(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変ピッチプロペラ型風車により回転駆動される発電出力を一旦直流に変換した後再度交流に変換して送電系統へ送るように構成してなる風力発電システムにおいて、
前記発電機出力と回転数、及び前記送電系統へ送る交流電力検知し、これらの検知信号に基づいて発電機出力の周波数制御と前記プロペラのピッチ角制御を行う制御装置を用意し、
前記風力エネルギーが増大して、発電機出力が定格値以上（定格値も含む）になった場合に前記プロペラのピッチ角制御を行わずに、発電機出力が前記定格値を超えないように風車プロペラの回転数を上昇させ、回転上昇エネルギーとして蓄積させるとともに、該上昇させた回転数が上限値に達した場合のみ前記プロペラのピッチ角制御を行う事により風力エネルギーを逃散させ、
一方、風力エネルギーが減少し発電機出力が定格値以下に低下した場合には、前記上昇させた風車プロペラの回転数を漸減させて、回転上昇エネルギーに変換させておいた風力エネルギーを回収して発電電力に変換するとともに、
前記発電機の交流電力の出力をコンバータにより一旦直流に変換させて周波数の変動を吸収した後、再度インバータにより連系する系統の周波数の交流電力に変換させることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変ピッチプロペラ型風車を具えた風力発電システムの制御方法に係り、特に発電機の周波数制御とピッチ角制御を行ないながら風力エネルギーの変動に対応して発電機出力を効果的に制御し得る風力発電システムの制御方法に関し、より具体的には可変ピッチプロペラ型風車により風力エネルギーを回転数に変換して発電機出力を一旦直流に変換した後再度交流に変換して送電系統へ送るように構成してなる風力発電システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、常時変動する自然風から高効率で利用者に受入れやすい高品質な電気エネルギーを得る風力発電システムは、環境に調和した自然エネルギー利用技術として、各国の研究機関で種々開発されており、例えば工業技術院機械研究所では、ロータ直径が１５ｍ、発電出力が１５ＫｗのＷＩＮＤＭＥＬ機が建設された。
かかる風力発電システムは、風速の急激な変動に対し風車ロータ（原動機）の回転数を定格回転速度の５０％〜１２５％の範囲に維持するとともに、これに伴い誘導発電機も回転速度変動をもたらせるが、その発生電力（交流）を一旦直流に変換した後再度交流に変換するサイクロコンバータを介して送電系統へ送るように構成して前記不具合を解消する事により、商業電力と等価な品質で送電系統へ送るようにしている。
【０００３】
従って前記の装置においては、風車ロータの回転数変動に起因する発電機出力（交流）の周波数変動を一旦直流に変換した後再度交流に変換する事で、前記周波数変動を解消し、商業電力と等価な周波数に制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
さて前記装置においては、風の変動に柔軟に対応する為に、調速機により加わる遠心力により、ブレードピッチ角の自動的な制御を行なうようにしている。
一方従来の可変ピッチプロペラ型風力発電装置は、風のエネルギーが発電機の定格出力値をオーバーした場合には、プロペラのピッチ角を制御して、風のエネルギーを逃すことによる出力を制限するシステムとなっている。
従って、前記いずれの従来装置においても、頻繁にピッチ制御を行なうことになる為に、この結果として、ピッチ角制御機構の摺動部摩耗が発生・進行し、頻度の高いメンテナンスが必要となる。
また、定格出力を越える風力エネルギーの場合には、直ちにピッチ角制御によって風力エネルギーを逃がす為、せっかくのエネルギーを捨てることになる。
なお、風速の上昇率が高い場合には、ピッチ角制御による出力制限が間に合わず、発電機出力が定格出力値を大きくオーバーをして連系する系統への電圧変動に悪い影響を与える場合もある。
【０００５】
このため前記したＷＩＮＤＭＥＬ機においては、風速の急激な変動に対し、発電機の発生電力を一旦直流に変換した後再度交流に変換する事で対処しているが、これのみでは充分ではない。
