JP4015595B2 - 風力発電システム、及び、風力発電方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電システム、及び、風力発電方法に関し、特に、誘導発電機を搭載し、ソフトスタータを用いて起動時の運転を制御する風力発電システム、及び、風力発電方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
クリーンにエネルギーを提供する風力発電装置は、その実用化が加速されている。風力が変動して発電力が変動する風力発電機を電気系統母線に接続することは、母線と発電機との間の相対的電圧の好ましくない急変を招く。このような問題は、風力発電に限られずボイラーから出力される蒸気エネルギーが変動する蒸気タービン発電機にも存在している。出力変動を抑制して母線の電圧を好ましい電圧に保持するための制御技術は、数多く且つ多様に知られている。
【0003】
誘導発電機においては、機械系の同期速度に対して速い回転速度はその機械系を発電機として提供し、機械系の同期速度に対して遅い回転速度はその機械系を電動機として提供する。外界環境の変化により、風力発電機は発電機モードから電動機モードに遷移し、逆に、電動機モードから発電機モードに遷移する。風力発電機は、通常、電動機モードで系統母線に併入されるが、直入れした場合には定格電流の10倍程度の電流が瞬時に流れ、系統電圧の低下を招く。これを防止するために、風力発電機には、ソフトスタータが系統母線との間に設けられる。しかし、電動機モードから発電機モードに遷移する際に、定格電流程度の無効電流が流れ、弱小系統ではこの程度の電流でも系統電圧低下を招く。このような遷移の期間で問題が生じないように、風速、風向、風車の回転速度、回転速度変化、すべり率、発電機の出力電圧のような多くの多様なパラメータに多次元的に対応してサイリスタの導通間隔(ゲート角)を制御する技術は、多様に知られている。誘導機と系統の間に挿入されサイリスタが逆並列に接続されるソフトスタータが設けられる制御回路は、風力発電制御のために広く用いられている。併入時の突入電流の抑制は、サイリスタゲート角を一定値に設定することにより可能である。
【0004】
電動機モードから発電機モードに安定的に遷移させる技術は、後掲特許文献1の米国特許で知られている。この技術は、発電機電圧をフィードバック信号として利用することにより、サイリスタゲート角を制御している。このようなフィードバック制御では、高速サンプリングの制御技術が利用されている。高速サンプリングを要する制御技術では、人里離れ特に海外の僻地で運転開始のために行う調整が容易でない。ソフトスタータを用いる公知の制御技術は、風車本体に協調させる協調制御ではなく、風車と発電機との間の共振現象を起こす恐れがあり、そのような共振現象の存在が報告されている。
【0005】
船体の推進のために用いられる回転翼と同様に、大きく変動する単位時間当たりの風力エネルギーに適正に対応して安定的に回転することが求められる風車では、ピッチが可変的である。
【0006】
発電機と可変ピッチ翼との協調により、モード遷移時の出力の安定性(又は緩衝性)が求められる。その場合に、ソフトスタータが本来的に有する緩衝性が有効に利用されることが望まれる。運転条件を整えるための調整が容易であることが重要である。
【0007】
【特許文献1】
米国特許第4,656,413号
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、発電機と可変ピッチ翼との協調によりモード遷移時の出力を安定化する技術を確立する風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、ソフトスタータが本来的に有する緩衝性を有効に利用する風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、運転条件を整えるための調整が容易である風力発電システム、及び、風力発電方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による風力発電システムは、風車(図示されず)に結合する発電機(1)と、発電機(1)と電力供給系統との間に介設されるサイリスタ群(2)と、風車の可変翼のピッチ角を制御するピッチ角制御器(26)と、サイリスタ群(2)のゲート角を制御するゲート角制御器(32)とから構成されている。ピッチ角制御器(26)は、風車の起動時にピッチ角を時系列的に増大する数値計算プログラム(27)を有している。数値計算プログラム(27)は、ピッチ角増大量を規定する。そのピッチ角増大量は、起動時の制御プロセスの時系列的前半部分に対応する第1時系列的ピッチ角増分(1゜/s)と、起動時の制御プロセスの時系列的後半部分に対応する第2時系列的ピッチ角増分(0.1゜/s)との組合せとして設定されている。第2時系列的ピッチ角増分は第1時系列的ピッチ角増分より小さい。ゲート角制御器(32)は、発電機回転数(Ngene)の上昇に対応してゲート角(θc)を減少させるゲート角制御プログラム(33)を有する。
