WO2006095471A1 - 風力発電装置 - Google Patents

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WO2006095471A1
WO2006095471A1 PCT/JP2005/021793 JP2005021793W WO2006095471A1 WO 2006095471 A1 WO2006095471 A1 WO 2006095471A1 JP 2005021793 W JP2005021793 W JP 2005021793W WO 2006095471 A1 WO2006095471 A1 WO 2006095471A1
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signal
control signal
unit
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PCT/JP2005/021793
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French (fr)
Inventor
Hitoshi Uchiyama
Kazunori Nagase
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Neic-Japan Corporation
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/388—Islanding, i.e. disconnection of local power supply from the network
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine generator that supplies power generated by a windmill to a system power supply.
  • a wind power generator is an apparatus that generates power by installing a windmill at a point where the wind blows well and rotating a generator with the rotational force. Since this wind turbine generator is a very good generator as an environmental measure, it has been developed and increased rapidly to date, and technological advances and improvements have been made.
  • the wind turbine generator 50 uses a wind flow to rotate a windmill and generate electric power using the wind power, and a monitor that monitors power supplied from the wind generator 51.
  • Device 52 storage battery 53 for storing power supplied from wind power generator 51 via monitoring device 52, charge controller 54 for controlling storage battery 53 so as not to be overcharged, and converting DC voltage to AC voltage Innota 55.
  • the monitoring device 52 includes an ammeter for monitoring the amount of electric power supplied from the wind power generator 51 and a brake switch for applying an electromagnetic brake to the wind power generator 51.
  • the monitoring device 52 can apply an electromagnetic brake by short-circuiting the electric power supplied from the wind power generator 51. This corresponds to applying an infinite addition to the wind power generator 51 in theory.
  • the capacity of the storage battery 53 is determined according to the rated output wattage of the wind power generator 51. For example, when the rated output of the wind power generator 51 is 100 W, a storage battery 53 of about lOOAh is used.
  • the charge controller 54 has a throwing load 56 such as a dummy load.
  • the charge controller 54 is designed so that the connection between the wind power generator 51 and the storage battery 53 is not disconnected (opened) in order to control the charging voltage stored in the storage battery 53. This is because if the wind power generator 51 and the storage battery 53 are disconnected, the wind power generator 51 enters a no-load state (free spin), and the wind power generator 51 itself is damaged by over-rotation. Therefore, it is necessary to keep the wind power generator 51 in a loaded state at all times. Therefore, the charge controller 54 has a structure in which when excessive power is generated, it is thrown away by a dummy load.
  • the storage battery 53 is a DC power supply
  • the inverter 55 converts the DC power supply into an AC power supply. Note that the inverter 55 is not required when a DC device is used as the load.
  • the wind power generator 50 described above is configured not to be connected to electricity (system power supply) sent from the power plant, and is an independent power supply by the storage battery 53. Therefore, it is necessary to balance the load capacity, type, usage (time), etc. with the output capacity of the wind turbine. In addition, since the number of parts is large, the apparatus becomes large and expensive, and replacement of the storage battery 53 also occurs.
  • An object of the present invention is to provide a wind power generator that eliminates the need for a storage battery and directly supplies power generated by a wind power generator to a system power source.
  • a wind power generator includes a wind power generation unit that generates electric power with power obtained by rotation of a windmill, a voltage conversion unit that converts electric power generated by the wind power generation unit into an AC voltage, and a voltage conversion unit A signal connected to the power supply side and a signal that generates the first signal and supplies the generated first signal to the voltage converter when the power generated by the wind power generator is greater than or equal to the first arbitrary value
  • the AC voltage generated by the supply unit and the system power supply and the frequency caused by the AC voltage are detected and converted to the detected AC voltage and frequency by the voltage conversion unit.
  • a synchronization unit that generates an AC voltage and a synchronization control signal for synchronizing the frequency caused by the AC voltage, and supplies the generated synchronization control signal to the voltage conversion unit.
  • a phase control signal generation unit that generates a phase control signal that controls the phase
  • a connection control unit that controls the connection unit to a connected state or a non-connected state based on the AC voltage converted by the voltage converter unit.
  • the signal supply unit modulates the generated first signal based on the phase signal generated by the phase control signal generation unit, supplies the modulated first signal to the voltage conversion unit, and converts the voltage
  • the unit converts the electric power generated by the wind power generation unit into an AC voltage based on the first signal supplied from the signal supply unit.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a wind turbine generator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a voltage conversion unit provided in the wind turbine generator shown in FIG.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are schematic views showing a configuration example of a plug of a connecting portion provided in the wind turbine generator shown in FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a gate signal supply unit provided in the wind turbine generator shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the phase control signal generation unit.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a conventional wind turbine generator.
  • the wind turbine generator 1 uses a wind flow to rotate a windmill and generate electric power P by using the wind power, and an electric power P generated by the wind power generator 10 is exchanged.
  • a smoothing circuit (filter) unit 11 that removes current components, a voltage conversion unit 12 that converts the smoothed power into an AC voltage E2, a connection unit 13 that connects the voltage conversion unit 12 to the system power supply side, and wind power generation
  • the power generated by the unit 10 is equal to or higher than the first arbitrary voltage value (hereinafter referred to as voltage Es)
  • the first signal (gate signal S1) is generated, and the generated gate signal S1 is converted into the voltage conversion unit 12.
  • the gate signal supply unit 14 that supplies power, the AC voltage E1 generated by the system power supply, and the AC Synchronous control to detect frequency Fl caused by voltage El and synchronize detected AC voltage E1 and frequency F1 with AC voltage E2 converted by voltage converter 12 and frequency F2 caused by AC voltage E2.
