(57)【要約】【課題】変化幅の非常に大きい風力発電電力に対して発電電力に対応した規模の電力変換部を組み合わせて運用することにより、変換効率の向上・制御電力の低減等をすることができ、発電電力の有効利用ができる風力発電装置を提供する。【解決手段】１基の風力発電機に対して複数の電力変換部を備え、電力変換部の台数制御を行い、また、複数の電力変換部は夫々同一容量または夫々異容量の組合せにより所定容量の変換装置を構成し、複数の電力変換部の台数制御は、風速に対応して制御する。【選択図】図２
2007104786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１基の風力発電機に対して複数の電力変換部を備え、電力変換部の台数制御を行うことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
複数の電力変換部は夫々同一容量であることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
複数の電力変換部は夫々異容量であることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
複数の電力変換部の台数制御は、風速に対応して制御することを特徴とする請求項１乃至３記載の風力発電装置。
【請求項５】
風速の時間変化より風速の変化を予測し、運転する電力変換部を台数制御する請求項４記載の風力発電装置。
【請求項６】
風速を一定時間ごとに測定し、所定値以上の上昇方向にあるとき、電力変換部の運転台数を予備的に増やし、逆に所定値以上の下降傾向にあるときは予備的に減らすような制御を行う請求項５記載の風力発電装置。
【請求項７】
必要容量に予備力として適切な１台の電力変換部の運転を常時追加して運転する制御を行うことを特徴とする請求項１乃至６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、複数台の電力変換部を用いることにより風車による発電電力のエネルギーロスを生じることなく出力変動に効率よく対応可能な風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題への対応意識の高まりに伴い、自然エネルギーの有効利用を目指す動きが促進されている。自然エネルギーを利用する発電として風力発電が挙げられ、これは地球温暖化の要因であるＣＯ２を発生しないという点で脚光を浴びている発電方式である。しかし、発電のための原動力が風であり安定した電力供給源となり難く、特に、風の強さ・風向き等か急激に変化するため、それに対応して発電電力量が刻々と変化するものである。風力発電の場合、発電電力量は風速の3乗に比例するため、風速の変化に伴う発電電力量の変化幅が非常に大きい。一般的に風力発電の定格値は１０〜１５ｍ／ｓｅｃ程度で設定されており、連続的にこのような風速が期待できる場所は稀であり、通常は５ｍ／ｓｅｃ程度である。単純に計算すれば、定格風速の１／３程度ということであり、発電電力量はほぼ１／３０となる。
【０００３】
風力発電装置の発電電力量は上記のように風速による出力変動幅が非常に大きいため、例えば電力変化に１台の電力変換部、例えば交直変換装置等で対応しようとした場合、この電力変換部の最大定格は風車の最大出力と整合させることが必要となり、通常発電される電力に対して著しく過大なものとなる。一般的に交直変換装置の変換効率はその定格点近くで最大となるように設計されており、定格の１０％以下の運転では著しく効率が低下し、発電電力が有効に変換されない。また、独立型発電装置として使用する場合には何らかの電力貯蔵装置を設けて負荷に対応する必要があり、電力貯蔵装置として現在で最も実用的なものは蓄電池である。
【０００４】
例えば、複数の風力発電機により発電した電力をそれぞれ整流回路により直流電力に変換し、前記各整流回路の出力端子を共通接続し、前記各整流回路の出力端子の共通接続点と蓄電池との間に配置された制御スイッチを介し、前記各整流回路の出力により蓄電池を充電するシステムであり、整流回路の出力には常時ダミー抵抗が接続されているもの（特許文献１）や、発電機の出力を変圧比を変えて整流器に供給する変圧比可変の変圧器を設け、強風速時に変圧器の出力を下げる変圧比に制御し、低風速時に該変圧器の出力を上げる変圧比に制御し、また、風速状態の変化による発電機電圧の変化に応じて、蓄電池を異なる電圧を持つ複数の蓄電池構成にしてそれを切換えること、整流器の出力をＤＣ／ＤＣコンバータで昇降圧制御して蓄電池を充電すること（特許文献２）などが行われている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４３８４６号公報
