JP2019149936A - 可変状況で作動するアセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】特に可変の速度、電力、又は力率を有する可変状況において作動する電気機械アセンブリを提供する。【解決手段】本発明は、特にダイナモ(11)を用いた電圧(Vf)を通じて又はリング及び集電体による直接発電のDC電流が供給される回転子コイル(15)を含み、かつ出力電圧(US)を送出する同期交流発電機(10)と、場合によってパルス幅変調整流子又はダイオードを含んで任意的にDC/DCコンバータが続く交流発電機の電圧(US)を整流するための整流子(21)を含むコンバータ(20)とを含み、回転子コイルの供給電圧(Vf)は、交流発電機の出力電圧(US)によって制御される。【選択図】図1
Description
本発明は、単相又は多相、例えば、3相のAC電流の生成に関連し、より具体的には、例えば、風力タービンによって得られた機械エネルギの電気エネルギへの変換に関連する。
従って、本発明は、特に、例えば、風力タービンによる回転において駆動される回転子を含む一般的にIMWよりも高いか又はそれに等しい高電力の交流発電機及びコンバータに関し、より具体的には巻線回転子同期交流発電機に関する。駆動は、潮流駆動発電機、水力発電機、又は海流駆動発電機を用いて行うことができる。
交流発電機は、一般的に固定子にある電機子巻線内にAC電圧を発生させるために分割リングとブラシ又は励磁機のいずれかによってDC電流が供給される一般的に回転子にある界磁巻線をそれ自体公知の方式で含む。
交流発電機として、単純性及び堅牢性という利点を示すかご形非同期機を使用することは公知である。しかし、ほぼ固定された速度でのその作動は、ブレードの向きの繰返し発生する修正に起因して、滑動範囲に対するノイズ源である場合があり、それによってシャフト上で機械トルクの変化がもたらされる場合がある。そのようなトルク変化は、引き込まれる電流が有意な変化を受ける場合があるので、電力網に対する外乱をもたらす場合がある。更に、高い風速では、理論電力の最大値を利用することができない。
パワーエレクトロニクスインタフェースによって電力網に連結したかご形非同期機が使用される場合には、可変速駆動によって可変速作動が可能である。整流子の存在により、DC電圧を送出することが可能になり、インバータは、単位力率で電力網の周波数に対応する固定周波数のAC電圧を送出することを可能にする。この場合、交流発電機の公称電力が、風力タービンによって供給することができる最大電力を決定する。しかし、使用されるコンバータは、交流発電機と電力網との間で交換される電力全体に対して定格化される。従って、これらのコンバータは、有意なコストを意味し、無視することができない失損を有し、送出されるエネルギの効率及び品質に対して有害な乱れをもたらす場合がある。発電機の公称電力全体に対して必然的に過度に定格化されたそのようなコンバータの使用は、例えば、最大で公称電力の3%の損失をもたらす場合がある。
使用される整流子は、パルス幅変調(PWM)の下で制御される整流子とすることができる。この場合、無効電力の伝達は制御可能である場合もあるが、有効電力の伝達は、ダイオードブリッジを含む単純な整流子が使用される場合と同じに留まる。
二重給電非同期機が使用される場合には、固定子は電力網に直接連結され、それに対して回転子と電力網の間にパワーエレクトロニクスインタフェースが挿入され、それによって滑動及び従って回転速度の30%程度の変動範囲が許容される。しかし、この二重給電非同期機は、かなり複雑な構造のものであり、従って、より高価であり、かご形非同期機よりも信頼性が低い機械である。この機械の固定子は、電力網に直接結線され、電力網の外乱中に大きい電流変化を同じく受ける場合がある。
特に永久磁石を含む同期機を使用することも公知である。特に、風力エネルギの変換では永久磁石交流発電機、それに続く整流子を含むことができるパワーエレクトロニクスインタフェース、及びそれ続くインバータの使用は公知である。回転速度変化の範囲は、一般的に公称回転速度の30%から120%である。しかし、そのような交流発電機は、特に永久磁石の存在に起因する有意なコストに加えて、欠陥の場合に、例えば、短絡又は速度超過の場合に、機械を励磁解除することができないという欠点を示している。
整流子及びそれに続くインバータを含むことができるパワーエレクトロニクスインタフェースを通じて電力網から引き込みを行う回転子における巻線によって励磁される同期機を使用することも公知である。変化の範囲は、磁石型の機械におけるものと同じ程度の大きさのものである。
特許出願EP 1 187 307 A2は、コンバータに給電する爪磁極回転子を含む電気機械を開示している。爪磁極回転子は、小さいサイズ及び低電力の電気機械という特徴を有する。
特許US 5 083 039 Aは、非同期のかご形機を開示しており、調整は、トルク又は電圧を制御するためにパラメータid及びiqに対して作用する。
特許US 6 239 996 B1は、自動車のバッテリを充電することに向けられた機械に関する。
