(57)【要約】【課題】風から常に最大出力を得るためには、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を知る必要がある。しかし、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を把握するためには、大規模な風洞設備が必要なために、一般に正確な回転数対最大出力時トルク特性を得ることができ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に接続して、回転数対トルク特性により発電機をトルクパターン制御するＰＷＭコンバータにおいて、前記トルクパターンの比例定数を積算期間毎に変化させて前記発電機の積算出力値を採取し、前記比例定数と前記積算出力値の多数の組合せデータより最適比例定数を求めて、回転数対最大出力時トルク特性を得るものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機をトルクパターン制御するＰＷＭコンバータにおいて、前記トルクパターンの比例定数を積算期間毎に変化させて前記発電機の積算出力値を採取し、前記比例定数と前記積算出力値の多数の組合せデータより最適比例定数を求めることを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正方法。
【請求項２】
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機をトルクパターン制御するＰＷＭコンバータにおいて、積算期間を指令する手段と、該積算期間と前記発電機の回転数と電流を入力して積算出力値を出力する手段と、前記積算期間を入力して該積算期間毎に変化する前記回転数対トルク特性の探索比例定数を出力する手段と、該探索比例定数と前記積算出力値の多数の組合せデータを入力して最小２乗法に基づき回転数対トルク特性の最適比例定数を出力する手段と、前記探索比例定数と前記最適比例定数を入力してトルクパターン比例定数を出力する手段と、該トルクパターン比例定数と前記回転数を入力して前記回転数対トルク特性に基づきトルク指令を発生する手段により構成することを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続されるＰＷＭコンバータより、最大出力を取り出すための制御方法に関するものであり、特に、回転数対出力特性が不明な風車又は水車により駆動される発電機より最大出力を取り出す事ができる分散電源用発電機のトルクパターン補正方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車回転数に基づいた制御によりＰＷＭコンバータを制御することにより、風速計を必要とせず、風速が変化しても発電機より、常に、応答性良く最大出力を取り出す事ができるＰＷＭコンバータの制御方法について
【特願２００２−４２７２６号】の「風車により駆動される発電機の最大出力制御方法」にて提案している（出願特許文献１）。
【０００３】
図４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が決まると、風車回転数に対する風車出力が一義的に定まり、種々の風速に対する風車出力は、図４の実線で示される。そして、風車出力のピークは、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
【０００４】
さらに図３は、この風車回転数対風車出力特性より求まる、先願技術で用いた風車回転数対風車トルク特性の概要を説明した図であり、種々の風速に対する風車トルクは、図３にように示される。
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３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。
【０００５】
以上の原理に基づいた先願技術を、図５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風力発電装置接続図を参照して詳述する。
図５において、１は風車、２は回転計、３は発電機、４はＰＷＭコンバータ、５は負荷、１０はトルク指令回路である。
【０００６】
回転計２より風車回転数Ｎを検出し、トルク指令回路１０では、図３の一点鎖線で示す最大出力時トルク曲線に基づいて、トルク指令τ＊を生成してＰＷＭコンバータ４を制御するものである
【０００７】
【出願特許文献１】
特願２００２−４２７２６号（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法で風車トルク指令を作成して、風から常に最大出力を得るためには、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を知る必要がある。しかし、風車の最大出力時の正確な回転数対トルク特性を把握するためには、大規模な風洞設備が必要なために、一般に正確な回転数対トルク特性を得ることができず、従って風から最大出力が取り出せ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コンバータのトルクパターン制御において、２乗カーブに基づく回転数対トルク特性の比例定数を変化させて、最大出力となる比例定数を探索・決定し、その比例定数を用いた回転数対トルク特性に基づいたトルク制御を行うことにより、常に最大出力を得ることができる分散電源用発電装置のトルクパターン補正方法及びその装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、その風車回転数対トルク曲線の補正方法を示す。
図４に示すように、風速Ｕと、風車が最大出力する風車回転数及び風車最大出力との間には、概略次のような関係がある。
