(57)【要約】【課題】従来の風力発電システムの問題点を解決し、電力ロスを低減させると共にシステム全体のコストを低減させた風力発電システムを提供する。【解決手段】発電機からの交流出力を（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、（直流／交流）変換手段により交流に変換して電力を供給する同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記（直流／交流）変換手段がナセルの外部に設けられ、前記（交流／直流）変換手段と前記（直流／交流）変換手段の間に直流出力の安定化・平滑化手段が設けられていることを特徴とする風力発電システム。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機からの交流出力を（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、（直流／交流）変換手段により交流に変換して電力を供給する同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記（直流／交流）変換手段がナセルの外部に設けられ、前記（交流／直流）変換手段と前記（直流／交流）変換手段の間に直流出力の安定化・平滑化手段が設けられていることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
直流出力の安定化・平滑化手段が蓄電装置の充放電による安定化・平滑化手段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】
蓄電装置の充放電が充放電制御器により制御されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
直流出力の安定化・平滑化手段に用いる装置が地上または地上近傍に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項５】
（直流／交流）変換手段が電力系統近傍に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項６】
ナセル内部において、発電機からの交流出力を、（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、直流出力伝送手段を用いてナセル外部に設けられた（直流／交流）変換手段に伝送することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項７】
複数の同期発電機型風力発電機からなる風力発電システムにおいて、各発電機からの交流出力は、それぞれナセル内部に設けられた（交流／直流）変換手段で直流に変換され、変換されたそれぞれの直流出力は、ＤＣチョッパーで合成され、合成された直流出力は、（直流／交流）変換手段により交流に変換されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項８】
発電機および（交流／直流）変換手段が、海洋上または島に設置され、発電機からの交流出力を前記（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、直流海底ケーブルにより、（直流／交流）変換手段に伝送することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電システムに関するものであり、より詳しくは、同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電システムは、風を受けたブレードの回転により発電機が電気を起こし、これを電力系統への送電や自己負荷に使用するシステムである。風力発電は風速変動により発電電力が大きく変動するが、発電機の種類によって構成、出力特性が異なる。
【０００３】
風力発電機には、同期発電機型風力発電機と誘導発電機型風力発電機がある。
同期発電機型風力発電機は、風力によって生じた発電機の回転の周波数で発電されるため、ナセル内部において発電機からの交流出力を、一旦コンバータ等の（交流／直流）変換手段により直流に変換し、さらにインバータ等の（直流／交流）変換手段により交流に変換している。このため可変速運転が可能となり、同期発電機型風力発電機は誘導発電機型風力発電機と異なり、秒オーダーの出力変動（電圧変動や周波数変動）が吸収でき、電力系統側に与える出力変動の影響は少なく、電力系統側でＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｖａｒ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ：静止形無効電力補償装置）等による電力変動対策が不要となり、大型の風力発電機は同期発電機型風力発電機が主流となって来ている。
【０００４】
しかし、同期発電機型風力発電機でも分オーダー以上の出力変動の吸収は極めて困難であるため、一般に蓄電装置による出力の安定化・平滑化が行われている。例えば特開昭２０００−７３９３２号公報（特許文献１）にその技術が記載されている。
【０００５】
即ち、特許文献１の図１にそのシステムが示されている様に、コンバータにより発電機からの交流出力を直流に変換し、さらにインバータにより交流に変換した同期発電機型風力発電機の交流出力は、直流接続を必要とする蓄電装置に接続するため、（交流／直流）変換手段である整流器により交流から直流に変換され、その後、インバータにより直流から交流に変換され、電力系統に供給されている。そして、整流器とインバータの間に充放電装置を介して接続された蓄電装置であるＮａＳ電池の充放電により整流器からの直流出力の安定化・平滑化を行なっている。
