(57)【要約】【課題】タービンの軸速度を検出するための速度センサを使用せずに発電機からの速度情報をセンサレスで得ることにより高信頼性、回路の簡略化、コストの低減を図る。【解決手段】電力制御装置５では、発電機３の出力電圧および出力電流から誘起電圧または回転子磁束を求め、この誘起電圧の位相または回転子磁束の位相から発電機３の回転速度を推定し、この速度推定値と発電機３の出力とから風車１の出力を算出する。そのため、発電機３の軸速度を検出するための速度センサを必要とするこなく風車１の出力を算出することができ回路の簡略化、低コスト化および高信頼性を実現できる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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、
前記電力制御装置が、
発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより、２相電流および２相電圧を算出する３相−２相変換器と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出する発電機出力演算部と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から誘起電圧を検出する誘起電圧検出器と、
前記誘起電圧検出器により検出された誘起電圧から誘起電圧の位相を検出する位相検出器と、
前記位相検出器により検出された誘起電圧の位相を微分することにより誘起電圧の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定する微分器と、
前記微分器により推定された速度推定値と、前記発電機出力演算部により求められた前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するタービン出力演算器と、を備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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、
前記電力制御装置が、
発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより、２相電流および２相電圧を算出する３相−２相変換器と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出する発電機出力演算部と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から回転子磁束を検出する回転子磁束検出器と、
前記回転子磁束検出器により検出された回転子磁束から回転子磁束の位相を検出する位相検出器と、
前記位相検出器により検出された回転子磁束の位相を微分することにより回転子磁束の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定する微分器と、
前記微分器により推定された速度推定値と、前記発電機出力演算部により求められた前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するタービン出力演算器と、を備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記電力制御装置が、
前記タービン出力演算器により求められたタービンの出力と、前記発電機速度演算部により求められた速度推定値とからタービンのトルクを算出するタービントルク推定器と、
前記タービントルク推定器により求められたタービンのトルクから速度指令値を算出する最大効率運転制御器と、をさらに備えている請求項１または２記載の発電システム。
【請求項４】
前記最大効率運転制御器が、
前記タービントルク推定器により求められたタービンのトルクを一定の時間間隔でサンプリングしていて、今回のタービンのトルクＴtur（ｎ）とし、前回のタービンのトルクをＴtur（ｎ−１）とし、サンプリング間隔をｔsとした場合に、（Ｔtur（ｎ）−Ｔtur（ｎ−１））／ｔsを計算してトルクの変化率ΔＴtur（ｎ）／ｔsを求めるトルク変化率演算器と、
タービンの特性によって決まる出力係数と前記トルクの変化率ΔＴtur／ｔsの関係式の解を求める出力係数微分方程式演算器と、
前記出力係数微分方程式演算器により求められた解に基づいて前記速度指令値を求める発電速度指令部と、から構成されている請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
前記電力制御装置が、
前記タービン出力演算器により求められたタービンの出力を一定の時間間隔でサンプリングしていて今回のタービンの出力Ｐtur（ｎ）と前回の出力Ｐtur（ｎ−１）の差ΔＰ（ｎ）を演算する出力変化演算器と、前記出力変化演算器により算出された差ΔＰ（ｎ）に比例ゲインを乗算することにより微細速度指令値を算出する比例ゲイン乗算器と、前記比例ゲイン乗算器により算出された微細速度指令値の絶対値を一定の制限値以下に制限するリミッタと、から構成される微細補正制御器と、
前記最大効率運転制御器により算出された速度指令値に、前記微細補正制御器により算出された微細速度指令を加算して、新たな速度指令値として出力する加算器と、をさらに備えている請求項３または４記載の発電システム。
