WO2015097842A1

WO2015097842A1 - 回転電機システム

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Publication number: WO2015097842A1
Application number: PCT/JP2013/085036
Authority: WO
Inventors: 順弘楠野
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-02
Also published as: JPWO2015097842A1; EP3089353A4; JP6272355B2; EP3089353A1

Abstract

　慣性定数の大きな回転電気システムの軸捩れ振動抑制と発電出力の平準化を両立されるシステムを提供する為、回転機構の回転速度から回転機構の入力トルクを推定する入力トルク推定装置を備え、推定された入力トルクもしくは推定された入力トルクに回転速度を乗じることで推定される発電機出力に従って発電機から出力される発電出力を制御する電力変換器を備え、かつ、推定される発電機出力を入力として、翼の構成枚数とその回転速度に応じた時間幅分の入力を統計処理することで電力系統に出力する平準化された発電電力を演算する平準化発電電力演算装置を備え、演算された平準化発電電力と推定された発電機出力から電力変換器の直流部の平滑コンデンサ等のエネルギー貯蔵装置の充電電圧指令値を演算する直流電圧演算装置を備え、演算された電圧に従って電力系統と接続される電力変換器のエネルギー貯蔵装置の充電電圧を制御する。

Description

回転電機システム

　本発明は、回転電機システムに関するものである。

　近年、エネルギー資源問題や地球温暖化防止への関心の高まりから、風力発電システムや海流発電システム等の自然エネルギーを利用した発電システムが急速に普及している。

　このような発電システムでは、翼によって空気や海水等の流動性媒体の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転エネルギーを軸や増速機等の回転機構を介して発電機に伝達することで、流動性媒体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電された電気エネルギーは電力変換器によって電力系統の系統周波数に変換され、電力として電力系統に出力される。

　流動性媒体は自然の物であるがゆえにこのような発電システムへの入力トルクは変動する。それに起因する問題として、入力となる流動性媒体の運動エネルギーの変動による翼回転速度の変動周期と回転機構の機械的固有振動数の共振による回転機構の軸捩れ共振がある。この軸捩れ共振による回転機構の破損や劣化を抑制する方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。

　さらに、入力となる流動性媒体の運動エネルギーの変動に起因する発電電力の変動を抑制する方法として、特許文献２に記載の技術および、特許文献３に記載の技術がある。

特開２００５－４５８４９号公報特開２００３－１３４８９２号公報特開２０１１－１３７３９３号公報

　風力発電システムでは、流動性媒体の運動エネルギーの変動要因としてタワーシャドウ効果がある。

　翼の設置形態は、風力発電システムを例にすると、風向に対してタワー等の支持構造部材より風上側に位置することで発電運転をするアップウィンド型風車と、それとは逆に、風向に対してタワー等の支持構造部材よりも風下側に位置することで発電運転をするダウンウィンド型風車の、２種類の形態がある。

　流動性媒体の運動エネルギーから翼の回転エネルギーへ変換されるエネルギー量は、翼に流入する流速と流出する流速の速度変化に依存する。アップウィンド型でもダウンウィンド型でも、タワー等の支持構造部材周辺の流速は、その支持構造部材の影響で乱れているため、翼が支持構造部材の周辺を通過する際に変換される回転エネルギーは減少する。これを一般にタワーシャドウ効果と呼ぶ。

　特にダウンウィンド型風車の場合、翼の上流でタワー等の支持構造部材に乱された流速を翼の入力とするため、その効果による回転エネルギーの減少が大きく、通常風速で約5%、強風速下では約20%程度減少することが知られている。

　このタワーシャドウ効果により、回転軸に入力される入力トルクが変動するため、回転機構の軸捩れや振動の原因になり、回転機構を構成する部品寿命を劣化させる。また、発電機から出力される電気エネルギーも変動するため、電力系統に出力される電力も変動するため、電力品質を低下させる恐れがある。

　さらに、複数台の風車がほぼ同一のタイミングで翼がタワー等の支持構造部材の周辺を通過すると、それら風車のタワーシャドウ効果が同期し、電力系統に出力される合計出力の変動幅が大きくなる。強風速下では、時として風車一台分以上の変動幅になることもあり得る。

