JP4416444B2

JP4416444B2 - 風力発電機の保護システム

Info

Publication number: JP4416444B2
Application number: JP2003196170A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP2005033915A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、可変ピッチ機構を有する風力発電機の保護システムに関し、特に、停電や故障等の異常時や突風による過回転時での保護システムに関する。ここで、可変ピッチ機構とは、風力発電機のブレードをフェザー側（風圧が最小になる側）に操舵したりフラット側（風圧が最大になる側）に操舵する機構である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、風力発電機には冗長性を持たせるべく二系統以上の保護システムが要求される。全ての条件が正常な場合に適用するためのものが主ブレーキ、故障や停電などにより主ブレーキが作動不能のときに適用するものが補助ブレーキ（緊急ブレーキ）である。保護システムは、相互に独立したシステムで、如何なる単一故障時にも安全な状態を保つ必要があり、また、少なくとも一系統が空力ブレーキシステム、即ち、ブレードフェザーや翼端ブレーキなど、ロータが過剰な空力的負荷を発生させないようにするシステムであることが原則とされる。
可変ピッチ機構を有する風力発電機では、全てのブレードのピッチ角を機械的に同期させるための機構、即ち、ピッチリンクの有無で保護システムの内容が若干異なるが、基本的なブレーキシステムは異ならない。
即ち、可変ピッチ機構を有する風力発電機は、ピッチリンクの有無に拠らずに、一般的に、主ブレーキがブレードフェザーであり、補助ブレーキ（緊急ブレーキ）は、主ブレーキが故障や停電などにより作動不能になったときに使用されるもので、例えば非特許文献１に示されているようなディスクブレーキで構成されている。但し、ピッチリンク無しの風力発電機の場合には、ブレードごとに独立してブレードフェザーを確保できるような機構をもっている。
ところで、ブレードフェザーを生ぜしめるための可変ピッチ機構を駆動するアクチュエータとしては、例えば特許文献１に開示されているような電動機（サーボモータや駆動回路などで構成）を用いたもの、或いは、例えば特許文献２に開示されているような油圧装置（油圧シリンダや油圧回路などで構成）を用いたものがあるが、ピッチリンク無しの風力発電機の場合には、各ブレードごとに、その可変ピッチ機構を駆動するための電動機や油圧装置をそれぞれ必要とする。
【０００３】
【非特許文献１】
インターネット＜ＵＲＬ：http://www.windpower.org/en/kids/choose/nacelle/brake.htm＞
【特許文献１】
特開昭６２−２８４９６９（第３頁、第１及び４図）
【特許文献２】
特開昭５７−３７３（第７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した風力発電機は、例えば故障や停電などにより主ブレーキが作動不能になった時、とりわけ、ブレードがフラット側に操舵されて過回転状態にあるような場合に主ブレーキが作動不能になった時には、上述したディスクブレーキのような補助ブレーキでロータ（図１の符号２）を過回転から保護しなければならないので、ピッチリンク有りの風力発電機における補助ブレーキには大きな制動トルクが要求される。したがって、これに見合う容量のディスクブレーキなどが必要となるために、補助ブレーキシステム全体が大型化してしまう問題点がある。また、大きな制動力を支える支持構造物や、制動に伴い大きな慣性力が発生するブレード・ハブ・増速機に対する強度の要求も高くなり、重量増加の要因となる問題もある。しかるに、ピッチリンク無しの風力発電機のように、各ブレードごとに主ブレーキが装着される構成のものについては、各ブレードの主ブレーキの全てが同時に作動不能になることは三重故障のため無視できるが、停電のような場合には、全ての主ブレーキが作動不能になるために、ピッチリンク有りの風力発電機の場合と同様に補助ブレーキには大きな制動トルクが要求される結果、補助ブレーキシステム全体の大型化や、支持構造物・ロータの重量が増加してしまう問題点が同様にある。
