(57)【要約】【課題】より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置の回生モードは、垂直軸風車２０の周速比λが、垂直軸風車２０の最大出力係数Ｃｐｍａｘを含む高効率範囲で行う第１回生モード及び第２回生モード（高効率回生モード）と、最大出力係数Ｃｐｍａｘを含まない低効率範囲で行う第３回生モード（低効率回生モード）を含む。コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒが第３回生モード開始基準値Ｖｄ（低効率判定閾値）以上の場合、インバータ４０を介して低効率回生モードで交流発電機３０を制御し、移動平均風速Ｖｇｒが第３回生モード開始基準値Ｖｄ（低効率判定閾値）未満の合、インバータ４０を介して高効率回生モードで交流発電機３０を制御する。【選択図】図１
2017204934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風の運動エネルギーを機械の運動エネルギーへ変換する垂直軸風車と、前記垂直軸風車により駆動される交流発電機と、前記交流発電機の交流出力を直流に変換するインバータと、前記インバータからの直流電力を蓄電する蓄電部と、風速を検出する風速検出部と、前記風速に基づいて算出された移動平均風速に応じて前記交流発電機を、前記インバータを介して回生モードで制御する制御部を備えた発電装置において、
前記回生モードは、前記垂直軸風車の周速比が、当該垂直軸風車の最大出力係数を含む高効率範囲で行う高効率回生モードと、前記最大出力係数を含まない低効率範囲で行う低効率回生モードを含み、
前記制御部は、前記移動平均風速が、低効率判定閾値以上の場合には、前記インバータを介して低効率回生モードで前記交流発電機を制御し、前記移動平均風速が、低効率判定閾値未満の場合には、前記インバータを介して高効率回生モードで前記交流発電機を制御する発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記インバータを介して前記回生モード又は力行モードで制御するものであり、
前記高効率回生モードは、第１回生モード及び第２回生モードを含み、
前記制御部は、力行モードで制御中に前記移動平均風速が速くなって第１回生モード開始基準値を超える場合は、前記第１回生モードとして、前記垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行い、
前記第１回生モードで制御中に、前記移動平均風速が第２回生モード開始基準値を超えたときは、前記第２回生モードとして、前記発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて前記垂直軸風車を回転させる請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記移動平均風速が力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで前記交流発電機の制御を開始する請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記風速が突風の判定条件を満足する場合は、突風対応モードの制御を行い、
前記制御部は、前記突風対応モードでは、前記低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するように前記インバータを制御する請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電装置として、例えば風力発電装置が公知である。風力発電装置では、自然の風を利用するが、常に風力を一定の範囲に保つことは困難である。すなわち、風力発電装置では、風速の変動が、火力発電におけるガス流量や水力発電における水量の変動に比較して非常に大きく、発電電力が大きく変動する。
【０００３】
従来は、風車の引きずりトルクより風力が小さくなると、風車が停止し、その後、始動を再開する場合、始動トルクを超える大きな風力が必要となり、その分、発電ができない問題があった。
【０００４】
上記問題を解消するために、特許文献１の技術が提案されている。特許文献１では、始動時、或いは、発電機の回転数を検出し、回転数が所定値以下になったときは、発電機を力行動作させて発電機の回転数を所定値以上に維持するようにしている。特許文献１では、始動時、或いは風が弱まり、風車の羽（動翼）が止まってしまうことを防止するために交流発電機の力行運転を行っている。しかしながら、単に力行運転を行うだけでは、最適な交流発電機の最適な制御とはいえない。様々なパターンの気まぐれな流体、例えば風に対して、そのような流体の状態と流体機械の能力との関係から、適切な力行、回生の切り替えタイミングが、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することが望まれる。
【０００５】
なお、自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電装置として、例えば風力発電装置以外にも、水力発電装置、海流発電装置、潮流発電装置、地熱発電装置等があるが、これらの発電装置においても、効率的な運用が望ましい。
【０００６】
上記のような効率的な運用を解決するために、本出願には特許文献２の発電装置を提案している。特許文献２では、風力発電装置のコントローラが、第１回生モードでは、垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を開始し、第１回生モードで制御中に、風速が第２回生モード開始基準値となったときは、第２回生モードに移行して発電電流を最大発電電流で一定にした状態で、流速に応じて交流発電機の回転数を制御する。このようにすることにより、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを電気エネルギーに交換するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９５６２６号公報
【特許文献２】特開２０１４-１９９０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、まだ、上記特許文献２の発電装置は、改良の余地を残しており、さらなる風のエネルギーを発電エネルギーに交換できる発電装置が望まれている。
本発明の目的は、上記課題を解決して、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる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】
【０００９】
上記問題点を解決するために、本発明の発電装置は、風の運動エネルギーを機械の運動エネルギーへ変換する垂直軸風車と、前記垂直軸風車により駆動される交流発電機と、前記交流発電機の交流出力を直流に変換するインバータと、前記インバータからの直流電力を蓄電する蓄電部と、風速を検出する風速検出部と、前記風速に基づいて算出された移動平均風速に応じて前記交流発電機を、前記インバータを介して回生モードで制御する制御部を備えた発電装置において、前記回生モードは、前記垂直軸風車の周速比が、当該垂直軸風車の最大出力係数を含む高効率範囲で行う高効率回生モードと、前記最大出力係数を含まない低効率範囲で行う低効率回生モードを含み、前記制御部は、前記移動平均風速が、低効率判定閾値以上の場合には、前記インバータを介して低効率回生モードで前記交流発電機を制御し、前記移動平均風速が、低効率判定閾値未満の合には、前記インバータを介して高効率回生モードで前記交流発電機を制御するものである。
