JP5483901B2 - 風力発電システム、及び風力発電システムの失速制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電システム、特に数百Ｗ級の発電機を用いる小型風力発電システム、及び風力発電システムに適用される失速制御方法に関するものである。

近年、環境への配慮等の観点から化石燃料を用いた発電に変わる自然エネルギーを利用した発電システムとして風力発電システムが注目されてきた。風力発電システムは、発電機の出力量に応じて大型風力発電システムと小型風力システムとに大きく分類される。大型風力発電システムは、数ＭＷ級の発電機を用いるものであり、既に実用化され、導入例も多く見受けられる。一方で、数百Ｗ級の発電機を用いる小型風力発電システムは、大型風力発電システムほど普及していないのが現状である。

このような風力発電システムでは、風速に合わせた制御を行い、強風時等においても如何に効率良く風エネルギーを利用してその風車の能力を引き出すかが重要な点である。これまでに、風車の出力特性を利用して最大電力を出力するように発電機の運転を制御する最大電力追従（Maximum Power Point Tracking）制御の有効性が確認されている。

特許文献１には、風車の回転数に対する風車ピッチ角指令及び風車トルク指令を一義的に定めて制御することにより、風速に見合った最高出力を常に得られるようにした態様が開示されている。具体的には、検出した風車回転数から風車角ピッチ指令を生成してピッチ角アクチュエータを制御するとともに、検出した風車回転数からトルク指令を生成してＰＷＭコンバータを制御する態様が開示されている。

また、特許文献２には、回転計発電機及びフォトセンサ等によって構成される風車回転数検出部と、風速計等によって構成される風速検出部とからそれぞれ得られる情報に基づいて周速比を算出し、この周速比を用いて発電機の運転を制御することにより、風速が変動してもその風速における最大出力を得ることができるようにした態様が開示されている。

特開２００３−２３９８４３号公報 特許第３４６５２４６号公報（特開２００３−１５３５９５号公報）

ところが、特許文献１記載の態様は、ピッチ角制御を行うための装置（ピッチ角アクチュエータ）が必要であり、また特許文献２記載の態様は、風速及び回転数の情報を得るための機器（風速計や回転検出器等）が必須であるため、構造の複雑化及びコストアップを招来するという問題があった。小型風力発電システムにおいては、大型風力発電システムと比較してシステム自体の構造の単純化やコストダウンという要望は特に強い。

なお、強風時に発電機が極端な過出力状態となって過回転による風車や発電機の損傷を防止するために、強風時に発電機の出力を短絡して、風車を意図的に停止させるようにした態様も知られている（特開２０００−１９９４７３号公報等）。しかしながら、このような態様は、風力が高い場合に風車を積極的に停止させるため、風力エネルギーを利用することができず、稼働率が悪いという問題があった。さらに、特許文献として開示されていないが本発明者らは風力発電システムにおける失速制御態様として、風速が高くなると風車の回転数が低いうちは加速を優先するために発電を行わず、回転数に比例する発電機の出力が所定値（例えば２０Ｖ）を越えてから発電を開始する一方、風速が低くなった場合は、風車が止まってしまわないように発電機の出力が所定値（例えば１０Ｖ）以下になると発電を停止するようにした態様について公表している。このような態様では図６において破線で示すように失速が起こる度に風車の回転数が大きく低下してしまうので、再度加速するまでの時間が無駄となり、やはり稼働率が悪いという問題があった。

そもそも小型風力発電システムでは、大型風力発電システムと比較して、風車自体が小型であるために慣性も小さく、風車が失速し始めると直ぐに停止し易いという面がある。風車の失速現象とは、風車に発生する揚力が減少したり、完全に失われた場合に生じる現象である。そして、風車に発生する揚力は周速比によって決まるものであることから、風車の失速現象は周速比のバランスが崩れた場合に生じるものと言える。ここで、周速比は次式で与えられる。

