(57)【要約】【課題】環境に応じて適正に制動動作を行うことができる風力発電機用制動装置を提供することを課題とする。【解決手段】風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、発電機から出力される電流を検知する電流検出手段と、負荷手段に直列に配置され、負荷手段が発電機と電気的に接続している接続状態と、負荷手段が発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、回転状態検出手段及び電流検出手段の検出結果に基づいて選択スイッチを動作させ、風車の制動動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とすることで上記課題を解決する。【選択図】図５
2011127480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の回転エネルギを電力に変換する発電機と、前記発電機で生成された電力を他の機器に出力するコンバータの間に設けられた風力発電機用制動装置であって、
前記風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、
前記発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、
前記発電機から出力される電流を検知する電流検出手段と、
前記負荷手段に直列に配置され、前記負荷手段が前記発電機と電気的に接続している接続状態と、前記負荷手段が前記発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、
前記回転状態検出手段及び前記電流検出手段の検出結果に基づいて前記選択スイッチを動作させ、前記風車の制動動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とする風力発電機用制動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果と前記電流検出手段の検出結果との関係に基づいて、前記風車の制動動作を開始する閾値回転状態を決定し、
前記回転状態検出手段での検出結果が閾値回転状態以上であると判定したら、前記風車の制動動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用制動装置。
【請求項３】
前記制御手段は、単位時間毎に、前記回転状態と前記電流を検出し、前記風車の制動動作を開始する閾値回転状態を決定することを特徴とする請求項２に記載の風力発電機用制動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を少なくとも２種類以上を記憶しており、
前記制御手段は、前記制動動作の開始時に前記電流検出手段で検出された電流に基づいて、制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を選択し、
選択した前記関係から算出される目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較し、比較結果に基づいて、前記選択スイッチにより接続状態とするか解放状態とするかを決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。
【請求項５】
前記回転状態検出手段は、前記回転状態の制御対象として前記発電機から出力される電圧を検出し、
前記制御手段は、検出された電圧と、前記目標回転状態の電圧の値を比較して制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の風力発電機用制動装置。
【請求項６】
前記制御手段は、制動操作時に単位時間毎に、前記回転状態検出手段で回転状態を検出し、前記関係から算出される前記目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較することを特徴とする請求項４または５に記載の風力発電機用制動装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される前記目標回転状態以上である場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を接続状態とし、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される目標回転状態よりも低い場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とすることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の風力発電機用制動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強風時等に風力発電機を停止させる風力発電機の制動装置に関し、さらに詳しくは、電磁力によって風車を停止させる風力発電機用制動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などの問題を受け再生可能エネルギである風力を利用した装置の開発が行われている。この風力を利用した装置としては、風車と発電機とを組み合わせて風力を電力に変換し、得られた電力を使用用途に合わせた形に変換して利用する風力発電機がある。
【０００３】
