JP6399581B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばウエルズタービンで構成される波力発電用タービンを用いて波力発電を行う波力発電装置に関する。

この種の波力発電装置としては、例えば開口した下面を水中に没し上部を空中に出した筒状の本体を形成し、波面よりも上方に空間を開けて空気室とし、該空気室の上端に通気筒を立設し、該通気筒の中央部に発電機を直結したタービンロータを回転自在に組み込んだ波力発電装置において、脈動する波浪の一周期にわたって平均化したタービン主力トルクの平均値および空気圧と空気流速の積の平均値とから得られるタービン平均効率を与える回転数Ｎにおけるトルクを駆動トルクＴとする発電駆動特性を備えた波力発電装置が知られている(例えば、特許文献１参照)。

特許第２５７５０１２号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、波浪の一周期で平均化されたタービンのトルクと、空気圧と空気流速の積の平均値から得られるタービンの平均効率から、最大効率点付近で動作するような負荷特性の発電機を用いるようにしている。しかしながら、波浪による空気の入力エネルギーは時々刻々変化することから、タービンの瞬間的な効率を最大効率点に維持するためには、タービン回転速度を時々刻々最適に調整する必要がある。

しかしながら、タービンの回転速度を最適に調整するには、空気の速度を検出または推定する必要ある。このためには、ブローホール内部に空気の速度を検出するセンサを取り付けるか、あるいは制御器内部で複雑な演算を行って空気の速度を推定する必要がある。
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、空気速度を検出または推定することなく、最適効率点近辺での発電を正確に行うことができる波力発電装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る波力発電装置の一態様は、空気の往復流に対応可能なタービンと、トルク指令値に瞬時追従可能なインバータと、このインバータに接続可能な交流発電機と、この交流発電機の回転速度を検出する速度検出部と、タービンが発生するトルクを検出または推定するトルク検出または推定部と、タービン回転速度をタービン回転速度指令値に一致するようトルク指令値を前記インバータに与える速度調節部と、タービントルク検出又は推定値を、一定の空気入力パワーをタービンに与えた条件で、発生するトルク特性をタービン周速度で偏微分した偏微分計算値を記憶する偏微分計算値記憶部と、タービントルク検出又は推定値を偏微分計算値記憶部に保存された偏微分計算結果により除算した値の正負を反転させた値に基づいて、タービン回転速度指令値を作成する速度指令値形成部とを備えている。

本発明によれば、空気速度を検出または推定することなく、タービントルクに基づいて波力発電用タービンの最高効率点近辺で波力発電用タービンを運転することができ、波力発電用タービンの効率を向上させることができる。

本発明に係る波力発電を示す概略構成図である。 本発明に係る波力発電装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 速度調節部の具体的構成を示すブロック図である。 タービントルク推定部の具体的構成を示すブロック図である。 流量係数とトルク係数との関係を示す特性線図である。 流量係数と差圧係数との関係を示す特性線図である。 タービン収束度とタービントルクとの関係を示す特性線図である。 本発明に係る波力発電装置の第２の実施形態を示すブロック図である。 タービントルクと偏微分の計算値との関係を示す特性線図である。 空気の入力パワーが一定の場合におけるタービン周速度とタービントルクとの関係を示す特性線図である。 空気の入力パワーが変化した場合に最高効率となる動作点近傍の図７の傾きの変化を示す特性線図である。 本発明に係る波力発電装置の第３の実施形態を示すブロック図である。 図１２の傾き検出部の具体的構成を示すブロック図である。 本発明に係る波力発電装置の第４の実施形態を示すブロック図である。 調整用速度指令値を出力したときのタービントルク推定値の変化を示すタイムチャートである。 調整用速度指令値を出力したときのタービントルク推定値の変化を非調整時タービントルクと共に示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る波力発電装置における第１の実施形態の概略構成を示すシステム構成図、図２は図１の制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
本発明に係る波力発電機は、図１に示すように、下端を開放した破線図示の円筒体１内に、例えば往復の空気流で一方向に回転するウエルズタービンで構成された波力発電用タービン２が回転自在に配置されている。円筒体１の上端から突出する波力発電用タービン２の回転軸２ａには、円筒体１の上端面に配置された発電機３が連結されている。また、円筒体１の上端には図示しないが空気を内外で流通させる開口が形成されている。

円筒体１は、下端の開放端が海水面に確実に水没するように配置され、円筒体１内の海面の水位が波の運動により上下に移動することにより、円筒体１内の空気を上方の開口から吐き出す状態と、空気を外部から吸い込む状態とを繰り返す。この往復空気によって波力発電用タービン２が一方向に回転駆動され、これによって発電機３で発電が行われる。
発電機３には波力発電用タービンの回転速度を検出する回転速度検出部としての速度検出部４が内蔵されているとともに、発電機３で発生するトルクを制御して、最高効率点での発電を行わせる制御装置１０が接続されている。

