JP4354780B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車で駆動される発電機により発電電力を得るようにした風力発電装置に関するものである。

風力エネルギーから電力エネルギーを得る風力発電装置は、風力がランダムに変化するため、発電電力も乱高下する特性を有している。そのため、発電した電力を使用するには電力を平準化する必要がある。また、風力発電機の定格風速に値するような風況は稀で、ほとんどが定格風速以下の弱風であることが多い。そのため、低風速時の発電電力を有効利用し、かつ任意の風速における風力エネルギーも高効率で発電電力として回収できることが望まれる。

特許文献１には、風力発電機に接続する整流ユニット、電圧制御ユニット、昇圧ユニットおよび連系ユニットと、電圧制御ユニットの出力側に接続する電気二重層形のキャパシタとを設け、発電電力の変動を電圧制限ユニットで電圧を制限してキャパシタに充電し、昇圧ユニット、連系ユニットを介して商用電源系統に安定的に送出する系統連系装置が開示されている。

特許文献２には、風速の変動に合わせて発電機の出力を電力制御装置で高速にプラスマイナスに調整制御することにより最大効率速度追従運転を可能とし、また、その電力変動を平滑化して外部に動揺を与えないようにするために、フライホイール付電力貯蔵装置を使用した風力発電設備が開示されている。
特開２００２−１０１５５９（要約、明細書段落０００５〜００１５参照） 特開２００２−２８５９４９（明細書段落０００８〜００１２参照）

しかしながら、特許文献１では、低風速時の発電電力を有効に利用できるようになっていない。つまり、風力発電機の発電電力が小さい場合、風速が増して発電電力が大きくなるまで、電圧制御ユニットからの出力を中断する制御を行っている。そのため、風力エネルギーを有効利用しているとは言えない。また、電気二重層キャパシタはあくまでも電力バッファであり、その電圧を積極的に変化させ風車を効率良く発電させる働きは行っていない。

また、特許文献２では、電力変換装置として回転型誘導移相機を用いて電力変動を平滑化し、かつ短周期の充放電運転に対して高い効率を示すフライホイール付電力貯蔵装置を用いているので、設備自体が大型化して高価になっていた。

本発明は、上記課題に鑑み、低風速時の発電電力を有効利用し、かつ任意の風速における風力エネルギーも高効率で電力エネルギーとして回収できる風力発電装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、風車で駆動される風力発電機により発電電力を得るようにした風力発電装置において、前記風力発電機から発生した交流電圧を整流し出力電流を調整する充電回路と、該充電回路の出力電力を蓄電すると共に出力電力を平準化するキャパシタと、強風時に出力電流を制限して前記キャパシタへ優先的に給電する電流調整回路と、前記電流調整回路および充電回路を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記電流調整回路の出力電流を調整し、前記キャパシタの蓄電電圧を変化させて、前記風力発電機を最高効率点に追従させることを特徴としている。

上記構成においては、電流調整回路の電流制限値は、その上流側に位置するキャパシタの電圧と、風力発電機の回転数もしくは風速から演算される。その制御は、基本的には、風速が強くなれば風力エネルギーが増大して発生電力も増大するので、キャパシタの端子電圧も上昇させるが、最も特徴的な制御は、風力発電機を最大効率点に追従させることであり、それによって、連系ユニットのパワーコンディショナが持っているMPPT制御を有効に利用することができる。

つまり、連系ユニットの汎用パワーコンディショナはMPPT制御（最大電力追従制御：Maximum Power Point Tracking）機能を有している。MPPT制御とは入力電圧を一定間隔で少しだけ上下に変化させ、そのときの電力の増減を判断することにより電圧を上げるか下げるかを判断して最大電力への追従制御を行うものである。MPPT制御を風力に適用する場合、風速の変化が激しいため困難であるが、本発明では、キャパシタとして電気二重層コンデンサを用いることにより入力電力を平準化することで前記汎用パワーコンディショナのMPPT制御の活用を可能としている。

