JPWO2004047284A1 - 風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、風力発電装置を、風車を回転させるトルクとして抗力又は揚力のいずれが支配的に作用するかによって分類すれば、抗力が主である形状のものを抗力型、揚力が主である形状のものを揚力型、抗力と揚力とが同程度に作用する形状のものを抗力/揚力併用型として分類することができる。例えば、上記のサボニウス型は抗力型に属し、上記のダリウス型、プロペラ型は揚力型に属している。
抗力型の風車は例えば微風といわれる低速の風においても風車が良く回転するから低速の風でも発電できるという利点があるが、大電力を発電しようとすると、その構造上から装置が大型化して経済的でないという不利な点のほうが目立つようになる。
また、抗力型の風車は、低風速でも回転が開始できるようにと羽根面積を大きくすると、強風時には羽根の回転方向から当る風力が減速抵抗となって羽根の面積を大きくした分だけこの減速抵抗が大きく、このため発電効率が低下するという問題を引き起こしてしまう。
これに対し、揚力型の風車は、その構造上、小電力の発電だけでなく大電力の発電にも容易に対応できる利点があるばかりでなく、例えば、ものによっては小型ながら風速12.5m/秒の風で400Wもの電力を発生させることができるという利点を有している。
ところが、揚力型の風車は、発電のために回転を開始する風速である回転開始風速として、高速の風力が必要であるという特性があり、低速の風に対しては回転ができず、発電効率が十分に得られないという問題を有している。
また、揚力型の風車は抗力型の風車と同様に、低風速でも回転が開始できるようにと風向きに対向する羽根仰角度を大きくすると、強風時には抗力が強く働いて風車の回転にたいする抵抗力となって風車の回転効率を低下させる。
ただし、この揚力型風車の問題を解決する方法としては、風車に翼角度の調整機能を設けて、この調整機能により、それまでの翼角度固定型のものよりも低風速の場合でも回転が開始できるようにする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
本発明の第2の課題は、強風時において回転数を抑制しながら発電を維持することができる風力発電装置を提供することである。
本発明の第3の課題は、強風時において回転数を抑制しながら発電を維持することができ且つ蓄電池の充放電電流の変化を最小限に抑えることができる風力発電装置を提供することである。
本発明の第4の課題は、始動補助機能付きの風力発電装置であって低速の風速でも回転開始でき、始動補助機能が小型化に対応していて且つ始動補助回転時の電源電力を可及的に節減できる風力発電装置を提供することである。
本発明の風力発電装置は、風力により順方向に回転する回転翼の回転軸に連動して発電する永久磁石式の発電機と、該発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の別の風力発電装置は、交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続され且つ少なくとも1つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、前記直流−直流変換回路の出力段の電圧が所定値になるように前期スイッチ素子を制御し、且つ、前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−直流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御回路と、該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを有していることを特徴とする。
本発明の更に別の風力発電装置は、交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続され且つ少なくとも1つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、前記直流−直流変換回路に接続された直流−交流変換回路と、前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、前記直流−交流変換回路を制御し且つ前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−交流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記直流−交流変換回路を制御する制御回路と、該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを有していることを特徴とする。
本発明の更に別の風力発電装置は、風車と、前記風車によって回転されるロータを有する交流発電機と、前記交流発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続された電力変換回路と、前記電力変換回路に接続された蓄電池又はコンデンサと、前記風車の回転数を検出するための回転検出器と、前記風車の基準回転数を設定するための基準回転数設定器と、前記回転検出器と前記基準回転数設定器と前記電力変換回路とに接続され、前記回転検出器から得られた検出回転数が前記基準回転数を超えたときに、前記電力変換回路の入力電圧と出力電圧との比を大きくするように前記電力変換回路を制御する制御回路と、
該交流発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記交流電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、からなることを特徴とする。
図2は、本発明の第2の実施形態の風力発電装置を示すブロック図である。
図3〜図6は、本発明の第1及び第2の実施形態の回転数の検出回路について説明する図である。
図7は、本発明の第3の実施形態における始動補助機能を有する風力発電装置の回路ブロック図である。
図8は、風力発電装置における始動補助機能の動作を示すフローチャートである。
図9は、第4の実施形態としてのタイマ装置を独立な回路として自己消費電力をより節減できるようにした風力発電装置の回路ブロック図である。
図10は、風速センサにより始動補助機能の作動開始のタイミングを監視する例を示す回路ブロック図である。
