JP2515750B2 - Wind power generator control method - Google Patents
Wind power generator control methodInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、風速変動に従って風車の回転数を変化させ
る可変速制御運転を主体とした風力発電装置の制御方法
に係り、特に風車のロータもしくは発電機の回転数情報
を基に、不規則な風況変化条件下に、有効エネルギー取
得を可能とするプログラム制御方法に関するものであ
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a control method for a wind turbine generator mainly based on a variable speed control operation in which the rotation speed of a wind turbine is changed according to wind speed fluctuations, and more particularly to a rotor of the wind turbine or a wind turbine generator. The present invention relates to a program control method that enables effective energy acquisition under irregular wind condition change conditions based on generator speed information.
(従来技術) 従来から風力発電装置として、プロペラ型、ダリウス
型等の入力部を備えた各種方式のシステムが知られ、そ
の発電機としては直流発電機、同期発電機、誘導発電機
が主として採用されている。(Prior Art) Conventionally, as wind power generators, various types of systems having an input part such as a propeller type and a Darrieus type have been known, and DC generators, synchronous generators, and induction generators have been mainly adopted as generators. Has been done.
そして、かかる従来の風力発電装置では採用する発電
機側の特性に合わせた制御方法が用いられ、風車側のブ
レードなどの特性に対しては必ずしも適した運転状態と
は言えず、設計上においても無理がかかることが多い。And, in such a conventional wind power generator, a control method matched to the characteristics of the generator side adopted is used, and it cannot be said that the operating state is suitable for the characteristics of the wind turbine blades, etc. Often overwhelmed.
その中でも、小型のものでは直流発電機を採用したも
のが多いが、各要素を組合せたに過ぎず、その構造、制
御の面で十分に満足できるものでない。Among them, many of the small ones use a DC generator, but they are merely combinations of the respective elements and are not sufficiently satisfactory in terms of their structure and control.
また定回転制御を前提としたものには同期発電機を採
用したものが多いが、この制御方式では風車ブレードの
効率特性を考慮することができず、また、入力エネルギ
ーの変動分を定回転制御のために無駄にしていることか
ら、大きな変動荷重を受けるとともに有効エネルギー取
得を維持できないといった問題を有する。In addition, many of those that have assumed constant rotation control use a synchronous generator, but this control method cannot consider the efficiency characteristics of the wind turbine blades, and the fluctuation of input energy is controlled by constant rotation control. Therefore, there is a problem that a large fluctuating load is applied and effective energy acquisition cannot be maintained.
さらに、他の電源との系統直結を図ることを前提とし
たものには、誘導機を用いたものが多いが、この場合に
も同期機を用いた定回転制御方式と同様の問題点を有
し、また、誘導機のすべり−トルク特性はゲインが高い
ことから、風車ブレードのピッチ制御を行うとき、制御
システムの応答性が高く求められ、そのためのパワーが
大きくなり実用的でない。このため、容量の大きな誘導
発電機を採用しなければならず、それに伴なって起動風
速が高くなったり、突風(ガスト)に対する風車の保護
も困難となり、設置場所が制約されるといった難点を有
していた。In addition, many of them are based on the assumption that the system is directly connected to another power source, but use an induction machine, but in this case as well, they have the same problems as the constant rotation control method using a synchronous machine. Moreover, since the slip-torque characteristic of the induction machine has a high gain, when the pitch control of the wind turbine blade is performed, a high responsiveness of the control system is required, and the power for that is large, which is not practical. Therefore, it is necessary to use an induction generator with a large capacity, which increases the starting wind speed, and it is difficult to protect the wind turbine against gusts (gusts). Was.
一方、風力発電装置は、風速変動に従って回転数を変
化させる可変速運転のものと、系統連系を前提としたも
のでは風車ブレードのピッチ角制御を前提とした定回転
運転のものとがある。この定回転運転によるものは、運
転モードの設定や制御のアルゴリズムも比較的、簡単で
ある反面、上述したごとく、エネルギー取得の効率が低
下し易く、さらには変動荷重が大きいこと、軌道特性が
良好でないこと、ピッチ角制御の精度、応答性が高く要
求されことなどの不具合を有する。On the other hand, wind power generators include those of variable speed operation in which the number of revolutions is changed according to fluctuations in wind speed, and those of constant speed operation that are premised on system interconnection and that are premised on pitch angle control of wind turbine blades. This constant rotation operation has a relatively simple operation mode setting and control algorithm, but as described above, the energy acquisition efficiency tends to decrease, and the variable load is large and the trajectory characteristics are good. However, there is a problem that the pitch angle control accuracy and responsiveness are required to be high.
そこで、これら可変速と定回転のそれぞれの運転特性
を考慮した上で、上記問題点を解消でき、さらに、どの
様な発電機を採用しても、その制御アルゴリズムの基本
的な変更は必要とせず容易に対応することができ有効エ
ネルギー取得が可能な制御方法の実現が望まれていた。Therefore, the above problems can be solved by considering the operating characteristics of each of the variable speed and constant rotation, and no matter what kind of generator is adopted, it is necessary to fundamentally change the control algorithm. It has been desired to realize a control method that can easily cope with the problem and can acquire effective energy.
(発明の目的) 本発明は、上記要請に応えるもので、風車のロータも
しくは発電機の回転数情報を基に発電機出力との所定の
関係を持つプログラム制御による可変速制御を行うこと
により、発電機の種類に左右されることなく、不規則に
変動する風況条件下において高いエネルギー取得率を維
持することができるとともに起動特性を向上することが
でき、また、変動荷重を軽減し、風車のブレード、タワ
ーなどの構造物の設計条件の変化に容易に対応すること
ができ経済性が高く、さらには風車ブレードのピッチ角
制御が容易で省パワー化が図れる風力発電装置の制御方
法を提供するものである。(Object of the invention) The present invention meets the above-mentioned demands, and performs variable speed control by program control having a predetermined relationship with the generator output based on the rotor speed information of the wind turbine or the generator, Regardless of the type of generator, it is possible to maintain a high energy acquisition rate under irregular wind conditions and improve start-up characteristics. A method for controlling a wind turbine generator that can easily respond to changes in the design conditions of blades, towers, and other structures, is highly economical, and can easily control the pitch angle of the wind turbine blades to save power. To do.
