JP2013518545A - 受動コンバータ - Google Patents
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Abstract
本発明は、「受動」構成部品のみからなるAC-DCコンバータを使用した、風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御の方法について述べる。提案するシステムは、インダクタ、コンデンサ、ダイオードなどの受動電気部品または半導体のみを使用する。提案するコンセプトでは、これは、電気回路が所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で発電機の出力に負荷をかけるように電気回路を設計することによって行われる。様々な構成部品の値を注意深く選択することによって、回路は、理想的なトルク-周波数カーブに合うように調整されうる。このトルク特性は、定格のロータ速度までは最大電力追尾制御則に近く、この速度を超えると、ロータ速度をある範囲内に維持してタービンの暴走を防ぐために、急激に上昇する。
Description
本発明は、「受動」構成部品のみからなるAC-DCコンバータを使用した、風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法について述べる。提案するシステムは、インダクタ、コンデンサ、ダイオードなどの受動電気部品または半導体のみを使用する。
提案するコンセプトでは、これは、電気回路が所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で発電機の出力に負荷をかけるように電気回路を設計することによって行われる。様々な構成部品の値を注意深く選択することによって、回路は、理想的なトルク-周波数カーブに合うように調整されうる。このトルク特性は、定格のロータ速度までは最大電力追尾制御則に近く、この速度を超えると、ロータ速度をある範囲内に維持してタービンの暴走を防ぐために、急激に上昇する。
風力タービン電力制御
一般に、風力タービンは、定格より下の風速全てにおいて最大の電力出力を生成し、定格より上の風速では、電力出力を駆動系(もしあるならばギアボックス、および発電機)の公称電力に制限する。したがって、風が強い場合は、風力タービンの損傷を避けるために、この風の過剰なエネルギーの一部を無駄にする必要がある。したがって、全ての風力タービンは、定格より下の風速では最適な動作点を追尾し、定格より上の風速では入力電力を制限するように、ある種の電力制御をして設計されている。
一般に、風力タービンは、定格より下の風速全てにおいて最大の電力出力を生成し、定格より上の風速では、電力出力を駆動系(もしあるならばギアボックス、および発電機)の公称電力に制限する。したがって、風が強い場合は、風力タービンの損傷を避けるために、この風の過剰なエネルギーの一部を無駄にする必要がある。したがって、全ての風力タービンは、定格より下の風速では最適な動作点を追尾し、定格より上の風速では入力電力を制限するように、ある種の電力制御をして設計されている。
入力電力およびタービンのロータ速度を制限することは、ストール原理を使用するか、またはピッチメカニズムのいずれかを使用して行われうる。
電力制御のもっとも簡単な形態は、受動ストール制御であり、これは、風速が増加すると出力電力に上限を設けるために、ストール後の揚力係数の減少および関連する抗力係数の増加を使用する。ブレードは、ある閾値を超える風速において乱流を生み出し、ロータの揚力がロータに作用するのを防ぐように設計される。
ストール制御の基本的な利点は、ロータそのものの部品を動かすことを回避していることにある。他方、ストール制御は、非常に複雑な空力学的な設計上の問題、および関連する、風力タービン全体の構造力学における設計課題、例えば、ストールによって誘起される振動を回避すること意味する。また、ストール制御されたマシンは、強い風速条件においてマシンを定格のロータ速度に維持し、過回転を避けるために、かなり急激な発電機トルク対ロータ速度特性を有する必要がある。
能動ピッチ制御は、ブレードフェザリングとして知られている処理であり、各ブレードの全てまたは一部をその軸の回りに、迎角、したがって揚力係数を低減する方向に回転させることによって、定格より上の風速で電力制限を達成する。タービンよって生成される電力は、監視され、ブレードのピッチメカニズムを操作する電子コントローラに供給される。この働きは、油圧または電気機械メカニズムによって実行されるが、これによってタービンが高価なものとなり、結局のところ、可動の構造要素が、誤動作、故障しがちで、保守費用が高くなる傾向がある(The Wind Energy Handbook、Wiley)。
能動ストール制御は、最初にブレードをストールさせるように、すなわち能動ピッチ制御で用いる方向とは反対方向に追い込むことによって、定格より上の風速で電力制限を達成する。能動ストールの利点の1つは、電力出力を受動ストールよりも正確に制御できることにあるが、ピッチ制御と同様に、複雑なコントローラシステムおよびピッチアクチュエータを必要とする。
可変速度の風力タービン対固定速度の風力タービン
定格より下の風速でエネルギー生成を最大化し、また機械的な負荷を低減するためには、固定速度のタービンよりも、ロータの回転速度が所定の範囲内で変化しうる可変速度の風力タービンの方が好ましい。典型的には、可変速度の発電の方策は、風力タービン発電機によって供給されるトルクを制御することによってタービンの回転速度を変化させる。その結果として、タービンの先端速度比(風速に対するロータブレード先端の速度の比)が一定となる。したがって、この方策では、最大の電力量を取り出すために、絶えずタービンの動作点を風速に適合させている。これは、最大電力点追尾として知られている。
定格より下の風速でエネルギー生成を最大化し、また機械的な負荷を低減するためには、固定速度のタービンよりも、ロータの回転速度が所定の範囲内で変化しうる可変速度の風力タービンの方が好ましい。典型的には、可変速度の発電の方策は、風力タービン発電機によって供給されるトルクを制御することによってタービンの回転速度を変化させる。その結果として、タービンの先端速度比(風速に対するロータブレード先端の速度の比)が一定となる。したがって、この方策では、最大の電力量を取り出すために、絶えずタービンの動作点を風速に適合させている。これは、最大電力点追尾として知られている。
