JP7022277B2

JP7022277B2 - 発電装置

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Publication number: JP7022277B2
Application number: JP2018080405A
Authority: JP
Inventors: 恭平菊永; 和馬中口; 伸昌後; 猛富崎
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2038-04-19
Also published as: JP2019191679A

Description

本発明は、再生可能エネルギーのうち流体を利用した発電装置の制御技術に関し、特に、発電機を最大電力点付近で動作させる制御に有効な技術に関するものである。

従来より、地球温暖化の防止や省エネルギー化を図るため、永続的に利用することが可能な太陽光、風力、水力、地熱、バイオマス等の再生可能エネルギーを利用した種々の発電装置が開発され、実用化への取組みが積極的に行われている。

再生可能エネルギーの利用形態として最も普及しているのが、農耕不適切地や農耕放棄地、空き地等の平地、各種建築物の屋根部分を利用して設置される太陽光発電である。太陽光発電システムにおいて高効率な電力を得る技術として、山登り法と呼ばれる最大電力点追従（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ）制御技術が一般的に知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の山登り法における制御技術は、太陽電池を異なる２つの動作点で動作させてその出力電力を比較しながら太陽電池の動作点が最大電力出力点（以下、「最大電力点」）となるように制御するものであり、電圧―電力特性を示すグラフの頂点を目指して登るように制御するものである。なお、太陽電池の出力電力は、出力電圧と出力電流を乗算することで算出することができる。

例えば、一定の日射量の下において、太陽電池が図８に示すような電圧―電力特性（電力カーブ）を有している場合、まず太陽電池の出力電圧を開放電圧から変化させていき、出力電力が最大電力点を超えると、出力電力は、電圧―電力特性を示すグラフの頂点からＡ方向に減少していくことになり、山登り制御ではこの出力電力の減少を検出し、出力電圧を減少させることで、出力電力が電圧―電力特性を示すグラフの頂点に向かう方向に増加していく。そして、再び最大電力点を超えると、出力電力は、電圧―電力特性を示すグラフの頂点からＢ方向（Ａ方向の逆方向）に減少していくことになり、山登り制御ではこの出力電力のＢ方向への減少を検出し、出力電圧を増加させることで、出力電力が電圧―電力特性を示すグラフの頂点に向かう方向に増加していくことになる。

山登り制御では、以上の動作を繰り返すことにより、出力電圧を最大電力点近傍にて往復させ、太陽電池の最大電力点を追従することが可能である。山登り制御は、比較的簡単で扱いやすいアルゴリズムでありながら、常に最大電力点となるように条件判断を繰り返し追従して、経年変化等で電力カーブが変わったとしても最大電力点を追従できることから、太陽光発電や風力発電等で広く用いられている。

太陽光や風力などの再生可能エネルギーを活用した発電装置の普及が進む中、日本の周辺にある膨大な海洋エネルギー資源（海流、潮流、波力、海洋温度差）を活用した発電技術の開発が期待され、近年では、実用化に向けた技術開発が進められている。特に、潮の満ち引きによる水平方向の流れを利用する潮流発電は、一定の流速ではないものの、変化が周期的であるため発電出力を事前に予測することが可能である。また、潮流発電は、陸地に比較的近い場所に設置でき、橋脚や港湾構造物を利用することで設置コストや発電コストの削減を図ることができる。なお、潮流発電は、海流そのものの力を利用するものであり、河口に堰を作り干満による落差を作って発電する潮汐発電とは異なる。

潮流は潮の満ち引きによって約６時間ごとに向きを変えながら、ほぼ一定の速さで流れ続ける。潮流発電は、この潮汐力を利用して発電するため、天候の影響を受ける太陽光発電や風力発電よりも安定した電力を供給することが可能であり、信頼性の高いエネルギー源として注目されている。潮流発電では、発電能力に対する実際の発電量である設備利用率が４０％程度を期待でき、設備利用率が２０％や３０％である陸上風力や洋上風力と比べて発電効率が高いことも近時の研究により分かってきている。

特開２０１２－０２８４３５号公報

ところで、図９に示すように、潮流流速の変化は、一周期１２時間の正弦波状（きれいな正弦波ではないが、形状的には正弦波状）の緩やかな変化とされている。また、フジツボ等がタービンに付着することによってタービンの出力トルクが低下するが、このような経年変化等で電力カーブが変わったとしても、上述の山登り法による最大電力点追従制御によれば、最大電力点を追従できることが期待できるため、このような制御が有力な制御法と考えられている。

