JP4407887B2

JP4407887B2 - Ｐｗｍコンバータによる過負荷防止トルク指令回路

Info

Publication number: JP4407887B2
Application number: JP2003167276A
Authority: JP
Inventors: 剛塩田; 恵一上園
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005006409A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車により駆動される発電機にＰＷＭコンバータを接続して出力を取り出すためのトルク制御回路に係り、特に、風車における羽のピッチ制御を用いずに、風速が高い時も連続して出力を取り出す事ができる、風力発電におけるＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車に接続したＰＷＭコンバータを、風車回転数に基づいたトルクパターンにより制御することにより、風速計を必要とせず、風から最大出力を取り出すことができる風力発電におけるＰＷＭコンバータによる最大出力制御方法について【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Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、種々の風速Ｕに対する風車出力Ｐは、図４の実線のように示される。そして、風車出力Ｐ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の実線にように示される。
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る。
ここで、例えば、図４の風速Ｕｘにおける最大出力Ｐｘとなる風車回転数Ｎｘと、図３の風速Ｕｘと最大出力時トルク曲線との交点Ｒｘにおける風車回転数Ｎｘとは同じ風車回転数Ｎであることを表す。
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Ｎにより一義的に定ま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の風力発電におけるＰＷＭコンバータによるトルク指令回路を説明するための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。
風車１により駆動される発電機３の交流側は、ＰＷＭコンバータ４に接続され、風車１により可変速に駆動される発電機３の交流電力は、ＰＷＭコンバータ４により直流電力に変換されて、負荷５に出力される。
トルク指令回路１０は、回転計２より風車回転数Ｎを入力し、図３の最大出力時トルク曲線に基づいて、パターン制御時トルク指令値τ*を生成し、このパターン制御時トルク指令値τ*によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【０００６】
このようなパターン制御時トルク指令値τ*により、ＰＷＭコンバータ４を制御した時の、風速変動時の風車回転数Ｎとトルクτの動作を、図３の風車回転数対風車トルク特性を説明した図により説明する。
風速がＵｘの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｘすなわちトルクτｘで運転され、風速が低くなりＵｙの時は、最大出力時トルク曲線上の交点Ｒｙすなわちトルクτｙで運転される。
このように風速が変動しても、常に風車回転数により定まる最大出力時トルク曲線上で運転されるために、結局、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線上で運転され、風車１は最大出力運転される。
【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】
発電機３およびＰＷＭコンバータ４には定格負荷が存在すために、このような回転数Ｎに基づくパターン制御時トルク指令値τ*により風車を制御すると、ある一定の風速以上になると風車回転数も高くなり、発電機３およびＰＷＭコンバータ４が過負荷となる。
従って、この過負荷を防止するために、電気的負荷を定格状態に抑えようとすると、風のエネルギーが大きいために風車回転数Ｎを上昇させなければならなくなり、風車の機械的な破損に至るという問題があった。
又、風車の羽の角度を変えて、風を逃がしてやるピッチ制御という方法があるが、アクチュエータおよび制御装置が高価であるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一般に抗力型風車と異なり、揚力型風車においては、先述の図３および図４の風車回転数Ｎについて説明したように、各風速における風車回転数Ｎに対するトルク曲線にはピークが存在する。そして、出力のピークはトルクのピークよりも風車回転数Ｎの高いところに存在する。
パターントルク制御は、風車回転数Ｎに対するトルク曲線の右下がりの部分で運転するときは、回転数Ｎが増加するとトルクτが減少するので、安定点がありトルク制御が可能であるが、トルク曲線の右上がりの部分では、回転数Ｎが増加するとトルクτも増加するために安定点が無く、トルク制御が不可能である。