風車が、風速Ｕｘで最大出力する風車回転数Ｎｘと、風速Ｕｙでの風車が最大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での風車最大出力Ｐｘと、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙの間には、風車回転数Ｎの３乗に比例する関係がある。
従って、図３に示すように、この最大出力となる風車トルクと風車回転数との関係は、風速Ｕｘでの風車回転数Ｎｘにおける風車トルクτｘと、風速Ｕｙでの風車回転数Ｎｙにおける風車トルクτｙの関係に見られるように、風車回転数Ｎの２乗に比例する関係がある。
【００１０】
従って、先ず、ある値Ｋ１を比例定数として（１）式に示す風車トルク指令τ＊により、ある積算期間Ｔｓの間、風車を運転し、その間の積算出力Ｗを（２）式により求めて、比例定数Ｋ１と積算出力Ｗ１の組合せデータを記憶する。次に、別の比例定数Ｋ２で積算期間Ｔｓの間、風車を運転して積算出力Ｗ２を求め、その組合せデータを記憶する。
風車設置場所では絶えず風速が変化しているために、上記のようにして、多数の比例定数Ｋと積算出力Ｗの組合せデータを採取すると、例えば図２の比例定数対積算出力の組合せデータより最適比例定数を求める方法を説明した図のようになる。この比例定数Ｋと積算出力Ｗの組合せデータの積算出力近似曲線を２次曲線で表すと、例えば図２の実線のようになる。
この組合せデータを用いて、（３）式よりα０〜α２を求めることにより、組合せデータの２次近似曲線は（４）式により求まり、図２の実線のようになる。ここで（３）式において、ｒの範囲は２次近似曲線を求めるのでｒ＝０〜２である。さらに（４）式を微分することにより、風車から最大出力を得られる最適比例定数Ｋｘは（５）式のように求まる。
上記組合せデータにより最終的に決定された最適比例定数Ｋｘと風車回転数Ｎを用いて、（１）式により、トルク指令τ＊を生成してＰＷＭコンバータを制御するものである。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
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手段は、
１）、請求項１において、
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機をトルクパターン制御するＰＷＭコンバータにおいて、前記トルクパターンの比例定数を積算期間毎に変化させて前記発電機の積算出力値を採取し、前記比例定数と前記積算出力値の多数の組合せデータより最適比例定数を求めることを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正方法である。
【００１３】
２）、請求項２において
風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続して回転数対トルク特性により発電機をトルクパターン制御するＰＷＭコンバータにおいて、積算期間を指令する手段と、該積算期間と前記発電機の回転数と電流を入力して積算出力値を出力する手段と、前記積算期間を入力して該積算期間毎に変化する前記回転数対トルク特性の探索比例定数を出力する手段と、該探索比例定数と前記積算出力値の多数の組合せデータを入力して最小２乗法に基づき回転数対トルク特性の最適比例定数を出力する手段と、前記探索比例定数と前記最適比例定数を入力してトルクパターン比例定数を出力する手段と、該トルクパターン比例定数と前記回転数を入力して前記回転数対トルク特性に基づきトルク指令を発生する手段により構成することを特徴とする分散電源用発電機のトルクパターン補正装置である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の分散電源用発電機のトルクパターン補正装置を適用した、風車により駆動される発電機３に、ＰＷＭコンバータ４を接続した風力発電装置接続図である。
同図において、１１は電流検出器、１２は積算期間指令回路、１３は探索比例定数指令回路、１４は積算出力回路、１５は最適比例定数演算回路、１６は比例定数指令回路、２０はトルクパターン補正装置であり、図５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。
【００１５】
電流検出器１１はＰＷＭコンバータ４の出力電流Ｉを検出して積算出力回路１４に出力する。積算期間指令回路１２は、ある一定積算期間Ｔｓ毎に積算制御信号Ｓを探索比例定数指令回路１３、積算出力回路１４及び最適比例定数演算回路１５に出力する。探索比例定数指令回路１３は、積算制御信号Ｓを入力して、ある一定積算期間Ｔｓ毎に異なる探索比例定数Ｋｎを最適比例定数演算回路１５及び比例定数指令回路１６に出力する。
積算出力回路１４は、発電機回転数Ｎ、出力電流Ｉ及び積算制御信号Ｓを入力して積算出力値Ｗを最適比例定数演算回路１５に出力する。
【００１６】
最適比例定数演算回路１５は、積算出力値Ｗ、探索比例定数Ｋｎ及び積算制御信号Ｓを入力して、最適比例定数Ｋｘを比例定数指令回路１６に出力する。比例定数指令回路１２は、探索比例定数Ｋｎと最適比例定数Ｋｘを入力して、トルクパターン比例定数Ｋをトルク指令回路１０に出力する。トルク指令回路１０は、回転数Ｎ及びトルクパターン比例定数Ｋを入力して、トルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する
このように構成される分散電源用発電機のトルクパターン補正装置２０により、風車より最大出力を取り出すための回転数対トルク特性が得られる理由を、以下に詳述する。
【００１７】
本発明では、ある一定積算期間Ｔｓ毎に、（１）式のトルク指令τ＊で用いるトルクパターン比例定数Ｋを変化させて発電機の積算出力値Ｗを求め、多数の比例定数Ｋと積算出力値Ｗの組合せデータより、最小２乗多項式近似により風から最大出力を取り出せる比例定数Ｋｘを決定するものである。
そのために、積算期間指令回路１２は、ある一定積算期間Ｔｓを指定する積算制御信号Ｓを探索比例定数指令回路１３、積算出力回路１４及び最適比例定数演算回路１５に出力する。
【００１８】
