JP3199066U - 連設型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電におけるパワーコンディショナーの稼働率を高めることが可能で、また、発電量の出力変動を安定させることが可能な連設型風力発電装置を提供する。【解決手段】風力により回転する風車１００と風車１００の回転により発電を行う発電機２００からなる複数の風車・発電機ユニットＷＵ１、ＷＵ２が連設され、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された電力を合成する電力合成ユニットＤＵ１と、電力合成ユニットで得られた合成電力を電力系統用に変換する１台のパワーコンディショナー４００を備える。【選択図】図１

Description

本考案は、風力発電装置、特に複数の風車・発電機ユニットを備える連設型風力発電装置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。しかしながら、風力発電は、秒速１０ｍを超えるなどの高風速運転時を風車の発電能力と設定しているため、秒速１０ｍを超える時間帯では高い電力が得られるが、年間風速が５〜６ｍである地域が大部分をしめる我が国のような地域、とくに平地や中山間地域では、年間を通じて稼働効率は２０〜３０％程度とされている。このため、従来の風力発電装置の発電量や稼働率は低くとどまっている。

また、風力発電装置は、風車の回転により発電機から生じる電力をパワーコンディショナー（電力変換装置）によって商用電力系統向けに変換するようにしているが、パワーコンディショナーの容量は発電機の最大発電量に合わせて設定されるため、パワーコンディショナーの稼働率（利用率）も低いままであった。

上記背景から、装置全体の稼働率および発電効率を高めると共に、制御を円滑にできるようにした風力発電装置（特許文献１）が提案されている。

また、複数の風力発電装置を管理し、各風力発電装置から送信される風力状況データに基づき各風力発電装置周辺の風力状態を特定し、各風力装置から送信される稼働状態データの正常／異常を判断する風力発電装置の管理システム（特許文献２）が提案されている。

特開２０１２−２３１６０７号公報 特開２０１２−２４６８１７号公報

しかしながら、上記特許文献１の風力発電装置は、１台の発電機に対し２台のパワーコンディショナーを備え、高風速時の通常運転モードと低風速時の低風速運転モードを切り替えて、全体の発電効率および稼働率を高めるようにしたもので、個々のパワーコンディショナーの稼働率（利用率）を向上させるものではない。また、装置の複雑化、制御の複雑化を招く問題がある。

また、上記特許文献２の風力発電装置は、１台の風車に対し２台の発電機を備える例があるが、２台の発電機を備えることにより高風速時には発電効率を高めることができるが、低風速時には発電効率および稼働率の低下を招き、また、低風速時のパワーコンディショナーの稼働率（利用率）は従来同様に低いままという問題が残る。

本考案は、上記実情に鑑みてなされたもので、風力発電におけるパワーコンディショナーの稼働率を高めることが可能で、また、発電量の出力変動を安定させることが可能な連設型風力発電装置を提供することを目的とする。

本考案に係る連設型風力発電装置は、
風力により回転する風車と当該風車の回転により発電を行う発電機からなる風車・発電機ユニットが複数連設され、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された電力を合成する電力合成手段と、当該電力合成手段で得られた合成電力を電力系統用に変換する１台のパワーコンディショナーを備えることを主要な特徴とする。

本考案に係る連設型風力発電装置は、前記各風車・発電機ユニット毎の発電能力が０．３〜３ｋｗであることを第２の特徴とする。

上記各風車・発電機ユニットの合計発電能力はパワーコンディショナーの変換能力を超えてもよい。また上記複数とは多数を含む概念である。

本考案に係る連設型風力発電装置は、前記電力合成手段が、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された交流電力の位相を同調させて合成交流電力を出力する位相同調手段からなることを第３の特徴とする。

本考案に係る連設型風力発電装置は、前記電力合成手段が、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータと、個々のコンバータで変換された直流電力を合成して合成直流電力を出力する合成部を備えることを第４の特徴とする。

本考案に係る連設型風力発電装置は、前記電力合成手段が、出力された合成直流電力の変動幅を抑制する変動抑制部と、当該変動抑制部と連動してコンデンサーとして機能とする蓄電池を備えることを第５の特徴とする。

