JPH069400U - 発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微弱な風力等の自然力を利用して発電機を電
動機として発電装置を始動し，この発電装置始動後は自
動的に連続して発電機を本来の発電機として機能するよ
うにする。 【構成】 風力等の自然力により駆動される原動機１に
結合される誘導発電機２と，この誘導発電機２の出力を
直流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の交直変
換回路４と，変換された直流電力を，交流電力に変換し
て所定の交流電源１０に接続される負荷装置１１に接続
する順逆両方向変換可能な第２の交直変換回路６と，こ
れらの交直変換回路４または６を直接的または間接的に
制御する制御機能７と，誘導発電機２の始動時と発電時
における原動機１の回転速度に対応して設定される制御
機能７の指令信号記録装置８とを備えるようにした。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は，原動機により駆動される発電機を利用した発電装置等から供給され る交流電源に系統連携する風力等の自然エネルギーを利用した発電装置に係り， 特に，発電装置の始動と発電動作を継続的，安定に機能させることにより，例え ば，風力により回転する風車等の原動機の広い回転速度範囲において効率よく発 電動作を実行できる発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近時，クリーンエネルギーを活用し，又，石油系エネルギーの消費節約のため に自然力を利用した例えば，風力発電装置が注目をあびて来ている。 上述した風力発電装置は風力によって風車を回転させ，この回転によって発電 機を回転させて電気エネルギーを得ている。 風速は常に大きく変動し，風車の羽根角度を制御することによって，変動する 風力を有効に利用することができるが，羽根角度の制御のみでは十分ではない。 また，風力発電装置を所定の交流電源に接続するには，風力発電交流波を接続 すべき交流電源の交流波に合わせることが必要であって，そのために，誘導発電 機とインバータとの結合方式等が利用されている。 このような風力発電装置には，特開昭６２−１２３９９２号公報に開示されて いるものがある。 この特開昭６２−１２３９９２号公報に記載のものは，風力を軸動力に変換す る風車と，この軸動力を電力に変換する動力−電力変換器と，風車の回転数に応 じて予め定められた指令信号により動力−電力変換器の出力電力を制御する制御 装置とからなっている。