【特許文献２】特開２０００−１０２２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の方法は風力発電機で発電した電力を蓄電池に貯蔵し、該蓄電池が過電圧とならないように整流回路の出力には常時ダミー抵抗を接続しており、風力発電装置で発電した電力をダミー抵抗で消費させるので、発電した電力を有効に利用できずエネルギーロスが生じてしまう。特許文献２記載の方法は風速状態の変化による発電機電圧の変化に応じて、蓄電池を異なる電圧を持つ複数の蓄電池構成にして切換え、整流器の出力をＤＣ／ＤＣコンバータで昇降圧制御して蓄電池の充電を行っているが、１台の電力変換部ではその変換効率は動作条件により変化するため、最適点では常時運転されず、エネルギーロスを招く。
【０００７】
また、風力発電機の定格値に合わせた電力変換部を設置した場合、風速が低い状況では発電された電力が蓄電池に充電されないという事態も発生する。通常の風速分布を考えれば５ｍ／ｓｅｃ以下程度の出現頻度が高いため、これにあわせて設定した場合、これ以上の風速で発電された電力に対応できず、余分の発電電力量をダミー抵抗で消費させる等の操作も必要となり、発電電力量は有効に活用されない状況となる。入力許容幅の非常に低い電力変換装置を用いる場合でも、その変換効率の最高点をどの値に設定すれば良いかという問題が発生する。この場合でも入力許容幅を０〜定格値までというような設計は困難であり、変換効率も低下する。風力発電装置の出力を有効に活用するために出力変動に効率よく対応可能な電力変換装置の実現は困難な状況にある。
【０００８】
このような背景の下、複数台の電力変換部を用いることにより風車の発電電力のエネルギーロスを生じることなく出力変動に効率よく対応可能な風力発電装置を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、１基の風力発電機に対して複数の電力変換部を備え、該電力変換部は風力発電機に応じて、例えば出力に応じて台数制御を行うことを特徴としたものである。
【００１０】
更に、請求項２に記載のように複数の電力変換部は夫々同一容量であることを特徴としたものである。
【００１１】
更に、請求項３記載のように複数の電力変換部は夫々異容量であることを特徴としたものである。
【００１２】
更に、請求項４記載のように複数の電力変換部の台数制御は、風速に対応して制御することを特徴としたものである。
【００１３】
更に、請求項５記載のように風速の時間変化より風速の変化を予測し、運転する電力変換部を台数制御することを特徴としたものである。
【００１４】
更に、請求項６記載のように風速を一定時間ごとに測定し、所定値以上の上昇方向にあるとき、電力変換部の運転台数を予備的に増やし、逆に所定値以上の下降傾向にあるときは予備的に減らすような制御を行うことを特徴としたものである。
【００１５】
更に、請求項７記載のように必要容量に予備力として適切な１台の電力変換部の運転を常時追加して運転する制御を行うことを特徴としたものである。
【００１６】
本発明は、1基の風力発電機に対して複数の電力変換部を備え、電力変換部の台数制御を行うことで風車の発電電力を有効利用できエネルギーロス生じなくさせることができる。また、電力変換部の台数制御を行うことで大容量の変換装置を連続運転する場合に比べ、電力変換部の制御電力や待機電力の削減も可能となり、システム全体の電力量の有効利用が図れる。また、電力変換部を切り替えて使用できるため、連続運転の場合に比べて寿命の延長を図ることができ装置全体の安定化が可能となる。
【００１７】
また、複数の小容量の電力変換部を所要数組み合わせ、風速を監視し、風速に対応して複数の電力変換部を台数制御し、蓄電池の充電を行い、風力発電電力量の変動に対応した最適な電力変換部の容量が選択でき、非常に低い発電量から定格値まで広範な発電電力を有効に蓄電池に充電できる。
【００１８】
また、風速の変動は非常に早いため、台数制御に遅れを生じた場合、電力変換部の故障を招く危険性もある。風速が低下方向にある時には多少の遅れは問題にならないが、上昇方向にあるときには特に重要な問題となる。そこで、一定時間ごとの風速の計測を行い、
