JP5010619B2 - 風力発電装置および風力発電装置の制御方法 - Google Patents

風力発電装置および風力発電装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。
一般に、風力発電装置は、高さ数十ｍの円筒状のタワーの上部に、増速機及び発電機を含むナセル、風車ブレードが取り付けられた風車ロータなどの重量物が設置される構造となっている。このような風力発電装置において、系統事故が発生した場合などは、系統電圧が低下して発電機に対する電気的負荷が小さくなるため、発電機のロータ（以下、発電機ロータという）の回転が急加速する。このため、風車ロータは、風車ブレードの風による回転にさらに発電機ロータの回転が加えられることによって相対流入風速が増大し、風力発電装置に過大な機械的衝撃（以下「荷重」という）がかかる。
そこで、風車ブレードのピッチ制御機構を備える風力発電装置においては、風力発電装置への荷重が急激に増大した際に、風車ブレードのピッチ角をフェザー側へ切り替えて風を逃して風車ロータの加速を抑制することで発電機ロータのトルクを低減させ、最終的に風力発電装置を停止させる。
このとき、フェザリングの速度、すなわち、ピッチ角の切り替え速度を最大として急激にフェザー側へ切り替えて翼の回転を減速させると、スラスト力が急減するため、ナセルに対して前傾方向の急激な荷重がかかることとなり、ひいてはタワーへの荷重も過大となる。また、荷重に対して十分な強度を確保したタワーを設計・製造することは、コスト的な観点からも好ましくない。一方、フェザリングを低速としてピッチ角を緩やかにフェザー側への切り替えると、タワーへの荷重は比較的低減されるが、風車ブレードへの荷重が増大するだけでなく、風車ブレードの回転速度が所望の速度に減速されるまでに、時間を要してしまう。
米国特許出願公開第２００７／０１８９９００号明細書（特許文献１）には、機械式ブレーキを用いて発電機ロータを減速する技術が開示されている。
米国特許出願公開第２００７／０１８９９００号明細書
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、ピッチ角制御を採用しておらず、例えば、風車ロータの回転が急加速した際に、いきなり機械式ブレーキを駆動してその回転を停止させようとすると、慣性力により却って風量発電装置に対して過大な荷重を発生させることとなる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、風車ロータの急加速時に、タワー及び風車ブレードの双方に機械的な衝撃を与えることなく停止させることのできる風力発電装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、前記ブレードの駆動速度及び駆動タイミングを制御する制御手段と前記制御手段に基づいて、前記ブレードを駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ角制御手段と、を備え、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段が、前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるよう制御することを特徴とする風力発電装置を提供する。
本発明によれば、ブレードの駆動速度を段階的に又は連続的に変化させる。ブレードのピッチ角を高速でフェザー側へ駆動すると、タワー等に機械的衝撃が加わる。一方、ブレードのピッチ角を低速でフェザーへ駆動すると風車ロータが減速・停止するまでに時間を要することとなり、この間、風車ブレードに空力や遠心力などに起因する機械的衝撃が加わる。したがって、本発明のように、風車ブレードの駆動速度を段階的又は連続的に変化させることで、タワー等への機械的衝撃を軽減できるとともに、風車ロータが停止するまでの時間を短縮することでブレードへの負荷を軽減させることができる。これにより、タワーやブレード等風力発電装置の構造物への過大な荷重を軽減しつつ、風車ロータを停止させることができる。なお、ここで、高速とは、例えば、７°／ｓ以上７．５°／ｓ以下程度の速さに、低速度とは、例えば１°／ｓ以上４°／ｓ以下程度の速さに設定することが好ましい。
また、本発明は、上記した風力発電装置において、前記風車ロータの回転を停止させるブレーキ手段を備え、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記ブレーキ手段により前記風車ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置を提供する。
風車ロータの回転が急激に加速し既定の許容回転速度以上となるような場合において、ピッチ角を制御する際に、風車ブレードの駆動速度を段階的又は連続的に切り替えることで、風車ロータの回転速度を減速させ、その後にブレーキ装置を用いて、風車ロータの回転を停止させる。したがって、急激に風車ブレードを駆動しないので、風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、ピッチ角制御と併せてブレーキ装置を用いるので、ブレードを低速度で駆動させてピッチ角制御を行っても、十分にロータの回転を停止させることができる。
本発明は、上記した風力発電装置において、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を逆相制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させることを特徴する風力発電装置を提供する。
