JP3864309B2 - 風力発電システムおよび方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロペラ（風車）によって風力エネルギーを取り込み、この風力エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換する風力発電システムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電システムの構成を図９に示す。この従来の風力発電システムは、図９に示すように、風力を取り込むためのプロペラ１と、プロペラ１の回転数を変速して伝達するためのギア／カップリング２と、発電機３と、電力変換装置４と、電力制御装置９５と、速度センサ８とから構成され、負荷６に対して発電した電力を供給している。
【０００３】
次に、この従来の風力発電システムの動作について説明する。プロペラ１が回転することによって得られた風力エネルギーは、ギア／カップリング２によって回転数の変速が行われた後に発電機３に伝達される。発電機３は、この風力エネルギーを電気的エネルギーに変換する。発電機３によって得られた電気エネルギーは、電力変換装置４によって制御された後に負荷６に伝えられる。電力制御装置９５は速度センサ８からプロペラ１の軸速度の情報を取り入れ電力変換装置４の制御を行う。
【０００４】
このような風力発電システムでは、得られる電力は風速によって影響を受けることになる。そして、風速は一定ではなく常に変動している。そのため、このような風力発電システムでは、発電効率を高めるために、風速に応じて求まる最適な軸速度で発電機３を運転する必要がある。具体的には、発電機３の運動回転数が風速に応じて変化しない速度一定制御、あるいは風速に応じて発電機３の運転回数を変化させることによってエネルギー利用度すなわち発電効率を高める軸速度可変制御が電力制御装置９５によって行われる。
【０００５】
そして、このような軸速度一定制御、軸速度可変制御を行うには、軸の速度を検出する必要があり、従来の風力発電システムでは軸速度を検出するためにエンコーダ等の速度センサ８が用いられていた。例えば、プロペラの軸速度検出にエンコーダを使用している風力発電システムが特開２００２−８４７９７号公報等に記載されている。
【０００６】
しかし、プロペラの軸速度の検出にエンコーダ等の速度センサ８を設けている従来の風力発電システムでは、速度センサ８から電力制御装置９５まで配線を設ける必要がある。そのため、速度センサ８から電力制御装置９５までの距離が長くなると配線自体も長くなり、断線等による信頼性の劣化が問題となる場合があった。さらに、プロペラが回転している間は速度センサも常に回転することになるため、速度センサ自体の寿命が信頼性の劣化を招いてしまうという問題もあった。さらに、速度センサを設けることによってコストの増加を招くという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の風力発電システムでは、効率的な発電を行うためには、プロペラの軸速度を検出するために速度センサが必要となるため、信頼性の劣化、コストの増加を招いてしまうという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、プロペラの軸速度を検出するための速度センサを使用せずに発電機からの速度情報をセンサレスで得ることにより高信頼性、回路の簡略化、コストの低減を図ることができる風力発電システムおよび方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電システムは、風力を取り込むための風車と、風車によって取り込まれた風力エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機とを備えた風力発電システムにおいて、
前記発電機の電流値を検出し、該電流値から発電機の回転速度を推定して速度推定値として出力する速度推定器と、
前記発電機の電力値を算出する電力演算器と、
前記速度推定器により算出された速度推定値および前記電力演算器により算出された前記発電機の電力値より風車の出力を演算し、演算した該風車の出力と前記速度推定値より風速を推定し、推定された風速に基づいて前記発電機の効率が最大となるような速度指令を算出し、算出された該速度指令と前記速度推定値との偏差がゼロとなるようなトルク指令を算出し、算出されたトルク指令に基づいて電流指令を生成して出力する上位指令器と、
前記上位指令器により生成された電流指令から電圧指令を算出して前記発電機の制御を行う制御手段と、
を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の風力発電システムは、前記上位指令器が、γ軸もしくはδ軸あるいはその両方の軸の電圧指令に対して、前記発電機の運転周波数よりも高い周波数を有する高周波成分の電圧を重量して前記発電機に印加する手段を有し、
前記速度推定器は、発電機の電流値を検出し、検出された電流から前記高周波成分の電流を検出し、検出した高周波成分の電流から前記発電機の回転子の位置を推定し、該回転子の推定位置の時間変化量から発電機の速度推定値を算出するようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の風力発電システムは、前記上位指令器を、
前記速度推定器によって検出された速度推定値と、前記電力演算器によって算出された発電機電力から発電機トルクを算出する風車出力演算部と、
前記風車出力演算部によって算出された発電機トルクと前記速度推定値から風速を算出する風力速度推定器と、
前記風力速度推定器により算出された風速から発電機速度指令を算出する最大効率運転制御器と、
前記最大効率運転制御器により算出された発電機速度指令と前記速度推定値の偏差が零となるような比例−積分制御を行い、その出力をトルク指令として出力する発電機速度制御器と、
前記発電機速度制御器により出力されたトルク指令に基づいて、前記発電機を制御するためのγ軸電流指令とδ軸電流指令を出力する電流指令演算部とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
本発明は、γ軸電圧指令またはδ軸電圧指令に発電機の運転周波数よりも高い周波数成分を有する高周波成分の電圧を印加し、その際に発電機に流れる電流に含まれる高周波成分から発電機の速度推定値を算出し、この速度推定値と発電機電力を用いて風速を算出し、この風速に応じて発電機を制御することにより効率的な発電を行うようにしたものである。従って、発電機の回転速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電効率の高い発電機の制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明における発電機効率を最大とするための風速と発電機の軸速度の関係について説明する。一般的に風車の出力Ｐturは下記の式（１）のように表すことが出来る。
