[論文レビュー] Modeling and control of modern wind turbine systems: An introduction

C. Dirscherl, Christoph M. Hackl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2017

Wind Turbine Control Systems被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、風力タービンシステムの空力的・機械的・電気的・パワーエレクトロニクス的部品を統合した包括的なモデリングおよび制御フレームワークを提示する。グリッド電圧指向制御や磁束指向制御といった高度なベクトルベースの制御戦略を採用し、最適な電力抽出、安定したDCリンク電圧、正確な無効電力制御を実現する。シミュレーション結果により、風速の変動に応じた高速な動的応答性と高い性能の安定性が確認された。

ABSTRACT

This chapter provides an introduction to the modeling and control of power generation from wind turbine systems. In modeling, the focus is on the electrical components: electrical machine (e.g. permanent-magnet synchronous generators), back-to-back converter (consisting of machine-side and grid-side converter sharing a common DC-link), mains filters and ideal (balanced) power grid. The aerodynamics and the torque generation of the wind turbine are explained in simplified terms using a so-called power coefficient. The overall control system is considered. In particular, the phase-locked loop system for grid-side voltage orientation, the nonlinear speed control system for the generator (and turbine), and the non-minimum phase DC-link voltage control system are discussed in detail; based on a brief derivation of the underlying machine-side and grid-side current control systems. With the help of the power balance of the wind turbine, the operation management and the control of the power flow are explained. Concluding simulation results illustrate the overall system behavior of a controlled wind turbine with a permanent-magnet synchronous generator.

研究の動機と目的

• 機械的・電気的・パワーエレクトロニクス的部品を統合した、現代風力タービンシステムの統一的動的モデルの構築。
• 最大電力抽出と安定したグリッド接続を確保する階層的制御アーキテクチャの設計。
• グリッド支援のため、共用点（PCC）における有効電力および無効電力の正確な制御を可能にする。
• 風速の変動および異常条件下でのシステム安定性と性能の分析。
• 過渡および定常状態の運転を詳細にシミュレートすることで、制御戦略の検証。

提案手法

• 最大理論的電力抽出を求めるために、Betz限界と効率係数の近似を用いた風力タービンのモデリング。
• グリッド側およびマシン側における電圧・電流の正確な制御のため、空間ベクトル変調とバックツーバックコンバータのモデリング。
• 同期化および有効電力・無効電力の分離制御のため、位相ロックループ（PLL）を用いたグリッド電圧指向制御（GVC）。
• マシン側で磁束指向制御（FOC）を実装し、界磁側q軸電流を介した直接トルク制御により、効率的なトルク発生を実現。
• 発電機回転速度およびDCリンク電圧のための非線形および線形化制御器を設計し、安定性とリファレンス追従性を確保。
• 部分負荷運転におけるエネルギー収率向上を目的に、運転領域IIにおける有効電力フローにフィードフォワード制御を導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風速の変動に応じた最大電力抽出とグリッド適合性の両立は、どのように達成できるか？
• RQ2 異常条件下でも安定したDCリンク電圧と信頼性の高い電力フローを確保するための制御戦略は何か？
• RQ3 ベクトルベースの制御技術（GVCおよびFOC）は、有効電力・無効電力の分離性および動的応答性をどのように向上させるか？
• RQ4 システム慣性および制御帯域幅が最適運転およびエネルギー収量に与える影響は何か？
• RQ5 フィードフォワード制御の統合は、部分負荷運転における性能にどのように寄与するか？

主な発見

• タービン出力はリファレンスに近く追従しており、タービンのスリップ速度比λが最適値λ⋆に近い場合、効率係数cp,1は最大値cp,1(λ⋆)に近づく。
• マシントルクおよび界磁側q電流は、ほぼ即時にリファレンスを追従しており、高速なトルク発生（仮定A.13の妥当性を裏付ける）。
• PCCにおける無効電力は、フィルタのq電流成分の高速制御により、最小限の遅延でリファレンスを追従する。
• 無効電力遷移中でもDCリンク電圧は5,400 Vで安定し、変動は±0.2%以内に抑えられ、制御性能の高さが裏付けられる。
• 有効電力の急激な変化は、フィルタ電流のd成分の迅速な調整に起因し、電力バランス式と整合的である。
• あらゆる運転領域においてシステムは安定した挙動を示し、過渡的オーバーシュートが最小限に抑えられ、異常からの迅速な回復が確認された。