  • a synchronization control unit 15 that generates the signal S2 and supplies the generated synchronization control signal S2 to the voltage conversion unit 12, and a phase control signal that controls the phase based on the power P generated by the wind power generation unit 10.
  • a phase control signal generation unit 16 that generates S3 and a connection control unit 17 that controls the connection unit 13 to a connected state (ON) or a non-connected state (OFF) based on the AC voltage E2 converted by the voltage converter 12 With.
  • the wind turbine generator 1 also includes a sensing unit 18 that senses an abnormality in the AC voltage E1 generated by the system power supply. When the sensing unit 18 senses an abnormality in the AC voltage E1, the sensing unit 18 controls the connection unit 13 to be in a disconnected state.
  • the wind power generator 1 is generated by the wind power generation unit 10 by the ground determination unit 20 that determines whether or not the electric power generated by the wind power generation unit 10 has reached the second arbitrary voltage value, and the ground determination unit 20.
  • a grounding unit 21 for grounding the electric power generated by the wind power generation unit 10 is provided.
  • a wind turbine having a rated voltage of 24V and an output power of 0V to 30V is used.
  • the ground determination unit 20 and the grounding unit 21 constitute a circuit unit for preventing over-rotation of the wind turbine, and when the wind turbine of the wind power generation unit 10 is over-rotated by strong wind, Prevent the device from being destroyed.
  • the system power supply is controlled so that the voltage and frequency are constant, but it is actually known that the voltage value and frequency fluctuate with time. Therefore, it is necessary to appropriately change the power (voltage and frequency) supplied from the wind turbine generator 1 to the system power supply according to changes on the system power supply side. Therefore, in the present invention, the synchronization unit 15 is provided to match the voltage and frequency output from the wind turbine generator 1 with the power (voltage and frequency) on the system power supply side that fluctuates over time.
  • the wind power generation unit 10 uses the wind flow to rotate the windmill, the generated power fluctuates according to the fluctuation of the wind power. This makes it impossible to stably supply power to the system power supply side, so the gate signal supply unit 14 and the phase control signal generation are performed in order to stabilize the output of the voltage converter 12 and supply power to the system power supply side. Part 16 is provided. Less than Below, operation
  • the voltage conversion unit 12 receives the DC voltage smoothed by the filter unit 11, receives the DC-DC converter 22 that boosts the DC voltage to an arbitrary DC voltage, and the DC voltage boosted by the DC DC converter. It consists of a DC-AC converter 23 that converts it to an arbitrary AC voltage.
  • the DC-DC converter 22 boosts the smoothed DC voltage to a DC voltage of 100 V based on a gate signal S1 supplied from a gate signal supply unit 14 to be described later in detail, and then increases the DC voltage after the boost. Is supplied to the DC—AC converter 23.
  • the DC—AC converter 23 converts the 100V DC voltage supplied from the DC—DC converter 22 into a 100V AC voltage.
  • the AC voltage E2 converted by the voltage conversion unit 12 and output to the connection unit 13 is shifted in phase based on the gate signal S1 supplied from the gate signal supply unit 14, and the synchronization unit 15
  • the voltage value and the frequency are appropriately modulated based on the control signal supplied from.
  • the connection unit 13 includes a switch unit 24 that is controlled by the connection control unit 17 to be in a connected state (ON) or a non-connected state (OFF), and when the switch unit 24 is in a connected state (ON).
  • a plug unit 25 is provided for supplying the AC voltage E 2 converted by the voltage conversion unit 12 to the system power supply side.
  • the plug part of the general-purpose shape has a bare metal part of the terminal, which may cause an electric shock to the user. Therefore, as shown in FIG.
  • the plug portion 25 has a shape in which the terminal portion is covered with a cover 25a so as not to cause an electric shock to the user.
  • the cover 25a covering the terminal portion is fixed by, for example, an elastic member 25b such as a spring from the inside of the plug, and when plugged into the outlet, it is pulled into (indented into) the plug, and the terminal portion is plugged into the outlet.
  • the structure is made to contact with. With such a structure, the terminal part of the plug part 25 is protected by the cover 25a and is exposed only when in use (when connected to an outlet). Furthermore, since the cover 25a has a structure of a spring or the like, safety can be ensured without the terminal portion being exposed even if the cover 25a is coming off from the outlet.
  • Figure 3A shows the The plug portion 25 is shown before being inserted into the socket
  • FIG. 3B shows the plug portion 25 after being inserted into the outlet.
  • the connection control unit 13 also includes the case where the gate signal S1 is not supplied from the gate signal supply unit 14 and is not converted into an AC voltage (including the case where no power is supplied from the wind power generation unit 10 due to no wind).
  • the switch unit 20 is controlled so as to be in a disconnected state (OFF).
  • the configuration of the gate signal output unit 14 will be described in detail. As shown in FIG. 4, the gate signal output unit 14 measures the smoothed voltage (direct current) supplied from the wind power generation unit 10 and determines whether the measured voltage has reached the voltage Es.
  • a carrier frequency generating unit 31 that generates a carrier frequency
  • a reference frequency generating unit 32 that generates a reference frequency controlled by the phase control signal generating unit 16
  • a carrier frequency generated by the carrier frequency generating unit 31 An output unit that generates a pulse width modulation (PWM) signal based on the reference frequency generated by the reference frequency generator 32 and outputs the PWM signal to the voltage converter 12 as the gate signal S1 according to the determination of the determination unit 30.
  • PWM pulse width modulation
  • the determination unit 30 sets the voltage Es to 12V and determines whether the smoothed voltage supplied from the wind power generation unit 10 has reached 12V.
  • the determination unit 30 supplies a predetermined signal to the output unit 33.
  • the output unit 33 supplies the gate signal S1 to the voltage conversion unit 12.
