JP4407894B2 - 直線翼風車により駆動される発電機のトルク指令方法 - Google Patents

Description

本発明は、直線翼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、大きな積算出力を取り出すためのトルク指令方法に関するものであり、特に、風速計を用いることなく、風速が変動しても、起動トルクの小さい直線翼風車を滑らかに加速して、応答性良く最大出力を取り出す事ができる、ＰＷＭコンバータのトルク指令方法に関するものである。

プロペラ翼風車に接続された発電機より、ＰＷＭコンバータを用いて交流を直流に変換し、電力を取り出すための出力制御方法については、公知である。
以下に、従来の、プロペラ翼風車により駆動される発電機より、出力を取り出す制御方法を直線翼風車に適用した、図６の従来の直線翼風車発電装置接続図を参照して詳述する。
図６において、１１は直線翼風車、１２は発電機、１３は回転計、１４は電流検出器、１５はＰＷＭコンバータ、１６は負荷、１７は風速計、２０は従来のＰＷＭコンバータ制御回路、２１は回転数指令回路、２２は回転数制御回路、７はＰＷＭ制御回路である。

直線翼風車１１により可変速に駆動される発電機１２の交流電力は、ＰＷＭコンバータ１５により直流電力に変換されて、負荷１６に出力される。
発電機１２に直結される回転計１３の出力である風車回転数Ｎ、及び風速計１７の出力である風速Ｕは回転数指令回路２１に出力され、以下に示す方法により作成した風車回転数指令Ｎ*を回転数制御回路２２に出力する。

図５は、ある風速が形状の定まる直線翼風車に作用した時の、風車出力Ｐと周速比βの関係を説明した図である。ここで、Ｒを風車半径、Ｎを風車回転数とすると、β＝２πＲ×Ｎ/Ｕの関係がある。
このように、直線翼風車は形状が定まると、周速比βｍで加速極値出力Ｐｍ、周速比βｎで減速極値出力Ｐｎ、周速比βｏで最大出力Ｐｏとなる如くに、周速比βに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、種々の風速に対する直線翼風車の最大出力Ｐｏに対する風車回転数Ｎｏも一義的に定まる。

このような特性を有する直線翼風車より大きな出力を得るために、図６において回転数指令回路２１は、測定した風速Ｕを入力して風車の最大出力Ｐｏとなる風車回転数Ｎｏを、Ｎｏ＝β×Ｕ/（２πＲ）より求めて回転数指令Ｎ^＊として、回転数制御回路２２に出力する。
回転数制御回路２２は、回転数指令Ｎ^＊と実際の風車回転数Ｎを入力して、実際の風車回転数Ｎが回転数指令Ｎ^＊と一致するように風車トルク指令Ｔ^＊をＰＷＭ制御回路７に出力する。
ＰＷＭ制御回路７は、風車トルク指令Ｔ^＊と発電機電流Ｉを入力してＰＷＭコンバータ５のゲート信号Ｇを出力して、ある風速での風車最大出力Ｐｏを得ていた。
又、ある風速が吹いても、減速極値出力Ｐｎとなる周速比βｎがあるために、外部からのエネルギーにより加速させてやらなければ、風車の最大出力Ｐｏを出力する風車回転数Ｎｏにすることができない。
ＮＥＤＯ 平成１１年度 ニューサンシャイン計画 離島用風力発電システム等技術開発 「離島における風力発電システムの開発」 平成１２年３月（富士重工業） 表4.3-3 速度優先制御

解決しようとする問題点は、図５の如き急峻な回転数対出力特性を有する直線翼風車１１により駆動される発電機１２に接続されたＰＷＭコンバータ１５から、種々の風速において、大きな積算出力を得るためには、正確な風速を測定して回転数制御する事が必要であるが、一般に、風車近傍に設置される風速計１７は、回転する風車の影響および風速変動により、正確な風速を測定できないので、風車起動時の起動・停止が頻繁に起きたり、常時、最大出力Ｐｏで運転できないために、直線翼風車１１より得られる積算出力が少なくなるという点である。

本発明は、直線翼風車により駆動される発電機より出力を得るためのＰＷＭコンバータのトルク指令方法を、起動時は一定トルク指令により、回転数上昇時は風車回転数に基づいたトルク指令により、回転数上昇後は風車回転数対トルク特性に基づいたトルクパターン指令により行うことを主な特徴とする。

本発明の直線翼風車により駆動される発電機のトルク指令方法によれば、ＰＷＭコンバータにより風速値ではなく風車回転数に基づく一定加速トルクを用いるために、起動時の頻繁な起動・停止を防いで、風車を外部から回すためのエネルギーを少なくし、起動後はトルクパターン指令により発電するために、風速計を必要とせずに最大出力が得られ、風速変動時の出力応答性が良く、大きな積算出力を得ることができるという利点がある。

