(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、および、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子と前記蓄電素子との間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子および前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路および前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器と
を備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態および停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部と
を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が前記第１の基準回転数よりも高い第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、前記供給状態の選択時であるか前記停止状態の選択時であるかを識別するためのフラグを出力し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部で用いられる前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を、現在の状態量に応じた推論値として算出する推論装置をさらに備え、
前記推論装置は、
前記回転数と前記回転数の変化率と前記励磁電流供給停止判定部から出力された前記フラグと、を前記現在の状態量として取得するデータ取得部と、
学習済モデルを用いて、前記データ取得部で取得された前記現在の状態量から、前記推論値である前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を算出する推論部と
を含む
風力発電装置。
【請求項２】
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数の間のときに、前記停止状態があらかじめ定められた第１の時間継続すると、前記停止状態を終了して前記供給状態を開始する、請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数の間のときに、前記供給状態があらかじめ定められた第２の時間継続すると、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記推論装置において、
前記データ取得部は、前記現在の状態量として、風力発電装置を構成する部品の温度に関係する温度関連データをさらに取得し、
前記推論部は、前記学習済モデルを用いて、前記現在の状態量として前記データ取得部で取得された前記回転数と前記回転数の変化率と前記フラグと前記温度関連データとから、前記推論値である前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を算出する
請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を推論するための学習済モデルを生成する学習装置をさらに備え、
前記学習装置は、
学習用データとして、
前記プロペラの回転軸の前記回転数と、
前記回転数の変化率と、
前記励磁電流供給停止判定部から出力される前記フラグと、
前記励磁電流供給停止判定部で使用されている前記第１の基準回転数の現在値および前記第２の基準回転数の現在値と
を含むデータを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得された前記学習用データを用いて、前記風力発電装置から取り出すことができる電力をより大きくするために用いられる前記第１の基準回転数の更新値および前記第２の基準回転数の更新値を推論するためのモデルを生成するモデル生成部と
を有し、
前記推論部は、前記モデル生成部で生成された前記モデルを前記学習済モデルとして用いて、前記推論値である前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を算出する
請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
界磁巻線を有する発電機の回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１以下の領域において前記界磁巻線への励磁電流の停止状態を選択する一方で、前記回転数Ｎが前記第１の基準回転数Ｎ１１よりも高い第２の基準回転数Ｎ１２以上の領域においては前記界磁巻線への励磁電流の供給状態を選択し、かつ、前記回転数Ｎが前記第１の基準回転数Ｎ１１よりも大きく、かつ、前記第２の基準回転数Ｎ１２よりも小さい領域においては、前記回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には前記供給状態を継続し、前記回転数ＮがＮ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合には前記停止状態を継続するように、ヒステリシス特性を持たせた励磁電流制御を行う制御器を備えた風力発電装置において使用される前記第１の基準回転数Ｎ１１および前記第２の基準回転数Ｎ１２を推論するための学習済モデルを生成する学習装置であって、
学習用データとして、
風力発電装置のプロペラの回転軸の回転数と、
前記回転数の変化率と、
前記励磁電流制御において前記供給状態が選択されているか前記停止状態が選択されているかを識別するために前記制御器から出力されるフラグと、
前記制御器で使用されている前記第１の基準回転数Ｎ１１の現在値および前記第２の基準回転数Ｎ１２の現在値と
を含むデータを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得された前記学習用データを用いて、前記風力発電装置から取り出すことができる電力をより大きくするために用いられる前記第１の基準回転数Ｎ１１の更新値および前記第２の基準回転数Ｎ１２の更新値を推論するための学習済モデルを生成するモデル生成部と
を備える学習装置。
【請求項７】
データ取得部は、前記学習用データとして、風力発電装置を構成する部品の温度に関係する温度関連データをさらに取得し、
前記モデル生成部は、前記温度関連データを含む前記学習用データを用いて、前記学習済モデルを生成する
請求項６に記載の学習装置。
【請求項８】
界磁巻線を有する発電機の回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１以下の領域において前記界磁巻線への励磁電流の停止状態を選択する一方で、前記回転数Ｎが前記第１の基準回転数Ｎ１１よりも高い第２の基準回転数Ｎ１２以上の領域においては前記界磁巻線への励磁電流の供給状態を選択し、かつ、前記回転数Ｎが前記第１の基準回転数Ｎ１１よりも大きく、かつ、前記第２の基準回転数Ｎ１２よりも小さい領域においては、前記回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には前記供給状態を継続し、前記回転数ＮがＮ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合には前記停止状態を継続するように、ヒステリシス特性を持たせた励磁電流制御を行う制御器を備えた風力発電装置において使用される前記第１の基準回転数Ｎ１１および前記第２の基準回転数Ｎ１２を、現在の状態量に応じた推論値として算出する推論装置であって、
前記現在の状態量として、
風力発電装置のプロペラの回転軸の回転数と、
前記回転数の変化率と、
前記励磁電流制御において前記供給状態が選択されているか前記停止状態が選択されているかを識別するために前記制御器から出力されるフラグと
を含むデータを取得するデータ取得部と、
学習済モデルを用いて、前記データ取得部で取得された前記現在の状態量から、前記推論値である前記第１の基準回転数および前記第２の基準回転数を算出する推論部と
を備える推論装置。
【請求項９】
データ取得部は、前記現在の状態量として、風力発電装置を構成する部品の温度に関係する温度関連データをさらに取得し、
前記推論部は、前記温度関連データを含む前記現在の状態量を用いて、前記推論値を算出する
請求項８に記載の推論装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電装置、学習装置および推論装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、翼軸と連結された回転子と、回転子に設けられる界磁巻線と、固定子に設けられる電機子巻線と、電機子巻線の出力電力を全波整流する整流器と、を備える発電機が、風力発電装置として用いられている。このような構成の風力発電装置は、小規模なものが多く、発電電力は、整流器の出力に接続された蓄電池に蓄えられることが一般的である。
【０００３】
このような風力発電装置では、出力電圧の調整のために、界磁巻線に流れる励磁電流（界磁電流）が制御される。界磁電流の制御方法としては、翼軸の回転数が第１の値以上になったときに界磁電流の供給を開始する一方で、それ以下の回転数では界磁電流の供給を行わない従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような従来の制御方法により、停止した翼にかかる負担を低減して、風速の上昇時には容易に回転を開始することが可能な風力発電装置を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８４３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されたタイプの風力発電装置では、整流器の出力に蓄電池が接続されている。従って、発電機を発電状態とできるのは、蓄電池の電圧を超える電圧を整流器の出力に発生できる状態で発電機が動作している場面に限定される。このため、風速に依存して、発電の機会が大幅に制限されることが懸念される。
【０００７】
本開示は、この様な問題点を解決するためになされたものであって、設備利用率の向上を図ることができる風力発電装置、学習装置および推論装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る風力発電装置は、プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、および、電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、発電機が出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、出力端子と蓄電素子との間に接続されて、出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、蓄電素子および界磁巻線と電気的に接続されて、界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、出力電圧制御回路および励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、制御器は、回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、回転数検出部によって検出された回転数に応じて発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、第１の直流電圧が出力電圧指令値と一致するよう出力電圧制御回路の昇圧比を制御する出力電圧制御部と、励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、励磁電流の供給状態および停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部とを含み、励磁電流供給停止判定部は、回転数が第１の基準回転数以下のときは停止状態を選択する一方で、回転数が第１の基準回転数よりも高い第２の基準回転数以上のときは供給状態を選択し、かつ、回転数が第１の基準回転数および第２の基準回転数の間のときは、供給状態の選択時には供給状態を維持する一方で、停止状態の選択時には停止状態を維持し、供給状態の選択時であるか停止状態の選択時であるかを識別するためのフラグを出力し、励磁電流制御部は、停止状態の選択時には、励磁電流を出力しないように励磁電流制御回路を停止する一方で、供給状態の選択時には、回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、励磁電流が励磁電流指令値と一致するように励磁電流制御回路の動作を制御し、励磁電流供給停止判定部で用いられる第１の基準回転数および第２の基準回転数を、現在の状態量に応じた推論値として算出する推論装置をさらに備え、推論装置は、回転数と回転数の変化率と励磁電流供給停止判定部から出力されたフラグと、を現在の状態量として取得するデータ取得部と、学習済モデルを用いて、データ取得部で取得された現在の状態量から、推論値である第１の基準回転数および第２の基準回転数を算出する推論部とを含むものである。
【０００９】
また、本開示に係る学習装置は、界磁巻線を有する発電機の回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１以下の領域において界磁巻線への励磁電流の停止状態を選択する一方で、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１よりも高い第２の基準回転数Ｎ１２以上の領域においては界磁巻線への励磁電流の供給状態を選択し、かつ、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１よりも大きく、かつ、第２の基準回転数Ｎ１２よりも小さい領域においては、回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には供給状態を継続し、回転数ＮがＮ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合には停止状態を継続するように、ヒステリシス特性を持たせた励磁電流制御を行う制御器を備えた風力発電装置において使用される第１の基準回転数Ｎ１１および第２の基準回転数Ｎ１２を推論するための学習済モデルを生成する学習装置であって、学習用データとして、風力発電装置のプロペラの回転軸の回転数と、回転数の変化率と、励磁電流制御において供給状態が選択されているか停止状態が選択されているかを識別するために制御器から出力されるフラグと、制御器で使用されている第１の基準回転数Ｎ１１の現在値および第２の基準回転数Ｎ１２の現在値とを含むデータを取得するデータ取得部と、データ取得部で取得された学習用データを用いて、風力発電装置から取り出すことができる電力をより大きくするために用いられる第１の基準回転数Ｎ１１の更新値および第２の基準回転数Ｎ１２の更新値を推論するための学習済モデルを生成するモデル生成部とを備えるものである。
【００１０】