特許US 6 437 996 B1は、エネルギを数キロメートルにわたって最小の損失しか伴わずに搬送するために無効電力を低下させるように定DC電圧に切り換えることを目的としている。
従って、小さい容積及び低い製造コストのみを有する風力エネルギ変換アセンブリを使用する必要性が存在する。
得られる効率を最適化することを可能にするアセンブリから恩典を得る必要性も存在する。
本発明は、上述の必要性の全て又は一部を満たすことを目的とする。
従って、本発明の態様のうちの1つにより、本発明の主題は、可変状況、特に可変の速度、電力、又は力率で作動する電気機械アセンブリであって、特に励磁機を用いた電圧Vfを通じて又は分割リング及び整流子による直接励磁のDC電流が供給される巻線回転子を有し、出力電圧USを送出する同期交流発電機と、場合によってパルス幅変調又はダイオードベースであり、任意的にDC/DCコンバータが続く交流発電機の出力電圧USを整流するための整流子を含むコンバータとを含み、巻線回転子に給電する供給電圧Vfは、交流発電機の出力電圧USに追従する。
アセンブリは、交流発電機の出力電圧USを事前設定値Us eff refに維持するために電圧Vfに対して作用するように構成された調整器を含むことができる。巻線回転子に給電する電源電圧Vfは、交流発電機の出力電圧USと基準電圧Us eff refの間の差を最小にするように決定することができる。
基準電圧Us eff refは、電気機械アセンブリの効率を修正し、特に、最大にするように選択することができる。
基準電圧Us eff refは、好ましくは、渦電流による損失及びヒステリシスによる損失から構成される鉄損、回転子におけるジュール効果を通じた損失、固定子におけるジュール効果を通じた損失、コンバータの伝導による損失、コンバータのスイッチングによる損失から構成される損失のうちの少なくとも1つを最小にするように計算される。
周波数の関数としての電圧USの推移は、一定のU/fを用いた調整の場合は直線である。周波数の関数としての出力電圧USの推移は、本発明では直線以外とすることができ、U/fは、取りわけ、最小回転速度(例えば、500回転毎分よりも大きい)から、交流発電機の電力が大幅に増大する傾向を有する公称速度(例えば、1500回転毎分よりも大きい)までの回転速度範囲にわたって一定ではない。この速度範囲(例えば、500〜1500回転毎分)にわたって、周波数の関数としての交流発電機の出力電圧の形状は、1つのセグメントから別のセグメントに回転速度と共に僅かに増大する勾配を有する直線セグメントの連続とすることができる。
周波数の関数としての出力電圧、従って、電圧設定値の推移を与える曲線は、電圧が一定に留まるプラトー部と連結される非常に目立つ捩れによって結合された2つの部分を示すことができる。U/fが最大値Uに至るまで一定である従来の調整も、Uが一定に留まるプラトー部を示すが、捩れは示さない。
本発明による調整では、USは、電圧が最大値になるある回転速度に至るまで、一定のU/fを用いた調整において一般的に遭遇する電圧よりも低いとすることができる。
本発明による電気機械アセンブリは、効率に関して、永久磁石を有する交流発電機と同じ利点をこれらの永久磁石の存在に関する欠点なしにもたらすことを可能にする。本発明によるアセンブリは、実際にアセンブリのコスト及び保守の容易さを改善することを可能にする。更に、本発明によるアセンブリは、永久磁石交流発電機とは対照的に、容易に励磁解除することができる。
本発明は、可変状況で作動する巻線回転子交流発電機及びその関連付けられたコンバータの効率を巻線回転子の端子間の電圧を修正することによって最適化することを可能にする。この場合、電圧は、回転子の励磁によって制御される。
本発明によるアセンブリは、製造することがそれ程高価ではない。更に、欠陥、例えば、電力網の欠陥の場合には、励磁電圧に対して作用することができ、これは、永久磁石交流発電機では可能ではない。従って、本発明によるアセンブリは、電力網の欠陥を矯正することを可能にすることができ、それによってある一定の調整要件を満たすことを可能にすることができる。
可変状況における作動は、風力タービンによって取り込まれるエネルギを最適化することを可能にする。好ましくは、最適な状況で作動することが系統的に追求され、すなわち、所定の作動状況、すなわち、所定の風速において最大電力が供給されることが望ましい。本発明による交流発電機は、電力網のものに適応させる必要がある可変周波数で電気エネルギを供給することを可能にし、これは、DCバスを用いて連結した整流子、並びにインバータを含む電力コンバータによってもたらされる。
過度に高い風速では、風力タービンの回転速度は、その一体性を保護するためにある最大値に制限される。
得られるコンバータ/機械アセンブリの全体的効率は、永久磁石同期機のもの又は定電圧で作動する巻線回転子同期機と比較して改善される。
基準電圧Us eff refは、アセンブリの作動状況に基づくことができる。基準電圧Us eff refは、速度、電力、力率、例えば、熱プローブを用いて把握することができる機械の熱状態のうちの少なくとも1つに基づくことができる。
