(57)【要約】【課題】経済的に有利な構成を備えると共に、変化する風速に応じて効率的な発電を可能とする風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置は、風車１と、主軸２と、主軸に接続された発電機３、４と、発電機３で発電された交流電力を電力変換して交流電力系統１７に供給する電力変換器１１、１３と、発電機４に接続され、発電された交流電力を交流電力系統に投入するスイッチ１５と、風車の回転速度を可変可能な風車速度可変制御部と、風速計３２と、発電制御部３１を備え、発電制御部は、風速により発電機３に接続された電力変換器を制御し、風速が所定風速を超えた場合、スイッチ１５により発電機４を投入して交流電力を交流電力系統に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風により回転駆動される風車と、
前記風車と共に回転する主軸と、
当該主軸に共通して接続された複数の発電機と、
前記複数の発電機のうちの少なくとも１の発電機に接続され、当該発電機により発電された交流電力を電力変換して交流電力系統に供給する電力変換器と、
前記電力変換器と接続されていない他の発電機に接続され、当該発電機により発電された交流電力を、直接、前記交流電力系統に投入するスイッチと、
風速に対して前記風車の主軸の回転速度を可変可能な風車速度可変手段と、
風速を計測する手段と、そして、
少なくとも、前記電力変換器の電力変換動作、前記スイッチの投入、前記風車速度可変手段の動作を制御する制御部を備えた風力発電装置であって、
前記制御部は、前記風速計測手段からの風速により、前記少なくとも１の発電機に接続された電力変換器の電力変換動作を制御すると共に、計測された風速が、前記他の発電機が定格出力を発生する回転数に対応する定格風速を超えた場合、前記風車速度可変手段の働きにより、風により回転駆動される前記風車の回転数を当該定格風速に一定に保持するように制御し、そして、前記他の発電機は、前記制御部が前記スイッチを投入した場合、当該投入されたスイッチを介して、発電した交流電力を前記交流電力系統に供給することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載した風力発電装置において、前記制御部は、更に、風速が前記定格風速よりも低い値に設定された所定風速を超えた場合、前記少なくとも１の発電機から交流電力系統に供給される電力が一定になるように、前記電力変換器の電力変換動作を制御すると共に、前記スイッチにより前記他の発電機を投入することを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載した風力発電装置において、前記所定風速は、前記他の発電機の同期速度に対応して設定されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
前記請求項３に記載した風力発電装置において、前記所定風速は、前記１の発電機が発電を開始する最小風速よりも大きく、かつ、前記定格風速よりも小さな値に設定されおり、かつ、
風速が当該最小風速以上でかつ所定風速以下の場合、前記少なくとも１の発電機のみが発電を行い、
風速が当該所定風速を超えた場合、前記他の発電機が前記スイッチにより投入され、そして、
風速が当該定格風速を超えた場合、前記少なくとも１の発電機と前記他の発電機が、共に、発電を行うことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
前記請求項４に記載した風力発電装置において、前記電力変換器は、前記少なくとも１の発電機からの交流電力を直流電力に変換する変換器と、当該変換器により変換された直流電力を前記交流電力系統の周波数の交流電力に変換する逆変換器とを備えており、前記制御部は、当該変換器と当該逆変換器の変換動作を制御し、もって、所望の交流電力を前記交流電力系統に供給すると共に、前記風車主軸を前記所定風速に対応する回転数で安定させるように働くことを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
前記請求項５に記載した風力発電装置において、前記１の発電機は同期発電機であり、かつ、前記他の電動機は誘導発電機であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
前記請求項６に記載した風力発電装置において、前記電力変換器は、前記他の電動機である誘導発電機への励磁電流を、前記交流電力系統への無効電流として供給することを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
前記請求項７に記載した風力発電装置において、前記スイッチは、前記他の発電機により発電された交流電力の前記交流電力系統への供給を、徐々に行うことを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
前記請求項８に記載した風力発電装置において、前記スイッチは、逆並列接続された半導体スイッチング素子により構成されたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
前記請求項１に記載した風力発電装置において、前記電力変換器は、その一部にエネルギー蓄積手段を備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１１】
前記請求項１に記載した風力発電装置において、前記風車の主軸には、前記他の発電機との間にクラッチを設け、当該他の発電機を発電運転する場合に、当該クラッチを接続することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１２】
前記請求項１に記載した風力発電装置において、前記少なくとも１の発電機及び前記他の発電機の一方が異常により発電を停止した場合、残りの発電機が発電を継続することを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力を利用して発電を行う風力発電装置に関し、特に、経済的に有利な構成を備えると共に、効率的な発電が可能な風力発電装置に関する。
