JP2014199055A

JP2014199055A - 発電装置

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Publication number: JP2014199055A
Application number: JP2014048780A
Authority: JP
Inventors: 明生濱田; Akio Hamada; 康己川端; Yasumi Kawabata; 敏成上田; Toshinari Ueda; 吉田　孝; Takashi Yoshida; 吉田　　孝
Original assignee: Toyota Tsusho Corp
Current assignee: Toyota Tsusho Corp
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-10-23

Abstract

【課題】始動時、或いは風が弱まり、風車の羽が止まってしまうことを防止するために力行運転を行っているが、単に力行運転を行うだけでは、最適な交流発電機の最適な制御とはいえない。様々なパターンの気まぐれな流体、例えば風に対して、そのような流体の状態と流体機械の能力との関係から、適切な力行、回生の切り替えタイミングが、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することが望まれる。
【解決手段】風力発電装置１０のコントローラ８０は、第１回生モードでは、垂直軸風車２０の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を開始し、第１回生モードで制御中に、風速が第２回生モード開始基準値となったときは、第２回生モードに移行して発電電流を最大制御電流で一定にした状態で、流速に応じて交流発電機３０の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関するものである。

自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電装置として、例えば風力発電装置が公知である。風力発電装置では、自然の風を利用するが、常に風力を一定の範囲に保つことは困難である。すなわち、風力発電装置では、風速の変動が、火力発電におけるガス流量や水力発電における水量の変動に比較して非常に大きく、発電電力が大きく変動する。

ところで、従来は、風車の引きずりトルクより風力が小さくなると、風車が停止し、その後、始動を再開する場合、始動トルクを超える大きな風力が必要となり、その分、発電ができない問題があった。

上記問題を解消するために、特許文献１の技術が提案されている。
特許文献１では、始動時、或いは、発電機の回転数を検出し、回転数が所定値以下になったときは、発電機を力行動作させて発電機の回転数を所定値以上に維持するようにしている。

特開２００５−２９５６２６号公報

特許文献１では、始動時、或いは風が弱まり、風車の羽（動翼）が止まってしまうことを防止するために交流発電機の力行運転を行っている。
しかしながら、単に力行運転を行うだけでは、最適な交流発電機の最適な制御とはいえない。様々なパターンの気まぐれな流体、例えば風に対して、そのような流体の状態と流体機械の能力との関係から、適切な力行、回生の切り替えタイミングが、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することが望まれる。

なお、自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電装置として、例えば風力発電装置以外にも、水力発電装置、海流発電装置、潮流発電装置、地熱発電装置等があるが、これらの発電装置においても、効率的な運用が望ましい。

本発明の目的は、様々なパターンの気まぐれな流体の状態と流体機械の能力との関係から、力行と回生の切り替えタイミングを適切に行い、ロスをより少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することができる発電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明の発電装置は、流体の運動エネルギーを機械の運動エネルギーへ変換する流体機械と、前記流体機械により駆動される交流発電機と、前記交流発電機の交流出力を直流に変換するインバータと、前記インバータからの直流電力を蓄電する蓄電部と、前記交流発電機を、前記インバータを介して回生モード又は力行モードで制御する制御部を備えた発電装置において、前記流体の流速を検出する流速検出部を備え、前記回生モードは、第１回生モード及び第２回生モードを含み、前記制御部は、力行モードで制御中に前記流速が速くなって第１回生モード開始基準値を超える場合は、前記第１回生モードとして、前記流体機械の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を行い、又は、前記回転数を目標回転数となるように、かつ流速比例で発電電流の制御を行い、前記第１回生モードで制御中に、前記発電電流が予め設定されている最大制御電流になったとき又は流体の流速が第２回生モード開始基準値となったときは、前記第２回生モードとして、前記発電電流を前記最大制御電流で一定にした状態で流速に応じて前記流体機械を回転させるものである。

また、前記第１回生モードでは、前記流速比例で前記流体機械の回転数を制御する際、前記流体機械の出力係数が最大値を含む限定された範囲で前記回転数の制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記流体の流速が力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで前記交流発電機の制御を開始することが好ましい。
また、前記流体機械の回転を停止するロック部を備え、前記制御部は、前記第２回生モードで制御中に、前記流体機械の回転数が予め設定された上限回転数となった場合は、前記ロック部を制御して、前記流体機械の回転を停止することが好ましい。

また、前記制御部は、前記力行モードの継続時間が、予め設定された許容時間を経過した場合には、前記ロック部を制御して、前記流体機械の回転を停止することが好ましい。
また、前記流体機械が、風車であることが好ましい。

また、前記風車が垂直軸風車であることが好ましい。

本発明によれば、様々なパターンの気まぐれな流体の状態と流体機械の能力との関係から、力行と回生の切り替えタイミングを適切に行い、ロスをより少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することができる効果を奏する。

また、第２回生モードでは、最大制御電流を一定にして、流速比例で前記流体機械の回転数を制御するため、流体機械のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。

本発明を風力発電装置に具体化した一実施形態の全体構成のブロック図。コントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。交流発電機の電流・トルク特性図。交流発電機の回転数・発電電圧特性図。交流発電機の回転数・トルク特性図。交流発電機の回転数・発電出力の特性図。第１回生モードと第２回生モードの切替えタイミングを説明するための発電電流、発電出力、回転数の説明図。一実施形態の風速と時間の関係を示す作用の説明図。一実施形態の回転速度と時間の関係を示す作用の説明図。一実施形態の電流と時間との関係を示す作用の説明図。一実施形態の出力曲線の説明図。第２実施形態のコントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。第３実施形態のコントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。第３実施形態のコントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。第３実施形態のコントローラが実行する発電プログラムのフローチャート。Ｃｐ／λ特性図。Ｃｐ最大周速比時の風速Ｖと回転数ｎとの関係の説明図。

（１．第１実施形態の構成）
以下、本発明の発電装置を風力発電装置に具体化した第１実施形態を図１〜図１１を参照して説明する。

図１に示すように、風力発電装置１０は、垂直軸風車２０、前記垂直軸風車２０の垂直軸２４にロータ（回転子）が連結された交流発電機３０、交流発電機３０の固定子に接続されたインバータ４０、インバータ４０に対して平滑コンデンサ５０を介して接続された蓄電部としての二次電池６０を備えている。なお、垂直軸風車２０と交流発電機３０とは、直結してもよく、或いは減速機構又は増速機構を介して連結してもよい。

垂直軸風車２０は、流体機械に相当する。
前記垂直軸風車２０は、本実施形態ではダリウス形風車で構成され、風車ブレード２２，垂直軸２４等を備えている。なお、図１では、垂直軸風車２０を説明の便宜上簡略化して図示している。前記垂直軸風車２０は、ダリウス形風車に限定するものではなく、サボニウス形風車、ジャイロミル形風車、クロスフロー形風車等であってもよい。

