JPH08322297A

JPH08322297A - 風力発電装置

Info

Publication number: JPH08322297A
Application number: JP7125308A
Authority: JP
Inventors: Yukio Hibino; 由貴夫日比野
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【目的】低風速域における発電効率を向上する。【構成】発電装置して開閉器５を介して電力系統Ｋに
接続される主発電機３とコンバータ８１及びインバータ
８３からなる発電制御装置８を介して電力系統Ｋに接続
される補助発電機４とが設けられている。補助発電機４
は主発電機３の発電可能風速以下の低風速域から定周速
比運転により発電され、電力系統Ｋに電力供給する。上
記発電可能風速以上の風速域では主発電機３を電力系統
Ｋに接続して発電させ、主発電機３及び補助発電機４の
両出力電力が電力系統Ｋに供給される。低風速域では補
助発電機４を定周速比運転して可及的高効率で発電供給
し、低風速域以上では主発電機３及び補助発電機４で発
電供給することにより発電効率を向上させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、風力エネルギーを電気
エネルギーに変換する風力発電装置に係り、特に低風速
時の発電効率を高める発電制御に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】商用電力系統に連系して使用される誘導
発電機を用いた風力発電装置は、上記誘導発電機が開閉
器を介して電力系統に接続され、一般にロータの回転数
が商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも低いとき
は、上記開閉器を開成して誘導電動機が上記電力系統か
ら切り離され、ロータの回転数が商用周波数に対する同
期速度に上昇すると、上記開閉器を閉成して誘導電動機
が電力系統に接続されるとともに、ロータの回転数が上
記同期速度に保持されるように運転制御がなされてい
る。

【０００３】しかし、上記運転制御方法は、ロータの回
転数が同期速度に上昇すると、風速の変化に拘らずロー
タの回転数が同期速度に保持されるので、風況によって
周速比Ｔ_SR（＝羽根先端の周方向速度／風車への入射空
気速度）が変化し、これにより出力係数Ｃ_P（風力動力
によって得られる出力の効率を示す係数）が大きく変化
して、特に低風速時における出力効率が低下するという
不具合がある。

【０００４】すなわち、上記出力係数Ｃ_Pは、図９に示
すように、ある周速比Ｔ_SR0に対して最大値を有し、風
速の変化に拘らず誘導発電機のロータの回転数Ｎ（すな
わち、風車の回転軸の回転数）を一定に保持すると、周
速比Ｔ_SRが最大出力係数Ｃ_PMAXに対する周速比Ｔ
_SR0（以下、最大出力周速比Ｔ_SR0という。）から外れ、
特に風速が低下すると、周速比Ｔ_SRは最大出力周速比Ｔ
_SR0より増加し、出力係数Ｃ_Pは急激に低下する。

【０００５】従来、上記課題を解決するため、通常の高
出力型誘導発電機（以下、主機という。）とは別に低風
速時専用の低出力型誘導発電機（以下、補機という。）
を設け、設定された閾値以下の低風速域においては上記
補機により発電することで低風力時における出力効率の
低下を防止するようにした風力発電装置が提案されてい
る。

【０００６】図７は、上記従来の風力発電装置の概略構
成図である。また、図８は、同風力発電装置の発電制御
を示す図である。

【０００７】図７において、風力発電装置１００は、主
として風車本体１０１、この風車本体１０１の回転軸の
回転数を検出する回転検出器１０２、主機１０３、補機
１０４、この補機１０４を電力系統に接続するための開
閉器１０５、上記主機１０３を電力系統に接続するため
の開閉器１０６，補助開閉器１０７、限流リアクトル１
０８及び発電制御を行う制御ユニット１０９から構成さ
れている。

【０００８】上記主機１０３は高回転域にて商用周波数
の発電が可能な高出力型誘導発電機からなり、上記補機
１０４は主機１０３よりも低回転にて商用周波数の発電
が可能な低出力型誘電発電機からなり、主機１０３及び
補機１０４は共に風車本体１０１の回転軸に連結されて
いる。

【０００９】上記風力発電装置１００は、図８に示すよ
うに、風速Ｖが予め設定された閾値Ｖ_TH（m/s）以下の
領域（以下、低風速域という。）においては、補機１０
４のみが電力系統に接続されるとともに、主機１０３が
無負荷駆動され、風速Ｖが上記閾値Ｖ_THに上昇すると、
電力系統に接続されていた補機１０４が切り離されると
ともに、主機１０３が電力系統に接続されるようになさ
れ、低風速域においては補機１０４を発電させることで
発電効率の低下を可及的に軽減するようになっている。