に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エコロジーの観点、特に、二酸化炭素（ＣＯ２）排出の低減を図るための手段として、自然の力である風力を利用して発電を行う風力発電装置が注目され、また、実際にも広く利用されている。ところで、かかる風力発電装置の一般的な構成としては、例えば、以下の特許文献１には、永久磁石発電機を用い、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得る方法が記載されている。この方法によれば、風速に応じた最大の電力が得られる回転数を指令することによって発電機を運転することとなる。また、永久磁石発電機を用いることにより、高効率の発電が可能となることが記載されている。
【０００３】
一方、高効率に発電を行うためには、以下の特許文献２にも知られるように、風速に応じて駆動する発電機の数を変えるために、複数台の発電機の間にクラッチを備えたものが既に提案されており、当該装置では、風速が低いときには１台の発電機で発電を行い、高速になるに従って上述したクラッチを接続することにより、発電機の運転台数を増やす。
【０００４】
また、以下の特許文献３には、複数台の発電機を備え、その一部、即ち、少なくとも１台を多速発電機とすることにより、装置の効率化と大出力化を狙ったものも既に知られている。
【０００５】
加えて、以下の特許文献４には、誘導発電機と風車タービンとからなる、通常に用いられる誘導機型風力発電装置と、所謂、ＤＣリンク型風力発電装置とを、それぞれ、独立に分離して設けた風力発電設備が開示されており、誘導機型風力発電装置の運転に必要な無効電力を、ＤＣリンク型風力発電装置が発生する無効電力分にて補償することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８４３９４号公報
【特許文献２】特開２００３−３３６５７１号公報
【特許文献３】特開２０００−２３６６９８号公報
【特許文献４】特開２００３−２３７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしならが、上述した従来技術には、以下のような問題点があった。即ち、上記特許文献１の風力発電装置では、高効率で発電を行うことが可能とはなるが、しかし、当該装置を構成する永久磁石発電機、更に、当該発電機により発電された電力を所望の形態（例えば、商用交流電力）に変換する電力変換器は、風力エネルギーにより得られる最大発電電力に適用した容量のものに設定（設計）される必要があることから、装置全体が高価なものとなってしまう。
【０００８】
また、上記特許文献２の構成では、ある程度の効率化は可能となるが、しかしながら、クラッチにより、駆動する発電機の数を変えて風速に合わせた最適の回転数で運転することは必ずしも容易ではなく、そのため、最大電力を得るように運転することは難しかった。
【０００９】
更に、上記特許文献３の装置でも、上述した程ではないが、しかし、多速発電機（具体的には、２速度発電機）を用いることから、やはり、風速に適合した最適の回転数での運転は困難であり、即ち、必ずしも、最大電力を得る発電は不可能である。
【００１０】
そして、上記特許文献４の装置では、誘導機型風力発電装置の運転に必要な無効電力を、ＤＣリンク型風力発電装置が発生する無効電力分にて補償するための制御装置を含む設備が必要となり、やはり、装置全体が高価なものとなってしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、特に、経済的に有利な構成を備えると共に、変化する風速に応じて効率的な発電を可能とする風力発電装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、まず、風により回転駆動される風車と、前記風車と共に回転する主軸と、当該主軸に共通して接続された複数の発電機と、前記複数の発電機のうちの少なくとも１の発電機に接続され、当該発電機により発電された交流電力を電力変換して交流電力系統に供給する電力変換器と、前記電力変換器と接続されていない他の発電機に接続され、当該発電機により発電された交流電力を、直接、前記交流電力系統に投入するスイッチと、風速に対して前記風車の主軸の回転速度を可変可能な風車速度可変手段と、風速を計測する手段と、そして、少なくとも、前記電力変換器の電力変換動作、前記スイッチの投入、前記風車速度可変手段の動作を制御する制御部を備えた風力発電装置であって、前記制御部は、前記風速計測手段からの風速により、前記少なくとも１の発電機に接続された電力変換器の電力変換動作を制御すると共に、計測された風速が、前記他の発電機が定格出力を発生する回転数に対応する定格風速を超えた場合、前記風車速度可変手段の働きにより、風により回転駆動される前記風車の回転数を当該定格風速に一定に保持するように制御し、そして、前記他の発電機は、前記制御部が前記スイッチを投入した場合、当該投入されたスイッチを介して、発電した交流電力を前記交流電力系統に供給する風力発電装置が提案されている。
【００１３】
また、本発明では、前記に記載した風力発電装置において、前記制御部は、更に、風速が前記定格風速よりも低い値に設定された所定風速を超えた場合、前記少なくとも１の発電機から交流電力系統に供給される電力が一定になるように、前記電力変換器の電力変換動作を制御すると共に、前記スイッチにより前記他の発電機を投入することが好ましく、更には、前記所定風速は、前記他の発電機の同期速度に対応して設定されていることが好ましい。そして、前記所定風速は、前記１の発電機が発電を開始する最小風速よりも大きく、かつ、前記定格風速よりも小さな値に設定されおり、かつ、風速が当該最小風速以上でかつ所定風速以下の場合、前記少なくとも１の発電機のみが発電を行い、風速が当該所定風速を超えた場合、前記他の発電機が前記スイッチにより投入され、そして、風速が当該定格風速を超えた場合、前記少なくとも１の発電機と前記他の発電機が、共に、発電を行うことが好ましい。