　そこで本発明では、一つ若しくは複数の風力発電システムや海流発電システムに適応可能で、風力や海流等の流動性媒体の運動エネルギーの変化に起因する軸捩れを抑制し、回転機構を構成する部品の寿命を長期化させ、かつ、発電システムの入力となる運動エネルギーが変動した場合にも、発電機を制御する電力変換器の直流部のエネルギー貯蔵装置の過充電および過放電を抑制し、出力電力の変動を抑制することができる、回転電機システムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲の記載の構成を採用する。

　本発明に係る回転電機システムは、翼によって回転される回転機構を介して回転機が回転し発電する回転電機システムであって、前記発電された電力を貯蔵するエネルギー貯蔵装置を有し、前記発電された電力を前記翼の枚数とその回転速度に応じた時間幅で平準化した電力を出力することを特徴とする。

　本発明によれば、単一の回転電機システムで、軸捩れを抑制することで回転機構を構成する部品の寿命を長期化させると同時に、発電出力を平準化することができる。

永久磁石型回転電機システム永久磁石型回転電機システムの指令値演算ロジック演算した指令値の時間変化を説明する図回転機を制御する電力変換器がトルク制御の場合の指令値演算ロジック二次励磁型回転電機システム二次励磁型回転電機システムの指令値演算ロジック回転子に電力変換器を内蔵した回転電機システム回転子に電力変換器を内蔵した回転電機システムの指令値演算ロジック更に他の実施例に係る回転電機システムダウンウィンド型風車の概略図

　以下、本発明に係る回転電機システムの実施形態について各図を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の実施態様が下記態様に限定されるものではない。

　本実施例に係る回転電機システムの全体構成を図１に示す。翼（１４）の回転エネルギーは回転機構の軸（１２）を介して回転機（７）に伝達される。陽に図示しないが、回転エネルギーは増速機や複数の回転軸と継手等を介して回転機（７）に伝達されても良く、それらが設置されていても、本発明の効果は発現する。回転機（７）の回転子（１０）は永久磁石が埋め込まれており、回転することで、回転機（７）の固定子（８）の固定子巻線（９）と回転子（１０）の回転速度に応じた交流電力を発生させる。固定子巻線（９）に電力変換器（２）の順変換器（３）が電気的に接続され、発生した交流電力は順変換器（３）によって直流電力に変換される。順変換器（３）は平滑コンデンサ（５）等の直流電力貯蔵装置を介して逆変換器（４）に接続しており、逆変換器（４）によって５０Ｈｚや６０Ｈｚ等の商用周波数に変換され電力系統（１）に出力される。

　図１では、回転機（１）の回転子（１０）が永久磁石により構成される場合を図示したが、巻線に直流電力を供給することで磁化しても良く、これに限らず、回転機で発生する回転機構の回転速度に依存した交流電力が電力変換器（２）を介して電力系統（１）に供給される回転電機システムであれば、本実施例と同一と見なすことができる。

　電力変換器（２）を制御する制御装置（６）は、交直変換器（３）によって回転機（７）からその回転速度に応じて所望の電力を発生するように、回転機（７）と電力変換器（２）の間の電流および電圧を制御する。また、電力変換器（２）を制御する制御装置（６）は、逆変換器（４）によって平滑コンデンサ（５）の直流電圧を略一定にするように制御する。これにより、順変換器（３）の作用によって平滑コンデンサ（５）へ入力される電力は、逆変換器（４）が平滑コンデンサ（５）の直流電圧を略一定に制御する作用から、直流部に貯蔵されることなく電力系統（１）に出力される。ただし、前述の動作説明は、簡素化のために、回転機（７）や電力変換器（２）の動作に伴う損失は含めないものとした。

　また、特に断らない限り、回転電機システムにおける電力変換器（２）の順変換器（３）および逆変換器（４）は、いずれも交直変換器で構成され、交流と直流の電力変換を双方向に実行できるものとし、一方の交直変換器（前述の逆変換器（３）に相当）が、有効電力指令もしくはトルク指令に従って交流部の電力を制御し、もう片方の交直変換器（前述の順変換器（４）に相当）が、直流部電圧指令値に従って直流部の電力を制御し、いずれの交直変換器も必要に応じて交流部の無効電力を制御するものとする。