しかしながら、実際の潮流流速は、図１０及び図１１に示すように、短時間に大きな変動（乱流）が数多く起こっており、通常の山登り法ではこのような流速変動に追いつけず、最大電力点を追従できないのみならず、最適点を見失って制御破綻に陥るおそれがあることも本発明者の検証により判明した。特に、設置の便利さ等の観点から橋脚等の構造物付近にタービンを配置する構成を想定すると、流速の増加を見込める一方、早い周期の流速変動も大きくなってしまい、最大電力点の追従ができないといった問題が生じると考えられる。

ここで、太陽光発電システムにおける最大電力点追従制御において、急峻な変動時（最大電力点追従制御ができない程度に逸脱した時）には、電流を変化させて一旦リセット（スキャン）して、改めて最大電力点追従制御を行うことで、最大電力点の追従が可能である。すなわち、太陽光発電の場合、最大電力点追従制御ができなくなった場合、一旦電圧を開放してから電圧を掃引（変化）し、スキャンすることで、素早く最大電力点を見つけ、追従することができる。

しかし、潮流発電装置は、タービン及び発電機を備えた発電装置であるため、最大電力点をスキャンするためには、発電機の回転数を掃引する必要があり、多くの時間が掛かり、発電効率が大幅に悪くなる。

このような問題は、潮流発電装置に限らず、タービン及び発電機を備えた回転系の発電装置全般においても同様であることが、本発明者らの研究により分かってきた。流体を利用した回転系の発電装置としては、潮流発電装置、海流発電装置、波力発電装置、海洋温度差発電装置、潮汐発電装置、風力発電装置を挙げることができる。

本発明は、このような点に着目してなされたものであって、主たる目的は、流速等の急峻な変動が回避不能な潮流発電のようなタービン及び発電機を備えた発電装置（回転系を用いた発電装置）であっても、流速等の急峻な変動に応じて最大電力点となるように山登り制御を用いて発電機を最大電力点付近で動作させる制御が可能な発電装置を提供することにある。

ここで、タービンから得られるエネルギー、つまりタービントルクは、流速とタービンの回転数で決まる。したがって、流速変動が起こると、タービンの回転数は急には変わらないので、タービントルクが変動することになる。このようなタービントルクの変動に対し、山登り制御による発電機の出力トルクは、応答性が低いため、ゆっくりしか変わらない。その結果、タービンと発電機の回転数が、流速変動から遅れながら変化する。

本発明者は、このタービンと発電機の回転数が流速変動から遅れて変わるという点が問題であると考え、鋭意検討した結果、流速変動に加え、タービンと発電機の回転数の遅れた変動によってタービントルクが変動し、最大電力点を見失うという現象が発生することを見出した。

そこで、本発明に係る発電装置は、このような事情による最大電力点を見失うという事態を防止するために、流速変動によってタービンと発電機の回転数が遅れて変動しないように、流速変動によるタービントルクの変動を打ち消すという技術的思想に基づくものである。

すなわち、本発明に係る発電装置は、流体による外力を受けて回転トルクが生じるタービンと、タービンのトルクにより発電する発電機と、タービンの実トルク又は推定トルクを検知するタービントルク検知部と、発電機の出力トルクの操作量を変更して、変更前後における電力値の比較結果に基づいて次の発電機の出力トルクの操作量を決定する山登り法を用いた最大電力点追従制御を行う制御部とを備えたものであり、制御部として、タービントルク検知部によってトルク検知処理を実行した時点における当該検知トルクと発電機の出力トルクとの差を含むトルクを、山登り法によって決定した発電機の出力トルクの操作量に付加可能なトルク付加制御部を備えたものであることを特徴としている。

本発明における「タービントルク検知部によってトルク検知処理を実行した時点における当該検知トルク」は、「測定により得られたタービンの実トルク」または「演算により得られたタービンの推定トルク」の何れか一方であればよい。また、本発明における「発電機の出力トルク」は、「発電機の出力実トルク」または「発電機の出力推定トルク」の何れか一方であればよい。本発明における「発電機の出力トルクの操作量」は、「電力点」、「動作点」、「制御点」と同義または略同義である。