【００１４】
また、本発明では、前記に記載した風力発電装置においては、前記電力変換器は、前記１の発電機からの交流電力を直流電力に変換する変換器と、当該変換器により変換された直流電力を前記交流電力系統の周波数の交流電力に変換する逆変換器とを備えており、前記制御部は、当該変換器と当該逆変換器の変換動作を制御し、もって、所望の交流電力を前記交流電力系統に供給すると共に、前記風車主軸を前記所定風速に対応する回転数で安定させるように働くことが好ましく、更には、前記少なくとも１の発電機は同期発電機であり、かつ、前記他の電動機は誘導発電機であることが好ましい。そして、前記電力変換器は、前記他の電動機である誘導発電機への励磁電流を、前記交流電力系統への無効電流として供給することが好ましく、更に、前記スイッチは、前記他の発電機により発電された交流電力の前記交流電力系統への供給を、徐々に行うことが好ましい。なお、このスイッチは、逆並列接続された半導体スイッチング素子により構成されたことが好ましい。
【００１５】
加えて、本発明では、前記に記載した風力発電装置においては、前記電力変換器は、その一部にエネルギー蓄積手段を備えてもよく、前記風車の主軸には、前記他の発電機との間にクラッチを設け、当該他の発電機を発電運転する場合に、当該クラッチを接続してもよく、更には、前記少なくとも１の発電機及び前記他の発電機の一方が異常により発電を停止した場合、残りの発電機が発電を継続するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明によれば、経済的に有利な構成を備えると共に、変化する風速に応じて効率的な発電を可能とする風力発電装置を提供することが可能となるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】上記風力発電装置を構成する風車ブレードとそのピッチ角制御機構を示す図である。
【図３】上記風車ブレードのピッチ角制御機に替え、比較的小型の風車ブレードに適用可能なストール制御を説明する図である。
【図４】上記風力発電装置を構成する発電機制御部の内部詳細の一例を示すブロック図である。
【図５】上記風力発電装置の動作特性を説明するための図である。
【図６】上記風力発電装置の指令制御部による所定速度Ｖ１付近での発電指令（出力）の一例を示す図である。
【図７】上記風力発電装置を構成するスイッチの他の構成例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例（実施例２）になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施例（実施例３）になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施例（実施例４）になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】上記実施例４になる風力発電装置における電圧制御部を含む回路の一例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第５の実施例（実施例５）になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する、
【実施例１】
【００１９】
まず、添付の図１は、本発明になる風力発電装置の全体構成を示すブロック図であり、この図において、風車ブレード１は、主軸２に接続され、そして、当該主軸２には、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４が接続されている。なお、本例では、上記第一発電機（Ｇ１）は、例えば、三相の永久磁石同期発電機、そして、上記第二発電機（Ｇ２）は、三相の誘導発電機により構成されており、かつ、それらの回転子は、共通軸としての上記の主軸２上に、それぞれ、個別に取り付けられている。即ち、かかる構成によれば、風車ブレード１の回転は、直接、主軸２に伝達される。そして、当該主軸２の回転に伴って、上記第一及び第二発電機３、４の回転子が回転し、その結果、それらの固定子側のコイルには、それぞれ、電力が発生されることとなる。そして、これらの発電機３、４により発生された電力は、以下に示す電力変換回路などを介して、図に符号１７で示す交流の電力系統（Ｇｒｉｄ）へ供給されることとなる。
【００２０】
なお、図１に示した例では、主軸２は、上記発電機３、４の回転子に対して直接的に接続（即ち、主軸を共通の軸として）するものとして説明したが、本発明では、これに限定されることなく、その他、例えば、増速ギヤ等を介して接続してもよい。特に、第一発電機（Ｇ１）３を構成する永久磁石同期発電機の最適回転数と、第二発電機（Ｇ２）４を構成する永久磁石同期発電機の最適回転数とが異なる場合には、それぞれ、発電機の回転軸と上記主軸２との間の整合（マッチング）を図るため、発電機への増速ギヤは、それぞれ、異なるものであってもよい。
【００２１】
添付の図２には、上記風車ブレード１であり、特に、比較的に大型で、その各ブレードのピッチ角を可変とする（ピッチ角制御）機構を含む例が示されている。即ち、３枚のブレード１０１、１０１の端部から延びた支持軸１０２，１０２を主軸２の端部に当接触し、かつ、回転可能に取付ける。当該支持軸１０２には、それぞれ、歯車１０３、１０３が取り付けられ、これら歯車１０３、１０３と噛合して円環状の歯車１０４を設ける。そして、当該円環状の歯車１０４を、以下に述べるピッチ制御部により駆動・制御される駆動機構である、例えば、電動モータ１０５の回転軸に取り付けた歯車１０６により、回転させる。このことにより、図に矢印で示すように、３枚のブレード１０１、１０１のピッチ（羽根の角度）を可変にするものであり、これによれば、風によって回転駆動される上記風車ブレード１の回転速度を制御することが出来る。なお、図の符号１０７は、上記３枚のブレード１０１、１０１の中心部に設けられた、所謂、ハブを示している。
