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公開番号2025139271
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-26
出願番号2024038108
出願日2024-03-12
発明の名称風力発電装置及びその制御方法
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H02P 9/00 20060101AFI20250918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】小さな容量の複数の発電機を使用して発電効率を上げる。
【解決手段】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、前記整流器部の出力側において前記複数の発電機を直列もしくは並列に切り替えて、昇降圧コンバータに接続し、前記複数の発電機を直列接続状態で起動し、前記複数の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。
【選択図】図1
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装置であって、
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、
前記風力発電装置は、直並列切替手段、及びシステムコントローラを備えており、
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、前記複数の発電機を直列接続状態で起動し、前記複数の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装置。
続きを表示（約 940 文字）【請求項２】
請求項１において、前記三相交流発電機は２台であり、
前記直並列切替手段は、１つの切替スイッチと、前記切替スイッチの両端子と前記複数の発電機の各三相のコイルの間に各々順方向に接続された２個のダイオードによって構成されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２おいて、前記風力発電機はさらに前記回転軸に固定された少なくとも１台の他の前記三相交流発電機を含んでおり、
前記直並列切替手段は、他の前記三相交流発電機が一台増すごとに、他の１つの切替スイッチと、前記順方向に接続された他の２個のダイオードを含んでいることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１において、前記負荷を構成する抵抗負荷と、前記各三相交流発電機の前記各流器部を前記負荷に接続する抵抗負荷接続手段を備えており、前記各三相交流発電機の出力電力が所定の閾値よりも大きい時に、過大な電力を前記抵抗負荷で消費させるよう構成されている、ことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
風力発電機に接続される負荷を有する風力発電装置の制御方法であって、
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、前記風力発電装置は、直並列切替手段、昇降圧コンバータ、及びシステムコントローラを備えており、
前記複数の発電機を直列接続状態で起動し、
前記回転軸の回転速度及び超瞬間風速に基づいて前記負荷を制御し、
前記複数の発電機の総出力電圧が予め設定された第一の閾値を超えた場合、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し、
前記総出力電圧が前記第一の閾値より低い第二の閾値以下に低下すれば、前記複数の発電機を直列接続に切替えて前記昇降圧コンバータに接続し、
前記回転速度及び前記超瞬間風速は、少なくとも、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装置の制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置及びその制御方法に係り、特に、揚力式小型風力発電装置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】
小型風力発電装置には、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、小型風力発電装置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装置が提案されている。
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装置が提案されている。
【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装置であって、前記風力発電装置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装置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装置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装置では、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装置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装置を制御できれば、発電効率をより高めることができると考えられる。
また、風力発電装置には、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、風力発電装置で効率的な発電を行うためには、風速が小さい低速回転区間の高効率化と、風速が大きな高速回転時の高電圧問題とを同時に解決することが望ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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