特許 6422014 波力発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6422014

(24)【登録日】2018年10月26日

(45)【発行日】2018年11月14日

(54)【発明の名称】波力発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20181105BHJP

   F03B 13/24 20060101ALI20181105BHJP

   F01D 15/10 20060101ALI20181105BHJP

   F02C 1/02 20060101ALI20181105BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20181105BHJP

   F02C 9/00 20060101ALI20181105BHJP

【ＦＩ】

   H02P9/04 E

   F03B13/24

   F01D15/10 C

   F02C1/02

   F02C6/00 B

   F02C9/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-127660(P2014-127660)

(22)【出願日】2014年6月20日

(65)【公開番号】特開2016-10177(P2016-10177A)

(43)【公開日】2016年1月18日

【審査請求日】2017年5月18日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、環境省、地球温暖化対策技術開発・実証研究事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】飯田 誠

(72)【発明者】

【氏名】菊地 寿江

(72)【発明者】

【氏名】金子 貴之

(72)【発明者】

【氏名】岡山 修三

【審査官】 上野 力

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１７６６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１７６６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０９１３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０１３００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 M.Amundarain，Modeling and Simulation of Wave Energy Generation Plants:Output Power Control，IEEE Trans on Industrial Electron，米国，IEEE，２０１１年 １月，Vol.58、No.1，pp.105-117

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ９／０４

Ｆ０１Ｄ １５／１０

Ｆ０２Ｃ １／０２

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｆ０２Ｃ ９／００

Ｆ０３Ｂ １３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気の往復流に対応可能な波力発電用タービンと、
該波力発電用タービンに接続された発電機と、
前記波力発電用タービンのタービン回転速度を検出するタービン回転速度検出部と、
前記発電機に対する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、
該速度指令値生成部で生成された速度指令値及び前記タービン回転速度検出部から出力されるタービン回転速度に基づいてトルク指令値を算出する速度調節部と、
該速度調節部で算出したトルク指令値が入力されて前記発電機のトルク制御を瞬時に行う発電機トルク制御部と、
前記波力発電用タービンのトルクを検出または推定するタービントルク検出または推定部と、
該タービントルク検出または推定部で検出または推定したタービントルク検出値または推定値より、前記波力発電用タービンの入力パワーを推定する入力パワー推定部と、
前記入力パワー推定部で推定した入力パワーの平方根の傾きを検知する傾き検知部及び該傾き検知部で検知した傾きから入力パワーがゼロとなる時刻を推定し、ゼロとなった時刻からの経過時間を出力する入力パワーゼロ時刻推定部を備え、前記波力発電用タービンに入力される平均的な空気の振動の角周波数に、前記入力パワーがゼロとなる時刻からの経過時間を積算した値を与えた三角関数に基づいて、入力パワーの波高推定値を推定する波高値推定部と、
前記速度指令値生成部は、前記波高値推定部で推定した波高推定値に基づいて前記速度指令値を算出する
こと特徴とする波力発電装置。

【請求項2】

前記タービントルク検出または推定部は、前記発電機のトルク指令値と前記発電機の回転速度と前記発電機のイナーシャに基づいてタービントルクを推定する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。

【請求項3】

前記波高値推定部は、前記入力パワーの平方根の値を平均的な空気パワーの角周波数に前記入力パワーがゼロとなる時刻からの経過時間を積算した値を与えた正弦関数で除算した値を、予測した入力パワーの波高推定値として用いる波高値演算部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の波力発電装置。

【請求項4】

前記波高値推定部は、入力パワー推定部で推定した入力パワーが零となった基準時点から所定時間が経過した第１のサンプリング時点での第１の入力パワーの平方根の値を平均的な空気パワーの角周波数に前記入力パワーがゼロとなる時刻からの経過時間を積算した値を与えた正弦関数で除算した値を前記入力パワーの第１の波高推定値として推定する第１の波高値推定部と、該第１のサンプリング時点から前記所定時間が経過した第２のサンプリング時点での第２の入力パワーの平方根の値を平均的な空気パワーの角周波数に前記入力パワーがゼロとなる時刻からの経過時間を積算した値を与えた正弦「関数で除算した値を前記入力パワーの第２の波高推定値として推定する第２の波高値推定部とを備え、
前記速度指令値生成部は、前記第１の波高推定値及び前記第２の波高推定値に基づいて所定周期の入力パワーの最大値と入力パワーの変動の周期とを予測して前記速度指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。

