(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力エネルギを回転エネルギに変換する風車プロペラと、該風車プロペラのピッチを変化させるピッチ駆動装置と、前記風車プロペラの出力軸に連結されて前記回転エネルギと電力エネルギに変換する誘導電動機とを備えた風力発電装置において、
前記発電機の出力を検出する発電機出力検出器と、前記発電機出力の設定値を設定する発電機出力設定手段と、前記発電機出力の設定出力の設定値と発電機出力の検出値との偏差を算出して該偏差に基づき前記発電機の２次側励磁電流値を算出して該発電機の２次側励磁電流を制御する２次側励磁制御装置とを備えてなり、前記２次側励磁制御装置は、前記風力エネルギが前記発電機の定格出力に対応する定格風力エネルギ以上になったとき、前記発電機のすべり特性を変化させて、余剰の風力エネルギを回転エネルギとして貯え、前記風力エネルギの低下時に前記回転エネルギを電気エネルギに変換して消費することにより発電機出力を、一定に保持するように構成されてなることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記発電機出力の設定値を設定する発電機出力設定手段は、前記風力エネルギが前記発電機の定格出力に対応する定格風力エネルギ以上になったとき発電機の定格出力を用いて発電機出力の設定値を設定する手段である請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記発電機の回転数を検出する発電機回転数検出器と、
前記発電機回転数の設定値と前記発電機回転数の検出値との偏差を算出して該偏差に基づき前記風車プロペラのピッチ角の制限値を求め、
前記ピッチ駆動装置に出力するピッチ角制御手段とを備えてなる請求項１または２記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車プロペラのピッチを変更可能にした可変ピッチ型風力発電装置、制御特にその制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は一般的に用いられている風力発電システムの系統図である。
図３において、１は風によって回転駆動される風車プロペラ、１ａは該風車プロペラ１の出力軸、２は該風車プロペラ１のピッチを変化させるピッチ駆動装置である。３は前記風車プロペラ１の回転を増速する増速機でその入力端が前記風車プロペラ１の出力軸１ａに連結されている。
４は前記増速機３の出力端に連結される誘導発電機で、通常かご型誘導発電機が用いられる。５は変圧器、６は電力系統である。
【０００３】
かかる風力発電システムにおいて、風力エネルギは風車プロペラ１において回転エネルギに変換されて出力軸１ａを介して増速機３に伝達され、ここで誘導発電機４の定格回転数まで増速されて該誘導発電機４に伝達される。
誘導発電機４においては、増速機３から入力される回転エネルギを電気エネルギに変換し、該電気エネルギは変圧器５を介して電力系統６に供給される。
【０００４】
前記風車プロペラ１のピッチは、前記ピッチ駆動装置２によって変化せしめられ、かかるピッチ変化により増速機３に入力される回転数が調整される。
即ち、前記ピッチ駆動装置２は、風速が定格風速つまり、誘導発電機４の定格出力に対応する風速未満で風力エネルギが小さいときは風車プロペラ１のピッチ角を一定として運転し、風速が前記定格風速以上となって風速エネルギが増加し、誘導発電機４の出力が定格出力以上になると風車プロペラ１のピッチ角を変えて風力エネルギの回転エネルギへの変換量を減少させることにより誘導発電機４の出力が定格出力以上になるのを抑制している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる風力発電システムにあっては、前記のように風力エネルギは風速の変動に伴ない変動する。然るに、図３に示す従来技術にあっては、ピッチ駆動装置２は、前記のように風速が定格風速未満のときと定格風速以上のときとで風車プロペラ１のピッチ角を変えて誘導発電機４の回転数を変化させているにとどまっており、風速の変化に追従した制御機能が無いため、前記風速の変化速度にピッチ駆動装置２の応答速度が追従できない。