「力率」という表現は、時変電流状況(正弦波又は他のもの)の下で給電される電気双極子において、この双極子によって消費される有効電力を電流の有効値と電圧の有効値との積(皮相電力)で割算したものに等しい電気受容体の特性を意味すると理解されなければならない。力率は、0と1の間に収まる。特に、電流及び電圧が時間の正弦関数である場合には、力率は、電流と電圧の間の位相シフトの余弦に等しい。従って、力率は、一般的に「cosφ」と呼ばれる。
所定の作動状況、すなわち、所定の速度及び所定の電力では、機械損失は固定される。
所定の作動状況では、電圧が過度に高い場合に、回転子における鉄損及びジュール効果を通じた損失は、過度に大きい励磁に起因して有意になる。それとは逆に、固定子におけるジュール効果を通じた損失は低いままに留まる。実際に所定の電力では、電圧が高い場合に電流は低い。それとは逆に、過度に低い電圧は、固定子におけるジュール効果を通じた有意な損失及び固定子における鉄損、並びに回転子におけるジュール効果を通じた低い損失をもたらす。コンバータの損失は、固定子電流、機械電圧、及び整流された電圧に関する。
2つの作動状況間には、アセンブリの損失を最小にし、かつ効率を最大にすることを可能にする最適な電圧が存在することは理解されなければならない。この最適電圧は、好ましくは、基準電圧として選択され、各用途に対して計算することができる。
最適電圧は、アセンブリの作動の前に計算するか又は実時間で計算することができる。最適電圧は、アセンブリの作動中に実時間で計算するか又は変形として用途の関数として事前計算することができる。例えば、用途及び/又は作動状況の関数、特に回転子の回転速度の関数としてのいくつかの事前記録値の中から基準電圧Us eff refの値を選択することができる。アセンブリは、例えば、各々が所定の作動状況に適するいくつかの基準電圧Us eff refの事前計算値の事前記録テーブルを含むことができる。自動方式で、1つの作動状況から別のものへのスイッチングは、基準電圧の変更を含む。
交流発電機が励磁機を含む場合には、励磁機内に必要な励磁を発生させることを可能にする電圧Vrは、交流発電機によって供給される有効出力電圧Us effに追従させることができる。
代替として、交流発電機の巻線回転子の励磁は、分割リング及び整流子による直接的なものとすることができる。分割リング及びブラシシステムによる回転子への給電の場合には、電圧Vfは、事前設定された基準電圧Us eff refに基づいて直接に制御される。
アセンブリは、整流子の電子スイッチを制御する調整器を含むことができる。整流子の制御は、位相、機械の力率、直流IDの強度、及び直交電流IQの強度に追従させることができ、これらの全ては、整流子の電子スイッチを制御するのに使用することができる。整流子の出力電流は、DCバスに給電することができる。整流子は、一定のバス電圧を維持するように制御することができる。アセンブリは、この目的で、整流子のスイッチを制御する調整器の電流基準をDCバスの端子間で測定される電圧Udc measured及び基準電圧Udc refの関数として追従させることを可能にする調整器を含むことができる。この電流基準は、直交電流及び/又は直流の強度の基準値とすることができる。
更に、本発明の主題は、上記に定めたもののようなアセンブリを含む発電機、特に風力タービンである。
風力タービンは、風力タービンのブレード、例えば、3枚ブレードによる回転で駆動されるアセンブリの機械シャフトの速度を増大させることを可能にする増倍器を含むことができる。
更に、本発明の主題は、特に、巻線回転子を有する同期交流発電機の回転子に交流発電機の出力電圧USに追従する電圧VfにおいてDC電流が供給される上記に定めたもののようなアセンブリを用いて、特に風力を発生源とする機械エネルギを電気エネルギに変換する方法である。特に、交流発電機の出力電圧USと事前設定された基準電圧Us eff ref間の差を最小にすることが追求される。
有利な態様においては、そのような方法では、交流発電機の出力電圧は、パルス幅変調型整流子を用いて整流することができる。
以下に続く本発明の例示的な実施形態の詳細説明を読解し、添付図面を精査することにより、本発明をより明快に理解することができるであろう。
図1に示すのは、風力によって回転駆動することに向けられたブレード2、例えば、3枚ブレードが固定されたナセルを含む本発明による風力タービン1である。ナセルは、図示していないマストの上部に固定される。増倍器5は、風力タービンの機械シャフト6の速度を増大させることを可能にする。
ナセルは、同期交流発電機10、並びに機械シャフトが受け取る風力エネルギを電気エネルギに変換して電力網9に給電するためのコンバータ20を含む。交流発電機は、この目的のために、出力電圧Us eff、例えば、従来的にU、V、及びWで表す3相の電圧を送出する。
説明する例では、交流発電機は、DC電流が供給される励磁機界磁巻線を固定子12に含み、それによって励磁機回転子13の励磁機電機子巻線内にAC電流を発生させ、その後にこのAC電流は、整流子ブリッジ14によって整流され、それによって交流発電機の巻線回転子15の主界磁巻線に整流された電流IFが供給され、交流発電機の固定子16にある主電機子内に電流が発生する。主電機子の各相は、1つ又はそれよりも多くの巻線を含むことができる。
