JP5829186B2 - 交流発電機の直流平滑化装置 - Google Patents

Description

本発明は交流発電機の直流平滑化装置に関し、特に風力等の自然エネルギーにより駆動される交流発電機に対して好適に適用できる交流発電機の直流平滑化装置に関する。

交流発電機の出力（発生電力）の最大値を得る方法としては、山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）により制御を行う方法が知られている。（特許文献１）
しかしながら、風力発電装置の交流発電機に対してＭＰＰＴ法を適用した場合、風速の変化が急激であるため、十分な追従性が得られないという問題がある。

また、風力発電装置の交流発電機は発生電力が不安定であるため、最大電力値の電力を平滑化することが、充電器への充電や商用電源化装置への電力供給のために必要である。
交流発電機の電力平滑化の方法としては、整流ブリッジと電解コンデンサによる整流平滑回路を用いる方法が一般的である。
しかしながら、コンデンサインプットの平滑回路は大きなリプル電流が発生し、発電機に騒音（唸り音）や共振音が発生し易いという問題がある。特に、風力発電装置における交流発電機の場合、高層ビルの屋上に設置されることがあり、発生した騒音や共振音が広範囲に伝播するという問題がある。この対策として、大型のリアクトルとコンデンサを組み合わせたアクティブフィルターの方式が知られているが、この方式では十分な効果が得られないのが実状である。

更に、風力発電装置の場合、発生電力は風速の３乗に比例することから、風速の変化に伴う発生電力の変動が非常に大きい。例えば、風速１ｍの時の発生電力に対して、風速１０ｍの時の発生電力は１０００倍にもなる。従って、電力変換を高効率に行うためには、広いダイナミックレンジをもつ電力制御が必要である。

特開２００９−２８４５７０号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、応答速度が速い制御が可能であって高い追従性が得られ、大きな騒音や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことができ、広いダイナミックレンジをもつ電力制御を行うことが可能であって、発生電力が不安定である風力発電装置等の自然エネルギーによる発電装置の交流発電機に対して好適に適用できる交流発電機の直流平滑化装置を提供するものである。

請求項１に係る発明は、交流発電機の各相それぞれの巻線のコイルの一部又は全てを電力変換コイルとして利用する整流装置付きの電力制御コンバータからなる回路と、前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有し、
前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、
前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力（Ｗ _ｏｂｊ ）を、下記式（１）又は式（２）により計算する
ことを特徴とする交流発電機の直流平滑化装置。
Ｗ _ｏｂｊ ＝Ｋ１×Ｆ ^Ｋ２ ・・・（１）
Ｗ _ｏｂｊ ＝Ｋ１×Ｖ ^Ｋ２ ・・・（２）
但し、Ｋ１＝Ｗ _ｍａｘ ／Ｆ _ｍａｘ ^Ｋ２
Ｆ：交流発電機の発電周波数
Ｆ _ｍａｘ ：交流発電機の最大定格周波数
Ｗ _ｍａｘ ：交流発電機の最大定格電力
Ｖ：交流発電機の発電電圧
Ｋ２：べき乗定数（水力発電の場合はＫ２＝１、風力発電の場合はＫ２＝３）

請求項２に係る発明は、前記電力制御コンバータからなる回路が、昇圧コンバータからなる力率改善回路であることを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
請求項３に係る発明は、前記電力制御コンバータが降圧コンバータであることを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。

請求項４に係る発明は、前記べき乗定数を設定するべき乗定数設定手段と、交流発電機の定格周波数を設定する定格周波数設定手段と、交流発電機の定格電力を設定する定格電力設定手段と、を有し、前記制御手段は、前記べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、前記べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出することを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
請求項５に係る発明は、前記制御手段は、前記べき乗定数（Ｋ２）を０として、前記出力電力の制御を山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御へと切り替える切り換え手段を有していることを特徴とする請求項１又は４記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。

本発明によれば、発電装置の特性から計算で目標電力を求めて、出力電力が目標電力となるように出力電力を制御することから、応答速度が速い制御が可能であり、高い追従性が得られるため、特に風力発電装置等の自然エネルギーによる発電装置の交流発電機に対する適用に非常に適している。