【００２２】
更に、添付の図３（Ａ）及び（Ｂ）には、比較的小型の風車ブレードに適用可能な風車ブレード１の回転速度を制御する方式を示す。これらの図に示す例では、風力発電装置の全体１００を、風に対して所望の方向に設定するものであり、この場合にも、図示されない電動モータや歯車やカムを含む回転移動機構を当該装置１００内に構成することにより容易に実現することが出来ることは、当業者であれば明らかであろう。更には、直接的な回転速度の制御とは異なるが、風車羽根の背面で気流が剥がれて失速する現象を起こし、羽根の揚力を失うことにより回転速度が制御される方式（所謂、ストール制御）を利用することによって回転速度を制御する方法もある。即ち、上述した種々の方式によれば、定格以上の風速でも、風車部レートの回転速度を変更することは可能である。
【００２３】
再び、上記図１に戻り、参照符号３７は、所謂、ピッチ制御部を示している。即ち、当該ピッチ制御部３７は、上述した風車ブレード１のピッチ可変機構又は装置の回転移動機構を駆動・制御することにより、風車ブレード１の回転速度、即ち、主軸２の回転速度を、所望の速度を中心として制御する。
【００２４】
続いて、上記発電機３、４によって発生された電力を、電源であり交流電力系統（Ｇｒｉｄ）１７へ供給するための電力変換回路を含む回路部分について、以下に説明する。まず、上記第一発電機（Ｇ１）３からの三相交流出力は、コンバータ１１に入力されて直流電力に変換される。直流回路では、その脈動を低減するための平滑コンデンサ（直流回路）１２が設けられており、変換された直流電力は、更に、当該平滑コンデンサ１２を介してインバータ１３に入力され、当該インバータ１３により所望の周波数（例えば、商用電源の周波数）の交流電力に変換される。このインバータ１３からの交流出力は、例えば、変圧器１４を介して交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ出力される。一方、上記第二発電機（Ｇ２）４からの三相交流出力は、スイッチ１５、そして、変圧器１６を介して、上記交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ出力される。即ち、上記第一発電機（Ｇ１）３からの三相交流出力は、電力変換器を介して交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ交流接続され（変圧器１４を介して）、他方、第二発電機（Ｇ２）４からの三相交流出力は、電力変換器を介することなく、スイッチ１５を介して、直接、交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ交流接続されている（変圧器１６を介して）。
【００２５】
また、図中の符号３２は、風速計を示しており、この風速計３２により測定された風速は、発電機制御部３１に入力される。また、上記インバータ１３からの三相交流出力は電力計３３により測定されており、その測定された電力も、同様に、発電機制御部３１に入力される。
【００２６】
一方、この発電機制御部３１は、速度指令としての制御信号を、速度制御部３４に出力する。この速度制御部３４は、その出力によりコンバータ１１をＰＷＭ制御し、もって、上記第一発電機（Ｇ１）３が当該速度指令によって指令された速度になるように動作する。また、コンバータ１１からインバータ１３に入力される直流電圧は、図中に符号３５により示した電圧検出部により検出されており、当該電圧検出部３５により検出された電圧は、電圧制御部３６に入力されている。即ち、この電圧制御部３６の出力はインバータ１３に入力され、もって、インバータ１３は、測定された電圧を基にＰＷＭ制御を行うことにより、所望の周波数の交流電力を出力する。
【００２７】
加えて、上記の発電機制御部３１は、その出力を上記ピッチ制御部３７へも送出しており、これにより、上述したように、風車ブレード１のピッチ角が所望の角度に制御されることとなる。なお、実際には、上記インバータ１３の交流電源側には、リアクトル等のフィルターが必要となるが、ここでは、説明の簡易のため、省略している。
【００２８】
なお、上記発電機制御部３１の内部詳細の一例を、添付の図４に示す。なお、特に、風速が所定風速Ｖ１の近傍で頻繁に変化する状態においては、第一発電機（Ｇ１）３だけが発電するモードと、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４の両者が発電するモードとの間で、頻繁に、動作モードの切り替えが発生し、そして、各モードでの発電特性が異なることから、当該動作モードの切り替え時に擾乱が生じる可能性がある。この例は、かかる状態にも対応する発電機制御部３１の具体的な構成を示すものであり、ここでは、所定風速Ｖ１を、風の状態によって変更する。
【００２９】
図において、風速計３２で計測した風速から、風速推定部３１１では、風速状態がどのようになるのかを推定する。例えば、平均風速や今後の風速状態を推定する。所定風速であるＶ１を生成するＶ１指令部３１２は、上記風速推定部３１１からの風速状態の推定値に基づいて、所定風速Ｖ１の値を設定する。なお、このＶ１の値は、以下にも述べる定格風速Ｖｒよりも小さく（Ｖ１＜Ｖｒ）、（１）平均風速の風速状況に応じて切換が頻繁に発生しないような値、（２）今後の風速変化を予測して切換が頻繁に発生しないような値、（３）過去の履歴から切替えの影響が出ない値、（４）風速状況をみて効率がよい値、又は、（５）電力変動が小さくなる値など、様々に、設定することが可能である。また、この所定風速Ｖ１の値は、適当なタイムインターバルで変更してもよい。
【００３０】
そして、指令制御部３１３は、上述した所定風速Ｖ１の値、風速推定部３１１からの風速、又は、電力計３３の計測値によって、発電機の速度を制御する信号を上記速度制御部３４へ、ピッチ角を制御する信号をピッチ制御部３７、そして、その開閉を制御する信号をスイッチ１５へ出力する。これによれば、当該所定風速の近傍において風の状況が種々変化する場合にも、安定な発電が可能となる。