(発明の構成) 本発明は、風速変動に従って風車の回転数を変化させ
る可変速制御運転を行う風力発電装置の制御方法におい
て、定格出力域に達するまでは発電機もしくは風車のロ
ータの回転数と出力とを設定された関係に保つプログラ
ム制御による定周速比もしくはそれに近い可変速運転を
行い、定格出力域に達した後は風車ブレードのピッチ角
制御により該回転数の変動を所定の許容範囲内に保つと
ともに出力を一定に保つ可変速運転を行い、上記プログ
ラム制御による回転数と出力との設定関係は、該回転数
が定格回転数に近づくまで風車のパワー係数の大きい値
を保つ定周速比制御と、該回転数が定格回転数に達する
前から風車の周速比を低下させる方向に回転数と出力と
の関係を変化させることにより該回転数の変動を所定の
許容範囲に保つ負荷制御とのアルゴリズムを有したもの
である。(Structure of the Invention) The present invention relates to a control method for a wind turbine generator that performs a variable speed control operation in which the rotation speed of a wind turbine is changed according to wind speed fluctuations, and a rotation speed of a generator or a rotor of a wind turbine until a rated output range is reached. The output is maintained at a set relationship by a program controlled constant speed ratio or variable speed operation close to it, and after reaching the rated output range, the pitch angle control of the wind turbine blades allows the fluctuation of the rotational speed to fall within a predetermined allowable range. The variable speed operation is performed to keep the output constant while keeping the output constant, and the setting relationship between the rotation speed and the output by the above program control is such that the constant frequency keeps the power factor of the wind turbine large until the rotation speed approaches the rated rotation speed. The speed ratio control and the change of the rotational speed and the output in the direction of decreasing the peripheral speed ratio of the wind turbine from before the rotational speed reaches the rated rotational speed allow the fluctuation of the rotational speed to a predetermined value. It has an algorithm with load control that keeps the range.
この制御方法により、発電機の種類に応じて基本的な
制御アルゴリズムを変更しなくとも風車ブレードの特性
に合わせてエネルギー変換効率の高い周速比を追従する
可変速運転を行い、広い回転数範囲に亘って、変動入力
である風力エネルギーを風車のロータ、発電機などの慣
性系に蓄えることができるため、荷重変動の緩和が図
れ、低風速からの起動が可動で、さらには構造物の設計
条件、特性に容易に適合させることができる。With this control method, variable speed operation that follows the peripheral speed ratio with high energy conversion efficiency according to the characteristics of the wind turbine blade is performed without changing the basic control algorithm according to the type of generator, and a wide rotation speed range Wind energy, which is a variable input, can be stored in the inertial system of the rotor of the wind turbine, generator, etc. over a period of time, so load fluctuations can be mitigated, start-up from low wind speeds is possible, and structure design is possible. It can be easily adapted to the conditions and characteristics.
(実施例) 本発明の制御方法を実施した風力発電装置の基本構成
を第1図に示す。(Example) FIG. 1 shows the basic configuration of a wind turbine generator that implements the control method of the present invention.
同装置は、風力エネルギーPwを軸動力に変換する風車
1と、上記軸動力を電力に変換する動力−電力変換器
2、具体的には発電機と周波数変換器(コンバータな
ど)と、風車1の回転数に応じて予め設定された出力指
令信号により上記動力−電力変換器2の出力電力を制御
する制御装置3とにより基本的に構成される。そして、
風車1のロータ回転数を回転数センサ4にて検出し、制
御装置3において、後述することができプログラム制御
のための予め設定された回転数と出力との関係(マッ
プ)を有した出力指令発生器5により定められた出力指
令信号PREFと、出力検出回路6にて検出した動力−電力
変換器2の電気エネルギーの出力信号Pとを比較手段7
にて比較し、その差信号を制御装置3の出力として制御
増巾器8によって操作信号を動力−電力変換器2に与え
るようにしている。The device includes a wind turbine 1 that converts wind energy Pw into shaft power, a power-power converter 2 that converts the shaft power into electric power, specifically, a generator and a frequency converter (converter or the like), and a wind turbine 1 It is basically configured by a control device 3 that controls the output power of the power-power converter 2 by an output command signal that is preset according to the number of revolutions. And
An output command that detects the rotor rotation speed of the wind turbine 1 by the rotation speed sensor 4 and has a preset relationship (map) between the rotation speed and the output for the program control, which can be described later, in the control device 3. The output command signal P REF determined by the generator 5 and the output signal P of the electric energy of the power-power converter 2 detected by the output detection circuit 6 are compared.
Then, the difference signal is used as the output of the control device 3 and the operation signal is given to the power-power converter 2 by the control amplifier 8.
特に、本発明では、詳細は後述するが、上記マップに
よるプログラム制御において可変速制御もしくはそれに
近似した制御を行うことにより、略一定の周速比での運
転もしくは風況の変化によるトルク変動を若干の範囲で
許容することにより慣性系にエネルギーを蓄わえる運転
を行なうことによりエネルギーの有効取得を図る。In particular, in the present invention, although details will be described later, by performing variable speed control or control close to it in the program control by the map, torque fluctuation due to operation at a substantially constant peripheral speed ratio or change in wind conditions is slightly reduced. By permitting the energy consumption within the range of 1, the energy is effectively stored by operating the inertial system.
以下に、その原理についてプロペラ型の風車を例に挙
げて説明する。The principle will be described below by taking a propeller-type wind turbine as an example.
プロペラ型の風車による出力の基本特性は次式で表わ
される。The basic characteristic of the output from a propeller-type wind turbine is expressed by the following equation.
出力P=1/2ρv3πR2Cp …(1) ρ:空気密度、v:風速、Cp:パワー係数、R:プロペラ半
径、ω:角速度 パワー係数Cp=2P/ρπR2v3 …(2) 周速比TSR=ωR/v …(3) ここに、風車として最大の効率を得るには、パワー係
数Cpの最高値を常に保つ制御を行なえばよく、これによ
りエネルギーの最大有効取得が可能となる。Output P = 1 / 2ρ v 3 πR 2 Cp (1) ρ: Air density, v: Wind velocity, Cp: Power coefficient, R: Propeller radius, ω: Angular velocity power coefficient Cp = 2P / ρπR 2 v 3 … (2) Peripheral speed ratio TSR = ωR / v (3) Here, in order to obtain maximum efficiency as a wind turbine, it is sufficient to perform control that always keeps the maximum value of the power coefficient Cp, which enables maximum effective acquisition of energy. Become.