この制御装置１０は、図２に示すように、発電機３で発生するトルクを制御する発電機トルク制御部２０と、この発電機トルク制御部２０に対するトルク指令値Ｔ^＊を演算する速度調節部３０と、この速度調節部３０のトルク指令値Ｔ^＊と速度検出部４で検出した回転速度ω_ｍとに基づいてタービントルクを推定するタービントルク検出部としてのタービントルク推定部４０とを備えている。
また、制御装置１０は、偏微分計算値記憶部５０と、タービントルク推定値Ｔ_ｔ′とタービン回転速度ω_ｍと、偏微分計算値とに基づいて波力発電用タービンの瞬間的な効率を最大効率に維持するように発電機に対するタービン回転速度指令値を形成する速度指令値形成部５１とを備えている。

発電機トルク制御部２０は、交流電源２２と、この交流電源２１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ２４と、このコンバータ２４から入力される直流電力を交流電力に変換して発電機３に供給するベクトル制御インバータ２６とを備えている。
ここで、ベクトル制御インバータ２６は、速度調節部３０からトルク指令値Ｔ^＊が入力されると、発電機３がトルク指令値Ｔ^＊に対応したトルクを出力するような三相交流電圧を発生する。すなわち、ベクトル制御インバータ２６はトルク指令値Ｔ^＊が入力されたときに、発電機３で発生するトルクが瞬時にトルク指令値となるように制御可能に構成されている。また、ベクトル制御インバータ２６では、発電機内部の磁束とトルク電流とが独立となるように制御している。

また、コンバータ２４は、ベクトル制御インバータ２６に直流電圧を供給する共に、この直流電圧がほぼ一定となるように交流電源２２に回生電力を送っている。
また、速度調節部３０は、図３に示すように、速度指令値生成部５１から入力されるタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊が入力されフィードフォワード制御器３２ａと、タービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊から速度検出部４から入力されるタービン回転速度ω_ｍを減算して速度偏差Δωを算出する減算器３２ｂとを備えている。

また、速度調節部３０は、減算器３２ｂから出力される速度偏差Δωが入力されて比例積分制御処理を行うＰＩ調節器３２ｃと、フィードフォワード制御器３２ａの出力と、ＰＩ調節器３２ｃの出力とを加算してトルク指令値Ｔ^＊を算出する加算器３２ｄとを備えている。
そして、速度調節部３２の加算器３２ｄから出力されるトルク指令値Ｔ^＊が前述したベクトル制御インバータ２６に供給される。

また、タービントルク推定部４０は、発電機の回転速度ω_ｍとベクトル制御インバータ２６へのトルク指令値Ｔｇ^＊を、実際の発電機のトルクとほぼ同一と見なし、実際のトルクとみなして演算に用いている。ベクトル制御インバータ２６の内部で，より正確な瞬時トルクの演算機能があれば、これを用いても同様の動作を実現することができる。
このタービントルク推定部４０の具体的構成は、図４に示すように、回転角速度ω_ｍ、タービンの慣性モーメントＪ、トルク指令値Ｔｇ^＊を入力とし、加速度推定部４１、積算器４２、減算器４３及びローパスフィルタ４４を備えている。

加速度推定部４１は、サンプリング周期Ｔｓ［ｓ］で回転角速度ω_ｍのサンプリングを行い、毎回今回検出した回転角速度ω_ｍ(n)を次回のサンプリング周期まで前回回転角速度ω_ｍ(n-1)として保存するものとする。そして，今回検出した回転角速度ω_ｍ(n)と，前回検出した回転角速度ω_ｍ(n-1)の差分を取り、サンプリング周期Ｔｓ［ｓ］で除算することにより、加速度αを演算し、これを積算器４２に出力している。

積算器４２では、加速度推定部４１から出力される加速度αに慣性モーメントＪを積算し、この積算結果であるα・Ｊを減算器４３に供給する。この減算器４３では、積算器４２から出力されるα・Ｊからベクトル制御インバータ２６へ入力されるトルク指令値Ｔｇ^＊を減算し、その減算結果をローパスフィルタ４４を通過させることによって、このローパスフィルタ４４からタービントルク指令値Ｔ_ｔ ^＾を得るようにしている。

偏微分計算値記憶部５０は、一定の空気入力パワーが与えられている条件で、タービン特性から計算したタービントルクに対する回転速度を偏微分した値(∂Ｔ_ｔ)／（∂Ｕ_ｔ）を記憶しており、この偏微分の値(∂Ｔ_ｔ)／（∂Ｕ_ｔ）を比例ゲイン演算部５２に供給している。この偏微分の値(∂Ｔ_ｔ)／（∂Ｕ_ｔ）は、あらかじめ使用するタービンの特性から計算し、偏微分計算値記憶部５０に記憶しておく。