従来技術
風力タービンにおける最適電力点追尾に関する全ての従来技術において、可変速駆動装置は、1つまたは別の方法で、発電機よって生成された電力出力を検知し、および/または、例えばロータ速度などの他の変数を検知し、最適な発電機のトルクを決定するアルゴリズムを適用する電力用コンバータからなる。このコンバータは、実際の値を測定し目標値と比較して、これらの間で起こりうる差異を補正するために動作点を能動的に変化させるインテリジェンスがあるので、能動システムとみなされる。これは、タービンの1つまたは複数の機械的なシステムを、最適な動作領域にもっていくように作動させることによって達成される。そうしたシステムの複雑さ(部品点数の多さ、数多くの接続部・・)のため、その信頼性はしばしば期待はずれなものとなる。
風力タービンにおける最適電力点追尾に関する全ての従来技術において、可変速駆動装置は、1つまたは別の方法で、発電機よって生成された電力出力を検知し、および/または、例えばロータ速度などの他の変数を検知し、最適な発電機のトルクを決定するアルゴリズムを適用する電力用コンバータからなる。このコンバータは、実際の値を測定し目標値と比較して、これらの間で起こりうる差異を補正するために動作点を能動的に変化させるインテリジェンスがあるので、能動システムとみなされる。これは、タービンの1つまたは複数の機械的なシステムを、最適な動作領域にもっていくように作動させることによって達成される。そうしたシステムの複雑さ(部品点数の多さ、数多くの接続部・・)のため、その信頼性はしばしば期待はずれなものとなる。
風力タービンの電気的および電子的システムは、完成したシステムでは弱連結となる傾向がある。非常に多数の接続部、および関与するこの種の構成部品(マイクロコントローラ、センサ、電力用半導体)の敏感さのため、これらのサブシステムの平均故障間隔(Mean-Time-Between-Failure)は、風力タービンにおける全システムの中で最低である。これらのタイプの故障は、一般的に比較的修理が容易であるが、故障時間の量は、保守サービスの組織および物流に大きく依存する。容易にアクセス可能な場所(工業国における大電力発電用の陸上の風力)では、修理は、自動化されたエラー警報器および有能なO&M作業員のおかげで、速やかに行われる。沖合の風力や遠隔領域での分散風力などの他のタイプの用途では、アクセス性は、頻繁な保守または速やかな関与が不可能といったものとなり、軽微な故障でも長期の停電となる。
風力タービンの最大電力点追尾に関する従来の技術のほとんどは、大電力用スイッチおよび制御回路を含む能動部品を有するシステムを提案している。以下に、関連する従来技術を列挙する。
・米国特許出願第20070170724号、2007年7月26日 風力タービン用のストールコントローラおよびトリガー条件制御機能:この特許は、最大電力を追尾し、電力を制限するために発電機のトルクを調整する大電力用コンバータを含む能動システムを提案している。緊急事態、例えば、コンバータや制御回路の故障の場合のみ、ロータ速度を制限するために、単純な受動手段(発電機の固定子の巻線の短絡)を提案している。
・中国特許公開第CN101378201(A)号、2009年3月4日 最大風力エネルギーを自動的に追尾可能な受動制御タイプの風力発電システム。この発明は、同じ問題を扱い、最大電力点追尾を行う受動的な方法について述べている。しかし、提案されている解決策は、発電機内で複数の巻線を必要とし、また過回転保護の問題は扱われていない。
・「ANALYSIS OF WIND POWER FOR BATTERY CHARGING」、Eduard Muljadiら、Wind Technology Division National Renewable Energy Laboratory(Colorado、米国);Proceedings of the Industry Applications Conference、1996年。この論文は、整流器を介してバッテリバンクに接続される永久磁石発電機から構成されるシステムの特性を詳細に調べている。この論文では、システムの性能を改善するために、2つの方法、すなわち整流器とバッテリバンク間にDC-DCコンバータを必要とする能動的な解決策、および直列コンデンサによる補償を用いる受動的な解決策を提案している。しかし、著者らは、トルク-速度特性が、動作範囲の一部でのみしか最適な制御則に一致しないので、コンデンサを用いた直列補償のみでは、理想的な解決策にはならないことを確認している。電力カーブは、全トルク周波数が漏れインダクタンスとコンデンサの共振によって決定されるため、最大トルク点を超えると急速に降下する。したがって、彼らは、能動的な解決策と受動的な解決策の両方を組み合わせることを提案している。
・米国特許出願第20070170724号、2007年7月26日 風力タービン用のストールコントローラおよびトリガー条件制御機能:この特許は、最大電力を追尾し、電力を制限するために発電機のトルクを調整する大電力用コンバータを含む能動システムを提案している。緊急事態、例えば、コンバータや制御回路の故障の場合のみ、ロータ速度を制限するために、単純な受動手段(発電機の固定子の巻線の短絡)を提案している。
・中国特許公開第CN101378201(A)号、2009年3月4日 最大風力エネルギーを自動的に追尾可能な受動制御タイプの風力発電システム。この発明は、同じ問題を扱い、最大電力点追尾を行う受動的な方法について述べている。しかし、提案されている解決策は、発電機内で複数の巻線を必要とし、また過回転保護の問題は扱われていない。
・「ANALYSIS OF WIND POWER FOR BATTERY CHARGING」、Eduard Muljadiら、Wind Technology Division National Renewable Energy Laboratory(Colorado、米国);Proceedings of the Industry Applications Conference、1996年。この論文は、整流器を介してバッテリバンクに接続される永久磁石発電機から構成されるシステムの特性を詳細に調べている。この論文では、システムの性能を改善するために、2つの方法、すなわち整流器とバッテリバンク間にDC-DCコンバータを必要とする能動的な解決策、および直列コンデンサによる補償を用いる受動的な解決策を提案している。しかし、著者らは、トルク-速度特性が、動作範囲の一部でのみしか最適な制御則に一致しないので、コンデンサを用いた直列補償のみでは、理想的な解決策にはならないことを確認している。電力カーブは、全トルク周波数が漏れインダクタンスとコンデンサの共振によって決定されるため、最大トルク点を超えると急速に降下する。したがって、彼らは、能動的な解決策と受動的な解決策の両方を組み合わせることを提案している。
