JP2006246553A - 風力発電装置及び風力発電装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 座標変換を行うことなく簡便な処理により発電機側の制御を実現することにより、処理の軽減及びデータ量の低減化を図ることができ、且つ、３相交流電流の各相を独立して制御することにより、故障などに柔軟に対応することができる風力発電装置及び風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 風力により発電する発電機２と、発電機２からの３相交流電流を直流電流に変換するコンバータ３と、コンバータ３から出力される直流電流を３相交流電流に変換するインバータ４とを備え、インバータ４の出力を電力系統２０に出力する風力発電装置１０であって、発電機２からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を各相のそれぞれに対して生成し、発電機２からの各相の電流が各電流指令値に追従するように、コンバータ２を制御するコンバータ制御部５を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】 風力により発電する発電機２と、発電機２からの３相交流電流を直流電流に変換するコンバータ３と、コンバータ３から出力される直流電流を３相交流電流に変換するインバータ４とを備え、インバータ４の出力を電力系統２０に出力する風力発電装置１０であって、発電機２からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を各相のそれぞれに対して生成し、発電機２からの各相の電流が各電流指令値に追従するように、コンバータ２を制御するコンバータ制御部５を備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、風力発電装置及び風力発電装置の制御方法に関するものである。
従来、風力発電装置においては、効率良くエネルギーを取得する為に、可変速型のプロペラ式風力発電装置が開発されている。このような可変速型の風力発電装置として、例えば、米国特許第５０８３０３９号明細書（特許文献１）に示されるものがある。
上記特許文献１に開示の風力発電装置は、安定した質のよい電力を電源系統に供給するために、発電機から出力された３相交流電流を直流電流に変換するアクティブ整流器と、アクティブ整流器から出力された直流電流を３相交流電流に変換するインバータとを備えている。そして、上記発電機側では、発電機制御部により、発電機から出力される３相交流電流が同期回転座標変換によりｄ−ｑ軸直流電流に変換され、その後、線形制御理論を適用したベクトル制御に基づいて電流指令値が生成され、この電流指令値に発電機の出力が追従するように、アクティブ整流器の制御が行われる。
米国特許第５０８３０３９号明細書（第７−８頁、第４図）
上記特許文献１に開示の風力発電装置は、安定した質のよい電力を電源系統に供給するために、発電機から出力された３相交流電流を直流電流に変換するアクティブ整流器と、アクティブ整流器から出力された直流電流を３相交流電流に変換するインバータとを備えている。そして、上記発電機側では、発電機制御部により、発電機から出力される３相交流電流が同期回転座標変換によりｄ−ｑ軸直流電流に変換され、その後、線形制御理論を適用したベクトル制御に基づいて電流指令値が生成され、この電流指令値に発電機の出力が追従するように、アクティブ整流器の制御が行われる。
しかしながら、上記特許文献１の発明では、以下のような問題があった。
第１に、座標変換やベクトル制御などを行うことから、発電機制御部における処理内容が煩雑となり、メモリ容量が大きくなるなどの問題が生じていた。
第２に、３相交流電流を座標変換した後の直流電流に基づいて電流指令値を生成しているため、１相に地絡が生じるなどの故障が生じた場合には、柔軟に対応することができないという問題があった。
第１に、座標変換やベクトル制御などを行うことから、発電機制御部における処理内容が煩雑となり、メモリ容量が大きくなるなどの問題が生じていた。
第２に、３相交流電流を座標変換した後の直流電流に基づいて電流指令値を生成しているため、１相に地絡が生じるなどの故障が生じた場合には、柔軟に対応することができないという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、座標変換を行うことなく簡便な処理により発電機側の制御を実現することにより、処理の軽減及びデータ量の低減化を図ることができ、且つ、各相を独立して制御することにより、故障などに柔軟に対応することができる風力発電装置及び風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置であって、前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段を備える風力発電装置を提供する。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置であって、前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段を備える風力発電装置を提供する。
上記構成によれば、コンバータ制御手段により、発電機からの各相の出力電力に基づいて要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値が各相のそれぞれに対応して生成され、発電機からの各相の実電流が、生成された上記各電流指令値に追従するように、コンバータが制御される。これにより、発電機からの各相の電流を別個独立に制御することが可能となる。また、ベクトル制御などの煩雑な処理を行うことなく、要求トルクを得ることが可能となる。
