回転型出力安定化装置の数値計算による性能評価電気工学専攻(修士課程) 102124 江崎公太指導教員中野孝良担当教員藤田吾郎エネルギー制御機器研究 1. 研究背景 1997年の気候変動枠組条約第3回締約国会議(京都会議)で採択された京都議定書によってCO2の削減などが注目されている。また,1995年の電気事業法の改正などにより発電事業の新規参入が拡大された。このような背景から,風力発電,太陽光発電などの自然エネルギーが注目されている。しかし,例えば風力発電は風況によって出力が大きく変化してしまうので系統への大規模連系には出力安定化装置が必須である。現在主流のDCリンク方式と呼ばれるインバータを用いた安定化装置は,電力用の半導体素子を使用するため高コストである。そのため,風力発電施設のより大規模な導入は非常に困難である。本研究は,新方式の出力安定化装置である回転型出力安定化装置 ( 以下 RFC: Rotary Frequency Converter)を提案し,この装置の実用化を最終目標としてシミュレーションによる基本性能の検証 [1]を行うものである。 2. 回転型出力安定化装置 RFCは,図1のように大きく分けて制御装置(Power Controller),交流励磁装置(Excitation Controller),同期機 (SM: Synchronous Machine),可変速機(DFM: Doubly-fed Machine)の4つからなる。RFCの動作原理を以下に示す。まず,風力発電施設で発電した電力によって同期機の軸が回転する。この軸は可変速機の軸に接続されているので,可変速機も回転する。しかし,このままでは可変速機は発電しないので励磁する必要がある。可変速機は誘導機の一種で,一次・二次側が共に多相の巻線となっており,さらに二次巻線がブラシを介して外部に引き出されている。可変速機の二次巻線を直流励磁する場合,励磁電圧を変化させることで出力電圧を変化させることは出来るが,出力周波数は回転数とすべりで決まってしまうので制御は出来ない。しかし,可変速機は二次巻線が多相となっているので交流で励磁することが出来る。このとき, 励磁周波数を変化させることですべりを変化させることができ,結果として出力の周波数(と位相)も制御することが出来る。以上より出力の電圧と周波数を制御できることは示したが,その制御には制限がある。出力するエネルギーが風力発電機から入力されるエネルギーより多い場合,その不足分は軸の回転エネルギーより供給されるので軸の回転数は減少し,最終的には回転が停止してしまう。逆の場合は余剰エネルギーが回転エネルギーの形で貯蔵され, 軸の回転数が上昇し,最終的に回転機自体が破損してしまう。そのため回転エネルギー(または回転数)が一定の範囲内に収まるように制御する必要がある。また,出力が急激に変化することもRFC自体に悪影響を及ぼすのでこれも制御する必要がある。さらに,交流励磁装置の出力可能図 1 回転型風力発電出力安定化装置な周波数の範囲を広くしすぎると励磁装置の製作コストが上昇してしまうため,系統周波数と軸の回転数の差も一定の範囲内に収まるように制御する必要がある。制御装置は以上の制限を満たすように入力電力・軸の回転数・系統周波数を計測し,適切な励磁指令値を算出する。なお,可変速機の実用化の例としては,可変速揚水発電[2] が挙げられ,RFCは,この可変速揚水発電の原理を発電出力安定化に応用したものである。 RFCはDCリンク方式と比較して次の利点がある。 •製作コストが低い •大容量の装置の製作が容易 •複数の風力発電機の出力を一台で安定化できる •回転機を用いているため保守が容易 •電力用半導体をあまり使用しない 3. 研究の流れシミュレーションをはじめるに当たって,最初は MATLAB/Simulinkを用いて電力に注目し,図2の簡易モデル(二地域がHVDCで連系した系統の片方の地域にRFC と風力発電機が接続された系統のモデル)を作成し,RFC のシミュレーションを行った。これによって電力系統への風力発電施設の導入可能容量の限界の見積もりを行った。