【0010】
サイリスタ群は、公知技術ではソフトスタータと呼ばれている。電動機モードから発電機モードに移行(遷移)させる起動制御プロセスでは、風車の回転速度をゆっくりと上昇させて突入電流の急上昇を抑制することが重要である。ソフトスタータは、そのような抑制効果を有している。本発明が採用するソフトスタータ(2)は、原則的には、発電機回転数をフィードバック信号として用いない。発電機回転数は、付加的条件としてフィードバック信号として用いられる。発電機回転数をフィードバック信号として原則的に用いないで、数値的プログラムにより規定されるピッチ角は、発電機回転数の関数ではなく、プログラムにより規定される。プログラムにより規定されるピッチ角は、規定される数値的増分に対応して確実にゆっくりと増加する。このような確実なピッチ角増大は、突入電流の大きさを十分に小さい値に制御することができ、その制御が確実である。モード遷移の後半では、ピッチ角増分はより小さい値に設定され、モード移行時に特有である突入電流の急上昇を有効に且つ確実に抑制することができる。このようなモード移行時には、発電機回転数は、ピッチ角増大のための付加的条件であり、発電機回転数をフィードバック信号として用いる場合の共振現象を有効に回避することができる。
【0011】
数値計算プログラムは規定電圧を規定する。ゲート角制御器(32)は、発電機電圧が規定電圧に到達すれば、ゲート角制御プログラム(33)はゲートを全開する。数値計算プログラムは規定電圧を規定する。数値計算プログラムは、発電機電圧が規定電圧に到達しなければピッチ角を増大させる。ピッチ角はこのように徐々にゆっくりと増大する。ピッチ角の増大は発電機回転数の増大に強い相関関係を有しているので、本発明の制御が有効である。
【0012】
数値計算プログラムは、規定回転数と規定ゲート角とを規定する。規定回転数は、第1規定回転数(例示:1700rpm)と、第1規定回転数より多い第2規定回転数(例示:1770)とに段階的に設定されている。規定ゲート角は、第1規定ゲート角(例示:160゜)と、第1規定ゲート角より小さい第2規定ゲート角(例示:153゜)とに段階的に設定されている。発電機回転数(Ngene)が第1規定回転数を越えれば、ゲート角を第1規定ゲート角に減少させ、発電機回転数が第2規定回転数を越えなければピッチ角を増大させ、発電機回転数が第2規定回転数を越えれば、ゲート角を第2規定ゲート角に減少させる。このような複合的多段設定は、モード移行を更に円滑にする。この場合に、数値計算プログラムは規定電圧(例示:420V)を更に規定する。発電機電圧がその規定電圧に到達しなければ、ピッチ角が増大し、モード移行は更に円滑である。バイパスコンタクト(21)の追加は効果的である。数値計算プログラムは、発電機電圧が規定電圧に到達すれば、バイパスコンタクトをONにすることにより、サイリスタ群を介さずに発電機(1)を電力供給系統に接続して、円滑なモード遷移制御を完了する。
【0013】
ピッチ角制御器(26)には回転数制御器(28)の追加が好ましい。発電機回転数のフィードバック信号は、ピッチ角の不用意な増大を抑制する。数値計算プログラムにより風車に与えられるピッチ角は第1ピッチ角としてθc1で表される。回転数制御器(28)は、発電機回転数の増加分に対応する第2ピッチ角を定義し、第2ピッチ角はθc2で表される。ピッチ角制御器(26)は、関数として、θc5=min(θc1,θc2)を定義している。ピッチ角制御器(26)は、風車にピッチ角としてmin(θc1,θc2)を与える。θc1とθc2のうちの小さいピッチ角を選択的に決定することにより、急速な回転数上昇を抑制することができる。
【0014】
θc2は、下記式:θc2=K・ΔN,ΔN=kNset−Ngeneで表され、ここで、Kとkはそれぞれに設定係数であり、Nsetは設定発電機回転数であり、Ngeneはリアルタイムの発電機回転数であり、kは1より大きく近似的に1である。Nsetは、発電系同期回転数として設定されることが好ましい。kは、1より僅かに大きい値(例示:1.01)であり、発電機回転数Ngeneが同期回転数を越えて同期回転数より僅かに大きい回転数kNsetを越えれば、θc2はθc1より大きくなり零に接近し、θc1に優先して、遷移過程の末期の回転数がθc2に選択的に採択される。
【0015】