さらに、本開示に係る推論装置は、界磁巻線を有する発電機の回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１以下の領域において界磁巻線への励磁電流の停止状態を選択する一方で、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１よりも高い第２の基準回転数Ｎ１２以上の領域においては界磁巻線への励磁電流の供給状態を選択し、かつ、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１よりも大きく、かつ、第２の基準回転数Ｎ１２よりも小さい領域においては、回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には供給状態を継続し、回転数ＮがＮ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合には停止状態を継続するように、ヒステリシス特性を持たせた励磁電流制御を行う制御器を備えた風力発電装置において使用される第１の基準回転数Ｎ１１および第２の基準回転数Ｎ１２を、現在の状態量に応じた推論値として算出する推論装置であって、現在の状態量として、風力発電装置のプロペラの回転軸の回転数と、回転数の変化率と、励磁電流制御において供給状態が選択されているか停止状態が選択されているかを識別するために制御器から出力されるフラグとを含むデータを取得するデータ取得部と、学習済モデルを用いて、データ取得部で取得された現在の状態量から、推論値である第１の基準回転数および第２の基準回転数を算出する推論部とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、設備利用率の向上を図ることができる風力発電装置、学習装置および推論装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施の形態１に係る風力発電装置の構成を示す概略図である。
【図２】本開示の実施の形態１における図１に示された風力発電装置の電気回路部分の構成を示す回路図である。
【図３】本開示の実施の形態１における、風車の回転数−トルクの特性図の一例である。
【図４】本開示の実施の形態１における図３に示した回転数−トルク特性を有する風車の回転数−機械出力の特性図である。
【図５】本開示の実施の形態１における、電機子巻線および整流器が搭載された発電機の固定子の電気的な等価回路図である。
【図６】本開示の実施の形態１における発電機制御部による制御構成例を説明するブロック図である。
【図７】本開示の実施の形態１における出力電圧制御部の構成例を説明するブロック図である。
【図８】本開示の実施の形態１における回転数と、出力電圧指令値との関係の一例を示す概念図である。
【図９】本開示の実施の形態１における励磁電流制御部の構成例を説明するブロック図である。
【図１０】本開示の実施の形態１における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。
【図１１】本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。
【図１２】本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での発電機の動作点の変遷に関する一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。
【図１３】本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での発電機の動作点の変遷に関する、図１２とは異なる一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。
【図１４】本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での発電機の動作点の変遷に関する、図１２および図１３とは異なる一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。
【図１５】本開示の実施の形態１における風力発電装置に関する機械学習装置の構成図である。
【図１６】本開示の実施の形態１における学習装置の学習処理に関するフローチャートである。
【図１７】本開示の実施の形態１における風力発電装置に関する推論装置の構成図である。
【図１８】本開示の実施の形態１における推論装置の推論処理に関するフローチャートである。
【図１９】本開示の実施の形態２に係る風力発電装置における発電機の動作点の変遷の一例を説明するための回転数−トルク特性図である。
【図２０】本開示の実施の形態３における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。
【図２１】本開示の実施の形態４における風力発電装置に関する機械学習装置の構成図である。
【図２２】本開示の実施の形態４における風力発電装置に関する推論装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さないものとする。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本開示の実施の形態１に係る風力発電装置の構成を示す概略図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る風力発電装置１０は、発電機２０、蓄電素子３０、出力電圧制御回路４０、励磁電流制御回路５０、発電機制御部６０、推論装置３１０、学習装置３２０、および学習済モデル記憶部３３０を備えて構成されている。
【００１５】
発電機２０は、端子２１〜２５と、固定子（図示せず）に設けられた三相の電機子巻線２７と、プロペラ５の回転軸と機械的に連結された回転子（図示せず）に設けられた界磁巻線２８と、整流器２９とを含む。プロペラ５は、風を受けて回転するように配置される。
【００１６】
発電機２０は、例えば、自動車用のオルタネータによって構成することができる。端子２１は、回転子の回転数に応じた周波数を有する交流電圧を出力するＰ端子に相当する。端子２２は、発電機２０の発電によって得られた直流電圧が出力されるＢ端子に相当する。端子２２（Ｂ端子）は、発電機の「出力端子」の一実施例に対応する。
【００１７】
端子２３は、アース用のＥ端子に相当する。さらに、端子２４は、界磁巻線２８の一端と接続され、端子２５は、界磁巻線２８の他端と接続される。
【００１８】
整流器２９は、三相の全波整流を行うダイオードブリッジによって構成される。三相の電機子巻線２７の一端は、ダイオードブリッジの交流側（三相）とそれぞれ接続される。三相の電機子巻線２７の他端同士は、中性点で互いに接続される。三相の電機子巻線２７のうちの一相の一端は、端子２１（Ｐ端子）とさらに接続される。
【００１９】
整流器２９を構成するダイオードブリッジの直流側は、端子２２および端子２３と接続される。発電機２０では、プロペラ５の回転に伴って電機子巻線２７に生じた三相交流電圧が、整流器２９によって整流されて、直流電力（すなわち、直流電圧および直流電流）が端子２２から出力される。
【００２０】
出力電圧制御回路４０の入力側は、端子２２と接続される。出力電圧制御回路４０の出力側は、蓄電素子３０と電気的に接続される。蓄電素子３０は、例えば、鉛蓄電池等の二次電池、キャパシタ等によって構成することが可能である。
【００２１】
励磁電流制御回路５０の入力側は、蓄電素子３０と電気的に接続され、励磁電流制御回路５０の出力側は、発電機２０の端子２４および端子２５と接続される。励磁電流制御回路５０は、蓄電素子３０の出力電圧を用いて、界磁巻線２８に供給される励磁電流Ｉｆを発生する。
【００２２】
発電機制御部６０は、蓄電素子３０からの電力供給によって動作して、風力発電装置１０の各要素を制御する。図１では、発電機制御部６０は、制御機能の一部として、出力電圧制御回路４０および励磁電流制御回路５０の制御信号を生成する。
【００２３】
発電機制御部６０は、図示しない、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インタフェース、および内部電源回路を有するように構成することができる。
【００２４】
内部電源回路は、蓄電素子３０からの電力を用いて制御電源を生成する。メモリには、制御用プログラム、演算により得られたデータ、検出値、指令値等の各種データを記憶させることができる。ＣＰＵは、所望の演算に必要なプログラムおよびデータをメモリから読み出して、後述する制御演算を実行することができる。発電機制御部６０は「制御器」の一実施例に対応する。
【００２５】
蓄電素子３０は、図示しない外部負荷、例えば照明およびセンサ、の電源としても用いられる。すなわち、蓄電素子３０は、出力電圧制御回路４０を介して発電機２０による発電電力によって充電されるとともに、風力発電装置１０自体の制御電源、界磁巻線２８に流れる励磁電流Ｉｆの電源、および外部負荷の電源としても機能する。
【００２６】
このため、実際には、発電機２０による発電電力から、電源としての消費電力を減算した電力によって、蓄電素子３０は充電される。なお、図示は省略しているが、蓄電素子３０に対して、電圧、電流、および温度の検出器、保護回路、並びに負荷への給電回路が設けられる。
【００２７】
図２は、本開示の実施の形態１における図１に示された風力発電装置１０の電気回路部分の構成を示す回路図である。図２では、出力電圧制御回路４０および励磁電流制御回路５０の構成例が主に示されている。
【００２８】
図２に示すように、出力電圧制御回路４０は、一般にチョッパと呼ばれる昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することができる。例えば、出力電圧制御回路４０は、平滑コンデンサ４１、４２と、ダイオード４３と、スイッチング素子４４と、リアクトル４５とを有する。
【００２９】
スイッチング素子４４は、ノードＮｍ１とノードＮｇとの間に接続される。スイッチング素子４４は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される、制御信号に従ってオンオフ制御可能な自己消弧型の半導体素子によって構成することができる。スイッチング素子４４は、発電機制御部６０からのゲート信号ＳＧｂに応じてオンオフする。
【００３０】
平滑コンデンサ４１は、端子２２と電気的に接続された入力ノードＮｉｎと、ノードＮｇとの間に接続される。ノードＮｇは、発電機２０の端子２３と同電位であり、例えば、接地電位である。
【００３１】
平滑コンデンサ４２は、蓄電素子３０と電気的に接続された出力ノードＮｏｕｔと、ノードＮｇとの間に接続される。入力ノードＮｉｎおよび出力ノードＮｏｕｔは、出力電圧制御回路４０の「入力ノード」および「出力ノード」にそれぞれ相当する。
【００３２】
ダイオード４３は、ノードＮｍ１と出力ノードＮｏｕｔとの間に接続される。ダイオード４３のアノードは、ノードＮｍ１と接続され、ダイオード４３のカソードは、出力ノードＮｏｕｔと接続される。
【００３３】
すなわち、ダイオード４３は、ノードＮｍ１から出力ノードＮｏｕｔへの電流を通過させる一方で、出力ノードＮｏｕｔからノードＮｍ１への電流を遮断する。リアクトル４５は、入力ノードＮｉｎとノードＮｍ１との間に接続される。
【００３４】
出力電圧制御回路４０では、入力ノードＮｉｎの直流電圧Ｖｂ（第１の直流電圧に相当）が入力電圧として、入力ノードＮｉｎに入力される直流電流Ｉｂが入力電流として、出力ノードＮｏｕｔの直流電圧Ｖｏｕｔ（第２の直流電圧に相当）が出力電圧として、それぞれ定義される。図示は省略しているが、出力電圧制御回路４０には、直流電流Ｉｂ、直流電圧Ｖｂ、および出力電圧Ｖｏｕｔのそれぞれの検出器が配置される。これらの検出器による検出値は、発電機制御部６０へ入力される。
【００３５】
図２の構成例では、端子２２が入力ノードＮｉｎと直接接続されるので、直流電圧Ｖｂおよび直流電流Ｉｂのそれぞれは、発電機２０の出力電圧および出力電流に相当する。発電機２０の出力電流は、発電機２０の電機子巻線２７を流れる電機子電流に相当する。従って、出力電圧制御回路４０は、直流電圧Ｖｂおよび直流電流Ｉｂを検出することで、発電機２０の出力電圧および出力電流を検出することが可能である。
【００３６】
このため、以下では、直流電圧Ｖｂおよび直流電流Ｉｂのそれぞれを、発電機２０の出力電圧および出力電流としても取り扱う。すなわち、直流電圧Ｖｂおよび直流電流Ｉｂの積は、発電機２０から出力された発電電力に相当する。
【００３７】
出力電圧制御回路４０（昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）では、スイッチング素子４４のオン状態では、入力ノードＮｉｎからリアクトル４５に流れる電流によって、リアクトル４５にエネルギーが蓄積される。スイッチング素子４４をオフすると、リアクトル４５に蓄積されたエネルギーが、ダイオード４３を介して出力ノードＮｏｕｔへ放出される。これにより、入力ノードＮｉｎよりも高い電圧を出力ノードＮｏｕｔに発生させることができる（Ｖｏｕｔ≧Ｖｂ）。
【００３８】
昇圧チョッパでは、単位時間中でのスイッチング素子４４のオン時間の割合で定義されるデューティ比Ｄｂを用いると、直流電圧（入力電圧）Ｖｂと直流電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔとの間には、
Ｄｂ＝１−（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）
の関係が成立することが知られている。従って、スイッチング素子４４のオンオフ制御により、下式（１）に示される電圧比の制御が可能である。
１−Ｄｂ＝（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）        （１）
【００３９】
上式（１）において、０＜（１−Ｄｂ）≦１であるから、（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）≦１、すなわち、Ｖｏｕｔ≧Ｖｂの範囲で、出力電圧制御回路４０は、動作することができる。従って、スイッチング素子４４のオフ時間の比率に相当する（１−Ｄｂ）を変化させることで、入力電圧Ｖｂに対する出力電圧Ｖｏｕｔの昇圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｂ）を制御できることが理解される。
【００４０】
励磁電流制御回路５０は、発電機２０の界磁巻線２８をリアクトルとして用いる降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧チョッパ）によって構成することができる。例えば、励磁電流制御回路５０は、平滑コンデンサ４６と、ダイオード４７と、スイッチング素子４８とを有する。
【００４１】
スイッチング素子４８は、スイッチング素子４４と同様に、自己消弧型の半導体素子によって構成される。
【００４２】
平滑コンデンサ４６は、端子２４と接続されたノードＮｆと、ノードＮｇとの間に接続される。平滑コンデンサ４６は、蓄電素子３０の出力電圧によって充電される。スイッチング素子４８は、端子２５と接続されたノードＮｍ２と、ノードＮｇとの間に接続される。スイッチング素子４８は、発電機制御部６０からのゲート信号ＳＧｆに応じてオンオフする。
【００４３】
ダイオード４７は、ノードＮｍ２とノードＮｆとの間に接続される。ダイオード４７のアノードは、ノードＮｍ２と電気的に接続され、ダイオード４７のカソードは、ノードＮｆと接続される。すなわち、ダイオード４７は、ノードＮｍ２（端子２５）からノードＮｆへの電流を通過させる一方で、ノードＮｆからノードＮｍ２への電流を遮断する。
【００４４】
界磁巻線２８は、発電機２０の内部で端子２４と端子２５との間に電気的に接続される。励磁電流制御回路５０は、平滑コンデンサ４６の直流電圧を入力電圧とし、励磁電流Ｉｆによって界磁巻線２８に生じる電圧を出力電圧とする降圧チョッパとして動作する。
【００４５】
平滑コンデンサ４６は、蓄電素子３０によって充電されるので、平滑コンデンサ４６の電圧は、平滑コンデンサ４２の電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）と同等である。
【００４６】
なお、図示は省略しているが、励磁電流制御回路５０には、励磁電流Ｉｆの検出器が配置されており、励磁電流Ｉｆの検出値も、発電機制御部６０へ入力される。
【００４７】
