JP5190879B2 - 風力発電機の出力電力変動抑制装置 - Google Patents
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Description
風力発電は、非枯渇性のクリーンエネルギーである風力エネルギーを利用した発電システムとして、世界各地で盛んに建設が行われている。また、離島や限られた地域内に電力を供給する小規模な配電網であるマイクログリッドに分散型電源として風力発電システムを配備することが検討されている。
需要者からは電力品質を保持する要求があるので、風力発電設備を導入した電力系統も、系統周波数や系統電圧を一定に維持する必要がある。また、出力の平準化のために高風速時の大きな風車出力をみすみす無駄にすることになる。
しかし、蓄電池は頻繁に充放電を繰り返すことによって蓄電効率や寿命が低下する。また、フライホイールは回転損失が大きく、エネルギー効率に劣る。
しかし、このような貯蔵装置を用いた周波数変動対策は、非常に高価、大型であるため、設備コストの増大を招き採算性が問題になる。
このように、自然エネルギーである風力の変動を、風車ロータの回転エネルギーとして貯蓄、放出することで吸収し、発電量の変動を緩和することができる。
インバータ制御装置により、トルク値に応じて電気的損失が極小になるような二次磁束指令値を算出し、座標変換を行ってd−q軸の指令電圧を決定する。
なお、本発明の風車発電機の出力電力変動抑制装置は、ベクトル制御が適用できるような永久磁石同期発電機など他の種類の発電機や、風車と発電機の間に増速機を介装したものにも適用ができることは言うまでもない。
図1は本実施形態に用いる風力発電装置の概略図である。風車ブレード1の風車軸2に増速機3を介して誘導発電機4が接続されている。誘導発電機4はPWMコンバータ5とPWMインバータ6で構成されるインバータを経て電力系統7に電気的に接続されている。風車ブレード1の前方に風速計8が配されており出力制御系9に風速情報Vwを入力している。風車によって得られる風力エネルギーは増速機3を介して誘導発電機4に伝達される。誘導発電機4は、ロータリーエンコーダによってロータの位置・回転速度情報が正確に把握され、PWMコンバータによって速度制御されている。
風車ブレード1の半径をR0とすると、ブレードの回転面積はπR0 2となる。風速Vwの風が風車を吹き抜けた場合、風の持つエネルギーが全て風車回転トルクに変換されたとすれば、空気密度をρとしてその入力エネルギーPwindは(1)式で表される。
Pwind =1/2・ρπR0 2Vw 3・・・・・・・・・・(1)
このときの風車入力トルクTwindは(2)式で表される。
Twind=1/2・ρπR0 3Vw 2・・・・・・・・・・(2)
Ct=αλ2+βλ+γ・・・・・・・・・・・・・(3)
Cp=λCt=Pw/Pwind ・・・・・・・・・・・・(4)
ただし、α、β、γ:ブレードの大きさや形状・枚数・ピッチ角により定まる係数、λ=R0ωw/Vw:周速比。
Tw=1/2・CtρπR0 3Vw 2・・・・・・・・・(5)
この風車トルクを受けたときの風車の運動方程式は(6)式で表される。
Tw=Twind−Tf
=Jwdωw/dt+Tlw ・・・・・・・・・・(6)
ただし、Tf:風車の損失トルク、Jw:風車の慣性モーメント。
Tf=K0Vw 2+K1Vwωw+K2ωw 2・・・・・・・(7)
風車損失係数K0、K1、K2は(8)〜(10)式で表される。
K0=1/2・ρSR0(1−γ)・・・・・・・・(8)
K1=−1/2・ρSR0 2ζ ・・・・・・・・・・(9)
K2=−1/2・ρSR0 3ξ ・・・・・・・・・(10)
ただし、S=πR0 2:ブレード回転面積、γ、ζ、ξ:風車のブレードの大きさ、形、枚数、ピッチ角によって決まる係数。