速度指令値形成部５１は、比例ゲイン演算部５２と、積算器５３と、減算器５４とを備えている。
比例ゲイン演算部５２は、数１の演算を行って比例定数Ｋ_ωを演算し、演算した比例定数Ｋ_ωを積算器５３に供給している。数１においてタービン半径をｒとする。

積算器５３は、タービントルク推定部４０から出力される推定タービントルクＴ＾_ｔに比例定数Ｋ_ωを積算する数２の演算を行って、タービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊を算出し、このタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊を減算器５４に出力する。

次に、 本発明の制御によってタービンを高効率に制御できる理由を示す。
はじめに、 タービン２に流入する空気の入力パワーＰ_ｉｎ、空気速度Ｖ_ｘ、および回転速度Ｕ_ｘの関係を数３に示し、タービン２が発生するトルクＴ_ｔ、空気速度Ｖ_ｘ、および回転速度Ｕ_ｔの関係を数４に示す。

ここで、Ｐ_ｉｎ：空気の入力パワー、Ｃ_ａ：差圧係数、Ａ：環状流路面積、ρ：空気の密度、Ｖ_ｘ：空気速度、Ｕ_ｔ：タービン周速度、Ｔ_ｔ：タービントルク、Ｃ_ｔ：トルク係数、ｒ：タービン半径であるとする。また、タービン周速度Ｕ_ｔは、回転角速度ω_ｍにタービン半径ｒを積算した値である。
タービン２に流入する空気パワーＰ_ｉｎは、数３より空気速度の３次関数であることがわかる。数４より、 タービンの発生するトルクＴ_ｔは、 空気速度Ｖ_ｘの２乗の関数で表されることが分かる。

さらに、タービンの特性を定める差圧係数Ｃ_ａとトルク係数Ｃ_ｔは、流量係数の関数である。流量係数は、空気速度Ｖ_Ｘとタービン周速度Ｕ_ｔの比で、数５で表される。

ここで、φ：流量係数であるとする。
差圧係数Ｃ_ａとトルク係数Ｃ_ｔは、流量係数φの関数で、高次の多項式で近似が可能な非線形な関数である。
トルク係数Ｃ_ｔ、差圧係数Ｃ_ａと流量係数φとの関係を表すグラフの例を図５および図６に示す。

タービンに一定の空気入力パワーＰ_ｉｎと、タービン回転速度ω_ｍが与えられた場合に、空気速度Ｖ_ｘを消去して、タービントルクＴ_ｔを解析的に表すことは、高次の多項式を連立させて解く必要があるため、困難であるといえる。しかし、これらの関係を数値的に調べることは可能である。図７は、一定の空気入力パワーＰ_ｉｎがある条件下でタービン回転速度ω_ｍを変化させた場合に発生するタービンのトルクを描画したグラフである。ここで、タービンが最高効率を得られる動作点を、図中の星印で示している。
最高効率が得られる動作点の近傍では、タービントルクは次の一次関数で近似できると考えられる。

ただし、ａ：傾き、ｂ：切片とする。
次に、数６の辺々にタービン周速度Ｕ_ｔをかけると次のようになる。

タービントルクＴ_ｔにタービン周速度Ｕ_ｔをかけているため、数７はタービン機械パワーに比例した値であることがわかる。
したがって、数７をタービン速度で偏微分し、偏微分した値が0 となる速度では、機械パワーが最大になると考えられる。

すなわち、Ｕ_ｔ＝−ｂ／２ａの時である。このタービン速度Ｕ_ｔを数７に代入して切片ｂを消去すると、次の関係が得られる。

すなわち、一次関数の傾きａでトルクを除算した値に−１を掛けたタービン周速度Ｕ_ｔで運転すると、同じ入力パワーＰ_ｉｎに対して、最大の機械的な出力が得られることになる。

ここで、一次関数の傾きａは、図７より分かるように、一定のパワーが入力している条件下で、タービン周速度Ｕ_ｔの変動分に対するタービントルクＴ_ｔの変動分である。すなわち、タービントルクＴ_ｔをタービン周速度Ｕ_ｔで偏微分したものに相当する。
本発明の偏微分計算値記憶部５０には、この最高動作点の近傍で、タービン特性に基づいて、数値的にタービントルクＴ_ｔをタービン周速度Ｕ_ｔで偏微分した値を記憶させている。また、積算器５３は、数２に相当する速度をタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊として出力する。そのため、速度調節部３０で、速度指令値ω_ｍ ^＊にしたがって、タービン２の回転速度を制御することにより、タービン２を高効率な動作点で動作させることが可能である。

