JPH0736718B2

JPH0736718B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JPH0736718B2
Application number: JP60262908A
Authority: JP
Inventors: 郁夫渡辺
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1985-11-22
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPS62123997A

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カゴ形誘導機と、発生電力を回
生する変換器と、系統へ電力を送り出す変換器を用いた
風力発電装置に関し、無電源地区での電源装置として、
また、省エネルギーを目的として離島等でのジーゼル発
電装置とのハイブリッド用として、また、系統連系にお
けるピークカット用としての発電装置として利用に適す
るものである。

（従来技術）従来から風力発電装置において風車の軸動力を電力に変
換する手段（発電機）として同期機、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、同期機、直流機を用いたものは、風
車の定格出力が得られる定格風速から、風車の運転を中
止し発電を停止する発電停止風速までの主運転域におい
て、風車ブレードのピッチコントロールによって回転数
を一定とする定回転数制御を行なっている。このため、
後述するごとく、風車の風速に対する風速度で定まる
「周速比」が一定とはならず、エネルギーの有効取得が
なされているとは言えなかった。しかも、上記のごとく
定回転数制御運転では風況の急激な変化により大きなト
ルク変動を受けることになり、これに耐えるためには構
造，材質を堅牽なものとしなければならず、コスト上昇
の原因ともなっていた。

一方、誘導機を用いたものは、既存の電力系統と接続さ
れて運転されているものが多く、運転制御手段に風速を
用いたものが一般的である。この場合、発電機と風速を
計測する地点が異なるため、精度の高い制御が困難にな
り、時には誘導機が発電機として作動せず、電動機とし
て作動する事態も起こることがあった。また、系統直結
で駆動され、励磁周波数が商用周波数50/60Hz近傍とな
るから、すべり周波数制御により比較的容易に回転子の
回転数制御が可能でありながら、定回転数制御に等しい
状況で運転されることとなり、誘導機を用いたものでも
上述の直流機や同期機と同様の問題を有していた。

特に巻線形誘導機は、二次励磁法によりすべり周波数を
簡単に制御できるが、固定子の励磁電源とは別個に二次
励磁を行なうための電源を要し、誘導機の構成が大型化
し、複雑化する不具合があり、簡単な構造で風車のエネ
ルギーを可及的有効に取り出しつつ、系統との効率良い
連系が可能な発電装置が望まれていた。

（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、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トルク変動を吸収し、
構造，材質面でのコスト上昇を抑え、低コストで大きな
エネルギーを回生でき、しかも風車の回転数情報を用い
て、すべり周波数制御をすることにより、略一定の周速
比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、さらに系統との効率の良い連系が可
能な風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置は、ブレードのピッチ角が制御可
能な風力エネルギーを動力に変換する風車と、この風車
の動力により回転子が回転駆動されて電力を発生するか
ご形誘導機と、上記回転子の回転数を検出する回転数検
出手段と、上記かご形誘導機の出力を検出する出力検出
手段と、検出された出力と検出された回転数とに基づい
て、回転子の回転数が定格回転数以下の運転域において
は上記かご形誘導機の出力電圧と励磁周波数との比を一
定にし、回転子の回転数が定格回転数を超える運転域に
おいては上記出力電圧を一定にするように上記誘導機の
励磁周波数を制御するとともに、上記かご形誘導機で発
生した電力を回生する自励形の第１変換器と、上記風車
の起動から上記定格回転数以下の運転域においてはブレ
ードのピッチ角を所定値に固定し、上記定格回転数を超
える運転域においては上記回転子の回転数が予め設定さ
れた所定範囲内に収まるようにブレードのピッチ角を制
御するピッチ角制御手段と、上記第１変換器で回生され
た電力を系統の位相に同期させて当該系統に送出する自
励形の第２変換器とを備えたものである。

この構成により、定格出力を発生する定格回転数以下に
おいて、風速に対応した風車の回転数（回転速度）での
可変制御運転がなされ、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
誘導機がすべり周波数制御され出力電力が制御され、以
下に述べる理由により、略一定の周速比での運転制御を
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で表わさ
れる。

出力Ｐ＝1/2ρv³πR²Cp ……（１） ρ：空気密度、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Cp＝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、パワー係数
Cp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。

