JP5703685B2 - Wind power generator and blade pitch angle control device thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ナセル内に水平支持された動力伝達軸の先端のハブに複数枚のブレードが取付けられて、前記ブレードの取付け角である各ピッチ角をアジマス角に対応させて独立して変化させる風力発電装置、及びそのブレードピッチ角制御装置に関するものである。   In the present invention, a plurality of blades are attached to a hub at the tip of a power transmission shaft that is horizontally supported in a nacelle, and each pitch angle, which is an attachment angle of the blade, is independently changed corresponding to an azimuth angle. The present invention relates to a wind power generator and a blade pitch angle control device thereof.

風力発電装置の基本構成は、図5に示されるように、地上に立設されたタワー51の上端部にナセル52が水平に取付けられ、当該ナセル52内に水平支持された動力伝達軸53の先端部に取付けられたハブ54に複数枚(通常は3枚)のブレードB1 〜B3 が周方向に沿って等間隔で取付けられ、風力エネルギーにより前記複数枚のブレードB1 〜B3 を連続回転させることにより前記動力伝達軸53を回転させ、当該動力伝達軸53の回転を増速機55により増速させて、発電機56を回転させて電力を生成させる装置であって、環境を害さない電力発生装置として、その使用が増え続けている。なお、図5において、57は、強風時、故障時等において、ブレードB1 〜B3 の回転を強制的に停止させるブレーキ装置を示す。 As shown in FIG. 5, the basic configuration of the wind turbine generator is such that a nacelle 52 is horizontally attached to an upper end portion of a tower 51 standing on the ground, and a power transmission shaft 53 horizontally supported in the nacelle 52. plural hub 54 attached to the tip (usually three) are mounted at equal intervals blade B 1 .about.B 3 along the circumferential direction of the blade B 1 .about.B 3 of the plurality by wind energy The power transmission shaft 53 is rotated by continuously rotating, the speed of the power transmission shaft 53 is increased by a speed increaser 55, and the generator 56 is rotated to generate electric power. Its use continues to increase as a harmless power generator. In FIG. 5, reference numeral 57 denotes a brake device that forcibly stops the rotation of the blades B 1 to B 3 in a strong wind or a failure.

ところで、風力エネルギーは、地表面に近い部分では当該地表面との摩擦により減殺されるので、風の方向に対するブレードの角度であるピッチ角が一定の場合には、ブレードB1 〜B3 のアジマス角θ(図6に示されるように、ブレードの鉛直方向に対する角度であって、最上部に達したブレードのアジマス角を0°として、当該最上部からブレードの回転方向に沿った角度を指す)が0°の時に、最も大きな風力エネルギーを受け、アジマス角が180°の時に、最も小さな風力エネルギーを受けることになる(図7参照)。即ち、ブレードB1 〜B3 のピッチ角が一定の場合には、そのアジマス角θによって、受ける風力エネルギーが異なり、3つのブレードB1 〜B3 は、それぞれ異なる風力エネルギーを受ける。これにより、各ブレードB1 〜B3 に作用する回転モーメントが異なることになって、3つのブレードB1 〜B3 の回転バランスを悪くし、結果として、発電出力の低下、風力発電装置を構成するブレードB1 〜B3 、動力伝達軸53等の構成部材の力学的負荷の増大を招くために、風力発電装置の機械的構造部の寿命を短くする。 By the way, the wind energy is attenuated by friction with the ground surface at a portion close to the ground surface. Therefore, when the pitch angle, which is the blade angle with respect to the wind direction, is constant, the azimuths of the blades B 1 to B 3 Angle θ (As shown in FIG. 6, it is an angle with respect to the vertical direction of the blade, where the azimuth angle of the blade reaching the top is 0 °, and indicates the angle along the rotation direction of the blade from the top) When is 0 °, the largest wind energy is received, and when the azimuth angle is 180 °, the smallest wind energy is received (see FIG. 7). That is, when the pitch angles of the blades B 1 to B 3 are constant, the wind energy received varies depending on the azimuth angle θ, and the three blades B 1 to B 3 receive different wind energy. As a result, the rotational moments acting on the blades B 1 to B 3 are different, and the rotational balance of the three blades B 1 to B 3 is deteriorated. As a result, the power generation output is reduced and the wind power generator is configured. In order to increase the mechanical load of the structural members such as the blades B 1 to B 3 and the power transmission shaft 53, the life of the mechanical structure of the wind turbine generator is shortened.

そこで、上記した風力発電装置では、図7で破線で示されるように、各ブレードB1 〜B3 の受ける風力エネルギーが地表面からの高さとは無関係に、ほぼ一定となるように、即ち、風力エネルギーにより生ずる各ブレードB1 〜B3 の回転モーメントがアジマス角θとは無関係に一定となるような制御である「ブレードピッチ角制御」が実施されている。 Therefore, in the wind power generator described above, as indicated by broken lines in FIG. 7, the wind energy received by each blade B 1 to B 3 is substantially constant regardless of the height from the ground surface, that is, “Blade pitch angle control” is performed in which the rotational moment of each blade B 1 to B 3 generated by wind energy is constant regardless of the azimuth angle θ.

ここで、ブレードB1 〜B3 の「ピッチ角」とは、風の方向Aに対するブレードB1 〜B3 の交差角に関連した角度であって、図8に示されるように、風の方向Aに対するブレードB1 〜B3 の角度がδ(>90°)の場合のピッチ角を「0°」と定めた場合において、ピッチ角(0°)を基準にして、風の方向Aとの交差角度が小さくなる方向、及び大きくなる方向に、それぞれ最大角度だけ傾斜させた位置を(+αmax ),(−αmin)と定めると、(+αmax )及び(−αmin)をそれぞれ最大ピッチ角及び最小ピッチ角という。なお、図8においては、ブレードB1 (B2 ,B3 )の形状は、模式的に表示してある。 Here, the "pitch angle" of blade B 1 .about.B 3, an angle in relation to the crossing angle of the blade B 1 .about.B 3 with respect to the direction A of the wind, as shown in FIG. 8, the direction of the wind When the pitch angle when the angle of the blades B 1 to B 3 with respect to A is δ (> 90 °) is set to “0 °”, the pitch angle (0 °) is used as a reference to the wind direction A. If the positions inclined by the maximum angle in the direction where the crossing angle decreases and increase are defined as (+ αmax) and (−αmin), (+ αmax) and (−αmin) are the maximum pitch angle and the minimum pitch, respectively. It is called a corner. In FIG. 8, the shape of the blade B 1 (B 2 , B 3 ) is schematically shown.

