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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6935981
(24)【登録日】2021年8月30日
(45)【発行日】2021年9月15日
(54)【発明の名称】発電装置
(51)【国際特許分類】
H02P 9/00 20060101AFI20210906BHJP
【ＦＩ】
H02P9/00 F
【請求項の数】10
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2020-112222(P2020-112222)
(22)【出願日】2020年6月30日
【審査請求日】2020年6月30日
(73)【特許権者】
【識別番号】591036457
【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100110423
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道治
(74)【代理人】
【識別番号】100111648
【弁理士】
【氏名又は名称】梶並 順
(74)【代理人】
【識別番号】100147566
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100161171
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 潤一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100188514
【弁理士】
【氏名又は名称】松岡 隆裕
(72)【発明者】
【氏名】井上 雅博
【審査官】
佐藤 彰洋
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００７−０２３８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−０４４６０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−２６９７０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１９−１９３４８９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｐ ９／００−９／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
励磁電流を流すことで磁界を発生するとともに回転部に結合されて回転する励磁コイル、前記励磁コイルにより発生された前記磁界の変化により発電する発電コイル、および前記発電コイルの任意の一相の信号を出力するＰ端子、を含む電磁石発電機と、
前記電磁石発電機による発電を制御する制御部と、
前記制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、前記励磁コイルに前記励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子がＯＦＦ状態のときに、前記励磁電流を前記励磁コイルに還流させるフライホイルダイオードと、
前記制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、前記電磁石発電機の発電出力端子を短絡させる第２のスイッチング素子と、
を備え、
前記制御部は、
前記Ｐ端子からの信号により前記電磁石発電機の回転数を検出する回転検出部と、
前記回転検出部で検出された前記回転数に基づいて前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第１のスイッチング制御を行うことで、前記電磁石発電機の状態に応じた励磁電流制御を行うとともに、前記回転検出部で検出された前記回転数が、あらかじめ決められた上限回転数Ｎｍを超えることで過回転であると判定した場合には、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に前記第１のスイッチング制御を実行することで前記励磁電流として目標電流を流す励磁制御部と、
前記励磁制御部により前記第２のスイッチング素子がＯＮ状態に切り替わった時から、前記上限回転数Ｎｍより低い回転数としてあらかじめ決められた回転数Ｎｔになるまでの時間Ｔｔを測定し、測定した前記時間Ｔｔに基づいて、前記回転数Ｎｔになったときの予測風速を算出する風速予測部と、
を有し、
前記励磁制御部は、前記風速予測部により算出された前記予測風速に基づいて、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えてからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｃを決定する
発電装置。
前記電磁石発電機による発電を制御する制御部と、
前記制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、前記励磁コイルに前記励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子がＯＦＦ状態のときに、前記励磁電流を前記励磁コイルに還流させるフライホイルダイオードと、
前記制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、前記電磁石発電機の発電出力端子を短絡させる第２のスイッチング素子と、
を備え、
前記制御部は、
前記Ｐ端子からの信号により前記電磁石発電機の回転数を検出する回転検出部と、
前記回転検出部で検出された前記回転数に基づいて前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第１のスイッチング制御を行うことで、前記電磁石発電機の状態に応じた励磁電流制御を行うとともに、前記回転検出部で検出された前記回転数が、あらかじめ決められた上限回転数Ｎｍを超えることで過回転であると判定した場合には、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に前記第１のスイッチング制御を実行することで前記励磁電流として目標電流を流す励磁制御部と、
前記励磁制御部により前記第２のスイッチング素子がＯＮ状態に切り替わった時から、前記上限回転数Ｎｍより低い回転数としてあらかじめ決められた回転数Ｎｔになるまでの時間Ｔｔを測定し、測定した前記時間Ｔｔに基づいて、前記回転数Ｎｔになったときの予測風速を算出する風速予測部と、
を有し、
前記励磁制御部は、前記風速予測部により算出された前記予測風速に基づいて、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えてからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｃを決定する
発電装置。
【請求項2】
前記励磁制御部は、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に前記第１のスイッチング制御を実行する際に、前記励磁電流を徐々に前記目標電流まで変化させていくように、前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える
請求項１に記載の発電装置。
請求項１に記載の発電装置。
【請求項3】
前記励磁制御部は、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に前記第１のスイッチング制御を実行する際に、あらかじめ決められたブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を前記目標電流として、前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える
請求項１または２に記載の発電装置。
請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項4】
前記制御部は、前記励磁コイルに流れる前記励磁電流をフィードバック値として取得する励磁電流検出部をさらに有し、
前記励磁制御部は、前記第１のスイッチング制御として、前記フィードバック値が前記目標電流となるようにするフィードバック制御を実行する
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
前記励磁制御部は、前記第１のスイッチング制御として、前記フィードバック値が前記目標電流となるようにするフィードバック制御を実行する
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項5】