スイッチング素子４８のオン期間には、平滑コンデンサ４６の入力電圧を用いて、ノードＮｆから、端子２４、界磁巻線２８、端子２５（ノードＮｍ２）、および、スイッチング素子４８を経由して、ノードＮｇに至る経路により、界磁巻線２８へのエネルギー蓄積を伴って、励磁電流Ｉｆが供給される。
【００４８】
一方で、スイッチング素子４８のオフ期間では、平滑コンデンサ４６の入力電圧は、供給されず、ノードＮｆ、端子２４、界磁巻線２８、端子２５（ノードＮｍ２）、ダイオード４７、および、ノードＮｆの還流経路により、界磁巻線２８に蓄積されたエネルギーにより、励磁電流Ｉｆが流れ続ける。
【００４９】
従って、単位時間中でのスイッチング素子４８のオン時間の割合で定義されるデューティ比Ｄｆを用いると、平滑コンデンサ４６の電圧（Ｖｏｕｔ）、界磁巻線２８に生じる直流電圧Ｖｆ、および、デューティ比Ｄｆの間には、
Ｖｆ＝Ｖｏｕｔ・Ｄｆ
の関係が成立する。
【００５０】
界磁巻線２８の電気抵抗値Ｒｆを用いると、Ｖｆ＝Ｒｆ・Ｉｆであるので、励磁電流Ｉｆは、下式（２）で示される。
Ｉｆ＝（Ｖｏｕｔ／Ｒｆ）・Ｄｆ        （２）
【００５１】
すなわち、励磁電流制御回路５０は、スイッチング素子４８のデューティ比Ｄｆによって、励磁電流Ｉｆを制御することができる。
【００５２】
蓄電素子３０（ノードＮｂ）と、発電機制御部６０との間には、ダイオード５１がさらに接続されてもよい。ダイオード５１は、ノードＮｂと接続されたアノード、および発電機制御部６０と接続されたカソードを有する。これにより、発電機制御部６０から蓄電素子３０への電流は、遮断される。
【００５３】
同様に、励磁電流制御回路５０（ノードＮｆ）と、蓄電素子３０（ノードＮｂ）との間には、ダイオード５２がさらに接続されてもよい。ダイオード５２は、ノードＮｂと接続されたアノード、およびノードＮｆと接続されたカソードを有する。これにより、励磁電流制御回路５０から蓄電素子３０への電流は、遮断される。
【００５４】
また、出力電圧制御回路４０（出力ノードＮｏｕｔ）と、蓄電素子３０（ノードＮｂ）との間には、ダイオード５３がさらに接続されてもよい。ダイオード５３は、出力ノードＮｏｕｔと接続されたアノード、およびノードＮｂと接続されたカソードを有する。これにより、蓄電素子３０から出力電圧制御回路４０への電流は、遮断される。
【００５５】
ダイオード５１〜５３を配置することにより、蓄電素子３０、出力電圧制御回路４０、励磁電流制御回路５０、および発電機制御部６０のそれぞれの間の電流方向を固定することが可能である。なお、ダイオード５１〜５３の配置は、省略することも可能である。また、発電機２０の端子２２と出力電圧制御回路４０との間に、出力電圧制御回路４０から端子２２への電流を遮断する方向に、ダイオードをさらに接続することも可能である。
【００５６】
さらに、ノードＮｂから蓄電素子３０への入力電流Ｉｂａｔと、蓄電素子３０の入力部の電圧Ｖｂａｔとは、図示しない検出器を用いて検出される。ＩｂａｔとＶｂａｔとの積は、発電機２０で発電された電力から発電機２０を制御するために必要な電力を除いた電力に相当する。従って、ＩｂａｔとＶｂａｔとの積は取出し電力、Ｉｂａｔは取出し電流、Ｖｂａｔは取出し電圧、とそれぞれ呼ぶ。
【００５７】
次に、図３および図４を用いて、風力発電機の特性について説明する。図３は、本開示の実施の形態１における、風車の回転数−トルクの特性図の一例である。
【００５８】
図３の横軸には風車の回転数Ｎ［ｒ／ｍｉｎ］が示され、縦軸には、風車に発生するトルクＴ［Ｎ・ｍ］が示されている。図１の風力発電装置１０では、プロペラ５の回転数およびトルクが、図３の横軸および縦軸のそれぞれに相当する。
【００５９】
風車は、一定風速下では、回転数が決まると発生トルクが決定される。図３には、風速毎に、回転数とトルクとの間の関係を示す曲線が記載されている。
【００６０】
図３から、風速が一定の下では、風車の回転数Ｎが増加するに従って、トルクＴも増加するが、極大点（最大トルク点）を超えて回転数Ｎがさらに増加すると、トルクＴは、回転数Ｎの増加に従って減少する。
【００６１】
各風速での最大トルク点での風車の発生トルク（最大トルク）は、風速が大きくなるに従って増加し、最大トルクが生じる回転数Ｎについても、風速が大きくなるに従って上昇する。
【００６２】
基準となる風速Ｖｏにおいて、回転数ＮｏのときにトルクＴｏが発生する特性を風車が有するとき、任意の風速Ｖにおける当該風車の回転数ＮおよびトルクＴは、下式（３）および下式（４）によってそれぞれ表すことができる。
Ｎ＝Ｎｏ・（Ｖ／Ｖｏ）            （３）
Ｔ＝Ｔｏ・（Ｖ／Ｖｏ）＾２        （４）
【００６３】
上式（３）より、回転数Ｎは、風速に比例し、上式（４）より、トルクＴは、風速の２乗に比例することがわかる。上式（３）および上式（４）から、回転数ＮとトルクＴとの関係を導くと、下式（５）を得ることができる、下式（５）から、トルクＴは、回転数Ｎの２乗に比例することが確認できる。
Ｔ＝Ｔｏ・（Ｎ／Ｎｏ）＾２        （５）
【００６４】
図４は、本開示の実施の形態１における図３に示した回転数−トルク特性を有する風車の回転数−機械出力の特性図である。図４の横軸には、図３と同様の回転数Ｎ［ｒ／ｍｉｎ］が示され、縦軸には、機械出力Ｐ［Ｗ］が示されている。機械出力Ｐは、機械角速度ωとトルクＴとの積で示される。回転数Ｎに対する角速度ωは、
ω＝（Ｎ／６０）・２・π
で示されるので、機械出力Ｐ［Ｗ］は、下式（６）で表すことができる。
Ｐ＝（Ｎ／６０）・２・π・Ｔ      （６）
【００６５】
さらに、基準となる風速Ｖｏにおける機械出力Ｐｏと、任意の風速Ｖにおける機械出力Ｐとの関係は、下式（７）で表すことができる。下式（７）より、機械出力Ｐは、風速の３乗に比例することが確認できる。
Ｐ＝Ｐｏ・（Ｖ／Ｖｏ）＾３        （７）
【００６６】
上式（３）および上式（７）から、回転数Ｎと機械出力Ｐとの関係を導くと、下式（８）を得ることができる。下式（８）から、機械出力は、回転数Ｎの３乗に比例することが確認できる。
【００６７】
Ｐ＝Ｐｏ・（Ｎ／Ｎｏ）＾３        （８）
【００６８】
図４においても、風速が一定の下では、風車の回転数Ｎが増加するに従って機械出力Ｐも増加するが、極大点（最大出力点）を超えて回転数Ｎがさらに増加すると、機械出力Ｐは、回転数Ｎの増加に従って減少する。
【００６９】
各風速での最大出力点での風車の機械出力（最大出力）は、風速が大きくなるに従って増加し、最大出力が生じる回転数Ｎについても、風速が大きくなるに従って上昇する。図４中には、各風速での最大出力点の集合に相当する最大出力線２１０がさらに示されている。最大出力線２１０は、各風速での、機械出力が最大となる回転数の集合である。
【００７０】
最大出力線２１０は、上式（８）に対して、機械出力Ｐが最大となる動作点に対応する回転数Ｎｏおよび機械出力Ｐｏを代入したときの関数式に相当する。このときの回転数ＮｏおよびトルクＴｏを、上式（７）に代入すると、図３上にも、最大出力線２１０を引くことができる。
【００７１】
従って、図３に示すような、風車の回転数−トルク特性が把握できていれば、最大出力線２１０上の動作点、すなわち、回転数Ｎと発生トルクＴとの組み合わせ、で発電機２０を運転することにより、風速を知ることができなくても、風速に応じて機械出力Ｐを最大限取り出すことが可能となる。
【００７２】
次に、発電機２０が所望のトルクを発生するように、発電機２０の運転を制御する手法について説明する。
【００７３】
一般に、巻線界磁の同期電動機は、電機子巻線に流れる無効電流成分を調整することで出力を制御することができる。本実施の形態１において、発電機２０は、図１で示したとおり、電機子巻線２７および界磁巻線２８を有しており、巻線界磁の同期発電機を含んで構成されている。そして、発電機２０の出力端子には、整流器２９が接続されている。
【００７４】
従って、発電機２０では、電機子巻線に無効電流の基本波成分が流れることはない。このため、同期発電機の出力側に整流器２９が接続された図１の発電機２０は、他励式の直流発電機とみなすことができる。
【００７５】
一般的に、他励式の直流発電機では、電機子電流Ｉａ、界磁巻線の励磁電流Ｉｆ、電機子と界磁巻線との間の相互インダクタンスＬａｆ（以下、単に「相互インダクタンスＬａｆ」とも称する）、および機械角速度ωを用いると、内部誘起電圧Ｅａは、下式（９）で示され、発生トルクＴｅは、下式（１０）で示される。
Ｅａ＝Ｌａｆ・Ｉｆ・ω        （９）
Ｔｅ＝Ｌａｆ・Ｉｆ・Ｉａ      （１０）
【００７６】
従って、発電機２０の特性試験により、励磁電流Ｉｆ、電機子電流Ｉａ、および発生トルクＴｅを測定することで、上式（１０）から相互インダクタンスＬａｆを算出することができる。本実施の形態１では、図２の回路構成から理解されるように、発電機２０の電機子電流Ｉａは、端子２２から出力電圧制御回路４０へ入力される直流電流Ｉｂに相当する。
【００７７】
このため、発電機２０の運転時には、特性試験によりあらかじめ算出された相互インダクタンスＬａｆと、励磁電流Ｉｆおよび直流電流Ｉｂのそれぞれの検出値とを用いて、上式（１０）に従って発生トルクを演算することができる。
【００７８】
図５は、本開示の実施の形態１における、電機子巻線２７および整流器２９が搭載された発電機２０の固定子の電気的な等価回路図である。図５に示したように、固定子の等価回路は、三相交流回路を直流回路に換算した形で記載することができる。
【００７９】
従って、図５中では、電機子巻線２７のインダクタンスＬａ、および電機子巻線抵抗Ｒａも直流換算されている。また、図５中のＶｄは、整流器２９のダイオードで生じる順電圧降下を示しており、端子２２の電圧は、図１で説明した、出力電圧制御回路４０の直流電圧Ｖｂと同等である。
【００８０】
図５の等価回路では、内部誘起電圧Ｅａについて、下式（１１）が成立する。
Ｅａ＝Ｌａ・ｄＩｂ／ｄｔ＋Ｒａ・Ｉｂ＋２・Ｖｄ＋Ｖｂ    （１１）
【００８１】
整流器２９中のダイオードの作用により、上式（１１）において、
Ｅａ−２・Ｖｄ−Ｖｂ＞０
の場合には、Ｉｂ＞０となる。その一方で、
Ｅａ−２・Ｖｄ−Ｖｂ≦０
の場合には、Ｉｂ＝０となる。また、直流電流Ｉｂは、ＥａとＶｂとの電圧差に応じて変化する。
【００８２】
上式（９）〜上式（１１）を利用すれば、機械角速度ωに応じて直流電圧Ｖｂおよび励磁電流Ｉｆを制御することによって、直流電流Ｉｂおよび発生トルクＴｅが所望の値になるように、発電機２０を運転することができる。
【００８３】
ここで、上式（９）〜上式（１１）において、発電機２０は、直流発電機として扱われているが、実際には、発電機２０は、極対数がｐの同期発電機である。このため、三相交流を直流に全波整流する際に生じるリプル電圧が、発電機２０からの実際の出力電圧（すなわち、直流電圧Ｖｂ）には含まれる。三相交流の周波数ｆｅは、下式（１２）で表すことができる。
ｆｅ＝ω／（２・π）・ｐ＝Ｎ／６０・ｐ      （１２）
【００８４】
本実施の形態１では、発電機２０が所望の直流電流Ｉｂ（電機子電流Ｉａ相当）および発生トルクＴｅで運転されるように、出力電圧制御回路４０によって直流電圧Ｖｂが制御され、励磁電流制御回路５０によって励磁電流Ｉｆが制御される。
【００８５】
このような直流電圧Ｖｂおよび励磁電流Ｉｆの制御、並びに直流電流Ｉｂおよび発生トルクＴｅの所望の値の決定の手法は、限定されるものではないが、例えば、以下のような制御を適用することができる。なお、本実施の形態１では、プロペラ５および発電機２０の回転子が直結されており、両者の回転数が同一値であるものとして説明を進める。
【００８６】
基本的には、発電機２０の発生トルクＴｅは、現在の回転数Ｎに応じて一意に決定される。このため、直流電圧Ｖｂおよび励磁電流Ｉｆの制御に関しては、現在の回転数Ｎに応じて直流電圧Ｖｂと励磁電流Ｉｆの指令値を決定し、各々の検出値を用いてフィードバック制御を行うことができる。
【００８７】
また、直流電圧Ｖｂに代えて、回転数Ｎに応じた直流電流Ｉｂの指令値を決定して、フィードバック制御を行ってもよい。あるいは、励磁電流Ｉｆに代えて、直流電圧Ｖｆの指令値を決定して、フィードバック制御を行うことも可能である。または、回転数Ｎに対応させて、デューティ比Ｄｂ、Ｄｆを直接出力することもできる。あるいは、発生トルクＴｅのフィードバック制御を行って、励磁電流Ｉｆの指令値を決定してもよい。
【００８８】
図６は、本開示の実施の形態１における発電機制御部６０による制御構成例を説明するブロック図である。なお、図６を始めとするブロック図中に記載された各ブロックの機能は、例えば、発電機制御部６０に含まれるＣＰＵが、あらかじめ格納されたプログラムを実行することによるソフトウェア処理によって実現することができる。あるいは、各機能の少なくとも一部については、電子回路等のハードウェアによって実現することも可能である。
【００８９】
図６に示すように、発電機制御部６０は、回転数検出値生成部６２、出力電圧制御部６４、励磁電流制御部６６、励磁電流供給停止判定部６８、および、ＡＮＤゲート６５、６７を有する。
【００９０】
回転数検出値生成部６２には、端子２１（Ｐ端子）から出力される交流電圧Ｖｐが入力される。交流電圧Ｖｐから、発電機２０の回転子の電気角周波数（ｆｅに相当）が求められ、電気角周波数ｆｅおよび発電機２０の極対数ｐから、プロペラ５および発電機２０の回転数Ｎを演算することができる。ここで、発電機制御部６０内の回転数検出値生成部６２は、回転数検出部に相当する。
【００９１】
以下では、回転数検出値生成部６２によって生成された回転数検出値についても、回転数Ｎと表記する。上述したように、本実施の形態１では、回転数Ｎは、発電機２０およびプロペラ５（風車）の両方の回転数を示している。
【００９２】
出力電圧制御部６４は、プロペラ５の回転数Ｎの検出値および直流電圧Ｖｂの検出値に基づき、出力電圧制御回路４０のスイッチング素子４４のゲート信号ＳＧｂを生成する。
【００９３】
図７は、本開示の実施の形態１における出力電圧制御部６４の構成例を説明するブロック図である。図７に示したように、出力電圧制御部６４は、出力電圧指令値生成部７１、減算器７２、電圧制御器７３、比較器７４、およびＮＯＴゲート７５を有する。
【００９４】
出力電圧指令値生成部７１は、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎに基づき、発電機２０の出力電圧に相当する直流電圧Ｖｂの指令値である出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを生成する。
【００９５】
図８は、本開示の実施の形態１における回転数Ｎと、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆとの関係の一例を示す概念図である。図８に示すように、基本的には、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、回転数Ｎの増加に応じて上昇するように設定される。ただし、回転数Ｎが小さい領域では、直流電圧Ｖｂが小さくなり過ぎないように、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、一定値とすることが好ましい。また、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、当該時点での出力電圧制御回路４０の出力電圧Ｖｏｕｔ（検出値）を上限値として設定される。
【００９６】
出力電圧指令値生成部７１は、図８に示された、回転数Ｎと出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆとの関係に従って、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎを入力し、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを出力する。出力電圧指令値生成部７１において回転数Ｎから出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを求める構成としては、演算式、またはルックアップテーブルを用いることができる。
