JP7481130B2

JP7481130B2 - 発電装置の制御装置

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Publication number: JP7481130B2
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Inventors: 広平小野
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Description

この発明は、風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電装置の制御装置に関する。

風力または水力を用いた発電装置が知られている。たとえば、特開２００６－２９６１８９号公報（特許文献１）には、風車の回転エネルギを風車の主軸に接続された発電機により電気エネルギに変換し、発電機の出力電力を電力変換して、系統等の電力供給対象に出力する風力発電装置が開示されている。この風力発電装置は、風車（発電機）の回転数と出力特性との関係を示すマップを有し、予め定められたトルク指令パターンに基づいて発電機を制御することにより、所望の出力電力が得られるようにしている。

特開２００６－２９６１８９号公報

風力発電装置は、設置される場所の環境によって、その出力特性が変わり得る。そのため、上記マップに従った制御により風力発電装置に最大効率を発揮させようとした場合に、風力発電装置が設置される場所によっては、風力発電装置が最大効率を発揮できない可能性がある。特許文献１に開示された風力発電装置においては、風力発電装置の設置場所の環境による出力特性の変動に関して何ら考慮されていない。風力発電装置と構造的に類似する水力発電装置においても上記と同様の課題が生じ得る。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の設置場所の環境に応じて、最大効率を発揮できるように発電装置を制御することができる制御装置を提供することである。

（１）この開示に係る発電装置の制御装置は、風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の制御装置であって、発電機の出力電力を、電力供給対象に供給する電力に変換する電力変換部と、発電機からの入力電圧と、電力変換部の出力電力との関係を定めた基準マップを記憶した記憶部と、基準マップに従って、入力電圧に応じた電力を出力するように電力変換部を制御する制御部とを備える。制御部は、電力変換部の出力電力が最大となる入力電圧を探索し、その探索結果に基づいて基準マップを補正する補正制御を実行可能に構成される。

（２）好ましくは、制御部は、条件が成立しない場合には、上記補正制御を非実行とする。

（３）好ましくは、上記条件は、制御装置に対するユーザ操作が行なわれた場合に成立する。

（４）好ましくは、上記条件は、補正制御が前回実行されてから閾時間が経過し、かつ、回転体に回転エネルギを与える流体の流速が閾流速以下であり、かつ、発電機の回転速度が閾回転速度以下である場合に成立する。

（５）好ましくは、制御部は、補正制御の実行中に、回転体に回転エネルギを与える流体の流速が回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、補正制御を終了する。

（６）好ましくは、発電装置は、回転体の回転速度を抑制するブレーキ装置をさらに備える。制御部は、補正制御の実行中に、回転体に回転エネルギを与える流体の流速が回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、ブレーキ装置を作動させる。

（７）好ましくは、補正制御において、制御部は、電力変換部の出力電力が最大となる入力電圧の探索を複数回実行し、探索結果の平均値に基づいて基準マップを補正する。

（８）この開示の他の局面に係る発電装置の制御装置は、風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の制御装置であって、発電機の出力電力を、電力供給対象に供給する電力に変換する電力変換部と、回転体に回転エネルギを与える流体の流速毎に発電装置の基準動作点を定めた基準マップを記憶した記憶部と、基準動作点で発電装置を動作させるように、電力変換部を制御する制御部とを備える。制御部は、流体の流速毎に、電力変換部の出力電力が最大となる発電装置の動作点を探索し、その探索結果に基づいて基準動作点を補正する補正制御を実行可能に構成される。

（９）好ましくは、制御部は、条件が成立しない場合には、補正制御を非実行とする。

（１０）好ましくは、制御部は、補正制御の実行中に流体の流速が回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、補正制御を終了する。

本発明に係る制御装置によれば、風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の設置場所の環境に応じて、最大効率を発揮できるように発電装置を制御することができる制御装置を提供することができる。

実施の形態に係る発電システムの構成例を示すブロック図である。基準マップの一例を示す図である。発電システムの出力特性の一例を示す図である。ＭＰＰＴ制御を説明するための図である。制御装置のＣＰＵで実行される処理の手順を示すフローチャートである。通常制御において制御装置のＣＰＵで実行される処理の手順を示すフローチャートである。補正制御において制御装置のＣＰＵで実行される処理の手順を示すフローチャートである。変形例１に係る制御装置のＣＰＵで実行される処理の手順を示すフローチャートである。実施の形態２に係る通常制御において制御装置のＣＰＵで実行される処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
＜発電システムの全体構成＞
図１は、実施の形態１に係る発電システム１の構成例を示すブロック図である。発電システム１は、風力発電装置１０と、制御装置２０とを備える。実施の形態１に係る発電システム１は、風力発電装置１０が発電した電力を、制御装置２０が電力変換し、電力変換した電力を電力供給対象３０に供給する。

＜＜風力発電装置の構成＞＞
風力発電装置１０は、風車１１と、主軸１２と、増速機１３と、発電機１４と、第１センサ群１５とを含む。風車１１は、たとえば水平軸風車である。風車１１は、主軸１２の先端に設けられ、風のエネルギを回転エネルギに変換する。具体的には、風車１１は、風力を回転トルクに変換して主軸１２に伝達する。なお、風車１１は、垂直軸風車であってもよい。

