JP2017204934A - Power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generator.
自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用した発電装置として、例えば風力発電装置が公知である。風力発電装置では、自然の風を利用するが、常に風力を一定の範囲に保つことは困難である。すなわち、風力発電装置では、風速の変動が、火力発電におけるガス流量や水力発電における水量の変動に比較して非常に大きく、発電電力が大きく変動する。 As a power generator using natural energy (renewable energy), for example, a wind power generator is known. The wind power generator uses natural wind, but it is difficult to always keep the wind power in a certain range. That is, in the wind turbine generator, the fluctuation of the wind speed is very large compared with the fluctuation of the gas flow rate in the thermal power generation and the fluctuation of the water amount in the hydroelectric power generation, and the generated power fluctuates greatly.
従来は、風車の引きずりトルクより風力が小さくなると、風車が停止し、その後、始動を再開する場合、始動トルクを超える大きな風力が必要となり、その分、発電ができない問題があった。 Conventionally, when the wind power is smaller than the drag torque of the windmill, when the windmill is stopped and then restarted, a large wind power exceeding the starting torque is required, and there is a problem that power generation cannot be performed accordingly.
上記問題を解消するために、特許文献1の技術が提案されている。特許文献1では、始動時、或いは、発電機の回転数を検出し、回転数が所定値以下になったときは、発電機を力行動作させて発電機の回転数を所定値以上に維持するようにしている。特許文献1では、始動時、或いは風が弱まり、風車の羽(動翼)が止まってしまうことを防止するために交流発電機の力行運転を行っている。しかしながら、単に力行運転を行うだけでは、最適な交流発電機の最適な制御とはいえない。様々なパターンの気まぐれな流体、例えば風に対して、そのような流体の状態と流体機械の能力との関係から、適切な力行、回生の切り替えタイミングが、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを発電エネルギーに交換することが望まれる。
In order to solve the above problem, the technique of
なお、自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用した発電装置として、例えば風力発電装置以外にも、水力発電装置、海流発電装置、潮流発電装置、地熱発電装置等があるが、これらの発電装置においても、効率的な運用が望ましい。 In addition, as a power generation device using natural energy (renewable energy), there are a hydroelectric power generation device, a sea current power generation device, a tidal current power generation device, a geothermal power generation device, etc. in addition to a wind power generation device, for example. Efficient operation is desirable.
上記のような効率的な運用を解決するために、本出願には特許文献2の発電装置を提案している。特許文献2では、風力発電装置のコントローラが、第1回生モードでは、垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、流速比例で発電電流の制御を開始し、第1回生モードで制御中に、風速が第2回生モード開始基準値となったときは、第2回生モードに移行して発電電流を最大発電電流で一定にした状態で、流速に応じて交流発電機の回転数を制御する。このようにすることにより、よりロスを少なく、より有効に流体のエネルギーを電気エネルギーに交換するようにしている。 In order to solve the above-described efficient operation, the power generation device of Patent Document 2 is proposed in the present application. In Patent Document 2, in the first regeneration mode, the controller of the wind turbine generator starts the control of the generated current in proportion to the flow velocity while keeping the rotation speed of the vertical axis wind turbine constant, and during the control in the first regeneration mode When the wind speed becomes the second regeneration mode start reference value, the rotational speed of the alternator is controlled in accordance with the flow rate in the state where the second regeneration mode is entered and the generated current is kept constant at the maximum generated current. . By doing so, the energy of the fluid is exchanged for electric energy more effectively with less loss.
しかし、まだ、上記特許文献2の発電装置は、改良の余地を残しており、さらなる風のエネルギーを発電エネルギーに交換できる発電装置が望まれている。
本発明の目的は、上記課題を解決して、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる発電装置を提供することにある。
However, the power generator of Patent Document 2 still has room for improvement, and a power generator capable of exchanging further wind energy with power generation energy is desired.
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a power generator that can exchange wind energy more widely with electric energy.
上記問題点を解決するために、本発明の発電装置は、風の運動エネルギーを機械の運動エネルギーへ変換する垂直軸風車と、前記垂直軸風車により駆動される交流発電機と、前記交流発電機の交流出力を直流に変換するインバータと、前記インバータからの直流電力を蓄電する蓄電部と、風速を検出する風速検出部と、前記風速に基づいて算出された移動平均風速に応じて前記交流発電機を、前記インバータを介して回生モードで制御する制御部を備えた発電装置において、前記回生モードは、前記垂直軸風車の周速比が、当該垂直軸風車の最大出力係数を含む高効率範囲で行う高効率回生モードと、前記最大出力係数を含まない低効率範囲で行う低効率回生モードを含み、前記制御部は、前記移動平均風速が、低効率判定閾値以上の場合には、前記インバータを介して低効率回生モードで前記交流発電機を制御し、前記移動平均風速が、低効率判定閾値未満の合には、前記インバータを介して高効率回生モードで前記交流発電機を制御するものである。 In order to solve the above problems, a power generator according to the present invention includes a vertical axis wind turbine that converts wind kinetic energy into mechanical kinetic energy, an AC generator driven by the vertical axis wind turbine, and the AC generator. An AC output from the inverter, a power storage unit that stores DC power from the inverter, a wind speed detection unit that detects wind speed, and the AC power generation according to the moving average wind speed calculated based on the wind speed In the power generation apparatus including a control unit that controls the machine in the regenerative mode via the inverter, the regenerative mode includes a high efficiency range in which a peripheral speed ratio of the vertical axis wind turbine includes a maximum output coefficient of the vertical axis wind turbine. And a low-efficiency regenerative mode performed in a low-efficiency range that does not include the maximum output coefficient, and the control unit, when the moving average wind speed is equal to or higher than a low-efficiency determination threshold The AC generator is controlled in the low efficiency regeneration mode via the inverter, and the AC generator is operated in the high efficiency regeneration mode via the inverter when the moving average wind speed is less than the low efficiency determination threshold value. It is something to control.
また、前記制御部は、前記インバータを介して前記回生モード又は力行モードで制御するものであり、前記高効率回生モードは、第1回生モード及び第2回生モードを含み、前記制御部は、力行モードで制御中に前記移動平均風速が速くなって第1回生モード開始基準値を超える場合は、前記第1回生モードとして、前記垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行い、前記第1回生モードで制御中に、前記移動平均風速が第2回生モード開始基準値を超えたときは、前記第2回生モードとして、前記発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて前記垂直軸風車を回転させることが好ましい。 The control unit is configured to control in the regeneration mode or the power running mode via the inverter, the high efficiency regeneration mode includes a first regeneration mode and a second regeneration mode, and the control unit includes a power running When the moving average wind speed increases during control in the mode and exceeds the first regeneration mode start reference value, the first regeneration mode is used to generate power in proportion to the wind speed with the rotation speed of the vertical axis wind turbine being constant. When the current is controlled and the moving average wind speed exceeds the second regeneration mode start reference value during the control in the first regeneration mode, the generation current is kept constant as the second regeneration mode. It is preferable to rotate the vertical axis wind turbine according to the moving average wind speed.
また、前記制御部は、前記移動平均風速が力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで前記交流発電機の制御を開始するようにすることが好ましい。
また、前記制御部は、前記風速が突風の判定条件を満足する場合は、突風対応モードの制御を行い、前記制御部は、前記突風対応モードでは、前記低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するように前記インバータを制御することが好ましい。
Moreover, it is preferable that the said control part starts control of the said AC generator in power running mode, when the said moving average wind speed is slower than power running mode start reference value.
In addition, the control unit performs control in the gust response mode when the wind speed satisfies the gust determination condition, and the control unit in the gust response mode is more than the generated current in the low efficiency regeneration mode. It is preferable to control the inverter so as to output a large generated current.
本発明によれば、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to exchange wind energy more widely with electric energy.