前記励磁制御部は、前記時間Ｔｃの期間において前記第１のスイッチング制御を実行中に前記回転検出部で検出された前記回転数が、前記回転数Ｎｔよりも低い回転数としてあらかじめ決められた極低回転数Ｎｂ以下となった場合には、あらかじめ決められたブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を前記目標電流として、前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第２のスイッチング制御を実行し、
前記風速予測部は、前記第２のスイッチング制御を実行中に前記回転検出部で検出された前記回転数に基づいて第２の予測風速を算出し、
前記励磁制御部は、前記第２の予測風速から前記時間Ｔｃが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄを決定する
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
前記風速予測部は、前記第２のスイッチング制御を実行中に前記回転検出部で検出された前記回転数に基づいて第２の予測風速を算出し、
前記励磁制御部は、前記第２の予測風速から前記時間Ｔｃが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄを決定する
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項6】
前記風速予測部は、第２のスイッチング素子のＯＮ状態が維持されている前記時間Ｔｄの期間において、前記時間Ｔｃの期間と同様にして前記第２の予測風速を再度算出し、
前記励磁制御部は、前記第２の予測風速から前記時間Ｔｄが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄｄを決定する
請求項５に記載の発電装置。
前記励磁制御部は、前記第２の予測風速から前記時間Ｔｄが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄｄを決定する
請求項５に記載の発電装置。
【請求項7】
前記風速予測部は、前記第２のスイッチング制御を実行中に前記第２の予測風速を算出する期間を複数の区分に分割し、前記複数の区分のそれぞれについて個別の予測風速を算出し、前記個別の予測風速に基づいて、前記期間に渡る平均風速および風速変化量を算出し、
前記励磁制御部は、前記平均風速および前記風速変化量から、前記時間Ｔｄを決定する
請求項５または６に記載の発電装置。
前記励磁制御部は、前記平均風速および前記風速変化量から、前記時間Ｔｄを決定する
請求項５または６に記載の発電装置。
【請求項8】
前記励磁制御部は、前記時間Ｔｃの期間において前記第１のスイッチング制御を実行中に前記回転検出部で検出された前記回転数が、前記回転数Ｎｔよりも低い回転数としてあらかじめ決められた極低回転数Ｎｂ以下となった場合には、前記極低回転数Ｎｂよりも低い回転数としてあらかじめ決められた回転数Ｎｓで一定となるように前記目標電流を設定して、前記第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第３のスイッチング制御を実行し、
前記風速予測部は、前記第３のスイッチング制御を実行中における前記目標電流に基づいて第３の予測風速を算出し、
前記励磁制御部は、前記第３の予測風速から前記時間Ｔｃが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄを決定する
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
前記風速予測部は、前記第３のスイッチング制御を実行中における前記目標電流に基づいて第３の予測風速を算出し、
前記励磁制御部は、前記第３の予測風速から前記時間Ｔｃが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄを決定する
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項9】
前記風速予測部は、第２のスイッチング素子のＯＮ状態が維持されている前記時間Ｔｄの期間において、前記時間Ｔｃの期間と同様にして前記第３の予測風速を再度算出し、
前記励磁制御部は、前記第３の予測風速から前記時間Ｔｄが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄｄを決定する
請求項８に記載の発電装置。
前記励磁制御部は、前記第３の予測風速から前記時間Ｔｄが経過した後、さらに第２のスイッチング素子をＯＮ状態に維持してからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｄｄを決定する
請求項８に記載の発電装置。
【請求項10】
前記風速予測部は、前記第３のスイッチング制御を実行中に前記第３の予測風速を算出する期間を複数の区分に分割し、前記複数の区分のそれぞれについて個別の予測風速を算出し、前記個別の予測風速に基づいて、前記期間に渡る平均風速および風速変化量を算出し、
前記励磁制御部は、前記平均風速および前記風速変化量から、前記時間Ｔｄを決定する
請求項８または９に記載の発電装置。
前記励磁制御部は、前記平均風速および前記風速変化量から、前記時間Ｔｄを決定する
請求項８または９に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、励磁電力を制御して発電を行う発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
風力エネルギー等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して各種機器の電力とする発電装置に関する従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、発電機が出力状態および短絡状態の何れであるかを認識する。
【0003】
そして、特許文献１に係る発電装置は、出力状態である場合には、出力状態用の回転速度・風力（風速）データテーブルを参照し、回転速度に対応した風力（風速）を求めている。一方、短絡状態である場合には、短絡状態用の回転速度・風力（風速）データテーブルを参照し、回転速度に対応した風力（風速）を求めている。
【0004】
また、特許文献１に係る発電装置は、短絡制動装置を作動した際には、風力発電機が設置される環境により任意に決定される所定時間を待機した後に、平均回転速度が制動解除値未満になった場合に、短絡制動装置を停止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第４６３９６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。特許文献１におけるこのような制御において短絡制動装置を作動させた場合には、プロペラはかなりの低回転になる。また、短絡ブレーキの作動力は、非常に強いため、短絡ブレーキ作動状態では、風速に応じた回転速度の変動がごくわずかとなってしまう。このために、回転速度と風速のデータテーブルの精度が良くない問題、回転検出に精度の良いエンコーダーを用いるため高価になる問題、などがあった。
【0007】
また、特許文献１に係る発電装置は、所定時間と平均回転速度のみで制動を解除している。このため、瞬間的な突風で高回転になった場合でも、一定時間発電ができない状態になることがあった。また、台風のときなどで、強風が間欠的に吹いているときには、その風の吹き方によっては、短絡制動装置を停止し、発電状態に復帰させ、発電制御に復帰させてしまうことで、危険性の高い高回転領域の動作になってしまうおそれがあった。
【0008】
本開示は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、設置環境の状態に応じた適切な発電を行うことのできる発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示に係る発電装置は、励磁電流を流すことで磁界を発生するとともに回転部に結合されて回転する励磁コイル、励磁コイルにより発生された磁界の変化により発電する発電コイル、および発電コイルの任意の一相の信号を出力するＰ端子、を含む電磁石発電機と、電磁石発電機による発電を制御する制御部と、制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、励磁コイルに励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子がＯＦＦ状態のときに、励磁電流を励磁コイルに還流させるフライホイルダイオードと、制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、電磁石発電機の発電出力端子を短絡させる第２のスイッチング素子と、を備え、制御部は、Ｐ端子からの信号により電磁石発電機の回転数を検出する回転検出部と、回転検出部で検出された回転数に基づいて第１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第１のスイッチング制御を行うことで、電磁石発電機の状態に応じた励磁電力制御を行うとともに、回転検出部で検出された回転数が、あらかじめ決められた上限回転数Ｎｍを超えることで過回転であると判定した場合には、第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に第１のスイッチング制御を実行することで励磁電流として目標電流を流す励磁制御部と、励磁制御部により第２のスイッチング素子がＯＮ状態に切り替わった時から、上限回転数Ｎｍより低い回転数としてあらかじめ決められた回転数Ｎｔになるまでの時間Ｔｔを測定し、測定した時間Ｔｔに基づいて、回転数Ｎｔになったときの予測風速を算出する風速予測部と、を有し、励磁制御部は、風速予測部により算出された予測風速に基づいて、第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えてからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｃを決定するものである。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、設置環境の状態に応じた適切な発電を行うことのできる発電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の実施の形態１に係る発電装置の全体構成図である。
