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技術 風力発電用同期発電機装置及びその運転方法

出願人 株式会社荏原製作所
発明者 安藤嘉彦平田和也斉藤純夫青木登佐藤健一
出願日 2001年5月14日 (19年7ヶ月経過) 出願番号 2001-143100
公開日 2002年11月29日 (18年1ヶ月経過) 公開番号 2002-345297
状態 未査定
技術分野 風車 発電機の制御
主要キーワード 需要場所 発電機固定子 出力特性曲線 受風面積 出力曲線 界磁巻線電流 定格風速 風力発電用
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図面 (4)

課題

同期発電機定格出力定格回転数より高い位置に配し、定格回転数以下において界磁巻線に供給する界磁電流を調整することにより翼車出力に応じた出力を出すことのできる風力発電用同期発電機装置及びその運転方法を提供すること。

解決手段

固定子巻線21及び界磁巻線22を有し、風力で回転する翼車1で該界磁巻線22を回転駆動する同期発電機2を具備する風力発電用同期発電機装置において、同期発電機2の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線電流調整器7から界磁巻線22に供給する。

概要

背景

風力発電とは風力で回転する翼車駆動源として、翼車の回転軸物理的に勘合している発電機の回転子を回転させ、発電機固定子回転子間電磁誘導により固定子巻線、または回転子巻線電気を発生させるものである。ここに用いる発電機には誘導発電機同期発電機等がある。誘導電動機には型、巻線型が代表的で、同期発電機では永久磁石型励磁型(界磁巻線を外部からの電源で励磁する)がその代表である。

風車用同期発電機は駆動源が翼車であるため、定格出力は翼車の定格風速時における定格回転数に合せている。即ち、定格風速時の翼車定格回転数において同期発電機は定格出力を出力できるように製造されている。

ところで風速が一定で翼車が定速で回転することは非常に稀で、風速は常時変動している。そのため同期発電機の回転数も風速に連動する翼車に従って常時変動している。ここで、同期発電機の出力電圧Eは、一般にE=Bvlの式で表される。但し、B:磁束密度、v:磁束を切る速さ、l:は導体の長さを表す。

同期発電機の回転数が変動するということは磁束を切る速さが回転数に連動して変わるので、出力電圧も回転数に比例して変わる。風力発電においてはこれを補償するため界磁電流を調整して磁束密度Bを調整し出力電圧を安定化する手法が一般的に採用されている。即ち、出力電圧を定電圧とするには回転数上昇時には界磁電流を減らし、回転数下降時には界磁電流を増やし磁束密度を調整することで対処できる。つまり定電圧を保持するためには磁束密度と回転数は逆比例関係にあるため回転数に対して逆比例する磁束を与える必要があり、界磁電流も回転数に対して逆比例の電流を流して調整している。

ここで同期発電機の出力Wは、W=E・Iで表される。但し、E:出力電圧、I:出力電流を表す。また、この出力の式は、W=E・I=E2/R=(Bvl)2/Rと置き換えることができる。即ち、同期発電機の特性は磁束密度が一定の時、抵抗負荷において回転数(磁束を切る速さv)の2乗式で表すことができる。

一方、風力エネルギーPは、P=1/2mV2=1/2(ρAV)V2=1/2(ρAV3)で表される。但し、m:質量、V:風速、ρ:空気密度、A:受風面積を表す。即ち、翼車の出力エネルギーは風速の3乗に比例することが知られている。また、翼車の回転数はこの風力に比例することが知られている。この関係を図3に示す。同図において、Aは翼車の出力、Bは同期発電機の出力を示す。

図3は一例として定格風速100%、定格回転数100%における定格出力を100%とし、翼車と同期発電機双方の出力をプロットしたものである。ついで翼車の場合風速の3乗式で風速の低下とともに出力が低下する過程をプロットした。また、同期発電機の場合は回転数の2乗式で回転数の低下とともに出力が低下する過程をプロットした。一般に定格風速、定格回転数以上においては発電機出力過電圧となるため翼車の回転を抑えて定格回転数を維持するシステムが採用されており、ここでは特に考慮していない。

ここで同期発電機出力は2乗式で、翼車出力は3乗式で表されるため当然のことながら同期発電機の出力特性曲線Bが翼車の出力特性曲線Aを上回る。従って、定格風速及び定格回転数における同期発電機の定格出力と翼車の定格出力を合せた場合、定格風速及び定格回転数以下では、同期発電機の出力に比較して翼車の出力が不足するため発電機が出そうとする分だけ翼車の負荷が大きくなり翼車にブレーキをかける効果が生じる。いずれにしても同期発電機の出力以上は出すことができず、定格風速、定格回転数以下での発電機出力は翼車の出力に抑制される。

