(57)【要約】【課題】風力発電に使用される中小容量型風力発電装置において、高価な風速センサーを使わずに任意風速における風力エネルギーを有効利用して、高効率で発電電力を回収する安価な風力発電装置を提供する事を目的とする。【解決手段】風車１、増速器２、発電機３、制御装置４、バッテリー５、風速計測手段６、および、電流動作点決定手段７を備え、制御装置４は、電流動作点決定手段６が決定したトルク動作点で定トルク運転させた風車１の回転数を計測して風速を計測して、該風速に応じて軸動力が最大となるトルク動作点に相応する電流動作点となるように発電機３のｑ軸電流を制御する事により、任意風速において最大の軸動力が得られるトルク動作点で風車１を運転して、高効率に発電電力をバッテリー５に回収できる安価な風力発電装置を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車で駆動される発電機より発電電力を得るようにした風力発電装置において、前記風力発電装置は前記発電機のｑ軸電流を一定とする事により前記風車のトルクが一定となるように風車を運転した風車の回転数から風速を計測できるようにした風速計測手段を有し、前記風速計測手段の計測した風速に応じて前記風車の軸動力が最大となるトルク動作点とそのトルク動作点に相応する前記発電機の電流動作点を決定する電流動作点決定手段を有し、前記発電機のｑ軸電流が該電流動作点となるように制御することにより、前記風車の軸動力が最大となるトルク動作点で風車を運転して、前記発電機より最大電力を取り出す事ができるようにした制御装置を備えた事を特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風速計測手段は、前記風車のトルクをパラメータとする前記風車の回転数と風速の関係を示す前記風車の動作特性曲線において、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と前記風車の回転数計測値から風速を計測できるようにした事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風速計測手段は、前記風車のトルクをパラメータとする前記風車の回転数と風速の関係を示す前記風車の動作特性曲線において、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と前記風車の回転数計測値から一定の計測周期に同期して計測した風速の移動平均より風速を計測できるようにした事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風速計測手段は、前記発電機の出力線間電圧のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイント計数値から前記風車の回転数計測値を計測できるようにした事を特徴とする請求項１、２または３記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記風速計測手段は、前記発電機の出力電流のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイント計数値から前記風車の回転数計測値を計測できるようにした事を特徴とする請求項１、２または３記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記電流動作点決定手段は、風速をパラメータとした場合の風車のトルクと軸動力の関係を示す前記風車の出力特性曲線において、該軸動力が最大となる動作点から前記風車の軸動力が最大となる風速と前記風車のトルクとの相関曲線を求め、該相関曲線から、風速の現在値において軸動力が最大値をとる前記風車のトルクをトルク動作点として決定し、前記風車のトルクと出力電流の相関曲線から、該トルク動作点に相応する発電機の出力電流を電流動作点として決定する事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置 。
【請求項７】
前記電流動作点決定手段は、一定の制御周期に同期して、トルク動作点または電流動作点を決定し、該制御周期は、一定トルクで運転する風車においてトルクが設定された時点から風車の回転数が安定する応答時間以上の時間に設定する事を特徴とする請求項１または６記載の風力発電装置。
【請求項８】
発電機の出力電流を電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように制御しつつ、前記発電機の単相または多相の交流出力を直流電力に変換する定入力電流コンバータを有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項９】
発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように前記発電機の出力電流を制御しつつ前記整流回路の出力電圧を昇圧する定入力電流昇圧回路を有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１０】
発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように前記発電機の出力電流を制御しつつ、前記整流回路の出力電圧を昇圧または降圧する定入力電流昇降圧回路を有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１１】
発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧が前記充電装置の充電電圧よりも高い一定の直流電圧に昇圧する定電圧昇圧回路と、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記定電圧昇圧回路が昇圧した一定の直流電圧を前記充電装置の充電電圧に降圧する定電流降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事によって、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１２】
発電機の発電出力を系統に出力することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記系統に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧が前記系統の充電電圧よりも高い一定の直流電圧に昇圧する定電圧昇圧回路と、該電流設定値となるように前記系統に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電力を前記系統への交流電力に変換する定電流連系インバータを備え、前記系統に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１３】
発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記整流回路が整流した直流電圧を前記充電装置の充電電圧に昇圧または降圧する定電流昇降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１４】
発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を系統の交流電圧の最大値よりも高い一定電圧の直流電力に変換する定電圧コンバータと、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電圧を前記充電装置の充電電圧に降圧する定電流降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事た事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１５】
発電機の発電出力を系統に出力することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記系統に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を系統の交流電圧の最大値よりも高い一定電圧の直流電力に変換する定電圧コンバータと、該電流設定値となるように前記系統に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電力を前記系統への交流電力に変換する定電流連系インバータを備え、前記系統に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１６】
電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商を前記充電装置に供給する電流設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載の風力発電装置。
【請求項１７】
電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１２記載の風力発電装置。
【請求項１８】
電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電流昇降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商を前記充電装置に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１３記載の風力発電装置。
【請求項１９】
電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１４載の風力発電装置。
【請求項２０】
電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１５記載の風力発電装置。
【請求項２１】
発電機のエネルギー変換効率が、前記発電機の出力電流の利用範囲で、限りなく１００％に近い平坦な特性となるように前記発電機を最適化した事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギーから電力エネルギーを得る風力発電装置に関わり、特に広い風速範囲での発電効率を向上させた中小容量型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の中小容量型風力発電装置では、風速が激しく変化する自然界の風力エネルギーを有効に利用して最大の電気エネルギーを回収する事が課題となっており、このために、風車の回転数がいかなる回転数でも発電機から最大の発電電力を取り出す事ができるようにするための制御方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、その中小型風力発電装置について図１７〜図１９を参照しながら説明する。図１７に示すように、風車１０１は増速器１０２を介して同期発電機１０３に連結されている。同期発電機１０３の３相交流の発電出力は制御装置１０４を介してバッテリー１０５に供給されるように接続されている。制御装置１０４は、電流動作点決定手段１０６を有している。従来の電流動作点決定手段１０６について図１８を使って説明する。
