JP5502201B2 - 再生エネルギー型発電装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
上記したようなギヤ式トランスミッションは、故障しやすかったり、メンテナンス及び交換、あるいは修理の費用が嵩んだりする傾向があるため、これを解消する設計および建設が課題となっていた。
このような設計を実現する最も効果的な装置として、ピッチ角が固定された状態でブレードを保持し、先端速度比がほぼ一定となるように、動作範囲の大部分にわたる風速または流速に対して比例的にブレードの回転数を変化させるものがある。費用効率が高い規模の再生エネルギー型発電装置においては、ギヤ式トランスミッションはこの比が常に固定されており、そのため複雑化し故障しやすい電力変換装置により配電網へ電力供給しなければならない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、再生エネルギーの変動に応じて迅速に所望の回転シャフトのトルクを得ることができる再生エネルギー型発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、
前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、
前記油圧ポンプの目標トルクおよび前記高圧油ラインの作動油の圧力に基づいて前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値Dpを決定するポンプ要求値算出部と、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値Dpに調節するポンプ制御部と、
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクを求め、該理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの前記目標トルクを決定する目標トルク算出部と、
前記目標トルクの前回値および前記回転シャフトの加減速トルクの和と、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクとの偏差に基づいて、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクを補正する目標トルク補正部とを備えることを特徴とする。
なお、ポンプ制御部が油圧ポンプの押しのけ容積Dpを決定する際に用いる「高圧油ラインにおける作動油の圧力」は、作動油の圧力の実測値であってもよいし、設定値(目標圧力)であってもよい。
風力発電装置は風力エネルギーの変動が大きいが、上記再生エネルギー型発電装置を採用することで、風力エネルギーの変動に応じて迅速に所望の回転シャフトのトルクを得ることができる。
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクを求め、該理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定するステップと、
前記目標トルクの前回値および前記回転シャフトの加減速トルクの和と、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクとの偏差に基づいて、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクを補正するステップと、
前記油圧ポンプの前記目標トルクおよび前記高圧油ラインの作動油の圧力に基づいて前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値Dpを決定するステップと、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値Dpに調節するステップとを備えることを特徴とする。
高圧弁86は、各油圧室83と高圧油ライン16との間の高圧連通路87に設けられ、低圧弁88は、各油圧室83と低圧油ライン18との間の低圧連通路89に設けられている。
この油圧ポンプ12では、回転シャフト8とともにカム84が回転すると、カム曲線に合わせてピストン82が周期的に上下動し、ピストン82が下死点から上死点に向かうポンプ工程と、ピストン82が上死点から下死点に向かう吸入工程とが繰り返される。
高圧弁96は、各油圧室93と高圧油ライン16との間の高圧連通路97に設けられ、低圧弁98は、各油圧室93と低圧油ライン18との間の低圧連通路99に設けられている。
この油圧モータ14では、油圧ポンプ12がつくった高圧油ライン16と低圧油ライン18との差圧によって、ピストン92が周期的に上下動し、ピストン92が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン92が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。
なお、油圧ポンプ及び油圧モータは、上記したようなピストン式に限定されるものではなく、他にもベーン式等のように、可変容量型の油圧機構であればいずれの形式であってもよい。また、ピストン式としては、アキシアルピストンポンプ・モータ、ラジアルピストンポンプ・モータ、レシプロピストンポンプ・モータ等を用いることができる。
油圧モータ14からの戻り流れの全部又は一部がこれらのユニットの一つ以上を通過するようにしてもよい。
これにより、作動油の漏洩が油圧トランスミッション10の内部で生じても、ブーストポンプ74によってオイルタンク70から低圧油ライン18に作動油が補充されるので、油圧トランスミッション10内を循環する作動油の量を維持できる。
これにより、ブーストポンプ74によって作動油が低圧油ライン18に供給されても、低圧油ライン18内の圧力が低圧リリーフ弁79の設定圧力に達すれば、低圧リリーフ弁79が自動的に開いて、返送ライン78を介してオイルタンク70に作動油を逃すことができる。よって、油圧トランスミッション10内を循環する作動油の量を適切に維持できる。
制御ユニット40は、理想トルク算出部41と、目標トルク算出部42と、目標トルク補正部43と、ポンプ要求値算出部44と、ポンプ要求値補正部45と、ポンプ制御部46と、記憶部47とを有する。
具体的に、理想トルク算出部41としては以下のような構成が挙げられる。
一例として、理想トルク算出部41は、回転数計32による回転シャフト8の回転数の計測値に基づいて、パワー係数Cpが最大となる理想トルクを求める。また、複数の回転数計32による回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、回転シャフト8の理想トルクを求めるようにしてもよい。
