(57)【要約】      （修正有）【課題】発電機に永久磁石を用いる上で永久磁石が減磁した際に運転をできるだけ長く継続することができる風力発電装置および風力発電方法を提供する。【解決手段】風力発電装置は、風車１、発電機２および制御部４１とを備える。風車は風を受けて回転する。発電機はヨークに永久磁石を用い風車の回転動力を電力に変換する。制御部は発電機の電流とトルクの経時的な変化から予め設定された許容値を超える永久磁石の減磁が検知された場合、第１の関係とは前記トルクと前記電流との関係が異なる減磁時の第２の関係に従い減少させるトルクを決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転する風車と、
ヨークに永久磁石を用い、前記風車の回転動力を電力に変換する発電機と、
前記風車および前記発電機に設置されたセンサから受信した信号を基に維持すべき発電機のトルクを求め、前記永久磁石の磁力が正常時の予め設定された発電機のトルクと電流との第１の関係に従い前記発電機のトルクを決定し、前記発電機による発電を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記発電機の電流とトルクとの経時的な変化から予め設定された許容値を超える前記永久磁石の減磁が検知された場合、前記第１の関係とは前記トルクと前記電流との関係が異なる減磁時の第２の関係に従い減少させるトルクを決定する風力発電装置。
【請求項２】
前記第１の関係における発電機電流の許容範囲を設定し、
前記制御部は、
前記センサにより検出された前記発電機の電流が前記許容範囲を超えた場合、前記第２の関係に従い、前記第１の関係における前記発電機の電流値となるよう前記発電機のトルクを決定する請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記第１の関係における発電機の電流の許容範囲を設定し、
前記制御部は、
前記発電機の実際のトルクが正常時の前記第１の関係の下限値を下回った場合、前記第２の関係に従い、前記第１の関係の前記下限値に収まる前記発電機の電流値となるよう前記発電機のトルクを決定する請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記第２の関係に従い発電中であることを発報する発報部を備える請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
風を受けて回転する風車と、ヨークに永久磁石を用い、前記風車の回転動力を電力に変換する発電機とを備えた風力発電装置において、前記風車および前記発電機に設置されたセンサから受信した信号を基に維持すべき前記発電機のトルクを求め、前記永久磁石の磁力が正常時の予め設定された発電機のトルクと電流との第１の関係に従い前記発電機のトルクを決定し、前記発電機による発電を制御する風力発電方法であって、
前記発電機の電流とトルクとの経時的な変化から予め設定された許容値を超える前記永久磁石の減磁が検知された場合、前記第１の関係とは前記トルクと前記電流との関係が異なる減磁時の第２の関係に従い減少させるトルクを決定する風力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、風力発電装置および風力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば2MW以上などといった大型の風力発電装置に用いられる発電機は、巻線型誘導発電機（DFIG）と永久磁石型同期発電機（PMSG）が現在主流となっている。
【０００３】
このうち永久磁石型同期発電機は、外部からの砺磁装置が不要のため発電機効率が高い、メンテナンスが楽であるなどのメリットがある。
【０００４】
永久磁石型同期発電機は、例えばロータに励磁用の永久磁石を使用しており、このような構成では、永久磁石の性能を長期に亘って保持することが重要である。
【０００５】
ところで、風力発電装置の運転中に、何らかの原因で永久磁石の減磁が進行すると、発電機の出力電圧が下がるため、風車制御用のコントローラであるプログラマブル・ロジック・コントローラ（以下「ＰＬＣ」と称す）からの指令で同じ発電機出力を維持させようとした場合には発電機電流を増やすことで対応することになる。
【０００６】
この場合、発電機電流を増やすことによって永久磁石の減磁がさらに進行するため、電流値に上限がない場合には減磁が急激に加速する。
【０００７】