【００３１】
続いて、以下には、上記にその構成を説明した風力発電装置の動作について、添付の図５を参照しながら、詳細に説明する。なお、ここでは、横軸の風速に対する上記第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４の特性が示されており、左側の縦軸には出力を、そして、右側の縦軸には回転数をそれぞれ示している。また、本例では、以下にも明らかなように、上記第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４は、ほぼ同一の発電能力を備えるものとする。
【００３２】
まず、発電機制御部３１は、風速計３２で測定された風速（より好ましくは、平均風速）に応じて、上記速度制御部３４を介して、第一発電機（Ｇ１）３により発電される電力を指令する。より具体的には、最小風速（カットイン風速）Ｖｉ（％）になった時点から運転指令の出力を開始し、所定風速Ｖ１に達するまでは、風速の３乗に比例した発電電力指令を出力する。その後、風速Ｖ１から最大風速（カットアウト風速）Ｖｏまでの範囲では、一定値の発電電力指令を出力する（図の実線を参照）。
【００３３】
より詳細に説明すると、低風速の範囲（Ｖｉ〜Ｖ１）では、上記発電機制御部３１において、指令した第一発電機（Ｇ１）３の発電電力指令と、電力計３３により計測された電力、即ち、実際に第一発電機（Ｇ１）３で発生した電力である電力検出値とが比較され、その偏差に応じて第一発電機（Ｇ１）３の速度指令が出力される。そこで、速度制御部３４では、第一発電機（Ｇ１）３の回転数が速度指令に近づくようにコンバータ１１のＰＷＭ制御を実行することにより、当該第一発電機（Ｇ１）３の速度制御を行う。なお、第一発電機（Ｇ１）３に対して速度制御を行うための、このような速度制御部３４の構成については、同期機の磁極位置センサレス制御の方法として既に公知のものであり、例えば、特開２００３−６１３８６号公報等に記載されており、ここでは、その詳述は行わない。即ち、上述した方法を用いることによれば、同期機の磁極位置を検出する位置センサを用いることなく、永久磁石同期機（即ち、第一発電機（Ｇ１）３）の速度を精度よく制御することが出来る。或いは、これに代え、上記速度制御部３４は、同期機の磁極位置を検出すると共に、その回転数をも検出可能なセンサを用いることによっても、上述した速度制御を行うことが可能であることは、当業者であれば当然であろう。
【００３４】
次に、風速が上述した所定の風速Ｖ１に達すると、発電機制御部３１は、その指令によりスイッチ１５を投入状態にする。これにより、上記の第一発電機（Ｇ１）３に加えて、第二発電機（Ｇ２）４が発電を開始する。その結果、風力発電装置からの出力は破線で示すようになる（即ち、Ｇ１出力＋Ｇ２出力）。
なお、既述のように、所定風速Ｖ１以上の風速では、第一発電機（Ｇ１）３の電力指令は、上記発電機制御部３１の働きにより、一定値となっている。
【００３５】
更に風速が上昇して風速が定格風速Ｖｒ以上になると、発電機制御部３１からの指令により、上記のピッチ制御部３７がその動作を開始し、即ち、風車ブレード１のピッチ制御を実行する。その結果、その回転数は、図に点線で示すように、ブレードのピッチ角度を、適宜、制御することにより、一定の値に保持される。また、このピッチ制御によれば、風車ブレード１からの出力（発電力）が抑制されて一定の値に保持されることとなる。その後、更に風速が上昇して風速が最大風速（カットアウト風速）Ｖｏ以上になると、発電機制御部３１は、発電を停止する指令を出力し、上記第一発電機（Ｇ１）３及び第二発電機（Ｇ２）４の発電を停止する。なお、ここで、定格風速Ｖｒとは、第二発電機（Ｇ２）４が定格出力を発生する時の回転数に対応する風速である。
【００３６】
以上のように、第一発電機（Ｇ１）３により発電された電力は、上述したコンバータ１１を介して直流に変換される。この時、電圧制御部３６は、当該直流回路の電圧が所定の値となるように、ＰＷＭ制御をインバータ１３に対して行い、そして、当該インバータ１３からの交流電力が交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ送出される。これは、コンバータ１１から出力される直流電力は全てインバータ１３により交流電力に変換されるが、この時、両者の変換電力がバランスしていないと、当該直流回路の電圧が増減することとなるからである。なお、上記の図５では、定格風速Ｖｒを１００％の風速とし、最大風速Ｖｏを２００％の風速として表示しているが、しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３７】
このように、本発明の風力発電装置では、風速が最小風速Ｖｉから所定の風速Ｖ１までの範囲では、第一発電機（Ｇ１）３だけで発電が行われ、その間、風速の増加に伴って、即ち、風速の３乗に比例して、当該第一発電機（Ｇ１）３の出力は徐々に増加する。そして、所定の風速Ｖ１に達すると、スイッチ１５が投入され、第二発電機（Ｇ２）４も発電を開始する。この時、当該第二発電機（Ｇ２）４の回転数は、その誘導発電機の同期速度とほぼ一致するように設定されている。なお、誘導発電機の同期速度は、その極数と電源系統の周波数とから一義的に定まる。その結果、当該第二発電機（Ｇ２）４は同期速度で回転していることから、その出力Ｇ２は零（０）となる。
【００３８】
その後、風速が所定風速Ｖ１を越えて増加すると、風車ブレード１で受ける風力（パワー）も増加する。一方、第一発電機（Ｇ１）３に対する発電出力としては、所定の風速Ｖ１での値が指令されている。その結果、当該第一発電機（Ｇ１）３の出力は変化しないことから、その回転数が増加する。そして、回転数が同期速度（＝Ｖ１）を越えて増加すると、その増加割合に応じて、第二発電機（Ｇ２）４である誘導発電機からの発電電力（Ｇ２出力）が増加する（図の破線を参照）。このように、所定の風速Ｖ１から定格の風速Ｖｒまでの範囲では、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４の両者により発電が行われ、そして、この間は、風車ブレード１の回転数も増加し、その結果、第二発電機（Ｇ２）４による発電出力は増加する。
