(57)【要約】  【課題】  風力発電装置において、破損を防ぎ、装置の安全性を確保可能な技術を提供する。  【解決手段】  風車に結合された回転軸の軸トルクと、風車、回転軸または同期発電機の回転数を検出し、該検出結果に基づき該同期発電機の運転状態を制御する。該回転数が所定値以上となるとき、同期発電機の出力系をオフ状態とした後、軸トルク値を基準値と比較判別し、該判別の結果、軸トルク値が基準値を超える場合は、該同期発電機を力行モード運転状態にして該軸トルク値を減少させる。【選択図】  図３
2005304232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の回転動力を利用して発電を行う風力発電装置において、
風車の回転動力を電気エネルギーに変換する同期発電機と、
上記風車に結合された回転軸の軸トルク値を検出するトルク検出手段と、
上記風車、上記回転軸または上記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
上記回転数検出手段及び上記トルク検出手段の出力に基づき上記同期発電機の運転状態及び出力系のオン・オフ状態を制御する制御手段と、
を備え、上記検出された回転数が所定値以上となるとき、該同期発電機の出力系をオフ状態として、上記検出された軸トルク値が基準値を超えるか否かの判別を行い、該判別の結果、該軸トルク値が基準値を超える場合は、上記同期発電機を力行モード運転状態として該軸トルク値を減少させる構成としたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記検出された軸トルク値が上記基準値に達しない場合は、上記同期発電機を回生モード運転状態とする構成である請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
風車の回転動力を利用して発電を行う風力発電装置において、
風車の回転動力を電気エネルギーに変換する同期発電機と、
上記風車に結合された回転軸の軸トルク値を検出するトルク検出手段と、
上記トルク検出手段の出力に基づき該同期発電機の運転状態及び出力系のオン・オフ状態を制御する制御手段と、
を備え、上記回転軸の軸トルク値が所定値以上となるとき、上記同期発電機の出力系をオフ状態にし、該同期発電機を力行モード運転状態として該軸トルク値を減少させる構成としたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
風車の回転動力を同期発電機で電気エネルギーに変換して発電を行う風力発電装置の制御方法であって、
上記風車、該風車に結合された回転軸または上記同期発電機の回転数を検出する第１のステップと、
上記検出した回転数が所定値以上か否かを判別する第２のステップと、
上記判別の結果に基づき、上記同期発電機の出力系をオフ状態にする第３のステップと、
上記回転軸の軸トルク値を検出する第４のステップと、
上記軸トルク値が基準値を超えているか否かを判別する第５のステップと、
上記第５のステップにおける判別の結果、上記軸トルク値が基準値を超えている場合は上記同期発電機の運転状態を力行モード運転状態とし、該軸トルク値が基準値に達しない場合は回生モード運転状態とする第６のステップと、
を経て、風力発電装置を制御することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に係り、特に、強風などによる高速回転に起因して発生する装置の機械的部分の破損を回避する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の軽減を目的に自然エネルギーを利用する有効な技術として、風力発電が普及しつつある。風力発電では、台風による強風等で発電装置が損傷するなどの事故が発生しており、安全対策にはまだ改善の余地がある。風力発電における安全対策の従来技術としては、例えば特開２００２−３０３２４９号公報（特許文献１）や、特開２００３−２４７４８２号公報（特許文献２）などに記載されたものがある。特開２００２−３０３２４９号公報には、プロペラ（風車または翼）の主フレームの幅や翼フレームの幅などを特定範囲の寸法とし、該プロペラの面積を減少させることで風圧を逃がす構成が記載され、特開２００３−２４７４８２号公報には、風車運転状態に対応して、翼の有効長を変化させることで風の翼通過面積を制御する構成が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０３２４９号公報
【０００４】
【特許文献２】特開２００３−２４７４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特開２００２−３０３２４９号公報記載の技術では、プロペラ（風車、翼）の構造が複雑化したり、エネルギー変換効率が低下したり、騒音が増大したりするおそれがある。また、特開２００３−２４７４８２号公報記載の技術では、翼（風車、プロペラ）の有効長を可変する機構や制御が必要となるため、装置がコスト高になり易い。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、風力発電装置において、簡易な構成下で破損を回避し、装置の安全性を確保できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題点を解決するために、本発明では、風力発電装置として、（１）風車に結合された回転軸の軸トルクと、風車、回転軸または同期発電機の回転数を検出し、該検出結果に基づき該同期発電機の運転状態を制御する。