以下、本発明の発電装置を風力発電装置に具体化した一実施形態を図1〜図13を参照して説明する。
図1に示すように、風力発電装置10は、垂直軸風車20、前記垂直軸風車20の垂直軸24にロータ(回転子)が連結された交流発電機30、交流発電機30の固定子に接続されたインバータ40、インバータ40に対して平滑コンデンサ50を介して接続された蓄電部としての二次電池60を備えている。なお、垂直軸風車20と交流発電機30とは、直結してもよく、或いは減速機構又は増速機構を介して連結してもよい。
Hereinafter, an embodiment in which the power generation device of the present invention is embodied in a wind power generation device will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the
前記垂直軸風車20は、本実施形態ではダリウス形風車で構成され、風車ブレード22,垂直軸24等を備えている。なお、図1では、垂直軸風車20を説明の便宜上簡略化して図示している。前記垂直軸風車20は、ダリウス形風車に限定するものではなく、サボニウス形風車、ジャイロミル形風車、クロスフロー形風車等であってもよい。
In the present embodiment, the vertical axis wind turbine 20 is a Darrieus type wind turbine, and includes a
垂直軸風車20には、ロック部としてのメカブレーキ26を備え、後述する発電プログラムが起動されていない状態では、メカブレーキ26により回転しないようにすることが可能である。メカブレーキ26は、コントローラ80により制御されて垂直軸風車20の回転停止のロックの解除が可能である。
The vertical axis wind turbine 20 includes a
交流発電機30は、同期発電機(例えば、永久磁石型同期発電機)又は誘導発電機のいずれであってもよい。本実施形態では、交流発電機30は、U、V、W相の巻線を有する。
The
前記インバータ40は、回生時のときには交流発電機30の出力である交流電力を直流電力に変換して二次電池60に前記直流電力を蓄電するとともに力行モードのときには二次電池60の直流電力を交流電力に変換して、交流発電機30をモータとして作動する。
The
すなわち、インバータ40は、ダイオードD1〜D6が直列に接続されてなるハーフブリッジ回路を3相分有するとともに、各ダイオードには並列にトランジスタやIGBT、MOSからなるスイッチング素子42〜47が接続されている。本実施形態ではスイッチング素子42〜47はIGBTで構成されている。
That is, the
前記インバータ40は、回生時で交流発電機30を発電動作させるよう駆動することが可能である。また、インバータ40は、必要に応じて交流発電機30を力行モードで動作させるように駆動することが可能である。インバータ40のダイオードブリッジは整流機能を有し、発電された交流電圧を直流電圧に変換する。そして、インバータ40における各スイッチング素子42〜47のオン・オフを適宜制御することにより、交流発電機30に適宜電流を回生させ、交流発電機30の固定子巻線のインダクタンスを利用して、出力電圧の制御、出力電流等の制御が可能である。
The
二次電池60には、コンバータ90が接続されている。コンバータ90は、二次電池60から送られる直流電力を固定周波数(例えば、商用周波数)の交流電力に変換し、系統連系用変圧器100を介して電力系統に前記固定周波数の交流電力を電力系統に供給する。
A
また、風力発電装置10は、前記インバータ40を構成するスイッチング素子42〜47のドライバ70を介して制御するコントローラ80を備えている。コントローラ80は、図示しないCPU(中央処理演算装置)、システムプログラムを記憶するROM、作業用メモリとなるRAM、及び発電プログラムを記憶する図示しない書き替え可能な記憶装置を有する。コントローラ80は制御部に相当する。
Further, the
コントローラ80には、交流発電機30のロータ(回転子)の回転速度(単位回転時間毎の回転数)及び位置を検出するための速度センサ32の検出信号が入力される。速度センサ32は、本実施形態ではレゾルバで構成されているが、レゾルバに限定するものではなく、エンコーダであってもよい。コントローラ80には、電流センサSu,Sv,Swが接続され、前記交流発電機30とインバータ40間の各相の電流の検出信号を入力する。コントローラ80は、前記各相の電流の検出信号に基づいて、回生時の場合には、発電電流の値を取得し、力行の場合には、駆動電流の値を取得する。
The
さらに、風力発電装置10は、平滑コンデンサ50の電圧すなわちインバータ40の直流出力電圧を検出する電圧検出部52を備えている。電圧検出部52は、ドライバ70及びコントローラ80にそれぞれ検出した電圧(検出信号)を入力する。
Furthermore, the
また、コントローラ80には、前記垂直軸風車20に吹かれる風の流速を検出する風速検出部としての風速計110が接続されて、検出信号をコントローラ80に入力する。
コントローラ80は、前記入力(取得)した各種検出信号を、共通の検出周期毎に図示しないバッファに格納する。
The
The
(回生)
回生について説明する。回生時(後述する第1、第2回生モード、第3回生モード及び回生ブレーキ処理等を含む)には、コントローラ80はドライバ70を介して、ハイサイド側のスイッチング素子42、44、46を全てオフ状態に維持しつつローサイド側のスイッチング素子43、45、47を互いに同一のタイミングでオンオフするようにPWM制御する。PWM(Pulse Width Modulation)制御において、ローサイド側のスイッチング素子43、45、47がオン状態とされている期間では巻線U、V、Wに短絡電流が流れて巻線U、V、Wにエネルギーが蓄えられ、これによって交流発電機30が減速して回生制動による制動力が発生する。
(Regeneration)
Explain regeneration. At the time of regeneration (including first and second regeneration modes, third regeneration mode and regenerative braking processing, which will be described later), the
その後、ローサイド側のスイッチング素子43、45、47がオフ状態とされると巻線U、V、Wに電圧が誘起される。この誘起電圧が二次電池60のバッテリ電圧を超えると、各スイッチング素子に付随するダイオードを介して二次電池60に向けて回生電流が流れ、巻線U、V、Wに蓄えられたエネルギーが放出されるとともに二次電池60が充電される。
Thereafter, when the switching
また、回生制動による制動力は、回生電流の値が大きくなる程大きくなる。回生電流の値は、前記PWM制御におけるローサイド側のスイッチング素子43、45、47のオンデューティによって制御され、オンデューティ比が大きいほど回生電流が大きくなる。コントローラ80は、後述する各種の回生時においては、生成する回生電流指令値によって示される回生電流が得られるようにローサイド側のスイッチング素子43、45、47のオンデューティ比を調整する。
Further, the braking force due to regenerative braking increases as the value of the regenerative current increases. The value of the regenerative current is controlled by the on-duty of the low-
(力行)
力行について説明する。力行モード時にはコントローラ80はドライバ70を介して、スイッチング素子42〜47を一定の順序でオンさせる。これにより、巻線U、V、Wに流れる電流の向きが順次切り替わりロータが回転する。コントローラ80は、力行モード時においては、モータ駆動指令値を生成して、該モータ駆動指令値によって示されるトルク目標値が得られるようにスイッチング素子42〜47のオンデューティを調整する。
(Power running)
Describe power running. In the power running mode, the
(実施形態の作用)
次に、図2〜図12を参照して風力発電装置10の作用を説明する。図2はコントローラ80が図示しない記憶装置に格納された発電プログラムに従ってインバータ40を介して交流発電機30を制御するフローチャートである。
(Operation of the embodiment)
Next, the effect | action of the
(S10)
発電プログラムが起動されると、S10では、コントローラ80は履歴フラグF0,F1,F2,F3等をリセットする等の各種パラメータの初期化を行う。なお、発電プログラムが起動される以前は、垂直軸風車20はメカブレーキ26により予めロックされて回転が停止できない状態になっている。
(S10)
When the power generation program is activated, in S10, the
(S20)
S20では、コントローラ80は、風速計110からの風速V、電圧検出部52からの電圧、電流センサSu,Sv,Swからの相電流、速度センサ32から入力した回転速度(すなわち、単位時間毎の回転数)等を前記バッファから読み込む。
(S20)
In S20, the
(S30)
S30では、コントローラ80は風速Vが垂直軸風車20に許容されている許容最大風速Vmaxを超えているか否かを判定する。風速Vが許容最大風速Vmax以上の場合は、S40に移行し、風速Vが許容最大風速Vmax未満の場合はS50に移行する。なお、風速Vの検出周期は、後述する制御周期と同期している。また、コントローラ80は、制御周期毎に入力される風速Vの移動平均を算出しており、算出した移動平均風速Vgrを今回値として図示しない記憶装置に格納(すなわち、更新)する。例えば、移動平均風速Vgrは、過去30秒間の移動平均であるが、30秒間に限定するものではない。なお、本実施形態の移動平均風速Vgrは、単純移動平均で算出される。
(S30)
In S30, the
(S40)
S40では、コントローラ80は、メカブレーキ26をロック作動して、垂直軸風車20を回転させないように停止し、このフローチャートを抜け出る。このようにして、S40において、風速Vが許容最大風速Vmax以上の場合には、垂直軸風車20を回転させると、垂直軸風車20にダメージを与える虞があるため、ダメージを与えないように垂直軸風車20の回転を停止するのである。
(S40)
In S40, the
(S50)
S50では、コントローラ80は、風が突風か否かを判定する。風が突風か否かの判定条件は、下記の通りである。
(S50)
In S50, the
<判定条件>
判定条件は、今回値の風速Vが今回値の移動平均風速Vgr以上となっており、かつ、風速Vの微分値dV/dtが、突風判定閾値α以上の場合を突風であるとする。
<Judgment conditions>
The determination condition is that the current value of the wind speed V is equal to or higher than the current value of the moving average wind speed Vgr and the differential value dV / dt of the wind speed V is equal to or higher than the gust determination threshold value α.