第２図は、風車ブレードのピッチ角βをパラメータとし
た周速比TSRに対する風車のパワー係数Cpの特性を示す
図である。同図に示すように、風車のパワー係数Cpは、
ある周速比TSRで最大値を有する周速比TSRの関数とな
る。パワー係数Cpが最大となる周速比TSR及びパワー係
数Cpの最大値は、風車ブレードのピッチ角βによって変
化するが、風車ブレードのピッチ角βをある値に設定す
ると、パワー係数Cpが最大となる周速比TSRを決定する
ことができる。

ところが、周速比TSRは記（３）式から判る通り、周速
比ωと風速ｖ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ｖ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得を最大にしようとすると、風速
に合った回転数制御つまり、定周速比制御を行なえべば
よいことになる。

いま、パワー係数Cp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）ｖ＝ωR/Ω ……（４′） ω＝２πN/60 ……（５）ただしN:風車回転数（rpm）（５），（４′）式よりｖ＝πNR/（30Ω） ……（６）（１），（６）式よりＰ＝（ρπR²Cpmax）・（πRN/30
Ω）³/2＝1.8×10^-3・（ρR⁵N³Cpmax）／Ω^３ ……
（７）この（７）式より、風車の出力Ｐは回転数Ｎの３乗に比
例することが判り、回転数Ｎを情報として定周速比制御
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、縦軸には各風速V₁〜V₇におけるパワー係数
Cp（実線），出力Ｐ（鎖線），トルクＴ（一点鎖線）の
特性曲線を示し、ラインＰ_Ｌ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
値（Cpmax）が得られる回転数Ｎにおいて出力Ｐは最大
値を示し、したがって、Cpmaxを保つことにより出力Ｐ
は曲線（イ）の特性が得られ、その時のトルク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が得られるように誘
導機をすべり周波数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。

なお、第３図において、Ｎ_VCは発電を開始するカットイ
ン風速（ｖ_Ｃ）に対応するカットイン回転数、Ｎ_VLは風
車の定格出力が出る定格風速ｖ_Ｌに対応する定格回転数
である。

（実施例）第１図は本発明装置の一実施例構成を示す。同図におい
て、風車１は、ブレードのメカニカルピッチコントロー
ル部を持つプロペラ型ロータと、ロータの動力を３相か
ご形誘導機２へ伝達する機能を備える。この誘導機２
は、これを誘導発電機として機能させるための励磁を制
御するとともに発生電力を回生する第１の変換器３に接
続されている。この第１変換器３としては、スイッチン
グ素子としてトランジスタなどの能動素子を用いた三相
コンバータを用い、その出力ライン（単相）間にはコン
デンサが接続され、第１変換器３により回生された電力
を系統へ送り出す第２変換器４が接続されている。この
第２変換器４としては上述と同様の三相インバータを用
い、その出力ライン（三相）は商用電源に接続される。
なお、変換器3,4の素子としてはサイリスタを用いても
よい。

また、風車１の回転数は回転数検出器５により検出さ
れ、この検出回転数は周波数−電圧（F/V）変換器６に
より電圧に変換され、予め設定された回転数とパワーと
の変換を行なう関数変換器７に入力されるようになって
いる。一方、上記第１変換器３の出力ラインにより、電
流検出器８、電圧検出器９にて電流、電圧が検出され、
掛算機10により誘導機２が発電機として作用した発電機
出力が検出されるようになっている。そして、上記関数
変換器７の変換出力信号Ｐ_REFと、増幅器11を介した掛
算機10の出力（発電機出力）とが第１の比較器12にて比
較され、この比較器12の出力が系の特性を合せるための
補償回路13を通して、第２の比較器14にてF/V変換器６
の出力と比較され、励磁周波数指令回路15に入力される
ようになっている。この励磁周波数指令回路15において
は、定格出力を発生する回転数Ｎ_VL以下において、発電
機電圧／励磁周波数の比が一定となり、定格出力を発生
する回転数Ｎ_VL以上において、発電機電圧が一定となる
ように第１変換器３にて誘導機２を励磁するための指令
が出力され、この指令がゲート駆動回路16を介して第１
変換器３の能動素子のゲートに与えられるようになって
いる。

そして、上記のごとく関数変換器７により風車の回転数
を出力に変換した値と発電機出力の比較結果に基づいて
第１変換器３が駆動されることにより、この第１変換器
３は誘導機２が風車の入力に見合った電力を効果的に出
力し得るよう、誘導機２をすべり周波数制御する。上記
関数変換器７、電流検出器８、電圧検出器９、比較回路
12,14、励磁周波数指令回路15、ゲート駆動回路16など
は、上記のごとく第１変換器３を作動させるための駆動
手段17を構成している。