【００１０】また、特開昭６２−１２３９９７号公報に
は、単一の誘導発電機（主機）のみからなる風速発電装
置において、低風速域から上記誘導発電機の定格運転可
能な風速までの風速域では予め設定された運転特性に基
づいて定周速比運転を行うものが示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の風力発電装
置の前者のものは、主機１０３とは別に補機１０４を設
けているため装置が大型化する。特に補機１０４は低風
速域において発電し得るものでなければならないから通
常のサイズより大きくなり、単純に誘導発電機を２台設
けるよりも大型となる。

【００１２】また、２台の発電機を備えているにも拘ら
ずいずれか一方しか発電に利用していないので、発電機
の有効利用の点で問題があり、しかも補機１０４と主機
１０３とを切り換える際に、両機が一時的に無負荷状態
となり、電力供給が中断されるという不具合もある。

【００１３】更に風速が減少している状況下では、補機
１０４を電力系統に接続した状態で負荷が加えられる
と、風車本体１０１の回転数が直ちに補機１０４の定格
回転数以下に低下し、補機１０４による発電が不可能に
なることもある。

【００１４】また、補機１０４から主機１０３に切り換
えられる際に主機１０３に大きい負荷が急激に加わる可
能性があり、このストレスの繰り返しにより主機１０３
の耐久性が著しく低下するおそれもある。

【００１５】一方、特開昭６２−１２３９９７号公報の
ものは、低風速域から高風速域まで比較的広範囲で発電
は可能になるが、このため大型の誘導発電機を必要と
し、しかも大型誘導発電機の特性上、低風速時の発電ロ
スが大きくなるので、効率良く低風速域から発電させる
ことは困難である。

【００１６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、低風速域においても高い効率で発電可能な風力
発電装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、風車の回転力
によりロータが回転駆動され、予め設定された第１のロ
ータ回転数以上で発電可能な主発電手段と、上記主発電
手段と電力系統との接続を開閉する開閉手段と、上記風
車の回転力によりロータが回転駆動され、上記第１のロ
ータ回転数より低いロータ回転数以上で発電可能な、上
記主発電手段より発電容量の小さい補助発電手段と、上
記補助発電手段から出力される交流電力を制御するとと
もに、この交流電力を直流電力に変換する第１の電力変
換手段と、上記第１の電力変換手段から出力される直流
電力を所定周波数の交流電力に変換し、上記電力系統に
出力する第２の電力変換手段と、上記補助発電手段のロ
ータ回転数を検出する回転数検出手段と、上記補助発電
手段のロータ回転数が補助発電手段の定格出力を出力し
得る定格回転数より低い回転数となる風速域では上記第
１の電力変換手段を定周速比運転し、上記補助発電手段
のロータ回転数が上記定格回転数以上の回転数となる風
速域では上記第１の電力変換手段を定出力運転する運転
制御手段と、上記補助発電手段のロータ回転数が上記定
格回転数以上に上昇すると、上記主発電手段を電力系統
に接続すべく上記開閉手段を閉成する開閉制御手段とを
備えたものである（請求項１）。

【００１８】なお、上記主発電手段はハイスリップ型誘
導発電機で構成するとよい（請求項２）。

【００１９】

【作用】請求項１記載の発明によれば、発電装置は主発
電手段と補助発電手段とから構成され、風車の回転力に
より上記主発電手段及び補助発電手段のロータが回転駆
動され、両発電手段によりそれぞれ風速に応じた電力が
出力される。

【００２０】上記補助発電手段のロータの回転数が定格
回転数より低い回転数となる低風速域においては、主発
電手段は商用電力系統から切り離され、補助発電手段で
発生された電力が電力系統に供給される。

【００２１】上記低風速域においては、補助発電手段は
定周速比運転（出力係数Ｃ_Pが各風速における最大出力
係数Ｃ_PMAXとなるように風速に応じて周速比を調整する
運転）がなされ、可及的効率良く風力エネルギーが電気
エネルギーに変換されて電力系統に供給される。

【００２２】また、上記低風速域以上の風速域において
は、補助発電手段は出力を定格電力に保持する定出力運
転が行われる一方、主発電手段は電力系統に接続されて
発電が行われる。これにより電力系統には主発電手段で
発生された電力と補助発電手段で発生された定格電力と
の合計電力が供給される。

【００２３】請求項２記載の発明によれば、主発電手段
である誘導発電機が電力系統に接続されて発電を開始し
た直後に、風車から上記誘導発電機に大きい駆動力が急
激に伝達された場合にもすべりの変化により誘導発電機
に伝達される過大な駆動力が吸収され、誘導発電機に掛
かる負荷急変によるストレスが低減される。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明に係る風力発電装置の第１実
施例の構成図である。同図において、風車本体１は風力
エネルギーを機械的動力に変換する回転機械部で、回転
軸１ａに対して垂直方向に突設された２枚乃至数枚のピ
ッチ角βの変更可能なプロペラ１ｂとこのプロペラ１ｂ
のピッチ角βを変更するピッチ角変更装置１ｃとを備え
ている。増速機２は上記回転軸１ａの回転速度を所定の
比率で増加して主発電機３及び補助発電機４の回転軸に
伝達するものである。

