JP4859369B2

JP4859369B2 - 風力発電機の保護システム

Info

Publication number: JP4859369B2
Application number: JP2005006932A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: JP2006197733A

Description

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の虞がある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。

一般に、風力発電機には安全性の観点から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、基本的には異ならない。
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。

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、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１，３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。
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。
インターネット＜ＵＲＬ：http://windpower.org/en/kids/choose/nacelle/brake.htm＞特開昭６２−２８４９６９（第３頁、第１及び４図）特開昭５７−３７３（第７頁、第１図）

解決しようとする問題点は、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点である。

本発明の請求項１に係る風力発電機の保護システムは、複数のブレードのピッチ角を所定に制御してロータの過回転を防止する主ブレーキ機構と、前記ロータ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、当該交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ駆動するためのＤＣモータと、当該ＤＣモータのそれぞれに配設された整流器に連結される第２の送電線と、前記第１の送電線と前記第２の送電線との間に配設される第３の送電線と、前記第１の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第１のリレーと、前記第２の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第２のリレーと、前記主ブレーキ機構が正常に作動する場合には、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間は断絶され、前記主ブレーキ機構が作動不能になったとき、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間が接続するように前記第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るものであり、故障や停電などで主ブレーキ機構が作動不能となった時、制御器からの断続指令により第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るようにした場合に主ブレーキ機構を作動するようにする。これにより、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。

本発明の請求項２に係る風力発電機の保護システムは、複数のブレードのピッチ角を所定に制御してロータの過回転を防止する主ブレーキ機構と、前記ロータ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、当該交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ駆動するためのＤＣモータと、当該ＤＣモータが接続された整流器に連結される第２の送電線と、前記第１の送電線と前記第２の送電線との間に配設される第３の送電線と、前記第１の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第１のリレーと、前記第２の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第２のリレーと、前記主ブレーキ機構が正常に作動する場合には、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間は断絶され、前記主ブレーキ機構が作動不能になったとき、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間が接続するように前記第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るものであり、請求項１の発明と同様に、故障や停電などで主ブレーキ機構が作動不能となった時、主ブレーキ機構を作動するようにする。これにより、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り、また、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。

本発明の請求項３に係る風力発電機の保護システムは、前記第１の送電線と前記第３の送電線との間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線との間が接続されたときに、前記ブレードは、前記ＤＣモータによりフェザー側に操舵されるようにしたものであり、上記請求項１や請求項２の構成の具体的な動作態様である。

本発明の風力発電機の保護システムは、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ＤＣモ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ＤＣモータを駆動し、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利点がある。

本発明の第１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ない風力発電機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、ハブ２ａ及び当該ハブ２ａに配設された、本実施の形態では３枚のブレード２ｂ_１〜２ｂ_３で構成されるロータ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のハブ２ａ内には、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３に対しＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３及びこのＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３のそれぞれに接続する整流器２ｄ_１〜２ｄ_３が配設されており、これらブレード２ｂ_１〜２ｂ_３は、ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３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ないので、フェザー側或いはフラット側への操舵は、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３について独立になされる。

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、上述した整流器２ｄ_１〜２ｄ_３のそれぞれの入力側に接続される第２の送電線７ａ〜７ｃと、第１の送電線６ａ〜６ｂと第２の送電線７ａ〜７ｃとの間に配設される第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との間を断続する、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との間を断続する、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、トランス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から同期型発電機４及び整流器２ｄ_１〜２ｄ_３を介してＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３の入力側に給電するべく送電線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。

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、ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３には、第２の送電線７ａ〜７ｃに連結された整流器２ｄ_１〜２ｄ_３を介して給電されるので、当該ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３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ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３間に整流器２ｄ_１〜２ｄ_３を介して閉回路がそれぞれ形成される。これにより主ブレーキが作動するようになり、即ち、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３がその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、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３について独立に操舵される）ようになり、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。

