特許 7229196 風力発電装置

(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】

(24)【登録日】2023-02-16

(45)【発行日】2023-02-27

(54)【発明の名称】風力発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20230217BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20230217BHJP

   F03D 7/04 20060101ALI20230217BHJP

   F03D 9/11 20160101ALI20230217BHJP

   H02P 101/15 20150101ALN20230217BHJP

   H02P 103/20 20150101ALN20230217BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 F

F03D1/06 A

F03D7/04

F03D9/11

H02P101:15

H02P103:20

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020073709

(22)【出願日】2020-04-16

(65)【公開番号】P2021170895

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2021-11-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(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】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田渕 朗子

(72)【発明者】

【氏名】井上 雅博

(72)【発明者】

【氏名】山根 敏則

(72)【発明者】

【氏名】木下 秀永

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２８４３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１０３７９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ９／００

Ｆ０３Ｄ １／０６

Ｆ０３Ｄ ７／０４

Ｆ０３Ｄ ９／１１

Ｈ０２Ｐ １０１／１５

Ｈ０２Ｐ １０３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記プロペラの回転数－トルク特性に応じて得られる動作点で前記発電機を運転するときに、前記発電機の特性に応じて発電機効率が高くなるように前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記動作点で発電機が運転するよう前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御する、風力発電装置。

【請求項2】

前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記停止状態が予め定められた第１の時間継続すると、前記停止状態を終了して前記供給状態を開始する、請求項１記載の風力発電装置。

【請求項3】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記停止状態が予め定められた第１の時間継続すると、前記停止状態を終了して前記供給状態を開始する、風力発電装置。

【請求項4】

前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記供給状態が予め定められた第２の時間継続すると、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項１～３のいずれか１項に記載の風力発電装置。

【請求項5】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記供給状態が予め定められた第２の時間継続すると、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、風力発電装置。

【請求項6】

前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間である状態で開始された前記供給状態において、当該供給状態の開始時点における前記回転数から予め定められたヒステリシス幅回転数を減算した回転数と、前記第１の基準回転数との高い方に設定される下限回転数よりも前記回転数が低下すると、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項２～５のいずれか１項に記載の風力発電装置。

【請求項7】

前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間である状態から前記供給状態が開始されると、当該供給状態が予め定められた第３の時間継続するまでは、前記回転数が前記第１の基準回転数以下になっても前記供給状態を維持し、前記第３の時間の経過後に前記回転数が前記第１の基準回転数以下であるときには、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項１～６のいずれか１項に記載の風力発電装置。

【請求項8】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間である状態から前記供給状態が開始されると、当該供給状態が予め定められた第３の時間継続するまでは、前記回転数が前記第１の基準回転数以下になっても前記供給状態を維持し、前記第３の時間の経過後に前記回転数が前記第１の基準回転数以下であるときには、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、風力発電装置。

【請求項9】

第３の基準回転数は、前記第１の基準回転数よりも低い値に予め定められ、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が、前記第３の基準回転数及び前記第１の基準回転数の間である状態から前記停止状態が開始されると、前記回転数が前記第３の基準回転数よりも高いことを条件として、前記停止状態が予め定められた第４の時間継続すると前記停止状態を終了して前記供給状態を開始し、かつ、前記供給状態の選択時に回転数が前記第３の基準回転数より低くなると前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項７または８に記載の風力発電装置。

【請求項10】

前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記停止状態において前記回転数の変化レートの絶対値が予め定められた第１の判定値よりも小さいと、前記停止状態を終了して前記供給状態を開始する、請求項１記載の風力発電装置。

【請求項11】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記停止状態において前記回転数の変化レートの絶対値が予め定められた第１の判定値よりも小さいと、前記停止状態を終了して前記供給状態を開始する、風力発電装置。

【請求項12】

前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記供給状態において前記回転数の変化レートの絶対値が予め定められた第２の判定値よりも小さいと、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、請求項１、１０、及び、１１のいずれか１項に記載の風力発電装置。

【請求項13】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記励磁電流供給停止判定部は、
前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときに、前記供給状態において前記回転数の変化レートの絶対値が予め定められた第２の判定値よりも小さいと、前記供給状態を終了して前記停止状態を開始する、風力発電装置。

【請求項14】

前記出力電圧制御回路は、前記励磁電流の前記停止状態には動作を停止し、かつ、前記励磁電流の前記停止状態が終了されて前記供給状態が開始されるときには、前記励磁電流制御回路が動作を開始するタイミングよりも遅れて動作を開始し、前記励磁電流の前記供給状態が終了されて前記停止状態が開始されるときには、前記励磁電流制御回路が動作を終了するタイミングよりも遅れて動作を停止する、請求項１～１３のいずれか１項に記載の風力発電装置。

【請求項15】

プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線、固定子に設けられた電機子巻線、及び、前記電機子巻線と出力端子との間に接続された整流器を有する発電機と、
前記発電機が前記出力端子に出力した直流電力によって充電される蓄電素子と、
前記出力端子及び前記蓄電素子の間に接続されて、前記出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、前記蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する出力電圧制御回路と、
前記蓄電素子及び前記界磁巻線と電気的に接続されて、前記界磁巻線に供給する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記出力電圧制御回路及び前記励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて前記発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、前記第１の直流電圧が前記出力電圧指令値と一致するよう前記出力電圧制御回路の前記昇圧比を制御する出力電圧制御部と、
前記励磁電流制御回路の動作を制御する励磁電流制御部と、
前記励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含み、
前記励磁電流供給停止判定部は、前記回転数が予め定められた第１の基準回転数以下のときは前記停止状態を選択する一方で、前記回転数が、前記第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上のときは前記供給状態を選択し、かつ、前記回転数が前記第１の基準回転数及び前記第２の基準回転数の間のときは、前記供給状態の選択時には前記供給状態を維持する一方で、前記停止状態の選択時には前記停止状態を維持し、
前記励磁電流制御部は、前記停止状態の選択時には、前記励磁電流を出力しないように前記励磁電流制御回路を停止する一方で、前記供給状態の選択時には、前記回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、前記励磁電流が前記励磁電流指令値と一致するように前記励磁電流制御回路の動作を制御し、
前記出力電圧制御回路は、前記励磁電流の前記停止状態には動作を停止し、かつ、前記励磁電流の前記停止状態が終了されて前記供給状態が開始されるときには、前記励磁電流制御回路が動作を開始するタイミングよりも遅れて動作を開始し、前記励磁電流の前記供給状態が終了されて前記停止状態が開始されるときには、前記励磁電流制御回路が動作を終了するタイミングよりも遅れて動作を停止する、風力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、翼軸と連結された回転子と、回転子に設けられる界磁巻線と、固定子に設けられる電機子巻線と、電機子巻線の出力電力を全波整流する整流器とを備える発電機が、風力発電装置に用いられている。この様な構成の風力発電装置は小規模なものが多く、発電電力は整流器の出力に接続された蓄電池に蓄えられることが一般的である。

【0003】

この様な風力発電装置では、出力電圧の調整のために、界磁巻線に流れる励磁電流（界磁電流）が制御される。特開２００３－２８４３９３号公報（特許文献１）には、翼軸の回転数が第１の値以上になったときに界磁電流の供給を開始する一方で、それ以下の回転数では界磁電流の供給を行わない制御が記載される。この制御により、停止した翼にかかる負担を低減して、風速の上昇時には容易に回転を開始することが可能な風力発電装置を提供することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－２８４３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１に記載されたタイプの風力発電装置では、整流器の出力に蓄電池が接続されている。従って、発電機を発電状態とできるのは、蓄電池の電圧を超える電圧を整流器の出力に発生できる状態で発電機が動作している場面に限定される。このため、風速に依存して発電の機会が大幅に制限されることが懸念される。

【0006】

本開示は、この様な問題点を解決するためになされたものであって、本開示の目的は、風力発電装置の設備利用率を向上することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある局面によれば、風力発電装置は、発電機と、蓄電素子と、出力電圧制御回路と、励磁電流制御回路と、出力電圧制御回路及び励磁電流制御回路の動作を制御する制御器とを備える。発電機は、プロペラの回転軸と機械的に連結された回転子に設けられた界磁巻線と、固定子に設けられた電機子巻線と、電機子巻線及び出力端子の間に接続された整流器とを有する。蓄電素子は、発電機が出力端子に出力した直流電力によって充電される。出力電圧制御回路は、出力端子及び蓄電素子の間に接続される。出力電圧制御回路は、出力端子と電気的に接続された入力ノードの第１の直流電圧に対する、蓄電素子と電気的に接続された出力ノードの第２の直流電圧の昇圧比を制御する様に構成される。励磁電流制御回路は、蓄電素子及び界磁巻線と電気的に接続されて、界磁巻線に供給する励磁電流を制御する様に構成される。制御器は、回転数検出部と、出力電圧制御部と、励磁電流制御部と、励磁電流の供給状態及び停止状態を選択する励磁電流供給停止判定部を含む。回転数検出部は、回転軸の回転数を検出する。出力電圧制御部は、回転数検出部によって検出された回転数に応じて発電機の出力電圧指令値を決定するとともに、第１の直流電圧が出力電圧指令値と一致するよう出力電圧制御回路の昇圧比を制御する。励磁電流供給停止判定部は、回転数が予め定められた第１の基準回転数以下では停止状態を選択する一方で、回転数が、第１の基準回転数よりも高い、予め定められた第２の基準回転数以上になると供給状態を選択する。更に、励磁電流供給停止判定部は、回転数が第１の基準回転数及び第２の基準回転数の間のときは、供給状態の選択時には供給状態を維持する一方で、停止状態の選択時には停止状態を維持する。励磁電流制御部は、停止状態の選択時には、励磁電流を出力しない様に励磁電流制御回路の動作を制御する。一方で、励磁電流制御部は、供給状態の選択時には、回転数検出部によって検出された回転数に応じて励磁電流指令値を決定するとともに、励磁電流が励磁電流指令値と一致する様に励磁電流制御回路の動作を制御する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、発電機から出力される直流電圧が蓄電素子の直流電圧より低い場合でも、出力電圧制御回路による昇圧によって、発電機からの直流電力で蓄電素子を充電することができるとともに、予め定められた回転数範囲では、連続的に発電するのではなく励磁電流の供給及び停止を繰り返す間欠的な発電とすることで、プロペラ（風車）の機械出力だけでは発電電力よりも損失が大きいために連続的に蓄電素子を充電できない様な回転数範囲においても発電機会を確保できる。この結果、発電機が発電可能となる運転領域の拡大によって風力発電装置の設備利用率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の構成を示す概略図である。

【図2】図１に示された風力発電装置の電気回路部分の構成を示す回路図である。

【図3】風車の回転数－トルクの特性図の一例である。

【図4】図３に示した特性を有する風車の回転数－機械出力の特性図である。

【図5】図１に示された発電機の固定子の電気的な等価回路図である。

【図6】図１に示された発電機制御部による制御構成例を説明するブロック図である。

【図7】図６に示された出力電圧制御部の構成例を説明するブロック図である。

【図8】発電機の回転数及び出力電圧の指令値との関係の一例を示す概念図である。

【図9】図６に示された励磁電流制御部の構成例を説明するブロック図である。

【図10】図６に示された励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。

【図11】図１０のモード１での制御処理を説明するフローチャートである。

【図12】図１０のモード２での制御処理を説明するフローチャートである。

【図13】図１０のモード３での制御処理を説明するフローチャートである。

【図14】実施の形態１に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【図15】実施の形態１に係る風力発電装置での発電機の動作の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。

【図16】実施の形態１に係る風力発電装置での発電機の動作の他の例を説明するための回転数－トルク特性図である。

【図17】図６に示された発電機制御部の構成の変形例を説明するブロック図である。

【図18】図１７に示された変形例に係る発電機制御部の動作を説明するタイミングチャートである。

【図19】実施の形態２に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。

【図20】図１９のモード１１での制御処理を説明するフローチャートである。

【図21】図１９のモード１３での制御処理を説明するフローチャートである。

【図22】図１９のモード１２での制御処理を説明するフローチャートである。

【図23】実施の形態２に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【図24】実施の形態２に係る風力発電装置での発電機の動作の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。

【図25】実施の形態３に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。

【図26】図２５のモード２１での制御処理を説明するフローチャートである。

【図27】図２５のモード２３での制御処理を説明するフローチャートである。

【図28】図２５のモード２２での制御処理を説明するフローチャートである。

【図29】実施の形態３に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【図30】実施の形態３に係る風力発電装置での発電機の動作の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。

【図31】実施の形態４に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。

【図32】図３１のモード３１での制御処理を説明するフローチャートである。

【図33】図３１のモード３３での制御処理を説明するフローチャートである。

【図34】図３１のモード３２での制御処理を説明するフローチャートである。

【図35】実施の形態４に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【図36】実施の形態４に係る風力発電装置での発電機の動作の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。

【図37】実施の形態５に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

【0011】

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の構成を示す概略図である。

【0012】

図１を参照して、実施の形態１に係る風力発電装置１０は、発電機２０と、蓄電素子３０と、出力電圧制御回路４０と、励磁電流制御回路５０と、発電機制御部６０とを備える。

【0013】

発電機２０は、端子２１～２５と、固定子（図示せず）に設けられた三相の電機子巻線２７と、プロペラ５と機械的に連結された回転子（図示せず）に設けられた界磁巻線２８と、整流器２９とを含む。プロペラ５は、風を受けて回転する様に配置される。

【0014】

発電機２０は、例えば、自動車用のオルタネータによって構成することができる。端子２１は、回転子の回転数に応じた周波数を有する交流電圧を出力するＰ端子に相当する。端子２３は、アース用のＥ端子に相当し、端子２２は、発電機２０の発電によって得られた直流電圧が出力されるＢ端子に相当する。端子２４及び２５は、界磁巻線２８の一端及び他端と接続される。端子２２（Ｂ端子）は、発電機の「出力端子」の一実施例に対応する。

【0015】

整流器２９は、三相の全波整流を行うダイオードブリッジによって構成される。三相の電機子巻線２７の一端は、当該ダイオードブリッジの交流側（三相）とそれぞれ接続される。三相の電機子巻線２７の他端同士は中性点で互いに接続される。三相の電機子巻線２７のうちの一相の一端は、端子２１（Ｐ端子）と更に接続される。

【0016】

整流器２９を構成するダイオードブリッジの直流側は、端子２２及び端子２３と接続される。発電機２０では、プロペラ５の回転に伴って電機子巻線２７に生じた三相交流電圧が整流器２９によって整流されて、直流電力（即ち、直流電圧及び直流電流）が端子２２から出力される。

【0017】

出力電圧制御回路４０の入力側は、端子２２と接続される。出力電圧制御回路４０の出力側は、蓄電素子３０と電気的に接続される。蓄電素子３０は、例えば、鉛蓄電池等の二次電池、又は、キャパシタ等によって構成することが可能である。

【0018】

励磁電流制御回路５０の入力側は蓄電素子３０と電気的に接続され、出力側は発電機２０の端子２４及び２５と接続される。励磁電流制御回路５０は、蓄電素子３０の出力電圧を用いて、界磁巻線２８に供給される励磁電流Ｉｆを発生する。

【0019】

発電機制御部６０は、蓄電素子３０からの電力供給によって動作して、風力発電装置１０の各要素を制御する。図１では、発電機制御部６０は、当該制御機能の一部として、出力電圧制御回路４０及び励磁電流制御回路５０の制御信号を生成する。

【0020】

発電機制御部６０は、図示しない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェース、及び、内部電源回路を有する様に構成することができる。内部電源回路は、蓄電素子３０からの電力を用いて制御電源を生成する。メモリには、制御用プログラム、演算により得られたデータ、検出値、指令値等の各種データを記憶することができる。ＣＰＵは、所望の演算に必要なプログラム及びデータをメモリから読み出して、後述する制御演算を実行することができる。発電機制御部６０は「制御器」の一実施例に対応する。

【0021】

蓄電素子３０は、図示しない外部負荷、例えば、照明及びセンサの電源としても用いられる。即ち、蓄電素子３０は、出力電圧制御回路４０を介して発電機２０による発電電力によって充電されるとともに、風力発電装置１０自体の制御電源、界磁巻線２８に流れる励磁電流Ｉｆの電源、及び、上記外部負荷の電源としても機能する。このため、実際には、発電機２０による発電電力から、上記電源としての消費電力を減算した電力によって、蓄電素子３０は充電される。尚、図示は省略しているが、蓄電素子３０に対して、電圧、電流、及び、温度の検出器、及び、保護回路、並びに、負荷への給電回路が設けられる。