ここで、本発明の構成である電流調整回路が無い場合は、電流調整回路の入力電圧Ｖ６と出力電圧Ｖ７は、Ｖ６＝Ｖ７となり、電圧はパワーコンディショナによって決定されることになる。また、パワーコンディショナの入力電流については電流制限を行っているため、電源側のインピーダンスが小さい場合、入力電圧があまり変化しない。そのためMPPT制御が活用できず、電気二重層コンデンサも十分に活用することができない。特に強風時においては、風車の効率を上げるためには風車の回転速度を高くする必要があり、そのため、電気二重層コンデンサの電圧Ｖ６を上げる必要がある。

本発明では、電力の平準化だけでなく、蓄電したエネルギー量に応じて電圧が上昇するという電気二重層コンデンサの特徴を活かすため、電流調整回路を電気二重層コンデンサとパワーコンディショナ間に設け、パワーコンディショナ側へ流れる電流Ｉ３に制限値を設けることによって、風況が良くなったときに電気二重層コンデンサの電圧Ｖ６を上昇させることができる。

また、パワーコンディショナ側もMPPT制御を行うため、このときの風況が強いままなら、電流一定のもとで入力電圧を上げたとき電力が大きくなるため、入力電圧を上げる方向となる。また風況が弱くなると、電流Ｉ３を一定にするため電気二重層コンデンサが放電を行い、その電圧Ｖ６が下がる。そしてパワーコンディショナがMPPT制御で電圧を上げようとすると電流が減り、電力が小となるため、パワーコンディショナは電圧を下げる方向に行き、このように風況により入力電圧を上下させることにより電気二重層コンデンサの電圧も上下するので、風車は最高出力を出せる回転速度で回転し、パワーコンディショナのMPPT制御を活かすことができ、かつ発電機の速度を風況に合った高効率点に追従させて運転することもできる。

また、本発明は、風車で駆動される風力発電機により発電電力を得るようにした風力発電装置において、前記風力発電機から発生した交流電圧を整流して出力電流を調整する充電回路と、該充電回路の出力電力を蓄電すると共に出力電力を平準化するキャパシタと、強風時にその出力電流を制限して前記キャパシタへ優先的に給電する電流調整回路と、前記電流調整回路および充電回路を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記キャパシタの蓄電電圧、風力発電機回転数もしくは風速を検出して前記充電回路の出力電流を制御することを特徴としている。

上記構成においては、低風速で風力発電機によって十分な発電電力が得られない場合、そのままキャパシタおよび連系ユニット又は蓄電池側への給電をおこなうと、風車は失速状態となりやすく、回転が十分に行えなくなる。そこで、キャパシタの蓄電電圧Ｖ６と、風力発電機回転数もしくは風速に合わせて、比例特性もしくは２乗特性で出力電圧Ｖ５を調整し、充電電流Ｉ１を制御する。

この充電回路は、風力発電機から発生した交流電圧をそのまま整流する整流回路と、風力発電機から発生した交流電力を整流する整流部および出力電圧を調整する電圧調整部からなるＡＣ／ＤＣコンバータとが直列に接続される。

これにより、制御回路では、弱風時に電圧調整部から出力される出力電圧を調整し出力電流Ｉ１を制御し、強風時に前記ＡＣ／ＤＣコンバータを停止しパイパスさせて整流回路のみで充電するよう前記電圧調整部を制御することができる。

このような制御を行う場合、キャパシタの蓄電電圧を検出する電圧検出手段と、前記風力発電機の回転数もしくは風速を検出する発電機回転数等検出手段とを設け、制御回路では、前記電圧検出手段および発電機回転数等検出手段からの入力信号に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータの電圧調整部を制御することができる。

上記のような制御においては、キャパシタとして電気二重層コンデンサを用いた場合、電気二重層コンデンサの特性により、効率良く電力を取り出すことができる。

電気二重層コンデンサは、通常のコンデンサと同様に直流電力の蓄電機能を有しているが、その蓄電エネルギー密度が飛躍的に高い。また蓄電池とは異なり、蓄電量に対して電圧が変化する特性を備えており、この特性を利用すれば、エネルギー変動の大きい風力発電電力を平準化し風況に応じて効率よく電力を取り出すことができる。

