JP7284203B2 - 発電システム、及び発電システム用のコントローラ - Google Patents
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Description
原動機と、
前記原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機と、
前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器と、
前記磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を前記電力変換器に付与するための低減指令部と
を備える。
原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を、前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器に付与するための低減指令部と
を備える。
図1は、一実施形態に係る発電システム1A(1)の例を示す概略図である。
発電システム1Aは、原動機2、原動機2からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機10、磁気ギア発電機10に接続された電力変換器50、及び発電システム用のコントローラ100A(100)を備える。電力変換器50は、磁気ギア発電機10から供給される電力を変換し、例えば電力系統であってもよい電力供給先4に供給するように構成される。
発電システム用のコントローラ100A(以下、単にコントローラ100Aという場合がある)は、磁気ギア発電機10での発電を制御するように構成される。発電制御には、稼働している磁気ギア発電機10の脱調を回避するための制御が含まれる。脱調を回避するための制御では、磁気ギア発電機10の脱調のリスクを示す脱調パラメータに基づき、原動機2から磁気ギア発電機10への入力と、磁気ギア発電機10の発電機トルクとが低減される(詳細は後述する)。
一実施形態の磁気ギア発電機10は、入力側のロータである低速ロータ30、出力側のロータである高速ロータ40、及び固定子巻き線24を有するステータ20を備える。
低速ロータ30は、原動機2からの入力によって駆動されるように構成される。高速ロータ40は、低速ロータ30の回転に伴い生じる磁気トルクによって駆動されるように構成される。ステータ20の固定子巻き線24は、高速ロータ40の回転に伴い電力変換器50への供給電力を生じさせるように構成される。低速ロータ30と高速ロータ40の回転位置に関するパラメータは、各々、低速ロータセンサ35と高速ロータセンサ45によって検出される。一実施形態では、低速ロータセンサ35は低速ロータ30の回転数を検出し、高速ロータセンサ45は高速ロータ40の回転位置を検出する。別の実施形態では、低速ロータセンサ35が低速ロータ30の回転位置を検出し、高速ロータセンサ45が高速ロータ40の回転数を検出する。さらに別の実施形態では、低速ロータセンサ35と高速ロータセンサ45は各々、低速ロータ30と高速ロータ40の回転数を検出してもよい。あるいは、低速ロータセンサ35と高速ロータセンサ45は各々、低速ロータ30と高速ロータ40の回転位置を検出してもよい。
例えば、磁気ギア発電機10における発電は以下の原理により行われてもよい。原動機2からの入力トルクによって回転シャフト3が回転すると、低速ロータ30が駆動される。低速ロータ30のポールピース32の回転によって、ステータ磁石22の磁束が変調され、変調された磁場からロータ磁石42が磁力を受けることで磁気トルクが生じ、高速ロータ40が駆動される。このとき、低速ロータ30に対する高速ロータ40の回転数の比(増速比)は、ロータ磁石42の極対数NHに対するポールピース32の極数NLの比(=NL/NH)で表される。高速ロータ40が回転することで、電磁誘導によって固定子巻き線24に電流が発生し、電力が電力変換器50に供給される。
以下、原動機2から低速ロータ30に入力されるトルクを単に入力トルクという場合があり、高速ロータ40から出力されるトルクを単に発電機トルクという場合がある。また、低速ロータ30と高速ロータ40との位相差である磁気ギア発電機10のねじれ角を、単にねじれ角という場合がある。
低速ロータ30において成立する運動方程式は、式(1)の通りである。
JL×(dωL/dt)=TL-Tmaxsinδ・・・式(1)
(JL:低速ロータ30のイナーシャ(一定値)、ωL:低速ロータ30の角速度、TL:入力トルク、Tmaxsinδ:磁気トルク、δ:ねじれ角)
補足するとTmaxは、ねじれ角(δ)がπ/2であるときに磁気ギア発電機10で生じる最大磁気トルクである。後述するように、ねじれ角がπ/2以上となると磁気ギア発電機10では脱調が生じる。
また、高速ロータ40において成立する運動方程式は、式(2)の通りである。
JH×(dωH/dt)=Tmaxsinδ-TH・・・式(2)
(JH:高速ロータ40のイナーシャ(一定値)、ωH:高速ロータ40の角速度、TH:発電機トルク)
なお、JHは、高速ロータ40の形状、重量などに基づき定まる一般的なイナーシャに、上述した増速比を反映した値となっている。
図1で示される一実施形態のコントローラ100A(100)は、脱調パラメータを取得するためのパラメータ取得部103、パラメータ取得部103の取得結果に基づき磁気ギア発電機10の運転モードを制御するための運転モード制御部106、及び、原動機2と電力変換器50とに指令(制御信号)を付与するための指令部107を備える。
