JP5085910B2 - 風力発電機のバッテリーレス制御方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電機の短絡ブレーキ動作中に制御用ＣＰＵに電力供給する手段として変流器を用いた風力発電機のバッテリーレス制御方法及び装置に関するものである。

風力発電機（風車）は、風力によるエネルギーを発電機を用いて電気エネルギーに変換するものである。この発電は、風車を回転、すなわち風力発電機に備わる羽根状のブレードを回転させることにより行われる。しかし、風速が増して風力が増大し、このブレードが過回転状態になると、ブレードの破壊および過電流により発電機が破損するおそれがある。

この過回転防止方法として、短絡ブレーキが利用されている。この短絡ブレーキは、発電機を短絡させ、回生電流により回転負荷を増大させてブレードの回転を抑制するものである。この短絡ブレーキの動作制御のために、風力発電機にはＣＰＵ（制御回路）が搭載される。このＣＰＵの消費電力は、発電機から電力を供給されるバッテリーや、あるいは外部電源から供給される。

このため、バッテリーを電源とする場合は、バッテリーが発電機の構成として不要な場合もＣＰＵのためにバッテリーを設ける必要がある。また、バッテリーの劣化や過放電等の異常があった場合には、ＣＰＵが停止することになり、風車は無制御状態となる。無制御状態となると、短絡ブレーキの制御や短絡からの回路の復帰動作を行うための電力の供給ができないことになる。したがって、ＣＰＵの電源としてバッテリーを用いないことが好ましい。また、外部電源からＣＰＵに電力を供給する場合は、上述したバッテリーと同様に、外部電源に異常がある場合に、風車が無制御状態となることになる。

一方、短絡ブレーキを用いた風力発電装置が特許文献１に記載されている。この風力発電装置は、不測の事態によってロータ（ブレード）を停止させる必要が生じたときに、電力供給先を切り替えて短絡させることにより、ロータに電気的な制動力を負荷するものである。また、補助的なブレーキとして油圧式の制動装置を備えている。

特開２００２−３１５３９５号公報

しかし、特許文献１に記載の風力発電装置は、短絡ブレーキのスイッチ動作は、制御部（ＣＰＵ）にて行われる。この制御部の消費電力は、発電機からの電力供給系統から供給されている。従って制御用ＣＰＵは外部電源から独立して動作可能にする必要がある。その手段として風力発電機からの発電電力をＣＰＵに供給させることが考えられるが、この方法においても短絡ブレーキ動作時には、風力発電機の出力端の電圧がゼロとなるので、制御部に電力を供給できない。したがって、短絡ブレーキの制御や短絡からの回路の復帰動作を行うための電力の供給ができない。

この発明は上記従来技術を考慮したものであって、短絡時にもＣＰＵに対して確実に電力を供給することができ、バッテリーや外部電源を用いずに短絡ブレーキ等を的確に制御することができる風力発電機のバッテリーレス制御方法及び装置の提供を目的とするものである。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、 風力発電機と接続される短絡用リレースイッチにより風力発電機の出力端を短絡させて短絡ブレーキを作動させたとき、当該短絡ブレーキにより生じる回生電流を変流器に流し、当該変流器に発生する起電力を、前記短絡用リレースイッチの動作を制御するＣＰＵに供給すると共に前記ＣＰＵは、前記風力発電機の発電電力を直接供給され、前記発電機に備わるバッテリー及び外部電源と非接続であっても前記ＣＰＵの動作が可能であることを特徴とする風力発電機のバッテリーレス制御方法を提供する。

さらに、請求項２の発明では、発電電力をＣＰＵ及びバッテリーに供給する風力発電機と、当該風力発電機の出力端に接続され、前記ＣＰＵからの信号を受信可能な短絡用リレースイッチを有する風力発電機のバッテリーレス制御装置において、前記ＣＰＵには前記風力発電機の発電電力のみが供給され、前記ＣＰＵは前記バッテリーと非接続であり、前記風力発電機と前記短絡用リレースイッチの間には変流器が配設され、当該変流器は前記ＣＰＵに接続されることを特徴とする風力発電機のバッテリーレス制御装置を提供する。

また、請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記風力発電機又は前記変流器と前記ＣＰＵの間に、発電電力を充電可能なキャパシタが配設されることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、短絡用リレースイッチにより風力発電機の出力端を短絡させて短絡ブレーキが作動した状態でも、短絡ブレーキにより生じる回生電流を利用しＣＰＵに電力を供給するため、バッテリーや外部電源を必要とせずにＣＰＵの消費電力を供給することができる。このため、バッテリーや外部電源の不具合による影響を受けることなく、確実にＣＰＵによる制御動作を行うことができる。なお、ＣＰＵにより、短絡ブレーキ以外の制御を行うこともできる。

