JP2017135937A

JP2017135937A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2017135937A
Application number: JP2016015741A
Authority: JP
Inventors: 荒木　貴志; Takashi Araki; 貴志荒木; 平野　恭男; Takao Hirano; 恭男平野
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03

Abstract

【課題】位置センサレス方式を採用した構成においても、永久磁石発電機を始動させることができる風力発電装置を提供する。【解決手段】実施形態の風力発電装置は、風車によって駆動される永久磁石発電機と、この永久磁石発電機に接続されるコンバータと、このコンバータにより直流化された電圧を、商用交流周波数の電圧に変換するインバータと、前記永久磁石発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、風速計と、前記永久磁石発電機の固定子巻線に駆動信号を出力する駆動回路を有し、前記電流検出部により検出される電流に基づいて、前記永久磁石発電機の回転子位置及び回転数が推定可能に構成され、前記風速計により得られる風速が閾値を超えた時点から一定時間が経過すると、前記駆動回路を介して高周波駆動信号の出力を開始させ、その後に前記回転子位置を推定し、推定した回転位置に基づく駆動信号の出力を所定期間だけ行う補助駆動装置とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、風車によって駆動される永久磁石発電機を備える風力発電装置に関する。

永久磁石発電機においては、固定子と回転子との間に磁石の吸引力が作用する。そのため、永久磁石発電機を風力発電装置に用いた場合には、上記の吸引力を超える回転トルクを発生させる風力を受けないと発電機は始動しない。そこで、一定速度以上の微風が発生すると発電機に駆動力を与えて、強制的に始動させることが行われている。

特許第４２４９１３４号公報

多極の磁石埋め込み型の発電機，所謂ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型の発電機は回転子の磁極位置が分からないと駆動できないことから、エンコーダやレゾルバ等の位置センサが必要になる。

そこで、位置センサレス方式を採用した構成においても、永久磁石発電機を始動させることができる風力発電装置を提供する。

実施形態の風力発電装置は、風車によって駆動される永久磁石発電機と、この永久磁石発電機に接続されるコンバータと、このコンバータにより直流化された電圧を、商用交流周波数の電圧に変換するインバータと、前記永久磁石発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、風速計と、前記永久磁石発電機の固定子巻線に駆動信号を出力する駆動回路を有し、前記電流検出部により検出される電流に基づいて、前記永久磁石発電機の回転子位置及び回転数が推定可能に構成され、前記風速計により得られる風速が閾値を超えた時点から一定時間が経過すると、前記駆動回路を介して高周波駆動信号の出力を開始させ、その後に前記回転子位置を推定し、推定した回転位置に基づく駆動信号の出力を所定期間だけ行う補助駆動装置とを備える。

風力発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図電圧指令駆動回路の内部構成を示す機能ブロック図発電モードにおける処理内容を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、風力発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。永久磁石発電機１の回転軸２には複数枚の羽根を備える風車３が取り付けられている。風車３は、風力を回転エネルギーに変換して、回転軸２を回転させる。これにより、永久磁石発電機１の回転子が回転して発電が行われる。各羽の幅や長さは任意であるが、幅が広く長さが長い方がエネルギー変換効率は高くなる。

永久磁石発電機１は、図示しないが回転子に永久磁石が配置されている。永久磁石には、発電効率がより高くなるような希土類磁石を用いるのが望ましい。発電機１の同じく図示しない各相固定子巻線は、コンバータ４の各相入力端子に接続されている。コンバータ４は、発電機１が発電した交流電力を直流電力に変換してインバータ５及び平滑コンデンサ６に出力する。インバータ５は、コンバータ４より入力された直流電力を例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用交流電源周波数を有する交流電力に変換し、商用交流電源系統や負荷などに供給する。平滑コンデンサ６は、コンバータ４より入力された直流電力を電荷として保持しながら、電圧指令駆動回路７及びタイマ８に供給する。電圧指令駆動回路７は補助駆動装置に相当する。尚、平滑コンデンサ６に替えて蓄電池を用いても良い。

風速計９は、計測した風速を風速・回転数判定部１０に入力する。風速・回転数判定部１０は、入力された風速が所定の閾値を超えるとタイマ８に起動信号を出力する。タイマ８は、起動信号が入力された時点から一定時間を計時すると、電圧指令駆動回路７及びスイッチ１１に起動信号を出力する。スイッチ１１は常開型で、発電機１の各相固定子巻線と電圧指令駆動回路７の各相出力端子との間に配置されており、前記起動信号が与えられると各接点を閉じるようになっている。