【０００６】
従って、かかる従来技術にあっては、前記のようなピッチ駆動装置２の応答遅れのために発電機４の出力が変動する。そして、これによって電力系統６に供給される電力が変動し、この電力変動が送電系統の周波数や電圧の変動を引き起こす。
殊に、前記風車プロペラ１を変電場所から遠距離の位置に設置する場合には、その間の電圧変動を補償するため、無効電力補償装置等の格別の機器を設置することを要し、装置コストの高騰を招く。
【０００７】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、風速の変動に対応する発電機出力の制御を行なうことによって、発電機出力変動を抑制し、格別の補償機器等を設置することなく発電機出力及び電力系統に供給される電力を一定に保持し得る風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、その第１発明として、
風力エネルギを回転エネルギに変換する風車プロペラと、該風車プロペラのピッチを変化させるピッチ駆動装置と、前記風車プロペラの出力軸に連結されて前記回転エネルギと電力エネルギに変換する誘導電動機とを備えた風力発電装置において、
前記発電機の出力を検出する発電機出力検出器と、前記発電機出力の設定値を設定する発電機出力設定手段と、前記発電機出力の設定出力の設定値と発電機出力の検出値との偏差を算出して該偏差に基づき前記発電機の２次側励磁電流値を算出して該発電機の２次側励磁電流を制御する２次側励磁制御装置とを備えてなり、前記２次側励磁制御装置は、前記風力エネルギが前記発電機の定格出力に対応する定格風力エネルギ以上になったとき、前記発電機のすべり特性を変化させて、余剰の風力エネルギを回転エネルギとして貯え、前記風力エネルギの低下時に前記回転エネルギを電気エネルギに変換して消費することにより発電機出力を、一定に保持するように構成されてなることを特徴とする風力発電装置を提案する。
【０００９】
前記発電機出力の設定値を設定する発電機出力設定手段は、前記風力エネルギが前記発電機の定格出力に対応する定格風力エネルギ以上になったとき発電機の定格出力を用いて発電機出力の設定値を設定する手段である。
【００１０】
かかる発明によれば、前記風力エネルギが前記発電機の定格出力に対応する定格風力エネルギ以上になったとき発電機の定格出力を用いて発電機出力の設定値を設定し、発電機出力設定値と発電機出力の検出値との偏差に基づき発電機の２次側励磁電流を制御する。
【００１１】
そして、前記２次側励磁制御装置は前記風力エネルギに基づく発電機出力設定値が発電機定格出力よりも大きくなると、前記発電機のすべり特性を変化させて、余剰の風力エネルギを回転エネルギとして貯え、風力エネルギが減少して前記発電機出力設定値が前記定格出力よりも小さくなったとき、前記貯えた回転エネルギを消費して電力エネルギに変換する。これにより、誘導発電機の出力は所定出力に平準化され、電力変動の無い運転がなされる。
【００１２】
また、第３発明は、前記第１若しくは第２発明において、
前記発電機の回転数を検出する発電機回転数検出器と、
前記発電機回転数の設定値と前記発電機回転数の検出値との偏差を算出して該偏差に基づき前記風車プロペラのピッチ角の制限値を求め、前記ピッチ駆動装置に出力するピッチ角制御手段とを備えてなる。
【００１３】
かかる発明によれば、発電機回転数の設定値と検出値との偏差に基づき、風車プロペラのピッチ角の制限値を算出し、この制限値をピッチ駆動装置に入力する。
これにより、風車プロペラは前記設定された回転数になるようにピッチ角制御をされることとなり、回転数過大による風車プロペラ系の破損の発生や回転数過力による回転エネルギの低下の発生が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１５】
図１は本発明の実施形態に係る風力発電システムの全体構成図、図２は上記風力発電システムの制御ブロック図である。
図１においては、１は風によって回転駆動される風車プロペラ、１ａは該風車プロペラ１の出力軸、２は該風車プロペラ１のピッチを変化させるピッチ駆動装置である。３は前記風車プロペラ１の回転を増速する増速機でその入力端が前記風車プロペラ１の出力軸１ａに連結されている。
