二重給電式電気機械

二重給電電動機、二重給電誘導発電機(DFIG)、またはスリップリング発電機は、界磁巻線と電機子巻線の両方が機械外部の機器に別々に接続されている電動機または発電機です。

可変周波数の交流電力を界磁巻線に供給することで、磁場を回転させ、モータや発電機の速度を変化させることができます。これは、例えば風力タービンで使用される発電機に有用です。[ 1 ]さらに、DFIGベースの風力タービンは、有効電力と無効電力を制御する機能を備えています。[ 2 ] [ 3 ]

導入

風力タービン用二重給電発電機

二重給電式発電機はAC発電機に似ていますが、自然な同期速度よりわずかに上または下の速度で動作できる追加機能があります。これは、風速が突然変化する可能性のある大型の可変速風力タービンに有効です。突風が風力タービンに当たると、ブレードは加速しようとしますが、同期発電機は電力網の速度に固定されているため、加速できません。そのため、電力網が押し返す際にハブ、ギアボックス、発電機に大きな力が発生します。これが機構の摩耗や損傷を引き起こします。突風が当たったときにタービンをすぐに加速させると、応力は低く、突風の電力は引き続き有用な電気に変換されます。

風力タービンの速度を変化させる一つの方法は、発電機が生成する周波数を直流に変換し、その後インバーターを用いて所望の出力周波数の交流に変換することです。これは、住宅や農場の小規模な風力タービンでは一般的です。しかし、メガワット規模の風力タービンに必要なインバーターは大型で高価です。

二重給電発電機は、この問題に対するもう一つの解決策です。通常の直流給電される界磁巻線と、発電された電気を取り出す電機子巻線の代わりに、固定巻線と回転巻線の2つの三相巻線があり、それぞれ発電機外部の機器に個別に接続されています。そのため、この種の機械には「二重給電」という用語が用いられます。

一方の巻線は出力に直接接続され、所望の電力系統周波数で三相交流電力を生成します。もう一方の巻線（従来は界磁巻線と呼ばれますが、ここでは両方の巻線が出力となる場合もあります）は、可変周波数の三相交流電力に接続されます。この入力電力は、タービンの速度変化を補償するために周波数と位相が調整されます。[ 4 ]

周波数と位相を調整するには、AC-DC-ACコンバータが必要です。これは通常、非常に大型のIGBT半導体で構成されます。このコンバータは双方向で、どちらの方向にも電力を流すことができます。電力は、この巻線だけでなく出力巻線からも流れます。[ 5 ]

歴史

1888年にニコラ・テスラが発明した、回転子と固定子にそれぞれ多相巻線セットを備えた巻線回転子誘導電動機を起源とする[ 6 ]二重給電式電動機の回転子巻線セットは、始動用に多相スリップ リングを介して複数の抵抗器に接続される。しかし、スリップ電力は抵抗器で失われる。そのため、スリップ電力を回収することで可変速運転の効率を高める手段が開発された。クレーマー (または Kraemer) 駆動装置では、回転子は AC および DC 機械セットに接続され、この機械セットはスリップ リング マシンのシャフトに接続された DC マシンに電力を供給した。[ 7 ]したがって、スリップ電力は機械動力として戻され、駆動装置は DC マシンの励磁電流によって制御できる。クレーマー駆動装置の欠点は、余分な循環電力に対処するためにマシンを大型化する必要があることである。 [ 8 ] [ 9 ]

ローターへの給電に使用されていた回転機械は重く、高価でした。この点を改善したのが、静的シェルビウス駆動です。この駆動では、ローターは整流器・インバータ装置に接続され、当初は水銀アークをベースとした装置で構成され、後に半導体ダイオードとサイリスタが使用されるようになりました。整流器を用いた方式では、整流器が制御されていないため、電力はローターからしか流れませんでした。さらに、モータとして動作できるのは同期整流（サブシンクロナス）のみでした。

静止型周波数変換器を用いた別の概念では、回転子と交流系統の間にサイクロコンバータが接続されていました。サイクロコンバータは双方向に電力を供給できるため、機械は同期速度以下と同期超の両方で運転できます。サイクロコンバータ制御の大型二重給電機械は、16Vの電力を供給する単相発電機の運転に使用されています。+ ヨーロッパの2 ⁄ 3 Hz鉄道系統。 [ 10 ]サイクロコンバータ駆動の機械は揚水発電所のタービンも駆動できる。 [ 11 ]

