(57)【要約】【課題】微風下における風車の起動性を高めるうえで、極めて微小の消費電力のみで済み、それにより小容量型風力発電装置における起動性を向上し、アシスト用電力を飛躍的に節減することができるとともに、稼動率の大幅な向上が図れるようにする。【解決手段】風車１に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機２を備える。固定子の電機子巻線に回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統２２、風車が非回転状態にあるときに起動アシスト用電流供給系統をオンとし、風車が風力により一定回転数以上で回転したときに起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段１４を備える。【選択図】  図１
2004285991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、前記風車が風力により一定回転数以上で回転したときに前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項２】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が一定時間以上非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、前記風車が風力により一定回転数以上で回転したとき、または前記起動アシスト用電流供給系統をオンとした後さらに一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しない場合に前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項３】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、この回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段から検出信号を取込み、回転数零の状態が一定時間以上継続していると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項４】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項５】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、その後風速が前記風車の自己起動風速未満となったとき、または一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しないときに前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項６】
風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に設けられ、前記風車の微風下における回転起動を促進させる風車の起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、前記風車位置における風速を検出する風速計と、前記回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段および風速計から検出信号を取込み、前記回転子の回転数が零であり、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項７】
前記起動アシスト用電流供給系統は、前記発電電流供給系統における前記蓄電池を電源として適用するとともに、前記整流回路をコンバータ回路として兼用して、前記発電機の固定子に前記回転子の磁極位置に対応する正弦波電流を供給する構成とし、かつ前記起動アシスト制御手段は、前記コンバータ回路のトランジスタを駆動するためのＰＷＭゲートドライバを備えたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【請求項８】
前記風車は、垂直な回転軸の周囲に複数の固定ピッチ翼を一体回転可能に設けた垂直軸型風車であることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の風車を低風速域から起動させる起動アシスト制御装置に係り、特に小容量型風力発電装置に好適で起動性向上およびアシスト用電力の大幅な節減等が図れる風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電技術の分野では、自然エネルギの有効利用、低コスト化および環境保護等の観点から、風車を利用して発電を行なう風力発電装置に期待が寄せられている。風力発電装置の規模は用途に応じて種々考えられるが、例えば公園等の外灯、噴水や池のエアレーション用、各種ＰＲ公告搭、各種計測器、観測器、防災機器等の独立電源、さらに一般家庭のガーデニング電源等に適用される場合には、コンパクトな小容量型風力発電装置が好適である。