【００１６】
４は前記増速機３の出力端に連結される誘導発電機で、この実施形態では巻線型誘導発電機が用いられている。
５は変圧器、６は電力系統である。
７は前記誘導発電機４に併設された２次側電流制御装置であり、前記誘導発電機４に対し、スリップリング（不図示）を介してその２次側（回転子側）の励磁電流制御を行なうものである。
【００１７】
次に、前記２次側励磁制御装置７を用いた風力発電システムの制御方法につき、図２により説明する。
図２において、８は風車プロペラ１のピッチ角を検出する風車ピッチ角検出器、１０は風車プロペラ１への風速を検出する風速検出器、９は誘導発電機４の回転数を検出する発電機回転数検出器、１１は誘導発電機４の出力を検出する発電機出力検出器である。
また１２は誘導発電機４の発電機回転数設定器であり、風況により出力が最大となる回転数Ｎｓが設定される。
【００１８】
前記風速検出器１０によって検出された風速の検出値Ｖは平均風速演算器１９に入力され、ここで所定時間（１〜１０分間位）内における平均風速Ｖｍを算出し、関数発生器即ち発電機出力設定器２０に入力する。
該発電機出力設定器２０においては前記平均風速Ｖｍと定格風速を比較して、前記平均風速Ｖｍが定格風速未満の場合は、前記平均風速により算出した設定値を用い、定格風速以上の場合は発電機４の定格出力を用いて発電機出力の設定値Ｐｓを設定する。
【００１９】
一方、発電機出力検出器１１にて検出された実際の発電機出力の検出値Ｐ1 は減算器３１に入力される。
該減算器３１においては、前記発電機出力設定器２０からの発電機出力の設定値Ｐｓと前記発電機出力の検出器Ｐ1 との偏差ΔＰを算出し、ＰＩ制御器２１に出力する。
該ＰＩ制御器２１においては、前記偏差ΔＰに基づきＰＩ（比例、積分）演算を行ない２次側励磁電流の偏差値ΔＩを求める。
【００２０】
２２は関数発生器で、前記発電機出力設定値Ｐｓの関数として２次側励磁電流値を予め設定しておくものである。
即ち、該関数発生器２２においては、前記発電機出力設定器２０からの発電機出力設定値Ｐｓに対応する２次側励磁電流設定値Ｉｓを設定する。
然して、前記ＰＩ制御器２１からの発電機出力偏差ΔＰに基づく２次側励磁電流の偏差値ΔＩと前記関数発生器２２からの２次側励磁電流値の設定値Ｉｓとは加算器３２にて加算され、２次側励磁電流指令値Ｉｄ（Ｉｄ＝Ｉｓ＋ΔＩ）として２次側電流制御装置７に入力される。
【００２１】
該２次側電流制御装置７においては、前記２次側冷電流指令値Ｉｄに基づき、スリップリングを介して誘導発電機４の２次側（回転子側）励磁制御を行なう。
【００２２】
前記誘導発電機４は、これの固定子巻線がつくる回転磁界により回転子側に誘導起電力が生じ、これに対する逆起電力が前記固定子巻線に生じてこれが前記誘導発電機４からの出力電力となる。
従って、かかる実施形態によれば、前記プロセスによる２次側（回転子側）励磁制御によって、高速スイッチング素子を介して前記発電機４の回転子巻線を流れる電流量を制御することにより前記固定子巻線に生じる逆起電力即ち発電機出力Ｐ1 を制御することができる。
ここで、前記高速スイッチングによって生ずる回転子巻線の余剰電流は電力系統６側へ回生される。
【００２３】
さらに、風車プロペラ１への風速Ｖが定格風速以上となって発電機出力Ｐ1 が定格出力以上になると、前記２次側励磁制御によって誘導発電機４のすべり特性を変化させることにより、前記発電機出力Ｐ1 を一定に保持できる。
【００２４】
かかる場合は発電機出力Ｐ1 よりも風力エネルギの方が大きいので、誘導発電機４の回転数は上昇することとなって、風力エネルギの余剰分を発電機４のロータの回転エネルギとして貯えることができる。そして、前記風速Ｖが低下してくると、前記のようにして貯えた回転エネルギを消費して電気エネルギに変換することにより、前記発電機出力Ｐ1 を一定に保持できる。
【００２５】
以上のように、かかる実施形態によれば、風速Ｖの変動つまり風力エネルギの変動を誘導発電機４の回転エネルギに変換し、該風力エネルギの定格出力相当値よりも余剰分を一時的に前記回転エネルギとして貯え、風力エネルギの定格出力相当値よりも低下時に前記余剰回転エネルギを消費し、電力エネルギに変換することにより、発電機出力Ｐ1 を常時平準化することができる。