【0022】

図２は、図１に示された風力発電装置１０の電気回路部分の構成を示す回路図である。図２では、出力電圧制御回路４０及び励磁電流制御回路５０の構成例が主に示される。

【0023】

図２を参照して、出力電圧制御回路４０は、一般にチョッパと呼ばれる昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することができる。例えば、出力電圧制御回路４０は、平滑コンデンサ４１及び４２と、ダイオード４３と、スイッチング素子４４と、リアクトル４５とを有する。スイッチング素子４４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-semiconductor Field-Effect Transistor）に代表される、制御信号に従ってオンオフ制御可能な自己消弧型の半導体素子によって構成することができる。スイッチング素子４４は、発電機制御部６０からのゲート信号ＳＧｂに応じてオンオフされる。

【0024】

平滑コンデンサ４１は、端子２２と電気的に接続された入力ノードＮｉｎと、ノードＮｇとの間に接続される。ノードＮｇは、発電機２０の端子２３と同電位（例えば、接地電位）である。平滑コンデンサ４２は、蓄電素子３０と電気的に接続された出力ノードＮｏｕｔと、ノードＮｇとの間に接続される。入力ノードＮｉｎ及び出力ノードＮｏｕｔは、出力電圧制御回路４０の「入力ノード」及び「出力ノード」にそれぞれ相当する。

【0025】

スイッチング素子４４は、ノードＮｍ１及びノードＮｇの間に接続される。スイッチング素子４４は、発電機制御部６０からのゲート信号ＳＧｂに応じてオンオフする。ダイオード４３は、ノードＮｍ１及び出力ノードＮｏｕｔの間に接続される。ダイオード４３のアノードは、ノードＮｍ１と接続され、カソードは出力ノードＮｏｕｔと接続される。即ち、ダイオード４３は、ノードＮｍ１から出力ノードＮｏｕｔへの電流を通過する一方で、出力ノードＮｏｕｔからノードＮｍ１への電流を遮断する。リアクトル４５は、入力ノードＮｉｎ及びノードＮｍ１の間に接続される。

【0026】

出力電圧制御回路４０では、入力ノードＮｉｎの直流電圧Ｖｂが入力電圧、入力ノードＮｉｎに入力される直流電流Ｉｂが入力電流、出力ノードＮｏｕｔの直流電圧Ｖｏｕｔが出力電圧と定義される。図示は省略しているが、直流電流Ｉｂ、直流電圧Ｖｂ、及び、出力電圧Ｖｏｕｔの検出器が配置される。これらの検出器による検出値は、発電機制御部６０へ入力される。

【0027】

図２の構成例では、端子２２が入力ノードＮｉｎと直接接続されるので、直流電圧Ｖｂ及び直流電流Ｉｂは、発電機２０の出力電圧及び出力電流にそれぞれ相当する。発電機２０の出力電流は、発電機２０の電機子巻線２７を流れる電機子電流に相当する。従って、出力電圧制御回路４０で直流電圧Ｖｂ及び直流電流Ｉｂを検出することで、発電機２０の出力電圧及び出力電流を検出することが可能である。このため、以下では、直流電圧Ｖｂ及び直流電流Ｉｂを、発電機２０の出力電圧及び出力電流としても取り扱う。即ち、直流電圧Ｖｂ及び直流電流Ｉｂの積は、発電機２０から出力された発電電力に相当する。

【0028】

出力電圧制御回路４０（昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）では、スイッチング素子４４のオン状態では、入力ノードＮｉｎからリアクトル４５に流れる電流によって、リアクトル４５にエネルギが蓄積される。スイッチング素子４４をオフすると、リアクトル４５に蓄積されたエネルギが、ダイオード４３を介して出力ノードＮｏｕｔへ放出される。これにより、入力ノードＮｉｎよりも高い電圧を出力ノードＮｏｕｔに発生することができる（Ｖｏｕｔ≧Ｖｂ）。

【0029】

昇圧チョッパでは、単位時間中でのスイッチング素子４４のオン時間の割合で定義されるデューティ比Ｄｂを用いると、直流電圧（入力電圧）Ｖｂ及び直流電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔの間には、Ｄｂ＝１－（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）の関係が成立することが知られている。従って、スイッチング素子４４のオンオフ制御により、式（１）に示される電圧比の制御が可能である。

【0030】

１－Ｄｂ＝（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）…（１）
式（１）において、０＜（１－Ｄｂ）≦１であるから、（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）≦１、即ち、Ｖｏｕｔ≧Ｖｂの範囲で、出力電圧制御回路４０は動作することができる。従って、スイッチング素子４４のオフ時間の比率に相当する（１－Ｄｂ）を変化させることで、入力電圧Ｖｂに対する出力電圧Ｖｏｕｔの昇圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｂ）を制御できることが理解される。

【0031】

励磁電流制御回路５０は、発電機２０の界磁巻線２８をリアクトルとして用いる降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧チョッパ）によって構成することができる。例えば、励磁電流制御回路５０は、平滑コンデンサ４６と、ダイオード４７と、スイッチング素子４８を有する。スイッチング素子４８は、スイッチング素子４４と同様に、自己消弧型の半導体素子によって構成される。

【0032】

平滑コンデンサ４６は、端子２４と接続されたノードＮｆと、ノードＮｇとの間に接続される。平滑コンデンサ４６は、蓄電素子３０の出力電圧によって充電される。スイッチング素子４８は、端子２５と接続されたノードＮｍ２及びノードＮｇの間に接続される。スイッチング素子４８は、発電機制御部６０からのゲート信号ＳＧｆに応じてオンオフされる。ダイオード４７は、ノードＮｍ２及びノードＮｆの間に接続される。ダイオード４７のアノードは、ノードＮｍ２と電気的に接続され、カソードはノードＮｆと接続される。即ち、ダイオード４７は、ノードＮｍ２（端子２５）からノードＮｆへの電流を通過する一方で、ノードＮｆからノードＮｍ２への電流を遮断する。

【0033】

界磁巻線２８は、発電機２０の内部で端子２４及び端子２５の間に電気的に接続される。励磁電流制御回路５０は、平滑コンデンサ４６の直流電圧を入力電圧とし、励磁電流Ｉｆによって界磁巻線２８に生じる電圧を出力電圧とする降圧チョッパとして動作する。平滑コンデンサ４６は蓄電素子３０によって充電されるので、平滑コンデンサ４６の電圧は、平滑コンデンサ４２の電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）と同等である。尚、図示は省略しているが、励磁電流Ｉｆの検出器が配置されており、励磁電流Ｉｆの検出値も、発電機制御部６０へ入力される。

【0034】

スイッチング素子４８のオン期間には、平滑コンデンサ４６の入力電圧を用いて、ノードＮｆから、端子２４、界磁巻線２８、端子２５（ノードＮｍ２）、及び、スイッチング素子４８を経由して、ノードＮｇに至る経路により、界磁巻線２８へのエネルギ蓄積を伴って、励磁電流Ｉｆが供給される。

【0035】

一方で、スイッチング素子４８のオフ期間では、平滑コンデンサ４６の入力電圧は供給されず、ノードＮｆ、端子２４、界磁巻線２８、端子２５（ノードＮｍ２）、ダイオード４７、及び、ノードＮｆの還流経路により、界磁巻線２８に蓄積されたエネルギにより、励磁電流Ｉｆが流れ続ける。

【0036】

従って、単位時間中でのスイッチング素子４８のオン時間の割合で定義されるデューティ比Ｄｆを用いると、平滑コンデンサ４６の電圧（Ｖｏｕｔ）、界磁巻線２８に生じる直流電圧Ｖｆ、及び、デューティ比Ｄｆの間には、Ｖｆ＝Ｖｏｕｔ・Ｄｆの関係が成立する。界磁巻線２８の電気抵抗値Ｒｆを用いると、Ｖｆ＝Ｒｆ・Ｉｆであるので、励磁電流Ｉｆは、式（２）で示される。

【0037】

Ｉｆ＝（Ｖｏｕｔ／Ｒｆ）・Ｄｆ …（２）
即ち、励磁電流制御回路５０は、スイッチング素子４８のデューティ比Ｄｆによって、励磁電流Ｉｆを制御することができる。

【0038】

蓄電素子３０（ノードＮｂ）と、発電機制御部６０との間には、ダイオード５１が更に接続されてもよい。ダイオード５１は、ノードＮｂと接続されたアノード、及び、発電機制御部６０と接続されたカソードを有する。これにより、発電機制御部６０から蓄電素子３０への電流は遮断される。

【0039】

同様に、励磁電流制御回路５０（ノードＮｆ）と、蓄電素子３０（ノードＮｂ）との間には、ダイオード５２が更に接続されてもよい。ダイオード５２は、ノードＮｂと接続されたアノード、及び、ノードＮｆと接続されたカソードを有する。これにより、励磁電流制御回路５０から蓄電素子３０への電流は遮断される。

【0040】

又、出力電圧制御回路４０（出力ノードＮｏｕｔ）と、蓄電素子３０（ノードＮｂ）との間には、ダイオード５３が更に接続されてもよい。ダイオード５３は、出力ノードＮｏｕｔと接続されたアノード、及び、ノードＮｂと接続されたカソードを有する。これにより、蓄電素子３０から出力電圧制御回路４０への電流は遮断される。

【0041】

ダイオード５１～５３を配置することにより、蓄電素子３０、出力電圧制御回路４０、励磁電流制御回路５０、及び、発電機制御部６０のそれぞれとの間の電流方向を固定することが可能である。尚、ダイオード５１～５３の配置は省略することも可能である。又、発電機２０の端子２２及び出力電圧制御回路４０の間に、出力電圧制御回路４０から端子２２への電流を遮断する方向に、ダイオードを更に接続することも可能である。

【0042】

次に、図３及び図４を用いて、風力発電機の特性について説明する。

【0043】

図３は、風車の回転数－トルクの特性図の一例である。

【0044】

図３の横軸には風車の回転数Ｎ［ｒ／ｍｉｎ］が示され、縦軸には、風車に発生するトルクＴ［Ｎ・ｍ］が示される。図１の風力発電装置１０では、プロペラ５の回転数及びトルクが、図３の横軸及び縦軸にそれぞれ相当する。

【0045】

風車は、一定風速下では、回転数が決まると発生トルクが決定される。図３には、風速毎に、回転数及びトルク間の関係を示す曲線が記載される。

【0046】

図３から、風速が一定の下では、風車の回転数Ｎが増加するのに従ってトルクＴも増加するが、極大点（最大トルク点）を超えて回転数Ｎが更に増加すると、トルクＴは、回転数Ｎの増加に従って減少する。

【0047】

各風速での最大トルク点での風車の発生トルク（最大トルク）は、風速が大きくなるのに従って増加し、最大トルクが生じる回転数Ｎについても、風速が大きくなるのに従って上昇する。

【0048】

基準となる風速Ｖｏにおいて、回転数ＮｏのときにトルクＴｏが発生する特性を風車が有するとき、任意の風速Ｖにおける当該風車の回転数Ｎ及びトルクＴは、下記の式（３）及び式（４）にそれぞれ表すことができる。

【0049】

Ｎ＝Ｎｏ・（Ｖ／Ｖｏ） …（３）
Ｔ＝Ｔｏ・（Ｖ／Ｖｏ）＾２ …（４）
式（３）より、回転数Ｎは風速に比例し、式（４）より、トルクＴは風速の２乗に比例することがわかる。式（３）及び式（４）から、回転数Ｎ及びトルクＴの関係を導くと、式（５）を得ることができる、式（５）から、トルクＴは、回転数Ｎの２乗に比例することが確認できる。

【0050】

Ｔ＝Ｔｏ・（Ｎ／Ｎｏ）＾２ …（５）
図４は、図３に示した回転数－トルク特性を有する風車の回転数－機械出力の特性図である。図４の横軸には、図３と同様の回転数Ｎ［ｒ／ｍｉｎ］が示され、縦軸には、機械出力Ｐ［Ｗ］が示される。機械出力Ｐは、機械角速度ωとトルクＴの積で示される。回転数Ｎに対する角速度ωは、ω＝（Ｎ／６０）・２・πで示されるので、機械出力Ｐ［Ｗ］は、下記の式（６）で表すことができる。

【0051】

Ｐ＝（Ｎ／６０）・２・π・Ｔ …（６）
更に、基準となる風速Ｖｏにおける機械出力Ｐｏと、任意の風速Ｖにおける機械出力Ｐとの関係は、下記の式（７）で表すことができる。式（７）より、機械出力Ｐは、風速の３乗に比例することが確認できる。

【0052】

Ｐ＝Ｐｏ・（Ｖ／Ｖｏ）＾３ …（７）
式（３）及び式（７）から回転数Ｎ及び機械出力Ｐの関係を導くと、式（８）を得ることができる。式（８）から機械出力は、回転数Ｎの３乗に比例することが確認できる。

【0053】

Ｐ＝Ｐｏ・（Ｎ／Ｎｏ）＾３ …（８）
図４においても、風速が一定の下では、風車の回転数Ｎが増加するのに従って機械出力Ｐも増加するが、極大点（最大出力点）を超えて回転数Ｎが更に増加すると、機械出力Ｐは、回転数Ｎの増加に従って減少する。

【0054】

各風速での最大出力点での風車の機械出力（最大出力）は、風速が大きくなるのに従って増加し、最大出力が生じる回転数Ｎについても、風速が大きくなるのに従って上昇する。図４中には、各風速での最大出力点の集合に相当する最大出力線２１０が更に示されている。最大出力線２１０は、各風速での、機械出力が最大となる回転数の集合である。

【0055】

最大出力線２１０は、式（８）に対して、機械出力Ｐが最大となる動作点に対応させた回転数Ｎｏ及び機械出力Ｐｏを代入したときの関数式に相当する。このときの回転数Ｎｏ及びトルクＴｏを式（７）に代入すると、図３上にも最大出力線２１０を引くことができる。

【0056】

従って、図３に示す様な、風車の回転数－トルク特性が把握できていれば、最大出力線２１０上の動作点（回転数Ｎ及び発生トルクＴの組み合わせ）で発電機２０を運転することにより、風速を知ることができなくても、風速に応じて機械出力Ｐを最大限取り出すことが可能である。

【0057】

次に、発電機２０が所望のトルクを発生する様に、発電機２０の運転を制御する手法について説明する。

【0058】

一般に、巻線界磁の同期電動機は、電機子巻線に流れる無効電流成分を調整することで出力を制御することができる。本実施の形態では、発電機２０は、図１で示したとおり、電機子巻線２７及び界磁巻線２８を有しており、巻線界磁の同期発電機を含んで構成されているが、その出力端子には整流器２９が接続されている。従って、発電機２０では、電機子巻線に無効電流の基本波成分が流れることはない。このため、同期発電機の出力側に整流器２９が接続された図１の発電機２０は、他励式の直流発電機とみなすことができる。

【0059】

一般的に、他励式の直流発電機では、電機子電流Ｉａ、界磁巻線の励磁電流Ｉｆ、電機子及び界磁巻線間の相互インダクタンスＬａｆ（以下、単に「相互インダクタンスＬａｆ」とも称する）、及び、機械角速度ωに対して、内部誘起電圧Ｅａは式（９）で示され、発生トルクＴｅは式（１０）で示される。

【0060】

Ｅａ＝Ｌａｆ・Ｉｆ・ω …（９）
Ｔｅ＝Ｌａｆ・Ｉｆ・Ｉａ …（１０）
従って、発電機２０の特性試験により、励磁電流Ｉｆ、電機子電流Ｉａ、及び、発生トルクＴｅを測定することで、式（１０）から相互インダクタンスＬａｆを算出することができる。実施の形態１では、図２の回路構成から理解される様に、発電機２０の電機子電流Ｉａは、端子２２から出力電圧制御回路４０へ入力される直流電流Ｉｂに相当する。このため、発電機２０の運転時には、特性試験で予め算出した相互インダクタンスＬａｆと、励磁電流Ｉｆ及び直流電流Ｉｂの検出値とを用いて、式（１０）に従って発生トルクを演算することができる。

【0061】

図５には、電機子巻線２７及び整流器２９が搭載された発電機２０の固定子の電気的な等価回路が示される。

【0062】

図５を参照して、固定子の等価回路は、三相交流回路を直流回路に換算した形で記載される。従って、図５中では、電機子巻線２７のインダクタンスＬａ、及び、電機子巻線抵抗Ｒａも直流換算されている。又、図５中のＶｄは、整流器２９のダイオードで生じる順電圧降下を示しており、端子２２の電圧は、図１で説明した、出力電圧制御回路４０の直流電圧Ｖｂと同等である。

【0063】

この等価回路では、内部誘起電圧Ｅａについて、下記の式（１１）が成立する。

【0064】

Ｅａ＝Ｌａ・ｄＩｂ／ｄｔ＋Ｒａ・Ｉｂ＋２・Ｖｄ＋Ｖｂ …（１１）
整流器２９中のダイオードの作用により、式（１１）において、Ｅａ－２・Ｖｄ－Ｖｂ＞０の場合には、Ｉｂ＞０となる一方で、Ｅａ－２・Ｖｄ－Ｖｂ≦０の場合には、Ｉｂ＝０となる。又、直流電流Ｉｂは、Ｅａ及びＶｂの電圧差に応じて変化する。式（９）～式（１１）を利用すれば、機械角速度ωに応じて直流電圧Ｖｂ及び励磁電流Ｉｆを制御することによって、直流電流Ｉｂ及び発生トルクＴｅが所望の値になる様に、発電機２０を運転することができる。