  • the voltage conversion unit 12 converts the smoothed voltage supplied from the wind power generation unit 10 into an AC voltage and outputs it to the system power supply. Note that when the smoothed voltage E supplied from the wind power generation unit 10 does not reach the voltage Es, the gate signal S1 is not supplied from the output unit 33 to the voltage conversion unit 12. No power is supplied to the power supply.
  • the carrier frequency generation unit 31 generates a carrier frequency of 15 kHz, for example, and supplies the generated carrier frequency to the output unit 33.
  • the reference frequency generation unit 32 generates a reference frequency of 50 Hz or 60 Hz, and supplies the generated reference frequency to the output unit 33.
  • the reference frequency generation unit 32 which will be described in detail later, is based on the control signal supplied from the output command unit 15 and the phase of the reference frequency. And the shifted reference frequency is supplied to the output unit 33.
  • the output unit 33 generates a PWM signal whose pulse width is appropriately modulated based on the carrier frequency supplied from the carrier frequency generation unit 31 and the reference frequency supplied from the reference frequency generation unit 32, and generates the generated PWM signal. Is supplied to the voltage converter 12 as the gate signal S1. The output unit 33 modulates the pulse width to be modulated according to the phase of the reference frequency supplied from the reference frequency generation unit 32.
  • the synchronizing unit 15 detects the AC voltage E2 output from the voltage converter 12 in the point A force in FIG. 1, and detects the AC voltage E1 on the system power source side from the point B in FIG.
  • the synchronization matching unit 15 is caused by the AC voltage E2 output from the voltage conversion unit 12 and the AC voltage E2 based on the AC voltage E1 detected from the system power supply side and the frequency F1 caused by the AC voltage E1.
  • a synchronization control signal S2 for synchronizing the frequency F2 is generated and supplied to the voltage converter 12.
  • the voltage conversion unit 12 modulates the AC voltage based on the synchronization control signal S2 supplied from the synchronization unit 15, and outputs the modulated AC voltage. In this way, the wind turbine generator 1 can match the AC voltage E2 and frequency F2 supplied to the system power supply with the AC voltage E1 and frequency F1 on the system power supply side.
  • phase control signal generator 16 measures the smoothed power generated by the wind power generator 10 and advances the phase angle of the AC voltage E2 output from the voltage converter 12 by a predetermined amount based on the measured value. Phase control signal S3 is generated.
  • the operation of the phase control signal generator 16 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • step ST1 the phase control signal generation unit 16 determines whether the smoothed voltage supplied from the wind power generation unit 10 (hereinafter referred to as voltage E) is greater than or equal to a voltage Es (for example, 12V). If it is determined that the voltage E is equal to or higher than the voltage Es (Yes), the process proceeds to step ST2, and if it is determined that the voltage E is not equal to or higher than the voltage Es (No), the measurement of the voltage E is continued. As described above, when the voltage E is equal to or higher than the voltage Es, the gate signal S1 is supplied from the gate signal supply unit 14 to the voltage conversion unit 12, and the voltage E is converted to the AC voltage E2 and is connected to the connection unit 13. Supplied.
  • voltage E smoothed voltage supplied from the wind power generation unit 10
  • the synchronizing unit 15 is connected to the AC voltage E supplied to the connection unit 13.
  • a synchronization control signal S2 for synchronizing 2 with the AC voltage El on the system power supply side is generated and output to the voltage converter 12.
  • the gate signal S1 is not supplied from the gate signal supply unit 14 to the voltage conversion unit 12, and the voltage E is not converted into the AC voltage E2.
  • step ST2 the phase control signal generator 16 determines whether or not the voltage E is equal to or higher than the voltage Ep (for example, 24 V). When it is determined that the voltage E is not equal to or higher than the voltage Ep, that is, the voltage E is between 12V and 24V (No), the process proceeds to step ST3, where the voltage E is equal to or higher than the voltage Ep, that is, the voltage E is If it is determined that the voltage is 24 V or higher (Yes), the process proceeds to step ST7.
  • the voltage E is equal to or higher than the voltage Ep (for example, 24 V).
  • step ST3 the phase control signal generation unit 16 generates a phase control signal S3 that advances the phase angle by several%, and supplies the generated phase control signal S3 to the reference frequency generation unit 32 of the gate signal supply unit 14.
  • the reference frequency generation unit 32 shifts the phase angle of the reference frequency by a predetermined amount based on the supplied phase control signal S3, and supplies the shifted reference frequency to the output unit 33.
  • step ST4 the phase control signal generator 16 determines whether the voltage E has increased or decreased. If it is determined that voltage E has increased (Yes), the process proceeds to step ST5. If it is determined that voltage E has decreased (No), the process proceeds to step ST6.
  • step ST5 the phase control signal generator 16 determines whether or not the increased voltage E has reached the voltage Ep. When it is determined that the increased voltage E has reached the voltage Ep (Yes), the process proceeds to step ST7, and when it is determined that the increased voltage E has not reached the voltage Ep (No), Return to step ST3.
  • the phase control signal generation unit 16 When returning to the step ST3, the phase control signal generation unit 16 generates a phase control signal S3 that further shifts the phase angle by a predetermined amount, and supplies the generated phase control signal S3 to the reference frequency generation unit 32. To do.
  • step ST6 the phase control signal generation unit 16 uses the phase control signal S3 that advances the phase angle generated in the process of step ST3 by several percent to reduce the phase angle advancement relative to the phase control signal S3. The signal S3 is generated, and the generated phase control signal S3 is supplied to the reference frequency generator 32. Then, the process returns to step ST4.