また、電力制御コンバータからなる回路として昇圧コンバータを用いる力率改善回路を使用することによって、交流発電機の力率が１になり、交流発電機のリプル電流が減少し、大きな騒音（唸り音）や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことができる。そのため、風力発電装置を高層ビルの屋上に設置した場合においても、騒音や共振音が広範囲に伝播することが大幅に抑制される。
更に、昇圧コンバータのＯＮ時間を一定として、力率改善回路を使用した制御を行うことにより、瞬時電圧も瞬時電流も同時に比例して変化して、電力としては２乗に比例制御したこととなるため、ＯＦＦ時間で残りの１乗分に対しての制御を行えばよいこととなり、簡単な方法で数千倍（３乗分）の広いダイナミックレンジを得ることが可能となる。

また、制御手段が、べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出することにより、様々な種類の広範囲な発電装置とのマッチングが可能となる。
更に、制御手段が、べき乗定数を０として、出力電力の制御を山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御へと切り替える切り換え手段を有していることにより、発電装置の種類（特性）に応じて制御方式を最適な方式へと変更することができる。例えば、風力発電装置に適用する場合は、上述した如く山登り法による最大電力点追従制御では良好な追従性が得られないためにべき乗定数を３として制御を行い、水力発電装置に適用する場合には、状況に応じて山登り法による最大電力点追従制御を行うという切り換えが可能となる。

本発明に係る交流発電機の直流平滑化装置の原理を示す図であって、交流発電機が単相交流発電機である場合の図である。 相当たりの発電電圧波形とコイル電流の波形を示す図である。 電流検出回路の動作波形を説明する図である。 本発明に係る交流発電機の直流平滑化装置の実施例を示す図であって、風力発電装置の３相交流発電機に適用した説明図である。 周波数（電圧）検出回路の説明図である。 周波数（電圧）検出回路の回路図である。 発電周波数検出回路の機能を説明する図である。

以下、本発明に係る交流発電機の直流平滑化装置の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る装置の回路構成を示す図である。
本発明に係る装置は、交流発電機の各相それぞれの巻線のコイルの一部又は全てを電力変換コイルとして利用する整流装置付きの電力制御コンバータからなる回路と、前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有しており、前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力を計算するように構成されている。

図１及び後ほど説明する図４では、電力制御コンバータからなる回路が昇圧コンバータからなる力率改善回路（ＰＦＣ）である場合を示しているが、電力制御コンバータとして降圧コンバータを使用してもよい。

また、図１では、交流発電機の各相のうちの１つの相の巻線のコイルを交流発電機（ＧＥＮ１１）として示している（即ち、単相の交流発電機として示している）が、実際には後述する図４に示すように、交流発電機（ＧＥＮ１１）の各相（３相）のそれぞれに対して図１に示す回路が接続される。

力率改善回路は、単相整流ブリッジ（Ｄ１１）からなる整流装置付きの昇圧コンバータを用いた力率改善回路であり、交流発電機のリプル電流が減少し、大きな騒音（唸り音）や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことが可能となる。

交流発電機（ＧＥＮ１１）の各相のコイルから出力される交流電流は、ローパスフィルターを介して整流装置（Ｄ１１）へと送られて整流される。
ローパスフィルターは、コイル（Ｌ１１）、コンデンサ（Ｃ１１）（Ｃ１２）から構成されており、交流発電機（ＧＥＮ１１）にスイッチング電流が逆流することを防ぐ役割を果たす。

出力電流検出手段は、電流センサ（ＣＴ１１）及び電流検出回路（Ｕ１２）から構成されており、電流センサ（ＣＴ１１）により出力電流の瞬時値が検出され、この検出値が電流検出回路（Ｕ１２）へと送られる。
出力電圧検出手段は、電圧検出回路（Ｕ１４）から構成されている。
発電周波数検出手段は、発電周波数検出回路（Ｕ１３）から構成されている。
電流検出回路（Ｕ１２）、電圧検出回路（Ｕ１４）、発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、コンピュータ（マイコン）からなる制御装置（Ｕ１５）と接続されている。
制御装置（Ｕ１５）はメモリに記録された所定のプログラムに基づいて装置の動作をＣＰＵにより制御するものであり、各回路（Ｕ１２）、（Ｕ１３），（Ｕ１４）からの出力は制御装置（Ｕ１５）へと送られ、制御装置（Ｕ１５）は出力値に基づいて装置全体を制御する。