【０００３】
ところで、小容量型風力発電装置の風車発電機の回転子には永久磁石を用いることが多い。この永久磁石を用いるタイプの発電機においては、風車自身の回転支持構造に起因する機械的抵抗力を超える自己起動風速が必要であるとともに、これに加えて永久磁石からなる回転子と電機子巻線からなる固定子との間で発生する磁気抵抗により初期トルク、いわゆるコギングトルクが作用するため、このコギングトルクを超える初期起動風速も必要であり、これらの総合風速以上の風速を受けなければ起動することができない。このように、小容量型風力発電装置については起動風速が高いことから、微風の風速条件のもとでは容易に起動することができず、風力発電の稼動率が低くなる傾向がある。
【０００４】
そこで従来では、稼動率を高める手段として種々の提案が行なわれており、例えば自己起動特性が良い風車を組合せた複合型風車（例えば特許文献１参照）、あるいは風車軸に起動用電動機を接続して積極的に回転力を与えて起動させ、起動後の所定回転に至った場合に起動用電動機を風車から切離す技術等が提案されている（例えば特許文献２，３参照）。また、サボニウス型風車を適用して起動し易い構成とするもの（例えば特許文献４参照）、さらに機械的クラッチ（例えば遠心クラッチ）を用いたもの等も提案されている（特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９９２０２号公報
【０００６】
【特許文献２】
実開平６−９４００号（実願平４−５１３５５号）明細書および図面
【０００７】
【特許文献３】
特開平８−３２２２９８号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平２００２−３１７７４８号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開平２００２−３１７６７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
小容量型風力発電装置における上述の稼動率阻害要因のうち、風車自身の自己起動特性に基づく要因の除去技術は向上しているが、これに比してコギングトルクに基づくトルク起動特性の影響については、必ずしも十分に除去できないのが実情である。すなわち、小容量型風力発電装置においては、発電出力が例えば４００Ｗ程度の小容量であり、発生電力等を利用して風車の起動アシストを行なう場合には大電力を利用することが困難である。
【００１１】
これに対し、上述した従来技術（例えば特許文献２，３等）においては、風車軸に起動用電動機を接続し、電動機エネルギにより積極的に回転力を与えるものであるため、比較的大電流の供給が必要である。例えば、無風状態が長時間続くような情況下においては、電動機駆動電流の供給が長時間必要となり、多大な電力エネルギが消費されることになる。したがって、上述した従来技術においては、小容量風力発電装置の実際利用に対して適合困難となる問題が生じる。
【００１２】
なお、起動用電動機の運転を短時間に設定し、運転を間欠的に行なう等の運用を行ない、電力消費量を低減することが考えられる。しかしながら、このように起動用電動機を間欠運転する設定とした場合には、電動機運転時と微風発生時とのタイミングが不一致となることが多く、必ずしも起動アシストが確実に行なわれず、電動機運転が無駄になって消費電力のロスが大きくなり、稼動効率が低下する。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、微風下における風車の起動性を高めるうえで、極めて微小の消費電力のみで済み、それにより小容量型風力発電装置における起動性を向上し、アシスト用電力を飛躍的に節減することができるとともに、稼動率の大幅な向上が図れる風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１５】
請求項２に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が一定時間以上非回転状態にあるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、前記風車が風力により一定回転数以上で回転したとき、または前記起動アシスト用電流供給系統をオンとした後さらに一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しない場合に前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１６】
請求項３に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、この回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段から検出信号を取込み、回転数零の状態が一定時間以上継続していると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１７】