  • step ST7 the phase control signal generation unit 16 determines that the voltage E is the same as the voltage Ep. Determine whether or not. If it is determined that the voltage E is the same as the voltage Ep (Yes), that is, if it is determined that the voltage E is 24V, the process proceeds to step ST8, and if it is determined that the voltage E is not the same as the voltage Ep ( No), that is, if it is determined that the voltage E is 24V or more, the process proceeds to step ST9.
  • step ST8 the phase control signal generation unit 16 generates a phase control signal S3 having a predetermined phase angle so that the voltage E is maintained at 24V, and supplies the generated phase control signal S3 to the reference frequency generation unit 32. .
  • step ST9 the phase control signal generation unit 16 generates a phase control signal S3 that advances the phase angle so that the voltage E drops to 24V, and the generated phase control signal S3 is sent to the reference frequency generation unit 32. Supply.
  • the ground determination unit 20 sets the second arbitrary voltage value to 30V, and when it is determined that the voltage E has reached 30V, the grounding unit 21 performs the grounding process.
  • the ground determination unit 20 may set the second arbitrary voltage value to 30 V or less or higher.
  • the gate signal SI is not supplied from the gate signal supplier 14 to the voltage converter 12.
  • the voltage conversion unit 12 is coordinated by the phase control signal generation unit 16, the gate signal supply unit 14, and the synchronization adjustment unit 15. While the supplied voltage E is controlled to be 24V, the phase-controlled AC voltage E2 is supplied to the system power supply side, and when the voltage E exceeds 30V, the ground judgment unit 20 and the grounding unit The ground circuit is activated by the coordination of 21.
  • electric power is generated by the wind power generation unit 10, and the phase control signal S3 is generated by the phase control signal generation unit 16 according to the power value of the generated electric power (DC voltage).
  • a synchronization control signal S2 is generated by the synchronization unit 15 based on the AC voltage E1 and frequency F1 on the system power supply side, and supplied from the wind power generation unit 10 based on the phase control signal S3 and the synchronization control signal S2. Power is converted into a predetermined AC voltage E2, and the converted AC voltage E2 is supplied to the system power supply via the connection section 13. Therefore, the present invention controls the phase of the voltage conversion unit 12 so that the voltage value generated by the wind power generation unit 10 is constant.
  • the AC voltage E2 and the frequency F2 converted by the voltage converter 12 are synchronized with the AC voltage E1 and the frequency F1 on the system power supply side, which vary over time, so that a stable AC voltage E2 is obtained. It can be supplied to the system power supply side.
  • the AC voltage E2 is advanced in phase with respect to the AC voltage E1 on the system power supply side, so that the AC voltage E2 can be preferentially used by the equipment in the system power supply and supplied to the system power supply.
