(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得るようにした風力発電設備における風力発電方法において、
与えられた風力エネルギーから最大電力を得るための風車最適回転速度および発電機のｄ軸電流を最適となるように演算して決定したのち、その演算し決定した値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御方法。
【請求項２】
風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得る風力発電設備において、
風力エネルギーからロータの最適速度を得る最適ロータ速度演算部と、この速度演算部で得られた値から速度制御出力を得る速度制御部と、
風力エネルギーから発電機の最適ｄ軸電流を得る最適ｄ軸電流演算部と、この電流演算部で得られたｄ軸電流の最適値から電流制御出力を得る電流制御部とからなり、
速度制御部と電流制御部からの出力によりコンバータの制御指令値を得、この制御指令値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石同期発電機を用いた風力発電設備の最大電力点追従制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギー需要の増加に伴い化石燃料の枯渇化や環境破壊の問題が深刻化している。そのため、風力発電設備などのクリーンで無尽蔵のエネルギーの導入が求められている。
【０００３】
風力発電設備に使用される発電機としては、構造が簡単であり、保守性かつ、信頼性が優れていることから、永久磁石同期発電機が用いられるようになってきた。
【０００４】
通常、上記永久磁石同期発電機の制御方式は、所謂、ｄ軸電流をゼロにすることが一般的に行なわれているが、ｄ軸電流を弱め磁束となるように制御することで発電機の効率を向上できることも知られている。また、ある風速において風車出力が最大となる風車回転速度が存在することも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４は風力発電システムの概略構成図で、図４において、３１は風車で、この風車３１により得られた風力エネルギーは、増速機３２を介して発電機３３へ伝達される。
【０００６】
発電機３３は、出力が最大となるようにＰＷＭコンバータ３４により制御し、このコンバータ３４により得られた電力は、ＰＷＭインバータ３５により交流電力に変換されて系統３６へ連系される。
【０００７】
（ａ）風車の基本方程式
定常状態において、一定の風速Ｖwの風力エネルギーがすべて風車の回転トルクに変換されたとすれば、風車出力トルクＴwは、次式に示すように、風車入力トルクＴwindから風車損失トルクＴfを差し引いたものとなる。
【０００８】
Ｔwind＝１／２（ρπＲ3oＶ2w）      …    （１）
Ｔf＝k0Ｖ2w＋k1Ｖwωg＋k2ω2g      …    （２）
Ｔw＝Ｔwind−Ｔf                  …    （３）
ただし、Ｒo：風車ブレード半径、ωg：風車回転角速度、ρ：空気密度、k0,k1,k2：風車損失係数である。
【０００９】
従って、風車出力Ｐwは次式で表せる。
【００１０】
Ｐw＝Ｔwωg          …    （４）
風車回転角速度ωgと発電機機械角速度ωmには、増速比Ｒnを用いると次式の関係となる。
【００１１】
ωm＝Ｔwωg          …    （５）
（ｂ）発電機の基本方程式
図５（ａ），（ｂ）は固定損失を考慮した永久磁石同期電動機のｄ−ｑ軸等価回路図である。ここでは、永久磁石同期電動機に負のトルクを加えることで発電機としているため、各電流の向きを電動機の向きで定義している。図５の等価回路図に対する定常状態での電圧方程式は次式となる。
【００１２】
ｖd＝Ｒｉd−ωeＬqｉqt              …    （６）
ｖq＝Ｒｉd＋ωe（Ｌdｉdt＋Ｋe）      …    （７）
ただし、ｖd，ｖq：d軸，ｑ軸電圧、ｉd，ｉq：ｄ軸，ｑ軸電流、Ｒ：電機子抵抗、Ｌd，Ｌq：ｄ軸，ｑ軸電機子インダクタンス、ωe：発電機電気角速度、Ｋe：起電力係数、ｉdt，Lqt：出力に関与する発電電流である。
【００１３】
発電機の入力Ｐinと出力Ｐoutの関係は、銅損をＰc，鉄損をＰiとして次式となる。
【００１４】
0004082054.tif 000002
発電機の制動係数をＤで表せば、定常状態における発電機電磁トルクＴeと風車出力トルクＴwには、次式の関係がある。
【００１５】
Ｔw＝Ｔe＋Ｄω2m              …    （９）
