JP6990021B2

JP6990021B2 - 風力発電用の風車制御装置

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Publication number: JP6990021B2
Application number: JP2016239578A
Authority: JP
Inventors: 房二堀部
Original assignee: Lixil Corp
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Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2022-01-12
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Also published as: WO2018105231A1; JP2018096235A

Description

本発明は、風力発電システムにおける風車を制御する風車制御装置に関するものである。

特許文献１で開示される発電装置は、風力により回転することで駆動力を発生する風車と、風車の駆動力により作動して発電する発電機と、発電機の出力側を出力状態と短絡状態とに切り替える短絡制動装置と、出力状態時における風車の回転速度と短絡状態時における風車の回転速度とに基づいて両状態時における風力の規模を認識する規模認識手段とを備える。この発電装置は、風車の回転速度に基づいて発電機を出力状態と短絡状態のいずれの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて短絡制動装置を切替制御する。

特開２００５－２６９７０３号公報

特許文献１で開示される発電装置は、風車の回転速度を監視し、風車の回転速度が制動開始値以上となった場合には短絡制動装置を作動させてブレーキ動作を行い、短絡制動装置の作動後、平均回転速度が制動解除値未満となった場合には短絡制動装置を停止させてブレーキ動作を解除する。しかし、特許文献１の発電装置は、短絡制動装置を停止させるか否か（即ち、ブレーキ動作を解除させるか否か）の判断を、風車の平均回転速度が制動解除値未満となったか否かに基づいて行うため、突風傾向が把握されにくいという問題がある。例えば、短絡制動装置の作動中に強い突風が発生しても平均回転速度としては低い値になってしまう場合があり、このような事態が生じると、突風が発生する環境下であっても短絡制動装置を停止させてブレーキを解除してしまうことになる。

しかも、特許文献１の発電装置は、短絡制動中に風車に対してブレーキ力が加わるため、風車の回転により大きなトルクが必要となる。つまり、風の変化が風車に反映されにくくなるため、短絡制動中に突風傾向を正確に把握することはより一層困難になる。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、風速が大きい状況下では風車の回転速度が過大になることを防ぐための抑制動作を行うことができ、その抑制動作を、風速が小さく安定した状況下で解除し得る風車制御装置を実現することを解決すべき課題としている。

本発明は、
風車の回転力を変換して電力を生じさせる発電機と、風速を計測する風速センサとを備えた風力発電システムにおいて前記風車を制御する風車制御装置であって、
前記風車の回転を抑制する抑制動作と、前記抑制動作の解除とを行う回転抑制部と、
前記風速センサで計測される風速が第１閾値に達した場合には前記回転抑制部に前記抑制動作を開始させ、前記抑制動作の開始後、前記風速センサで計測される風速が一定時間を超えて第２閾値以下で継続した場合には前記回転抑制部に前記抑制動作を解除させる制御部と、
を有する。

本発明に係る風車制御装置は、風速が第１閾値に達する程度に大きくなった場合に風車の回転を迅速に抑制することができるため、風車において過回転が生じにくくなる。一方、抑制動作の開始後、風速センサで計測される風速が一定時間を超えて第２閾値以下で継続した場合に抑制動作を解除することができる。つまり、風速が第２閾値を超えない状態が一定時間を超えて継続するような安定した状況を確認した上で抑制動作を解除することができる。

このように、本発明の風車制御装置は、風速が大きい状況下では風車の回転速度が過大になることを防ぐための抑制動作を行うことができ、その抑制動作を、風速が小さく安定した状況下で解除することができる。

実施例１の風車制御装置を備えた風力発電システムを概略的に示すブロック図である。図１の風力発電システムの一部を具体化して示す回路図である。機械ブレーキ部の構成を概念的に示す説明図である。第１電気ブレーキ及びその周辺の回路構成を簡略的に示す回路図である。実施例１の風車制御装置で実行される回転抑制制御の流れを例示するフローチャートである。実施例１の風車制御装置において風車を停止させる場合の一例を説明する説明図である。実施例１の風車制御装置において風車を停止させる場合の別例１を説明する説明図である。実施例１の風車制御装置において風車を停止させる場合の別例２を説明する説明図である。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。
本発明において、回転抑制部は、抑制動作として少なくとも風車の回転を強制的に停止させる停止動作を行う構成であってもよい。制御部は、風速センサで計測される風速が第１閾値に達した場合には回転抑制部に停止動作を行わせ、停止動作の開始後、風速センサで計測される風速が一定時間を超えて第２閾値以下で継続した場合には回転抑制部に停止動作を解除させるように機能してもよい。

このように、風速センサで計測される風速が第１閾値に達した場合には回転抑制部に停止動作を行わせることで、風速が大きい状況下で発電機を回転させ続けることに起因する機械的負担又は電気的負担を低減することができる。