該検出した回転数が所定値以上となるとき、同期発電機の出力系をオフ状態とした後、軸トルク値を基準値と比較判別し、該判別の結果、軸トルク値が基準値を超える場合は、該同期発電機を力行モード運転状態にして該軸トルク値を減少させる。また、（２）風車に結合された回転軸の軸トルクを検出し、該検出結果に基づき同期発電機の出力系をオフ状態とした後、同期発電機を力行モード運転状態として該軸トルク値を減少させる。該軸トルク値の減少後はさらに、該軸トルク値を基準値と比較判別し、該判別の結果、軸トルク値が基準値を超える場合は、該同期発電機を力行モード運転状態としてさらに軸トルク値を減少させる。また、（３）上記（１）、（２）において、軸トルク値が基準値に達しない場合は、上記同期発電機を回生モード運転状態にする。上記（１）、（２）、（３）において、上軸トルク値の減少化は、上記回転軸のねじり応力を低減させ、該回転軸や風車の破損を回避する。
具体的には、上記を基本的構成要件とした風力発電装置とその制御方法を、本発明として提案する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、風力発電装置において、台風などの強風に対しても損傷を回避して安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の最良の実施形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の実施形態の説明図である。図１は、本発明の実施形態の風力発電装置の外観図、図２は、図１の装置のブロック構成図、図３は、図１の装置における第１の制御動作の説明図、図４は、図１の装置における第２の制御動作の説明図である。
【０００９】
図１において、１は風力発電装置、１０は風車、１１は、風車１０に直接または間接に結合された回転軸の軸トルクを検出するトルク検出手段としてのトルク計測器、１２は、回転軸の回転速度を増大させるための増速機、１３は、増速機１２で増速された回転軸に回転子マグネットが固定され、風車１０の回転動力を電気エネルギーに変換する同期発電機、１４は、風車１０、上記回転軸または同期発電機１３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器、１５は、同期発電機１３からの発電出力を制御するとともに、トルク検出器１１の出力としての軸トルク検出情報及び回転数検出器１４の出力としての回転数検出情報に基づき該同期発電機１３の運転状態を制御する制御手段としての制御部である。制御部１５は、回転軸の軸トルク値を減少させるために、上記回転数検出情報及び上記軸トルク検出情報に基づき第１の制御動作または第２の制御動作を行い、該同期発電機１３の運転状態を制御する。第１の制御動作を行う場合は、制御部１５は、上記風車１０、上記回転軸または上記同期発電機１３の回転数が所定値以上となるとき、該同期発電機１３の出力系をオフ状態（例えば、発電出力端子の開放状態など）とし、上記検出した軸トルク値が基準値を超えるか否かの判別を行い、該判別結果に基づき上記同期発電機１３を力行モード運転状態（同期発電機１３を電動機として作動させ、回転子マグネットに風車１０と同じ回転方向の回転駆動力を発生させて回転軸を駆動するモード運転状態）または回生モード運転状態（同期発電機１３を発電機として作動させ、発電した電力を熱エネルギーとして消費させることで回転に制動力を与えるモード運転状態）として該軸トルク値を減少させるようにする。また、第２の制御動作を行う場合は、制御部１５は、トルク検出器１１で検出される回転軸の軸トルク値が所定値以上となるとき、同期発電機１３の出力系をオフ状態とし、該同期発電機１３を力行モード運転状態または回生モード運転状態として該軸トルク値を減少させるように該同期発電機１３の運転状態を制御する。回転数検出器１４は、例えば、同期発電機１３の発電出力（発電電圧）に基づき、風車１０、上記回転軸または同期発電機１３の回転数を検出する。
【００１０】
図２は、図１の風力発電装置のブロック構成図である。
図２において、２０は、風車１０に直接または間接に結合された回転軸、３０は、同期発電機１３の発電出力が供給される外部電源系統である。その他、図１と同じ構成要素には、図１の場合と同じ符号を付す。
【００１１】
図２の構成において、風車１０が風力により回転するとき、回転軸２０の風車１０側の端部には該風車１０による回転駆動力が働き、同回転軸２０の増速機１２側の端部には該増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などが働く。このため、回転軸２０にはねじりトルクが作用し、ねじり応力が発生する。増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗は、回転軸２０の回転数増大につれて増大するため、該ねじり応力は、回転軸２０の回転数が増大するにつれて増大する（回転数の自乗に比例するとされている）。該ねじり応力が増大し破損する限界に達すると回転軸２０に破損が発生する。該破損を回避するためには、回転軸２０のねじりトルクの増大を抑える必要がある。該ねじりトルクの増大を抑えるためには、回転軸２０の増速機１２側の端部に働く負荷トルクを低減する必要がある。