風力発電機では、暴風等の過大風速により風車の回転数が過大に上昇した場合に風車の回転を停止する電磁制動装置（電磁ブレーキ）が備えられている。例えば、特許文献１には、風力によって回転駆動する風車と、風車と一体に回転駆動する永久磁石を含む回転子および回転子に対向配置された電機子回路を有する発電機とを備えた風力発電機の電気ブレーキ装置であって、電機子回路に接続されて風車のブレーキとして機能する短絡装置を設け、短絡装置は、選択的に駆動されることにより、電機子回路を短絡して風車の停止状態を維持することを特徴とする永久磁石型風力発電機の電磁制動装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３９８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
制動装置は、発電機の回転数を検出し、検出した回転数が一定値を超えたら発電機の回路を短絡させ、回生電流により回転負荷を増大させることで風車の回転子の回転を抑制し、停止させる。なお、ブレーキ動作（制動動作）により生じた回生電流は、短絡時の負荷により熱に変換され放出される。なお、放出される熱エネルギは、ブレーキを始動させたときの風車の回転エネルギと風車が停止するまでに生じる風力エネルギの和となる。
【０００６】
ここで、制動装置では、風車及び発電機の制動動作を開始する条件としては、風車の回転数や発電機の出力電圧の回転状態等が一定の条件を超えたか否かで判定する。しかしながら、種々の要因が影響するため、回転状態と風速とは比例関係とならない。そのため、回転に対する抵抗が大きいため回転数が低くなっているが強風が吹いており、風車を停止させる状態や、回転に対する抵抗が小さいため、回転数が高くても風車を稼動可能な状態等がある。そのため、安全設計のため、厳しい条件に対応して設定した回転数や出力電圧に基づいて制動動作を行うかを判定すると不要に風車を停止させてしまう場合がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、環境に応じて適正に制動動作を行うことができる風力発電機用制動装置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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、風車の回転エネルギを電力に変換する発電機と、前記発電機で生成された電力を他の機器に出力するコンバータの間に設けられた風力発電機用制動装置であって、前記風車の回転状態を検出する回転状態検出手段と、前記発電機と接続され、電力を消費する負荷手段と、前記発電機から出力される電流を検知する電流検出手段と、前記負荷手段に直列に配置され、前記負荷手段が前記発電機と電気的に接続している接続状態と、前記負荷手段が前記発電機に対して解放されている解放状態とを切り替え可能な選択スイッチと、前記回転状態検出手段及び前記電流検出手段の検出結果に基づいて前記選択スイッチを動作させ、前記風車の制動動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、運転状態に基づいて制動操作を判定することができ、環境に応じて適正に制動動作を行うことができる。
【００１０】
また、前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果と前記電流検出手段の検出結果との関係に基づいて、前記風車の制動動作を開始する閾値回転状態を決定し、前記回転状態検出手段での検出結果が閾値回転状態以上であると判定したら、前記風車の制動動作を開始することが好ましい。
【００１１】
これにより、運転状態に応じて、制動開始の基準を設定することができ、使用可能な条件であっても制動してしまうことを抑制することができる。
【００１２】
前記制御手段は、単位時間毎に、前記回転状態と前記電流を検出し、前記風車の制動動作を開始する閾値回転状態を決定することが好ましい。
【００１３】
このように一定時間間隔で検出を行うことで、制御手段への計算量の負荷を抑制しつつ、的確に制動動作を制御することができる。
【００１４】
前記制御手段は、制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を少なくとも２種類以上を記憶しており、前記制御手段は、前記制動動作の開始時に前記電流検出手段で検出された電流に基づいて、制動動作を開始してからの時間と目標回転状態との関係を選択し、選択した前記関係から算出される目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較し、比較結果に基づいて、前記選択スイッチにより接続状態とするか解放状態とするかを決定する。
【００１５】
これにより、予め設定した条件に沿って風車の回転を減速させることができ、風車の振動や風車で発生する騒音を抑制しつつ、風車の回転速度を低減させることができる。また、運転状態に応じて設定した条件を選択することでより適切に制動動作を制御することができる。
【００１６】
また、前記回転状態検出手段は、前記回転状態の制御対象として前記発電機から出力される電圧を検出し、前記制御手段は、検出された電圧と、前記目標回転状態の電圧の値を比較して制御を行うことが好ましい。
【００１７】
これにより、回転状態を簡単にかつ正確に検出することができる。また、発電機の許容条件に即して制御を行うことが可能となる。
【００１８】
また、前記制御手段は、制動操作時に単位時間毎に、前記回転状態検出手段で回転状態を検出し、前記関係から算出される前記目標回転状態と前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態とを比較することが好ましい。
【００１９】