【０００４】
図１８は風速をパラメータとした風車１のトルクと軸動力の関係を示す風車の出力特性であって、この出力特性において、風速Ｖｋ（ｋ＝１，２，３・・・）をパラメータとして、軸動力が最大値となる最大動作点Ｐｋ（ｋ＝１，２，３・・・）におけるトルク動作点Ｔｋ（ｋ＝１，２，３・・・）を示す。図１９は、図１８の最大動作点Ｐｋ（ｋ＝１，２，３・・・）における風速ｖｋ（ｋ＝１，２，３・・・）とトルク動作点Ｔｋ（ｋ＝１，２，３・・・）の関係をプロットしたもので、この相関特性図より風速が決まれば軸動力が最大となるトルクを求める事ができるようにしたものである。図２０は同期発電機１０３に連結された風車１０１の軸に発生するトルクと同期発電機１０３の出力電流実効値の相関特性である。
【０００５】
電流動作点決定手段１０６は、相関特性図１９より、風速センサ１０７から計測した風速に対応して軸動力が最大となるトルク動作点を決定する。次に、図２０の該相関曲線において、該トルク動作点に相応する電流動作点を決定する。すなわち、電流動作点決定手段１０６は、風速センサ１０７から計測される風速に応じて、風車から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点で風車を運転するのに相応する同期発電機１０３の電流動作点を決定する。
【０００６】
同期発電機１０３の３相の交流出力は、電流センサ１０８、コイル１０９〜１１１、スイッチング素子１１２〜１１７、および、キャパシタ１１８より成る定入力電流コンバータ１１９により、同期発電機１０３の出力電流を電流動作点決定手段１０６が決定した電流動作点となるように定電流制御しつつ、バッテリー１０５の充電電圧よりも十分高い電圧の直流電力に変換されキャパシタ１１８に充電される。ここで、電流センサ１０８が計測した同期発電機１０３の出力電流が、電流動作点決定手段１０６か決定した電流動作点となるようにスイッチング素子１２〜１７をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御すれば、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の軸動力を風車１０１から得る事ができ、同期発電機１０３より取り出した最大の電力をキャパシタ１１８に充電できる。
【０００７】
キャパシタ１１８に充電された直流電力は、次段の電圧センサー１２０、スイッチング素子１２１、ダイオード１２２、コイル１２３、キャパシタ１２４、および、電流センサ１２５より成る定電流降圧回路１２６により、バッテリー１０５の充電電流をキャパシタ１１８の端子間電圧とバッテリー１０５の充電電圧の偏差電圧に比例した電流となるように定電流制御しつつ、バッテリー１０５の充電電圧に降圧してバッテリー１０５に供給されるので、キャパシタに充電された電力の大部分は効率よくバッテリー１０５に充電される。
【０００８】
同期発電機１０３の出力電流は該電流動作点で定電流制御されているので、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の軸動力を風車１０１から得る事ができ、同期発電機１０３より回収される発電電力の大部分は定入力電流コンバータ１１９および定電流降圧回路１２６を経てバッテリー１０５に回収する事ができるので、同時にバッテリー１０５にも任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を回収する事ができる。以上述べたように、従来の風力発電装置では、任意風速の風力エネルギーから得る事ができる最大の電力をバッテリー１０５に回収することができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事が可能となっていた。
【特許文献１】特開２００２−３１５３９６号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような従来の風力発電装置では、風速を計測するための風速センサーを設置することが前提となっているが、風速センサーはコストが高く、安価であることが求められている中小容量型風力発電装置にとっては高価な風速センサーを実装するのはコスト的なデメリットがあり、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できるようにすることが要求されている。
【００１０】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、高価な風速センサーを使用せずに、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる中小容量型風力発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の風力発電装置は上記目的を達成するために、風車で駆動される発電機より発電電力を得るようにした風力発電装置において、前記風力発電装置は前記発電機のｑ軸電流を一定とする事により前記風車のトルクが一定となるように風車を運転した風車の回転数から風速を計測できるようにした風速計測手段を有し、前記風速計測手段の計測した風速に応じて前記風車の軸動力が最大となるトルク動作点とそのトルク動作点に相応する前記発電機の電流動作点を決定する電流動作点決定手段を有し、前記発電機のｑ軸電流が該電流動作点となるように制御することにより、前記風車の軸動力が最大となるトルク動作点で風車を運転して、前記発電機より最大電力を取り出す事ができるようにした制御装置を備えた事を特徴とする風力発電装置としたものである。
【００１２】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００１３】
また、前記風速計測手段は、前記風車のトルクをパラメータとする前記風車の回転数と風速の関係を示す前記風車の動作特性曲線において、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と前記風車の回転数計測値から風速を計測できるようにした事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００１４】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００１５】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、前記風速計測手段は、前記風車のトルクをパラメータとする前記風車の回転数と風速の関係を示す前記風車の動作特性曲線において、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と前記風車の回転数計測値から一定の計測周期に同期して計測した風速の移動平均より風速を計測できるようにした事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００１６】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００１７】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、前記風速計測手段は、前記発電機の出力線間電圧のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイント計数値から前記風車の回転数計測値を計測できるようにした事を特徴とする請求項１、２または３記載の風力発電装置としたものである。
【００１８】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００１９】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、前記風速計測手段は、前記発電機の出力電流のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイント計数値から前記風車の回転数計測値を計測できるようにした事を特徴とする請求項１、２または３記載の風力発電装置としたものである。
【００２０】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００２１】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、前記電流動作点決定手段は、風速をパラメータとした場合の風車のトルクと軸動力の関係を示す前記風車の出力特性曲線において、該軸動力が最大となる動作点から前記風車の軸動力が最大となる風速と前記風車のトルクとの相関曲線を求め、該相関曲線から、風速の現在値において軸動力が最大値をとる前記風車のトルクをトルク動作点として決定し、前記風車のトルクと出力電流の相関曲線から、該トルク動作点に相応する発電機の出力電流を電流動作点として決定する事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００２２】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００２３】
また、前記電流動作点決定手段は、一定の制御周期に同期して、トルク動作点または電流動作点を決定し、該制御周期は、一定トルクで運転する風車においてトルクが設定された時点から風車の回転数が安定する応答時間以上の時間に設定する事を特徴とする請求項１または６記載の風力発電装置としたものである。
