WO2010137710A1 - 風力発電制御装置および風力発電制御方法 - Google Patents

風力発電制御装置および風力発電制御方法 Download PDF

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隆典 大久保
唯章 近重
高士 山▲崎▼
▲ひかる▼ 松宮
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Definitions

  • the present invention relates to a wind power generation control device that controls a wind power generator that converts wind power into electric power, and a wind power generation control method that controls a wind power generator.
  • a wind power generator that converts wind power into electric power attracts attention as a power generation device that does not emit pollution, and has been put to practical use.
  • small wind power generators with rated power of several kilowatts (kW) are used as power supplies for lighting equipment in companies, schools, general homes, etc., as power supplies for greenhouse heaters, measuring devices such as temperature and humidity, etc.
  • it is used as a power source for street lights such as shopping streets and trunk roads.
  • control of the generated power is performed by any one of the generated voltage, the generated current, the rotational speed, or a combination thereof.
  • the rotational speed of the wind turbine is detected, and when the detected rotational speed exceeds a preset reference rotational speed, the ratio (V) between the input voltage (V in ) and the output voltage (V out ) of the power conversion circuit
  • V the ratio between the input voltage (V in ) and the output voltage (V out ) of the power conversion circuit
  • the present invention has been made in view of the above-described actual situation, and provides a wind power generation control device for controlling a wind power generator capable of efficiently obtaining an optimum amount of power corresponding to the wind speed in a relatively low wind speed region. And a wind power generation control method of controlling the wind power generator.
  • the present invention adopts the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
  • the wind power generation control device of the present invention is a wind power generation control device for controlling a wind power generator using a wind turbine rotor having a fixed pitch angle, the wind power generator Current detection means for detecting an output current value output from the wind turbine, voltage detection means for detecting an output voltage value output from the wind power generator, rotational speed detection means for detecting a rotational speed of the wind turbine rotor, and A wing aerodynamic characteristic storage means for storing in advance a wing aerodynamic characteristic which is a characteristic inherent to a rotary wing, a current output current value detected by the current detection means, a current output voltage value detected by the voltage detection means and Based on the current rotational speed detected by the rotational speed detecting means, the electric power calculating means for calculating the output power at the current rotational speed, and the electric power calculating means Based on the wing aerodynamic characteristics stored in the output power and the blade aerodynamic characteristics storage means are characterized by comprising a control unit for controlling the wind power generator.
  • the wind turbine generator may be configured such that the control unit matches the output power calculated by the power calculation unit with the blade aerodynamic characteristics stored in the blade aerodynamic characteristics storage unit. It is desirable to control
  • control means may control the wind turbine generator within a range of rotational speeds in a predetermined wind speed range, wherein the rotational speed detected by the rotational speed detecting means is desirable.
  • the predetermined wind velocity range is a wind velocity range of approximately 10 (m / s) or less.
  • control means when the control means detects that the current rotational speed detected by the rotational speed detection means exceeds a maximum rotational speed corresponding to the maximum wind speed in the predetermined wind speed range, It is desirable to control the wind power generator so that the maximum rotational speed is not exceeded.
  • the wing aerodynamic characteristic storage means store in advance a wing aerodynamic characteristic indicating a relationship between a rotational speed of the wind turbine rotor and a torque generated by the wind generator. .
  • control means controls the wind power generator by directly short-circuiting an armature coil of the wind power generator at a predetermined duty cycle.
  • control means controls the wind power generator by intermittently shorting the armature coil.
  • the wind power generation control method of the present invention is a wind power generation control method for controlling a wind power generator using a wind turbine rotor having a fixed pitch angle, the wind power generator Detects an output current value output from the wind turbine generator, detects an output voltage value output from the wind turbine generator, detects a rotational speed of the wind turbine rotor blade, and detects the detected current output current value, the detected current time
  • the output power at the current rotational speed is calculated based on the output voltage value of the current and the detected current rotational speed, and the calculated output power and the wind turbine rotor specific to the wind turbine rotor stored in advance in the memory
  • the wind power generator is controlled to match the calculated output power with the wing aerodynamic characteristics based on the wing aerodynamic characteristics which is a characteristic.
  • FIG. 1 It is a block diagram showing a wind power generation control device to which the present invention is applied. It is a figure which shows the relationship between the rotational speed of a windmill rotational blade, the electric power which a wind power generator outputs, and the electricity supply rate added to a wind power generator. It is a flowchart which shows the flow of the wind-power-generation control processing performed in the wind-power-generation control apparatus to which this invention is applied. It is a figure which shows the relationship between the wind speed, the electric power which a wind-powered generator outputs, and the rotational speed of a windmill rotational blade.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a wind power generation control device to which the present invention is applied.