このように一定時間間隔で検出を行うことで、制御手段への計算量の負荷を抑制しつつ、的確に回転状態を制御することができる。
【００２０】
また、前記制御手段は、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される前記目標回転状態以上である場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を接続状態とし、前記回転状態検出手段の検出結果の回転状態が前記関係から算出される目標回転状態よりも低い場合は、前記選択スイッチにより前記負荷手段を解放状態とすることが好ましい。
【００２１】
これにより、簡単な制御で、目標回転状態に沿って風車の回転を減速させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明にかかる風力発電機用制動装置は、環境に応じて適正に制動動作を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、制御装置による制御動作の一例を説明するためのグラフである。
【図３】図３は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、制御装置による制御動作の一例を示すグラフである。
【図６−１】図６−１は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。
【図６−２】図６−２は、制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００２５】
（実施形態）
図１は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の一実施形態の概略構成を示す模式図である。風力発電機用制動装置（以下、必要に応じて制動装置という）１０は、風力発電機１に組み込まれている。風力発電機１は、発電機２と、この発電機２の入力軸に取り付けられる風車３と、制動装置１０とを含んで構成される。風車３が風を受けると風車３が回転する。風車３の回転力は入力軸４を介して発電機２へ入力されて、これを駆動する。これによって、発電機２は電気エネルギを発生する。このように、発電機２は、風力を電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。発電機２が発生した電気エネルギは、制動装置１０を介して電力変換装置であるコンバータ５に入力さる。コンバータ５は、発電機２が発生した電気エネルギを変換し、家電製品等の電力消費対象６に出力する。
【００２６】
本実施形態において、制動装置１０は、発電機２とコンバータ５との間に配置される。制動装置１０は、入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂと、出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂとを有しており、入力端子Ｔｉａ、Ｔｉｂに発電機２の出力端子が接続される。また、制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂには、コンバータ５の入力端子が接続される。制動装置１０は、発電機２の回路を短絡させ、回生電力により発電機２の回転負荷を増大させながら発電機２を停止させることによって風車３を停止させるものであり、いわゆる電磁制動装置としての機能を発揮する。次に、制動装置１０の構成を説明する。
【００２７】
制動装置１０は、電力消費手段である電力消費装置１２と、切替手段である切替装置１３と、発電機２から出力される電圧を検出する電圧検出手段である電圧計１４と、制御手段である制御装置１５とを有する。
【００２８】
電力消費装置１２は、発電機２から供給される電気エネルギを消費するものである。電力消費装置１２としては、例えば、抵抗がある。電力消費装置１２は、発電機２の回路に並列に接続される。図１に示す例では電力消費装置１２の一方の端子が制動装置１０の入力端子Ｔｉｂと電気的に接続され、他方の端子は、切替装置１３を介して制動装置１０の入力端子Ｔｉａと電気的に接続される。なお、電力消費装置１２は、電気エネルギを消費できればよいので、抵抗に限定されるものではなく、例えば、電動機、照明装置、磁気発生装置等であってもよい。
【００２９】
切替装置１３は、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続又は遮断するものであり、例えば、スイッチ、リレー、半導体スイッチング素子等を用いることができる。本実施形態では、切替装置１３としてスイッチを用いる。切替装置１３が、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続することにより、発電機２と電力消費装置１２とは閉回路を形成する。
【００３０】
電圧計１４は、発電機２から出力される電圧（発電機出力電圧）を検出するものである。具体的には、入力端子Ｔｉａと入力端子Ｔｉｂとの電位差を検出する。なお、発電機出力電圧は、発電機２の回転速度（回転角速度、回転数）にほぼ比例する。また、発電機２の回転速度は風速に比例する。電圧計１４は、制御装置１５と電気的に接続されており、検出した発電機出力電圧を制御装置１５に送る。
【００３１】
電流計１７は、発電機２とコンバータ５との間を流れる、本実施形態では、入力端子Ｔｉａと出力端子Ｔｏａとの間を流れる電流（出力電流）を検出するものである。電流計１７は、制御装置１５と電気的に接続されており、検出した出力電流を制御装置１５に送る。
【００３２】