【００１５】
【数１】
【００１６】
上記式（１）で風車定数Ｋsysは風車の羽の面積と空気密度によって決まる定数であり制御時急に可変できるパラメータではない。また風の速度Ｖwindは制御できないパラメータである。風速Ｖwindと発電機の軸速度Ｗgenの速度比λは発電機と風車のギア比、風車の半径によって決まる定数Ｋc用いて下記の式（２）に示すように表することができる。
【００１７】
【数２】
【００１８】
動力係数Ｃpはλによって図１に示したように変化するパラメータである。したがって、発電中にλを制御して最大効率速度比λopを維持するように制御すれば動力係数Ｃpは最大値Ｃpmaxになるので、システムの最大効率運転が可能である。λopは風車の設計によって決まる定数である。最大効率運転を維持するためには発電機の速度指令Ｗ* genを下記の式（３）より求めて出力する。
【００１９】
【数３】
【００２０】
上記の式（３）でλopとＫcは風車の設計値の一部なので把握できるが、風速Ｖwindは未知の値である。したがって、最大効率運転のためにはＶwindの瞬時値が必要になる。
【００２１】
発電機電力Ｐgenは、発電機速度Ｗgenと発電機トルクＴgenを用いて下記の式（４）に示すように表することができる。
【００２２】
【数４】
【００２３】
風車システムの損失分Ｐlossは電気損失と機械損失で構成されている。電気損失は、発電機の等価抵抗と発電機を制御しているインバータの電力半導体のスイチイング周波数によって決まる電気損失定数Ｋ1に発電機電力Ｐgenを掛けてを求められる。機械損失は機械摩擦定数Ｂsysに発電機速度の２乗のＷ2 genを掛けてを求める。風車システムの損失分Ｐlossは電気損失に機械損失を足して下記の式（５）に示すように求められる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
風車の出力Ｐturは求めた発電機電力Ｐgenに出力の損失分Ｐlossを足して下記の式（６）に示すように求められる。
【００２６】
【数６】
【００２７】
求めた風車の出力Ｐturと発電機の速度より風速Ｖwindは風車データから決められる。本発明では発電機の速度として、発電機速度推定値ω_hatを用いて風速を求める。例えば図２に示したように発電機の速度推定値ω_hatがＷr(A)で風車の出力がＰtur(A)の場合には風速ＶwindはＶw1となる。また、発電機速度推定値ω_hatがＷr(B)で風車の出力がＰtur(B)の場合には風速ＶwindはＶw2となる。
【００２８】
次に、上記で述べた軸速度推定方法に関しての原理について説明する。ここでは、発電機として永久磁石型同期発電機を用いた場合について説明する。永久磁石型同期発電機では、永久磁石を回転子とすると、回転子の磁極上に設定したｄ−ｑ軸に、回転子上に想定したγ−δ軸が一致するような制御が行われる。
【００２９】
このような永久磁石型同期発電機では、インピーダンス偏差を利用して磁束位置推定が可能となる。図３のように実際の磁束軸をｄ軸とし、制御磁束軸をγ軸とする。ｑ軸はｄ軸から（π／２）進んだ位相の軸、δ軸はγ軸から（π／２）進んだ位相の軸である。γ軸に高周波電圧を重量し、γ軸を挟んで４５度の所に高周波インピーダンス推定軸（γh−δh軸）を置く。γh軸とδh軸上で推定されるインピーダンスを比較して、もし、γ軸と実際の磁束軸（ｄ軸）が一致していれば、等しくなるが、一致していなければ、図４に示すように、インピーダンス偏差が生じることとなる。
【００３０】
Δθeはγ軸とｄ軸の誤差角、ｉhγ、ｉhδをγh−δh座標系に変換された一時電流とする。│ｉhγ｜hfと｜ｉhδ｜hfはγh−δh座標系に変換された一時電流ｉhγ、ｉhδから制御軸上に重量する高周波信号と同じ周波数成分の振幅値を後述する方法で抽出したものである。γ軸に高周波電圧を重量した場合、γh、δhそれぞれの軸に現れる電圧値は等しいので、インピーダンス偏差の大きさは、下記の式（７）に示すように、｜ｉhγ｜hfと｜ｉhδ｜hfの偏差に反比例する。
【００３１】
【数７】
【００３２】
このように高周波インピーダンスの関係を用いてインピーダンス偏差が常に０になるようにγ軸を調整すれば、ｄ軸に一致させることができる。
【００３３】
高周波インピーダンス偏差の指標として高周波成分電流を用いるため、γ軸を基準として４５度の所に位置するγh−δh軸上において、一次電流を座標変換して得られるＩhγ、Ｉhδからγ軸に重畳した高周波電圧と同じ周波数成分を抽出しなければならない。通常バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）のみが用いられるが、バンド幅が存在するため必要な成分以外の高周波成分等も抽出する可能性がある。そこで、効率よく重畳周波数成分を抽出し、その振幅値｜Ihγ｜hfと｜Ihδ｜hfを求める方法を示す。重畳高周波hfの成分を含むＩhγを下記の式（８）のように仮定する。
【００３４】
【数８】
【００３５】
この式（８）には重畳高周波hfの他にノイズを含めた高周波信号が混在する。そこで、下記の式（９）、（１０）のようにＩhγに重畳周波数のサイン（sine）、コサイン（cosine）成分を乗算し、下記の式（１１）のようにローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通すことによってＩhγからａ、ｂを抽出することができる。
【００３６】
【数９】
【００３７】
【数１０】
【００３８】
【数１１】
【００３９】
上記の式（１１）のＬＰＦのカットオフ周波数は、Ｉhγの直流分に重畳高周波hfの周波数成分が掛かるため、重畳高周波hf以下に設定しなければならない。動特性を上げるため、あらかじめＢＰＦで重畳高周波hf成分以外を除去しておけば、ＬＰＦのカットオフ周波数をさらに上げることができる。また、最終的に必要なのはａ、ｂから求まる値の大小関係なので、係数を省略すると、このａ、ｂは下記の式（１２）のように表すことができる。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
そして、重畳周波成分の振幅成分は、この式（１２）で表されたａ、ｂより下記の式（１３）のように求められる。
【００４２】
【数１３】
【００４３】
また、｜Ｉhδ｜hfについても同様に求めることができる。
【００４４】