このように、第１の実施形態では、一定の係数に推定タービントルクを掛けた値をタービン回転速度指令値として用いることで、時々刻々と変動する空気の入力パワーに合わせて、タービンの機械的な出力が最大となるようなタービン回転速度の近辺でタービンを運転することができる。また、タービン回転速度指令値を決めるのに、圧力センサを用いる必要がなく、信頼性の高い制御装置を構成することができる。

（第２の実施形態）
次に、この発明の第２の実施形態について図８を用いて説明する。この第２の実施形態の波力発電装置の構成では、波力発電用タービン２、発電機３、速度検出部４、交流電源２２、コンバータ２４、ベクトル制御インバータ２６、速度調節部３０、タービントルク推定部４０、偏微分計算値記憶部６０、速度指令値形成部５１、比例ゲイン演算部５２、積算器５３、減算器５４を備えている。これらの構成のなかで、偏微分計算値記憶部６０以外の構成は、第１の実施例と同様に動作するため、説明を省略する。

第２の実施形態では、偏微分計算値記憶部６０で、推定タービントルクＴ＾_ｔを入力とし、タービントルクＴ_ｔが一定値以下の場合は、図１の偏微分計算値記憶部５０と同様に一定の偏微分計算値ａ_０を比例ゲイン演算部５２に供給している。
次に、タービントルクＴ_ｔが増加した場合について説明する。図９は、推定タービントルクと偏微分計算値記憶部６０が出力する値との関係を描画したものである。

タービントルクがＴ＾_ａ０よりも低い場合には、偏微分計算値記憶部６０は、偏微分計算値ａ０を出力する。タービントルクＴ_ｔがＴ＾_ａ０の近傍に達するとＴ＾_ａ０の前後のΔＴの範囲では偏微分計算値ａ_０と偏微分計算値ａ_１の線形補完を行い、ΔＴの範囲外では、偏微分計算値ａ_１に切り替えた値を出力する。同様に、更にタービントルクＴ_ｔが増加し、Ｔ＾_ａ１の近傍に達した場合には、同様な動作を行って偏微分計算値ａ_２を出力する。

このような動作を偏微分計算値記憶部６０で行うことで、タービン２を高効率な動作点で制御できる理由を図１０を使用して説明する。この図１０は、海域の平均波高値が高い時の空気の入力エネルギーも含め、タービン速度を変化させた場合のタービントルクの関係を描画したものである。
図１０中で、入力パワーが１５ｋＷの一定の場合、さまざまなタービン周速度Ｕ_ｔを与えてもタービントルクＴ_ｔは１５０［Ｎｍ］を超えないことが分かる。１５０［Ｎｍ］以上のタービントルクＴ_ｔが検出された場合には、その時の空気入力パワーＰ_ｉｎが１５ｋＷ以上であると考えられる。タービントルクＴ_ｔのみで入力パワーＰ_ｉｎを一意に決定することはできないが、一定の範囲以上であることは判別することができる。

波の入力パワーは、発電機の設置場所の季節や天候によって大きく変動することがある。このような場合、出現頻度が高い平均的な波高のパワーの時の４〜５倍に達すると言われている。図１１は、入力パワーを変化させた場合に、最高効率となる動作点近傍での、図７の傾きの変化を描いたグラフである。
１０ｋＷ〜４０ｋＷが出現頻度の高い入力パワーの範囲であるが、条件によっては１００ｋＷを超える場合もある。

通常は、平均的なパワーの範囲で平均化した値を用いればよいが、パワーが大きく上昇した場合には、偏微分計算値記憶部６０から供給する値を変える必要がある。このとき、上記に示したように、タービントルクＴ_ｔから入力パワーＰ_ｉｎの範囲を判別することができる。タービントルクＴ_ｔが一定値を超えた場合は、該当する範囲の偏微分の値を出力することで、入力パワーＰ_ｉｎが高い場合に適したタービン速度に制御することが可能である。
このように、第２の実施形態では、タービントルクから、入力パワーの範囲を判別し、パワーの範囲にあわせて異なる偏微分計算値を用いてタービン回転速度指令値を作成している。波の入力パワーが平均的な状態に比べて大きく変動した場合においても、タービンを高効率な動作点に制御することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図１２を用いて説明する。
この第３の実施形態の波力発電装置の構成では、波力発電用タービン２、発電機３、速度検出部４、交流電源２２、コンバータ２４、ベクトル制御インバータ２６、速度調節部３０、タービントルク推定部４０、偏微分計算値記憶部５０、速度指令値形成部５１、比例ゲイン演算部５２、積算器５３、減算器５４、傾き検出部５５、比例ゲイン演算部５６、積算器５７、スイッチ５８を備える。

