JP2000047741A - 風力発電用電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents
風力発電用電力変換装置およびその制御方法Info
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- Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
Abstract
(57)【要約】
【課題】回転数が変動した場合に風力発電機の出力電力
を最大にする最適動作点の移動量が、出力電圧を基準に
した場合よりも入力インピーダンスを基準にした場合の
方が少ない点に着目し、回転数の変動に拘らず、可及的
効率よく発電電力を利用できる風力発電用電力変換装置
およびその制御方法を提供すること。 【解決手段】風力発電機の負荷の入力インピーダンス値
を、予想される回転数の範囲内で風力発電機のほぼ最適
動作点を与える任意の固定値に設定するか、風力発電機
の出力電圧、電流から演算される出力電力がほぼ最大に
なるように設定する。
を最大にする最適動作点の移動量が、出力電圧を基準に
した場合よりも入力インピーダンスを基準にした場合の
方が少ない点に着目し、回転数の変動に拘らず、可及的
効率よく発電電力を利用できる風力発電用電力変換装置
およびその制御方法を提供すること。 【解決手段】風力発電機の負荷の入力インピーダンス値
を、予想される回転数の範囲内で風力発電機のほぼ最適
動作点を与える任意の固定値に設定するか、風力発電機
の出力電圧、電流から演算される出力電力がほぼ最大に
なるように設定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電システム
の発電電力の有効利用に関し、特に同期型発電機を使用
する風力発電システムにおいて、発電効率を向上させる
ための電力変換装置およびその制御方法に関する。
の発電電力の有効利用に関し、特に同期型発電機を使用
する風力発電システムにおいて、発電効率を向上させる
ための電力変換装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】初期の風力発電システムでは、風車によ
って駆動される誘導または同期型発電機で発生された交
流電流は、整流された後、所望に応じた交流に変換され
て負荷に供給されていた。また多くの場合、風速が小さ
いために発電機の回転数が落ちて発電量が不足する場合
や、風速変動すなわち発電機回転変動に伴なう出力電圧
変動に備えて、負荷には蓄電池などの電力貯蔵装置が付
設されていたので、発電機の出力電圧は前記蓄電池の端
子電圧に固定されていた。
って駆動される誘導または同期型発電機で発生された交
流電流は、整流された後、所望に応じた交流に変換され
て負荷に供給されていた。また多くの場合、風速が小さ
いために発電機の回転数が落ちて発電量が不足する場合
や、風速変動すなわち発電機回転変動に伴なう出力電圧
変動に備えて、負荷には蓄電池などの電力貯蔵装置が付
設されていたので、発電機の出力電圧は前記蓄電池の端
子電圧に固定されていた。
【０００３】一方、周知のように、風力発電システムの
発電電力は発電機回転数の関数であり、その出力電圧対
電力特性曲線は、回転数をパラメ−タとした場合、例え
ば図５のようになる。ここでＡ、Ｂ、Ｃは発電機の回転
数を表している。なお図５は、後述する図２の出力電圧
電流特性図から誘導されるものである。この図から分か
るように、回転数の変動に伴なって、最大電力を与える
端子電圧は可成り大幅に変動する。このため、例えば比
較的高い回転数Ａのときに最大電力が得られるように端
子電圧Ｖa を設定すると、回転数がそれ以下の値Ｂに落
ちたときは出力電力が急減し、さらに回転数がＣにまで
落ちると電力が取り出せなくなってしまう。反対に、低
い回転数Ｃのときに最大電力が得られるように、端子電
圧をＶbに設定した場合は、回転数がＡやＢに増大する
と、特性上は回転数の増加に伴なって潜在的な発電能力
が増大するにも拘らず、実際はこれに応じた電力の取り
出しができず、発電システムの利用効率が悪いという問
題があった。
発電電力は発電機回転数の関数であり、その出力電圧対
電力特性曲線は、回転数をパラメ−タとした場合、例え
ば図５のようになる。ここでＡ、Ｂ、Ｃは発電機の回転
数を表している。なお図５は、後述する図２の出力電圧
電流特性図から誘導されるものである。この図から分か
るように、回転数の変動に伴なって、最大電力を与える
端子電圧は可成り大幅に変動する。このため、例えば比
較的高い回転数Ａのときに最大電力が得られるように端
子電圧Ｖa を設定すると、回転数がそれ以下の値Ｂに落
ちたときは出力電力が急減し、さらに回転数がＣにまで
落ちると電力が取り出せなくなってしまう。反対に、低
い回転数Ｃのときに最大電力が得られるように、端子電
圧をＶbに設定した場合は、回転数がＡやＢに増大する
と、特性上は回転数の増加に伴なって潜在的な発電能力
が増大するにも拘らず、実際はこれに応じた電力の取り
出しができず、発電システムの利用効率が悪いという問
題があった。
【０００４】その対策として、図６に示すように、風力
発電機１の出力端と蓄電池２及び負荷４との間に電力変
換装置３（整流、インピーダンス調整、または／および
インバータ機能などを有する）を配することが提案され
ている。この従来例では、電力変換装置３は、電力変換
用パワー回路３１、電圧基準値Ｖorefを発生する電圧基