【請求項６】
動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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の制御を行うための、発電システムの制御方法であって、
前記発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより２相電流および２相電圧を算出し、該２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出するステップと、
前記２相電流および２相電圧から誘起電圧を検出するステップと、
検出された前記誘起電圧から誘起電圧の位相を検出するステップと、
検出された前記誘起電圧の位相を微分することにより誘起電圧の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定するステップと、
推定された前記速度推定値と、算出された前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するステップとを備えている発電システムの制御方法。
【請求項７】
動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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の制御を行うための、発電システムの制御方法であって、
前記発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより２相電流および２相電圧を算出し、該２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出するステップと、
前記２相電流および２相電圧から回転子磁束を検出するステップと、
検出された前記回転子磁束から回転子磁束の位相を検出するステップと、
検出された前記回転子磁束の位相を微分することにより回転子磁束の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定するステップと、
推定された前記速度推定値と、算出された前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するステップとを備えている発電システムの制御方法。
【請求項８】
算出された前記タービンの出力と算出された前記速度推定値とからタービンのトルクを算出するステップと、
算出された前記タービンのトルクから速度指令値を算出するステップと、をさらに備えている請求項６または７記載の発電システムの制御方法。
【請求項９】
算出された前記タービンのトルクから速度指令値を算出するステップが、
算出された前記タービンのトルクを一定の時間間隔でサンプリングして、今回のタービンのトルクＴtur（ｎ）とし、前回のタービンのトルクをＴtur（ｎ−１）とし、サンプリング間隔をｔsとした場合に、（Ｔtur（ｎ）−Ｔtur（ｎ−１））／ｔsを計算してトルクの変化率ΔＴtur（ｎ）／ｔsを求めるステップと、タービンの特性によって決まる出力係数と前記トルクの変化率ΔＴtur／ｔsの関係式の解を求めるステップと、
算出された前記解に基づいて前記速度指令値を求めるステップと、から構成されている請求項８記載の発電システムの制御方法。
【請求項１０】
算出された前記タービンの出力を一定の時間間隔でサンプリングして、今回のタービンの出力Ｐtur（ｎ）と前回の出力Ｐtur（ｎ−１）の差ΔＰ（ｎ）を演算するステップと、
算出された前記差ΔＰ（ｎ）に比例ゲインを乗算することにより微細速度指令値を算出するステップと、
算出された前記微細速度指令値の絶対値を一定の制限値以下に制限するステップと、
算出された前記速度指令値に、算出された前記微細速度指令を加算して、新たな速度指令値として出力するステップと、をさらに備えている請求項８または９記載の発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力や水力等の動力エネルギー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するための発電システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発電システムの例として従来の風力発電システムの構成を図１０に示す。この従来の風力発電システムは、図１０に示すように、風力を取り込むための風車１と、風車１の回転数を変速して伝達するためのギア／カップリング２と、発電機３と、電力変換装置４と、電力制御装置９５と、速度センサ８とから構成され、負荷６に対して発電した電力を供給している。
【０００３】
次に、この従来の風力発電システムの動作について説明する。風車１が回転することによって得られた風力エネルギーは、ギア／カップリング２によって回転数の変速が行われた後に発電機３に伝達される。発電機３は、この風力エネルギーを電気的エネルギーに変換する。発電機３によって得られた電気エネルギーは、電力変換装置４によって制御された後に負荷６に伝えられる。電力制御装置９５は速度センサ８から風車１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電動機やＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ（内部永久磁石同期電動機）等の交流電動機も使用される。