本発明において、制御部は、抑制動作が開始したことに応じて時間計測を開始し、時間計測中に風速センサで計測される風速が第２閾値を超えた場合に、計測中の時間をリセットして時間計測をやり直す時間計測部を有していてもよい。そして、制御部は、抑制動作の開始後、時間計測部による計測時間が一定時間を超えた場合に回転抑制部に対して抑制動作を解除させる制御を行うように機能してもよい。

このように制御部が動作すれば、風速のピークが第２閾値以下となる状態の継続時間を確実に測定することができ、この継続時間が一定時間を超えることを確実に確認した上で、抑制動作を解除することができる。

＜実施例１＞
本発明を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
図１、図２には、実施例１に係る風車制御装置２を用いた風力発電システム１を示している。図１の風力発電システム１は、主として、風車１００、発電機３、風車制御装置２、バッテリ６０、回転速度センサ７、風速センサ９などを備えている。この風力発電システム１は、風車１００の回転時に発電機３で電力を発生させ、所望の出力に変換した上でバッテリ６０の充電や、外部出力端子６２からの出力を行う装置として構成されている。

図１、図２で示す風車１００は、例えば、垂直軸型風車として構成されており、鉛直方向に延びる回転軸の周囲に複数の直線翼を一体回転可能に連結させた直線翼垂直軸風車などによって構成されている。図３のように、風車１００は、所定方向（回転軸部１０２の軸方向である上下方向）に延びる複数の翼部１０４と棒状に構成されるとともに所定方向に延びる回転軸部１０２とを備え、複数の翼部１０４が回転軸部１０２の上端部付近に連結された形で複数の翼部１０４と回転軸部１０２とが一体的に構成されている。回転軸部１０２は、例えば鉛直上下方向に延びるように図示しない軸受によって回転可能に保持されている。図３の例では、回転軸部１０２の下端部側の部分が発電機３における図示しない回転子と一体化され、回転軸部１０２と回転子とが一体的に回転する構成をなす。また、回転軸部１０２の下端寄りの所定位置には円板状の被作用部１０６が回転軸部１０２の周囲に張り出す形で回転軸部１０２と一体的に構成されている。被作用部１０６は、回転軸部１０２の軸方向を厚さ方向とし、外縁部が回転軸部１０２の回転軸線を中心とした円形形状をなしている。なお、ここで示す例はあくまで一例であり、公知の様々な風車を用いることができる。

図１、図２で示す発電機３は、風車１００の回転力を変換して電力を生じさせる装置であり、例えば、三相交流発電機として構成され、風車１００の回転と連動して回転する回転子と、固定子巻線３Ａ，３Ｂ，３Ｃ（図４）が巻かれるとともに回転子に近接して配置される固定子とを備える。例えば、発電機３は、回転子が風車１００の回転軸に連結されて回転軸部１０２（図３）と一体的に回転する構成をなし、回転子の回転時には各相の導電路７４，７５，７６に三相交流が発生する構成をなす。

図１のように、風車制御装置２は、制御部１０、整流・昇圧部５０、回転抑制部２０、第２電気ブレーキ部３０、降圧部４０、検出部９１，９２、回転速度センサ７、風速センサ９、各配線部などによって構成され、発電機３からの出力電力を制御するとともに風車１００の回転を制御する装置として機能する。

整流・昇圧部５０は、発電機３に発電動作を行わせる場合には昇圧チョッパ回路として作動し、発電機３を電動機として動作させる場合にはインバ－タとして作動する回路である。

図２のように、整流・昇圧部５０は、発電機３の各相の導電路７４，７５，７６にそれぞれ設けられたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３、コイルＬ１に接続される一対のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１、コイルＬ２に接続される一対のスイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２、コイルＬ３に接続される一対の半導体スイッチ素子Ｓａ３，Ｓｂ３をそれぞれ備える。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１，Ｓａ２，Ｓｂ２，Ｓａ３，Ｓｂ３は、例えばＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子によって構成され、それぞれのゲートには、駆動部１４からの駆動信号が個別に入力される。

このように構成される整流・昇圧部５０は、発電制御時には、発電機３で発生する交流電圧を直流電圧に変換し且つ入力電力を昇圧して出力するように機能する。また、整流・昇圧部５０は、アシスト制御時には、供給される直流電力（例えば外部電源１３０から供給される直流電力）を三相交流に変換し、発電機３に三相交流電力を供給することで発電機３を電動機として回転駆動するように機能する。なお、アシスト制御時の供給電力は、バッテリ６０からの電力であってもよい。

