特許 7021745 流体発電システム、流体発電システムの制御方法および流体発電装置の制御装置

(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】

(24)【登録日】2022-02-08

(45)【発行日】2022-02-17

(54)【発明の名称】流体発電システム、流体発電システムの制御方法および流体発電装置の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/14 20060101AFI20220209BHJP

   H02P 9/00 20060101ALI20220209BHJP

   H02P 101/15 20150101ALN20220209BHJP

   H02P 103/20 20150101ALN20220209BHJP

【ＦＩ】

H02P9/14 E

H02P9/00 F

H02P101:15

H02P103:20

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018086012

(22)【出願日】2018-04-27

(65)【公開番号】P2019193489

(43)【公開日】2019-10-31

【審査請求日】2021-03-08

(73)【特許権者】

【識別番号】504205521

【氏名又は名称】国立大学法人 長崎大学

(73)【特許権者】

【識別番号】593145663

【氏名又は名称】協和機電工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100174643

【弁理士】

【氏名又は名称】豊永 健

(72)【発明者】

【氏名】樋口 剛

(72)【発明者】

【氏名】横井 裕一

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－１２３９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５１０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６１４０６（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】

流体によって回転する翼車と前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機とを備えて前記発電機の発電電力を負荷に供給する流体発電システムの制御方法において、
前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数求める第１ステップと、
前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、
前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、
前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、
前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、
前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、
を有することを特徴とする流体発電システムの制御方法。

【請求項2】

前記第４ステップは、現時点の回転速度および現時点の電機子電流の値も用いて前記目標誘起電圧定数を求めることを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項3】

前記第３ステップは、前記第２の回転速度の解が複数存在する場合には、より安定性の高い解を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項4】

前記第３ステップは、前記第２の回転速度の解が複数存在する場合には、前記翼車の性能および前記発電機の性能に基づいて一つの解を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項5】

前記第１ステップは、前記発電機の現時点の回転速度から求めた現時点の逆トルクと現時点の回転速度との組み合わせに合致するように前記翼車トルク・回転速度関数を求めるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項6】

前記第１ステップは、前記発電機の現時点の電機子電流から求めた現時点の逆トルクと現時点の回転速度との組み合わせに合致するように前記翼車トルク・回転速度関数を求めるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項7】

前記翼車トルク・回転速度関数は、前記翼車のトルクが回転速度に比例する直線で近似されたものであることを特徴とする請求項１に記載の流体発電システムの制御方法。

【請求項8】

流体によって発電して発電電力を負荷に供給する流体発電システムにおいて、
流体によって回転する翼車と、
前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機と、
前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数を求める第１ステップと、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、を行う制御装置と、
を有することを特徴とする流体発電システム。

【請求項9】

流体によって回転する翼車と、前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機と、を備えて発電電力を負荷に供給する流体発電装置の制御装置において、
前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数を求める第１ステップと、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、を行うことを特徴とする流体発電装置の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風車や水車などの翼車とそれに連結した界磁可変型の発電機で発電する流体発電システム、その制御方法、および、その制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電システムなどにおいて、発電機として巻線型誘導発電機や永久磁石同期発電機が用いられている。しかしながら、巻線型誘導発電機を用いたシステムでは、ブラシとスリップリングおよび増速機に起因する不具合が生じる場合がある。また永久磁石同期発電機を用いた発電システムでは、永久磁石に起因する不具合が生じる場合がある。

【0003】

これらの不具合に対処するため、界磁可変型の発電機を用いる場合がある。特許文献１には、風力発電において、風車出力が最大となるように励磁電流を制御する方法が開示されている。特許文献２には、発電電力が最大発電量を超える場合に励磁電流を制御する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－９３２７４号公報

【文献】特開２００９－２４０１６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

界磁可変型の発電機を用いる風力発電システムにおいて、風車出力が最大となるように直流励磁電流を回転速度の平方根に比例して制御する方法がある。しかし、これは最大出力の風車トルク特性が、（定数）×（回転速度）^２であること、および、当該（定数）が風速に依らず一定であることを前提としている。このような風車のトルク特性は特異的であり、それとは異なる特性を持つ種々の風車に一般化することはできない。また、負荷の変動を考慮していないため、負荷変動があるシステムには適用できない。

【0006】

界磁可変型の発電機を用いる発電システムにおいて、発電電力が最大発電電力を超える場合に励磁電流を抑制して発電機の出力電力を抑制する方法がある。この方法は、最大発電電力を定格出力として、定格出力を超える風速では弱め界磁で制御する。しかし、風車のトルク特性によっては、定格出力を超える風速において強め界磁によって定格出力になる解も存在するため、その場合の制御には適用できない。

