JP3081616U - 独立電源形風力発電システムの安定運転システム - Google Patents

独立電源形風力発電システムの安定運転システム

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JP3081616U JP2001002715U JP2001002715U JP3081616U JP 3081616 U JP3081616 U JP 3081616U JP 2001002715 U JP2001002715 U JP 2001002715U JP 2001002715 U JP2001002715 U JP 2001002715U JP 3081616 U JP3081616 U JP 3081616U
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Abstract

(57)【要約】 【課題】風力発電装置を独立型で運転する場合に負荷量
と風車の出力とをバランスさせて、蓄電池，予備発電装
置のシステム運転効率を向上させる。又風車には風速と
負荷量のアンバランスによる風車の過回転が発生する危
険性があり過回転防止の為の負荷制限装置によりシステ
ムの安定な運転を行う。 【解決手段】機械ブレーキシステムの改良、油圧および
スプリングの作動をマイコンによる自動制御化を行う。
発電制動ブレーキシステムの制御方法につきクッション
式の電流制御方式の開発、大容量トランジスタによるＰ
ＷＭ制御で行い、これにより機械的な制動によるショッ
クを減少させる。従来のＤＣ／ＡＣ変換機能に並列運転
機能を付加し、複数台の運転が並列運転動作で可能とす
る

Description

【考案の詳細な説明】
【０００１】 島嶼地域や山間部で風力エネルギーの潜在量が多い地域で電源系 統が弱いか、電源が無い場合などに風力発電装置を自立運転方式で使用し、その 場合に安定した運転ができるシステムとするために風車保護機能、自立発電機能 、安定電力供給機能、を備えた風力発電装置。 上記の風力発電装置を数台組み合わせたシステムで構成し、風力発電装置の全出 力で負荷の必要量の電力を全て賄う発電システム構成とする事を特長としている 。 即ち、風力発電装置の発電電力を負荷量よりも多く発生させるシステム構成と し、風力発電装置の出力の過大、過少においても風車及び負荷の安定運転が出来 ることを目的にシステムを構成する。 出力が過大となると風の回転数が増大し，過速度となってブレード，ギアなど の機械的な破損を招くことがあり、これを防止する為に負荷制限装置を設ける、 又出力が過少となると負荷への電力供給が無くなる為これを防止する為に蓄電池 、予備発電装置を設け、不足分の電力量を供給することを実施し、負荷への安定 な電力供給が可能となる。 これらの機能を十分に働かせる為に上記のシステム構成を考案した。
【０００２】
【考案の属する技術分野】
電力送配電技術、風力発電技術、
【０００３】
【従来の技術】
従来の風力発電システムは系統電源容量の１／１０以下の風力発電電力しか連系 運転ができず、電源容量の弱い、少ない地域（島嶼、山間部等）では風力発電シ ステムを大規模に設置することができなかった。 又、風車と蓄電池を組み合わせて風力の変化に対して電力の補充を行うシステ ムもあるがこの場合も上記の供給範囲を超えると電力系統を乱す為最大で設定で きるシステム容量は系統電力の１／１０以下であった。 従って、供給できるエネルギー量が少なく実用に結びつかなかった、エネルギ ー取得量が多いという風力発電のメリットが生かされていないのが現状である。 ３．１システム機能上の問題 系統連系方式の風力発電装置は大電力容量の電力系統に連系するために開発さ れており系統が安定していることが前提であった、しかし島嶼地域のように系統 が小容量の場合であると風車の出力が風速の変化により変動した場合系統全体を 大きく変動させることになり安定な電力供給ができない状況であった、また電気 の無いところでの風車の出力は風速による出力量の変化に対して負荷量が過少の ため出力が過剰になる場合がありこのとき風車は回転数を加速度的に増大させ遂 には風車のブレードを破損にいたらしめる場合がある。 このように従来の風車技術では小容量電源系統や無電源地域での運用には全く 適しておらず、新規開発が必要である。 現在、市場での代表機種は下記の２方式である。自立運転の観点からは以下の 問題がある。 誘導発電機形：商用電源がないと発電しない ・・・無電源地区では使用不可能 突入電流が大きく系統電圧を大きく変動させる ・・・小容量系統では使用不可能 多極同期発電機形：風速の変動による出力の変化を商用系統で吸収 ・・・小容量系統では使用不可能 ３．２外形上の問題 現在の系統連系型風力発電装置は大型化しており、５００〜１５００ｋｗ程度 の出力が一般的な容量である、これらの機器は重量でナセル部分（風車のブレー ドを除く発電機やギアの収納されている部分）約６０トン〜９０トンと非常に重 くまた風車のタワーは高さが６０ｍ〜８０ｍと非常に大きいい物となっているこ の為、島嶼地域のように港湾施設の貧弱な地域や、島内道路が狭く運搬や荷下ろ しまた組み立ての際に必要な重機械を運び込むことができないなどの理由で容量 も１００〜３００ｋｗ程度までとする必要がある。 ３．３容量の問題 現在市場に流通している風力発電装置は主にドイツ、デンマークのメーカーが 生産している、主に沿岸地帯やオフショア地域に建設される大容量機種（１００ ０〜２０００ｋｗ）が多く、１００〜３００ｋｗクラスの小容量発電装置は建設 量が減少し市場での流通量が少なくなって来ており入手が難しくなってきている 。市場性が無いことから世界的にも生産メーカーが少なく新たな需要創設によっ て量の確保が必要であると言える、この様な状況から島嶼地域での最も必要とさ れる機種は開発が手付かずとなっているのが現状である