回転抑制部２０は、風車１００の回転を抑制する抑制動作（回転速度を減速する減速動作）と、抑制動作の解除とを行う部分である。回転抑制部２０は、第１電気ブレーキ部２１と機械ブレーキ部２２とによって構成されている。

機械ブレーキ部２２は、第２ブレーキ部の一例に相当し、風車１００に対してブレーキ動作を行い得る装置である。図３にて概念的に示すように、機械ブレーキ部２２は、ブレーキ動作部２４と駆動回路２６とを備える。ブレーキ動作部２４は、例えば、逆作動型の空圧ブレーキとして構成され、風車１００の一部として構成された被作用部１０６に作用する一対の接触部材２４Ｂと、これら接触部材２４Ｂを駆動するアクチュエータ２４Ａとを備える。被作用部１０６は、例えば、風車１００の回転軸部１０２に一体的に組み付けられた円板状のディスクとして構成され、風車１００に設けられた複数の翼部１０４と一体的に回転する構成をなしている。機械ブレーキ部２２は、アクチュエータ２４Ａによって接触部材２４Ｂを被作用部１０６に接近させて接触させることでブレーキ力を生じさせる第２ブレーキ動作と、アクチュエータ２４Ａによって接触部材２４Ｂを被作用部１０６から離間させてブレーキ力を解除する動作（第２ブレーキ動作の解除）とを行う装置である。

駆動回路２６は、制御部１０から駆動指令が与えられた場合にアクチュエータ２４Ａを駆動し、一対の接触部材２４Ｂを互いに接近させて被作用部１０６を挟み込ませるようにアクチュエータ２４Ａを動作させる。このように接触部材２４Ｂが被作用部１０６に接触することで、これらの間で生じる摩擦力が風車１００の回転を減速させる力（ブレーキ力）となる。また、駆動回路２６は、制御部１０から停止指令が与えられた場合、アクチュエータ２４Ａに対し、一対の接触部材２４Ｂを退避位置（被作用部１０６に接触しない位置）で保持させる。上述した第２ブレーキ動作中に駆動回路２６に停止指令が与えられた場合、駆動回路２６は、被作用部１０６を挟み込んでいる一対の接触部材２４Ｂを互いに離間させて被作用部１０６から離すようにアクチュエータ２４Ａを動作させる。このようにアクチュエータ２４Ａによって一対の接触部材２４Ｂを被作用部１０６から離間させることで、接触部材２４Ｂが被作用部１０６に接触して生じていた摩擦力が発生しなくなり、風車１００に対するブレーキ力が解除される。

第１電気ブレーキ部２１は、第１ブレーキ部の一例に相当し、発電機３に対する電気的な制御を行い得る回路として構成されている。第１電気ブレーキ部２１は、発電機３において風車１００の回転力に逆らう力を生じさせる第１ブレーキ動作と、この第１ブレーキ動作の解除とを行い得る回路であり、具体的には例えば図４のような回路として構成される。

図４の回路構成では、各巻線３Ａ，３Ｂ，３Ｃにそれぞれ接続された各相の導電路７４，７５，７６のそれぞれにおいて、整流・昇圧部５０側に続く経路から分岐する形で分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃがそれぞれ設けられている。そして、各分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃには、抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３がそれぞれ介在している。また、各分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、接続路２１Ｄによって互いに接続されている。分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃでは、いずれかの分岐路から他の分岐路へと電流が流れる場合に抵抗にて電流が流れ、抵抗で電圧降下が発生するようになっている。また、分岐路２１Ｂ，２１Ｃには、それぞれを通電可能状態と通電遮断状態に切替えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２が設けられ、このスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフが制御部１０によって制御されるようになっている。制御部１０は、後述する第１ブレーキ動作を行う場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオン状態にする制御を行い、第１ブレーキ動作を行わない場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態にする制御を行う。スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態である場合、分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの相互で電流が流れ、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフ状態である場合、分岐路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにおいて分岐路間では電流が流れない。制御部１０がスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオン状態にした場合、導電路７４，７５，７６を流れる電流が上昇するため、発電機３の回転子が回転する際の回転負荷を増大させることができ、その結果、発電機３の回転子と連動する風車１００の回転にブレーキをかけることができる。本構成では、完全に短絡するのではなく、抵抗部を介して導電路間を電気的に接続するため、短絡状態でブレーキを継続しすぎることに起因する過熱等を防ぐことができ、絶縁性能の維持等の面で有利である。また、回転速度によっては、短絡の場合よりも大きなトルクを発生させることができる。

第２電気ブレーキ部３０は、整流・昇圧部５０から出力される出力電力の一部を消費するための部分である。この第２電気ブレーキ部３０は、抵抗３４、ダイオード３６、スイッチ素子３２などを備える。スイッチ素子３２は、例えばＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子によって構成され、駆動部１５からの制御信号によってオンオフが制御される。