図1及び図2に示す例示的な実施形態は、励磁回路が固定子12上に配置され、電圧調整器18を通じて電圧VrにおけるDC電流が供給され、それによって固定磁場が発生する逆変換交流発電機から構成される同期励磁機11を使用する。励磁機11の回転子13は、主誘起子に給電するように回転するダイオードブリッジ整流器14によって整流される電流を有する3相巻線のシステムを含む。励磁機は機械シャフト6上に装着され、主回転子15と同じ速度で駆動される。
図示の例示的な実施形態において、数MW程度とすることができる高電力交流発電機の電力に関して、シャフト6上で利用可能な機械力を用いて励磁電流を供給することが有利である。この場合、交流発電機の回転子と同じシャフト上に装着された励磁システムが使用される。変形として、他の方法も可能であろう。
多数の極対を含み、従って、大きい直径の低速高トルク同期交流発電機を使用することができる。有利な態様においては、そのような交流発電機は、速度増倍器を使用する必要性を回避することを可能にする。これは、速度増倍器が、損失及び不良をもたらす場合がある複雑な機械品目である限り、有利であるとすることができる。
次に、コンバータ20と、巻線回転子、並びに励磁機11の電源電圧の調整とを図3を参照してより詳細に以下に説明する。
コンバータ20は、交流発電機によって送出されるAC電圧Us eff及びAC電流IsをDC電圧及びDC電流に変換することを可能にするパルス幅変調(PWM)型整流子21を含む。
整流子21は、コンデンサーCを含むDCバス22により、このDC電圧及びDC電流を取り出すインバータ23に連結される。インバータの出力において信号が調節され、電力網9の振幅及び周波数に適する振幅及び周波数を有する信号が得られるように、インバータの制御器が調整される。
本発明では、パルス幅変調整流子21とインバータ23は、DCバス22を用いて互いから分離される。DCバス22を通る経路は、インバータ23が振幅及び周波数を調整するのを可能にする。
使用される整流子21は、電力的に双方向のものとすることができる。適切な制御によって高周波数における調波を阻止することにより、正弦波電流を得ることができる。この目的のために、電流は、28において、分離アルゴリズム29を用いて、交流発電機の固定子16の電圧と電流の間の位相シフトφを制御するように整流子21のスイッチを制御することにより、直流IDref及び直交電流IQrefの基準強度の関数として調整され、それによって時に力率cosφの修正が可能になる。24における位相シフトの調整は、ジュール効果を通じた固定子損失を固定子の基準位相シフトφref及び測定直交強度Iqmeasuredの関数として低下させることを可能にし、コンバータの伝導ジュール損は、1という力率において最小である。それによってアセンブリの全体的効率が満たされる。
変化実施形態において、図示のように、25において、整流子21の出力電力を整流子21の端子間で測定された電圧Udc measured及び基準電圧Udc refの関数として調整することができ、それによって電力のより良好な局所制御が可能になる。
調整器の例として、市販されている標準の調整器を使用することができ、これらの調整器の中でも、D600、R449のような「Leroy Somer」モデル、「BASLER DECS 100、200」モデル、「ABB Unitrol 1000」モデルなどを含むことができる。
調整アセンブリ24、25、及び28を実施するのに、例えば、「ABB ACS800」型の電力コンバータモジュール(電圧及び/又はcosφの調整)を使用することができる。
本発明による調整の例を図6から図15を用いてより発展した形式で以下に説明する。
この発展例では、整流子21はPWM型のものであり、図6に示すようにモデル化することができる。この発展例では、整流子21は、電力的に双方向のものである。整流子の適切な制御は、交流発電機において高周波数における調波を阻止しながら正弦波電流を得ることを可能にすることができる。
交流発電機の固定子の電圧と電流の間の位相シフトφの制御を実施することができ、機械の力率cosφの修正が可能になる。
それによって鉄損を最小にする正弦波電流を得ることができる。位相シフトφの制御は、cosφが1に等しい場合に最小であるジュール効果を通じた損失に対して作用することを可能にすることができる。
それにも関わらず、そのような制御は、伝導による損失及びコンバータのスイッチングによる損失を十分に良好な値まで低減することを可能にすることはできず、これらの損失は、定格電力の1.5%程度に留まる。
整流子21は、25におけるDCバス22の電圧Udcの調整に介入することができ、この調整は、インバータ23の定格超過を回避することを可能にする。
ここに展開する本発明の例示的実施では、整流子21の構成要素100は、以下のブール挙動を有する完全なスイッチであると見なす。
0:開
1:閉
0:開
1:閉
整流子21の基本構造を図7に示している。
スイッチ100は、理想的なものであり、電流的に双方向であると見なす。
整流子21の構成を表す行列は、次式のように定められる。
