JP6107179B2

JP6107179B2 - 風力発電システムのインバータ装置

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Publication number: JP6107179B2
Application number: JP2013016313A
Authority: JP
Inventors: 純光田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014150597A

Description

本発明は、風力発電機用に適応されるインバータ装置に係り、特に発電機電力を直流電力に変換する装置に関する。

図５は、従来の風車発電システムの構成を示す概略図である。風車コントローラ７は、風車１が受ける風速と風車１の回転速度に応じて風力発電システムの発電電力を決定し、これに応じて発電機２の必要トルクを演算する。このトルク値はインバータ装置３（インバータ制御部８）に送信される。

インバータ装置３は、インバータ順変換機４と、インバータ逆変換機５と、インバータ制御部８と、を備える。そして、インバータ装置３は、風車コントローラ７より受信したトルク値を発電機２に発生させることにより風車コントローラ７の要求する電力を発電機２に発生させる。なお、インバータ逆変換機５への指令値はトルクで、インバータ順変換機部４への指令値は直流電圧と力率である。

特開２００８−２９０８２号公報

風車コントローラ７は、現在の発電機回転速度と風速により、発電機２が出力するべきトルク量（トルク指令Ｔ^*）を演算する。

インバータ装置３は、風車コントローラ７より受け取ったトルク指令Ｔ^*をインバータ制御部８に入力し、電流指令Ｉ^*を演算する。インバータ逆変換機５は電流指令Ｉ^*どおりの電流を出力し発電機２にトルクを発生させる。

しかし、発電機２に発生する誘起電圧は温度に比例して減少することが多く、この現象により、インバータ装置３が発電機２に一定の電流を流した場合においても、発電機２の温度変化により発生するトルクが変化してしまう。

このため、インバータ制御部８が風車コントローラ７より受信したトルク指令Ｔ^*を電流指令Ｉ^*に変換し、発電機２に出力させるだけでは、所望の電力と実発電電力との間に偏差が生じてしまう。

図６に風力発電システムの風速−発電電力特性を示す。風力発電システムは実線で示した所望電力量どおりに発電を行うことが望ましいため、発電機２の影響により所望電力と実発電電力に差が生じることは望ましくないといえる。

また、定格風速以上の風が吹いていた場合には、特に定格発電電力どおりに発電することが望まれる。

以上示したようなことから、風力発電システムにおいて、発電機の状態によらず所望の発電電力を常に出力し続けることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、風を回転エネルギーに変換する風車と、風車の回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機と、発電機の回転速度と風速により発電機に出力されるトルク指令を算出する風車コントローラと、前記トルク指令から電流指令を演算し、電流指令に基づいて発電機の発電電力を制御して発電機にトルクを発生させ、前記発電機と系統との連系を行うインバータ装置と、を備えた風力発電システムであって、前記インバータ装置は、速度検出値とトルク指令から電力指令値を演算し、発電機の出力電流検出値と出力電圧検出値から発電機から出力される実発電電力を演算し、前記電力指令値と前記実発電電力との差に基づいて補正トルクを演算し、この補正トルクをトルク指令に加算することを特徴とする。

また、その一態様として、所望の電力に対し実発電電力が越えた場合には、越えた量をリミットトルクとし、トルク指令に補正トルクを加算した値からリミットトルクを差し引くことを特長とする。

本発明によれば、風力発電システムにおいて、発電機の状態によらず所望の発電電力を常に出力し続けることが可能となる。

実施形態における風車発電システムの構成を示す概略図である。実施形態におけるインバータ制御部を示すブロック図である。実施形態における発電電力補正量演算器を示すブロック図である。実施形態における発電電力リミット量演算器を示すブロック図である。従来における風車発電システムの構成を示す概略図である。風力発電システムの風速−発電電力特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態における風力発電システムのインバータ装置を図面に基づいて詳細に説明する。

［実施形態］
図１は、本実施形態における風車発電システムの構成を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態における風車発電システムは、風を回転運動エネルギーに変換する風車（図示省略）と、風車の回転運動エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機２と、発電機２の交流電力を直流電力に変換するインバータ逆変換機５と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ順変換機４と、インバータ（インバータ逆変換機５，インバータ順変換機４）の制御を行うインバータ制御部８と、風力発電システムの全体の制御を行う風車コントローラ７と、を備えている。

なお、インバータ逆変換機部５、インバータ順変換機部４、インバータ制御部８を統合してインバータ装置３とする。インバータ装置３は発電機２の発電電力を制御すると共に、発電機２と系統６との連系を行う。

また、風車コントローラ７は、発電機２の回転速度ω，風速に基づいてトルク指令Ｔ^*を演算するトルク指令演算器９を備え、演算されたトルク指令Ｔ^*はインバータ制御部８へ出力される。

インバータ制御部８は、後述する図２に示す制御ブロックでトルク指令Ｔ^*を補正する。この補正されたトルク指令Ｔ^*＋Ｔｃ−Ｔｌに基づいてインバータ電流指令演算器１１により電流指令Ｉ^*を演算し、インバータ逆変換機５に出力する。インバータ逆変換機５では電流指令Ｉ^*どおりの電流を出力し、発電機２にトルクを発生させる。

図２に、トルク指令Ｔ^*を補正する制御ブロックを示す。前記制御ブロックはインバータ制御部８内に備えられているものとする。この制御ブロックは、発電電力を所望の値に制御するものである。図２に示すように、前記制御ブロックは、電力指令演算器１４，発電電力演算器１５，発電電力補正量演算器１６，発電電力リミット量演算器１７を備える。