  • a wind power generation control device 1 to which the present invention is applied constitutes a wind power generation system that generates power efficiently by controlling a wind power generator 2.
  • the wind power generator 2 includes permanent magnets 21 and three-phase windings 22 and converts alternating current generated by rotation of the wind turbine rotor 20 having a fixed pitch angle into direct current by the rectifier 23. Then, the load 25 connected to the storage battery 24 is supplied.
  • the pitch angle of the wind turbine rotor 20 is fixed, its structure is relatively simple and failure as compared with a type in which the pitch angle can be changed or a type in which the wings are inclinable. Also, it is easy to reduce the size and weight.
  • the wind power generation control device 1 includes a current A / D conversion unit 11, a voltage A / D conversion unit 12, a rotation speed counting unit 13, an rpm / power calculation unit 14, a counting control unit 15, and a PWM modulation unit 16.
  • the current A / D conversion unit 11 detects an output current value output from the wind power generator 2 through a current detection circuit 26, and converts an analog value into a digital value.
  • the voltage A / D conversion unit 12 detects an output voltage value output from the wind power generator 2 via a voltage detection circuit 27 and converts an analog value into a digital value.
  • the rotational speed counting unit 13 detects and acquires the rotational speed of the wind turbine rotor 20 via the rotational speed detection circuit 28.
  • the rpm / power calculation unit 14 is based on the rotational speed acquired by the rotational speed counting unit 13 and the wing aerodynamic characteristic which is a characteristic inherent to the predetermined wind turbine rotor 20, the theory of the wind power generator 2 Calculate the output value.
  • WP theoretical output value, x: number of rotations, a, b, c, d: Coefficient equation
  • WP a 1 ⁇ x 3 + b 1 ⁇ x 2 + c 1 ⁇ x + d 1
  • WP theoretical output value, x: number of rotations, a 1 , b 1 , c 1 , d 1 :
  • a cubic simulation equation such as a coefficient
  • multi-order simulation formula is a formula that is schematicallyized based on theoretical characteristic calculation formulas as shown below.
  • the power generation output P (W) of the wind power generator should be obtained as in Equation 1 below according to blade momentum theory Can do.
  • the power coefficient C P can be obtained by the following equation 2.
  • r distance from the center of the rotor to the j axis of the blade
  • a Induction coefficient (axial component)
  • a ' induction coefficient (tangential component) It becomes.
  • Each variable for equation 2 above is a function of the blade position r, and lift coefficients and efficacy coefficients are obtained from the airfoil data used for the blade at said position r.
  • induction coefficient a and the induction coefficient a ′ are given as follows by an algebraic equation that describes the dynamical system of the flow field with ⁇ as a variable in wing element movement theory.
  • Step 3 From the velocity triangle at radial position r
  • Step 5 Determine C L ( ⁇ ) and C D ( ⁇ ) from the airfoil data.
  • Step 6 Calculate C N and C F according to Equation 5 and Equation 6 above.
  • Step 7 The new induction coefficient a and the induction coefficient a ′ are calculated from the above Equation 3 and Equation 4.
  • Step 8 Repeat the above steps until the induction coefficient a and the induction coefficient a 'converge within a predetermined error range.
  • Step 9 When the induction coefficient a and the induction coefficient a ′ converge, the output performance is obtained by the above equation 1.
  • the above integration is generally by numerical integration.
  • the counting control unit 15 outputs the output power of the wind power generator 2 at the present time based on the output current value converted by the current A / D conversion unit 11 and the output voltage value converted by the voltage A / D conversion unit 12.
  • the rectifier 23 calculates a value so that the power corresponding to the theoretical output value is output based on the calculated current output power value and the theoretical output value calculated by the rpm / power calculation unit 14.
  • the duty (energization ratio) of the switching circuit provided is calculated.
  • the PWM modulation unit 16 performs pulse width modulation (PWM: Pulse Width) so that the wind power generator 2 outputs power corresponding to the theoretical output value based on the duty calculated by the counting control unit 15.
  • PWM Pulse Width
  • the rectifier 23 is controlled via the driver 29.
  • the PWM modulation unit 16 may control the wind power generator 2 by directly shorting the armature coil of the wind power generator 2 at a predetermined duty cycle. At this time, the PWM modulation unit 16 can also control the wind power generator 2 by intermittently shorting the armature coil.
  • the wind power generator control device 1 controls the wind power generator 2 based on the output power output from the wind power generator 2, that is, the output voltage and the output current,
  • the wind power generator 2 can be controlled without being affected by such voltage.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the rotational speed of the wind turbine rotor and the power output from the wind power generator and the energization ratio applied to the wind power generator.