しかし、風車１を回転数制御すると、風車１の風車回転数Ｎに対するトルク曲線の右上がりの部分での運転が可能となるので、強風時にも風車１の発生トルクτ及び風車回転数Ｎを定格以内の状態で運転できる。
【００１０】
従って、本発明は、強風時には風車回転数Ｎに対するトルク曲線の右上がりの部分での回転数制御運転により、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、
風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記発電機の回転数を検出する手段と、前記発電機のトルクを検出する手段と、前記発電機のトルクと定格トルクとの偏差を積分して過負荷量を検出する手段と、該過負荷量より過風速状態信号を出力する手段と、該過風速状態信号と前記過負荷量より風車回転数指令を出力する手段と、該過風速時回転数指令と前記発電機の回転数より回転数制御時トルク指令値を出力する手段と、前記発電機の回転数より前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてパターン制御時トルク指令値を出力する手段と、前記過風速状態信号と前記回転数制御時トルク指令値と前記パターン制御時トルク指令値より前記発電機のトルク指令値を選択する手段を有することを特徴とするＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路。
【００１１】
２）、請求項２において、
請求項１記載のＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路において、前記過負荷量と前記過負荷量を積算している積算時間より回転数減速量を出力する手段と、前記過風速状態信号により前記回転数減速量を保持して減速保持量を出力する手段と、前記風車の定格回転数と前記減速保持量の偏差より風車回転数指令を出力する手段により構成することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の、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請求項１及び２記載のＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図である。
同図において、６は電流検出器、１１はトルク演算回路、１２は第１の加算器、１３はトルク積算回路、１４は風速状態信号発生回路、１５は減速量演算回路、１６は保持回路、１７は第２の加算器、１８は第３の加算器、１９は回転数制御時トルク発生回路、２０はパターン制御時トルク発生回路、２１はトルク選択回路であり、構成部品１１〜２１によりトルク指令回路１０を構成し、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。
【００１３】
電流検出器６は、発電機３に流れる電流Ｉを検出して、トルク演算回路１１に出力する。トルク演算回路１１は、発電機３のトルクτを演算して第１の加算器１２に出力する。第１の加算器１２は発電機３のトルクτと定格トルクτｎのトルク偏差Δτをトルク積算回路１３に出力する。
トルク積算回路１３はトルク偏差Δτを積分して、過負荷量と同じことを表すトルク偏差積分値Στを風速状態信号発生回路１４に、トルク偏差積分値Στと積算時間Ｔｏを減速量演算回路１５に出力する。風速状態信号発生回路１４は、トルク偏差積分値Στがある一定値を超えると過風速状態信号Ｓを出力する。
減速量演算回路１５は、トルク偏差積分値Στと積算時間Ｔｏを入力して、現在の風車回転数Ｎよりも減速して運転させるための風車の回転数減速量Ｎｃ１を保持回路１６に出力する。
【００１４】
保持回路１６は、回転数減速量Ｎｃ１と風速状態信号Ｓを入力して、過風速状態信号Ｓの立ち上がりにより回転数減速量Ｎｃ１を保持して、減速保持量Ｎｃ２として第２の加算器１７に出力する。第２の加算器１７は、風車定格回転数Ｎｎと減速保持量Ｎｃ２を入力して、その偏差を風車回転数指令Ｎ^＊として第３の加算器１８に出力する。
第３の加算器１８は、風車回転数指令Ｎ^＊と回転計２より検出した風車回転数Ｎを入力して、その偏差を回転数偏差ΔＮとして回転数制御時トルク発生回路１９に出力する。回転数制御時トルク発生回路１９は、回転数偏差ΔＮを入力して増幅し、回転数制御時トルク指令τ１としてトルク選択回路２１に出力する。
【００１５】
パターン制御時トルク発生回路２０は、風車回転数Ｎを入力して、先願技術として説明したパターン制御時トルク指令値τ２を生成してトルク選択回路２１に出力する。トルク選択回路２１は、過風速状態信号Ｓ、回転数制御時トルク指令τ１およびパターン制御時トルク指令値τ２を入力して、過風速状態信号ＳのＯＮ、ＯＦＦによりトルク指令値τ*を選択し、このトルク指令値τ*によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【００１６】
次ぎにその作用について説明する。
一般に揚力型風車においては、図３に示すように、回転数対風車トルク曲線上の右下がりの部分から右上がりの部分に減速するためには、風車の持つトルクのピーク値より大きい発電機トルクを印加しなければならない。
また発電機３およびＰＷＭコンバータ４は短時間であれば過負荷耐量を持っている。
従って、本発明は、この過負荷耐量を利用して風車１の過速度および発電機３およびＰＷＭコンバータ４の定常的な過負荷を防止する。