【０００４】
このような風力発電システムでは、得られる電力は風速によって影響を受けることになる。そして、風速は一定ではなく常に変動している。そのため、このような風力発電システムでは、発電効率を高めるために、風速に応じて求まる最適な軸速度で発電機３を運転する必要がある。具体的には、発電機３の運動回転数が風速に応じて変化しない速度一定制御、あるいは風速に応じて発電機３の運転回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軸速度可変制御が電力制御装置９５によって行われる。
【０００５】
そして、このような軸速度一定制御、軸速度可変制御を行うには、軸の速度を検出する必要があり、従来の風力発電システムでは軸速度を検出するためにエンコーダ等の速度センサ８が用いられていた。例えば、風車の軸速度検出にエンコーダを使用している風力発電システムが、特許文献１等に記載されている。
【０００６】
しかし、風車の軸速度の検出にエンコーダ等の速度センサ８を設けている従来の風力発電システムでは、速度センサ８から電力制御装置９５まで配線を設ける必要がある。そのため、速度センサ８から電力制御装置９５までの距離が長くなると配線自体も長くなり、断線等による信頼性の劣化が問題となる場合があった。さらに、風車が回転している間は速度センサも常に回転することになるため、速度センサ自体の寿命が信頼性の劣化を招いてしまうという問題もあった。さらに、速度センサを設けることによってコストの増加を招くという問題もあった。
【０００７】
ここでは、タービンとして風車を用いる風力発電システムを用いて説明したが、風車以外のタービンにより動力エネルギー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ついても同様な問題が発生する。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−８４７９７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の発電システムでは、効率的な発電を行うためには、タービンの軸速度を検出するために速度センサが必要となるため、信頼性の劣化、コストの増加を招いてしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、タービンの軸速度を検出するための速度センサを使用せずに発電機からの速度情報をセンサレスで得ることにより高信頼性、回路の簡略化、コストの低減を図ることができる発電システムおよびその制御方法を提供することである。さらに本発明は、風速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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の発電システムは、動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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、
前記電力制御装置が、
発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより、２相電流および２相電圧を算出する３相−２相変換器と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出する発電機出力演算部と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から誘起電圧を検出する誘起電圧検出器と、
前記誘起電圧検出器により検出された誘起電圧から誘起電圧の位相を検出する位相検出器と、
前記位相検出器により検出された誘起電圧の位相を微分することにより誘起電圧の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定する微分器と、
前記微分器により推定された速度推定値と、前記発電機出力演算部により求められた前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するタービン出力演算器とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の発電システムは、動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービン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、
前記電力制御装置が、
発電機の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換することにより、２相電流および２相電圧を算出する３相−２相変換器と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から前記発電機の出力を算出する発電機出力演算部と、
