JP2003134890A - 永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置とその始動方法 - Google Patents
永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置とその始動方法Info
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- JP2003134890A JP2003134890A JP2001317928A JP2001317928A JP2003134890A JP 2003134890 A JP2003134890 A JP 2003134890A JP 2001317928 A JP2001317928 A JP 2001317928A JP 2001317928 A JP2001317928 A JP 2001317928A JP 2003134890 A JP2003134890 A JP 2003134890A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Abstract
(57)【要約】
【課題】 永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置
において、発電機速度センサを用いることなく発電機を
可変速駆動することを可能とすること。 【解決手段】 風車１の軸に永久磁石型同期発電機２の
回転子が接続され、この発電機２の固定子巻線に第1の
変換器３が接続された風力発電システムにおいて、第1
の変換器３の運転中には、発電機端子電圧と電流に基い
て第１の速度推定器１０により発電機２の速度を推定す
る。一方、第1の変換器３の停止中には、発電機端子電
圧に基いて第２の速度推定器１７により発電機２の速度
を推定する。
において、発電機速度センサを用いることなく発電機を
可変速駆動することを可能とすること。 【解決手段】 風車１の軸に永久磁石型同期発電機２の
回転子が接続され、この発電機２の固定子巻線に第1の
変換器３が接続された風力発電システムにおいて、第1
の変換器３の運転中には、発電機端子電圧と電流に基い
て第１の速度推定器１０により発電機２の速度を推定す
る。一方、第1の変換器３の停止中には、発電機端子電
圧に基いて第２の速度推定器１７により発電機２の速度
を推定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石型同期発電
機を用いた風力発電装置とその始動方法の改良に関す
る。
機を用いた風力発電装置とその始動方法の改良に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】風力発電システムでは、例えば特開２０
００−３４５９５２号公報に開示されているように、風
のエネルギーによって回転する風車が同期発電機に接続
され、風車が同期発電機を駆動することで同期発電機が
発電する。同期発電機の出力する交流電力は順変換器
（第１の変換器）により直流電力に変換され、さらに逆
変換器（第２の変換器）により商用周波数の交流電力に
変換され、電力系統に供給される。
００−３４５９５２号公報に開示されているように、風
のエネルギーによって回転する風車が同期発電機に接続
され、風車が同期発電機を駆動することで同期発電機が
発電する。同期発電機の出力する交流電力は順変換器
（第１の変換器）により直流電力に変換され、さらに逆
変換器（第２の変換器）により商用周波数の交流電力に
変換され、電力系統に供給される。
【０００３】一方、永久磁石型同期機を可変速駆動する
ためには、発電機速度センサが必要であり、従来は回転
子の絶対位置が検出できるパルスエンコーダやレゾルバ
などの回転子位置検出器を用いることが一般的である。
一例として、特開２０００−２０５００２号公報にレゾ
ルバを用いた電動機の制御システムが記載されている。
なお、同期電動機のセンサレスベクトル制御において
は、例えば、特開平９−１９１６９８号公報や特開２０
０１−１７８１７４号公報等に見られるように、端子電
圧や電流等の電気量から磁極位置情報を演算することが
知られている。
ためには、発電機速度センサが必要であり、従来は回転
子の絶対位置が検出できるパルスエンコーダやレゾルバ
などの回転子位置検出器を用いることが一般的である。
一例として、特開２０００−２０５００２号公報にレゾ
ルバを用いた電動機の制御システムが記載されている。
なお、同期電動機のセンサレスベクトル制御において
は、例えば、特開平９−１９１６９８号公報や特開２０
０１−１７８１７４号公報等に見られるように、端子電
圧や電流等の電気量から磁極位置情報を演算することが
知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】風力発電においても、
コスト低減、省スペースの要求から発電機速度センサを
用いない可変速駆動制御方式とすることが望ましいが、
上記従来技術ではこうした要求に対応することができな
い。また、風車においては、発電機は風車のタワーの上
に位置するナセル内に設置されるために発電機速度セン
サから制御装置までの距離が長くなることから、発電機
速度センサと制御装置を結ぶ信号線にノイズが入りやす
く、こうしたノイズ対策も必要となる。
コスト低減、省スペースの要求から発電機速度センサを
用いない可変速駆動制御方式とすることが望ましいが、
上記従来技術ではこうした要求に対応することができな
い。また、風車においては、発電機は風車のタワーの上
に位置するナセル内に設置されるために発電機速度セン
サから制御装置までの距離が長くなることから、発電機
速度センサと制御装置を結ぶ信号線にノイズが入りやす
く、こうしたノイズ対策も必要となる。
【０００５】本発明は、永久磁石型同期発電機を用いた
風力発電装置において、発電機速度センサを用いること
なく発電機を可変速駆動することを目的とする。
風力発電装置において、発電機速度センサを用いること
なく発電機を可変速駆動することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はその一面におい
て、風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子が接続さ
