(57)【要約】【課題】風力発電の出力電力平準化能力を向上させた風力発電装置を提供する。【解決手段】第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に第２の発電手段（水力発電システム）を備え、系統（連系トランス５０側）と連系する風力発電装置であって、交流側が前記第１の発電手段の風車発電機１０Ｇに接続された第１の電力変換器４１と、交流側が前記第２の発電手段の水車発電機２０Ｇに接続された第２の電力変換器６１の各直流側に共通の系統側電力変換器７１を接続し、前記第１の電力変換器４１、第２の電力変換器６１および系統側電力変換器７１を、風車タワー内部において同一の電力変換器盤１００に収納した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に第２の発電手段を備え、系統と連系する風力発電装置であって、
交流側が前記第１の発電手段の風車発電機に接続された第１の電力変換器と、交流側が前記第２の発電手段の発電機に接続された第２の電力変換器の各直流側に共通の系統側電力変換器を接続し、
前記第１の電力変換器、第２の電力変換器および系統側電力変換器を、風車タワー内部において同一の電力変換器盤に収納したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記第２の発電手段は揚水水力発電システムで構成され、第２の発電手段の発電機は水車発電機であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記第２の発電手段はフライホイール式蓄電システムで構成され、第２の発電手段の発電機はフライホイールと同軸上に設けられた回転機であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記水車発電機および第２の電力変換器の共通接続点には揚水水力発電システムの汲み上げポンプ駆動用モータが接続され、該共通接続点と水車発電機の間の交流電路、および前記共通接続点と汲み上げポンプ駆動用モータの間の交流電路には、回路切替え用の開閉器が各々挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項５】
第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に第２の発電手段を備え、系統と連系する風力発電装置であって、
前記第１の発電手段の風車発電機および非常用電源を電源とし、風車のブレード角を制御するピッチ制御用モータを駆動させるピッチ制御用電力変換器に、前記第２の発電手段の発電機の電力を変換する第２の電力変換器の出力電力を供給するように構成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
前記第２の電力変換器は、第２の発電手段の交流出力電力を直流に変換する順変換部を備え、前記順変換部の直流電力を前記ピッチ制御用電力変換器に供給するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記第２の電力変換器は、第２の発電手段の交流出力電力を直流に変換する順変換部と、前記順変換部の直流電力を交流に変換する逆変換部とを備え、前記逆変換部の交流電力を前記ピッチ制御用電力変換器に供給するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記第２の発電手段は揚水水力発電システムで構成され、第２の発電手段の発電機は水車発電機であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記第２の発電手段はフライホイール式蓄電システムで構成され、第２の発電手段の発電機はフライホイールと同軸上に設けられた回転機であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記系統側電力変換器の定格は、前記第１の発電手段の定格電力を超えない範囲に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記揚水水力発電システムは、常時ブレードを９０°以上回転させる発電用水を貯水槽に貯えておく制御を行い、風車を非常停止させる際は、当該揚水水力発電システムをピッチ制御用電力変換器と同時に運転して揚水水力発電システムからピッチ制御用電力変換器に電力を供給することを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
前記第１の電力変換器、第２の電力変換器および系統側電力変換器はユニット方式として共通部品化されていることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４又は１０に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、風力発電設備内に他の発電設備、例えば水力発電設備を備えて供給電力を平準化した風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置では、風の変動が発電電力変動の要因となるので、火力や原子力などの発電設備と比較すると電力供給の安定性が悪い。このため、風車（風力発電設備）内部のスペースに例えば水力発電システムを設けて、この水力発電を用いて負荷の平準化を図っている。
【０００３】
このような風力発電装置の、従来の構成例を図１４に示す。図１４は水力発電システムとして揚水水力発電システムを採用した例であり、電力系統に連系される。
【０００４】
図１４において、風力発電設備１０は、風車タワー１と、風車タワー１内の下部に設けられた風車タワーベース２と、風車タワー１の上部に設けられたタワートップ３および回転部４を備えている。
【０００５】
風車タワー１内には、通常は梯子や場合によっては人の昇降用昇降機が設けられ、多くの空きスペースがあるが、その空きスペースに揚水水力発電システム２０が設置されている。
【０００６】