図５は発電周波数検出回路（Ｕ１３）の周波数検出原理の説明図であり、図６は発電周波数検出回路（Ｕ１３）の回路図である。
発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、交流トランス（Ｔ５１）と、ローパスフィルタ（Ｕ５１）と、波形整形用飽和増幅器（Ｕ５２）と、Ｆ／Ｖ変換装置（Ｕ５３）を備えている。ローパスフィルタ（Ｕ５１）は、抵抗（Ｒ６１）とコンデンサ（Ｃ６１）、抵抗（Ｒ６２）とコンデンサ（Ｃ６２）の２段ローパスフィルターとして構成されている。

発電周波数検出回路（Ｕ１３）に入力された交流電圧は、交流トランス（Ｔ５１）により降圧され、交流トランス（Ｔ５１）の出力波形（図７のＧ６１参照）はローパスフィルタ（Ｕ５１）により高周波成分が除去された波形（図７のＧ６２参照）となり、この波形（Ｇ６２）が波形整形用飽和増幅器（Ｕ５２）により発電周波数に同期したパルス波形（図７のＧ６３参照）に整形され、Ｆ／Ｖ変換装置（Ｕ５３）により周波数に応じた直流電圧（発電電圧）に変換される（図７のＧ６４参照）。制御装置（Ｕ１５）は、この直流電圧（発電電圧）の値から発電周波数を求める。つまり、発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、交流発電機（ＧＥN１１）の発電周波数を検出する発電周波数検出手段としての機能と、交流発電機（ＧＥN１１）の発電電圧を検出する発電電圧検出手段としての機能を有している。

尚、交流発電機の発電周波数は発電電圧と比例関係であるから、発電周波数検出手段は、発電周波数を、制御装置（Ｕ１５）により、検出された発電電圧と、交流発電機の周波数に対する定数（予め求められた既知の値）から計算して求めてもよい。

回路のオンオフ制御を行うスイッチング素子（ＦＥＴ１１）には、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートドライブ用のローサイドドライバ（Ｕ１１）が接続されており、ローサイドドライバ（Ｕ１１）の駆動は制御装置（Ｕ１５）により制御される。

制御手段を構成する制御装置（Ｕ１５）は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）と実際の出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）を求め、目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させる（通電角を制御する）ことにより電力制御を行う。回路のオンオフ制御は、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のオンオフにより行う。

目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）は、
Ｆ：発電周波数
Ｋ１：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数と比例する定数
Ｋ２：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数
Ｆ_ｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数
Ｗ_ｍａｘ：交流発電機の最大定格電力
とすると、
Ｋ１＝Ｗ_ｍａｘ／（Ｆ_ｍａｘ ^Ｋ２）であり、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^Ｋ２（Ｗ）で求められる。

べき乗定数（Ｋ２）は、べき乗定数設定手段として設けられた、図１に示すべき乗定数設定用ボリューム（ＶＲ１３）により設定される。
最大定格周波数（Ｆ_ｍａｘ）は、定格周波数設定手段として設けられた、図１に示す定格周波数設定用ボリューム（ＶＲ１１）により設定される。
最大定格電力（Ｗ_ｍａｘ）は、定格電力設定手段として設けられた、図１に示す定格電力設定用ボリューム（ＶＲ１２）により設定される。
ここで、べき乗定数（Ｋ２）は、使用される発電装置の構造によって決まる値であり、例えば風力発電装置の場合は３、水力発電装置の場合は１に設定される。最大定格周波数（Ｆ_ｍａｘ）及び最大定格電力（Ｗ_ｍａｘ）は、使用する交流発電機により決まる値である。

実際の出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）は、
Ｖ_ＯＵＴ：出力電圧
Ｉ_ＯＵＴ：出力電流
とすると、
Ｗ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＯＵＴ×Ｉ_ＯＵＴ（Ｗ）で求められる。

本発明に係る装置において、負荷が蓄電池や発光ダイオード等の定電圧特性を持つ負荷の場合の電力制御は上記方法で行えばよいが、負荷が抵抗負荷等の場合は負荷が少ないと出力電圧が高くなって部品の耐圧破壊が生じるおそれがある。そのため、本発明に係る装置は、変換電力を減少させて耐圧破壊を防止するために出力電圧制御を行うことが可能である。