請求項４に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１８】
請求項５に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に適用され、前記風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置であって、前記固定子の電機子巻線に、前記回転子との間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が非回転状態で、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であるときに前記起動アシスト用電流供給系統をオンとし、その後風速が前記風車の自己起動風速未満となったとき、または一定時間経過しても前記風車が前記一定回転数に到達しないときに前記起動アシスト用電流供給系統をオフとする起動アシスト制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００１９】
請求項６に係る発明では、風車と、この風車に接続された永久磁石からなる回転子および電機子巻線からなる固定子により構成された発電機と、この発電機で発生する電流を整流回路および電力変換回路を介して負荷または蓄電池に供給する発電電流供給系統とを備えた風力発電装置に設けられ、前記風車の微風下における回転起動を促進させる風車の起動アシスト制御装置であって、前記回転子の回転を検出する回転子センサと、前記風車位置における風速を検出する風速計と、前記回転子センサからの出力信号に基づいて前記回転子の回転数および磁極位置をそれぞれ検出する回転数検出手段および磁極位置検出手段と、前記回転数検出手段および風速計から検出信号を取込み、前記回転子の回転数が零であり、かつ風速が前記風車の自己起動風速以上であると判断された場合に前記風車の起動アシストモードを選定する起動アシスト制御手段と、この起動アシスト制御手段からの指令に基づいて前記固定子に電流を供給し、前記回転子と前記固定子との間のコギングトルクを打消すトルクを前記回転子の磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統と、前記風車が風力により回転し、それにより前記回転子の回転数が一定以上となったことが前記回転数検出手段により検出された場合に発電運転モードを選定して、前記発電機から発生する発電電流を前記発電電流供給系統を介して前記負荷または蓄電池に供給する一方、その後に前記回転子の回転数が一定以下となった場合には前記発電運転モードをオフとする発電制御手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２０】
請求項７に係る発明では、前記起動アシスト用電流供給系統は、前記発電電流供給系統における前記蓄電池を電源として適用するとともに、前記整流回路をコンバータ回路として兼用して、前記発電機の固定子に前記回転子の磁極位置に対応する正弦波電流を供給する構成とし、かつ前記起動アシスト制御手段は、前記コンバータ回路のトランジスタを駆動するためのＰＷＭゲートドライバを備えたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２１】
請求項８に係る発明では、前記風車は、垂直な回転軸の周囲に複数の固定ピッチ翼を一体回転可能に設けた垂直軸型風車であることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置を提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る風力発電装置における風車の起動アシスト制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
第１実施形態（図１〜図３）
本発明の第１実施形態では、風車の回転数のみに基づいて起動アシスト制御を行なう起動アシスト制御装置について説明する。図１は、風力発電装置全体の概略構成およびこの風力発電装置に適用される起動アシスト制御装置の系統構成図であり、図２は起動アシスト作用を示す誘起電圧等の説明図である。図３は制御手順を示すフローチャートである。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の風力発電装置においては、風車１の回転軸１ａに発電機２が直結されている。風車１としては、例えば垂直な回転軸１ａの周囲に複数の固定ピッチ翼１ｂを一体回転可能に設けた垂直軸型風車が適用されている。
【００２５】
