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JP4774843B2 - 風力発電設備 - Google Patents

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JP4774843B2
JP4774843B2 JP2005203828A JP2005203828A JP4774843B2 JP 4774843 B2 JP4774843 B2 JP 4774843B2 JP 2005203828 A JP2005203828 A JP 2005203828A JP 2005203828 A JP2005203828 A JP 2005203828A JP 4774843 B2 JP4774843 B2 JP 4774843B2
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Description

本発明は、風力発電設備に関する。
特許文献1は、風車の回転速度を正確に検出することを目的とする風力発電システムの保護装置を開示する。この保護装置では、風力発電システムにかかる負荷の大小に関わらず風車及び交流発電機等(以下、単に「風車等」ともいう。)の回転速度を正確に検出することにより、適宜、風車等の回転速度を減速させ、もって風車等が損傷するのを防止できるよう構成されている。そのためこの保護装置では、交流発電機の出力周波数を検出する周波数検出器を備える。これにより風車等の回転速度を正確に検出し、検出された出力周波数(回転速度)が一定値(上限値)を超えると短絡装置を作動させ、風車等の回転速度を減速あるいは停止させる、とされている。
特許文献2は、交流発電機の出力端子(電機子回路を含む、以下同じ)を短絡させても、交流発電機の回転子内の永久磁石が減磁するのを防止することを目的とする短絡装置を開示する。従来の短絡装置のように出力端子を単に短絡させる構成においては、過大な電流が電機子回路から電機子コイルに流れてしまい、回転子の永久磁石が減磁するという問題がある。そこで、特許文献2の短絡装置では、出力端子をコンデンサ・抵抗・リアクトルなどで構成されるインピーダンスを介して短絡することにより、過大な電流が電機子回路から電機子コイルに流れることを防止し、もって回転子内の永久磁石が減磁するのを防止できる、とされている。
特開2000−199473(請求項1、効果に関して0006) 特開2002−339856(請求項2、効果に関して0033、図2)
しかしながら風力発電設備が最大電力追従制御により稼働している場合、前述した短絡装置を作動させれば何時でも風車の回転速度を減速できるとは限らない。その理由を以下に説明する。
ここで最大電力追従制御とは、ある風速における出力電力が最も大きくなるような固有の回転速度となるよう、風車等にかかる負荷を適宜増減させる制御方式をいう。
図6には、風車が風を受けることにより発生するトルク(以下、単に「風車発生トルク」ともいう。)と、発電機の出力端子を短絡させることで発生する風車を減速させようとするトルク(以下、単に「回転制動トルク」ともいう。)との関係を示す。
この場合において、最大電力追従制御により運転される風車の発生トルクは風速の3乗に比例して理論的には無限に増大するのに対し、回転制動トルクは風車の所定回転数で上限に達し、その後は風車の回転速度が増加するにつれて減少する性質を有する。
従って回転制動トルクが風車発生トルクと比較して大となる回転速度領域では風車の回転を回転制動トルクで制御(減速や停止を含む)できるが(以下、この速度領域を単に「制御可能速度領域」ともいう。)、一方で風車発生トルクが回転制動トルクと比較して大となる回転速度領域では風車の回転を回転制動トルクで制御することはできない(以下、この速度領域を単に「制御不可能速度領域」ともいう。)。
また風車の回転速度が過大となると、風車等が損傷する恐れを有している(以下、そのような速度を単に「過回転速度」ともいう。)。
しかし上記特許文献1の構成では、風車の回転速度を減速させる短絡装置を作動させるか否かの判定に、回転速度の上限値を設けているに過ぎない。一方、突風や強風が発生した場合は、風車の回転速度・回転加速度が急峻な変化を伴う。特許文献1のように、回転速度の上限値を設けるだけでは、風況が急激に変化した場合、風車の回転速度が制御不可能速度領域に達することを確実に防止できるとは限らず、よって過回転速度に達する恐れを有している。或いは風車の回転速度が制御不可能速度領域に達することを防止すべく回転速度の上限値を予め低く設定すると、風力発電設備の有する発電能力を十分に発揮させることができない。