本発明によれば、風車ロータの回転が急激に加速し、既定の許容回転速度以上となるような場合において、ピッチ角を制御する際に、風車ブレードの駆動速度を段階的又は連続的に切り替えることで、風車ロータの回転速度を減速させ、さらにその間に、風車ロータと一体に回転し風車ロータの回転によって駆動される発電機を逆相制動させて、風車ロータに逆向きのトルクを発生させることでその回転の停止に寄与させる。したがって、急激にブレードを駆動しないので、風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、ピッチ角制御と併せて発電機を逆相制動させるので、ブレードを低速度で駆動させてピッチ角制御を行っても、十分にロータの回転を停止させることができる。
本発明は、上記した風力発電装置において、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を発電制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置を提供する。
本発明によれば、風車ロータの回転が急激に加速し、既定の許容回転速度以上となるような場合において、ピッチ角を制御する際に、風車ブレードの駆動速度を段階的又は連続的に切り替えることで、風車ロータの回転速度を減速させ、さらにその間に発電機を発電制動させて、風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、消費することでその回転を停止させる。したがって、急激にブレードを駆動しないので、風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、ピッチ角制御と併せて発電機を発電制動さるので、ブレードを低速度で駆動させてピッチ角制御を行っても、十分にロータの回転を停止させることができる。
本発明は、ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、前記ブレードの駆動速度及び駆動タイミングを制御する制御手段と、前記制御手段に基づいて、前記ブレードを駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ角制御手段と、を備えた風力発電装置の制御方法であって、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、前記検出結果に応答して、前記制御手段が、前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるよう制御するステップと、を備えたことを特徴とする風力発電装置の制御方法を提供する。
また、本発明は、上述の風力発電装置の制御方法において、前記風車ロータの回転を停止させるブレーキ手段をさらに備え、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、前記ブレーキ手段により前記風車ロータの回転を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする風力発電装置の制御方法を提供する。
さらに、本発明は、上述の風力発電装置の制御方法において、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を逆相制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させるステップと、を備えたことを特徴する請求項５に記載の風力発電装置の制御方法を提供する。
さらにまた、本発明は、上述の風力発電装置の制御方法において、前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、前記風車ロータと一体に回転し前記ロータの回転によって駆動される発電機を発電制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させるステップと、を備えたことを特徴する風力発電装置の制御方法を提供する。
風車ロータの回転が急激に加速し、既定の許容回転速度以上となるような場合において、ピッチ角を制御する際に、急激にピッチ角制御を行わないので、タワーを含む風力発電装置の他の構造物に機械的な衝撃を与えることなく、風車ロータを停止させることができる。
本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。 風力発電装置において、急激に（高速で）ブレードを駆動して所定のピッチ角に切り替えた場合と、緩やかに（低速で）風車ブレードを駆動して所定のピッチ角に切り替えた場合、タワーに加わる荷重を測定し比較した図である。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態の風力発電装置にかかるブレーキ装置の概略を示す図である。 本発明の第２の実施形態の風力発電装置にかかるブレーキ装置の他の例の概略を示す図である。 本発明の第２の実施形態の風力発電装置にかかるブレーキ装置のさらに他の例の概略を示す図である。 本発明の第２の実施形態の風力発電装置にトルク伝達機構を設けた場合の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の風力発電装置にかかる発電機の概略構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態の風力発電装置において、風車ロータを停止させるシーケンスを示すタイミングチャートである。 誘導発電機のトルクとすべり周波数との関係を示す図である。 本発明の第４の実施形態の風力発電装置にかかる発電機の概略構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態の風力発電装置において、風車ロータを停止させるシーケンスを示すタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態の風力発電装置における負荷の例を示す図であり、（ａ）は抵抗器の例を示し、（ｂ）は蓄電池の例を示す図である。 本発明の第４の実施形態の風力発電装置にかかる発電機の変形例の概略構成を示す回路図である。
