JPS62123993A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、風力エネルギーを動力に変換する風車と、こ
の動力を電力に変換する誘導機と自励インバータを用い
た風力光電装置に関する。

（従来技術） 従来から風力発電Ｈ”？Ｉにおいて風車の動力を電力に
変換する手段（発電機）として同期薇、直流機あるいは
誘導機等が用いられている。

ところが、一般に、同Ｉｌ１機を用いた装置は、出力を
整流器などで直流化し、インバータなどにより交流化す
るものが主流であり、また、直流機を用いた装置はバッ
テリに一時的に電力を貯え、このバッテリを介してイン
バータなどにより交流化するもの、または直流として使
用するものが主流である。また、誘導機を用いた装置は
発電機領域にて運転されて電力系統と直接接続されるも
のが主流である。

これら従来の装置構成では風車の特性を充分に活用した
制御になっていないため、■風車の特性に合せた最適効
率点を追う制御を行なうことは困難であり、また、■定
回転制御のものが一般的であって、この場合には凪況の
急変によるトルク変動に対処しなければならず、そのた
め構造的に過剰設計を採用せざるを得ず、コスト高とな
り、さらに、■風車の待つＰＬ適時特性運転困難であっ
て、エネルギーの取１ｑが効率的になされていく【い。

１４に、発電機どしては比較的安価な一般の誘導機を用
いて」カエネルギーを電力に回生じたいとの要請がある
が、従来では上述のごとく電力系統と接続されることが
多いことから回転数可変制御でなく、５０　／　６０１
−１　ｚ近傍の出力周波数が得られるよう定回転制御に
近いところで運転され、したがって後述するごとくエネ
ルギーの有効取得が可能な、風車の周速度に対する風速
で定まる［周速比］が一定となる運転とはなっていなか
った。

（発明の目的） 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、一般の
誘導様を用い、かつ、風車を入力に応じた回転数で運転
する可変速制御を行なうことにより、風況の急激な変化
による１−ルク変仙を吸収し、構ｊ青１月質面でのコス
ト１臂を抑え、低コストにて大きなエネルギーを回生で
き、しかち、一定の周速比に近いところでの制御が容易
に可能となり、エネルギーの有効取得を図ることができ
る」力発電装置を提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明の風力発電装百の基本構成を第１図に示す。同装
置は、凪カエネルギーを動力に変換する風車１と、上記
動力により駆動される誘導は２と、上記誘導ｎ２を発電
機として機能させるための励磁を行なう自励インバータ
３と、上記風車１の回転数に応じて上記誘導機２が所定
のすべりをもって運転されるように上記自励インバータ
３の励磁周波数を制御する可変速制御装置４とがらなり
、上記風車１の回転を可変速にて運転するようにしたも
のである。

この構成により、風速に対応した風車の回転数（回転速
度）での可変速制御運転がなされ、風況の変化によるト
ルク変動をイナーシャとして吸収し、また、風車の回転
数に応じて励磁周波数が定まり、出力電力が制御され、
以下に述べる理由により、一定の周速比に近いところで
の運転制御を容易に行なうことができエネルギーの有効
取得が可能となる。

以下に、風速に合った回転数制御を行なうことにより、
一定の周速比に近い制御が可能でエネルギーの有効取得
を図ることができる理由を説明する。

プロペラ型の風車による出力の基本特性は次式％式％ ρ：空気方度、Ｖ：風速、Ｃｐ：パワー係数、Ｒ：プロ
ペラ半径、ω：角速度 パワー係数ＣＩ）＝２Ｐ／ρπＲ２Ｖ３・・・（２）周
速比ＴＳＲ＝ωＲ／Ｖ−（３） ここに、風車として最大の効率を得るには、パワー係ｖ
ｌｃｐの最高値を常に保つ制御を行なえばよく、これに
よりエネルギーの最大有効取得が可能となる。

風車のパワー係数Ｃｐ特性は、第２図に示すように、風
車ブレードのピッチ角βによって、その最大点を有し、
しかも周速比ＴＳＲの関数となる。

したがって、風車ブレードのピッチ角βをある値に設定
した場合、パワー係数Ｃｐが最大となる周速比ＴＳＲは
定まる。

ところが、周速比ＴＳＲは上記（３）式から判る通り、
角速度ωと風速■によって定まるから、周速比ＴＳＲを
一定にしようとすると、風速■が変化した場合、回転数
も変化しなければならない。