今回の風速Vが、判定条件を満足している場合(判定が「YES」)、S60に移行し、判定条件を満足していない場合(判定が「NO」)には、S70に移行する。
(S60)
S60では、コントローラ80は、突風対応モードの処理を行う。
If the current wind speed V satisfies the determination condition (determination is “YES”), the process proceeds to S60, and if the determination condition is not satisfied (determination is “NO”), the process proceeds to S70.
(S60)
In S60, the
具体的には、コントローラ80は、移動平均風速Vgrに基づいた回生電流指令値を生成し、この回生電流指令値に、さらに、補正値を加算した回生電流指令値を生成する。すなわち、コントローラ80により、回生電流指令値よりも、大きな発電電流(回生電流)が得られるに突風対応モードの処理を行うように、インバータ40を制御する。
Specifically, the
なお、コントローラ80は、回生電流指令値に補正値を加算後の回生電流指令値が上限値Ic(発電電流)を超える場合は、回生電流指令値をこの上限値Icに調整する。すなわち、ここでの回生ブレーキ処理における発電電流Iは、Ib<I≦Icの範囲となるように調整される(図3参照)。
When the regenerative current command value after adding the correction value to the regenerative current command value exceeds the upper limit value Ic (generated current), the
Ibは、第3回生モードが行われた際の最大発電電流であり、Icは、突風対応モードにおける最大の発電電流である。以後、Ibを第2最大発電電流といい、Icを第3最大発電電流という。 Ib is the maximum generated current when the third regeneration mode is performed, and Ic is the maximum generated current in the gust compatible mode. Hereinafter, Ib is referred to as a second maximum generated current, and Ic is referred to as a third maximum generated current.
図3は交流発電機30の発電電流I(A)と、トルクT(N・m)との関係を示しており、発電電流IとトルクTは、
T=k1・I
で示される比例関係にある。k1は比例定数である。なお、図3中、Imaxは、交流発電機30の最大発電電流である。
FIG. 3 shows the relationship between the generated current I (A) of the
T = k1 · I
There is a proportional relationship indicated by. k1 is a proportionality constant. In FIG. 3, Imax is the maximum generated current of the
図3は、交流発電機30の電流・トルク特性図であり、横軸が電流(発電電流、駆動電流を含む)、縦軸がトルクTを示している。同図において、回生のときの発電電流Iは、Ia(第1最大発電電流)のときはトルクTはTaとなり、Ib(第2最大発電電流)のときは、トルクTはTbとなり、Ic(第3最大発電電流)のときは、トルクTはTcとなる。また、力行モードでは、駆動電流がIdのときは、トルク(駆動トルク)は、Tdとなる。
FIG. 3 is a current / torque characteristic diagram of the
このようにしてコントローラ80は回生電流指令値を演算し、この回生電流指令値に基づいて、ドライバ70を介してインバータ40を制御する。このインバータ40の制御により交流発電機30が回生制動されて、ロータの回転速度が減じられる。
In this way, the
図3に示すように、S60において、上記のように回生ブレーキ処理における発電電流Iは、Ib<I≦Icの範囲となるように調整されることから、交流発電機30から出力されるトルクTは、Tb<T≦Tcの範囲となる。
As shown in FIG. 3, in S60, the generated current I in the regenerative braking process is adjusted to be in the range of Ib <I ≦ Ic as described above, and therefore the torque T output from the
S60の処理が終わると、S30にリターンする。
このようにS60の突風対応モードの処理が行われることにより、図10に示すように、第1回生モード、第2回生モード、及び第3回生モードのときと、ロータ(回転子)の回転数が同じ場合であっても、これらのモードよりもトルク及び回生電流(発電電流)が大きくなっている。
When the process of S60 ends, the process returns to S30.
By performing the gust response mode processing of S60 in this way, as shown in FIG. 10, the rotation speed of the rotor (rotor) is in the first regeneration mode, the second regeneration mode, and the third regeneration mode. Even in the same case, torque and regenerative current (generated current) are larger than those in these modes.
図10は、交流発電機30の回転数(回転速度)とトルクとの関係を示す説明図であり、横軸が回転数N、縦軸がトルクTを示している。同図には、第1回生モード、第2回生モード、第3回生モード、突風対応モード及び後述する力行モードが実行されたときの領域を示している。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotational speed (rotational speed) of the
ここで、第1回生モード及び第2回生モードは、高効率回生モードに相当し、第3回生モードは低効率回生モードに相当する。
なお、横軸の回転数Nにおいて、Naは、第1回生モードのときの最大値、Nbは第2回生モードの時の最大値、Ncは、第3回生モード及び突風対応モードのときの最大値を示している。また、図10において、力行モードのときの回転数Nの最大値は、本実施形態ではNaとしているが、Naに限定するものではなく、Naよりも小さくてもよく、或いは大きくてもよい。
Here, the first regeneration mode and the second regeneration mode correspond to the high efficiency regeneration mode, and the third regeneration mode corresponds to the low efficiency regeneration mode.
In the rotational speed N on the horizontal axis, Na is the maximum value in the first regeneration mode, Nb is the maximum value in the second regeneration mode, and Nc is the maximum value in the third regeneration mode and the gust compatible mode. The value is shown. In FIG. 10, the maximum value of the rotational speed N in the power running mode is Na in this embodiment, but is not limited to Na, and may be smaller or larger than Na.
(S70)
S70では、コントローラ80は、移動平均風速Vgr等が下記の力行モード条件か、第1回生モード条件かを満たしているか否かを判定する。
(S70)
In S70, the
(1.力行モード条件)
力行モード条件は、第1条件または第2条件があり、いずれかを満足している場合、力行モード条件を満足したとコントローラ80は判定する。
(1. Power running mode conditions)
The power running mode condition includes the first condition or the second condition. If either of the conditions is satisfied, the
(第1条件)
移動平均風速Vgr≦力行モード開始基準値Va、かつ、前回制御周期での履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)が「1」にセットされている場合である。なお、S20〜S95、またはS20〜S105、またはS20〜S115、またはS20〜S125を実行するための制御周期は、規定の制御周期であって、例えば、数msec〜数十msecである。
(First condition)
This is a case where the moving average wind speed Vgr ≦ the power running mode start reference value Va and the history flag F1 (first regeneration mode flag) in the previous control cycle is set to “1”. The control cycle for executing S20 to S95, S20 to S105, S20 to S115, or S20 to S125 is a specified control cycle, and is, for example, several milliseconds to several tens of milliseconds.
ここで第1条件の履歴フラグF1は、前回の制御周期では第1回生モードで制御したか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は第1回生モードであったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。 Here, the history flag F1 of the first condition is for determining whether or not the control is performed in the first regeneration mode in the previous control cycle. That is, it is assumed that the previous time was the first regeneration mode but this time the mode is shifted to the power running mode.
力行モード開始基準値Vaは、後述する第1回生モード開始基準値Vbよりも所定値分速い風速であり、垂直軸風車20及び交流発電機30に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。
The power running mode start reference value Va is a wind speed that is faster by a predetermined value than a first regeneration mode start reference value Vb, which will be described later, and a result obtained by a test or the like in advance according to the vertical axis wind turbine 20 and the
(第2条件)
移動平均風速Vgr≦第1回生モード開始基準値Vb、かつ、前回制御周期での履歴フラグF0(力行フラグ)が「1」にセットされている場合である。
(Second condition)
This is a case where the moving average wind speed Vgr ≦ the first regeneration mode start reference value Vb and the history flag F0 (power running flag) in the previous control cycle is set to “1”.
なお、履歴フラグF0(力行フラグ),履歴フラグF1(第1回生モードフラグ),履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)はそれぞれS10の初期化処理により初期値は「0」にセットされているため、移動平均風速Vgr≦Vbであって、かつ、履歴フラグF0,F1,F2が全て「0」の場合は、例外として第2条件を満足しているものとする。 The history flag F0 (power running flag), history flag F1 (first regeneration mode flag), and history flag F2 (second regeneration mode flag) are set to “0” by the initialization process of S10. Therefore, when the moving average wind speed Vgr ≦ Vb and the history flags F0, F1, and F2 are all “0”, it is assumed that the second condition is satisfied as an exception.