「受動」制御
本発明は、「受動」構成部品のみから構成されるAC-DCコンバータを使用して、風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法について述べる。提案するシステムは、インダクタ、コンデンサ、ダイオードなどの受動電気部品または半導体のみを使用する。
本発明は、「受動」構成部品のみから構成されるAC-DCコンバータを使用して、風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法について述べる。提案するシステムは、インダクタ、コンデンサ、ダイオードなどの受動電気部品または半導体のみを使用する。
提案するコンセプトでは、これは、電気回路が所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で発電機の出力に負荷をかけるように電気回路を設計することによって行われる。このトルク特性は、定格のロータ速度までは理想的な制御則に一致し、定格のロータ速度に達すると、タービンの暴走を防ぐためにトルクを急激に増加させる。
タービンが、定格より上の入力電力を制限する別の手段(能動的なピッチメカニズムなど)を含む場合、定格を超えるロータ速度での発電機のトルクの急激な増加は必要なくなるであろう。ピッチメカニズムは、ブレードのピッチを調整することによって入力電力を制限し、ロータの過回転条件が回避されることになる。
したがって、本発明は、ストール制御およびピッチ制御タービンの両方の場合において、所望のトルク対ロータ速度特性が、定格より上のロータ速度でわずかに異なったとしても、ストール制御およびピッチ制御タービンと両立することは明らかである。
所望のトルク-周波数カーブに近似させるように調整することが可能な様々な電気的な構成が存在する。これらの一部は、好ましい実施形態の節において説明されるが、これらの好ましい実施形態が本発明の範囲を限定するものではないことは明らかである。風力タービンにおける最適電力点追尾を近似するために電気的な負荷を最適化する意図を有するように調整されるいずれの回路も、本発明の範囲にあることは明らかである。
寄生成分(発電機または発電機の出力に接続されたトランスの漏れインダクタンス、発電機またはトランスの寄生容量)を有する回路のインダクタまたはコンデンサを実装することを考えうるとしてもそうである。このように、本発明は、専用の構成部品をダイオード整流器にのみにその数を限定することで、風力タービン制御のコストをさらに一層低減する。
1つの整流器のみを使用するシステムが存在し、また直列コンデンサのみを有しインダクタのない解決策も存在する。しかし、これらの解決策は、抵抗性の損失が高く、したがって効率が低い場合にのみ、トルク-速度カーブと最適なカーブとの良好な一致が得られる。
本発明は、使用される構成部品の堅牢さおよび高信頼性によって発電機の作製コストならびに保守および運用コストを低減することを目的とする。本発明は、発電機側のコンバータがナセルに(海に)配置され、グリッド側のコンバータが陸地に配置される洋上の用途(集中化したグリッドコンバータを使用し、直流で集電グリッドを実現する場合)において特に興味が持たれる。また、本発明は、小規模(<1kW)に対しては、システムが直流出力を有するか(グリッド側コンバータなし)、またはこのコンバータが家の中に配置され(住居用途)、発電機側のコンバータが厳しい環境条件にさらされる場合に有用となりうる。
本発明は、風力タービンの最大電力点追尾の近似、および/または速度制御のための方法およびツールを提供する。
第1の態様では、風力タービンの最大電力点追尾の近似、および/または速度制御のための方法は、「受動」構成部品または素子のみを備える電気回路から構成される少なくとも1つのAC-DCコンバータを使用して実現される。
具体的な実施形態では、本発明の方法は、少なくとも1つのインダクタおよびダイオードを使用する。さらなる具体的な実施形態では、本発明の方法は、少なくとも1つのコンデンサおよびダイオードを使用する。さらなる具体的な実施形態では、本発明の方法は、少なくとも1つのオートトランスおよびダイオードを使用する。
本発明による方法の具体的な実施形態では、受動素子は、風力タービンの設置前に、所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で発電機の出力に負荷をかけるように、(タップ、空隙、または素子の組合せによって)調整可能である。
本発明による方法の具体的な実施形態では、受動素子は、風力タービンの設置後に、所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で発電機の出力に負荷をかけるように、調整可能である。
本発明のさらなる態様は、風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法であって、「受動」構成部品のみを備える電気回路から構成される少なくとも1つのAC-DCコンバータを使用し、その結果トルク-周波数特性が定格のロータ速度までは理想的な制御則に一致し、次いで定格のロータ速度に達すると急激にトルクを増加させてタービンの暴走を防ぐように、AC-DCコンバータが発電機の出力に負荷をかける、方法を提供する。
これらの方法の具体的な実施形態では、少なくとも1つのインダクタおよびダイオードを使用する。
これらの方法の具体的な実施形態では、少なくとも1つのコンデンサおよびダイオードを使用する。
これらの方法の具体的な実施形態では、少なくとも1つのオートトランスおよびダイオードを使用する。
本発明の方法の具体的な実施形態では、受動素子は、風力タービンの設置前に調整可能である。さらなる具体的な実施形態では、受動素子は、風力タービンの設置後に調整可能である。
本発明のさらなる態様は、上記した方法を実行するためのツールに関する。より具体的には、本発明は、本発明の方法において我々用に適合させた、風力タービンの最大電力点追尾の近似、および/または速度制御のための回路を提供する。