これらのなかで、傾き検出部５５、比例ゲイン演算部５６、積算器５７、スイッチ５８以外は第１の実施例と同様に動作するため、説明を省略する。
傾き検出部５５は、トルク推定値Ｔ＾_ｔを入力とし、トルクの時間に対する傾きを演算する。傾き検出部５５の具体的構成を、図１３を用いて説明する。傾き検出部５５は、ＦＩＦＯ５５ａと、減算器５５ｂと、演算器５５ｃと、ローパスフィルタ５５ｄとを備えている。

ＦＩＦＯ５５ａは、先入れ先出しバッファの略であり、タービントルク推定値Ｔ＾_ｔを一定期間保存し、最古のデータから捨ててゆくデータバッファである。
傾き検出部５５では、サンプリング周期Ｔｓ［ｓ］毎にタービントルク推定値Ｔ＾_ｔをサンプリングし、ＦＩＦＯ５５ａに保存する。ＦＩＦＯ５５ａ内部の最新のデータをＴ_ｔ（０）、最後のデータをＴ_ｔ（Ｎ_ｂ）とし、バッファ長をＮ_ｂとした場合に、減算器５５ｂでＴ_ｔ（０）−Ｔ_ｔ（Ｎ_ｂ）を算出し、演算器５５ｃで数１０の演算を行い、計算結果をローパスフィルタ５５ｄに出力する。

ローパスフィルタ５５ｄは、数１０の演算結果に含まれるノイズ成分を除去して傾き検出値として、積算器５７に出力する。
比例ゲイン演算部５６では、偏微分計算値記憶部５０の出力を入力とし、数１１の演算を行う。ただし、数１１では、Ｋ_ｔを比例定数とし、タービンの慣性モーメントをＪとしている。

スイッチ５８では、波のパワーがゼロから増加し始めた一定の期間中にＯＮ状態とし、傾き検出部５５の演算結果と比例ゲイン演算部５６の演算結果をトルク補償値Ｔｃとして出力する。最後にこのトルク補償値Ｔｃと速度調節部３０のトルク指令値と加算器７０で加算し、加算結果をトルク指令値Ｔｇ^＊として、ベクトル制御インバータ２６に入力する。
波力発電用のタービン２は、慣性モーメントＪが大きく設計される場合もある。普通の速度ＰＩ制御を行う場合に、ベクトル制御インバータ２６と発電機３の容量の制限によりタービン２が制御可能な応答周波数が波の変動周期に間に合わず、速度調節部３０のゲインによっては制御系が不安定になる場合がある。

そこで、本実施例では、傾き検出部５５を用いることにより、タービントルクが増加する傾きに追従するための加速分のトルク補償値Ｔｃを作成し、入力パワーの増加直後から一定時間追加する。タービンが高効率な動作点に到達する時間を早めることができ、制御系が不安定になるのを防止する。
このように、第３の実施形態では、トルク推定値の傾きを検出する手段を備えている。これを用いて、入力パワーの増加に追従するために必要な加速用のトルク補償値を演算している。このため、イナーシャが大きなタービンの追従性を改善することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図１４を用いて説明する。
この第４の実施形態の波力発電装置の構成では、波力発電用タービン２、発電機３、速度検出部４、交流電源２２、コンバータ２４、ベクトル制御インバータ２６、速度調節部３０、タービントルク推定部４０、比例ゲイン演算部５２、積算器５３、減算器５４、速度指令値形成部７０、調整用速度指令値作成部８０、トルク／速度演算部９０、スイッチ１００を備えている。

これらの構成のなかで、速度指令値形成部７０、調整用速度指令値作成部８０、トルク／速度演算部９０、スイッチ１００以外の構成は、第１の実施形態と同様に動作するため、説明を省略する。
速度指令値形成部７０は、調整速度指令値作成部８０、トルク／速度演算部９０、比例ゲイン演算部５２、積算器５３、スイッチ１００、減算器５４を備えている。
制御調整用速度指令値作成部８０は、発電機が通常の波力発電機としての動作を行う前に使用される。

すなわち、調整用速度指令値作成部８０が動作を開始する時刻をｔ_０とする。このとき、調整用速度指令値作成部８０は、速度検出部４から回転速度ω_ｍを取得する。この取得した回転速度をω_ｔ０とする。
調整用速度指令値作成部８０は、図１５中の時刻ｔ_１に回転速度ω_ｔ０にΔωを加えた回転速度ω_ｔ０＋Δωに達するよう、タービン回転速度指令値を作成し、スイッチ１００に出力する。また、時刻ｔ_１に達すると、タービン回転速度指令値を減少させて、時刻ｔ_２に時刻ｔ_０の時の回転速度ω_ｔ０に戻るようなタービン回転速度指令値を逐次出力する。

