JPS62123997A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、風カニネル１＝−を動力に変換する風車と、
この動力を電力に変換する誘導機と、発生電力を回生ず
る変換器と、系統へ゛心力を送り出す変換器を用いた風
力発電装置に関し、無電源地区での電源装置として、ま
た、省エネルギーを目的としたＨ島等でのジーゼル発電
装置とのハイブリッド用として、また、系統連系におけ
るピークカット用としての発電装置として利用に適する
ものである。

（従来技術） 従来から出力発電装置において風車の軸動力を電力に変
換する手段（発電機）としてｌ１ｉｌ！９１機、直流磯
あるいは誘導機等が用いられている。

ところが、一般に、同期機、直流纒を用いたものは、ｌ
ｉｔ車の定格出力が１１７られる定格風速から、風車の
運転を中止し発電を停止する発電停止風速までの主運転
域において、Ｉ！１ｉ１ｉ１ｉブレードのピッチコント
ロールによって回転数を一定とする定回転数制御を行な
っている。このため、摂）ホするごとく、風車の周速度
に対する風速で定まる「周速比」が一定とはならず、エ
ネルＹ−の有効取得がなされているとは合えなかった。

しかも、上記のごとく定回転数制御運転では風況の急激
な変化により大きな１〜ルク変動を受けることになり、
これに耐えるためには構造、材質を整量なものとしなけ
ればならず、コスト上背の原因ともなっていた。

一方、誘導機を用いたしのは、既存の゛電力系統と１と
続されて運転されているものが多く、運転制御手段に風
速を用いたものが一般的である。この場合、発電機と風
速を計測する地点が異なるため、精度の高い制御が困難
になり、時には誘導機が発電はとして作動せず電動機ど
して作動するような■態も起こり得ることになり、また
、系統直結を図るため、５０／６０Ｈｚ近傍の運転とな
り、定回転数制御に等しい状況になり、上述と同様の問
題を有し、特に風車の最大エネルギー取得を図りつつ、
系統との効率の良い連系を図ることが９！まれていた。

（発明の目的） 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたらので、風車を
入力に応じた回転数で運転する可変速制御を行なうこと
により、風況の急激な変化によるトルク変動を吸収し、
構造、材質面でのコスト上＋７１を抑え、低コストで大
ぎなエネルギーを回生でき、しかも風車の回転数情報を
用いて、すべり周波数制御をすることにより、略一定の
周速比での制御が容易に可能となり、エネルギーの有効
取得を図ることができ、さらに系統との効率の良い連系
が可能な風力発電装置を提供づることを目的とする。

（発明の構成） 本発明の風力発電装置は、ブレードのピッチ角が制御可
能な風力エネルギーを動力に変換する風車と、この動力
により駆動される誘導機と、この誘導機を発電機として
機能させるための励磁を制御するとともに発生電力を回
生ずる第１変換器と、この第１変換器により回生された
電力を系統へ送り出す第２変１ｆｉｔ器とからなり、上
記第１変換２１よ、発電別出力と回転数を出力に変換し
た値を比較して該変換器が上記誘導機をすべり周波数制
御し、定格出力を発生する回転数以下において発電機雷
圧／運転周波数の比を一定とし、定格出力を発生する回
転数以上において発電機電圧を一定とするための駆動手
段を具備し、上記第２変換器は、系統の位相を検出し、
該変換器が系統と同１＋１１をとって位相制御を行なう
ための駆動手段を具備し、風車の起動から定格回転数ま
での運転域において、ブレードのピッチ角を一定とし、
定格回転数以上の運転域において風車が設定回転数範囲
内に収まるようにブレードのピッチ角を制御するように
したちのである。

この構成により、定格出力を発生する風車回転数以下に
おいて、風速に対応した風１Ｂの回転数（回転速度）で
の可変速制１１１１運転がなされ、風況の変化によるト
ルク変動をイナーシャとして吸収し、また、風車の回転
数に応じて誘導機がすべり周波数制御され出力電力が制
御され、以下に述べる理由により、略一定の周速比での
運転制御を容易に行なうことができエネルギーの有効取
得が可能となる。

