JP2004052649A - 風力発電機の出力電力平滑化制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】かご型誘導発電機を商用系統に直結しても電圧変動や周波数変動を抑制し電力品質の改善を図ったものである。
【解決手段】風速計１７により計測された風速は、高い周波数成分を含んだ電気信号に変換されて、ローパスフィルタ２２を介して滑らかな電気信号に処理された後、入出力比例特性器２３に供給される。入出力比例特性器２３の出力は、加減算器２４に供給されて風力発電機１３の出力電力との偏差が採られる。この偏差出力は、制御器２５を介して風車のブレードのピッチ角目標値として、ピッチ角制御用サーボ機構２６に入力され、このサーボ機構２６の出力で風車１２のブレードのピッチ角θｐを調整して発電機１３の出力変動を抑制する。
【選択図】 図１
【解決手段】風速計１７により計測された風速は、高い周波数成分を含んだ電気信号に変換されて、ローパスフィルタ２２を介して滑らかな電気信号に処理された後、入出力比例特性器２３に供給される。入出力比例特性器２３の出力は、加減算器２４に供給されて風力発電機１３の出力電力との偏差が採られる。この偏差出力は、制御器２５を介して風車のブレードのピッチ角目標値として、ピッチ角制御用サーボ機構２６に入力され、このサーボ機構２６の出力で風車１２のブレードのピッチ角θｐを調整して発電機１３の出力変動を抑制する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、かご型誘導発電機を用いた風力発電機のピッチ角制御による出力電力の平滑化制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電機に用いられる発電機としては、安価、堅牢、良好な保守性を有するかご型誘導発電機が多く用いられている。しかし、かご型誘導発電機で発電した電力を商用系統に供給する場合、（１）起動時の突入電流の問題、（２）固定速での運転が前提であることから最高効率での運転が不可能であり、（３）風速変動に対して発電出力が変動し、商用系統に対して電圧変動や弱小系統の場合には、周波数変動を与えるなど電力品質に影響を与える問題などがある。
【０００３】
かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、上記（１）の問題に対しては逆並列サイリスタによるソフトスタート方式により対策が図られるが、その他の問題点に対しては有効な解決策がないのが現状である。
【０００４】
このため、かご型誘導発電機をコンバータ・インバータ装置を介して商用系統に連係すれば、上記（１）〜（３）の技術的な問題は何れも解決可能であるが、発電容量の増加に伴い、コンバータ・インバータ装置の容量も増加させなくてはならない新たな問題が生じてくる。
【０００５】
従って、かご型誘導発電機を商用系統に連係する際に、コンバータ・インバータ装置を使用しなくてはならないため、かご型誘導発電機を使用する経済的効果が損なわれてしまう。（参照：特開平１１−０５０９４５号と特開平１１−８２２８２号）
また、風車は、風速変動に対してブレードのピッチ角を制御して伝達トルクを制御することが可能であるが、主に定格出力相当以上の風速に対して、これを制限することに重きをおいており、定格出力以下では固定ピッチ角で制御されるように構成されていることも問題となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、風速変動に対して発電出力が大きく変動するために、かご型誘導発電機を商用系統に直結すると系統の電圧・周波数に悪影響を及ぼしてしまう。このため、かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、どうしてもコンバータ・インバータ装置を使用して系統に連係する手段を採らざるを得なく上述のように技術的問題による経済的効果が損なわれてしまう問題があった。
【０００７】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、かご型誘導発電機を系統に直結しても系統に与える電圧変動や周波数変動を極力抑制し電力品質を改善し、経済的効果を損なわないようにした風力発電機の出力電力平滑化制御装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、風車ブレードのピッチ角が制御可能な風車に連結された誘導発電機と、この誘導発電機の発電出力の内、無効電力を調整して有効電力として商用電源に供給する連系変圧器と、風車に隣接して設置され、風速を電気信号に変換して計測する風速計と、この風速計により得られた電気信号を平滑化するローパスフィルタと、このフィルタの出力が供給される入出力比例特性器と、この入出力比例特性器の出力を誘導発電機の有効電力の目標値とし、この目標値と誘導発電機からの有効電力の実測値との偏差を得、この偏差出力が供給され、この出力が零となるように動作する制御器と、この制御器の出力を風車ブレードのピッチ角制御目標値として入力され、この目標値に応じて風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御用サーボ機構とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
