(57)【要約】【課題】  風力発電機に接続されるＰＷＭコンバータによりエネルギーを取り出す時、風速が大きくなると、高価なピッチ制御装置により風を逃がすか、そのようにしなければ発電機およびＰＷＭコンバータが過負荷になるという問題があった。【解決手段】  風車により駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続し、変動する風より風車最大出力を取り出す風力発電装置において、風車回転数に基づいたＰＷＭコンバータのトルク制御により、風車の過回転を防ぐＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。【選択図】      図１
2014143803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、該風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大トルク特性を定め、前記風車の定格回転数において該発電機の負荷トルクが前記風車最大トルク以上となるように、前記発電機のトルク制御を行うことを特徴とするＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法。
【請求項２】
前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て風車回転数の増加に比例して増加するトルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法。
【請求項３】
前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て、風車回転数の増加に対して２乗特性以上のあるトルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法。
【請求項４】
前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て、風車回転数の増加に対して２乗特性以上の漸増トルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車より駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続して、風のエネルギーを変換し、電気出力を取り出すためのトルク制御に係り、特に、風車における羽のピッチ制御を用いることなく、風速が高い時も連続して出力を取り出すとともに、風車の過回転および過大出力を防止することを特徴とするＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は先に、風車に接続したＰＷＭコンバータを、風車回転数に基づいたトルクパターンにより制御することにより、風速計を必要とせず、風から最大出力を取り出すことができる風力発電におけるＰＷＭコンバータによる最大出力制御方法について提案している（例えば、後述する特許文献１の図１参照。）。
【０００３】
ここで風車の特性について説明する。一般に風車の出力は（１）式のように表すことができる。また、周速比λは風速に対する風車翼先端の周速度の比であり、風車の半径Ｒを用いて（２）式のように表すことができる。
【０００４】
Ｐ＝Ｋ１ＣｐＶ３           ・・・（１）
λ＝Ｒω／Ｖ       ・・・（２）
【０００５】
ここで、Ｐは風車出力、Ｒは風車半径、ωは風車の角速度、Ｖは風速、Ｃｐは風車の出力係数、Ｋ１は空気密度と風車の受風面積で決まる定数である。
【０００６】
一般に風車の出力係数Ｃｐとは、風の入力から取り出せる風車の出力の割合を表し、風車の形状およびブレードの角度が定まると一義的に定まる。例として、ブレード角度をある値に設定した場合、風車の出力係数Ｃｐは図２のような周速比λによって変化し、ある最大値（Ｃｐｍａｘ）を有する特性となる。そして、出力係数Ｃｐが最大となる周速比λが定まる。
【０００７】
いま、出力係数が最大となる周速比をλｍとし、（１）式に（３）、（４）式を代入すると、風車の出力Ｐは（５）式で表すことができる。
【０００８】
λｍ＝Ｒω／Ｖ     ・・・（３）
ω＝２πＮ／６０          ・・・（４）
Ｐｔ＝Ｋ１Ｃｐｍａｘ（２πＮ／（６０×λｍ））３＝Ｋ２Ｎ３  ・・・（５）
【０００９】
ここで、Ｐｔは風車最大出力、ωは風車角速度、Ｎは風車回転数、Ｋ２は比例定数である。この（５）式より、風車の最大出力Ｐｔは風車回転数Ｎの３乗に比例することが分かる。
【００１０】
Ｔ＝Ｐ／ω            ・・・（６）
Ｔ＝６０Ｋ２Ｎ３／（２×π×Ｎ）＝Ｋ３Ｎ２       ・・・（７）
【００１１】
また、トルクは（６）式のように表される。（６）式に（４）、（５）式を代入すると（７）式のようになり、風車のトルクＴは風車回転数Ｎの２乗に比例することが分かる。
【００１２】
以上の関係を基に図３の風車回転数対風車トルク特性および図４の風車回転数対風車出力特性を求め、前記風車トルク特性および前記風車出力特性の原理に基づいた従来例を、図９の風力発電におけるＰＷＭコンバータによるトルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図を参照して詳述する。