ここで、T1、T2、及びT3は、図7に示すように、補足としてスイッチT4、T5、及びT6をそれぞれ有する3つのスイッチである。この行列MCは、実時間で制御則の関数として推移する。
ここで、T1、T2、及びT3は、図7に示すように、補足としてスイッチT4、T5、及びT6をそれぞれ有する3つのスイッチである。この行列MCは、実時間で制御則の関数として推移する。
DCバス22の端子間の電圧Udcが安定していると仮定し、インバータの規約を使用することにより、点m(電圧Udcの接地)に対する各位相の基準電位A、B、Cが次式で与えられる。
交流発電機は、星形結合で整流子21の入力に連結され、固定子にある主電機子巻線16の各位相の端子間の電位を計算することができる。従って、交流発電機の星形結合点を「n」によって定め、各位相における同一のインピーダンス及び均整のとれた電圧を考える。
以上の条件の下に、以下の式の組を確立することができる。
νbn及びνcnに対して同じ手順を踏むことにより、以下の行列式が得られる。
従って、Matlab−Simulink(登録商標)ソフトウエアを用いてモデル化することによって図8に示す瞬時値の整流子モデル21は、次式になる。
整流された電流irecは次式になる。
次に、図9に示すように、交流発電機及び整流子21を含む電気機械アセンブリに、R//C回路によって負荷が印加された場合のDCバス22の挙動を調べる。
バス22の電圧Udcと負荷電流ildとが、次式によって関連付けられる。
ここで、Tj(j=1,2,3)は、スイッチング関数である。
ここで、Tj(j=1,2,3)は、スイッチング関数である。
この発展例では、インバータ及び電力網を表す負荷Rは、3.15MWの公称電力の下で800VのDC電圧Udcを有するように選択される。
抵抗Rは、負荷の影響をシミュレートしてシステムの挙動を調べるように機能することができる。
バスの電圧Udcは、次式によって負荷電力及び抵抗に関連付けられる。
この発展例では、Rは、0.2Wに等しいように選択される。
この発展例では、電圧Udcは、800V±5%の値に調整されなければならない。
DCバス22のコンデンサーCの値は、コンデンサーが、公称負荷電流の10%を供給することができなければならないと仮定することにより、第一近似で決定することができる。更に、この発展例では、DCバス22の電圧は、公称値に対して5%を上回って変化してはならない。
及び従って、
が既知であることにより、以下であるように考える。
従って、次式が得られる。
が既知であることにより、以下であるように考える。
従って、次式が得られる。
電磁アセンブリの調整を調べる上で、定常状態作動を考え、交流発電機の固定子抵抗を無視する。
ゼロ直流Idを考えることによって次式を得ることができる。
及び
及び
従って、機械の有効電力は、直交電流IQに依存する。
整流子21の効率の範囲で、機械の有効電力は、DCバス22の電力に対応する。
磁石型の同期機の場合には、調整を実施するのに、2つの自由度、すなわち、直流IDの強度と直交電流IQの強度とが利用可能である。
電流IQは、DCバス22を調整するのに使用することができ、電流IDは、交流発電機の固定子16の電流と電圧の間の位相シフトφを調整し、それによってcosφ=1で作動する可能性を与えるために使用することができる。
平面DQ内で電流の調整を可能にするためには、軸IDとIQの間の結合を除去することが好ましい。この除去は、図10で分るように、分離アルゴリズム29を使用することによって実施することができる。
この分離アルゴリズムに頼る目的は、使用するべき調整器の計算を単純にするために、2つの軸DとQとに沿う2つのRL回路に低減することである。
2つの軸の間の変数の分離の後に、以下の行列式が得られる。
この場合、電流に関連付けられた式は、PI補正器を用いて調整することができる1次システムの形態のものである。
信号Vd及びVqが、DQ→abcのスイッチングを可能にするブロック、次に、整流子21のスイッチ100の制御を作成するための段階に発せられる。
固定子16の電流と電圧の間の位相シフトφの調整のフレームワークの範囲で、モータの規約によるPark基準座標系内の電圧のグラフを図11に示している。
従って、
従って、次式が得られる。
従って、電流Idを用いて内部位相シフト角φを調節することができる。
従って、
従って、次式が得られる。
従って、電流Idを用いて内部位相シフト角φを調節することができる。
cosφが1に等しい状態で作動させることができることに注意されたい。
図12は、cosφが1に等しい状態のモータの規約によるPark基準座標系内の電圧のグラフを示している。単位力率による作動を可能にする内部位相シフト角を推定するのに、図12に示す便法を使用することができる。
固定子16の電圧と電流の間の位相シフトがゼロに等しい場合には、固定子電圧ベクトルは、固定子電流ベクトルと同位相である。
無効電力はゼロであり、その結果、Q=νd・iq−νq・id=0であり、従って、νd・iq=νq・idである。
従って、次式が得られる。
上式は、以下の関係式を誘導する。
電流Id及びIqについての式をそれぞれその投影