また、変流器（カレントトランス）に回生電流が流れることにより発生する起電力がＣＰＵに供給されるため、短絡ブレーキ時にもＣＰＵに対し確実に電力を供給することができる。

また、ＣＰＵは、風力発電機の発電電力を直接供給され、発電機に備わるバッテリー及び外部電源と非接続であるため、通常の風力発電時にはＣＰＵは風車の発電電力のみから電力を供給され、短絡ブレーキ時には変流器から電力を供給されることになる。また、無風時には風力および変流器から電力の供給は無くなるが、この状態ではＣＰＵでの監視自体が不要となる。したがって、バッテリーや外部電源から完全に独立して風力発電機を制御することができる。

請求項２の発明によれば、短絡ブレーキの作動により生じる回生電流を変流器に流し、この変流器に回生電流が流れることで発生する起電力をＣＰＵに供給することができる。このため、バッテリーや外部電源を必要とすることなく、確実にＣＰＵの消費電力を供給することができる。したがって、バッテリーや外部電源の不具合による影響を受けることなく、確実にＣＰＵによる制御動作を行うことができる。さらに、ＣＰＵは前記風力発電機の発電電力でのみ作動し、前記バッテリーと非接続であるため、通常の風力発電時にはＣＰＵは風車の発電電力のみから電力を供給され、短絡時には変流器から電力を供給されることになる。したがって、バッテリーや外部電源から完全に独立した風力発電機を得ることができる。

請求項３の発明によれば、風力発電機の出力端又は変流器とＣＰＵの間に、発電電力を充電可能なキャパシタが配設されるため、ＣＰＵが起動可能となるための電圧までキャパシタに充電して、このキャパシタを介してＣＰＵに電力が供給される。したがって、変動する風車からの発電電力を安定して定電圧でＣＰＵへ供給することができる。このキャパシタは小型であるため、風車の小型化を図る、又は維持することができる。

この発明は、ＣＰＵに対し、通常運転時には風力から電力を供給され、短絡ブレーキ時には変流器より電力を供給されるため、バッテリーや外部電源から完全に独立して風力発電機を制御することができる風力発電機のバッテリーレス制御方法及び装置である。

図１はこの発明に係る風力発電機のバッテリーレス制御方法のフローチャート図である。

ステップＳ１：
風力発電機の通常運転時には、ＣＰＵは発電電力のみによって電力を供給される。

ステップＳ２：
風力発電機に対する風力が増加し、ブレードが過回転するおそれが生じると、ＣＰＵが発電機の出力端に備わる短絡用リレースイッチをＯＮにする。これにより、短絡ブレーキがかかり、ブレードの回転を抑制する。

ステップＳ３：
短絡ブレーキにより生じる回生電流が変流器に流れることによって発生する起電力が、ＣＰＵに供給される。

ステップＳ４：
ブレードの過回転のおそれがなくなると、短絡用リレースイッチをＯＦＦにして通常の発電状態に復帰することができる。このとき、ＣＰＵで短絡用リレースイッチ以外の部位を制御することもできる。

上記方法により、短絡用リレースイッチをＯＮにして短絡ブレーキを作動させ、当該短絡ブレーキにより生じる回生電流を利用してＣＰＵに電力を供給するため、バッテリー等の外部電源を必要とせずにＣＰＵの消費電力を供給することができる。このため、外部電源の劣化等の不具合による影響を受けることなく、確実にＣＰＵによる制御動作を行うことができる。変流器（カレントトランス）に回生電流が流れることにより発生する起電力がＣＰＵに供給されるため、短絡ブレーキ時にもＣＰＵに対し確実に電力を供給することができる。

図２はこの発明に係る風力発電機のバッテリーレス制御装置の概略構成図である。

風力発電機１の出力側には、交流から直流に変換する整流回路５が接続される。通常の発電を行う場合、当該整流回路５で直流にしてバッテリー７に充電（蓄電）される。通常の発電状態では、バッテリー７と並列に設けたキャパシタ３を介してＣＰＵ６に対し、発電電力の一部が供給される。このＣＰＵ６に対する電力の供給は、以下のようにして行われる。

