JP6295579B2 - 風力発電システム - Google Patents

Description

この発明は、風車に接続された永久磁石同期発電機のトルクの脈動を抑制する風力発電システムに関するものである。

図５は、風車、永久磁石同期発電機及び電力変換器を備えた風力発電システムの概略的な構成図である。
風車１は、プロペラ形や縦形（ダリウス形等）等の種類があり、ブレードに受けた風を回転エネルギーに変換する。この風車１には、永久磁石同期発電機（以下、単に発電機ともいう）２の永久磁石からなる回転子が直結されており、発電機２の電機子（固定子）コイルから出力される交流電圧は、コンバータ装置３により直流電圧に整流された後、平滑コンデンサ７を介してコンバータ装置４により交流電圧に変換される。この交流電圧は、ＡＣＬ（交流リアクトル）５及び高調波抑制用のフィルタ回路６を経由して電源系統に供給される。
なお、８は制御装置、９，１０は各コンバータ装置３，４の半導体スイッチング素子を制御するための制御回路である。

ここで、永久磁石同期発電機２では、その動作原理上、コギングトルク及びトルクリプルという２種類のトルク脈動成分が存在する。
コギングトルクは、永久磁石同期発電機の回転子の磁石と、スロット及び歯部からなる固定子鉄心との位置関係に起因する空隙磁束密度の変化によって発生する。

図６は、回転方向に沿った磁石の長さがスロットピッチの整数倍、例えば２倍であるときの固定子鉄心と磁石との位置関係、及び、両者間の空隙の平均磁束密度を示している。
回転子が回転して磁石が位置Ｍ_１からＭ_２に移動し、固定子鉄心と磁石との位置関係が変化しても、磁石の長さがスロットピッチの整数倍であるため、破線の楕円で囲んだ部分の面積の増加分と減少分とは等しい。このため、回転前後の範囲Ｂ_１，Ｂ_２内の磁束及び磁気エネルギーに変化はなく、コギングトルクは発生しない。

これに対し、図７は、磁石の長さがスロットピッチの整数倍でない場合、例えば２．２倍であるときの固定子鉄心と磁石との位置関係、及び、空隙の平均磁束密度を示している。
回転子が回転して磁石が位置Ｍ_１からＭ_２に移動し、固定子鉄心と磁石との位置関係が変化すると、磁石の長さがスロットピッチの整数倍ではないため、破線の楕円で囲んだ部分の面積の増加分と減少分とは等しくならない。このため、回転前後の範囲Ｂ_１，Ｂ_２内の磁束及び磁気エネルギーが変化することとなり、コギングトルクが発生する。

一方、トルクリプルは、空隙磁束密度の高調波成分と負荷電流とによって発生するトルク脈動成分である。
空隙磁束密度に高調波成分が存在する場合、この高調波成分に応じて相電圧にも高調波成分が現れる。例えば、空隙磁束密度の波形が台形波であり、相電圧に第５調波成分及び第７調波成分が含まれる場合、電流が正弦波であっても数式１のように電力Ｐに基本周波数の６倍の脈動成分が生じる。この脈動成分がトルクリプル（いわゆる６ｆトルクリプル）に相当するものであり、発電機の振動や騒音の原因となる。

風力発電システムにおいて、永久磁石同期発電機のコギングトルクやトルクリプルは、風車の始動トルクを増大させ、微風時には風車の回転を妨害する場合があり、何れも風力発電システムの稼働率を低下させる原因となっていた。
このため、例えば特許文献１には、電力変換器の動作により永久磁石同期発電機の電機子巻線にコギングトルクを打ち消すトルクを発生させ、微風下における起動特性を改善するようにした風車の起動アシスト制御装置が記載されている。

