JP3798807B1 - 風の計測制御装置及び計測制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、風の風力密度、風力及び積算風力を計測し、風力発電機のトルクと回転数をバランス良く制御する風の計測制御装置及び計測制御方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、他励発電機の界磁に設けた界磁電流センサ及び電機子に設けた電機子電流センサと、前記他励発電機に界磁電流を供給する電流ブースタと、前記他励発電機で発生した電機子電流のうち充電器への充電電流を引いた残りの電流を吸い込む電子負荷装置と、前記電流ブースタに界磁電流制御信号を出す界磁用差動増幅器と、前記電子負荷装置に電機子電流制御信号を出す電機子用差動増幅器とからなることを特徴とする風の計測制御装置の構成とした。
【選択図】図９

Description

本発明は、風力発電の制御及び駆動方法に関するものである。

従来の風力発電機においては、風が強い場合に、風車の高速回転による騒音や風車の機械的折損が生じたり、過大な出力により電気系の焼損が生じたりと、様々な問題が発生している。そのため、ある風速になると停止したり風車の失速制御や迎え角制御をすることでエネルギーを逃している。

風力発電機をある風速で停止したりすることは風力エネルギー活用の面からは非効率的であるし、風車におけるブレードの失速制御や風の迎え角制御などは風力の活用を削ぐことになり、対策としては不十分である。

現在のところ、リアルタイムで実用できる風力の計測技術がなく、風車に加わる実際の風力が把握できず、風力を効率的に制御できないため、風力発電機の稼働率の向上は難しい状態である。

気象庁の風力階級表は、風速のある幅で表現したもので、科学的厳密性に欠けるし、従来からある風向、風速又は風圧の測定方法では、風力を正確に換算することは困難であり、風の方向性や変化の応答性に対しては能力不足である。

風力発電機に関しても、３００キロワットなど仕事率について出力表現がされているが、風力を正確に出力表現することができなければ比較できないし、また、比較するための基準や尺度も存在していない。

風力に関するものとして、風力エネルギー密度という指標もあるが、年平均風速にレーレー分布を仮定し、定数１．９と空気密度と風速の３乗値を掛算したもので、風力の実測値という訳ではない。

また、掃除機の吸い込み仕事率という指標は、真空度と風量と固定値の掛算値で表現され、吸引力の目安に使われるが、温度や湿度の誤差があり、設置条件により微妙に変化しやすいので安定した測定が難しい。

特許文献１に記載されているように、風速センサで発電を制御する発明、特許文献２に記載されているように、風車回転速度により推定値を制御する発明、特許文献３に記載されているように、風力を観測する考案、特許文献４に記載されているように、目標方向以外からの風を遮る遮蔽体を設けた発明、及び特許文献５に記載されているように、流速分布を測定する発明も公開されている。

また、特許文献６に記載されているように、管の中心に風速センサを設けた発明、特許文献７に記載されているように、風速検出器と回転速度検出器との差分で発電機の出力を制御する発明、及び特許文献８に記載されているように、高速時は平準化風車回転指令を入力して最大トルク曲線に基づいてトルク指令値を出力することにより発電機のトルク制御を行う発明も公開されている。

更に、特許文献９に記載されているように、発電機とバッテリとの間に負荷制御装置を取り付けて風車が最適に回転するように制御する発明、特許文献１０に記載されているように、風速に追従して双方向直流チョッパで発電を制御する発明、及び特許文献１１に記載されているように、速度検出器から風速を推定して発電機電力からトルクを算出して発電機を制御する発明も公開されている。
特開２００２−３１５３９６号公報 特開２００２−１２５３９７号公報 実開平５−８４８６６号公報 特開平９−２８８１２１号公報 特開２００２−３１１０４２号公報 特開２００３−７５４６１号公報 特開２００３−１２０５０４号公報 特開２００４−６４９２９号公報 特開２００３−７０２９６号公報 特開２００４−６４８０６号公報 特開２００４−４０９４９号公報

しかしながら、風速センサの限られた情報だけでは、風力発電機を制御するのは困難であり、稼働率の良い方法も存在しないため、風の風力密度、風力及び積算風力を正確に検知して風力発電機を適正に制御することが求められる。

風力には、揚力形と抗力形の二つのタイプがあり、風車において風力のタイプを識別して制御する必要がある。また、回転速度は風力が発生した結果であり、定常状態の風だけではなく、突風のような風に対しても対応する必要がある。

そこで、本発明は、風の風力密度、風力及び積算風力を計測し、風力発電機のトルクと回転数をバランス良く制御する風の計測制御装置及び計測制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の課題を解決するために、第１に、円筒管内の入口側に風の流れを調整する管である整流管を複数束ねた整流管束、前記円筒管の内壁に接着され内部の温度を計測する温度センサ、前記円筒管の内壁に接着され内部の湿度を計測する湿度センサ、前記円筒管の外壁に取り付け外壁に空けた穴から空気を取り込んで風圧を計測する風圧センサ、及び前記円筒管の側面をくりぬいて挿入し中心付近の風量を計測する酸化第二銅被膜電線の単層整列巻線である熱線式の風量センサを設けた検出部と、前記検出部の前側に干渉を防ぐための入口流速バッファ配管を介して連設した入口接続管と、前記検出部の後側に干渉を防ぐための出口流速バッファ配管を介して連設した出口接続管とからなる計測装置であり、温度・湿度補正した風圧値及び風量値を検出することができることを特徴とする風の計測装置の構成とした。