【００２５】主発電機３（図中、Ｇ１で示す。）は、例
えば最大出力２５０ｋＷの高出力誘導発電機からなる発
電装置で、その出力は補助開閉器６及び限流リアクトル
７の直列回路と主開閉器５とを並列接続してなる開閉器
５を介して電力系統Ｋに接続されている。主発電機３
は、起動直後に風車本体１による過大な回転動力が直ち
に加わらないように、好ましくは定格すべり率５％以上
のハイスリップ型誘導発電機を用いるとよい。

【００２６】補助発電機４（図中、Ｇ２で示す。）は、
例えば最大出力５０ｋＷの起動トルクの大きい低出力誘
導発電機からなる発電装置で、その出力は発電制御装置
８を介して電力系統Ｋに接続されている。

【００２７】補助発電機４は、主発電機３の発電可能な
風速Ｖ_Bより低い風速Ｖ_Aから発電可能で、この風速Ｖ_A
以上で発電駆動され、上記風速Ｖ_B以上の風速域では主
発電機３の発電電力とともに電力系統に供給され（図３
参照）、電力供給可能な風速域及び発電量の両面におい
て主発電機３の発電機能を補完するものである。

【００２８】発電制御装置８は、補助発電機４の励磁周
波数を制御するとともに、その発生電力を制御するコン
バータ８１、このコンバータ８１の駆動を制御するコン
バータ制御回路８２、上記コンバータ８２から出力され
る直流電力を商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交
流電力に再変換して電力系統Ｋに供給するインバータ８
３、このインバータ８３の駆動を制御するインバータ制
御回路８４及びインバータ８３からの出力電圧波形を正
弦波に波形成形するフィルタ回路８５から構成されてい
る。

【００２９】上記コンバータ８１は、例えばスイッチン
グトランジスタやサイリスタ等のスイッチング素子を用
いた３相コンバータからなり、上記インバータ８３は上
記コンバータ８１と同様の構成の３相インバータからな
る。コンバータ８１とインバータ８３とは並列接続さ
れ、コンバータ８１の出力端子間には直流出力を平滑す
るための平滑コンデンサＣ０が並列接続されている。

【００３０】上記コンバータ制御回路８２は風速判別器
８２１、回転数判別器８２２、出力調整回路８２３、Ｐ
Ｉ（Proportional Integral）調節器８２４（図中、Ｐ
Ｉで示す。）及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回
路８２５から構成されている。

【００３１】風速判別器８２１は風速Ｖが発電可能な風
速の範囲（Ｖ₁≦Ｖ≦Ｖ₂）にあるか否かを判別するもの
で、風速検出器９により検出された風速Ｖと予め設定さ
れた閾値Ｖ₁，Ｖ₂とを比較し、風速Ｖが上記風速範囲外
であれば、ローレベルの判別信号を出力し、上記風速範
囲内であれば、ハイレベルの判別信号を出力する。

【００３２】回転数判別器８２２は補助発電機４のロー
タ４ａの回転数Ｎが発電可能な回転数Ｎ_P（以下、発電
開始回転数Ｎ_Pという。）以上になっているか否かを判
別するもので、角速度検出器１０により検出された角速
度ω（回転数Ｎ）と予め設定された発電開始角速度ω_P
（Ｎ_P）と比較し、角速度ωが発電開始角速度ω_Pより低
速であれば、ローレベルの判別信号を出力し、発電開始
角速度ω_P以上であれば、ハイレベルの判別信号を出力
する。

【００３３】上記風速判別器８２１及び回転数判別器８
２２から出力される判別信号はＡＮＤ回路８２６により
論理積信号に変換され、この論理積信号が上記出力調整
回路８２３に入力される。上記論理積信号は、風速Ｖが
発電可能風速範囲で、かつ、ロータ４ａの回転数Ｎが発
電開始回転数Ｎ_P以上であるか否かの判別信号で、Ｖ₁≦
Ｖ≦Ｖ₂かつＮ_P≦Ｎであれば、ハイレベルの判別信号が
出力調整回路８２３に入力され、風速Ｖ＜Ｖ₁又はＶ₂＜
Ｖ、かつ、Ｎ＜Ｎ_Pであれば、ローレベルの判別信号が
出力調整回路８２３に入力される。