本実施形態では、制御装置１５は、電圧計１４及び電流計１７の検出結果に基づいて切替装置１３の動作を制御する。具体的には、制御装置１５は、切替装置１３を閉じる、すなわち電気的に接続することにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギの供給先は電力消費装置１２となる。また、制御装置１５は、切替装置１３を開く、すなわち、電気的に遮断することにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギの供給先は制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂ、より具体的にはコンバータ５となる。このように、制御装置１５は、切替装置１３を切り替えることで、発電機２が発電した電気エネルギの供給先を、電力消費装置１２又は制動装置１０の出力端子Ｔｏａ、Ｔｏｂのいずれか一方に切り替える。
【００３３】
制御装置１５は、演算処理を行う処理部１５Ｐと、演算処理に必要な情報を記憶する記憶部１５Ｍとを備える、いわゆるマイクロコンピュータで構成される。そして、処理部１５Ｐは、記憶部１５Ｍから風力発電機１の制動制御用のコンピュータプログラムを読み出してこれを実行し、風力発電機１を制動する。また、記憶部１５Ｍには、制動動作（ブレーキ動作）を開始する基準となる電圧値と電流値との関係を示すマップ、式や、制動動作を開始してからの時間と目標電圧値との関係を示すマップ、式等が記憶されている。
【００３４】
本実施形態では、強風時に制動装置１０が風力発電機１を制動することによって風車３を停止させる。具体的には、制動装置１０の制御装置１５が電圧計１４で検出した電圧と電流計１７の検出結果とに基づいて電圧の閾値を決定し、電圧計１４で検出した電圧が閾値よりも高い電圧となったら風力発電機１の制動動作を開始する。なお、制動動作については、後ほど詳細に説明する。これによって、制動装置１０は、風車３の過回転を回避するとともに、コンバータ５の許容入力を超える電力がコンバータ５へ入力されないようにする。
【００３５】
制動装置１０が風力発電機１を制動する場合、制御装置１５は、切替装置１３を閉じることにより、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する。これによって、発電機２が発電した電気エネルギは、電力消費装置１２で消費される。発電機２が発電した電気エネルギが消費されることで、発電機２の回転負荷は増大する。さらに、回転負荷が増大することで、風車３は減速し、最終的に停止する。なお、風車３が停止する際に放出される電気エネルギは、制動を開始したときにおける風車３の回転エネルギと風車３が停止するまでに生じる風力エネルギとの和にほぼ等しくなる。本実施形態では、電力消費装置１２に抵抗を用いているので、電力消費装置１２で消費された電気エネルギは熱として、例えば、空気中（液体中でもよい）に放出される。
【００３６】
次に、制動装置１０の動作を説明する。なお、次に説明する制動装置１０の動作は、以下の変形例や実施形態においても原則として共通である。図２は、制御装置による制御動作を説明するためのグラフである。なお、図２は、横軸を電流とし、縦軸を電圧とした。
【００３７】
ここで、発電機２から電力を出力している状態において、発電機２とコンバータ５との間に流れる、電流と電圧との関係は、コンバータ５の動作状態によって変化する。具体的にはコンバータ５は、回転数を所定の範囲とするために、抵抗を変化させる。そのため、コンバータ５の条件に応じて、電流と電圧との関係が変化する。図２に電流と電圧との関係の例として、傾きａの直線１００と傾きｂの直線１０２と傾きｃの直線１０４とを示す。なお、傾きは、ａ＜ｂ＜ｃとなる。
【００３８】
風車３に吹き付ける風が強い（強風）状態では、コンバータ５の抵抗が低く設定されるため、電流と電圧との関係を示す直線の傾きが小さくなり、例えば、直線１００に示す関係となる。なお、回転速度（回転数）と電圧とは比例するため、直線１００のように傾きが小さい状態で出力することで任意の電圧での発電量をより多くすることができる。これにより、風車３の回転に対する発電機２の抗力を大きくすることができ、より強風が吹いても回転数が高くなりにくくなり、強風により回転数が必要以上に上昇しないようにすることができる。これに対して、風車３に吹き付ける風が普通（通常風速）または弱い状態が続くと、コンバータ５の抵抗が高く設定されるため、電流と電圧との関係を示す直線の傾きが大きくなり、例えば、直線１０４に示す関係となる。これにより、風車３の回転に対する発電機２の抗力を小さくすることができ、風車を回転しやすくでき、通常の風速の風でも所望の電圧を出力させることができる。
【００３９】
ここで、制御装置１５は、電流と電圧との関係から強風状態であるか否かを判定するために、判定基準の関係として、直線１００と直線１０４との間の傾きとなる直線１０２の関係が記憶されている。このように直線１０２の関係を基準として、電力の出力条件を判定することで、強風状態であるか通常状態であるかを判定することができ、状態に応じた制動動作を行うことができる。なお、直線１０２は、Ｖ＝ｂＩと表すことができる。
【００４０】
