JP5331662B2

JP5331662B2 - 自然エネルギーによって発電された電力の変換装置

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Publication number: JP5331662B2
Application number: JP2009268750A
Authority: JP
Inventors: 均木村
Original assignee: オーハツ株式会社
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: JP2011114938A

Description

本発明は、電力の変換装置に関し、特に、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置に関する。

風力発電装置の発電機は、希土類磁石により高磁場を得ると共に多極構造とすることで、低回転域（３００ｒｐｍ以下）での高出力が可能となった。また、風力発電装置の発電機では、磁石部分が回転する回転界磁形とし、鉄心を使用しないコアレス構造にすることで、コギングトルクおよび鉄損が発生しないスムーズな回転始動が可能となった。

地球温暖化が叫ばれている中、各地で上記の技術を採用した発電機を使用した風力発電の導入が盛んに行われているにもかかわらず、効率的な発電ができていない。

この原因としては、コアレスであるため磁力が弱く発電量が小さいこと、発生した電圧が矩形波であるため、コントローラおよびインバータ等の制御部の動作に適さないことが挙げられる。

風力発電装置の一例として、たとえば、特許文献１には、以下のような構成が開示されている。すなわち、風力により順方向に回転する回転翼の回転軸に連動して発電する永久磁石式の発電機と、該発電機を電動機に切り替えて上記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による上記始動補助回転が停止されたとき上記電動機を上記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを備える。

また、特許文献２には、以下のような構成が開示されている。すなわち、プロペラの回転に伴って回転するマグネットを有するロータと、上記マグネットと対向して配置される複数の電磁極を有するステータとを備える風力発電装置において、上記複数の電磁極のそれぞれに設けた複数の巻線コイルの結線を切り替える結線切換機構を備える。

特表２００４−４７２８４号公報特開２０００−１９７３９２号公報

従来、風力によって生じた電力を所望の電圧に変換するための電圧変換装置では、一般に風速に対する出力電力の関係が３乗のカーブで表わされる。このため、風速が小さいときは風力によって生じる電力が小さいため、電圧変換装置が動作せず、また、電圧変換装置に負荷がかかると風力発電装置の出力電圧が低下し、電圧変換装置が動作しなくなる場合がある。また、風速が大きいときは風力によって生じた電力が大きくなるため、電圧変換装置の誤動作および破壊等を防ぐために動作を停止する必要が生じる場合がある。

しかしながら、特許文献１および２には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、風力等の自然エネルギーの大小に関わらず安定して電力供給を行なうことが可能な電力の変換装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力の変換装置は、自然エネルギーによって回転する回転機を有し、上記回転機の回転によって交流電力を発生する発電装置が外部に配置され、上記発電装置からの交流電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、上記発電装置から受けた交流電圧を整流するための整流回路と、上記整流回路によって整流された電圧を所定レベルを有する直流電圧に変換し、変換した直流電圧を上記負荷に供給し、入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が順番に大きくなるように構成された複数の電圧変換回路とを備え、上記複数の電圧変換回路の各々は、上記整流回路によって整流された電圧を受ける１次巻線、および上記１次巻線と磁気的に結合された２次巻線を含むトランスと、上記１次巻線に電気的に接続され、オン・オフすることにより、上記１次巻線に印加される電圧を交流電圧に変換するための主スイッチング素子と、上記２次巻線に誘起された交流電圧を整流平滑することにより直流電圧に変換するための整流平滑回路とを含み、上記発電装置は、上記回転機の回転によって交流電圧が誘起される複数の巻線部を備え、上記変換装置は、さらに、上記発電装置から受けた交流電圧に基づいて上記複数の電圧変換回路を選択的に動作させるための電圧変換制御部と、上記複数の巻線部と上記整流回路との間に接続され、上記複数の巻線部を直列に接続するか並列に接続するかを切り替えるための切り替え回路とを備え、上記電圧変換制御部は、上記発電装置から受けた交流電圧のレベルが所定の閾値未満の場合には上記複数の巻線部を直列に接続し、上記発電装置から受けた交流電圧のレベルが上記所定の閾値以上の場合には上記複数の巻線部を並列に接続し、上記複数の巻線部の接続を直列から並列に切り替えた場合、その切替前に選択されていた上記電圧変換回路よりも入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の小さい上記電圧変換回路を選択して動作させる。

