JP5469969B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

昨今、地球温暖化に伴う異常気象等が頻発している。地球温暖化に伴い、極地方の氷河が大規模に溶解し始めているという。これらの異常気象等により、地球の生態系が大幅に破壊あるいは変更されるということが予想されている。将来の世代に安全ですごしやすい環境を残すためには、このような地球温暖化による環境破壊を抑止しなければならない。地球温暖化の主な原因は二酸化炭素の大気中への大量の放出であるとされている。これは、現代文明がエネルギーを主に、石炭や石油などの化石燃料を燃焼させることによって得ていることによる。したがって、地球温暖化を抑止しながら、エネルギーを得るためには、従来の化石燃料には依存しないエネルギー源が必要となる。

このような、新しいエネルギー源として、風力であるとか、太陽光であるとかが注目されている。このような知見のもとに、各国で風力発電や、太陽光発電が盛んに研究開発されている。

ところで、風力発電や太陽光発電では、発電した電力を商用電源にするために、インバータを必要とする。しかし、風力発電と太陽光発電では、定格電圧が異なるため、それぞれに、独自に専用のインバータを開発しなければならなかった。これは、新しい風力発電機等を開発しても、市場に投入するのを遅延させる原因になると共に、風力発電機と太陽光発電機の互換性を低くする原因ともなる。したがって、汎用のインバータをこれらの発電機、特に、風力発電機に適用できる工夫が要求されている。

本発明の課題は、汎用のインバータを適用可能な風力発電装置を提供することである。

本発明の風力発電装置は、磁石と電機子巻線とからなる、風車回転翼を有する発電機と、該電機子巻線を、制御されたデューティでショートすることによって、該風車回転翼の回転速度を制御するスイッチ手段と、該発電機の出力に断続的に抵抗を接続することによって、出力電圧の制御を行なうシャント手段と、負荷としてインバータが接続された場合、該インバータの起動前には、該スイッチ手段を用いて該風車回転翼の回転速度を所定値になるように制御すると共に、該シャント手段を用いて該インバータに印加される電圧が大きくなりすぎないように、該出力電圧を所定値に制御し、該インバータの起動後には、スイッチ手段を用いて該インバータに印加される電圧が一定値となるように、該風車回転翼の回転速度を制御する制御手段とを備える。

本発明によれば、汎用のインバータを適用可能な風力発電装置を提供することが出来る。

本発明の実施形態の風力発電装置を示すブロック図である。 図１のスイッチング回路４０−１〜４０−３の制御を示すフローチャートである。 インバータが起動するまでのインバータと風力発電装置の動作を説明するフローチャートである。 本実施形態の風力発電装置の動作を説明するシーケンス図である。

本実施形態においては、系統連係用インバータを用いて、風力発電装置の出力を商用電力に系統連係（Grid tie）接続を行なうに際して、該インバータに予め定電圧入力特性を持たせ、風力発電機の出力電圧を該インバータの所要入力電圧に昇圧させ、かつ風力発電装置の出力電圧が風速の変化に依存することがない一定の出力電圧を維持するように制御する。ここで、系統連係接続とは、定格電力の異なる発電機や負荷を相互に接続することを言う。

また、系統連係用インバータを用いて、風力発電装置の出力を商用電力に系統連係接続を行なうに際して、風力発電装置の翼回転数を予め定めた一定の回転数を維持するように制御する。

更に、電圧昇圧及び回転数制御に必要なインダクタンスは、発電機の電機子コイルを用いる。
また、系統連係用インバータを用いて、風力発電装置の出力を商用電力に系統連係接続を行なうに際して、該インバータの動作が停止した場合、該風力発電機の回転数を所定の値に減じて出力電圧を減少させる。

更に、風力発電機の電磁ブレーキ動作を行う場合、回転数を参照しながら段階的にデューティ幅を拡張する。
図１は、本発明の実施形態の風力発電装置を示すブロック図である。

図１において、コントローラ１は、風力発電機２を制御することにより効率的に発電する風力発電装置を構成する。
風力発電機２は、永久磁石２１と、電機子の三相の巻線２２とを備え、ピッチ角が固定である風車回転翼２０の回転によって発生する交流電流を整流器２３によって直流電流に変換し、インバータ３０に電力を供給する。なお、風車回転翼２０は、そのピッチ角が固定であるため、ピッチ角を変動させることができるタイプや翼が可倒式になっているタイプに比べ、その構造が比較的シンプルであり故障も少なく、小型軽量化が容易である。