準値回路３２、および電力変換用パワー回路３１の出力
電圧Ｖ2 （電圧センサ３５で検出される）を前記電圧基
準値Ｖorefと比較して、前記出力電圧Ｖ2 が前記電圧基
準値Ｖorefに等しくなるように、前記電力変換用パワー
回路３１（の内部インピーダンスなどの特性）を制御す
るフィードバック回路３３を含む。電力変換用パワー回
路３１の出力には蓄電池２および負荷４が接続される。
上述の構成により、図６の風力発電システムでは、電力
変換装置３によってその出力電圧Ｖ2 が一定値Ｖorefに
調整される。
発電機１の出力端と蓄電池２及び負荷４との間に電力変
換装置３（整流、インピーダンス調整、または／および
インバータ機能などを有する）を配することが提案され
ている。この従来例では、電力変換装置３は、電力変換
用パワー回路３１、電圧基準値Ｖorefを発生する電圧基
準値回路３２、および電力変換用パワー回路３１の出力
電圧Ｖ2 （電圧センサ３５で検出される）を前記電圧基
準値Ｖorefと比較して、前記出力電圧Ｖ2 が前記電圧基
準値Ｖorefに等しくなるように、前記電力変換用パワー
回路３１（の内部インピーダンスなどの特性）を制御す
るフィードバック回路３３を含む。電力変換用パワー回
路３１の出力には蓄電池２および負荷４が接続される。
上述の構成により、図６の風力発電システムでは、電力
変換装置３によってその出力電圧Ｖ2 が一定値Ｖorefに
調整される。
【０００５】また電力変換装置３の出力に接続された負
荷４および蓄電池２は電圧Ｖ2 に応じた一定の電力を消
費しているので、風力発電機１には上記一定の消費電力
に電力変換装置３の損失分を加えた発電電力が要求され
る。
荷４および蓄電池２は電圧Ｖ2 に応じた一定の電力を消
費しているので、風力発電機１には上記一定の消費電力
に電力変換装置３の損失分を加えた発電電力が要求され
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来の風
力発電システムを安定動作させるには、上記から明らか
なように、風力発電機１に要求される電力を上回る発電
が可能な風速が必要となる。一方前記必要以上の発電が
可能な風速すなわち回転数がある場合でも、負荷４及び
蓄電池２は上記電力変換装置３の出力電圧Ｖ２で決まる
消費電力以上には電力を消費できないため、風力発電機
１の発電能力を有効利用できない。つまり従来の風力発
電用電力変換装置では、遅過ぎも早過ぎもせず、中庸の
適度な風速の場合しか、効率の良い発電利用ができない
という問題があった。
力発電システムを安定動作させるには、上記から明らか
なように、風力発電機１に要求される電力を上回る発電
が可能な風速が必要となる。一方前記必要以上の発電が
可能な風速すなわち回転数がある場合でも、負荷４及び
蓄電池２は上記電力変換装置３の出力電圧Ｖ２で決まる
消費電力以上には電力を消費できないため、風力発電機
１の発電能力を有効利用できない。つまり従来の風力発
電用電力変換装置では、遅過ぎも早過ぎもせず、中庸の
適度な風速の場合しか、効率の良い発電利用ができない
という問題があった。
【０００７】本発明の目的は、上記の問題点を解決し
て、どのような風速、回転数の場合でも可及的効率よく
発電できる風力発電用電力変換装置およびその制御方法
を提供することにある。
て、どのような風速、回転数の場合でも可及的効率よく
発電できる風力発電用電力変換装置およびその制御方法
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の風力発電用電力
変換装置は、風力発電機の出力電力を負荷の電気方式に
適した電力に変換する電力変換用パワー回路と、前記電
力変換用パワー回路への入力電圧および入力電流を検出
する手段と、前記入力電圧と入力電流との間の比例係数
を設定する手段と、前記比例係数および前記入力電圧に
基づいて前記入力電流の目標値を設定する手段と、前記
入力電流が前記目標値に近付くように前記電力変換用パ
ワー回路の入力インピーダンスを制御するフィードバッ
ク手段とを具備した点に特徴がある。
変換装置は、風力発電機の出力電力を負荷の電気方式に
適した電力に変換する電力変換用パワー回路と、前記電
力変換用パワー回路への入力電圧および入力電流を検出
する手段と、前記入力電圧と入力電流との間の比例係数
を設定する手段と、前記比例係数および前記入力電圧に
基づいて前記入力電流の目標値を設定する手段と、前記
入力電流が前記目標値に近付くように前記電力変換用パ
ワー回路の入力インピーダンスを制御するフィードバッ
ク手段とを具備した点に特徴がある。
【０００９】前記比例係数は、予想される回転数範囲に
おける風力発電機の各最適動作点に相応するパワー回路
の入力インピーダンス範囲のある値、または検出された
入力電圧および入力電流を用いて演算される電力が最大
になるようなインピーダンス値の関数（例えば、それぞ
れの値そのもの、またはその逆数）に設定される。
おける風力発電機の各最適動作点に相応するパワー回路
の入力インピーダンス範囲のある値、または検出された
入力電圧および入力電流を用いて演算される電力が最大
になるようなインピーダンス値の関数（例えば、それぞ
れの値そのもの、またはその逆数）に設定される。
【００１０】さらに本発明の風力発電用電力変換装置
は、前記入力電圧の下限値を発生する入力電圧下限値発
生手段と、前記入力電圧下限値に対する入力電圧の偏差
に基づいて、入力電圧を前記下限値に保持するための第
２の入力電流目標値を設定する手段、ならびに／または