【００９７】
なお、上式（１０）から理解されるように、発生トルクＴｅに直接関係するのは、発電機２０の電機子電流Ｉａに相当する直流電流Ｉｂである。このため、出力電圧指令値生成部７１は、発電機２０の動作点（Ｎ、Ｔｅ）が決まると、当該動作点において望ましい直流電流Ｉｂを発電機２０が出力できるような値に、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを決定することも可能である。
【００９８】
つまり、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、上式（１１）に従って決定することに限定されず、動作点に応じた出力特性をあらかじめ測定することで決定することが可能である。あるいは、上式（１１）以外の演算式に従って、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを決定することも可能である。
【００９９】
再び図７の説明に戻り、減算器７２は、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆから、直流電圧Ｖｂ（検出値）を減算して、電圧偏差ΔＶｂを算出する。電圧偏差ΔＶｂは、電圧制御器７３に入力される。
【０１００】
電圧制御器７３は、例えば、比例積分制御器で構成されて、直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致するための、出力電圧制御回路４０中のスイッチング素子４４のデューティ比を演算する。比例積分制御での、積分項の初期値は、例えば、Ｖｂ／Ｖｏｕｔとすることができる。
【０１０１】
ここで、「直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致する」とは、両者が厳密に一致する場合に限定されず、直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに近づく（追従する）場合も含むものとする。以下、本実施の形態での制御に関する「一致する」との記載の意味についても、同様であるものとする。
【０１０２】
電圧制御器７３は、出力電圧制御回路４０におけるスイッチング素子４４のオフ期間のデューティ比を示す制御量（１−Ｄｂ）を、０＜（１−Ｄｂ）≦１．０の範囲内で出力する。上式（１）に示されるように、出力電圧制御回路４０には、１−Ｄｂ＝Ｖｂ／Ｖｏｕｔの関係がある。従って、電圧制御器７３は、電圧比（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）を上昇または低下させることで、直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致するように、制御量（１−Ｄｂ）を設定することができる。
【０１０３】
比較器７４は、電圧制御器７３から出力された制御量（１−Ｄｂ）と、搬送波ＣＷとを比較する。搬送波ＣＷは、例えば、０≦ＣＷ≦１．０の範囲内で周期的に上昇および低下を繰り返す三角波によって構成される。搬送波（三角波）ＣＷの周波数は、スイッチング素子４４のスイッチング周波数に相当する。
【０１０４】
比較器７４は、制御量（１−Ｄｂ）の方が搬送波ＣＷよりも大きい場合には、論理ハイレベル（以下、単に「Ｈレベル」とも称する）を出力し、反対に、制御量（１−Ｄｂ）の方が搬送波ＣＷよりも小さいときには、論理ローレベル（以下、単に「Ｌレベル」とも称する）を出力する。これにより、比較器７４からは、制御量（１−Ｄｂ）および搬送波ＣＷの比較結果を示すパルス信号が出力される。
【０１０５】
ＮＯＴゲート７５は、比較器７４からのパルス信号の反転信号を、ゲート信号ＳＧｂとして出力する。
【０１０６】
なお、比較器７４に対しては、制御量（１−Ｄｂ）から求められたデューティ比Ｄｂを入力することも可能である。この場合には、ＮＯＴゲート７５を配置することなく、比較器７４の出力（パルス信号）を、そのままゲート信号ＳＧｂとして用いることができる。
【０１０７】
再び図６の説明に戻り、励磁電流制御部６６は、回転数Ｎの検出値および励磁電流Ｉｆの検出値に基づき、励磁電流制御回路５０のスイッチング素子４８のゲート信号ＳＧｆを生成する。
【０１０８】
図９は、本開示の実施の形態１における励磁電流制御部６６の構成例を説明するブロック図である。図９に示すように、励磁電流制御部６６は、励磁電流指令値生成部８１、減算器８３、電流制御器８６、および比較器８７を有する。
【０１０９】
励磁電流指令値生成部８１は、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎに基づき、励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを出力する。減算器８３は、励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆから励磁電流Ｉｆ（検出値）を減算して、電流偏差ΔＩｆを算出する。電流偏差ΔＩｆは、電流制御器８６に入力される。
【０１１０】
電流制御器８６は、例えば比例積分制御器で構成されて、励磁電流Ｉｆが励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆに一致するための、励磁電流制御回路５０中のスイッチング素子４８のデューティ比を演算する。
【０１１１】
電流制御器８６は、励磁電流制御回路５０におけるスイッチング素子４８のオン期間のデューティ比Ｄｆを、０≦Ｄｆ≦１．０の範囲内で出力する。上式（２）に示されるように、励磁電流制御回路５０には、
Ｄｆ＝Ｉｆ／（Ｖｏｕｔ／Ｒｆ）
の関係がある。従って、電流制御器８６は、ΔＩｆ＞０に対しては、デューティ比Ｄｆを上昇させる一方で、ΔＩｆ＜０に対しては、デューティ比Ｄｆを低下させるように、デューティ比Ｄｆを調節することができる。
【０１１２】
比較器８７は、電流制御器８６から出力されたデューティ比Ｄｆと、比較器７４と同様の搬送波ＣＷとを比較して、ゲート信号ＳＧｆを出力する。従って、デューティ比Ｄｆの方が搬送波ＣＷよりも大きい期間において、スイッチング素子４８は、オン状態に制御される。
【０１１３】
一方で、反対に、デューティ比Ｄｆの方が搬送波ＣＷよりも小さい期間では、スイッチング素子４８は、オフ状態に制御される。なお、搬送波ＣＷの周波数は、出力電圧制御回路４０と励磁電流制御回路５０とで独立に決定することができる。
【０１１４】
再び図６の説明に戻り、励磁電流供給停止判定部６８は、回転数Ｎの検出値と、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２とに基づき、励磁電流供給フラグＧｏｎを出力する。励磁電流を供給すると判定されたときには、Ｇｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定され、励磁電流を供給しない（すなわち、励磁電流を停止する）と判定されたときには、Ｇｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。
【０１１５】
ＡＮＤゲート６５には、ゲート信号ＳＧｂおよび励磁電流供給フラグＧｏｎが入力される。ＡＮＤゲート６５は、出力電圧制御回路４０中のスイッチング素子４４に伝送される、最終的なゲート信号ＳＧｂ１を出力する。ゲート信号ＳＧｂ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＨレベルの間は、ゲート信号ＳＧｂと同じ信号である。このとき、出力電圧制御回路４０は、直流電圧Ｖｂを出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致させるためのゲート信号ＳＧｂに従って動作する。
【０１１６】
一方で、ゲート信号ＳＧｂ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＬレベルの間は、Ｌレベル信号に固定される。これにより、スイッチング素子４４は、オフ状態に固定されて、ゲートブロックされた状態となる。このとき、出力電圧制御回路４０は、動作を停止する。
【０１１７】
同様に、ＡＮＤゲート６７には、ゲート信号ＳＧｆおよび励磁電流供給フラグＧｏｎが入力される。ＡＮＤゲート６７は、励磁電流制御回路５０中のスイッチング素子４８に伝送される、最終的なゲート信号ＳＧｆ１を出力する。ゲート信号ＳＧｆ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＨレベルの間はゲート信号ＳＧｆと同じ信号である。このとき、励磁電流制御回路５０は、励磁電流Ｉｆを励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆに一致させるためのゲート信号ＳＧｆに従って動作する。
【０１１８】
一方で、ゲート信号ＳＧｆ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＬレベルの間は、Ｌレベル信号に固定される。これにより、スイッチング素子４８は、オフ状態に固定されて、ゲートブロックされた状態となる。このとき、励磁電流制御回路５０は、動作を停止する。
【０１１９】
図１０は、本開示の実施の形態１における励磁電流供給停止判定部６８による制御処理を説明するフローチャートである。図１０の制御処理は、風力発電装置１０の運転中において、一定の周期で繰り返し実行される。
【０１２０】
図１０に示すように、励磁電流供給停止判定部６８は、ステップＳ６において、推論装置３１０から出力される、可変値である基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を読み込む。
【０１２１】
次に、励磁電流供給停止判定部６８は、ステップＳ１およびステップＳ３において、回転数Ｎが、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２に対してどの範囲にあるかを判定する。Ｎ≧Ｎ１２の場合（ステップＳ１のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ２により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定され、フラグがセットされる（モード１）。すなわち、モード１では、励磁電流は、常時供給される。
【０１２２】
また、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（ステップＳ１のＮＯ判定、かつ、ステップＳ３のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ４により、前回設定された励磁電流供給フラグＧｏｎの状態が継続される（モード２）。Ｇｏｎ＝１、すなわち、フラグがセットされている場合には、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定される。
【０１２３】
これに対して、Ｇｏｎ＝０、すなわち、フラグがリセットされている場合には、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。すなわち、モード２では、励磁電流供給フラグＧｏｎのセットまたはリセットが維持されるので、励磁電流の供給時には当該供給状態が継続され、励磁電流の停止時には、当該停止状態が継続される。
【０１２４】
Ｎ≦Ｎ１１の場合（ステップＳ１のＮＯ判定、かつ、ステップＳ３のＮＯ判定時）には、ステップＳ５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定して、フラグをリセットする（モード３）。すなわち、モード３では、励磁電流の供給は停止される。
【０１２５】
すなわち、励磁電流供給停止判定部６８は、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１以下のときは停止状態を選択する一方で、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１よりも高い第２の基準回転数Ｎ１２以上のときは供給状態を選択する。また、励磁電流供給停止判定部６８は、回転数Ｎが第１の基準回転数Ｎ１１および第２の基準回転数Ｎ１２の間のときは、供給状態の選択時には供給状態を維持する一方で、停止状態の選択時には停止状態を維持する。さらに、励磁電流供給停止判定部６８は、供給状態の選択時であるか停止状態の選択時であるかを識別するためのフラグとして励磁電流供給フラグＧｏｎを出力する。
【０１２６】
図１１は、本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。図１１では、図１０に示したフローチャートに従って励磁電流供給フラグＧｏｎが設定されたときの動作が示されている。
【０１２７】
なお、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２は、可変値であるが、簡単のため、図１１では固定値とした。また、図１１のタイミングチャートでは、回転数の上昇（加速）および低下（減速）の挙動について、説明を簡単にするために、傾きが一定の直線（一次関数）で表記している。ただし、実際には、後述する式（１３）の右辺の（Ｔｍ−Ｔｅ）の絶対値が変わることで、傾きは一定になるとは限らない。
【０１２８】
図１１に示すように、時刻ｔｓ〜時刻ｔ１では、Ｎ≧Ｎ１２（モード１）のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されて、励磁電流Ｉｆが発電機２０に供給される。励磁電流Ｉｆの供給時は、発電機２０には発電トルクＴｅが作用する。このため、Ｇｏｎ＝１の期間では、Ｔｍ−Ｔｅ＜０となる風速においては、回転数Ｎが徐々に低下する。
【０１２９】
時刻ｔ１以降では、回転数Ｎは、基準回転数Ｎ１２よりも低下する。ただし、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）の間、すなわち、時刻ｔ２までは、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に維持されて、励磁電流の供給、すなわち、発電機２０の発電が継続される。
【０１３０】
時刻ｔ２において、Ｎ≦Ｎ１２（モード３）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎは、１から０に変化する。これにより、励磁電流が停止されて、発電機２０の発電は、停止される。これにより、Ｎ１１においてＴｍ＞０となる風速の場合は、回転数Ｎは、上昇に転じる。
【０１３１】
ただし、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達するまでは、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）であるので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持される。これにより、時刻ｔ２〜時刻ｔ３では、励磁電流の停止、および発電機２０の発電停止が継続される。
【０１３２】
時刻ｔ３において、回転数Ｎ≧Ｎ１２（モード１）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされると、励磁電流の供給、すなわち、発電機２０の発電が再開される。これにより、発電トルクＴｅの発生によって、回転数Ｎは、低下する。時刻ｔ３以降では、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）であるので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１が維持される。
【０１３３】
