JP2008228500A - 巻線形誘導発電機のベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線形誘導発電機の一次側と二次側間に双方向に電力の授受を可能にした電力変換部を接続して可変速制御と力率制御を実施する場合、連系される電力系統の電力品質の向上と維持が要望されている。
【解決手段】巻線形誘導発電機の一次側電圧と一次側電流をそれぞれ三相二相の座標変換し、変換された信号を有効・無効電力演算部に出力して一次側有効電力と一次側無効電力を生成する。この一次側有効電力と制御目標値の差信号から二次側ｑ軸目標電流を、また、一次側無効電力と制御目標値の差信号から二次側ｄ軸目標電流をそれぞれ生成し、この二次側ｄ，ｑ軸目標電流に応じて有効電力と無効電力をそれぞれ独立に励磁用インバータを制御したことにより、変化に対して高速且つ制御精度を向上させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、巻線形誘導発電機のベクトル制御装置に係り、特に風力発電設備におけるベクトル制御装置に関するものである。

近年、風力発電設備の普及は目覚しく、その発電機として巻線形誘導発電機は発電機定格容量の３０％程度で済むことから多く採用されている。風力発電機においては、風力エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために可変速制御が行われ、また、連系される電力系統の電力品質を維持するために力率制御が行われ、このようなものとして、非特許文献１及び２が公知となっている。

非特許文献１は、電圧形インバータによって発電機の可変速制御と力率制御の定常・過渡特性をシミュレーションと実験の両面で検討したものであるが、過渡特性については二次電流の制御目標値のステップ変化に対する検討に留まっている。非特許文献２は、電流形インバータによって発電機の可変速制御と力率制御の定常特性を実験面で検討したものである。
Arans Inst MC Vol 19 No.1 1997 D.J.Atkinson,R.A. Lankin,and R.Jones 「A Vector-controlled doubuly-fed induction for a variable-speed wind turbine application」 電学論 D．114,No.7/8 1994年 佐藤、山村、常広「巻線形誘導機を用いた風力発電システム」

上記した各文献には、力率制御を実行することで風力発電機が連系される電力系統の電力品質を維持することが記載されているが、電力をより高速に、且つ高精度制御することが要望されている。