周速比＝ωｒ／Ｕ
ここで、ωは風車の角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］であり、ｒは風車（ブレード）の半径［ｍ］であり、Ｕは風速［ｍ／ｓ］である。

揚力が最大になる点までは周速比が小さい方が得られる揚力は大きくなるため、最大電力追従制御によって制御される風力発電システムは周速比が小さい状態で運転されることになる。風車に作用する負荷トルクは発電機の出力に比例して大きくなるため、周速比が小さい状態での運転は、風車の加速が悪い状態であると言える。このような運転状態において、風速が急激に上昇した場合、最大出力追従制御により風車の回転数は風速の上昇に伴って上がらないため、周速比が小さくなり過ぎて失速を起こしてしまう。したがって、そのまま最大出力追従制御を維持すると揚力が低下して回転数が下がり、発電が停止してしまうという問題があった。

本発明は、このような諸問題に着目してなされたものであって、主たる目的は、特に小型風力発電システムにおいて大幅なコストアップを招来することなく、専用の装置を用いずに風車が失速状態であるか否かを電気的情報から速やかに検出し、失速状態に陥った場合であっても揚力の低下に伴う風車の回転数の大幅な低下を防止して、風車が再度加速するまでの無駄な時間を効果的に削減し、稼働率を高められる風力発電システムを提供することにある。

すなわち本発明の風力発電システムは、風力で回転する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機と、風車の回転数の変化に応じて発電機から出力を取り出す機能を有し且つ風車の失速を制御する制御部とを具備えたものである。なお、このような風力発電システムに用いられる発電機は風力発電機とも称されるものである。また、風車の回転数の変化に応じて発電機から出力を取り出す機能を有する制御部としては、発電機の出力変動に対して当該発電機の動作点が常に制御上の最大出力点を追従するように変化させて発電機から制御上の最大出力を取り出す最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御コントローラを備えた制御部が挙げられる。なお、「制御上の最大出力」とは文言通り、制御上の最大出力であり、「絶対出力」とは異なるものである。

そして、本発明の風力発電システムは、制御部に、発電機の出力電力と出力電力の時間微分との関係で定まる失速領域、又は発電機の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を記憶する失速境界条件記憶手段と、制御部における発電工程において当該発電機の動作点を探しにいく毎に出力電力の時間微分又は出力電流の時間微分を算出し、当該動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係、又は当該動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段に記憶されている失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する失速領域判定手段と、失速領域判定手段により失速領域であると判定した場合に発電機の負荷を開放又は軽減する負荷開放手段とを設けたことを特徴とする。ここで、「発電機の動作点を探しにいく毎に」とは、「所定時間ごとに発電機に対してその動作点を探索して決定する毎に」、「ランダムに発電機に対してその動作点を探索して決定する毎に」、これら何れをも包含するものである。

本発明者は、風車が失速すると回転数が下がると共に発電機の出力電力又は出力電力に比例する出力電流が大きく低下する点に着目し、風車が失速状態にある時の出力電力又は出力電流とその時間微分（「時間変化率」や「傾き」とも称される）とから予め定めた失速境界条件に、発電機の実際の動作点における出力電力又は出力電流と当該出力電力の時間微分又は当該出力電流の時間微分との関係が該当するか否かによって失速状態であるか否かを速やかに検出することができる風力発電システムを案出した。

このような風力発電システムであれば、従来のようにピッチ角アクチュエータや回転計発電機或いは風速計等の専用の装置を要することなく、発電機の実際の動作点における出力電力と当該出力電力の時間微分、又は実際の動作点における出力電流と当該出力電流の時間微分といった電気的情報に基づいて失速状態であるか否かを失速領域判定手段で速やかに検出することができる。また、制御部が風車の回転数の変化に応じて発電機から制御状の最大出力を取り出す機能を有するものであれば、風車の回転数の変化に対して常に発電機から制御上の最大出力を取り出すことが可能となり、好適である。

