JP4320216B2 - 分散電源用発電機のトルクパターン補正方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続されるPWMコンバータより、最大出力を取り出すための制御方法に関するものであり、特に、回転数対出力特性が不明な風車又は水車により駆動される発電機より最大出力を取り出す事ができる分散電源用発電機のトルクパターン補正方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車回転数に基づいた制御によりPWMコンバータを制御することにより、風速計を必要とせず、風速が変化しても発電機より、常に、応答性良く最大出力を取り出す事ができるPWMコンバータの制御方法について【特願2002−42726号】の「風車により駆動される発電機の最大出力制御方法」にて提案している(出願特許文献1)。
【0003】
図4は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速が決まると、風車回転数に対する風車出力が一義的に定まり、種々の風速に対する風車出力は、図4の実線で示される。そして、風車出力のピークは、図4の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
【0004】
さらに図3は、この風車回転数対風車出力特性より求まる、先願技術で用いた風車回転数対風車トルク特性の概要を説明した図であり、種々の風速に対する風車トルクは、図3にように示される。
この時、種々の風速において、風車出力のピークを出力する時の風車トルクは、図3の一点鎖線で示す最大出力時トルク曲線のようになり、定常的な風から常に、最大出力を取り出すためには、最大出力時トルク曲線に沿った風車回転数に対するトルクで運転すれば良い。
【0005】
以上の原理に基づいた先願技術を、図5の風車により駆動される発電機に、PWMコンバータを接続した風力発電装置接続図を参照して詳述する。
図5において、1は風車、2は回転計、3は発電機、4はPWMコンバータ、5は負荷、10はトルク指令回路である。
【0006】
回転計2より風車回転数Nを検出し、トルク指令回路10では、図3の一点鎖線で示す最大出力時トルク曲線に基づいて、トルク指令τ*を生成してPWMコンバータ4を制御するものである
【0007】
【出願特許文献1】
特願2002−42726号(図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法で風車トルク指令を作成して、風から常に最大出力を得るためには、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を知る必要がある。しかし、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を把握するためには、大規模な風洞設備が必要なために、一般に正確な回転数対トルク特性を得ることができず、従って風から最大出力が取り出せないという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、PWMコンバータのトルクパターン制御において、2乗カーブに基づく回転数対トルク特性の比例定数を変化させて、最大出力となる比例定数を探索・決定し、その比例定数を用いた回転数対トルク特性に基づいたトルク制御を行うことにより、常に最大出力を得ることができる分散電源用発電装置のトルクパターン補正方法及びその装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
以下に、その風車回転数対トルク曲線の補正方法を示す。
図4に示すように、風速Uと、風車が最大出力する風車回転数及び風車最大出力との間には、概略次のような関係がある。
風車が、風速Uxで最大出力する風車回転数Nxと、風速Uyでの風車が最大出力する風車回転数Nyの間には、風速Uに比例する関係があり、又、風速Uxでの風車最大出力Pxと、風速Uyでの風車最大出力Pyの間には、風車回転数Nの3乗に比例する関係がある。
従って、図3に示すように、この最大出力となる風車トルクと風車回転数との関係は、風速Uxでの風車回転数Nxにおける風車トルクτxと、風速Uyでの風車回転数Nyにおける風車トルクτyの関係に見られるように、風車回転数Nの2乗に比例する関係がある。
【0010】
従って、先ず、ある値K1を比例定数として(1)式に示す風車トルク指令τ*により、ある積算期間Tsの間、風車を運転し、その間の積算出力Wを(2)式により求めて、比例定数K1と積算出力W1の組合せデータを記憶する。次に、別の比例定数K2で積算期間Tsの間、風車を運転して積算出力W2を求め、その組合せデータを記憶する。
風車設置場所では絶えず風速が変化しているために、上記のようにして、多数の比例定数Kと積算出力Wの組合せデータを採取すると、例えば図2の比例定数対積算出力の組合せデータより最適比例定数を求める方法を説明した図のようになる。この比例定数Kと積算出力Wの組合せデータの積算出力近似曲線を2次曲線で表すと、例えば図2の実線のようになる。
この組合せデータを用いて、(3)式よりα0〜α2を求めることにより、組合せデータの2次近似曲線は(4)式により求まり、図2の実線のようになる。ここで(3)式において、rの範囲は2次近似曲線を求めるのでr=0〜2である。さらに(4)式を微分することにより、風車から最大出力を得られる最適比例定数Kxは(5)式のように求まる。