風車のパワー係数Cp特性は、風車ブレードのピッチ角
βによって、各々最大点を有し、しかも(2)(3)式
より周速比TSRの関数として表わせる。したがって、風
車ブレードのピッチ角βをある値に設定すると、パワー
係数Cpが最大となる周速比TSRは定まる。The power coefficient Cp characteristic of the wind turbine has maximum points according to the pitch angle β of the wind turbine blades, and can be expressed as a function of the peripheral speed ratio TSR from the equations (2) and (3). Therefore, when the pitch angle β of the wind turbine blade is set to a certain value, the peripheral speed ratio TSR that maximizes the power coefficient Cp is determined.
いま、パワー係数Cpが最大となる周速比TSRをμmaxと
すると、 μmax=ωR/v v=ωR/μmax …(4) ω=2πN/60 …(5) ただしN:風車回転数(rpm) (4),(5)式より v=R/μmax・πN/30 …(6) (1),(6)式より P=1/2PπR2Cp max(RπN/30μmax)3 =1.8×10-3ρR5Cp max(1/μmax3)N3 …(7) この(7)式より、風車の出力Pは回転数Nの3乗に
比例することが判り、回転数Nを情報として定周速比制
御を行なえば有効エネルギー取得が可能となることが判
る。Now, assuming that the peripheral speed ratio TSR at which the power coefficient Cp is maximum is μmax, μmax = ωR / v v = ωR / μmax (4) ω = 2πN / 60 (5) where N: Wind turbine speed (rpm) From equations (4) and (5), v = R / μmax · πN / 30 (6) From equations (1) and (6) P = 1 / 2PπR 2 Cp max (RπN / 30μmax) 3 = 1.8 × 10 − 3 ρ R 5 Cp max (1 / μmax 3 ) N 3 (7) From this equation (7), it is found that the output P of the wind turbine is proportional to the cube of the rotation speed N, and the rotation speed N is used as information for constant frequency rotation. It can be seen that effective energy can be obtained by controlling the speed ratio.
これら風車のパワー係数Cp,出力P,トルクTの回転数
Nに対する特性を第2図に示す。同図において、横軸に
は回転数Nを、縦軸には各風速v1〜v7におけるパワー係
数Cp(実線),出力P(鎖線),トルクT(一点鎖線)
の特性曲線を示し、ラインPLは定格負荷を示す。同図か
ら判るように各風速V1〜V7におけるパワー係数Cpの最大
値(Cp max)が得られる回転数Nにおいて出力Pは最大
値を示し、したがって、Cp maxを保つことにより出力P
は曲線(イ)の特性が得られ、その時のトルクTは曲線
(ロ)の特性となる。つまり、パワー係数Cpを最大値に
保つことにより、風車の回転数Nによって出力Pのレベ
ルは一義的に定まることになる。なお、第3図におい
て、Nvcは発電を開始するカットイン風速(vc)に対応
するカットイン回転数、NvLは風車の定格出力が出る定
格風速VLに対応する定格回転数である。The characteristics of the power coefficient Cp, output P, and torque T of these wind turbines with respect to the rotational speed N are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the rotation speed N, and the vertical axis represents the power coefficient Cp (solid line), output P (chain line), and torque T (dashed line) at each wind speed v 1 to v 7 .
Shows the characteristic curve of and the line P L shows the rated load. As can be seen from the figure, the output P shows the maximum value at the rotational speed N at which the maximum value (Cp max) of the power coefficient Cp at each wind speed V 1 to V 7 is obtained. Therefore, by maintaining Cp max, the output P
Has the characteristic of curve (a), and the torque T at that time has the characteristic of curve (b). That is, by keeping the power coefficient Cp at the maximum value, the level of the output P is uniquely determined by the rotation speed N of the wind turbine. In the third diagram, N vc is cut-in speed corresponding to the cut-in wind speed for starting the power generation (v c), N vL is the rated rotational speed corresponding to the rated wind speed V L of the rated output of the wind turbine is out .
次に、本方法のアルゴリズムによる風力発電装置の基
本制御チャートを第3図により説明する。同図におい
て、横軸に風速vを、縦軸に出力P、回転数Nを示し、 vs:風車が回転を始める起動風速、 vc:発電を開始するカットイン風速、 vL:風車の定格出力が得られる定格風速、 vco:風車の運転を中止しフェザリングし風のエネルギー
を逃がすカットアウト風速、 PL:風力発電装置としての定格出力、 Nvc:カットイン回転数、 NvL:定格回転数、 NN:風車の無負荷設定回転数、 NN±10%:ピッチ制御によりコントロールする制御回転
数範囲、 曲線PR:ロスパワーであって、vs〜vc間は発電機の機械
損とギヤの伝達ロス(2乗カーブ)、vc時は発電機の励
磁損が加わり、vc〜vL間は励磁損と機械損、vL〜vco間
は発電機励磁損と機械損 (ほぼ一定)でなる。Next, a basic control chart of the wind turbine generator according to the algorithm of the present method will be described with reference to FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the wind speed v, the vertical axis indicates the output P and the rotation speed N, v s : the starting wind speed at which the wind turbine starts rotating, v c : the cut-in wind speed at which power generation starts, vL: the wind turbine rating Rated wind speed at which output can be obtained, v co : Cut-out wind speed at which wind turbine operation is stopped and feathered to release wind energy, P L : Rated output as a wind power generator, N vc : Cut-in speed, N vL : Rated speed, N N : No-load setting speed of wind turbine, N N ± 10%: Control speed range controlled by pitch control, Curve P R : Loss power, and between v s and v c of generator mechanical loss and transmission loss of the gear (square curve), v c when joined the excitation loss of the generator, v c to v L between the excitation loss and mechanical loss, between v L to v co is the generator excitation loss It is a mechanical loss (almost constant).
この第3図において運転状況としては次の通りであ
る。The operation status in FIG. 3 is as follows.
待機:風速0〜Vsの間は発電せず上記変換器を運転を
しない。Wait: between wind speed 0 to V s does not operating the transducer without power.
起動:風速vs〜vcの間は風のエネルギーが風車を回転
させるだけのエネルギーとして利用できる。Start-up: The wind energy can be used as the energy to rotate the windmill between wind speeds v s and v c .