直線翼風車の回転数対出力特性を把握して利用する発明であり、風車にトルクを印加しない状態での風車平均回転数がある一定以上になると、取得できるだけの風のエネルギーがあるとみなして、風車にＰＷＭコンバータを用いてエネルギーを与えて加速させ、風車回転数が上昇してくると、直線翼風車の回転数対トルク特性に基づくトルクパターン指令により発電するものである。

図１は、本発明の、直線翼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主回路及び制御回路ブロック図である。
同図において、１は本発明のＰＷＭコンバータ制御回路、２は回転数平滑回路、３は起動時回転数指令回路、４は起動時トルク指令回路、５はトルクパターン指令回路、６はトルク指令選択回路であり、図６と同一番号は同一部品を表す。

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り、例えば、風速Ｕ３では回転数Ｎ３において最大出力Ｐ３となることを示す。さらに、この最大出力と回転数の関係を表す最大出力時出力曲線が一点鎖線の如くに求まる。
図３は、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した図であり、例えば、風速Ｕ３では回転数Ｎ３において、最大出力Ｐ３となるトルクがＴ３であることを示す。さらに、この最大出力時トルクと回転数の関係を表す最大出力時トルク曲線が一点鎖線の如くに求まる。
従って、形状の定まる直線翼風車１１を最大出力時トルク曲線に基づいて、発電機１２をＰＷＭコンバータ１５によりトルクパターン制御することにより、風より最大出力を得ることができるとともに、風速変動時にも自動的に回転数およびトルクが変化して最大出力点で運転されるために応答性良く出力できる。

しかし、図５に示すように、ある風速Ｕが吹いても、減速極値出力Ｐｎとなる周速比βｎがあるために、外部からのエネルギーにより回転させてやらなければならない。従って、風から取り出せるエネルギーが十分にある時に、前述のトルクパターン制御状態にスムーズに移行するための、起動時のトルク指令方法を以下に説明する。

回転数平滑回路２は風車回転数Ｎを入力して、回転数平均値Ｎａを求める。起動時回転数指令回路３は、回転数平均値Ｎａがある値Ｎｚより大きくなると、風のエネルギーが十分にあるとみなして、（１）式に基づいて風車回転数指令Ｎ＊を求める。ここで、（１）式のＡは、例えば１＋Ａ＞βｏ/βｍより求めることができ、前記演算式で記号＞を用いる理由は、確実に風車を加速するためであり、頻繁な起動・停止を防ぐことができる。
ここで、風車は加速極値出力βｍの位置に止まっているとすると、この時の回転数をＮａとして、（０００５）に示すＮｏ＝β×Ｕ/（２πＲ）式より、風速Ｕが求まり、ひいては減速極値出力Ｐｎが求まる。

起動時トルク指令回路４は、風車回転数指令Ｎ＊と風車回転数Ｎの偏差が（２）式の条件を満足するまで、図５の周速比βｎにおける直線翼風車の減速極値出力Ｐｎより求まる減速極値トルクＴｎ（＝βｍ×Ｐｎ/（２πβｎ×Ｎａ））以上の加速トルクＴｚを、起動時トルク指令Ｔｒとしてトルク指令選択回路６に出力して風車１１を加速する。さらに、風車回転数指令Ｎ＊と風車回転数Ｎの偏差が（２）式の条件を満足すると、風車回転数指令Ｎ＊と風車回転数Ｎの偏差が零になるまで、（３）式に基づいて起動時トルク指令Ｔｒをトルク指令選択回路６に出力して風車１１を滑らかに加速する。（３）式において、Ｔｙは図３の最大出力時トルク曲線において風車回転数Ｎを風車回転数指令Ｎ＊としたときのトルクであり、風車起動が終了するまでに風速が変化しないとすると、起動終了後には風車回転数Ｎが風車回転数指令Ｎ＊となり、最大出力Ｐｏで運転される。
起動信号Ｓは風車回転数指令Ｎ＊と風車回転数Ｎの偏差が零になるまでＯＮ、零になるとＯＦＦの信号をトルク指令選択回路６に出力する。

トルクパターン指令回路５は、回転計１３より風車回転数Ｎを入力して、図３に示す風車回転数に対する最大出力時トルク曲線が如きトルクパターン指令Ｔｓを、トルク指令選択回路６に出力する。トルク指令選択回路６は、起動信号Ｓ、起動時トルク指令Ｔｒおよびトルクパターン指令Ｔｓを入力して、起動信号ＳがＯＮの時は起動時トルク指令Ｔｒを、起動終了信号ＳがＯＦＦの時はトルクパターン指令ＴｓをＰＷＭ制御回路７に出力する。ＰＷＭ制御回路７は、風車トルク指令Ｔ^＊と発電機電流Ｉを入力してＰＷＭコンバータ１５のゲート信号Ｇを出力する。