【００３４】出力調整回路８２３は補助発電機４の出力
を調整するものである。出力調整回路８２３は、ロータ
４ａの角速度ωに対する直流電流指令値ｉ_dc ^*の関数プ
ログラムを有し、この関数プログラムにより角速度検出
器１０から入力されるロータ４ａの現在角速度ω及び上
記ＡＮＤ回路８２６から入力される判別信号に基づき直
流電流指令値ｉ_dc ^*を出力する。

【００３５】上記関数プログラムは、ロータ角速度ωが
力行運転開始角速度ω_O（力行運転開始回転数Ｎ_O）にな
ると、力行運転停止角速度ω_Eに上昇するまで補助発電
機４をモータとして駆動し、更にロータ角速度ωが発電
開始角速度ω_Pに上昇すると、補助発電機４の回生運転
を開始するようになっている。そして、ロータ角速度ω
が発電開始角速度ω_Pと定格出力Ｐ２の発電が可能にな
る定格角速度ω_C間ではすべり周波数制御により定周速
比運転を行い、ロータ角速度ωが上記定格角速度ω_Cに
上昇すると、定出力運転を行う。

【００３６】上記定周速比制御は、出力係数Ｃ_Pが各風
速Ｖに対する最大出力係数Ｃ_PMAXとなるように風速Ｖに
応じてコンバータ８１の励磁周波数（すなわち、誘導発
電機４のすべり周波数）を制御するもので、以下の原理
に基づく制御である。

【００３７】すなわち、プロペラ型風車による出力Ｐ及
び周速比Ｔ_SRは下記（１）式及び（２）式で表され、両
式から風速Ｖを消去すると、下記（３）式に示す出力Ｐ
と風車の回転数Ｎとの関係式が得られる。

【００３８】

【数１】

【００３９】

【数２】

【００４０】プロペラのピッチ角βが一定であれば、出
力係数Ｃ_Pはある周速比Ｔ_SR0で最大となるから、風速Ｖ
の変化に応じて周速比Ｔ_SR0となるように風車の回転数
Ｎを制御すれば、上記（３）式より出力Ｐは常にその風
速Ｖにおける最大出力Ｐ_MAX（＝Ｋ・Ｃ_PMAX・Ｎ_f ³／Ｔ
_SR0 ³）とすることができる。

【００４１】一方、あるピッチ角βにおいては、周速比
Ｔ_SR0及び最大出力係数Ｃ_PMAXはそれぞれ一定値となる
から、上記Ｐ_MAX＝Ｋ・Ｃ_PMAX・Ｎ_f ³／Ｔ_SR0 ³の関係式
より風車の各回転数Ｎに対する最大出力Ｐ_MAXは一義的
に決定され、最大出力Ｐ_MAXは回転数Ｎ_f ³の関数として
算出することができる。従って、風車の回転数Ｎ_f、す
なわち、ロータ４ａの回転数Ｎに対する出力Ｐが常にそ
の回転数Ｎに対する最大出力Ｐ_MAXとなるようにコンバ
ータ８１の励磁周波数を制御することにより等価的に定
周速比制御を行うことができる。

【００４２】本実施例では、ロータ４ａの回転数Ｎに対
する最大出力Ｐ_MAXに対応するコンバータ８１の出力電
流ｉ_dc ^*の関数を予め設定しておき、補助発電機４のロ
ータ４ａの角速度ωを検出するとともに現在の発電機の
出力電流ｉ_dcfを検出し、上記検出結果ωに基づき上記
関数から電流制御目標値ｉ_dc ^*を算出する。そして、算
出された電流制御目標値ｉ_dc ^*と上記検出出力電流ｉ_dcf
との偏差がなくなるように補助発電機４の励磁周波数
（同期速度）を調整してロータ４ａの角速度ω（回転数
Ｎ）を制御することにより上記定周速比制御を行うよう
にしている。

【００４３】ＰＩ調節器４２４は、フィードバック系の
動作を安定させるための信号調節器で、電流検出器ＣＴ
１により検出されたコンバータ８１の出力電流ｉ_dcfを
上記直流電流指令値ｉ_dc ^*に負帰還させて得られる偏差
信号Δｉ_dc ^*（＝ｉ_dc ^*−ｉ_dcf）をＰＩ動作制御信号に
調節するものである。

【００４４】上記偏差信号Δｉ_dc ^*はすべり角速度に相
当する信号で、ＰＩ調節器８２４から出力されるＰＩ動
作制御信号（以下、すべり角速度信号ω_Sという）と角
速度検出器１０により検出されたロータ４ａの角速度ω
とからコンバータ８１の励磁周波数の制御目標値に相当
する周波数制御信号ω１（＝ω−ω_S）が生成され、こ
の周波数制御信号ω１はＰＷＭ回路８２５に入力され
る。

