(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体と、
前記浮体に支持されたジャイロシステムと、
前記ジャイロシステムのジンバル軸に増速機を介して接続された発電機と、
前記浮体の揺れの浮体角度およびまたは浮体角速度を検出する浮体角検出手段と、
前記ジンバル軸回りの回転のジンバル角度およびまたはジンバル角速度を検出するジンバル角検出手段と、
前記浮体の揺れと前記ジンバル軸回りの回転とを同期させる制御手段と、を備えたジャイロ式波力発電装置の制御方法であって、
前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体角速度からジンバル回転による浮体角速度成分を除去した波による浮体角速度成分を求める波による浮体角速度演算ステップと、
前記波による浮体角速度成分の周期に基づき前記発電機の回転数を制御する主指令を生成する主指令生成ステップと、
を有することを特徴とするジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【請求項２】
前記波による浮体角速度成分の位相と前記ジンバル角度の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する副指令生成ステップと、
前記主指令に前記副指令を重畳する重畳ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【請求項３】
前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体速度からジンバル回転による浮体角度成分を除去した波による浮体角度成分を求める波による浮体角度演算ステップと、
前記波による浮体角速度成分および前記波による浮体角度成分に基づきジンバル角度の目標値を設定する目標値設定ステップと、
前記ジンバル角度と前記ジンバル角度の目標値との偏差をゼロに近づける補正量を生成して副指令とする第２副指令生成ステップと、
前記主指令に前記副指令を重畳する重畳ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【請求項４】
前記主指令生成ステップは、前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期のｎ倍（ｎは１以上の正整数）期間毎に前記主指令を更新することを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【請求項５】
前記副指令生成ステップは、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より遅れている場合には前記発電機を加速制御する補正量を生成し、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より進んでいる場合には前記発電機を減速制御する補正量を生成することを特徴とする請求項２に記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【請求項６】
前記副指令生成ステップは、前記ジンバル角度の余弦成分または正弦成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期において、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より遅れている場合には、前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点から該半周期の終了時点までの期間に前記発電機を加速制御する第１補正量を生成し、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より進んでいる場合には、該半周期の開始時点から前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点までの期間に前記発電機を減速制御する前記第１補正量より大きい第２補正量を生成することを特徴とする請求項２に記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はジャイロ式波力発電装置およびその制御方法に係り、特に、波動の周期変動に追従し得ると共に、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれにも即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の深刻化する地球環境問題やエネルギー不足の観点から波力発電が注目されている。この波力発電の一方式として、海上の浮体の揺れをジャイロシステムで受け止め、そのエネルギーを利用して発電するジャイロ式波力発電装置がある（特許文献１、特許文献２および特許文献３）。
【０００３】
このジャイロ式波力発電装置は、ジャイロシステムと、発電機と、制御部とを備え、ジャイロシステムに、密閉されたジンバルと、その中にジンバル軸とスピン軸が直交方向をなすように配置され且つスピン軸を中心としてスピン可能に収めたフライホイールと、フライホイールを高速で回転するスピンモータと、を備えて、波の運動による浮体の揺れによりジンバルを回転し、ジンバル軸に増速機を介して接続された発電機により発電する構成である。また、装置には、浮体の傾きや角速度を検出する揺れセンサと、ジンバルの回転角や角速度を検出するジンバル軸方向センサ（エンコーダ）が設けられ、これらセンサの検出信号を用いて浮体の揺れとジンバルの回転を同期させることにより、発電効率を高めている。
【０００４】
ここで、図１６〜図２０を参照して、ジャイロ式波力発電装置におけるジャイロシステムの原理的説明をする。図１６には、原理的説明で用いるジャイロシステムの簡略化した斜視図を示す。ジャイロシステムは、浮体２上に支持部材を介して設置されており、Ｙ軸（ジンバル軸）回りに回転するジンバル６と、Ｙ軸と直交するＺ軸（スピン軸）回りに回転するフライホイール７とを備える。なお同図では、フライホイール７を高速回転させるスピンモータや、ジンバル軸に増速機を介して接続される発電機等については省略している。また、波の進行方向が同図に示すようにＹ軸方向の場合、浮体２はＹ軸と直交するＸ軸回りに傾きを持つことになる。
【０００５】
まず、図１７に示す浮体２の傾きがない状態で、各種位置や方向を規定しておく。同図（ｂ）はジャイロシステムを上視した平面図であり、波の方向から見た前後左右を同図（ｂ）に示す如く定義し、フライホイール７の右側端部をＡ点と、左側端部をＢ点とそれぞれ定義する。また、同図（ａ）、（ｃ）はそれぞれ左側からみた側面図と、右側からみた側面図である。図１７の状態を第１の初期状態とし、この時のフライホイール７の上面にマーク「上」を付しておくこととする。
【０００６】
次に、波による揺れを受けて図１７の第１の初期状態から図１８に示す状態に遷移したときを考える。つまり、Ｘ軸回りに浮体２の前側が下方に、後側が上方にそれぞれ傾いた状態である。このとき、フライホイール７のスピン軸（Ｚ軸）も傾き、図１８（ａ）に示すように、フライホイール７の左側端部（Ｂ点）の運動方向は下向きに変化するが、Ｂ点には元の運動方向（水平方向）に戻ろうとする上向きの力が発生することになる。他方、フライホイール７の右側端部（Ａ点）では、図１８（ｃ）に示すように、Ａ点の運動方向は上向きに変化するが、Ａ点には元の運動方向（水平方向）に戻ろうとする下向きの力が発生することになる。このように、復元力としてＢ点では上向きの力が、Ａ点では下向きの力がそれぞれ発生することにより、ジンバル軸（Ｙ軸）には、後側からみて反時計回りの力が働くこととなる。
【０００７】
次に、浮体の傾きのない第２の初期状態を図１９に示す。つまり、フライホイール７の右側端部（Ａ点）および左側端部（Ｂ点）の運動方向は水平方向で図１７と同様であるが、図１７の状態からジンバル６がＹ軸（ジンバル軸）回りに１８０°回転した状態であり、上視図、即ち図１７（ｂ）および図１９（ｂ）を対比すると、フライホイール７の回転方向は逆となっている。
【０００８】
次に、波による揺れを受けて図１９の第２の初期状態から図２０に示す状態に遷移したときを考える。つまり、Ｘ軸回りに浮体２の前側が上方に、後側が下方にそれぞれ傾いた状態である。このとき、フライホイール７のスピン軸（Ｚ軸）も傾き、図２０（ａ）に示すように、フライホイール７の左側端部（Ｂ点）の運動方向は下向きに変化するが、Ｂ点には元の運動方向（水平方向）に戻ろうとする上向きの力が発生することになる。他方、フライホイール７の右側端部（Ａ点）では、図１８（ｃ）に示すように、Ａ点の運動方向は上向きに変化するが、Ａ点には元の運動方向（水平方向）に戻ろうとする下向きの力が発生することになる。このように、復元力としてＢ点では上向きの力が、Ａ点では下向きの力がそれぞれ発生することにより、ジンバル軸（Ｙ軸）には、後側からみて反時計回りの力が働くこととなる。
