JP2004346822A

JP2004346822A - 風力発電におけるｐｗｍコンバータのトルク制御回路

Info

Publication number: JP2004346822A
Application number: JP2003144521A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shioda; 剛塩田
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】風力発電機に接続されるＰＷＭコンバータによる出力平準化制御は、平均風速が低い風速変動時に、風力発電装置が頻繁に起動・停止するために、エネルギーを有効に取り出せないという問題があった。
【解決手段】風速を検出する手段と、風車回転数を検出する手段と、その１次遅れ信号を平準化風車回転数として出力する手段と、それを入力してパターン制御時トルク指令値を出力する手段と、前記風速を入力して回転数指令値を出力する手段と、該回転数指令値と前記風車回転数を入力して回転数制御時トルク指令値を出力する手段と、前記パターン制御時トルク指令値と前記回転数制御時トルク指令値を入力してトルク指令値を選択する手段を有することを特徴とする風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車により駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続して出力を取り出すためのトルク制御方法に係り、特に、風速が低い時も連続して出力を取り出す事ができる、風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車回転数に基づいた制御によりＰＷＭコンバータを制御することにより、風速計を必要とせず、風速の低い時には風から最大出力を取り出し、風速の高い時には出力を平準化して取り出す風力発電におけるＰＷＭコンバータによる出力平準化制御回路について【特願２００２−２２１７１５号】の「風力発電におけるＰＷＭコンバータの出力平準化回路」にて提案している（出願特許文献１）。
【０００３】
図３は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、種々の風速Ｕに対する風車出力Ｐは、図３の実線で示される。そして、風車出力Ｐのピークは、図３の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
【０００４】
さらに図２は、この風車回転数対風車出力特性より求まる、先願技術で用いた風車回転数対風車トルク特性の概要を説明した図であり、種々の風速に対する風車トルクは、図２にように示される。
この時、種々の風速において、風車出力のピークを出力する時の風車トルクは、図２の一点鎖線で示す最大出力時トルク曲線のようになり、定常的な風から常に、最大出力を取り出すためには、最大出力時トルク曲線に沿った風車回転数に対するトルクで運転すれば良い。
【０００５】
しかし、この方法で風車トルク指令を作成すると、変動風速に対しては、取り出す出力も変動する事になり、特に、平均風速が高い時には、負荷である系統に与える出力変動が大きなものになる。従って、平均風速が高い状態で風速が変動する場合には、実際の風車回転数に対して、長い時定数を有する１次遅れから求めた平準化風車回転数に基づいた風車トルク指令値で運転する事により、風からのエネルギーの一部を、大きなイナ−シャーを有する風車回転数の上昇又は下降という形で蓄えて、系統には平準化して出力する事ができる。
又、平均風速が低い状態で風速が変動する場合には、出力が変動しても電源系統に与える影響が小さいので、実際の風車回転数に対して、短い時定数を有する１次遅れから求めた平準化風車回転数に基づいた風車トルク指令値で運転する事により、風から概略の最大エネルギーを入力して、系統に出力する事ができる。
【０００６】
以上の原理に基づいた先願技術を、図４の風力発電におけるＰＷＭコンバータによる出力平準化制御回路を説明するための風力発電装置接続図を参照して詳述する。
図４において、１は風車、２は回転計、３は発電機、４はＰＷＭコンバータ、５は負荷、６は１次遅れ時定数発生回路、７は１次遅れ回路、８はパターン制御時トルク指令回路である。
風車１により駆動される発電機３の交流側は、ＰＷＭコンバータ４に接続され、風車１により可変速に駆動される発電機３の交流電力は、ＰＷＭコンバータ４により直流電力に変換されて、負荷５に出力される。ここで、先願技術として取り上げる負荷５とは、直流を交流に変換して出力する電源系統のことである。
【０００７】
１次遅れ時定数発生回路６は、回転計２より風車回転数Ｎを入力して、１次遅れ時定数Ｔ１を、１次遅れ回路７に出力する。