【００４５】ＰＷＭ回路８２５は上記周波数制御信号ω
１に基づきＰＷＭ信号からなるゲートパルス信号を生成
し、コンバータ８１に出力するものである。コンバータ
８１は、上記ＰＷＭ回路８２５から入力されるゲートパ
ルス信号に基づき励磁回路が駆動され、等価的にすべり
周波数を制御して補助発電機４の出力を目標出力Ｐ_Ｏに
調整する。

【００４６】上記インバータ制御回路８４は出力電圧検
出器８４１、ＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔ
ｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）調節器８４２、系
統電圧検出器８４３、位相調整器８４４、乗算器８４５
及びＰＷＭ回路８４６（図中、ＰＷＭで示す。）からな
り、インバータ８３による発電機出力と電力系統Ｋとの
連系を適正に制御するものである。

【００４７】すなわち、コンバータ８１は補助発電機４
側の影響を受ける一方、インバータ８３は電力系統Ｋ及
び負荷Ｒの影響を受け、両者の電力変換特性は異なるた
め、コンバータ８１の出力電流とインバータ８３の出力
電流との誤差に起因してコンバータ８３の出力電圧の上
昇又は低下が発生することがあるが、インバータ制御回
路８４は上記出力電流の誤差を０にするようにインバー
タ８３の駆動を制御し、これにより上記コンバータ８１
の出力電圧を所定電圧Ｖ_Oに保持するようになってい
る。

【００４８】また、インバータ制御回路８４は電力系統
Ｋの交流電力の位相情報に基づいてインバータ４３の駆
動を制御し、これにより補助発電機４の発生電力は電力
系統Ｋと同期を取りつつ有効にこの電力系統Ｋに回生さ
れる。

【００４９】インバータ制御回路８４において、出力電
圧検出器８４１により検出されたコンバータ８１の出力
電圧Ｖは直流電圧指令値（上記所定電圧に相当）Ｖ₀と
比較され、その差分である偏差信号ΔＶ（＝Ｖ−Ｖ_O）
がＰＩＤ調節器８４２によりＰＩＤ動作信号に調節され
る。ＰＩＤ調節器８４２から出力される偏差信号ΔＶは
出力調整回路８２３から出力される直流電流指令値ｉ_dc
^*に正帰還されてコンバータ８１の出力電圧の変動分が
補償された直流電流指令値ｉ_dc ^*が生成され、この直流
電流指令値ｉ_dc ^*が乗算器８４５に入力される。

【００５０】一方、系統電圧検出器８４３により電力系
統Ｋの交流電圧が検出されるとともに、位相調整器８４
４によりこの交流電圧の位相が検出され、この検出結果
は上記乗算器８４５に入力される。

【００５１】そして、乗算器８４５により上記直流電流
指令値ｉ_dc ^*と位相情報とを乗じて電力系統Ｋに同期し
た電流瞬時指令値ｉ^*が生成され、更にこの電流瞬時指
令値ｉ^*に電流検出器ＣＴ３で検出されたインバータ８
３の出力電流の瞬時値ｉ_acが負帰還されて差分としての
制御信号Δｉ（＝ｉ^*−ｉ_ac）が生成され、この制御信
号ΔｉがＰＷＭ回路８４６に入力される。

【００５２】ＰＷＭ回路８４６は制御信号Δｉに基づき
ＰＷＭ信号からなるゲートパルス信号を生成し、このゲ
ートパルス信号によりインバータ８３は上記制御信号Δ
ｉが０となるようにフィードバック制御される。

【００５３】なお、本実施例では主発電機３と補助発電
機４とを風車本体１に並列に配置していたが、図２に示
すように、風車本体１に対して主発電機３と補助発電機
４とを同軸上に直列に配置してもよい。

【００５４】図３は、上記風力発電装置の発電制御を示
す出力特性図である。補助発電機４は主発電機３より起
動トルクが大きく、主発電機３の発電可能な風速Ｖ_Bよ
りも低い風速Ｖ_A（例えば風速２．５m/s）で発電を開始
し、風速Ｖ_Aから出力が定格出力Ｐ２となる風速Ｖ_B間は
負荷制御（定周速比制御）により風速Ｖに応じた電力を
出力する。

【００５５】風速Ｖが風速Ｖ_Bを越えると、補助発電機
４の出力Ｐは定格出力Ｐ２に保持される一方、主発電機
３が電力系統Ｋに接続されて発電を開始する。この主発
電機３の電力系統Ｋへの接続は、最初補助開閉器６ｂの
みを一定時間閉成して主発電機３の励磁を確立させた
後、主開閉器６ａを閉成するとともに補助開閉器６ｂを
開成することにより行われる。