図８は、特許文献１に記載された従来技術の構成図であり、図９はその動作を示すフローチャートである。
図８において、３１は風車、３２は永久磁石同期発電機、３３はコンバータ回路、３４は平滑コンデンサ、３５は降圧チョッパ回路、３６はスイッチング素子、３７はリアクトル、３８はコンデンサ、３９は蓄電池、４０は負荷である。発電機３２には回転子センサ５１が設置されており、その出力信号が起動アシスト制御装置５０内の磁極位置検出回路５２及び回転数検出回路５３に入力されている。これらの検出回路５２，５３により検出された磁極位置及び回転数は起動アシスト制御回路５４に入力されると共に、回転数は発電制御回路５６にも入力されている。起動アシスト制御回路５４の出力はＰＷＭゲートドライバ５５に入力されてコンバータ回路３３のスイッチング素子に対するゲート信号が生成され、発電制御回路５６の出力はＰＷＭゲートドライバ５７に入力されて降圧チョッパ回路３５内のスイッチング素子３６に対するゲート信号が生成される。

この従来技術の動作を図９により説明すると、まず、起動アシスト制御回路５４が風車３１の回転数Ｎに基づいて風車停止か否かを判断する（Ｓ１０１）。風車３１の停止時には起動アシストモードとなり（Ｓ１０１Ｙｅｓ，Ｓ１０２）、一定時間Ｔ_０を経過しても風車３１が停止している場合には起動アシスト制御動作を実行する（Ｓ１０３Ｙｅｓ，Ｓ１０４）。起動アシスト制御動作は、蓄電池３９を電源としてコンバータ回路３３をＰＷＭ制御することにより、発電機３２の電機子巻線に交流電圧を印加する動作である。
この制御動作では、磁極位置検出値に基づいてコギングトルクを打ち消すような位相制御が行われ、発電機３２の起動トルクが軽減される。この状態で風車３１に自己起動風速が加わり、その回転数がＮ_１以上になれば起動アシスト制御をオフとし、発電運転モードに移行する（Ｓ１０５Ｙｅｓ，Ｓ１０７，Ｓ１０１Ｎｏ，Ｓ１０８）。
起動アシスト制御動作を一定時間Ｔ_１継続しても所定の回転数Ｎ_１が得られない無風状態においても、起動アシスト制御はオフとなる（Ｓ１０５Ｎｏ，Ｓ１０６Ｙｅｓ，Ｓ１０７）。

風車３１が風力により回転する場合には発電運転モードとなり（Ｓ１０１Ｎｏ，Ｓ１０８）、コンバータ回路３３を全ゲートオフすることにより整流回路として動作させる。この場合、回転数Ｎが発電出力可能な回転数（発電開始回転数）Ｎ_２以上になると、ＰＷＭゲートドライバ５７から、回転数に見合う指令が降圧チョッパ回路３５のスイッチング素子３６に与えられてＰＷＭ制御が行なわれ、発電制御動作が行なわれる（Ｓ１０９Ｙｅｓ，Ｓ１１０）。これにより、発電機３２の発電電流は蓄電池３９または負荷４０に供給される。
その後に回転数ＮがＮ_２を下回ると、発電制御オフとなり（Ｓ１０９Ｎｏ，Ｓ１１１）、更に風速が低下して風車３１が自然停止したら、再び起動アシストモードに移行する（Ｓ１０１Ｙｅｓ，Ｓ１０２）。

特許４２３６９６９号公報（段落[００２３]〜[００５４]、図１〜図３等）

上述したように、特許文献１では、起動後に発電機３２の回転数がＮ_１未満である期間は、起動アシスト制御動作によりコギングトルクを打ち消すようなトルクが生成される。しかし、発電機３２の回転数がＮ_１以上になると起動アシスト制御がオフされるため、定常回転時に発生するトルク脈動成分に対しては効果がない。
このため、トルク脈動成分によって発電機３２が振動し、最悪の場合には、風車タワーが加振されて軸受部分等を損傷してしまうという問題があり、発電機から発生する騒音も、環境や健康を阻害する原因となっていた。

