誘導機によるエネルギー利用の過渡状態を含む高効率化に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14646
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: 坂本 織江 上智大学, 理工学部, 准教授 (40443262)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 誘導発電機 / 誘導電動機 / 二重給電型誘導機

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、新たに開発した解析性能の高い誘導機のモデルを用いて、誘導機によるエネルギー利用の高効率化を図ることである。世界では電気エネルギーの50%以上がモーター（電動機）で消費されており、とくにその多くを占める誘導電動機について、運転・制御方法の改良により電気エネルギー利用の高効率化を図ることができれば、全体への寄与が大きい。新技術の開発に際しては、現象を実際の電気波形に即した形で解析できる「瞬時値解析」が有用な手法である。本研究では瞬時値解析のために開発した計算の安定性と精度の高い（すなわち、解析性能の高い）誘導機モデルを用い、過渡特性を含むエネルギー効率の向上への貢献を目指す。
平成29年度には、先行研究で開発したかご形誘導機モデルを基に、二重給電型の巻線形誘導機（Doubly Fed Induction Generator, 以下DFIG）モデルの開発を進めた。DFIGは可変速運転による高効率化と電力変換器の小型化が可能であるという特長を有し、電力システムにおいては大容量の揚水発電所やウィンドファームなどに用いられており、誘導機によるエネルギー利用の高効率化に対して広範な導入効果が見込める機器である。本研究ではまず、DFIGモデルの実装面の構成の基礎検討を行い、かご形誘導機モデルに関する先行研究で開発した2S-DIRKとRK2の2種類の数値積分手法を組み合わせた計算の安定性と精度の高い解析手法がDFIGモデルにも適用可能である見込みを得た。次に二次励磁制御部分のモデルの作成に移り、平成29年度末時点では二次励磁制御を含むモデルの作り込みを進めている段階である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究計画では平成29年度にはDFIGモデルの開発と並行して、既開発のかご形誘導機モデルについて、実測対比に基づいて発電運転を含む過渡特性の検討も行う予定であった。この発電運転の実験を行うための電源装置については、必要な仕様を満たす装置を選定し本研究の予算により予定の通り購入することができた。しかし、本研究に用いる予定であった当研究室で所有している誘導発電機モデルが、施設の都合により平成30年度に暫定的に使用することとなった実験室の電源系統では安定して起動することができなかった。移設前には十分実験が可能な電源であると考えていたが想定とは異なる配線となっていたことが原因である。装置側の改修により改善が見込める余地はあり、対策の検討までは行ったが、平成30年度には申請時に予定していた電源系統のある実験室に移設できることとなったので、研究の効率化の観点から平成29年度中は計算機シミュレーションによる検討を進めることとした。

Strategy for Future Research Activity

DFIGモデルの開発に関しては、平成30年度には二次励磁制御系を含むDFIGモデルの作成を完了し、電力システムのための制御系を追加してシミュレーションにより動作確認を行う予定である。また並行して、平成29年度に実施予定であった誘導発電機の実験装置との実測対比により、かご形誘導機モデル発電機運転時の特性について検証を行う。その後平成31年度までかけてエネルギー効率の向上に関する研究を進める。なお、実験に関しては、かご形誘導機について一般的な吸い込み可能な電源を用いて実験できる範囲までの検証を行う。DFIGモデルの実験装置や特殊な電源を利用する実験は非常に高価となるので、本研究では実験についてはその前段階までの検証を目的としており、DFIGモデルの特性については計算機シミュレーションによって可能な範囲で確認する。
また、本研究ではモデルの開発には電力系統瞬時値解析プログラム（XTAP）を用いている。XTAPは電力分野の瞬時値解析ツールとして国内で広く使用されており、開発したモデルを部品としてユーザー間で簡単に共有できるので、本研究成果の活用が期待できる。一方で、本モデルに用いている計算手法はXTAPに限らず適用することができると考えられるので、本研究の成果はXTAP のユーザーのみに限定されるものではない。