一実施形態では、低速ロータセンサ35と高速ロータセンサ45の検出結果に基づき求まる低速ロータ30の角速度と磁気ギア発電機10のねじれ角が式(1)に代入されることで、入力トルクが取得される。なお、入力トルクは、低速ロータ30のトルクを検出するトルクセンサの検出結果に基づき取得されてもよい。
また、脱調パラメータは、ねじれ角又は入力トルクの時間的な変化率であってもよいし、ねじれ角又は入力トルクの将来的な値(予測値)であってもよい。
脱調パラメータが大きくなるほど、高速ロータ40が低速ロータ30に追従しづらく、脱調リスクが増大する。従って、脱調パラメータが規定の許容範囲を超えた場合には、コントローラ100Aは脱調リスクを低減する制御を実行する必要がある。一実施形態では、脱調リスクを低減する制御が実行される際、磁気ギア発電機10の運転モードは、脱調回避モードに切替わる。
一実施形態に係る脱調回避モードでは、指令部107を構成する低減指令部120が、原動機2から磁気ギア発電機10への入力を低減させる入力低減指令を原動機2に付与するとともに、磁気ギア発電機10の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を電力変換器50に付与するように構成される。原動機2からの入力が低減し、且つ発電機トルクが低減することによって、磁気ギア発電機10の脱調リスクは低減する。原動機2からの入力、磁気トルク、発電機トルク、及びねじれ角との関係については後述する。
図2を参照し、脱調を回避するための制御の概要を説明する。
図2で例示されるグラフは、横軸をねじれ角(δ)とし、縦軸をトルク(T)とする。太い実線は、ねじれ角と低速ロータ30で生じる磁気トルクとの関係を示し、この磁気トルクはTmax×sinδで表される。一方、細い実線はねじれ角と高速ロータ40で生じる磁気トルクとの関係を示し、この磁気トルクは(Tmax/G)×sinδで表される。ここで、図2において、低速ロータ30の磁気トルクの方が、高速ロータ40の磁気トルクよりも大きくなるのは、高速ロータ40における増速比Gの影響に起因する。
また、図示の便宜上、ねじれ角がπ/2以上となる範囲のグラフも示すが、実機においてねじれ角がπ/2以上となると磁気ギア発電機10の脱調が発生する。従って、一実施形態の磁気ギア発電機10は、0<δ<π/2となる範囲で稼働する必要がある。ねじれ角が脱調のリスクを示す脱調パラメータとなり得るのは、図2からも理解される。
他の実施形態では、ねじれ角を間接的に示すパラメータを脱調パラメータとして用いてもよく、例えば、通常モードにおける入力トルクが脱調パラメータとして用いられる。仮に、通常モードにおける入力トルクがL1であれば、この入力トルクと釣り合う磁気トルクを生じさせるねじれ角はδ0である。これに対し、通常モードにおける入力トルクがL1よりも大きな値である場合、この入力トルクと釣り合う磁気トルクを生じさせるねじれ角はδ0よりも大きいはずである。このことから、入力トルクが脱調パラメータとなり得ることが理解される。なお、一実施形態では、ねじれ角がδ0となる磁気ギア発電機10稼働状態は、定格の稼働状態である。
仮に、ねじれ角がδ0(<δth)となる状態で磁気ギア発電機10が安定的に稼働していたとする。この状態から、例えば入力トルクが増大することに伴い、ねじれ角がδthを超えてδovに達したとする。この瞬間、運転モード切替部110によって、脱調回避モードに移行し、入力低減指令とトルク低減指令が生成される。これにより、ねじれ角δは、ねじれ角の許容範囲(δ≦δth)に向けて減少する。
図2に示すように、入力低減指令としての入力トルクを二点鎖線で示す値L2に設定し、トルク低減指令としての発電機トルクを二点鎖線で示す値L3に設定した場合について考える。また、ねじれ角が許容範囲に含まれるδ1となる磁気ギア発電機10の状態を基準状態と定義する。基準状態からのねじれ角δの変動量Δδは、発明者の知見によれば、伝達関数として以下の式(3)で表される。
式(3)によれば、脱調パラメータが許容範囲に含まれる基準状態を基準として、ねじれ角の変動量Δδは、入力トルクの変動量ΔTLと、ΔTHに対して低速ロータ30と高速ロータ40のイナーシャの比を乗じた値との和に依存する。
なお、図2では、基準状態のときの基準ねじれ角であるδ1がδ0と異なるように図示されているが、δ1がδ0と同じ値であってもよい。つまり、δ0のときが磁気ギア発電機10の基準状態となってもよい。
例えば、該トルク低減指令は、式(4)を成立させるような指令である。式(4)では、ΔTHがΔTLと逆符号で比例する。一例として示した図2においても、ΔTHがΔTLと逆符号になっている。
ΔTH=-(JH/JL)×ΔTL・・・式(4)
式(4)が成立する場合、例えば、入力トルクの増大に伴い脱調リスクが増大した場合であっても、発電機トルクの低下により高速ロータ40は減速しにくい(式(2)参照)。従って、高速ロータ40が低速ロータ30追従できるので、磁気ギア発電機10のねじれ角の変動量は抑制される。よって、磁気ギア発電機10の脱調は抑制される。
また、入力トルクが増大した場合において、発電機トルクが極端に下がると、脱調は抑制されても、高速ロータ40の回転数が過剰になるおそれがある。この点、発電機トルクが式(4)に従って変化することにより、発電機トルクが極端に下がることが抑制される。併せて、発電機トルクの極端な低下が抑制されることで、発電システム1の発電効率が極端に下がることも抑制される。
例えば、該トルク低減指令は、式(5)を成立させるような指令である。式(5)では、ΔTHが、dΔωH/dtと逆符号に比例する。
ΔTH=-K×(dΔωH/dt)・・・式(5)
(K:正の一定値)
式(5)が成立する場合、脱調パラメータが許容範囲に含まれる基準状態を基準とした式(2)は、以下のように表される。
(JH-K)×(dΔωH/dt)=TmaxsinΔδ・・・式(6)
