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JP2011217574A - Wind power generation system, and device and method for controlling rotating machine - Google Patents

Wind power generation system, and device and method for controlling rotating machine Download PDF

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Publication number
JP2011217574A
JP2011217574A JP2010085651A JP2010085651A JP2011217574A JP 2011217574 A JP2011217574 A JP 2011217574A JP 2010085651 A JP2010085651 A JP 2010085651A JP 2010085651 A JP2010085651 A JP 2010085651A JP 2011217574 A JP2011217574 A JP 2011217574A
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Japan
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current command
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control
power
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Application number
JP2010085651A
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Inventor
Yumeki Ono
夢樹 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control the stabilization of output of a rotating machine by eliminating the complicated calculation element and control element.SOLUTION: In a wind power generating system, a power generation output of an AC generator 2 driven by a windmill 3 is converted into a DC power by a generator-side inverter 13, this DC power is converted to an AC power by a system-side inverter according to a frequency/voltage of a linkage power supply, and a current of the inverter is controlled by a current control part 12. A target value of output control of the AC generator is set in an active power commanding device 31 as an active power command value, and a current command calculation part 10A converts the set active power command value to an actual active current command value by an output voltage of the inverter. Or, the target value of output control of the generator is set to the active current command value and a reactive current command value, and current control of the output of the generator is made by these current command values.

Description

本発明は、風力発電システム、風車用交流発電機などの回転機の制御装置および制御方法に係り、特に電流制御によって回転機の出力を制御する装置および方法に関する。   The present invention relates to a control device and a control method for a rotating machine such as a wind power generation system and a wind turbine AC generator, and more particularly to an apparatus and a method for controlling the output of a rotating machine by current control.

風力発電システムでは、風車で駆動する交流発電機の発電電力を商用電源と連系して配電網へ供給するには、商用電力周波数に同期させた一定周波数/一定電圧で発電できることを必要とする。しかし、発電機を駆動する風車の回転エネルギーが頻繁にかつ大きく変動するため、風車を発電機に直結または変速ギアで結合するのでは発電周波数/発電電圧を一定化できない。そこで、発電機出力を一旦直流に電力変換し、この直流電力をインバータによって商用電源と連系できる周波数/電圧に制御した電力変換方式がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。   In the wind power generation system, in order to supply the generated power of the AC generator driven by the windmill to the distribution network in conjunction with the commercial power source, it is necessary to be able to generate power at a constant frequency / constant voltage synchronized with the commercial power frequency. . However, since the rotational energy of the wind turbine that drives the generator frequently and greatly fluctuates, the power generation frequency / power generation voltage cannot be made constant by connecting the wind turbine directly to the generator or by a transmission gear. Therefore, there is a power conversion method in which the generator output is once converted into direct current, and this direct current power is controlled to a frequency / voltage that can be connected to a commercial power source by an inverter (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

図4は従来の風力発電システムの装置構成図を示す。この制御装置は速度指令に基づいて動作する場合と、トルク指令に基づいて動作する場合があり、速度制御とトルク制御を切り替えできるように構成される。   FIG. 4 shows an apparatus configuration diagram of a conventional wind power generation system. This control device may be operated based on a speed command or operated based on a torque command, and is configured to be able to switch between speed control and torque control.

速度指令器1は、制御装置に外部から与える、あるいは制御装置の内部で作成する速度指令を発生する。風車用の発電機2は、誘導機や永久磁石同期機で構成され、その軸に結合される風車(プロペラ)3で駆動されて発電する。   The speed commander 1 generates a speed command given to the control device from the outside or created inside the control device. The generator 2 for windmills is comprised with an induction machine or a permanent magnet synchronous machine, and is driven by the windmill (propeller) 3 couple | bonded with the axis | shaft, and generates electric power.

位置・速度検出器4は、発電機2に取り付けられてロータの位置・速度検出を行うもので、通常のパルスエンコーダのほか、アナログ信号を出力するエンコーダやレゾルバでもよい。位相検出部5は、位置・速度検出器4の出力から発電機2の磁束位相を演算する。なお、発電機2が誘導機の場合はこの位相検出部は無い。速度検出演算部6は、ある単位時間あたりに位相検出部5から得られる位相差から発電機2の速度検出値を演算で求める。   The position / speed detector 4 is attached to the generator 2 to detect the position / speed of the rotor, and may be an ordinary pulse encoder, an encoder that outputs an analog signal, or a resolver. The phase detector 5 calculates the magnetic flux phase of the generator 2 from the output of the position / speed detector 4. In addition, when the generator 2 is an induction machine, there is no this phase detection part. The speed detection calculation unit 6 calculates the speed detection value of the generator 2 from the phase difference obtained from the phase detection unit 5 per unit time.

速度制御器7は、通常は、速度指令器1で設定する速度指令と速度検出演算部6からの速度検出値を比較入力とし、例えば比例積分(PI)演算結果でトルク指令値を得る。このトルク指令値は、速度指令と速度検出値の偏差が無くなる様に自動制御系を構成する。トルクリミッタ8は、トルク指令が異常に大きくならないようにリミッタ値に制限する。   Normally, the speed controller 7 uses the speed command set by the speed commander 1 and the speed detection value from the speed detection calculation unit 6 as a comparison input, and obtains a torque command value by, for example, a proportional integration (PI) calculation result. This torque command value constitutes an automatic control system so that there is no deviation between the speed command and the speed detection value. The torque limiter 8 limits the limit value so that the torque command does not become abnormally large.

トルク指令器9は、制御装置に外部から与えられる、あるいは制御装置の内部で作成するトルク指令値を出力する。電流指令演算部10は、制御装置が速度指令に基づいて動作する場合はトルクリミッタ8の出力が選択され、制御装置がトルク指令に基づいて動作する場合はトルク指令器9の出力が選択され、これらトルク指令値に応じた電圧指令値に変換する。電流指令演算部10は、ベクトル制御に適用できるよう、通常は、励磁電流指令値とトルク電流指令値の2成分で構成される。切換器11は、電圧指令値演算部のトルク指令値入力を切り替え、風力発電システムに適用される場合は、電流指令演算部10はトルク指令器9の出力に切り替えられる。   The torque command device 9 outputs a torque command value given to the control device from the outside or created inside the control device. The current command calculation unit 10 selects the output of the torque limiter 8 when the control device operates based on the speed command, and selects the output of the torque command device 9 when the control device operates based on the torque command. It converts into the voltage command value according to these torque command values. The current command calculation unit 10 is normally configured with two components of an excitation current command value and a torque current command value so as to be applicable to vector control. The switch 11 switches the torque command value input of the voltage command value calculation unit, and when applied to the wind power generation system, the current command calculation unit 10 is switched to the output of the torque command unit 9.