  • the power consumption for the AC voltage E2 can be reduced on the system power supply side.
  • the present invention even if the wind power applied to the wind power generation unit 10 changes, the AC voltage E2 supplied to the system power supply side does not change, so that it is not necessary to install a storage battery.
  • the present invention is easy to install because the number of parts is smaller than the conventional one.
  • the voltage converter is phase-controlled so that the voltage value generated by the wind power generator is constant, and the AC voltage and frequency converted by the voltage converter are time-variable. By synchronizing with the AC voltage and frequency on the power supply side, a stable AC voltage can be supplied to the system power supply side.

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Abstract

　風力発電部（１０）により電力が発電され、発電された電力（直流電圧）の電力値に応じて位相制御信号生成部（１６）により位相制御信号Ｓ３を生成し、また、系統電源側の交流電圧Ｅ１と周波数Ｆ１に基づき同期合わせ部（１５）により同期制御信号Ｓ２を生成し、位相制御信号Ｓ３と同期制御信号Ｓ２に基づいて風力発電部（１０）から供給される電力を所定の交流電圧Ｅ２に変換し、変換した交流電圧Ｅ２を接続部（１３）を介して系統電源に供給する。

Description

風力発電装置
技術分野
[0001] 本願発明は、風車により発電された電力を系統電源に供給する風力発電装置に関 する。
また、本出願は、日本国において 2005年 3月 4日に出願された日本特許出願番号 2005-61611を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照すること により、本出願に援用される。
背景技術
[0002] 風力発電装置は、風のよく吹く地点に風車を設置して、その回転力で発電機を回し て発電する装置である。この風力発電装置は、環境対策として非常に優れた発電装 置であるため、今日までに急速に発展 ·増加するとともに、技術の進歩'改良が行わ れている。
ここで、従来の風力発電装置について説明する。風力発電装置 50は、図 6に示す ように、風の流れを利用して風車を回し、その動力で電力を発電する風力発電機 51 と、風力発電機 51から供給される電力を監視する監視装置 52と、監視装置 52を介 して風力発電機 51から供給される電力を蓄える蓄電池 53と、蓄電池 53が過充電と ならないように制御するチャージコントローラ 54と、直流電圧を交流電圧に変換する インノータ 55とを備える。
監視装置 52は、風力発電機 51から供給される電力の発電量を監視するための電 流計と、風力発電機 51に電磁ブレーキをかけるためのブレーキスィッチを備えている 。監視装置 52は、風力発電機 51から供給される電力を短絡させることにより、電磁ブ レーキをかけることができる。これは、風力発電機 51に理論上、無限大の付加をかけ ることに相当する。
蓄電池 53は、風力発電機 51の定格出力ワット数に合わせて、容量が決定される。 例えば、風力発電機 51の定格出力が 100Wの場合には、 lOOAh程度の蓄電池 53 が用いられる。 チャージコントローラ 54は、ダミーロード等の投げ捨て用の負荷 56を備えている。 チャージコントローラ 54は、蓄電池 53に蓄えられる充電電圧を制御するために、風 力発電機 51と蓄電池 53の間の接続が切断 (開放)されない設計になっている。風力 発電機 51と蓄電池 53とが切断されてしまうと、風力発電機 51が無負荷状態 (フリー スピン）となり、過回転によって風力発電機 51自体を破損してしまうからである。した がって、風力発電機 51は、常に有負荷状態に保ち続ける必要がある。そこで、チヤ ージコントローラ 54は、過剰な電力が生じた場合には、ダミーロードによって投げ捨 てる構造となっている。
また、蓄電池 53は、直流電源なので負荷として交流機器を使用する場合には、ィ ンバータ 55によって直流電源を交流電源に変換する。なお、負荷として直流機器を 使用する場合には、インバータ 55は不要である。
ところで、上述した風力発電装置 50は、発電所から送られてくる電気（系統電源）と は接続しない構成であり、蓄電池 53による独立型の電力供給である。したがって、負 荷の設備容量、種類、使用方法 (時間)等と風車の出力容量のバランスをとる必要が ある。また、部品点数も多いため、装置が大型化し、高価なものとなり、また、蓄電池 5 3の交換も発生する。
また、風力発電機 51を複数台設置し、並列接続する場合には、負荷容量、蓄電池 53の容量等のバランスを検討する必要がある。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
本願発明では、蓄電池を不要とし、風力発電機により発生した電力を、系統電源へ 直接供給する風力発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る風力発電装置は、風車の回転により得られる動力で電力を発電する 風力発電部と、風力発電部で発電された電力を交流電圧に変換する電圧変換部と、 電圧変換部を系統電源側に接続する接続部と、風力発電部で発電された電力が第 1の任意値以上のときに、第 1の信号を生成し、生成した第 1の信号を電圧変換部に 供給する信号供給部と、系統電源により生じている交流電圧と、当該交流電圧に起 因する周波数を検出し、検出した交流電圧と周波数に、電圧変換部により変換され る交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を同期させるための同期制御信号 を生成し、生成した同期制御信号を電圧変換部に供給する同期部と、風力発電部で 発電された電力に基づ！ヽて、位相を制御する位相制御信号を生成する位相制御信 号生成部と、電圧変換部により変換された交流電圧に基づき、接続部を接続状態又 は非接続状態に制御する接続制御部とを備え、信号供給部は、位相制御信号生成 部により生成された位相信号に基づいて、生成した第 1の信号を変調し、変調後の 第 1の信号を電圧変換部に供給し、電圧変換部は、信号供給部から供給された第 1 の信号に基づいて、風力発電部で発電された電力を交流電圧に変換する。