ここで、「ブレードピッチ角制御」の実施形態としては、モータの使用の有無により、二種類に大別される。モータを使用しない「ブレード角制御」の基本構成は、各ブレードに備え付けの油圧シリンダのロッドの出入りにより、当該ブレードを正逆回動させる構成であって、当該油圧シリンダを駆動する油圧ポンプは、ナセル内に配置されている。この構成では、ナセル内に油圧ポンプが配置されているために、メンテナンスが面倒、或いは困難であるという問題がある。   Here, embodiments of “blade pitch angle control” are roughly classified into two types depending on whether or not a motor is used. The basic configuration of `` blade angle control '' that does not use a motor is a configuration in which the blade is rotated forward and backward by entering and exiting a rod of a hydraulic cylinder attached to each blade, and a hydraulic pump that drives the hydraulic cylinder includes: Located in the nacelle. In this configuration, since the hydraulic pump is disposed in the nacelle, there is a problem that maintenance is troublesome or difficult.

一方、モータを使用する「ブレード角制御」は、当該モータと油圧ポンプ及び油圧シリンダとを併用させ、当該モータの正逆回転により油圧ポンプ及び油圧シリンダを作動させて、ブレードを正逆回動させる構成(特許文献1参照)と、モータの高速回転を減速機により減速させて、ブレードを正逆回転させる構成とがある。モータを使用する「ブレード角制御」においては、当該モータは、ブレードの1回転中において、当該ブレードのピッチ角が変化するように駆動回動させる「駆動時間帯」と、当該ブレードが風力エネルギーにより回動させられてピッチ角が変化させられ、当該ブレードの回動力の負荷として作用する前記モータを回転させる場合、即ち、当該モータが外部動力により回転されられて、発電機として作用して、回生電力を発生させる「回生電力発生時間帯」とがあって、ブレードの連続回転中では、両時間帯が交互に発生する。「駆動時間帯」は、アジマス角が180°の前後であるブレードが地表面に近い位置に配置されている時間帯であって、ブレードが受ける風力エネルギーが大きくなる(風を受ける)ように、当該ブレードはモータの回転トルクにより、回動される時間帯である。「回生電力発生時間帯」は、アジマス角が0°の前後であるブレードが地表面から最も離れた位置に配置されている時間帯であって、ブレードが受ける風力エネルギーが小さくなる(風を逃がす)ように、当該ブレードは風力エネルギーにより、回動される時間帯である。   On the other hand, in “blade angle control” using a motor, the motor is used in combination with a hydraulic pump and a hydraulic cylinder, and the blade is rotated forward and backward by operating the hydraulic pump and hydraulic cylinder by forward and reverse rotation of the motor. There are a configuration (see Patent Document 1) and a configuration in which the high-speed rotation of the motor is decelerated by a speed reducer to rotate the blade forward and backward. In “blade angle control” using a motor, the motor is driven and rotated so that the pitch angle of the blade changes during one rotation of the blade, and the blade is driven by wind energy. When the pitch angle is changed by rotation and the motor acting as a load of the revolving power of the blade is rotated, that is, the motor is rotated by external power and acts as a generator to regenerate. There is a “regenerative power generation time zone” for generating power, and both time zones occur alternately during continuous rotation of the blade. The “driving time zone” is a time zone in which a blade having an azimuth angle of around 180 ° is arranged at a position close to the ground surface, so that the wind energy received by the blade is increased (receives wind). The blade is a time zone in which the blade is rotated by the rotational torque of the motor. “Regenerative power generation time zone” is a time zone in which a blade having an azimuth angle of around 0 ° is arranged at a position farthest from the ground surface, and the wind energy received by the blade is reduced (the wind is released). Thus, the blade is in a time zone that is rotated by wind energy.

そして、モータを用いた従来の「ブレード角制御」においては、発生される回生電力は、当該回生電力の失効(電源側の電圧が回生電力の電圧よりも高くなって、回生電力を生成できなくなること)を防止するために、当該モータのインバータに設けられた回生抵抗を通過させて熱に変換することにより消費させる構成であった。よって、回生電力が無駄に消費されていたと共に、インバータ内に回生電力消費のためのみの抵抗回路(回生抵抗)が必要であった。   In the conventional “blade angle control” using a motor, the generated regenerative power is invalidated (the voltage on the power source side becomes higher than the voltage of the regenerative power, and the regenerative power cannot be generated). In order to prevent this, the regenerative resistor provided in the inverter of the motor is passed through and converted into heat so that it is consumed. Therefore, the regenerative power was consumed wastefully and a resistance circuit (regenerative resistor) only for regenerative power consumption was required in the inverter.

特開2009−68379号公報JP 2009-68379 A

本発明は、モータを使用したブレードピッチ角制御において、アジマス角が0°の前後において、風力エネルギーによりブレードが回動させられて発生する回生電力を熱消費させることなく、他のブレードのモータの電力として使用することにより、回生電力の有効利用、及び使用電力の節減を図ると共に、インバータ内における回生抵抗の使用を不要にすることを課題としている。   In the blade pitch angle control using a motor, the regenerative electric power generated by rotating the blade by wind energy before and after the azimuth angle of 0 ° is consumed without heat consumption. By using it as electric power, it is an object to make effective use of regenerative power and to reduce power consumption, and to make it unnecessary to use a regenerative resistor in an inverter.

