JP2014053996A - Controller for rotary electric machine, rotary electric machine, and wind power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、回転電機の制御装置、回転電機、および風力発電システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a rotating electrical machine control device, a rotating electrical machine, and a wind power generation system.
大容量発電機などの回転電機において、発電機体格は発電機の回転数に反比例することが知られている。風力、潮力、波力などの自然エネルギーを動力源とした回転電機では、タービン翼などにより自然エネルギーを回転エネルギーに変換するが、回転速度は低速でありタービン翼によって得られた回転エネルギーを直接発電機に伝達する場合には発電機体格が大型となる傾向にある。 In rotating electrical machines such as large-capacity generators, it is known that the generator physique is inversely proportional to the rotational speed of the generator. In a rotating electrical machine that uses natural energy such as wind power, tidal power, and wave power as a power source, the turbine blades convert natural energy into rotational energy, but the rotational speed is low, and the rotational energy obtained by the turbine blades is directly converted. When transmitted to the generator, the generator size tends to be large.
発電機の体格を小型にするためタービン翼と発電機の間に機械式増速機を配置して、発電機の回転数を増速する方式が一般的であるが、磁気ウォームギアを用いて発電機を増速する回転電機も提案されている。 In order to reduce the size of the generator, it is common to place a mechanical speed increaser between the turbine blade and the generator to increase the rotational speed of the generator. A rotating electric machine that increases the speed of the machine has also been proposed.
従来、磁気ウォームギアを用いた回転電機は、タービン翼を配置する回転軸にトロイド状の大ロータを設け、大ロータの同一円周上に大ロータの回転軸に対して直角方向を軸とした小ロータを単数または複数配置した構成のものがある。小ロータの外周面には永久磁石により形成された螺旋状の磁極をN極、S極交互に配置しており、小ロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように大ロータの周面に永久磁石を配置して磁極を形成している。小ロータの内径側には独立したアウターロータ方式永久磁石発電機などの発電機が配置されており、大ロータが回転すると小ロータが大ロータの磁極数と小ロータのギア条数で決まるギア比で小ロータの回転数が増速され、小ロータ内の発電機において発電を行う。 Conventionally, a rotating electrical machine using a magnetic worm gear is provided with a large toroid-shaped rotor on the rotating shaft on which the turbine blades are arranged, and the small rotor with the axis perpendicular to the rotating shaft of the large rotor on the same circumference of the large rotor. There is a configuration in which one or a plurality of rotors are arranged. Spiral magnetic poles formed of permanent magnets are alternately arranged on the outer peripheral surface of the small rotor, and the peripheral surface of the large rotor is magnetically coupled according to the magnetic pole spacing of the small rotor. Permanent magnets are arranged on the magnetic poles. A generator such as an independent outer rotor type permanent magnet generator is arranged on the inner diameter side of the small rotor, and when the large rotor rotates, the small rotor is determined by the number of magnetic poles of the large rotor and the gear ratio of the small rotor. Thus, the rotational speed of the small rotor is increased, and power is generated in the generator in the small rotor.
この磁気ウォームギアでは大ロータと小ロータが機械的に非接触であるため磁気力の伝達効率が高く、保守性の面でも機械式増速機に比べ利点がある。 In this magnetic worm gear, the large rotor and the small rotor are not mechanically in contact with each other, so that the transmission efficiency of the magnetic force is high, and there is an advantage over the mechanical speed increaser in terms of maintainability.
自然エネルギーを利用したタービン発電装置では、エネルギー源となる風力・潮力・波力などの流速に応じて発電可能な発電出力が決まるため、常に一定の発電出力で発電できるわけではない。また、発電機の発電効率は発電出力に応じて変化し、全ての発電出力において最高効率で運転できるわけではない。このようなシステムでは、発電出力が変動すると、効率悪化すなわち損失の増大を招くことになり、発電装置としての総発電量を最大化することができなくなる。 In a turbine power generation device using natural energy, the power generation output that can be generated is determined according to the flow velocity of wind power, tidal power, wave power, etc., which is an energy source, and therefore it is not always possible to generate power with a constant power generation output. Further, the power generation efficiency of the generator varies depending on the power generation output, and not all power generation outputs can be operated at the highest efficiency. In such a system, when the power generation output fluctuates, the efficiency is deteriorated, that is, the loss is increased, and the total power generation amount as the power generation device cannot be maximized.
発明が解決しようとする課題は、発電効率を向上させることが可能な回転電機の制御装置、回転電機、および風力発電システムを提供することにある。 Problem to be solved by the invention is to provide a control device for a rotating electrical machine, a rotating electrical machine, and a wind power generation system capable of improving power generation efficiency.