好ましくは、上記電圧変換制御部は、上記発電装置から受ける交流電圧のレベルが大きくなるに従って入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の大きい上記電圧変換回路を順番に選択して動作させる。

好ましくは、上記複数の電圧変換回路のうち、少なくとも入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の最も小さい電圧変換回路は、上記発電装置からの交流電圧を動作電源電圧として受け、他の電圧変換回路は、上記電池からの直流電圧を動作電源電圧として受ける。

好ましくは、上記変換装置は、さらに、上記複数の電圧変換回路によって変換された直流電圧によって充電を行ない、充電した電力を上記負荷に供給するための蓄電池を備える。

本発明によれば、風力等の自然エネルギーの大小に関わらず安定して電力供給を行なうことができる。

本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る風力用コントローラの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力変換装置における切替回路の構成を示す図である。巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が並列接続された状態を示す図である。巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が並列接続された状態における切替回路の状態を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力変換装置が動作を停止した状態における切替回路の状態を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力変換装置による巻線部接続の切替動作を示す図である。本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構造を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力変換システムにおける電力特性を示すグラフ図である。従来および本発明の実施の形態に係る電力変換装置における風速と供給電力との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。
図１を参照して、電力変換システム２０１は、風力発電装置１と、太陽光発電装置６Ａ，６Ｂと、電力変換装置１０１とを備える。電力変換装置１０１は、切替回路２と、風力用コントローラ３と、蓄電池４Ａ，４Ｂと、ＤＣ／ＡＣインバータ５と、太陽光用コントローラ７と、インバータ制御部８と、ＡＣコンセント９とを含む。

風力発電装置１は、自然エネルギーである風力によって回転する回転機を有し、回転機の回転によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力を発生し、発生した三相交流電力を電力変換装置１０１へ出力する。太陽光発電装置６Ａ，６Ｂは、太陽光によって直流電力を発生し、発生した直流電力を電力変換装置１０１へ出力する。

電力変換装置１０１は、風力発電装置１から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷へ出力する。また、電力変換装置１０１は、太陽光発電装置６Ａ，６Ｂから受けた直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷へ出力する。

電力変換装置１０１において、風力用コントローラ３は、切替回路２を介して風力発電装置１から受けた三相交流電力を所定レベルの直流電圧に変換して蓄電池４Ａ，４Ｂへ出力する。

太陽光用コントローラ７は、太陽光発電装置６Ａ，６Ｂから受けた直流電力を所定レベルの直流電圧に変換して蓄電池４Ａ，４Ｂへ出力する。

蓄電池４Ａ，４Ｂは、風力用コントローラ３および太陽光用コントローラ７から受けた直流電圧によって充電を行ない、充電した電力によって直流電圧をＤＣ／ＡＣインバータ５へ出力する。

ＤＣ／ＡＣインバータ５は、蓄電池４Ａ，４Ｂから受けた直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷へ出力する。

負荷はたとえば街路灯であり、インバータ制御部８は、太陽光用コントローラ７から受けた信号に基づいて電力変換システム２０１の周囲の明るさを判断し、暗くなったと判断するとＤＣ／ＡＣインバータ５を動作させ、明るくなったと判断するとＤＣ／ＡＣインバータ５を停止させる。ＡＣコンセント９は、風力発電装置１または太陽光発電装置６Ａ，６Ｂの故障等の非常時に負荷に電力を供給するために設けられる。