風速の時間変化（風速の時間変化：ｄＶ/dｔ）より風速の変化率を予測または算出し、その結果をコントローラに入力し電力変換部を制御することで予備的に運転台数を増やす、あるいは減らす等の制御も可能である。ここで、風速の時間変化より風速の変化を予測する方法としては、一定時間ごとの風速の計測を行い、風速が増加傾向にあるのか、減少傾向にあるのかを事前のデータと比較・判断し台数制御をする、前記方法に学習能力を持たせ比較・判断を繰り返すことにより精度を高める、さらに設置場所における風況データ（最大風速、平均風速等）のテーブル等を事前に作成し、制御装置の内部メモリーに保存しておき、それを元に台数制御をすることができる。
【００１９】
更に、その風速に対応した台数に合わせるのでなく、少なくとも１台の予備機も起動しておくという制御（ｎ＋１制御：ｎ＝現状の風速に対応する電力変換機の台数）も行うことができる。この場合、設置場所における風況データ（最大風速、平均風速等）を参考として最大運転台数を予備的に決定しておくことも可能である。なお、これらの運転条件と実風速からの情報に基づく運転条件算定結果を組合せた制御も可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、変化幅の非常に大きい風力発電電力に対して発電電力に対応した規模の電力変換部を複数台組み合わせて運用することにより、変換効率の向上・制御電力の低減等の効果が得られ、発電電力の有効に利用することができる風力発電装置を提供することができる。当然のことながら上記した電力変換部の台数制御は幾つかの方法を組み合わせ種々変更させて行うことができることは言うまでもなく、特に、これらの方法は設置場所での風況、風力発電装置の特性に合わせて最適な組合せを選定することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を、図１および図２を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態を示すブロック図である。１は風車Ｗと発電機Ｇからなる風力発電機、２は直並列された蓄電池からなる電力貯蔵装置、３は複数台並列接続された電力変換部を備える変換装置（交直変換装置）、４はＤ／Ａコンバータ（直交変換装置）、５は交流負荷、６は電力変換部３を制御するためのコントローラ、７は風速計である。
【００２３】
風力発電機１で発電された電力が複数台並列接続された電力変換部３を介して電力貯蔵装置２内にある蓄電池に貯えられ、Ｄ／Ａコンバータ４を介して負荷側（交流負荷５）の要求に応じて蓄電池から放電される。風力発電機１の出力（発電電力）は風速によって変動する。そこで、電力変換部３の使用台数を風速計の値によって制御し、風速計７の値がコントローラ６に入力され、風速が強くなれば電力変換部３の使用台数を増やすように制御信号が入力され、逆に風速が弱くなれば電力変換部３の使用台数を減らすように制御信号が入力される。なお、電力変換部、Ｄ／Ａコンバータおよびコントローラの電源は蓄電池から供給される。
なお、風力発電機１で発電された電力は電力貯蔵装置２内の蓄電池に貯蔵し、Ｄ／Ａコンバータ４を介して負荷５に供給したが、風力発電機１で発電された電力を直接Ｄ／Ａコンバータ４を介して負荷５に供給しても良い。その時の余剰電力は、電力貯蔵装置２内の蓄電池に貯蔵される。
また、電力変換部３３は電力半導体スイッチング素子（サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等）を備えており、各々が１つの回路基板上で構成され、交流を直流に変換、または直流を交流に変換することが可能である。この回路基板は各々がパッケージングされており、内部の熱を放熱しやすいように底部以外の４側面に通気口を多数設けてある。また、電力変換部はパッケージングされたものを用いたが、複数の回路基板を筐体等に組込み各々を接続して使用することも可能である。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の内部のブロック図である。
以下、図２に示された回路開閉部（リレー）３１（３１−１、・・・、３１−（ｎ−１））、制御部３２（３２−１、・・・、３２−（ｎ−１））、電力変換部３３（３３−１、・・・、３３−ｎ）の動作を説明する。まず、風力発電装置１の風速がカットイン風速３ｍ／ｓｅｃ（発電を始める風速）に達し発電電力が上昇して電力変換部３３−１が動作すると、電力貯蔵装置２の蓄電池に電力が貯えられＤ／Ａコンバータ４を介して負荷側（交流負荷５）の要求に応じて蓄電池から放電される。さらに、風速が強くなり発電電力が上昇すると、コントローラ６からの信号により制御部３２−２が動作し回路開閉部３１−２がｏｎとなり、電力変換部３３−２が起動し、最初に動作していた電力変換部３３−１および電力変換部３３−２の双方が動作する。このように、発電装置１の出力電圧の上昇に従って、コントローラ６からの信号により制御部３２が動作し、回路開閉部がｏｎすることで電力変換部３３−１、・・・、３３−ｎが順次動作するようになっている。また、風速が弱くなり発電電力が下降すると、上昇時の運転とは逆に電力変換部３３−ｎ、・・・、３３−１が順次停止するようになっている。なお、電力変換部３内には電力変換部３３の保護のために逆流防止用ダイオード３４（３４−１、・・・、３４−ｎ）を設けてある。電力変換部３３の制御部３２は風力に応じて順次回路開閉部の動作を行う。各々の回路開閉部は独立しており、所望の電力変換部を選択し動作することが可能である。
