JP2014199055A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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、前記流体機械が、風車であることが好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
なお、ηG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。
PW=(1/2)・ρ・S・V3 (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、0.124kgs2/m4である。
Pf=ηf×PW=PG
ηf:風車の伝達効率
とすると、発電効率ηGと伝達効率ηfを無視できるとすると、式(1)と式(2)とから、
(1/2)・ρ・S・V3≒n・T
の関係となる。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
(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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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〜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。
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。
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。
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。
(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。
・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。
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 (7)
- 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。
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