(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への充電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムであって、揚水発電機構を備え、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、数十秒乃至数分の比較的短い所定時間ピッチで選択的に行い、前記選択は、直前のピッチでの風車発電出力平均値と、直前のピッチ終了時点での充放電装置蓄電量とに基づいて行うことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記ピッチは１〜２分ピッチであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項３】
選択開始直後の１ピッチは、系統への出力に等しい出力の揚水発電機構による水力発電を行い、当該水力発電出力を充放電装置を介して系統へ出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
揚水発電機構は、上下一対の貯水タンクと、上タンクと下タンクとの間の連通路の途上に配設されたポンプ水車機構とを備え、ポンプ水車機構は、互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車がケーシング内に同軸に配設されたポンプ・水車部と、内外二重回転子形発電電動機を有するモータ・発電機部とを有し、前記一組の羽根車はそれぞれ前記モータ・発電機部の内外の各回転子に結合されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への送電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への送電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムが特許文献１、２等に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０７１１５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５９６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風車発電出力の経時変動は大きいので、系統への出力を安定的に平滑化するためには、風車発電の余剰電力を蓄電する充放電装置の大容量化が必要である。しかし、充放電装置は一般に高価であり、大容量化は、風力発電システムの高価格化を招き、風力発電システムの普及促進を妨げる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への送電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムであって、充放電装置の大容量化を招くことなく、系統への出力を安定的に平滑化できる風力発電システム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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明においては、風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への送電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムであって、揚水発電機構を備え、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、数十秒乃至数分の比較的短い所定時間ピッチで選択的に行い、前記選択は、直前のピッチでの風車発電出力平均値と、直前のピッチ終了時点での充放電装置蓄電量とに基づいて行うことを特徴とする風力発電システムを提供する。
本発明に係る風力発電システムにおいては、風車発電の余剰電力を充放電装置に蓄電すると共に、揚水発電機構の貯水の位置エネルギーに変換して蓄積するので、必要に応じて揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電出力を風車発電出力と共に系統に出力することにより、充放電装置を大容量化することなく、系統への出力を安定的に平滑化できる。
従来の揚水発電は、例えば夜間と昼間と言った長い時間スパンでの電力供給の平滑化を図るものであったが、本発明は、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、数十秒乃至数分の比較的短い所定時間ピッチで選択的に行うことにより、揚水発電を、時々刻々変動する風車発電出力の平滑化に利用するものであり、揚水発電の新規な利用方法を提案するものである。
風車発電出力は数十秒乃至数分の比較的短い所定時間ピッチで山谷に変動する場合が多いので、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、数十秒乃至数分の比較的短い所定時間ピッチで選択的に行うのが合理的である。
前記選択を、直前のピッチでの風車発電出力平均値と、直前のピッチ終了時点での充放電装置蓄電量とに基づいて、フィードバック方式で行えば、風車発電出力と充放電装置蓄電量の時々刻々の変動に応じた選択が可能になる。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、前記ピッチは１〜２分ピッチである。