主軸１２は、増速機の入力軸に接続され、図示しない主軸受によって回転自在に支持される。主軸１２は、風車１１からの回転トルクを増速機１３の入力軸へ伝達する。

増速機１３は、主軸１２と発電機１４との間に設けられる。増速機１３は、主軸１２の回転速度を増速して発電機１４に出力する。一例として、増速機１３は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。

発電機１４は、増速機１３の出力軸に接続される。発電機１４は、たとえば、誘導発電機によって構成され、増速機１３から受ける回転トルクによって発電する。すなわち、発電機１４は、風車１１の回転エネルギを電気エネルギに変換する。

第１センサ群１５は、風速センサ１６および回転速度センサ１７を含む。風速センサ１６は、風力発電装置１０が設置された場所における風速を検出する。回転速度センサ１７は、風車１１の回転速度（主軸１２の回転速度）を検出する。第１センサ群１５の各センサは、検出結果をそれぞれ制御装置２０に出力する。

＜＜制御装置および電力供給対象の構成＞＞
制御装置２０は、電力変換装置２１と、第２センサ群２２と、記憶装置２３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２４とを含む。

電力変換装置２１は、風力発電装置１０の発電機１４から出力される電力を電力変換し、電力供給対象３０に出力する。電力供給対象３０は、系統３１およびバッテリ３２を含む。すなわち、風力発電装置１０から制御装置２０に入力された電力が、電力変換装置２１によって系統３１およびバッテリ３２のそれぞれに応じた電力に変換されて、系統３１およびバッテリ３２に供給される。

バッテリ３２は、積層された複数の電池を含んで構成される。電池は、たとえば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池である。また、電池は、正極と負極との間に液体電解質を有する電池であってもよいし、固体電解質を有する電池（全固体電池）であってもよい。また、バッテリ３２は、制御装置２０から供給された電力を電池を充電するための充電電力に変換する充電器を含む。

電力変換装置２１は、たとえば、コンバータおよびインバータ（いずれも図示せず）等を含んで構成される。コンバータは、発電機１４から出力される交流電力を直流電力に変換してインバータへ出力する。インバータは、コンバータから受けた直流電力を所定の電圧および所定の周波数の交流電力に変換して、電力供給対象３０に出力する。

第２センサ群２２は、電圧センサ２２１および電流センサ２２２を含む。電圧センサ２２１は、発電機１４から受けた電力の電圧を検出可能に構成される。電流センサ２２２は、発電機１４から受けた電力の電流を検出可能に構成される。電圧センサ２２１および電流センサ２２２は、検出結果をＣＰＵ２４に出力する。

記憶装置２３は、たとえば、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成される。記憶装置２３には、ＣＰＵ２４が実行するための各種のプログラム２３１が記憶されている。

また、記憶装置２３には、基準マップ２３２が記憶されている。基準マップ２３２は、制御装置２０（電力変換装置２１）への入力電圧と、制御装置２０（電力変換装置２１）からの出力電力との関係を示すマップである。基準マップ２３２は、制御装置への入力電圧に対する、制御装置２０の理論上（実験上）の最大出力電力を示す。たとえば、基準マップ２３２は、任意の観測地点での試験結果やシミュレーション等に基づいて生成され、記憶装置２３に記憶される。基準マップ２３２の詳細については図２を用いて後に説明する。

ＣＰＵ２４は、記憶装置２３に記憶されている各種のプログラム２３１を実行することにより、制御装置２０の各機器の制御を行なう。ＣＰＵ２４は、制御装置２０の各機器を制御するにあたり、たとえば第１センサ群１５および第２センサ群２２等からの入力を用いる。なお、ＣＰＵ２４が行なう制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。

ＣＰＵ２４は、各種のプログラム２３１を実行することにより、取得部２４１、監視部２４２、出力制御部２４３および入力制御部２４４として機能する。

取得部２４１は、第１センサ群１５および第２センサ群２２から検出結果を取得する。取得部２４１は、取得した検出結果を監視部２４２に出力する。

監視部２４２は、取得部２４１から受けた検出結果に基づいて、発電システム１の状態を監視する。監視部２４２は、たとえば、第１センサ群１５の検出結果に基づいて、風速および風車１１の回転速度を監視する。監視部２４２は、たとえば、第２センサ群２２の検出結果に基づいて、発電機１４の状態を監視する。また、監視部２４２は、後述の開始条件および終了条件が成立したか否かを監視する。監視部２４２は、監視結果を出力制御部２４３および入力制御部２４４に出力する。

入力制御部２４４は、電力変換装置２１を制御することにより、発電機１４の状態を制御する。具体的には、入力制御部２４４は、電力変換装置２１を制御して、発電機１４にかかる負荷を増減させることにより、発電機１４の状態を制御することができる。

出力制御部２４３は、電力供給対象３０に所望の電力を供給するように、電力変換装置２１を制御する。出力制御部２４３は、たとえば、発電機１４からの電力を所定の電圧および所定の周波数の交流電力に変換するように電力変換装置２１を制御して、所望の電力を系統３１に出力する。電力変換装置２１の制御には、上述の基準マップ２３２が用いられる。出力制御部２４３は、入力電圧（電圧センサ２２１の検出値）と、記憶装置２３に記憶された基準マップ２３２とに従って、電力変換装置２１の出力電力を制御する。なお、以下においては、基準マップ２３２に従った電力変換装置２１の制御を「通常制御」とも称する。具体的に図１および図２を用いて説明する。