図２は、本発明の実施の形態に係る風力用コントローラの構成を示す図である。
図２を参照して、風力用コントローラ３は、整流回路１１と、電圧変換制御部１２と、電圧変換回路１３，１４，１５とを含む。電圧変換回路１３は、トランス２１と、主スイッチング素子２２と、整流平滑回路２３と、スイッチング制御部２４と、フォトカプラ２５，２６と、出力電圧検出部２７と、過電圧検出部２８とを含む。電圧変換回路１４は、トランス２１と、主スイッチング素子２２と、整流平滑回路２３と、スイッチング制御部２４と、フォトカプラ２５，２６と、出力電圧検出部２７と、過電圧検出部２８と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。電圧変換回路１５は、トランス２１と、主スイッチング素子２２，２９と、整流平滑回路２３と、スイッチング制御部２４と、フォトカプラ２５と、出力電圧検出部２７と、ダイオードＤ３〜Ｄ５と、スイッチ素子３０とを含む。

整流回路１１は、切替回路２を介して風力発電装置１から受けたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を整流する。

電圧変換回路１３，１４，１５は、整流回路１１によって整流された電圧を所定レベルたとえば２４Ｖの直流電圧に変換し、変換した直流電圧を蓄電池４Ａ，４Ｂに供給する。また、電圧変換回路１３，１４，１５は、入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が順番に大きくなるように構成される。なお、電圧変換回路１３，１４，１５の入力可能電圧範囲および入力可能電流範囲は、電圧変換回路間で重なる部分があってもよい。また、入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、ならびに入力可能最小電流および入力可能最大電流は、たとえば電圧変換回路の定格電圧および定格電流にそれぞれ対応する。

より詳細には、電圧変換回路１３において、トランス２１は、整流回路１１によって整流された電圧を受ける１次巻線Ｌ１、および１次巻線Ｌ１に磁気的に結合された２次巻線Ｌ２を含む。

主スイッチング素子２２は、１次巻線Ｌ１に電気的に接続され、スイッチング制御部２４から受けた制御信号に基づいてオン・オフすることにより、１次巻線Ｌ１に印加される電圧を交流電圧に変換する。

整流平滑回路２３は、２次巻線Ｌ２に誘起された交流電圧を整流平滑することにより直流電圧に変換する。

出力電圧検出部２７は、風力用コントローラ３から蓄電池４Ａ，４Ｂへの出力電圧レベルを検出し、出力電圧レベルが所定値未満であるか否かを示す信号をフォトカプラ２５経由でスイッチング制御部２４へ出力する。

過電圧検出部２８は、風力用コントローラ３から蓄電池４Ａ，４Ｂへの出力電圧レベルを検出し、出力電圧レベルが所定値以上であるか否かを示す信号をフォトカプラ２６経由でスイッチング制御部２４へ出力する。

スイッチング制御部２４は、出力電圧検出部２７から受けた信号および過電圧検出部２８から受けた信号に基づいて、主スイッチング素子２２へ制御信号を出力する。

電圧変換回路１３の入力可能電圧は、たとえば５０Ｖ〜８０Ｖの振幅を有する交流電圧であり、その出力容量は７．８Ｗである。

電圧変換回路１４の構成は電圧変換回路１３とほぼ同様であり、電圧変換回路１４の入力可能電圧は、たとえば８０Ｖ〜１５０Ｖの振幅を有する交流電圧であり、その出力容量は３２Ｗである。

電圧変換回路１５の構成は電圧変換回路１３とほぼ同様であるため、電圧変換回路１３と異なる点について説明する。

主スイッチング素子２２は、１次巻線Ｌ１の第１端に電気的に接続され、スイッチング制御部２４から受けた制御信号に基づいてオン・オフすることにより、１次巻線Ｌ１に印加される電圧を交流電圧に変換する。

主スイッチング素子２９は、１次巻線Ｌ１の第２端に電気的に接続され、スイッチング制御部２４から受けた制御信号に基づいてオン・オフすることにより、１次巻線Ｌ１に印加される電圧を交流電圧に変換する。