このような本発明に係る発電装置は、タービントルクの変動に発電機の出力トルクを追従させるトルク付加制御部を備えたものであり、流速の変化に合うように積極的に回転数を変化させる（掃引する）のではなく、流速の変化に伴って変化した後のタービントルク値にできるだけ近付くように発電機の出力トルクを変化させて、その出力トルクを、最大電力点となるように山登り法によって決定した発電機の出力トルクの操作量に含ませて調整するものである。つまり、本発明に係る発電装置は、急変する流速変動に回転数を追従させて過渡的な最大電力点を追い掛けるのではなく、見掛け上、流速変動を含む流速波形の真ん中中央近傍あたりの流速（平均流速）に対する最大電力点を追従するという技術的思想に基づくものである。急変する流速変動に回転数を追従させて過渡的な最大電力点を追い掛ける制御を実行した場合には、イナーシャ（タービン及び発電機における回転系の慣性モーメント）が大きく、応答できず、最大電力点を見失うリスクも高いという問題がある。一方、平均流速での最大電力点を追従する本発明におけるトルク制御によれば、応答性及び効率性が向上し、トータルの発電力も良くなる。

特に、本発明におけるトルク付加制御部によるトルク付加制御は、山登り制御の応答性不足による不要な回転変動を抑えることが目的であり、トルク付加制御自体が、最大電力点を追従させるわけではなく、現在の回転数を維持しようとするものである。この点に着目すると、流速変動が大きくない、つまり、タービントルクの急峻な変動がなく、不要な回転変動が起こらない場合には、トルク付加制御は何もせずに、山登り制御で最大電力点を追従させた方が効率の良い制御になる。そこで、本発明に係る発電装置では、トルク付加制御部として、タービントルク検知部による検知トルクと発電機の出力トルクの差分が、予め設定した基準最大値（上限閾値）よりも大きい場合または予め設定した基準最小値（下限閾値）よりも小さい場合に、当該差分を、山登り法によって決定した発電機の出力トルクの操作量に付加すべく出力する条件判断部を備えたものを適用することが好ましい。

本発明において、制御部が、条件判断部からの出力値をゲイン倍する補償器と、補償器でゲイン倍した条件判断部からの出力値を、山登り法を用いた最大電力点追従制御による出力値に足し合わせる回路とを備えたものであれば、条件判断部からの出力値に対して、所定のゲインを乗算し、そのゲイン倍した出力値を用いて発電機出力トルクの操作量を補正することができる。

また、本発明におけるトルク付加制御部が、検知トルクと出力トルクとの差分に代えて、タービントルク検知部による現時点の検知トルクと前回検知した検知トルクとの差分を利用するものであってもよい。すなわち、本発明におけるトルク付加制御のポイントは、急峻な流速変動によるタービントルクの変動に発電機トルクを素早く追従させることにあり、そのため、タービントルクと発電機トルクの差がある一定以上発生した場合に、補正を掛けるという制御がシンプルで分かり易いが、タービントルクの変動が把握できれば同等のことが可能になる。したがって、タービントルクの現時点の検知トルクと前回検知した検知トルクとの差分を取ることで、タービントルクの変動に発電機トルクを素早く追従させることが可能である。

本発明によれば、流体による外力を受けて回転トルクが生じるタービンと、タービンのトルクによって発電する発電機とを備え、流速等の急峻な変動が回避不能な潮流発電のような発電装置（回転系の慣性力を考慮しなければならない発電装置）であっても、流速等の急峻な変動によるタービントルクの変動に発電機出力トルクを素早く追従させて最大電力点となるようにトルク制御可能な発電装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る潮流発電装置の全体概略図。同実施形態に係る潮流発電装置の全体構成図。同実施形態における山登り法制御の説明図。同実施形態における制御部の構成図。同実施形態の一実施例における流速変動の様子を示す図。同実施例におけるトルク付加制御の説明図。同実施例の比較例におけるトルク付加制御の説明図。周知の山登り法制御の説明図。一般的な潮流流速の変化のイメージ図。実際の潮流流速の変化の一例を示す図。実際の潮流流速の変化の一例を拡大して示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る発電装置は、例えば潮流を利用した潮流発電装置であり、図１に示すように、海中（海面ＳＦより下）に設置されたタービン２と、タービン２の回転トルクによって発電する発電機３と、山登り法を用いた最大電力点追従制御を行う制御部４とを備えたものである。

潮流発電装置１は、周期的で予測可能な潮流をエネルギー源とする発電装置であり、橋脚Ｂや港湾構造物を利用して、低コストでありながら実用性の高い発電装置である。

図１に示すように、タービン２は、例えば橋脚Ｂに設けた昇降ガイドレール等の支持構造物Ｓに支持され、メンテンナンス時には昇降用ウィンチ（図示省略）により海上に引き揚げ可能に構成されている。本実施形態では、流れ方向への依存が小さく、潮流の乱れが複雑で大きな橋脚Ｂ周辺に対応可能な垂直軸揚力式タービン２を適用している。なお、タービンを複数機設置することも可能である。