式(6)から判るように、式(5)が成立すれば、高速ロータ40の見かけ上のイナーシャは低減する。従って、高速ロータ40は低速ロータ30に追従し易くなり、磁気ギア発電機10の脱調は抑制される。
例えば、トルク低減指令は、式(4)と式(5)との双方を成立させるような指令であってもよい。この場合、式(5)が成立することによって、高速ロータ40の見かけ上のイナーシャが低減するので、式(4)に基づいたΔTH(発電機トルクの低減量)も抑制され、発電システム1Aの発電効率が下がることをさらに抑制できる。
図3Aの上段のグラフは脱調パラメータの変化の一例を示し、中段のグラフは、入力低減指令とトルク低減指令が生成されるタイミングを示し、下段のグラフは、稼働停止指令(トリップ指令)が生成されるタイミングを示す。いずれのグラフにおいても、横軸はコントローラ100の演算のステップ数を示す。
図3Bと図3Cは図3Aと同様のグラフを示す。
以下、図3A~図3Cの上段のグラフで示される脱調パラメータを各々第1脱調パラメータ、第2脱調パラメータ、及び第3脱調パラメータという場合がある。
また、入力低減指令とトルク低減指令が各々、原動機2と電力変換器50に付与されたにも関わらず、第1脱調パラメータが第1限界値Lm1を超えた場合(ステップ数がN+2からN+3に変わるタイミング)、その直後(N+3ステップ目)に稼働停止指令が生成される。
一実施形態では、脱調のリスクの有無を判定するための基準となる第2閾値Th2と、発電システム1を稼働停止するかの判定基準となる第2限界値Lm2が予め設定されている。
磁気ギア発電機10の稼働中、第2脱調パラメータが第2閾値Th2を超えると、その直後のNステップ目において、運転モードは脱調回避モードに切替わり、入力低減指令とトルク低減指令が生成される。この例では、第2閾値Th2以下となる規定の範囲(第2許容範囲)を第2脱調パラメータが超えたことに応答して、入力低減指令とトルク低減指令が生成される。
また、入力低減指令とトルク低減指令が生成されたにも関わらず、第2脱調パラメータが第2限界値Lm2を超えた場合には、その直後のN+2ステップ目において稼働停止指令が生成される。
一例として、計測によって取得された第1脱調パラメータの実測値に基づいた予測分析が行われることで、第3脱調パラメータは取得される。より具体的な一例として、計測によって求まる第1脱調パラメータのデータに例えば指数平滑化法を適用することで、予測データとしての第3脱調パラメータは求められる。
図3Cでは、N-1ステップ目までに複数回にわたって取得された実測に基づく第1脱調パラメータを黒点によって図示し、Nステップ目の時点で求まる第3脱調パラメータを予想線として実線で図示する。
一実施形態の第3脱調パラメータは、第1脱調パラメータが取得されるたびに更新される予測データである。つまり、第1脱調パラメータの新たな実測値がNステップ目において取得されると、N+1ステップ目においては予想線が更新される。
一実施形態では、脱調のリスクの有無を判定するための基準となる第3閾値Th3と、発電システム1を稼働停止するかの判定基準となる第3限界値Lm3が予め設定されている。
一実施形態では、第3脱調パラメータが取得された現時点を基準とした予測可能範囲において、第3脱調パラメータが第3閾値Th3を超えるか判定される。図3Cの例では予測可能範囲はRcに該当する。第3脱調パラメータが第3閾値Th3を超えると判定されれば、その直後のステップにおいて運転モードは脱調回避モードに切替わる。この例では、第3閾値Th3以下となる規定の範囲(第3許容範囲)を第3脱調パラメータが超えたことに応答して、入力低減指令とトルク低減指令が生成される。
一実施形態では、予測データである第3パラメータに基づく脱調リスクの判定の方が、図3A、図3Bで示される脱調リスクの判定よりも、運転モードが脱調回避モードに切替わるタイミングが早い。
図3Cにおいても、第3脱調パラメータが予測可能範囲において第3限界値Lm3を超えれば、稼働停止指令が生成される。説明の重複を避けるため、詳細については割愛する。
なお、上記図3A~図3Cでは、入力低減指令とトルク低減指令が同じステップ数において各々、原動機2と電力変換器50に付与される例を示した。他の実施形態では、入力低減指令とトルク低減指令が付与されるタイミングは異なってもよい。
図4は、原動機2として再生可能エネルギー抽出装置200が採用された発電システム1B(1)の概略を例示する。
再生可能エネルギー抽出装置200は、再生可能エネルギーを抽出して磁気ギア発電機10への入力を生成するように構成される。一実施形態の再生可能エネルギーは風力であり、再生可能エネルギー抽出装置200は風車である。別の実施形態では、再生可能エネルギーは潮流又は海流であり、再生可能エネルギー抽出装置200は水車である。
再生可能エネルギー抽出装置200からの入力トルクによって磁気ギア発電機10は電力を発電し、発電された電力は電力変換器50を経由して電力供給先4に供給される。一実施形態では、磁気ギア発電機10の固定子巻き線24に流れる電流は、計測器55によって計測される。
ピッチ角の変更によって再生可能エネルギーの抽出量が調整され、結果として原動機ロータ220の回転数が調整される。例えば、再生可能エネルギー抽出装置200が風車である実施形態においては、ピッチ角が、フルファイン位置と、フルファイン位置よりもフェザー側にある位置との間で変更される。これにより、複数の翼214は、風を積極的に受ける姿勢と風を受け流す姿勢との間で変化し、原動機ロータ220の回転速度は調整される。
なお、一実施形態のピッチアクチュエータ215Aは電動モータを含む電動式であるが、油圧シリンダを含む油圧式であってもよい。