コントローラ１は、電流Ａ／Ｄ変換部１１、電圧Ａ／Ｄ変換部１２、回転速度計数部１３、ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４、計数コントロール部１５、ＰＷＭ変調部１６、３４及びコントロール部３５を備える。

電流Ａ／Ｄ変換部１１は、前記風力発電機２が出力する出力電流値を、電流検出回路２６を介して検出し、アナログ値をデジタル値に変換する。前記電圧Ａ／Ｄ変換部１２は、風力発電機２が出力する出力電圧値を、電圧検出回路２７を介して検出し、アナログ値をデジタル値に変換する。

回転速度計数部１３は、風車回転翼２０の回転速度を、回転速度検出回路２８を介して検出して取得する。前記ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４は、回転速度計数部１３によって取得した回転速度および予め定められた風車回転翼２０に固有の特性である翼空力特性に基づいて、風力発電機２の理論出力値を算出する。ここで、風車回転翼２０に固有の特性である翼空力特性は、風車回転翼２０の回転速度と前記風力発電機２が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を理論特性テーブルとしてメモリに格納しておいても良いし、ＷＰ＝ａ×ｘⁿ＋ｂ×ｘ^n-1＋・・・＋ｃ×ｘ＋ｄ（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数）のような多次元模擬式、例えばＷＰ＝ａ₁×ｘ³＋ｂ₁×ｘ²＋ｃ₁×ｘ＋ｄ₁（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ₁，ｂ₁，ｃ₁，ｄ₁：係数）のような３次元模擬式を用いても良い。

回転速度制御については、例えば、特願２００９−１２９１１１号明細書を参照されたい。この明細書には、理論模擬式についての詳細が記載されている。
計数コントロール部１５は、電流Ａ／Ｄ変換部１１によって変換した出力電流値および前記電圧Ａ／Ｄ変換部１２によって変換した出力電圧値に基づいて現時点での風力発電機２の出力電力値を算出し、この算出した現時点での出力電力値および前記ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４によって算出した理論出力値に基づいて、前記理論出力値に見合う電力が出力されるように、整流器２３が備えるスイッチング回路４０−１〜４０−３のデューティ（通電率）を算出する。すなわち、スイッチング回路４０−１〜４０−３は、図１から明らかなように、ＯＦＦの場合には、通常通り、巻線２２に発生する電力を整流するが、ＯＮの場合には、巻線２２をショートする。巻線２２をショートすることにより、巻線２２内にサージ電流が流れ、次に、スイッチング回路４０−１〜４０−３がＯＦＦして、電力が整流器２３に供給されたときには、発生するする電圧が昇圧されるという効果を生じる。これと同時に、サージ電流が巻線２２に流れることにより、サージ電流のエネルギーが巻線２２で消費される。このサージ電流の消費のために、風車回転翼２０の回転エネルギーが消費され、風車回転翼２０の回転にブレーキがかかるという効果も生じる。これは、風力発電機２の出力に負荷を接続して、エネルギーを消費させ、風車回転翼２０の回転速度を落とすことと同じ意味である。ただし、スイッチング回路４０−１〜４０−３でショートする場合には、その負荷が、風力発電機２の電機子の巻線２２になっているという点で異なっている。デューティの制御は、スイッチング回路４０−１〜４０−３のＯＮ、ＯＦＦをどの割合で行なうかを制御するもので、スイッチング回路４０−１〜４０−３のＯＦＦの割合が大きいほど、風車回転翼２０の回転にブレーキをかける度合いが大きい。

ＰＷＭ変調部１６は、計数コントロール部１５によって算出されたデューティに基づいて、風力発電機２が理論出力値に見合う電力を出力するように、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によって風車回転翼２０の回転を制御する。ドライバ２９は、スイッチング回路４０−１〜４０−３を構成するトランジスタスイッチに与える駆動電圧を生成するものである。特に、風車回転翼２０の回転に制動をかけようとする場合には、段階的にスイッチング回路４０−１〜４０−３をショートする時間幅を大きくするように、スイッチング回路４０−１〜４０−３のＯＮ、ＯＦＦのデューティを変化させる。ショートする時間幅を大きくすると、電機子巻線２２により多くの時間サージ電流が流れるようになり、サージ電流の電機子巻線２２における消費がより多く行なわれることになる。
したがって、風車回転翼２０の回転エネルギーがより多く消費され、より大きく制動作用が働くことになる。

スイッチング回路３１は、インバータ３０に印加される電圧を制御する。スイッチング回路３１は、制御されたデューティでＯＮ、ＯＦＦすることにより、電流を抵抗３２に流し、インバータ３０に印加される電圧を整流器２３から入力される電圧と、抵抗３２に印加される電圧との間で切り替え、インバータ３０に印加される電圧が所定の電圧になるように制御する。