【００１０】
また、前記制御部は、前記インバータを介して前記回生モード又は力行モードで制御するものであり、前記高効率回生モードは、第１回生モード及び第２回生モードを含み、前記制御部は、力行モードで制御中に前記移動平均風速が速くなって第１回生モード開始基準値を超える場合は、前記第１回生モードとして、前記垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行い、前記第１回生モードで制御中に、前記移動平均風速が第２回生モード開始基準値を超えたときは、前記第２回生モードとして、前記発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて前記垂直軸風車を回転させることが好ましい。
【００１１】
また、前記制御部は、前記移動平均風速が力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで前記交流発電機の制御を開始するようにすることが好ましい。
また、前記制御部は、前記風速が突風の判定条件を満足する場合は、突風対応モードの制御を行い、前記制御部は、前記突風対応モードでは、前記低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するように前記インバータを制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を風力発電装置に具体化した一実施形態の全体構成のブロック図。
【図２】コントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。
【図３】交流発電機の電流・トルク特性図。
【図４】交流発電機の回転数・発電電圧特性図。
【図５】交流発電機の回転数・トルク特性図。
【図６】交流発電機の回転数・発電出力の特性図。
【図７】第１回生モードと第２回生モードの切替えタイミングを説明するための発電電流、発電出力、回転数の説明図。
【図８】一実施形態の風速と時間の関係を示す作用の説明図。
【図９】（ａ）は、各モードにおける電流と時間の関係を示す説明図、（ｂ）は各モードにおける回転速度と時間の関係を示す説明図、（ｃ）は、各モードにおける周速比と時間の関係を示す作用の説明図。
【図１０】一実施形態の交流発電機の回転数（回転速度）とトルクとの関係を示す説明図。
【図１１】出力係数Ｃｐと周速比λの特性図。
【図１２】Ｃｐ最大周速比時の風速Ｖとロータの回転数Ｎとの関係の説明図。
【図１３】実風速と平均風速の説明図。
【図１４】他の実施形態のコントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の発電装置を風力発電装置に具体化した一実施形態を図１〜図１３を参照して説明する。
図１に示すように、風力発電装置１０は、垂直軸風車２０、前記垂直軸風車２０の垂直軸２４にロータ（回転子）が連結された交流発電機３０、交流発電機３０の固定子に接続されたインバータ４０、インバータ４０に対して平滑コンデンサ５０を介して接続された蓄電部としての二次電池６０を備えている。なお、垂直軸風車２０と交流発電機３０とは、直結してもよく、或いは減速機構又は増速機構を介して連結してもよい。
【００１５】
前記垂直軸風車２０は、本実施形態ではダリウス形風車で構成され、風車ブレード２２，垂直軸２４等を備えている。なお、図１では、垂直軸風車２０を説明の便宜上簡略化して図示している。前記垂直軸風車２０は、ダリウス形風車に限定するものではなく、サボニウス形風車、ジャイロミル形風車、クロスフロー形風車等であってもよい。
【００１６】
垂直軸風車２０には、ロック部としてのメカブレーキ２６を備え、後述する発電プログラムが起動されていない状態では、メカブレーキ２６により回転しないようにすることが可能である。メカブレーキ２６は、コントローラ８０により制御されて垂直軸風車２０の回転停止のロックの解除が可能である。
【００１７】
交流発電機３０は、同期発電機（例えば、永久磁石型同期発電機）又は誘導発電機のいずれであってもよい。本実施形態では、交流発電機３０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線を有する。
【００１８】
前記インバータ４０は、回生時のときには交流発電機３０の出力である交流電力を直流電力に変換して二次電池６０に前記直流電力を蓄電するとともに力行モードのときには二次電池６０の直流電力を交流電力に変換して、交流発電機３０をモータとして作動する。
【００１９】
すなわち、インバータ４０は、ダイオードＤ１〜Ｄ６が直列に接続されてなるハーフブリッジ回路を３相分有するとともに、各ダイオードには並列にトランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳからなるスイッチング素子４２〜４７が接続されている。本実施形態ではスイッチング素子４２〜４７はＩＧＢＴで構成されている。
【００２０】
前記インバータ４０は、回生時で交流発電機３０を発電動作させるよう駆動することが可能である。また、インバータ４０は、必要に応じて交流発電機３０を力行モードで動作させるように駆動することが可能である。インバータ４０のダイオードブリッジは整流機能を有し、発電された交流電圧を直流電圧に変換する。そして、インバータ４０における各スイッチング素子４２〜４７のオン・オフを適宜制御することにより、交流発電機３０に適宜電流を回生させ、交流発電機３０の固定子巻線のインダクタンスを利用して、出力電圧の制御、出力電流等の制御が可能である。
【００２１】
二次電池６０には、コンバータ９０が接続されている。コンバータ９０は、二次電池６０から送られる直流電力を固定周波数（例えば、商用周波数）の交流電力に変換し、系統連系用変圧器１００を介して電力系統に前記固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
【００２２】
また、風力発電装置１０は、前記インバータ４０を構成するスイッチング素子４２〜４７のドライバ７０を介して制御するコントローラ８０を備えている。コントローラ８０は、図示しないＣＰＵ（中央処理演算装置）、システムプログラムを記憶するＲＯＭ、作業用メモリとなるＲＡＭ、及び発電プログラムを記憶する図示しない書き替え可能な記憶装置を有する。コントローラ８０は制御部に相当する。
【００２３】
コントローラ８０には、交流発電機３０のロータ（回転子）の回転速度（単位回転時間毎の回転数）及び位置を検出するための速度センサ３２の検出信号が入力される。速度センサ３２は、本実施形態ではレゾルバで構成されているが、レゾルバに限定するものではなく、エンコーダであってもよい。コントローラ８０には、電流センサＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗが接続され、前記交流発電機３０とインバータ４０間の各相の電流の検出信号を入力する。コントローラ８０は、前記各相の電流の検出信号に基づいて、回生時の場合には、発電電流の値を取得し、力行の場合には、駆動電流の値を取得する。