なお、電力変換部の台数制御は風速計７の値によって行う他、風力発電機の出力や回転数等によっても行うことが可能である。また、電力変換部の台数の増減切替はリレーによって行ったが、ＣＰＵにより電力変換部の必要容量・台数を演算し自動的に設定する等の方法を用いることも可能である。この場合、上記のように順次電力変換部を動作させることも可能であるが、必要容量・台数を演算しそれに見合った電力変換部を選択することも可能である。
更に、電力変換部は１台ずつ１個の基板で構成しても或いは１個の基板に複数の電力変換部を構成しても良いし、或いは、電力変換部１台ずつを筐体内に収納する様にしても良い。
【００２５】
なお、電力貯蔵装置２の蓄電池としては、鉛蓄電池、Ｎｉ−Ｃｄ蓄電池、Ｎｉ−ＭＨ蓄電池、リチウムイオン電池等が使用出来る。更に、キャパシタ、フライホイール等も適用できる。また、電力変換部３を介して交流負荷に使用する例を示したが、負荷が直流負荷の場合にはＤＣ−ＤＣコンバータを介して電圧調整を行う、或いは蓄電池と直結して使用する等も可能である。また、系統電力を併用して運用することも可能であり、その場合には、系統連系保護装置、単独運転検出装置等も設置することで安定した電力を供給することができる。
また、表１に定格出力５ｋＷの風力発電機の風速と発電電力の関係の一例を示した。なお、この風力発電機のカットイン風速（発電を始める風速）３ｍ／ｓｅｃ、定格時風速１２ｍ／ｓｅｃであり、カットアウト風速（安全対策のため発電を停止する風速）は１５ｍ／ｓｅｃである。ここで、表１には風速１２ｍ／ｓｅｃまでのデータを記載したが、本発明で使用した風力発電装置は定格時風速（１２ｍ／ｓｅｃ）を超えた時点から風車の保護モード（風車の故障防止）となる。そして、定格時風速を超えカットアウト風速に至るまでの発電電力の増加量はあまり変化せず、電力変換部の安定動作できる許容し得る範囲である。
【００２６】
【表１】
2007104786.tif 000003
【実施例１】
【００２７】
図１に示す風力発電機、電力貯蔵装置、電力変換部、Ｄ／Ａコンバータ、交流負荷、コントローラ、風速計から成るシステムを用いて実証試験を行った。なお、本実施例で用いた風力発電機は表１に示す風速と発電量の関係が有り、カットイン風速（発電を始める風速）は３ｍ／ｓｅｃ、定格時風速は１２ｍ／ｓｅｃである。なおカットアウト風速（安全対策のため発電を停止する風速）は１５ｍ／ｓｅｃである。また、電力変換部は２００Ｗ定格の電力変換部２５台を並列接続した。
【００２８】
電力変換部の台数制御は、４ｍ／ｓｅｃの風速までは１台の電力変換部で運転し、その後風速が上昇した場合は運転する変換装置を増やしていき、逆に、発電量が減少した場合には増やした運転台数を減らす制御を行った。これらの制御は、風速を風速計で計測し、風力発電装置の出力に応じて必要となる変換装置容量をコントローラで算出し、コントローラからの信号により制御部が動作し回路開閉部の開閉動作により行った。なお、回路開閉部の開閉動作はリレー制御することで行った。
【実施例２】
【００２９】
電力変換部を合計して所定容量（５ｋＷ）となるように異なる容量の変換部を組み合わせて構成した以外は、実施例１と同様の構成のシステムを用いて同様の制御を行い実証試験を行った。なお、用いた電力変換部は１００Ｗ×1台、２００Ｗ×2台、５００Ｗ×1台、１ｋＷ×1台、３ｋＷ×1台の計６台を使用した。
【実施例３】
【００３０】
風速から必要となる変換装置容量に対して1台分の電力変換部を予備的に追加したモードで余裕のある運転（ｎ＋１台）制御を行った以外は実施例２と同様の構成のシステムを用いて実証試験を行った。例えば、各々の電力変換部を１００Ｗ×1台、２００Ｗ×2台、５００Ｗ×1台、１ｋＷ×1台、３ｋＷ×1台の６台とすると、風速５ｍ／ｓｅｃの場合、風力発電機の発電量は３６２Ｗであり、従来、風速に対応した２００Ｗ×２台＝４００Ｗの電力変換部（計２台）を用いて運転を行っていた。本実施例の（ｎ＋１台）制御は、２００Ｗ×２台＋１００Ｗ＝５００Ｗ（計３台）または１００Ｗ＋５００Ｗ＝６００Ｗ（計２台）等のように電力変換部を構成し、急激な風速の変動による電力変換部の故障を未然に防ぐことが可能である。なお、（ｎ＋１台）制御を行うのは、風速の変動は非常に早いため台数制御に遅れを生じた場合、電力変換部の故障を招く危険性があるからである。