実施形態によれば、回転電機の制御装置は、第1のロータと、前記第1のロータと磁気的に結合するように前記第1のロータの周囲に複数配置され、当該第1のロータの回転に応じて増速される複数の第2のロータと、前記複数の第2のロータの内周側にそれぞれ配置され、当該第2のロータの回転数に応じた電力を発生する複数の発電機とを有する回転電機の制御装置において、総発電出力指令が最大出力に対してP%(但し、0%<P<100%)の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が一律に個々の発電機の最大出力に対するP%の値を示すよう設定する手段を具備する。 According to the embodiment, a plurality of control devices for the rotating electrical machine are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor and the first rotor. A plurality of second rotors that are accelerated according to rotation, and a plurality of power generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the rotational speed of the second rotors When the total power generation output command shows a value of P% (however, 0% <P <100%) with respect to the maximum output, the individual power generator output command for each generator Includes means for uniformly setting the value of P% with respect to the maximum output of each generator.
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
最初に、図1乃至図11を参照して、第1の実施形態について説明する。なお、これらの図のうち、図1乃至図10は、後述する他の実施形態にも適用される。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 11. Of these drawings, FIGS. 1 to 10 are also applied to other embodiments described later.
図1は、第1の実施形態に係る風力発電システムの概略構成の一例を示す斜視図である。また、図2は、図1の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概念図である。 FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of a schematic configuration of the wind power generation system according to the first embodiment. FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the internal configuration of the nacelle in the wind power generation system of FIG.
図1に示される風力発電システムは、主な要素として、ナセル1、風車翼2、およびタワー3を備えている。
The wind power generation system shown in FIG. 1 includes a nacelle 1, a
ナセル1は、タワー3の頂部に取り付けられ、図2に示されるように、回転電機100を収容するほか、回転電機100に搭載された発電機から発生される電力の電圧や周波数を他の電圧や周波数に変換する電力変換部101などを収容している。電力変換部101により変換された後の電力は、ケーブルCを通じてタワー3の内側を通り、下方へ導かれる。
As shown in FIG. 2, the nacelle 1 is attached to the top of the
なお、電力変換部101は、ナセル1の内側に配置する代わりに、ナセル1の外側(例えば、地上)に配置してもよい。電力変換部101を例えば地上に配置する場合、上記発電機から発生される電力は、例えば、ケーブルCを通じてタワー3の内側を通り、下方へ導かれ、地上にある電力変換部101へと導かれる。
Note that the
風車翼2は、当該風力発電システムにおける原動機に相当するものであり、ナセル1内の回転電機100の回転軸11に直結するよう取り付けられた翼軸(ブレード軸)2Aと、この翼軸2Aの周囲に取り付けられた複数の風車翼本体2Bとから成る。
The
タワー3は、地面に設置され、ナセル1を支持する。タワー3の内側には電力を伝達するケーブルCが設けられている。ケーブルCは、ナセル1側からタワー3の内側を通って下方に導かれ、地面近傍にてタワー3の外側へと導かれる。
The
このような構成において、風力により風車翼2が回転すると、その回転力が風車翼2の翼軸2Aからナセル1内に設置された回転電機100の回転軸11へと伝わり、回転電機100に搭載された発電機により発電が行なわれる。回転電機100の発電機から発生した電力は、電力変換部101により変換された後、ケーブルCを通じてナセル1からタワー3を通り、タワー3の外側へ送り出される。
In such a configuration, when the
図3は、図2中に示されるナセル1の中に設置される回転電機100の構造の一例を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the structure of the rotating
図3に示されるように、回転電機100は、トロイド状のロータ10(以下、「大ロータ10」と称す)と、大ロータ10の外周側に離間して配置される1つ又は複数の円筒状のロータ20(以下、「小ロータ20」と称す)と、小ロータ20の内径側に配置される、例えばアウターロータ方式永久磁石発電機30(以下、「発電機30」と称す)とを有する。発電機30は、永久磁石を備えた回転子およびコイルを備えた固定子により構成され、回転子は固定子の外周に配置される。
As shown in FIG. 3, the rotating
なお、発電機30は、アウターロータ方式に限らず、別の方式を採用しても構わない。また、発電機30は、小ロータ20の内径側に配置する代わりに、例えば小ロータ20の側面に配置してもよく、また、その際に小ロータ20の外周面よりも内側に位置するように配置してもよい。
The
大ロータ10は、図3に示されるように、風車翼2の翼軸2Aに直結する回転軸11と支持部材12とを備え、回転軸11を中心に回転するように構成されている。なお、支持部材12の形状は、図3の例示されるような形状に限られない。すなわち、支持部材12は、図3の例示されるように全面に渡って板状としたものに限られず、例えば、重量,通風を考慮し、途中に空洞を設けたものを採用してもよい。大ロータ10の外周面は、小ロータ20の外周面とのギャップを均等に保ちつつ小ロータ20の半周分を取り囲むよう、半円環状(U字形状)を成している。小ロータ20は、大ロータ10の回転軸11の方向に対して垂直方向を向いた軸21を中心に回転するように構成されている。図3中の面Aにて回転電機100を切断した部分を小ロータ20の軸方向から見た場合の断面の概略形状を図4に示す。図4に示されるように、大ロータ10と小ロータ20との間には、半円環状のギャップGがある。