第２発明は、風車の回転数と風車ブレードの半径とを積算して周速を得、この周速と風速計で得られた風速の実測値からベクトル合成器により風車ブレード上を流れる風の合成ベクトルの仰角を算出し、算出された仰角に対するトルク零となるピッチ角を決定し、ピッチ角のフィードフォワード補償量を得て、この補償量を制御器の出力に加えるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の第１形態を示す構成説明図で、図１において、１１は発電設備、２１は制御装置である。
【００１１】
発電設備１１は、風車１２、かご型誘導発電機１３、この発電機１３で発電した無効電力を調整する無効電力調整装置１４、発電機１３で発電した電力を商用電源１５と連係させる連系変圧器１６及び風車１２に隣接して設置される風速計１７から構成される。
【００１２】
制御装置２１は、風速計１７により計測された風速が電気信号に変換されて供給されるローパスフィルタ２２、入出力比例特性器２３、加減算器２４、制御器２５及びピッチ角制御用サーボ機構２６から構成される。
【００１３】
上記のように構成された発電設備１１において、かご型誘導発電機１３の出力は、風車１２への風向きが変わると、同じ風速でも風車１２の受けるトルクが変わるために変動する。理想的には、風速に比例した発電機出力となるはずであるが、風車１２のブレードのピッチ角によって風車１２の発生するトルクＴが変わり、このため、出力Ｐも変わってしまう（Ｐ＝ωＴ）。そこで、ピッチ角でトルクＴを変えて出力Ｐを制御するようにした。
【００１４】
このように、風車１２のブレードのピッチ角制御を行なって風速変動に対するかご型誘導発電機１３の急峻な出力変動を抑制し、しかる後、出力を平滑化して、商用系統に与える電圧・周波数の急峻かつ広範囲な変動を抑制する。
【００１５】
以下その作用を述べる。風速計１７により計測される風速は、風速変動のために、図２（イ）に示すように高い周波数成分を含んだ電気信号に変換されて出力される。この電気信号は、ローパスフィルタ２２に供給されると、高い周波数成分の内、追従すべき周波数帯域を通過帯域とするフィルタ特性により図２（ロ）に示すような滑らかな電気信号に処理されて、入出力比例特性器２３に供給される。
【００１６】
入出力比例特性器２３は、図３に示すようなほぼ入力信号に対して出力信号が比例する関係のもので、入出力比例特性器２３の出力は、加減算器２４のプラス端子に供給される。この特性器２３の出力は、風力発電機１３の有効電力出力の目標値Ｐｓｅｔとして加減算器２４のプラス端子に、系統より計測された風力発電機１３の出力電力Ｐａｃｔの実測値を加減算器２４のマイナス端子に供給して減算し、有効電力出力の目標値との偏差を加減算器２４の出力に得る。
【００１７】
この偏差出力は、ＰＩＤ制御または状態変数制御等により、最適に設計された周波数特性を有する制御器２５に入力される。制御器２５は、入力された偏差出力を零とするように動作する。制御器２５の出力は風車のブレードのピッチ角目標値として、ピッチ角制御用サーボ機構２６に入力され、このサーボ機構２６の出力で風車１２のブレードのピッチ角θｐを調整して発電機１３の出力変動を抑制する。
【００１８】
ここで、風車１２のブレード１２ａのピッチ角θｐと風車の発生するトルクＴについて述べる。ピッチ角θｐとトルクＴは、図４に示すように風速ベクトルと、ブレード１２ａの回転数で決まる周速ベクトルの合成ベクトルで決定される風がブレード１２ａ上を流れる。この合成ベクトルで表される風によりブレード１２ａは揚力を発生し、発電機に伝達されるトルクを発生する。
【００１９】
よって、ピッチ角θｐにより周速と風速の大きさにより揚力零、つまり発生トルク零となるピッチ角θｐの中性点が存在することになる。
【００２０】
図５はこの発明の実施の第２形態を示す構成説明図で、図１に示す第１形態と同一部分には同一符号を付して説明する。図５において、周速と風速の実測値をベクトル合成器２７に入力し、このベクトル合成器２７によりブレード上を流れる風の合成ベクトルの仰角を算出する。なお、周速は、風車の回転数を検出し、ブレードの半径を積算することにより算出する。
【００２１】
ベクトル合成器２７により算出された仰角は、関数テーブル２８に入力される。関数テーブル２８は、仰角に対して揚力零、つまりトルク零となるピッチ角を予め算出して用意したもので、この関数テーブル２８で入力された仰角に対してトルク零となるピッチ角を得る。
【００２２】
得られたピッチ角は制御器２５とサーボ機構２６との間に設けられた加算器２９に入力してピッチ角のフィードフォワード補償として使用する。これにより風速変動に対してはフィードフォワード補償により追従し、制御器２５は発生するトルクの補償量に対して動作するようになり、制御性能の改善性が図れる。
【００２３】