【００２４】
さらに、風力発電装置１０は、平滑コンデンサ５０の電圧すなわちインバータ４０の直流出力電圧を検出する電圧検出部５２を備えている。電圧検出部５２は、ドライバ７０及びコントローラ８０にそれぞれ検出した電圧（検出信号）を入力する。
【００２５】
また、コントローラ８０には、前記垂直軸風車２０に吹かれる風の流速を検出する風速検出部としての風速計１１０が接続されて、検出信号をコントローラ８０に入力する。
コントローラ８０は、前記入力（取得）した各種検出信号を、共通の検出周期毎に図示しないバッファに格納する。
【００２６】
（回生）
回生について説明する。回生時（後述する第１、第２回生モード、第３回生モード及び回生ブレーキ処理等を含む）には、コントローラ８０はドライバ７０を介して、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４、４６を全てオフ状態に維持しつつローサイド側のスイッチング素子４３、４５、４７を互いに同一のタイミングでオンオフするようにＰＷＭ制御する。ＰＷＭ（Ｐulse  Ｗidth  Ｍodulation）制御において、ローサイド側のスイッチング素子４３、４５、４７がオン状態とされている期間では巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに短絡電流が流れて巻線Ｕ、Ｖ、Ｗにエネルギーが蓄えられ、これによって交流発電機３０が減速して回生制動による制動力が発生する。
【００２７】
その後、ローサイド側のスイッチング素子４３、４５、４７がオフ状態とされると巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電圧が誘起される。この誘起電圧が二次電池６０のバッテリ電圧を超えると、各スイッチング素子に付随するダイオードを介して二次電池６０に向けて回生電流が流れ、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに蓄えられたエネルギーが放出されるとともに二次電池６０が充電される。
【００２８】
また、回生制動による制動力は、回生電流の値が大きくなる程大きくなる。回生電流の値は、前記ＰＷＭ制御におけるローサイド側のスイッチング素子４３、４５、４７のオンデューティによって制御され、オンデューティ比が大きいほど回生電流が大きくなる。コントローラ８０は、後述する各種の回生時においては、生成する回生電流指令値によって示される回生電流が得られるようにローサイド側のスイッチング素子４３、４５、４７のオンデューティ比を調整する。
【００２９】
（力行）
力行について説明する。力行モード時にはコントローラ８０はドライバ７０を介して、スイッチング素子４２〜４７を一定の順序でオンさせる。これにより、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに流れる電流の向きが順次切り替わりロータが回転する。コントローラ８０は、力行モード時においては、モータ駆動指令値を生成して、該モータ駆動指令値によって示されるトルク目標値が得られるようにスイッチング素子４２〜４７のオンデューティを調整する。
【００３０】
（実施形態の作用）
次に、図２〜図１２を参照して風力発電装置１０の作用を説明する。図２はコントローラ８０が図示しない記憶装置に格納された発電プログラムに従ってインバータ４０を介して交流発電機３０を制御するフローチャートである。
【００３１】
（Ｓ１０）
発電プログラムが起動されると、Ｓ１０では、コントローラ８０は履歴フラグＦ０，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３等をリセットする等の各種パラメータの初期化を行う。なお、発電プログラムが起動される以前は、垂直軸風車２０はメカブレーキ２６により予めロックされて回転が停止できない状態になっている。
【００３２】
（Ｓ２０）
Ｓ２０では、コントローラ８０は、風速計１１０からの風速Ｖ、電圧検出部５２からの電圧、電流センサＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗからの相電流、速度センサ３２から入力した回転速度（すなわち、単位時間毎の回転数）等を前記バッファから読み込む。
【００３３】
（Ｓ３０）
Ｓ３０では、コントローラ８０は風速Ｖが垂直軸風車２０に許容されている許容最大風速Ｖｍａｘを超えているか否かを判定する。風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合は、Ｓ４０に移行し、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ未満の場合はＳ５０に移行する。なお、風速Ｖの検出周期は、後述する制御周期と同期している。また、コントローラ８０は、制御周期毎に入力される風速Ｖの移動平均を算出しており、算出した移動平均風速Ｖｇｒを今回値として図示しない記憶装置に格納（すなわち、更新）する。例えば、移動平均風速Ｖｇｒは、過去３０秒間の移動平均であるが、３０秒間に限定するものではない。なお、本実施形態の移動平均風速Ｖｇｒは、単純移動平均で算出される。
【００３４】
（Ｓ４０）
Ｓ４０では、コントローラ８０は、メカブレーキ２６をロック作動して、垂直軸風車２０を回転させないように停止し、このフローチャートを抜け出る。このようにして、Ｓ４０において、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合には、垂直軸風車２０を回転させると、垂直軸風車２０にダメージを与える虞があるため、ダメージを与えないように垂直軸風車２０の回転を停止するのである。
【００３５】
（Ｓ５０）
Ｓ５０では、コントローラ８０は、風が突風か否かを判定する。風が突風か否かの判定条件は、下記の通りである。
【００３６】
＜判定条件＞
判定条件は、今回値の風速Ｖが今回値の移動平均風速Ｖｇｒ以上となっており、かつ、風速Ｖの微分値ｄＶ／ｄｔが、突風判定閾値α以上の場合を突風であるとする。
【００３７】
今回の風速Ｖが、判定条件を満足している場合（判定が「ＹＥＳ」）、Ｓ６０に移行し、判定条件を満足していない場合（判定が「ＮＯ」）には、Ｓ７０に移行する。
（Ｓ６０）
Ｓ６０では、コントローラ８０は、突風対応モードの処理を行う。
【００３８】
具体的には、コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒに基づいた回生電流指令値を生成し、この回生電流指令値に、さらに、補正値を加算した回生電流指令値を生成する。すなわち、コントローラ８０により、回生電流指令値よりも、大きな発電電流（回生電流）が得られるに突風対応モードの処理を行うように、インバータ４０を制御する。
【００３９】
なお、コントローラ８０は、回生電流指令値に補正値を加算後の回生電流指令値が上限値Ｉｃ（発電電流）を超える場合は、回生電流指令値をこの上限値Ｉｃに調整する。すなわち、ここでの回生ブレーキ処理における発電電流Ｉは、Ｉｂ＜Ｉ≦Ｉｃの範囲となるように調整される（図３参照）。
【００４０】