ピッチ角制御器(26)に出力制御器(41)が更に追加されることが有利である。出力制御器(41)は、発電機出力の増加分に対応する第3ピッチ角を定義する。第3ピッチ角はθc3で表される。ピッチ角制御器(26)は、関数として、θc=min(θc5,θc3)を定義する。ピッチ角制御器(26)は、風車にピッチ角としてmin(θc5,θc3)を与える。θc3は、下記式:θc3=K’・ΔP,ΔP=Pset−Pで表され、ここで、K’は設定係数であり、Psetは設定発電機出力であり、Pはリアルタイムの発電機出力である。出力制御開始前のピッチ角は、既述のθc5にトラッキングされる。遷移過程の末期では、θc1とθc2に優先されて、出力に対応するθc3が優先される。
【0016】
ピッチ角制御器(26)に加速度対応ピッチ角修正器(42)が更に追加されることはより有利である。加速度対応ピッチ角修正器(42)は、発電機回転数の増加分(加速度)に対応する第4ピッチ角を定義する。第4ピッチ角は、θc4で表される。ピッチ角制御器(26)は、関数として、θc’=min(θc5,θc3,θc4)を定義する。ピッチ角制御器は、風車にピッチ角としてmin(θc5,θc3,θc4)を与える。回転数が上昇する場合のピッチ角増分が規定され、加速度が大きく加速度対応ピッチ角θc4がプログラム制御のピッチ角θc1より小さい場合には、プログラム制御のピッチ角θc1より小さいピッチ角度で風車の回転数増大を抑制することは効果的である。θc4は、θc4=θc+Δθ,Δθ=K”・f(θc)・ΔNgeneで表され、ここで、K”は設定係数であり、f(θc)は設定関数であり、ΔNgene規定時間の間の回転数変化量である。
【0017】
このように、回転数、出力、加速度が大きくなって遷移過程が末期に近づく間では、プログラム制御により確実にゆっくりと風車の回転数を上昇させ、末期では、出力次第では、プログラム制御のピッチ角よりも小さいピッチ角で出力上昇が実行され、常に、小さい方のピッチ角の選択的設定により、突入電流が過度に増大することを有効に回避することができる。
【0018】
本発明による風力発電方法は、複数のステップ:発電機(1)に連結されている風車の回転を開始すること、発電機(1)を電動機モードから発電機モードに遷移させること、発電機(1)を電動機モードから発電機モードに遷移させる遷移過程を時系列前半部分と時系列後半部分とに分割すること、時系列前半部分で風車のピッチ角を第1ピッチ角増分で増大させること、時系列後半部分で風車のピッチ角を第2ピッチ角増分で増大させること、時系列前半部分で発電機(1)と電力投入系統(3)との間に介設されるサイリスタ(2)のサイリスタゲート角を第1サイリスタゲート角に設定すること、時系列後半部分でサイリスタゲート角を第2サイリスタゲート角に設定すること、第1ピッチ角増分を第2ピッチ角増分より大きく設定すること、第1サイリスタゲート角を第2サイリスタゲート角より大きく設定すること、により構成され、プログラム制御により時系列後半部分の出力上昇を緩和し、全遷移過程で突入電流の過度の上昇を抑制することができる。ステップは発電機電圧が規定電圧を越えれば、サイリスタゲート角を全開角度に設定して、遷移プロセスが完了する。
【0019】
【発明の効果】
本発明による風力発電システム、及び、風力発電方法は、プログラム制御を優先して徐々にピッチ角を上昇させ、制御プロセスの後半のピッチ角の時系列的増分を制御プロセスの前半のピッチ角の時系列的増分より少なくすることにより、電流出力を円滑に上昇させることができ、結果的に、発電機と可変ピッチ翼との協調によりモード遷移時の出力を安定化する技術を確立することができる。更には、公知のソフトスタータが本来的に有する緩衝性を有効に活用することができる。更には、運転条件を整えるための調整が容易である。
【0020】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による風力発電システムは、誘導発電機がピッチ対応制御器とともに設けられている。その誘導発電機1の発電出力は、図1に示されるように、ピッチ対応制御器2を介して系統母線3に供給される。ピッチ対応サイリスタ制御器2は、3相サイリスタ群で形成されるソフトスタータ2として構成されている。ピッチ対応サイリスタ制御器2の3相サイリスタ群は、U相サイリスタ対4と、V相サイリスタ対5と、W相サイリスタ対6とから構成されている。
【0021】
U相サイリスタ対4は、U相順方向サイリスタ7とU相逆方向サイリスタ8とから形成されている。U相順方向サイリスタ7とU相逆方向サイリスタ8は、互いに並列に接続されている。V相サイリスタ対5は、V相順方向サイリスタ9とV相逆方向サイリスタ11とから形成されている。V相順方向サイリスタ9とV相逆方向サイリスタ11は、互いに並列に接続されている。W相サイリスタ対6は、W相順方向サイリスタ12とW相逆方向サイリスタ13とから形成されている。W相順方向サイリスタ12とW相逆方向サイリスタ13は、互いに並列に接続されている。誘導発電機1のU相出力線14は、U相サイリスタ対4に接続されている。誘導発電機1のV相出力線15は、V相サイリスタ対5に接続されている。誘導発電機1のW相出力線16は、W相サイリスタ対6に接続されている。
