JP6997530B2 - 風力発電装置の出力制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電装置において、余剰電力の抑制を行う風力発電装置の出力制御装置に関する。

風力発電装置では、風車の主軸に接続された発電機の負荷を、制御装置により風速に応じて変化させて発電機のトルクを調整し、風車の出力制御を行っている（例えば、特許文献１）。風車の制御では、応答性の観点から、入力電圧に対して出力を予めテーブルで設定して制御するテーブル制御が多く、また、市販品のパワーコンディショナにはテーブル制御機能が内蔵されているものが出回っている。

特開２００８－２７８７２５号公報

上記のように、風車の出力の制御に、パワーコンディショナによるテーブル制御が行われているが、定格に設定した出力を超過すると、それ以上は系統に流すことができなくなる。これにより、パワーコンディショナ等のテーブル制御装置に入力電圧の上昇が発生し結果として風車の回転上昇を生じてさせてしまうため、電圧上昇を抑制しこの余剰電力を消費させる電力消費ユニットが必要である。またこの余剰分も考慮した大きな容量の発電機や増速機や主軸ユニットが必要となっていた。

具体的には、固定翼等で定格出力以上の風によるエネルギーを吸収する機構がない風車では、図１１に示すように、定格出力を超過するとそれ以上は系統に流すことができなくなる。このため、このテーブル制御装置に入力電圧の上昇が発生し結果として風車の回転上昇を生じさせてしまい、この余剰電力を消費させる電力消費ユニットが必要であった。また、この余剰分も考慮した大きな容量の発電機や増速機や主軸ユニットが必要となっており、カットアウト風速を大きく取ることを検討すると発電機等の容量を上げなければならない。そのため、コストとの兼ね合いからカットアウト風速に制限が出ていた。

この発明の目的は、テーブル制御装置における定格超過時の余剰電力の抑制が可能となり、これにより、余剰電力を受け止めるために、発電機や増速機、主軸ユニット等を定格以上の容量とすることが不要で、これらの小型化が図れる風力発電装置の出力制御装置を提供することである。

この発明の風力発電装置の出力制御装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車１と、風車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３とを備えた風力発電装置に備えられる出力制御装置４であって、
前記発電機４と負荷の間に介在する電力回路部２１と、この電力回路部２１を制御する制御部２２とを有し、
前記制御部２２に、
前記発電機３が出力する電圧または電力、前記風車１または発電機３の回転数、および風速のうちの少なくとも一つの検出値が入力されて、規定値を超過したことを監視する定格出力超過監視手段２３と、
前記規定値を超過したことが検出されると前記発電機３の発電電圧を低下させる発電電圧制御手段２４とを備える。

この構成によると、発電機３の出力に関与する検出値が規定値を超過することが前記定格出力超過監視手段２３により検出されると、発電電圧制御手段２４は、前記発電機３の発電電圧を低下させるように前記電力回路部２１を制御する。この発電電圧を低下させる制御は、前記電力回路部２１の入力電圧を下げる制御であっても、電力回路部２１の入力抵抗を増大させる制御であっても良い。このように発電機３の電圧を低下させることで、その結果として風車１の回転が低下し、意図的に風車羽根の効率が悪い状況を作り出して定格出力を維持することができる。これにより、発電機３の余剰電力を受け止めるために、発電機３や増速機、主軸ユニット等を定格以上の容量とすることが不要で、これらの小型化を図ることができる。
なお、前記「規定値」は、前記電圧、電力、回転数、および風速のうちのそれぞれにつき適宜定められる値であり、例えば、前記発電機３の定格出力に対応する電圧、電力、回転数、風速等の値とされる。回転数や風速が高い場合、発電機３が定格出力を超えると推定されるため、前記定格出力における前記回転数や風速が前記規定値として定められる。

この発明において、前記風力発電装置が、入力電圧と出力電力の関係が定められたテーブルに従って出力電力を制御するテーブル制御装置５が前記発電機３と系統８の間に介在する場合、前記電力回路部２１は前記発電機３と前記テーブル制御装置５との間に介在させる。

テーブル制御装置５を用いた風力発電装置では、定格に設定した出力を超過するとそれ以上は系統８に流すことができなくなり、テーブル制御装置５の入力に電圧上昇が発生してしまう。これにつき、前記テーブル制御装置５と発電機３の間に定格以上の電圧調整が可能な出力制御装置４を介在させることで、風車１の過回転を抑制することができる。
また、定格出力以上のさらなる風速超過による出力上昇に対応するため、この出力制御装置５の発電電圧制御手段２４では、発電機３の電圧を低下させ、その結果として風車１の回転を低下させて意図的に風車羽根の効率が悪い状況を作り出し定格出力を維持する。

