JP4415615B2 - 発電システムとその発電機制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は風力や水力などの外部動力を回転エネルギーに変換して発電を行う発電システムにおいて、特に発電機を最大効率で運転できる制御方法に関する。
従来の技術の発電システム構成図の一例を図6に示す。図6において1は発電機3を駆動するための原動機である。この原動機1としては羽根、風車、水車等を含む。2はギアもしくはカップリング、3は発電機、4は電力変換装置、5は電力制御装置、6は負荷、8は速度センサである。
次に動作について説明する。原動機のエネルギーによって発電機3を回転させる。ギア/カップリング2は羽根1の回転数を変速または伝達する。発電機3を通じて回転エネルギーは電気的エネルギーに変換され、電力変換装置4によって負荷6にエネルギーを伝える。電力制御装置5は速度センサ8から原動機の軸速度の情報を取り入れ電力変換装置4の制御を行う。発電機3には同期発電機以外に誘導発電機や永久磁石を回転子鉄心内部に埋め込んだ同期電動機であるIPM(Interior Permanent Magnet) モータを発電機動作させて使用される。従来の発電システムでは、発電機3の回転数が原動機のエネルギーの変化に応じて変化しない速度一定制御、あるいは原動機のエネルギーの変化に応じて発電機の運転回転数を変化させることによってエネルギー利用度すなわち発電効率を高めるように軸速度可変制御を行う。
また風力によって駆動される誘導発電機と、直流電源に接続されている直流バスと、上記誘導発電機と上記直流バスとの間に介在し外部制御により変換周波数が制御される双方向コンバータと、上記直流バスと発電機負荷との間に介在して直流電力を商用周波数に変換するインバータと、上記双方向コンバータの変換周波数を制御する制御手段とからなる。そして、上記制御手段は上記双方向コンバータの変換周波数を次のような態様で制御する。回転誘導電機には電源周波数と極数とで決まる同期速度があり、その回転速度が同期速度より遅い場合は電動機として動作し、その回転速度が同期速度より速い場合に発電機として動作する。従って風力による誘導発電機の回転速度が常に同期速度より速くなるように電源周波数を制御すれば、常に安定した発電状態を得ることができるので、上記双方向コンバータの変換周波数をこのように制御する。そして、この双方向コンバータは、誘導発電機側から見れば交流電源として動作し、直流バス側から見れば直流電源として動作することになる。(例えば、特許文献1参照)。
特開平2002−84797号公報
ところが、発電効率を高めるには応答性と正確性を同時に満足させなければならない。そこで、本発明は原動機の特性から最大効率運転用のトルク指令パターンを作って素早く高効率運転点まで移動し、推定した原動機の出力の変化分からトルク指令の微細調整ゲインを演算して原動機のモデル誤差や運転環境の変化が有っても正確に最大効率点運転をすることを目的とする。さらに風速、流量センサなどの動力源のエネルギー量検出手段を使用せずに高効率運転を実現することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力の電力を制御する電力変換装置とを備えた発電システムにおいて、前記発電機電力及び前記発電機の検出あるいは推定した軸速度により前記発電システムの運転効率が最大となるトルク指令パターンを算出する。前記発電機の軸速度と前記発電機の発生出力より原動機出力を演算し、前記原動機出力の変化からトルク指令の微細調整ゲインを算出し、前記トルク指令パターンに掛け算することにより速い過渡応答特性と正確な微細調整が出来るようなトルク指令を算出することにより、設計値と実際値とが異なる場合においても常に最大効率を得ることができるようにする。
本発明によれば、発電システムの運転特性は応答性と正確性を同時に満足させ、効率を向上させることが出来るとともに、風速、流量センサなどの動力源のエネルギー量検出手段を使用せずに外部動力による電力制御ができるようになり回路の簡略化、低コスト化および高信頼性を実現できるという効果がある。