垂直軸風車２０には、ロック部としてのメカブレーキ２６を備え、後述する発電プログラムが起動されていない状態では、メカブレーキ２６により回転しないようにすることが可能である。メカブレーキ２６は、コントローラ８０により制御されて垂直軸風車２０の回転停止のロックの解除が可能である。

交流発電機３０は、同期発電機（例えば、永久磁石型同期発電機）又は誘導発電機のいずれであってもよい。
前記インバータ４０は、回生モードのときには交流発電機３０の出力である交流電力を直流電力に変換して二次電池６０に前記直流電力を蓄電するとともに力行モードのときには二次電池６０の直流電力を交流電力に変換して、交流発電機３０をモータとして作動する。

すなわち、インバータ４０は、ダイオードＤ１〜Ｄ６が直列に接続されてなるハーフブリッジ回路を３相分有するとともに、各ダイオードには並列にトランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳからなるスイッチング素子４２〜４７が接続されている。本実施形態ではスイッチング素子４２〜４７はＩＧＢＴで構成されている。

前記インバータ４０は、回生モードで交流発電機３０を発電動作させるよう駆動することが可能である。また、インバータ４０は、必要に応じて交流発電機３０を力行モードで動作させるように駆動することが可能である。インバータ４０のダイオードブリッジは整流機能を有し、発電された交流電圧を直流電圧に変換する。そして、インバータ４０における各スイッチング素子４２〜４７のオン・オフを適宜制御することにより、交流発電機３０に適宜電流を回生させ、交流発電機３０の固定子巻線のインダクタンスを利用して、出力電圧の制御、出力電流等の制御が可能である。

二次電池６０には、コンバータ９０が接続されている。コンバータ９０は、二次電池６０から送られる直流電力を固定周波数（例えば、商用周波数）の交流電力に変換し、系統連系用変圧器１００を介して電力系統に前記固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。

また、風力発電装置１０は、前記インバータ４０を構成するスイッチング素子４２〜４７のドライバ７０を介して制御するコントローラ８０を備えている。コントローラ８０は、図示しないＣＰＵ（中央処理演算装置）、システムプログラムを記憶するＲＯＭ、作業用メモリとなるＲＡＭ、及び発電プログラムを記憶する図示しない書き替え可能な記憶装置を有する。コントローラ８０は制御部に相当する。

コントローラ８０には、交流発電機３０のロータ（回転子）の回転速度（単位回転時間毎の回転数）及び位置を検出するための速度センサ３２の検出信号が入力される。速度センサ３２は、本実施形態ではレゾルバで構成されているが、レゾルバに限定するものではなく、エンコーダであってもよい。コントローラ８０には、電流センサＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗが接続され、前記交流発電機３０とインバータ４０間の各相の電流の検出信号を入力する。コントローラ８０は、前記各相の電流の検出信号に基づいて、回生モードの場合には、発電電流の値を取得する。

さらに、風力発電装置１０は、平滑コンデンサ５０の電圧すなわちインバータ４０の直流出力電圧を検出する電圧検出部５２を備えている。電圧検出部５２は、ドライバ７０及びコントローラ８０にそれぞれ検出した電圧（検出信号）を入力する。

また、コントローラ８０には、前記垂直軸風車２０に吹かれる風の流速を検出する流速検出部としての風速計１１０が接続されて、検出信号をコントローラ８０に入力する。
コントローラ８０は、前記入力（取得）した各種検出信号を、共通の検出周期毎に図示しないバッファに格納する。

（２．実施形態の作用）
次に、図２〜図１１を参照して風力発電装置１０の作用を説明する。図２はコントローラ８０が図示しない記憶装置に格納された発電プログラムに従ってインバータ４０を介して交流発電機３０を制御するフローチャートである。

（Ｓ１０）
発電プログラムが起動されると、Ｓ１０では、コントローラ８０は履歴フラグＦ０，Ｆ１，Ｆ２等をリセットする等の各種パラメータの初期化を行う。なお、発電プログラムが起動される以前は、垂直軸風車２０はメカブレーキ２６により予めロックされて回転が停止できない状態になっている。

（Ｓ２０）
Ｓ２０では、コントローラ８０は、風速計１１０からの風速Ｖ、電圧検出部５２からの電圧υ、電流センサＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗからの相電流、速度センサ３２から入力した回転速度（すなわち、単位時間毎の回転数）等を前記バッファから読み込む。

（Ｓ３０）
Ｓ３０では、コントローラ８０は風速Ｖが垂直軸風車２０に許容されている許容最大風速Ｖｍａｘを超えているか否かを判定する。風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合は、Ｓ４０に移行し、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ未満の場合はＳ５０に移行する。

（Ｓ４０）
Ｓ４０では、コントローラ８０は、メカブレーキ２６をロック作動して、垂直軸風車２０を回転させないように停止し、このフローチャートを抜け出る。このようにして、Ｓ４０において、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合には、垂直軸風車２０を回転させると、垂直軸風車２０にダメージを与える虞があるため、ダメージを与えないように垂直軸風車２０の回転を停止するのである。

（Ｓ５０）
Ｓ５０では、コントローラ８０は、下記の力行モード条件、第１回生モード条件または第２回生モード条件のいずれかを満足しているか否かを判定する。

（１．力行モード条件）
力行モード条件は、第１条件または第２条件があり、いずれかを満足している場合、力行モード条件を満足したとコントローラ８０は判定する。

（第１条件）
風速Ｖ≦力行モード開始基準値Ｖａかつ、前回制御周期での履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）が「１」にセットされている場合である。なお、Ｓ２０〜Ｓ６５、またはＳ２０〜Ｓ７５、またはＳ２０〜Ｓ８５を実行するための制御周期は、規定の制御周期であって、例えば、数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃである。

ここで第１条件の履歴フラグＦ１は前回の制御周期では第１回生モードで制御したか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は第１回生モードであったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。

力行モード開始基準値Ｖａは、後述するＶｂよりも所定値分速い風速であり、垂直軸風車２０及び交流発電機３０に応じて予め試験等により設定する。
（第２条件）
風速Ｖ≦第１回生モード開始基準値Ｖｂかつ、前回制御周期での履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」にセットされている場合である。

なお、履歴フラグＦ０（力行フラグ），履歴フラグＦ１（第１回生フラグ），履歴フラグＦ２（第２回生フラグ）はそれぞれＳ１０の初期化処理により初期値は「０」にセットされているため、風速Ｖ≦Ｖｂであって、かつ、履歴フラグＦ０，Ｆ１，Ｆ２が全て「０」の場合は、例外として第２条件を満足しているものとする。