すなわち、制御手段は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）と実際の出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を求め、目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）＝出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電圧制御をおこなう。
目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）は、制御装置（Ｕ１５）のプログラムで設定することができる。
ここで、目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）とは回路に接続される負荷（機器）へのリンク電圧を意味しており、制御装置（Ｕ１５）のプログラムは、接続される負荷の大きさや種類に応じて負荷へのリンク電圧を決定する。一般的に、昇圧コンバータを使用した場合、例えばアクティブフィルターとして力率改善回路を構成する場合は、目標電圧（リンク電圧）は入力電圧以上になる。一方、降圧コンバータを使用した場合、例えば蓄電池への充電を目的とする場合は、目標電圧（リンク電圧）は入力電圧以下になる。

図１のＦＥＴ１１は、昇圧コンバータのスイッチング素子であり、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートをＯＮにすると、コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に電力が蓄積される。
すなわち、
ＩＬ：スイッチング素子ＯＮ時のコイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に流れる電流の瞬時値
Ｔ_ＯＮ：スイッチング素子のＯＮ時間
Ｌ１１：発電機の巻き線のコイル（Ｌ１１）のインダクタンス
Ｌ１２：直列に接続されるコイル（Ｌ１２）のインダクタンス
Ｖ１１：交流発電機の瞬時電圧
とすると、
ＩＬ＝（Ｖ１１×Ｔ_ＯＮ）／（Ｌ１１＋Ｌ１２）（Ａ）で
コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に電力が蓄積される。

スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートをＯＦＦにすることにより、コイル（Ｌ１１、Ｌ１２）に蓄積されたエネルギーは出力コンデンサ（Ｃ１１）に放出されて出力コンデンサ（Ｃ１１）を充電し、出力コンデンサ（Ｃ１１）に接続された出力端子（ＴＰ１１、ＴＰ１２）から負荷に電力を供給する。その結果、図２に示すように、交流発電機の瞬時電圧（発電電圧）の波形（ＶＧ）に対して電流波形（ＩＳ）が得られ、力率改善した多状態が得られる。

図３の波形（Ｇ５１）は電流センサ（ＣＴ１１）で検出した波形であり、この波形を電流検出回路（Ｕ１２）の積分回路で平均化することによって出力電流（Ｇ５３）を得ることができる。

本発明に係る装置は、自然エネルギーにより発電する発電装置の交流発電機から発生する交流電力を直流平滑化するために好適に利用される。自然エネルギーにより発電する発電装置としては、例えば、風力発電装置、水力発電装置が挙げられるが、これらに限定はされない。

風力発電装置の場合、風により風車に発生するエネルギーは、
Ｗ_ｗｉｎ：風のエネルギー
ρ：空気密度
Ａ：受風面積
Ｖ：風速
とすると、
Ｗ_ｗｉｎ＝０．５×ρ×Ａ×Ｖ^３（Ｗ）
である。

このエネルギーを風車と発電機で発電するため、
Ｗ_ａｌｌ：総合電力
η_Ｗ：風車効率
η_ｇ：発電機効率
とすると、
Ｗ_ａｌｌ＝Ｗ_ｗｉｎ×η_Ｗ×η_ｇ（Ｗ）
である。

発電周波数は回転数に比例し風速に比例する定数であるため、発電周波数（発電電圧に比例する）の３乗に比例した電力が最大電力となる。
従って、本発明に係る装置を、風力発電装置に使用される交流発電機の電力制御を行う直流平滑化装置として使用する場合は、周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を３に設定する。
そうすると、目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）は、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^３（Ｗ）で求めることが可能となる。
Ｋ１は、Ｋ１＝Ｗ_ｍａｘ／（Ｆ_ｍａｘ ^Ｋ２）であり、制御装置（Ｕ１５）のプログラムにより算出する。

水力発電装置の場合、水流により水車に発生するエネルギーは、
Ｗ_ｗａｔ：水のエネルギー
Ｑ：流量
Ｈ：水圧
とすると、
Ｗ_ｗａｔ＝Ｋ１×Ｑ×Ｈ（Ｗ）である。

このエネルギーを水車と発電機で発電するため、
Ｗ_ａｌｌ：総合電力
η_Ｗ：水車効率
η_ｇ：発電機効率
とすると、
Ｗ_ａｌｌ＝Ｗ_ｗａｔ×η_Ｗ×η_ｇ（Ｗ）
である。