この発明において、前記定格出力超過監視手段２３により定格出力を超過したことが推定されると、前記テーブル制御装置５への入力電圧を、前記テーブル制御装置５で設定されている定格電圧以上の電圧に保持する定格電圧保持手段２６を有していてもよい。
定格電圧保持手段２６は、テーブル制御装置５で定格出力を維持するために、テーブル制御装置５への入力電圧をテーブル制御で設定した定格電圧より高い電圧、例えば一定電圧として保持する。これにより余剰電力の発生を抑制するとともに系統８には常に定格出力を供給することが可能となる。

この発明において、前記発電機３から入力される電圧が設定電圧以下である場合に、前記テーブル制御装置５へ入力する電圧を上げる電圧上昇手段２７を備えていてもよい。
テーブル制御装置５では、カットイン電圧に下限の制限があることが多く、テーブル制御装置５に入力する電圧を上げることによりカットイン風速を下げることが可能になる。これにより、より微小な風速の場合にも系統８に発電電力を供給することができる。

この発明において、余剰電力を消費する抵抗６および余剰電力を蓄電するバッテリー７のいずれか一方または両方を備えていてもよい。
これにより、少しの余剰電力が発生した場合にも対応可能となる。

この発明において、前記風車１が垂直軸風車であってもよい。垂直軸風車を用いた発電装置は、風向きにかかわらず回転が生じ、また比較的に小型の風車にも適用し易い。小型の風力発電装置の場合、複雑な制御装置を備えることは、コスト面から実用的でない。そのため、垂直軸風車を用いた風力発電装置にこの発明の出力制御装置４を適用することで、この発明の効果が、効果的に発揮される。

この発明の風力発電装置の出力制御装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電装置に備えられる出力制御装置であって、前記発電機と負荷の間に介在する電力回路部と、この電力回路部を制御する制御部とを有し、前記制御部に、前記発電機が出力する電圧または電力、前記風車または発電機の回転数、および風速のうちの少なくとも一つの検出値が入力されて、規定値を超過したことを監視する定格出力超過監視手段と、前記規定値を超過したことが検出されると前記発電機の発電電圧を低下させる発電電圧制御手段とを備えるため、テーブル制御装置における定格超過時の余剰電力の抑制が可能となり、これにより、余剰電力を受け止めるために、発電機や増速機、主軸ユニット等を定格以上の容量とすることが不要で、これらの小型化が図ることができる。

この発明の第１の実施形態に係る出力制御装置を備えた風力発電装置の概念構成を示すブロック図である。 そのテーブル制御装置のテーブルの内容例を示すグラフである。 同実施形態に係る出力制御装置を用いた場合のテーブル制御装置の風速と出力の関係例を示すグラフである。 垂直型風車の一例を示す正面図である。 図４のＶ－Ｖ線断面図である。 図１における電力回路部の具体例を示す電気回路およびブロック図である。 同出力制御装置における発電電圧制御手段が行う処理を示す流れ図である。 同出力制御装置における定格電圧保持手段の具体例を示すブロック図である。 同出力制御装置における風力に対する出力の例を示すグラフである。 この発明の他の実施形態に係る出力制御装置を備えた風力発電装置の概念構成を示すブロック図である。 従来例の風速と出力の関係例を示すグラフである。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図９と共に説明する。図１は、この出力制御装置を備えた風力発電装置の一例を示す。この風力発電装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車１と、風車１の主軸２にカップリング（図示せず）等で連結されて風車２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３と、この発電機３と系統８の間に介在するテーブル制御装置５とを備え、前記発電機３とテーブル制御装置５との間に、この実施形態に係る出力制御装置４が介在する。発電機３は、例えば巻線型誘導発電機である。系統８は、発電電力を使用する負荷である。風車１と発電機３との間に増速機（図示せず）を備えていてもよい。

風車１は、垂直軸風車および水平軸風車（プロペラ型風車）のいずれでもよいが、この例では図４，５に一例を示す垂直軸型風車が用いられている。この垂直軸型の風車１は、主軸２の回りに上下方向に延びる複数の翼１１がアーム１２を介して取付けられて翼車１３を構成し、主軸２が軸受１４を介してフレーム１５に支持されている。各翼１１は、翼本体１１ａの上下両端にウイングレット１１ｂが設けられている。なお、主軸２は、図１では模式化のために水平姿勢で図示している。