前記電力変換用パワー回路の出力電圧の上限値を発生す
る出力電圧上限値発生手段と、前記出力電圧下限値に対
する検出出力電圧の偏差に基づいて、検出出力電圧を前
記上限値以下に保持するための第３の入力電流目標値を
設定する手段を具備することができる。その場合はさら
に、前記入力電流目標値ならびに第２、第３入力電流目
標値の中の最小値を選択する低値選択手段を具備する。
は、前記入力電圧の下限値を発生する入力電圧下限値発
生手段と、前記入力電圧下限値に対する入力電圧の偏差
に基づいて、入力電圧を前記下限値に保持するための第
２の入力電流目標値を設定する手段、ならびに／または
前記電力変換用パワー回路の出力電圧の上限値を発生す
る出力電圧上限値発生手段と、前記出力電圧下限値に対
する検出出力電圧の偏差に基づいて、検出出力電圧を前
記上限値以下に保持するための第３の入力電流目標値を
設定する手段を具備することができる。その場合はさら
に、前記入力電流目標値ならびに第２、第３入力電流目
標値の中の最小値を選択する低値選択手段を具備する。
【００１１】これにより、本発明の風力発電用電力変換
装置を有する風力発電システムは、発電機回転数の広い
範囲にわたって可及的効率よく発電することができる。
のみならず、パワー回路の入力インピーダンスの回転数
変動に伴なう調整量を少なくしたり、固定したりするこ
とができて、その結果、回転数の広い範囲の変動に対し
て制御の応答性と精度を改善することができ、さらには
発電能力の有効利用もできるようになる。
装置を有する風力発電システムは、発電機回転数の広い
範囲にわたって可及的効率よく発電することができる。
のみならず、パワー回路の入力インピーダンスの回転数
変動に伴なう調整量を少なくしたり、固定したりするこ
とができて、その結果、回転数の広い範囲の変動に対し
て制御の応答性と精度を改善することができ、さらには
発電能力の有効利用もできるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】つぎに図面を参照して本発明の１
実施例を詳細に説明する。図２は、一般的な風力発電機
の出力電圧Ｖo （横軸）に対する出力電流Ｉo （縦軸）
の関係の１例を、発電機回転数Ａ〜Ｃをパラメ−タとし
て示す電圧電流特性図、また図３は図２に基づいて得ら
れた発電機出力端（＝パワー回路入力）インピーダンス
（横軸）対出力電力（縦軸）特性を、同じく回転数Ａ〜
Ｃをパラメ−タとして示す図である。
実施例を詳細に説明する。図２は、一般的な風力発電機
の出力電圧Ｖo （横軸）に対する出力電流Ｉo （縦軸）
の関係の１例を、発電機回転数Ａ〜Ｃをパラメ−タとし
て示す電圧電流特性図、また図３は図２に基づいて得ら
れた発電機出力端（＝パワー回路入力）インピーダンス
（横軸）対出力電力（縦軸）特性を、同じく回転数Ａ〜
Ｃをパラメ−タとして示す図である。
【００１３】図２や図３、図５から分かるように、風力
発電機１の出力特性は、その回転数の変動にしたがって
大きく変化する。図３と図５との対比から、回転数が変
化した場合に風力発電機１から最大電力を取り出すため
の最適動作点（図３及び図５における各曲線のピーク
点）は、図５のように出力端子電圧を基準とした場合
は、その調整量または範囲を図５のＱ´のように可成り
大きくしなければならないが、図３のように風力発電機
１の出力端インピーダンスを基準とした場合は、その調
整量または範囲が図３のＱのように極めて小さくて済む
ことが分かる。このことは、パワー回路６の入力インピ
ーダンス値を、予想される回転数の範囲内で風力発電機
１のほぼ最適動作点を与える任意の固定値に設定してお
いても、回転数変化に関係なく、風力発電機１の発電能
力を有効に利用することができることを示している。本
発明はこのような新規な知見に基づいてなされたもので
あり、以下にその実施例を具体的に説明する。
発電機１の出力特性は、その回転数の変動にしたがって
大きく変化する。図３と図５との対比から、回転数が変
化した場合に風力発電機１から最大電力を取り出すため
の最適動作点（図３及び図５における各曲線のピーク
点）は、図５のように出力端子電圧を基準とした場合
は、その調整量または範囲を図５のＱ´のように可成り
大きくしなければならないが、図３のように風力発電機
１の出力端インピーダンスを基準とした場合は、その調
整量または範囲が図３のＱのように極めて小さくて済む
ことが分かる。このことは、パワー回路６の入力インピ
ーダンス値を、予想される回転数の範囲内で風力発電機
１のほぼ最適動作点を与える任意の固定値に設定してお
いても、回転数変化に関係なく、風力発電機１の発電能
力を有効に利用することができることを示している。本
発明はこのような新規な知見に基づいてなされたもので
あり、以下にその実施例を具体的に説明する。
【００１４】図１は本発明の第１実施例による電力変換
装置６を備えた風力発電システムの構成を示すブロック
図である。電圧センサ６３で検出された電力変換装置６
の入力電圧信号（すなわち、発電機１の出力電圧信号）
Ｖ1 は乗算器６５に供給される。前記乗算器６５には、
比例係数発生器６４から発生される、入力電圧と入力電
流との間の（目標）比例係数Ｒref も供給される。前記
（目標）比例係数Ｒref については後述する。
装置６を備えた風力発電システムの構成を示すブロック
図である。電圧センサ６３で検出された電力変換装置６
の入力電圧信号（すなわち、発電機１の出力電圧信号）
Ｖ1 は乗算器６５に供給される。前記乗算器６５には、