前記３相−２相変換器により算出された２相電流および２相電圧から回転子磁束を検出する回転子磁束検出器と、
前記回転子磁束検出器により検出された回転子磁束から回転子磁束の位相を検出する位相検出器と、
前記位相検出器により検出された回転子磁束の位相を微分することにより回転子磁束の回転速度を算出して、前記発電機の回転速度を推定する微分器と、
前記微分器により推定された速度推定値と、前記発電機出力演算部により求められた前記発電機の出力とを用いて前記タービンの出力を算出するタービン出力演算器とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、発電機の出力電圧および出力電流から誘起電圧または回転子磁束を求め、この誘起電圧の位相または回転子磁束の位相から発電機の回転速度を推定し、この速度推定値と発電機の出力とからタービンの出力を算出するようにしているので、発電機の軸速度を検出するための速度センサを必要とするこなくタービンの出力を算出することができ回路の簡略化、低コスト化および高信頼性を実現することができる。
【００１４】
また、本発明の他の発電システムによれば、前記電力制御装置が、
前記タービン出力演算器により求められたタービンの出力と、前記発電機速度演算部により求められた速度推定値とからタービンのトルクを算出するタービントルク推定器と、
前記タービントルク推定器により求められたタービンのトルクから速度指令値を算出する最大効率運転制御器とをさらに備えている。
【００１５】
本発明によれば、タービン出力と速度推定値とから、発電機に入力されたパワーとタービンのトルクとを算出し、この算出したタービンのトルクと速度推定値とタービンの出力係数とにより発電機の効率が最大となる速度指令を算出し、発電機の軸速度を速度指令に一致させるような制御を行うようにしているので、入力エネルギーに対して常に最大の効率で運転することが可能となる。
【００１６】
さらに、前記最大効率運転制御器を、
前記タービントルク推定器により求められたタービンのトルクを一定の時間間隔でサンプリングしていて、今回のタービンのトルクＴtur（ｎ）とし、前回のタービンのトルクをＴtur（ｎ−１）とし、サンプリング間隔をｔsとした場合に、（Ｔtur（ｎ）−Ｔtur（ｎ−１））／ｔsを計算してトルクの変化率ΔＴtur（ｎ）／ｔsを求めるトルク変化率演算器と、
タービンの特性によって決まる出力係数と前記トルクの変化率ΔＴtur／ｔsの関係式の解を求める出力係数微分方程式演算器と、
前記出力係数微分方程式演算器により求められた解に基づいて前記速度指令値を求める発電速度指令部とから構成するようにしてもよい。
【００１７】
さらに、本発明の他の発電システムでは、前記電力制御装置が、
前記タービン出力演算器により求められたタービンの出力を一定の時間間隔でサンプリングしていて今回のタービンの出力Ｐtur（ｎ）と前回の出力Ｐtur（ｎ−１）の差ΔＰ（ｎ）を演算する出力変化演算器と、前記出力変化演算器により算出された差ΔＰ（ｎ）に比例ゲインを乗算することにより微細速度指令値を算出する比例ゲイン乗算器と、前記比例ゲイン乗算器により算出された微細速度指令値の絶対値を一定の制限値以下に制限するリミッタと、から構成される微細補正制御器と、
前記最大効率運転制御器により算出された速度指令値に、前記微細補正制御器により算出された微細速度指令を加算して、新たな速度指令値として出力する加算器とをさらに備えている。
【００１８】
本発明によれば、タービン出力の変化から微細速度指令を算出して速度指令に加算するようにしているので、速い過渡応答特性と安定的な微細調整の両方が実現される速度指令の算出が可能となり、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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
まず、本発明における発電機効率を最大とするための風速と発電機の軸速度の関係について説明する。
【００２１】
＜一般的な風車の出力特性＞
一般的に風車の出力Ｐturは下記の式（１）のように表すことができる。
【００２２】
【数１】
2004215345.tif 000003
【００２３】
上記の式（１）で風車定数ｋsysは風車の羽の面積と空気密度によって決まる定数で制御時急に可変するパラメータではない。また風の速度Ｖwindは制御できないパラメータである。風速Ｖwindと発電機の軸速度Ｗgenの周速比λは発電機と風車のギア比ｋc、風車の半径Ｒvを用いて下記の式（２）に示すように表すことができる。
【００２４】
【数２】
2004215345.tif 000004
【００２５】
動力係数Ｃpは周速比λによって図１に示したような可変するパラメータである。したがって、発電中にλを制御して最大効率速度比λopを維持するように制御すれば動力係数Ｃpは最大値Ｃp(max)になるので、システムの最大効率運転が可能である。λopは風車の設計によって決まる定数である。最大効率運転を維持するためには発電機の速度指令Ｗ*genを下記の式（３）より求めて出力する。
【００２６】
【数３】
2004215345.tif 000005
【００２７】
上記の式（３）でλop、Ｒv、ｋcは風車の設計値の一部なので把握できるが、風速Ｖwindは未知の値である。したがって、最大効率運転のためには風速Ｖwindの瞬時値が必要になる。