【０００３】 風車の運動エネルギーは風速の３乗に比例するが，風速が低く風車が停止して いる場合は風車が発電機の負荷トルクに勝って回転できないために発電できない 。しかし，風車が回転を始めると起動できなかった風車の回転速度以下まで発電 を継続することができる。 即ち，風車は回転を始めると，回転系が有する回転負荷条件によって風車の回 転を起動する風力よりも低い風力でも回転を継続し発電することができる。 そのために，風車の回転を起動するには，風車に始動用電動機を結合して風力 発電装置を始動させるか，交流発電機の発電電力変換にインバータを接続した装 置において，ベクトル制御やすべり周波数制御を行うようなデジタル制御インバ ータを使用している場合は，風力発電装置始動時に，例えば，図３に示すように インバータをトルク制御か，Ｖ／ｆ制御に切替えて発電機を電動機として機能す るようにしている。 図３において，１は風車であって，風車１は誘導発電機２に結合している。こ の風車１が回転して発電装置が稼働していると，この誘導発電機２の回転速度， 即ち風車１の回転速度は回転速度検出器３によって計測されている。誘導発電機 ２の発電出力はコンバータ機能回路１４によって直流に変換され，この変換され た直流はインバータ機能回路１６によって交流電源１０から供給される交流電力 に合わせた波形と位相に変換されて交流電源１０と負荷装置１１とが接続された 電力回路に供給される。 上述したコンバータ機能回路１４とインバータ機能回路１６は回転速度検出器 ３から得られる風車１即ち，誘導発電機２の回転速度に対応して所定の出力を得 られるように電力指令器１９に予め設定され，スイッチ機能１８を介して得られ る制御信号とに従って機能する制御装置１７によって制御され，風速に対応して 所定の電力を交流電源１０に重畳して負荷装置１１に供給している。 上述の機能構成において，風車１の回転を起動してこの風力発電装置を始動す る時はスイッチ機能１８を始動指令器２０に切替える。図示しない操作機能によ ってこの風力発電装置の始動操作を行うと，交流電源１０から供給される交流電 力は，前述したインバータ機能回路１６の機能がコンバータとしての機能に変換 され，コンバータ機能回路１４がインバータとしての機能に変換されることによ って，誘導発電機２を誘導電動機として機能して風車１を駆動する。 即ち，始動指令器２０に予め設定された指令信号と回転速度検出器３によって 得られる風車１即ち，誘導発電機２の回転速度とに従って，誘導発電機２が誘導 電動機として所定のトルクを発生するように制御する。 風車１の回転速度が上昇して回転速度検出器３により得られる回転速度値が予 め設定された所定値以上になるとスイッチ機能１８を電力指令器１９に切替える 。従って，以降は風車１の回転速度に対応し，電力指令器１９に記録された指令 信号によってこの風力発電装置は発電動作を継続する。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところで，上述したような風力発電装置によると，特開昭６２−１２３９９２ 号公報に記載のものは，風車を回転できる風力以下の微弱な風力の時に風力発電 装置を始動できないので風力を有効に利用できない。図３に示した風力発電装置 によると風車を回転できる風力以下の微弱な風力の時にもこの発電装置を始動で きるが，その始動時と継続運転時とに対応してスイッチ機能１８を切替える必要 があるため制御が不連続になる。従って，この風力発電装置を安定に機能させる ための制御内容が複雑になり，従って不経済にならざるを得なかった。また，風 力の有効利用もできないという問題があった。 本考案は上記従来の問題点を解決して，発電機を電動機として風車等の原動機 の回転を起動して微弱な風力等の自然力においてもこの発電装置を始動し，発電 装置始動後は自動的に連続して発電機を本来の発電機として機能するようにする ことによって風力等の自然エネルギーを有効に利用できるようにすることを目的 （課題）としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するために本考案に基づく発電装置においては，自然力，例え ば風力により駆動される自然力を利用した原動機としての風車に結合される誘導 発電機と，誘導発電機の出力を直流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の 交直変換回路と，該変換された直流電力を交流電力に変換して，所定の交流電源 に接続される負荷装置に接続する順逆両方向変換可能な第２の交直変換回路と， 上記交直変換回路を直接的又は間接的に制御する制御機能と，当該誘導発電機の 始動時と発電時における前記原動機回転速度に対応して設定される上記制御機能 の指令信号記録装置とを備えるようにした。

【０００６】

【作用】

本考案に基づく発電装置は上述のように構成したので，自然力，例えば，風力 の強さに対応して自動的に発電機機能と電動機機能とが切替え制御される。従っ て，弱い風力等の自然力においてもこの発電装置は始動し，始動すると自動的に 運転を継続し連続して発電動作に移行する。発電動作に入ると極微弱な風力にな るまでは効率良く発電動作を実行する。