第1回生モード開始基準値Vbは、垂直軸風車20の引きずりトルクにより垂直軸風車20が止まってしまう程度の風速よりも余裕代分速い程度としている。ここで、本実施形態では、後述する力行モードから第1回生モードに早期に移行させるために、第1回生モード開始基準値Vb<力行モード開始基準値Vaとしている。 The first regeneration mode start reference value Vb is set to an extent that is faster than the wind speed at which the vertical axis wind turbine 20 stops due to the drag torque of the vertical axis wind turbine 20. Here, in the present embodiment, the first regeneration mode start reference value Vb <the power running mode start reference value Va is set in order to make an early transition from a powering mode described later to the first regeneration mode.
第2条件で扱う履歴フラグは前回の制御周期において、力行モードで制御、または、初期値から起動直後であるか否かを判定するためのものである。すなわち、前回は力行モード、または起動直後であったが今回は力行モードに移行する場合を想定している。 The history flag handled in the second condition is used to determine whether or not the control is performed in the powering mode or immediately after starting from the initial value in the previous control cycle. That is, it is assumed that the previous time was the power running mode or immediately after startup, but this time the mode is shifted to the power running mode.
S70において、上記第1条件又は第2条件を満足している場合は、S90に移行する。
(2.第1回生モード条件)
第1回生モード条件は、下記の通りである。
If the first condition or the second condition is satisfied in S70, the process proceeds to S90.
(2. First-generation mode conditions)
The first regeneration mode conditions are as follows.
第1回生モード開始基準値Vb<移動平均風速Vgr≦第2回生モード開始基準値Vc、かつ、前回制御周期での履歴フラグF0(力行フラグ)が「1」、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)が「1」、または履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)が「1」にセットされている。 First regeneration mode start reference value Vb <moving average wind speed Vgr ≦ second regeneration mode start reference value Vc, and history flag F0 (power running flag) in the previous control cycle is “1”, history flag F1 (first regeneration mode) Flag) is set to “1”, or the history flag F2 (second regeneration mode flag) is set to “1”.
ここで、第1回生モード条件で判定するための履歴フラグは、前回の制御周期では力行モード、第1回生モード、或いは第2回生モードで制御したが、今回は、移動平均風速Vgrが第2回生モード開始基準値Vc未満となったことを想定している。 Here, the history flag for determining in the first regeneration mode condition is controlled in the power running mode, the first regeneration mode, or the second regeneration mode in the previous control cycle, but this time the moving average wind speed Vgr is the second. It is assumed that the regeneration mode start reference value Vc has been reached.
(第2回生モード開始基準値Vcの設定方法について)
ここで、第2回生モード開始基準値Vcの設定方法について説明する。
図4は交流発電機30の単位時間当たりのロータの回転数N(rpm、すなわち回転速度)と発電電圧E(V)との関係を示しており、発電電圧Eと回転数Nは、
E=k2・N
で示される比例関係にある。k2は比例定数である。なお、図4中、Emaxは、交流発電機30の最大発電電圧である。
(Regarding the setting method of the second regeneration mode start reference value Vc)
Here, a method for setting the second regeneration mode start reference value Vc will be described.
FIG. 4 shows the relationship between the rotational speed N (rpm, that is, the rotational speed) of the rotor per unit time of the
E = k2 · N
There is a proportional relationship indicated by. k2 is a proportionality constant. In FIG. 4, Emax is the maximum generated voltage of the
図5及び図10は、交流発電機30の前記回転数N(rpm)とトルクT(N・m)との関係を示しており、回転数Nが第1範囲H1では、トルクTは一定であり、この第1範囲H1を超えた第2範囲H2で回転数Nが増加するとトルクTは徐々に減少し、交流発電機30の回転限界である最大回転数Nmaxに達するとトルクTは0となる。なお、図10は、回転数N(rpm)とトルクT(N・m)との関係を、後述する期間(I)〜期間(VI)、及び各種モードとの関係を説明するためのものである。
5 and 10 show the relationship between the rotational speed N (rpm) of the
図6は、交流発電機30の前記回転数N(rpm)と発電出力PGとの関係を示す特性図である。発電出力PG(KW)は、回転数N(rpm)が前記第1範囲H1では、回転数Nと比例関係にあり、第1範囲H1を超えると発電出力PGはPmaxで一定となる。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed N (rpm) of the
PG=ηG・N・T/974 ……(1)
なお、ηGは発電効率である。
上記のような交流発電機30の特性に基づいて、交流発電機30の最大出力の基本式が得られることになる。
PG = ηG · N · T / 974 (1)
Note that ηG is power generation efficiency.
Based on the characteristics of the
流体である風のエネルギーPWは、下記の式で表すことができる。
PW=(1/2)・ρ・S・V3 (W:ワット) ……(2)
Sは風車が流体(風)を受ける面積であり、ρは空気密度(流体密度)である。流体が空気の場合は、0.124kgs2/m^4(なお、^ はベキ乗を表わしている)である。
The wind energy PW, which is a fluid, can be expressed by the following equation.
PW = (1/2) · ρ · S · V3 (W: Watts) (2)
S is an area where the windmill receives a fluid (wind), and ρ is an air density (fluid density). When the fluid is air, it is 0.124 kgs 2 / m ^ 4 (^ represents a power).
流体(風)による回転駆動エネルギーPfと発電出力PGが
Pf=ηf×PW=PG
ηf:風車の伝達効率
とすると、発電効率ηGと伝達効率ηfを無視できるとすると、式(1)と式(2)とから、
(1/2)・ρ・S・V3≒N・T
の関係となる。
The rotational drive energy Pf and power generation output PG due to fluid (wind) are Pf = ηf × PW = PG
ηf: If the transmission efficiency of the wind turbine is assumed, and the generation efficiency ηG and the transmission efficiency ηf can be neglected, from the equations (1) and (2),
(1/2) ・ ρ ・ S ・ V3 ≒ N ・ T
It becomes the relationship.
上記のことから、第1回生モードと第2回生モードの切替えを行うためのタイミングを導き出すことができる。
図7に示すように、第1回生モードでは、後述するように発電電流Iが第1回生モード時のIa(第1最大発電電流)に到達するまでは、回転数N(rpm)を一定にし、発電電流Iを風速比例で増減するようにインバータ40を制御することになる。発電電流IがIaに達したときには、後述するように第2回生モードに移行し、第2回生モードでは、Iaで発電電流を一定(固定)にし、回転数N(rpm)を移動平均風速Vgrに応じて増減するようにインバータ40を制御することになる。
From the above, the timing for switching between the first regeneration mode and the second regeneration mode can be derived.
As shown in FIG. 7, in the first regeneration mode, the rotational speed N (rpm) is kept constant until the generated current I reaches Ia (first maximum generated current) in the first regeneration mode, as will be described later. Therefore, the
発電電流IがIaに達するための第2回生モード開始基準値Vcは、使用する交流発電機30及び垂直軸風車20に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。また、最大回転数Nmaxに達するための許容最大風速Vmaxは、使用する交流発電機30及び垂直軸風車20に応じて予め試験等により得られた結果が設定されている。前記最大回転数Nmaxは、交流発電機30のロータの回転数であるが、交流発電機30と垂直軸風車20とは直結または減速機構、又は増速機構を介して連結されているため、このNmaxは、垂直軸風車20の上限回転数と一義的に決定される。このNmaxは垂直軸風車20の回転限界でもある。
As the second regeneration mode start reference value Vc for the generated current I to reach Ia, a result obtained in advance by a test or the like is set in accordance with the
上記第1回生モード条件を満足している場合、S100に移行する。
また、S70において、コントローラ80は、移動平均風速Vgr等が下記の力行モード条件も、かつ第1回生モード条件も満たしていない場合は、S80に移行する。
When the first regeneration mode condition is satisfied, the process proceeds to S100.
In S70, the
(S80)
S80では、コントローラ80は、移動平均風速Vgrが第2回生モード条件を満たすか、或いは第3回生モード条件を満たすかを判定する。
(S80)
In S80, the
(3.第2回生モード条件)
第2回生モード条件は、下記の通りである。
第2回生モード開始基準値Vc<移動平均風速Vgr≦第3回生モード開始基準値Vdであって、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)、履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)のいずれか1つが「1」にセットされていることである。コントローラ80は、上記条件を満たしていれば、S110の第2回生モードに移行する。
(3. Second generation mode conditions)
The second regeneration mode conditions are as follows.
Second regeneration mode start reference value Vc <moving average wind speed Vgr ≦ third regeneration mode start reference value Vd, and history flag F1 (first regeneration mode flag), history flag F2 (second regeneration mode flag), history flag One of F3 (third regeneration mode flag) is set to “1”. If the said conditions are satisfy | filled, the
(4.第3回生モード条件)
第3回生モード条件は、下記の通りである。
第3回生モード開始基準値Vd≦移動平均風速Vgr≦許容最大風速Vmaxであって、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)、履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)のいずれか一方が「1」にセットされていることである。第3回生モード開始基準値Vdは、低効率判定閾値に相当する。
(4. Third-generation mode conditions)
The third regeneration mode conditions are as follows.