Ｉｂは、第３回生モードが行われた際の最大発電電流であり、Ｉｃは、突風対応モードにおける最大の発電電流である。以後、Ｉｂを第２最大発電電流といい、Ｉｃを第３最大発電電流という。
【００４１】
図３は交流発電機３０の発電電流Ｉ（Ａ）と、トルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示しており、発電電流ＩとトルクＴは、
Ｔ＝ｋ１・Ｉ
で示される比例関係にある。ｋ１は比例定数である。なお、図３中、Ｉｍａｘは、交流発電機３０の最大発電電流である。
【００４２】
図３は、交流発電機３０の電流・トルク特性図であり、横軸が電流（発電電流、駆動電流を含む）、縦軸がトルクＴを示している。同図において、回生のときの発電電流Ｉは、Ｉａ（第１最大発電電流）のときはトルクＴはＴａとなり、Ｉｂ（第２最大発電電流）のときは、トルクＴはＴｂとなり、Ｉｃ（第３最大発電電流）のときは、トルクＴはＴｃとなる。また、力行モードでは、駆動電流がＩｄのときは、トルク（駆動トルク）は、Ｔｄとなる。
【００４３】
このようにしてコントローラ８０は回生電流指令値を演算し、この回生電流指令値に基づいて、ドライバ７０を介してインバータ４０を制御する。このインバータ４０の制御により交流発電機３０が回生制動されて、ロータの回転速度が減じられる。
【００４４】
図３に示すように、Ｓ６０において、上記のように回生ブレーキ処理における発電電流Ｉは、Ｉｂ＜Ｉ≦Ｉｃの範囲となるように調整されることから、交流発電機３０から出力されるトルクＴは、Ｔｂ＜Ｔ≦Ｔｃの範囲となる。
【００４５】
Ｓ６０の処理が終わると、Ｓ３０にリターンする。
このようにＳ６０の突風対応モードの処理が行われることにより、図１０に示すように、第１回生モード、第２回生モード、及び第３回生モードのときと、ロータ（回転子）の回転数が同じ場合であっても、これらのモードよりもトルク及び回生電流（発電電流）が大きくなっている。
【００４６】
図１０は、交流発電機３０の回転数（回転速度）とトルクとの関係を示す説明図であり、横軸が回転数Ｎ、縦軸がトルクＴを示している。同図には、第１回生モード、第２回生モード、第３回生モード、突風対応モード及び後述する力行モードが実行されたときの領域を示している。
【００４７】
ここで、第１回生モード及び第２回生モードは、高効率回生モードに相当し、第３回生モードは低効率回生モードに相当する。
なお、横軸の回転数Ｎにおいて、Ｎａは、第１回生モードのときの最大値、Ｎｂは第２回生モードの時の最大値、Ｎｃは、第３回生モード及び突風対応モードのときの最大値を示している。また、図１０において、力行モードのときの回転数Ｎの最大値は、本実施形態ではＮａとしているが、Ｎａに限定するものではなく、Ｎａよりも小さくてもよく、或いは大きくてもよい。
【００４８】
（Ｓ７０）
Ｓ７０では、コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒ等が下記の力行モード条件か、第１回生モード条件かを満たしているか否かを判定する。
【００４９】
（１．力行モード条件）
力行モード条件は、第１条件または第２条件があり、いずれかを満足している場合、力行モード条件を満足したとコントローラ８０は判定する。
【００５０】
（第１条件）
移動平均風速Ｖｇｒ≦力行モード開始基準値Ｖａ、かつ、前回制御周期での履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）が「１」にセットされている場合である。なお、Ｓ２０〜Ｓ９５、またはＳ２０〜Ｓ１０５、またはＳ２０〜Ｓ１１５、またはＳ２０〜Ｓ１２５を実行するための制御周期は、規定の制御周期であって、例えば、数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃである。
【００５１】
ここで第１条件の履歴フラグＦ１は、前回の制御周期では第１回生モードで制御したか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は第１回生モードであったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。
【００５２】
力行モード開始基準値Ｖａは、後述する第１回生モード開始基準値Ｖｂよりも所定値分速い風速であり、垂直軸風車２０及び交流発電機３０に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。
【００５３】
（第２条件）
移動平均風速Ｖｇｒ≦第１回生モード開始基準値Ｖｂ、かつ、前回制御周期での履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」にセットされている場合である。
【００５４】
なお、履歴フラグＦ０（力行フラグ），履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ），履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）はそれぞれＳ１０の初期化処理により初期値は「０」にセットされているため、移動平均風速Ｖｇｒ≦Ｖｂであって、かつ、履歴フラグＦ０，Ｆ１，Ｆ２が全て「０」の場合は、例外として第２条件を満足しているものとする。
【００５５】
第１回生モード開始基準値Ｖｂは、垂直軸風車２０の引きずりトルクにより垂直軸風車２０が止まってしまう程度の風速よりも余裕代分速い程度としている。ここで、本実施形態では、後述する力行モードから第１回生モードに早期に移行させるために、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜力行モード開始基準値Ｖａとしている。
【００５６】
第２条件で扱う履歴フラグは前回の制御周期において、力行モードで制御、または、初期値から起動直後であるか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は力行モード、または起動直後であったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。
【００５７】
Ｓ７０において、上記第１条件又は第２条件を満足している場合は、Ｓ９０に移行する。
（２．第１回生モード条件）
第１回生モード条件は、下記の通りである。
【００５８】
第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜移動平均風速Ｖｇｒ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃ、かつ、前回制御周期での履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）が「１」、または履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）が「１」にセットされている。
【００５９】
ここで、第１回生モード条件で判定するための履歴フラグは、前回の制御周期では力行モード、第１回生モード、或いは第２回生モードで制御したが、今回は、移動平均風速Ｖｇｒが第２回生モード開始基準値Ｖｃ未満となったことを想定している。
【００６０】
（第２回生モード開始基準値Ｖｃの設定方法について）
ここで、第２回生モード開始基準値Ｖｃの設定方法について説明する。