れ、この発電機の固定子巻線に第１の変換器が接続され
た風力発電システムにおいて、同期発電機の端子電圧を
検出する端子電圧検出器及び発電機の固定子巻線に流れ
る電流を検出する電流検出器と、前記第1の変換器の動
作中に前記端子電圧検出値及び電流検出値に基づいて発
電機の速度を推定する第1の速度推定器と、前記第1の変
換器の停止中に前記端子電圧検出値に基づいて発電機の
速度を推定する第２の速度推定器を備えることを特徴と
する。
て、風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子が接続さ
れ、この発電機の固定子巻線に第１の変換器が接続され
た風力発電システムにおいて、同期発電機の端子電圧を
検出する端子電圧検出器及び発電機の固定子巻線に流れ
る電流を検出する電流検出器と、前記第1の変換器の動
作中に前記端子電圧検出値及び電流検出値に基づいて発
電機の速度を推定する第1の速度推定器と、前記第1の変
換器の停止中に前記端子電圧検出値に基づいて発電機の
速度を推定する第２の速度推定器を備えることを特徴と
する。
【０００７】このように構成することによって、発電機
速度センサを用いることなく、風車に接続された同期発
電機を可変速駆動することができ、永久磁石型同期発電
機を用いた風力発電装置のコスト低減と省スペース化を
図ることができる。
速度センサを用いることなく、風車に接続された同期発
電機を可変速駆動することができ、永久磁石型同期発電
機を用いた風力発電装置のコスト低減と省スペース化を
図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明による永久磁石型同
期発電機を用いた風力発電装置の一実施例の全体構成を
示す。図１において、永久磁石型同期発電機２の回転子
は風車１の軸に接続されており、風車１が風のエネルギ
ーにより回転すると、同期発電機２は風車１の回転速度
に応じた可変周波数の交流電力を発生する。同期発電機
２の固定子巻線には順変換器（第１の変換器）３が接続
されており、同期発電機２の発生する可変周波数の交流
電力は順変換器３により直流電力に変換される。順変換
器３は直流コンデンサ４を介し、逆変換器（第２の変換
器）５に直流で接続されており、逆変換器５は順変換器
３から送られる直流電力を固定周波数の交流電力に変換
する。逆変換器５は系統連系用変圧器６を介して電力系
統に接続されており、固定周波数の交流電力を電力系統
に供給する。
基づいて説明する。図１は、本発明による永久磁石型同
期発電機を用いた風力発電装置の一実施例の全体構成を
示す。図１において、永久磁石型同期発電機２の回転子
は風車１の軸に接続されており、風車１が風のエネルギ
ーにより回転すると、同期発電機２は風車１の回転速度
に応じた可変周波数の交流電力を発生する。同期発電機
２の固定子巻線には順変換器（第１の変換器）３が接続
されており、同期発電機２の発生する可変周波数の交流
電力は順変換器３により直流電力に変換される。順変換
器３は直流コンデンサ４を介し、逆変換器（第２の変換
器）５に直流で接続されており、逆変換器５は順変換器
３から送られる直流電力を固定周波数の交流電力に変換
する。逆変換器５は系統連系用変圧器６を介して電力系
統に接続されており、固定周波数の交流電力を電力系統
に供給する。
【０００９】同期発電機２と順変換器３の間には発電機
端子電圧検出器７と発電機電流検出器８が設置されてお
り、発電機端子電圧検出器７は同期発電機２の固定子巻
線の端子電圧を検出し、発電機電流検出器８は同期発電
機２の固定子巻線に流れる電流を検出する。検出された
電圧、電流値は３相／２相変換器９によって有効分と無
効分の２軸成分に変換される。
端子電圧検出器７と発電機電流検出器８が設置されてお
り、発電機端子電圧検出器７は同期発電機２の固定子巻
線の端子電圧を検出し、発電機電流検出器８は同期発電
機２の固定子巻線に流れる電流を検出する。検出された
電圧、電流値は３相／２相変換器９によって有効分と無
効分の２軸成分に変換される。
【００１０】第１の発電機速度推定器１０は３相／２相
変換器９の出力する２軸成分の電圧及び電流信号に基づ
いて同期発電機２の速度を推定する。発電機速度の推定
方法はいくつか提案されており、例えば前述した特開２
００１−１７８１７４号公報には、回転子上に任意に設
定されたγ−δ座標系と回転子の磁極上に設定されたｄ
−ｑ座標系とのずれ角を推定して、γ−δ座標系の位置
を補正しながらγ−δ座標系上に発生する発電機誘起電
圧εγ、εδを推定して、推定した発電機誘起電圧から
発電機速度を推定するという方法が示されている。第１
の発電機速度推定器１０は例えばこのような手法を適用
することで構成することができる。
変換器９の出力する２軸成分の電圧及び電流信号に基づ
いて同期発電機２の速度を推定する。発電機速度の推定
方法はいくつか提案されており、例えば前述した特開２
００１−１７８１７４号公報には、回転子上に任意に設
定されたγ−δ座標系と回転子の磁極上に設定されたｄ
−ｑ座標系とのずれ角を推定して、γ−δ座標系の位置
を補正しながらγ−δ座標系上に発生する発電機誘起電
圧εγ、εδを推定して、推定した発電機誘起電圧から
発電機速度を推定するという方法が示されている。第１
の発電機速度推定器１０は例えばこのような手法を適用
することで構成することができる。
【００１１】速度制御器１１の入力は、発電機速度指令
と、スイッチ１５を介して与えられる発電機の推定速度
であり、その出力は順変換器３の電流指令となる。同期
発電機２の推定速度が速度指令よりも大きい場合には、
速度制御器１１は出力する電流指令の有効分を大きくす
る。この結果、同期発電機２の出力する有効電力が大き
くなり、風から風車１へ与えられる機械的入力よりも同
期発電機２の出力する有効電力が大きくなり、入力の不
足分は風車１のブレードに蓄えられた慣性エネルギーか
ら補われることになるため、発電機速度指令に追従して
風車１の回転速度が低下する。逆に、同期発電機２の推
定速度が速度指令よりも小さい場合には、速度制御器１
１は出力する電流指令の有効分を小さくする。この結
果、同期発電機２の出力する有効電力が小さくなり、風
から風車１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機２