発電周波数は回転数に比例する定数であるため、発電周波数（発電電圧に比例する）の１乗に比例した電力が最大電力となる。
従って、本発明に係る装置を、水力発電装置に使用される交流発電機の電力制御を行う直流平滑化装置として使用する場合は、周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を１に設定する。
そうすると、目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）は、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^１（Ｗ）で求めることが可能となる。
Ｋ１は、Ｋ１＝Ｗ_ｍａｘ／（Ｆ_ｍａｘ ^Ｋ２）であり、制御装置（Ｕ１５）のプログラムにより算出する。

制御手段を構成する制御装置（Ｕ１５）は、Ｋ２＝０の場合はべき乗定数０の制御ではなく、最大電力点追従方式（ＭＰＰＴ）に制御を切り替えるプログラム（切替え手段）を内蔵（記憶）している。
すなわち、制御装置（Ｕ１５）は、風力発電装置に使用する場合であっても水力発電装置に使用する場合であっても、図１の周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を０の位置に設定することによって、Ｋ１や周波数を無視して山登り法による最大電力点追従方式（ＭＰＰＴ）に制御を切り替えるプログラムを内蔵している。

図１では交流発電機の１つの相に対して接続した回路のみを示したが、本発明に係る装置は、交流発電機の各相についてそれぞれ図１に示す回路を接続し、相ごとに電力を出力して出力端で合成して全体の出力を得る構成とされる。

一般的な風力発電装置又は水力発電装置は、風車又は水車と、風車又は水車の回転を電力に変換する交流発電機と、電力を蓄積するバッテリーと、交流発電機から出力される電力を直流電力に変換する電力変換装置を備えている。
交流発電機は、ロータ及びステータを備えており、ロータは風車又は水車の回転軸に接続されている。ロータには永久磁石が設けられ、ステータには、Ｙ結線されたＵ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイルが設けられている。
風車又は水車が回転すると、発電機のロータは風車又は水車の回転軸と共に回転し、電磁誘導により発電機の各相のステータコイルに電流が流れ、発電機から３相交流電力が出力される。発電機から出力される３相交流電力は、電力変換装置により直流電力に変換され、さらに所定の電圧に降圧され、バッテリーに充電される。
本発明に係る装置は、上記したような、風力発電装置や水力発電装置の電力変換装置として好適に利用されるものである。

図４は、本発明に係る装置の実施例であって、風力発電装置の三相交流発電機に対して本発明を適用した実施例である。尚、この図４に示す実施例の回路の基本構成及び基本作用は、図１の回路と共通しているため、共通する部分については説明の重複を避けるために省略する。

図４のＷ相に接続された回路が図１に相当する回路であり、Ｕ相とＶ相にもＷ相と共通する回路が接続されている。他に、各相を一括平滑化するコンデンサ（Ｃ５０）、電流センサ（ＣＴ５１）、電流検出回路（Ｕ４１）、周波数検出回路（Ｕ４２）、電圧検出回路（Ｕ４３），制御装置（Ｕ４４）、ローサイドドライバ回路（Ｕ４５）等を備えており、負荷となる疑似負荷装置（Ｕ４６）が接続されている。

制御装置（Ｕ４４）は制御装置（Ｕ１５）と同じくメモリに記録された所定のプログラムに基づいて装置全体の動作をＣＰＵにより制御するコンピュータであり、各回路（Ｕ４１）、（Ｕ４２），（Ｕ４３）からの出力は制御装置（Ｕ４４）へと送られ、制御装置（Ｕ４４）は出力値に基づいて装置全体を制御する。

定格周波数設定手段を構成する定格周波数設定用ボリューム（ＶＲ４１）、定格電力設定手段を構成する定格電力設定用ボリューム（ＶＲ４２）、べき乗定数設定手段を構成するべき乗定数設定用ボリューム（ＶＲ４３）は、制御装置（Ｕ４４）に接続されている。制御装置（Ｕ４４）は各ボリュームの電圧値から、定格周波数、定格電力、定格周波数を算出する。