以上説明したように、本考案によると、風車・発電機ユニットを複数連設し、さらに個々のユニット毎に発電した電力を合成してからパワーコンディショナーに供給するから、従来では特に稼働率の低かった低風速時におけるパワーコンディショナーの稼働率を高めることができる。

また、本考案によると、合成した電力がパワーコンディショナーの最大出力を超える部分について蓄電池に蓄電し、風力による発電量が低い時は蓄電池からパワーコンディショナーに給電することにより、また、前記蓄電池がコンデンサーとして機能とすることにより、発電出力の変動を安定化できるという効果を奏する。

本考案に係る連設型風力発電装置を示す全体構成図、 本考案に係る連設型風力発電装置の別の構成例を示す全体構成図、 本考案に係る連設型風力発電装置のさらに別の構成例を示す全体構成図、 本考案に係る風力発電装置と従来の風力発電装置の時間毎の発電量の推移を示すグラフである。

以下、本考案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は本考案に係る風力発電装置の第１の実施形態を示すもので、本実施形態の風力発電装置Ｓ１は、複数組の風車・発電機ユニットに対し１台のパワーコンディショナーを備えた基本構成とされている。

すなわち、風力発電装置Ｓ１は、図１に示すように、一定の風力が期待できる土地Ｇ（例えば高台、斜面、中山間地域など）に風車１００と発電機２００から構成される複数組（図示例は２組）の風車・発電機ユニットＷＵ１，ＷＵ２が連設されると共に、各ユニットＷＵ１，ＷＵ２毎の発電機２００に対し位相同調器３００を介して１台のパワーコンディショナー４００が接続されている。パワーコンディショナー４００は商用電力系統に系統連系する電力供給線５００に接続されている。

風車１００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用いられ、垂直回転軸１１０と多数枚のブレード（羽根）１２０を備えている。垂直回転軸１１０は土地Ｇに設置された土台１３０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ーを前記多数枚のブレード１２０が回転エネルギーに変換し、垂直回転軸１１０を回転させる。本実施形態の風車１００は、低速（１．０〜１．５ｍ／Ｓ）の風力で回転起動する。

発電機２００は、風車１００の垂直回転軸１１０に接続されており、風車１００の回転によって発電を行う。発電機２００は交流発電機（誘導発電機、同期発電機）が通常用いられる。

位相同調器３００は、各ユニットＷＵ１，ＷＵ２毎の発電機２００で発電された電力（交流電力）の位相を互いに同調（同期）させて両電力を合成し、合成交流電力を出力する。出力された合成交流電力はパワーコンディショナー４００へと送られる。なお、位相同調器３００と各ユニットＷＵ１，ＷＵ２毎の発電機２００間、位相同調器３００とパワーコンディショナー４００間はそれぞれ電力供給線５１０により接続されている。位相同調器３００は電力合成ユニットＤＵ１を構成する。

パワーコンディショナー４００は、位相同調器３００から出力された合成交流電力を整流化して商用電力系統の電力供給線５００に出力する。本実施形態のパワーコンディショナー４００は、所定の範囲（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。

上記風力発電装置Ｓ１において、各風車・発電機ユニットＷＵ１，ＷＵ２の発電能力は０．３〜３ｋｗであり、合計発電能力は０．６〜６ｋｗである。パワーコンディショナー４００の変換能力は２０ｋｗ未満（例：４．５ｋｗ）である。

上記風力発電装置Ｓ１は、制御ユニット６００と、図示しない測定器、すなわち風速を測定する測定器、各発電機２００の出力電力を測定する測定器、位相同調器３００から出力された合成交流電力を測定する測定器、パワーコンディショナー４００から出力された交流電力を測定する測定器を備える。制御ユニット６００は、各測定器で測定されたデータを収集すると共に、各測定データに基づき、風車１００、発電機２００、位相同調器３００、パワーコンディショナー４００を制御する。

上記風力発電装置Ｓ１によると、各ユニットＷＵ１，Ｗ２毎の発電機２００で発電された交流電力はそのままでは各交流電力の位相のずれで互いに打ち消しあう部位が生じる等して合成が難しいが、位相同調器３００で各交流電力の位相を同調（同期）させることにより、容易に合成可能となり、高電力化された合成交流電力をパワーコンディショナー４００に送電できる。これによりパワーコンディショナー４００の稼動率が向上する。