また、補助ブレーキシステムを大型化させず、且つ、支持構造物・ロータの重量軽減のためには、ピッチリンク有りの風力発電機の場合には、主ブレーキを駆動するための大容量のディスクブレーキなどを、また、ピッチリンク無しの風力発電機の場合には、各ブレードの主ブレーキを駆動するためのバッテリやインバータなどを主ブレーキの数だけ用意する必要があるが、これでは主ブレーキシステムとしての簡素化が図れないという問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、補助ブレーキシステムの大型化、及び支持構造物・ロータの重量増加をさせることなく、しかも、主ブレーキシステムの簡素化が図れて故障や停電などの異常時に対応できる風力発電機の保護システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る風力発電機の保護システムは、風力発電機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する交流発電機と、この交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、風力発電機の可変ピッチ機構を駆動すべくアクチュエータの入力側に接続される第２の送電線と、第１の送電線と第２の送電線間に配設される第３の送電線と、前記交流発電機で発電された電気を系統連係設備に送電すべく当該系統連係設備と前記第１の送電線間に配設される第４の送電線と、前記系統連係設備から前記アクチュエータに給電すべく当該系統連係設備と前記第２の送電線間に配設される第５の送電線と、第１の送電線を第３の送電線と前記第４の送電線のいずれかに接続する第１のリレーと、第２の送電線を第３の送電線と前記第５の送電線のいずれかに接続する第２のリレーと、第１のリレー及び第２のリレーに対する切換指令を発する制御器とを備え、前記制御器は、前記可変ピッチ機構により前記風力発電機のブレードをフェザー側に操舵することが不能になった場合、前記第１のリレーに切換指令を発して前記第１の送電線の接続を前記第４の送電線から前記第３の送電線に切り換えるとともに前記第２のリレーに切換指令を発して前記第２の送電線の接続を前記第５の送電線から前記第３の送電線に切り換えることで、前記交流発電機と前記アクチュエータ間に閉回路を形成して前記交流発電機で発電された電気で直接に前記アクチュエータにより前記可変ピッチ機構を駆動して前記ブレードをフェザー側に操舵するものであり、これにより、主ブレーキと補助ブレーキとが協働する態様となるので、補助ブレーキシステムの大型化や、支持構造物・ロータ等の重量を増加させずに故障や停電などの異常時に対応できるようになる。また、本保護システムでは、故障や停電などに備えて主ブレーキを駆動するため、ブレーキごとに独立なバッテリやインバータを備えておく必要がなくなるので、主ブレーキシステムの簡素化が図れる。
【０００７】
また、本発明の請求項２に係る風力発電機の保護システムは、前記交流発電機を３相の交流発電機とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る風力発電機の保護システムを図１，２を参照して説明する。
本実施の形態に係る風力発電機の保護システムは、可変ピッチ機構（図示せず）を有する風力発電機１に適用されるが、風力発電機１がピッチリンク（図示せず）を有している否かには拠らずに適用されるため、ここでは、ピッチリンクを有している風力発電機１について説明する。
まず、本風力発電機１は、図１に示すように、ロータ２が駆動軸３の一端に取り付けられる一方、駆動軸３の他端に３相の同期型発電機（交流発電機）４が取り付けられている。そして、ロータ２は、ハブ２ａ及び当該ハブ２ａからシャンク２ｂを介して延出する複数のブレード２ｃ（同図には、そのうちの１枚のブレードのみが描かれている）で構成されている。かかるブレード２ｃは、シャンク２ｂに対し回動自在に取り付けられ、ハブ２ａ内に配設されたアクチュエータ５により、可変ピッチ機構を介してフェザー側或いはフラット側に操舵される。尚、本風力発電機１がピッチリンクを有しているので、フェザー側或いはフラット側への操舵は、複数のブレード２ｃについて同時になされる。
【０００９】