本発明の風力発電装置において、前記コンバータ制御手段は、前記各相に対応して生成された電流指令値を前記発電機の回転周波数に共振させるための共振手段を備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記コンバータを制御しても良い。
上記構成によれば、共振手段が、各相に対応して生成された正弦（余弦）波電流指令値に対して、正弦（余弦）波内部モデルとして作用するので、制御理論における内部モデル原理に従って、発電機の出力電流を定常偏差が生じないように、電流指令値に追従させることが可能となる。これにより、制御の性能を容易に向上させることができる。
本発明の風力発電装置において、前記コンバータ制御手段は、要求トルク及び前記発電機からの各相の出力電流に基づいて算出された実トルクに基づいて、要求トルクを得るための電流の振幅を算出する振幅算出手段と、前記振幅算出手段により算出された振幅に基づいて、前記各相に応じた電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、前記電流指令値生成手段により生成された前記各電流指令値を前記発電機の回転周波数に共振させる共振手段とを備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記コンバータを制御しても良い。
上記構成によれば、要求トルク及び発電機からの各相の電流値に基づいて算出された実トルクに基づいて、要求トルクを得るための電流の振幅が振幅算出手段により算出される。そして、振幅算出手段により算出された振幅に基づいて、各相に応じた電流指令値が電流指令値生成手段により生成される。そして、共振手段が、この各相に応じて生成された電流指令値を発電機の回転周波数に共振させ、この電流指令値に発電機からの各相の出力電流が追従するように、コンバータが制御される。
本発明の風力発電装置において、前記コンバータ制御手段は、前記電流指令値に重畳されている高調波を除去する高調波除去手段を備えていても良い。
上記構成によれば、電流指令値に重畳されている高調波が、高調波除去手段により除去されるため、制御の性能を更に向上させることが可能となる。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置であって、前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段を備える風力発電装置を提供する。
上記構成によれば、インバータ制御手段により、インバータからの各相の出力電圧に基づいて目標出力電力及び目標力率を得るための振幅及び位相を有する電流指令値が各相のそれぞれに対応して生成され、インバータからの各相の出力電流が、生成されたこれら各電流指令値に追従するように、インバータが制御される。これにより、インバータから電源系統へ出力される各相の電流を別個独立に制御することが可能となり、所望の出力電力及び力率を得ることができる。
本発明の風力発電装置において、前記インバータ制御手段は、前記各相に対応して生成された前記各電流指令値を前記電力系統の周波数に共振させる共振手段を備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記インバータを制御しても良い。
上記構成によれば、共振手段が、各相に対応して生成された正弦（余弦）波電流指令値に対して、正弦（余弦）波内部モデルとして作用するので、制御理論における内部モデル原理に従って、インバータの出力電流を定常偏差が生じないように、電流指令値に追従させることが可能となる。これにより、制御の性能を容易に向上させることができる。
本発明の風力発電装置において、前記インバータ制御手段は、目標出力電力を得るための振幅を算出する振幅算出手段と、前記振幅算出手段により算出された振幅及び目標力率を得るための位相に基づいて、前記インバータからの出力電流の各相に対して、電流指令値をそれぞれ生成する電流指令値生成手段と、前記電流指令値生成手段により生成された前記各電流指令値を前記電力系統の周波数に共振させる共振手段とを備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記インバータを制御しても良い。
上記構成によれば、電流指令値生成手段により、目標出力電力を得るための振幅及び目標力率を得るための位相に基づいて、インバータの出力電流の各相に応じた電流指令値が生成され、共振手段により、この電流指令値が電力系統の周波数に共振する電流指令値とされる。そして、共振手段からの電流指令値に、インバータから電力系統へ供給される各相の電流が追従するように、インバータが制御される。
本発明の風力発電装置において、前記インバータ制御手段は、前記電流指令値に重畳されている高調波を除去する高調波除去手段を備えていても良い。
上記構成によれば、電流指令値に重畳されている高調波は、高調波除去手段により除去されるため、制御の性能を更に向上させることが可能となる。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータと、前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置を提供する。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置の制御方法であって、前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御する風力発電装置の制御方法を提供する。
本発明は、風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置の制御方法であって、前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御する風力発電装置の制御方法を提供する。