無風状態から風速が上昇し、風車が起動すると、小容量のキャパシタ３に充電される。ＣＰＵ６が起動可能となるための電圧までキャパシタ３に充電されると、キャパシタ３を介してＣＰＵ６に電力が供給される。このキャパシタ３は、上述したように小容量であるため、微風でも数分間あればＣＰＵ６が起動できるだけの充電はされる。なお、このキャパシタ３は変動する風車からの発電電力を安定して定電圧でＣＰＵ６へ供給することができるものである。またこのキャパシタ３による安定電力供給は、キャパシタ以外の二次電池でも利用可能である。

風力発電機１と整流回路５との間には、短絡用リレースイッチ２が設けられている。通常の発電状態から、風速がさらに増加し、風車のブレードが過回転状態となるおそれがあるとき、ＣＰＵ６は短絡用リレースイッチ２をＯＮにする。これにより、風力発電機の出力端の短絡により発生する回生電流が作用し、短絡ブレーキとなって風車の回転を抑制する。

風力発電機１の交流出力ケーブル上の風力発電機１と短絡用リレースイッチ２の間には、変流器（カレントトランス）４が備わる。この変流器４は、キャパシタ３を介してＣＰＵ６と接続される。この変流器４は通常の電流計としても用いることができるが、この発明では電力供給用として用いる。すなわち、短絡時の回生電流により、変流器４には起電力が生じるため、この電力をＣＰＵ６に供給するものである。これにより、短絡ブレーキ時にも確実にＣＰＵ６に電力を供給し、動作させることができる。

このＣＰＵ６は、バッテリー７と非接続である。したがって、ＣＰＵ６に対してバッテリー等の外部電源を必要としないバッテリーレスの制御が可能となる。これにより、通常の風力発電時にはＣＰＵは風車の発電電力のみから電力を供給され、短絡時には変流器から電力を供給されることになる。したがって、バッテリーや外部電源から完全に独立して風力発電機を制御できるとともに、バッテリーや外部電源から完全に独立した風力発電機を得ることができる。なお、このＣＰＵをバッテリーや外部電源に接続すると、バッテリーや外部電源に不具合が発生したときのみＣＰＵが独立動作する制御方式として使用できる。

すなわち、短絡ブレーキの作動時に生じる回生電流を起電力とできる変流器４を介してＣＰＵ６に供給することができる。このため、バッテリー７や他の外部電源等を必要とすることなく、確実にＣＰＵ６に電力を供給することができる。したがって、外部電源の劣化等の影響を受けることなく、確実にＣＰＵ６による制御を行うことができる。また、回路の短絡により生じる回生電流を利用してＣＰＵ６に電力を供給するため、短絡時にも確実にＣＰＵ６を動作させて、短絡ブレーキの制御を的確に行うことができる。

無風状態における発電状況をＣＰＵ６で監視不要とすれば、上記構成により、無風状態でＣＰＵ６を動作させる必要がなくなり、無風時の消費電力を抑えることができる。

この発明に係る風力発電機のバッテリーレス制御方法のフローチャート図である。 この発明に係る風力発電機のバッテリーレス制御装置の概略構成図である。

符号の説明

１：風力発電機、２：短絡用リレースイッチ、３：キャパシタ、４：変流器、５：整流回路、６：ＣＰＵ、７：バッテリー

Claims (3)

1. 風力発電機と接続される短絡用リレースイッチにより風力発電機の出力端を短絡させて短絡ブレーキを作動させたとき、当該短絡ブレーキにより生じる回生電流を変流器に流し、当該変流器に発生する起電力を、前記短絡用リレースイッチの動作を制御するＣＰＵに供給すると共に前記ＣＰＵは、前記風力発電機の発電電力を直接供給され、前記発電機に備わるバッテリー及び外部電源と非接続であっても前記ＣＰＵの動作が可能であることを特徴とする、風力発電機のバッテリーレス制御方法。
2. 発電電力をＣＰＵ及びバッテリーに供給する風力発電機と、当該風力発電機の出力端に接続され、前記ＣＰＵからの信号を受信可能な短絡用リレースイッチを有する風力発電機のバッテリーレス制御装置において、
   前記ＣＰＵには前記風力発電機の発電電力のみが供給され、
   前記ＣＰＵは前記バッテリーと非接続であり、
   前記風力発電機と前記短絡用リレースイッチの間には変流器が配設され、
   当該変流器は前記ＣＰＵに接続されることを特徴とする、風力発電機のバッテリーレス制御装置。
3. 前記風力発電機又は前記変流器と前記ＣＰＵの間に、発電電力を充電可能なキャパシタが配設されることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電機のバッテリーレス制御装置。

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