図４は交流発電機３０の単位時間当たりのロータの回転数Ｎ（ｒｐｍ、すなわち回転速度）と発電電圧Ｅ（Ｖ）との関係を示しており、発電電圧Ｅと回転数Ｎは、
Ｅ＝ｋ２・Ｎ
で示される比例関係にある。ｋ２は比例定数である。なお、図４中、Ｅｍａｘは、交流発電機３０の最大発電電圧である。
【００６１】
図５及び図１０は、交流発電機３０の前記回転数Ｎ（ｒｐｍ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示しており、回転数Ｎが第１範囲Ｈ１では、トルクＴは一定であり、この第１範囲Ｈ１を超えた第２範囲Ｈ２で回転数Ｎが増加するとトルクＴは徐々に減少し、交流発電機３０の回転限界である最大回転数Ｎｍａｘに達するとトルクＴは０となる。なお、図１０は、回転数Ｎ（ｒｐｍ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を、後述する期間（Ｉ）〜期間（ＶＩ）、及び各種モードとの関係を説明するためのものである。
【００６２】
図６は、交流発電機３０の前記回転数Ｎ（ｒｐｍ）と発電出力ＰＧとの関係を示す特性図である。発電出力ＰＧ（ＫＷ）は、回転数Ｎ（ｒｐｍ）が前記第１範囲Ｈ１では、回転数Ｎと比例関係にあり、第１範囲Ｈ１を超えると発電出力ＰＧはＰｍａｘで一定となる。
【００６３】
ＰＧ＝ηＧ・Ｎ・Ｔ／９７４                          ……（１）
なお、ηＧは発電効率である。
上記のような交流発電機３０の特性に基づいて、交流発電機３０の最大出力の基本式が得られることになる。
【００６４】
流体である風のエネルギーＰＷは、下記の式で表すことができる。
ＰＷ＝（１／２）・ρ・Ｓ・Ｖ３    （Ｗ：ワット）    ……（２）
Ｓは風車が流体（風）を受ける面積であり、ρは空気密度（流体密度）である。流体が空気の場合は、０．１２４ｋｇｓ２／ｍ^4（なお、^ はベキ乗を表わしている）である。
【００６５】
流体（風）による回転駆動エネルギーＰｆと発電出力ＰＧが
Ｐｆ＝ηｆ×ＰＷ＝ＰＧ
ηｆ：風車の伝達効率
とすると、発電効率ηＧと伝達効率ηｆを無視できるとすると、式（１）と式（２）とから、
（１／２）・ρ・Ｓ・Ｖ３≒Ｎ・Ｔ
の関係となる。
【００６６】
上記のことから、第１回生モードと第２回生モードの切替えを行うためのタイミングを導き出すことができる。
図７に示すように、第１回生モードでは、後述するように発電電流Ｉが第１回生モード時のＩａ（第１最大発電電流）に到達するまでは、回転数Ｎ（ｒｐｍ）を一定にし、発電電流Ｉを風速比例で増減するようにインバータ４０を制御することになる。発電電流ＩがＩａに達したときには、後述するように第２回生モードに移行し、第２回生モードでは、Ｉａで発電電流を一定（固定）にし、回転数Ｎ（ｒｐｍ）を移動平均風速Ｖｇｒに応じて増減するようにインバータ４０を制御することになる。
【００６７】
発電電流ＩがＩａに達するための第２回生モード開始基準値Ｖｃは、使用する交流発電機３０及び垂直軸風車２０に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。また、最大回転数Ｎｍａｘに達するための許容最大風速Ｖｍａｘは、使用する交流発電機３０及び垂直軸風車２０に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。前記最大回転数Ｎｍａｘは、交流発電機３０のロータの回転数であるが、交流発電機３０と垂直軸風車２０とは直結または減速機構、又は増速機構を介して連結されているため、このＮｍａｘは、垂直軸風車２０の上限回転数と一義的に決定される。このＮｍａｘは垂直軸風車２０の回転限界でもある。
【００６８】
上記第１回生モード条件を満足している場合、Ｓ１００に移行する。
また、Ｓ７０において、コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒ等が下記の力行モード条件も、かつ第１回生モード条件も満たしていない場合は、Ｓ８０に移行する。
【００６９】
（Ｓ８０）
Ｓ８０では、コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒが第２回生モード条件を満たすか、或いは第３回生モード条件を満たすかを判定する。
【００７０】
（３．第２回生モード条件）
第２回生モード条件は、下記の通りである。
第２回生モード開始基準値Ｖｃ＜移動平均風速Ｖｇｒ≦第３回生モード開始基準値Ｖｄであって、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）、履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）のいずれか１つが「１」にセットされていることである。コントローラ８０は、上記条件を満たしていれば、Ｓ１１０の第２回生モードに移行する。
【００７１】
（４．第３回生モード条件）
第３回生モード条件は、下記の通りである。
第３回生モード開始基準値Ｖｄ≦移動平均風速Ｖｇｒ≦許容最大風速Ｖｍａｘであって、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）、履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）のいずれか一方が「１」にセットされていることである。第３回生モード開始基準値Ｖｄは、低効率判定閾値に相当する。
【００７２】
コントローラ８０は、移動平均風速Ｖｇｒ及び上記履歴フラグが上記条件を満たしていたとき、Ｓ１２０の第３回生モードに移行する。
（Ｓ９０）
Ｓ９０では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、力行モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。
【００７３】
すなわち、コントローラ８０は、力行モードでは交流発電機３０の風車ブレード２２（羽）の回転が一定、すなわち、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数Ｎ）が一定、かつ、発電電圧Ｅが一定、かつ、発電電流Ｉが一定となるようにインバータ４０を制御し、Ｓ９５に移行する。なお、この場合の発電電流は、正確には交流発電機３０をモータとして駆動するための駆動電流である。本実施形態では、図３に示すように、電流Ｉ（駆動電流）は、最大値としてＩｄ＝Ｉａとしているが、Ｉｄの値はＩａに限定するものではなく、Ｉａよりも小さくても、大きくてもよい。
【００７４】
（Ｓ９５）
Ｓ９５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）を「１」にセットし、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）及び履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）を「０」にリセットし、Ｓ２０に戻る。
【００７５】
（Ｓ１００）
Ｓ１００では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。
【００７６】