時刻ｔｘ〜時刻ｔｙでは、一時的な風速の上昇により、発電トルクＴｅよりも大きいトルクが、プロペラ５から発電機２０に作用することで、回転数Ｎが上昇している。時刻ｔｙ以降では、風速が低下に転じることで、回転数Ｎが低下する。時刻ｔｙ〜時刻ｔｚまでの間、風速低下が継続する。
【０１３４】
時刻ｔｙ後の時刻ｔ４において、Ｎ≦Ｎ１１（モード３）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎは、１から０に変化する。これにより、励磁電流が停止されて、発電機２０は、発電を停止する。時刻ｔ４〜時刻ｔｚでは、発電トルクＴｅ＝０であるので、発電機２０での機械的損失を無視すると、Ｎ１１においてＴｍ＝０となる風速の場合でも、回転数Ｎは、Ｎ１１に維持される。
【０１３５】
時刻ｔ４以降では、Ｎ≧Ｎ１２に達する時刻ｔ５までの間は、モード２が適用されて、励磁電流の停止が継続される。すなわち、発電トルクＴｅ＝０であるので、時刻ｔｚ以降で風速が上昇し、Ｔｍ＞０になると、回転数Ｎが上昇する。
【０１３６】
以降、同様の制御により、時刻ｔ５〜時刻ｔ６、および、時刻ｔ７以降では、励磁電流が供給される。一方で、時刻ｔ６〜時刻ｔ７では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に設定されて、励磁電流は、停止される。
【０１３７】
このように、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の領域では、回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には、励磁電流の供給が継続される一方で、回転数ＮがＮ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合には、励磁電流の停止が継続され、いわゆる、ヒステリシス特性が実現される。また、本実施の形態１において、基準回転数Ｎ１１は「第１の基準回転数」の一実施例に対応し、基準回転数Ｎ１２は「第２の基準回転数」の一実施例に対応する。
【０１３８】
ここで、発電機２０の動作点を、図３の最大出力線２１０上にとることを考える。このとき、発電機２０は、回転数の２乗に比例するトルクで運転されるため、回転数Ｎが小さい領域では、励磁電流Ｉｆおよび出力電流Ｉｂを小さくして、発生トルクＴｅを低減させる。
【０１３９】
また、上式（９）から理解されるように、内部誘起電圧Ｅａは、機械角速度ω（すなわち、回転数Ｎ）に比例する。このため、風速が低下した際に使用される回転数Ｎが小さい領域では、上記のように、励磁電流Ｉｆを小さくすることからも、内部誘起電圧Ｅａは、低くなる。この下で発電電力を得るためには、出力電圧制御回路４０によって、直流電圧Ｖｂを低く制御すること、言い換えると、上式（１）中の（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）を低くするようにデューティ比Ｄｂを制御すること、が必要である。
【０１４０】
しかしながら、回転数Ｎが低い領域では、発電機２０は、小さい発電トルクＴｅで運転されるが、このような条件では、機械出力から発電機の電気出力を得る際の効率が低下することが一般的である。さらに、発電を行うためには、励磁電流Ｉｆを流す必要があるが、励磁電流Ｉｆを発生させると、界磁巻線２８の電気抵抗値Ｒｆに起因して電力損失が発生する。
【０１４１】
したがって、風速が低下すると、入力電流Ｉｂａｔが減少し、最終的に負の値となるので、外部負荷に対して電力を供給していなくても、取出し電力が負となって蓄電素子３０への充電が困難となることが懸念される。
【０１４２】
以下では、発電を行う最小の回転数をＮ２１、励磁電流の供給を停止する上限の回転数をＮ２２と決め、Ｎ２１＜Ｎ＜Ｎ２２の領域を、「間欠励磁運転領域」と称する。間欠励磁運転領域は、発電機２０の損失特性を考慮して、発電機２０から電力を取り出し可能な低速側の回転数範囲に適合させて決定することができる。基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２は、Ｎ２１以上、Ｎ２２以下にとられる。
【０１４３】
Ｎ２１は、発電を必ず停止する条件であるから、取出し電力が０以上となる値に決定する。一方、Ｎ２２は、最大出力線２１０上の動作点で発電機２０を運転することにより、十分な取出し電力が期待できる回転数に決定する。
【０１４４】
図１２は、本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷に関する一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。図１２には、図３と同様の、風車(プロペラ５）の回転数−トルク特性も示されており、最大出力線２１０も、図３と同様である。
【０１４５】
図１２に示すように、発電機２０の動作点の集合である動作線２１１が、回転数−トルク特性図上で太線として示されている。発電機２０の動作点は、励磁電流が供給される発電時には、最大出力線２１０上にある。すなわち、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１のとき、発電機２０の動作点は、最大出力線２１０に位置することになる。
【０１４６】
一方で、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０のとき、すなわち、励磁電流が停止されて、発電機２０の発電が停止されるとき、発電機２０は、機械損失が無視できるとすると、Ｔｅ＝０（無負荷）で運転される。すなわち、発電機２０の動作点は、トルクが０（Ｔｅ＝０）の横軸上に位置することになる。
【０１４７】
上述のように、Ｎ≧Ｎ１２の範囲では、モード１が適用されて、励磁電流が供給されるので、発電機２０の動作線２１１は、最大出力線２１０と一致する。反対に、Ｎ≦Ｎ１１の範囲では、モード３が適用されて、励磁電流が停止されるので、発電機２０の動作線２１１は、横軸（Ｔ＝０）と一致する。
【０１４８】
モード２が適用される間欠励磁運転領域（Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２）では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１の間は、発電機２０は、最大出力線２１０上の動作点で運転される。一方で、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０の間は、発電機２０は、横軸（Ｔ＝０）上の動作点で運転されることとなる。従って、発電機２０の動作線２１１は、回転数Ｎ＝Ｎ１１、Ｎ１２における図中に矢印で示した遷移を伴う、ヒステリシスループを描くことになる。
【０１４９】
ここで、風車の慣性モーメントＪｍ、風車のトルクＴｍ、発電機２０の慣性モーメントＪｅを用いると、発電機２０およびプロペラ５の機械角速度ωは、下式（１３）に従って変化する。なお、下式（１３）では、発電機２０およびプロペラ５の機械損失は、無視されている。
（Ｊｍ＋Ｊｅ）・ｄω／ｄｔ＝Ｔｍ−Ｔｅ      （１３）
【０１５０】
上式（１３）から、風車のトルクＴｍと、発電機２０の発生トルクＴｅとが釣り合うと、ｄω／ｄｔ＝０となるので、発電機２０は、機械角速度ωが一定値となる定常状態に至る。
【０１５１】
また、発電機２０およびプロペラ５に蓄積されている運動エネルギーＫｍは、下式（１４）で示される。
Ｋｍ＝１／２・（Ｊｍ＋Ｊｅ）・ω＾２        （１４）
【０１５２】
上式（１４）から理解されるように、運動エネルギーＫｍは、慣性モーメントに比例し、機械角速度の２乗に比例する。この性質を利用すると、加速時において、風車のトルクＴｍによって機械角速度ωが上昇することで運動エネルギーが蓄積されると、発電機２０で発電トルクＴｅを発生させて減速するときに、運動エネルギーを回収することができる。
【０１５３】
なお、プロペラ５と発電機２０との間で、一般的には、Ｊｍ＞＞Ｊｅが成立する。このため、発電の停止および開始によって発電機２０のトルクＴｅが変化しても、風車の慣性モーメントＪｍが十分大きいために、回転数Ｎの急変は起こりにくい。
【０１５４】
さらに、図１２を用いて、発電機２０の動作の一例を説明する。風速Ｖ３のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ３は、風速Ｖ３のときの風車の回転数−トルク特性線と、最大出力線２１０との交点に位置する。動作点Ａ３での回転数Ｎは、ＮＡ３である。ＮＡ３は、基準回転数Ｎ１１よりも低い。
【０１５５】
Ｎ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、最大出力線２１０上のトルクが、風速Ｖ３のときの風車（プロペラ５）のトルクよりも大きい（Ｔｍ−Ｔｅ＜０）。従って、発電機２０は、動作点が最大出力線２１０上を左側に移動する態様で、減速する。
【０１５６】
回転数ＮがＮ１１（Ｎ１１＞ＮＡ３）まで低下すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止される。これに伴い、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１１での矢印に沿って、最大出力線２１０上から横軸上に遷移する。
【０１５７】
これにより、発電機２０の発電が停止されると、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、回転数Ｎが上昇する。上昇した回転数ＮがＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。この結果、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。
【０１５８】
その後は、上述のように、発電中には、発電機２０の動作点が最大出力線２１０上を移動（左側）する態様で、回転数Ｎが低下するので、風速Ｖ３の間は、図１２中のヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点が変化する。
【０１５９】
Ｎ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、発電機２０が加速する。そして、回転数ＮがＮ１２まで達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。
【０１６０】
これに伴い、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。以降では、Ｎ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝０）を起点としたときの上述の動作と同様に、発電機２０の動作点が変化する。すなわち、風速Ｖ３の間は、図１２中のヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点が変化するようになる。
【０１６１】
Ｎ＜ＮＡ３の領域では、ＮＡ３＜Ｎ１１のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、発電機２０は発電しない。このため、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、回転数Ｎが上昇する。
【０１６２】
そして、回転数ＮがＮＡ３を超え、さらにＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。このとき、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。以降では、Ｎ＞ＮＡ３のケースで説明したのと同様に、発電機２０の動作点が変化する。
【０１６３】
このように、風速Ｖ３では、すなわち、定常運転での動作点（Ａ３）での回転数が、基準回転数Ｎ１１よりも低い風速の下では、Ｎ＜Ｎ１２の領域での発電停止時の加速を伴って、ヒステリシスループ上を発電機２０の動作点が移動する態様で、励磁運転の供給および停止が繰り返される。発電機２０は、このような風速では、一定風速下であっても、間欠励磁運転によって、間欠的に発電する。
【０１６４】
このような間欠励磁運転では、励磁電流の停止中には発電機２０で電気出力を取出さずに、風車の機械出力を運動エネルギー（Ｋｍ）として蓄積する。従って、当該運動エネルギーの増加による回転数上昇後（Ｎ≧Ｎ１２）に励磁電流を供給すると、風速による機械出力に加えて、減速による運動エネルギー（Ｋｍ）の減少分を用いた発電が可能となる。
【０１６５】
次に、風速Ｖ１の場合について説明する。風速Ｖ１のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ１での回転数Ｎは、ＮＡ１である。ＮＡ１は、Ｎ２２よりも高いので、間欠励磁運転領域では励磁電流供給フラグＧｏｎの状態にかかわらず、Ｔｍ−Ｔｅ＞０である。したがって、Ｎ＞ＮＡ１では減速し、Ｎ＜ＮＡ１では加速して、ＮＡ１に達して定常運転に入る。
【０１６６】
続いて、風速Ｖ２の場合について説明する。風速Ｖ２のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ２での回転数Ｎは、ＮＡ２である。図１２においては、Ｎ１１＜ＮＡ２＜Ｎ１２である。Ｎ＞ＮＡ２で励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、Ｔｍ−Ｔｅ＜０であるから、減速し、ＮＡ２に達して定常運転に入る。
【０１６７】
Ｎ＞ＮＡ２で励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０が加速する。そして、回転数ＮがＮ１２まで達すると、励磁電流供給フラグがＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。これに伴い、以降では、Ｎ＞ＮＡ２で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝０）と同様に、ＮＡ２に達して、定常運転に入る。
【０１６８】
Ｎ＜ＮＡ２で励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０が加速する。
【０１６９】
そして、回転数ＮがＮ１２まで達すると、励磁電流供給フラグがＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。これに伴い、以降では、Ｎ＞ＮＡ２で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝０）と同様に、ＮＡ２に達して、定常運転に入る。
【０１７０】
Ｎ＜ＮＡ２で励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、Ｔｍ−Ｔｅ＞０であるから、加速し、ＮＡ２に達して、定常運転に入る。
【０１７１】
このように、風速Ｖ２でＮ１１＜ＮＡ２＜Ｎ１２を満たす際には、間欠励磁運転を行わず、動作点Ａ２で定常運転を行うことがわかる。
【０１７２】
さらに、風速Ｖ５の場合について説明する。風速Ｖ５においては、ＮＢ５以上の回転数で、Ｔｍ＝０となる。図１２においては、Ｎ１１＜ＮＢ５＜Ｎ１２である。励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、Ｔｍ−Ｔｅ＜０であるから、減速し、Ｎ１１に達すると、励磁電流供給フラグがＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止する。
【０１７３】
これにより、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０が加速する。そして、回転数ＮがＮＢ５まで達すると、風車は、トルクを発生させない状態で、定常運転に入る。
【０１７４】
Ｎ＞ＮＢ５で励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、Ｔｍ＝Ｔｅ＝０であるから、回転数がＮに保たれたまま、風車は、トルクを発生させない状態が続く。