また、前記電流調整回路の出力側には、商用電源と連系する連系ユニットを接続し、あるいは蓄電池および負荷設備を接続して風力発電電力を供給することができる。

特に、インバータおよび同期回路からなる連系ユニットは、その上流側の電気二重層コンデンサおよび電流調整回路により、商用電源系統に見合う平準化された電圧および電流に変換して供給されるため、変動の大きい風力発電エネルギーであっても系統連系に対応した複雑な制御動作が不必要となり、太陽光発電設備に使用されるような汎用パワーコンディショナで十分対応することができる。

本発明によると、電流調整回路の出力電流を制御することにより、電気二重層コンデンサの電圧を変化させることができるので、風力発電機の特性に合わせて電力エネルギーを有効に回収することができ、また、充電回路の電圧調整部により弱風時にも効率良く電力を回収することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態を示す商用電源に連系する風力発電装置の電気回路図、図２は同じく風力発電機の電力ー回転数特性曲線を示す図である。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置は、商用電力系統１に連系する風力発電装置であって、風車による風力エネルギーを電力エネルギーに変換する風力発電機２と、該風力発電機２からの発生電力を変圧する変圧器３と、該変圧器３の２次巻線、３次巻線において発生交流電圧を整流する整流回路４およびＡＣ／ＤＣコンバータ５からなる充電回路６と、前記充電回路６の直流出力電力を蓄電すると共にその出力電力を平準化するキャパシタ７と、商用電力系統１に連系する連系ユニット８への出力電流を制限して前記キャパシタ７へ優先的に給電する電流調整回路９と、該電流調整回路９の出力電流および充電回路６の出力電流を制御する制御回路１０とを備えている。

風力発電機２は、ロータおよびステータを備えた一般的な同期発電機であって、ロータに風車の回転軸が連結され、風によって回転する風車の風力エネルギーによりロータを回転させ交流電力を発生させるようにしている。この風力発電機２の三相交流配線は、運転・停止の切換えスイッチ１２を介して変圧器３の一次側に接続されている。

変圧器３は、風力発電機２にて発生した電力を連系ユニット８の適正入力範囲内に変圧するものであって、１次巻線側コイル、２次巻線、３次巻線側コイルおよび鉄心から構成され、風力発電機２と二次側回路とを電気的に絶縁するようになっている。変圧器３の２次巻線および３次巻線には前記充電回路６が接続される。

充電回路６は、整流回路４およびＡＣ／ＤＣコンバータ５並びにバイパスダイオードＤ１から構成されている。整流回路４は、ダイオードブリッジで構成され、風力発電機２で発生した交流電圧をそのまま整流して直流電圧に変換し、これをキャパシタ７と連系ユニット８に給電する。また、後述するが、強風時にはＡＣ／ＤＣコンバータ５を遮断して単独でキャパシタ７および連系ユニット８へ給電動作を行うようになっている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５は、風力発電機２から発生した交流電圧を整流する整流部５ａおよび出力電圧を調整する電圧調整部５ｂから構成されている。整流部５ａは、整流回路４と同様にダイオードブリッジから構成され、その出力側に電圧調整部５ｂが接続される。

電圧調整部５ｂは、直流リアクトルと、短時間にオン・オフを繰り返すスイッチング素子５ｃと、コンデンサとを備え、変圧器３の３次巻線側コイルの端子電圧Ｖ３をスイッチングのON-OFF比を変えることにより出力電圧Ｖ５を調整し、電流Ｉ１を制御するようになっている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力端子は、整流回路４と直列接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ５と整流回路４の出力電圧Ｖ４との合計電圧がキャパシタ７の端子電圧Ｖ６になるようにしている。

バイパスダイオードＤ１は、電圧調整部５ｂのコンデンサと並列接続されている。

そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ５は、弱風時には変圧器３の３次巻線側コイルの端子電圧Ｖ３を出力電圧Ｖ５まで昇圧し、また、強風時にはスイッチング素子が遮断されてＡＣ／ＤＣコンバータ５が停止し、出力電流Ｉ１はバイパスダイオードＤ１を通り整流回路４により流されるようになっている。