本発明の風力発電装置によれば、座標変換を行うことなく簡便な処理により発電機側の制御を実現することにより、処理の軽減及びデータ量の低減化を図ることができ、且つ、各相を独立して制御することにより、故障などに柔軟に対応することができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる風力発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機２、コンバータ３、インバータ４、コンバータ制御部（コンバータ制御手段）５、及びインバータ制御部（インバータ制御手段）６を主な構成要素として備えている。
このように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、発電機２により発電された３相交流電力をコンバータ３により直流電力に一旦変換し、その後、コンバータ３からの直流電力をインバータ４にて３相交流電力に変換して、この３相交流電力を電力系統２０に供給するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を採用している。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システムの概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機２、コンバータ３、インバータ４、コンバータ制御部（コンバータ制御手段）５、及びインバータ制御部（インバータ制御手段）６を主な構成要素として備えている。
このように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、発電機２により発電された３相交流電力をコンバータ３により直流電力に一旦変換し、その後、コンバータ３からの直流電力をインバータ４にて３相交流電力に変換して、この３相交流電力を電力系統２０に供給するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を採用している。
上記発電機２は、例えば、同期発電機である。
コンバータ３は、例えば、２つのスイッチング素子が直列に接続された直列回路が３つ並列に接続された構成を備えてなるアクティブ整流器を採用している。これらスイッチング素子には、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、トランジスタなどが用いられる。
インバータ４は、例えば、２つのスイッチング素子が直列に接続された直列回路が３つ並列に接続された構成を備えている。これらスイッチング素子には、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、トランジスタなどが用いられる。
コンバータ３とインバータ４との間には、リップルを低減するために、平滑コンデンサ７が並列に接続されている。
コンバータ３は、例えば、２つのスイッチング素子が直列に接続された直列回路が３つ並列に接続された構成を備えてなるアクティブ整流器を採用している。これらスイッチング素子には、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、トランジスタなどが用いられる。
インバータ４は、例えば、２つのスイッチング素子が直列に接続された直列回路が３つ並列に接続された構成を備えている。これらスイッチング素子には、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、トランジスタなどが用いられる。
コンバータ３とインバータ４との間には、リップルを低減するために、平滑コンデンサ７が並列に接続されている。
発電機２とコンバータ３とを接続する３相の電力線には、各相の電流を検出するための電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃが設けられている。この電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃにより検出された各相の電流値は、コンバータ３を制御するコンバータ制御部５に入力される。
インバータ４と電力系統２０とを接続する３相の電力線には、各相の電流を検出するための電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが設けられている。この電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃにより検出された各相の電流値は、インバータ４を制御するインバータ制御部６に入力される。
平滑コンデンサ７の両端には、平滑コンデンサ７の両端電圧を検出する、言い換えると、インバータ４の入力電圧を検出する電圧センサ１１が備えられている。この電圧センサ１１により検出された直流電圧値は、インバータ制御部６に入力される。
インバータ４と電力系統２０とを接続する３相の電力線には、各相の電流を検出するための電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが設けられている。この電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃにより検出された各相の電流値は、インバータ４を制御するインバータ制御部６に入力される。
平滑コンデンサ７の両端には、平滑コンデンサ７の両端電圧を検出する、言い換えると、インバータ４の入力電圧を検出する電圧センサ１１が備えられている。この電圧センサ１１により検出された直流電圧値は、インバータ制御部６に入力される。