【０００４】
【考案が解決しようとする課題】
自立運転時に発生する問題とそれを解決するために必要な新技術課題の項目は以 下の通りとなる。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
解決方法
【０００６】
【考案の実施の形態】
システム構成を下図に示す。
【０００７】
【考案の効果】
本システム採用でのシステム構成上の利点 風力発電装置を系統に連系接続する場合、電源容量が小さい島嶼地域での風力 発電システムの設置には風力発電装置の安定運転が困難な場合が多い、設置場所 での電力供給と風力発電装置の安定運転を行うめには本システム構成の採用が不 可欠である。 利点１：風力発電の発電量が負荷量より余る状態となるので、常用発電設備は予 備発電機能で十分となり、燃料の補給が極端に少なくなり保守費の削減が可能と なり、また余剰分の電力を地域の活性化に利用したりして、その使用方法によっ ては電源の安定化のみならず、波及効果が大きいと言える。 利点２：電源容量の小さい電源系統でも安定した連係運転のできる方式や負荷量 に影響されない自立運転方式の確立が本システムによって可能となり、無電源地 域や島嶼地域の電力需給を緩和し自然エネルギーの有効活用が大きく広がる可能 性が有る。
【提出日】平成１３年６月２５日（２００１．６．２５）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】 【考案の詳細な説明】
【０００１】 島嶼地域や山間部で風力エネルギーの潜在量が多い地域で電源系統が弱いか、電 源が無い場合などに風力発電装置を自立運転方式で使用し、その場合に安定した 運転ができるシステムとするために風車保護機能、自立発電機能、安定電力供給 機能、を備えた風力発電装置。 上記の風力発電装置を数台組み合わせたシステムで構成し、風力発電装置の全出 力で負荷の必要量の電力を全て賄う発電システム構成とする事を特長としている 。 即ち、風力発電装置の発電電力を負荷量よりも多く発生させるシステム構成と し、風力発電装置の出力の過大、過少においても風車及び負荷の安定運転が出来 ることを目的にシステムを構成する。 出力が過大となると風の回転数が増大し，過速度となってブレード，ギアなど の機械的な破損を招くことがあり、これを防止する為に負荷制限装置を設ける、 又出力が過少となると負荷への電力供給が無くなる為これを防止する為に蓄電池 、予備発電装置を設け、不足分の電力量を供給することを実施し、負荷への安定 な電力供給が可能となる。 これらの機能を十分に働かせる為に上記のシステム構成を考案した。
【考案の属する技術分野】
【０００２】 本考案は離島の風力発電装置として、電力送配電技術、風力発電技術、を総合 した風車、ディーゼル発電装置，蓄電池を組み合わせたハイブリッドシステムに 関する。
【従来の技術】
【０００３】 従来の風力発電システムは系統電源容量の１／１０以下の風力発電電力しか連 系運転ができず、電源容量の弱い、少ない地域（島嶼、山間部等）では風力発電 システムを大規模に設置することができなかった。 図２に示すシステム構成図（負荷量と風車出力との関係）について説明する。 １は一台目の風車の出力、２は二台目の風車の出力、３は三台目の風車の出力、 ４は負荷の一日の変化を表している。負荷の変化と風車の出力とのアンバランス により安定したシステムの運転が出来なくなる。 又、風車と蓄電池を組み合わせて風力の変化に対して電力の補充を行うシステ ムもあるがこの場合も上記の供給範囲を超えると電力系統を乱す為最大で設定で きるシステム容量は系統電力の１／１０以下であった。 従って、供給できるエネルギー量が少なく実用に結びつかなかった、エネルギ ー取得量が多いという風力発電のメリットが生かされていないのが現状である。
【０００４】システム機能上の問題 系統連系方式の風力発電装置は大電力容量の電力系統に連系するために開発さ れており系統が安定していることが前提であった、しかし島嶼地域のように系統 が小容量の場合であると風車の出力が風速の変化により変動した場合系統全体を 大きく変動させることになり安定な電力供給ができない状況であった、また電気 の無いところでの風車の出力は風速による出力量の変化に対して負荷量が過少の ため出力が過剰になる場合がありこのとき風車は回転数を加速度的に増大させ遂 には風車のブレードを破損にいたらしめる場合がある。 このように従来の風車技術では小容量電源系統や無電源地域での運用には全く 適しておらず、新規開発が必要である。 現在、市場での代表機種は下記の２方式である。自立運転の観点からは以下の 問題がある。 誘導発電機形：商用電源がないと発電しない ・・・無電源地区では使用不可能 突入電流が大きく系統電圧を大きく変動させる ・・・小容量系統では使用不可能 多極同期発電機形：風速の変動による出力の変化を商用系統で吸収 ・・・小容量系統では使用不可能