キャパシタ７は、整流回路４の出力端子側に接続された電気二重層コンデンサを用いている。以下、キャパシタ７を電気二重層コンデンサ７と称して説明する。

電気二重層コンデンサ７は、活性炭と電解液の界面に発生する電気二重層を動作原理として利用したコンデンサである。固体として活性炭、液体として電解液を用いて、これらを接触させると、その界面にプラス、マイナスの電極が極めて短い距離を隔てて相対的に分布する。この現象を電気的二重層といい、外部より電界を印加すると電解液中で活性炭の表面近傍にプラス、マイナスの電極を形成することで蓄電することができる。

本実施形態において電気二重層コンデンサ７を用いたのは、電池のように充放電に化学反応を利用したものでないため、充放電時の電力損失が少なく、かつ繰り返し充放電に対しても、その耐久性が高く、また瞬発エネルギーを高効率で充放電できるためである。また、蓄電されるエネルギー密度が一般的なコンデンサに比べて飛躍的に高く、エネルギーバッファ用デバイスとして有効であるなどの特性を備えている。特に、電気二重層コンデンサ７は、その蓄電量に対し電圧が変化する特性があり、その特性を利用して風力発電機２の出力電圧Ｖ１を最高効率点に追従させて運転することができる。

電流調整回路９は、スイッチング素子９ａおよびインダクタンス９ｂを備え、スイッチング素子９ａのオン・オフにより通電率を可変できるようになっている。この電流調整回路９は、連系ユニット８への流入電流Ｉ３を調整し、電気二重層コンデンサ７へ優先的に給電することで電圧を変化させることができ、高風速時風車の効率が良くなるように風車の回転速度を調整出来る。

連系ユニット８は、電流調整回路９から入力した直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用電源の周波数に同期させる同期回路と、商用電源保護回路とを備えたパワーコンディショナである。本実施形態においては、制御回路１０による後述の制御動作により、太陽光発電設備用の汎用パワーコンディショナを用いることができる。

制御回路１０は、電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６を検出する電圧検出手段１０ａと、風力発電機の回転数もしくは風速を検出する発電機回転数等検出手段１１と、該電圧検出手段１０ａと発電機回転数等検出手段１１からの入力信号により演算された電流設定値により電流調整回路９の出力電流を調整し、電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧を可変することで、前記風力発電機２を最高効率の動作点に追従させる最大効率点追従手段１０ｂと、前記電圧検出手段１０ａからの入力信号と前記発電機回転数等検出手段１１からの入力信号により前記ＡＣ／ＤＣコンバータ５のスイッチング素子５ｃのオン・オフタイミングを調整することによりＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流Ｉ４を調整して電気二重層コンデンサ７に蓄電しやすいように制御する電圧調整制御手段１０ｃとを備えている。

最大効率点追従制御手段１０ｂは、電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧を検出する電圧検出手段１０ａからの入力信号と発電機回転数等検出手段１１からの入力信号による演算された設定値に基づいて電流調整回路９のスイッチング素子９ａをＰＷＭ制御するようになっている。

電圧調整制御手段１０ｃは、前記風力発電機２の回転数もしくは風速を検出する発電機回転数等検出手段１１が接続され、電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧を検出する電圧検出手段１０ａ、および前記発電機回転数等検出手段からの電圧信号に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ５の電圧調整部５ｂのスイッチング素子５ｃをＰＷＭ制御するようになっている。

発電機回転数等検出手段１１は、風力発電機の回転数を電圧で検出し周波数に変換する電圧−周波数変換器、あるいは風速を検出する風速計から構成されている。

また、制御回路１０では、上記構成に加えて、電流調整回路９および電圧調整部５ｂの出力電流を検出する電流検出器（図示略）を設け、各電流検出器からの電流信号に基づいて各スイッチング素子５ｃ、９ａをフィードバック制御するようにしてもよい。

上記制御回路１０の制御動作を他の構成の動作と共に説明する。風力発電機２で発生した交流電力は変圧器３により連系ユニット８の入力電圧範囲内の電圧レベルに変換され、充電回路６の整流回路４およびＡＣ／ＤＣコンバータ５に給電される。

整流回路４とＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力側は直列に接続されており、それぞれの直流電力は電気二重層コンデンサ７と連系ユニット８に給電される。このとき、電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６は、整流回路４の端子電圧Ｖ４とＡＣ／ＤＣコンバータ５の端子電圧Ｖ５を加算したものとなる。