Third regeneration mode start reference value Vd ≦ moving average wind speed Vgr ≦ maximum allowable wind speed Vmax, and either one of the history flag F2 (second regeneration mode flag) and the history flag F3 (third regeneration mode flag) is “1”. Is set to "." The third regeneration mode start reference value Vd corresponds to a low efficiency determination threshold value.
コントローラ80は、移動平均風速Vgr及び上記履歴フラグが上記条件を満たしていたとき、S120の第3回生モードに移行する。
(S90)
S90では、コントローラ80はメカブレーキ26のロックを解除した状態で、力行モードでインバータ40を介して交流発電機30を制御する。
When the moving average wind speed Vgr and the history flag satisfy the above conditions, the
(S90)
In S90, the
すなわち、コントローラ80は、力行モードでは交流発電機30の風車ブレード22(羽)の回転が一定、すなわち、交流発電機30のロータの回転速度v(回転数N)が一定、かつ、発電電圧Eが一定、かつ、発電電流Iが一定となるようにインバータ40を制御し、S95に移行する。なお、この場合の発電電流は、正確には交流発電機30をモータとして駆動するための駆動電流である。本実施形態では、図3に示すように、電流I(駆動電流)は、最大値としてId=Iaとしているが、Idの値はIaに限定するものではなく、Iaよりも小さくても、大きくてもよい。
That is, the
(S95)
S95では、コントローラ80は、履歴フラグF0(力行フラグ)を「1」にセットし、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)及び履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)を「0」にリセットし、S20に戻る。
(S95)
In S95, the
(S100)
S100では、コントローラ80はメカブレーキ26のロックを解除した状態で、第1回生モードでインバータ40を介して交流発電機30を制御する。
(S100)
In S100, the
すなわち、コントローラ80は、交流発電機30の風車ブレード22(羽)の回転が一定(すなわち、交流発電機30のロータの回転速度v(回転数N)が一定)、かつ、発電電圧Eが一定となるように、かつ、後述する周速比が所定範囲以内で発電電流Iを風速比例となるようにインバータ40を制御する。前記周速比の所定範囲とは、下限周速比λLと上限周速比λUの間である。この後、コントローラ80はS105に移行する。上限周速比λU及び下限周速比λLについては後述する。
That is, the
(風車の周速比λと出力係数Cpの関係)
ここで、周速比λと風車の出力係数Cpとの関係について説明する。
周速比λは、下記の通りである。
(Relationship between peripheral speed ratio λ of windmill and output coefficient Cp)
Here, the relationship between the peripheral speed ratio λ and the wind turbine output coefficient Cp will be described.
The peripheral speed ratio λ is as follows.
周速比λ=風車の周速/風速
なお、垂直軸風車20の周速は、風車風車ブレード(羽)半径×回転速度(回転角速度)である。
Peripheral speed ratio λ = peripheral speed of windmill / wind speed Note that the peripheral speed of the vertical axis windmill 20 is the windmill windmill blade (blade) radius × rotational speed (rotational angular speed).
また、出力係数Cpは、風車出力/風のパワー、である。
図11は、風車の出力係数Cpと周速比λとの関係を示す説明図である。風車の形状が決定されている場合、図11に示すように周速比λに対する出力係数Cpが一義的に決定される。また、図11に示すように周速比λは限られた範囲において、風車最大出力(すなわち、最大出力係数Cpmax)となるところを有するとともに、図12に示すように風車最大出力となる風車のロータ回転数Nと風速(流速)とは比例関係にある。
The output coefficient Cp is windmill output / wind power.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the output coefficient Cp of the windmill and the peripheral speed ratio λ. When the shape of the windmill is determined, the output coefficient Cp with respect to the circumferential speed ratio λ is uniquely determined as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 11, the peripheral speed ratio λ has a place where the wind turbine maximum output (that is, the maximum output coefficient Cpmax) is reached in a limited range, and the wind turbine maximum output as shown in FIG. The rotor rotational speed N and the wind speed (flow velocity) are in a proportional relationship.
そこで、図11に示すように、前記最大出力係数Cpmaxを含む範囲Hを下限周速比λL及び上限周速比λUで設定する。下限周速比λL及び上限周速比λUは前記最大出力係数Cpmaxとなる周速比λを挟む値となるように適宜設定すればよい。そして、この下限周速比λLと上限周速比λUで設定された範囲H以内となるように風車ロータの回転数を制御すれば、出力係数Cpを風車最大出力(すなわち、最大出力係数Cpmax)の近傍に保持することができる。すなわち、この上限周速比λUと下限周速比λLで規定される範囲H内において、移動平均風速Vgrにあった風車のロータの回転数(いいかえれば交流発電機30のロータの回転数)を制御できれば、風車最大出力を良好に得ることが可能となる。なお、図11の横軸の周速比λの数値及び縦軸の出力係数Cpの数値は、例示であって、風車の種類、形状等により異なる。 Therefore, as shown in FIG. 11, a range H including the maximum output coefficient Cpmax is set with a lower limit peripheral speed ratio λL and an upper limit peripheral speed ratio λU. The lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU may be set as appropriate so as to have values that sandwich the peripheral speed ratio λ that is the maximum output coefficient Cpmax. If the rotational speed of the wind turbine rotor is controlled to be within the range H set by the lower limit circumferential speed ratio λL and the upper limit circumferential speed ratio λU, the output coefficient Cp is set to the windmill maximum output (that is, the maximum output coefficient Cpmax). Can be held in the vicinity. That is, the rotational speed of the rotor of the wind turbine (in other words, the rotational speed of the rotor of the AC generator 30) that is at the moving average wind speed Vgr within the range H defined by the upper limit peripheral speed ratio λU and the lower limit peripheral speed ratio λL. If it can be controlled, the maximum output of the wind turbine can be obtained satisfactorily. In addition, the numerical value of the peripheral speed ratio λ on the horizontal axis and the numerical value of the output coefficient Cp on the vertical axis in FIG. 11 are examples, and differ depending on the type and shape of the windmill.
なお、図11においては、上限周速比λUのときの出力係数Cpaと、下限周速比λLのときの出力係数Cpbは、異なる値となっているが、これらの値は風車により異なったり、同値となる。 In FIG. 11, the output coefficient Cpa at the upper limit peripheral speed ratio λU and the output coefficient Cpb at the lower limit peripheral speed ratio λL have different values, but these values differ depending on the windmill, Equivalent.
なお、図12は、出力係数Cpが最大の周速比時の風速Vと風車ロータの回転数Nとの関係を示す説明図である。同図において、横軸は風速V(m/s)であり、縦軸は風車ロータの回転数Nである。また、同図において、実線は最大出力係数Cpmaxの場合の周速比λにおける風速Vと風車ロータの回転数Nの特性を示している。また、一点鎖線は、下限周速比λLと上限周速比λUのそれぞれにおける風速Vと風車ロータの回転数Nの特性を示している。 FIG. 12 is an explanatory diagram showing the relationship between the wind speed V and the rotational speed N of the wind turbine rotor when the output coefficient Cp is the maximum peripheral speed ratio. In the figure, the horizontal axis is the wind speed V (m / s), and the vertical axis is the rotational speed N of the wind turbine rotor. In the figure, the solid line shows the characteristics of the wind speed V and the rotational speed N of the wind turbine rotor at the peripheral speed ratio λ in the case of the maximum output coefficient Cpmax. The alternate long and short dash line indicates the characteristics of the wind speed V and the rotational speed N of the wind turbine rotor at the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU, respectively.