  • the wind power generator 2 controlled by such a wind power generation control device 1 shows a relationship as shown in FIG. That is, when the rotational speed of the wind turbine rotor blade 20 increases, the power output from the wind power generator 2 generally increases in a multi-order function like a round point graphed in FIG. Do not mean.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a flow of wind power generation control processing executed in the wind power generation control device to which the present invention is applied.
  • step S303 the rotational speed of the wind turbine rotor 20 is detected and acquired.
  • step S304 it is determined whether the rotational speed acquired in step S303 exceeds a predetermined value.
  • a predetermined value for example, a rotational speed 1000 (rpm) corresponding to a wind speed of 10 (m / s) can be used.
  • step S304 If it is determined that the rotational speed does not exceed the predetermined value, in other words, if the detected rotational speed is within the range of the rotational speed in the predetermined wind speed range (step S304: No), the step is performed in step S305.
  • step S306 it is determined whether the output power value calculated in step S302 exceeds the theoretical power value calculated in step S305.
  • step S306: Yes If it is determined that the output power value exceeds the theoretical power value (step S306: Yes), the rectifier is determined based on the duty calculated to reduce the power output by the wind power generator 2 in step S307. By controlling 23, the load of the wind power generator 2 is reduced. On the other hand, when it is determined that the output power value does not exceed the theoretical power value (step S306: No), based on the duty calculated to increase the power output by the wind power generator 2 in step S308. By controlling the rectifier 23, the load of the wind power generator 2 is increased.
  • step S304 If it is determined in step S304 that the obtained rotational speed exceeds the predetermined value, in other words, if the detected rotational speed exceeds the range of the rotational speed in the predetermined wind speed region (step S304: Yes) ) Sets the reference rotation speed, for example, 1000 (rpm) in step S309.
  • step S310 it is determined whether the reference rotational speed set in step S309 exceeds the rotational speed detected in step S303.
  • step S310: Yes If it is determined that the reference rotational speed exceeds the detected rotational speed (step S310: Yes), the above-mentioned duty is calculated based on the duty calculated to reduce the power output by the wind power generator 2 in step S311. By controlling the rectifier 23, the load on the wind power generator 2 is reduced. On the other hand, when it is determined that the reference rotational speed does not exceed the detected rotational speed (step S310: No), based on the duty calculated to increase the power output by the wind power generator 2 in step S312. The load of the wind power generator 2 is increased by controlling the rectifier 23.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the wind speed, the power output from the wind power generator, and the rotational speed of the wind turbine rotor.
  • the wind power generator 2 can perform seamless power generation in the area of wind speed 2 (m / s) or more. It can continue to be realized. Then, an output of maximum power 2300 (W) is realized at a wind speed of 20 (m / s), and thereafter, transition to a slow and gentle curve while increasing the output as the wind intensity increases.
  • This curve is a curve represented by the above-described multi-order simulation.
  • the power of a wind power generator increases in proportion to the cube of the wind speed, but in practice, it is general to limit the power by some method in order to prevent destruction of the wind turbine rotor, noise and the like.
  • the wind power generation control device 1 to which the present invention is applied has an effect of enhancing the power generation efficiency in the low wind speed region of 2 to 10 (m / s).
  • the wind power generation control device 1 to which the present invention is applied controls the wind power generator 2 based on the output power output from the wind power generator 2, that is, the output voltage and the output current, the load 25
  • the wind power generator 2 can be controlled without being affected by the voltage applied to it.
  • wind power generation control device to which the present invention is applied is not limited to the above embodiment as long as its function is executed, and a system consisting of a plurality of devices even if it is a single device. It goes without saying that even an integrated apparatus may be a system in which processing is performed via a network such as a LAN or WAN.
  • the present invention can also be realized by a system including a CPU connected to a bus, memories of ROM and RAM, an input device, an output device, an external recording device, a medium drive device, and a network connection device. That is, the ROM or RAM memory storing the software program for realizing the system of the embodiment described above, the external recording device, and the portable recording medium are supplied to the wind power generation control device, and the computer of the wind power generation control device It is needless to say that is achieved by reading and executing a program.
  • the program itself read out from the portable recording medium realizes the novel function of the present invention
  • the portable recording medium or the like recording the program constitutes the present invention
  • portable recording media for supplying the program for example, flexible disks, hard disks, optical disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, CD-Rs, DVD-ROMs, DVD-RAMs, magnetic tapes, non-volatile memory cards
  • a network connection device in other words, a communication line
  • ROM card electronic mail, personal computer communication, or the like.
  • a program read from a portable recording medium or a program (data) provided by a program (data) provider can be stored in a memory provided in a function expansion board inserted in the computer or in a function expansion unit connected to the computer.
  • the CPU provided in the function expansion board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing based on the instruction of the program, and the functions of the above-described embodiment are realized by the processing. obtain.