第２電気ブレーキ部３０は、導電路７１と導電路７２の間に抵抗３４及びスイッチ素子３２が直列に接続され、スイッチ素子３２のオン動作に応じて抵抗３４に電流を流し、整流・昇圧部５０から出力される電力の一部を消費させるように機能する。スイッチ素子３２のゲートには駆動部１５から出力されるＰＷＭ信号が入力され、第２電気ブレーキ部３０での消費電力量はＰＷＭ信号のデューティによって制御される。

コンデンサ５５は、導電路７１と導電路７２との間に接続されている。このコンデンサ５５は、降圧部４０に入力される入力電流を平滑化する機能を有する。

降圧部４０は、公知の降圧コンバータとして構成され、導電路７１の通電をオンオフするスイッチ素子４２と、ダイオード４４と、コイル４８と、コンデンサ４６とを備える。スイッチ素子４２は、例えばＭＯＳＦＥＴなどによって構成され、駆動部１６からのＰＷＭ信号に応じてオンオフする構成をなす。

バッテリ６０は、例えば、公知の二次電池として構成されており、風力発電システム１を構成する様々な負荷を駆動するための電源として機能する。図示はしていないが、風力発電システム１には、バッテリ６０からの電力に基づいて複数の電源電圧を生成する電源回路が設けられており、例えば制御部１０には、電源回路で生成された電源電圧が印加される。バッテリ６０の正側の端子と出力側導電路８１との間には、スイッチ６１が設けられ、制御部１０によってスイッチ６１のオンオフが制御される。

回転速度センサ７は、風車１００の回転速度を検出する検出部の一例に相当する。この回転速度センサ７は、風車１００の回転軸部１０２の回転速度を検出し得るセンサであればよく、公知の様々な回転速度センサを用いることができる。制御部１０は、回転速度センサ７からの出力値を取得して風車１００の回転速度を把握する。

風速センサ９は、公知の風速センサによって構成され、風車１００の近傍の風速を計測するように機能する。この風速センサ９は、風車１００の所定位置（例えば回転翼以外の部位）に取り付けられ、風速センサ９が取り付けられた位置の風速を示す値を出力する。制御部１０は、風速センサ９からの出力値（検出値）を取得して、風車付近の風速を把握する。なお、回転速度センサ７は、風車１００の回転速度を示す値として例えば風車の回転数Ｎ（min^-1）を検出し得る。

制御部１０は、例えば、マイクロコンピュータなどからなる制御回路１２と、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなる記憶部１８と、制御信号を出力する複数の駆動部１４，１５，１６などを備えている。制御部１０には、回転速度センサ７や風速センサ９からの出力値以外にも、様々な検出値が入力される。例えば、図１で示す検出部９１は、電流センサ及び電圧センサを備え、整流・昇圧部５０から出力される出力電流及び出力電圧が検出部９１によって検出され、制御部１０に入力される。検出部９２は、電流センサ及び電圧センサを備え、降圧部４０から出力される出力電流及び出力電圧が検出部９２によって検出され、制御部１０に入力される。

風力発電システム１の出力端子６２は、例えば、蓄電池システム１２０の入力端子１２２に接続可能とされている。即ち、風力発電システム１で発生した電力が、出力端子６２を介して外部の蓄電池システム１２０に供給し得るように構成されている。なお、図１、図２の例では、風力発電システム１で生じた電力を蓄電池システム１２０に供給する例を示したが、系統連系のための構成を付加し、商用電源系統に接続してもよい。

このように構成される風力発電システム１は、風車１００が風力を受けて回転し且つ制御部１０が発電制御を実行しているときには、発電機３の発電によって得られた電力を変換して出力する。但し、風速センサ９によって検出される風速が所定閾値を超える場合には、後述する回転抑制制御を行い、風車１００の回転を減速させる。

ここで、風車制御装置２の動作について説明する。
制御部１０は、例えば、所定の運転開始条件を満たす場合（例えば、回転速度センサ７によって検出される風車１００の回転速度が所定の発電開始回転速度以上である場合）、図５のような流れで制御を行う。図５の制御が開始された場合、風速センサ９で計測される風速が第１閾値Ｖｔｈ１（安全運転の限界風速）未満となっている間は、ステップＳ１でＮｏとなる判断が繰り返され、この期間は、制御部１０によって通常の発電制御が行われる。

制御部１０は、通常の発電制御を行う場合、各スイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１，Ｓａ２，Ｓｂ２，Ｓａ３，Ｓｂ３に対し制御信号を出力し、整流・昇圧部５０を三相昇圧チョッパ回路として動作させる。