【図2】本開示の実施の形態１におけるＴｔ、Ｖｔ、Ｔｃの対応関係があらかじめ設定されたマップの一例を示した図である。
【図3】本開示の実施の形態１において、予測平均風速Ｖｔから維持時間Ｔｃを特定するための説明図である。
【図4】本開示の実施の形態５において、ブレーキＯＮ時のプロペラ回転数とトルクとの関係を示した図である。
【図5】本開示の実施の形態５におけるＮｅまたはＮｅｄ、Ｖｔｄ、Ｔｄの対応関係があらかじめ設定されたマップの一例を示した図である。
【図6】本開示の実施の形態６における、一定回転制御時でのトルク変動に関する説明図である。
【図7】本開示の実施の形態６における風速に対する、トルク、励磁電流、ＤＵＴＹの対応関係を示した図である。
【図8】本開示の実施の形態１〜４を組み合わせた回転抑制制御に関する一連処理を示したフローチャートである。
【図9】本開示の実施の形態５、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理を示したフローチャートである。
【図10】本開示の実施の形態６、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本開示の発電装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、以下の各実施の形態では、風力発電を例に説明をするが、本開示に係る発電装置は、水力発電などに対しても、電磁石発電機を用いた発電機として同様のシステムを構築することができる。
【0013】
実施の形態１．図１は、本開示の実施の形態１に係る発電装置の全体構成図である。図１に示す全体構成図には、回転部に相当するプロペラ１０、電磁石発電機２０、制御機３０、蓄電部４１、および負荷４２が含まれている。
【0014】
電磁石発電機２０は、励磁コイル２１、発電コイル２２、整流器２３を有するとともに、Ｂ端子、Ｆａ端子、Ｆｂ端子、Ｐ端子の各端子を有して構成されている。励磁コイル２１は、電流を流すと磁界を発生させる電磁石になる、回転可能なコイルであり、風を回転エネルギーに変えるプロペラ１０に結合されている。励磁コイル２１の一端は、励磁コイル２１に電源を供給するＦａ端子に接続され、他端は、励磁コイル２１の電流を制御するためのＦｂ端子に接続されている。
【0015】
発電コイル２２は、励磁コイル２１の周辺に配置され、励磁コイル２１の回転による磁力変化で電力を発電する。整流器２３は、発電コイル２２の交流電圧を直流電圧に変換し、変換後の直流電圧を、発電出力端子に相当するＢ端子に出力する。また。Ｐ端子は、発電コイル２２の任意の一相から信号を取り出すための端子である。
【0016】
制御機３０は、スイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ２、フライホイルダイオードＤ１、ダイオードＤ２、制御部３１、および励磁電流検出器３２を備えて構成されている。
【0017】
第１のスイッチング素子に相当するスイッチング素子Ｑ１は、ＯＮ状態に切り替わることで、電磁石発電機２０の励磁コイル２１に電流を流すことができるスイッチング素子である。フライホイルダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦのときに、励磁コイル２１に還流させるためのダイオードである。
【0018】
第２のスイッチング素子に相当するスイッチング素子Ｑ２は、ＯＮ状態に切り替わることで、電磁石発電機２０の発電出力であるＢ端子を短絡させることができるスイッチング素子である。ダイオードＤ２は、スイッチング素子Ｑ２がＯＮした際に、蓄電部４１の電力をスイッチング素子Ｑ２に流さないためのダイオードであり、Ｂ端子と蓄電部４１との間に挿入されている。
【0019】
また、制御部３１は、回転検出部３１ａ、励磁制御部３１ｂ、励磁電流検出部３１ｃ、および風速予測部３１ｄを備えて構成されている。
【0020】
回転検出部３１ａは、Ｐ端子からの信号により、電磁石発電機２０の回転を回転情報として検出する。励磁制御部３１ｂは、回転検出部３１ａで検出された回転情報に基づいて、電磁石発電機２０の状態に応じた適切な励磁を行うように、スイッチング素子Ｑ１を制御する。
【0021】
励磁電流検出部３１ｃは、励磁電流検出器３２を介して、励磁コイル２１に流れる励磁電流値を検出する。なお、励磁電流検出部３１ｃは、本実施の形態１における必須の構成要件ではなく、詳細については、実施の形態４で詳述する。
【0022】
さらに、風速予測部３１ｄは、回転検出部３１ａおよび励磁制御部３１ｂの情報をもとに、風速を予測する。
【0023】
次に、具体的な動作について説明する。風によりプロペラ１０が回転し、プロペラ１０と接続された励磁コイル２１が回転すると、Ｐ端子に接続された回転検出部３１ａが、電磁石発電機２０の回転を検出する。励磁制御部３１ｂは、回転検出部３１ａで検出された電磁石発電機２０の回転数が発電可能な回転数になると、スイッチング素子Ｑ１を駆動して、励磁コイル２１に電流を流す。このとき、励磁制御部３１ｂは、ある決められた周波数でスイッチング素子Ｑ１をＤＵＴＹ駆動して、そのＤＵＴＹ比によって励磁コイルの電流を制御する励磁電流制御を行うことが一般的である。
【0024】
さらに風速が上がっていけば、電磁石発電機の回転数も上がっていくこととなる。そこで、風速がさらに上がっていき、電磁石発電機２０の回転数があらかじめ決められた上限回転数に相当する回転数Ｎｍ（ｒｐｍ）になったことが回転検出部３１ａで検出された場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮしてＢ端子を短絡すると同時に、ＤＵＴＹを１００％にしてスイッチング素子Ｑ１をＯＮにして、１００％の励磁電流を流すことで、電磁石発電機２０の負荷を大きくし、回転を抑制するブレーキトルクを発生させる。
【0025】
ここで、ある決められた回転数Ｎｍ（ｒｐｍ）は、プロペラ１０自体、あるいは電磁石発電機２０におけるプロペラ１０の取付け部などの機構物が過回転によって破壊しないために、あらかじめ決められた回転数である。電磁石発電機２０がＮｍ（ｒｐｍ）以下の回転数であれば、制御部３１内の励磁制御部３１ｂは、回転数に応じた適切な励磁電流を励磁コイル２１に流し、発電を行う。一方、回転数がＮｍ（ｒｐｍ）を超えると、励磁制御部３１ｂは、過回転が発生したと判定し、上述したように、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させ、この結果、回転数は、低下していく。
【0026】
励磁制御部３１ｂは、回転抑制を行った後、あらかじめ決められた回転数Ｎｔ（ｒｐｍ）まで回転が低下する時間Ｔｔ（ｓｅｃ）を計測する。時間Ｔｔ（ｓｅｃ）は、ブレーキトルクと風速から得られるプロペラトルクの差と、電磁石発電機２０の回転のイナーシャによって決まる。このため、時間Ｔｔ（ｓｅｃ）を測定することで、Ｑ２をＯＮ以降に回転数がＮｔ（ｒｐｍ）になるまでの予測平均風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）を予測することができる。
【0027】
さらに、励磁制御部３１ｂは、この予測平均風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）に基づいて、回転数がＮｔ（ｒｐｍ）以下になった際、現状の風速が発電に適しているので、スイッチング素子Ｑ２をすぐにＯＦＦして（Ｔｃ＝０）発電を再開させるべきか、あるいは、まだ現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２がＯＮの状態を時間Ｔｃ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきか、を決定することができる。
【0028】