一方、上記特許文献2の構成では、回転子内の永久磁石が減磁することを防止しているに過ぎず、突風や強風が発生した場合、制御不可能速度領域へ到達するのをどのように防止するのかに関して記載がない。
課題を解決するための手段及び効果
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
風車と発電機とを備え、最大電力追従制御により稼働することが可能な風力発電設備において、前記風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度に基づいて風況を予測する風況予測手段と、前記発電機の出力側を短絡させる短絡手段と、を有し、前記風況予測手段による予測に基づいて前記短絡手段を作動させる。
以上の構成により回転制動トルクにより前記風車等の回転を停止させることができる。また前記風車等を損傷させるような強風や突風が発生する恐れがあることを早期に検出することができるので、風車発生トルクが回転制動トルクを上回る恐れがある場合は、前記風車等の回転を予め停止させることが可能となる。従って前記風車等の回転速度が過回転速度に到達することを未然に阻止でき、もって風力発電設備が損傷するのを防止できる。
前記風況予測手段は、前記回転速度から回転加速度を推定する加速度推定手段と、前記回転加速度から回転加速度変化率を推定する加速度変化率推定手段と、を有し、前記回転加速度変化率から風況を予測することが好ましい。
以上の構成により風況をより確実に予測することができる。また予測する手段として推定手段が用いられている。従って構造を簡単にすることができる。
前記風況予測手段の予測結果に基づいて前記回転加速度に対する上限値(以下、単に「回転加速度上限値」ともいう。)を定め、前記回転加速度が前記上限値以上である場合に、前記短絡装置を作動させることが好ましい。
以上の構成により各々の風況に応じて個別に前記回転加速度上限値を定めるので、前記短絡装置を過不足なく作動させることが容易となる。従って風力発電設備の稼働率が向上する。
より大きな前記回転加速度変化率に対して、前記回転加速度上限値をより大きく定める。即ち前記回転加速度変化率に応じて前記回転加速度上限値を決定することが好ましい。
以上の構成により、風速の加速が短時間で収束する突風(回転加速度変化率は大)が発生する場合にあっては、前記風車等の回転速度が制御不可能速度領域または過回転速度に到達し得ない風況に対して、前記短絡装置が作動することを防止できる。従って風力発電設備の稼働率を向上できる。
一方、風速の加速が長時間に及び、且つ発生する最も大きな回転加速度が突風のそれと比して小である強風(回転加速度変化率は小)が発生する場合にあっては、前記上限値を小さく定めることにより、前記風車等の回転速度が制御不可能速度領域または過回転速度に到達し得る風況に対して、前記短絡装置をもれなく好適に作動させることができる。
従って前記風車等が損傷するのをより確実に防止できる。
前記回転速度が一定値を越えた場合にも、前記短絡手段を作動させることが好ましい。
以上の構成により、前記回転速度が所定の回転速度上限値を越えることで、前記短絡手段を作動させることができる。従って前記回転速度が過回転速度に到達するのをより確実に防止できる。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る風力発電設備の実施の形態について説明する。
ここでは、本発明に係る風力発電設備が最大電力追従制御により稼働している例に関して説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る風力発電設備のブロック図である。
図2は本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す図である。
図3は本発明の一実施形態に係る風力発電設備の作動に関するフローチャートである。
図4は風況予測機能に関するサブルーチンのフローチャートである。
図5は風車減速または停止に関するサブルーチンのフローチャートである。
図6は風車発生トルクと回転制動トルクとの関係を示す図である。
図7は突風発生時における風車の回転加速度を示す図である。
図8は強風発生時における風車の回転加速度を示す図である。
