(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力によって駆動される誘導発電機と、直流電源に接続されている直流バスと、上記誘導発電機と上記直流バスとの間に介在し外部制御により変換周波数が制御される双方向コンバータと、上記直流バスと発電機負荷との間に介在して直流電力を商用周波数の交流に変換するインバータと、上記発電機の発電量に応じて発電して上記発電機負荷に電力を供給する補助電源と、上記誘導発電機の回転速度に基づいてそれよりも同期速度が低くなる周波数への変換が行なわれるように上記双方向コンバータを制御する手段とを、具備し、
上記直流電源は、蓄電池と、この蓄電池をリアクトルを介して第１の制御信号により高周波で継続的に上記直流バスへ放電させる放電回路と、上記蓄電池に第２の制御信号に基づいて高周波で断続的に上記直流バスから上記リアクトルを介して充電する充電回路とを具備し、
上記直流バスには、チョッパ及び抵抗負荷の直列回路よりなる過負荷放電回路が接続され、
上記充電回路及び放電回路は、上記直流バスに順方向に接続された第１の半導体スイッチング素子と、これに順方向で直列に接続された第２の半導体スイッチング素子と、各スイッチング素子にそれぞれ逆方向で並列に接続されたダイオードとを具備し、第２のスイッチング素子には、並列に上記リアクトル及び上記蓄電池の直列回路が接続され、上記第１のスイッチング素子には上記第２の制御信号が供給され、上記第２のスイッチング素子には、上記第２の制御信号と１８０度異なる位相で上記第１の制御信号が供給され、
上記充電回路と上記放電回路及び上記過負荷放電回路には、上記誘導発電機の発電出力と上記インバータに接続された発電機負荷の消費電力とを比較し、上記誘導発電機の発電動作中上記放電回路に上記第１の制御信号を供給し、上記風力が適正以上のとき上記充電回路に上記第２の制御信号を供給し、上記風力が過大なとき上記チョッパを高周波でオンオフ制御する制御装置が接続されている風力発電装置。
【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にかかり、商用電源が存在しない場所においても安定に動作する風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、例えば図２に示すように、風車４１で駆動される誘導発電機４２の出力を交流−直流コンバータ４３で直流に変換し、これを直流−交流インバータ４４で商用周波数の交流に戻し、ディーゼル発電機４５などの補助電源の出力と綜合して、需要家の負荷４６に供給していた。ここで風車４１は風速の変化により回転速度が変化するので、風車の翼のピッチを変更したり、発電機の極数を変更したり、発電機に供給する交流電流の周波数を変更するなどして、常に発電作用が営まれるように調節する必要があった。
【０００３】
また、図３に示す従来の装置は、風車５１で駆動される交流発電機５２の出力をディーゼル発電機５３の出力と共に負荷５４に供給する一方で、発電出力を交流−直流コンバータ５５を経て蓄電池５６に充電し、かつ蓄電池５６から取出したエネルギーを直流−交流コンバータ５７を経て負荷５４に供給できるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示す装置では風速が０または微風のときは負荷４６に電力を供給できないので、ディーゼル発電機４５または商用電源から電力を供給することになる。そして風が強いときは、風車の翼のピッチを変更してエネルギーを逃すため、風のエネルギーを十分利用できなかった。
【０００５】
図３に示す装置は、発電機５２とディーゼル発電機５３の出力の合計が負荷５４の消費電力に較べて余裕があれば、交流−直流コンバータ５５を動作させて蓄電池５６を充電し、更に発電機５２の出力が大きい場合には、ディーゼル発電機５３の出力を落とすことによってその燃料を節約することができる。そして風速が０または微風の場合には、直流−交流コンバータ５７で動作させて、風力発電機５２及びディーゼル発電機５３の出力に加えて蓄電池５６のエネルギーも利用することができる。しかし、風力が急激に増大した場合、風車の翼のピッチの変更や発電機の極数の変更では、余剰電力を迅速に放出できない問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電装置は、風力によって駆動される誘導発電機と、直流電源に接続されている直流バスと、上記誘導発電機と上記直流バスとの間に介在し外部制御により変換周波数が制御される双方向コンバータと、上記直流バスと発電機負荷との間に介在して直流電力を商用周波数の交流に変換するインバータと、上記発電機の発電量に応じて発電して上記発電機負荷に電力を供給する補助電源と、上記誘導発電機の回転速度に基づいてそれよりも同期速度が低くなる周波数への変換が行なわれるように上記双方向コンバータを制御する手段とを、具備している。