JP2005080481A - 発電システムの発電機制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 原動機のモデル誤差や運転環境の変化があっても正確に最大効率点で運転をする。さらに風速、流量センサなどの動力源のエネルギー量検出手段を使用せずに高効率運転を実現する。
【解決手段】 動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、原動機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力電力を制御する電力変換装置とを備えた発電システムの制御方法において、発電機の発生出力と発電機の検出あるいは推定した軸速度により、原動機の出力を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は風力や水力などの外部動力を回転エネルギーに変換して発電を行う発電システムにおいて、特に発電機を最大効率で運転できる制御方法に関する。

従来の技術の発電システム構成図の一例を図６に示す。図６において１は発電機３を駆動するための原動機である。この原動機１としては羽根、風車、水車等を含む。２はギアもしくはカップリング、３は発電機、４は電力変換装置、５は電力制御装置、６は負荷、８は速度センサである。
次に動作について説明する。原動機のエネルギーによって発電機３を回転させる。ギア/カップリング２は羽根１の回転数を変速または伝達する。発電機３を通じて回転エネルギーは電気的エネルギーに変換され、電力変換装置４によって負荷６にエネルギーを伝える。電力制御装置５は速度センサ８から原動機の軸速度の情報を取り入れ電力変換装置４の制御を行う。発電機３には同期発電機以外に誘導発電機や永久磁石を回転子鉄心内部に埋め込んだ同期電動機であるＩＰＭ(Interior Permanent Magnet) モータを発電機動作させて使用される。従来の発電システムでは、発電機３の回転数が原動機のエネルギーの変化に応じて変化しない速度一定制御、あるいは原動機のエネルギーの変化に応じて発電機の運転回転数を変化させることによってエネルギー利用度すなわち発電効率を高めるように軸速度可変制御を行う。
また風力によって駆動される誘導発電機と、直流電源に接続されている直流バスと、上記誘導発電機と上記直流バスとの間に介在し外部制御により変換周波数が制御される双方向コンバータと、上記直流バスと発電機負荷との間に介在して直流電力を商用周波数に変換するインバータと、上記双方向コンバータの変換周波数を制御する制御手段とからなる。そして、上記制御手段は上記双方向コンバータの変換周波数を次のような態様で制御する。回転誘導電機には電源周波数と極数とで決まる同期速度があり、その回転速度が同期速度より遅い場合は電動機として動作し、その回転速度が同期速度より速い場合に発電機として動作する。従って風力による誘導発電機の回転速度が常に同期速度より速くなるように電源周波数を制御すれば、常に安定した発電状態を得ることができるので、上記双方向コンバータの変換周波数をこのように制御する。そして、この双方向コンバータは、誘導発電機側から見れば交流電源として動作し、直流バス側から見れば直流電源として動作することになる。（例えば、特許文献１参照）。
特開平２００２−８４７９７号公報

ところが、発電効率を高めるには応答性と正確性を同時に満足させなければならない。そこで、本発明は原動機の特性から最大効率運転用のトルク指令パターンを作って素早く高効率運転点まで移動し、推定した原動機の出力の変化分からトルク指令の微細調整ゲインを演算して原動機のモデル誤差や運転環境の変化が有っても正確に最大効率点運転をすることを目的とする。さらに風速、流量センサなどの動力源のエネルギー量検出手段を使用せずに高効率運転を実現することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力の電力を制御する電力変換装置とを備えた発電システムにおいて、前記発電機電力及び前記発電機の検出あるいは推定した軸速度により前記発電システムの運転効率が最大となるトルク指令パターンを算出する。前記発電機の軸速度と前記発電機の発生出力より原動機出力を演算し、前記原動機出力の変化からトルク指令の微細調整ゲインを算出し、前記トルク指令パターンに掛け算することにより速い過渡応答特性と正確な微細調整が出来るようなトルク指令を算出することにより、設計値と実際値とが異なる場合においても常に最大効率を得ることができるようにする。