第１回生モード開始基準値Ｖｂは、垂直軸風車２０の引きずりトルクにより垂直軸風車２０が止まってしまう程度の風速よりも余裕代分速い程度としている。ここで、本実施形態では、後述する力行モードから第１回生モードに早期に移行させるために、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜力行モード開始基準値Ｖａとしている。

第２条件の履歴フラグは前回の制御周期において、力行モードで制御、または、初期値から起動直後であるか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は力行モード、または起動直後であったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。

Ｓ５０において、上記第１条件又は第２条件を満足している場合は、Ｓ６０に移行する。
（２．第１回生モード条件）
第１回生モード条件は、下記の通りである。

Ｖｂ＜風速Ｖ≦Ｖｃかつ、前回制御周期での履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」、履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）が「１」、または履歴フラグＦ２（第２回生フラグ）が「１」にセットされている。

第２回生モード開始基準値Ｖｃは、交流発電機３０が出力可能な発電電流の最大値（最大制御電流）を得ることが可能な流速である。なお、第２回生モード開始基準値Ｖｃ＜許容最大風速Ｖｍａｘである。

ここで、第１回生モード条件で判定するための履歴フラグは、前回の制御周期では力行モード、第１回生モード、或いは第２回生モードで制御したが、今回は、風速Ｖが第２回生モード開始基準値Ｖｃ未満となったことを想定している。

（第２回生モード開始基準値Ｖｃの設定方法について）
ここで、第２回生モード開始基準値Ｖｃの設定方法について説明する。まず、交流発電機３０の特性について説明する。図３は交流発電機３０の発電電流Ｉ（Ａ）と、トルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示しており、発電電流ＩとトルクＴは、
Ｔ＝ｋ１・Ｉ
で示される比例関係にある。ｋ１は比例定数である。なお、図３中、Ｉｍａｘは、交流発電機３０の最大制御電流である。

図４は交流発電機３０の単位時間当たりの回転数ｎ（ｒｐｍ、すなわち回転速度）と発電電圧Ｅ（Ｖ）との関係を示しており、発電電圧Ｅと回転数ｎは、
Ｅ＝ｋ２・ｎ
で示される比例関係にある。ｋ２は比例定数である。なお、図４中、Ｅｍａｘは、交流発電機３０の最大発電電圧である。

図５は、交流発電機３０の前記回転数ｎ（ｒｐｍ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示しており、回転数ｎが第１範囲Ｈ１では、トルクＴは一定であり、この第１範囲Ｈ１を超えた第２範囲Ｈ２で回転数ｎが増加するとトルクＴは徐々に減少し、交流発電機３０の回転限界である最大回転数ｎｍａｘに達するとトルクＴは０となる。

図６は、交流発電機３０の前記回転数ｎ（ｒｐｍ）と発電出力Ｐ_Ｇとの関係を示す特性図である。発電出力Ｐ_Ｇ（ＫＷ）は、回転数ｎ（ｒｐｍ）が前記第１範囲Ｈ１では、回転数ｎと比例関係にあり、第１範囲Ｈ１を超えると発電出力Ｐ_ＧはＰ_ＭＡＸで一定となる。

Ｐ_Ｇ＝η_Ｇｎ・Ｔ／９７４ ……（１）
なお、η_Ｇは発電効率である。
上記のような交流発電機３０の特性に基づいて、交流発電機３０の最大出力の基本式が得られることになる。

流体である風のエネルギーＰ_Ｗは、下記の式で表すことができる。
Ｐ_Ｗ＝（１／２）・ρ・Ｓ・Ｖ^３（Ｗ：ワット） ……（２）
Ｓは風車（流体機械）が流体（風）を受ける面積であり、ρは空気密度（流体密度）である。流体が空気の場合は、０．１２４ｋｇｓ^２／ｍ^４である。

流体（風）による回転駆動エネルギーＰｆと発電出力Ｐ_Ｇが
Ｐｆ＝ηｆ×Ｐ_Ｗ＝Ｐ_Ｇ
η_ｆ：風車の伝達効率
とすると、発電効率η_Ｇと伝達効率η_ｆを無視できるとすると、式（１）と式（２）とから、
（１／２）・ρ・Ｓ・Ｖ^３≒ｎ・Ｔ
の関係となる。

上記のことから、第１回生モードと第２回生モードの切替えを行うためのタイミングを導き出すことができる。
図７に示すように、第１回生モードでは、後述するように発電電流Ｉが最大制御電流Ｉｍａｘに到達するまでは、回転数ｎ（ｒｐｍ）を一定にし、発電電流Ｉを風速比例で増減するようにインバータ４０を制御することになる。最大制御電流Ｉｍａｘに達したときには、後述するように第２回生モードに移行し、第２回生モードでは、最大制御電流Ｉｍａｘで発電電流を一定（固定）にし、回転数ｎ（ｒｐｍ）を風速に応じて増減するようにインバータ４０を制御することになる。

前記最大制御電流Ｉｍａｘに達するための第２回生モード開始基準値Ｖｃは、使用する交流発電機３０及び垂直軸風車２０に応じて予め試験等により設定するものとする。また、最大回転数ｎｍａｘに達するための許容最大風速Ｖｍａｘは、使用する交流発電機３０及び垂直軸風車２０に応じて予め試験等により設定するものとする。

上記第１回生モード条件を満足している場合、Ｓ７０に移行する。
（３．第２回生モード条件）
第２回生モード条件は、下記の通りである。

Ｖｃ＜風速Ｖ＜許容最大風速Ｖｍａｘ
第２回生モード条件は、風速ＶがＶｃを超えるが許容最大風速Ｖｍａｘ未満である場合は履歴フラグに関係なく、第２回生モードを行うことを想定している。

上記第２回生モード条件を満足している場合、Ｓ８０に移行する。
（Ｓ６０）
Ｓ６０では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、力行モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。

すなわち、コントローラ８０は、力行モードでは交流発電機３０の風車ブレード２２（羽）の回転が一定、すなわち、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数ｎ）が一定、かつ、発電電圧Ｅが一定、かつ、発電電流Ｉが一定となるようにインバータ４０を制御し、Ｓ６５に移行する。なお、この場合の発電電流は、正確には交流発電機３０をモータとして駆動するための駆動電流である。

（Ｓ６５）
Ｓ６５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）を「１」にセットし、履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）及び履歴フラグＦ２（第２回生フラグ）を「０」にリセットし、Ｓ２０に戻る。

（Ｓ７０）
Ｓ７０では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。

すなわち、コントローラ８０は、交流発電機３０の風車ブレード２２（羽）の回転が一定（すなわち、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数ｎ）が一定）、かつ、発電電圧Ｅが一定となるように、かつ、発電電流Ｉを風速比例となるようにインバータ４０を制御し、Ｓ７５に移行する。

（Ｓ７５）
Ｓ７５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）を「１」にセットし、履歴フラグＦ２（第２回生フラグ）を「０」にリセットし、Ｓ２０に戻る。