【0065】

ここで、式（９）～式（１１）では、発電機２０は直流発電機として扱われているが、実際には、発電機２０は、極対数がｐの同期発電機である。このため、三相交流を直流に全波整流する際に生じるリプル電圧が、発電機２０からの実際の出力電圧（即ち、直流電圧Ｖｂ）には含まれる。当該三相交流の周波数ｆｅは、下記の式（１２）で表すことができる。上記リプル電圧の周波数は、（６・ｆｅ）の整数倍となる。

【0066】

ｆｅ＝ω／（２・π）・ｐ＝Ｎ／６０・ｐ …（１２）
本実施の形態では、発電機２０が所望の直流電流Ｉｂ（電機子電流Ｉａ相当）及び発生トルクＴｅで運転される様に、出力電圧制御回路４０及び励磁電流制御回路５０によって、直流電圧Ｖｂ及び励磁電流Ｉｆが制御される。これらの直流電圧Ｖｂ及び励磁電流Ｉｆの制御、並びに、直流電流Ｉｂ及び発生トルクＴｅの所望の値の決定の手法は限定されるものではないが、例えば、以下の様な制御を適用することができる。尚、本実施の形態では、プロペラ５及び発電機２０の回転子が直結されており、両者の回転数が同一値であるものとして説明を進める。

【0067】

基本的には、発電機２０の発生トルクＴｅは、現在の回転数Ｎに応じて一意に決定される。このため、直流電圧Ｖｂ及び励磁電流Ｉｆの制御に関しては、現在の回転数Ｎに応じて直流電圧Ｖｂと励磁電流Ｉｆの指令値を決定し、各々の検出値を用いてフィードバック制御を行うことができる。

【0068】

又、直流電圧Ｖｂに代えて、回転数Ｎに応じた直流電流Ｉｂの指令値を決定してフィードバック制御を行ってもよい。或いは、励磁電流Ｉｆに代えて、直流電圧Ｖｆの指令値を決定してフィードバック制御を行うことも可能である。又は、回転数Ｎに対応させて、デューティ比Ｄｂ，Ｄｆを直接出力することもできる。或いは、発生トルクＴｅのフィードバック制御を行って、励磁電流Ｉｆの指令値を決定してもよい。

【0069】

図６は、発電機制御部６０による制御構成例を説明するブロック図である。尚、図６を始めとするブロック図中に記載された各ブロックの機能は、例えば、発電機制御部６０に含まれるＣＰＵが、予め格納されたプログラムを実行することによるソフトウェア処理によって実現することができる。或いは、各機能の少なくとも一部については、電子回路等のハードウェアによって実現することも可能である。

【0070】

図６を参照して、発電機制御部６０は、回転数検出値生成部６２、出力電圧制御部６４、励磁電流制御部６６、励磁電流供給停止判定部６８、及び、ＡＮＤゲート６５、６７を有する。

【0071】

回転数検出値生成部６２には、端子２１（Ｐ端子）から出力される交流電圧Ｖｐが入力される。交流電圧Ｖｐから、発電機２０の回転子の電気角周波数（ｆｅに相当）が求められ、当該電気角周波数及び発電機２０の極対数ｐから、プロペラ５及び発電機２０の回転数Ｎを演算することができる。以下では、回転数検出値生成部６２によって生成された回転数検出値についても、回転数Ｎと表記する。上述した様に、本実施の形態では、回転数Ｎは、発電機２０及びプロペラ５（風車）の両方の回転数を示している。

【0072】

出力電圧制御部６４は、プロペラ５の回転数Ｎ及び直流電圧Ｖｂの検出値に基づき、出力電圧制御回路４０のスイッチング素子４４のゲート信号ＳＧｂを生成する。

【0073】

図７は、出力電圧制御部６４の構成例を説明するブロック図である。

【0074】

図７を参照して、出力電圧制御部６４は、出力電圧指令値生成部７１、減算器７２、電圧制御器７３、比較器７４、及び、ＮＯＴゲート７５を有する。

【0075】

出力電圧指令値生成部７１は、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎに基づき、発電機２０の出力電圧に相当する直流電圧Ｖｂの指令値である出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを生成する。

【0076】

図８は、回転数Ｎと、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆとの関係の一例を示す概念図である。

【0077】

図８を参照して、基本的には、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、回転数Ｎの増加に応じて上昇する様に設定される。但し、回転数Ｎが小さい領域では、直流電圧Ｖｂが小さくなり過ぎない様に、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、一定値とすることが好ましい。又、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、当該時点での出力電圧制御回路４０の出力電圧Ｖｏｕｔ（検出値）を上限値として設定される。

【0078】

出力電圧指令値生成部７１は、図８に示された、回転数Ｎと出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆとの関係に従って、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎを入力として、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを出力する。例えば、出力電圧指令値生成部７１は、演算式、又は、ルックアップテーブルによって構成することができる。

【0079】

尚、式（１０）から理解される様に、発生トルクＴｅに直接関係するのは発電機２０の電機子電流に相当する直流電流Ｉｂである。このため、出力電圧指令値生成部７１は、発電機２０の動作点（Ｎ，Ｔｅ）が決まると、当該動作点において望ましい直流電流Ｉｂを発電機２０が出力できる様な値に、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを決定することも可能である。つまり、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、式（１１）に従って決定されることに限定されず、動作点に応じた出力特性を予め測定することで決定することが可能である。或いは、式（１１）以外の演算式に従って、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆを決定することも可能である。

【0080】

再び図７を参照して、減算器７２は、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆから、直流電圧Ｖｂ（検出値）を減算して電圧偏差ΔＶｂを算出する。電圧偏差ΔＶｂは、電圧制御器７３に入力される。

【0081】

電圧制御器７３は、例えば、比例積分制御器で構成されて、直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致するための、出力電圧制御回路４０中のスイッチング素子４４のデューティ比を演算する。比例積分制御での、積分項の初期値は、例えば、Ｖｂ／Ｖｏｕｔとすることができる。ここで、「直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致する」とは、両者が厳密に一致する場合に限定されず、直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに近づく（追従する）場合も含むものとする。以下、本明細書での制御に関する「一致する」との記載についても同様であるものする。

【0082】

電圧制御器７３は、出力電圧制御回路４０のスイッチング素子４４のオフ期間のデューティ比を示す制御量（１－Ｄｂ）を、０＜（１－Ｄｂ）≦１．０の範囲内で出力する。式（１）に示される様に、出力電圧制御回路４０には、１－Ｄｂ＝Ｖｂ／Ｖｏｕｔの関係があるので、電圧比（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）を上昇又は低下させることで直流電圧Ｖｂが出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致する様に、制御量（１－Ｄｂ）を設定することができる。

【0083】

比較器７４は、電圧制御器７３からの制御量（１－Ｄｂ）と、搬送波ＣＷとを比較する。搬送波ＣＷは、例えば、０≦ＣＷ≦１．０の範囲内で周期的に上昇及び低下を繰り返す三角波によって構成される。搬送波（三角波）ＣＷの周波数は、スイッチング素子４４のスイッチング周波数に相当する。

【0084】

比較器７４は、（１－Ｄｂ）の方が搬送波ＣＷよりも大きいときには、論理ハイレベル（以下、単に「Ｈレベル」とも称する）を出力し、反対に、（１－Ｄｂ）の方が搬送波ＣＷよりも小さいときには、論理ローレベル（以下、単に「Ｌレベル」とも称する）を出力する。これにより、比較器７４からは、制御量（１－Ｄｂ）及び搬送波ＣＷの比較結果を示すパルス信号が出力される。

【0085】

ＮＯＴゲート７５は、比較器７４からのパルス信号の反転信号を、ゲート信号ＳＧｂとして出力する。

【0086】

尚、比較器７４に対して、制御量（１－Ｄｂ）から求められたデューティ比Ｄｂを入力することも可能である。この場合には、ＮＯＴゲート７５を配置することなく、比較器７４の出力（パルス信号）を、そのままゲート信号ＳＧｂとして用いることができる。

【0087】

再び図６を参照して、励磁電流制御部６６は、回転数Ｎ、及び、励磁電流Ｉｆの検出値に基づき、励磁電流制御回路５０のスイッチング素子４８のゲート信号ＳＧｆを生成する。

【0088】

図９は、励磁電流制御部６６の構成例を説明するブロック図である。

【0089】

図９を参照して、励磁電流制御部６６は、励磁電流指令値生成部８１、減算器８３、電流制御器８６、及び、比較器８７を有する。

【0090】

励磁電流指令値生成部８１は、回転数検出値生成部６２によって検出された回転数Ｎに基づき励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを出力する。減算器８３は、励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆから励磁電流Ｉｆ（検出値）を減算して、電流偏差ΔＩｆを算出する。電流偏差ΔＩｆは、電流制御器８６に入力される。

【0091】

電流制御器８６は、例えば比例積分制御器で構成されて、励磁電流Ｉｆが励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆに一致するための、励磁電流制御回路５０中のスイッチング素子４８のデューティ比を演算する。

【0092】

電流制御器８６は、励磁電流制御回路５０のスイッチング素子４８のオン期間のデューティ比Ｄｆを、０≦Ｄｆ≦１．０の範囲内で出力する。式（２）に示される様に、励磁電流制御回路５０には、Ｄｆ＝Ｉｆ／（Ｖｏｕｔ／Ｒｆ）の関係があるので、ΔＩｆ＞０に対してはデューティ比Ｄｆを上昇させる一方で、ΔＩｆ＜０に対してはデューティ比Ｄｆを低下させる様に、デューティ比Ｄｆを調節することができる。

【0093】

比較器８７は、電流制御器８６からのデューティ比Ｄｆと、比較器７４と同様の搬送波ＣＷとを比較して、ゲート信号ＳＧｆを出力する。従って、デューティ比Ｄｆの方が搬送波ＣＷよりも大きい期間において、スイッチング素子４８はオン状態に制御される。一方で、反対に、デューティ比Ｄｆの方が搬送波ＣＷよりも小さい期間では、スイッチング素子４８はオフ状態に制御される。尚、搬送波ＣＷの周波数は、出力電圧制御回路４０及び励磁電流制御回路５０の間で独立に決定することができる。

【0094】

再び図６を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、回転数Ｎの検出値に基づき励磁電流供給フラグＧｏｎを出力する。励磁電流を供給すると判定したときには、Ｇｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定され、励磁電流を供給しない（即ち、励磁電流を停止する）と判定したときには、Ｇｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。

【0095】

ＡＮＤゲート６５には、ゲート信号ＳＧｂ及び励磁電流供給フラグＧｏｎが入力される。ＡＮＤゲート６５は、出力電圧制御回路４０中のスイッチング素子４４に伝送される、最終的なゲート信号ＳＧｂ１を出力する。ゲート信号ＳＧｂ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＨレベルの間はゲート信号ＳＧｂと同じ信号である。このとき、出力電圧制御回路４０は、直流電圧Ｖｂを出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆに一致するためのゲート信号ＳＧｂに従って動作する。

【0096】

一方で、ゲート信号ＳＧｂ１は励磁電流供給フラグＧｏｎがＬレベルの間は、Ｌレベル信号に固定される。これにより、スイッチング素子４４は、オフ状態に固定されて、ゲートブロックされた状態となる。このとき、出力電圧制御回路４０は、動作を停止する。

【0097】

同様に、ＡＮＤゲート６７には、ゲート信号ＳＧｆと励磁電流供給フラグＧｏｎが入力される。ＡＮＤゲート６７は、励磁電流制御回路５０中のスイッチング素子４８に伝送される、最終的なゲート信号ＳＧｆ１を出力する。ゲート信号ＳＧｆ１は、励磁電流供給フラグＧｏｎがＨレベルの間はゲート信号ＳＧｆと同じ信号である。このとき、励磁電流制御回路５０は、励磁電流Ｉｆを励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆに一致するためのゲート信号ＳＧｆに従って動作する。

【0098】

一方で、ゲート信号ＳＧｆ１は励磁電流供給フラグＧｏｎがＬレベルの間は、Ｌレベル信号に固定される。これにより、スイッチング素子４８は、オフ状態に固定されて、ゲートブロックされた状態となる。このとき、励磁電流制御回路５０は、動作を停止する。

【0099】

図１０は、励磁電流供給停止判定部６８による制御処理を説明するフローチャートである。図１０の制御処理は、風力発電装置の１０の運転中に一定の周期で繰り返し実行される。

【0100】

図１０を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）１及びＳ３により、回転数Ｎが、予め定められた基準回転数Ｎ１１，Ｎ１２に対してどの範囲にあるかを判定する。Ｎ≧Ｎ１２の場合（Ｓ１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ２により、モード１の処理（図１１）が実行される。又。Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（Ｓ１のＮＯ判定、かつ、Ｓ３のＹＥＳ判定時）には、Ｓ４により、モード２の処理（図１２）が実行される。Ｎ≦Ｎ１１の場合（Ｓ１のＮＯ判定、かつ、Ｓ３のＮＯ判定時）には、Ｓ５により、モード３の処理（図１３）が実行される。

【0101】

図１１～図１３には、図１０のモード１（Ｓ２）、モード２（Ｓ４）、及び、モード３（Ｓ５）のそれぞれでの制御処理を説明するフローチャートが示される。

【0102】

図１１を参照して、モード１の適用時には、Ｓ１１により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定して、フラグをセットする。即ち、モード１では、励磁電流は常時供給される。

【0103】

図１２を参照して、モード２の適用時には、Ｓ２１により、前回設定された励磁電流供給フラグＧｏｎの状態が確認される。Ｇｏｎ＝１、即ち、フラグがセットされている場合（Ｓ２１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ２２により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１（Ｈレベル）に設定される。これに対して、Ｇｏｎ＝０、即ち、フラグがリセットされている場合には（Ｓ２１のＮＯ判定時）、Ｓ２３により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定される。即ち、モード２では、励磁電流供給フラグＧｏｎのセット又はリセットが維持されるので、励磁電流の供給時には当該供給状態が継続され、励磁電流の停止時には、当該停止状態が継続される。

【0104】

一方で、モード３の適用時には、Ｓ３１により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０（Ｌレベル）に設定して、フラグをリセットする。即ち、モード３では、励磁電流の供給は停止される。

【0105】

図１４は、実施の形態１に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。図１４では、図１０～図１３に従って励磁電流供給フラグＧｏｎが設定されたときの動作が示されている。尚、図１４及び後続の同様のタイミングチャートでは、回転数の上昇（加速）及び低下（減速）の挙動について、説明を簡単にするために傾きが一定の直線（一次関数）で表記しているが、実際には、式（１３）の右辺の（Ｔｍ－Ｔｅ）の絶対値が変わることで、傾きは一定となるとは限らない。

【0106】

図１４を参照して、時刻ｔｓ～ｔ１では、Ｎ≧Ｎ１２（モード１）のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されて、励磁電流Ｉｆが発電機２０に供給される。励磁電流Ｉｆの供給時は、発電機２０には発電トルクＴｅが作用する。このため、Ｇｏｎ＝１の期間では、Ｔｍ－Ｔｅ＜０となる風速においては、回転数Ｎは徐々に低下する。

【0107】

時刻ｔ１以降では、回転数Ｎは基準回転数Ｎ１２よりも低下する。但し、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）の間、即ち、時刻ｔ２までは、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に維持されて、励磁電流の供給、即ち、発電機２０の発電が継続される。

【0108】

時刻ｔ２において、Ｎ≦Ｎ１２（モード３）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎは、１から０に変化する。これにより、励磁電流が停止されて、発電機２０の発電は停止される。これにより、Ｎ１１においてＴｍ＞０となる風速の場合は、回転数Ｎは上昇に転じる。但し、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達するまでは、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）であるので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持される。これにより、時刻ｔ２～ｔ３では、励磁電流の停止、及び、発電機２０の発電停止が継続される。

【0109】

時刻ｔ３において、回転数Ｎ≧Ｎ１２（モード１）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされると、励磁電流の供給、即ち、発電機２０の発電が再開される。これにより、発電トルクＴｅの発生によって回転数Ｎは低下する。時刻ｔ３以降では、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２（モード２）であるので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１が維持される。

【0110】

時刻ｔｘ～ｔｙでは、一時的な風速の上昇により、発電トルクＴｅよりも大きいトルクが、プロペラ５から発電機２０に作用することで、回転数Ｎが上昇している。時刻ｔｙ以降では、風速が低下に転じることで、回転数Ｎが低下する。時刻ｔｙ～ｔｚまでの間、風速低下が継続する。