図11〜図13は、停止時の短絡電流による風速測定について説明する図である。
図14は、無電源及び開放故障に対する補助停止回路について説明する図である。
図15は、定格電力制御について説明する図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に従う風力発電電力制御装置を示す図である。
風力発電機1と、整流回路2と、出力電流制御手段及び直流−直流変換手段としてのDC−DCコンバータ3と、インバータ4と、負荷5と、連系保護装置6と、商用電源連系端子7と、充電回路8と、蓄電池9と、回転制御回路10と、上限回転速度設定用固定負荷11と、スイッチ12とを備えている。
風力発電機1は、風車13に結合された永久磁石からなる回転子14と、3相の電機子巻線15を有する固定子とを備えた周知の交流発電機である。なお、この交流発電機は外磁型と内磁型とのいずれであってもよい。
風力発電機1の電機子巻線15に接続された交流−直流変換手段としての整流回路2は周知の3相ブリッジ型整流回路であって、風車13及び回転子14の回転に基づいて電機子巻線15に発生した3相交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路2の出力電圧は、例えば、50V以下の比較的低い値を有する。
整流回路2に接続されたDC−DCコンバータ3は、整流回路2の出力電圧をこれよりも高い電圧(例えば350V)に変換し、且つコンバータ3の出力電圧を一定に制御すると共に、本発明に従って出力電流を制御するように出力電圧を調整するものである。従って、コンバータ3は直流変換の機能のほかに、本発明に従う回転速度制限用の電流制御手段としての機能も有する。
コンバータ3に接続されたインバータ4は、コンバータ3から出力された直流電圧を商用周波数(例えば50Hz)の正弦波交流電圧に変換するものであり、例えば、周知のブリッジ型インバータ、ハーフブリッジ型インバータ等で構成しうる。
インバータ4に接続された負荷5は風力発電システム系内の交流負荷である。インバータ4と商用連系端子7との間に接続された連系保護装置6は商用電源側が停電したときに風力発電システム側を商用側から切り離すためのスイッチや連系に必要な周知の種々の手段を含む。
インバータ4に接続された充電回路8は、インバータ4の出力電圧又は商用連系端子7から供給された電圧を整流して蓄電池9を充電するものである。なお、破線で示すように充電回路8をコンバータ3に接続し、コンバータ3の直流出力電圧で蓄電池9を充電することもできる。蓄電池9が満充電状態にない時には蓄電池9は風量発電システム内の負荷として機能する。蓄電池9の電力を負荷5に供給するために蓄電池9は、この放電手段としてのダイオード16を介してインバータ4の入力端子に接続されている。なお、蓄電池9と負荷5との間に蓄電池出力専用のインバータを接続することもできる。
風力発電機1の回転速度を上限値に抑えるための回転速度制限用負荷11はスイッチ12を介して整流回路2に接続されている。この負荷11はコンバータ3の出力端子又はインバータ4の出力端子又は電機子巻線15の出力端子に接続することもできる。
回転制御回路10は、回転速度検出器17と標準モード信号発生器18と昼夜切り替えモード信号発生器19と制限回転速度信号発生器20と上限回転速度信号発生器21と第1及び第2の比較器22、23とモード選択スイッチS1、S2とからなる。
回転速度検出器17は、電機子巻線15の出力ライン15aに接続され、発電機1の出力交流電圧の周波数を検出し、この周波数に対応した電圧値を有する速度検出信号Vsを出力する。
標準モード信号発生器18は、発電機1の回転速度の制限を標準モードで実行することを示す標準信号M1を発生するものである。ここで、標準モードとは1日中すなわち24時間中同一条件で回転速度の抑制を実行するモードである。
昼夜切り替えモード信号発生器19はタイマ19aを内蔵し、例えば、昼間としての8時〜20時の第1の時間帯を示す例えば高レベル信号と夜間の20時〜8時の第2の時間帯を示す例えば低レベル信号とを含む昼夜切り替えモード信号M2を発生するものである。なお、第1及び第2の時間帯の区別をタイマ19aによって設定する代わりに、光センサ、太陽発電等によって昼夜判定を自動的に行って昼夜切り替えモード信号を作成することもできる。
標準モード信号発生器18は標準モード選択スイッチS1を介して制限回転速度信号発生器20に接続され、昼夜切り替えモード信号発生器19は昼夜切り替えモード選択すS2を介して制限回転速度信号発生器20に接続されている。スイッチS1、S2は択一的にオンになる。なお、スイッチS1、S2を設ける代わりに、標準モード信号発生器18と昼夜切り替えモード信号発生器19とを択一的に動作させ、信号M1、M2を択一的に送出することもできる。
制限回転速度信号発生器20は、指定されたモードに従う制限回転速度に比例した電圧からなる制限回転速度信号Vr1又はVr2を発生する。
第1の比較器22の一方の入力端子は速度検出器17に接続され、他方の入力端子は制限回転速度信号発生器20の出力ライン29に接続されている。ライン29は、第1の基準電圧Vr1又は第2の基準電圧Vr2となるので、速度検出器17から得られた回転速度検出信号Vsが第1又は第2の基準電圧Vr1、Vr2よりも高くなる期間に出力ライン32に高レベルの比較出力が得られ、これがコンバータ3に送られて発電機1の回転速度の上昇の抑制に使用される。
第2の比較器23の一方の入力端子は速度検出器17に接続され、他方の入力端子は上限回転速度信号発生器21に接続されている。上限回転速度信号発生器21は第1の基準電圧Vr1よりも高い第3の基準電圧Vr3からなる上限回転速度信号を発生する。したって、回転速度検出信号Vsが第3の基準電圧Vr3よりも高くなった時に比較器23は高レベル出力をライン33に送出し、スイッチ12をオンに制御する。スイッチ12がオンになると比較的小さい抵抗値の負荷11が整流回路2に接続され、発電機1の出力電流すなわち電機子電流が増大し、電機子反作用による電磁ブレーキ作用によって発電機1の回転速度の上昇が抑制される。この第2の比較器23による制御は、第1の比較器22の出力によるコンバータ3の制御によって発電機1の回転速度が所望値に抑制されないときに生じる。
