[論文レビュー] Step and Search Control Method to Track the Maximum Power in Wind Energy Conversion Systems A Study

V. Karthikeyan, V. J. Vijayalakshmi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

Wind Turbine Control Systems参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、永久磁石同期発電機（PMSG）を用いた可変速度風力発電システム（VSWECS）における最大出力追従制御（MPPT）のためのステップ・サーチ制御手法を提案する。DCリンク電力のみを検出することで、風速の変化に応じて発電機回転速度を動的に調整し、最大出力を抽出する。ヒステリシス電流制御を施した電圧源コンバータ（VSC）を介して、効率的なグリッド接続または孤立負荷供給を実現する。

ABSTRACT

A simple step and search control strategy for extracting maximum output power from grid connected Variable Speed Wind Energy Conversion System (VSWECS) is implemented in this work. This system consists of a variable speed wind turbine coupled to a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) through a gear box, a DC-DC boost converter and a hysteresis current controlled Voltage Source Converter (VSC). The Maximum Power Point Tracking (MPPT) extracts maximum power from the wind turbine from cut-into rated wind velocity by sensing only by DC link power. This system can be connected to a micro-grid. Also it can be used for supplying an isolated local load by means of converting the output of Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) to DC and then convert to AC by means of hysteresis current controlled Voltage Source Converter (VSI).

研究の動機と目的

• 風速やトルクの測定が不要な、シンプルで効果的なMPPT戦略の開発。
• カットイン速度から定格速度までの全運転風速範囲で風力タービンからの最大出力抽出を可能にする。
• 耐障害性の高い電力変換段階を備えることで、グリッド接続および孤立負荷用途との両対応を確保する。
• 制御意思決定にDCリンク電力フィードバックにのみ依存することで、システムの複雑さを低減する。

提案手法

• システムは、機械的回転速度センサを不要とするために、ギアボックスを介してPMSGに接続された可変速度風力タービンを採用する。
• DC-DCブーストコンバータがDCリンク電圧を制御し、グリッドまたは負荷への安定した電力伝送を実現する。
• ヒステリシス電流制御を施した電圧源コンバータ（VSC）が、DC出力をACに変換してグリッドまたは孤立負荷に供給する。
• ステップ・サーチ制御アルゴリズムは、DCリンク電力フィードバックに基づいて、発電機の参照回転速度を離散的なステップで調整し、最大出力点を特定する。
• アルゴリズムは、出力が増加するか減少するかに応じて、順次速度参照値を増加または減少させる。これは、丘を登るアプローチに類似している。
• MPPTコントローラーの入力として、DCリンクからの電力測定値を唯一の情報源として使用する。これにより、実装が簡素化され、センサ数が削減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風速やトルクの測定が行えない状況下で、どのようにして風力タービンからの最大出力を効率的に抽出できるか。
• RQ2 DCリンク電力フィードバックのみを用いて、どのようにして頑健なMPPT制御を実現できるか。
• RQ3 ステップ・サーチ法は、可変速度風力システムにおける従来のMPPT技術と比較して、性能と複雑さの面でどのように異なるか。
• RQ4 提案手法は、グリッド接続および孤立負荷用途の両方に対して、効果的に機能するか。
• RQ5 制御アルゴリズムのステップサイズおよび探索論理が、収束速度および出力追従精度に与える影響は何か。

主な発見

• ステップ・サーチ制御手法は、DCリンク電力のみをフィードバックとして使用することで、風速の変化に応じた最大出力追従を成功裏に実現した。
• PMSGからの安定的かつ効率的な出力抽出が達成され、MPP周辺の振動が最小限に抑えられた。
• 風速センサやトルクセンサの不要化により、システムコストと複雑さが低減された。
• ヒステリシス電流制御を施したVSCは、高速かつ正確な電流制御を実現し、電力品質およびシステム安定性を向上させた。
• グリッド接続および孤立負荷供給の両方に対応可能であり、応用分野における多様性を示した。
• 動的風況下でも、提案手法は頑健な性能を示し、最適作動点への迅速な収束を達成した。