K0、K1、K2は風車の形状によって決まる係数であり、風車損失トルクが下に凸になること、すなわち、風車損失トルクTfが極小値をとり効率が最高になる風車回転速度ωwが存在すること、を表す近似パラメータである。
Tf=Twind−Tw
=(1−Ct)Twind・・・・・・・・・・・・(11)
また、増速比Rnを用いると、風車と発電機の回転速度およびトルクの関係はそれぞれ(12)、(13)式となる。
ωm=Rnωw ・・・・・・・・・・・・・・・・(12)
Tlm=−1/Rn・Tlw ・・・・・・・・・・・(13)
Twind=Jwdωw/dt+Tf+Tlw・・・・・・(14)
最終的に、発電機への機械的入力Pwは(15)式となる。
Pw=Twωw=−Tmωm ・・・・・・・・・・・(15)
出力制御系は、風車出力演算装置10、平均値演算器11、回転速度演算装置12、風車回転エネルギー演算装置13、およびインバータ制御装置20で構成される。また、インバータ制御装置20は、速度制御部21、二次磁束制御部22、電流制御部23、座標変換器24により構成される。
Pw=(Twind−Tf)ωw
=(1/2・ρπR0 3−K0)Vw 2ωw−K1Vwωw 2−K2ωw 3
・・・・(16)
ωwopt=[−K1VW+{(K1VW)2
−3K2(1/2・ρπRo 3−Ko)VW 2}1/2]/3K2
・・・・・・(17)
このときの発電機最適回転速度ωmoptは、増速比をRnとすると(18)式になる。
ωmopt=Rnωwopt・・・・・・・・・・・・・・(18)
Pmax=Twωwopt
=(1/2・ρωR0 3−K0)Vw 2ωwopt−K1VWωwopt 2−K2ωwopt 3
・・・・・・・・・・(19)
平均値演算器11が可採最大出力Pmaxの積分区間Tにおける平均値、すなわち平均可採風車出力を算出して風車出力指令値P*とする。
P*=∫t t−TPmaxdt/T・・・・・・・・・・(20)
ただし、t:現在時間、T:積分区間
現状における風車の運動エネルギーEは、風車と連動する発電機の回転角や回転速度を検出するセンサの出力を用い、風車回転エネルギー演算装置13により(21)式を使って求められる。
E=1/2・Jωw 2・・・・・・・・・・・・・(21)
ωw *=(2E*/J)1/2・・・・・・・・・・・(22)
さらに、発電機回転速度指令値ωm*は増速比Rnを用いて(23)式により決定される。
ωm *=Rn(2E*/J)1/2 ・・・・・・・・・(23)
インバータ制御装置20により、発電機の回転速度ωmを発電機回転速度指令値ωm *になるように制御することで、風車の回転速度ωwを回転速度指令値ωw *に追従させることができる。
Jmdωm/dt+Dmωm+Tl'=Te=KTiqs *・・・(24)
ただし、Dm:誘導機の制動係数、Jm:慣性係数、Tl'=PTL−KTeiq:等価外乱トルク、KT=3/2・P/2・Lm/Lr(Lridr *+Lmids *):起電力係数。
Tm *=kPωeω+kIω∫eωdt・・・・・・・・・(25)
ここで、kPω:比例係数、kIω:積分係数。
さらに、Tm *を用いてトルク指令電流iqs *を(26)式で決定する。
iqs *=1/KT(Jmdωm */dt+Dωm *+Tlm−αeω)・・(26)
ただし、KT:トルク出力係数、α:フィードバックゲイン。
一般に誘導器のベクトル制御では、二次磁束を一定として制御を行っている。しかし、このことは二次磁束を維持するために不必要な励磁電流を流し続けることによる損失が生じるという欠点を有している。そこで、入力トルクTeに応じて二次磁束を適切に制御することによって効率を改善する。電気的全損失Plossは式(27)で決まる。
Ploss=(Rs+Rm)/(Lm 2+a2)・Ψr 2
+2aRs/(Lm 2+a2)・Te/P
+[{Rs(Lr 2+a2)+Lr 2Rm}/(M2+a2)+Rr]