電流制御器12は、電流指令演算部10からの電流指令値と、発電機2から発電機側インバータ13に供給する発電電流を検出する電流検出器14の検出電流とを比較し、両者を一致させるための電流指令値を出力する。PWM変換器15は、電流制御器12の電圧指令値に応じたパルス幅のPWM電圧波形に変換して発電機側インバータ13の各半導体スイッチングデバイスのPWM制御によって、発電機2で発生した交流電力を直流に変換する。この変換に際して、電圧検出器16で検出するインバータ出力電圧を電圧指令値に一致させる。   The current controller 12 compares the current command value from the current command calculation unit 10 with the detected current of the current detector 14 that detects the generated current to be supplied from the generator 2 to the generator-side inverter 13 and matches the two. Outputs the current command value for The PWM converter 15 converts the pulse voltage into a PWM voltage waveform corresponding to the voltage command value of the current controller 12 and generates AC power generated in the generator 2 by PWM control of each semiconductor switching device of the generator-side inverter 13. Is converted to direct current. In this conversion, the inverter output voltage detected by the voltage detector 16 is matched with the voltage command value.

系統側インバータ17は、発電機側インバータ13の直流出力を電源とし、連系側電力に電圧・周波数および位相制御した交流出力に電力変換する。入力フィルタ18は系統側インバータ17の出力からノイズ成分を除去し、連系遮断器19は入力フィルタ18を通した交流出力を連系しようとする電力系統に接続・遮断する。   The system-side inverter 17 uses the DC output of the generator-side inverter 13 as a power source, and converts the power into an AC output whose voltage, frequency, and phase are controlled to the grid-side power. The input filter 18 removes a noise component from the output of the system side inverter 17, and the interconnection breaker 19 connects and cuts off the AC output through the input filter 18 to the electric power system to be connected.

以上のような風力発電システムにおいて、近年の発電電力の増大化に伴い、風車用の発電機2および風車(プロペラ)3は大型化している(例えば、発電機の体格が直径数メートルに及ぶ)。この大型化に伴い、速度検出器4(通常、産業用交流電動機に使用されるエンコーダやレゾルバが用いられる)の取り付けが機械的・構造的に困難となっており、速度検出器4に代えた速度検出で発電機を制御することが要望されている。   In the wind power generation system as described above, the wind turbine generator 2 and the wind turbine (propeller) 3 are becoming larger with the recent increase in generated power (for example, the size of the generator reaches several meters in diameter). . With this increase in size, it has become difficult mechanically and structurally to install the speed detector 4 (usually an encoder or resolver used in an industrial AC motor), and the speed detector 4 has been replaced. It is desired to control the generator by speed detection.

この実現手法として、電流検出器14の電流検出値と、インバータ13の出力する電圧によって、発電機2の位相・速度を推定する制御方法(センサレス制御)とする装置もある。この場合の装置構成図を図5に示す。同図が図4と異なる部分は、同図の位置・速度検出用回路要素4〜6に代えて、位相推定演算部21と速度推定演算部22を設けた点にある。   As an implementation method, there is also an apparatus that uses a control method (sensorless control) for estimating the phase / speed of the generator 2 based on the current detection value of the current detector 14 and the voltage output from the inverter 13. FIG. 5 shows an apparatus configuration diagram in this case. 4 is different from FIG. 4 in that a phase estimation calculation unit 21 and a speed estimation calculation unit 22 are provided in place of the position / speed detection circuit elements 4 to 6 shown in FIG.

位相推定演算部21は、電流検出器14の電流検出値と電流制御器12の電流指令値とから、発電機2の現在の位相(ロータ回転角)を推定する。この推定位相は電流制御器12におけるベクトル制御での基準位相として利用される。速度推定演算部22は、位相推定演算部21の推定位相を微分するなどの演算を行って速度を推定し、速度制御器7への速度検出値として利用される。   The phase estimation calculation unit 21 estimates the current phase (rotor rotation angle) of the generator 2 from the current detection value of the current detector 14 and the current command value of the current controller 12. This estimated phase is used as a reference phase in vector control in the current controller 12. The speed estimation calculation unit 22 estimates a speed by performing a calculation such as differentiation of the estimated phase of the phase estimation calculation unit 21 and is used as a speed detection value to the speed controller 7.

このような位相・速度推定による制御方法は、回転機が誘導電動機の場合や永久磁石式同期電動機の場合など、いずれの場合でも利用できる。   Such a control method based on phase / speed estimation can be used in any case, such as when the rotating machine is an induction motor or a permanent magnet synchronous motor.

図5における電流指令演算部〜回転機の部分について、より詳細なブロック構成図を図6の(a)に示し、ベクトル図を(b)に示す。電流指令演算部10は、インバータ13の出力を電力変換器20(インバータ13とPWM変換器15を合わせたもの)で電流ベクトル制御することを考慮して、発電機2の回転に同期した回転座標(直交dq軸)上のd軸、q軸電流指令値(無効電流指令値、有効電流指令値)id*、iq*を電流制御器12のPI演算部12Aに与える。PI演算部12Aは、指令値id*、iq*とそれぞれの検出値id、iqが入力され、それぞれの偏差を比例積分(PI)してdq軸の電圧指令値を得る。二相/三相座標変換部12Bは、回転座標系(二相)から固定座標系(三相)への座標変換器であり、二相のdq軸電圧指令値を、基準位相θ(図6では推定値θ^)に同期させた三相の電圧指令値VU *、VV *、VW *に変換し、これらを電力変換器20に含むPWM変換器15への電圧指令値とする。 FIG. 6A shows a more detailed block configuration diagram of the current command calculation unit to the rotating machine in FIG. 5, and FIG. 6B shows a vector diagram. The current command calculation unit 10 considers the current vector control of the output of the inverter 13 by the power converter 20 (a combination of the inverter 13 and the PWM converter 15), and the rotation coordinates synchronized with the rotation of the generator 2. The d-axis and q-axis current command values (reactive current command value, effective current command value) id * and iq * on (orthogonal dq axes) are given to the PI calculation unit 12A of the current controller 12. The PI operation unit 12A receives the command values id * and iq * and the detected values id and iq, and obtains a voltage command value for the dq axis by proportionally integrating (PI) the respective deviations. The two-phase / three-phase coordinate conversion unit 12B is a coordinate converter from the rotating coordinate system (two phases) to the fixed coordinate system (three phases), and converts the two-phase dq-axis voltage command value into the reference phase θ (FIG. 6). Then, the three-phase voltage command values V U * , V V * , and V W * synchronized with the estimated value θ ^) are converted into voltage command values to the PWM converter 15 included in the power converter 20. .

三相/二相座標変換部12Cは、固定座標系(三相)から回転座標系(二相)への座標変換部であり、電流検出器14で検出する三相電流IU,IV,IWをdq軸の二相電流に変換してPI演算部12Aへの入力とする。同様に、三相/二相座標変換部12Dは、固定座標系(三相)から回転座標系(二相)への座標変換部であり、電力変換器20への電圧指令値VU *、VV *、VW *をdq軸の二相電圧に変換する。これら座標変換部12C、12Dの変換に際して、基準位相θ(推定位相θ^)が入力される。 The three-phase / two-phase coordinate conversion unit 12C is a coordinate conversion unit from the fixed coordinate system (three phases) to the rotating coordinate system (two phases), and the three-phase currents I U , I V , I W is converted into a dq-axis two-phase current and used as an input to the PI calculation unit 12A. Similarly, the three-phase / two-phase coordinate conversion unit 12D is a coordinate conversion unit from the fixed coordinate system (three phases) to the rotating coordinate system (two phases), and the voltage command value V U * , V V * and V W * are converted into a two-phase voltage on the dq axis. At the time of conversion by these coordinate conversion units 12C and 12D, a reference phase θ (estimated phase θ ^) is input.