なお、上記実施の第１、第２形態において、ローパスフィルタ２２と入出力比例特性器２３の位置を入れ替えても略同様の作用効果が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、風速変動を原因としたかご型誘導発電機の出力電圧の変動を、風速を計測して得られた電気信号をフィルタにより平滑化し、平滑化した信号を出力電圧の目標値として風車ブレードのピッチ角を制御することで、発電機の出力電圧を平均化し、電圧変動、周波数変動などを抑制して商用系統に供給するようにしたので、電力品質を大幅に改善することができる。
【００２５】
また、風速と周速から求めたトルク零となるピッチ角のフィードフォワード補償を行なうことにより、風速変動による電圧、周波数変動への抑制効果がより向上し、発電機出力電圧への追従性が増してより電力品質の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の第１形態を示す構成説明図。
【図２】第１形態の動作を述べるための波形図。
【図３】第１形態の動作を述べるための入出力比例特性図。
【図４】風車ブレードのピッチ角と風車の発生するトルクについての説明図。
【図５】この発明の実施の第２形態を示す構成説明図。
【符号の説明】
１１…発電設備
１２…風車
１２ａ…ブレード
１３…かご型誘導発電機
１４…無効電力調整装置
１５…商用電源
１６…連係変圧器
１７…風速計
２１…制御装置
２２…ローパスフィルタ
２３…入出力比例特性器
２４…加減算器
２５…制御器
２６…ピッチ角制御用サーボ機構
２７…ベクトル合成器
２８…関数テーブル
【発明の属する技術分野】
この発明は、かご型誘導発電機を用いた風力発電機のピッチ角制御による出力電力の平滑化制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電機に用いられる発電機としては、安価、堅牢、良好な保守性を有するかご型誘導発電機が多く用いられている。しかし、かご型誘導発電機で発電した電力を商用系統に供給する場合、（１）起動時の突入電流の問題、（２）固定速での運転が前提であることから最高効率での運転が不可能であり、（３）風速変動に対して発電出力が変動し、商用系統に対して電圧変動や弱小系統の場合には、周波数変動を与えるなど電力品質に影響を与える問題などがある。
【０００３】
かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、上記（１）の問題に対しては逆並列サイリスタによるソフトスタート方式により対策が図られるが、その他の問題点に対しては有効な解決策がないのが現状である。
【０００４】
このため、かご型誘導発電機をコンバータ・インバータ装置を介して商用系統に連係すれば、上記（１）〜（３）の技術的な問題は何れも解決可能であるが、発電容量の増加に伴い、コンバータ・インバータ装置の容量も増加させなくてはならない新たな問題が生じてくる。
【０００５】
従って、かご型誘導発電機を商用系統に連係する際に、コンバータ・インバータ装置を使用しなくてはならないため、かご型誘導発電機を使用する経済的効果が損なわれてしまう。（参照：特開平１１−０５０９４５号と特開平１１−８２２８２号）
また、風車は、風速変動に対してブレードのピッチ角を制御して伝達トルクを制御することが可能であるが、主に定格出力相当以上の風速に対して、これを制限することに重きをおいており、定格出力以下では固定ピッチ角で制御されるように構成されていることも問題となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、風速変動に対して発電出力が大きく変動するために、かご型誘導発電機を商用系統に直結すると系統の電圧・周波数に悪影響を及ぼしてしまう。このため、かご型誘導発電機を用いた風力発電設備では、どうしてもコンバータ・インバータ装置を使用して系統に連係する手段を採らざるを得なく上述のように技術的問題による経済的効果が損なわれてしまう問題があった。
【０００７】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、かご型誘導発電機を系統に直結しても系統に与える電圧変動や周波数変動を極力抑制し電力品質を改善し、経済的効果を損なわないようにした風力発電機の出力電力平滑化制御装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、風車ブレードのピッチ角が制御可能な風車に連結された誘導発電機と、この誘導発電機の発電出力の内、無効電力を調整して有効電力として商用電源に供給する連系変圧器と、風車に隣接して設置され、風速を電気信号に変換して計測する風速計と、この風速計により得られた電気信号を平滑化するローパスフィルタと、このフィルタの出力が供給される入出力比例特性器と、この入出力比例特性器の出力を誘導発電機の有効電力の目標値とし、この目標値と誘導発電機からの有効電力の実測値との偏差を得、この偏差出力が供給され、この出力が零となるように動作する制御器と、この制御器の出力を風車ブレードのピッチ角制御目標値として入力され、この目標値に応じて風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御用サーボ機構とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