以下、本発明の風力発電装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。風力発電装置１は、タワー（図示せず）上部に設けられた風車ロータ１１、風車ブレード１２、及びナセル１３を主な構成要素とする機械的部分と、風車ブレードのピッチ角の切替え制御を行うピッチ角制御部２０を備えている。また、上記ナセル１３は、増速機１４及び発電機１５を備えている。
風車ブレード１２は、風車ロータ１１に複数枚が放射状に取り付けられている。風車ロータ１１と増速機１４、及び発電機１５は主軸１８や図示しないギアボックス等を介して機械的に連結され、一体に回転可能となっている。したがって、風車ブレード１２が風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機１５を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
ピッチ角制御部２０は、風車ロータ１１の回転数や風力発電装置の出力に基づいて、風力発電装置の出力を所定値にするための風車ブレード１２のピッチ角を算出し、発電用ピッチ角信号を出力する。また、ピッチ角制御部２０は、系統事故等が生じて風車ロータ１１の回転が急激に加速された場合などに、風車ブレード１２に当たる風を逃し、風車ロータの回転を減速させるのに適した風車ブレード１２のピッチ角を算出し、これを停止用ピッチ角信号として出力する。
制御部２１は、フェザリングの速度、すなわち、ピッチ角制御部２０で定められたピッチ角度へのブレードの駆動速度を定め、さらに、このブレードの駆動のタイミングであるフェザリングのタイミングと併せて、フェザリング信号として出力する。
ここで、図２は、風力発電装置において、急激に（高速で）ブレードを駆動して所定のピッチ角に切り替えた場合と、緩やかに（低速で）風車ブレードを駆動させて所定のピッチ角に切り替えた場合に、タワーに加わる荷重を測定し比較した図である。両者の比較において、フェザリング直後ではタワーに加わる荷重に大きな差はないが、一定時間が経過すると、急激にフェザリングした場合にはタワーにかかる荷重が増大する。そこで、本発明はこの点に着目し、ブレードの駆動速度、すなわち、フェザリング速度およびフェザリングのタイミングを設定する。
従って、例えば、風車ロータの回転数が急激に加速された場合に、直ちに、最大速度でピッチ角をフェザー側へ切り替え駆動を開始し、一定の時間が経過してから低速度で駆動して最終的に目的のピッチ角度に切り替えるというように段階的に速度を変化させてピッチ角を切り替えるように設定する。なお、最大速度とは、例えば７〜７．５°／ｓ程度の速さに、低速度とは、例えば１〜４°／ｓ程度の速さに設定することが好ましい。
また、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングは複数であってもよく、これらは予め算出しておき、メモリ等に記憶させておくことが望ましい。フェザリング速度およびフェザリングのタイミングは、これらをパラメータとし、発電機のロータの最高到達回転数、風車ブレードへの荷重、タワーへの荷重等を評価基準として、これらの評価基準がバランスよく最小化できるパラメータの組み合わせを求めることにより算出する。このパラメータの最適化は、例えば、実験計画法やタグチメソッドなどの最適化法により行うことができる。
また、フェザリングの速度を切り替えるタイミングを段階的に変化させる代わりに、例えばフェザリングの速度を時間の関数として、連続的に変化させてもよい。この場合、この関数を決定するパラメータについても、発電機のロータの最高到達回転数、風車ブレードへの荷重、タワーへの荷重等を評価基準として、これらの評価基準がバランスよく最小化できるパラメータの組み合わせを求めることにより算出する。このパラメータの最適化は、例えば、実験計画法やタグチメソッドなどの最適化法により行うことができる。
次に、このように構成された風力発電装置における作用について説明する。
発電状態にあるときは、風車ブレード１２は、上記したように、発電用ピッチ角信号に基づいて、所定のピッチ角を維持した状態で、風、すなわち風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転している。この回転は主軸１８等を介して増速機１４に伝達される。増速機１４では伝達された回転をさらに増速し発電機１５に伝達し、発電機１５を駆動することにより発電する。発電された電力は図示しない系統へ供給される。