一実施形態の制御器230では、目標回転数設定部233が、原動機ロータ220の目標となる回転数を設定し、該目標値を指令として回転数制御部231に送る。回転数制御部231は、原動機ロータ220の回転数の現在値を例えば低速ロータセンサ35の検出結果に基づき取得する。さらに、回転数制御部231は、目標の回転数に原動機ロータ220が到達するためのピッチ角をピッチアクチュエータ215Aに指令として送る。原動機ロータ220の回転数は調整され、エネルギー抽出部210が抽出する再生可能エネルギーが調整される。
一実施形態では、回転数制御部231によって実行される制御はPI制御である。この場合、原動機ロータ220の回転数の目標値と現在値との偏差に基づいて特定されたピッチ角が、指令として回転数制御部231からピッチアクチュエータ215Aに送られる。なお、回転数制御部231によって実行される制御は、P制御又はPID制御などの他の制御であってもよい。
コントローラ100Bの構成要素である取得部105は、高速ロータセンサ45と低速ロータセンサ35の検出結果に基づき、高速ロータ40(あるいはロータ磁石42)の回転位置と回転速度、低速ロータ30の回転位置と回転速度、及びねじれ角を取得する。取得結果は、座標変換部276、目標トルク設定部245、及びパラメータ取得部103に送られる。
さらに、取得部105は、ロータ磁石42の回転位置と、計測器55の計測結果とに基づき、固定子巻き線24に流れる固定座標系における現在の電流値を、回転座標系における現在の電流値に変換するように構成される。変換された電流値(現在値)は、後述のPI制御部242に送られる。
目標トルク設定部245は、取得部105から取得した高速ロータ40の回転速度に基づき、目標とすべき発電機トルクを設定する。特定結果はPI制御部242に送られる。
メイン指令部250は、いずれも既述のパラメータ取得部103、及び運転モード制御部106を含む。メイン指令部250を構成する判定部260の詳細は後述する。
PI制御部242は、発電機トルクの現在値と目標値との偏差、及び、回転座標系における固定子巻き線24の現在の電流値に基づき、目標とすべき固定子巻き線24の回転座標系における電流値を特定する。特定結果は座標変換部276に送られる。
座標変換部276は、取得部105から取得したロータ磁石42の回転位置に基づき、固定子巻き線24の回転座標系における電流値(目標値)を、固定座標系における電流値に変換する。変換結果はPWM制御部248に送られる。
PWM制御部248は、取得した固定座標系における固定子巻き線24の電流値(目標値)に基づき、PWM制御信号を電力変換器50に送る。一実施形態のPMW制御信号は、電力変換器50の制動抵抗を指定する信号である。
上記の制御によって、固定子巻き線24を流れる電流値が制御され、磁気トルクが制御される。
具体的な一例として、メイン指令部250の構成要素である判定部260は、パラメータ取得部103によって取得された脱調パラメータが許容範囲を超えたかを判定する。脱調パラメータが許容範囲を超えたと判定された場合、運転モード切替部110は磁気ギア発電機10の運転モードを通常モードから脱調回避モードに切替える。
この場合、低減指令部120は、トルク低減指令をPI制御部242に付与する。一実施形態のトルク低減指令は、目標トルク設定部245からPI制御部242に送られた発電機トルク(目標値)を低減させる指令である。これにより、PI制御部242は、発電機トルク(目標値)を低減させたうえで、回転座標系における電流値(目標値)を特定する。結果、脱調回避モードにおいて発電機トルクは低減する。別の実施形態では、低減指令部120から付与されるトルク低減指令は、発電機トルクの値であってもよい。この値は、目標トルク設定部245から出力される発電機トルク(目標値)よりも小さく、PI制御部242はトルク低減指令が示す発電機トルクを優先的に目標値として扱う。
脱調回避モードにおいて低減指令部120は、上記トルク低減指令をPI制御部242等を介して電力変換器50に付与するとともに、入力低減指令を制御器230の目標回転数設定部233に付与する。このときの入力低減指令は、エネルギー抽出部210による再生可能エネルギーの抽出量を減少させるための指令である。一実施形態では、このときの入力低減指令は、目標とすべき原動機ロータ220の回転数を低減させる指令である。目標回転数設定部233は、入力低減指令に基づき低減させた原動機ロータ220の回転数(目標値)を回転数制御部231に送る。これにより、再生可能エネルギーの抽出量を減らすピッチ角を回転数制御部231はピッチアクチュエータ215Aに送る。結果、原動機ロータ220の回転数は低下し、再生可能エネルギー抽出装置200から磁気ギア発電機10への入力トルクは低減する。なお、脱調回避モードにおいて低減指令部120から送られる入力低減指令は、原動機ロータ220の具体的な目標回転数であってもよい。
再生可能エネルギーの将来予測値(以下、単に将来予測値という場合がある)が上限値よりも大きいと判定された場合、低減指令部120は、磁気ギア発電機10の運転モードが脱調回避モードであるかに関わらず、入力低減指令を再生可能エネルギー抽出装置200に付与する。具体的な一例として、低減指令部120は、制御器230を介さずに、入力低減指令をピッチアクチュエータ215Aに付与する。入力低減指令が直接的にピッチアクチュエータ215Aに入力されることで、回転数制御部231による上述の制御を介在させることなくピッチ角は調整される。これにより、再生可能エネルギー抽出装置200から磁気ギア発電機10への入力トルクを迅速に低減させることができる。従って、例えば再生可能エネルギー抽出装置200が風車である実施形態においては、突風などの突発的な事象が起きる場合であっても、再生可能エネルギー抽出装置200からから磁気ギア発電機10への入力が急激に増加することが抑制される。