【０００９】
ジャイロ式波力発電装置は、以上説明したジャイロシステムの復元力の作用を利用して波のエネルギーをジンバル軸の回転に変換し、発電機を駆動して発電するものである。つまり、波浪による浮体２の揺動によりジンバル６を一方向に連続的に回転させるためには、浮体２の揺れとジンバル６の回転を同期させるようにジンバル軸の回転数を制御する必要がある。図２１には、このジンバル同期制御を行った場合の（ａ）浮体角速度、（ｂ）フライホイール回転角度、（ｃ）ジンバル角度および（ｄ）ジンバル角度の余弦成分についての値または状態の時間的推移を示す。
【００１０】
つまり、浮体角速度が正のピークをとるタイミングでフライホイール７のスピン軸の角度が図１７の第１の初期状態となり、浮体角速度が負のピークをとるタイミングでフライホイール７のスピン軸の角度が図１９の第２の初期状態となっていれば、理想的に同期制御が行われることになる。また、浮体角速度（図２１（ａ））とジンバル角度の余弦成分（図２１（ｄ））の位相を一致させることで、理想的に同期制御が実現されることも分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４１８４８０３号公報
【特許文献２】特開２００５−２０７３３２号公報
【特許文献３】特開２００７−３１５２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、自然界の波動は不規則波であり、図２１（ａ）で示したように、浮体角速度が一定周期の正弦波形とはならず、不定周期となるのが一般的であり、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれは逐次発生して、完全な同期制御の実現は難しいという事情があった。
【００１３】
なお、特許文献２の「ジャイロ式波力発電装置」では、浮体２の揺れの主振動数成分付近でジンバル６が回転するように浮体２の揺れの平均周波数を得て発電機の回転数を微調整した後に、発電機出力が平均的に最大となるように発電機の回転数を微小変化させ、最大となる回転数を自動探索、追従させるように構成する旨が開示されているが、具体的な構成および制御手法は開示されていない。
【００１４】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、波動の周期変動に追従し得ると共に、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれにも即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係るジャイロ式波力発電装置は、浮体と、前記浮体に支持されたジャイロシステムと、前記ジャイロシステムのジンバル軸に増速機を介して接続された発電機と、前記浮体の揺れの浮体角度およびまたは浮体角速度を検出する浮体角検出手段と、前記ジンバル軸回りの回転のジンバル角度およびまたはジンバル角速度を検出するジンバル角検出手段と、前記浮体の揺れと前記ジンバル軸回りの回転とを同期させる制御手段と、を備えたジャイロ式波力発電装置であって、前記制御手段は、前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体角速度からジンバル回転による浮体角速度成分を除去した波による浮体角速度成分を求める波による浮体角速度演算手段と、前記波による浮体角速度成分の周期に基づき前記発電機の回転数を制御する主指令を生成する主指令生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の周期（周波数）にジンバル軸回りの回転周期（周波数）を同期させる、いわゆる周波数同期を行うことができ、波動の周期変動に確実に追従し得るジャイロ式波力発電装置を実現することができる。
【００１７】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置において、前記主指令生成手段は、前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期のｎ倍（ｎは１以上の正整数）期間毎に前記主指令を更新することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、波動の周期変動に柔軟に追従し得る周波数同期を行うことができる。
【００１９】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置において、前記制御手段は、前記波による浮体角速度成分の位相と前記ジンバル角度の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する副指令生成手段と、前記主指令に前記副指令を重畳する重畳手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置を実現することができる。
【００２１】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置において、前記副指令生成手段は、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より遅れている場合には前記発電機を加速制御する補正量を生成し、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より進んでいる場合には前記発電機を減速制御する補正量を生成することを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置を実現することができる。
【００２３】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置において、前記副指令生成手段は、前記ジンバル角度の余弦成分または正弦成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期において、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より遅れている場合には、前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点から該半周期の終了時点までの期間に前記発電機を加速制御する第１補正量を生成し、前記ジンバル角度の位相が前記波による浮体角速度成分の位相より進んでいる場合には、該半周期の開始時点から前記波による浮体角速度成分のゼロクロス点までの期間に前記発電機を減速制御する前記第１補正量より大きい第２補正量を生成することを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置を実現することができる。また、第１補正量＜第２補正量とすることで、別途発電機への電力供給が必要となる加速制御時の電力消費を抑えることができる。
【００２５】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置において、前記制御手段は、前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体速度からジンバル回転による浮体角度成分を除去した波による浮体角度成分を求める波による浮体角度演算手段を有し、前記副指令生成手段は、前記波による浮体角速度成分および前記波による浮体角度成分に基づきジンバル角度の目標値を設定し、該ジンバル角度の目標値と前記ジンバル角度との偏差をゼロに近づける補正量を生成して副指令とすることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置を実現することができる。
【００２７】
本発明に係るジャイロ式波力発電装置の制御方法は、浮体と、前記浮体に支持されたジャイロシステムと、前記ジャイロシステムのジンバル軸に増速機を介して接続された発電機と、前記浮体の揺れの浮体角度およびまたは浮体角速度を検出する浮体角検出手段と、前記ジンバル軸回りの回転のジンバル角度およびまたはジンバル角速度を検出するジンバル角検出手段と、前記浮体の揺れと前記ジンバル軸回りの回転とを同期させる制御手段と、を備えたジャイロ式波力発電装置の制御方法であって、前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体角速度からジンバル回転による浮体角速度成分を除去した波による浮体角速度成分を求める波による浮体角速度演算ステップと、前記波による浮体角速度成分の周期に基づき前記発電機の回転数を制御する主指令を生成する主指令生成ステップと、を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の周期（周波数）にジンバル軸回りの回転周期（周波数）を同期させる、いわゆる周波数同期を行うことができ、波動の周期変動に確実に追従し得るジャイロ式波力発電装置の制御方法を実現することができる。