前記風車タワーベース２には、通常、遮断器や風車制御盤、電力変換器盤が設置されている。タワートップ３には（ナセル）発電機、ギヤ、ドライブトレイン、風車制御盤が設置されている。電力変換器盤をタワートップ３に設置する風車もある。
【０００７】
回転部４は、例えば３枚のブレード（風車ブレード）と、ブレード基部に設けられたピッチ（ブレード角度）制御用モータ、モータドライブ用インバータ、蓄電池等を備えている。
【０００８】
揚水水力発電システム２０の、上部には発電するための水を貯蔵する貯水槽２１ａが設置され、下部には発電に利用された水を再利用するための貯水槽２１ｂが設置されている。
【０００９】
上部の貯水槽２１ａと下部の貯水槽２１ｂの間には、貯水槽２１ａから貯水槽２１ｂに水を落下させる落下水路２２と、貯水槽２１ｂから貯水槽２１ａに水を汲み上げる汲み上げ水路２３が形成されている。
【００１０】
落下水路２２には開閉弁２４が設けられており、この開閉弁２４は落下水量を調整する機能も備えている。
【００１１】
２５は、落下水路２２を落下する水によって回転する水車（水車タービン；フランシス水車など）である。２６は水車２５の回転駆動力によって発電を行う発電機であり、ギヤによって増速される場合もある。２７は、貯水槽２１ｂの水を、汲み上げ水路２３を介して貯水槽２１ａに汲み上げる汲み上げポンプである。
【００１２】
前記貯水槽２１aには、減った水を取り入れるための取水口２８が設けられており、開閉弁（手動、自動）等を備えている場合もある。
【００１３】
前記貯水槽２１ｂには、不要な水を貯水槽２１ｂから外に排水するための排水口２９が設けられており、開閉弁（手動、自動）、排水用ポンプ等を備えている場合もある。
【００１４】
３０は水力発電制御盤であり、開閉弁２４、汲み上げポンプ２７、発電機２６の回路開閉等を制御する（インバータではない）。
【００１５】
上記のように構成された発電システムにおいて、揚水水力発電システム２０を用いて風車（風力発電設備１０）からの出力電力を平準化する。すなわち、風が強い時や系統の需用電力が大きい時は水を落下させて水力によって発電した電力（揚水水力発電システム２０の電力）を風車から出力する。
【００１６】
汲み上げポンプ２７で水を汲み上げるときには電力を必要とするが、風力発電設備１０が連系系統から電力を潮流させることは基本的に禁じられているので、汲み上げポンプ２７で水を汲み上げるのは風車が発電している時のみとなるように制御する。
【００１７】
また、水力発電貯蓄電力量増大のために、貯水槽２１a,２１ｂの一方を風車の地下に作る場合もある。
【００１８】
風車タワー１内部のスペースは限られており、また、水力発電の最大発電電力は水の落差に依存する一方、発電可能な時間は貯水槽２１ａ，２１ｂの容量によるので、最大電力と持続時間はトレードオフの関係にあり、その関係は限られたスペース内で決定される。
【００１９】
水力発電設備のうち、水力発電制御盤３０は風車タワーベース２やタワートップ３の風力発電設備設置箇所の付近に配置してもよい。水車の方式は、フランシス水車など、風車タワー１の内部に設置可能ならどのような種類を用いてもよい。また図１４の発電システムでは、エネルギー蓄積体として電池やコンデンサなどの、電力による貯蔵を用いない。
【００２０】
尚、風車が河川の近傍に建設されている場合や、洋上に建設されている場合は、貯水槽２１ａ，２１ｂを省略し、河川から直接水を、あるいは海から直接海水を汲み上げるように構成される。
【００２１】
これにより、発電のための貯水槽２１ａの容量を大きくすることができるため、風力発電の供給電力平準化能力が向上する。
【００２２】
図１４のように構成された発電システムにおいて、発電装置を、可変速発電機と電力変換器で構成する場合、従来は図１５のように風車発電機１０Ｇ、水車発電機２０Ｇそれぞれに対して電力変換器盤を設置していた。
【００２３】
図１５において、３１は風力発電用電力変換器盤であり、３２は水力発電用電力変換器盤である。風力発電用電力変換器盤３１内には、交流側が風車発電機１０Ｇに接続されて交流電力を直流電力に変換する電力変換器（ＡＣ−ＤＣ変換器）４１と、直流側が電力変換器４１の直流側に接続されて直流電力を交流電力に変換する電力変換器（ＤＣ−ＡＣ変換器）４２と、電力変換器４２の交流出力側と盤外の連系トランス５０との間に接続された高調波抑制回路４３および三相各相の遮断器４４とが収納されている。
【００２４】
水力発電用電力変換器盤３２内には、交流側が水車発電機２０Ｇに接続されて交流電力を直流電力に変換する電力変換器（ＡＣ−ＤＣ変換器）６１と、直流側が電力変換器６１の直流側に接続されて直流電力を交流電力に変換する電力変換器（ＤＣ−ＡＣ変換器）６２と、電力変換器６２の交流出力側と盤外の連系トランス５０との間に接続された高調波抑制回路６３および三相各相の遮断器６４とが収納されている。
【００２５】
前記電力変換器４１，４２，６１，６２は、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）と直流コンデンサとで各々構成されている。前記高調波抑制回路４３、６３は、リアクトルおよびコンデンサを有した交流フィルタで各々構成されている。
【００２６】
図１５のように発電装置を可変速水力発電機（回転機；水車発電機２０Ｇ）と電力変換器６１，６２により構成することによって、流量調整器（ダンパ）を省略することができ、発電機としては効率の良い永久磁石式同期発電機を適用することが可能となる。
【００２７】
永久磁石式発電機を適用することにより、低回転速度でも効率が良いためギヤを省略することができる。また、ダンパを省略したことにより保守性が向上する。これは狭い風車内では大きな利点である。
【００２８】
尚、風力発電と他の自然エネルギーを総合的に利用できるようにした発電装置は、例えば特許文献１に記載のものが提案され、風力発電設備の風車タワー内に水力発電設備を備えることは、例えば特許文献２に記載のものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２０１３−１３３７１８号公報