トルク／速度演算部９０は、スイッチ１００で調整用速度指令値作成部８０の出力が選択されている場合に、回転速度ω_ｍとタービントルク推定値Ｔ＾_ｔを入力とする。
図１６は、図１５に示すタービン回転速度指令値に沿って、回転速度ω_ｍが変化した場合に観測されるタービントルクＴ_ｔを表したものである。
図１６において、時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２の時の推定トルクをそれぞれＴ_ｔ０、Ｔ_ｔ１、Ｔ_ｔ２とする。Ｔ_ｔ０は加速を始める前のタービントルク、Ｔ_ｔ１は、速度調節によりΔωだけ加速されたときのタービントルク、Ｔ_ｔ２は、再び回転速度ω_ｍがω_ｔ０に達したときのタービントルクである。

トルク／速度演算部９０は、これらの３つのトルクを各観測時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２において記憶する。
図１６に示すタービントルク推定値Ｔ′_ｔ１は、調整用速度指令値作成部８０によって、Δωの速度変化が仮になかった場合のタービントルクに相当する。
トルク／速度演算部９０では、Ｔ′_ｔ１を求めるために、ｔ_０〜ｔ_２の間のトルクの傾きをトルクＴ_ｔ０、Ｔ_ｔ２を用い、数１２に示す演算を行う。

次に、Ｔ′_ｔ１とＴ_１の偏差ΔＴ_ｔを計算する。

最後に、速度の変化分Δωにタービン半径ｒを積算した値をΔＵ_ｔとし、数１４の演算を行う。トルク／速度演算部９０は、内部に数１４の計算結果を保存する。

このトルク／速度演算部９０の演算結果ΔＴ_１／ΔＵ_ｔが比例ゲイン演算部５２に出力され、この比例ゲイン演算部５２で、数１５の演算を行って比例ゲインＫ_ωを算出し、この比例ゲインＫ_ωを積算器５３に出力する。

次に、トルク／速度演算部９０での数１４の演算が完了した後、スイッチ１００は切り替えを行って、積算器５３から出力されるタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊(＝Ｋ_ω・Ｔ＾_ｔ)を選択する。
最後に、速度調節部３０は、このタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊に一致するようなトルク指令値を作成する。
トルク／速度演算部９０は、上で述べたように速度調節を行うことで、ΔＴ_ｔ／ΔＵ_ｔを求めているが、これによって、タービンを高効率な動作点で制御できる理由を述べる。

実際のタービンでは、設計したものと加工上の制約により製作されたタービン形状が必ずしも一致していない場合がある。そこで、この第４の実施形態は、このような状況を鑑みて、オンラインチューニングにより、ΔＴ_ｔ／ΔＵ_ｔを検出するようにしている。
この検出方法について説明する。空気はタービンに時々刻々と速度変化しながら流入する。入力される空気のパワーの変化によって、タービン発生トルクも変化する。一方、回転速度もタービントルクに寄与している。

ここで、タービン回転速度ω_ｍの変化によって発生するトルクの変化の割合を考えると、空気パワーの変化に起因するトルク変化の割合に比べると小さい。タービントルクの変化を観測しただけでは、トルクが空気パワーによって変化しているのか、回転速度によって変化したのか見分けることができない。
そこで、第４の実施形態では、入力の空気パワーの変化に対し、回転速度の変化によるタービントルクの変化が分離して観測できるように、調整用速度指令値作成部８０において同じ回転速度の元で時刻ｔ_０、ｔ_２の２点でタービントルクＴ_ｔ０、Ｔ_ｔ２を記録している。また、回転速度を所定の回転速度Δω引き上げた時刻ｔ_１でタービントルクＴ_ｔ１を記録している。

この間、タービントルクが入力パワーの変化によって直線的に変化すると考えると、ｔ_１における、入力パワーの変化によって発生しているタービントルクは、数１２のＴ′_ｔ１となる。一方観測されたトルクは、Ｔ_ｔ１であり、このトルクＴ_ｔ１はタービン回転速度による変化分を含んでいる。そこで、Ｔ_ｔ１からＴ′_ｔ１を差し引くことによって、回転速度の変化で生じたトルクの変化を検出することができる。
スイッチ１００は、調整用速度指令値作成部８０から出力される加速用速度指令値及び減速用速度指令値と、積算器５３から出力されるタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊と、始動用目標速度指令値ω_ｍｓ ^＊とが入力され、これらから１つを選択して減算器５４に出力する。