　さらに、これら有効電力、無効電力および直流部電圧の制御方式は、本発明の効果の発現に影響しないため説明は省略し、以下に、タワーシャドウ効果に対する交流電力変動に対する有効電力指令値もしくはトルク指令値の算出方法および、電力系統に出力する電力を略一定にするための直流部電圧指令値の算出方法についてのみ詳述する。

　図２に、前述の本発明の効果を得るための指令値演算ブロックを図示する。回転速度検出器（１３）からの回転速度（ω）信号はローパスフィルタ（１５）に入力され、ノイズ等タワーシャドウ効果に起因しない変動周期成分を除去する。これにより、回転機構の構成部品の機械加工上の遊びによる高周波成分を除去することができる。ただし、ローパスフィルタ（１５）は必須ではない。ローパスフィルタ（１５）によって処理された回転速度（ω）信号は、入力トルク推定装置（１６）に入力される。

　入力トルク推定装置（１６）は、回転速度（ω）信号および１サンプリング前の回転速度（ω）信号から、回転速度変化率を算出する。また、交流側を制御する電力変換器の制御装置（１９）によって得られる回転機の発電電力計測値（P_in）を回転速度（ω）信号で割ることで、回転機の負荷トルクを算出し、回転数速度変化率と回転機の負荷トルクおよび予め設定した回転機構を構成する部品群の慣性定数から、回転機構に入力される入力トルクを推定する。推定された入力トルクにフィルタ処理された回転速度（ω）を乗じることで交流側を制御する電力変換器に対する有効電力指令（P_in ^*）を算出する。有効電力指令（P_in ^*）は、交流側を制御する電力変換器の制御装置（１９）と後段の平準化発電電力演算装置（１７）および直流電圧演算装置（１８）にそれぞれ入力される。

　平準化発電電力演算装置（１５）は、翼(14)の構成枚数とその回転速度に応じた時間幅分の入力を統計処理することで電力系統に出力する平準化された発電電力を演算する。例えば、３枚翼で回転速度がＸ[min^-1]の場合、タワーシャドウ効果は１/（３Ｘ）[min]の時間間隔で発生するため、この時間幅に相当する入力信号（P_in）を逐次移動時間平均することで、平準化発電電力指令値（P_out ^*）を演算することができる。

　なお、翼の回転速度は逐次変動するため、逐次移動平均時間幅を変更する演算負荷を低減するため、移動平均時間幅を回転電機システムの運転速度範囲下限に相当する時間幅以上に固定しても良い。翼１枚に対するタワーシャドウ効果が表れる最小時間以上の固定時間幅で平準化処理演算することにより、逐次時間幅を演算しなくても、常にタワーシャドウ効果による入力トルクの減少が発生する時間周期一つ分以上をカバーする時間幅で平均化することができる。言い換えると、回転機の運転速度範囲の下限値で翼が１回転するのに要する時間を翼１枚あたりに換算した時間幅分以上の固定の入力サンプリング数を逐次移動平均することで電力系統に出力する平準化された発電電力指令値を演算する。演算された平準化発電電力指令値（P_out ^*）は、直流電圧演算装置（１８）に入力される。

　ここで、平準化された発電電力の演算値は、完全に平準化されたある値を決定するのが望ましいが、演算元の有効電力指令値（P_in ^*）より少しでも均一化されるような平準化処理がされれば、電力系統に出力する電力の安定化効果を奏する。

　また、上記説明では演算された平準化発電電力指令値（P_out ^*）は有効電力指令値（P_in ^*）に基づき演算したが、代わりに有効電力指令値（P_in ^*）に基づき制御される変換器（３）で実際に変換された電力の計測値を用いて演算してもよい。

　直流電圧演算装置（１８）は、前段の処理で得られた発電電力指令値（P_in ^*）と平準化発電電力指令値（P_out ^*）、直流側を制御する電力変換器の制御装置（２０）によって得られる直流部の直流電圧計測値（V）および直流部のエネルギー貯蔵装置定数（本実施例では平滑コンデンサ（５）の静電容量）から、直流部のエネルギー貯蔵装置で逐次充放電すべきエネルギーを演算し、これにより直流電圧指令値（V^*）を演算する。具体的には、直流電圧演算装置（１８）では、移動平均時間幅ごとに制御周期発電電力指令値（P_in ^*）と平準化発電電力指令値（P_out ^*）の差分ΔPを演算し、それを用いて直流電圧指令値（V^*）を演算する。演算された直流電圧指令値（V^*）は、直流側を制御する電力変換器の制御装置（２０）に入力される。