コンバータ制御装置５は、例えば、発電機２からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を各相のそれぞれに対して生成し、発電機２からの各相の電流が各電流指令値に追従するように、コンバータ３を制御する。
インバータ制御装置６は、インバータ４の入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値をインバータ４の出力の各相に応じてそれぞれ生成し、インバータ４からの各相の電流が各電流指令値に追従するように、インバータ４を制御する。
インバータ制御装置６は、インバータ４の入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値をインバータ４の出力の各相に応じてそれぞれ生成し、インバータ４からの各相の電流が各電流指令値に追従するように、インバータ４を制御する。
次に、上述したコンバータ制御装置５について詳細を説明する。
図２は、本実施形態に係るコンバータ制御装置５の概略構成を示すブロック図である。
この図において、コンバータ制御装置５は、トルク算出部５１、振幅算出部５２、電流指令値生成部５３、共振部５４、ＰＷＭ制御部５５、及び駆動回路５６を備えて構成されている。
上記トルク算出部５１は、電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃにより検出された各相の電流値、換言すると、発電機２からの各相の電流に基づいて、発電機２の実トルクを算出する。
トルク算出部５１により算出された実トルクτは、振幅算出部５２に入力される。振幅算出部５２は、この実トルクτに基づいて、要求トルクτ＊を得るために必要となる電流振幅Ｉｍ１＊を算出する。
図２は、本実施形態に係るコンバータ制御装置５の概略構成を示すブロック図である。
この図において、コンバータ制御装置５は、トルク算出部５１、振幅算出部５２、電流指令値生成部５３、共振部５４、ＰＷＭ制御部５５、及び駆動回路５６を備えて構成されている。
上記トルク算出部５１は、電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃにより検出された各相の電流値、換言すると、発電機２からの各相の電流に基づいて、発電機２の実トルクを算出する。
トルク算出部５１により算出された実トルクτは、振幅算出部５２に入力される。振幅算出部５２は、この実トルクτに基づいて、要求トルクτ＊を得るために必要となる電流振幅Ｉｍ１＊を算出する。
振幅算出部５１は、例えば、減算器５２１と、減算器５２１の出力が入力されるＰＩ制御器５２２とを備えている。減算器５２１は、トルク算出部５１により算出された実トルクτと、図示しない外部装置により決定された要求トルクτ＊との差分を算出する。減算器５２１により求められた差分は、ＰＩ制御器５２２に入力される。ＰＩ制御器５２２は、減算器５２１の出力に比例ゲインＫｐτを乗算する比例器、減算器５２１の出力を積分するとともに比例ゲインＫｉτを乗算する積分器、及び比例器の出力と積分器の出力とを加算する加算器を備えている。
振幅算出部５２により算出された電流振幅Ｉｍ１＊は、電流指令値生成部５３に入力される。電流指令値生成部５３は、振幅算出部５２からの電流振幅Ｉｍ１＊に基づいて、発電機２の各相に対して、それぞれ個別の交流電流指令値を生成する。電流指令値生成部５３は、例えば、各相に対応してそれぞれ設けられた３つの関数発生器５３ａ、５３ｂ、５３ｃを備えている。
振幅算出部５２により算出された電流振幅Ｉｍ１＊は、電流指令値生成部５３に入力される。電流指令値生成部５３は、振幅算出部５２からの電流振幅Ｉｍ１＊に基づいて、発電機２の各相に対して、それぞれ個別の交流電流指令値を生成する。電流指令値生成部５３は、例えば、各相に対応してそれぞれ設けられた３つの関数発生器５３ａ、５３ｂ、５３ｃを備えている。
各関数発生器５３ａ、５３ｂ、５３ｃには、振幅算出部５２より算出された電流振幅Ｉｍ１＊及び発電機２に連結された風車のロータ（図示略）の角速度ωが入力される。各関数発生器５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、これらの入力情報に基づいて、電流振幅Ｉｍ１＊を有し且つ、位相θが相互に１２０°ずれている交流電流指令値ｉａ１＊、ｉｂ１＊、ｉｃ１＊をそれぞれ生成する。より具体的には、関数発生器５３ａは、例えば、Ｉｍ１＊・ｓｉｎωｔの関数発生器であり、関数発生器５３ｂは、例えば、Ｉｍ１＊・ｓｉｎ（ωｔ−２π／３）の関数発生器であり、関数発生器５３ｃは、例えば、Ｉｍ１＊・ｓｉｎ（ωｔ−４π／３）の関数発生器である。そして、各関数発生器が、予め有する上記関数に、変数である振幅Ｉｍ１＊及び角速度ωを代入することにより、発電機２からの各相に応じた交流電流指令値ｉａ１＊、ｉｂ１＊、ｉｃ１＊を生成する。
電流指令値生成部５３により生成された各交流電流指令値ｉａ１＊、ｉｂ１＊、ｉｃ１＊は、電流指令値生成部５３の各関数発生器５３ａ、５３ｂ、５３ｃに対応して設けられた各減算器に入力される。各減算器は、入力された電流指令値ｉａ１＊、ｉｂ１＊、ｉｃ１＊と実電流値ｉａ１、ｉｂ１、ｉｃ１との差分を算出する。
例えば、発電機２の３相をそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相とした場合、ａ相に対応して設けられた減算器であれば、ａ相に対して生成された電流指令値ｉａ＊とａ相の実電流値ｉａとの差分からなる電流波形を生成する。
例えば、発電機２の３相をそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相とした場合、ａ相に対応して設けられた減算器であれば、ａ相に対して生成された電流指令値ｉａ＊とａ相の実電流値ｉａとの差分からなる電流波形を生成する。