図２は、本開示の実施の形態１におけるＴｔ、Ｖｔ、Ｔｃの対応関係があらかじめ設定されたマップの一例を示した図である。励磁制御部３１ｂは、一例として図２に示されたようなＴｔ、Ｖｔ、Ｔｄマップに従って、予測平均風速Ｖｔに応じて、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ状態を維持するための時間である維持時間Ｔｃを決めることができる。
【0029】
図３は、本開示の実施の形態１において、予測平均風速Ｖｔから維持時間Ｔｃを特定するための説明図である。図２のマップに基づいて、予測平均風速Ｖｔに応じて維持時間Ｔｃを特定するためには、図３において直線で示したように直線補完を行う、あるいは、図３において点線で示したように、近似曲線式を用いることが考えられる。
【0030】
以上のように、実施の形態１によれば、過回転ブレーキをかけた後の、復帰処理を実行することができる。すなわち、一度過回転Ｎｍ（ｒｐｍ）以上になった際、その後に強風が吹いていれば、その風速状況に合わせて、維持時間Ｔｃ（ｓｅｃ）が経過するまで、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ状態を継続して、回転の上昇を抑制することができる。この結果、強風時に再度発電を開始して過回転領域になることを防止でき、適切な復帰処理を可能とする発電装置を実現できる。
【0031】
さらに、平均風速は低いが一時的な突風により過回転になった場合には、時間Ｔｔ（ｓｅｃ）が短く、予測平均風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）が低い。このため、Ｎｔ（ｒｐｍ）回転になった後、すぐにスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦして発電を開始することができる。この結果、効率の良い発電が可能になる。また、この復帰時においては、予測平均風速Ｖｔの値によってスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹを制御することで、発電復帰時にすぐに適切な発電を行うことが可能となる。
【0032】
実施の形態２．前記実施の形態１においては、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ時に、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹを１００％で駆動する場合について説明した。この場合、大きな回転抑制ブレーキトルクが発生するとともに、急激な回転低下による急激な応力変動が発生するため、プロペラ１０自体、あるいは電磁石発電機２０におけるプロペラ１０の取付け部などの機構物に大きな機械的なダメージが発生するおそれがある。そこで、本実施の形態２では、このような機械的なダメージを抑制する手法について、説明する。
【0033】
本実施の形態２において、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ時に、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹを、ある一定時間（一例として、１ｓ程度）をかけて徐々に変化させていき、最終的に１００％にする制御を実行する。このような制御が実行されることで、急激な応力変動を抑制できるとともに、機械的なダメージも軽減できる。
【0034】
通常、永久磁石を用いた発電機では、このような制御はできない。しかしながら、本開示で使用している発電機は、電磁石発電機２０である。従って、実施の形態２によれば、電磁石発電機の発電出力であるＢ端子を短絡させた際に、徐々に電磁石の強度を変化させていくことができる。この結果、回転抑制ブレーキトルクを徐々に変化させ、機械的ダメージを減らす制御が可能になる。
【0035】
実施の形態３．先の実施の形態１また２において、プロペラ１０の半径に相当する風車径（風車能力）に対し、電磁石発電機２０の回転抑制ブレーキトルクが非常に高いケースでは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにした際に、スイッチング素子Ｑ１をＤＵＴＹ１００％で駆動すると、回転抑制ブレーキトルクが非常に大きくなる。このため、かなりの強風でも、回転数がＮｍ（ｒｐｍ）からＮｔ（ｒｐｍ）に達するまでの時間が非常に短時間となり、風速の予測精度が劣化することがあった。そこで、本実施の形態３では、このような風速予測精度の劣化を抑制する手法について、説明する。
【0036】
永久磁石を用いた発電機では、磁力を変化させることができないため、上述したケースにおいて風速予測精度の劣化を招くことはやむを得なかった。これに対して、本開示の電磁石発電機２０では、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにした際の回転抑制ブレーキトルクは、励磁電流に比例して変化する性質を持っている。
【0037】
そこで、本実施の形態３における励磁制御部３１ｂは、上述したように、風車性能と回転抑制ブレーキトルクとに大きな差がある場合には、風車能力と回転抑制ブレーキトルク能力からあらかじめ決めておいた回転抑制ブレーキトルクを発生させる励磁電流が流れるように、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う。本開示において、このようなＤＵＴＹ制御は、第１のスイッチング制御に相当する。
【0038】
これにより、電磁石発電機２０の回転抑制ブレーキトルク性能と風車径（風車能力）との最適なマッチングを取ることができ、回転数がＮｍ（ｒｐｍ）からＮｔ（ｒｐｍ）に至る時間を、精度よく風速を予測可能なある程度長めの時間に設定することができる。この結果、予測風速の計測精度が向上し、維持時間Ｔｃを適切に制御できる。
【0039】
先の実施の形態１において、図２、図３に示したような、時間Ｔｔから予測風速Ｖｔを推測し、維持時間Ｔｃを求めるマップ、あるいは近似式は、当然、上述したような最適なマッチングを取って励磁電流を流した時の値となるように合わせている。しかしながら、風車径に対し発電機能力が非常に大きい場合には、図２の時間Ｔｔの値が、１／１０から１／２０程度になる場合もある。この場合には、時間Ｔｔが非常に短時間である上に、回転検出を時間Ｔｔ以下の短時間で行う必要があるため、回転検出計測の実現に高額な費用が発生していた。
【0040】
しかしながら、本実施の形態３で説明したスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行うことで、回転検出計測に必要となる発生費用を抑制することができる。また、機械的ダメージを防止するためには、先の実施の形態２で説明したように、最適励磁電流が流れるＤＵＴＹをいきなり出力するのではなく、徐々にスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹを上げていくＤＵＴＹ制御を併用してもよい。
【0041】
通常、永久磁石を用いた発電機では、このような制御はできない。しかしながら、本開示で使用している発電機は、電磁石発電機２０である。従って、本実施の形態３によれば、風車能力と、発電機の回転抑制能力との差が大きい場合でも、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにした回転抑制ブレーキ中の予測風速を、低価格で、かつ精度よく測定でき、最適なブレーキ復帰のための制御を実現できる。
【0042】
実施の形態４．先の実施の形態１〜３において、励磁制御部３１ｂは、ある周波数でＤＵＴＹ制御して、励磁コイル２１の励磁電流を制御する場合について説明した。この場合、励磁コイル２１の温度が高くなると、励磁コイル２１の抵抗値が上がり、同じＤＵＴＹでは、励磁電流が低下する。また、この逆で、励磁コイル２１の温度が低くなると、励磁コイル２１の抵抗値が下がり、同じＤＵＴＹでは、励磁電流が上昇する。
【0043】
このため、同じＤＵＴＹでも、励磁コイル２１の温度によって励磁電流値が異なり、ブレーキトルクが異なってくる。このため、実施の形態１〜３における時間Ｔｔの精度が、温度によって変わってくる。そこで、本実施の形態４では、励磁コイル２１の温度によって時間Ｔｔの精度が低下してしまうことを抑制する手法について、説明する。
【0044】
励磁コイル２１の温度変化によって時間Ｔｔの精度が低下してしまうことを防止するために、本実施の形態４では、先の図１に示した励磁電流検出部３１ｃによって、励磁電流を検出する。
【0045】
上述したように、電磁石発電機の回転抑制トルクは、励磁電流に比例して変化する。そこで、本実施の形態４における励磁制御部３１ｂは、先の実施の形態１から３で説明したような、あらかじめ決めておいた回転抑制トルクが発生する励磁電流を目標電流Ｉｔとして設定する。さらに、励磁制御部３１ｂは、励磁電流検出部３１ｃによって検出された励磁電流Ｉｍをフィードバック値として取得する。そして、励磁制御部３１ｂは、フィードバック値である励磁電流Ｉｍが、目標電流Ｉｔとなるように、励磁ＤＵＴＹを変化させるフィードバック制御を行う。