上記のように、翼車の出力は風速の3乗式で表せる。一方、同期発電機の出力は負荷にもよるが回転数の2乗式で表せる。ここで定格風速で定格出力を有する翼車と定格風速における定格回転数で定格出力を有する発電機の定格出力は一致する(便宜上、ロスは無視し翼車の出力は全て発電機の出力になると仮定して説明する)。ついで風速の低下による翼車出力の低下を風速の3乗式で、また回転数の低下による発電機出力を回転数の2乗式で低下させ、それぞれをプロットすると、当然のことながら翼車出力の3次式は発電機出力の2次式より下にプロットされる。このことは翼車が定格風速以下、又は同期発電機の定格回転数以下において発電機の出力に比較して翼車の出力が小さく、発電機はその回転数における最大出力を出そうとしているのに翼車によってその出力が抑えられる形となる。

概要

同期発電機の定格出力を定格回転数より高い位置に配し、定格回転数以下において界磁巻線に供給する界磁電流を調整することにより翼車出力に応じた出力を出すことのできる風力発電用同期発電機装置及びその運転方法を提供すること。

固定子巻線21及び界磁巻線22を有し、風力で回転する翼車1で該界磁巻線22を回転駆動する同期発電機2を具備する風力発電用同期発電機装置において、同期発電機2の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線電流調整器7から界磁巻線22に供給する。

目的

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、同期発電機の定格出力を定格回転数より高い位置に配し、定格回転数以下において界磁巻線に供給する界磁電流を調整することにより翼車出力に応じた出力を出すことのできる風力発電用同期発電機装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

固定子巻線及び界磁巻線を有し、風力で回転する翼車で該界磁巻線を回転駆動する同期発電機具備する風力発電用同期発電機装置において、前記同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時前記界磁巻線に供給することを特徴とする風力発電用同期発電機装置。

請求項2

請求項1に記載の風力発電用同期発電機装置において、前記同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することを特徴とする風力発電用同期発電機装置。

請求項3

固定子巻線及び界磁巻線を有し、風力で回転する翼車で該界磁巻線を回転駆動する同期発電機を具備する風力発電用同期発電機装置の運転方法において、前記同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時前記界磁巻線に供給することを特徴とする風力発電用同期発電機装置の運転方法。

請求項4

請求項3に記載の風力発電用同期発電機装置の運転方法において、前記同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することを特徴とする風力発電用同期発電機装置の運転方法。

技術分野

0001

本発明は風力発電用同期発電機装置に関し、特に風力で回転する翼車動力源とする同期発電機の界磁巻線電流調整に特徴を有する風力発電用同期発電機装置及びその運転方法に関するものである。

背景技術

0002

風力発電とは風力で回転する翼車を駆動源として、翼車の回転軸物理的に勘合している発電機の回転子を回転させ、発電機固定子回転子間電磁誘導により固定子巻線、または回転子巻線電気を発生させるものである。ここに用いる発電機には誘導発電機、同期発電機等がある。誘導電動機には型、巻線型が代表的で、同期発電機では永久磁石型励磁型(界磁巻線を外部からの電源で励磁する)がその代表である。

0003

風車用同期発電機は駆動源が翼車であるため、定格出力は翼車の定格風速時における定格回転数に合せている。即ち、定格風速時の翼車定格回転数において同期発電機は定格出力を出力できるように製造されている。

0004

ところで風速が一定で翼車が定速で回転することは非常に稀で、風速は常時変動している。そのため同期発電機の回転数も風速に連動する翼車に従って常時変動している。ここで、同期発電機の出力電圧Eは、一般にE=Bvlの式で表される。但し、B:磁束密度、v:磁束を切る速さ、l:は導体の長さを表す。

0005

同期発電機の回転数が変動するということは磁束を切る速さが回転数に連動して変わるので、出力電圧も回転数に比例して変わる。風力発電においてはこれを補償するため界磁電流を調整して磁束密度Bを調整し出力電圧を安定化する手法が一般的に採用されている。即ち、出力電圧を定電圧とするには回転数上昇時には界磁電流を減らし、回転数下降時には界磁電流を増やし磁束密度を調整することで対処できる。つまり定電圧を保持するためには磁束密度と回転数は逆比例関係にあるため回転数に対して逆比例する磁束を与える必要があり、界磁電流も回転数に対して逆比例の電流を流して調整している。

0006

ここで同期発電機の出力Wは、W=E・Iで表される。但し、E:出力電圧、I:出力電流を表す。また、この出力の式は、W=E・I=E2/R=(Bvl)2/Rと置き換えることができる。即ち、同期発電機の特性は磁束密度が一定の時、抵抗負荷において回転数(磁束を切る速さv)の2乗式で表すことができる。