【００５６】主発電機３は、電力系統Ｋに接続される
と、風速Ｖ_Bから出力が定格出力Ｐ１となる風速Ｖ_C間は
ロータ回転数によって決定されるすべり率に応じた電力
を出力し、風速Ｖが風速Ｖ_Cを越えると、風車のプロペ
ラ１ｂのピッチ角βを制御するピッチ制御により主発電
機３のロータの回転数は定格回転数（定格すべり率に相
当する回転数）に保持され、主発電機３は定格出力Ｐ１
を出力する。

【００５７】従って、Ｖ_A≦Ｖ≦Ｖ_Bの風域では補助発電
機４により発電された電力が電力系統Ｋに供給され、Ｖ
_B＜Ｖの風域では主発電機３及び補助発電機４により発
電された電力（図中、点線で示す出力）が電力系統Ｋに
供給される。

【００５８】次に、図４のフローチャートを用いて上記
風力発電装置の発電制御について説明する。

【００５９】図４は、風速０（m/s）から定格運転可能
な風速までの発電制御を示すフローチャートである。

【００６０】運転待機モードにおいては（＃２）、回転
数判別回路８２２によりロータ４ａの回転数Ｎが発電開
始回転数Ｎ_P以上に上昇しているか否かが判別され（＃
４）、回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ_P以上に上昇すると
（＃４でＹＥＳ）、補助発電機４による発電が開始され
（＃６）、補助発電機４は、予め設定された関数プログ
ラム（出力調整回路８２３内の関数プログラム）に従っ
てコンバータ制御回路８２により定周速比運転が行われ
る（＃８）。

【００６１】この定周速比運転において、ロータ４ａの
回転数Ｎが補助発電機４の発電動作を停止すべき回転数
Ｎ_S（＜Ｎ_P。以下、発電停止回転数Ｎ_Sという。）より
低い回転数に低下すると（＃１０でＮＯ）、発電動作を
停止して＃２に戻り、ロータ４ａの回転数Ｎが発電停止
回転数Ｎ_Sと定格回転数Ｎ_C間にあれば（＃１０でＹＥ
Ｓ，＃１２でＮＯ）、定周速比運転が継続される（＃８
〜＃１２のループ）。

【００６２】一方、ロータ４ａの回転数Ｎが定格回転数
Ｎ_Cに上昇すると（＃１２でＹＥＳ）、補助発電機４の
運転が定周速比運転から定出力運転に切り換えられる
（＃１４）。この定出力運転において、回転数Ｎが定格
回転数Ｎ_Cより低い回転数に低下すると（＃１６でＮ
Ｏ）、＃８に戻り、主発電機３の運転が定出力運転から
定周速比運転に切り換えられる。

【００６３】一方、上記定出力運転において、回転数Ｎ
が定格回転数Ｎ_C以上であれば（＃１６でＹＥＳ）、補
助発電機４の定出力運転が継続されるとともに、主発電
機３の発電が開始される（＃１８）。

【００６４】なお、＃１６の判別では判別値として上記
定格回転数Ｎ_Cの近傍値であってこの定格回転数Ｎ_Cより
高い回転数Ｎ_C′（＞Ｎ_C）を設定してもよい。

【００６５】続いて、補助発電機４の回転数Ｎが主発電
機３の発電を停止すべき回転数Ｎ_L（Ｎ_S＜Ｎ_L＜Ｎ_C）よ
り高い回転数に維持されているか否かが判別され（＃２
０）、Ｎ_L＜Ｎであれば（＃２０でＮＯ）、＃１８に戻
り、主発電機３の発電が継続され（＃１８，＃２０のル
ープ）、Ｎ≦Ｎ_Lであれば（＃２０でＹＥＳ）、主発電
機３の発電が停止された後（＃２２）、＃８に戻り、補
助発電機４の運転が定出力運転から定周速比運転に再び
運転が切り換えられる。

【００６６】一方、＃４で回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ
_Pより低い回転数であれば（＃４でＮＯ）、更にロータ
４ａの回転数Ｎがこのロータ４ａの回転停止を判定する
回転数Ｎ_O（＜Ｎ_S＜Ｎ_P）以下に低下しているか否かが
判別される（＃２４）。Ｎ_O＜Ｎであれば（＃２４でＮ
Ｏ）、＃２に戻り、運転待機状態となり、Ｎ≦Ｎ_Oであ
れば（＃２４でＹＥＳ）、更に風速検出器９により検出
された風速Ｖが発電可能な風速（Ｖ₁≦Ｖ≦Ｖ₂）である
か否かが判別される（＃２６）。