前述のように、｜Ｉhγ｜hf、｜Ｉhδ｜hfの偏差が０となるように、γ軸を調整することで、γ軸をｄ軸に一致させることができる。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態の風力発電システムについて説明する。本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を図５に示す。図５において、図９中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００４６】
本実施形態の風力発電システムは、図９に示した従来の風力発電システムに対して、電力制御装置９５が電力制御装置５に置き換えられ、発電機３に流れる電流値を検出して、その電流値に基づいて軸速度を推定する速度検出器７が設けられている。
【００４７】
次に、図５中の電力制御装置５および速度検出器７の構成を図６のブロック図に示す。
【００４８】
電力制御装置５は、図６に示されるように、上位指令器１０１と、Ｐ−Ｉ制御器（ｄ）１０２と、Ｐ−Ｉ制御器（ｑ）１０３と、ベクトル演算器１０４と、座標変換器１１０と、ＢＰＦ１１１、１１２と、電力演算器１１９と、高周波成分発生器１１８とから構成されている。また、速度検出器７は、図６に示されるように、電流検出器１０７、１０８と、座標変換器１０９と、推定器１１３とから構成されている。
【００４９】
電力演算器１１９は、γ軸電圧指令ｖγ*、δ軸電圧指令ｖδ*および、γ軸電流帰還値ｉγ_fb、δ軸電流帰還値ｉδ_fbを用いて、下記の式により発電機３の電力値Ｐgenを算出する。
Ｐgen＝３／２（Ｖγ*・ｉγ_fb＋Ｖδ*・ｉδ_fb）
上位指令器１０１は、速度検出器７の推定器１１３により算出された速度推定値ω_hatおよび電力演算器１１９により算出された発電機３の電力値Ｐgenから電流指令ｉγ*、ｉδ*を生成して出力する。
【００５０】
Ｐ−Ｉ制御器(ｄ)１０２は、γ軸電流指令ｉγ*とγ軸電流帰還値ｉγ_fbが一致するように比例積分演算を行い、γ軸電圧指令ｖγ*'を出力する。このγ軸電圧指令ｖγ*'に、高周波成分発生器１１８からの高周波成分の電圧指令ｖ_injが加算されて、新たなγ軸電圧指令ｖγ*が生成される。
【００５１】
Ｐ−Ｉ制御器(ｑ)１０３は、δ軸電流指令ｉδ*とδ軸電流帰還値ｉδ_fbが一致するように比例積分演算を行い、δ軸電圧指令vδ*を出力する。
【００５２】
高周波成分v_injは、高周波成分発生器１１８において、高周波成分の周波数値hfを積分した位相θhfと高周波成分の電圧振幅値ｖampから、ｖ_inj=ｖamp・sin(θhf)で与えられる。
【００５３】
ベクトル演算器１０４は、γ軸電圧指令値ｖγ*と、高周波成分の重畳されたδ軸電圧指令値ｖδ*および位相推定値θ_hatから三相電圧指令v_ref_u、v_ref_v、v_ref_wを作成し電力変換装置４に出力する。
【００５４】
電力変換装置４は、ベクトル演算器１０４からの三相電圧指令v_ref_u、v_ref_v、v_ref_wに基づき、三相交流電圧を同期発電機３に出力する。同期発電機３に流れる電流は、Ｕ相およびＶ相に取り付けられた電流検出器１０７、１０８によって検出され、座標変換器１０９に入力される。ここでは、Ｕ相とＶ相に取り付けたが、座標変換時に考慮すれば、電流検出器は任意の二相に取り付けてよく、また三相全部に取り付けても良い。座標変換器１０９は、三相交流を二相交流に変換してｉαとｉβとして出力する。
【００５５】
座標変換器１１０は、二相交流ｉαとｉβを、位相θ_hatでγ−δ座標系に変換して、ｉγ_xおよびｉδ_xとして出力する。
【００５６】
バンドパスフィルタ１１１、１１２はカットオフ周波数がhfのフィルタであり、前述の加算した高周波成分による電流を抽出し、この成分を元の電流値から差し引くことで、高周波成分を除去し、それぞれ、電流帰還値ｉγ_fbとｉδ_fbとして出力している。ここでは、加算した高周波成分を除去出来れば良いので、他の公知のノッチフィルタで構成しても良い。
【００５７】
尚、Ｐ−Ｉ制御器１０２、１０３、ベクトル演算器１０４、電力変換装置４は、上位指令器１０１により生成された電流指令ｉγ*、ｉδ*から電圧指令ｖγ*、ｖδ*を算出して発電機３の制御を行う制御手段として機能する。
【００５８】
推定器１１３では印加した高周波成分を含む二相交流ｉα、ｉβから発電機３の回転速度推定値ω_hatおよび位相推定値θ_hatを演算している。この推定器１１３の構成を図７のブロック図に示す。
【００５９】
推定器１１３は、図７に示されるように、座標変換器１１４と、インダクタンス偏差演算部１１５と、Ｐ−Ｉ制御器１１６と、速度推定値演算器１１７とから構成されている。
【００６０】
座標変換器１１４では、二相交流ｉα、ｉβをγ−δ軸から（π/４）遅れた座標系γh−δh座標系に変換し、ｉhγ、ｉhδを演算している。インダクタンス偏差演算部１１５は、上述した式（１３）に基づき、│ｉhγ│hfを演算し、同様に│ｉhδ│hfを演算し、両者の偏差を出力している。
【００６１】
Ｐ−Ｉ制御器１１６は、比例−積分演算により、インダクタンス偏差演算部１１５により算出された偏差が零となるように、すなわち指令器の磁束軸γ軸と実際の磁束軸ｄ軸が一致するように、指令器の位相θ_hatを調整しており、このθ_hatが位相推定値となるう。
【００６２】
速度推定値演算器１１７は、位相推定値θ_hatを微分することにより速度推定値ω_hatを求めている。速度推定値演算器１１７におけるローパスフィルタ(ＬＰＦ)は、微分によりばらつきが激しくなるのを平均化することで安定にするために設けている。このようにして速度推定値ω_hatを求めることで、発電機の効率が最大となるように運転できる風力発電システムが実現できる。
【００６３】
次に、図６中の上位指令器１０１の構成を図８に示す。上位指令器１０１は、図８に示されるように、風車出力演算部２０１と、風力速度推定器２０２と、最大効率運転制御器２０３と、発電機速度制御器２０４と、電流指令演算器２０６とを備えている。
【００６４】
この上位指令器１０１では、上述の式（４）において、発電機速度Ｗgenを速度検出器７の出力である速度推定値ω_hatに置き換え、発電機トルクＴgenを後述の発電機のトルク指令と置き換えて発電機電力Ｐgenを求める。そして、この発電機電力Ｐgenに損失分を加えたＰturと速度推定値ω_hatおよび発電機トルクＴgenおよび図２に示したグラフから、風速Ｖwindを求める。そして、この風速Ｖwindに基づいて発電機速度指令Ｗgen *を算出し、速度推定値ω_hatと発電機速度指令Ｗgen *が一致するように発電機を制御することにより効率的な発電が行われるようにする。
【００６５】
風車出力演算部２０１は、速度検出器７によって検出された速度推定値ω_hatと、電力演算器１９によって算出された発電機電力Ｐgenから発電機トルクＴgenを算出する。風力速度推定器２０２は、風車出力演算部２０１によって算出された発電機トルクＴgenと速度検出器７によって検出された速度推定値ω_hatから風速Ｖwindを算出する。最大効率運転制御器２０３は、上述した式（３）を用いて、風力速度推定器２０２により算出された風速Ｖwindから発電機速度指令Ｗgen *を算出する。