As shown in FIG. 3, the
大ロータ10および小ロータ20は、それぞれの外周面に永久磁石を備え、磁気ウォームギアを構成している。すなわち、大ロータ10の外周面には低速磁気歯車が形成され、小ロータ20の外周面には高速磁気歯車が形成され、小ロータ20の各々を大ロータ10よりも高速に回転させる磁気ウォームギアが構成されている。具体的には、小ロータ20の外周面には、図5に示されるように永久磁石5aにより磁性材6aにおいて螺旋状の磁極がN極,S極交互に配置されるよう形成されており、一方、大ロータ10の外周面には、小ロータ20の磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石5bにより磁性材6bにおいて磁極がN極,S極交互に配置されるよう形成されている。
The
少なくとも大ロータ10と小ロータ20とが磁気的に結合する領域においては、大ロータ10の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度が、それぞれ、小ロータ20の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度と略等しくなるように構成されていることが望ましい。
At least in the region where the
このような構成において、大ロータ10が回転すると、大ロータ10の磁極と小ロータ20の磁極とが吸引または反発することにより、大ロータ10の回転に追従して小ロータ20が回転する。このとき、大ロータ10の磁極数と小ロータ20のギア条数とで決まるギア比で小ロータ20の回転が増速され、小ロータ20の回転数に応じた電力が発電機30から発生する。
In such a configuration, when the
以下、回転電機100の発電出力を制御する手法について説明する。
Hereinafter, a method for controlling the power generation output of the rotating
図6は、回転電機100に備えられる発電制御システムの構成の一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the power generation control system provided in the rotating
図6において、上位発電制御部40は、発電制御システムの総発電出力指令に基づいて、個別発電制御部41〜4Nへの発電出力指令を演算し、送信する。
In FIG. 6, the upper power
個別発電制御部41〜4Nは、発電出力指令1〜Nに基づいて、発電機301〜30Nを駆動する変換器51〜5Nを制御する。
The individual power
発電機301〜30Nは、変換器51〜5Nによって電圧・電流が制御され、出力に見合ったトルクを出力する。
The
小ロータ201〜20Nは、それぞれ、内周側に発電機301〜30Nを備え、大ロータ10と磁気ギアを介して磁気結合される。
Each of the small rotors 201 to 20N includes
図7は、上位発電制御部40の機能構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the upper power
図7において、総発電出力計算部61は、風速やピッチ角(ブレード傾き)などに基づいて、総発電出力を決定する。総発電出力計算部61は、上位発電制御部40のさらに上位の制御部(例えばウィンドファームコントローラなど)に搭載されることもあり、その場合、上位発電制御部40への入力は総発電出力となる。
In FIG. 7, the total power generation
個別発電出力計算部62は、総発電出力に基づいて、個々の発電機301〜30Nの発電出力を計算し、それぞれを発電機出力指令1〜Nとして個々の発電機301〜30Nへ送る。
The individual power generation
図8は、個別発電制御部41、変換器51、発電機301に関わる構成の一例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration related to the individual power
図8において、電圧センサ71は、変換器51の直流母線電圧を計測して出力する。電流センサ72は、発電機電流を計測して出力する。
In FIG. 8, the voltage sensor 71 measures and outputs the DC bus voltage of the
図9は、個別発電制御部41の機能構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the individual power
図9において、発電機トルク指令演算部81は、発電機出力指令Prefと発電機回転速度ωとから、式(1)のような演算により発電機トルク指令Trefを算出する。
In FIG. 9, the generator torque
Tref=Pref/ω ・・・(1)
発電機回転速度ωは、例えば回転角度センサで計測された回転角度の微分によって演算することができる。
T ref = P ref / ω (1)
The generator rotation speed ω can be calculated by, for example, differentiating the rotation angle measured by the rotation angle sensor.
また、電流指令演算部82は、発電機トルク指令Trefに基づいて、対応する発電機の電流指令を決定する。電流指令は、電流振幅Iref電流位相θrefで表されるのが一般的であるが、電流位相は固定値として、発電機トルク指令Trefに応じて電流振幅Irefのみを決定する場合もある。例として、式(2)のようにトルク係数Ktで表される。
Further, the current
Iref=KtTref ・・・(2)
電流制御部83は、電流指令Irefと発電機電流応答Iresとから電圧指令Vrefを算出する。発電機電流応答Iresと電圧指令Vrefは、一般的には、3相交流量であり、電流指令Irefは直流量であるため、必要に応じてdq/3相変換などのような変換を用いる場合が多い。
I ref = K t T ref (2)
The
変換器駆動指令演算部84は、電圧指令VrefをPWM変調し、変換器に内蔵されているパワー素子のスイッチング信号である変換器駆動信号を生成する。
The converter drive
これにより、図8の変換器51は、直流母線と発電機側交流線との間でパワー素子のスイッチングによる交直変換を行う。
Thereby, the
以上のように構成される発電制御システムにおいて、風速に対する発電出力は、一般的に図10に示されるように風速に応じて決定される。決定方法は、風速対出力値のテーブル(対応表データ)を使用してもよいし、数値演算で決定してもよい。 In the power generation control system configured as described above, the power generation output with respect to the wind speed is generally determined according to the wind speed as shown in FIG. The determination method may use a table of wind speed versus output value (correspondence table data), or may be determined by numerical calculation.