【００２４】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００２５】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の出力電流を電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように制御しつつ、前記発電機の単相または多相の交流出力を直流電力に変換する定入力電流コンバータを有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００２６】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００２７】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように前記発電機の出力電流を制御しつつ前記整流回路の出力電圧を昇圧する定入力電流昇圧回路を有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００２８】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００２９】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように前記発電機の出力電流を制御しつつ、前記整流回路の出力電圧を昇圧または降圧する定入力電流昇降圧回路を有する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００３０】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００３１】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧が前記充電装置の充電電圧よりも高い一定の直流電圧に昇圧する定電圧昇圧回路と、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記定電圧昇圧回路が昇圧した一定の直流電圧を前記充電装置の充電電圧に降圧する定電流降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事によって、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００３２】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００３３】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の発電出力を系統に出力することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記系統に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧が前記系統の充電電圧よりも高い一定の直流電圧に昇圧する定電圧昇圧回路と、該電流設定値となるように前記系統に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電力を前記系統への交流電力に変換する定電流連系インバータを備え、前記系統に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００３４】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００３５】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を整流する整流回路と、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記整流回路が整流した直流電圧を前記充電装置の充電電圧に昇圧または降圧する定電流昇降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００３６】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００３７】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の発電出力を充電装置に充電することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記充電装置に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を系統の交流電圧の最大値よりも高い一定電圧の直流電力に変換する定電圧コンバータと、該電流設定値となるように前記充電装置に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電圧を前記充電装置の充電電圧に降圧する定電流降圧回路を備え、前記充電装置に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事た事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００３８】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００３９】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機の発電出力を系統に出力することで発電電力を回収するようにした風力発電装置において、前記発電機の出力電流が電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるのに相応する前記系統に供給する電流を電流設定値として決定する電流設定値決定手段と、前記発電機の単相または多相の交流出力を系統の交流電圧の最大値よりも高い一定電圧の直流電力に変換する定電圧コンバータと、該電流設定値となるように前記系統に供給する電流を制御しつつ前記定電圧コンバータが変換した一定電圧の直流電力を前記系統への交流電力に変換する定電流連系インバータを備え、前記系統に供給する電流が該電流設定値となるように制御する事により、前記発電機の出力電流が該電流動作点となるように制御する制御装置を備えた事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００４０】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００４１】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商を前記充電装置に供給する電流設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載の風力発電装置としたものである。
【００４２】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００４３】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１２記載の風力発電装置としたものである。
【００４４】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００４５】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電流昇降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商を前記充電装置に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１３記載の風力発電装置としたものである。
【００４６】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００４７】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１４載の風力発電装置としたものである。
【００４８】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００４９】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統の電圧実効値で割った商を前記系統に供給する出力電流の設定値として決定する電流設定値決定手段を備えたことを特徴とする請求項１５記載の風力発電装置としたものである。
【００５０】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【００５１】
また、本発明の中小容量型風力発電装置は、上記目的を達成するために、発電機のエネルギー変換効率が、前記発電機の出力電流の利用範囲で、限りなく１００％に近い平坦な特性となるように前記発電機を最適化した事を特徴とする請求項１記載の風力発電装置としたものである。
【００５２】
この手段により、高価な風速センサーを使用しなくても、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる安価な中小容量型風力発電装置が得られる。
【発明の効果】
【００５３】
一定トルクで運転した風車そのものを風速センサーとして風速を計測することにより、高価な風速センサーを使用しなくても風速を計測する事ができ、その風速に応じて風速エネルギーから取り出すことができる最大の軸動力で風車を運転することにより、発電機から最大の電力を回収でき、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収できる効果のある中小容量型風力発電装置を低コストで提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
本発明の請求項１の発明は、風速計測手段により、発電機のｑ軸電流を一定とする事により風車のトルクが一定となるように運転した風車において、回転数を計測することにより風速を計測できるようにしたものであり、風速センサーがなくても風速を計測できるという作用を有する。次に、電流動作点決定手段により、風速に応じて風車の軸動力が最大となる風車のトルク動作点に相応する発電機の電流動作点を決定し、該電流動作点となるように発電機のｑ電流を定電流制御すれば、発電機に連結された風車から最大の軸動力が得られるトルク動作点で風車を運転する事ができ、任意風速において風車から最大の軸動力を得ることができるという作用を有する。
【００５５】
また、請求項２の発明は、風速計測手段により、風車のトルクをパラメータとする風車の回転数と風速の関係を示す風車の動作特性曲線より、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と風車の回転数計測値から風速を計測できるようにしたものであり、風速センサーがなくても風速を確実に計測できるという作用を有する。
【００５６】
また、請求項３の発明は、風速計測手段により、風車のトルクをパラメータとする風車の回転数と風速の関係を示す風車の動作特性曲線より、電流動作点決定手段が決定したトルク動作点と風車の回転数計測値から一定の計測周期に同期して計測した風速の移動平均より風速を計測できるようにしたものであり、激しく変動する風速に対して定トルクで運転される風車の回転数が激しく変化しても、風速センサーがなくても風速を確実に計測できるという作用を有する。
【００５７】
また、請求項４の発明は、風速計測手段により、発電機の出力線間電圧のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイントの計数値から風車の回転数計測値を計測できるようにしたものであり、ゼロクロスポイントを検出するための安価な電圧センサーを設置するだけで風車の回転数を計測できるという作用を有する。