0007

一方、風力エネルギーPは、P=1/2mV2=1/2(ρAV)V2=1/2(ρAV3)で表される。但し、m:質量、V:風速、ρ:空気密度、A:受風面積を表す。即ち、翼車の出力エネルギーは風速の3乗に比例することが知られている。また、翼車の回転数はこの風力に比例することが知られている。この関係を図3に示す。同図において、Aは翼車の出力、Bは同期発電機の出力を示す。

0008

図3は一例として定格風速100%、定格回転数100%における定格出力を100%とし、翼車と同期発電機双方の出力をプロットしたものである。ついで翼車の場合風速の3乗式で風速の低下とともに出力が低下する過程をプロットした。また、同期発電機の場合は回転数の2乗式で回転数の低下とともに出力が低下する過程をプロットした。一般に定格風速、定格回転数以上においては発電機出力過電圧となるため翼車の回転を抑えて定格回転数を維持するシステムが採用されており、ここでは特に考慮していない。

0009

ここで同期発電機出力は2乗式で、翼車出力は3乗式で表されるため当然のことながら同期発電機の出力特性曲線Bが翼車の出力特性曲線Aを上回る。従って、定格風速及び定格回転数における同期発電機の定格出力と翼車の定格出力を合せた場合、定格風速及び定格回転数以下では、同期発電機の出力に比較して翼車の出力が不足するため発電機が出そうとする分だけ翼車の負荷が大きくなり翼車にブレーキをかける効果が生じる。いずれにしても同期発電機の出力以上は出すことができず、定格風速、定格回転数以下での発電機出力は翼車の出力に抑制される。

0010

上記のように、翼車の出力は風速の3乗式で表せる。一方、同期発電機の出力は負荷にもよるが回転数の2乗式で表せる。ここで定格風速で定格出力を有する翼車と定格風速における定格回転数で定格出力を有する発電機の定格出力は一致する(便宜上、ロスは無視し翼車の出力は全て発電機の出力になると仮定して説明する)。ついで風速の低下による翼車出力の低下を風速の3乗式で、また回転数の低下による発電機出力を回転数の2乗式で低下させ、それぞれをプロットすると、当然のことながら翼車出力の3次式は発電機出力の2次式より下にプロットされる。このことは翼車が定格風速以下、又は同期発電機の定格回転数以下において発電機の出力に比較して翼車の出力が小さく、発電機はその回転数における最大出力を出そうとしているのに翼車によってその出力が抑えられる形となる。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、同期発電機の定格出力を定格回転数より高い位置に配し、定格回転数以下において界磁巻線に供給する界磁電流を調整することにより翼車出力に応じた出力を出すことのできる風力発電用同期発電機装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

上記課題を解決するため請求項1に記載の発明は、固定子巻線及び界磁巻線を有し、風力で回転する翼車で該界磁巻線を回転駆動する同期発電機を具備する風力発電用同期発電機装置において、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給することを特徴とする。

0013

上記のように、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給するので、同期発電機の出力が翼車の出力に合うことになり、翼車出力の全エネルギーをロス無く電気エネルギーに変換することができる。

0014

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の風力発電用同期発電機装置において、同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することを特徴とする風力発電用同期発電機装置。

0015

上記のように同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定するより、同期発電機自身の容量を小さく設計することができる。

0016

請求項3に記載の発明は、固定子巻線及び界磁巻線を有し、風力で回転する翼車で該界磁巻線を回転駆動する同期発電機を具備する風力発電用同期発電機装置の運転方法において、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給することを特徴とする。

0017

上記のように、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給するので、同期発電機の出力が翼車の出力に合うことになり、翼車出力の全エネルギーをロス無く電気エネルギーに変換することができる。

0018

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の風力発電用同期発電機装置の運転方法において、同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することを特徴とする。

0019

上記のように、同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することにより、同期発電機自身の容量を小さくできる。

発明を実施するための最良の形態

0020

以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図1は本発明に係る風力発電用同期発電機装置の構成を示す図である。図1において、1は同期発電機2を駆動する翼車であり、該翼車1の回転軸に同期発電機2の界磁巻線22が固定され、翼車1により回転するようになっている。界磁巻線22の外周には固定子巻線21が配置されている。

0021

翼車1の回転により界磁巻線22が回転し、固定子巻線21に誘起される交流は、整流器3で直流に変換され、その一部は界磁巻線電流調整器7及びスリップリング23を介して界磁巻線22に供給される。他は周波数変換器4を通して交流に変換され、変圧器5で変圧され、開閉器6を通して需要場所送電される。

0022

上記構成の風力発電用同期発電機装置において、翼車1の定格出力100%は定格風速100%における出力とし、この時の定格回転数として100%とした。ついで同期発電機2の定格出力は翼車1の定格回転数100%に+10%を加えた回転数における出力を定格出力100%として設計し、この設計のもとに同期発電機2を製作し、その回転軸を翼車1の回転軸に連結した。即ち、翼車1の定格出力は該翼車1の定格回転数における出力で、発電機の定格出力の翼車の定格回転数+10%における回転数を発電機の定格回転数(翼車定格回転数+10%)とし、この時の出力を同期発電機2の定格出力100%とした。