上述のようにしてコントローラ80は、第1回生モードでは、図11に示す下限周速比λLと上限周速比λUの範囲内で、移動平均風速Vgrに対して、ロータの回転数Nを一定回転数を目標にして、かつ風速(移動平均風速Vgr)の変動に応じて回生電流指令値を増減させるようにしている。
As described above, in the first regeneration mode, the
(S105)
S105では、コントローラ80は、履歴フラグF0(力行フラグ)、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)及び履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)を「0」にリセットし、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)を「1」にセットして、S20に戻る。
(S105)
In S105, the
(S110)
S110では、コントローラ80はメカブレーキ26のロックを解除した状態で、第2回生モードでインバータ40を介して交流発電機30を制御する。
(S110)
In S110, the
すなわち、コントローラ80は、発電電流Iを一定にするように、かつ、発電電圧Eを風速に応じるようにインバータ40を制御し、S115に移行する。また、第2回生モードにおいても、図11の周速比λが、下限周速比λLと、上限周速比λUの間で行われるように前記発電電流Iを一定にする。具体的には、コントローラ80は、第2回生モードでは、図11に示す下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内で、移動平均風速Vgrに対して、一定の発電電流値を目標にして、回生制御するとともにロータの回転数Nを、移動平均風速Vgrの変動に応じて増減させる。
That is, the
なお、S110において、コントローラ80は、速度センサ32の検出信号に基づいて、回転数Nを監視しており、この回転数NがNc(図10参照)に達した場合は、メカブレーキ26にて垂直軸風車20の回転を停止するとともにインバータ40による回生制御を停止する。
In S110, the
(S115)
S115では、コントローラ80は、履歴フラグF0(力行フラグ)、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)及び履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)を「0」にリセットし、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)を「1」にセットして、S20に戻る。
(S115)
In S115, the
(S120)
S120では、コントローラ80は、周速比λを、
最下限周速比λLL≦λ<下限周速比λL
の範囲で、移動平均風速Vgrの変動に応じて、回生電流指令値を生成してロータの回転数Nを増減させる。最下限周速比λLLは、垂直軸風車20が許容される周速比の最下限値である。この場合の出力係数Cpは、図11に示すように、Cpc≦Cp<Cpbとなる。Cpcは最下限周速比λLLのときの出力係数である。
(S120)
In S120, the
Lower limit peripheral speed ratio λLL ≦ λ <lower limit peripheral speed ratio λL
In this range, a regenerative current command value is generated and the number of revolutions N of the rotor is increased or decreased according to the fluctuation of the moving average wind speed Vgr. The lowest-limit peripheral speed ratio λLL is the lowest-limit value of the peripheral speed ratio at which the vertical axis wind turbine 20 is allowed. The output coefficient Cp in this case is Cpc ≦ Cp <Cpb as shown in FIG. Cpc is an output coefficient when the lowest peripheral speed ratio λLL.
第1回生モード及び第2回生モードが、出力係数Cpを最大出力係数Cpmaxの近傍に保持するように周速比λを下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内に制御しているのに対して、第3回生モードでは、周速比λが下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内となるようにしているところが異なる。 In the first regeneration mode and the second regeneration mode, the peripheral speed ratio λ is controlled within the range between the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU so that the output coefficient Cp is maintained in the vicinity of the maximum output coefficient Cpmax. On the other hand, in the third regeneration mode, the peripheral speed ratio λ is different from the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU.
(S125)
S125では、コントローラ80は、履歴フラグF0(力行フラグ)、履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)及び履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)を「0」にリセットし、履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)を「1」にセットして、S20に戻る。
(S125)
In S125, the
次に、図8に示すように期間(I)〜(V)のそれぞれにおいて移動平均風速Vgrが変わる場合を例にして説明する。
(1.期間(I)について)
図8の期間(I)は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのS70で第1回生モード条件を満足する場合の移動平均風速Vgrの例である。期間(I)中は、第1回生モード開始基準値Vb<移動平均風速Vgr≦第2回生モード開始基準値Vcであるとともに、履歴フラグF1が「1」にセットされるため、期間(I)中は全て第1回生モードでインバータ40を介して交流発電機30の制御が行われる。
Next, the case where the moving average wind speed Vgr changes in each of the periods (I) to (V) as shown in FIG. 8 will be described as an example.
(1. About period (I))
The period (I) in FIG. 8 is an example of the moving average wind speed Vgr when the first regeneration mode condition is satisfied in S70 of the flowchart after the power generation program is started. During the period (I), the first regeneration mode start reference value Vb <the moving average wind speed Vgr ≦ the second regeneration mode start reference value Vc and the history flag F1 is set to “1”, so the period (I) The inside of the
従って、図9(b)に示すように、期間(I)中は、交流発電機30のロータの回転速度v(回転数N)が一定となるため、垂直軸風車20の風車ブレード22(羽)の回転速度は一定となる。なお、図9(b)の期間(I)及び後述する期間(III)においては、「回転数一定」と記載している。この「回転数一定」とは、短時間(制御周期レベル)においては回転数一定で制御していることを意味している。図9(b)の期間(I)で図示している回転数は、制御周期のレベルではなく、それよりも長期間のレベルでは、風速が変化すると、図9(a)に示すように、発電電流Iは、風速比例となる。従って、交流発電機30が風速比例(この風速は、平均風速のことである)で制御されていることから、ロータの回転数が変化していることが図示されているのである。なお、図13に示すように、風車が設置される場所の実風速は、数秒で大きく変動するのが一般的である。本実施形態の期間(I)、及び期間(III)では、実風速ではなく、移動平均風速に応じて回生モードで制御していることを理解されたい。
Therefore, as shown in FIG. 9B, during the period (I), the rotational speed v (rotational speed N) of the rotor of the
また、図9(c)では、期間(I)、及び後述する期間(III)において、周速比λが一定で変化していないように図示しているが、実際は、周速比λが上限周速比λUと下限周速比λLとの間で周速比λが保持されていることを便宜的に示しているものである。実際には、期間(I)、及び後述する期間(III)では、周速比λは、上限周速比λUと下限周速比λLの範囲以内で移動平均風速Vgrに応じて周速比λは変動する。 Further, in FIG. 9C, the peripheral speed ratio λ is shown to be constant and not changed in the period (I) and the period (III) described later. For the sake of convenience, it is shown that the peripheral speed ratio λ is maintained between the peripheral speed ratio λU and the lower limit peripheral speed ratio λL. Actually, in the period (I) and the period (III) described later, the circumferential speed ratio λ is within the range of the upper limit circumferential speed ratio λU and the lower limit circumferential speed ratio λL according to the moving average wind speed Vgr. Will fluctuate.
(2.期間(II)について)
図8の期間(II)は前記発電プログラムが起動された後に、フローチャートのS70で力行モード条件を満足する場合の移動平均風速Vgrの例である。
(2. About period (II))
Period (II) in FIG. 8 is an example of the moving average wind speed Vgr when the power running mode condition is satisfied in S70 of the flowchart after the power generation program is started.
移動平均風速Vgrが、移動平均風速Vgr≦力行モード開始基準値Va、であって、前回制御周期での履歴フラグF1(第1回生モードフラグ)が「1」にセットされている場合、力行モード条件の中の第1条件を満足するため力行モードに移行する。この期間(II)に一旦入った後は、履歴フラグF0(力行フラグ)が「1」にセットされるとともに、この後における期間(II)中は、移動平均風速Vgr<第1回生モード開始基準値Vbであるため、第2条件を満足することになる。 When the moving average wind speed Vgr is the moving average wind speed Vgr ≦ the power running mode start reference value Va and the history flag F1 (first regeneration mode flag) in the previous control cycle is set to “1”, the power running mode In order to satisfy the first condition among the conditions, the mode is shifted to the power running mode. After entering this period (II), the history flag F0 (power running flag) is set to “1”, and during the subsequent period (II), the moving average wind speed Vgr <the first regeneration mode start reference Since the value is Vb, the second condition is satisfied.
このため、期間(II)中は全て力行モードでインバータ40を介して交流発電機30の制御が行われる。
従って、図9(b)に示すように、期間(II)中は、期間(I)からの移行期間を除いて交流発電機30のロータは力行で回転速度v(回転数N)が一定となるように回転駆動されるため、垂直軸風車20の風車ブレード22(羽)の回転速度は一定となる。
Therefore, during the period (II), the
Therefore, as shown in FIG. 9B, during the period (II), the rotor of the
(3.期間(III)について)
図8の期間(III)は、期間(II)を経過した後に、フローチャートのS70で第1回生モード条件を満足する場合の風速の例である。
(3. About period (III))
The period (III) in FIG. 8 is an example of the wind speed when the first regeneration mode condition is satisfied in S70 of the flowchart after the period (II) has elapsed.
移動平均風速Vgrが、第1回生モード開始基準値Vb<移動平均風速Vgr≦第2回生モード開始基準値Vcとなったとき、前回制御周期での履歴フラグF0は「1」にセットされているため、すなわち、第1回生モード条件を満足するため、第1回生モードに移行する。 When the moving average wind speed Vgr satisfies the first regeneration mode start reference value Vb <moving average wind speed Vgr ≦ second regeneration mode start reference value Vc, the history flag F0 in the previous control cycle is set to “1”. Therefore, in order to satisfy the first regeneration mode condition, the mode is shifted to the first regeneration mode.