【請求項5】

前記発電機トルク制御部は、前記トルク指令値が入力されたときに前記発電機のトルク制御を瞬時に行うベクトル制御インバータで構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の波力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばウエルズタービンで構成される波力発電用タービンを用いて波力発電を行う波力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の波力発電装置としては、例えば開口した下面を水中に没し上部を空中に出した筒状の本体を形成し、波面よりも上方に空間を開けて空気室とし、該空気室の上端に通気筒を立設し、該通気筒の中央部に発電機を直結したタービンロータを回転自在に組み込んだ波力発電装置において、脈動する波浪の一周期にわたって平均化したタービン主力トルクの平均値および空気圧と空気流の積の平均値とから得られるタービン平均効率を与える回転数Nにおけるトルクを駆動トルクTとする発電駆動特性を備えた波力発電装置が知られている(例えば、特許文献１参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第２５７５０１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、波浪の一周期で平均化されたタービンのトルクと、空気圧と空気流速の積の平均値から得られるタービンの平均効率から、最大効率点付近で動作するような負荷特性の発電機を用いるようにしている。しかしながら、波浪による空気の入力エネルギーは時々刻々変化することから、タービンの瞬間的な効率を最大効率点に維持するためには、タービン回転速度を時々刻々最適に調整する必要があるが、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、タービン回転速度を最適に設定することができないという未解決の課題がある。

【0005】

また、上記従来例にあっては、タービンの慣性力が大きく無視できない場合に、発電機でタービンが加速するようトルク指令値を出したときに、制御し始めてから、最適な速度に達するまでに時間が掛かり、現在の入力エネルギーに対して、最適なタービン回転速度を計算して速度指令値を生成した場合には、制御遅れが発生し、最適効率点での発電が難しくなるという未解決の課題もある。

【0006】

また、非特許文献１では、回転速度をタービン翼の失速を回避し、タービン前後の圧力差を用いて回転速度の調整を行っている。圧力センサを空気室に取り付けて、圧力差がわかれば、タービンの最適な速度も計算することは可能である。しかしながら、センサの故障やメンテナンスに対応する必要があるため、実用上は圧力センサや空気速度を検出するセンサに依存しないことが望まれている。

【非特許文献1】M.Amundarain、M.ALberdi、A.J.Garrido、I.Garrido、"Modeling and Simulation of Wave Energy Generation Plants:Output Power Control"、 IEEE Trans on Industrial Electron、 Vol.58、No.1、pp.105-117、2011

【0007】

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、制御遅れを抑制して最適効率点での発電を行うことができる波力発電装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る波力発電装置の一形態は、空気の往復流に対応可能な波力発電用タービンと、この波力発電用タービンに接続された発電機と、波力発電用タービンのタービン回転速度を検出するタービン回転速度検出部と、発電機に対する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、この速度指令値生成部で生成された速度指令値及びタービン回転速度検出部から出力されるタービン回転速度に基づいてトルク指令値を算出する速度調節部と、この速度調節部で算出したトルク指令値が入力されて前記発電機のトルク制御を瞬時に行う発電機トルク制御部と、波力発電用タービンのトルクを検出または推定するタービントルク検出または推定部と、このタービントルク検出または推定部で検出または推定したタービントルク検出値または推定値より、波力発電用タービンの入力パワーを推定する入力パワー推定部と、入力パワー推定部で推定した入力パワーの平方根の傾きを検知する傾き検知部及び該傾き検知部で検知した傾きから入力パワーがゼロとなる時刻を推定し、ゼロとなった時刻からの経過時間を出力する入力パワーゼロ時刻推定部を備え、波力発電用タービンに入力される平均的な空気の振動の角周波数に、入力パワーがゼロとなる時刻からの経過時間を積算した値を与えた三角関数に基づいて、入力パワーの波高推定値を推定する波高値推定部と、速度指令値生成部は、波高値推定部で推定した波高推定値に基づいて速度指令値を算出する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、タービントルクを用いて、波力発電用タービンの入力パワーを推定し、推定した入力パワーと、平均的な空気の振動の周期とを用いて入力パワー最大値予測部で、入力パワーが最大に達する以前に所定周期の入力パワー最大値を予測し、速度指令値生成部で予測した入力パワー最大値に基づいて前記速度指令値を算出するので、入力パワーが最大に達するときに、波力発電用タービンが最適な速度になるように加速することが可能となる。すなわち、現在のエネルギーの状態をフィードバックして最適な速度制御を行う場合に比べて、制御遅くれを軽減することができ、波力発電用タービンの効率を向上させることができる。
また、トルクを用いるため、空気速度や圧力を直接検出する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る波力発電のタービンを示す概略図である。