図２は本考案の第２の実施形態を示すもので、本実施形態の風力発電装置Ｓ２は、前記風力発電装置Ｓ１と同じく、複数組の風車・発電機ユニットに対し１台のパワーコンディショナーを備えた基本構成とされている。なお、図１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

図２に示すように風力発電装置Ｓ２は、複数組（図示例は多数組）の風車・発電機ユニットＷＵ１〜ＷＵｎが連設されると共に、各ユニットＷＵ１〜ＷＵｎの発電機２００に対応する計ｎ台の公直変換コンバータ７１０および１台の合成器７２０を介して１台のパワーコンディショナー４００が接続されている。

公直変換コンバータ７１０は対応する発電機２００から出力された交流電力を直流電力に変換するもので、合成器７２０は各公直変換コンバータ７１０から出力された直流電力を合成して高電力化（昇圧化）すべく機能する。これら各公直変換コンバータ７１０および合成器７２０は電力合成ユニットＤＵ２を構成する。電力合成ユニットＤＵ２の各構成部は制御ユニット６００により制御される。

上記風力発電装置Ｓ２において、各風車・発電機ユニットＷＵ１〜ＷＵｎの発電能力はそれぞれ０．３〜３ｋｗであり、合計発電能力はパワーコンディショナー４００の変換能力を超えてもよい。

上記風力発電装置Ｓ２によると、各ユニットＷＵ１〜ＷＵｎ毎の風車１００の回転により各発電機２００で発電された交流電力は、各公直変換コンバータ７１０によりいったん直流電力に変換された後、変換された直流電力が合成器７２０で合成され、高電力化された合成直流電力がパワーコンディショナー４００へ送られる。これによりパワーコンディショナー４００の稼動率が向上する。

上記風力発電装置Ｓ２によると、各ユニットＷＵ１〜ＷＵｎ毎に発電された交流電力の位相が互いにずれる場合であっても、各公直変換コンバータ７１０でいったん直流電力に変換することで、合成が可能となる。したがって、各風車１００間で風の強さや風向きに変動がある場合（さらには瞬間的な変動がある場合）でも、各発電電力を合成し、パワーコンディショナー４００の稼働率を向上させることができる。

図３は本考案の第３の実施形態を示すもので、本実施形態の風力発電装置Ｓ３は、前記風力発電装置Ｓ１と同じく、複数組の風車・発電機ユニットに対し１台のパワーコンディショナーを備えた基本構成とされている。なお、図１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

図３に示すように風力発電装置Ｓ３は、複数組（図示例は多数組）の風車・発電機ユニットＷＵ１〜ＷＵｎが連設されると共に、各ユニットＷＵ１〜ＷＵｎの発電機２００に対し計ｎ台の公直変換コンバータ７１０および１台の合成器７２０、１台の変動抑制部７３０を介して１台のパワーユニット４００が接続されている。また、変動抑制部７３０には蓄電池７４０が接続されている。

前記各公直変換コンバータ７１０および合成部７２０は、前述の第２の実施形態における公直変換コンバータ７１０および合成部７２０と同一の機能を奏する。変動抑制部７３０は合成器７２０から出力された直流合成電力の変動を抑制する。

すなわち、変動抑制部７３０に入力する直流合成電力に上限値を超える余剰電力があれば、変動抑制部７３０は当該余剰電力を蓄電池７４０に分配して蓄電すると共に、上限内の直流合成電力をパワーコンディショナー４００へと出力する。一方、変動抑制部７３０に入力する直流合成電力が下限値を下回る場合は、変動抑制部７３０は蓄電池７４０から不足電力の給電を受けて下限値を超える直流合成電力をパワーコンディショナー４００へと出力する。

変動抑制部７００における余剰電力の有無、不足電力の有無は、合成器７３０から出力された直流合成電力量の測定器からの測定データに基づく、制御ユニット６００からの指令に基づき行われる。

また、蓄電池７４０は、変動抑制部７３０と連動して動作するコンデンサーとしての機能も発揮する。すなわち、風力発電は太陽光と異なり風力や風向きが変化しやすく、太陽光発電に比べると発電電力の変動幅が大きい。変動幅が大きいとパワーコンディショナー４００による電力変換の追随が遅れ、変換能力の低下につながる。そこで、合成部７２０から出力される合成直流電力に大きな変動（短い周期での電力の急激な変化）があると、変動抑制部７３０と蓄電池７４０との間でコンデンサーとしての機能（蓄電動作と給電動作）が繰り返され、変動がゆるやかに抑制された合成直流電力がパワーコンディショナー４００に入力される。