永久磁石の減磁は不可逆現象であることから、一度劣化が始まると永久磁石を含むロータの交換または修理が必要となり、発電機の解体を含めた修理期間は風力発電装置自体の運転を停止するなど、風車メーカーおよび発電事業者双方にとって大きな損失となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２３５６４５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２３８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように発電機に永久磁石を用いる場合、永久磁石が一度減磁すると、発電機電流を増加させることになり、これが減磁を加速させるため、磁石を含めたロータの部品交換を急きょ行わなければならない自体になり、交換部品の手配など、保守作業が追い付かなくなる可能性があるという問題があった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、発電機に永久磁石を用いる上で永久磁石が減磁した際に運転をできるだけ長く継続することができる風力発電装置および風力発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の風力発電装置は、風車、発電機および制御部とを備える。風車は風を受けて回転する。発電機はヨークに永久磁石を用い風車の回転動力を電力に変換する。制御部は風車および発電機に設置されたセンサから受信した信号を基に維持すべき発電機のトルクを求め、永久磁石の磁力が正常時の予め設定された発電機のトルクと電流との第１の関係に従い発電機のトルクを決定し発電機による発電を制御する。制御部は発電機の電流とトルクの経時的な変化から予め設定された許容値を超える永久磁石の減磁が検知された場合、第１の関係とはトルクと電流の関係が異なる減磁時の第２の関係に従い減少させるトルクを決定する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の風力発電装置の構成を示す図である。
【図２】この風力発電装置の第１の動作例を示す図である。
【図３】この風力発電装置の第２の動作例を示す図である。
【図４】この風力発電装置の第３の動作例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
（構成の説明）  
図１は一つの実施の形態の風力発電装置を示す図、図２はこの風力発電装置の第１制御例を示す図である。  
図１に示すように、第１実施形態の風力発電装置は、風車１、発電機２、電力調整部としてのＰＣＳ３、発電制御部としてのＰＬＣ４、発報部１２などを備える。
【００１５】
風車１は回転軸１ｂに回動自在に設けられたブレード１ａを有する。風車１は風力を回転動力に変換する。発電機２はヨーク（ロータまたはステータのいずれか）に永久磁石を用いて風車１の回転動力を電力に変換する。
【００１６】
ＰＣＳ３は発電機２により発電された電力を電力系統へ送るために電力の変換を行う。ＰＣＳ３は例えば発電機周波数（発電周波数）を系統周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚなど）に変換する。またＰＣＳ３は交流を直流に変換したり直流を交流にしたりもする。
【００１７】
ＰＬＣ４は風車１に設置された回転センサ、電流センサおよび電圧センサなどのセンサから受信した信号を基に維持すべき発電機トルク６(Treal)を求め、予めメモリ４２に記憶された制御情報４３に従い発電機トルク６(Treal)に応じた発電機２の電流５(Ig)を決定し、トルク指令１０(Tref)をＰＣＳ３へ送ることで発電機２による発電を制御する。
【００１８】
ＰＬＣ４は、制御部４１、メモリ４２、バッファ４４を有する。  
メモリ４２には、制御情報４３が記憶されている。制御情報４３は発電機２のトルクと電流との第１の関係である第１制御特性７１と、この第１制御特性７１よりも発電機２の電流に対する発電機２のトルクを下げた減磁時の第２の関係である第２制御特性７２などである。
【００１９】
すなわち、図２に示すように、第１制御特性７１は永久磁石の磁力が正常なとき（正常時）の発電機２のトルクと電流５(Ig)との関係を示すものであり、第１制御マップ、正常時の電流−トルク特性カーブなどともいう。第２制御特性７２は永久磁石が減磁したとき（減磁時）の発電機２のトルクと電流５(Ig)との関係を示すものであり、第２制御マップ、減磁時の電流−トルク特性カーブなどともいう。
【００２０】