【0007】

そこで、本発明は、風車や水車などの翼車と界磁可変型の発電機とを用いる流体発電システムにおいて、種々の翼車特性に対して、負荷変動がある場合でも、翼車出力が定格出力以下の流速から定格出力を超える流速まで統一的に制御できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的を達成するため、本発明は、流体によって回転する翼車と前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機とを備えて前記発電機の発電電力を負荷に供給する流体発電システムの制御方法において、前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数求める第１ステップと、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、を有することを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、流体によって発電して発電電力を負荷に供給する流体発電システムにおいて、流体によって回転する翼車と、前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機と、前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数を求める第１ステップと、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、を行う制御装置と、を有することを特徴とする。

【0010】

また、本発明は、流体によって回転する翼車と、前記翼車に軸が連結されて励磁巻線に印加する励磁電流の値によって逆トルクの値が定まる発電機と、を備えて発電電力を負荷に供給する流体発電装置の制御装置において、前記流体の流速および前記翼車の回転速度から前記翼車の翼車トルクを求める翼車トルク・回転速度関数群を用いて現時点の流速に合致する翼車トルク・回転速度関数を求める第１ステップと、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が最大となる第１回転速度とそのときの最大出力値を求める第２ステップと、前記最大出力値が定格出力値以下の場合は、前記翼車の目標回転速度を前記第１回転速度とし、前記翼車の目標トルクを前記最大出力値を前記目標回転速度で除した値とし、前記最大出力値が定格出力値を超える場合は、前記翼車トルク・回転速度関数を用いて前記翼車の出力が定格出力値となる第２の回転速度を求めて目標回転速度を前記第２の回転速度とし、目標トルクを定格出力値を前記目標回転速度で除した値とする第３ステップと、前記目標回転速度と前記目標トルクとから目標誘起電圧定数を求める第４ステップと、前記発電機の誘起電圧定数と前記励磁電流の関係を示す誘起電圧定数・励磁電流関数を用いて前記目標誘起電圧定数に対応する目標励磁電流を求める第５ステップと、前記目標励磁電流を前記励磁巻線に印加して前記発電機に目標逆トルクを発生させるプロセスと、を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、風車や水車などの翼車と界磁可変型の発電機とを用いる流体発電システムにおいて、種々の翼車特性に対して、負荷変動がある場合でも、翼車出力が定格出力以下の流速から定格出力を超える流速まで統一的に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態のブロック図である。

【図2】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における発電機の一部の横断面図である。

【図3】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における発電機の動作概念図である。

【図4】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における誘導起電力と回転速度の関係を示すグラフである。

【図5】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における誘起電圧定数と励磁電流の関係を示すグラフである。

【図6】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における翼車トルク特性を示すグラフである。

【図7】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態における制御装置６の演算フロー図である。

【図8】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態において所定の回転速度とトルクになる点を持つ翼車トルク特性の例を示すグラフである。

【図9】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態において所定の回転速度とトルクになる点を持つ翼車トルク特性の他の例を示すグラフである。

【図10】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態において翼車出力特性の例を示すグラフである。

【図11】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態において翼車トルク特性上で制御目標点の例を示すグラフである。

【図12】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態において翼車出力特性を示す他の例のグラフである。

【図13】本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態の翼車トルク特性において制御目標点の他の例を示すグラフである。

【図14】本発明に係る風力発電システムの第２の実施の形態の翼車トルク特性を示すグラフである。

【図15】本発明に係る風力発電システムの第２の実施の形態の翼車出力トルク特性上で制御目標点の例を示すグラフである。

【図16】本発明に係る風力発電システムの第２の実施の形態の翼車出力トルク特性において制御目標点の他の例を示すグラフである。

【図17】本発明に係る風力発電システムの第３の実施の形態の翼車トルク特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明に係る風力発電システムのいくつかの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0014】

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る風力発電システムの第１の実施の形態のブロック図である。

【0015】

本実施の形態の風力発電システムは、翼車１と発電機３と励磁装置５と制御装置６と回転速度計７と電流計８とを有している。翼車１の軸２は、発電機３の回転軸に直結されている。発電機３の発電電力は、負荷４に供給される。