図１において、テーブル制御装置５は、予め入力電圧に対して出力電力が設定されたテーブル１６に従って発電量を制御し系統８やバッテリー（図示せず）等に出力を供給する装置であり、パワーコンディショナ等で構成される。テーブル制御装置５は、電力変換部１７とこの電力変換部１７を制御する制御部１８とを有し、この制御部１８に前記テーブル１６が設けられている。前記電力変換部１７は、入力される直流または交流の電力を交流に変換する装置であり、主にインバータにより、または整流回路とインバータ（いずれも図示せず）により構成されている。出力する交流は、単相交流であっても、三相交流であっても良い。前記制御部１８は、前記電力変換部１７を制御し、例えばこの制御において、前記テーブル１６に従う出力電力の制御を行う。このテーブル１６は、例えば図２にグラフで示す電圧と出力の関係がテーブルの形式で定められている。

出力制御装置４は、その電力回路部２１が発電機３とテーブル制御装置５の間に介在するが、テーブル制御装置５の定格出力までは基本的にはテーブル制御装置５によりテーブル制御を行わせ、出力制御装置４は発電機３とテーブル制御装置５間をバイパスさせるか、または発電機３側の電圧を任意の割合で変化させてテーブル制御装置５への入力電圧を規定する。

出力制御装置４は、その電力回路部２１が、発電機３の発電した三相交流等の交流電流を直流に変換する整流回路等を有する電力回路部２１と、この電力回路部２１を制御する制御部２２とを有している。前記電力回路部２１は、いわば主回路である。前記電力回路部２１には、前記整流回路の後段に、整流された直流電力を単相交流電力に変換するインバータ（図示せず）を備えていてもよい。また、前記電力回路部２１には抵抗６とバッテリー７とが接続されている。これら抵抗６とバッテリー７とは、テーブル制御装置５に接続される抵抗およびバッテリーと兼用してもよく、また別々であってもよい。

図６は、電力回路部２１の一例を示す。同図の電力回路部２１は、チョッパー回路であり、正側回路３１とアース側回路３２との間に、スイッチングトラジスタ等のスイッチング素子３３とコンデンサ３４とが並列に接続され、正側回路３１におけるスイッチング素子３３とコンデンサ３４との間にダイオード３５が設けられている。スイッチング素子３３をＰＷＭ制御等での開閉制御することで、出力電力や入力電圧の制御が可能である。

図１において、出力制御装置４の制御部２２には、定格出力超過監視手段２３と、発電電圧制御手段２４と、定格電圧保持手段２６とを備える。前記発電電圧制御手段２４および定格電圧保持手段２６により出力処理部２８が構成される。出力処理部２８は、後述の電圧上昇手段２７を有していてもよい。

定格出力超過監視手段２３は、検出器２５により検出される風車１の回転数、発電機２の回転数、風速、発電機３の発電電圧、および発電機３の発電電力のうちのいずかが入力されてその入力により出力制御装置５の出力電力を推定し、推定電圧がテーブル制御装置５の規定値（例えば定格出力）を超過したことを監視する。この監視において、前記風車１の回転数、発電機２の回転数、風速、発電機３の発電電圧、および発電機３の発電電力のそれぞれに対して定められた規定値を比較して超過か否かを判定するようにしても良い。

発電電圧制御手段２４は、定格出力超過監視手段２３により定格出力を超過したことが推定されると、電力回路部２１を制御することにより発電機３の発電電圧を低下させる手段である。発電電圧を低下させる制御としては、電力回路部２１の入力電圧を低くする制御や、電力回路部２１の入力抵抗を大きくする制御等が採用できる。電力回路部２１が図６と共に前述したチョッパー回路である場合は、例えば、図７と共に後述するように入力電圧を高くすることで発電機３の発電電圧を低下させる。

定格電圧保持手段２５は、定格出力超過監視手段２３により定格出力を超過したことが推定されると、テーブル制御装置５への入力電圧を、テーブル制御装置５で設定されている定格電圧以上の電圧に保持する手段である。
定格電圧保持手段２６については、後に図８と共に具体例を説明する。

電圧上昇手段２７は、発電機３から入力される電圧が設定電圧以下である場合に、テーブル制御装置５へ入力する電圧を上げる手段である。

この構成の出力制御装置４によると、検出器２５により得られる発電機３の回転数や入力エネルギー、風速計等からの情報により、テーブル制御装置５の定格出力（図３に示す）を超過したか否かを定格出力超過監視手段２３によって常に監視する。定格出力を超過したときは、発電電圧制御手段２４により発電機３の電圧を低下させる。これにより、風車１の回転数を低下させ、意図的に風車１の羽根の効率が悪い状態を作り出し、余剰出力の上昇を抑制して定格出力を維持する。この出力制御装置３は、出力の一部を消費、貯蓄させる抵抗６やバッテリー７に接続されており、少しの余剰電力が発生した場合も対応可能である。