以下に、風速に合った回転数制御を行なうことにより、
一定の周速比制御が可能でエネルギーの有効取得を図る
ことができる理由を説明する。

プロペラ型の風車による出力の３５本特性は次式％式％ ρ：空気密度、■：風速、Ｃｐ：パワー係数、１マ：プ
ロペラ半径、ω：角速度 パワー係数０ｐ＝２Ｐ／ρπＲ２Ｖ３・・・（２）周速
比ＴＳＲ＝ωＲ／ｖ・・・（３） ここに、風車として最大の効率を得るには、パワー係数
Ｃｐの最高値を常に保つ制御を行なえばよく、これによ
りエネルギーの最大有効取得が可能となる。

風車のパワー係数Ｃｐ特性は、第２図に示すように、風
車ブレードのピッチ角βによって、その最大点を右し、
しかも周速比ＴＳＲの関数となる。

したがって、風車ブレードのピッチ角βをある（１「Ｉ
に設定した場合、パワー係ｖｌｃｐが最大となる周速比
ＴＳＲは定まる。

ところが、周速比ＴＳＲは上記（３）式から判る通り、
角速度ωと風速Ｖによって定まるから、周速比ＴＳＲを
一定にしようとすると、風速Ｖが変化した場合、回転数
も変化しなｔプればならない。

したがって、風車ブレードのピッチ角βを固定して凧況
に合ったエネルギー取１１１をＩｄ大にしようとすると
、風速に合った回転数制御つまり、定１ム１速比制御を
行なえばよいことになる。

いま、パワー係数ＣＩ）ｒｌａ大となる周速比ＴＳＲを
０とすると、肩車の出力Ｐは次のように回転数Ｎの関数
として表わされる。

Ω＝ωＲ／Ｖ・・・（４） ■＝ωＲ／Ω・・・（４′） ω−２πＮ／６０・・・（５） ただしＮ：風車回転数（ｒｏｍ） （５）、（４’）式よりＶ　−Ｒ／　（１・πＮ／３０
・・・（６）（１１，（Ｇ１式にすＰ＝′ｙ２Ｐ７ＣＲ
２ＣＤ　ｍａｘ　　（ＲπＮ／３０Ｑ）３　＝１．８ｘ
１０−’ρＲ５Ｃｐｍａｘ（１／Ω３　）Ｎ３　・・・
（７） この（７）式より、風車の出力Ｐは回Ｑ’ｃ数Ｎの３乗
に比例することが判り、回転数Ｎを情報として定周速比
制御を行なえばよいことが判る。

これら肩車のパワー係数Ｃｐ、出力Ｐ、　ｔ−ルクＴの
回転数Ｎに対する特性を第３図に示す。同図において、
横軸には回転数Ｎを、縦軸には各風速■１〜■７におけ
るパワー係数Ｃｐ　　（実線）、出力Ｐ（鎖線）、トル
クＴ（一点鎖Ｆ１１）の特性曲線を示し、ラインＰ、は
定格負部を示す。同図から判るように各風速■１〜■７
におけるパワー係数Ｃｐの最大１ｆｌ　（Ｃｐ　ｍａｘ
　）が１！１られる回転数Ｎにおいて出力Ｐは最大値を
示し、したがって、ＣｐｍａＸを保つことにより出力Ｐ
は曲１（イ）の特性が得られ、その時のｌ−ルクＴは曲
線（ロ）の特性となる。つまり、パワー係数ＣＤを最大
値に保つことにより、風車の回転数Ｎによって出力Ｐの
レベルは一義的に定まることになる。したがって、この
回転数Ｎに応じて定まった所定の出力Ｐが得られるよう
に誘導機をすべり周波数制御すればエネルギー取得を有
効に行なうことができる。

なお、第３図において、Ｎ　　は発電を開始す　Ｃ るカットイン風速（■ｏ）に対応するカットイン回転数
、Ｎ　　は風車の定格出力が出る定格風速Ｌ ■、に対応する定格回転数である。