プロセッサ91は、ROM92に記憶されるプログラムを読み出してRAM93にロードし、ロードしたプログラムに含まれる命令を実行するように構成される。これにより、発電システム1の発電制御が実行される。プログラムの実行に伴い処理される各種値は、RAM93又はメモリ94に記憶される。メモリ94は、例えば不揮発性メモリである。
図6を参照し、発電システム1で実行される発電制御処理の一例を説明する。
一実施形態に係る発電制御処理は、発電システム1の稼働時に継続的に実行される処理である。
以下の説明では、「ステップ」を「S」と略記する。
一実施形態の脱調リスク判定処理では、脱調パラメータが許容範囲を超えたと判定された場合には、メモリ94に記憶される脱調リスクフラグが1に上書きされる。一方、脱調パラメータが許容範囲内であると判定された場合には、メモリ94に記憶される脱調リスクフラグは0に維持される。脱調リスク判定処理の詳細は後述する。
脱調リスクフラグが0である場合(S15:NO)、プロセッサ91は、ライダー56の出力結果に基づき、エネルギー抽出部210に付与される再生可能エネルギーの将来予測値が上限値よりも大きいかを判定する(S17)。一実施形態では、上限値はメモリ94に記憶される。将来予測値が上限値以下である場合(S17:NO)、プロセッサ91は処理をS11に戻す。
脱調パラメータが許容範囲内であり(S15:NO)、将来予測値が上限値以下であれば(S17:NO)、プロセッサ91はS11~S17を繰り返す。
プロセッサ91は、脱調リスクフラグを1とさせた脱調パラメータが許容範囲内に戻ったかを判定する(S23)。脱調パラメータが許容範囲に戻っていないと判定された場合(S23:NO)、プロセッサ91は、脱調パラメータが限界値を超えたかを判定する(S37)。例えばプロセッサ91は、第1脱調パラメータ、第2脱調パラメータ、又は第3脱調パラメータのいずれか一つが、対応する限界値(第1限界値、第2限界値、又は第3限界値)を超えたかを判定する。
脱調パラメータが限界値を超えていないと判定された場合(S37:NO)、プロセッサ91は処理をS23に戻す。
次いでプロセッサ91は、入力増加指令を原動機2に付与するとともに、トルク増大指令を電力変換器50に付与する(S29)。S29を実行するプロセッサ91は既述の増加指令部127として機能する。
その後、プロセッサ91は、処理をS11に戻す。
プロセッサ91は、ライダー56の検出結果に基づき、将来予測値が上限値以下に戻ったかを判定する(S33)。将来予測値が上限値以下に戻るまで(S33:NO)、プロセッサ91は待機する。
将来予測値が上限値以下に戻ると(S33:YES)、プロセッサ91は、入力増加指令を再生可能エネルギー抽出装置200に付与し(S35)、処理をS11に戻す。
プロセッサ91は、第1脱調パラメータと第1許容範囲を比較し(S51)、第2脱調パラメータと第2許容範囲を比較し(S53)、第3脱調パラメータと第3許容範囲を比較する(S55)。
次いでプロセッサ91は、第1脱調パラメータ、第2脱調パラメータ、及び第3脱調パラメータのうちで2つ以上の脱調パラメータが、対応する許容範囲を超えたかを判定する(S57)。
2つ以上の脱調パラメータが許容範囲を超えたと判定された場合(S57:YES)、プロセッサ91は脱調リスクフラグを1に上書きして(S59)、脱調リスク判定処理を終了する。一方、許容範囲を超えた脱調パラメータが1個である場合、または、いずれの脱調パラメータも許容範囲内である場合(S57:NO)、プロセッサ91は脱調リスク判定処理を終了する。この場合、脱調リスクフラグは0である。
以上のように、本例の脱調リスク判定処理では、第1脱調パラメータ、第2脱調パラメータ、及び第3脱調パラメータの少なくとも2つが対応する許容範囲を超えたことを条件に、脱調リスクがあると判定される。
プロセッサ91は、第1脱調パラメータが第1許容範囲を超えたかを判定する(S71)。第1脱調パラメータが第1許容範囲を超えていると判定された場合(S71:YES)、プロセッサ91は脱調リスクフラグを1に上書きして(S77)、脱調リスク判定処理を終了する。
第1脱調パラメータが第1許容範囲内であると判定された場合(S71:NO)、プロセッサ91は、第2脱調パラメータが第2許容範囲を超えたかを判定する(S73)。第2脱調パラメータが第2許容範囲を超えていると判定された場合(S73:YES)、プロセッサ91は処理をS77に進める。
第2脱調パラメータが第2許容範囲内であると判定された場合(S73:NO)、プロセッサ91は、第3脱調パラメータが第3許容範囲を超えたかを判定する(S75)。第3脱調パラメータが第3許容範囲を超えていると判定された場合(S75:YES)、プロセッサ91は処理をS77に進める。第3脱調パラメータが第3許容範囲内であると判定された場合(S75:NO)、プロセッサ91は脱調リスク判定処理を終了する。
以上のように、本例の脱調リスク判定処理では、第1脱調パラメータ、第2脱調パラメータ、及び第3脱調パラメータのいずれか一つでも対応する許容範囲を超えたことを条件に、脱調リスクがあると判定される。
以下、幾つかの実施形態に係る発電システム(1)及び発電システム用のコントローラ(100)について概要を説明する。
原動機(2)と、
前記原動機(2)からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機(10)と、
前記磁気ギア発電機(10)に接続された電力変換器(50)と、