また、ポンプ要求値補正部45は、油温センサ35で計測される高圧油ライン16の作動油の温度の計測値に基づいて、油圧ポンプ12の押しのけ容積の要求値Dpを補正するようにしてもよい。
また、上記した各制御部のほかに、モータ制御部(不図示)を有していてもよい。モータ制御部は、油圧ポンプ12の押しのけ容積Dpから求めた油圧ポンプ12の吐出量Qpに基づいて発電機20の回転数が一定になるように油圧モータ14の押しのけ容積の要求値Dmを決定する。
油圧ポンプ12及び油圧モータ14の制御については後述する。
図3及び4は、記憶部37に記憶されたCp最大曲線を示すグラフである。Cp最大曲線は、パワー係数Cpが最大になる点を結んだ曲線である。風速Vを横軸にとり、回転シャフト8の回転数Wrを縦軸にとった座標系においてCp最大曲線100を表したのが図3であり、回転シャフト8の回転数Wrを横軸にとり、油圧ポンプ12の目標トルクを縦軸にとった座標系においてCp最大曲線102を表したのが図4である。
最初に、回転数計32によって、回転シャフト8の回転数Wrが計測される(ステップS1)。
理想トルク算出部41は、回転数計32で計測された回転数Wrからパワー係数Cpが最大となる理想トルクTiを決定する(ステップS2)。具体的には、パワー係数Cpが最大の運転状態が維持されていることを前提として、記憶部47からCp最大曲線100(図3参照)を読み出して、Cp最大曲線100に基づいて、計測された回転数Wrに対応する風速Vを求める。そして、理想トルク算出部41は、記憶部47からCp最大曲線102(図4参照)を読み出して、上記で推定された風速Vに対応する油圧ポンプ12の理想トルクTiを求める。なお、図4には、推定された風速VがV2である場合に油圧ポンプ12の理想トルクTiを決定する例を示した。
さらに、目標トルク補正部43は、空気力学的トルクTaeroを算出する(ステップS5)。空気力学的トルクTaeroは、現時点で風により回転シャフト8に加わる実際のトルクである。すなわち、空気力学的トルクTaeroは、前回の目標トルクTd(prev)によって油圧ポンプ12から回転シャフト8に加えられたトルクと、ロータ2(回転シャフト8を含む)及び油圧ポンプ12の慣性モーメントJrotor+ponpと回転シャフト8の角加速度arの積からなる加減速トルクとの和から得られる。なお、前回の目標トルクTdは、選択された油圧ポンプ12の総押しのけ容積と、高圧油ラインの作動油の圧力計測値とから求めるようにしてもよい。
さらに、目標トルク補正部43は、過剰トルクTexcessにゲインGを乗算してトルク補正値Tfeedforwardを算出する(ステップS7)。ここで、トルク補正値Tfeedforwardの算出には、より複雑なフィードフォワード関数を使用してもよい。例えば、リードまたはラグコントローラにより風速追従性を改善させることもできる。
(数1)
押しのけ容積の要求値Dp=目標トルクTd/高圧油圧力PS (1)
ここで、図7に示す油圧ポンプ12を用いて、ポンプ制御部46における制御について説明する。
また、ポンプ制御部32における制御において、他の例として、ピストンサイクル中に高圧弁(86,96)が開く時間を変化させて油圧ポンプ12又は油圧モータ14の押しのけ容積を調節するようにしてもよい。
まず最初に、回転数計32によって計測される回転シャフト8の回転数Wrから理想トルクTiを決定する。このとき、理想トルクTiは、図4に示した目標トルク(ここでは理想トルクTi)と回転数Wrとの関数102を用いて、パワー係数Cpが最大となる理想トルクTiを決定する。
一方、スケール係数Mを用いることで、回転シャフト8はより緩慢に減速する。したがって、凪時においては最適な回転数から少し外れて運転することとなる。しかし、突風に対して追従させることにより得られる追加出力は、凪時の準最適運転による出力損失より大きい。
また、目標トルク算出部42では、パワー係数Cpが最大となる回転シャフト8の理想トルクTiに基づいて目標トルクを決定するようにしたので、風力発電装置1の発電効率を高く維持することができる。
特に上述の実施形態では、回転数の計測値に基づいて風速を推定し、風速に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、高い精度で風速を推定することができ、油圧ポンプ12の制御を適切に行うことができる。また、風速を測定する風速計33を設置しない構成とすることもでき、コスト削減が図れる。
なお、複数の回転数計32による回転シャフト8の回転数の計測値の平均値に基づいて、回転シャフト8の理想トルクTi、あるいは風速を求めてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
なお、複数の風速計33による風速の平均値に基づいて、回転シャフト8の理想トルクTiを求めてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、風速計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
さらにまた、油温センサ35で計測された高圧油ライン16の作動油の温度に基づいて、ポンプ要求値補正部45によって油圧ポンプ12の押しのけ容積の要求値Dpを補正するようにしたので、オイルの熱膨張を考慮して、適切に油圧ポンプ12を制御することが可能となる。
ここで、潮流発電装置の制御ユニット40は、上述のとおり、パワー係数が最大となる油圧ポンプ12の目標トルクを求め、該目標トルク及び高圧油ライン16における作動油の圧力から油圧ポンプの押しのけ容積Dpを決定し、油圧ポンプ12の制御を行うようにしたので、所望のトルクを得ることが可能となり、発電効率を向上させることができる。
なお、潮流発電装置の場合、風速計33に替えて潮流の速度を計測する速度計で計測した潮流の速度から、Cp最大曲線102(図4参照)を用いて、油圧ポンプ12の目標トルクを求めてもよい。
2 ロータ
4 ブレード
6 ハブ
8 回転シャフト
10 油圧トランスミッション
12 油圧ポンプ
14 油圧モータ
16 高圧油ライン
18 低圧油ライン
20 発電機
22 ナセル
24 タワー
26 基礎
31 圧力計
32 回転数計
33 風速計
34 雰囲気温度センサ
35 油温センサ
40 制御ユニット
41 理想トルク算出部
42 目標トルク算出部
43 目標トルク補正部
44 ポンプ要求値算出部
45 ポンプ要求値補正部
46 ポンプ制御部46
47 記憶部