【図2】本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。

【図3】速度調節部の具体的な構成を示すブロック図である。

【図4】流量係数とトルク係数との関係を示す特性線図である。

【図5】空気速度と空気速度からなる多項式との関係を表す計算例である。

【図6】流量係数とトルク係数との関係を示す特性線図である。

【図7】波高値推定部３６の具体的な構成を示すブロック図である。

【図8】時間と入力パワーの平方根の値と入力パワーがゼロとなる時刻との関係を示す説明図である。

【図9】流量係数とタービンの効率の関係を示す図である。

【図10】タービンへの入力パワー推定値の波形と速度指令値の波形とを示す図である。

【図11】本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。

【図12】図１１の波高値推定部の具体的構成を示すブロック図である。

【図13】第２の実施形態における時間と入力パワーの平方根の値と入力パワーがゼロとなる時刻との関係を示す説明図である。

【図14】第２の実施形態におけるタービンへの入力パワー推定値の波形と速度指令値の波形とを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明に係る波力発電装置の第１の実施形態の概略構成を示すシステム構成図、図２は図１の制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
本発明に係る波力発電機は、図１に示すように、下端を開放した破線図示の円筒体１内に例えば往復の空気流で一方向に回転するウエルズタービンで構成される波力発電用タービン２が回転自在に配置され、この波力発電用タービン２の円筒体１の上端から突出する回転軸２ａに円筒体１の上端面に配置された発電機３が連結されている。また、円筒体１の上端には図示しないが空気を内外で流通させる開口が形成されている。

【0012】

円筒体１は、下端の開放端が海水面に確実に水没するように配置され、円筒体１内の海面の水位が波の運動により上下に移動することにより、円筒体１内の空気が上方の開口から吐き出される状態と外部から吸い込まれる状態が繰り返される。この往復空気によって波力発電用タービン２が一方向に回転駆動され、これによって発電機３で発電が行われる。
発電機３には波力発電用タービンの回転速度を検出する回転速度検出部としての回転速度センサ４が内蔵されているとともに、発電機３で発生するトルクを制御して、最高効率点での発電を行わせる制御装置１０が接続されている。
この制御装置１０の具体的構成は、図２に示すように、発電機３で発生するトルクを制御するトルク制御部２０と、このトルク制御部２０に対するトルク指令値を形成するトルク指令値形成部３０とで構成されている。

【0013】

トルク制御部２０は、交流電源２２と、この交流電源２１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ２４と、このコンバータ２４から入力される直流電力を交流電力に変換して発電機３に供給するベクトル制御インバータ２６とを備えている。
ここで、ベクトル制御インバータ２６は、トルク指令値形成部３０からトルク指令値Ｔ^＊が入力されると、発電機３がトルク指令値Ｔ^＊に対応したトルクを出力するような三相交流電圧を発生する。すなわち、ベクトル制御インバータ２６はトルク指令値Ｔ^＊が入力されたときに、発電機３で発生するトルクが瞬時にトルク指令値となるように制御可能に構成されている。また、ベクトル制御インバータ２６では、発電機内部の磁束とトルク電流とが独立となるように制御している。
また、コンバータ２４は、ベクトル制御インバータ２６に直流電圧を供給する共に、この直流電圧がほぼ一定となるように交流電源２２に回生電力を送っている。

【0014】

一方、トルク指令値形成部３０は、後述する波高値推定部３６から入力される波高推定値Ｐｍａｘ′より速度指令値ω_ｍ^＊を生成する速度指令値生成部３１と、この速度指令値生成部３１で生成された速度指令値ω_ｍ^＊と回転速度センサ４で検出されたタービン回転速度ω_ｍとが入力される速度調節部３２とを備えている。ここで、速度調節部３２は、図３に示すように、速度指令値生成部３１から入力される速度指令値ω_ｍ^＊が入力されフィードフォワード制御器３２ａと、速度指令値ω_ｍ^＊から回転速度センサ４から入力されるタービン回転速度ω_ｍを減算して速度偏差Δωを算出する減算器３２ｂとを備えている。