第1の比較器22の出力による回転速度抑制動作のみで回転速度を所望値に抑えることができず、検出回転速度Vsが第3の基準電圧Vr3よりも高くなると、第2の比較器23の出力によってスイッチ12がオンになり、発電機1の出力電流が増大し、回転速度の上昇が抑制される。従って、本実施形態においては、コンバータ3と補助負荷11との両方によって回転速度の上昇を円滑且つ小刻みに抑制することができる。
第1の実施形態によれば、本発明の第1の課題が解決される。
図2は、本発明の第2の実施形態の風力発電装置のブロック図を示す図である。
図2に示す実施形態の風力発電装置は、風車41と、この風車41によって回転されるロータを有する交流発電機42と、この交流発電機42に接続された整流回路43と、平滑用コンデンサ44と、この平滑用コンデンサ44に接続された電力変換回路45と、この電力変換回路45に接続された蓄電池46と、この蓄電池46に接続された負荷47と、風車41の回転数を検出するための回転数検出器48すなわち速度検出器と、電力変換回路45の入力電圧すなわちコンデンサ44の電圧を検出する入力電圧検出回路49と、制御回路50とからなる。
電力変換回路45は、平滑用コンデンサ44に接続された第1及び第2の直流電源ライン51、52に接続され、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比Vout/Vinを変えることができるように構成されている。なお、この実施形態では蓄電池46が平滑用コンデンサの作用を兼用しているが、平滑用コンデンサを蓄電池46に接続することもできる。
回転数検出器48は風車41すなわち発電機42のロータの回転数すなわち回転速度を周知の方法で検出して回転数検出信号Fdを出力する。
入力電圧検出回路49は電力変換回路45の入力電圧Vinを検出して電圧検出信号Vinを出力する。ここでは説明を容易にするために入力電圧検出回路49の入力電圧と出力電圧との両方をVinで示す。この入力電圧Vinは発電機42の出力電圧に相当する。
制御回路50は、回転数検出器48と電圧検出回路49と電力変換回路45とに接続され、回転数検出器48から得られた検出回転数Fdが基準回転数Frを超えたときに、電力変換回路45の入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比Vout/Vinを大きくするように電力変換回路45を制御する。
更に詳しく説明すると、制御回路50は、風車41の制限回転数に相当する基準回転数Frを設定するための基準回転数設定器53と、回転数検出器48で検出された検出回転数Fdにおいて発電機42から最大電力を得ることができる発電機42の出力電圧を決定する発電機出力電圧決定手段としての電圧決定テーブル54と、検出回転数Fdと基準回転数Frとの差ΔFを求める第1の減算手段としての減算器55と、回転数差ΔFが零以下の時には係数値として1を送出し、回転数差ΔFが零よりも大きいときには1よりも小さい値を係数として送出する係数発生手段としての係数テーブル56と、発電機出力電圧決定テーブル54から得られた決定出力電圧V1に係数テーブル56から得られた係数Kを乗算して補正電圧指令信号V2を形成する乗算手段としての乗算器57と、乗算器57から得られた入力電圧指令信号V2と入力電圧検出回路49から得られた検出電圧Vinとの差ΔVinを求める第2の減算手段としての減算器58と、第2の減算器58と、第2の減算器58から得られる電圧差ΔVinに基づいて入力電圧検出回路49の出力回路49の出力Vinを補正電圧指令信号V2に近づけるように電力変換回路45を制御する信号を形成する制御信号形成回路としての制御演算器59及びパルス発生器60とからなる。なお、基準回転数設定器53を制御回路50の外に設けることができる。
電圧決定テーブル54は、メモリからなり、回転数Fdと最大電力を得る発電機出力電圧V1との関係が格納されている。テーブル54には全ての回転数Fdに対する電圧V1を格納してもよいし、段階的に選択された回転数Fdとその電圧V1とを格納しても良い。検出回転数Fdに対応するデータがテーブル54にないときには検出回転数Fdに近い回転数のデータを使用する。また、テーブル54の代わりに演算式をメモリに格納し、検出回転数Fdを演算式に代入して電圧V1を決定することもできる。
電圧V1は発電機42から最大電力を得ることができる発電機42の出力電圧及び電力変換回路45の入力電圧を示す。
電圧決定テーブル54は、回転数検出器48から得られた検出回転数Fdをアドレス信号として使用し、これに対応する目標電圧V1を示す信号を出力する。強風でないときにはテーブル54から出力される電圧V1が発電機42の目標出力電圧となる。
第1の減算器55は、回転数検出器48から得られた検出回転数Fdから基準回転数Frを減算してFd−Fr=ΔFを求める。ΔFがΔF≦0に対応して係数K=1を格納し、ΔF>0に対応して1よりも小さい係数Kを格納している。第1の減算器55の出力がΔF>0の時は
0<K<1
を満足する係数が選ばれる。この時のKの値を1/ΔFとすることができる。これにより、ΔF>0の時にΔFの値をアドレスとしてΔFの値に対応した係数Kを出力する。メモリに多数のΔFの値と多数の係数Kの値との関係を示すデータを格納する代わりに、ΔFとKとの関係を示す演算式を格納し、この演算式にΔFの値を代入して係数Kを決定することもできる。
乗算器17はテーブル54から出力された電圧V1にテーブル56から出力された係数Kを乗算してKV1=V2を求め、これを出力する。V2は強風時の補正が施された電圧指令信号である。
第2の乗算器58は、Vin−V2=ΔVinの演算を行って入力電圧検出信号Vinと電圧指令信号V2との差を示す信号を出力する。
ΔVinを入力とする制御演算器59は、例えば周知の比例積分回路(PI回路)からなり、ΔVinに対応する通電率信号Donを形成する。要するに、ΔVinを平滑化した信号に相当する通電率信号Donすなわちデューティ指令信号を得る。
スイッチ制御信号形成手段としてのパルス発生器60は、通電率信号Donで指定された幅のパルスを有する制御信号Vgを形成し、電力変換回路45のスイッチQ1のゲートに送る。
第2の実施形態によれば、本発明の第2及び第3の課題が解決される。
従来の技術では、発電機の回転軸に設置された回転数センサなどにより回転信号を検出する方式が多く用いられている。本発明の実施形態では、回転センサを用いないで発電機の出力に含まれる脈流信号から回転数を測定する回路である。これにより、2線式の電力線のみで制御機器側で正確な回転数を計測することができる。