の出力する有効電力が小さくなり、入力の余剰分は風車
１のブレードに慣性エネルギーとして蓄えられることに
なるため、発電機速度指令に追従して風車１の回転速度
が上昇する。
と、スイッチ１５を介して与えられる発電機の推定速度
であり、その出力は順変換器３の電流指令となる。同期
発電機２の推定速度が速度指令よりも大きい場合には、
速度制御器１１は出力する電流指令の有効分を大きくす
る。この結果、同期発電機２の出力する有効電力が大き
くなり、風から風車１へ与えられる機械的入力よりも同
期発電機２の出力する有効電力が大きくなり、入力の不
足分は風車１のブレードに蓄えられた慣性エネルギーか
ら補われることになるため、発電機速度指令に追従して
風車１の回転速度が低下する。逆に、同期発電機２の推
定速度が速度指令よりも小さい場合には、速度制御器１
１は出力する電流指令の有効分を小さくする。この結
果、同期発電機２の出力する有効電力が小さくなり、風
から風車１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機２
の出力する有効電力が小さくなり、入力の余剰分は風車
１のブレードに慣性エネルギーとして蓄えられることに
なるため、発電機速度指令に追従して風車１の回転速度
が上昇する。
【００１２】電流制御器１２への入力は、３相／２相変
換器９の出力する２軸成分の電流検出値と速度制御器１
１の出力する順変換器３への電流指令であり、出力は順
変換器３への電圧指令となる。電流制御器１２は電流検
出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への
電圧指令を決定する。スイッチ１６は運転状態によって
切り替えるスイッチであり、通常運転時にはが選択さ
れて、電流制御器１２の出力する電圧指令を出力する。
スイッチ１６の出力する順変換器３への電圧指令は２軸
成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器１３によ
って３相の電圧指令に変換される。
換器９の出力する２軸成分の電流検出値と速度制御器１
１の出力する順変換器３への電流指令であり、出力は順
変換器３への電圧指令となる。電流制御器１２は電流検
出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器３への
電圧指令を決定する。スイッチ１６は運転状態によって
切り替えるスイッチであり、通常運転時にはが選択さ
れて、電流制御器１２の出力する電圧指令を出力する。
スイッチ１６の出力する順変換器３への電圧指令は２軸
成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器１３によ
って３相の電圧指令に変換される。
【００１３】パルス発生器１４は、２相／３相変換器１
３の出力する順変換器３への３相電圧指令に基づいて、
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により順変換器３へ
のゲートパルス信号を出力する。順変換器３はゲートパ
ルス信号を受け、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の高速
スイッチングにより、順変換器３は指令に応じた交流端
子電圧を出力することになる。この結果、風力に余力が
あれば系統への出力電力を増やし、風力が不足すれば出
力電力を減らして、発電機２は、発電機速度指令に追従
することになる。
３の出力する順変換器３への３相電圧指令に基づいて、
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により順変換器３へ
のゲートパルス信号を出力する。順変換器３はゲートパ
ルス信号を受け、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の高速
スイッチングにより、順変換器３は指令に応じた交流端
子電圧を出力することになる。この結果、風力に余力が
あれば系統への出力電力を増やし、風力が不足すれば出
力電力を減らして、発電機２は、発電機速度指令に追従
することになる。
【００１４】電圧速度変換器１７は、後述するように、
発電機端子電圧検出器７で検出した発電機端子電圧から
発電機速度を求める。磁極位置推定器１８は、３相２相
変換器９の出力する電圧、電流検出値から同期発電機の
回転子磁極位置を推定する。同期機の磁極位置推定につ
いては、例えば前記特開平９−１９１６９８号公報に、
回転子上に任意に設定したγ−δ座標系と回転子の磁極
上に設定したｄ−ｑ座標系とのずれ角θｅを推定して、
そのずれ角を補正することで磁極位置の検出を行うこと
が開示されている。
発電機端子電圧検出器７で検出した発電機端子電圧から
発電機速度を求める。磁極位置推定器１８は、３相２相
変換器９の出力する電圧、電流検出値から同期発電機の
回転子磁極位置を推定する。同期機の磁極位置推定につ
いては、例えば前記特開平９−１９１６９８号公報に、
回転子上に任意に設定したγ−δ座標系と回転子の磁極
上に設定したｄ−ｑ座標系とのずれ角θｅを推定して、
そのずれ角を補正することで磁極位置の検出を行うこと
が開示されている。
【００１５】次に本装置における始動方法について説明
する。まず、運転指令として通常始動指令あるいは自己
始動指令のいずれかが外部から与えられる。通常始動指
令はある程度風が吹いている場合に選択する指令であ
り、自己始動指令は無風又は微風の場合に選択する指令
である。同期発電機２の発電機誘起電圧は発電機速度に
比例するために、無風時や微風時には発電機端子電圧検
出器７の検出する発電機端子電圧検出値は零又は微小値
となる。このような時には発電機速度の推定が困難な場
合があり、発電機速度が推定できない場合には、同期発
電機２を可変速駆動することができない。そこで、無風
時や微風時には同期発電機２を電動機として駆動して、
同期発電機２の発電機速度が推定できるところまで速度
を上げてから、発電機速度を推定するという方法を採っ
ている。この場合、自己始動指令が与えられ、同期発電
機２を電動機として加速駆動してから発電機速度の推定
を行い、推定が完了すると通常運転動作に入る。
する。まず、運転指令として通常始動指令あるいは自己