上記直流電源は、蓄電池と、この蓄電池をリアクトルを介して第１の制御信号により高周波で継続的に上記直流バスへ放電させる放電回路と、上記蓄電池に第２の制御信号に基づいて高周波で断続的に上記直流バスから上記リアクトルを介して充電する充電回路とを具備している。上記直流バスには、チョッパ及び抵抗負荷の直列回路よりなる過負荷放電回路が接続されている。上記充電回路及び放電回路は、上記直流バスに順方向に接続された第１の半導体スイッチング素子と、これに順方向で直列に接続された第２の半導体スイッチング素子と、各スイッチング素子にそれぞれ逆方向で並列に接続されたダイオードとを具備し、第２のスイッチング素子には、並列に上記リアクトル及び上記蓄電池の直列回路が接続され、上記第１のスイッチング素子には上記第２の制御信号が供給され、上記第２のスイッチング素子には、上記第２の制御信号と１８０度異なる位相で上記第１の制御信号が供給されている。上記充電回路と上記放電回路及び上記過負荷放電回路には、上記誘導発電機の発電出力と上記インバータに接続された発電機負荷の消費電力とを比較し、上記誘導発電機の発電動作中上記放電回路に上記第１の制御信号を供給し、上記風力が適正なとき以上のとき上記充電回路に上記第２の制御信号を供給し、上記風力が過大なとき上記チョッパを高周波でオンオフ制御する制御装置が接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、風車１によって駆動される誘導発電機２の出力は、双方向コンバータ３において整流されて直流バス４に直流電力として供給され、インバータ５において５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数の交流に変換され、ディーゼル交流発電機６の出力と綜合されて需要家の負荷７に供給される。そして、直流バス４には、チョッパー８及び抵抗負荷９の直列回路で構成された過負荷放電回路１０と蓄電池１１を含む蓄電池充放電回路１２とが接続されている。
【００１２】
双方向コンバータ３はバイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子１３、１４、１５、１６がブリッジ接続され、かつ各スイッチング素子にはそれぞれフライホイールダイオード１７、１８、１９、２０が並列に接続されている。また蓄電池充放電回路１２は、直列に接続された上述のようなスイッチング素子２１及び２２と、これらにそれぞれ並列に接続されたフライホイールダイオード２３及び２４を有し、その中間点にはリアクトル２５を介して蓄電池１１が接続されている。
【００１３】
誘導発電機２の回転速度はエンコーダ２６によって検出され、その出力電圧及び出力電流は変成器２７及び変流器２８によって検出される。インバータ５の交流出力電圧は変成器２９によって検出され、負荷７の消費電流及びディーゼル発電機６の出力電流はそれぞれ変流器３０及び３１によって検出される。これらの検出信号は制御装置３２の演算部３３に送られ、ここで双方向コンバータ３のスイッチング素子１３〜１６、インバータ５、チョッパー８、蓄電池充放電回路１２のスイッチング素子２１及び２２などの制御態様が演算される。そして、この演算結果に基づいてドライバー部３４は各被制御部分に制御信号を送りこむ。
【００１４】
ここで、装置の各部は次のように動作する。誘導発電機２は、電源周波数及び極数によって決まる同期速度よりも回転速度が遅いときは電動機として動作し、同期速度よりも回転速度が速いときは発電機として動作する。従って双方向コンバータ３は、ドライバー部３４からの制御信号に基づいて、直流バス４の直流を上述の発電機として動作する周波数の交流に変換して誘導発電機２に供給する一方で発電された交流を直流に変換して直流バス４に供給する。
【００１５】
蓄電池充放電回路１２では、誘導発電機２の発電中はその励磁電流を維持するためにスイッチング素子２２が制御装置３２からの制御信号によって絶えず高周波でオンオフし、オン動作の都度蓄電池１１の電流をリアクトル２５を通して放電させ、オフ動作時にリアクトル２５の蓄積エネルギーを蓄電池１１のエネルギーに重畳し、ダイオード２３を経て直流バス４に送りこむ。そして誘導発電機２の発電量に余裕があるときは、制御装置３２はスイッチング素子２１をスイッチング素子２２と１８０°異なる位相でオンオフさせ、そのオン動作時に直流バス４の電流をリアクトル２５で平滑化して蓄電池１１に充電させる。また、蓄電池１１の充電電流及び放電電流を、変成器２９及び変流器３０より得られたデータに基づいて、制御部３２で適切に制御して、直流バス４及び負荷７の電圧を一定に維持する。
【００１６】
過負荷放電回路１０のチョッパー８は、誘導発電機２の発電量が過大な場合に、制御装置３２からの制御信号によって高周波でオンオフし、オン動作中に直流バス４の電流を抵抗負荷９を通して放電させて、回路を保護する。
