JP4272276B2 - 風力発電用電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電システムの発電電力の有効利用に関し、特に同期型発電機を使用する風力発電システムにおいて、発電効率を向上させるための電力変換装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
初期の風力発電システムでは、風車によって駆動される誘導または同期型発電機で発生された交流電流は、整流された後、所望に応じた交流に変換されて負荷に供給されていた。また多くの場合、風速が小さいために発電機の回転数が落ちて発電量が不足する場合や、風速変動すなわち発電機回転変動に伴なう出力電圧変動に備えて、負荷には蓄電池などの電力貯蔵装置が付設されていたので、発電機の出力電圧は前記蓄電池の端子電圧に固定されていた。
【０００３】
一方、周知のように、風力発電システムの発電電力は発電機回転数の関数であり、その出力電圧対電力特性曲線は、回転数をパラメ−タとした場合、例えば図５のようになる。ここでＡ、Ｂ、Ｃは発電機の回転数を表している。なお図５は、後述する図２の出力電圧電流特性図から誘導されるものである。この図から分かるように、回転数の変動に伴なって、最大電力を与える端子電圧は可成り大幅に変動する。このため、例えば比較的高い回転数Ａのときに最大電力が得られるように端子電圧Ｖa を設定すると、回転数がそれ以下の値Ｂに落ちたときは出力電力が急減し、さらに回転数がＣにまで落ちると電力が取り出せなくなってしまう。反対に、低い回転数Ｃのときに最大電力が得られるように、端子電圧をＶb に設定した場合は、回転数がＡやＢに増大すると、特性上は回転数の増加に伴なって潜在的な発電能力が増大するにも拘らず、実際はこれに応じた電力の取り出しができず、発電システムの利用効率が悪いという問題があった。
【０００４】
その対策として、図６に示すように、風力発電機１の出力端と蓄電池２及び負荷４との間に電力変換装置３（整流、インピーダンス調整、または／およびインバータ機能などを有する）を配することが提案されている。この従来例では、電力変換装置３は、電力変換用パワー回路３１、電圧基準値Ｖorefを発生する電圧基準値回路３２、および電力変換用パワー回路３１の出力電圧Ｖ2 （電圧センサ３５で検出される）を前記電圧基準値Ｖorefと比較して、前記出力電圧Ｖ2 が前記電圧基準値Ｖorefに等しくなるように、前記電力変換用パワー回路３１（の内部インピーダンスなどの特性）を制御するフィードバック回路３３を含む。電力変換用パワー回路３１の出力には蓄電池２および負荷４が接続される。上述の構成により、図６の風力発電システムでは、電力変換装置３によってその出力電圧Ｖ2 が一定値Ｖorefに調整される。
【０００５】
また電力変換装置３の出力に接続された負荷４および蓄電池２は電圧Ｖ2 に応じた一定の電力を消費しているので、風力発電機１には上記一定の消費電力に電力変換装置３の損失分を加えた発電電力が要求される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した従来の風力発電システムを安定動作させるには、上記から明らかなように、風力発電機１に要求される電力を上回る発電が可能な風速が必要となる。一方前記必要以上の発電が可能な風速すなわち回転数がある場合でも、負荷４及び蓄電池２は上記電力変換装置３の出力電圧Ｖ２で決まる消費電力以上には電力を消費できないため、風力発電機１の発電能力を有効利用できない。つまり従来の風力発電用電力変換装置では、遅過ぎも早過ぎもせず、中庸の適度な風速の場合しか、効率の良い発電利用ができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点を解決して、どのような風速、回転数の場合でも可及的効率よく発電できる風力発電用電力変換装置およびその制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電用電力変換装置は、風力発電機の出力電力を負荷の電気方式に適した電力に変換する電力変換用パワー回路と、前記電力変換用パワー回路への入力電圧および入力電流を検出する手段と、前記入力電圧と入力電流との間の比例係数を設定する手段と、前記比例係数および前記入力電圧に基づいて前記入力電流の目標値を設定する手段と、前記入力電流が前記目標値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入力インピーダンスを制御するフィードバック手段とを具備した点に特徴がある。