上記組合せデータにより最終的に決定された最適比例定数Kxと風車回転数Nを用いて、(1)式により、トルク指令τ*を生成してPWMコンバータを制御するものである。
【0011】
【数1】
【0012】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
1)、請求項1において
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機を
【数4】
(τ * はトルク指令、Kはトルクパターン比例定数、Nは回転数)に従い回転数の2乗に比例してトルクパターン制御するPWMコンバータにおいて、前記トルクパターン比例定数Kを一定積算期間毎に変化させて、
【数5】
(Wは積算出力値)に従い前記発電機の積算出力値Wを採取し、前記比例定数Kと前記積算出力値Wの多数の組合せデータより最小2乗2次式近似を求め、該2次式近似の微分式より前記トルクパターンの最適比例定数Kxを求めることを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正方法である。
【0013】
2)、請求項2において
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機を
【数6】
(τ * はトルク指令、Kはトルクパターン比例定数、Nは回転数)に従い回転数の2乗に比例してトルクパターン制御するPWMコンバータにおいて、一定積算期間を指令する手段と、該一定積算期間と前記発電機の回転数Nと電流を入力して積算出力値Wを出力する手段と、前記一定積算期間を入力して該一定積算期間毎に一時的に決める前記トルクパターン比例定数Kを探索比例定数Knとして出力する手段と、該探索比例定数Knと前記積算出力値Wの多数の組合せデータを入力して最小2乗2次式近似を求め、該2次式近似の微分式より前記トルクパターンの最適比例定数Kxを出力する手段と、前記探索比例定数Knと前記最適比例定数Kxを入力して最適比例定数Kxを求める以前は探索比例定数Knを、最適比例定数Kxを求めた後は最適比例定数Kxを前記トルクパターン比例定数Kとして出力する手段と、該トルクパターン比例定数Kと前記回転数Nを入力して前記回転数対トルク特性に基づきトルク指令τ * を発生する手段により構成することを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正装置である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の分散電源用発電機のトルクパターン補正装置を適用した、風車により駆動される発電機3に、PWMコンバータ4を接続した風力発電装置接続図である。
同図において、11は電流検出器、12は積算期間指令回路、13は探索比例定数指令回路、14は積算出力回路、15は最適比例定数演算回路、16は比例定数指令回路、20はトルクパターン補正装置であり、図5と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図1について説明する。
【0015】
電流検出器11はPWMコンバータ4の出力電流Iを検出して積算出力回路14に出力する。積算期間指令回路12は、ある一定積算期間Ts毎に積算制御信号Sを探索比例定数指令回路13、積算出力回路14及び最適比例定数演算回路15に出力する。探索比例定数指令回路13は、積算制御信号Sを入力して、ある一定積算期間Ts毎に異なる探索比例定数Knを最適比例定数演算回路15及び比例定数指令回路16に出力する。
積算出力回路14は、発電機回転数N、出力電流I及び積算制御信号Sを入力して積算出力値Wを最適比例定数演算回路15に出力する。
【0016】
最適比例定数演算回路15は、積算出力値W、探索比例定数Kn及び積算制御信号Sを入力して、最適比例定数Kxを比例定数指令回路16に出力する。比例定数指令回路16は、探索比例定数Knと最適比例定数Kxを入力して、トルクパターン比例定数Kをトルク指令回路10に出力する。トルク指令回路10は、回転数N及びトルクパターン比例定数Kを入力して、トルク指令τ*をPWMコンバータ4に出力する。
このように構成される分散電源用発電機のトルクパターン補正装置20により、風車より最大出力を取り出すための回転数対トルク特性が得られる理由を、以下に詳述する。
【0017】
本発明では、ある一定積算期間Ts毎に、(1)式のトルク指令τ*で用いるトルクパターン比例定数Kを変化させて発電機の積算出力値Wを求め、多数の比例定数Kと積算出力値Wの組合せデータより、最小2乗多項式近似により風から最大出力を取り出せる比例定数Kxを決定するものである。
そのために、積算期間指令回路12は、ある一定積算期間Tsを指定する積算制御信号Sを探索比例定数指令回路13、積算出力回路14及び最適比例定数演算回路15に出力する。
【0018】
探索比例定数指令回路13は、積算制御信号Sを入力して、例えば、その立ち上がりにより制御される積算期間Ts(1)の間は、ある探索比例定数Kn(1)を最適比例定数演算回路15及び比例定数指令回路16に出力する。さらに別の積算期間Ts(2)になると、別の探索比例定数Kn(2)が出力される。後述するように、最適比例定数Kxが決定される前は、この探索比例定数Knにより(1)式に基づいて、発電機のトルクパターン制御が行われる。
【0019】
積算出力回路14は、積算制御信号Sを入力して、積算期間Tsの間の積算出力値Wを、出力電流Iから求めたトルクτを用いて(2)式に基づいて求め、最適比例定数演算回路15に出力する。