本発明では、該負荷トルクの低減を、同期発電機１３を電動機として駆動することすなわち力行モード運転状態にすることで実現する。該力行モード運転状態では、電動機としての駆動力により、増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などを見かけ上減らすかまたはなくすようにする。電動機としての駆動力がこれらの負荷抵抗よりも大きい場合は、回転軸２０に上記場合とは逆の方向のねじりトルクを与え、回転軸２０や風車１０の回転数をさらに増大させてしまうため、この場合には、同期発電機１３を回生モード運転状態にして、回転軸２０や風車１０の回転に制動力を与え、上記逆方向のねじりトルクの増大や、回転軸２０や風車１０の回転数の増大を抑える。トルク計測器１１では、回転軸２０の上記ねじりトルクを該回転軸２０の軸トルク値として検出する。
【００１２】
制御部１５は、上記第１の制御動作を行う場合は、トルク計測器１１からの軸トルク検出情報（回転軸２０の軸トルク値情報）と、回転数検出器１４からの回転数検出情報（風車１０、回転軸２０または同期発電機１３の回転数情報）とに基づき、同期発電機１３の出力系をオフ状態にするとともに、該同期発電機１３を、力行モード運転状態または回生モード運転状態として、軸トルク値を減少させる。トルク計測器１１で検出される軸トルク値が正の場合は、同期発電機１３は力行モード運転状態とされ、該軸トルク値が負の場合は、該同期発電機１３は回生モード運転状態とされる。同期発電機１３の出力系をオフ状態にすることで、同期発電機１３の発電電力の電源系統３０への供給は断たれる。また、第２の制御動作を行う場合は、制御部１５は、トルク検出器１１からの軸トルク検出情報（回転軸２０の軸トルク値情報）に基づき、同期発電機１３の出力系をオフ状態にするとともに、該同期発電機１３を、力行モード運転状態または回生モード運転状態にして、軸トルク値を減少させる。トルク計測器１１で検出される軸トルク値が正の場合は、同期発電機１３は力行モード運転状態とされ、該軸トルク値が負の場合は、該同期発電機１３は回生モード運転状態とされる。
【００１３】
図３は、図１の装置における第１の制御動作の説明図である。本図３の説明中で用いる上記図１、図２の構成要素には、該図１、図２の場合と同じ符号を付す。
図３において、
（１）制御部１５は、制御動作を開始する（ステップＳ３０１）。
（２）回転数検出器１４は、回転軸２０の回転数を検出する（ステップＳ３０２）。検出結果の情報（回転数検出情報）は、制御部１５に入力される。この場合、回転数検出器１４は、風車１０の回転数を検出してもよいし、または同期発電機１３の回転数を検出してもよい。
（３）制御部１５は、回転数検出情報に基づき、上記回転数検出器１４が検出した回転軸２０の回転数が、予め設定されている回転数の上限値以上か否かを判別する（ステップＳ３０３）。判別の結果、回転軸２０の回転数が、回転数の上限値に達していない場合は、制御部１５は、装置動作を上記ステップＳ３０２の動作に戻す。
（４）上記ステップＳ３０３における判別の結果、回転軸２０の回転数が、回転数の上限値以上となっている場合は、制御部１５は、同期発電機１３の発電出力端子を開放するなどしてその出力系をオフ状態にする（ステップＳ３０４）。
（５）制御部１５は、トルク計測器１１により検出され出力される軸トルク検出情報としての回転軸２０のねじりトルク値すなわち軸トルク値Ｔを、予め設定されている基準値と比較して判別する（ステップＳ３０５）。ここでは、基準値を０（ゼロ）とする。
【００１４】
（６）上記ステップＳ３０５における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値を超えて正の値となる場合（Ｔ＞０）は、制御部１５は、同期発電機１３を力行モード運転状態すなわち電動機としての駆動状態に変換し、電動機としての駆動力により、増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などを見かけ上なくす（＝回転軸２０の風車１０側端部から見た負荷抵抗をなくす）ようにする（ステップＳ３０６）。この場合、同期発電機１３では、固定子コイル（図示なし）に、回転軸２０を現在の回転速度以上の速度で回転させるような回転磁界が印加され、回転子マグネットを回転駆動する。
（７）一方、上記ステップＳ３０５における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値よりも小さく負の値となる場合（Ｔ＜０）は、制御部１５は、同期発電機１３を回生モード運転状態として、発電電力を熱エネルギーとして消費させ、回転軸２０の回転に制動力を与える。すなわち同期発電機１３を、増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などとともに、回転軸２０の負荷として用い、上記軸トルク値Ｔを増大させるようにする（ステップＳ３０７）。
（８）また、上記ステップＳ３０５における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値と等しくなる場合（Ｔ＝０）は、制御部１５は、回転軸２０の回転数が上記上限値よりも下がったか否かを判別する（ステップＳ３０８）。判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記上限値よりも下がっていない場合は、制御部１５は、装置動作を上記ステップＳ３０５の動作に戻す。
