专利名称：风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置。
背景技术：
近来，伴随地球温室效应的异常气象等频繁发生。伴随地球温室效应，极地的冰河开始大规模溶解。预想这些异常气象等会大幅度破坏或变更地球的生态系统。为了给后代保留安全且容易生活的环境，必须抑制这种地球温室效应造成的环境破坏。地球温室效应的主要原因是二氧化碳向大气中的大量排放。这是由于现代文明主要通过燃烧煤炭或石油等化石燃料来得到能量。因此，为了抑制地球温室效应，同时得到能量，需要不依赖以往的化石燃料的能源。作为这种新能源，风力或太阳光备受关注。根据这种见解，各国积极研究开发了风力发电和太阳光发电。但是，在风力发电和太阳光发电中，为了将所发出的电力作为商用电源，需要逆变器。但是，在风力发电和太阳光发电中，额定电压不同，因此必须开发独自专用的逆变器。这成为即使开发了新的风力发电机等，也延迟投入市场的原因，并且还成为降低风力发电机和太阳光发电机的互换性的原因。因此，要求想办法来使得能够将通用的逆变器应用到这些发电机，尤其是风力发电机中。
发明内容
发明所要解决的课题本发明的课题在于提供可应用通用的逆变器的风力发电装置。用于解决课题的手段本发明的风力发电装置具有发电机，其由磁铁和电枢绕组构成，并具有风车旋翼；开关单元，其通过以被控制的占空比使该电枢绕组短路，控制该风车旋翼的旋转速度； 分路单元，其通过在该发电机的输出上间歇地连接电阻，进行输出电压的控制；以及控制单元，其在连接有逆变器作为负载的情况下，在该逆变器启动前，使用该开关单元将该风车旋翼的旋转速度控制为预定值，并且使用该分路单元，以施加到该逆变器的电压不会变得过大的方式，将该输出电压控制为预定值，在该逆变器启动后，使用开关单元，以施加到该逆变器的电压变为恒定值的方式，控制该风车旋翼的旋转速度。发明的效果根据本发明，能够提供可应用通用的逆变器的风力发电装置。
图1是示出本发明的实施方式的风力发电装置的框图。图2是示出图1的开关电路40-1 40-3的控制的流程图。图3是说明到启动逆变器为止的逆变器和风力发电装置的动作的流程图。
图4是说明本实施方式的风力发电装置的动作的序列图。
具体实施例方式在本实施方式中，以如下方式进行控制在使用并网用逆变器，将风力发电装置的输出并网(Grid tie)连接到商用电力时，使该逆变器预先具有恒压输入特性，使风力发电机的输出电压升压至该逆变器的所需输入电压，并且风力发电装置的输出电压维持不取决于风速变化的恒定的输出电压。此处，并网连接是指相互连接额定功率不同的发电机或负载。此外，控制成在使用并网用逆变器将风力发电装置的输出并网连接到商用电力时，使风力发电装置的翼转速维持预先确定的恒定转速。并且，电压升压和转速控制所需的电感使用发电机的电枢绕组。此外，在使用并网用逆变器将风力发电装置的输出并网连接到商用电力时，在该逆变器的动作停止的情况下，将该风力发电机的转速减少为预定的值，以使输出电压减少。并且，在进行风力发电机的电磁制动动作的情况下，一边参照转速一边阶段性扩展占空比幅度。图1是示出本发明的实施方式的风力发电装置的框图。在图1中，控制器1构成通过控制风力发电机2来高效发电的风力发电装置。风力发电机2具有永磁铁21和电枢的三相绕组22，通过整流器23将由于俯仰角固定的风车旋翼20的旋转而产生的交流电流转换为直流电流，并将电力提供给逆变器30。 另外，风车旋翼20的俯仰角是固定的，因此与可使俯仰角变动的类型或翼变为可倒式的类型相比，其结构比较简单且故障少，并且容易实现小型且轻量化。控制器1具有电流A/D转换部11、电压A/D转换部12、旋转速度计数部13、rpm/ power运算部14、计数控制部15、PWM调制部16、34以及控制部35。电流A/D转换部11经由电流检测电路26检测所述风力发电机2输出的输出电流值，并将模拟值转换为数字值。