(57)【要約】【課題】風速計を用いた制御では、風速変動時において、風速計の検出遅れのために、風からのエネルギーを平滑して系統に出力できるので、出力変動を抑制できるが、風速の３乗に比例する風からのエネルギーを、有効に取り出せないという問題があった。【解決手段】風車により駆動される発電機の出力に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記風車回転数の大小より決定する１次遅れ時定数を出力する手段と、前記風車回転数と前記１次遅れ時定数を入力して平準化風車回転数指令を出力する手段と、該平準化風車回転数指令を入力して前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてトルク指令値を出力する手段と、該トルク指令値により前記発電機のトルク制御を行う制御回路である。【選択図】　　　図１
2004064929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車により駆動される発電機の出力に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記風車の風車回転数を検出する手段と、該風車回転数の１次遅れ信号を平準化風車回転数指令として出力する手段と、該平準化風車回転数指令を入力して前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてトルク指令値を出力する手段と、該トルク指令値により前記発電機のトルク制御を行うことを特徴とする風力発電におけるＰＷＭコンバータの出力平準化制御回路。
【請求項２】
前記風車回転数の１次遅れ信号を平準化風車回転数指令として出力する手段で用いる１次遅れ時定数を、前記風車回転数の大小により可変することを特徴とする請求項１記載の風力発電におけるＰＷＭコンバータの出力平準化制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車により駆動される発電機に接続されるＰＷＭコンバータより取り出す出力を平準化するための制御回路に係り、特に、平均風速が高くて風速が変動している時には出力を平準化し、風速非変動時には、風より最大出力を取り出すことができる、風力発電におけるＰＷＭコンバータの出力平準化制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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て、平準化した最大電力を取り出すための出力制御回路については、公知である。
以下に、風車により駆動される発電機より、平準化最大出力を取り出す従来の制御回路を、図４の従来の風力発電装置接続図を参照して詳述する。
図４において、１は風車、２は発電機、３は回転計、４はＰＷＭコンバータ、５は負荷、９は風速計、１０は出力制御装置である。
【０００３】
風車１により駆動される発電機２の交流側は、ＰＷＭコンバータ４に接続され、風車１により可変速に駆動される発電機２の交流電力は、ＰＷＭコンバータ４により直流電力に変換されて、負荷５に出力される。ここで、発明の課題として取り上げる負荷５とは、直流を交流に変換して出力する、電源系統のことである。
発電機２に直結される回転計３の出力である風車回転数Ｎ、及び風速計９の出力である風速Ｕは出力制御装置１０に出力され、出力制御装置１０は以下に示す方法により作成した電流指令Ｉ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【０００４】
図３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る。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、種々の風速Ｕに対する風車出力Ｐは、図３の実線で示される。そして、風車出力Ｐのピークは、図３の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図３の風車回転数対風車出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて風車最高出力Ｐｙとなる。
【０００５】
図４の出力制御装置１０は、風速計９より風速Ｕを入力して、平均風速Ｕａを求め、予め出力制御装置１０内に記憶している、図４に示すような最大出力曲線に一致する、平均風速Ｕａに対する最大風車出力Ｐを求める。