図面の簡単な説明
[0004] [図 1]図 1は、本発明に係る風力発電装置の構成を示すブロック図である。
[図 2]図 2は、図 1に示す風力発電装置に備えられている電圧変換部の構成を示す ブロック図である。
[図 3]図 3A及び図 3Bは、図 1に示す風力発電装置に備えられている接続部のプラグ の構成例を示す模式図である。
[図 4]図 4は、図 1に示す風力発電装置に備えられているゲート信号供給部の構成を 示すブロック図である。
[図 5]図 5は、位相制御信号生成部の動作についての説明に供するフローチャートで ある。
[図 6]図 6は、従来の風力発電装置の構成を示すブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
[0005] 以下、本発明の実施の形態としての風力発電装置について説明する。
風力発電装置 1は、図 1に示すように、風の流れを利用して風車を回し、その動力 で電力 Pを発電する風力発電部 10と、風力発電部 10により発電された電力 Pから交 流成分を除去する平滑回路 (フィルタ)部 11と、平滑後の電力を交流電圧 E2に変換 する電圧変換部 12と、電圧変換部 12を系統電源側に接続する接続部 13と、風力発 電部 10で発電された電力が第 1の任意電圧値 (以下、電圧 Esという。）以上のときに 、第 1の信号 (ゲート信号 S1)を生成し、生成したゲート信号 S1を電圧変換部 12に供 給するゲート信号供給部 14と、系統電源により生じている交流電圧 E1と、当該交流 電圧 Elに起因する周波数 Flを検出し、検出した交流電圧 E1と周波数 F1に、電圧 変換部 12により変換される交流電圧 E2と、当該交流電圧 E2に起因する周波数 F2 を同期させるための同期制御信号 S2を生成し、生成した同期制御信号 S2を電圧変 換部 12に供給する同期合わせ部 15と、風力発電部 10で発電された電力 Pに基づ 、 て、位相を制御する位相制御信号 S3を生成する位相制御信号生成部 16と、電圧変 換部 12により変換された交流電圧 E2に基づき、接続部 13を接続状態 (ON)又は非 接続状態 (OFF)に制御する接続制御部 17とを備える。
また、風力発電装置 1は、系統電源により生じている交流電圧 E1の異常を感知す る感知部 18を備える。感知部 18は、交流電圧 E1の異常を感知した場合、接続部 13 を非接続状態に制御する。
また、風力発電装置 1は、風力発電部 10で発電された電力が第 2の任意電圧値に 達しているかどうかを判断する接地判断部 20と、接地判断部 20により風力発電部 10 で発電された電力が第 2の任意電圧値に達して 、ると判断した場合に、風力発電部 10で発電された電力を接地する接地部 21を備える。なお、本実施例では、風車の 定格電圧が 24Vであり、出力電力が 0V〜30Vである風車を用いることとする。
接地判断部 20と接地部 21は、いわゆる風車の過回転を防止するための回路部を 構成しており、風力発電部 10の風車が強風により過回転している場合に、得られる 過電力により装置が破壊されてしまうのを防 、で 、る。
系統電源は、電圧と周波数が一定となるように制御されているが、実際には、電圧 値と周波数が時間的に変動することが知られている。したがって、風力発電装置 1か ら系統電源に供給される電力（電圧と、周波数)を系統電源側の変化に応じて適宜 変化させる必要がある。そこで、本願発明では、風力発電装置 1から出力される電圧 と周波数を、時間的に変動する系統電源側の電力 (電圧と、周波数)にマッチングさ せるために同期合わせ部 15を備える。
また、風力発電部 10は、風の流れを利用して風車を回しているため、風力の変動 に応じて発電する電力が変動してしまう。これでは、系統電源側に安定して電力の供 給が行えなくなるので、電圧変換部 12の出力を安定させ、かつ系統電源側に電力を 供給するためにゲート信号供給部 14及び位相制御信号生成部 16を備えて 、る。以 下に、各構成部の動作について詳述する。
まず、電圧変換部 12の構成及び動作について詳述する。電圧変換部 12は、図 2 に示すように、フィルタ部 11で平滑された直流電圧が入力され、任意の直流電圧に 昇圧する DC— DCコンバータ 22と、 DC DCコンバータで昇圧された直流電圧を 任意の交流電圧に変換する DC— ACコンバータ 23とから構成されている。
DC— DCコンバータ 22は、詳細は後述するゲート信号供給部 14から供給されるゲ ート信号 S1に基づき、例えば、平滑後の直流電圧を 100Vの直流電圧に昇圧し、昇 圧後の直流電圧を DC— ACコンバータ 23に供給する。
DC— ACコンバータ 23は、 DC— DCコンバータ 22から供給された 100Vの直流電 圧を 100Vの交流電圧に変換する。
また、電圧変換部 12により変換されて接続部 13に出力される交流電圧 E2は、ゲー ト信号供給部 14から供給されるゲート信号 S1に基づいて位相がシフトされ、また、同 期合わせ部 15から供給される制御信号に基づいて電圧値及び周波数が適宜変調さ れる。
つぎに、接続部 13について詳述する。接続部 13は、図 1に示すように、接続制御 部 17により接続状態 (ON)又は非接続状態 (OFF)に制御されるスィッチ部 24と、ス イッチ部 24が接続状態 (ON)のときに、電圧変換部 12により変換された交流電圧 E 2を系統電源側に供給するためのプラグ部 25を備えている。また、ここで、プラグ部 2 5の構成について以下に述べる。汎用されている形状のプラグ部は、端子の金属部 分が裸となっており、ユーザが感電する可能性がある。そこで、本願発明に係るブラ グ部 25は、図 3に示すように、ユーザに感電をさせないように、端子部をカバー 25a により覆う形状とする。端子部を覆っているカバー 25aは、例えば、プラグ内部からス プリング等の弾性部材 25bによって固定されており、コンセントに差し込むときに、プ ラグ内部に引っ張り込まれ (押し込まれ)、端子部をコンセントに接触させる構造を成 している。このような構造によって、プラグ部 25の端子部は、カバー 25aによって保護 されており、使用時 (コンセントに接続されるとき）にのみ表出する構造である。さらに 、カバー 25aがスプリング等による構造であるため、コンセントから抜けかかっていても 、端子部が表出することなく安全性を確保することができる。なお、図 3Aは、コンセン トに差し込まれる前のプラグ部 25を示し、図 3Bは、コンセントに差し込まれた後のプ ラグ部 25を示している。