さらに、本発明の風力発電システムは、失速状態であると判断した場合に負荷開放手段によって負荷を開放するように構成したものであるため、風車の回転数がそれ以上に下がることを防止し、失速状態に陥った場合であっても風が吹いていれば即座に風車の回転数が上昇して発電を開始することが可能であり、失速状態からの復旧を迅速に行うことができ、稼働効率を格段に向上させることができる。

また、本発明に係る周力発電システムの失速制御方法は、風力で回転する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機と、風車の回転数の変化に応じて発電機から出力を取り出す機能を有し、且つ風車の失速を制御する制御部とを備えた風力発電機システムに適用される制御方法であり、制御部における発電工程において当該発電機の動作点を探しにいく毎に出力電力の時間微分又は出力電流の時間微分を算出し、動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係、又は動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が、発電機の出力電力と出力電力の時間微分との関係で定まる風車の失速領域、又は発電機の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる風車の失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する失速判定工程と、失速判定工程において失速領域であると判定した場合に発電機の負荷を開放又は軽減する負荷開放工程とを経ることを特徴とする。ここで、「発電機の動作点を探しにいく毎に」とは、風力発電システムにおける「発電機の動作点を探しにいく毎に」と同義である（段落００１４参照）。

このような制御方法であれば、上述した作用効果と同様の作用効果、つまり、従来のようにピッチ角アクチュエータや回転計発電機或いは風速計等の専用の装置を要することなく、発電機の実際の動作点における出力電力と当該出力電力の時間微分、又は実際の動作点における出力電流と当該出力電流の時間微分といった電気的情報に基づいて失速状態であるか否かを速やかに検出することができる。さらに、本発明の失速制御方法は、失速状態であると判断した場合に負荷を開放するようにしているため、風車の回転数がそれ以上に下がることを防止し、失速状態に陥った場合であっても風が吹いていれば即座に風車の回転数が上昇して発電を開始することが可能であり、失速状態からの復旧を迅速に行うことができ、稼働効率を格段に向上させることができる。また、制御部が風車の回転数の変化に応じて発電機から制御上の最大出力を取り出す機能を有するものであれば、風車の回転数の変化に対して常に発電機から制御上の最大出力を取り出すことが可能となり、好適である。

このように、本発明であれば、大幅なコストアップや大型化を招来することなく、風車が失速状態であるか否かを電気的情報から速やかに検出することができるとともに、風車が失速状態に陥った場合であっても揚力の低下に伴う風車の回転数の大幅な低下を防止して、風車が再度加速するまでの無駄な時間を効果的に削減し、稼働率の高い風力発電システム、及び風力発電システムの失速制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体構成図。 風力発電機の出力特性を示す図。 同実施形態に係る風力発電システムにおける制御部の機能ブロック図。 風車の失速境界を示す図。 同実施形態に係る風力発電システムにおける失速制御のフローチャート。 同実施形態に係る風力発電システムによって失速制御した際の風車回転数の変化を従来例と比較して示す図。 同実施形態に係る風力発電システムによる失速制御の作用説明図。 同実施形態に係る風力発電システムの一変形例を図１に対応して示す図。 同実施形態に係る風力発電システムのさらに異なる一変形例を図１に対応して示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る風力発電システムＸは、風車１の回転エネルギーを発電機２により電気エネルギーに変換することにより発電を行うものである。本実施形態では、数百Ｗ級の発電機２を適用しており、それに伴って風車１も小型のものを適用している。つまり、本実施形態に係る風力発電システムＸは小型風力発電システムである。

