2022 Fiscal Year Research-status Report
風車出力を増大する風速変動対応型・動的MPPT制御システムの開発
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21K14153
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
又吉 秀仁 大阪工業大学, 工学部, 講師 (80882381)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 風力発電 / 小型風車 / 垂直軸風車 / MPPT制御 / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
風力発電機は風速に対して最適な回転速度でブレードを回転させることにより、最大電力で発電することが可能となる。しかし、風速変動の大きい風況下において大きな慣性モーメントを持つ風力発電機の回転速度を迅速に制御することは難しく、発電出力は最大で40%以上減少する。特に風速変動が頻繁である日本においては、風速変動による風車発電出力の低下は重大な問題である。そこで当該研究では、機械学習を用いて様々な風速変動の頻度と大きさ、風速の現在値、風車回転速度のパターンを考慮し最適な回転速度で風車を運転することができる動的MPPT (DMPPT: Dynamic-MPPT) 制御システムを開発する。
2022年度はシミュレーションにより様々なパターンの風力発電を検証し、風速変動下において風力発電をどれほど効率的に行えたかを評価する「風車の動的効率」を定義した。またその結果を基に、風力発電の効率をより高く維持するための新たなる制御手法を提案した。提案アルゴリズムは風速が下降したときの回転速度の減速を抑制する。一方、風速が大きくなると、従来のMPPT制御と同様に回転速度の加速が行われる。つまり、提案アルゴリズムでは回転速度の維持に重点を置き、不安定な風況における発電効率を改善することが可能である。提案アルゴリズムのシミュレーション結果から、風速変動が大きく平均風速が小さい場合に有効性が高く発揮され、特定の条件下では従来の2~3倍程度の発電が可能となることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) 風速変動の指標化: 2022年度の研究により「風車の動的効率」という指標を定義し、DMPPT制御の発電性能を改善した。シミュレーション検証により風速の変動幅や平均値は発電効率に大きく影響を及ぼし、風速変化の周波数は他の2要素と比較して影響が少ないことがわかった。そのため風速の変動幅と平均値から「風車の動的効率」を推定できるよう指標化し、制御システムへ組み込んだ。
(2) 実験装置製作: 2022年度は実機検証を開始し、300 Wの小型垂直軸風車を用いて実験を行った。しかし風況と風車の性能の問題により、十分に実機検証を行うことができなかった。そこで年度末に600 Wの風力発電機を用意し、風況が十分いいところへ設置した。また電力変換器と制御システムの製作も行った。
(3) 測定機器の環境整備: 風車の回転速度、機械的トルク、電流電圧各種、風速を同期して測定、記録できるシステムを構築している。現在、試行錯誤の段階であるため今後も改善を続ける。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の研究により「風車の動的効率」を定義し、この指標に従って回転速度指令値を決定することで従来制御よりも発電電力量を増大可能であることを確認したが、制御システムにおける活用の仕方に関しては更なる検討が必要である。また、各風力発電機の「慣性モーメント」、「形状」、「電力変換器の電力変換の上限値」によって動的効率特性の描くカーブが異なるため、機械学習によって自動的に特性を推定する手法を確立しなければならない。
また風速の周波数の違いによっても発電特性は変動するため、様々な周波数でシミュレーションおよび実機検証を行い、風力発電の特性を把握することも課題である。
制御手法の性能を検証するために十分な実機環境の構築も課題である。今年度は300 Wの小型垂直軸風車を用いて実験を行ったが、風車の性能の問題もあり十分に実機検証を行うことができなかった。そこで年度末に600 Wの風力発電機を用意し、風況が十分いいところへ設置した。今後は新たな実機環境で検証を進める。
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