本発明は、ピッチ角制御機構の寿命を延ばすとともに、送電系統への影響を軽減し、風力エネルギーを有効に活用する風力発電システムの制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可変ピッチプロペラ型風車により回転駆動される発電出力を一旦直流に変換した後再度交流に変換して送電系統へ送るように構成してなる風力発電システムにおいて、
前記発電機出力と回転数、及び前記送電系統へ送る交流電力検知し、これらの検知信号に基づいて発電機出力の周波数制御と前記プロペラのピッチ角制御を行う制御装置を用意し、
前記風力エネルギーが増大して、発電機出力が定格値以上（定格値も含む）になった場合に前記プロペラのピッチ角制御を行わずに、例えば発電機の周波数を上昇させるか若しくは調速器等により発電機出力が前記定格値を超えないように風車プロペラの回転数を上昇させ、回転上昇エネルギーとして蓄積させるとともに、該上昇させた回転数が上限値に達した場合のみ前記プロペラのピッチ角制御を行う事により風力エネルギーを逃散させ、
一方、風力エネルギーが減少し発電機出力が定格値以下に低下した場合には、例えば発電機の周波数を減少させるか若しくは調速器等により前記上昇させた風車プロペラの回転数を漸減させて、回転上昇エネルギーに変換させておいた風力エネルギーを回収して発電電力に変換するとともに、
前記発電機の交流電力の出力をコンバータにより一旦直流に変換させて周波数の変動を吸収した後、再度インバータにより連系する系統の周波数の交流電力に変換させることを特徴とする。
【０００７】
本発明を図２のフローチャート図に基づいて説明する。
風車が受ける風力エネルギーが増大して、発電機が発電する電力がその定格値以上（定格値も含む）になった場合（Ｓ１）、該発電機出力を定格値を超えないように例えば発電機の周波数を上昇させる等の手段により制限し、これによって余ったエネルギーは風車ロータ（原動機）の回転数を上昇させ、回転上昇エネルギーとして回転エネルギーのかたちで蓄積する。（Ｓ２）
更に風車ロータの回転が上昇し、回転数が上限値に達すると（Ｓ３）、ピッチ角制御を行ない風力エネルギーを逃がす動作に入る。（Ｓ４）
【０００８】
風力エネルギーが減少に転じ（Ｓ５）、定格出力以下となった場合は（Ｓ６）、例えば発電機の周波数を下降させる等の手段により前記上昇させた風車ロータの回転数を漸減させて（Ｓ７）、回転上昇エネルギーとして蓄積されていたエネルギーを回収して発電電力に変換する。
従って前記制御動作によれば発電機出力の周波数の増減により、風車ロータの回転が上昇若しくは減少するため当然に発電機出力の周波数が変動し一定とはならないが、前記したように本システムはコンバータにより一旦直流に変換させて周波数の変動を吸収した後、再度インバータにより連系する系統の周波数の交流電力に変換させることにより、前記周波数変動を解消し、商業電力と等価な周波数に制御する事が出来る。
【０００９】
従って本発明は、発電定格値を超えた風力エネルギーの変動を風車ロータの回転エネルギーとして吸収且つ回収する為に、風力エネルギーの有効利用を図れるとともに、ロータ回転数が上限値に達した場合にはピッチ角制御により風力エネルギーを逃がし、風車の耐久性向上を図る事が出来る。
又本発明は常にプロペラのピッチ角制御を行なうのではなく、前記したようにロータ回転数が上限値に達した場合のみピッチ角制御を行なうために、ピッチ角制御機構の寿命を延ばす事が出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１１】
図１は本発明の実施形態である風力発電システムの全体概略図である。
図１において、２は風力エネルギー１に基づいて回転する風車プロペラで、ピッチ角制御機構３によりプロペラ２のピッチ角が制御可能に構成されている。
風車プロペラ２の回転軸は増速器（調速器）４及び回転検出器５を介して発電機６に連結されている。
発電機６よりの発電機出力（交流電力）６ａは計器用変成器８を介してコンバータ１０に送られて直流電力１１に変換した後、該直流電力１１をインバータ１２により商業電力の周波数に対応する交流電力１３に変換した後、遮断器（系統連系用）１４を介して送電系統１５に連系させる。
【００１２】
１６は計器用変成器８より取込んだ発電機発電電流を計測する電流計で、その電流測定値信号１６ａを制御装置２５に入力させる。