バッファ４４には制御部４１から出力されたトルク指令７（直近の値Tref）が一時的に記憶されている。
【００２１】
制御部４１は風車１および発電機２に設置されたセンサから受信した信号を基に維持すべき発電機のトルクを求め、正常時は予めメモリ４２に設定された第１制御特性７１に従い発電機２のトルクに応じた電流を決定し発電機２による発電を制御する。
【００２２】
制御部４１はＰＣＳ３より入力される発電機電流５(Ig)と発電機トルク６(Treal)から、正常時（減磁未検出時）は第１制御特性７１に従いトルク指令を生成しＰＣＳ３に出力する。
【００２３】
制御部４１は前回のトルク指令７と今回のトルク指令１０との差から永久磁石の減磁を検知する。具体的には制御部４１はバッファ４４に記憶されているトルク指令７(直近の値(Tref))と今回新たに生成したトルク指令１０(現在の値Tref(new))との差分と許容値との比較により永久磁石の減磁を検知する。
【００２４】
この際、トルク指令の差分が予め設定された許容値（トルク差の許容値）を超えた場合、制御部４１は永久磁石の減磁を検知する。つまり制御部４１は発電機２の電流とトルクとの経時的な変化から予め設定された許容値を超えたとき永久磁石の減磁を検知する。
【００２５】
制御部４１は永久磁石の減磁を検知すると、永久磁石の磁力が正常時の第１制御特性７１とはトルクと電流との関係が異なる減磁時の第２制御特性７２に従い減磁保護のために減少させるトルクを決定する。なお発電機２のトルクを決定するにあたり、計算ではなく予めメモリ４２に記憶された対応表などにより発電機２のトルクを決定してもよい。
【００２６】
つまり制御部４１は永久磁石の磁力が正常時の第１制御特性７１よりも発電機２の電流に対して発電機２のトルクを下げた減磁時の第２制御特性７２に従い、求めた発電機２のトルクに応じた電流を決定する。
【００２７】
発報部１２は制御部４１が第２制御特性７２に従い発電中であることを制御部４１により制御されて発報する。発報部１２は例えば警報器や自動メール送信機などである。
【００２８】
警報器は警報音を発する。自動メール送信機は予め設定された送信用のメールアドレスへ向けて、永久磁石の減磁が検知された旨または第２制御特性７２に従い発電を行っている旨の電子メールを送信する。
【００２９】
（作用）  
以下、図２乃至図４を参照してこの実施形態の風力発電装置のいくつかの動作例を説明する。  
従来の場合、発電機２のヨークに設けた永久磁石が減磁して発電機電圧が低下した際には、ＰＬＣ４は同じ発電機トルク６を維持させようとして発電機電流５を増やすようにトルク指令１０(Tref)を出力する。これにより、ＰＣＳ３は受け取ったトルク指令１０(Tref)に従い発電機２の電流Ｃ２（図２参照）を流して発電機２にトルクを付与する。このため、永久磁石の減磁をさらに加速させる結果となる。
【００３０】
（第１の動作例）  
これに対して、この実施形態の風力発電装置は、以下に示すように動作する。  
すなわち、ＰＬＣ４の制御部４１は、発電機２に設置されたセンサから発電機電流５と発電機トルク６を検出しているが、これら実際の発電機電流５と発電機トルク６と、図２に示すメモリ４２に記憶されている正常時の第１制御特性７１（図１の制御情報４３）とを比較する。
【００３１】
この比較の結果、実際の電流−トルク特性が、正常の第１制御特性７１の許容範囲７１ａから逸脱していた場合、ＰＬＣ４の制御部４１は予め永久磁石の減磁保護を考慮してメモリ４２に記憶しておいた減磁時の第２制御特性７２を参照して減少分のトルク値をメモリ４２から読み出し、そのトルク値に相当する低い発電機トルクが得られる発電機電流５(Ig)になるよう暫定的なトルク指令１０(図２のTref(new))を演算により求めＰＣＳ３へ出力する。
【００３２】
これにより、ＰＣＳ３は暫定的なトルク指令１０(Tref(new))に従い発電機２の電流Ｃ１を流して発電機２にトルクを付与するので、永久磁石が減磁した場合でも発電動作が維持されて風力発電装置の運転が継続される。なお予め計算ロジックを設定しておき永久磁石の減磁保護を考慮したトルク差を計算して求めてもよい。
【００３３】
（第２動作例）
続いて図３を参照して風力発電装置の第２動作例を説明する。  
この第２動作例では、正常時の第１制御特性７１に下限値７１ｂを設定する。
【００３４】
ＰＬＣ４の制御部４１は発電機２に設置されたセンサから発電機電流５と発電機トルク６を検出し、検出した実際の発電機電流５と発電機トルク６と、図３に示すメモリ４２に記憶されている正常時の第１制御特性７１（図１の制御情報４３）とを比較する。