本発明における発電機効率を最大とするため動作原理について説明する。図1に示したように原動機を回転させる入力エネルギーの量minと原動機の回転数Wturによって原動機の出力Pturが決まるシステムにおいて、Pturは(1)式に示すようにminとWturの関数fで表することができる。
更に原動機の発生トルクTturは(2)式で表すことができる。
任意の原動機入力値に対して原動機の出力が最大になる運転回転数が存在すると最大出力Ptur_peakとその時の運転回転数は図1の曲線Lbで表すことができる。曲線Lbは(3)式に示すように原動機の回転数Wturの関数Ppeakで表することができる。
更に原動機の発生トルクTtur_peakは(4)式に示すようにWturの関数Tpeakで表することができる。
原動機とギアまたはカップリングを通じて回転する発電機の回転数をWgenとする。ギア比をkとするとWgen
図1は発電機の回転数に対して図2の(a)のように表することができる。機械的なロス分をPlossとして発電機側に掛けるトルクをTgen_peakとすると
本発明では原動機の出力特性から発電機に掛けるトルクを求め、検出或いは推定した発電機の
を使って発電機の最大効率トルク指令T* gen_peakを作る。発電機のトルク指令は(7)式で表すことができる。更に(7)式は図2の(b)の曲線L2で表すことができる。
最大効率運転は(7)式より発電機のトルクを制御して可能だが、トルクの指令値は原動機の設計誤差、特性の変化及び外部環境パラメータの変化等によって、本当の原動機の最大効率運転点と設計値から作った(7)式のトルク指令値の間には誤差が発生する可能性がある。その場合にはトルク指令が図2の(b)の最適曲線L2で運転できない。例えばトルク指令が大きすぎる場合は曲線L1で運転する事になり、トルク指令が低すぎの場合は曲線L3で運転する事になって運転効率が低くなる。この問題点を解決するために本発明では原動機の運転特性パラメータに変化が有っても最大効率点での運転が出来るように補正制御部を設け、トルク指令を補正する。
トルク指令が図2の(b)の最適曲線L2で運転が出来るように、原動機の出力特性から作った式(7)のトルクパターンT* gen_peakにゲインgt *(n)を掛けて出力する。
補正制御部の設計のためにはまず、原動機の出力を検出する必要がある。
を補正することによって原動機の出力を正確に検出することが可能である。
totalは発電機側に換算された原動機や発電機を含めた発電システムの全体の慣性、Beqvは発電機の回転数に換算された発電システムの全体の摩擦係数である。(9)式及び(10)式より求めた原動機の出力
原動機の出力の変化ΔP(n)より、トルク指令ゲインgt *(n)を調整すれば、原動機の出力が最大になるように制御することが出来る。例えばゲインが最適値より低くて動作曲線がL3になっている場合はゲインgt *(n)が増加して動作曲線がL2になるまではΔP(n)>0の状態が維持されるので ゲインを大きく調整する。
逆に、大きくて動作曲線がL1になっている場合はゲインgt *(n)が減少して動作曲線がL2になるまではΔP(n)>0の状態が維持されるのでゲインは小さく調整する。
請求項1記載の実施例について説明する。図3は請求項1を発電システムに適用した例である。図3において、1は風車等の原動機、2は速度を変えるためのギアもしくはカップリング、3は発電機、4は電力変換装置、5は電力制御装置、6は電力変換装置6の負荷である。図3の電力制御装置5には、発電機の速度、電圧、電流値を検出或いは推定する機能、発電機の出力検出、トルクおよび回転数を制御する機能が設けられている。この発電機の速度、電圧、電流値を検出或いは推定する機能は、発電機3の電流検出に基づいて位置検出器や電圧検出器を持たないいわゆるセンサレスベクトル制御と同様にして速度、電圧を推定することができる。本発明の図3が従来の技術である図6と相違する部分は発電機の速度を検出する速度センサ8を備えていない点にある。図4は発電機の出力
より原動機の出力検出ブロックを示す。機械モデル式401では(10)式を利用して機械的変動分
請求項2記載の実施例について説明する。図5は本発明の発電機のトルク制御の構成を示すブロック図である。図5において501は出力演算器、502は演算器、503、504はリミッター、505はトルク演算器、506は加算手段、507は減算手段、4は電力変換装置、3は発電機である。