したがって、風車ブレードのピッチ角βを固定して風況
に合ったエネルギー取ｍを最大にしようとすると、Ｊ虱
速に合った回転数制御つまり、定周速比制御を行なえば
よいことになる。

いま、パワー係数ＣＤが最大となる周速比ＴＳＲをΩと
すると、風車の出力Ｐは次のように回転数Ｎの関数とし
て表わされる。

Ω＝ωＲ／ｖ・・・（４） ■＝ωＲ／Ω・・・（４゛） ω−２πＮ／６０・・・（５） ただしＮ；風車回転数（ｒｐｎ） （５）、（４’）式Ｊ：すＶ＝Ｒ／Ω−πＮ／３Ｏ−（
６１（１）、　（６）式よりＰ＝ｙ２Ｐπ１ｔ２Ｃｏ　
ｍａｘ　　（ＲπＮ／３０Ω）３＝１．８Ｘ１０’、Ｏ
Ｒ５Ｃｐｍａｘ（１／Ω３）Ｎ３・・・（１） この（７）式より、風車の出力Ｐは回転ｒ！ＩＮ・の３
乗に比例することが判り、回転数Ｎを情報とじて定周速
比制御を行なえばよいことが判る。

これら風車のパワー係数Ｃｐ、出力Ｐ、トルクＴの回転
数Ｎに対する特性を第３図に示す。同図において、横軸
には回転数Ｎを、縦軸には各ｆｆｌ速ｖ１〜ｖ７におけ
るパワー係数Ｃｐ　　（実線）、出力Ｐ（鎖１！ｉｌ）
、１−ルクＴ（一点鎖線）の特性曲線を示し、ラインＰ
、は定格負荷を示す。同図から判るように各風速Ｖ１〜
Ｖ７におけるパワー係数ｃｐの最大（ｉＣｉ　（Ｃｐ　
ｍａｘ　）が得られる回転数Ｎにおいて出力Ｐ（よ最大
値を示し、したがって、Ｃ。

ｍａｘを保つことにより出力Ｐは曲線（イ）の特性が得
られ、その時の１ヘルクＴは曲線（ロ）の特性となる。

つまり、パワー係数Ｃｐを最大値に保つことにより、風
車の回転数Ｎによって出力Ｐのレベルは一義的に定まる
ことになる。したがって、この回転数Ｎに応じて定まっ
た所定の出力Ｐが１４られるように可変速制御装置４に
て自励インバータ３を制御すればエネルギー取得を有効
に行なうことができる。

なＪ３、第３図において、ＮＶＣは発電を開始するカッ
トインＪｌｉ（Ｖｏ）に対応するカットイン回転数、Ｎ
　　は）血中の定格出力が出る定格風速Ｖ［ ■、に対応する定格回転数である。

（実施例） 上記第１図に示した本発明装置の基本構成について詳述
すると、風車１の軸回転数を回転数センサ５にて検出し
、可変速制御装置４により回転数に応じて予め定められ
た出力を自励インバータ３に与えることにより、風車１
の回転は風速に応じて可変速であって、誘導機２が所定
のすべりをもって運転され、民の状況に合ったエネルギ
ーを効率良く取得し得る。

第４図は本発明装置のシステムとしての構成例を示す。

同図において、風車１はメカニカルビツヂコントロール
部を持つプロペラ望ロータと、ロータの出力を誘導機２
へ伝達する機能を備え、また、上記自励インバータ３と
可変速制御装置４の構成要素として、誘導機２を誘導発
電機として機能させるための励磁機能と、発電した交流
電力を直流電力に変換する機能と、上記ロータの回転数
に応じた発電を行なわせる制ｔ１１ｍ能を持つ変換器１
０を備える。また、発電したエネルギーを蓄電りるバッ
テリー１１と、このバッテリー１１に貯えられた電気エ
ネルギーを系統１３と同期を取り系統１３に送り出す変
換器１２を備え、これらにより風力発電システムが構成
されている。