図1に示すように本発明の一実施形態に係る風力発電設備100は、自然エネルギーの一種である風力エネルギーを電気エネルギーから成る交流電力に変換して出力する風力発電装置本体1と、当該風力発電装置本体1へ接続され、風力発電装置本体1の制御機能や前記交流電力の直流電力への電力変換機能を備えたコントローラ2と、から構成されている。
図1及び図2に示すように風力発電装置本体1は、風力に応じた風車発生トルクを発生する風車11を備えている。ここで、風力発電設備100は最大電力追従制御により稼働しているので、風車11の回転速度は風速に対してある相関関係の下で決定される。具体的には風力発電設備100が供給する電力が任意の風速において最大となるように風車11の回転速度が適宜制御される(図6も併せて参照)。
図2に示すように前記の風車11を回転自在に支持する回転軸15には、回転速度検出器18が設けられている。この回転速度検出器18は例えばエンコーダから成り、回転軸15の回転速度に応じた回転速度信号(例えば、パルス信号)を出力するようになっている。
また前記回転軸15には、例えば三相交流方式の発電機19が設けられている。当該発電機19は、回転軸15の回転速度に応じた交流電力を出力するようになっている。また発電機19の出力側には、後述する短絡制動装置21が接続されている。
図1及び図2に示すようにコントローラ2は、風力発電装置本体1を制御する制御部31と、前記の発電機19から出力された交流電力を直流電力に電力変換する電力変換器32と、発電機19の出力側を短絡させる短絡制動装置21を有している。
前記の短絡制動装置21は短絡用リレー22を備えている(図2参照)。当該短絡用リレー22は3つのリレー接点を有しており、それらは発電機19の各出力端子へ接続されている。短絡用リレー22のスイッチ部は、後述する短絡駆動部42(図1参照)からの通電の有無により切り替わる。具体的には、前記通電が有る場合は前記スイッチ部が開状態となり、一方で前記通電が無い場合は閉状態となる。後者のように短絡用リレー22のスイッチ部が閉状態となり発電機19の出力端子同士が短絡されると、発電機19は回転制動トルクを生ずる。従って例えばコントローラ2が故障し各機器へ必要となる電気信号などを配給できない場合には、必然的に回転制御トルクが生じるので、風車11等を停止させることができる。
図1に示すように当該制御部31は、回転速度入力部41と、短絡駆動部42と、充電制御駆動部43と、各部41〜43を監視または制御する演算処理部51と、を有している。なお、回転速度入力部41・短絡駆動部42・充電制御駆動部43は何れも演算処理部51に接続されている。演算処理部51の詳細については後述する。
前記の回転速度入力部41は、回転速度検出器18へ接続されており、当該回転速度検出器18からの回転速度信号を信号処理に適した信号形態に変換する機能を有している。
前記の短絡駆動部42は、前記短絡制動装置21(短絡用リレー22)へ接続されており、上記の如く当該短絡用リレー22の開閉状態を制御する機能を有する(図2も併せて参照)。より具体的には通常動作時(発電時)においては短絡用リレー22へ通電することにより回転軸15の回転を許容し、一方で回転軸15の回転を減速あるいは停止させる必要があるときは短絡用リレー22への通電を停止し、回転制動トルクを発生させる機能を有する。
前記の演算処理部51は、図示しない演算部や記憶部を有しており、風力発電設備100を制御する各種の機能をプログラムの形態で有している。なお各機能は、プログラムのソフトウエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。
前記の演算処理部51は以下のような機能を有する。
即ち(1)前記充電制御駆動部43を制御する充電制御機能と、(2)回転速度が正常か否かを判定する回転速度判定機能と、(3)回転速度から突風や強風などの風況を予測する風況予測機能と、(4)回転加速度が正常か否かを判定する回転加速度判定機能と、(5)風車11等の回転を減速または停止させる風車減速停止機能と、を有する。なお当該充電制御機能・回転速度判定機能・風況予測機能は何れも前記回転速度入力部41を介して回転軸15の回転速度を監視するようになっている。
前記の充電制御機能(1)は、前記回転軸15の回転速度が所定の回転速度上限値を越えた場合に、充電制御駆動部43を介して電力変換器32へ指令を与え、最大電力追従制御の指令により、負荷へ充電動作を行う。
