JP2014023421A

JP2014023421A - 風力発電システム及びその励磁同期発電機の制御方法

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Publication number: JP2014023421A
Application number: JP2012238959A
Authority: JP
Inventors: Tzuen-Lih Chern; 陳遵立; Der-Min Tsay; 蔡得民; Jao-Hwa Kuang; 光灼華; Li-Hsiang Liu; 劉立祥; Wei-Ting Chen; 陳韋廷
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: National Sun Yat Sen University
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: US8853875B2; CN103546080A; CN103546080B; US20140015249A1; TW201406049A; JP5636412B2; TWI488425B

Abstract

【課題】独立型風力発電システム及びその励磁同期発電機の制御方法を提供する。
【解決手段】同軸配置により、ウインドミルの入力、増速機、励磁同期発電機及びモーターは同じ伝動軸に整合される。それによって、入力された風力エネルギーは、電力に変換してロードへ出力する。励磁場の制御により、励磁同期発電機の出力電圧を安定させる。モーターのサーボ制御により、風力エネルギーが変わる場合、励磁同期発電機の回転速度を安定させ、さらに出力電源の周波数を安定させる。電力管理ユニットは、モーターの入力パワーの測定、電力コンバータ及びバッテリにより、電力の充電及び提供を行って励磁同期発電機を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機及びその制御方法に関し、特に独立型風力発電システム（stand-alone wind power generation system）及びその励磁同期発電機の制御方法に関する。

現在、一般的な風力発電システムは、永久磁石式が主流となっておる。そのシステムは、AC-DCコンバータ、バッテリ及びDC-ACコンバータにより、入力電源を変換して出力する必要がある。その変換方式において、電力変換時の電力損失があり、発電システムの変換効率が低下し、発電機器のコストが増加する。入力動力源が変動或いは電力系統の負担が増加する場合、永久磁石式の発電機の励磁電流を制御できないため、ロードの端子（load terminal）が電圧を安定させることができなく、出力電源の品質を低下させる。

本発明の目的は、同軸配置及び励磁場の制御により、入力された風力エネルギーを電力に変換して出力し、さらに、モーターにより、励磁同期発電機の回転速度をサーボ制御を行う。電力管理ユニットは、モーターの入力パワーの測定、電力コンバータ及びバッテリにより、充電及び放出を行って励磁同期発電機を制御することができる。

また、本発明は、独立型風力発電システムの励磁同期発電機の制御方法を提供する。この制御方法において、同軸配置により、ウインドミルの入力、増速機、励磁同期発電機及びモーターは同じ伝動軸に整合される。それによって、入力された風力エネルギーは、電力に変換してロードへ出力する。入力される風力エネルギーが足りる場合、励磁同期発電機は、電力をロードへ出力するとともに、電力管理ユニット及びデジタルシグナルプロセッサの制御により、電力を整流及び電力変換してバッテリに充電する。入力される風力エネルギーが足りない場合、電力管理ユニットは、バッテリ、昇圧型コンバータ及びモーターによりサーボ制御を行う。バッテリの電力をモーターへ提供することにより、励磁同期発電機の回転速度を安定させる。さらに、出力電源の周波数を安定させることができる。また、励磁同期発電機の電圧情報をフィードバックすることにより、励磁同期発電機の励磁場を制御して出力電圧を安定させることができる。

上記目的を達成するために、本発明によれば、風力発電システムの励磁同期発電機の制御方法が提供される。この制御方法は、ウインドミル、励磁同期発電機及びモーターを同じ伝動軸に整合し、前記ウインドミルの入力された風力エネルギーを電力に変換してロードへ出力する工程と、風力発電システムが安定状態である場合においては電力管理ユニットにより、前記モーターの入力エネルギーを測定し、前記電力を整流及び電力変換してバッテリに充電する工程とを含む。