  • the present invention obtains the theoretical output value at the rotational speed from theoretical characteristics of the wind turbine prepared in advance so as to maximize the output in a relatively low wind speed region, and obtains the maximum amount of generated power corresponding to the theoretical output value.
  • the duty (energization ratio) of the switching circuit as described above, it is possible to obtain higher power generation efficiency while using a fixed blade.

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Abstract

　ピッチ角が固定である風車回転翼を用いた風力発電機を制御する風力発電制御装置であって、風力発電機が出力する出力電流値を検出し、風力発電機が出力する出力電圧値を検出し、風車回転翼の回転速度を検出し、検出された現時点の出力電流値、検出された現時点の出力電圧値および検出された現時点の回転速度に基づいて、現時点での回転速度における出力電力を算出し、算出された出力電力および風車回転翼に固有の特性である翼空力特性に基づいて風力発電機を制御することにより、比較的低風速域において、風速に対応する最適な電力量を効率的に得ることが可能な風力発電機を制御する風力発電制御装置、および該風力発電機を制御する風力発電制御方法を提供する。

Description

風力発電制御装置および風力発電制御方法
　本発明は、風力を電力に変換する風力発電機を制御する風力発電制御装置、および風力発電機を制御する風力発電制御方法に関する。
　従来、風力を電力に変換する風力発電機は、公害を出さない発電装置として注目され、実用化されてきている。特に、定格出力が数キロワット（ｋＷ）クラスの小型の風力発電機は、企業、学校、一般家庭等における照明器具等の電源として、ビニールハウスのヒーターや温度、湿度等の測定装置等の電源として、あるいは商店街や幹線道路等の街路灯等の電源として利用されている。
　このような小型の風力発電機は、風速の増大によって風車の回転速度が増大すると、翼の振動により騒音が発生する恐れが生じていた。また、風車の回転速度の増大に伴い発電電力が急激に増大すると、商用電源系統への電力供給が急増し、商用系統側の電圧および周波数が変動する恐れが生じていた。
　そこで、これらの恐れを防止するために、強風時において、発電電圧、発電電流、回転速度の何れか、若しくはこれらの組み合わせにより発電電力の制御を行なっている。
　例えば、強風時に風力発電機の出力段に接続されるコンバータの出力電圧を上げて負荷電流の増大を図り、風力発電機に電磁的にブレーキをかけることにより風車の回転速度の上昇を抑えている技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
　また、風車の回転速度を検出し、この検出した回転速度が予め設定した基準回転速度を超えた場合に、電力変換回路の入力電圧（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を制御することにより、入力電圧（Ｖin）を低下させ、風車の回転速度を抑制することにより、発電を停止しないで回転速度の抑制を行う技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
日本国特許第３４２３６６３号公報 日本国特許第３５２３５８７号公報
　しかしながら、風速１０（ｍ／ｓ）以下程度の比較的低風速域における電力制御に関しては、風速に対応する最適な電力量を効率的に得ることができない、という問題点があった。
　本発明は、上述のような実状に鑑みたものであり、比較的低風速域において、風速に対応する最適な電力量を効率的に得ることが可能な風力発電機を制御する風力発電制御装置、および該風力発電機を制御する風力発電制御方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
　すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の風力発電制御装置は、ピッチ角が固定である風車回転翼を用いた風力発電機を制御する風力発電制御装置であって、前記風力発電機が出力する出力電流値を検出する電流検出手段と、前記風力発電機が出力する出力電圧値を検出する電圧検出手段と、前記風車回転翼の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記風車回転翼に固有の特性である翼空力特性を予め格納する翼空力特性格納手段と、前記電流検出手段によって検出された現時点の出力電流値、前記電圧検出手段によって検出された現時点の出力電圧値および前記回転速度検出手段によって検出された現時点の回転速度に基づいて、現時点での回転速度における出力電力を算出する電力算出手段と、前記電力算出手段によって算出された出力電力および前記翼空力特性格納手段に格納されている翼空力特性に基づいて、前記風力発電機を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記制御手段が、前記電力算出手段によって算出される出力電力を前記翼空力特性格納手段に格納されている翼空力特性に合致させるように前記風力発電機を制御することが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記制御手段が、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲内において、前記風力発電機を制御することが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記所定の風速域が、略１０（ｍ／ｓ）以下の風速域であることが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記制御手段が、前記回転速度検出手段によって検出された現時点の回転速度が前記所定の風速域の最大風速に対応する最大回転速度を超えた場合、前記最大回転速度を超えないように前記風力発電機を制御することが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記翼空力特性格納手段が、前記風車回転翼の回転速度と前記風力発電機が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を予め格納することが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記制御手段が、前記風力発電機が有する電機子コイルを所定のデューティーサイクルで直接短絡することにより前記風力発電機を制御することが望ましい。
　また、本発明の風力発電制御装置は、前記制御手段が、前記電機子コイルを断続的に短絡することにより前記風力発電機を制御することが望ましい。
　また、本発明の一態様によれば、本発明の風力発電制御方法は、ピッチ角が固定である風車回転翼を用いた風力発電機を制御する風力発電制御方法であって、前記風力発電機が出力する出力電流値を検出し、前記風力発電機が出力する出力電圧値を検出し、前記風車回転翼の回転速度を検出し、前記検出された現時点の出力電流値、前記検出された現時点の出力電圧値および前記検出された現時点の回転速度に基づいて、現時点での回転速度における出力電力を算出し、前記算出された出力電力および予めメモリに格納されている前記風車回転翼に固有の特性である翼空力特性に基づいて、算出される出力電力を前記翼空力特性に合致させるように前記風力発電機を制御することを特徴とする。
本発明を適用した風力発電制御装置を示すブロック図である。 風車回転翼の回転速度と風力発電機が出力する電力および風力発電機に加える通電率との関係を示す図である。 本発明を適用した風力発電制御装置において実行される風力発電制御処理の流れを示すフローチャートである。 風速と風力発電機が出力する電力および風車回転翼の回転速度との関係を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本発明を適用した風力発電制御装置を示すブロック図である。
　図１において、本発明を適用した風力発電制御装置１は、風力発電機２を制御することにより効率的に発電する風力発電システムを構成する。
　前記風力発電機２は、永久磁石２１と三相の巻線２２とを備え、ピッチ角が固定である風車回転翼２０の回転によって発生する交流電流を整流器２３によって直流電流に変換し、蓄電池２４と、この蓄電池２４に接続された負荷２５に供給される。なお、前記風車回転翼２０は、そのピッチ角が固定であるため、ピッチ角を変動させることができるタイプや翼が可倒式になっているタイプに比べ、その構造が比較的シンプルであり故障も少なく、小型軽量化が容易である。
　前記風力発電制御装置１は、電流Ａ／Ｄ変換部１１、電圧Ａ／Ｄ変換部１２、回転速度計数部１３、ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４、計数コントロール部１５およびＰＷＭ変調部１６を備える。
　前記電流Ａ／Ｄ変換部１１は、前記風力発電機２が出力する出力電流値を、電流検出回路２６を介して検出し、アナログ値をデジタル値に変換する。前記電圧Ａ／Ｄ変換部１２は、前記風力発電機２が出力する出力電圧値を、電圧検出回路２７を介して検出し、アナログ値をデジタル値に変換する。
　前記回転速度計数部１３は、前記風車回転翼２０の回転速度を、回転速度検出回路２８を介して検出して取得する。前記ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４は、前記回転速度計数部１３によって取得した回転速度および予め定められた前記風車回転翼２０に固有の特性である翼空力特性に基づいて、前記風力発電機２の理論出力値を算出する。ここで、前記風車回転翼２０に固有の特性である翼空力特性は、前記風車回転翼２０の回転速度と前記風力発電機２が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を理論特性テーブルとしてメモリに格納しておいても良いし、ＷＰ＝ａ×ｘn＋ｂ×ｘn-1＋・・・＋ｃ×ｘ＋ｄ（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数）のような多次模擬式、例えばＷＰ＝ａ1×ｘ3＋ｂ1×ｘ2＋ｃ1×ｘ＋ｄ1（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ1，ｂ1，ｃ1，ｄ1：係数）のような３次模擬式を用いても良い。
　なお、前記多次模擬式は、下記に示すような理論特性計算式に基づいて模式化した式である。
　すなわち、任意の風速Ｕ（ｍ／ｓ）、ロータの回転速度Ｎ（ｒｐｍ）に対して、風力発電機の発電出力Ｐ（Ｗ）は、翼素運動量理論に従って下記の式１のように求めることが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、
Ｐ：発電出力（Ｗ）
ρ：空気密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｕ：風速（ｍ／ｓ）
Ａ：ロータの投影面積＝πＲ2（ｍ2）
Ｒ：ロータの半径（ｍ）
ＣP：パワー係数
となる。
　また、パワー係数ＣPは下記の式２によって求めることが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ｃ：コード分布
Ｂ：翼枚数
ＣL：揚力係数