【特許文献２】ＵＳ２０１１／０１３３４６６号特許公開公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
図１５の装置構成では、風車発電機１０Ｇと水車発電機２０Ｇそれぞれに対して電力変換器盤（３１と３２）を設置しているため、コスト高となり、広い設置スペースを要するという問題点がある。
【００３１】
このため、風力発電設備の風力タワー内の限られたスペースに設置する他の発電システムの小型化を図り、これによって発電の効率を高めて出力電力の平準化能力を向上させることが求められる。
【００３２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、風力発電の出力電力平準化能力を向上させた風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記課題を解決するための請求項１に記載の風力発電装置は、第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に第２の発電手段を備え、系統と連系する風力発電装置であって、交流側が前記第１の発電手段の風車発電機に接続された第１の電力変換器と、交流側が前記第２の発電手段の発電機に接続された第２の電力変換器の各直流側に共通の系統側電力変換器を接続し、前記第１の電力変換器、第２の電力変換器および系統側電力変換器を、風車タワー内部において同一の電力変換器盤に収納したことを特徴としている。
【００３４】
また、請求項２に記載の風力発電装置は、請求項１において、前記第２の発電手段は揚水水力発電システムで構成され、第２の発電手段の発電機は水車発電機であることを特徴としている。
【００３５】
また、請求項３に記載の風力発電装置は、請求項１において、前記第２の発電手段はフライホイール式蓄電システムで構成され、第２の発電手段の発電機はフライホイールと同軸上に設けられた回転機であることを特徴としている。
【００３６】
また、請求項４に記載の風力発電装置は、請求項２において、前記水車発電機および第２の電力変換器の共通接続点には揚水水力発電システムの汲み上げポンプ駆動用モータが接続され、該共通接続点と水車発電機の間の交流電路、および前記共通接続点と汲み上げポンプ駆動用モータの間の交流電路には、回路切替え用の開閉器が各々挿入されていることを特徴としている。
【００３７】
また、請求項５に記載の風力発電装置は、第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に第２の発電手段を備え、系統と連系する風力発電装置であって、前記第１の発電手段の風車発電機および非常用電源を電源とし、風車のブレード角を制御するピッチ制御用モータを駆動させるピッチ制御用電力変換器に、前記第２の発電手段の発電機の電力を変換する第２の電力変換器の出力電力を供給するように構成したことを特徴としている。
【００３８】
また、請求項６に記載の風力発電装置は、請求項５において、前記第２の電力変換器は、第２の発電手段の交流出力電力を直流に変換する順変換部を備え、前記順変換部の直流電力を前記ピッチ制御用電力変換器に供給するように構成したことを特徴としている。
【００３９】
また、請求項７に記載の風力発電装置は、請求項５において、前記第２の電力変換器は、第２の発電手段の交流出力電力を直流に変換する順変換部と、前記順変換部の直流電力を交流に変換する逆変換部とを備え、前記逆変換部の交流電力を前記ピッチ制御用電力変換器に供給するように構成したことを特徴としている。
【００４０】
また、請求項８に記載の風力発電装置は、請求項５ないし７のいずれか１項において、前記第２の発電手段は揚水水力発電システムで構成され、第２の発電手段の発電機は水車発電機であることを特徴としている。
【００４１】
また、請求項９に記載の風力発電装置は、請求項５ないし７のいずれか１項において、前記第２の発電手段はフライホイール式蓄電システムで構成され、第２の発電手段の発電機はフライホイールと同軸上に設けられた回転機であることを特徴としている。
【００４２】
また、請求項１０に記載の風力発電装置は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記系統側電力変換器の定格は、前記第１の発電手段の定格電力を超えない範囲に構成されていることを特徴としている。
【００４３】
また、請求項１１に記載の風力発電装置は、請求項８において、前記揚水水力発電システムは、常時ブレードを９０°以上回転させる発電用水を貯水槽に貯えておく制御を行い、風車を非常停止させる際は、当該揚水水力発電システムをピッチ制御用電力変換器と同時に運転して揚水水力発電システムからピッチ制御用電力変換器に電力を供給することを特徴としている。
【００４４】
また、請求項１２に記載の風力発電装置は、請求項１又は２又は３又は４又は１０において、前記第１の電力変換器、第２の電力変換器および系統側電力変換器はユニット方式として共通部品化されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４５】
(１)請求項１〜１２に記載の発明によれば、風力発電の出力電力を平準化することができる。
（２）請求項１〜４、１０、１２に記載の発明によれば、第１および第２の発電手段の各発電機に対して系統側電力変換器を共通の１台とし、且つ第１の電力変換器、第２の電力変換器および系統側電力変換器を同一の電力変換器盤に収納したので、コストの低減化および省スペース化を図ることができる。
（３）請求項４に記載の発明によれば、汲み上げポンプ駆動用モータ専用の電力変換器を設けなくても、回路切替え用の開閉器と第２の電力変換器によって、水車発電機の電力を系統側電力変換器に供給することと、風車発電機の電力によって汲み上げポンプ駆動用モータに電力を供給することとを実施することができる。
【００４６】