以下、図３を用いて、制動装置１０による制御（制御装置１５の判定）の一例を説明する。図３は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、風力発電機１が動作している期間中、制動装置１０の制御装置１５は、ステップＳ１０として、電流（Ｉｉｎ）と電圧（Ｖｉｎ）を読み取る。つまり、制御装置１５は、電流計１７による電流の計測結果と、電圧計１４による電圧の計測結果を取得する。制御装置１５は、ステップＳ１０で電流（Ｉｉｎ）と電圧（Ｖｉｎ）を読み取ったら、ステップＳ１２として、ｂ×Ｉｉｎ＜Ｖｉｎであるかを判定する。ここで、ｂは、判定基準となる直線１０２の傾きである。つまり、検出した電圧が、電流を同じ大きさとした場合に判定基準から出力される電圧よりも大きいかを判定する。つまり、図２のグラフにおいて、測定結果の点が、直線１０２よりも直線１０４側にあるかを判定している。
【００４１】
制御装置１５は、ステップＳ１２でｂ×Ｉｉｎ＜Ｖｉｎである（Ｙｅｓ）、つまり、測定結果の点が、直線１０２よりも直線１０４側にあると判定したら、通常風速状態であると判断し、ステップＳ１４として閾値電圧をＶｔｈ＝Ｖ１とする。なお、閾値電圧とは、制動動作を行うか否かを判定する基準となる電圧である。その後、制御装置１５は、ステップＳ１８に進む。
【００４２】
また、制御装置１５は、ステプＳ１２でｂ×Ｉｉｎ＜Ｖｉｎではない（Ｎｏ）、ｂ×Ｉｉｎ≧Ｖｉｎ、つまり、測定結果の点が、直線１０２よりも直線１００側にあるまたは、直線１０２と重なっていると判定したら、強風風速状態であると判断し、ステップＳ１６として閾値電圧をＶｔｈ＝Ｖ２とする。なお、閾値電圧Ｖ２は、閾値電圧Ｖ１よりも低い電圧である。その後、制御装置１５は、ステップＳ１８に進む。
【００４３】
制御装置１５は、ステップＳ１４またはステップＳ１６で閾値電圧を決定したら、ステップＳ１８として、Ｖｔｈ＜Ｖｉｎであるかを判定する。つまり、計測した電圧（Ｖｉｎ）が設定した閾値電圧（Ｖｔｈ）をよりも高いかを判定する。
【００４４】
制御装置１５は、ステップＳ１８で、Ｖｔｈ＜Ｖｉｎである（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ２０として、ブレーキ処理（制動動作）を行う。つまり、切替装置１３により、電力消費装置１２と発電機２が接続された状態とし、発電機２から出力された電力を電力消費装置１２で消費させ、発電機２に負荷を与えることで、発電機２及び風車３を減速させる。制御装置１５は、発電機２及び風車３を停止させたら、処理を終了する。また、制御装置１５は、ステップＳ１８で、Ｖｔｈ＜Ｖｉｎではない（Ｎｏ）、つまり、Ｖｔｈ≧Ｖｉｎであると判定したら、そのまま処理を終了する。なお、制御装置１５は、上記処理を一定時間間隔で繰り返す。また、制御装置１５は、ステップＳ１８でＮｏと判定したら、ステップＳ１０に進み、ブレーキ処理を行うまで、上記処理を繰り返すようにしてもよい。
【００４５】
このように、電流と電圧の検出結果に基づいて、閾値電圧を設定することで、運転状態に応じた閾値を設定することができる。つまり、運転状態に応じて、制動動作を開始する基準を設定することができる。これにより、上記実施形態のように、強風状態である可能性が高い場合には、制動開始の電圧を低くし、低い回転速度でも制動を開始させるようにし、通常状態である可能性が高い場合には、制動開始の電圧を高くし、高い回転速度となったら制動を開始させることができる。これにより、風車が大きな力を受けており、風が大きく変化する可能性が高い強風時は、余裕を持った条件で制動を開始させ、風車にかかる力が適切で、条件が変化する可能性が低い通常風速時は、ある程度限界に近い条件で制動を開始させるようにすることができる。このように、運転状態に応じて制動開始基準を自動的に設定できることで、高い安全性を維持しつつ、発電機を効率よく運転させることができる。
【００４６】
また、電流計と電圧計との関係に基づいて、運転状態を検出することで、コンバータ等から制御条件を検出する必要がなくなる。これにより、装置構成を簡単にすることができる。また、既存の風力発電機に設置する場合も、制動装置を交換するのみで、実現可能となる。また、コンバータ等に新たに出力端子を設ける必要がないため、既存の装置を用いることができ、装置コストを低くすることができる。
【００４７】
また、直線１００と直線１０４との間となる直線１０２を閾値とすることで、一定程度の計測誤差が発生しても、通常風速状態での制御か、強風状態での制御かを判定することができる。これにより、高い精度で計測しなくても適切な制御を行うことができる。また、上記実施形態では、閾値を直線１０２のみとしたが、閾値を複数設け、夫々の範囲に応じて、制御を切り替えるようにしてもよい。
【００４８】
なお、上記実施形態では、装置構成が簡単になるため、制動動作の開始条件を電圧値が閾値を超えた場合としたが、本発明はこれに限定されない。運転状態によって、制動動作の開始の条件を設定すればよく、例えば、別途風力計を設け風力計の計測結果に基づいて制動動作の開始を判定する場合は、運転状態に応じて、風速の閾値を変更すればよい。また、制動動作の開始の条件は、所定の条件を複数回満たした場合、所定時間満たしている場合としてもよい。
【００４９】
ここで、制動装置１０は、風力発電機１を制動する場合、電圧計１４から送られる計測結果に基づいて、切替装置１３を制御することが好ましい。つまり、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続する状態と、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断している状態とを切り替えることが好ましい。なお、電圧計１４から送られる計測結果に基づいた切替装置１３の制御は、予め設定された制御開始からの時間と目標電圧との関係を用いて処理を行う。制御装置は、記憶部１５Ｍに、複数の制御開始からの時間と目標電圧との関係を記憶しておき、電流と電圧の検出結果から使用する関係を選択するようにすることが好ましい。