【００２８】
発電機電力Ｐgenは、発電機速度Ｗgenと発電機トルクＴgenを用いて下記の式（４）に示すように表することができる。
【００２９】
【数４】
2004215345.tif 000006
【００３０】
あるいは、発電機の静止ｄ−ｑ軸座標の２相電圧と電流を用いて下記の式（５）により発電機電力Ｐgenを算出することもできる。
【００３１】
【数５】
2004215345.tif 000007
【００３２】
風車システムの損失分Ｐlossは電気損失と機械損失で構成されている。電気損失は、発電機の等価抵抗と発電機を制御しているインバータの電力半導体のスイチィング周波数によって決まる電気損失定数ｋｌに発電機電力Ｐgenを掛けて求める。機械損失は機械摩擦定数Ｂsysに発電機速度の２乗のＷgen2を掛けて求める。風車システムの損失分Ｐlossは電気損失に機械損失を足して下記の式（６）に示すように求める。
【００３３】
【数６】
2004215345.tif 000008
【００３４】
風車の出力Ｐturは、求めた発電機電力Ｐgenに出力の損失分Ｐlossを足して下記の式（７）により求められる。
【００３５】
【数７】
2004215345.tif 000009
【００３６】
求めた風車の出力Ｐturと発電機の速度より風速は風車のデータから決められる。本発明では発電機の速度として、速度推定値
【００３７】
【外１】
2004215345.tif 000010
【００３８】
を用いて風車の出力Ｐturを求める。
【００３９】
＜風車の最大出力点＞
一般的に発電機の速度と風速の間には最大出力点が存在する。例えば図２に示したように発電機の速度ＷgenがＷr(A)で風速ＶwindがＶw1の場合には風車の最大出力点はＰtur(A)になる。発電機の速度ＷgenがＷr(B)で風速ＶwindがＶw2の場合には風車の出力は最大点がＰtur(B)となる。
【００４０】
＜過渡応答制御の原理＞
次に、過渡応答制御の関しての原理について説明する。
一般的に風車のトルクＴturは下記の式（８）のように表すことができる。
【００４１】
【数８】
2004215345.tif 000011
【００４２】
発電機の軸速度指令に発電機の軸速度が追従するように速度制御する機能を有する構成において、軸速度指令が一定の場合、トルクの時間に関する微分値は下記の式（９）のように表すことができる。
【００４３】
【数９】
2004215345.tif 000012
【００４４】
上記の式（９）でρは空気の密度である速度制御器の制御周期ｔsが短い時は、速度制御器の出力であるトルク変換量ΔＴturを用いて、式（９）を下記の式（１０）のように表すことができる。
【００４５】
【数１０】
2004215345.tif 000013
【００４６】
一般的に風車の出力係数Ｃpはλに関するｍ次の多項式であり、式（１１）のような表すことができる。
【００４７】
【数１１】
2004215345.tif 000014
【００４８】
この式（１１）のＣ0からＣnまでは、風車の設計によって決まる既知の定数である。この式（１１）のＣp（λ）を式（１０）に代入して整理すると、下記の式（１２）を得ることができる。
【００４９】
【数１２】
2004215345.tif 000015
【００５０】
ここで、λ-1をｘに置換して上記の（１２）式を整理すると式（１３）のように表すことができる。
【００５１】
【数１３】
2004215345.tif 000016
【００５２】
式（１３）の解を
【００５３】
【外２】
2004215345.tif 000017
【００５４】
とすると下記の式（１４）に示すように風速を推定することができる。
【００５５】
【数１４】
2004215345.tif 000018
【００５６】
最終的に発電機の速度の代わりに推定速度
【００５７】
【外３】
2004215345.tif 000019
【００５８】
を用いて、発電機の軸速度指令は（１５）式のように表すことができる。
【００５９】
【数１５】
2004215345.tif 000020
【００６０】
従って、風車の出力係数Ｃpと発電機の速度及びトルクに基づいて式（１０）から式（１５）までのように微分方程式の解を求めて発電機の軸速度指令Ｗ*g1を演算することができる。
【００６１】
＜微細補正制御の原理＞
上記では、トルクの変換量から風速を検出して軸速度指令を演算して発電効率を制御することについて説明した。次に、動力係数Ｃpの誤差等風力発電システムの定数の変化に変わらず効率運転制御の精密度を上げるための微細補正制御の方法の原理について、図２を参照して説明する。
【００６２】
最初風車が図２におけるＡ点で運転しているものとする。風速がVw1からVw2に変わっても軸速度指令がまだ一定なので、速度はWr(A)で変わらずにトルクだけが変わって運転点はＡからa1に移る。式（１１）から式（１５）ではこのトルクの変化から風速の変化を判断し発電機の速度指令Ｗ*g1を出力して過渡応答制御をする。しかし発電機の速度が指令速度Ｗ*g1を追従しても発電システムの定数の変化及び誤差のため実際の運転点a2と新しい最大効率運転点Ｂとは一致しない可能性がある。この問題点を解決するために本発明では微細補正制御を行う。今回の検出電力をＰtur（ｎ）、前回の検出電力をＰtur（ｎ−１）とすると、下記の式（１６）に示すような式が得られる。
