(57)【要約】  風力タービン動力取出を調節する方法及び系統。この調節系統は：風力タービン、 同期発電機、センサ、同期発電機の出力部での相電流及び電圧の計測、能動整流器、能動整流器及び電流センサ、電圧センサ及び蓄電器による周波数逓降変換器間のＤＣリンク、周波数逓降変換器、マイクロプロセッサ制御器、バラスト負荷、それ自体の 電源ユニット、及び制動系統、を備える。風力タービン動力取出系統は動力計測及び制御デバイスを含むが、この動力計測及び制御デバイスの主要目的は、実際に発生したエネルギー及び今回及び前回の時間間隔に対する回転速度の値変化を推定しかつ回転速度最適値を設定する、最適回転速度検索アルゴリズムに従って風力タービンの回転速度を制御することである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
今回及び前回の時間間隔に対して実際に発生したエネルギー及び回転速度の値変化を推定しかつ；動力の公称値に対応する定格風速を超える風速で回転速度最適値を設定する最適回転速度検索アルゴリズムに従って風力タービンの回転速度の制御に基づいて、風力タービン動力取出の調節方法であって、
同期発電機の主軸の電磁トルクの安定化を確実にし、
同時に作用風速全範囲中の回転速度の制御を動力取出系統により実行し、
前記動力取出系統は、
前記風力タービンに接続した単一主軸上に装着された永久磁石を有する、同期発電機；
電気機械の出力部に直接接続されたそれ自体の電子デバイス用の、電源ユニット；
入力部に接続された相電流センサＣＳＡ、ＣＳＢ、ＣＳＣ、相電圧センサＶＳＡ、ＶＳＢ、及び出力部に３つ全部とも接続された電圧センサＶＳ、蓄電器ＣＯ、電流センサＣＳ１を有する一方、マイクロプロセッサプログラム可能制御器により実施されるベクトル制御により作成される、能動整流器、
前記同期発電機の固定子の巻線部中に所与の振幅のＥＭＦ電流を有する正弦同相を形成しかつ前記能動整流器の前記出力部で電流を、消費者特定出力電圧よりも高い電圧を有するＤＣリンク蓄電器の充電電流に変換することにより電磁トルクを特定する可能性を提供し、所定の電圧値範囲中の電圧の安定化を消費者による全動力取出の前記マイクロプロセッサ制御器の制御下で周波数逓降変換器により提供し、かつ消費者による動力取出が全部でない場合、電圧の安定化を前記マイクロプロセッサ制御器により制御される周波数逓降変換器及びバラスト負荷の共同動作により提供すること；
前記マイクロプロセッサ制御器により制御される前記周波数逓降変換器は、出力電圧を所望の消費者レベルへ低減しかつ短絡保護用の最大電流値を制限することに加えて、前記能動整流器及び周波数逓降変換器の間のＤＣリンクを所定電圧値範囲内に維持すること；
マイクロプロセッサ制御器の制御下で余剰電気を除去するための、バラスト負荷；
前記同期発電機の前記巻線部に繋がれた制動系統であって、前記マイクロプロセッサ制御器の制御下で前記同期発電機の段階式制動または前記風力タービンの緊急停止を生じる、制動系統、
から成り、
電圧センサＶＳＡ及びＶＳＢに従って無負荷速度でベクトル制御が作動されかつ前記同期発電機が回転すると、電圧値ＵＡ及びＵＢが決定されてそれらが回転子回転角度計算ブロックに送信され、その回転子回転角度値が積分器に送信されて回転子回転角度の初期値として設定され、当該初期値に基づいて変換がブロック中で実行されて回転子回転角度の初期値とは異なる回転子回転角度の実際値を生成することにより、零以外の値が得られるＰＩ制御器の出力部で電流ｄ成分に関して不一致が存在することになり、この不一致が積分器に供給されて回転子回転角度の値を変化させることにより、ＥＭＦベクトルの位置を決定しかつ電流ｄ成分に対する補償を導入する、実際の回転子回転角度の動的決定を実施する、調節方法。
【請求項２】