そこで、本発明の解決課題は、永久磁石同期発電機の起動時だけでなく定常回転時にもトルク脈動成分を打ち消すようにトルク指令値を与えることにより、発電機の振動や騒音を抑制するようにした風力発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、風車と、前記風車の回転エネルギーを回転子及び固定子を介して電気エネルギーに変換する永久磁石同期発電機と、前記発電機の発電電力を電源系統に供給するための電力変換器と、を備え、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の変化によって発生するコギングトルクを第１の推定手段により推定し、前記第１の推定手段により推定したコギングトルクを相殺するトルク指令値に従って前記電力変換器を制御する風力発電システムにおいて、
前記第１の推定手段は、前記発電機の誘起電圧の角周波数と、基本周波数の偶数調波の次数設定値と、前記偶数調波の振幅成分設定値と、を用いてそれぞれ演算した複数の偶数調波成分を合成することにより、前記コギングトルクを推定するものである。

請求項２に係る発明は、風車と、前記風車の回転エネルギーを回転子及び固定子を介して電気エネルギーに変換する永久磁石同期発電機と、前記発電機の発電電力を電源系統に供給するための電力変換器と、を備え、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の変化によって発生するコギングトルクを第１の推定手段により推定し、かつ、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の高調波成分及び負荷電流によって発生するトルクリプルを第２の推定手段により推定し、前記第１の推定手段により推定したコギングトルクを相殺し、かつ、前記第２の推定手段により推定したトルクリプルを相殺するトルク指令値に従って前記電力変換器を制御する風力発電システムにおいて、
前記第１の推定手段は、前記発電機の誘起電圧角周波数と、基本周波数の偶数調波の次数設定値と、前記偶数調波の振幅成分設定値と、を用いてそれぞれ演算した複数の偶数調波成分を合成することにより、前記コギングトルクを推定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した風力発電システムにおいて、前記第２の推定手段は、前記発電機の誘起電圧角周波数の６倍の値に対する余弦波信号と、誘起電圧の第５調波成分及び第７調波成分の各振幅と、を用いて前記トルクリプルを推定することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石同期発電機から発生するコギングトルクやトルクリプルを推定し、これらの推定値を相殺するトルク指令値を生成して電力変換器を制御することにより、発電機のトルク脈動を抑制することができる。これにより、発電機の振動が低減され、風車タワーの加振による軸受部分等の損傷や騒音の発生を防止することが可能である。
また、本発明におけるトルク脈動成分の演算はソフトウェアにて実現可能であり、専用のハードウェアは不要であるため、装置の大型化を招くおそれもない。

本発明の第１実施形態の主要部の構成図である。 本発明の第１実施形態における、発電機のＵ相誘起電圧、コギングトルクの偶数調波成分、及びコギングトルク合成値の一例を示す波形図である。 本発明の第２実施形態の主要部の構成図である。 本発明の第２実施形態の全体構成図である。 風力発電システムの概略的な構成図である。 コギングトルクの発生原理の説明図である。 コギングトルクの発生原理の説明図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図８の動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態の主要部を示す構成図であり、永久磁石同期発電機のコギングトルクを打ち消すための最終トルク指令値を生成するブロック図である。なお、この最終トルク指令値は、例えば前述した図５におけるコンバータ装置３側の制御回路９において、コンバータ装置３内の半導体スイッチング素子を制御するために用いられる。

図１において、発電機トルクパターン１１は、永久磁石同期発電機の回転速度に応じたトルクパターンであり、風力発電システムとして出力すべきトルク指令値τ_ｇを出力する。前述したごとく、コギングトルクは永久磁石同期発電機の磁石と、スロット及び歯部からなる固定子鉄心との間の空隙磁束密度の変化によって発生するので、コギングトルクは発電機誘起電圧の基本周波数の偶数調波成分を合成した波形となる。実際には、各次数の大きさ及び位相が異なる複数の波形が合成されることになり、６次までの偶数調波で考えると、コギングトルクの第２調波成分、第４調波成分、第６調波成分はそれぞれ以下の数式２，数式３，数式４となり、これらが数式５のように合成されることとなる。
［数式２］
τ_ｃ２＝Ａ_２ｓｉｎ（２ωｔ＋φ_２）
［数式３］
τ_ｃ４＝Ａ_４ｓｉｎ（４ωｔ＋φ_４）
［数式４］
τ_ｃ６＝Ａ_６ｓｉｎ（６ωｔ＋φ_６）
［数式５］
τ_ｃ＝τ_ｃ２＋τ_ｃ４＋τ_ｃ６

