JPS59168281A - 風力発電装置の制御方法 - 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】 （１） 技術分野 この発明は風力発電装置の制御方法に関する。

従来技術 従来の風力発電装置としては、風車により例えば自動車
用ダイナモ発電機を駆動して発電する装置等が存在する
。この場合、風車の出力Ｌ（Ｗ）は風速ｖ（ｍ／ｓ）の
３乗に比例（Ｌ＝ｋｖ８）することが知られている。

しかしながら、実際には風車に発電機を設け、その発電
機の出力端子に負荷を接続した場合、強風（ｖ＝＝５ｍ
／ｓ以」１）が連続的に所定時間以上吹かなければ風車
は回転を開始せず出力を得ることができない。そして、
そのような連続的な強風が所定時間以上吹くことは実際
にはまれであって、通常のｖ　＝　２〜５（ｍ／ｓ）程
度の風とがｖ　＝　５Ｃｍ／ｓ）以上の瞬時の風によっ
ては風車を回転させるに至らず、実際の風のエネルギー
を有効に利用しているとはいえないのが現状である。こ
のことは特（３大出力の風力発電をする場合に大変効率
を悪くしている。

（２） 目的 この発明の目的は、実際の風のエネルギーを有効に利用
して、効率の良い発電をすることができる風力発電装置
の制御方法を提供することにある。

実施例 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

第１図に示すように、大地１上には支柱２が立設され、
その支柱２の上端には回転軸３ａにより発電装置３がほ
ぼ垂直な一軸線の周りを回転可能に装着されている。そ
の発電装置３のケース４外には第２図に示すように軸受
５により風車６がほぼ水平な一軸線の周りを回転可能に
装着され、その回転軸６ａ上にはケース４内において駆
動ギヤ７が固定されている。また、ケース４内には界磁
巻線８を有する他励式三相交流同期発電機（以下、発電
機と略す）９が装着され、その回転軸９ａ上には前記駆
動ギヤ７と噛合う被動ギヤ１ｏが固定されている。また
、ブレーキ電流を流すことにより同転軸９ａの回転を制
動する電磁ブレーキ、バ（３） ウダーブレーキ等のブレーキ装置１１が設けられている
。

発電機９は、風力発電用に特別開発されたものであって
、定格出力■■−１０（ＫＶＡ）、定格（Ｇ：重量、Ｄ
＝直径）−〇。２５　（ｋｇ−α２）以下〔すなわちＧ
Ｄ２−約０．７　（ｋｇ−ｃｎ１２）　）となッテおり
、駆動ギヤ７と被動ギヤ１０の増速比ｎ７３となってい
る。従って、風車６の回転軸６ａの機械的負荷慣性モー
メントＩ　ａ−ｎ２Ｉ−２，２５（ｋｇ　−ｃｍ”　）
となる。通常の同期発電機は、定格出力ＶＩ＝１０（Ｋ
ＶＡ）、定格回転数Ｎ＝１５．ＯＯ（ｒＴ）ｍ）、慣性
モーメントＩ−０，２５（ｋｇ−ｚ”）に設計されてお
り、前記増速比ｎ＝＝９となる。従って、前記負荷慣性
モーメントＩａ＝ｎ２Ｉ＝２０゜２５　（ｋｇ−ｃｙｎ
　）となり、この実施例の発電機９の場合の負荷慣性モ
ーメン）Ｔａはこの釣上と極０ めで小さい。なお、発電機９の回転子の慣性モーメント
■は、定格出力ＶＩ＝１０（ＫＶＡ’）、定（４） 略同転数Ｎ＝５００（ｒＰｍ）の条件にて通常０゜７５
　（ｋｇ−α２）必要とするが、この回転子の慣性モー
メントＩはＯ０２５（ｋｔｊ−１２）と小さい。このよ
うに慣性モーメントエを小さくするには直径りを小さく
、長さを長く（すなわち細長く）すると良い。

従って、風車６の風速Ｖに対する回転数の応答性が良く
なる。且つ、前記負荷慣性モーメントエａは風速Ｖの急
激な変化に対して風車６の回転数が振動が少なく円滑安
定に応答するような最適な値でもある。

