JP4082054B2 - 風力発電設備の最大電力点追従制御方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石同期発電機を用いた風力発電設備の最大電力点追従制御方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エネルギー需要の増加に伴い化石燃料の枯渇化や環境破壊の問題が深刻化している。そのため、風力発電設備などのクリーンで無尽蔵のエネルギーの導入が求められている。
【0003】
風力発電設備に使用される発電機としては、構造が簡単であり、保守性かつ、信頼性が優れていることから、永久磁石同期発電機が用いられるようになってきた。
【0004】
通常、上記永久磁石同期発電機の制御方式は、所謂、d軸電流をゼロにすることが一般的に行なわれているが、d軸電流を弱め磁束となるように制御することで発電機の効率を向上できることも知られている。また、ある風速において風車出力が最大となる風車回転速度が存在することも知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図4は風力発電システムの概略構成図で、図4において、31は風車で、この風車31により得られた風力エネルギーは、増速機32を介して発電機33へ伝達される。
【0006】
発電機33は、出力が最大となるようにPWMコンバータ34により制御し、このコンバータ34により得られた電力は、PWMインバータ35により交流電力に変換されて系統36へ連系される。
【0007】
(a)風車の基本方程式
定常状態において、一定の風速Vwの風力エネルギーがすべて風車の回転トルクに変換されたとすれば、風車出力トルクTwは、次式に示すように、風車入力トルクTwindから風車損失トルクTfを差し引いたものとなる。
【0008】
Twind=1/2(ρπR3oV2w) … (1)
Tf=k0V2w+k1Vwωg+k2ω2g … (2)
Tw=Twind−Tf … (3)
ただし、Ro:風車ブレード半径、ωg:風車回転角速度、ρ:空気密度、k0,k1,k2:風車損失係数である。
【0009】
従って、風車出力Pwは次式で表せる。
【0010】
Pw=Twωg … (4)
風車回転角速度ωgと発電機機械角速度ωmには、増速比Rnを用いると次式の関係となる。
【0011】
ωm=Twωg … (5)
(b)発電機の基本方程式
図5(a),(b)は固定損失を考慮した永久磁石同期電動機のd−q軸等価回路図である。ここでは、永久磁石同期電動機に負のトルクを加えることで発電機としているため、各電流の向きを電動機の向きで定義している。図5の等価回路図に対する定常状態での電圧方程式は次式となる。
【0012】
vd=Rid−ωeLqiqt … (6)
vq=Rid+ωe(Ldidt+Ke) … (7)
ただし、vd,vq:d軸,q軸電圧、id,iq:d軸,q軸電流、R:電機子抵抗、Ld,Lq:d軸,q軸電機子インダクタンス、ωe:発電機電気角速度、Ke:起電力係数、idt,Lqt:出力に関与する発電電流である。
【0013】
発電機の入力Pinと出力Poutの関係は、銅損をPc,鉄損をPiとして次式となる。
【0014】
発電機の制動係数をDで表せば、定常状態における発電機電磁トルクTeと風車出力トルクTwには、次式の関係がある。
【0015】
Tw=Te+Dω2m … (9)
最終的に、発電機入力(風車出力Pw)と発電機出力の関係は、次式となる。
【0016】
ここで、Pv(=Dω2m)は、制動作用による機械的損失であり、
Ploss(=Pc+Pi+Pv)は、発電機の全損失の総和である。
【0017】
上述したように、風車及び発電機の基本方程式から風力発電システムにより最大の発電電力を得る制御方法としては、発電機出力を最大にする回転速度と、d軸電流である。表1は、風力発電システムの各パラメータを示したもので、このシステムを使用し、風速Vw=8m/s一定の定常状態において、回転速度とd軸電流idを変化させた場合の発電機出力特性を図6に示す。
【0018】
【表1】
【0019】
図6における発電機出力特性から発電機出力を最大にする回転速度ωopt gが存在し、また、d軸電流がゼロよりも出力が向上する最適d軸電流iopt dも存在することがわかる。
【0020】
しかし、従来は、図4に示した風力発電システムにおいて、d軸電流がゼロになるように制御することで行なわれているために、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得る制御が行なわれていなかった。
【0021】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得るための効率的な制御法を得ることができるようにした風力発電設備の最大電力点追従制御方法及びその装置を提供することを課題とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第1発明は、風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得るようにした風力発電設備における風力発電方法において、
与えられた風力エネルギーから最大電力を得るための風車最適回転速度および発電機のd軸電流を最適となるように演算して決定したのち、その演算し決定した値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする 風力発電設備の最大電力点追従制御方法である。
【0023】
第2発明は、風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得る風力発電設備において、
風力エネルギーからロータの最適速度を得る最適ロータ速度演算部と、この速度演算部で得られた値から速度制御出力を得る速度制御部と、
風力エネルギーから発電機の最適d軸電流を得る最適d軸電流演算部と、この電流演算部で得られたd軸電流の最適値から電流制御出力を得る電流制御部とからなり、
速度制御部と電流制御部からの出力によりコンバータの制御指令値を得、この制御指令値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御装置である。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態を示す概略的なブロック構成図で、10は、最大電力点を得るコンピュータなどからなる演算装置で、この演算装置10は、最適ロータ速度演算部11、速度制御部12、最適d軸電流演算部13および電流制御部14から構成される。
【0025】
演算装置10には、入力部15から風速Vw、後述するロータリエンコーダからの角度検出値θm、発電機からの発電電流ia,ibが供給される。演算装置10で演算された結果は、出力部16から三相電圧指令値V*abcとして後述するPWMコンバータ部の制御に使用され、発電機の最大電力を得ることに用いられる。