なお、数式２〜数式５において、
τ_ｃ：コギングトルクの合成値〔Ｎ・ｍ〕
τ_ｃ２：コギングトルクの第２調波成分〔Ｎ・ｍ〕
τ_ｃ４：コギングトルクの第４調波成分〔Ｎ・ｍ〕
τ_ｃ６：コギングトルクの第６調波成分〔Ｎ・ｍ〕
Ａ_２，Ａ_４，Ａ_６：各偶数調波成分の振幅〔Ｎ・ｍ〕
ω：誘起電圧の角周波数〔ｒａｄ／ｓ〕
φ_２，φ_４，φ_６：各偶数調波成分の位相〔ｒａｄ／ｓ〕
である。

図１において、第１の推定手段としてのコギングトルク推定手段１００Ｃは、永久磁石同期発電機の誘起電圧角周波数ωと偶数調波成分の次数２，４，６とをそれぞれ乗算する乗算手段１２と、その乗算結果に各偶数調波成分の位相φ_２，φ_４，φ_６をそれぞれ加算する加算手段１３と、その加算結果Ｘ（各偶数調波成分についての加算結果Ｘ_２，Ｘ_４，Ｘ_６）が入力されて各々対応する正弦波信号ｓｉｎＸ（ｓｉｎＸ_２，ｓｉｎＸ_４，ｓｉｎＸ_６）を出力する正弦波テーブル１４と、正弦波信号ｓｉｎＸ（ｓｉｎＸ_２，ｓｉｎＸ_４，ｓｉｎＸ_６）に各偶数調波成分の振幅Ａ_２，Ａ_４，Ａ_６をそれぞれ乗算する乗算手段１５と、各偶数調波成分の演算結果を合成してコギングトルク推定値τ_ｃを演算する合成手段１６と、を備えている。
なお、次数２，４，６、位相φ_２，φ_４，φ_６、及び振幅Ａ_２，Ａ_４，Ａ_６は、コギングトルク推定値τ_ｃを演算するための補正パラメータＱとしてメモリに記憶されている。

コギングトルク推定手段１００Ｃは、上記の各手段１２〜１６によって数式２〜５を演算し、その結果求めたコギングトルク推定値τ_ｃを減算手段１７にてトルク指令値τ_ｇから減算することにより、発電機が発生するコギングトルクを相殺する最終トルク指令値τ^＊を求める。この最終トルク指令値τ^＊に基づいて、例えば図５の制御回路９がコンバータ装置３を介して発電機２を制御することにより、コギングトルクを打ち消すことが可能になる。
なお、図２は、発電機のＵ相誘起電圧、コギングトルクの第２調波成分，第４調波成分，第６調波成分、及び合成値（コギングトルク推定値）の一例を示す波形図である。

次に、図３は第２実施形態の主要部を示す構成図であり、永久磁石同期発電機のトルクリプルを打ち消すための最終トルク指令値を生成するブロック図である。
数式１によって説明したように、空隙磁束密度の波形が台形波であって相電圧に第５調波成分及び第７調波成分が含まれる場合、電流が正弦波であっても電力Ｐに基本周波数の６倍の脈動成分が生じ、この脈動成分がトルクリプルとなる。従って、発電機の誘起電圧を解析して第５調波成分及び第７調波成分を事前に求めることができれば、発電機のトルクリプルτ_ｒを推定することができる。