次に、この最大風車出力Ｐより、（１）式に示す発電機電流Ｉを求め、この発電機電流Ｉを電流指令Ｉ＊としてＰＷＭコンバータ４に出力して、ＰＷＭコンバータ４の可変周波数電圧により発電機２を制御し、結果的に発電機２に直結される風車１を制御していた。
【０００６】
風車最大出力（Ｐ）＝定数（Ｋ）×風車回転数（Ｎ）×発電機電流（Ｉ）　　・・・（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、風車１により駆動される発電機２に接続されたＰＷＭコンバータ４を用いて、機械的な遅れを有する風速計から求めた平均風速Ｕａから、（１）式により求まる風車最大出力Ｐを得る発電機電流Ｉになるように、ＰＷＭコンバータ４を制御しているために、風から得られるエネルギーをある程度平準化して、負荷５である電源系統への出力変動が抑制できる。
しかし、平均風速Ｕａを用いているので、風のエネルギーは風速の３乗に比例するということを考慮すると、風のエネルギーを有効に取り出せていない。
【０００８】
又、非変動風速Ｕから、風速の３乗に比例する最大出力を得るためには、正確に風速Ｕを測定することが必要である。
しかし、一般に、風車近傍に設置される風速計９は、回転する風車の影響で、正確な風速を測定できないという問題があった。
【０００９】
さらに、風速の高い時には、風からのエネルギーを平準化して系統に出力することができるが、風速の低い時には、風からのエネルギーが小さいために、むしろ平準化しないで風からの最大出力を電源系統に出力する必要があるが、風速計の検出遅れのために、常に最大出力を取り出せるとは言えないという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、ＰＷＭコンバータ制御を風速に基づいた制御から、風車回転数に基づいた制御に代えて、風速計を必要とせず、風速の低い時には風から最大出力を取り出し、風速の高い時には出力を平準化して取り出す風力発電におけるＰＷＭコンバータによる出力平準化制御回路を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図２は、本発明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る。
種々の風速に対する風車トルクは、図２に示される。
この時、種々の風速において、風車出力のピークを出力する時の風車トルクは、図２の一点鎖線で示す最大出力時トルク曲線のようになり、定常的な風から常に、最大出力を取り出すためには、最大出力時トルク曲線に沿った風車回転数に対するトルクで運転すれば良い。
すなわち、非変動的な風から最大出力を取り出すためには、図２において、風速がＵ１の時は、風速Ｕ１での風車トルク特性と最大出力時トルク曲線との交点Ｘ１より、風車回転数Ｎ１において、最大出力時トルクτ１で運転する。
又、風速がＵ２の時は、風車回転数Ｎ２において、最大出力時トルクτ２で運転する。
【００１１】
しかし、この方法で風車トルク指令を作成すると、変動風速に対しては、取り出す出力も変動することになり、特に、平均風速が高い時には、負荷である系統に与える出力変動が大きなものになる。従って、平均風速が高い状態で風速が変動する場合には、実際の風車回転数に対して、長い時定数を有する１次遅れから求めた平準化風車回転数指令に基づいた風車トルク指令値で運転することにより、風からのエネルギーの一部を、大きなイナ−シャを有する風車回転数の上昇という形で蓄えて、系統には平準化して出力することができる。
又、平均風速が低い状態で風速が変動する場合には、実際の風車回転数に対して、短い時定数を有する１次遅れから求めた平準化風車回転数指令に基づいた風車トルク指令値で運転することにより、風から最大エネルギーを得て、系統に出力することができる。
【００１２】
従って、本発明では、風車回転数に対して可変１次遅れ時定数を有する、１次遅れ回路より求めた平準化風車回転数指令に基づいて、図２の最大出力時トルク曲線上の風車トルク指令を求め、この風車トルク指令により、ＰＷＭコンバータを制御することにより、高風速時は平準化した出力を取り出し、低風速時は最大出力を取り出すものである。
【００１３】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための方法及びその手段は、
１）、請求項１において、