発電機２は、永久磁石を使用した三相交流発電機とされている。すなわち、風車１の回転軸１ａには永久磁石からなる回転子２ａが接続され、この回転子２ａに対応して電機子巻線からなる固定子２ｂが設けられている。
【００２６】
発電機２の固定子２ｂには、発生する三相交流電流を供給するための電路３が導かれ、この電路３を含めて発電電流供給系統４が形成されている。発電電流供給系統４は、発電機２で発生する三相交流電流を整流して直流とする整流回路５を備え、この整流回路５にはスイッチングトランジスタもしくはサイリスタ等の複数のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）が備えられている。なお、この整流回路５は、後述するように、起動アシスト制御装置により正弦波電圧を発電機に出力するためのコンバータ回路として兼用される構成のものである。
【００２７】
整流回路５には、コンデンサ７を介在させた後、電力変換回路としての降圧チョッパ回路８が接続されている。降圧チョッパ回路８は、スイッチングトランジスタもしくはサイリスタ等の変換素子９、リアクトル１０およびコンデンサ１１が備えられている。変換素子９は、後述する発電制御手段の指令により駆動される。
【００２８】
さらに発電電流供給系統４には、蓄電池１２および所定の負荷１３が接続されている。蓄電池１２は、後述する起動アシスト用電流供給系統の電源として兼用される。
【００２９】
以上の基本構成のもとで、本実施形態の風力発電装置では、風車１が風力を受けて回転した場合に、風車１の回転軸１ａに直結された発電機２により発電が行なわれ、発電電流は、整流回路５および降圧チョッパ回路８により整流および変換された後、蓄電池１２および負荷１３等に供給される。
【００３０】
本実施形態では、このような構成の風力発電装置を基本として、風車１の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置１４を備えている。本実施形態による起動アシスト制御装置１４は、風車１の微風下における回転起動を促進するため、発電機２の固定子２ｂの電機子巻線に、起動アシスト用電流を供給し、回転子２ａとの間で発生するコギングトルクを打消す磁気トルクを発生させるものである。
【００３１】
この起動アシスト制御装置１４は、発電機２における回転子２ａの回転を検出する回転子センサ１５と、この回転子センサ１５からの出力信号に基づいて起動アシスト制御を行なうコンピュータシステム等により構成された制御装置本体１６とを備えている。
【００３２】
回転子センサ１５は例えばホールセンサであり、発電機２の固定子２ｂに対する回転子２ａの磁極位置を電圧信号により検出するタイプのものとされている。
【００３３】
制御装置本体１６は、回転子２ａの回転数を検出する回転数検出手段としての回転数検出回路１７ａと、回転子２ａの各磁極位置を検出する磁極位置検出手段としての磁極位置検出回路１７ｂとを備えている。
【００３４】
また、制御装置本体１６は、回転数検出回路１７ａおよび磁極位置検出回路１７ｂから回転子２ａの回転数情報および磁極位置情報を取込み、風車１の起動アシスト制御演算を行なう起動アシスト制御手段としての起動アシスト制御回路１８を備えている。この起動アシスト制御回路１８は、アシスト制御用演算を行なう主演算装置、風車１の自己起動風速等のアシストデータを保存するメモリ、および時間設定用のタイマ回路等を備えた構成とされ、回転数および時間経過等の演算および判断等を行ない、風車の起動アシストモードの選定、オン・オフ制御等に関する起動アシスト指令を出力するようになっている。この起動アシスト制御回路１８には、起動アシスト指令を受けてアシスト用のコンバータ駆動を行なうＰＷＭゲートドライバ１９が接続されている。
【００３５】
また、制御装置本体１６は、風車起動後に発電制御を行なう発電制御手段としての発電制御回路２０を備えている。この発電制御回路２０は回転数検出回路１７ａから回転子２ａの回転数情報を取込み、風車１の起動後における発電時の発電制御演算を行なうものであり、主演算装置、発電モードオフ用データを保存するメモリ、および時間設定用のタイマ回路等を備えた構成とされ、回転数および経過時間等の演算および判断等を行ない、発電運転モードの選定、オン・オフ制御等に関する発電運転指令を出力するようになっている。この発電制御回路２０には、発電運転指令を受けて降圧チョッパ回路８の駆動を行なうＰＷＭゲートドライバ２１が接続されている。
【００３６】
そして、本実施形態では、上述した起動アシスト制御回路１８からの指令に基づいて、発電機２の固定子２ｂに電流を供給し、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクを回転子２ａの磁極位置に対応して発生させる起動アシスト用電流供給系統２２を備えている。
【００３７】