【０００９】
前記比例係数は、予想される回転数範囲における風力発電機の各最適動作点に相応するパワー回路の入力インピーダンス範囲のある値、または検出された入力電圧および入力電流を用いて演算される電力が最大になるようなインピーダンス値の関数（例えば、それぞれの値そのもの、またはその逆数）に設定される。
【００１０】
さらに本発明の風力発電用電力変換装置は、前記入力電圧の下限値を発生する入力電圧下限値発生手段と、前記入力電圧下限値に対する入力電圧の偏差に基づいて、入力電圧を前記下限値に保持するための第２の入力電流目標値を設定する手段、ならびに／または前記電力変換用パワー回路の出力電圧の上限値を発生する出力電圧上限値発生手段と、前記出力電圧下限値に対する検出出力電圧の偏差に基づいて、検出出力電圧を前記上限値以下に保持するための第３の入力電流目標値を設定する手段を具備することができる。その場合はさらに、前記入力電流目標値ならびに第２、第３入力電流目標値の中の最小値を選択する低値選択手段を具備する。
【００１１】
これにより、本発明の風力発電用電力変換装置を有する風力発電システムは、発電機回転数の広い範囲にわたって可及的効率よく発電することができる。のみならず、パワー回路の入力インピーダンスの回転数変動に伴なう調整量を少なくしたり、固定したりすることができて、その結果、回転数の広い範囲の変動に対して制御の応答性と精度を改善することができ、さらには発電能力の有効利用もできるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに図面を参照して本発明の１実施例を詳細に説明する。図２は、一般的な風力発電機の出力電圧Ｖo （横軸）に対する出力電流Ｉo （縦軸）の関係の１例を、発電機回転数Ａ〜Ｃをパラメ−タとして示す電圧電流特性図、また図３は図２に基づいて得られた発電機出力端（＝パワー回路入力）インピーダンス（横軸）対出力電力（縦軸）特性を、同じく回転数Ａ〜Ｃをパラメ−タとして示す図である。
【００１３】
図２や図３、図５から分かるように、風力発電機１の出力特性は、その回転数の変動にしたがって大きく変化する。図３と図５との対比から、回転数が変化した場合に風力発電機１から最大電力を取り出すための最適動作点（図３及び図５における各曲線のピーク点）は、図５のように出力端子電圧を基準とした場合は、その調整量または範囲を図５のＱ´のように可成り大きくしなければならないが、図３のように風力発電機１の出力端インピーダンスを基準とした場合は、その調整量または範囲が図３のＱのように極めて小さくて済むことが分かる。このことは、パワー回路６の入力インピーダンス値を、予想される回転数の範囲内で風力発電機１のほぼ最適動作点を与える任意の固定値に設定しておいても、回転数変化に関係なく、風力発電機１の発電能力を有効に利用することができることを示している。本発明はこのような新規な知見に基づいてなされたものであり、以下にその実施例を具体的に説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１実施例による電力変換装置６を備えた風力発電システムの構成を示すブロック図である。電圧センサ６３で検出された電力変換装置６の入力電圧信号（すなわち、発電機１の出力電圧信号）Ｖ1 は乗算器６５に供給される。前記乗算器６５には、比例係数発生器６４から発生される、入力電圧と入力電流との間の（目標）比例係数Ｒref も供給される。前記（目標）比例係数Ｒref については後述する。
【００１５】
前記乗算器６５の積出力Ｖ1 ×Ｒref は、後述するように、風力発電機の最適動作点を実現するための入力電流目標値Ｉ1refであり、フィードバック回路６６に供給される。フィードバック回路６６は電力変換変換用パワー回路６１の特性（入力インピーダンス）を調整して、入力電流Ｉ1 （電流センサ６２で検出される）が前記電流目標値Ｉ1refに近付くようにする。
【００１６】