前記の回転速度判定機能(2)は、上記回転速度が所定の回転速度上限値以上となったときは、過回転速度に達する恐れがあるとみなし、短絡駆動部42を介して短絡制動装置21を動作(短絡)させることにより、回転制動トルクを発生させて前記回転速度を調節し、あるいは完全に停止させる。これにより風車11等を速やかに減速あるいは停止させることができるので、風車11等の破損等を防止することができる。
具体的な動作に関しては後述するが、その動作は図3のフローに従う。
前記の風況予測機能(3)は、上記回転速度から回転加速度を演算(推定)する機能と、当該回転加速度から回転加速度変化率を演算(推定)する機能とを備える。また前記回転加速度変化率に基づいて、どのような風が吹き始めたのか、即ち風況を予測することにより、風力発電設備100の稼働を継続するか否かを判断するための基準を提供する。
具体的な動作に関しては後述するが、その動作は図3及び図4のフローに従う。
前記の回転加速度判定機能(4)は、風況予測機能(3)により得られた回転加速度を監視する。当該回転加速度が、後述する回転加速度上限値以上になったときは、回転軸15の回転速度は制御不可能速度領域に達する恐れがあるとみなし、短絡駆動部42を介して短絡制動装置21を動作(短絡)させることにより、回転制動トルクを発生させるようになっている。これにより風車11等を速やかに停止させることができるので、風車11等が突風や強風により過回転速度で回転することがなく、もって風車11等の破損等を防止することができる。
具体的な動作に関しては後述するが、その動作は図3のフローに従う。
風車減速停止機能(5)は、回転速度判定機能(2)および回転加速度判定機能(4)による判定結果を監視する。何れかの判定処理で風力発電設備100の異常状態が検出されたときは、短絡駆動部42を介して短絡制動装置21を動作(短絡)させることにより、回転制動トルクを発生させるようになっている。これにより風車11等を速やかに減速または停止させることができる。
具体的な動作に関しては後述するが、その動作は図3及び図5のフローに従う。
また図1に示す通り前記の電力変換器32は、適宜の整流器やDC/DCコンバータを備えている。前記発電機19で発生する電力は、当該整流器と当該DC/DCコンバータとをこの順に経て、負荷へ供給される。なお前記の充電制御駆動部43は当該DC/DCコンバータに接続されている。
以上の構成により、本実施形態に係る風力発電装置は、以下のような効果を奏する。
風車11と発電機19とを備え、最大電力追従制御により稼働することが可能な風力発電設備100において、風車11の回転速度を検出する回転速度検出手段(回転速度検出器18)と、前記回転速度に基づいて風況を予測する風況予測手段(演算処理部51)と、発電機19の出力側を短絡させる短絡手段(短絡制動装置21)と、を有し、前記風況予測手段による予測に基づいて前記短絡手段を作動させる。
以上の構成により回転制動トルクにより前記風車11等の回転を停止させることができる。また前記風車11等を損傷させるような強風や突風が発生する恐れがあることを早期に検出することができる。これにより風車発生トルクが回転制動トルクを上回る恐れがある場合は、前記風車11等の回転を予め停止させることが可能となる。従って前記風車11等の回転速度が過回転速度に到達することを未然に阻止でき、もって風力発電設備100が損傷するのを防止できる。
風況予測手段(演算処理部51)は、前記回転速度から回転加速度を推定する加速度推定手段(演算処理部51)と、前記回転加速度から回転加速度変化率を推定する加速度変化率推定手段(演算処理部51)と、を有し、前記回転加速度変化率から風況を予測する。
以上の構成により風況をより確実に予測することができる。また予測する手段として推定手段(演算処理部51)が用いられている。従って構造を簡単にすることができる。
前記風況予測手段(演算処理部51)の予測結果に基づいて前記回転加速度に対する上限値を定め、前記回転加速度が前記上限値以上である場合に、前記短絡装置(短絡制動装置21)を作動させる。
以上の構成により各々の風況に応じて個別に前記回転加速度上限値を定めるので、前記短絡装置(短絡制動装置21)を過不足なく作動させることが容易となる。従って風力発電設備100の稼働率が向上する。
より大きな前記回転加速度変化率に対して、前記上限値をより大きく定める。即ち前記回転加速度変化率に応じて前記上限値を決定する。
以上の構成により風速の加速が短時間で収束する突風(回転加速度変化率は大)が発生する場合にあっては、前記風車11等の回転速度が制御不可能速度領域または過回転速度に到達し得ない風況に対して、前記短絡装置(短絡制動装置21)が作動することを防止できる。従って風力発電設備100の稼働率を向上できる。