コンデンサ（Ｃ４１）はＵ相用、コンデンサ（Ｃ４２）はＶ相用、コンデンサ（Ｃ４３）はＷ相用のＥＭＣ対策コンデンサである。
単相整流器（Ｄ４１）はＵ相用、単相整流器（Ｄ４２）はＶ相用、単相整流器（Ｄ４３）はＷ相用である。
コイル（Ｌ４１）はＵ相用、コイル（Ｌ４２）はＶ相用、コイル（Ｌ４３）はＷ相用の昇圧コンバータの昇圧コイルである。実際の動作は、交流発電機の各相のコイルは、各相の整流器とからなる回路を含めると等価的に各コイルのインダクタンスは加算された値となり昇圧コンバータの昇圧コイルとして動作する。例えば、図４のコイル（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３）として１（ｍＨ）のものを使用する。

スイッチングング素子（４１）はＵ相用、スイッチング素子（４２）はＶ相用、スイッチング素子（４３）はＷ相用であり、これらのスイッチング素子はコンピュータからなる制御装置（Ｕ４４）により制御される。（Ｕ４５）はスイッチング素子のゲートドライブ用のローサイドドライバである。
ダイオード（Ｄ４４）はＵ相用、ダイオード（Ｄ４５）はＶ相用、ダイオード（Ｄ４６）はＷ相用の昇圧コンバータの出力ダイオードであり、平滑出力コンデンサ（Ｃ５０）に接続される。

スイッチング素子（ＦＥＴ４１、ＦＥＴ４２、ＦＥＴ４３）のゲートをＯＮにすると、コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に電力が蓄積される。
すなわち、
Ｌ：コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に等価なコイルのインダクタンス
ＩＬ：スイッチング素子ＯＮ時のコイルに流れる電流の瞬時値
Ｔ_ＯＮ：スイッチング素子のＯＮ時間
ＶＬ：交流発電機の瞬時電圧（内部発電電圧の瞬時値）
とすると、
ＩＬ＝（ＶＬ×Ｔ_ＯＮ）／Ｌ（Ａ）で
コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に電力が蓄積される。

Ｔ_ＯＮは、発電機の最大定格電力（Ｗ_ｍａｘ）とＬの値によって決まる一定の時間であり、最大定格電力（Ｗ_ｍａｘ）は図４の定格電力設定用ボリューム（ＶＲ４２）により設定される。制御手段は、このように計算されたＯＮ時間（Ｔ_ＯＮ）で昇圧コンバータのＯＮ時間を一定として力率改善回路により電力制御を行う。

すなわち、制御手段を構成する制御装置（Ｕ４４）は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）と実際の出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）を求め、目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電力制御を行う。回路のオンオフ制御は、スイッチング素子（ＦＥＴ４１〜４３）のオンオフにより行う。

目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）は、
Ｆ：発電周波数
Ｋ１：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数と比例する定数
Ｋ２：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数（図４のＶＲ４３により設定される）
Ｆ_ｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数（図４のＶＲ４１により設定される）
Ｗ_ｍａｘ：交流発電機の最大定格電力（図４のＶＲ４２により設定される）
とすると、
Ｋ１＝Ｗ_ｍａｘ／（Ｆ_ｍａｘ ^Ｋ２）であり、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^Ｋ２（Ｗ）で求められる。
風力発電装置に使用する場合は、Ｋ２＝３に設定されるから、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^３（Ｗ）で制御装置（Ｕ４４）により求められる。
水力発電装置に使用する場合は、Ｋ２＝１に設定されるから、
目標電力（Ｗ_ｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ^１（Ｗ）で制御装置（Ｕ４４）により求められる。

実際の出力電力（Ｗ_ＯＵＴ）は、
Ｖ_ＯＵＴ：出力電圧
Ｉ_ＯＵＴ：出力電流
とすると、
Ｗ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＯＵＴ×Ｉ_ＯＵＴ（Ｗ）で求められる。

また、制御手段は、上述したように、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）と実際の出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を求め、目標電圧（Ｖ_ｏｂｊ）＝出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電圧制御を行うこともできる。

