JP2013233045A

JP2013233045A - 風車の過速抑制制御方法とその装置

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Publication number: JP2013233045A
Application number: JP2012104315A
Authority: JP
Inventors: Jun Mitsuda; 純光田
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: JP5991008B2

Abstract

【課題】風力発電装置で、突風等による風車速度の変動を抑制する場合、発電機に対するトルク指令が突風に対応して追従できないなどの問題を有している。
【解決手段】風車の回転速度の速度変化率を検出する。検出した速度変化率と予め設定された過速抑制開始変化率の変化率偏差を求める。変化率偏差を過速抑制トルク演算部に入力し、この過速抑制トルク演算部において変化率偏差＞過速抑制開始変化率ときにＰＩ演算を実行して過速抑制トルクを生成し、変化率偏差＜過速抑制開始変化率のとき過速抑制トルクをゼロとする。生成された過速抑制トルクを補正値として風車コントローラからのトルク指令に加算し、加算値をコンバータへのトルク指令としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置における風車の過速抑制制御装置に係わり、特に風車発電機に対するトルク制御方法とその装置に関するものである。

図４は、風力発電装置の概略構成図を示したもので、風のエネルギーを風車１によって回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーにより発電機２を回転させることで電気エネルギーに変換する。コンバータ３は、発電機２を制御して取り出した交流を直流に変換し、インバータ４により任意の電圧と交流の周波数に変換して電力系統５に出力する。６はインバータ制御装置、７はコンバータ制御装置、８は風車コントローラで、風車の回転数に応じたトルク指令が演算されて
コンバータ制御装置７、コンバータ３を介して発電機２の出力がトルク指令通りになるよう制御する。

図５は風車コントローラ８の構成図で、風車速度と風速を入力して各入力値に基づいて風車羽の角度（ピッチ角度）を決定するピッチコントローラ８０を有した過速抑制のための回路を備えている。すなわち、風車の回転速度が速くなった場合には回転速度が遅くなる方向にピッチ角度を制御することにより、風車の速度が過大となることを防止している。

なお、ピッチ角度を制御する手段として、風況予測情報によって出力可能な風車の出力をスケジューリングしてピッチ角度および電力変換器を制御することで所定の出力を取り出すよう制御するものとして特許文献１が公知となっており、また、過大な風速によって回転数が過大上昇してもブレーキなどの外部装置を用いずに風車の回転を減速すると共に、発電機の稼働率を向上させるものとして特許文献２および特許文献３が公知となっている。

特開２００３−８３２２９特開２００６−２９６１８９特開２００６−２５７９８５

図５で示すような風車コントローラ８を用いてピッチ角度を制御する場合、ピッチ角度の動作速度は風車の速度変動を抑えきれるほど速くないことが一般的である。このため、突風などにより急激に風車速度が変動した場合には、過速抑制機能が十分に機能しないことになる．
また、特許文献１で示すように、ピッチ角度および電力変換器を制御して所定の出力を取り出す方法では、ピッチを調整することにより風車を減速するための装置が複雑になる問題を有している。特許文献２および３では、風車の特性として平常時のトルク指令と風車速度は、図６（特許文献２の図６）で示すように、例えば、風速ＷＴ３，トルク指令Ｔｎ３で運転していたとき、突風が吹いて風速がＷＴ４になってトルク指令が追従できなくなると、風車速度はω１にまで増速し、危険な状態となる虞を有している。

なお、図６でＷＴ１〜ＷＴ４は風速のパラメータ、Ｔｎ１〜Ｔｎ４はトルク、Ｔresは保護動作を開始するトルクレベル、Ｔpは保護運転のトルクレベル、Ｔerは保護動作の検出トルクレベルである。また、ωpは保護運転における風車速度、ωerは保護動作開始時の風車速度である。