最終的に、発電機入力（風車出力Ｐw）と発電機出力の関係は、次式となる。
【００１６】
0004082054.tif 000003
ここで、Ｐv（＝Ｄω2m）は、制動作用による機械的損失であり、
Ｐloss（＝Ｐc＋Ｐi＋Ｐv）は、発電機の全損失の総和である。
【００１７】
上述したように、風車及び発電機の基本方程式から風力発電システムにより最大の発電電力を得る制御方法としては、発電機出力を最大にする回転速度と、ｄ軸電流である。表１は、風力発電システムの各パラメータを示したもので、このシステムを使用し、風速Ｖw＝８m／s一定の定常状態において、回転速度とｄ軸電流ｉdを変化させた場合の発電機出力特性を図６に示す。
【００１８】
【表１】
0004082054.tif 000004
【００１９】
図６における発電機出力特性から発電機出力を最大にする回転速度ωoptgが存在し、また、ｄ軸電流がゼロよりも出力が向上する最適ｄ軸電流ｉoptdも存在することがわかる。
【００２０】
しかし、従来は、図４に示した風力発電システムにおいて、ｄ軸電流がゼロになるように制御することで行なわれているために、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得る制御が行なわれていなかった。
【００２１】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得るための効率的な制御法を得ることができるようにした風力発電設備の最大電力点追従制御方法及びその装置を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得るようにした風力発電設備における風力発電方法において、
与えられた風力エネルギーから最大電力を得るための風車最適回転速度および発電機のｄ軸電流を最適となるように演算して決定したのち、その演算し決定した値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする  風力発電設備の最大電力点追従制御方法である。
【００２３】
第２発明は、風車により得られた風力エネルギーを、増速機を介して増速して永久磁石同期発電機を駆動し、得られた電力をコンバータにより風力発電電力として得る風力発電設備において、
風力エネルギーからロータの最適速度を得る最適ロータ速度演算部と、この速度演算部で得られた値から速度制御出力を得る速度制御部と、
風力エネルギーから発電機の最適ｄ軸電流を得る最適ｄ軸電流演算部と、この電流演算部で得られたｄ軸電流の最適値から電流制御出力を得る電流制御部とからなり、
速度制御部と電流制御部からの出力によりコンバータの制御指令値を得、この制御指令値によりコンバータを制御して発電機から最大電力を得るようにしたことを特徴とする風力発電設備の最大電力点追従制御装置である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態を示す概略的なブロック構成図で、１０は、最大電力点を得るコンピュータなどからなる演算装置で、この演算装置１０は、最適ロータ速度演算部１１、速度制御部１２、最適ｄ軸電流演算部１３および電流制御部１４から構成される。
【００２５】
演算装置１０には、入力部１５から風速Ｖw、後述するロータリエンコーダからの角度検出値θm、発電機からの発電電流ｉa，ｉbが供給される。演算装置１０で演算された結果は、出力部１６から三相電圧指令値Ｖ*abcとして後述するＰＷＭコンバータ部の制御に使用され、発電機の最大電力を得ることに用いられる。
【００２６】
図２は上記実施の形態の詳細な発電機制御システム構成説明図で、図２において、最適ロータ速度演算部１１と風力演算部１７には、風速Ｖw値が入力される。
【００２７】
最適ロータ速度演算部１１は、入力された風速値を元に風車回転角速度指令値ω*gを得る。この風車回転角速度指令値は、増速比Ｒnを介して発電機機械角速度指令値ω*mとなって第１偏差部１８に入力される。
【００２８】
この第１偏差部１８には、発電機機械角速度ωmが入力され、ω*m＝ωmとなるまで、速度制御部１２に偏差値が入力されて、その出力にｑ軸電流指令値ｉ*qを得る。
【００２９】
前記風力演算部１７で風速値から得られた風車出力Ｐwは、最適ｄ軸電流演算部1３に入力される。最適ｄ軸電流演算部１３には、発電機機械角速度ωmが入力されて、Ｐwとωmによりｄ軸電流が最適化され、その出力にｄ軸電流指令値ｉ*dを得る。
【００３０】
ｑ軸電流指令値ｉ*qとｄ軸電流指令値ｉ*dは、それぞれ第２、第３偏差部１９，２０のプラス端に入力され、マイナス端に入力される入出力部２１からのｑ軸電流ｉqとｄ軸電流ｉdとの偏差が、電流制御部１４で制御される。