上記課題を解決するための請求項1の発明は、ナセル内に水平支持された動力伝達軸の先端のハブに複数枚のブレードが取付けられた風力発電装置において、前記ブレードの各ピッチ角をアジマス角に対応させて独立して変化させるブレードピッチ角制御装置であって、前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の回転を運動変換させた往復回動運動により各ブレードのピッチ角を変更させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備え、前記各ブレード毎に設けられた前記インバータの各主回路は、相互に導通されて、特定のブレードの回転により、当該ブレードの主回路に生成された回生電力を、他のブレードの主回路に供給可能な構成にしたことを特徴としている。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a wind power generator in which a plurality of blades are attached to a hub at the tip of a power transmission shaft that is horizontally supported in a nacelle. A blade pitch angle control device that changes independently according to an angle, wherein the blade pitch angle control device is for changing the pitch angle of each blade by a reciprocating rotation motion obtained by converting the rotation of the blade pitch angle control device. The input AC power is converted into the same number of blades as the number of blades and output so that both the number of blades and the number of blades can be changed, and the rotation speed of each AC motor can be changed and the direction of rotation can be changed. and an inverter, wherein each of the main circuit of the inverter provided for each blade, is conducted to each other, by rotation of a particular blade, the main circuit of the blade The regenerative power has been made, is characterized in that the possible supply structure to the main circuit of the other blades.

インバータにより制御されて、回転数が変化すると共に、回転方向が変換されて交流モータが回転されることにより、各ブレードのアジマス角が180°の前後の部分、即ち、各ブレードが地表面に近い部分においては、ブレードに作用する風力エネルギーが増加するように、当該ブレードが回動されてピッチ角が変更されると共に、各ブレードのアジマス角が0°の前後の部分、即ち、各ブレードが地表面から最も離れた部分においては、ブレードに作用する風力エネルギーが減少するように、当該ブレードが回動されてピッチ角が変更される。   Controlled by the inverter, the rotation speed is changed, the rotation direction is changed, and the AC motor is rotated, whereby the azimuth angle of each blade is around 180 °, that is, each blade is close to the ground surface. In the portion, the blade is rotated to change the pitch angle so that the wind energy acting on the blade is increased, and the azimuth angle of each blade is about 0 °, that is, each blade is grounded. In the portion farthest from the surface, the blade is rotated to change the pitch angle so that the wind energy acting on the blade is reduced.

そして、各ブレードが地表面から最も離れた部分においては、ブレードに作用する風力エネルギーが減少するように、当該ブレードが回動すると、当該ブレードの回動により交流モータが回転させられて、回生電力が生成される。当該回生電力の電圧は、インバータを構成しているスイッチング回路により直流に変換されて、当該インバータを構成する回生電力生成に係る主回路に流れて、当該主回路の電圧が高まる。請求項1の発明では、インバータを構成するブレードと同数の主回路は、互いに導通されているために、回生電力生成に係る主回路の電圧と、残りの他の主回路の電圧とに電位差が生じるために、回生電力生成に係る主回路から残りの他の主回路に電流が流れ、当該他の主回路に流れた電流(電力)は、当該他の主回路の交流モータの駆動に使用される。この回生電力の生成、及び消費の各作用が、複数のブレードの間において、交互に繰り返されることにより、任意の一つのブレードの主回路に供給された回生電力は、残りの他の主回路に供給されて、当該他の主回路の交流モータの電力として使用される。   And in the part where each blade is farthest from the ground surface, when the blade rotates so that the wind energy acting on the blade decreases, the AC motor is rotated by the rotation of the blade, and the regenerative power Is generated. The voltage of the regenerative power is converted into direct current by the switching circuit that constitutes the inverter and flows to the main circuit related to regenerative power generation that constitutes the inverter, and the voltage of the main circuit increases. In the invention of claim 1, since the same number of main circuits as the blades constituting the inverter are electrically connected to each other, there is a potential difference between the voltage of the main circuit related to regenerative power generation and the voltages of the other main circuits. Therefore, current flows from the main circuit related to regenerative power generation to the remaining main circuit, and the current (power) flowing to the other main circuit is used to drive the AC motor of the other main circuit. The The operations of generating and consuming the regenerative power are alternately repeated between the plurality of blades, so that the regenerative power supplied to the main circuit of any one blade is transferred to the other main circuits. It is supplied and used as electric power for the AC motor of the other main circuit.

このため、モータを使用したブレードピッチ角制御において、アジマス角が0°の前後において、風力エネルギーによりブレードが回動させられて発生する回生電力を熱消費させることなく、他のブレードのモータの電力として使用することにより、回生電力の有効利用、及び使用電力の節減が図られる。また、従来の回路のように、回生電力を熱消費させるための回生抵抗をインバータ内に組み込む必要がなくなるので、従来使用されていた回生抵抗自体が不要となる。   For this reason, in blade pitch angle control using a motor, the electric power of the motors of other blades is consumed without heat consumption of regenerative power generated by rotating the blades by wind energy before and after the azimuth angle of 0 °. As a result, it is possible to effectively use regenerative power and save power consumption. Further, since it is not necessary to incorporate a regenerative resistor for heat consumption of the regenerative power in the inverter as in the conventional circuit, the regenerative resistor that has been conventionally used becomes unnecessary.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の往復直線運動を往復回動運動に変換して各ブレードのピッチ角を直接に変更させるためのブレード数と同数の油圧シリンダと、当該各油圧シリンダを作動させるためのブレード数と同数の油圧ポンプと、当該各油圧ポンプを回転させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備えていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the blade pitch angle control device converts the reciprocating linear motion of the blade into a reciprocating rotational motion to directly change the pitch angle of each blade. The same number of hydraulic cylinders, the same number of hydraulic pumps as the number of blades for operating each hydraulic cylinder, the same number of AC motors as the number of blades for rotating each hydraulic pump, and the number of rotations of each AC motor And an inverter that converts the input AC power source into AC power of the same number as the number of blades and outputs the AC power.

請求項2の発明によれば、交流モータ、油圧モータ及び油圧シリンダは、動力伝達軸の先端に設けられたハブ内に配置可能となるので、前記交流モータ、及び前記各油圧機器に故障が発生した場合であっても、ナセル内に配置されている場合と異なって、メンテナンスが容易である。   According to the second aspect of the invention, the AC motor, the hydraulic motor, and the hydraulic cylinder can be disposed in the hub provided at the tip of the power transmission shaft, so that the AC motor and each of the hydraulic devices are out of order. Even in this case, unlike the case where it is arranged in the nacelle, maintenance is easy.