また、本発明によれば、風力発電システムが提供され、この風力発電システムは、伝動軸と、前記伝動軸に設置されるウインドミルと、前記伝動軸に設置され、前記ウインドミルの入力された風力エネルギーを電力に変換してロードへ出力する励磁同期発電機と、前記伝動軸に設置されるモーターと、前記モーターに接続され、システムが安定状態である場合に前記モーターの入力エネルギーを測定し、前記電力を整流及び電力変換してバッテリに充電する電力管理ユニットと、を含む。

一つの好適な態様では、前記ウインドミルの入力された風力エネルギーが変わる時はモーターのサーボ制御により、前記励磁同期発電機の回転速度及び出力電源の周波数を安定させる。前記モーターのサーボ制御において、駆動器が前記モーターを駆動するための電力は、電力コンバータにより前記バッテリの貯蓄電力を変換して供給される。

一つの好適な態様では、前記バッテリに貯蓄される電力が足りない場合、電力供給網の電源により、前記モーターを駆動するための電力を供給する。

一つの好適な態様では、前記励磁同期発電機の出力電圧と電圧命令とを比較して、前記励磁同期発電機の励磁場を制御することにより、前記励磁同期発電機の出力電圧を調整する。

励磁場の制御により、出力電圧を安定させることができる。モーターのサーボ制御により、風力が変わる場合、励磁同期発電機の回転速度及び出力電源の周波数を安定させることができる。電力管理ユニットは、モーターの入力パワーの測定、電力コンバータ及びバッテリにより、電力の充電及び提供を行って励磁同期発電機を制御することができる。

本発明の一実施形態による独立型風力発電システムの励磁同期発電機の制御方法を示す図である。本発明の一実施形態による風力発電システムの励磁同期発電機の回転速度のサーボ制御を示すブロック図である。本発明の一実施形態によるバッテリの充電制御を示すブロック図である。本発明の一実施形態による電圧調整の制御を示すブロック図である。本発明の一実施形態による電力管理の模擬を示す図である。

図１は、独立型風力発電システムの励磁同期発電機の制御方法を示す図である。本発明の方法は、風力発電システムに応用できる。また、それに限らず他の発電システムにも応用できる、例えば水力発電、火力発電、潮汐発電等、各種の動力発電システムに関係するエネルギー再生制御技術でも応用範囲内である。

図１に示すように、本発明の発電システムは、ウインドミル（windmill）１０、伝動軸１１、増速機２０、励磁同期発電機３０、モーター４０、駆動器４１、エンコーダ４２、電流検知ユニット４３、昇圧型コンバータ５０、バッテリ５１、整流及び降圧型コンバータ５３、ロード（load）６０及びデジタルシグナルプロセッサ（digital signal processer）７０を含む。

再び図１を参照する。ウインドミル１０が風力エネルギーを入力する場合、同軸配置により、ウインドミル１０の入力、増速機２０、励磁同期発電機３０及びモーター４０は同じ伝動軸１１に整合される。それによって、入力された風力エネルギーは、増速機２０を経て励磁同期発電機３０へ伝送され、且つ電力に変換してロード６０へ出力する。デジタルシグナルプロセッサ７０の励磁場（excitation field）制御により、励磁同期発電機３０の励磁場を制御することができ、自動的に電圧を調整し、励磁同期発電機３０の出力電圧を安定させることができる。

再び図１を参照する。ウインドミル１０の入力される風力エネルギーが足りる場合、励磁同期発電機３０は、電力をロード６０へ出力するだけでなく、余計な電力を第一の電力管理ユニット１の整流及び降圧型コンバータ５３によりバッテリ５１へ出力して充電することもできる。それによって、励磁同期発電機３０の出力電力を完全に利用することができる。