本発明によれば、発電システムの運転特性は応答性と正確性を同時に満足させ、効率を向上させることが出来るとともに、風速、流量センサなどの動力源のエネルギー量検出手段を使用せずに外部動力による電力制御ができるようになり回路の簡略化、低コスト化および高信頼性を実現できるという効果がある。

本発明における発電機効率を最大とするため動作原理について説明する。図１に示したように原動機を回転させる入力エネルギーの量ｍ_inと原動機の回転数Ｗ_turによって原動機の出力Ｐ_turが決まるシステムにおいて、Ｐ_turは（１）式に示すようにｍ_inとＷ_turの関数ｆで表することができる。

更に原動機の発生トルクＴ_turは（２）式で表すことができる。

任意の原動機入力値に対して原動機の出力が最大になる運転回転数が存在すると最大出力Ｐ_tur＿peakとその時の運転回転数は図１の曲線Lbで表すことができる。曲線Lbは（３）式に示すように原動機の回転数Ｗ_turの関数Ｐ_peakで表することができる。

更に原動機の発生トルクＴ_tur＿peakは（４）式に示すようにＷ_turの関数Ｔ_peakで表することができる。

原動機とギアまたはカップリングを通じて回転する発電機の回転数をＷ_genとする。ギア比をｋとするとＷ_genは

図1は発電機の回転数に対して図２の(a)のように表することができる。機械的なロス分をPlossとして発電機側に掛けるトルクをＴ_gen＿peakとすると

本発明では原動機の出力特性から発電機に掛けるトルクを求め、検出或いは推定した発電機の

を使って発電機の最大効率トルク指令Ｔ^* _gen＿peakを作る。発電機のトルク指令は（７）式で表すことができる。更に（７）式は図２の(b)の曲線L２で表すことができる。

最大効率運転は（７）式より発電機のトルクを制御して可能だが、トルクの指令値は原動機の設計誤差、特性の変化及び外部環境パラメータの変化等によって、本当の原動機の最大効率運転点と設計値から作った（７）式のトルク指令値の間には誤差が発生する可能性がある。その場合にはトルク指令が図２の(ｂ)の最適曲線L２で運転できない。例えばトルク指令が大きすぎる場合は曲線L１で運転する事になり、トルク指令が低すぎの場合は曲線L3で運転する事になって運転効率が低くなる。この問題点を解決するために本発明では原動機の運転特性パラメータに変化が有っても最大効率点での運転が出来るように補正制御部を設け、トルク指令を補正する。
トルク指令が図２の(ｂ)の最適曲線L２で運転が出来るように、原動機の出力特性から作った式（７）のトルクパターンＴ^* _gen＿peakにゲインｇ_t ^*(n)を掛けて出力する。

補正制御部の設計のためにはまず、原動機の出力を検出する必要がある。

を補正することによって原動機の出力を正確に検出することが可能である。

Ｊ_totalは発電機側に換算された原動機や発電機を含めた発電システムの全体の慣性、Ｂ_eqvは発電機の回転数に換算された発電システムの全体の摩擦係数である。（9）式及び（10）式より求めた原動機の出力

原動機の出力の変化ΔＰ(n)より、トルク指令ゲインｇ_t ^*(n)を調整すれば、原動機の出力が最大になるように制御することが出来る。例えばゲインが最適値より低くて動作曲線がL3になっている場合はゲインｇ_t ^*(n)が増加して動作曲線がL２になるまではΔＰ(n)>0の状態が維持されるので ゲインを大きく調整する。
逆に、大きくて動作曲線がL１になっている場合はゲインｇ_t ^*(n)が減少して動作曲線がL２になるまではΔＰ(n)>0の状態が維持されるのでゲインは小さく調整する。