すなわち、コントローラ８０は、交流発電機３０の風車ブレード２２（羽）の回転が一定（すなわち、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数Ｎ）が一定）、かつ、発電電圧Ｅが一定となるように、かつ、後述する周速比が所定範囲以内で発電電流Ｉを風速比例となるようにインバータ４０を制御する。前記周速比の所定範囲とは、下限周速比λＬと上限周速比λＵの間である。この後、コントローラ８０はＳ１０５に移行する。上限周速比λＵ及び下限周速比λＬについては後述する。
【００７７】
（風車の周速比λと出力係数Ｃｐの関係）
ここで、周速比λと風車の出力係数Ｃｐとの関係について説明する。
周速比λは、下記の通りである。
【００７８】
周速比λ＝風車の周速／風速
なお、垂直軸風車２０の周速は、風車風車ブレード（羽）半径×回転速度（回転角速度）である。
【００７９】
また、出力係数Ｃｐは、風車出力／風のパワー、である。
図１１は、風車の出力係数Ｃｐと周速比λとの関係を示す説明図である。風車の形状が決定されている場合、図１１に示すように周速比λに対する出力係数Ｃｐが一義的に決定される。また、図１１に示すように周速比λは限られた範囲において、風車最大出力（すなわち、最大出力係数Ｃｐｍａｘ）となるところを有するとともに、図１２に示すように風車最大出力となる風車のロータ回転数Ｎと風速（流速）とは比例関係にある。
【００８０】
そこで、図１１に示すように、前記最大出力係数Ｃｐｍａｘを含む範囲Ｈを下限周速比λＬ及び上限周速比λＵで設定する。下限周速比λＬ及び上限周速比λＵは前記最大出力係数Ｃｐｍａｘとなる周速比λを挟む値となるように適宜設定すればよい。そして、この下限周速比λＬと上限周速比λＵで設定された範囲Ｈ以内となるように風車ロータの回転数を制御すれば、出力係数Ｃｐを風車最大出力（すなわち、最大出力係数Ｃｐｍａｘ）の近傍に保持することができる。すなわち、この上限周速比λＵと下限周速比λＬで規定される範囲Ｈ内において、移動平均風速Ｖｇｒにあった風車のロータの回転数（いいかえれば交流発電機３０のロータの回転数）を制御できれば、風車最大出力を良好に得ることが可能となる。なお、図１１の横軸の周速比λの数値及び縦軸の出力係数Ｃｐの数値は、例示であって、風車の種類、形状等により異なる。
【００８１】
なお、図１１においては、上限周速比λＵのときの出力係数Ｃｐａと、下限周速比λＬのときの出力係数Ｃｐｂは、異なる値となっているが、これらの値は風車により異なったり、同値となる。
【００８２】
なお、図１２は、出力係数Ｃｐが最大の周速比時の風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎとの関係を示す説明図である。同図において、横軸は風速Ｖ（ｍ／ｓ）であり、縦軸は風車ロータの回転数Ｎである。また、同図において、実線は最大出力係数Ｃｐｍａｘの場合の周速比λにおける風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎの特性を示している。また、一点鎖線は、下限周速比λＬと上限周速比λＵのそれぞれにおける風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎの特性を示している。
【００８３】
上述のようにしてコントローラ８０は、第１回生モードでは、図１１に示す下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲内で、移動平均風速Ｖｇｒに対して、ロータの回転数Ｎを一定回転数を目標にして、かつ風速（移動平均風速Ｖｇｒ）の変動に応じて回生電流指令値を増減させるようにしている。
【００８４】
（Ｓ１０５）
Ｓ１０５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）及び履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）を「１」にセットして、Ｓ２０に戻る。
【００８５】
（Ｓ１１０）
Ｓ１１０では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、第２回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。
【００８６】
すなわち、コントローラ８０は、発電電流Ｉを一定にするように、かつ、発電電圧Ｅを風速に応じるようにインバータ４０を制御し、Ｓ１１５に移行する。また、第２回生モードにおいても、図１１の周速比λが、下限周速比λＬと、上限周速比λＵの間で行われるように前記発電電流Ｉを一定にする。具体的には、コントローラ８０は、第２回生モードでは、図１１に示す下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内で、移動平均風速Ｖｇｒに対して、一定の発電電流値を目標にして、回生制御するとともにロータの回転数Ｎを、移動平均風速Ｖｇｒの変動に応じて増減させる。
【００８７】
なお、Ｓ１１０において、コントローラ８０は、速度センサ３２の検出信号に基づいて、回転数Ｎを監視しており、この回転数ＮがＮｃ（図１０参照）に達した場合は、メカブレーキ２６にて垂直軸風車２０の回転を停止するとともにインバータ４０による回生制御を停止する。
【００８８】
（Ｓ１１５）
Ｓ１１５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）及び履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）を「１」にセットして、Ｓ２０に戻る。
【００８９】
（Ｓ１２０）
Ｓ１２０では、コントローラ８０は、周速比λを、
最下限周速比λＬＬ≦λ＜下限周速比λＬ
の範囲で、移動平均風速Ｖｇｒの変動に応じて、回生電流指令値を生成してロータの回転数Ｎを増減させる。最下限周速比λＬＬは、垂直軸風車２０が許容される周速比の最下限値である。この場合の出力係数Ｃｐは、図１１に示すように、Ｃｐｃ≦Ｃｐ＜Ｃｐｂとなる。Ｃｐｃは最下限周速比λＬＬのときの出力係数である。
【００９０】
第１回生モード及び第２回生モードが、出力係数Ｃｐを最大出力係数Ｃｐｍａｘの近傍に保持するように周速比λを下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内に制御しているのに対して、第３回生モードでは、周速比λが下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内となるようにしているところが異なる。
【００９１】
（Ｓ１２５）
Ｓ１２５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）、履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）及び履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）を「１」にセットして、Ｓ２０に戻る。
【００９２】
次に、図８に示すように期間（Ｉ）〜（Ｖ）のそれぞれにおいて移動平均風速Ｖｇｒが変わる場合を例にして説明する。
（１．期間（Ｉ）について）