図１においては、入力電圧Ｖ1 、入力電流Ｉ1 および電力変換装置６の入力インピーダンスＲ１の関係は、次のように表わされる。
Ｉ1 ＝Ｖ1 ×Ｒref
Ｒ１＝Ｖ1 ／Ｉ1
＝１／Ｒref
この関係から、比例係数Rrefを目標入力インピーダンスの逆数に等しくすることにより、最適動作点を実現するために電力変換装置６が必要とする入力インピーダンスを設定できることが分かる。したがって、例えば図３で、ＡからＣの範囲の回転数が予測されている場合、同図にＱで示した範囲内の入力インピーダンス値の逆数を比例係数Ｒref として設定しておけば、回転数が前記範囲内で変動しても、風力発電機１は常に最適動作点またはその近傍で動作することになり、発電機の発電能力を有効に利用することができる。これに対して、図５に示したように出力電圧を基準とした場合は、回転数が変動すると、風力発電機の出力電圧がＱ´のように大きく変動することになり、このような変動に対応することは、ほとんど不可能になってしまい、発電機の発電能力を有効に利用することができない。なお後述するように、前記比例係数は、関連回路の機能に応じてはインピーダンス値そのものであっても良いが、一般的にはインピーダンス値の関数である。
【００１７】
上記の第１実施例では、回転数が変動した場合にもほぼ近似的に最適動作点での動作が実現できるが、正確に最適動作点に追従することはできない。本発明の第２実施例は、回転数の変動に応答して常に最適動作点に自動的に移行できるようにした風力発電用電力変換装置である。図４は本発明の第２実施例のブロック図である。
【００１８】
マイクロプロセッサ（MPU ）７１には、電流および電圧センサ６２、６３で検出された電力変換装置６への入力電流、電圧信号（すなわち、発電機１の出力電流および電圧信号）Ｉ1 、Ｖ1 が供給される。マイクロプロセッサ（MPU ）７１は、後述するように、電圧信号Ｖ1 および電流信号Ｉ1 を使用して演算される発電機出力電力を最大にするような比例係数Ｒref を乗算器６５に供給する。前記乗算器６５には前記電圧信号Ｖ1 も供給され、後述するように、最適動作点を実現するための入力電流目標値Ｉ1refを出力する。フィードバック回路６６が電力変換用パワー回路６１の特性（入力インピーダンス）を調整し、入力電流Ｉ1 が前記電流目標値Ｉ1refに等しくなるようにすることにより、回転数の変化に伴なって入力インピーダンスを調整し、最適動作点に追従する。
【００１９】
さらに具体的に言えば、回転数の変動に伴なって入力電圧Ｖ1 が変動したとき、マイクロプロセッサ７１は、その時点での入力電力Ｖ1 ×Ｉ1 を演算すると共に、その出力電力を最大にするような比例係数Ｒref を予定の微少量だけ１方向へ変化させた後の入力電力Ｖ1 ×Ｉ1 を再び演算してその増減を判定し、入力電力が増加する方向へ前記Ｒref の値を前記予定量ずつ更新していく。この動作を継続すること（いわゆる「山登り法」として知られている）によって、回転数が変化した場合にも最適動作点を維持することができる。
【００２０】
図４の第２実施例には、さらに下記の入力電圧の下限制限機能および出力電力の上限制限機能が追加されている。
【００２１】
入力電圧の下限制限機能は、回転数が低下するにつれて発電電力も減少し、その出力電圧が電力変換装置６の動作に必要な入力電圧を下回ってしまうと、電力変換装置６の運転が停止されるので、低回転数時において電力変換装置６の運転停止・再開が繰り返されるのを抑制するためのものである。このためにフィードバック回路７３が設けられ、これが入力電圧下限値発生器７２からの基準値Viref と電圧信号Ｖ1 とを比較し、入力電圧Ｖ1 がViref を下回らないように制御するための第２の電流目標値Ｉ2refを演算し発生する。
【００２２】
出力電圧の上限制限機能は、回転数が上昇して発電電力が電力変換装置６および負荷５の消費電力を超え、さらに電力変換装置６の出力電圧が蓄電池２の満充電相当の値を超えるようになったとき、前記出力電圧がそれ以上に上昇するのを抑制するためのものである。このためにフィードバック回路７５が設けられ、これが出力電圧上限値発生器７４からの基準値Voref と出力電圧信号Ｖo とを比較し、出力電圧Ｖo が基準値Voref を超えないように制御するための第３の電流目標値Ｉ3refを演算し発生する。
