Implementation of variable speed wind power generation system using capacitor-less AC-AC converter and switched reluctance generator

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04455
• 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): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 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 / HILS / リアルタイムシミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、スイッチトリラクタンス発電機（SRG）とキャパシタレスAC-AC変換器を用いる可変速風力発電システム（VSWPGS）を、実機試験に近い形式にて理論検証を実施するために、風車タービン（WT），WTを含む機械系、SRG、キャパシタレスAC-AC変換器、そしてディジタルコントローラなどの数学モデルを構築し、Matlab/Simulinkに基づくHILS（Hardware-In-the-Loop Simulation）により、風速を変化させた場合のシステム全体のリアルタイムシミュレーションを実施することを目的としている。またリアルタイムシミュレーションを実施しながら、システム構成方法を検証し、システムを構成する要素らの各パラメータを最適化していくことを目的としている。
研究計画に基づき、SRGとキャパシタレスAC-AC変換器を用いるVSWPGS（提案方式）を構成している各要素に対して、HILSに実装可能な形式となるようにMATLAB/Simulinkによるモデリングを行った。翼素運動量理論に基づくWTの挙動、WT・SRG・増速機の相互干渉を含む機械系、パワーデバイスの素子モデルまで考慮したキャパシタレスAC-AC変換器、そしてディジタル制御システムのモデルを検証した。
HILSによるリアルタイムシミュレーションを効率よく実施できる実験システムの構築した。実装ソフトウェアのコーディングを行うコンピュータ、ディジタル電力計、ディジタルオシロスコープ、コントローラとしてのディジタルシグナルプロセッサ（DSP）制御システムを統合した実験システムの基本動作を検証した。
風車タービンとスイッチトリラクタンス発電機のマッチングを図る設計アルゴリズムを検討した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2021年度において提案方式を構成する要素の各パラメータを最適化するためのアイディアの創出に難航し、実験システムの構築に時間配分が不十分となり、当初予定していた完成に至っていない。
各パラメータの最適化に対して、マシンラーニング（ML）やディープラーニング（DL）などの人工知能（AI）の活用を目論んでいるが、それらの性質や限界についての調査研究を行ったが、2022年度では知識を吸収する学習のレベルに留まっており、進捗については芳しくない状況にある。

Strategy for Future Research Activity

MLやDLなどのAI技術に精通している研究者とのコラボレーションを検討する。リスクマネジメントとして、物理モデルの性質に対する考察に基づき最適化を行う方法（従来最適化法）も検討しつつ、AI技術に基づき最適化を行う方法（提案最適化法）の実現を目指す。提案最適化法の提案と基本検証については、修士課程の研究テーマを新設し、人的資源を投入する。
HILSによるリアルタイムシミュレーションについては、最適化されていない現行システムの実現を早期に達成して、現行システムの動作検証を先に進める。また順次、最適化法および提案最適化法の実機検証を行う。

Causes of Carryover

実験システムのスペック不足に対応する仕様変更と学会発表を予定していたが、研究の遅れによって実施できなかった。そのために計上していた予算を執行できなかった。2023年度において、上記内容を実施し、予算執行を行う。