【００６３】
【数１６】
2004215345.tif 000021
【００６４】
ここでｋpwは比例ゲインである。補正値が最大値を制限するために制限器でΔＷ*1（ｎ）の絶対値を下記の式（１７）のように制限値
【００６５】
【外４】
2004215345.tif 000022
【００６６】
以下に制限する。このような発電機の速度の補正により微細補正制御をすることができる。
【００６７】
【数１７】
2004215345.tif 000023
【００６８】
結果的に発電機の速度指令値は式(１８)のように示すことができる。
【００６９】
【数１８】
2004215345.tif 000024
【００７０】
＜速度推定方法＞
次に、軸速度推定方法に関しての原理について説明する。
【００７１】
発電機の出力電流検出値
【００７２】
【外５】
2004215345.tif 000025
【００７３】
と３相出力電圧の直接検出、或は電圧の指令値から得られた発電機の相電圧検出値
【００７４】
【外６】
2004215345.tif 000026
【００７５】
を３相座標系から固定子の任意の位置の上に設定した静止ｄ−ｑ座標系に変換すると２相電流
【００７６】
【外７】
2004215345.tif 000027
【００７７】
は下記の（１９）式から、２相電圧
【００７８】
【外８】
2004215345.tif 000028
【００７９】
は下記の（２０）式から得られる。ここでＣ0は任意の常数である。
【００８０】
【数１９】
2004215345.tif 000029
【００８１】
【数２０】
2004215345.tif 000030
【００８２】
＜速度推定実施例１＞
永久磁石型同期発電機の誘起電圧は下記の式(２１)から求めることができる。
【００８３】
【数２１】
2004215345.tif 000031
【００８４】
ここでＲdsとＲqsはｄ軸とｑ軸の固定子側等価抵抗、ｐは微分子、ＬdsとＬqsはｄ軸とq軸のインダクタンスである。一般的に３相対称交流発電機のｄ軸とｑ軸の誘起電圧Ｅds、Ｅqsは下記の式(２２)のような特徴を持っている。
【００８５】
【数２２】
2004215345.tif 000032
【００８６】
ここで、Ｋeは発電機の定格電圧によって決められる電圧系数、Ｗgenは発電機の電気角速度、θeは誘起電圧の位相である。従って、発電機の誘起電圧の位相の推定値は下記の式(２３)から求めることができる。
【００８７】
【数２３】
2004215345.tif 000033
【００８８】
発電機の回転速度は磁束の位相の推定値を微分して下記の式（２４）から求めることができる。
【００８９】
【数２４】
2004215345.tif 000034
【００９０】
ここでpoleは発電機の極数である。
【００９１】
＜速度推定実施例２＞
永久磁石型同期発電機で、静止ｄ−ｑ座標系上の回転子側の磁束は下記の式(２５)から求めることができる。
【００９２】
【数２５】
2004215345.tif 000035
【００９３】
一般的に３相対称交流発電機のｄ軸とｑ軸の回転子磁束Φd、Φqは下記の式(２６)のような特徴を持っている。
【００９４】
【数２６】
2004215345.tif 000036
【００９５】
ここでＫφは磁束系数、θφは磁束の位相である。従って、発電機の磁束の位相の推定値は下記の式(２７)から求めることができる。
【００９６】
【数２７】
2004215345.tif 000037
【００９７】
発電機の回転速度は磁束の位相の推定値を微分して下記の式（２８）から求めることができる。
【００９８】
【数２８】
2004215345.tif 000038
【００９９】
次に、上記で説明したような制御方法を実現するための本発明の一実施形態の発電システムの具体的な構成を図３に示す。
【０１００】
図３は、本発明を風力発電システムに適用した実施形態である。図３において、図１０中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【０１０１】
本実施形態の風力発電システムは、図１０に示した従来の風力発電システムに対して、軸速度を検出する速度センサ８を取り除き、電力制御装置９５を電力制御装置５に置き換えた構成となっている。本実施形態における電力制御装置５は、発電機の電力および回転数を制御する機能と、発電機３に流れる電流値および電圧値を検出して、これらの電流値および電圧値に基づいて発電機速度を推定する発電機速度推定機能とを有している。
【０１０２】
図３に示した電力制御装置５において、発電機３の電流値および電圧値から最大効率運転制御を行うための速度指令Ｗ*genを求める機能を実現するための構成部分を図４に示す。
【０１０３】
最大効率運転制御を行うための機能は、図４に示されるように、３相−２相変換器９０６と、発電機速度演算部９０１と、発電機出力演算部９０２と、過渡応答制御器９０３と、微細補正制御器９０４と、加算器９０５とから構成されている。
【０１０４】
３相−２相変換器９０６は、発電機３の出力電圧と出力電流を静止ｄ−ｑ座標系に変換して、上記で説明した式（１９）、（２０）を用いて、２相電流
【０１０５】
【外９】
2004215345.tif 000039
【０１０６】
と２相電圧
【０１０７】
【外１０】