第２に、検出部が、風の流れがスムーズなテーパ管に風圧センサを設けた円錐型、直角管に風圧センサを設けた直角型、又は風圧センサと風量センサの間に絞り弁を設け風圧値を調整することができる絞り弁型のいずれかであることを特徴とする前記風の計測装置の構成とした。

第３に、温度センサ、湿度センサ及び風圧センサで検出した値を温度・湿度補正用演算器にかけて風圧値を算出し、温度センサ及び風量センサで検出した値を温度補正用演算器にかけて風量値を算出し、前記風圧値を平方根演算器にかけて風速値を算出し、前記風圧値及び風速値を掛算器及び風力密度換算用演算器にかけて風力密度値を算出し、前記風圧値及び風量値を掛算器及び風力換算用演算器にかけて風力値を算出し、前記風力値をＡＤ変換器にかけてセット時間ごとにデジタル累算器で累積することにより積算風力値を算出することを特徴とする風の計測方法の構成とした。

第４に、風力発電機の界磁に設けた界磁電流センサ及び電機子に設けた電機子電流センサと、前記電機子で発生した電機子電流を充電器により蓄積する蓄電池と、前記蓄電池への充電を制御する電子負荷装置と、前記蓄電池から電源供給された電流を増幅して前記界磁に界磁電流を供給する電流ブースタと、温度センサ、湿度センサ及び風圧センサで検出した値を温度・湿度補正用演算器にかけて風圧値を算出し、温度センサ及び風量センサで検出した値を温度補正用演算器にかけて風量値を算出し、前記風圧値を平方根演算器にかけて風速値を算出し、前記風圧値及び風速値を掛算器及び風力密度換算用演算器にかけて算出した風力密度値、及び前記風圧値及び風量値を掛算器及び風力換算用演算器にかけて算出した風力値の風力信号を指令信号に変換する４乗根演算器と、前記界磁電流センサの信号と前記４乗根演算器の指令信号により前記電流ブースタに制御信号を出す差動増幅器と、前記電機子電流センサの信号と前記４乗根演算器の指令信号により前記電子負荷装置に制御信号を出す差動増幅器とからなることを特徴とする風力発電機の制御装置の構成とした。

第５に、トルクと回転数との関係が直角双曲線になり、前記トルクと回転数の積として表される出力が、温度センサ、湿度センサ及び風圧センサで検出した値を温度・湿度補正用演算器にかけて風圧値を算出し、温度センサ及び風量センサで検出した値を温度補正用演算器にかけて風量値を算出し、前記風圧値を平方根演算器にかけて風速値を算出し、前記風圧値及び風速値を掛算器及び風力密度換算用演算器にかけて算出した風力密度値、及び前記風圧値及び風量値を掛算器及び風力換算用演算器にかけて算出した風力値に比例する風力発電機において、４乗根演算器により前記風力密度値又は風力値の４乗根を算出し、差動増幅器により界磁電流及び電機子電流を前記風力密度値又は風力値の４乗根に比例した値にすることで、前記トルクと回転数とが同等に分配される最適制御ラインとなるように制御することを特徴とする風力発電機の制御方法の構成とした。

次に、他励発電機の界磁に設けた界磁電流センサと、前記他励発電機の電機子に設けた電機子電流センサと、前記他励発電機に界磁電流を供給する電流ブースタと、前記他励発電機で発生した電機子電流のうち充電器への充電電流を引いた残りの電流を吸い込む電子負荷装置と、前記界磁電流センサの界磁電流信号と風圧センサ及び風量センサの値を４乗根演算器で換算した電流換算指令信号が同じになるように界磁電流制御信号を前記電流ブースタに出す界磁用差動増幅器と、前記電機子電流センサの電機子電流信号と風圧センサ及び風量センサの値を４乗根演算器で換算した電流換算指令信号が同じになるように電機子電流制御信号を前記電子負荷装置に出す電機子用差動増幅器とからなることを特徴とする風の計測制御装置の構成とした。

また、他励発電機の揚力形風車に対しては、風圧センサと風量センサの積値を４乗根演算器で換算してフィードバック制御し、他励発電機の抗力形風車に対しては、風圧センサの１．５乗値を４乗根演算器で換算してフィードバック制御することを特徴とする風の計測制御方法の構成とした。

本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。第１に、風力発電機の風車のトルクと回転数をバランス良く制御することで、安全かつ確実に発電することができ、稼働率及びコスト面において効率の良い風力発電機となる。

第２に、風力発電機を適正に制御することで、不安定な突風により風車が高速回転することで生ずる騒音を防止したり、風車の機械的折損又は過大な出力による電気系の焼損を防ぐことができる。

第３に、電子負荷装置を設けることで、蓄電池の満充電に対応することができる。また、風力値により界磁電流及び電機子電流を制御することで、省エネルギーを考慮した電流配分ができるようになる。

第４に、計測した風力密度値、風力値及び積算風力値をリアルタイムで活用でき、風力評価も容易になるので、風力発電機の性能向上に利用する以外に、風力に関する各種試験など様々なものに応用することも可能となる。

次に、風圧センサ及び風量センサによる直接の発電制御なので応答性が良く、突風などの短時間発電対応も可能となる。

また、風力のタイプには揚力形と抗力形があるが、それぞれの風力に対応して正確に制御することができる。最大風力を基準にしているので、風により破壊されたり停止することがなく、発電機の稼働率も向上する。

更に、界磁電流も電機子電流も同じ値で制御するので、発電機のトルク要素と回転数要素の設計・製作が簡単となる。

風力発電機のトルクと回転数をバランス良く制御するという目的を、計測装置を風力発電機のプロペラと同一風向かつ直前の位置に設置して、風力等を正確に検出することにより実現した。