そして、本風力発電機１の保護システムは、図１に示すように、風力発電機１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する上述した３相の同期型発電機４と、この同期型発電機４の出力側に接続される第１の送電線６ａ〜６ｂと、同期型発電機４の入力側に接続されるとともに、上述したアクチュエータ５の入力側に接続される第２の送電線７ａ〜７ｃ（但し、図１では、アクチュエータ５の入力側への接続は図示されていない）と、第１の送電線６ａ〜６ｂと第２の送電線７ａ〜７ｃ間に配設される第３の送電線８ａ〜８ｃと、第１の送電線６ａ〜６ｂと第３の送電線８ａ〜８ｃ間を断続する、図２に詳細に示す第１のリレー９と、第２の送電線７ａ〜７ｃと第３の送電線８ａ〜８ｃ間を断続する、図２に詳細に示す第２のリレー１０と、第１のリレー９及び第２のリレー１０に対する切換指令を発する制御器１１とで構成される。本保護システムでは、第１のリレー９には、整流器１２を介して同期型発電機４で発電された電気を系統連係設備１３に送電するべく第４の送電線１４ａ〜１４ｃが接続されており、当該リレー９により、第１の送電線６ａ〜６ｂの、第３の送電線８ａ〜８ｃ又は第４の送電線１４ａ〜１４ｃへの接続を可能にする。また、第２のリレー１０には、系統連係設備１３からアクチュエータ５の入力側に給電するべく第５の送電線１５ａ〜１５ｃが接続されており、当該第２のリレー１０により、第２の送電線７ａ〜７ｃの、第３の送電線８ａ〜８ｃ又は第５の送電線１５ａ〜１５ｃへの接続を可能にする。
ところで、上記系統連係設備１３は、本風力発電機１以外の他の発電所１６及び一般の家屋１７などとも送電線でそれぞれ接続されている。
【００１０】
次に、本風力発電機１の保護システムの動作を説明する。
主ブレーキ（フェザー）が正常に作動する状態にある場合には、第１のリレー９においては、図２の実線で示すように第１の送電線６ａ〜６ｂと第４の送電線１４ａ〜１４ｃ間が接続状態にあり、また、第２のリレー１０においては、図２の実線で示すように第２の送電線７ａ〜７ｃと第５の送電線１５ａ〜１５ｃ間が接続状態にあり、同期型発電機４で発電された電気は、送電線６ａ〜６ｂ及び１４ａ〜１４ｃを介して系統連係設備１３に送電される一方、アクチュエータ５には、第２の送電線７ａ〜７ｃを介して給電されるので、当該アクチュエータ５により主ブレーキ（フェザー）が作動する。
しかるに、本保護システムでは、故障や停電などで主ブレーキ（フェザー）が作動不能となった時、この情報が制御器１１に伝達される。すると、この制御器１１において、第１のリレー９及び第２のリレー１０に対し切換指令が発せられ、第１のリレー９において、図２の破線で示すような第１の送電線６ａ〜６ｂと第３の送電線８ａ〜８ｃ間が接続するように切り換えられ、また、第２のリレー１０において、図２の破線で示すような第２の送電線７ａ〜７ｃと第３の送電線８ａ〜８ｃ間が接続するように切り換えられ、同期型発電機４とアクチュエータ５間に閉回路が形成される。これにより主ブレーキが作動するようになって、即ち、ブレード２ｃが可変ピッチ機構を介して操舵される（本風力発電機１では、複数のブレード２ｃについて同時に操舵される）ようになるので、補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに故障や停電などの異常時に対応できるようになる。しかも、かかる異常時に備えて主ブレーキを駆動するためのバッテリ等を備えておく必要もないので、主ブレーキシステムの簡素化が図れる。
【００１１】
また、本保護システムでは、ブレード２ａがフラット側に操舵されて過回転状態にあるような場合に主ブレーキが作動不能になったような時には、上述と同様にして同期型発電機４とアクチュエータ５間に閉回路を形成し、アクチュエータ５に駆動される可変ピッチ機構を介してブレード２ａをフェザー側に操舵するようにして補助ブレーキに加わる負荷を軽減するとともに、主ブレーキと補助ブレーキとが協働する態様を採るので、過回転の異常時にも補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに対応できる。また、このような事態に備えて主ブレーキを駆動するためのバッテリを備えておく必要もないので、主ブレーキシステムの簡素化が図れる。
【００１２】
ところで、上述した実施の形態に係る風力発電機１は、ピッチリンクを有しているものであったが、ピッチリンク無しの風力発電機においても、ピッチリンク有りの風力発電機１の場合と同様に、主ブレーキと補助ブレーキとが協働する態様となるので、補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに故障や停電などの異常時に対応でき、しかも、異常時に備えて主ブレーキを駆動するためのバッテリを備えておく必要もないので、主ブレーキシステムの簡素化が図れる。