カットイン:風力発電装置として発電を開始可能な状
態となり発電機に励磁を与える。Cut-in: The wind power generator becomes ready to start power generation and excites the generator.
負荷制御領域:風速vc〜vLの間は、上述した出力最大
制御を行なう。つまり、各風速の状況に合った回転数に
なるように発電電力の制御を行なう。これにより出力P
は風速(回転数)の3乗に比例した出力特性を示し、各
回転数での最大出力制御がなされる。Load control area: The above-described maximum output control is performed during the wind speed v c to v L. That is, the generated electric power is controlled so that the rotation speed matches the situation of each wind speed. This gives the output P
Indicates an output characteristic proportional to the cube of the wind speed (rotation speed), and maximum output control is performed at each rotation speed.
回転数Nは、vsから立上り、風車の持つ慣性モーメン
トとバランスしながら立上がり、vc以後は風速に比例し
て運転される。なお、回転数が上昇する過程と、風が弱
くなって回転数が下がってくる過程は矢印で示したよう
にヒステリシス特性を示す。The rotation speed N rises from v s , rises in balance with the moment of inertia of the wind turbine, and after v c , it is operated in proportion to the wind speed. The process in which the rotation speed increases and the process in which the wind weakens and the rotation speed decreases show a hysteresis characteristic as indicated by the arrow.
負荷固定領域:風速vL〜vcoの間は出力Pを一定に保
持し、入力される風のエネルギーをメカニカルなピッチ
コントローラで逃がし、回転数Nを一定の許容範囲に制
御する。Load fixing region: The output P is kept constant during the wind speeds v L to v co , the energy of the input wind is released by a mechanical pitch controller, and the rotation speed N is controlled within a fixed allowable range.
待機:風速vco以上の風況においては、装置能力以上
の風力エネルギーとなるため、メカニカルガバナーによ
ってフェザーにし、エネルギーを逃がし風車を安全な状
態に維持する。Standby: In wind conditions above wind speed v co , the wind energy exceeds the capacity of the equipment, so the mechanical governor uses feathers to release energy and maintain the windmill in a safe state.
なお第3図において、出力Pの実線は可変速制御時の
もの、破線は定回転制御時のものである。この両者の比
較から、可変速制御によりカットイン風速vcが下がり、
起動特性が向上することが判る。In FIG. 3, the solid line of the output P is for variable speed control, and the broken line is for constant rotation control. From the comparison between the two, the cut-in wind speed v c is reduced by the variable speed control,
It can be seen that the starting characteristics are improved.
第4図は風車と発電機によるエネルギー取得のための
制御モードの概念説明図である。同図において、Vは風
速、Rは風車のロータ半径、Ωはロータ角速度、ΩRは
ロータの定格回転角速度、CQは風車のトルク係数、QRは
ロータトルク、QGは発電機トルク、PGは発電機出力、K
はゲイン、KPは比例ゲイン、KIは積分ゲイン、Sは微
分、Iは慣性を示し、基本的にはロータトルクQRと発電
機トルクQGの差が常に零になるように発電機が運転制御
され、ロータ角速度Ωと発電機トルクQGと掛算により発
電機出力PGが得られる。FIG. 4 is a conceptual explanatory diagram of a control mode for energy acquisition by a wind turbine and a generator. In the figure, V is the wind speed, R represents a rotor radius of the wind turbine, Omega rotor angular velocity, Omega R is the rotor of the nominal rotational angular velocity, C Q torque coefficient of the wind turbine, Q R is the rotor torque, Q G is the generator torque, P G is the generator output, K
The gain, K P is a proportional gain, K I is an integral gain, S is the derivative, I is indicated inertia, basically generator so that the difference always zero rotor torque Q R and the generator torque Q G is Is controlled, and the generator output P G is obtained by multiplying the rotor angular velocity Ω and the generator torque Q G.
なお、ロータトルクQRは周速比μと指令ピッチ角βと
の函数であるトルク係数CQに関連し、上記指令ピッチ角
βは、ロータ角速度Ωが定格回転角速度ΩRよりも大き
くなったときにPI制御を行う伝達函数 およびピッチ変換用モータの伝達函数 を経て得られる。また、発電機トルクQGは発電機の伝達
函数 を経て得られる。Incidentally, the rotor torque Q R in relation to the torque coefficient C Q is a function of the command pitch angle beta mu peripheral speed ratio, the above command the pitch angle beta, the rotor angular velocity Omega is larger than the rated rotational angular velocity Omega R Sometimes a transfer function with PI control And pitch conversion motor transmission function Obtained through. Also, the generator torque Q G is the transfer function of the generator. Obtained through.
第5図は本発明方法におけるプログラム制御の基礎と
なるロータ回転数Nと出力Pとの関係マップ(アルゴリ
ズム)であり、このマップによりロータ回転数情報
(N)を基に発電機の励磁側に指令を与えその出力を制
御する。また第6図は、出力パワー係数CPと周速比TSR
の関係における本発明方法による運転軌跡を示す。FIG. 5 is a relational map (algorithm) between the rotor speed N and the output P, which is the basis of the program control in the method of the present invention. Based on this map, the rotor speed information (N) is used to determine the excitation side of the generator. It gives a command and controls its output. Fig. 6 shows the output power coefficient C P and the peripheral speed ratio TSR.
2 shows a driving trajectory according to the method of the present invention in the relationship of
第5図において、曲線a−b間は、上述した風車の出
力パワー係数CPが最高値を保つ3乗カーブを持った定周
速比制御領域で、ここではTSR=11(一定)としてい
る。さらに定格出力を出すロータの定格回転数に達する
直前の略直線状のb−c間は回転数が一定の許容範囲に
保たれるように負荷制御を行う領域で、ここでは設計条
件で定まる定回転制御に近くなっている。なお、これら
a−b−c間では風車ブレードのピッチ角は所定値に固
定している。定格回転数に達した後の直線状のc−d間
はピッチ角制御により定格出力を保つ領域であり、定格
出力の点cでは周速比TSR=7.7でそれ以上のところでは
周速比TSRを小さくする。In FIG. 5, a region between curves a and b is a constant peripheral speed ratio control region having a cube curve in which the output power coefficient C P of the wind turbine keeps the highest value, and here, TSR = 11 (constant). . Further, a region in which load control is performed so that the rotation speed is kept within a certain allowable range between the substantially linear b-c immediately before reaching the rated rotation speed of the rotor that outputs the rated output. It is close to rotation control. The pitch angle of the wind turbine blade is fixed to a predetermined value between a and b. After the rated speed is reached, the linear output between cd is the area where the rated output is maintained by the pitch angle control. At the rated output point c, the peripheral speed ratio TSR = 7.7 and above that the peripheral speed ratio TSR. To reduce.