始動指令のいずれかが外部から与えられる。通常始動指
令はある程度風が吹いている場合に選択する指令であ
り、自己始動指令は無風又は微風の場合に選択する指令
である。同期発電機２の発電機誘起電圧は発電機速度に
比例するために、無風時や微風時には発電機端子電圧検
出器７の検出する発電機端子電圧検出値は零又は微小値
となる。このような時には発電機速度の推定が困難な場
合があり、発電機速度が推定できない場合には、同期発
電機２を可変速駆動することができない。そこで、無風
時や微風時には同期発電機２を電動機として駆動して、
同期発電機２の発電機速度が推定できるところまで速度
を上げてから、発電機速度を推定するという方法を採っ
ている。この場合、自己始動指令が与えられ、同期発電
機２を電動機として加速駆動してから発電機速度の推定
を行い、推定が完了すると通常運転動作に入る。
【００１６】一方、通常始動指令が与えられると、同期
発電機２の発電機速度の推定を行い、推定が完了すると
通常運転動作に入る。
発電機２の発電機速度の推定を行い、推定が完了すると
通常運転動作に入る。
【００１７】また、自己始動を行う場合の加速駆動は始
動時の発電機速度によって２種類の加速駆動方法のいず
れかを選択する。一つは始動時の発電機速度が極めて低
い場合で、この場合はまず同期発電機２の固定子巻線を
一定期間直流励磁する。この直流励磁により同期発電機
２の磁極位置を指定した位置に固定し、その後同期発電
機２の固定子巻線に掛かる電圧と周波数の比が一定にな
る交流電圧と周波数で励磁し、時間の経過と伴にこの励
磁周波数を上昇させて、同期発電機２をその位置から加
速駆動する。
動時の発電機速度によって２種類の加速駆動方法のいず
れかを選択する。一つは始動時の発電機速度が極めて低
い場合で、この場合はまず同期発電機２の固定子巻線を
一定期間直流励磁する。この直流励磁により同期発電機
２の磁極位置を指定した位置に固定し、その後同期発電
機２の固定子巻線に掛かる電圧と周波数の比が一定にな
る交流電圧と周波数で励磁し、時間の経過と伴にこの励
磁周波数を上昇させて、同期発電機２をその位置から加
速駆動する。
【００１８】もう一つは始動時の発電機速度がある程度
高い場合で、この場合は前者のような加速駆動を行うこ
とはできない。この速度範囲で同期発電機２の固定子巻
線を直流励磁すると、同期発電機２に急激なブレーキを
掛けることになり、風車１のブレード等の損傷を招く恐
れがある。そこで、この場合は発電機速度の推定の判定
条件を緩くして、推定の精度を若干落とした状態で発電
機速度の推定を行う。そして、暫定的に発電機速度の推
定を行った状態で同期発電機２を加速駆動する。
高い場合で、この場合は前者のような加速駆動を行うこ
とはできない。この速度範囲で同期発電機２の固定子巻
線を直流励磁すると、同期発電機２に急激なブレーキを
掛けることになり、風車１のブレード等の損傷を招く恐
れがある。そこで、この場合は発電機速度の推定の判定
条件を緩くして、推定の精度を若干落とした状態で発電
機速度の推定を行う。そして、暫定的に発電機速度の推
定を行った状態で同期発電機２を加速駆動する。
【００１９】以下に、自己始動方式について更に詳細に
説明する。自己始動には２種類の加速駆動方法があり、
いずれを選ぶべきかを判定するために、始動時に発電機
速度を求める必要がある。しかし、始動時には発電機速
度の推定が困難な訳であり、次のような方法により発電
機速度を求める。なお、簡単のために円筒型同期発電機
について述べるが、突極型同期発電機についても同様で
ある。同期発電機のｄ軸同期リアクタンスをＸｄ、固定
子巻線抵抗をＲ、発電機誘起電圧をＥ、発電機端子電圧
をＶ、発電機電流をＩとすると、（１）式が成り立つ。
ただし、ここでは発電機誘起電圧Ｅ、発電機端子電圧Ｖ
は相電圧とする。
説明する。自己始動には２種類の加速駆動方法があり、
いずれを選ぶべきかを判定するために、始動時に発電機
速度を求める必要がある。しかし、始動時には発電機速
度の推定が困難な訳であり、次のような方法により発電
機速度を求める。なお、簡単のために円筒型同期発電機
について述べるが、突極型同期発電機についても同様で
ある。同期発電機のｄ軸同期リアクタンスをＸｄ、固定
子巻線抵抗をＲ、発電機誘起電圧をＥ、発電機端子電圧
をＶ、発電機電流をＩとすると、（１）式が成り立つ。
ただし、ここでは発電機誘起電圧Ｅ、発電機端子電圧Ｖ
は相電圧とする。
【００２０】
Ｅ＝Ｖ＋（Ｒ＋ｊＸｄ）・Ｉ………………………………………………（１）
また、発電機誘起電圧定数をＫｅ、発電機速度をωとす
ると、発電機誘起電圧をＥは（２）式で表すことができ
る。
ると、発電機誘起電圧をＥは（２）式で表すことができ
る。
【００２１】
Ｅ＝Ｋｅ・ω…………………………………………………………………（２）
更に、始動時には順変換器３のゲートはブロックされて
いるために発電機電流Ｉは零であり、この時（１）式、
（２）式より（３）式が成り立つ。
いるために発電機電流Ｉは零であり、この時（１）式、
（２）式より（３）式が成り立つ。
【００２２】
Ｖ＝Ｋｅ・ω…………………………………………………………………（３）
すなわち、発電機電流が零の場合には発電機端子電圧Ｖ
と発電機速度ωは比例することが分かる。つまり、同期
発電機２の発電機端子電圧Ｖを検出すれば発電機速度ω
を求めることが可能となる。そこで、始動時には同期発
電機２の発電機端子電圧検出値Ｖから発電機速度ωを求
めるために、スイッチ１５はが選択され、第２の発電
機速度推定器（電圧速度変換器）１７を用いて発電機速
度ωを求める。電圧速度変換器１７は、発電機端子電圧
検出器７の検出した発電機端子電圧検出値Ｖに発電機誘
起電圧定数Ｋｅで決まるゲインを掛けて発電機速度ωを
求める。
と発電機速度ωは比例することが分かる。つまり、同期
発電機２の発電機端子電圧Ｖを検出すれば発電機速度ω
を求めることが可能となる。そこで、始動時には同期発
電機２の発電機端子電圧検出値Ｖから発電機速度ωを求
めるために、スイッチ１５はが選択され、第２の発電
機速度推定器（電圧速度変換器）１７を用いて発電機速
度ωを求める。電圧速度変換器１７は、発電機端子電圧
検出器７の検出した発電機端子電圧検出値Ｖに発電機誘
起電圧定数Ｋｅで決まるゲインを掛けて発電機速度ωを
求める。
【００２３】図２は、本発明の一実施例による発電機速
