御条件における本考
案実施例の働きを説明する。上述の機能構成において，
この風力発電装置を起動するために，図示しない起動ス
イッチを操作し，回転速度検出器３によって得られる風
車１即ち誘導発電機の回転速度（以下風車１の回転速度
と略記する）が図２に示した範囲Ｍ以内であると，電力
指令器８は図２に示した指令特性Ｓに従って第１の制御
機能７に指令信号を出力する。第１の制御機能７は第１
の交直変換回路４を誘導発電機２の回転速度よりも所定
値高い周波数の電力を誘導発電機２に出力するように制
御する。従って，誘導発電機２は誘導電動機として第１
の交直変換回路からの出力による回転速度で駆動され
る。また，第２の制御機能１２は第２の交直変換回路を
コンバータとして機能させ，交流電源１０の交流出力を
直流に変換して第１の交直変換回路４に供給する。従っ
て，誘導電動機として機能している誘導発電機２の回転
速度はこの制御機能の条件と風力状況に従って上昇す
る。

【００１０】風車１の回転速度が図２に示すＮｏよりも
大になると，電力指令器８からの指令信号はカーブＤｓ
に乗るように反転する。従って，第１の交直変換回路４
は電力指令器８から出力される指令信号に従った第１の
制御機能７によって制御され，コンバータとして所定の
直流電力を出力するように機能する。又，第２の制御機
能１２は第１の制御機能７から伝送される制御信号と位
相検出器１３による交流電源１０の位相信号に従って第
２の交直変換回路６を制御する。従って，第２の交直変
換回路６は第１の交直変換回路４から出力される直流を
交流電源１０から出力される交流波に対して，所定位相
進んだ交流波に変換して出力する。従って，風力による
風車１の回転エネルギーは電力に変換され，交流電源１
０の出力に重畳して負荷装置１１に供給される。上述の
ように，この風力発電装置が起動すると風車１の回転速
度が範囲Ｇｄ以上であると，カーブＤｄに従って出力を
負荷装置１１に供給する。即ち，本考案に基づく風力発
電装置は極微弱な風力にならない限りは継続して電力を
供給する。上述した実施例は本考案を適用した風力発電
装置の基本的な構成例を示したものであって，風力発電
装置の構造・構成及び電力負荷条件や環境自然条件等に
対応して種々応用改変することが可能であることは当然
である。例えば、第１及び第２の各制御機能７，１２は
同一のコンピュータを時分割等によって共通に使用され
るもの，又は，夫々が独立した制御装置で構成するよう
にしても良い。なお，上記実施例は自然力により駆動さ
れる原動機として風車を利用した風力発電装置の例を示
したが，波力を利用する発電装置に対しても同一原理に
て適用できるものである。この場合，風車１は波力によ
り駆動される原動機とすればよい。

【００１１】

【考案の効果】本考案は上述したように構成し，機能す
るようにしたので以下に記すような優れた効果を有す
る。 風力などの自然力の弱い場合におけるこの発電装置の
始動において，発電機を電動機として機能させるために
電気回路および機構構造が簡単になる。 始動から発電への切替えが，スイッチ操作によらず電
力指令器（指令信号記録装置）に記録した指令信号によ
って実行できるために，自然力に基づく原動機，例え
ば，風車の回転速度上昇に対応して自動的に切替えられ
高い信頼性が得られる。 電力指令器（指令信号記録装置）のみによって発電機
の始動が行えるので経済的な電力システムが得られる。 風力などの自然力を有効最大に活用できる。 微弱な風力などの自然力の場合にも対応して適切な量
の電力を負荷に供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の適用例として自然力として風力を用い
た場合の風力発電装置の構成を示す概要ブロック回路図
である。

【図２】図１に示した電力指令器８に記録する，本考案
を機能させる原動機としての風車従って，誘導発電機の
回転速度対誘導発電機出力制御指令信号の一例を示す特
性曲線図である。

【図３】従来の風力発電装置のブロック回路例図であ
る。

【符号の説明】

１：風車（原動機） ２：誘導発電機（誘導電動機） ３：回転速度検出器 ４，６：交直変換回路 ５：コンデンサ ７，１２：制御機能 ８：電力指令器（指令信号記録装置） １０：交流電源 １１：負荷装置 １３：位相検出器

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 自然力により駆動される原動機（１）に
   結合される誘導発電機（２）と，該誘導発電機（２）の
   出力を直流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の
   交直変換回路（４）と，該変換された直流電力を交流電
   力に変換して所定の交流電源（１０）に接続される負荷
   装置（１１）に接続する順逆両方向変換可能な第２の交
   直変換回路（６）と，上記交直変換回路（４）又は／及
   び（６）を直接的又は間接的に制御する制御機能（７）
   と，当該誘導発電機（２）の始動時と発電時における前
   記原動機（１）の回転速度に対応して設定される上記制
   御機能（７）の指令信号記録装置（８）とを備え，上記
   指令信号記録装置（８）には，制御機能（７）によっ
   て，原動機（１）の回転速度が所定値までは，第２の交
   直変換回路（６）を交流電源（１０）の出力交流を直流
   に変換するように機能し，第１の交直変換回路（４）を
   前記直流を誘導発電機（２）を誘導電動機として駆動す
   る交流に変換するように機能させることによって，原動
   機（１）を交流電源（１０）によって始動または駆動
   し，前記原動機（１）の回転速度が前記所定値以上にな
   ると，第１の交直変換回路（４）を誘導発電機（２）の
   交流出力を直流に変換するように機能し，第２の交直変
   換回路（６）を前記直流値に対応した所定特性で，交流
   電源（１０）の周波数と位相に対応した交流に変換する
   ように機能させることによって，原動機（１）の出力を
   交流電源（１０）の出力に付加して負荷装置（１１）に
   供給する指令信号を記録するようにしたことを特徴とす
   る発電装置。