【０１７５】
Ｎ＜ＮＢ５で励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０が加速する。そして、回転数ＮがＮＢ５まで達すると、風車は、トルクを発生させない状態で、定常運転に入る。
【０１７６】
このように、風速Ｖ２でＮ１１＜ＮＡ２＜Ｎ１２を満たす際には、間欠励磁運転を行わず励磁電流が供給されない状態になって、発電が停止することがわかる。
【０１７７】
次に、図１３を用いて、発電機２０の動作の別例を説明する。図１３は、本開示の実施の形態１に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷に関する、図１２とは異なる一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。
【０１７８】
図１３では、図１２の場合よりも、ヒステリシス領域が高回転数側になっており、Ｎ１２＝Ｎ２２となっている。図１３の場合には、ＮＡ２＜Ｎ１１であるから、風速Ｖ２でも図１２における風速Ｖ３の場合と同様の挙動を示す。すなわち、間欠励磁運転領域内で、定常運転を行うことなしに間欠励磁運転が行われる。
【０１７９】
さらに、図１４を用いて、発電機２０の動作の別例を説明する。図１４は、本開示の実施の形態１に係る風力発電装置１０での発電機２０の動作点の変遷に関する、図１２および図１３とは異なる一例を説明するための、回転数−トルク特性図である。
【０１８０】
図１４では、図１２の場合よりも、ヒステリシス領域が低回転数側になっており、Ｎ１１＝Ｎ２１となっている。図１４の場合には、ＮＢ５＞Ｎ１２であるから、風速Ｖ５でも図１２における風速Ｖ３の場合と同様の挙動を示す。すなわち、間欠励磁運転領域内で、発電停止が継続することなしに間欠励磁運転が行われる。
【０１８１】
このように、間欠励磁運転領域で間欠励磁運転を行う際には、風速が大きめの場合にはヒステリシス領域を高回転数側に決め、風速が小さい場合にはヒステリシス領域を低回転数側に決める必要がある。つまり、風速を直接検出することなく、風速に応じた基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を選択して、間欠励磁運転を行うことが望ましい。
【０１８２】
次に、推論装置３１０および学習装置３２０について、詳細に説明する。推論装置３１０は、励磁電流供給停止判定部６８が読み込む、可変値である基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を出力する装置である。一方、学習装置３２０は、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を出力する推論装置３１０が使用する学習済モデルを作成する装置である。
【０１８３】
図１５は、本開示の実施の形態１における風力発電装置１０に関する機械学習装置の構成図である。学習装置３２０は、データ取得部３２１およびモデル生成部３２２を備えて構成されている。
【０１８４】
データ取得部３２１は、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、励磁電流供給フラグＧｏｎのそれぞれを、学習用データとして取得する。このうち、変化率ＡＮは、回転数Ｎの変化に基づいて取得することができ、発電機制御部６０で求めてもよいし、学習装置３２０内で求めることもできる。例えば、変化率ＡＮは、現在時刻ｔでの回転数Ｎ（ｔ）と、Ｔ１１前の時刻での回転数Ｎ（ｔ−Ｔ１１）との差とする。
【０１８５】
モデル生成部３２２は、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、励磁電流供給フラグＧｏｎを含む学習用データに基づいて、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を学習する。すなわち、モデル生成部３２２は、風力発電装置１０の回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎから、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を推論する学習済モデルを生成する。
【０１８６】
図１２〜図１４を用いて説明したように、取出し電力をより大きくするために、Ｎ２２以上の回転数で運転するか、Ｎ２１以下の回転数で発電を停止するか、間欠励磁運転領域内で間欠励磁運転を行うかは、風速に応じて決定されるべきである。さらに、取出し電力が大きくなるための基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２は、風速毎に異なる。
【０１８７】
ここで、風力発電装置１０において、風速を計測することはできないが、風車および発電機２０のそれぞれに関する、回転数−トルク特性Ｎ−ＴｍおよびＮ−Ｔｅと、慣性モーメントＪｍおよびＪｅと、が既知であるならば、上式（１３）を用いて概略の風速を知ることができる。
【０１８８】
すなわち、回転数Ｎの変化率ＡＮは、ｄω／ｄｔに比例するとみなせるので、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎがわかれば、風車のトルクＴｍが推測でき、回転数Ｎと風車のトルクＴｍから風速が決まるからである。
【０１８９】
あるいは、必ずしも風速を知る必要はなく、励磁を開始する回転数Ｎ１２と、励磁を停止する回転数Ｎ１１が決定できれば良い。間欠励磁運転の効果を得るためには、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０の状態で風車のトルクＴｍが小さくなったために回転数Ｎの変化率ＡＮが小さくなると、励磁電流の供給を再開し、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１の状態で風車のトルクＴｍと発電機の発生トルクＴｅとの差が小さくなり回転数Ｎの変化率ＡＮが０に近づくと、励磁電流の供給を停止するとよい。
【０１９０】
これによって、励磁電流の停止中に加速し、風車で発生中のエネルギーを運動エネルギーとして蓄積し、励磁電流を供給中に減速しながら風車で発生中のエネルギーと、蓄積された運動エネルギーとで発電を行うことができる。
【０１９１】
なお、回転数Ｎはゆっくりと変化する。従って、検出等の誤差での変動を抑制するためのフィルタを通過した後の回転数Ｎに関する値を、データ取得部３２１に入力してもよい。また、フィルタ処理により回転数Ｎの値が遅れている場合には、データ取得部３２１において、現在値を推測する処理を入れてもよい。
【０１９２】
また、回転数Ｎの変化率ＡＮは、複数の回転数Ｎから求めてもよいし、励磁電流供給フラグＧｏｎが０のときと１のときとで、Ｔ１１の値を変えるなどして求めてもよい。さらに、回転数Ｎの変化率ＡＮは、時間経過に伴う回転数Ｎの傾きあるいは微分値として求めてもよい。
【０１９３】
モデル生成部３２２が用いる学習アルゴリズムとしては、教師あり学習、教師なし学習、強化学習等の公知のアルゴリズムを適用することができる。一例として、強化学習（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ  Ｌｅａｒｎｉｎｇ）を適用した場合について、以下に説明する。
【０１９４】
強化学習では、ある環境内におけるエージェント（行動主体）が、現在の状態（環境のパラメータ）を観測し、取るべき行動を決定する。エージェントの行動により環境が動的に変化し、エージェントには環境の変化に応じて報酬が与えられる。エージェントは、これを繰り返し、一連の行動を通じて報酬が最も多く得られる行動方針を学習する。
【０１９５】
強化学習の代表的な手法として、Ｑ学習（Ｑ−ｌｅａｒｎｉｎｇ）あるいはＴＤ学習（ＴＤ−ｌｅａｒｎｉｎｇ）が知られている。例えば、Ｑ学習の場合、行動価値関数Ｑ（ｓ、ａ）の一般的な更新式は、下式（１５）で表される。
【０１９６】
【数１】
0006956241.tif 000002
【０１９７】
上式（１５）において、ｓｔは時刻ｔにおける環境の状態を表し、ａｔは時刻ｔにおける行動を表す。状態ｓｔは、行動ａｔにより、状態ｓｔ＋１に変わる。ｒｔ＋１は、その状態の変化によってもらえる報酬を表し、γは、割引率を表し、αは、学習係数を表す。なお、γは、０＜γ≦１の範囲とし、αは、０＜α≦１の範囲とする。
【０１９８】
基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２が行動ａｔとなり、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎが状態ｓｔとなる。そして、学習装置３２０は、時刻ｔの状態ｓｔにおける最良の行動ａｔを学習する。
【０１９９】
上式（１５）で表される更新式は、時刻ｔ＋１における最もＱ値の高い行動ａの行動価値Ｑが、時刻ｔにおいて実行された行動ａの行動価値Ｑよりも大きい場合には、行動価値Ｑを大きくし、逆の場合には、行動価値Ｑを小さくする。
【０２００】
換言すれば、時刻ｔにおける行動ａの行動価値Ｑを、時刻ｔ＋１における最良の行動価値に近づけるように、行動価値関数Ｑ（ｓ、ａ）を更新する。それにより、ある環境における最良の行動価値が、それ以前の環境における行動価値に順次伝播していくようになる。
【０２０１】
上記のように、強化学習によって学習済モデルを生成する場合、モデル生成部３２２は、報酬計算部３２３および関数更新部３２４を備えて構成される。
【０２０２】
報酬計算部３２３は、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２と、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎに基づいて、報酬を計算する。報酬計算部３２３は、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖに基づいて、報酬ｒを計算する。
【０２０３】
一例として、報酬計算部３２３は、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖが増加する場合には、報酬ｒを増大させ、例えば「１」の報酬を与える。また、報酬計算部３２３は、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖが減少する場合には、報酬ｒを低減させ、例えば「−１」の報酬を与える。
【０２０４】
間欠励磁運転時は、励磁電流供給中の取出し電力の大きさと、励磁電流供給／停止時間の割合の兼ね合いで、時間当たりの取出し電力量が最大となる条件が決定される。平均取出し電力Ｐｂａｔａｖは、この考え方に基づき、報酬基準として適用されるものである。
【０２０５】
例えば、励磁電流供給フラグＧｏｎが０から１に変化したタイミングから、１から０への変化を経て次の０から１に変化するタイミングまでの取出し電力Ｖｂａｔ＊Ｉｂａｔを積算し、この期間で除したものを、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖとすることができる。
【０２０６】
具体例として、励磁電流供給フラグＧｏｎが０から１に変化したタイミングで、タイマｔｔ１のカウントおよび取出し電力Ｖｂａｔ＊Ｉｂａｔの積算（積算値Ｗｂａｔ１）が開始される。
【０２０７】
次に、励磁電流供給フラグＧｏｎが１から０に変化したタイミングで、タイマｔｔ２のカウントおよび取出し電力Ｖｂａｔ＊Ｉｂａｔの積算（積算値Ｗｂａｔ２）が開始される。このとき、タイマｔｔ１のカウントと積算値Ｗｂａｔ１への積算は、継続して行われる。
【０２０８】
励磁電流供給フラグＧｏｎが再度０から１に変化すると、タイマｔｔ１のカウントは終了し、積算値Ｗｂａｔ１をそのカウント値Ｔ２１で除したものが、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖとして算出される。その後、再度カウントと積算が開始される。このとき、タイマｔｔ２のカウントと積算値Ｗｂａｔ２への積算は、継続して行われる。
【０２０９】
励磁電流供給フラグＧｏｎが再度１から０に変化すると、タイマｔｔ２のカウントは終了し、積算値Ｗｂａｔ２をそのカウント値Ｔ２２で除したものが、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖとして算出される。その後、再度カウントと積算が開始される。
【０２１０】
関数更新部３２４は、報酬計算部３２３によって計算される報酬に従って、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を決定するための関数を更新し、更新した関数を学習済モデル記憶部３３０に出力する。例えば、Ｑ学習の場合、上式（１５）で表される行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）が、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を算出するための関数として用いられる。
【０２１１】
学習装置３２０は、以上のような学習を繰り返し実行する。その結果、学習済モデル記憶部３３０には、関数更新部３２４によって更新された最新の行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）、すなわち、学習済モデルが記憶される。
【０２１２】
次に、図１６を用いて、学習装置３２０が学習する一連処理について説明する。図１６は、本開示の実施の形態１における学習装置３２０の学習処理に関するフローチャートである。
【０２１３】
ステップＳ１１において、データ取得部３２１は、行動に相当する基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２と、状態に相当する回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎと、を学習用データとして取得する。
【０２１４】
次に、ステップＳ１２において、モデル生成部３２２は、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２と、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎに基づいて、報酬を計算する。
【０２１５】
具体的には、モデル生成部３２２内の報酬計算部３２３は、データ取得部３２１から基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２と、回転数Ｎ、回転数Nの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎを取得する。
【０２１６】
そして、報酬計算部３２３は、あらかじめ定められた平均取出し電力Ｐｂａｔａｖに基づいて、報酬を増加させるか（ステップＳ１３）、または報酬を減少させるか（ステップＳ１４）を判断する。つまり、報酬計算部３２３は、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖが増加した際には報酬を増加させると判断し、平均取出し電力Ｐｂａｔａｖが減少した際には報酬を減少させると判断する。
【０２１７】
報酬計算部３２３は、報酬を増大させると判断した場合には、ステップＳ１３において報酬を増大させ、ステップＳ１５の処理に移行する。一方、報酬計算部３２３は、報酬を減少させると判断した場合には、ステップＳ１４において報酬を減少させ、ステップＳ１５の処理に移行する。
【０２１８】
次に、ステップＳ１５において、関数更新部３２４は、報酬計算部３２３によって計算された報酬に基づいて、学習済モデル記憶部３３０が記憶する、上式（１５）で表される行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）を更新する。
【０２１９】