毎分N回転している永久磁石発電機(図3参照)において磁石の極数Pと交流出力周波数Fの関係は、
F=N/60×P(Hz)
となる。
三相の巻線を持つ発電機において全波整流された出力信号は図4のようになる。
例えば、風力発電機を蓄電池に直接接続する場合、発電機の整流出力はバッテリの電圧に固定されるので電圧脈流を検出することは困難である。そこで、図5のように電力線の+端子からバッテリの+端子の間にダイオードを順方向に挿入することにより、風速が弱く発電機の回転数が低い状態つまり発電機の出力尖頭値がバッテリの電圧に達しない状態では発電機の出力電圧V1の脈流から回転数を計測することができる。
風速が強くなり発電機の出力電圧がバッテリの電圧を超え、充電が行われるようになると、出力電圧V1は平坦になり、回転数の計測が困難になる。そこで図5のように電流計測用に微小抵抗Rを挿入して、充電電流の脈流から回転数を計測する。
図6は、微風時の電圧波形の増幅器と弱風時以上の電流波形の増幅器から出力された信号を合成し、前風速域に対して安定に回転数を計測できるようにした合成回路である。すなわち、抵抗Rからくる電流波形と電圧波形V1とをORでオペアンプ100に入れることによって、いずれかを使って回転数の計測ができるようになってる。
図7は、第3の実施形態における始動補助機能を有する風力発電装置の回路ブロック図である。
図7において、風力発電装置90は、三相交流発電機61と、三相全波整流回路62と、切替リレー63と、駆動回路64と、タイマ装置65と、回転数計測装置66とにより構成される。
また、この風力発電装置90によって蓄電される負荷回路70は、バッテリー充電コントローラ71と、バッテリー72と、DC/DCコンバータ73とにより構成される。
三相交流発電機61は、永久磁石から成る回転子61aと、この回転子61aを取り囲む三相の通電巻線61bから成る固定子とを備えている。切替リレー63は、風を受けて回転する風車67により回転子61aが回転することで固定子61bに三相交流の電力を発生させて発電を行う発電モードと、駆動回路64により固定子61bに通電して回転子61aを回転させることにより風車を始動回転させる始動補助モードとの切り替えを行う。
すなわち、発電モードは図中の切替リレー63の連動スイッチが開いた状態に対応し、始動補助モードは同連動スイッチが閉じた状態に対応している。この始動補助モードでは、三相交流発電機61は、駆動回路64からの指示に基づいて始動補助のための間歇回転動作を行う。
三相全波整流回路62は、発電モード、すなわち、三相交流発電機61を発電機として動作させる場合は、所定以上の風速の風を受けて風車67が回転することで回転子61aが回転し、その回転子61aの回転に基づいて通電巻線61bに発生した三相交流電圧を三相全波整流回路62を介して、直流電圧に変換して後段の負荷回路70に供給する。
切替リレー63は、駆動回路64からの指示により、3個の連動スイッチを電圧出力側(発電時)又は電圧入力側(始動補助時)に切り換える。
駆動回路64は、タイマ装置65からの計時タイミング信号により起動し、電動機としての回転子61aの回転方向を、回転子61aの惰力回転中の通電巻線61bから出力される電圧に基づいて判定して正しい回転方向に是正し、始動補助のための本回転を電動機に行わせると共に、タイマ装置65からの他の計時タイミング信号により駆動動作を停止する。ここで、駆動動作は停止するが、風車67は、駆動動作で得られた慣性により、一定時間回転が可能となる。
タイマ装置65は、回転数計測装置66からの通知に基づいて発電モードが始動補助モードに切り替わった時点を基準に電動機を回転駆動する所定の時間を計時する第1の計時手段としての計時機能と、この第1の計時手段としての計時機能が終了した直後からの電動機への駆動動作休止期間を計時する第2の計時手段としての計時機能とを備えている。
なお、上記第1の計時手段としての計時機能によって計時される所定の時間は例えば6秒であり、上記第2の計時手段としての計時機能により計時される所定の回転駆動動作休止期間は例えば54秒である。いずれの計時時間データも予めタイマ装置にハード的に又はソフト的に設定されている。また、上記の回転駆動動作休止期間中は全体の駆動モードは常に発電モード(連動スイッチが発電時の接点方向に切り替わっている状態)に切り替わるようになっている。
回転数計測装置66は、発電モードにおいて三相交流発電機61が発電しているときに、通電巻線61bから出力され、三相全波整流回路62によって整流された電圧Vmを参照することによって回転子61aの回転数Nを監視し、その回転数Nが所定の回転数Naよりも低下したとき、タイマ装置65に対し、駆動モードが発電モードから始動補助モードに切り替わったことを通知する。
また、回転数計測装置66は、始動補助モードにおいて電動機としての三相交流発電機61の回転子61aの回転数Nを監視し、その回転数Nが所定の回転数Nbよりも上昇したとき、タイマ装置65に対し、駆動モードが始動補助モードから発電モードに切り替わったことを通知する。
上記所定の回転数Naは、例えば100rpmであり、このNa=100rpmの回転数に対応する三相全波整流回路62からの電圧Vm(=Vma)は、例えば2Vである。この電圧Vma=2Vの値は、回転数検出のためのしきい値として予め回転数計測装置66にハード的に又はソフト的に設定されている。
また、上記所定の回転数Nbは、例えば200rpmである。なお、この回転数は、始動補助モードで回転している風車が、発電に十分耐えうる風圧を受けて、電動機による回転力以上に回転していることを示す回転数である。
三相全波整流回路62の後段に設けられている負荷回路70のバッテリ充電コントローラ71は、バッテリー72の充電状況を監視し、三相全波整流回路62から供給される直流電圧をその充電状況に応じてバッテリー72に供給するかしないかを決定する。
また、負荷回路20のDC/DCコンバータ73は、バッテリー72の電圧を取り出して、最適な電圧に変換した電圧を、駆動回路64、タイマ装置65、及び回転数計測装置66に供給する。始動補助モードのとき、三相交流発電機61に対し電動機として駆動させるための電力は、駆動回路64への電圧供給によって行われる。