請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の回転を減速させて運動変換させた往復回動運動により各ブレードのピッチ角を変更させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転を減速させる減速機と、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備えていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, the blade pitch angle control device according to the first aspect of the invention is characterized in that the blade pitch angle control device changes the pitch angle of each blade by a reciprocating rotational motion obtained by decelerating its own rotation and converting the motion. The AC power input to the blade so that both the number of AC motors, the speed reducer that decelerates the rotation of each AC motor, and the change in the rotation speed and conversion of the rotation direction of each AC motor are possible. And an inverter that outputs the same number of alternating currents as the number of alternating currents.

請求項3の発明においても、交流モータ及び減速機は、動力伝達軸の先端に設けられたハブ内に配置可能であると共に、油圧機器を使用していないので、ピッチ角制御装置の構成が簡単となる。   Also in the invention of claim 3, the AC motor and the speed reducer can be arranged in a hub provided at the tip of the power transmission shaft, and since no hydraulic equipment is used, the configuration of the pitch angle control device is simple. It becomes.

請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれかの発明において、前記インバータを構成する複数の主回路のうち任意の一つの主回路には、回生電力の供給により過電圧となった各主回路の電圧を降下させる回生抵抗が組み込まれていることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the present invention, in any one of the plurality of main circuits constituting the inverter, each main circuit that has become overvoltage due to supply of regenerative power is provided. It is characterized by incorporating a regenerative resistor that drops the voltage of the circuit.

例えば、故障により各ブレードが停止したままで、各ブレードの全てが風力エネルギーに無理に回動させられた場合には、インバータの全ての主回路に回生電力が供給され、互いに導通されている各主回路で消費されないために、電圧が過度に高められて、インバータの故障の原因となる。このため、互いに導通されている各主回路の任意の一つに回生抵抗を組み込んでおくと、当該各主回路の電圧が設定値を超えて高くなると、当該回生抵抗に電流が流れることにより電力が消費されて、電圧が降下されることにより安全が図られる。   For example, when all the blades are forcibly rotated by wind energy while the blades are stopped due to a failure, regenerative power is supplied to all the main circuits of the inverter, and the blades are electrically connected to each other. Since it is not consumed in the main circuit, the voltage is increased excessively, causing failure of the inverter. For this reason, if a regenerative resistor is incorporated in any one of the main circuits that are electrically connected to each other, if the voltage of each main circuit exceeds the set value, a current flows through the regenerative resistor. Is consumed, and the voltage is dropped to ensure safety.

また、請求項5の発明は、請求項1ないし4のいずれかのブレードピッチ角制御装置を備えた風力発電装置であって、それぞれ請求項1ないし4に記載の各発明の作用効果が奏される。   A fifth aspect of the present invention is a wind power generator provided with the blade pitch angle control device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the effects of the respective inventions according to the first to fourth aspects are exhibited. The

本発明によれば、モータを使用したブレードピッチ角制御において、アジマス角が0°の前後において、風力エネルギーによりブレードが回動させられて発生する回生電力を回生抵抗により熱消費させることなく、他のブレードのモータの電力として使用することにより、回生電力の有効利用、及び使用電力の節減を図ると共に、インバータ内における回生抵抗の使用を不要にできる。   According to the present invention, in blade pitch angle control using a motor, the regenerative power generated by rotating the blade by wind energy before and after the azimuth angle of 0 ° is not consumed by the regenerative resistor. By using this as the power of the blade motor, it is possible to effectively use the regenerative power and reduce the power used, and to eliminate the need for using the regenerative resistor in the inverter.

インバータIへの入力電源が三相交流であるブレードピッチ角制御装置の回路図である。It is a circuit diagram of a blade pitch angle control device in which an input power source to the inverter I is a three-phase alternating current. 三本のブレードB1 〜B3 の回転角度に対するピッチ角の関係を示す図である。Is a diagram showing the relationship between the pitch angle with respect to the rotation angle of the blades B 1 .about.B 3 of three. 三本のブレードB1 〜B3 の回転角度に対する各交流モータM1 〜M3 の回転数及び回転方向の関係を示す図である。It is a diagram showing the rotational speed and direction of rotation relationship between the AC motor M 1 ~M 3 with respect to the rotation angle of the three blades B 1 ~B 3. インバータIへの入力電源が単相交流であるブレードピッチ角制御装置の回路図である。It is a circuit diagram of a blade pitch angle control device in which an input power source to the inverter I is a single-phase alternating current. 風力発電装置の模式図である。It is a schematic diagram of a wind power generator. ブレードB1 〜B3 のアジマス角の説明図である。It is an explanatory view of the azimuth angle of the blade B 1 ~B 3. 自然状態、及びブレードピッチ角制御を行った状態の地表面からの高さと風力エネルギーとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the height from the ground surface in the state which performed the natural state and blade pitch angle control, and a wind energy. ブレードB1 〜B3 のピッチ角αの説明図である。It is an illustration of the pitch angle α of the blade B 1 ~B 3.

以下、複数の最良の実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to a plurality of best examples.