風車発電出力の経時変化の計測データによれば、１〜２分のピッチで中程度の山谷が発生する場合が多いので、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、１〜２分ピッチで選択的に行うのが合理的である。
本発明の好ましい態様においては、選択開始直後の１ピッチは、系統への出力に等しい出力の揚水発電機構による水力発電を行い、当該水力発電出力を充放電装置を介して系統へ出力する。
選択開始直後は、直前のピッチが存在しないので、とりあえず系統への出力に等しい出力の揚水発電機構による水力発電を行い、当該水力発電出力を充放電装置を介して系統へ出力するのが好ましい。
本発明の好ましい態様においては、揚水発電機構は、上下一対の貯水タンクと、上タンクと下タンクとの間の連通路の途上に配設されたポンプ水車機構とを備え、ポンプ水車機構は、互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車がケーシング内に同軸に配設されたポンプ・水車部と、内外二重回転子形発電電動機を有するモータ・発電機部とを有し、前記一組の羽根車はそれぞれ前記モータ・発電機部の内外の各回転子に結合されている。
上下一対の貯水タンクと、上タンクと下タンクとの間の連通路の途上に配設されたポンプ水車機構とにより、揚水発電機構を構成することができる。
互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車がケーシング内に同軸に配設されたポンプ・水車部と、内外二重回転子形発電電動機を有するモータ・発電機部とを有し、前記一組の羽根車はそれぞれ前記モータ・発電機部の内外の各回転子に結合されたポンプ水車機構は、前後段羽根車の相反回転トルクが同じ状態で、ひいては羽根車を流れる水流の角運動量変化が前後段で同じ状態で、運転される特徴を有しており、ポンプ及び水車運転の両運転状態で、ガイドベーン等の補助機械なしで軸方向流入流出を実現できる。この特徴は、ポンプ（揚水）運転と水車運転とを瞬時に切り換える必要が生じた場合に、当該瞬時の切り換えを確実に実現するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例に係る風力発電システムのブロック図である。
【図２】風車発電出力の経時変化の実測データの一例を示す図である。
【図３】図２の実測データに基づいて作成した風車発電出力の一分間平均値の経時変化を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る風力発電システムによる風力発電のシミュレーションの結果を示す表である。
【図５】本発明に好適なポンプ水車機構の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施例に係る風力発電システムを説明する。
図１に示すように、風力発電システムＡは、風車発電機構Ｂと、揚水発電機構Ｃと、両者の作動を制御する制御装置Ｄとを備えている。
風車発電機構Ｂは、風車発電機１と、風車発電機１の交流出力を直流に変換する風車用インバータ２と、電力量計３と、充放電装置４と、充放電装置４の直流出力を系統への交流出力に変換する連系用インバータ５とを備えている。
揚水発電機構Ｃは、上部貯水タンク６と、下部貯水タンク７と、上下貯水タンク間の連通路８と、連通路８を開閉する電磁弁９と、連通路８の途上に配設されたポンプ水車１０と、ポンプ水車１０を駆動し又ポンプ水車１０により駆動される誘導発電電動機１１と、充放電装置４の直流出力を誘導発電電動機１１の励磁電流（交流）に変換し又誘導発電電動機１１の交流出力を直流に変換する発電電動機用インバータ１２とを備えている。
発電電動機用インバータ１２と充放電装置４とは、双方向チョッパ１３を介して接続されている。
【０００９】
風車発電機構Ｂの作動を説明する。
風車発電機１の交流出力が、風車用インバータ２を介して直流出力に変換されて、充放電装置４に送電される（風車発電機１の出力が直流の場合は風車用インバータ２は不要である）。風車発電機１の出力値は電力量計３により検知され、制御装置Ｄに入力される。充放電装置４の蓄電量も制御装置Ｄに入力される。制御装置Ｄから系統への出力指令が充放電装置４に出力されると共に、電圧／周波数制御指令が連系用インバータ５に出力され、充放電装置４の直流出力が連系用インバータ５を介して所定電圧／周波数の交流出力に変換されて、系統に出力される。
揚水発電機構Ｃの水車運転作動（水力発電作動）を説明する。
制御装置Ｄから開度制御指令が電磁弁９に出力されて電磁弁９の開度が制御される。制御装置Ｄから、励磁電流出力指令が充放電装置４に出力されると共に、励磁電圧制御指令が発電電動機用インバータ１２に出力される。充放電装置４の直流出力が双方向チョッパ１３により昇圧され、次いで発電電動機用インバータ１２により三相交流に変換されると共に電圧と周波数が調整されて、励磁電流として発電電動機１１に供給される。電磁弁９によって流量制御された水流が、上部貯水タンク６から連通８を通って下部貯水タンク７へ流れ、連通路８の途上に配設されたポンプ水車１０を回転駆動し、ポンプ水車１０は発電電動機１１を駆動して発電する。発電電動機１１の三相交流出力は、発電電動機用インバータ１２により直流出力に変換され、双方向チョッパ１３により降圧された後、充放電装置４に送電される。
揚水発電機構Ｃのポンプ運転作動（揚水作動）を説明する。