このとき、発電制御装置の最大出力WGMAXは個々の発電機を全て最大出力Wmxで制御した時の総和になり、式(3)で表される。 At this time, the maximum output W GMAX of the power generation control device is the sum when all the individual generators are controlled with the maximum output W mx , and is expressed by Expression (3).
WGMAX=ΣWmx ・・・(3)
ここで、x=1,2,3,・・・,N(但し、N=発電機台数)
個別発電出力計算部62は、総発電出力指令WG ref=WGMAXのときには個別発電機出力指令Wgx ref=Wmxとするが、WG ref<WGMAXの場合には、個別発電機出力指令の配分方法が装置コストや発電効率の観点から重要となる。
W GMAX = ΣW mx (3)
Where x = 1, 2, 3,..., N (where N = the number of generators)
The individual power generation
そこで、本実施形態では、発電出力係数KPを式(4)のように決める。 Therefore, in this embodiment, it determines the power output coefficient K P as in Equation (4).
KP=WG ref/WGMAX ・・・(4)
発電出力係数KPを用いて、個別発電機出力指令を、一律に、式(5)のように決める。
K P = W G ref / W GMAX (4)
Using the power generation output coefficient K P , the individual generator output command is uniformly determined as shown in Expression (5).
Wgx ref=KPWmx ・・・(5)
Wmxは発電機の設計時に決まる値であり装置固有値であるから、このように決めることにより、式(4)および式(5)のように非常に簡単な演算により発電出力係数KPから個別発電機出力指令を決めることができる。
W gx ref = K P W mx (5)
Since W mx is a value determined at the time of design of the generator and is a device-specific value, by determining in this way, the power generation output coefficient K P can be individually calculated by a very simple calculation as shown in Equation (4) and Equation (5). A generator output command can be determined.
すなわち、個別発電出力計算部62は、総発電出力指令が最大出力に対してP%(但し、0%<P<100%)の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が一律に個々の発電機の最大出力に対するP%の値を示すよう設定する。
That is, when the total power generation output command indicates a value of P% (however, 0% <P <100%) with respect to the maximum output, the individual power generation
例えば、図11に示されるように、発電機が全10台で、総発電出力指令が最大出力に対して70%の値を示すとき、個別発電出力計算部62は、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、一律に、個々の発電機の最大出力に対する70%の値を示すよう設定する。
For example, as shown in FIG. 11, when there are ten generators and the total power generation output command indicates a value of 70% with respect to the maximum output, the individual power generation
第1の実施形態によれば、個別発電出力計算部62では、個別発電機出力指令値を演算する演算装置として安価な演算器を採用することができるため、装置コストの低減や演算時間の短縮といった効果を得ることが可能となる。
According to the first embodiment, the individual power generation
(第2の実施形態)
次に、図1乃至図10を参照しつつ、図12を参照して、第2の実施形態を説明する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG. 12 while referring to FIG. 1 to FIG.
本実施形態では、WG ref<WGMAXのとき、個別発電出力計算部62における個別発電機出力指令値を以下のように決める。
In the present embodiment, when W G ref <W GMAX , the individual generator output command value in the individual
まず、各発電機での最大出力Wmxに基づき、発電機駆動台数n(nは整数)を式(6)を満たすように決める。 First, based on the maximum output W mx of each generator, the number of generators driven n (n is an integer) is determined so as to satisfy the equation (6).
nWmx≦WG ref<(n+1)Wmx ・・・(6)
nは、駆動する発電機n台を全て最大出力Wmxで駆動した時、総出力がWG refを超えない最大の値である。式(6)に従うことにより、可能な限り多くの発電機を最大出力で駆動することになる。
nW mx ≦ W G ref <(n + 1) W mx (6)
n is the maximum value that the total output does not exceed W G ref when all n generators to be driven are driven with the maximum output W mx . By following equation (6), as many generators as possible are driven at maximum power.
さらに、発電を休止すなわち発電出力指令Wgx ref=0とする発電機駆動台数q(qは整数)を式(7)のように決める。 Furthermore, the number of generators driven q (q is an integer) at which power generation is suspended, that is, the power generation output command W gx ref = 0 is determined as in Expression (7).
q=N−n−1 ・・・(7)
式(7)のように決めることにより、最大出力で駆動する発電機以外の発電機は、1台を除き、全て発電出力指令Wgx ref=0で運転することになり、可能な限り多くの発電機を休止することができる。
q = N−n−1 (7)
By deciding as in equation (7), all but one generator driven by the maximum output will be operated with the power generation output command W gx ref = 0, and as many as possible The generator can be shut down.
上記のように発電機出力指令を決めた時、残りの1台については式(8)のように発電出力指令を決める。 When the generator output command is determined as described above, the power generation output command is determined for the remaining one as shown in Expression (8).