位相推定演算部21は、座標変換部12C、12Dで変換した発電機2の出力に相当する二相の電流、電圧信号から発電機2のロータ回転位置(位相)の推定値θ^を求める。   The phase estimation calculation unit 21 obtains an estimated value θ ^ of the rotor rotational position (phase) of the generator 2 from the two-phase current and voltage signals corresponding to the output of the generator 2 converted by the coordinate conversion units 12C and 12D.

ここで、回転座標系と固定座標系の関係は図6の(b)に示す。固定座標系と回転座標系の関係は、固定座標系と回転座標系のいずれかの軸の位相差で結び付けられており、
図6の(b)ではU軸とd軸間に位相θの差があることを示している。θは制御位相なので、時々刻々変化する。図4の様に発電機に位置・速度センサがついている場合は、そのセンサから得られる位相がθである。図5や図6の様に発電機に位置・速度センサがついていない場合は、位相推定演算部21で得られる推定位相θ^となる。
Here, the relationship between the rotating coordinate system and the fixed coordinate system is shown in FIG. The relationship between the fixed coordinate system and the rotating coordinate system is linked by the phase difference between the axes of the fixed coordinate system and the rotating coordinate system.
FIG. 6B shows that there is a phase θ difference between the U axis and the d axis. Since θ is a control phase, it changes from moment to moment. When the generator has a position / speed sensor as shown in FIG. 4, the phase obtained from the sensor is θ. When the generator does not have a position / speed sensor as shown in FIGS. 5 and 6, the estimated phase θ ^ obtained by the phase estimation calculation unit 21 is obtained.

UVW座標系が固定座標系(三相)で、この座標系は発電機の巻線配置に合わせるため通常このように各相間120°差で固定される座標軸となる。回転座標系は、この図ではd、q軸と示しているが、制御を簡略化するためにd軸とq軸は直交していることがほとんどで、d軸の方向は発電機の磁束方向と一致させることがほとんどであるが、いずれかの軸と固定座標系との位相差がθという関係が守られれば、直交していなくとも良い。   The UVW coordinate system is a fixed coordinate system (three-phase), and this coordinate system is normally a coordinate axis fixed at a 120 ° difference between the phases in order to match the winding arrangement of the generator. In this figure, the rotating coordinate system is indicated as d and q axes, but in order to simplify the control, the d axis and the q axis are almost orthogonal, and the direction of the d axis is the direction of the magnetic flux of the generator. However, as long as the relationship that the phase difference between one of the axes and the fixed coordinate system is θ is not necessary, they need not be orthogonal.

以上までの説明は、風力発電システムにおける発電機2からの発電出力の制御手法であるが、制御対象を交流電動機とし、制御装置では速度指令やトルク指令に従って交流電動機の電流を制御するシステムや装置においても同様の手法が採用されている。   The above description is a method for controlling the power generation output from the generator 2 in the wind power generation system. The system to be controlled is an AC motor, and the control device controls the current of the AC motor in accordance with the speed command or torque command. A similar method is also adopted in FIG.

特許3435474号公報Japanese Patent No. 3435474 特開2006−246553号公報JP 2006-246553 A

発電機や交流電動機などの回転機の出力(発電出力、速度・トルク出力)制御には、トルク指令または速度指令を目標値としてこれらを電流指令に変換し、この電流指令に応じた回転機の電流制御によって回転機の出力を制御している。   For output (power generation output, speed / torque output) control of a rotating machine such as a generator or an AC motor, the torque command or speed command is converted into a current command using the torque command or speed command as a target value, and the rotating machine corresponding to the current command is converted. The output of the rotating machine is controlled by current control.

しかし、風車用発電機など、回転機を駆動する風車の回転エネルギーが頻繁にかつ大きく変動するシステムでは、トルク指令または速度指令を目標値として回転機の電流制御を行うのでは安定した発電出力またはトルク・速度出力が難しくなる。このため、特許文献1や2では、風車を可変ピッチとするシステムに適用するほか、制御系の伝達関数調整や制御パラメータの調整などで安定化を図ろうとしている。   However, in a system in which the rotational energy of the wind turbine that drives the rotating machine frequently and greatly fluctuates, such as a wind turbine generator, if the current control of the rotating machine is performed using the torque command or speed command as a target value, a stable power output or Torque / speed output becomes difficult. For this reason, in Patent Documents 1 and 2, in addition to being applied to a system in which the wind turbine has a variable pitch, stabilization is attempted by adjusting a transfer function of a control system, adjusting a control parameter, or the like.

例えば、特許文献1では、発電機制御器は、トルク基準信号に応答して磁界座標における希望の直角軸電流を定め、この直角軸電流に対応する固定子電気量を発生するようにしている。また、発電機トルク指令を回転子磁束磁界に垂直な回転磁界座標内のトルクを表す直角軸電流へ変換し、この直角軸電流に対応する固定子電気量を発生させるようにしている。また、発電機制御器は、発電機の低回転速度においては固定子電流を制御することにより発電機トルクを調整し、発電機のより高い回転速度においては固定子電圧を制御することにより発電機トルクを調整するようにしている。   For example, in Patent Document 1, the generator controller determines a desired right-axis current in the magnetic field coordinates in response to the torque reference signal, and generates a stator electric quantity corresponding to this right-axis current. Further, the generator torque command is converted into a right-axis current representing the torque in the rotating magnetic field coordinates perpendicular to the rotor magnetic flux magnetic field, and a stator electric quantity corresponding to this right-axis current is generated. The generator controller also adjusts the generator torque by controlling the stator current at the generator's low rotational speed and controls the stator voltage at the higher generator's rotational speed. The torque is adjusted.

これら調整では、複雑な演算要素および制御要素が必要となるし、これらを組み合わせた制御系では制御の応答性にも影響を及ぼすおそれもあるし、効率良い制御ができないおそれがある。   These adjustments require complicated calculation elements and control elements, and a control system combining these elements may affect control responsiveness and may not allow efficient control.

本発明の目的は、複雑な演算要素および制御要素を不要にして、回転機出力の安定化制御ができる風力発電システム、回転機の制御装置および制御方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a wind power generation system, a control device for a rotating machine, and a control method capable of stabilizing and controlling the output of a rotating machine without requiring complicated calculation elements and control elements.

本発明は、前記の課題を解決するため、基本的には、回転機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を回転機出力を制御するインバータの出力電圧によって有効電流指令値に変換して回転機の出力を電流制御すること、または回転機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、これら電流指令値によって回転機の出力を電流制御するようにしたもので、以下のシステム、装置および方法を特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention basically uses the target value of the output control of the rotating machine as the active power command value, and this active power command value is effective by the output voltage of the inverter that controls the rotating machine output. Convert the current command value into current control of the output of the rotating machine, or set the target value of the output control of the rotating machine as the active current command value and reactive current command value, and control the output of the rotating machine with these current command values The following system, apparatus, and method are featured.