また、接続制御部 13は、ゲート信号供給部 14からゲート信号 S1が供給されず、交 流電圧に変換されない場合 (無風状態により風力発電部 10から全く電力が供給され ない場合を含む）には、スィッチ部 20が非接続状態 (OFF)となるように制御する。 つぎに、ゲート信号出力部 14の構成について詳述する。ゲート信号出力部 14は、 図 4に示すように、風力発電部 10から供給された平滑後の電圧 (直流)を測定し、測 定した電圧が電圧 Esに達しているかどうかを判断する判断部 30と、キャリア周波数を 発生するキャリア周波数発生部 31と、位相制御信号生成部 16により制御される基準 周波数を発生する基準周波数発生部 32と、キャリア周波数発生部 31により発生され たキャリア周波数と、基準周波数発生部 32により発生された基準周波数とにより PW M (Pulse Width Modulation)信号を生成し、判断部 30の判断に応じて、 PWM信号 をゲート信号 S1として電圧変換部 12に出力する出力部 33とを備える。
判断部 30は、例えば、電圧 Esを 12Vとし、風力発電部 10から供給された平滑後の 電圧が 12Vに達しているかどうかを判断する。判断部 30は、風力発電部 10から供給 された平滑後の電圧が電圧 Esに達していると判断した場合には、出力部 33に所定 の信号を供給する。出力部 33は、判断部 30から所定の信号を受信した場合には、 ゲート信号 S1を電圧変換部 12に供給する。電圧変換部 12は、出力部 33から供給さ れるゲート信号 S1に基づいて、風力発電部 10から供給された平滑後の電圧を交流 電圧に変換し、系統電源へ出力する。なお、風力発電部 10から供給された平滑後の 電圧 Eが、電圧 Esに達していない場合には、出力部 33から電圧変換部 12にゲート 信号 S1は供給されないため、電圧変換部 12から系統電源への電力の供給は行わ れない。
キャリア周波数発生部 31は、例えば、 15kHzのキャリア周波数を生成し、生成した キャリア周波数を出力部 33に供給する。
基準周波数発生部 32は、例えば、 50Hz又は 60Hzの基準周波数を生成し、生成 した基準周波数を出力部 33に供給する。また、基準周波数発生部 32は、詳細は後 述するが、出力指令部 15から供給される制御信号に基づいて、基準周波数の位相 をシフトし、シフト後の基準周波数を出力部 33に供給する。
出力部 33は、キャリア周波数発生部 31から供給されるキャリア周波数と、基準周波 数発生部 32から供給される基準周波数に基づき、パルス幅を適宜変調された PWM 信号を生成し、生成した PWM信号をゲート信号 S 1として電圧変換部 12に供給する 。なお、出力部 33は、変調するパスル幅を基準周波数発生部 32から供給される基 準周波数の位相に応じて変調させる。
つぎに、同期合わせ部 15について説明する。同期合わせ部 15は、例えば、図 1中 A点力も電圧変換部 12から出力される交流電圧 E2を検出し、図 1中 B点から系統電 源側の交流電圧 E1を検出する。そして、同期合わせ部 15は、系統電源側から検出 した交流電圧 E1と、交流電圧 E1に起因する周波数 F1に基づいて、電圧変換部 12 から出力される交流電圧 E2と、交流電圧 E2に起因する周波数 F2を同期させるため の同期制御信号 S2を生成し、電圧変換部 12に供給する。電圧変換部 12は、同期 合わせ部 15から供給された同期制御信号 S2に基づいて、交流電圧を変調し、変調 後の交流電圧を出力する。このようにして、風力発電装置 1は、系統電源に供給する 交流電圧 E2と、周波数 F2を、系統電源側の交流電圧 E1と、周波数 F1にマッチング させることがでさる。
つぎに、位相制御信号生成部 16について詳述する。位相制御信号生成部 16は、 風力発電部 10で発電された平滑後の電力を測定し、測定した値に基づいて、電圧 変換部 12から出力される交流電圧 E2の位相角を所定量進めるための位相制御信 号 S3を生成する。ここで、位相制御信号生成部 16の動作について、図 5に示すフロ 一チャートを参照して説明する。
ステップ ST1において、位相制御信号生成部 16は、風力発電部 10から供給され た平滑後の電圧（以下、電圧 Eという。）が電圧 Es (例えば、 12V)以上カゝどうかを判 断する。電圧 Eが電圧 Es以上であると判断した場合 (Yes)には、ステップ ST2に進 み、電圧 Eが電圧 Es以上ではないと判断した場合 (No)には、電圧 Eの測定を継続 する。上述したように、電圧 Eが電圧 Es以上の場合には、ゲート信号供給部 14からゲ ート信号 S1が電圧変換部 12に供給され、電圧 Eが交流電圧 E2に変換され、接続部 13に供給される。また、同期合わせ部 15は、接続部 13に供給されている交流電圧 E 2を系統電源側の交流電圧 Elに同期させるための同期制御信号 S2を生成し、電圧 変換部 12に出力する。一方、電圧 Eが電圧 Es以上ではない場合には、ゲート信号 供給部 14からゲート信号 S1が電圧変換部 12に供給されず、電圧 Eが交流電圧 E2 に変換されない。
ステップ ST2において、位相制御信号生成部 16は、電圧 Eが電圧 Ep (例えば、 24 V)以上かどうかを判断する。電圧 Eが電圧 Ep以上ではない、すなわち電圧 Eが 12V 〜24Vの間であると判断した場合 (No)には、ステップ ST3の工程に進み、電圧 Eが 電圧 Ep以上である、すなわち電圧 Eが 24V以上であると判断した場合 (Yes)には、 ステップ ST7の工程に進む。
ステップ ST3において、位相制御信号生成部 16は、位相角を数％進める位相制 御信号 S3を生成し、生成した位相制御信号 S3をゲート信号供給部 14の基準周波 数発生部 32に供給する。基準周波数発生部 32は、供給された位相制御信号 S3〖こ 基づいて、基準周波数の位相角を所定量シフトし、シフト後の基準周波数を出力部 3 3に供給する。
ステップ ST4において、位相制御信号生成部 16は、電圧 Eが上昇したか又は下降 したかを判断する。電圧 Eが上昇したと判断した場合 (Yes)には、ステップ ST5に進 み、電圧 Eが下降したと判断した場合 (No)には、ステップ ST6に進む。
ステップ ST5において、位相制御信号生成部 16は、上昇した電圧 Eが電圧 Epに 達したカゝどうかを判断する。上昇した電圧 Eが電圧 Epに達して ヽると判断した場合 ( Yes)には、ステップ ST7の工程に進み、上昇した電圧 Eが電圧 Epに達していないと 判断した場合 (No)には、ステップ ST3の工程に戻る。ステップ ST3の工程に戻った 場合には、位相制御信号生成部 16は、さらに位相角を所定量シフトする位相制御信 号 S3を生成し、生成した位相制御信号 S3を基準周波数発生部 32に供給する。 ステップ ST6において、位相制御信号生成部 16は、ステップ ST3の工程で生成し た位相角を数％進める位相制御信号 S3に基づき、当該位相制御信号 S3よりも位相 角の進みを減少させた位相制御信号 S3を生成し、生成した位相制御信号 S3を基準 周波数発生部 32に供給する。そして、ステップ ST4の工程に戻る。