Wgx ref=WG ref−nWmx ・・・(8)
以上のように個別発電機出力指令値を決めることにより、各発電出力指令値の総和である総発電出力を指令値通りのWG refとすることができる上、可能な限り多くの発電機を最大出力で駆動し、可能な限り多くの発電機の発電を休止することができる。
W gx ref = W G ref −nW mx (8)
By determining the individual generator output command values as described above, the total power output, which is the sum of the power generation output command values, can be set to W G ref according to the command value, and as many generators as possible can be used. It can be driven at the maximum output and can stop the generation of as many generators as possible.
すなわち、個別発電出力計算部62は、総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の所与の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、出力総和が前記所与の値を超えない範囲で可能な限り多くの台数分だけ最大出力の出力値を示し、最大出力としない発電機については可能な限り多くの台数分だけ停止させる出力値を示し、かつ、残りの発電機については出力総和が前記所与の値となるような出力値を示すよう設定する。
That is, when the total power output command indicates a given value of less than 100% with respect to the maximum output, the individual power
例えば、図12に示されるように、発電機が全10台で、総発電出力指令が最大出力に対して75%の値を示すとき、個別発電出力計算部62は、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、7台分だけ最大出力の出力値を示し、2台分だけ停止させる0%の出力値を示し、かつ、残りの発電機1台分については50%の出力値を示すよう設定する。
For example, as shown in FIG. 12, when the total number of generators is 10 and the total power generation output command indicates a value of 75% with respect to the maximum output, the individual power generation
一般に、発電機は、最大出力のときに効率が高くなるように設計される場合が多い。また、発電出力≠0、すなわち発電動作時には、発電機の電流によって発電機および変換器双方で損失が生じ、効率の悪化を招く。しかし、第2の実施形態のように構成することにより、可能な限り多くの発電機で発電出力=0とすることができ、発電機電流による損失を抑えることができるだけでなく、可能な限り多くの発電機で、高効率となる最大出力で駆動することができ、損失の発生を可能な限り抑えることができるといった効果を得ることが可能となる。 In general, generators are often designed to be efficient at maximum output. Further, when the power generation output ≠ 0, that is, during the power generation operation, a loss occurs in both the generator and the converter due to the current of the generator, leading to deterioration in efficiency. However, by configuring as in the second embodiment, it is possible to set the power generation output = 0 with as many generators as possible and not only can suppress loss due to the generator current but also as many as possible. With this generator, it is possible to drive at the maximum output with high efficiency, and it is possible to obtain an effect that the generation of loss can be suppressed as much as possible.
(第3の実施形態)
次に、図1乃至図10を参照しつつ、図13を参照して、第3の実施形態を説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. 13 while referring to FIG. 1 to FIG.
本実施形態では、WG ref<WGMAXのとき、個別発電出力計算部62における個別発電機出力指令値を以下のように決める。
In the present embodiment, when W G ref <W GMAX , the individual generator output command value in the individual
まず、各発電機において最高効率となる出力Wexに基づき、発電機駆動台数n(nは整数)を式(9)を満たすように決める。 First, based on the output W ex that gives the highest efficiency in each generator, the number of generators driven n (n is an integer) is determined so as to satisfy Equation (9).
nWex≦WG ref<(n+1)Wex ・・・(9)
nは、発電機n台を全て最高効率出力Wexで駆動した時、総出力がWG refを超えない最大の値である。式(9)に従うことにより、可能な限り多くの発電機を最高効率出力で駆動することになる。
nW ex ≦ W G ref <(n + 1) W ex (9)
n is the maximum value that the total output does not exceed W G ref when all the n generators are driven with the maximum efficiency output W ex . By following equation (9), as many generators as possible will be driven at the highest efficiency output.
ここで、N−1≦nのときは、発電を休止する発電機が1台でもあると総出力がWG refに満たないことを意味する。そこで、N台中p台を最大出力で駆動することとして式(10)を満たすpを決め、
(N−p)Wex+pWmx≦WG ref<(n−p−1)Wex+(p+1)Wmx
・・・(10)
n’=n−p−1として、最高効率出力で駆動する発電機をn’台、最大出力で駆動する発電機をp台とし、残る1台の出力指令を式(11)のように決める。
Here, when N-1 ≦ n, it means that the total output is less than W G ref if there is even one generator that stops power generation. Therefore, p satisfying the formula (10) is determined by driving p out of N units with the maximum output,
(N−p) W ex + pW mx ≦ W G ref <(n−p−1) W ex + (p + 1) W mx
(10)
Assuming that n ′ = n−p−1, there are n ′ generators driven at the maximum efficiency output, p generators driven at the maximum output, and the remaining one output command is determined as in Expression (11). .
Wgx ref=WG ref−n’Wex−pWmx ・・・(11)
なお、上記の場合には、p=0の場合も含まれる。
W gx ref = W G ref −n′W ex −pW mx (11)
Note that the above case includes the case of p = 0.
n<N−1の場合には、第2の実施形態と同様に式(7)に従って休止する発電機台数q(qは整数)を決め、残りの1台の発電機出力指令を式(12)に従って決めればよい。 In the case of n <N−1, the number of generators q to be stopped (q is an integer) is determined according to the equation (7) as in the second embodiment, and the remaining generator output command is expressed by the equation (12). )
Wgx ref=WG ref−nWex ・・・(12)
以上のように個別発電機出力指令値を決めることにより、各発電出力指令値の総和である総発電出力を指令値通りのWG refとすることができる上、可能な限り多くの発電機を最高効率が出る出力で駆動し、可能な限り多くの発電機の発電を休止することができる。
W gx ref = W G ref −nW ex (12)
By determining the individual generator output command values as described above, the total power output, which is the sum of the power generation output command values, can be set to W G ref according to the command value, and as many generators as possible can be used. It can be driven with the highest efficiency output and can stop the power generation of as many generators as possible.