以下に、添付図面に基づいて、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法について詳細に説明する。図１は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の全体のブロック図である。計測制御装置１は、計測装置４で風を計測し、制御装置３で風力発電機２を制御する。

風力発電機２は、風力により電力を発生させる発電機である。風力発電機２は、風をプロペラで受けて、電機子のコイルを界磁の作る磁束の中で回転させることにより電流を発生させる。

制御装置３は、風力発電機２の界磁に設けた界磁電流センサ３ａ及び電機子に設けた電機子電流センサ３ｂと、前記電機子で発生した電機子電流５ａを充電器３ｄにより蓄積する蓄電池３ｃと、前記蓄電池３ｃへの充電５ｄを制御する電子負荷装置３ｆと、前記蓄電池３ｃから電源供給５ｅされた電流を増幅して前記界磁に界磁電流５を供給する電流ブースタ３ｅと、風力密度値１０及び風力値１０ａの風力信号６を指令信号６ａ、６ｂに変換する４乗根演算器３ｉと、前記界磁電流センサ３ａの信号６ｅと前記４乗根演算器３ｉの指令信号６ａにより前記電流ブースタ３ｅに制御信号６ｃを出す差動増幅器３ｇと、前記電機子電流センサ３ｂの信号６ｆと前記４乗根演算器３ｉの指令信号６ｂにより前記電子負荷装置３ｆに制御信号６ｄを出す差動増幅器３ｈとからなることを特徴とする。

界磁電流センサ３ａは、風力発電機２の界磁に設けられ、電流ブースタ３ｅから界磁に界磁電流５が供給された際に、界磁電流要素５ｂを検出し、差動増幅器３ｇに信号６ｅを送る。尚、界磁とは、発電機において磁場を発生させる磁石のことであり、電磁石を使用する他励発電機の場合には電源を供給する必要がある。

電機子電流センサ３ｂは、風力発電機２の電機子に設けられ、風力発電機２で電機子電流５ａが発生した際に、電機子電流要素５ｃを検出し、差動増幅器３ｈに信号６ｆを送る。尚、電機子とは、界磁の作る磁束の中を回転する巻線を収めた鉄心のことである。

蓄電池３ｃは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えて蓄え、必要に応じて電気エネルギーとして取り出せるようにした、充電することにより繰り返し使える電池である。また、充電器３ｄは、外部電源から蓄電池３ｃに充電するための機器である。

風力発電機２で発生した電機子電流５ａは、充電器３ｄにより蓄電池３ｃに充電５ｄされ、蓄電池３ｃに蓄えられた電気は、電流ブースタ３ｅを介して界磁の電磁石に電源供給５ｅされる。

電流ブースタ３ｅは、電流を増幅して大きなパワーを出力する機器である。蓄電池３ｃから界磁に直接界磁電流５を供給するのではなく、電流ブースタ３ｅを介すことにより、界磁電流５の供給量を調整することができる。

電子負荷装置３ｆは、電気的エネルギーを消費させる負荷装置のうち、制御信号により負荷を可変にできる機能を有するものである。風力発電機２で発生した電機子電流５ａは蓄電池３ｃに充電５ｄされるが、電子負荷装置３ｆで制御することにより、満充電させることが可能となる。

電機子電流５ａは、充電器３ｄへ優先的かつ無条件に通電し、並列接続した電子負荷装置３ｆのみを制御対象としており、充電器３ｄが電流を必要としない場合には、電子負荷装置３ｆが全て引き受ける。

最大風速を台風の約２０メートル毎秒と想定した場合、最大風力は約１３キロワットと予想されるので、蓄電池３ｃから電源供給５ｅされる電流ブースタ３ｅの容量を１２０ワットとすると、発電機の仕事率は２４０ワットとなる。

充電器３ｄ及び電子負荷装置３ｆの容量も１２０ワットとし、充電器３ｄの電流リミットは、最大風力の平方根値から３アンペアとする。４８ボルトの蓄電池を使用する場合、積算風力値１０ｂの実績と負荷容量値から余裕を持って決めることが好ましいが、１アンペアの電流を２４時間供給できる容量とする。

４乗根演算器３ｉは、計測装置４からの風力信号６のうち、風力密度値１０又は風力値１０ａの４乗根を算出し、差動増幅器３ｇへの指令信号６ａ及び差動増幅器３ｈへの指令信号６ｂとして出力する演算器である。

差動増幅器３ｇは、２つの入力端子に差があると出力を行う機器であり、界磁電流センサ３ａからの信号６ｅと４乗根演算器３ｉからの指令信号６ａを入力し、電流ブースタ３ｅへの制御信号６ｃを出力する。

差動増幅器３ｇは、界磁電流センサ３ａからの信号６ｅが、４乗根演算器３ｉからの指令信号６ａに一致するまで動作し、電流ブースタ３ｅによる界磁電流５のパワー増幅を続行する。

差動増幅器３ｈは、差動増幅器３ｇと同様の機能を有し、電機子電流センサ３ｂからの信号６ｆと４乗根演算器３ｉからの指令信号６ｂを入力し、電子負荷装置３ｆへの制御信号６ｄを出力する。

差動増幅器３ｈは、電機子電流センサ３ｂからの信号６ｆが、４乗根演算器３ｉからの指令信号６ｂに一致するまで動作し、電子負荷装置３ｆによる電気的エネルギーの消費を続行する。