【0015】

また、速度調節部３２は、減算器３２ｂから出力される速度偏差Δωが入力されて比例積分制御処理を行うＰＩ調節器３２ｃと、フィードフォワード制御器３２ａの出力と、ＰＩ調節器３２ｃの出力とを加算してトルク指令値Ｔ^＊を算出する加算器３２ｄとを備えている。
この速度調節部３２の詳細な動作は後述する。
そして、速度調節部３２の加算器３２ｄから出力されるトルク指令値Ｔ^＊が前述したベクトル制御インバータ２６に供給される。

【0016】

また、トルク指令値形成部３０は、速度調節部３２から出力されるトルク指令値Ｔ^＊と発電機３に内蔵された回転速度センサ４から出力されるタービン回転速度ω_ｍとに基づいてタービントルク推定値Ｔ_t′を演算するタービントルク推定部３３と、このタービントルク推定部３３から出力されるタービントルク推定値Ｔ_t′と発電機３に内蔵された回転速度センサ４から出力されるタービン回転速度ω_ｍとに基づいて空気速度推定値Ｖｘ′を算出する空気速度推定部３４とを備えている。

【0017】

ここで、タービントルク推定部３３は、発電機３のトルク指令値Ｔｇ^＊を実際のトルクとほぼ一致すると見做して演算に用いている。ベクトル制御インバータ２６の内部で、より正確な瞬時トルクの演算機能があれば、この瞬時トルクを用いても同様の動作を実現することができる。
このタービントルク推定部３３では、下記数1に従ってタービントルク推定値Ｔ_ｔ′を算出する。

【数1】

ここで、τ_ｆはフィルタ時定数、ω_ｍは発電機回転速度、Ｊはタービンイナーシャである。発電機３の回転速度ω_ｍ及びタービンイナーシャＪを用いて数１の演算を行うことにより、時定数τ_ｆ〔ｓ〕の応答でタービントルクを推定することが可能である。

【0018】

また、空気速度推定部３４は、タービントルク推定部３３で前記数１に従って得られたタービントルク推定値Ｔ_ｔ′を用いて空気の流入速度Ｖ_ｘの推定値Ｖ_ｘ′の算出を行う。
図４に本実施形態のトルク係数と流量係数の関係を示す。本実施形態の発電機３の制御は、図４の破線で囲まれた部分に当るトルク及び流量係数で運転を行うものと仮定する。この条件に基づけば、タービンのトルク係数Ｃ_ｔは、

【数2】

の形の一次関数で表すことができる。

【0019】

ここで、Ｖ_ｘは空気の速度、Ｕ_ｔはタービン周速度であって、タービンの回転速度にタービン半径ｒを掛けた値である。ａ、ｂはトルク係数を一次近似するためのパラメータである。そして、空気速度推定部３４は、下記数３の演算を行うことによりタービントルク推定値Ｔ_ｔ′から空気の速度Ｖ_ｘの推定値Ｖ_ｘ′を算出する。

【数3】

ここで、Ｋは係数であってＫ＝（１／２）Ａρで表され、Ａはタービンの環状流路断面積、ρは空気の密度、ｒはタービン半径である。

【0020】

空気速度の推定値Ｖ_ｘ′を上記数３で表すことができる理由を下記に説明する。
タービントルクＴ_ｔは下記数４で表すことができる。

【数4】

【0021】

この数４を整理すると、下記数５に示される空気の速度Ｖ_ｘに関する三次方程式となる。

【数5】

ここで、関数ｆ(V_x)を

【数6】

と置く。

【0022】

したがって、関数ｆ(V_x)＝０の実数解が求める空気の速度Ｖ_ｘとなることが分かる。しかしながら、三次方程式の解を求める演算量を削減するため、関数ｆ(V_x)は下記数７のように近似することもできる。