さて、風速Ｖにより風車６が回転されると、駆動ギヤ７
、被動ギヤ１０を介して、発電機９の回転軸９ａが回転
数Ｎ（ｒｐｍ）にて回転される。

そして、第２図に示すように発電機９の出力端子ａは、
制御装置１２内の主回路１３を介して蓄電池、温水槽の
ヒータ等の負荷１４に接続されており、発電機９の出力
特性は制御装置１２により第３図に示すような特性曲線
に制御される。すなわち、回転軸９ａの回転数Ｎ（ｒｐ
ｍ）に対する発（５） 電機９の出力ＶＩ（ＫＶＡ）は、回転数Ｎが０〜所定回
転数１５０ｒｐｍまでは０　（ＫＶＡ　）である。従っ
て、風車６の回転エネルギーは負荷１４にて消費される
ことはなく、風車６に発電制動力が付与されない。よっ
て、風車６は低風速の風が短時間吹くのみで回転を開始
し、前記回転数Ｎ（ｒｐｍ）は速やかにＯから１５０（
ｒＴ）ｍ）まで到達する。回転数Ｎが１５０（ｒｐｍ）
から定格回転数５００（ｒｐｍ）より僅かに低い回転数
（３５０〜４５０ｒＪ）ｒｎ）’ｉＦでは出力ＶＩを０
（ＫＶＡ）から約３〜６　（ＫＶＡ　）まで直線的に漸
増させる。なお、３ＫＶＡ〜６ＫＶＡまでの値は随時調
整できるようにしである。この場合は、風速ｖ　＝　２
　ｍ／　ｓ〜５ｍ／ｓ程度の微風が吹いていれば、風車
６の回転エネルギーにより充分に０ＫＶＡ〜５ＫＶＡ程
度の出力ＶＩが得られる範囲であり風車６は失速せず１
、このような発電出力特性を持たせることにより、微風
（低風速）のエネルギーをも有効に利用することができ
る。

回転数Ｎが定格回転数ｓｏｏ（ｒｐｍ）より僅（６） かに低い回転数から定格回転数５００（ｒｐｍ）までは
、５　（ＫＶＡ　）程度〜１ｏ（ＫｖＡ）程度までの発
電出力を得る。この場合は、風速ｖ　＝　５ｍ／ｓ〜１
２ｍ／ｓ程度の強風が吹いていれば風車６の回転エネル
ギーは充分である。

すなわち、風速Ｖの変化により第３図に示す特性面線番
こ従って出力ＶＩ（ＫＶＡ）が得られる。

また、風速ｖ＝１２ｍ／ｓ以上の強風が吹いて出力ＶＩ
（ＫＶＡ）が定格出力１０（ＫＶＡ）（７）約１．２倍
を超えた時、または回転数Ｎが定格回転数５００　（ｒ
　Ｔｌ　ｍ　）の約１．２倍を超えた時、または発電機
９の出力電圧■が定格電圧２２０ｖの約１．２倍を超え
た時、すなわち、過負荷または過回転または過電圧の状
態になった時には前記ブレーキ装置１１が作動して、発
電機９すなわち風車６の回転が非常停止される。この場
合、ブレーキ力を徐々に強めて急激に回転を停止させな
いようにする。これにより、過回転による風車６の羽根
破損が防止される。

なお、この出力ＶＩ（ＫＶＡ）は風車６が失速（７） しない程度に１５０ｒｐｍ　〜５００ｒｐｍまで線形的
または非線形的に漸増させればよい。

次に、以−りの様に発電機９の出力特性を制御する制御
装置１２を二ついて説明する。

前記主回路１３は、発電機９の出力端子ａと負荷１４と
の間に、負荷１４が短絡した時制御装置１２の電源をし
ゃ断する短絡保護継電器１５と、負荷１４（こ定格出力
の約１゜２倍の過負荷出力が供給されたことを検出する
過負荷検出器１６と、三相交流全波整流回路からなる交
流−直流変換器１７と、負荷電流■Ｌに比例する電流信
号１２　を検出する変流器、抵抗等の電流検出器１８と
を直列的に接続してなる。また、発電機９の出力端子ａ
にはその出力電圧Ｖが定格電圧２２０Ｖの１．２倍以上
の過電圧になった時ブレーキ励磁回路２６を作動させる
過電圧継電器１９が接続されている。