【0111】

時刻ｔｙ後の時刻ｔ４において、Ｎ≦Ｎ１１（モード３）が検知されるのに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎは、１から０に変化する。これにより、励磁電流が停止されて、発電機２０は発電を停止する。時刻ｔ４～ｔｚでは、発電トルクＴｅ＝０であるので、発電機２０での機械的損失を無視すると、Ｎ１１においてＴｍ＝０となる風速の場合でも、回転数ＮはＮ１１に維持される。

【0112】

時刻ｔ４以降では、Ｎ≧Ｎ１２に達する時刻ｔ５までの間は、モード２が適用されて、励磁電流の停止が継続される。即ち、発電トルクＴｅ＝０であるので、時刻ｔｚ以降で風速が上昇しＴｍ＞０になると、回転数Ｎが上昇する。

【0113】

以降、同様の制御により、時刻ｔ５～ｔ６、及び、時刻ｔ７以降では、励磁電流が供給される。一方で、時刻ｔ６～ｔ７では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に設定されて、励磁電流は停止される。

【0114】

この様に、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の領域では、回転数ＮがＮ≧Ｎ１２の領域から低下してきた場合には励磁電流の供給が継続される一方で、回転数Ｎ≦Ｎ１１の領域から上昇してきた場合は、励磁電流の停止が継続される、いわゆる、ヒステリシス特性が実現される。以下では、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の領域を、「間欠励磁運転領域」とも称する。又、本実施の形態において、基準回転数Ｎ１１は「第１の基準回転数」の一実施例に対応し、基準回転数Ｎ１２は「第２の基準回転数」の一実施例に対応する。基準回転数Ｎ１１，Ｎ１２によって規定される間欠励磁運転領域は、発電機２０の損失特性を考慮して、発電機２０から電力を取り出し可能な低速側の回転数範囲に適合させて決定することができる。又、図１４及び後続の同様のタイミングチャートにおいて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１の期間では、励磁電流の「供給状態」であり、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０の期間では、励磁電流の「停止状態」である。

【0115】

ここで、発電機２０の動作点を、図３の最大出力線２１０上にとることを考える。このとき、発電機２０は回転数の２乗に比例するトルクで運転されるため、回転数Ｎが小さい領域では、励磁電流Ｉｆ及び出力電流Ｉｂを小さくして、発生トルクＴｅを低減する。又、式（９）から理解される様に、内部誘起電圧Ｅａは、機械角速度ω（即ち、回転数Ｎ）に比例する。

【0116】

このため、風速が低下した際に使用される回転数Ｎが小さい領域では、上記の様に励磁電流Ｉｆを小さくすることからも、内部誘起電圧Ｅａは低くなる。この下で発電電力を得るためには、出力電圧制御回路４０によって、直流電圧Ｖｂを低く制御すること、言い換えると、式（１）中の（Ｖｂ／Ｖｏｕｔ）を低くする様にデューティ比Ｄｂを制御することが必要である。

【0117】

しかしながら、回転数Ｎが低い領域では、発電機２０は小さい発電トルクＴｅで運転されるが、この様な条件では、機械出力から発電機の電気出力を得る際の効率が低下することが一般的である。更に、発電を行うためには励磁電流Ｉｆを流す必要があるが、励磁電流Ｉｆを発生させると界磁巻線２８の電気抵抗値Ｒｆに起因して電力損失が発生する。したがって、風速が低下すると、外部負荷に対して電力を供給していなくても、蓄電素子３０への充電が困難となることが懸念される。

【0118】

図１５は、実施の形態１に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。図１５には、図３と同様の、風車(プロペラ５）の回転数－トルク特性も示されており、最大出力線２１０も図３と同様である。

【0119】

図１５を参照して、回転数－トルク特性図上に、発電機２０の動作点の集合である動作線２１１が、太線で示される。発電機２０の動作点は、励磁電流が供給される発電時には、最大出力線２１０上にある。即ち、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１のとき、発電機２０の動作点は、最大出力線２１０に位置することになる。

【0120】

一方で、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０のとき、即ち、励磁電流が停止されて、発電機２０の発電が停止されるとき、発電機２０は、機械損失が無視できるとすると、Ｔｅ＝０（無負荷）で運転される。即ち、発電機２０の動作点は、トルクが０（Ｔｅ＝０）の横軸上に位置することになる。

【0121】

上述の様に、Ｎ≧Ｎ１２の範囲では、モード１が適用されて、励磁電流が供給されるので、発電機２０の動作線２１１は、最大出力線２１０と一致する。反対に、Ｎ≦Ｎ１１の範囲では、モード３が適用されて、励磁電流が停止されるので、発電機２０の動作線２１１は、横軸（Ｔ＝０）と一致する。

【0122】

モード２が適用される間欠励磁運転領域（Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２）では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１の間は、発電機２０の動作点は、最大出力線２１０上で運転する。一方で、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０の間は、横軸（Ｔ＝０）上となる。従って、発電機２０の動作線２１１は、回転数Ｎ＝Ｎ１１，Ｎ１２における図中に矢印で示した遷移を伴う、ヒステリシスループを描くことになる。

【0123】

ここで、風車の慣性モーメントＪｍ、風車のトルクＴｍ、発電機２０の慣性モーメントＪｅを用いると、発電機２０及びプロペラ５の機械角速度ωは、式（１３）に従って変化する。尚、式（１３）では、発電機２０及びプロペラ５の機械損失は無視されている。

【0124】

（Ｊｍ＋Ｊｅ）・ｄω／ｄｔ＝Ｔｍ－Ｔｅ …（１３）
式（１３）から、風車のトルクＴｍと、発電機２０の発生トルクＴｅとが釣り合うと、ｄω／ｄｔ＝０となるので、発電機２０は、機械角速度ωが一定値となる定常状態に至る。

【0125】

又、発電機２０及びプロペラ５に蓄積されている運動エネルギＫｍは、式（１４）で示される。

【0126】

Ｋｍ＝１／２・（Ｊｍ＋Ｊｅ）・ω＾２ …（１４）
式（１４）から理解される様に、運動エネルギＫｍは、慣性モーメントに比例し、機械角速度の２乗に比例する。この性質を利用すると、加速時において風車のトルクＴｍによって機械角速度ωが上昇することで運動エネルギが蓄積されると、発電機２０で発電トルクＴｅを発生させて減速するときに、運動エネルギを回収することができる。尚、プロペラ５及び発電機２０の間で、一般的には、Ｊｍ＞＞Ｊｅが成立する。このため、発電の停止及び開始によって発電機２０のトルクＴｅが変化しても、Ｊｍが十分大きいために回転数Ｎの急変は起こりにくい。

【0127】

更に図１５を用いて、発電機２０の動作の一例を説明する。

【0128】

まず、風速Ｖ１のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ１は、風速Ｖ１のときの風車の回転数－トルク特性線と、最大出力線２１０との交点に位置する。動作点Ａ１での回転数ＮはＮＡ１である。

【0129】

Ｎ＞ＮＡ１のときには、発電機２０は最大出力線２１０上で動作するので、発電機２０の発生トルクは、風速Ｖ１での風車（プロペラ５）の発生トルクよりも大きい。このため、式（１３）の右辺が負となるので、発電機２０は減速する。そして、Ｎ＝ＮＡ１に達すると、式（１３）の右辺が０となるので、発電機２０は、動作点Ａ１で定常運転に入る。

【0130】

Ｎ＜ＮＡ１のときには、励磁電流の供給時（Ｇｏｎ＝１）と、停止時（Ｇｏｎ＝０）とで動作が異なる。励磁電流の供給時には、最大出力線２１０上における発電機２０の発生トルクは、風速Ｖ１での風車（プロペラ５）の発生トルクよりも小さいため、式（１３）の右辺が正となる。このため、発電機２０が加速することにより、発電機２０の動作点が、最大出力線２１０上を移動（右側へ）する態様で、回転速度は上昇する。Ｎ＝ＮＡ１に達すると、式（１３）の右辺が０となるので、発電機２０は、動作点Ａ１で定常運転に入る。

【0131】

反対に、Ｎ＜ＮＡ１で励磁電流が停止されていると（Ｇｏｎ＝０）、発電機２０の発生トルクは０であるので、風車（プロペラ５）の発生トルクによって発電機２０が加速される。これにより、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を移動する態様で、回転数Ｎが上昇する。回転数ＮがＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。これにより、動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。更に、発電機２０が加速されて、回転数ＮがＮＡ１に達すると、発電機２０は、動作点Ａ１で定常運転に入る。

【0132】

風速Ｖ２のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ２は、風速Ｖ２のときの風車の回転数－トルク特性線と、最大出力線２１０との交点に位置する。動作点Ａ２での回転数ＮはＮＡ２である。ＮＡ２は、間欠励磁運転領域内である（Ｎ１１＜ＮＡ２＜Ｎ１２）。このため、風速Ｖ２のときの動作は、回転数ＮとＮＡ２との大小関係と、励磁電流の供給及び停止との組み合わせの４通りとなる。

【0133】

Ｎ＞ＮＡ２で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、最大出力線２１０上のトルクが、風速Ｖ２のときの風車（プロペラ５）のトルクよりも大きいので、式（１３）の右辺が負となって、回転数Ｎは低下する（減速）。減速に伴って、発電機２０の動作点が最大出力線２１０上を左側に移動する。Ｎ＝ＮＡ２に達すると、式（１３）の右辺が０となるので、発電機２０は、動作点Ａ２で定常運転に入る。

【0134】

Ｎ＞ＮＡ２で、励磁電流が停止されているとき（Ｇｏｎ＝０）には、発電機２０はトルクを発生しないので、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を移動する態様で、回転数Ｎは上昇する。回転数ＮがＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。この発電の開始に伴い、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。発電開始後は、上述した、Ｎ＞ＮＡ２、かつ、Ｇｏｎ＝１のときの動作と同様となり、回転数ＮがＮ１２からＮＡ２まで低下すると、発電機２０は、動作点Ａ２で定常運転に入る。

【0135】

Ｎ＜ＮＡ２で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、最大出力線２１０上のトルクが、風速Ｖ２のときの風車（プロペラ５）のトルクよりも小さいので、発電機２０は、動作点が最大出力線２１０上を右側に移動する態様で、加速する。そして、回転数Ｎ＝ＮＡ２に達すると、発電機２０は、動作点Ａ２で定常運転に入る。

【0136】

Ｎ＜ＮＡ２で、励磁電流が停止されているとき（Ｇｏｎ＝０）には、上述の様に、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を移動する態様で、回転数Ｎは上昇する。回転数ＮがＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされるので、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。発電開始後は、上述した様に、発電機２０の動作点が最大出力線２１０上を移動（左側）する態様で回転数ＮがＮ１２からＮＡ２まで低下すると、発電機２０は、動作点Ａ２で定常運転に入る。

【0137】

風速Ｖ３のときの発電機２０の定常運転の動作点Ａ３は、風速Ｖ３のときの風車の回転数－トルク特性線と、最大出力線２１０との交点に位置する。動作点Ａ３での回転数ＮはＮＡ３である。ＮＡ３は、間欠励磁運転領域の下限値である基準回転数Ｎ１１よりも低い。

【0138】

Ｎ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、最大出力線２１０上のトルクが、風速Ｖ３のときの風車（プロペラ５）のトルクよりも大きいので、発電機２０は、動作点が最大出力線２１０上を左側に移動する態様で、減速する。回転数ＮがＮ１１（Ｎ１１＞ＮＡ３）まで低下すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止される。これに伴い、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１１での矢印に沿って、最大出力線２１０上から横軸上に遷移する。

【0139】

これにより、発電機２０の発電が停止されると、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、回転数Ｎは上昇する。上昇した回転数ＮがＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始されるので、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。その後は、上述の様に、発電中には、発電機２０の動作点が最大出力線２１０上を移動（左側）する態様で回転数Ｎが低下するので、風速Ｖ３の間は、図１５中のヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点は変化する。

【0140】

Ｎ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されていないとき（Ｇｏｎ＝０）には、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、発電機２０は加速する。そして、回転数ＮがＮ１２まで達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。これに伴い、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。以降ではＮ＞ＮＡ３で、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝０）を起点としたときの上述の動作と同様に、発電機２０の動作点は変化する。即ち、風速Ｖ３の間は、図１５中のヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点は変化する様になる。

【0141】

Ｎ＜ＮＡ３の領域では、ＮＡ３＜Ｎ１１のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、発電機２０は発電しない。このため、風車の発生トルクが全て発電機２０の加速に使用されて、発電機２０の動作点が横軸（Ｔ＝０）上を右側に移動する態様で、回転数Ｎは上昇する。そして、回転数ＮがＮＡ３を超え、更にＮ１２に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。このとき、発電機２０の動作点は、Ｎ＝Ｎ１２での矢印に沿って、横軸上から最大出力線２１０上に遷移する。以降ではＮ＞ＮＡ３のケースで説明したのと同様に、発電機２０の動作点は変化する。

【0142】

この様に、風速Ｖ３では、即ち、定常運転での動作点（Ａ３）での回転数が、間欠励磁運転領域の下限値（Ｎ１１）よりも低い風速の下では、Ｎ＜Ｎ１１の領域での発電停止時の加速を伴って、ヒステリシスループ上を発電機２０の動作点が移動する態様で、励磁運転の供給及び停止が繰り返される。発電機２０は、この様な風速では、一定風速下であっても、間欠励磁運転によって、間欠的に発電する。

【0143】

この様な間欠励磁運転では、励磁電流の停止中には発電機２０で電気出力を取出さずに、風車の機械出力を運動エネルギ（Ｋｍ）として蓄積するので、当該運動エネルギの増加による回転数上昇後（Ｎ≧Ｎ１２）に励磁電流を供給すると、風速による機械出力に加えて、減速による運動エネルギ（Ｋｍ）の減少分を用いた発電が可能である。

【0144】

次に、図１６を用いて、発電機２０の動作の他の例を説明する。

【0145】

図１６に示された他の動作例での動作線２１２は、図１５の動作例での動作線２１１と比較すると、間欠励磁運転領域（Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２）において励磁電流供給フラグＧｏｎがセットされたときの動作点の集合が異なる。具体的には、当該領域のＧｏｎ＝１では、動作線２１１（図１５）は、最大出力線２１０に沿って発電機２０が運転する様に設定される一方で、動作線２１２は、発電機２０が最大出力線２１０よりも大きいトルクを発生する様に設定される。即ち、動作線２１２は、動作線２１１と比較すると、ヒステリシスループの上辺の軌跡が異なる。動作線２１２のその他の部分の軌跡は、動作線２１１と同様である。

【0146】

これにより、間欠励磁運転領域における発電中には、発電機２０の機械入力が、最大出力線２１０に沿って発電機２０を運転しているときよりも大きくなる。又、動作線２１２は、間欠励磁運転領域（Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２）を通じて、発電機２０のトルクが風車（プロペラ５）のトルクよりも大きくなる様に設定されている（Ｔｅ＞Ｔｍ）。このため、風速Ｖ２では、図１５の動作点Ａ２の様な、動作線２１２と、風速Ｖ２での風車の回転数－トルク特性線との交点が存在しない。即ち、間欠励磁運転領域における発電中には、発電機２０は、回転数ＮがＮ１１に低下するまで減速を継続する。

【0147】

従って、図１６の動作線２１２によれば、定常運転の動作点（Ａ２）の回転数が間欠励磁運転領域内である風速（Ｖ２）のときに、発電機２０は、定常運転に入ることなく、動作線２１２中のヒステリシスループ上を動作点が移動する態様で、間欠的に発電することになる。

【0148】

一方で、風速Ｖ１及びＶ３のときの動作は、図１５の場合と同様である。即ち、風速Ｖ１では、発電機２０は、最終的には動作点Ａ１での定常運転に入る。一方で、風速Ｖ３では、発電機２０は、図１５と同様に、ヒステリシスループに沿って動作点が移動する態様で間欠的に発電する。

【0149】

尚、図１６の動作線２１２では、ヒステリシスループの上辺に沿って動作点が移動する際に、負値となる式（１３）の右辺（Ｔｍ－Ｔｅ）の絶対値が、動作線２１１（図１５）よりも大きくなる。このため、発電機２０の回転数ＮがＮ１２からＮ１１に低下するまでの減速時間は短くなる。この様に、発電時間を短縮して、発電機２０の機械入力を大きくすることにより、蓄電素子３０への充電電力を増やすことができる。

【0150】

尚、発電装置の実際の動作時において、プロペラ５が自然風で回転している場合には、風速は常に変化していると考えられる。この様な状況では、風車トルクＴｍは、その時点での風速における回転数－トルク特性線に沿って、その時点での回転数に対応して連続的に移動していく。