発電機３は、タービン２の回転エネルギーを電力変換するものであり、適宜のギア５を介して入力軸をタービン２の出力軸に連結したものである。ギア５として、例えば磁気的な吸引・反発力により動力を伝達する非接触動力伝達機構を用いることで、海水中に設置した筐体Ｋ内に発電機３を海水から隔離した状態で配置することができる。

また、本実施形態に係る潮力発電装置１は、図２に示すように、タービン２のトルク（実トルク又は推定トルク）を検知（測定、演算）可能なタービントルク検知部２１と、発電機３の出力トルク（実トルク又は推定トルク）を検知（測定、演算）可能な発電機出力トルク検知部３１と、発電機３に接続された発電コンバータ６と、発電コンバータ６に接続されたパワーコンディショナ（以下、パワコンという）７とを備えている。タービントルク検知部２１及び発電機出力トルク検知部３１は、それぞれ適宜の計器や回路等を用いて構成されている。本実施形態に係る潮力発電装置１は、発電機３から供給された電力を発電コンバータ６及びパワコン７により所定の環境（家庭環境、工場環境など）で利用可能な電力に変換して供給することが可能であり、パワコン７を系統リレーと自立リレーに接続している。そして、潮力発電による発電電力は、系統リレーがＯＮ状態の場合にトランスを経由して系統に供給可能になり、自立リレーがＯＮ状態の場合に自立用負荷に供給可能になり、系統連係や自立運転にも対応することができる。

制御部４は、山登り法を用いて発電機３の最大電力点を追従する最大電力点追従制御を行う山登り法最大電力点追従制御部４１と、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値である発電機３の出力トルクの操作量（発電機出力トルク指令）に対して適宜のトルクを付加可能なトルク付加制御部４２とを有している。

山登り法最大電力点追従制御部４１は、発電機３が発電する時に出力を最大化できる最適な電流と電圧の乗算値である最大電力点を自動で求める制御を行うものである。本実施形態における山登り法最大電力点追従制御部４１は、発電機３の出力トルクの操作量を変更して、変更前後における電力値の比較結果に基づいて次の発電機３の出力トルクの操作量を決定するものであり、具体的には、図３に示すように、タービントルク（図中のタービン出力）が前回値よりも増加し、発電機３の回転数が前回値よりも増加している場合（同図（ｉ））や、タービントルクが前回値よりも減少し、発電機３の回転数が前回値よりも減少している場合（同図（ｉｖ））には、発電機３の出力トルクの操作量（発電機出力トルク指令）を下げる一方、タービントルクが前回値よりも増加し、発電機３の回転数が前回値よりも減少している場合（同図（ｉｉ））や、タービントルクが前回値よりも減少し、発電機３の回転数が前回値よりも増加している場合（同図（ｉｉｉ））には、発電機３の出力トルクの操作量（発電機出力トルク指令、動作点、電力点、制御点と同義）を上げる制御を行うものである。

山登り法最大電力点追従制御部４１への入力ファクタとしては、タービン回転数または発電機回転数の何れか少なくとも一つと、タービン発電量、発電機発電量、タービントルク又はインバータ出力電流の何れか少なくとも一つとの組み合わせを挙げることができる。本実施形態では、山登り法最大電力点追従制御部４１への入力ファクタをタービン回転数とタービン発電量に設定している（図２参照）。

ここで、図３に示すタービントルクと回転数（回転速度）の特性を表す曲線（特性曲線）は、諸条件によって変化するものであり、特に、潮流発電装置１では流速の急激で大きな変化等によって時間の経過に伴い特性曲線の変化が起きる。

そこで、本実施形態に係る潮流発電装置１は、山登り法による最大電力点追従制御を補完すべく、次に説明するトルク付加制御を実施することによって、特性曲線の変化が頻発に起きた場合にも最大電力点を追従できるように設定している。

トルク付加制御部４２は、図２及び図４に示すように、タービントルク検知部２１によってトルク検知処理を実行した時点における検知トルクと発電機３の出力トルクとの差を含むトルクを、山登り法によって決定した発電機出力トルクの操作量に付加可能なものである。本実施形態の制御部４は、条件判断部４３及び補償器４４を備えている。