【０００７】

【実施例】

以下，自然力として風力を利用した場合における本考案の実施例を図を参照し て詳細に説明する。 図１は本考案を適用した風力発電装置における要素装置の構成例を示している もので，同図中，従来の技術の説明で参照した図３と同一の要素装置は同一の符 号を使用している。 図１において，１は風力によって回転する原動機としての風車であって，風車 １は誘導発電機２に結合している。３は回転速度検出器であって，誘導発電機２ 即ち，風車１の回転速度を計測している。 誘導発電機２の出力回路はデジタル処理によって適切な出力波形を得られるＰ ＷＭ制御による順逆両方向変換可能な第１の交直変換回路４に接続している。第 １の交直変換回路４の出力回路はコンデンサ５を並列接続して第１の交直変換回 路４と同一回路構成の第２の交直変換回路６に接続している。 １０はディーゼル発電機等の交流電源であって，交流電源１０から出力される 電力は負荷装置１１に供給されており，第２の交直変換回路６の出力回路は交流 電源１０から負荷装置１１に接続される回路に並列に接続されている。 上述した電力回路は詳細を後述するように，その制御条件によって逆に，交流 電源１０からの出力回路が第２の交直変換回路６に接続し，第２の交直変換回路 ６は第１の交直変換回路４に接続し，第１の交直変換回路４の出力は誘導発電機 ２を誘導電動機として機能させるように接続されていると見なすことができる。 ７は第１の交直変換回路４を制御する第１の制御機能であって，回転速度検出 器３による誘導発電機２の回転速度，即ち，風車１の回転速度と詳細を後述する ように風車１の回転速度に対応する所定の制御条件を記録した指令信号記録装置 （以下電力指令器と称する）８から出力される信号によって，予め設定された制 御条件に従い第１の交直変換回路４に対応する所定の処理をおこなって，この第 １の交直変換回路４の出力制御を行う。 １２は第２の交直変換回路６を制御する第２の制御機能であって，位相検出器 １３による交流電源１０の位相信号と第１の制御機能７から伝送される制御信号 に従って，予め設定された制御条件に従い第２の交直変換回路６に対応する所定 の処理をおこなって，この第２の交直変換回路６の出力制御を行う。

【０００８】 図２には上述した第１の交直変換回路４を風車１の回転速度に対応して制御す る電力指令器８に予め記録される指令信号例を示している。 図２において，横軸に回転速度検出器３によって得られる誘導発電機２，即ち 風車１の回転速度，縦軸には横軸に記す回転速度値に対応して第１の交直変換回 路４を制御する指令信号値を示している。 図２において，風力が弱く誘導発電機を駆動するだけのエネルギーが得られな い範囲においては，即ち，回転速度検出器３によって得られる回転速度値がＮｏ 以下，Ｍの範囲においては，誘導発電機２を誘導電動機として機能するように第 １の交直変換回路４を制御するための信号として，回転速度検出器３によって得 られる風車１即ち誘導発電機２の回転速度に対応し，カーブＳに従った指令信号 を出力する。 回転速度検出器３によって得られる風車１即ち誘導発電機２の回転速度がＮｏ 以上，即ちＧｓの範囲になると，誘導発電機２から風車１即ち誘導発電機２自身 の回転速度に対応した発電出力が得られるように回転速度検出器３によって得ら れる風車１即ち誘導発電機２の回転速度値に対応し，カーブＤｓに従った指令信 号を出力する。 この風力発電装置が始動した後，風力が低下すると回転速度検出器３によって 得られる風車１即ち誘導発電機２の回転速度値に対応して，例えば，カーブＤｓ からカーブＤｄに切替りカーブＤｄに従った指令信号を出力する。即ち，この風 力発電装置を起動し得る風車１の回転速度が図２に示すＮｏ以下になっても回転 速度Ｇｄの範囲内においては発電を実行できるように指令信号を出力する。

【０００９】 次に上述した構成と制御条件における本考案実施例の働きを説明する。 上述の機能構成において，この風力発電装置を起動するために，図示しない起 動スイッチを操作し，回転速度検出器３によって得られる風車１即ち誘導発電機 の回転速度（以下風車１の回転速度と略記する）が図２に示した範囲Ｍ以内であ ると，電力指令器８は図２に示した指令特性Ｓに従って第１の制御機能７に指令 信号を出力する。 第１の制御機能７は第１の交直変換回路４を誘導発電機２の回転速度よりも所 定値高い周波数の電力を誘導発電機２に出力するように制御する。 従って，誘導発電機２は誘導電動機として第１の交直変換回路からの出力によ る回転速度で駆動される。 また，第２の制御機能１２は第２の交直変換回路をコンバータとして機能させ ，交流電源１０の交流出力を直流に変換して第１の交直変換回路４に供給する。 従って，誘導電動機として機能している誘導発電機２の回転速度はこの制御機 能の条件と風力状況に従って上昇する。