本発明が目的とするとこは、可変速制御と力率制御において基本となる一次有効電力と一次無効電力の制御性能を向上させることで要望に応じた巻線形誘導発電機のベクトル制御装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、回転軸に風車を連結した巻線形誘導発電機の一次側と二次側間に双方向に電力の授受を可能にした電力変換部を接続し、この電力変換部をＰＷＭ制御回路らより制御することによって巻線形誘導発電機の可変速制御と力率制御を行うものにおいて、
検出された巻線形誘導発電機の一次側電圧と一次側電流をそれぞれ三相二相の座標変換し、変換された信号を有効・無効電力演算部に出力して一次側有効電力と一次側無効電力を生成し、生成された一次側有効電力と制御目標値の差信号から二次側ｑ軸目標電流を生成し、前記生成された一次側無効電力と制御目標値の差信号から二次側ｄ軸目標電流を生成し、この二次側ｄ，ｑ軸目標電流に応じ軸電圧演算部で二次側各軸電圧を算出し、算出電圧に基づいて二相三相座標変換部及びＰＷＭ制御回路を介して前記電力変換部の励磁用インバータに出力することを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記一次側有効電力の制御目標値を生成する制御目標演算部は、巻線形誘導発電機の回転信号に対する発電機の発電電力Ｐ_Gの関係が予めテーブルに記憶された変換部を備え、この変換部により検出された線形誘導発電機の回転信号から回転信号に対応した最大出力信号を算出し、この信号に同期速度と検出された巻線形誘導発電機の回転数との比に掛けて一次側有効電力の制御目標値を得ることを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記生成された一次側有効電力と制御目標値との差信号、前記生成された一次側無効電力と制御目標値との差信号、及び前記二次側ｄ軸目標電流、二次側ｑ軸目標電流の出力はそれぞれ各別にＰＩ演算部を介して出力するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記巻線形誘導発電機の二次電流を検出し、この二次電流を三相二相に座標変換して二次側ｄ軸電流と二次側ｑ軸電流を算出し、算出されたｄ軸電流と前記二次側ｑ軸目標電流との差信号を求め、且つ前記二次側ｑ軸電流と二次側ｄ軸目標電流との差信号を求め、求められた差信号をそれぞれ前記軸電圧演算部に出力するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項５は、前記電力変換部の出力側インバータの出力電流を検出し、この検出電流を三相二相に座標変換してｄ軸電流とｑ軸電流を算出し、零に設定されたｄ軸目標電流と算出されたｄ軸電流の差信号をＰＩ演算部を介して軸電圧演算部に出力すると共に、前記電力変換部の直流電圧の目標値と検出された当該直流電圧の差信号をＰＩ演算部にてＰＩ演算してｑ軸の目標電流を生成し、この目標電流と前記算出されたｑ軸電流との差信号をＰＩ演算部を介して前記軸電圧演算部に出力し、前記入力されたｄ軸電流の差信号とｑ軸電流との差信号に応じた各信号に基づいて軸電圧演算部にて軸電圧を演算した後、二相三相座標変換部及びＰＷＭ制御回路を介して前記電力変換部の出力用インバータに出力することを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、インバータに対するベクトル制御を行う時、二次側ｑ軸電流によって一次側有効電力Ｐ₁を制御し、二次側ｄ軸電流によって一次側無効電力Ｑ₁を制御して有効電力と無効電力をそれぞれ独立して励磁用インバータを制御したことにより、変化に対して高速に制御可能としたものである。また、一次有効電力によってすべり制御ができるため、回転数に応じた最大出力で発電することが可能となる。さらに、一次側からインバータへ供給される無効電力を零にすることで、一次側無効電力による力率制御が可能となる。また、一次側有効電力、一次側無効電力と二次側ｄ，ｑ軸電流に対してＰＩ制御を実施したことにより、制御精度を向上させることができる。

誘導発電機の電圧方程式において、線間電圧をＶ₁、一次側ｄ軸電圧をｖ_d、一次側ｑ軸電圧をｖ_qとして一次相電圧について座標変換式から展開すると（１）式となる。

ただし、Ｅ_1mは相電圧のピーク値
電圧方程式について定常状態だけを考え、（１）式を代入して抵抗ｒを無視すると（２）式から一次側のｄ軸及びｑ軸電流が得られる。

ここで、ω₁は角周波数、Ｌ₁は一次側巻線のインダクタンス、Ｍは一次、二次巻線の相互インダクタンス、ｉ_2dは二次側ｄ軸電流、ｉ_2qは二次側ｑ軸電流、
一次電力Ｓ１は、Ｓ１＝３ｅ₁・ｉ₁（ｅ₁、ｉ₁はベクトル表示）から求められ（ただし入力が正）、
Ｓ１＝３／２［ｖ_1dｉ_1d＋ｖ_1qｉ_1q＋ｊ（−ｖ_1qｉ_1d＋ｖ_1dｉ_1q）］
を代入すると（３）式となる。

この（３）式に（１）、（２）式を代入して一次有効電力Ｐ₁と一次無効電力Ｑ₁が（４）式によって得られる。

（４）式による一次有効電力Ｐ₁と一次無効電力Ｑ₁を得るための制御目標値を Ｐ^* ₁、Ｑ^* ₁とすると、（４）式から二次側のｄ，ｑ軸電流の制御目標値ｉ^* _2d、
ｉ^* _2qは次式で得られる。