減算器により生成された電流波形は、共振部５４に入力される。共振部５４は、減算器から入力された各電流波形に基づいて、発電機２の回転数（或いは回転数指令）と同様の周波数を有する正弦波形又は余弦波形を各相に対して生成する。
共振部５４は、例えば、発電機２からの電流の各相に対応してそれぞれ設けられた３つの共振器５４ａ、５４ｂ、及び５４ｃを備えて構成されている。
共振部５４は、例えば、発電機２からの電流の各相に対応してそれぞれ設けられた３つの共振器５４ａ、５４ｂ、及び５４ｃを備えて構成されている。
各共振器５４ａ、５４ｂ、及び５４ｃは、比例器５４１、正弦波発生器５４２、及び加算器５４３をそれぞれ備えている。比例器５４１は、上記減算器から入力された差分に比例ゲインＫｐを乗算し出力する。正弦波発生器５４２の共振周波数は、発電機２の回転数（あるいは回転数指令）に応じて変化する（通常は、回転数と同じ周波数になるように変化する）。正弦波発生器５４２は、発電機２の回転周波数に共振する正弦波を上記減算器から入力された差分に基づいて生成し、出力する。加算器５４３は、比例器５４１からの出力と正弦波発生器５４２からの出力を加算し、出力する。このようにして生成された、定常偏差が生ずることなく電流を追従させることが可能な電圧指令値ｖａ１＊、ｖｂ１＊、ｖｃ１＊は、ＰＷＭ制御器５５に出力される。
ＰＷＭ制御器５５は、電圧指令値ｖａ１＊、ｖｂ１＊、ｖｃ１＊に基づいてゲート波形信号を生成し、これを駆動回路５６に出力する。駆動回路５６は、ＰＷＭ制御器５５からのゲート波形信号に基づいて、コンバータ３を構成する６つのスイッチング素子を駆動する。これにより、スイッチング素子の開閉が制御され、発電機２の出力電流の各相が、各電流指令値iａ１＊、iｂ１＊、iｃ１＊に追従することとなる。
次に、図１に示したインバータ制御部６について図３を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係るインバータ制御装置６の概略構成を示すブロック図である。
この図において、インバータ制御装置６は、振幅算出部６１、電流指令値生成部６２、共振部６３、ＰＷＭ制御部６４、及び駆動回路６５を備えて構成されている。
上記振幅算出部６１は、目標出力電力を得るための電流振幅Ｉｍ２＊を算出する。振幅算出部６１は、例えば、インバータ５の入力電圧Ｖdcと目標出力電力に基づいて決定される目標電圧Ｖdc＊との差分を算出する減算器６１１と、減算器６１１からの出力が入力されるＰＩ制御器６１２とを備えている。ＰＩ制御器６１２は、減算器の出力に比例ゲインＫｐｖを乗算する比例器、減算器の出力を積分するとともに比例ゲインＫｉｖを乗算する積分器、及び比例器の出力と積分器の出力とを加算する加算器を備えている。
図３は、本実施形態に係るインバータ制御装置６の概略構成を示すブロック図である。
この図において、インバータ制御装置６は、振幅算出部６１、電流指令値生成部６２、共振部６３、ＰＷＭ制御部６４、及び駆動回路６５を備えて構成されている。
上記振幅算出部６１は、目標出力電力を得るための電流振幅Ｉｍ２＊を算出する。振幅算出部６１は、例えば、インバータ５の入力電圧Ｖdcと目標出力電力に基づいて決定される目標電圧Ｖdc＊との差分を算出する減算器６１１と、減算器６１１からの出力が入力されるＰＩ制御器６１２とを備えている。ＰＩ制御器６１２は、減算器の出力に比例ゲインＫｐｖを乗算する比例器、減算器の出力を積分するとともに比例ゲインＫｉｖを乗算する積分器、及び比例器の出力と積分器の出力とを加算する加算器を備えている。
上記振幅算出部６１により算出された目標出力電力を得るための電流振幅Ｉｍ２＊は、電流指令値生成部６２に入力される。電流指令値生成部６２は、振幅算出部６１からの電流振幅Ｉｍ２＊及び外部装置から入力される電力系統２０に供給する電力の目標力率に基づいて決定される位相θに基づいて、目標出力電力を得るとともに、目標力率を得るための交流電流指令値を各相に対して生成する。
電流指令値生成部６２は、例えば、各相に対応してそれぞれ設けられた３つの関数発生器６２ａ、６２ｂ、６２ｃを備えている。各関数発生器６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、電流振幅Ｉｍ２＊を有し、位相がθ進んでいると共に、互いの位相が１２０°ずれている交流電流指令値ｉａ２＊、ｉｂ２＊、ｉｃ２＊を生成する。
具体的には、関数発生器６２ａは、例えば、Ｉｍ２＊・sｉｎ（ωｔ＋θ）の関数発生器であり、関数発生器６２ｂは、例えば、Ｉｍ２＊・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−２π／３）の関数発生器であり、関数発生器６３ｃは、例えば、Ｉｍ２＊・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−４π／３）の関数発生器であり、各々が予め有する関数に変数である電流振幅Ｉｍ２＊及び位相θを代入することにより、各相に対して交流電流指令値ｉａ２＊、ｉｂ２＊、ｉｃ２＊をそれぞれ生成する。
具体的には、関数発生器６２ａは、例えば、Ｉｍ２＊・sｉｎ（ωｔ＋θ）の関数発生器であり、関数発生器６２ｂは、例えば、Ｉｍ２＊・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−２π／３）の関数発生器であり、関数発生器６３ｃは、例えば、Ｉｍ２＊・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−４π／３）の関数発生器であり、各々が予め有する関数に変数である電流振幅Ｉｍ２＊及び位相θを代入することにより、各相に対して交流電流指令値ｉａ２＊、ｉｂ２＊、ｉｃ２＊をそれぞれ生成する。