第２発明は、風車の回転数と風車ブレードの半径とを積算して周速を得、この周速と風速計で得られた風速の実測値からベクトル合成器により風車ブレード上を流れる風の合成ベクトルの仰角を算出し、算出された仰角に対するトルク零となるピッチ角を決定し、ピッチ角のフィードフォワード補償量を得て、この補償量を制御器の出力に加えるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の第１形態を示す構成説明図で、図１において、１１は発電設備、２１は制御装置である。
【００１１】
発電設備１１は、風車１２、かご型誘導発電機１３、この発電機１３で発電した無効電力を調整する無効電力調整装置１４、発電機１３で発電した電力を商用電源１５と連係させる連系変圧器１６及び風車１２に隣接して設置される風速計１７から構成される。
【００１２】
制御装置２１は、風速計１７により計測された風速が電気信号に変換されて供給されるローパスフィルタ２２、入出力比例特性器２３、加減算器２４、制御器２５及びピッチ角制御用サーボ機構２６から構成される。
【００１３】
上記のように構成された発電設備１１において、かご型誘導発電機１３の出力は、風車１２への風向きが変わると、同じ風速でも風車１２の受けるトルクが変わるために変動する。理想的には、風速に比例した発電機出力となるはずであるが、風車１２のブレードのピッチ角によって風車１２の発生するトルクＴが変わり、このため、出力Ｐも変わってしまう（Ｐ＝ωＴ）。そこで、ピッチ角でトルクＴを変えて出力Ｐを制御するようにした。
【００１４】
このように、風車１２のブレードのピッチ角制御を行なって風速変動に対するかご型誘導発電機１３の急峻な出力変動を抑制し、しかる後、出力を平滑化して、商用系統に与える電圧・周波数の急峻かつ広範囲な変動を抑制する。
【００１５】
以下その作用を述べる。風速計１７により計測される風速は、風速変動のために、図２（イ）に示すように高い周波数成分を含んだ電気信号に変換されて出力される。この電気信号は、ローパスフィルタ２２に供給されると、高い周波数成分の内、追従すべき周波数帯域を通過帯域とするフィルタ特性により図２（ロ）に示すような滑らかな電気信号に処理されて、入出力比例特性器２３に供給される。
【００１６】
入出力比例特性器２３は、図３に示すようなほぼ入力信号に対して出力信号が比例する関係のもので、入出力比例特性器２３の出力は、加減算器２４のプラス端子に供給される。この特性器２３の出力は、風力発電機１３の有効電力出力の目標値Ｐｓｅｔとして加減算器２４のプラス端子に、系統より計測された風力発電機１３の出力電力Ｐａｃｔの実測値を加減算器２４のマイナス端子に供給して減算し、有効電力出力の目標値との偏差を加減算器２４の出力に得る。
【００１７】
この偏差出力は、ＰＩＤ制御または状態変数制御等により、最適に設計された周波数特性を有する制御器２５に入力される。制御器２５は、入力された偏差出力を零とするように動作する。制御器２５の出力は風車のブレードのピッチ角目標値として、ピッチ角制御用サーボ機構２６に入力され、このサーボ機構２６の出力で風車１２のブレードのピッチ角θｐを調整して発電機１３の出力変動を抑制する。
【００１８】
ここで、風車１２のブレード１２ａのピッチ角θｐと風車の発生するトルクＴについて述べる。ピッチ角θｐとトルクＴは、図４に示すように風速ベクトルと、ブレード１２ａの回転数で決まる周速ベクトルの合成ベクトルで決定される風がブレード１２ａ上を流れる。この合成ベクトルで表される風によりブレード１２ａは揚力を発生し、発電機に伝達されるトルクを発生する。
【００１９】
よって、ピッチ角θｐにより周速と風速の大きさにより揚力零、つまり発生トルク零となるピッチ角θｐの中性点が存在することになる。
【００２０】
図５はこの発明の実施の第２形態を示す構成説明図で、図１に示す第１形態と同一部分には同一符号を付して説明する。図５において、周速と風速の実測値をベクトル合成器２７に入力し、このベクトル合成器２７によりブレード上を流れる風の合成ベクトルの仰角を算出する。なお、周速は、風車の回転数を検出し、ブレードの半径を積算することにより算出する。
【００２１】
ベクトル合成器２７により算出された仰角は、関数テーブル２８に入力される。関数テーブル２８は、仰角に対して揚力零、つまりトルク零となるピッチ角を予め算出して用意したもので、この関数テーブル２８で入力された仰角に対してトルク零となるピッチ角を得る。
【００２２】
得られたピッチ角は制御器２５とサーボ機構２６との間に設けられた加算器２９に入力してピッチ角のフィードフォワード補償として使用する。これにより風速変動に対してはフィードフォワード補償により追従し、制御器２５は発生するトルクの補償量に対して動作するようになり、制御性能の改善性が図れる。
【００２３】