【００５０】
以下、制動装置１０の制動動作の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る制動装置の動作を説明するためのフローチャートである。なお、下記では、切替装置１３を閉じ、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続させる状態を、切替装置１３がＯＮの状態と定義し、切替装置１３を開き、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に遮断する状態を、切替装置１３がＯＦＦの状態と定義する。
【００５１】
まず、制御装置１５は、上述したようにステップ１８でＹｅｓと判定したら、ステップＳ３０として、風力発電機１の制動を開始する。なお、制御装置１５は、制動を開始したら、切替装置１３を操作し、発電機２と電力消費装置１２とを電気的に接続させる。つまり、切替装置１３をＯＮの状態にする。なお、制御装置１５は、制動開始時は、切替装置１３をＯＮの状態にせず、後述する処理によってＯＮの状態としてもよい。
【００５２】
制御装置１５は、ステップＳ３０で制動開始したら、ステップＳ３６として、使用する関係、つまり、制動動作に使用する制御開始からの時間と目標電圧との関係を決定する。ここで、制御開始からの時間と目標電圧との関係は複数設定されており、それぞれの制御開始からの時間と目標電圧との関係は、使用する電流と電圧との関係（使用可能な、電流と電圧との数値範囲）が設定されている。制御装置１５は、電流と電圧との検出結果から、検出結果を含む条件に対して設定された制御開始からの時間と目標電圧との関係を使用する関係として決定する。なお、使用する関係の決定は、上述した、ステップＳ１２の判定の際に行うようにしてもよい。
【００５３】
制御装置１５は、ステップＳ３６で使用する関係を決定したら、ステップＳ３８として、電圧計１４から発電機出力電圧Ｅｇ（上述した電圧Ｖｉｎと同様）を再び取得し、取得した発電機出力電圧Ｅｇと目標電圧Ｅｔとを比較する。具体的には、Ｅｔ≦Ｅｇであるかを判定する。なお、目標電圧Ｅｔは、ステップＳ３６で使用を決定した関係から算出した値であり、制動開始からの時間の関数である。つまり、目標電圧Ｅｔは、制動開始からの時間によって変動する値である。なお、目標電圧Ｅｔは時間の経過とともに徐々に低下する値である。
【００５４】
制御装置１５は、ステップＳ３８で、Ｅｔ≦Ｅｇである、つまり、発電機出力電圧Ｅｇが目標電圧Ｅｔ以上である（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ４０として、切替装置１３がＯＮ状態であるかを判定する。制御装置１５は、ステップＳ４０で切替装置がＯＮである（Ｙｅｓ）と判定したら、そのままステップＳ４８に進む。また、ステップＳ４０で切替装置がＯＮではない、つまりＯＦＦである（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ４２として、切替装置をＯＮにした後、ステップＳ４８に進む。つまり、ステップＳ３８でＹｅｓと判定したら、切替装置をＯＮにする。
【００５５】
制御装置１５は、ステップＳ３８で、Ｅｔ≦Ｅｇではない、つまり、Ｅｔ＞Ｅｇ、発電機出力電圧Ｅｇが目標電圧Ｅｔよりも小さい（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ４４として、切替装置１３がＯＦＦ状態であるかを判定する。制御装置１５は、ステップＳ４４で切替装置１３がＯＦＦである（Ｙｅｓ）と判定したら、そのままステップＳ４８に進む。また、ステップＳ４４で切替装置１３がＯＦＦではない、つまりＯＮである（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ４６として、切替装置１３をＯＦＦにした後、ステップＳ４８に進む。つまり、ステップＳ３８でＮｏと判定したら、切替装置１３をＯＦＦにする。
【００５６】
次に、制御装置１５は、ステップＳ４８として、発電機２、すなわち風車３が停止したと認められるか否かを判定する。本実施形態において、発電機２が停止したと認められるか否かは、発電機出力電圧Ｅｇが停止閾値Ｅｇ０以下になったか否かで判定される。停止閾値Ｅｇ０は、発電機２が停止したと認められるか否かを判定するために用いる値である。
【００５７】
ここで、発電機２の回転速度が低下すると発電機出力電圧Ｅｇも低下し、発電機２が停止すると発電機出力電圧Ｅｇは０になる。また、発電機２が完全に停止していなくても、停止したと認められる程度の回転速度であれば、発電機２は停止したと認めてもよい。本実施形態では、停止閾値Ｅｇ０は、発電機２が停止したと認められる場合において発電機２が出力する電圧以下の値とする。したがって、停止閾値Ｅｇ０は０、すなわち、発電機２が完全に停止したときにおける発電機出力電圧Ｅｇとしてもよい。
【００５８】
制御装置１５は、ステップＳ４８で、発電機２が停止していない（Ｎｏ）、つまり、電圧Ｅｇが電圧Ｅｇ０以上であると判定したら、ステップＳ３８に進み上記処理を繰り返す。また、制御装置１５は、ステップＳ４８で、発電機２が停止している（Ｙｅｓ）、つまり、電圧Ｅｇが電圧Ｅｇ０未満であると判定したら、処理を終了する。
【００５９】
このように、制動装置１０の制動動作においては、切替装置１３のＯＮ、ＯＦＦを繰り返し、ＯＮ状態のときは、発電機２が発電した電気エネルギを電力消費装置１２で消費させることで、発電機２に回転負荷を与え、発電機２から出力される電圧を徐々に低減させることで、発電機２、すなわち風車３の回転速度を低下させることができる。風車３の回転速度を低下させ、最終的に停止しているとみなせる状態にすることで、風車３を実質的に停止させることができる。