【0022】
U相出力線14は、V相出力線15とW相出力線16とともに、出力検出器17に接続されている。出力検出器17は、3相の出力電流、出力電圧、出力(パワー)、力率を検出する。U相出力線14は、更に、誘導発電機1の出力回転数Nを検出する回転数検出器18に接続されている。ピッチ対応サイリスタ制御器2と系統母線3との間には、昇圧トランス19が介設されている。昇圧トランス19と誘導発電機1との間には、ピッチ対応サイリスタ制御器2と並列に、バイパスコンタクタ21が介設されている。バイパスコンタクタ21は、U相出力線14と昇圧トランス19との間を相独立に接続するU相開閉器22と、V相出力線15と昇圧トランス19との間を相独立に接続するV相開閉器23と、W相出力線16と昇圧トランス19との間を相独立に接続するW相開閉器24とから形成されている。ピッチ対応サイリスタ制御器2と昇圧トランス19とを接続する各相出力線は、トランス二次電圧検出器25に接続されている。
【0023】
本発明による風力発電システムでは、図2に示されるように、ピッチ角制御器26が追加される。ピッチ角制御器26は、プログラム制御器27を備えている。プログラム制御器27のプログラム制御による回転数上昇過程で、実機のリアルタイムの回転数を考慮してピッチ角の増加率を選択的に修正する回転数制御器28の追加は好ましい。ピッチ角制御器26は、基本的にプログラム制御を実行するが、実機の力学的状態を考慮してプログラム制御を実行することは後述されるように現実的に有効である。
【0024】
プログラム制御器27は、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で回転数上昇を滑らかに適正化するための規則を有している。現在の風速が発電機モード遷移可能値に到達していれば、風車の回転速度を零から徐々に上昇させる併入制御が実行される。現在の回転速度に依存しない回転翼(風車)のピッチ角θは、図3に示されるように、プログラムの中に与えられている。ピッチ角変数は、θc1で表される。ピッチ角θc1は、プログラムにより時系列的に増加する。
θc1=θc+(Δθ/Δt)Δt・・・(1)
ここで、Δtは一定値として設定されている。Δtとして、1秒が適正である。(Δθ/Δt)はピッチ角変化速度であり、プログラムにより下記のように規定されている。
Δθ/Δt=1゜/s,θ≦−40゜
Δθ/Δt=0.1゜/s,−40゜<θ<0゜
【0025】
回転数制御器28の補正制御は、実施の本形態としては選択的補正制御が採択されている。図3に示されるように、下記のPI制御が規定される。
θc2=(Kp2+1/(Ti2・s))ΔN・・・(2)
ΔN=1.01・Nset−N
Nset:設定回転数
N:時系列現時刻点の回転数
Kp2=0.3
Ti2=7.0
現在回転数が設定回転数(例示:発電系同期回転数)を僅かに越えれば、ΔNは絶対値が非常に小さい負の値になり、ピッチ角θc2は0゜(ファイン側)に漸近する。プログラム制御によるピッチ角θc1を補正する補正ピッチ角Δθc1(N)を実機の回転数Nの関数としてプログラム中に設定することは否定されない。
【0026】
ピッチ角制御器26は、図2に示されるように、適正ピッチ角選択器29を備えている。適正ピッチ角選択器29には、プログラム制御器27が出力する第1ピッチ角候補θc1と回転数制御器28が出力する第2ピッチ角候補θc2が入力される。適正ピッチ角選択器29は、関数特に選択関数を有し、選択関数に従ってピッチ角θc5を決定する。
θc5=min(θc1,θc2)・・・(3)
適正ピッチ角選択器29は、第1ピッチ角候補θc1と第2ピッチ角候補θc2とのうちで小さい方の値を選択的に決定して、選択的決定ピッチ角θC5をピッチ角指令信号31として出力する。
【0027】
ピッチ角指令信号31は、ゲート角制御器32に入力される。ゲート角制御器32は、ゲート角制御プログラム33を内蔵している。ゲート角制御プログラム33は、ステップS1〜S8を形成している。時系列現在時刻点の選択的決定ピッチ角θC5で回転している風車の回転軸にギアセットを介して連結している誘導発電機1の発電機回転数Ngeneは、回転数検出器18で検出されている。ステップS1は、選択的決定ピッチ角θC5に対応する現在時刻の誘導発電機1の発電機回転数Ngeneと第1規定回転数(例示:1700rpm)との大小関係を判定する。発電機回転数Ngeneが第1規定回転数より大きくない場合には、プロセスはステップS0に戻り、起動条件の成立性が判定される。起動条件の1つは、既述の通り、10分間平均風速がカットイン風速より大きいことである。以下、起動条件が成立している場合の制御方法が述べられる。