図8は、上記構成の始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置における始動補助機能の動作を示すフローチャートである。なお、この処理は、図7の駆動回路64、タイマ装置65、回転数計測装置66、バッテリ充電コントローラ71の諸装置に組み込まれている論理回路、または不図示のCPU及びこのCPUに内蔵のメモリに格納された処理プログラムによって処理される。
図8において、先ず、回転数計測装置66により、風車の回転数、すなわち回転子61aの回転数Nが所定の回転数Naよりも下回っているか否かが判別される(ステップS1)。
そして、回転子61aの回転数Nが所定の回転数Na以上の回転数であれば(S1がN)、そのまま回転子61aの回転数Nの監視を継続する。
これにより、発電モードで三相交流発電機61が発電回転中であれば、発電が継続される。また、始動補助モードで電動機としての回転子61aが間歇回転の駆動動作休止期間中であり、発電モードに切り替わって惰力回転中であれば、その惰力回転が継続される。
他方、ステップS1の判別で、回転子61aの回転数Nが所定の回転数Naを下回っていれば(S1がY)、その場合は、始動補助モードに切り替わる(ステップS2)。すなわち、回転数計測装置66からの通知により、タイマ装置65が起動し、タイマ装置65からのタイミング信号によって駆動回路64が動作を開始する。
続いて、駆動回路64により、上記始動補助モードで電動機となった三相交流発電機61の通電巻線61bに1周期分の三相交流電圧が印加され、それ以後の電圧印加が直ちに遮断され、回転子61aの今の1周期分の駆動による惰力回転の回転方向が参照され、発電方向への回転である正方向の回転であるか、その逆方向の回転であるかが判別される(ステップS3)。
そして正方向の回転であれば(S3がY)、電動機として三相交流発電機61の通電巻線61bへの電圧印加が再開継続されて、タイマ装置65による第1の計時手段(以下、運転タイマという)としての計時、例えば6秒の計時が開始され、その計時期間が終了したか否かが判別される(ステップS5)。
他方、ステップS3において検出された回転方向が逆回転方向であれば、通電巻線61bへの通電タイミングを変更して、反転始動(正回転方向への始動)を行った後(ステップS4)、上記ステップS5の処理に移行する。
ステップS5の判別処理において、運転タイマの計時期間が未だ終了していないときは(S5がN)、続いて、回転子61aの回転数Nが、所定の回転数Nbよりも低いか否かが判別される(ステップS6)。
そして、回転子61aの回転数Nが所定の回転数Nbよりも低いときは(S6がN)、ステップS5に戻って運転タイマの計時期間が終了かの判別を繰り返す。これにより、運転タイマが計時期間中であり且つ回転子61aの回転数Nが所定の回転数Nbよりも低いときは、ステップS3又はS4において開始されている電動機への回転駆動が継続され、回転子61aすなわち風車の始動補助回転が加速される。
そして、ステップS5において、運転タイマの計時期間が終了したときは(S5がY)、タイマ装置65による第2の計時手段(以下、待機タイマという)としての計時が開始され、その計時期間が終了したか否かが判別され(ステップS7)、計時期間が終了するまで待機状態に設定される(S7がN)
これにより、回転子61aの回転数Nが所定の回転数Nbよりも低く且つ運転タイマの計時期間が終了したときは、いつまでも始動補助の回転駆動を行うことなく、待機タイマに予め設定されている所定期間、例えば54秒の待機期間が設定され、その所定の期間(54秒)、風力のないときにおける無用な始動補助の回転駆動を停止させることができる。
また、これにより、待機タイマ計時期間が54秒であるのに対し、運転タイマの計時期間が6秒であるとすると、全体では1/10の駆動期間となり、発電開始状態になるまで始動補助の回転駆動を継続する場合に比較して9/10の節電効果を発揮することができる。
上記の待機期間が終了すると(S7がY)、再びステップS1に戻って、上述したステップS1〜S7の処理が繰り返される。
これにより、ステップS6による判別で、回転子61aの回転が、風力により発電を継続するに可能な回転数Nb以上となるまでは、1分に1回、6秒間の始動補助の回転駆動が行われる。
そして、ステップS6による判別で回転子61aの回転が回転数Nb以上となったときは(S6がY)、回転数計測装置66からタイマ装置65を介して行われる通知により、駆動回路64による始動補助の回転駆動動作が停止される。すなわち、駆動モードが発電モードに切り換えられる。
この切り替わりに伴って、バッテリー充電コントローラ71に制御が引き継がれ、バッテリー充電コントローラ71によって発電電力を充電するか否かが判別される(ステップS8)。
この処理では、バッテリ72への充電が十分であり充電が不要であるか又は充電を繰り返すうちに風速が落ちて充電に十分な電力が三相交流発電機から得られないか、すなわちが充電可能な状態であるか否かが判別される。
そして、充電可能な状態であると判別されたときは(S8がY)、バッテリ72への充電が行われ(ステップS9)、ステップS8及びS9の処理が繰り返される。これにより、三相交流発電機11からのバッテリ72への充電が継続される。
上記ステップS8の判別で、充電可能な状態でなくなったときは(S8がN)、前述したステップS7の処理に移行する。これにより、風速が落ちて充電に十分な電力が三相交流発電機から得られないときは、ステップS1〜S7の始動補助作動モードに移行する、または、風速が発電に十分であり且つバッテリ72への充電が十分であるときは、バッテリ充電コントローラ71が、風車67に対して発電ができないように自動制御する。
このように本発明によれば、例えば1分間に1回という短い時間間隔で始動補助機能による始動補助回転を行うので、発電回転が可能な弱風時での回転を誘発して発電効率の低下を大きく改善できるとともに、低風速時に生じる大きい風速変化に対しても即応して回転できるため発電の機会を失うことなく発電効率を上昇させることができる。
図9は、第4の実施形態としてのタイマ装置を独立な回路として自己消費電力をより節減できるようにした水平軸風力発電装置の回路ブロック図である。図7に示した例では、タイマ装置65は常時DC/DCコンバータ73から電力の供給を受けているが、図9に示す例では、タイマ装置65は、常時バッテリ72により電力の供給を受けて動作し、回転数計測装置66の条件判定とともにDC/DCコンバータ73に電力の供給依頼信号を発信して駆動回路64へ電力の供給を行うようにしている。これにより、始動補助機能が起動するとき以外はDC/DCコンバータ73を休止させることができ、全体としての消費電力を節減できるようになる。
