JPS62277030A - 独立電源装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、無電源地区での電源装置として、また、自然
エネルギーの有効利用ににり省エネルギーを図る電源装
置に係り、特に太陽光と風力をエネルギー源としたハイ
ブリッド型の独立゛電源装置に関する。

（従来技術） 現状の太陽光と風力エネルギーによるハイブリッド電源
装置は、太陽電池と風車により駆動されろ」力発電機の
各発電出力を直接、Ｍ電池（バッテリ）に接続したもの
が通例である。そのため、太陽゛上池と風力発電機が同
時に発電していてら、発生ｉｔ圧の畠い方からのみ蓄電
池には充電電流が流れることから、エネルギーの有効活
用、取得がなされない場合が生じる。しから、太陽エネ
ルギーと風カニネルｊニーの状態を分析してみると、共
に昼間のエネルギー分イ５を？していることから、上記
のごとき現状の装置で（ま、エネルギーの有効活用が」
”分でない。そして、このにうに太陽１ネルギーと風力
１ネルギーのいづ１れかエネルギーレベルの凸い方しか
利用できない装置は、真のハイブリッド電源とは乙゛い
難い。

ところで、太陽電池を用いた発電装置に、しいて（よ、
太陽電池の出力特性（ま、太陽光エネルギー密度が大き
いほど出力が大きくなるが、そのエネルギー密１島によ
り１．１大出力を得るための１を圧が（まぼ一定であり
、この最大出力を１ｑるに必要な電圧は最適動作電圧と
呼ばれ、そのときに流れる電流は最適動作′を流と呼ば
れる。したがって、太陽電池を゛電源とする単独の装置
においては、出力電流を検出して、その′１１流が最適
動作゛（流値に維持されるように制御することが知られ
ている。

一方、従来の風力発電装置においては、一般に風車ブレ
ードのビッグコント【コ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おり、後）ホするごとき、風
車の周速度に対する風速で定まる周速比を一定とした可
変速制御による最大エネルギーの有効数（［）はなされ
ていない。

そこで、上述のごとく太陽°１ヒ池を用いた発゛占装置
と風力ｆｌ雷装置との結合を図る場合に、両者からのエ
ネル１イーを最大限に有効に取得するためには、両省の
出力を所定の関連をもってｉｌｌ　ｉＯする必要がある
。

（発明の目的） 本発明は、上記技術課題の基になされたしので１、太陽
光および風力のエネルギーの強弱に関係なく、それぞれ
のエネルギー状況に合わせて、同時に電力として有効活
用することができる独立電源装置を捉供することを目的
とする。

（発明の構成） 本発明は、太陽電池と風力発電機とをハイブリッド電源
としＣ備えた′ｉＡ置であって、太陽電池と１！ｉ（力
発電機の各出力が蓄電池もしくは負荷に接続され、かつ
上記太陽゛（池と風力発電機の各出力を電流制御し、太
ｇＡ電池の出力を最適ｉ１＋　ｆＩ雷電圧追従させると
ともに風力発電機を可変速制御させる］ンバータを含ん
だ制御手段を設けた独立電源装置である。

この構成により、太陽電池と凡１力１電機の各出力は電
流制御されて同時に、蓄′市池または負荷へ給電するこ
とができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例による基本構成を示し、太陽
電池１の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して蓄電池
（バッテリ）３に接続され、凧中４．５により駆動され
る発電機６．７で構成される風力発電機８．９の出力は
それぞれＡＣ−ＤＣコンバータ１０．１１を介して上記
蓄電池３に接続され、さらに、蓄゛咀池３には各種の負
荷として可変電圧角変周波数（ＶＶＶＦ）方式のヒート
ポンプ駆動用インバータ１２、同じく可変電圧可変周波
ｒｌｉ（ＶＶＶＦ）方式の循環ポンプ駆動用インバータ
１３および定電圧定周波数（ＣＶＣＦ）方式の制御用イ
ンバータ１４がそれぞれ接続されている。１５．１６は
インパークの０夕１としてのヒートポンプおよび循環ポ
ンプ、１７は上記風力発電装置は８．９．各種コンバー
タ２．１０．１１など系仝休のインターロックシステム
のシーケンス制ワ１１を行なうシステム制御装置である
。