【0046】
フィードバック制御の具体的な手法としては、ＰＩ制御などを用いて、効率よく励磁電流Ｉｍを目標電流Ｉｔに合わせることが一般的である。
【0047】
以上のように、実施の形態４によれば、実際に流れる励磁電流をフィードバック値として検出してフィードバック制御を行うことで、温度変化によって変動する目標の回転抑制トルクを、正確に発生させることができる。この結果、励磁コイルの温度によって時間Ｔｔの精度が低下してしまうことを抑制し、温度に依存せずに風速予測の精度向上を図ることができる。
【0048】
実施の形態５．先の実施の形態１〜４では、回転数がＮｍからＮｔになるまでの時間を計測して、風速予測を実施し、回転数がＮｔになった後に、維持時間Ｔｃに渡って回転抑制ブレーキをかけ続ける制御を実施していた。
【0049】
すなわち、実施の形態１〜４の制御では、回転数がＮｔ（ｒｐｍ）以下まで低下した後、すぐにスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦにするか、または維持時間Ｔｃの間はスイッチング素子Ｑ２をＯＮに維持した後にスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦにすることで、発電状態に戻す制御を行っていた。
【0050】
しかしながら、自然の風況では、維持時間Ｔｃの間、スイッチング素子Ｑ２をＯＮしている状態においても、風況が大きく変化する場合が起こり得る。このような場合には、スイッチング素子Ｑ２を不必要にＯＦＦし、通常発電に復帰させてしまうことで、再度過回転になる状況が発生し、プロペラ１０などの機構部に不必要に過度の応力が発生してしまうおそれがあった。そこで、本実施の形態５では、維持時間Ｔｃ中においても風速を予測し、その予測結果を維持時間Ｔｃの経過後の制御に活用する場合について、詳細に説明する。
【0051】
本実施の形態５では、維持時間Ｔｃの期間中でも風速を予測して、維持時間Ｔｃの期間が経過後に、Ｑ２のＯＮをさらに継続すべきか否かを判断するアルゴリズム追加している。その際に、維持時間Ｔｃに渡ってスイッチング素子Ｑ２をＯＮさせ、回転抑制ブレーキトルクを発生させ続けると、回転数が低下していく。この結果、風速に対する回転数（すなわち、プロペラ１０の周速比）がどんどん低くなり、プロペラ効率は、どんどん低下していくこととなり、最終的には極低回転数Ｎｂ以下でプロペラ１０が回転を続ける。
【0052】
図４は、本開示の実施の形態５において、ブレーキＯＮ時のプロペラ回転数とトルクとの関係を示した図である。図４において、点線は、プロペラ回転数に対する永久磁石電動機の回転抑制ブレーキトルクを示しており、一点鎖線は、プロペラ回転数に対する電磁石発電機２０の最適な回転抑制ブレーキトルクを示しており、実線は、各風速におけるプロペラトルクを示している。
【0053】
点線および一点鎖線で示したように、発電機の回転抑制ブレーキトルクは、特に低回転領域では、回転数にほぼ比例して変化していく。このため、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにしたブレーキ状態では、各風速のプロペラトルク（実線）と、発電機のブレーキトルク（点線または一点鎖線）との交点の回転数になる。よって、この極低回転の回転数を検出することで、ブレーキ動作中の風速を予測することができる。
【0054】
なお、図４において、各風速のプロペラトルクは、回転数に対しほぼ一定の値になっているように見える。しかしながら、実際には、トルクは、各風速においてプロペラ１０の周速比から得られる回転数まで上がっていき、その回転数でトルクがピークになり、それ以上の回転数では、低下していく。ただし、図４は、その中で極低回転の部分のみの示しているため、回転数に対しほぼ一定の値のトルクとなっているように見えている。
【0055】
図４に示したグラフに関して、具体的な数値を用いてさらに詳細に説明する。点線は、プロペラ１０と永久磁石発電機（または、電磁石発電機２０でＤＵＴＹ１００％の励磁電流を流したとき）の特性を、正規化したトルクで示す例である。上述したように、プロペラ回転数は、各風速のプロペラトルクと発電機のブレーキトルクとの交点の回転数になる。
【0056】
このため、図４で例示したグラフにおいて、プロペラ回転数は、風速１０ｍ／ｓでは約０．３ｒｐｍに、風速６０ｍ／ｓでは約３ｒｐｍになることがわかる。この極低回転数Ｎｂａを測定することで、ブレーキ動作中の風速予測が可能になる。
【0057】
したがって、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにする維持時間Ｔｃの期間に、あらかじめ決めておいた回転数Ｎｂ以下になった際に、あらかじめ決めておいた最適ブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を流すようにＤＵＴＹ制御を行い、励磁電流を制御する。本開示において、このようなＤＵＴＹ制御は、第２のスイッチング制御に相当する。
【0058】
このようにして励磁電流を制御している時間を時間Ｔｓ１とすると、風速予測部３１ｄは、時間Ｔｓ１内のＮｂａの平均回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）に従って、風速を予測することができる。これに対して、励磁制御部３１ｂは、風速予測部３１ｄにより予測された、時間Ｔｓ１における風速を第２の予測風速として用いて、時間Ｔｓ１の経過後に、スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ条件を変更することができる。
【0059】
このように、時間Ｔｓ１に渡る風速予測結果に基づいて、時間Ｔｓ１の経過後にスイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ条件を変更するアルゴリズムを追加することができる。この結果、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ期間における風況の大きな変化に対しても、不必要にスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦして通常発電に復帰することで、再度過回転になるなどの状況を防止することができ、プロペラ１０などの機構部に不必要に過度の応力が発生してしまうことを防止できる。
【0060】
ここで、時間Ｔｓ１は、維持時間Ｔｃから、回転数がＮｔからあらかじめ決められた極低回転数Ｎｂ以下になるまでの時間を差し引いた時間として設定してもよいし、回転数がＮｂ以下になった際に改めて任意の時間を設定し直してもよい。
【0061】
しかしながら、回転変動量ΔＮｂａは、風速１０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓで、０．３ｒｐｍ〜３ｒｐｍと、ごく僅かである。このため、この変動量で、１０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓを検知する必要があり、高精度のロータリーエンコーダーなどの高価な回転検出機が必要だった。
【0062】
これに対して、本開示で使用している発電機は、電磁石発電機２０である。このため、上記のような回転数を風速に変換する際の風速に対する回転数変動量を大きくし、計測のダイナミックレンジを広げ、安い機器構成で精度よく回転数の検出ができるため、精度の良い風速予測が可能になる。この方法を、先の図４を用いて詳細に説明する。
【0063】
図４において一点鎖線で示した電磁石電動機の最適ブレーキトルク特性のように、プロペラ性能と電磁石ブレーキトルク性能から、ブレーキ時の励磁電流（またはＤＵＴＹ）をあらかじめ決めておき、ブレーキトルクを最適化しておくことができる。この結果、各風速に対して収束する回転数は、図４のように、風速１０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓで、ΔＮｂｂを１ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの範囲で制御することができる。
【0064】
このため、計測のダイナミックレンジを広げることができ、安価な回転検出機で風速予測の精度を向上させることができる。そして、励磁制御部３１ｂは、この精度の良い予測風速に従って、時間Ｔｓ１が経過した際に、現状の風速が発電に適しているのでスイッチング素子Ｑ２をすぐにＯＦＦして（Ｔｄ＝０）発電を再開させるべきか、あるいは、まだ現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｓ１の経過後も、さらに時間Ｔｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきか、を決定することができる。
【0065】