差動増幅器３ｇ及び差動増幅器３ｈを使用して、風力信号６を４乗根演算器３ｉで換算した指令信号６ａ、６ｂにより、界磁電流５及び電機子電流５ａを調整することで、風力の大きさとタイミングに合わせて最大風力まで制御することができる。

計測装置４は、温度センサ７、湿度センサ７ａ、風量センサ７ｂ及び風圧センサ７ｃを有し、検出した値から風力密度値１０、風力値１０ａ及び積算風力値１０ｂを算出し、風力信号６として出力する。尚、計測装置４については、図２から図５において詳細に説明する。

図２は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が円錐型の場合の側面における断面図であり、図３は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が直角型の場合の側面における断面図であり、図４は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が絞り弁型の場合の側面における断面図である。

計測装置４は、入口側に風の流れを調整するための整流管を複数束ねた整流管束を設け、温度センサー、湿度センサー、風量センサ及び風圧センサを取り付けた検出部に、入口流速バッファ配管を介して入口接続管と連設し、及び出口流速バッファ配管を介して出口接続管と連設して前記検出部の前後で干渉が出ないようにしたことを特徴とする。

図２から図４に示すように、計測装置４には、検出部４ｄの形状がテーパ状の円錐型４ａ、検出部４ｅの形状が直角に曲がった直角型４ｂ、及び検出部４ｆに絞り弁を設けた絞り弁型４ｃの３つのタイプがある。

図２に示すように、円錐型４ａの検出部４ｄは、直径の大きい円筒管８ｆ、略円錐状のテーパ管８ｇ、及び直径の小さい円筒管８ｈを連設した形状であり、風の流れがスムーズで、容易に風圧値１０ｅを求めることができる。

検出部４ｄには、円筒管８ｆ内の入口側に整流管束９が設けられ、テーパ管８ｇの内壁には温度センサ７及び湿度センサ７ａが接着される。また、テーパ管８ｇの外壁には風圧センサ７ｃが取り付けられる。更に、円筒管８ｈの側面の一部をくりぬいて風量センサ７ｂを挿入する。

図３に示すように、直角型４ｂの検出部４ｅは、直径の大きい円筒管８ｉ、円筒管８ｉから下方へ直角に曲がった円筒状の直角管８ｊ、直角管８ｊから直角に曲がった直径の小さい円筒管８ｋを連設した形状であり、風が定常流であれば単純な構造で風圧値１０ｅを求めることができる。

検出部４ｅには、円筒管８ｉ内の入口側に整流管束９が設けられ、円筒管８ｉの内壁には温度センサ７及び湿度センサ７ａが接着される。また、直角管８ｊの外壁には風圧センサ７ｃが取り付けられる。更に、円筒管８ｋの側面の一部をくりぬいて風量センサ７ｂを挿入する。

図４に示すように、絞り弁型４ｃの検出部４ｆは、円筒管８ｌと円筒管８ｎの間に絞り弁８ｍを設けた形状であり、絞り弁型４ｃの計測装置４は、幅の広い風速値１０ｉに対して絞り弁８ｍにより風圧値１０ｅの調整が簡単にできる。

検出部４ｆには、円筒管８ｌ内の入口側に整流管束９が設けられ、円筒管８ｌの内壁には温度センサ７及び湿度センサ７ａが接着される。また、円筒管８ｌの外壁には風圧センサ７ｃが取り付けられる。更に、円筒管８ｎの側面の一部をくりぬいて風量センサ７ｂを挿入する。

温度センサ７及び湿度センサ７ａは、内部の温度及び湿度を計測し、風圧センサ７ｃは、外壁から穴を空けて中心付近まで取込口７ｄを延ばし、空気を取り込むことにより風圧を計測する。

風量センサ７ｂは、内径が約６ミリメートルの円筒管に、熱線式流量センサを埋め込んだものである。熱線式流量センサの配置は、風速のピーク値を検出できるように、検出部４ｄ、４ｅ、４ｆの中心軸と同軸で中心付近となる位置で検出できるようにする。

風量センサ７ｂとして使用する熱線式流量センサは、材質が酸化第二銅被膜電線であり、形状が直径が電線の径より充分に大きい単層整列巻線であって、定消費電力により制御される。

風量センサ７ｂにおける空気の熱伝導率の温度補正は、温度センサ７からの係数値により算出する。尚、風量センサ７ｂは、温度バランス用ダミーセンサとブリッジ検出とし、安定性を向上させる。

検出部４ｄ、４ｅ、４ｆの入口側には、入口流速バッファ配管８ｄを介して入口接続管８ｂが連設される。入口８から入口接続管８ｂに入ってきた風は、入口流速バッファ配管８ｄにより衝突や衝撃が和らげられ、検出部４ｄ、４ｅ、４ｆに送られる。

また、検出部４ｄ、４ｅ、４ｆの出口側には、出口流速バッファ配管８ｅを介して出口接続管８ｃが連設される。検出部４ｄ、４ｅ、４ｆから出口接続管８ｃに送られる風は、出口流速バッファ配管８ｅにより衝突や衝撃が和らげられ、出口８ａから出ていく。

図５は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置をＡ−Ａで切断した場合の断面図である。図２の円筒管８ｆ、図３の円筒管８ｉ、又は図４の円筒管８ｌの整流管束９の断面である。

整流管束９は、複数の整流管９ａを束ねて、内径が約６６ミリメートルの円筒管８ｆ、円筒管８ｉ、又は円筒管８ｌ内に充填させたものである。尚、空気が整流管９ａの外側を流れないように、できるだけ整流管９ａ同士を密着させる。