風車により駆動される発電機の出力に接続したＰＷＭコンバータにおいて、前記風車の風車回転数を検出する手段と、該風車回転数の１次遅れ信号を平準化風車回転数指令として出力する手段と、該平準化風車回転数指令を入力して前記風車の最大出力トルク曲線に基づいてトルク指令値を出力する手段と、該トルク指令値により前記発電機のトルク制御を行うことを特徴とするＰＷＭコンバータの出力平準化制御回路である。
【００１４】
２）、請求項２において、
前記風車回転数１次遅れ信号を平準化風車回転数指令として出力する手段で用いる１次遅れ時定数を、前記風車回転数の大小により可変することを特徴とする請求項１記載の風力発電におけるＰＷＭコンバータの出力平準化制御回路である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、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請求項１及び２の風力発電装置接続図である。
同図において、６は１次遅れ時定数発生回路、７は１次遅れ回路、８はトルク指令発生回路であり、図４と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
１次遅れ時定数発生回路６は、回転計３より風車回転数Ｎを入力して、１次遅れ時定数Ｔ１を、１次遅れ回路７に出力する。
１次遅れ回路７は、風車回転数Ｎと１次遅れ時定数Ｔ１を入力し、風車回転数Ｎの１次遅れ信号を、平準化風車回転数指令Ｎ＊としてトルク指令発生回路８に出力する。
トルク指令発生回路８は、平準化風車回転数指令Ｎ＊を入力して、トルク指令τ＊を生成し、このトルク指令τ＊によりＰＷＭコンバータ４が制御される。
【００１６】
次ぎにその作用について説明する。
先ず、１次遅れ時定数発生回路６は、例えば、実際の風車回転数Ｎに比例した１次遅れ時定数Ｔ１を、すなわち、実際の風車回転数Ｎが大きい場合は大きな１次遅れ時定数Ｔ１を、実際の風車回転数Ｎが小さい場合は小さな１次遅れ時定数Ｔ１を、１次遅れ回路７に出力する。
１次遅れ回路７は、実際の風車回転数Ｎと１次遅れ時定数Ｔ１を入力して、入力した１次遅れ時定数Ｔ１を用いて演算された、実際の風車回転数Ｎの１次遅れ信号を平準化風車回転数指令Ｎ＊として、トルク指令発生回路８に出力する。
トルク指令発生回路８は、予め入力されている、図２の最大出力時トルク曲線に基づいて、平準化風車回転数指令Ｎ＊を横軸の風車回転数に読み替えて求めた、縦軸のトルク値を、トルク指令τ＊としてＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００１７】
このようなトルク指令τ＊により、ＰＷＭコンバータ４を制御した時の、風速変動時の風車回転数Ｎとトルクτの動作を、図２の本発明の風車回転数対風車トルク特性を説明した図により説明する。
風速がゆっくりと、風速Ｕ１と風速Ｕ２の間を変動する時は、風速Ｕ１と最大出力時トルク曲線との交点Ｘ１と、風速Ｕ２との交点Ｘ２との間を、最大出力時トルク曲線上のトルクにより、風車１は最大出力運転される。
平均風速が小さい時には、１次遅れ回路７で用いる１次遅れ時定数Ｔ１が小さいために、風速変動があっても、上記動作とほぼ同じで、最大出力時トルク曲線上のトルクにより、風車１は出力変動を伴った最大出力で運転される。
【００１８】
次に、平均風速が大きな時の風速変動について説明する。
この時は、実際のトルクτと風車回転数Ｎとの関係は、概略、図２の交点Ｘ１と交点Ｘ２とを結ぶ点線で示すヒステリシス線上にある。
例えば、風速がＵ１の時、最大出力時トルク曲線との交点Ｘ１で、風車１は最大出力運転されている時、風速がＵ２に向かって下降すると、風から得られるトルクτは減少するために、風車回転数Ｎが減少してＰＷＭコンバータ４の出力が減少する。
しかし、１次遅れ回路７の作用により、平準化風車回転数指令Ｎ＊がそれほど減少しないために、トルク指令τ＊がそれほど減少せず、ＰＷＭコンバータ４の出力も、それほど減少しない。この間は、風車のイナ−シャに蓄えられていたエネルギーをＰＷＭコンバータ４の出力として放出したためであり、実際の風車回転数Ｎの減少は、風速Ｕの減少割合より大きい。
従って、風速がＵ２に下降してしまった時には、１次遅れ時定数Ｔ１のために、図２の風速Ｕ２における最大出力時動作点Ｘ２で運転されているのではなく、実際の風車回転数Ｎは、Ｎ２より減少しているが、風速がＵ２に落ち着くと共に、最大出力時動作点Ｘ２で運転される。
【００１９】