また、テーブル制御装置５で定格を維持するために、定格電圧保持手段２６は、出力制御装置４によりテーブル制御装置５の入力電圧（すなわち、出力制限装置４の出力電圧）を、マップ１６に従い、テーブル制御で設定した定格電圧より大きい一定電圧に保持する。これにより余剰電力の発生を抑制するとともに、系統８やバッテリー７等へ常に定格出力を供給することが可能となる。これらのテーブル制御装置５および出力制御装置４の働きにより、定格出力を超過した場合でも、系統８やバッテリー７への供給出力を減らすことなく余剰電力を抑制でき、発電機３や主軸２やその支持部などの機械体の容量を下げることが可能になる。

この構成において、発電機３とテーブル制御装置５の間に別途に出力制御装置４を設けているが、テーブル制御装置５の定格出力までは基本的にテーブル制御装置５によりテーブル制御を行い、出力制御装置４は発電機３とテーブル制御装置５間をバイパスするか、または発電機３側の電圧を任意の割合で変化させてテーブル制御装置５への入力電圧を規定する。この制御は出力処理部２８で行うが、具体的には、例えば発電電圧制御手段２４が行う。図２に示すように、テーブル制御装置５では、カットイン電圧に下限の制限があることが多く、電圧上昇手段２７によりテーブル制御装置５に入力する電圧を上げることにより、カットイン風速を下げることが可能になる。そのため、微風によっても発電が可能となる。風車２が垂直軸風車である場合、比較的に遅い風速であっても発電が可能であるが、前記カットイン風速を下げる制御と相まって、より一層微風での発電が行われ易くなる。

このように、出力制御装置４を追加することにより、定格超過時の余剰電力の抑制が可能となる。また、この余剰電力を受け止めるために、発電機や増速機、主軸ユニット等を定格以上の容量とすることが不要で、これら発電機や増速機、主軸ユニット等の小型化が図れる。

上記実施形態につき、より具体的に説明する。
＜定格電力超過前の説明＞
図６に示した電力回路部２１は、一般的な昇圧チョッパー回路である。時比率Ｄを一定に制御するか、または時比率Ｄ＝０とすることにより、この出力制御装置４の出力処理部２８、例えば発電電圧制御手段２４は、定格電力超過までは特に発電機３側にもテーブル制御装置側には寄与させないようにする。
テーブル制御装置５へ入力電圧を上げることにより、カットイン風速を低下させる効果が得られる。

＜各規定値超過の検出例＞
風速超過等は、次式を用いて検出できる。
Ｐ_ｉ＝（１／２）×（ρＣ_ｐＡＶ^３η）
ここで、
Ｐ_ｉ：入力電力
ρ：空気密度
Ｃ_ｐ：羽効率
Ａ：受風面積
Ｖ：風速
Ｐ_ｉ＝Ｖ_ｉ×Ｉ_ｉであり、
Ｖ_ｉ：入力電圧
Ｉ_ｉ：入力電流

＜規定値超過後の制御の説明＞
図７は、この出力制御装置４における発電電圧制御手段２４による電力制御の一例である。類似の制御方式としては、ＭＰＰＴ制御がある。ＭＰＰＴ制御方式は、電圧を山登り法により可変させて最大効率点を探す方法である。ＭＰＰＴ制御を採用しても良いが、図７の例は、入力電圧を可変させて目標電圧を探す方式である。

規定値超過が検出されると、入力電圧Ｅｉを一定値ΔＥだけ低下させる（ステップＳ１）。これにより発電機３の回転を失速させた場合の検出された電力Ｐ_ｉと目標として設定された目標電力Ｐ_ｒｅｆとを比較し、検出電力Ｐ_ｉの方が大きい場合（ステップＳ２下側）は、さらに前記一定値ΔＥだけ低下させる（ステップＳ３）。検出電力ΔＰ_ｉが目標電力Ｐ_ｒｅｆよりも小さくなっている場合（ステップＳ２右側）は、前記一定値ΔＥの符号を正負反転させて入力電圧Ｅ_ｉに加算する（ステップＳ６）。
これらの処理の後、（目標電力Ｐ_ｒｅｆ）＝（入力電力検出値Ｐ_ｉ）とし（ステップＳ４）、入力電圧Ｅ_ｉを維持する（ステップＳ５）。