【００１３】
図４は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
前述したように風車は、風車の形状及び風速Ｖが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、各風速Ｖに対する風車出力Ｐは、図４の細い実線のように示される。そして、各風速Ｖにおける風車出力Ｐのピークは、図４の太い実線で示す最大出力曲線Ｐｔのような風車回転数に対する３乗特性となる。
【００１４】
さらに図３は、この上記風車回転数対風車出力特性より求まる、従来例で用いた風車回転数対風車トルク特性の概要を説明した図であり、各風速Ｖに対する風車トルクは、図３の細い実線にように示される。
この時、各風速Ｖにおいて、風車出力のピークを出力する時の風車トルクは、図３の太い実線で示す最大出力時トルク曲線Ｔｔのような風車回転数に対する２乗特性となる。
【００１５】
ここで、例えば、図４の風速Ｖｘにおける最大出力Ｐｘとなる風車回転数Ｎｘと、図３の風速Ｖｘと最大出力時トルク曲線との交点Ｒｘにおける風車回転数Ｎｘとは同じ風車回転数Ｎであることを表す。
【００１６】
定常的な風から常に、風車最大出力を取り出すためには、最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿った風車回転数Ｎにより一義的に定まるトルクで運転すれば良い。
【００１７】
図９に、従来例の風力発電装置接続図を示す。図９において、１は風車、２は回転計、３は発電機、４はＰＷＭコンバータ、５は負荷、１０はトルク指令回路、６はピッチ角アクチュエータ、２０はピッチ角指令発生回路である。
【００１８】
風車１により駆動される発電機３の交流側は、ＰＷＭコンバータ４に接続され、風車１
により可変速に駆動される発電機３の交流電力は、ＰＷＭコンバータ４により直流電力に変換されて、負荷５に出力される。
トルク指令回路１０は、回転計２より風車回転数Ｎを入力し、図３の最大出力時トルク曲線に基づいて、パターン制御時トルク指令値Ｔ＊を生成し、このパターン制御時トルク指令値Ｔ＊によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【００１９】
このようなパターン制御時トルク指令値Ｔ＊により、ＰＷＭコンバータ４を制御した時の、風速変動時の風車回転数Ｎと風車トルクＴの動作を、図３の風車回転数対風車トルク特性を説明した図により説明する。
【００２０】
風速がＶｘの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｘすなわち風車トルクＴｘで運転され、風速が低くなりＶｙの時は、最大出力時トルク曲線上の交点ＲｙすなわちトルクＴｙで運転される。
【００２１】
このように風速Ｖが変動しても、常に風車回転数Ｎにより定まる最大出力時トルク曲線上で運転されるために、結局、図４の太い実線で示す最大出力曲線上で運転され、風車１は最大出力運転される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００３−２３９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、発電機およびＰＷＭコンバータには定格負荷が存在するために、このような回転数に基づくトルクパターン制御を用いて風車を制御すると、ある一定の風速以上になると風車回転数が高くなり、発電機およびＰＷＭコンバータが過負荷となり、これらが破損に至る問題があった。この風車の過回転による過負荷を防止するために、電気的負荷を定格状態に抑えようとすると、風のエネルギーが大きいため風車回転数を上昇させなければならなくなり、風車の機械的な破損に至るという問題があった。
【００２４】
また、風車翼の角度を変えて、風のエネルギーを逃がすピッチ制御という方法があるが、アクチュエータおよび制御装置が高価であり、コストおよび保守の面で問題があった。
【００２５】
本発明は以上の問題に鑑みてなされたものであり、風車により駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続し、変動する風より風車最大出力を取り出す風力発電装置において、風車回転数に基づいたＰＷＭコンバータのトルク制御を行い、発電機およびＰＷＭコンバータの過負荷および風車の過回転を防ぐための風力発電装置の過回転防止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
請求項１の発明によれば、風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、該風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大トルク特性を定め、前記風車の定格回転数において該発電機の負荷トルクが前記風車最大トルク以上となるように、前記発電機のトルク制御を行うことを特徴とするＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。
【００２７】
請求項２の発明によれば、前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て風車回転数の増加に比例して増加するトルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。