次に、第４の実施形態の動作を説明する。先ず、波力発電用タービン２に連結された発電機３の始動時には、スイッチ１００に供給される始動用目標速度指令値ω_ｍｓ ^＊を速度調節部３０に供給して、始動用目標速度指令値ω_ｍｓ ^＊にタービン回転速度ω_ｍを一致させるトルク指令値Ｔｇ^＊を演算する。このトルク指令値Ｔｇ^＊がベクトル制御インバータ２６に供給されることにより、このベクトル制御インバータ２６で発電機３のトルクを制御することにより、波力発電用タービン２をトルク指令値Ｔ^＊となるように加速する。

この発電機３のトルク制御状態で、スイッチ１００を調整用速度指令値作成部８０に切換えて、この調整用速度指令値作成部８０で図１５に示す時刻ｔ_０での加速開始時タービン回転速度ω_ｔ０を取得し、加速時間Ｔａ経過後の時刻ｔ_１で加速開始時タービン回転速度ω_ｔ０に調整用速度変化量Δωを加算した速度指令値ω_ｔ０＋Δωに達するように加速用速度指令値を出力し、加速終了後の時刻ｔ_１から減速時間Ｔｂ経過後の時刻ｔ_２で加速開始時タービン回転速度ω_ｔ０に復帰する減速速度指令値を出力する。このとき、調整用速度変化量Δωは発電機３のトルク制御に影響を与えない程度の小さな値に設定する。

この調整用速度指令値作成部８０から出力される加速用速度指令値及び減速用速度指令値が速度調節部３０に供給されるので、この速度調節部３０で加速用速度指令値及び減速用速度指令値にタービン回転速度ω_ｍを一致させるトルク指令値Ｔｇ^＊を演算し、演算したトルク指令値Ｔｇ^＊をベクトル制御インバータ２６に出力とともに、タービントルク推定部４０に出力する。このとき、ベクトル制御インバータ２６では、加速用速度指令値の最大値である加速終了時速度指令値ω_ｔ０＋Δωの調整用速度変化量Δωがトルク制御に影響しない微小な値に設定されているので、発電機のトルク制御には影響を与えない。

一方、タービントルク推定部４０では、速度調節部３０から出力される加速用速度指令値及び減速用速度指令値に応じたトルク指令値Ｔｇ^＊に応じたタービントルク推定値Ｔ＾_ｔをトルク／速度演算部９０へ出力する。
トルク／速度演算部９０では、加速開始時刻ｔ_０、加速終了時刻ｔ_１及び減速終了時刻ｔ_２でのタービントルク推定値Ｔ_ｔ′をタービントルクＴ_ｔ０、Ｔ_ｔ１及びＴ_ｔ２を記憶し、加速開始時タービントルクＴ_ｔ０及び減速終了時タービントルクＴ_ｔ２、加速時間Ｔａ及び減速時間Ｔｄの和である調整時間ｔ_２−ｔ_０、加速時間Ｔａ＝ｔ_１−ｔ_０に基づいて前記巣。１２の演算を行って、非調整時タービントルクＴ′_ｔ１を算出する。さらに、数１３にしたがって加速終了時タービントルクＴ_ｔ１から非調整時タービントルクＴ′_ｔ１を減算してトルク偏差ΔＴ_１を算出し、このトルク偏差ΔＴ_１を速度の変化分Δωにタービン半径ｒう積算した値ΔＵ_ｔで除算した値ΔＴ_１／ΔＵ_１を算出し、算出したΔＴ_１／ΔＵ_１を比例ゲイン演算部５２へ出力する。

比例ゲイン演算部５２では、前記数１５の演算を行って比例ゲインＫ_ωを算出し、算出した比例ゲインＫ_ωを積算器５３に供給して、この積算器５３で比例ゲインＫ_ωにタービントルク推定値Ｔ＾_ｔを乗算してタービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊を算出する。
そして、タービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊の算出が終了した時点で、スイッチ１００を積算器５３側に切換えることにより、タービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊が速度調節部３０に供給されて、タービン回転速度指令値ω_ｍ ^＊にタービン回転速度ω_ｍを一致させるトルク指令値Ｔｇ^＊をベクトル制御インバータ２６に出力する。

したがって、波力発電用タービン２の機械的な出力が最大となるようなタービン回転速度の近辺で波力発電用タービン２を運転することができ、波力発電用タービン２を瞬間的な効率を最大効率点近傍に維持する運転を行うことができる。
この第４の実施形態では、発電機とタービンが敷設された状態でタービン速度の変化分に対するタービントルクの変動分を検出する手段を提供している。これにより、オンラインでタービン回転速度指令値の作成に必要な係数を得ることができ、タービンが加工時の制約などにより設計と異なる形状となっている場合でも、タービンを高効率な動作点で制御することが可能である。