突風が風車ブレード１２に当たることにより風車ロータ１１の回転が急激に加速したり、系統に事故が発生するなどして風力発電装置の電気的負荷が急激に低減することで発電機のロータひいては風車ロータ１１の回転が急激に加速し、既定の許容回転速度以上となるような場合には、風車ブレード１２の回転を減速又は停止させる必要がある。そこで、まずピッチ制御手段２０が、風車ブレード１２に当たる風を逃すピッチ角を算出し、これを停止用ピッチ角信号として出力する。次に、制御部２１が、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングを定め、フェザリング信号を出力する。風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づくタイミングで、停止用ピッチ角信号に基づくピッチ角となるように駆動される。すなわち、風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づいて、所定の時間は７°／ｓ以上７．５°／ｓ以下程度の高速でフェザー側へ駆動される。続いて、タワー等風力発電装置の構造物に過大な荷重がかからないような低速（１°／ｓ以上４°／ｓ以下程度）で駆動され、最終的に停止用ピッチ各信号に基づいて風を逃すピッチ角度に切り替わる。
このように、フェザリング速度を段階的に切り替えることで、風車ロータの回転速度を段階的に減速させるので、タワー等風力発電装置の構造物への過大な荷重を軽減することができ、フェザリングによって機械的な衝撃を与えることがない。
〔第２の実施形態〕
図３は、本実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。本実施形態の風力発電装置が第１の実施形態と異なる点は、ブレーキ装置１６を設け、フェザリングと共に、このブレーキ装置１６を用いて発電機１５のロータの回転を減速させる点である。以下、本実施形態の風力発電装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図４に示すように、ブレーキ装置１６は、ブレーキディスク２５とキャリパ２６とを備えている。ブレーキディスク２５は、風車ロータ１１と一体に回転するように機械的に連結されている。キャリパ２６は、ブレーキディスク２５と対峙する面に図示しないブレーキパッドを備え、キャリパ２６がブレーキパッドを介してブレーキディスク２５挟み込むことによってブレーキディスク２５の回転を制動する。したがって、ブレーキディスク２５の回転を制動することで、風車ロータ１１の回転の回転も停止する。
制御部２１は、フェザリング速度及びフェザリングのタイミングをフェザリング信号として出力する。本実施形態におけるフェザリング速度は、タワー等風力発電装置の構造物に過大な荷重がかからないような低速度（例えば、１°／ｓ以上４°／ｓ以下）に設定することが好ましく、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングは予め算出しておき、メモリ等に記憶させておくことが望ましい。上述したように、フェザリング速度およびフェザリングのタイミングは、直ちに最大速度で風車ブレード１２を駆動してピッチ角をフェザー側へ切り替えつつ、一定の時間が経過してから低速度で最終的に目的のピッチ角へ切り替えるなど段階的に変化させることもでき、予め定めたシミュレーション等により算出する。
次に、このように構成された風力発電装置における作用について説明する。
発電状態にあるときは、風車ブレード１２は、上記したように、発電用ピッチ角信号に基づいて、所定のピッチ角を維持した状態で、風、すなわち風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転している。この回転は主軸１８等を介して増速機１４に伝達される。増速機１４では伝達された回転をさらに増速し発電機１５に伝達し、発電機１５を駆動することにより発電する。発電された電力は図示しない系統へ供給される。
突風が風車ブレード１２に当たることにより風車ロータ１１の回転が急激に加速したり、系統に事故が発生するなどして風力発電装置の電気的負荷が急激に低減することで発電機のロータひいては風車ロータ１１の回転が急激に加速し、既定の許容回転速度以上となるような場合には、風車ブレード１２の回転を減速または停止させる必要がある。そこで、まずピッチ制御手段２０が、風車ブレード１２に当たる風を逃すピッチ角を算出し、これを停止用ピッチ角信号として出力する。次に、制御部２１が、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングを定め、フェザリング信号を出力する。風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づくタイミングで、かつ、停止用ピッチ角信号に基づくピッチ角となるように駆動される。すなわち、風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づいて、タワー等風力発電装置の構造物に過大な加重がかからないような低速で、停止用ピッチ各信号に基づいて風を逃すピッチ角度まで駆動され、フェザリング信号に基づいて定められた時間、停止用ピッチ角信号で定められたピッチ角を維持する。
続いて、ブレーキ装置１６が駆動される。すなわち、風車ロータ１１と共に回転しているブレーキディスク２５をキャリパ２６が挟み込み、キャリパ２６とブレーキディスク２５との間の摩擦力によりブレーキディスク２５の回転が減速され、最終的に停止する。ブレーキディスク２５の停止により、風車ロータ１１が停止する。
ブレーキ装置１６を駆動させるタイミングは任意であるが、例えば、ブレードの回転速度が所定値以下となった場合、或いは、ブレードをフェザリング側へ駆動させる制御の開始から所定時間経過後などが考えられる。