　以上によって、交流側を制御する電力変換器（３）および直流側を制御する電力変換器（４）は、それぞれ電力変換器制御装置（６）に備わる交流側制御装置（１９）および直流側制御装置（２０）によって制御され、交流制御側は回転機構に入力されるトルク変動に追随して動作することで、タワーシャドウ効果による軸捩れ振動を抑制し、抑制することで電力変換器への入力電力が変動するが、直流制御側は直流部を充放電制御することで、電力系統への出力を略一定にするように動作することができる。

　前述の制御装置内の演算値の振る舞いを図３に図示する。移動平均幅をタワーシャドウ効果を含む時間幅にすることで、発電電力指令値（P_in ^*）の変動が平準化され、平準化発電電力指令値（P_out ^*）は略一定値となる。直流電圧指令値は、発電電力指令値（P_in ^*）と平準化発電電力指令値（P_out ^*）の差分を直流部の電圧としてエネルギー貯蔵するため、翼がタワー構造部材を横切るタイミングを基点に奇対称のように振舞う。

　図１０に、風１０２をナセル１０３の翼１４とは反対側から受けるダウンウィンド型風車の概略図を示す。翼１４がタワー１０１付近を通る時に、翼が受ける風が乱れ、揚力が低下するタワーシャドウ効果が起きる。風の乱れはタワーの裏だけではなく、その周囲にわたって乱れがあり、タワーシャドウ効果による出力変動を考慮するときは、おおよそ左右対称な、幅を持った回転範囲の影響を考える必要がある。

　多数の風車を有する風力発電所の制御器として以下の構成が考えられる。

　・風車群制御（ファーム制御器）：風車群の合計出力を制御する。合計出力値は各風車の風速計からの出力予測値の総和と上位の系統運用者の出力指令値から、各風車に出力すべき電力の出力指令値を演算する。

　・風車制御器：上位制御器（ファーム制御器）からの出力指令値および現時点での風速・風向計の情報から自風車の出力を制御するため、風車ナセル方位や翼角度の制御によって、風車の回転や、出力を制御する。

　・変換器制御器：与えられた電力指令に則して、発電機を運転する。

　一般的な風車制御では、上記の制御階層に基づき、与えられた電力指令に従って出力制御するため、軸に掛かる負荷や捩れは考慮されない。本実施例では、上位制御器から来る指令よりも、軸捩れの抑制を優先した電力出力制御をおこなうことで捩れを抑制する効果が得られる。

　タワーシャドウによる入力変動の影響は、このような軸捩れの抑制を優先した電力出力制御を行うことで特に顕著となる。電力系統に供給する電力は、電力変換器の直流部に設置されたエネルギー貯蔵装置がバッファになった上で、翼から供給されるエネルギー量に追従する。バッファで吸収できないような大きな入力変動があった場合、直接的に電力系統に変動が出力されてしまう恐れがある。また、これに対処するために、エネルギー貯蔵装置の容量を多くする必要がある。

　本実施例では、定期的に起きる、予測できる入力変動に合わせて、電力系統に出力する電力指令値を、最適な平準化周期で予め演算する。回転機で発電された電力を翼の枚数とその回転速度に応じた時間幅で平準化した電力を、電力系統に出力する。これにより、タワーシャドウのような定期的な入力変動の影響を抑制することができる。最適な平準化周期とは、例えば翼が３枚ある風力発電設備におけるタワーシャドウに対する演算では、翼が１回転する時間である回転周期の３分の１の時間の倍数が望ましい。

　図４を用いて、本実施例について説明する。なお、上述の実施例と重複する箇所については、その説明を省略する。

　実施例１は、交流側電力変換器が発電電力指令（P_in ^*）に従って動作させる場合について記載したが、回転機構の入力トルク変動に直接追随させるため、交流側電力変換器の発電電力制御に代えてトルク制御とし、交流側電力変換器の制御装置（１９）はトルク指令値（Tin*）を入力として、回転機（７）の負荷トルクを制御しても良い。この場合、図２に示した本発明の制御ロジックは図４に示すように組み替えることができる。組み替えた結果、交流側電力変換機の制御装置（１９）から入力トルク推定装置（１６）に入力される計測値は、電気的な計測値から推定した負荷トルク(Tin)となる。また、入力トルク推定装置（１６）で軸捩じれを抑制するような値となるように算出されたトルク指令値（Tin*）はそのまま交流側電力変換器の制御装置（１９）に入力される。