（実ｆ商例） 第１図は本発明装置の一実施例構成を示ザ。ｆｉ１図に
おいて、風車１は、ブレードのメカニカルビッヂコント
ロール部を持つプロペラ型ロータと、ロータの動力を誘
導線２（図では３相かご形誘導□）ｌ＼伝達する機能を
備える。この誘導機２は、これを誘導発Ｊ機として機能
させるための励磁を制御するとともに発生電力を回生ず
る第１の変換器３に接続されている。この第１変換器３
としては、スイッヂング素子としてトランジスタなどの
能１ＦＩＩ素子を用いた三相］ンバータを用い、その出
力ライン（単相）間にはコンデンサが接続され、第１変
換３３により回生された電力を系統へ送り出す第２変換
器４が接続されている。この第２変換器４としては上述
と同様の三相インバータを用い、その出力ライン（三相
）は商用電源に接続される。なＪ３、変換器３．４の素
子としてはザイリスタを用いてもよい。

また、風車１の回転数は回転数検出ｉ！！ｉ５により検
出され、この検出回転数は周波数−電圧（Ｆ／■）変換
？Ａ６により電圧に変換され、予め設定された回転数と
パワーとの変換を行なう関数変換器７に入力されるよう
になっている。一方、上記第１変換器３の出力ラインに
より、電流検出器８、電圧検出器９にて電流、電圧が検
出され、ｌ）等磯１０により誘導機２が発゛市機として
作用した発電機出力が検出されるようになっている。そ
して、上記関数変換器７の変換出力信号Ｐ　　と、増幅
１（［［ 器１１を介した掛０１１１０の出力（発電機出力）とが
第１の比較器１２にて比較され、この比較器１２の出力
が系の特性を合せるための補ｔｄ回路１３を通して、第
２の比較器１４にてＦ／Ｖ変換λ：６の出力と比較され
、励（社周波教指令回路１５に入力されるようになって
いる。この励磁周波数１１１令回路１５においては、定
格出力を発生する回転数Ｎｖシ以下において、発゛電は
電圧／運転周波数の比が一定となり、定格出力を発生す
る回転数ＮＶＬ以上において、発電機電圧が一定となる
ように第１変換器３にて誘導機２を励磁するための指令
が出力され、この指令がゲート駆動回路１６を介して第
１変換器２の能動素子のゲートに与えられるようになっ
ている。

そして、上記のごとく関数変換器７により風車の回転数
を出力に変換した値と発゛電機出力の比較結末に阜づい
て第１変換器３が駆動されることにより、この第１変換
器３４．１誘導機２が風車の入力に児合った電力を効果
的に出力しｒするよう、誘導（幾２をすべり周波数制御
する。上記関数変換器７、市流検出鼎８、電圧検出器９
、比較回路１２，１４、励磁周波数指令回路１５、ゲー
ト駆動回路１６などは、上記のごとく第１変換器３を作
動さけるための駆動手段１７を構成している。

上記第２変換器４の出力ラインは系統２０（商用電源）
に接続され、このラインには位相検出１〜ランス１８Ｊ
５よび電流検出手段１つが接続され、検出された位相お
よび」−記第１変換器３の出力である増幅器１１の出力
が電流指令回路２１に入力され、この７ｒｌｉ流指令回
路２１の出力と電流検出増幅回路２２を介した電流検出
値とが比較器２３にて比較され、この比較結果は系の特
性を含ぜるだめの補償回路２４を介してゲート駆動回路
２５に入力される。このゲート駆動回路２５の出力によ
り、第２変換器４の能動素子が駆動されるようになって
いる。これら位相検出トランス１８、電流検出手段１９
、電流指令回路２１、ゲート駆動回路２５などは第２変
換器４の駆動手段２６を構成し、これにより第２変換２
３４が系統２０との同期をとりつつ、第１変換器３の出
力つまり風車入力に見合って発生させた電力エネルギー
に応じて位相制御し、系統２０に電力を送り出す機能を
奏する。

次に、上記の風力発電装置の制御チャートを第４図によ
り説明する。同図において、横軸に風速■を、縦１袖に
出力Ｐ、回転数Ｎを示し、Ｖ　ｓはＩ４１１車が回転を
始める起動風速、Ｖｃは発電を開始するカットイン風速
、■［は風…の定格出力が得られる定格風速、ｖｃｏは
ＩＮ　Ｄｌの運転を中止しフェザリングし風のエネルギ
ーを逃がすカットアウト風速、１〕シは風力発電装置と
しての定格出力、ＮｖｃはｊＪットイン回転数、”ｖＬ
は定格回転数で、この回転数までの運転域ではブレード
のピッチ角を一定とし、これ以上の回転数の運転域では
風車回転数が所定回転数範囲内に収まるようにブレード
のピッチ角を制御２＋１　ｔ、でいる。ＮＮ（ま」ｉｎ
の無負荷設定回転数、ＮＮづ二１０％はピッチ制御によ
りコン１〜ロールする制御回転数範囲であり、曲線ＰＲ
はロスパワーであって、■６〜Ｖｏ間（よ発電機の槻＋
ｆｉ損とギヤの伝達ロス（２乗カーブ）、７６時は発電
機の励磁＋（Ｊが加わり、ｖ　〜ｖｌ−間は励１ａ損と
機械１１．ｖＬ〜■ｃｏ間は光市は励ｔａ損と機械１０
（はぼ一定）でなる。