整流管９ａは、径が約４ミリメートルで、長さが約１３０ミリメートルの樹脂製の管であり、内部の孔９ｂに空気を通す。各整流管９ａに空気を通すことにより、全体としての空気の流れを整える。

本発明に記載の風量センサ及び風圧センサは、変換器であり、取付位置が重要である。流体は、断面の大きい空間から小さい空間に流れていくと流速が速くなる。流速が音速を超えると流量の増加が少しになり、逆に前段の大きい空間の圧力は、大きく増加し測定が可能になる。そのため、風量センサ及び風圧センサの測定位置の断面積構造に意味がある。例えば、風量センサの空間に風圧センサを取り付けると吹き溜まり空間がないため、検出できないか、マイナスの出力になってしまう。

また、本発明に記載の発明では、センサをクローズ空間で測定するために整流管束を設けており、流速を拡大して検出することができる。また、複数の整流管を束状にすることで、全体としての空気の流れを整える効果を向上させている。また、バッファ管は風の衝突や衝撃を和らげる効果がある。

更に、円錐型は、風の流れがスムーズで容易に風圧値を求めることができる、直角型は、風が定常流であれば単純な構造で風圧値を求めることができる、絞り弁型は、幅の広い風速値に対して絞り弁により風圧値の調整が簡単にできる、という効果の違いがあり、状況に応じて適切なものを選択することができる。

尚、風量センサについては、材料として一般に使用されるタングステンに比べて安価な酸化第二銅を使用しており、また、単層整列巻線とすることにより、流体との接触面積を変えて、簡単に感度調整することができる。

図６は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置における計測手段を示すブロック図である。温度センサ７、湿度センサ７ａ、風量センサ７ｂ及び風圧センサ７ｃから、風力密度値１０、風力値１０ａ及び積算風力値１０ｂを算出する手順である。

風の計測方法は、温度センサ、湿度センサ及び風圧センサで検出した値を温度・湿度補正用演算器にかけて風圧値を算出し、温度センサ及び風量センサで検出した値を温度補正用演算器にかけて風量値を算出し、前記風圧値を平方根演算器にかけて風速値を算出し、前記風圧値及び風速値を掛算器及び風力密度換算用演算器にかけて風力密度値を算出し、前記風圧値及び風量値を掛算器及び風力換算用演算器にかけて風力値を算出し、前記風力値をＡＤ変換器にかけてセット時間ごとにデジタル累算器で累積することにより積算風力値を算出することを特徴とする。

温度センサ７、湿度センサ７ａ、風量センサ７ｂ及び風圧センサ７ｃは、図２から図４に示す円錐型４ａ、直角型４ｂ又は絞り弁型４ｃの計測装置４に設置され、それぞれ温度、湿度、風量及び風圧を検出する。

風力密度値１０、風力値１０ａ及び積算風力値１０ｂを求める過程において、風圧値１０ｅ、風量値１０ｆ及び風速値１０ｉを算出しておく。また、積算風力値１０ｂを累積する単位時間として、セット時間１０ｍを設定しておく。

風圧値１０ｅは、温度センサ７、湿度センサ７ａ及び風圧センサ７ｃで検出した値を温度・湿度補正用演算器１０ｃにかけることにより算出する。風圧は、温度及び湿度に左右されるため補正しておく必要がある。

風量値１０ｆは、温度センサ７及び風量センサ７ｂで検出した値を温度補正用演算器１０ｄにかけることにより算出する。風量は、質量風量に相当し、温度の影響はないが、空気の熱伝導率が温度で変化するので、温度補正しておく必要がある。

風速値１０ｉは、風圧値１０ｅを平方根演算器１０ｇにかけることにより算出する。更に、風圧値１０ｅと風速値１０ｉを掛算器１０ｋにかけ、風力密度換算用演算器１０ｎによりファンの消費電力及び無負荷損失を考慮することで、風力密度値１０を得る。

風力値１０ａは、風圧値１０ｅと風量値１０ｆを掛算器１０ｈにかけ、風力密度値１０の場合と同様に、風力換算用演算器１０ｊによりファンの消費電力及び無負荷損失を考慮することで換算値を得る。

尚、風力密度値１０は、単位面積当たりの風力値１０ａであり、風圧センサ７ｃの応答性と同等である。また、風力値１０ａは、特定の方向、長さ及び面積により決められた出力であり、応答性は風力密度値１０よりも遅くなる。

積算風力値１０ｂは、風力値１０ａをＡＤ変換器１０ｌにより２０ミリ秒のサンプリング時間でアナログ値からデジタル値に変換し、セット時間１０ｍごとにデジタル累算器１０ｏで加算していくことで累積した値を得る。

尚、風力は、風力値と同一であり、風速値と風力値とは別のものである。即ち、風力は、方向と大きさを持つベクトル量であり、風圧値と風量値との掛算値をベースにして算出される。

図７は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の制御装置における最適制御ラインを示すグラフであり、図８は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の界磁電流と電機子電流の最適配分計算例を示す数式である。

尚、図８の数式１４〜１４ｈに使用する記号については、Ｔはトルク、Ｎは回転数、Ｉｆは界磁電流、Ｉａは電機子電流、Ｒａは電機子電流負荷、ｒａは電機子内部抵抗、ｋａは定数、ｋｂは定数、Ｗは風力密度、αは比例定数、βは設定比率とする。