【０００６】
蓄電装置による出力の安定化・平滑化を行なう従来の方法として、本出願の図５の方法も知られている。図５では、ナセル５２内部において発電機５３からの交流出力をコンバータ５４により直流に変換し、さらにインバータ５５により交流に変換した同期発電機型風力発電機５６の交流出力を、電力系統へ供給している。そして電力系統に供給する前に、同期発電機型風力発電機５６の交流出力を、蓄電装置５９の充放電により安定化・平滑化させている。即ち、直流接続を必要とする蓄電装置５９に接続するために、（交流／直流）変換手段と（直流／交流）変換手段と充放電制御器を内蔵したインバータシステム５７を介して蓄電装置５９に接続し、インバータシステム５７により制御された蓄電装置５９の充放電により、同期発電機型風力発電機５６からの交流出力を安定化・平滑化し電力系統５０１に供給している。
【０００７】
しかし、これらの従来の方法では、いずれも多くの（交流／直流）変換および（直流／交流）変換による電力ロスが大きかった。又、変換手段の設備コストが大きく、特に図５のインバータシステム５７は風力発電システムのコストの大きな部分を占めていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２０００−７３９３２号公報（第１頁図１、第２頁段落番号００１２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムの出力の安定化・平滑化のために必要な多くの（交流／直流）変換や（直流／交流）変換による電力ロスを低減させると共に、風力発電システム全体のコストを低減させることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意検討した結果、同期発電機型風力発電機のナセル内部におけるインバータなどの（直流／交流）変換手段をナセルより分離し、ナセル外部に（直流／交流）変換手段を設けることにより、上記の課題を解決することができることを見出し本発明を完成した。
【００１１】
本発明は、発電機からの交流出力を（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、（直流／交流）変換手段により交流に変換して電力を供給する同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記（直流／交流）変換手段がナセルの外部に設けられ、前記（交流／直流）変換手段と前記（直流／交流）変換手段の間に直流出力の安定化・平滑化手段が設けられていることを特徴とする風力発電システムである。
また、本発明は、複数の同期発電機型風力発電機からなる風力発電システムにおいて、各発電機からの交流出力は、それぞれナセル内部に設けられた（交流／直流）変換手段で直流に変換され、変換されたそれぞれの直流出力は、ＤＣチョッパーで合成され、合成された直流出力は、（直流／交流）変換手段により交流に変換されることを特徴とする風力発電システムである。
また、本発明は、発電機および（交流／直流）変換手段が、海洋上または島に設置され、発電機からの交流出力を前記（交流／直流）変換手段により直流に変換した後、直流海底ケーブルにより、（直流／交流）変換手段に伝送することを特徴とする風力発電システムである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な発明の実施の形態を図１に示す。
ブレード１１の回転により発生した発電機１３の交流出力は、ナセル１２内部に設けられたコンバータ１４により直流に変換され、変換後の直流出力はナセル１２外部に設けられたインバータ１５により交流に変換され、電力系統に供給されている。
【００１３】
そして、ナセル１２内部のコンバータ１４で交流から直流に変換された直流出力は、出力変動が大きいため、インバータ１５に供給される前に、蓄電装置１９による安定化・平滑化手段により出力の安定化・平滑化が図られている。即ち、コンバータ１４からの直流出力はナセル１２外部に設けられた充放電制御器１８を介して、蓄電装置１９に接続されており、充放電制御器１８により制御された蓄電装置１９の充放電により直流出力の安定化・平滑化が行なわれている。このようにして安定化・平滑化された直流出力がインバータ１５に供給され、インバータ１５により変換された高品質の交流出力を電力系統１０１に供給している。
なお、本明細書において出力の安定化・平滑化とは、出力の電圧変動を小さくすることを言う。
【００１４】
図１の如く構成された本発明の風力発電システムの場合、ナセル１２内部では発電機１３からの交流出力はコンバータ１４により直流に変換されるだけであり、一方、ナセル１２からの出力は直流出力であるため、出力の安定化・平滑化のために蓄電装置１９に接続するに際して、交直間の変換手段を介することなく、効率的に出力の安定化・平滑化を図ることができ、従来に比し、電力のロスが低減でき、さらに交直間の変換手段の設備コストも低減できる。また、コンバータ１４からの直流出力は、一度、インバータ１５により交流に変換されるだけで電力系統１０１に伝送され、発電機１３から電力系統１０１に接続されるまでの交直間変換による電力ロスが最小限に抑えられている。さらに、ナセル１２内部に設けられたコンバータ１４から、ナセル１２外部に設けられたインバータ１５までの間の電力の伝送は直流により伝送されるため、電力の伝送にあたり、交流出力伝送手段に対して、電力ロスも少なく、設備コストも小さい経済的な直流出力伝送手段を従来より長距離にわたって用いることができる。
【００１５】
本発明における（交流／直流）変換手段としては、コンバータを用いることが好ましいが、整流器等を用いてもよい。
【００１６】