(システムの発明)
(1)風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を前記発電機側インバータの出力電圧によって有効電流指令値に変換して該発電機側インバータの電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする。
(Invention of the system)
(1) An AC generator driven by a wind turbine, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and the DC power from this inverter synchronized with the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts the AC power to the AC power and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device uses the target value for output control of the AC generator as an active power command value, converts the active power command value into an active current command value according to the output voltage of the generator-side inverter, and converts the active-power command value to the generator-side inverter. It is characterized by comprising a control circuit for setting the current command value.

(2)風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を前記発電機の出力電圧検出値によって有効電流指令値に変換して該発電機側インバータの電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする。
(2) An AC generator driven by a wind turbine, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and the DC power from this inverter synchronized with the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts the AC power to the AC power and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device uses a target value for output control of the AC generator as an active power command value, converts the active power command value into an active current command value by an output voltage detection value of the generator, It is characterized by comprising a control circuit for setting the current command value.

(3)風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流発電機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記磁束位相より90°進ませ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記発電機側インバータの有効・無効電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする。
(3) An AC generator driven by a wind turbine, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and the DC power from this inverter synchronized with the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts the AC power to the AC power and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device sets the target value of the output control of the AC generator as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC generator, and the active current command A phase of the value is advanced by 90 ° from the magnetic flux phase, and a control circuit is provided which uses the reactive current command value and the effective current command value as the effective / reactive current command value of the generator-side inverter.

(4)前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流発電機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記発電機側インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記発電機の出力電圧検出値から変換して求める制御回路を備えたことを特徴とする。   (4) Of the active current command value and the reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value that is a target value for output control of the AC generator and an output voltage of the generator-side inverter. Or a control circuit obtained by conversion from the active power command value and the output voltage detection value of the generator.

(装置の発明)
(5)交流電動機と、この交流電動機を力行運転または回生運転するインバータと、このインバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた回転機の制御装置において、
前記制御装置は、前記交流電動機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流電動機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記力行運転時は磁束位相より90°進ませ、前記回生運転時は磁束位相より90°遅らせ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記インバータの有効・無効電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする。
(Invention of the device)
(5) In a control device for a rotating machine comprising an AC motor, an inverter that performs a power running operation or a regenerative operation of the AC motor, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the inverter.
The control device sets the target value of the output control of the AC motor as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC motor, and the effective current command value The phase is advanced by 90 ° from the magnetic flux phase during the power running operation, and is delayed by 90 ° from the magnetic flux phase during the regenerative operation, and the reactive current command value and the effective current command value are used as the effective / reactive current command value of the inverter. A circuit is provided.

(6)前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流電動機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記交流電動機の出力電圧検出値から変換して求める制御回路を備えたことを特徴とする。   (6) Of the active current command value and the reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value as a target value for output control of the AC motor and an output voltage of the inverter, or the effective current command value A control circuit obtained by converting from a power command value and an output voltage detection value of the AC motor is provided.

(方法の発明)
(7)交流電動機と、この交流電動機を力行運転または回生運転するインバータと、このインバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた回転機の制御装置において、
前記制御装置は、前記交流電動機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流電動機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記力行運転時は磁束位相より90°進ませ、前記回生運転時は磁束位相より90°遅らせ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記インバータの有効・無効電流指令値とする制御手順を備えたことを特徴とする。
(Invention of method)
(7) In a control device for a rotating machine comprising an AC motor, an inverter that performs a power running operation or a regenerative operation of the AC motor, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the inverter,
The control device sets the target value of the output control of the AC motor as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC motor, and the effective current command value The phase is advanced by 90 ° from the magnetic flux phase during the power running operation, and is delayed by 90 ° from the magnetic flux phase during the regenerative operation, and the reactive current command value and the effective current command value are used as the effective / reactive current command value of the inverter. It is characterized by having a procedure.

(8)前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流電動機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記交流電動機の出力電圧検出値から変換して求める制御手順を備えたことを特徴とする。   (8) Of the active current command value and the reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value as a target value for output control of the AC motor and an output voltage of the inverter, or the effective current command value There is provided a control procedure obtained by conversion from an electric power command value and an output voltage detection value of the AC motor.

以上のとおり、本発明によれば、回転機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を回転機出力を制御するインバータの出力電圧によって有効電流指令値に変換して回転機の出力を電流制御すること、または回転機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、これら電流指令値によって回転機の出力を電流制御するようにしたため、複雑な演算要素および制御要素を不要にして、回転機出力の安定化制御ができる。   As described above, according to the present invention, the target value for the output control of the rotating machine is set as the active power command value, and this active power command value is converted into the active current command value by the output voltage of the inverter that controls the rotating machine output. The current of the output of the rotating machine is controlled, or the target value of the output control of the rotating machine is set as the active current command value and the reactive current command value, and the current of the rotating machine output is controlled by these current command values. Stabilization control of the rotating machine output can be performed without the calculation element and the control element.

具体的には、風力発電システムでは、トルクや速度ではなく有効電力を制御することにより、連系系統に従来より安定に電力を供給することができる。   Specifically, in a wind power generation system, it is possible to supply power to a grid system more stably than before by controlling active power, not torque or speed.

また、上位コントローラ側では通常、インバータの出力電圧(=回転機の端子電圧)を検出しない。上位コントローラで有効電力指令から有効電流指令を演算しようとすると、インバータから電圧指令をコントローラに通信によって送信し、コントローラで演算後に有効電流指令を送らねばならず、応答性などの問題が起こるが、本発明によればそのような問題は起こらない。   Further, the host controller usually does not detect the output voltage of the inverter (= terminal voltage of the rotating machine). When trying to calculate the active current command from the active power command in the host controller, the inverter must send the voltage command to the controller via communication, and the controller must send the active current command after the calculation, causing problems such as responsiveness, According to the present invention, such a problem does not occur.

また、インバータの出力電圧を検出してフィードバックすることにより、インバータのデッドタイムやIGBTのVce電圧降下も含めてより正確な電圧情報に基づいた電力制御が可能となる。   Further, by detecting and feeding back the output voltage of the inverter, it is possible to perform power control based on more accurate voltage information including the inverter dead time and the IGBT Vce voltage drop.

また、従来に比べて、座標変換演算の回数が減り、演算器の演算負荷を大幅に軽減することができる。なおかつ、低速(低周波数)回転機の制御において制御性能を劣化させない。   In addition, the number of coordinate conversion calculations is reduced as compared with the prior art, and the calculation load on the calculator can be greatly reduced. In addition, the control performance is not deteriorated in the control of the low speed (low frequency) rotating machine.

本発明の実施形態1における風力発電システムの装置構成図。The apparatus block diagram of the wind power generation system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2における風力発電システムの装置構成図。The apparatus block diagram of the wind power generation system in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2における風力発電システムの装置構成図とベクトル図。The apparatus block diagram and vector diagram of the wind power generation system in Embodiment 2 of this invention. 従来の風力発電システムの装置構成図。The apparatus block diagram of the conventional wind power generation system. 従来の風力発電システムの装置構成図(センサレス制御方法)。The apparatus block diagram of the conventional wind power generation system (sensorless control method). 電流制御系の詳細なブロック構成図とベクトル図。The detailed block block diagram and vector diagram of a current control system.

