JP3987993B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に関し、更に詳しくは、高効率で発電出力を得ることができる風力発電装置及び発電出力変動の少ない風力発電装置に関する。

近年、自動車等に用いられる無公害の燃料として水素が注目されているが、この水素を得る手段として風力発電装置が用いられており、下記特許文献１や特許文献２にはこの風力発電装置に関する技術が開示されている。

特許文献１の「自然力利用発電電解法による補助燃料製造とその利用法」は、図５に示すように、風力又は流水利用にて発電機１０１を回転し、得た電力の一部を直接点灯又は動力用に供するほか余剰電力を水の電気分解槽１０２に誘導して水素と酸素を発生させるものである。

また、特許文献２の「水素生産用水上風力発電設備」は、図６に示すように、陸上２０１から離れた水上である海２０８に海底から直接設置され、風車２０２が取り付けられた発電装置２０３（風力発電手段）と、この風車２０２に近接して海底から立ち上がるプラットホーム等を介して設置される電力制御装置２０４と水素発生装置としての電気分解装置２０５とを備え、発電装置２０３で発電された電気を電力制御装置２０４に送り、この電力制御装置２０４からの電気を電気分解装置２０５に供給することにより、水素と酸素を発生させるものである。

特開昭６２−２０８８９号公報 特開２００２−７０７２０号公報

ところが、上述した風力発電に関する技術には、以下の問題点があった。
（１）風力発電は、不安定な風力を動力源として発電する分散型発電であり、その発電出力は風力の変化により大きく変動する性格を有するものである。風力発電により得られた発電出力を水素発生装置の電源として使用する場合、水電解装置は入力電圧変動に弱いた、め、これをそのまま水電解装置の入力電源とした場合には、水電解装置の寿命低下を招くことになる。
（２）通常の風力発電では電力系統に連系されているため、風車が最大出力となるように回転数を制御するためにはインバータやコンバータが必要であり、これらの分だけ効率低
下を招き、またコスト面での不利益も大きい。
（３）風力発電により得られた発電出力を水電解装置の電源として使用する場合、水電解装置は使用時間の蓄積により性能劣化を生じ得る。かかる場合、水電解装置の設計値と実出力値との間で誤差が生じ、水電解システム全体の効率が低下するという問題がある。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高効率でコストパフォーマンスの良い発電を行うことができる風力発電装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、発電出力変動の少ない風力発電装置を提供することにある。さらに、本発明の別の目的は、高効率でコストパフォーマンスが良く、かつ、発電出力変動の少ない風力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る第１の風力発電装置は、風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループを有し、該高効率運転制御ループにより求めた出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る第２の風力発電装置は、風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、前記出力電圧制御装置は、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて出力電圧値を求める出力変動抑制ループを有し、該出力変動抑制ループにより求めた出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る第３の風力発電装置は、風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループからそれぞれ求まる出力電圧値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る第４の風力発電装置は、風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換し変換された発電出力を水電解装置に供給する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置とを備え、前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づき水電解特性の設計値を用いて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループと、水電解特性の設計値と実出力値との偏差に基づいて出力電圧補正値を求める出力補正ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループによりそれぞれ求めた出力電圧値と出力補正ループにより求めた出力電圧補正値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また、上記の風力発電装置において、好ましくは、前記高効率運転制御ループは、風車回転速度の時間微分値がプラスのときに、出力電圧目標値を増大させるように出力電圧値を求め、風車回転速度の時間微分値がマイナスのときに、出力電圧目標値を減少させるように出力電圧値を求める。

また、上記の風力発電装置において、好ましくは、前記出力変動抑制ループは、平均発電出力値に一次遅れの時定数をもたせて出力電圧値を求める。

また、上記の風力発電装置において、好ましくは、前記発電機の励磁機の励磁電圧又は前記整流器の点弧角を調整することにより、出力電圧を制御する。

本発明に係る第１の風力発電装置では、出力電圧制御装置により、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求め、これを出力電圧目標値とするため、風力エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合には、水素製造コストを大幅に低減することができる。
また、高効率発電を実現するために風速ごとに決定される風車出力特性から最適風車回転数を求めるには風速を観測する必要があるが、正確な風速を観測することは一般に困難である。本発明では、風車回転速度の時間微分値に基づいて高効率の発電出力電圧を求めるため、風速を観測する必要がない。したがって、制御の信頼性が向上するとともに、汎用性が広がる。