請求項１記載の実施例について説明する。図３は請求項1を発電システムに適用した例である。図３において、１は風車等の原動機、２は速度を変えるためのギアもしくはカップリング、３は発電機、４は電力変換装置、５は電力制御装置、６は電力変換装置６の負荷である。図３の電力制御装置５には、発電機の速度、電圧、電流値を検出或いは推定する機能、発電機の出力検出、トルクおよび回転数を制御する機能が設けられている。この発電機の速度、電圧、電流値を検出或いは推定する機能は、発電機３の電流検出に基づいて位置検出器や電圧検出器を持たないいわゆるセンサレスベクトル制御と同様にして速度、電圧を推定することができる。本発明の図３が従来の技術である図６と相違する部分は発電機の速度を検出する速度センサ８を備えていない点にある。図４は発電機の出力

より原動機の出力検出ブロックを示す。機械モデル式401では(10)式を利用して機械的変動分

請求項２記載の実施例について説明する。図５は本発明の発電機のトルク制御の構成を示すブロック図である。図５において５０１は出力演算器、５０２は演算器、５０３、５０４はリミッター、５０５はトルク演算器、５０６は加算手段、５０７は減算手段、４は電力変換装置、３は発電機である。
出力演算器５０１で検出した原動機の検出出力を

とすると減算手段５０７で原動機の検出出力の変化ΔＰ（n）を求めてそれを演算器５０２へ出力する。演算器５０２ではΔＰ(n)を入力変数として比例或いは比例積分或いは比例・積分・微分制御等を行ってｇ_tmp ^*(n)をリミッター５０３へ出力する。リミッター５０３では出力の範囲を制限してゲインの増加分Δｇ_tを加算手段５０６へ出力する。リミッター５０３は入力値ｇ_tmp ^*(n)を制限するためｇ_tmp ^*(n)の絶対値を（12）式のように制限値ΔＧ＿lim以下に制限する。

前回のゲインｇ_t ^*(n-1)にΔｇ_tを加算手段５０６により加算してその結果をリミッター５０４で制限して今回のゲインｇ_t ^*(n)を得、このｇ_t ^*(n)をトルク演算器５０５へ出力する。トルク演算器５０５では原動機の出力特性から作った式（７）のトルクパターンＴ^* _gen＿peakに ゲインｇ_t ^*(n)を掛けて発電機のトルク指令値を電力変換装置４へ出力する。

結果的に発電機のトルク指令値は(13) 式のように示すことが出来る。トルク指令は電力変換装置4で発電機に出力するトルクに変換され発電システムに出力する。

本発明は風力や水力等における原動機と入力エネルギーの関係が図１のように出力が最大となる原動機の回転数が存在するシステムに適用することができる。

原動機の出力特性の例 原動機の出力特性と発電機のトルクの関係 本発明の一実施形態の発電システムの構成を示すブロック図 本発明の原動機の出力検出装置の構成を示すブロック図 本発明の発電機のトルク制御の構成を示すブロック図 従来技術を示すシステム構成図

符号の説明

１ 羽根
２ ギア/カップリング
３ 発電機
４ 電力変換装置
５ 電力制御回路
６ 負荷
７ 速度検出器
８ 速度センサ
５０１ 出力演算器
５０２ 演算器
５０３、５０４ リミッター
５０５ トルク演算器
５０６ 加算手段
５０７ 減算手段

Claims (2)

1. 動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、前記原動機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力電力を制御する電力変換装置とを備えた発電システムの制御方法において、
   前記発電機の発生出力と前記発電機の検出あるいは推定した軸速度により、前記原動機の出力を検出することを特徴とする発電システムの発電機制御方法。
2. 前記原動機のトルク特性から前記発電システムの運転効率が最大となるトルク指令パターンを求め、前記原動機の出力の変化からトルク指令の微細調整ゲインを算出して前記トルク指令パターンに掛け算することによりトルク指令を算出することを特徴とする請求項１記載の発電システムの発電機制御方法。