弱風時には変圧器３の２次巻線、３次巻線電圧Ｖ２，Ｖ３は共に低く、そのままでは風力発電機２に負荷がかからないため、風力発電機２の発生電力を有効に回収することができない。

そこで、制御回路１０では、電圧検出手段１０ａにより電気二重層コンデンサ７の電圧Ｖ６を検出すると共に、発電機回転数等検出手段１１により、風力発電機の回転数もしくは風速を検出し、該発電機回転数等検出手段１１の出力信号に基づいて、つまり風況に合わせてＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧をスイッチング素子５ｃにより制御して、前記検出要素の比例特性あるいは二乗特性に従い出力電流Ｉ１を調整し、電気二重層コンデンサ７および連系ユニット８に給電する。

強風時には、風力発電機２の発電電力が高くなるため、変圧器３の２次巻線、３次巻線電圧Ｖ２，Ｖ３が共に高くなる。電気二重層コンデンサ７には変圧器３、充電回路６のＡＣ／ＤＣコンバータ５および整流回路４から給電されるので、電気二重層コンデンサ７の蓄電量が増大することになる。

制御回路１０では、電圧検出手段１０ａにより、電気二重層コンデンサ７の電圧を検出し、電圧調整制御手段１０ｃでは、スイッチング素子５ｃを制御してＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流を徐々に減少させ、電気二重層コンデンサ７の検出電圧Ｖ６が一定電圧以上になった場合、ＡＣ／ＤＣコンバータ５を停止させ、バイパスダイオードＤ１により出力電流Ｉ１をバイパスさせる。

これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ５の動作が停止して整流回路４が単独で給電動作を行い、電気二重層コンデンサ７および連系ユニット８に給電するようになる。

このように、低風速時においてもＡＣ／ＤＣコンバータ５により変圧器３の２次巻線、３次巻線電圧Ｖ２，Ｖ３を調整して電気二重層コンデンサ７および連系ユニット８に給電することができ、風力発電機２の発電電力を有効利用することができる。

そして、電気二重層コンデンサに電荷が蓄電され電圧が発生すると、その電圧までは風車は無負荷で回転することが出来るため、弱風時でも容易に回転を維持することができる。

また、強風時には、ＡＣ／ＤＣコンバータ５を切り離して整流回路４を単独で動作させ、電気二重層コンデンサ７および連系ユニット８に給電するので、ＡＣ／ＤＣコンバータ５は弱風時のみに対応する小容量の変換器でよく、安価となる。また複雑な制御動作が不要となり、弱風時から強風時にかけた一連の制御動作をスムーズに行うことができる。

すなわち、電気二重層コンデンサ７に蓄電されていない状態での初期充電から商用電力電源に連系を開始した後の発電時までのシステム全体の挙動がスムーズに行える。

一方、電流調整回路９では、風速に合わせて電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６を変化させるべく連系ユニット８への電流Ｉ３を制限する。その制御は、基本的には、風速が高くなれば風力エネルギーが増大して発生電力も増大するので、電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６も上昇し、風力発電機２の回転速度も上昇し、高効率点に追従する。また、パワーコンディショナ側もMPPT制御を行うことで最高効率点を探して電圧が上昇する。

つまり、制御回路１０の最大効率点追従手段１０ｂは、電圧検出手段１０ａからの検出電圧Ｖ６と発電機回転数等検出手段１１からの発電機回転数もしくは風速信号から演算された電流設定値により、電流調整回路９のスイッチング素子９ａをオン・オフ制御して電流調整回路９の出力電流値をある値に制限する。風況がいい状態のままなら出力電流を制限した状態のため電気二重層コンデンサの電圧が上昇し、しいては風力発電機２の回転数も上昇し、高効率での発電となる。また連系ユニット８のパワーコンディショナもMPPT制御で電圧を上下に振らして最高効率点を探すため、風況が良く、電圧を上昇させてもパワーコンディショナへ流れ込む電流I3が減少しない場合、電力は増加するため、電圧が上昇していく。

