JP2005130598A - 風力発電におけるｐｗｍコンバータのトルク指令優先回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 風力発電機に接続されるＰＷＭコンバータにより、風のエネルギーを最大出力するトルクパターン制御は、平均風速が低く、しかも変動時には、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、該風車回転数を入力して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指令優先回路である。
【選択図】 図１
【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、該風車回転数を入力して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指令優先回路である。
【選択図】 図１
Description
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指令制御方法に係り、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指令優先回路に関する。
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、風から最大出力を取り出すことができる風力発電におけるＰＷＭコンバータによる最大出力制御方法について提案している（例えば、出願特許文献１参照。）。
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。
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。
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る。
ここで、例えば、図３の風速Ｕｘにおける最大出力Ｐｘとなる風車回転数Ｎｘと、図２の風速Ｕｘと最大出力時トルク曲線との交点Ｒｘにおける風車回転数Ｎｘとは同じ風車回転数Ｎであることを表す。
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Ｎにより一義的に定まるトルクで運転すれば良い。
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る。
ここで、例えば、図３の風速Ｕｘにおける最大出力Ｐｘとなる風車回転数Ｎｘと、図２の風速Ｕｘと最大出力時トルク曲線との交点Ｒｘにおける風車回転数Ｎｘとは同じ風車回転数Ｎであることを表す。
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Ｎにより一義的に定まるトルクで運転すれば良い。
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コンバータによるトルク指令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、１０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。
パターン制御時トルク指令回路１０は、回転計２より風車回転数Ｎを入力し、図３の最大出力時トルク曲線に基づいて、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。
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、１０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。
パターン制御時トルク指令回路１０は、回転計２より風車回転数Ｎを入力し、図３の最大出力時トルク曲線に基づいて、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。
このようなパターン制御時トルク指令値τ*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３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Ｕｘの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｘすなわちトルクτｘで運転され、風速が低くなりＵｙの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｙすなわちトルクτｙで運転される。
このように風速が変動しても、常に風車回転数により定まる最大出力時トルク曲線上で運転されるために、結局、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線上で運転され、風車１は最大出力運転される。
特願２００２−４２７２６号（図１）
風速がＵｘの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｘすなわちトルクτｘで運転され、風速が低くなりＵｙの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｙすなわちトルクτｙで運転される。
このように風速が変動しても、常に風車回転数により定まる最大出力時トルク曲線上で運転されるために、結局、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線上で運転され、風車１は最大出力運転される。
このように、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、風車回転数Ｎに基づくトルクパターン制御を行うと、平均風速が変動している時は、風車１が大きなイナーシャーを有するために、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、先願技術の如きトルクパターン制御をそのまま行うと、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。
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、先願技術の如きトルクパターン制御をそのまま行うと、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。
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ので制御に利用できないが、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、
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入力して前記発電機のトルク指令値とする優先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指令優先回路である。
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、
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入力して前記発電機のトルク指令値とする優先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指令優先回路である。
請求項２においては、請求項１記載のトルク指令優先回路において、前記風速が低い時は前記回転数制御時トルク指令値と前記パターン制御時トルク指令値の小さい方のトルク指令値を優先し、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優先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指令優先回路である。
本発明によれば、平均風速が高い時は風から最大出力を得ることができ、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。
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制御する回転数制御時のトルクと、風車回転数より一義的に定めるトルクパターン制御時のトルクの小さいトルク指令値でトルク指令制御を行い、ある程度に風速が上昇すると風車回転数より一義的に定めるトルクパターン制御時のトルクになるようにトルク指令制御を行うトルク指令優先回路を構成する。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
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指令優先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はトルク指令優先回路であり、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。
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指令優先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はトルク指令優先回路であり、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。
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およびトルク指令優先回路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値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、風車回転数指令値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値τn*をトルク指令優先回路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*をトルク指令優先回路１４に出力する。
トルク指令優先回路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、どちらかのトルク指令値τ*を優先し、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。
回転数制御時トルク指令回路１３は、風車回転数指令値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値τn*をトルク指令優先回路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*をトルク指令優先回路１４に出力する。
トルク指令優先回路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、どちらかのトルク指令値τ*を優先し、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。
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Ｕに対する風車回転数指令値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、風車回転数指令値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。
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Ｕに対する風車回転数指令値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、風車回転数指令値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。
風車回転数Ｎ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。
トルク指令優先回路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されないが、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*とパターン制御時トルク指令値τp*の小さい方のトルク指令値を優先し、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*を優先してＰＷＭコンバータ４により発電機３を制御する。
トルク指令優先回路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されないが、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*とパターン制御時トルク指令値τp*の小さい方のトルク指令値を優先し、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*を優先してＰＷＭコンバータ４により発電機３を制御する。
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*またはパターン制御時トルク指令値τp*の小さい方のトルク指令値により制御されるために、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１１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、最大出力運転される。
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、最大出力運転される。
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、適度に平滑した風速計１１の値を併用することにより、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。
又、トルク指令値τ*を選択する風速Ｕの値として、適度に平滑した風速計１１の値を併用することにより、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。
１ 風車
２ 回転計
３ 発電機
４ ＰＷＭコンバータ
５ 負荷
１０ 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 トルク指令優先回路
２ 回転計
３ 発電機
４ ＰＷＭコンバータ
５ 負荷
１０ 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 トルク指令優先回路
Claims (2)
- 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入力して前記発電機のトルク指令値とする優先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指令優先回路。
- 請求項１記載のトルク指令優先回路において、前記風速が低い時は前記回転数制御時トルク指令値と前記パターン制御時トルク指令値の小さい方のトルク指令値を優先し、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優先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指令優先回路。
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|---|---|---|---|---|
| JP2011041392A (ja) * | 2009-08-10 | 2011-02-24 | Tdk Corp | スイッチング電源装置、発電機および電力供給装置 |
| JP2016008511A (ja) * | 2014-06-20 | 2016-01-18 | 国立大学法人 東京大学 | 波力発電装置 |
| CN109958575A (zh) * | 2017-12-26 | 2019-07-02 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风力发电机组的停机控制方法和装置 |
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