(実施形態1)
風力発電システムの発電機の制御装置は、図4や図5に示す従来のものでは発電機側インバータ13をトルク指令または速度指令に従って制御している。これらトルク指令または速度指令は、風力発電システム全体を制御する上位コントローラ(インバータ制御装置に対する遠方監視制御ができる中央司令室のコントローラ)から与えられる。
(Embodiment 1)
In the conventional generator shown in FIGS. 4 and 5, the generator control device of the wind power generation system controls the generator-side inverter 13 according to a torque command or a speed command. These torque commands or speed commands are given from a host controller that controls the entire wind power generation system (a controller in the central control room capable of remote monitoring control for the inverter control device).

風力発電システムでは、風によって得られるエネルギーを電気エネルギーに効率良く変換し、かつ連系電力系統に安定供給できることが重要である。そこで、本実施形態では、上位コントローラによって現地の風速等の所定の条件から風車用発電機が効率良く発電できる電力を演算で求め、この電力値を指令値として発電機側インバータを電流制御する。   In a wind power generation system, it is important that energy obtained by wind can be efficiently converted into electric energy and stably supplied to an interconnected power system. Therefore, in the present embodiment, power that can be efficiently generated by the wind turbine generator from a predetermined condition such as local wind speed is obtained by calculation by the host controller, and the generator-side inverter is current-controlled using this power value as a command value.

図1は、本実施形態による装置構成図を示す。同図は、風力発電システムに適用した制御装置のブロック構成図であり、図4や図5と同等の部分は同一符号で示す。   FIG. 1 shows an apparatus configuration diagram according to the present embodiment. This figure is a block diagram of a control device applied to a wind power generation system, and the same parts as those in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals.

有効電力指令器31は、発電機側インバータ13の制御装置によって設定されるもので、制御装置では風車が受ける風速等の所定の条件から発電機側インバータ13の有効電力出力を定期的に求め、この情報を制御装置内のレジスタやメモリに設定する。これにより、風力発電システム全体を制御する上位コントローラによる発電機側インバータ13の有効電力出力を定期的に求め、この情報を有効電力指令値として発電機側インバータ13の制御装置に定期的に伝送し、制御装置内のレジスタやメモリに設定する処理を不要にする。   The active power command device 31 is set by the control device for the generator-side inverter 13, and the control device periodically obtains the effective power output of the generator-side inverter 13 from a predetermined condition such as the wind speed received by the windmill, This information is set in a register or memory in the control device. Thus, the active power output of the generator-side inverter 13 by the host controller that controls the entire wind power generation system is periodically obtained, and this information is periodically transmitted to the control device of the generator-side inverter 13 as an active power command value. This eliminates the need for processing to set in a register or memory in the control device.

電流指令演算部10Aは、図4や図5の電流指令演算部10ではトルク指令→有効電流指令の演算を行っていたのに対し、有効電力指令器31により設定された有効電力指令値に応じた有効電流指令値を演算で求める。ここで、発電機側インバータ13は電流制御器によって発電機出力電流を制御しているため、その電流制御器へ与える電流指令(通常有効電流指令と無効電流指令)が必要となる。そこで、電流指令演算部10Aの演算には、電流制御部12等で求める電圧指令信号の位相に合わせた位相(有効電力成分)になるよう信号処理を行う。   The current command calculation unit 10A performs the calculation of torque command → active current command in the current command calculation unit 10 of FIGS. 4 and 5, whereas the current command calculation unit 10A responds to the active power command value set by the active power command unit 31. The effective current command value obtained is calculated. Here, since the generator-side inverter 13 controls the generator output current by the current controller, a current command (normal active current command and reactive current command) to be given to the current controller is required. Therefore, in the calculation of the current command calculation unit 10A, signal processing is performed so that the phase (active power component) matches the phase of the voltage command signal obtained by the current control unit 12 or the like.

電流制御部12は、電流指令演算部10Aで求めた電流指令値と、発電機2から発電機側インバータ13に供給する発電電流の検出値とを比較し、この比較には位相検出部5で検出する基準位相で比較し、この比較で両者を一致させるための電流指令値を出力する。   The current control unit 12 compares the current command value obtained by the current command calculation unit 10A with the detection value of the generated current supplied from the generator 2 to the generator-side inverter 13, and this comparison is performed by the phase detection unit 5. A comparison is made at the detected reference phase, and a current command value for matching both is output in this comparison.

有効電力指令器31に設定する有効電流指令値は、各機器の効率を無視すると、下記の式に基づいて演算される。なお、無効電流指令値は発電機効率をよくするように発電機特性にあわせて設定すればよい。   When the efficiency of each device is ignored, the active current command value set in the active power command device 31 is calculated based on the following formula. The reactive current command value may be set in accordance with the generator characteristics so as to improve the generator efficiency.

有効電流指令値∝有効電力指令値÷出力電圧…(式1)
なお、有効電力指令値を基に電流制御された発電機によるインバータ13の出力直流電圧は、系統側インバータ17による連系電力制御により一義的に設定される。ここでは、出力電圧を直接測定していないので、電流制御部12の出力電圧指令を出力電圧とみなし、電流指令演算部10Aで有効電流を演算する。無効電流は電流指令演算10A又は電流制御部12で加算すればよい。電流制御部12は、発電機電流を有効電流指令+無効電流指令になるように制御する電圧指令を生成する。また、発電機側インバータ13へのPWM波形は直流電圧によって異なるので、PWM波形生成部には電圧検出器16による直流電圧検出値を取り込む。
Active current command value ∝ Active power command value ÷ Output voltage (Equation 1)
Note that the output DC voltage of the inverter 13 by the generator whose current is controlled based on the active power command value is uniquely set by the interconnected power control by the system-side inverter 17. Here, since the output voltage is not directly measured, the output voltage command of the current control unit 12 is regarded as the output voltage, and the effective current is calculated by the current command calculation unit 10A. The reactive current may be added by the current command calculation 10A or the current control unit 12. The current control unit 12 generates a voltage command for controlling the generator current so as to be an effective current command + a reactive current command. Further, since the PWM waveform to the generator-side inverter 13 varies depending on the DC voltage, the DC waveform detected by the voltage detector 16 is taken into the PWM waveform generator.

また、本実施形態は、図4に示すような、発電機2に位相・速度検出器4〜6が備えられているシステムでも、図5に示すような位相推定・速度推定器21,22が備えられているセンサレス制御システムでも、いずれにも適用可能である。   Further, in the present embodiment, even in a system in which the generator 2 includes the phase / speed detectors 4 to 6 as shown in FIG. 4, the phase / speed estimators 21 and 22 as shown in FIG. Any sensorless control system provided can be applied.

