(57)【要約】【課題】風速が急激に増加した場合でも、その増加に速やかに追従して回転速度を上昇させ、高効率で発電できる風力発電装置及びその運転方法を提供すること。【解決手段】風車１と、回転軸が該風車１の回転軸と直接又は間接的に連結される発電機９を具備する風力発電装置において、発電機９が電動機としても使用可能な発電機であり、該発電機９と結線された可逆電力変換装置２と、双方向直流チョッパ１３と、少なくとも双方向直流チョッパ１３を制御する制御部８と、該双方向直流チョッパ１３と結線された蓄電池７を具備する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と、回転軸が該風車の回転軸と直接又は間接的に連結される発電機を具備する風力発電装置において、
前記発電機が電動機としても使用可能な発電機であり、該発電機と結線された可逆電力変換装置と、該可逆電力変換装置と結線された双方向直流チョッパと、少なくとも該双方向直流チョッパを制御する制御部と、該双方向直流チョッパと結線された蓄電池を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記双方向直流チョッパは、前記蓄電池に直列に接続された第１チョッパと、該蓄電池に並列に接続された第２チョッパと、前記蓄電池に直列に接続されたリアクトルを具備し、
前記可逆電力変換装置と前記双方向直流チョッパとの間に該可逆電力変換装置と並列に平滑コンデンサを備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の風力発電装置の運転方法であって、
通常時は前記発電機により発電した電力を蓄電池に蓄電する運転又は所定の負荷に供給する運転を行うが、急激な風速の増加があったときには前記制御部により前記可逆電力変換装置及び双方向直流チョッパを制御して、一時的に前記発電機を電動機として運転し、前記風車の回転速度をその風速における最適な速度にまで速やかに増速し、該風車の回転速度が該最適な速度に達した後は、該発電機を発電機として運転することを特徴とする風力発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギーの一種である風力を電気エネルギー（電力）に変換し、負荷へ供給したり、蓄電池に蓄電する風力発電装置とその運転方法に関し、特に商用電源の引き込みが難しい場所に設置するのに好適な風力発電装置とその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公園等の夜間照明装置、時計、表示板等の駆動電源、即ち商用電源の引き込みが難しい場所での駆動電源として、風力発電装置と太陽光発電装置からなるハイブリット電源が普及しつつある。一方、これまでの風力発電装置においては急激な風速の増加があった場合には、風車自体及びそれに連結された発電機の慣性のために、増加後の風速に対して風車が最適な回転速度まで速やかに上昇できず、相当遅れてこの最適な回転速度に達するため、その間風車出力が小さくなり、風速増加後の風速に対する発電効率が低かった。
【０００３】
風車の特性を図１に示す。風車出力ＰはＰ＝１／２・（ＣｐρπＲｂ２Ｖｗ３）で示され、今、周速比ＴＳＲ（Ｔｉｐ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｔｉｏ）をＴＳＲ＝（Ｒｂωｂ）／Ｖｗとすれば、風車係数Ｃｐと周速比ＴＳＲの関係は風車固有の性能曲線として図１に示すように表される。ここで、ρは空気の比重、Ｒｂは風車外半径、Ｖｗは風速、ωｂは風車又は発電機の回転角速度である。この様に風車はある風速における周速比ＴＳＲで最大の風車係数Ｃｐを持ち、この点が最大の風力エネルギーを電気エネルギーとして取り出せる。即ち、ある風速で、最大周速比ＴＳＲに相当する発電機、又は風車の回転速度（角速度）になる様に発電機の負荷を変えて制御する。
【０００４】
今、急激な風速減では周速比ＴＳＲが急に大きくなり最大風車係数Ｃｐ点の右側に移り、風車係数Ｃｐが下がってしまう。この時はすぐに発電機の負荷を上げ発電機の回転速度を下げ、周速比ＴＳＲを下げ最大風車係数Ｃｐ点の周速比ＴＳＲに持っていく。次に風速が急激に上昇した場合は風速Ｖｗが大きくなることにより、周速比ＴＳＲは低下し、最大風車係数Ｃｐ点の左側に移り、風車係数Ｃｐが下がり、出力が低下する。風車は時間とともにその速度が上昇するが風車自体及び発電機の慣性のために時間がかかり十分な電力の発電ができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記のように風速が急激に増加した場合において、風車が風車自体及び発電機の慣性のため、風車の回転速度が上昇するのが遅れ、増速後の風速における最適な風車回転速度となるまで比較的長時間を要し、その間発電効率が低い運転状態が続くということを改善し、風速が急激に増加した場合でも、その増加に速やかに追従して回転速度が上昇し、高い発電効率で発電できる風力発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、風車と、回転軸が該風車の回転軸と直接又は間接的に連結される発電機を具備する風力発電装置において、発電機が電動機としても使用可能な発電機であり、該発電機と結線された可逆電力変換装置と、該可逆電力変換装置と結線された双方向直流チョッパと、少なくとも該双方向直流チョッパを制御する制御部と、該双方向直流チョッパと結線された蓄電池を具備することを特徴とする。