上述の通り、本発明に係る装置は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路（ＰＦＣ）を利用するものであり、昇圧コンバータは力率改善回路の動作と出力電力制御動作を同時に行うことができる。
また、目標電力を得るための出力電流を検出する手段と、出力電圧を検出する手段と、発電機の発電定数である発電周波数（又は発電電圧）を求める手段を有しており、目標の出力電力を求めるために発電周波数のべき乗定数を求め、発電周波数（又は発電電圧）のべき乗値を比例制御することにより目標最大電力を得て電力制御を行うことができる。加えて、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）の制御を行うことも可能である。
そのため、発電電力特性が異なる発電装置（風力発電装置、水力発電装置など）から簡単に最大電力を取り出すことが可能であるとともに、広範囲な交流発電機の電力平滑化に利用することができる。

電力制御コンバータとして降圧コンバータを使用する場合も、昇圧コンバータを使用する場合と同様の制御を行う。
すなわち、制御手段は、降圧コンバータのＯＮ時間を一定として、検出された出力電流と出力電圧から出力電力を算出し、該出力電力が目標電力となるように或いは出力電圧が目標電圧となるように、降圧コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御を行う。
この場合、力率改善回路が構成できないため、昇圧コンバータを使用した場合のような騒音（唸り音）や共振音の削減効果は得られないが、その他の電力制御は昇圧コンバータの場合と同様に動作するため、応答速度の速い電力制御が可能となる。

風力発電装置の三相交流発電機（株式会社スカイ電子製、ＳＫＹ−２５０）に対して図４に示す回路を適用して発電効率を測定した。表１に交流発電機の主な特性及び測定結果を示す。

本発明は、風力や水力等の自然エネルギーを利用した発電装置における交流発電機の直流平滑化装置として好適に利用される。

ＧＥＮ１１ 交流発電機
Ｄ１１、Ｄ４１、Ｄ４２，Ｄ４３ 単相整流ブリッジ（整流装置）
ＣＴ１１、ＣＴ５１ 電流センサ
Ｕ１２、Ｕ４１ 電流検出回路（電流検出手段）
Ｕ１３、Ｕ４２ 発電周波数検出回路（発電周波数検出手段又は発電電圧検出手段）
Ｕ１４、Ｕ４３ 電圧検出回路（出力電圧検出手段）
Ｕ１５、Ｕ４４ 制御装置（制御手段）
ＶＲ１１、ＶＲ４１ 定格周波数設定用ボリューム（定格周波数設定手段）
ＶＲ１２、ＶＲ４２ 定格電力設定用ボリューム（定格電力設定手段）
ＶＲ１３、ＶＲ４３ べき乗定数設定用ボリューム（べき乗定数設定手段）

Claims (5)

1. 交流発電機の各相それぞれの巻線のコイルの一部又は全てを電力変換コイルとして利用する整流装置付きの電力制御コンバータからなる回路と、
   前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有し、
   前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力（Ｗ _ｏｂｊ ）を、下記式（１）又は式（２）により計算する
   ことを特徴とする交流発電機の直流平滑化装置。
   Ｗ _ｏｂｊ ＝Ｋ１×Ｆ ^Ｋ２ ・・・（１）
   Ｗ _ｏｂｊ ＝Ｋ１×Ｖ ^Ｋ２ ・・・（２）
   但し、Ｋ１＝Ｗ _ｍａｘ ／Ｆ _ｍａｘ ^Ｋ２
   Ｆ：交流発電機の発電周波数
   Ｆ _ｍａｘ ：交流発電機の最大定格周波数
   Ｗ _ｍａｘ ：交流発電機の最大定格電力
   Ｖ：交流発電機の発電電圧
   Ｋ２：べき乗定数（水力発電の場合はＫ２＝１、風力発電の場合はＫ２＝３）
2. 前記電力制御コンバータからなる回路が、昇圧コンバータからなる力率改善回路であることを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置。
3. 前記電力制御コンバータが降圧コンバータであることを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置。
4. 前記べき乗定数を設定するべき乗定数設定手段と、
   交流発電機の定格周波数を設定する定格周波数設定手段と、
   交流発電機の定格電力を設定する定格電力設定手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、前記べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置。
5. 前記制御手段は、前記べき乗定数（Ｋ２）を０として、前記出力電力の制御を山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御へと切り替える切り換え手段を有していることを特徴とする請求項１又は４記載の交流発電機の直流平滑化装置。

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