このように、本発明の風力発電装置では、風車ロータの回転が急激に加速するような場合に、急なピッチ角の切替駆動を行わないので、タワー等風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、フェザリングに併せてブレーキ装置を用いるので、ピッチ角の切替駆動を低速度で行っても、十分にロータの回転を停止させることができる。
本実施形態においては、ブレーキディスク２５及びキャリパ２６からなるブレーキ装置１６を用いたが、風車ロータのエネルギーを消散させるものであればよく、例えば、図５に示すようなオイルダンパを用いる構成、また図６に示すような永久磁石又は電磁石を適用した電磁ブレーキを用いる構成とすることもできる。また、これらは、単体で用いても、組み合わせて用いてもよい。特に、電磁ブレーキを用いた場合には、回転エネルギーを電気エネルギーとして取り出し、電池、キャパシタ、ＳＭEＳなどのエネルギー貯蔵装置に蓄積することもできる。オイルダンパや、永久磁石を適用した電磁ブレーキを用いた場合には、これらを常時主軸に接続しておくと軸系の機械的損失を生じる。このため、図７に示すように、一定回転数以上で主軸系に接続される機構、例えば、クラッチ、トルクコンバータ、無段加速装置（ＣＶＴ）等の減衰トルクの伝達機構を付加することで、機械的損失を回避してもよい。
〔第３の実施形態〕
本実施形態の風力発電装置が第１の実施形態と異なる点は、フェザリングとともに、発電機を逆相制動することにより発電機３０のロータ３２の回転を減速させ、風車ロータを停止させる点である。以下、本実施形態の風力発電装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
図８は本発明の風力発電装置にかかる発電機３０の構成を示す回路図である。本実施形態においては、３相の巻線型誘導発電機３０を用いるものとする。巻線型誘導発電機３０のステータ３１に接続されたステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは配線用遮断器であるＭＣＣＢ１又はＭＣＣＢ２を介して系統へ接続されている。ＭＣＣＢ１からＭＣＣＢ２へ接続を切り替えると、ロータ巻線端子ｕとｖの接続が入れ替わるようになっている。ロータ３２に接続されたステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、スイッチＳ１を介してロータ側電力変換器３５とステータ側電力変換器３６と接続可能であると共に、スイッチＳ２を介して、整流器３７チョッパ回路３８及び抵抗器３９と接続されている。
図９は、このように構成された風力発電装置において風車ブレードの回転速度が系統事故等により急激に加速された場合に、風車ロータを停止させるシーケンスを示すタイミングチャートである。通常運転時、すなわち発電状態では、ＭＣＣＢ１及びスイッチ１が投入され、ＭＣＣＢ２及びスイッチＳ２が開放されている。すなわち、ロータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、スイッチＳ１を介してロータ側電力変換器３５およびステータ側電力変換器３６、ＭＣＣＢ１を介して系統と接続され、ステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、ＭＣＣＢ１を介して系統と接続されている。
ロータ３２の回転速度が系統事故等により急激に加速された場合には、ロータ３２の回転が急速に加速されたことを検知し、ＭＣＣＢ１及びスイッチＳ１を開放し、ＭＣＣＢ２及びスイッチＳ２を投入する。ＭＣＣＢ１からＭＣＣＢ２に切り替わることで、ステータ巻線端子ｕとｖの接続が入れ替わる。すなわち、ｕ‘がｖへｖ’がｕへ切り替わる。ここで、図１０に示すように運転中の誘導発電機の３端子の内任意の２端子をつなぎ変えるとすべりが１を超えた状態での運転となって制動がかかり、効果的に急制動を行うことができる。従って、ＭＣＣＢ１からＭＣＣＢ２への切替を行うことで、発電機３０のすべりが１より大きくなり、回転磁界の回転方向が反対になるためロータ３２のトルクの向きが反転し、この結果ロータ３２に制動効果が得られる。
また、同時にスイッチＳ１を開放することでロータ側電力変換器３５及びステータ側電力変換器３６をロータ巻線ｕ、ｖ、ｗから切り離して保護する。スイッチＳ１を開放してスイッチＳ２を接続することで、整流器３７、チョッパ回路３８及び抵抗器３９を接続し、チョッパ回路３８を用いてロータ３２のトルクを制御することが可能となる。なお、スイッチＳ１は、ロータ側電力変換器３５、ステータ側電力変換器３６のゲートブロック機能を用いることで省略が可能である。
ロータ３２の制動と同時に、ピッチ制御手段２０が、風車ブレード１２に当たる風を逃すピッチ角を算出し、これを停止用ピッチ角信号として出力する。次に、制御部２１が、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングを定め、フェザリング信号を出力する。風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づくタイミングで、かつ、停止用ピッチ角信号に基づくピッチ角となるように駆動される。すなわち、風車ブレード１２は。フェザリング信号に基づいて、タワー等風力発電装置の構造物に過大な加重がかからないような低速で、停止用ピッチ各信号に基づいて風を逃すピッチ角度まで駆動され、フェザリング信号に基づいて定められた時間、停止用ピッチ角信号で定められたピッチ角を維持する。