この起動アシスト用電流供給系統２２は、発電電流供給系統４における蓄電池１２を電源として適用するとともに、整流回路５をコンバータ回路２３として兼用して、発電機２の固定子２ｂに回転子２ａの磁極位置に対応する正弦波電流を供給する構成となっている。すなわち、起動アシスト制御回路１８から起動アシスト指令が出力された場合、ＰＷＭゲートドライバ１９により、整流回路５を兼用したコンバータ回路２３のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）が駆動され、蓄電池１２からの微弱電流が発電機２の固定子２ｂの電機子巻線に供給され、これにより発生する磁気トルクにより、回転子２ａに発生する上述したコギングトルクが打消されるようにするものである。
【００３８】
この起動アシスト用電流の供給状態を図２に示している。この図２に示すように、ホールセンサ（例えばＡ，Ｂ２系統）によって検出される回転子２ａの磁極位置に対応して、コンバータ回路２３のスイッチング素子６（ａ１、ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３）をオンとする組合せを変化させる。これにより、図２の下段に示すように、印加電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが設定され、同図の上段に示すように、位相領域（ＡＲＥＡ１〜４）ごとに異なる電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが印加される。本実施形態においては、このような電圧印加によりモータリングさせないレベルのデューティ比が設定される。すなわち、発電機２をモータとして駆動させることなく、コギングトルクを打消す程度の微弱電流の供給に留まる方式が採用される。
【００３９】
次に、図３によって起動アシスト制御の手順について説明する。
【００４０】
図３に示すように、制御スタートの後、回転子センサ１５および回転数検出回路１６からの出力に基づいて風車１の回転数（Ｎ）が起動アシスト制御回路１８で判断され、風車停止（Ｎ＝０）か否かの判断が行なわれる（Ｓ１０１）。
【００４１】
風車が停止している場合（Ｎ＝０（Ｓ１０１：ＹＥＳの場合））には、起動アシストモードとなり（Ｓ１０２）、図示しないタイマ回路によってインターバルのための一定時間（Ｔ０：例えば５分）の経過が判断される（Ｓ１０３）。
【００４２】
この風車停止の状態が一定時間（Ｔ０）経過しても風車停止が継続している場合には、起動アシスト制御動作、すなわち蓄電池１２を電流供給源として、コンバータ回路２３（５）のスイッチング素子６をＰＷＭ制御することにより、発電機２の電機子巻線に交流電圧を印加する制御動作が行なわれる（Ｓ１０４）。
【００４３】
この際、回転子センサ３および磁極位置検出回路１７ｂにより回転子２ａの磁極位置が検出され、コギングトルクを打ち消すような最適な位相制御が行われる。これにより、発電機２の起動トルクが軽減された状態が実現できる。この状態で、風車１の自己起動風速が加わると、風車１は回転し始める。風車１の回転数Ｎが風速に基づく所定の回転数Ｎ１以上（Ｎ≧Ｎ１）となれば（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、起動アシスト制御はオフとなり、発電運転モードに移行する。
【００４４】
なお、起動アシスト状態が、一定時間（Ｔ１（例えば１０秒））経過しても、風車１に所定の回転Ｎ１が得られない無風状態の場合（（Ｓ１０５：ＮＯ），（Ｓ１０６：ＹＥＳ））にも、起動アシスト制御はオフとなり（Ｓ１０７）、一定時間（Ｔ０）経過まで、初期の待機状態となる。そして、一定時間（Ｔ０）経過後に、再び起動アシストモードとなり、前記作用が繰返される。
【００４５】
また、風車１が風力により回転する場合には（Ｓ１０１：ＮＯ）、発電運転モードとなる（Ｓ１０８）。この場合には、コンバータ回路２３のスイッチング素子６が全てオフ状態にあり、コンバータ回路は整流回路５として機能する。
【００４６】
この場合、回転子２ａの回転数Ｎが発電出力できる回転数（発電開始回転数）Ｎ２以上まで上昇したことが回転数検出手段１７ａにより検出されると（Ｓ１０９：ＹＥＳ）、ＰＷＭゲートドライバ２１から、回転数に見合う出力が降圧チョッパ回路８の変換素子９に入力されてＰＷＭ制御が行なわれ、発電制御動作が行なわれる（Ｓ１１０）。
【００４７】
この場合には、発電機２から発生する発電電流は、発電電流供給系統４を介して蓄電池１２または負荷１３に供給される。なお、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には（Ｓ１０９：ＮＯ）、発電制御オフとなり（Ｓ１１１）、その後、風速が低下して、風車が自然停止したら（Ｎ＝０）、再び起動アシストモードに移行する（Ｓ１０１，Ｓ１０２）。
【００４８】
以上の本実施形態においては、回転子センサ１５により発電機２の回転子２ａの回転が検出され、この回転子センサ１５からの出力信号に基づいて回転子２ａの回転数および磁極位置が回転数検出回路１７ａおよび磁極位置検出回路１７ｂによって検出され、回転数零の状態が一定時間以上継続していると判断された場合には、風車１の起動アシストモードが選定される。