発電機１のｕ相，ｗ相巻線には、それぞれ電流センサ１２ｕ，１２ｗが配置されており、これらの電流センサ１２ｕ，１２ｗにより検出されたｕ相，ｗ相電流は電圧指令駆動回路７に入力されている。電流センサ１２ｕ，１２ｗは電流検出部に相当する。電圧指令駆動回路７は、入力される相電流に基づいてベクトル制御演算を行うセンサレスベクトル制御回路として構成されており、前記起動信号が与えられると、スイッチ１１を介して発電機１の各相固定子巻線に高周波駆動信号を所定の期間に亘って出力する。また、電圧指令駆動回路７は、発電機１の推定速度ω_ｒｅｓｔを風速・回転数判定部１０に入力する。

図２は、電圧指令駆動回路７の内部構成を示す機能ブロック図である。図示しない外部の制御装置より与えられる速度指令ω_ｒｒｅｆは、減算器１３において後述する推定速度ω_ｒｅｓｔ’との差分がとられてＰＩ制御部１４に入力される。同様に、前記制御装置より与えられるｄ軸電流指令ｉ_{ｓｄｒｅｆ}は、減算器１５ｄにおいてｄ軸電流ｉ_ｓｄとの差分がとられてＰＩ制御部１６ｄに入力される。ＰＩ制御部１４より出力される信号は、ｑ軸電流指令ｉ_{ｓｑｒｅｆ}となり、減算器１５ｑにおいてｑ軸電流ｉ_ｓｑとの差分がとられてＰＩ制御部１６ｑに入力される。

ここで、速度指令ω_ｒｒｅｆは、例えば３０ｒｐｍ程度に設定される。また、ｄ軸電流指令ｉ_{ｓｄｒｅｆ}は、永久磁石発電機１がＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）タイプである場合は「０」に設定され、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）タイプである場合はｑ軸電流に比例するリラクタンストルクを付与するための値に設定される。

電圧指令ＦＦ演算部１７には、ｄ軸電流指令ｉ_{ｓｄｒｅｆ}，推定速度ω_ｒｅｓｔ及びｑ軸電流ｉ_ｓｑが入力されている。電圧指令ＦＦ演算部１７は、電圧指令に対しフィードフォワード制御を行うことで、過渡状態や負荷状態に応じて発生する軸ずれによりｄ軸，ｑ軸間で干渉する速度起電力を打ち消す非干渉制御を行うブロックである。ｄ軸，ｑ軸のＦＦ電圧指令ｖ_ｓｄＦＦ，ｖ_ｓｑＦＦは、以下の式により演算される。
ｖ_ｓｄＦＦ＝Ｒ_ｓ×ｉ_{ｓｄｒｅｆ}−Ｌ_ｑ×ω_ｒｅｓｔ×ｉ_ｓｑ
ｖ_ｓｑＦＦ＝Ｒ_ｓ×ｉ_ｓｑ＋Ｌ_ｄ×ω_ｒｅｓｔ×ｉ_{ｑｄｒｅｆ}
但し、Ｒ_ｓは発電機１の巻線抵抗，Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑは発電機１のｄ軸，ｑ軸インダクタンスである。

ＦＦ電圧指令ｖ_ｓｄＦＦ，ｖ_ｓｑＦＦは、それぞれ加算器１８ｄ，１８ｑにおいて、ＰＩ制御部１６ｄ，１６ｑの出力信号と加算される。加算器１８ｄの加算結果は、更に加算器１９において高周波電圧指令演算部２０より出力される高周波駆動信号ｖ_ｓｈが加算されてｄ軸電圧指令ｖ_{ｓｄｒｅｆ}となり、ｄｑ／ｕｖｗ変換部２１に入力される。一方、加算器１８ｑの加算結果はそのままｑ軸電圧指令ｖ_{ｓｑｒｅｆ}となり、ｄｑ／ｕｖｗ変換部２１に入力される。

ｄｑ／ｕｖｗ変換部２１には、推定された電動機１の回転子位置θ_ｅｓｔが入力されており、その推定位置θ_ｅｓｔを用いてｄ軸，ｑ軸電圧指令ｖ_{ｓｄｒｅｆ}，ｖ_{ｓｑｒｅｆ}を、三相電圧指令ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗに変換し、インバータ部２２に入力する。インバータ部２２の各相出力端子は、それぞれスイッチ１１の各端子に接続されている。インバータ部２２は駆動回路に相当する。

電流センサ１２ｕ，１２ｗにより検出されたｕ相，ｗ相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗは、ｕｖｗ／ｄｑ変換部２３に入力されている。ｕｖｗ／ｄｑ変換部２３には、前記の推定位置θ_ｅｓｔ及びタイマ８からの起動信号も入力されている。ｕｖｗ／ｄｑ変換部２３は、ｕ相，ｗ相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗから演算によりｖ相電流ｉ_ｖを求めると、推定位置θ_ｅｓｔを用いて三相電流をｄ軸電流ｉ_ｓｄ，ｑ軸電流ｉ_ｓｑに変換する。