また第6図において、点a,bの運転位置が上記曲線a
−b間に対応し、この点から点cまでの運転軌跡が上記
曲線b−c間に対応する負荷制御域、点cからdの運転
軌跡が上記曲線c−d間に対応する出力固定のピッチ制
御域である。そして上記制御は発電機の出力信号をみる
ことにより行うことができる。上記のごとく点b−c間
の領域では、点a−b間のように定周速比制御を行わ
ず、風車の周速比を低下させる方向に回転数と出力との
関係を変化させ、つまり、負荷の増大によって回転数上
昇が制限されながら発電機出力が高められるような制御
を行うようにしており、これにより、後述するごとく騒
音の低減、信頼性の確保、経済性の向上等の要求を満足
しつつ、風車及び発電機の機能を許容限界まで最大限に
活用することができるようにしている。Further, in FIG. 6, the operating positions of points a and b are the above curve a.
-B, the operating locus from this point to the point c corresponds to the load control range corresponding to the curve b-c, and the operating locus from the points c to d corresponds to the curve c-d. This is the pitch control area. And the said control can be performed by seeing the output signal of a generator. In the area between the points b and c as described above, the constant peripheral speed ratio control is not performed as in the case between the points a and b, and the relationship between the rotational speed and the output is changed so as to decrease the peripheral speed ratio of the wind turbine, In other words, the control is performed so that the generator output is increased while the increase in the rotation speed is limited by the increase in the load, and as described below, this reduces noise, ensures reliability, and improves economic efficiency. While satisfying the requirements, the function of the wind turbine and the generator can be utilized to the maximum limit.
第7図は風速Vに対する出力Pと発電機回転数Nの関
係における本発明方法のアルゴリズムによる制御態様を
示す。また、第8図はロータの回転角速度Ωと固有振動
角速度の関係のキャンベル線図を示す。上述したごとく
可変速制御において定格風速に至るまでパワー係数CPの
最大値を追従する定周速比制御を行えば、エネルギー取
得効率が最大限に高められるが、定格出力に対応する回
転数がかなり高くなるために、騒音が増大するととも
に、ブレードの遠心力及びブレード支持部分に加わる力
が増大し、かつ共振が生じることなどにより信頼性や耐
久性が損なわれ易くなる。従って、実際の設計上の問題
として、タワーと風車ロータのブレードとの共振さらに
はロータ周速の限度などの制約により、許容される回転
数の上限が決められ、つまり、騒音低減、信頼性の確保
等の要求を満足するように回転数許容限界(ブレードが
所定ピッチ角となっている状態での回転数許容限界)が
定められる。そして、これらの制約、要求から回転数許
容限界がある程度低く設定されている場合に、定周速比
制御によるだけでは回転数許容限界に達しても発電機出
力は定格出力まで上昇しない。FIG. 7 shows the control mode by the algorithm of the method of the present invention in the relation between the output P and the generator speed N with respect to the wind speed V. Further, FIG. 8 shows a Campbell diagram of the relationship between the rotational angular velocity Ω of the rotor and the natural vibration angular velocity. As described above, in the variable speed control, if constant speed ratio control that follows the maximum value of the power coefficient C P to reach the rated wind speed is performed, the energy acquisition efficiency is maximized, but the number of revolutions corresponding to the rated output is Since it is considerably high, the noise is increased, the centrifugal force of the blade and the force applied to the blade supporting portion are increased, and the resonance and the like are likely to deteriorate reliability and durability. Therefore, as an actual design problem, the upper limit of the allowable rotational speed is determined by the resonance between the tower and the blades of the wind turbine rotor, and the constraint such as the limit of the rotor peripheral speed. An allowable rotational speed limit (an allowable rotational speed limit in a state where the blade has a predetermined pitch angle) is set so as to satisfy requirements such as securing. When the rotational speed allowable limit is set to be somewhat low due to these restrictions and requirements, the generator output does not rise to the rated output even if the rotational speed allowable limit is reached only by the constant peripheral speed ratio control.
タワー、ブレード側の構造強化により、問題となる固
有振動数を引き下げることも可能であるが、その場合に
は、当然、重量の増加、コスト高につながる。It is possible to lower the natural frequency, which is a problem, by strengthening the structure of the tower and the blade side, but in that case, of course, the weight increases and the cost increases.
そこで、本発明では上述したアルゴリズムにより第7
図に示すごとく発電機回転数Nが所定回転数N1に達する
までは定周速比制御を行い、風速変動に従って回転数を
可変させながら回転数、出力とも増大していき、所定回
転数N1に達した後は発電機側で負荷制御(曲線P1)を行
い、つまり風車の周速比を低下させる方向に回転数と出
力との関係を変化させることにより回転数上昇を制限し
つつ発電機出力を高めるような制御を行っている。この
ため、上記のように種々の制約、要求から回転数許容限
界がある程度低く設定されていても、負荷制御によって
発電機出力を定格出力まで高めることができる。さら
に、定格出力になった後は、負荷固定で所定の許容範囲
内でピッチ角制御している。ここに、上記の所定回転数
N1は、ブレードの理論特性より決定される定周速比制御
する場合の最適回転数N2よりも小さい値としている。な
お、曲線P2は定格出力まで定周速比制御した場合の出力
である。Therefore, according to the present invention, the seventh algorithm is used.
As shown in the figure, constant peripheral speed ratio control is performed until the generator rotational speed N reaches the predetermined rotational speed N 1, and both the rotational speed and the output increase while varying the rotational speed according to the wind speed fluctuation. After reaching 1 , the load control (curve P 1 ) is performed on the generator side, that is, by changing the relationship between the rotational speed and the output in the direction of decreasing the peripheral speed ratio of the wind turbine, while limiting the increase in rotational speed. The control is performed to increase the generator output. For this reason, even if the rotational speed allowable limit is set to be somewhat low due to various restrictions and requirements as described above, the generator output can be increased to the rated output by the load control. Further, after the rated output is reached, the load is fixed and the pitch angle is controlled within a predetermined allowable range. Here, the above specified speed
N1 is set to a value smaller than the optimum rotation speed N 2 in the case of controlling the constant peripheral speed ratio, which is determined by the theoretical characteristics of the blade. The curve P 2 is the output when constant peripheral speed ratio control is performed up to the rated output.