【００２６】
次に、発電機回転数検出器９にて検出された発電機回転数Ｎの検出値は、減算器３３に入力され、ここで、前記発電機回転数設定器１２に設定された設定回転数Ｎｓとの偏差ΔＮが算出される。
この偏差ΔＮはＰＩ制御器１３に入力され、ここでＰＩ（比例積分）制御演算によって風車プロペラ１のピッチ角の振幅Δθに変換されて振幅制限器１４に入力される。
【００２７】
該振幅制限器１４においては、前記ピッチ角の振幅Δθを設定された許容範囲内に制限してこのピッチ角の制限値Δθ0 を速度制限器１５に出力する。該速度制限器１５においては、前記ピッチ角の制限値Δθ0 に基づきピッチ角速度の制限値ΔＷａを算出し、これに基づき風車プロペラのピッチ角指令値θｓを出力する。
ここで、前記ピッチ角速度の制限値ΔＷａを設定するのは、風車プロペラ１のピッチを所定速度よりも速く変化させると風車プロペラ１の軸受等の負荷が過大になるのを回避するためである。
【００２８】
前記ピッチ角指令値θｓは減算器３４に入力され、ここで、前記風車ピッチ角検出器８にて検出された風車プロペラ１の実ピッチ角θとの偏差Δθ1 を算出する。そして該偏差Δθ1 はＰＩ制御器１７に入力され、ここでＰＩ（比例、積分）制御演算が施こされてピッチ角制御値θ1 が算出され前記ピッチ駆動装置２に入力され、該ピッチ駆動装置２は風車プロペラ１のピッチ角を、該ピッチ角制御値θ1 に変化させる。
【００２９】
かかるピッチ角の制御により、前記風車プロペラ１は前記発電機回転数の設定値Ｎｓに適合したピッチ角で以って運転される。
これにより、風車プロペラ１のピッチ角の変動により、回転数が過大となって該プロペラの遠心力過大による破損の発生が防止されるとともに、前記回転数が過小となって風車プロペラ１の風力エネルギへの変換量が減少し、誘導発電機４を駆動する回転エネルギが低下するのが未然に防止される。
【００３０】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、風力エネルギに基づき発電機出力の設定値を定め、この設定値が発電機定格出力よりも大きくなったときには、発電機のすべり特性を変化させることによって、余剰風力エネルギを回転エネルギとして貯えることができるとともに、上記風力エネルギの低下により発電機出力が低下したときには、この回転エネルギを消費して電気エネルギに変換することにができ、これによって発電機出力を平準化させて電力を一定に保持し、発電機出力による電力系統への影響を小さくすることができる。
【００３１】
これにより、従来技術のような無効電力補償装置等の補償機器が不要となり、装置コストが低減される。また大容量の風力発電システムを弱小系統へと連系することが可能となる。
【００３２】
また請求項３の発明によれば、風車プロペラのピッチ角を制限値内に制御値内に制御することにより、風車プロペラの回転数を設定された回転数範囲に保持して風力発電装置を運転することができ、回転数の過大による運動部分の破損の発生や、回転数の過小による回転エネルギの低下の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る風力発電装置の全体構成図である。
【図２】  上記実施形態における制御ブロック図である。
【図３】  従来技術に係る風力発電装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１      風車プロペラ
２      ピッチ駆動措置
３      増速機
４      誘導発電機
５      変圧器
６      電力系統
７      ２次側電流制御装置
８      風車ピッチ角検出器
９      発電機回転数検出器
１０    風速検出器
１１    発電機出力検出器
１２    発電機回転数設定器
１３、１７、２１    ＰＩ制御器
１４    振幅制限器
１５    速度制限器
１９    平均風速演算器
２０    発電機出力設定器
２２    関数発生器
３１、３３、３４    減算器
３２    加算器
【図１】
0003912911.tif 000002
【図２】
0003912911.tif 000003
【図３】
0003912911.tif 000004