【数7】

【0023】

図５は、数６と数７との計算例を示している。横軸が空気の速度Ｖ_ｘであり、縦軸が関数ｆ(V_x)の値である。この図５から明らかなように、ｆ(V_x)＝０の近傍では、数６と数７との計算結果が略一致している。したがって、数７を用いても精度良く近似できることが分かる。そこで、本実施形態では数７を整理した結果である前記数３を用いて空気の速度Ｖ_ｘの推定値Ｖ_ｘ′を算出している。

【0024】

さらに、トルク指令値形成部３０は、空気速度推定部３４から出力される空気速度推定値Ｖ_ｘ′に基づいて入力パワー推定値Ｐ_ｉｎ′を算出する入力パワー推定部３５と、この入力パワー推定部３５とから入力される入力パワーＰ_ｉｎ′を算出する波高値推定部３６とを備えている。この波高値推定部３６から出力される波高推定値が速度指令値生成部３１に入力される。

【0025】

ここで、入力パワー推定部３５は、空気速度推定部３４で推定した空気速度推定値Ｖ_ｘ′を用いて、タービンへの入力パワーを算出する。入力パワーを算出するに当り、差圧係数Ｃ_ａを求める必要がある。この差圧係数Ｃ_ａは、流量係数Ｖ_ｘ／Ｕ_ｔの関数であって、図６に示す関係となっている。流量係数Ｖ_ｘ／Ｕ_ｔから差圧係数Ｃ_ａを演算するに当り、次のような二次関数で図６の差圧係数Ｃ_ａを精度よく近似して、差圧係数Ｃ_ａを演算する。

【数8】

【0026】

入力パワーＰ_ｉｎは、タービン差圧と空気の流量の積によって与えられるが、差圧係数Ｃ_ａ、空気速度Ｖ_ｘ及びタービン周速度Ｕ_ｔを用いて下記数９で演算される。

【数9】

ここで、ｄＰはタービン差圧、Ｑは空気の流量である。

【0027】

また、波高値推定部３６は、入力パワーＰ_ｉｎの波高値Ｐ_ｍａｘを推定する。本実施形態では、入力パワーＰ_ｉｎの基本波を下記数１０で表現できると仮定する。

【数10】

ここで、ω_ｗは入力パワーが変化する角速度である。

【0028】

そして、波高値推定部３６の具体的構成は、図７に示すように、入力パワーの平方根演算部３６ａと、平方根の演算結果Ｐ_{ｉｎｓｑｒ}を入力とするトルク傾き検知部３６ｂと、入力パワーがゼロになる時刻を推定し、ゼロとなった時刻からの経過時間を出力する入力パワーゼロ時刻推定部としての時刻補正部３６ｃを備えている。
傾き検知部３６ａは、入力パワーＰ_ｉｎの推定値の平方根を取った値をサンプリング時間Ts[s]毎に観測しており、毎回前回値を保存している。傾きΔfは、入力パワーの平方根の今回値をＰ_{ｉｎｓｑｒ０}、入力パワーの平方根の前回値をＰ_{ｉｎｓｑｒ１}とすると、数１１により演算される。

【0029】

【数11】

【0030】

時刻補正部３６ｃでは、傾き検知部３６ｂで傾き検知演算を開始したのちに、入力パワーの平方根をサンプリングする。これをｆ（ｔ_１）とする。図８に、空気入力パワーがゼロから上昇している途中でのパワーの平方根の波形を示す。図４のトルク係数では、流量係数が０．０７以下の時のトルク係数は０になっている。すなわち、空気速度が一定値以下ではタービントルクは全く発生しない。ある一定値を超えるとトルクが発生するようになるため、推定したトルクからパワーを推定する本実施例では、観測される入力パワーの波形が０から不連続な形をしている。そこで、時刻補正部３６ｃでは入力パワーが０となる時刻からの経過時間ｔ_１０を数１２によって演算する。

【数12】

【0031】

次に、数１２によって演算された値は、実際の値よりも大きくなる傾向があるため、時刻補正部３６ｃは、経過時間ｔ_１０に対して数１３によって補正を行った経過時間ｔ_１１を出力する。