（Ｓ８０）
Ｓ８０では、コントローラ８０はメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、第２回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。

すなわち、コントローラ８０は、発電電流Ｉを一定となるように、かつ、発電電圧Ｅを風速に応じるようにインバータ４０を制御し、Ｓ７５に移行する。
なお、Ｓ８０において、コントローラ８０は、速度センサ３２の検出信号に基づいて、回転数ｎを監視しており、この回転数がｎｍａｘに達した場合は、メカブレーキ２６にて垂直軸風車２０の回転を停止するとともにインバータ４０による回生制御を停止する。

前記ｎｍａｘは、交流発電機３０のロータの回転数であるが、交流発電機３０と垂直軸風車２０とは直結または減速機構、又は増速機構を介して連結されているため、このｎｍａｘは、垂直軸風車２０の上限回転数と一義的に決定される。このｎｍａｘは垂直軸風車２０の回転限界でもある。

（Ｓ８５）
Ｓ８５では、コントローラ８０は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）を「０」にリセットし、履歴フラグＦ２（第２回生フラグ）を「１」にセットし、Ｓ２０に戻る。

次に、図８に示すように期間（Ｉ）〜（ＩＶ）のそれぞれにおいて風速Ｖが変わる場合を例にして説明する。
（１．期間（Ｉ）について）
図８の期間（Ｉ）は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのＳ５０で第１回生モード条件を満足する場合の風速の例である。期間（Ｉ）中は、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜風速Ｖ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃであるとともに、履歴フラグＦ１が「１」にセットされるため、期間（Ｉ）中は全て第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。従って、図９に示すように、期間（Ｉ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数ｎ）が一定となるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。また、図１０に示すように、発電電流Ｉは、風速比例となる。

このため、図１１の期間（Ｉ）に示す発電出力の出力曲線となる。
（２．期間（ＩＩ）について）
図８の期間（ＩＩ）は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのＳ５０で力行モード条件を満足する場合の風速の例である。

期間（ＩＩ）の最初の風速Ｖが、風速Ｖ≦力行モード開始基準値Ｖａかつ、前回制御周期での履歴フラグＦ１（第１回生フラグ）が「１」にセットされている場合、力行モード条件の中の第１条件を満足するため力行モードに移行する。この期間（ＩＩ）に一旦入った後は、履歴フラグＦ０（力行フラグ）が「１」にセットされるとともに、この後における期間（ＩＩ）中は、風速Ｖ≦第１回生モード開始基準値Ｖｂであるため、第２条件を満足することになる。

このため、期間（ＩＩ）中は全て力行モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。
従って、図９に示すように、期間（ＩＩ）中は、期間（Ｉ）からの移行期間を除いて交流発電機３０のロータは力行で回転速度ｖ（回転数ｎ）が一定となるように回転駆動されるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。

また、図１０に示すように、電流Ｉ（力行電流）は、一定となる。このため、図１１の期間（ＩＩ）に示す発電出力の出力曲線となる。
（３．期間（ＩＩＩ）について）
図８の期間（ＩＩＩ）は、期間（ＩＩ）経過した後にＳ５０で第１回生モード条件を満足する場合の風速の例である。

期間（ＩＩＩ）の最初の風速が、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜風速Ｖ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃとなったとき、前回制御周期での履歴フラグＦ０は「１」にセットされているため、第１回生モード条件を満足するため、第１回生モードに移行する。

期間（ＩＩＩ）中は、第１回生モード開始基準値Ｖｂ＜風速Ｖ≦第２回生モード開始基準値Ｖｃであるとともに、履歴フラグＦ１が「１」にセットされるため、期間（ＩＩＩ）中は全て第１回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。従って、図９に示すように、期間（ＩＩＩ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度ｖ（回転数ｎ）が一定となるため、垂直軸風車２０の風車ブレード２２（羽）の回転速度は一定となる。また、図１０に示すように、発電電流Ｉは、風速比例となる。

このため、図１１の期間（ＩＩＩ）に示す発電出力の出力曲線となる。
（４．期間（ＩＶ）について）
図８の期間（ＩＶ）は、期間（ＩＩＩ）経過した後にＳ５０で第２回生モード条件を満足する場合の例である。

期間（ＩＶ）の最初の風速が、Ｖｃ＜風速Ｖ＜許容最大風速Ｖｍａｘとなったとき、第２回生モード条件を満足するため、第２回生モードに移行し、この期間（ＩＶ）中は、Ｖｃ＜風速Ｖ＜許容最大風速Ｖｍａｘであるため、第２回生モードでインバータ４０を介して交流発電機３０の制御が行われる。

すなわち、第２回生モードでは、最大制御電流Ｉｍａｘで発電電流が一定（固定）にされ、交流発電機３０のロータの回転数ｎ（ｒｐｍ）を風速に応じて増減するようにインバータ４０を制御する。

従って、図９に示すように、期間（ＩＶ）中は、交流発電機３０のロータの回転速度は風速に応じたものとなるため風車ブレード２２（羽）の回転数（回転速度）も風速に応じたものとなる。また、図１０に示すように、期間（ＩＶ）の発電電流Ｉは、一定となる。

このため、図１１の期間（ＩＶ）に示す発電出力の出力曲線となる。図９、図１１に示すように、期間（ＩＶ）、すなわち、第２回生モードでは、最大制御電流を一定にして、流速比例で垂直軸風車２０の回転数を制御するため、流体機械のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。

本実施形態の風力発電装置１０によれば、下記の特徴がある。
（１）本実施形態の風力発電装置１０は、風速（流体の流速）を検出する風速計１１０（流速検出部）を備える。また、コントローラ８０は、力行モードで制御中に風速Ｖが速くなって第１回生モード開始基準値Ｖｂを超える場合は、第１回生モードとして、垂直軸風車２０（流体機械）の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を開始するようにした。また、コントローラ８０は、第１回生モードで制御中に、風速が第２回生モード開始基準値となったときは、第２回生モードとして、発電電流を最大制御電流Ｉｍａｘで一定にした状態で、交流発電機３０の回転数を流速に応じたものとした。

この結果、本実施形態によれば、様々なパターンの気まぐれな風の状態と風車の能力との関係から、力行と回生の切り替えタイミングを適切に行い、ロスをより少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することができる。また、第２回生モードでは、最大制御電流を一定にして、流速に応じて垂直軸風車２０が回転するため、流体機械のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。

（２）本実施形態の風力発電装置１０は、記流体機械の回転を停止するロック部を備え、コントローラ８０（制御部）は、第２回生モードで制御中に、垂直軸風車２０の回転数が予め設定された上限回転数となった場合は、メカブレーキ２６を制御して、垂直軸風車２０の回転を停止するようにした。