【００２８】
請求項３の発明によれば、前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て、風車回転数の増加に対して２乗特性以上のあるトルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。
【００２９】
請求項４の発明によれば、前記風車の形状より一義的に定まる風車回転数に対する風車最大出力時トルク特性を定め、前記風車の風車定格回転数未満のある定めた過トルク開始回転数までは前記風車最大出力時トルク特性で運転し、該過トルク開始回転数以上では前記過トルク開始回転数と前記風車最大出力時トルクとの交点から、前記風車定格回転数と前記風車最大トルク特性との交点を経て、風車回転数の増加に対して２乗特性以上の漸増トルク特性により運転することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法においては、風車定格回転数付近までは、風車最大出力となる風車回転数対トルク特性に基づくＰＷＭコンバータによるトルク制御により運転され、風車より最大出力を得ることができる。
【００３１】
さらに風車が定格回転数以上に回転しようとすると、負荷としての発電機の負荷トルクが風車の最大トルク以上となるため、風車回転数は風車定格回転数付近に留めることができ、風車の過回転を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のＰＷＭコンバータによる過回転防止トルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図である。
【図２】風車の出力係数と周速比との関係を説明するための図である。
【図３】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車トルク特性の概要を説明する図である。
【図４】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図５】本発明に係る風車の周速比に対する出力特性およびトルク特性を説明するための図である。
【図６】本発明に係る風車回転数対風車トルク特性およびＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を付加したトルク特性の概要を示す説明図である。
【図７】本発明に係る風車回転数対風車最大出力特性およびＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を付加した出力特性の概要を示す説明図である。
【図８】本発明に係るＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を付加したトルク特性において、実施例２〜４の風車回転数の増加に対するトルク特性の概要を説明するための図である。
【図９】先願出願のＰＷＭコンバータによるトルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記風車の形状より一義的に定める風車最大出力となる風車回転数対トルク特性および風車最大トルクとなる風車回転数対風車トルク特性を定め、前記風車の定格回転数において前記発電機の負荷トルクが前記風車の最大トルク以上となるように、前記発電機のトルク制御を行うことを特徴とするＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法である。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明の風車により駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続した風力発電装置接続図である。１１は過回転防止トルク指令発生回路、図９と同一番号は同一構成部品を示す。以下、図１について、本発明において応用する図５および図６の原理を用いて説明する。
【００３５】
図５は本発明に係る風車の周速比λに対する出力係数Ｃｐおよびトルク係数Ｃｔを説明するための説明図である。
【００３６】
Ｃｔ＝Ｃｐ／λ      ・・・（８）
【００３７】
一般に、トルク係数Ｃｔは（８）式で表されるが、説明の便宜上、周速比λに対する出力係数Ｃｐおよびトルク係数Ｃｔの最大値を同一の縦軸の大きさで表す。図５において、出力係数Ｃｐが最大となる周速比はλｘであり、最大出力点Ｓｘで最大出力係数Ｃｐｍａｘとなり、トルク係数Ｃｔが最大となる周速比はλｙであり、最大トルク点Ｔｙで最大トルク係数Ｃｔｍａｘとなる。
【００３８】
図６に示す風車トルクおよび発電機の負荷トルクの特性の概要を、図５を参照しつつ説明する。最大出力時トルク曲線Ｔｔは、前記（６）式を利用して、ある風車の各風速における図５の最大出力点Ｓｘを風車回転数Ｎに対する風車トルクで表したものである。風車最大トルク曲線Ｔｖは、ある風車の各風速における図５の最大トルク点Ｔｙを風車回転数Ｎに対する風車トルクで表したものである。すなわち、すべての風速において風車が持つ風車最大出力時トルクＴｔは、最大トルク曲線Ｔｖよりも右下の部分にある。
ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を用いた発電機３の負荷トルクを表したものである。
これらのトルク曲線は、風車回転数に対して一義的に定まるものである。
【００３９】
図６のブレーキ付加トルク曲線Ｔｓについて説明する。風車は風車回転数Ｎｕまでは、風車の最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿って運転されるので、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法によるトルク制御により風車最大出力を得ることができる。そして、定格回転数以下の風車回転数Ｎｕでは、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは最大出力時トルク曲線Ｔｔ上の図６の点Ｕとなる。風車回転数ＮがＮｕよりも上昇すると、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは急激に上昇して、風車の最大トルク曲線Ｔｖと交点Ｒで交わる。
【００４０】
風車は、風車の最大トルク曲線Ｔｖよりも大きな負荷トルクを印加すると、風速Ｖが増加しても風車回転数Ｎが上昇していかない。この理由について以下に説明する。
【００４１】
図６において風車回転数Ｎｒの時に、風車１の最大トルク曲線Ｔｖと本発明の発電機のブレーキ付加トルク曲線Ｔｓが交点Ｒで交差している。
ここで、交点Ｒで運転状態にあるときの風速を、例えば１２ｍ/ｓとする。そして、例えば風速が１３ｍ/ｓになると、動作点は図６の最大トルク曲線Ｔｖ上の交点Ｑに移行しようとする。
【００４２】
しかしながら、風速が１２ｍ／ｓから１３ｍ／ｓになって風車回転数を上昇させようとしても、風車回転数Ｎｒ以上においてはブレーキ付加トルク曲線Ｔｓで表される発電機３の負荷トルクの方が、風車１が有する最大トルク曲線Ｔｖよりも大きいために風車は加速することができない。
この交点Ｒで運転し続ける現象は、風速が１３ｍ／ｓになると、風車は図５のトルク係数Ｃｔにおける最大トルク点Ｔｙよりも左側で動作していることに因る。
【００４３】
上記原理を応用し、本発明は風力発電装置の過回転防止方法を実現する。図１の過回転防止トルク指令発生回路１１は、回転計２より風車回転数Ｎの入力により、図６の風車回転数Ｎｕまでは、図３および図６に示す風車回転数に対する風車最大出力時のトルク曲線が如きトルク指令Ｔ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
図６の風車回転数Ｎｕ以上では、回転計２から風車回転数Ｎを入力して、風車回転数Ｎｒで風車最大トルクとなるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓが如きトルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００４４】
ここで、この風車回転数Ｎｕは、例えば定格回転数の３/４〜４/５程度の風車回転数に設定される。
【００４５】
このようにして、風車回転数Ｎを検出し、風車回転数に対するトルク特性を適切に設計することにより、図６に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを実現できる。
【００４６】
このブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを風車最大出力の観点から、図７の風車回転数対風車最大出力特性およびＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止状態時の出力特性を説明する。
図７のブレーキ付加出力曲線Ｐｓは、図６のブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを発電機の負荷トルクとして印加した時の出力特性である。風車回転数ＮがＮｕまでは、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓと最大出力時トルク曲線Ｔｔは重なるように運転される。風車回転数Ｎｕにおける運転点Ｕでは、風車出力Ｐｕが得られる。さらに、風車回転数Ｎが上昇して風車定格回転数Ｎrになると、運転点はＲとなり風車出力Ｐrが得られる。ここで、本発明のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を適用した場合の風車出力は、過回転を防止しているために、図７に示すブレーキ付加出力曲線Ｐｓに示す運転点Ｒ止まりの出力特性となる。
【００４７】
図７において、この風車回転数ＮｕからＮｒの間、すなわち風車出力ＰｕからＰｒの間は、例えば風車が図４における風速Ｖｘの最大出力点Ｓｘより左側で運転しているために、風車最大出力は得られていないが、その差は極めて小さい。
【００４８】
したがって、本発明のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法においては、風車最大出力時の風車回転数対トルク特性に基づいて最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎｒよりも上昇させない、風車の過回転防止を実施することが可能となる。