また、第8図において、ΩR*はブレードの理論特性
に基く定格回転角速度であり、角速度がΩR *−10%と
ΩR *+20%の範囲(斜線部)をみるとロータ1次固有
振動モード(フラッピング)に回転数の2P(2P±20%)
が合うため起振力が発生し、好ましくないが、ΩR *よ
りも低いΩRのΩR−10%とΩR+20%の範囲では、ロ
ータ1次固有振動モードは回転数の2P(2P±20%)を僅
かながらクリアーしている。また、この範囲ではタワー
1次固有振動モードも回転数の1P(±20%は図示してい
ない)をクリアーしている。Further, in FIG. 8, .OMEGA.R * is rated rotational angular velocity based on the theoretical characteristics of the blade, * -10% angular velocity Omega R and Omega R * + 20% of the range (hatched portion) seen when the rotor primary natural frequency 2P of rotation speed (2P ± 20%) in mode (flapping)
However, in the range of Ω R −10% and Ω R + 20% of Ω R , which is lower than Ω R * , the rotor primary natural vibration mode is 2P (2P (+/- 20%) is slightly cleared. In this range, the tower's first-order natural vibration mode also clears 1P of rotation speed (± 20% is not shown).
このように運転回転数を落とすことで、ロータ、タワ
ーともに共振領域から外すことが可能となり、設計条件
が緩和され、構造体の重量、コストの問題を解決するこ
とができる。By lowering the operating speed in this way, both the rotor and the tower can be removed from the resonance region, the design conditions are relaxed, and the problems of the weight and cost of the structure can be solved.
なお、この問題においても、定周速比運転との取得発
電量の差は第7図の斜線部で示すごとく極めて僅かであ
り、効率の低下は問題にならない。Even in this problem, the difference in the amount of power generation obtained from the constant peripheral speed ratio operation is extremely small as shown by the hatched portion in FIG. 7, and the decrease in efficiency does not pose a problem.
次に、上記アルゴリズムを実施するための風車側のピ
ッチ変換システムの制御フローチャートと、発電機側の
制御システムのフローチャートをそれぞれ第9図、第10
図に示す。この実施例では定格出力PGを890Kwとし、こ
れに達するまでは風車側ではピッチ角βを4゜に固定
し、発電機側では負荷制御である界磁制御Iを行い、定
格出力PGに達した後は、風車側では定格回転数近傍での
可変速制御であるピッチ角のPID制御を行い、発電機側
では負荷(出力)固定の界磁制御IIを行っている。この
制御により、上述した第6図に示すごとき運転軌跡が得
られる。Next, a control flow chart of the pitch conversion system on the wind turbine side and a flow chart of the control system on the generator side for implementing the above algorithm are shown in FIGS. 9 and 10, respectively.
Shown in the figure. In this embodiment, the rated output P G is set to 890 Kw, and the pitch angle β is fixed to 4 ° on the wind turbine side and the field control I as the load control is performed on the generator side until the rated output P G is reached to reach the rated output P G. After that, the PID control of the pitch angle, which is a variable speed control near the rated speed, is performed on the wind turbine side, and the load (output) fixed field control II is performed on the generator side. By this control, the operation locus as shown in FIG. 6 described above can be obtained.
第11図、第12図は、上記制御方法が実施される風力発
電装置の具体構成例を示し、いずれも上述した第1図の
基本構成と対応する部分には同符号を付している。11 and 12 show a specific configuration example of a wind turbine generator in which the above control method is implemented, and the same reference numerals are given to the parts corresponding to the basic configuration of FIG. 1 described above.
第11図では動力−電力変換器2として同期発電機SGと
順変換のサイリスタインバータ21を用い、制御装置3に
おける出力指令発生器5は本発明のアルゴリズムを実行
するためのロータの回転数Wrと出力指令Prの変換回路で
ある。また出力検出回路6としては電流、電圧検出回路
を有し、制御増巾器8としては励磁装置を用いている。
そしてこの具体例ではインバータ21の出力に逆変換のコ
ンバータ22が設けられ変圧器23を介して系統連系の出力
を得ている。この系統連系のために、ゲート回路24にて
上記出力指令発生器5の出力信号と変圧器23の出力との
同期をとりつつ、インバータ22を位相制御している。な
お、同期発電機SGとコンバータ21の代りに直流発電機を
用いてもよい。In FIG. 11, a synchronous generator SG and a forward conversion thyristor inverter 21 are used as the power-power converter 2, and the output command generator 5 in the control device 3 uses the rotor rotation speed W r for executing the algorithm of the present invention. And a conversion circuit for the output command P r . The output detection circuit 6 has a current / voltage detection circuit, and the control amplifier 8 is an exciting device.
In this specific example, a reverse conversion converter 22 is provided at the output of the inverter 21, and a system interconnection output is obtained via a transformer 23. Due to this system interconnection, the gate circuit 24 controls the phase of the inverter 22 while synchronizing the output signal of the output command generator 5 and the output of the transformer 23. A DC generator may be used instead of the synchronous generator SG and the converter 21.
第12図では動力−電力変換器2として誘導機IGと、ト
ランジスタインバータ21を用いたものを示し、他の構成
は第11図と同様である。なお、25はコンデンサまたはバ
ッテリである。In FIG. 12, an induction machine IG and a transistor inverter 21 are used as the power-to-power converter 2, and other configurations are the same as in FIG. In addition, 25 is a capacitor or a battery.
このように直流機、同期機、あるいは誘導機のいずれ
を用いても、上記変換回路におけるマップのパターンを
僅かに変更するだけで上述したような可変速制御を主体
とした運転が可能となる。As described above, regardless of whether the DC machine, the synchronous machine, or the induction machine is used, the operation mainly based on the variable speed control described above can be performed by slightly changing the map pattern in the conversion circuit.
次に、本発明方法による運転の主体である可変速制御
におけるエネルギー取得量について定回転制御の場合と
比較しながら説明する。Next, the energy acquisition amount in the variable speed control that is the main subject of the operation according to the method of the present invention will be described in comparison with the case of constant rotation control.