すなわち、水車発電機から系統側電力変換器へ電力を供給するときは、前記開閉器によって水車発電機と第２の電力変換器を接続状態にして第２の電力変換器を順電力変換動作させ、風車発電機から汲み上げポンプ駆動用モータに電力を供給するときは、前記開閉器によって汲み上げポンプ駆動用モータと第２の電力変換器を接続状態にして第２の電力変換器を逆電力変換動作させることで達成できる。
【００４７】
これによって、汲み上げポンプ駆動用モータ専用の電力変換器が不要となりコストが低減される。
【００４８】
また、第２の電力変換器によって、汲み上げポンプ駆動時の突入電流を低減することができる。
（４）請求項１０に記載の発明によれば、基本的に、風車発電機の出力電力が低下した際に、その電力分を補うべく第２の発電手段の電力を供給し、出力電力を平準化させる動作において、第１および第２の発電手段に対して共通の系統側電力変換器を設けているにもかかわらず、その系統側電力変換器の定格を第１の発電手段の定格電力以上にしなくても問題はない。このため、コストを低減することができる。
（５）請求項５〜９、１１によれば、第２の発電手段の発電機の電力を第２の電力変換器により変換した電力によって、ピッチ制御用モータの駆動源である非常用電源をアシストすることができ、非常用電源設備である、例えば電池やキャパシタの容量を低減させることができる。このため、例えばブレード基部における電池やキャパシタ容量を低減させることにより、回転部を軽量化することができる。
【００４９】
また、ピッチ制御用モータは、風車異常時（例えば強風時）に風車のブレード回転を止めるためにブレード角を速やかに変更する役割があるが、前記第２の発電手段による電力によってアシストしているため、強風時にすぐに風車回転を止めるに充分な高応答性が得られる。
（６）請求項１１によれば、ピッチ制御用モータを駆動させる必要があるときに、より高速の応答性が得られる。
（７）請求項２、４によれば、一般的に風力発電設備では、風車内の構造的制約から電力変換器の冷却は水冷式となることが多いため、同一の電力変換器盤内の各電力変換器を同じ水冷式で冷却することができ、コストメリットがある。
（８）請求項３、９によれば、フライホイール式蓄電システムの持つ単純構造のため、長寿命で保守が容易であり、温度変化に起因する性能変動が極めて少ない等の特徴を生かすことができる。
（９）請求項１２によれば、部品の共通化によるイニシャルコストおよびメンテナンスコストの低減を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１の要部構成図。
【図２】本発明の実施例１の電力変換器盤内の構成図。
【図３】本発明の実施例２の要部構成図。
【図４】本発明の実施例３の直流供給方式による要部構成図。
【図５】本発明の実施例３の交流供給方式による要部構成図。
【図６】本発明の実施例４の全体構成図。
【図７】本発明の実施例４の要部構成図。
【図８】本発明の実施例４の第１の変形例を示す要部構成図。
【図９】本発明の実施例４の第２の変形例を示す要部構成図。
【図１０】本発明の実施例４の第３の変形例を示す要部構成図。
【図１１】本発明の実施例５の要部構成図。
【図１２】本発明の実施例６の直流供給方式による要部構成図。
【図１３】本発明の実施例６の交流供給方式による要部構成図。
【図１４】本発明が適用される風力発電装置の一例を示す全体構成図。
【図１５】従来の風力発電装置の一例を示す要部構成図。
【図１６】従来の風力発電装置におけるピッチ制御用モータおよび電源の構成例を示す要部構成図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明の一実施形態例では、第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に、第２の発電手段としての水力発電システム又はフライホイール式エネルギー蓄電システムを備え、交流側が風車発電機に接続された風力発電用電力変換器（第１の電力変換器）と、交流側が前記第２の発電手段に接続された水力発電用電力変換器又はフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器（第２の電力変換器）の各直流側に共通の系統側電力変換器を接続し、前記風力発電用電力変換器と、水力発電用電力変換器又はフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器と、系統側電力変換器とを、風車タワー内部において同一の電力変換器盤に収納した。
【００５２】
また本発明の他の実施形態例では、第１の発電手段である風力発電設備の風車タワー内部に、第２の発電手段としての水力発電システム又はフライホイール式エネルギー蓄電システムを備え、風車発電機および非常用電源を電源とし、風車のブレード角を制御するピッチ制御用モータを駆動させるピッチ制御用電力変換器に、水力発電用電力変換器又はフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器（第２の電力変換器）の出力電力を供給するように構成した。
【００５３】
前記風車タワー内部に設ける第２の発電手段として、水力発電システムを採用した実施例を実施例１〜実施例３に示し、フライホイール式エネルギー蓄電システムを採用した実施例を実施例４〜実施例６に示す。
【実施例１】
【００５４】
以下の実施例１〜３は、図１４に示す、風力発電設備１０の風車タワー１内に揚水水力発電システム２０を設けた風力発電装置に、本発明を適用したものである。本実施例１では、電力変換器盤の構成を図１５のものから図１の構成に変更した。
【００５５】
すなわち図１において、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）と直流コンデンサを有し、直流電力を交流に変換する１つの系統側電力変換器７１（インバータ）を設け、該系統側電力変換器７１の直流母線に、風力発電用電力変換器４１の直流側と水力発電用電力変換器６１の直流側とを共通に接続し、系統側電力変換器７１の交流出力側を高調波抑制回路４３に接続し、風力発電用電力変換器４１、水力発電用電力変換器６１、系統側電力変換器７１、高調波抑制回路４３および遮断器４４を１面の電力変換器盤１００に収納した。