【0028】
発電機回転数Ngeneが第1規定回転数より大きくない場合には、プログラム制御器27と回転数制御器28で選択的決定ピッチ角θC5が選択的に決定される。プログラム制御器27は、ピッチ角度を+1゜だけファイン側に増加させる。ピッチ角のファイン側の増加は、風車の回転速度を上昇させる方向の増加に一致している。このような増加の結果、発電機回転数Ngeneが第1規定回転数(例示:1700rpm)を越えて大きくなれば、プロセスはステップS2に進む。ステップS2で、ゲート角制御プログラム33は、U相順方向サイリスタ7、特には、U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第1規定ゲート角(例示:160゜)に設定するための第1ゲート角設定信号34を出力する。
【0029】
第1ゲート角設定信号34は、図1に示されるように、ゲート信号発生器35に入力される。ゲート信号発生器35は、第1ゲート角設定信号34に対応する第1ゲート角信号36を生成して出力する。第1ゲート角信号36はピッチ対応サイリスタ制御器2に入力され、U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は第1規定ゲート角に現実に設定される。このようなサイリスタゲート角の設定が誘導発電機1の回転数を変動させるかどうかによらずに、ゲート角制御器32は、ステップS3で、発電機回転数Ngeneと第2規定回転数(例示:1770rpm)との大小関係を判定する。第2規定回転数(=1770)は、第1規定回転数(=1700)より大きく設定されている。
【0030】
発電機回転数Ngeneが第2規定回転数より大きくない場合には、ピッチ角制御器26の適正ピッチ角選択器29で選択的決定ピッチ角θC5が新たに決定される。プログラム制御器27は、ピッチ角度を+1゜だけ又は+0.1゜だけファイン側に増加させる。このような増加の結果、発電機回転数Ngeneが第2規定回転数(例示:1770)を越えて大きくなれば、プロセスはステップS4に進む。ステップS4で、ゲート角制御プログラム33は、U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第2規定ゲート角(例示:153゜)に設定的に変更するための第2ゲート角設定信号37を出力する。第2規定ゲート角(=153゜)は、第1規定ゲート角(=160゜)より小さく設定されている。U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は、第2規定ゲート角に現実に設定される。ステップS4とステップS5との間に、ステップS3’とステップS4’の追加は、更に好ましい。発電機回転数Ngeneが第3規定回転数(例示:1795)を越えて大きくなれば、プロセスはステップS4’に進む。ステップS4’で、ゲート角制御プログラム33は、U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角を第3規定ゲート角(例示:162゜)に設定的に変更する。このような回転数増大に対応するゲート角制御は、3段に限られず更に多段にプログラム制御により実行される。
【0031】
ゲート角制御プログラム33のプロセスと適正ピッチ角選択器29の再選択的決定が繰り返され、回転数が定格回転数又は同期回転数Nsyncに接近し、誘導発電機1の発電機電圧が420Vを越えれば(ステップS5)、ゲート角制御器32は、ステップS6で、第3ゲート角設定信号38を出力する。第3ゲート角設定信号38に対応して、U相サイリスタ7,8とV相サイリスタ9,11とW相サイリスタ12,13のサイリスタゲートのそれぞれのゲート角は、第3規定ゲート角に現実に設定される。第3規定ゲート角として、全開の90゜が適正である。第2規定ゲート角から第3規定ゲート角に移行する遷移時間として、1秒が適正に例示されている。
【0032】
このようなゲート角の設定により、誘導発電機1の発電機出力の2秒平均値は設定出力(例示:10kW)を越えることがあり得る。発電機出力の2秒平均値は10kWを越えない場合には、ピッチ角制御器26でピッチ角θC5の再決定が実行される。発電機出力の2秒平均値が10kWを越える場合には(ステップS7)、ゲート角制御器32はバイパス信号39を出力する。バイパスコンタクタ21に入力されるバイパス信号39は、図1に示されるように、バイパスコンタクタ21のU相開閉器22とV相開閉器23とW相開閉器24を閉じて、ピッチ対応サイリスタ制御器2の出力制御を停止する。