即ち、ブレードごとにピッチ変更機構を備える風力発電機の場合、停電のような異常時には、各ブレード２ｃの主ブレーキの全てが同時に作動不能になるので、本保護システムを用いて主ブレーキと補助ブレーキとが協働する態様を採ることにより、補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに対応でき、しかも、各ブレードの主ブレーキを駆動するためのバッテリをそれぞれ備えておく必要もなくなる。しかるに、この種の風力発電機の場合、主ブレーキの全てが同時に故障して作動不能になることは三重故障が発生した場合に限られる。したがって、少なくとも一つのブレード２ｃの主ブレーキが故障していなければ、その主ブレーキと補助ブレーキとが協働するので、補助ブレーキに加わる負荷は軽減するが、故障している主ブレーキをも協働させるようにすることにより、主ブレーキの全てと補助ブレーキとが協働する態様となるので、補助ブレーキに加わる負荷を軽減させることができ、補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに済ませることができる。また、各ブレードの主ブレーキを駆動するためのバッテリをそれぞれ備えておく必要もないことはもちろんである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の風力発電機の保護システムによれば、故障や停電などで主ブレーキが作動不能となった時、第１のリレー及び第２のリレーが切り換えられて第１の送電線と第３の送電線及び第２の送電線と第３の送電線が接続され、これによって交流発電機とアクチュエータ間に形成される閉回路により、ロータ（発電機）回転により発生した電力が直接アクチュエータを駆動し、ブレードをフェザー側に操舵するので、補助ブレーキシステムの大型化及び支持構造物・ロータの重量増加なしに故障や停電などの異常時に対応できるようになるとともに、異常時に備えて主ブレーキを駆動するためのバッテリを備えておく必要がないので、主ブレーキシステムの簡素化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る風力発電機の保護システムの構成図である。
【図２】図１における第１のリレー及び第２のリレー部位の詳細図である。
【符号の説明】
１風力発電機
２ロータ
２ｃブレード
４３相の同期型発電機（交流発電機）
５アクチュエータ
６ａ〜６ｂ第１の送電線
７ａ〜７ｃ第２の送電線
８ａ〜８ｃ第３の送電線
９第１のリレー
１０第２のリレー
１１制御器

Claims

風力発電機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する交流発電機と、
該交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、
前記風力発電機の可変ピッチ機構を駆動すべくアクチュエータの入力側に接続される第２の送電線と、
前記第１の送電線と前記第２の送電線間に配設される第３の送電線と、
前記交流発電機で発電された電気を系統連係設備に送電すべく当該系統連係設備と前記第１の送電線間に配設される第４の送電線と、
前記系統連係設備から前記アクチュエータに給電すべく当該系統連係設備と前記第２の送電線間に配設される第５の送電線と、
前記第１の送電線を前記第３の送電線と前記第４の送電線のいずれかに接続する第１のリレーと、
前記第２の送電線を前記第３の送電線と前記第５の送電線のいずれかに接続する第２のリレーと、
前記第１のリレー及び第２のリレーに対する切換指令を発する制御器とを備え、
前記制御器は、前記可変ピッチ機構により前記風力発電機のブレードをフェザー側に操舵することが不能になった場合、前記第１のリレーに切換指令を発して前記第１の送電線の接続を前記第４の送電線から前記第３の送電線に切り換えるとともに前記第２のリレーに切換指令を発して前記第２の送電線の接続を前記第５の送電線から前記第３の送電線に切り換えることで、前記交流発電機と前記アクチュエータ間に閉回路を形成して前記交流発電機で発電された電気で直接に前記アクチュエータにより前記可変ピッチ機構を駆動して前記ブレードをフェザー側に操舵することを特徴とする風力発電機の保護システム。
前記交流発電機は３相の交流発電機であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機の保護システム。