探索比例定数指令回路１３は、積算制御信号Ｓを入力して、例えば、その立ち上がりにより制御される積算期間Ｔｓ（１）の間は、ある探索比例定数Ｋｎ（１）を最適比例定数演算回路１５及び比例定数指令回路１６に出力する。さらに別の積算期間Ｔｓ（２）になると、別の探索比例定数Ｋｎ（２）が出力される。後述するように、最適比例定数Ｋｘが決定される前は、この探索比例定数Ｋｎにより（１）式に基づいて、発電機のトルクパターン制御が行われる。
【００１９】
積算出力回路１４は、積算制御信号Ｓを入力して、積算期間Ｔｓの間の積算出力値Ｗを、出力電流Ｉから求めたトルクτを用いて（２）式に基づいて求め、最適比例定数演算回路１５に出力する。
最適比例定数演算回路１５は、積算制御信号Ｓにより制御されて以下の演算が行われる。すなわち探索比例定数Ｋｎと積算出力値Ｗの組合せデータを入力して、例えば２０個の組合せデータが採取されると、Ｍ＝２０となり（３）式に基づいてα０〜α２を求め、求めたα１とα２を用いて（５）式により最適比例定数Ｋｘを求めて、比例定数指令回路１６に出力する。
【００２０】
比例定数指令回路１６は、探索比例定数Ｋｎと最適比例定数Ｋｘを入力して、最適比例定数Ｋｘが入力される以前は、比例定数Ｋと積算出力の組合せデータを採取するために、探索比例定数Ｋｎをトルクパターン比例定数Ｋとしてトルク指令回路１０に出力し、最適比例定数Ｋｘが入力されると、最大出力運転するために、最適比例定数Ｋｘをトルクパターン比例定数Ｋとしてトルク指令回路１０に出力する。
トルク指令回路１０は、トルクパターン比例定数Ｋと回転数Ｎを入力して、２次の回転数対トルク特性に基づいたトルク指令τ＊をＰＷＭコンバータ４に出力する。
【００２１】
この結果、比例定数指令回路１６に最適比例定数Ｋｘが入力される以前は、最大出力運転はされないが、最適比例定数Ｋｘが決定されると、その後は風車固有の最大出力運転をすることができる。
【００２２】
このような適当な積算期間Ｔｓを十数回程度設けた操作を、風車設置後の初期の段階で行うと、風速が変動している状態でも、風車出力が最大となる風車固有の最適比例定数Ｋｘを決定することができる。
いわゆる通常行われている山登り制御方法と言われる最大出力制御方法では、最大出力点を検索するために、その時の風から得られる最大出力点を中心にして制御変数を常に±に操作するために、例えば出力は最大出力の９５〜１００％の範囲でしか運転することができない。従って、常に風から風車固有の最大出力を得たことにはならない。
しかし、本発明の制御方法では、初期の段階において比例定数Ｋと積算出力の組合せデータを採取している時のみ最大出力を得ることができないが、その後は連続して最大出力を得ることができる。
【００２３】
以上、本発明の実施例では、風車に言及して説明したが、回転数対最大出力時トルク特性が２乗特性であれば、水車に接続される発電機及びＰＷＭコンバータの組合せにも、同様に適用できる。
又、回転数対最大出力時トルク特性が完全な２乗特性でなくても、概略の近似曲線が決定される風車又は水車に対しても、同様にトルクパターンの補正を行い、最大出力運転を行うことができる。
【００２４】
本発明の実施例では、発電機電流Ｉを検出して積算出力Ｗを検出したが、ＰＷＭコンバータ４の直流側にある負荷５の入力を検出して積算出力Ｗを求めれば、ＰＷＭコンバータ４の損失を考慮した積算出力Ｗを検出できるので、より実際的な最大出力運転を行うことができる。
又、回転計２より風車回転数Ｎを検出する場合について説明したが、風車発電機に接続されるＰＷＭコンバータ４の電圧・電流によるセンサーレス方式でも、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４の風車回転数対風車出力特性と、図３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を把握すれば、誘導発電機を用いても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上、風車又は水車により駆動される分散電源用発電機に接続されるＰＷＭコンバータを用いて、回転数対トルク特性の比例定数と積算出力値の組合せデータより、最大出力時の比例定数を決定する、風車又は水車回転数対トルク特性に基づいたトルク制御時のトルクパターン補正方法について説明した。
この方法によれば、最大出力となる風車又は水車固有の２乗特性を有する回転数対最大出力時トルク特性のパターンが不明であっても、そのパターンを見つけることができ、常に風又は水から最大出力を取り出すことができるので、実用上おおいに有用である。
【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、比例定数対積算出力の組合せデータより最適比例定数を求める方法を説明する図である。
【図３】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車トルク特性の概要を説明する図である。
【図４】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５】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              回転計
３              発電機
４              ＰＷＭコンバータ
５              負荷
１０            トルク指令回路
１１            電流検出器
１２            積算期間指令回路
１３            探索比例定数指令回路
１４            積算出力回路
１５            最適比例定数演算回路
１６            比例定数指令回路
２０            トルクパターン補正装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005020890.tif 000007
【図５】
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