また、本発明に係る第２の風力発電装置では、出力電圧制御装置により、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて出力電圧値を求め、この出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御するため、出力電圧変動が抑制される。したがって、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合には、水電解装置の寿命低下を有効に防止することができる。

また、本発明に係る第３の風力発電装置では、出力電圧制御装置において、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループからそれぞれ求まる出力電圧値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御するため、高効率発電を行いつつ電圧変動を抑制することができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合には、水素製造コストの低減と水電解装置の寿命低下を同時に実現することができる。

また、本発明に係る第４の風力発電装置では、発電出力制御装置において、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づき水電解特性の設計値を用いて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループと、水電解特性の設計値と実出力値との偏差に基づいて出力電圧補正値を求める出力補正ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループによりそれぞれ求めた出力電圧値と出力補正ループにより求めた出力電圧補正値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御するため、高効率発電により水素製造コストの低減を図ることができ、電圧変動の抑制により水電解装置の寿命低下を防止できることに加え、更に、出力電圧補正値により水電解装置の特性劣化を補償することが可能となり、システムの信頼性が向上する。

また、上記の風力発電装置において、前記高効率運転制御ループにより、風車回転速度の時間微分値がプラスのときに、出力電圧目標値を増大させるように出力電圧値を求め、風車回転速度の時間微分値がマイナスのときに、出力電圧目標値を減少させるように出力電圧値を求めるため、出力電圧値の算出が容易となり、的確な出力電圧制御を行うことができる。

また、上記の風力発電装置において、出力変動抑制ループにより、平均発電出力値に一次遅れの時定数をもたせて出力電圧値を求めるため、より電圧変動の少ない良質な発電出力を得ることができ、水電解装置の寿命低下をより効果的に防止することができる。

また、上記の風力発電装置において、発電機の励磁機の励磁電圧又は整流器の点弧角を調整することにより出力電圧を制御するため、簡易かつ的確な出力電圧制御を行うことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一の部分には同一の符号を付し、また重複した説明は省略する。

図１は、本発明に係る風力発電装置の第１実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１０は、風車１と、発電機２と、整流器３と、出力電圧制御装置４とを備えている。発電機２の回転子は風車１の軸に接続されており、風車が風のエネルギーにより回転すると、発電機２は風車１の回転速度に応じ回転子が固定子内で回転し、固定子から交流電力を出力する。発電機２の固定子には整流器（順変換器）３が接続されており、発電機２の発生する交流電力は整流器３により直流電力に変換される。

本実施形態において、風力発電装置１０には水電解装置６が接続されている。水電解装置１５は整流器３により交流電力から直流電力に変換された発電出力を電源として水素を発生するようになっている。

出力電圧制御装置４は、整流器３の出力電圧を制御する装置であり、高効率運転制御ループ４ａと、信号変換機４ｄを有している。高効率運転制御ループ４ａは、図示しない風車回転速度検出器により検出された風車回転速度の時間微分値を算出し、これに所定のゲインＧ１を掛けて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を算出し、算出した出力電圧値を出力電圧目標値として信号変換機４ｄに送る。すなわち、風車回転速度の時間微分値がプラスであれば風車回転速度は加速状態にあるので、その加速度の大きさに応じて出力電圧目標値を増大させ、逆に、風車回転速度の時間微分値がマイナスであれば風車回転速度は減速状態にあるので、その減速度の大きさに応じて出力電圧目標値を減少させる。これにより、発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を算出することができる。信号変換機４ｄは出力電圧目標値に対応する励磁電圧を発電機２の励磁機５に送り、出力電圧の制御が行われる。また、整流器３の点弧角を調整することにより出力電圧を制御するようにしてもよい。

このように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求め、これを出力電圧目標値とするため、風力エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換する高効率運転が可能となる。したがって、本実施形態のように、発電出力を水電解装置６の電源として使用した場合には、高効率発電により水素製造コストを大幅に低減することができる。

風力発電装置は風速ごとに決定される出力特性を有している。この出力特性によれば、風速毎に最大出力ポイントとなる風車回転数が異なるため、効率良く発電を行うためには、風速毎に風車回転数を変化させる必要がある。したがって、最適風車回転数を求めるためには風速を観測すればよいが、正確な風速を観測することは一般に困難である。この点、本発明では、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求めるため、風速を観測する必要が無く、これにより制御の信頼性が向上するとともに、汎用性が広がる。

図２は、本発明に係る風力発電装置の第２実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１０は、風車１と、発電機２と、整流器３と、出力電圧制御装置４とを備えていおり、第１実施形態と同様に水電解装置６に接続されている。風車１、発電機２、整流器３は第１実施形態におけるものと同様である。