風力発電機の制御方法は、トルクＴと回転数Ｎとの関係が直角双曲線１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄになり、前記トルクＴと回転数Ｎの積として表される出力が風力密度Ｗ又は風力に比例する風力発電機２において、４乗根演算器３ｉにより風力密度又は風力の４乗根を算出し、差動増幅器３ｇ、３ｈにより界磁電流５及び電機子電流５ａを前記風力密度又は風力の４乗根に比例した値にすることで、前記トルクＴと回転数Ｎとが同等に分配される最適制御ライン１２ｅとなるように制御することを特徴とする。

図７に示すように、グラフ１１は、風力発電機２におけるトルクＴと回転数Ｎの関係を示すものであり、風力発電機２の出力特性が直角双曲線で表される。尚、符号１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、風力密度Ｗ又は風力が異なる直角双曲線である。

符号１１ｃは界磁巻線焼損限界を示しており、トルクＴが界磁巻線焼損限界１１ｃを超えると、界磁のコイルが焼損してしまう。また、符号１１ｄは機械的折損限界を示しており、回転数Ｎが機械的折損限界１１ｄを超えると、プロペラの羽根や回転軸が折れたりしてしまう。

通常、最大風力を基準にして風力発電機２の容量を決めているので、界磁巻線焼損限界１１ｃ及び機械的折損限界１１ｄは、定格の数倍以上で設定されるが、グラフ１１では、説明上図７に示す位置に設定する。

グラフ１１において、ある一定の回転数１１ｆで制御した場合、直角双曲線１２ａのポイント１３ｇと、直角双曲線１２ｂのポイント１３ｈの間で、界磁巻線焼損限界１１ｃを超えている。

また、ある一定のトルク１１ｅで制御、即ち、界磁電流による励磁を一定に制御した場合、直角双曲線１２ｂのポイント１３ｅと、直角双曲線１２ｃのポイント１３ｆの間で、機械的折損限界１１ｄを超えている。

回転数Ｎ又はトルクＴを一定にする制御方式では、風力密度又は風力によっては、界磁巻線焼損又は機械的折損による風力発電機２の稼働率が低下する問題が発生するので、回転数Ｎ及びトルクＴを同等に制御することが好ましい。

直角双曲線１２ｄに関しては、回転数１１ｂとトルク１１ａが同等であるポイント１３ｄが好ましい値であり、同様に、直角双曲線１２ではポイント１３、直角双曲線１２ａではポイント１３ａ、直角双曲線１２ｂではポイント１３ｂ、直角双曲線１２ｃではポイント１３ｃが好ましい値となる。

即ち、どの直角双曲線の場合であっても、ポイント１３からポイント１３ｄを通る直線である最適制御ライン１２ｅ上の値となるように回転数Ｎ及びトルクＴを制御すれば、最大風力まで利用でき、エネルギー効率も良くなる。

風力発電機２の回転数Ｎ及びトルクＴを最適制御ライン１２ｅ上の値となるように、制御装置３によって、界磁電流Ｉｆ及び電機子電流Ｉａを最適に配分する計算例は、図８に示す通りである。

トルクＴは磁束と電機子電流Ｉａの積に比例するので、トルクＴ＝（定数×磁束×電機子電流Ｉａ）で表すことができ、磁束は界磁電流Ｉｆに比例するので、磁束＝（定数×界磁電流Ｉｆ）で表すことができることから、トルクＴは数式１４として表すことができる。

回転数Ｎは発電電圧に比例し、磁束に反比例するので、回転数＝（定数×発電電圧÷磁束）で表現することができ、発電電圧は電機子電流Ｉａと電機子抵抗（電機子電流負荷Ｒａ及び電機子内部抵抗ｒａ）の積となることから、回転数Ｎは数式１４ａとして表すことができる。

風力発電機２に当たる風の風力密度Ｗは風力に比例し、トルクＴと回転数Ｎの積として表現することのできる風力発電機２の出力も風力に比例することから、比例定数αを使用すると数式１４ｂが成立する。

トルクＴと回転数Ｎが一致するポイント１３〜１３ｄが、風力発電機２の電機子と界磁の電力容量をバランス良くする最適制御ライン１２ｅであることから、同等分配すると数式１４ｃとなる。

数式１４、数式１４ａ及び数式１４ｃから、界磁電流Ｉｆは数式１４ｄとなり、電機子電流Ｉａは数式１４ｅとなる。界磁電流Ｉｆは電機子抵抗の平方根に比例し、また、電機子電流Ｉａは、風力密度Ｗの平方根に比例し、電機子抵抗の平方根に反比例することが分かる。

界磁電流Ｉｆと電機子電流Ｉａとの関係は、数式１４ｆで表される。通常、設定比率は１で良いが、例えば、あまり使用しない際は界磁電流Ｉｆを少なめにして界磁電流Ｉｆによる焼損を抑制した方が省エネルギーになるので、設定比率を変える場合もある。

数式１４ｄ、数式１４ｅ及び数式１４ｆから、電機子電流Ｉａは数式１４ｇとなり、界磁電流Ｉｆは数式１４ｈとなる。電機子電流Ｉａ及び界磁電流Ｉｆは、風力密度Ｗの４乗根に比例することが分かる。

よって、電機子電流Ｉａ及び界磁電流Ｉｆを風力密度Ｗの４乗根となるように制御すれば、トルクＴと回転数Ｎを同等分配することができ、最適制御ライン１２ｅを維持することができるようになる。

以上のように、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法は、風力発電機の風車のトルクと回転数をバランス良く制御することで、安全かつ確実に発電することができ、稼働率及びコスト面において効率の良い風力発電機となる。

風力発電機を適正に制御することで、不安定な突風により風車が高速回転することで生ずる騒音を防止したり、風車の機械的折損又は過大な出力による電気系の焼損を防ぐことができる。