いま、ロータ系軸回り慣性モーメントをI、ロータ角
速度をΩ、ロータトルクをQR、発電機負荷トルクをQGと
すると、 が成立する。但し、CQ:トルク係数 μ:周速比 β:ピッチ角 P(Ω):発電機負荷…第5図の特性 V:風速 R:ロータ半径 ρ:空気密度 ピッチ制御として、回転数検出によるPI制御を行い、 β=βO+KP(Ω−ΩR)+KI∫(Ω−ΩR)dt が成立する。但し、 β:ピッチ角 βO:初期ピッチ角(定格ピッチ) ΩR:ロータ定格角速度 KP:比例ゲイン KI:積分ゲイン ここに、シミュレーションによる可変速制御のゲイン
は、運転風速範囲でのガストファクター(GF)1.5に対
する応答時、回転数を定格±20%まで許容するという条
件より、 KP=9.0 KI=0.7 とし、一方、定回転制御のゲインは、仮定された風況に
対して回転数を定格±0.5%まで許容するという条件よ
り KP=500 KI=0.7 とする。いま、風況が定格風速13mで振巾±4m/s、周期1
0secの変動変速とすると、 風速V=13+4sin 2πt/10(m/s) であって、ロータ回転数、ロータ出力、および取得発電
量のシミュレーション結果は、それぞれ第13図、第14図
および第15図に示すごとくなる。第15図より、可変速運
転の場合、100sec間において、約15%だけ定回転運転を
した場合よりも取得発電量が増加することが判る。Now, the rotor system axis moment of inertia I, the rotor angular velocity Omega, the rotor torque Q R, when the generator load torque and Q G, Is established. However, C Q : Torque coefficient μ: Peripheral speed ratio β: Pitch angle P (Ω): Generator load… Characteristics in Fig. 5 V: Wind speed R: Rotor radius ρ: Air density PI for pitch control and controls, β = β O + K P (Ω-Ω R) + KI∫ (Ω-Ω R) dt is established. However, β: Pitch angle β O : Initial pitch angle (rated pitch) Ω R : Rotor rated angular velocity K P : Proportional gain K I : Integral gain Here, the gain of variable speed control by simulation is the gust in the operating wind speed range. When responding to a factor (GF) of 1.5, K P = 9.0 K I = 0.7, which is based on the condition that the rotation speed is allowed up to the rated ± 20%, while the gain of constant rotation control is based on the assumed wind conditions. K P = 500 K I = 0.7 based on the condition that the rotation speed is allowed up to the rated ± 0.5%. Now, the wind conditions are rated wind speed 13m, amplitude ± 4m / s, cycle 1
Assuming that the variable speed change is 0 sec, the wind speed is V = 13 + 4sin 2πt / 10 (m / s), and the simulation results of rotor speed, rotor output, and acquired power generation amount are shown in FIGS. 13, 14, and 15, respectively. It will be as shown in the figure. From FIG. 15, it can be seen that in the case of variable speed operation, the acquired power generation amount increases in 100 seconds as compared with the case of constant rotation operation by about 15%.
次に可変速制御における負荷トルクの変動について考
察する。上述のシミュレーションによる可変速制御と定
回転制御との出力の違いを、第16図、第17図に示す。各
々の風速条件は、 第16図ではV=13+4sin 2πt/10(m/s) 第17図ではV=9+4sin 2πt/10(m/s) である。出力変動レベルに着目すると、第16図の場合、
可変速制御では定回転制御の約1/2、同じく第17図では
約1/3に減少している。ここに、回転数の変動は上記出
力変動のレベルに比べて無視できるとすれば、出力変動
レベルをそのまま伝達系が受ける負荷トルク変動レベル
と考えることができる。したがって、同じ入力(風速)
変動に対し、可変速制御では定回転制御の場合に比して
荷重条件として数分の1に軽減されていることが判る。
上記シミュレーションでは周期的な入力(風速)変動を
仮定したが、タワーシャドウ、ウィンドシア(高さ方向
の風況分布)等の影響に関しても同様の荷重条件の緩和
が可能となる。Next, the fluctuation of the load torque in the variable speed control will be considered. The difference in output between the variable speed control and the constant rotation control by the above simulation is shown in FIGS. 16 and 17. Each wind speed condition is V = 13 + 4sin 2πt / 10 (m / s) in FIG. 16 and V = 9 + 4sin 2πt / 10 (m / s) in FIG. Focusing on the output fluctuation level, in the case of FIG. 16,
In the variable speed control, it is reduced to about 1/2 of the constant rotation control, and to about 1/3 in Fig. 17 as well. Here, if the fluctuation of the rotational speed can be ignored as compared with the level of the output fluctuation, the output fluctuation level can be considered as the load torque fluctuation level received by the transmission system as it is. Therefore, the same input (wind speed)
It can be seen that the variable speed control is reduced to a fraction of the load condition in the variable speed control as compared with the constant speed control.
In the above simulation, the periodical fluctuation of the input (wind speed) is assumed, but the same load condition can be mitigated with respect to the influence of tower shadow, wind shear (wind condition distribution in the height direction), and the like.
次に、ピッチ角制御のために必要なパワーの可変速制
御の定回転制御の比較を行う。上述したごとく、可変速
制御の場合のゲインKP=9.0、定回転制御の場合のゲイ
ンをKP=500とし、ピッチ制御時の反抗トルク(空気
力、遠心力等による)を同一と考えると、要求パワー
は、ピッチ角回転速度に比例するから、ほぼKPの比と考
えられる。したがって定回転制御の場合に比較して可変
速制御における要求パワーは約50分の1でよいと判断さ
れる。つまり、ピッチ角制御精度を緩和してそれを動か
す速度を緩慢としたことによりパワーロスを少なくでき
る。Next, a comparison will be made between constant speed control of variable speed control of power required for pitch angle control. As described above, assuming that the gain in variable speed control is K P = 9.0 and the gain in constant rotation control is K P = 500, and the reaction torque (due to aerodynamic force, centrifugal force, etc.) during pitch control is the same. Since the required power is proportional to the pitch angle rotation speed, it can be considered as a ratio of K P. Therefore, it is determined that the required power in the variable speed control may be about 1/50 of that in the constant rotation control. That is, power loss can be reduced by relaxing the pitch angle control accuracy and slowing the speed at which it is moved.