【００４９】
そして、起動アシスト制御回路１８からの指令に基づいて発電機２の固定子２ｂに電流が供給され、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクが回転子２ａの磁極位置に対応して発生する。
【００５０】
さらに風車１が風力により回転することにより、回転子２ａの回転数が一定以上となったことが回転数検出回路１７ａにより検出された場合には、発電運転モードが選定されて、発電機２から発生する発電電流が発電電流供給系統を介して負荷１３または蓄電池１２に供給される一方、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には発電運転モードをオフとする発電制御が行なわれる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、コギングトルクを打消すトルクを効果的に発生させ、極めて少ない消費電力を利用して、微風下でも風車１を鋭敏に回転させることができ、従来に比して起動性を大幅に向上することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、連続的もしくは５０ｓｅｃ／ｍｉｎ程度の長時間の通電も可能である。これにより、１分間のうち大部分の時間に亘ってアシストをかけ続けることが可能となるため、微風発生とのタイミングを一致させる機会が従来に比して大幅に向上し、自己起動風速に達する微風があれば、即座に回転するので、総発電量を高めることができる。
【００５３】
また、特別のアシスト電源を必要とせず、蓄電池をアシスト電源として利用する方式のため、起動アシストにより風車が回転し、発電モードに移行して発電が行なわれる場合には、起動アシストで消費した電力以上に蓄電池に充電されることが期待できる。このように、回転頻度が多くなるとともに、発電効率が向上することから、さらにアシスト電力が少なくて済むという良好な循環が行われる。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、極めて微小の電力のみを利用して、微風下における風車の起動性を高めることができ、特に小容量型風力発電装置における起動性を向上してアシスト用電力を飛躍的に節減することができ、これにより稼動率の大幅な向上が図れる。
【００５５】
第２実施形態（図４，図５）
本実施形態では、風車の回転数に加え、風速も制御要素として取込んで起動アシスト制御を行なう起動アシスト制御装置について説明する。図４は、風力発電装置全体の概略構成およびこの風力発電装置に適用される起動アシスト制御装置の系統構成図であり、図５は制御手順を示すフローチャートである。なお、本実施形態において、第１実施形態と共通な構成および作用については、図４および図５に、図１および図３と同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００５６】
図４に示すように、本実施形態では、第１実施形態の構成に加え、風車位置における風速を検出する風速計２４を備えている。そして、この風速計２４によって検出される風速情報が起動アシスト制御回路１８に入力されるようになっている。
【００５７】
起動アシスト制御回路１８においては、回転子センサからの出力信号に基づいて回転子２ａの回転数および磁極位置がそれぞれ演算されるとともに、風速計２４から検出信号が取込まれ、回転子２ａの回転数が零であり、かつ風速が風車の自己起動風速以上であると判断された場合に、風車の起動アシストモードを選定するようになっている。
【００５８】
風車が風力により回転し、それにより回転子２ａの回転数が一定以上となったことが、回転数検出手段１７ａにより検出された場合に発電運転モードが選定され、発電機２から発生する発電電流が発電電流供給系統４を介して負荷１３または蓄電池１２に供給される。一方、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には、発電運転モードがオフとなる。
【００５９】
すなわち、風速計２４により常時風速を計測し、風車自己起動風速を超えた場合に起動アシストオンとする構成となっている。
【００６０】
なお、風車自己起動風速としては、例えば０〜１．５ｍ／ｓｅｃに設定され、また、２．０ｍ／ｓｅｃで起動アシスト力をかける設定としてある。さらに、例えば４ｍ／ｓｅｃの風速による回転により起動アシストオフとするようになっている。
【００６１】
図５によって、風速を検出する場合の制御手順を説明する。
【００６２】
風車停止（回転数：以下Ｎと表す＝０）か否かにより（Ｓ２０１）、制御部は起動アシストモード（Ｓ２０２）と発電運転モード（Ｓ２０７）を切り換える。
【００６３】