【００５６】
図１の構成により、風車発電機１０Ｇの出力が低下した際に、その電力分を補うべく水車発電機２０Ｇの電力を系統側電力変換器７１に供給し、風力発電装置の出力電力を平準化することができ、且つコストの低減化および省スペース化を図ることができる。
【００５７】
また、風力発電設備には系統電力安定化のため、荒天時などに発生する瞬時電圧低下発生時でも運転継続する機能（Ｆａｕｌｔ  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ：ＦＲＴ機能）が求められ、通常は系統側インバータの制御で本機能を達成するので、本実施例の水力発電によって発電した状態でも、特に回路の追加等をせずに要求されるＦＲＴ機能を達成することができる。
【００５８】
また本実施例によれば、供給電力平準化が目的であるので、風力による発電電力と水力による発電電力の和は、風車自体の定格電力を超えることが基本的にないため、水力発電用の系統側インバータを設置するという無駄（系統側インバータの余剰能力）を省くことができ、部品の共通化によるコスト低減が行える。
【００５９】
各発電電力の関係は以下のとおりである。  
【００６０】
Ｐｔｏｔａｌ：ＰｗｉｎｄとＰｗａｔ
Ｐｗｉｎｄ：風力発電電力
Ｐｗａｔ：水力発電電力
Ｐｒｗ：風力発電の定格電力
Ｐｔｏｔａｌ＝Ｐｗｉｎｄ＋Ｐｗａｔ≦Ｐｒｗ
また、それぞれのインバータ回路（すなわち風力発電用電力変換器４１、水力発電用電力変換器６１、系統側電力変換器７１）をユニット方式として共通部品化することにより、部品の共通化によるイニシャルコストおよびメンテナンスコストの低減を達成することができる。
【００６１】
そのユニット方式として共通部品化した構造の一例を図２に示す。図２において図１と同一部分は同一符号をもって示している。図２において、発電機側インバータユニット８０は、風力発電用電力変換器４１および水力発電用電力変換器６１のＵ相側、Ｖ相側、Ｗ相側の各半導体素子を各々ユニット化したものであり、系統側インバータユニット９０は、系統側電力変換器７１の上アーム側半導体素子と下アーム側半導体素子を各々ユニット化したものである。
【００６２】
尚、風力発電用の電力変換器は、風車内の構造的制約から水冷式となることが多いので、水力発電用の電力変換器も同じ冷却方式とするほうがコストメリットがある。空冷でも特に問題はない。
【実施例２】
【００６３】
本実施例では、図１４の汲み上げポンプ２７のモータ駆動用として、図３に示すように水力発電用の電力変換器を兼用するように構成した。図３において、図１と同一部分は同一符号をもって示している。
【００６４】
水車発電機２０Ｇおよび水力発電用電力変換器６１の共通接続点には汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍが接続され、前記共通接続点と水車発電機２０Ｇの間の交流電路には、回路切替え用の開閉器の接点ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ，ＳＷ１ｃが各々挿入され、前記共通接続点と汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍの間の交流電路には、回路切替え用の開閉器の接点ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃが各々挿入されている。
【００６５】
この開閉器の接点ＳＷ１ａ〜ＳＷ１ｃとＳＷ２ａ〜ＳＷ２ｃは同時閉路しないようにインターロック機能を備えている。
【００６６】
水車発電機２０Ｇと汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍを同時に制御することは不可能だが、水車発電機２０Ｇと汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍは同時に動かなくてもよい（どちらか一方が動いている時どちらか他方は止まっていてよい）ので、本実施例では、回路切替え用の開閉器の接点ＳＷ１ａ〜ＳＷ１ｃおよびＳＷ２ａ〜ＳＷ２ｃによって両者の制御を切替えるものである。
【００６７】
すなわち、水車発電機２０Ｇから系統側電力変換器７１へ電力を供給するときは、前記開閉器の接点ＳＷ１ａ〜ＳＷ１ｃを閉じ、接点ＳＷ２ａ〜ＳＷ２ｃを開放し、水力発電用電力変換器６１を順電力変換動作させ、風車発電機１０Ｇから汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍに電力を供給するときは、前記開閉器の接点ＳＷ１ａ〜ＳＷ１ｃを開放し、接点ＳＷ２ａ〜ＳＷ２ｃを閉じ、水力発電用電力変換器６１を逆電力変換動作させることで達成できる。
【００６８】
これによって、汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍ専用の駆動インバータを省略することができる。これによって、イニシャルコストだけでなく、ポンプ用のインバータのメンテナンス自体を省略でき、ポンプ駆動兼用に水力発電用電力変換器６１（インバータ）を備えることによって、汲み上げポンプ駆動時の突入電流を低減することができる。
【００６９】
また、汲み上げポンプ駆動用モータ２７Ｍを駆動するために必ずしもインバータが必要なわけではないが、インバータを適用することによって効率の良い永久磁石式同期モータを適用することができ、運用機器の高効率化を達成できる。
【００７０】
また、通常ポンプ駆動用インバータは回生運転がないため、系統側には安価なダイオード整流回路を適用する。これは高調波増大を招くが、本実施例では従来の風力発電用の、系統側に高調波抑制回路４３を付加したインバータ（系統側電力変換器７１）を適用するので、高調波の問題もなくなる。
【実施例３】
【００７１】
風力発電装置における風車には、ピッチ（風車の羽の角度）を制御するために非常用電源（電池やキャパシタ）が備えられている。通常ブレード１枚に対し１組の（モータ＋モータドライブ用インバータ＋蓄電池）が備えられており、蓄電池電圧やモータおよびインバータの電力定格によっては蓄電池とインバータの間に昇圧チョッパを備える。