風のパワーは、風速の3乗で変化する。空力学的に成形された翼を使用するブレードの組立体からなるロータは、回転速度と風速のある比率で風からの運動エネルギーを風力タービンのロータ軸上のトルクに変換する際に、最大効率を達成する。この比率は、通常、先端速度比(ロータブレードの先端部速度の風速に対する比率)として与えられる。最大の電力抽出を達成するためには、タービンのロータ速度は、最大のロータ速度(ロータの角速度)になるまで風速に対して絶えず調整される必要がある。理想的な制御則は、発電機から抽出される電力をこの風で利用可能な最大電力に一致させ、したがって電力をロータ速度の3乗で変化させ、タービンを最適な先端速度比に維持する。
タービンによって生成される出力は、損失が無視される場合は、ロータ速度とロータのトルクの積である。したがって、発電機のトルクにとって理想的な制御則は、トルクの変化量をロータ速度、したがって同期式発電機の場合は発電機の周波数の2乗として規定する。同期式発電機の場合、風力タービンのロータ速度は、発電機のロータ内の磁極の数を介して、発電機の電流および電圧の基本周波数と直接結びついている。
上記の要求を満たす数多くの構成が可能である。原理的に、相互接続されたインピーダンス、ダイオード、または(オート)トランスを使用した任意の回路が、所望の効果を達成するために使用しうる。回路がより複雑になればなるほど、トルク-周波数カーブは最適な制御則に一致するようになるが、部品点数が多くなり、したがって回路における損失が生じる可能性がある。
本発明は、本発明者らの経験および知識に基づいた、様々な好ましい実施形態について述べる。構成部品の値は、適用した各設定において、システム全体の性能とコストの兼ね合いで、あるレベルの精度で理想的な特性に合うように選択された。これらの値の使用および以下の説明は、いずれの場合も本発明の範囲を限定するものではない。様々な構成部品の値および様々な回路における配置は、本発明の事項に従属する。
好ましい実施形態
発電機は、ある周波数-電圧比に対して調整可能な電圧源、および漏れインダクタンスを使用してモデル化される。受動電気回路の出力部は、グリッド接続されたコンバータまたはバッテリバンクの直流リンク(DC-link)を表す固定電圧の直流(DC)バスに接続される。以下の段落の電力-周波数カーブは、Capture CIS(OrCAD)、PSpice A/D(ミックスドシグナルシミュレータ)、およびMathcad(Parametric Technology Corporation)を使用して作成されている。
発電機は、ある周波数-電圧比に対して調整可能な電圧源、および漏れインダクタンスを使用してモデル化される。受動電気回路の出力部は、グリッド接続されたコンバータまたはバッテリバンクの直流リンク(DC-link)を表す固定電圧の直流(DC)バスに接続される。以下の段落の電力-周波数カーブは、Capture CIS(OrCAD)、PSpice A/D(ミックスドシグナルシミュレータ)、およびMathcad(Parametric Technology Corporation)を使用して作成されている。
単相の等価回路
シミュレーションの複雑さを低減するために、本発明の好ましい実施形態は、初めに単相の等価回路として開発されている。
シミュレーションの複雑さを低減するために、本発明の好ましい実施形態は、初めに単相の等価回路として開発されている。
1.外部インダクタンスを有する単相シミュレーション構成
図1aの回路は、フルブリッジ整流器のコンセプトを表す。図1a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有するこのコンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 38mH
2)外部インダクタンス - 120mH
3)EMF定数 - 40V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
図1aの回路は、フルブリッジ整流器のコンセプトを表す。図1a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有するこのコンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 38mH
2)外部インダクタンス - 120mH
3)EMF定数 - 40V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
図1bのグラフは、得られた電力-周波数カーブを示す。図示した3つのカーブは、電力カーブ(kWを単位として測られ、Pの印をつけている)、風速の3乗で変化する、その風で利用可能な運動パワー(PWの印をつけている)、および線形な周波数/電圧の関係を示すカーブ(V/10の印をつけ、グラフ上に示すため因数10で割ってある)である。
低い周波数では、外部インダクタのインピーダンスは小さく、短絡回路として働く。ダイオードD1およびD3は、この回転速度においてのみ使用される。しかし、より高い周波数では、インピーダンスは高く、インダクタはむしろ開回路として働く。得られたカーブは、中間領域でかなりの電力低下を有する。それゆえ、3相回路では、このことは、低い周波数では、外部インダクタによって発電機の巻線が「スター」トポロジー状に接続され、速い回転速度では、発電機の巻線のトポロジーは、むしろ「デルタ」構成となることを意味する。
図1bの高い周波数領域は、発電機の漏れインダクタンスの値によって決定される。漏れインダクタンスを減少させることにより、最大電力が増加し、逆もまた同様である。しかし、この値は発電機のサイズを決める。この値を減少させることは、発電機がより大きくなることを意味し、これは望ましくない。
最大電力は、発電機の電磁力(EMF)の値を変更することによっても増減させることができる。これもやはり発電機のサイズを決める。また、グラフの開始点(電力が流れ始める周波数)は、EMFの値に依存する。これは、EMFの最大値が電源電圧の半分よりも大きくなる点である。EMFが低くなると、開始点は高くなり、逆も同様である。外部インダクタンスは、主に電力-周波数カーブの比較的低い周波数領域に影響を与える。その値は、理想的な3次曲線に合うようになされうる。インダクタンスを増加させると、グラフの下方領域で電力が減少することになり、逆も同様である。
