(57)【要約】【課題】風力発電システムでは、風の強さに比例して発電出力が時々刻々変化するため出力が不安定である。このため電力が供給される電力系統では系統周波数や電圧の変動などが生じ電力供給の信頼性が低い。またこの傾向を抑えるため発電出力に制限出力を設定して最大発電出力を低く制限することが行われ、発電効率が悪かった。【解決手段】風力発電された電力が電力系統に対して制限電圧を超えた場合その過剰電力を位相制御機の位相制御によりインピーダンス負荷で消費させるか、あるいは過剰電力を電力貯蔵装置に貯蔵することにより風力発電システムから電力系統への過剰な電力供給を抑制する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力によって発電された電力を電力輸送経路を介して電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
固定子巻線を有する固定子および回転子巻線を有する回転子を備え、かつ前記固定子巻線あるいは回転子巻線のうち、いずれか一方の巻線端子を前記電力輸送経路に接続し、他方の巻線端子をインピーダンス負荷を介して一方の巻線に接続した位相調整機と、
前記位相調整機の回転子に軸結合し、回転子を回転駆動する回転装置と、
前記発電された電力が制限電力を越えた場合に、前記回転装置に対して前記位相調整機の前記固定子と前記回転子との間の位相差を調整する指令値を与え、過剰電力を前記インピーダンス負荷にて消費させる制御装置とを備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
風力によって発電された電力を電力輸送経路を介して電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力以下である場合は蓄えた電力を前記電力輸送経路を介して電力系統に放出する電力貯蔵装置を前記電力輸送経路に接続したことを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力以下である場合は蓄えた電力を電力輸送経路を介して電力系統に放出する電力貯蔵装置を前記電力輸送経路に接続し、
制御装置は、前記発電された電力が制限電力を超え、かつ前記電力貯蔵装置に蓄えられた電力が最大許容貯蔵電力を超えた場合に、前記回転装置に対して前記位相調整機の前記固定子と前記回転子との間の位相差を調整する指令値を与え、過剰電力を前記インピーダンス負荷にて消費させることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電機で発電した電力を電力系統に供給する風力発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー利用の多様化、発電技術の改良などにより、環境に配慮したクリーンな発電システムとして、自然の風を利用した風力発電の実用性が見直されてきている。
【０００３】
図９に風力発電システムの一例を示す。１はプロペラを有する風力発電機、２は風力発電機１で発電された電力が電力系統母線３などの電力輸送経路を経て供給される電力系統である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
風力発電システムは自然の風を利用しているため、風の速さや向きなどによって風の強さが時々刻々と変化する。このため図１０の波形図に示すように風の強さに比例して発電出力Ｐも時間Ｔの経過に伴って時々刻々と変化し、一定とならないという特徴がある。発電出力が不安定な品質の悪い電力をそのまま電力系統２に供給すると、系統の周波数や電圧の変動を招く恐れがあり、安定した、信頼性のある電力供給が行えない。特に発電出力のピーク電力が大きくなるほど系統の周波数が変動するので従来の風力発電システムでは制限出力を設定して発電出力の最大出力を低く制限する必要があり発電効率が悪かった。
【０００５】
このように従来の風力発電システムでは、いかにして品質の高い電力を、安定して、効率よく供給することができるかということが解決すべき大きな課題であった。
本発明は以上の課題を解決し、品質の高い電力を、安定して、効率よく電力系統へ供給することができる風力発電システムを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の風力発電システムの発明は、風力によって発電された電力を電力輸送経路を介して電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