１次遅れ回路７は、風車回転数Ｎと１次遅れ時定数Ｔ１を入力し、この１次遅れ時定数Ｔ１を用いて演算される実際の風車回転数Ｎの１次遅れ信号を、平準化風車回転数Ｎｐとしてパターン制御時トルク指令回路８に出力する。
パターン制御時トルク指令回路８は、平準化風車回転数Ｎｐを入力して、パターン制御時トルク指令値τｐ＊を生成し、このパターン制御時トルク指令値τｐ＊によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【０００８】
１次遅れ時定数発生回路６は、例えば、実際の風車回転数Ｎに比例した１次遅れ時定数Ｔ１を、すなわち、実際の風車回転数Ｎが大きい場合は大きな１次遅れ時定数Ｔ１を、実際の風車回転数Ｎが小さい場合は小さな１次遅れ時定数Ｔ１を、１次遅れ回路７に出力する。
パターン制御時トルク指令回路８は、予め記憶されている、図２の最大出力時トルク曲線に基づいて、平準化風車回転数Ｎｐを横軸の風車回転数に読み替えて求めた、縦軸のトルク値を、パターン制御時トルク指令値τｐ＊としてＰＷＭコンバータ４に出力する。
【０００９】
このようなパターン制御時トルク指令値τｐ＊により、ＰＷＭコンバータ４を制御した時の、風速変動時の風車回転数Ｎとトルクτの動作を、図２の風車回転数対風車トルク特性を説明した図により説明する。
風速がゆっくりと、風速Ｕ１と風速Ｕ２の間を変動する時は、風速Ｕ１と最大出力時トルク曲線との交点Ｘ１と、風速Ｕ２との交点Ｘ２との間を、最大出力時トルク曲線上のトルクにより、風車１は最大出力運転される。
平均風速が小さい時には、１次遅れ回路７で用いる１次遅れ時定数Ｔ１が小さいために、風速変動があっても、上記動作とほぼ同じで、最大出力時トルク曲線上のトルクにより、風車１は出力変動を伴った最大出力運転される。
【００１０】
次に、平均風速が高くて風速変動がある時は、実際のトルクτと風車回転数Ｎとの関係は、概略、図２の交点Ｘ１と交点Ｘ２とを結ぶ点線で示すヒステリシス線上にある。
例えば、風速がＵ１の時、最大出力時トルク曲線との交点Ｘ１で、風車１は最大出力運転されている時、風速がＵ２に向かって下降すると、風から得られるトルクτは減少するために、風車回転数Ｎが減少してＰＷＭコンバータ４の出力が減少する。
しかし、１次遅れ回路７の作用により、平準化風車回転数Ｎｐがそれほど減少しないために、パターン制御時トルク指令値τｐ＊がそれほど減少せず、ＰＷＭコンバータ４の出力も、それほど減少しない。この間は、風車のイナ−シャーに蓄えられていたエネルギーをＰＷＭコンバータ４の出力として放出したためであり、実際の風車回転数Ｎの減少は、風速Ｕの減少割合より大きい。
従って、風速がＵ２に下降してしまった時には、１次遅れ時定数Ｔ１のために、図２の風速Ｕ２における最大出力時動作点Ｘ２で運転されているのでは無く、実際の風車回転数Ｎは、Ｎ２より減少しているが、風速がＵ２に落ち着くと共に、最大出力時動作点Ｘ２で運転される。
【００１１】
又、風速がＵ２で、最大出力時トルク曲線との交点Ｘ２で、風車１は最大出力運転されている時、風速がＵ１に向かって上昇すると、風から得られるトルクτは増加するために、風車回転数Ｎが増加してＰＷＭコンバータ４の出力が増加する。
しかし、１次遅れ回路７の作用により、平準化風車回転数Ｎｐがそれほど増加しないために、パターン制御時トルク指令値τｐ＊がそれほど増加せず、ＰＷＭコンバータ４の出力も、それほど増加しない。これは、風車のイナ−シャーにエネルギーを蓄えたためであり、実際の風車回転数Ｎの増加は、風速Ｕの増加割合より大きい。
従って、１次遅れ時定数Ｔ１のために、風速がＵ１に上昇してしまった時には、図２の風速Ｕ１における最大出力時動作点Ｘ１で運転されているのでは無く、実際の風車回転数Ｎは、Ｎ１より増加しているが、風速がＵ１に落ち着くと共に、最大出力時動作点Ｘ１で運転される。
このようにして、平均風速が大きな時の風速Ｕの変動に対しては、実際の風車回転数Ｎの変動は大きくなり、風速に対する最適な回転数、例えば、図３において風速Ｕｘの時の風車回転数Ｎｘ、で運転されないために取り出すエネルギーが減少するが、ＰＷＭコンバータ４の出力変動を抑制する事ができる。
【００１２】
【出願特許文献１】
特願２００２−２２１７１５号（図１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、大きなイナーシャーを有する風車１により駆動される発電機３に接続されたＰＷＭコンバータ４を用いて風車出力平準化制御を行うと、平均風速は低いが変動している時は、短いが影響のある１次遅れ時定数Ｔ１を有する１次遅れ回路７で求めた平準化回転数Ｎｐに基づくパターン制御時トルク指令値τｐ＊により風車を制御するために、風車回転数Ｎは風速Ｕにより定まる出力が最大となる回転数よりも、一時的に高いか又は低い状態となる。