【数13】

ここで、ω_ａｖｅは、タービンに入力される平均的な空気パワーの変動の角周波数である。

【0032】

最後に、波高値演算部３６ｄは、波の平均周期ω_ａｖｅと時刻補正部３６ｃから出力される経過時間ｔ_１１とを乗算器３６ｅで乗算し、その乗算結果と、時刻補正部３６ｃから出力される入力パワーの平方根のサンプリング値ｆ（ｔ_１）とを演算部３６ｆに供給して、数１４の演算を行って、波高推定値Ｐ_ｍａｘ′を出力する。

【0033】

数１３と数１４ではタービンに入力される平均的な空気の変動の角周波数を用いている。これは、周期の変動の範囲が発電可能な波では±３０％程度であり、さらに円筒体に共振周波数が存在し、通過できる空気の振動周波数に制限があるため、平均的な角周波数を用いても、発電機を高効率に運転するために十分な、波高値の予測値が得られるためである。

【0034】

次に、速度指令値生成部３１では、推定した入力パワーの波高推定値Ｐ_ｍａｘ′を用いて、波高値が最大のときにタービンが最大効率となるように速度指令値ω_ｍ^＊を生成する。
ところで、タービンの効率と流量係数との関係は図９に示すようになる。この図９から分かるように、効率が最高となる所定の流量係数φ_maxが存在する。発電機３を制御する場合に、効率ができるだけ高いことが望ましいので、上述したように、波高値が最大のときに流量係数がφ_maxとなるように、数１５により、発電機３の回転速度指令値ω_ｍ^**を生成する。

【0035】

【数15】

ここで、φ_ｍａｘをタービンが最大効率が得られる流量係数であるとする。
これは、空気のパワーを表す数９に、最大効率の場合の空気速度と回転角周波数の関係Ｖ_Ｘ＝ｒω_ｍφ_ｍａｘを代入し、回転速度に関して整理した結果である。

【0036】

すなわち、速度指令値ω_ｍ^**は、入力パワーがＰ_ｍａｘ′となった場合に、最大効率が得られる速度指令値である。次に、速度指令値生成部３１から出力される、入力パワーの谷から谷までの期間の速度指令値ω_ｍ^*の例を図１０に示す。この図１０を参照して、速度指令値生成部３１の動作を説明する。この図１０で入力パワーがゼロとなる時刻をｔ＝０とおく。
速度指令値生成部３１は、波高値推定部３６が入力パワーの波高推定値Ｐ_ｍａｘ′を出力するまでの間すなわち図１０の期間Ｉではｔ＝０での回転速度ω_ｍ0を維持するような速度指令値ω_ｍ^＊が速度調節部３２へ出力される。

【0037】

次に、図１０の期間IIでは、波高推定値Ｐ_ｍａｘ′を用いて、ｔ＝（１／４）（１／２πω_ave）の時に回転速度が 数１５で表される値となるように、速度指令値ω_ｍ^＊(t)を設定する。すなわち、数１６で示される直線の関数に沿って速度指令値ω_ｍ^＊(t)が速度調節部３２へ出力される。

【数16】

【0038】

次に、入力パワーが最大値に達した後の図１０での期間IIIでは、入力パワーの波形が左右対象であると仮定して、数１６の傾きを負にした速度指令値ω_ｍ^*を生成する。
速度調節部３２では、図３に示すフィードフォワード制御器３２ａで、速度指令値ω_ｍ^＊を入力とし、下記数１７の演算を行ってトルク指令値Ｔ_ｆｆ^＊を出力する。

【数17】

ここで、Ｊはタービンの慣性モーメント、τ_ｆｆはフィードフォワード制御器３２ａの応答を決める時定数、ω_ｉｎ^＊は速度指令値である。フィードフォワード制御器３２ａの伝達関数は、時定数τ_ｆｆの応答で、発電機が加速するように与えられた速度指令値に必要なトルク指令値を演算している。

【0039】

また、図３に示すＰＩ調節器３２ｃは、下記数１８によってフィードバックトルク指令値Ｔ_ｆｂ^＊を出力する。このＰＩ調節器３２ｃは、速度指令値と実際の速度が一致するように、指令値との偏差ΔωをＰＩ演算することでフィードバックトルク指令値Ｔ_ｆｂ^＊を算出する。

【数18】

そして、フィードバックトルク指令値Ｔ_ｆｂ^＊とフィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｆｆ^＊とを加算器３２ｄで加算してトルク指令値Ｔ^＊としてベクトル制御インバータ２６へ出力する。