【００１７】
トルク積算回路１３は、トルク演算回路１１により演算した発電機３のトルクτと、風車発電装置の定格トルクτｎの差であるトルク偏差値Δτを積算し、その積算値をトルク偏差積算値Στとして風速状態信号発生回路１４に出力する。また、このトルク偏差積算値Στが正の間のトルクすなわち過負荷時のトルクを積算している時間を積算時間Ｔｏとして、減速量演算回路１５に出力する。
トルク偏差積分値Στは、発電機３のトルクτと定格トルクτｎの差が大きい時、すなわち風速が大きい時には短い積算時間Ｔｏで、ある一定値に到達し、差が小さい時には長い積算時間Ｔｏで、ある一定値に到達する。
従って、減速量演算回路１５では、トルク偏差積分値Στが同じある一定値に達したとしても、トルク偏差積分値Στを積算時間Ｔｏで割った値を回転数減速量Ｎｃ１としているので、発電機３のトルクτが大きい時、すなわち風速Ｕが大きい時には大きな回転数減速量Ｎｃ１を、発電機３のトルクτが小さい時には小さな回転数減速量Ｎｃ１を保持回路１６に出力する。
【００１８】
風速状態信号発生回路１４は、トルク偏差積算値Στを入力して、ある一定値に達すると過風速状態信号Ｓを保持回路１６およびトルク選択回路２１に出力する。このある一定値とは、発電機３およびＰＷＭコンバータ４の過負荷を防止するために設定される値である。例えば、半導体素子で構成されるＰＷＭコンバータ４であれば、通常のカタログに示されている過負荷耐量１５０％１分間と同じことを表す値であり、通常はトルク偏差Δτと積算時間Ｔｏの積が一定となる値である。
そして、トルク偏差Δτが負、すなわち定格トルク以内になると、トルク偏差積算値Στが減少し、ＰＷＭコンバータ４の半導体素子を取り付けているヒートシンクが冷えた状態になった時、例えばトルク偏差積算値Στが零になると、過風速状態信号ＳはＯＦＦになる。
【００１９】
第２の加算器１７は、風車の定格回転数Ｎｎから保持回路１６より出力される減速保持量Ｎｃ２を減じて、その偏差を風車回転数指令値Ｎ^＊として第３の加算器１８に出力する。この風車回転数指令Ｎ^＊とは、風車１を回転数対風車トルク曲線上の右上がりの部分で回転数制御するための指令値である。
従って、風車回転数指令値Ｎ^＊は、回転数減速量Ｎｃ１の値が大きいと定格回転数Ｎｎよりも十分に小さい値に設定され、回転数減速量Ｎｃ１の値が小さいと定格回転数Ｎｎより小さいが近い値に設定される。
第３の加算器１８で、実際の風車回転数Ｎと風車回転数指令Ｎ^＊との回転数偏差ΔＮを取り、回転数制御時トルク発生回路１９により偏差増幅して、回転数制御時トルク指令τ１としてトルク選択回路２１に出力する。
【００２０】
回転数制御時トルク発生回路１９では、例えば回転数偏差ΔＮを比例積分制御して、回転数制御時トルク指令τ１を生成することにより、本発明の目的を達成できる。
すなわち、上記のように回転数減速量Ｎｃ１を設定して風車回転数指令Ｎ^＊を設定することにより、回転数制御時トルク発生回路１９の回転数偏差ΔＮの比例制御項により、過風速状態信号ＳがＯＮになって回転数制御時トルク指令τ１が選択された瞬間には、風速が定格風速よりも十分に高い時は回転数偏差ΔＮが大きい値なので、定格トルクよりも十分に大きな回転数制御時トルク指令τ１となり、風車１のトルクのピーク値を越えて風車回転数Ｎが下がり、やがて積分制御項により設定された風車回転数指令Ｎ^＊と同じ風車回転数Ｎになる。
【００２１】
又、風速が定格風速より少し高い時は回転数偏差ΔＮが小さい値なので、定格トルクより少し大きな回転数制御時トルク指令τ１となり、風車１のトルクのピーク値を越えて風車回転数Ｎが下がり、やがて積分制御項により設定された風車回転数指令Ｎ^＊と同じ風車回転数Ｎになる。
風速が高い時に風車回転数指令Ｎ^＊を十分に低くする理由は、回転数偏差ΔＮの比例制御項の作用を大きくして、風車１のトルクのピーク値を越えて風車回転数Ｎを確実に下げるためであり、風速が低い時に風車回転数指令Ｎ^＊を定格回転数より少し低くする理由は、できるだけ風車回転数Ｎを大きくして、取り出す出力を大きくするためである。
【００２２】
回転数制御時トルク指令τ１、パターン制御時トルク指令値τ２、および過風速状態信号Ｓを入力するトルク選択回路２１は、風車１が過負荷になったということを検出して過風速状態信号ＳがＯＮになると、回転数制御時トルク指令τ１をトルク指令値τ*として出力して風車１の速度を低下させ、ＰＷＭコンバータ４の半導体素子を取り付けているヒートシンクが冷えたことを検出して過風速状態信号ＳがＯＦＦになると、パターン制御時トルク指令値τ２をトルク指令値τ*として出力する。
【００２３】
本発明の動作を図２の本発明のトルク制御状態を説明する図により、さらに詳しく説明する。
図２において、風速Ｕが風速Ｕｘ一定であるとする。
先ず、風速がＵｘの時に最大出力時トルク曲線との交点Ｒｘで運転されているとする。この状態が過負荷だとすると、やがて過風速状態信号ＳがＯＮとなり回転数制御状態になると、減速量演算回路１５より出力される回転数減速量Ｎｃ１により、例えば風車回転数ＮがＮｚになるように風車回転数指令値Ｎ^＊が設定される。
この時、風車１は、図２の交点Ｒｘすなわち風車回転数Ｎｘで運転されているために、風車回転数指令値Ｎ^＊（＝Ｎｚ）との偏差による比例制御項により、瞬間的には回転数制御時トルク指令τ１はτｐとなる。