【００１７】
なお、ディーゼル発電機６の発電量を、制御装置３２の制御信号により誘導発電機２の発電量に応じて減少させ、或いは停止させて、燃料を節減することもできる。
【００１８】
上述の発電装置の風力ごとの動作は次の通りである。
無風または微風のとき：制御装置３２は双方向コンバータ３へ制御信号を送らず、従って発電しない。蓄電池充放電回路１２のスイッチング素子２２は制御装置３２からの制御信号によって高周波でオンオフし、蓄電池１１のエネルギーは直流バス４及びインバータ５を経由して需要家の負荷７へ送られる。蓄電池１１の充電及び過負荷放電回路１０による放電は行なわれない。
【００１９】
弱風のとき：無風時と同様に、スイッチング素子２２の動作により蓄電池１１から直流バス４に直流電力が供給されている。誘導発電機２は低速で回転し、制御装置３２は低い周波数の制御信号を双方向コンバータ３へ送り、直流バス４の直流電力を誘導発電機２の発電動作に適した低い周波数の交流に変換して、これを誘導発電機２に供給する。そして発電された交流電力は、双方向コンバータ３において直流に変換して直流バス４に送りこむ。蓄電池１１から直流バス４への放電量は、発電量に応じて減少するようにスイッチング素子２２は制御装置３２によって制御される。このときも、蓄電池１１の充電及び過負荷放電回路１０による放電は行なわれない。
【００２０】
適正な風のとき：誘導発電機２は適正な速度で回転し、双方向コンバータ３は直流を発電に適した周波数の交流に変換して誘導発電機２へ供給する一方で、発電された交流を直流に変換して直流バス４に送りこむ。このときも蓄電池１１から直流電力が引出されるが、同時にスイッチング素子２１が作動して充電も行なわれる。従って、誘導発電機２の発電電力は、専らインバータ５を経由して負荷７へ送られる。過負荷放電回路１０はこのときも作動しない。
【００２１】
風力が大きいとき：このときも風力が適正なときと同様な動作が営ませるが、変成器２７及び変流器２８によって検出される発電電力が、変成器２９及び変流器３０によって検出される負荷７の消費電力を上廻るので、制御装置３２はスイッチング素子２１を充電量が増加する方向に制御し、過剰な電力は蓄電池１１に充電される。過負荷放電回路１０はこのときも作動しない。
【００２２】
風力が過大なとき：上述の風力が大きいときと同様に、蓄電池１１の充電と放電とが行なわれるが、蓄電池１１の充電だけでは過剰電力を処理することができないので、制御装置３２からの制御信号によってチョッパー８が高周波でオンオフし、過剰な電力を抵抗負荷９を通して放電させる。
【００２３】
なお、ディーゼル発電機６は負荷７に安定した電力を供給するために設けたものであるが、風力で駆動される誘導発電機２の出力が増大するにつれ、制御装置３２が生ずる制御信号によって、ディーゼル機関に供給される燃料油を絞るなどして、その燃料油の消費量を減少させることも可能である。
【００２４】
上記実施の形態では、誘導発電機２の交流出力を検出するために、これと双方向コンバータ３との間に変成器２７及び変流器２８を設けているが、誘導発電機２の出力は直流バス４を流れる直流の電圧及び電流によっても検出することができ、この場合は交流用の変成器２７及び変流器２８は不要になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明の風力発電装置は商用交流電源が存在しない地域においても実施することができ、誘導発電機の励磁交流電源として常に現在の回転速度から見て最適の周波数の交流を供給しているために発電量の大きさに関係なく高い発電効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の回路図である。
【図２】従来の風力発電装置の一例の概要を示すブロック図である。
【図３】従来の風力発電装置の他の例の概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  風車
２  誘導発電機
３  双方向コンバータ
４  直流バス
５  インバータ
６  ディーゼル発電機
７  需要者側の負荷
８  チョッパー
９  抵抗負荷
１０  過負荷放電回路
１１  蓄電池
１２  蓄電池充放電回路
１３〜１６  スイッチング素子
１７〜２０  フライホイールダイオード
２１、２２  スイッチング素子
２３、２４  フライホイールダイオード
２５  リアクトル
２６  回転エンコーダ
２７  変成器
２８  変流器
２９  変成器
３０  変流器
３２  制御装置
３３  演算部
３４  ドライバー部
【図１】
0004684399.tif 000002
【図２】
0004684399.tif 000003
【図３】
0004684399.tif 000004