図５は、本開示の実施の形態５におけるＮｅまたはＮｅｄ、Ｖｔｄ、Ｔｄの対応関係があらかじめ設定されたマップの一例を示した図である。励磁制御部３１ｂは、上述した決定を行うに当たり、図５に示したマップを用いることができる。具体的には、励磁制御部３１ｂは、このマップに従って、ブレーキをかけている時の回転数Ｎｅから、予測風速Ｖｔｄを算出し、算出した予測風速Ｖｔｄに従って時間Ｔｄを決定することができる。なお、時間Ｔｄを決定する際に、励磁制御部３１ｂは、図５に示したマップによる直線補完あるいは近似曲線式による補完を行うことができる。
【0066】
なお、先の実施の形態３でも、本実施の形態５と同様に、励磁ＤＵＴＹをあらかじめ決めておく励磁電流のＤＵＴＹ制御を行っていた。ただし、本実施の形態５では、回転数がＮｔよりさらに低いＮｂ以下であるため、周速比もさらに低く、プロペラ効率は、さらに低下している。このため、本実施の形態５における励磁電流のＤＵＴＹ制御では、先の実施の形態３におけるＤＵＴＹ制御よりも、さらに低い値の励磁ＤＵＴＹとなるのが一般的である。
【0067】
以上のように、実施の形態５によれば、ブレーキ時の電磁石発電機の励磁ＤＵＴＹをあらかじめ最適化しておくことで、風速に対する回転数変化分を大きくすることができ、風速予測の精度を向上させることができる。
【0068】
実施の形態６．先の実施の形態５では、風速予測をする際に、励磁電流を一定にして、そのブレーキトルクとプロペラトルクとがつりあう回転数を計測する場合について説明した。これに対して、本実施の形態６では、Ｎｂ回転以下になった際に、風速が変化しても、あらかじめ決めている回転数Ｎｓ（≦Ｎｂ）で一定回転になるように、励磁電流を制御する場合について説明する。
【0069】
図６は、本開示の実施の形態６における、Ｎｓ一定回転制御時でのトルク変動に関する説明図である。本実施の形態６において、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにする時間Ｔｓ１の期間において、あらかじめ決めておいた回転数Ｎｓ（図６ではＮｓ＝５ｒｐｍ）になるように、トルクを制御する。
【0070】
例えば、図６に示すように、励磁制御部３１ｂは、５ｒｐｍ一定回転とするためには、風速１０ｍ／ｓではトルク０．５を発生するように、また風速６０ｍ／ｓではトルク１８を発生するように、励磁電流を制御することで、所望のトルクを発生させることができる。
【0071】
このように、本実施の形態６では、励磁制御部３１ｂは、各風速に対し回転数を一定にするためのトルクを発生させる励磁電流値を流すことができるように、ＤＵＴＹ制御を実行する。本開示において、このようなＤＵＴＹ制御は、第３のスイッチング制御に相当する。
【0072】
回転数を一定制御する手法としては、一般的なＰＩ制御のようなフィードバック制御を採用することができる。
【0073】
この手法を用いる際に、風速予測部３１ｄは、回転を一定に保つために励磁制御部から出力しているＤＵＴＹ値から、その時の励磁電流値を予測し、その電流値からトルクを予測し、その結果として、その時の風速を予測し、第３の予測風速とすることができる。
【0074】
また、風速予測部３１ｄは、励磁電流検出部３１ｃで検出した電流計測値からトルクを予測し、その結果として、その時の風速を予測し、第３の予測風速としてもよい。
【0075】
一般的に、プロペラトルクは、風速の２乗に比例する。このため、風速に対するトルクは、全風速で測定する必要は無く、ある風速で測定したトルクから、下式（１）を用いて算出することもできる。トルク＝Ｋ×（風速）２ （１）
【0076】
図７は、本開示の実施の形態６における風速に対する、トルク、励磁電流、ＤＵＴＹの対応関係を示した図である。一例として、図７では、一定回転５ｒｐｍにする際の風速とトルクとの関係を示している。風速が１０ｍ／ｓ時のトルクのみを測定し、そのときのトルクが０．５であったとすれば、Ｋの値を上式（１）から算出すると、下式（２）のようになる。Ｋ＝０．５／（風速）２＝０．００５ （２）
【0077】
このＫ値を用いて、各風速時に５ｒｐｍに制御した際のトルクを算出でき、図７のような数値を得ることができる。このとき、トルクと励磁電流、励磁電流とＤＵＴＹは、ともに比例関係にある。このため、これらの数値に関しても、下式（３）、（４）を用いて、単純な計算で求めることができる。励磁電流＝トルク／５ （３）
ＤＵＴＹ＝励磁電流×２０ （４）
【0078】
従って、上式（３）、（４）から、下式（５）、（６）が成立するので、風速予測部３１ｄは、励磁電流およびＤＵＴＹから、下式（５）、（６）を用いて風速を予測することが可能となる。風速＝（励磁電流×５／Ｋ）１／２ （５）
風速＝（ＤＵＴＹ／４Ｋ）１／２ （６）
【0079】
また、風速予測部３１ｄは、プロペラの空力シミュレーションを用い、トルク計算を実施してもよい。
【0080】
図７の関係、上式（５）、（６）などから、風速を予測することができる。このとき、励磁制御部３１ｂは、トルクを０．５から１８に制御するには、励磁電流を約０．１Ａから３．６Ａで制御するように、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹを制御してやればよい。
【0081】
励磁コイル２１に流せる最大電流値を５Ａ（ＤＵＴＹ＝１００％）とした場合には、例えば、ＤＵＴＹに換算しても２％から７２％の変化を与えることで、励磁電流を約０．１Ａから３．６Ａに制御でき、所望のトルクを出すことができる。このため、１０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓの変動が、励磁電流では０．１から３．６Ａ、またＤＵＴＹでは２から７４の大きな変化で表現される。この結果、風速予測部３１ｄは、時間Ｔｓ１内の風速を、特別な高精度の計測機を使用せずに、精度よく予測することができる。さらに、風速予測部３１ｄは、時間Ｔｓ１内の複数の時刻での予測風速から、Ｔｓ１内の平均風速を予測することができる。
【0082】
励磁制御部３１ｂは、風速予測部３１ｄにより予測された平均風速を用いて、スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ条件を変更することができる。従って、このようなスイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ条件を変更するアルゴリズムを追加することで、さらに精度の高い回転抑制を実現することができる。
【0083】
そして、励磁制御部３１ｂは、このような精度の良い予測風速に従って、時間Ｔｓ１が経過した際に、現状の風速が発電に適しているのでスイッチング素子Ｑ２をすぐにＯＦＦして（Ｔｄ＝０）発電を再開させるべきか、あるいは、まだ現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｃの経過後も、にさらに時間Ｔｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきか、を決定することができる。
【0084】
励磁制御部３１ｂは、上述した決定を行うに当たり、図５に示したマップを用いることができる。具体的には、励磁制御部３１ｂは、このマップに従って、ブレーキをかけている時の回転数Ｎｅから、予測風速Ｖｔｄを算出し、算出した予測風速Ｖｔｄに従って時間Ｔｄを決定することができる。なお、時間Ｔｄを決定する際に、励磁制御部３１ｂは、図５に示したマップによる直線補完あるいは近似曲線式による補完を行うことができる。
【0085】
この方法を採用することで、永久磁石を使用した発電機、あるいはＤＵＴＹ１００％の励磁電流を流したときの電磁石発電機２０において、スイッチング素子Ｑ２をＯＮにしてブレーキをかけている際の微小な回転変動を測定して風速を予測するよりも、はるかに精度よく風速予測をすることができる。
【0086】
そして、励磁制御部３１ｂは、このような精度の良い予測風速に従って、時間Ｔｓ１が経過した際に、現状の風速が発電に適しているのでスイッチング素子Ｑ２をすぐにＯＦＦして（Ｔｄ＝０）発電を再開させるべきか、あるいは、まだ現状の風速が過回転になりそうな強風速のため。スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｃの経過後も、にさらに時間Ｔｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきか、を決定することができる。
【0087】
以上のように、実施の形態６によれば、ブレーキ時に回転数をＮｂ一定に保つように励磁ＤＵＴＹを制御し、そのＤＵＴＹ値から風速予測することで、計測のダイナミックレンジが広くなり、精度の良い風速予測が可能になる。
【0088】
実施の形態７．本実施の形態７では、時間Ｔｄ中にも、先の実施の形態５、６と同様に、予測風速を再度算出し、必要に応じて、時間Ｔｄの経過後にも、再度、時間Ｔｄｄのタイマーを設ける場合について説明する。
【0089】
本実施の形態７では、時間Ｔｄのタイマー時間中も、維持時間Ｔｃ中と同様にして、Ｔｄ時間内の平均回転数Ｎｅｄを求め、平均回転数Ｎｅｄからブレーキ追加時間Ｔｄｄを決定し、時間Ｔｄの経過後に、さらに時間Ｔｄｄ分だけブレーキ時間を追加する。
【0090】