【0033】
ピッチ角θc5が増大し、更に、−40゜よりファイン側に増大し、−40゜を越えるとピッチ角はゆっくりと増大し、発電機回転数Ngeneが1700rpmに到達すれば、ピッチ対応サイリスタ制御器2のサイリスタ群のゲートがOFF状態からON状態に移行する。ゲートがOFF状態からON状態に移行すれば、発電機に電圧が印加されて誘導発電機1に発電機電流が流れる。このときの電圧実効値は、定格電圧の10分の1程度であり、誘導発電機1からピッチ対応サイリスタ制御器2を介して系統母線3に突入する突入電流は、定格電流の2分の1以下に抑えられる。
【0034】
発電機回転数が更に上昇して1770rpmを越えれば、ゲート角は153゜に下げられる。このようなゲート角の減少制御は、同期速度(例示:1800rpm)で実行する併入を容易にすることができる。その併入の際に、ピッチ角に対応する回転数の制御を同時的に実行することにより、同期速度の1.01倍の目標回転数の上昇速度が回転数制御器28により有効に抑制され得る。その抑制の適正化は、係数Kp2とTi2の適正値の選択により可能である。回転数が同期速度に到達する速度がより速い場合には、発電機電圧の上昇速度が速くなる。発電機電圧のより速い上昇速度は、発電機電流の急上昇を招く。発電機電流の急上昇は、系統電圧降下を招く。このように、回転数の急上昇の抑制は系統電圧の急降下を有効に回避することができる。
【0035】
回転数が同期速度に接近すれば、発電機電圧が上昇して、その電圧が規定電圧(例示:420V、定格電圧の70%)以上になれば、サイリスタゲート角が1秒間で90゜まで変化して、サイリスタはフル導通状態に開放される。回転数が更に増大し同期速度を越えて、発電機出力の2秒平均値が10kWを越えれば、ソフトスタータ2がバイパスさせられることにより、ピッチ対応サイリスタ制御器2を利用した起動制御が完了する。
【0036】
図3に示されるように、ピッチ角制御器26には、出力制御器41と加速度対応ピッチ角修正器42が更に追加されている。出力制御器41のPI制御では、出力変動ΔPに比例する第3ピッチ角候補θc3が下記の式で定義されて導入される。
θc3=(Kp3+1/(Ti3・s)ΔP・・・(4)
ΔP=Pset−P
出力制御器41により規定されるピッチ角は、定格出力又は設定出力Psetと現在の出力Pの差分に比例するピッチ角微分量Δθの増減による比例積分制御により決定される。
【0037】
加速度対応ピッチ角修正器42は、加速度増に対応するピッチ角は第4ピッチ角候補θc4として下記の式で修正される。
θc4=θc+Δθ・・・(5)
Δθ=f(θc)・Kpn1・Kpn2・ΔNd
Kpn1=0.08,Kpn2=0.1
ΔNd=N(t)−N(t−6)
Δθ=0(ΔNd<5rpm)
ここで、ΔNdは、6秒間の回転数変化量を示している。f(θc)は、理論的に、経験則的に、又は、ニューラルネットワークにより学習される適正関数である。加速度対応ピッチ角修正器42により規定されるピッチ角は、一定時間で定義される回転数変化量(加速度)に比例するピッチ角微分量Δθの増減による比例積分制御により決定される。
【0038】
実施の本形態では、他の適正ピッチ角選択器43が追加されている。他の適正ピッチ角選択器43は、下記式により、適正ピッチ角選択器29が選択的に決定するθc5と出力制御器41が規定するθc3と加速度対応ピッチ角修正器42が規定するθc4とのうちで最小値を選択的に決定する。
最終決定ピッチ角θc=min(θc3,θc4,θc5)・・・・(6)
【0039】
実施例:
式(2)は、下記式に効果的に変更され得る。
θc2=(Kp+1/(Ti・s))ΔN−Kdmax(0,Ngeneの時間的変化率)・・・(2’)
ΔN=1.004・Nsync−Ngene
θc=min(θc1,θc2)・・・(3’)
Kp,Ti,Kd:制御パラメータ
Nsync:同期回転数
Ngene:発電機回転数
θc:ブレードピッチ角(指令)
【0040】
誘導発電機1を電動機モードから発電機モードに遷移させるために、併入時に回転数Ngeneが速い速度で同期回転数Nsyncを越えることがないように、式(2’)に示される制御パラメータKp,Ti,Kdが適正に設定されて、ブレードピッチ角θcが制御される。特に、回転数変化率(=dNgene/dt)のフィードバックゲインKdを適正に設定することが重要である。
【0041】