所述电压A/D转换部12经由电压检测电路27检测风力发电机2输出的输出电压值，并将模拟值转换为数字值。旋转速度计数部13经由旋转速度检测电路28检测并取得风车旋翼20的旋转速度。所述rpm/power运算部14根据通过旋转速度计数部13取得的旋转速度和预先确定的作为风车旋翼20的固有特性的翼空气动力特性，计算风力发电机2的理论输出值。此处， 关于作为风车旋翼20的固有特性的翼空气动力特性，可以将表示风车旋翼20的旋转速度和所述风力发电机2产生的转矩之间的关系的翼空气动力特性作为理论特性表存储在存储器中，也可以使用WP = aXxn+bXxn^+. . . +cXx+d(ffP 理论输出值，χ 转速，a、b、c、d 系数)那样的多次模拟式，例如WP = B1X X^b1 X ^+C1XxH (WP 理论输出值，χ 转速， 、 V Cl、Cl1 系数)那样的三次模拟式。关于旋转速度控制，例如期望参照日本特愿2009-129111号说明书。在该说明书中记载了关于理论模拟式的具体情况。计数控制部15根据由电流A/D转换部11转换后的输出电流值和由所述电压A/D 转换部12转换后的输出电压值计算当前时刻的风力发电机2的输出功率值，并根据该计算出的当前时刻的输出功率值和由所述rpm/power运算部14计算出的理论输出值，以输出与所述理论输出值相称的功率的方式，计算整流器23所具有的开关电路40-1 40-3的占空比(通电率)。即，从图1可知，开关电路40-1 40-3在断开的情况下，如通常那样对在绕组22中产生的电力进行整流，但是在接通的情况下，使绕组22短路。通过使绕组22短路，在绕组22内流过浪涌电流，接着，开关电路40-1 40-3断开，在将电力提供给整流器 23时，产生对产生的电压进行升压的效果。与此同时，浪涌电流流过绕组22，从而在绕组22 中消耗浪涌电流的能量。由于该浪涌电流的消耗，所以消耗风车旋翼20的旋转能量，从而还产生对风车旋翼20的旋转施加制动那样的效果。这意味着与以下情况相同在风力发电机2的输出上连接负载，消耗能量，从而使风车旋翼20的旋转速度下降。但是，在以下方面不同在用开关电路40-1 40-3进行短路的情况下，该负载变为了风力发电机2的电枢绕组22。占空比的控制是对以什么样的比例进行开关电路40-1 40-3的接通、断开进行控制，开关电路40-1 40-3的断开的比例越大，对风车旋翼20的旋转施加制动的程度就越大。PWM调制部16根据由计数控制部15计算出的占空比，以风力发电机2输出与理论输出值相称的功率的方式，通过脉宽调制(PWM:Pulse Width Modulation)控制风车旋翼 20的旋转。驱动器29生成提供给构成开关电路40-1 40-3的晶体管开关的驱动电压。 尤其是，在要对风车旋翼20的旋转施加制动的情况下，为了阶段性增大使开关电路40-1 40-3短路的时间长度，改变开关电路40-1 40-3的接通、断开的占空比。当增大进行短路的时间长度时，在电枢绕组22中流过更多时间的浪涌电流，从而更多地进行浪涌电流在电枢绕组22中的消耗。因此，风车旋翼20的旋转能量被更多地消耗，从而更大地发挥制动作用。开关电路31控制施加到逆变器30的电压。开关电路31以如下方式进行控制以所控制的占空比进行接通、断开，使电流在电阻32中流过，在从整流器23输入的电压和施加到电阻32的电压之间切换施加到逆变器30的电压，从而使施加到逆变器30的电压变为预定电压。控制部35得到来自电压A/D转换部12的电压值和将该电压值与来自电流A/D转换部11的电流值相乘而得到的功率值，决定开关电路31的接通、断开的占空比，并将控制信号提供给PWM调制部34。PWM调制部34依照来自控制部35的控制信号，生成进行了预定占空比的脉宽调制后的控制信号，并赋予给分路驱动器33。分路驱动器33依照来自PWM 调制部34的控制信号，生成预定占空比的驱动信号，并提供给开关电路31的晶体管。