前記系統はパルス幅変調式切替えによるバラスト負荷を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン動力取出の調節方法。
【請求項３】
前記同期発電機(４）は軸方向磁化による永久磁石を有する円板構造体であり、回転子は固定子の両側に配置されかつ堅固に相互接続された２つの同軸円盤から成ることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン動力取出の調節方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電の分野に関し、風力タービンをより効率的に稼働させるよう創出及び修正するために使用し得る。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、独立型風力発電系統を介して伝達される電力のレベルを制御するための方法及び装置を提示している。この方法の要衝は、風速センサ及び風力変換系統を使用した、回転速度及び風速の最適比率に対する出力計算にある。この方法の不都合さは、十分に精確でないかまたは高コストであって起こり得る機能障害の更なる発生源ともなり得るかのいずれかである、風速センサを適用する必要があることである。
【０００３】
特許文献２は、風力タービン構造体の制御及びその実施のための方法を提示している。この方法は、風力タービン効率を増大させるために、計測した発電力に対する発電機速度を規定する時間割に従ったトルク制御に基づいている。そのため、最適速度が実際の速度を下回る場合には電力に対応する速度が実際の速度を下回ることになるため、基準電流（トルク）を回転速度低下方向に発生させている。実際速度よりも大きい最適速度では電力はより高い回転速度に対応することになるため、風力タービンを加速させている。この方法の不都合さは、風力タービンの実際の性能とは異なる先験的既定義によるグラフを使用する必要があることである。
【０００４】
本請求項に記載の技術的解決法に最も近似するのは特許文献３による技術である。この技術は、電流タスクを発生させることにより所定範囲内に回転速度を制御する能力を有する能動整流器の使用を提供する風力タービン構造体について記載している。これにより、風力タービンの速度に対応するある特定の風速で風力タービンの回転速度を安定化させることにより、効率的稼働を確実にすることを可能にしている。この試作での不都合さは、広範な風速範囲中での風力タービンの低稼働効率にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４５２５６３３号明細書
【特許文献２】米国特許第４６９５７３６号明細書
【特許文献３】米国特許第８２４２６２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、年平均風速（３〜６ｍ／ｓ）の低値を含む広範な風速範囲中の風力タービンの動作効率を増大させることである。
【０００７】
請求項に記載の発明の技術的成果は、風力タービンの全動作速度範囲で風力変換係数を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項に記載の発明の技術的成果は、風力タービンからの動力取出を制御する方法が、全作用風速範囲中の風力タービンの速度制御を含めて、最適速度を見出すためのアルゴリズムであって、回転速度の変化に伴って所与の時間間隔で生成されるエネルギーの変化を推定しかつ入手値に基づいて新たな値の回転速度を設定すると共に、定格風速より高い風速で、同期発電機主軸上の電磁トルク安定化を確実にする、アルゴリズムに従って実行される一方、全作用風速範囲中の速度制御が、風力タービンの動力取出（ＰＴＯ）系統であって、風力タービンに接続した1本の主軸に装着された永久磁石を有する同