2004215345.tif 000040
【０１０８】
を求める。
【０１０９】
発電機出力演算部９０２は、３相−２相変換器９０６により算出された２相電流および２相電圧から、発電機３の出力Ｐgenを算出する。
【０１１０】
次に、発電機速度演算部９０１の具体的な構成の一例を図５に示す。図５に示された例では、発電機速度演算部９０１は、誘起電圧検出器４０２と、位相検出器４０３と、微分器４０４とから構成されている。この例は、上述した速度推定実施例１に該当する。
【０１１１】
誘起電圧検出器４０２は、上記で説明した式（２１）を用いて、３相−２相変換器９０６からの２相電流および２相電圧から、誘起電圧
【０１１２】
【外１１】
2004215345.tif 000041
【０１１３】
を検出する。
【０１１４】
位相検出器４０３は、上記で説明した式（２３）を用いて、誘起電圧検出器４０２により検出された誘起電圧から、誘起電圧の位相
【０１１５】
【外１２】
2004215345.tif 000042
【０１１６】
を検出する。
【０１１７】
微分器４０４は、上記で説明した式（２４）を用いて、位相検出器４０３により検出された誘起電圧の位相の推定値を微分することにより、誘起電圧の回転速度即ち発電機３の回転速度の推定値である速度推定値を算出する。
【０１１８】
また、図４に示した発電機速度演算部９０１の具体的な構成の他の例を図６に示す。図６に示された例では、発電機速度演算部９０１は、回転子磁束検出器５０２と、位相検出器５０３と、微分器５０４とから構成されている。この例は、上述した速度推定実施例２に該当する。
【０１１９】
回転子磁束検出器５０２は、上記で説明した式（２５）を用いて、図４に示した３相−２相変換器９０６により静止ｄ−ｑ座標系に変換された２相電流
【０１２０】
【外１３】
2004215345.tif 000043
【０１２１】
と２相電圧
【０１２２】
【外１４】
2004215345.tif 000044
【０１２３】
から、回転子磁束
【０１２４】
【外１５】
2004215345.tif 000045
【０１２５】
を検出する。
【０１２６】
位相検出器５０３は、上記で説明した式（２７）を用いて、回転子磁束検出器５０２により検出された回転子磁束から、回転子磁束の位相
【０１２７】
【外１６】
2004215345.tif 000046
【０１２８】
を検出する。
【０１２９】
微分器５０４は、上記で説明した式（２８）を用いて、位相検出器５０３により検出された回転子磁束の位相から、回転子磁束の回転速度即ち発電機３の回転速度の推定値を算出する。
【０１３０】
次に、図４中の過渡応答制御器９０３の具体的な構成を図７に示す。過渡応答制御器９０３は、図７に示されるように、風車出力演算器６０１と、風車のトルク推定器６０２と、最大効率運転制御器６０３とから構成されている。
【０１３１】
風車出力演算器６０１は、タービン出力演算器として機能し、図５または図６に示した発電機速度演算部９０１により求められた発電機３の速度推定値
【０１３２】
【外１７】
2004215345.tif 000047
【０１３３】
と、発電機出力演算部９０２により求められた発電機の出力Ｐgenとを用いて風車の出力Ｐturを式（７）のように求める。
【０１３４】
風車のトルク推定器６０２は、タービントルク推定器として機能し、風車出力演算器６０１により求められた風車の出力Ｐturと、発電機速度演算部９０１により求められた速度推定値
【０１３５】
【外１８】
2004215345.tif 000048
【０１３６】
とから風車のトルクＴturを式（８）から求める。
【０１３７】
最大効率運転制御器６０３は、風車のトルク推定器６０２により求められた風車のトルクＴturから、速度指令値Ｗ*g1を算出する。この最大効率運転制御器６０３の具体的な構成を図８に示す。最大効率運転制御器６０３は、図８に示されるように、風車のトルクの変化率演算器７０１と、出力係数微分方程式演算器７０２と、発電速度指令部７０３とから構成されている。
【０１３８】
最大効率運転制御器６０３では、一定の時間間隔で風車のトルクＴturをサンプリングして演算を行っている。ここで、サンプリング間隔をｔs、今回のサンプリング時のトルクをＴtur（ｎ）、前回のサンプリング時のトルクをＴtur（ｎ−１）として表現するものとする。
【０１３９】
風車のトルクの変化率演算器７０１は、（Ｔtur（ｎ）−Ｔtur（ｎ−１））／ｔsを計算してトルクの変化率ΔＴtur（ｎ）／ｔsを求める。出力係数微分方程式演算器７０２は、風車の特性によって決まる式（１３）の出力係数Ｃp（λ）とΔＴtur／ｔsの関係式の解を求め、発電速度指令部７０３では式（１５）から速度の指令値Ｗ*g1を求める。
【０１４０】
次に、図４中の微細補正制御器９０４の具体的な構成について図９に示す。微細補正制御器９０４は、図９に示されるように、出力変化演算器８０１と、比例ゲイン乗算器８０２と、リミッタ８０３とから構成されている。
【０１４１】
出力変化演算器８０１は、風車出力演算器６０１により求められた風車の出力Ｐturを一定の時間間隔でサンプリングしていて、上記で説明した式（１６）のうちの上式を用い、今回の風車の出力Ｐtur（ｎ）と前回の出力Ｐtur（ｎ−１）の差のΔＰ（ｎ）を演算する。比例ゲイン乗算器８０２は、上記で説明した式(１６)のうちの下式を用いて、出力変化演算器８０１により算出されたΔＰ（ｎ）に比例ゲインｋpwを乗算することにより微細速度指令値ΔＷ*1（ｎ）を求める。リミッタ８０３ではΔＷ*1（ｎ）の絶対値を制限値