本構成では、例えば回転速度（回転数）と目標値とが予め対応付けられており、このように回転速度と目標値とを対応付けた対応データが記憶部１８に記憶されている。このような対応データが存在するため、回転速度センサ７によって回転速度が定まれば対応データを参照してその回転速度（回転数）に対応付けられた目標値を決めることができる。また、各回転速度に対応する各目標値は、各回転速度のときの最大電力値であり、回転速度（回転数）の三乗に比例するように設定されている。

制御部１０は、整流・昇圧部５０を三相昇圧チョッパ回路として動作させる場合、回転速度センサ７で検出された風車１００の回転速度（回転数）と、記憶部１８に記憶された回転速度毎の目標値（各回転速度に対応する最大電力値）とに基づき、整流・昇圧部５０からの出力電力が、風車１００の回転速度（回転数）に対応する最大電力値となるようにＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行う。具体的には、制御部１０は、検出部９１で検出される出力電流及び出力電圧によって決定する出力電力が目標値（最大電力値）となるように整流・昇圧部５０に与えるＰＷＭ信号のデューティを調整しながらフィードバック制御を繰り返す。

一方、図５の制御の開始後、風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になった場合（図５のステップＳ１でＹｅｓの場合）、制御部１０は、風車１００の回転を抑制して風車１００を停止させる。具体的には、制御部１０が回転抑制部２０を制御して回転抑制部２０に停止動作を行わせる。なお、この例では、「風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になった時」が所定のブレーキ開始条件の成立時である。

制御部１０は、ステップＳ２の制御を行う場合、第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に上述した第１ブレーキ動作を行わせ、第１電気ブレーキ部２１による第１ブレーキ動作の開始後に、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に上述した第２ブレーキ動作を行わせる。

具体的には、風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になったとき、機械ブレーキ部２２に第２ブレーキ動作を行わせないように停止させたまま第１電気ブレーキ部２１に第１ブレーキ動作を行わせる。そして、このように第１電気ブレーキ部２１が第１ブレーキ動作を継続している間に所定の切替条件が成立した場合、第１電気ブレーキ部２１の第１ブレーキ動作を維持したまま又は第１ブレーキ動作を停止させた後、機械ブレーキ部２２に第２ブレーキ動作を行わせる。そして、このように第２ブレーキ動作を開始した場合、少なくとも回転速度センサ７によって検出される風車１００の回転速度が０となるまで第２ブレーキ動作を継続し、望ましくは、後述するステップＳ７において通常回転動作が再開されるまで第２ブレーキ動作を継続する。

上述した「所定の切替条件」とは、「回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の下限速度以下となったこと」「回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の上限速度を超えたこと」「第１ブレーキ動作の開始後、一定時間Ｔａが経過したこと」のいずれかの条件が満たされた場合である。

つまり、制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になったこと（所定のブレーキ開始条件が成立したこと）に応じてステップＳ２の処理を実行し第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を開始させた後、第１ブレーキ動作の継続中に、少なくとも回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の下限速度Ｖｂ以下となった場合には、第１ブレーキ動作を維持したまま又は第１ブレーキ動作を停止させた後、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。

また、制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になったこと（所定のブレーキ開始条件が成立したこと）に応じてステップＳ２の処理を実行し第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を開始させた後、第１ブレーキ動作の継続中に、少なくとも回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の上限速度Ｖａを超えた場合には、第１ブレーキ動作を維持したまま又は第１ブレーキ動作を停止させた後、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。

また、制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が上記第１閾値Ｖｔｈ１以上になったこと（所定のブレーキ開始条件が成立したこと）に応じてステップＳ２の処理を実行し第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を開始させた後、第１ブレーキ動作の継続中に、少なくとも第１ブレーキ動作の開始から一定時間Ｔａが経過した場合には、第１ブレーキ動作をを維持したまま又は第１ブレーキ動作を停止させた後、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。なお、一定時間Ｔａは、例えば、数秒程度であってもよく、数十秒程度であってもよい。或いは、数分程度であってもよい。

このように、制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が第１閾値Ｖｔｈ１以上になった場合に、第１電気ブレーキ部２１と機械ブレーキ部２２を時間差で動作させて風車１００の回転を停止させる。

制御部１０は、ステップＳ２の処理を行った後、回転速度センサ７によって検出される風車１００の回転速度が０となった場合には、第２ブレーキ動作を継続したまま時間計測を開始する（ステップＳ３）。そして、制御部１０は、ステップＳ３で時間計測を開始した後、ステップＳ４において風速センサ９で計測される風速が第２閾値Ｖｔｈ２以上であるか否かを判断し、風速センサ９で計測される風速が第２閾値Ｖｔｈ２以上である場合（ステップＳ４でＹｅｓの場合）、ステップＳ５において計測中の時間をリセットし、再び時間計測を開始する。つまり、ステップＳ５の処理が実行される度に、それまでの計測時間が破棄され、ステップＳ５の処理が実行された時を開始時点として新たに時間計測がなされることになる。なお、第２閾値Ｖｔｈ２（運転再開風速）は、第１閾値Ｖｔｈ１（安全運転の限界風速）よりも小さい値である。