そして、」ユ記ＤＣ−ＤＣコンバータ２は復述するごと
く、その制御回路と相俟って太陽電池１の出力を最適初
ｆｌ電圧追従方式の電流制御を行なう制御手段を構成し
、また、上記風力発電装置８，９は同様にその制御回路
と相吹って電流制御により風況にあった可変速制御を行
なう制σ１手段を構成し、これらで６って太陽電ｌ也１
の出力電■と風力発電機８，９の出力電圧とが共に＋ａ
適り」作賄に可変制御されることにより、同時に両者か
らエネルギー取得が可能なように構成されている。

なお、本実施例では、太陽電池１としては、例えば３０
ＫＷＰ　（キロワットビーク）で１モジユール５５　Ｗ
　Ｐ、最適動作電圧２０Ｖのらの、発゛１１τ機６．７
としては１８．５ＫＷ、ＡＣ２２０Ｖ出力の誘う磯、蓄
゛電池３としては８００ＡＨ（アンペア・アワー）のも
の、ヒーｉ・ポンプ１５，１６としてはイれぞれ１／１
．２ＫＶ△、１１ＫＶΔ、システム制御装置１７として
は３に△のらのを用いている。また、負荷としてのヒー
トポンプ１５やピー１−ボン７１６が誘導負荷であるた
めに、それぞれの専用インバータ（１２，１３，１４）
で交流を供給するシステムとしている。

次に、旭力発゛市機８，９の電流制御による用況に合っ
た可変速制御についχ詳述する。いま、風１２４．５と
して汎用されているプロペラ型のものであれば、この出
車による出力の基本特性は次式％式％ ρ：空気密度、■：風速、Ｃｐ：パワー係数、Ｒ：プロ
ペラ半径、ω：角速度 パワー係数ＣＩ）＝２Ｐ／ρπＲ２ｖ３川（２）周速比
Ｔ　Ｓ　ｒ＜−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１ネルギーの最
大有効取得が可能となる。

１４Ｉ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、その最大点を有
し、しから周速比ＴＳＲの関数となる。

したがって、風車ブレードのピッチ角βをある値に設定
した場合、パワー係ｒ！ｌｃｐが最大となる周速比下Ｓ
　Ｒ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Ｊ＠速■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
数も変化しなければならない。

したがって、風車ブレードのピッチ角βを固定して風況
に合ったエネルギー取得を最大にしようとすると、風速
に合った回転数制御つまり、定周速比制御を行なえばよ
いことになる。

いま、バ１ノー係数Ｃｐが最大となる周速比ＴＳＲをΩ
とすると、風車の出力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） ｖ　　＝　　Ｑ）　　Ｒ／　　Ω　・・・　（４゛　）
ω−２πＮ／６０・・・（５） ただしＮ：風車回転数（ｒｏｍ） （５）、（４’）式よりｖ＝Ｒ／Ｑ　−πＮ／３０・１
６）（１１，（６）式よりＰ＝ｙ２ＰπＲ２Ｃｐ　ｍａ
ｘ　　（ＲπＮ／３００Ｍ　＝１．８Ｘ　１０−３ρＲ
５ｃｐ　ｌ１ａＸ（１１０３）Ｎ３・・・（７） この（７）式より、風車の出力［〕は回転数Ｎの３乗に
比例することが判り、回転数Ｎを情報とし℃定周速比制
御を行なえばよいことが判る。

これら風車のパワー係数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Ｖ。同図において、
横軸には回転数Ｎを、縦軸には各ｊ虱速■１〜ｖ７にお
けるパワー係＠Ｃｐ　　（実線）、出力Ｐ（鎖線）、ト
ルクＴ（一点鎖線）の特性曲線を示し、ラインＰ、は定
格負荷を丞す。同図から７１するように各風速１〜ｖ７
におけるパワー係数ＣＤの最大Ｖ１（Ｃｏ　ｗａｘ　）
が得られる回転数Ｎにおいて出力Ｐｔよ最大値を示し、
したがって、ＣｐＩｌｌａｘを保つことにより出力Ｐは
曲線（イ）の特性が１°ｔられ、その時の１−ルク「は
曲Ｉ！ｉ１（ロ）の特性となる。つまり、パワー係数Ｃ
ｐを最大値に保つことにより、１＠市の回転数Ｎににっ
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１
１１られるように初カー電力変換器を判面すればエネル
ギー取（ｑを有効に（１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λ１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 ■、にス・１応する定格回転数である。