【０００７】
上記のように発電機と、可逆電力変換装置と、双方向直流チョッパと、制御部と、蓄電池を具備することにより、風速が急激に増加した場合、蓄電池に蓄電された直流電力を双方向直流チョッパ及び可逆電力変換装置を介して交流電力に変換し、発電機に供給することにより、該発電機は電動機として動作し、風車を最大風車係数Ｃｐ点の回転速度になるまで速やかに加速することが可能となり、高効率の発電が可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、双方向直流チョッパは、蓄電池に直列に接続された第１チョッパと、該蓄電池に並列に接続された第２チョッパと、蓄電池に直列に接続されたリアクトルを具備し、可逆電力変換装置と双方向直流チョッパとの間に該可逆電力変換装置と並列に平滑コンデンサを備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成を採用することにより、発電機を発電機として運転するときは、発電機で発電され、可逆電力変換装置で直流に変換された直流電力を第１チョッパで蓄電池の充電に適する電圧の直流電力に変換して、蓄電池に充電することができる。また、発電機を電動機として運転するときは、蓄電池の直流電力を第２チョッパと介して所定の電圧の直流電力に変換し、可逆電力変換装置に供給し、該可逆電力変換装置で該直流電力を風車が最大風車係数Ｃｐの周速比ＴＳＲの回転速度になるような周波数の交流電力に変換し、発電機に供給することにより、該発電機が電動機として運転され、風車を速やかに最大風車係数Ｃｐの回転速度まで加速することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の風力発電装置の運転方法であって、通常時は発電機により発電した電力を蓄電池に蓄電する運転又は所定の負荷に供給する運転を行うが、急激な風速の増加があったときには制御部により可逆電力変換装置及び双方向直流チョッパを制御して、一時的に発電機を電動機として運転し、その風車の回転速度をその風速における最適な速度にまで速やかに増速し、該風車の回転速度が該最適な速度に達した後は、該発電機を発電機として運転することを特徴とする。
【００１１】
上記のように急激な風速の増加があったときには制御部により可逆電力変換装置及び双方向直流チョッパを制御して、一時的に発電機を電動機として運転し、その風車の回転速度をその風速における最適な速度にまで速やかに増速し、該風車の回転速度が該最適な速度に達した後は、該発電機を発電機として運転することにより、風車を常に最大風車係数Ｃｐ点の運転ができ、発電効率を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る風力発電装置のシステム構成例を示す図である。図２において、１は風車であり、該風車１の回転軸は直接又は変速機（図示せず）等を介して間接的に発電機９の回転軸に機械的に結合されている。発電機９は電動機としても使用可能な発電機である。
【００１３】
発電機９は可逆電力変換装置２、平滑コンデンサ３、双方向直流チョッパ１３及び蓄電池７からなる電気装置１１に接続されている。双方向直流チョッパ１３はチョッパ４とリアクトル５及びチョッパ６により構成されている。８は制御部で、制御部８は風速計１０及び風車回転速度計１２からの風速検出信号及び風車回転速度検出信号に基づき、電気装置１１の双方向直流チョッパ１３を構成するチョッパ４及びチョッパ６を制御する。
【００１４】
次に、上記構成の風力発電装置の動作を説明する。発電機９を発電機として運転する場合は、風車１が自然風１０１を受けて回転し、発電機９を回転させることにより、該発電機９から交流電力が発生し、該交流電力は可逆電力変換装置２により直流電力に変換される。この直流電力はリップルが含まれるので平滑コンデンサ３によりリップルを平滑化し、双方向直流チョッパ１３内のチョッパ４とリアクトル５により適切な電圧に変換され蓄電池７に充電される。
【００１５】
急激に風速が増加し、発電機９を電動機として運転し、風車１を加速運転する場合は、蓄電池７よりの直流電力を双方向直流チョッパ１３内のチョッパ６とリアクトル５により所定の直流電圧に昇圧し、平滑コンデンサ３を介して可逆電力変換装置２に供給する。該可逆電力変換装置２は、供給された直流電力を発電機９を電動機として運転するために適切な交流電力（風車１を最大風車係数Ｃｐの回転速度に加速するのに好適な周波数の交流電力）に変換し、該発電機９に供給することにより、発電機９は電動機として回転し、風車１を加速する。
【００１６】
上記運転制御を行う為に、制御部８は、風速計１０から風速Ｖｗ、風車回転速度計１２から風車回転速度ＷＳＧの検出信号を受ける。制御部８が双方向直流チョッパ１３を構成するチョッパ４及びチョッパ６に出力する最大出力追従制御指令値ＷＳＧ※は、
ＷＳＧ※＝ｋ×Ｖｗ
ｋ＝ＴＳＲ（Ｃｐ最大点の値）／Ｒｂ
ＴＳＲ＝ωｂ×Ｒｂ／Ｖｗ
として定義され、周速比ＴＳＲとしては風車１によって決まる最適値、即ち周速比ＴＳＲ（Ｃｐ最大点の値）を使用する。具体的には風速計１０で検出した風速Ｖｗと風車回転速度計１２で検出した風車回転速度ＷＳＧとの比較で下記の制御となる。
【００１７】