この第４図において運転状況としては次の通りである。

■持磯：風速Ｏ〜■６の間は発電Ｕず上記変換器３も運
転をしない。

■起動：風速■５〜■。の間は鳳のエネルギーが風車を
回転させるだけのエネルギーとして利用できる。

■カットイン：風力発゛市装置として発電を開始可能な
状態となり誘導Ｒ２に励磁を与える。

■負荷制御領域：風速ｖ　〜ｖしの間は、第３図で説明
した出力最大制御を行なう。つまり、各風速の状況に合
った回転数になるように発電電力の制御を行なう。これ
により出力Ｐは風速（回転数）の３乗に比例した出力特
性を示し、各回転数での最大出力制御がなされる。

回転数Ｉｎま、■５から立、トリ、風車の持つｔｔ’Ｊ
　（／Ｉ：七−メントとバランスしなからｑ上がり、■
。以後は風速に比例して運転される。なお、回転数が上
昇する過程と、風が弱くなって回転数が下がってくる過
程は矢印で示したようにヒステリシスＦ丁性を示す゛。

■負部固定領域；風速Ｖ］−〜ｖｃｏの間は出力１）を
一定に保持し、入力される風のエネルギーをメカニカル
なピッチコントロールで逃がし、回転数ＮをＮＮ上１０
％の範囲に制御する。

■待ｎ＝風速■。。以上の凧況においては、装置能力以
上の風力エネルギーどなるため、風車が設定回転数範囲
内に収まるようにブレードのピッチ角をメカニカルガバ
ナーによってフェザ−にし、エネルギーを逃がし風車を
安全な状態に組積する。

次に上述した第１図での第１変換器３による誘導機２の
励磁、つまり、誘導発電機の運転について、第５図とと
もに説明する。第５図は誘４１１の特性を示し、モータ
領域を正、梵電領域を負とし、横軸に励磁周波数を示し
、実線の各曲線は各励磁周波数における出力１心性、鎖
線の各曲線はトルク特性を示す。発電機としての運転領
ｌ＃！ａとしては、風車のカットイン回転数Ｎ　からＮ
ｘモΔＮとし、Ｃ ３φ（相）４Ｐ（極）の誘導機を利用するために、風車
の定格回転数”ｖＬを誘導機の電気周波数６０１−ｌ　
ｚになるように増速機の増速比を決定する。

誘導機の制御としては、第５図において、カットイン回
転数Ｎ　から定格回転数”ＶＬまでを誘導Ｃ 機の入力電圧Ｖ／周波数ｆ＝一定とした運転を行ない、
定格回転数ＮｖＬ以上では入力電圧Ｖ−一定とした運転
を行なう。すなわち、カットイン回転数Ｎ　から定格回
転数”ｖＬの間は入力に見合ったＣ 出力制御を行なう負荷制御Ｗ１．ｂで、出力Ｊ３よびト
ルクが曲線（ハ）および（ニ）で示すように回転数の上
昇に伴い上昇するようにａ、ＩＩ　ＩＩＩ　Ｌ、定格回
転数”ｖＬから風車のピッチコントロール制９１１範囲
ＮＮ±ΔＮの間は、定出力制御を行なう負荷固定域Ｃで
、出力が曲線（ハ）で示すように一定、トルクが曲線（
ニ）で示ηように回転数に反比例するように制御する。

このような制御のためには風車の回１払数に応じた誘導
機（発電機）側の周波数が同期周波数（すべりが臂）に
、第５図に示すような出力、ｉ−ルク特性を出す、サベ
リ周波数を加えた周波数になるような「すべり周波数制
御」　（すべりが負に大きくなれば出力が大きくなる）
を行なえばにい。