制御装置Ｄから、励磁電流出力指令が充放電装置４に出力されると共に、励磁電圧制御指令と相入替指令とが発電電動機用インバータ１２に出力される。充放電装置４の直流出力が双方向チョッパ１３により昇圧され、次いで発電電動機用インバータ１２により三相交流に変換され電圧および周波数が調整されると共に相入替えされる。相入替えにより、発電電動機用インバータ１２の３相のうち２相が入替わって、ポンプ水車１０の回転方向が水車運転の時とは逆方向になり、ポンプ運転（揚水作動）が開始される。直後に、制御装置Ｄから全開制御指令が電磁弁９に出力されて電磁弁９が全開し、下部貯水タンク７内の水が上部貯水タンク６へ押し上げられ、上部貯水タンク６に貯水される。
【００１０】
所定日の１５時４０分から１６時１０分まで行われたフィールド試験により得られた、風車ロータ径２ｍ、定格出力１．２ｋＷ（風速１１.５ｍ/ｓ）の風車発電機１の出力の経時変化生データを図２に示し、図２の生データから得られた１分間平均出力の経時変化を図３に示す。図３において、黒塗領域は、系統への平滑出力を６３Ｗとする場合の不足電力を示し、ハッチング領域は系統への平滑出力を６３Ｗとする場合の余剰電力を示す。
【００１１】
揚水発電機構Ｃを使用せず、風車発電機構Ｂと制御装置Ｄのみを用いて、１５時４０分から１６時１０分まで、系統への６３Ｗの平滑出力を維持する場合には、１５時４０分から１５時４６分までの不足電力３．５６Ｗｈが１５時４０分の時点で充放電装置４に蓄電されており、以降不足電力は充放電装置４からの出力で賄い、余剰電力は充放電装置４に蓄電すると仮定すると、１６時１０分の時点で、７．１５Ｗｈの電力が充放電装置４に蓄電されていることになり、充放電装置４の必要蓄電容量は、７．１５Ｗｈとなる。
【００１２】
図２から、１〜２分のピッチで中程度の山谷が発生していることが分かる。そこで、風車発電機構Ｂによる発電を継続的に行うと共に、揚水発電機構Ｃによる揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構Ｃによる水力発電とを、１分ピッチで選択的に行い、系統への６３Ｗの継続的な平滑出力を維持する場合をシミュレーションする。シミュレーションは以下の条件下に行う。
（１）ポンプ水車１０として揚程及び落差が２ｍのポンプ水車を使用する。当該ポンプ水車１０のポンプ運転作動時のエネルギー効率は、実測に基づき０．７とし、ポンプ水車１０の水車運転作動時のエネルギー効率は、実測に基づき０．９とする。即ち、風車発電の余剰電力１Ｗｈをポンプ水車１０のポンプ運転作動によって上部貯水タンク６内の貯水の位置エネルギーに変換し、次いで前記位置エネルギーをポンプ水車１０の水車運転作動によって電力エネルギーに変換した場合、０．６３Ｗｈの電力エネルギーが得られることとする。インバータ５、１２、電磁弁９、制御装置Ｄの駆動に必要な電力は平滑出力やポンプ駆動に要する電力に比べて微少なので無視することとする。
（２）１５時４０分の時点で、充放電装置４の蓄電量は零であり、上部貯水タンク６には、ポンプ水車１０の水車運転作動とポンプ水車１０による発電電動機１１の駆動とにより５．０Ｗｈの電力に変換される量の位置エネルギーに相当する量、即ち１０１９リットルの水が貯水されていることとする。
（３）１５時４０分〜１５時４１分の間は、系統への出力６３Ｗに等しい出力の揚水発電機構Ｃによる水力発電を行い、当該水力発電出力を充放電装置４、連系用インバータ５を介して系統へ出力する。
揚水発電機構Ｃによる揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構Ｃによる水力発電との１分ピッチでの選択は、後述ごとく、直前のピッチでの風車発電出力平均値と、直前のピッチ終了時点での充放電装置蓄電量とに基づいて、フィードバック方式で行うが、選択開始直後は、直前のピッチが存在しないので、とりあえず系統への出力に等しい出力の揚水発電機構による水力発電を行い、当該水力発電出力を充放電装置４、連系用インバータ５を介して系統へ出力する。
（４）１５時４１分以降の各１分間は、直前の一分間の風車発電出力平均値と直前の一分間終了時点での充放電装置４の蓄電量とに基づいて、充放電装置４から電力供給を受けた揚水発電機構Ｃによる揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構Ｃによる水力発電及び水力発電出力の充放電装置４への送電と、を選択的に行う。
より具体的には、直前の一分間の風車発電出力平均値が６３Ｗ未満の場合には、直前１分間分の不足電力を次の一分間に揚水発電機構Ｃによる水力発電によって補充して、系統に６３Ｗ出力する。
直前の一分間の風車発電出力平均値が６３Ｗ以上であって、且つ直前の一分間終了時点での充放電装置４の蓄電量が３Ｗｈ以下の場合には、次の一分間では揚水発電機構Ｃによる水力発電は行わず、揚水発電機構Ｃによる揚水も行わない。
直前の一分間の風車発電出力平均値が６３Ｗ以上であって、且つ直前の一分間終了時点での充放電装置４の蓄電量が３Ｗｈを超える場合には、次の一分間では揚水発電機構Ｃによる水力発電は行わず、３Ｗｈからの超過分の蓄電力を揚水発電機構Ｃに供給して揚水し、貯水の位置エネルギーに変換して上部貯水タンク６に蓄積する。
【００１３】
シミュレーション結果を図４に示す。図４において、上部貯水タンクへ揚水された水の位置エネルギーの欄と、ピッチ終了時の上部貯水タンクの貯水の位置エネルギーの欄と、に記載したエネルギー値（Ｗｈ）は、揚水の落差を利用した水力発電による電気エネルギーへの変換後の値である。