【００２９】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法において、前記波による浮体角速度成分の位相と前記ジンバル角度の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する副指令生成ステップと、前記主指令に前記副指令を重畳する重畳ステップと、を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置の制御方法を実現することができる。
【００３１】
また、本発明は、上記記載のジャイロ式波力発電装置の制御方法において、前記浮体角度または前記浮体角速度、並びに前記ジンバル角度およびまたは前記ジンバル角速度に基づき、前記浮体速度からジンバル回転による浮体角度成分を除去した波による浮体角度成分を求める波による浮体角度演算ステップと、前記波による浮体角速度成分および前記波による浮体角度成分に基づきジンバル角度の目標値を設定する目標値設定ステップと、前記ジンバル角度と前記ジンバル角度の目標値との偏差をゼロに近づける補正量を生成して副指令とする第２副指令生成ステップと、前記主指令に前記副指令を重畳する重畳ステップと、を有することを特徴とする。
【００３２】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分を除去した）波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置の制御方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ジンバル回転の影響を取り除いた波による浮体角速度成分の周期にジンバル軸回りの回転周期を同期させて、波動の周期変動に確実に追従し得ると共に、ジンバル回転の影響を取り除いた波による浮体角速度成分の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させて、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るジャイロ式波力発電装置における制御に関わる部分の構成図である。
【図２】各実施形態が適用されるジャイロ式波力発電装置の基本的構成を例示する構成図である。
【図３】第１実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部の具体的な構成図である。
【図４】第１実施形態の制御部における波による浮体角速度演算部の構成図である。
【図５】浮体角速度演算部の構成（図４）の導出過程を説明する説明図である。
【図６】第１実施形態の制御部における各種信号（ジンバル遅れ時）のタイムチャートである。
【図７】第１実施形態の制御部における各種信号（ジンバル進み時）のタイムチャートである。
【図８】シミュレーション実験結果（位相ずれ無し）を例示する説明図である。
【図９】シミュレーション実験結果（ジンバル３０°遅れ時）を例示する説明図である。
【図１０】シミュレーション実験結果（ジンバル１５°進み時）を例示する説明図である。
【図１１】シミュレーション実験結果（位相ずれと平均電力の関係）を例示する説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るジャイロ式波力発電装置における制御に関わる部分の構成図である。
【図１３】第２実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部の具体的な構成図である。
【図１４】第２実施形態の制御部における波による浮体角速度・角度演算部の構成図である。
【図１５】第２実施形態の制御部の副指令生成部における角度演算を説明する説明図である。
【図１６】ジャイロ式波力発電装置におけるジャイロシステムの簡略化した斜視図である。
【図１７】ジャイロシステムの原理的説明図（その１：第１の初期状態）である。
【図１８】ジャイロシステムの原理的説明図（その２：第１の傾き状態）である。
【図１９】ジャイロシステムの原理的説明図（その３：第２の初期状態）である。
【図２０】ジャイロシステムの原理的説明図（その４：第２の傾き状態）である。
【図２１】ジンバル同期制御を行った場合の（ａ）浮体角速度、（ｂ）フライホイール回転角度、（ｃ）ジンバル角度および（ｄ）ジンバル角度の余弦成分のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態の順に図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法は、特許文献１、特許文献２および特許文献３のジャイロ式波力発電装置において浮体の揺れとジンバル軸の回転を同期させる制御手段に適用可能であり、他のジャイロ式波力発電装置にも適用可能である。
【００３６】
また先に、図２を参照して、各実施形態が適用されるジャイロ式波力発電装置の基本的構成について説明しておく。ジャイロ式波力発電装置は、基本的構成としてジャイロシステム、発電機１０および制御部１３を備えるが、図２では制御部１３に関わる構成要素と電気的接続関係のみを示すこととして、ジャイロシステムの構成を簡略化してジンバル６、フライホイール７およびスピンモータ８のみを示している。
【００３７】
ジャイロ式波力発電装置を海上に浮かべ、フライホイール７をスピンモータ８によって高速で回転させた状態としておく。この時、制御部１３は、スピンモータ８を駆動制御するインバータ（図示せず）に対して周波数（回転数）指令を出力し、インバータによる速度制御が行われる。なお、インバータ出力はスリップリング１２を介してスピンモータ８に供給され、スピンモータ８の駆動に用いる電力は電力系統または蓄電器から供給される。
【００３８】
波の運動により浮体が揺動する（傾く）と、この動きがジャイロシステムで受け止められ、ジンバル６が回転し、その回転により増速機９を介して発電機１０を駆動し、発電が行われる。発電された電力は電力系統または蓄電器に送られる。この発電の際に、制御部１３は、浮体の傾き（浮体角度）や浮体角速度を検出する浮体角検出センサ１４と、ジンバル角度やジンバル角速度を検出するジンバル角センサ１５の検出信号を用いて、浮体の揺れとジンバル軸の回転を同期させるジンバル同期制御を行う。具体的には、以下の各実施形態の説明で明らかとなる。
【００３９】
〔第１実施形態〕
次に、本発明の第１実施形態に係るジャイロ式波力発電装置について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るジャイロ式波力発電装置における制御に関わる部分の構成図である。図１の構成は特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４および請求項５に対応しており、構成要素名は特許請求の範囲で記載した手段名を用いている。
【００４０】
図１において、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御手段１３ａは、波による浮体角速度演算手段２１、主指令生成手段２２、副指令生成手段２３および重畳手段２４を備えている。なお、制御手段１３ａはＭＰＵやＤＳＰ等のプロセッサで実現され、これら各構成要素は該プロセッサ上で実行されるプログラムの機能的まとまりとして具現されるものである。
【００４１】
浮体角検出手段（浮体角検出センサ）１４は、浮体の揺れの浮体角度および浮体角速度の両方または何れか一方を検出するものであれば良い。制御手段１３ａ側で、浮体角度を微分すれば浮体角速度が得られ、また浮体角速度を積分すれば浮体角度が得られるからである。また、ジンバル角検出手段（ジンバル角センサ）１５は、ジンバル軸回りの回転のジンバル角度およびジンバル角速度の両方または何れか一方を検出するものであれば良い。制御手段１３ａ側で、ジンバル角度を微分すればジンバル角速度が得られ、またジンバル角速度を積分すればジンバル角度が得られるからである。
【００４２】
次に、波による浮体角速度演算手段２１は、浮体角度または浮体角速度、並びにジンバル角度およびまたはジンバル角速度に基づき、浮体角速度からジンバル回転による浮体角速度成分を除去した波による浮体角速度成分を求める。
【００４３】
ここで、ジャイロ式波力発電装置をモデル化し、運動方程式をたてると以下のようになる。すなわち、浮体角度をｑ１［ｒａｄ］、浮体角速度を(d/dt)ｑ１［ｒａｄ／ｓｅｃ］、ジンバル角度をｑ２［ｒａｄ］、ジンバル角速度を(d/dt)ｑ２［ｒａｄ／ｓｅｃ］、波による浮体へのトルクをτ［Ｎｍ］、発電機（誘導機）１０のトルクをτ２［Ｎｍ］と、それぞれするとき、浮体角加速度(d/dt)２ｑ１は次式で与えられる。
［数１］
(d/dt)２ｑ１＝（−Ｃ’・(d/dt)ｑ１・cosｑ１−Ｋ’・sinｑ１＋τ