　トルク制御とするときに、負荷トルクを推定せずに、光やひずみゲージなどの軸捩れセンサで軸の捩れ変位量を計測することで、直接的に負荷トルクと入力トルクの差分を計測することもできる。その場合、回転速度検出器（１３）の代わりに軸捩じれセンサを設置し、トルク計測値をそのまま入力トルク推定装置（１６）に入力する。

　図５を用いて、本実施例について説明する。なお、上述の実施例と重複する箇所については、その説明を省略する。

　図５に示す、固定子巻線（９）が電力系統（１）と電気的に接続しており、電力系統の周波数および固定子巻線（９）に依存して、固定子に回転磁界が発生し、電力変換器（２）は回転子（１０）の物理的な回転速度と固定子の回転磁界の回転速度の差分（一般にすべり（ｓ）と呼ばれる）に相当する交流電力をブラシ（２１）およびスリップリング（２２）を介して回転子巻線（１１）に供給することで、発電する巻線形二次励磁回転電機システムにおいても本発明は適用可能である。

　巻線形二次励磁回転電機システムでは、すべり（ｓ）に応じて回転子（１０）に入力される入力エネルギーが固定子（８）および回転子（１０）に一意に分配され、かつ、エネルギー授受の方向もすべり（ｓ）によって一意に決定される。このため、交流側を制御する電力変換器（３）は、すべり（ｓ）に応じて固定子巻線（９）から電力系統（１）へ提供される電力をP_in ^*/(1-s)となるように、電力変換器（３）から回転子巻線（１０）に提供する電力を制御する。このため、図２に示した本発明の効果を得るための指令値演算ブロックは、すべり（ｓ）を考慮して図６のように組み替える必要がある。

　図６に示す演算ブロックは、新たにすべり演算器（２３）が追加され、回転速度検出器（１３）で計測された回転速度（ω）信号からすべり（ｓ）を演算する。交流側電力変換器の制御装置（１９）で計測された回転機の軸出力とすべりから、回転機の軸出力演算器（２５）は発電出力（P_in）を演算し、入力トルク推定装置（１６）に入力する。軸捩じれが抑制されるように決定された発電電力指令値（P_in ^*）は、交流側電力変換器の制御装置（１９）に入力される前に、固定子出力演算器（２４）で回転子（１０）への入力に対応する指令値に変換される。

　直流側を制御する電力変換器の制御装置（２０）に送信する直流電圧指令値（V^*）を、直流電圧演算装置（１８）は発電電力指令値（P_in ^*）と平準化発電電力指令値（P_out ^*）の差分から演算するが、具体的な演算内容は実施例１と若干異なる。巻線形二次励磁回転電機システムでは、電力系統（１）に供給される電力は、固定子巻線（９）からの電力と直流側を制御する電力変換器（４）からの電力を加算したものとなる。前述の通り固定子巻線（９）から電力系統（１）へ提供される電力はP_in ^*/(1-s)であり、電力系統（１）に出力する総電力は平準化発電電力指令値（P_out ^*）にする必要があるため、直流電圧指令値（V^*）はこれらの差分に基づき演算される。

　図７を用いて、本実施例について説明する。なお、上述の実施例と重複する箇所については、その説明を省略する。

　図７に示す２つの巻線形二次励磁発電機の回転子が同軸で回転するように接続され、かつ、その回転子に電力変換器（２）が実装されることで、図５に示す巻線型二次励磁発電機システムにおけるブラシ（２１）およびスリップリング（２２）を不要とした回転電機システムに対しても、本発明は適用可能である。すべりに応じて回転機に入出力されるエネルギーが一意に決定される点は巻線型二次励磁回転電機システムと同様であるが、回転機（７）および補助回転機（２６）はそれぞれ巻線の極数が異なる場合もあり、回転機（７）のすべり（ｓ）と補助回転機（２６）のすべり（ｓ’）をそれぞれ考慮する必要がある。また、回転機（７）および補助回転機（２６）それぞれが回転機構に負荷トルクを発生させることも入力トルクを推定する際に考慮する必要がある。このため、図２に示した本発明の効果を得るための指令値演算ブロックは、すべり（ｓ）およびすべり（ｓ’）を考慮して図８のように組み替える必要がある。