【００６６】
発電機速度制御器２０４および電流指令演算器２０６は、最大効率運転制御器２０３により算出された発電機速度指令Ｗgen *に基づいて発電機３を運転するために発電機３に与える電流指令iγ*、ｉδ*を演算するためのブロックである。
【００６７】
発電機速度制御器２０４は、最大効率運転制御器２０３により算出された発電機速度指令Ｗgen *と発電機速度推定値ω_hatの偏差が零となるような比例−積分制御を行い、その出力をトルク指令として出力している。電流指令演算部２０６は、発電機速度制御器２０４により出力されたトルク指令に応じて、実際の発電機３が効率よく運転できる条件のγ軸電流指令ｉγ*とδ軸電流指令ｉδ*を出力する。このトルク指令から電流指令を求める方法は、別途公知の技術を用いれば良いので、ここでは説明を省略する。
【００６８】
このようにして、上位指令器１０１では、風力発電システムの発電効率が最大となるように、風速の推定速度に基づいて発電機の軸速度指令を出力するとともに、この軸速度指令に従って運転するように発電機へ出力を供給し、発電機の軸速度指令に発電機の推定軸速度が追従するように速度制御する機能を有する風力発電システムが実現できる。
【００６９】
本実施形態の風力発電システムでは、γ軸電圧指令ｖγ*に、発電機３の運転周波数よりも高い周波数成分を有する高周波成分hfの電圧を印加し、その際に発電機３に流れる電流に含まれる高周波成分から推定軸速度ω_hatを算出し、この推定軸速度ω_hatと発電機電力Ｐgenを用いて風速Ｖwindを算出し、この風速Ｖwindに応じて発電機３を制御することにより効率的な発電を行うようにしたものである。
【００７０】
従って、軸速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電効率の高い発電機の制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現することができる。
【００７１】
本実施形態では、発電機３として永久磁石型同期発電機を用いた場合の構成について説明を行ったが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、発電機３として同期発電機以外に誘導電動機やＩＰＭ（Interior Permanent Magnet)モータ等の交流電動機を発電機として使用した場合にも同様に適用することができるものである。
【００７２】
また、本実施形態では、γ軸電圧指令ｖγ*に高周波成分hfを重畳して、発電機の回転子の位置を推定するようにしていたが、δ軸電圧指令ｖδ*に高周波成分hfを重畳しても同様にして発電機の回転子の位置を推定することができる。さらに、γ軸電圧指令ｖγ*、δ軸電圧指令ｖδ*の両方に高周波成分hfを重畳しても同様にして発電機の回転子の位置を推定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の風力発電システムおよび方法によれば、プロペラの軸速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電機の効率的な制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現できるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動力係数Ｃpと速度比λの関係を示す図である。
【図２】発電機の速度と風車の出力関係を示す図である。
【図３】座標系を説明するための図である。
【図４】ｄ軸とｑ軸のインピーダンス偏差を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図５中の電力制御装置５および速度検出器７の構成を示すブロック図である。
【図７】図６中の推定器１１３の構成を示すブロック図である。
【図８】図６中の上位指令器１０１の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ プロペラ
２ ギア／カップリング
３ 発電機
４ 電力変換装置
５ 電力制御回路
６ 負荷
７ 速度検出器
８ 速度センサ
１０１ 上位指令器
１０２ Ｐ−Ｉ制御器（ｄ）
１０３ Ｐ−Ｉ制御器（ｑ）
１０４ ベクトル演算器
１０５ 電力変換器
１０６ 同期発電機
１０７、１０８ 電流検出器
１０９ 座標変換器
１１０ 座標変換器
１１１、１１２ バンドパスフィルタ
１１３ 推定器
１１４ 座標変換器
１１５ インダクタンス偏差演算部
１１６ Ｐ−Ｉ制御器（ｔｈ）
１１７ 速度推定値演算器
１１８ 高周波成分発生器
１１９ 電力演算器
２０１ 風車出力演算部
２０２ 風力速度推定器
２０３ 最大効率運転制御器
２０４ 発電機速度制御器
２０６ 電流指令演算器
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロペラ（風車）によって風力エネルギーを取り込み、この風力エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換する風力発電システムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電システムの構成を図９に示す。この従来の風力発電システムは、図９に示すように、風力を取り込むためのプロペラ１と、プロペラ１の回転数を変速して伝達するためのギア／カップリング２と、発電機３と、電力変換装置４と、電力制御装置９５と、速度センサ８とから構成され、負荷６に対して発電した電力を供給している。
【０００３】
次に、この従来の風力発電システムの動作について説明する。プロペラ１が回転することによって得られた風力エネルギーは、ギア／カップリング２によって回転数の変速が行われた後に発電機３に伝達される。発電機３は、この風力エネルギーを電気的エネルギーに変換する。発電機３によって得られた電気エネルギーは、電力変換装置４によって制御された後に負荷６に伝えられる。電力制御装置９５は速度センサ８からプロペラ１の軸速度の情報を取り入れ電力変換装置４の制御を行う。
【０００４】
このような風力発電システムでは、得られる電力は風速によって影響を受けることになる。そして、風速は一定ではなく常に変動している。そのため、このような風力発電システムでは、発電効率を高めるために、風速に応じて求まる最適な軸速度で発電機３を運転する必要がある。具体的には、発電機３の運動回転数が風速に応じて変化しない速度一定制御、あるいは風速に応じて発電機３の運転回数を変化させることによってエネルギー利用度すなわち発電効率を高める軸速度可変制御が電力制御装置９５によって行われる。