【００３５】
この比較の結果、実際の電流−トルク特性が、正常時の第１制御特性７１の下限値７１ｂから逸脱していた場合、つまり実際に求めた発電機トルクが下限値７１ｂを下回った場合、ＰＬＣ４の制御部４１は減磁時の第２制御特性７２に従い下限値７１ｂの特性（カーブ）に収まる発電機２の電流値Ｃ３となるよう発電機トルク、つまりトルク指令１０(Tref(new))を決定する。
【００３６】
（第３動作例）
続いて図４を参照して風力発電装置の第３動作例を説明する。  
第３動作例では、正常時の第１制御特性７１に複数の下限値７１ｂ、７１ｃを設定する。つまり下限値を、永久磁石の減磁の進行度に応じて複数設定している。
【００３７】
ＰＬＣ４の制御部４１は発電機２に設置されたセンサから発電機電流５と発電機トルク６を検出し、検出した実際の発電機電流５と発電機トルク６と、図４に示すメモリ４２に記憶されている正常時の第１制御特性７１（図１の制御情報４３）とを比較する。
【００３８】
この比較の結果、実際の電流−トルク特性が、正常時の第１制御特性７１の下限値７１ｂまたは下限値７１ｃから逸脱していた場合（下限値を下回った場合）、ＰＬＣ４の制御部４１は、第２制御特性７２に従い、下回ったいずれかの下限値（下限値７１ｂ、７１ｃ）に収まる発電機２の電流値Ｃ３、Ｃ３’となるよう発電機トルク、つまりトルク指令１０(Tref(new))、トルク指令１０(Tref(new)’)を決定する。
【００３９】
これにより、永久磁石の減磁の進行度に合わせてトルク指令を選択できるようになり、減磁の進行度に適した風力発電装置の運転が可能になる。
【００４０】
（効果）  
このようにこの実施形態によれば、発電機２に設けたセンサから得られる信号の経時的な変化からＰＬＣ４にて永久磁石の減磁を検出した場合、ＰＬＣ４は減磁保護を考慮し、従来の減磁時とは異なる発電機電流(Ig)を抑えるような暫定的なトルク指令１０(Tref(new))をＰＣＳ３に送ることで、永久磁石の減磁の進行を遅延させることができ、発電機２を新品に交換または修理するまでの間、暫定的なトルク指令１０(Tref(new))より風力発電装置の運転（発電）を継続させることができ、風力発電装置の稼働率を向上することができる。
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、発電機２に永久磁石を用いる上で永久磁石が減磁した際に運転をできるだけ長く継続することができる。
【００４１】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４２】
上記実施形態では、前回のトルク指令７と今回のトルク指令１０との差から永久磁石の減磁を検知したが、この他、ヨークに温度センサを設けて、永久磁石の温度を検知し、その温度のパラメータを減磁時のトルク指令決定要素の一つとしてもよい。また減磁時にはトルクや電流を下げるだけでなく、ブレード１ａのピッチ角を制御して制限運転を行ってもよい。
【００４３】
また上記実施形態では、実際の発電機電流および発電機トルクが第１制御特性７１の下限値７１ｂに達した場合、発報部１２から発報するようにしたが、この他、風車１をトリップさせる機能をＰＬＣ４に持たせてもよい。
【００４４】
さらに上記実施形態では、第１制御特性７１の下限値を複数設定したが（下限値７１ｂ、７１ｃなど）、いずれかの下限値に達した場合にその下限値のレベルに応じて発報したり（運転は継続）、異なる仕方（発報音を変えるなど）で発報を行ったり、風車をトリップさせるようにしてもよい。また予め決めておいた特定の人（監視者など）や部署に電子メールや警報器などで発報するようにしてもよい。
【００４５】
また上記実施形態に示したＰＬＣ４の構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…風車、１ａ…ブレード、１ｂ…回転軸、２…発電機、３…ＰＣＳ、４…ＰＬＣ、５…発電機電流(Ig)、６…発電機トルク(Treal)、７…直近（一つ前）のトルク指令(Tref)、１０…トルク指令(Tref(new))、１１…ＰＣＳ出力(Pgrid)、１２…発報部、４１…制御部、４２…メモリ、４３…制御情報、４４…バッファ、７１…第１制御特性（正常時）、７２…第２制御特性（減磁時）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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