一方、ステップ ST7において、位相制御信号生成部 16は、電圧 Eが電圧 Epと同じ かどうかを判断する。電圧 Eが電圧 Epと同じであると判断した場合 (Yes)、すなわち 電圧 Eが 24Vであると判断した場合には、ステップ ST8に進み、電圧 Eが電圧 Epと 同じではないと判断した場合 (No)、すなわち電圧 Eが 24V以上であると判断した場 合には、ステップ ST9に進む。
ステップ ST8において、位相制御信号生成部 16は、電圧 Eが 24Vを維持するよう に所定の位相角の位相制御信号 S3を生成し、生成した位相制御信号 S3を基準周 波数発生部 32に供給する。
また、ステップ ST9において、位相制御信号生成部 16は、電圧 Eを 24Vに下降す るように位相角を進める位相制御信号 S3を生成し、生成した位相制御信号 S3を基 準周波数発生部 32に供給する。
また、接地判断部 20は、第 2の任意電圧値を 30Vに設定しており、電圧 Eが 30Vに 達したと判断した場合、接地部 21により接地処理を行う。なお、接地判断部 20は、第 2の任意電圧値を 30V以下又は以上に設定しても良い。
したがって、風力発電装置 1では、風力発電部 10から供給された電圧 Eが 0V〜 12 V付近のときには、ゲート信号供給部 14からゲート信号 SIが電圧変換部 12に供給 されないため系統電源側には交流電圧 E2の供給が行われず、また、電圧 Eが 12V 〜29Vの場合に、位相制御信号生成部 16と、ゲート信号供給部 14と、同期合わせ 部 15との協調により、電圧変換部 12に供給される電圧 Eが 24Vになるように制御し ながら、系統電源側に位相制御された交流電圧 E2を供給し、さらに、電圧 Eが 30V 以上になった場合に、接地判断部 20と接地部 21の協調により、接地回路が作動す る構成になっている。
このように構成される本願発明によれば、風力発電部 10により電力が発電され、発 電された電力（直流電圧)の電力値に応じて位相制御信号生成部 16により位相制御 信号 S3を生成し、また、系統電源側の交流電圧 E1と周波数 F1に基づき同期合わ せ部 15により同期制御信号 S2を生成し、位相制御信号 S3と同期制御信号 S2に基 づいて風力発電部 10から供給される電力を所定の交流電圧 E2に変換し、変換した 交流電圧 E2を接続部 13を介して系統電源に供給する。したがって、本願発明は、 風力発電部 10で発電される電圧値が一定になるように電圧変換部 12を位相制御し 、また、電圧変換部 12で変換される交流電圧 E2及び周波数 F2を、時間的に変動す る系統電源側の交流電圧 E1と周波数 F1に同期合わせを行うことにより、安定した交 流電圧 E2を系統電源側に供給することができる。また、本願発明は、交流電圧 E2の 位相を系統電源側の交流電圧 E1よりも進ませることにより、系統電源内の機器に、 交流電圧 E2を優先的に使用させることができ、系統電源に供給された交流電圧 E2 分の電力消費を系統電源側で低減させることができる。
また、本願発明は、風力発電部 10にかかる風力に変動が生じても、系統電源側に 供給される交流電圧 E2の変動は起こさないので、蓄電池の設置は不要となる。また 、本願発明は、部品点数が従来のものよりも少ないため、設置が容易である。
また、本願発明は、系統電源側に複数のコンセントがあれば、それぞれに風力発電 装置 1を接続することにより、容易に並列増設をすることができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく
、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなぐ様々な変更、置換又はその 同等のものを行うことができることは勿論である。 産業上の利用可能性
本発明では、風力発電部で発電される電圧値が一定になるように電圧変換部を位 相制御し、また、電圧変換部で変換される交流電圧及び周波数を、時間的に変動す る系統電源側の交流電圧と周波数に同期合わせを行うことにより、安定した交流電 圧を系統電源側に供給することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 1.風車の回転により得られる動力で電力を発電する風力発電手段と、
上記風力発電手段で発電された電力を交流電圧に変換する電圧変換手段と、 上記電圧変換手段を系統電源側に接続する接続手段と、
上記風力発電手段で発電された電力が第 1の任意値以上のときに、第 1の信号を 生成し、生成した上記第 1の信号を上記電圧変換手段に供給する信号供給手段と、 上記系統電源により生じている交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を検 出し、検出した上記交流電圧と上記周波数に、上記電圧変換手段により変換される 交流電圧と、当該交流電圧に起因する周波数を同期させるための同期制御信号を 生成し、生成した上記同期制御信号を上記電圧変換手段に供給する同期手段と、 上記風力発電手段で発電された電力に基づ!/、て、位相を制御する位相制御信号 を生成する位相制御信号生成手段と、
上記電圧変換手段により変換された交流電圧に基づき、上記接続手段を接続状態 又は非接続状態に制御する接続制御手段とを備え、
上記信号供給手段は、上記位相制御信号生成手段により生成された位相信号に 基づいて、生成した第 1の信号を変調し、変調後の第 1の信号を上記電圧変換手段 に供給し、
上記電圧変換手段は、上記信号供給手段から供給された第 1の信号に基づいて、 上記風力発電手段で発電された電力を交流電圧に変換することを特徴とする風力 発電装置。
[2] 2.上記風力発電手段で発電された電力が第 2の任意値に達しているかどうかを判 断する判断手段と、
上記判断手段により上記風力発電手段で発電された電力が上記第 2の任意値に 達して 、ると判断した場合に、上記風力発電手段で発電された電力を接地する接地 手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の風力発電装置。
[3] 3.上記信号供給手段は、上記位相制御信号生成手段で生成された位相制御信号 に基づいてパルス幅が変調されるパルス幅変調信号を上記第 1の信号として生成す ることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の風力発電装置。
[4] 4.上記接続手段は、上記接続制御手段により接続状態又は非接続状態に制御され るスィッチ部と、上記スィッチ部が接続状態のときに、上記電圧変換手段により変換さ れた交流電圧を系統電源側に供給するためのプラグ部により構成されていることを特 徴とする請求の範囲第 1項記載の風力発電装置。
[5] 5.上記系統電源により生じている交流電圧の異常を感知する感知手段を備え、 上記感知手段は、上記交流電圧の異常を感知した場合、上記接続手段を非接続 状態に制御することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の風力発電装置。
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