１次巻線Ｌ１の中途点すなわち第１端および第２端の間にあるノードが整流回路１１に接続されている。また、２次巻線Ｌ２の第１端および第２端に加えて、２次巻線Ｌ２の中途点すなわち第１端および第２端の間にあるノードが整流平滑回路２３に接続されている。

スイッチング制御部２４は、出力電圧検出部２７から受けた信号に基づいて、主スイッチング素子２２へ制御信号を出力する。

電圧変換回路１５では、入力可能電圧範囲または入力可能電流範囲と出力容量とが２段階で設定される。すなわち、低出力モードのときは主スイッチング素子２２のみがオン状態およびオフ状態を交互に繰り返し、主スイッチング素子２９は常時オフ状態であり、高出力モードのときは主スイッチング素子２２および２９の両方がオン状態およびオフ状態を交互に繰り返す。電圧変換回路１５の入力可能電圧は、たとえば１５０Ｖ〜２３０Ｖの振幅を有する交流電圧であり、その出力容量は低出力モードにおいて２１０Ｗであり、高出力モードにおいて５００Ｗである。

電圧変換回路１５は、過電圧検出部２８を含まない。これは、後述するように、電圧変換制御部１２が風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷを短絡することから、電圧変換回路１５が出力すべきレベル以上の直流電圧が風力用コントローラ３から出力されるような状態が起こらないからである。

また、整流平滑回路２３の入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が電圧変換回路１３，１４，１５の順に大きくなるように、各電圧変換回路の回路定数等が設定される。また、トランス２１の容量が電圧変換回路１３，１４，１５の順に大きくなるように、トランス２１の１次巻線および２次巻線が作成される。

電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧に基づいて複数の電圧変換回路１３，１４，１５を選択的に動作させる。より詳細には、電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受ける交流電圧のレベルが大きくなるに従って入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の大きい電圧変換回路１３，１４，１５を順番に選択して動作させる。

また、電圧変換制御部１２は、蓄電池４Ａ，４Ｂからの直流電圧（たとえばＤＣ２４Ｖ）を動作電源電圧として受ける。

図３は、本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構成を示す図である。
図３を参照して、風力発電装置１は、図示しない回転機の回転によって交流電圧が誘起される巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を備える。巻線部ＭＵ１は、Ｙ結線された３相の電機子巻線Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を含む。巻線部ＭＵ２は、Ｙ結線された３相の電機子巻線Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を含む。電機子巻線Ｍ１は、一方の端子Ｔ１を有する。電機子巻線Ｍ２は、一方の端子Ｔ２を有する。電機子巻線Ｍ３は、一方の端子Ｔ１を有する。電機子巻線Ｍ１〜Ｍ３の他方の端子は互いに接続されている。電機子巻線Ｍ４は、端子Ｔ４およびＴ５を有する。電機子巻線Ｍ５は、端子Ｔ６およびＴ７を有する。電機子巻線Ｍ６は、端子Ｔ８およびＴ９を有する。

図４は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置における切替回路の構成を示す図である。

図４を参照して、切替回路２は、リレーＲｙ１〜Ｒｙ７を含む。図４において、Ｔ１〜Ｔ９，ＴＵ，ＴＶ，ＴＷは、リレーの端子が電機子巻線Ｍ１〜Ｍ６の各端子および風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷのいずれに接続されているかを示している。

リレーＲｙ１は、端子Ｔ１を端子Ｔ４およびＴ５のいずれに接続するかを切り替える。リレーＲｙ２は、端子Ｔ２を端子Ｔ６およびＴ７のいずれに接続するかを切り替える。リレーＲｙ３は、端子Ｔ３を端子Ｔ８およびＴ９のいずれに接続するかを切り替える。リレーＲｙ４は、端子Ｔ５と端子Ｔ７とを接続するか否かを切り替える。リレーＲｙ５は、端子Ｔ５と端子Ｔ９とを接続するか否かを切り替える。リレーＲｙ６は、端子ＴＶと端子ＴＷとを接続するか否かを切り替える。リレーＲｙ７は、端子ＴＵと端子ＴＶとを接続するか否かを切り替える。