期発電機；電気機械の出力部に直接接続された電子デバイス用の独自の電源ユニット；マイクロプロセッサプログラム可能制御器による無センサベクトル制御による能動整流器であって、発電機の固定子巻線部中に所与の振幅のＥＭＦ電流を有する正弦同相を形成することにより電磁トルクを特定しかつ能動整流器の出力部でそれらの電磁トルクを消費者特定の出力電圧よりも高い電圧を有するＤＣリンク蓄電器に対する充電電流に変換する可能性を提供し、所定の電圧値範囲中の電圧安定化が消費者による全電力取出時にマイクロプロセッサ制御器の制御下で周波数逓降変換器により提供され、消費者による電力取出が全部でない場合、安定化はマイクロプロセッサ制御器の制御下で周波数逓降変換器及びバラスト負荷の共同動作により確実にされる、能動整流器；出力電圧を消費者により要求されるレベルに低減させかつ最大電流を制限して短絡から保護することに加えて、能動整流器及び周波数逓降変換器間のＤＣリンク中の電圧を所与の値範囲に維持する周波数逓降変換器のマイクロプロセッサ制御器の制御下で動作する；マイクロプロセッサ制御器の制御下で余剰電気を除去するためのバラスト負荷；マイクロプロセッサ制御器の制御下で同期発電機の段階式制動または風力タービン緊急停止を生じる、同期発電機の巻線部に繋がれた制動系統、から成る動力取出（ＰＴＯ）系統により遂行される、ことにより達成される。
【０００９】
風力タービンの動取出を調節する請求項に記載の方法の実施の特定の場合、ＰＷＭ切替えによるバラスト負荷が提供される。これにより、ＤＣ動作及び消費者への動力伝達を中断せずに、Ｂにより除去される電力の円滑な調節及び蓄電器電圧の許容レベルへの低減が可能になる。
【００１０】
風力タービンの動力取出を制御するための請求項に記載の方法を実施する特別な場合、同期発電機(４）は、固定子の両側に配置されたかつ互いに堅固に接続された２つの同軸円板を有する回転子から成る軸方向磁化による永久磁石を有する円板構造体を有する。ドーナッツ形固定子の体積により電機子及び磁束経路の反応が低減されることにより、同期発電機の動作効率の増大に加えて特定損失が低減され、風力タービンとの合体を簡素化する一方、固定子の無スロット型環状磁気コアの使用により、同期発電機静的抵抗トルクの低減及び風力タービン巻線部のトルクの低減が可能になる。
【００１１】
永久磁石上の同期発電機、マイクロプロセッサ制御器を有する能動整流器、電源ユニット、制動系統、バラスト負荷、及び周波数逓降変換器から成る調節可能な風力タービン動力取出系統の使用。この構造体に対して、制御方法が実施され、それにより全動作速度範囲に亘って風力変換係数の増大を確実にしかつ公称電力値に対応する設計値よりも高い風速の発電機主軸の電磁トルクを安定化させる。この制御方法は、所与の時間間隔で発生したエネルギーの変化を推定しかつ新たな回転速度値を設定する、最適速度検索アルゴリズムに従った風力タービン速度制御に基づく。
【００１２】
本発明の詳細、特徴及び利点は、図面を用いた風力タービンの動力取出を制御するための請求項に記載の方法に関する以下の実施形態の説明からもたらされる：
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は風力タービンの全体構成を示す。
【図２】図２は風力タービンの動力取出系統の構成を示す。
【図３】図３は風力タービンの最適回転速度検索アルゴリズムを示す。
【図４】図４は回転速度調整器の機能線図を示す。
【図５】図５は能動整流器制御の機能線図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、ＰＴＯ制御系統（２）に装着されて消費者(３）に伝送する電力を発生させる風力タービン（１）を備えた風力タービン全体構成を示す。
【００１５】