学習装置３２０は、以上のステップＳ１１からステップＳ１５までの処理を繰り返し実行し、順次生成された行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）を、学習済モデルとして学習済モデル記憶部３３０に記憶させる。すなわち、学習装置３２０は、学習用データを用いて、風力発電装置から取り出すことができる電力をより大きくするために用いられる第１の基準回転数Ｎ１１の更新値および第２の基準回転数Ｎ１２の更新値を推論するための学習済モデルを生成することができる。
【０２２０】
本実施の形態１に係る学習装置３２０では、学習済モデルを学習装置３２０の外部に設けられた学習済モデル記憶部３３０に記憶させるものとした。しかしながら、本開示は、このような構成には限定されず、学習済モデル記憶部３３０を学習装置３２０の内部に備える構成としてもよい。
【０２２１】
図１７は、本開示の実施の形態１における風力発電装置１０に関する推論装置３１０の構成図である。推論装置３１０は、データ取得部３１１および推論部３１２を備えて構成されている。
【０２２２】
推論装置３１０は、取得した状態量に応じた適切な基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を、学習装置３２０によって作成された学習済モデルを用いて動的に算出し、励磁電流供給停止判定部６８に対して出力する機能を有している。
【０２２３】
データ取得部３１１は、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎを状態量として逐次取得する。
【０２２４】
推論部３１２は、学習済モデル記憶部３３０に記憶された学習済モデルを利用して、現在の状態量に応じた推論値として、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を推論する。すなわち、推論部３１２は、データ取得部３１１を介して取得した現在の状態量に相当する、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎを、学習済モデルに入力することで、現在の状態量に適した推論値として、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を推論することができる。
【０２２５】
なお、本実施の形態１では、風力発電装置１０のモデル生成部３２２で学習した学習済モデルを用いて、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を出力するものとして説明した。しかしながら、本開示は、このような構成には限定されず、他の風力発電装置から学習済モデルを取得し、その学習済モデルに基づいて基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を出力する構成としてもよい。
【０２２６】
次に、図１８を用いて、推論装置３１０により基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を得るための一連処理について説明する。図１８は、本開示の実施の形態１における推論装置３１０の推論処理に関するフローチャートである。
【０２２７】
ステップＳ２１において、データ取得部３１１は、発電機制御部６０から回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎを状態量として逐次取得する。なお、回転数Ｎの変化率ＡＮは、推論部３１２内で算出してもよい。
【０２２８】
次に、ステップＳ２２において、推論部３１２は、学習済モデル記憶部３３０に記憶された学習済モデルに対して、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎのそれぞれの値を入力し、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を得る。
【０２２９】
次に、ステップＳ２３おいて、推論部３１２は、得られた基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を、発電機制御部６０内にある励磁電流供給停止判定部６８に出力する。
【０２３０】
最後に、ステップＳ２４において、励磁電流供給停止判定部６８は、推論部３１２から出力された基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を用いて、励磁電流の供給／停止を判断する。これにより、回転数Ｎの変化率ＡＮの絶対値が小さくならない範囲で、間欠励磁運転を実行させることが可能となる。
【０２３１】
なお、本実施の形態１では、推論部３１２が用いる学習アルゴリズムに強化学習を適用した場合について説明した。しかしながら、本開示は、このような構成に限定されるものではない。学習アルゴリズムについては、強化学習以外にも、教師あり学習、教師なし学習、半教師あり学習等を適用することも可能である。
【０２３２】
また、モデル生成部３２２に用いられる学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習（Ｄｅｅｐ  Ｌｅａｒｎｉｎｇ）を用いることもできる。さらに、他の公知の方法である、例えばニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。
【０２３３】
なお、学習装置３２０および推論装置３１０は、例えば、ネットワークを介して風力発電装置１０に接続された、風力発電装置１０とは別個の装置であってもよい。また、学習装置３２０および推論装置３１０は、風力発電装置１０に内蔵されていてもよい。さらに、学習装置３２０および推論装置３１０は、クラウドサーバ上に存在していてもよい。
【０２３４】
また、モデル生成部３２２は、複数の風力発電装置から取得される学習用データを用いて、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を学習するようにしてもよい。なお、モデル生成部３２２は、同一のエリアで使用される複数の風力発電装置から学習用データを取得してもよいし、異なるエリアで独立して動作する複数の風力発電装置から収集される学習用データを取得してもよい。また、学習用データを収集する風力発電装置を、途中で対象に追加すること、あるいは途中で対象から除去することも可能である。
【０２３５】
さらに、ある風力発電装置に関して基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を学習した学習装置３２０を、これとは別の風力発電装置に適用し、当該別の風力発電装置に関して基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を再学習して更新するようにしてもよい。
【０２３６】
以上説明したように、本実施の形態１に係る風力発電装置では、界磁巻線２８および整流器２９を有する発電機２０が、発電機制御部６０によって制御される出力電圧制御回路４０および励磁電流制御回路５０により、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆおよび励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆのそれぞれに従って制御された直流電圧Ｖｂおよび励磁電流Ｉｆによって、運転される。
【０２３７】
本実施の形態１に係る風力発電装置では、出力電圧制御回路４０を配置することにより、発電機２０からの出力電圧（直流電圧Ｖｂ）を昇圧して蓄電素子３０を充電することができる。これにより、プロペラ５の回転数が低く、発電機２０の出力電圧が蓄電素子３０の電圧より低い領域においても、発電機２０を発電状態で運転することが可能である。この結果、風力発電装置の設備利用率を向上させることができる。
【０２３８】
さらに、励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆは、風車（プロペラ５）の回転数−トルク特性に応じて設定された動作点で発電機２０が動作するように、そして回転数Ｎに対応して決定された発生トルクＴｅが得られるように、設定することができる。
【０２３９】
同様に、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、回転数Ｎに対応したトルクを発電機２０が出力する際に、蓄電素子３０への充電電力が大きくなるように設定することができる。このため、本実施の形態１に係る風力発電装置は、特に、発電機２０の低回転−低トルクでの運転に有利である。
【０２４０】
また、本実施の形態１に係る風力発電装置では、発電機２０の回転数Ｎに対応させて出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆおよび励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを設定することで、発電機２０の発生トルクを制御することができる。この結果、風速を検出しなくても、実際の風速に応じて風車の機械出力が大きくなる動作点（例えば、図３および図４の最大出力線２１０上の動作点）で発電機２０を動作させることができ、高効率での発電を実現できる。
【０２４１】
さらに、本実施の形態１に係る風力発電装置では、励磁電流供給停止判定部６８を有しているので、間欠励磁運転領域において励磁電流の供給および停止を切り替えることができる。これにより、励磁電流停止中は、発電を停止し、発電機２０を無負荷状態で加速して、運動エネルギーを蓄積できる。その一方で、励磁電流供給中は、発電機２０でトルクを発生させて減速することで生じる運動エネルギーを、風車で発生中のエネルギーに加えて用いることによって発電することが可能である。
【０２４２】
さらに、本実施の形態１に係る風力発電装置では、学習装置３２０で生成した学習済モデルを用いて推論装置３１０で回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎから、励磁電流の供給を開始する回転数（第２の基準回転数Ｎ１２に相当）と停止する回転数（第１の基準回転数Ｎ１１に相当）を求めることができる。これにより、間欠励磁運転のヒステリシス領域を、取出し電力が大きくなるよう、風速に応じて適宜変更することができる。
【０２４３】
このため、風車のトルクが減少して定常的に発電ができないような低風速においても、間欠励磁運転領域で加減速を繰り返すことで、発電が可能になるという顕著な効果を享受することができる。この結果、風力発電装置の設備利用率を、さらに向上させることができる。
【０２４４】
また、風速が連続的に変化するだけでなく、風車と発電機の回転数−トルク特性に誤差がある状態においても、より適切なヒステリシス領域で、取出し電力が大きくなる運転を実行させることができる。
【０２４５】
加えて、励磁電流Ｉｆを変化させることで、界磁巻線２８の発生磁束を調節できる。このため、発生トルクＴｅ（励磁電流Ｉｆおよび直流電流Ｉｂの積に比例）を得るための励磁電流Ｉｆおよび直流電流Ｉｂの組み合わせの自由度が高くなる。この結果、損失が少なくなるように、励磁電流Ｉｆおよび直流電流Ｉｂの組み合わせを制御することができる。
【０２４６】
また、励磁電流Ｉｆおよび直流電流Ｉｂ（発電機２０の出力電流）を広範囲で変化させることが可能であり、さらに、低回転数において間欠励磁運転ができる。従って、発電機２０の特性が、連結される風車専用に設計されていなくても、発電可能な領域を広く確保することが可能となる。
【０２４７】
例えば、通常、高回転で使用される自動車用オルタネータ等の機器を、発電機２０に適用して、本実施の形態１に係る風力発電装置を構成した場合に、当該発電機２０を低回転数で運転する場合にも、高効率で発電することが可能である。
【０２４８】
このように、本実施の形態１に係る風力発電装置は、風車および発電機２０の特性に応じて、広い風速範囲において効率よく発電して、蓄電素子３０を充電することができる。
【０２４９】
また、本実施の形態１に係る学習装置は、風速を検出することなく、励磁電流の供給／停止状態、回転数、および回転数の変化率に応じて、平均取出し電力が大きくなるような第１の基準回転数および第２の基準回転数を学習し、学習済モデルを生成することができる。
【０２５０】
さらに、本実施の形態１に係る推論装置は、この学習済モデルに基づいて、平均取出し電力が大きくなるような第１の基準回転数および第２の基準回転数を、現在の状態量に応じて動的に出力することができる。
【０２５１】
このように、本実施の形態１に係る学習装置および推論装置は、風車および発電機２０の特性に応じて、広い風速範囲において効率よく発電して、蓄電素子３０を充電するために必要な第１の基準回転数および第２の基準回転数を学習し、発電機制御部６０に出力することができるという、従来にない効果を実現することができる。
【０２５２】
ここで、本実施の形態１におけるいくつかの変形例について説明する。これらの変形例は、以降で説明する実施の形態２以降の各実施の形態においても、同様に適用することができる。
【０２５３】
まず、図６では、回転数検出値生成部６２が、交流電圧Ｖｐから回転数検出値を演算する例を説明した。これに代えて、発電機２０の回転子に対して、機械角または回転数を直接的に検出するセンサを配置し、回転数検出値を得ることも可能である。この場合には、回転数検出値生成部６２は、当該センサの出力信号を用いて、回転数検出値を出力することができる。
【０２５４】
また、図２中での、直流電圧Ｖｂ、直流電流Ｉｂ、および励磁電流Ｉｆについても、図２中に矢印で表記した点の電圧または電流を直接的に検出するようにセンサを配置する他、同等の検出値が得られる別の個所にセンサを配置することも可能である。あるいは、これらの電圧または電流について、直接センサによって検出するのではなく、他の検出値および演算値を利用して、演算によって求めることも可能である。
【０２５５】
さらに、各センサ（検出器）の出力については、ローパスフィルタに入力して高調波成分あるいはノイズを除去した上で、制御に用いることも可能である。
【０２５６】
また、図１０では、励磁電流供給停止判定部６８の制御処理例をフローチャートで示したが、制御処理の内容は、図１０のフローチャートに限定されるのではなく、同等の判定結果が得られる範囲内に適宜変更することが可能である。
【０２５７】
さらに、図１２および図１３では、発電機２０の動作線２１１の一部（Ｎ＞Ｎ１１の高回転領域）を、最大出力線２１０に沿って設定する例を説明した。これに代えて、例えば、当該部分では、トルク出力を優先させて最大トルクに近い動作点を採用することも可能である。また、反対に、回転数を優先させて最大回転数に近い動作点を採用することも可能である。
【０２５８】
また、図６では、励磁電流供給フラグＧｏｎのセットおよびリセットを、出力電圧制御用のゲート信号ＳＧｂ１と、励磁電流制御用のゲート信号ＳＧｆ１との両方に対して同時に反映する例を説明した。これに代えて、出力電圧制御用のゲート信号ＳＧｂ１、および励磁電流制御用のゲート信号ＳＧｆ１に対して、励磁電流供給フラグＧｏｎのセットおよびリセットを同時に反映しないようにすることも考えられる。
【０２５９】
例えば、界磁巻線２８の時定数が大きく、励磁電流が定常状態に至るまでに時間がかかる場合が考えられる。このような場合には、励磁電流Ｉｆがある程度上昇してから出力電圧制御を開始したり、励磁電流Ｉｆがある程度低下してから出力電圧制御を終了したりするように、発電機制御部６０の構成（図６）を変形することも可能である。
【０２６０】
具体的には、出力電圧制御回路４０のスイッチング素子４４のゲートブロック期間（ＳＧｂ１＝０）と、励磁電流制御回路５０のスイッチング素子４８のゲートブロック期間（ＳＧｆ１＝０）とをずらすことができるように、発電機制御部６０の構成を変形することが考えられる。
【０２６１】