比例係数発生器６４から発生される、入力電圧と入力電
流との間の（目標）比例係数Ｒref も供給される。前記
（目標）比例係数Ｒref については後述する。
【００１５】前記乗算器６５の積出力Ｖ1 ×Ｒref は、
後述するように、風力発電機の最適動作点を実現するた
めの入力電流目標値Ｉ1refであり、フィードバック回路
６６に供給される。フィードバック回路６６は電力変換
変換用パワー回路６１の特性（入力インピーダンス）を
調整して、入力電流Ｉ1 （電流センサ６２で検出され
る）が前記電流目標値Ｉ1refに近付くようにする。
後述するように、風力発電機の最適動作点を実現するた
めの入力電流目標値Ｉ1refであり、フィードバック回路
６６に供給される。フィードバック回路６６は電力変換
変換用パワー回路６１の特性（入力インピーダンス）を
調整して、入力電流Ｉ1 （電流センサ６２で検出され
る）が前記電流目標値Ｉ1refに近付くようにする。
【００１６】図１においては、入力電圧Ｖ1 、入力電流
Ｉ1 および電力変換装置６の入力インピーダンスＲ１の
関係は、次のように表わされる。 Ｉ1 ＝Ｖ1 ×Ｒref Ｒ１＝Ｖ1 ／Ｉ1 ＝１／Ｒref この関係から、比例係数Rrefを目標入力インピーダンス
の逆数に等しくすることにより、最適動作点を実現する
ために電力変換装置６が必要とする入力インピーダンス
を設定できることが分かる。したがって、例えば図３
で、ＡからＣの範囲の回転数が予測されている場合、同
図にＱで示した範囲内の入力インピーダンス値の逆数を
比例係数Ｒref として設定しておけば、回転数が前記範
囲内で変動しても、風力発電機１は常に最適動作点また
はその近傍で動作することになり、発電機の発電能力を
有効に利用することができる。これに対して、図５に示
したように出力電圧を基準とした場合は、回転数が変動
すると、風力発電機の出力電圧がＱ´のように大きく変
動することになり、このような変動に対応することは、
ほとんど不可能になってしまい、発電機の発電能力を有
効に利用することができない。なお後述するように、前
記比例係数は、関連回路の機能に応じてはインピーダン
ス値そのものであっても良いが、一般的にはインピーダ
ンス値の関数である。
Ｉ1 および電力変換装置６の入力インピーダンスＲ１の
関係は、次のように表わされる。 Ｉ1 ＝Ｖ1 ×Ｒref Ｒ１＝Ｖ1 ／Ｉ1 ＝１／Ｒref この関係から、比例係数Rrefを目標入力インピーダンス
の逆数に等しくすることにより、最適動作点を実現する
ために電力変換装置６が必要とする入力インピーダンス
を設定できることが分かる。したがって、例えば図３
で、ＡからＣの範囲の回転数が予測されている場合、同
図にＱで示した範囲内の入力インピーダンス値の逆数を
比例係数Ｒref として設定しておけば、回転数が前記範
囲内で変動しても、風力発電機１は常に最適動作点また
はその近傍で動作することになり、発電機の発電能力を
有効に利用することができる。これに対して、図５に示
したように出力電圧を基準とした場合は、回転数が変動
すると、風力発電機の出力電圧がＱ´のように大きく変
動することになり、このような変動に対応することは、
ほとんど不可能になってしまい、発電機の発電能力を有
効に利用することができない。なお後述するように、前
記比例係数は、関連回路の機能に応じてはインピーダン
ス値そのものであっても良いが、一般的にはインピーダ
ンス値の関数である。
【００１７】上記の第１実施例では、回転数が変動した
場合にもほぼ近似的に最適動作点での動作が実現できる
が、正確に最適動作点に追従することはできない。本発
明の第２実施例は、回転数の変動に応答して常に最適動
作点に自動的に移行できるようにした風力発電用電力変
換装置である。図４は本発明の第２実施例のブロック図
である。
場合にもほぼ近似的に最適動作点での動作が実現できる
が、正確に最適動作点に追従することはできない。本発
明の第２実施例は、回転数の変動に応答して常に最適動
作点に自動的に移行できるようにした風力発電用電力変
換装置である。図４は本発明の第２実施例のブロック図
である。
【００１８】マイクロプロセッサ（MPU ）７１には、電
流および電圧センサ６２、６３で検出された電力変換装
置６への入力電流、電圧信号（すなわち、発電機１の出
力電流および電圧信号）Ｉ1 、Ｖ1 が供給される。マイ
クロプロセッサ（MPU ）７１は、後述するように、電圧
信号Ｖ1 および電流信号Ｉ1 を使用して演算される発電
機出力電力を最大にするような比例係数Ｒref を乗算器
６５に供給する。前記乗算器６５には前記電圧信号Ｖ1
も供給され、後述するように、最適動作点を実現するた
めの入力電流目標値Ｉ1refを出力する。フィードバック
回路６６が電力変換用パワー回路６１の特性（入力イン
ピーダンス）を調整し、入力電流Ｉ1 が前記電流目標値
Ｉ1refに等しくなるようにすることにより、回転数の変
化に伴なって入力インピーダンスを調整し、最適動作点
に追従する。
流および電圧センサ６２、６３で検出された電力変換装
置６への入力電流、電圧信号（すなわち、発電機１の出
力電流および電圧信号）Ｉ1 、Ｖ1 が供給される。マイ
クロプロセッサ（MPU ）７１は、後述するように、電圧
信号Ｖ1 および電流信号Ｉ1 を使用して演算される発電
機出力電力を最大にするような比例係数Ｒref を乗算器
６５に供給する。前記乗算器６５には前記電圧信号Ｖ1
も供給され、後述するように、最適動作点を実現するた
めの入力電流目標値Ｉ1refを出力する。フィードバック