再び図１を参照する。ウインドミル１０の入力される風力エネルギーが足りない場合、励磁同期発電機３０の回転速度に影響を与え、出力電源の周波数が変わることがあった。そのため、本発明の制御方法において、モーターのサーボ制御により、励磁同期発電機３０の回転速度及び出力電源の周波数を安定させることができる。励磁同期発電機３０及びモーター４０の回転速度及び周波数は、エンコーダ４２を経てデジタルシグナルプロセッサ７０へ出力され、デジタルシグナルプロセッサ７０が運算することによって得られる。励磁同期発電機３０の回転速度と所定の回転速度とを比較して誤差値がある場合、デジタルシグナルプロセッサ７０は、速度命令（speed command）を駆動器４１へ出力する。それによって、モーター４０は、速度命令に応じて速度のサーボ制御を行って、励磁同期発電機３０の回転速度及び出力電源の周波数を安定させることができる。

再び図１を参照する。第二の電力管理ユニット２のバッテリ５１及びモーター４０により、モーターのサーボ制御を行うための電力を提供することができる。第二の電力管理ユニット２は、バッテリ５１の貯蓄電力が昇圧型コンバータ５０により昇圧されて、駆動器４１へ出力されてモーターのサーボ制御を行うことができる。それによって、モーター４０は、励磁同期発電機３０へエネルギーを提供し、励磁同期発電機３０の回転速度及び出力電源の周波数を安定させることができる。バッテリ５１の電力が足りない場合、電力供給網（utility grid）の電源により、モーター４０を駆動するための電力を提供することもできる。

図２を参照する。エンコーダ４２から得られたモーター角度θ_Mにより、モーターの回転速度ω_Mを得ることができる。速度命令ω_M-cmdとモーターの回転速度ω_Mとを比較することで得られた回転速度の誤差値に応じて、回転速度のサーボコントローラ及び駆動器４１は、モーターの回転速度を制御することができる。同軸配置により、ウインドミル１０の回転速度ω_W及び回転力Ｔ_Ｗとモーター４０の回転速度ω_Ｍ及び回転力Ｔ_Ｍとを整合して、励磁同期発電機３０へ提供される回転速度ω_Ｇ及び回転力Ｔ_Ｇを生成する。同時に、自動電圧調整に応じて、励磁同期発電機３０の励磁場を調整するための制御信号Ｉ_ｆを生成する。それによって、励磁同期発電機３０の出力電圧を安定させ、電力をロード６０へ出力する。

再び図２を参照する。上述し第一の電力管理ユニット１及び第二の電力管理ユニット２を一つの電力管理ユニットに整合することができる。この整合された電力管理ユニットは、昇圧型コンバータ５０、バッテリ５１、降圧型コンバータ５３及びAC-DCコンバータ５５を含む。

再び図２を参照する。入力された風力エネルギーが足りる場合、電力管理ユニットは、AC-DCコンバータ５５及び降圧型コンバータ５３により、充電電流Ｉ_Ｂを出力してバッテリ５１を充電する。さらに、電力管理ユニットは、モーター４０の入力電圧Va、Vb、Vc、電流Ia、Ib、Ic、回転速度ω_Ｍ及び角度θ_Mなどの情報を整合してモーター４０の入力エネルギーをえるとともに、バッテリ５１の充電を制御する。入力された風力エネルギーが変わる場合、昇圧型コンバータ５０により、バッテリ５１の貯蓄電力を昇圧してDC Bus電圧を駆動器４１へ供給し、モーター４０の回転速度のサーボ制御を行う。

図３を参照する。バッテリ５１を充電する場合、その電力の制御は、電流検知ユニット４３によってモーター４０の入力電圧Va、Vb、Vc、電流Ia、Ib、Icをデジタルシグナルプロセッサ７０へフィードバックし、モーター４０の入力電圧Va、Vb、Vcに応じてモーター４０の入力パワーP_Mを得って、モーター４０の入力パワーP_Mとパワー命令P_{M cmd}とを比較する。比例積分（proportional-integral）コントローラ５７により、その比較結果を処理して信号ΔPを得る。このうち、システムが安定状態である場合、パワー命令P_{M cmd}はゼロに設定される。されに、K_P及びK_Iは、比例パラメータ及び積分比例積分である。この時、充電電流Ｉ_Ｂにバッテリ５１の電圧V_Bを乗じることにより得られるバッテリの充電パワーP_Bをフィードバックし、充電パワーP_Bと信号ΔPとを比較する。次に、比例積分コントローラ５７により、その比較結果を処理して制御信号をえる。さらに、降圧型コンバータの降圧ゲイン（buck gain）K_Ｂにより、バッテリ５１の充電制御を行う。