図２は、起動時の風車回転数ＮとトルクＴの関係を説明するための図であり、風車加速後の風速が２種類の場合を示す。
ＰＷＭコンバータ１５がＯＦＦの状態で風車回転数が、風のエネルギーが十分にあるとみなせる値Ｎｚより大きくなると、風車回転数が（１）式に基づく風車回転数指令Ｎ^＊になるように、起動時トルク指令ＴrをＴｚにして加速する。風車回転数が加速されて（２）式を満足すると、（３）式により求まる起動時トルク指令Ｔrにより、風車回転数Ｎの増加に伴い加速トルク状態から発電トルク状態に移行する。
風車回転数が風車回転数指令Ｎ^＊（＝Ｎｙ）に等しくなりトルクパターン制御状態になった時に、例えば、風速がＵｙで風車起動前と変わらないとすると、発電トルクＴｙを印加して発電する。又、風速が弱くなりＵｘになったとすると、減速されて風車回転数がＮｘの状態で、発電トルクＴｘを印加して発電する。図示しないが、逆に風速が強くなると、図５の回転数対出力特性を逸脱するために、風車回転数が上昇しないことが起こりえるので、（１）式の定数Ａを大きくして確実に加速する工夫が必要となる。

上記の最大出力時トルクと風車回転数の間の関係を表す最大出力時トルク曲線は、実際に直線翼風車を回しての測定や、風洞実験等によって求められ、直線翼風車の形状が決まると一義的に定める事ができる。
しかしながら、図４に示すように、風速と、風車が最高出力する風車回転数及び風車最高出力との間には、概略次のような関係がある。
風車が、風速Ｕ３で最高出力する風車回転数Ｎ３と、風速Ｕ２での風車が最高出力する風車回転数Ｎ２の間には、風速に比例する関係があり、又、風速Ｕ３での風車最高出力Ｐ３と、風速Ｕ２での風車最高出力Ｐ２の間には、風速の３乗に比例する関係がある。
従って、図３に示すように、風速Ｕ３での風車回転数Ｎ３における風車トルクＴ３と、風速Ｕ２での風車回転数Ｎ２における風車トルクＴ２の間には、風速の２乗に比例する関係がある。

この結果、最大出力時トルク曲線を、各風速に対して求めるのでは無く、図３に示す定格風速Ｕ３における、定格風車回転数Ｎ３と、その時の定格風車トルクＴ３を求めておき、その値を起点として、風車回転数が下がる方向に２乗低減する最大出力時トルク曲線としても十分に実用的である。

以上、本発明の実施例では、回転計１３より風車回転数Ｎを検出する場合について説明したが、発電機１２に接続されるＰＷＭコンバータ１５の電圧・電流によるセンサーレス方式でも、風車回転数を検出できるので、その値を用いても良い。
さらに、発電機１２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との関係を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。

本発明の、直線翼風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータ及びその制御回路を示すブロック図である。 本発明における、風車起動時の風車回転数とトルクの関係を説明するための図である。 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。 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。 直線翼風車の周速比対出力を説明するための図である。 従来の、直線翼風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータ及びその制御回路を示すブロック図である。

符号の説明

１ ＰＷＭコンバータ制御回路
２ 平滑回路
３ 起動時回転数指令回路
４ 起動時トルク指令回路
５ トルクパターン指令回路
６ トルク選択回路
７ ＰＷＭ制御回路
１１ 直線翼風車
１２ 発電機
１３ 回転計
１４ 電流検出器
１５ ＰＷＭコンバータ
１６ 負荷
１７ 風速計
２０ ＰＷＭコンバータ制御回路（従来形）
２１ 回転数指令回路
２２ 回転数制御回路

Claims (1)

1. 風車出力が加速極値出力Ｐｍをとる加速極値周速比βｍ、該風車出力が減速極値出力Ｐｎをとる減速極値周速比βｎ、最大出力周速比βｏを有する直線翼風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータのトルク指令方法において、前記直線翼風車の無負荷の回転数平均値Ｎａより定数Ａ＞βｏ/βｍ−１を求め、前記直線翼風車の無負荷の回転数平均値Ｎａがある値を超えると風車回転数指令Ｎ^＊（＝Ｎａ×（１＋Ａ））を求め、前記回転数平均値Ｎａより求まる減速極値出力Ｐｎを求め、該減速極値出力Ｐｎより減速極値トルク指令Ｔｎ（＝βｍ×Ｐｎ/（２πβｎ×Ｎａ）を求め、前記風車回転数ＮがＮ^＊−Ａ×Ｎａより大きくなるまで前記減速極値トルク指令Ｔｎ以上の加速トルクＴｚを起動時トルク指令Ｔｒとして与え、前記風車回転数指令Ｎ^＊における風車最大出力時のトルクＴｙを求め、前記風車回転数ＮがＮ^＊−Ａ×Ｎａより大きくなるとＴｒ＝（Ｔｚ−Ｔｙ）/（Ａ×Ｎａ）×（Ｎ^＊−Ｎ）＋Ｔｙを前記起動時トルク指令Ｔｒとして与え、前記風車回転数Ｎが前記風車回転数指令Ｎ^＊になると前記直線翼風車の形状により一義的に定まる風車回転数対トルク指令に基づいてトルクパターン指令を与えることを特徴とする直線翼風車により駆動される発電機のトルク指令方法。