１７は発電機出力の交流電力を計器用変圧器９を介して降圧させた後測定する発電機電力計、１８は発電機電圧計、１９は発電機周波数計測器で、夫々発電機電力測定値信号１７ａ、発電機電圧測定値信号１８ａ、発電機周波数測定値信号１９ａを制御装置２５に入力させる。
又遮断器１４より出力される交流電力１３は、計器用変圧器９を介して降圧させた後、電圧計２３、周波数計測器２４で夫々測定され、送電系統電圧測定値信号２３ａ及び送電系統周波数測定値信号２４ａを夫々制御装置２５に入力させる。
又増速器４により増速された後のプロペラ回転数（発電機の回転数）も回転検出器５より制御装置２５に入力させる。
制御装置２５では前記夫々の入力信号に基づいてコンバータ１０に制御信号１０ａ、インバータ１２に制御信号１２ａ、ピッチ角制御機構３にピッチ角制御信号３ａを送出し後記する制御を行なう。
【００１３】
以下に前記実施形態の動作を説明する。
風力エネルギー１は風車プロペラ２で回転トルクに変換され、増速機４で増速された後、発電機６を駆動し発電され、その発電出力を交流電力６ａとしてコンバータ１０に送り込まれる。
交流電力６ａの周波数は発電機周波数計測器１９により計測されて制御装置２５に取込まれ、該制御装置２５より出力されるコンバータ制御信号１０ａを制御して前記周波数に対応させてコンバータ１０を制御することが出来る。
【００１４】
かかる構成において、風力エネルギー１が増大し、発電機電力計１７で測定される電力計測値１７ａが定格値以上になった場合には制御装置２５でこれを取込み、コンバータ制御信号１０ａにてコンバータ１０の制御を行なうことにより、発電機６の交流電力の周波数を上昇させる。
これにより発電機６、増速器４及びプロペラ２の回転数が上昇し、風力エネルギー１は回転上昇エネルギーに変換され、蓄積される。
更に発電機６、増速器４及びプロペラ２の回転数が上昇し、回転検出器５で検出する回転数が上限値に達すると、制御装置２５より出力されるピッチ角制御信号３ａによりピッチ角制御機構３を制御し、プロペラ２のピッチ角度を変え、風力エネルギー１を逃散させる。
【００１５】
一方風力エネルギー１が減少してきた場合には、制御装置２５より出力されるピッチ角制御信号３ａによりピッチ角制御機構３を制御し、プロペラ２のピッチ角度を元に戻し、風力エネルギー１をいっぱいに受けるとともに、一旦上昇させた発電機出力周波数６ａの検知しながら、制御装置２５でコンバータ制御信号１０ａにてコンバータ１０の制御を行なうことにより、発電機６の交流電力６ａの周波数を徐々に下げて回転上昇エネルギー変換させておいたエネルギーを回収して電力に変換する。
【００１６】
これらの動作により交流電力６ａの発電機出力の周波数は一定ではないが１０のコンバータにより１１の直流電力１３に変換される。
インバータ１２による変換は、送電系統電圧測定値信号２３ａと送電系統周波数測定値信号２４ａにより制御装置２５からのインバータ制御信号１２ａにより行なわれる。
【００１７】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、ピッチ制御の発生頻度が減少するのでピッチ制御機構の寿命が延びるとともに、定格出力以上の電力の発生を抑制することが出来るので連系する送電系統への悪影響を小さくすることが出来る。
余剰風力エネルギーを回転上昇エネルギーとして蓄積出来るので発電効率が良くなる。
等の種々の著効を有す。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る風力発電装置の送電系統図である。
【図２】  本発明の基本構成を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１        風力エネルギー
２        風車プロペラ
３        ピッチ角制御機構
４        増速器
５        回転検出器
６        発電機
６ａ      発電機出力（交流電力）
８        計器用変成器
９        計器用変圧器
１０      コンバータ
１１      直流電力
１２      インバータ
１３      交流電力
１４      遮断器（送電系統連系用）
１５      連系する送電系統
２５      制御装置
【図１】
0003670803.tif 000002
【図２】
0003670803.tif 000003