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公開番号2025139272
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-26
出願番号2024038109
出願日2024-03-12
発明の名称風力発電システム及びその制御方法
出願人株式会社グローバルエナジー
代理人弁理士法人三栄国際特許事務所
主分類F03D 7/06 20060101AFI20250918BHJP(液体用機械または機関;風力原動機,ばね原動機,重力原動機;他類に属さない機械動力または反動推進力を発生するもの)
要約【課題】風速の瞬間的な変化に迅速に追随し、風速が小さい低速回転区間を含む広範囲の風速区間における風力発電システムの高効率化を図る。
【解決手段】風力発電システムは、回転軸に固定された揚力型の固定翼と、複数の三相交流発電機と、前記風力発電機の負荷を構成する昇降圧コンバータ及び抵抗負荷と、システムコントローラを備えており、前記三相交流発電機は、三相の交流出力を直流出力に変換する整流器部を有している。前記昇降圧コンバータは、前記整流器部に接続され、前記システムコントローラは、前記回転軸の回転速度、風速計から得られる超瞬間風速の情報と、前記発電機の出力、及び前記負荷の状態に基づき、風速変化による前記固定翼に合う最適のTSR(λ)をリアルタイムで追従するように、前記負荷を制御する。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項１】
風力発電機と、前記風力発電機に接続される負荷を有する風力発電システムであって、
前記風力発電機は、回転軸に固定された揚力型の固定翼と、複数の三相交流発電機と、前記負荷を構成する昇降圧コンバータ及び抵抗負荷と、システムコントローラを備えており、
前記各三相交流発電機は、三相の交流出力を直流出力に変換する整流器部を有しており、
前記昇降圧コンバータは、前記各三相交流発電機の前記整流器部に接続され、
前記システムコントローラは、風車スペック、前記回転軸の回転速度、風速計から得られる超瞬間風速の情報と、前記発電機の出力、及び前記負荷の状態に基づき、風速変化による前記固定翼に合う最適のＴＳＲ（λ）をリアルタイムで追従するように、前記負荷を制御するように構成され、
前記回転速度及び前記超瞬間風速は、各々、０．０１秒以下の短い時間間隔で計測した少なくとも１０個のデータの平均値であることを特徴とする風力発電システム。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
風力発電機と、前記風力発電機に接続される負荷を有する風力発電システムであって、
前記風力発電機は、回転軸に固定された揚力型の固定翼と、複数の三相交流発電機と、前記負荷を構成する昇降圧コンバータ及び抵抗負荷と、システムコントローラを備えており、
前記各三相交流発電機は、三相の交流出力を直流出力に変換する整流器部を有しており、
前記昇降圧コンバータは、前記各三相交流発電機の前記整流器部に接続され、
前記システムコントローラは、風車スペック、前記回転軸の回転速度、風速計から得られる超瞬間風速の情報と、前記三相交流発電機の総出力、及び前記負荷の状態に基づき、次式で定義されるＴＳＲ（λ）を算出し、
TIFF
2025139272000006.tif
30
150
Ｃｐ論理値に基づいて得られる前記超瞬間風速に応じた最大負荷Pを、基準負荷として算出し、前記基準負荷と、ブレードの断面積、及び発電機電圧から、出力電力（ワット）を算出し、
次式で定義される出力係数Ｃｐを算出し、
TIFF
2025139272000007.tif
25
150
但し、P
e
は実出力、ρは空気密度、vは風速（現在の超瞬間風速）、Aはロータ断面積、ＣＰは出力係数）
前記実出力Ｐ
e
が前記出力電力（ワット）の値を超えない範囲で、前記超瞬間風速の変化による前記固定翼に合う最適の前記ＴＳＲ（λ）をリアルタイムで追従するように、前記負荷を制御するように構成されており、
前記回転速度及び前記超瞬間風速は、各々、０．０１秒以下の短い時間間隔で計測した少なくとも１０個のデータの平均値であることを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２おいて、
前記風力発電システムは、直並列切替手段を備えており、
前記直並列切替手段は、前記整流器部の出力側において前記複数の三相交流発電機を直列もしくは並列に切り替えて、前記負荷を構成する前記昇降圧コンバータに接続する機能を備えており、
前記システムコントローラは、前記複数の三相交流発電機を直列接続状態で起動し、前記複数の三相交流発電機の総出力電圧が予め設定された閾値を超えた場合、前記直並列切替手段により前記複数の三相交流発電機を並列接続に切り替えて前記昇降圧コンバータに接続するように構成されている、ことを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
風力発電機に接続される負荷を有する風力発電システムの制御方法であって、
前記風力発電システムは、回転軸に固定された揚力型の固定翼と、複数の三相交流発電機と、前記負荷を構成する昇降圧コンバータ及び抵抗負荷と、システムコントローラを備えており、前記各三相交流発電機は、三相の交流出力を直流出力に変換する整流器部を有し、前記昇降圧コンバータは、前記整流器部に接続されるものにおいて、
前記昇降圧コンバータは、前記各三相交流発電機の前記整流器部に接続され、
風車スペック、前記回転軸の回転速度、風速計から得られる超瞬間風速の情報と、前記発電機の出力、及び前記負荷の状態に基づき、風速変化による前記固定翼に合う最適のＴＳＲ（λ）をリアルタイムで追従するように、前記負荷を制御し、
前記回転速度及び前記超瞬間風速は、各々、０．０１秒以下の短い時間間隔で計測した少なくとも１０個のデータの平均値であることを特徴とする風力発電システムの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システム及びその制御方法に係り、特に、揚力式小型風力発電システム及びその制御方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