【００５８】
また、請求項５の発明は、風速計測手段により、発電機の出力電流のゼロクロスポイントを計数し、単位時間あたりのゼロクロスポイントの計数値から風車の回転数計測値を計測できるようにしたものであり、ゼロクロスポイントを検出するための安価な電流センサーを設置するだけで風車の回転数を計測できるという作用を有する。
【００５９】
また、請求項６の発明は、電流動作点決定手段により、風速を一定とした場合のトルクと軸動力の相関を示す風車の出力特性より、風車の軸動力が最大となる風速と風車のトルクとの相関曲線を得るようにしたものであり、任意風速において、軸動力が最大となる風車のトルク動作点を確実に決定することができ、さらに、風車のトルクと発電機の出力電流の相関曲線から、該トルク動作点に相応する発電機の電流動作点を決定するようにしたものであり、任意風速における風車の軸動力が最大となる発電機の電流動作点を確実に決定する事ができるという作用を有する。
【００６０】
また、請求項７の発明は、電流動作点決定手段により、一定の制御周期に同期して、トルク動作点または電流動作点を決定し、該制御周期を、一定トルクで運転する風車においてトルクが設定された時点から風車の回転数が安定する応答時間以上の時間に設定するようにしたものであり、電流動作点決定手段がトルク動作点を決定して、一定トルクで風車を運転し始めた時点から風車の回転数が安定するまでの応答時間を稼ぐ事で、風速計測手段によって風車の回転数から計測した風速、または、風速の移動平均値は安定し、風速を確実に計測する事ができるという作用を有する。
【００６１】
また、請求項８の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように発電機の出力電流を制御しつつ、発電機の単相または多相の交流出力を直流電力に変換したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、直接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６２】
また、請求項９の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように発電機の出力電流を制御しつつ、整流回路の出力電圧を昇圧したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、直接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６３】
また、請求項１０の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点となるように発電機の出力電流を制御しつつ、整流回路の出力電圧を昇降圧したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、直接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６４】
また、請求項１１の発明は、電流設定値決定手段により、電流動作点決定手段が決定した電流動作点に相応する充電装置に供給する電流設定値を決定し、整流回路の出力電圧を充電装置の充電電圧よりも高い一定の直流電圧に昇圧した後、該電流設定値となるように充電装置へ供給する電流を制御しつつ、充電装置の充電電圧に降圧したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６５】
また、請求項１２の発明は、電流設定値決定手段により、電流動作点決定手段が決定した電流動作点に相応する充電装置に供給する電流設定値を決定し、整流回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値よりも高い一定の直流電圧に昇圧した後、該電流設定値となるように系統に供給する電流を制御しつつ、定電圧昇圧回路が変換した一定電圧の直流電力を系統への交流電力に変換して系統へ連系出力したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は系統へ供給される電力として有効利用でき、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して、高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６６】
また、請求項１３の発明は、電流設定値決定手段により、電流動作点決定手段が決定した電流動作点に相応する充電装置に供給する電流設定値を決定し、該電流設定値となるように充電装置へ供給する電流を制御しつつ、整流回路の出力電圧を充電装置の充電電圧に昇降圧したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６７】
また、請求項１４の発明は、電流設定値決定手段が決定した電流設定値となるように充電装置へ供給する電流を制御しつつ、発電機の発電電力を、充電装置の充電電圧よりも高い一定電圧の直流電力に変換した後、充電装置の充電電圧に降圧したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６８】
また、請求項１５の発明は、発電機の発電電力を、系統の交流電圧の最大値よりも高い一定電圧の直流電力に変換した後、電流設定値決定手段が決定した電流設定値となるように系統へ供給する電流を制御しつつ、系統への交流電力に変換して系統へ連系出力したものであり、従来の風力発電装置において、低風速時に得られる整流回路の出力電圧が充電装置の充電電圧よりも低くなるような場合でも、発電電力は充電装置へ供給される電力として有効利用でき、間接的に発電機の出力電流は  電流動作点決定手段が決定した電流動作点で制御され、任意風速において風車に連結された発電機から最大の電力を回収し、広い風速範囲で風力エネルギーを有効利用して高効率に発電電力を回収できるという作用を有する。
【００６９】
また、請求項１６の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流降圧回路を制御するようにしたものであり、発電機の出力電圧実効値と出力電流実効値の積、すなわち、発電機の出力電力に定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を乗じた電力は、充電装置への充電電圧と充電電流の積、すなわち、定電流降圧回路の出力電力に保存されるので、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流降圧回路を制御すれば、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で定電流制御されるという作用を有する。
【００７０】
また、請求項１７の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統への出力電圧で割った商が系統に供給される電流となるように定電流連系インバータを制御するようにしたものであり、発電機の出力電圧実効値と出力電流実効値の積、すなわち、発電機の出力電力に定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率を乗じた電力は、系統への出力電圧と出力電流の積、すなわち、系統への出力電力に保存されるので、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧昇圧回路の電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統への出力電圧で割った商が系統に供給される電流となるように定電流連系インバータを制御すれば、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で定電流制御されるという作用を有する。
【００７１】
また、請求項１８の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と昇降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流昇降圧回路を制御するようにしたものであり、発電機の出力電圧実効値と出力電流実効値の積、すなわち、発電機の出力電力に昇降圧回路の電力変換効率を乗じた電力は、充電装置への充電電圧と充電電流の積、すなわち、定電流昇降圧回路の出力電力に保存されるので、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電流昇降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流昇降圧回路を制御すれば、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で定電流制御されるという作用を有する。
【００７２】
また、請求項１９の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流降圧回路を制御するようにしたものであり、発電機の出力電圧実効値と出力電流実効値の積、すなわち、発電機の出力電力に定電圧コンバータの電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率を乗じた電力は、充電装置の充電電圧と充電電流の積、すなわち、定電流降圧回路の出力電力に保存されるので、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流降圧回路の電力変換効率の積を充電装置の充電電圧で割った商が充電装置に供給される充電電流となるように定電流降圧回路を制御すれば、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で定電流制御されるという作用を有する。
【００７３】
また、請求項２０の発明は、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統への出力電圧で割った商が系統に供給される電流となるように定電流連系インバータを制御するようにしたものであり、発電機の出力電圧実効値と出力電流実効値の積、すなわち、発電機の出力電力に定電圧コンバータの電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率を乗じた電力は、系統への出力電圧と出力電流の積、すなわち、系統への出力電力に保存されるので、電流動作点決定手段が決定した電流動作点と発電機の出力電圧実効値と定電圧コンバータの電力変換効率と定電流連系インバータの電力変換効率の積を系統への出力電圧で割った商が系統に供給される電流となるように定電流連系インバータを制御すれば、間接的に発電機の出力電流は電流動作点決定手段が決定した電流動作点で定電流制御されるという作用を有する。