度が低い場合の自己始動の動作説明図である。この図を
参照しながら、自己始動において始動時の発電機速度が
低い場合の動作について説明する。この場合、スイッチ
１５はが、スイッチ１６はが選択され、同期発電機
２の発電機速度は自己始動速度指令から与えられ、順変
換器３への電圧指令は自己始動電圧指令から与えられ
る。次に順変換器３のゲートのブロック解除が行われ、
同期発電機２の固定子巻線を直流励磁するモードに入る
と、自己始動電圧指令は直流励磁電圧に相当する指令を
与え、自己始動速度指令は零を一定期間出力する。そし
て、回転子を所定の角度位置に固定する直流励磁が終了
すると、自己始動電圧指令と自己始動速度指令を一定の
比を保ちながら大きくしていき、同期発電機２の固定子
巻線に加わる電圧と周波数の比が一定になるような電圧
と周波数で励磁して、時間の経過とともに励磁周波数を
上昇させて、同期発電機２を同期電動機として加速駆動
することができ、この場合には同期機ながら回転子の角
度位置は必要ない。なお、同期発電機２は自己始動速度
指令に追従するため、自己始動速度指令を発電機速度と
して用いている。やがて、同期発電機２の速度が上昇
し、予め設定した値以上の速度になると、発電機の磁極
位置と速度の正確な推定を行うために、順変換器３のゲ
ートをブロックする。更に、スイッチ１５はが、スイ
ッチ１６はが選択される。そして、同期発電機２のフ
リーラン状態で、磁極位置推定器１８で同期発電機の磁
極位置の推定を行う。このとき同時に第２の速度推定器
１７により発電機速度の推定を行う。１〜２秒で推定が
完了すると順変換器３はゲートのブロック解除を行う。
更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが選択さ
れ、通常運転での加速動作に入る。この通常運転中は、
第１の速度推定器１０による速度の推定と、磁極位置推
定器１８による磁極位置の推定を常に行いながら運転す
る。
度が低い場合の自己始動の動作説明図である。この図を
参照しながら、自己始動において始動時の発電機速度が
低い場合の動作について説明する。この場合、スイッチ
１５はが、スイッチ１６はが選択され、同期発電機
２の発電機速度は自己始動速度指令から与えられ、順変
換器３への電圧指令は自己始動電圧指令から与えられ
る。次に順変換器３のゲートのブロック解除が行われ、
同期発電機２の固定子巻線を直流励磁するモードに入る
と、自己始動電圧指令は直流励磁電圧に相当する指令を
与え、自己始動速度指令は零を一定期間出力する。そし
て、回転子を所定の角度位置に固定する直流励磁が終了
すると、自己始動電圧指令と自己始動速度指令を一定の
比を保ちながら大きくしていき、同期発電機２の固定子
巻線に加わる電圧と周波数の比が一定になるような電圧
と周波数で励磁して、時間の経過とともに励磁周波数を
上昇させて、同期発電機２を同期電動機として加速駆動
することができ、この場合には同期機ながら回転子の角
度位置は必要ない。なお、同期発電機２は自己始動速度
指令に追従するため、自己始動速度指令を発電機速度と
して用いている。やがて、同期発電機２の速度が上昇
し、予め設定した値以上の速度になると、発電機の磁極
位置と速度の正確な推定を行うために、順変換器３のゲ
ートをブロックする。更に、スイッチ１５はが、スイ
ッチ１６はが選択される。そして、同期発電機２のフ
リーラン状態で、磁極位置推定器１８で同期発電機の磁
極位置の推定を行う。このとき同時に第２の速度推定器
１７により発電機速度の推定を行う。１〜２秒で推定が
完了すると順変換器３はゲートのブロック解除を行う。
更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが選択さ
れ、通常運転での加速動作に入る。この通常運転中は、
第１の速度推定器１０による速度の推定と、磁極位置推
定器１８による磁極位置の推定を常に行いながら運転す
る。
【００２４】図３は、本発明の一実施例による発電機速
度がある程度高い場合の自己始動の動作説明図である。
この図を参照しながら、自己始動において始動時の発電
機速度がある程度高い場合の動作について説明する。こ
の場合、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが選択
される。そして、発電機磁極位置の推定の判定条件を緩
くし、推定の精度を若干落とした状態で磁極位置の推定
を行う。例えば、前述特開平９−１９１６９８号公報に
おける磁極位置の推定手法で、ずれ角θｅの許容値を比
較的大きなθ１に選ぶことで、比較的に粗い磁極位置の
推定を行う。同時に、第２の発電機速度推定器による速
度の推定を行う。これらは判定条件がクリアされるまで
続けられる。そして、発電機速度と磁極位置の推定が暫
定的に完了すると、順変換器３のゲートのブロック解除
を行う。更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６は
が選択され、比較的粗い磁極位置の推定のままで暫定的
に通常運転動作に入る。そして、発電機速度指令を徐々
に大きくしていくことで、同期発電機２を加速駆動す
る。やがて、同期発電機２の速度が上昇し、予め設定し
た値以上の速度になると、発電機の磁極位置と速度の正
確な推定を行うために、順変換器３のゲートをブロック
する。更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが
選択される。そして、同期発電機２のフリーラン状態で
磁極位置推定器１８で同期発電機の磁極位置の推定を行
う。このときの磁極位置の推定の判定条件は厳しくし、
推定の精度を上げた状態で磁極位置の推定を行う。例え
ば、前述特開平９−１９１６９８号公報の磁極位置推定
において、ずれ角θｅの許容値を比較的小さなθ２（θ
２＜θ１）に選ぶことで、比較的緻密な磁極位置の推定
を行う。同時に第２の速度推定器１７により発電機速度
の推定を行う。推定が完了すると順変換器３はゲートの
ブロック解除を行う。更に、スイッチ１５はが、スイ
ッチ１６はが選択され、通常運転での加速動作に入
る。この通常運転中は、第１の速度推定器１０による速
度の推定と、磁極位置推定器１８による磁極位置の推定
を常に行いながら運転する。
度がある程度高い場合の自己始動の動作説明図である。