しかし,このモデルでは細かな特性のシミュレーションを行うのが困難である,MATLAB/Simulinkは汎用のソフトウェアであるため,計算時間が長くなってしまう,風力発電機は白色雑音と周波数フィルタを組み合わせて出力電力を直接模擬しており,発電機の特性を考慮していない,などの問題があり,巨視的な検討に使用する場合は問題は少ないが,過渡的な減少のシミュレーションには適さなかった。また,モデル自体の妥当性の確認が十分に成されていなかった。 1.0 0.9 0.8 0.7 0 2 4 6 [pmodel] MACHINE : SM 図 3 図 2 8 10 VARIABLE : WR 12 14 16 RFC 回転数簡易モデルそこで,RFC無しで風力発電機を系統に導入したモデルを詳細に調査し,モデルの妥当性を調査するのと同時に,MATLAB/Simulinkで風力発電機のモデルと風速模擬のモデルを作成し,モデルの品質向上を図った。また,それと平行して電力系統シミュレーションソフトウェア EUROSTAG [3]を導入しEUROSTAG上でRFCの詳細モデルを作成し,詳細な解析・検討を行うための基礎を築いた。しかし,EUROSTAGの操作の習得に手間取り十分な検討を行うことは困難であった。現段階では,研究は大きく3つに分けて進めている。1 つ目は , 上で示した風力発電機モデルを MATLAB/Simulink簡易モデルに導入し,風力発電施設を導入した際の系統への影響の検討を行うものである。2 つ目は,EUROSTAG詳細モデルのモデルを解析すると共に,EUROSTAG詳細モデルを多機多母線の系統モデルを接続し,RFCのシミュレーションを行うものである。最後に,3つ目は,研究室の実験班の協力で小型の可変速機を実際に作成しRFCを組立て,計測ソフトウェアLabVIEW を用いて計測・制御を行う研究である。 4. シミュレーション例としてEUROSTAGを用いたRFCモデルを用いた結果を示す。シミュレーションは,RFCの出力電力指令値を初期値0.2[puW]として,開始4秒後に0.5[puW],12秒後に 2.0[puW]と変化させた。このシミュレーションの結果として,軸の回転数(図3)と入出力有効電力(図4)を示す。 4秒後に出力電力指令値が増加したので出力電力が増加し,わずかに遅れて入力電力が増加する。このとき, 一時的に供給不足となった分の電力は軸の回転エネルギーによって補うため,軸の回転数が一時的に減少するが, 制御装置によって回転数が一定になるように制御しているため,しばらく回転数と入力電力が振動した後安定する。次に,12秒後に出力電力指令値が急増すると,先ほどと同様回転数が一時的に減少する。しかし,今度は入力電図 4 RFC 有効電力力が最大になっても必要な出力電力には足りないために同期機が脱調し,入力電力が0となる。そのため,軸の回転エネルギーが出力電力として消費していき回転数が急激に低下していく。 5. まとめ今後の研究の流れとしては,MATLAB/Simulink簡易モデルを用いて,RFCを用いた場合の風力発電施設の最大導入可能容量,長期的な系統の振る舞いなどの推定を行う。また,RFCのEUROSTAG詳細モデルを電気学会の電力系統の標準モデル [4]へ接続し,様々な事故が発生した場合の数十ミリ秒∼数分オーダーの系統への影響などを調べる。そして,実機による実験結果とシミュレーション結果を比較してモデルの性能・精度の検討を行っていく予定である。参考文献 [1] [2] [3] [4] 江崎公太・藤田吾郎・中野孝良・舟橋俊久・横山隆一・小柳薫,「回転型風力発電出力安定化装置のシミュレーションによる評価」,平成15年電気学会電力・エネルギー部門大会,No.410,(2003-8,東京電機大学) 山本潤 ,「可変速揚水システムの制御応答性」電気評論,Vol.80,No.7,(1995-7) Tractebeland Electricite de France, "EUROSTAG Package Documentation part I-III", (2003) 「電力系統の標準モデル」,電気学会技術報告第754号