第４図は本発明装置における風力装置システムの構成例
をボす。同図において、Ｊ虱巾４はメカニカルピッチ」
ントロール部を持つプロペラ９１７　［］　−タと、ロ
ータの出力を勅カー電力変換器の主構成部としての発電
機６へ伝達する機能を備え、また、発電機６を誘導光゛
市機として機能させるための励磁機能と、発電した交流
電力を直流電力に変換づる機能と、回転数センサ１８に
Ｊζり検出したＩ４４１中４の回転数に応じた発電を行
なわぼる制御Ｉｌ！１１能を持つコンバータ１０（ｉｌ
ｉｌｌｔｌ１手段）を備える。また、発電したエネルギ
ーを番°七する蓄電池３と、この蓄電池３に貯えられた
電気エネルギーを負荷に送り出すインバータ１２を備え
ている。

次に、上記のごときシステムにおける風力発電装置の制
御チャー１・を第５図により説明する。同図において、
横軸に風速Ｖを、縦軸に出力Ｐ、回転数Ｎを示し、ｖｓ
ｔよ風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、Ｌは境中の定格出力が得られる定格
風速、■　はｊ虱Ｏ 車の運転を中止しフェザリングし風のエネルギーを逃が
Ｊカットアウト風速、Ｐしは風力発電装置としての定格
出力、Ｎ、−力ットイン回転数、ＮＶＬｆよ定格回転数
、ＮＮは風車の無負荷設定回転数、ＮＮ１１０％はピッ
チ制御によりコント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、■８〜０間は発゛１を
機の機械損とギヤの伝達ロス（２乗カーブ）、ｏＭＧよ
発電機の励磁損が加わり、Ｖ　　”　Ｖ　１間は励磁１
Ωと機械損、■［、〜ｖ　ｃ　ｏ　１．ｆｉ　ｓま発電
機励磁損と機械１員（は１ま一定）でなる。

この第５図において運転状況としては次の通りである。

■持礪：風速Ｏ〜■８の問は発電Ｕず上記変換器１０も
運転をしない。

■起動：ｊ虱速■　〜Ｖｃの間はＪ！４１の１ネルギー
がｊ虱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：ｊ虱力発゛市装置として発電を開始ｉｆ
能な状態となり発電機に励磁を与える。

■負荷制御領Ｉ７ｉ：風速Ｖ　〜ＶＬの問は、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。

これに上り出力ｐ　＋、を風速（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Ｎは、Ｖ６から立上り、風車の持つ慣性し一メン
トとバランスしながら立上がり、Ｖｃ以少は風速に比例
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
うにヒステリシス特性を示す。

■０荷固定領［：風速ＶＬ〜Ｖ、。の聞は出力Ｐ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ＮＮ１１０％の
範囲に制御する。

■侍改：風速Ｖ。。以上の風況においては、装置能力以
上の１１カエネルギーとなるため、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１を侍する。

次に上述した予め定められた出力指令信号による出力電
力の制御の具体例として、第４図でのコンバーク１０に
よる発電機６の励磁、つまり、誘導発電機の運転につい
て、第６図とともに説明する。第６図は誘導機の特性を
示し、七−夕領域を正、発電領域を負とし、横軸に励磁
周波数を示し、実線の各曲線は各１ａｉｌ＋磁周波数に
おける出力特性、鎖線の各曲線はトルク粘付を示す１．
５を電礪としての運転領ｖＸａとして（，１、胚１車の
カットイン回転数Ｎ　からＮＮ＋ΔＮとし、３φ（相）
４Ｐ（Ｊ４）Ｃ の誘１１を利用するために、圧１車の定格回転数Ｎ７．
を誘導殿の電気周波数６０ト＋　ｚになるように増速機
の増速比を決定する、１ 誘導償のｉｌｉ制御としては、第６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／周波数ｆ＝一定とした運転を行ない、定
格回転ｒＩＩＮ、、、以七で（ま入以上圧・−一定とし
た運転を行なう。づなわら、カッ１−イン回転数Ｎ　か
ら定格回転数ＮｖＬの間は入力に見合ったＣ 出力制御を行なう負伺制ｔｉｌｌ戚すで、出力および１
−ルクが曲Ｉ！ｉｉ（ハ）およびに）で示すように回転
数の上背に伴い上昇するように制御し、定格回転数”Ｖ
Ｌから風車のピッチコントロール制御範囲ＮＮ１ΔＮの
問は、定出力ｆｉＩｌ　ｔｉｌｌを（１なう負仙固定滅
Ｃで、出力が曲線（ハ）で示ｃＪ’　Ｊ：うに一定、ト
ルクが曲線（ニ）で示すように回転数に反比例するよう
にａ、ｌ制御する。