一般に、風速Ｕが低い時は風車の回転数Ｎも低く、風から取り出せるエネルギーが小さいために低回転時には風車を停止させる。さらに、風車は回転数Ｎがある程度上昇して、確実に風があることを確認し、さらに系統連系が可能か否かを確認してから風車発電装置を起動させる。
従って、先願技術の如き風車出力平準化をそのまま行うと、風があるにも関わらず、ある一定以下の風車回転数に下がることがあるので、風車発電装置を頻繁に停止しなければならず、低風速時には再起動に要する時間も含めて風車発電装置を運転する時間が短くなり、風から十分にエネルギーを取り出せないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一般に、風車近傍に設置される風速計は、回転する風車の影響で、正確な風速を測定できないが、風車にはカットアウト風速を検出して、強風時には風車を止める必要があるために、風速計は必要である。
従って、本発明は、その風速計を利用して概略の風速により、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）、請求項１において、
風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、風速を検出する手段と、前記風車の風車回転数を検出する手段と、該風車回転数の１次遅れ信号を平準化風車回転数として出力する手段と、該平準化風車回転数を入力して前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてパターン制御時トルク指令値を出力する手段と、前記風速を入力して前記風車の回転数指令値を出力する手段と、該回転数指令値と前記風車回転数を入力して回転数制御時トルク指令値を出力する手段と、前記パターン制御時トルク指令値または前記回転数制御時トルク指令値を選択して前記発電機のトルク指令値を選択する手段を有することを特徴とする風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路である。
【００１５】
２）、請求項２において、
前記発電機のトルク指令値を選択する手段を、前記風速が低い時は前記回転数制御時トルク指令値を選択し、前記風速が高い時は前記パターン制御時トルク指令値を選択する手段により構成することを特徴とする請求項１記載の風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、風車により駆動される発電機に、ＰＷＭコンバータを接続した請求項１及び２記載のＰＷＭコンバータのトルク制御回路を説明するための風力発電装置接続図である。
同図において、１１は風速計、１２は回転数指令回路、１３は回転数制御時トルク指令回路、１４はトルク指令選択回路であり、図４と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００１７】
風速計１１は、風速Ｕを検出してＰＷＭコンバータ４、回転数指令回路１２およびトルク指令選択回路１４に出力する。回転数指令回路１２は、風速Ｕを入力して風車回転数指令Ｎｎ＊を回転数制御時トルク指令回路１３に出力する。
回転数制御時トルク指令回路１３は、風車回転数指令Ｎｎ＊と風車回転数Ｎを入力して、回転数制御時トルク指令値τｎ＊をトルク指令選択回路１４に出力する。
パターン制御時トルク指令回路８は、風車回転数Ｎを入力してパターン制御時トルク指令値τｐ＊をトルク指令選択回路１４に出力する。
トルク指令選択回路１４は、風速Ｕ、回転数制御時トルク指令値τｎ＊およびパターン制御時トルク指令値τｐ＊を入力して、トルク指令値τ＊を選択し、このトルク指令値τ＊によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【００１８】
次ぎにその作用について説明する。
風速ＵはＰＷＭコンバータ４に出力され、風の無い時は風車発電装置を停止する。
回転数指令回路１２には、風速に対する風車回転数指令Ｎｎ＊が、予め風速により定まる最大出力となる風車回転数Ｎ、または風車の失速を防ぐために最大出力となる風車回転数Ｎよりも高めの風車回転数Ｎがパターン化して予め記憶されている。
回転数制御時トルク指令回路１３は、例えば、風車回転数指令Ｎｎ＊と風車回転数Ｎの偏差を比例積分制御して、回転数制御時トルク指令値τｎ＊を出力する。
【００１９】
１次遅れ回路７の出力である平準化風車回転数Ｎｐを入力するパターン制御時トルク指令回路８は、予め記憶している、図２に示したような最大出力時トルク曲線に沿った風車回転数Ｎに対するトルクをパターン制御時トルク指令値τｐ＊として出力する。