尚、以上の説明では、発電モードと始動補助モードとの切り替えを、切替リレー13による連動スイッチの切り替えで行っているが、このようにリレーを用いると限ることなく、例えばフォトカプラ又はFETなどの半導体素子によって切り替えスイッチ部を構成するようにしてもよい。
また、運転タイマ、又は待機タイマに設定される計時期間は、上述の例のように駆動6秒、休止54秒というように設定時間を固定すると限るものではなく、更に相互の関係を1/10に固定すると限るものでもない。例えば、1日の時間帯、季節、地域などに応じて適宜に設定してよい。
また、図8の起動補助機能の作動設定については特に説明していないが、上記の例えば1分に1回の起動補助回転を行う起動補助機能の作動設定を常時作動するように設定したのでは、全くの無風状態が長期に続いてたときなどには起動補助機能用の電力が無用に消費されてしまうことになる。
そこで、手動操作用のスイッチ又は遠隔操作で動作するスイッチを設けて、このスイッチにより、起動補助機能の作動設定を「設定」と「解除」のいずれかに切り替えることができるようにしてもよい。
さらに、電源供給を受けるバッテリ電圧が、ある一定値以下になったことを検出し、DC/DCコンバータ73への電力供給を自動停止する回路を加えても良い。
また、例えば、風速センサ等の風速感知装置、又は垂直軸椀形羽根型風車等からなる風速測定装置を設けて風速を計測し、所定以上の風が吹きだしたときに起動補助機能の作動スイッチが入るように構成してもよい。この場合、風速測定装置は微風を感知して動作する程度の小型のものであることが望ましい。
図10は、そのような風速センサにより始動補助機能の作動開始のタイミングを監視する例を示す図である。同図に示すように、始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置90には、その近傍に、それとは別体の風速検知装置80が配置されている。
風速検知装置80は、風速センサ81と風速判定部82を備えている。風速判定部82には、予め始動補助機能の作動を開始させるのに適した風速値が予めハード的又はソフト的に設定されている。風速判定部82は、風速センサ81により計測されて入力される風速値を、上記の予め設定されている風速値と比較し、入力風速値が設定風速値を越えたとき、タイマ装置65に、始動補助機能の作動タイミングとなったことを通知する。
これにより、図8のステップS7の待機タイマの計時が開始され、その以降のステップS1〜S9の処理、すなわち始動補助機能が作動開始する。このようにすれば、無風時に、無用の始動補助機能の作動で電力を浪費することを自動的に回避することができる。
以上説明してきたように、本発明の始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置によれば、通常の揚力型水平軸風力発電機では回転できない低風速でも始動補助機能によって始動補助回転させるので、この補助回転の惰力により通常の揚力型水平軸風力発電機では回転開始できない低風速でも本回転を開始することができ、これにより、発電効率の良い始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
また、発電機と始動補助の電動機とを兼用しているので、始動補助動力付きの風力発電機でありながら小型化でき、これにより、安価な始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
また、始動補助回転として駆動動作休止期間の長い間歇回転を行わせているので、始動補助回転に使用される電力を可及的に低く抑えることができ、これにより、始動補助動力付きの風力発電機でありながら自己消費電力の低減された始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
また、風速を監視しながら適宜の風が発生したときのみ始動補助機能を作動させるので、始動補助回転のための自己消費電力がより一層低減された始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
第3及び第4の実施形態によれば、本発明の第4の課題が解決される。
なお、上記第1〜4の実施形態は、それぞれ別個に説明したが、これらを組み合わせてそれぞれの長所を有する風力発電装置を構成することも可能である。この場合、それぞれの実施形態の長所を有する風力発電装置となるので、より優れた風力発電装置を構成することが可能となる。以下に説明する事項についても同様である。
通常、風力発電では、運転限界風速以上では風車を停止または減速して制御不能で危険な高速回転となることを防止している。その方式にはブレードのピッチ制御やディスクブレーキ、ファーリングなどの機構的制動があるが、揚力型固定ピッチ水平軸風車においては、発電機の出力を短絡して電磁的に制動することが可能である。危険回避のための自動停止を判定するには風速、回転数、発電電力などの値を単独または複数計測する方法がある(図11参照)。
図11においては、充電制御回路から発電電力を判定する発電力判定部と、回転数判定部と風速判定部がそれぞれ測定を行っており、その結果充電を行うか否かのスイッチングをするようになっている。
揚力型固定ピッチ水平軸風車においては、発電機の出力を短絡して電磁的に制動する場合、ブレードは完全に停止せず、風向に正対し、ゆっくりと回転を継続する。言い換えれば、回転によって生ずる電力を短絡回路で消費する原理によるものである。停止時の低速回転状態では、揚力による回転トルクは殆ど得られず、抗力による回転トルクが主流となる。つまり、プロペラ型風速計と同様な原理となり、風速と回転数はほぼ比例する。同時に短絡電流も風速にほぼ比例する。
自動停止開始からタイマーにて所定時間停止状態を継続するが、風速測定機能を持たないシステムにおいて復帰時に運転開始可能な風速範囲にあるか否かの判定を、この短絡電流を測定(図12参照:停止時の短絡電流判定回路であり、短絡スイッチによって短絡された結果流れる短絡電流を測定可能としている)することにより可能となる。安全に運転可能な上限風速における短絡電流値を閾値とし、その閾値未満であれば運転を復帰し、閾値以上であれば更に停止状態を所定時間継続する(図13参照)。