【0016】

発電機３の励磁巻線には、励磁装置５により交流励磁電流が印加される。励磁装置５は、たとえばインバータである。

【0017】

制御装置６は、励磁電流を決定する。制御装置６は、データ記憶部６１と演算処理部６２を備えている。回転速度計７は、発電機３の回転子の回転速度を計測する。回転速度計７は、制御装置６に対して計測した回転速度値を出力する。電流計８は、発電機３の電機子巻線に流れる電流を計測する。電流計８は、制御装置６に対して計測した電流値を出力する。制御装置６は、決定した励磁電流実効値を励磁装置５に指令値として与える。

【0018】

図２は、本実施の形態における発電機の一部の横断面図である。

【0019】

本実施の形態では、３相・４極で毎極毎相のスロット数が３の分布全節巻の場合を例として示すが、これに限定されない。

【0020】

回転軸３１は、翼車１の軸２と直結される。回転子３２には４つの突極３２１が形成されている。各々の突極３２１には、界磁巻線３２２が捲回されている。

【0021】

固定子３３には、複数のスロット３３１が設けられている。スロット３３１は、右上サブスロット３３１１、右下サブスロット３３１２、左上サブスロット３３１３、左下サブスロット３３１４の４つの領域に分かれている。固定子３３には電機子巻線３３２と励磁巻線３３３が捲回されている。スロット３３１の右側サブスロット（右上サブスロット３３１１および右下サブスロット３３１２）は、電機子巻線に対応している。左側サブスロット（左上サブスロット３３１３および左下サブスロット３３１４）は、励磁巻線に対応している。スロット３３１は３個を組にしている。３個のスロット３３１で構成される組は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに対応している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するスロット３の組は、周方向に順番に配列されている。

【0022】

電機子巻線３３２は、たとえばＵ相Ｕ１の右上サブスロット３３１１から上方に抜け、呼応する－Ｕ相Ｕ１の右下サブスロット３３１２を通って下方に抜けている。励磁巻線３３３は、たとえばＵ相Ｕ２の左上サブスロット３３１３から上方に抜け、呼応する－Ｕ相Ｕ２の左下サブスロット３３１４を通って下方に抜けている。

【0023】

図３は、本実施の形態における発電機の動作の概念図である。

【0024】

回転子３２の界磁巻線３２２の各極の巻線の両端子又は４極の巻線を直列に接続した巻線の両端子にはダイオード３２３が接続されている。

【0025】

固定子３３の励磁巻線３３３には、次式で与えられる励磁電流が流される。

【0026】

ｉ_ａ＝Ｉ_ｆ（ｔ）ｃｏｓθ
ｉ_ｂ＝Ｉ_ｆ（ｔ）ｃｏｓ（θ－２π／３）
ｉ_ｃ＝Ｉ_ｆ（ｔ）ｃｏｓ（θ－４π／３）
θ＝ωｔ
ここで、Ｉ_ｆ（ｔ）は、時間変化する電流ある。図３の例において、Ｉ_ｆ（ｔ）は三角波であり、その実効値はＩ_fである。θは、回転子３２の回転角度である。回転子３２の回転角度は、図示しない角度検出センサにより検出されている。なお、回転速度計７を、回転角度を計測してそれを時間微分することで回転速度を求める形式の回転速度計にすれば、当該回転速度計で回転子３２の回転角度を検出することもできる。その結果、固定子３３の励磁巻線３３３に流れる励磁電流は、回転子３２の回転角度と同期している。この場合、回転子３２が作る界磁鎖交磁束Φの向きは、図３におけるＡ矢印の方向となる。界磁巻線３２２に接続したダイオード３２３の働きにより、回転子３２が作る界磁鎖交磁束Φの向きは時間に対してほぼ一定の値となり、回転子３２が作る界磁鎖交磁束Φの大きさはＩ_f（ｔ）の実効値Ｉ_fに比例する。したがって、発電機３は、界磁ΦをＩ_fで制御できる同期発電機となる。

【0027】

この発電機３を直流機近似すると、次の式が成り立つ。

【0028】

Ｅa＝Ｋ_Ｇω
＝（Ｒ＋ｒ_a）I_a
Ｔ_Ｇ＝Ｋ_ＧＩ_a
＝（Ｋ_Ｇ ^２／（Ｒ＋ｒ_a））ω
Ｅa：誘導起電力
Ｋ_Ｇ：誘起電圧定数
ω：回転速度（回転角速度）
Ｒ：抵抗負荷
ｒ_a：電機子巻線抵抗
Ｉ_a：電機子電流
Ｔ_Ｇ：発電機逆トルク
図４は、本実施の形態における誘導起電力Ｅaと回転速度ωの関係を示すグラフである。図４の横軸は回転速度、縦軸は誘導起電力である。