各関数発生器６２ａ、６２ｂ、６２ｃにより生成された各交流電流指令値ｉａ２＊、ｉｂ２＊、ｉｃ２＊は、各関数発生器に対応して設けられた減算器にそれぞれ入力される。各減算器は、入力された電流指令値ｉａ２＊、ｉｂ２＊、ｉｃ２＊と実電流値ｉａ２、ｉｂ２、ｉｃ２との差分を算出する。
例えば、インバータ４から電力系統２０へ供給される３相の交流電力をそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相とした場合、ａ相に対応して設けられた減算器であれば、ａ相に対して生成された電流指令値ｉａ２＊とａ相の実電流値ｉａ２との差分からなる電流波形を生成する。
例えば、インバータ４から電力系統２０へ供給される３相の交流電力をそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相とした場合、ａ相に対応して設けられた減算器であれば、ａ相に対して生成された電流指令値ｉａ２＊とａ相の実電流値ｉａ２との差分からなる電流波形を生成する。
減算器により生成された電流波形は、共振部６３に入力される。共振部６３は、減算器から入力された各電流波形に基づいて、電力系統２０の周波数に共振する正弦波形又は余弦波形を各相に対して生成する。
共振部６３は、例えば、インバータ４の出力電流の各相に対応してそれぞれ設けられた３つの共振器６３ａ、６３ｂ、及び６３ｃを備えて構成されている。
共振部６３は、例えば、インバータ４の出力電流の各相に対応してそれぞれ設けられた３つの共振器６３ａ、６３ｂ、及び６３ｃを備えて構成されている。
各共振器６３ａ、６３ｂ、及び６３ｃは、比例器６３１、正弦波発生器６３２、及び加算器６３３をそれぞれ備えている。比例器６３１は、上記減算器から入力された差分に比例ゲインＫｐを乗算し出力する。正弦波発生器６３２は、共振周波数が電力系統の周波数に設定されている。正弦波発生器６３２は、電力系統２０の周波数に共振する正弦波を上記減算器から入力された差分に基づいて生成し、出力する。加算器６３３は、比例器６３１からの出力と正弦波発生器６３２からの出力を加算し、出力する。
このようにして生成された、定常偏差が生ずることなく電流を追従させることが可能な電圧指令値ｖａ２＊、ｖｂ２＊、ｖｃ２＊は、ＰＷＭ制御器６４に出力される。
このようにして生成された、定常偏差が生ずることなく電流を追従させることが可能な電圧指令値ｖａ２＊、ｖｂ２＊、ｖｃ２＊は、ＰＷＭ制御器６４に出力される。
ＰＷＭ制御器６４は、各電圧指令値ｖａ２＊、ｖｂ２＊、ｖｂ２＊に基づいてゲート波形信号を生成し、これを駆動回路６５に出力する。駆動回路６５は、ＰＷＭ制御器６４からのゲート波形信号に基づいて、インバータ４を構成する６つのスイッチング素子を駆動する。これにより、スイッチング素子の開閉が制御され、インバータ４から電力系統２０に供給される各相の電流が、各電流指令値iａ２＊、iｂ２＊、iｃ２＊に追従するように制御される。
上述してきたように、本実施形態に係る風力発電装置によれば、以下の効果を奏する。
第１に、コンバータ制御部５により、発電機２からの各相の出力電力に基づいて要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値が各相のそれぞれに対応して生成され、発電機からの各相の実電流が、生成された上記各電流指令値に追従するように、コンバータが制御されるので、発電機２からの各相の電流を別個独立に制御することが可能となる。これにより、ベクトル制御などの煩雑な処理を行うことなく、簡便な処理により発電機側の制御を実現することが可能となるので、処理の軽減及びデータ量の低減化を図ることができる。更に、３相交流電流の各相を独立して制御することにより、故障などに柔軟に対応することができるという効果を奏する。
第１に、コンバータ制御部５により、発電機２からの各相の出力電力に基づいて要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値が各相のそれぞれに対応して生成され、発電機からの各相の実電流が、生成された上記各電流指令値に追従するように、コンバータが制御されるので、発電機２からの各相の電流を別個独立に制御することが可能となる。これにより、ベクトル制御などの煩雑な処理を行うことなく、簡便な処理により発電機側の制御を実現することが可能となるので、処理の軽減及びデータ量の低減化を図ることができる。更に、３相交流電流の各相を独立して制御することにより、故障などに柔軟に対応することができるという効果を奏する。
第２に、共振部５４が、各相に対応して生成された正弦（余弦）波電流指令値を発電機２の回転周波数に設定することで、共振部５４が正弦（余弦）波内部モデルとして作用するので、制御理論における内部モデル原理に従って、コンバータ３の出力電流を定常偏差が生じないように追従させることが可能となる。これにより、制御の性能を容易に向上させることができる。
第３に、インバータ制御部６により、インバータ４への入力電圧に基づいて目標出力電力及び目標力率を得るための振幅及び位相を有する電流指令値が各相のそれぞれに対応して生成され、インバータからの各相の出力電流が、生成されたこれら各電流指令値に追従するように、インバータ４が制御される。これにより、インバータ４から電源系統２０へ出力される各相の電流を別個独立に制御することが可能となり、所望の出力電力及び力率を得ることができる。
第４に、共振部６３が、各相に対応して生成された正弦（余弦）波電流指令値を電力系統２０の周波数に設定することで、共振部が正弦（余弦）波内部モデルとして作用するので、制御理論における内部モデル原理に従って、インバータ４の出力電流を定常偏差が生じないように、電流指令値に追従させることが可能となる。これにより、制御の性能を容易に向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上述した一実施形態において、発電機２に採用した同期発電機は、巻線磁界型及び永久磁石磁界型のいずれであっても良い。また、同期発電機に代わって、図４に示すように、誘導発電機を採用することも可能である。誘導発電機は、かご型、巻線型などであっても良い。また、２次励磁方式の誘導発電機の制御も可能である。