最適比例定数演算回路15は、積算制御信号Sにより制御されて以下の演算が行われる。すなわち探索比例定数Knと積算出力値Wの組合せデータを入力して、例えば20個の組合せデータが採取されると、M=20となり(3)式に基づいてα0〜α2を求め、求めたα1とα2を用いて(5)式により最適比例定数Kxを求めて、比例定数指令回路16に出力する。
【0020】
比例定数指令回路16は、探索比例定数Knと最適比例定数Kxを入力して、最適比例定数Kxが入力される以前は、比例定数Kと積算出力の組合せデータを採取するために、探索比例定数Knをトルクパターン比例定数Kとしてトルク指令回路10に出力し、最適比例定数Kxが入力されると、最大出力運転するために、最適比例定数Kxをトルクパターン比例定数Kとしてトルク指令回路10に出力する。
トルク指令回路10は、トルクパターン比例定数Kと回転数Nを入力して、2次の回転数対トルク特性に基づいたトルク指令τ*をPWMコンバータ4に出力する。
【0021】
この結果、比例定数指令回路16に最適比例定数Kxが入力される以前は、最大出力運転はされないが、最適比例定数Kxが決定されると、その後は風車固有の最大出力運転をすることができる。
【0022】
このような適当な積算期間Tsを十数回程度設けた操作を、風車設置後の初期の段階で行うと、風速が変動している状態でも、風車出力が最大となる風車固有の最適比例定数Kxを決定することができる。
いわゆる通常行われている山登り制御方法と言われる最大出力制御方法では、最大出力点を検索するために、その時の風から得られる最大出力点を中心にして制御変数を常に±に操作するために、例えば出力は最大出力の95〜100%の範囲でしか運転することができない。従って、常に風から風車固有の最大出力を得たことにはならない。
しかし、本発明の制御方法では、初期の段階において比例定数Kと積算出力の組合せデータを採取している時のみ最大出力を得ることができないが、その後は連続して最大出力を得ることができる。
【0023】
以上、本発明の実施例では、風車に言及して説明したが、回転数対最大出力時トルク特性が2乗特性であれば、水車に接続される発電機及びPWMコンバータの組合せにも、同様に適用できる。
又、回転数対最大出力時トルク特性が完全な2乗特性でなくても、概略の近似曲線が決定される風車又は水車に対しても、同様にトルクパターンの補正を行い、最大出力運転を行うことができる。
【0024】
本発明の実施例では、発電機電流Iを検出して積算出力Wを検出したが、PWMコンバータ4の直流側にある負荷5の入力を検出して積算出力Wを求めれば、PWMコンバータ4の損失を考慮した積算出力Wを検出できるので、より実際的な最大出力運転を行うことができる。
又、回転計2より風車回転数Nを検出する場合について説明したが、風車発電機に接続されるPWMコンバータ4の電圧・電流によるセンサーレス方式でも、風車回転数Nを検出できるので、その値を用いても良い。
さらに、発電機は同期発電機だけでなく、図4の風車回転数対風車出力特性と、図3の風車回転数対風車トルク特性の最大出力時トルク曲線を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。
【0025】
【発明の効果】
以上、風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続されるPWMコンバータを用いて、回転数対トルク特性の比例定数と積算出力値の組合せデータより、最大出力時の比例定数を決定する、風車又は水車回転数対トルク特性に基づいたトルク制御時のトルクパターン補正方法について説明した。
この方法によれば、最大出力となる風車又は水車固有の2乗特性を有する回転数対最大出力時トルク特性のパターンが不明であっても、そのパターンを見つけることができ、常に風又は水から最大出力を取り出すことができるので、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の、風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【図2】本発明の、比例定数対積算出力の組合せデータより最適比例定数を求める方法を説明する図である。
【図3】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車トルク特性の概要を説明する図である。
【図4】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図5】従来の風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 風車
2 回転計
3 発電機
4 PWMコンバータ
5 負荷
10 トルク指令回路
11 電流検出器
12 積算期間指令回路
13 探索比例定数指令回路
14 積算出力回路
15 最適比例定数演算回路
16 比例定数指令回路
20 トルクパターン補正装置
Claims (2)
- 風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機を
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JP2003182337A JP4320216B2 (ja) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | 分散電源用発電機のトルクパターン補正方法及びその装置 |
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