＜通常制御＞
図２は、基準マップ２３２の一例を示す図である。図２の横軸には発電機１４の出力電圧、すなわち制御装置２０への入力電圧が示されている。なお、発電機１４の出力電圧は、発電機１４の回転速度とみなすことができる。図２の縦軸には制御装置２０の出力電力Ｐが示されている。

風によって風車１１が回転すると、回転速度に応じた電圧が発電機１４から出力される。ＣＰＵ２４は、発電機１４の出力電圧、すなわち制御装置２０への入力電圧を電圧センサ２２１から取得する。そして、ＣＰＵ２４は、電圧センサ２２１から取得した入力電圧を基準マップ２３２に照合させて、制御装置２０の出力電力Ｐを得る。そして、ＣＰＵ２４は、出力電力Ｐを出力するように電力変換装置２１を制御する。より具体的には、たとえば、入力電圧がＶｘであった場合を想定すると、ＣＰＵ２４は、入力電圧Ｖｘを基準マップ２３２に照合させて、出力電力Ｐｘを得る。ＣＰＵ２４は、出力電力Ｐｘを出力するように電力変換装置２１を制御する。これにより、制御装置２０から電力供給対象３０に電力Ｐｘが供給される。予め定められた基準マップ２３２に従った出力電力を出力するように電力変換装置２１を制御することで、理論上、発電システム１を最大効率で動作させることができる。なお、最大効率とは、ある風力において発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができることを意味する。

しかしながら、発電システム１は、風力発電装置１０が設置される場所の環境によって、その出力特性が変わり得る。図３は、発電システム１の出力特性の一例を示す図である。図３の横軸には制御装置２０への入力電圧が示されている。図３の縦軸には制御装置２０の出力電力Ｐが示されている。

図３には、６つの風速Ｗ１～Ｗ６における発電システム１の出力特性が示されている。風速Ｗ１～Ｗ６は、風速帯ＷＢ１～ＷＢ６のそれぞれを代表する風速である（たとえば風速帯における中間値）。風速帯は、風速帯ＷＢ１＜風速帯ＷＢ２＜風速帯ＷＢ３＜風速帯ＷＢ４＜風速帯ＷＢ５＜風速帯ＷＢ６の順に大きな風速を含む帯域となっている。つまり、風速Ｗ１＜風速Ｗ２＜風速Ｗ３＜風速Ｗ４＜風速Ｗ５＜風速Ｗ６の順に大きな風速となっている。

ここで、たとえば、現在の風速が風速帯ＷＢ５に含まれる風速であった場合を想定する。たとえば、このときの入力電圧がＶ５であったとすると、制御装置２０は、基準マップ２３２に従って、動作点Ａ５で動作するように各部を制御し、出力電力Ｐ５を出力する。しかしながら、風速が風速帯ＷＢ５に含まれる風速であった場合の、発電システム１を最大効率で動作させる動作点（以下「最大効率点」とも称する）は、動作点Ｂ５である。動作点Ａ５よりも動作点Ｂ５で発電機１４を動作させた方が、発電システム１から大きな出力電力を取り出せる（Ｐ５＜Ｐ５ａ）。上述のとおり、基準マップ２３２は、あくまでも任意の観測地点での試験結果やシミュレーション等に基づいて生成されたマップである。そのため、最大効率点から大きく外れることは想定し難いものの、風力発電装置１０が設置される場所の環境によっては、基準マップ２３２に従う動作点よりも効率を高めることができる動作点が存在し得る。発電システム１は、最大効率点で動作させることが望ましい。

＜補正制御＞
そこで、実施の形態１に係る制御装置２０は、開始条件（後述）が成立した場合に基準マップ２３２を補正する補正制御を実行する。補正制御は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御により、発電機１４の出力電圧毎の、発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができる最大効率点を探索し、探索された最大効率点に基準マップ２３２を補正する制御である。図４を参照しながら、ＭＰＰＴ制御について具体例を示して説明する。

図４は、ＭＰＰＴ制御を説明するための図である。図４には、図３の風速Ｗ５における発電システム１の出力特性がピックアップされて示されている。ＭＰＰＴ制御を開始する開始条件が成立する前の通常制御において、制御装置２０への入力電圧がＶ５であったものとする。この場合、制御装置２０は、基準マップ２３２に従って、出力電力Ｐ５を出力するように電力変換装置２１を制御する。すなわち、動作点Ａ５で発電システム１を動作させる。以下においては、基準マップ２３２に従って定まる動作点を「基準動作点」とも称する。

制御装置２０は、開始条件が成立するとＭＰＰＴ制御を開始し、発電機１４の出力電圧（制御装置２０への入力電圧）を電圧Ｖ５から所定電圧ΔＶずつ増加または減少させて、発電システム１の出力電力が最大効率点を超える動作点を探索する。図４の例においては、制御装置２０は、開始条件が成立するとＭＰＰＴ制御を開始し、発電機１４の出力電圧（制御装置２０への入力電圧）を電圧Ｖ５から所定電圧ΔＶだけ増加させるように、電力変換装置２１を制御する。すなわち、制御装置２０は、動作点Ｂ５（電圧Ｖ５＋ΔＶ）で発電システム１が動作するように電力変換装置２１を制御する。制御装置２０は、たとえば、電力変換装置２１を制御することにより負荷を調整して、発電機１４の出力電圧を制御する。そして、制御装置２０は、第２センサ群２２（電圧センサ２２１および電流センサ２２２）の検出結果に基づいて、このときの発電システム１の出力電力Ｐ５ａを算出する。