一方、制御部１０は、ステップＳ４において風速センサ９で計測される風速が第２閾値Ｖｔｈ２以上でないと判断した場合（ステップＳ４でＮｏの場合）、ステップＳ６において、現在計測中の時間（即ち、ステップＳ３又はステップＳ５のいずれか直近で実行された処理を開始時点として計測されている時間）が予め定められた一定時間Ｔｂを超えたか否かを判断する。制御部１０は、ステップＳ６において現在計測中の時間（計測時間）が一定時間Ｔｂを超えていないと判断した場合（ステップＳ６でＮｏの場合）、ステップＳ４以降の処理を再び行い、ステップＳ６において現在計測中の時間（計測時間）が一定時間Ｔｂを超えていると判断した場合（ステップＳ６でＹｅｓの場合）、ステップＳ７において風車１００の通常回転を再開する。制御部１０は、ステップＳ７の処理を行う場合、第１電気ブレーキ部２１及び機械ブレーキ部２２のいずれにもブレーキ動作を行わせないように解除し、風車１００を回転可能な状態とする。なお、一定時間Ｔｂは、例えば、ある程度長い時間（１時間程度、或いは数時間程度）であってもよく、数十分程度、或いは数分程度であってもよい。

本構成では、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の処理を実行する制御部１０が時間計測部の一例に相当し、上記抑制動作が開始したこと（具体的には、風車１００の回転が停止したこと）に応じて時間計測を開始し、時間計測中に風速センサ９で計測される風速が第２閾値Ｖｔｈ２を超えた場合に、計測中の時間をリセットして時間計測をやり直すように機能する。そして、制御部１０は、抑制動作の開始後、このような時間計測部による計測時間が一定時間Ｔｂを超えた場合に回転抑制部２０に対して抑制動作を解除させる制御を行う。

なお、制御部１０は、ステップＳ７でブレーキ動作を解除した場合、所定の終了条件が成立するまでの間、発電機３を電動機として動作させて風車１００の回転をアシストするように制御を行ってもよい。

以上のように、制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が第１閾値Ｖｔｈ１に達した場合に回転抑制部２０に抑制動作（具体的には、風車１００の回転を強制的に停止させる停止動作）を開始させ、抑制動作の開始後、風速センサ９で計測される風速が一定時間Ｔｂを超えて第２閾値Ｖｔｈ２以下で継続した場合には、回転抑制部２０に上記抑制動作（停止動作）を解除させるように動作する。

次に、風車制御装置２の効果を例示する。
風車制御装置２は、風速が第１閾値Ｖｔｈ１に達する程度に大きくなった場合に風車１００の回転を迅速に抑制することができるため、風車１００において過回転が生じにくくなる。一方、抑制動作の開始後、風速センサ９で計測される風速が一定時間を超えて第２閾値Ｖｔｈ２以下で継続した場合に抑制動作を解除することができる。つまり、風速が第２閾値Ｖｔｈ２を超えない状態が一定時間を超えて継続するような安定した状況を確認した上で抑制動作を解除することができる。

このように、風車制御装置２は、風速が大きい状況下では風車１００の回転速度が過大になることを防ぐための抑制動作を行うことができ、その抑制動作を、風速が小さく安定した状況下で解除することができる。

また、回転抑制部２０は、抑制動作として、少なくとも風車１００の回転を強制的に停止させる停止動作を行う構成をなす。制御部１０は、風速センサ９で計測される風速が第１閾値Ｖｔｈ１に達した場合には回転抑制部２０に停止動作を行わせ、停止動作の開始後、風速センサ９で計測される風速が一定時間を超えて第２閾値Ｖｔｈ２以下で継続した場合に、回転抑制部２０に対し停止動作を解除させる制御を行う。

このように、風速センサ９で計測される風速が第１閾値Ｖｔｈ１に達した場合に回転抑制部２０を停止動作させることで、風速が大きい状況下で発電機３を回転させ続けることに起因する機械的負担又は電気的負担を確実に低減することができる。

また、制御部１０は、抑制動作が開始したことに応じて時間計測を開始し、時間計測中に風速センサ９で計測される風速が第２閾値Ｖｔｈ２を超えた場合に、計測中の時間をリセットして時間計測をやり直すように動作する時間計測部を備える。そして、制御部１０は、抑制動作の開始後、時間計測部による計測時間が一定時間を超えた場合に回転抑制部２０に対して抑制動作を解除させる制御を行う。