コントロール部３５は、電圧Ａ／Ｄ変換部１２からの電圧値と、この電圧値と電流Ａ／Ｄ変換部１１からの電流値とを乗算して得られる電力値とを得て、スイッチング回路３１のＯＮ、ＯＦＦのデューティを決定して、制御信号をＰＷＭ変調部３４に与える。ＰＷＭ変調部３４は、コントロール部３５からの制御信号に従って、所定のデューティのパルス幅変調された制御信号を生成し、シャントドライバ３３に与える。シャントドライバ３３は、ＰＷＭ変調部３４からの制御信号に従って、所定のデューティの駆動信号を生成し、スイッチング回路３１のトランジスタに与える。

なお、インバータ３０は、汎用のものでよいが、定電圧モードのあるインバータが好ましい。定電圧モードとは、インバータ３０の入力電圧の定格値が一定値であるモードのことである。この場合、スイッチング回路４０−１〜４０−３のデューティを制御して、インバータ３０に、一定の所定の電圧が印加されるようにすることにより、さまざまな定格電圧のインバータを駆動することができる。

図２は、図１のスイッチング回路４０−１〜４０−３の制御を示すフローチャートである。
ステップＳ３０１において、風力発電機２が出力する出力電流値および出力電圧値を検出して取得し、ステップＳ３０２において、これらから出力電力値（出力電力＝電流×電圧）を算出する。

これと並行して、ステップＳ３０３において、風車回転翼２０の回転速度を検出して取得する。
そして、ステップＳ３０４において、ステップＳ３０３で取得した回転速度が所定値を越えているか否かを判断する。所定値としては、例えば風速１０（ｍ／ｓ）に相当する回転速度１０００（ｒｐｍ）を用いることができる。

回転速度が所定値を越えていないと判断された場合、すなわち、検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲内である場合（ステップＳ３０４：Ｎｏ）は、ステップＳ３０５において、ステップＳ３０３で取得した回転速度から理論電力値を求める。例えば、理論電力値としては、前記風車回転翼２０の回転速度と前記風力発電機２が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を用いても良いし、ＷＰ＝ａ×ｘⁿ＋ｂ×ｘ^n-1＋・・・＋ｃ×ｘ＋ｄ（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数）のような多次元模擬式、ＷＰ＝ａ₁×ｘ³＋ｂ₁×ｘ²＋ｃ₁×ｘ＋ｄ₁（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ₁，ｂ₁，ｃ₁，ｄ₁：係数）のような３次元模擬式を用いても良い。

次に、ステップＳ３０６において、ステップＳ３０２で算出した出力電力値が、ステップＳ３０５で算出した理論電力値を越えているか否かを判断する。
出力電力値が理論電力値を越えていると判断された場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３０７において、風力発電機２が出力する電力を減らすように算出したデューティーに基づいて、スイッチング回路４０−１〜４０−３を制御することにより、風力発電機２の負荷を軽くする。他方、出力電力値が理論電力値を越えていないと判断された場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）は、ステップＳ３０８において、風力発電機２が出力する電力を増やすように算出したデューティに基づいて、スイッチング回路４０−１〜４０−３を制御することにより、風力発電機２の負荷を重くする。

また、取得した回転速度が所定値を越えているとステップＳ３０４で判断された場合、言い換えれば検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲を超えている場合（ステップＳ３０４：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３０９において、基準とする回転速度、例えば１０００（ｒｐｍ）を設定する。

次に、ステップＳ３１０において、ステップＳ３０９で設定した基準回転速度が、ステップＳ３０３で検出した回転速度を越えているか否かを判断する。
基準回転速度が検出した回転速度を越えていると判断された場合（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３１１において、風力発電機２が出力する電力を減らすように算出したデューティに基づいて、スイッチング回路４０−１〜４０−３を制御することにより、風力発電機２の負荷を軽くする。他方、基準回転速度が検出した回転速度を越えていないと判断された場合（ステップＳ３１０：Ｎｏ）は、ステップＳ３１２において、風力発電機２が出力する電力を増やすように算出したデューティーに基づいて、スイッチング回路４０−１〜４０−３を制御することにより、風力発電機２の負荷を重くする。

このように、出力電力を一定の値になるように制御することにより、定電圧モードのインバータを駆動することが出来る。インバータの定電圧モードの定格電圧がどのようなものであっても、スイッチング回路４０−１〜４０−３のデューティを制御することによって、必要な定格電圧の出力電圧を得ることが出来る。