【実施例２】
【００４９】
実施例２におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを図８の（イ）に示す。該ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を用いた発電機３の負荷トルクを表したものである。
【００５０】
図８（イ）の実施例２におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓについて説明する。風車は風車回転数Ｎｕまでは、風車の最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿って運転されるので、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法によるトルク制御により風車最大出力を得ることができる。そして、定格回転数以下の風車回転数Ｎｕでは、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは最大出力時トルク曲線Ｔｔ上の図８の点Ｕとなる。風車回転数ＮがＮｕよりも上昇すると、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（イ）は上昇し、風車の最大トルク曲線Ｔｖと交点Ｒで交わる。
【００５１】
ここで、実施例２におけるブレーキ付加曲線Ｔｓは、例えば次のような式で与えられる。
ΔＮ＝Ｎ−Ｎｕ    （Ｎ≧Ｎｕ）                    ・（９）
Ｔｓ＝Ｋ４Ｎ２    （０≦Ｎ＜Ｎｕ）              ・・・（１０）
Ｔｓ＝Ｋ５ΔＮ＋Ｋ６    （Ｎ≧Ｎｕ）            ・・・（１１）
【００５２】
ここでＫ４、Ｋ５、Ｋ６は、風車回転数対風車トルク特性および風車出力特性により定まる定数である。また、この風車回転数Ｎｕは、例えば定格回転数の３/４〜４/５程度の風車回転数に設定される。
【００５３】
図８において、風車回転数Ｎｒ以上においてはブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（イ）で表される発電機３の負荷トルクの方が、風車が有する最大トルク曲線Ｔｖよりも大きいために風車は加速することができない。したがって、風車は、風速Ｖが増加しても風車回転数Ｎが上昇していかない。
【００５４】
上記のように実施例２ではブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（イ）を設定し、風力発電装置の過回転防止方法を実現する。図１の過回転防止トルク指令発生回路１１は、回転計２より風車回転数Ｎの入力により、図８の風車回転数Ｎｕまでは、図３および図８に示す例えば（１０）式に示すような風車回転数に対する風車最大出力時のトルク曲線が如きトルク指令Ｔ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
図８の風車回転数Ｎｕ以上では、回転計２から風車回転数Ｎを入力して、風車回転数Ｎｒで風車最大トルクとなる、例えば（１１）式のようなブレーキ付加トルク曲線Ｔｓが如きトルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００５５】
このようにして、風車回転数Ｎを検出し、風車回転数に対するトルク特性を適切に設計することにより、図８に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（イ）を実現できる。
【００５６】
したがって、本発明のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法においては、風車最大出力時の風車回転数対トルク特性に基づいて最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎｒよりも上昇させない、風車の過回転防止を実施することが可能となる。
【実施例３】
【００５７】
実施例３におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを図８の（ロ）に示す。該ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を用いた発電機３の負荷トルクを表したものである。
【００５８】
図８（ロ）の実施例３におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓについて説明する。風車は風車回転数Ｎｕまでは、風車の最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿って運転されるので、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法によるトルク制御により風車最大出力を得ることができる。そして、定格回転数以下の風車回転数Ｎｕでは、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは最大出力時トルク曲線Ｔｔ上の図８の点Ｕとなる。風車回転数ＮがＮｕよりも上昇すると、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ロ）は上昇し、風車の最大トルク曲線Ｔｖと交点Ｒで交わる。
