2019 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
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17K06326
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大山 和宏 福岡工業大学, 工学部, 教授 (60320321)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 可変速風力発電システム / 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、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可変速風力発電システム（VSWPGS）を提案し、シミュレーションによる数値実験と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である。本研究により低コストで永久磁石同期発電機によるVSWPGSと同レベルの発電効率を持つVSWPGSの実現が期待できる。
研究実施計画では、想定される風速の条件を考慮し、高効率SRGとキャパシタレスAC-AC変換器などの各構成要素を開発した上で、それらの組み合わせによるVSWPGSの試作機を製作し、その試作機の自然風に対するフィールド試験、更に性能評価とライフサイクルまで考慮したコスト評価までを実施し、その実用化について検討する予定であった。
高効率SRGの開発に関しては、風車タービン（WT）と併せた最適化設計に取り組み、幾つかの設計値が得られているが、更なる最適化が期待されるため、実機製作のフェーズに入れていない。キャパシタレスAC-AC変換器の開発に関しては、マトリックスコンバータをベースとして、各相コイルが独立しているSRGに適用できる回路トポロジーを提案した。またキャパシタレスAC-AC変換器によるSRGの励磁方法とトルク制御方法を提案し、風速変化に対して風車回転数を適切に制御できるVSWPGSの速度制御器を提案した。更にSRGとキャパシタレスAC-AC変換器を用いるVSWPGSの理論検証を実施するために、WTを含む機械系、SRG、キャパシタレスAC-AC変換器、そしてコントローラの各数学モデルを構築し、風速を変化させた場合のシミュレーションを行った。シミュレーション結果より提案方式がVSWPGSとしての要件を満たしていることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
補助事業期間のうち最初の2年間は、研究科長の職にあり、その職務遂行のために、研究遂行に必要な研究時間の確保が難しかった。
研究計画では、既設の風車タービン（WT）に合わせたSRGの設計を予定していたが、SRGの特徴を活かすためにはWTについても設計化設計を検討する必要が出てきたため、想定以上の研究時間を要した。
テストベンチの一部として購入設置した市販の可変速風力発電システムが、自然災害（落雷）により故障し、その復旧のため約半年間使用できなかった。そのためWTのモデリングの実機検証とベンチマークとしたい発電機の性能（発電効率）の測定が行えていない。
以上の理由により、SRGの設計最終案が固まらず、補助事業期間内に、その試作に関わる予算を執行できかったため、補助事業期間の延長を申請し了承頂いている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究において、設置場所の風況まで考慮したシステム全体の最適化まで実施した上で、WTとSRGの実機製作に入る予定である。
本研究で未実施である試作機の製作とそれによる実機検証は、2020年度基盤研究（C）として採択されている研究課題「レアアースレスSRGとキャパシタレスAC-AC変換器による風力発電システムの実現」と同時並行的に実施していくことになる。新たに採択された研究課題は、本研究課題の延長線上にあるものであり、その中で導入予定のHILS（Hardware In the Loop Simulation）による動作検証は、本研究で未実施である「設置場所の風況まで考慮したシステム全体の最適化」を加速させるための強力なツールである。そこでHILSを有効活用することでシステム全体の最適化を結実させ、WT、SRG、キャパシタレスAC-AC変換器、そしてコントローラの組合せによるVSWPGSの実機製作を行う。
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| Causes of Carryover |
補助事業期間のうち2年間は、工学研究科長としての職務遂行のために、研究遂行に必要な時間の確保が難しかった。また研究計画では、既設の風車タービン（WT）に合わせたスイッチトリラクタンス発電機（SRG）の設計と試作を予定していたが、SRGの特徴を活かすためにWTの最適化にも取り組む必要が生じたため、設計工程に予想以上の時間を費やし、最終的な設計値を確定できていない。そのため最適化された設計値の基づくSRGの試作費用を執行できていない。
2020年度基盤研究（C）として採択されている研究課題「レアアースレスSRGとキャパシタレスAC-AC変換器による風力発電システムの実現」において導入するHILS（Hardware In the Loop Simulation）により最適化設計の精度を高めた上で、翌年度分として請求した助成金を執行する。
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