期間(III)中は、第1回生モード開始基準値Vb<移動平均風速Vgr≦第2回生モード開始基準値Vcであるとともに、履歴フラグF1が「1」にセットされるため、期間(III)中は全て第1回生モードでインバータ40を介して交流発電機30の制御が行われる。
During the period (III), the first regeneration mode start reference value Vb <moving average wind speed Vgr ≦ the second regeneration mode start reference value Vc and the history flag F1 is set to “1”, so the period (III) The inside of the
従って、図9(b)に示すように、期間(III)中は、交流発電機30のロータの回転速度v(回転数N)が一定となるため、垂直軸風車20の風車ブレード22(羽)の回転速度は一定となる。また、図9(a)に示すように、発電電流Iは、風速比例となる。
Accordingly, as shown in FIG. 9B, during the period (III), the rotational speed v (rotational speed N) of the rotor of the
(4.期間(IV)について)
図8の期間(IV)は、期間(III)経過した後に、フローチャートのS80で第2回生モード条件を満足する場合の例である。
(4. About period (IV))
The period (IV) in FIG. 8 is an example when the second regeneration mode condition is satisfied in S80 of the flowchart after the period (III) has elapsed.
移動平均風速Vgrが、第2回生モード開始基準値Vc<移動平均風速Vgr<許容最大風速Vmaxとなったとき、第2回生モード条件を満足するため、第2回生モードに移行する。この期間(IV)中は、第2回生モード開始基準値Vc<移動平均風速Vgr<許容最大風速Vmaxであるため、第2回生モードでインバータ40を介して交流発電機30の制御が行われる。
When the moving average wind speed Vgr satisfies the second regeneration mode start reference value Vc <moving average wind speed Vgr <allowable maximum wind speed Vmax, the second regeneration mode condition is satisfied, so that the second regeneration mode is entered. During this period (IV), since the second regeneration mode start reference value Vc <moving average wind speed Vgr <allowable maximum wind speed Vmax, the
すなわち、第2回生モードでは、周速比λが下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内で、Iaで発電電流Iが一定(固定)にされ、交流発電機30のロータの回転数N(rpm)を移動平均風速Vgrに応じて増減するようにインバータ40を制御する。従って、図8、及び図9(b)に示すように、期間(IV)中は、交流発電機30のロータの回転速度は移動平均風速Vgrに応じたものとなるため風車ブレード22(羽)の回転数(回転速度)も風速に応じたものとなる。
That is, in the second regeneration mode, the generated current I is constant (fixed) at Ia when the peripheral speed ratio λ is within the range of the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU, and the rotor of the
本実施形態では、図9(a)に示すように、期間(IV)の第2回生モードでは、発電電流IをIaで一定にして、風速比例で垂直軸風車20の回転数を制御するため、垂直軸風車のメカの限界域まで発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 9A, in the second regeneration mode of the period (IV), the generated current I is made constant at Ia, and the rotational speed of the vertical axis wind turbine 20 is controlled in proportion to the wind speed. It becomes possible to expand the power generation area to the limit range of the mechanism of the vertical axis wind turbine, and the total power generation amount can be increased.
(5.期間(V)について)
図8の期間(V)は、期間(IV)を経過した後に、フローチャートのS80で第3回生モード条件を満足する場合の例である。
(5. About period (V))
The period (V) in FIG. 8 is an example in which the third regeneration mode condition is satisfied in S80 of the flowchart after the period (IV) has elapsed.
移動平均風速Vgrが、第3回生モード開始基準値Vd≦移動平均風速Vgr≦許容最大風速Vmax、であって、履歴フラグF2(第2回生モードフラグ)、履歴フラグF3(第3回生モードフラグ)のいずれか一方が「1」にセットされているため、第3回生モード条件を満足する。このため、第3回生モードに移行するのである。 The moving average wind speed Vgr is the third regeneration mode start reference value Vd ≦ moving average wind speed Vgr ≦ allowable maximum wind speed Vmax, and history flag F2 (second regeneration mode flag) and history flag F3 (third regeneration mode flag). Since either one of these is set to “1”, the third regeneration mode condition is satisfied. For this reason, it shifts to the 3rd regeneration mode.
この期間(V)中の第3回生モードでは、周速比λが、最下限周速比λLL≦λ<下限周速比λL、の範囲で、移動平均風速Vgrの変動に応じて、回生電流指令値を生成してロータの回転数Nが増減する。 In the third regeneration mode during this period (V), the peripheral speed ratio λ is within the range of the minimum lower limit peripheral speed ratio λLL ≦ λ <the lower limit peripheral speed ratio λL, and the regenerative current according to the fluctuation of the moving average wind speed Vgr. A command value is generated, and the rotational speed N of the rotor increases or decreases.
このようにして、第1回生モード及び第2回生モードが、出力係数Cpを最大出力係数Cpmaxの近傍に保持するように周速比λを下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内に制御しているのに対して、第3回生モードでは、周速比λが下限周速比λLと上限周速比λUの範囲以内となる。 Thus, in the first regeneration mode and the second regeneration mode, the peripheral speed ratio λ is within the range between the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU so that the output coefficient Cp is maintained in the vicinity of the maximum output coefficient Cpmax. On the other hand, in the third regeneration mode, the peripheral speed ratio λ is within the range of the lower limit peripheral speed ratio λL and the upper limit peripheral speed ratio λU.
図3の交流発電機の電流・トルク特性図には、上記期間(I)、(II)、(III)、(IV)、(V)及び(VI)が、どの領域で行われるかを図示している。
また、図10の回転数(回転速度)とトルクとの関係を示す説明図には、上記期間(I)、(II)、(III)、(IV)、(V)及び(VI)が、どの領域で行われるかを図示している。
In the current / torque characteristic diagram of the AC generator in FIG. 3, it is shown in which region the periods (I), (II), (III), (IV), (V), and (VI) are performed. Show.
Further, in the explanatory diagram showing the relationship between the rotation speed (rotation speed) and the torque in FIG. 10, the above periods (I), (II), (III), (IV), (V), and (VI) are It shows in which area it is performed.
風速が激しく変動する風に対して、発電制御を行う場合、発電制御の基準として風速の移動平均を取り、この移動平均風速に基づいて発電をフィードバック制御するようにしている。従来は、風速が高くなってその風エネルギが大きくなり過ぎると、風車の羽(動翼)を回転を停止するようにしている。これに対して、本実施形態では、低効率回生モードである第3回生モードで、最大出力係数Cpmaxを含まない、最下限周速比λLLと下限周速比λLとの間の低効率の範囲においても発電を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーが交換できる。 When power generation control is performed on a wind whose wind speed fluctuates drastically, a moving average of the wind speed is taken as a reference for power generation control, and power generation is feedback controlled based on the moving average wind speed. Conventionally, when the wind speed becomes high and the wind energy becomes too large, the rotation of the blades of the windmill (the moving blade) is stopped. On the other hand, in the present embodiment, in the third regeneration mode which is the low efficiency regeneration mode, a range of low efficiency between the lower limit peripheral speed ratio λLL and the lower limit peripheral speed ratio λL that does not include the maximum output coefficient Cpmax. It also generates electricity. For this reason, unlike conventional ones, electric energy can be exchanged more widely for wind energy.
また、従来から、風速は、数秒で大きく変動し、特に、突風のような瞬時の大きな風速変化に対しては、暴走の安全策として風車の回転数を小さめに抑制し、風車出力を落とすようにしていた。 Conventionally, the wind speed has fluctuated greatly in a few seconds. Especially for large instantaneous wind speed changes such as gusts of wind, as a safety measure for runaway, the wind turbine speed should be kept low and the wind turbine output reduced. I was doing.
本実施形態の発電装置では、突風があったときには、突風対応モードにおいて、動翼の回転を停止することなく、回生を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーが交換できる。 In the power generation device of the present embodiment, when there is a gust of wind, regeneration is performed without stopping the rotation of the moving blades in the gust response mode. For this reason, unlike conventional ones, electric energy can be exchanged more widely for wind energy.
本実施形態では、下記の特徴を有する。
(1)本実施形態の発電装置では、回生モードは、垂直軸風車20の周速比λが、垂直軸風車20の最大出力係数Cpmaxを含む高効率範囲で行う第1回生モード及び第2回生モード(高効率回生モード)と、最大出力係数Cpmaxを含まない低効率範囲で行う第3回生モード(低効率回生モード)を含む。コントローラ80(制御部)は、移動平均風速Vgrが第3回生モード開始基準値Vd(低効率判定閾値)以上の場合、インバータ40を介して低効率回生モードで交流発電機30を制御し、移動平均風速Vgrが第3回生モード開始基準値Vd(低効率判定閾値)未満の合、インバータ40を介して高効率回生モードで交流発電機30を制御する。この結果、本実施形態によれば、低効率回生モードである第3回生モードで、最大出力係数Cpmaxを含まない、最下限周速比λLLと下限周速比λLとの間の低効率の範囲においても発電を行う。このため、従来と異なり、より広く風のエネルギーを電気エネルギーに交換できる。
This embodiment has the following features.