【００５９】
ここで、風車回転数Ｎｕ以降のトルク特性は、ハンチング等を起こさないように急激なトルク変化をさける必要がある。したがって、風車回転数Ｎｕまでは風車回転数に対して２乗トルク特性なので、それ以降は、例えば２乗特性以上に上昇するトルク特性が好ましい。
【００６０】
したがって、実施例３におけるブレーキ付加曲線Ｔｓは、例えば次のような式で与えられる。
ΔＮ＝Ｎ−Ｎｕ    （Ｎ≧Ｎｕ）                        ・・・（９）（再記）
Ｔｓ＝Ｋ４Ｎ２    （０≦Ｎ＜Ｎｕ）                      ・・・（１２）
Ｔｓ＝Ｋ４ΔＮｎ１＋Ｋ７    （Ｎ≧Ｎｕ、ｎ１≧２）    ・・・（１３）
【００６１】
ここでＫ４、Ｋ７は、風車回転数対風車トルク特性および風車出力特性により定まる定数である。また、この風車回転数Ｎｕは、例えば定格回転数の３/４〜４/５程度の風車回転数に設定される。
【００６２】
実施例３では、風車回転数Ｎｕでのトルク特性において、ハンチング等を起こさないよう急激なトルク変化をさけることから例えば（１３）式のような風車回転数の上昇に対して２乗特性以上でトルクが上昇するように設定される。
【００６３】
図８において、風車回転数Ｎｒ以上においてはブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ロ）で表される発電機３の負荷トルクの方が、風車が有する最大トルク曲線Ｔｖよりも大きいために風車は加速することができない。したがって、風車は、風速Ｖが増加しても風車回転数Ｎが上昇していかない。
【００６４】
上記のように実施例３ではブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ロ）を設定し、風力発電装置の過回転防止方法を実現する。図１の過回転防止トルク指令発生回路１１は、回転計２より風車回転数Ｎの入力により、図８の風車回転数Ｎｕまでは、図３および図８に示す例えば（１２）式に示すような風車回転数に対する風車最大出力時のトルク曲線が如きトルク指令Ｔ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
図８の風車回転数Ｎｕ以上では、回転計２から風車回転数Ｎを入力して、風車回転数Ｎｒで風車最大トルクとなる、例えば（１３）式のようなブレーキ付加トルク曲線Ｔｓが如きトルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００６５】
このようにして、風車回転数Ｎを検出し、風車回転数に対するトルク特性を適切に設計することにより、図８に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ロ）を実現できる。
【００６６】
したがって、本発明のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法においては、風車最大出力時の風車回転数対トルク特性に基づいて最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎｒよりも上昇させない、風車の過回転防止を実施することが可能となる。
【実施例４】
【００６７】
実施例４におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓを図８の（ハ）に示す。該ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法を用いた発電機３の負荷トルクを表したものである。
【００６８】
図８（ハ）の実施例４におけるブレーキ付加トルク曲線Ｔｓについて説明する。風車は風車回転数Ｎｕまでは、風車の最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿って運転されるので、本発明により実現できるＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法によるトルク制御により風車最大出力を得ることができる。そして、定格回転数以下の風車回転数Ｎｕでは、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓは最大出力時トルク曲線Ｔｔ上の図８の点Ｕとなる。風車回転数ＮがＮｕよりも上昇すると、ブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ハ）は上昇し、風車の最大トルク曲線Ｔｖと交点Ｒで交わる。
【００６９】
ここで、風車回転数Ｎｕ以降のトルク特性は、ハンチング等を起こさないように急激なトルク変化をさける必要がある。したがって、風車回転数Ｎｕまでは風車回転数に対して２乗トルク特性なので、それ以降は、例えば風車回転数の増加に対し徐々に２乗特性以上に移行しながら上昇するトルク特性が好ましい。
【００７０】
したがって、実施例４におけるブレーキ付加曲線Ｔｓは、例えば次のような式で与えられる。
ΔＮ＝Ｎ−Ｎｕ    （Ｎ≧Ｎｕ）                         ・・・（９）（再記）
Ｔｓ＝Ｋ４Ｎ２    （０≦Ｎ＜Ｎｕ）                     ・・・（１４）