なお、各公直コンバータ７１０、合成部７２０、変動抑制部７３０、蓄電池７４０は電力合成ユニットＵ３を構成する。また、電力合成ユニットＵ３の各構成部は制御ユニット６００により制御される。

上記風力発電装置Ｓ３によると、各ユニットＷＵ１〜ＷＵｎ毎の風車１００の回転により各発電機２００で発電された交流電力の変動幅が大きく、したがって合成直流電力の変動幅が大きい場合でも、当該変動幅を変動抑制部７３０および蓄電池７４０の作動により安定範囲内に抑制でき、したがって発電電力を安定してパワーコンディショナー４００へ送ることができる。これによりパワーコンディショナー４００の稼動率が安定する。

上記風力発電装置Ｓ３によると、パワーコンディショナー４００の稼動率を向上させると同時に安定した電力を出力できるという効果を奏する。

図４は本考案に係る風力発電装置と従来の風力発電装置の時間毎の発電量の推移を示している。同図に示すように、従来の風力発電装置（１組の風車・発電機ユニット）では、パワーコンディショナーの最大出力ラインに対し十分な余力があり（小型風車の場合、最大４０％程度）、風速１０ｍ以上の場合にパワーコンディショナーの最大出力ラインを超えることがあるが、時間帯にして数％に過ぎない（図４の範囲Ａ）。

これに対し、本考案の風力発電装置（複数組の風車・発電機ユニット）では、発電量がパワーコンディショナーの最大出力ラインを長時間超える（図４の範囲Ｂ）ため、パワーコンディショナーの最大出力ラインを超える部分（同範囲Ｂ）の発電量はパワーコンディショナーによって制限されるが、従来の風力発電装置の発電量を超える部分で最大出力ライン以下の発電量（斜線で示す範囲Ｃ）がパワーコンディショナーに入力されるため、パワーコンディショナーの稼働率が大きく向上する。

なお、パワーコンディショナーの最大出力ラインを超える部分（範囲Ｂ）の発電量は、図３のように蓄電池に蓄電し、発電量の変動時（低下時）にパワーコンディショナーに給電することで、パワーコンディショナーの稼働率を高く安定させることができるようになる。

上記各実施形態は風車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。

かくして、従来の風力発電装置ではパワーコンディショナーの十分な稼働率が得られなかったが、本考案の風力発電装置ではパワーコンディショナーの高い稼働率が得られ、また、発電量の変動を抑制して安定した稼働率が得られ、ひいては高い効率の発電出力を実現できるようになった。

本考案に係る連設型風力発電装置は、高台、斜面、中山間地域、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 風車
１１０ 垂直回転軸
１２０ ブレード
１３０ 土台
２００ 発電機（発電手段）
３００ 位相同調器
４００ パワーコンディショナー
５００，５１０ 電力供給線
６００ 制御ユニット
６１０，６２０，６３０ 測定器
７１０ 公直変換コンバータ
７２０ 合成器
Ｇ 土地
ＷＵ１，ＷＵ２，ＷＵｎ 風車・発電機ユニット
ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＵ３ 電力合成ユニット
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 風力発電装置

Claims (5)

1. 風力により回転する風車と当該風車の回転により発電を行う発電機からなる風車・発電機ユニットが複数連設され、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された電力を合成する電力合成手段と、当該電力合成手段で得られた合成電力を電力系統用に変換する１台のパワーコンディショナーを備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記各風車・発電機ユニット毎の発電能力が０．３〜３ｋｗであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記電力合成手段が、前記電力合成手段が、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された交流電力の位相を同調させて合成交流電力を出力する位相同調手段からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記電力合成手段が、個々の風車・発電機ユニット毎に発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータと、個々のコンバータで変換された直流電力を合成して合成直流電力を出力する合成部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
5. 前記電力合成手段が、出力された合成直流電力の変動幅を抑制する変動抑制部と、当該変動抑制装置と連動してコンデンサーとして機能とする蓄電池をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。

Images