2020 Fiscal Year Research-status Report

洋上直流システムにおける風力発電機へのMMCの適用に関する研究

Research Project

Project/Area Number	20K04453
Research Institution	Ritsumeikan University
Principal Investigator	柿ヶ野浩明立命館大学, 理工学部, 教授 (30437371)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	洋上風力発電 / 直流送電 / MMC
Outline of Annual Research Achievements	地球温暖化や化石燃料依存低減を背景に，洋上風力発電の導入がヨーロッパを中心に進んでいる。洋上風力の発電電力を需要の多い地域に送る方法として，多端子直流送電システムが検討されている。さらに，多端子直流送電システムの構成として，中圧直流集電方式が提案されている。この場合，風車内には，風力発電の出力を低圧直流に変換する交直変換器と，それを中圧直流に昇圧する変換器の2つが必要となる。そこで，風車内の交直変換器にモジュラーマルチレベルコンバータ(MMC)を用いることで，風車内の変換器を1つにすることができ，小型・軽量化やコスト低減が期待できる。本研究は，風力発電機の交直変換器にMMCを適用した場合の制御法を明らかにし，シミュレーションと実験により検証することを目的とする。今年度は，洋上風力発電の同期発電機に接続する交直変換器にMMCを適用した場合について、シミュレーションによる制御法の検討および実験による検証を行うためのミニモデルの構築を行った。シミュレーションでは、ピッチ角を一定とし、風速から最大電力が得られる風車の回転速度を算出する方法でMPPT制御を行った。結果、MMCにより想定の電力が得られることを確認した。また、ミニモデルの構築では、発電機として用いる同期機をモータベンチに取り付け、まずは2レベルインバータで交直変換を行う実験を行い、想定通りの動作を確認した。次に、一段のMMCを作成し商用系統（三相、60Hz）と接続して交直変換の実験を行い、想定通りの動作を確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 実験用のミニモデルの構築するため，風力発電機を模擬する永久磁石同期発電機を購入し，モータベンチへの取り付けを行った。また，直流バス側を模擬する双方向直流電源を購入し，まずは2レベル三相コンバータを用いて，同期発電機の出力を直流に変換する実験を行い，想定した動作を確認できた。さらに，MMCについては，一段のミニモデルを用いて，まずは電力系統（三相，60 Hz）と接続して交直変換の動作確認を行った。なお，上記の実験を行うに当たり，それぞれ事前にシミュレーションにて制御ブロックなどの動作検証を行っている。上記のように，研究の進捗状況は，概ね順調である。
Strategy for Future Research Activity	一段のMMCを同期機に取り付け，ミニモデルの動作確認を行う。次に，各アームの段数を二段とし同様に実験を行う。実験がうまく進めば，三段に増やして実験を行う。並行して，同期機の低速回転時の各セルの電圧脈動の低減するため，回路構成としてFC-MMCの適用をシミュレーションにより検討する