　図８では、すべり演算器（２３）はそれぞれの回転機の巻線極数に応じたすべり（ｓ）とすべり（ｓ‘）を演算し、軸出力演算器（２５）と固定子出力演算器（２４）に入力する。補助回転機の発電出力も入力トルク推定のために必要なので、直流側を制御する電力変換器の制御装置（２０）から軸出力演算器（２５）に発電出力（P_in’）を入力する。また、交流側電力変換器の制御装置（１９）への指令値は補助回転機への指令値と協調をとったものである必要があるため、平準化発電電力指令値（P_out ^*）は固定子出力演算器（２４）にも入力する。本実施例においても、発電電力指令値（P_in ^*）と平準化発電電力指令値（P_out ^*）の差分に基づいて演算した直流電圧指令値（V^*）を、直流側を制御する電力変換器の制御装置（２０）に入力する。

　図９を用いて、本実施例について説明する。なお、上述の実施例と重複する箇所については、その説明を省略する。

　図９に、本発明に係るその他の実施形態を示す回転電機システムの全体構成を示す。図１の永久磁石型回転電機システムに対して、翼側に新たに回転速度検出器（３１）を設けた構成である。これにより回転速度検出器（１３）および翼側回転速度検出器（３１）それぞれの検出した回転速度信号を積分することで、回転速度検出器が具備された位置の回転機構の軸回転位相を知ることができる。この情報を用いることで、軸回転位相の差分により直接軸捩れの強弱を判定することができ、入力トルク推定装置（１６）において、軸回転位相の差分と軸の捩じりバネ定数から入力トルク推定制度を向上することができる。さらに、直接軸捩れの強弱を判定することができるため、捩れ強度を一定に制御したり、一定の変動幅に抑えるための発電電力指令値（P_in ^*）を算出することができる。

　以上説明した実施例１～４の改善として以下がある。翼が２枚以上である場合、タワーシャドウ効果はどの翼の場合でもほぼ同様であるため、先行する翼によるタワーシャドウ効果の入力トルク変動は、それ以降の翼にとって、自翼がタワー構造部材を横切る際の入力トルク変動と同一と見なすことができる。これにより、一部演算値を翼回転位相の回転対称点での過去演算値を流用し用いることで、演算処理の分割および制御の高速化が期待できる。

　以上説明した実施例１～４は、発電機への入力トルクが風力や海流等の自然環境等に依存する回転電機システムに係り、回転電機から発電電力の反力として回転機構に出力される負荷トルクの可変制御および電力系統へ出力される発電電力の一定出力制御に必要な制御装置および制御に必要な検出装置等の機器構成について説明したものである。

　以上説明した実施例以外の変動対処方法１として、例えば、回転機構の回転速度が増加した場合に、発電機に接続される電力変換器によって発電機の電気出力を増加させるように発電機を制御する方法がある。これにより発電機の入力トルクの反力となる負荷トルクも増加するため、結果として回転機構の回転速度を減じることができる。また、反対に回転機構の回転速度が減少した場合に、発電機に接続される電力変換器によって発電機の電気出力を減少させるように発電機を制御する。これにより発電機の入力トルクの反力となる負荷トルクも減少するため、結果として回転機構の回転速度を増加せることができる。このように速度の増減に応じて負荷トルクを制御することで回転機構の回転速度を一定に保つようにすることで、軸捩れ共振を抑制する。

　しかし、上記の変動対処方法１によれば、回転速度の増減に応じて常に回転速度を一定に保つため、翼からの回転機構への入力トルクが増加し回転機構の回転速度が増加した場合に、回転速度が減速するように入力トルクとは逆向きの負荷トルクを増加させ、逆に、翼からの回転機構への入力トルクが減少し回転機構の回転速度が減少した場合に、回転速度が増速するように入力トルクとは逆向きの負荷トルクを減少させるため、タワーシャドウ効果による入力トルク変動に対して常に逆向きの負荷トルク変動を回転機構に加えることになる。これは軸に対して繰り返し軸捩れ負荷を与えることに相当する。このため、回転機構の部品劣化を加速する問題が生じる可能性がある。

