(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器により直流電力に変換したのち、更にＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して電力系統に供給する風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする風力発電装置の電力制御方法。
【請求項２】
ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器により直流電力に変換したのち、更にＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して電力系統に供給するとともに、前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を蓄電池に蓄える充電装置と、また不足電力を前記蓄電池より供給するための放電装置を具えてなる風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記蓄電池への充電と並行して、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記蓄電池よりの放電と並行して前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする風力発電装置の電力制御方法。
【請求項３】
前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を放出するヒータを設け、前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には蓄電池への充電を行うとともに、該充電量が蓄電池の容量を超える恐れのある場合に、前記ヒータにて放電することを特徴とする請求項２記載の風力発電装置の電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の電力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より風力発電装置においては、図４に示すように風力エネルギーをブレード１により駆動軸２の回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを誘導発電機４により電気エネルギーに変換して電力系統１５へ電力を供給している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、風力エネルギーは風速の変動にともない変動し、これに対応して電力系統へ供給される電力も変動する。この電力変動は系統の周波数変動や電圧変動をもたらすため、比較的大規模な系統に接続し風車発電力の変動の影響を極力受けないようにしている。
また、前記風力発電装置の発電機に誘導発電機が多く用いられているが、発電するためには系統より発電に必要な電力を供給する必要がある。
このように従来の風力発電装置では、小規模な系統や風車単独での運転が困難であった。
【０００４】
そこで、本発明では風速変動を避けることの出来ない風力発電装置においても系統への供給電力の変動を極力抑制することで、小規模系統や風車単独での運転を可能とする風力発電装置の電力制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器により直流電力に変換したのち、更にＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して電力系統に供給する風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力（前記誘導発電機に磁界を発生させる電力）の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に蓄電池による充放電機構を効果的に組合せたもので、
ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器により直流電力に変換したのち、更にＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して電力系統に供給するとともに、前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を蓄電池に蓄える充電装置と、また不足電力を前記蓄電池より供給するための放電装置を具えてなる風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記蓄電池への充電と並行して、前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記蓄電池よりの放電と並行して前記ＡＣ／ＤＣ変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明にヒータによる放電機構を効果的に組合せたもので、
前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を放出するヒータを設け、前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には蓄電池への充電を行うとともに、該充電量が蓄電池の容量を超える恐れのある場合に、前記ヒータにて放電することを特徴とする。
【０００８】
【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形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態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。
図１は本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の説明図である。
図中、１は風車ブレードで、風車駆動軸２を介して誘導発電機４を連結するとともに、ブレードピッチ角駆動装置３によりそのピッチ角を調整可能に構成している。
５は該発電機４により発電された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器、１３は直流電力ライン６を介して得られる直流電力を交流電力に変換して系統ライン１５へ供給するＤＣ／ＡＣ変換器、１４は電力系統ライン１５の交流電力を直流電力に変換して直流電力ライン６に供給するＡＣ／ＤＣ変換器で、その作用は後記に詳説する。
【０００９】
次に本実施形態の動作を説明する。
風車ブレード１の起動は風速がカットイン風速（発電開始風速）以上になると、ピッチ角駆動装置３により、風車ブレード１のピッチ角をフェザリング（単に風を通過させる翼角）の位置から風力エネルギーを回収する方向へ動かして風車ブレード１の回転数を上昇させる。
そして、回転数が同期速度に到達すると電力系統ライン１５に連結される。このとき、電力系統ライン１５の有効電力をＡＣ／ＤＣ変換器１４により直流電力に変換して直流電力ライン６に供給され、この直流電力ライン６の直流電力からＡＣ／ＤＣ変換器５により無効電力（誘導発電機４に磁界を発生させる電力）を生成し、風力誘導発電機４へ励磁電流が供給されて、該誘導発電機４が発電を始める。
【００１０】
風車誘導発電機４で発電された交流電力はＡＣ／ＤＣ変換器５にて直流電力に変換され直流電力ライン６へ供給される。
風車発電電力が増加して直流変換された電力が消費電力を上回る場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器５にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレード１の回転数を上昇させる。この上昇により余剰エネルギーを一旦回転エネルギーとして蓄えることができる。（いわゆるフライホイールとしての役目）