Ｆ記実施例において、このように誘導機２を第１変換器
３にて制ｔｉｌ＋することにより、結果的に風車は定周
速比に近い運転がなされ、エネルギーの有効取得が可能
となると同時に、第１変１９！器３にて回生された電力
を、この電力に応じて第２変換器４にて系統と同期をと
って位相制御を行なうことにより直接に系に送り出すこ
とができ、効率の良い系統連系が可能となり、信頼性の
向−Ｆを図ることができるとともに、系統の電力ピーク
カットにより運転負荷率の向上に寄与し１４る。また、
風車の回転数に応じて上述のごとく発電別電１１−を制
御しているので、誘導機の磁気飽和が少なく、出力性能
の向上、装置の信頼性の向上を図ることもできる。

なお、上「２説明では、風車の回転数Ｎの３乗に°　比
例したパワー変換指令によって第１変ｉ９！器３の出力
゛電力を制御１シて、最大の有効エネルギー取得を可能
とした例を示したが、本発明は必ずしもこれに限られず
、風車の回転数Ｎに比例、あるいはその２乗に比例した
指令など予め定められたパワー変換指令によって制御し
ても、従来のように定回転数制御を行なうものに比し、
有効エネルギーの取得が可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば°、風車により駆動される
誘導機を、風車の回転数に応じて第１変換器にてすべり
周波数制御を行ない、がっ、第２変換器にて第１変＋！
ｉｉ器による誘導機の発電゛耐汗に応じて系統との同Ｉ
’ｌｌをとりつつ位相制御し、しがち、風車の回転数に
より、ブレードのピッチ角を所定状態とし、発電機電圧
を制御しているので、風車は定周速比制御に近い運転が
なされ、効率良く大ぎなエネルギーを回生ずることがで
さると同Ｂ、’＋に、風車は入力に応じた回転数で運転
される可変速制御となり、凪況の急激な変化に」：るト
ルクの変動を吸収し、構造材質面でのコスト上テアを防
止し、ざらに、系統との）ＩＩ！系を効果的に行なうこ
とがて・さ、ピークカット市電Ｊ≦１としてのエネルギ
ーの有効数１＋１が可能で、しかも装置の信頼性の向上
をも（イ「保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による風力発電′ＪＡ胃の構
成図、第２図（よ本発明を説明するための風車におりる
周速比に対するパワー係数の特性図、第３図（ま同様に
風車の回転数に対するパワー係数。 出力、１〜ルクの１）性図、第４図は同装置の制御を説
明するための制０１１チャーｉ〜図、第５図は同装置の
作用を説明するための励磁周波数に対する発電機の出力
、トルクの特性図である。 １・・・風車、２・・・誘導機、３・・・第１変換器、
４・・・第２変換器、５・・・回転数検出器、７・・・
関数変換器、１５・・・励磁周波数指令回路、１７・・
・第１変換ｉ！ｉ３の駆動手段、２６・・・第２変１Ｉ
ＩＩ器４の駆動手段。 ’４’ｌ　；Ｉ’ｌ出願人　　　　　Ｖマハ発動機株式
会社第　　２［７Ｉ −側訴丁５尺

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ブレードのピッチ角が制御可能な風力エネルギーを
   動力に変換する風車と、この動力により駆動される誘導
   機と、この誘導機を発電機として機能させるための励磁
   を制御するとともに発生電力を回生する第１変換器と、
   この第１変換器により回生された電力を系統へ送り出す
   第２変換器とからなり、上記第１変換器は、発電機出力
   と回転数を出力に変換した値を比較して該変換器が上記
   誘導機をすベり周波数制御し、定格出力を発生する回転
   数以下において発電機電圧／運転周波数の比を一定とし
   、定格出力を発生する回転数以上において発電機電圧を
   一定とするための駆動手段を具備し、上記第２変換器は
   、系統の位相を検出し、該変換器が系統と同期をとって
   位相制御を行なうための駆動手段を具備し、風車の起動
   から定格回転数までの運転域において、ブレードのピッ
   チ角を一定とし、定格回転数以上の運転域において風車
   が設定回転数範囲内に収まるようにブレードのピッチ角
   を制御するようにしたことを特徴とする風力発電装置。