【0029】

図４に示すように、誘導起電力Ｅａは回転速度ωに対してほぼ直線状に増加し、この勾配が誘起電圧定数Ｋ_Ｇである。誘導起電力Ｅａの勾配は、励磁電流実効値Ｉ_ｆによって変化し、励磁電流実効値Ｉ_fが大きいほど勾配が急になる。

【0030】

図５は、本実施の形態における誘起電圧定数Ｋ_Ｇと励磁電流実効値Ｉ_ｆの関係を示すグラフである。図５の横軸は励磁電流実効値、縦軸は誘起電圧定数である。

【0031】

励磁電流実効値Ｉ_ｆが小さい領域では、誘起電圧定数Ｋ_Ｇは励磁電流実効値Ｉ_ｆにほぼ比例して増加する。誘起電圧定数Ｋ_Ｇは、励磁電流実効値Ｉ_ｆが大きくなると、発電機３の磁気飽和により逓減する。誘起電圧定数Ｋ_Ｇは、限界励磁電流Ｉ_ｆＬでＫ_ＧＬとなった後は、それ以上増加しなくなる。この誘起電圧定数Ｋ_Ｇと励磁電流実効値Ｉ_ｆの関係を、誘起電圧定数・励磁電流関数と呼ぶこととする。誘起電圧定数Ｋ_Ｇが励磁電流実効値Ｉ_ｆに比例する領域でしか風力発電システムを使用しない場合には、当該比例定数を持つ比例式が誘起電圧定数・励磁電流関数となる。

【0032】

図６は、本実施の形態における翼車トルク特性を示すグラフである。図６の横軸は回転速度ω、縦軸は翼車トルクＴ_Ｗである。

【0033】

翼車トルクは、回転速度がゼロから回転速度の上昇とともに徐々に上昇する。翼車トルクは、回転速度ω_ｐにおいて最大点ｐとなり、回転速度ω_０でゼロとなる。翼車トルク特性は、風速によって変化する。風速νが大きくなるに従って、翼車トルク特性の最大点ｐおよびそのときの回転速度ω_ｐは大きくなる。また、風速νが大きくなるに従って、翼車トルクがゼロとなる回転速度ω_０も大きくなる。この翼車トルク特性を、翼車を製作した後の風洞実験にて、いくつかの風速について測定し、記録する。この特性を翼車トルク・回転速度関数と呼ぶことにし、それを複数の風速に応じて記憶して翼車トルク・回転速度関数群と呼ぶことにする。翼車トルク・回転速度関数は、たとえば、所定の風速に応じた曲線を多項式近似した関係式とすることができる。

【0034】

誘起電圧定数・励磁電流関数、および翼車トルク・回転速度関数群は、データ記憶部６１に記憶される。

【0035】

次に、本実施の形態の風力発電システムの制御方法を説明する。

【0036】

図７は、本実施の形態における制御装置６の演算フロー図である。

【0037】

第１ステップでは、翼車トルク特性Ｔｗを特定する。別途設置する風速計で風速を計測することができる場合は、計測した現時点の風速と合致する風速の翼車トルク・回転速度関数を翼車トルク・回転速度関数群から選択する（Ｓ１）。

【0038】

しかし、一般に風速は翼車の上方部と下方部で異なること、また翼車の羽根による乱流の影響により、翼車近傍に設置した風速計では実効風速を正確に測定することができないことが多い。そこで、発電機の逆トルクと翼車トルクが釣り合いの関係にあることから、現時点の回転速度ω_ｃと発電機の逆トルクＴ_Ｇｃから、以下のようにして風速を推定してもよい。

【0039】

現時点の発電機逆トルクＴ_Ｇｃは、次式で表される。

【0040】

Ｔ_Ｇｃ＝（Ｋ_Ｇｃ ^２／（Ｒ_ｃ＋ｒ_a））×ω_ｃ
ω_ｃ：現時点の回転速度
Ｋ_Ｇｃ：現時点の誘起電圧定数
Ｒ_ｃ：現時点の負荷抵抗
ｒ_a：電機子巻線抵抗
Ｋ_Ｇｃは既知であり、電機子巻線抵抗ｒ_aは変化せず、また現時点の負荷抵抗Ｒ_ｃに変動がなければ、初期状態において既知の値とすることができるので、Ｔ_Ｇｃはω_ｃによって決まる。現時点の回転速度ω_ｃは、回転速度計７にて計測する。