電力指令演算器１４において、風車コントローラ７から受信したトルク指令値Ｔ^*と、速度検出値ωに基づいて、所望の電力量（電力指令値ωＴ^*）を演算する。また、発電電力演算器１５において、発電機２とインバータ逆変換機５の間の電流検出値Ｉと電圧検出値Ｖに基づいて、実発電電力ＩＶを演算する。そして、発電電力補正量演算器１６において、この電力指令値ωＴ^*と実発電電力ＩＶの２値から電力指令値ωＴ^*と実発電電力ＩＶの差分をなくす補正トルクＴｃが決定される。

発電電力補償演算器１６は図３に示すとおり、減算器、比例演算器２０、積分演算器２１、定数乗算器２２と、を備える。発電電力補償演算器１６は、まず、減算器において、電力指令値ωＴ^*から実発電電力ＩＶを減算する。そして、この電力指令値ωＴ^*と実発電電力の差分ωＴ^*−ＩＶを比例演算器２０，積分演算器２１に出力する。次に、比例演算器２０で前記偏差ωＴ^*−ＩＶを比例演算し、積分演算器２１で前記偏差ωＴ^*−ＩＶを積分演算し、この比例演算器２０と積分演算器２１の出力を足し合わせる。そして、この値に定数乗算器２２で予め設定された定数を乗算して補正トルクＴｃとして出力する。

この補正トルクＴｃをトルク指令Ｔ^*に加算することにより、実発電電力ＩＶを電力指令値ωＴ^*どおり制御することができる。ここまでの制御方法を「発電電力一定制御」とする。

また、図２に示すように、定格電力値ｒＰと実発電電力ＩＶの差分ｒＰ―ＩＶを演算し、この差分ｒＰ−ＩＶが負であった場合には、定格電力値ｒＰ以上を発電していることとなり、実発電電力ＩＶを低減する必要がある。このため、定格電力値ｒＰと実発電電力ＩＶを発電電力リミット量演算器１７に入力し、発電電力リミットトルクＴｌを演算する。

発電電力リミット量演算器１７は、図４に示すように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ゼロ出力器２３，積分演算器２４，比例演算器２５を備える。そして、定格電力値ｒＰと実発電電力ＩＶの差分ｒＰ−ＩＶを取り、この差分ｒＰ−ＩＶが正（≧０）の場合はスイッチＳＷ１，ＳＷ２を上側に切り換え、差分ｒＰ−ＩＶが負（＜０）の場合はスイッチＳＷ１，ＳＷ２を下側に切り換える。偏差ｒＰ−ＩＶが正（≧０）の場合は、実発電電力ＩＶが定格電力値ｒＰよりも小さいとして、ゼロ出力器２３から０を出力し、リミットトルクＴｌとして０を出力する。

一方、差分ｒＰ−ＩＶが負（＜０）の場合は、実発電電力ＩＶが定格電力ｒＰよりも大きい。そこで、積分演算器２４で偏差ｒＰ−ＩＶを積分演算し、比例演算器２５で偏差ｒＰ−ＩＶを比例演算し、この積分演算器２４と比例演算器２５の出力を足し合わせて発電電力リミットトルクＴｌとして出力する。

この発電電力リミットトルクＴｌをトルク指令（Ｔ^*−Ｔｃ）から減算することにより、実発電電力ＩＶが定格電力ｒＰを超えないように制御することができる。本機能を「発電電力リミット機能」とする。

前記「発電電力一定制御」において、発電電力保障演算器１６内の定数乗算器に１以上の値を設定して、補正トルクＴｃを高めの値となるようにし、さらに、積極的に「発電電力リミット機能」を働かせることにより、定格風速以上の風が吹いている場合、確実に定格発電電力を出力することが可能となる。

以上示したように、本実施形態における風力発電システムによれば、「発電電力一定制御」より、実発電電力ＩＶを電力指令ωＴ^*どおりに制御するため、発電機の状態によらず所望の発電電力を常に出力し続けることが可能となる。

また、「発電電力リミット機能」により、実発電電力ＩＶが定格発電電力を上回らないように制御することが可能となる。

さらに、「発電電力一定制御」と「発電リミット機能」を併用することにより、所望の電力を出力し続ける事、定格風速以上の時には確実に定格発電電力を出力することが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

なお、実施形態において、「発電電力リミット機能」として定格風速以上の時に定格発電電力を出力できるように、発電電力リミット量演算器１７の入力を定格電力値ｒＰとしたが、定格電力値ｒＰの代わりに所望の電力値を入力してもよい。

１…風車
２…発電機
３…インバータ装置
６…系統
７…風車コントローラ
Ｔ^*…トルク指令
Ｉ^*…電流指令
ω…速度検出値
ωＴ^*…電力指令値
Ｉ…出力電流検出値
Ｖ…出力電圧検出値
ＩＶ…実発電電力
Ｔｃ…補正トルク
Ｔｌ…リミットトルク

Claims

風を回転エネルギーに変換する風車と、
風車の回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機と、
発電機の回転速度と風速により発電機に出力されるトルク指令を算出する風車コントローラと、
前記トルク指令から電流指令を演算し、電流指令に基づいて発電機の発電電力を制御して発電機にトルクを発生させ、前記発電機と系統との連系を行うインバータ装置と、
を備えた風力発電システムであって、
前記インバータ装置は、
速度検出値とトルク指令から電力指令値を演算し、発電機の出力電流検出値と出力電圧検出値から発電機から出力される実発電電力を演算し、前記電力指令値と前記実発電電力との差に基づいて補正トルクを演算し、この補正トルクをトルク指令に加算し、
所望の電力に対し実発電電力が越えた場合には、所望の電力と実発電電力との偏差を積分演算および比例演算し、前記積分演算して得た値と前記比例演算して得た値を足し合わせた値をリミットトルクとし、トルク指令に補正トルクを加算した値からリミットトルクを差し引くことを特徴とする風力発電システムのインバータ装置。