制御装置２０は、出力電力Ｐ５ａを、基準動作点Ａ５で発電システム１を動作させたときの発電システム１の出力電力Ｐ５と比較する。制御装置２０は、出力電力Ｐ５ａが出力電力Ｐ５よりも大きいので、発電機１４の出力電圧を、さらに所定電圧ΔＶだけ増加させて、最大効率点の探索を継続する。すなわち、制御装置２０は、動作点Ｃ５（電圧Ｖ５＋２ΔＶ）で発電システム１が動作するように電力変換装置２１を制御する。

そして、制御装置２０は、動作点Ｃ５で発電システム１を動作させたときの発電システム１の出力電力Ｐ５ｂを算出する。制御装置２０は、出力電力Ｐ５ｂを出力電力Ｐ５ａと比較する。制御装置２０は、出力電力Ｐ５ｂが出力電力Ｐ５ａよりも小さいので、発電機１４の出力電圧を、動作点Ｃ５から所定電圧ΔＶだけ減少させる。すなわち、動作点を動作点Ｂ５にする。そして、制御装置２０は、発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができる動作点を動作点Ｂ５として決定し、動作点Ｂ５で発電システム１が動作するよう、すなわち発電機１４の出力電圧を維持するよう、負荷の設定を維持する。

再び図３を参照して、制御装置２０は、発電機１４から最大の出力電力を取り出すことができる最大効率点を決定すると、基準マップ２３２を補正する。具体的には、制御装置２０は、風速Ｗ５における動作点を基準動作点Ａ５から動作点Ｂ５に補正する。そして、動作点Ａ５から動作点Ｂ５への補正量に基づいて、たとえば線形補間により基準マップを補正する。基準マップ２３２が式により表わされる場合には、上記補正量に基づいて当該式を補正してもよい。これにより、補正後の基準マップを得ることができる。

補正された基準マップ２３２に基づいて、発電システム１が制御されることによって、発電システム１に最大効率を発揮させることができる。

実施の形態１においては、ベースとなる基準マップ２３２が存在するため、ベースとなる基準マップ２３２がない場合と比べて、発電システム１の効率が最大となる最大効率点（動作点）を早期に探索することができ、補正制御を早期に完了させることができる。そのため、所定電圧ΔＶを小さく設定して、最大効率点の探索精度を向上させることができる。所定電圧ΔＶを小さく設定したとしても、過度な時間を要せずに補正制御を完了させることができる。具体的には、ベースとなる基準マップ２３２がない場合には、最大効率点を探索するために全探索しなければならず、一回あたりの操作量である上述の所定電圧ΔＶを大きく設定しなければならない。全探索において所定電圧ΔＶを小さく設定すると、風速に変化があった場合に当該変化に追従できず、風車１１の過回転を招く可能性があるためである。所定電圧ΔＶを大きく設定すると、最大効率となる動作点の探索精度が低下してしまう。実施の形態１においては、ベースとなる基準マップ２３２が制御装置２０の記憶装置２３に格納されている。基準マップの基準動作点と最大効率点とは大きく乖離しないことが想定されるところ、上述のように基準動作点をベースとして最大効率点を探索することで、謂わば動作点の探索範囲（発電機１４の電圧の変化範囲）を限ることができる。探索範囲を限ることにより、所定電圧ΔＶを小さく設定することができる。これにより、最大効率点の探索精度を向上させることができる。

＜開始条件＞
次に、補正制御の開始条件について説明する。開始条件としては、以下の第１開始条件および第２開始条件を適用することができる。第１開始条件が満たされた場合に開始条件が成立したとしてもよいし、第１開始条件および第２開始条件の両方が満たされた場合に開始条件が成立したとしてもよいし、第１開始条件および第２開始条件のいずれかが満たされた場合に開始条件が成立したとしてもよい。

第１開始条件は、制御装置２０（具体的には、たとえば図示しない操作部）に対してユーザの操作がされたことである。

第２開始条件は、前回補正制御が実行されてから閾時間が経過しており、かつ、風速が閾風速以下であり、かつ、発電機１４の回転速度が閾回転速度以下であることである。閾時間は、風力発電装置１０が設置される場所の環境等に応じて適宜設定することができる時間である。閾風速は、風車１１が過回転に至ることを抑制するための閾値である。閾風速は、たとえば風速帯ＷＢ６の上限値に設定してもよい。閾回転速度は、発電機１４（風車１１）が過回転に至っていないことを確認するための閾値である。

前回補正制御が実行されてからの経過時間は、たとえば制御装置２０に含まれる図示しないタイマが用いられる。補正制御が終了し、通常制御に移行した際に、ＣＰＵ２４によりタイマが起動される。

閾風速と比較される風速は、風速センサ１６の検出結果が用いられる。閾回転速度と比較される発電機１４の回転速度は、電圧センサ２２１によって検出された発電機１４の出力電圧に基づいて算出される。あるいは、閾回転速度と比較される発電機１４の回転速度は、回転速度センサ１７によって検出された風車１１（主軸１２）の回転速度に基づいて算出されてもよい。