この結果、第２回生モードでは、最大制御電流を一定にして、流速比例で垂直軸風車２０の回転数を制御するため、流体機械のメカの上限回転数まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。

（３）本実施形態の風力発電装置１０は、流体機械として垂直軸風車とした。
垂直軸風車２０の場合は、交流発電機３０のロータの軸方向を風車の垂直軸と一致させるだけでよいため、水平軸風車の場合に比して風車と発電機間の伝達機構を省略し、或いは簡単な構成にすることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態を、図１２を参照して説明する。第１実施形態では、力行モード開始基準値Ｖａと第１回生モード開始基準値Ｖｂとを異なる値にしたが、本実施形態では力行モード開始基準値Ｖａを第１回生モード開始基準値Ｖｂと同じ値としている。このため、本実施形態では、力行モード条件、第１回生モード条件、及び第２回生モード条件の判定において、履歴フラグの判定が省略され、図１２に示すように図２のＳ６５，Ｓ７５，Ｓ８５のフラグの設定処理が省略されている。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
次に第３実施形態を、図１３〜図１７を参照して説明する。図１３〜図１５は、第３実施形態の発電プログラムのフローチャートであり、第１実施形態の発電プログラムとは異なる。一方、第３実施形態のハード構成は第１実施形態と同様であるため、本実施形態の発電ブログラムのフローチャートの説明中、ハード構成に関しては第１実施形態のハード構成と同一符号を付して説明する。

（Ｓ１００）
発電プログラムが起動されると、Ｓ１００では、コントローラ８０は初期化を行う。初期化には、後述するカウンタ等のリセットが含まれる。

（Ｓ１１０）
Ｓ１１０ではコントローラ８０は、該コントローラ８０に接続されている系、例えば、コントローラ８０の電源系、及びコントローラ８０が制御を行う各種系の異常チェックを行う。この異常チェックは、各種センサからのフィードバック信号に基づいて行われる。例えば、電源電圧、速度センサ３２からの信号、風速計１１０からの信号、チョッパ出力電圧に関する信号等に基づいてそれらの異常チェックが行われる。

（Ｓ１２０）
Ｓ１２０では、コントローラ８０は風速計１１０からの風速Ｖが風車を起動するのに十分であるか、否かを予め設定された判定閾値と比較する。風速Ｖが判定閾値未満の場合は、Ｓ１００に戻り、判定閾値以上であればＳ１３０に移行する。

（Ｓ１３０）
Ｓ１３０では、コントローラ８０は、力行モードに移行してメカブレーキ２６のロックを解除した状態で、力行モードでインバータ４０を介して交流発電機３０を制御する。

すなわち、コントローラ８０は、力行モードでは、交流発電機３０の風車ブレード２２（羽）の回転が一定、すなわち、風車ロータの回転数Ｎが一定、かつ、発電電圧Ｅが一定、かつ、発電電流Ｉｎが一定となるようにインバータ４０を制御する。なお、この場合の発電電流は、正確には交流発電機３０をモータとして駆動するための駆動電流である。

また、風車ロータの回転数Ｎｎは、風車ロータと交流発電機３０のロータとが直結されている場合は、交流発電機３０のロータの回転数ｎと同値である。回転数Ｎｎにおけるサフィックスのｎは、検出周期毎に実行されて得られた今回値を指す。また、風車ロータの回転数Ｎｎは、風車ロータと交流発電機３０のロータとが減速機構又は増速機構を介して連結されている場合は、交流発電機３０のロータの回転数ｎを前記減速機構又は増速機構のギヤ比等に基づいて換算した値である。Ｓ１３０ではこのように交流発電機３０のロータの回転数ｎに基づいた風車ロータの回転数Ｎｎを用いている。

（Ｓ１４０）
Ｓ１４０では、コントローラ８０は、回転数Ｎｎが閾値Ｎｓ以上か否かを判定する。閾値Ｎｓは、力行モードで交流発電機３０のロータを回転しなくとも、風力により回転できる最低の回転数であって、この値は試験等に基づいて予め設定されている。回転数Ｎｎが閾値Ｎｓ未満である場合は、Ｓ１３０に戻る。また、回転数Ｎｎが閾値Ｎｓ以上のときは、Ｓ１５０に移行する。

（Ｓ１５０）
Ｓ１５０では、コントローラ８０は、発電運転ＯＮする。
ここで、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０を経てＳ１５０に移行した場合は、コントローラ８０は初期値の発電電流Ｉｎで発電運転を行う。

また、後述するＳ３６０からＳ１５０に移行した場合は、コントローラ８０はＳ３６０で計算した発電電流Ｉｎで発電運転を行う。
また、後述するＳ１８０、Ｓ２２０、Ｓ２８０からＳ１３０に戻った場合は、それらのステップまでに算出された発電電流Ｉｎでコントローラ８０は発電運転を行う。

（Ｓ１６０）
Ｓ１６０では、コントローラ８０は、風速Ｖが垂直軸風車２０に許容されている許容最大風速Ｖｍａｘを超えていないか否かを判定する。風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合は、図１５に示すＳ４４０に移行して、後述するメカブレーキ２６の制御を行う。また、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ未満の場合はＳ１７０に移行する。

（Ｓ１７０）
Ｓ１７０では、コントローラ８０は、算出されている発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘ以下か否かを判定する。Ｓ１５０において、発電運転ＯＮとした場合、発電電流Ｉｎは、初期値（＜最大制御電流Ｉｍａｘ）であるため、図１４のＳ１８０に移行する。

また、後述するＳ３６０→Ｓ１５０→Ｓ１６０の一連の処理では、Ｓ３６０において、発電電流Ｉｎは、最大制御電流Ｉｍａｘから（ａ×α）分が減算された値であるため、図１４のＳ１８０に移行する。

また、後述するＳ４７０→Ｓ１６０の処理が行われた後に、Ｓ１７０に至った場合は、算出されている発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘとなっている場合がある。この場合は、発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘとなるため、Ｓ１８０に移行する。

また、例えば、Ｓ１８０、Ｓ２２０、Ｓ２８０からＳ１３０に戻った場合は、発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘを超える場合がある。この場合には、図１３に示すＳ２８０に移行する。

（Ｓ１８０）
図１４に示されているＳ１８０〜Ｓ２７０は、第１回生モードにおける処理である。
Ｓ１８０では、コントローラ８０は、風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ（ｍ／ｓ）以上か否かを判定する。第１回生モード開始基準値Ｖｕは、第１実施形態の第１回生モード開始基準値Ｖｂと同じ意味である。

本実施形態においても、第１回生モード開始基準値Ｖｂは、後述する力行モード開始基準値Ｖｄとは、力行モード開始基準値Ｖｄ＞第１回生モード開始基準値Ｖｕの関係である。風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ未満の場合には、図１３に示すＳ１３０に戻り、力行モードに移行する。