(1) In the power generation device of the present embodiment, the regeneration mode includes the first regeneration mode and the second regeneration that are performed in a high efficiency range in which the peripheral speed ratio λ of the vertical axis wind turbine 20 includes the maximum output coefficient Cpmax of the vertical axis wind turbine 20. A mode (high efficiency regeneration mode) and a third regeneration mode (low efficiency regeneration mode) performed in a low efficiency range not including the maximum output coefficient Cpmax are included. When the moving average wind speed Vgr is equal to or higher than the third regeneration mode start reference value Vd (low efficiency determination threshold), the controller 80 (control unit) controls the
(2)本実施形態の発電装置では、コントローラ80(制御部)は、インバータ40を介して第1〜第3回生モード又は力行モードで制御するものである。また、高効率回生モードは、第1回生モード及び第2回生モードを含む。コントローラ80(制御部)は、力行モードで制御中に移動平均風速Vgrが速くなって第1回生モード開始基準値Vbを超える場合は、第1回生モードとして、垂直軸風車20の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行う。また、第1回生モードで制御中に、移動平均風速Vgrが第2回生モード開始基準値Vcを超えたときは、第2回生モードとして、発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて垂直軸風車20を回転させる。
(2) In the power generation device of the present embodiment, the controller 80 (control unit) is controlled in the first to third regeneration modes or the power running mode via the
この結果、本実施形態によれば、第1回生モードでは、出力係数Cpが最大値を含む範囲で行われるため、効率的に発電を行うことができる。また、第2回生モードでは、発電電流Iを一定にして、風速比例で垂直軸風車20の回転数を制御するため、垂直軸風車のメカの限界域へ向けて発電領域を拡げることが可能となり、総発電量を多くすることができる。 As a result, according to the present embodiment, in the first regeneration mode, since the output coefficient Cp is performed in a range including the maximum value, power generation can be performed efficiently. Further, in the second regeneration mode, since the generated current I is constant and the rotational speed of the vertical axis wind turbine 20 is controlled in proportion to the wind speed, it is possible to expand the power generation area toward the limit range of the mechanism of the vertical axis wind turbine. The total power generation can be increased.
(3)本実施形態の発電装置では、コントローラ80(制御部)は、移動平均風速Vgrが力行モード開始基準値よりも遅い場合は、力行モードで交流発電機30の制御を開始する。この結果、本実施形態では、たとえば、風車ロータが回転していない起動時などにおいて、移動平均風速Vgrが小さい場合、力行モードで積極的に回転して、移動平均風速Vgrが力行モード開始基準値を超える場合、回生モードへ移行させることをスムーズに行うことができる。
(3) In the power generator of the present embodiment, the controller 80 (control unit) starts control of the
(4)本実施形態の発電装置では、コントローラ80(制御部)は、風速が突風の判定条件を満足する場合は、突風対応モードの制御を行う。すなわち、コントローラ80は、突風対応モードでは、低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するようにインバータ40を制御する。このことにより、上記回生モードよりも大きな制動力を得て、風車ブレード22の回転を抑制することができる。
(4) In the power generator of this embodiment, the controller 80 (control unit) controls the gust response mode when the wind speed satisfies the gust detection condition. That is, the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように構成してもよい。
・前記実施形態において、力行モードを省略してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, You may comprise as follows.
In the embodiment, the power running mode may be omitted.
・前記実施形態では、移動平均風速Vgrを、単純移動平均で算出するようにしたが、単純移動平均に限定するものではなく、他の移動平均、例えば、加重移動平均、指数移動平均等でもよい。例えば、加重移動平均、及び指数移動平均の場合は、最近のデータを重視するために最近のデータほど重みを重くし、古いデータほど重みを軽くする。 In the above embodiment, the moving average wind speed Vgr is calculated by the simple moving average, but is not limited to the simple moving average, and may be another moving average, for example, a weighted moving average, an exponential moving average, or the like. . For example, in the case of a weighted moving average and an exponential moving average, in order to attach importance to recent data, the weight is weighted more recently, and the weight is lighter the older data.
・前記実施形態において、図14に示すようにS95、S105、S115、S125を省略してもよい。すなわち、履歴フラグを省略してもよい。このような発電装置の構成にしても、前記実施形態の(1)と同様の作用効果を得る。 In the above embodiment, S95, S105, S115, and S125 may be omitted as shown in FIG. That is, the history flag may be omitted. Even if it is the structure of such a power generator, the effect similar to (1) of the said embodiment is acquired.
10…風力発電装置、20…垂直軸風車、22…風車ブレード、
24…垂直軸、26…メカブレーキ、30…交流発電機、
32…速度センサ、40…インバータ、50…平滑コンデンサ、
52…電圧検出部、60…二次電池(蓄電部)、70…ドライバ、
80…コントローラ(制御部)、90…コンバータ、
100…系統連系用変圧器、110…風速計(風速検出部)。
10 ... wind power generator, 20 ... vertical axis windmill, 22 ... windmill blade,
24 ... Vertical axis, 26 ... Mechanical brake, 30 ... Alternator,
32 ... speed sensor, 40 ... inverter, 50 ... smoothing capacitor,
52 ... Voltage detection unit, 60 ... Secondary battery (power storage unit), 70 ... Driver,
80 ... Controller (control unit), 90 ... Converter,
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記回生モードは、前記垂直軸風車の周速比が、当該垂直軸風車の最大出力係数を含む高効率範囲で行う高効率回生モードと、前記最大出力係数を含まない低効率範囲で行う低効率回生モードを含み、
前記制御部は、前記移動平均風速が、低効率判定閾値以上の場合には、前記インバータを介して低効率回生モードで前記交流発電機を制御し、前記移動平均風速が、低効率判定閾値未満の場合には、前記インバータを介して高効率回生モードで前記交流発電機を制御する発電装置。 A vertical axis wind turbine for converting wind kinetic energy into mechanical kinetic energy, an AC generator driven by the vertical axis wind turbine, an inverter for converting AC output of the AC generator to DC, and a DC from the inverter A power storage unit that stores electric power; a wind speed detection unit that detects wind speed; and a control unit that controls the AC generator in a regenerative mode via the inverter according to a moving average wind speed calculated based on the wind speed. In the power generator provided,
The regeneration mode includes a high efficiency regeneration mode in which a peripheral speed ratio of the vertical axis wind turbine is in a high efficiency range including the maximum output coefficient of the vertical axis wind turbine and a low efficiency in a low efficiency range not including the maximum output coefficient. Including regeneration mode,
When the moving average wind speed is equal to or higher than the low efficiency determination threshold, the control unit controls the AC generator in the low efficiency regeneration mode via the inverter, and the moving average wind speed is less than the low efficiency determination threshold. In this case, the power generator controls the AC generator in a high-efficiency regenerative mode via the inverter.
前記高効率回生モードは、第1回生モード及び第2回生モードを含み、
前記制御部は、力行モードで制御中に前記移動平均風速が速くなって第1回生モード開始基準値を超える場合は、前記第1回生モードとして、前記垂直軸風車の回転数を一定にした状態で、風速比例で発電電流の制御を行い、
前記第1回生モードで制御中に、前記移動平均風速が第2回生モード開始基準値を超えたときは、前記第2回生モードとして、前記発電電流を一定にした状態で移動平均風速に応じて前記垂直軸風車を回転させる請求項1に記載の発電装置。 The control unit controls the regeneration mode or power running mode via the inverter,
The high-efficiency regeneration mode includes a first regeneration mode and a second regeneration mode,
When the moving average wind speed becomes faster during control in the power running mode and exceeds the first regeneration mode start reference value, the control unit is in a state in which the rotation speed of the vertical axis wind turbine is constant as the first regeneration mode Then, the generated current is controlled in proportion to the wind speed,
During the control in the first regeneration mode, when the moving average wind speed exceeds the second regeneration mode start reference value, the second regeneration mode is set according to the moving average wind speed in a state where the generated current is constant. The power generation device according to claim 1, wherein the vertical axis wind turbine is rotated.
前記制御部は、前記突風対応モードでは、前記低効率回生モードでの発電電流よりも大きな発電電流を出力するように前記インバータを制御する請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項に記載の発電装置。 When the wind speed satisfies the gust detection condition, the control unit performs control of the gust response mode.
4. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls the inverter so as to output a generated current larger than a generated current in the low-efficiency regeneration mode in the gust response mode. 5. Power generator.
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