【００６７】風速Ｖが発電可能な風速でなければ（Ｖ＜
Ｖ₁又はＶ₂＜Ｖ、＃２６でＮＯ）、＃２に戻り、運転待
機状態となり、発電可能な風速であれば（Ｖ₁≦Ｖ≦
Ｖ₂、＃２６でＹＥＳ）、補助発電機４の力行運転が開
始され、ロータ４ａが強制的に回転される（＃２８）。

【００６８】補助発電機４の力行運転は、ロータ４ａの
回転数Ｎが力行運転を停止させる回転数Ｎ_E（Ｎ_O＜Ｎ_E
＜Ｎ_S。以下、力行運転停止回転数Ｎ_Eという。）に上昇
するまで継続され（＃２８，＃３０のループ）、ロータ
４ａの回転数Ｎが力行運転停止回転数Ｎ_Eに上昇すると
（＃３０でＹＥＳ）、補助発電機４の力行運転が停止さ
れる（＃３２）。

【００６９】なお、補助発電機４を力行運転させている
のは、発電可能な風速であるにも拘らず風車本体１の駆
動伝達機構における摩擦抵抗等により補助発電機４が起
動しない場合が生じることを防止するもので、補助発電
機４をロータ４ａを強制的に回転させることにより確実
に起動させるものである。

【００７０】上記力行運転停止回転数Ｎ_Eは、ロータ３
ａの力行運転を停止させても慣性により上記発電開始回
転数Ｎｐまで回転上昇を継続し得る回転数で、発電のた
めに自己起動可能な回転数である。力行運転停止回転数
Ｎ_Eは風車本体１及び主発電機３の構成に基づき予め設
定されている。

【００７１】このフローチャートにおいては、発電開始
回転数Ｎ_Pより低い継続回転可能な回転数Ｎ_Eで主発電機
３の力行運転を停止するようにしているが、図５のフロ
ーチャートに示すように、図４のフローチャートの＃３
０及び＃３２のステップを削除し、ロータ４ａの回転数
Ｎが発電開始回転数Ｎ_Pに上昇するまで補助発電機４の
力行運転を継続するようにしてもよい（図５、＃３４の
ループ参照）。

【００７２】このようにすれば、補助発電機４の力行運
転開始直後に風速Ｖの低下によりロータ４ａの回転数Ｎ
が低下し、回生運転を行うことなく再度力行運転のため
の強制起動が繰り返し行われるという不安定な運転動作
を防止することができる。

【００７３】図４の戻り、力行運転の停止後、ロータ４
ａの回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ_Pに上昇すると（＃３
４でＹＥＳ）、＃６に移行し、補助発電機４の回生運転
が開始され、ロータ４ａの回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ
_Pに上昇しなければ（＃３４でＮＯ）、＃２に戻り、待
機状態となる。

【００７４】図６は、上記風力発電装置の風速０（m/
s）から定格運転可能な風速までの発電制御における出
力特性図である。

【００７５】同図において、定格出力は電力系統Ｋに出
力される定格出力で、主発電機３及び補助発電機４の両
定格出力の合計値（Ｐ１＋Ｐ２）である。また、矢印は
ロータ回転数Ｎの変化方向を示すもので、風速上昇によ
る発電開始時の経路と風速下降による発電停止時の経路
とが異なるのはヒステリシスによるものである。

【００７６】風速０（m/s）から風速Ｖが上昇する場
合、風速Ｖの上昇に応じて補助発電機４のロータの回転
数Ｎが力行運転停止回転数Ｎ_Eに上昇すると、補助発電
機４が強制的に起動され、この強制起動運転により更に
ロータ回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ_Pにまで上昇する
と、補助発電機４の力行運転が回生運転に切り換えられ
る。

【００７７】この後、風速Ｖの変化に応じてロータ４ａ
の回転数Ｎは変動し、回転数Ｎが発電開始回転数Ｎ_Pと
定格回転数Ｎ_Cとの間では補助発電機４は定周速比運転
により発電され、その発電電力が電力系統Ｋに供給され
る（図６、Ｎ_P＜Ｎ＜Ｎ_Cの領域における出力曲線参
照）。また、ロータ４ａの回転数Ｎが定格回転数Ｎ_Cに
上昇すると、補助発電機４は定出力運転により出力が定
格出力Ｐ２に保持されるとともに、主発電機３が電力系
統Ｋに接続されて発電が開始され、電力系統Ｋには主発
電機３の出力Ｐと補助発電機４による定格出力Ｐ２との
合計出力（Ｐ＋Ｐ２）が供給される。

【００７８】そして、ロータ４ａの回転数Ｎが発電装置
全体の定格回転数Ｎ_T以上に上昇すると、主発電機３の
出力が定格出力Ｐ１に保持され、電力系統Ｋには主発電
機３の定格出力Ｐ１と補助発電機４の定格出力Ｐ２との
合計出力（Ｐ１＋Ｐ２）が供給される（図６、Ｎ_C以上
の領域における出力曲線参照）。