図4は、本実施例の起動シミュレーション計算例を示している。図4(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),(i)のそれぞれの横軸は経過時間(時系列時刻で単位は秒)を示している。図4(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),(i)のそれぞれの縦軸は、風速(m/s)、空力出力、ブレードピッチ角、回転数(rpm)、発電機出力(kW)、無効電力、発電機電圧(V)、発電機電流(A)、サイリスタゲート角を示している。図3(a)に示されるように、起動条件は満たされている。プログラム制御器27によりプログラム制御されるピッチ角は、図3(c)に示されるように、12秒目付近から36秒目付近まで比例的に増大しているが、回転数制御器28による回転数制御優先のピッチ角が時々に現れている。図3(d)に示されるように、1700rpmを越えてゲートが僅かに開かれてゲート角が160゜に設定された後に、回転数は1700rpmを越えるが1770rpmを越えずに概ね一定に保持される。図3(d)に示されるように、回転数が9秒目付近で1770rpmを越えると、図3(i)に示されるようにゲート角は153゜に低下するように設定されて、図3(g)に示されるように、発電機電圧が上昇する。図3(b)に示されるように、空力出力が顕在化すれば、出力電圧は急に上昇し、発電機電圧が420Vを越えれば、図3(h)の図示丸枠内に示されるように発電機電流が明白に顕在化して、図3(e)に示されるように、発電機出力が顕在化する。このような発電機出力の顕在化に対応して、ゲート角は90゜に向かう減少制御が実行される。
【0042】
ゲート角が減少し始めるゲート角減少時系列帯では、図3(g)に示されるように、発電機電圧が急に上昇するが、図3(c)に示されるようにピッチ角が正比例的に増大する増大制御により、回転数の増大速度は図3(c)に示されるように低加速度で定格回転数に上昇し、発電機電流は図3(h)に示されるように比例的に増大して、発電機電流の急上昇が回避されている。本実施例では、図4(i)に示されるように、ゲート角は15秒をかけてゆっくり減少する制御が実行されている。無効電流は、図3(f)に示されるように、定格電流より格段に小さい値に制御され、定格電流の10倍程度の無効電流の発生は回避されている。ピッチ角制御により、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で、回転数の加速度が小さく抑制され、発電機電流の急上昇が抑えられ、系統電圧の急降下が有効に回避される。
【0043】
本発明によれば、電動機モードから発電機モードに遷移する遷移過程で、風速が変化し発電機電圧が規定電圧に到達せず、U相逆方向サイリスタ8とV相逆方向サイリスタ9とW相逆方向サイリスタ11を介して電流が逆流する電動機モードが頻繁に現れ、逆に、電動機モードから発電機モードに移行することが繰り返されるが、ピッチ角の安定した比例的増大は、発電機電流が平均的に緩やかに増大する制御を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による風力発電システムの実施の形態を示す回路図である。
【図2】図2は、図1の回路に同体であるフロー図付き回路図である。
【図3】図3は、図2の一部を詳細に示す回路図である。
【図4】図4は、本発明による風力発電システムの実施の形態の実施例を示すグラフである。
【符号の説明】
1…発電機
2…サイリスタ群(ソフトスタータ)
21…バイパスコンタクト
26…ピッチ角制御器
27…数値計算プログラム
28…回転数制御器
32…ゲート角制御器
33…ゲート角制御プログラム
41…出力制御器
42…加速度対応ピッチ角修正器
Claims (14)
- 風車に結合する発電機と、
前記発電機と電力供給系統との間に介設されるサイリスタ群と、
前記風車の可変翼のピッチ角を制御するピッチ角制御器と、
前記サイリスタ群のゲート角を制御するゲート角制御器とを構成し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車の起動時に前記ピッチ角を時系列的に増大する数値計算プログラムを有し、
前記数値計算プログラムは、ピッチ角増大量を規定し、
前記ピッチ角増大量は、
前記起動時の制御プロセスの時系列的前半部分に対応する第1時系列的ピッチ角増分と、
前記起動時の制御プロセスの時系列的後半部分に対応する第2時系列的ピッチ角増分とを形成し、
前記第2時系列的ピッチ角増分は前記第1時系列的ピッチ角増分より小さく、前記ゲート角制御器は、発電機回転数の上昇に対応して前記ゲート角を減少させるゲート角制御プログラムを有する
風力発電システム。 - 前記数値計算プログラムは規定電圧を規定し、
前記ゲート角制御プログラムは、発電機電圧が前記規定電圧に到達すれば、前記ゲートを全開する
請求項1の風力発電システム。 - 前記数値計算プログラムは規定電圧を規定し、
前記数値計算プログラムは、発電機電圧が前記規定電圧に到達しなければ前記ピッチ角を増大させる