図1cにおける第1のカーブ(線1)は、外部インダクタの影響に関する電力-周波数グラフ、およびD2およびD4なしで到達しうる最大電力を示す。線2は、外部インダクタがない場合に電力-周波数カーブがどのように見えるかの例を示す。線2の最大電力は、より高くなっているが、開始点も2倍の周波数である。2つの線を組み合わせると、第1の構成の電力-周波数カーブとなる。
2.外部インダクタンスおよび発電機と並列に容量を有する構成
構成2(図2aに示す)は、発電機と並列に接続されたコンデンサを有する。図2a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 52mH
2)外部インダクタンス - 125mH
3)並列容量 - 7μF
4)EMF係数 - 40V/Hz
5)直流電圧 - 1000V
構成2(図2aに示す)は、発電機と並列に接続されたコンデンサを有する。図2a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 52mH
2)外部インダクタンス - 125mH
3)並列容量 - 7μF
4)EMF係数 - 40V/Hz
5)直流電圧 - 1000V
コンデンサは大きくはないが、このコンデンサは、上記の構成の電力特性を改善する。電力-周波数カーブを理想的な3次曲線に維持するために、発電機の漏れインダクタ値を増加させている。発電機の漏れインダクタ値とマシン全体のサイズとの間にある関係のために、この構成は、風力タービン発電機のサイズを低減する。
図2bは、第2の構成の電力-周波数カーブを示す。この構成の調整は、第1のものと同じように行うことができる。電力-周波数カーブは、外部インダクタ、発電機の漏れインダクタ、または発電機のEMFの値が変化すると、第1のカーブと同じように振る舞う。
最初の2つの構成を比較した結果を図2cに示す。比較的低い周波数領域では、差はないが、高い周波数では、第1の構成の最大電力の方がより高くなる。コンデンサを有することに関する実際の改善点は、電力カーブの中間部分に見ることができる。
3.外部コンデンサを有する構成
図3aでは、コンデンサが、構成1のインダクタ要素と置き換わっている。図3a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 36mH
2)外部容量 - 160μF
3)EMF係数 - 28V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
図3aでは、コンデンサが、構成1のインダクタ要素と置き換わっている。図3a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 36mH
2)外部容量 - 160μF
3)EMF係数 - 28V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
図3bは、電力-周波数カーブを示す。EMFに顕著な差がある理由は、標準の1Hzあたり40Vの場合の電力は、コンデンサおよび発電機の漏れインダクタンスがどのような値であっても、理想的な3次風速曲線よりもはるかに高いからである。電磁力の値は、正確に調整されうる。また、EMFが相当に小さくなると、このことは発電機のサイズがかなり小さくなることも意味し、これは有利である。
コンデンサは、低い周波数領域で効果を有するのみならず、より高い周波数における傾きにも効果がある。低い周波数において最大電力と性能の間にはあるトレードオフがある。開始点がより高い周波数にあることがわかる。今回、やはり、EMFの値(発電機のサイズ)と低速における最適な電力との間でトレードオフをしなければならない。図3cは、1Hzあたり28Vと32Vとの間の直接的な比較を示す。
4.外部インダクタンスおよび発電機と並列にトランスを有する構成
図4aに示す回路は、中間領域を調整可能とすることを試みている。この具体的な構成では、発電機に並列のトランスが使用されている。トランスのシミュレーションは、追加のブリッジ整流器、直流電圧源、および(一部はトランスのインダクタンスとなりうる)インダクタを用いて行われる。図4a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 36mH
2)トランスの直列インダクタンス - 38mH
3)外部インダクタンス - 120mH
4)EMF係数 - 40V/Hz
5)直流電圧 - 1000V
6)第2の直流電圧 - 790V
図4aに示す回路は、中間領域を調整可能とすることを試みている。この具体的な構成では、発電機に並列のトランスが使用されている。トランスのシミュレーションは、追加のブリッジ整流器、直流電圧源、および(一部はトランスのインダクタンスとなりうる)インダクタを用いて行われる。図4a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 36mH
2)トランスの直列インダクタンス - 38mH
3)外部インダクタンス - 120mH
4)EMF係数 - 40V/Hz
5)直流電圧 - 1000V
6)第2の直流電圧 - 790V
トランスに関しては、両端で調整可能な第3の線(図4c)となる。この線は、低電力側では、実際にはトランスの巻数比である直流電圧源によって制御可能である。そのように自由に移動させることで、この第3の線を、第1の構成の電力カーブの中央部分にあるギャップ部にはめ込むことが可能である(図2cエラー!基準電源みつからず。)。最大電力および低い周波数における電力は、上記の構成のように、やはり発電機の漏れインダクタおよび外部インダクタによって決定されている。
図4bは、得られた電力-周波数カーブを示す。このカーブは、理想的な風速カーブにかなり近づいている。しかし、この解決策では、好適なトランスは大きく、重いものになるという、1つ大きな不利な点がある。また、実際には3相で実現するため、3つのトランスがあり、コストが増加する。
5.外部インダクタンスをオートトランスと並列の励磁インダクタとして使用する構成
構成5(図5a)は、上記の回路の不利な点を解決するために開発された。外部インダクタと並列にオートトランスを有する解決策を提案する。直流的な分離(galvanic separation)が必要でない場合は、オートトランスは、トランスよりもかなり小さく、軽くなる。また、インダクタの定格は、発電機の定格のほんの数分の一にすぎない。図5a-2に記述する構成部品の値は、例として示されている。