【００７４】
また、請求項２１の発明は、発電機のエネルギー変換効率が、発電機の出力電流の利用範囲で、限りなく１００％に近い平坦な特性となるように前記発電機を最適化したものであり、軸動力が最大となる時、同時に発電機より最大の電力を回収すことができるという作用を有する。
【００７５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００７６】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の風力発電装置を示す構成図である。
【００７７】
図１に示すように、風車１は増速器２を介して同期発電機３に連結されている。同期発電機３の発電電力は制御装置４を介してバッテリー５に供給されるように接続されている。制御装置４は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電圧センサー８、電流センサー９、定入力電流コンバータ１０および定電流高圧回路１１を有している。
【００７８】
図２は本発明の風速計測手段６および電流動作点決定手段７の処理動作を説明するためのタイムチャートである。風速計測手段６および電流動作点決定手段７の処理について図２を使って説明する。
【００７９】
電流動作点決定手段７は、後述するような処理により、制御周期Тc毎にトルク動作点および電流動作点を決定・更新し、発電機３のｑ軸電流が該電流動作点となるように定電流運転して、図２（ａ）に図示するようなタイミングで更新される該トルク動作点となるように風車１を定トルク運転させれば、図２（ｂ）に図示するような風速の変化に応じて、風車１は図２（ｃ）に図示するような回転数で回転する。
【００８０】
風速計測手段６は、図２（ｂ）に図示する計測タイミングＴｓ毎に、発電機の線間電圧を計測する電圧センサー８より計測される発電機の線間電圧のゼロクロスポイントを検出し、１秒間あたりに発生するゼロクロスポイントをカウントし、このゼロクロスカウント値Ｃの２分の１を同期発電機３の極数ｎと増速器２の増速比αで割った商を、風車１の回転数Ｎとして計測する。すなわち風車１の回転数Ｎは（数１）となる。
【００８１】
【数１】
2005080383.tif 000003
【００８２】
図３はトルクをパラメータとした風車１の回転数と風速の関係を示す動作特性で、該動作特性から明らかなように、風車１のトルク動作点Ｔがわかっていれば、回転数Ｎを計測して、間接的に風速を計測する事ができる。風速計測手段６は、該動作特性において、風速計測手段６が計測した回転数Ｎと、電流動作点決定手段７が決定したトルク動作点より、風速を計測する。風速計測手段６が計測した風速計測値のタイミングを図２（ｄ）に示す。図２（ｅ）は、計測周期Ｔｓ毎に更新される風速計測値の４回分の移動平均値を求めた、風速移動平均値のタイミングを示す。
【００８３】
図４は発電機１の回転数のステップ応答を示すタイムチャートである。発電機１のトルクに図３（ａ）に示すようなステップ状の変化を加えた場合、発電機１の回転数応答は図３（ｂ）に図示するように変化する。図３（ｂ）に図示するように、電流動作点決定手段７の制御周期Тｃは、トルクが設定された時点から風車の回転数が安定する応答時間τｃ
以上の時間に設定されており、電流動作点決定手段７がトルク動作点を決定して、一定トルクで風車１を運転し始めた時点から風車１の回転数が安定するまでの応答時間を稼ぐ事になるので、風速計測手段７によって風車の回転数から計測した風速、または、風速の移動平均値は安定し、風速を確実に計測する事ができる。
【００８４】
本発明の電流動作点決定手段７について図５〜図７を使って説明する。
【００８５】
図５は風速をパラメータとした風車１のトルクと軸動力の関係を示す出力特性であって、この出力特性より、風速Ｖｋ（ｋ＝１，２，３・・・）を一定とした場合、軸動力が最大値となる最大動作点Ｐｋ（ｋ＝１，２，３・・・）におけるトルク動作点は、図示するＴｋ（ｋ＝１，２，３・・・）となる。
【００８６】
図６は、図５で示す最大動作点Ｐｋ（ｋ＝１，２，３・・・）における風速ｖｋ（ｋ＝１，２，３・・・）とトルク動作点Ｔｋ（ｋ＝１，２，３・・・）の関係をプロットして求めた軸動力が最大となる風速とトルクの相関特性である。電流決定手段７は、該相関特性において、制御周期Тｃ毎に、風速計測手段６から計測した風速移動平均値に対応するトルクをトルク動作点として決定する。
【００８７】
図７は同期発電機３に連結された風車１の軸に発生するトルクと同期発電機３のｑ軸電流の相関特性である。同期発電機２の軸に発生するトルクは同期発電機２のｑ軸電流と正比例の関係にあり、該トルクを増速器２の増速比倍したトルクが風車１の軸に発生するので、風車１の軸に発生するトルクは同期発電機２のｑ軸電流に正比例する。電流動作点決定手段６は、図７の該相関曲線において、制御周期Тｃ毎に、前述した電流動作点決定手段７が決定したトルク動作点に対応するｑ軸電流を電流動作点として決定する。このようにして、風車１から最大の軸動力を取り出せる該トルク動作点に相応する同期発電機３の電流動作点を決定する。
【００８８】
定入力電流コンバータ１０は、コイル１２〜１４、スイッチング素子１５〜２０、および、キャパシタ２１より構成されている。ここで、キャパシタ２１は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定入力電流コンバータ１０は、同期発電機３のｑ軸電流が電流動作点決定手段７で決定した電流動作点となるように定電流制御しつつ、同期発電機３の発電電力をバッテリー５の充電電圧よりも十分高い電圧の電力に変換してキャパシタ２１に充電する。制御装置４は、電流センサ９より同期発電機３の出力電流を計測し、同期発電機３のｑ軸電流が、電流動作点決定手段７か決定した電流動作点となるようにスイッチング素子１５〜２０をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【００８９】
図８は、増速器２を介して風車１に連結される同期発電機３の出力電流とエネルギー変換効率の相関特性である。ここで、エネルギー変換効率とは、風車１の軸動力に対する同期発電機３の発電電力の比としている。実施例の同期発電機１は極数を１６極、コイル巻き数を９０ターン、鉄心回転半径を０．１４ｍ、コイル数を２４個とする同期発電機を使っている。実施例の場合、コイル４個を直列にしたものを２並列した１相分の回路を３相スター状に結線し、同期発電機１の出力電流の動作範囲０．５Ａ〜６．０Ａで、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように、同期発電機１のコイルの結線方法を最適化しており、図８で示す相関特性のように、風車１より得られた軸動力の大部分を同期発電機３から発電電力として回収できるようにしている。同期発電機３のエネルギー変換効率が、同期発電機３の出力電流の利用範囲で、１００％に限りなく近い平坦な特性となるように最適化した同期発電機を用いる事によって、軸動力の大部分を発電電力として回収する事ができるので、同期発電機４のｑ軸電流を該電流動作点となるように制御して、風車１の軸動力が最大となる該トルク動作点で風車１を運転すれば、同時に最大の発電電力を同期発電機３から回収できる。
【００９０】
定電流降圧回路１１は、電圧センサー２２、スイッチング素子２３、ダイオード２４、コイル２５、キャパシタ２６、および、電流センサ２７より構成されている。定電流降圧回路１１は、キャパシタ２１に充電された直流電力を、バッテリー５への充電電流がキャパシタ２１の端子間電圧とバッテリー５の充電電圧の偏差電圧に比例した電流となるように定電流制御しつつ、バッテリー５の充電電圧に降圧した直流電力に変換してバッテリー５を定電流充電する。図９は偏差電圧と充電電流との相関特性である。制御装置４は、電流センサ２７より計測したバッテリー５への充電電流が、電圧センサ２２より計測した入力電圧とバッテリー５の充電電圧の偏差電圧に比例する図９に示すような充電電流となるように、スイッチング素子２３をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。該偏差電圧に比例した充電電流をバッテリー５に供給するようにすれば、充電電圧が一定であるバッテリー５の充電電力は充電電流に比例するので、該偏差電圧に比例した電力がバッテリー５に充電される。
【００９１】
風速が増大すれば、電流動作点決定手段６により決定される電流動作点も増大し、定入力電流昇圧回路１０の入力電流が増大すると同時に出力電流も増大し、キャパシタ２１の充電電圧が増大する。次段の定電流降圧回路１１は、キャパシタ２１とバッテリー５の偏差電圧に比例した電力をバッテリー５に充電するので、風速の増大にともなって増大する電力をバッテリー５に充電して、発電電力の大きさに応じた電力をバッテリー５に充電することになる。ここで、定入力電流コンバータ１０および定電流降圧回路１１の電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにすれば、同期発電機３より得られる発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができる。
【００９２】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が決定した電流動作点で同期発電機３のｑ軸電流を定電流制御すれば、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定入力電流コンバータ１０および定電流降圧回路１１を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【００９３】
（実施例２）
図１０は本発明の実施例２の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、５〜９、１１、２９〜３１は図１の実施例１と同様のものであり、その説明を省略する。
【００９４】
図１０に示すように、制御装置２８は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電圧センサー８および電流センサー９を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。整流回路２９は、ダイオード３０および平滑コンデンサー３１より構成され、同期発電機３の３相交流を整流する。定入力電流昇圧回路３２は、コイル３３、スイッチング素子３４、ダイオード３５、および、キャパシタ３６より構成されている。ここで、キャパシタ３６は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定入力電流昇圧回路３２は、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点となるように同期発電機３のｑ軸電流を制御しつつ、整流回路２９が整流した直流電力をバッテリー５の充電電圧よりも十分高い電圧値に昇圧した電圧の電力に変換してキャパシタ３６を充電する。制御装置２８は、電流センサ８より同期発電機３の出力電流を計測し、同期発電機３のｑ軸電流が、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点となるようにスイッチング素子３４をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【００９５】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【００９６】