【０００５】
そして、このような軸速度一定制御、軸速度可変制御を行うには、軸の速度を検出する必要があり、従来の風力発電システムでは軸速度を検出するためにエンコーダ等の速度センサ８が用いられていた。例えば、プロペラの軸速度検出にエンコーダを使用している風力発電システムが特開２００２−８４７９７号公報等に記載されている。
【０００６】
しかし、プロペラの軸速度の検出にエンコーダ等の速度センサ８を設けている従来の風力発電システムでは、速度センサ８から電力制御装置９５まで配線を設ける必要がある。そのため、速度センサ８から電力制御装置９５までの距離が長くなると配線自体も長くなり、断線等による信頼性の劣化が問題となる場合があった。さらに、プロペラが回転している間は速度センサも常に回転することになるため、速度センサ自体の寿命が信頼性の劣化を招いてしまうという問題もあった。さらに、速度センサを設けることによってコストの増加を招くという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の風力発電システムでは、効率的な発電を行うためには、プロペラの軸速度を検出するために速度センサが必要となるため、信頼性の劣化、コストの増加を招いてしまうという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、プロペラの軸速度を検出するための速度センサを使用せずに発電機からの速度情報をセンサレスで得ることにより高信頼性、回路の簡略化、コストの低減を図ることができる風力発電システムおよび方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電システムは、風力を取り込むための風車と、風車によって取り込まれた風力エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機とを備えた風力発電システムにおいて、
前記発電機の電流値を検出し、該電流値から発電機の回転速度を推定して速度推定値として出力する速度推定器と、
前記発電機の電力値を算出する電力演算器と、
前記速度推定器により算出された速度推定値および前記電力演算器により算出された前記発電機の電力値より風車の出力を演算し、演算した該風車の出力と前記速度推定値より風速を推定し、推定された風速に基づいて前記発電機の効率が最大となるような速度指令を算出し、算出された該速度指令と前記速度推定値との偏差がゼロとなるようなトルク指令を算出し、算出されたトルク指令に基づいて電流指令を生成して出力する上位指令器と、
前記上位指令器により生成された電流指令から電圧指令を算出して前記発電機の制御を行う制御手段と、
を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の風力発電システムは、前記上位指令器が、γ軸もしくはδ軸あるいはその両方の軸の電圧指令に対して、前記発電機の運転周波数よりも高い周波数を有する高周波成分の電圧を重量して前記発電機に印加する手段を有し、
前記速度推定器は、発電機の電流値を検出し、検出された電流から前記高周波成分の電流を検出し、検出した高周波成分の電流から前記発電機の回転子の位置を推定し、該回転子の推定位置の時間変化量から発電機の速度推定値を算出するようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の風力発電システムは、前記上位指令器を、
前記速度推定器によって検出された速度推定値と、前記電力演算器によって算出された発電機電力から発電機トルクを算出する風車出力演算部と、
前記風車出力演算部によって算出された発電機トルクと前記速度推定値から風速を算出する風力速度推定器と、
前記風力速度推定器により算出された風速から発電機速度指令を算出する最大効率運転制御器と、
前記最大効率運転制御器により算出された発電機速度指令と前記速度推定値の偏差が零となるような比例−積分制御を行い、その出力をトルク指令として出力する発電機速度制御器と、
前記発電機速度制御器により出力されたトルク指令に基づいて、前記発電機を制御するためのγ軸電流指令とδ軸電流指令を出力する電流指令演算部とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
本発明は、γ軸電圧指令またはδ軸電圧指令に発電機の運転周波数よりも高い周波数成分を有する高周波成分の電圧を印加し、その際に発電機に流れる電流に含まれる高周波成分から発電機の速度推定値を算出し、この速度推定値と発電機電力を用いて風速を算出し、この風速に応じて発電機を制御することにより効率的な発電を行うようにしたものである。従って、発電機の回転速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電効率の高い発電機の制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明における発電機効率を最大とするための風速と発電機の軸速度の関係について説明する。一般的に風車の出力Ｐturは下記の式（１）のように表すことが出来る。
【００１５】
【数１】
上記式（１）で風車定数Ｋsysは風車の羽の面積と空気密度によって決まる定数であり制御時急に可変できるパラメータではない。また風の速度Ｖwindは制御できないパラメータである。風速Ｖwindと発電機の軸速度Ｗgenの速度比λは発電機と風車のギア比、風車の半径によって決まる定数Ｋc用いて下記の式（２）に示すように表することができる。
【００１７】
【数２】
動力係数Ｃpはλによって図１に示したように変化するパラメータである。したがって、発電中にλを制御して最大効率速度比λopを維持するように制御すれば動力係数Ｃpは最大値Ｃpmaxになるので、システムの最大効率運転が可能である。λopは風車の設計によって決まる定数である。最大効率運転を維持するためには発電機の速度指令Ｗ* genを下記の式（３）より求めて出力する。
【００１９】
【数３】
上記の式（３）でλopとＫcは風車の設計値の一部なので把握できるが、風速Ｖwindは未知の値である。したがって、最大効率運転のためにはＶwindの瞬時値が必要になる。
【００２１】
発電機電力Ｐgenは、発電機速度Ｗgenと発電機トルクＴgenを用いて下記の式（４）に示すように表することができる。
【００２２】
【数４】
風車システムの損失分Ｐlossは電気損失と機械損失で構成されている。電気損失は、発電機の等価抵抗と発電機を制御しているインバータの電力半導体のスイチイング周波数によって決まる電気損失定数Ｋ1に発電機電力Ｐgenを掛けてを求められる。機械損失は機械摩擦定数Ｂsysに発電機速度の２乗のＷ2 genを掛けてを求める。風車システムの損失分Ｐlossは電気損失に機械損失を足して下記の式（５）に示すように求められる。