端子Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８は、リレーＲｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３経由で風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷにそれぞれ接続されている。

切り替え回路２は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２と整流回路１１との間に接続され、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続するか並列に接続するかを切り替える。

図３および図４は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が直列に接続された状態を示している。すなわち、電機子巻線Ｍ１の端子Ｔ１と電機子巻線Ｍ４の端子Ｔ５とが接続され、電機子巻線Ｍ２の端子Ｔ２と電機子巻線Ｍ５の端子Ｔ７とが接続され、電機子巻線Ｍ３の端子Ｔ３と電機子巻線Ｍ６の端子Ｔ９とが接続されている。

図５は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が並列接続された状態を示す図である。図６は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が並列接続された状態における切替回路の状態を示す図である。

図５および図６を参照して、電機子巻線Ｍ１の端子Ｔ１と電機子巻線Ｍ４の端子Ｔ４とが接続され、電機子巻線Ｍ２の端子Ｔ２と電機子巻線Ｍ５の端子Ｔ６とが接続され、電機子巻線Ｍ３の端子Ｔ３と電機子巻線Ｍ６の端子Ｔ８とが接続されている。また、電機子巻線Ｍ４の端子Ｔ５と、電機子巻線Ｍ５の端子Ｔ７と、電機子巻線Ｍ６の端子Ｔ９とが接続されている。

図７は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置が動作を停止した状態における切替回路の状態を示す図である。

図７を参照して、リレーＲｙ６，Ｒｙ７が風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷを短絡することにより、電力変換装置１０１は動作を停止し、蓄電池４Ａ，４Ｂへの出力電圧が低下する。

図８は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置による巻線部接続の切替動作を示す図である。

図８を参照して、「１×Ｙ」は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が直列接続された状態を示し、「２×Ｙ」は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２が並列接続された状態を示している。

電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧のレベル（以下、入力交流電圧レベルとも称する。）が所定の閾値未満の場合には巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続し、入力交流電圧レベルが所定の閾値以上の場合には巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を並列に接続する。

たとえば、電圧変換制御部１２は、入力交流電圧レベルに対応する入力交流電圧の周波数に基づいて切替回路２を制御する。この周波数は、たとえば数秒間の平均値で判定される。

電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧の周波数が０Ｈｚ〜２５．３Ｈｚの範囲、すなわち入力交流電圧レベルが０〜１９０Ｖの範囲にある場合には、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続する。また、電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧の周波数が２５．３Ｈｚ〜６１．３Ｈｚの範囲、すなわち入力交流電圧レベルが９５Ｖ〜２３０Ｖの範囲にある場合には、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を並列に接続する。ここで、２５．３Ｈｚに対応する交流電圧レベルが直列接続および並列接続で異なっているのは、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列接続した場合と並列接続した場合とで巻線部の合成抵抗値が異なるからである。

また、電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧の周波数が６１．３Ｈｚ以上、すなわち入力交流電圧レベルが２３０Ｖ以上になった場合には、風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷを短絡させ、１０分後に短絡状態を解消し、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続する。また、電圧変換制御部１２は、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を並列に接続した状態において、風力発電装置１から受ける交流電圧の周波数が低下した場合には、その周波数が２３Ｈｚ以下になると巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続する。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、１×Ｙ（直列）結線と２×Ｙ（並列）結線の自動切り替えを行なうことにより、風車の低速回転の状態から高速回転の状態に至るまでの広範囲において安定して電力を供給することができる。

図９は、本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構造を示す図である。
図９を参照して、風力発電装置１は、ビス４１と、バックコア４２と、２段重ねボビン４３と、リード線４４と、基板４５と、ボビン受け成形樹脂４６とを備える。２段重ねボビン４３は、上下に配置された巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を含む。