【0041】

負荷変動がある場合には、電流計８にて計測した現時点の電機子電流Ｉ_ａｃと現時点の誘起電圧定数Ｋ_Ｇｃから以下の式で発電機逆トルクＴ_Ｇｃを求める。

【0042】

Ｔ_Ｇｃ＝Ｋ_Ｇｃ×Ｉ_ａｃ
つまり、負荷変動がない場合には、現時点での回転速度ω_ｃを回転速度計７にて計測し（Ｓ２）、その回転速度から発電機逆トルクＴ_Ｇｃを求める（Ｓ４）。負荷変動がある場合には、現時点での電機子電流Ｉ_ａｃを電流計８にて計測し（Ｓ３）、その電機子電流Ｉ_ａｃから発電機逆トルクＴ_Ｇｃを求める（Ｓ４）。

【0043】

図８は、本実施の形態において所定の回転速度とトルクになる点を持つ翼車トルク・回転速度関数を示すグラフである。

【0044】

図８に示すように、回転速度ω_ｃにおいて翼車トルクＴ_Ｗｃ＝Ｔ_Ｇｃ＝Ｔ_ｃとなる点を通る翼車トルク特性として、風速ν_１が推定され、現時点の翼車トルク・回転速度関数が特定される（Ｓ５）。

【0045】

図９は、本実施の形態において所定の回転速度とトルクになる点を持つ翼車トルク・回転速度関数の他の例を示すグラフである。

【0046】

図９は、風速に応じたデータが離散的であるために一致する点が無い場合の例である。所定のω_ｃ、Ｔ_ｃを通る破線で示す翼車トルク曲線を、風速ν_１と風速ν_２の翼車トルク曲線から補間演算によって求めてもよい。

【0047】

第２ステップでは、翼車の出力特性を求める。

【0048】

図１０は、本実施の形態において翼車出力特性の例を示すグラフである。図１０の横軸は回転速度ω、縦軸は翼車出力Ｐ_Ｗである。

【0049】

翼車出力Ｐ_Ｗ＝翼車トルクＴ_Ｗ×回転速度ωであるため、翼車出力特性は、図１０のような曲線となる。回転速度がゼロ、および、翼車トルクがゼロとなる回転速度ω_０において翼車出力Ｐ_Ｗはゼロとなり、回転速度ω_ｍにおいて最大値Ｐ_Ｗｍとなる。このω_ｍは翼車トルクが最大となる回転速度ω_ｐよりも大きい。

【0050】

つまり、翼車出力特性Ｐ_ｗを翼車トルクＴ_Ｗおよび回転速度ωから求め（Ｓ６）、その翼車出力特性Ｐ_ｗから翼車出力が最大となる回転速度ω_ｍおよびそのときの最大値Ｐ_Ｗｍを求める（Ｓ７）。

【0051】

第３ステップでは、制御目標回転速度および制御目標トルクを求める。

【0052】

図１１は、本実施の形態において翼車トルク・回転速度関数上で制御目標点の例を示すグラフである。

【0053】

翼車出力最大値Ｐ_Ｗｍが定格出力以下か否かを判定し（Ｓ８）、翼車出力最大値Ｐ_Ｗｍが定格出力以下ならば、制御目標をこの点にする（Ｓ９）。すなわち目標回転速度ω_ｔ＝ω_ｍとし、これに対応する目標トルクＴ_ｔ＝Ｐ_Ｗｍ／ω_ｔとする。これは図１１の翼車トルク・回転速度関数において、回転速度ω_ｔに対応するＴ_ｔであり、すなわち図１１における白丸（〇）で示す点が制御目標となる。

【0054】

図１１の直線１は、この〇点を通る発電機の逆トルク特性であり、以下の式が成立する。

【0055】

Ｔ_ｔ＝（Ｋ_Ｇｔ ^２／（Ｒ_ｃ＋ｒ_a））×ω_ｔ
Ｋ_Ｇｔ：目標誘起電圧定数
Ｒ_ｃ：現時点の負荷抵抗
ｒ_a：電機子巻線抵抗
すなわち、図１１の直線１は、勾配が（Ｋ_Ｇｔ ^２／（Ｒ_ｃ＋ｒ_a））の直線となる。