最初に、図1〜図3を参照して、実施例1のブレードピッチ角制御装置について説明する。図1は、インバータIへの入力電源が三相交流であるブレードピッチ角制御装置の回路図であり、図2は、三本のブレードB1 〜B3 の回転角度に対するピッチ角の関係を示す図であり、図3は、三本のブレードB1 〜B3 の回転角度に対する各交流モータM1 〜M3 の回転数及び回転方向の関係を示す図である。なお、図2及び図3において、ωは、ブレードB1 〜B3 の角速度であり、横軸は、角速度ωに時間tを乗じたブレードB1 〜B3 の累積回転角度(ωt)を示す。図1において、インバータIは、三相交流電源を直流に変換するための整流回路R、当該整流回路Rにより変換された直流を、特定の周波数特性を有する三相交流に変換させるためのスイッチング回路W、コンデンサ1等を備えた三つの主回路C1 〜C3 を備えている。3つの主回路C1 〜C3 は、同一構成であって、各ブレードB1 〜B3 に対応している。前記した特定の周波数特性を有する三相交流とは、各ブレードB1 〜B3 の回転角度に対するピッチ角αを、図2に示されるように、位相が120°ずれた正弦波となるように変化させるために、当該各ブレードB1 〜B3 の交流モータM1 〜M3 におけるブレードB1 〜B3 の回転角度に対する回転数及び回転方向が、図3に示されるように、位相が120°ずれた正弦波となるように変化させられる三相交流を意味する。 First, the blade pitch angle control device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit diagram of a blade pitch angle control device in which the input power source to the inverter I is a three-phase AC, and FIG. 2 shows the relationship of the pitch angle with respect to the rotation angles of the three blades B 1 to B 3. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the rotation speed and the rotation direction of each AC motor M 1 to M 3 with respect to the rotation angle of the three blades B 1 to B 3 . 2 and 3, ω is the angular velocity of the blades B 1 to B 3 , and the horizontal axis represents the cumulative rotation angle (ωt) of the blades B 1 to B 3 obtained by multiplying the angular velocity ω by time t. . In FIG. 1, an inverter I includes a rectifier circuit R for converting a three-phase AC power source into DC, and a switching circuit for converting the DC converted by the rectifier circuit R into a three-phase AC having a specific frequency characteristic. Three main circuits C 1 to C 3 each having W and a capacitor 1 are provided. The three main circuits C 1 to C 3 have the same configuration and correspond to the blades B 1 to B 3 . The three-phase alternating current having the specific frequency characteristics described above is such that the pitch angle α with respect to the rotation angle of each of the blades B 1 to B 3 is a sine wave whose phase is shifted by 120 ° as shown in FIG. In order to change, the rotation speed and the rotation direction with respect to the rotation angle of the blades B 1 to B 3 in the AC motors M 1 to M 3 of the blades B 1 to B 3 are 120 as shown in FIG. This means a three-phase alternating current that can be changed to a sine wave that is offset.

また、各ブレードB1 〜B3 毎に、各交流モータM1 〜M3 により駆動される油圧ポンプP1 〜P3 と、当該油圧ポンプP1 〜P3 により駆動される油圧シリンダS1 〜S3 を備えていて、各交流モータM1 〜M3 により各油圧ポンプP1 〜P3 が正逆回転され、当該各油圧ポンプP1 〜P3 の正逆回転により、各油圧シリンダS1 〜S3 のロッドが出入りして、各ブレードB1 〜B3 の取付け部が回動されて、ピッチ角αが変化されるように構成されている。 Further, each blade B 1 .about.B 3, the hydraulic pump P 1 to P 3 which is driven by the AC motor M 1 ~M 3, the hydraulic cylinder S 1 ~ driven by the hydraulic pump P 1 to P 3 S 3 is provided, and the hydraulic pumps P 1 to P 3 are rotated forward and backward by the AC motors M 1 to M 3 , and the hydraulic cylinders S 1 are rotated by forward and reverse rotation of the hydraulic pumps P 1 to P 3. to S 3 of the rod in and out, the attachment portion of each blade B 1 .about.B 3 is rotated, and is configured so that the pitch angle α is changed.

インバータI、交流モータM1 〜M3 、油圧ポンプP1 〜P3 及び油圧シリンダS1 〜S3 は、風力発電装置を構成する動力伝達軸53の先端に一体に取付けられたハブ54内に収容されて、当該ハブ54と一体となって回転する。このため、三相交流の電源側の各導線11と、インバータIを構成する各主回路C1 〜C3 に接続される各導線12とは、カップリング13を介して接続されている。 The inverter I, the AC motors M 1 to M 3 , the hydraulic pumps P 1 to P 3 and the hydraulic cylinders S 1 to S 3 are installed in a hub 54 that is integrally attached to the tip of the power transmission shaft 53 constituting the wind power generator. It is housed and rotates together with the hub 54. For this reason, each conducting wire 11 on the power source side of the three-phase alternating current and each conducting wire 12 connected to each of the main circuits C 1 to C 3 constituting the inverter I are connected via the coupling 13.

相間電圧V1 の三相交流は、インバータIの各主回路C1 〜C3 の整流回路Rに入力されて、直流電圧として出力され、風力エネルギーに抗してブレードB1 〜B3 のピッチ角αをプラス側に維持する領域(動力伝達軸53の軸心Lよりも下方の領域)に、当該ブレードB1 〜B3 が存在している場合には、当該直流電圧は、スイッチング回路Wによって、上記した特定の周波数特性を有する三相交流となって出力されて、各主回路C1 〜C3 に対応した交流モータM1 〜M3 が駆動されて、当該交流モータM1 〜M3 により駆動される油圧ポンプP1 〜P3 及び当該油圧ポンプP1 〜P3 により駆動される油圧シリンダS1 〜S3 により、ブレードB1 〜B3 は、風力エネルギーに抗してプラスのピッチ角αを保持する。 The three-phase AC of the interphase voltage V 1 is input to the rectifier circuit R of each of the main circuits C 1 to C 3 of the inverter I and output as a DC voltage, and the pitch of the blades B 1 to B 3 against wind energy. When the blades B 1 to B 3 are present in a region where the angle α is maintained on the plus side (region below the axis L of the power transmission shaft 53), the DC voltage is applied to the switching circuit W. by being output as three-phase alternating current having a specific frequency characteristic as described above, the main circuit C 1 AC motor M 1 ~M 3 corresponding to -C 3 is driven, the AC motor M 1 ~M the hydraulic cylinder S 1 to S 3, which is driven by a hydraulic pump P 1 to P 3 and the hydraulic pump P 1 to P 3 which is driven by 3, the blade B 1 .about.B 3 is positive against the wind energy Holds the pitch angle α.