【００２３】
低値選択回路７６は、そこに供給される前記３種の電流目標値Ｉ1ref、Ｉ2ref、Ｉ3refの中の最小値を選択してフィードバック回路６６に供給する。フィードバック回路６６は、入力電流値Ｉ1 が選択された電流目標値信号に等しくなるように、電力変換用パワー回路６１の入力インピーダンスを調整する。
【００２４】
第２実施例においては、回転数が大き過ぎて過剰な電力が発生されるときは出力電圧が予定の上限値を超えないようにフィードバック回路７５で制御し、回転数が適当で電力変換装置６および負荷４の消費電力を賄えるときは、発電機の動作点が最適動作点に合致するように電力変換装置６の入力インピーダンスを調整しながら、電力変換装置６および負荷４に電力を供給するとともに余剰電力で蓄電池２を充電する。また負荷の要求電力を下回るときは、発電電力を負荷５に供給する一方、不足分は蓄電池２から供給する。回転数がさらに低下して発電電力量が電力変換装置６の動作用電力以下になったときは電力変換装置６の動作を停止する。
【００２５】
なお図４の実施例においては、入力電圧の下限制限機能および出力電圧上限制限機能のいずれか一方を省略してもよいことは明らかである。 以上の説明から容易に理解されるように、乗算器６５から目標電流信号Ｉref を発生させるためには、前記各実施例のように乗算器６５に目標インピーダンスの逆数に相当するＲref を供給する代わりに、比例係数発生器６４やマイクロプロセッサ７１からは目標インピーダンス値を発生するようにし、乗算器を除算器で置き換えても良い。
【００２６】
前記電力変換用パワー回路６１は、フィードバック回路６６からの制御信号に応じてその入力インピーダンスが調整される特性を有するものであればどのようなものでもよいが、本発明の理解を容易にするために、その具体例の１つを図７に示す。
【００２７】
風力発電機の出力交流は整流器８１とコンデンサ８２からなる濾波回路によって整流され、さらにインダクタ８３とトランジスタ８５とダイオード８４とコンデンサ８７からなる、いわゆる「昇圧チョッパ回路」を介して負荷４及び蓄電池２（図１、４）に出力されると共に、前記負荷と並列接続されたトランジスタ８５にも印加される。比較器８６の正入力端子にはフィードバック回路６６（図１、４）からの制御信号が、またその負入力端子には三角波信号がそれぞれ供給されるので、前記比較器８６は、前記制御信号の振幅が三角波信号のそれを上回るときに信号を発生して前記トランジスタ８５を導通させる。これにより、前記トランジスタ８５の導通時間比が前記制御信号の大きさに応じて制御され、前記電力変換用パワー回路６１の実効的な入力インピーダンスが、前記制御信号の関数として制御される。
【００２８】
以上においては、整流された直流電力が直接負荷に供給される例について述べたが、本発明が交流負荷に対しても適用できることは明らかである。交流負荷の場合は、例えば、図１、４の負荷４の入力側にインバータを配置すれば良い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、風速の変動に伴なう発電機回転数の変動に応答して風力発電機を最適動作点で運転させるための制御を、その負荷となる電力変換装置の入力インピーダンス（すなわち、入力電圧と入力電流の比例係数）の調整によって行なうので、回転数変動に伴なう調整量が少なくて済み、ひいては回転数の広い範囲の変動に対して制御の応答性と精度を改善することができるのみならず、発電能力の有効利用もできるようになる。また本発明によれば、同一規模の発電システムであればより大きな消費電力の負荷に対する電力供給が可能になり、同一の負荷であれば発電システムの小型化が可能となるため、設備の利用効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のブロック図である。
【図２】風力発電機の一般的な出力電流対出力電圧特性図である。
【図３】風力発電機の一般的な負荷インピーダンス対出力電力特性図である。
【図４】本発明の第２実施例のブロック図である。
【図５】風力発電機の一般的な出力電圧対出力電力特性図である。
【図６】従来の風力発電システムの１例を示すブロック図である。
【図７】本発明に好適な電力変換用パワー回路の具体例を示すブロックである。