例えば、ＡＮＤゲート６７には励磁電流供給フラグＧｏｎを入力するが、ＡＮＤゲート６５には励磁電流供給フラグＧｏｎを遅延回路を経由して入力することが考えられる。これにより、界磁巻線２８のインダクタンスが大きく、励磁電流が定常状態に至るまでに時間がかかる場合において、励磁電流が定常状態となってから出力電圧の制御を開始することができ、制御安定性を高めることが可能になる。
【０２６２】
なお、立ち上がりエッジでの遅延時間と、立下りエッジでの遅延時間とを異なる値とすることも可能である。
【０２６３】
実施の形態２．
本実施の形態２では、低風速のために低回転数で励磁電流を供給している場合に、取出し電力をより大きくし、風力発電装置の設備利用率を一層向上させるための手法について説明する。本実施の形態２に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は、先の実施の形態１と同じである。従って、基本的には、当該共通部分の説明は、省略し、本実施の形態２に特有の構成を中心に説明する。
【０２６４】
図１９は、本開示の実施の形態２に係る風力発電装置における発電機２０の動作点の変遷の一例を説明するための回転数−トルク特性図である。先の実施の形態１における図１２〜図１４で示した発電機２０の動作線２１１は、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１においては最大出力線２１０上にあった。これに対して、本実施の形態２における図１９で示した発電機の動作線２１２は、最大出力線２１０上になく、動作線２１１とは異なっている。
【０２６５】
図１９に示した動作線２１２は、間欠励磁運転領域の励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１においては、最大出力線２１０よりも大きいトルクになっている。回転数が低下すると、最大出力線２１０上のトルクは小さくなる。従って、発電機２０を最大出力線２１０上のトルクで運転すると、取出し電力が小さくなってしまう。
【０２６６】
間欠励磁運転時において発電機２０の発生トルクＴｅが大きく減速すると、励磁電流を停止して加速に転じることができる。従って、ある程度、取出し電力が確保できるトルクまで励磁電流供給中の発生トルクＴｅを上げることができる。
【０２６７】
そこで、本実施の形態２に係る風力発電装置では、図１９において動作線２１２として示したように、間欠励磁運転範囲では、風車の機械出力が大きくなる最大出力線２１０よりも大きいトルクを発生させるように、発電機２０の動作点を設定している。これにより、発電機２０の機械入力を大きくして、発電効率を向上させることができる。
【０２６８】
この結果、先の実施の形態１で説明した効果に加えて、低風速のために低回転数で励磁電流を供給している場合にも、取出し電力を大きくでき、風力発電装置の設備利用率を一層向上させることができる。
【０２６９】
実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態１、２における励磁電流供給停止判定部６８の変形例について説明する。本実施の形態３に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は、先の実施の形態１、２と同じである。従って、基本的には、当該共通部分の説明は、省略し、本実施の形態３に特有の構成を中心に説明する。
【０２７０】
図２０は、本開示の実施の形態３における励磁電流供給停止判定部６８による制御処理を説明するフローチャートである。図２０の制御処理は、風力発電装置の１０の運転中において、一定の周期で繰り返し実行される。
【０２７１】
図２０に示した制御処理は、先の実施の形態１で説明した図１０の制御処理と比較すると、タイマｔｔ３を用いた処理が付加されている。具体的には、図２０に示した制御処理では、タイマｔｔ３を用いて、間欠励磁運転領域で励磁電流の供給時間あるいは停止時間が長くなりすぎると、フラグを反転させる処理が付加されている。
【０２７２】
図２０に示すように、本実施の形態２に係る励磁電流供給停止判定部６８は、ステップＳ６において、推論装置３１０から出力される、可変値である基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を読み込む。
【０２７３】
次に、励磁電流供給停止判定部６８は、ステップＳ１およびステップＳ３において、回転数Ｎが、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２に対してどの範囲にあるかを判定する。Ｎ≧Ｎ１２の場合（ステップＳ１のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ２により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定され、フラグがセットされる（モード１）。
【０２７４】
ステップＳ２の後、ステップＳ９において、タイマｔｔ３はリセットされる。すなわち、モード１では、励磁電流は、常時供給され、供給継続期間に制限はない。
【０２７５】
また、Ｎ≦Ｎ１１の場合（ステップＳ１のＮＯ判定、かつ、ステップＳ３のＮＯ判定時）には、ステップＳ５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定され、フラグがリセットされる（モード３）。
【０２７６】
ステップＳ５の後、ステップＳ９において、タイマｔｔ３はリセットされる。すなわち、モード３では、励磁電流の供給は、停止され、停止継続期間に制限はない。
【０２７７】
また、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（ステップＳ１のＮＯ判定、かつ、ステップＳ３のＹＥＳ判定時）には（モード２）、ステップＳ７において、タイマｔｔ３がＴ２１未満であるか否かが判定される。
【０２７８】
ｔｔ３＜Ｔ２１の場合（ステップＳ７のＹＥＳ判定）には、Ｓ４により、前回設定された励磁電流供給フラグＧｏｎの状態が継続される。Ｇｏｎ＝１、すなわち、フラグがセットされている場合には、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定される。これに対して、Ｇｏｎ＝０、すなわち、フラグがリセットされている場合には、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。そして、ステップＳ１０において、タイマｔｔ３がカウントアップする。
【０２７９】
ｔｔ３≧Ｔ２１の場合（ステップＳ７のＮＯ判定時）には、ステップＳ８により励磁電流供給フラグＧｏｎを反転させる。Ｇｏｎ＝１、すなわち、フラグがセットされている場合にはＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。これに対して、Ｇｏｎ＝０、すなわち、フラグがリセットされている場合には、Ｇｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定される。
【０２８０】
励磁電流供給フラグＧｏｎを反転させた後は、ステップＳ９において、タイマｔｔ３はリセットされる。すなわち、モード２では、通常は、励磁電流供給フラグＧｏｎのセットまたはリセットが維持されるので、励磁電流の供給時には当該供給状態が継続され、励磁電流の停止時には、当該停止状態が継続される。しかしながら、継続時間がＴ２１に達すると、励磁電流の供給時には停止に移行し、励磁電流の停止時には供給に移行する。
【０２８１】
一般には、推論装置３１０から出力された基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を用いると、適切なヒステリシス領域で間欠励磁運転が行われる。このとき、供給時間と停止時間は、回転数の変化が小さくならない範囲に自動的に制限される。しかしながら、風速が急変したり、風車あるいは発電機の特性が変化したりすると、供給時間または停止時間が長くなってしまうことがある。
【０２８２】
このとき、Ｔｍ−Ｔｅの絶対値が小さくなって、回転数の変化が小さくなっていると考えられる。間欠励磁運転領域において、回転数の変化が小さい状態での運転時間が長くなると、取出し電力が小さくなってしまう。そこで、本実施の形態３では、供給時間または停止時間がＴ２１に達すると、一旦励磁電流の状態を変化させることで、回転率の変化が大きい状態に遷移させている。したがって、Ｔ２１は、通常の運転時に継続する時間よりも長い値に設定される。
【０２８３】
なお、図２０に示した制御処理では、停止時間と供給時間の最大値をともにＴ２１未満としたが、停止時間の最大値に相当する第１の時間と、供給時間の最大値に相当する第２の時間とを異なる値に設定してもよい。
【０２８４】
以上説明したように、本実施の形態３に係る風力発電装置では、回転数がヒステリシス領域であり、基準回転数Ｎ１１とＮ１２との間にある状態（モード２）において、励磁電流の１回の供給時間または停止時間がＴ２１以上になると、供給／停止を切替えて間欠励磁運転の周期が長くなりすぎないようにすることができる。これにより、平均取出し電力が小さくならないようにして、発電効率を向上させることができる。
【０２８５】
この結果、本実施の形態３によれば、先の実施の形態１および２で説明した効果に加えて、基準回転数の間をヒステリシス領域として間欠励磁運転している際に、回転数の変化率が小さくなってしまった場合には、励磁電流の供給と停止を切替えて、平均取出し電力を大きくすることができる効果が得られる。
【０２８６】
実施の形態４．
本実施の形態４では、先の実施の形態１〜３における学習装置３２０および推論装置３１０の変形例について説明する。本実施の形態４に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は、先の実施の形態１〜３と同じである。従って、基本的には、当該共通部分の説明は、省略し、本実施の形態４に特有の構成を中心に説明する。
【０２８７】
図２１は、本開示の実施の形態４における風力発電装置１０に関する機械学習装置の構成図である。本実施の形態４における学習装置３２０内のデータ取得部３２１は、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２と、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎに加え、温度Ｔｈを学習データとして取得する。温度Ｔｈは、例えば、発電機２０、出力電圧制御回路４０、励磁電流制御回路５０等が収納されているナセル内の温度である。
【０２８８】
取出し電力が大きくなるための基準回転数Ｎ１１とＮ１２は、風速毎に異なるだけでなく、温度も影響する可能性がある。例えば、界磁巻線２８の温度が高くなると、界磁巻線抵抗値が大きくなる。また、電機子巻線２７、あるいは出力電圧制御回路４０、励磁電流制御回路５０等で使用されている部品も、温度によって発生する損失および動作特性が変化することが考えられる。
【０２８９】
発生損失の変化、あるいは動作特性の変化に起因して、発電機２０の動作点および取出し電力が変化する。このため、変化が大きくなると、適切な基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２も変化する可能性がある。
【０２９０】
部品温度は、導通している電流に依存する傾向があり、その電流は、運転中の動作点、すなわち、回転数に依存する。よって、状態量として温度を入力しなくても、部品温度の影響は、推論にある程度反映されているといえる。
【０２９１】
しかしながら、部品温度は、外気温あるいは運転履歴の影響も受け、温度Ｔｈも外気温あるいは運転履歴の影響を受ける。したがって、温度Ｔｈを学習データの１つとして使用することは、より正確な学習済モデルの生成に有用である。
【０２９２】
このことから、温度Ｔｈは、外気温、または他の部品温度とすることができる。あるいは、温度Ｔｈとして、複数の温度を使用したり、電流検出値、デューティ比など、他の検出値あるいは演算値を利用して推測した温度を使用したりすることもできる。換言すると、温度Ｔｈとは、風力発電装置を構成する部品の温度に関係する温度関連データに相当する。これらの温度Ｔｈは、発電機制御部６０で求めてもよいし、学習装置３２０内で求めることもできる。
【０２９３】
図２２は、本開示の実施の形態４における風力発電装置１０に関する推論装置３１０の構成図である。本実施の形態４における推論装置３１０内のデータ取得部３１１は、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、および励磁電流供給フラグＧｏｎに加え、温度Ｔｈを取得する。
【０２９４】
推論部３１２は、学習済モデル記憶部３３０に記憶された学習済モデルを利用して、回転数Ｎ、回転数Ｎの変化率ＡＮ、励磁電流供給フラグＧｏｎ、および温度Ｔｈに適した値として、基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を推論することができる。
【０２９５】
以上説明したように、本実施の形態４に係る風力発電装置における学習装置および推論装置では、第１の基準回転数および第２の基準回転数を、部品温度の状態も考慮した上で、学習、推論して、発電機制御部に出力し、こうして得られた基準回転数Ｎ１１、Ｎ１２を用いて、発電機を運転することが可能となる。
【０２９６】
この結果、先の実施の形態１〜３で説明した効果に加えて、部品温度が変化した場合に発生する損失あるいは動作点が変化した際にも、ヒステリシス領域を適切な回転数に設定して、平均取出し電力を大きくすることができる効果が得られる。
【符号の説明】
【０２９７】
５  プロペラ、１０  風力発電装置、２０  発電機、２１〜２５  端子（発電機）、２７  電機子巻線、２８  界磁巻線、２９  整流器、３０  蓄電素子、４０  出力電圧制御回路、４１、４２、４６  平滑コンデンサ、４３、４７、５１〜５３  ダイオード、４４、４８  スイッチング素子、４５  リアクトル、５０  励磁電流制御回路、６０  発電機制御部（制御器）、６２  回転数検出値生成部、６４  出力電圧制御部、６５、６７  ＡＮＤゲート、６６  励磁電流制御部、６８  励磁電流供給停止判定部、７１  出力電圧指令値生成部、７２、８３  減算器、７３  電圧制御器、７４、８７  比較器、７５  ＮＯＴゲート、８１  励磁電流指令値生成部、８６  電流制御器、２１１、２１２  動作線（発電機）、３１０  推論装置、３１１、３２１  データ取得部、３１２  推論部、３２０  学習装置、３２２  モデル生成部、３２３  報酬計算部、３２４  関数更新部、３３０  学習済モデル記憶部、Ａ１〜Ａ３  動作点（発電機）、ＣＷ  搬送波、Ｇｏｎ  励磁電流供給フラグ、Ｉｆ  励磁電流、Ｉｆｒｅｆ  励磁電流指令値、Ｎ１１、Ｎ１２  基準回転数、ＳＧｂ、ＳＧｂ１、ＳＧｆ、ＳＧｆ１  ゲート信号、Ｔ２１  判定値、ｔｔ１〜ｔｔ３  タイマ値。
【要約】
【課題】風力発電装置の設備利用率を向上する。
【解決手段】風力発電装置（１０）は、界磁巻線（２８）、電機子巻線（２７）、および整流器（２９）を有する発電機（２０）と、蓄電素子（３０）と、出力電圧制御回路（４０）と、励磁電流制御回路（５０）と、制御器（６０）とを備え、制御器（６０）において励磁電流制御のために用いられる第１の基準回転数および第２の基準回転数を、現在の状態量に応じた推論値として算出する推論装置（３１０）をさらに備え、推論装置（３１０）は、回転数と、回転数の変化率と、励磁電流が供給状態であるか停止状態であるかを識別するためのフラグと、を現在の状態量として取得し、学習済モデルを用いて、現在の状態量から第１の基準回転数および第２の基準回転数を推論する。
【選択図】図１【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】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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