前記磁気ギア発電機(10)の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機(10)の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部(110)と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機(2)からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機(2)に付与するとともに、前記磁気ギア発電機(10)の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を前記電力変換器(50)に付与するための低減指令部(120)と
を備える。
また、脱調回避モードにおいて、原動機(2)からの入力を減少させると、ねじれ角は減少傾向となり、磁気トルクも減少しようとする。このとき、発電機トルクの低減指令を電力変換器(50)に与えない場合、脱調回避モードへの切替後に発電機トルクに対して磁気トルクが不足し、ねじれ角の増加傾向をもたらしてしまう。そこで、上述のとおり、脱調回避モードにおいて、原動機(2)からの入力だけでなく、発電機トルクも減少させることで、ねじれ角をより確実に減少させることができ、脱調リスクの効果的な低減が可能となる。よって、磁気ギア発電機(10)の脱調を抑制できる発電システム(1)が実現する。
前記磁気ギア発電機(10)は、
前記原動機(2)からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータ(30)と、
前記低速ロータ(30)の回転に伴い生じる磁気トルクによって駆動されるように構成された高速ロータ(40)と、
前記高速ロータ(40)の回転に伴い前記電力変換器(50)への供給電力が生じるように構成された固定子巻き線(24)を有するステータ(20)と
を備え、
前記低減指令部(120)は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態を基準として、前記高速ロータ(40)の前記発電機トルクの変動量が、前記低速ロータ(30)の前記入力の変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を、前記電力変換器(50)に付与する。
前記磁気ギア発電機(10)は、
前記原動機(2)からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータ(30)と、
前記低速ロータ(30)の回転に伴い生じる磁気トルクで駆動されるように構成された高速ロータ(40)と、
前記高速ロータ(40)の回転に伴い前記電力変換器(50)への供給電力を生じさせるための固定子巻き線(24)を有するステータ(20)と
を備え、
前記低減指令部(120)は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態を基準として、前記発電機トルクの変動量が、前記高速ロータ(40)の角加速度の変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を前記電力変換器(50)に付与する。
前記原動機(2)は、再生可能エネルギーを抽出して前記磁気ギア発電機(10)への前記入力を生成するように構成された再生可能エネルギー抽出装置(200)であり、
前記低減指令部(120)は、前記再生可能エネルギーの将来予測値が上限値よりも大きい場合、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたかに関わらず、前記入力低減指令を前記再生可能エネルギー抽出装置(200)に付与し、前記再生可能エネルギーの抽出量を減少させる。
前記再生可能エネルギー抽出装置(200)は、
前記再生可能エネルギーを抽出するためのエネルギー抽出部(210)と、
抽出した前記再生可能エネルギーによって駆動されるように構成された原動機ロータ(220)と、
前記原動機ロータ(220)の回転数が目標回転数に近づくように前記エネルギー抽出部(210)に対して制御指令を付与するための制御器(230)と、
を含み、
前記低減指令部(120)は、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値以下である場合に、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたとき、前記入力低減指令として、前記目標回転数を低減する指令を前記制御器(230)に付与し、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値より大きい場合に、前記制御器(230)を介さずに、前記再生可能エネルギーの前記抽出量を減少させるように前記エネルギー抽出部(210)に前記入力低減指令を付与するように構成される。
前記低減指令部(120)が前記入力低減指令と前記トルク低減指令を付与した後、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれるようになった場合、前記運転モードを通常モードに切替えるための運転モード復帰部(125)と、
復帰した前記通常モードにおいて、前記入力を増加させる入力増加指令を前記原動機(2)に付与するとともに、前記発電機トルクを増加させるトルク増大指令を前記電力変換器(50)に付与するための増加指令部(127)と
を備える。
前記運転モード切替部(110)は、複数の前記脱調パラメータが、各々の前記脱調パラメータに対応する複数の前記許容範囲を超えたことに応答して、前記運転モードを前記脱調回避モードに切替えるように構成される。
前記運転モード切替部(110)は、複数の前記脱調パラメータのいずれかが、前記脱調パラメータに対応する前記許容範囲を超えたことに応答して、前記運転モードを前記脱調回避モードに切替えるように構成される。