以上のように、本実施形態では、従来のトルク指令ではなく、有効電力指令を指令値源とし、その有効電力指令と発電機側インバータの出力電圧によって有効電流指令を演算して制御・運転を行うため、従来の制御系の伝達関数調整や制御パラメータの調整など複雑な演算要素および制御要素を不要にして、回転機出力の安定化制御ができる。   As described above, in this embodiment, instead of the conventional torque command, the active power command is used as a command value source, and the active current command is calculated based on the active power command and the output voltage of the generator-side inverter to perform control and operation. Therefore, it is possible to control the stabilization of the rotating machine output without using complicated calculation elements and control elements such as transfer function adjustment and control parameter adjustment of the conventional control system.

また、本実施形態によるメリットは、コントローラとして風車を含めた全システムの制御で重要なのは発電電力(=有効電力)である。したがって、上位コントローラ側でわざわざ有効電力指令値を演算する必要がなくなるし、この演算にインバータの電圧検出信号を取得することを不要になり、風力変化に対する制御の応答性や発電効率で好ましい制御・運転が可能となる。   Moreover, the merit by this embodiment is generated electric power (= active power) that is important in the control of the entire system including the wind turbine as a controller. Therefore, it is not necessary to calculate the active power command value on the host controller side, and it is not necessary to obtain the inverter voltage detection signal for this calculation. Driving is possible.

(実施形態2)
実施形態1では、(式1)に示すように、発電機側インバータ13に与える有効電流指令値の演算に出力電圧指令を用いていたが、発電機側インバータ13で用いられる半導体スイッチングデバイスにおける電圧降下(例:IGBTのC−E端子間の電圧降下)や、そこにおけるPN短絡防止のためのデッドタイムが存在するので、電流制御部12からの電圧指令と発電機側インバータ13の出力電圧(=発電機の端子電圧)との間には誤差がある。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, as shown in (Equation 1), the output voltage command is used to calculate the effective current command value given to the generator-side inverter 13, but the voltage in the semiconductor switching device used in the generator-side inverter 13 is used. Since there is a drop (eg, a voltage drop between the CE terminals of the IGBT) and a dead time for preventing a PN short circuit there, the voltage command from the current control unit 12 and the output voltage of the generator-side inverter 13 ( = Terminal voltage of the generator).

この誤差を具体的に説明する。風力発電装置が大型化して、装置の定格発電電力が大きくなるとともに、発電機(回転機)が大型化し、その発電機を制御するための発電機側インバータも大型化する。発電機側インバータが大型化すると、その中の電力変換回路に用いられる半導体スイッチングデバイスも大容量のものとなる。近年ではその半導体スイッチングデバイスに、スイッチングスピードが高速なIGBTを用いるが(IGBTの場合ON/OFFスイッチングが0.5〜1μ秒以下)、IGBTであっても大容量デバイスの場合にはデッドタイムを5μ秒程度とるのが通常であるので、前述したような電圧指令値と発電機側インバータ13の出力電圧(=回転機の端子電圧)との間には誤差が大きくなる。   This error will be specifically described. As the wind power generator becomes larger and the rated generated power of the apparatus becomes larger, the generator (rotary machine) becomes larger, and the generator-side inverter for controlling the generator becomes larger. When the generator-side inverter is increased in size, the semiconductor switching device used in the power conversion circuit therein has a large capacity. In recent years, an IGBT with a high switching speed is used for the semiconductor switching device (ON / OFF switching is 0.5 to 1 μsec or less in the case of IGBT). Since it usually takes about 5 μsec, an error increases between the voltage command value as described above and the output voltage of the generator-side inverter 13 (= terminal voltage of the rotating machine).

以上のことに着目し、本実施形態では、発電機側インバータ13と発電機2の間に、電圧検出器を設けることで上記の誤差を解消する。   Focusing on the above, in the present embodiment, the above error is eliminated by providing a voltage detector between the generator-side inverter 13 and the generator 2.

本実施形態による装置構成図を図2に示す。同図における電圧検出器32は、発電機2の出力電圧を検出するもので、具体的には、同期用トランスなどのデバイスを用いて線間電圧から出力電圧を求める。電流指令演算部10Aは、電圧検出器32によって得られる出力電圧検出信号を用いて発電機側インバータ13に与える有効電流指令を演算する。この演算式は、例えば、以下の通りである。   FIG. 2 shows a device configuration diagram according to this embodiment. The voltage detector 32 in the figure detects the output voltage of the generator 2 and, specifically, obtains the output voltage from the line voltage using a device such as a synchronization transformer. The current command calculation unit 10A calculates an effective current command to be given to the generator-side inverter 13 using the output voltage detection signal obtained by the voltage detector 32. This arithmetic expression is, for example, as follows.

有効電流指令値∝有効電力指令値÷出力電圧…(式2)
本実施形態によれば、電圧検出器32により正確な電圧を検出することで、インバータのデッドタイムやIGBTのVce電圧降下も含めてより正確な電圧情報を得、その電圧情報と有効電力指令器31から得られる有効電流指令値がより正確な値となるため、系統へより安定した電力供給を行うことができる。
Active current command value ∝ Active power command value ÷ Output voltage (Equation 2)
According to the present embodiment, by detecting an accurate voltage by the voltage detector 32, more accurate voltage information including inverter dead time and IGBT Vce voltage drop is obtained, and the voltage information and active power command device are obtained. Since the effective current command value obtained from 31 becomes a more accurate value, more stable power supply to the system can be performed.

なお、本実施形態においても、図4に示すような、発電機2に位相・速度検出器4〜6が備えられているシステムでも、図5に示すような位相推定・速度推定器21,22が備えられているセンサレス制御システムでも、いずれにも適用可能である。   Also in this embodiment, even in a system in which the generator 2 is provided with the phase / speed detectors 4 to 6 as shown in FIG. 4, the phase / speed estimators 21 and 22 as shown in FIG. The present invention can be applied to any sensorless control system provided with

(実施形態3)
風車のプロペラは、風車が大型(全長50以上程度)の場合にはその回転速度は高くても30回転/分(回転/分は以下r/mと記す)程度である。風車のプロペラと風車用発電機の間に変速ギアが用いられていないシステムにおいては、その発電機の回転速度も30r/m以下である。したがって、回転機の極対数が数十極と多い場合であっても、その誘起起電力の周波数は高くても10Hz程度で、これが制御対象の周波数となる。
(Embodiment 3)
When the wind turbine is large (total length of about 50 or more), the rotational speed of the wind turbine propeller is about 30 rotations / minute (rotation / minute is hereinafter referred to as r / m) at the highest. In a system in which a transmission gear is not used between the wind turbine propeller and the wind turbine generator, the rotational speed of the generator is also 30 r / m or less. Therefore, even when the number of pole pairs of the rotating machine is as large as several tens of poles, the frequency of the induced electromotive force is at most about 10 Hz, which is the frequency to be controlled.

発電機の制御装置は、その演算周期(演算器やゲートアレイのクロック周波数数十MHz以上)に対して制御対象周波数が最大10Hz程度なので、従来のように、回転座標系を用いなくても制御性能が落ちないと考えられる。   Since the control target frequency of the generator control device is about 10 Hz at maximum with respect to the calculation cycle (the clock frequency of the calculator and the gate array is several tens of MHz or more), it is possible to control without using a rotating coordinate system as in the past. The performance is not expected to drop.