0023

一方、界磁巻線電流調整器7には翼車1(同期発電機2)の回転数(回転速度)を検出する回転計8の出力信号を受け、界磁巻線電流を回転数の3乗式で算出し自動的に界磁巻線22に供給するアルゴリズムを有するプログラムを組み込んだ基板(図示せず)を設けている。

0024

翼車1を単体で実施した風速−出力特性曲線と同期発電機単体で実施した回転数−出力特性曲線をプロットし、この2本の曲線が交差することを確認し、この風速および回転数における出力の交差した点を翼車1と同期発電機2の出力一致点とする。図2はこの翼車1を単体で実施した風速−出力特性曲線と同期発電機2を単体で実施した回転数−出力特性曲線をプロットした図を示す。図において、曲線Aは翼車1を単体で実施した風速−出力特性曲線、曲線Bは発電機単体で実施した回転数−出力特性曲線を示す。曲線Aと曲線Bとが交差する点を出力一致点Cとする。

0025

上記風力発電用同期発電機装置において、稼働前には、出力一致点Cで予め同期発電機2を単体で試験した回転数−出力特性における界磁巻線電流の試験結果と比較し、同期発電機2の出力がこの時の回転数における出力になるように界磁巻線電流調整器7の出力を手動微調整する。更に出力一致点C以上の回転数では界磁巻線電流を増やし同期発電機2の出力を上げて翼車出力の曲線を近似するように調整する。

0026

一方、出力一致点C以下の回転数では界磁巻線電流を減らし同期発電機2の出力を下げ翼車1の出力曲線Aに近似するように調整する。ここで回転数に対する界磁巻線電流値をプロットすると当然のことながら回転数の3乗式で近似する値を得る。この近似式を界磁巻線電流調整器7のプログラムと比較し、一致することを確認した。

0027

上記のように、界磁巻線電流調整器7に回転計8の出力信号を受け、界磁巻線電流を回転数の3乗式で算出し自動的に界磁巻線22に供給するアルゴリズムを有するプログラムを組み込んだ基板を設けたことにより、同期発電機2の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線22に供給するので、同期発電機2の出力が翼車1の出力に合うことになり、翼車1の出力の全エネルギーをロス無く電気エネルギーに変換することができる。

0028

また、同期発電機2の定格出力は翼車1の定格回転数100%に+10%を加えた回転数における出力を定格出力100%として設計し、この設計のもとに同期発電機2を製作しているので、同期発電機自身の容量を小さく設計することができる。ちなみに同期発電機の大きさを考える式として同期発電機容量/回転数が挙げられ、回転数を上げることで容量が同一の場合、発電機自身を小さくすることが可能である。

0029

なお、上記例では同期発電機2の定格出力は翼車1の定格回転数100%に+10%を加えた回転数における出力を定格出力100%として設計したが、翼車1の定格回転数100%に加える回転数は必ずしも+10%に限定されるものではなく、+10%以上又以下の所定%の高い回転数に設定する。

発明の効果

0030

以上説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。

0031

請求項1に記載の発明によれば、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給するので、同期発電機の出力が翼車の出力に合うことになり、翼車出力の全エネルギーをロス無く電気エネルギーに変換することができる風力発電用同期発電機装置を提供できる。

0032

請求項2に記載の発明によれば、同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することにより、同期発電機自身の容量を小さく設計することができる風力発電用同期発電機装置を提供できる。

0033

請求項3に記載の発明によれば、同期発電機の回転数の3乗に比例する界磁電流を常時界磁巻線に供給するので、同期発電機の出力が翼車の出力に合うことになり、翼車出力の全エネルギーをロス無く電気エネルギーに変換することができる風力発電用同期発電機装置の運転方法を提供できる。

0034

請求項4に記載の発明によれば、同期発電機の定格出力における定格回転数を前記翼車の定格出力における定格回転数より所定%以上高い回転数に設定することにより、同期発電機自身の容量を小さくできる風力発電用同期発電機装置の運転方法を提供できる。

図面の簡単な説明

0035

図1本発明に係る風力発電用同期発電機装置の構成を示す図である。
図2本発明に係る風力発電用同期発電機装置の風速及び回転数に対する翼車及び同期発電機の出力特性を示す図である。
図3従来の風力発電用同期発電機装置の風速及び回転数に対する翼車及び同期発電機の出力特性を示す図である。

--

0036

1翼車
2同期発電機
3整流器
4周波数変換器
5変圧器
6開閉器
7界磁巻線電流調整器
8回転計
21固定子巻線
22界磁巻線
23 スリップリング

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