制御部１０がこのように動作すれば、風速のピークが第２閾値Ｖｔｈ２以下となる状態の継続時間を確実に測定することができ、この継続時間が一定時間を超えることを確実に確認した上で、抑制動作を解除することができる。

本構成の風車制御装置２は、電気的な制御によって第１ブレーキ動作を行い、発電機３において風車１００の回転力に逆らう力を生じさせた後、機械的な制御によって第２ブレーキ動作を行い、接触部材２４Ｂの接触によるブレーキ力を生じさせる。このように、先に行われる第１ブレーキ動作では、発電機３に対する電気的な制御によってブレーキ力を発生させるため、ブレーキ動作を迅速かつ正確に行いやすい。そして、電気的な制御によって第１ブレーキ動作を行った後、機械的な制御によって第２ブレーキ動作を行うことで、風車１００の回転速度をより確実に低減することができる。また、２つのブレーキ部をいずれも機械的なブレーキとするのではなく、一方のブレーキ部については、発電機３に対する電気的な制御によってブレーキ力を発生させる構成とすることができるため、構成の簡素化を図ることができる。

このように、本構成によれば、ブレーキ動作を迅速かつ正確に行い易い風力発電用の風車制御装置２を、より簡易に実現することができる。

本構成の風車制御装置２は、風車１００の回転速度を検出する回転速度センサ７（検出部）を備えており、制御部１０は、所定のブレーキ開始条件の成立に応じて第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を行わせた後、少なくとも回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の下限速度Ｖｂ以下となった場合に機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。

このように構成された風車制御装置２は、ブレーキ開始条件の成立後の初期段階において、発電機３に対する電気的な制御によってブレーキ力を発生させることができるため、回転力が大きい段階での回転体に対する接触を抑えることができ、衝撃や摩耗を低減することができる。特に、ブレーキ開始条件の成立から風車１００の回転速度が所定の下限速度Ｖｂ以下になるまでの間、急激な制動による衝撃を緩和し、各部品に生じる負担を低減しながら回転速度を抑制することができる。一方で、風車１００の回転速度が下限速度Ｖｂに達した場合には、機械的なブレーキ動作（第２ブレーキ動作）を行うことで、より迅速かつ確実に風車１００の回転速度を低減することができ、風車１００を停止状態またはそれに近い状態にすることができる。例えば、図６の例では、時間ｔ１でブレーキ条件が成立し、その直後の時間ｔ２で第１ブレーキ動作（電気ブレーキ）を開始した後、風車１００の回転速度が早く低下して時間ｔ３で下限速度Ｖｂに達した例を示している。このような場合、本構成では、時間ｔ３から第２ブレーキ動作（機械ブレーキ）を開始することができ、回転速度が低下した状態で第２ブレーキ動作が開始されるため、ブレーキ時の衝撃等を効果的に抑制することができる。なお、この場合、図６のように、第１ブレーキ動作と第２ブレーキ動作を併用してもよく、第１ブレーキ動作を停止させて第２ブレーキ動作を行ってもよい。第１ブレーキ動作と第２ブレーキ動作を併用する場合、第１ブレーキ動作の開始から所定時間経過した場合には第１ブレーキ動作を解除することが望ましい。

また、制御部１０は、ブレーキ開始条件の成立に応じて第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を行わせた後、少なくとも回転速度センサ７（検出部）が検出する回転速度が所定の上限速度Ｖａを超えた場合に機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。

このように構成された風車制御装置２は、ブレーキ開始条件の成立後の初期段階では、発電機３に対する電気的な制御によって第１ブレーキ動作を迅速かつ正確に行うとともに、この第１ブレーキ動作中に回転が加速して回転速度が上限速度Ｖａを超える事態が生じた場合には、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）による機械的な制動によって風車１００の回転速度を確実に低減することができる。例えば、図７の例では、時間ｔ１でブレーキ条件が成立し、その直後の時間ｔ２で第１ブレーキ動作（電気ブレーキ）を開始した後、風車１００の回転速度が低下せずに時間ｔ４で上限速度Ｖａに達した例を示している。このような場合、本構成では、時間ｔ４から第２ブレーキ動作（機械ブレーキ）を開始することができるため、より強力なブレーキによって回転速度を低下させることができる。なお、この場合、図７のように、第１ブレーキ動作と第２ブレーキ動作を併用してもよく、第１ブレーキ動作を停止させて第２ブレーキ動作を行ってもよい。第１ブレーキ動作と第２ブレーキ動作を併用する場合、第１ブレーキ動作の開始から所定時間経過した場合には第１ブレーキ動作を解除することが望ましい。