従来、回転機巻線の結線を行なうための専用機械および汎用機械は全国的に見ても極端に少ないため、回転機巻線の結線は手作業で行なわれるのが一般的であり、結線切替の電子制御を行なうことはできなかった。

風力発電装置１では、風車の軸に接続された基板４５上に、平板状に形成された巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を上下に配置し、基板型結線構造を採用した。これにより、直列結線および並列結線の切り替えを容易に行なうことが可能となった。

電圧変換制御部１２は、直列結線と並列結線とを切り替えることにより、低風速対応と高風速対応とを切り替えることが可能である。すなわち、図９に示すように上段と下段に巻線部を分け、弱い風の時には上下段を直列に接続してたとえば１５０ｒｐｍが定格回転数になるように制御する。また、中程度の風が吹き、そして、さらに回転数が上がると並列接続に切り替えてたとえば３００ｒｐｍが定格回転数になるように制御する。

ここで、直列結線の状態における巻線部の巻数は、並列結線の倍になるので、同じ速度で風車が回転すると、直列結線の倍の電圧が得られる。言い換えると、低速回転でも並列結線と同等の電圧が得られることになる。

図１０は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムにおける電力特性を示すグラフ図である。図１０において、横軸は電力変換装置１０１すなわち風力用コントローラ３が受ける交流電圧のレベルを示し、縦軸は風力用コントローラ３の出力容量を示す。また、ｃｈ１は電圧変換回路１３が電力を出力する範囲を示し、ｃｈ２は電圧変換回路１４が電力を出力する範囲を示し、ｃｈ３−１は電圧変換回路１５が低出力モードで電力を出力する範囲を示し、ｃｈ３−２は電圧変換回路１５が高出力モードで電力を出力する範囲を示す。

図１０を参照して、電圧変換制御部１２は、風が弱い場合、すなわち風力発電装置１から受けた交流電圧の周波数が０Ｈｚ〜２５．３Ｈｚの範囲にある場合には、巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を直列に接続する。そして、電圧変換制御部１２は、入力交流電圧レベルが低い場合には電圧変換回路１３を選択して動作させる。たとえば、風力用コントローラ３の出力電流は、入力交流電圧レベルが５０Ｖのときに０．２Ａとなる。

次に、電圧変換制御部１２は、風速が上がり、入力交流電圧レベルが８０Ｖ以上になると電圧変換回路１４を選択して動作させる。この電圧変換回路の切り替えにより、風力用コントローラ３の出力電流は、たとえば０．３８Ａから０．６Ａに上昇する。

次に、電圧変換制御部１２は、風速が上がり、入力交流電圧レベルが１５０Ｖ以上になると電圧変換回路１５を選択して動作させる。このとき、電圧変換回路１５は、低出力モードで動作する。この電圧変換回路の切り替えにより、風力用コントローラ３の出力電流は、たとえば１．０Ａから４．０Ａに上昇する。

次に、電圧変換制御部１２は、風速が上がり、風力発電装置１から受けた交流電圧の周波数が２５．３Ｈｚを超えると、巻線部の結線を切り替える、すなわち巻線部ＭＵ１，ＭＵ２を並列に接続する。これにより、入力交流電圧レベルは９５Ｖまで低下する。そうすると、電圧変換制御部１２は、電圧変換回路１４を選択して動作させる。

次に、電圧変換制御部１２は、風速が上がり、入力交流電圧レベルが２００Ｖ以上になると電圧変換回路１５を高出力モードで動作させる。この電圧変換回路の切り替えにより、風力用コントローラ３の出力電流は、たとえば４．６Ａから１１．０Ａに上昇する。さらに、入力交流電圧レベルが２５０Ｖに上昇し、このときに風力用コントローラ３の入力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷを短絡させないと仮定した場合には、風力用コントローラ３の出力電流は１１．５Ａとなる。