φ：流入角（ｒａｄ）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ＣD：抗力係数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ｒ：ロータの中心からブレードのｊ軸方向の距離（ｍ）
ａ：誘導係数（軸方向成分）
ａ´：誘導係数（接線方向成分）
となる。
　上述式２についての各変数は、ブレードの位置ｒの関数であって、揚力係数および効力係数は、前記位置ｒでブレードに用いられている翼型データから取得される。
　また、誘導係数ａおよび誘導係数ａ´は、翼素運動理論においてはφを変数とする流れ場の力学系を記述する代数方程式のよって以下のように与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 となる。
　上述の式３に示した誘導係数ａおよび式４に示した誘導係数ａ´を求めるには、下記のようなステップ１乃至９による繰り返し近似法を用いる。なお、ブレードのブレードねじり分布θ（ｒ）およびコード分布ｃ（ｒ）は予め与えられているものとする。また、選定した翼型についても翼型性能データが既知であるものとする。
ステップ１：基本パラメータ（風速Ｕ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 、ブレードねじり分布θ（ｒ）、コード分布ｃ（ｒ））を決定する。
ステップ２：誘導係数ａおよび誘導係数ａ´の初期値（例えばａ＝ａ´＝０）を与える。
ステップ３：動径方向位置ｒにおいて、速度三角形から
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 によりφを求める。
ステップ４：α＝φ－θにより、迎え角αを求める。
ステップ５：翼型データからＣL（α）およびＣD（α）を決定する。
ステップ６：上記式５および式６により、ＣNおよびＣFを算出する。
ステップ７：上記式３および式４から、新しい誘導係数ａおよび誘導係数ａ´を算出する。
ステップ８：誘導係数ａおよび誘導係数ａ´が所定の誤差範囲内に収束するまで上記ステップを繰り返す。
ステップ９：誘導係数ａおよび誘導係数ａ´が収束したら、上記式１により出力性能を求める。なお、上記積分は一般的には数値積分による。
　なお、力学モデルの仮定により、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 の解は存在しない。
　また、現実問題としては、ブレードの局所的部分でこのような流れの状態に陥ることがある。こうした場合に対処するため、ＣNおよびＣFを補正するいくつかの実験式が、例えば下記文献に開示されている。
文献：M.O.L.Hansen著、「Aerodynamics of Wind Turbines」（EARTHSCAN発行）
　また、上記ＣnおよびＣpを補正する方法としては、上述した数式に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変形した数式を用いても良いし、上述した翼素運動量理論に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で他の理論を利用しても良い。
　前記計数コントロール部１５は、前記電流Ａ／Ｄ変換部１１によって変換した出力電流値および前記電圧Ａ／Ｄ変換部１２によって変換した出力電圧値に基づいて現時点での前記風力発電機２の出力電力値を算出し、この算出した現時点での出力電力値および前記ｒｐｍ／ｐｏｗｅｒ演算部１４によって算出した理論出力値に基づいて、前記理論出力値に見合う電力が出力されるように、前記整流器２３が備えるスイッチング回路のデューティー（通電率）を算出する。
　そして、前記ＰＷＭ変調部１６は、前記計数コントロール部１５によって算出されたデューティーに基づいて、前記風力発電機２が前記理論出力値に見合う電力を出力するように、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によって前記風車回転翼２０の回転を制御等することにより、ドライバ２９を介して前記整流器２３を制御する。
　なお、前記ＰＷＭ変調部１６は、前記風力発電機２が有する電機子コイルを所定のデューティーサイクルで直接短絡することにより、前記風力発電機２を制御してもよい。その際、前記ＰＷＭ変調部１６は、前記電機子コイルを断続的に短絡することにより前記風力発電機２を制御することもできる。
　上述したように、前記風力発電制御装置１は、前記風力発電機２が出力する出力電力、すなわち出力電圧と出力電流とに基づいて前記風力発電機２を制御しているので、前記負荷２５にかかる電圧に影響されることなく前記風力発電機２を制御することができる。
　図２は、風車回転翼の回転速度と風力発電機が出力する電力および風力発電機に加える通電率との関係を示す図である。
　本発明を適用した風力発電制御装置１の各機能について図１を用いて説明したが、このような風力発電制御装置１により制御された風力発電機２は、図２のような関係を示す。すなわち、風車回転翼２０の回転速度が増加すると、風力発電機２が出力する電力は、図２にグラフ化した丸点のように概ね多次関数的に増加するが、必ずしも関数曲線に一致するわけではない。
　そこで、上述のようにして算出したデューティーを風力発電機２に加えることにより、図２に示した理論電力特性、すなわち、風車回転翼２０の回転速度と風力発電機２が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性として、ＷＰ＝ａ×ｘn＋ｂ×ｘn-1＋・・・＋ｃ×ｘ＋ｄ（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数）のような多次模擬式、例えば、ＷＰ＝ａ1×ｘ3＋ｂ1×ｘ2＋ｃ1×ｘ＋ｄ1（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ1，ｂ1，ｃ1，ｄ1：係数）のような３次関数上に、風車回転翼２０の回転速度と風力発電機２が出力する電力との関係が一致するように風力発電機２を制御する。