次に、上記のごときシステムにおける風力発電装置の制
御ヂャートを第５図により説明する。同図において、横
軸に風速■を、縦軸に出力Ｐ、回転数Ｎを示し、■８は
風車が回転を始める起動風速、■　は発電を開始するカ
ットイン風速、■しは風車の定格出力が得られる定格風
速、■ｏｏは風車の運転を中止しフェザリングし凪のエ
ネルギーを逃がすカットアウト風速、ＰＬは風力発電装
置としての定格出力、Ｎｖｃｌカットイン回転数、Ｎ社
は定格回転数、ＮＮは風車の無負荷設定回転数、ＮＮ上
１０％はピッチ制御によりコントロールする制御回転数
範囲であり、曲線ＰＲはロスパワーであって、■５〜０
間は発電機の機械損とギヤの伝達ロス（２乗カーブ）、
Ｖｏ時は発電機の励Ｖａ旧が加わり、Ｖ　〜ＶＬ間は励
磁提と機械欅、Ｖ１〜ｖｃｏ間は発電機励磁損と機械屓
（はぼ一定）でなる。

この第５図において運転状況としては次の通りである。

■侍礪：風速Ｏ〜■８の間は発゛市Ｕず上記変換器１０
も運転をしない。

■起Ｏノニ風速ｖ　〜■ｏの間は風のエネルギーが風車
を回転させるだけのエネルギーとして利用できる。

■カットイン：風力発電装置として発°市を開始可能な
状態となり発電Ｆ！１２に励磁を与える。

■負荷制御領域：風速Ｖ　〜■しの間は、第３図で説明
した出力最大制御を行なう。つまり、各風速の状況に合
った回転数になるように発電電力の制御を行なう。これ
により出力Ｐは風速（回転数）の３乗に比。

例した出力特性を示し、各回転数での最大出力制御がな
される。

回転数Ｎは、ＶＳから立上り、風車の侍つ慣性モーメン
Ｉ−とバランスしながらα上がり、■。以後は風速に比
例して運転される。なお、回転数が上ｙ？する過程と、
風が弱くなって回転数が下がってくる過程は矢印で示し
たようにヒステリシス特性を示す。

■負荷固定領域：風速ＶＬ〜■Ｃｏの間は出力Ｐを一定
に保持し、入力される風のエネルギーをメカニカルなピ
ッチコントロールで逃がし、回転数ＮをＮＮ上１０％の
範囲に制御する。

■持ｉ：ｍ速■。。以上の風況においては、装置能力以
」二の風力エネルギーとなるため、メカニカルガバナー
によってフＩザーにし、エネルギーを逃がし風車を安全
な状ｆｍに維持する。

次に上述した第１図での自励インバータ３による誘導Ｒ
２の出力電力の制御あるいは、第４図での変換器１０に
よる誘導機２の励磁、つまり、誘導発電機の運転につい
て、第６図とともに説明する。第６図は誘導機の特性を
示し、モータ領域を正、発電領域を負とし、横軸に励磁
周波数を示し、実線の各曲線は各励磁周波数における出
力特性、鎖線の各曲線はトルク特性を示寸。発電機とし
ての運転領域ａとしては、風車のカッ１−イン回転数Ｎ
　からＮＮ＋ΔＮとし、３φ（相）４Ｐ（穫）Ｃ の誘導機を利用するために、風車の定格回転数Ｎｖ１を
誘導機の電気周波数６０Ｈｚになるように増速機の増速
比を決定する。

誘導機の制御としては、第６図において、カットイン回
転＠Ｎ　から定格回転数”ＶＬまでを誘導Ｃ 機の入力電圧Ｖ／周波数ｆ＝一定とした運転を行ない、
定格回転数ＮｖＬ以上では入力電圧Ｖ−一定とした運転
を行なう。すなわち、カットイン回転数Ｎ　から定格回
転数”ｖＬの間は入力に見合ったＣ 出力制御を行なう負荷制御域すで、出力およびトルクが
曲線（ハ）および（ニ）で示すように回転数の上界に伴
い上昇するように制御し、定格回転数”ｖＬから１虱車
のピッチコントロール制御範囲ＮＮ±ΔＮの間は、定出
力制御を行なう負拘固定域Ｃで、出力が曲線（ハ）で示
すように一定、トルクが曲線（ニ）で示ずように回転数
に反比例する」：うに制御する。

このようなａ、ＩＩ　ｌのためには風車の回転数に応じ
た誘導機（発電機）側の周波数が開明周波数（すべりが
零）に、第６図に示すような出力、トルク特性を出す、
すべり周波数を加えた周波数になるような「すべり周波
数制御」　（すべりがΩに大きくなれば出力が大きくな
る）を行なえばよい。