電子負荷装置を設けることで、蓄電池の満充電に対応することができる。また、風力値により界磁電流及び電機子電流を制御することで、省エネルギーを考慮した電流配分ができるようになる。

計測した風力密度値、風力値及び積算風力値をリアルタイムで活用できるので、風力発電機の制御に利用する以外に、風力に関する各種試験など様々なものに応用することも可能となる。

風の計測制御装置１５は、他励発電機１６の界磁に設けた界磁電流センサ１６ａと、前記他励発電機１６の電機子に設けた電機子電流センサ１６ｂと、前記他励発電機１６に界磁電流１７を供給する電流ブースタ１６ｃと、前記他励発電機１６で発生した電機子電流１７ａのうち充電器１６ｅへの充電電流１７ｂを引いた残りの電流を吸い込む電子負荷装置１６ｄと、前記界磁電流センサ１６ａの界磁電流信号１８ａと風圧センサ及び風量センサ１６ｉの値を４乗根演算器１６ｈで換算した電流換算指令信号１８が同じになるように界磁電流制御信号１８ｃを前記電流ブースタ１６ｃに出す界磁用差動増幅器１６ｆと、前記電機子電流センサ１６ｂの電機子電流信号１８ｂと風圧センサ及び風量センサ１６ｉの値を４乗根演算器１６ｈで換算した電流換算指令信号１８が同じになるように電機子電流制御信号１８ｄを前記電子負荷装置１６ｄに出す電機子用差動増幅器１６ｇとからなることを特徴とする。

尚、他励発電機１６の揚力形風車に対しては、風圧センサと風量センサの積値を４乗根演算器１６ｈで換算してフィードバック制御し、他励発電機１６の抗力形風車に対しては、風圧センサの１．５乗値を４乗根演算器１６ｈで換算してフィードバック制御する。

図９は、本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法を示すブロック図である。風の計測制御装置１５は、他励発電機１６、界磁電流センサ１６ａ、電機子電流センサ１６ｂ、電流ブースタ１６ｃ、電子負荷装置１６ｄ、充電器１６ｅ、界磁用差動増幅器１６ｆ、電機子用差動増幅器１６ｇ、４乗根演算器１６ｈ、風圧センサ及び風量センサ１６ｉからなる。

他励発電機１６は、風車を回すことにより、界磁の中で電機子を回転させて電気を発生する風力発電機である。他励発電機１６の風車には、揚力形風力を受けるための揚力形風車と、抗力形風力を受けるための抗力形風車とがある。

界磁電流センサ１６ａは、他励発電機１６の界磁に設けられ、電流ブースタ１６ｃから界磁に供給される界磁電流１７を検出して、界磁用差動増幅器１６ｆに界磁電流信号１８ａを送る装置である。

また、電機子電流センサ１６ｂは、他励発電機１６の電機子に設けられ、電機子で発生した電機子電流１７ａを検出して、電機子用差動増幅器１６ｇに電機子電流信号１８ｂを送る装置である。

電流ブースタ１６ｃは、他励発電機１６の界磁に界磁電流１７を供給する装置であり、界磁電流１７の供給量は、界磁用差動増幅器１６ｆからの界磁電流制御信号１８ｃにより調整される。

電子負荷装置１６ｄは、他励発電機１６の電機子で発生した電機子電流１７ａを消費する装置であり、また、充電器１６ｅは、他励発電機１６の電機子で発生した電機子電流１７ａを蓄積する装置である。

即ち、電子負荷装置１６ｄは、電機子電流１７ａのうち充電電流１７ｂを引いた残りの電流を吸い込むことになるが、当該残りの電流が消費される量は、電機子用差動増幅器１６ｇからの電機子電流制御信号１８ｄにより調整される。

界磁用差動増幅器１６ｆは、界磁電流センサ１６ａの界磁電流信号１８ａをマイナス側で受け取り、４乗根演算器１６ｈの電流換算指令信号１８をプラス側で受け取り、両者を比較して、同値となるように電流ブースタ１６ｃに界磁電流制御信号１８ｃを出す。

電機子用差動増幅器１６ｇは、電機子電流センサ１６ｂの電機子電流信号１８ｂをマイナス側で受け取り、４乗根演算器１６ｈの電流換算指令信号１８をプラス側で受け取り、両者を比較して、同値となるように電子負荷装置１６ｄに電機子電流制御信号１８ｄを出す。

即ち、界磁用差動増幅器１６ｆ及び電機子用差動増幅器１６ｇにより、電流換算指令信号１８、界磁電流信号１８ａ及び電機子電流信号１８ｂが、同値となるようにフィードバック制御する。

４乗根演算器１６ｈは、風圧センサ及び風量センサ１６ｉで検出し、演算した値の４乗根を算出し、界磁用差動増幅器１６ｆ及び電機子用差動増幅器１６ｇに電流換算指令信号１８として送る装置である。

風圧センサ及び風量センサ１６ｉは、他励発電機１６の風車に取り付けられ、風圧及び風量を検出して風力を求める。

揚力形風力を受ける揚力形風車の場合、風圧センサと風量センサの間隔は、プロペラの幅に合わせる。プロペラの面積に対する風力は、センサ面積から求める。風圧センサと風量センサの積値は、揚力に対応する風力となる。

抗力形風力を受ける抗力形風車の場合、風圧センサの１．５乗値が風力密度対応になる。風力は、センサ面積と風車の風力対応面積により求められる。

他励発電機は、過去の最大風力値から短時間定格容量として求められる。界磁電流及び電機子電流は、風力値の４乗根演算比例値により求めるが、界磁電流と電機子電流とを同じ値にする。