構成5(図5a)は、上記の回路の不利な点を解決するために開発された。外部インダクタと並列にオートトランスを有する解決策を提案する。直流的な分離(galvanic separation)が必要でない場合は、オートトランスは、トランスよりもかなり小さく、軽くなる。また、インダクタの定格は、発電機の定格のほんの数分の一にすぎない。図5a-2に記述する構成部品の値は、例として示されている。
6.オートトランスを有する構成(図6a)
図6a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 1000V
図6a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 1000V
この回路によって得られたカーブを図6bに示す。
インダクタのサイズおよび数を低減するために別の技法を使用することができる。外部インダクタは、オートトランスの励磁インダクタンスによって実現されうる。オートトランスの巻数比は、開始点を決定する。これは、カーブの中間領域を調整するために使用される。電力ラインの中間領域の上部はオートトランスの第2の巻線に接続されたインダクタによって決定される。得られる最大電力は、発電機の漏れインダクタンスおよびそのEMFに依存する。低い周波数では、オートトランスの励磁インダクタンスが電力を決定する。
3相の構成
本明細書では、いくつかの単相構成を例示している。構成1(図1a)は、完全な一致は得られていないが、コスト効率の良い解決策である。これは、受動制御の風力タービンの基本的な構成である。発電機と並列にコンデンサを有する構成2(図2a)は、中間領域でよりましなカーブを有するが、最大電力はより低くなる。星形結線中性点(star point)にコンデンサを有する構成3(図3a)では、電力カーブの中間領域でよりましになるが、高い周波数および低い周波数において性能が良くない。構成4(図4a)は、電力カーブを改善するために発電機と並列にトランスを使用する。この構成は、風力の電力カーブに非常に近いが、この解決策は、上記のものほどはコスト効率が良くない。構成5(図5a)は、構成4とほとんど同一であるが、オートトランスを使用し、これによりコストを低減する。
本明細書では、いくつかの単相構成を例示している。構成1(図1a)は、完全な一致は得られていないが、コスト効率の良い解決策である。これは、受動制御の風力タービンの基本的な構成である。発電機と並列にコンデンサを有する構成2(図2a)は、中間領域でよりましなカーブを有するが、最大電力はより低くなる。星形結線中性点(star point)にコンデンサを有する構成3(図3a)では、電力カーブの中間領域でよりましになるが、高い周波数および低い周波数において性能が良くない。構成4(図4a)は、電力カーブを改善するために発電機と並列にトランスを使用する。この構成は、風力の電力カーブに非常に近いが、この解決策は、上記のものほどはコスト効率が良くない。構成5(図5a)は、構成4とほとんど同一であるが、オートトランスを使用し、これによりコストを低減する。
実際の風力タービンでは、3相の回路が必要とされる。以下の3相では、各バージョンは、上記の単相の等価な構成から推論される。第1に提案する回路は非常にコスト効率の良い解決策であり、第2の例は、最大電力点追尾に対する最適なカーブと非常に良い一致を示すが、追加の部品がより多くなり、したがってより高価になる。
7.星形結線中性点に外部インダクタンスが接続される3相構成
回路設計(図7a)は、単相構成の3倍になる。図7a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの38mHのインダクタ
2)外部インダクタンス - 3つの120mHのインダクタ
3)EMF定数 - 40V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
5)時間依存性抵抗 - 3つの1kΩの抵抗
回路設計(図7a)は、単相構成の3倍になる。図7a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの38mHのインダクタ
2)外部インダクタンス - 3つの120mHのインダクタ
3)EMF定数 - 40V/Hz
4)直流電圧 - 1000V
5)時間依存性抵抗 - 3つの1kΩの抵抗
得られた電力-周波数カーブを図7bに示す。得られたカーブは単相のバージョンとは少し異なる。カーブの開始点は、検証した単相構成よりも高い。この理由は、開始点が、電源電圧を超えるライン間電圧によって決定されているためである。得られた電力カーブは、低い周波数で高すぎるが、これは星形結線中性点に接続された外部インダクタンスの値によって容易に調整されうる。高い周波数では、カーブは理想的な3次の電力風速カーブからわずかに離れている。これも発電機の漏れインダクタンスを用いて調整可能である。
8.外部インダクタンスをオートトランスの励磁インダクタとして使用する3相構成
図8aは、構成5の3相バージョンである。図8a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの36mHのインダクタ
2)1次励磁インダクタンス - 3つの153mHのインダクタ
3)2次励磁インダクタンス - 3つの60mHのインダクタ(K=1で結合(理想的))
4)2次巻線外部インダクタの値 - 3つの115mHのインダクタ
5)抵抗器の値 - 3つの2.89Ωの抵抗器
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 1000V
図8aは、構成5の3相バージョンである。図8a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの36mHのインダクタ
2)1次励磁インダクタンス - 3つの153mHのインダクタ
3)2次励磁インダクタンス - 3つの60mHのインダクタ(K=1で結合(理想的))
4)2次巻線外部インダクタの値 - 3つの115mHのインダクタ
5)抵抗器の値 - 3つの2.89Ωの抵抗器
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 1000V
2次インダクタンスは、オートトランスの巻数比を決定する。この場合の巻数比は2.5:1である。第1の3相カーブの効果は全てこの構成においても観察されうる。すなわち、低い周波数範囲では電力がかなり増加し、高い周波数では理想的な風速カーブとはわずかなギャップがある。図8bは、得られた電力-周波数特性を示す。
制動容量