又、風速がＵ２で、最大出力時トルク曲線との交点Ｘ２で、風車１は最大出力運転されている時、風速がＵ１に向かって上昇すると、風から得られるトルクτは増加するために、風車回転数Ｎが増加してＰＷＭコンバータ４の出力が増加する。
しかし、１次遅れ回路７の作用により、平準化風車回転数指令Ｎ＊がそれほど増加しないために、トルク指令τ＊がそれほど増加せず、ＰＷＭコンバータ４の出力も、それほど増加しない。これは、風車のイナ−シャにエネルギーを蓄えたためであり、実際の風車回転数Ｎの増加は、風速Ｕの増加割合より大きい。
従って、１次遅れ時定数Ｔ１のために、風速がＵ１に上昇してしまった時には、図２の風速Ｕ１における最大出力時動作点Ｘ１で運転されているのではなく、実際の風車回転数Ｎは、Ｎ１より増加しているが、風速がＵ１に落ち着くと共に、最大出力時動作点Ｘ１で運転される。
このようにして、平均風速が大きな時の風速Ｕの変動に対しては、実際の風車回転数Ｎの変動は大きくなり、風速に対する最適な回転数，例えば図３において風速Ｕｘの時の風車回転数Ｎｘで運転されないために取り出すエネルギーが減少するが、ＰＷＭコンバータ４の出力変動を抑制することができる。
【００２０】
上記の最大出力時トルクと、その時の風車回転数Ｎとの間の関係を表す最大出力時トルク曲線は、実際に風車を回しての測定や、風洞実験等によって求められ、風車の形状が決まると一義的に定めることができる。
しかしながら、図３に示すように、風速Ｕ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Ｕｘで最高出力する風車回転数Ｎｘと、風速Ｕｙでの風車が最高出力する風車回転数Ｎｙの間には、風速Ｕに比例する関係があり、又、風速Ｕｘでの風車最高出力Ｐｘと、風速Ｕｙでの風車最高出力Ｐｙの間には、風速Ｕの３乗に比例する関係がある。
従って、図２に示すように、風速Ｕ１での風車回転数Ｎ１における風車トルクτ１と、風速Ｕ２での風車回転数Ｎ２における風車トルクτ２の間には、風車回転数Ｎの２乗に比例する関係がある。
【００２１】
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なく、定格風速Ｕｒにおける、定格風車回転数Ｎｒと、その時の定格風車トルクτｒ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。
【００２２】
以上、本発明の実施例では、回転計３より風車回転数Ｎを検出する場合について説明したが、風車発電機２に接続されるＰＷＭコンバータ４の電圧・電流によるセンサレス方式でも、風車回転数Ｎを検出できるので、その値を用いても良い。
さらに、発電機は、同期発電機だけでなく、図２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。
【００２３】
【発明の効果】
以上、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、風車回転数の１次遅れ信号に基づいたトルク制御により、出力を平準化して取り出すための制御回路について説明した。
この回路によれば、風速計９を必要とせず、低風速時は応答性良く、風速に見合った最大出力を風車より出力でき、高風速時は、風車イナ−シャに蓄えるという形で、風速変動に対する出力変動を抑制して出力できるので、実用上多いに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【図２】本発明の風車回転数対風車トルク特性を説明する図である。
【図３】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。
【図４】従来の風力発電装置接続図を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　　　　　　風車
２　　　　　　発電機
３　　　　　　回転計
４　　　　　　ＰＷＭコンバータ
５　　　　　　負荷
６　　　　　　１次遅れ時定数発生回路
７　　　　　　１次遅れ回路
８　　　　　　トルク指令発生回路
９　　　　　　風速計
１０　　　　　出力制御装置
【図１】
2004064929.tif 000003
【図２】
2004064929.tif 000004
【図３】
2004064929.tif 000005
【図４】
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