回路６６が電力変換用パワー回路６１の特性（入力イン
ピーダンス）を調整し、入力電流Ｉ1 が前記電流目標値
Ｉ1refに等しくなるようにすることにより、回転数の変
化に伴なって入力インピーダンスを調整し、最適動作点
に追従する。
【００１９】さらに具体的に言えば、回転数の変動に伴
なって入力電圧Ｖ1 が変動したとき、マイクロプロセッ
サ７１は、その時点での入力電力Ｖ1 ×Ｉ1 を演算する
と共に、その出力電力を最大にするような比例係数Ｒre
f を予定の微少量だけ１方向へ変化させた後の入力電力
Ｖ1 ×Ｉ1 を再び演算してその増減を判定し、入力電力
が増加する方向へ前記Ｒref の値を前記予定量ずつ更新
していく。この動作を継続すること（いわゆる「山登り
法」として知られている）によって、回転数が変化した
場合にも最適動作点を維持することができる。
なって入力電圧Ｖ1 が変動したとき、マイクロプロセッ
サ７１は、その時点での入力電力Ｖ1 ×Ｉ1 を演算する
と共に、その出力電力を最大にするような比例係数Ｒre
f を予定の微少量だけ１方向へ変化させた後の入力電力
Ｖ1 ×Ｉ1 を再び演算してその増減を判定し、入力電力
が増加する方向へ前記Ｒref の値を前記予定量ずつ更新
していく。この動作を継続すること（いわゆる「山登り
法」として知られている）によって、回転数が変化した
場合にも最適動作点を維持することができる。
【００２０】図４の第２実施例には、さらに下記の入力
電圧の下限制限機能および出力電力の上限制限機能が追
加されている。
電圧の下限制限機能および出力電力の上限制限機能が追
加されている。
【００２１】入力電圧の下限制限機能は、回転数が低下
するにつれて発電電力も減少し、その出力電圧が電力変
換装置６の動作に必要な入力電圧を下回ってしまうと、
電力変換装置６の運転が停止されるので、低回転数時に
おいて電力変換装置６の運転停止・再開が繰り返される
のを抑制するためのものである。このためにフィードバ
ック回路７３が設けられ、これが入力電圧下限値発生器
７２からの基準値Viref と電圧信号Ｖ1 とを比較し、入
力電圧Ｖ1 がViref を下回らないように制御するための
第２の電流目標値Ｉ2refを演算し発生する。
するにつれて発電電力も減少し、その出力電圧が電力変
換装置６の動作に必要な入力電圧を下回ってしまうと、
電力変換装置６の運転が停止されるので、低回転数時に
おいて電力変換装置６の運転停止・再開が繰り返される
のを抑制するためのものである。このためにフィードバ
ック回路７３が設けられ、これが入力電圧下限値発生器
７２からの基準値Viref と電圧信号Ｖ1 とを比較し、入
力電圧Ｖ1 がViref を下回らないように制御するための
第２の電流目標値Ｉ2refを演算し発生する。
【００２２】出力電圧の上限制限機能は、回転数が上昇
して発電電力が電力変換装置６および負荷５の消費電力
を超え、さらに電力変換装置６の出力電圧が蓄電池２の
満充電相当の値を超えるようになったとき、前記出力電
圧がそれ以上に上昇するのを抑制するためのものであ
る。このためにフィードバック回路７５が設けられ、こ
れが出力電圧上限値発生器７４からの基準値Voref と出
力電圧信号Ｖo とを比較し、出力電圧Ｖo が基準値Vore
f を超えないように制御するための第３の電流目標値Ｉ
3refを演算し発生する。
して発電電力が電力変換装置６および負荷５の消費電力
を超え、さらに電力変換装置６の出力電圧が蓄電池２の
満充電相当の値を超えるようになったとき、前記出力電
圧がそれ以上に上昇するのを抑制するためのものであ
る。このためにフィードバック回路７５が設けられ、こ
れが出力電圧上限値発生器７４からの基準値Voref と出
力電圧信号Ｖo とを比較し、出力電圧Ｖo が基準値Vore
f を超えないように制御するための第３の電流目標値Ｉ
3refを演算し発生する。
【００２３】低値選択回路７６は、そこに供給される前
記３種の電流目標値Ｉ1ref、Ｉ2ref、Ｉ3refの中の最小
値を選択してフィードバック回路６６に供給する。フィ
ードバック回路６６は、入力電流値Ｉ1 が選択された電
流目標値信号に等しくなるように、電力変換用パワー回
路６１の入力インピーダンスを調整する。
記３種の電流目標値Ｉ1ref、Ｉ2ref、Ｉ3refの中の最小
値を選択してフィードバック回路６６に供給する。フィ
ードバック回路６６は、入力電流値Ｉ1 が選択された電
流目標値信号に等しくなるように、電力変換用パワー回
路６１の入力インピーダンスを調整する。
【００２４】第２実施例においては、回転数が大き過ぎ
て過剰な電力が発生されるときは出力電圧が予定の上限
値を超えないようにフィードバック回路７５で制御し、
回転数が適当で電力変換装置６および負荷４の消費電力
を賄えるときは、発電機の動作点が最適動作点に合致す
るように電力変換装置６の入力インピーダンスを調整し
ながら、電力変換装置６および負荷４に電力を供給する
とともに余剰電力で蓄電池２を充電する。また負荷の要
求電力を下回るときは、発電電力を負荷５に供給する一
方、不足分は蓄電池２から供給する。回転数がさらに低
下して発電電力量が電力変換装置６の動作用電力以下に
なったときは電力変換装置６の動作を停止する。
て過剰な電力が発生されるときは出力電圧が予定の上限
値を超えないようにフィードバック回路７５で制御し、
回転数が適当で電力変換装置６および負荷４の消費電力
を賄えるときは、発電機の動作点が最適動作点に合致す
るように電力変換装置６の入力インピーダンスを調整し