【００１１】
しかし、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、風車ブレード１が所定の回転数内となるようにピッチ角駆動装置３によりピッチ角を操作して制御する。
逆に、風車発電電力が減少してＡＣ／ＤＣ変換器５にて直流変換された電力が、電力系統ライン１５の消費電力を下回る場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器５にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収する。
【００１２】
このようにして、風速変動に伴い変動する風車発電力を、無効電力の周波数制御により平滑して系統へ給電できるため小規模系統での並列運転時に系統への擾乱を与えることがないとともに、単独運転時にはＤＣ／ＡＣ変換器１３により定周波数及び定電圧制御にて電力変換して電力系統へ給電することができる。
【００１３】
図２は本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の説明図である。
前記第１の実施形態に付加した構成を説明するに、７は直流電力ライン６上に設けた余剰電力放電装置、１４は前記したＡＣ／ＤＣ変換器で、両装置よりの直流電力は切替器１２を介して充電装置８に送られ、蓄電池１０に充電される。切換器１２は蓄電池１０の充電が必要なときに、風車発電電力が過剰なときには余剰電力放電装置７からの電力で充電し、風車発電電力が不足のときには電力系統ライン１５からの電力をＡＣ／ＤＣ変換器１４で直流電力に変換した電力で充電するように切り換える装置である。そして蓄電池１０に充電された余剰電力は必要に応じ放電装置１１を介して直流電力ライン６に戻される。
【００１４】
次に本実施形態の動作を説明する。
前記実施形態と同様に、風車ブレード１の起動は風速がカットイン風速以上になるとブレード１のピッチ角をフェザリングの位置から風力エネルギーを回収する方向へ動かしてブレード１の回転数を上昇させる。
そして、回転数が同期速度に到達すると電力系統ライン１５に連結される。このとき、配電系統の有効電力をＡＣ／ＤＣ変換器１４により直流電力に変換して直流電力ライン６に供給され、この直流電力ライン６の直流電力からＡＣ／ＤＣ変換器５により無効電力を生成し、風車誘導発電機４へ励磁電流が供給され、誘導発電機４が発電を始める。
【００１５】
また、蓄電池１０に直流電力が蓄電されている場合には、この電力を放電装置１１を介して直流電力ライン６上に直流電力が供給されて前記と同様に無効電力を生成し、風車誘導発電機４へ励磁電流を供給して起動することもできる。
風車誘導発電機４で発電された交流電力はＡＣ／ＤＣ変換器５にて直流電力に変換され直流電力ライン６へ供給される。
【００１６】
かかる構成において、風車発電電力が増加して直流変換された電力が消費電力を上回る場合には、前記実施形態と同様にＡＣ／ＤＣ変換器５にて無効電力の周波数を上昇させて風車の回転数を上昇させる。この上昇により余剰エネルギーを一旦回転エネルギーとして蓄えることができる。
しかし、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、ブレード１が所定の回転数内となるようにピッチ角駆動装置３によりピッチ角を操作して制御する。
さらに風車発電電力が過剰となるときには、直流電力ライン６に設けた余剰電力放電装置７により放電し、切替器１２を介して充電装置８にて蓄電池１０に充電される。
【００１７】
逆に、風車発電電力が減少して直流変換された電力が消費電力を下回る場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器５にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収する。さらに電力系統ライン１５への供給電力が不足する場合には、放電装置１１により蓄電池１０から放電して直流ライン６へ供給する。
【００１８】
このようにして、風速変動にともない変動する風車発電力を、無効電力の周波数制御により平滑して系統へ給電できるため小規模系統での並列運転時に系統への擾乱を与えることがないとともに、また、定周波数及び定電圧制御により、系統へ定周波数、定電圧の電力を供給することができるので風車単独運転が可能となる。
【００１９】
図３は前記第２の実施形態の変形例で、余剰電力放電装置の出力側にヒータ９を設けている。
かかる装置によれば、電力系統ライン１５の電力需要（消費電力）が風車発電電力より小さくなる供給過多状態では、その供給過多中前記第２実施形態に示すように、蓄電池１０への充電を行うが、その供給過多が長期化すると、蓄電池１０の容量を超える不具合があり、この為余剰電力放電装置７の出力側に設けたヒータ９に放電する構成を取る。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、図１に対応する請求項１記載の発明によれば、風車発生電力の変動を余剰分はブレード回転数上昇により一旦回転エネルギーとして蓄え、不足分は回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することができるので、系統への供給電力の変動を抑制することができ、これにより小規模系統でも系統への擾乱を抑制することができるという利点がある。
【００２１】
又図２に対応する請求項２記載の発明によれば 請求項１記載の発明に蓄電池による充放電機構を効果的に組合せた為に、風車発生電力の変動を、余剰分は前記したブレード回転数上昇により一旦回転エネルギーとして蓄えるとともに蓄電池に充電し、不足分は前記蓄積した回転エネルギーの回収とともに蓄電池より放電することができるので、請求項１記載の発明より更に効果的に系統への供給電力の変動を抑制することができ、小規模系統でも系統への擾乱を抑制することができるという利点がある。
また、いずれの発明も系統電圧および周波数をＤＣ／ＡＣ変換器により一定に制御することにより、電力、系統周波数、系統電圧を一定にできるので、風車単独での運転が可能となる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明にヒータによる放電機構を効果的に組合せた為に、電力系統ラインの電力需要（消費電力）が風車発電電力より小さくなる供給過多状態が長期化し、蓄電池の容量を超える場合においても、ヒータの放電により安定した余剰電力の吸収が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図２】本発明の第二の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図３】本発明の第三の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図４】従来の風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【符号の説明】
１    風車ブレード
２    風車駆動軸
３    ブレードピッチ角駆動装置
４    誘導発電機
５    ＡＣ／ＤＣ変換器
６    直流電力ライン
７    余剰電力放電装置
８    充電装置
９    ヒータ
１０    蓄電池
１１    放電装置
１２    切替器
１３    ＤＣ／ＡＣ変換器
１４    ＡＣ／ＤＣ変換器
１５    系統ライン
【図１】
0003637186.tif 000002
【図２】
0003637186.tif 000003
【図３】
0003637186.tif 000004
【図４】
0003637186.tif 000005