風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ以上の場合には、Ｓ１９０に移行する。
（Ｓ１９０）
Ｓ１９０では、コントローラ８０は、回転数Ｎｎが、６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）以上か否かを判定する。ここで、ｒは風車ロータの半径（単位：ｍ）であり、λｕは後述する周速比（すなわち上限周速比）である。なお、６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）は、下記式（３）、式（４）から得ることができる。

風車の周速＝２π・Ｎｎ・ｒ ……（３）
また、
周速比λ＝風車の周速／風速＝２π・Ｎｎ・ｒ／（６０Ｖ） ……（４）
である。従って、回転数Ｎｎ＝６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）となる。

（風車の出力係数Ｃｐと周速比λの関係）
風車の出力係数Ｃｐと周速比λの関係を、図１６を参照して説明する。
図１６は、風車の出力係数Ｃｐと周速比λとの関係を示す説明図である。風車の形状が決定されている場合、図１６に示すように周速比λに対する出力係数Ｃｐが一義的に決定される。また、図１６に示すように周速比λは限られた範囲において、風車最大出力（すなわち、出力係数Ｃｐ最大値）となるところを有するとともに、図１７に示すように風車最大出力となる風車のロータ回転数Ｎと風速（流速）とは比例関係にある。

そこで、図１６に示すように、前記出力係数Ｃｐ最大値を含む範囲Ｈを下限周速比λＬ及び上限周速比λｕで設定する。下限周速比λＬ及び上限周速比λｕは前記出力係数Ｃｐ最大値となる周速比λを挟む値となるように適宜設定すればよい。そして、この下限周速比λＬと上限周速比λｕで設定された範囲Ｈ内となるように風車ロータの回転数を制御すれば、出力係数Ｃｐを風車最大出力（すなわち、出力係数Ｃｐ最大値）の近傍に保持することができる。すなわち、この上限周速比λｕと下限周速比λＬで規定される範囲Ｈ内において、風速Ｖにあった風車のロータ回転数（いいかえれば交流発電機３０のロータの回転数）を制御できれば、風車最大出力を良好に得ることが可能となる。なお、図１６の横軸の周速比λの数値及び縦軸の出力係数Ｃｐの数値は、例示であって、風車の種類、形状等により異なる。

図１７は、出力係数Ｃｐが最大の周速比時の風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎとの関係を示す説明図である。同図において、横軸は風速Ｖ（ｍ／ｓ）であり、縦軸は風車ロータの回転数Ｎである。また、同図において、実線は出力係数Ｃｐ最大値の場合の周速比λにおける風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎの特性を示している。また、一点鎖線は、下限周速比λＬと上限周速比λｕのそれぞれにおける風速Ｖと風車ロータの回転数Ｎの特性を示している。

話しを元に戻して、回転数Ｎｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）で算出される回転数以上の場合には、図１７に示すλｕのライン以上であるため、Ｓ２００に移行する。
また、前記回転数Ｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）未満のときは、図１７に示すλｕのラインの回転数よりも少ないため、Ｓ２６０に移行する。

（Ｓ２６０）
Ｓ２６０では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎのサフィックスの更新を行う。すなわち、サフィックスを１つインクリメントし、Ｓ２７０に移行する。

（Ｓ２７０）
Ｓ２７０では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎについて、前回値Ｉ（ｎ−１）に（ａ×α）を減算した値とする。ここで、ａは電流値のパラメータであり、αはゲインであって、これらの値は予め設定されている。

コントローラ８０は、交流発電機３０の回生電流がここで算出した発電電流Ｉｎとなるようにドライバ７０を介してインバータ４０を制御して、Ｓ１８０に戻る。
このようにする理由は、Ｓ１９０において、回転数Ｎｎ＜６０Ｖλｕ／２πｒであると判定されており、このことは（実）回転数Ｎｎが、図１７の一点鎖線（λｕで算出される回転数の線）よりも少ない回転数であることを意味している。

このため、第１回生モードにおいて、発電電流（すなわち、回生電流）を前回値よりも（ａ×α）減少することにより回生ブレーキをより低めにして、風車のロータ回転数を上げてやるのである。

（Ｓ２００）
Ｓ１９０からＳ２００に移行した場合、Ｓ２００では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎのサフィックスの更新を行う。すなわち、サフィックスを１つインクリメントする。

（Ｓ２１０）
Ｓ２１０では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎについて、前回値Ｉ（ｎ−１）に（ａ×α）を加算した値とする。

コントローラ８０は、交流発電機３０の回生電流がここで算出した発電電流Ｉｎとなるようにドライバ７０を介してインバータ４０を制御する。
このようにする理由は、Ｓ１９０において、回転数Ｎｎ≧６０Ｖλｕ／２πｒであると判定されており、このことは（実）回転数Ｎｎが、図１７の一点鎖線（λｕで算出される回転数の線）以上の回転数であることを意味している。

このため、第１回生モードにおいて、発電電流（すなわち、回生電流）を前回値よりも（ａ×α）増加することにより回生ブレーキをより高めにして、風車のロータ回転数を下げてやるのである。

（Ｓ２２０）
Ｓ２２０では、コントローラ８０は、風速Ｖが力行モード開始基準値Ｖｄよりも遅いか否かを判定する。力行モード開始基準値Ｖｄは、第１実施形態の力行モード開始基準値Ｖａと同じ意味である。風速Ｖが力行モード開始基準値Ｖｄよりも遅い場合には、コントローラ８０は、「ＮＯ」と判定して、図１３に示すＳ１３０に戻る。すなわち、Ｓ１３０に戻ってコントローラ８０は力行モードを開始する。また、風速Ｖが力行モード開始基準値Ｖｄ以上の場合は、「ＹＥＳ」と判定して、Ｓ２３０に移行する。

（Ｓ２３０）
Ｓ２３０では、コントローラ８０は、Ｓ２１０で算出した発電電流Ｉｎが、最大制御電流Ｉｍａｘ以下か否かを判定する。前記発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘ以下の場合には、Ｓ２４０に移行する。また、前記発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘを超えている場合には図１３に示すＳ３４０に移行する。

（Ｓ２４０）
Ｓ２４０では、コントローラ８０は、入力される各種センサ信号が異常か否かを判定する。入力される各種センサ信号が異常である場合、コントローラ８０は図１５のＳ４１０に移行し、入力される各種センサ信号が異常でない場合は、Ｓ２５０に移行する。

（Ｓ２５０）
Ｓ２５０では、コントローラ８０は、回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）以下か否かを判定する。

回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）で算出される回転数を超えている場合には、図１７に示すλＬのライン以上の回転数であるため、Ｓ１９０に戻る。また、前記回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）算出される回転数以下のときは、図１７に示すλＬのラインの回転数以下の回転数であるため、Ｓ２７０に移行する。