【００２４】
【数５】
風車の出力Ｐturは求めた発電機電力Ｐgenに出力の損失分Ｐlossを足して下記の式（６）に示すように求められる。
【００２６】
【数６】
求めた風車の出力Ｐturと発電機の速度より風速Ｖwindは風車データから決められる。本発明では発電機の速度として、発電機速度推定値ω_hatを用いて風速を求める。例えば図２に示したように発電機の速度推定値ω_hatがＷr(A)で風車の出力がＰtur(A)の場合には風速ＶwindはＶw1となる。また、発電機速度推定値ω_hatがＷr(B)で風車の出力がＰtur(B)の場合には風速ＶwindはＶw2となる。
【００２８】
次に、上記で述べた軸速度推定方法に関しての原理について説明する。ここでは、発電機として永久磁石型同期発電機を用いた場合について説明する。永久磁石型同期発電機では、永久磁石を回転子とすると、回転子の磁極上に設定したｄ−ｑ軸に、回転子上に想定したγ−δ軸が一致するような制御が行われる。
【００２９】
このような永久磁石型同期発電機では、インピーダンス偏差を利用して磁束位置推定が可能となる。図３のように実際の磁束軸をｄ軸とし、制御磁束軸をγ軸とする。ｑ軸はｄ軸から（π／２）進んだ位相の軸、δ軸はγ軸から（π／２）進んだ位相の軸である。γ軸に高周波電圧を重量し、γ軸を挟んで４５度の所に高周波インピーダンス推定軸（γh−δh軸）を置く。γh軸とδh軸上で推定されるインピーダンスを比較して、もし、γ軸と実際の磁束軸（ｄ軸）が一致していれば、等しくなるが、一致していなければ、図４に示すように、インピーダンス偏差が生じることとなる。
【００３０】
Δθeはγ軸とｄ軸の誤差角、ｉhγ、ｉhδをγh−δh座標系に変換された一時電流とする。│ｉhγ｜hfと｜ｉhδ｜hfはγh−δh座標系に変換された一時電流ｉhγ、ｉhδから制御軸上に重量する高周波信号と同じ周波数成分の振幅値を後述する方法で抽出したものである。γ軸に高周波電圧を重量した場合、γh、δhそれぞれの軸に現れる電圧値は等しいので、インピーダンス偏差の大きさは、下記の式（７）に示すように、｜ｉhγ｜hfと｜ｉhδ｜hfの偏差に反比例する。
【００３１】
【数７】
このように高周波インピーダンスの関係を用いてインピーダンス偏差が常に０になるようにγ軸を調整すれば、ｄ軸に一致させることができる。
【００３３】
高周波インピーダンス偏差の指標として高周波成分電流を用いるため、γ軸を基準として４５度の所に位置するγh−δh軸上において、一次電流を座標変換して得られるＩhγ、Ｉhδからγ軸に重畳した高周波電圧と同じ周波数成分を抽出しなければならない。通常バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）のみが用いられるが、バンド幅が存在するため必要な成分以外の高周波成分等も抽出する可能性がある。そこで、効率よく重畳周波数成分を抽出し、その振幅値｜Ihγ｜hfと｜Ihδ｜hfを求める方法を示す。重畳高周波hfの成分を含むＩhγを下記の式（８）のように仮定する。
【００３４】
【数８】
この式（８）には重畳高周波hfの他にノイズを含めた高周波信号が混在する。そこで、下記の式（９）、（１０）のようにＩhγに重畳周波数のサイン（sine）、コサイン（cosine）成分を乗算し、下記の式（１１）のようにローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通すことによってＩhγからａ、ｂを抽出することができる。
【００３６】
【数９】
【数１０】
【数１１】
上記の式（１１）のＬＰＦのカットオフ周波数は、Ｉhγの直流分に重畳高周波hfの周波数成分が掛かるため、重畳高周波hf以下に設定しなければならない。動特性を上げるため、あらかじめＢＰＦで重畳高周波hf成分以外を除去しておけば、ＬＰＦのカットオフ周波数をさらに上げることができる。また、最終的に必要なのはａ、ｂから求まる値の大小関係なので、係数を省略すると、このａ、ｂは下記の式（１２）のように表すことができる。
【００４０】
【数１２】
そして、重畳周波成分の振幅成分は、この式（１２）で表されたａ、ｂより下記の式（１３）のように求められる。
【００４２】
【数１３】
また、｜Ｉhδ｜hfについても同様に求めることができる。
【００４４】
前述のように、｜Ｉhγ｜hf、｜Ｉhδ｜hfの偏差が０となるように、γ軸を調整することで、γ軸をｄ軸に一致させることができる。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態の風力発電システムについて説明する。本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を図５に示す。図５において、図９中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００４６】
本実施形態の風力発電システムは、図９に示した従来の風力発電システムに対して、電力制御装置９５が電力制御装置５に置き換えられ、発電機３に流れる電流値を検出して、その電流値に基づいて軸速度を推定する速度検出器７が設けられている。
【００４７】
次に、図５中の電力制御装置５および速度検出器７の構成を図６のブロック図に示す。
【００４８】
電力制御装置５は、図６に示されるように、上位指令器１０１と、Ｐ−Ｉ制御器（ｄ）１０２と、Ｐ−Ｉ制御器（ｑ）１０３と、ベクトル演算器１０４と、座標変換器１１０と、ＢＰＦ１１１、１１２と、電力演算器１１９と、高周波成分発生器１１８とから構成されている。また、速度検出器７は、図６に示されるように、電流検出器１０７、１０８と、座標変換器１０９と、推定器１１３とから構成されている。
【００４９】
電力演算器１１９は、γ軸電圧指令ｖγ*、δ軸電圧指令ｖδ*および、γ軸電流帰還値ｉγ_fb、δ軸電流帰還値ｉδ_fbを用いて、下記の式により発電機３の電力値Ｐgenを算出する。
Ｐgen＝３／２（Ｖγ*・ｉγ_fb＋Ｖδ*・ｉδ_fb）
上位指令器１０１は、速度検出器７の推定器１１３により算出された速度推定値ω_hatおよび電力演算器１１９により算出された発電機３の電力値Ｐgenから電流指令ｉγ*、ｉδ*を生成して出力する。
【００５０】
Ｐ−Ｉ制御器(ｄ)１０２は、γ軸電流指令ｉγ*とγ軸電流帰還値ｉγ_fbが一致するように比例積分演算を行い、γ軸電圧指令ｖγ*'を出力する。このγ軸電圧指令ｖγ*'に、高周波成分発生器１１８からの高周波成分の電圧指令ｖ_injが加算されて、新たなγ軸電圧指令ｖγ*が生成される。
【００５１】
Ｐ−Ｉ制御器(ｑ)１０３は、δ軸電流指令ｉδ*とδ軸電流帰還値ｉδ_fbが一致するように比例積分演算を行い、δ軸電圧指令vδ*を出力する。
【００５２】