図８の期間（Ｉ）は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのＳ７０で第１回生モード条件を満足する場合の移動平均風速Ｖｇｒの例である。期間（Ｉ）中は、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜移動平均風速Ｖｇｒ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃであるとともに、履歴フラグＦ１が「１」にセットされるため、期間（Ｉ）中は全て第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。
【００９３】
従って、図９（ｂ）に示すように、期間（Ｉ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数Ｎ）が一定となるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。なお、図９（ｂ）の期間（Ｉ）及び後述する期間（ＩＩＩ）においては、「回転数一定」と記載している。この「回転数一定」とは、短時間（制御周期レベル）においては回転数一定で制御していることを意味している。図９（ｂ）の期間（Ｉ）で図示している回転数は、制御周期のレベルではなく、それよりも長期間のレベルでは、風速が変化すると、図９（ａ）に示すように、発電電流Ｉは、風速比例となる。従って、交流発電機３０が風速比例（この風速は、平均風速のことである）で制御されていることから、ロータの回転数が変化していることが図示されているのである。なお、図１３に示すように、風車が設置される場所の実風速は、数秒で大きく変動するのが一般的である。本実施形態の期間（Ｉ）、及び期間（ＩＩＩ）では、実風速ではなく、移動平均風速に応じて回生モードで制御していることを理解されたい。
【００９４】
また、図９（ｃ）では、期間（Ｉ）、及び後述する期間（ＩＩＩ）において、周速比λが一定で変化していないように図示しているが、実際は、周速比λが上限周速比λＵと下限周速比λＬとの間で周速比λが保持されていることを便宜的に示しているものである。実際には、期間（Ｉ）、及び後述する期間（ＩＩＩ）では、周速比λは、上限周速比λＵと下限周速比λＬの範囲以内で移動平均風速Ｖｇｒに応じて周速比λは変動する。
【００９５】
（２．期間（ＩＩ）について）
図８の期間（ＩＩ）は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのＳ７０で力行モード条件を満足する場合の移動平均風速Ｖｇｒの例である。
【００９６】
移動平均風速Ｖｇｒが、移動平均風速Ｖｇｒ≦力行モード開始基準値Ｖａ、であって、前回制御周期での履歴フラグＦ１（第１回生モードフラグ）が「１」にセットされている場合、力行モード条件の中の第１条件を満足するため力行モードに移行する。この期間（ＩＩ）に一旦入った後は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」にセットされるとともに、この後における期間（ＩＩ）中は、移動平均風速Ｖｇｒ＜第１回生モード開始基準値Ｖｂであるため、第２条件を満足することになる。
【００９７】
このため、期間（ＩＩ）中は全て力行モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。
従って、図９（ｂ）に示すように、期間（ＩＩ）中は、期間（Ｉ）からの移行期間を除いて交流発電機３０のロータは力行で回転速度ｖ（回転数Ｎ）が一定となるように回転駆動されるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。
【００９８】
（３．期間（ＩＩＩ）について）
図８の期間（ＩＩＩ）は、期間（ＩＩ）を経過した後に、フローチャートのＳ７０で第１回生モード条件を満足する場合の風速の例である。
【００９９】
移動平均風速Ｖｇｒが、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜移動平均風速Ｖｇｒ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃとなったとき、前回制御周期での履歴フラグＦ０は「１」にセットされているため、すなわち、第１回生モード条件を満足するため、第１回生モードに移行する。
【０１００】
期間（ＩＩＩ）中は、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜移動平均風速Ｖｇｒ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃであるとともに、履歴フラグＦ１が「１」にセットされるため、期間（ＩＩＩ）中は全て第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。
【０１０１】
従って、図９（ｂ）に示すように、期間（ＩＩＩ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数Ｎ）が一定となるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。また、図９（ａ）に示すように、発電電流Ｉは、風速比例となる。
【０１０２】
（４．期間（ＩＶ）について）
図８の期間（ＩＶ）は、期間（ＩＩＩ）経過した後に、フローチャートのＳ８０で第２回生モード条件を満足する場合の例である。
【０１０３】
移動平均風速Ｖｇｒが、第２回生モード開始基準値Ｖｃ＜移動平均風速Ｖｇｒ＜許容最大風速Ｖｍａｘとなったとき、第２回生モード条件を満足するため、第２回生モードに移行する。この期間（ＩＶ）中は、第２回生モード開始基準値Ｖｃ＜移動平均風速Ｖｇｒ＜許容最大風速Ｖｍａｘであるため、第２回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。
【０１０４】
すなわち、第２回生モードでは、周速比λが下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内で、Ｉａで発電電流Ｉが一定（固定）にされ、交流発電機３０のロータの回転数Ｎ（ｒｐｍ）を移動平均風速Ｖｇｒに応じて増減するようにインバータ４０を制御する。従って、図８、及び図９（ｂ）に示すように、期間（ＩＶ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度は移動平均風速Ｖｇｒに応じたものとなるため風車ブレード２２（羽）の回転数（回転速度）も風速に応じたものとなる。
【０１０５】
本実施形態では、図９（ａ）に示すように、期間（ＩＶ）の第２回生モードでは、発電電流ＩをＩａで一定にして、風速比例で垂直軸風車２０の回転数を制御するため、垂直軸風車のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。
【０１０６】
（５．期間（Ｖ）について）
図８の期間（Ｖ）は、期間（ＩＶ）を経過した後に、フローチャートのＳ８０で第３回生モード条件を満足する場合の例である。
【０１０７】
移動平均風速Ｖｇｒが、第３回生モード開始基準値Ｖｄ≦移動平均風速Ｖｇｒ≦許容最大風速Ｖｍａｘ、であって、履歴フラグＦ２（第２回生モードフラグ）、履歴フラグＦ３（第３回生モードフラグ）のいずれか一方が「１」にセットされているため、第３回生モード条件を満足する。このため、第３回生モードに移行するのである。
【０１０８】