【００６０】
以下、図５を用いて、制御開始からの時間と目標電圧との関係を用いた制動動作について具体的に説明する。ここで、図５は、制御装置による制御動作の一例を示すグラフである。ここで、図５では、３つのグラフを示しているが、また、一番上のグラフは、電圧と時間との関係を示し、真ん中のグラフは、切替装置のＯＮ、ＯＦＦ、つまりスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦと時間との関係を示し、一番下のグラフは、目標電圧の加速度（傾き）と時間の関係を示している。また３つのグラフの横軸は時間軸で統一されており、一番上のグラフは、縦軸を電圧とし、真ん中のグラフは、縦軸がスイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦとし、一番下のグラフは、目標電圧の加速度とした。また、時間軸は、制動開始がＴ＝０となる。
【００６１】
まず、図５に示すように本実施形態では、目標電圧の加速度つまり、変化量を一定としたため、目標電圧は、時間に比例して減少する。制御装置１５は、電圧計１４で検出した電圧（出力電圧）が目標電圧に近づくように、スイッチ状態のＯＮ、ＯＦＦを切り替える。具体的には、図５に示すように、Ｔ＝０でスイッチ状態をＯＮにし、その後Ｔ＝ｔ１となるまでは、出力電圧が目標電圧以上となるため、スイッチ状態をＯＮで維持する。つまり、図４で示す動作では、ステップＳ３８でＹｅｓが選択され続ける状態となる。ここで、Ｔ＝ｔ１のタイミング検出した出力電圧は、目標電圧よりも低くなる。これにより、図４で示す動作では、ステップＳ３８でＮｏが選択され、ステップＳ４４でＮｏが選択される。これにより、制御装置１５は、スイッチ状態をＯＦＦに切り替える。
【００６２】
また、その後、Ｔ＝ｔ２となるまでは、出力電圧が目標電圧よりも低くなるため、スイッチ状態はＯＦＦで維持される。その後、Ｔ＝ｔ２で出力電圧が目標電圧以上となるため、再びスイッチ状態がＯＮに切り替えられる。その後、Ｔ＝ｔ３で再び、ＯＦＦに切り替えられ、Ｔ＝ｔ４で再び、ＯＮに切り替えられる。その後Ｔ＝ｔ５で出力電圧が実質的に０となり、風力発電機１が停止した状態となる。
【００６３】
以上のように切替装置のＯＮ、ＯＦＦの切替を行うことで、出力電圧を目標電圧に沿って低減させることができ、予め設定された減速モデルに基づいて、風車を減速させることができる。これにより、制動動作、つまり風車の減速時に急減速、急停止が発生することを抑制することができ、風車の振動を抑制することができる。風車の振動を抑制できることで、騒音を低減することができ、また、局所的または一時的に大きな負荷がかかることを抑制することができる。このように大きな負荷がかかることを抑制できることで、装置を長期間使用することが可能となる。
【００６４】
また、制御開始からの時間と目標電圧との関係を複数用意することで、各条件に応じて、制動動作を行うことができる。例えば、強風時は、周囲にも種々の騒音が発生するため、騒音に対しては許容範囲を大きくして決定した、制御開始からの時間と目標電圧との関係を用いることができる。また、通常風速時は、制動終了までの時間をより長くすることもできる。このように、条件に応じて、制御開始からの時間と目標電圧との関係を選択することで、より適切な制動動作を行うことができる。
【００６５】
ここで、図５に示す例では、目標電圧を等加速度で減速させるようにしたが、これに限定されず、装置構成や、仕様に応じて、種々のパターンの目標電圧を設定することができる。以下、図６−１及び図６−２を用いて、目標電圧のパターンを説明する。ここで、図６−１及び図６−２は、それぞれ制御装置による制御動作の他の例を示すグラフである。また、図６−１と図６−２には、それぞれ２つのグラフを示す。上のグラフは、目標電圧と時間との関係を示すグラフであり、下のグラフは、目標電圧の加速度（傾き）と時間の関係を示すグラフである。なお、２つのグラフの横軸は時間軸で統一されており、上のグラフは、縦軸を目標電圧とし、下のグラフは、目標電圧の加速度とした。また、時間軸は、制動開始がＴ＝０となる。また、いずれのパターンの場合でも上述した図４の制御方法で処理することができる。
【００６６】
図６−１に示す目標電圧のパターンは、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で大きくなる単調増加加速度パターンである。このように、加速度が徐々に大きくなることで、制動開始は、目標電圧の変化量が少なく、制動終了直前（停止直前）は、目標電圧の変化量が大きくなる。
【００６７】
このように、制動開始の目標電圧の変化量を少なくしたパターンに基づいて制動動作を制御することで、制動開始直後で、高速で回転している風車に対して大きな力を作用させることを抑制することができる。つまり、高速で回転している風車に対して長時間ブレーキを掛けることを抑制することができる。これにより、風車を緩やかに減速させることが可能となり、制動開始直後に騒音が発生したり、大きな負荷が生じたりすることを抑制することができる。
【００６８】
図６−２に示す目標電圧のパターンは、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で大きくなり、一定時間経過後、目標電圧の加速度（傾き）が一定の割合で小さくなる、単調増加と単調減速を組み合わせた加速度パターンである。このように、加速度が徐々に大きくなることで、制動開始は、目標電圧の変化量が少なる。また、一定時間経過後、本実施形態では目標電圧が初期電圧（制動開始の閾値電圧）の半分の電圧になったら、加速度を徐々に小さくすることで、制動終了直前（停止直前）も目標電圧の変化量が小さくなる。