另外，逆变器30可以是通用的，但是优选为具有恒压模式的逆变器。恒压模式是逆变器30的输入电压的额定值为恒定值的模式。此时，能够通过控制开关电路40-1 40-3 的占空比，对逆变器30施加恒定的预定电压，来驱动各种额定电压的逆变器。图2是示出图1的开关电路40-1 40-3的控制的流程图。在步骤S301中，检测并取得风力发电机2输出的输出电流值和输出电压值，在步骤S302中，根据这些值计算输出功率值(输出功率=电流X电压)。与该步骤并列，在步骤S303中，检测并取得风车旋翼20的旋转速度。并且，在步骤S304中，判断在步骤S303中取得的旋转速度是否超过了预定值。作为预定值，例如能够使用与风速10(m/s)相称的旋转速度1000 (rpm)。在判断为旋转速度没有超过预定值的情况下，即检测的旋转速度在预定的风速区
5域中的旋转速度的范围内的情况下(步骤S304 否)，在步骤S305中，根据在步骤S303中取得的旋转速度求出理论功率值。例如，作为理论功率值，可以使用表示所述风车旋翼20 的旋转速度和所述风力发电机2产生的转矩之间的关系的翼空气动力特性，也可以使用WP =aXxn+bXxn^+. . . +cXx+d(ffP 理论输出值，χ 转速，a、b、c、d 系数)那样的多次模拟式，例如WP = B1X X^b1 X ^+C1XxH (WP :理论输出值，1:转速，&1、131、(31、(11 系数)那样的三次模拟式。接着，在步骤S306中，判断在步骤S302中计算出的输出功率值是否超过了在步骤 S305中计算出的理论功率值。在判断为输出功率值超过了理论功率值的情况下(步骤S306 是)，在步骤S307 中，根据以减少风力发电机2输出的功率的方式计算出的占空比来控制开关电路40-1 40-3，由此减轻风力发电机2的负载。另一方面，在判断为输出功率值没有超过理论功率值的情况下(步骤S306 否)，在步骤S308中，根据以增加风力发电机2输出的功率的方式计算出的占空比来控制开关电路40-1 40-3，由此增加风力发电机2的负载。此外，在步骤S304中判断为所取得的旋转速度超过了预定值的情况下，换言之， 在检测出的旋转速度超过了预定的风速区域中的旋转速度的范围的情况下(步骤S304: 是)，在步骤S309中，设定作为基准的旋转速度、例如1000 (rpm)。接着，在步骤S310中，判断在步骤S309中设定的基准旋转速度是否超过了在步骤 S303中检测到的旋转速度。在判断为基准旋转速度超过了检测到的旋转速度的情况下(步骤S310 是)，在步骤S311中，根据以减少风力发电机2输出的功率的方式计算出的占空比来控制开关电路 40-1 40-3，由此减轻风力发电机2的负载。另一方面，在判断为基准旋转速度没有超过所检测到的旋转速度的情况下(步骤S310 否)，在步骤S312中，根据以增加风力发电机2 输出的功率的方式计算出的占空比来控制开关电路40-1 40-3，由此增加风力发电机2的负载。这样，能够通过将输出功率控制为恒定的值，驱动恒压模式的逆变器。无论逆变器的恒压模式的额定电压是哪种电压，都能够通过控制开关电路40-1 40-3的占空比，得到所需的额定电压的输出电压。图3是说明到启动逆变器为止的逆变器和风力发电装置的动作的流程图。图3(a)是逆变器的动作。如步骤S401那样，逆变器最初处于待机状态。接着，逆变器检测预定电压是否持续了预定时间以上。此处，作为例子，在恒压模式中，250V以上的电压持续了 300秒后，逆变器启动。300秒只是个例子，在逆变器中，也有以30秒来启动的。 在步骤S402中，判断250V是否持续了 300秒，在没有持续的情况下，继续待机状态。在步骤S402的判断为是的情况下，在步骤S403中，逆变器启动，并网即额定电压不同的风力发电装置与逆变器一起开始动作。