　また、実施例以外の変動対処方法２として、例えば、発電機出力の増減に応じて、電力変換器の直流部に備わる電力貯蔵装置の充放電を制御することで、発電機出力の増減分を充放電電力として一時的に電力貯蔵装置で保存し、貯蔵された電力を電力系統に一定に出力することで、電力系統への発電電力の変動を制御する方法がある。

　しかし、上記の変動対処方法２によれば、逐次発電機出力の増減に応じて電力変換器の直流部の平滑コンデンサ等のエネルギー貯蔵装置を充放電するため、風力や海流等の流動性媒体の運動エネルギーが増加もしくは減少のいずれか一方の変化をする場合に、電力系統に出力する発電電力を一定に制御すると、直流部のエネルギー貯蔵装置の過充電および過放電となり、一定出力制御の継続が不可能となる。

　また、実施例以外の変動対処方法３として、例えば、複数台の風車の運転状況に応じて、それら風車から特定の風車をいくつか選択し、それら選択された風車の翼角度（ピッチ角度）を制御することで、翼回転速度を制御し、複数台の風車の合計出力を平準化する方法がある。

　しかし、上記の変動対処抑制方法３によって、電力系統へ出力される発電電力を平準化するためには、複数台の風車が必要不可欠であり、また、複数台の風車を制御する制御装置およびそれらの通信装置が必須となるため、発電システムの高コスト化となる。

　本発明の実施例に記載の回転電機システムでは、上記問題を解決する実施例記載の構成を有することで、単一の風力発電システムや海流発電システムに適応可能で、風力や海流等の流動性媒体の運動エネルギーの変化およびタワーシャドウ効果に起因する軸捩れを抑制し、回転機構を構成する部品の寿命を長期化させ、かつ、発電システムの入力となる運動エネルギーが変動した場合にも、発電機を制御する電力変換器の直流部のエネルギー貯蔵装置の過充電および過放電を招くことなく、出力電力の平準化することができる、回転電機システムを提供することができる。

　１　　　　　　　　　電力系統
　２　　　　　　　　　電力変換器
　３、４　　　　　（個別の）電力変換器
　５　　　　　　　　　直流部平滑コンデンサ
　６　　　　　　　　　電力変換器制御装置
　７　　　　　　　　　回転機
　８　　　　　　　　　固定子
　９　　　　　　　　　固定子巻線
　１０　　　　　　　　回転子
　１１　　　　　　　　回転子巻線
　１２　　　　　　　　回転軸もしくはシャフト
　１３　　　　　　　　回転速度検出器
　１４　　　　　　　　翼（３枚翼）
　１５　　　　　　　　ローパスフィルタ
　１６　　　　　　　　入力トルク推定装置
　１７　　　　　　　　平準化発電電力演算装置
　１８　　　　　　　　直流電圧演算装置
　１９　　　　　　　　交流側制御装置
　２０　　　　　　　　直流側制御装置
　２１　　　　　　　　ブラシ
　２２　　　　　　　　スリップリング
　２３　　　　　　　　すべり演算器
　２４　　　　　　　　固定子出力演算器
　２５　　　　　　　　回転機の軸出力演算器
　２６　　　　　　　　補助回転機
　２７　　　　　　　　補助回転機の固定子
　２８　　　　　　　　補助回転機の固定子巻線
　２９　　　　　　　　補助回転機の回転子
　３０　　　　　　　　補助回転機の回転子巻線
　３１　　　　　　　　翼側回転速度検出器
　ω　　　　　　　　　回転速度
P_in回転機の発電電力　　　　計測値
　P_in ^*発電電力指令値
　P_out ^*平準化発電電力指令値
　V　　　　　　　　　直流電圧計測値
　V^*直流電圧指令値
　T_in回転機のトルク計測値もしくは制御装置内演算値
　T_in ^*トルク指令値
　s　　　　　　　　　回転機のすべり
　s’　　　　　　　　補助回転機のすべり