図３は、インバータが起動するまでのインバータと風力発電装置の動作を説明するフローチャートである。
図３（ａ）は、インバータの動作である。インバータは、最初、ステップＳ４０１にあるように、スタンバイ状態となっている。次に、インバータは、所定の電圧が所定時間以上継続したか否かを検出する。ここでは、例として、インバータは、定電圧モードで、２５０Ｖ以上が３００秒経過した後に、起動するものとなっている。３００秒はあくまで例であり、インバータの中には、３０秒で起動するものもある。ステップＳ４０２において、２５０Ｖが３００秒経過したか否かを判断し、経過していない場合には、スタンバイ状態を継続する。ステップＳ４０２の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ４０３で、インバータが起動し、系統連係、すなわち、定格電圧の異なる風力発電装置とインバータが共に動作を始める。ステップＳ４０４では、インバータは、入力電圧が、例として、１００Ｖ以下になった場合に動作を止めることとなっており、ステップＳ４０４の判断がＹｅｓの場合には、スタンバイ状態に戻り、Ｎｏの場合には、インバータは、系統連係した動作を続ける。

図３（ｂ）は、風力発電装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ４１０において、風力発電装置は、最初スタンバイ電圧を受け取り、スタンバイ状態となっているスタンバイ電圧は、外部から供給されるもので、ここでは、例として、２４０Ｖとしている。ステップＳ４１１で、風が風車回転翼２０に入っていない場合には、スタンバイ状態を継続し、風が入ってきた場合には、ステップＳ４１２に進む。ステップＳ４１２において、コントロール部３５は、発生した電力が所定値以下（ここでは、例として、１０Ｗ以下としている。１０Ｗ以上の電力がインバータに印加されるとインバータが動作を始めるとしている）であるか否かを判断する。ステップＳ４１２の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ４１３において、コントロール部３５は、スイッチング回路４０−１〜４０−３のデューティを制御して、風車回転翼２０の回転数を下げて、発生電力を抑える。ここでは、例えば、毎分３００回転になるように制御する。なお、出力電力が１０Ｗというのは、風速がほぼ３ｍ／ｓの状態を示す。

ステップＳ４１４において、出力電力が１０Ｗ以下、かつ、出力電圧が２８０Ｖ以上か否かを判断する。ステップＳ４１４の判断がＮｏの場合には、何もせずにステップＳ４１１に戻るが、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ４１５において、シャントドライバ３３を介して、スイッチング回路３１のＯＮ、ＯＦＦデューティを制御し、出力電圧が２８０Ｖになるように制御する。このように、出力電圧を下げるのは、スイッチング回路４０−１〜４０−３のスイッチングにより出力電圧が昇圧され、負荷であるインバータが動作していない状態では、出力電圧が高くなりすぎ、回路を破壊してしまう危険性があるからである。出力電圧が２８０Ｖ以上あったものを、２８０Ｖに落とすため、負荷が重くなり、風車回転翼２０の回転数が落ち、２５０ｒｐｍ付近となる状態で、スイッチング回路３１のＯＮ、ＯＦＦを繰り返すようになる。この状態で、ステップＳ４１１に戻る。

ステップＳ４１２において、出力電力が所定値（１０Ｗ）より大きいとなった場合には、インバータが動作を始めるので、ステップＳ４１６において、通常制御を行なう。ここでは、定電圧モードのインバータの定格電力で、風車回転翼２０の回転数が、毎分１２８０あるいは、６００回転（インバータの規格による）の一定回転数で動作するようにする。このときは、スイッチング回路４０−１〜４０−３のスイッチングのデューティを制御して、発生電力と回転数を制御する。この後、ステップＳ４１１に戻り、風が弱くなって、インバータがＯＦＦするまで続く。

図４は、本実施形態の風力発電装置の動作を説明するシーケンス図である。
Ａのシーケンスは、風力発電装置の初期電源入力時、あるいは、停止していた状態から起動する場合のシーケンス図である。

（１）のタイミングで、スタンバイ電源がＯＮされ、風力発電装置がスタンバイ状態になる。また、このとき、インバータもスタンバイ状態になる。スタンバイ電圧が２４０Ｖであるので、出力電圧も２４０Ｖである。