（９）上記ステップＳ３０８における判別の結果、回転軸２０の回転数が上記上限値よりも下がっている場合は、制御部１５は、同期発電機１３の出力系をオン状態とし、発電出力を電源系統３０に供給可能な状態にする（ステップＳ３０９）。
（１０）制御部１５は、制御動作を終了する（ステップＳ３１０）。
【００１５】
なお、上記ステップＳ３０５において、軸トルク値Ｔの比較判別の基準値を０（ゼロ）としたが、０（ゼロ）以外の値または所定の範囲の値としてもよい。
【００１６】
図４は、図１の装置における第２の制御動作の説明図である。本図４の説明中で用いる上記図１、図２の構成要素にも、該図１、図２の場合と同じ符号を付すとする。
図４において、
（１）制御部１５は、制御動作を開始する（ステップＳ４０１）。
（２）トルク計測器１１は、回転軸２０のねじりトルク値すなわち軸トルク値Ｔを検出し、軸トルク検出情報として出力する（ステップＳ４０２）。
（３）制御部１５は、上記軸トルク検出情報に基づき、上記トルク計測器１１が検出した回転軸２０の軸トルク値Ｔが、予め設定されている上限値以上か否かを判別する（ステップＳ４０３）。判別の結果、軸トルク値Ｔが、上限値に達していない場合は、制御部１５は、装置動作を上記ステップＳ４０２の動作に戻す。
（４）上記ステップＳ４０３における判別の結果、回転軸２０の軸トルク値Ｔが、上限値以上となっている場合は、制御部１５は、同期発電機１３の発電出力端子を開放するなどしてその出力系をオフ状態にする（ステップＳ４０４）。
（５）制御部１５は、同期発電機１３を力行モード運転状態すなわち電動機としての駆動状態に変換し、電動機としての駆動力により、増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などを見かけ上なくす（＝回転軸２０の風車１０側端部から見た負荷抵抗をなくす）ようにする（ステップＳ４０５）。この場合、同期発電機１３では、固定子コイル（図示なし）に、回転軸２０を現在の回転速度以上の速度で回転させるような回転磁界が印加され、回転子マグネットを回転駆動する。
【００１７】
（６）制御部１５は、軸トルク検出情報としての回転軸２０の軸トルク値Ｔを、予め設定されている基準値と比較して判別する（ステップＳ４０６）。ここでは、基準値を０（ゼロ）とする。
（７）上記ステップＳ４０６における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値を超えて正の値となる場合（Ｔ＞０）は、制御部１５は、同期発電機１３を再び力行モード運転状態にして軸トルク値Ｔを低減するように制御する（ステップＳ４０５）。
（８）一方、上記ステップＳ４０６における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値よりも小さく、負の値となる場合（Ｔ＜０）は、制御部１５は、同期発電機１３を回生モード運転状態として、発電電力を熱エネルギーとして消費させ、回転軸２０の回転に制動力を与える。すなわち同期発電機１３を、増速機１２自体に起因する負荷抵抗や軸受部などに起因する負荷抵抗などとともに、回転軸２０の負荷として用い、上記軸トルク値Ｔを増大させるようにする（ステップＳ４０７）。
（９）また、上記ステップＳ４０６における判別の結果、上記軸トルク値Ｔが上記基準値と等しくなる場合（Ｔ＝０）は、制御部１５は、回転軸２０の回転数が、予め設定されている上限値よりも下がったか否かを判別する（ステップＳ４０８）。判別の結果、上記上限値よりも下がっていない場合は、制御部１５は、装置動作を上記ステップＳ４０５の動作に戻す。
（１０）上記ステップＳ４０８における判別の結果、回転軸２０の回転数が上記上限値よりも下がっている場合は、制御部１５は、同期発電機１３の出力系をオン状態とし、発電出力を電源系統３０に供給可能な状態にする（ステップＳ４０９）。
（１１）制御部１５は、制御動作を終了する（ステップＳ４１０）。
なお、上記ステップＳ４０６において、軸トルク値Ｔの比較判別の基準値を０（ゼロ）としたが、０（ゼロ）以外の値または所定の範囲の値としてもよい。
【００１８】
上記本発明の実施形態によれば、風力発電装置１において、台風などの強風に対しても回転軸２０のねじりトルク値の増大を抑え、破損を回避することができる。回転軸のねじりトルク値の増大を抑えることで付随的に、風車１０の風圧による曲げ応力等の増大も抑えられ、風車１０の破損も回避される。これによって、装置の信頼性が向上し、安全性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態としての風力発電装置の外観図である。
【図２】図１の風力発電装置のブロック構成図である。
【図３】図１の風力発電装置における第１の制御動作の説明図である。
【図４】図１の風力発電装置における第２の制御動作の説明図である。
【符号の説明】
【００２０】
１…風力発電装置、
１０…風車、
１１…トルク計測器、
１２…増速機、
１３…同期発電機、
１４…回転数検出器、
１５…制御部、
２０…回転軸、
３０…電源系統。
【図１】
2005304232.tif 000003
【図２】
2005304232.tif 000004
【図３】
2005304232.tif 000005
【図４】
2005304232.tif 000006