一方、ブレードB1 〜B3 が動力伝達軸53の軸心Lよりも上方に存在する場合には、交流モータM1 〜M3 は、上記と逆方向に回転して、当該ブレードB1 〜B3 は、ピッチ角αが基準位置に対してマイナスとなる側に回動されて、風力エネルギーを逃がすように作用する。当該作用が生ずる場合には、モータM1 〜M3 の駆動力により、油圧ポンプP1 〜P3 及び油圧シリンダS1 〜S3 を介してブレードB1 〜B3 を回動される場合と、逆に、当該ブレードB1 〜B3 が風力エネルギーにより回動させられる力(回動力)により、油圧ポンプP1 〜P3 及び油圧シリンダS1 〜S3 を介してモータM1 〜M3 が回転させられる現象、即ち、外部動力に対してモータM1 〜M3 が負荷として作用することにより発電される現象が発生する。モータM1 〜M3 により発電された交流回生電力は、スイッチング回路Wによって直流電力に変換されて、当該主回路C1 〜C3 の直流電圧が高められる。 On the other hand, when the blades B 1 to B 3 are present above the axis L of the power transmission shaft 53, the AC motors M 1 to M 3 rotate in the opposite direction to the blades B 1 to B 3 . B 3 is rotated to the side where the pitch angle α is negative with respect to the reference position, and acts to release wind energy. When this action occurs, the blades B 1 to B 3 are rotated by the driving forces of the motors M 1 to M 3 via the hydraulic pumps P 1 to P 3 and the hydraulic cylinders S 1 to S 3. On the contrary, the motors M 1 to M 3 are driven via the hydraulic pumps P 1 to P 3 and the hydraulic cylinders S 1 to S 3 by the force (rotational power) by which the blades B 1 to B 3 are rotated by wind energy. , That is, a phenomenon in which electric power is generated by the motors M 1 to M 3 acting as loads on the external power. The AC regenerative power generated by the motors M 1 to M 3 is converted into DC power by the switching circuit W, and the DC voltage of the main circuits C 1 to C 3 is increased.

また、図1に示されるように、指令部31から主回路C1 〜C3 の各スイッチング回路Wには、指令部31から、各ブレードB1 〜B3 のアジマス角θに対応したピッチ角αを制御するための制御指令値が送られる。指令値取得部32では、各ブレードB1 〜B3 のアジマス角θ及び回転速度、風速、発電出力に基づいて算出された指令値が生成されて、前記指令部31に伝達される。これにより、主回路C1 〜C3 の各スイッチング回路Wからは、各ブレードB1 〜B3 のアジマス角θ及び回転速度、風速、発電出力に基づいて算出された前記「特定の周波数特性」を有する三相交流が生成されて、交流モータM1 〜M3 が駆動され、各ブレードB1 〜B3 のピッチ角制御が実行される。 As shown in FIG. 1, the pitch angle corresponding to the azimuth angle θ of each blade B 1 to B 3 is sent from the command unit 31 to each switching circuit W from the command unit 31 to the main circuits C 1 to C 3. A control command value for controlling α is sent. In the command value acquisition unit 32, a command value calculated based on the azimuth angle θ, the rotation speed, the wind speed, and the power generation output of each blade B 1 to B 3 is generated and transmitted to the command unit 31. Thereby, from the switching circuits W of the main circuits C 1 to C 3 , the “specific frequency characteristics” calculated based on the azimuth angle θ, the rotational speed, the wind speed, and the power generation output of the blades B 1 to B 3. Are generated, AC motors M 1 to M 3 are driven, and pitch angle control of each blade B 1 to B 3 is executed.

本発明においては、図1に示されるように、インバータIを構成する主回路C1 〜C3 の各導線14は、導通線15で相互に導通されている。この結果、交流モータM1 〜M3 により発電された交流回生電力の発生により、三つの主回路C1 〜C3 のうち任意の一つの主回路の直流電圧が高められた場合には、残りの二つの主回路の直流電圧も高められて、三つの主回路C1 〜C3 の直流電圧は、等しくなる。即ち、三つの主回路C1 〜C3 のうち任意の一つの主回路の直流電圧が交流回生電力の生成により高められると、直流に変換された回生電力は、残りの二つの主回路に供給されて、当該残りの二つの主回路に対応する交流モータの駆動に供される。この結果、電源である三相交流の使用電力が少なくなる。 In the present invention, as shown in FIG. 1, the conductive wires 14 of the main circuits C 1 to C 3 constituting the inverter I are electrically connected to each other by a conductive wire 15. As a result, when the DC voltage of any one of the three main circuits C 1 to C 3 is increased by the generation of AC regenerative power generated by the AC motors M 1 to M 3 , the remaining The DC voltages of the two main circuits are also increased, and the DC voltages of the three main circuits C 1 to C 3 become equal. That is, when the DC voltage of any one of the three main circuits C 1 to C 3 is increased by the generation of AC regenerative power, the regenerative power converted to DC is supplied to the remaining two main circuits. Then, the AC motors corresponding to the remaining two main circuits are driven. As a result, the power used by the three-phase AC that is the power source is reduced.

また、故障により各ブレードB1 〜B3 が停止したままで、各ブレードB1 〜B3 の全てが風力エネルギーにより無理に回動させられた場合には、インバータIの全ての主回路C1 〜C3 に回生電力が供給され、互いに導通されている各主回路C1 〜C3 で消費されないために、電圧が過度に高められて、インバータIの故障の原因となる。このため、互いに導通されている各主回路C1 〜C3 の任意の一つに回生抵抗2が並列に組み込まれていて、当該任意の一つの主回路の電圧が設定値よりも高くなると、当該任意の一つの主回路の回生抵抗2に電流が流れることにより電力が消費されて、電圧が降下されることにより安全が図られている。即ち、各主回路C1 〜C3 は、互いに導通されているために、各主回路C1 〜C3 にそれぞれ回生抵抗を組み込まなくても、任意の一つの主回路C1 (C2 ,C3 )に回生抵抗を組み込むのみで、全ての主回路のC1 〜C3 の過電圧による不具合を防止できる。 Further, while each blade B 1 .about.B 3 stops because of a breakdown, if all of the blades B 1 .about.B 3 was forcibly rotated by wind energy, all of the main circuit C 1 of the inverter I regenerative power is supplied to the -C 3, because they are not consumed in the main circuit C 1 -C 3 being electrically connected to each other, the voltage is excessively increased, causing failure of the inverter I. For this reason, when the regenerative resistor 2 is incorporated in parallel in any one of the main circuits C 1 to C 3 that are electrically connected to each other, and the voltage of the one main circuit becomes higher than the set value, Safety is achieved by consuming electric power when current flows through the regenerative resistor 2 of the arbitrary one main circuit and dropping the voltage. That is, each main circuit C 1 -C 3 are, because they are electrically connected to each other, without integrated regenerative resistor to each main circuit C 1 -C 3, any one of the main circuit C 1 (C 2, By simply incorporating a regenerative resistor into C 3 ), it is possible to prevent problems due to overvoltage of C 1 to C 3 in all main circuits.