（２）のタイミングで、風が吹き、風車回転翼２０が回転し始めたとする。ここで、コントロール部３５は、出力電力が１０Ｗ以下となっているかを判断し、風車回転翼２０の回転数を毎分３００回転になるように制御する。この制御は、スイッチング回路４０−１〜４０−３のショートのデューティを可変することにより、風車回転翼２０の回転数を制御するようにする。風車回転翼２０の回転速度（毎分の回転数）は、回転数検出回路２８で検出できるので、回転数が３００回転より大きい場合には、スイッチング回路４０−１〜４０−３のショートの時間幅を大きくし、３００回転より小さい場合には、スイッチング回路４０−１〜４０−３のショートの時間幅を小さくするようにする。時間幅の変化の量は予め決められた大きさとしておいて良い。この場合、風車回転翼２０の回転速度は、正確には毎分３００回転にならない場合もあるが、これに近い値となれば十分である。さらに、電圧が２８０Ｖ以上になっているか否かを検出する。出力電力が１０Ｗ以下で、電圧が２８０Ｖ以上となっている場合には、シャントドライバ３３を介して、スイッチング回路３１を制御されたデューティでＯＮ、ＯＦＦし、インバータへの入力電圧を２８０Ｖに抑える。

（３）のタイミングにおいて、風車回転翼２０の回転数を毎分３００回転に制御している状態で、インバータへの入力電圧が２５０Ｖ以上の状態が３００秒（インバータの種類により可変で、３０秒などの場合もある）経過すると、インバータが起動し、シャントドライバ３３は、スイッチング回路３１をＯＦＦにする。そして、通常制御が始まり、定格電力で、風車回転翼２０の回転数が、毎分１２８０回転、あるいは、毎分６００回転の状態を維持する。

Ｂのシーケンスは、通常運転していた状態で、停電し、復帰する場合である。
（４）のタイミングで、停電が起こり、スタンバイ電源がＯＦＦした場合には、シャントドライバが、停電と同時に起動し、風車回転翼２０の回転を毎分３００回転に制御すると共に、インバータへの入力電力を抑える動作を行なう。

（５）のタイミングで停電が終了すると、インバータがスタンバイになり、インバータへの入力電圧が２５０Ｖ以上の状態が３００秒持続した時点（６）で、インバータがＯＮになる。

（６）以降は、通常制御で、定格電力を発生し、回転数が毎分１２８０回転あるいは毎分６００回転の状態を維持する。
Ｃのシーケンスは、風力発電装置が停電以前に停止しており、停電後、風を受けて、発電する場合である。

（４）のタイミングで、停電が起こっても、その前は停止していたので、出力電圧は０Ｖである。
（５）のタイミングで、停電が終了すると、風車回転翼２０の回転数を毎分３００回転にすると共に、シャントドライバが起動し、出力電圧を２８０Ｖに制御する。インバータへの入力電圧が２５０Ｖ以上の状態が３００秒持続した時点（６）で、インバータがＯＮになる。

（６）以降は、通常制御で、定格電力を発生し、回転数が毎分１２８０回転あるいは毎分６００回転の状態を維持する。

１ 風力発電制御装置
２ 風力発電機
１１ 電流Ａ／Ｄ変換部
１２ 電圧Ａ／Ｄ変換部
１３ 回転速度計数部
１４ ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部
１５ 計数コントロール部
１６、３４ ＰＷＭ変調部
２０ 風車回転翼
２１ 永久磁石
２２ 巻線
２３ 整流器
２４ 蓄電池
２５ 負荷
２６ 電流検出回路
２７ 電圧検出回路
２８ 回転速度検出回路
２９ ドライバ
３０ インバータ
３１、４０−１〜４０−３ スイッチング回路
３２ 抵抗
３３ シャントドライバ
３５ コントロール部

Claims (5)

1. 磁石と電機子巻線とからなる、風車回転翼を有する発電機と、
   該電機子巻線を、制御されたデューティでショートすることによって、該風車回転翼の回転速度を制御するスイッチ手段と、
   該発電機の出力に断続的に抵抗を接続することによって、出力電圧の制御を行なうシャント手段と、
   負荷としてインバータが接続された場合、該インバータの起動前には、該スイッチ手段を用いて該風車回転翼の回転速度を所定値になるように制御すると共に、該シャント手段を用いて該インバータに印加される電圧が大きくなりすぎないように、該出力電圧を所定値に制御し、該インバータの起動後には、スイッチ手段を用いて該インバータに印加される電圧が一定値となるように、該風車回転翼の回転速度を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記スイッチ手段は、前記電機子巻線をショートすることにより、前記風車回転翼の回転速度を制御すると共に、前記出力電圧を昇圧することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記制御手段は、前記インバータが停止した場合には、前記風車回転翼の回転速度を前記所定値になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
4. 前記インバータは、定電圧モードで動作することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
5. 前記制御手段は、前記風車回転翼に制動をかける場合には、前記スイッチ手段のショートを行う時間幅を段階的に長くするように前記デューティを制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。

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