出力演算器501で検出した原動機の検出出力を
とすると減算手段507で原動機の検出出力の変化ΔP(n)を求めてそれを演算器502へ出力する。演算器502ではΔP(n)を入力変数として比例或いは比例積分或いは比例・積分・微分制御等を行ってgtmp *(n)をリミッター503へ出力する。リミッター503では出力の範囲を制限してゲインの増加分Δgtを加算手段506へ出力する。リミッター503は入力値gtmp *(n)を制限するためgtmp *(n)の絶対値を(12)式のように制限値ΔG_lim以下に制限する。
前回のゲインgt *(n-1)にΔgtを加算手段506により加算してその結果をリミッター504で制限して今回のゲインgt *(n)を得、このgt *(n)をトルク演算器505へ出力する。トルク演算器505では原動機の出力特性から作った式(7)のトルクパターンT* gen_peakに ゲインgt *(n)を掛けて発電機のトルク指令値を電力変換装置4へ出力する。
結果的に発電機のトルク指令値は(13) 式のように示すことが出来る。トルク指令は電力変換装置4で発電機に出力するトルクに変換され発電システムに出力する。
本発明は風力や水力等における原動機と入力エネルギーの関係が図1のように出力が最大となる原動機の回転数が存在するシステムに適用することができる。
原動機の出力特性の例 原動機の出力特性と発電機のトルクの関係 本発明の一実施形態の発電システムの構成を示すブロック図 本発明の原動機の出力検出装置の構成を示すブロック図 本発明の発電機のトルク制御の構成を示すブロック図 従来技術を示すシステム構成図
符号の説明
1 羽根
2 ギア/カップリング
3 発電機
4 電力変換装置
5 電力制御回路
6 負荷
7 速度検出器
8 速度センサ
501 出力演算器
502 演算器
503、504 リミッター
505 トルク演算器
506 加算手段
507 減算手段

Claims (2)

  1. 動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、前記原動機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力電力を制御する電力変換装置とを備え前記発電機の発生出力と前記原動機および前記発電機の機械的特性と前記発電機の検出あるいは推定した軸速度により、前記原動機の出力を検出する発電システムの発電機制御方法において、
    前記原動機のトルク特性から得られる前記発電システムの運転効率が最大となるトルク指令パターンを備え、前記トルク指令パターンと前記軸速度から第1のトルク指令を求め、前記出力の時間変化が正の場合に増加、負の場合に減少するようにトルク指令の微細調整ゲインを算出し前記第1のトルク指令に前記微細調整ゲインを掛け算することにより第2のトルク指令を算出し、前記第2のトルク指令を用いて前記発電機を制御することを特徴とする発電システムの発電機制御方法。
  2. 動力エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機と、前記原動機の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機により得られた電気エネルギーの電力制御を行う電力制御装置と、前記電力制御装置の指令に従って入力および出力電力を制御する電力変換装置とを備え、前記発電機の発生出力と前記原動機および前記発電機の機械的特性と前記発電機の検出あるいは推定した軸速度により、前記原動機の出力を検出する発電システムにおいて、
    前記原動機のトルク特性から得られる前記発電システムの運転効率が最大となるトルク指令パターンを備え、前記トルク指令パターンと前記軸速度から第1のトルク指令を求め、前記出力の時間変化が正の場合に増加、負の場合に減少するようにトルク指令の微細調整ゲインを算出し前記第1のトルク指令に前記微細調整ゲインを掛け算することにより第2のトルク指令を算出し、前記第2のトルク指令を用いて前記発電機を制御することを特徴とする発電システム。
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