また、最大風力から界磁電流と電機子電流の最大値を求め、充電器と電子負荷装置の電流制限値とする。

本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の全体のブロック図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が円錐型の場合の側面における断面図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が直角型の場合の側面における断面図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置が絞り弁型の場合の側面における断面図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置をＡ−Ａで切断した場合の断面図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の計測装置における計測手段を示すブロック図である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の制御装置における最適制御ラインを示すグラフである。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法の界磁電流と電機子電流の最適配分計算例を示す数式である。 本発明である風の計測制御装置及び計測制御方法を示すブロック図である。

符号の説明

１ 計測制御装置
２ 風力発電機
３ 制御装置
３ａ 界磁電流センサ
３ｂ 電機子電流センサ
３ｃ 蓄電池
３ｄ 充電器
３ｅ 電流ブースタ
３ｆ 電子負荷装置
３ｇ 差動増幅器
３ｈ 差動増幅器
３ｉ ４乗根演算器
４ 計測装置
４ａ 円錐型
４ｂ 直角型
４ｃ 絞り弁型
４ｄ 検出部
４ｅ 検出部
４ｆ 検出部
５ 界磁電流
５ａ 電機子電流
５ｂ 界磁電流要素
５ｃ 電機子電流要素
５ｄ 充電
５ｅ 電源供給
６ 風力信号
６ａ 指令信号
６ｂ 指令信号
６ｃ 制御信号
６ｄ 制御信号
６ｅ 信号
６ｆ 信号
７ 温度センサ
７ａ 湿度センサ
７ｂ 風量センサ
７ｃ 風圧センサ
７ｄ 取込口
８ 入口
８ａ 出口
８ｂ 入口接続管
８ｃ 出口接続管
８ｄ 入口流速バッファ配管
８ｅ 出口流速バッファ配管
８ｆ 円筒管
８ｇ テーパ管
８ｈ 円筒管
８ｉ 円筒管
８ｊ 直角管
８ｋ 円筒管
８ｌ 円筒管
８ｍ 絞り弁
８ｎ 円筒管
９ 整流管束
９ａ 整流管
９ｂ 孔
１０ 風力密度値
１０ａ 風力値
１０ｂ 積算風力値
１０ｃ 温度・湿度補正用演算器
１０ｄ 温度補正用演算器
１０ｅ 風圧値
１０ｆ 風量値
１０ｇ 平方根演算器
１０ｈ 掛算器
１０ｉ 風速値
１０ｊ 風力換算用演算器
１０ｋ 掛算器
１０ｌ ＡＤ変換器
１０ｍ セット時間
１０ｎ 風力密度換算用演算器
１０ｏ デジタル累算器
１１ グラフ
１１ａ トルク
１１ｂ 回転数
１１ｃ 界磁巻線焼損限界
１１ｄ 機械的折損限界
１１ｅ トルク
１１ｆ 回転数
１２ 直角双曲線
１２ａ 直角双曲線
１２ｂ 直角双曲線
１２ｃ 直角双曲線
１２ｄ 直角双曲線
１２ｅ 最適制御ライン
１３ ポイント
１３ａ ポイント
１３ｂ ポイント
１３ｃ ポイント
１３ｄ ポイント
１３ｅ ポイント
１３ｆ ポイント
１３ｇ ポイント
１３ｈ ポイント
１４ 数式
１４ａ 数式
１４ｂ 数式
１４ｃ 数式
１４ｄ 数式
１４ｅ 数式
１４ｆ 数式
１４ｇ 数式
１４ｈ 数式
１５ 風の計測制御装置
１６ 他励発電機
１６ａ 界磁電流センサ
１６ｂ 電機子電流センサ
１６ｃ 電流ブースタ
１６ｄ 電子負荷装置
１６ｅ 充電器
１６ｆ 界磁用差動増幅器
１６ｇ 電機子用差動増幅器
１６ｈ ４乗根演算器
１６ｉ 風圧センサ及び風量センサ
１７ 界磁電流
１７ａ 電機子電流
１７ｂ 充電電流
１８ 電流換算指令信号
１８ａ 界磁電流信号
１８ｂ 電機子電流信号
１８ｃ 界磁電流制御信号
１８ｄ 電機子電流制御信号

Claims (4)

1. 他励発電機の界磁に設けた界磁電流センサと、前記他励発電機の電機子に設けた電機子電流センサと、前記他励発電機に界磁電流を供給する電流ブースタと、前記他励発電機で発生した電機子電流のうち充電器への充電電流を引いた残りの電流を吸い込む電子負荷装置と、前記界磁電流センサの界磁電流信号と風圧センサ及び風量センサの値を４乗根演算器で換算した電流換算指令信号が同じになるように界磁電流制御信号を前記電流ブースタに出す界磁用差動増幅器と、前記電機子電流センサの電機子電流信号と風圧センサ及び風量センサの値を４乗根演算器で換算した電流換算指令信号が同じになるように電機子電流制御信号を前記電子負荷装置に出す電機子用差動増幅器とからなることを特徴とする風の計測制御装置。
2. 風圧センサと風量センサの積値を４乗根演算器で換算して、他励発電機の揚力形風車に対してフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の風の計測制御装置。
3. 風圧センサの１．５乗値を４乗根演算器で換算して、他励発電機の抗力形風車に対してフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の風の計測制御装置。
4. 請求項１乃至３の風の計測制御装置により他励発電機を制御することを特徴とする風の計測制御方法。
   

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