このような制御のためには風車の回転数に応じた誘導！
１（発電機）側の周波数が同期周波数（づべりが零）に
、第６図に示すような出力、トルク１ζｒ性を出す、１
ベリ周波数を加えｒｃ　ＩＦ、１波数に／ｊるような「
すべり周波数制御」　（すべりがｆｌに大きくなれば出
力が大きくなる）を行なえばＪ、い。

上記制御を実行づ−るための一具体構成例を第７図に示
す。同国にＪ３いて、コンバータ１００制御回路の主要
構成として、回転数ゼンリ１ε３にで検出された練（市
４の回転数信号が入力され、上述したごとき予め定めら
れた回転数と出力との関係（パターン）を右した出力指
令（：４　Ｆｊ　Ｐ　　　（図面１（「［ では回転数Ｎの３東カーブを示ず）を出力する回転数−
パワー変換回路１つを右する。そして、この回転数−パ
ワー変換回路１９の出力Ｐ　　と、１（ＥＦ コンバータ１０の出力型ＰＭ、Ｉに比例した出力Ｐとを
比較手段２０にて比較し、その差信号が系の特性を合わ
けるための補償回路２１を介して、もう１つの比較手段
２２に入力される。一方、この比較手段２２には風車４
の回転数信号が周波数−電圧（Ｆ／Ｖ　）変換器２３に
て周波数−電圧変換された信号が人力され、この比較手
段２２による比較出力に基き励磁周波数指令２４を介し
てコンバータ１０が駆動制御されるようになっている。

ここに、コンバータ１０は発電機６を励磁周波数制御す
るが、上述の通り定格回転まで発電機電圧（励磁電圧）
／励磁周波数＝一定の制御を行ない、定格回転以上の範
囲は発′七機電圧（励磁’ｌ（ｆ圧）＝一定とした制御
を行なう。

第８図は上述第７図と同様に、すべり周波数制御を実行
するための風力発電システムの他の具体構成例を示し、
同図において上述と同部材にはｊ３１番号を付している
。誘導発電Ｒ６の回転軸に連結さ°れだパルスジェネレ
ータ１８′の出力がＦ／Ｖ変換器２３に人力され、この
Ｆ／Ｖ変換鼎２３の出力である角速度信号ω、が回転数
−パワー変換回路１つに入力され、この回路１９から指
令値Ｐ、が出力される。−万−、コンバーター０の出力
として蓄電池３に流れる充電電流を電流検出回路２５に
て検出し、この検出値と上記指令値Ｐｒとが比較手段２
０にて比較され、その差信号にｌｊぎずべり周波数ｆ５
制御回路２１′にてすべり角速度信号ω６を４？？で、
これと上記角速度信号ω、とを比較手段２２にて比較し
、角速度制御信号ω１を（ω　−ωＳ）として得る。こ
の角速度制御信号ω１に阜き励磁周波数ｆ１制御回路２
４′を介してコンバーター０ｆＪ（駆動されるようにな
っている。

このように出力ｆｆ１Ｒを検出してコンバーター０を制
６１＋する方式により、コンバーター０の出力゛、１で
圧を最適値に制御することができる。

なお、上記説明では、１！１車の回転数Ｎの３乗に比例
した出力指令によって出力電力を制御して、最大の有効
エネルＡ−−取得を可能とした例を示したが、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
め定められた出力指令によ−）で制御しても、従来のよ
うに定回転数制御を行なう乙のに比し、有効エネルギー
の取得が可能である。なお、このようにした時は、正確
な定周速比制御ではなく、それに近似した制御となる。

また、勅カー電力変換器としては、上記具体例に限られ
ることなく、誘導礪、同期機あるいは直流哉などとイン
バータ、チコツパ、ザイリスタコンバータなどとの組合
せを用いることらできる。