この小型風力発電システムＸは、図１に示すように、風力で回転する風車１と、風車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機２と、発電機２からの給電によって充電されるバッテリー３とを備え、発電機２とバッテリー３との間に、整流器ユニット４、コンバータ５（具体的には一例として昇圧チョッパ）、電流検出器６、及び直流出力をバッテリー３に供給するか否かを切り替える直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７（接点スイッチ等）を、発電機２からバッテリー３側に向かってこの順で設けている。なお、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７には当該素子７に対してゲート指令を行うゲート回路８が接続されている。この風力発電システムＸは、風車１の回転によって発電機２からバッテリー３に充電しながら電気機器等の負荷Ａに対しても給電することができる。なお、このような風力発電システムＸに用いられる発電機２は、風力発電機とも称される。以下の説明で用いる「風力発電機」は「発電機」と同義である。図１では、風車１としてプロペラ型のものを例示しているが、垂直翼型であってもよい。

本実施形態の小型風力発電システムＸは、風力発電機２の出力側にバッテリー３を並列に接続しているため出力電圧がほぼ一定になる。したがって、出力電力は出力電流に比例して変化することから、コンバータ５（本実施形態では昇圧チョッパ５）の導通率（ｄｕｔｙ）を調整することによって発電機２の出力電力を容易に制御できる。

また、本実施形態に係る小型風力発電システムＸは、発電機２の出力変動に対して当該発電機２の動作点が常に制御上の最大出力点を追従するように変化させて発電機２から制御上の最大出力を取り出す制御が可能な最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御コントローラ９を電流検出部６とコンバータ５との間に設けている。なお、「最大出力点」とはサンプリング毎に得られる動作点のうち電流検出部６における負荷への出力最大となる動作点を意味する。ここで、風力発電機２の出力特性は、ｄｕｔｙを制御パラメータとして用いると図２のようになる。同図から明らかなように、風力発電機２は最大出力点の前後で出力が減少する出力特性を有するため、この出力特性を利用した山登り法によるＭＰＰＴ制御をＭＰＰＴ制御コントローラ９で行っている。ＭＰＰＴ制御の原理は、風力発電機２の現在の動作点がｄ₁にあるとし、それが特性曲線のどこにあるかを知るため、ｄｕｔｙに振幅△ｄの正弦波を重畳させたときの出力の変化、すなわち出力電流の変化を調べ、このときπ／２、３π／２における出力電流Ｉ_２、Ｉ_３の関係がＩ_２＞Ｉ_３ならばｄ₁を大きくする一方、Ｉ_２＜Ｉ_３ならばｄ₁を小さくし、Ｉ_２≒Ｉ_３であれば頂上と判断してｄ₁を変化させないという原理である。また、ｄｕｔｙがステップ状に変化するのを避けるために積分器を通すので、ｄｕｔｙは次式によって決まる。
ｄ₁＝Ｋ・∫（Ｉ_２−Ｉ₃）ｄｔ
ｄｕｔｙ＝ｄ₁＋△ｄ・ｓｉｎθ
ここで、Ｋは積分ゲインである。

本実施形態では、ＭＰＰＴ制御コントローラ９、コンバータ（昇圧チョッパ５）、電流検出器６、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７、及びゲート回路８によって本発明でいうところの「制御部Ｃ」を構成している。この制御部Ｃは、図３に示すように、失速境界条件記憶手段Ｃ１、失速領域判定手段Ｃ２、及び負荷開放手段Ｃ３を備え、風車１が失速した際の制御、すなわち風車１の失速制御を適切に行えるようにしている。