原動機(2)からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機(10)の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機(10)の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部(110)と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機(2)からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機(2)に付与するとともに、前記磁気ギア発電機(10)の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を、前記磁気ギア発電機(10)に接続された電力変換器(50)に付与するための低減指令部(120)と
を備える。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 :原動機
10 :磁気ギア発電機
20 :ステータ
24 :固定子巻き線
30 :低速ロータ
40 :高速ロータ
50 :電力変換器
100 :コントローラ
110 :運転モード切替部
120 :低減指令部
125 :運転モード復帰部
127 :増加指令部
200 :再生可能エネルギー抽出装置
210 :エネルギー抽出部
220 :原動機ロータ
230 :制御器
Claims (9)
- 原動機と、
前記原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機と、
前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器と、
前記磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を前記電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記磁気ギア発電機は、
前記原動機からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータと、
前記低速ロータの回転に伴い生じる磁気トルクによって駆動されるように構成された高速ロータと、
前記高速ロータの回転に伴い前記電力変換器への供給電力が生じるように構成された固定子巻き線を有するステータと
を備え、
前記低減指令部は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態からの前記高速ロータの前記発電機トルクの変動量が、前記基準状態からの前記低速ロータの前記入力トルクの変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を前記電力変換器に付与する発電システム。 - 原動機と、
前記原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機と、
前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器と、
前記磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を前記電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記磁気ギア発電機は、
前記原動機からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータと、
前記低速ロータの回転に伴い生じる磁気トルクで駆動されるように構成された高速ロータと、
前記高速ロータの回転に伴い前記電力変換器への供給電力を生じさせるための固定子巻き線を有するステータと
を備え、
前記低減指令部は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態からの前記発電機トルクの変動量が、前記基準状態からの前記高速ロータの角加速度の変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を前記電力変換器に付与する発電システム。 - 原動機と、
前記原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機と、
前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器と、
前記磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を前記電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記原動機は、再生可能エネルギーを抽出して前記磁気ギア発電機への前記入力を生成するように構成された再生可能エネルギー抽出装置であり、
前記低減指令部は、前記再生可能エネルギーの将来予測値が上限値よりも大きい場合、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたかに関わらず、前記入力低減指令を前記再生可能エネルギー抽出装置に付与し、前記再生可能エネルギーの抽出量を減少させるように構成され、
前記再生可能エネルギー抽出装置は、
前記再生可能エネルギーを抽出するためのエネルギー抽出部と、
抽出した前記再生可能エネルギーによって駆動されるように構成された原動機ロータと、
前記原動機ロータの回転数が目標回転数に近づくように前記エネルギー抽出部に対して制御指令を付与するための制御器と、
を含み、