　なお、図２に示した理論空力特性は、上記３次関数の極大点以下（Ｘ軸方向について）の部分に相当する。
　次に、このような風力発電システムにおける風力発電制御の処理の流れをフローチャートを用いて説明する。
　図３は、本発明を適用した風力発電制御装置において実行される風力発電制御処理の流れを示すフローチャートである。
　ステップＳ３０１において、前記風力発電機２が出力する出力電流値および出力電圧値を検出して取得し、ステップＳ３０２において、これらから出力電力値（出力電力＝電流×電圧）を算出する。
　これと並行して、ステップＳ３０３において、前記風車回転翼２０の回転速度を検出して取得する。
　そして、ステップＳ３０４において、ステップＳ３０３で取得した回転速度が所定値を越えているか否かを判断する。所定値としては、例えば風速１０（ｍ／ｓ）に相当する回転速度１０００（ｒｐｍ）を用いることができる。
　回転速度が所定値を越えていないと判断された場合、言い換えれば検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲内である場合（ステップＳ３０４：Ｎｏ）は、ステップＳ３０５において、ステップＳ３０３で取得した回転速度から理論電力値を求める。例えば、理論電力値としては、前記風車回転翼２０の回転速度と前記風力発電機２が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を用いても良いし、ＷＰ＝ａ×ｘn＋ｂ×ｘn-1＋・・・＋ｃ×ｘ＋ｄ（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数）のような多次模擬式、ＷＰ＝ａ1×ｘ3＋ｂ1×ｘ2＋ｃ1×ｘ＋ｄ1（ＷＰ：理論出力値、ｘ：回転数、ａ1，ｂ1，ｃ1，ｄ1：係数）のような３次模擬式を用いても良い。
　次に、ステップＳ３０６において、ステップＳ３０２で算出した出力電力値が、ステップＳ３０５で算出した理論電力値を越えているか否かを判断する。
　出力電力値が理論電力値を越えていると判断された場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３０７において、前記風力発電機２が出力する電力を減らすように算出したデューティーに基づいて、前記整流器２３を制御することにより、前記風力発電機２の負荷を軽くする。他方、出力電力値が理論電力値を越えていないと判断された場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）は、ステップＳ３０８において、前記風力発電機２が出力する電力を増やすように算出したデューティーに基づいて、前記整流器２３を制御することにより、前記風力発電機２の負荷を重くする。
　また、取得した回転速度が所定値を越えているとステップＳ３０４で判断された場合、言い換えれば検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲を超えている場合（ステップＳ３０４：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３０９において、基準とする回転速度、例えば１０００（ｒｐｍ）を設定する。
　次に、ステップＳ３１０において、ステップＳ３０９で設定した基準回転速度が、ステップＳ３０３で検出した回転速度を越えているか否かを判断する。
　基準回転速度が検出した回転速度を越えていると判断された場合（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３１１において、前記風力発電機２が出力する電力を減らすように算出したデューティーに基づいて、前記整流器２３を制御することにより、前記風力発電機２の負荷を軽くする。他方、基準回転速度が検出した回転速度を越えていないと判断された場合（ステップＳ３１０：Ｎｏ）は、ステップＳ３１２において、前記風力発電機２が出力する電力を増やすように算出したデューティーに基づいて、前記整流器２３を制御することにより、前記風力発電機２の負荷を重くする。
　図４は、風速と風力発電機が出力する電力および風車回転翼の回転速度との関係を示す図である。
　図４に示したように、風力発電制御装置１において実行される風力発電制御処理を実行することにより、前記風力発電機２は、風速２（ｍ／ｓ）以上の領域において継ぎ目の無い発電を実現し続けることができる。そして、風速２０（ｍ／ｓ）で最大電力２３００（Ｗ）の出力を実現し、その後は、風の強さが増加するのに従って出力を増加させながら、ゆっくりでゆるやかな曲線に移行する。この曲線が、前述の多次模擬式で表わされた曲線となる。
　一般に風力発電機は、風速の三乗に比例して出力が増加するが、実用上は風車回転翼の破壊、騒音などを防ぐために、何らかの方法により出力を制限させるのが一般的である。本発明を適用した風力発電制御装置１では、風速２から１０（ｍ／ｓ）の低風速域における発電効率を高める効果がある。
　また、本発明を適用した風力発電制御装置１は、前記風力発電機２が出力する出力電力、すなわち出力電圧と出力電流とに基づいて前記風力発電機２を制御しているので、前記負荷２５にかかる電圧に影響されることなく前記風力発電機２を制御することができる。
　以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、上述してきた本発明の実施の形態は、風力発電制御装置の一機能としてハードウェアまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）ボードやＣＰＵボードでのファームウェアもしくはソフトウェアにより実現することができる。
　また、本発明が適用される風力発電制御装置は、その機能が実行されるのであれば、上述の実施の形態に限定されることなく、単体の装置であっても、複数の装置からなるシステムあるいは統合装置であっても、ＬＡＮ、ＷＡＮ等のネットワークを介して処理が行なわれるシステムであってもよいことは言うまでもない。