Claims

　翼によって回転される回転機構を介して回転機が回転し発電する回転電機システムであって、
　前記発電された電力を貯蔵するエネルギー貯蔵装置を有し、
　前記発電された電力を前記翼の枚数と回転速度に応じた時間幅で平準化処理した電力を出力することを特徴とする回転電機システム。
　請求項１に記載の回転電機システムであって、
　前記回転機が発電する電力を交流から直流に変換し前記エネルギー貯蔵装置に貯蔵する第一の変換器と、
　前記エネルギー貯蔵装置に貯蔵された電力を直流から交流に変換し電力系統に出力する第二の変換器と、
　前記回転機に備えられた回転速度検出器と、
　前記回転速度検出器の検出した回転速度の変化率に基づき、前記第一の変換器の出力指令値を決定する制御装置を有することを特徴とする回転電機システム。
　請求項１に記載の回転電機システムであって、
　前記回転機が発電する電力を交流から直流に変換し前記エネルギー貯蔵装置に貯蔵する第一の変換器と、
　前記エネルギー貯蔵装置に貯蔵された電力を直流から交流に変換し電力系統に出力する第二の変換器と、
　前記第一の変換器への出力指令値を、前記翼の枚数とその回転速度に基づき決定した時間幅で平準化処理した値に基づき、前記第二の変換器への指令値を算出する制御装置を有することを特徴とする回転電機システム。
　請求項２に記載の回転電機システムであって、
　前記翼により前記回転機構に加えられる入力トルクの変動に追従するように前記第一の変換器が変換する電力を制御する制御装置を有することを特徴とする回転電機システム。
　翼によって回転される回転機構を介して回転機が回転する回転電機システムであって、
　前記翼、若しくは前記回転機構、若しくは前記回転機のいずれか一つ以上の回転軸に回転速度検出器を備え、
　前記回転速度検出器で検出した回転速度検出値の差分から、若しくは前記回転速度検出値を用いて算出される回転速度変化率から回転機構の入力トルクを推定する入力トルク推定装置を備え、
　前記推定された入力トルクに基づき、もしくは前記推定された入力トルクに前記回転速度を乗じることで推定される発電出力に基づき、前記回転機から出力される発電出力を制御する電力変換器の交流側制御装置を備え、
　前記推定された発電出力を入力として、前記翼の枚数と前記回転速度に応じた時間幅分の入力を平準化処理することで電力系統に出力する発電電力を演算する平準化発電電力演算装置を備え、
　前記演算された平準化発電電力と前記推定された発電機出力から、前記電力変換器の直流部に設置されたエネルギー貯蔵装置の充電電圧指令値を演算する直流電圧演算装置を備え、
　前記演算された充電電圧指令値に基づき前記電力変換器のエネルギー貯蔵装置の充電電圧を制御する前記電力変換器の直流側制御装置を備えることを特徴とする回転電機システム。
　請求項５に記載の回転電機システムであって、
　前記回転機の回転軸に第一の回転速度検出器を備え、
　前記翼の回転軸に、若しくは前記回転機構の増速機の回転軸に第二の回転速度検出器を備え、
　それぞれの前記回転速度検出器で検出された回転速度信号を積分処理し、前記回転速度検出器が具備された位置の回転角位相を算出し、算出した回転角位相から軸捩れ若しくは軸捩れを補正するトルク指令値を算出することを特徴とする回転電機システム。
　請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機システムであって、
　前記翼の枚数と回転速度に応じた時間幅に、前記回転機が発電した電力を逐次移動平均し、電力系統に出力する発電電力指令値を演算する制御装置を有することを特徴とする回転電機システム。
　請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機システムであって、
　前記時間幅は、前記回転機の運転速度範囲の下限値の回転速度において、翼が１回転するのに要する時間を翼１枚あたりに換算した時間以上の固定時間幅であることを特徴とする回転電機システム。
　請求項１乃至７のいずれかに記載の回転電機システムであって、
　前記翼の上流に前記翼の支持構造物を有することを特徴とする回転電機システム。
　請求項１乃至８のいずれかに記載の回転電機システムであって、
　先行する翼に対する指令値演算値を、それ以降の翼に用いて制御する制御装置を有することを特徴とする回転電機システム。
　３枚の翼と、
　前記翼により駆動され発電する回転機と、
　前記回転機が発電した電力を変換し系統に供給する、平滑コンデンサを備えた電力変換器と、
　を有する風力発電設備の運転方法であって、
　前記翼の回転周期の３分の１の時間の倍数の時間単位で、
　電力系統に出力する電力を平滑化処理することを特徴とする
　風力発電設備の運転方法。