50 電力系統
52 励磁機
60 バイパス流路
62 リリーフ弁
64 脈動防止用アキュムレータ
66 オイルフィルタ
68 オイルクーラ
70 オイルタンク
72 補充ライン
74 ブーストポンプ
76 オイルフィルタ
78 返送ライン
79 低圧リリーフ弁
100 Cp最大曲線
102 Cp最大曲線
Claims (15)
- 再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、
前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、
前記油圧ポンプの目標トルクおよび前記高圧油ラインの作動油の圧力に基づいて前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値Dpを決定するポンプ要求値算出部と、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値Dpに調節するポンプ制御部と、
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクを求め、該理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの前記目標トルクを決定する目標トルク算出部と、
前記目標トルクの前回値および前記回転シャフトの加減速トルクの和と、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクとの偏差に基づいて、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクを補正する目標トルク補正部とを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。 - 前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記回転数計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項2に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記回転数計は複数設けられており、
前記エネルギー流の流速は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値から見積もられることを特徴とする請求項4に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記回転シャフトを駆動する前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速を計測する流速計と、
前記エネルギー流の流速の計測値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記流速計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記流速計による前記エネルギー流の流速の計測値の平均値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項6に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記目標トルク補正部は、前記偏差にゲインGを乗算して補正値T feedforward を求め、該補正値T feedforward を前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクから引算することで、前記目標トルクを補正することを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記目標トルク算出部は、前記回転シャフトの前記理想トルクにスケール係数M(ただし、Mは1未満の正の値)を乗算して、前記油圧ポンプの前記目標トルクを決定することを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサをさらに備え、
前記雰囲気温度センサによる前記雰囲気温度の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクが補正されることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記ポンプ要求値算出部は、前記油圧ポンプの目標トルクを前記高圧油ラインの作動油の圧力で除算して、前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値D p を求めることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記高圧油ラインの作動油の圧力が所定範囲に維持されるように前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値D p を補正するポンプ要求値補正部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記高圧油ラインの作動油の温度を計測する油温センサをさらに備え、
前記高圧油ラインの作動油の温度の計測値に基づいて、前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値D p を補正するポンプ要求値補正部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクを求め、該理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定するステップと、
前記目標トルクの前回値および前記回転シャフトの加減速トルクの和と、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクとの偏差に基づいて、前記目標トルク算出部で決定された前記目標トルクを補正するステップと、
前記油圧ポンプの前記目標トルクおよび前記高圧油ラインの作動油の圧力に基づいて前記油圧ポンプの押しのけ容積の要求値D p を決定するステップと、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を前記要求値D p に調節するステップとを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置の運転方法。
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