−２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２）／Ｍ’      （１）
また、ジンバル角加速度(d/dt)２ｑ２は次式で与えられる。
［数２］
(d/dt)２ｑ２＝（τ２＋２・(d/dt)ｑ１・Ω・Ｉｐ・cosｑ２）／Ｉｄ      （２）
ここに、各パラメータを次の通りとしている。すなわち、フライホイールの回転角速度：Ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］、フライホイールの極慣性モーメント：Ｉｐ［ｋｇ・ｍ２］、フライホイールの極直角慣性モーメント：Ｉｄ［ｋｇ・ｍ２］、浮体の慣性モーメントおよび付加慣性モーメント：Ｍ’［ｋｇ・ｍ２］、浮体のバネ係数；Ｋ’、浮体の粘性減衰係数：Ｃ’である。
【００４４】
式（１）における「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」項および式（２）における「２・(d/dt)ｑ１・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」項は、それぞれジンバル回転の影響項である。ここで係数「２」はフライホールの個数を表しており、ジャイロシステムを複数個備える（例えば特許文献２および特許文献３の）ジャイロ式波力発電装置への対応を加味した。なお、複数のジャイロシステムを対称型構成とし、各ジャイロシステムを互いに反対方向に回転させる構成により、各フライホイールの回転に伴う反力を全てバランスさせることができ、これによる影響を無視することができる。
【００４５】
式（１）に示されるように、浮体角加速度(d/dt)２ｑ１には波動の影響項とジンバル回転の影響項を持つことから、浮体角検出手段１４によって検出される浮体角速度(d/dt)ｑ１には、波による浮体角速度(d/dt)ｑ１”とジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’とが含まれていると考えられる。そこで本発明では、浮体角速度(d/dt)ｑ１からジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を求め、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”に対してジンバル軸回りの回転を同期させるジンバル同期制御を行うこととした。
【００４６】
また、主指令生成手段２２は、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期に基づき発電機１０の回転数を制御する主指令を生成する。すなわち、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期Ｔを求めて２π（１／Ｔ）を演算し、これを発電機１０の回転数（周波数）、即ちジンバル回転速度を制御する主指令として出力する。具体的には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期のｎ倍（ｎは１以上の正整数）期間毎に主指令が更新される。
【００４７】
また、副指令生成手段２３は、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する。具体的には、ジンバル角度ｑ２の余弦成分または正弦成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期において、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れている場合には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点から該半周期の終了時点までの期間に発電機１０を加速制御する第１補正量を生成し、また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より進んでいる場合には、該半周期の開始時点から波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点までの期間に発電機１０を減速制御する第１補正量より大きい第２補正量を生成する。
【００４８】
また、重畳手段２４は、主指令生成手段２２による主指令に副指令生成手段２３による副指令を重畳して、これを発電機１０の回転数（周波数）、即ちジンバル回転速度を制御するジンバル速度指令として駆動制御部１１に対して出力する。ここで、副指令生成手段２３における副指令を補正量の値そのもの（第１補正量＞０、第２補正量＜０）とするときには、重畳手段２４は加算器で実現され、副指令生成手段２３における副指令を比率（第１補正量＞１、第２補正量＜１）とするときには、重畳手段２４は乗算器で実現されることになる。
【００４９】
次に、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部（制御手段）１３ａのより具体的な構成および作用を、図３〜図７を参照して詳細に説明する。ここで、図３は本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部１３ａの具体的な構成図であり、図４は本実施形態の制御部１３ａにおける波による浮体角速度演算部２１の構成図であり、図５は浮体角速度演算部２１の構成の導出過程を説明する説明図であり、図６は本実施形態の制御部１３ａにおいてジンバル角度の位相が遅れているときの各種信号のタイムチャートであり、図７は本実施形態の制御部１３ａにおいてジンバル角度の位相が進んでいるときの各種信号のタイムチャートである。
【００５０】
図３において、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部１３ａは、波による浮体角速度演算部２１、主指令生成部２２、副指令生成部２３および加算器（重畳手段）２４を備えた構成である。なお、図３では、浮体角検出手段（浮体角検出センサ）１４から浮体角速度(d/dt)ｑ１が、またジンバル角検出手段（ジンバル角センサ）１５からジンバル軸回りの回転のジンバル角度ｑ２およびジンバル角速度(d/dt)ｑ２が、それぞれ供給される構成である。
【００５１】
まず、波による浮体角速度演算部２１について、図４および図５を参照して説明する。波による浮体角速度演算部２１の具体的構成は図４に示す通りであるが、この構成は次のようにして導出される。すなわち、式（１）の浮体角加速度(d/dt)２ｑ１の運動方程式を制御ブロック図に展開すると図５（ａ）に示す如くなる。
【００５２】
浮体角加速度(d/dt)２ｑ１は係数器１０５（１／Ｍ’）の出力として得られ、これを積分器１０６で積分すると浮体角速度(d/dt)ｑ１が得られる。さらにこの浮体角速度を(d/dt)ｑ１を積分器１０７で積分すると浮体角度ｑ１が得られる。この浮体角度ｑ１の余弦成分を関数器１０８で求め、これを係数器１０９でＣ’倍したものに、浮体角速度(d/dt)ｑ１を乗算器１１２で掛け合わせると式（１）の「Ｃ’・(d/dt)ｑ１・cosｑ１」項が得られる。また、浮体角度ｑ１の正弦成分を関数器１１０で求め、これを係数器１１１でＫ’倍すると式（１）の「Ｋ’・sinｑ１」項が得られる。これら両項を加算器１１３で加算し、この加算結果を減算器１０２で浮体へのトルクτから差し引き、さらにこの減算結果からジンバル回転による影響項「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」１０１を減算器１０３で差し引くと、式（１）の右辺となる。
【００５３】
次に、図５（ａ）の制御ブロック図において、減算器１０２と減算器１０３の前後位置関係を逆転して、それぞれ減算器１２３と減算器１２２に置き換えたものが図５（ｂ）の制御ブロック図である。このとき、係数器１０５（１／Ｍ’）の出力はジンバル回転による浮体角加速度(d/dt)２ｑ１’とみることができ、積分器１０６の出力はジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’とみることができ、さらに積分器１０７の出力はジンバル回転による浮体角度ｑ１’とみることができる。すなわち、この図５（ｂ）の制御ブロック構成によりジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’を求めることができる。
【００５４】