【0026】
図2は上記実施の形態の詳細な発電機制御システム構成説明図で、図2において、最適ロータ速度演算部11と風力演算部17には、風速Vw値が入力される。
【0027】
最適ロータ速度演算部11は、入力された風速値を元に風車回転角速度指令値ω*gを得る。この風車回転角速度指令値は、増速比Rnを介して発電機機械角速度指令値ω*mとなって第1偏差部18に入力される。
【0028】
この第1偏差部18には、発電機機械角速度ωmが入力され、ω*m=ωmとなるまで、速度制御部12に偏差値が入力されて、その出力にq軸電流指令値i*qを得る。
【0029】
前記風力演算部17で風速値から得られた風車出力Pwは、最適d軸電流演算部13に入力される。最適d軸電流演算部13には、発電機機械角速度ωmが入力されて、Pwとωmによりd軸電流が最適化され、その出力にd軸電流指令値i*dを得る。
【0030】
q軸電流指令値i*qとd軸電流指令値i*dは、それぞれ第2、第3偏差部19,20のプラス端に入力され、マイナス端に入力される入出力部21からのq軸電流iqとd軸電流idとの偏差が、電流制御部14で制御される。
【0031】
電流制御部14には、発電機機械角速度ωmも供給され、偏差値とともに制御されて、d軸、q軸電圧指令値v*d,v*qが入出力部21に供給される。
【0032】
入出力部21には、永久磁石同期発電機22の発電電流ia,ibが供給されるとともに、発電機22に連結されたロータリエンコーダ23から得られる角度検出値θmが供給される。なお、入出力部21は、上記ia,ibをiq,idに変換するとともに、v*d,v*qを三相電圧指令値V*a,V*b,V*c(以下V*abcと略称する)に変換する。
【0033】
角度検出値θmは、微分部24で微分され、出力に発電機機械角速度ωmを得る。この角速度は、増速比Rnの逆数部25を介して風力演算部17に供給される。なお、26は発電機22の発電出力を直流に変換するPWMコンバータ部で、このコンバータ部26には、入出力部21から三相電圧指令値V*abcが与えられて、この電圧指令値により出力に最大電力が得られるように制御される。
【0034】
上記のように構成されたシステム構成説明図において、回転速度の最適化は、以下のように行なわれる。
【0035】
前記(1)から(4)式より風車出力Pwは、与えられた風速に対して風車回転速度ωgの3次関数となる。ここで、dPw/dωg=0より、この関数の極値となるωopt gを求めると次式となる。
【0036】
【数1】
【0037】
ωopt gは、風車出力が最大となる回転速度であり、これを発電機22の回転速度指令値ω*gとする。次にd軸電流の最適化について述べる。
【0038】
永久磁石同期発電機22のd軸電流は、id=0制御が一般的に用いられている。従って、d軸電流を最適化することで発電機出力が増加し、システム全体の効率をさらに向上させることができるようになる。
【0039】
これは、(id,iq)の非線形関数の最適化問題となる。今回は、最適な(id,iq)を決定するためにパウエル法(新版 数値計算ハンドブック:オーム社1990)を用いる。前述した入出力関係より、パウエル法の評価関数f(x)、と制約条件c1(x)は、次式となる。
【0040】
次に風力発電制御システム構成説明図に基づいて一定風速で静特性シミュレーションを行なった結果を示す。風速Vw=8m/s一定での風車回転角速度ωg、d軸電流idの最適結果を示すと、ωopt g=85.0rad/s,iopt d=−4.20Aであった。
【0041】
図6にωopt gとiopt d制御によって運転した場合の出力をa点、b点で示す。図6よりa点での動作点が風速Vw=8m/sでの最大出力点であることが確認できる。
【0042】
また、iopt dを用いることにより、id=0制御よりも発電機出力が約30W増加していることが確認できる。
【0043】
図3は各風速Vwに対する最適d軸電流iopt d制御時とid=0制御時での発電機出力特性を示した特性図である。なお、各風速において最適d軸電流iopt dでの動作点が最大発電出力点であることをシミュレーションにより確認した。
【0044】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、与えられた風力エネルギーから最大の電力を得るための最適回転速度およびd軸電流を最適となるように決定し制御するようにしたことにより、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得ることができる。これにより、与えられた風速において、id=0制御よりも発電機出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態を示す概略的なブロック構成図。
【図2】実施の形態の詳細な発電機制御システム構成説明図。
【図3】各風速Vwに対する発電機出力Pout特性を示した特性図。
【図4】風力発電システムの概略構成図。
【図5】(a),(b)は固定損失を考慮した永久磁石同期電動機のd−q軸等価回路図。
【図6】発電機出力特性図。
【符号の説明】
11…最適ロータ速度演算部
12…速度制御部
13…最適d軸電流演算部
14…電流制御部
15…入力部
16…出力部
17…風力演算部
18、19、20…第1〜第3偏差部
21…入出力部
22…永久磁石同期発電機
23…ロータリエンコーダ
24…微分部
25…逆数部
26…PWMコンバータ部
Claims (2)
- 風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得るようにした風力発電設備における風力発電方法において、
与えられた風力エネルギーから最大電力を得るための風車最適回転速度および発電機のd軸電流を最適となるように演算して決定したのち、その演算し決定した値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御方法。 - 風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得る風力発電設備において、
風力エネルギーからロータの最適速度を得る最適ロータ速度演算部と、この速度演算部で得られた値から速度制御出力を得る速度制御部と、
風力エネルギーから発電機の最適d軸電流を得る最適d軸電流演算部と、この電流演算部で得られたd軸電流の最適値から電流制御出力を得る電流制御部とからなり、
速度制御部と電流制御部からの出力によりコンバータの制御指令値を得、この制御指令値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御装置。
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