・Te 2/P2Ψr −2・・・・・・・・・・(27)
ただし、a=Rm/ωm
Ψropt=[{Rs(Lr 2+a2)+RmLr 2+Rr(Lm 2+a2)}
/(Rs+Rm)]1/4(Te/P)1/2・・・・・・(28)
この最高効率条件を満たす二次磁束Ψroptを指令値として制御に用いる。
ids=1/Lm・(1+Lr/Rr・P)Ψr ・・・・(29)
ここで、ids *=ids、Ψr *=Ψdrとして磁束指令電流の制御入力とする。
vd *=kPieid+kIi∫eiddt・・・・・・・・(30)
vq *=kPieiq+kIi∫eiqdt・・・・・・・・(31)
ここで、kPi:電流誤差に対する比例ゲイン、kIi:積分ゲイン、eid=id *−id:d軸電流誤差、eiq=iq *−iq:q軸電流誤差。
この指令電圧vd *、vq *を回転座標変換器24で座標変換して得た指令電圧vabc *によりPWMコンバータ5を制御して発電機回転速度ωmを制御し、指令回転速度ωm *に追随させることにより、電気的損失Plossは最小になる。
*Pmax=∫0 tPout(t)dt・・・・・・・・・(32)
*Plevel=∫0 t|dPout(t)/dt|dt・・・(33)
最大出力電力関数*Pmaxは風力発電システム出力電力Poutを積分したものであり、値が大きいほど出力電力効率が高いことを示す。一方、出力電力平準化関数*PlevelはPoutの微分値の絶対値を取って積分したものであり、値が小さいほど出力電力の変動量が少ない。
以上のように、本実施形態の風力発電機の出力電力変動抑制装置により、風力発電システムの出力電力の変動を抑制することが確認できる。
なお、本発明の出力電力変動抑制装置は、ベクトル制御が適用できる永久磁石同期発電機など他の種類の発電機や、風車と発電機の間に増速機を介装したものにも適用ができることは言うまでもない。
2 風車軸
3 増速機
4 誘導発電機
5 PWMコンバータ
6 PWMインバータ
7 電力系統
8 風速計
9 出力制御系
10 風車出力演算装置
11 平均器
12 回転速度演算装置
13 風車回転エネルギー演算装置
20 インバータ制御装置
21 速度制御部
22 二次磁束制御部
23 電流制御部
24 座標変換器
Claims (3)
- 風力を回転エネルギーに変換する風車、該風車の風車軸に接続された誘導発電機、該誘導発電機をベクトル制御するインバータで構成される風力発電機において、風速測定器、風車出力演算装置、風車回転エネルギー演算装置、回転速度演算装置およびインバータ制御装置を備え、該風速測定器が該風車に当たる風の風速を測定して風速測定値を出力し、該風車出力演算装置が該風速測定値に基づいて該風車が該風力から回収可能な最大値である瞬間可採風車出力を算出し該瞬間可採風力出力の一定時間内の平均可採風車出力との差分を算出し、該風車回転エネルギー演算装置が該風車の回転速度から風車回転エネルギーを算定し、該回転速度演算装置が該風車回転エネルギーと該差分を加えたエネルギー量を発生する回転速度を指令回転速度として算定し、該インバータ制御装置がベクトル演算により該指令回転速度を実現するためのトルク指令電流を算出し該インバータを該トルク指令電流を発生するよう調整して発電機回転速度を制御することを特徴とする風力発電機の出力電力変動抑制装置。
- 前記誘導発電機がかご型誘導発電機であることを特徴とする請求項1記載の風力発電機の出力電力変動抑制装置。
- 前記インバータ制御装置が、ベクトル制御により電気的損失を極小化するように二次磁束を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の風力発電機の出力電力変動抑制装置。
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