なお、ここでは理解を容易にするために風速が徐々に上がっていく場合を例示して説明したが、風速が徐々に下がっていく場合には上記説明と逆の動作になり、また、実際には風速はランダムに変動することが多いので、電圧変換回路の切り替えもその変動に従って行なわれる。

図１１は、従来および本発明の実施の形態に係る電力変換装置における風速と供給電力との関係を示すグラフ図である。図１１において、横軸は風速であり、縦軸は風力用コントローラ３の出力電力を示す。また、グラフＧ１およびＧ２は従来の電力変換装置の特性を示し、グラフＧ３およびＧ４は電力変換装置１０１の特性を示す。

図１１を参照して、従来の電力変換装置では、グラフＧ１に示すように、風速が大きいときは風力によって生じる電力が大きくなるため、誤動作および破壊等を防ぐために動作が停止してしまう。あるいは、グラフＧ２に示すように、風速が小さいときは風力によって生じた電力が小さいため、電圧変換装置の動作が停止し、また、電圧変換装置に負荷がかかると風力発電装置の出力電圧が低下し、電圧変換装置の動作が停止してしまう。

これに対して、本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が順番に大きくなるように構成された電圧変換回路１３，１４，１５を備える。そして、電圧変換制御部１２は、風力発電装置１から受けた交流電圧に基づいて複数の電圧変換回路１３，１４，１５を選択的に動作させる。たとえば、電圧変換制御部１２は、入力交流電圧レベルすなわち風速が大きくなるに従って入力可能電圧または入力可能電流の大きい電圧変換回路を選択して動作させる。これにより、低風速から高風速の広範囲において安定した電力供給を行なうことが可能となる。また、電圧変換装置に負荷がかかって風力発電装置の出力電圧が低下しても、電圧変換回路の切り替えによって発電電力を階段状に制御することにより、電力供給を継続することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、風速が急変する場合にも風力による発電電圧を運転範囲内に制御て風車の連続運転を行ない、この発電電圧によってバッテリー等の蓄電装置に簡易かつ効率的に蓄電する。これにより、安全な起動および効率的な発電、ならびに安全な制動および停止を行ない、街路灯および非常用電源に有効な風力・太陽光発電装置を提供することが可能となる。また、複数の電圧変換回路を含む構成により、充電効率を向上させることが可能となる。

また、従来は、風車からの電力を変換する電圧変換回路は蓄電池から電力を与えられていたので、常時電力を消費してしまっていた。これに対して、電力変換装置１０１では、電圧変換回路１３，１４，１５のうち、少なくとも入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の最も小さい電圧変換回路１３は、風力発電装置１からの交流電圧を動作電源電圧として受け、他の電圧変換回路１４，１５は、蓄電池４Ａ，４Ｂからの直流電圧を動作電源電圧として受ける。

このような構成により、風のない待機時は電圧変換回路１３，１４，１５が動作しないことから、蓄電池の電力が消費されることを防ぐことができる。

なお、本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、蓄電池４Ａ，４Ｂを備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。電力変換装置が蓄電池４Ａ，４Ｂを備えず、直流電源として単独で負荷に電力を供給する構成であってもよい。なお、電力変換装置が蓄電池４Ａ，４Ｂを備える構成により、風力および太陽光等の大小に関わらず、電力をさらに安定して負荷に供給することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、電圧変換回路１５は、２つの主スイッチング素子を含み、入力可能電圧範囲または入力可能電流範囲と出力容量とが２段階で設定される構成であるとしたが、これに限定するものではない。風力用コントローラ３が、１つの入力可能電圧範囲または入力可能電流範囲と１つの出力容量とを有する電圧変換回路を２つ含む構成であってもよい。