また、本保護システムでは、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３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ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３間に整流器２ｄ_１〜２ｄ_３を介して閉回路をそれぞれ形成し、各ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３のそれぞれに駆動される可変ピッチ機構を介してブレード２ｂ_１〜２ｂ_３をフェザー側に操舵するので、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。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る風力発電機の保護システムを図３を参照して説明する。
本実施の形態に係る風力発電機２０が上記風力発電機１と異なるところは、風力発電機１においてはＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３に接続する整流器２ｄ_１〜２ｄ_３をそれぞれ配設していたが、風力発電機２０においてはＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３のすべてが接続される下記整流器２１を配設するようにした点である。
即ち、本風力発電機２０においては、図３に示すように、上記整流器２１は、第２の送電線７ａ〜７ｃの途中に設けられ、その直流出力がスリップリング２２を介してブレード２ｂ_１〜２ｂ_３に対するＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３のそれぞれに供給される。

このような風力発電機２０においても、風力発電機１と同様に、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、ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３には、第２の送電線７ａ〜７ｃに連結された整流器２１を介してそれぞれ給電されるので、当該ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３により主ブレーキ（フェザー）が作動する。また、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や停電のような異常時には、第１のリレー９及び第２のリレー１０が上述のように切り換えられ、同期型発電機４と各ＤＣモータ２ｃ_１〜２ｃ_３間に整流器２１を介して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り、即ち、ブレード２ｂ_１〜２ｂ_３がその可変ピッチ機構を介して操舵されるようになるので、風力発電機１と同様に、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。

ところで、上述した実施の形態に係る風力発電機１、２０は、ピッチリンクを有していないものであったが、ピッチリンク有りの風力発電機においては、上記同期型発電機４と、すべてのブレード２ｂ_１〜２ｂ_３のピッチ角を同時に操舵するＤＣモータとの間に上述のような閉回路が形成されるようにすればよい。かかる構成により、ピッチリンク有りの風力発電機においても、ピッチリンク無しの風力発電機１、２０の場合と同様に、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。尚、図１や３において、説明の都合でスリップリング２２を同期型発電機４や回転軸とは別に示したが、実際には同期型発電機４又は回転軸に回転しないように取り付けられる。

本発明の技術的思想は、故障や停電などで主ブレーキが作動不能となった時の風力発電機の保護システムとして、ピッチリンク無しの風力発電機のみならずピッチリンク有りの風力発電機に適用することができるので、有用価値が高いと言える。

本発明の第１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。本発明の第２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。

符号の説明

１，２０風力発電機
２ロータ
２ｂ_１〜２ｂ_３ブレード
２ｃ_１〜２ｃ_３ＤＣモータ
２ｄ_１〜２ｄ_３整流器
４３相の同期型発電機（交流発電機）
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
２１整流器
２２スリップリング

Claims

複数のブレードのピッチ角を所定に制御してロータの過回転を防止する主ブレーキ機構と、
前記ロータ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、
当該交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ駆動するためのＤＣモータと、
当該ＤＣモータのそれぞれに配設された整流器に連結される第２の送電線と、
前記第１の送電線と前記第２の送電線との間に配設される第３の送電線と、
前記第１の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第１のリレーと、
前記第２の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第２のリレーと、
前記主ブレーキ機構が正常に作動する場合には、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間は断絶され、
前記主ブレーキ機構が作動不能になったとき、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間が接続するように前記第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ることを特徴とする風力発電機の保護システム。
複数のブレードのピッチ角を所定に制御してロータの過回転を防止する主ブレーキ機構と、
前記ロータ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、
当該交流発電機の出力側に接続される第１の送電線と、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ駆動するためのＤＣモータと、
当該ＤＣモータが接続された整流器に連結される第２の送電線と、
前記第１の送電線と前記第２の送電線との間に配設される第３の送電線と、
前記第１の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第１のリレーと、
前記第２の送電線と前記第３の送電線との間を断続する第２のリレーと、
前記主ブレーキ機構が正常に作動する場合には、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間は断絶され、
前記主ブレーキ機構が作動不能になったとき、前記第１の送電線と前記第３の送電線間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線間が接続するように前記第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ることを特徴とする風力発電機の保護システム。
前記第１の送電線と前記第３の送電線との間及び前記第２の送電線と前記第３の送電線との間が接続されたときに、前記ブレードは、前記ＤＣモータによりフェザー側に操舵されることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電機の保護システム。