風力タービン（１）は、その特性及び風流特性に従って主軸にトルクＴＲを発生させる。風力タービン動力取出系統（２）は、主軸に電磁トルクＴＥを発生させ、風力タービン（１）の機械エネルギーを消費者(３）電圧ＵＣ及び設定電流ＩＣに必要な電気エネルギーに変換する。消費者(３）としては、特定電圧のバッテリまたはネットワークインバータを考え得る。
【００１６】
図２は、ＷＴとの同一主軸に装着した同期発電機(ＳＥＧ）（４）から成る風力タービン（ＷＴ）ＰＴＯ系統の構成を示し、ＳＥＧ出力部に接続した電源ユニット（ＰＳ）（５）を有している。マイクロプロセッサ制御器(ＭＰＣ）（６）は、ＳＥＧ巻線部に接続した制動系統（ＢＳ）（７）の動作；相電流センサＣＳＡ、ＣＳＢ、ＣＳＣを入力部に接続しかつ電圧センサＶＳを出力部に接続した能動整流器(ＡＲ）（８）、蓄電器ＣＯ及び電流センサＣＳ１の動作；及びバラスト負荷（Ｂ）（９）及び電流センサＣＳ２を出力部に有する周波数逓降変換器(ＤＣ）（１０）の動作、を制御する。
【００１７】
ＷＴのＰＴＯ系統は、動力、計測及び制御用デバイスを含むが、これらのデバイスの主目的は、エネルギーの出力変化を推定しかつ新たな基準速度値を生成する、最適回転速度検索アルゴリズムに従ってタービン速度を制御することにある。
【００１８】
広範囲の風速に対する風力換算係数増大の課題に対する解決法は、可能性：
‐開発したアルゴリズムに従ってマイクロプロセッサ型プログラム可能制御器からベクトル制御を用いた能動整流器により形成される固定子巻線部中の相電流ｉＡ、ｉＢ、ｉＣにより決定される同期発電機の線形電流値に比例した、電磁トルクＴＥの同期発電機主軸に対する設定；
‐同期発電機の巻線部の電流ｉＡ、ｉＢ、ｉＣに対する、追加の高調波成分を用いないＥＭＦ発電機と同位相の正弦形態の電流の設定による、動作回転周波数全範囲中の効率増大；及び
‐周波数逓降変換器と連携動作する能動整流器の昇圧コンバータ機能の実施による、ＵＣよりも大きい電圧値Ｕｉｎ及び所要値ＵＣ並びにIСの提供、
により提供される。これにより、高効率値を用いた同期発電機の使用が可能になる。
【００１９】
マイクロプロセッサ型プログラム可能制御器は、同期発電機回転子の回転角度値αに従ってＰＷＭ１パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を形成することにより、能動整流器のベクトル制御を実現させる。回転子角度値αは、図５に示す回転子回転角度計算ブロック（３０）により決定される。
【００２０】
無センサベクトル制御の使用は、回転子位置センサ及びＭＰＣを用いた通信回線の省略を可能にする。これによりＷＴ構築が容易になる。
【００２１】
電流ループの帰還は、電流センサＣＳＡ、ＣＳＢ、ＣＳＣの使用により構築される。
【００２２】
同期発電機出力部に直接接続した電源ユニットは、電子デバイスに低電圧電力を提供する。
【００２３】
制動系統は、ＷＴのＰＴＯ系統デバイスのうちの１つが故障した場合、電圧の閾値Ｕｉｎの超過または風力タービン緊急停止時に、マイクロプロセッサプログラム可能制御器の指令により同期発電機に対する段階式停止を生じさせる。
【００２４】
周波数逓降変換器は、マイクロプロセッサ型プログラム可能制御器の信号ＰＷＭ３及びＰＷＭ２により、能動整流器及び周波数逓降変換器間の蓄電器ＣＯに対するＤＣリンク電圧を、電流センサＣＳ１読取値に従った電流Ｉｉｎの調整及び電流センサＣＳ２読取値に従った電流ＩＣの調整によって、電圧センサＶＳ読取値に従った所定範囲の電圧値Ｕｉｎに維持する。周波数逓降変換器は、このＤＣリンク電圧を所望のレベルＵＣに低減させることにより電流IСの最大値の制限を可能にする。これにより短絡に対する保護が確実になる。
【００２５】
Ｂは同期発電機の少なくとも公称電力の容量を有しており、所定値Ｕｉｎを超過した場合にプログラム可能マイクロプロセッサ制御器の制御により、余剰電力を転向させる。