本発明が目的とするとこは、突風などにより急激に風車速度が増加するような場合においても、風車の速度が過大となることを防止すると共に、発電電力が過大とならない風車の過速抑制制御方法とその装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、風車に連結された発電機を、風車の回転速度に応じてコンバータにより制御し、コンバータの出力を任意の電圧と周波数に変換して電力系統へ出力するインバータを備えた風力発電方法において、
前記風車の回転速度の速度変化率を検出し、速度変化率と予め設定された過速抑制開始変化率の変化率偏差を求め、過速抑制トルク演算部によって変化率偏差＞過速抑制開始変化率ときにＰＩ演算を実行して過速抑制トルクを生成し、変化率偏差＜過速抑制開始変化率のとき過速抑制トルクをゼロとし、生成された過速抑制トルクと風車コントローラからのトルク指令の加算値をコンバータへのトルク指令として風車の過速抑制制御を行うものである。

本発明の請求項２は、風車に連結された発電機を、風車の回転速度に応じてコンバータにより制御し、コンバータの出力を任意の電圧と周波数に変換して電力系統へ出力するインバータを備えた風力発電装置において、
前記風車の検出された回転速度を入力して速度変化率を検出する速度変化率検出部と、予め過速抑制開始変化率を設定する設定部と、前記速度変化率検出部によって検出された速度変化率と前記設定部により設定された過速抑制開始変化率の変化率偏差を求め、変化率偏差＞過速抑制開始変化率ときにＰＩ演算を実行して過速抑制トルクを生成し、変化率偏差＜過速抑制開始変化率のとき過速抑制トルクをゼロとする過速抑制トルク演算部を、前記コンバータのコンバータ制御装置に設け、前記過速抑制トルクと風車コントローラからのトルク指令を加算してコンバータへのトルク指令と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３は、設定部により設定される過速抑制開始変化率は、期間△Ｔに設定されて風車速度＞過速抑制開始変化率の期間△Ｔで、風車速度を減速させるトルク量が所定量となるよう設定されることを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記過速抑制トルク演算部は、変化率偏差≠０時にＰＩ演算を行い、変化率偏差＜０時に過速抑制トルクの出力をゼロとする切換機能を備えた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、風車速度の変化率に対して過速抑制トルクを出力するため、突風等による急激な速度変動を抑制することができると共に、風車速度が過大となることを抑制することが可能となる。また、速度変動が高速になる前に、過速抑制トルクが出力するため、発電電力が過大となることもない。

本発明の実施形態を示すコンバータ制御装置の構成図。本発明の過速抑制トルク演算部の構成図。過速抑制開始変化率の説明図。、風力発電装置の概略の構成図。ピッチコントローラの構成図。トルクー風車回転特性図。

図１は、本発明の実施例を示すコンバータ制御装置の構成図で、風力発電装置の概略構成は図４と同様に構成される。本発明におけるコンバータ制御装置１０は、微分演算機能よりなる速度変化率検出器１１と、過速抑制トルク演算部１２、および過速抑制開始変化率を設定する設定部１３を有している。速度変化率検出器１１には検出された風車速度が入力され、微分演算することで風車速度の変化率信号（以下、速度変化率という）を求める。

設定部１３は、風車の過速を抑制するトルク（以下、過速抑制トルクという）を発生させるために、風車速度＞所定の値の過速抑制開始変化率の出力期間△Ｔが設定される。すなわち、図３で示すように風車速度がＷＶ１からＷＶ２のように急変した場合の期間△Ｔが設定される。速度変化率検出器１１によって求められた速度変化率と、設定部１３によって設定された過速抑制開始変化率は、減算部１４に出力されて変化率偏差が算出される。

過速抑制トルク演算部１２は、図２で示すように変化率偏差に応じてＰＩ演算を実行する比例制御器Ｐ，積分制御器Ｉと切換機能ＳＷ１，ＳＷ２および出力をゼロとする機能０を有している。切換機能ＳＷ１，ＳＷ２は、入力する変化率偏差＜０のとき、すなわち、負の入力のときに機能０側に切換り、過速抑制トルク演算部１２の出力をゼロとする。

次に動作を説明する。
検出器によって検出された風車１の回転速度は、コンバータ制御装置７の速度変化率検出器１１に入力されて微分演算が行われて速度変化率が求められ、その出力は減算部１４に入力される。減算部１４には予め設定された過速抑制開始変化率が入力されており、速度変化率と過速抑制開始変化率との差分である変化率偏差が求められる。風車速度が緩やかに変化して状態では、速度変化率＜過速抑制開始変化率となって過速抑制トルク演算部１２への変化率偏差は負の値となっており、切換機能ＳＷ１，ＳＷ２はそれぞれ端子ａ側に接続されて過速抑制トルクはゼロとなっている。このため、コンバータ制御装置７から出力されるトルク指令は、風車コントローラ８からのトルク指令のみが最終トルク指令となってコンバータ３に出力されて、スイッチング素子が制御される。