【0151】

例えば、図１６において、風速Ｖ２での運転中に、風速がＶ２からＶ１に変化すると、励磁電流供給中（Ｇｏｎ＝１）であっても、Ｔｍ＞Ｔｅとなって発電機２０は加速するので、発電機２０の動作点は、動作点Ａ１へ向けて移動する。これに対して、発電機２０が、風速Ｖ１において、動作点Ａ１（回転数ＮＡ１）で運転しているときに、風速がＶ１からＶ２に変化すると、Ｔｍ＜Ｔｅとなって発電機２０は減速し、間欠励磁運転領域に移動することになる。

【0152】

以上説明した様に、本実施の形態１に係る風力発電装置では、界磁巻線２８及び整流器２９を有する発電機２０が、発電機制御部６０によって制御される出力電圧制御回路４０及び励磁電流制御回路５０により、直流電圧Ｖｂ及び励磁電流Ｉｆを出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆ及び励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆに従って制御しながら、運転される。

【0153】

本実施の形態１に係る風力発電装置では、出力電圧制御回路４０を配置することにより、発電機２０からの出力電圧（直流電圧Ｖｂ）を昇圧して蓄電素子３０を充電することができる。これにより、プロペラ５の回転数が低く、発電機２０の出力電圧が蓄電素子３０の電圧より低い領域でも、発電機２０を発電状態で運転することが可能である。この結果、風力発電装置の設備利用率を向上することができる。

【0154】

更に、励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆについては、風車（プロペラ５）の回転数－トルク特性に応じて設定された動作点で発電機２０が動作する様に、回転数Ｎに対応して決定された発生トルクＴｅが得られる様に、設定することができる。同様に、出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆは、回転数Ｎに対応したトルクを発電機２０が出力する際に、蓄電素子３０への充電電力が大きくなる様に設定することができる。このため、実施の形態１に係る風力発電装置は、特に、発電機２０の低回転－低トルクでの運転に有利である。

【0155】

又、実施の形態１に係る風力発電装置では、発電機２０の回転数Ｎに対応させて出力電圧指令値Ｖｂｒｅｆ及び励磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを設定することで、発電機２０の発生トルクを制御することができる。この結果、風速を検出しなくても、実際の風速に応じて風車の機械出力が大きくなる動作点（例えば、図３及び図４の最大出力線２１０上の動作点）で発電機２０を動作させて、高効率で発電することができる。

【0156】

更に、本実施の形態１に係る風力発電装置では、励磁電流供給停止判定部６８を有しているので、間欠励磁運転領域において励磁電流の供給及び停止を切り替えることができる。これにより、励磁電流停止中は発電を停止し、発電機２０を無負荷状態で加速して、運動エネルギを蓄積できる。一方で、励磁電流供給中は、発電機２０でトルクを発生させて減速することで生じる運動エネルギを、風車で発生中のエネルギに加えて用いることによって発電することが可能である。

【0157】

このため、風車のトルクが減少して定常的に発電ができない様な低風速においても、間欠励磁運転領域で加減速を繰り返すことで発電が可能になるという顕著な効果を享受することができる。この結果、風力発電装置の設備利用率を、更に向上することができる。

【0158】

加えて、励磁電流Ｉｆを変化させることで、界磁巻線２８の発生磁束を調節できるため、発生トルクＴｅ（励磁電流Ｉｆ及び直流電流Ｉｂの積に比例）を得るための励磁電流Ｉｆ及び直流電流Ｉｂの組み合わせの自由度が高くなる。この結果、損失が少なくなる様に、励磁電流Ｉｆ及び直流電流Ｉｂの組み合わせを制御することができる。

【0159】

加えて、図１６の動作線２１２に示した様に、間欠励磁運転範囲では、風車の機械出力が大きくなる最大出力線２１０よりも大きいトルクを発生させる様に、発電機２０の動作点を設定することにより、発電機２０の機械入力を大きくして発電効率を向上させることができる。

【0160】

又、励磁電流Ｉｆ及び直流電流Ｉｂ（発電機２０の出力電流）を広範囲で変化させることが可能であり、更に、低回転数において間欠励磁運転ができるので、発電機２０の特性が、連結される風車専用に設計されていなくても、発電可能な領域を広く確保することが可能となる。例えば、通常高回転で使用される自動車用オルタネータ等の機器を発電機２０に適用して、実施の形態１に係る風力発電装置を構成した場合に、当該発電機２０を低回転数で運転する場合にも、高効率で発電することが可能である。

【0161】

この様に、実施の形態１に係る風力発電装置は、風車及び発電機２０の特性に応じて、広い風速範囲において効率よく発電して、蓄電素子３０を充電することができる。

【0162】

ここで、実施の形態１における変形例のいくつかについて説明する。これらの変形例は、以降で説明する実施の形態２以降の各実施の形態においても同様に適用することができる。

【0163】

まず、図６では、回転数検出値生成部６２が、交流電圧Ｖｐから回転数検出値を演算する例を説明したが、発電機２０の回転子に対して、機械角又は回転数を直接的に検出するセンサを配置することも可能である。この場合には、回転数検出値生成部６２は、当該センサの出力信号を用いて、回転数検出値を出力することができる。

【0164】

又、図２中での、直流電圧Ｖｂ、直流電流Ｉｂ、及び、励磁電流Ｉｆについても、図２中に矢印で表記した点の電圧又は電流を検出する様にセンサを配置する他、同等の検出値が得られる別の個所にセンサを配置することも可能である。或いは、これらの電圧又は電流について、直接センサによって検出するのではなく、他の検出値及び演算値を利用して、演算によって求めることも可能である。更に、各センサ（検出器）の出力については、ローパスフィルタに入力して高調波成分やノイズを除去した上で制御に用いることも可能である。

【0165】

又、図１０～図１３では、励磁電流供給停止判定部６８の制御処理例をフローチャートで示したが、制御処理の内容は、これらのフローチャートに限定されるのではなく、同等の判定結果が得られる範囲内に適宜変更することが可能である。

【0166】

更に、図１５及び図１６では発電機２０の動作線２１１，２１２の一部（Ｎ＞Ｎ１１の高回転領域）を、最大出力線２１０に沿って設定する例を説明したが、当該部分の動作線については、図１５及び図１６から変形することも可能である。例えば、当該部分では、トルク出力を優先させて最大トルクに近い動作点を採用することも可能であるし、反対に、回転数を優先させて最大回転数に近い動作点を採用することも可能である。

【0167】

又、図９では、励磁電流供給フラグＧｏｎのセット及びリセットを、出力電圧制御用のゲート信号ＳＧｂ１と、励磁電流制御用のゲート信号ＳＧｆ１との両方に対して同時に反映する例を説明した。しかしながら、界磁巻線２８の時定数が大きく励磁電流が定常状態に至るまでに時間がかかる場合には、励磁電流Ｉｆがある程度上昇してから出力電圧制御を開始したり、励磁電流Ｉｆがある程度低下してから出力電圧制御を終了したりする様に、出力電圧制御回路４０のスイッチング素子４４のゲートブロック期間（ＳＧｂ１＝０）と、励磁電流制御回路５０のスイッチング素子４８のゲートブロック期間（ＳＧｆ１＝０）とをずらす様に、発電機制御部６０の構成（図６）を変形することも可能である。

【0168】

図１７には、発電機制御部６０の構成の変形例が示される。

【0169】

図１７の変形例では、図６の発電機制御部６０の構成において、励磁電流供給停止判定部６８からの励磁電流供給フラグＧｏｎは、遅延回路６９を経由して、ゲート信号ＳＧｂ１を出力するＡＮＤゲート６５に入力される。即ち、スイッチング素子４４（出力電圧制御回路４０）のゲート信号ＳＧｂ１は、遅延回路６９によって遅延された励磁電流供給フラグＧｏｎ♯と、出力電圧制御部６４からのゲート信号ＳＧｂとのＡＮＤ演算によって、最終的なゲート信号ＳＧｂ１を生成する。

【0170】

一方で、ＡＮＤゲート６７には、遅延回路６９を経由せずに、励磁電流供給フラグＧｏｎが入力される。従って、スイッチング素子４８（励磁電流制御回路５０）のゲート信号ＳＧｆ１は、図６と同様に、励磁電流供給フラグＧｏｎと、励磁電流制御部６６からのゲート信号ＳＧｂとのＡＮＤ演算によって生成される。

【0171】

図１８は、図１７に示された変形例に係る発電機制御部の動作を説明するタイミングチャートである。

【0172】

図１８を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、時刻ｔｏｆｆにおいて、励磁電流供給フラグＧｏｎを「１」から「０」に変化（リセット）するとともに、時刻ｔｏｎにおいて、励磁電流供給フラグＧｏｎをセット「０」から「１」に変化（セット）する。

【0173】

スイッチング素子４８（励磁電流制御回路５０）のゲート信号ＳＧｆ１のゲートブロック期間は、励磁電流供給フラグＧｏｎに連動して、時刻ｔｏｆｆ～ｔｏｎの期間に設定される。時刻ｔｏｆｆでは、ゲート信号ＳＧｆ１は、ゲート信号ＳＧｆと同じ信号に設定される状態から、「０」に固定されるゲートブロック状態に変化する。ゲートブロック期間が終了される時刻ｔｏｎ以降では、ゲート信号ＳＧｆ１は、ゲート信号ＳＧｆと同じ信号に設定される。

【0174】

これに対して、スイッチング素子４４（出力電圧制御回路４０）のゲート信号ＳＧｂ１は、遅延回路６９を経由して励磁電流供給フラグＧｏｎが入力されるため、ゲートブロック期間の開始が時刻ｔｏｆｆよりも遅く、かつ、ゲートブロック期間の開始が時刻ｔｏｎよりも遅くなる様に生成される。

【0175】

これにより、界磁巻線２８のインダクタンスが大きく励磁電流が定常状態に至るまでに時間がかかる場合において、励磁電流が定常状態となってから出力電圧の制御を開始することで、制御安定性を高めることが可能になる。

【0176】

尚、図１７の３段目には、励磁電流供給フラグＧｏｎの立ち上がりエッジ（セット時）及び立下りエッジ（リセット時）の両方を遅延する様に遅延回路６９を構成したときのゲート信号ＳＧｂ１の波形例が示されている。又、立ち上がりエッジでの遅延時間と、立下りエッジでの遅延時間とを異なる値とすることも可能である。

【0177】

これに対して、遅延回路６９について、立ち上がりエッジ（セット時）及び立下りエッジ（リセット時）の一方のみを遅延する様に構成することも可能である。立ち下がりエッジ（リセット時）のみが遅延されるときは、図１７の４段目のゲート信号ＳＧｂ１ｘに示される様に、ゲートブロック期間は、時刻ｔｏｆｆに遅れて開始される一方で、時刻ｔｏｎで終了される。

【0178】

反対に、遅延回路６９が立ち上がりエッジ（セット時）のみを遅延する様に構成されるときは、図１７の５段目のゲート信号ＳＧｂ１ｙに示される様に、ゲートブロック期間は、時刻ｔｏｆｆに開始される一方で、時刻ｔｏｎに遅れて終了される。

【0179】

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１における励磁電流供給停止判定部の変形例を説明する。実施の形態２に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は実施の形態１と同じであるので、基本的には、当該共通部分の説明は省略する。

【0180】

図１９は、実施の形態２に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。図１９の制御処理も、風力発電装置の１０の運転中に一定の周期で繰り返し実行される。

【0181】

図１９を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、図１０のＳ１～Ｓ５と同様のＳ１０１～Ｓ１０５により、回転数Ｎと、間欠励磁運転領域の下限値及び上限値に相当する基準回転数Ｎ１１及びＮ１２との比較により、モード１１～モード１３を選択する。

【0182】

これにより、Ｎ≧Ｎ１２の場合（Ｓ１０１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１０２により、モード１１の処理（図２０）が実行される。又、Ｎ≦Ｎ１１の場合（Ｓ１０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ１０３のＮＯ判定時）には、Ｓ１０５により、モード１３の処理（図２１）が実行される。更に、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（Ｓ１０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ１０３のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１０４により、モード１２の処理（図２２）が実行される。

【0183】

図２０～図２２には、図１９のモード１１（Ｓ１０２）、モード１３（Ｓ１０５）、及び、モード１２（Ｓ１０４）のそれぞれでの制御処理を説明するフローチャートが示される。実施の形態２では、励磁電流供給フラグＧｏｎに加えて、補助フラグＧｏｎ１，Ｇｏｎ２と、タイマ値ｔｔ１とが導入される。

【0184】

後述する様に、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「１」にセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされ、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「０」にリセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。尚、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の両方がセットされることはない。又、タイマ値ｔｔ１は、励磁電流の停止時間を計測する。

【0185】

図２０を参照して、モード１１の適用時には、Ｓ１１１により、補助フラグＧｏｎ１＝１に設定され、Ｓ１１２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、Ｓ１１３により、タイマ値ｔｔ１が初期化（クリア）されるとともに（ｔｔ１＝０）、Ｓ１１４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。

【0186】

図２１を参照して、モード１３の適用時には、Ｓ１３１により、補助フラグＧｏｎ１＝０に設定され、Ｓ１３２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、Ｓ１３３により、タイマ値ｔｔ１がクリア（ｔｔ１＝０）されるとともに、Ｓ１３４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。

【0187】

この様に、モード１１では、実施の形態１のモード１と同様に、励磁電流供給フラグＧｏｎがセットされる一方で、モード１３では、実施の形態１のモード３と同様に、励磁電流供給フラグＧｏｎがリセットされる。又、補助フラグＧｏｎ１は、モード１１の適用時とモード１３の適用時とで異なる値に設定される。更に、タイマ値ｔｔ１は、モード１１又はモード１３の適用時には、初期化される（ｔｔ１＝０）。

【0188】

図２２を参照して、モード１２の適用時には、Ｓ１２１により、前回設定された補助フラグＧｏｎ１の状態が確認される。Ｇｏｎ１＝１に設定されている場合（Ｓ１２１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１２２により、補助フラグＧｏｎ２＝０にリセットされるとともに、Ｓ１２３により、タイマ値ｔｔ１＝０にクリアされる。更に、Ｓ１２４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。Ｓ１２２～Ｓ１２４の処理は、モード１１（Ｎ≧Ｎ１２）からモード１２（間欠励磁運転領域）に遷移したときに実行される。

【0189】

一方で、モード１３（Ｎ≦Ｎ１１）からモード１２（間欠励磁運転領域）に遷移したときには、補助フラグＧｏｎ１＝０であるので、Ｓ１２１はＮＯとされる。このときには、Ｓ１２５により、タイマ値ｔｔ１が予め定められた判定値Ｔ１１を超えているか否かが判定される。

【0190】

そして、ｔｔ１≦Ｔ１１のとき（Ｓ１２５のＮＯ判定時）には、Ｓ１２８により、タイマ値ｔｔ１がカウントアップされるとともに、Ｓ１２９により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。ｔｔ１≦Ｔ１１の期間内では、Ｓ１３０により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持される。

【0191】

これに対して、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超えると（Ｓ１２５のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１２６により、補助フラグＧｏｎ２＝１に設定されるとともに、Ｓ１２７により、タイマ値ｔｔ１が保持される（ｔｔ１＝ｔｔ１）。更に、Ｓ１２４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。

【0192】

この様に、モード１３（Ｎ≦Ｎ１１）からモード１２（間欠励磁運転領域）に遷移したときには、励磁電流が停止された状態でモード１２が開始され、タイマ値ｔｔ１によって計測された励磁電流の停止時間が判定値Ｔ１１をこえると、励磁電流の供給が開始されることになる。

【0193】

図２３は、実施の形態２に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。図２３では、図１９～図２２に従って励磁電流供給フラグＧｏｎが設定されたときの動作が示されている。

【0194】

図２３を参照して、風力発電装置の時刻ｔ４までの挙動は、図１４と同様である。即ち、時刻ｔ２において、回転数Ｎの低下に応じて励磁電流が停止され（Ｇｏｎ＝０）、時刻ｔ２から判定値Ｔ１１に相当する時間が経過する前の時刻ｔ３において、励磁電流の停止中（発電停止中）の回転数Ｎの上昇に応じて、励磁電流の供給が再開される（Ｇｏｎ＝１）。

【0195】

更に、時刻ｔ４において、発電中の回転数Ｎの低下により、励磁電流が停止される。実施の形態２では、モード１２において、励磁電流供給フラグＧｏｎが０の期間、上述のタイマ値ｔｔ１がカウントアップされる。

【0196】

そして、時刻ｔａでは、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇していないものの、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達したことにより、励磁電流の供給が開始される。

【0197】

時刻ｔ６では、発電中の回転数Ｎの低下により、励磁電流が停止される。風速が低く、発電を停止しても回転数Ｎが上昇しないケースでは、図１９の判定によりモード１３が継続されるので、タイマ値ｔｔ１のカウントアンプは開始されない。時刻ｔｂにおいて、風速が上昇して、発電停止中の回転数Ｎが上昇に転じると、図１９の判定により、モード１３からモード１２への遷移が生じて、タイマ値ｔｔ１のカウントアンプが開始される。即ち、この様なケースでは、時刻ｔ６ではなく、時刻ｔｂを起点として、励磁電流の停止時間が計測される。