【００６９】
このように、制動開始の目標電圧の変化量を少なくし、かつ、制動終了直前（停止直前）も目標電圧の変化量を少なくしたパターンに基づいて制動動作を制御することで、制動開始直後で、高速で回転している風車に対して大きな力を作用させることを抑制することができる。つまり、高速で回転している風車に対して長時間ブレーキを掛けることを抑制することができる。さらに、停止直前も目標電圧の変化量を少なくすることで、風車の還減速終了時も徐々に減速させることができる。つまり、風車が急停止することを抑制することができる。これにより、風車に対して、緩やかに減速を開始、緩やかに減速を終了させることが可能となり、制動動作時に騒音が発生したり、大きな負荷が生じたりすることをより適切に抑制することができる。
【００７０】
なお、目標電圧のパターンは、上記三つのパターンにも限定されない。なお、図５に示した目標電圧の加速度（傾き）が一定となるパターンは、制御が簡単であるため、制御装置を簡単な構成にできる利点がある。
【００７１】
また、各条件に応じて、制動動作の動作パターンを切り替えるようにすることが好ましい。例えば、強風時は、図６−１のパターンを用い、通常風速時は、図６−２のパターンを用いる。これにより、より適切に状況に応じた制動動作を行うことができる。
【００７２】
ここで、上記実施形態では、発電機から出力される電圧を電圧計で計測し、電圧に基づいて制御を行ったが、本発明はこれに限定されず、風車の回転数を検出できるものであればよい。また、回転数から電圧への変換は計算で処理できるため、回転数と電流との関係によっても上記実施形態と同様に運転状態を推定することができる。以下、図７を用いて、制動装置の他の例を説明する。ここで、図７は、本発明の風力発電機用制動装置を有する風力発電機の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図７に示す風力発電機１ａの制動装置１０ａは、電圧計１４に代えて、回転計１６を設けた点を除いて他の構成は、上述した風力発電機１の制動装置１０と同様である。以下では、制動装置１０ａに特有の点を説明する。
【００７３】
回転計１６は、風力発電機１ａの風車３の回転数（すなわち発電機２、風車３の回転速度）を検出する。回転計１６は、検出した風車３の回転数を制御装置１５に送る。なお、本実施形態のように、計測結果に回転数を用いる場合は、上述した目標電圧に代えて目標回転数を用いればよい。なお、風車３の回転数と、発電機２から出力される電圧とはほぼ比例関係にあるので、いずれの値を用いても同様の制御ができる。なお、計算量は多くなるが、比例関係を利用して、回転数から電圧を算出して、目標電圧との比較を行うようにしてもよい。
【００７４】
このように、電圧計に代えて、回転計を設け、風車の回転数を算出しても同様の制御が可能となる。なお、装置を簡単にできる、装置コストが安くなるため、上述した回転数、出力電圧を測定対象とすることが好ましいがこれにも限定されない。風車または発電機の駆動状態をリニアに検出することができる測定対象であればよく、その検出結果に基づいて、ブレーキのＯＮ、ＯＦＦを制御することで、上述したように、予め設定したパターンに基づいて風車を制動させることができる。
【００７５】
また、上記実施形態では、各時間における目標値を１つの値としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、目標値に一定の幅を持たせるようにしてもよい。また、切替装置をＯＮからＯＦＦに切り替える閾値と、切替装置をＯＦＦからＯＮに切り替える閾値と別々の閾値としてもよい。
【００７６】
なお、上記実施形態では、装置構成が簡単になるため、切替装置のＯＮ、ＯＦＦの制御の基準となる検出値と制動開始の判定の基準となる検出値とを同一の計測器の検出値を用いて判定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、制動開始の判定は、風速計を用い、風速が一定速度以上となったら、制動開始するようにしてもよい。
【００７７】
また、より適切に制動動作を行うことができるため、上述した、運転状態に応じた制動開始条件の設定（図３の処理）と、運転状態に応じた制動のパターンの設定（図４の処理）を両方行うことが好ましいが、いずれか一方のみの処理を行ってもよい。いずれか一方のみの処理を行っても上述した処理の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかる風力発電機用制動装置は、風力発電機の停止時のブレーキ装置として用いるのに有用であり、特に、１０ｋＷ以下の小型風力発電のブレーキ装置に適している。
【符号の説明】
【００７９】
１、１ａ  風力発電機
２  発電機
３  風車
４  入力軸
５  コンバータ
６  電力消費対象
１０、１０ａ  制動装置（風力発電機用制動装置）
１２  電力消費装置
１３  切替装置
１４  電圧計
１５Ｍ  記憶部
１５Ｐ  処理部
１５  制御装置
１６  回転計
１７  電流計
【図１】
2011127480.tif 000003
【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６−１】
2011127480.tif 000008
【図６−２】
2011127480.tif 000009
【図７】
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