風力利用に適する新しい誘導発電機システムとその制御に関する研究

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本研究は小形,堅牢で経済的な誘導発電機と半導体電力変換装置を組み合わせた新しい発電システムに関し、電力変換器の高性能化を計るとともに、風力発電に応用する場合の制御方法について検討することを目的とした。主な研究結果は次の通りである。1.電圧形PWMコンバータ及びインバータを用い高効率で安定な発電機運転を実現するための制御方法を開発した。コンバータには誘導発電機の空隙磁束及びトルクを独立に制御するためのベクトル制御を開発し、インバータには力率1で発電電力を電力系統に供給するための出力電力制御を設計して、安定で良質な電力を供給できることを実験により確認した。また、コンバータ及びインバータの何れにおいても電流追従形の制御を行い、誘導発電機電流及び系統側出力電流の高調波を低減することができた。(定格出力時の高調波は基本波の3%以下)2.風車と組み合わせた場合の誘導発電機の定常及び過渡特性を検討するため、直流電動機を用いた風車シミュレータを試作し、実風車のトルク一速度特性を模擬するための制御方式を開発した。また、実験によりその有効性を確認した。3.発電機のトルクを定格回転数以下では回転数の2乗に比例させ、定格回転数以上では定格トルクに保って運転することにより、風速の変動に対して良好な回転数の応答が得られ、風力エネルギーが有効に利用できることをシミュレーション及び実験により明らかにした。4.回転数および風速に応じて発電システムの始動,停止を行えば、風車の失速による始動失敗を防止できることおよび風速低下時には機械系に蓄積されたエネルギーを有効に利用した後停止できることを確認した。5.過大風速に対して回転数の上昇を許容値以下に抑えるために風車のピッチ角制御が不可欠であり、その制御時定数として機械系の時定数の1/3程度が必要であることを明らかにした。