Ｔｓ＝Ｋ４ΔＮｍ    （Ｎ≧Ｎｕ）                        ・・・（１５）
ｍ＝２＋Ｋ８ΔＮｎ２  （ｎ２≧１）                      ・・・（１６）
【００７１】
ここでＫ４、Ｋ８は、風車回転数対風車トルク特性および風車出力特性により定まる定数である。また、この風車回転数Ｎｕは、例えば定格回転数の３/４〜４/５程度の風車回転数に設定される。
【００７２】
実施例４では、風車回転数Ｎｕでのトルク特性において、ハンチング等を起こさないよう急激なトルク変化をさけることから、例えば（１５）式のような風車回転数の上昇に対して徐々に２乗特性以上でトルクが上昇するように設定される。
【００７３】
また、実施例４では実施例１、２および３に比べると風車回転数Ｎｕから定格回転数Ｎｒ間で、より風車の最大出力時トルク曲線Ｔｔに沿ったトルク特性で運転されるため、定格回転数付近において、風車最大出力を効率よく取得することができる。
【００７４】
図８において、風車回転数Ｎｒ以上においてはブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ハ）で表される発電機３の負荷トルクの方が、風車が有する最大トルク曲線Ｔｖよりも大きいために風車は加速することができない。したがって、風車は、風速Ｖが増加しても風車回転数Ｎが上昇していかない。
【００７５】
上記のように実施例４ではブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ハ）を設定し、風力発電装置の過回転防止方法を実現する。図１の過回転防止トルク指令発生回路１１は、回転計２より風車回転数Ｎの入力により、図８の風車回転数Ｎｕまでは、図３および図８に示す例えば（１４）式に示すような風車回転数に対する風車最大出力時のトルク曲線が如きトルク指令Ｔ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
図８の風車回転数Ｎｕ以上では、回転計２から風車回転数Ｎを入力して、風車回転数Ｎｒで風車最大トルクとなる、例えば（１５）式のようなブレーキ付加トルク曲線Ｔｓが如きトルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００７６】
このようにして、風車回転数Ｎを検出し、風車回転数に対するトルク特性を適切に設計することにより、図８に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔｓ（ハ）を実現できる。
【００７７】
したがって、本発明のＰＷＭコンバータによる風力発電装置の過回転防止方法においては、風車最大出力時の風車回転数対トルク特性に基づいて最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎｒよりも上昇させない、風車の過回転防止を実施することが可能となる。
【００７８】
以上の本発明の実施例では、回転計２より風車回転数Ｎを検出する場合について説明したが、発電機３に接続されるＰＷＭコンバータ４の電圧および電流によるセンサーレス方式でも、風車回転数Ｎを検出できるので、その値を用いても良い。
【００７９】
さらに、発電機３は、同期発電機だけでなく、図４のような風車回転数対風車最大出力特性と、図３のような風車回転数対風車最大トルク特性の最大出力時トルク曲線との関係を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。
【００８０】
また、ピッチ制御をしない固定翼風車に対しても、各風速における風車回転数に対する風車最大出力時トルクおよび風車最大トルクの関係を把握しておけば、風車回転数対風車トルク特性だけでも、高風速になっても十分に実用的な最大出力制御を実施し得る。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータにおいて、風車定格回転数よりは低い高速風車回転数までは風車より最大出力を取り出すことでき、さらに風車の回転数が上昇してもほぼ風車最大出力を得ることができる。次に、高風速になって風車定格回転数Ｎｒ以上になろうとすると、負荷としての発電機のトルクが風車最大トルク以上となるため、風車回転数Ｎは風車定格回転数Ｎｒ付近に留まることができる。
【００８２】
したがって、風を逃がして風車からの入力を下げる高価なピッチ制御を用いることなく、風車の過回転による発電機またはＰＷＭコンバータの過負荷および破損を防止できるので実用上極めて有用である。
【符号の説明】
【００８３】
１                風車
２                回転計
３                発電機
４                ＰＷＭコンバータ
５                負荷
６                ピッチ角アクチュエータ
１０              トルク指令発生回路
１１              過回転防止トルク指令発生回路
２０              ピッチ角指令発生回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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