条件判断部４３は、図４に示すように、タービントルク検知部２１によってトルク検知処理を実行した時点における検知トルク（タービントルク）と発電機出力トルクの差ΔＴが任意で定めた上限閾値Ａ（Ａ＞０）より大きい場合はその差分ΔＴ_Ａを出力し、タービントルクと発電機出力トルクの差ΔＴが任意で定めた下限閾値Ｂ（Ｂ＜０）より小さい場合はその差分ΔＴ_Ｂを出力し、タービントルクと発電機出力トルクの差ΔＴが「Ａ＞△Ｔ＞Ｂ」の場合は０（ゼロ）を出力するものである。上限閾値及び下限閾値は適宜の条件等を考慮して設定する値である。

補償器４４は、図４に示すように、条件判断部４３から出力された値を所定のゲイン値でゲイン倍するものである。検知トルク（タービントルク）と発電機出力トルクの差ΔＴが上限閾値Ａ（Ａ＞０）より大きい場合にその差分ΔＴ_Ａに対してゲイン倍する補償器と、トルクと発電機出力トルクの差ΔＴが下限閾値Ｂ（Ｂ＜０）より小さい場合にその差分ΔＴ_Ｂに対してゲイン倍する補償器とを別々に設けてもよいし、図４に示すように共通の補償器４４であってもよい。また、補償器を別々に設けた場合、各補償器におけるゲイン値（補正値）を同じに設定したり、相互に異なる値に設定することもできる。

本実施形態の制御部４は、補償器４４でゲイン倍した条件判断部４３からの出力値を、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値に足し合わせる（加算する）回路４５を備えている。したがって、本実施形態の制御部４によれば、条件判断部４３からの出力値に対して補償器４４で所定のゲイン値を乗算し、そのゲイン倍した出力値を用いて、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値である発電機出力トルクの操作量を補正することができる。なお、タービントルクと発電機出力トルクの差ΔＴが「Ａ＞△Ｔ＞Ｂ」の場合は、条件判断部４３からの出力値は「０（ゼロ）」であるため、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値そのものが、発電機出力トルクの操作量となる。

次に、本実施形態に係る潮流発電装置１のトルク制御のうち、特にトルク付加制御について、図５及び図６を参照して説明する。

図５では、模式的な例として「時間１」の時点で「流速Ａ」であった流速が、「時間１」～「時間２」の経過に伴って「流速Ｃ（流速Ａよりも速い流速）」に変動し、「時間２」～「時間３」の経過に伴って「流速Ｃ」から「流速Ｂ（流速Ａよりも速く、流速Ｃよりも遅い流速）」に変動し、「時間３」～「時間４」の経過に伴って流速が「流速Ｂ」から「流速Ａ」に変動した様子を示す。

タービントルクと回転速度の特性は流速によって変化し、図６（ａ）に示すように、「流速Ａ」、「流速Ｂ」、「流速Ｃ」でそれぞれ異なり、流速が速いほど特性曲線における頂点が高くなる。

図６（ａ）に示すように、制御開始時の電力点Ｗ１（最初の電力点Ｗ１）が最大電力点ＷＸ（「流速Ａ」時の最大電力点ＷＸ）よりも少し低い状態である場合、本実施形態に係る潮流発電装置１の制御部４は、「時間１」～「時間２」の経過に伴って流速が「流速Ａ」から「流速Ｃ」に変化すると、「流速Ｃ時の特性」から把握できる電力点Ｗ１と同じ回転速度における「流速Ｃ」のタービントルクと電力点Ｗ１との差をＷ１に付加するトルク制御を実行する。すなわち、本実施形態における制御部４は、トルク付加制御部４２の条件判断部４３において、「時間２」の直前のタービントルク（本実施例では「時間１」の時点におけるタービントルク）と発電機出力トルクの差が任意で設定した上限閾値より大きい場合に該当すると判断して、そのトルク差を出力し、補償器４４でゲイン倍した条件判断部４３からの出力値を、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値に足し合わせて発電機出力トルクの操作量として出力する。これにより、電力点である制御点（発電機出力トルク指令値）が、図６（ａ）に示すＷ１からＷ２へ移動する。そのときの制御点Ｗ２は、「流速Ｃ」時のタービントルクよりも低いので加速する方に移動する。その結果、「時間２」の時点における回転速度は、「時間１」の時点よりも少し上がっている。また、回転数が少し上がったため、「時間２」での制御点Ｗ２は、「流速Ｃ」時のタービントルクよりも少し低くなる。