失速境界条件記憶手段Ｃ１は、風力発電機２の出力電力と出力電力の時間微分との関係によって定まる風車１の失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を記憶するもので、ＭＰＰＴ制御コントローラ９内のメモリ或いはＭＰＰＴ制御コントローラ９とは別体のメモリ等の記録デバイスが該当する。風力発電機２の出力電力と出力電力の時間微分との関係で定められる風車１の失速領域は、換言すれば発電機２を含む風車特性、つまり風車１が失速すると風車１の回転数が下がるとともに発電機２の出力も大きく低下するという特性により予め定められるものである。図４は、風車１が失速状態にある場合の風力発電機２の出力Ｐとその時間微分（時間変化率或いは傾きともいえる）Ｐ’との関係を示すものであり、同図においてカーブで示す線を境界にした紙面右側の領域が失速領域である。この失速領域から同図において直線で示す失速境界ベース条件を求め、これを近似した次式によって定義される条件が失速境界条件である。
Ｐｏｕｔ＜１０ｅｘｐ（−０．１Ｐ’ｏｕｔ）
ここで、Ｐｏｕｔは発電機２の出力であり、Ｐ’ｏｕｔは単位時間当たりの発電機２の出力、すなわち出力の時間微分（傾き）である。本実施形態では、失速境界条件をＭＰＰＴ制御コントローラ９内に設けたメモリ内に記憶させている。なお、ＭＰＰＴ制御コントローラ９を、ＭＴＴＰ制御を行うＭＴＴＰ制御部と、失速制御を行う失速制御部とによって構成し（図示省略）、失速制御に関するプラグラム等は失速制御部に格納しておく態様としても構わない。このような態様であれば、上述した失速境界条件を失速制御部内のメモリに記憶させればよい。なお、ＭＴＴＰ制御部及び失速制御部は機能的に分離するものであればよく、ハードウェアとしては例えば１つのワンチップマイコン等で実現することができる。

失速領域判定手段Ｃ２は、風力発電機２の動作点を探しにいく毎に、換言すれば風力発電機２の動作点を所定時間ごとに又はランダムに複数回取得（サンプリング）し、取得（サンプリング）するたびに更新される出力電力の時間微分を算出し、動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１に記憶されている失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定するプログラムを実行することによって機能するものである。このプログラムはＭＴＴＰ制御コントローラ９内のメモリに格納されており、ＭＴＴＰ制御コントローラ９をＭＴＴＰ制御部と失速制御部とを用いて構成している場合には失速制御部に格納すればよい。本実施形態では、コンバータ（昇圧チョッパ５）の出力側に配置した電流検出器６で検出した電流に基づく風力発電機２の動作点における出力電力の時間微分をＭＰＰＴ制御コントローラ９で算出するようにしている。そして、この失速領域判定手段Ｃ２は、動作点と算出した出力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１に記憶されている失速境界条件を満たすか否かをＭＰＰＴ制御コントローラ９で判定するように設定され、失速境界条件を満たす場合には失速領域であると判定する一方、失速境界条件を満たさない場合には失速領域ではないと判定するものである。なお、ＭＰＰＴ制御コントローラ９をＭＴＴＰ制御部と失速制御部とを用いて構成している場合には、失速制御部で風力発電機２の動作点における出力電力の時間微分を算出し、失速制御部で動作点と算出した出力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１に記憶されている失速境界条件を満たすか否かを判定するように設定すればよい。

負荷開放手段Ｃ３は、失速領域判定手段Ｃ２により失速領域であると判定した場合に発電機２の負荷を開放又は軽減するものである。本実施形態では、失速領域判定手段Ｃ２により失速領域であると判定した場合に、負荷開放手段Ｃ３は、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７をゲート回路８からの指令によりＯＦＦ状態にし、バッテリー３及び負荷Ａへの給電を停止又は抑制することによって発電機２の負荷を開放又は軽減することができる。具体的には、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７がＯＮ状態である場合、バッテリー３及び負荷Ａへの給電は行われるため、発電機２には負荷（図１におけるＩｉｎ×Ｖｉｎに相当する負荷）が掛かるが、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７がＯＦＦ状態である場合、バッテリー３及び負荷Ａへの給電は停止され、発電機２は負荷が掛からない状態又は負荷が軽減された状態となる。