実施例1のブレードピッチ角制御装置は、インバータIに対して三相交流電源の相間電圧V1 の三相交流を入力していると共に、油圧ポンプP1 〜P3 及び油圧シリンダS1 〜S3 を用いてブレードB1 〜B3 のピッチ角αを変更しているのに対して、図4に示される実施例2のブレードピッチ角制御装置は、インバータIに対して三相交流電源の線間電圧V2 の単相交流を入力していると共に、交流モータM1 〜M3 の回転を減速機D1 〜D3 で減速させて、ブレードB1 〜B3 のピッチ角αを変更している点が異なるが、ブレードB1 〜B3 のピッチ角αの変更のための駆動手段として、交流モータM1 〜M3 の駆動力を使用している点が共通している。従って、実施例2の説明に際しては、実施例1と同一部分には、同一符号を付し、重複説明を避けて、実施例1と異なる部分についてのみ説明する。 In the blade pitch angle control device of the first embodiment, a three-phase alternating current of an interphase voltage V 1 of a three-phase alternating current power source is input to an inverter I, and hydraulic pumps P 1 to P 3 and hydraulic cylinders S 1 to S 3 is used to change the pitch angle α of the blades B 1 to B 3 , whereas the blade pitch angle control device of the second embodiment shown in FIG. A single-phase alternating current of line voltage V 2 is input, and the rotation of AC motors M 1 to M 3 is decelerated by reduction gears D 1 to D 3 to change the pitch angle α of blades B 1 to B 3. However, the driving force of the AC motors M 1 to M 3 is used as driving means for changing the pitch angle α of the blades B 1 to B 3 . Therefore, in the description of the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only the parts different from the first embodiment will be described to avoid duplication.

図4は、インバータIへの入力電源が単相交流であるブレードピッチ角制御装置の回路図である。即ち、三本の各コイルの結合点である中性点Oと、三本の各コイルの一端との間に生ずる電位差に係る単相交流が、インバータIの各主回路C1 〜C3 の整流回路Rに入力される。なお、図4において、16は、三本のコイルの中性点Oに接続された導線を示し、カップリング17を介してハブ側の導線18と接続されている。実施例1,2の各ブレードピッチ角制御装置は、インバータIの整流回路Rに入力される交流が三相であるか、単相であるかの相違はあるが、インバータI自体の構成は、実施例1,2において共通している。 FIG. 4 is a circuit diagram of a blade pitch angle control device in which the input power source to the inverter I is a single-phase alternating current. That is, a single-phase alternating current relating to a potential difference generated between a neutral point O that is a coupling point of each of the three coils and one end of each of the three coils is generated by each of the main circuits C 1 to C 3 of the inverter I. Input to the rectifier circuit R. In FIG. 4, reference numeral 16 denotes a conducting wire connected to the neutral point O of the three coils, and is connected to the conducting wire 18 on the hub side via the coupling 17. Each blade pitch angle control device of Examples 1 and 2 is different in whether the AC input to the rectifier circuit R of the inverter I is three-phase or single-phase, but the configuration of the inverter I itself is This is common to the first and second embodiments.

また、インバータIのスイッチング回路Wから出力された三相交流により駆動される交流モータM1 〜M3 の回転は、減速機D1 〜D3 により減速されて、ブレードB1 〜B3 の取付け部の角度であるピッチ角αを変更している。なお、図4において、21は、各交流モータM1 〜M3 の駆動軸と、減速機D1 〜D3 の入力軸を連結しているツースクラッチ等の確動クラッチを示す。 Further, the rotations of the AC motors M 1 to M 3 driven by the three-phase AC output from the switching circuit W of the inverter I are decelerated by the reduction gears D 1 to D 3 to attach the blades B 1 to B 3 . The pitch angle α which is the angle of the part is changed. In FIG. 4, reference numeral 21 denotes a positive clutch such as a tooth clutch that connects the drive shafts of the AC motors M 1 to M 3 and the input shafts of the reduction gears D 1 to D 3 .

このため、電源である三相交流から取り出された単相交流を、インバータIの主回路C1 〜C3 の各整流回路Rに入力させて、各スイッチング回路Wから出力された三相交流により各交流モータM1 〜M3 を駆動すると、ブレードB1 〜B3 の回転角度に対するモータM1 〜M3 の回転数及び回転方向は、図3に示されるように変化し、その結果、ブレードB1 〜B3 のピッチ角αは、図2に示されるように変化して、当該ブレードB1 〜B3 の回転中における風力エネルギーに対する負荷は、殆ど変化しなくなって、回転モーメントがほぼ一定となる。この結果、ブレードB1 〜B3 は、安定して回転する。 For this reason, the single-phase alternating current extracted from the three-phase alternating current that is the power source is input to each rectifier circuit R of the main circuits C 1 to C 3 of the inverter I, and the three-phase alternating current output from each switching circuit W When each AC motor M 1 to M 3 is driven, the number of rotations and the direction of rotation of the motors M 1 to M 3 with respect to the rotation angle of the blades B 1 to B 3 change as shown in FIG. The pitch angle α of B 1 to B 3 changes as shown in FIG. 2, and the load on the wind energy during the rotation of the blades B 1 to B 3 hardly changes and the rotational moment is almost constant. It becomes. As a result, the blades B 1 to B 3 rotate stably.