直流出力の安定化・平滑化手段に用いられる蓄電装置としては、２次電池が好ましく、特に鉛電池、レドックスフロー電池、ＮａＳ電池等の２次電池が大容量の充放電ができるため好ましい。
【００１７】
又、風量が設置箇所の最重要課題になるナセルとは設置課題が異なること、装置の維持管理の便宜、重量等の理由により、蓄電装置は、インバータ近傍の地上又は地上近傍に設けられていることが好ましい。
【００１８】
図１においては、出力のより一層の安定化・平滑化のために充放電制御器１８が設けられているが、蓄電装置自体で制御できる範囲の充放電でシステムの設計仕様を満足できる場合は、充放電制御器１８は必ずしも必要とされない。
【００１９】
（直流／交流）変換手段は電力系統近傍に設けられていることが好ましい。このようにすることにより、ナセルから電力系統までの伝送において、交流出力伝送手段より有利な直流出力伝送手段を主要な伝送手段とすることができる。
【００２０】
（直流／交流）変換手段として、インバータを用いる方法に代え、図２に示す通り、ナセル内部に設けられた（交流／直流）変換手段（図示せず）からの直流出力により直流モーター２０２を駆動し、交流発電機２０３と連結させることにより、交流出力に変換する方法を採用することもできる。この方法は大容量の直流出力を交流出力に変換する時に、経済的であり好ましい方法である。
【００２１】
（直流／交流）変換手段より供給される出力は電力系統に供給するだけでなく、自己負荷に用いてもよい。
【００２２】
本発明は複数の風力発電機を用いた風力発電システム、いわゆるウインドファームに効率的に適用することも可能である。
図３にその一例を示す。各々の発電機３１１、３１２、・・・３１９からの交流出力は、ナセル３２１、３２２、・・・３２９の内部に設けられたコンバータ３４１、３４２、・・・３４９により直流に変換され、各々の直流出力が地上に設置されたＤＣチョッパー３６により合成され、適切な電圧に調整される。
【００２３】
調整された直流出力は、充放電制御器３８を介して蓄電装置３９に接続されており、充放電制御器３８により制御された蓄電装置３９の充放電により直流出力の安定化・平滑化が行なわれている。これにより電力ロスを低減し、さらに安定化・平滑化された直流出力がインバータ３５に供給され、インバータ３５により交流に変換された高品質の出力を電力系統に供給することができる。このように構成することにより、複数の直流出力伝送手段、充放電制御器、蓄電装置および（直流／交流）変換手段を設ける必要がなく、効率的な風力発電システムを提供することができる。
【００２４】
また、本発明は近年増加している洋上風力発電システム、即ち、海洋上又は島（人工島又は小島）などに風力発電機を設置し、海底ケーブルで陸上に送電して、電力系統に電力を供給するシステムにも適用でき、大きな効果をもたらす。
図４にその一例を示す。島４０２に設置されたナセル４２の内部でコンバータ４４により発電機４３からの交流出力が直流に変換され、直流海底ケーブル４０６により陸上部４０４に設置されたインバータ４５に伝送される。そして、インバータ４５により交流に変換され、電力系統に供給されている。
【００２５】
直流海底ケーブル４０６により伝送された直流出力はインバータ４５に供給される前に充放電制御器４８を介して蓄電装置４９に接続されて、直流出力の安定化・平滑化が行なわれた後、インバータ４５に供給されている。このシステムでは島４０２に設置されたコンバータ４４から陸上部４０４に設置されたインバータ４５までの電力の伝送が直流海底ケーブル４０６により行なわれるため、高価格の交流海底ケーブルを使用することなく経済的に伝送できる。海底ケーブルは、一般のケーブルに対し、高価格であり、通常３本ないし３心の交流海底ケーブルは、通常２本ないし２心の直流海底ケーブルに対し、大幅なコスト高となるため、直流海底ケーブルで電力を伝送できる効果は極めて大きい。
【００２６】
【発明の効果】
上記の如く、本発明の同期発電機型風力発電機を用いた風力発電システムにより、電力ロスが低減でき、また交直間の変換手段の設備コストが低減でき、さらに電力伝送手段のコストも低減でき、高品質の電力を低価格で電力系統に供給することができる。
さらに、本発明はウインドファームや洋上風力発電システムに適用することにより、大きなコストメリットを出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態のシステム系統図。
【図２】インバータに代え、直流モーターと交流発電機を用いた実施形態の部分システム系統図。
【図３】風力発電機が複数設けられた実施形態のシステム系統図。
【図４】本発明を洋上風力発電システムに適用した実施形態の概念図。
【図５】従来の風力発電システムのシステム系統図。
【符号の説明】
１１、３１１、３１２、３１９、４１、５１  ブレード
１２、３２１、３２２、３２９、４２、５２  ナセル
１３、３３１、３３２、３３９、４３、５３  発電機
１４、３４１、３４２、３４９、４４、５４  コンバータ
１５、３５、４５、５５  インバータ
１８、２８、３８、４８  充放電制御器
２０２  直流モーター
２０３  交流発電機
１９、２９、３９、４９、５９  蓄電装置
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１  電力系統
３６  ＤＣチョッパー
４０２  島
４０３  海洋
４０４  陸上部
４０５  海底
４０６  直流海底ケーブル
５６  風力発電機
５７  インバータシステム
【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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