次に、本実施形態に係る小型風力発電システムＸの運用、特に制御部Ｃによる風車１の失速制御及びその作用について説明する。

風エネルギーにより風車１が回転すると、この回転エネルギーが発電機２によって電気エネルギーに変換され、整流器ユニット４及びコンバータ（昇圧チョッパ５）を経てバッテリー３及び負荷Ａに給電される（発電工程Ｓ１：図５参照）。この小型風力発電システムＸは、バッテリー３及び負荷Ａへの給電中、ＭＰＰＴ制御コントローラ９が上述した原理で最大出力追従制御を行うことにより風速の変化に伴う発電機２の出力変動に対して発電機２の動作点が常に制御上の最大出力点を追従するように変化させて発電機２から制御上の最大出力を取り出すことができる。

そして、本実施形態に係る小型風力発電システムＸは、制御部Ｃの制御により、風力発電機２の動作点が更新されるごとに当該動作点における出力の時間微分を算出し、当該動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１で記憶している失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを失速領域判定手段Ｃ２によって判定する（失速判定工程Ｓ２：同図参照）。具体的には、電流検出器６で検出した電流に関する信号が当電流検出器６からＭＴＴＰ制御コントローラ９に入力されるが、電流に変更が生じたことをもってＭＴＴＰ制御コントローラ９は発電機２の動作点が更新されたことを認識し、この更新された動作点に基づいて出力電力を特定するとともに、この出力電力の時間微分を算出する。そして、出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１で記憶した失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する。

次いで、この小型風力発電システムＸは、失速領域判定手段Ｃ２で失速境界条件を満たさずに失速領域ではないと判定した場合（同図におけるＳ２Ｎ）、発電工程Ｓ１へ戻る一方、失速領域判定手段Ｃ２で失速境界条件を満たし失速領域であると判定した場合（同図におけるＳ２Ｙ）、負荷開放手段Ｃ３により風力発電機２の負荷を開放又は軽減し、ＭＴＴＰ制御を一時中断する（負荷開放工程Ｓ３：同図参照）。具体的には、失速領域判定手段Ｃ２により風車１が失速領域ではないと判定した場合、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７はＯＮ状態を維持し、バッテリー３及び負荷Ａへの給電が行われ、発電機２には負荷が掛かる。一方、失速領域判定手段Ｃ２により風車１が失速領域であると判定した場合、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７はＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わり、バッテリー３及び負荷Ａへの給電は停止され、発電機２は負荷が掛からない状態又は負荷が軽減された状態となる。なお、直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７をＯＮ状態とＯＦＦ状態との間で切り替える指令は、ＭＴＴＰ制御コントローラ９と電気的に接続されているゲート回路８から出力される。すなわち、ＭＴＴＰ制御コントローラ９で風車１が失速領域であるか否かを判定し、その判定した結果に基づいて直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７をＯＮ状態にするかＯＦＦ状態にするかの指令をゲート回路８に出力するようにしている。なお、ＭＰＰＴ制御コントローラ９をＭＴＴＰ制御部と失速制御部とを用いて構成している場合には、失速制御部で風車１が失速領域であるか否かを判定し、その判定した結果に基づいて直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７をＯＮ状態にするかＯＦＦ状態にするかの指令を失速制御部からゲート回路８に出力するようにすればよい。

本実施形態に係る小型風力発電システムＸは、このような失速制御に則って、失速状態であると判定した場合に風力発電機２の負荷を開放又は軽減することにより、風車１の回転数がそれ以上低下することを防止することができる。そして、風力発電機２の負荷を開放又は軽減した状態において風が吹いていれば、図６において実線で示すように風車１の回転数が即座に上昇し、さらに図７に示すように発電を早急に開始することが可能となる。すなわち、本実施形態に係る小型風力発電システムＸは、制御部Ｃによって発電機２の出力が大きく低下し始めたところで発電を停止し、風車１の回転数を素早く回復させて発電を再開することができる。