【0198】

図２３の例では、時刻ｔ６から、判定値Ｔ１１に相当する時間が経過した時刻ｔ８において、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達したことにより、励磁電流の供給が開始される。時刻ｔ８においても、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇していないにも関わらず、励磁電流の供給により、発電が開始されることが理解される。

【0199】

図１４及び図２３の比較から理解される様に、図２３の時刻ｔａ及びｔ８では、実施の形態１では発電が再開されないのに対して、実施の形態２では、間欠励磁運転領域内（モード１２）での励磁電流の停止時間が判定値Ｔ１１に対応する判定時間に達することで、発電が開始されている。当該判定時間は、「第１の時間」の一実施例に対応する。

【0200】

実施の形態１（図１４）では、風速が下がってくると、間欠励磁運転の運転間隔が長くなったり、運転を開始できなくなったりして発電の機会が失われる虞がある。これに対応するために、励磁電流の供給開始条件となる基準回転数Ｎ１２を低下させると、反対に、風速Ｖ２等の機械入力が比較的大きくとれる回転数が、モード２からモード１の領域になって間欠運転領域外になり、発電量が低下することが懸念される。従って、実施の形態２では、上述した、間欠励磁運転領域内（モード１２）での励磁電流の停止時間に応じて発電を開始する条件を追加して、基準回転数Ｎ１２を低下させることなく、発電の機会を増やしている。

【0201】

図２４は、実施の形態２に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。図２４は、図１６に示された動作例をベースに、実施の形態２に係る発電開始条件を付加したときの動作例が示される。

【0202】

図２４を参照して、回転数－トルク特性図上に、実施の形態２での動作線２１３が、太線で示される。動作線２１３についても、発電機２０の動作点の集合である。動作線２１３は、間欠励磁運転領域での発電時（Ｇｏｎ＝１）には、図１６と同様に、最大出力線２１０よりも上側（高トルク側）を通過する様に設定される。一方で、動作線２１３についても、発電停止時（Ｇｏｎ＝０）には、横軸（Ｔｅ＝０）上となる。

【0203】

実施の形態２に係る動作線２１３は、上述した励磁電流の停止時間に係る条件の追加により、ヒステリシスループの形状が、動作線２１２（図１６）とは異なる。具体的には、回転数Ｎ＝Ｎ１１での、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印と、回転数Ｎ＝Ｎ１２での発電停止状態から発電状態に遷移する上向きの矢印とに加えて、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の領域でも、発電停止状態から発電状態に遷移する上向きの矢印が更に発生する。図２４の例では、Ｎ＝Ｎｏｎ１及びＮ＝Ｎｏｎ２において、発電停止状態から発電状態への遷移（上向きの矢印による遷移）が発生している。例えば、図２４のＮｏｎ１、Ｎｏｎ２の各々は、タイマ値ｔｔ１に応じて励磁電流供給フラグＧｏｎがセットされた、図１７中での時刻ｔａ，ｔ８での回転数Ｎ（Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２）に対応する。

【0204】

図２４の動作例において、風速Ｖ２での動作は、図１６と同様である。即ち、励磁電流が供給されているとき（Ｇｏｎ＝１）には、動作線２１３の上側の軌跡に沿って回転数ＮがＮ１１まで低下すると、Ｎ＝Ｎ１１での矢印（下向き）に沿って励磁電流が停止される。発電停止中には、風速Ｖ２による風車の発生トルクによって回転数Ｎが上昇するので、発電機２０の動作点は、横軸（Ｔ＝０）を右側に移動する。そして、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達すると、励磁電流の供給が開始される。即ち、動作線２１３のうちの、Ｎ＝Ｎ１１での遷移（下向き矢印）及びＮ＝Ｎ１２での遷移（上向き矢印）を伴うヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点が移動する。

【0205】

風速Ｖ４では、回転数Ｎ１２での動作点Ｂ１の発生トルクが小さい。このため、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下した後の励磁電流の停止中において、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に近付くと、風車の発生トルクが０に近付いて式（１３）の右辺が小さくなるため、回転数Ｎの上昇レートが小さくなる。この様な状態では、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に上昇するまで待機しても、当該待機期間に新たに蓄積される運動エネルギは比較的小さいことが理解される。

【0206】

このため、判定値Ｔ１１に対応する時間の経過に応じて、Ｎ＝Ｎｏｎ１で励磁電流の供給を開始して、発電を再開することが効率的である。発電を再開すると、発電機２０の動作点は、上向きの矢印に沿って、ヒステリシスループの上辺に移動する。即ち、風速Ｖ４では、動作線２１３のうちの、Ｎ＝Ｎ１１での遷移（下向き矢印）及びＮ＝Ｎｏｎ１での遷移（上向き矢印）を伴うヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点が移動する。

【0207】

風速Ｖ５では、Ｔｅ＝０となる動作点Ｂ２までしか発電機２０は加速されない。このため、励磁電流停止中でも、回転数Ｎは基準回転数Ｎ１２まで上昇することができない。即ち、実施の形態１（図１５，図１６）では、風速Ｖ５では発電することができない。

【0208】

これに対して、実施の形態２では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達することにより、Ｎ＝Ｎｏｎ２において、励磁電流の供給が開始される。即ち、風速Ｖ５では、動作線２１３のうちの、Ｎ＝Ｎ１１での遷移（下向き矢印）及びＮ＝Ｎｏｎ２での遷移（上向き矢印）を伴うヒステリシスループに沿って、発電機２０の動作点が移動する。この結果、風速Ｖ５でも、一定時間経過毎に発電機会を設けることができる。

【0209】

この様に、低風速時（例えば、風速Ｖ４及びＶ５）においても、励磁電流停止中（発電停止中）の一定時間（Ｔ１１相当）経過毎に、風車（プロペラ５）で発生中の機械出力と、当該一定時間で蓄積された運動エネルギ（回転エネルギ）とによって、発電機２０への機械入力を増加させて、発電の機会を確保することができる。

【0210】

以上説明した様に、本実施の形態２に係る風力発電装置では、間欠励磁運転領域において励磁電流の停止時間に応じて、励磁電流の供給を開始することできるため、低風速で加速しにくい条件下においても、発電を再開することができる。

【0211】

この結果、実施の形態１で説明した効果に加えて、間欠励磁運転領域全体を使用して発電機２０で電力を取り出せる風速（例えば、図２４での風速Ｖ２）では電力量を確保したままで間欠的に発電できるとともに、間欠励磁運転領域の高回転数側を利用できない低風速下（例えば、図２４の風速Ｖ４，Ｖ５）では、低回転数側だけを使用して間欠的に発電を行うことが可能である。これにより、風力発電装置の設備利用率を一層向上することができる。

【0212】

尚、タイマ値ｔｔ１を用いて励磁電流の停止時間を管理することで、発電機２０の無負荷運転時の回転数Ｎの上昇レート（傾き）を把握することができる。即ち、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達しても回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達していないことの検知は、回転数Ｎの傾きが予め定められた基準値（Ｔ１１から逆算）よりも低いことを検知することと等価であり、これにより、更に、風速が基準よりも低いことを間接的に検知することを等価である。この結果、実施の形態２では、風速を把握するとともに、当該風速に応じて間欠励磁運転領域の基準回転数Ｎ１１，Ｎ１２を変化させる様な複雑な制御を行うことなく、低風速時の発電機会を簡易な制御で確保することができる。

【0213】

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態２における励磁電流供給停止判定部の変形例を説明する。実施の形態３に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は実施の形態１及び２と同じであるので、基本的には、当該共通部分の説明は省略する。

【0214】

図２５は、実施の形態３に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。図２５の制御処理は、風力発電装置の１０の運転中に一定の周期で繰り返し実行される。

【0215】

図２５を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、Ｓ２０１～Ｓ２０５により、回転数Ｎと、間欠励磁運転領域の上限値及び下限値に相当する基準回転数Ｎ１２及び下限回転数Ｎｏｆｆとの比較により、モード２１～モード２３を選択する。実施の形態３では、間欠励磁運転領域の下限値に相当する下限回転数Ｎｏｆｆが、励磁電流の供給開始時の回転数に応じて可変に設定される。

【0216】

Ｎ≧Ｎ１２の場合（Ｓ２０１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ２０２により、モード２１の処理（図２６）が実行される。又、Ｎ≦Ｎｏｆｆの場合（Ｓ２０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ２０３のＮＯ判定時）には、Ｓ２０５により、モード２３の処理（図２７）が実行される。Ｎｏｆｆ＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（Ｓ２０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ２０３のＹＥＳ判定時）には、Ｓ２０４により、モード２２の処理（図２８）が実行される。

【0217】

図２６～図２８には、図２５のモード２１（Ｓ２０２）、モード２３（Ｓ２０５）、及び、モード２２（Ｓ２０４）のそれぞれでの制御処理を説明するフローチャートが示される。実施の形態３においても、実施の形態２と同様の、補助フラグＧｏｎ１，Ｇｏｎ２と、タイマ値ｔｔ１とが導入される。

【0218】

タイマ値ｔｔ１は、実施の形態２と同様に、間欠励磁運転領域での励磁電流の停止時間を計測する。補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「１」にセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされ、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「０」にリセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。尚、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の両方がセットされることはない。

【0219】

図２６を参照して、モード２１の適用時には、Ｓ２１１により、補助フラグＧｏｎ１＝１に設定され、Ｓ２１２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、Ｓ２１３では、基準回転数Ｎ１２から予め定められたヒステリシス幅ｄＮを減算することで、下限回転数Ｎｏｆｆが設定される（Ｎｏｆｆ＝Ｎ１２－ｄＮ）。

【0220】

又、モード２１では、実施の形態２と同様に、Ｓ２１４により、タイマ値ｔｔ１がクリア（ｔｔ１＝０）されるとともに、Ｓ２１５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。

【0221】

図２７を参照して、モード２３の適用時には、Ｓ２４１により、補助フラグＧｏｎ１＝０に設定され、Ｓ２４２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、モード２３では、Ｓ２４３により、下限回転数Ｎｏｆｆは、基準回転数Ｎ１１に設定される（Ｎｏｆｆ＝Ｎ１１）。

【0222】

又、モード２３では、Ｓ２４４により、タイマ値ｔｔ１がクリア（ｔｔ１＝０）されるとともに、Ｓ２４５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。

【0223】

図２８を参照して、モード２２の適用時には、Ｓ２２１により、前回設定された補助フラグＧｏｎ１の状態が確認される。Ｇｏｎ１＝１に設定されている場合（Ｓ２２１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ２２２により、補助フラグＧｏｎ２＝０にリセットされるとともに、Ｓ２２３により、下限回転数Ｎｏｆｆは現在の設定値のまま維持される（Ｎｏｆｆ＝Ｎｏｆｆ）。

【0224】

更に、Ｓ２２４により、タイマ値ｔｔ１＝０にクリアされるとともに、Ｓ２２５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。Ｓ２２２～Ｓ２２５の処理は、モード２１（Ｎ≧Ｎ１２）からモード２２（間欠励磁運転領域）に遷移したときに実行される。

【0225】

一方で、モード２３（Ｎ≦Ｎ１１）からモード２２（間欠励磁運転領域）に遷移したときには、補助フラグＧｏｎ１＝０であるので、Ｓ２２１はＮＯとされる。このときには、Ｓ２２６により、補助フラグＧｏｎ２＝０であるか否かが判定される。

【0226】

補助フラグＧｏｎ２＝０のとき（Ｓ２２６のＮＯ判定時）には、Ｓ２２９により、タイマ値ｔｔ１が予め定められた判定値Ｔ１１を超えているか否かが、更に判定される。そして、ｔｔ１≦Ｔ１１のとき（Ｓ２２９のＮＯ判定時）には、Ｓ２３４により、タイマ値ｔｔ１がカウントアップされるとともに、Ｓ２３５により、下限回転数Ｎｏｆｆは現在の設定値のまま維持される（Ｎｏｆｆ＝Ｎｏｆｆ）。更に、Ｓ２３６により、ｔｔ１≦Ｔ１１の期間内では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持される。

【0227】

これに対して、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超えると（Ｓ２２９のＹＥＳ判定時）、Ｓ２３０により、補助フラグＧｏｎ２＝１に設定されるとともに、Ｓ２３１により、現在の回転数Ｎから上述のヒステリシス幅ｄＮを減算することで、下限回転数Ｎｏｆｆが設定される（Ｎｏｆｆ＝Ｎ－ｄＮ）。

【0228】

更に、Ｓ２３１で設定された下限回転数Ｎｏｆｆに対して、Ｓ２３２，Ｓ２３３により、下限リミット処理が行われる。即ち、Ｎｏｆｆ≦Ｎ１１であると（Ｓ２３２のＮＯ判定時）、Ｓ２３３により、下限回転数Ｎｏｆｆは、基準回転数Ｎ１１に設定される。即ち、Ｎｏｆｆ＜Ｎ１であると、下限回転数Ｎｏｆｆは、強制的にＮ１１に書き換えられる。即ち、下限回転数Ｎｏｆｆは、励磁電流の供給開始時の回転数からヒステリシス幅ｄＮを減算した値（Ｓ２３１でのＮ－ｄＮ）と、基準回転数Ｎ１１との高い方に設定される。更に、Ｓ２２８により、タイマ値ｔｔ１が現在値に維持されて、Ｓ２２５により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。

【0229】

一方で、Ｎｏｆｆ≧Ｎ１１であると（Ｓ２３２のＹＥＳ判定時）、Ｓ２２７により、下限回転数Ｎｏｆｆは現在の値に維持される。更に、同様のＳ２２８，Ｓ２２５により、タイマ値ｔｔ１が現在値に維持されるとともに、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。

【0230】

一旦、ｔｔ１＞Ｔ１１となって補助フラグＧｏｎ２＝１にセットされると（Ｓ２３０）、Ｓ２２６がＹＥＳ判定とされて、上述のＳ２２７，Ｓ２２８，Ｓ２２５の処理が実行される。即ち、Ｓ２２１がＮＯ判定のときには、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達するまでは、Ｓ２３４～Ｓ２３６により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に設定される。

【0231】

これに対して、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達すると、Ｓ２３０以降の処理により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されるとともに、励磁電流の供給の開始時には、当該開始時点の回転数Ｎからヒステリシス幅ｄＮを減算することで、下限回転数Ｎｏｆｆが設定される。上述の様に、この下限回転数Ｎｏｆｆは、Ｓ２３２，Ｓ２３３の下限リミット処理により、間欠励磁運転領域の下限値であるＮ１１より低く設定されることはなく、Ｎ１２－ｄＮ＞Ｎｏｆｆ≧Ｎ１１の範囲内に設定される。又、モード２２（間欠励磁運転領域内）での励磁電流の供給中には、電流供給の開始時点に設定された下限回転数Ｎｏｆｆが維持される。

【0232】

図２９は、実施の形態３に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。図２９では、図２５～図２８に従って励磁電流供給フラグＧｏｎが設定されたときの動作が示されている。

【0233】

図２９を参照して、時刻ｔｓ～ｔ１では、Ｎ≧Ｎ１２（モード２１）のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されて、励磁電流が発電機２０に供給される。励磁電流Ｉｆの供給時は、発電機２０には発電トルクＴｅが作用するため、Ｇｏｎ＝１の期間では、Ｔｍ－Ｔｅ＜０となる風速においては回転数Ｎは徐々に低下する。

【0234】

時刻ｔ１において、回転数ＮがＮ１２まで低下すると、この時点での下限回転数Ｎｏｆｆ＝Ｎ１２－ｄＮであるので（Ｓ２１３）、モード２１からモード２２への遷移が生じる。モード２２に遷移しても、下限回転数Ｎｏｆｆ＝Ｎ１２－ｄＮに維持されるので（Ｓ２２３）、発電に応じて回転数Ｎが下限回転数Ｎｏｆｆ以下になるまで、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に維持される。

【0235】

そして、時刻ｔ１０において、回転数Ｎが下限回転数Ｎｏｆｆになると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、発電が停止される。これにより、回転数Ｎは上昇に転じるため、再び、モード２３からモード２２への遷移が発生するので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持されるとともに、タイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0236】

時刻ｔ１１では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する。これにより、時刻ｔ１１では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ１１では、励磁電流の開始に応じて、下限回転数Ｎｏｆｆ＝Ｎ１２－ｄＮに設定される（Ｓ２１３）。励磁電流の供給が開始されると、タイマ値ｔｔ１はクリアされる（Ｓ２１４）。

【0237】

時刻ｔ１２では、時刻ｔ１１以降で低下した回転数Ｎが、時刻ｔ１１で設定された下限回転数Ｎｏｆｆまで低下するので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。これにより、発電が停止されるとともに、時刻ｔ１２から、再び、タイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0238】