高周波成分v_injは、高周波成分発生器１１８において、高周波成分の周波数値hfを積分した位相θhfと高周波成分の電圧振幅値ｖampから、ｖ_inj=ｖamp・sin(θhf)で与えられる。
【００５３】
ベクトル演算器１０４は、γ軸電圧指令値ｖγ*と、高周波成分の重畳されたδ軸電圧指令値ｖδ*および位相推定値θ_hatから三相電圧指令v_ref_u、v_ref_v、v_ref_wを作成し電力変換装置４に出力する。
【００５４】
電力変換装置４は、ベクトル演算器１０４からの三相電圧指令v_ref_u、v_ref_v、v_ref_wに基づき、三相交流電圧を同期発電機３に出力する。同期発電機３に流れる電流は、Ｕ相およびＶ相に取り付けられた電流検出器１０７、１０８によって検出され、座標変換器１０９に入力される。ここでは、Ｕ相とＶ相に取り付けたが、座標変換時に考慮すれば、電流検出器は任意の二相に取り付けてよく、また三相全部に取り付けても良い。座標変換器１０９は、三相交流を二相交流に変換してｉαとｉβとして出力する。
【００５５】
座標変換器１１０は、二相交流ｉαとｉβを、位相θ_hatでγ−δ座標系に変換して、ｉγ_xおよびｉδ_xとして出力する。
【００５６】
バンドパスフィルタ１１１、１１２はカットオフ周波数がhfのフィルタであり、前述の加算した高周波成分による電流を抽出し、この成分を元の電流値から差し引くことで、高周波成分を除去し、それぞれ、電流帰還値ｉγ_fbとｉδ_fbとして出力している。ここでは、加算した高周波成分を除去出来れば良いので、他の公知のノッチフィルタで構成しても良い。
【００５７】
尚、Ｐ−Ｉ制御器１０２、１０３、ベクトル演算器１０４、電力変換装置４は、上位指令器１０１により生成された電流指令ｉγ*、ｉδ*から電圧指令ｖγ*、ｖδ*を算出して発電機３の制御を行う制御手段として機能する。
【００５８】
推定器１１３では印加した高周波成分を含む二相交流ｉα、ｉβから発電機３の回転速度推定値ω_hatおよび位相推定値θ_hatを演算している。この推定器１１３の構成を図７のブロック図に示す。
【００５９】
推定器１１３は、図７に示されるように、座標変換器１１４と、インダクタンス偏差演算部１１５と、Ｐ−Ｉ制御器１１６と、速度推定値演算器１１７とから構成されている。
【００６０】
座標変換器１１４では、二相交流ｉα、ｉβをγ−δ軸から（π/４）遅れた座標系γh−δh座標系に変換し、ｉhγ、ｉhδを演算している。インダクタンス偏差演算部１１５は、上述した式（１３）に基づき、│ｉhγ│hfを演算し、同様に│ｉhδ│hfを演算し、両者の偏差を出力している。
【００６１】
Ｐ−Ｉ制御器１１６は、比例−積分演算により、インダクタンス偏差演算部１１５により算出された偏差が零となるように、すなわち指令器の磁束軸γ軸と実際の磁束軸ｄ軸が一致するように、指令器の位相θ_hatを調整しており、このθ_hatが位相推定値となるう。
【００６２】
速度推定値演算器１１７は、位相推定値θ_hatを微分することにより速度推定値ω_hatを求めている。速度推定値演算器１１７におけるローパスフィルタ(ＬＰＦ)は、微分によりばらつきが激しくなるのを平均化することで安定にするために設けている。このようにして速度推定値ω_hatを求めることで、発電機の効率が最大となるように運転できる風力発電システムが実現できる。
【００６３】
次に、図６中の上位指令器１０１の構成を図８に示す。上位指令器１０１は、図８に示されるように、風車出力演算部２０１と、風力速度推定器２０２と、最大効率運転制御器２０３と、発電機速度制御器２０４と、電流指令演算器２０６とを備えている。
【００６４】
この上位指令器１０１では、上述の式（４）において、発電機速度Ｗgenを速度検出器７の出力である速度推定値ω_hatに置き換え、発電機トルクＴgenを後述の発電機のトルク指令と置き換えて発電機電力Ｐgenを求める。そして、この発電機電力Ｐgenに損失分を加えたＰturと速度推定値ω_hatおよび発電機トルクＴgenおよび図２に示したグラフから、風速Ｖwindを求める。そして、この風速Ｖwindに基づいて発電機速度指令Ｗgen *を算出し、速度推定値ω_hatと発電機速度指令Ｗgen *が一致するように発電機を制御することにより効率的な発電が行われるようにする。
【００６５】
風車出力演算部２０１は、速度検出器７によって検出された速度推定値ω_hatと、電力演算器１９によって算出された発電機電力Ｐgenから発電機トルクＴgenを算出する。風力速度推定器２０２は、風車出力演算部２０１によって算出された発電機トルクＴgenと速度検出器７によって検出された速度推定値ω_hatから風速Ｖwindを算出する。最大効率運転制御器２０３は、上述した式（３）を用いて、風力速度推定器２０２により算出された風速Ｖwindから発電機速度指令Ｗgen *を算出する。
【００６６】
発電機速度制御器２０４および電流指令演算器２０６は、最大効率運転制御器２０３により算出された発電機速度指令Ｗgen *に基づいて発電機３を運転するために発電機３に与える電流指令iγ*、ｉδ*を演算するためのブロックである。
【００６７】
発電機速度制御器２０４は、最大効率運転制御器２０３により算出された発電機速度指令Ｗgen *と発電機速度推定値ω_hatの偏差が零となるような比例−積分制御を行い、その出力をトルク指令として出力している。電流指令演算部２０６は、発電機速度制御器２０４により出力されたトルク指令に応じて、実際の発電機３が効率よく運転できる条件のγ軸電流指令ｉγ*とδ軸電流指令ｉδ*を出力する。このトルク指令から電流指令を求める方法は、別途公知の技術を用いれば良いので、ここでは説明を省略する。
【００６８】
このようにして、上位指令器１０１では、風力発電システムの発電効率が最大となるように、風速の推定速度に基づいて発電機の軸速度指令を出力するとともに、この軸速度指令に従って運転するように発電機へ出力を供給し、発電機の軸速度指令に発電機の推定軸速度が追従するように速度制御する機能を有する風力発電システムが実現できる。
【００６９】
本実施形態の風力発電システムでは、γ軸電圧指令ｖγ*に、発電機３の運転周波数よりも高い周波数成分を有する高周波成分hfの電圧を印加し、その際に発電機３に流れる電流に含まれる高周波成分から推定軸速度ω_hatを算出し、この推定軸速度ω_hatと発電機電力Ｐgenを用いて風速Ｖwindを算出し、この風速Ｖwindに応じて発電機３を制御することにより効率的な発電を行うようにしたものである。
【００７０】
従って、軸速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電効率の高い発電機の制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現することができる。
【００７１】