発電機９の出力ＶＩを制御する発電機制御装置２０は、
前記出力端子ａＧこ接続され発電機９の回転数Ｎに比例
する周波数ｆを検出してその周波数ｆに比例する電圧ｖ
ｆ（−Ｖｆ−ｋＮ）に変換する（８） 周波数−電圧変換器２１と、その電圧Ｖｆを入力して同
転数Ｎの変化に対して第３図に示す特性曲線と一致する
出力ＶＩを発生させるため、その出力ＶＩと対応する電
流値からなる関数１１　　を出力する関数発生器２２と
、負荷１４の端子電圧ｖＬに比例する電流信号１Ｂを検
出する電圧検出器２７と、前記電流信号１２　と電流信
号１８とを乗算してその積ｉ２　ｆＢと目標設定値であ
る前記関数１１とを比較して制御信号ＳＧＣを出力する
演算増幅器２３と、前記発電機９の出力電圧Ｖを検出す
るとともに前記制御信号ＳＧＣに基づいて界磁巻線８に
流ねる界磁電流Ｉｆを制御することにより出力電圧Ｖを
制御する自動電圧制御器２４とからなる。この場合、回
転数Ｎと発生電力ＶＩとの間には結果的に第３図の特性
曲線に相当するＶ　Ｉ　＝ＣＩＮ”＋Ｃ２（Ｎ＝１５０
〜４００ｒｐｍ程度）、ＶＩ＝ＣＢ　Ｎ”＋Ｃ４（Ｎ＝
４００　ｒ　ｐｍ程度〜５００ｒｐｍ）なる関係がある
。従って、発電機９の出力特性は第３図に示す特性曲線
に制御されることとなる。

（９） また、周波数−電圧変換器２１の出力Ｖｆ　（＝ｋＮ）
が一定値以上になったことを検出してブレーキ励磁回路
２６を作動させる過回転検出器２５が設けられており、
そのブレーキ励磁回路２６は過負荷検出器１６からの出
力が一定値以」二になった時及び前記過電圧継電器１９
が作動された時にもブレーキ装置ｉ１ｒ、１１にブレー
キ電流を流す。従って、発電機９は過回転時または過負
荷時または過電圧時に非常停止され、三重保護される。

次に、風車６は風向に正対している時に最も効率よく風
のエネルギーを回転エネルギーに変換するため、第１図
に示す風車６の方向制御装置を本発明者等は案出した。

風向計５１の垂直な回転軸５１ａ上には、風向の角度θ
をその角度θ（こ比例する電気的なアナログ風向信号Ｗ
Ｄに変換するポテンショメータ等の風向信号検出器５２
が装着され、その風向信号ＷＤはＡ−Ｄ変換器５３によ
りディジタル信号に変換されて、入出力ボート、中央処
理袋ｆｆ＝ｔ（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（Ｒ
ＡＭ）、読出し専用（１０） 記憶装置（ＲＯＭ）等を内蔵するマイクロコンピュータ
（以下、マイコンと称する）５４に入力される。また、
風車６が装着された発電装置３の回転軸３ａＪ１には、
その風車６の方向θ０　（角度）をその風車方向θ０に
比例する電気的なアナログ風車方向信号ＰＤ番こ変換す
るポテンショメータ等の風車方向信号検出器５５が装着
され、その風車方向信号ＰＤはＡ−Ｄ変換器５６により
ディジタル信号に変換されて、前記マイコン５４に入力
される。そのマイコン５４からはディジタルモータ駆動
信号ＭＤが出力されるようになっており、そのモータ駆
動信号ＭＤはモータ駆動回路５７に入力され、そのモー
タ駆動回路５７により前記モータ駆動信号ＭＤに基づい
て所定方向へ所定角度回転するサーボモータ、ステップ
モータ等の方向制御モータ（以下、モータと称する）５
Ｂが駆動される。なお、モータ駆動回路５７は、例えば
モータ駆動信号ＭＤをアナログ信号に変換するＤ−Ａ変
換器５９と、そのアナログ信号に基づいてモータ５８を
駆動するサーボモータ駆動回路６ｏとが（１１） らなる。そのモータ５８の出力軸５８ａによりウオーム
ギヤ６１が回転され、そのウオームギヤ６１が回転する
ことにより前記回転軸３ａに固着されウオームギヤ６１
と噛合うウオームホイール６２が回転される。従って、
モータ駆動信号Ｍｌ］こ基づいて回転軸３ａは所定の方
向へ所定の角度回転され、風車６の方向制御がなされる
。

また、風速計６３の垂直な回転軸６３ａ上には風速Ｖに
比例する回転数をバルヌ数からなる風速信号ＷＳにて検
出する風速信号検出器６４が装着され、その風速信号Ｗ
Ｓは符号変換器６５によりディジタル信号に変換されて
マイコン５４に入力される。