風力タービンの受動制御システムの非常に重要な部分は、制動容量である。他方、受動制御システムは、いったん定格の回転速度に達すると十分なトルクを供給することによって、タービンが過回転するのを防止することが可能であるべきである。一方で、回路は、故障のためまたは保守のためにタービンを停止させる必要がある場合、電気的な制動として働くことが可能でなければならない。そうした電気的な制動は、たいていは機械的な制動と並行して動作するが、大きなタービンに対しては、これらの制動メカニズムのそれぞれが、タービンを最大過回転以下に保持可能である必要がある。
風力タービンの受動制御システムの非常に重要な部分は、制動容量である。他方、受動制御システムは、いったん定格の回転速度に達すると十分なトルクを供給することによって、タービンが過回転するのを防止することが可能であるべきである。一方で、回路は、故障のためまたは保守のためにタービンを停止させる必要がある場合、電気的な制動として働くことが可能でなければならない。そうした電気的な制動は、たいていは機械的な制動と並行して動作するが、大きなタービンに対しては、これらの制動メカニズムのそれぞれが、タービンを最大過回転以下に保持可能である必要がある。
9.外部インダクタンスをオートトランスに並列の励磁インダクタとして使用する1相の制動構成
この構成(図9a)は、制動構成を示すための一例(好ましい実施形態)として選んだ。これは、最大電力点追尾における良好な特性を有し、複雑さ(部品点数)が許容しうるレベルの構成である。図9a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)制動コンデンサの値 - 33μF
7)EMF係数 - 40V/Hz
8)直流電圧 - 1000V
この構成(図9a)は、制動構成を示すための一例(好ましい実施形態)として選んだ。これは、最大電力点追尾における良好な特性を有し、複雑さ(部品点数)が許容しうるレベルの構成である。図9a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)制動コンデンサの値 - 33μF
7)EMF係数 - 40V/Hz
8)直流電圧 - 1000V
得られた制動カーブを図9bに示す。この図では、以下の略号が使用されている。
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成5より得られた電力-周波数カーブ
V - 周波数に比例した電圧
BPcap - 構成9の制動電力-周波数カーブ
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成5より得られた電力-周波数カーブ
V - 周波数に比例した電圧
BPcap - 構成9の制動電力-周波数カーブ
この制動カーブは、風力カーブよりもかなり上にあることが目に見えてわかる(破線)。このグラフ上のその他の電力カーブは、構成5の電力カーブである。
全ての動作条件において、十分なトルク(電力)を供給するために、採用した設計要件は、「制動部品」が追加されてない構成の電力カーブよりも、少なくとも50%上にある電力-周波数特性を有することであった。図9bに示すように、高い回転速度において、このような制動は、タービンを停止させるのに十分であるべきであるが、低い周波数では、風力タービンを停止させるために「蓄えられている」(「in reserve」)電力が十分ではない。
低い周波数において電気的な制動を適用しうる解決策は、直流電圧を低下させることである(図9cに示す回路)。図9c-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 600V
1)発電機のインダクタンス - 35.7mH
2)1次励磁インダクタンス - 117mH
3)2次励磁インダクタンス - 35mH
4)2次巻線外部インダクタの値 - 90mH
5)抵抗器の値 - 2.26Ω
6)EMF係数 - 40V/Hz
7)直流電圧 - 600V
電圧が低下しているため、ダイオードD1およびD3はより早く導通する。このことは、電力カーブの比較的低い周波数において電力の増加が期待される。直流制動電圧の値は、やはり、制動なしの構成よりも50%だけ電力を増加させるように選ばれている。
図9dにおいて、以下の略号が使用されている。
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成5より得られた電力-周波数カーブ
V - 周波数に比例した電圧
BPdc - 構成9の制動電力-周波数カーブ
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成5より得られた電力-周波数カーブ
V - 周波数に比例した電圧
BPdc - 構成9の制動電力-周波数カーブ
図9dからわかるように、下方および中間領域で、相当により大きな「制動」電力がある。しかし、最大電力は、直流電圧の低下とともに著しく低下している。全ての周波数においてよりよい制動電力カーブを得るために、様々な値を有する抵抗器に切り換えることもできる。すなわち、低い周波数では、より高いオーム値を有する抵抗器に切り換えることができ、タービンが十分に減速すると、別のより小さな抵抗器に切り換える。
結論として、これらの2つの可能性のある電気的な制動を組み合わせることによって、全動作条件下で風力タービンに制動をかけることができる。速い回転速度では、コンデンサが使用され、中間の周波数範囲以降は、抵抗器制動が適用されうる。
10.外部インダクタンスを、オートトランスと並列で星形結線中性点に接続される励磁インダクタとして使用する3相の制動構成
構成10(図10a)は、コンデンサを3つの発電機巻線に並列に適用した3相回路である。この制動はより高い周波数でよりよくなることがわかっている。図10a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの36mHのインダクタ
2)1次励磁インダクタンス - 3つの153mHのインダクタ
3)2次励磁インダクタンス - 3つの60mHのインダクタ(K=1で結合(理想的)、巻数比1:0.4に相当)
4)2次巻線外部インダクタの値 - 3つの115mHのインダクタ
5)抵抗器の値 - 3つの2.89Ωの抵抗器
6)制動コンデンサ - 3つの66μFのコンデンサ
7)EMF係数 - 40V/Hz
8)直流電圧 - 1000V