【0040】

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について図面を伴って説明する。
図１１は、第２の実施形態の概略構成を示すシステム構成図である。
この発電機は、波力発電用タービン２、発電機３、回転速度センサ４、交流電源２２、コンバータ２４、ベクトル制御インバータ２６、速度指令値生成部３１、速度調節部３２、タービントルク推定部３３、空気速度推定部３４、入力パワー推定部３５、波高値推定部３７からなる。
この中で、波高値推定部３７、速度指令値生成部３１以外のものは、第１の実施形態と同様な動作をするため、説明を省略する。

【0041】

次に、波高値推定部３７の動作を説明する。図１２に波高値推定部３７の構成図を示す。
波高値推定部３７は、入力パワーＰ_ｉｎが入力される平方根演算部３７ａと、算出された平方根の傾きを検知して、第１のトリガ信号および第２のトリガ信号を出力する傾き検知部３７ｂと、時刻補正部３７ｃと、平方根の傾きと第１のトリガ信号とに基づいて第１の波高値を推定する第１の波高値推定部３７ｄと平方根の傾きと第２のトリガ信号とに基づいて第２の波高値を推定する第２の波高値推定部３７ｅとを備えている。
時刻補正部３７ｃは、第１の実施例と同様に入力パワーがゼロとなる時刻を推定し、
そこからの経過時間を出力している。

【0042】

傾き検知部３７ｂは、入力パワーＰ_ｉｎの推定値の平方根を取った値を観測し、演算の開始に必要なトリガ信号を第１の波高値推定部３７ｄ及び第２の波高値推定部３７ｅに供給している。図１３は入力パワーの平方根の値とトリガ信号の出力タイミングを示している。この図１３に示すように、傾き検知部３７ｂは、入力パワーの平方根の値が減少して、０に達して、再び上昇する時刻を基準にして、この時刻から所定の時間Ｔ〔ｓ〕が経過した時刻ｔ１で第１のトリガ信号を第１の第１の波高値推定部３７ｄに入力する。さらに、時刻ｔ１から所定の時間Ｔ〔ｓ〕が経過した時刻ｔ２で第２のトリガ信号を第２の第２の波高値推定部３７ｅに入力する。

【0043】

第１の波高値推定部３７ｄでは、第１のトリガ信号を受けると同時に、平方根演算部３７ａから出力される平方根のｆ（ｔ_１）の値を記録する。この平方根の値ｆ（ｔ_１）を用いて下記数１９の演算を行って第１の波高推定値Ｐ_ｍａｘ１′を演算する。

【数19】

ここで、ω_ｗａｖｅは設計時に定められたタービンへ入力される平均的な空気振動の角周波数である。

【0044】

また、第２の波高値推定部３７ｅでは、第２のトリガ信号を受けると、平方根演算部３７ａから出力される平方根の値ｆ（ｔ_２）を記録するとともに、第１の波高値推定部３７ｄが記録した平方根の値ｆ（ｔ_１）が入力される。そして、平方根の値ｆ（ｔ_１）及びｆ（ｔ_２）を用いて下記数２０の演算を行って数Ｓ_１〜Ｓ_３を算出する。また、数Ｓ_３と平方根のｆ（ｔ_１）とを用いて下記数２０の演算を行って、入力エネルギーの振動の角周波数の推定値ω_ｗ′を演算する。

【数20】

【0045】

【数21】

上記数２１の演算で得られた入力エネルギーの振動の角周波数の推定値ω_ｗ′を用いて下記数２２の演算を行って、再度波高推定値を算出し、これを第２の波高推定値Ｐ_ｍａｘ2′として出力する。

【0046】

【数22】

上記のようにして波高値を推定できる理由を下記に説明する。先ず、入力パワーの平方根を取った値は下記数２３の時間関数で表される。

【0047】

【数23】

【0048】

ｔ＝Ｔ時点で数２３を２回時間微分すると下記数２４が導かれる。

【数24】

また、数２４を計算することによって、ｔ＝Ｔ〔ｓ〕周辺での２回微分を取ることになる。具体的には、数２０の数Ｓ_３が２回微分の計算結果である。したがって、入力エネルギーが正弦波状であるという仮定が成り立てば、入力エネルギーの角周波数が下記数２５で得られることになる。