第９図は電流制ｆｌｌｌ　１．：よる最適動作追従方式
による太陽光Ｒ，電システムの一員体構成例を示す。同
図において、ＤＣ，−ＤＣＬＩンバータ２を制御２１１
する制御回路は、太陽電池１の出力を検出する電圧検出
回路３０と、この検出電圧値と電圧設定器３１の予め定
めた最適動作電圧値とを比較する比較手段３２と、蓄−
ｒｔｉ池３の充電電流を検出する電流検出回路３３と、
この検出電流値と−［記比較手段３２の増幅器３４を介
した出力とを比較する比較手段３５と、この比較手段３
５の出力に基きコンバータ２を駆！ＩＪ　ａ＋’ｌ　ｆ
ｉｌする増幅器３６からなる。ががる構成による出力４
流制御ににり太陽電池１の出力はｌｊ２適動作電圧に可
変制御される。なお、第９図において、起動／停止回路
３７ｉま］ンバータ２を起動、停ｔｈせしめるもので、
蓄電池３の電圧を検出し、検出電圧が一定碩以上になっ
たどきコンバータ２の作動を停止して過充電を防止する
。

上記第８３図、第９図の各具体例に示すごとく蓄電池３
もしくは負荷への出力電流を検出して、この検出゛１七
流値が上記最適動作゛占流（直になるように制御するこ
とにより、出力は最適動作電圧値となり、太陽電池と沸
力発電別の両名から同時に効率良くエネルギー取Ｗ１を
７１なうことができることにイにる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、太陽電池と凪カ光電機で
発電される電力を電流制御して各出力が最適動作電圧値
に可なされるしのであるので、双方で発１ｔされる電力
が同時に蓄電池もしくは０倚に給゛Ｉｔされる。したが
って、太陽光、風力の、Ｌネルギーの強弱に関係なく、
各々のエネルギーを同時に°電力として効率良く活用す
ることができ、ハイブリッドな独立型の電源として有効
なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例による基本構成図、第２
図は本発明装置における風力発電機の作用を説明するた
めの風ｌＨにおける周速比に対り′るパワー係数の特性
図、第３図は同様に風車の回転数に対するパワー係数、
出力、トルクの特性図、第４図は本発明装置におけるｊ
微力発電システムの構成図、第５図は同システムの制御
を説明するための制御チャート図、第６図は同システム
の作用を説明するための励磁周波数に対する発′ｆ！ｉ
機の出力、トルクの特性図、第７図は同システムの一具
体例を示づ構成図、第８図は同システムの他の具体例を
示す構成図、第９図は本発明装置における太陽光発電シ
ステムの具体例を示す構成図である。 １・・・太陽電池、２・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、３
・・・蓄電池、８．９・・・風力発電機、１０．１１・
・・ＡＣ−ＤＣコンバータ、１２，１３．１４・・・イ
ンバータ、１５・・・ヒートポンプ（負荷）、１６・・
・循環ポンプ（負１ｍ＞、１７・・・シス云ム制御装置
、１つ・・・回転数−パワー変換回路、２０．２２・・
・比較手段、２１・・・補償回路、２１′・・・ずべり
周波数制御回路、２３・・・周波数−電圧変換器、２４
・・・励磁周波数指令回路、２４′・・・励磁周波数制
御回路、２５・・・電流検出回路、３０・・・電圧検出
回路、３１・・・電圧設定器、３２．３５・・・比較手
段、３３・・・電流検出回路。 特許出願人　　　　　Ａ７マハ発動機株式会社代　理　
人　　　　　弁理士　　　小谷悦司同　　　　　　　弁
理士　　　艮［［１正向　　　　　　　弁理士　　　板
谷康夫第　　２　　図 一側上比丁５尺 第　　７　　図 ４゜ 回台４欠−パワ一償才１目ト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、太陽電池と風力発電機とをハイブリッド電源として
   備えた装置であつて、太陽電池と風力発電機の各出力が
   蓄電池もしくは負荷に接続され、かつ上記太陽電池と風
   力発電機の各出力を電流制御し、太陽電池の出力を最適
   動作電圧に追従させるとともに風力発電機を可変速制御
   させるコンバータを含んだ制御手段を設けたことを特徴
   とする独立電源装置。