【００２６】
請求項に記載の風力タービンの動力取出方法は、風力タービンの全動作速度範囲中の風力変換係数増大を提供することにより、発電機主軸の電磁トルクを公称電力値に対応する定格速度よりも高い風速に安定化させる。この制御方法は、所与の時間間隔で発生させたエネルギーの変化を推定しかつ新たな速度値を設定する、最適速度検索アルゴリズムに従った風力タービンの速度制御に基づいている。
【００２７】
風力タービン動力取出系統では、３つの主要動作モードが実施される：
１．最小運転からＳＥＧが定格電力を発生させる、定格運転までの風速範囲の動作モード
【００２８】
最小運転からＭＰＣによるＡＲへの公称ＰＷＭ信号ＰＷＭ１までの速度範囲では、ＳＥＧ巻線部の切替えが遂行される。この場合、所与の振幅のＥＭＦ電流を有する正弦同相を発電機位相ｉＡ、ｉＢ、ｉＣ中に形成することにより、開発アルゴリズムに従ってＳＥＧ巻線部中の損失の最小化及びＳＥＧ主軸の最適回転速度の形成が確実になる。この同相かつ正弦状である電流は、ＤＰＲ読取値に従ってベクトル制御により提供される。能動整流器は、ＳＥＧのＥＭＦ及び固定子巻線部中の可変相電流ｉＡ、ｉＢ、ｉＣを、蓄電器ＣＯへのＵｉｎ電圧を有する定出力電流Ｉｉｎに変換する。
【００２９】
全動力取出電圧安定化ユーザＵｉｎでは、所定電圧値範囲にある蓄電器ＣＯは、示度ＣＳ２変調ＰＷＭ信号ＰＷＭ３ＭＰＣに基づく電流制御Iによって直流を提供される。
【００３０】
消費者によるＰＴＯが全部ではない（ＩＣが消費者により制限される）ときには、蓄電器ＣＯ電圧Ｕｉｎの所与の値範囲中への安定化は、ＤＣ及びＢの共同動作により確実にされる。電流制御IСの読出しは、ＭＰＣがＢに接続するＣＳ２変調ＰＷＭ信号ＰＷＭ３及びＰＷＭ２により実行される。
２.定格風速値を超過する風速値範囲の動作モード
【００３１】
風速値が風力タービン風速の定格風速値を超過する場合、ＨＰは同期発電機の電磁トルクＴＥ公称値を超えるトルクを主軸ＴＲに生成する。ＳＥＧの回転速度は公称速度より高くなり、ＡＲはダイオード橋絡モードで作動し始める。この場合、ＡＲ出力部から供給される電力の量は定格値を超過し、直流によっては蓄電器Ｃ０に対する電圧Ｕｉｎを安定化させ得ない。蓄電器閾値電圧Ｕｉｎに到達すると、ＭＰＣはＰＷＭ信号ＰＷＭ２を発生させる。このＰＷＭ信号ＰＷＭ２はバラスト負荷に接続し、かつＣＳ１多重ユニットの示度に従ってＡＲ出力部に、電磁トルクＴＥを生成する公称値ではなく電流Iпを発生させる。発生トルクＴＥがＳＥＧ及びＷＴの主軸に作用するＴＲを超過する場合には、速度が低減されて風力タービンは動作モード１に入る。
【００３２】
発生トルクＴＥがＳＥＧ制動に不十分であれば、ＳＥＧ回転速度は増大し、ＳＥＧのＥＭＦは増大し、ＭＰＣはＶＳ示度に従って信号ｓ１をＢＳに伝送し、その後ＢＳはＳＥＧ及びＷＴの段階式制動を遂行する。ＢＳ動作の間中、ＡＲ電流の形成及び蓄電器ＣＯ充電が行われ、ＤＣは動力を発生させ続けて設定値を下回るＶＳ電圧Ｕｉの減少に至る。ＢＳ起動後、同期発電機巻線部は電圧が設定値以下に降下するまで短絡状態に維持される。その後、風力タービンはバラスト負荷を用いる動作モード２に移行する。
３．ＷＴのＰＴＯ系統に関するデバイスのうちの１つが故障した際の風力タービンの緊急動作。この場合、ＢＳにより風力タービンが停止される。
【００３３】