【００７９】一方、上昇した風速Ｖが低下すると、図４
の実線で示す出力曲線上を下降し、補助発電機４のロー
タ４ａの回転数Ｎが発電停止回転数Ｎ_Sまで下降する
と、補助発電機４による発電が停止されて運転待機状態
となり、電力系統Ｋへの電力供給が停止される。

【００８０】なお、主発電機３の発電開始回転数を
Ｎ_C′（＞Ｎ_C）に設定した場合は、図６の二点鎖線で示
す出力曲線となる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、主発電手段と補助発電手段とを設け、主発
電手段による発電が困難な低風速域では補助発電手段を
定周速比運転して発生した電力を電力系統に供給する一
方、主発電手段の発電可能な風速域では補助発電手段を
定出力運転して発生した電力と主発電により発生した電
力との合計電力を電力系統に供給するようにしたので、
低風速域における発電効率が向上するとともに、低風速
域から高風速域の全域において中断することなく連続し
て電力を供給することができる。また、補助発電手段に
より発電量が補助される分、主発電手段の発電容量が低
減でき、装置の小型化も可能になる。

【００８２】また、請求項２記載の発明よれば、発電開
始時における負荷急変によるストレスが誘導発電機のす
べりのハイスリップ特性により吸収され、上記ストレス
による主発電手段の損傷が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る風力発電装置の第１実施例の構成
図である。

【図２】本発明に係る風力発電装置の第２実施例の要部
構成図である。

【図３】本発明に係る風力発電装置の出力特性図であ
る。

【図４】本発明に係る風力発電装置の風速０（m/s）か
ら定格運転可能な風速までの発電制御を示すフローチャ
ートである。

【図５】本発明に係る風力発電装置の風速０（m/s）か
ら定格運転可能な風速までの発電制御の変形例を示すフ
ローチャートである。

【図６】本発明に係る風力発電装置の風速０（m/s）か
ら定格運転可能な風速までの発電制御における出力特性
図である。

【図７】従来の風力発電装置の概略構成図である。

【図８】従来の風力発電装置の出力特性図である。

【図９】出力係数Ｃ_Pと周速比Ｔ_SRとの関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１風車本体２増速機３主発電機（主発電手段）４補助発電機（補助発電手段）５開閉器（開閉手段）６ａ主開閉器６ｂ補助開閉器７限流リアクトル８発電制御装置８１コンバータ（第１の電力変換手段）８２コンバータ制御回路（運転制御手段）８２１風速判別器８２２回転数判別器８２３出力調整回路（開閉制御手段）８２４ＰＩ調節器８２５ＰＷＭ回路８３インバータ（第２の電力変換手段）８４インバータ制御回路８４１出力電圧検出器８４２ＰＩＤ調節器８４３系統電圧検出器８４４位相調整器８４５乗算器８４６ＰＷＭ回路８５フィルタ回路９風速検出器１０角速度検出器（回転数検出手段）ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３電流検出器Ｋ電力系統

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｍ 7/72 9181−5ＨＨ０２Ｍ 7/72

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風車の回転力によりロータが回転駆動さ
れ、予め設定された第１のロータ回転数以上で発電可能
な主発電手段と、上記主発電手段と電力系統との接続を
開閉する開閉手段と、上記風車の回転力によりロータが
回転駆動され、上記第１のロータ回転数より低いロータ
回転数以上で発電可能な、上記主発電手段より発電容量
の小さい補助発電手段と、上記補助発電手段から出力さ
れる交流電力を制御するとともに、この交流電力を直流
電力に変換する第１の電力変換手段と、上記第１の電力
変換手段から出力される直流電力を所定周波数の交流電
力に変換し、上記電力系統に出力する第２の電力変換手
段と、上記補助発電手段のロータ回転数を検出する回転
数検出手段と、上記補助発電手段のロータ回転数が補助
発電手段の定格出力を出力し得る定格回転数より低い回
転数となる風速域では上記第１の電力変換手段を定周速
比運転し、上記補助発電手段のロータ回転数が上記定格
回転数以上の回転数となる風速域では上記第１の電力変
換手段を定出力運転する運転制御手段と、上記補助発電
手段のロータ回転数が上記定格回転数以上に上昇する
と、上記主発電手段を電力系統に接続すべく上記開閉手
段を閉成する開閉制御手段とを備えたことを特徴とする
風力発電装置。
【請求項２】請求項１記載の風力発電装置において、
上記主発電手段はハイスリップ型誘導発電機であること
を特徴とする風力発電装置。