小型風力発電システムには、年間平均風速が５ｍ／ｓ以上あるのが望ましいとされている。しかし、このような平均風速が得られ、かつ、小型風力発電システムを設置するのに適した場所はそれほど多くはない。そのため、風速が小さいときでも効率よく発電できる風力発電システムが提案されている。
特許文献１には、１つのロータおよび１つのステータを有し、前記ステータに各相について複数のステータコイルが設けられた１つの交流発電機と、各相の前記複数のステータコイルの接続を直列接続と並列接続とに切り替える切替回路と、前記交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換装置とを備える発電システムが開示されている。この交流発電機のステータには、各相について複数のステータコイルが設けられており、各相の複数のステータコイルは、切替回路により、それらが直列に接続された状態と並列に接続された状態とに切替られる。
特許文献１の記載によれば、ステータコイルが直列に接続されたときの巻数は、ステータコイルが並列に接続されたときの２倍になるので、風速が小さいときにも、発電機からバッテリの充電に必要な電圧を出力させることができる。一方、コイルが並列に接続されたときの巻数は、ステータコイルが直列に接続されたときの巻数の半分になるので、風速が大きいときには、発電機から出力される電圧が大きくなりすぎることを防止できる。
【０００３】
特許文献２には、変化する風速に応じて効率的な発電を行うために、風車と共に回転する１つの主軸に共通して接続された複数の発電機と、前記複数の発電機のうちの少なくとも１の発電機に接続され交流電力系統に供給する電力変換器と、前記電力変換器と接続されていない他の発電機により発電された交流電力を、直接、交流電力系統に投入するスイッチとを備え、風速が小さい時には、前記少なくとも１の発電機のみが発電を行い、風速が定格風速を超えた場合には、前記少なくとも１の発電機と前記他の発電機により発電を行う風力発電システムが提案されている。
【０００４】
特許文献３には、風から生じる揚力を受けるブレードを有するロータを備える風力発電システムであって、前記風力発電システムまたはこれに搭載される機器を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記ロータの回転数が定格回転数未満において前記風力発電システムにおける風速が増加した際に、ピッチ角変更を一時的に変更して、前記ロータの加速を妨げるブレーキを抑制する発明が開示されている。具体的には、パワー係数Ｃｐおよびトルク係数がピークとなるＴＳＲ（周速比）を変更して、発電機トルクを一時抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第５５９０４７２号公報
特開２０１２－５０１８１号公報
特許第６６５０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の発明では、複数のステータコイルの接続を直列接続と並列接続とに切り替える切替回路として、第１リレーＲｙ１～第７リレーＲｙ７が含まれている。すなわち、特許文献１の図２Ａのように、１台の発電機は三相出力（３線）、他の１台の発電機は各相の出力をそれぞれ引く（出力を出す）必要がある（６線）。また、特許文献１の図３のように、SPDTリレーは５個、SPSTは２個のリレーが必要であり、システム全体として接続部分が多く、構成が複雑になる。また、交流電圧が発生している三相のステータコイルを直並列に接続するため、二つの発電機のPoll-pairが同じでなければならず、また二つの発電機の出力電圧が等しく、周波数が等しく、かつ、電気角（electric angle）も一致しなければなない。そのため、発電機の直列運転と並列運転を切り替えながら、十分な有効電力を得るように制御することが難しい。発電機を３台以上使用したい場合には、かなり複雑なものになると考えられる。
【０００７】
一方、特許文献２の発明では、２台の発電機が完全に独立しているため、特許文献１の発明のような課題はない。しかし、風速が小さい時には、少なくとも１の発電機のみが発電を行い、他の発電機は停止しており、システム全体としては２台の発電機が有効に利用されない。特に、風速が小さい時に十分な発電出力を得られないという課題がある。
【０００８】
特許文献３の発明は、ブレードのピッチ角が可変な、可動翼タイプの風力発電システムに関する発明である。しかし、自然界の風速は絶えず変化しており、可動翼タイプの風力発電システムでは、タイムラグが大きく、風速の瞬時の変化に応答することはできない。
【０００９】
風速の瞬時の変化を、事前に予測して風力発電システムを制御する方法の発明も知られているが、現実には、事前の予測通りに風速が瞬時に変化することは、殆どない。むしろ、実際の風速の瞬時の変化を検出し、それに迅速に追随して風力発電システムを制御できれば、発電効率をより高めることができると考えられる。
また、風力発電システムには、通常三相交流発電機が使用され、この発電機の出力電圧は、風車のロータの回転速度に比例する。そのため、風速が小さく、ロータの回転速度が低いと、発電機の出力電圧が低く、バッテリを充電することができない。三相コイルの巻数を増やす等の手段により、風速が小さくても発電機の出力電圧を上げることはできる。しかし、風速が大きくなると発電機の出力電圧が高くなりすぎ、発電機の出力電力を有効利用できない。
【００１０】
そのため、風力発電システムで効率的な発電を行うためには、広範囲の風速区間における風力発電システムの高効率化、特に、平均風速が小さい区間の高効率化を図ることが望ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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