図４に示す構成では、図５（ｂ）の制御ブロック構成において、波による浮体へのトルクτ＝０として近似し、減算器１２３を取り除いた構成が反映されている。すなわち、ジンバル回転による浮体角加速度(d/dt)２ｑ１’は係数器５５（１／Ｍ’）の出力として得られ、これを積分器５６で積分するとジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’が得られる。さらにこのジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’を積分器５７で積分するとジンバル回転による浮体角度ｑ１’が得られる。このジンバル回転による浮体角度ｑ１’の余弦成分を関数器５８で求め、これを係数器５９でＣ’倍したものに、ジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’を乗算器６２で掛け合わせる。また、ジンバル回転による浮体角度ｑ１’の正弦成分を関数器６０で求め、これを係数器６１でＫ’倍し、これら両演算結果を加算器６３で加算する。一方、ジンバル回転による影響項「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」については、ジンバル角度ｑ２の余弦成分を関数器５１で求め、これを係数器５２で「２・Ω・Ｉｐ」倍したものに、ジンバル角速度(d/dt)ｑ２を乗算器５３で掛け合わせて求める。そしてさらに加算器５４でジンバル回転による影響項「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」と加算器６３の出力とを加算して係数器５５に与える。
【００５５】
また、以上の構成により演算したジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を、浮体角速度(d/dt)ｑ１から減算器６４で差し引いて、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を求める。
【００５６】
次に、主指令生成部２２について、図３および図６（ａ）〜（ｅ）（図７（ａ）〜（ｅ）も同一内容であり、ここでは代表して図６を用いる）を参照して説明する。ここで、図６のタイムチャートにおいて、（ａ）は波による浮体角速度(d/dt)ｑ１’ を、（ｂ）は浮体角速度(d/dt)ｑ１’のゼロクロス信号ｚｘ１を、（ｃ）はゼロクロス後の時間カウント値ｃｔ１を、（ｄ）は半周期計測結果を、（ｅ）はジンバル速度主指令ｃｍをそれぞれ示す。
【００５７】
図３において、主指令生成部２２は、ゼロクロス演算部３１、計数部３２、関数器３３および係数器３４を備えた構成である。まず、ゼロクロス演算部３１では、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”（図６（ａ）参照）について、正の時に正定数に、負の時に負定数（正定数および負定数の絶対値は同値）にそれぞれなるゼロクロス信号ｚｘ１（図６（ｂ）参照）を生成する。このゼロクロス信号ｚｘ１のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までが波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の半周期となる。
【００５８】
また、計数部３２では、ゼロクロス信号ｚｘ１のゼロクロス点を起点とする時間をソフトウェアカウンタにより計数する。時間カウント値は、図６（ｃ）に示すように、次のゼロクロス点に達した時点でリセットされて、次の半周期における計数が開始されるが、計数している半周期の１半周期前の時間カウント値は、１半周期前の半周期計測結果（図６（ｄ）参照）としてその半周期の期間だけ保持され、半周期毎に更新される。
【００５９】
また、関数器３３では保持されている１半周期前の半周期計測結果の逆数を演算し、係数器３４では関数器３３の演算結果にπ（円周率）を掛ける。これにより、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”（周期Ｔ）の周波数（２π（１／Ｔ））が求められ、これをジンバル速度指令ｃｚの主指令分ｃｍとして出力する。つまり、ジンバル速度の主指令ｃｍは、図６（ｅ）に示すように、１半周期前の半周期計測結果を用いて現半周期における主指令ｃｍを生成している。なお実際には、係数器３４の係数はπに増速機９のギア比等を乗じて得られる係数を用いている。
【００６０】
次に、副指令生成部２３について、図３、図６（ｆ）〜（ｍ）および図７（ｆ）〜（ｍ）を参照して説明する。ここで、図６はジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より３０°遅れているとき（ジンバル遅れ時）のタイムチャートであり、図７はジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より３０°進んでいるとき（ジンバル進み時）のタイムチャートである。また図６および図７において、（ｆ）はフライホイール回転角度を、（ｇ）はジンバル角度ｑ２を、（ｈ）はジンバル角度ｑ２のゼロクロス信号ｚｘ２を、（ｉ）はゼロクロス後の時間カウント値ｃｔ２を、（ｊ）は時間カウント差による補正量ｖｃを、（ｋ）は補正タイミング信号ｔｃを、（ｌ）はジンバル速度副指令ｃｓを、（ｍ）はジンバル速度指令ｃｖをそれぞれ示す。
【００６１】
図３において、副指令生成部２３は、ゼロクロス演算部４１、計数部４２、補正タイミング演算部４３、補正量設定部４４および乗算器４５を備えた構成である。以下、各構成要素の機能および作用を説明するが、主に図６に示すジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れているときのタイムチャートを参照して説明を行い、ジンバル進み時に言及する場合にのみ図７を参照することとする。
【００６２】
まず、ゼロクロス演算部４１では、ジンバル角度ｑ２のゼロクロス信号ｚｘ２を生成する。ジンバル角度ｑ２（図６（ｇ）参照）の余弦成分をとり、該余弦成分が正の時に正定数に、負の時に負定数（正定数および負定数の絶対値は同値）にそれぞれなるゼロクロス信号ｚｘ２（図６（ｈ）参照）を生成する。このゼロクロス信号ｚｘ２のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までがジンバル角度ｑ２の半周期となる。
【００６３】
また、計数部４２では、ゼロクロス信号ｚｘ２のゼロクロス点を起点とする時間をソフトウェアカウンタにより計数する。時間カウント値は、図６（ｉ）に示すように、次のゼロクロス点に達した時点でリセットされて、次の半周期における計数が開始される。
【００６４】
また、補正タイミング演算部４３では、ジンバル角度ｑ２のゼロクロス信号ｚｘ２と波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス信号ｚｘ１との排他的論理和をとって補正タイミング信号ｔｃを生成している。具体的には、（（ジンバル角度ｑ２のゼロクロス信号ｚｘ２）−（波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス信号ｚｘ１））×（ジンバル角度ｑ２のゼロクロス信号ｚｘ２）の演算を行い、補正タイミング信号ｔｃを生成する。
【００６５】
この演算により、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れている場合には、図６（ｋ）に示すように、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点から該半周期の終了時点までの期間にのみ補正タイミング信号ｔｃが有効（イネーブル）となる。また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より進んでいる場合には、図７（ｋ）に示すように、半周期の開始時点から波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点までの期間にのみ補正タイミング信号ｔｃが有効（イネーブル）となる。
【００６６】
また、補正量設定部４４では、（ジンバル角度ｑ２の時間カウント値ｃｔ２）−（波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の時間カウント値ｃｔ１）の演算を行い、該演算結果が正の時に（発電機１０を加速制御する）第１補正量を生成し、該演算結果が負の時に（発電機１０を減速制御する）第２補正量を生成する。図６（ｊ）および図７（ｊ）では、第１補正量＝０．２、第２補正量＝−０．５とした。このように、「第１補正量の絶対値＜第２補正量の絶対値」とすることで、別途発電機１０への電力供給が必要となる加速制御時の電力消費を抑えている。
【００６７】
