2017 Fiscal Year Research-status Report
レアアースレスSRGとキャパシタレスAC-AC変換器による可変速風力発電システム
| Project/Area Number |
17K06326
|
|---|
| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
大山 和宏 福岡工業大学, 工学部, 教授 (60320321)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 風力 / スイッチトリラクタンス発電機 / キャパシタレスAC-AC変換器 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに多極永久磁石同期発電機（多極PMSG）と昇圧チョッパ回路（BCC）の組み合わせによるギアレス可変速風力発電システム（VSWPGS）を提案し，その性能及び有用性を実証してきた。しかし、多極PMSGに使用するレアアースの高騰によるコスト増が懸念され、実用化の目途が立っていない。またAC-AC変換器内にキャパシタ（電解コンデンサ）を有するため，従来法と同様の定期的なメンテナンスが必要である。そこで本研究課題は、レアアースを用いないスイッチトリラクタンス発電機（SRG）とSRGに特化したキャパシタレスAC-AC変換器の組合せによるギアレスVSWPGSを提案し、シミュレーション及び試作機を用いる実機試験により、その性能及び有用性を検証することを目的としている。本研究により低コストでPMSGによるVSWPGSと同レベルの発電効率を有するVSWPGSの実現が期待できる。
2017年度は、風力発電設備で主流となっている巻線形誘導発電機（DFIG）の発電効率（90％）を設計目標として高効率SRGを設計した。具体的には、従来型であるラジアルギャップ型SRGの最適化とアキシャルギャップ型SRGの構造設計を行った。また各SRGの性能を左右するモータパラメータに対する特性計算を行った。
更に、マトリックスコンバータを基本とするSRGに特化したキャパシタレスAC-AC変換器とそのスイッチング方法を提案した。またSRG、機械系、キャパシタレスAC-AC変換器、コントローラを考慮したシミュレーションモデルを構築し、過渡シミュレーションを実施することにより基本動作の検証とシステム全体の発電効率の評価を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
有限要素法磁場解析ソフトウェア（JMAG）を用いて，レアアースレスSRGの設計を行った。従来型のラジアルギャップ型のSRGについては、先行研究で開発された高効率SRMのコア形状を参考にして、風車回転数とのマッチングと発電動作領域での効率改善を検討した。アキシャルギャップ型のSRGについては、新しいコア形状を幾つか検討し，インダクタンス曲線をJAMGによる磁場解析により算出し、ラジアルギャップ型SRGとの比較を行ったが、ラジアルギャップ型SRGを超えるコア形状の提案はできていない。
キャパシタレスAC-AC変換器の新しい回路構成を提案し，そのスイッチング方法を検討するためにMATLAB Simulinkによるシミュレーションモデルを作成し，提案するスイッチング方法の理論検証を実施した。提案したスイッチング方法は、4ステップ転流方式を基本として、系統側の線間電圧の最大となる相を検出し、固定区間励磁方法により励磁開始角と励磁終了角を決定する。カットインから低中風速での系統連系運転までのシミュレーションを実施した。
2018年度において計画している実機試験で使用する1kW小型VSWPGSの設置を行った。現在のところ設置だけが終了し、風速計や発電量などのモニター機能のセットアップを行っている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
アキシャルギャップ型SRGとラジアルギャップ型SRGのどちらがVSWPGSに適しているのかを見極める。2018年度は、適している型のSRGの詳細設計を行い、1kW級の試作機を試作する。
試作する高効率SRGとキャパシタレスAC-AC変換器を組み合わせるVSWPGSを試作し、実機試験を実施する。具体的には、2017年度の設置した1kW小型VSWPGSでモニターした風速データを用いて、申請者が開発した翼素運動量理論に基づく風車エミュレータ（WTE）を用いて実機試験を行い、様々な風況に対する性能評価を行う。
|
| Causes of Carryover |
風力発電システム（エアドルフィンGTO）の設置場所の選定が遅れ、設置が2017年度末になり、予算執行が遅れました。設置自体は2017年度内に終了しておりますので、その予算執行については2018年度に計上します。また発電機の最適化設計が十分な精度で行われていないので、試作自体を2018年度上期にスライドさせました。位相差方式トルク検出器についても、発電機の完成を待って購入設置を予定しています。
|