＜終了条件＞
次に、補正制御の終了条件について説明する。終了条件としては、以下の第１終了条件および／または第２終了条件を適用することができる。あるいは、第１終了条件および／または第２終了条件に、第３終了条件から第５終了条件を適宜組み合わせてもよい。

第１終了条件は、補正制御を実行してから予め設定された設定時間が経過し、かつ、基準マップ２３２を補正した回数が予め設定された設定回数に到達したことである。設定時間は、適宜設定することが可能な時間である。設定時間には、少なくとも１回の補正制御が完了できる時間が設定される。設定回数には、１回以上の回数が適宜設定される。

第２終了条件は、風速が含まれる風速帯が変化し、かつ、風車１１の回転加速度が閾加速度を超えたことである。風速帯の変化とは、たとえば、補正制御の開始時の風速が風速帯ＷＢ５に含まれるものであった場合には、風速が他の風速帯（ＷＢ１～４，ＷＢ６）に含まれる風速に変化したことをいう。閾加速度は、風車１１が過回転に至ることを抑制するための閾値である。風車１１の回転加速度は、たとえば、回転速度センサ１７の検出値、または電圧センサ２２１の検出値に基づいて算出することができる。

第３終了条件は、平均風速が閾風速を超えたことである。第４終了条件は、発電機１４の回転速度が閾回転速度を超えたことである。第５終了条件は、風力発電装置１０からの出力電力（制御装置２０への入力電力）が定格電力を超えたことである。第３終了条件から第５終了条件は、風車１１が過回転に至ることを抑制するために設定される。

＜制御装置（ＣＰＵ）で実行される処理＞
図５は、制御装置２０のＣＰＵ２４で実行される処理の手順を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートの各ステップ（以下ステップを「Ｓ」と略す）は、ＣＰＵ２４によるソフトウェア処理によって実現される場合について説明するが、その一部あるいは全部がＣＰＵ２４内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。図５のフローチャートの処理は、所定の制御周期毎にＣＰＵ２４により実行される。

ＣＰＵ２４は、開始条件が成立したか否かを判定する（Ｓ１０）。開始条件が成立していない場合には（Ｓ１０においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、通常制御を実行する（Ｓ３０）。

一方、開始条件が成立した場合には（Ｓ１０においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、終了条件が成立したか否かを判定する（Ｓ２０）。終了条件が成立した場合には（Ｓ２０においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、通常制御を実行する（Ｓ３０）。なお、開始条件が成立した場合には、ＣＰＵ２４は、終了条件が成立するまで、開始条件の成立を維持する。

終了条件が成立していない場合には（Ｓ２０においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、補正制御を実行する（Ｓ４０）。

図６は、通常制御において制御装置２０のＣＰＵ２４で実行される処理の手順を示すフローチャートである。

ＣＰＵ２４は、記憶装置２３から基準マップ２３２を読み出す（Ｓ３０１）。次いで、ＣＰＵ２４は、第２センサ群２２の電圧センサ２２１から制御装置２０への入力電圧（発電機１４の出力電圧）を取得する（Ｓ３０３）。そして、ＣＰＵ２４は、Ｓ３０１で読み出した基準マップ２３２に、Ｓ３０３で取得した入力電圧を照合させる（Ｓ３０５）。これにより、ＣＰＵ２４は、制御装置２０の出力電力Ｐを決定する。

ＣＰＵ２４は、Ｓ３０５で決定した出力電力Ｐを出力するように、電力変換装置２１を制御する（Ｓ３０７）。これによって、基準マップ２３２に従った動作点で発電システム１を動作させることができる。

図７は、補正制御において制御装置２０のＣＰＵ２４で実行される処理の手順を示すフローチャートである。

ＣＰＵ２４は、まず通常制御を実行する（Ｓ３０）。これによって、発電システム１の動作点が決定される。ＣＰＵ２４は、上記の動作点をスタートとしてＭＰＰＴ制御を実行する。ここでは、具体的な一例として、Ｓ３０において、基準マップ２３２が読み出され、発電システム１の動作点が基準動作点Ａ５に決定されたことを想定する。ＣＰＵ２４は、基準動作点Ａ５における電圧Ｖ５を基準電圧Ｖｒｅｆ、基準動作点Ａ５における出力電力Ｐ５を基準電力Ｐｒｅｆとしてそれぞれ設定する（Ｖｒｅｆ＝Ｖ５，Ｐｒｅｆ＝Ｐ５）。

ＣＰＵ２４は、制御装置２０への入力電圧（発電機１４の出力電圧）Ｖｉｎが所定電圧ΔＶだけ増加するように、発電機１４への負荷を変更する（Ｓ４０１）。具体的には、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎを以下の式（１）に従って変更する（Ｖｉｎ＝Ｖ５＋ΔＶ）。

Ｖｉｎ＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶ…（１）
ＣＰＵ２４は、第２センサ群２２から検出値（電圧および電流）を取得し、入力電圧増加後の発電システム１の出力電力Ｐａを算出する。そして、ＣＰＵ２４は、出力電力Ｐａを基準電力Ｐｒｅｆと比較する（Ｓ４０３）。

出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆよりも大きい場合（Ｓ４０３においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、基準を更新する（Ｓ４０５）。具体的には、ＣＰＵ２４は、基準電力Ｐｒｅｆを電力Ｐａに更新し、基準電圧Ｖｒｅｆを電圧Ｖｉｎ（＝Ｖ５＋ΔＶ）に更新する。