また、風力用コントローラ３は、２つの電圧変換回路を含む構成であってもよいし、４つ以上の電圧変換回路を含む構成であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１風力発電装置、２切替回路、３風力用コントローラ、４Ａ，４Ｂ蓄電池、５ＤＣ／ＡＣインバータ、６Ａ，６Ｂ太陽光発電装置、７太陽光用コントローラ、８インバータ制御部、９ＡＣコンセント、１１整流回路、１２電圧変換制御部、１３，１４，１５電圧変換回路、２１トランス、２２，２９主スイッチング素子、２３整流平滑回路、２４スイッチング制御部、２５，２６フォトカプラ、２７出力電圧検出部、２８過電圧検出部、３０スイッチ素子、４１ビス、４２バックコア、４３２段重ねボビン、４４リード線、４５基板、４６ボビン受け成形樹脂、１０１電力変換装置、２０１電力変換システム、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３〜Ｄ５ダイオード、ＭＵ１，ＭＵ２巻線部、Ｍ１〜Ｍ６電機子巻線、Ｒｙ１〜Ｒｙ７リレー。

Claims

自然エネルギーによって回転する回転機を有し、前記回転機の回転によって交流電力を発生する発電装置が外部に配置され、前記発電装置からの交流電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、
前記発電装置から受けた交流電圧を整流するための整流回路と、
前記整流回路によって整流された電圧を所定レベルを有する直流電圧に変換し、変換した直流電圧を前記負荷に供給し、入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が順番に大きくなるように構成された複数の電圧変換回路とを備え、
前記複数の電圧変換回路の各々は、
前記整流回路によって整流された電圧を受ける１次巻線、および前記１次巻線と磁気的に結合された２次巻線を含むトランスと、
前記１次巻線に電気的に接続され、オン・オフすることにより、前記１次巻線に印加される電圧を交流電圧に変換するための主スイッチング素子と、
前記２次巻線に誘起された交流電圧を整流平滑することにより直流電圧に変換するための整流平滑回路とを含み、
前記発電装置は、前記回転機の回転によって交流電圧が誘起される複数の巻線部を備え、
前記変換装置は、さらに、
前記発電装置から受けた交流電圧に基づいて前記複数の電圧変換回路を選択的に動作させるための電圧変換制御部と、
前記複数の巻線部と前記整流回路との間に接続され、前記複数の巻線部を直列に接続するか並列に接続するかを切り替えるための切り替え回路とを備え、
前記電圧変換制御部は、
前記発電装置から受けた交流電圧のレベルが所定の閾値未満の場合には前記複数の巻線部を直列に接続し、前記発電装置から受けた交流電圧のレベルが前記所定の閾値以上の場合には前記複数の巻線部を並列に接続し、
前記複数の巻線部の接続を直列から並列に切り替えた場合、その切替前に選択されていた前記電圧変換回路よりも入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の小さい前記電圧変換回路を選択して動作させる、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
前記電圧変換制御部は、
前記発電装置から受ける交流電圧のレベルが大きくなるに従って入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の大きい前記電圧変換回路を順番に選択して動作させる、請求項１に記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
前記複数の電圧変換回路のうち、少なくとも入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流の最も小さい電圧変換回路は、前記発電装置からの交流電圧を動作電源電圧として受け、他の電圧変換回路は、前記電池からの直流電圧を動作電源電圧として受ける、請求項１または２に記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
前記変換装置は、さらに、
前記複数の電圧変換回路によって変換された直流電圧によって充電を行ない、充電した電力を前記負荷に供給するための蓄電池を備える、請求項１から３のいずれかに記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
前記電圧変換制御部は、
入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が最も大きい前記電圧変換回路の動作中に、前記発電装置から受ける交流電圧が当該電圧変換回路の入力可能最大電圧以上になった場合、前記複数の巻線部を短絡させる、請求項１から４のいずれかに記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流が最も大きい前記電圧変換回路は、
入力可能最小電圧および入力可能最大電圧、または入力可能最小電流および入力可能最大電流と出力容量とが２段階で設定されている、請求項１から５のいずれかに記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。