上記制御を実行するための具体構成例を第７図に示す。

同図において、回転数センサー５により検知した回転数
に基づき予め定められた出力信号Ｐ１［、を出力する回
転数−パワー変換回路４０と、この出力信号ＰＲＥＦと
コンバータ３０の出力とを比較する比較手段４１と、こ
の比較手段４１の出力が入力され系の特性を合わせるた
めの補償回路４２と、回転ａｔ−ンサ５の出力を受（〕
、周波数−電圧の変換を行なうＦ／Ｖ変換器４３と、上
記補償回路４２とＦ／Ｖ変換器４３の出力とを比較する
比較手段４４と、この比較手段４４の出力に基き、励磁
周波数指令信号を発生する指令回路４５とが、上記可変
速１．制御装置４に相当し、コンバータ３０が上記自励
インバータ３に相当する。

そして、上述した通り、風車の回転数に基づき、パワー
係数Ｃ、ｍａｘ点をとる風車の出力は定まることから、
風車の回転数から回転数−パワー変換回路４０により出
力信号ＰＲＥＦに変換し、この出力信号Ｐ　　とコンバ
ータ３０からの出力ＰとをＲＥＩ” 比較し、さらに上記補償回路４２を通って風車の回転数
すなわらＦ／Ｖ変換器４３の出力との比較により、励磁
周波数指令回路４５にて励磁周波数制御を行なう。これ
により風車１の回転数に応じて誘導機２が所定のづべり
をもって運転される。

なお、Ｅ記励磁周波数指令回路４５において、上述の通
り定格回転まで励磁電圧／励磁周波数＝一定の制御を行
ない、定格回転以上の範囲は励磁電圧＝一定としたＬｌ
ｌ　１１１を行なう。

なお、上記説明では、風車の回転数Ｎの３乗に比例した
出力指令によってコンバータ３０の出力電力を制御して
、最大の有効エネルギー取得を可能とした例を示したが
、本発明は必ずしもこれに限られず、風車の回転数Ｎに
比例、あるいはその２乗に比例した指令など予め定めら
れた出力信号ＰＲＥＦによって制御しても、従来のよう
に定回転数制御を行なうものに比し、有効エネルギーの
取得が可能である。なお、このようにした時は、正確な
定周速比制御ではなく、それに近似した制御となる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば゛、風車の回転数に応じて
誘導機が所定のすべりをもって運転されるように可変速
制＠装置により自励インバータの誘２７　ｔｍに対する
励磁周波数を制御することにより、風車は近似的な定周
速比制御運転がなされ、効率良く大きなエネルギーを回
生ずることができると同時に、入力に応じた回転数で風
車が運転される可変速制御であるため、風況の急激な変
化によるトルクの変動を吸収することができ、構造材質
面でコスト高になることがなく、しかも一般の安価な誘
導機と自励インバータを用いているため、システムコス
トの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の風力発電装置の基本構成図、第２図は
本発明を説明するための風車における周速比に対するパ
ワー係数の特性図、第３図は同様に風車の回転数に対す
るパワー係数、出力、トルクの特性図、第４図は本発明
装置のシステム構成図、第５図は同Ｓ装置の制御を説明
するための制御チャート図、第６図は同装置の作用を説
明するための励磁周波数に対する発電機の出力、１〜ル
クの特性図、第７図は同装置の具体例を示ず構成図であ
る。 １・・・風車、２・・・誘導機、３・・・自励インバー
タ、４・・・可変速制御Ｉ装置。 特許出願人　　　　　ヤマハ発動機株式会社代　理　人
　　　　　弁理士　　　小谷悦司同　　　　　　　弁理
士　　　長［Ｔｌ　　正向　　　　　　　弁理士　　　
板谷康、大菊を図 第　　　７　　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、風力エネルギーを動力に変換する風車と、上記動力
   により駆動される誘導機と、上記誘導機を発電機として
   機能させるための励磁を行なう自励インバータと、上記
   風車の回転数に応じて上記誘導機が所定のすべりをもっ
   て運転されるように上記自励インバータの励磁周波数を
   制御する可変速制御装置とからなり、上記風車の回転を
   可変速にて運転するようにしたことを特徴とする風力発
   電装置。