上記第２変換器４の出力ラインは系統20（商用電源）に
接続され、このラインには位相検出トランス18および電
流検出手段19が接続され、検出された位相および上記第
１変換器３の出力である増幅器11の出力が電流指令回路
21に入力され、この電流指令回路21の出力と電流検出増
幅回路22を介した電流検出値とが比較器23にて比較さ
れ、この比較結果は系の特性を合せるための補償回路24
を介してゲート駆動回路25に入力される。このゲート駆
動回路25の出力により、第２変換器４の能動素子が駆動
されるようになっている。これら位相検出トランス18、
電流検出手段19、電流指令回路21、ゲート駆動回路25な
どは第２変換器４の駆動手段26を構成し、これにより第
２変換器４が系統20との同期をとりつつ、第１変換器３
の出力つまり風車入力に見合って発生させた電力エネル
ギーに応じて位相制御し、系統20に電力を送り出す機能
を奏する。

次に、上記の風力発電装置の制御チャートを第４図によ
り説明する。同図において、横軸に風速ｖを、縦軸に出
力Ｐ、回転数Ｎを示し、Ｖ_Ｓは風車が回転を始める起動
風速、Ｖ_Ｃは発電を開始するカットイン風速、Ｖ_Ｌは風
車の定格出力が得られる定格風速、Ｖ_COは風車の運転を
中止しフェザリングし風のエネルギーを逃がすカットア
ウト風速、Ｐ_Ｌは風力発電装置としての定格出力、Ｎ_VC
はカットイン回転数、Ｎ_VLは定格回転数で、この回転数
までの運転域ではブレードのピッチ角を一定とし、これ
以上の回転数の運転域では風車回転数が所定回転数範囲
内に収まるようにブレードのピッチ角を制御している。
Ｎ_Ｎは風車の無負荷設定回転数、Ｎ_Ｎ±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
Ｐ_Ｒはロスパワーであって、ｖ_Ｓ〜ｖ_Ｃ間は発電機の機
械損とギヤの伝達ロス（２乗カーブ）、ｖ_Ｃ時は発電機
の励磁損が加わり、ｖ_Ｃ〜ｖ_Ｌ間は励磁損と機械損、ｖ
_Ｌ〜ｖ_COは発電機励磁損と機械損（ほぼ一定）でなる。

この第４図において運転状況としては次の通りである。

待機：風速０〜ｖ_Ｓの間は発電せず上記変換器３も運
転をしない。

起動：風速ｖ_Ｓ〜ｖ_Ｃ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電を開始可能な状
態となり誘導機２に励磁を与える。

負荷制御領域：風速ｖ_Ｃ〜ｖ_Ｌ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、ｖ_Ｓから立上り、風車の持つ慣性モーメン
トとバランスしながら立上がり、ｖ_Ｃ以後は風速に比例
して運転される。なお、回転数が上昇する過程と、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ｖ_Ｌ〜ｖ_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Ｎ_Ｎ±10％の範囲
に制御する。

待機：風速ｖ_CO以上の風況においては、装置能力以の
風力エネルギーとなるため、風車が設定回転数範囲内に
収まるようにブレードのピッチ角をメカニカルガバナー
によってフェザーにし、エネルギーを逃がし風車を安全
な状態に維持する。

次に上述した第１図での第１変換器３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５図とと
もに説明する。第５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ｆを示
し、実線の各曲線は各励磁周波数ｆにおける出力特性、
鎖線の各曲線はトルク特性を示す。発電機としての運転
領域ａとしては、風車のカットイン回転数Ｎ_VCからＮ_Ｎ
＋△Ｎとし、３φ（相）4P（極）の誘導機を利用するた
めに、風車の定格回転数Ｎ_VL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５図において、カットイン回
転数Ｎ_VCから定格回転数Ｎ_VLまでを誘導機の出力電圧V/
励磁周波数ｆ＝一定とした運転を行ない、定格回転数Ｎ
_VL以上では出力電圧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_VCから定格回転数Ｎ_VLの間は
入力に見合った出力制御を行なう負荷制御域ｂで、出力
およびトルクが曲線（ハ）および（ニ）で示すように回
転数の上昇に伴い上昇するように制御し、定格回転数Ｎ
_VLから風車のピッチコントロール制御範囲Ｎ_Ｎ±△Ｎの
間は、定出力制御を行なう負荷固定域ｃで、出力が曲線
（ハ）で示すように一定、トルクが曲線（ニ）で示すよ
うに回転数に反比例するように制御する。