定入力電流昇圧回路３２および定電流降圧回路１１は、実施例１で述べたのと同様に、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができるようにしている。
【００９７】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が決定した電流動作点で同期発電機３のｑ軸電流を定電流制御すれば、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定入力電流昇圧回路３２および定電流降圧回路２１を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【００９８】
（実施例３）
図１１は本発明の実施例３の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、５〜９は図１の実施例１と同様のもので、２９〜３１は図２の実施例２と同様のものでありその説明を省略する。
【００９９】
図１１に示すように、制御装置３７は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電圧センサー８および電流センサー９を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。定入力電流昇降圧回路３８は、スイッチング素子３９、コイル４０、ダイオード４１、および、キャパシタ４２より構成されている。ここで、キャパシタ４２は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定入力電流昇降圧回路３８は、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点となるように同期発電機３のｑ軸電流を制御しつつ、整流回路３０により整流された直流電力を、バッテリー５の端子間電圧に昇圧、または、降圧した電圧の電力に変換してバッテリー５を充電する。ここで、制御装置３７は、風速に応じて変化する整流回路３０の出力電圧が、バッテリー５の充電電圧よりも低い場合は昇圧し、高い場合は降圧するようにスイッチング素子３９をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御するが、この時同時に、電流センサー８で計測した同期発電機３のｑ軸電流を、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点となるようにスイッチング素子３４をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１００】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１０１】
定入力電流昇降圧回路３８は、実施例１で述べたのと同様に、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができるようにしている。
【０１０２】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が決定した電流動作点で同期発電機３のｑ軸電流を定電流制御すれば、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定入力電流昇降圧回路３８を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１０３】
（実施例４）
図１２は本発明の実施例４の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、５〜８は図１の実施例１と、３０〜３２は図２の実施例２と同様のものでありその説明を省略する。
【０１０４】
図１２に示すように、制御回路４３は風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電流設定値決定手段４４、定電圧昇圧回路４５および定電流降圧回路４６を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。定電圧昇圧回路４５は、コイル４６、スイッチング素子４７、ダイオード４８、キャパシタ４９、および、電圧センサ５０より構成されている。ここで、キャパシタ４９は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定電圧昇圧回路４５は、整流回路２９に整流された直流電力を、バッテリー５の充電電圧よりも十分高い一定の電圧値に昇圧した電圧の電力に変換してキャパシタ４９を充電する。制御装置４３は、電圧センサ５０が計測したキャパシタ４９の端子電圧を、バッテリー５の充電電圧よりも十分高いある一定の電圧となるようにスイッチング素子４５をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１０５】
定電流降圧回路４６は、スイッチング素子５１、ダイオード５２、コイル５３、キャパシタ５４および電流センサ５５により構成されている。定電流降圧回路４６は、キャパシタ４９に充電された一定電圧の直流電力を、バッテリー５へ供給する充電電流が後述する電流設定値決定手段４４が決定する電流設定値となるように制御しつつ、バッテリー５の充電電圧に降圧してバッテリー５を充電する。ここで、制御装置４３は、電流センサー５５で計測されたバッテリー５への充電電流が、該電流設定値となるように、スイッチング素子５１をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１０６】
電流設定値決定手段４３は、電圧センサー８で計測した同期発電機３の出力電圧の瞬時値から計算した出力電圧実効値と、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点と、定電圧昇圧回路４５の電力変換効率と、定電流降圧回路４６の電力変換効率の積をバッテリー５の充電電圧で割った商をバッテリー５に供給する電流設定値として決定する。
【０１０７】
ここで、同期発電機３の出力電圧実効値ＶＧ［Ｖ］と出力電流実効値ＩＧ［Ａ］の積、すなわち、同期発電機３から供給される発電電力に、定電圧昇圧回路４５の電力変換効率ηＡ［％］と定電流降圧回路４６の電力変換効率ηＢ［％］を乗じた電力は、バッテリー５の充電電圧ＶＢ［Ｖ］とバッテリー５の充電電流ＩＢ［Ａ］の積、すなわち、バッテリー５に供給される電力に保存されるから。
【０１０８】
【数２】
2005080383.tif 000004
【０１０９】
（数２）よりバッテリー５への充電電流について解くと
【０１１０】
【数３】
2005080383.tif 000005
【０１１１】
（数３）において、発電機３の出力電流実効値ＩＧ［Ａ］を、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰ［Ａ］とした場合において、バッテリー５への充電電流ＩＢＰ［Ａ］は
【０１１２】
【数４】
2005080383.tif 000006
【０１１３】
電流設定値決定手段４４は、（数４）よりバッテリー６へ供給する電流の電流設定値ＩＧＰ、を決定し、定電流降圧回路４６がバッテリー５に供給する電流をＩＢＰとなるように定電流制御すれば、間接的に、同期発電機３の出力電流は、電流動作点決定手段４４が決定した電流動作点ＩＧＰとなるように制御され、風車１から最大の軸動力が得られるトルク動作点に相応する電流動作点ＩＧＰで同期発電機３を運転して、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を同期発電機３から回収する事ができる。
【０１１４】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１１５】
定電圧昇圧回路４９および定電流降圧回路５５は、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができるようにしている。
【０１１６】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が電流動作点を決定し、バッテリー５の充電電流が電流設定値決定手段４４が該電流動作点から計算した電流設定値となるように制御すれば、同期発電機３のｑ軸電流は間接的に該電流動作点となるよう定電流制御され、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定電圧昇圧回路４５および定電流降圧回路４６を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１１７】
（実施例５）
図１３は本発明の実施例５の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、６〜８は図１の実施例１と、２９〜３１は図２の実施例２と、４５〜５０は図１２の実施例４と同様のものでありその説明を省略する。
【０１１８】
図１３に示すように、同期発電機３の発電電力は制御装置４を介して系統５６に供給されるように接続されている。制御装置５７は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電流設定値決定手段５８、整流回路２９、定電圧昇圧回路４５および定電流連系インバータ５９を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。
【０１１９】
定電流連系インバータ５９は、スイッチング素子６０〜６３、ノーマルモードコイル６４、キャパシタ６５、および、電流センサ６６により構成されている。定電流連系インバータ５９は、キャパシタ５０に充電された一定電圧の直流電力を、系統５６へ供給する電流実効値を電流設定値決定手段５８が決定した電流設定値となるように定電流制御しつつ、系統５６への交流電力に変換して系統５６に供給する。制御装置５７は、電流センサー６５で計測した系統５６の電流実効値が、後述する電流設定値決定手段５８が決定する電流設定値となるように、スイッチング素子６０〜６３をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１２０】