図３において、第２の推定手段としてのトルクリプル推定手段１００Ｒは数式１に基づいて構成されており、誘起電圧角周波数ωを６倍する乗算手段１８と、その乗算結果Ｙが入力されて余弦波信号ｃｏｓＹを出力する余弦波テーブル１９と、余弦波信号ｃｏｓＹに誘起電圧の第５調波成分の振幅Ｖ_５，第７調波成分の振幅Ｖ_７をそれぞれ乗算する乗算手段２０，２１と、これらの乗算手段２０，２１による乗算結果を加算することにより基本周波数の６倍の脈動成分としてのトルクリプル推定値τ_ｒを演算する加算手段２２と、を備えている。
こうして求めたトルクリプル推定値τ_ｒを減算手段２３にてトルク指令値τ_ｇから減算することにより、発電機が発生するトルクリプルを相殺する最終トルク指令値τ^＊を求める。この最終トルク指令値τ^＊に基づいて、例えば図５の制御回路９がコンバータ装置３を介して発電機２を制御することにより、トルクリプルを打ち消すことができる。

図４は、本発明の第２実施形態の全体構成図である。
この実施形態では、第１実施形態によりコギングトルク推定手段１００Ｃが求めたコギングトルク推定値τ_ｃを減算手段１７にてトルク指令値τ_ｇから減算し、その結果τ_ｇ’から、前記トルクリプル推定手段１００Ｒが求めたトルクリプル推定値τ_ｒを減算手段２３にて減算することにより、最終トルク指令値τ^＊を求めている。
この実施形態によれば、発電機のコギングトルク及びトルクリプルの両方を打ち消してトルク脈動の抑制機能を一層向上させることができる。

１：風車
２：永久磁石同期発電機
３，４：コンバータ装置
５：ＡＣＬ
６：フィルタ回路
７：平滑コンデンサ
８：制御装置
９，１０：制御回路
１１：発電機トルクパターン
１２，１５，１８，２０，２１：乗算手段
１３，２２：加算手段
１４：正弦波テーブル
１６：合成手段
１７，２３：減算手段
１９：余弦波テーブル
１００Ｃ：コギングトルク推定手段
１００Ｒ：トルクリプル推定手段
Ｑ：補正パラメータ

Claims (3)

1. 風車と、前記風車の回転エネルギーを回転子及び固定子を介して電気エネルギーに変換する永久磁石同期発電機と、前記発電機の発電電力を電源系統に供給するための電力変換器と、を備え、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の変化によって発生するコギングトルクを第１の推定手段により推定し、前記第１の推定手段により推定したコギングトルクを相殺するトルク指令値に従って前記電力変換器を制御する風力発電システムにおいて、
   前記第１の推定手段は、前記発電機の誘起電圧角周波数と、基本周波数の偶数調波の次数設定値と、前記偶数調波の振幅成分設定値と、を用いてそれぞれ演算した複数の偶数調波成分を合成することにより、前記コギングトルクを推定することを特徴とする風力発電システム。
2. 風車と、前記風車の回転エネルギーを回転子及び固定子を介して電気エネルギーに変換する永久磁石同期発電機と、前記発電機の発電電力を電源系統に供給するための電力変換器と、を備え、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の変化によって発生するコギングトルクを第１の推定手段により推定し、かつ、前記回転子の磁石と固定子鉄心との間の空隙の磁束密度の高調波成分及び負荷電流によって発生するトルクリプルを第２の推定手段により推定し、前記第１の推定手段により推定したコギングトルクを相殺し、かつ、前記第２の推定手段により推定したトルクリプルを相殺するトルク指令値に従って前記電力変換器を制御する風力発電システムにおいて、
   前記第１の推定手段は、前記発電機の誘起電圧角周波数と、基本周波数の偶数調波の次数設定値と、前記偶数調波の振幅成分設定値と、を用いてそれぞれ演算した複数の偶数調波成分を合成することにより、前記コギングトルクを推定することを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項２に記載した風力発電システムにおいて、
   前記第２の推定手段は、前記発電機の誘起電圧角周波数の６倍の値に対する余弦波信号と、誘起電圧の第５調波成分及び第７調波成分の各振幅と、を用いて前記トルクリプルを推定することを特徴とする風力発電システム。

Images