【0056】

電機子巻線抵抗ｒ_aが変化せず、また現時点の負荷抵抗Ｒ_ｃに変動がなければ、両者とも初期状態において既知の値とすることができるので、Ｋ_Ｇｔは上式で決まる（Ｓ１３）。

【0057】

しかし、負荷変動がある場合には、（Ｒ_ｃ＋ｒ_a）を、現時点の回転速度ω_ｃと現時点の電機子電流Ｉ_ａｃにより、以下の式で求め、その値を用いて目標誘起電圧定数Ｋ_Ｇｔを求める（Ｓ１３）。

【0058】

（Ｒ_ｃ＋ｒ_a）＝Ｋ_Ｇｃ×ω_ｃ／Ｉ_ａｃ
Ｋ_Ｇｃ：現時点の誘起電圧定数
ω_ｃ：現時点の回転速度
Ｉ_ａｃ：現時点の電機子電流
このようにして求めた目標誘起電圧定数Ｋ_Ｇｔに対して、誘起電圧定数・励磁電流関数により、対応する目標励磁電流実効値Ｉ_ｆtを求め（Ｓ１４）、励磁装置５への指令値とする。

【0059】

図１１の直線２は、現時点の励磁電流による発電機の逆トルク特性であり、図中の黒丸（●）で示す点において翼車トルクと交差している。この状態から図中の白丸（○）で示す点と交差する直線１のように励磁電流を変化させることは、いわゆる強め界磁とすることである。図１１中矢印Ａの領域では、直線１の逆トルクが翼車トルクを上回っているため、翼車に制動力として作用し、回転速度を減少させ、矢印Ａ方向に漸近していく。図１１において白丸（○）で示す点より更に回転速度が減少すると、翼車トルクのほうが逆トルクを上回るため、翼車を加速して回転速度を上昇させ、結果的に白丸（○）で示す点に収束する。

【0060】

次に翼車出力最大値Ｐ_Ｗｍが定格出力Ｐ_Ｗｒを超えた場合について説明する。

【0061】

図１２は、本実施の形態において翼車出力特性を示す他の例のグラフである。図１３は、本実施の形態において翼車トルク・回転速度関数上で制御目標点の他の例を示すグラフである。

【0062】

図１２の翼車出力において、白丸（○）で示す点が最大出力であり、それ以下の定格出力Ｐ_Ｗｒとなる解は２つ存在する（Ｓ１０）。これらの解は、回転速度の小さいω_ｔ１における黒四角（■）で示す点と、回転速度の大きいω_ｔ２における白四角（□）で示す点である。目標回転速度をω_ｔ１とする場合の目標翼車トルクは、Ｔ_ｔ１＝Ｐ_Ｗｒ／ω_ｔ１である（Ｓ１１）。目標回転速度をω_ｔ２とする場合の目標翼車トルクは、Ｔ_ｔ２＝Ｐ_Ｗｒ／ω_ｔ２である（Ｓ１１）。これは図１３の翼車トルク・回転速度関数においては、ω_ｔ１に対応するＴ_ｔ１の黒四角（■）で示す点を通る逆トルク直線１と、ω_ｔ２に対応するＴ_ｔ２の白四角（□）で示す点を通る逆トルク直線２に相当する。

【0063】

図１３の直線１は、界磁を強くして回転速度を抑制する解であり、風速が大きくなると勾配が大きくなるため、その限界値は発電機の限界励磁電流Ｉ_ｆＬにより決まるＫ_ＧＬとなる。すなわち発電を止めるカットアウト風速は発電機の性能に依存する。

【0064】

図１３の直線２は、界磁を弱くして回転速度を上昇させる解であり、風速が大きくなると回転速度が大きくなるため、その限界値は翼車の危険速度により決まる。すなわち発電を止めるカットアウト風速は翼車の性能に依存する。

【0065】

カットアウト流速は、発電機の発電限界もしくは翼車の回転限界のいずれかにより規定されるため、発電機と翼車の性能に応じて、カットアウト流速がより高くなるほうを選択することで、より広範な風速に対応できる発電が可能となる。制御すべき逆トルク直線を選択（Ｓ１２）したら、目標誘起電圧定数Ｋ_Ｇｔおよびそれに対応する目標励磁電流実効値Ｉ_ｆｔを前述と同様に求める（Ｓ１３、Ｓ１４）。ステップ１からステップ５までの演算は、演算処理部６２によって行う。演算処理部６２によって求められた目標励磁電流実効値Ｉ_ｆｔに基づいて、制御装置６は、励磁装置５を制御する。