従って、発電機３の動作は、図２の交点Ｒｘを出発点として、発電機３のトルクτを増加させることにより、風車回転数Ｎを矢印に沿って減速させて、交点Ｒｍにおいて風車回転数Ｎｚで運転される。
【００２４】
さらに、トルク偏差積算値Στが減少して、過風速状態信号ＳがＯＦＦになると、交点Ｒｍでの回転数制御状態からトルクパターン制御状態となり、最初は交点Ｒｚにおいてトルクτｚで運転され、やがて交点Ｒｚより交点Ｒｘまで加速される。
風速Ｕが風速Ｕｘの状態のままだと、やがて過負荷状態であると検出して、過風速状態信号ＳがＯＮになり、上記の制御が繰り返される。
この繰り返し動作をさせる理由は、トルク曲線の右上がりの部分で運転を続けると、取り出せる出力が減少するためである。
【００２５】
しかし、風速Ｕが高い風速Ｕｘから低い風速Ｕｙになり、連続して運転しても過負荷になることがない場合は、交点Ｒｙにおいて、風車回転数Ｎｙ、トルクτｙでトルクパターン制御され続けて、風速Ｕｙでの最大出力運転される。
【００２６】
このようなトルク指令値τ*を用いてＰＷＭコンバータ４を制御すると、風車１が定格負荷以内だとトルクパターン制御により最大出力制御され、風車１が過負荷になると、風車回転数Ｎおよびトルクτを定格値より下げて、回転数対風車トルク曲線上の右上がりの部分で回転数制御するために、発電機３及びＰＷＭコンバータ４の過負荷を防止することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施例では、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３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。
また、一般に、発電機３は電子部品を用いていないために、ＰＷＭコンバータ４よりも短時間の過負荷耐量が大きい。従って、ＰＷＭコンバータ４のみ大きめの容量を用いれば、より過負荷状態を長く保てる風力発電装置を構成できるので、過風速時も、より多くの発電が可能である。
さらに発電機３は、同期発電機だけでなく、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との関係を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上、風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータを用いて、発電機又はＰＷＭコンバータが過負荷になると、発電機を低回転数および低トルクで回す回転数制御を行い、発電機又はＰＷＭコンバータが定格負荷以内になると、トルクパターン制御を行う過負荷防止トルク指令回路について説明した。
この指令回路によれば、風速が高くなり、発電機又はＰＷＭコンバータが過負荷になって破損の恐れがある時は、回転数対風車トルク曲線上の右上がりの部分で、風車を低い回転数で運転できるので、風を逃がして風車からの入力を下げる高価なピッチ制御を用いることなく、発電機又はＰＷＭコンバータの破損を防止できる。
又、発電機やＰＷＭコンバータの破損の恐れが無くなった時、又は風速が低くなり連続に運転しても発電機又はＰＷＭコンバータが定格負荷以内の時は、回転数対風車トルク曲線上の右下がりの部分で、最大出力運転を行うことができるので、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、ＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図である。
【図２】本発明のトルク制御状態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】先願技術のＰＷＭコンバータによるトルク指令回路を説明するための風力発電装置接続図である。
【符号の説明】
１風車
２回転計
３発電機
４ＰＷＭコンバータ
５負荷
６電流検出器
１０トルク指令回路
１１トルク演算回路
１２第１の加算器
１３トルク積算回路
１４風速状態信号発生回路
１５減速量演算回路
１６保持回路
１７第２の加算器
１８第３の加算器
１９回転数制御時トルク発生回路
２０パターン制御時トルク発生回路
２１トルク選択回路

Claims

風車により駆動される発電機に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記発電機の回転数を検出する手段と、前記発電機のトルクを検出する手段と、前記発電機のトルクと定格トルクとの偏差を積分して過負荷量を検出する手段と、該過負荷量より過風速状態信号を出力する手段と、前記過負荷量と前記過負荷量を積算している積算時間より回転数減速量を出力する手段と、前記過風速状態信号により前記回転数減速量を保持して減速保持量を出力する手段と、前記風車の定格回転数と前記減速保持量の偏差より風車回転数指令を出力する手段と、該風車回転数指令と前記発電機の回転数との偏差の比例積分値より回転数制御時トルク指令値を出力する手段と、前記発電機の回転数より前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてパターン制御時トルク指令値を出力する手段と、前記過風速状態信号と前記回転数制御時トルク指令値と前記パターン制御時トルク指令値より前記発電機のトルク指令値を選択する手段を有することを特徴とするＰＷＭコンバータによる過負荷防止トルク指令回路。