そこで、本実施形態では装置構成図を下図の図3の(a)に示す構成とする。図3の(a)において、有効電流指令器41は、図1の有効電流指令器31と同様に、ベクトル制御系のトルク電流指令値に相当する値が設定される。この有効電流指令値IT *は、上位コントローラによって、例えば前記(式1)により、演算される。このとき使用する電圧はVu *・Vw *の指令値を用いる。無効電流指令器42は、発電機2が誘導発電機の場合の磁束電流指令や、永久磁石同期発電機の場合の弱め界磁電流指令などが無効電流指令値IM *として設定される。電流指令演算部43は、有効電流指令値IT *と無効電流指令値IM *が入力され、U相・W相電流指令値IU *,IW *を出力する(演算方法は下記で説明する)。 Therefore, in this embodiment, the apparatus configuration diagram is the configuration shown in FIG. In (a) of FIG. 3, the active current command device 41 is set to a value corresponding to the torque current command value of the vector control system, similarly to the active current command device 31 of FIG. The effective current command value I T * is calculated by the host controller, for example, according to (Formula 1). The voltage used at this time is a command value of V u * · V w * . In the reactive current command device 42, a flux current command when the generator 2 is an induction generator, a field weakening current command when the generator 2 is a permanent magnet synchronous generator, and the like are set as a reactive current command value I M * . The current command calculation unit 43 receives the active current command value I T * and the reactive current command value I M * and outputs U-phase / W-phase current command values I U * , I W * (the calculation method is described below). explain).

PI演算部44は、U相・W相電流指令値IU *,IW *とそれぞれの検出値IU,IWが入力され、それぞれの偏差を比例積分(PI)してU相・W相の電圧指令値VU *,VW *を得る。V相電圧指令値演算部45は、電圧指令値VU *,VW *からVV *=−(VU *+VW *)の演算を行うことで、V相電圧指令値VV *を求める。 The PI calculation unit 44 receives the U-phase / W-phase current command values I U * , I W * and the detected values I U , I W , and proportionally integrates (PIs) the respective deviations to calculate the U-phase / W Phase voltage command values V U * and V W * are obtained. The V-phase voltage command value calculation unit 45 calculates the V-phase voltage command value V V * by calculating V V * = − (V U * + V W * ) from the voltage command values V U * and V W *. Ask.

位相推定演算部46は、各相電圧指令値VU *,VV *,VW *と、電流検出器14で検出する各相電流指令値IU *,IV *,IW *から発電機2のロータ回転位置(位相)の推定値θ^を求める。 The phase estimation calculation unit 46 generates power from each phase voltage command value V U * , V V * , V W * and each phase current command value I U * , I V * , I W * detected by the current detector 14. An estimated value θ ^ of the rotor rotational position (phase) of the machine 2 is obtained.

以上の構成により、回転座標系を用いることなく、制御性能が落ちない回転機の制御ができることを説明する。磁束制御のための無効電流の位相は、発電機の磁束位相に一致しなければならない。発電機のトルク有効電流を制御するためには、有効電流の位相は、電力変換器から回転機にエネルギー(電力)を与える場合(力行トルク)は磁束位相から90°進んだ位相に一致しなければならず、発電機から電力変換器にエネルギー(電力)が与えられる場合(回生トルク)は磁束位相から90°遅れた位相に一致しなければならない。   It will be described that the rotating machine can be controlled with the above configuration without using the rotating coordinate system without causing the control performance to deteriorate. The phase of the reactive current for flux control must match the flux phase of the generator. In order to control the torque effective current of the generator, the phase of the effective current must match the phase advanced by 90 ° from the magnetic flux phase when energy (electric power) is applied from the power converter to the rotating machine (power running torque). When energy (electric power) is applied from the generator to the power converter (regenerative torque), the phase must be 90 ° behind the magnetic flux phase.

これらを図示したのが図3の(b)に示すベクトル関係である。この図中で、IM *は無効電流指令、IT *は有効電流指令である。IM *、IT *からU相電流指令IU*、W相電流指令IW*を求める演算式は下記の通り。 These are illustrated by the vector relationship shown in FIG. In this figure, I M * is a reactive current command, and I T * is an active current command. The calculation formula for obtaining the U-phase current command IU * and the W-phase current command IW * from I M * and I T * is as follows.

U *=IM *×cosθ+IT *×cos(θ+90°)
W *=IM *×cos(θ+240°)+IT *×cos(θ+90°+240°)
ここでは全てcosで記述したが、実際の演算器ではsin演算を用いても良い。
I U * = I M * × cos θ + I T * × cos (θ + 90 °)
I W * = I M * × cos (θ + 240 °) + I T * × cos (θ + 90 ° + 240 °)
Here, all are described in cos, but a sin operation may be used in an actual arithmetic unit.

上記演算は電流指令演算部43で行うが、この演算で制御性能を低下させることはない。これを具体的に説明する。通常、速度・トルク制御応答は10rad/s程度であるから、電流指令演算部43の演算も速度・トルク制御応答と同じ演算周期で実行すればよい。従来方法の2相⇔3相座標変換を図3の演算ブロックで置き換えたとみることができるが、従来方法では電流制御と同じ演算周期で行う必要があり、さらに、位置・速度センサ付システムの場合は2相→3相座標変換1箇所、3相→2相座標変換1箇所の合計2箇所、図6に示す位置・速度センサレスシステムではさらに位相推定演算部21に入力する電圧フィードバックのために3相→2相座標変換が1箇所増えるので合計3箇所ある。   Although the calculation is performed by the current command calculation unit 43, the control performance is not degraded by this calculation. This will be specifically described. Usually, since the speed / torque control response is about 10 rad / s, the calculation of the current command calculation unit 43 may be executed in the same calculation cycle as the speed / torque control response. It can be seen that the conventional two-phase ⇔ three-phase coordinate transformation is replaced with the calculation block in Fig. 3. However, the conventional method needs to be performed in the same calculation cycle as the current control. Is a total of two locations, one for two-phase → three-phase coordinate conversion, and one for three-phase → two-phase coordinate conversion. In the position / speed sensorless system shown in FIG. There are a total of three locations since the phase-to-two-phase coordinate transformation is increased by one location.

これに対し本実施形態では、同等の演算が1箇所だけなので、演算器の演算負荷を大幅に軽減できる。なおかつ、低速(低周波数)回転機の制御において制御性能を劣化させない。   On the other hand, in the present embodiment, since there is only one equivalent calculation, the calculation load on the calculator can be greatly reduced. In addition, the control performance is not deteriorated in the control of the low speed (low frequency) rotating machine.

なお、本実施形態ではU相とW相の電流を制御する構成を示しているが、UVWの3相の内いずれか2相を制御すればよい。   In the present embodiment, a configuration for controlling the currents in the U phase and the W phase is shown, but any two of the three phases of UVW may be controlled.