【符号の説明】
１…風力発電機、 ６…電力変換装置、 ６１…電力変換用パワー回路、 ６４…比例係数発生器、 ６５…乗算器、 ６６、７３、７５…フィードバック回路、 ７１…マイクロプロセッサ、 ７６…低値選択回路

Claims (6)

1. 風力発電機の出力が接続されるようにされた入力端と、電力貯蔵手段及び負荷が接続されるようにされた出力端とを備えた風力発電用電力変換装置において、
   前記風力発電機の出力電力を負荷の電気方式に適した電力に変換する電力変換用パワー回路と、
   前記電力変換用パワー回路への入力電圧および入力電流を検出する手段と、
   前記入力電圧と入力電流との間の比例係数を、風力発電機の回転数に応じた電力が最大となる最適動作点またはその近傍で電力変換が行われるように設定する比例係数設定手段と、
   前記比例係数および前記入力電圧に基づいて前記入力電流の目標値を設定する手段と、
   前記入力電流が前記目標値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入力インピーダンスを制御するフィードバック手段とを具備したことを特徴とする風力発電用電力変換装置。
2. 前記比例係数設定手段は、予定の風力発電機回転範囲における風力発電機の回転数に応じた電力が最大となる最適動作点に相応するパワー回路の入力インピーダンスの逆数の関数として前記比例係数を設定することを特徴とする請求項１に記載の風力発電用電力変換装置。
3. 前記比例係数設定手段は、前記風力発電機の回転数の変動に伴って新たに検出された入力電圧および入力電流を用いて電力が最大になる最適動作点に相応するように比例係数を演算して設定することを特徴とする請求項１に記載の風力発電用電力変換装置。
4. 前記電力変換用パワー回路への入力電圧不足に起因する運転停止を抑制するための、入力電圧の下限値を発生する入力電圧下限値発生手段と、検出された入力電圧の前記入力電圧下限値に対する偏差に基づいて、検出された入力電圧をその前記下限値に保持するための第２の入力電流目標値を設定する手段と、前記入力電流目標値および第２入力電流目標値の中の低値を選択する手段とをさらに具備し、前記フィードバック手段は、前記入力電流が前記選択された低値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入力インピーダンスを制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の風力発電用電力変換装置。
5. 前記電力変換用パワー回路の出力電圧を検出する手段と、前記電力変換用パワー回路の出力電圧の上限値を発生する出力電圧上限値発生手段と、検出された出力電圧の前記出力電圧下限値に対する偏差に基づいて、検出された出力電圧をその前記上限値以下に保持するための第３の入力電流目標値を設定する手段と、前記入力電流目標値および第３入力電流目標値の中の低値を選択する手段とをさらに具備し、前記フィードバック手段は、前記入力電流が前記選択された低値に近付くように前記電力変換用パワー回路の入力インピーダンスを制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の風力発電用電力変換装置。
6. 風力発電機の出力に電力変換装置を接続し、電力変換装置の出力に電力貯蔵手段、及び負荷を接続した風力発電装置における電力変換の制御方法において、
   電力変換用パワー回路により、前記風力発電機の出力電力を、負荷の電気方式に適した電力に変換すること、
   前記電力変換用パワー回路への入力電圧、及び入力電流を検出すること、
   前記入力電圧と入力電流との間の比例係数を、風力発電機の回転数に応じた電力が最大となる最適動作点またはその近傍で電力変換が行われるように設定すること、
   前記比例係数、及び前記入力電圧に基づいて前記入力電流の目標値を設定すること、
   および前記入力電流が前記目標値に近付くように、前記電力変換用パワー回路の入力インピーダンスをフィードバックして制御することを特徴とする風力発電装置における電力変換の制御方法。

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