この期間（Ｖ）中の第３回生モードでは、周速比λが、最下限周速比λＬＬ≦λ＜下限周速比λＬ、の範囲で、移動平均風速Ｖｇｒの変動に応じて、回生電流指令値を生成してロータの回転数Ｎが増減する。
【０１０９】
このようにして、第１回生モード及び第２回生モードが、出力係数Ｃｐを最大出力係数Ｃｐｍａｘの近傍に保持するように周速比λを下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内に制御しているのに対して、第３回生モードでは、周速比λが下限周速比λＬと上限周速比λＵの範囲以内となる。
【０１１０】
図３の交流発電機の電流・トルク特性図には、上記期間（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）、（Ｖ）及び（ＶＩ）が、どの領域で行われるかを図示している。
また、図１０の回転数（回転速度）とトルクとの関係を示す説明図には、上記期間（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）、（Ｖ）及び（ＶＩ）が、どの領域で行われるかを図示している。
【０１１１】
風速が激しく変動する風に対して、発電制御を行う場合、発電制御の基準として風速の移動平均を取り、この移動平均風速に基づいて発電をフィードバック制御するようにしている。従来は、風速が高くなってその風エネルギが大きくなり過ぎると、風車の羽（動翼）を回転を停止するようにしている。これに対して、本実施形態では、低効率回生モードである第３回生モードで、最大出力係数Ｃｐｍａｘを含まない、最下限周速比λＬＬと下限周速比λＬとの間の低効率の範囲においても発電を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーが交換できる。
【０１１２】
また、従来から、風速は、数秒で大きく変動し、特に、突風のような瞬時の大きな風速変化に対しては、暴走の安全策として風車の回転数を小さめに抑制し、風車出力を落とすようにしていた。
【０１１３】
本実施形態の発電装置では、突風があったときには、突風対応モードにおいて、動翼の回転を停止することなく、回生を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーが交換できる。
【０１１４】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）本実施形態の発電装置では、回生モードは、垂直軸風車２０の周速比λが、垂直軸風車２０の最大出力係数Ｃｐｍａｘを含む高効率範囲で行う第１回生モード及び第２回生モード（高効率回生モード）と、最大出力係数Ｃｐｍａｘを含まない低効率範囲で行う第３回生モード（低効率回生モード）を含む。コントローラ８０（制御部）は、移動平均風速Ｖｇｒが第３回生モード開始基準値Ｖｄ（低効率判定閾値）以上の場合、インバータ４０を介して低効率回生モードで交流発電機３０を制御し、移動平均風速Ｖｇｒが第３回生モード開始基準値Ｖｄ（低効率判定閾値）未満の合、インバータ４０を介して高効率回生モードで交流発電機３０を制御する。この結果、本実施形態によれば、低効率回生モードである第３回生モードで、最大出力係数Ｃｐｍａｘを含まない、最下限周速比λＬＬと下限周速比λＬとの間の低効率の範囲においても発電を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる。
【０１１５】
（２）本実施形態の発電装置では、コントローラ８０（制御部）は、インバータ４０を介して第１〜第３回生モード又は力行モードで制御するものである。また、高効率回生モードは、第１回生モード及び第２回生モードを含む。コントローラ８０（制御部）は、力行モードで制御中に移動平均風速Ｖｇｒが速くなって第１回生モード開始基準値Ｖｂを超える場合は、第１回生モードとして、垂直軸風車２０の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行う。また、第１回生モードで制御中に、移動平均風速Ｖｇｒが第２回生モード開始基準値Ｖｃを超えたときは、第２回生モードとして、発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて垂直軸風車２０を回転させる。
【０１１６】
この結果、本実施形態によれば、第１回生モードでは、出力係数Ｃｐが最大値を含む範囲で行われるため、効率的に発電を行うことができる。また、第２回生モードでは、発電電流Ｉを一定にして、風速比例で垂直軸風車２０の回転数を制御するため、垂直軸風車のメカの限界域へ向けて発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。
【０１１７】
（３）本実施形態の発電装置では、コントローラ８０（制御部）は、移動平均風速Ｖｇｒが力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで交流発電機３０の制御を開始する。この結果、本実施形態では、たとえば、風車ロータが回転していない起動時などにおいて、移動平均風速Ｖｇｒが小さい場合、力行モードで積極的に回転して、移動平均風速Ｖｇｒが力行モード開始基準値を超える場合、回生モードへ移行させることをスムーズに行うことができる。
【０１１８】
（４）本実施形態の発電装置では、コントローラ８０（制御部）は、風速が突風の判定条件を満足する場合は、突風対応モードの制御を行う。すなわち、コントローラ８０は、突風対応モードでは、低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するようにインバータ４０を制御する。このことにより、上記回生モードよりも大きな制動力を得て、風車ブレード２２の回転を抑制することができる。
【０１１９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように構成してもよい。
・前記実施形態において、力行モードを省略してもよい。
【０１２０】
・前記実施形態では、移動平均風速Ｖｇｒを、単純移動平均で算出するようにしたが、単純移動平均に限定するものではなく、他の移動平均、例えば、加重移動平均、指数移動平均等でもよい。例えば、加重移動平均、及び指数移動平均の場合は、最近のデータを重視するために最近のデータほど重みを重くし、古いデータほど重みを軽くする。
【０１２１】
・前記実施形態において、図１４に示すようにＳ９５、Ｓ１０５、Ｓ１１５、Ｓ１２５を省略してもよい。すなわち、履歴フラグを省略してもよい。このような発電装置の構成にしても、前記実施形態の（１）と同様の作用効果を得る。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…風力発電装置、２０…垂直軸風車、２２…風車ブレード、
２４…垂直軸、２６…メカブレーキ、３０…交流発電機、
３２…速度センサ、４０…インバータ、５０…平滑コンデンサ、
５２…電圧検出部、６０…二次電池（蓄電部）、７０…ドライバ、
８０…コントローラ（制御部）、９０…コンバータ、
１００…系統連系用変圧器、１１０…風速計（風速検出部）。
【図１】
2017204934.tif 000003
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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