次いで、「時間２」～「時間３」の経過に伴って流速が「流速Ｃ」から「流速Ｂ」に変化すると、本実施形態における制御部４は、図６（ｂ）に示すように、「流速Ｂ時の特性」から把握できる電力点Ｗ２と同じ回転速度における「流速Ｂ」のタービントルクと電力点Ｗ２との差をＷ２に付加するトルク制御を実行する。すなわち、本実施形態における制御部４は、トルク付加制御部４２の条件判断部４３において、「時間３」の直前のタービントルク（本実施例では「時間２」の時点におけるタービントルク）と発電機出力トルクの差が任意で設定した下限閾値より小さい場合に該当すると判断して、そのトルク差を出力し、補償器４４でゲイン倍した条件判断部４３からの出力値を、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値に足し合わせて発電機出力トルクの操作量として出力する。これにより、電力点である制御点（発電機出力トルク指令値）が、図６（ｂ）に示すＷ２からＷ３へ移動する。そのときの制御点Ｗ３は、「流速Ｂ」時のタービントルクよりも低いので加速する方に移動する。その結果、「時間３」の時点における回転速度は、「時間２」の時点よりも上がっている。そして、「時間３」の時点における制御点Ｗ３は、「流速Ｂ」時のタービントルクと略同等になる。

次に、「時間３」～「時間４」の経過に伴って流速が「流速Ｂ」から「流速Ａ」に変化すると、本実施形態における制御部４は、図６（ｃ）に示すように、「流速Ａ時の特性」から把握できる電力点Ｗ３と同じ回転速度における「流速Ａ」のタービントルクと電力点Ｗ３との差をＷ３に付加する。すなわち、本実施形態における制御部４は、トルク付加制御部４２の条件判断部４３において、「時間４」の直前のタービントルク（本実施例では「時間３」の時点におけるタービントルク）と発電機出力トルクの差が任意で設定した下限閾値より小さい場合に該当すると判断して、そのトルク差を出力し、補償器４４でゲイン倍した条件判断部４３からの出力値を、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値に足し合わせて発電機出力トルクの操作量として出力する。これにより、電力点である制御点（発電機出力トルク指令値）が、図６（ｃ）に示すＷ３からＷ４へ移動する。そのときの制御点Ｗ４は、「流速Ａ」時のタービントルクと略同等になり、回転数は停滞しているため、同じ回転数（回転速度）のまま「時間４」の制御点Ｗ４に移動する。

このようなトルク制御を実行した結果、「時間４」の時点における制御点Ｗ４は、「時間１」の時点における制御点Ｗ１と比べて「流速Ａ」の最大電力点ＷＸに近付いた。つまり、本実施形態に係る潮流発電装置１では、「時間１」の時点における制御点Ｗ１とタービントルクとの差を無視せず、その差を含めたトルクを付加する制御を行ったことで、「時間２」の時点で制御点Ｗ２がその時点の流速である「流速Ｃ」のタービントルクに近付き、「時間３」の時点で制御点Ｗ３がその時点の流速である「流速Ｂ」のタービントルクにさらに近付いて略同等になり、「時間４」の時点で制御点Ｗ４がその時点の流速である「流速Ａ」の最大電力点ＷＸに近付くことになる。以上より、時々刻々と流速が変化する環境下に設置される潮流発電装置１において、本実施形態の制御部４が、最大電力点を追従するトルク制御を実施していることを確認できる。

なお、例えば「時間１」～「時間２」の間に亘って流速が「流速Ａ」のまま、あるいは「流速Ａ」から所定範囲内の流速へと変化した場合、本実施形態における制御部４は、トルク付加制御部４２の条件判断部４３において、「時間２」の直前のタービントルク（本実施例では「時間１」の時点におけるタービントルク）と発電機出力トルクの差が任意で設定した上限閾値以下で下限閾値以上である場合に該当すると判断して、トルク差「０（ゼロ）」を出力する。その結果、補償器４４でゲイン倍した条件判断部４３からの出力値も「０（ゼロ）」であり、制御部４は、山登り法最大電力点追従制御部４１からの出力値そのものを発電機出力トルクの操作量として出力する。これにより、電力点である制御点（発電機出力トルク指令値）が、図６（ａ）に示すＷ１から最大電力点ＷＸに近付く方へ移動する（図示省略）。以上より、本実施形態の潮流発電装置１は、流速が変化しない場合や、所定範囲内の流速変化である場合においても最大電力点を追従するトルク制御を実施可能であることが理解できる。

〈比較例〉
次に、上述の本実施形態に係るトルク制御とは異なるトルク制御を実施した場合（比較例）について、図７を参照して説明する。時間の経過に伴う流速変化及び制御開始時点の電力点Ｗ１は、上述の実施例と同じである。