なお、上記第１〜第４の実施形態においては、タービントルク推定部４０を設けてタービントルク推定値Ｔ＾_ｔを算出する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、波力発電用タービン２にトルク検出部としてのトルクセンサを配置して、直接タービントルクを検出するようにしてもよい。この場合には、タービントルク推定部４０に代えてトルクセンサの出力を速度指令値形成部５０に供給するようにすればよい。

１…円筒体、２…波力発電用タービン、３…発電機、４…速度検出部、１０…制御装置、２０…発電機トルク制御部、２２…交流電源、２４…コンバータ、２６…ベクトル制御インバータ、３０…速度調節部、４０…タービントルク推定部、５０…偏微分計算値記憶部、５１…速度指令値形成部、５２…比例ゲイン演算部、５３…積算器、５４…減算器、５５…傾き検出部、５６…比例ゲイン演算部、５７…積算器、５８…スイッチ、６０…偏微分計算値記憶部、８０…調整用速度指令値作成部、９０…トルク／速度演算部、１００…スイッチ

Claims (5)

1. 空気の往復流に対応可能なタービンと、
   トルク指令値に瞬時追従可能なインバータと、
   該インバータに接続可能な交流発電機と、
   該交流発電機の回転速度を検出する速度検出部と、
   前記タービンが発生するタービントルクを検出または推定するトルク検出または推定部と、
   タービン回転速度をタービン回転速度指令値に一致するようトルク指令値を前記インバータに与える速度調節部と、
   一定の空気入力パワーをタービンに与えた条件で、発生するトルク特性をタービン周速度で偏微分した偏微分計算値を記憶する偏微分計算値記憶部と、
   前記タービントルク検出又は推定値を、前記偏微分計算値記憶部に保存された偏微分計算結果により除算した値の正負を反転させた値に基づいて、タービン回転速度指令値を作成する速度指令値形成部と
   を備えたことを特徴とする波力発電装置。
2. 請求項１に記載の波力発電装置において、
   前記偏微分計算値記憶部は、前記タービンに入力される異なる複数の空気パワーに対してそれぞれタービンが発生するトルク特性をタービン回転速度で偏微分した計算結果を複数記憶するように構成され、所定以上のタービントルクが観測された場合に、偏微分結果を切り替えて前記速度指令値形成部に出力する
   ことを特徴とする波力発電装置。
3. 請求項１に記載の波力発電装置において、
   前記タービントルクの時間に対する傾きを検出する傾き検出部を備え、
   前記偏微分計算値記憶部に保存された偏微分計算結果により、前記トルクの傾きの検出値とタービン半径を積算した値により除算して正負を反転させた値に、タービンの慣性モーメントを積算した値をトルク補償値として、前記速度調節部が出力するトルク指令値に加算する
   ことを特徴とする波力発電装置。
4. 空気の往復流に対応可能なタービンと、
   トルク指令値に瞬時追従可能なインバータと、
   該インバータに接続可能な交流発電機と、
   該交流発電機の回転速度を検出する速度検出部と、
   前記タービンが発生するタービントルクを検出または推定するトルク検出または推定部と、
   前記タービントルク検出又は推定値と前記回転速度とに基づいてタービン回転速度指令値を演算する速度指令値形成部と、
   タービン回転速度を前記タービン回転速度指令値に一致するようトルク指令値を前記インバータに与える速度調節部と、
   前記速度指令値形成部は、発電機の運転中に、タービン回転速度を所定の微小な速度変化分だけ加速させ、加速後のタービントルクを前記トルク検出または推定部により検出または推定した後、減速してタービン回転速度を加速前の速度に戻し、前記所定の微小な速度を変化させる前後のタービントルクの偏差と、加速と減速に要した時間からタービントルク時間変化率を算出し、加速前から前記微小な所定の速度に達するまでの時間に前記タービントルク時間変化率を積算した値と、加速前のタービントルクを加算した第一のトルクと、前記所定の微小な速度変化分加速後に検出したタービントルクとの偏差を求め、該タービントルクの偏差を、前記所定の微小なタービン速度変化分で除算することにより、タービン速度変化分に対するタービントルクの変化分を算出し、算出したタービン速度変化分に対するタービントルクの変化分で前記タービントルク検出又は推定値を除算した値の正負を反転させた値に基づいて、タービン回転速度指令値を作成する
   ことを特徴とする波力発電装置。
5. 前記タービントルク検出または推定部は、前記速度検出部で検出したタービン回転速度に基づいて演算した加速度及び前記発電機のイナーシャの積から前記速度調節部のトルク指令値を減算した値をローパスフィルタ処理してタービントルク推定値として出力することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の波力発電装置。

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