本実施形態における出力電圧制御装置４は、出力変動抑制ループ４ｂと信号変換機４ｄとを有している。出力変動抑制ループ４ｂは、図示しない風車回転速度検出器と風車トルク検出器とから検出された風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を平均化した平均発電出力値を算出し、これに一次遅れの時定数を与え、水電解特性設計値に基づいて出力（ｋＷ）を電圧（Ｖ）に変換し、さらに所定のゲインＧ２を掛けて出力電圧値を算出し、算出した出力電圧値を出力電圧目標値として信号変換機４ｄに送る。信号変換機４ｄは出力電圧目標値に対応する励磁電圧を発電機２の励磁機５に送り、出力電圧の制御が行われる。また、整流器３の点弧角を調整することにより出力電圧を制御するようにしてもよい。

このように第２実施形態の風力発電装置１０は、出力電圧制御装置４の出力変動抑制ループ４ｂにより、平均化および一次遅れ処理がなされた発電出力値に基づいて出力電圧目標値を算出するため、出力電圧変動が抑制される。したがって、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。これにより、本実施形態のように発電出力を水電解装置６の電源として使用した場合には、水電解装置６の寿命低下を有効に防止することができる。

図３は、本発明に係る風力発電装置の第３実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１０は、風車１と、発電機２と、整流器３と、出力電圧制御装置４とを備えており、第１実施形態と同様に水電解装置６に接続されている。風車１、発電機２、整流器３は第１実施形態におけるものと同様である。

本実施形態における出力電圧制御装置４は、高効率運転制御ループ４ａと、出力変動抑制ループ４ｂと、信号変換機４ｄとを有している。高効率運転制御ループ４ａは第１実施形態におけるものと同様であり、出力変動抑制ループ４ｂは第２実施形態におけるものと同様である。したがって、高効率運転制御ループ４ａでは、図示しない風車回転速度検出器により検出された風車回転速度の時間微分値を算出し、これに所定のゲインＧ１を掛けて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を算出し、出力変動抑制ループ４ｂでは、図示しない風車回転速度検出器と風車トルク検出器とから検出された風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値を算出し、これに一次遅れの時定数を与え、水電解特性設計値に基づいて出力（ｋＷ）を電圧（Ｖ）に変換し、さらに所定のゲインＧ２を掛けて出力電圧値を算出する。

さらに、出力変動制御装置４は、高効率運転制御ループ４ａと出力変動抑制ループ４ｂによりそれぞれ算出された出力電圧値を積算して平均化を行い、これを出力電圧目標値として信号変換機４ｄに送る。信号変換機４ｄは第１実施形態と同様に出力電圧目標値に対応して励磁機９の励磁電圧又は整流器３の点弧角を調整することにより出力電圧を制御する。

このように第３実施形態の風力発電装置１０は、出力電圧制御装置４において、高効率運転を行うための出力電圧値を高効率運転制御ループ４ａにより算出し、出力変動抑制を行うための出力電圧値を出力変動抑制ループ４ｂにより算出し、これを積算して平均化したものを出力電圧目標値とするため、高効率運転と出力変動抑制の両者の特性を併せ持つ出力電圧目標値を設定することができる。したがって、高効率発電を行いつつ出力電圧変動を抑制することができる。また、高効率運転制御ループ４ａのゲインＧ１、出力変動抑制ループ４ｂのゲインＧ２の大きさをそれぞれ調整することにより、高効率型制御と出力変動型制御を選択的に設定することもできる。これにより、本実施形態のように発電出力を水電解装置の電源として使用した場合には、水素製造コストの低減と水電解装置の寿命低下を同時に実現することができる。

図４は、本発明に係る風力発電装置の第４実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１０は、風車１と、発電機２と、整流器３と、出力電圧制御装置４とを備えており、第１実施形態と同様に水電解装置６に接続されている。風車１、発電機２、整流器３は第１実施形態におけるものと同様である。

本実施形態における出力電圧制御装置４は、高効率運転制御ループ４ａと、出力変動抑制ループ４ｂと、出力補正ループ４ｃと、信号変換機４ｄとを有している。高効率運転制御ループ４ａは第１実施形態におけるものと同様であり、図示しない風車回転速度検出器により検出された風車回転速度の時間微分値を算出し、これに所定のゲインＧ１を掛けて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を算出する。また、出力変動抑制ループ４ｂは第２実施形態におけるものと同様であり、図示しない風車回転速度検出器と風車トルク検出器とから検出された風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を平均化した平均発電出力値を算出し、これに一次遅れの時定数を与え、水電解特性設計値に基づいて出力（ｋＷ）を電圧（Ｖ）に変換し、さらに所定のゲインＧ２を掛けて出力電圧値を算出する。