で置換することにより、次式が得られる。
で置換することにより、次式が得られる。
cos2Ψ=1−sin2Ψが既知であることにより、変数の変更x=sinΨを行って2次方程式を解くと、Φfを励磁束として次式が得られる。
DCバス22を調整するのに、電流IQが使用されることになることは公知であり、従って、電流IDは、上式から計算される。
cosφ=1での機械の作動に対応する内部位相シフト角を決定することができる。
この角度に基づいて、電流IDの基準が計算される。
位相シフトの調整は、Matlab−Simulink(登録商標)ソフトウエアを用いてモデル化することができる。そのようなモデル化を図13に示している。
25におけるDCバス22の電圧Udcの調整では、交流発電機が定常状態にあり、固定子抵抗が無視され、電流IDがゼロであるという仮定が使用されることになる。
以下の行列式を得ることができる。
従って、電流IQを用いて、DCバス22の電圧Udcを調整することができる。
この電圧は、PI調整器を用いて基準値の前後で調整することができる。
図14は、値Udcが基準値Udc refに追従するスレーブシステムの形態をブロック図に示している。C(p)は、PI調整器をラプラス領域で表すための伝達関数を表す。
を用いて、次式がもたらされる。
上式の項B(p)は、t→+∞時にゼロに向かい、項A(p)は、次式によってPI調整器のパラメータを計算することを可能にする。
ここでWnは自然角周波数であり、zは減衰係数である。
ここでWnは自然角周波数であり、zは減衰係数である。
A(p)内の項を比較することにより、次式が得られる。
この発展例では、電圧調整の通過帯域は、15Hzの標準値、すなわち、Wn=2・π・15=94.3rd/sに固定され、zは、低いオーバーシュートしか伴わずに高速応答を得るために0.707に等しいように設定される。
C=250mFでは、25におけるPI調整器のパラメータは以下になる。
固定子16の電流の追従と類似の方式で、PI調整器を用いて固定子16の出力電圧を追従させることができる。
この発展例では、電流追従の通過帯域は、電圧のものよりも、例えば、10から100までの比率で広い。
次に、Matlab−Simulink(登録商標)を用いた28におけるインバータ21のPWM制御の例示的なモデル化を図15を参照して以下に説明する。
この場合、このモデル化は、図15に示すように、正弦波−三角波PWM制御を必要とし、その原理は、搬送波(高周波三角波信号)と、電流調整器からもたらされる低周波正弦波信号とを比較することである。
この発展例に使用されるサンプリング周波数は5kHzである。
入力信号mod a、mod b、mod cが、分離アルゴリズムによって直接に発せられる。出力では、スイッチ100に対する制御信号が取り出される。
そのようなPWM制御は、搬送波の周波数によって固定された一定のスイッチング周波数という利点を示している。
本発明では、巻線回転子同期交流発電機と特にパルス幅変調型の整流子との関連付けにより、3つの自由度、すなわち、交流発電機の2つの電流強度、直流ID及び直交電流IQ、並びに交流発電機励磁電流IFを使用することができる。上述の発展例で上述したように、直交電流IQは、DCバス22を調整するのに使用される。直流IDは、位相シフトφを調整するのに使用される。励磁電流IFは、励磁レベルを調節することを可能にすることができ、この電流は、変換チェーンの効率を最適化するためのアルゴリズムに対する入力基本水準として使用される。励磁電圧を通じた損失を最小にしようとするこの探求は、系統的な調査により、又は決定的アルゴリズム又は確率的アルゴリズムによって行うことができる。
最後に、調整器18により、電圧Vrを追従させるために、交流発電機10によって供給される電圧Us effが使用され、事前設定された基準電圧Us eff refとの計算上の差が最小値になるように、図4に示す励磁機11内に必要な励磁を発生させることを可能にする。
調整器18の別の例示的実施を図4aに例示している。PID型の調整器、及びそれに続く設定値フィルタが使用される。
図4aの調整器の係数(機械の各タイプに対して再計算されたもの)の大きさの程度は、以下の通りである。
Kpr [0..1500]
Kir [0..200]
Kdr [0..12000]
Tdr [0..0.1]秒
Ka [0..100]
Tda [0..0.05]秒
Kpr [0..1500]
Kir [0..200]
Kdr [0..12000]
Tdr [0..0.1]秒
Ka [0..100]
Tda [0..0.05]秒
Parkモデルを用いた本発明によるアセンブリのモデル化は、永久磁石同期交流発電機のParkモデル化と比較して、回転毎分を単位とする交流発電機の回転速度の関数として与えられる図5に示す効率A、B、B’を得ることを可能にする。モデル化では、インバータ部分23及び電力網9は、図3に示すように、抵抗負荷Rldと見なすことができる。
風力タービン生成ゾーンに対応する速度範囲、すなわち、約1080rpmと約1440rpm(公称速度)の間において、本発明によるアセンブリの効率Bは最適化され、永久磁石同期交流発電機のものAに非常に近い。本発明によるアセンブリがあらゆる効率最適化手法なしに使用される場合(電圧Us eff constant)に効率B’が得られる。