また、必要に応じて、時間Ｔｄｄ内においても、時間Ｔｄ内と同様にして、平均回転数を求め、時間Ｔｄｄの経過後のブレーキ時間を決定することができる。さらに、それ以降も、同様の処理を繰り返す制御ループを適用することができる。
【0091】
実施の形態７によれば、このようなアルゴリズムで制御ループを動作させることで、風速が強く過回転になるおそれのある時には、スイッチング素子Ｑ２のＯＮを継続して低速回転を維持し、また、風況が発電に適した状況になった後に、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦして発電モードに復帰させることができる。この結果、風力発電機の機械的ストレスを最大限に減少させることができ、かつ、効率の良い風力発電システムを構築できる。
【0092】
実施の形態８．先の実施の形態５〜７においては、あらかじめ決めておいた最適ブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を流すように励磁電流を制御している時間に相当する時間Ｔｓ１の期間で平均風速を予測する場合について説明した。これに対して、本実施の形態８では、時間Ｔｓ１内をあらかじめ決められた複数個のデータに区分し、その区分ごとの個別の予測風速を算出し、個別の予測風速に基づいて算出される平均風速および個別の予測風速の変化量を考慮して、時間Ｔｄを決定する場合について説明する。
【0093】
本実施の形態８では、時間Ｔｓ内の各区分の平均風速から、風速がどの程度の上昇傾向にあるか、あるいは下降傾向にあるかを示す風速変化量ΔＦを算出し、時間Ｔｓ１内の平均風速に対し、風速変化量ΔＦの大きさをパラメータにして、時間Ｔｄを決定する。
【0094】
例えば、時間Ｔｓ１内の平均風速に対して、風速変化量ΔＦ値が大きく変化しない場合には、時間Ｔｄを使用する。一方、風速変化量ΔＦがプラスで上昇傾向にある場合には、その風速変化量ΔＦに比例するブレーキタイマー値Ｔｘｕを、時間Ｔｄにさらに加えてブレーキ時間を長く設定することができる。また、風速変化量ΔＦがマイナスで下降傾向にある場合には、負の値であるΔＦに比例するブレーキタイマー値Ｔｘｄを時間Ｔｄから差し引いてブレーキ時間を短く設定することができる。
【0095】
また、風速変化量ΔＦが同等の値であっても、時間Ｔｓ１内の平均風速の違いに応じて、ブレーキタイマー値Ｔｘｕ、Ｔｘｄの値を適切に設定することで、時間Ｔｓ１の経過付近の風況によって、時間Ｔｄを適切に決定できる。この結果、より精度よく、風況にあったブレーキ制御が可能になる。
【0096】
なお、上述したような、変化量を考慮した制御は、時間Ｔｓ１だけでなく、時間Ｔｄ、および時間Ｔｄｄにおいても、同様に適用可能である。
【0097】
実施の形態８によれば、平均風速を複数の区分に渡って算出することで、風速変化量ΔＦを考慮した上で、適切なブレーキ時間を設定できる。この結果、１つの平均風速だけを用いる場合と比較して、より精度よく、風況にあったブレーキ制御が可能になる。
【0098】
なお、上述した実施の形態５〜８では、時間Ｔｓ１内、時間Ｔｄ内、時間Ｔｄｄ内において、あるいはそれらの時間を複数の区分に分割した時間内において、平均風速を求める場合について説明した。しかしながら、それらの時間内における平均風速以外にも、瞬間最大風速、瞬間最低風速などをさらに考慮して、ブレーキ制御を行うことができる。この結果、設置場所の風況に応じて、適切なブレーキ制御を実行でき、精度向上を図るが可能となる。
【0099】
最後に、実施の形態１〜４を組み合わせた回転抑制制御に関する一連処理、実施の形態５、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理、および実施の形態６、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理のそれぞれについて、フローチャートを用いて整理して説明する。
【0100】
まず始めに、実施の形態１〜４を組み合わせた回転抑制制御に関する一連処理について説明する。図８は、本開示の実施の形態１〜４を組み合わせた回転抑制制御に関する一連処理を示したフローチャートである。ステップＳ８０１において、励磁制御部３１ｂは、回転検出部３１ａで検出された電磁石発電機２０の回転数が、発電可能な回転数としてあらかじめ設定された回転数Ｎｍ（ｒｐｍ）以上になったか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、回転数がＮｍ以上になったと判定した場合には、ステップＳ８０２の処理に進む。
【0101】
ステップＳ８０２に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、所定の回転抑制トルクを発生させる励磁電流が流れるようにスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う第１のスイッチング制御を実行する。
【0102】
さらに、ステップＳ８０３において、励磁制御部３１ｂは、この第１にスイッチング制御を実行中に、所定の回転抑制トルクを発生させる励磁電流を目標電流Ｉｔとして設定する。そして、励磁制御部３１ｂは、励磁電流検出部３１ｃによって検出された励磁電流Ｉｍをフィードバック値として取得し、Ｉｔ＝Ｉｍとなるように、励磁電流に関するフィードバック制御を行う。
【0103】
次に、ステップＳ８０４において、励磁制御部３１ｂは、回転抑制を行った後、あらかじめ決められた回転数Ｎｔ（ｒｐｍ）まで回転が低下する時間に相当するＴｔ（ｓｅｃ）を計測するとともに、ステップＳ８０５において、回転数がＮｔ（ｒｐｍ）以下になったか否かを判定する。
【0104】
そして、励磁制御部３１ｂは、回転数がＮｔ以下になっていないと判定した場合には、ステップＳ８０２の処理に戻り、回転数がＮｔ以下になったと判定した場合には、ステップＳ８０６の処理に進む。
【0105】
ステップＳ８０６に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、先のステップＳ８０４において計測された時間Ｔｔ（ｓｅｃ）から、スイッチング素子Ｑ２のＯＮ状態を継続させるための維持時間Ｔｃ（ｓｅｃ）を決定する。
【0106】
次に、ステップＳ８０７において、励磁制御部３１ｂは、時間Ｔｔ（ｓｅｃ）が経過した後、先のステップＳ８０２と同様に、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御として、第１のスイッチング制御を実行する。
【0107】
次に、ステップＳ８０８において、励磁制御部３１ｂは、第１のスイッチング制御を実行中に、先のステップＳ８０３と同様に、Ｉｔ＝Ｉｍとなるように、励磁電流に関するフィードバック制御を行う。
【0108】
以上の一連処理を実行することで、先の実施の形態１〜４で説明した効果を実現できる。
【0109】
次に、実施の形態５、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理について説明する。図９は、本開示の実施の形態５、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理を示したフローチャートである。図９では、第１のスイッチング制御に加え、第２のスイッチング制御を実行することで、ブレーキ時間追加制御を行う場合の一連処理が示されている。
【0110】
ステップＳ９０１において、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、所定の回転抑制トルクを発生させる励磁電流が流れるようにスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う第１のスイッチング制御を実行する。
【0111】
さらに、ステップＳ９０２において、励磁制御部３１ｂは、この第１にスイッチング制御を実行中に、回転数が極低回転数Ｎｂ（ｒｐｍ）以下になったか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、回転数がＮｂ以下になっていないと判定した場合には、ステップＳ９０１の処理に戻り、回転数がＮｂ以下になったと判定した場合には、ステップＳ９０３の処理に進む。
【0112】
ステップＳ９０３に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、あらかじめ決めておいた最適ブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を流すようにスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う第２のスイッチング制御を、時間Ｔｓ１の間、実行する。
【0113】
さらに、ステップＳ９０４において、励磁制御部３１ｂは、この第２にスイッチング制御を実行中に、時間Ｔｓ１における平均回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）を求める。
【0114】
次に、ステップＳ９０５において、励磁制御部３１ｂは、平均回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）に基づいて、時間Ｔｓ１経過後に追加するブレーキ追加時間Ｔｄ（ｓｅｃ）を決定する。