このように、本実施形態に係る風力発電システムＸは、風車１が失速すると回転数が下がるとともに発電機２の出力も大きく低下することに着目し、風車１が失速状態であるか否かを風車発電機２の出力電力及び当該出力電力の時間微分といった電気的な情報のみに基づいて速やかに検出することができ、回転形発電機や風速計等の専用の装置や機器を用いて失速状態であるか否かを検出する従来の態様と比較して、構造の簡素化及びコストダウンを図ることができる。さらに、本実施形態に係る風力発電システムＸは、風車１が失速状態に陥った場合であっても、風力発電機２への負荷を開放又は軽減することによって、ＭＰＰＴ制御を一時的に中断し、揚力の低下に伴う風車１の回転数の大幅な低下を防止することがきる。そして、揚力の低下に伴う風車１の回転数の大幅な低下を防止することにより、風車１が再度加速するまでの無駄な時間を効果的に削減することができ、稼働率の高い風力発電システムＸとなる。特に、小型の風車１は慣性が小さいため失速状態になった際に直ぐに停止してしまうおそれがあるため、大きな出力を得られるようにするためには失速に対する迅速な対応が要求されるが、本実施形態に係る小型風力発電システムＸは、本実施形態では風力発電機２の出力の時間微分（傾き）に着目し、失速時の出力の時間微分を基に閾値を設けて失速状態になったか否かを素早く検知して、発電機２への負荷を開放又は軽減することにより、揚力を効率良く得ることができるようにして風車１が直ぐに停止してしまう不具合を解消することができ、失速に対して迅速に対応することにより大きな出力を得ることが可能な実用性に優れたものとなる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、コンバータ（昇圧チョッパ５）の出力段に直流出力ＯＮ／ＯＦＦ素子７を配置し、このＯＮ／ＯＦＦ素子７をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることによって負荷を開放又は軽減する態様を例示したが、ＯＮ／ＯＦＦ素子７を用いずに本発明における「制御部」を構成してもよい。このような構成の好適な一例としては、ＭＴＴＰ制御コントローラ９の出力ゲートをＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることによって負荷を開放又は軽減する態様が挙げられる。このような態様であれば、ＯＮ／ＯＦＦ素子が不要であり、更なる構造の簡素化を図ることができ、コストの削減にも資する。具体的な一例としては、電流検出器をコンバータ（昇圧チョッパ回路）と負荷であるバッテリーとの間に設けた態様が挙げられる。

また、上述した実施形態では、制御部としてＭＰＰＴ制御可能なものを例示したが、制御部は風車の回転数の変化に応じて発電機から出力を取り出す機能を有するものであればどのようなものであってもよい。また、ＭＰＰＴ制御以外の方式であって、風車の回転数の変化に対し常に制御上の最大出力を得ることが可能な制御方式を採用した制御部であっても構わない。

また、上述した実施形態では、コンバータとして、昇圧チョッパ５を適用した態様を例示したが、これに代えて、降圧チョッパ又は昇降圧チョッパを適用しても構わない。図８はコンバータとして降圧チョッパ５Ｘを適用した風力発電システムＸの回路構成図であり、図９はコンバータとして昇高圧チョッパ５Ｙを適用した風力発電システムＸの回路構成図である。なお、図８及び図９に示す符号は図１に対応させている。このように、コンバータの種類を変更しても上述した実施形態に係る風力発電システムＸと同様の作用効果を得ることができる。また、降圧チョッパを適用した場合の利点としては、昇圧をしなくてもよい場合に回路構成が比較的簡単になるという点が挙げられる。また、昇降圧チョッパを適用した場合の利点としては、風力発電機の出力電圧やバッテリー電圧の定格が変わっても柔軟に対応できるという点が挙げられる。また、これら降圧チョッパや昇降圧チョッパを適用した場合において、「制御部」を上述した実施形態におけるＯＮ／ＯＦＦ素子７に相当する素子（半導体スイッチ等）を用いて構成し、この素子をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることによって負荷を開放又は軽減する構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、図１に示すように電流検出部６をＩｏｕｔの部分に配置した態様を例示したが、電流検出部をコンバータ（チョッパ回路）の前段に配置する態様としてもよい。この場合の具体例としては、電流検出部をＩｉｎの部分に配置する態様や、整流器ユニット４の前段に配置する態様が挙げられる。