固定子巻線を有する固定子および回転子巻線を有する回転子を備え、かつ前記固定子巻線あるいは回転子巻線のうち、いずれか一方の巻線端子を前記電力輸送経路に接続し、他方の巻線端子をインピーダンス負荷を介して一方の巻線に接続した位相調整機と、
前記位相調整機の回転子に軸結合し、回転子を回転駆動する回転装置と、
前記発電された電力が制限電力を越えた場合に、前記回転装置に対して前記位相調整機の前記固定子と前記回転子との間の位相差を調整する指令値を与え、過剰電力を前記インピーダンス負荷にて消費させる制御装置とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、制限出力を超える風力発電機からの過剰出力を位相調整機の位相制御によりインピーダンス負荷で消費し、風力発電システムから電力系統への過剰な電力供給を抑制する。
【０００８】
請求項２に記載の風力発電システムの発明は、風力によって発電された電力を電力輸送経路を介して電力系統に供給する風力発電システムにおいて、
前記発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力以下である場合は蓄えた電力を前記電力輸送経路を介して電力系統に放出する電力貯蔵装置を前記電力輸送経路に接続したことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、制限出力を超える風力発電機からの過剰出力を電力貯蔵装置に蓄え、風力発電システムから電力系統への過剰な電力供給を抑制すると共に、風力発電機からの発電出力が制限出力を下回った場合、電力貯蔵装置から電力系統に電力を放出する。
【００１０】
請求項３に記載の風力発電システムの発明は、請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力を超えた場合にはその過剰電力を蓄え、前記発電された電力が制限出力以下である場合は蓄えた電力を電力輸送経路を介して電力系統に放出する電力貯蔵装置を前記電力輸送経路に接続し、
制御装置は、前記発電された電力が制限電力を超え、かつ前記電力貯蔵装置に蓄えられた電力が最大許容貯蔵電力を超えた場合に、前記回転装置に対して前記位相調整機の前記固定子と前記回転子との間の位相差を調整する指令値を与え、過剰電力を前記インピーダンス負荷にて消費させることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、制限出力を超える風力発電機からの過剰出力を電力貯蔵装置に蓄え、風力発電システムから電力系統への過剰な電力供給を抑制すると共に、風力発電機からの発電出力が制限出力を下回った場合、電力貯蔵装置から電力系統に電力を放出する。さらに電力貯蔵装置の貯蔵電力が最大許容貯蔵電力を超えた場合は超過した貯蔵電力を位相調整機の位相制御によりインピーダンス負荷で消費する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明による風力発電システムの実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。図１において、１はプロペラを有する風力発電機、２は風力発電機１で発電された電力が電力系統母線３などの電力輸送経路を経て供給される電力系統である。４は電力系統母線３に接続され、風力発電システムに並列に接続された位相調整機である。
【００１３】
位相調整機４は巻線型誘導機あるいは回転型変圧器と同様に固定子側の１次巻線５Ｗを有する固定子５、及び回転子側の２次巻線６Ｗを有する回転子６を備えた誘導機であり、１次巻線５Ｗを電力系統母線３に接続し、２次巻線６Ｗをインピーダンス負荷７を介して１次巻線５Ｗに接続している。
【００１４】
前記位相調整機４は、通常の誘導電動機または誘導発電機のように、回転子を自由に回転できるようにする場合と、誘導電圧調整器のように回転子の回転角度を所定の範囲（例えば０°〜１８０°）内に制限する場合とが考えられるが、ここでは発明の理解を容易にするため回転子６が０°〜１８０°の範囲で回転するものとして説明する。
【００１５】