また、乗算器４５では、補正タイミング信号ｔｃと時間カウント差による補正量ｖｃとの乗算を行い、該乗算結果をジンバル速度指令ｃｚの副指令分ｃｓとして出力する。ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れている場合には、図６（ｊ）〜（ｌ）に示すように、補正タイミング信号ｔｃが有効な期間に第１補正量＝０．２が設定されて、ジンバル速度副指令分ｃｓとなる。また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より進んでいる場合には、図７（ｊ）〜（ｌ）に示すように、補正タイミング信号ｔｃが有効な期間に第２補正量＝−０．５が設定されて、ジンバル速度副指令分ｃｓとなる。つまり、ジンバル角度ｑ２の半周期の内、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれ（図６および図７では３０°）分の期間だけ第１補正量または第２補正量を加味することとして、位相ずれに応じた補正量に基づく副指令を生成している。
【００６８】
さらに、加算器（重畳手段）２４では、主指令生成部２２による主指令ｃｍに副指令生成部２３による副指令ｃｓを加算して、これを発電機１０の回転数（周波数）、即ちジンバル回転速度を制御するジンバル速度指令として駆動制御部１１に対して出力する。ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れている場合には図６（ｍ）に示す如くなり、また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より進んでいる場合には図７（ｍ）に示す如くなる。
【００６９】
以上の説明から明らかなように、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”に対してジンバル軸回りの回転を同期させるジンバル同期制御において、主指令生成部２２は波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期に基づき発電機１０の回転数を制御する主指令を生成して、周波数同期を行うものであり、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成して、位相同期を行うものということができる。
【００７０】
本発明で提案するジャイロ式波力発電装置の同期制御手法について、その有効性を確認するためにシミュレーション実験を行った。式（１）の浮体角加速度(d/dt)２ｑ１の運動方程式、並びに式（２）のジンバル角加速度(d/dt)２ｑ２の運動方程式に基づき計算モデルを構成し、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相と同期しているとき、進んでいるとき、並びに遅れているとき、それぞれに発電機１０が発電する電力を計算し、平均電力を求めた。
【００７１】
シミュレーション実験では、各パラメータを次の通り設定した。すなわち、フライホイールの回転角速度：Ω＝１８８．５［ｒａｄ／ｓｅｃ］、フライホイールの極慣性モーメント：Ｉｐ＝２３０［ｋｇ・ｍ２］、フライホイールの極直角慣性モーメント：Ｉｄ＝１５０［ｋｇ・ｍ２］、浮体の慣性モーメントおよび付加慣性モーメント：Ｍ’＝１．５８×１０５［ｋｇ・ｍ２］、浮体のバネ係数；Ｋ’＝４．７５×１０４、浮体の粘性減衰係数：Ｃ’＝９×１０５である。
【００７２】
ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相と同期しているときのシミュレーション実験結果を図８に示す。図８（ａ）は浮体角速度の時間的推移である。実線で示されるジンバル同期制御時の浮体角速度は浮体角検出センサ１４で検出される浮体角速度(d/dt)ｑ１とみなすことができ、点線で示されるジンバル停止時の浮体角速度は波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”とみなすことができる。また、図８（ｂ）はジンバル角度ｑ２の余弦成分の時間的推移である。ジンバル停止時の浮体角速度とジンバル角度ｑ２との位相ずれは０である。この時に発電機１０が発電する電力は図８（ｃ）に示す如くなった。発電電力がマイナスとなる発電機１０が電動モード（電力を消費するモード）の期間が存在するが、電力の時間的推移における振幅および中心値は共に大きく、平均電力は３．５５６［ｋＷ］であった。
【００７３】
また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相に３０°遅れているときのシミュレーション実験結果を図９に示す。図９（ａ）は浮体角速度、図９（ｂ）はジンバル角度ｑ２の余弦成分、図９（ｃ）は電力のそれぞれ時間的推移である。図９（ｂ）に示すように、ジンバル角度ｑ２はジンバル停止時の浮体角速度に対して３０°位相が遅れている。この時に発電機１０が発電する電力は、図９（ｃ）に示す如く、発電電力がマイナスとなる電動モード期間は存在しないが、電力の時間的推移における振幅および中心値は共に小さく、平均電力は３．０３８［ｋＷ］であった。
【００７４】
また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相に１５°進んでいるときのシミュレーション実験結果を図１０に示す。図１０（ａ）は浮体角速度、図１０（ｂ）はジンバル角度ｑ２の余弦成分、図１０（ｃ）は電力のそれぞれ時間的推移である。図１０（ｂ）に示すように、ジンバル角度ｑ２はジンバル停止時の浮体角速度に対して１５°位相が進んでいる。この時に発電機１０が発電する電力は、図１０（ｃ）に示す如く、発電電力がマイナスとなる電動モードは同期時よりも大きく存在し、平均電力は３．４２８［ｋＷ］であった。
【００７５】
また、ジンバル角度ｑ２と波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”との位相ずれ＝−１５°、−５°、０°、５°、１５°および３０°における平均電力の値を図１１（ａ）に示し、位相ずれと平均電力の関係を図１１（ｂ）に示す。同図から、平均電力はジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相と同期しているときに最大となり、ジンバル角度ｑ２の位相を波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相に同期させる本発明の同期制御手法が有効であることが確認できた。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法では、波による浮体角速度演算手段２１により、浮体角速度(d/dt)ｑ１、ジンバル角度ｑ２およびジンバル角速度(d/dt)ｑ２に基づき、浮体角速度(d/dt)ｑ１からジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を求め、主指令生成手段２２により、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期に基づき発電機１０の回転数を制御する主指令ｃｍを生成する。
【００７７】
これにより、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した）波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期（周波数）にジンバル軸回りの回転周期（周波数）を同期させる、いわゆる周波数同期を行うことができ、波動の周期変動に確実に追従し得るジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を実現することができる。
【００７８】
また、本実施形態のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法では、副指令生成手段２３により、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する。具体的には、ジンバル角度ｑ２の余弦成分または正弦成分のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期において、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より遅れている場合には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点から該半周期の終了時点までの期間に発電機１０を加速制御する第１補正量を生成し、また、ジンバル角度ｑ２の位相が波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相より進んでいる場合には、該半周期の開始時点から波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点までの期間に発電機１０を減速制御する第１補正量より大きい第２補正量を生成する。
【００７９】
これにより、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した）波による浮体角速度成分ｑ１”の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を実現することができる。