ながら、電力変換装置６および負荷４に電力を供給する
とともに余剰電力で蓄電池２を充電する。また負荷の要
求電力を下回るときは、発電電力を負荷５に供給する一
方、不足分は蓄電池２から供給する。回転数がさらに低
下して発電電力量が電力変換装置６の動作用電力以下に
なったときは電力変換装置６の動作を停止する。
【００２５】なお図４の実施例においては、入力電圧の
下限制限機能および出力電圧上限制限機能のいずれか一
方を省略してもよいことは明らかである。 以上の説明
から容易に理解されるように、乗算器６５から目標電流
信号Ｉref を発生させるためには、前記各実施例のよう
に乗算器６５に目標インピーダンスの逆数に相当するＲ
ref を供給する代わりに、比例係数発生器６４やマイク
ロプロセッサ７１からは目標インピーダンス値を発生す
るようにし、乗算器を除算器で置き換えても良い。
下限制限機能および出力電圧上限制限機能のいずれか一
方を省略してもよいことは明らかである。 以上の説明
から容易に理解されるように、乗算器６５から目標電流
信号Ｉref を発生させるためには、前記各実施例のよう
に乗算器６５に目標インピーダンスの逆数に相当するＲ
ref を供給する代わりに、比例係数発生器６４やマイク
ロプロセッサ７１からは目標インピーダンス値を発生す
るようにし、乗算器を除算器で置き換えても良い。
【００２６】前記電力変換用パワー回路６１は、フィー
ドバック回路６６からの制御信号に応じてその入力イン
ピーダンスが調整される特性を有するものであればどの
ようなものでもよいが、本発明の理解を容易にするため
に、その具体例の１つを図７に示す。
ドバック回路６６からの制御信号に応じてその入力イン
ピーダンスが調整される特性を有するものであればどの
ようなものでもよいが、本発明の理解を容易にするため
に、その具体例の１つを図７に示す。
【００２７】風力発電機の出力交流は整流器８１とコン
デンサ８２からなる濾波回路によって整流され、さらに
インダクタ８３とトランジスタ８５とダイオード８４と
コンデンサ８７からなる、いわゆる「昇圧チョッパ回
路」を介して負荷４及び蓄電池２（図１、４）に出力さ
れると共に、前記負荷と並列接続されたトランジスタ８
５にも印加される。比較器８６の正入力端子にはフィー
ドバック回路６６（図１、４）からの制御信号が、また
その負入力端子には三角波信号がそれぞれ供給されるの
で、前記比較器８６は、前記制御信号の振幅が三角波信
号のそれを上回るときに信号を発生して前記トランジス
タ８５を導通させる。これにより、前記トランジスタ８
５の導通時間比が前記制御信号の大きさに応じて制御さ
れ、前記電力変換用パワー回路６１の実効的な入力イン
ピーダンスが、前記制御信号の関数として制御される。
デンサ８２からなる濾波回路によって整流され、さらに
インダクタ８３とトランジスタ８５とダイオード８４と
コンデンサ８７からなる、いわゆる「昇圧チョッパ回
路」を介して負荷４及び蓄電池２（図１、４）に出力さ
れると共に、前記負荷と並列接続されたトランジスタ８
５にも印加される。比較器８６の正入力端子にはフィー
ドバック回路６６（図１、４）からの制御信号が、また
その負入力端子には三角波信号がそれぞれ供給されるの
で、前記比較器８６は、前記制御信号の振幅が三角波信
号のそれを上回るときに信号を発生して前記トランジス
タ８５を導通させる。これにより、前記トランジスタ８
５の導通時間比が前記制御信号の大きさに応じて制御さ
れ、前記電力変換用パワー回路６１の実効的な入力イン
ピーダンスが、前記制御信号の関数として制御される。
【００２８】以上においては、整流された直流電力が直
接負荷に供給される例について述べたが、本発明が交流
負荷に対しても適用できることは明らかである。交流負
荷の場合は、例えば、図１、４の負荷４の入力側にイン
バータを配置すれば良い。
接負荷に供給される例について述べたが、本発明が交流
負荷に対しても適用できることは明らかである。交流負
荷の場合は、例えば、図１、４の負荷４の入力側にイン
バータを配置すれば良い。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、風速の変動に伴なう発
電機回転数の変動に応答して風力発電機を最適動作点で
運転させるための制御を、その負荷となる電力変換装置
の入力インピーダンス（すなわち、入力電圧と入力電流
の比例係数）の調整によって行なうので、回転数変動に
伴なう調整量が少なくて済み、ひいては回転数の広い範
囲の変動に対して制御の応答性と精度を改善することが
できるのみならず、発電能力の有効利用もできるように
なる。また本発明によれば、同一規模の発電システムで
あればより大きな消費電力の負荷に対する電力供給が可
能になり、同一の負荷であれば発電システムの小型化が
可能となるため、設備の利用効率を改善できる。
電機回転数の変動に応答して風力発電機を最適動作点で
運転させるための制御を、その負荷となる電力変換装置
の入力インピーダンス（すなわち、入力電圧と入力電流
の比例係数）の調整によって行なうので、回転数変動に
伴なう調整量が少なくて済み、ひいては回転数の広い範
囲の変動に対して制御の応答性と精度を改善することが
できるのみならず、発電能力の有効利用もできるように
なる。また本発明によれば、同一規模の発電システムで
あればより大きな消費電力の負荷に対する電力供給が可
能になり、同一の負荷であれば発電システムの小型化が
可能となるため、設備の利用効率を改善できる。
【図１】本発明の第１実施例のブロック図である。