評価関数演算部２４には、ｄ軸電流ｉ_ｓｄ，ｑ軸電流ｉ_ｓｑ及び高周波駆動信号ｖ_ｓｈが入力されている。評価関数演算部２４は、入力される各信号に基づいて発電機１の速度を推定するための演算を行い、その演算結果を、フィルタ２５を介して微分器２６及び積分器２７に入力する。微分器２６及び積分器２７の出力信号は、加算器２８により加算されて推定速度ω_ｒｅｓｔとなり、積分器２７の出力信号はフィルタ２９を介すことで前述の推定速度ω_ｒｅｓｔ’となる。また、積分器２７の出力信号は積分器３０を介すことで前述の推定位置θ_ｅｓｔとなる。

次に、本実施形態の作用について図３も参照して説明する。図３は、発電モードにおける処理内容を示すフローチャートである。先ず、風速・回転数判定部１０は、発電機１の回転数が一定、例えば３０ｒｐｍ以下か否かを判断し（Ｓ１）、一定以下であれば（ＹＥＳ）その時点の風速が閾値に相当する一定の値、例えば２ｍ／ｓ以上か否かを判断する（Ｓ２）。風速が一定以上であれば（ＹＥＳ）、タイマ８のカウンタ値が例えば１分相当値に達したか否かを判断する（Ｓ３）。前記相当値に達していなければ（ＮＯ）ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３において、タイマ８のカウンタ値が１分相当値に達すると（ＹＥＳ）、タイマ８が出力する起動信号によりスイッチ１１が閉じられて、電圧指令駆動回路７による電動機１の始動補助が開始される（Ｓ４）。具体的には、例えばＰＷＭキャリアの周波数４ｋＨｚの場合に、高周波電圧指令演算部２０より周波数５００Ｈｚの高周波駆動信号ｖ_ｓｈを出力し、インバータ部２２を介して発電機１の固定子巻線に印加する。

高周波駆動信号ｖ_ｓｈを出力して発電機１を駆動することで、ベクトル制御演算により磁極位置θ_ｅｓｔが得られる（Ｓ５）。高周波駆動信号ｖ_ｓｈの出力を継続することで、発電機１の回転数が一定未満である間は（Ｓ７；ＮＯ）始動補助機能による運転を継続する（Ｓ６）。そして、発電機１の回転数が一定以上になると（Ｓ７；ＹＥＳ）、始動補助機能を停止して（Ｓ８）発電モードに移行する。

以上のように本実施形態によれば、風車３により駆動される発電機１にコンバータ４を接続し、コンバータ４により直流化された電圧をインバータ５により商用交流周波数の電圧に変換する。電圧指令駆動回路７は、電流センサ１２ｕ，１２ｗにより検出されるｕ相，ｗ相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗに基づいてベクトル制御演算により発電機１の回転子位置θ_ｅｓｔ及び回転数ω_ｅｓｔを推定し、風速計９により得られる風速が閾値を超えた時点から一定時間が経過すると、インバータ部２２を介して高周波駆動信号ｖ_ｓｈの出力を開始する。その後に、推定した回転位置θ_ｅｓｔに基づく駆動信号の出力を所定期間だけ行うと、発電モードに移行するようにした。

これにより、位置センサレス駆動方式を採用した構成において、風車３が微風を受けているが、発電機１の固定子−回転子間に作用している磁力により発電機１が容易に始動できない状況下であっても、電圧指令駆動回路７の始動補助機能によって発電機１を確実に始動させることが可能になる。

（その他の実施形態）
回転数や風速，周波数等の具体数値については、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は永久磁石発電機、３は風車、４はコンバータ、５はインバータ、７は電圧指令駆動回路、８はタイマ、９は風速計、１０は風速・回転数判定部、１２は電流センサ、２２はインバータ部を示す。

Claims

風車によって駆動される永久磁石発電機と、
この永久磁石発電機に接続されるコンバータと、
このコンバータにより直流化された電圧を、商用交流周波数の電圧に変換するインバータと、
前記永久磁石発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
風速計と、
前記永久磁石発電機の固定子巻線に駆動信号を出力する駆動回路を有し、
前記電流検出部により検出される電流に基づいて、前記永久磁石発電機の回転子位置及び回転数が推定可能に構成され、
前記風速計により得られる風速が閾値を超えた時点から一定時間が経過すると、前記駆動回路を介して高周波駆動信号の出力を開始させ、
その後に前記回転子位置を推定し、推定した回転位置に基づく駆動信号の出力を所定期間だけ行う補助駆動装置とを備える風力発電装置。