【００８０】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るジャイロ式波力発電装置について説明する。図１２は本発明の第２実施形態に係るジャイロ式波力発電装置における制御に関わる部分の構成図である。図２の構成は特許請求の範囲の請求項１、請求項２および請求項６に対応しており、構成要素名は特許請求の範囲で記載した手段名を用いている。
【００８１】
図１２において、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御手段１３ｂは、波による浮体角速度演算手段２１、波による浮体角度演算手段２５、主指令生成手段２２、副指令生成手段２６および重畳手段２４を備えている。なお、制御手段１３ｂはＭＰＵやＤＳＰ等のプロセッサで実現され、これら各構成要素は該プロセッサ上で実行されるプログラムの機能的まとまりとして具現されるものである。また、浮体角検出手段（浮体角検出センサ）１４およびジンバル角検出手段（ジンバル角センサ）１５ついては、第１実施形態と同様である。
【００８２】
次に、波による浮体角速度演算手段２１は、浮体角度または浮体角速度、並びにジンバル角度およびまたはジンバル角速度に基づき、浮体角速度からジンバル回転による浮体角速度成分を除去した波による浮体角速度成分を求める。また、波による浮体角度演算手段２５は、浮体角度または浮体角速度、並びにジンバル角度およびまたはジンバル角速度に基づき、浮体速度からジンバル回転による浮体角度成分を除去した波による浮体角度成分を求める。
【００８３】
波による浮体角速度成分に関しては第１実施形態と同様であり、また波による浮体角度成分についても同様に考えることができる。つまり、本実施形態は、浮体角速度(d/dt)ｑ１からジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”と、浮体角度ｑ１からジンバル回転による浮体角度成分ｑ１’を除去した波による浮体角度成分ｑ１”とを求め、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”に対してジンバル軸回りの回転を同期させるジンバル同期制御を行うものである。
【００８４】
また、主指令生成手段２２は、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期に基づき発電機の回転数を制御する主指令を生成する。すなわち、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期Ｔを求めて２π（１／Ｔ）を演算し、これを発電機１０の回転数（周波数）、即ちジンバル回転速度を制御する主指令として出力する。具体的には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”のゼロクロス点からその直後のゼロクロス点までの半周期を求め、該半周期のｎ倍（ｎは１以上の正整数）期間毎に主指令が更新される。
【００８５】
また、副指令生成手段２６は、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する。具体的には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”および波による浮体角度成分ｑ１”に基づきジンバル角度の目標値を設定し、該ジンバル角度の目標値とジンバル角度ｑ２との偏差をゼロに近づける補正量を生成して副指令とする。
【００８６】
また、重畳手段２４は、主指令生成手段２２による主指令に副指令生成手段２６による副指令を重畳して、これを発電機１０の回転数（周波数）、即ちジンバル回転速度を制御するジンバル速度指令として駆動制御部１１に対して出力する。ここで、副指令生成手段２３における副指令を補正量の値そのもの（第１補正量＞０、第２補正量＜０）とするときには、重畳手段２４は加算器で実現され、副指令生成手段２３における副指令を比率（第１補正量＞１、第２補正量＜１）とするときには、重畳手段２４は乗算器で実現されることになる。
【００８７】
次に、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部（制御手段）１３ｂのより具体的な構成および作用を、図１３〜図１５を参照して詳細に説明する。ここで、図１３は本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部１３ｂの具体的な構成図であり、図１４は図１３における波による浮体角速度・角度演算部２７の構成図であり、図１５は本実施形態の副指令生成部２６における角度演算を説明する説明図である。
【００８８】
図１３において、本実施形態のジャイロ式波力発電装置における制御部１３ｂは、波による浮体角速度・角度演算部２７、主指令生成部２２、副指令生成部２６および加算器（重畳手段）２４を備えた構成である。なお、図１３では、浮体角検出手段（浮体角検出センサ）１４から浮体角度ｑ１および浮体角速度(d/dt)ｑ１が、またジンバル角検出手段（ジンバル角センサ）１５からジンバル軸回りの回転のジンバル角度ｑ２およびジンバル角速度(d/dt)ｑ２が、それぞれ供給される構成である。
【００８９】
まず、波による浮体角速度・角度演算部２７について、図１４を参照して説明する。波による浮体角速度・角度演算部２７は、第１実施形態の浮体角速度演算部２１に減算器６５を追加した構成である。
【００９０】
すなわち、ジンバル回転による浮体角加速度(d/dt)２ｑ１’は係数器５５（１／Ｍ’）の出力として得られ、これを積分器５６で積分するとジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’が得られる。さらにこのジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’を積分器５７で積分するとジンバル回転による浮体角度ｑ１’が得られる。このジンバル回転による浮体角度ｑ１’の余弦成分を関数器５８で求め、これを係数器５９でＣ’倍したものに、ジンバル回転による浮体角速度(d/dt)ｑ１’を乗算器６２で掛け合わせる。また、ジンバル回転による浮体角度ｑ１’の正弦成分を関数器６０で求め、これを係数器６１でＫ’倍し、これら両演算結果を加算器６３で加算する。一方、ジンバル回転による影響項「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」については、ジンバル角度ｑ２の余弦成分を関数器５１で求め、これを係数器５２で「２・Ω・Ｉｐ」倍したものに、ジンバル角速度(d/dt)ｑ２を乗算器５３で掛け合わせて求める。そしてさらに加算器５４でジンバル回転による影響項「２・(d/dt)ｑ２・Ω・Ｉｐ・cosｑ２」と加算器６３の出力とを加算して係数器５５に与える。
【００９１】
また、以上の構成により演算したジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を、浮体角速度(d/dt)ｑ１から減算器６４で差し引いて、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を求める。また、ジンバル回転による浮体角度成分ｑ１’を、浮体速度ｑ１から減算器６５で差し引いて、波による浮体角度成分ｑ１”を求める。
【００９２】
次に、主指令生成部２２については、第１実施形態と同一の構成で同一の動作を行うので説明を省略する。
【００９３】
次に、副指令生成部２６について図１３および図１５を参照して説明する。ここで、図１５は副指令生成部２６における角度演算を説明する説明図である。
図１３において、副指令生成部２６は、正規化部７２，７３および角度演算部７４を備えた目標値設定部７１と、減算器７６と、ＰＩＤ制御部７５とを備えた構成である。
【００９４】
まず、目標値設定部７１では、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”および波による浮体角度成分ｑ１”に基づきジンバル角度ｑ２の目標値を設定するが、ここで、図１５を参照して角度演算の考え方について説明する。一般的に、浮体の揺れが大きいときには浮体角度および浮体角速度は共に大きくなり、逆に、浮体の揺れが小さいときには浮体角度および浮体角速度は共に小さくなる。また、波動が理想的に正弦波の形状であると仮定すると、縦軸を浮体角速度とし、横軸を浮体角度とする座標系に、座標（浮体角度，浮体角速度）をプロットすれば、図１５（ａ）に示すような円形の軌跡を描くこととなる。ここで、円軌跡の半径は浮体の揺れの大きさに応じた値となる。
【００９５】