さて、マイコン５４は第４図に示すプログラムに従って
作動される。プログラムがスタートすると、初期設定が
なされ、風車方向信号ＰＤ（データ数Ｐ個）、風向信号
ＷＤ（データ数８個）、風速信号ＷＳ（データ数１個）
を逐次入力する。風車方向信号ＰＤの平均値Ｘ、風向信
号ＷＤの平均値Ｚ及び１〜３分間の平均風速Ｙを計算し
、誤差（１２） Ｔ＝Ｚ−Ｘ（度）を計算する。平均風速Ｙが２５ｍ／ｓ
以上の強風の場合は、（Ｔ＋９０　）度だけ風車６の方
向を正転または逆転させるモータ駆動信号ＭＤが出力さ
れ、平均風速Ｙが２０ｍ／ｓ以Ｊ：２５＋’ｒ＋／ｓ未
満の場合には（Ｔ＋４５　）度だけ風車６の方向を正転
または逆転させるモータ駆動信号ＭＤが出力され、平均
風速Ｙが１７　ｍ　／　ｓ以Ｊ１２０ｍ／ｓ未満の場合
には（Ｔ＋３０）度だけ風車６の方向を正転または逆転
させるモータ駆動信号ＭＤが出力され、平均風速Ｙが１
７ｍ／ｓ未満の場合には誤差Ｔ度だけ風車６の方向を正
転または逆転させるモータ駆動信号ＭＤが出力される。

従って、平均風速Ｙが１７ｍ／ｓ未満の場合にはあらゆ
る角度θの風向に対して風車６が正対されることとなる
。平均風速Ｙが１７ｍ／Ｓ以上２５ｍ／ｓ未満の場合に
はその風速Ｙに応じて、風車６が風向に対して所定角度
（３０度、４０度）だけずれて位置する。従って、風車
６を平均風速Ｙが２５ｍ／ｓの強風まで使用することが
できる。

なお、モータ駆動信号ＭＤを出力後は風速信号（１３） ＷＳを入力するプログラムに戻る。また、前記平均風速
Ｙの時間（１分〜３分）は、風速計６３の設置場所によ
り定められる。　　　　′効果 以上詳述したように、この発明は、風速Ｖにより回転さ
れる風車６と、その回転番こより発電される発電機９と
、その発電機９の出力が供給される電気的負荷１４とを
含む風力発電装置において、風速Ｖの変化に対して、風
車６の回転数の変化の応答性が良く且つその回転数が変
化する際に円滑安定に□応答するような最適な値に風車
６の機械的負荷慣性モーメン）Ｉａを設定し、前記発電
機９の電気的負荷出力ＶＩを、その回転数Ｎが所定回転
数に達するまでは発生させず、その所定回転数から定格
回転数に至って風車６が失速しない程度の出力にて線形
的または非線形的に漸増させるように制御したこと（こ
より、低風速の風のエネルギーをも電気的エネルギーに
変換することができて、実際の風のエネルギーを有効に
利用して効率の良い発電をすることができるという効果
がある。

（１４）

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明を具体化した一実施例を示し、第１図は
装置の側面図及び方向制御装置を示すプ風車６、発電機
９、制御装置１２、負荷１４、風速Ｖ、負荷慣性モーメ
ン）Ｉａ、出力ＶＩ、回転数Ｎ０ 特許出願人　　　　　　　　清　水　幸　丸平工順康 永井健太部 代理人　　弁理士恩田博宣

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　風速（ｖ）により回転される風車（６）と、その回
   転により発電される発電機（９）と、その発電機（９）
   の出力が供給される電気的負荷（１４）とを含む風力発
   電装置において、 風速（ｖ）の変化に対して、風車（６）の回転数の変化
   の応答性が良く且つその回転数が変化する際に円滑安定
   に応答するような最適な値（こ風車（６）の機械的負荷
   慣性モーメン）（Ｉａ）を設定し、 前記発電機（９）の電気的負荷出力（ＶＩ　）を、その
   回転数（Ｎ）が所定回転数に達するまでは発生させず、
   その所定回転数から定格回転数昏こ至って風車・（６）
   が失速しない程度の出力にて線形的または非線形的に漸
   増させるように制御することを特徴とする風力発電装置
   の制御方法。