次に、図６で示す風速ＷＴ３，トルクＴｎ３で運転しているときに急に風速が強くなり、図３で示す時刻ｔ１においてＷＴ４となったとする。その風速の急変は検出器によって検出され、その風車速度は速度変化率検出器１１に入力されて微分演算され速度変化率が減算部１４に出力される。減算部１４での差演算結果は速度変化率＞過速抑制開始変化率となって偏差≠０の変化率偏差を発生し、切換機能ＳＷ１，ＳＷ２はそれぞれ端子ｂ側に切換る。したがって、過速抑制トルク演算部１２では、変化率偏差に応じたＰＩ演算を実行して設定された期間△Ｔに過速抑制トルクを出力する。過速抑制トルクは、風車トルク指令に加算されて最終トルク指令となってコンバータ３に出力され、このコンバータ３を介して発電機２の出力が最終トルク指令通りになるよう制御される。

したがって、速度変化率検出器１１によって算出された風車の速度変化率が発電機に対する所定のトルク値となるよう抑制すると共に、過速抑制トルクが補正値となることで風車速度を図６で示すωwrに抑えることができる。

なお、設定部１３により設定される過速抑制開始変化率を、風車のピッチ角度動作速度に併せて設定することにより、風車コントローラ８とコンバータ制御部７が自動で共同して過速抑制を行うことも可能となる。

１… 風車
２… 発電機
３… コンバータ
４… インバータ
５… 電力系統
６… インバータ制御装置
７，１０… コンバータ制御装置
８… 風車コントローラ
１１… 速度変化率検出器
１２… 過速抑制トルク演算部
１３… 設定部

Claims

風車に連結された発電機を、風車の回転速度に応じてコンバータにより制御し、コンバータの出力を任意の電圧と周波数に変換して電力系統へ出力するインバータを備えた風力発電方法において、
前記風車の回転速度の速度変化率を検出し、速度変化率と予め設定された過速抑制開始変化率の変化率偏差を求め、過速抑制トルク演算部によって変化率偏差＞過速抑制開始変化率ときにＰＩ演算を実行して過速抑制トルクを生成し、変化率偏差＜過速抑制開始変化率のとき過速抑制トルクをゼロとし、生成された過速抑制トルクと風車コントローラからのトルク指令の加算値をコンバータへのトルク指令としたこと特徴とした風車の過速抑制制御方法。
風車に連結された発電機を、風車の回転速度に応じてコンバータにより制御し、コンバータの出力を任意の電圧と周波数に変換して電力系統へ出力するインバータを備えた風力発電装置において、
前記風車の検出された回転速度を入力して速度変化率を検出する速度変化率検出部と、予め過速抑制開始変化率を設定する設定部と、前記速度変化率検出部によって検出された速度変化率と前記設定部により設定された過速抑制開始変化率の変化率偏差を求め、変化率偏差＞過速抑制開始変化率ときにＰＩ演算を実行して過速抑制トルクを生成し、変化率偏差＜過速抑制開始変化率のとき過速抑制トルクをゼロとする過速抑制トルク演算部を、前記コンバータのコンバータ制御装置に設け、前記過速抑制トルクと風車コントローラからのトルク指令を加算してコンバータへのトルク指令とするよう構成したことを特徴とした風車の過速抑制制御装置。
前記設定部により設定される過速抑制開始変化率は、期間△Ｔに設定されて風車速度＞過速抑制開始変化率の期間△Ｔで、風車速度を減速させるトルク量が所定量となるよう設定されることを特徴とした請求項１記載の風車の過速抑制制御装置。
前記過速抑制トルク演算部は、変化率偏差≠０時にＰＩ演算を行い、
変化率偏差＜０時に過速抑制トルクの出力をゼロとする切換機能を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の風車の過速抑制制御装置。