　また、バスに接続されたＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭのメモリ、入力装置、出力装置、外部記録装置、媒体駆動装置、ネットワーク接続装置で構成されるシステムでも実現できる。すなわち、前述してきた実施の形態のシステムを実現するソフトェアのプログラムを記録したＲＯＭやＲＡＭのメモリ、外部記録装置、可搬記録媒体を、風力発電制御装置に供給し、その風力発電制御装置のコンピュータがプログラムを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
　この場合、可搬記録媒体等から読み出されたプログラム自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムを記録した可搬記録媒体等は本発明を構成することになる。
　プログラムを供給するための可搬記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＡＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリーカード、ＲＯＭカード、電子メールやパソコン通信等のネットワーク接続装置（言い換えれば、通信回線）を介して記録した種々の記録媒体などを用いることができる。
　また、コンピュータ（情報処理装置）がメモリ上に読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施の形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施の形態の機能が実現される。
　さらに、可搬型記録媒体から読み出されたプログラムやプログラム（データ）提供者から提供されたプログラム（データ）が、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施の形態の機能が実現され得る。
　すなわち、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。
　本発明は、比較的低風速域における出力が最大となるように、予め用意した風車タービンの理論特性から該回転速度における理論出力値を求め、該理論出力値に見合う最大の発電電力量を得るようにスイッチング回路のデューティー（通電率）を調整することにより、固定翼でありながらより高い発電効率を得ることが出来る、という効果を奏する。
 

Claims (9)

  1. 　ピッチ角が固定である風車回転翼を用いた風力発電機を制御する風力発電制御装置であって、
    　前記風力発電機が出力する出力電流値を検出する電流検出手段と、
    　前記風力発電機が出力する出力電圧値を検出する電圧検出手段と、
    　前記風車回転翼の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
    　前記風車回転翼に固有の特性である翼空力特性を予め格納する翼空力特性格納手段と、
    　前記電流検出手段によって検出された現時点の出力電流値、前記電圧検出手段によって検出された現時点の出力電圧値および前記回転速度検出手段によって検出された現時点の回転速度に基づいて、現時点での回転速度における出力電力を算出する電力算出手段と、
    　前記電力算出手段によって算出された出力電力および前記翼空力特性格納手段に格納されている翼空力特性に基づいて、前記風力発電機を制御する制御手段と、
    　を備えることを特徴とする風力発電制御装置。
  2. 　前記制御手段は、前記電力算出手段によって算出される出力電力を前記翼空力特性格納手段に格納されている翼空力特性に合致させるように前記風力発電機を制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電制御装置。
  3. 　前記制御手段は、前記回転速度検出手段によって検出される回転速度が所定の風速域での回転速度の範囲内において、前記風力発電機を制御することを特徴とする請求項２に記載の風力発電制御装置。
  4. 　前記所定の風速域は、略１０（ｍ／ｓ）以下の風速域であることを特徴とする請求項３に記載の風力発電制御装置。
  5. 　前記制御手段は、前記回転速度検出手段によって検出された現時点の回転速度が前記所定の風速域の最大風速に対応する最大回転速度を超えた場合、前記最大回転速度を超えないように前記風力発電機を制御することを特徴とする請求項３に記載の風力発電制御装置。
  6. 　前記翼空力特性格納手段は、前記風車回転翼の回転速度と前記風力発電機が発生するトルクとの関係を示す翼空力特性を予め格納することを特徴とする請求項１に記載の風力発電制御装置。
  7. 　前記制御手段は、前記風力発電機が有する電機子コイルを所定のデューティーサイクルで直接短絡することにより前記風力発電機を制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電制御装置。
  8. 　前記制御手段は、前記電機子コイルを断続的に短絡することにより前記風力発電機を制御することを特徴とする請求項７に記載の風力発電制御装置。
  9. 　ピッチ角が固定である風車回転翼を用いた風力発電機を制御する風力発電制御方法であって、
    　前記風力発電機が出力する出力電流値を検出し、
    　前記風力発電機が出力する出力電圧値を検出し、
    　前記風車回転翼の回転速度を検出し、
    　前記検出された現時点の出力電流値、前記検出された現時点の出力電圧値および前記検出された現時点の回転速度に基づいて、現時点での回転速度における出力電力を算出し、
    　前記算出された出力電力および予めメモリに格納されている前記風車回転翼に固有の特性である翼空力特性に基づいて、算出される出力電力を前記翼空力特性に合致させるように前記風力発電機を制御する、
    　ことを特徴とする風力発電制御方法。
     
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