使用される効率最適化手法は、全体的なシステム損失を表す関数を最小にすることによって効率を最大にするものである。
例えば、いくつかの手法を使用することができる。例えば、損失が実時間数値方式によって最小にされるオンライン最適化を使用することができる。損失を最小にする物理的大きさの基準を計算するのにメモリマッピングが使用されるマッピングによる最適化を使用することができる。最後に、代数計算を使用することができる。
以下では、交流発電機及びコンバータの損失を考慮に入れた代数手法による例示的な応用を展開する。
機械損失は、以下の方式でモデル化することができる。
固定子におけるジュール損:Pjs=3・R1・Is 2:(従来の損失+付加的な損失)
回転子におけるジュール損:Pjr=Rf・If 2
鉄損:P鉄=損失渦+損失ヒステリシス、これは、最も一般的に使用されるモデルに対応し、従って、P鉄=k・Φ2={kh・w+kf・w2}・Φ2。
ここで、
kfは、渦電流による損失に関する係数
kh:ヒステリシスによる損失に関する係数
w:電気角周波数
ここで、
kfは、渦電流による損失に関する係数
kh:ヒステリシスによる損失に関する係数
w:電気角周波数
及び
を考えることにより、以下のようになる。
ここで、
を考えることにより、以下のようになる。
ここで、
機械の試験及び鉄損の測定に基づいて、係数k1を計算することができる。
従って、P鉄=k1・Vs 2である。
コンバータ内の損失:文献上では、いくつかの研究が、電力コンバータの損失をモデル化することを取り扱っている。簡略化のために、コンバータ内の損失をチョッピングに起因する一定の損失及び電流Isの二乗に比例する損失として推定することができる。
所定のアセンブリにおいて試験を実施することにより、作動曲線が得られる。各作動点に対して、アセンブリの損失及び効率が様々な電圧値に対して計算される。各作動点において、効率が最大であり、従って損失が最小である最適電圧と呼ぶ電圧の値が記録される。次に、風力タービンの各作動点に対して、Us eff refに対するこれらの最適電圧を選択することにより、エネルギ最適化が実施される。次に、最適化された電圧は、調整器18に適用される設定値Us eff refとして使用される。
エネルギ最適化は、係わる電力が有意な程、益々有利な効率利得を得ることを可能にし、この電力は、場合によって1MWから11MW程度のものであり、年間生産時間に鑑みたものである。
速度が最大で公称速度の3分の1まで変化することができるゾーンでは、効率の最適化は非常に有効であることが分り、恐らく、これは、特に風力が弱い時に風力から抽出される電力を最大にすることが求められる場合に有益である。
従って、巻線回転子同期機の効率を最適化するための手法を使用することにより、永久磁石の存在に関する欠点を回避しながら、永久磁石同期機の性能を近似することができる。
直流及び直交電流は、DCバスの電圧、トルク、有効電力、及び位相シフトφを調整するのに使用することができる。
最後に、励磁は、効率を最大化し、速度超過を管理するように機能する。
それとは逆に、永久磁石機は、励磁を調節することを可能にしない。起電力が回転速度と共に線形に変化する限り、速度超過の場合に過電圧の危険性がある。
図16は、風力タービンの電力の推移を交流発電機の回転速度の関数(曲線P)としてkWで示している。速度は、回転毎分を単位として表したものである。
図16、並びに図17に更にプロットしているのは、従来技術に従って一定のU/fを用いて調整された従来機(曲線A)及び本発明により調整された例示的な機械(曲線V)における回転速度の関数としての電圧推移である。
最適化された調整電圧Uは、電力及び速度の関数として損失を最小にするように計算されたものである。特に、この電圧は、鉄損とジュール損とを均衡調整してこれらの合計を最小にするように有利に選択される。
図17をより具体的に参照すると、電力が降下すると、機械を不要に磁化して過度の鉄損を発生させないように、電圧が降下することを見ることができる。従って、最適化された電圧は、最大である一定の速度まで、取りわけ公称速度までは、非最適化電圧よりも低いとすることができる。
調整が、最大で公称速度まで一定のU/fを用いて実施される場合とは対照的に、出力電圧(従って、基準電圧)を最適化された電圧における回転速度の関数として与える曲線は、公称速度よりも小さい速度では直線とは異なる場合がある。
一定のU/fを用いた調整による電圧が最大になると、本発明により最適化されたUを用いた速度の関数としての電圧推移は、最大作動電圧を得るための急勾配の電圧増大に起因して捩れを示す場合があり、これは、曲線上の公称速度レベル、図示の例では1600回転毎分における捩れによって明らかである。
図18には、本発明によって得られた効率(曲線B)と、本発明を用いずに一定のU/f(曲線C)を用いた効率とを回転毎分で表した速度の関数として示している。
図18は、本発明によって得られた効率の改善を示している。効率利得(G)が、低速においてより有意であり、風力タービンが、弱い風力においてより有効であることを見ることができる。