在步骤S404中，作为例子，逆变器在输入电压为100V以下的情况下停止动作，在步骤S404的判断为是的情况下，返回待机状态，在否的情况下，逆变器继续并网的动作。图3(b)是示出风力发电装置的动作的流程图。在步骤S410中，风力发电装置最初接收待机电压，使得成为待机状态的待机电压是从外部供给的，此处，作为例子，设为了 240V。在步骤S411中，在风没有进入风车旋翼20的情况下，继续待机状态，在风已进入的情况下，前进到步骤S412。在步骤S412中，控制部35判断所产生的功率是否在预定值以下 (此处，作为例子，设为了 IOW以下。设成当向逆变器施加IOW以上的功率时逆变器开始动作)。在步骤S412的判断为是的情况下，在步骤S413中，控制部35控制开关电路40_1 40-3的占空比，降低风车旋翼20的转速，抑制产生电力。此处，例如控制为每分钟300转。 另外，输出功率为10W，示出风速大致为3m/s的状态。在步骤S414中，判断输出功率是否为IOW以下并且输出电压是否为280V以上。 在步骤S414的判断为否的情况下，不进行任何动作而返回到步骤S411，但是在为是的情况下，在步骤S415中，经由分路驱动器33控制开关电路31的接通、断开占空比，将输出电压控制为280V。这样降低输出电压是因为，通过开关电路40-1 40-3的切换对输出电压进行升压，在作为负载的逆变器没有动作的状态下，存在输出电压变得过高而损坏电路的危险。由于将280以上的输出电压降低为280V，因此负载变重，风车旋翼20的转速降低，并在变为约250rpm的状态下，重复开关电路31的接通、断开。在该状态下，返回到步骤S411。在步骤S412中，输出功率大于预定值(IOW)的情况下，逆变器开始动作，因此在步骤S416中，进行常规控制。此处，采用恒压模式的逆变器的额定功率，且以风车旋翼20的转速为每分钟1280或600转(依据逆变器的规格)的恒定转速的方式进行动作。此时，控制开关电路40-1 40-3的开关的占空比，从而控制产生电力和转速。之后，返回到步骤 S411，风减弱，持续到逆变器断开为止。图4是说明本实施方式的风力发电装置的动作的序列图。A的序列是在风力发电装置的初始电源输入时或从停止的状态进行启动时的序列图。在(1)的定时，接通待机电源，从而风力发电装置变为待机状态。此外，此时，逆变器也变为待机状态。待机电压为240V，因此输出电压也为240V。在(2)的定时，风吹过，风车旋翼20开始旋转。此处，控制部35判断输出功率是否为IOW以下，将风车旋翼20的转速控制为每分钟30转。在该控制中，通过改变开关电路 40-1 40-3的短路的占空比，控制风车旋翼20的转速。风车旋翼20的旋转速度(每分钟的转速)能够由转速检测电路28检测，因此在转速大于300转的情况下，增大开关电路 40-1 40-3的短路的时间长度，在小于300转的情况下，减小开关电路40-1 40_3的短路的时间长度。也可以将时间长度的变化量设为预先决定的大小。该情况下，风车旋翼20 的旋转速度有时不会准确地变为每分钟300转，但是变为与其接近的值就足够了。并且，检测电压是否为280V以上。在输出功率为IOW以下且电压为280V以上的情况下，经由分路驱动器33使开关电路31以被控制的占空比进行接通、断开，将输入到逆变器中的输入电压抑制为280V。在(3)的定时，在将风车旋翼20的转速控制为每分钟300转的状态下，当输入到逆变器中的输入电压为250V以上的状态持续了 300秒(根据逆变器的种类而改变，也有30 秒等的情况)时，逆变器启动，分路驱动器33将开关电路31设为断开。并且，开始常规控制，以额定功率维持风车旋翼20的转速为每分钟1280转或每分钟600转的状态。B的序列是在常规运转的状态下停电、恢复的情况。在(4)的定时，发生停电，在待机电源断开的情况下，分路驱动器进行如下动作 在停电的同时启动，将风车旋翼20的旋转控制为每分钟300转，并且抑制输入到逆变器中的输入功率。