【図２】風力発電機の一般的な出力電流対出力電圧特性
図である。
図である。
【図３】風力発電機の一般的な負荷インピーダンス対出
力電力特性図である。
力電力特性図である。
【図４】本発明の第２実施例のブロック図である。
【図５】風力発電機の一般的な出力電圧対出力電力特性
図である。
図である。
【図６】従来の風力発電システムの１例を示すブロック
図である。
図である。
【図７】本発明に好適な電力変換用パワー回路の具体例
を示すブロックである。
を示すブロックである。
１…風力発電機、 ６…電力変換装置、 ６１…電力変
換用パワー回路、 ６４…比例係数発生器、 ６５…乗
算器、 ６６、７３、７５…フィードバック回路、 ７
１…マイクロプロセッサ、 ７６…低値選択回路
換用パワー回路、 ６４…比例係数発生器、 ６５…乗
算器、 ６６、７３、７５…フィードバック回路、 ７
１…マイクロプロセッサ、 ７６…低値選択回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉原 裕征 茨城県新治郡千代田町下稲吉西山2673− 169 株式会社関電工技術研究所内 (72)発明者 西川 省吾 茨城県新治郡千代田町下稲吉西山2673− 169 株式会社関電工技術研究所内 (72)発明者 ▲高▼瀬 浩司 福岡県福岡市博多区美野島１丁目２番８号 ＮＴビル ニシム電子工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA01 CA01 CA11 DA06 DA18 GB03 GB06 GC05 5G066 JA01 JB03 5H420 BB03 BB14 CC04 DD02 DD03 DD09 EB18 EB26 EB38 EB40 FF03 FF04 FF05 FF24 FF26 GG03 NB02 NB03 NB04 NB28 NC06 NC36 5H590 AA02 AA03 AA22 AA23 CA14 CC01 CC08 CD03 EB14 EB24 FA08 GA06 GB05 HA02 HA04 HB01
Claims (6)
- 【請求項１】風力発電機の出力が接続されるようにされ
た入力端と、電力貯蔵手段及び負荷が接続されるように
された出力端とを備えた風力発電用電力変換装置におい
て、 前記風力発電機の出力電力を負荷の電気方式に適した電
力に変換する電力変換用パワー回路と、 前記電力変換用パワー回路への入力電圧および入力電流
を検出する手段と、 前記入力電圧と入力電流との間の比例係数を設定する手
段と、 前記比例係数および前記入力電圧に基づいて前記入力電
流の目標値を設定する手段と、 前記入力電流が前記目標値に近付くように前記電力変換
用パワー回路の入力インピーダンスを制御するフィード
バック手段とを具備したことを特徴とする風力発電用電
力変換装置。 - 【請求項２】前記比例係数設定手段は、予定の風力発電
機回転範囲における風力発電機の回転数に応じた電力が
最大となる最適動作点に相応するパワー回路の入力イン
ピーダンスの逆数の関数として設定する手段であること
を特徴とする請求項１に記載の風力発電用電力変換装
置。 - 【請求項３】前記比例係数設定手段は、前記風力発電機
の回転数の変動に伴って新たに検出された入力電圧およ
び入力電流を用いて電力が最大になる最適動作点に相応
するように比例係数を演算することを特徴とする請求項
１に記載の風力発電用電力変換装置。 - 【請求項４】前記電力変換用パワー回路への入力電圧不
足に起因する運転停止を抑制するための、入力電圧の下
限値を発生する入力電圧下限値発生手段と、 検出された入力電圧の前記入力電圧下限値に対する偏差
に基づいて、検出された入力電圧をその前記下限値に保
持するための第２の入力電流目標値を設定する手段と、 前記入力電流目標値および第２入力電流目標値の中の低
値を選択する手段とをさらに具備し、 前記フィードバック手段は、前記入力電流が前記選択さ
れた低値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入
力インピーダンスを制御することを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の風力発電用電力変換装置。 - 【請求項５】前記電力変換用パワー回路の出力電圧を検
出する手段と、 前記電力変換用パワー回路の出力電圧の上限値を発生す
る出力電圧上限値発生手段と、 検出された出力電圧の前記出力電圧下限値に対する偏差
に基づいて、検出された出力電圧をその前記上限値以下
に保持するための第３の入力電流目標値を設定する手段
と、 前記入力電流目標値および第３入力電流目標値の中の低
値を選択する手段とをさらに具備し、 前記フィードバック手段は、前記入力電流が前記選択さ
れた低値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入
力インピーダンスを制御することを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の風力発電用電力変換装置。 - 【請求項６】風力発電機の出力に電力変換装置を接続
し、電力変換装置の出力に電力貯蔵手段、及び負荷を接
続した風力発電装置における電力変換の制御方法におい
て、 電力変換用パワー回路により、前記風力発電機の出力電
力を、負荷の電気方式に適した電力に変換すること、 前記電力変換用パワー回路への入力電圧、及び入力電流
を検出すること、 前記入力電圧と入力電流との間の比例係数を設定するこ