「を含む」という表現は、反義を指定していない限り、「少なくとも1つを含む」と同義であると理解されなければならない。
1 風力タービン
2 ブレード
6 機械シャフト
20 コンバータ
23 インバータ
2 ブレード
6 機械シャフト
20 コンバータ
23 インバータ
Claims (16)
- 可変状況で、特に可変の速度、電力、又は力率で作動する電気機械アセンブリであって、
特に励磁機(11)を用いた電圧(Vf)を通じて又は分割リング及び整流子による直接励磁のDC電流が供給される巻線回転子(15)を有し、かつ出力電圧(US)を送出する1MWよりも大きいか又はそれに等しい電力の同期交流発電機(10)と、
前記交流発電機の前記出力電圧(US)を整流するための場合によってはパルス幅変調又はダイオードベースのものであって任意的にDC/DCコンバータが続く整流子(21)を含むコンバータ(20)と、
を含み、
前記巻線回転子に給電する前記供給電圧(Vf)は、前記交流発電機の前記出力電圧(US)に追従する、
ことを特徴とするアセンブリ。 - 前記交流発電機の前記出力電圧(US)を事前設定値(Us eff ref)に維持するために前記電圧(Vf)に作用するように構成された調整器(18)を含むことを特徴とする請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記基準電圧(Us eff ref)は、鉄損、渦電流による損失、ヒステリシスによる損失、前記回転子でのジュール効果を通じた損失、固定子でのジュール効果を通じた損失、前記コンバータでの伝導による損失、該コンバータでのスイッチングによる損失のリストからの損失のうちの少なくとも1つを最小にするように計算されることを特徴とする請求項2に記載のアセンブリ。
- 前記基準電圧Us eff refは、前記速度、前記電力、前記力率、前記機械の熱状態のうちの少なくとも1つに依存することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記基準電圧Us eff refは、アセンブリの前記作動中に実時間で計算されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記基準電圧Us eff refは、アセンブリの前記作動の前に用途の関数として事前計算されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記交流発電機は、励磁機(11)を含み、必要な励磁を該励磁機(11)内に発生させることを可能にする電圧(Vr)が、該交流発電機(10)によって供給される有効出力電圧(Us eff)に追従することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記巻線回転子(15)に給電するための少なくとも1つの分割リングと1つの整流子とを含むことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記整流子の出力電流が、DCバス(22)に給電することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 一定のバス電圧を維持するように前記整流子を制御するための調整器(25)を含むことを特徴とする請求項9に記載のアセンブリ。
- 前記交流発電機の前記出力電圧USを回転速度(回転毎分での)の関数として与える曲線が、該回転速度が公称速度に達した時に捩れを示すことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記交流発電機の前記出力電圧USを回転速度(回転毎分での)の関数として与える曲線が、公称速度よりも小さい回転速度に対して直線とは異なることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記出力電圧USは、公称速度よりも小さい回転速度に対して、該公称速度までの速度範囲の全体にわたって一定のU/fを用いた調整のフレームワーク内で調整電圧よりも低いことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 発電機、特に風力タービンであって、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のもののようなアセンブリ、
を含むことを特徴とする発電機。 - 特に請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のアセンブリを用いて特に風力ベースの機械エネルギを電気エネルギに変換する方法であって、
巻線回転子(15)を有する同期交流発電機(10)の回転子が、該交流発電機の出力電圧(US)に追従する電圧(Vf)でDC電流を供給される、
ことを特徴とする方法。 - 前記交流発電機の前記出力電圧(US)は、パルス幅変調型整流子を用いて整流されることを特徴とする請求項15に記載の方法。
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