また、図１の例では固定子側の１次巻線５Ｗが電力系統母線３に、回転子側の２次巻線６Ｗがインピーダンス負荷７にそれぞれ接続さされているが、この接続関係を逆の関係、すなわち、回転子側の２次巻線６Ｗを電力系統母線３に、固定子側の１次巻線５Ｗをインピーダンス負荷７を介して２次巻線６Ｗに、それぞれ接続するようにしてもよい。
【００１６】
８は前記位相調整機４の回転子６の回転軸９と機械的に結合され、回転子６を前述した所定角度（０°〜１８０°）の範囲で回転駆動させて位相調整機４の１次巻線５Ｗと２次巻線６Ｗとの相対的電圧位相を調整するための回転装置であり、この回転角度は制御装置１０の指令によって調整されるようになっている。
【００１７】
次に本実施の形態の動作について図２を参照して説明する。まず前記位相調整機４の１次巻線５Ｗと２次巻線６Ｗの巻数比を１：１と仮定すると、両者の機械的な位相差が（δ）の時、回転子６には固定子５の電圧と大きさが等しくかつ位相差が（δ）である電圧を誘起する。
【００１８】
すなわち、図２に示した電圧、電流の関係は以下の（１）〜（４）式で示される。ここで、Ｖｓは前記電力系統母線３側の電圧、Ｖ２は回転子６側の電圧、Ｉｓは電力系統母線３と位相調整機４との間に流れる電流、Ｉ１は固定子５側に流れる電流、Ｉ２は回転子６側に流れる電流、Ｚはインピーダンス負荷７のインピーダンスである。ここでは簡単のため、位相調整機４の励磁電流や漏れインピーダンス（ＺＩ）は無視している。
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【００１９】
以上の関係より、ＩｓとＶｓの関係に整理すると、次の（５）式が得られる。Ｉｓ＝２・Ｖｓ／Ｚ・（１−ｃｏｓδ）　…（５）
すなわち、この（５）式の意味するところは、出力電流Ｉｓは固定子５と回転子６との位相差δに応じて図３のグラフに示すように変化するということである。（５）式からわかるように、固定子５と回転子６間の位相差δが０°の場合は、右辺の括弧の中が０になるので、Ｉｓ＝０、すなわち、インピーダンス負荷７で消費する電力がゼロであるが、位相差δが１８０°の場合は右辺の括弧の中が２となるので、Ｉｓ＝４・Ｖｓ／Ｚとなり、インピーダンス負荷７での消費電力は最大となる。この間のインピーダンス負荷７における消費電力は、位相差δ（０°〜１８０°）の調整により、図３のグラフに示すように連続的に調整できることがわかる。
【００２０】
風力発電システムにおける発電出力Ｐの時間Ｔに対する変化を図４の波形図に示す。図４において、ＰＬは風力発電システムに設定された電力系統１に対する制限出力である。図４において、風力発電システムの発電出力Ｐが制限出力ＰＬを超えた場合斜線部分で示す過剰電力が発生し、この過剰電力を検出して制御装置１０によりその電力量に対してその位相差δを（５）式から逆算して求め、回転装置８から適切なトルクを発生させて回転子６を所定角度だけ回転させ、回転子６の電圧と固定子５の電圧とに所望の位相差δが生じるように位相調整機４により位相制御する。これにより、インピーダンス負荷７に流れる電流を制御することによりインピーダンス負荷７で斜線部分の過剰電力だけを消費し、風力発電システムから電力系統２に供給される電力が常に制限出力ＰＬ以下となるように制御する。
【００２１】
これにより風力発電システムから電力系統１への過剰な電力供給が抑制され、系統周波数の変動を小さくすると共に供給電力が安定し、品質の高い電力の供給が行える。
なお、インピーダンス負荷としては抵抗負荷（Ｒ）、リアクタンス負荷（Ｌ）、あるいはコンデンサ負荷（Ｃ）のいずれでもよい。
【００２２】
次に本発明の第２の実施の形態を図５を参照して説明する。図５において図１と同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。、図５において、１１は風力発電システムの出力側に並列に接続されたエネルギーの充放電ができる電力貯蔵装置である。
【００２３】
また、風力発電システムの発電出力Ｐの時間Ｔに対する変化を図６の波形図に示す。図６においてＰＬは風力発電システムに設定された電力系統１に対する制限出力である。
【００２４】
本実施の形態においては、風力発電システムの発電出力Ｐが制限出力ＰＬを超えた場合、斜線部分Ａで示す過剰電力を電力貯蔵装置１１に貯蔵する。また、風力発電システムの発電出力Ｐが変動して制限出力ＰＬを下回った場合には、逆に図６の斜線部分Ｂに示すように電力貯蔵装置１１に蓄えていた電力を電力系統２に放出し、制限出力ＰＬに満たない分を補充する。