すなわち、（４）、（５）式から、誘導発電機の一次側は電力系統に連係されて一次相電圧のピーク値Ｅ_1mはほぼ一定に保たれるので、一次有効電力Ｐ₁は二次側のｑ軸電流ｉ_2qによって、また、一次無効電力Ｑ₁は二次側のｄ軸電流ｉ_2dによって独立して制御することができる。本願発明はこの理論に基づいてなされたもので、以下図に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施例を示す主回路構成図で、１は巻線形誘導発電機、２は巻線形誘導発電機１の回転軸に連結された風車、３は変圧器で、発電出力をこの変圧器３を介して電力系統に送出する。４は電力変換部で、共に双方向の電圧形ＰＷＭインバータよりなる第１（出力用）のインバータ５と、第２（励磁用）のインバータ６を有して巻線形誘導発電機１の一次側と二次側間に接続されたセルビウス構成となっている。７はすべり検出部で、図示省略された回転数検出部の検出信号ｎ_mに基づいてすべりｓが算出される。ＣＴ₁〜ＣＴ₃は電流センサである変流器、Ｔｒはトランスである。

図１で示す主回路構成において、インバータ６によって誘導発電機１の二次巻線に励磁電圧を加えることにより可変速と力率制御が実行される。
図２はインバータ６の制御回路、図３と図４はこのインバータ６の制御回路に用いられる信号を算出するための演算部である。

すなわち、図３は、（４）式に基づいて一次有効電力Ｐ₁と一次無効電力Ｑ₁を算出するための演算部で、座標変換器７１、７２及び有効、無効の電力演算部７３を有している。座標変換器７１は、トランスＴｒによって検出された三相の一次側電圧Ｖ₁（ａ，ｂ，ｃ）とθ₁（時刻ｔ時における角周波数ω₁）から３相２相変換してｄ軸とｑ軸の電圧ｖ_1dとｖ_1qとを演算して電力演算部７３出力する。座標変換器７２は、変流器ＣＴ₁によって検出された一次側のａ，ｂ，ｃ三相電流Ｉ₁とθ₁から３相２相変換してｄ軸とｑ軸の電流ｉ_1d、ｉ_1qを演算して電力演算部７３に出力する。電力演算部７３は入力された各演算値に基づいて一次有効電力Ｐ₁と一次無効電力Ｑ₁を演算する。

図４は、二次側のｄ，ｑ軸電流ｉ_1d、ｉ_1qを演算する演算部で、変流器ＣＴ₃によって検出された二次側のａ，ｂ，ｃ三相電流Ｉ₂とθ₁−θ₂の値から座標変換を実行して電流ｉ_2d、ｉ_2qを出力する。

図２のインバータ６の制御回路において、１０は有効電力の制御目標値Ｐ^* ₁を演算するための制御目標演算部で、この制御目標演算部１０は、検出された回転信号ｎ_mを入力し、この回転信号ｎ_mに対する発電機の発電電力Ｐ_Gの関係が最大出力となるよう予めテーブルに記憶された変換部１１と、この変換部１１からの出力Ｎを回転信号で除する除算部１２を有して制御目標値Ｐ^* ₁を生成する。１３は減算部で、目標値Ｐ^* ₁と図３により演算され有効電力Ｐ₁との差演算を実行する。

２０は二次側のｑ軸目標電流ｉ^* _2qを演算するためのｑ軸目標電流演算部で、この演算部２０は（５）式に基づいて演算する。そのため、減算部１３において
目標値Ｐ^* ₁と有効電力Ｐ₁との差信号をＰＩ制御部２１、インダクタンス比演算部２２及び除算部２３を介してｑ軸目標電流ｉ^* _2qを演算する。なお、除算部２３では、インダクタンス比演算部２２の出力をｑ軸電圧ｖ_1qによって除算する。
ｑ軸目標電流ｉ^* _2qは減算部２４において電流ｉ_2qとの偏差が求められ、軸電圧演算部３０のＰＩ制御部３１に出力されて偏差信号に応じたＰＩ演算が実行される。

４０は無効電力の制御目標演算部で、検出された誘導発電機１の出力Ｐ_G{＝−（Ｐ₁−Ｐ₂）}を所定値に変換する変換器４１、減算部４２、４３を有している。
減算部４２では変換された値とＱ₃との減算から無効電力の制御目標値Ｑ^* ₁を求め、減算部４３ではＱ^* ₁と一次側無効電力Ｑ₁の偏差信号が求められる。ここで、Ｐ₂は誘導発電機１の二次側電力、Ｑ₃は一次側から電力変換部４へ供給される無効電力である。