電流設定値決定手段５８は、電圧センサー８で計測した同期発電機３の出力電圧の瞬時値から計算した出力電圧実効値と、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点と、定電圧昇圧回路４５の電力変換効率と、定電流連系インバータ５９の電力変換効率の積を系統５６の電圧実効値で割った商を系統５６に供給する電流設定値として決定する。
【０１２１】
ここで、同期発電機３の出力電圧実効値ＶＧ［Ｖ］と出力電流実効値ＩＧ［Ａ］の積、すなわち、同期発電機３から供給される電力に、定電圧昇圧回路４５の電力変換効率ηＡ［％］と定電流連系インバータ５８の電力変換効率ηＢ[％]を乗じた電力は、系統５６の交流電圧実効値ＶＫ［Ｖ］と系統５６への出力電流実効値ＩＫ［Ａ］の積、すなわち、系統５６に供給される電力に保存されるから。
【０１２２】
【数５】
2005080383.tif 000007
【０１２３】
（数５）より系統５６への出力電流実効値ＩＫについて解くと
【０１２４】
【数６】
2005080383.tif 000008
【０１２５】
（数６）において、発電機３の出力電流実効値ＩＧ［Ａ］を、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰ［Ａ］とした場合において、系統５６への出力電流実効値ＩＫＰ［Ａ］は。
【０１２６】
【数７】
2005080383.tif 000009
【０１２７】
電流設定値決定手段５８は、（数７）より系統５６へ出力する電流の電流設定値ＩＫＰ、を決定し、定電流連系インバータ５９が系統５６に供給する電流をＩＫＰとなるように定電流制御すれば、間接的に、同期発電機３のｑ軸電流は、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰとなるように制御され、風車１から最大の軸動力が得られるトルク動作点に相応する電流動作点ＩＧＰで同期発電機３を運転して、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を同期発電機３から回収する事ができる。
【０１２８】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１２９】
定電圧昇圧回路４５および定電流連係インバータ５８は、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分を系統６７に回収する事ができるようにしている。
【０１３０】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が電流動作点を決定し、系統５６の電流実効値が電流設定値決定手段５８が該電流動作点から計算した電流設定値となるように制御すれば、同期発電機３のｑ軸電流は間接的に該電流動作点となるよう定電流制御され、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定電圧昇圧回路４５および定電流連系インバータ５９を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１３１】
（実施例６）
図１４は本発明の実施例６の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、５〜８は図１の実施例１と、２９〜３１は図２の実施例２と同様のものでありその説明を省略する。
図１４に示すように、制御装置６７は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電流設定値決定手段６８および定電流昇降圧回路６９を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。
【０１３２】
定電流昇降圧回路６９は、スイッチング素子７０、コイル７１、ダイオード７２、キャパシタ７３、および、電流センサ７４より構成されている。ここで、キャパシタ７３は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定電流昇降圧回路６９は、整流回路３０により整流された直流電力を、バッテリー５へ供給する充電電流を電流設定値決定手段６８が決定した電流設定値となるように制御しつつ、バッテリー５の端子間電圧に昇圧、または、降圧してバッテリー５を充電する。制御装置６７は、整流回路２９の出力電圧が、バッテリー５の充電電圧よりも低い場合は昇圧し、高い場合は降圧するようにスイッチング素子７０をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。同時に、電流センサー７４で計測したバッテリー５の充電電流が、後述する電流設定値決定手段６８が決定する電流設定値となるように、スイッチング素子７０をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１３３】
電流設定値決定手段６８は、電圧センサー８で計測した同期発電機３の出力電圧の瞬時値から計算した出力電圧実効値と、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点と、定電流昇降圧回路６９の電力変換効率の積をバッテリー５の充電電圧で割った商をバッテリー５に供給する電流設定値として決定する。
【０１３４】
ここで、同期発電機３の出力電圧実効値ＶＧ［Ｖ］と出力電流実効値ＩＧ［Ａ］の積、すなわち、同期発電機３から供給される発電電力に、定電流昇降圧回路６９の電力変換効率ηＡ［％］を乗じた電力は、バッテリー５の充電電圧ＶＢ［Ｖ］とバッテリー５の充電電流ＩＢ［Ａ］の積、すなわち、バッテリー５に供給される電力に保存されるから。
【０１３５】
【数２】
2005080383.tif 000010
【０１３６】
（数２）よりバッテリー５への充電電流について解くと
【０１３７】
【数３】
2005080383.tif 000011
【０１３８】
（数３）において、発電機３の出力電流実効値ＩＧ［Ａ］を、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点ＩＧＰ［Ａ］とした場合において、バッテリー５への充電電流ＩＢＰ［Ａ］は
【０１３９】
【数４】
2005080383.tif 000012
【０１４０】
電流設定値決定手段６８は、（数４）よりバッテリー５へ供給する電流の電流設定値ＩＧＰを決定し、定電流昇降圧回路６９がバッテリー５に供給する電流をＩＢＰとなるように定電流制御すれば、間接的に、同期発電機３のｑ軸電流は、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰとなるように制御され、風車１から最大の軸動力が得られるトルク動作点に相応する電流動作点ＩＧＰで同期発電機３を運転して、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を同期発電機３から回収する事ができる。
【０１４１】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１４２】
定電圧昇降圧回路６９は、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができるようにしている。
【０１４３】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が電流動作点を決定し、バッテリー５の充電電流が電流設定値決定手段６８が該電流動作点から計算した電流設定値となるように制御すれば、同期発電機３のｑ軸電流は間接的に該電流動作点となるよう定電流制御され、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定電流昇降圧回路６９を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１４４】
（実施例７）
図１５は本発明の実施例７の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、５〜８は図１の実施例１と、４６、５１〜５５は図１２の実施例４と同様のものでありその説明を省略する。
【０１４５】
図１５に示すように、制御装置７５は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電流設定値決定手段７６、定電圧コンバータ７７および定電流降圧回路４６を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。定電圧コンバータ７７は、コイル７８〜８０、スイッチング素子８１〜８６、キャパシタ８７、および、電圧センサ８８より構成されている。ここで、キャパシタ８７は電気二重層キャパシタのように大電力を蓄積できる充電電圧範囲の広い蓄電素子を使用している。定電圧コンバータ７７は、同期発電機３の交流電力を、バッテリー５の充電電圧よりも十分高い一定のある電圧値に昇圧してキャパシタ８７を充電する。制御装置７５は、電圧センサ８８が計測したキャパシタ８７の端子電圧が、バッテリー５の充電電圧よりも十分高いある一定の電圧となるようにスイッチング素子８１〜８６をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを制御する。
【０１４６】
電流設定値決定手段７６は、電圧センサー８で計測した同期発電機３の出力電圧の瞬時値から計算した出力電圧実効値と、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点と、定電圧コンバータ７７の電力変換効率と、定電流降圧回路４６の電力変換効率の積をバッテリー５の充電電圧で割った商をバッテリー５に供給する電流設定値として決定する。
【０１４７】
ここで、同期発電機３の出力電圧実効値ＶＧ［Ｖ］と出力電流実効値ＩＧ［Ａ］の積、すなわち、同期発電機３から供給される電力に、定電圧コンバータ７７の電力変換効率ηＡ［％］と定電流降圧回路４６の電力変換効率ηＢ［％］を乗じた電力が、バッテリー５の充電電圧ＶＢ［Ｖ］とバッテリー５の充電電流ＩＢ［Ａ］の積、すなわち、バッテリー５に供給される電力に保存されるから。
【０１４８】
【数２】
2005080383.tif 000013
【０１４９】
（数２）よりバッテリー５の充電電流について解くと
【０１５０】
【数３】
2005080383.tif 000014
【０１５１】
（数３）において、発電機３の出力電流実効値ＩＧ［Ａ］を、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点ＩＧＰ［Ａ］とした場合において、バッテリー５の充電電流ＩＢＰ［Ａ］は