風車１が停止状態であると起動アシストモードに入り（Ｓ２０２）、風速２が風車の自己起動風速（ｖ０）以上の場合には（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、第１実施形態に記載した起動アシスト制御が行なわれる（Ｓ２０４）。また、風速が風車２の自己起動風速（ｖ０）未満の場合には（Ｓ２０３：ＮＯ）、起動アシスト制御はオフのままとなる（Ｓ２０６）。
【００６４】
すなわち、風車１が非回転状態で、かつ風速が風車の自己起動風速以上であるときに、起動アシスト用電流供給系統２２がオンとなり、その後風速が風車の自己起動風速未満となったとき、または一定時間経過しても風車の回転数Ｎが一定回転数Ｎ１に到達しないときに（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、起動アシスト用電流供給系統２２がオフとなる。
【００６５】
このように、回転子２ａの回転数が零であり、かつ風速が風車１の自己起動風速以上であると判断された場合には、風車の起動アシストモードが選定され、固定子２ｂに電流が供給され、回転子２ａと固定子２ｂとの間のコギングトルクを打消すトルクが回転子２ａの磁極位置に対応して発生する。一方、風車１が風力により回転し、それにより回転子２ａの回転数が一定以上となったことが検出された場合には、発電運転モードが選定され、発電機１から発生する発電電流が発電電流供給系統２２を介して負荷１３または蓄電池１２に供給され。さらに、その後に回転子２ａの回転数が一定以下となった場合には、発電運転モードがオフとなる。
【００６６】
本実施形態によれば、風速に基づいて起動アシストを判断する手段を加えることにより、無風または風車が起動できない極微風状態下においては無駄にアシストを掛けることがないため、蓄電池エネルギの無駄な消費を回避することができる。
【００６７】
すなわち、風車１の自己起動風速以上の場合にのみアシスト制御が行なわれることにより、有効に蓄電池エネルギを活用することができ、総合的な発電効率を向上することができる。
【００６８】
なお、以上の各実施形態においては、コンバータ回路２３と整流回路５とを兼用する回路構成として説明したが、これは構成簡素化を図るうえで好適な例を示したものであり、本発明においては前記構成にかぎられず、コンバータ回路２３と整流回路５とを個別構成とすることも可能である。また、電源等の構成についても前記実施形態にかぎらず、種々変更することが可能である。
【００６９】
また、上記各実施形態においては、本発明を垂直軸型風車に適用したが、水平軸型のプロペラを用いた風車等に対しても、同様に適用することが可能である。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石発電機のコギングトルクを打消した状態で風車を待機しておくことが可能であり、微風下における起動特性を大幅に改善することができる。したがって、従来では起動できなかった風速下においても、風車が回転可能となるため、風車の運転時間ひいては発電運転時間を長くすることができ、発電電力回収効率の向上に寄与するものとなる。また、従来技術における発電機を電動機として起動させる構成に比し、蓄電池の消費エネルギを低減することができ、この点においても総合的な発電効率の向上が図れる。よって、本発明によれば、微風下における風車の起動性を高めるうえで、極めて微小の消費電力のみで済み、それにより小容量型風力発電装置における起動性を向上し、アシスト用電力を飛躍的に節減することができるとともに、稼動率の大幅な向上が図れる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す系統構成図。
【図２】上記第１実施形態におけるアシスト作用を示す説明図。
【図３】上記実施形態における制御手順を示すフローチャート。
【図４】本発明の第２実施形態を示す系統構成図。
【図５】上記第２実施形態における制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  風車
１ａ  回転軸
２  発電機
１ｂ  固定ピッチ翼
２ａ  回転子
２ｂ  固定子
３  電路
４  発電電流供給系統
５  整流回路
６  スイッチング素子
７  コンデンサ
８  降圧チョッパ回路（電力変換回路）
９  変換素子
１０  リアクトル
１１  コンデンサ
１２  蓄電池
１３  負荷
１４  起動アシスト制御装置
１５  回転子センサ
１６  制御装置本体
１７ａ  回転数検出回路
１７ｂ  磁極位置検出回路
１８  起動アシスト制御回路（起動アシスト制御手段）
１９  ＰＷＭゲートドライバ
２０  発電制御回路（発電制御手段）
２１  ＰＷＭゲートドライバ
２２  起動アシスト用電流供給系統
２３  コンバータ回路
２４  風速計
【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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