このように、電圧低下させて失速させた場合の電力と、目標として設定する電力とを比較することにより、目標として設定する電力になるまで電圧低下を繰り返す。また、この場合、目標とした設定する電力以下になった場合は、電力を増加させる。これらを常に繰り返すことにより、目標として設定する電力を一定とするように制御をする。

上記は一例であるが、電圧低下については予めその量ｄＥｉ／ｄｔ（いわゆる減速度）を指定して実施することも手段として有効である。このｄＥｉ／ｄｔは、事前に試験等を通して求めておく。

なお、入力電圧の可変制御については、パワーコンディショナ等のテーブル制御装置５がなくても実現が可能である。例えば、図１０に示すように、この出力制御装置４の出力をバッテリー３０に接続するようにしても良い。

＜出力電圧一定の制御（定格電圧保持手段２６の制御）＞
図８は、ＰＩ制御（比例積分制御）により出力電圧を一定にする例である。
入力電力制御により得られた入力電力Ｐ_ｉを除算部４１で出力電圧の目標値Ｖｏ_ｒｅｆで割ることにより、目標となる電流を算出し、それを実測の出力電流検出値Ｉｏと比較して出力電流制御部４３によりＰＩ制御で操作量を決定し、昇圧させる電圧を電圧指令部４４で決定し、それに基づき時比率を決定し、出力電圧を決定する。前記時比率に従い、ＰＷＭ制御部４５で電力回路部２１のスイッチング素子３３をＰＷＭ制御で開閉制御する。時比率により出力電圧を増加可変させることが可能なことは、規定値超過がない場合に用いた式と同様である。

出力電圧の目標値は、事前にパターン化することにより出力電圧を上昇させるなど可変して動かすことも可能となる。このパターン化の例は、例えば図９に示すように、風速値に対して出力電圧特性を予め設定することなどが挙げられる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示し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。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：風車
２：主軸
３：発電機
４：出力制御装置
５：テーブル制御装置
１６：テーブル
２１…電力回路部
２２…制御部
２３…定格出力超過監視手段
２４：発電電圧制御手段
２６：定格電圧保持手段
２７：電圧上昇手段
２８…出力処理部

Claims (6)

1. 風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電装置に備えられる出力制御装置であって、
   前記発電機と負荷の間に介在する電力回路部と、この電力回路部を制御する制御部とを有し、
   前記制御部に、
   前記発電機が出力する電圧または電力、前記風車または発電機の回転数のうちの少なくとも一つの検出値が入力されて、規定値を超過したことを監視する定格出力超過監視手段と、
   前記規定値を超過したことが検出されると、前記発電機の出力電力が一定に維持されるように前記発電機の発電電圧を低下させる発電電圧制御手段とを備える風力発電装置の出力制御装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置の出力制御装置において、前記風力発電装置は、入力電圧と出力電力の関係が定められたテーブルに従って出力電力を制御するテーブル制御装置が前記発電機と系統の間に介在し、前記電力回路部は前記発電機と前記テーブル制御装置との間に介在する風力発電装置の出力制御装置。
3. 風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電装置に備えられる出力制御装置であって、
   前記発電機と負荷の間に介在する電力回路部と、この電力回路部を制御する制御部とを有し、
   前記制御部に、
   前記発電機が出力する電圧または電力、前記風車または発電機の回転数、および風速のうちの少なくとも一つの検出値が入力されて、規定値を超過したことを監視する定格出力超過監視手段と、
   前記規定値を超過したことが検出されると前記発電機の発電電圧を低下させる発電電圧制御手段とを備え、
   前記風力発電装置は、入力電圧と出力電力の関係が定められたテーブルに従って出力電力を制御するテーブル制御装置が前記発電機と系統の間に介在し、前記電力回路部は前記発電機と前記テーブル制御装置との間に介在し、
   前記定格出力超過監視手段により定格出力を超過したことが推定されると、前記テーブル制御装置への入力電圧を、前記テーブル制御装置で設定されている定格電圧以上に保持する定格電圧保持手段を前記制御部に有する風力発電装置の出力制御装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の風力発電装置の出力制御装置において、前記発電機から入力される電圧が設定電圧以下である場合に、前記テーブル制御装置へ入力する電圧を上げる電圧上昇手段を備える風力発電装置の出力制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置の出力制御装置において、余剰電力を消費する抵抗および余剰電力を蓄電するバッテリーのいずれか一方または両方を備える風力発電装置の出力制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置の出力制御装置において、前記風車が垂直軸風車である風力発電装置の出力制御装置。

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