なお、急な突風の場合にも使用した風力発電機の定格出力が５kWであるので、発電機の抵抗が大きく急激な出力変動（電力変動）とはならないので、風速計による電力変換部の台数制御であっても、風力発電装置の出力に応じて所望の電力変換部を順次増減することが可能であり、実施例１および２においても故障する危険性は殆んど無いが、（ｎ＋１台）制御を行うことでより安定した運用を行うことができる。
なお、各実施例において、電力変換部の台数制御は風速が強くなる場合は直ちに行い、風速が弱まる場合は多少の時間差を付けておこなう様にした。
【００３１】
（比較例１）
電力変換部（交直変換装置）を５ｋＷ定格のものを用いた以外は実施例１と同様の構成のシステムを用いて同様の制御を行い実証試験を行った。
【００３２】
表２は、実施例１〜３と比較例1の実証試験を行い同一運転期間中（１週間）での貯蔵電力量を示したものである。なお、風速は一般に季節により大きく変化し、表２に示したデータは今市市での夏（Ａ期間）、冬（Ｂ期間）のものである。
【００３３】
【表２】
2007104786.tif 000004
【００３４】
Ａ期間は比較的風速の低い夏であり、Ｂ期間と比べて構成による違いが顕著となったが、いずれの条件においても本発明の構成のほうが有効に電力貯蔵できることが確認できた。比較例１の発電電力が本発明に比し極端に低いのは、1台で５ｋWに対応できる変換装置の入力電力幅は定格の±４０％程度であり、１０ｍ／ｓｅｃ未満の風速での発電には対応できないためである。
なお、実施例１〜３は１ｋＷ以下の発電電力にも対応可能であり、風速の低い状況での発電電力も有効に貯蔵が可能であった。実施例２および実施例３は、１００Ｗ刻みでの細かい制御も可能となり、また、６基での制御となり運転制御も容易となり、さらに、構成も簡素化できコストダウンに繋がる結果となった。
また、比較例１の変換装置は消費電力が過大であり、本実施例１〜３のような制御を実施することにより、運転に関与しない変換装置の待機電力の減少が可能となり、変換装置全体での消費電力量を約６０〜８０％を削減することができる。
【００３５】
その後、瞬時の風速変化幅も予想されることから、実施例１、２において風速の時間変化から風速変化を事前予測し、電力変換部の運転台数を決定・起動させ風速の増加に対応することにより、装置の安全性を高める（故障率の低減を図る）確認を行った。このように風速変化の事前予測を実施することにより、電力変換部（交直変換装置）の故障率は約１／３に低減することができた。なお風速変化の事前予測は、一定時間ごとの風速の計測を行い、或いは、風速の直接計測に代え、間接的に風車の回転軸の回転数の計測、又は発電機の出力の計測を行い、風速が増加傾向にあるのか、減少傾向にあるのかを事前のデータと比較・判断し台数制御をすることで行った。なお、装置の設置場所における天気図や風況データ（最大風速、平均風速等）のテーブル等を事前に作成し、制御装置の内部メモリーに保存しておき、それを基に台数制御をすることも可能である。
また、実施例３のように現在の風速から必要となる変換装置容量に対して1台分の変換装置を予備的に追加したモードで余裕のある運転（ｎ＋１台）制御を行い、さらに風速変化を事前予測することで電力変換部の故障率を１／５に低減することができた。
【００３６】
なお、上述の実施例中で説明した変換装置容量の構成例は一例であり、これらはあくまでも本発明の適用範囲の一部に過ぎず、合計して所定の容量となるよう特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で、種々の変更が可能であることはいうまでもない。特に、設置場所での風況、風力発電装置の特性に合わせて最適な組合せを選定することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換部内部のブロック図。
【符号の説明】
【００３８】
１  風力発電装置
２  蓄電装置
３  電力変換部（交直変換装置）
４  Ａ／Ｄコンバータ（直交変換装置）
５  交流負荷
６  コントローラ
７  風速計
Ｇ  発電機
Ｗ  風車
【図１】
2007104786.tif 000005
【図２】
2007104786.tif 000006