【0066】

本実施の形態によれば、負荷が変動した場合であっても、翼車の最大出力が定格出力以下である風速では翼車出力を最大とし、翼車の最大出力が定格出力を超える風速では翼車出力が定格出力となるように制御することができる。また、現時点の回転速度と発電機逆トルクから、現時点の風速を推定するため、風力計が不要であり、実効風速を高い精度で推定することができる。

【0067】

［第２の実施の形態］
本発明に係る風力発電システムの第２の実施の形態は、翼車トルク・回転速度関数が第１の実施の形態と異なる。

【0068】

図１４は、本発明に係る風力発電システムの第２の実施の形態における、ある風速ν_１における翼車トルク・回転速度関数を示す。図１４の横軸は回転速度ω、縦軸は翼車トルクＴ_Ｗである。

【0069】

本実施の形態において、翼車トルクは回転速度がゼロから回転速度の上昇とともに徐々に上昇するが、途中の回転速度ω_ｄに変曲点ｄがあり凹形状を成した後、回転速度ω_ｐにて最大点ｐとなり、その後、回転速度ω_０でゼロとなる。

【0070】

図１５は、本実施の形態における翼車トルク・回転速度関数上で制御目標点の例を示すグラフである。

【0071】

図１５において、制御目標点は白丸（〇）で示す点、すなわち目標回転速度ω_ｔ、目標トルクＴ_ｔであり、発電機の目標逆トルク直線は白丸（〇）点を通る直線１である。しかし、直線１は翼車トルク曲線と白丸（○）で示す点以外に回転速度ω_ｔ’の白三角（△）で示す点および回転速度ω_ｔ’’の黒三角（▲）で示す点とも交差している。

【0072】

回転速度ω_ｔ’の白三角（△）で示す点は、それより大きい回転速度では翼車トルクが発電機の逆トルクを上回っているため、翼車が加速されて矢印Ｂのように回転速度ω_ｔの白丸（○）で示す点の方向に漸近していく。また、ω_ｔ’より小さい回転速度では発電機の逆トルクが翼車トルクを上回っているため、翼車が減速されて矢印Ｃのように回転速度ω_ｔ’’の黒三角（▲）で示す点の方向に漸近していく。したがって、白三角（△）で示す点は不安定点である。

【0073】

回転速度ω_ｔ’’の黒三角（▲）で示す点は、その前後の回転速度において発電機の逆トルクと翼車トルクの関係が、黒三角（▲）で示す点に収束する方向に作用するため安定点である。しかしながら、回転速度と翼車トルクの積が小さいため、出力として不十分であり、目標とする解にはなり得ない。

【0074】

現時点の回転速度ω_ｃが目標回転速度ω_ｔより大きい黒丸（●）で示す点であり、発電機の逆トルク特性が直線２であるとすれば、前述と同様に、この状態から図中の白丸（○）で示す点と交差する直線１のように励磁電流を強め界磁側に変化させることで、矢印Ａ方向に漸近させ、白丸（○）で示す点に収束させることができる。

【0075】

しかし、現時点の回転速度が目標回転速度ω_ｔより小さい場合、特に黒三角（▲）で示す点の回転速度ω_ｔ’’より小さい場合には、翼車トルク曲線を辿っていく方向で○点に漸近させ収束させることができない。この場合には、一旦、励磁電流を減少する弱め界磁にして、制御点を目標回転速度ω_ｔよりも大きい回転速度にしてから上述の直線１の励磁電流になるように制御する。

【0076】

図１６は、本実施の形態における翼車トルク・回転速度関数上で制御目標点の他の例を示すグラフである。

【0077】

図１６は制御目標点候補が２つある場合、すなわち定格出力となる解が２つある場合を示す。回転速度の小さいω_ｔ１における黒四角（■）で示す点と、回転速度の大きいω_ｔ２における白四角（□）で示す点である。逆トルク直線は、ω_ｔ１に対応するＴ_ｔ１の黒四角（■）で示す点を通る直線１と、ω_ｔ２に対応するＴ_ｔ２の白四角（□）で示す点を通る直線２である。

【0078】

回転速度ω_ｔ１の黒四角（■）で示す点は、それより大きい回転速度では翼車トルクが発電機の逆トルクを上回っているため、翼車が加速され回転速度が大きくなっていく。またそれより小さい回転速度では発電機の逆トルクが翼車トルクを上回っているため、翼車が減速され回転速度が小さくなっていく。したがって、黒四角（■）で示す点は不安定点である。一方、回転速度ω_ｔ２の白四角（□）で示す点は安定点であるため、この場合は、逆トルク直線２を選択することになる。