【００３９】
更に、風速が定格風速Ｖｒに達すると、発電機制御部３１は、風車ブレード１の軸出力が一定となるよう、ピッチ指令をピッチ制御部３７へ出力する。その結果、風車ブレード１のピッチ角度が制御され、風車ブレード１の回転数は一定の値に保持される（＝Ｖｒ：交流電力の周波数よりも５〜１０％程度高い値）。このようにして、定格風速Ｖｒから最大風速Ｖｏまでの範囲では、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４からの発電出力はほぼ一定となる（Ｇ１出力＋Ｇ２出力）。
【００４０】
即ち、上述した本発明の風力発電装置における制御によれば、風速が最小風速Ｖｉから定格風速Ｖｒまでの範囲では、所謂、可変速制御が行われ、その結果、風力エネルギーを高効率に電力に変換することが可能となる。また、定格風速Ｖｒ以上の範囲では、一定の発電量が得られることとなる。即ち、かかる制御によれば、風車の回転速度は、特に、定格風速Ｖｒ以上の範囲では、その変速範囲が小さくなることから、第二発電機（Ｇ２）４を含め、発電機を効率的に利用することが可能となる。
【００４１】
このように、本発明の風力発電装置は、最小風速Ｖｉから所定風速Ｖ１までの範囲では、第一発電機（Ｇ１）３だけで発電が行われ、当該所定風速Ｖ１から最大風速Ｖｏまでの範囲では、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４の両者により発電が行われる。そして、上記コンバータ１１やインバータ１３を含む電力変換器は、上記第一発電機（Ｇ１）３にだけ設置されてその制御にだけ利用されることから、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４からの全発電容量を変換する方式に比較し、当該電力変換器の容量（即ち、装置容量）を著しく低減（例えば、半減）することが可能となる。その結果、風力発電装置を小型化し、かつ、安価に製造することが可能となる。また、個々の機器についても小型化が図れることから、装置の揚上や搬送、更には、その設置が容易となる。更に、第二発電機（Ｇ２）４は、風速の広い範囲において、定格風速Ｖｒで運転されることから、その出力は、電力変換器を介することなく、交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ送出される。また、その際には、発電機制御部３１により閉じられたスイッチ１５を介して、直接、交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ送出されることから、電力変換器による損失を発生することがない。なお、ここでは、当該第二発電機（Ｇ２）４の具体的な構成の一例として、誘導発電機について述べたが、当該誘導発電機は、構造が簡単であり、堅牢で安価であることから好適である。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、当該第二発電機（Ｇ２）４を、上記第一発電機（Ｇ１）３と同様、同期発電機により構成することも可能であろう。
【００４２】
また、上記の説明では、第二発電機（Ｇ２）４が発電を開始する所定風速Ｖ１は、当該第二発電機（Ｇ２）４が同期速度となる風速に設定されるものとしたが、しかしながら、発電機や電力変換器の容量などの関係から、第二発電機（Ｇ２）４が当該同期速度以外の速度で発電を開始するようにすることも可能であろう。但し、その場合には、風速に対する第一発電機（Ｇ１）３の出力はＶ１の前後で不連続となり、また、第二発電機（Ｇ２）４の出力も零（０）から発電を開始しないこととなり、好ましくなく、そのため、所定風速Ｖ１は、第二発電機（Ｇ２）４が同期速度となる風速に近接した値に設定することが望ましい。
【００４３】
この点について、より具体的に説明すると、先にも述べたように、所定風速Ｖ１は風速の状態によって設定する。一方、上述のように、所定風速Ｖ１は第二発電機（Ｇ２）４の運転を開始する切替点であるから、このときの回転速度は、当該第二発電機を構成する誘導発電機の同期速度付近であることが好ましい。
【００４４】
上記図４の指令制御部３１３では、上述した条件を満たすように、風速に対する発電電力の指令を設定する。なお、このとき、所定速度Ｖ１の前後で連続性が保たれるように発電指令を出す。図６は所定速度Ｖ１付近の発電指令（出力）の一例を示す。所定速度をＶ１ａに設定したときは、発電電力としてＰａ（実線）のような指令を出す。また、所定速度をＶ１ｂに設定したときは、発電電力としてＰｂ（一点鎖線）のような指令を出す。このように、所定速度Ｖ１を変更しても、発電電力と回転速度との連続性が保たれ、また、Ｖ１での回転速度は同期速度付近となる。このとき、ピッチ角制御を併用して図示のように発電電力を指令してもよい。図のような発電電力の指令変更は、風速に対して必ずしも最適（最高効率）ではない場合も生じるが、しかしながら、所定風速Ｖ１の設定は或る程度の許容可能な範囲を有していることから、当該最適状態から大きく外れることはない。
【００４５】
また、上記の説明において、発電機制御部３１が、計測された風速に基づいて発生電力を指令する際、各部の損失を考慮することは当然である。また、この発電電力の指令は、上述した第一発電機（Ｇ１）３だけではなく、上記第二発電機（Ｇ２）４を含む二台の発電機（発電装置全体）に対する指令としてもよい。なお、この場合には、コンバータ１１による変換電力については、定格出力、あるいは、変換電力を超えないように制御する必要がある。
【００４６】