この図を参照しながら、自己始動において始動時の発電
機速度がある程度高い場合の動作について説明する。こ
の場合、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが選択
される。そして、発電機磁極位置の推定の判定条件を緩
くし、推定の精度を若干落とした状態で磁極位置の推定
を行う。例えば、前述特開平９−１９１６９８号公報に
おける磁極位置の推定手法で、ずれ角θｅの許容値を比
較的大きなθ１に選ぶことで、比較的に粗い磁極位置の
推定を行う。同時に、第２の発電機速度推定器による速
度の推定を行う。これらは判定条件がクリアされるまで
続けられる。そして、発電機速度と磁極位置の推定が暫
定的に完了すると、順変換器３のゲートのブロック解除
を行う。更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６は
が選択され、比較的粗い磁極位置の推定のままで暫定的
に通常運転動作に入る。そして、発電機速度指令を徐々
に大きくしていくことで、同期発電機２を加速駆動す
る。やがて、同期発電機２の速度が上昇し、予め設定し
た値以上の速度になると、発電機の磁極位置と速度の正
確な推定を行うために、順変換器３のゲートをブロック
する。更に、スイッチ１５はが、スイッチ１６はが
選択される。そして、同期発電機２のフリーラン状態で
磁極位置推定器１８で同期発電機の磁極位置の推定を行
う。このときの磁極位置の推定の判定条件は厳しくし、
推定の精度を上げた状態で磁極位置の推定を行う。例え
ば、前述特開平９−１９１６９８号公報の磁極位置推定
において、ずれ角θｅの許容値を比較的小さなθ２（θ
２＜θ１）に選ぶことで、比較的緻密な磁極位置の推定
を行う。同時に第２の速度推定器１７により発電機速度
の推定を行う。推定が完了すると順変換器３はゲートの
ブロック解除を行う。更に、スイッチ１５はが、スイ
ッチ１６はが選択され、通常運転での加速動作に入
る。この通常運転中は、第１の速度推定器１０による速
度の推定と、磁極位置推定器１８による磁極位置の推定
を常に行いながら運転する。
【００２５】以上の実施例においては、風車１の軸に永
久磁石型同期発電機２の回転子が接続され、前記発電機
２の固定子巻線には第１の変換器３が接続され、この第
１の変換器は電力系統に接続された第２の変換器５と直
流４で接続され、前記発電機２の発電電力を直流電力に
変換し、前記第２の変換器５で固定周波数の交流電力に
変換する風力発電装置において、前記固定子巻線の端子
電圧を検出する電圧検出器７と、前記固定子巻線に流れ
る電流を検出する電流検出器８と、前記第１の変換器３
の動作中に検出された端子電圧及び電流に基づいて前記
発電機２の速度を推定する第１の速度推定器１０と、前
記第１の変換器３の停止中に前記電圧検出値に基いて前
記発電機２の速度を推定する第２の速度推定器１７と、
始動時に前記第２の速度推定器１７により前記発電機２
の速度を推定する手段と、この推定速度が予定値未満の
とき前記発電機２の固定子巻線を前記第1の変換器３を
用いて一定期間直流励磁する手段と、その後前記発電機
２の固定子巻線を電圧と周波数の比が一定で次第に増加
する交流で励磁して前記発電機２を加速させるように前
記第1の変換器３を制御する自己始動制御手段と、前記
始動時の前記第２の速度推定器１７の推定速度が予定値
以上のとき前記第１の変換器３を動作させ前記第１の速
度推定器１０による推定速度を速度指令に追従させて発
電機２を加速させる速度制御器１１と、前記それぞれの
加速後に、前記第1の変換器３を停止させて前記第２の
速度推定器１７の出力に基き前記発電機２の速度を推定
する手段と、その後、前記第1の変換器３を再起動さ
せ、前記第１の速度推定器１０の出力を速度指令に追従
させ前記発電機を再加速させるように前記第1の変換器
を制御する手段を備えている。
久磁石型同期発電機２の回転子が接続され、前記発電機
２の固定子巻線には第１の変換器３が接続され、この第
１の変換器は電力系統に接続された第２の変換器５と直
流４で接続され、前記発電機２の発電電力を直流電力に
変換し、前記第２の変換器５で固定周波数の交流電力に
変換する風力発電装置において、前記固定子巻線の端子
電圧を検出する電圧検出器７と、前記固定子巻線に流れ
る電流を検出する電流検出器８と、前記第１の変換器３
の動作中に検出された端子電圧及び電流に基づいて前記
発電機２の速度を推定する第１の速度推定器１０と、前
記第１の変換器３の停止中に前記電圧検出値に基いて前
記発電機２の速度を推定する第２の速度推定器１７と、
始動時に前記第２の速度推定器１７により前記発電機２
の速度を推定する手段と、この推定速度が予定値未満の
とき前記発電機２の固定子巻線を前記第1の変換器３を
用いて一定期間直流励磁する手段と、その後前記発電機
２の固定子巻線を電圧と周波数の比が一定で次第に増加
する交流で励磁して前記発電機２を加速させるように前
記第1の変換器３を制御する自己始動制御手段と、前記
始動時の前記第２の速度推定器１７の推定速度が予定値
以上のとき前記第１の変換器３を動作させ前記第１の速
度推定器１０による推定速度を速度指令に追従させて発
電機２を加速させる速度制御器１１と、前記それぞれの
加速後に、前記第1の変換器３を停止させて前記第２の
速度推定器１７の出力に基き前記発電機２の速度を推定
する手段と、その後、前記第1の変換器３を再起動さ
せ、前記第１の速度推定器１０の出力を速度指令に追従
させ前記発電機を再加速させるように前記第1の変換器
を制御する手段を備えている。
【００２６】このような始動方式をとることで、風があ
る程度吹いている場合だけでなく、無風又は微風の場合
にも発電機速度センサを用いることなく永久磁石型同期
発電機を用いた風力発電装置を可変速駆動することが可
能となり、コスト低減及び省スペース化を図ることがで
きる。
る程度吹いている場合だけでなく、無風又は微風の場合
にも発電機速度センサを用いることなく永久磁石型同期
発電機を用いた風力発電装置を可変速駆動することが可
能となり、コスト低減及び省スペース化を図ることがで
きる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、永久磁石型同期発電機
を用いた風力発電装置において、発電機速度センサを用