５０は二次側のｄ軸目標電流ｉ^* _2dを演算するためのｄ軸目標電流演算部で、この演算部５０は（５）式に基づいて演算する。そのため、制御目標演算部４０の出力信号をＰＩ演算部５１にてＰＩ演算を実行し、インダクタンス比演算部５２及び除算部５３、５４を介して減算部５５でｄ軸目標電流ｉ^* _2dを演算する。この目標電流ｉ^* _2dは減算部５６において、図４で求められた電流ｉ_2dとの差が求められ、その差信号は軸電圧演算部３０のＰＩ制御部３２に出力されて偏差信号に応じたＰＩ演算が実行される。

軸電圧演算部３０では、ＰＩ制御部３１から出力された信号と、ＰＩ制御部３２から出力された信号等に基づいてｄ軸とｑ軸の二次側電圧ｖ_2dとｖ_2qとを演算し、二相三相座標変換部８介してインバータ６用のＰＷＭ制御回路９に出力してゲート信号を生成し、その信号をインバータ６のスイッチング素子のゲートに印加して誘導発電機１の二次巻線の励磁電圧を制御する。

図５はインバータ５用の制御回路を示し、図６はインバータ５の系統側を制御するためのｄ軸、ｑ軸電流ｉ_3d、ｉ_3qの座標変換部を示したものである。この座標変換部には変流器ＣＴ₃によって検出された三相電流Ｉ₃を入力してｄ軸、ｑ軸電流ｉ_3d、ｉ_3qに変換される。

図５において、減算部６１で設定された目標電流ｉ^* _3d（＝０）と電流ｉ_3dとの偏差を求め、その偏差信号はＰＩ演算部６２でＰＩ演算が施されて軸電圧演算部６７に出力される。また、減算部６３では、電圧設定値ｖ_dcsと検出された電力変換部４の直流電圧ｖ_dcとの差信号が求められ、差信号はＰＩ演算部６４においてＰＩ演算が実行されて目標電流ｉ^* _3qとなる。この目標電流ｉ^* _3qは減算部６６でｑ軸電流ｉ_3qとの差演算が実行され、差の信号はＰＩ演算部６６でＰＩ演算が行われて軸電圧演算部６７に出力される。軸電圧演算部６７ではＰＩ演算部６２、６３からの信号に基づきｄ軸とｑ軸の電圧ｖ_1Adとｖ_1Aqとを演算し、二相三相座標変換器６８介してインバータ５用のＰＷＭ制御回路６９に出力してゲート信号を生成し、その信号をインバータ５のスイッチング素子のゲートに印加して電力変換部４の直流電圧を制御することにより一次側との有効電力の流れを制御する。

以上のように構成された風力発電設備の制御装置では、インバータ６によって二次巻線に励磁電圧を加えることによって加変速と力率制御を行うことができるが、可変速制御は次のように行われる。
一次有効電力Ｐ₁（入力は正）と二次有効電力Ｐ₂（出力は正）との関係は、銅損を無視すると近似的に次式で表されることは一般的に知られている。
Ｐ₂≒Ｓ・Ｐ₁ （６）
また、風力発電機の機械的入力は損失を無視すると風力タービンの出力Ｐ_Tに等しいので、発電機の損失を無視すると近似的に（７）式が成立する。
Ｐ_T＝−（Ｐ₁−Ｐ₂）＝（１−ｓ）・（−Ｐ₁） （７）
（７）式から一次有効電力によってすべりが制御することが分かる。｜Ｐ_T｜＜
｜−Ｐ₁｜の条件ではすべりは正となり、二次から一次の方向へ有効電力が流れる。また、｜Ｐ_T｜＞｜−Ｐ₁｜の条件ではすべりは負となり、一次から二次の方向へ有効電力が供給される。