バッテリの蓄電容量が正常状態で充電制御回路も電源が供給されている場合には、高速回転となる前に風車を停止することが可能である。本実施形態ではバッテリの容量不足や断線、制御回路の故障などにより、停止制御が不能となったときに補助的に風力発電機入力を短絡する回路である。
停止が必要と判定する要素は、バッテリ電圧の低下と発電機出力電圧の上昇である。
図14の回路は風力発電機入力短絡用NチャネルFETとシュミットトリガーインバータ、6V電池から構成されている。バッテリの電圧が所定値より低下したこと,または、風力発電機が開放状態となり入力電圧が所定値を超えたことによりFETゲートに直流電位を与え、短絡する。この回路は正常なシステム状態となると短絡状態から開放状態に自動復帰する。シュミットトリガーインバータはCMOS構造のため、またFETのゲート回路は絶縁されているために小電池からはほとんど電力を消費せず、長時間電池交換せずに動作可能である。
風速の変動に対して、最大電力点となるように入力電圧指令する電力変換方式は公知である。現状の技術では入力電圧を微小変動して発電電力が最大値になるまで入力電圧を変更する方法が採用されているが、現在の電力瞬時値を求めフィードバックするのみとなっている。
本実施形態では、風速が増加か減少を過去の変動経過を最大電力点の変動経過として記憶した上で、予測して入力電圧指令値を決定し制御を行うものである。風速変動に対して応答の高速化が図れ、効率向上ができる。
過去数秒間の風速が増加傾向であれば最大電力点も増加傾向となる。この電力増加量の傾斜により、未来数秒間後の電力量を予測して入力電圧の指令値を決定する。風速が増加時であれば、入力電圧の指令値を最大電力点の電圧値より高く決定する。これにより、風車の負荷は一旦軽減された状態となり、回転数の上昇速度が速くなり風速増加に早く追従することが可能となる。また、風速減少時は逆の動作を行う。
図15は、定格電力制御について説明する図である。
なお、設定された上限回転数にて運転中、風速が増加して定格電力値を超えた場合、停止せずに上限回転数を下げる指令、つまり入力指令電圧を設定回転数との差異ではなく、定格電力(の90%)の超過分差異についての制御に切り替えて、定格電力を超過しないように制御することが可能である。
実際には、図15に示されるように、定格電力を超過してからではなく、定格電力より10%程度少ない電力から制御を切り替えるようにする。
Claims (18)
- 風力により順方向に回転する回転翼の回転軸に連動して発電する永久磁石式の発電機と、
該発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、
該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、
を備えたことを特徴とする始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。 - 前記始動補助手段は、前記始動補助回転を実施するための電源として蓄電池、太陽電池、又は補助的風力発電機を備えていることを特徴とする請求項1記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 前記始動補助手段による前記始動補助回転を実施させる時期を決定する始動補助回転時期決定手段、を更に備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 前記始動補助開始時期決定手段は、風速計測手段及び第1の計時手段を有し、前記風速計測手段により計測された風速が所定の風速以下であるとき、前記第1の計時手段による計時期間中だけ前記始動補助手段を動作させることを特徴とする請求項3記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 前記始動補助開始時期決定手段は、第2の計時手段を更に有し、前記第1の計時手段による計時期間が終了した後に前記第2の計時手段による計時を開始させ、該第2の計時手段による計時期間が終了したとき前記風速計測手段による風速の計測を開始させる、ことを特徴とする請求項4記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 前記第1の計時手段による計時期間は、前記第2の計時手段による計時期間よりも短い、ことを特徴とする請求項5記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 更に、風速が弱いときには、発電機からの出力電圧の脈流を用いて、風速が強いときには、充電電流の脈流を用いて、風車の回転数を計測することを特徴とする請求項1に記載の翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置。
- 風力により順方向に回転する回転翼の回転軸の回転に連動して発電する永久磁石式の発電機、該発電機を電動機と発電機に切り替えるスイッチ装置、風速計測装置、第1の計時手段、及び該第1の計時手段による計時期間よりも長い計時期間を有する第2の計時手段を備えて、翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を発電動作させる方法であって、
前記風速計測装置により所定以下の風速が検知されたとき始動補助機能を作動させる工程と、
前記第1の計時手段による計時期間中だけ前記始動補助機能の動作を継続させる始動補助駆動工程と、
前記第2の計時手段による計時期間中だけ前記始動補助機能の動作を停止させると共に前記スイッチ装置により前記電動機を前記発電機に切り替える発電可能復帰工程と、
前記始動補助駆動工程と前記発電可能復帰工程とを繰り返す繰返工程と、
該繰返工程中に前記発電機の巻線固定子からの出力電圧が所定以上の電圧であるかを監視する電圧監視工程と、
該電圧監視工程により所定以上の電圧が検出されたとき前記発電機の出力電圧によりバッテリを充電させる充電工程と、
を含むことを特徴とする翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を発電動作させる方法。 - 交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、
前記整流回路に接続され且つ少なくとも1つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、