いることなく同期発電機を可変速駆動することができ
る。
を用いた風力発電装置において、発電機速度センサを用
いることなく同期発電機を可変速駆動することができ
る。
【図１】本発明による永久磁石型同期発電機を用いた風
力発電装置の一実施例の全体構成図。
力発電装置の一実施例の全体構成図。
【図２】本発明の一実施例による発電機速度が低い場合
の自己始動の動作説明図。
の自己始動の動作説明図。
【図３】本発明の一実施例による速度がある程度高い場
合の自己始動の動作説明図。
合の自己始動の動作説明図。
１…風車、２…永久磁石型同期発電機、３…第１の変換
器（順変換器）、４…直流コンデンサ、５…第２の変換
器（逆変換器）、６…系統連系用変圧器、７…発電機端
子電圧検出器、８…発電機電流検出器、９…３相／２相
変換器、１０…第１の発電機速度推定器、１１…速度制
御器、１２…電流制御器、１３…２相／３相変換器、１
４…パルス発生器、１５、１６…スイッチ、１７…第２
の発電機速度推定器（電圧速度変換器）、１８…磁極位
置推定器。
器（順変換器）、４…直流コンデンサ、５…第２の変換
器（逆変換器）、６…系統連系用変圧器、７…発電機端
子電圧検出器、８…発電機電流検出器、９…３相／２相
変換器、１０…第１の発電機速度推定器、１１…速度制
御器、１２…電流制御器、１３…２相／３相変換器、１
４…パルス発生器、１５、１６…スイッチ、１７…第２
の発電機速度推定器（電圧速度変換器）、１８…磁極位
置推定器。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 杉浦 康之
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会
社日立製作所インバータ推進本部内
(72)発明者 菅原 直志
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会
社日立製作所インバータ推進本部内
(72)発明者 宮崎 晃一
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会
社日立製作所インバータ推進本部内
Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB01 CC01 CC22
CC56 CC73
5H590 AA02 AA04 AB20 CA14 CC02
CD01 CD03 CE01 DD25 DD26
EA01 EA07 EA14 EB14 EB22
EB25 FA08 FB02 FB07 FC12
GA02 GA04 HA02 HA04 HA10
HA27 HB02 HB03
Claims (8)
- 【請求項１】風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子
が接続され、前記発電機の固定子巻線には第１の変換器
が接続され、この第１の変換器は電力系統に接続された
第２の変換器と直流で接続され、前記発電機の発電電力
を直流電力に変換し、前記第２の変換器で固定周波数の
交流電力に変換する風力発電装置において、前記固定子
巻線の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記固定子巻
線に流れる電流を検出する電流検出器と、前記第１の変
換器の動作中に検出された端子電圧及び電流に基づいて
前記発電機の速度を推定する第１の速度推定器と、前記
第１の変換器の停止中に前記電圧検出値に基いて前記発
電機の速度を推定する第２の速度推定器を備えたことを
特徴とする永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装
置。 - 【請求項２】請求項１において、前記第２の速度推定器
は、前記端子電圧検出値に予め設定した定数を掛けた値
を発電機速度と推定することを特徴とする永久磁石型同
期発電機を用いた風力発電装置。 - 【請求項３】請求項１において、前記発電機速度が予め
設定した値未満のとき、前記発電機の固定子巻線を前記
第1の変換器を用いて直流励磁する手段と、その後電圧
と周波数がそれらの比を一定に保ちつつ次第に増加する
交流で前記固定子巻線を励磁して前記発電機を加速させ
るように前記第1の変換器を制御する手段と、この励磁
周波数又は前記第1の発電機速度推定器による推定速度
が予定値に達したとき前記第1の変換器を停止させ、前
記第２の速度推定器の出力に基き前記発電機の速度を推
定する手段を備えたことを特徴とする永久磁石型同期発
電機を用いた風力発電装置。 - 【請求項４】請求項１において、始動時に前記第２の速
度推定器により前記発電機の速度を推定する手段と、こ
の推定速度が予定値以上のとき、前記第１の変換器を動
作させ前記第１の速度推定器の推定速度を速度指令に追
従させて前記発電機を加速させる速度制御器と、前記第
１の速度推定器の推定速度が予定値に達したとき前記第
1の変換器を停止させ前記第２の速度推定器の出力に基
き前記発電機の速度を推定する手段を備えたことを特徴
とする永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置。 - 【請求項５】請求項３又は４において、前記の加速後
に、前記第２の速度推定器の出力に基き前記発電機の速
度を推定した後に、前記第1の変換器を再起動させ、前
記第１の速度推定器の出力を速度指令に追従させ前記発
電機を再加速させるように前記第1の変換器を制御する
手段を備えたことを特徴とする永久磁石型同期発電機を
用いた風力発電装置。 - 【請求項６】風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子
が接続され、前記発電機の固定子巻線には第１の変換器
が接続され、この第１の変換器は電力系統に接続された
第２の変換器と直流で接続され、前記発電機の発電電力
を直流電力に変換し、前記第２の変換器で固定周波数の
交流電力に変換する風力発電装置において、前記固定子
巻線の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記固定子巻
線に流れる電流を検出する電流検出器と、前記第１の変
換器の動作中に検出された端子電圧及び電流に基づいて
前記発電機の速度を推定する第１の速度推定器と、前記