図３は、風力タービンの最適回転速度を検索するアルゴリズムを示す。このアルゴリズムは、所与の時間間隔に対する発生エネルギー平均値に基づいた最適回転速度の検索に基づいている。ブロック（１１）では、初期パラメータ：総「エネルギー」Ｅｎ−１、今回の反復サイクルで得られた総「エネルギー」Ｅｎ、前回の反復サイクルでの特定回転速度Ｗｎ−１、今回の反復サイクルでの特定回転速度Ｗｒｅｑ、及び今回の反復サイクルｋ、を特定する。ブロック（１２）では、今回のサイクル反復を所与の制限値ｋｌｉｍと比較する。ブロック（１３）では、サイクルに対する時的遅延を特定する。ブロック（１４）では、電圧Ｕｑ及び電流Ｉｑに対するｑ成分値を付与する。ブロック（１５）では、今回の反復ループで値Ｅｎを総「エネルギー」値に加算する。この場合の「エネルギー」概念は、瞬間動力値が１つの位相の電流及び電圧の振幅値に対して合計されかつその総計値が発電機の実際の発生エネルギーに等しくないが当該発生エネルギーに同一係数で常時比例することから、保存に対しても当てはまる。したがって、この「エネルギー」入手値は相互に正確に比較されてアルゴリズムに使用され得る。ブロック（１６）では、通過計数器が増加されてその制限値に到達すると、ブロック（１７）が実行されて、「エネルギー」変化及び過去ならびに今回反復の間の回転速度の積を零と比較する。零よりも大きい値は、速度が増大しかつ「エネルギー」の値が増大したかまたは速度が低下しかつ「エネルギー」の値も低下したことを意味する。この理由から、ブロック（１８）により遂行する速度増大が必要となる。零未満の値は回転速度が低下しかつエネルギー値が増大したかまたは回転速度が増大しかつエネルギー値が低下したことを意味するため、ブロック（１９）により遂行される風力タービンの速度低減が必要となる。
【００３４】
図４は速度制御器の機能線図を示す。ベクトル制御方式が実施される。加算器（２０）により設定速度値Ｗｒｅｑ及び実際の速度値Ｗｒｏｔの差違を算出し、その差違値はＰＩ調整器（２１）に送信される。ブロック（２２）では、電動機モードへのその伝達を回避させかつ許容電流値を超過させないために、電気機械の零から公称値までの範囲中への電流Ｉｑ_ｒｅｑの設定制限を提供する。
【００３５】
図５は能動整流器の制御に関する機能線図を示す。固定子巻線部中の位相電流計測値は、パーク／クラーク変換を実施するブロック（２３）に送信される。ｄ−ｑ成分の結果値がブロック（２４）及び（２５）に到達し、ここで実際の速度値から所与の値が減算されかつＰＩＤ調整器（２６）、（２７）により変換される。ブロック（２８）では、各位相に対する基準値が復元され、ブロック（２９）で制御パルスがこれらの値に基づいて能動整流器に送信される。
【００３６】
ベクトル制御が作動（発電機が無負荷速度で回転する）に切替わる瞬間に、電圧ＵＡ及びＵＢの値が電圧センサＶＳＡ及びＶＳＢによって特定され、回転子回転角度計算ブロック（３０）に供給される。回転子回転角度の値が積分器(３１）送信されて回転子回転角度の初期値として設定され、ブロック（２３）及び（２８）でこの初期値に基づいて変換が実行される。回転子回転角度の実際値が回転子回転角度の初期値と異なるときは、電流ｄ成分に対する不一致が生じて非零値がＰＩ制御器(３２）の出力部に生じる。この非零値は、積分器(３１）に入力されて回転子回転角度値を変化させ、実際の回転子回転角度の動的決定を実現させる。修正係数Ｋ１（３３）の導入により電流ｄ成分の補償が可能になりかつＥＭＦベクトルの位置の特定が可能になる。図面中の番号は以下の通りである。
【符号の説明】
【００３７】
１  風力タービン
２  動力取出系統
３  発生電力の消費者
４  同期発電機
５  電源ユニット
６  マイクロプロセッサ制御器
７  制動系統
８  能動整流器
９  バラスト負荷
１０  周波数逓降変換器
１１〜１９  風力タービン動力取出制御系統の動作用アルゴリズムのブロックを示す
２０〜２２  速度制御器の機能回路のブロック
２３〜３３  能動整流器の機能制御回路のブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2020502989.tif 000008
2020502989.tif 000009