在(5)的定时，当停电结束时，逆变器变为待机，在输入到逆变器中的输入电压为 250V以上的状态持续了 300秒的时刻(6)，逆变器导通。(6)之后，通过常规控制产生额定功率，维持转速为每分钟1280转或每分钟600转的状态。C的序列为风力发电装置在停电之前停止、且在停电后接收风从而发电的情况。在(4)的定时，即使发生停电，风力发电装置在之前也已停止，因此输出电压为 OVo在(5)的定时，当停电结束时，将风车旋翼20的转速设为每分钟300转，并且分路驱动器启动，将输出电压控制为280V。在输入到逆变器中的输入电压为250V以上的状态持续了 300秒的时刻(6)，逆变器导通。(6)之后，通过常规控制产生额定功率，维持转速为每分钟1280转或每分钟600转的状态。标号说明1 风力发电控制装置；2 风力发电机；11 电流A/D转换部；12 电压A/D转换部； 13 旋转速度计数部；14 :rpm/power运算部；15 计数控制部；16,34 :PWM调制部；20 风车旋翼；21 永磁铁；22 绕组；23 整流器；24 蓄电池；25 负载；26 电流检测电路；27 电压检测电路；28 旋转速度检测电路；29 驱动器；30 逆变器；31、40-1 40_3 开关电路； 32 电阻;33 分路驱动器；35 控制部。
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权利要求
1.一种风力发电装置，其特征在于，具有发电机，其由磁铁和电枢绕组构成，且具有风车旋翼；开关单元，其通过以被控制的占空比使该电枢绕组短路，来控制该风车旋翼的旋转速度；分路单元，其通过在该发电机的输出上间歇地连接电阻，进行输出电压的控制；以及控制单元，其在连接有逆变器作为负载的情况下，在该逆变器启动前，使用该开关单元将该风车旋翼的旋转速度控制为预定值，并且使用该分路单元，以施加到该逆变器的电压不会变得过大的方式，将该输出电压控制为预定值，在该逆变器启动后，使用开关单元，以施加到该逆变器的电压变为恒定值的方式，控制该风车旋翼的旋转速度。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述开关单元通过使所述电枢绕组短路，控制所述风车旋翼的旋转速度，并且对所述输出电压进行升压。
3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制单元在所述逆变器停止的情况下，将所述风车旋翼的旋转速度控制为所述预定值。
4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于， 所述逆变器以恒压模式进行动作。
5.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制单元在对所述风车旋翼施加制动的情况下，以阶段性地延长进行所述开关单元的短路的时间长度的方式，控制所述占空比。
全文摘要
提供可应用通用的逆变器的风力发电装置。使用恒压模式的逆变器(30)。在风力发电机(2)发电的情况下，以被控制的占空比使开关电路(40-1～40-3)接通、断开，并使电枢的绕组(22)间歇地短路，由此使电压升压，并且控制风车旋翼(20)的旋转速度，将施加到逆变器(30)的电压保持为恒定。在启动的情况下，在逆变器(30)从待机状态变为启动状态的期间，以不产生过大电压的方式，对开关电路(31)进行接通、断开控制，切换整流器(23)的输出电压和在电阻(32)中产生的电压，将电压控制为适当的值。
文档编号H02P9/00GK102484444SQ20108004046
公开日2012年5月30日 申请日期2010年9月14日 优先权日2009年9月16日
发明者伊藤瞭介, 大久保隆典, 山崎高士, 松宫煇, 近重唯章 申请人:轻风株式会社