また、失速境界条件記憶手段Ｃ１を、発電機２の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を記憶するものとして、失速領域判定手段Ｃ２を、制御部Ｃにおける発電工程において当該発電機２の動作点を探しにいく毎に出力電流の時間微分を算出し、当該動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段Ｃ１に記憶されている失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定するものとしても構わない。同様に、失速判定工程Ｓ２を、制御部Ｃにおける発電工程において当該発電機２の動作点を探しにいく毎に出力電流の時間微分を算出し、当該動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が、発電機２の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する工程としても構わない。このような失速制御態様であっても、風車１が失速しているか否かを、風速計等の専用装置を用いることなく電気的な情報のみに基づいて判定することができ、上述した実施形態に係る風力発電システムＸと同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施形態及び図８、図９ではバッテリーを備えた風力発電システムを例示しているが、系統連系インバータを備えた風力発電システムであっても構わない。

また、失速境界条件記憶手段を、発電機から整流回路（整流器ユニット）への入力電力と入力電力の時間微分との関係で定まる失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を記憶するものとして、失速領域判定手段を、発電機の動作点が変更されるたびに（更新されるごとに）入力電力の時間微分を算出し、当該動作点における入力電力と算出した入力電力の時間微分との関係が失速境界条件記憶手段に記憶されている失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定するものとしても構わない。具体的な態様としては、整流器（整流回路）及びコンバータ（チョッパ回路）への入力と等価である発電機からの出力を電流検出部で検出する態様が挙げられる。
また、「電流」は「電圧」を検出して算出されるものであることから、上述した実施形態及び各変形例では、「電力」を得るために実際には「電圧」の検出も行っている。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…風車
２…発電機
Ｃ…制御部
Ｃ１…失速境界条件記憶手段
Ｃ２…失速領域判定手段
Ｃ３…負荷開放手段
Ｘ…風力発電システム

Claims (2)

1. 風力で回転する風車と、
   当該風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機と、
   前記風車の回転数の変化に応じて前記発電機から出力を取り出す機能を有し、且つ前記風車の失速を制御する制御部とを具備した風力発電機システムであり、
   前記制御部が、
   前記発電機の出力電力と出力電力の時間微分との関係で定まる前記風車の失速領域、又は前記発電機の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる前記風車の失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を記憶する失速境界条件記憶手段と、
   当該制御部における発電工程において前記発電機の動作点を探しにいく毎に出力電力の時間微分又は出力電流の時間微分を算出し、当該動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係、又は当該動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が前記失速境界条件記憶手段に記憶されている失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する失速領域判定手段と、
   前記失速領域判定手段により失速領域であると判定した場合に前記発電機の負荷を開放又は軽減する負荷開放手段とを備えたものであることを特徴とする風力発電システム。
2. 風力で回転する風車と、当該風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機と、
   前記風車の回転数の変化に応じて前記発電機から出力を取り出す機能を有し、且つ前記風車の失速を制御する制御部とを具備した風力発電機システムに適用される制御方法であり、
   前記制御部における発電工程において前記発電機の動作点を探しにいく毎に出力電力の時間微分又は出力電流の時間微分を算出し、当該動作点における出力電力と算出した出力電力の時間微分との関係、又は当該動作点における出力電流と算出した出力電流の時間微分との関係が、前記発電機の出力電力と出力電力の時間微分との関係で定まる前記風車の失速領域、又は前記発電機の出力電流と出力電流の時間微分との関係で定まる前記風車の失速領域に基づいて予め定められた失速境界条件を満たすか否かによって失速領域であるか否かを判定する失速判定工程と、
   前記失速判定工程において失速領域であると判定した場合に前記発電機の負荷を開放又は軽減する負荷開放工程とを経ることを特徴とする風力発電システムの制御方法。

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