【００７２】
この風車のブレード角を制御する従来の回路構成を図１６に示す。図１６において、１１０は風車発電機１０Ｇを備えた三相の電源を表し、１２０は電源１１０の交流電力を直流に整流する整流器である。
【００７３】
整流器１２０の正、負極端Ｐ，Ｎ間には、直流中間コンデンサ１３０および半導体素子（スイッチング素子）を三相ブリッジ接続したモータドライブ用インバータ１３１（ピッチ制御用電力変換器）の直流側が接続され、モータドライブ用インバータ１３１の交流側は、一枚のブレード６の角度を制御するピッチ制御用モータ１４０に接続されている。
【００７４】
また前記整流器１２０の正極端Ｐには、非常用電源としての蓄電池１３２の電圧を昇圧する昇圧チョッパ１３３の正側出力端がダイオード１３４のアノード−カソードを介して接続され、負極端Ｎには、昇圧チョッパ１３３の負側出力端が接続されている。
【００７５】
これらは、強風時かつ停電時においてもブレード角度を変えることによって風車の過回転が起こらないようにするための装置である。
【００７６】
本実施例では、備えた揚水水力発電によって上記非常用電源（蓄電池１３２、昇圧チョッパ１３３）をアシストし、従来から備えられている電池やキャパシタの容量を低減させる。ブレード基部において、電池やキャパシタ容量を低減させると、図１４の回転部４の軽量化を図ることができる。
【００７７】
本実施例における直流供給方式の回路構成を図４に、交流供給方式の回路構成を図５に各々示す。図４、図５において図１６と同一部分は同一符号をもって示している。
【００７８】
図４において図１６と異なる部分は、揚水水力発電システム２０の水車発電機２０Ｇと、三相ブリッジ接続された半導体素子および直流コンデンサを有し水車発電機２０Ｇの交流電力を直流に変換する水力発電用電力変換器６１（順変換部）とを備え、水力発電用電力変換器６１の正側出力端を昇圧チョッパ１３３およびダイオード１３４の共通接続点に接続し、水力発電用電力変換器６１の負側出力端を整流器１２０の負極端Ｎに接続した点にあり、その他の部分は図１６と同一に構成されている。
【００７９】
図５において図１６と異なる部分は、揚水水力発電システム２０の水車発電機２０Ｇの交流電力を水力発電用電力変換器６１によって直流に変換し、直流コンデンサおよび三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）を有した逆変換部１５０（インバータ）によって水力発電用電力変換器６１の直流電力を交流に変換し、逆変換部１５０の交流出力電力を、リアクトルおよびコンデンサを有して交流フィルタを構成した高調波抑制回路１５３および遮断器１５４を介して整流器１２０の交流側に供給するように構成した点にあり、その他の部分は図１６と同一に構成されている。
【００８０】
本実施例において揚水水力発電システムの水車発電機２０Ｇと水力発電用電力変換器６１をアシスト用として設けたのは、ピッチ用電源は風車異常時（強風時）に風車のブレード回転を止めるためにブレード角を変更することを目的とし、強風時にすぐに風車回転を止めるための高応答性が必要であり、風力発電システムの応答では足りないと考えられるためである。
【００８１】
非常用電源であるため、非常時にブレード角を９０°回転させられる電力を得るための水を、常時例えば図１４の貯水槽２１ａに残しておくように、水力発電システム２０を制御しておく。そのために貯水槽２１ａ内に水面センサ等を備えてもよい。
【００８２】
ピッチを回転させる必要のある非常事態になった時に、モータドライブ用インバータ１３１（および昇圧チョッパ１３３）に運転指令を与えると同時に、揚水水力発電システム２０の開閉弁２４を開放して水を流し、且つ図４の直流供給方式では水力発電用電力変換器６１を、図５の交流供給方式では水力発電用電力変換器６１および逆変換部１５０を各々運転させて、モータドライブ用インバータ１３１を介してピッチ制御用モータ１４０に電力を供給する制御を行う。
【００８３】
このようにして非常用電源（蓄電池１３２、昇圧チョッパ１３３）をアシストするので、ピッチ制御用モータ１４０を駆動させる必要があるとき（強風時など）に、より高速の応答性が得られる。
【実施例４】
【００８４】
以下の実施例４〜実施例６は、図６に示す、風力発電設備１０の風車タワー１内にフライホイール式エネルギー蓄電システム２００を設けた風力発電装置に、本発明を適用したものである。
【００８５】
フライホイール式エネルギー蓄電システム２００とは、フライホイール２１０、それと同軸上に設置されたモータ兼発電機としての役割を持つ回転機２１１、およびその回転機２１１の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する、電力変換器盤２１４内の電力変換器（インバータ）等から構成される。
【００８６】
回転機２１１の運動エネルギーは次のように定義される。  
【００８７】
慣性の蓄積エネルギー（運動エネルギー）＝Ｊω2／２
Ｊ：慣性モーメント
ω：角速度
図６において、図１４と同一部分は同一符号をもって示しており、風車タワー１内に設けられるフライホイール式エネルギー蓄電システム２００は次のように構成されている。
【００８８】
２１０はフライホイールであり、回転運転エネルギーを蓄積可能な慣性体である。これは単純な鉄製であったり、炭素繊維強化樹脂製であったりする。
【００８９】
２１１は回転機であり、エネルギー蓄積時はモータとして、エネルギー放出時は発電機として作用し、誘導機でも、永久磁石式でもよい。
【００９０】
２１２は軸であり、フライホイール２１０と回転機２１１を機械的に接続する。フライホイール式エネルギー蓄電器（フライホイール２１０、回転機２１１および軸２１２）のエネルギー損失は回転軸の軸受けで摩擦によって生じるため、フライホイール２１０には電気式あるいは超電導式磁気軸受けが用いられることがある。
【００９１】
フライホイール式エネルギー蓄電器は、回転中のフライホイール２１０が空気との摩擦によってエネルギー損失が発生するため、その損失を減らす目的で真空チャンバー２１３を設ける場合がある。