【数25】

【0049】

こうして求めた角周波数ω_ｗを用いて、波高値を求める数２２を演算するため、平均的な周期を用いる場合に比べると正確な値を得ることができる。
そして、波高値推定部３７で推定した第１の波高推定値Ｐ_ｍａｘ１′及び第２の波高推定値Ｐ_ｍａｘ２′は、速度指令値生成部３１に入力される。
速度指令値生成部３１は、入力パワーが最大となるときに、タービン効率が最大となるよう速度指令値を生成する。ただし、波高値推定部３７は、ｔ＝Ｔ、ｔ＝２Ｔの時に波高値の推定値を演算した結果を出力するため、この値に合わせて速度指令値を変化させている。速度指令値生成部３１は、第１の波高推定値Ｐ_ｍａｘ１′および第２の波高推定値Ｐ_ｍａｘ２′が入力されると、数２６にしたがって、入力パワーが速度指令値ω_ｍ１^＊＊及びω_ｍ２^＊＊を演算する。

【数26】

図１４を参照して、速度指令値生成部３１の動作を説明する。この図１４で入力パワーがゼロとなる時刻をt=0とおく。速度指令値生成部３１は、波高値推定部３７が入力パワ１の波高推定値Ｐ_ｍａｘ1′を出力するまでの間すなわち図１４の期間Ｉではｔ＝０での回転速度ω_ｍ0を維持するような速度指令値ω_ｍ^＊が速度調節部３２へ出力される。

【0050】

次に、ｔ＝Ｔ〔ｓ〕〜２Ｔ〔ｓ〕の間すなわち図１４の期間IIでは、第1の波高推定値Ｐ_ｍａｘ１′を用いて、ｔ＝（１／４）（１／２πω_ave）の時に回転速度がω_ｍ１^＊＊となるように、速度指令値ω_ｍ^＊(t)を設定する。すなわち、数２７で示される直線の関数に沿って速度指令値ω_ｍ^＊(t)が速度調節部３２へ出力される。

【数27】

【0051】

次に、ｔ＝２Ｔ〜（１／４）（１／２πω_ｗ）の間（図１４での期間III）では、第２の波高推定値Ｐ_ｍａｘ２′を用いて、ｔ＝（１／４）（１／２πω_ｗ）の時に回転速度がω_ｍ２^＊＊になるように速度指令値ω_ｍ^＊(t)を設定する。すなわち、数２８で示される直線の関数に沿って速度指令値ω_ｍ^＊(t)が速度調節部３２へ出力される。

【数28】

【0052】

次に、入力パワーが最大値に達した後の図１４での期間IVでは、入力パワーの波形が左右対象であると仮定して、数２８の傾きを負にした速度指令値ω_ｍ^*を生成する。
このため、ベクトル制御インバータ２６で発電機３のトルクを制御することにより、入力パワーが最大に達する時にタービンが最適な速度になるように加速することができる。すなわち、現在のエネルギーの状態をフィードバックして最適な速度制御を行う場合に比べて、制御遅れを軽減することができる。また、第１の波高値を推定した後に、さらに第２の波高値を推定することにより、より正確な波高値を推定することができ、より正確に最適な速度指令値を作成することができ、タービンの効率を高めることができる。
なお、上記実施形態においては、タービントルク推定部３３を設けて、タービントルクを推定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、波力発電用タービン２にトルク検出部を設けて直接タービンで発生するタービントルクを検出するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１…円筒体、２…波力発電用タービン、３…発電機、４…回転速度センサ、１０…制御装置、２０…トルク制御部、２２…交流電源、２４…コンバータ、２６…ベクトル制御インバータ、３０…トルク指令値形成部、３１…速度指令値生成部、３２…速度調節部、３２ａ…フィードフォワード制御器、３２ｂ…減算器、３２ｃ…ＰＩ調節器、３２ｄ…加算器、３３…タービントルク推定部、３４…空気速度推定部、３５…入力パワー推定部、３６…波高値推定部、３６ａ…平方根演算部、３６ｂ…傾き検知部、３６ｃ…時刻補正部、３６ｅ…波高値演算部、３７…波高値推定部、３７ａ…平方根演算部、３７ｂ…傾き検知部、３７ｃ…時刻補正部、３７ｄ…第１の波高値検出部、３７ｅ…第２の波高値検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】