【０００５】外形上の問題 現在の系統連系型風力発電装置は大型化しており、５００〜１５００ｋｗ程度 の出力が一般的な容量である、これらの機器は重量でナセル部分（風車のブレー ドを除く発電機やギアの収納されている部分）約６０トン〜９０トンと非常に重 くまた風車のタワーは高さが６０ｍ〜８０ｍと非常に大きいい物となっているこ の為、島嶼地域のように港湾施設の貧弱な地域や、島内道路が狭く運搬や荷下ろ しまた組み立ての際に必要な重機械を運び込むことができないなどの理由で容量 も１００〜３００ｋｗ程度までとする必要がある。
【０００６】容量の問題 現在市場に流通している風力発電装置は主にドイツ、デンマークのメーカーが 生産している、主に沿岸地帯やオフショア地域に建設される大容量機種（１００ ０〜２０００ｋｗ）が多く、１００〜３００ｋｗクラスの小容量発電装置は建設 量が減少し市場での流通量が少なくなって来ており入手が難しくなってきている 。市場性が無いことから世界的にも生産メーカーが少なく新たな需要創設によっ て量の確保が必要であると言える、この様な状況から島嶼地域での最も必要とさ れる機種は開発が手付かずとなっているのが現状である
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】 自立運転時に発生する問題とそれを解決するために必要な新技術課題の項目は以 下の通りとなる。
【表１】
【課題を解決する為の手段】
【０００８】
【表２】
【考案の実施の形態】
【０００９】 図１はシステムの概念を示すもので，各部の働きについては図３により説明す る、以下に図３に示すシステム構成について説明。風力発電装置１を可変速形、 風車発電機に変更し機械ブレーキを強化して出力を、ＡＣ／ＤＣ変換装置２で直 流に変換し、出力が過大の場合は負荷制限装置３（風速と出力の関数で制御）へ 出力を分流させる、直流出力はＤＣ／ＡＣインバータ４（並列運転機能付）によ り交流に変換され負荷９に電力の供給を行う。蓄電池７は風車１の出力が不足し た場合に補助電源として使用する、蓄電池７は充放電制御８により制御される、 ＤＥＧ６は常用形から非常用型に変更され、出力切換６により風車出力，蓄電池 出力が不足するときに切り替え非常電源として用いられる。
【考案の効果】
【００１０】 本システム採用でのシステム構成上の利点 風力発電装置を系統に連系接続する場合、電源容量が小さい島嶼地域での風力 発電システムの設置には風力発電装置の安定運転が困難な場合が多い、設置場所 での電力供給と風力発電装置の安定運転を行うめには本システム構成の採用が不 可欠である。
【００１１】利点１：風力発電の発電量が負荷量より余る状態となるので、常 用発電設備は予備発電機能で十分となり、燃料の補給が極端に少なくなり保守費 の削減が可能となり、また余剰分の電力を地域の活性化に利用したりして、その 使用方法によっては電源の安定化のみならず、波及効果が大きいと言える。
【００１２】利点２：電源容量の小さい電源系統でも安定した連係運転のでき る方式や負荷量に影響されない自立運転方式の確立が本システムによって可能と なり、無電源地域や島嶼地域の電力需給を緩和し自然エネルギーの有効活用が大 きく広がる可能性が有る。
【図面の簡単な説明】
【図１】システム構成の概念を示す。
【図２】システムの具体的な動作の説明を示す。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年６月２５日（２００１．６．２
５）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【考案の名称】 独立電源形風力発電システムの安
定運転システム
【実用新案登録請求の範囲】
【図面の簡単な説明】
【図１】システム構成の概念を示す。
【図２】システムの具体的な動作の説明を示す。
【図３】システムの実際の構成方法と機能動作の説明を
示す。
【符号の説明】 １ ＤＥＧ ディーゼル発電装置 ２ ＤＣ／ＡＣ 直流／交流
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【図１】
【図３】

Claims (3)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項１】風力発電装置を設置する際に、風力発電装
    置の発電電力を負荷量よりも多く発生させるシステム構
    成である場合に於ける、風速の増大による風車の出力増
    加が負荷の容量を越えるときに安全に風車の回転を維持
    する機能、可変速出力の発電装置、風車の出力が負荷容
    量以下の場合に負荷に安定した電力を供給する機能、風
    車の出力を負荷の利用できる電源に変換する機能、これ
    らの機能を備えた風力発電装置及びこれらの機器で構成
    される風力発電プラントと蓄電池、予備発動発電装置で
    構成される総合システムであること。
  2. 【請求項２】風力発電装置の出力の過大、過少において
    も風車の安定運転が出来る為の安定運転制御システムを
    具備していること。
  3. 【請求項３】上記１、２のシステム構成において、常用
    発動発電設備を予備発動発電装置に転換するシステムで
    あること。
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