【００２５】
ここで、電力貯蔵装置１１としては、フライホイールを用いたものや、ＮａＳ電池などを用いることができる。
これにより風力発電システムから電力系統２へ供給される電力が平滑化し、より品質の高い電力に近づけることができると共に過剰電力の無駄な消費を無くして効率的な電力供給が行える。
【００２６】
次に本発明の第３の実施の形態を図７を参照して説明する。図７において図１及び図５と同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
また、風力発電システムの発電出力Ｐと電力貯蔵装置１１の電力貯蔵量ＰＳとを図８に示す。図８においてＰＬは風力発電システムに設定された電力系統１に対する制限出力、ＰＭは電力貯蔵装置１１の最大許容貯蔵電力である。
【００２７】
本実施の形態においては、風力発電システムの発電出力Ｐの内、制限出力ＰＬを超えた場合図８の斜線部分Ａで示す過剰電力を電力貯蔵装置１１に貯蔵する。また、風力発電システムの発電出力Ｐが変動して制限出力ＰＬを下回った場合には、逆に図８の斜線部分Ｂで示すように電力貯蔵装置１１に蓄えていた電力を電力系統２に放出し、制限出力ＰＬに満たない分を補充する。
【００２８】
電力貯蔵装置１１において電力の貯蔵、放出を繰り返して行い、時間Ｔにおいて電力貯蔵装置１１の貯蔵電力が最大許容貯蔵電力ＰＭを超えた場合、制御装置１０は位相調整機４の位相制御を行ないインピーダンス負荷７に流れる電流を制御し、斜線部分Ｃで示す時間Ｔ以降の超過貯蔵電力をインピーダンス負荷７で消費し、風力発電システムから電力系統１に供給される電力を制限出力ＰＬ以下に抑えるように制御する。
【００２９】
これにより風力発電システムから電力系統２へ供給される電力が平滑化し、品質の高い電力に近づけることができると共に過剰電力の無駄な消費を無くして効率的な電力供給が行える。
【００３０】
さらに電力貯蔵装置１１の最大許容貯蔵電力を超える分については位相制御機４で消費されるので電力貯蔵装置の貯蔵容量を必要以上に大きくする必要は無く経済的である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、風力発電された電力が電力系統に対して設定された制限電力を超えた場合にその過剰電力を位相制御機の位相制御によりインピーダンス負荷で消費させるか、あるいは過剰電力を電力貯蔵装置に貯蔵するようにしたので、品質の高い電力を、安定して、効率よく電力系統へ供給することができる風力発電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による風力発電システムを示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による風力発電システム動作を説明するための位相調整機の結線図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による風力発電システム動作を説明するための位相調整機の特性図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による風力発電システムの発電出力を示す波形図。
【図５】本発明の第２の実施の形態による風力発電システムを示す構成図。
【図６】本発明の第２の実施の形態による風力発電システムの発電出力を示す波形図。
【図７】本発明の第３の実施の形態による風力発電システムを示す構成図。
【図８】本発明の第３の実施の形態による風力発電システムの発電出力を示す波形図。
【図９】従来の風力発電システムを示す構成図。
【図１０】従来の風力発電システムの発電出力を示す波形図。
【符号の説明】
１…風力発電機、２…電力系統、３…電力系統母線、４…位相調整機、５…固定子、５Ｗ…１次巻線、６…回転子、６Ｗ…２次巻線、７…インピーダンス負荷、８…回転装置、９…回転軸、１０…制御装置、１１…電力貯蔵装置、Ｐ…発電出力、ＰＬ…制限出力、ＰＳ…貯蔵電力、ＰＭ…最大許容貯蔵電力。
【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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【図１０】
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