このように、本発明の風力発電装置では、風車ロータの回転が急激に加速するような場合に、風車ブレードに対して高速のフェザリング、すなわち、急なピッチ角の切替駆動を行わないので、タワー等風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、フェザリングと併せて発電機を逆相制動して発電機のロータの回転を減速させるので、風車ブレードを低速度で駆動させても、十分に風車ロータの回転を停止させることができる。さらに、ブレーキ装置や減衰機構等の他の機構を付加しなくても風車ロータの回転を減速又は停止させることができるので、製造コスト、メンテナンスという観点からも望ましい。
〔第４の実施形態〕
図１１は、本発明の風力発電装置にかかる発電機の構成を示す回路図である。本実施形態の風力発電装置が第１の実施形態と異なる点は、フェザリングとともに、発電機を発電制動することにより、発電機３０のロータ３２の回転を減速させて、風車ロータを停止させる点である。以下、本実施形態の風力発電装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１１は本発明の風力発電装置にかかる発電機３０の構成を示す回路図である。本実施形態においては、３相の巻線型誘導発電機３０を用いるものとする。巻線型誘導発電機３０のステータ３１に接続されたステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは配線用遮断器であるＭＣＣＢ１を介して系統またはステータ側電力変換器３６へ接続されている。また、ステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗはＭＣＣＢ２を介してチョッパ及び直流電源４０と接続されている。この際、ｕ相は単独で、ｖ相とｗ相は一括され、計２つの端子がチョッパ回路３８へ入力されるようになっている。ロータ３２に接続されたロータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、スイッチＳ１を介してロータ側電力変換器３５と接続可能であると共に、スイッチＳ２を介して負荷４１と接続されている。
図１２は、このように構成された風力発電装置において風車ブレードの回転速度が系統事故等により急激に加速された場合に、風車ロータを停止させるシーケンスを示すタイミングチャートである。通常運転時、すなわち発電状態では、ＭＣＣＢ１及びスイッチ１が投入され、ＭＣＣＢ２及びスイッチＳ２が開放されている。すなわち、ロータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、スイッチＳ１を介してロータ側電力変換器３５およびステータ側電力変換器３６介して系統と接続され、ステータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗは、ＭＣＣＢ１を介して系統へ接続される。
ロータ３２の回転速度が系統事故等により急激に加速された場合には、ロータ３２の回転が急速に加速されたことを検知し、ＭＣＣＢ１及びスイッチＳ１を開放し、ＭＣＣＢ２及びスイッチＳ２を投入する。ＭＣＣＢ１からＭＣＣＢ２へ接続を切り替えると、ｕ相の端子とのｖ相とｗ相の２端子を一括した端子間に直流電源から直流励磁されるようになっている。これにより発電機３０は、ステータを界磁、ロータを電機子とする同期発電機として機能し、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーとして消費するので制動がかかる。なお、界磁の強さはチョッパ回路により制御可能である。また、同時にスイッチＳ１を開放することでロータ側電力変換器３５及びステータ側電力変換器３６をロータ巻線ｕ、ｖ、ｗから切り離して保護する。スイッチＳ１を開放してスイッチＳ２を接続することで、ロータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗと負荷４１を接続し、チョッパ回路を用いてロータ３２のトルクを制御することが可能となる。なお、スイッチＳ１は、ロータ側電力変換器３５、ステータ側電力変換器３６のゲートブロック機能を用いることで省略が可能である。また、負荷４１には、図１３（ａ）に示すような抵抗器や、図１３（ｂ）に示すような蓄電池などを適用することができる。
ロータ３２の制動と同時に、ピッチ制御手段２０が、風車ブレード１２に当たる風を逃すピッチ角を算出し、これを停止用ピッチ角信号として出力する。次に、制御部２１が、フェザリングの速度およびフェザリングのタイミングを定め、フェザリング信号を出力する。風車ブレード１２は、フェザリング信号に基づくタイミングで、かつ、停止用ピッチ角信号に基づくピッチ角となるように駆動される。すなわち、風車ブレード１２は。フェザリング信号に基づいて、タワー等風力発電装置の構造物に過大な加重がかからないような低速で、停止用ピッチ各信号に基づいて風を逃すピッチ角度まで駆動され、フェザリング信号に基づいて定められた時間、停止用ピッチ角信号で定められたピッチ角を維持する。
図１４は、本実施形態の変形例にかかる発電機３０の回路図であり、直流電源４０をロータ巻線端子ｕ、ｖ、ｗに接続したものである。これにより発電機３０は、ロータを界磁、ステータを電機子とする同期発電機として機能し、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーとして消費するので制動がかかるようになっている。