【０１５２】
【数４】
2005080383.tif 000015
【０１５３】
電流設定値決定手段７７は、（数４）よりバッテリー５へ供給する電流の電流設定値ＩＧＰ、を決定し、定電流降圧回路４６がバッテリー５に供給する電流をＩＢＰとなるように定電流制御すれば、間接的に、同期発電機３のｑ軸電流は、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰとなるように制御され、風車１から最大の軸動力が得られるトルク動作点に相応する電流動作点ＩＧＰで同期発電機３を運転して、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を同期発電機３から回収する事ができる。
【０１５４】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１５５】
定電圧昇圧コンバータ７７および定電流降圧回路４６は、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分をバッテリー５に回収する事ができるようにしている。
【０１５６】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が電流動作点を決定し、バッテリー５の充電電流が電流設定値決定手段７６が該電流動作点から計算した電流設定値となるように制御すれば、同期発電機３のｑ軸電流は間接的に該電流動作点となるよう定電流制御され、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定電圧昇圧コンバータ７７および定電流降圧回路４６を経てバッテリー５に回収する事ができるので、同時にバッテリー５にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１５７】
（実施例８）
図１６は本発明の実施例８の風力発電装置を示す構成図である。図において、１〜３、６〜８は図１の実施例１と、５９〜６６は図１３の実施例５と、７７〜８８は図１５の実施例７と同様のものでありその説明を省略する。
【０１５８】
図１３に示すように、制御装置８９は、風速計測手段６、電流動作点決定手段７、電流設定値決定手段９０を有している。風速計測手段６は、実施例１で述べたのと同様に、一定トルクで運転した風車の回転数を計測する事で、風速センサーを使わずに風速を計測する。電流動作点決定手段７は、実施例１で述べたのと同様に、風速計測手段６が計測した風速から、風車１から最大の軸動力を取り出す事ができるトルク動作点、および、発電機３から最大の電力を取り出す事ができる電流動作点を決定する。電流設定値決定手段９０は、電圧センサー８で計測した同期発電機３の出力電圧の瞬時値から計算した出力電圧実効値と、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点と、定電圧コンバータ７７の電力変換効率と、定電流連系インバータ５９の電力変換効率の積を系統５６の電圧実効値で割った商を系統５６に供給する電流の設定値として決定する。
【０１５９】
ここで、同期発電機３の出力電圧実効値ＶＧ［Ｖ］と出力電流実効値ＩＧ［Ａ］の積、すなわち、同期発電機３から供給される電力に、定電圧コンバータ７７の電力変換効率ηＡ［％］と定電流連系インバータ５９の電力変換効率ηＢ［％］を乗じた電力は、系統５６の交流電圧の実効値ＶＫ［Ｖ］と系統５６の出力電流実効値ＩＫ［Ａ］の積、すなわち、系統５６に供給される電力に保存されるから。
【０１６０】
【数５】
2005080383.tif 000016
【０１６１】
（数５）より系統５６への出力電流について解くと
【０１６２】
【数６】
2005080383.tif 000017
【０１６３】
（数６）において、発電機３の出力電流実効値をＩＧ［Ａ］、電流動作点決定手段６が決定した電流動作点ＩＧＰ［Ａ］とした場合において、バッテリー５への充電電流ＩＫＰ［Ａ］は
【０１６４】
【数７】
2005080383.tif 000018
【０１６５】
電流設定値決定手段９０は、（数７）より系統５６へ出力する電流の電流設定値ＩＫＰ、を決定し、定電流連系インバータ５９が系統５６に供給する電流をＩＫＰとなるように定電流制御すれば、間接的に、同期発電機３のｑ軸電流は、電流動作点決定手段７が決定した電流動作点ＩＧＰとなるように制御され、風車１から最大の軸動力が得られるトルク動作点に相応する電流動作点ＩＧＰで同期発電機３を運転して、任意風速の風力エネルギーから得ることができる最大の電力を同期発電機３から回収する事ができる。
【０１６６】
同期発電機３は、実施例１に述べたのと同様に、利用する出力電流の動作範囲において、エネルギー変換効率が７０〜９０％となる平坦な特性となるように最適化してあり、軸動力の大部分を発電電力として回収できるようにしている。
【０１６７】
定電圧コンバータ７７および定電流連係インバータ５９は、電力変換効率が７０〜９５％となる平坦な特性となるところで利用するようにしてあり、同期発電機３より得られる発電電力の大部分を系統５６に回収する事ができるようにしている。
【０１６８】
上記構成により、高価な風速センサーを使わずに、安価な電圧センサーまたは電流センサーのみを使って、風速計測手段６により風速を計測し、該風速に応じて電流動作点決定手段７が電流動作点を決定し、系統５６の電流実効値が電流設定値決定手段９０が該電流動作点から計算した電流設定値となるように制御すれば、同期発電機３のｑ軸電流は間接的に該電流動作点となるよう定電流制御され、任意風速の風力エネルギーから最大の軸動力を取り出せるように風車１を運転して、同期発電機３より最大の発電電力を取り出す事ができ、同期発電機３より取り出した発電電力の大部分は、定電圧コンバータ７７および定電流連系インバータ５９を経て系統５６に回収する事ができるので、同時に系統５９にも任意風速の風力エネルギーから最大の電力を回収する事ができ、風力エネルギーを有効利用して、発電電力を高効率で回収する事ができる安価な風力発電装置を得ることが出来る。
【０１６９】
なお、実施例１〜実施例８では、電流動作点決定手段７が使う風速の計測値は、図３で示す動作特性曲線において、一定の計測周期に同期して電流動作点決定手段７が決定したトルク動作点と、風車１の回転数計測値から計測した風速の移動平均値を用いているが、図３で示す動作特性曲線において、風車１の回転数計測値から風速を計測した計測値を直接用いてもその作用効果に差異を生じない。
【０１７０】
なお、実施例１〜実施例８では、風速計測手段６は、発電機の出力線間電圧を計測する電圧センサーを設けて、ゼロクロスポイントを検出できるようにしているが、発電機の出力電流を検出する電流センサーを設けてゼロクロスポイントを検出してもその作用効果に差異を生じない。
【０１７１】
なお、実施例１〜実施例８では、発電機に同期発電機を用いているが、誘導発電機を用いてもその作用効果に差異を生じない。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
制御装置に設けた風速計測手段を用いて高価な風速センサーが無くても容易に風速を計測する事ができ、風力発電装置に電流動作点決定手段を設けることにより、計測した該風速にもとづいて、任意風速の風力エネルギーから最大の発電電力を回収する事ができる安価で高効の良い風力発電装置を実現できる大規模風力発電装置の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】本発明の実施例１の風力発電装置を示す構成図
【図２】風速計測手段および電流動作点決定手段の処理動作を説明するためのタイムチャート
【図３】トルクをパラメータとした風車の回転数と風速の関係を示す動作特性図
【図４】発電機の回転数のステップ応答を示すタイムチャート
【図５】風速をパラメータとした風車のトルクと軸動力の関係を示す出力特性図
【図６】軸動力が最大となる風速とトルクの相関特性図
【図７】同期発電機に連結された風車の軸に発生するトルクと同期発電機のｑ軸電流の相関特性図
【図８】増速器を介して風車に連結される同期発電機の出力電流とエネルギー変換効率の相関特性図
【図９】偏差電圧と充電電流との相関特性図
【図１０】本発明の実施例２の風力発電装置を示す構成図
【図１１】本発明の実施例３の風力発電装置を示す構成図
【図１２】本発明の実施例４の風力発電装置を示す構成図
【図１３】本発明の実施例５の風力発電装置を示す構成図
【図１４】本発明の実施例６の風力発電装置を示す構成図
【図１５】本発明の実施例７の風力発電装置を示す構成図
【図１６】本発明の実施例８の風力発電装置を示す構成図
【図１７】従来例の風力発電装置を示す構成図
【図１８】従来の風速をパラメータとした風車のトルクと軸動力の関係を示す風車の出力特性図
【図１９】従来の風車の出力特性の最大動作点Ｐｋ（ｋ＝１，２，３・・・）における風速ｖｋ（ｋ＝１，２，３・・・）とトルク動作点Ｔｋ（ｋ＝１，２，３・・・）の関係を示す相関特性図
【図２０】従来の同期発電機に連結された風車の軸に発生するトルクと同期発電機の出力電流実効値の相関特性図
【符号の説明】
【０１７４】
１  風車
３  同期電動機
５  バッテリー
６  風速計測手段
７  電流動作点決定手段
１０  定入力電流コンバータ
２９  整流回路
３２  定入力電流昇圧回路
３８  定入力電流昇降圧回路
４４  電流設定値決定手段
４５  定電圧昇圧回路
４６  定電流降圧回路
５６  系統
５８  電流設定値決定手段
５９  定電流連系インバータ
６８  電流設定値決定手段
６９  定電流昇降圧回路
７６  電流設定値決定手段
７７  定電圧コンバータ
９０  電流設定値決定手段
【図１】
2005080383.tif 000019
【図２】
2005080383.tif 000020
【図３】
2005080383.tif 000021
【図４】
2005080383.tif 000022
【図５】
2005080383.tif 000023
【図６】
2005080383.tif 000024
【図７】
2005080383.tif 000025
【図８】
2005080383.tif 000026
【図９】
2005080383.tif 000027
【図１０】
2005080383.tif 000028
【図１１】
2005080383.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005080383.tif 000032
【図１５】
2005080383.tif 000033
【図１６】
2005080383.tif 000034
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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