すなわち、個別発電出力計算部62は、総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の所与の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、出力総和が前記所与の値を超えない範囲で可能な限り多くの台数分だけ、各発電機の電力変換効率が最高効率となる出力値を示し、それ以外の発電機については可能な限り多くの台数分だけ停止させる出力値を示し、かつ、残りの発電機については出力総和が前記所与の値となるような出力値を示すよう設定する。
That is, when the total power output command indicates a given value of less than 100% with respect to the maximum output, the individual power
例えば、図13に示されるように、発電機が全10台で、総発電出力指令が最大出力に対して65%の値を示すとき、個別発電出力計算部62は、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、7台分だけ、各発電機の電力変換効率が最高効率となる90%の出力値を示し、2台分だけ停止させる0%の出力値を示し、かつ、残りの発電機1台分については20%の出力値を示すよう設定する。
For example, as shown in FIG. 13, when the total number of generators is 10 and the total power generation output command indicates a value of 65% with respect to the maximum output, the individual power generation
一般に、発電機は、最も効率が高くなる出力=最大出力でない場合もある。このような設計の場合には第2の実施形態の構成では総発電効率が最適になるとは限らない。しかし、第3の実施形態のように構成することにより、可能な限り多くの発電機で発電出力=0とすることができ、発電機電流による損失を抑えることができるだけでなく、可能な限り多くの発電機で、最高効率となる出力で駆動することができ、損失の発生を可能な限り抑えることができるといった効果を得ることが可能となる。 In general, the generator may not have the highest output = the maximum output. In such a design, the total power generation efficiency is not always optimal in the configuration of the second embodiment. However, by configuring as in the third embodiment, the generator output can be set to 0 with as many generators as possible, and not only can the loss due to the generator current be suppressed, but also as many as possible. With this generator, it is possible to drive at the output with the highest efficiency, and it is possible to obtain an effect that the generation of loss can be suppressed as much as possible.
なお、本実施形態に記載の効率の考え方として、発電機単体での効率を採用することも可能であるし、発電機と変換器の総合効率を採用することも可能である。変換器単体の効率が発電機単体の効率よりも比較的悪い場合には後者を採用するのが望ましいと言える。 In addition, as the concept of efficiency described in the present embodiment, it is possible to employ the efficiency of a single generator or the total efficiency of the generator and the converter. It can be said that it is desirable to adopt the latter when the efficiency of the converter alone is relatively worse than the efficiency of the generator alone.
(第4の実施形態)
次に、図1乃至図10を参照しつつ、図14を参照して、第4の実施形態を説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10 and FIG.
本実施形態では、WG ref<WG MAXのとき、個別発電出力計算部62における個別発電機出力指令値を以下のように決める。
In the present embodiment, when W G ref <W G MAX , the individual generator output command value in the individual
まず、一般的に発電機の効率は図14に示すようなマップで表せる。第2および第3の実施形態に記載の構成では、最大出力または最高効率出力で駆動する発電機の台数を可能な限り多くすることにより損失の発生を可能な限り抑制しているが、所望の発電出力指令WG refを出力するために、最大出力または最高効率出力、またはゼロ出力(発電休止)の出力指令とならない、いわば調整用として0〜100%の範囲で出力指令が計算される発電機が1台だけ存在する。このとき、この1台の効率が、最大出力での効率もしくは最高効率から著しく低い場合、この1台によって総合効率が悪化することになり、損失の発生を可能な限り低減していることにならない場合がある。 First, the efficiency of the generator can generally be represented by a map as shown in FIG. In the configurations described in the second and third embodiments, the generation of loss is suppressed as much as possible by increasing the number of generators driven at the maximum output or the maximum efficiency output as much as possible. In order to output the power generation output command W G ref , the output command is calculated within the range of 0 to 100% for adjustment, so that it does not become the output command of maximum output, maximum efficiency output, or zero output (power generation stoppage) There is only one machine. At this time, if the efficiency of this one unit is significantly lower than the efficiency at the maximum output or the maximum efficiency, this one unit will deteriorate the overall efficiency, and the generation of loss will not be reduced as much as possible. There is a case.
そこで、本実施形態では、図14のような発電機効率マップをテーブル化したデータ群を記憶する記憶媒体を備え、このデータ群から効率値を参照して、総発電効率が最大となるよう個別発電機出力指令値を決定する。 Therefore, in this embodiment, a storage medium for storing a data group in which the generator efficiency map is tabulated as shown in FIG. 14 is provided, and the efficiency value is referred to from this data group so that the total power generation efficiency is maximized. Determine the generator output command value.