【0115】
次に、ステップＳ９０６において、励磁制御部３１ｂは、ステップＳ９０５で決定したブレーキ追加時間Ｔｄが０であるか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄが０の場合には、現状の風速が発電に適しており、発電を再開すべきと判定し、一連処理を終了する。
【0116】
一方、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄが０でない場合には、現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｓ１の経過後も、さらにブレーキ追加時間Ｔｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきであると判定し、ステップＳ９０７以降の処理に進む。
【0117】
ステップＳ９０７に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、あらかじめ決めておいた最適ブレーキトルクを発生するための最適励磁電流を流すようにスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う第２のスイッチング制御を、ブレーキ追加時間Ｔｄの間、実行する。
【0118】
さらに、ステップＳ９０８において、励磁制御部３１ｂは、この第２にスイッチング制御を実行中に、時間Ｔｄにおける平均回転数Ｎｅｄ（ｒｐｍ）を求める。
【0119】
次に、ステップＳ９０９において、励磁制御部３１ｂは、平均回転数Ｎｅｄ（ｒｐｍ）に基づいて、時間Ｔｄ経過後にさらに追加するブレーキ追加時間Ｔｄｄ（ｓｅｃ）を決定する。
【0120】
次に、ステップＳ９１０において、励磁制御部３１ｂは、ステップＳ９０９で決定したブレーキ追加時間Ｔｄｄが０であるか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄｄが０の場合には、現状の風速が発電に適しており、発電を再開すべきと判定し、一連処理を終了する。
【0121】
一方、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄｄが０でない場合には、現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｄの経過後も、さらにブレーキ追加時間Ｔｄｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきであると判定し、ステップＳ９０７以降の処理に戻り、ステップＳ９０７〜ステップＳ９１０の処理を繰り返すこととなる。
【0122】
以上の一連処理を実行することで、先の実施の形態５、７、８で説明した効果を実現できる。
【0123】
次に、実施の形態６、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理について説明する。図１０は、本開示の実施の形態６、７、８を組み合わせたブレーキ時間追加制御に関する一連処理を示したフローチャートである。図１０では、第１のスイッチング制御に加え、第３のスイッチング制御を実行することで、ブレーキ時間追加制御を行う場合の一連処理が示されている。
【0124】
ステップＳ１００１において、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、所定の回転抑制トルクを発生させる励磁電流が流れるようにスイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御を行う第１のスイッチング制御を実行する。
【0125】
さらに、ステップＳ１００２において、励磁制御部３１ｂは、この第１にスイッチング制御を実行中に、回転数が極低回転数Ｎｂ（ｒｐｍ）以下になったか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、回転数がＮｂ以下になっていないと判定した場合には、ステップＳ１００１の処理に戻り、回転数がＮｂ以下になったと判定した場合には、ステップＳ１００３の処理に進む。
【0126】
ステップＳ１００３に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、あらかじめ決めておいた回転数Ｎｓ（≦Ｎｂ）で一定回転になるように励磁電流を制御する第３のスイッチング制御を、時間Ｔｓ１の間、実行する。
【0127】
さらに、ステップＳ１００４において、励磁制御部３１ｂは、この第３にスイッチング制御を実行中に、時間Ｔｓ１内における励磁電流とＤＵＴＹから、時間Ｔｓ１の経過時点での風速を予測する。
【0128】
次に、ステップＳ１００５において、励磁制御部３１ｂは、時間Ｔｓ１経過時点での予測風速に基づいて、時間Ｔｓ１経過後に追加するブレーキ追加時間Ｔｄ（ｓｅｃ）を決定する。
【0129】
次に、ステップＳ１００６において、励磁制御部３１ｂは、ステップＳ１００５で決定したブレーキ追加時間Ｔｄが０であるか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄが０の場合には、現状の風速が発電に適しており、発電を再開すべきと判定し、一連処理を終了する。
【0130】
一方、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄが０でない場合には、現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｓ１の経過後も、さらにブレーキ追加時間Ｔｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきであると判定し、ステップＳ１００７以降の処理に進む。
【0131】
ステップＳ１００７に進んだ場合には、励磁制御部３１ｂは、スイッチング素子Ｑ２をＯＮし、Ｂ端子で発電した電力を短絡することで、回転抑制のトルクを発生させるとともに、あらかじめ決めておいた回転数Ｎｓ（≦Ｎｂ）で一定回転になるように励磁電流を制御する第３のスイッチング制御を、時間Ｔｄの間、実行する。
【0132】
さらに、ステップＳ１００８において、励磁制御部３１ｂは、この第３にスイッチング制御を実行中に、時間Ｔｄ内における励磁電流とＤＵＴＹから、時間Ｔｄの経過時点での風速を予測する。
【0133】
次に、ステップＳ１００９において、励磁制御部３１ｂは、時間Ｔｄ経過時点での予測風速に基づいて、時間Ｔｄ経過後にさらに追加するブレーキ追加時間Ｔｄｄ（ｓｅｃ）を決定する。
【0134】
次に、ステップＳ１０１０において、励磁制御部３１ｂは、ステップＳ１００９で決定したブレーキ追加時間Ｔｄｄが０であるか否かを判定する。そして、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄｄが０の場合には、現状の風速が発電に適しており、発電を再開すべきと判定し、一連処理を終了する。
【0135】
一方、励磁制御部３１ｂは、ブレーキ追加時間Ｔｄｄが０でない場合には、現状の風速が過回転になりそうな強風速のため、スイッチング素子Ｑ２のＯＮの状態を時間Ｔｄの経過後も、さらにブレーキ追加時間Ｔｄｄ（ｓｅｃ）だけ継続し、風速が収まるのを待つべきであると判定し、ステップＳ１００７以降の処理に戻り、ステップＳ１００７〜ステップＳ１０１０の処理を繰り返すこととなる。
【0136】
以上の一連処理を実行することで、先の実施の形態６、７、８で説明した効果を実現できる。
【0137】
以上のように、本開示によれば、設置環境の状態に応じた適切な発電を行うことのできる発電装置を得ることができる。
【符号の説明】
【0138】
１０ プロペラ、２０ 電磁石発電機、２１ 励磁コイル、２２ 発電コイル、２３ 整流器、３０ 制御機、３１ 制御部、３１ａ 回転検出部、３１ｂ 励磁制御部、３１ｃ 励磁電流検出部、３１ｄ 風速予測部、３２ 励磁電流検出器、４１ 蓄電部、４２ 負荷。
【要約】
【課題】設置環境の状態に応じた適切な発電を行うことのできる発電装置を得る。【解決手段】励磁コイルおよび発電コイルを含む電磁石発電機と、電磁石発電機による発電を制御する制御部と、ＯＮ状態に切り替わることで励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、ＯＮ状態に切り替わることで電磁石発電機の発電出力端子を短絡させる第２のスイッチング素子と、を備え、制御部は、回転数に基づいて励磁電力制御を行うとともに、過回転であると判定した場合には、第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えると同時に、励磁電流として目標電流を流す励磁制御部と、予測風速を算出する風速予測部と、を有し、励磁制御部は、予測風速に基づいて、第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り替えてからＯＦＦ状態に戻すまでの時間Ｔｃを決定する。
【選択図】図１