と、 前記比例係数、及び前記入力電圧に基づいて前記入力電
流の目標値を設定すること、および前記入力電流が前記
目標値に近付くように、前記電力変換用パワー回路の入
力インピーダンスをフィードバックして制御することを
特徴とする風力発電装置における電力変換の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21376298A JP4272276B2 (ja) | 1998-07-29 | 1998-07-29 | 風力発電用電力変換装置およびその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21376298A JP4272276B2 (ja) | 1998-07-29 | 1998-07-29 | 風力発電用電力変換装置およびその制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000047741A true JP2000047741A (ja) | 2000-02-18 |
| JP4272276B2 JP4272276B2 (ja) | 2009-06-03 |
Family
ID=16644615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21376298A Expired - Lifetime JP4272276B2 (ja) | 1998-07-29 | 1998-07-29 | 風力発電用電力変換装置およびその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4272276B2 (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002252998A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-09-06 | Honma Kogyo Kk | 風力発電装置 |
| WO2002078148A1 (en) | 2001-03-23 | 2002-10-03 | Stefan Larsson | A device for charging at least one electric battery on board a boat |
| JP2010035334A (ja) * | 2008-07-29 | 2010-02-12 | Sinfonia Technology Co Ltd | 発電制御装置及び発電制御方法 |
| KR101155539B1 (ko) * | 2010-12-15 | 2012-06-19 | 가부시키가이샤 히다치 엔지니어링 앤드 서비스 | 재생 가능 에너지 이용 발전시스템의 제어방법 |
| KR101168971B1 (ko) * | 2009-03-20 | 2012-07-27 | 가부시키가이샤 히다치 엔지니어링 앤드 서비스 | 축전시스템 병설형 풍력발전시스템 |
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| WO2014097833A1 (ja) * | 2012-12-21 | 2014-06-26 | ソニー株式会社 | 受電回路、電力供給システム及び電力制御方法 |
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| WO2016112915A1 (en) * | 2015-01-13 | 2016-07-21 | Vestas Wind Systems A/S | Monitoring of a dc-link of a split wind-turbine-converter system |
| CN105896605A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-08-24 | 沈阳远大电力电子科技有限公司 | 一种高压变换发电系统 |
| WO2016208432A1 (ja) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | 株式会社日立製作所 | ウィンドファーム制御装置，ウィンドファーム及びウィンドファーム制御方法 |
| JP2019028578A (ja) * | 2017-07-27 | 2019-02-21 | 新日本無線株式会社 | Ａｃ／ｄｃコンバータ回路 |
-
1998
- 1998-07-29 JP JP21376298A patent/JP4272276B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| US10236810B2 (en) | 2015-01-13 | 2019-03-19 | Vestas Wind Systems A/S | Monitoring of a DC-link of a split wind-turbine-converter system |
| WO2016208432A1 (ja) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | 株式会社日立製作所 | ウィンドファーム制御装置，ウィンドファーム及びウィンドファーム制御方法 |
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