また、ブレードB1 〜B3 の回転中において、当該ブレードB1 〜B3 の回動力により交流モータM1 〜M3 が回転させられて、交流回生電力が生成されて、インバータIを構成する三つの主回路C1 〜C3 のうち任意の一つの電圧が高くなった場合に、導通線15で導通されている残りの二つの主回路の電圧も同様に高くなって、当該残りの二つの主回路に関しては、供給される回生電力が交流モータの駆動に消費される構成は、実施例1と全く同様である。 Further, during the rotation of the blades B 1 .about.B 3, and the rotational force of the blade B 1 .about.B 3 AC motor M 1 ~M 3 is rotated, AC regenerative power is generated, constituting the inverter I When the voltage of any one of the three main circuits C 1 to C 3 becomes high, the voltages of the remaining two main circuits conducted by the conductive line 15 also become high, and the remaining two Regarding the two main circuits, the configuration in which the supplied regenerative power is consumed for driving the AC motor is exactly the same as in the first embodiment.

なお、上記実施例では、ブレード数が「3」の場合であるが、本発明は、ブレード数とは、無関係に実施できる。   In the above embodiment, the number of blades is “3”, but the present invention can be implemented regardless of the number of blades.

1 〜B3 :ブレード
1 〜C3 :主回路
I:インバータ
1 〜M3 :交流モータ
1 〜P3 :油圧ポンプ
1 〜S3 :油圧シリンダ
α:ブレードのピッチ角
θ:ブレードのアジマス角
2:回生抵抗
15:主回路の導通線
31:指令部
32:指令値取得部
52:ナセル
53:動力伝達軸
54:ハブ
B 1 to B 3 : Blade C 1 to C 3 : Main circuit
I: Inverter M 1 ~M 3: AC motor P 1 to P 3: hydraulic pump S 1 to S 3: hydraulic cylinder
α: Blade pitch angle
θ: Blade azimuth angle
2: Regenerative resistance
15: Main circuit conduction line
31: Command section
32: Command value acquisition unit
52: Nasser
53: Power transmission shaft
54: Hub

Claims (5)

ナセル内に水平支持された動力伝達軸の先端のハブに複数枚のブレードが取付けられた風力発電装置において、前記ブレードの各ピッチ角をアジマス角に対応させて独立して変化させるブレードピッチ角制御装置であって、
前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の回転を運動変換させた往復回動運動により各ブレードのピッチ角を変更させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備え、
前記各ブレード毎に設けられた前記インバータの各主回路は、相互に導通されて、特定のブレードの回転により、当該ブレードの主回路に生成された回生電力を、他のブレードの主回路に供給可能な構成にしたことを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角制御装置。
Blade pitch angle control in which a plurality of blades are attached to a hub at the tip of a power transmission shaft that is horizontally supported in the nacelle, and each pitch angle of the blades is independently changed in accordance with the azimuth angle. A device,
The blade pitch angle control device has the same number of AC motors as the number of blades for changing the pitch angle of each blade by a reciprocating rotational motion obtained by converting the rotation of itself, and the change in the rotational speed of each AC motor. And an inverter that converts the input AC power source into the same number of ACs as the number of blades and outputs the AC power so that both conversions in the rotation direction are possible,
Each main circuit of the inverter provided for each blade is electrically connected to each other, and regenerative power generated in the main circuit of the blade is supplied to the main circuit of the other blade by rotation of the specific blade. A blade pitch angle control device for a wind turbine generator, characterized in that the configuration is possible.
前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の往復直線運動を往復回動運動に変換して各ブレードのピッチ角を直接に変更させるためのブレード数と同数の油圧シリンダと、当該各油圧シリンダを作動させるためのブレード数と同数の油圧ポンプと、当該各油圧ポンプを回転させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備えていることを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置のブレードピッチ角制御装置。   The blade pitch angle control device operates as many hydraulic cylinders as the number of blades for directly changing the pitch angle of each blade by converting its own reciprocating linear motion into reciprocating rotational motion, and each of the hydraulic cylinders. As many hydraulic pumps as the number of blades to be used, AC motors as many as the number of blades for rotating the hydraulic pumps, and changes in the rotational speeds of the AC motors and conversion of the rotational direction are possible. The blade pitch angle control device for a wind turbine generator according to claim 1, further comprising: an inverter that converts an input AC power source into an AC power having the same number as the number of blades and outputs the same. 前記ブレードピッチ角制御装置は、自身の回転を減速させて運動変換させた往復回動運動により各ブレードのピッチ角を変更させるためのブレード数と同数の交流モータと、当該各交流モータの回転を減速させる減速機と、当該各交流モータの回転数の変化、及び回転方向の変換の双方が可能なように、入力された交流電源をブレード数と同数の交流に変換させて出力するインバータとを備えていることを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置のブレードピッチ角制御装置。   The blade pitch angle control device includes the same number of AC motors as the number of blades for changing the pitch angle of each blade by a reciprocating rotational motion obtained by decelerating the rotation of the blade and converting the motion, and the rotation of each AC motor. A speed reducer that decelerates, and an inverter that converts the input AC power source into the same number of ACs as the number of blades and outputs it so that both the change in the rotation speed of each AC motor and the conversion of the rotation direction are possible. The blade pitch angle control device for a wind turbine generator according to claim 1, wherein the blade pitch angle control device is provided. 前記インバータを構成する複数の主回路のうち任意の一つの主回路には、回生電力の供給により過電圧となった各主回路の電圧を降下させる回生抵抗が組み込まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の風力発電装置のブレードピッチ角制御装置。   The regenerative resistor for dropping the voltage of each main circuit that has become an overvoltage due to the supply of regenerative power is incorporated in any one main circuit among the plurality of main circuits constituting the inverter. Item 4. A blade pitch angle control device for a wind turbine generator according to any one of Items 1 to 3. 請求項1ないし4のいずれかのブレードピッチ角制御装置を備えた風力発電装置。   A wind turbine generator comprising the blade pitch angle control device according to any one of claims 1 to 4.
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