また、以上までの実施形態1,2,3は 風力発電システムの発電機の制御に適用した場合を示すが、交流電動機のトルク指令や速度指令を基にした電流制御で交流電動機の出力制御を行う制御装置に代えて、有効電力指令値を基にした電流制御で交流電動機の出力制御を行うことで、交流電動機出力を頻繁にかつ大きく変化させる場合にも、複雑な演算要素および制御要素を不要にして、安定化制御ができる。   Further, the first, second, and third embodiments described above show the case where the present invention is applied to the control of the generator of the wind power generation system, but the output control of the AC motor is controlled by the current control based on the torque command and the speed command of the AC motor. In place of the control device to perform, even if the AC motor output is changed frequently and greatly by performing the output control of the AC motor by current control based on the active power command value, complicated calculation elements and control elements are Stabilization control can be performed without using it.

1 速度指令器
2 風車用交流発電機
9 トルク指令器
10 電流指令演算部
12 電流制御部
13 発電機側インバータ
14 電流検出器
15 PWM変換器
16 電圧検出器
17 系統側インバータ
31 有効電力指令器
32 電圧検出器
41 有効電流指令器
42 無効電流指令器
43 電流指令演算部
44 PI演算部
45 V相電圧指令値演算部
46 位相推定演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Speed command device 2 Windmill AC generator 9 Torque command device 10 Current command calculation unit 12 Current control unit 13 Generator side inverter 14 Current detector 15 PWM converter 16 Voltage detector 17 System side inverter 31 Active power command device 32 Voltage detector 41 Active current command device 42 Reactive current command device 43 Current command calculation unit 44 PI calculation unit 45 V phase voltage command value calculation unit 46 Phase estimation calculation unit

Claims (8)

風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を前記発電機側インバータの出力電圧によって有効電流指令値に変換して該発電機側インバータの電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする風力発電システム。
An AC generator driven by a windmill, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and an AC that is synchronized from the DC power from this inverter according to the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts power, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device uses the target value for output control of the AC generator as an active power command value, converts the active power command value into an active current command value according to the output voltage of the generator-side inverter, and converts the active-power command value to the generator-side inverter. A wind power generation system comprising a control circuit for setting a current command value of.
風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電力指令値とし、この有効電力指令値を前記発電機の出力電圧検出値によって有効電流指令値に変換して該発電機側インバータの電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする風力発電システム。
An AC generator driven by a windmill, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and an AC that is synchronized from the DC power from this inverter according to the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts power, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device uses a target value for output control of the AC generator as an active power command value, converts the active power command value into an active current command value by an output voltage detection value of the generator, A wind power generation system comprising a control circuit for setting a current command value of.
風車で駆動される交流発電機と、この交流発電機の発電出力を直流電力に変換する発電機側インバータと、このインバータからの直流電力から連系電源の周波数・電圧に合わせて同期させた交流電力に変換する系統側インバータと、前記発電機側インバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた風力発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記交流発電機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流発電機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記磁束位相より90°進ませ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記発電機側インバータの有効・無効電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする風力発電システム。
An AC generator driven by a windmill, a generator-side inverter that converts the generated output of this AC generator into DC power, and an AC that is synchronized from the DC power from this inverter according to the frequency and voltage of the grid power supply In a wind power generation system comprising a system-side inverter that converts power, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the generator-side inverter,
The control device sets the target value of the output control of the AC generator as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC generator, and the active current command A wind power generation comprising a control circuit that causes the phase of the value to be advanced by 90 ° from the magnetic flux phase and uses the reactive current command value and the active current command value as the effective / reactive current command value of the generator-side inverter. system.
前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流発電機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記発電機側インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記発電機の出力電圧検出値から変換して求める制御回路を備えたことを特徴とする請求項3に記載の風力発電システム。   Of the active current command value and the reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value as a target value for output control of the AC generator and an output voltage of the generator-side inverter, or The wind power generation system according to claim 3, further comprising a control circuit obtained by conversion from an active power command value and an output voltage detection value of the generator. 交流電動機と、この交流電動機を力行運転または回生運転するインバータと、このインバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた回転機の制御装置において、
前記制御装置は、前記交流電動機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流電動機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記力行運転時は磁束位相より90°進ませ、前記回生運転時は磁束位相より90°遅らせ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記インバータの有効・無効電流指令値とする制御回路を備えたことを特徴とする回転機の制御装置。
In a control device for a rotating machine comprising an AC motor, an inverter that performs a power running operation or a regenerative operation of the AC motor, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the inverter,
The control device sets the target value of the output control of the AC motor as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC motor, and the effective current command value The phase is advanced by 90 ° from the magnetic flux phase during the power running operation, and is delayed by 90 ° from the magnetic flux phase during the regenerative operation, and the reactive current command value and the effective current command value are used as the effective / reactive current command value of the inverter. A control device for a rotating machine comprising a circuit.
前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流電動機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記交流電動機の出力電圧検出値から変換して求める制御回路を備えたことを特徴とする請求項5に記載の回転機の制御装置。   Of the active current command value and reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value to be a target value for output control of the AC motor and an output voltage of the inverter, or the active power command value 6. A control device for a rotating machine according to claim 5, further comprising a control circuit that is obtained by conversion from an output voltage detection value of the AC motor. 交流電動機と、この交流電動機を力行運転または回生運転するインバータと、このインバータの電流制御で該インバータの電力変換制御を行う制御装置とを備えた回転機の制御装置において、
前記制御装置は、前記交流電動機の出力制御の目標値を有効電流指令値と無効電流指令値とし、前記無効電流指令値の位相は前記交流電動機の磁束位相に同期させ、前記有効電流指令値の位相は前記力行運転時は磁束位相より90°進ませ、前記回生運転時は磁束位相より90°遅らせ、前記無効電流指令値と有効電流指令値を前記インバータの有効・無効電流指令値とする制御手順を備えたことを特徴とする回転機の制御方法。
In a control device for a rotating machine comprising an AC motor, an inverter that performs a power running operation or a regenerative operation of the AC motor, and a control device that performs power conversion control of the inverter by current control of the inverter,
The control device sets the target value of the output control of the AC motor as an active current command value and a reactive current command value, the phase of the reactive current command value is synchronized with the magnetic flux phase of the AC motor, and the effective current command value The phase is advanced by 90 ° from the magnetic flux phase during the power running operation, and is delayed by 90 ° from the magnetic flux phase during the regenerative operation, and the reactive current command value and the effective current command value are used as the effective / reactive current command value of the inverter. A method for controlling a rotating machine comprising a procedure.
前記有効電流指令値と無効電流指令値のうち、前記有効電流指令値は、前記交流電動機の出力制御の目標値とする有効電力指令値と前記インバータの出力電圧から変換、または該有効電力指令値と前記交流電動機の出力電圧検出値から変換して求める制御手順を備えたことを特徴とする請求項7に記載の回転機の制御方法。   Of the active current command value and reactive current command value, the active current command value is converted from an active power command value to be a target value for output control of the AC motor and an output voltage of the inverter, or the active power command value A control method for a rotating machine according to claim 7, further comprising a control procedure obtained by conversion from an output voltage detection value of the AC motor.
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