【０１４２】
【外１９】
2004215345.tif 000049
【０１４３】
以下に制限した微細速度指令値ΔＷ*c（ｎ）を出力する。
【０１４４】
加算器９０５は、過渡応答制御器９０３の最大効率運転制御器６０３により算出された速度指令値Ｗ*g1に、微細補正制御器９０４のリミッタ８０３により制限された後の微細速度指令ΔＷ*cを加算して、新たな速度指令値Ｗ*genとして出力する。
【０１４５】
本実施形態の発電システムによれば、風車出力Ｐturの変化から微細速度指令ΔＷ*cを算出して速度指令Ｗ*g1に加算するようにしているので、速い過渡応答特性と安定的な微細調整の両方が実現される速度指令Ｗ*genの算出が可能となり、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。
【０１４６】
また、本実施形態の発電システムによれば、風車出力と速度推定値とから、発電機に入力されたパワーと風車のトルクとを算出し、この算出した風車のトルクと速度推定値と風車の出力係数とにより発電機の効率が最大となる速度指令を算出し、発電機の軸速度を速度指令に一致させるような制御を行うようにしているので、入力エネルギーに対して常に最大の効率で運転することが可能となる。
【０１４７】
本実施形態の風力発電システムおよびその制御方法によれば、発電機３の効率を向上させることができるとともに、一般的に高価な発電機３の速度センサ及び風速センサ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。
【０１４８】
なお、本実施形態では、風力を用いた発電を行う風力発電システムに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、動力エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと流体とが図２の関係を持っているシステム、例えば水力発電システムなどにも同様に本発明を適用することができるものである。
【０１４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電システムおよびその制御方法によれば、風車の軸速度を検出するための速度センサや風速を検出するための風速センサ等を必要とすることなく、発電機の効率的な制御を行うことができ、低コスト化および高信頼性を実現できるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】出力係数と速度比の関係を示す図である。
【図２】風車の出力と発電機速度、風速の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示した電力制御装置５において、発電機３の電流値および電圧値から最大効率運転制御を行うための速度指令Ｗ*genを求める機能を実現するための構成部分を示す図である。
【図５】図４中の発電機速度演算部９０１の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図４中の発電機速度演算部９０１の構成の他の例を示すブロック図である。
【図７】図４中の過渡応答制御器９０３の構成を示すブロック図である。
【図８】図７中の最大効率運転制御器６０３の構成を示すブロック図である。
【図９】図４中の微細補正制御器９０４の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の風力発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    風車
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
９５    電力制御装置
４０２    誘起電圧検出器
４０３    位相検出器
４０４    微分器
５０２    回転子磁束検出器
５０３    位相検出器
５０４    微分器
６０１    風車出力演算器
６０２    風車のトルク推定器
６０３    最大効率運転制御器
７０１    風車のトルクの変化率演算器
７０２    出力係数微分方程式演算器
７０３    発電速度指令部
８０１    出力変化演算器
８０２    比例ゲイン乗算器
８０３    リミッタ
９０１    発電機速度演算部
９０２    発電機出力演算部
９０３    過渡応答制御器
９０４    微細補正制御器
９０５    加算器
９０６    ３相−２相変換器
【図１】
2004215345.tif 000050
【図２】
2004215345.tif 000051
【図３】
2004215345.tif 000052
【図４】
2004215345.tif 000053
【図５】
2004215345.tif 000054
【図６】
2004215345.tif 000055
【図７】
2004215345.tif 000056
【図８】
2004215345.tif 000057
【図９】
2004215345.tif 000058
【図１０】
2004215345.tif 000059