目標値設定部７１では、この性質を利用して、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”および波による浮体角度成分ｑ１”に基づき、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分を求め、これをジンバル角度ｑ２の目標値として設定する。すなわち、図１５（ｂ）に示すように、縦軸を浮体角速度の正規化値とし、横軸を浮体角度の正規化値とする座標系に、座標（浮体角度の正規化値，浮体角速度の正規化値）をプロットして、座標系の原点から該座標への直線が縦軸の正方向となす角を、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊として求めるものである。
【００９６】
第１実施形態で説明したように、ジンバル角度ｑ２が０〜２πの範囲で与えられるのに対して、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”は例えば図６（ａ）で示したように所定振幅の正弦波形で与えられる。これに対して本実施形態では、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊を求めて、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を０〜２πの範囲で表現することとし、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊をジンバル角度の目標値に設定して、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊にジンバル角度ｑ２を追従させることにより同期制御を行うものである。
【００９７】
目標値設定部７１の正規化部７２では、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の正規化値を求める。例えば前の制御周期での波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の最大値を保持しておき、与えられる波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”をこの最大値で除算することにより求められる。また、正規化部７３では、波による浮体角度成分ｑ１”の正規化値を求める。例えば前の制御周期での波による浮体角度成分ｑ１”の最大値を保持しておき、与えられる波による浮体角度成分ｑ１”をこの最大値で除算することにより求められる。
【００９８】
また、角度演算部７４では、図１５（ｂ）に示した座標系を想定して、座標系の原点から座標（浮体角度の正規化値，浮体角速度の正規化値）への直線が縦軸の正方向となす角を、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊として求める。
【００９９】
次に、減算器７６では、目標値設定部７１で求めた浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊を同期制御におけるジンバル角度の目標値として、浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊とジンバル角度ｑ２との偏差を求める。
【０１００】
また、ＰＩＤ制御部７５では、体角速度成分(d/dt)ｑ１”の角度成分ｑ１＊とジンバル角度ｑ２との偏差をゼロに近づけるよう、ＰＩＤ制御により補正量を生成して副指令ｃｓとする。例えば、Ｐ（比例）制御を行う場合には、第１実施形態における補正量設定部４４と同様の考え方で、偏差（位相ずれ）に応じた補正量を予めテーブルで用意しておき、該テーブルを参照して副指令ｃｓを生成する構成が考えられる。
【０１０１】
以上説明したように、本実施形態のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法では、波による浮体角速度・角度演算部２７（波による浮体角速度演算手段２１）により、浮体角度ｑ１、浮体角速度(d/dt)ｑ１、ジンバル角度ｑ２およびジンバル角速度(d/dt)ｑ２に基づき、浮体角速度(d/dt)ｑ１からジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”を求め、主指令生成手段２２により、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期に基づき発電機１０の回転数を制御する主指令ｃｍを生成する。
【０１０２】
これにより、第１実施形態と同様に、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した）波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の周期（周波数）にジンバル軸回りの回転周期（周波数）を同期させる、いわゆる周波数同期を行うことができ、波動の周期変動に確実に追従し得るジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を実現することができる。
【０１０３】
また、本実施形態のジャイロ式波力発電装置およびその制御方法では、波による浮体角速度・角度演算部２７（波による浮体角速度演算手段２１および波による浮体角度演算手段２５）により、浮体角度ｑ１、浮体角速度(d/dt)ｑ１、ジンバル角度ｑ２およびジンバル角速度(d/dt)ｑ２に基づき、浮体角度ｑ１からジンバル回転による浮体角速度成分ｑ１’を除去した波による浮体角度成分ｑ１”を求め、副指令生成手段２６により、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”の位相とジンバル角度ｑ２の位相とのずれに応じた補正量に基づく副指令を生成する。具体的には、波による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１”および波による浮体角度成分ｑ１”に基づきジンバル角度の目標値を設定し、該ジンバル角度の目標値とジンバル角度ｑ２との偏差をゼロに近づける補正量を生成して副指令とする。
【０１０４】
これにより、ジンバル回転の影響を取り除いた（ジンバル回転による浮体角速度成分(d/dt)ｑ１’を除去した）波による浮体角速度成分ｑ１”の位相にジンバル軸回りの回転位相を同期させる、いわゆる位相同期を行うことができ、浮体角速度とジンバル角度の位相ずれに即応して、平均発電量の最大化を図ることのできるジャイロ式波力発電装置およびその制御方法を実現することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
２  浮体
６  ジンバル
７  フライホイール
８  スピンモータ
９  増速機
１０  発電機
１２  スリップリング
１３，１３ａ，１３ｂ  制御部（制御手段）
１４  浮体角検出センサ（浮体角検出手段）
１５  ジンバル角センサ（ジンバル角検出手段）
２１  浮体角速度演算部（浮体角速度演算手段）
２２  主指令生成部（主指令生成手段）
２３，２６  副指令生成部（副指令生成手段）
２４  加算器（重畳手段）
２５  波による浮体角度演算手段
２７  浮体角速度・角度演算部
３１，４１  ゼロクロス演算部
３２，４２  計数部
３３，５１，５２，５８，６０，１０８，１１０  関数器
３４，５５，５９，６１，１０５，１０９，１１１  係数器
４３  補正タイミング演算部
４４  補正量設定部
４５，６２，１１２  乗算器
５４，６４，７６，１０２，１０３，１２２，１２３  減算器
５６，５７，１０６，１０７  積分器
５３，６３，１１３  加算器
７１  目標値設定部
７２，７３  正規化部
７４  角度演算部
７５  ＰＩＤ制御部
１０１  ジンバル回転による影響項
【図１】
0005517787.tif 000002
【図２】
0005517787.tif 000003
【図３】
0005517787.tif 000004
【図４】
0005517787.tif 000005
【図５】
0005517787.tif 000006
【図６】
0005517787.tif 000007
【図７】
0005517787.tif 000008
【図８】
0005517787.tif 000009
【図９】
0005517787.tif 000010
【図１０】
0005517787.tif 000011
【図１１】
0005517787.tif 000012
【図１２】
0005517787.tif 000013
【図１３】
0005517787.tif 000014
【図１４】
0005517787.tif 000015
【図１５】
0005517787.tif 000016
【図１６】
0005517787.tif 000017
【図１７】
0005517787.tif 000018
【図１８】
0005517787.tif 000019
【図１９】
0005517787.tif 000020
【図２０】
0005517787.tif 000021
【図２１】
0005517787.tif 000022