(発明の効果) 以上のように本発明の制御方法によれば、定格出力域
に達するまでは発電機もしくは風車のロータの回転数と
出力との所定の関係を持つプログラム制御により定周速
比もしくはそれに近い可変速運転を行い、上記回転数と
出力との所定の関係を、風車パワー係数が大きい値を保
つ定周速比制御と、該回転数の変動を所定許容範囲に保
つ負荷制御とのアルゴリズムの組合せとしたことによ
り、不規則に変動する風況条件下で発電機の種類にかか
わらず、容易に有効エネルギー取得の可能な風力発電運
転を行うことができ、また、変動荷重の軽減が図れると
ともに風車ブレード、タワー等の構造物の設計条件の変
化に対応して自由にロータ回転数、出力特性を適切に設
定でき、低コスト、軽量化が図れ経済性が高く、さらに
は、起動風速の低減化つまり起動特性の向上が図れ有効
エネルギー取得に寄与し、さらに、また、風車ブレード
のピッチ角制御が緩慢でよいことによりその制御の容易
化、必要なパワーの低減化を図ることができる。(Effects of the Invention) As described above, according to the control method of the present invention, the constant peripheral speed ratio is controlled by the program control having a predetermined relationship between the rotation speed of the generator or the rotor of the wind turbine and the output until the rated output range is reached. Alternatively, a variable speed operation close to that is performed, and the predetermined relationship between the rotational speed and the output is controlled by a constant peripheral speed ratio control for maintaining a large value of the wind turbine power coefficient, and a load control for maintaining the fluctuation of the rotational speed within a predetermined allowable range. The combination of the above algorithms makes it possible to perform wind power generation operation that enables easy acquisition of effective energy regardless of the type of generator under wind conditions that fluctuate irregularly, and reduces fluctuating load. In addition, the rotor rotation speed and output characteristics can be set appropriately in response to changes in the design conditions of structures such as wind turbine blades and towers, resulting in low cost, light weight, and high economic efficiency. The dynamic wind speed can be reduced, that is, the start-up characteristics can be improved, which contributes to the acquisition of effective energy. Furthermore, since the pitch angle control of the wind turbine blade can be slow, the control can be facilitated and the required power can be reduced. You can
第1図は本発明の制御方法が適用される風力発電装置の
基本構成図、第2図は風車の回転数に対するパワー係
数、出力、トルクの特性図、第3図は同装置の制御を説
明するための制御チャート図、第4図は本発明方法によ
る制御モードの概念説明図、第5図は本発明方法による
プログラム制御の関係図、第6図は本発明方法による運
転軌跡を示す説明図、第7図は本発明方法による制御態
様の説明図、第8図は風車の回転角速度と固有振動角速
度の関係図、第9図はピッチ変換システム制御のフロー
チャート、第10図は発電機制御システムのフローチャー
ト、第11図、第12図はそれぞれ本発明が適用される風力
発電装置の具体例を示す構成図、第13図〜第17図はそれ
ぞれ可変速制御と定回転制御の作用効果を説明するため
のシミュレーション結果の特性図である。 1……風車、2……動力−電力変換器、3……制御装
置、4……回転数センサ、5……出力指令発生器、6…
…出力検出回路、7……比較手段。FIG. 1 is a basic configuration diagram of a wind turbine generator to which the control method of the present invention is applied, FIG. 2 is a characteristic diagram of power coefficient, output, and torque with respect to the rotational speed of a wind turbine, and FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram of a control mode according to the method of the present invention, FIG. 5 is a relational diagram of program control according to the method of the present invention, and FIG. 6 is an explanatory diagram showing a driving locus according to the method of the present invention. FIG. 7 is an explanatory view of a control mode according to the method of the present invention, FIG. 8 is a relationship diagram between the rotational angular velocity of the wind turbine and the natural vibration angular velocity, FIG. 9 is a flow chart of the pitch conversion system control, and FIG. 10 is a generator control system. FIG. 11, FIG. 11 and FIG. 12 are configuration diagrams showing a concrete example of a wind turbine generator to which the present invention is applied, and FIGS. 13 to 17 are diagrams for explaining the operational effects of variable speed control and constant rotation control, respectively. Simulation results for FIG. 1 ... Windmill, 2 ... Power-power converter, 3 ... Control device, 4 ... Rotation speed sensor, 5 ... Output command generator, 6 ...
... output detection circuit, 7 ... comparison means.
Claims (1)
る可変速制御運転を行う風力発電装置の制御方法におい
て、定格出力域に達するまでは発電機もしくは風車のロ
ータの回転数と出力とを設定された関係に保つプログラ
ム制御による定周速比もしくはそれに近い可変速運動を
行い、定格出力域に達した後は風車ブレードのピッチ角
制御により該回転数の変動を所定の許容範囲内に保つと
ともに出力を一定に保つ可変速運転を行い、上記プログ
ラム制御による回転数と出力との設定関係は、該回転数
が定格回転数に近づくまで風車のパワー係数の大きい値
を保つ定周速比制御と、該回転数が定格回転数に達する
前から風車の周速比を低下させる方向に回転数と出力と
の関係を変化させることにより該回転数の変動を所定の
許容範囲に保つ負荷制御とのアルゴリズムを有したこと
を特徴とする風力発電装置の制御方法。1. A method for controlling a wind turbine generator that performs a variable speed control operation in which the rotational speed of a wind turbine is changed according to wind speed fluctuations, and the rotational speed and output of a generator or the rotor of a wind turbine are set until a rated output range is reached. A constant peripheral speed ratio or a variable speed motion close to it is performed by program control to keep the relationship as stated above, and after reaching the rated output range, the fluctuation of the rotational speed is kept within a predetermined allowable range by the pitch angle control of the wind turbine blade. Variable speed operation is performed to keep the output constant, and the setting relationship between the rotation speed and the output by the above program control is that the constant peripheral speed ratio control maintains a large value of the power coefficient of the wind turbine until the rotation speed approaches the rated rotation speed. , By changing the relationship between the rotational speed and the output in the direction of decreasing the peripheral speed ratio of the wind turbine before the rotational speed reaches the rated rotational speed, a negative limit for keeping the fluctuation of the rotational speed within a predetermined allowable range. Control method of a wind power generation apparatus characterized by having the algorithm of the control.
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-
1986
- 1986-07-31 JP JP61181409A patent/JP2515750B2/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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