【００９２】
２１４は、回転機２１１の電気エネルギーを制御する電力変換器盤であり、入出力双方向へ電力を流せるＡＣ／ＡＣ変換器を備え、一般的には直流リンクを設けるＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換器を備えている。
【００９３】
２１５は回転機２１１と電力変換器盤２１４を結ぶ配線である。  
【００９４】
図６の装置の回路構成の一例を図７に示す。図７において、２２０は風力発電用電力変換器であり、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）を有して風車発電機１０Ｇの交流電力を直流電力に変換する順変換部２２１と、直流中間コンデンサと、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）を有して順変換部２２１の直流電力を交流電力に変換する逆変換部２２２とを備えている。
【００９５】
逆変換部２２２の交流側は、図示省略しているが図１５と同様に高調波抑制回路４３および遮断器４４を介して連系トランス５０に接続されている。
【００９６】
２３０は、図６の電力変換器盤２１４内に設けられたフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器（ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換器）であり、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）を有して交流側が回転機２１１に接続された電力変換器２３１と、電力変換器２３１の正、負極端間に接続された直流中間コンデンサと、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）を有し、直流側が前記直流中間コンデンサの正、負極端間に接続され、交流側が前記逆変換部２２２に接続された電力変換器２３２とを備えている。
【００９７】
このフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０は、回転機２１１を制御することにより電力を双方向に流す。
【００９８】
上記構成によって、風車発電機１０Ｇの出力が低下した際に、その電力分を補うべく回転機２１１の発電電力を連系トランス５０側に供給し、風力発電装置の出力電力を平準化することができる。また、風車発電機１０Ｇの出力が充分あるときは、回転機２１１はモータとして駆動され、電気エネルギーはフライホイール２１０の運動エネルギーに変換される。
【００９９】
本実施例４では、図７の構成に限らず、第１の変形例として図８に示すようにフライホイール式エネルギー蓄電器を複数個並列に接続する構成としてもよい。
【０１００】
図８において図７と同一部分同一符号をもって示しており、図７と同様のフライホイール２１０、回転機２１１、軸２１２およびフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０を複数組設け（２１０ａ，２１０ｂ，…、２１１ａ，２１１ｂ，…、２１２ａ，２１２ｂ，…、２３０ａ，２３０ｂ，…）、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０ａ，２０３ｂ…の電力変換器２３２ａ，２３２ｂ…の交流側を、風力発電用電力変換器２２０の系統側に各々接続して構成されている。
【０１０１】
また、本実施例４の第２の変形例として、図９のように構成してもよい。図９において図７、図８と同一部分は同一符号をもって示しており、回転機（２１１）を誘導機で構成し、１台のフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０に対して、複数のフライホイール２１０ａ，２１０ｂ…、回転機２１１ａ，２１１ｂ…、軸２１２ａ，２１２ｂ…を各々接続し、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０の電力変換器２３２の交流側を、風力発電機用電力変換器２２０の系統側に接続している。
【０１０２】
また、本実施例４の第３の変形例としては、前記第１および第２の変形例を組み合わせて図１０のように構成してもよい。図１０において図８、図９と同一部分は同一符号をもって示しており、回転機２１１ａ〜２１１ｄを誘導機で構成し、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０ａの電力変換器２３１ａ側に回転機２１１ａおよび２１１ｂを接続し、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０ｂの電力変換器２３１ｂ側に回転機２１１ｃおよび２１１ｄを接続し、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０ａ，２３０ｂの電力変換器２３２ａ，２３２ｂの交流側を、風力発電機用電力変換器２２０の系統側に接続している。
【０１０３】
図８〜図１０の第１〜第３変形例の場合も、図７と同様の動作となり、風車発電機１０Ｇの出力が低下した際に、その電力分を補うべく回転機（２１１ａ〜２１１ｄ）の発電電力を連系トランス５０側に供給し、風力発電装置の出力電力を平準化することができる。また、風車発電機１０Ｇの出力が充分あるときは、回転機（２１１ａ〜２１１ｄ）はモータとして駆動され、電気エネルギーはフライホイール（２１０ａ〜２１０ｄ）の運動エネルギーに変換される。
【実施例５】
【０１０４】
本実施例５では、風力発電の出力の平準化のためにフライホイール式エネルギー蓄電システムを設けた構成において、全ての電力変換器（インバータ回路）を同一の電力変換器盤内に収納するように構成した。
【０１０５】
図１１は図８の風力発電装置に本実施例５を適用したものであり、図８と同一部分は同一符号をもって示している。
【０１０６】
