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HOME製品情報エネルギー 風力講座1.6 風力発電機の種類と特長

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1.6 風力発電機の種類と特長

風力発電機の種類と特長について説明します。

1.6.1 誘導発電機


かご型のイメージ

(1)誘導発電機は、かご型と巻線型の2種類がある。

  • かご型は回転子の形状がかごのようになっている。
  • 巻線型は回転子も固定子と同様にコイルとなっている。
  • どちらも回転子側は短絡されている。
  • かご型は、堅牢でメンテナンスフリーのため風車用発電機として一般に広く用いられている。
  • 巻線型は、スリップリングで外部と連結して回転子側の制御ができる。
  • 誘導機は、固定子(電機子)側から電磁誘導で回転子を励磁して電磁石とする(回転子が界磁になる)。
    この電磁石となった回転子(界磁)により、固定子(電機子)側に今度は電流が発生し、これが発電電力となる。

(2)誘導発電機は、同期速度よりもわずかに速い回転数となれば発電する(逆に同期速度よりも遅いと電動機になる)。

  • 風車では、すべり(=(発電機回転数ー同期速度)/同期速度×100%)が約1%のところで定格出力となるものが多い。
  • 発電機出力は、すべりにほぼ比例する。
  • 誘導発電機は、回転子を励磁するために無効電力を供給する必要がある。そのため単独運転はできない。
  • 通常、固定速(1800 or 1500rpm)だが、極数切換(4/6極切換)により2速運転(1 or 2/3速)が可能。
  • 系統併入時に突入電流が流れるためソフトスタータが必要。この電磁石となった回転子(界磁)により固定子(電機子)側に今度は電流が発生し、これが発電電力となる。

1.6.2 部分可変速発電機(すべり制御方式)

(1)構成としては、

  • 巻線型誘導機で回転子巻線に並列に抵抗を付加。
  • 回転子巻線の電流をIGBTチョッパで制御。
  • 余分な電流は付加抵抗で熱として消費。
  • 回転子内に制御装置を内蔵し、風車制御装置とは光スリップリングで通信。

(2)誘導発電機では、回転子巻線の抵抗とすべり特性が比例し、巻線抵抗が増加すると定格出力を出すすべりも大きくなる。

  • すべり制御発電機はこの特性を利用したもので、付加した抵抗の入り切りにより等価的に巻線抵抗を変えている。
  • 発電機のすべり特性を変えることにより、狭い範囲である可変速運転が可能で、その範囲内では出力を一定にできる。
  • 可変速運転が可能な範囲はすべりが1~10%が一般的で、それ以外は通常の誘導発電機と同じである。当然、ソフトスタータも必要。

1.6.3 二次励磁方式またはDoubly Fed型

(1)構成としては、

  • 巻線型誘導機で、回転子巻線とスリップリング、インバータを介して系統とを接続。
  • インバータで回転子電流を制御して可変速運転を行う。可変速範囲はインバータ容量が大きいほど広く取れる。一般に40~110%。
  • 発電機出力PGは次のようになる。

(2)同期速度未満では系統側から回転子へ電力を供給し、逆に同期速度以上では回転子から系統側へ電力を回生する。

  • その制御をインバータが行っている。さらに、発電機出力の力率もインバータで調整できる。通常は力率1で運転されることが多い。
  • 可変速範囲で誘導機側インバータの容量が決まり、力率調整範囲で系統側インバータの容量は決まる。
  • 固定子側をインバータで制御する方式に比べてインバータ容量が小さくて済む(コストが安くなる)。
  • 可変速風車では最も採用されている。

1.6.4 多極同期発電機

(1)構成としては、

  • 多極同期発電機で、固定子巻線とインバータを介して系統とを接続。
  • インバータ制御で可変速運転を行う。可変速範囲は一般に40~110%。インバータ容量は発電機容量と同じかそれ以上必要。
  • 回転子(界磁)は巻線型(エネルコン)と永久磁石型(三菱)がある。
  • 巻線型は励磁機が必要だが、発電機端子電圧を一定にできる。
  • 永久磁石型は回転数により電圧が変わるため、コンバータ制御が複雑。
  • 発電機が扁平大口径となり重量、コストが高。


界磁に永久磁石を用いる場合は不要

(2)系統への出力力率の調整が可能。調整範囲はインバータ容量に依存。

  • 多極化により増速機が不要(低騒音)。
  • 界磁は永久磁石式の方が励磁機が不要な分だけ効率が良くなる。また、永久磁石式の方が巻線式よりもコンパクトにできる。
  • いざとなれば単独運転も可能。

1.6.5 固定速/可変速風車の比較



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