【0079】

本実施の形態によれば、負荷が変動した場合であっても、翼車の最大出力が定格出力以下である風速では翼車出力を最大とし、翼車の最大出力が定格出力を超える風速では翼車出力が定格出力となるように制御することができる。また、制御の不安定点を避け、安定な制御が可能となる。

【0080】

［第３の実施の形態］
本発明に係る風力発電システムの第３の実施の形態は、翼車トルク・回転速度関数が第１および第２の実施の形態と異なる。

【0081】

図１７は、本発明に係る風力発電システムの第３の実施の形態における翼車トルク・回転速度関数を示すグラフである。図１７において、図の横軸は回転速度ω、縦軸は翼車トルクＴ_Ｗである。

【0082】

翼車トルクは回転速度がゼロのときに最大値となり、回転速度が大きくなると減少し、回転速度ω_０でゼロとなる。図１７は、この特性を直線近似したものである。風速νが大きくなるに従って、回転速度がゼロのときの最大値が大きくなり、また翼車トルクがゼロとなる回転速度ω_０も大きくなる。

【0083】

翼車トルク特性を以下のように直線近似する。

【0084】

Ｔ_Ｗ＝Ｋ_ｎ（ω－ω_０ｎ）
Ｔ_Ｗ：翼車トルク
Ｋ_ｎ：近似直線の勾配（負値）
Ｋ_１：風速ν_１、Ｋ_２：風速ν_２、Ｋ₃：風速ν₃、・・・ に対応
ω：回転速度
ω_０ｎ：翼車トルクがゼロとなる回転速度
ω_０１：風速ν_１、ω_０２：風速ν_２、ω_０３：風速ν₃、・・・ に対応
第１の実施の形態と同様に、現時点の回転速度ω_ｃと発電機の逆トルクＴ_Ｇｃから、風速を推定し、当該風速ν_ｎにおける現時点の翼車トルク直線Ｔ_Ｗが決まる。

【0085】

この場合、翼車出力Ｐ_Ｗは、
Ｐ_Ｗ＝Ｋ_ｎ (ω－ω_０ｎ)×ω
となり、回転速度ω＝ω_０ｎ／２のときに翼車出力最大値Ｐ_Ｗｍとなる。

【0086】

翼車出力最大値Ｐ_Ｗｍを制御目標点にする場合は、目標回転速度ω_ｔ＝ω_０ｎ／２、目標翼車トルクＴ_ｃ＝－Ｋ_ｎ×ω_０ｎ／２となる。目標誘起電圧定数Ｋ_Ｇｔおよびそれに対応する目標励磁電流実効値Ｉ_ｆｔは第１の実施例と同様に求める。

【0087】

翼車出力最大値が定格出力を超えた場合に、定格出力Ｐ_Ｗｒとなる目標回転速度ω_ｔは、
ω_ｔ＝ω_０ｎ±（ω_０ｎ ^２－４Ｐ_Ｗｒ/Ｋ_ｎ）^１／２／２
となり、回転速度の小さいω_ｔ１と回転速度の大きいω_ｔ２の２つの解が存在する。どちらの解も安定点であるため、第１の実施例と同様に、発電機と翼車の性能に応じていずれかの解を選択する。

【0088】

本実施の形態によれば、負荷が変動した場合であっても、翼車の最大出力が定格出力以下である風速では翼車出力を最大とし、翼車の最大出力が定格出力を超える風速では翼車出力が定格出力となるように制御することができる。また、翼車特性を記憶する記憶容量を削減し、制御目標点を求める演算を簡素化することができる。

【0089】

［その他の実施の形態］
上述の各実施の形態は、風力発電システムを例として説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、干潮時、満潮時に海流の流速が変化する潮力発電システムにも好適である。

【符号の説明】

【0090】

１…翼車、２…軸、３…発電機、４…負荷、５…励磁装置、６…制御装置、７…回転速度計、８…電流計、３２…回転子、３３…固定子、３２１…突極、３２２…界磁巻線、３２３…ダイオード、３３１…スロット、３３２…電機子巻線、３３３…励磁巻線、３３１１…右上サブスロット、３３１２…右下サブスロット、３３１３…左上サブスロット、３３１４…左下サブスロット

【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】

【図15】

【図16】

【図17】