あるいは、上述のように発電機制御部３１により第一発電機（Ｇ１）３の発電電力を指令し、実際の発電電力とのフィードバックから発電機３の回転速度を指令するのではなく、計測した風速から発生電力を最大化できる回転速度を直接に指令してコンバータ１１を制御してもよい。更に、以上の説明では、所定風速Ｖ１で第二発電機（Ｇ２）４が発電を開始するようにスイッチ１５が投入されるものとしたが、当該スイッチ１５を投入するタイミングは、当該風速だけに限定されず、例えば、発電機、又は、風車軸の回転数によって定めてもよい。一例として、当該スイッチ１５を、例えば、第一発電機（Ｇ１）３からの発電出力が所定値に達したとこで投入することもできる。
【００４７】
以上に詳述した本発明の風力発電装置によれば、以下の効果が得られる。即ち、ほぼ全風速領域に亘って最大電力を得ることができる、所謂、可変速度運転が可能となることから、効率のよい風力発電が可能となる。また、その電力変換器（コンバータ１１及びインバータ１３）の容量を、装置全体の発電出力に比較して大幅に（略半分）に低減することが可能であることから、装置の製造価格が安価になる。また。電力変換器の容量が小さいことから、変換損失を小さい。また、特に、誘導発電機は安価であり、そして、本発明の風力発電装置における制御方法によれば、風車の回転速度の変速範囲が小さくなることから、当該誘導発電機を発電機として効率よく使用することが可能となる。更に、個々の構成機器の小型化によれば、風力発電装置の搬送、揚上、据付においても有利となる。
【００４８】
更に、以上に述べた構成要素のうち、特に、スイッチ１５は、機械的なスイッチでもよいが、これを、図７に示すように、電子スイッチで構成することも可能である。即ち、図７は、逆並列接続した一対のサイリスタにより構成したものであり、これを各相に対して設ける。
【００４９】
また、かかる電子スイッチの投入（導通状態）のやり方としては、風速が所定風速Ｖ１に達すると同時に、直ちに、投入してもよいが、特に、かかる電子スイッチを採用するメリットとして、例えば、その機能を利用して、スイッチを徐々に投入することが可能となる。即ち、電源電圧位相に対するサイリスタの点弧角を徐々に変化させることにより、当該一対のサイリスタを開（非導通）状態から閉（導通）状態へ徐々に変化させる。このように、電子スイッチにより、第二発電機（Ｇ２）４を発電系統に徐々に投入することにより、投入時の外乱を小さくすることが出来る。特に、第二発電機（Ｇ２）４が誘導発電機である場合、その発電動作のために励磁電流が必要となるが、その際、所定の励磁電流を直ちに流して投入するのではなく、徐々に所定の励磁電流が流れるようにすることが可能となり、このことによれば、スイッチ投入時における外乱を小さくすることが出来る。更に、当該スイッチ１５を、機械的スイッチではなく、電子スイッチで構成することによれば、接点の磨耗などの問題がなく、かつ、スイッチ動作における信頼性についても向上することができる。また、スイッチ１５を、閉状態から開状態へ移行する時にも、上記と同様にして対応することができる。そして、図７には、一対のサイリスタを逆並列接続した構成を示すが、これに限らず、例えば、トランジスタにより同様に構成することも可能である。
【実施例２】
【００５０】
次に、添付の図８には、本発明の第２の実施例（実施例２）になる風力発電装置を示す。なお、この実施例２においても、上記実施例１と同じ構成には同一の参照番号を付して示しており、ここでは、重複を避けるため、その詳細についての説明は省略する。
【００５１】
この実施例２では、図からも明らかなように、エネルギー蓄積装置２１が、上記コンバータ１１とインバータ１３との間の直流回路１２に、更に、設けられている。このエネルギー蓄積装置２１は、例えば、二次電池、又は、大容量キャパシタ等、充放電が可能な要素により構成される。そして、このエネルギー蓄積装置２１は、本例では、直流回路に直接に接続されているが、しかしながら、その他、双方向に電力の授受が可能なＤＣ／ＤＣコンバータを介して直流回路に接続されてもよい。
【００５２】
そして、この実施例２では、風速には変動が存在することから、当該風速の微小な変動による発電電力の微小な変動分を、当該エネルギー蓄積装置２１によって吸収し、又は、放出するものである。これによれば、風速に微小な変動があっても、交流系統に送出される電力を平準化することが可能になる。
【実施例３】
【００５３】
続いて、添付の図９には、本発明の第３の実施例（実施例３）になる風力発電装置を示す。なお、この実施例３においても、上記実施例１と同じ構成には同一の参照番号を付して示しており、ここでは、重複を避けるため、その詳細についての説明は省略する。
【００５４】
なお、この実施例３では、図からも明らかなように、第一発電機（Ｇ１）３と第二発電機（Ｇ２）４との間に、クラッチ１０１を設け、第二発電機（Ｇ２）４が発電動作をする時には、当該クラッチを接続状態へ、そして、第二発電機（Ｇ２）４が発電動作をしない時には、当該クラッチを非接続状態としている。そのため、上記スイッチ１５を制御・駆動する信号を利用することにより、スイッチ１５をオンするタイミングで当該クラッチ１０１をも接続状態とする。この実施例３によれば、第二発電機（Ｇ２）４が発電しない時には、当該第二発電機（Ｇ２）４は停止しており（即ち、主軸２から外れる）、そのため、当該第二発電機（Ｇ２）４での損失は発生せず、もって、風力発電装置の更なる高効率化を実現することが出来る。
【実施例４】
【００５５】
続いて、添付の図１０及び図１１には、本発明の第４の実施例（実施例４）になる風力発電装置の全体構成と、その一部である電圧制御部の回路構成を示す。なお、この実施例４においても、上記実施例１と同じ構成には同一の参照番号を付して示しており、ここでは、重複を避けるため、その詳細についての説明は省略する。
【００５６】
この実施例４では、上述した電圧制御部３６に代え、異なる構成の電圧制御部２０１を設けると共に、更に、変圧器１４、１６と交流系統（Ｇｒｉｄ）１７との間に力率検出器２０２を設けている。即ち、この異なる構成の電圧制御部２０１は、上記電圧制御部３６の機能に加え、更に、無効電力の制御機能を備えていることが特徴となっている。より具体的には、この電圧制御部２０１は、力率検出器２０２により交流系統（Ｇｒｉｄ）１７へ流れる電力の力率を測定し、もって、当該力率が所定の値になるように、インバータ１３を制御する。