このように、本発明の風力発電装置では、風車ロータの回転が急激に加速するような場合に、風車ブレードに対して急なピッチ角の切替駆動を行わないので、タワー等風力発電装置の構造物に機械的な衝撃を与えることがない。また、フェザリングと併せて発電機を発電制動させて発電機のロータの回転を減速させるので、ピッチ角の切替駆動を低速度で行っても、十分に風車ロータの回転を停止させることができる。さらに、ブレーキ装置や減衰機構等の他の機構を付加しなくてもロータの回転を減速又は停止させることができるので、製造コスト、メンテナンスという観点からも望ましい。また、特に、系統とは別の界磁電源と負荷を備える場合には、系統事故などにより発電機が系統から切り離された場合であっても、制動力を得ることができる。
１１ 風車ロータ
１２ 風車ブレード
１３ ナセル
１４ 増速機
１５ 発電機
１６ ブレーキ装置
１８ 主軸
２０ ピッチ角制御部
２１ 制御部
２５ ブレーキディスク
２６ キャリパ
３０ 巻線型誘導発電機
３１ ステータ
３２ ロータ
３５ ロータ側電力変換器
３６ ステータ側電力変換器
３７ 整流器
３８ チョッパ回路
４０ 直流電源
４１ 負荷

Claims (8)

  1. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、
    前記ブレードの駆動速度及び駆動タイミングを制御する制御手段と、
    前記制御手段に基づいて、前記ブレードを駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ角制御手段と、を備え、
    前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段が、前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるよう制御することを特徴とする風力発電装置。
  2. 前記風車ロータの回転を停止させるブレーキ手段を備え、
    前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記ブレーキ手段により前記風車ロータの回転を停止させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を逆相制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させることを特徴する請求項１に記載の風力発電装置。
  4. 前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となった場合に、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させた後に、前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を発電制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させることを特徴する請求項１に記載の風力発電装置。
  5. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、前記ブレードの駆動速度及び駆動タイミングを制御する制御手段と、前記制御手段に基づいて、前記ブレードを駆動して前記ピッチ角を制御するピッチ角制御手段と、を備えた風力発電装置の制御方法であって、
    前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、
    前記検出結果に応答して、前記制御手段が、前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるよう制御するステップと、を備えたことを特徴とする風力発電装置の制御方法。
  6. 前記風車ロータの回転を停止させるブレーキ手段をさらに備え、
    前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、
    前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、
    前記ブレーキ手段により前記風車ロータの回転を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置の制御方法。
  7. 前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、
    前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、
    前記風車ロータと一体に回転し前記風車ロータの回転によって駆動される発電機を逆相制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させるステップと、備えたことを特徴する請求項５に記載の風力発電装置の制御方法。
  8. 前記風車ロータの回転速度が既定の許容回転速度以上となったことを検出するステップと、
    前記検出結果に応答して、前記制御手段により前記ブレードの駆動速度を高速から低速へ段階的又は連続的に変化させるステップと、
    前記風車ロータと一体に回転し前記ロータの回転によって駆動される発電機を発電制動させることにより前記風車ロータの回転を停止させるステップと、を備えたことを特徴する請求項５に記載の風力発電装置の制御方法。
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