構成10(図10a)は、コンデンサを3つの発電機巻線に並列に適用した3相回路である。この制動はより高い周波数でよりよくなることがわかっている。図10a-2の回路は、シミュレーションおよび測定で使用した具体的な値を有する本コンセプトを表す。この構成における構成部品の値は、
1)発電機のインダクタンス - 3つの36mHのインダクタ
2)1次励磁インダクタンス - 3つの153mHのインダクタ
3)2次励磁インダクタンス - 3つの60mHのインダクタ(K=1で結合(理想的)、巻数比1:0.4に相当)
4)2次巻線外部インダクタの値 - 3つの115mHのインダクタ
5)抵抗器の値 - 3つの2.89Ωの抵抗器
6)制動コンデンサ - 3つの66μFのコンデンサ
7)EMF係数 - 40V/Hz
8)直流電圧 - 1000V
構成10b(図10b)は、抵抗器を有する制動の構成を示す。このシミュレーションでの抵抗器の値は一定である。得られる制動カーブが十分には満足のいくものではない場合は、抵抗器の値を変化させる選択肢がある。構成10a-2(図10a-2)および10b-2(図10b-2)は、構成10a-2に追加された以下の部品以外は、ほとんど全ての部品に対して同様である。
1)フィルタコンデンサC4 - 2000μF
2)抵抗器負荷R8 - 5Ω
1)フィルタコンデンサC4 - 2000μF
2)抵抗器負荷R8 - 5Ω
構成10bの制動電力-周波数カーブは、全周波数範囲にわたって多くの制動容量を有しているように見える。抵抗器は、直流電圧を所望のレベルに低下させ、必要とされる制動電力に達するのに、すでに十分である。
得られた制動カーブを図10cに示す。この図において、以下の略号が使用されている。
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成8より得られた電力-周波数カーブ
V1 - 周波数に比例した電圧
Br. - 構成10aの制動電力-周波数カーブ
Res.Br. - 構成10bの制動電力-周波数カーブ
PW - 理想的な風力タービンの電力-周波数カーブ
P - 構成8より得られた電力-周波数カーブ
V1 - 周波数に比例した電圧
Br. - 構成10aの制動電力-周波数カーブ
Res.Br. - 構成10bの制動電力-周波数カーブ
D1 ダイオード
D2 ダイオード
D3 ダイオード
D4 ダイオード
D5 ダイオード
D6 ダイオード
D7 ダイオード
D8 ダイオード
D9 ダイオード
D10 ダイオード
D11 ダイオード
D12 ダイオード
D13 ダイオード
D14 ダイオード
D15 ダイオード
D16 ダイオード
D17 ダイオード
D18 ダイオード
L1 インダクタ
L2 インダクタ
L3 インダクタ
L4 インダクタ
L5 インダクタ
L6 インダクタ
L7 インダクタ
L8 インダクタ
L9 インダクタ
L10 インダクタ
L11 インダクタ
L12 インダクタ
V1 電源
V2 電源
V3 電源
V4 電源
V5 電源
C1 コンデンサ
C2 コンデンサ
C3 コンデンサ
C4 コンデンサ
Cbr 制動コンデンサ
R1 抵抗器
R2 抵抗器
R3 抵抗器
R4 抵抗器
R5 抵抗器
R6 抵抗器
R7 抵抗器
R8 抵抗器
R12 抵抗器
R15 抵抗器
R17 抵抗器
R18 抵抗器
D2 ダイオード
D3 ダイオード
D4 ダイオード
D5 ダイオード
D6 ダイオード
D7 ダイオード
D8 ダイオード
D9 ダイオード
D10 ダイオード
D11 ダイオード
D12 ダイオード
D13 ダイオード
D14 ダイオード
D15 ダイオード
D16 ダイオード
D17 ダイオード
D18 ダイオード
L1 インダクタ
L2 インダクタ
L3 インダクタ
L4 インダクタ
L5 インダクタ
L6 インダクタ
L7 インダクタ
L8 インダクタ
L9 インダクタ
L10 インダクタ
L11 インダクタ
L12 インダクタ
V1 電源
V2 電源
V3 電源
V4 電源
V5 電源
C1 コンデンサ
C2 コンデンサ
C3 コンデンサ
C4 コンデンサ
Cbr 制動コンデンサ
R1 抵抗器
R2 抵抗器
R3 抵抗器
R4 抵抗器
R5 抵抗器
R6 抵抗器
R7 抵抗器
R8 抵抗器
R12 抵抗器
R15 抵抗器
R17 抵抗器
R18 抵抗器
Claims (12)
- 風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法であって、「受動」構成部品のみを備える電気回路から構成される少なくとも1つのAC-DCコンバータを使用する、方法。
- 少なくとも1つのインダクタおよびダイオードを使用する、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つのコンデンサおよびダイオードを使用する、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つのオートトランスおよびダイオードを使用する、請求項1に記載の方法。
- 前記受動素子が、前記風力タービンの設置前に、所定のトルク-周波数特性を実現するようなやり方で前記発電機の出力に負荷をかけるように、(タップ、空隙、または素子の組合せによって)調整可能である、請求項1に記載の方法。
- 前記受動素子が、前記風力タービンの設置後に、あるトルク-周波数特性を実現するようなやり方で前記発電機の出力に負荷をかけるように、調整可能である、請求項1に記載の方法。
- 風力タービンの最大電力点追尾の近似および速度制御のための方法であって、「受動」構成部品のみを備える電気回路から構成される少なくとも1つのAC-DCコンバータを使用し、その結果トルク-周波数特性が定格のロータ速度までは理想的な制御則に一致し、次いで前記定格のロータ速度に達すると急激にトルクを増加させてタービンの暴走を防ぐように、AC-DCコンバータが前記発電機の出力に負荷をかける、方法。
- 少なくとも1つのインダクタおよびダイオードを使用する、請求項7に記載の方法。
- 少なくとも1つのコンデンサおよびダイオードを使用する、請求項7に記載の方法。
- 少なくとも1つのオートトランスおよびダイオードを使用する、請求項7に記載の方法。
- 前記受動素子が、風力タービンの設置前に調整可能である、請求項7に記載の方法。
- 前記受動素子が、風力タービンの設置後に調整可能である、請求項7に記載の方法。
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