第２に、コンバータ制御部５及びインバータ制御部６は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read
Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、上述した各部の機能を実現するための一連の処理の過程が、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の各部の機能を実現するような構成としても良い。このように構成することで、ソフトウェアの変更だけで、既存システムに適用することが可能である。
第１に、上述した一実施形態において、発電機２に採用した同期発電機は、巻線磁界型及び永久磁石磁界型のいずれであっても良い。また、同期発電機に代わって、図４に示すように、誘導発電機を採用することも可能である。誘導発電機は、かご型、巻線型などであっても良い。また、２次励磁方式の誘導発電機の制御も可能である。
第２に、コンバータ制御部５及びインバータ制御部６は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read
Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、上述した各部の機能を実現するための一連の処理の過程が、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の各部の機能を実現するような構成としても良い。このように構成することで、ソフトウェアの変更だけで、既存システムに適用することが可能である。
第３に、上述した実施形態においては、３相交流電力を直流電力に変換し、更に、直流電力を３相交流電力に変換して電力系統へ供給する場合について述べたが、それぞれの交流電力は、２相以上であれば良い。
第４に、上述した実施形態では、共振部が正弦波発生器を備えていたが、この正弦波発生器に代わって余弦波発生器を備えていても良い。
第４に、上述した実施形態では、共振部が正弦波発生器を備えていたが、この正弦波発生器に代わって余弦波発生器を備えていても良い。
第５に、上述した実施形態においては、基本波に対する電流指令値を生成する場合について説明したが、例えば、発電機のトルク制御において、トルクの脈動低減のために、固定子（あるいは回転子）電流に高調波成分を重畳する高調波除去部（高調波除去手段）を備えるようにしても良い。例えば、高調波除去部は、基本波に重畳された高調波を除去するための各電流指令値を発生させる複数の関数発生器と、各関数発生器に対応して設けられた共振部とを備えている。また、このような構成からなる高調波除去部は、上述した各電流指令値生成部５３ａ、５３ｂ、５３ｃにそれぞれ設けられている。
具体的には、図５に示すように、各相に対応して設けられている各電流指令値生成部５３ａ、５３ｂ、５３ｃ（図５では、一例として電流指令値生成部５３ａのみを図示している）が、基本波だけでなく、それぞれの高調波に対応する電流指令値ｉａ＊＝Ｉ＊ a1sinω1ｔ（基本波）＋Ｉ＊ a2sinω2ｔ（高調波）＋Ｉ＊ a3sinω3ｔ（高調波）・・・を生成する複数の関数発生器（図示略）を備え、更に、各相に対応して設けられている共振部５４ａ、５４ｂ、５４ｃ（図５では、一例として共振部５４ａのみを図示する）が、基本波だけでなく、各高調波Ｉ＊ a2sinω2ｔ、Ｉ＊ a3sinω3ｔ、・・・に対応する共振器５４a2、５４a3（図示略）・・・備える構成とする。これにより、各高調波成分を定常偏差なく任意に制御することが可能となる。
また、電力系統では負荷の種類により、高調波が生じる場合があるが、この高調波を除去する高調波除去部（高調波除去手段）をコンバータ制御部に設けても良い。
具体的には、図６に示すように、各電流指令値生成部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ（図６では、一例として電流指令値生成部６２ａのみを図示している）が、基本波だけでなく、それぞれの高調波に対応する電流指令値ｉａ＊＝Ｉ＊ a1sinω1ｔ（基本波）＋Ｉ＊ a2sinω2ｔ（高調波）＋・・・を生成する複数の関数発生器（図示略）を備え、更に、各相に対応して設けられている共振部６３ａ、６３ｂ、６３ｃ（図６では、一例として共振部６３ａのみを図示する）が、基本波だけでなく、各高調波Ｉ＊ a2sinω2ｔ、Ｉ＊ a3sinω3ｔ、・・・に対応する共振器（高調波除去手段）６３a2、６３a3（図示略）を備える構成とする。これにより、基本波に重畳されている高調波を除去することが可能となる。
具体的には、図６に示すように、各電流指令値生成部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ（図６では、一例として電流指令値生成部６２ａのみを図示している）が、基本波だけでなく、それぞれの高調波に対応する電流指令値ｉａ＊＝Ｉ＊ a1sinω1ｔ（基本波）＋Ｉ＊ a2sinω2ｔ（高調波）＋・・・を生成する複数の関数発生器（図示略）を備え、更に、各相に対応して設けられている共振部６３ａ、６３ｂ、６３ｃ（図６では、一例として共振部６３ａのみを図示する）が、基本波だけでなく、各高調波Ｉ＊ a2sinω2ｔ、Ｉ＊ a3sinω3ｔ、・・・に対応する共振器（高調波除去手段）６３a2、６３a3（図示略）を備える構成とする。これにより、基本波に重畳されている高調波を除去することが可能となる。
２ 発電機
３ コンバータ
４ インバータ
５ コンバータ制御部