風速急減：（ＷＳＧ※−ＷＳＧ）＜０　　発電機モード
風速急増：（ＷＳＧ※−ＷＳＧ）＞０　　電動機モード（風車１の加速運転）
【００１８】
上記発電機モードにおいて、制御部８は電気装置１１を発電機モードに切り換えて運転し、充電電流、即ち発電機負荷を双方向直流チョッパ１３で制御して
ＷＳＧ※−ＷＳＧ＝０
の最適状態になる様に回転速度を維持する。また、風速が急激に増加した場合、制御部８は電気装置１１を電動機モードに切り換えて運転を行う。これにより風車は電動機として運転される発電機９により加速され極めて短時間に増速後の風速において最大の風車係数Ｃｐが得られる回転速度になる。この時制御部８により電動機モードは終了し、発電機モードに切り換えて運転を行う。
【００１９】
図３は従来の風力発電装置の発電特性を示す図、図４は本発明に係る風力発電装置の発電特性を示す図である。図示するように、風速Ｖｗが実線で示すように変化した場合、風車回転速度ＷＳＧ（ｒ／ｓ）は一点鎖線のように変化し、発電電力Ｐ（Ｗ）は破線のように変化する。
【００２０】
従来の風力発電装置では、発電機９が発電運転中に図３に示すように、急激に風速Ｖｗが増加した場合、風車や発電機の慣性のため、風車回転速度ＷＳＧ（ｒ／ｓ）が緩慢にしか増加しないので、図１における運転点が最大風車係数Ｃｐ点の周速比ＴＳＲより下がる。この風車係数Ｃｐが低下する結果、図３に示すように風車の回転速度ＷＳＧ（ｒ／ｓ）が最適値に回復する（時間Ｄ点）までの発電電力量（点Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｄ、Ｃで囲まれた面積）が小さい。
【００２１】
これに対して、本発明に係る風力発電装置では、図４に示すように急激に風速Ｖｗが増加した場合、発電機９を電動機として運転し、図４に示すように風車回転速度ＷＳＧ（ｒ／ｓ）を即座（時間Ｄ１点）に増加した風速Ｖｗに最適な回転速度まで増速させるから、図１に示す運転点は素早く最大風車係数Ｃｐを与える点まで回復する。この結果一時的（時間Ｃ１〜Ｄ１の間）には蓄電池７に蓄電された電力を消費するものの、すぐに最高効率での発電運転に復旧するので、結果として発電電力量は、従来の風力発電装置より大きくなる。この間の発電電力量は、図４の（点Ｅ１、Ｅ２、Ｄ３、Ｄ１で囲まれた面積）−（点Ｃ１、Ｃ２、Ｄ２、Ｄ１で囲まれた面積）で示され、図３の点Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｄ、Ｃで囲まれた面積より大きくなる。
【００２２】
上記のように本発明によれば、風速増速時には発電効率が従来例より高く保たれ、風速減速時には従来通り充電電流、即ち発電機の負荷を調節することで高く保てるので最大電力を得られる運転時間を最大限に保つことができる。
【００２３】
なお、上記実施の形態例では、蓄電池７への充電は専ら風車１による発電電力による場合を説明したが、充電電源としては商用電源や太陽光などの自然エネルギーにより発電した電源を併用するようにしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
【００２５】
請求項１及び２に記載の発明によれば、風速が急激に上昇した場合、蓄電池に蓄電された直流電力を双方向直流チョッパ及び可逆電力変換装置を介して交流に変換し発電機に供給することにより、該発電機は電動機として動作し、風車を最大風車係数Ｃｐ点の回転速度になるまで速やかに加速することが可能となる。これにより風速が急激に増加した場合でも、風車がこの増加に速やかに追従し、最大風車係数Ｃｐ点の回転速度になるまで加速されるから、最大電力を得られる運転時間を最大限に保つことができる高効率で発電できる風力発電装置を提供できる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、急激な風速の増加があったときには制御部により可逆電力変換装置及び双方向直流チョッパを制御して、一時的に発電機を電動機として運転し、その風車の回転速度をその風速における最適な速度になるまで速やかに増速し、該風車の回転速度が該最適な速度に達した後は、該発電機を発電機として運転することにより、風車を常に最大風車係数Ｃｐ点の回転速度で運転できるから、最大電力を得られる運転時間を最大限に保つことができ、高効率で発電できる風力発電装置の運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】風車の特性を示す図である。
【図２】本発明に係る風力発電装置のシステム構成例を示す図である。
【図３】従来の風力発電装置の発電特性を示す図である。
【図４】本発明に係る風力発電装置の発電特性を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　風車
２　　　　　　可逆電力変換装置
３　　　　　　平滑コンデンサ
４　　　　　　チョッパ
５　　　　　　リアクトル
６　　　　　　チョッパ
７　　　　　　蓄電池
８　　　　　　制御部
９　　　　　　発電機
１０　　　　　風速計
１１　　　　　電気装置
１２　　　　　風車回転速度計
１３　　　　　双方向直流チョッパ
【図１】
2004064806.tif 000003
【図２】
2004064806.tif 000004
【図３】
2004064806.tif 000005
【図４】
2004064806.tif 000006