一方、風速の加速が長時間に及び、且つ発生する最も大きな回転加速度が突風のそれと比して小である強風(回転加速度変化率は小)が発生する場合にあっては、前記上限値を小さく定めることにより、前記風車11等の回転速度が制御不可能速度領域または過回転速度に到達し得る風況に対して、前記短絡装置(短絡制動装置21)をもれなく好適に作動させることができる。
従って前記風車11等が損傷するのをより確実に防止できる。
前記回転速度が一定値を越えた場合にも、前記短絡手段(短絡制動装置21)を作動させる。
以上の構成により、風況の一連の変化において、常に回転加速度が小、若しくは回転加速度変化率が小でも、前記回転速度が回転速度上限値を越えることで、前記短絡手段(短絡制動装置21)を作動させることができる。従って前記回転速度が過回転速度に到達するのをより確実に防止できる。
次に、本実施形態における風力発電設備100の作動について説明する。
前記の演算処理部51は、以下のよう動作する。
即ち前述した(1)充電制御機能と、(2)回転速度判定機能と、(3)風況予測機能と、(4)回転加速度判定機能と、(5)風車減速停止機能と、は以下のような処理を行う。
前記の充電制御機能(1)の動作は、前述した通りである。
前記の回転速度判定機能(2)の大まかな動作は前述した通りである。なお前記の回転速度上限値は以下の三点に留意して決定されるのが好ましい。即ち回転速度上限値は、制御を可能とすべく制御可能速度領域内であること、風力発電設備100の稼働率を確保すべくできるだけ大とすること、さらに一定のマージンを見込むべく制御可能速度領域の上限値よりもやや小とすること、について留意して決定されるのが好ましい。
上記の回転速度判定機能(2)の具体的な動作に関して、図3に基づいて説明する。
前記回転速度検出器18によって検出された前記回転軸15の回転数が(S303)、前記の回転速度上限値未満であるときは(S304:YES)、風車11の回転へ向けてその他の処理(S305以降)へ移行する。そうでないときは(S304:NO)、風車11の回転を調節し、あるいは完全に停止させる(S400)。
前記の風況予測機能(3)の大まかな動作は前述した通りであるが、具体的な動作に関して、図3、図7及び図8に基づいて説明する。
回転軸15の回転速度が回転速度上限値未満であると判断された場合(S304:YES)、図4に示す通りその回転速度に基づいて回転加速度(S306)及び回転加速度変化率(S307)を演算する。突風に見られる回転加速度の変化の特徴を図7に、強風のそれを図8に示す。これらに示されるように、風況の特徴は初期の回転加速度変化率として顕著に現れる。したがって、回転加速度変化率に基づいて風況を早期に予測することが可能となる(S308)。
具体的には図7に示すように回転加速度が急峻に上昇する、即ち加速度変化率が大きいときは、当該風況予測機能(3)は突風に移行しつつあると予測し、また図8に示すように回転加速度が上昇傾向にあり、且つ加速度変化率が比して小さいときは、強風に移行しつつあると予測する。
前記の回転加速度判定機能(4)の大まかな動作は前述した通りであるが、具体的な動作に関して、図3、図7及び図8に基づいて説明する。
風況予測機能(3)の予測結果に基づいて、回転加速度上限値を設定する(S310、図7及び図8)。回転加速度が回転加速度上限値以上であるときは(S311:NO)、風車11の回転を停止させる(S400)。そうでないときは(S311:YES)、風車11の回転を継続あるいは開始する(S350)。
ここで、回転加速度上限値の決定の方法に関して説明する。
例えば、前述の風況予測機能(3)により、突風に移行しつつあると予測されたときは、回転加速度上限値を大きく設定する。一方、強風に移行しつつあると予測されたときは、回転加速度上限値を小さく設定する。
例えば突風が発生するとき(図7)は、一般的に風車11の回転加速度を大きく上昇させるが、それは短時間で収束することが多く、風車11が上記の制御不可能速度領域に結局到達しない場合も多い。従って回転加速度上限値を小とすると、上記の制御不可能速度領域に到達し得ない場合でも風車11を減速・停止することとなり、もって風力発電設備100の稼働率を不必要に低下させることとなる。よって、風況が突風へ移行しつつあると予測されたときは、回転加速度上限値を大きく設定するのである。