６ インバータ制御部
７ 平滑コンデンサ
８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、９ｃ 電流センサ
１１ 電圧センサ
２０ 電流系統
５１ トルク算出部
５２ 振幅算出部
５３ 電流波形生成部
５４ 共振部
５５ ＰＷＭ制御部
５６ 駆動回路
６１ 振幅算出部
６２ 電流波形生成部
６３ 共振部
６４ ＰＷＭ制御部
６５ 駆動回路
３ コンバータ
４ インバータ
５ コンバータ制御部
６ インバータ制御部
７ 平滑コンデンサ
８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、９ｃ 電流センサ
１１ 電圧センサ
２０ 電流系統
５１ トルク算出部
５２ 振幅算出部
５３ 電流波形生成部
５４ 共振部
５５ ＰＷＭ制御部
５６ 駆動回路
６１ 振幅算出部
６２ 電流波形生成部
６３ 共振部
６４ ＰＷＭ制御部
６５ 駆動回路
Claims (11)
- 風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置であって、
前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段を備える風力発電装置。 - 前記コンバータ制御手段は、
前記各相に対応して生成された電流指令値を前記発電機の回転周波数に共振させるための共振手段を備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記コンバータを制御する請求項１に記載の風力発電装置。 - 前記コンバータ制御手段は、
要求トルク及び前記発電機からの各相の出力電流に基づいて算出された実トルクに基づいて、要求トルクを得るための電流の振幅を算出する振幅算出手段と、
前記振幅算出手段により算出された振幅に基づいて、前記各相に応じた電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、
前記電流指令値生成手段により生成された前記各電流指令値を前記発電機の回転周波数に共振させる共振手段と
を備え、
前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記コンバータを制御する請求項１に記載の風力発電装置。 - 前記コンバータ制御手段は、前記電流指令値に重畳されている高調波を除去する高調波除去手段を備える請求項１から請求項３のいずれかの項に記載の風力発電装置。
- 風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置であって、
前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段を備える風力発電装置。 - 前記インバータ制御手段は、
前記各相に対応して生成された前記各電流指令値を前記電力系統の周波数に共振させる共振手段を備え、前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記インバータを制御する請求項５に記載の風力発電装置。 - 前記インバータ制御手段は、
目標出力電力を得るための振幅を算出する振幅算出手段と、
前記振幅算出手段により算出された振幅及び目標力率を得るための位相に基づいて、前記インバータからの出力電流の各相に対して、電流指令値をそれぞれ生成する電流指令値生成手段と、
前記電流指令値生成手段により生成された前記各電流指令値を前記電力系統の周波数に共振させる共振手段と
を備え、
前記共振手段から出力される各電流指令値に基づいて、前記インバータを制御する請求項５に記載の風力発電装置。 - 前記インバータ制御手段は、前記電流指令値に重畳されている高調波を除去する高調波除去手段を備える請求項５から請求項７のいずれかの項に記載の風力発電装置。
- 風力により発電する発電機と、
前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、
前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータと、
前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、
前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段と
を備え、
前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置。 - 風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置の制御方法であって、
前記発電機からの各相の出力電流に基づいて、要求トルクを得るための振幅を有する電流指令値を前記各相のそれぞれに対して生成し、前記発電機からの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記コンバータを制御する風力発電装置の制御方法。 - 風力により発電する発電機と、前記発電機からのＮ（Ｎは２以上の整数）相交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流をＭ（Ｍは２以上の整数）相交流電流に変換するインバータとを備え、前記インバータの出力を電力系統に出力する風力発電装置の制御方法であって、
前記インバータの入力電圧に基づいて、目標出力電力及び目標力率を得るための電流指令値を前記インバータの出力の各相に応じてそれぞれ生成し、前記インバータからの各相の電流が前記各電流指令値に追従するように、前記インバータを制御する風力発電装置の制御方法。
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