図４から分かるように、充放電装置４の蓄電量の最大値は、１６時１０分の時点での３．９５Ｗｈである。尚、１６時１０分の時点での上部貯水タンクの貯水量は３６７リットルである。
上記シミュレーションにおいては、揚水発電機構Ｃによる揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構Ｃによる水力発電とを、１分ピッチで選択的に行うことにより、充放電装置４の蓄電容量を３．９５Ｗｈに設定すれば、換言すると風車発電機構Ｂのみで系統への６３Ｗの継続的な平滑出力を維持する場合の約半分まで充放電装置４の蓄電容量を減らしても、系統への６３Ｗの継続的な平滑出力を維持することができた。
【００１４】
上記シミュレーションの結果を踏まえて以下が言える。
（１）風車発電機構と充放電装置とを備え、風車発電出力の充放電装置への送電と、充放電装置から系統への出力とにより、系統への出力を平滑化する風力発電システムに、揚水発電機構を付設し、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、比較的短い所定時間ピッチで選択的に行うことは、充放電装置の大容量化を抑制するのに有効である。尚、本揚水発電機構は、300°Ｃ以上の環境を保持するために大規模な周辺機器を必要とするNAS電池、高価で充放電の時間が遅くかつ劣化しやすいLiイオン電池などに比べ、運転コストがかからず簡素で耐用年数が長く、メンテナンス性も格段に優れている。また、これら電気的なキャパシタは大容量化が極めて困難であるが、本揚水発電機構は落差/揚程、タンク容量、流体密度を変えることで処理能力を簡単かつ自由に設計でき、風力発電の規模を問わず如何なる風量発電所にも適用できる。また、数か所の発電所を一括して集中処理することも可能であり、充放電装置のみで系統出力の平滑化を図る従前の風力発電システムに比べて経済的である。前記選択を、直前のピッチでの風車発電出力平均値と、直前のピッチ終了時点での充放電装置蓄電量とに基づいて、フィードバック方式で行えば、風車発電出力と充放電装置蓄電量の時々刻々の変動に応じた選択ができる。
（２）従来の揚水発電は、例えば夜間と昼間と言った長い時間スパンでの電力供給の平滑化を図るものであったが、充放電装置から電力供給を受けた揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、比較的短い所定時間ピッチで選択的に行うことにより、揚水発電を、出力が時々刻々変動する風車発電による電力供給の平滑化に利用できる。
（３）図２から分かるように、風車発電出力は１〜２分のピッチで中程度の山谷が発生する場合が多いので、揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、１〜２分ピッチで選択的に行うのが合理的である。
【００１５】
ポンプ水車１０と誘導発電電動機１１とを、図５に示す互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車１４、１５がケーシング内に同軸に配設されたポンプ・水車部１６と、内外二重回転子形電動機を有するモータ・発電機部１７とを有し、前記一組の羽根車１４、１５はそれぞれ前記モータ・発電機部１７の内外の各回転子１８、１９に結合されたポンプ水車機構Ｅによって構成しても良い。ポンプ水車機構Ｅは、前後段羽根車１４、１５の相反回転トルクが同じ状態で、ひいては羽根車を流れる水流の角運動量変化が前後段で同じ状態で、運転される特徴を有しており、ポンプ及び水車運転の両運転状態で、ガイドベーン等の補助機械なしで軸方向流入流出を実現できる。この特徴は、ポンプ運転（揚水作動）と水車運転（発電作動）とを瞬時に切り換える必要が生じた場合に、当該瞬時の切り換えを確実に実現するのに有利である。尚、ポンプ水車機構Ｅの詳細については、特許第４２４５２４０号公報を参照されたい。
【００１６】
誘導発電電動機１１に代えて、永久磁石式同期発電機を使用しても良い。この場合は、充放電装置４から永久磁石式同期発電機へ向かう励磁電流は必要ない。
揚水発電機構による揚水と、揚水の落差を利用した揚水発電機構による水力発電及び水力発電出力の充放電装置への送電とを、風車発電出力と充放電装置の蓄電量の時々刻々の変動に応じて時々刻々に選択的に行う態様は上記実施例に限定されない。制御の時間ピッチ、制御開始時の上部貯水タンク６の貯水量や充放電装置４の蓄電量、揚水選択の判断基準となる充放電装置４の蓄電量等は適宜選択して良い。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明は、新設既設を問わず、風力発電所に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００１８】
Ａ  風力発電システム
Ｂ  風車発電機構
Ｃ  揚水発電機構
Ｄ  制御装置
Ｅ  ポンプ水車機構
１  風車発電機
２  風車用インバータ
３  電力量計
４  充放電装置
５  連系用インバータ
６  上部貯水タンク
７  下部貯水タンク
８  連通路
９  電磁弁
１０  ポンプ水車
１１  誘導発電電動機
１２  発電電動機用インバータ
１３  双方向チョッパ
１４、１５  羽根車
１６  ポンプ・水車部
１７  モータ・発電機部
１８、１９  回転子
【図１】
0005710530.tif 000002
【図２】
0005710530.tif 000003
【図３】
0005710530.tif 000004
【図４】
0005710530.tif 000005
【図５】
0005710530.tif 000006