時刻ｔ１３では、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超える。これにより、時刻ｔ１３では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ１３では、時刻ｔ１３での回転数Ｎ（Ｎ＜Ｎ１２）からヒステリシス幅ｄＮを減算した値が、Ｎ１１よりも高いので、当該減算値が下限回転数Ｎｏｆｆに設定される。即ち、時刻ｔ１３で設定される下限回転数Ｎｏｆｆは、時刻ｔ１及びｔ１１で設定された下限回転数Ｎｏｆｆ（＝Ｎ１２－ｄＮ）よりも低い。又、時刻ｔ１３では、タイマ値ｔｔ１が保持される。

【0239】

時刻ｔ１４では、時刻ｔ１３以降で低下した回転数Ｎが、時刻ｔ１３で設定された下限回転数Ｎｏｆｆまで低下する。これに応じて、タイマ値ｔｔ１がクリアされるとともに、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて発電が停止される。時刻ｔ１４から、再び、タイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0240】

時刻ｔ１５において、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超える。これにより、時刻ｔ１５では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ１５では、時刻ｔ１５での回転数Ｎ（Ｎ＜Ｎ１２）からヒステリシス幅ｄＮを減算した値は、Ｎ１１と同等であるので、下限回転数Ｎｏｆｆ＝Ｎ１１に設定される。時刻ｔ１５においても、タイマ値ｔｔ１が保持される。

【0241】

時刻ｔ１６では、時刻ｔ１５以降で低下した回転数Ｎが、時刻ｔ１５で設定された下限回転数Ｎｏｆｆ（＝Ｎ１１）まで低下する。これに応じて、タイマ値ｔｔ１がクリアされるとともに、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて発電が停止される。時刻ｔ１６からは再び、タイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0242】

時刻ｔ１７において、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超える。これにより、時刻ｔ１７では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ１７では、時刻ｔ１５での回転数Ｎからヒステリシス幅ｄＮを減算した値がＮ１１よりも低いので、図２８のＳ２３２、Ｓ２３３により、下限回転数Ｎｏｆｆ＝Ｎ１１に設定される。

【0243】

時刻ｔ１８では、時刻ｔ１７以降で低下した回転数Ｎが、時刻ｔ１７で設定された下限回転数Ｎｏｆｆである＝Ｎ１１まで低下する。これに応じて、タイマ値ｔｔ１がクリアされるとともに、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて発電が停止される。時刻ｔ１８からは、再び、タイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始されることになる。

【0244】

この様に、実施の形態３では、実施の形態２と同様に、間欠励磁運転領域内（モード２２）での励磁電流の停止時間に応じて発電が開始されるとともに、励磁電流の停止条件（下限回転数Ｎｏｆｆ）が、当該励磁電流の供給開始時の回転数Ｎに応じて可変に設定される。基本的には、ヒステリシス幅ｄＮだけ回転数が低下すると、励磁電流が停止される。

【0245】

式（１３）を変形すると、ｄω／ｄｔ＝（Ｔｍ－Ｔｅ）／（Ｊｍ＋Ｊｅ）が成立するので、（ｄω／ｄｔ）、即ち、図２９における回転数Ｎの傾きは、（Ｔｍ－Ｔｅ）に依存することが理解される。このため、風速が十分大きいために、間欠励磁運転領域においてＴｍが十分大きい場合を例外として、一般的には、間欠励磁運転領域では、回転数Ｎが低下するにつれて、（Ｔｍ－Ｔｅ）が減少することから回転数Ｎの傾きが小さくなる。このため、間欠励磁運転領域において、励磁電流が供給される時間（発電時間）のうち、相対的に回転数Ｎが低い領域での発電時間の占める割合が大きくなる傾向になる。

【0246】

一方で、発電機２０の発電電力は高回転側で大きく、このとき、発電効率も高くなる傾向にある。このため、低回転数領域での発電時間を増やすことは発電効率の面からは得策ではない。このため、実施の形態３では、ヒステリシス幅ｄＮを設けることで、間欠励磁運転領域において励磁電流が供給される回転数領域を、高回転側に制限している。

【0247】

図３０は、実施の形態３に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。図３０においても、図１６に示された動作例をベースに、実施の形態３に係る発電開始条件を付加したときの動作例が示される。

【0248】

図３０を参照して、回転数－トルク特性図上に、実施の形態３での動作線２１４が、太線で示される。動作線２１４についても、発電機２０の動作点の集合である。動作線２１４は、間欠励磁運転領域での発電時（Ｇｏｎ＝１）には、図１６と同様に、最大出力線２１０よりも上側（高トルク側）を通過する様に設定される。又、動作線２１４についても、発電停止時（Ｇｏｎ＝０）には、横軸（Ｔｅ＝０）上となる。

【0249】

実施の形態３に係る動作線２１４は、上述した励磁電流の停止時間に係る条件の追加により、ヒステリシスループの形状が、動作線２１３（図２４）とは異なる。具体的には、動作線２１３（図２４）では、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印が回転数Ｎ＝Ｎ１１での１つのみであるのに対して、動作線２１４では、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印が、励磁電流の供給開始時における回転数Ｎに応じて複数個存在することになる。

【0250】

例えば、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達したことで、間欠励磁運転領域での励磁電流の供給が開始されると、当該時点の回転数Ｎｏｎ１（Ｎｏｎ１＝Ｎ１２）からヒステリシス幅ｄＮが減算された、Ｎｏｆｆ１＝Ｎｏｎ１－ｄＮが下限回転数Ｎｏｆｆとされる。このため、図３０中に示される様に、Ｎ＝Ｎｏｆｆ１においても、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印が更に発生する。

【0251】

又、タイマ値ｔｔ１に応じて、基準回転数Ｎ１２よりも低い回転数Ｎｏｎ２の時点で、間欠励磁運転領域での励磁電流の供給が開始されると、当該回転数Ｎｏｎ２からヒステリシス幅ｄＮが減算された、Ｎｏｆｆ２＝Ｎｏｎ２－ｄＮが下限回転数Ｎｏｆｆとされる。これにより、図３０中に示される様に、Ｎ＝Ｎｏｆｆ２においても、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印が更に発生する。この回転数Ｎｏｎ２は、図２９での時刻ｔ１３での回転数Ｎに対応する。

【0252】

図３０の例では、タイマ値ｔｔ１に応じて、基準回転数Ｎ１２よりも低い回転数Ｎｏｎ３の時点で、間欠励磁運転領域での励磁電流の供給が開始される。当該回転数Ｎｏｎ３については、Ｎｏｎ３－ｄＮ＜Ｎ１１が成立する。従って、回転数Ｎｏｎ３で開始された励磁電流の供給が、回転数ＮがＮｏｆｆ３まで低下したときに停止されるとすると、Ｎ１１＝Ｎｏｆｆ３となるので、Ｎｏｎ３での発電停止状態から発電状態に遷移する上向きの矢印に対しては、基準回転数Ｎ１１での発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印が対を成すことになる。即ち、上述の下限リミット処理により、Ｎ＜Ｎ１１の領域には、発電状態から発電停止状態に遷移する下向きの矢印は発生しない。

【0253】

この様に、本実施の形態３に係る風力発電装置では、実施の形態２と同様に、間欠励磁運転領域において励磁電流の停止時間に応じて励磁電流の供給を開始することできるため、低風速で加速しにくい条件下においても、発電を再開することができる。

【0254】

更に、励磁電流の供給開始時における回転数Ｎに応じてヒステリシス幅ｄＮが一定になる様に発電を実行するので、発電効率が低下する低回転数領域を避けて、比較的発電効率が高い領域に限定して、間欠励磁運転領域での発電を行うことができる。

【0255】

この結果、本実施の形態３に係る風力発電装置では、実施の形態２と同様に、風速を把握することなく、低風速時の発電機会を簡易な制御で確保することにより、風力発電装置の設備利用率を向上することができる。更に、ヒステリシス幅ｄＮを設ける制御により、風速が高めの場合には発電電力が大きい高回転数側で間欠的に発電することができる。特に、風速の低下に伴って、励磁電流の供給を開始する回転数が低下しても、風速に応じてなるべく高めの領域で発電することで、発電効率の低下を抑制できる。この結果、蓄電素子３０に充電できる電力量を更に大きくできる。

【0256】

実施の形態４．
実施の形態４においても、実施の形態２における励磁電流供給停止判定部の変形例を説明する。実施の形態４に係る風力発電装置は、以下で説明する点以外は実施の形態１及び２と同じであるので、基本的には、当該共通部分の説明は省略する。

【0257】

図３１は、実施の形態４に係る風力発電装置における励磁電流供給停止判定部による制御処理を説明するフローチャートである。図３１の制御処理は、風力発電装置の１０の運転中に一定の周期で繰り返し実行される。

【0258】

図３１を参照して、励磁電流供給停止判定部６８は、図１０のＳ１～Ｓ５、及び、図１９のＳ１０１～Ｓ１０５と同様のＳ３０１～Ｓ３０５により、回転数Ｎと、間欠励磁運転領域の下限値及び上限値に相当する基準回転数Ｎ１１及びＮ１２との比較により、モード３１～モード３３を選択する。

【0259】

これにより、Ｎ≧Ｎ１２の場合（Ｓ３０１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ３０２により、モード３１の処理（図３２）が実行される。又、Ｎ≦Ｎ１１の場合（Ｓ３０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ３０３のＮＯ判定時）には、Ｓ３０５により、モード３３の処理（図３３）が実行される。更に、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の場合（Ｓ３０１のＮＯ判定、かつ、Ｓ３０３のＹＥＳ判定時）には、Ｓ３０４により、モード３２の処理（図３４）が実行される。

【0260】

図３２～図３４には、図３１のモード３１（Ｓ３０２）、モード３３（Ｓ３０５）、及び、モード３２（Ｓ３０４）のそれぞれでの制御処理を説明するフローチャートが示される。実施の形態４では、補助フラグＧｏｎ１，Ｇｏｎ２及びタイマ値ｔｔ１に加えて、タイマ値ｔｔ２がさらに導入される。

【0261】

更に、タイマ値ｔｔ１が、実施の形態２，３と同様に、間欠励磁運転領域での励磁電流の停止時間を計測する一方で、タイマ値ｔｔ２は、間欠励磁運転領域での励磁電流の供給時間を計測する。

【0262】

実施の形態２及び３と同様に、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「１」にセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされ、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の一方が「０」にリセットされるとき、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。尚、補助フラグＧｏｎ１及びＧｏｎ２の両方がセットされることはない。

【0263】

図３２を参照して、モード３１の適用時には、Ｓ３１１により、補助フラグＧｏｎ１＝１に設定され、Ｓ３１２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、Ｓ３１３により、タイマ値ｔｔ１及びｔｔ２がクリア（ｔｔ１＝ｔｔ２＝０）されるとともに、Ｓ３１４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定される。

【0264】

図３３を参照して、モード３３の適用時には、Ｓ３４１により、補助フラグＧｏｎ１＝０に設定され、Ｓ３４２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、Ｓ３４３により、タイマ値ｔｔ１及びｔｔ２がクリア（ｔｔ１＝ｔｔ２＝０）されるとともに、Ｓ３４４により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に設定される。

【0265】

図３４を参照して、モード３２の適用時には、Ｓ３２１により、前回設定された補助フラグＧｏｎ１の状態が確認される。Ｇｏｎ１＝１のときには（Ｓ３２１のＹＥＳ判定時）、Ｓ３２２により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定されるとともに、Ｓ３２３により、タイマ値ｔｔ１はクリアされる（ｔｔ１＝０）。

【0266】

更に、Ｓ３２４では、タイマ値ｔｔ２が予め定められた判定値Ｔ２１と比較される。タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１より小さいとき（Ｓ３２４のＹＥＳ判定時）には、Ｓ３２５により、タイマ値ｔｔ２がカウントアップされるとともに、Ｓ３２６により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定される。一方で、Ｓ３２４において、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達すると（Ｓ３２４のＮＯ判定時）には、Ｓ３２７により、補助フラグＧｏｎ１＝０に設定されるとともに、Ｓ３２９により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされる。更に、Ｓ３２８において、タイマ値ｔｔ２がクリアされる（ｔｔ２＝０）。

【0267】

Ｓ３２１において、補助フラグＧｏｎ１＝０のときには（Ｓ３２１のＮＯ判定時）には、Ｓ３３０により、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１と比較される。ｔｔ１≦Ｔ１１のとき（Ｓ３３０のＮＯ判定時）には、Ｓ３３７により、タイマ値ｔｔ１がカウントアップされるとともに、Ｓ３３８により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定される。更に、ｔｔ１≦Ｔ１１の期間内では、Ｓ３３９により、タイマ値ｔｔ２がクリアされる（ｔｔ２＝０）とともに、Ｓ３２９により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持される。

【0268】

タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１を超えると（Ｓ３３０のＹＥＳ判定時）、Ｓ３３１により、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１と比較される。タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１より小さいとき（Ｓ３３１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ３３２により、タイマ値ｔｔ２がカウントアップされるとともに、Ｓ３３３により、補助フラグＧｏｎ２＝１に設定される。更に、Ｓ３３４により、タイマ値ｔｔ１は現在値に維持されるとともに、Ｓ３２６により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定される。

【0269】

これに対して、Ｓ３３１において、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１を超えると（Ｓ３３１のＮＯ判定時）、Ｓ３３５により、補助フラグＧｏｎ２＝０に設定されるとともに、Ｓ３３６により、タイマ値ｔｔ１及びｔｔ２がクリアされる（ｔｔ１＝ｔｔ２＝０）。更に、Ｓ３２９により、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に設定される。

【0270】

この様に、実施の形態４では、間欠励磁運転領域において、励磁電流の供給時間、及び、停止時間の両方がタイマ値によって監視される。即ち、励磁電流の停止が、判定値Ｔ１１に対応する所定時間だけ継続すると、励磁電流の供給が開始されるとともに、励磁電流の供給が、判定値Ｔ２１に対応する所定時間だけ継続すると、励磁電流が停止される。即ち、判定値Ｔ１１に対応する所定時間は「第１の時間」の一実施例に対応し、判定値Ｔ１２に対応する所定時間は「第２の時間」の一実施例に対応する。

【0271】

図３５は、実施の形態４に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。図３５では、図３１～図３４に従って励磁電流供給フラグＧｏｎが設定されたときの動作が示されている。

【0272】

図３５を参照して、時刻ｔｓ～ｔ１では、Ｎ≧Ｎ１２（モード３１）のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されて、励磁電流が発電機２０に供給される。励磁電流の供給時は、発電機２０には発電トルクＴｅが作用するため、Ｔｍ－Ｔｅ＜０となる風速においては、回転数Ｎは徐々に低下する。

【0273】

時刻ｔ１において、回転数ＮがＮ１２まで低下すると、モード３１からモード３２への遷移が生じる。これに応じて、励磁電流の停止時間を計測するためのタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。時刻ｔ１より更に回転数Ｎが低下し、時刻ｔ２０では、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。

【0274】

これに応じて、時刻ｔ２０では、モード３２からモード３３への遷移に応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、発電が停止される。これにより、回転数Ｎが上昇に転じるために、再び、モード３３からモード３２への遷移が生じるので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０に維持されるとともに、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0275】

時刻ｔ２１では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する。これにより、時刻ｔ２１では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ２１では、タイマ値ｔｔ１，ｔｔ２がクリアされた後（Ｓ３１３）、励磁電流の供給時間を計測するためのタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0276】

時刻ｔ２２では、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する前に、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達することにより、励磁電流が停止される。時刻ｔ２２からは、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0277】

時刻ｔ２３では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する前に、時刻ｔ２２以降で上昇する回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達する。これにより、モード３２からモード３１への遷移が生じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされることで、励磁電流の供給が開始される。

【0278】

時刻ｔ２３で回転数Ｎが低下に転じるため、再び、モード３１からモード３２への遷移が生じるとともに、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0279】

更に、時刻ｔ２４では、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達する前に、時刻ｔ２３以降での発電により低下する回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。これにより、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされることで、励磁電流が停止される。

【0280】

時刻ｔ２４で回転数Ｎが上昇に転じると、再び、モード３３からモード３２への遷移が生じるとともに、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0281】

時刻ｔ２５では、時刻ｔ２４以降で上昇する回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する。これにより、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされることで、励磁電流の供給が開始される。時刻ｔ２５では、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0282】

時刻ｔ２６では、時刻ｔ２４と同様に、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。これにより、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされることで、励磁電流が停止される。更に、時刻ｔ２６では、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0283】

時刻ｔ２７では、時刻ｔ２３と同様に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達する。これにより、モード３２からモード３１への遷移が生じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされる。これにより、励磁電流の供給が再開される。

【0284】

時刻ｔ２７以降では、風速の上昇により、発電中であっても回転数Ｎ≧Ｎ１２の状態が継続して、モード３１が維持される。その後、風速の低下により、回転数Ｎが低下して、時刻ｔ２８において、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで低下すると、時刻ｔ１と同様に、モード３１からモード３２への遷移が発生して、励磁電流の供給が継続された状態で、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0285】