本実施形態では、発電機３として永久磁石型同期発電機を用いた場合の構成について説明を行ったが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、発電機３として同期発電機以外に誘導電動機やＩＰＭ（Interior Permanent Magnet)モータ等の交流電動機を発電機として使用した場合にも同様に適用することができるものである。
【００７２】
また、本実施形態では、γ軸電圧指令ｖγ*に高周波成分hfを重畳して、発電機の回転子の位置を推定するようにしていたが、δ軸電圧指令ｖδ*に高周波成分hfを重畳しても同様にして発電機の回転子の位置を推定することができる。さらに、γ軸電圧指令ｖγ*、δ軸電圧指令ｖδ*の両方に高周波成分hfを重畳しても同様にして発電機の回転子の位置を推定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の風力発電システムおよび方法によれば、プロペラの軸速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電機の効率的な制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現できるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動力係数Ｃpと速度比λの関係を示す図である。
【図２】発電機の速度と風車の出力関係を示す図である。
【図３】座標系を説明するための図である。
【図４】ｄ軸とｑ軸のインピーダンス偏差を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図５中の電力制御装置５および速度検出器７の構成を示すブロック図である。
【図７】図６中の推定器１１３の構成を示すブロック図である。
【図８】図６中の上位指令器１０１の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ プロペラ
２ ギア／カップリング
３ 発電機
４ 電力変換装置
５ 電力制御回路
６ 負荷
７ 速度検出器
８ 速度センサ
１０１ 上位指令器
１０２ Ｐ−Ｉ制御器（ｄ）
１０３ Ｐ−Ｉ制御器（ｑ）
１０４ ベクトル演算器
１０５ 電力変換器
１０６ 同期発電機
１０７、１０８ 電流検出器
１０９ 座標変換器
１１０ 座標変換器
１１１、１１２ バンドパスフィルタ
１１３ 推定器
１１４ 座標変換器
１１５ インダクタンス偏差演算部
１１６ Ｐ−Ｉ制御器（ｔｈ）
１１７ 速度推定値演算器
１１８ 高周波成分発生器
１１９ 電力演算器
２０１ 風車出力演算部
２０２ 風力速度推定器
２０３ 最大効率運転制御器
２０４ 発電機速度制御器
２０６ 電流指令演算器
Claims (5)
- 風力を取り込むための風車と、風車によって取り込まれた風力エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機とを備え、速度センサを使用することなく前記発電機の制御を行う風力発電システムにおいて、
前記発電機の電流値を検出し、該電流値から発電機の回転速度を推定して速度推定値として出力する速度推定器と、
前記発電機の電力値を算出する電力演算器と、
前記速度推定器により算出された速度推定値および前記電力演算器により算出された前記発電機の電力値より風車の出力を演算し、演算した該風車の出力と前記速度推定値より風速を推定し、推定された風速に基づいて前記発電機の効率が最大となるような速度指令を算出し、算出された該速度指令と前記速度推定値との偏差がゼロとなるようなトルク指令を算出し、算出されたトルク指令に基づいて電流指令を生成して出力する上位指令器と、
前記上位指令器により生成された電流指令から電圧指令を算出して前記発電機の制御を行う制御手段と、
を備えていることを特徴とする風力発電システム。 - 前記上位指令器は、γ軸もしくはδ軸あるいはその両方の軸の電圧指令に対して、前記発電機の運転周波数よりも高い周波数を有する高周波成分の電圧を重量して前記発電機に印加する手段を有し、
前記速度推定器は、発電機の電流値を検出し、検出された電流から前記高周波成分の電流を検出し、検出した高周波成分の電流から前記発電機の回転子の位置を推定し、該回転子の推定位置の時間変化量から発電機の速度推定値を算出する、
請求項１記載の風力発電システム。 - 前記上位指令器は、
前記速度推定器によって検出された速度推定値と、前記電力演算器によって算出された発電機電力から発電機トルクを算出する風車出力演算部と、
前記風車出力演算部によって算出された発電機トルクと前記速度推定値から風速を算出する風力速度推定器と、
前記風力速度推定器により算出された風速から発電機速度指令を算出する最大効率運転制御器と、
前記最大効率運転制御器により算出された発電機速度指令と前記速度推定値の偏差が零となるような比例−積分制御を行い、その出力をトルク指令として出力する発電機速度制御器と、
前記発電機速度制御器により出力されたトルク指令に基づいて、前記発電機を制御するためのγ軸電流指令とδ軸電流指令を出力する電流指令演算部と
を備えている請求項１または２記載の風力発電システム。 - 風車によって風力を取り込み、速度センサを使用することなく発電機を制御することにより取り込んだ風力エネルギーを電気的エネルギーに変換する風力発電方法において、
前記発電機の電流値を検出し、該電流値から発電機の回転速度を推定して速度推定値とするステップと、
前記発電機の電力値を算出するステップと、
算出された前記速度推定値および算出された前記発電機の電力値より風車の出力を演算するステップと、
演算した該風車の出力と前記速度推定値より風速を推定するステップと、
推定された風速に基づいて前記発電機の効率が最大となるような速度指令を算出するステップと、
算出された該速度指令と前記速度推定値との偏差がゼロとなるようなトルク指令を算出し、算出されたトルク指令に基づいて電流指令を生成するステップと、
生成された前記電流指令から電圧指令を算出して前記発電機の制御を行うステップと、
を備えていることを特徴とする風力発電方法。 - 発電機の回転速度を推定して速度推定値とするステップが、
γ軸もしくはδ軸あるいはその両方の軸の電圧指令に対して、前記発電機の運転周波数よりも高い周波数を有する高周波成分の電圧を重量して前記発電機に印加するステップと、
発電機の電流値を検出し、検出された電流から前記高周波成分の電流を検出し、検出した高周波成分の電流から前記発電機の回転子の位置を推定するステップと、
該回転子の推定位置の時間変化量から発電機の速度推定値を算出するステップと、
から構成される請求項４記載の風力発電方法。
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