【００１０】 風車１の回転速度が図２に示すＮｏよりも大になると，電力指令器８からの指 令信号はカーブＤｓに乗るように反転する。 従って，第１の交直変換回路４は電力指令器８から出力される指令信号に従っ た第１の制御機能７によって制御され，コンバータとして所定の直流電力を出力 するように機能する。 又，第２の制御機能１２は第１の制御機能７から伝送される制御信号と位相検 出器１３による交流電源１０の位相信号に従って第２の交直変換回路６を制御す る。従って，第２の交直変換回路６は第１の交直変換回路４から出力される直流 を交流電源１０から出力される交流波に対して，所定位相進んだ交流波に変換し て出力する。 従って，風力による風車１の回転エネルギーは電力に変換され，交流電源１０ の出力に重畳して負荷装置１１に供給される。 上述のように，この風力発電装置が起動すると風車１の回転速度が範囲Ｇｄ以 上であると，カーブＤｄに従って出力を負荷装置１１に供給する。 即ち，本考案に基づく風力発電装置は極微弱な風力にならない限りは継続して 電力を供給する。 上述した実施例は本考案を適用した風力発電装置の基本的な構成例を示したも のであって，風力発電装置の構造・構成及び電力負荷条件や環境自然条件等に対 応して種々応用改変することが可能であることは当然である。例えば、第１及び 第２の各制御機能７，１２は同一のコンピュータを時分割等によって共通に使用 されるもの，又は，夫々が独立した制御装置で構成するようにしても良い。 なお，上記実施例は自然力により駆動される原動機として風車を利用した風力 発電装置の例を示したが，波力を利用する発電装置に対しても同一原理にて適用 できるものである。この場合，風車１は波力により駆動される原動機とすればよ い。

【００１１】

【考案の効果】

本考案は上述したように構成し，機能するようにしたので以下に記すような優 れた効果を有する。 風力などの自然力の弱い場合におけるこの発電装置の始動において，発電機を 電動機として機能させるために電気回路および機構構造が簡単になる。 始動から発電への切替えが，スイッチ操作によらず電力指令器（指令信号記録 装置）に記録した指令信号によって実行できるために，自然力に基づく原動機， 例えば，風車の回転速度上昇に対応して自動的に切替えられ高い信頼性が得られ る。 電力指令器（指令信号記録装置）のみによって発電機の始動が行えるので経済 的な電力システムが得られる。 風力などの自然力を有効最大に活用できる。 微弱な風力などの自然力の場合にも対応して適切な量の電力を負荷に供給でき る。 風速などの自然エネルギ−の変動が極度に大きい場合にも常に適切量の電力を 供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の適用例として自然力として風力を用い
た場合の風力発電装置の構成を示す概要ブロック回路図
である。

【図２】図１に示した電力指令器８に記録する，本考案
を機能させる原動機としての風車従って，誘導発電機の
回転速度対誘導発電機出力制御指令信号の一例を示す特
性曲線図である。

【図３】従来の風力発電装置のブロック回路例図であ
る。

【符号の説明】

１：風車（原動機） ２：誘導発電機（誘導電動機） ３：回転速度検出器 ４，６：交直変換回路 ５：コンデンサ ７，１２：制御機能 ８：電力指令器（指令信号記録装置） １０：交流電源 １１：負荷装置 １３：位相検出器

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 自然力により駆動される原動機（１）に
   結合される誘導発電機（２）と，該誘導発電機（２）の
   出力を直流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の
   交直変換回路（４）と，該変換された直流電力を交流電
   力に変換して所定の交流電源（１０）に接続される負荷
   装置（１１）に接続する順逆両方向変換可能な第２の交
   直変換回路（６）と，上記交直変換回路（４）又は
   （６）を直接的又は間接的に制御する制御機能（７）
   と，当該誘導発電機（２）の始動時と発電時における前
   記原動機（１）の回転速度に対応して設定される上記制
   御機能（７）の指令信号記録装置（８）とを備えたこと
   を特徴とする発電装置。