次いで、ＣＰＵ２４は、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎが所定電圧ΔＶだけ増加するように、発電システム１の動作点を変更する（Ｓ４０７）。つまり、入力電圧ＶｉｎをＶ５＋２ΔＶにする。

ＣＰＵ２４は、Ｓ４０３と同様にして、Ｓ４０７の処理の実行後の出力電力Ｐａを算出し、基準電力Ｐｒｅｆと比較する（Ｓ４０９）。

出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆよりも大きければ（Ｓ４０９においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、処理をＳ４０５に戻して出力電力が最大となる動作点の探索を継続する。

一方、出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆ以下であれば（Ｓ４０９においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎが所定電圧ΔＶだけ減少するように、発電システム１の動作点を更新する（Ｓ４１１）。そして、ＣＰＵ２４は、当該入力電圧Ｖｉｎ、つまり発電システム１の動作点を維持する。

ＣＰＵ２４は、Ｓ４１１における発電システム１の動作点を最大効率点として決定し、基準マップ２３２を補正する（Ｓ４１３）。補正後の基準マップ２３２に従って電力変換装置２１が制御されることにより、発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができ、発電システム１に最大効率を発揮させることができる。

Ｓ４０３において、出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆ以下である場合（Ｓ４０３においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆから所定電圧ΔＶだけ減少するように、発電システム１の動作点を更新する（Ｓ４１５）。具体的には、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎを以下の式（２）に従って変更する（Ｖｉｎ＝Ｖ５－ΔＶ）。

Ｖｉｎ＝Ｖｒｅｆ－ΔＶ…（２）
ＣＰＵ２４は、Ｓ４０３と同様にして、Ｓ４１５の処理の実行後の出力電力Ｐａを算出し、基準電力Ｐｒｅｆと比較する（Ｓ４１７）。

出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆよりも大きければ（Ｓ４１７においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、処理をＳ４１５に戻して出力電力が最大となる動作点の探索を継続する。

一方、出力電力Ｐａが基準電力Ｐｒｅｆ以下であれば（Ｓ４１７においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、制御装置２０への入力電圧Ｖｉｎが所定電圧ΔＶだけ増加するように、発電システム１の動作点を更新する（Ｓ４１９）。そして、ＣＰＵ２４は、当該入力電圧Ｖｉｎ、つまり発電システム１の動作点を維持する。

ＣＰＵ２４は、Ｓ４１９における発電システム１の動作点を最大効率点として決定し、基準マップを補正する（Ｓ４１３）。補正後の基準マップ２３２に従って電力変換装置２１が制御されることにより、発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができ、発電システム１に最大効率を発揮させることができる。

以上のように、実施の形態１に係る制御装置２０は、制御装置２０への入力電圧と、制御装置２０からの出力電力との関係を示す基準マップ２３２に従って、電力変換装置２１を制御する。制御装置２０は、補正制御を実行して、風力発電装置１０の設置場所の環境に応じて最適となるように基準マップ２３２を補正する。風力発電装置１０の設置場所の環境に応じて基準マップ２３２が補正されることによって、設置場所がいずれであっても、発電システム１から最大の出力電力を取り出すことができ、発電システム１に最大効率を発揮させることができる。

なお、上記においては、発電システム１が風力発電システムである例について説明したが、発電システム１は水力発電システムであってもよい。発電システム１が水力発電システムである場合には、風力発電装置１０に代えて、水力発電装置が適用される。

［変形例１］
風力発電においては、たとえば突風が発生し、急に風力が増加するようなケースが想定される。このような場合には、風車１１が過回転に至らないように制御することが望ましい。補正制御においては、上述したとおりＭＰＰＴ制御により所定電圧ΔＶずつ入力電圧を変化させる。図３における風速帯ＷＢ６を超える風速が発生した場合、補正制御においては制御が追いつかずに、風車１１が過回転に至ってしまう可能性がある。

そこで、変形例１に係る制御装置２０は、補正制御が開始されると同時に、風速を監視し、風速が閾値を超えた場合には、補正制御を即座に終了させる。補正制御が終了することにより、制御装置２０は、通常制御を実行する。実施の形態で説明したとおり、補正制御の終了条件として、第３終了条件（平均風速が閾風速を超えたこと）が設定されているが、変形例１によれば、突風のような急な風力の増加に対応することができる。閾値は、実施の形態における閾風速と同じ値であってもよいし、閾風速とは異なる値であってもよい。

通常制御においては、制御装置２０は、基準マップ２３２（補正されていれば補正後の基準マップ）に従って、発電システム１を制御する。具体的には、制御装置２０は、基準マップ２３２に従って電力変換装置２１を制御する。風速が閾値（たとえば風速帯ＷＢ６）を超えた場合には、制御装置２０は、基準動作点Ａ６（補正されている場合には動作点Ｂ６）で動作するように電力変換装置２１を制御する。

これにより、風車１１にかかる風力が増加したとしても、基準マップ２３２に従った動作点（基準動作点Ａ６）で動作するように発電機１４にかかる負荷が増加されるため、風車１１が過回転に至ることを抑制することができる。

図８は、変形例１に係る制御装置２０のＣＰＵ２４で実行される処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、補正制御が開始されるとともに開始される。