決定方法としては、例えば、第3の実施形態の決定方法で休止する発電機台数を決定した後、駆動する発電機n台全てを最高効率出力で運転した時の、総出力と出力指令値との差を式(13)のように計算し、
ΔW=WG ref−nWex ・・・(13)
各発電出力指令値を式(14)のように決める。
As the determination method, for example, after determining the number of generators to be stopped by the determination method of the third embodiment, the total output and the output command value when all the n generators to be driven are operated at the highest efficiency output Is calculated as shown in Equation (13),
ΔW = W G ref −nW ex (13)
Each power generation output command value is determined as shown in Equation (14).
Wgx ref=Wex+ΔW/n ・・・(14)
すなわち、個別発電出力計算部62は、総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の出力値を示すとき、前記データ群に基づき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、総発電効率が最大となるような出力値を示すよう設定する。
W gx ref = W ex + ΔW / n (14)
That is, when the total power generation output command indicates an output value less than 100% with respect to the maximum output, the individual power generation
式(14)のように決めることにより、駆動する個別発電機出力指令は均一に最高効率出力からΔW/nだけ外れた出力値になるが、図14の発電機効率マップをみてもわかるように、最高効率点から出力値が離れるほど効率は悪化するので、1台のみ著しく効率が低減するのを防止することができ、損失低減を可能な限り抑制することができるという効果が得られる。 By deciding as in equation (14), the individual generator output command to be driven becomes an output value that is uniformly deviated from the maximum efficiency output by ΔW / n, but as can be seen from the generator efficiency map of FIG. As the output value is further away from the maximum efficiency point, the efficiency is deteriorated. Therefore, it is possible to prevent the efficiency of only one unit from being significantly reduced, and the effect that the loss reduction can be suppressed as much as possible can be obtained.
また、別の方法として、例えば繰返し計算を行うことより個別発電機出力指令を少しずつ変更しながら総合効率を計算し、これが最高となるよう発電機出力指令を決めるようにしてもよい。この場合、計算アルゴリズムは複雑になる可能性があるが、式(14)のように決める方法よりもさらに損失を低減できる。 As another method, for example, it is also possible to calculate the total efficiency while changing the individual generator output command little by little by repeatedly performing calculation, and determine the generator output command so that this is the highest. In this case, the calculation algorithm may be complicated, but the loss can be further reduced as compared with the method determined as in Expression (14).
(第5の実施形態)
次に、図1乃至図10を参照しつつ、図15を参照して、第5の実施形態を説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10 and FIG.
第2、第3および第4の実施形態に記載の方法により、簡単な構成で総発電効率を向上させることができるが、発電機および変換器の故障間隔MTBF(Mean Time Before Failure)の観点から、発電を休止する発電機や発電量を調整する発電機を選択した方がよい場合がある。 Although the total power generation efficiency can be improved with a simple configuration by the methods described in the second, third, and fourth embodiments, from the viewpoint of a failure interval MTBF (Mean Time Before Failure) between the generator and the converter. In some cases, it is better to select a generator that stops power generation or a generator that adjusts the amount of power generation.
図15に本実施形態における上位発電制御部40の構成を示す。
FIG. 15 shows the configuration of the upper power
稼働状態量計算部61は、発電機の故障頻度を左右する稼働状態量を計算する。図15では、発電機出力指令を入力とし、発電機の累積稼働時間や累積発電量などを計算する。故障頻度を表す尺度の一つであるMTBFはこれらの数値に左右されることが多いからである。
The operating
個別発電出力計算部62は、これらの稼働状態量から、休止する発電機や出力を調整する発電機を選択する。例えば累積稼働時間を用いる場合、全発電機の平均累積稼働時間と比べて高い累積稼働時間の発電機があれば、その発電機を休止させるよう選択する。
The individual power generation
また、累積発電量を用いる場合も、全発電機の平均累積発電量と比べて高い累積発電量の発電機があれば、その発電機を休止もしくは出力を低下させるよう選択する。 In addition, when using the accumulated power generation amount, if there is a generator having a higher accumulated power generation amount than the average accumulated power generation amount of all the generators, the generator is selected to be stopped or to reduce the output.
第5の実施形態によれば、各発電機および変換機の故障間隔を可能な限り均一化することができ、メンテナンス間隔の延長やメンテナンス効率の向上、ひいては発電装置の稼働時間延長、総発電量の増大といった効果を得ることが可能となる。 According to the fifth embodiment, the failure intervals of the generators and converters can be made uniform as much as possible, the maintenance interval is extended, the maintenance efficiency is improved, the operation time of the power generator is increased, and the total power generation amount It is possible to obtain an effect such as an increase in.