本比較例では、「時間１」の時点における「流速Ａ」のタービントルクと、「時間２」の時点における「流速Ｃ」のタービントルクとの差を、制御開始時の電力点Ｗ１に付加するトルク制御を実行する。すると、「時間２」の時点における制御点（発電機出力トルク指令値）が、図７（ａ）に示すように、Ｗ１からＷ２０に移動する。そのときの制御点Ｗ２０は、「流速Ｃ」のタービントルクよりも低いので加速する方に移動する。その結果、「時間２」の時点における回転速度は、「時間１」の時点よりも少し上がっている。また、「時間２」の時点における制御点Ｗ２０には、「時間１」の時点における制御点Ｗ１と、「流速Ａ」のタービントルクとの差がそのままオフセットとして含まれた状態で反映されることになり、「時間２」の時点における制御点Ｗ２０と、「流速Ｃ」のタービントルクとの差が、図６（ａ）に示す制御点Ｗ２と「流速Ｃ」のタービントルクとの差よりも広がる。

次いで、「時間２」～「時間３」の経過に伴って流速が「流速Ｃ」から「流速Ｂ」に変化すると、本比較例では、図７（ｂ）に示すように、「時間２」の時点における「流速Ｃ」のタービントルクと、「時間３」の時点における「流速Ｂ」のタービントルクとの差を制御点Ｗ２０に付加するトルク制御を実行する。すると、「時間３」の時点における制御点が、図７（ｂ）に示すように、Ｗ２０からＷ３０に移動する。そのときの制御点Ｗ３０は、「流速Ｂ」のタービントルクよりも低いので加速する方に移動する。その結果、「時間３」の時点における回転速度はさらに上がっている。また、「時間３」の時点における制御点Ｗ３０には、「時間２」の時点における制御点Ｗ２０と「流速Ｃ」のタービントルクとの差がそのままオフセットとして含まれた状態で反映されることになり、「時間３」の時点における制御点Ｗ３０と「流速Ｂ」のタービントルクとの差が、上述の実施例の「時間３」の時点における制御点Ｗ３と「流速Ｂ」のタービントルクとの差よりも広がる。

次に、「時間３」～「時間４」の経過に伴って流速が「流速Ｂ」から「流速Ａ」に変化すると、本比較例では、図７（ｃ）に示すように、「時間３」の時点における「流速Ｂ」のタービントルクと、「時間４」の時点における「流速Ａ」のタービントルクとの差を制御点Ｗ３０に付加する制御を実行する。すると、「時間４」の時点における制御点が、図７（ｃ）に示すように、Ｗ３０からＷ４０に移動する。そのときの制御点Ｗ４０は、「流速Ａ」のタービントルクよりも低いので加速する方に移動する。その結果、「時間４」の時点における回転速度はさらに上がっている。また、「時間４」の時点における制御点Ｗ４０には、「時間３」の時点における制御点Ｗ３０と「流速Ｂ」のタービントルクとの差がそのままオフセットとして含まれた状態で反映されることになり、「時間４」の時点における制御点Ｗ４０と「流速Ａ」のタービントルクとの差が、上述の実施例の「時間４」の時点における制御点Ｗ４と「流速Ａ」のタービントルクとの差よりも広がる。

そして、図７（ｃ）に示すように、「時間４」の時点における制御点Ｗ４０は、「時間１」の時点における制御点Ｗ１と比べて、流速Ａの最大電力点ＷＸから離れてしまっている。すなわち、本比較例によれば、「時間１」の時点における制御点Ｗ１と「流速Ａ」のタービントルクとの差を無視した状態でトルクを付加する制御を実施したことによって、最大電力点を追従する制御を実施できていないことが理解できる。

以上に述べたように、本実施形態に係る潮流発電装置１は、制御部４が、タービントルク検知部２１によってトルク検知処理を実行した時点における検知トルクと発電機３の出力トルクとの差を含むトルクを、山登り法によって決定した発電機３の出力トルクの操作量に付加可能なトルク付加制御部４２を備えたものである。そして、トルク付加制御部４２によるトルク付加制御自体が、最大電力点を追従させるわけではなく、トルクを変えても回転数は変わらないことを利用して現在の回転数を維持しようとする制御であるため、本実施形態に係る潮流発電装置１によれば、流速の変化に合うように積極的に回転数を変化させる（掃引する）のではなく、流速の変化に伴って変化した後のタービントルク値にできるだけ近付くように発電機３の出力トルクを変化させて、山登り制御の出力値を補正して微調整を行うことで、流速変動に加え、タービン２と発電機３の回転数の遅れた変動によりタービントルクが変動することに起因する最大電力点を見失うという事態を回避して、山登り制御の応答性不足による不要な回転変動を抑え、最大電力点を追従するトルク制御を実現することができる。