【００３１】
電流制御部１４には、発電機機械角速度ωmも供給され、偏差値とともに制御されて、ｄ軸、ｑ軸電圧指令値ｖ*d，ｖ*qが入出力部２１に供給される。
【００３２】
入出力部２１には、永久磁石同期発電機２２の発電電流ｉa，ｉbが供給されるとともに、発電機２２に連結されたロータリエンコーダ２３から得られる角度検出値θmが供給される。なお、入出力部２１は、上記ｉa，ｉbをｉq，ｉdに変換するとともに、ｖ*d，ｖ*qを三相電圧指令値Ｖ*a，Ｖ*b，Ｖ*c（以下Ｖ*abcと略称する）に変換する。
【００３３】
角度検出値θmは、微分部２４で微分され、出力に発電機機械角速度ωmを得る。この角速度は、増速比Ｒnの逆数部２５を介して風力演算部１７に供給される。なお、２６は発電機２２の発電出力を直流に変換するＰＷＭコンバータ部で、このコンバータ部２６には、入出力部２１から三相電圧指令値Ｖ*abcが与えられて、この電圧指令値により出力に最大電力が得られるように制御される。
【００３４】
上記のように構成されたシステム構成説明図において、回転速度の最適化は、以下のように行なわれる。
【００３５】
前記(１）から（４）式より風車出力Ｐwは、与えられた風速に対して風車回転速度ωgの３次関数となる。ここで、ｄＰw／ｄωg＝０より、この関数の極値となるωoptgを求めると次式となる。
【００３６】
【数１】
0004082054.tif 000005
【００３７】
ωoptgは、風車出力が最大となる回転速度であり、これを発電機２２の回転速度指令値ω*gとする。次にｄ軸電流の最適化について述べる。
【００３８】
永久磁石同期発電機２２のｄ軸電流は、ｉd＝０制御が一般的に用いられている。従って、ｄ軸電流を最適化することで発電機出力が増加し、システム全体の効率をさらに向上させることができるようになる。
【００３９】
これは、（ｉd，ｉq）の非線形関数の最適化問題となる。今回は、最適な（ｉd，ｉq）を決定するためにパウエル法（新版 数値計算ハンドブック：オーム社１９９０）を用いる。前述した入出力関係より、パウエル法の評価関数ｆ(x)、と制約条件ｃ1(x)は、次式となる。
【００４０】
0004082054.tif 000006
次に風力発電制御システム構成説明図に基づいて一定風速で静特性シミュレーションを行なった結果を示す。風速Ｖw＝８m／s一定での風車回転角速度ωg、ｄ軸電流ｉdの最適結果を示すと、ωoptg＝85.0rad／s，ｉoptd＝−4.20Aであった。
【００４１】
図６にωoptgとｉoptd制御によって運転した場合の出力をａ点、ｂ点で示す。図６よりａ点での動作点が風速Ｖw＝８m／sでの最大出力点であることが確認できる。
【００４２】
また、ｉoptdを用いることにより、ｉd＝０制御よりも発電機出力が約３０Ｗ増加していることが確認できる。
【００４３】
図３は各風速Ｖwに対する最適ｄ軸電流ｉoptd制御時とｉd＝０制御時での発電機出力特性を示した特性図である。なお、各風速において最適ｄ軸電流ｉoptdでの動作点が最大発電出力点であることをシミュレーションにより確認した。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、与えられた風力エネルギーから最大の電力を得るための最適回転速度およびｄ軸電流を最適となるように決定し制御するようにしたことにより、与えられた風力エネルギーから最大の発電電力を得ることができる。これにより、与えられた風速において、ｉd＝０制御よりも発電機出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す概略的なブロック構成図。
【図２】実施の形態の詳細な発電機制御システム構成説明図。
【図３】各風速Ｖwに対する発電機出力Ｐout特性を示した特性図。
【図４】風力発電システムの概略構成図。
【図５】（ａ），（ｂ）は固定損失を考慮した永久磁石同期電動機のｄ−ｑ軸等価回路図。
【図６】発電機出力特性図。
【符号の説明】
１１…最適ロータ速度演算部
１２…速度制御部
１３…最適ｄ軸電流演算部
１４…電流制御部
１５…入力部
１６…出力部
１７…風力演算部
１８、１９、２０…第１〜第３偏差部
２１…入出力部
２２…永久磁石同期発電機
２３…ロータリエンコーダ
２４…微分部
２５…逆数部
２６…ＰＷＭコンバータ部
【図１】
0004082054.tif 000007
【図２】
0004082054.tif 000008
【図３】
0004082054.tif 000009
【図４】
0004082054.tif 000010
【図５】
0004082054.tif 000011
【図６】
0004082054.tif 000012