以上詳述したように、各実施形態によれば、回転電機において発電効率を向上させることが可能となる。 As described above in detail, according to each embodiment, it is possible to improve the power generation efficiency in the rotating electrical machine.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…ナセル、2…風車翼、2A…翼軸(ブレード軸)、2B…風車翼本体、3…タワー、5a,5b…永久磁石、10…大ロータ、11…回転軸、12…支持部材、20,201〜20N…小ロータ、21…軸、30,301〜30N…発電機、40…上位発電制御部、41〜4N…個別発電制御部、51〜5N…変換器、61…総発電出力計算部、62…個別発電出力計算部、71…電圧センサ、72…電流センサ、100…回転電機、101…電力変換部、C…ケーブル、G…ギャップ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nacelle, 2 ... Windmill blade, 2A ... Blade axis | shaft (blade shaft), 2B ... Windmill blade main body, 3 ... Tower, 5a, 5b ... Permanent magnet, 10 ... Large rotor, 11 ... Rotating shaft, 12 ... Support member, 20, 201 to 20N ... small rotor, 21 ... shaft, 30, 301 to 30N ... generator, 40 ... upper power generation control unit, 41-4N ... individual power generation control unit, 51-5N ... converter, 61 ... total power generation
Claims (7)
総発電出力指令が最大出力に対してP%(但し、0%<P<100%)の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が一律に個々の発電機の最大出力に対するP%の値を示すよう設定する手段を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。 A plurality of second rotors are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor, and are accelerated according to the rotation of the first rotor. In a control device for a rotating electrical machine having a rotor and a plurality of generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the number of rotations of the second rotor,
When the total power output command indicates a value of P% (where 0% <P <100%) with respect to the maximum output, the individual generator output command for each generator is uniformly applied to the maximum output of each generator. A control device for a rotating electrical machine, comprising means for setting to indicate a value of P%.
総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の所与の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、出力総和が前記所与の値を超えない範囲で可能な限り多くの台数分だけ最大出力の出力値を示し、最大出力としない発電機については可能な限り多くの台数分だけ停止させる出力値を示し、かつ、残りの発電機については出力総和が前記所与の値となるような出力値を示すよう設定する手段を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。 A plurality of second rotors are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor, and are accelerated according to the rotation of the first rotor. In a control device for a rotating electrical machine having a rotor and a plurality of generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the number of rotations of the second rotor,
When the total power output command indicates a given value of less than 100% with respect to the maximum output, the individual generator output command for each generator is as far as possible within the range where the total output does not exceed the given value. The output value of the maximum output is shown for many units, the output value for stopping as many units as possible is shown for generators that are not set to the maximum output, and the total output is given for the remaining generators. A control device for a rotating electrical machine comprising means for setting an output value to be a value of
総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の所与の値を示すとき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、出力総和が前記所与の値を超えない範囲で可能な限り多くの台数分だけ、各発電機の電力変換効率が最高効率となる出力値を示し、それ以外の発電機については可能な限り多くの台数分だけ停止させる出力値を示し、かつ、残りの発電機については出力総和が前記所与の値となるような出力値を示すよう設定する手段を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。 A plurality of second rotors are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor, and are accelerated according to the rotation of the first rotor. In a control device for a rotating electrical machine having a rotor and a plurality of generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the number of rotations of the second rotor,
When the total power output command indicates a given value of less than 100% with respect to the maximum output, the individual generator output command for each generator is as far as possible within the range where the total output does not exceed the given value. For many generators, the output value at which the power conversion efficiency of each generator is the highest efficiency is shown. For other generators, output values for stopping as many as possible are shown, and the remaining power generation A control device for a rotating electrical machine, characterized in that it comprises means for setting an output value such that the total output becomes the given value.
個々の発電機の発電効率と運転条件との関係を示す情報を記憶する効率情報記憶手段と、
総発電出力指令が最大出力に対して100%未満の出力値を示すとき、前記効率情報記憶手段に記憶される情報に基づき、個々の発電機に対する個別発電機出力指令が、総発電効率が最大となるような出力値を示すよう設定する手段と
を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。 A plurality of second rotors are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor, and are accelerated according to the rotation of the first rotor. In a control device for a rotating electrical machine having a rotor and a plurality of generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the number of rotations of the second rotor,
Efficiency information storage means for storing information indicating the relationship between the power generation efficiency of each generator and the operating conditions;
When the total power generation output command indicates an output value of less than 100% with respect to the maximum output, the individual power generator output command for each generator is based on the information stored in the efficiency information storage means, and the total power generation efficiency is maximum. A control device for a rotating electrical machine, comprising: a setting unit configured to set an output value such that
個々の発電機の故障頻度を左右する稼働状態量を計測する稼働状態量計測手段と、
前記稼働状態量計測手段で計測された個々の発電機の稼働状態量が可能な限り均一になるように、出力を停止もしくは出力量を低下させる発電機が選択されるよう設定する手段と
を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。 A plurality of second rotors are arranged around the first rotor so as to be magnetically coupled to the first rotor, and are accelerated according to the rotation of the first rotor. In a control device for a rotating electrical machine having a rotor and a plurality of generators that are arranged on the inner peripheral side of the plurality of second rotors and generate electric power according to the number of rotations of the second rotor,
An operating state quantity measuring means for measuring an operating state quantity that influences the frequency of failure of each generator;
Means for setting the generator to stop the output or select the generator that reduces the output amount so that the operating state quantity of each generator measured by the operating state quantity measuring means is as uniform as possible. A control device for a rotating electrical machine.
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