また、制御部１０は、ブレーキ開始条件の成立に応じて第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）に第１ブレーキ動作を行わせた後、少なくとも一定時間Ｔａが経過した場合に第１ブレーキ動作を停止させて機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせる。

このように構成された風車制御装置２は、ブレーキ開始条件の成立後の初期段階では、発電機３に対する電気的な制御によって第１ブレーキ動作を迅速かつ正確に行い、一定時間Ｔａが経過した場合には第１ブレーキ動作を停止させて電気的な制御に起因する発熱を抑えつつ、機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）に第２ブレーキ動作を行わせてブレーキを継続することができる。例えば、図８の例では、時間ｔ１でブレーキ条件が成立し、その直後の時間ｔ２で第１ブレーキ動作（電気ブレーキ）を開始した後、風車１００の回転速度が上限速度Ｖａや下限速度Ｖｂに達することなく一定時間Ｔａが経過した例を示している。このような場合、本構成では、時間ｔ５から第２ブレーキ動作（機械ブレーキ）に切り替えることができるため、電気ブレーキが継続しすぎることを回避することができ、電気ブレーキに起因する発熱の増大を抑えることができる。

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１は、風車１００として垂直軸型風車を例示したが、水平軸型風車であってもよい。発電機３の回転子に対して直接又は間接的に駆動力を与え得る風車であれば、公知のあらゆる種類の風車に適用することができる。
（２）実施例１では、図３において機械ブレーキ部２２（第２ブレーキ部）の一例を示したが、第２ブレーキ部は、風車１００に対して機械的な接触によってブレーキ力を与え得る構成であればよく、回転体に対してブレーキ力を与える機能を備えた公知の様々な機械ブレーキを用いることができる。例えば、特開２０１１－２５６７２３号公報で開示されるような機械式ブレーキを用いてもよい。また、風車１００及びこれに連動する部材に対する機械ブレーキ部２２の接触部位は、実施例１の被作用部１０６の位置に限定されない。例えば、機械ブレーキ部２２の接触部材（アクチュエータによって駆動される部材）は、風車１００と連動する連動部材（例えば、歯車伝動などによって風車１００と連動する部材）を被作用部とし、この連動部材（被作用部）に接触部材を接触させつつブレーキ力を生じさせるように第２ブレーキ動作を行う構成であってもよい。
（３）実施例１では、図４において第１電気ブレーキ部２１（第１ブレーキ部）の一例を示したが、第１ブレーキ部は、電気的な制御によって発電機の回転にブレーキ力を生じさせ得る構成であれば、公知の様々な電気ブレーキを用いることができる。また、図４の例では、抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を用いたが、これらを省略して短絡させるようにしてもよい。
（４）実施例１では、回転抑制部２０による抑制動作の一例として、風車１００の回転を完全に停止させる停止動作を例示したが、完全に停止せずに非常に遅い速度で回転するような状態で回転を抑制してもよい。

１…風力発電システム
２…風車制御装置
３…発電機
９…風速センサ
１０…制御部
２０…回転抑制部
１００…風車

Claims

風車の回転力を変換して電力を生じさせる発電機と、風速を計測する風速センサとを備えた風力発電システムにおいて前記風車を制御する風車制御装置であって、
前記風車の回転を抑制する抑制動作と、前記抑制動作の解除とを行う回転抑制部と、
前記風速センサで計測される風速が第１閾値以上になった場合には前記回転抑制部に前記抑制動作を開始させ、前記抑制動作の開始後、前記風速センサで計測される風速が一定時間を超えて前記第１閾値よりも小さい第２閾値以上でない状態で継続した場合には前記回転抑制部に前記抑制動作を解除させる制御部と、
を有し、
前記回転抑制部は、前記抑制動作として少なくとも前記風車の回転を強制的に停止させる停止動作を行う構成であり、
前記制御部は、前記風速センサで計測される風速が前記第１閾値以上になった場合には前記回転抑制部に前記停止動作を行わせ、前記停止動作の開始後、前記風速センサで計測される風速が前記一定時間を超えて前記第２閾値以上でない状態で継続した場合には前記回転抑制部に前記停止動作を解除させる風車制御装置。
前記制御部は、前記抑制動作が開始したことに応じて時間計測を開始し、時間計測中に前記風速センサで計測される風速が前記第２閾値以上である場合に、計測中の時間をリセットして時間計測をやり直す時間計測部を有し、前記抑制動作の開始後、前記時間計測部による計測時間が前記一定時間を超えた場合に前記回転抑制部に対して前記抑制動作を解除させる制御を行う請求項１に記載の風車制御装置。