力率制御は次のように行われる。
誘導発電機１の一次側と二次側の間に設置された電力変換部４について、一次側から電力変換部４に供給される無効電力Ｑ₃とすると、風力発電設備から出力される無効電力Ｑ_Gは−（Ｑ₁＋Ｑ₃）となる。発電機出力はＰ_G{＝−（Ｐ₁−Ｐ₂）}
であるので、系統連系点の力率をＰ．Ｆ値に一定制御するためには一次側無効電力Ｑ₁を（８）式のように制御すればよい。

Ｐ．Ｆの符号は系統から発電機方向の遅れ無効電力が正であり、一次側から電力変換部４に供給される無効電力Ｑ₃は零に制御する。

図で示す制御回路は、上記した可変速制御と力率制御を実行するもので、インバータ６は与えられた一次側有効電力と一次側無効電力の制御目標値Ｐ^* ₁とＱ^* ₁に対して二次励磁電圧を求めるが、制御精度を高めるために一次側有効電力と一次側無効電力と二次側ｄ、ｑ軸電流に対してＰＩ制御を行っている。また、インバータ５は、電力変換部４の直流回路の直流電圧の検出値に対してＰＩ制御を行い直流回路の電圧が制御目標値になるように一次側との有効電力の流れを制御している。無効電力については、前述のように零制御を実行しているため、インバータ５の系統ｄ軸電流の制御目標値は零となる。

図７は本発明によるシミュレーション結果を示したものである。このシミュレーションに用いた巻線形誘導発電機の定数を表に示す。

巻線形誘導発電機の慣性モーメントは３秒で、インバータのキャリア周波数は１５Ｈｚである。図７で示すシミュレーション結果は、風力タービン出力Ｐ_Tを１０００ｋＷ、一次側有効電力の制御目標値Ｐ^* ₁は−１５００ｋＷの条件から制御目標値をｔ＝１秒で−７５０ｋＷへステップ変化させた場合のものである。また、一次側無効電力の制御目標値Ｑ^* ₁は一定の５００ｋＶａｒである。

図７（ａ）は一次側有効電力と一次側無効電力を示したもので、前者は変化後約２秒で定常状態となりその値は−７４８ｋＷである。一次側無効電力の変化の影響をやや受けているものの変化後ほぼ２秒で定常状態となってその値は５００ｋＷである。同図（ｂ）はすべりｓと発電機の回転数ωを示したものである。すべりは一次側有効電力の制御目標値のステップ変化によって定常値は０．３３から０．２３へ変化している。（ｃ）図は発電機が出力する有効電力と無効電力を示したもので、変化後約１５秒で定常状態となっている。（ｄ）図は二次側ｄ，ｑ軸電流を示したものである。これらの電流によって（４）式で示すように一次側有効電力と一次側無効電力が近似的に決まる。二次側ｑ軸電流の変化前の定常値は１．７８ｋＡであり、変化後は０．９２ｋＡである。この変化によって一次側有効電力は−１５００ｋＷから−７５０ｋＷへ変化している。二次側ｄ軸電流の変化前と変化後の定常値は共に０．２５ｋＡ程度で、一次側無効電力の変化前と変化後の定常値は同じ５００ｋＶａｒである。（ｅ）図は励磁用インバータの出力である二次側ｄ，ｑ軸電圧（励磁電圧）である。

上記シミュレーション結果により、本発明によれば電力を高速且つ高精度で制御できることが確認できた。

本発明の実施形態を示す風力発電設備の構成図。 本発明による励磁用インバータの制御回路図。 一次側有効・無効電力演算部の構成図。 励磁用インバータの軸電流演算部の構成図。 出力用インバータの制御回路図。 出力用インバータの軸電流演算部の構成図。 シミュレーション結果図で、（ａ）は制御目標変化時における一次側有効電力と一次側無効電力の関係図、（ｂ）はすべりと回転数の関係図、（ｃ）は発電機出力の有効電力と無効電力の関係図、（ｅ）は二次側ｄ，ｑ軸電圧図。