ＣＰＵ２４は、風速センサ１６の検出値を取得する（Ｓ５１）。そして、ＣＰＵ２４は、Ｓ５１で取得した風速（現在の風速）と閾値とを比較する（Ｓ５３）。

風速が閾値以下である場合には（Ｓ５３においてＮＯ）、ＣＰＵ２４は、処理をＳ５１に戻し、風速の監視を継続する。

風速が閾値を超えた場合には（Ｓ５３においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、補正制御を終了させる（Ｓ５５）。これによって、ＣＰＵ２４は、通常制御を実行する。

以上のように、変形例１によれば、風速が閾値を超えた場合には、補正制御を即座に終了させて、通常制御に切り替える。通常制御では、基準マップ２３２に従って発電システム１を制御する。風車１１にかかる風力が増加したとしても、基準マップ２３２に従った動作点で動作するように発電機１４にかかる負荷が増加されるため、風車１１が過回転に至ることを抑制することができる。

［変形例２］
変形例１おいては、風速が閾値を超えた場合には、補正制御を即座に終了させて、通常制御に切り替えることにより、風車１１が過回転に至ることを抑制する例について説明した。しかしながら、風速が閾値を超えた場合に、他の手段によって風車１１が過回転に至ることを抑制してもよい。

再び図１を参照して、変形例２に係る風力発電装置１０は、増速機１３と発電機１４との間にブレーキ装置１９をさらに備える。ブレーキ装置１９は、たとえばディスクブレーキである。

制御装置２０は、風速が閾値を超えた場合には、ブレーキ装置１９を作動させて風車１１の回転を抑制する。これによって、風車１１が過回転に至ることを抑制することができる。

［変形例３］
実施の形態においては、補正制御において１回の探索結果に基づいて、基準マップ２３２の基準動作点を補正する例について説明した。しかしながら、探索を複数回実行して、探索結果の平均値に基づいて、基準マップ２３２の基準動作点が補正されてもよい。

たとえば、補正制御の実行中において、風速が風速帯ＷＢ５内に収まっていたとしても、風速帯ＷＢ５内で風速が変動し得る。そうすると、風力発電装置１０の効率を最大にできる動作点が変わり得る。

そこで、探索を複数回実行し、風力発電装置１０の出力電力Ｐが最大となる、発電機１４の出力電圧の平均値を算出する。この平均値に基づいて、発電機１４の動作点を決定する。そして、当該動作点に基準動作点を補正する。これによって、基準マップ２３２の補正の精度を高めることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１における通常制御においては、そのときの風速を考慮することなく、制御装置２０への入力電圧に基づいて、動作点を決定した。具体的には、制御装置２０への入力電圧を基準マップ２３２に照合させて、制御装置２０の出力電力を決定した。しかしながら、通常制御において、風速を考慮して動作点を決定してもよい。なお、実施の形態２に係る発電システムの構成は、実施の形態１と同様であるため、その説明を繰り返さない。

再び図３を参照して、実施の形態２に係る制御装置２０（ＣＰＵ２４）は、基準マップ２３２と、各風速（Ｗ１～６）との交点を各風速における発電システム１の基準動作点として決定する。すなわち、実施の形態２においては、風速毎に基準動作点が決定される。たとえば、図３において基準マップ２３２と各風速との交点で表わされるＡ５，Ａ６等の動作点が発電システム１の基準動作点として決定される。換言すれば、実施の形態２においては、風速に応じて発電システム１の動作点が決定される。

実施の形態２においては、風速毎に発電システム１の基準動作点が決定される。そのため、ＭＰＰＴ制御において、風速毎に定められた基準動作点から最大効率点の探索を開始することができる。基準動作点と最大動作点とは大きく乖離しないことが想定されるところ、制御装置２０への入力電圧に基づいて動作点を決定する実施の形態１と比べ、より早期に発電システム１の最大効率点を探索することができ、補正制御を早期に完了させることができる。

図９は、実施の形態２に係る通常制御において制御装置２０のＣＰＵ２４で実行される処理の手順を示すフローチャートである。

ＣＰＵ２４は、記憶装置２３から基準マップ２３２を読み出す（Ｓ３１１）。次いで、ＣＰＵ２４は、第１センサ群１５の風速センサ１６から現在の風速を取得する（Ｓ３１３）。そして、ＣＰＵ２４は、Ｓ３１１で読み出した基準マップ２３２に、Ｓ３１３で取得した風速を照合させる（Ｓ３１５）。これにより、ＣＰＵ２４は、発電システム１の動作点を決定する。

ＣＰＵ２４は、Ｓ３１５で決定した動作点で発電システム１が動作するように、電力変換装置２１を制御する（Ｓ３１７）。これによって、基準マップ２３２に従った動作点で発電システム１を動作させることができる。

ＭＰＰＴ制御においては、上記のように決定された動作点から最大効率点の探索を開始することによって、より早期に発電システム１の最大効率点を探索することができる。

実施の形態２においては、制御装置２０は、ある風速における最大効率点を決定すると、当該風速における基準動作点を補正する。具体的には、図３を参照して、たとえば、現在の風速が風速Ｗ５である場合には、基準動作点Ａ５をＢ５に補正する。制御装置２０は、他の風速における基準動作点についても、その風速の風が発生した際に補正制御により同様に動作点を補正する。なお、ある風速における基準動作点を補正した場合に、下記の変形例４で説明する手法により、他の基準動作点を補正してもよい。

