変速定速風力発電機用励磁周波数変換器の研究

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1 はじめに
風力エネルギーは、大きな発展可能性を持つ再生可能エネルギー源です。近年、風力技術は世界中の学者たちから広く注目されています。風力発電の重要な発展方向として、可変速度定常周波数（VSCF）技術が二重給電式風力システムの最適化ソリューションとして採用されています。このシステムでは、発電機のスタータ巻線が直接電網に接続され、VSCF制御はロータ巻線への電力供給の周波数、振幅、位相、および位相順序を調整することで達成されます。コンバータがスリップパワーのみを伝送するため、その容量は大幅に削減することができます。

現在、二重給電式風力システムは主にAC/ACまたはAC/DC/ACコンバータを使用しています。AC/ACコンバータは、出力高調波が高い、入力力率が低い、パワーデバイスが多いなどの理由で、電圧源型AC/DC/ACコンバータに置き換えられつつあります。マトリックスコンバータも二重給電式システムでの使用が検討されてきましたが、その複雑な構造、高い耐電圧要件、非分離の入力/出力制御により、風力発電用途での採用は限定的です。

本研究では、双DSPによる電圧源型AC/DC/AC二重給電式風力システムを開発しました。電網側コンバータは電圧指向ベクトル制御を採用し、ロータ側コンバータはスタータフロックス指向ベクトル制御を使用します。実験結果は、このシステムが双方向の電力流れ、独立した入力/出力力率制御、低調波歪み、安定した広範囲動作、風のような不安定なエネルギー源からの高品質な発電をサポートすることを確認しています。

2 システム構成
図1に示すように、システムは以下の5つの部分で構成されています：

二重給電式発電機（巻線ロータ誘導発電機）
電圧源型AC/DC/AC双方向PWMコンバータ（IPMモジュールを使用したバックトゥバック三相整流器/インバータ）
双DSPコントローラ（固定小数点DSP TMS320LF2407A + 浮動小数点DSP TMS320VC33）
電網接続保護装置（ロータ/スタータ接触器）
仮想可変速度風車（DCモータ + SIEMENS SIVOREGスクリホン速度制御システム）

主要な詳細

コンバータ接続：電網側は三相リアクタ経由；ロータ側はスリップリング/ブラシを介して発電機ロータ巻線へ。
双DSPの役割：LF2407Aはデータ交換、PWM生成、電網信号処理を担当；VC33は核心アルゴリズムを実行；デュアルポートRAMはリアルタイムデータ共有を可能にする；CPLDはアドレスデコードを処理。
電網保護：障害時にはまずスタータ接触器を切断しPWMをブロック；その後遅延後にロータ接触器を開く。

3 二重給電式発電機のベクトル制御
3.1 制御原理
同期回転座標系（d軸がスタータフロックスと一致）における二重給電式発電機モデルは：
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd

フロックス方程式：
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq

トルク方程式：
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq

スタータ抵抗電圧降下を無視すると、スタータフロックスは以下を満たします：
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0

制御戦略：

一定のスタータ一般励磁電流 imsi_{ms}ims → 電磁トルク Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
単位力率の場合、励磁電流は完全にロータから供給される（ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird）
フィードフォワード解結合補償後、urdとurqをそれぞれ制御してロータフロックスとトルクを制御する。

3.2 電網制御

ソフトグリッド接続：

風速がカットイン値に達すると、風車が発電機を最小速度まで駆動する。
コンバータをアクティブ化してスタータ電圧を電網（振幅、位相、周波数）に合わせる。
グリッド接続条件を満たすと自動同期を行う。

切断： 切断前に徐々に無負荷状態に移行する。許容速度範囲内で動作する必要がある。

4 電網側整流器のベクトル制御
二相同期回転座標系（d軸がA相電圧と一致）におけるPWM整流器モデルは：
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sdudc{u_d = L\frac{di_d}{dt} + R i_d - \omega_s L i_q + s_d u_{dc}}ud=Ldtdid+Rid−ωsLiq+sdudc
uq=Ldiqdt+Riq+ωsLid+squdc{u_q = L\frac{di_q}{dt} + R i_q + \omega_s L i_d + s_q u_{dc}}uq=Ldtdiq+Riq+ωsLid+squdc
Cdudcdt=32(sdid+sqiq)−iload{C\frac{du_{dc}}{dt} = \frac{3}{2}(s_d i_d + s_q i_q) - i_{\text{load}}}Cdtdudc=23(sdid+sqiq)−iload

電力方程式：
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq

制御論理：

一定の電網電圧 → idi_didを制御して有効電力を制御；iqi_qiqを制御して無効電力を制御。
電圧補償付き制御方程式：
ud∗=(R+Lddt)id−ωsLiq+ud{u_d^* = (R + L\frac{d}{dt})i_d - \omega_s L i_q + u_d}ud∗=(R+Ldtd)id−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid

5 実験結果
主要な検証：