請求項1の風力発電システム。 - 前記数値計算プログラムは、規定回転数と規定ゲート角とを規定し、
前記規定回転数は、
第1規定回転数と、
前記第1規定回転数より多い第2規定回転数とを形成し、
前記規定ゲート角は、
第1規定ゲート角と、
前記第1規定ゲート角より小さい第2規定ゲート角を形成し、
前記発電機回転数が前記第1規定回転数を越えれば、前記ゲート角を前記第1規定ゲート角に減少させ、前記発電機回転数が前記第2規定回転数を越えなければ、前記ピッチ角を増大させ、前記発電機回転数が前記第2規定回転数を越えれば、前記ゲート角を前記第2規定ゲート角に減少させる
請求項1の風力発電システム。 - 前記数値計算プログラムは規定電圧を更に規定し、
前記発電機電圧が前記規定電圧に到達しなければ、前記ピッチ角を増大させる
請求項4の風力発電システム。 - バイパスコンタクトを更に構成し、
前記数値計算プログラムは、前記発電機電圧が前記規定電圧に到達すれば、前記バイパスコンタクトをONにすることにより、前記サイリスタ群を介さずに前記発電機を前記電力供給系統に接続する
請求項5の風力発電システム。 - 前記ピッチ角制御器は回転数制御器を形成し、
前記数値計算プログラムにより前記風車に与えられる前記ピッチ角は第1ピッチ角としてθc1で表され、
前記回転数制御器は、前記発電機回転数の増加分に対応する第2ピッチ角を定義し、前記第2ピッチ角はθc2で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θc5=min(θc1,θc2)を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてmin(θc1,θc2)を与える
請求項1〜6から選択される1請求項の風力発電システム。 - 前記θc2は、下記式:
θc2=K・ΔN,
ΔN=kNset−Ngene
で表され、ここで、Kとkはそれぞれに設定係数であり、Nsetは設定発電機回転数であり、Ngeneはリアルタイムの発電機回転数であり、kは1より大きく近似的に1である
請求項7の風力発電システム。 - 前記ピッチ角制御器は出力制御器を更に形成し、
前記出力制御器は、前記発電機出力の増加分に対応する第3ピッチ角を定義し、前記第3ピッチ角はθc3で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θc=min(θc5,θc3)を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてmin(θc5,θc3)を与える
請求項1〜6から選択される1請求項の風力発電システム。 - 前記θc3は、下記式:
θc3=K’・ΔP,
ΔP=Pset−P
で表され、ここで、K’は設定係数であり、Psetは設定発電機出力であり、Pはリアルタイムの発電機出力である
請求項9の風力発電システム。 - 前記ピッチ角制御器は加速度対応ピッチ角修正器を更に形成し、
前記加速度対応ピッチ角修正器は、前記発電機回転数の増加分に対応する第4ピッチ角を定義し、前記第4ピッチ角はθc4で表され、
前記ピッチ角制御器は、関数として、θc’=min(θc5,θc3,θc4)を定義し、
前記ピッチ角制御器は、前記風車に前記ピッチ角としてmin(θc5,θc3,θc4)を与える
請求項9〜10から選択される1請求項の風力発電システム。 - 前記θc4は、下記式:
θc4=θc+Δθ,
Δθ=K”・f(θc)・ΔNgene
で表され、ここで、K”は設定係数であり、f(θc)は設定関数であり、ΔNgene規定時間の間の回転数変化量である
請求項11の風力発電システム。 - 下記複数のステップ:
発電機に連結されている風車の回転を開始すること、
前記発電機を電動機モードから発電機モードに遷移させること、
前記発電機を電動機モードから発電機モードに遷移させる遷移過程を時系列前半部分と時系列後半部分とに分割すること、
前記時系列前半部分で前記風車のピッチ角を第1ピッチ角増分で増大させること、
前記時系列後半部分で前記風車のピッチ角を第2ピッチ角増分で増大させること、
前記時系列前半部分で前記発電機と電力投入系統との間に介設されるサイリスタのサイリスタゲート角を第1サイリスタゲート角に設定すること、
前記時系列後半部分で前記サイリスタゲート角を第2サイリスタゲート角に設定すること、
前記第1ピッチ角増分を前記第2ピッチ角増分より大きく設定すること、
前記第1サイリスタゲート角を前記第2サイリスタゲート角より大きく設定すること
を構成する風力発電方法。 - 前記ステップは発電機電圧が規定電圧を越えれば、前記サイリスタゲート角を全開角度に設定することを更に含む
請求項13の風力発電方法。
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