前記低減指令部は、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値以下である場合に、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたとき、前記入力低減指令として、前記目標回転数を低減する指令を前記制御器に付与し、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値より大きい場合に、前記制御器を介さずに、前記再生可能エネルギーの前記抽出量を減少させるように前記エネルギー抽出部に前記入力低減指令を付与するように構成された発電システム。 - 前記低減指令部が前記入力低減指令と前記トルク低減指令を付与した後、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれるようになった場合、前記運転モードを通常モードに切替えるための運転モード復帰部と、
復帰した前記通常モードにおいて、前記入力を増加させる入力増加指令を前記原動機に付与するとともに、前記発電機トルクを増加させるトルク増大指令を前記電力変換器に付与するための増加指令部と
を備える請求項1から3のいずれかに記載の発電システム。 - 前記運転モード切替部は、複数の前記脱調パラメータが、各々の前記脱調パラメータに対応する複数の前記許容範囲を超えたことに応答して、前記運転モードを前記脱調回避モードに切替えるように構成された請求項1から4のいずれかに記載の発電システム。
- 前記運転モード切替部は、複数の前記脱調パラメータのいずれかが、前記脱調パラメータに対応する前記許容範囲を超えたことに応答して、前記運転モードを前記脱調回避モードに切替えるように構成された請求項1から5のいずれかに記載の発電システム。
- 原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を、前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記磁気ギア発電機は、
前記原動機からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータと、
前記低速ロータの回転に伴い生じる磁気トルクによって駆動されるように構成された高速ロータと、
前記高速ロータの回転に伴い前記電力変換器への供給電力が生じるように構成された固定子巻き線を有するステータと
を備え、
前記低減指令部は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態からの前記高速ロータの前記発電機トルクの変動量が、前記基準状態からの前記低速ロータ前記入力トルクの変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を前記電力変換器に付与する発電システム用のコントローラ。 - 原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を、前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記磁気ギア発電機は、
前記原動機からの入力トルクによって駆動されるように構成された低速ロータと、
前記低速ロータの回転に伴い生じる磁気トルクで駆動されるように構成された高速ロータと、
前記高速ロータの回転に伴い前記電力変換器への供給電力を生じさせるための固定子巻き線を有するステータと
を備え、
前記低減指令部は、前記脱調パラメータが前記許容範囲に含まれる基準状態からの前記発電機トルクの変動量が、前記基準状態からの前記高速ロータの角加速度の変動量と比例するよう、前記トルク低減指令を前記電力変換器に付与する発電システム用のコントローラ。 - 原動機からの入力によって駆動されて発電をするための磁気ギア発電機の脱調のリスクを示す脱調パラメータが規定の許容範囲を超えたことに応答して、前記磁気ギア発電機の運転モードを脱調回避モードに切替えるための運転モード切替部と、
前記脱調回避モードにおいて、前記原動機からの前記入力を低減させる入力低減指令を前記原動機に付与するとともに、前記磁気ギア発電機の発電機トルクを低減させるトルク低減指令を、前記磁気ギア発電機に接続された電力変換器に付与するための低減指令部と
を備え、
前記原動機は、再生可能エネルギーを抽出して前記磁気ギア発電機への前記入力を生成するように構成された再生可能エネルギー抽出装置であり、
前記低減指令部は、前記再生可能エネルギーの将来予測値が上限値よりも大きい場合、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたかに関わらず、前記入力低減指令を前記再生可能エネルギー抽出装置に付与し、前記再生可能エネルギーの抽出量を減少させるように構成され、
前記再生可能エネルギー抽出装置は、
前記再生可能エネルギーを抽出するためのエネルギー抽出部と、
抽出した前記再生可能エネルギーによって駆動されるように構成された原動機ロータと、
前記原動機ロータの回転数が目標回転数に近づくように前記エネルギー抽出部に対して制御指令を付与するための制御器と、
を含み、
前記低減指令部は、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値以下である場合に、前記脱調パラメータが前記許容範囲を超えたとき、前記入力低減指令として、前記目標回転数を低減する指令を前記制御器に付与し、
前記再生可能エネルギーの前記将来予測値が前記上限値より大きい場合に、前記制御器を介さずに、前記再生可能エネルギーの前記抽出量を減少させるように前記エネルギー抽出部に前記入力低減指令を付与するように構成された発電システム用のコントローラ。
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