一方、強風が発生するとき(図8)は、一般的に風車の回転加速度の上昇は緩やかであるが、加速が長時間にわたって続くことが多く、且つ、加速度のピークは突風のそれに比して小さい。従って回転加速度上限値を大とすると、回転加速度がその上限値まで到達しない間に風車の速度が制御不可能速度領域に到達して、風車11等を損傷する恐れがある。よって、風況が強風へ移行しつつあると予測されたときは、回転加速度上限値を小さく設定するのである。
風車減速停止機能(5)の大まかな動作は前述した通りであるが、具体的な動作に関して、図3及び図5に基づいて説明する。
図3に示すS304又はS311において風力発電設備100の異常状態が検出されたときは(S304:NO、又はS311:NO)、風車11を減速あるいは停止させる(S400)。具体的には図5に示すように短絡駆動部42をOFFにする(短絡用リレー22:短絡状態、S402)。
ここで、風車11を完全に停止させる必要のあるときは、S402とS403との間に処理を一定時間だけ中断するようなタイマー(S402a)を設けることが好ましい。前記タイマーは、回転軸15の回転速度を監視し、完全に停止したことを確認してS403へ移行するように設定されていても良いし、処理を再開する旨の指示があるまで中断を継続しても良い。
本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神から逸脱することのない様々な実施形態が他に成されることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用及び効果を述べているが、これら作用及び効果は一例であり、本発明を限定するものではない。
即ち、発電機の出力側を短絡させる手段として短絡用リレーを用いているが、半導体スイッチなどを用いて短絡するようにしてもよい。さらに、短絡制動装置の短絡用リレーは、3つのリレー接点を有しており、発電機の三相交流の各端子にそれぞれ接続されているが、発電機19の2つ端子を、リレー接点を介して短絡するようにしてもよい。この場合は、2つのリレー接点が必要となる。
また、本実施形態における各機能を実現するプログラムは、記憶部のROMに予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、CD等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれても良い。
本発明の一実施形態に係る風力発電設備のブロック図。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の作動に関するフローチャート。 風況予測機能に関するサブルーチンのフローチャート。 風車減速または停止に関するサブルーチンのフローチャート。 風車発生トルクと回転制動トルクとの関係を示す図。 突風発生時における風車の回転加速度を示す図。 強風発生時における風車の回転加速度を示す図。
符号の説明
11 風車
19 発電機
21 短絡制動装置
51 演算処理部(風況予測手段等)
100 風力発電設備

Claims (4)

  1. 風車と発電機とを備え、最大電力追従制御により稼働することが可能な風力発電設備に
    おいて、
    前記風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
    前記回転速度に基づいて風況を予測する風況予測手段と、
    前記発電機の出力側を短絡させる短絡手段と、
    を有し、
    前記風況予測手段は、
    前記回転速度から回転加速度を推定する加速度推定手段と、
    前記回転加速度から回転加速度変化率を推定する加速度変化率推定手段と、を有し、
    前記回転加速度変化率から風況を予測するものであり、
    前記風況予測手段による予測に基づいて前記短絡手段を作動させる、ことを特徴とする
    風力発電設備。
  2. 前記風況予測手段の予測結果に基づいて前記回転加速度に対する上限値を定め、前記回
    転加速度が前記上限値以上である場合に前記短絡手段を作動させる、ことを特徴とする請
    求項に記載の風力発電設備。
  3. より大きな前記回転加速度変化率に対して、前記上限値をより大きく定める、ことを特
    徴とする請求項に記載の風力発電設備。
  4. 前記回転速度が一定値を越えた場合にも、前記短絡手段を作動させる、ことを特徴とす
    る請求項1〜3の何れかに記載の風力発電設備。
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