前記Ｓ１９０に戻った場合、Ｓ１９０において回転数Ｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）未満の場合は、コントローラ８０はＳ２６０、Ｓ２７０等の処理を行う。また、回転数Ｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）以上の場合は、コントローラ８０はＳ２００、Ｓ２１０等の処理を行う。このため、回転数Ｎｎの制御は、出力係数Ｃｐ最大値を含む限定された範囲で行われることになる。この限定された範囲の回転数は、目標回転数に相当する。また、この目標回転数は、流速比例（すなわち風速比例)となる。

このようにして、第１回生モードでは、図１７に示す上限周速比λｕと下限周速比λＬのそれぞれのライン間の風車ロータの回転数に納めることができる。すなわち、第１回生モードにおいて、同ライン間の風車ロータの回転数に納めることは、図１６に示す下限周速比λＬと上限周速比λｕで設定された範囲Ｈ内の周速比に対応した出力係数Ｃｐとすることができ、すなわち、出力係数Ｃｐ最大値の近傍に保持することができる。

このようにして、第１回生モードでは、前記回転数Ｎｎを、垂直軸風車２０の出力係数が出力係数Ｃｐ最大値を含む限定された範囲内に維持しながら、風速Ｖの強弱に応じて発電電流Ｉｎの増減を制御することができる。

次に、図１３に示すＳ２８０〜Ｓ３６０について説明する。
（Ｓ２８０）
Ｓ２８０では、コントローラ８０は風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ以上か否かを判定する。風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ未満の場合には、Ｓ２９０以下の第２回生モードに移行できないとして、Ｓ１３０に戻る。風速Ｖが第１回生モード開始基準値Ｖｕ以上の場合にはＳ２９０に移行する。

（Ｓ２９０）
Ｓ２９０〜Ｓ４００は第２回生モードの処理となる。
Ｓ２９０では、前記Ｓ１９０と同様にコントローラ８０は、回転数Ｎｎが、６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）以上か否かを判定する。回転数Ｎｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）で算出される回転数以上の場合には、回転数Ｎｎは図１７に示すλｕのライン以上であるため、Ｓ３００に移行する。また、前記回転数Ｎが６０Ｖ・λｕ／（２πｒ）未満のときは、回転数Ｎｎは図１７に示すλｕのラインの回転数よりも少ないため、Ｓ３６０に移行する。

（Ｓ３６０）
Ｓ３６０では、コントローラ８０は、最大制御電流Ｉｍａｘから（ａ×α）の分を減算したものを発電電流Ｉｎにした後、Ｓ１５０に戻る。

このようにする理由は、Ｓ２９０において、回転数Ｎｎ＜６０Ｖλｕ／２πｒであると判定されており、このことは（実）回転数Ｎｎが、図１７の一点鎖線（λｕで算出される回転数の線）よりも少ない回転数であることを意味している。

このため、第２回生モードにおいて、発電電流（すなわち、回生電流）を前回値よりも（ａ×α）減少することにより回生ブレーキをより低めにして、風車のロータ回転数を上げてやるのである。

（Ｓ３００）
Ｓ２９０からＳ３００に移行すると、コントローラ８０は、カウンタＬｎのカウント数を１つインクリメントしてＳ３１０に移行する。

（Ｓ３１０）
Ｓ３１０では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎを最大制御電流Ｉｍａｘに設定する。ここでＳ２９０においては、回転数Ｎｎ≧６０Ｖλｕ／２πｒであると判定されており、このことは（実）回転数Ｎｎが、図１７の一点点鎖線（λｕで算出される回転数の線）以上の回転数であることを意味している。

（Ｓ３２０）
Ｓ３２０では、カウンタＬｎのカウント値がＴ以上か否かを判定する。カウンタＬｎのカウント値がＴ未満の場合には、Ｓ２９０に移行し、カウンタＬｎのカウント値がＴ以上の場合にはＳ３３０に移行する。なお、Ｓ３２０からＳ３３０に移行する際、カウンタＬｎのカウント値を０にリセットする。

この処理は、カウンタＬｎのカウント値がＴ以上となるまでは、発電電流Ｉｎを、最大制御電流Ｉｍａｘにした状態を継続させるためである。すなわち、発電電流Ｉｎが最大制御電流Ｉｍａｘに達した場合、発電電流Ｉｎを最大制御電流Ｉｍａｘに保持したままで、カウンタＬｎのカウント値がＴ以上となるまでの期間、風車ロータを風速に応じて回転させるのである。

（Ｓ３３０）
Ｓ３３０では、コントローラ８０は入力される各種センサ信号が異常か否かを判定する。入力される各種センサ信号が異常である場合、コントローラ８０は図１５のＳ４１０に移行し、入力される各種センサ信号が異常でない場合は、Ｓ３４０に移行する。

（Ｓ３４０）
Ｓ３４０では、コントローラ８０は、算出した回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）以上か否かを判定する。

算出した回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）で算出される回転数以上の場合には、図１７に示すλＬのライン以上の回転数であるため、図１５に示すＳ４００に移行する。また、前記回転数Ｎｎが６０Ｖ・λＬ／（２πｒ）算出される回転数未満のときは、図１７に示すλＬのラインの回転数未満の回転数であるため、Ｓ３６０に移行する。

（Ｓ４００）
図１５のＳ４００では、コントローラ８０は、（実）回転数Ｎｎが図１７に示す最大回転数Ｎｍａｘ以上か否かを判定する。なお、最大回転数Ｎｍａｘは、交流発電機３０の回転限界である。（実）回転数Ｎｎが図１７に示す最大回転数Ｎｍａｘ未満の場合は、第２回生モードを継続させるためＳ３００に移行する。（実）回転数Ｎｎが図１７に示す最大回転数Ｎｍａｘ以上の場合には、Ｓ４１０に移行する。

（Ｓ４１０）
Ｓ４１０では、コントローラ８０は、発電電流Ｉｎをブレーキ電流ＩＢ（＞最大制御電流Ｉｍａｘ）にセットし、このブレーキ電流ＩＢにて回生ブレーキ（回生制動ともいう）をかける。

（Ｓ４２０）
Ｓ４２０では、コントローラ８０は、カウンタＣｎのカウント値を１つインクリメントして、Ｓ４３０に移行する。カウンタＣｎは回生ブレーキをかけた後にメカブレーキをかけるタイミングを設定するためのものである。

（Ｓ４３０）
Ｓ４３０では、コントローラ８０はカウンタＣｎのカウント値が、遅延設定値「５」になっているか否かを判定する。なお、遅延設定値は「５」に限定するものではなく、他の数値であってもよい。カウンタＣｎのカウント値が遅延設定値に達していない場合には、Ｓ４２０に戻り、達している場合には、Ｓ４４０に移行する。ここで、Ｓ４４０からＳ４５０に移行する際に、カウンタＣｎのカウント値を０にリセットする。