トルク指令選択回路１４は、トルク指令値τ＊として、風速Ｕがある一定値以下すなわち回転数制御風速Ｕｎ以下のときはトルク指令値τ＊を出力せず、また風車発電装置も起動しないが、風速Ｕが回転数制御風速Ｕｎ以上でパターン制御時風速Ｕｐ以下の時は回転数制御時トルク指令値τｎ＊を選択し、風速Ｕが高くパターン制御時風速Ｕｐ以上の時はパターン制御時トルク指令値τｐ＊を選択してＰＷＭコンバータ４により発電機３を制御する。
【００２０】
このようなトルク指令値τ＊を用いてＰＷＭコンバータ４を制御すると、風速計１１により検出した風速Ｕが低いが、発電能力があると見なせる回転数制御風速Ｕｎ以上の時には、回転数制御時トルク指令値τｎ＊により、風車回転数が風車回転数指令Ｎｎ＊になるように制御されるために、風車発電システムを停止することなく運転を継続できる。この制御においては、風速計による正確な風速が測定できないために、その風速での最大出力を得られないが、風力発電装置の頻繁な起動・停止を阻止できる。
また風速がパターン制御時風速Ｕｐ以上のときには、風車がパターン制御時トルク指令値τｐ＊により制御されるために、風速Ｕが変動しないときは最大出力運転され、風速Ｕが変動するときは、１次遅れ回路７のために出力変動が小さくて、しかも概略の最大出力運転される。
【００２１】
以上、本発明の実施例では、回転計２より風車回転数Ｎを検出する場合について説明したが、風車発電機３に接続されるＰＷＭコンバータ４の電圧・電流によるセンサーレス方式でも、風車回転数Ｎを検出できるので、その値を用いても良い。
又、トルク指令値τ＊を選択する風速Ｕの値として、風速計１１の値を適度に平滑して用いることにより、風速変動の激しい時にも、風力発電装置の頻繁な起動・停止を阻止できる。
さらに、発電機は、同期発電機だけでなく、図２の風車回転数対風車トルク特性の最大出力時トルク曲線との関係を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。
【００２２】
【発明の効果】
以上、風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータを用いて、風の無い時は風車発電装置を停止し、低風速時は風速より一義的に定める回転数になるように回転数制御を行い、ある程度の風速になると実回転数の１次遅れ回転数により一義的に定めるトルクになるようにトルク制御を行う制御回路について説明した。
この回路によれば、平均風速が高くて変動の無い時は風から最大出力を得ることができ、変動がある時は出力変動の小さい出力を得ることができる。
又、平均風速が低い時は、風速計による正確な風速が測定できないために、その風速での最大出力を得られないが、風力発電装置の頻繁な起動・停止を阻止できるので、結果的に低風速時の発電量を増加させることができ、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【図２】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車トルク特性の概要を説明する図である。
【図３】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図４】先願技術の風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【符号の説明】
１風車
２回転計
３発電機
４ＰＷＭコンバータ
５負荷
６１次遅れ時定数発生回路
７１次遅れ回路
８パターン制御時トルク指令回路
１１風速計
１２回転数指令回路
１３回転数制御時トルク指令回路
１４トルク指令選択回路

Claims

風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、風速を検出する手段と、前記風車の風車回転数を検出する手段と、該風車回転数の１次遅れ信号を平準化風車回転数として出力する手段と、該平準化風車回転数を入力して前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてパターン制御時トルク指令値を出力する手段と、前記風速を入力して前記風車の回転数指令値を出力する手段と、該回転数指令値と前記風車回転数を入力して回転数制御時トルク指令値を出力する手段と、前記パターン制御時トルク指令値と前記回転数制御時トルク指令値を入力して前記発電機のトルク指令値を選択する手段を有することを特徴とする風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路。
前記発電機のトルク指令値を選択する手段を、前記風速が低い時は前記回転数制御時トルク指令値を選択し、前記風速が高い時は前記パターン制御時トルク指令値を選択する手段により構成することを特徴とする請求項１記載の風力発電におけるＰＷＭコンバータのトルク制御回路。