なお、上記実施の第１、第２形態において、ローパスフィルタ２２と入出力比例特性器２３の位置を入れ替えても略同様の作用効果が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、風速変動を原因としたかご型誘導発電機の出力電圧の変動を、風速を計測して得られた電気信号をフィルタにより平滑化し、平滑化した信号を出力電圧の目標値として風車ブレードのピッチ角を制御することで、発電機の出力電圧を平均化し、電圧変動、周波数変動などを抑制して商用系統に供給するようにしたので、電力品質を大幅に改善することができる。
【００２５】
また、風速と周速から求めたトルク零となるピッチ角のフィードフォワード補償を行なうことにより、風速変動による電圧、周波数変動への抑制効果がより向上し、発電機出力電圧への追従性が増してより電力品質の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の第１形態を示す構成説明図。
【図２】第１形態の動作を述べるための波形図。
【図３】第１形態の動作を述べるための入出力比例特性図。
【図４】風車ブレードのピッチ角と風車の発生するトルクについての説明図。
【図５】この発明の実施の第２形態を示す構成説明図。
【符号の説明】
１１…発電設備
１２…風車
１２ａ…ブレード
１３…かご型誘導発電機
１４…無効電力調整装置
１５…商用電源
１６…連係変圧器
１７…風速計
２１…制御装置
２２…ローパスフィルタ
２３…入出力比例特性器
２４…加減算器
２５…制御器
２６…ピッチ角制御用サーボ機構
２７…ベクトル合成器
２８…関数テーブル
Claims (2)
- 風車ブレードのピッチ角が制御可能な風車に連結された誘導発電機と、この誘導発電機の発電出力の内、無効電力を調整して有効電力として商用電源に供給する連系変圧器と、風車に隣接して設置され、風速を電気信号に変換して計測する風速計と、この風速計により得られた電気信号を平滑化するフィルタと、このフィルタの出力が供給される入出力比例特性器と、この入出力比例特性器の出力を誘導発電機の有効電力の目標値とし、この目標値と誘導発電機からの有効電力の実測値との偏差を得、この偏差出力が供給され、この出力が零となるように動作する制御器と、この制御器の出力を風車ブレードのピッチ角制御目標値として入力され、この目標値に応じて風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御用サーボ機構とを備えたことを特徴とする風力発電機の出力電力平滑化制御装置。
- 請求項１記載の風力発電機の出力電力平滑化制御装置において、風車の回転数と風車ブレードの半径とを積算して周速を得、この周速と風速計で得られた風速の実測値からベクトル合成器により風車ブレード上を流れる風の合成ベクトルの仰角を算出し、算出された仰角に対するトルク零となるピッチ角を決定し、ピッチ角のフィードフォワード補償量を得て、この補償量を制御器の出力に加えるようにしたことを特徴とする風力発電機の出力電力平滑化制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002210522A JP4135420B2 (ja) | 2002-07-19 | 2002-07-19 | 風力発電機の出力電力平滑化制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002210522A JP4135420B2 (ja) | 2002-07-19 | 2002-07-19 | 風力発電機の出力電力平滑化制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004052649A true JP2004052649A (ja) | 2004-02-19 |
| JP4135420B2 JP4135420B2 (ja) | 2008-08-20 |
Family
ID=31933997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002210522A Expired - Fee Related JP4135420B2 (ja) | 2002-07-19 | 2002-07-19 | 風力発電機の出力電力平滑化制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4135420B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008278725A (ja) * | 2007-05-07 | 2008-11-13 | Hitachi Ltd | 風力発電システム及びその制御方法及びこれを用いた風力発電所 |
| JP2010035418A (ja) * | 2009-11-13 | 2010-02-12 | Hitachi Ltd | 風力発電システムの制御方法 |
| JP2010071159A (ja) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Univ Of Ryukyus | 風車と蓄電池による風力発電電力平滑化装置 |
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