前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、
前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、
前記直流−直流変換回路の出力段の電圧が所定値になるように前期スイッチ素子を制御し、且つ、前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−直流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御回路と、
該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、
該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、
を有していることを特徴とする風力発電装置。 - 交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、
前記整流回路に接続され且つ少なくとも1つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、
前記直流−直流変換回路に接続された直流−交流変換回路と、
前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、
前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、
前記直流−交流変換回路を制御し且つ前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−交流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記直流−交流変換回路を制御する制御回路と、
該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、
該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、
を有していることを特徴とする風力発電装置。 - 前記制限回転速度信号発生手段は、昼間時間帯に第1の回転制御速度を示す信号を発生し、夜間時間帯に前記第1の回転制限速度よりも低い第2の制限回転速度を示す信号を発生するものである請求項9又は10に記載の風力発電装置。
- 風車と、
前記風車によって回転されるロータを有する交流発電機と、
前記交流発電機に接続された整流回路と、
前記整流回路に接続された電力変換回路と、
前記電力変換回路に接続された蓄電池又はコンデンサと、
前記風車の回転数を検出するための回転検出器と、
前記風車の基準回転数を設定するための基準回転数設定器と、
前記回転検出器と前記基準回転数設定器と前期電力変換回路とに接続され、前記回転検出器から得られた検出回転数が前記基準回転数を超えたときに、前記電力変換回路の入力電圧と出力電圧との比を大きくするように前記電力変換回路を制御する制御回路と、
該交流発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、
該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記交流電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、
からなる風力発電装置。 - 更に、前記電力変換回路の入力電圧を検出する入力電圧検出回路を有し、
前記制御回路は、
前記発電機の出力電圧を決定する発電機出力電圧決定手段と、
前記検出回転数と前記基準回転数との差を求める第1の減算手段と、
前記差が零以下の時には係数値として1を送出し、前記差が零よりも大きい時には1より小さい値の係数を送出する係数発生手段と、
前記発電機出力電圧決定手段から得られた決定出力電圧に前記係数発生手段から得られた係数を乗算して補正電圧指令信号を形成する乗算手段と、
前記乗算手段の出力と前記入力電圧検出回路の出力との差を求める第2の減算手段と、
前記第2の減算手段の出力に基づいて前記入力電圧検出回路の出力を前記補正電圧指令信号に近づけるように前記電力変換回路を制御する信号を形成する制御信号形成回路と
からなることを特徴とする請求項12に記載の風力発電装置。 - 揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
運転限界風速以上の風が吹いている場合に、発電機の出力を短絡し、風車のブレードをゆっくりと回転させつづける短絡手段
を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。 - 前記短絡手段によって生じる短絡電流を所定の閾値と比較することによって風車の運転を再開するか否かを反転する判定手段を更に備えることを特徴とする請求項14に記載の揚力型固定ピッチ水平軸風車。
- 揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
バッテリの電圧の低下あるいは発電機出力電圧の上昇により必要となる風車の停止制御が不能となっている場合、風力発電機の入力を短絡する短絡手段、
を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。 - 揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
過去の風速の変動傾向に関する情報を格納する格納手段と、
該格納手段に格納されている情報に基づいて、以後の風速の予測を行い、風車の回転が風速の変動に高速に追従するように制御する制御手段を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。 - 揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
設定された上限回転数で運転中に風速が増加して充電用の電力が定格電力値を超えた場合、風車の上限回転数を下げることにより、該定格電力を超過しないようにすることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。
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