図１１において、三相ブリッジ接続された半導体素子（スイッチング素子）と直流コンデンサを有し、直流電力を交流に変換する１つの系統側電力変換器２４２（インバータ）を設け、該系統側電力変換器２４２の直流母線に、図７、図８で述べた風力発電用電力変換器２２０の順変換部２２１の直流側と、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０ａ，２３０ｂの電力変換器２３１ａ，２３１ｂの各直流側とを共通に接続し、系統側電力変換器２４２の交流出力側を、図示省略の高調波抑制回路４３および遮断器４４を介して連系トランス５０に接続し、順変換部２２１、電力変換器２３１ａ，２３１ｂ、系統側電力変換器２４２および図示省略の高調波抑制回路４３および遮断器４４を１面の電力変換器盤３００に収納した。
【０１０７】
図１１の構成により、コストの低減化および省スペース化を図ることができる。
【０１０８】
すなわち、供給電力平準化が目的であるので、風力による発電電力とフライホイール式エネルギー蓄電システムによる発電電力の和は、風車自体の定格電力を超えることが基本的にないため、フライホイール式エネルギー蓄電システム用の系統側インバータを設置するという無駄（系統側インバータの余剰能力）を省くことができ、部品の共通化によるコスト低減が行える。
【０１０９】
尚図１１では、フライホイール式エネルギー蓄電システムを２台設けた例としているが、これに限らず３台以上設けても前記と同様の作用、効果を奏する。
【実施例６】
【０１１０】
実施例６では、図１６に示す風車のブレード角を制御するための非常用電源（蓄電池１３２、昇圧チョッパ１３３）をアシストするために、図４、図５の揚水水力発電システムの代わりに、図６、図７のフライホイール式エネルギー蓄電器を用いるように構成した。本実施例６によれば、前記実施例３（図４、図５）と同様の作用、効果が得られる。
【０１１１】
図１２は、本実施例６における直流供給方式の回路構成を示し、図４、図７と同一部分は同一符号をもって示している。図１２において図４と異なる部分は、水車発電機２０Ｇおよび水力発電用電力変換器６１に代えて、フライホイール２１０、回転機２１１、軸２１２、電力変換器２３１および直流コンデンサＣを設け、前記電力変換器２３１の正側出力端を昇圧チョッパ１３３およびダイオード１３４の共通接続点に接続し、電力変換器２３１の負側出力端を整流器１２０の負極端Ｎに接続した点にあり、その他の部分は図４と同一に構成されている。
【０１１２】
図１３は、本実施例６における交流供給方式の回路構成を示し、図５、図７と同一部分は同一符号をもって示している。図１３において図５と異なる部分は、水車発電機２０Ｇ、水力発電用電力変換器６１および逆変換部１５０に代えて、フライホイール２１０、回転機２１１、軸２１２、フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０を設け、前記フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０の電力変換器２３２の交流側を、高調波抑制回路１５３および遮断器１５４を介して整流器１２０の交流側に接続した点にあり、その他の部分は図５と同一に構成されている。
【０１１３】
図１２の直流供給方式では電力変換器２３１を、図１３の交流供給方式ではフライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器２３０を各々運転させて、モータドライブ用インバータ１３１を介してピッチ制御用モータ１４０に電力を供給する制御を行う。
【０１１４】
このようにして非常用電源（蓄電池１３２、昇圧チョッパ１３３）をアシストするので、ピッチ制御用モータ１４０を駆動させる必要があるとき（強風時など）に、より高速の応答性が得られる。
【符号の説明】
【０１１５】
１…風車タワー
２…風車タワーベース
３…タワートップ
４…回転部
６…ブレード
１０…風力発電設備
１０Ｇ…風車発電機
２０…揚水水力発電システム
２０Ｇ…水車発電機
２１ａ，２１ｂ…貯水槽
２２…落下水路
２３…汲み上げ水路
２４…開閉弁
２５…水車
２６…発電機
２７…汲み上げポンプ
２８…取水口
２９…排水口
３０…水力発電制御盤
４１，４２，６１，６２，２３１，２３１ａ，２３１ｂ，２３２，２３２ａ，２３２ｂ…電力変換器
４３，１５３…高調波抑制回路
４４，１５４…遮断器
５０…連系トランス
７１，２４２…系統側電力変換器
８０…発電機側インバータユニット
９０…系統側インバータユニット
１００，２１４，３００…電力変換器盤
１１０…電源
１２０…整流器
１３０…直流中間コンデンサ
１３１…モータドライブ用インバータ
１３２…蓄電池
１３３…昇圧チョッパ
１３４…ダイオード
１４０…ピッチ制御用モータ
１５０，２２２…逆変換部
２００…フライホイール式エネルギー蓄電システム
２１０，２１０ａ，２１０ｂ…フライホール
２１１，２１１ａ，２１１ｂ…回転機
２１２，２１２ａ，２１２ｂ…軸
２２０…風力発電用電力変換器
２２１…順変換部
２３０，２３０ａ，２３０ｂ…フライホイール式エネルギー蓄電器用電力変換器
【図１】
2016125456.tif 000003
【図２】
2016125456.tif 000004
【図３】
2016125456.tif 000005
【図４】
2016125456.tif 000006
【図５】
2016125456.tif 000007
【図６】
2016125456.tif 000008
【図７】
2016125456.tif 000009
【図８】
2016125456.tif 000010
【図９】
2016125456.tif 000011
【図１０】
2016125456.tif 000012
【図１１】
2016125456.tif 000013
【図１２】
2016125456.tif 000014
【図１３】
2016125456.tif 000015
【図１４】
2016125456.tif 000016
【図１５】
2016125456.tif 000017
【図１６】
2016125456.tif 000018