逆に、風力エネルギーが連系ユニット８に流入するエネルギーよりも小さければ、電気二重層コンデンサ７の蓄電電力を連系ユニット側に放電することになるので、電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧が低下する。また、パワーコンディショナのMPPT制御も、電圧を上昇させると電流が減少するため、電力も減少し、電圧は下げる方向へ動く。

この動作を繰り返すことにより、電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧が風速に対応した最適な値となる。電気二重層コンデンサ７の蓄電電圧は風力発電機２の電圧と対応しているので、風力発電機は風速に応じた最大効率点で運転することができる。

つまり、上記動作の繰り返しにより、結果的に図２に示すような風力発電機２の電力−回転数特性曲線の最大効率点（図２に示す特性曲線の頂点部分）を探すことになり、風力発電機２を自律的に最大効率点に追従して動作させることになる。また、パワーコンディショナの持つ、MPPT制御も十分に活用できる。

なお、本実施形態においては、電流調整回路９の出力電流Ｉ３を風況に合わせた電流設定値により制御するようにしたが、これに限らず、電気二重層コンデンサの電圧Ｖ６と連系ユニット８の入力電圧Ｖ７との電圧差によって制御するようにしてもよく、また、電気二重層コンデンサ７の電圧Ｖ６と共に、発電機回転数等検出手段１１でＶ７を検出して演算をするようにしてもよい。
＜第２の実施形態＞
図３は第２の実施形態を示す独立電源用の風力発電装置の電気回路図である。図３に示すように、本実施形態においては、風力発電機にて発生した電力を蓄電池１３および負荷設備１４に給電するようにしている。

本実施形態における回路構成は、第１の実施形態における連系ユニット８に代わり、電流調整回路９の出力側に蓄電池１３および負荷設備１４が接続されたもので、その他の基本的な構成は上記第１の実施形態と同様である。

但し、変圧器３の変圧機能は、蓄電池１３の適正入力電圧範囲内とするものであり、整流器４、ＡＣ／ＤＣコンバータ５、電流調整回路９の夫々の給電機能は、蓄電池１３および負荷設備１４に向けて行われる点で、第１の実施形態と異なる。

そこで、各基本的な構成の作用については第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略し、本実施形態特有の蓄電池１３および負荷設備への給電動作について簡単に説明する。

風力発電機２で発生した交流電力を変圧器３により蓄電池１３の入力電圧範囲内の電圧値に変換し、整流回路４とＡＣ／ＤＣコンバータ５に給電される。整流回路４とＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力側は直列に接続されており、電気二重層コンデンサ７と蓄電池１３および負荷設備１４に給電される。このとき、電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６は、整流回路４の端子電圧Ｖ４とＡＣ／ＤＣコンバータ５の端子電圧Ｖ５を加算したものとなる。

弱風時には変圧器３の２次巻線、３次巻線電圧Ｖ２，Ｖ３は共に低く、そのままでは風力発電機２に負荷がかからないため、制御回路１０では、電圧検出手段１０ａにより電気二重層コンデンサ７の電圧を検出し、また発電機回転数等検出手段１１により風力発電機の回転数もしくは風速を検出し、電圧調整制御手段１０ｃによりＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ５を加算し、電気二重層コンデンサ７と蓄電池１３および負荷設備１４に給電する。

強風時には変圧器３の２次巻線、３次巻線電圧Ｖ２，Ｖ３が共に高くなるため、制御回路１０では、電圧検出手段１０ａにより、電気二重層コンデンサ７の電圧を検出し、電圧調整制御手段１０ｃにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ５の動作を停止させ、バイパスダイオードＤ１をバイパスさせて整流回路４単独で動作させ、電気二重層コンデンサ７、蓄電池１３および負荷設備１４に給電する。

一方、電流調整回路９では、電気二重層コンデンサ７の電圧Ｖ６と風力発電機の回転数もしくは風速を検出するセンサによる信号に基づいて、つまり風況に合わせて蓄電池１３への出力電流Ｉ３から負荷電流Ｉ５を差し引いた蓄電池の充電電流Ｉ６を制御すると共に、出力電流Ｉ３を制限することにより、風速が強くなると電気二重層コンデンサ７の端子電圧Ｖ６を上昇させ、風力発電機２の最高効率の動作点に追従させる制御を行う。