第１の変換器の停止中に前記電圧検出値に基いて前記発
電機の速度を推定する第２の速度推定器と、始動時に前
記第２の速度推定器により前記発電機の速度を推定する
手段と、この推定速度が予定値未満のとき前記発電機の
固定子巻線を前記第1の変換器を用いて一定期間直流励
磁する手段と、その後前記発電機の固定子巻線を電圧と
周波数の比が一定で次第に増加する交流で励磁して前記
発電機を加速させるように前記第1の変換器を制御する
自己始動制御手段と、前記始動時の前記第２の速度推定
器の推定速度が予定値以上のとき前記第１の変換器を動
作させ前記第１の速度推定器による推定速度を速度指令
に追従させて発電機を加速させる速度制御器と、前記そ
れぞれの加速後に、前記第1の変換器を停止させて前記
第２の速度推定器の出力に基き前記発電機の速度を推定
する手段と、その後、前記第1の変換器を再起動させ、
前記第１の速度推定器の出力を速度指令に追従させ前記
発電機を再加速させるように前記第1の変換器を制御す
る手段を備えたことを特徴とする永久磁石型同期発電機
を用いた風力発電装置。 - 【請求項７】風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子
が接続され、前記発電機の固定子巻線には第１の変換器
が接続され、この第１の変換器は電力系統に接続された
第２の変換器と直流で接続され、前記発電機の発電電力
を直流電力に変換し、前記第２の変換器で固定周波数の
交流電力に変換する風力発電装置の始動方法において、
始動時の前記発電機が予定の速度未満のとき前記発電機
の固定子巻線を直流励磁するステップと、前記固定子巻
線を電圧と周波数の比がほぼ一定で増加する交流で励磁
して前記発電機を加速させるステップと、この加速中の
励磁周波数に基いて発電機速度を推定するステップと、
この速度推定値が予定速度に達したとき前記第1の変換
器を停止させてフリーラン状態とし前記端子電圧からそ
の速度を推定するステップと、この推定完了後に前記第
1の変換器を再起動させるステップと、発電機の出力電
圧と出力電流に基いてその速度を推定しながらこの推定
速度が速度指令に追従するように前記第1の変換器を制
御して前記発電機を更に加速させるステップを備えたこ
とを特徴とする永久磁石型同期発電機を用いた風力発電
装置の始動方法。 - 【請求項８】風車の軸に永久磁石型同期発電機の回転子
が接続され、前記発電機の固定子巻線には第１の変換器
が接続され、この第１の変換器は電力系統に接続された
第２の変換器と直流で接続され、前記発電機の発電電力
を直流電力に変換し、前記第２の変換器で固定周波数の
交流電力に変換する風力発電装置の始動方法において、
始動時に前記固定子巻線の端子電圧により前記発電機の
速度を推定するステップと、この推定速度が予定の速度
以上のとき前記第１の変換器を起動し前記端子電圧と前
記固定子巻線の電流とから求めた発電機の推定速度を速
度指令に追従させるように前記発電機を加速させるステ
ップと、この推定速度が予定速度に達したとき前記第1
の変換器を停止させてフリーラン状態とし前記固定子巻
線の端子電圧からその速度を推定するステップと、この
推定完了後に前記第1の変換器を再起動させ前記端子電
圧と固定子巻線の電流に基いてその速度を推定しながら
この推定速度が速度指令に追従するように前記第1の変
換器を制御して前記発電機を更に加速させるステップを
備えたことを特徴とする永久磁石型同期発電機を用いた
風力発電装置の始動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001317928A JP3788925B2 (ja) | 2001-10-16 | 2001-10-16 | 永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置とその始動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001317928A JP3788925B2 (ja) | 2001-10-16 | 2001-10-16 | 永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置とその始動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003134890A true JP2003134890A (ja) | 2003-05-09 |
| JP3788925B2 JP3788925B2 (ja) | 2006-06-21 |
Family
ID=19135724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001317928A Expired - Lifetime JP3788925B2 (ja) | 2001-10-16 | 2001-10-16 | 永久磁石型同期発電機を用いた風力発電装置とその始動方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3788925B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| CN100463356C (zh) * | 2005-02-17 | 2009-02-18 | 株式会社日立制作所 | 次级励磁用功率转换装置 |
| JP2010025028A (ja) * | 2008-07-22 | 2010-02-04 | Univ Of Ryukyus | 風力発電機の出力電力変動抑制装置 |
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| CN102969963A (zh) * | 2012-12-12 | 2013-03-13 | 北京动力机械研究所 | 一种可自启动的微型燃气轮机电机系统 |
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-
2001
- 2001-10-16 JP JP2001317928A patent/JP3788925B2/ja not_active Expired - Lifetime
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