本実施形態に係る出力電圧制御装置４は、さらに出力補正ループ４ｃを有している。この出力補正ループ４ｃは、水電解特性設計値と実出力値との偏差に所定のゲインＧ３を掛けて出力電圧補正値を算出する。

さらに出力電圧制御装置４では、高効率運転制御ループ４ａと出力電圧制御装置４ｂからそれぞれ算出した出力電圧値と、出力補正ループ４ｃから算出した出力電圧補正値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として信号変換機４ｄに送る。信号変換機４ｄは第１実施形態と同様に出力電圧目標値に対応して励磁機９の励磁電圧又は整流器３の点弧角を調整することにより出力電圧を制御する。

このように第４施形態の風力発電装置１０は、出力電圧制御装置４において高効率運転を行うための出力電圧値を高効率運転制御ループ４ａにより算出し、出力変動抑制を行うための出力電圧値を出力変動抑制ループ４ｂにより算出する点では第３実施形態と同様であるが、さらに水電解特性の設計値と実出力値との偏差に基づいて出力電圧目標値を補正するための出力電圧補正値を出力補正ループ４ｃにより算出するようになっているため、高効率発電により水素製造コストの低減を図ることができ、電圧変動の抑制により水電解装置の寿命低下を防止できることに加え、更に、出力電圧補正値により水電解装置の特性劣化を補償することが可能となり、システムの信頼性が向上する。

なお、上述した実施形態では風力発電装置を水電解装置に接続し、発電出力を水電解装置の電源として使用したが、これに限定されるものではなく、他の電力系統への接続に対応できることは勿論であり、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることも勿論である。

本発明に係る風力発電装置の第１実施形態の構成図である。 本発明に係る風力発電装置の第２実施形態の構成図である。 本発明に係る風力発電装置の第３実施形態の構成図である。 本発明に係る風力発電装置の第４実施形態の構成図である。 特許文献１の「自然力利用発電電解法による補助燃料製造とその利用法」の構成図である。 特許文献２の「水素生産用水上風力発電設備」の構成図である。

符号の説明

１ 風車
２ 発電機
３ 整流器
４ 出力電圧制御装置
４ａ 高効率運転制御ループ
４ｂ 出力変動抑制ループ
４ｃ 出力補正ループ
４ｄ 信号変換機
５ 励磁機
６ 水電解装置
１０ 風力発電装置

Claims (7)

1. 風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、
   前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループを有し、該高効率運転制御ループにより求めた出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
2. 風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、
   前記出力電圧制御装置は、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループを有し、該出力変動抑制ループにより求めた出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
3. 風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置と、を備え、
   前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づいて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループからそれぞれ求まる出力電圧値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
4. 風車と、該風車の軸に接続した発電機と、該発電機からの交流電力を直流電力に変換し変換された発電出力を水電解装置に供給する整流器と、該整流器の出力電圧を制御する出力電圧制御装置とを備え、
   前記出力電圧制御装置は、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループと、風車回転速度と風車トルクから求まる発電出力値を所定時間内において平均化した平均発電出力値に基づき水電解特性の設計値を用いて電圧変動の少ない出力電圧値を求める出力変動抑制ループと、水電解特性の設計値と実出力値との偏差に基づいて出力電圧補正値を求める出力補正ループとを有し、高効率運転制御ループと出力変動抑制ループによりそれぞれ求めた出力電圧値と出力補正ループにより求めた出力電圧補正値を積算して平均化し、これを出力電圧目標値として出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
5. 前記高効率運転制御ループは、風車回転速度の時間微分値がプラスのときに、出力電圧目標値を増大させるように出力電圧値を求め、風車回転速度の時間微分値がマイナスのときに、出力電圧目標値を減少させるように出力電圧値を求める、ことを特徴とする請求項１、３又は４のいずれかに記載の風力発電装置。
6. 前記出力変動抑制ループは、平均発電出力値に一次遅れの時定数をもたせて出力電圧値を求める、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の風力発電装置。
7. 前記発電機の励磁機の励磁電圧又は前記整流器の点弧角を調整することにより、出力電圧を制御する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の風力発電装置。
   

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