【００５７】
なお、添付の図１１は、この電圧制御部２０１の具体的な構成の一例を示しており、この図において、直流電圧指令部２０１１により、インバータ１３の直流回路の電圧を指令する。有効電流指令部（ＡＶＲ１）２０１２は、上記直流電圧指令部２０１１からの指令信号と、上記電圧検出器３５からの直流電圧検出信号との偏差に応じて動作し、もって、インバータ１３から電源系統へ流れる有効電流を指令する信号Ｉｑｃを出力する。力率指令部２０１３は、電流系統に流れる電力の力率を指令する。無効電流指令部（ＡＶＲ２）２０１４は、力率指令部２０１３からの指令信号と力率検出器２０２からの力率検出信号との偏差に応じて動作し、もって、インバータ１３から電源系統へ流れる無効電流を指令する信号Ｉｄｃを出力する。なお、力率指令の値としては、例えば、ｃｏｓφ＝１を指令することができる。
【００５８】
更に、２軸電流制御部２０１５は、上述した有効電流指令Ｉｑｃと無効電流指令Ｉｄｃにより、インバータ１３の交流系統側の電力の有効分と無効分とが指令値となるように動作し、インバータの交流側の交流電圧指令を出力する。これに応じてＰＷＭ制御部２０１６が動作し、インバータ１３をＰＷＭ制御する信号が出力される。このようにして、インバータ１３がＰＷＭ制御されることとなる。
【００５９】
かかる実施例３によれば、交流系統（Ｇｒｉｄ）１７の力率が所定の値に制御される。また、この力率の指令値は、一定値だけではなく、交流系統側の状況に応じて変更してもよい。
【００６０】
更に、本実施例では、第二発電機（Ｇ２）４は誘導発電機であることから、当該誘導発電機が発電動作を行う時には、その励磁電流が無効成分として必要となる。この実施例３では、この無効成分を、交流系統（Ｇｒｉｄ）１７から供給するのではなく、インバータ１３から供給することが可能となることから、当該交流系統への影響を無くすることができる。即ち、図１１に示した制御部により、交流系統の力率指令を予め設定しておくことによれば、第二発電機（Ｇ２）４が発電動作を行う際に必要な無効電流は、インバータ１３の無効電流指令Ｉｄｃとして自動的に生成され、即ち、自動的に補償されることとなる。なお、この方法は、交流系統（Ｇｒｉｄ）が弱いときに有効であり、更には、交流系統が他の発電機群と連係されることなく、単独で設置されるときにも適用することができる。また、無効電流が分かっている場合には、例えば、無効分電流として、第二発電機（Ｇ２）４の励磁電流値が分かることから、この無効分をキャンセルする値をＩｄｃの指令値として与えてもよい。
【００６１】
最後に、添付の図１２には、本発明の第５の実施例（実施例５）になる風力発電装置を示す。なお、この実施例５においても、上記実施例１と同じ構成には同一の参照番号を付して示しており、ここでは、重複を避けるため、その詳細についての説明は省略する。
【００６２】
この実施例５は、第二発電機（Ｇ２）４の出力部だけではなく、更に、第一発電機（Ｇ１）３の出力部にも、スイッチ１８を設けたものであり、より具体的には、インバータ１３と変圧器１４との間に、電気的な接続を開放するためのスイッチ１８を設けたものである。
【００６３】
かかる構成によれば、例えば、万が一、第一発電機（Ｇ１）３、又は、それを制御する電力変換器（コンバータ１１及びインバータ１３）に異常が発生し、その運転を継続することが困難となった場合、発電機制御部３１からの指令によって、当該スイッチ１８を開放する。なお、これにより、第二発電機（Ｇ２）４だけが単独で発電動作を継続することとなる。即ち、かかる動作によれば、装置全体での発電能力は減少するものの、しかしながら、第二発電機（Ｇ２）４からの出力により発電動作を継続することが出来ることから、装置の信頼性を向上することが可能となる。又は、異常によって風力発電装置全体が運転を停止する場合に比較して、その発電量が増えることとなり、トータルとして、装置からの発電量を増加することが出来るという利点がある。
【００６４】
なお、上記のスイッチ１８の設置位置としては、変圧器１４から見て交流系統側であってもよい。また、第一発電機（Ｇ１）３が異常により停止した場合、当該第一発電機（Ｇ１）３から出力される電圧による悪影響から回避するため、上記のスイッチ１８とは別に、更に、他のスイッチ（図示せず）を第一発電機（Ｇ１）３とコンバータ１１との間に設置してもよい。更には、第二発電機（Ｇ２）４が異常である場合には、上記のスイッチ１５を投入せず、もって、第一発電機（Ｇ１）３だけで運転を継続することも可能である。なお、この時には、上記のピッチ制御も所定風速Ｖ１以上で実施する。
【００６５】
以上に述べた各実施例において、第一発電機（Ｇ１）は永久磁石発電機とし、そして、第二発電機（Ｇ２）は誘導発電機として説明したが、しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、その他の形式の発電機を利用することも出来る。また、発電機の台数としては２台にのみ限られることなく、それ以上の複数台で風力発電装置を構成するとすることもできる。尚、このとき、第二発電機（Ｇ２）は、複数台の異なる特性（例えば、極数など）を持つものとして構成し、そして、当該特性に対応して発電を開始する所定風力（又は、回転数）を複数の異なる値に設定し、これらを、適宜、切り換えるようにすることも可能であろう。更には、上述した各種の実施例を、適宜、組み合わせることもまた可能であろう。
【符号の説明】
【００６６】
１…風車ブレード、２…主軸、３…第一発電機（Ｇ１）、４…第二発電機（Ｇ２）、１１…コンバータ、１３…インバータ、１５…スイッチ、１７…交流系統（Ｇｒｉｄ）、３１…発電機制御部、３２…風速計、３４…速度制御部、３６…電圧制御部、３７…ピッチ制御部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2012050181.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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