符号の説明

１… 巻線形誘導発電機
２… 風車
３… 変圧器
４… 電力変換部
５… 出力用（第１の）インバータ
６… 励磁用（第２の）インバータ
７… すべり検出部
８… 二相三相座標変換部
９… ＰＷＭ制御回路
１０… 有効電力の制御目標演算部
２０… ｑ軸目標電流演算部
３０… 軸電圧演算部
４０… 無効電力の制御目標演算部
５０… ｄ軸目標電流演算部

Claims (5)

1. 回転軸に風車を連結した巻線形誘導発電機の一次側と二次側間に双方向に電力の授受を可能にした電力変換部を接続し、この電力変換部をＰＷＭ制御回路により制御することによって巻線形誘導発電機の可変速制御と力率制御を行うものにおいて、
   検出された巻線形誘導発電機の一次側電圧と一次側電流をそれぞれ三相二相の座標変換し、変換された信号を有効・無効電力演算部に出力して一次側有効電力と一次側無効電力を生成し、生成された一次側有効電力と制御目標値の差信号から二次側ｑ軸目標電流を生成し、前記生成された一次側無効電力と制御目標値の差信号から二次側ｄ軸目標電流を生成し、この二次側ｄ，ｑ軸目標電流に応じ軸電圧演算部で二次側各軸電圧を算出し、算出電圧に基づいて二相三相座標変換部及びＰＷＭ制御回路を介して前記電力変換部の励磁用インバータに出力することを特徴とした巻線形誘導発電機のベクトル制御装置。
2. 前記一次側有効電力の制御目標値を生成する制御目標演算部は、巻線形誘導発電機の回転信号に対する発電機の発電電力Ｐ_Gの関係が予めテーブルに記憶された変換部を備え、この変換部により検出された線形誘導発電機の回転信号から回転信号に対応した最大出力信号を算出し、この信号に同期速度と検出された巻線形誘導発電機の回転数との比に掛けて一次側有効電力の制御目標値を得ることを特徴とした請求項１記載の巻線形誘導発電機のベクトル制御装置。
3. 前記生成された一次側有効電力と制御目標値との差信号、前記生成された一次側無効電力と制御目標値との差信号、及び前記二次側ｄ軸目標電流、二次側ｑ軸目標電流の出力はそれぞれ各別にＰＩ演算部を介して出力するよう構成したことを特徴とした請求項１又は２記載の巻線形誘導発電機のベクトル制御装置。
4. 前記巻線形誘導発電機の二次電流を検出し、この二次電流を三相二相に座標変換して二次側ｄ軸電流と二次側ｑ軸電流を算出し、算出されたｄ軸電流と前記二次側ｑ軸目標電流との差信号を求め、且つ前記二次側ｑ軸電流と二次側ｄ軸目標電流との差信号を求め、求められた差信号をそれぞれ前記軸電圧演算部に出力するよう構成したことを特徴とした請求項１乃至３記載の巻線形誘導発電機のベクトル制御装置。
5. 前記電力変換部の出力側インバータの出力電流を検出し、この検出電流を三相二相に座標変換してｄ軸電流とｑ軸電流を算出し、零に設定されたｄ軸目標電流と算出されたｄ軸電流の差信号をＰＩ演算部を介して軸電圧演算部に出力すると共に、前記電力変換部の直流電圧の目標値と検出された当該直流電圧の差信号をＰＩ演算部にてＰＩ演算してｑ軸の目標電流を生成し、この目標電流と前記算出されたｑ軸電流との差信号をＰＩ演算部を介して前記軸電圧演算部に出力し、
   前記入力されたｄ軸電流の差信号とｑ軸電流との差信号に応じた各信号に基づいて軸電圧演算部にて軸電圧を演算した後、二相三相座標変換部及びＰＷＭ制御回路を介して前記電力変換部の出力用インバータに出力することを特徴とした請求項１乃至４記載の巻線形誘導発電機のベクトル制御装置。

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