このような本実施形態に係る潮流発電装置１で採用しているトルク制御は、入力変動に対するトルク差をそのまま制御操作量（発電機３の出力トルク指令値）に付加するだけであるため、例えば多数のデータをテーブル化しておく必要もなく、タービントルクの変動に発電機３の出力トルクを追従させる簡易な制御である。

特に、本実施形態に係る潮流発電装置１では、トルク付加制御部４２が、タービントルク検知部２１による検知トルクと発電機３の出力トルクの差分が、予め設定した基準最大値（上限閾値）よりも大きい場合または予め設定した基準最小値（下限閾値）よりも小さい場合に、その差分を、山登り法によって決定した発電機３の出力トルクの操作量に付加すべく出力する条件判断部４３を備えたものであるため、流速変動が大きくない場合、つまり、タービントルクの急峻な変動がなく、不要な回転変動が起こらない場合には、山登り制御のみで最大電力点を追従させることができ、効率性の高い最大電力点追従制御を実現する。

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、「タービントルク検知部によってトルク検知処理を実行した時点における当該検知トルク」は、「タービンの実トルク」または「タービンの推定トルク」の何れか一方であればよい。

同様に、本発明における「発電機の出力トルク」が、「発電機の出力実トルク」であってもよいし、「発電機の出力推定トルク」であってもよい。

本発明に係る発電装置のトルク制御は、潮流発電装置に限定されず、海流発電装置、波力発電装置、海洋温度差発電装置、潮汐発電装置、風力発電装置のトルク制御にも適用することができ、これら各回転系の発電装置においても本発明のトルク付加制御を実行することで最大電力点を追従できる。

また、トルク付加制御部が、検知トルクと出力トルクとの差分に代えて、タービントルク検知部による現時点の検知トルクと前回検知した検知トルクとの差分を利用するものであってもよい。すなわち、本発明におけるトルク付加制御のポイントは、急峻な流速変動によるタービントルクの変動に発電機トルクを素早く追従させることにあり、そのため、タービントルクと発電機トルクの差がある一定以上発生した場合に、補正を掛けるという制御がわかりやすい一方、タービントルクの変動がわかれば、同等のことが可能になる。したがって、タービントルクの現時点の検知トルクと前回検知した検知トルクとの差分を取ることで、タービントルクの変動に発電機トルクを素早く追従させることが可能である。

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…発電装置（潮流発電装置）
２…タービン
２１…タービントルク検知部
３…発電機
４…制御部
４２…トルク付加制御部
４３…条件判断部
４４…補償器

Claims

流体による外力を受けて回転トルクが生じるタービンと、
前記タービンのトルクにより発電する発電機と、
前記タービンの実トルク又は推定トルクを検知するタービントルク検知部と、
前記発電機の出力トルクの操作量を変更して、変更前後における電力値の比較結果に基づいて次の前記出力トルクの操作量を決定する山登り法を用いた最大電力点追従制御を行う制御部とを備え、
前記制御部は、
前記タービントルク検知部によってトルク検知処理を実行した時点における当該検知トルクと前記発電機の出力トルクとの差を含むトルクを、前記山登り法によって決定した前記発電機の出力トルクの操作量に付加可能なトルク付加制御部を備えたものであることを特徴とする発電装置。
前記トルク付加制御部は、前記タービントルク検知部による前記検知トルクと前記発電機の出力トルクの差分が、予め設定した基準最大値よりも大きい場合または予め設定した基準最小値よりも小さい場合に、当該差分を、前記山登り法によって決定した前記発電機の出力トルクの操作量に付加すべく出力する条件判断部を備えている請求項１に記載の発電装置。
前記制御部は、前記条件判断部からの出力値をゲイン倍する補償器と、前記補償器でゲイン倍した前記条件判断部からの出力値を、前記山登り法を用いた最大電力点追従制御による出力値に足し合わせる回路とを備えている請求項２に記載の発電装置。
前記トルク付加制御部は、前記検知トルクと前記出力トルクとの差分に代えて、前記タービントルク検知部による現時点の検知トルクと前回検知した検知トルクとの差分を利用するものである請求項２又は３に記載の発電装置。