［変形例４］
風速帯によっては、当該風速帯に含まれる風速の風が発生する頻度が低いものがある。代表的には、高風速帯である風速帯ＷＢ６である。風速帯ＷＢ６に含まれる風速の風が発生しなければ、風速帯ＷＢ６に対する補正制御を実行できず、基準マップ２３２（具体的には風速Ｗ６の基準動作点）を補正することができない。

そこで、発生頻度が少ないことが見込まれる風速帯（風速帯ＷＢ６）の動作点については、他の風速帯（たとえば風速帯ＷＢ５）の補正制御の結果（補正された基準動作点）と、初期の（理論上の）基準マップ２３２から導かれる風速帯ＷＢ５の基準動作点および風速帯ＷＢ６の基準動作点の関係とに基づいて、風速帯ＷＢ６における基準動作点を補正してもよい。たとえば、基準マップ２３２を生成した際に、基準マップ２３２を数式化しておけば、補正された他の風速域の基準動作点を用いて、発生頻度が少ないことが見込まれる風速帯の基準動作点を補正することができる。

たとえば、予め風速帯ＷＢ６を数式により補正する風速帯として設定しておく。風速帯ＷＢ６以外のいずれかの風速帯の基準動作点が補正された際に、補正された動作点と、数式とを用いて、風速帯ＷＢ６の基準動作点を補正することができる。なお、複数の補正された基準動作点と、数式とを用いて、風速帯ＷＢ６の基準動作点を補正してもよい。

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。本発明の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およ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。

１発電システム、１０風力発電装置、１１風車、１２主軸、１３増速機、１４発電機、１５第１センサ群、１６風速センサ、１７回転速度センサ、１９ブレーキ装置、２０制御装置、２１電力変換装置、２２第２センサ群、２３記憶装置、２４ＣＰＵ、３０電力供給対象、３１系統、３２バッテリ、２２１電圧センサ、２２２電流センサ、２３１プログラム、２３２基準マップ、２４１取得部、２４２監視部、２４３出力制御部、２４４入力制御部。

Claims

風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の制御装置であって、
前記発電機の出力電力を、電力供給対象に供給する電力に変換する電力変換部と、
前記発電機からの入力電圧と、前記電力変換部の出力電力との関係を定めた基準マップを記憶した記憶部と、
前記基準マップに従って、前記入力電圧に応じた電力を出力するように前記電力変換部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記基準マップに従う動作点から、前記電力変換部の出力電力が最大となる前記入力電圧の探索を開始し、前記入力電圧の探索結果に基づいて、前記基準マップに従う動作点を補正し、その動作点の補正量に基づいて前記基準マップを補正する補正制御を実行可能に構成される、発電装置の制御装置。
前記制御部は、条件が成立しない場合には、前記補正制御を非実行とする、請求項１に記載の発電装置の制御装置。
前記条件は、前記制御装置に対するユーザ操作が行なわれた場合に成立する、請求項２に記載の発電装置の制御装置。
前記条件は、前記補正制御が前回実行されてから閾時間が経過し、かつ、前記回転体に回転エネルギを与える流体の流速が閾流速以下であり、かつ、前記発電機の回転速度が閾回転速度以下である場合に成立する、請求項２に記載の発電装置の制御装置。
前記制御部は、前記補正制御の実行中に、前記回転体に回転エネルギを与える流体の流速が前記回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、前記補正制御を終了する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電装置の制御装置。
前記発電装置は、前記回転体の回転速度を抑制するブレーキ装置をさらに備え、
前記制御部は、前記補正制御の実行中に、前記回転体に回転エネルギを与える流体の流速が前記回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、前記ブレーキ装置を作動させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電装置の制御装置。
前記補正制御において、前記制御部は、前記電力変換部の出力電力が最大となる前記入力電圧の探索を複数回実行し、探索結果の平均値に基づいて前記基準マップを補正する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発電装置の制御装置。
風車または水車により構成される回転体の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機を備えた発電装置の制御装置であって、
前記発電機の出力電力を、電力供給対象に供給する電力に変換する電力変換部と、
前記回転体に回転エネルギを与える流体の流速毎に前記発電装置の基準動作点を定めた基準マップを記憶した記憶部と、
前記基準動作点で前記発電装置を動作させるように、前記電力変換部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記流体の流速毎に、当該流速に対応する前記基準動作点から、前記電力変換部の出力電力が最大となる前記発電装置の動作点の探索を開始し、前記動作点の探索結果に基づいて、当該流速に対応する前記基準動作点を補正する補正制御を実行可能に構成される、発電装置の制御装置。
前記制御部は、前記流体の流速を示す第１の流速について補正された前記基準動作点と、前記基準マップから導かれる、前記第１の流速に対応する前記基準動作点および前記第１の流速と異なる第２の流速に対応する前記基準動作点の関係とに基づいて、前記第２の流速に対応する前記基準動作点を補正する、請求項８に記載の発電装置の制御装置。
前記制御部は、条件が成立しない場合には、前記補正制御を非実行とする、請求項８または請求項９に記載の発電装置の制御装置。
前記制御部は、前記補正制御の実行中に前記流体の流速が前記回転体の過回転を抑制するための閾値を超えた場合には、前記補正制御を終了する、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の発電装置の制御装置。