（Ｓ４４０）
Ｓ４４０では、コントローラ８０は、メカブレーキ２６をオンして風車ロータに制動をかける。

（Ｓ４５０）
Ｓ４５０では、コントローラ８０は、回転数Ｎｎが０になったか否かを判定し、回転数が０になっていない場合には、Ｓ３４０に戻り、回転数Ｎｎが０になった場合には、Ｓ４６０に移行する。

（Ｓ４６０）
Ｓ４６０では、コントローラ８０は、Ｓ４５０においてメカブレーキ２６にて風車ロータの停止を完了したため、発電電流Ｉｎを０にリセットする。

（Ｓ４７０）
Ｓ４７０では、コントローラ８０は、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上か否かを判定し、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ以上の場合にはＳ４１０に戻ってＳ４１０以降の処理を行う。また、風速Ｖが許容最大風速Ｖｍａｘ未満の場合には、図１３のＳ１６０に戻る。

さて、上記のように構成された風力発電装置１０は下記の特徴がある。
（１）本実施形態の風力発電装置１０は、風速（流体の流速）を検出する風速計１１０（流速検出部）を備える。また、コントローラ８０（制御部）は、力行モードで制御中に風速Ｖが速くなって第１回生モード開始基準値Ｖｕを超える場合は、第１回生モードとして、垂直軸風車２０（流体機械）の回転数を目標回転数となるように、かつ流速比例で発電電流の制御を行うようにした。第１回生モードで制御中に、発電電流が予め設定されている最大制御電流Ｉｍａｘとなったときは、第２回生モードとして、発電電流を最大制御電流で一定にした状態で、流速に応じて垂直軸風車２０（流体機械）の回転させるようにした。

この結果、本実施形態によれば、様々なパターンの気まぐれな風の状態と風車の能力との関係から、力行と回生の切り替えタイミングを適切に行い、ロスをより少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することができる。また、第２回生モードでは、最大制御電流を一定にして、流速に応じて垂直軸風車２０を回転させるため、流体機械のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。

（２）本実施形態の風力発電装置１０は、第１回生モードでは、風速比例（流速比例）で垂直軸風車２０の回転数を制御する際、垂直軸風車２０の出力係数Ｃｐが最大値を含む限定された範囲で行うようにした。この結果、本実施形態によれば、第１回生モードでは、出力係数Ｃｐが最大値を含む範囲で行われるため、効率的に発電を行うことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように構成してもよい。
・前記実施形態では、流体機械として垂直軸風車２０で構成したが、水平軸風車でもよい。水平軸風車は、例えば、プロペラ形風車、多翼形風車等がある。プロペラ形風車は高効率であるため、好ましい。

・前記実施形態では、流体機械を風車としたが、流体機械を水車としてもよい。また、流体機械を地熱発電で使用される蒸気を流体として、蒸気タービンとしてもよい。また、流体機械を、波力発電で使用される振動水中形空気タービンとしてもよい。この場合の流体は空気である。さらに、流体機械を海流発電及び潮流発電で使用される海水を流体とした水平軸タービン又は垂直軸タービンとしてもよい。

・前記各実施形態において、力行モードを開始したときからその経過時間をコントローラ８０が有するタイマで力行モードの継続時間を計時し、その計時した時間が予め定めた許容時間に達した場合、コントローラ８０はロック部としてのメカブレーキ２６を制御して垂直軸風車２０の回転を停止してもよい。この場合、許容時間は、二次電池６０が蓄える電力を無駄に消費しない時間に設定するものとする。

・第１実施形態では、第１回生モードで制御中に、第２回生モード開始基準値Ｖｃとなったときは、第２回生モードとして、前記発電電流を最大制御電流Ｉｍａｘで一定にした状態で、流速比例で交流発電機３０のロータの回転数を制御することにより、流体機械としての風車の回転数を制御するようにした。この第２回生モード開始基準値Ｖｃの代わりに、発電電流が最大制御電流Ｉｍａｘとなったとき、発電電流を最大制御電流Ｉｍａｘで一定にした状態で、流速比例で交流発電機３０のロータの回転数を制御することにより、流体機械としての風車の回転数を制御するようにしてもよい。この場合、判定値としての最大制御電流Ｉｍａｘは、試験等により予め設定し、コントローラ８０は、電流センサの検出信号に基づいて、発電電流が判定値の最大制御電流Ｉｍａｘになったか否かを判定するものとする。

１０…風力発電装置、２０…垂直軸風車、２２…風車ブレード、
２４…垂直軸、２６…メカブレーキ、３０…交流発電機、
４０…インバータ、５０…平滑コンデンサ、５２…電圧検出部、
６０…二次電池、７０…ドライバ、８０…コントローラ（制御部）
９０…コンバータ、１００…系統連系用変圧器、１１０…風速計（流速検出部）。

Claims

流体の運動エネルギーを機械の運動エネルギーへ変換する流体機械と、前記流体機械により駆動される交流発電機と、前記交流発電機の交流出力を直流に変換するインバータと、前記インバータからの直流電力を蓄電する蓄電部と、前記交流発電機を、前記インバータを介して回生モード又は力行モードで制御する制御部を備えた発電装置において、
前記流体の流速を検出する流速検出部を備え、
前記回生モードは、第１回生モード及び第２回生モードを含み、
前記制御部は、力行モードで制御中に前記流速が速くなって第１回生モード開始基準値を超える場合は、前記第１回生モードとして、前記流体機械の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を行い、又は、前記回転数を目標回転数となるように、かつ流速比例で発電電流の制御を行い、前記第１回生モードで制御中に、前記発電電流が予め設定されている最大制御電流になったとき又は流体の流速が第２回生モード開始基準値となったときは、前記第２回生モードとして、前記発電電流を前記最大制御電流で一定にした状態で流速に応じて前記流体機械を回転させる発電装置。
前記第１回生モードでは、前記流速比例で前記流体機械の回転数を制御する際、前記流体機械の出力係数が最大値を含む限定された範囲で前記回転数を制御する請求項１に記載の発電装置。
前記制御部は、前記流体の流速が力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで前記交流発電機の制御を開始する請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記流体機械の回転を停止するロック部を備え、
前記制御部は、前記第２回生モードで制御中に、前記流体機械の回転数が予め設定された上限回転数となった場合は、前記ロック部を制御して、前記流体機械の回転を停止する請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の発電装置。
前記制御部は、前記力行モードの継続時間が、予め設定された許容時間を経過した場合には、前記ロック部を制御して、前記流体機械の回転を停止する請求項４に記載の発電装置。
前記流体機械が、風車である請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項に記載の発電装置。
前記風車が垂直軸風車である請求項６に記載の発電装置。