このような制御のためには風車の回転数に応じた誘導機
（発電機）側の励磁周波数ｆが同期周波数（すべりが
零）に、第５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」（すべりが負に大きくなれば出力が大きくな
る）を行なえばよい。

上記実施例において、このように誘導機２を第１変換器
３にて制御することにより、結果的に風車は定周速比に
近い運転がなされ、エネルギーの有効取得が可能となる
と同時に、第１変換器３にて回生された電力を、この電
力に応じて第２変換器４にて系統と同期をとって位相制
御を行なうことにより直接に系に送り出すことができ、
効率の良い系統連系が可能となり、信頼性の向上を図る
ことができるとともに、系統の電力ピークカットにより
運転負荷率の向上に寄与し得る。また、風車の回転数に
応じて上述のごとく発電機電圧を制御しているので、誘
導機の磁性飽和が少なく、出力性能の向上、装置の信頼
性の向上を図ることもできる。

なお、上記説明では、風車の回転数Ｎの３乗に比例した
パワー変換指令によって第１変換器３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
められたパワー変換指令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。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、風車の動力で回転される
回転子の回転数が定格回転数以下の運転域においては、
ブレードのピッチ角を所定角に固定するとともに、第１
変換器により回転子の回転数に応じて励磁周波数を制御
して、かご形誘導機の出力電圧と励磁周波数との比を一
定にすると同時にかご形誘導機のすべり周波数制御を行
い、回転子の回転数が定格回転数を超える運転域におい
ては、回転子の回転数が予め設定された所定範囲内に収
まるようにブレードのピッチ角を制御するとともに、第
１変換器によりかご形誘導機の出力電圧を一定にすると
同時にすべり周波数制御を行なっているので、風車を定
周速比制御に近い状態で運転することができ、効率良く
大きなエネルギーを発生させることができる。また、回
転子の回転数、すなわち、風車の回転数に応じて励磁周
波数を制御することによりかご形誘導機の出力が制御さ
れるので、風況の急激な変化によりトルクが急激に変動
した場合にもトルク変動の吸収が可能で、構造上のコス
ト上昇を防止することができる。

また、かご形誘導機で発生された電力は、第２変換器に
より系統の位相に同期させて当該系統に送出されるの
で、発電装置と系統との連系を効果的に行なうことがで
き、例えばピークカット用電源としてのエネルギーを有
効に取得することができる。

更に第１、第２変換器を自励式で構成しているので、系
統からかご形誘導機に励磁電流（無効電力）を供給する
必要がなく、力率が向上し、系統への電力の供給効率が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による風力発電装置の構成
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２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図は同装置の制御を説明するための制御チャート図、
第５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、トルクの特性図である。１……風車、２……誘導機、３……第１変換器、４……
第２変換器、５……回転数検出器、７……関数変換器、
15……励磁周波数指令回路、17……第１変換器３の駆動
手段、26……第２変換器４の駆動手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブレードのピッチ角が制御可能な風力エネ
ルギーを動力に変換する風車と、この風車の動力により
回転子が回転駆動されて電力を発生するかご形誘導機
と、上記回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、
上記かご形誘導機の出力を検出する出力検出手段と、検
出された出力と検出された回転数とに基づいて、回転子
の回転数が定格回転数以下の運転域においては上記かご
形誘導機の出力電圧と励磁周波数との比を一定にし、回
転子の回転数が定格回転数を超える運転域においては上
記出力電圧を一定にするように上記誘導機の励磁周波数
を制御するとともに、上記かご形誘導機で発生した電力
を回生する自励形の第１変換器と、上記風車の起動から
上記定格回転数以下の運転域においてはブレードのピッ
チ角を所定値に固定し、上記定格回転数を超える運転域
においては上記回転子の回転数が予め設定された所定範
囲内に収まるようにブレードのピッチ角を制御するピッ
チ角制御手段と、上記第１変換器で回生された電力を系
統の位相に同期させて当該系統に送出する自励形の第２
変換器とを備えたことを特徴とする風力発電装置。