図４を参照する。励磁同期発電機３０の出力電圧を制御する場合、励磁同期発電機３０の出力電圧の二乗平均平方根V_rmsをフィードバックし、この実効値V_rmsと電圧命令V_cmdとを比較することにより電圧誤差値を得る。比例積分コントローラ５７及び励磁ゲインK_Ｆにより、この電圧誤差値を処理して励磁同期発電機３０の励磁場の制御信号を生成する。それによって、励磁同期発電機３０の出力電圧を調整して、出力電圧を安定させることができる。

図５を参照する。線L1はウインドミル１０の入力パワーを示し、線L2はバッテリ５１に貯蓄される電力を示し、線L3はモーター４０により提供されるパワーを示し、線L4は励磁同期発電機３０からロード６０へ出力されるパワーを示す。図５に示すように、１０秒の前に、風力発電システムの入力パワーが足りて安定してい、バッテリ５１を充電することができ、モーター４０はパワーを提供する必要がない。間隔A1、A3及びA5において、風力発電システムの入力パワーが変わり、入力パワーは励磁同期発電機３０からロード６０へ出力されるパワーより小さい。この時、バッテリ５１がモーター４０を駆動するための電力を提供することにより、ロード６０のパワーを安定させる。間隔A2及びA4において、入力パワーは励磁同期発電機３０からロード６０へ出力されるパワーより大きく、発電機３０は、電力をロード６０へ出力するだけでなく、余計な電力をバッテリ５１へ出力して充電する。この時、モーター４０はパワーを提供する必要がない。

当業者が理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１第一の電力管理ユニット、２第二の電力管理ユニット、１０ウインドミル、
１１伝動軸、２０増速機、３０励磁同期発電機、４０モーター、４１駆動器、４２エンコーダ、４３電流検知ユニット、５０昇圧型コンバータ、５１バッテリ、５３整流及び降圧型コンバータ、５７比例積分コントローラ、６０ロード、
７０デジタルシグナルプロセッサ

Claims

ウインドミルの入力、励磁同期発電機及びモーターを同じ伝動軸に整合し、前記ウインドミルの入力された風力エネルギーを電力に変換してロードへ出力する工程と、
風力発電システムが安定状態である場合、電力管理ユニットにより、前記モーターの入力エネルギーを測定し、前記電力を整流及び電力変換してバッテリに充電する工程と、
を含むことを特徴とする風力発電システムの励磁同期発電機の制御方法。
前記ウインドミルの入力された風力エネルギーが変わる時に、モーターのサーボ制御により、前記励磁同期発電機の回転速度及び出力電源の周波数を安定させ、前記モーターのサーボ制御において、駆動器が前記モーターを駆動するための電力は、電力コンバータにより前記バッテリの貯蓄電力を変換して供給されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
前記バッテリに充電される電力が足りない場合、電力供給網の電源により、前記モーターを駆動するための電力を提供することを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
前記励磁同期発電機の出力電圧と電圧命令とを比較して、前記励磁同期発電機の励磁場を制御することにより、前記励磁同期発電機の出力電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
伝動軸と、
前記伝動軸に設置されるウインドミルと、
前記伝動軸に設置され、前記ウインドミルの入力された風力エネルギーを電力に変換してロードへ出力する励磁同期発電機と、
前記伝動軸に設置されるモーターと、
前記モーターに接続され、安定状態である場合に前記モーターの入力エネルギーを測定し、前記電力を整流及び電力変換してバッテリに充電する電力管理ユニットと、
を含むことを特徴とする風力発電システム。