実施の形態４では、間欠励磁運転領域内において、励磁電流の停止時間に応じて発電を開始する機能を有する実施の形態２と比較すると、励磁電流の供給時間に応じて発電を停止することが更に可能となる。

【0286】

実施の形態２での動作線２１３（図２４）では、励磁電流供給中のタイマ値ｔｔ２に基づく、発電状態から発電停止状態への遷移が発生しない。このため、励磁電流供給時において、発電機２０のトルクと風車のトルクとが近付くと、式（１３）の右辺の絶対値が小さくなることにより、回転数Ｎの傾きが小さくなる。これにより、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下するのに時間を要すると、発電効率が低い低回転数領域での発電の機会が増加することで、発電量が低下することが懸念される。

【0287】

これに対して、実施の形態４では、励磁電流の供給時間に上限値（判定値Ｔ２１）を設けることで、励磁電流の供給を停止して、発電機２０を加速させる機会を設けることができる。これにより、間欠励磁運転領域での発電運転を、発電効率が相対的に高い高回転側に設けることが可能となる。

【0288】

図３６は、実施の形態４に係る風力発電装置での発電機２０の動作点の変遷の一例を説明するための回転数－トルク特性図である。図３６においても、図１６に示された動作例をベースに、実施の形態４に係る発電開始条件を付加したときの動作例が示される。

【0289】

図３６を参照して、回転数－トルク特性図上に、実施の形態４での動作線２１５が、太線で示される。動作線２１５についても、発電機２０の動作点の集合である。動作線２１５は、間欠励磁運転領域での発電時（Ｇｏｎ＝１）には、図１６と同様に、最大出力線２１０よりも上側（高トルク側）を通過する様に設定される。又、動作線２１５についても、発電停止時（Ｇｏｎ＝０）には、横軸（Ｔｅ＝０）上となる。

【0290】

実施の形態４に係る動作線２１５は、実施の形態１に係る動作線２１１，２１２（図１５，図１６）でのヒステリシスループと同様の、回転数Ｎ＝Ｎ１１での発電状態から発電停止状態への遷移（下向きの矢印）と、回転数Ｎ＝Ｎ１２での発電停止状態から発電状態への遷移（上向きの矢印）とに加えて、タイマ値ｔｔ１及びｔ１２に応じた遷移を更に含む。

【0291】

具体的には、タイマ値ｔｔ１に応じて、Ｎ＝Ｎｏｎ♯において、発電停止状態から発電状態への遷移（上向きの矢印）が生じるとともに、タイマ値ｔｔ２に応じて、Ｎ＝Ｎｏｆｆ♯において、発電状態から発電停止状態への遷移（下向きの矢印）とが生じる。これらの回転数Ｎｏｎ♯，Ｎｏｆｆ♯は、回転数Ｎの傾きに依存して異なるため、基準回転数Ｎ１１，Ｎ１２とは異なり、一意に定まるものではない。

【0292】

例えば、風速Ｖ２においては、風車トルクが大きめであるから励磁電流の停止時には、回転数Ｎは、動作線２１５のうちの横軸（Ｔ＝０）上を移動して、基準回転数Ｎ１２まで上昇することが可能である。Ｎ＝Ｎ１２に達して、励磁電流の供給が開始されると、発電機２０の動作点は、動作線２１５のヒステリシスループの上辺に沿って、減速側（右側）に移動する。この際に、回転数の低下（減速）に伴い、風車トルクが増大するため、回転数Ｎの低下レートは徐々に減少する。

【0293】

このため、実施の形態４では、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１に低下するまでに、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達するのに応じて、回転数Ｎｏｆｆ♯（Ｎｏｆｆ♯＞Ｎ１１）において、励磁電流を停止する。

【0294】

これにより、回転数ＮがＮｏｆｆ♯からＮ１１に低下するまでの期間に亘って発電を継続する代わりに、発電停止により回転数Ｎを上昇し、Ｎ＝Ｎ１２に達すると発電を再開することができる。これにより、低回転数側での発電を抑制して、高回転側での発電を指向することができる。

【0295】

又、風速Ｖ４においては、実施の形態２と同様に、励磁電流の停止後、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達した際の回転数Ｎ＝Ｎｏｎ♯であったとすると、その時点で励磁電流を供給して、発電を開始することができる。

【0296】

尚、図示は省略するが、間欠励磁運転領域において発電機２０のトルクと風車トルクとが一致して定常状態に至る風速においても、タイマ値ｔｔ１，ｔｔ２に応じた励磁電流供給フラグＧｏｎの制御により、同様の効果を得ることができる。具体的には、タイマ値ｔｔ２に基づく発電の中断による発電機２０の加速（回転数Ｎの上昇）と、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇した後に発電を開始することを繰り返す間欠充電により、高回転側の領域での発電を行うことができる。

【0297】

以上説明した様に、本実施の形態４に係る風力発電装置では、間欠励磁運転領域において励磁電流の停止時間を計測するタイマ（タイマ値ｔｔ１）に加えて、励磁電流の供給時間を計測するタイマ（タイマ値ｔｔ２）を有しているため、実施の形態２と同様に、低風速で加速しにくい条件においても励磁電流の供給を再開できる。

【0298】

更に、間欠励磁運転領域内では、特に低回転数側で風車トルクが大きくなる風速においては、低回転数領域での発電時間を低減し、当該時間において発電の停止により回転数Ｎを上昇させることで、高回転数領域での発電時間の割合を高めることで、発電効率を上昇することができる。

【0299】

尚、実施の形態２で説明したタイマ値ｔｔ１と同様に、タイマ値ｔｔ２を用いて励磁電流の供給時間を管理することで、発電機２０の発電運転時の回転数Ｎの低下レート（傾き）を把握することができる。即ち、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達しても回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１に達していないことの検知は、回転数Ｎの傾きが予め定められた基準値（Ｔ２１から逆算）よりも小さいことを検知することと等価であり、これにより、更に、風速が基準よりも低いことを間接的に検知することと等価である。この結果、実施の形態４においても風速を把握する必要が無く、更に、風速に応じた複雑な制御を行うことなく、低風速時の発電機会を簡易な制御で確保することができる。

【0300】

尚、実施の形態４では、タイマ値ｔｔ１が導入された実施の形態２に対して、タイマ値ｔｔ２を更に導入した例を説明したが、実施の形態１に対して、実施の形態４で説明したタイマ値ｔｔ２に基づいて励磁電流の供給を停止する制御を組み合わせることも可能である。

【0301】

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態２における励磁電流供給停止判定部の変形例を説明する。特に、間欠励磁運転領域の下限（基準回転数Ｎ１１）近傍で、励磁電流の供給が再開されたときの発電時間を確保するための制御が示される。

【0302】

図３７は、実施の形態５に係る風力発電装置での励磁電流供給制御の動作例を示すタイミングチャートである。

【0303】

図３７を参照して、実施の形態５では、間欠運転励磁領域は、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２のこれまでの領域に加えて、Ｎ１３＜Ｎ≦Ｎ１１の領域を更に含む様に拡大される。従って、図３１に示されたモード判定の制御処理では、Ｓ３０３は、Ｎ＞Ｎ１３であるか否かを判定することになる。そして、Ｎ１３＜Ｎ＜Ｎ１２のとき、モード３２が適用されて、間欠運転励磁領域で発電機２０が運転される。

【0304】

実施の形態４と同様に、モード３２の適用時には、タイマ値ｔｔ１によって励磁電流の停止時間が計測されるとともに、タイマ値ｔｔ２によって励磁電流の供給時間が計測される。

【0305】

間欠励磁運転領域のうち、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の範囲内で励磁電流の供給が開始されたときは、実施の形態２等と同様に、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０の時間（即ち、励磁電流の停止時間）を計測するタイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。

【0306】

一方で、拡大されたＮ１３＜Ｎ≦Ｎ１１の範囲内で励磁電流の供給が開始されたときは、タイマ値ｔｔ１に関する判定値Ｔ１３が、上記判定値Ｔ１１とは別個に設けられる。判定値Ｔ１３は、判定値Ｔ１１よりも大きい。従って、当該範囲では、励磁電流の停止時間）を計測するタイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１３に達すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、励磁電流の供給が開始される。即ち、実施の形態５では、判定値Ｔ１３に対応する所定時間は「第４の時間」の一実施例に対応する。

【0307】

更に、間欠励磁運転領域では、励磁電流の停止条件を示す下限側の回転数についても、励磁電流の供給開始時点での回転数に依存して異なる値に設定される。具体的には、Ｎ１１＜Ｎ＜Ｎ１２の範囲内で励磁電流の供給が開始されたときには、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下したときに、励磁電流が停止される。一方で、Ｎ１３＜Ｎ≦Ｎ１１の範囲内で励磁電流の供給が開始されたときは、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１３まで低下したときに、励磁電流が停止される。即ち、実施の形態５では、Ｎ＜Ｎ１３の領域では、励磁電流が供給されることはない。実施の形態５では、基準回転数Ｎ１３は「第３の回転数」に対応する。

【0308】

更に、実施の形態５では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１からＧｏｎ＝０にリセットする条件に、励磁電流の供給時間を計測するタイマ値ｔｔ２が加えられる。具体的には、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１のときには、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達するまでは、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１が維持される。そして、タイマ値ｔｔ２≧Ｔ２２となった後に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下すると、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止される。これにより、判定値Ｔ２２に相当する発電時間を最低限確保することが可能となる。即ち、実施の形態５では、判定値Ｔ２２に対応する所定時間は「第３の時間」の一実施例に対応する。

【0309】

図３７を参照して、時刻ｔｓ～ｔ１では、Ｎ＞Ｎ１２（モード３１）のため、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１に設定されて、励磁電流の供給によって発電機２０が発電するので、回転数Ｎは徐々に低下している。

【0310】

時刻ｔ１において、回転数ＮがＮ１２まで低下すると、モード３１からモード３２への遷移が生じる。これに応じて、励磁電流の供給時間を計測するためのタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。時刻ｔ３０では、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達した後に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。これに応じて、時刻ｔ３０では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、発電が停止される。これにより、回転数Ｎは上昇に転じる。更に、励磁電流の停止時間を計測するためのタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0311】

時刻ｔ３１では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する前に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する。これにより、時刻ｔ３１では、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされて、発電が再開される。時刻ｔ３１では、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0312】

時刻ｔ３２では、時刻ｔ３０と同様に、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達した後に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。これに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされるので、励磁電流が停止されるとともに、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0313】

時刻ｔ３３では、時刻ｔ３２以降で上昇する回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２に達する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する。これにより、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされることで、励磁電流の供給が開始される。時刻ｔ３３では、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0314】

時刻ｔ３４では、時刻ｔ３０，ｔ３２と同様に、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達した後に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下する。これに応じて、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされるので、励磁電流が停止されるとともに、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。

【0315】

時刻ｔ３５では、時刻ｔ３３と同様に、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する前に、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達する。これにより、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１にセットされることで、励磁電流の供給が開始される。時刻ｔ３５では、クリア後のタイマ値ｔｔ２のカウントアップが開始される。

【0316】

時刻ｔ３５以降では、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１１まで低下した時点では、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達していない。このため、Ｎ＜Ｎ１１であっても、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝１は、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２２に達する時刻ｔ３６まで維持される。時刻ｔ３６において、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止される。

【0317】

時刻ｔ３６において、クリアされたタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。時刻ｔ３７では、タイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１３に達するため、励磁電流供給フラグ＝１にセットされて、回転数Ｎが基準回転数Ｎ１２まで上昇する前に励磁電流の供給が開始される。

【0318】

時刻ｔ３８では、発電再開後に回転数Ｎが拡大された間欠励磁運転範囲の下限（基準回転数Ｎ１３）まで低下するので、励磁電流供給フラグＧｏｎ＝０にリセットされて、励磁電流が停止される。更に、クリア後のタイマ値ｔｔ１のカウントアップが開始される。以降、時刻ｔ３９，ｔ４０では、時刻ｔ３７，ｔ３８と同様の条件の成立により、励磁電流の供給が開始及び停止される。

【0319】

実施の形態５では、間欠励磁運転領域内において、時刻ｔ３５～ｔ３６の期間に示される様に、間欠励磁運転領域の下限近傍で励磁電流の供給が開始されたときに、発電が極めて短期間で終了することを防止できる。又、時刻ｔ３７～ｔ３８及びｔ３９～ｔ４０の期間の様に、Ｎ＜Ｎ１１の範囲でも発電機会を確保することができる。

【0320】

この様に、実施の形態５に係る風力発電装置では、風速を把握することなく、低風速時の発電機会を簡易な制御で確保することにより、風力発電装置の設備利用率を向上することができる。更に、間欠励磁運転領域の低回転数側（基準回転数Ｎ１１近傍）での発電時間を確保することが可能となる。

【0321】

尚、実施の形態２～５では、タイマ値ｔｔ１及びｔｔ２と、判定値Ｔ１１及びＴ２１との比較によって、間接的に回転数Ｎの傾きを検知する例を説明したが、タイマ値ｔｔ１，ｔｔ２ではなく、一定時間内での回転数Ｎの差分から、回転数Ｎの変化レート（上昇／低下）即ち、傾きを直接算出することも可能である。この場合には、実施の形態２～５でのタイマ値ｔｔ１が判定値Ｔ１１に達したか否かの判定は、直接算出された回転数Ｎの変化レートの絶対値が、予め定められた第１の判定値よりも小さいか否かの判定によって代替することができる。同様に、タイマ値ｔｔ２が判定値Ｔ２１に達したか否かの判定は、直接算出された回転数Ｎの変化レートの絶対値が、予め定められた第２の判定値よりも小さいか否かの判定によって代替することができる。

【0322】

又、上述した実施の形態１～５は、これまでの説明で言及していない組み合わせも含めて、矛盾が生じない限りにおいて適宜に組合せることが可能である。この様にして、本実施の形態に係る風力発電装置では、風車の機械出力だけでは発電電力よりも損失が大きいために連続的に発電しても蓄電素子３０を充電することができない場合においても、機械出力を運動エネルギに蓄積する発電停止時間を設けることにより、間欠的に発電して蓄電素子３０を充電することが可能となる。又、風速を検出しなくても、風速に応じて蓄電素子３０へ充電する電力量を大きくすることができる回転数において、間欠的な発電が可能である。この結果、風力発電装置の設備利用率向上及び蓄電効率向上を達成できる。

【0323】

尚、本実施の形態では、プロペラ５及び発電機２０の回転数が同一値である例を説明したが、増速機等の設置によって、プロペラ５（風車）の回転数と、発電機２０（回転子）の回転数との間に、既知の比（Ｋ）が存在する場合にも、同様の出力電圧制御及び励磁電流制御を、風力発電装置に適用することが可能である。具体的には、回転数検出値生成部６２（図６及び図１３）によって生成された、発電機２０の回転数検出値をＫ倍することでプロペラ５（風車）の回転数を算出することが可能である。又、プロペラ５（風車）の所望のトルク値を（１／Ｋ）倍することで、発電機２０のトルクを算出することができる。

【0324】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示による技術的範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0325】

５ プロペラ、１０ 風力発電装置、２０ 発電機、２１～２５ 端子（発電機）、２７ 電機子巻線、２８ 界磁巻線、２９ 整流器、３０ 蓄電素子、４０ 出力電圧制御回路、４１，４２，４６ 平滑コンデンサ、４３，４７，５１～５３ ダイオード、４４，４８ スイッチング素子、４５ リアクトル、５０ 励磁電流制御回路、６０ 発電機制御部、６２ 回転数検出値生成部、６４ 出力電圧制御部、６５，６７ ＡＮＤゲート、６６ 励磁電流制御部、６８ 励磁電流供給停止判定部、７１ 出力電圧指令値生成部、７２，８３ 減算器、７３ 電圧制御器、７４，８７ 比較器、８１ 励磁電流指令値生成部、８６ 電流制御器、２１１～２１５ 動作線（発電機）、Ａ１～Ａ３，Ｂ１，Ｂ２ 動作点（発電機）、ＣＷ 搬送波、Ｇｏｎ 励磁電流供給フラグ、Ｇｏｎ１，Ｇｏｎ２ 補助フラグ、Ｉｆ 励磁電流、Ｉｆｒｅｆ 励磁電流指令値、Ｎ１１～Ｎ１３ 基準回転数、Ｎｏｆｆ 基準回転数、ＳＧｂ，ＳＧｂ１，ＳＧｂ１ｘ，ＳＧｂ１ｙ，ＳＧｆ，ＳＧｆ１ ゲート信号、Ｔ１１～Ｔ１３，Ｔ２１，Ｔ２２ 判定値、ｔｔ１，ｔｔ２ タイマ値。

【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】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】