以上のように、電気二重層コンデンサ７を使用することで、平準化された良質な電力を蓄電池１３に流すことができる。また、蓄電量に対して電圧が変化する電気二重層コンデンサの特性を利用して、風力発電機の出力電圧Ｖ１を最高効率点に追従させて運転することができる。さらに、風力発電機の起動時の回路、および回転を維持する回路が非常に簡単となる。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流Ｉ４を制御するために電気二重層コンデンサ７の電圧Ｖ６と、風力発電機の回転数もしくは風速を検出するセンサを設け、該センサの出力信号に基づいて、つまり風況に合わせてＡＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を比例特性あるいは二乗特性に制御を行う。

その他の作用・効果は上記第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

本発明の第１の実施形態を示す商用電源に連系する風力発電装置の電気回路図 風力発電機の電力−回転数特性曲線を示す図 第２の実施形態を示す独立電源用の風力発電装置の電気回路図

符号の説明

１ 商用電源
２ 風力発電機
３ 変圧器
４ 整流回路
５ ＡＣ／ＤＣコンバータ
６ 充電回路
７ キャパシタ（電気二重層コンデンサ）
８ 連系ユニット（パワーコンディショナ）
９ 電流調整回路
１０ 制御回路
１１ 発電電圧等検出手段
１２ 切換えスイッチ
１３ 蓄電池
１４ 負荷設備

Claims (5)

1. 風車で駆動される風力発電機により発電電力を得、出力側が商用電源と連系する連系ユニットに接続されるようにした風力発電装置において、
   前記風力発電機で発生した電力を前記連系ユニットの適正入力範囲に変圧する変圧器と、
   前記変圧器から発生した交流電圧をそのまま整流する整流回路と、前記変圧器から発生した交流電圧を整流する整流部および出力電圧を調整する電圧調整部からなるＡＣ／ＤＣコンバータとが直列に接続された充電回路と、
   該充電回路の直流出力電力を蓄電すると共に、前記連系ユニットへの出力電力を平準化するキャパシタと、
   前記連系ユニットへの出力電流を制限して、前記充電回路の直流出力電力を前記キャパシタへ優先的に給電する電流調整回路と、
   前記電流調整回路および充電回路を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記整流回路の出力電圧に加算する制御と、前記電流調整回路から前記連系ユニットへの出力電流を調整する制御とにより、
   前記キャパシタの蓄電電圧を変化させて、前記風力発電機の発電電力を最高効率点に追従させることを特徴とする風力発電装置。
2. 風車で駆動される風力発電機により発電電力を得、出力側が蓄電池および負荷設備に接続されるようにした風力発電装置において、
   前記風力発電機で発生した電力を前記蓄電池の適正入力電圧範囲に変圧する変圧器と、
   前記変圧器から発生した交流電圧をそのまま整流する整流回路と、前記変圧器から発生した交流電圧を整流する整流部および出力電圧を調整する電圧調整部からなるＡＣ／ＤＣコンバータとが直列に接続された充電回路と、
   該充電回路の直流出力電力を蓄電すると共に、前記蓄電池および負荷設備への出力電力を平準化するキャパシタと、
   前記蓄電池および負荷設備への出力電流を制限して、充電回路の直流出力電力を前記キャパシタへ優先的に給電する電流調整回路と、
   前記電流調整回路および充電回路を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記整流回路の出力電圧に加算する制御と、
   前記電流調整回路から蓄電池および負荷設備への出力電流を調整する制御とにより、
   前記キャパシタの蓄電電圧を変化させて、前記風力発電機の発電電力を最高効率点に追従させることを特徴とする風力発電装置。
3. 前記キャパシタの蓄電電圧を検出する電圧検出手段と、前記風力発電機の回転数もしくは風速を検出する発電機回転数等検出手段とが設けられ、
   前記制御回路は、前記電圧検出手段および発電機回転数等検出手段からの電圧信号に基づいて前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御すること特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記制御回路は、弱風時に前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記整流回路の出力電圧に加算するとともに、強風時に前記ＡＣ／ＤＣコンバータを停止するように前記電圧調整部を制御することを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記キャパシタが電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の風力発電装置。