現在、数十メガワットまでのアプリケーションで使用される周波数変換器は、背中合わせに接続された 2 つのIGBTインバータで構成されています。

メンテナンスが必要なスリップリングをなくすために、いくつかのブラシレスコンセプトも開発されました。

二重給電誘導発電機

二重給電誘導発電機（DFIG）は、風力タービンで広く使用されている発電原理です。多相巻線ローターと、ローター巻線にアクセスするためのブラシを備えた多相スリップリングアセンブリを備えた誘導発電機に基づ​​いています。多相スリップリングアセンブリを使用しないことも可能ですが、効率、コスト、サイズに問題があります。より良い代替手段は、ブラシレス巻線ローター二重給電電動機です。[ 12 ]

風力タービンに接続された二重給電誘導発電機の原理

DFIGの原理は、固定子巻線がグリッドに接続され、回転子巻線がスリップリングとバックツーバック電圧源コンバータを介してコンバータに接続されていることです。このコンバータは回転子とグリッドの両方の電流を制御します。したがって、回転子周波数はグリッド周波数（50 Hzまたは60 Hz）と自由に異なることができます。コンバータを使用して回転子電流を制御することで、発電機の回転速度とは無関係に、固定子からグリッドに供給される有効電力と無効電力を調整できます。使用される制御原理は、2軸電流ベクトル制御または直接トルク制御（DTC）のいずれかです。[ 13 ] DTCは、特に発電機から高い無効電流が要求される場合、電流ベクトル制御よりも優れた安定性を示すことが判明しています。[ 14 ]

二重給電発電機のロータは通常、ステータの2～3倍の巻数で巻かれています。これは、ロータ電圧が高くなり、電流が低くなることを意味します。したがって、同期速度を中心とした通常の±30%の動作速度範囲では、コンバータの定格電流が低下し、コンバータのコスト削減につながります。欠点は、定格を超えるロータ電圧のため、動作速度範囲外での制御された動作が不可能なことです。さらに、グリッド擾乱（特に三相および二相電圧低下）による電圧過渡現象も増幅されます。高いロータ電圧（およびこれらの電圧に起因する高電流）によってコンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードが破壊されるのを防ぐため、保護回路（クローバーと呼ばれる）が使用されます。[ 15 ]

クローバーは、過大な電流または電圧が検出されると、小さな抵抗を介してローター巻線を短絡します。 できるだけ早く動作を継続できるようにするには、アクティブクローバー[ 16 ]を使用する必要があります。 アクティブクローバーは、制御された方法でローターの短絡を解除できるため、ローター側のコンバーターは、 グリッド擾乱の開始から20～60ミリ秒後に、残りの電圧が公称電圧の15％を超えている場合にのみ起動できます。 したがって、電圧低下の残りの期間中にグリッドに無効電流を発生させ、このようにしてグリッドが障害から回復するのを助けることができます。 ゼロ電圧ライドスルーの場合、無効電流を注入する位相角を知ることができないため、電圧低下が終了するまで待つのが一般的です。[ 17 ]

要約すると、二重給電誘導機は巻線型回転子二重給電電気機械であり、風力発電用途において従来の誘導機に比べていくつかの利点があります。第一に、回転子回路はパワーエレクトロニクスコンバータによって制御されるため、誘導発電機は無効電力の入出力が可能です。これは電力系統の安定性に重要な影響を与え、深刻な電圧擾乱（低電圧ライドスルー：LVRT）時に機械が系統を支えることを可能にします。 [ 15 ]第二に、回転子電圧と電流を制御することで、風力タービンの速度が変動しても誘導機は系統と同期した状態を維持できます。可変速風力タービンは、特に微風時に、固定速風力タービンよりも利用可能な風力資源をより効率的に利用します。第三に、機械動力のごく一部（通常25～30%）のみがコンバータを介して系統に供給され、残りは固定子から直接系統に供給されるため、他の可変速ソリューションと比較してコンバータのコストが低くなります。同じ理由から、DFIGの効率は非常に優れています。

参照

参考文献

  1. ^ 「風力タービン用発電機 1.5～3.5MWの二重給電方式に対応した標準スリップリング発電機シリーズ」（PDF） ABB 2014年2018年4月24日閲覧。
  2. ^ MJ Harandi、SG Liasi、MT Bina、「 DFIG風力タービンの消磁電流に基づく仮想フラックスを使用した対称および非対称故障時のステータ過渡フラックスの補償」、2019年国際電力システム会議（PSC）、テヘラン、イラン、2019年、pp. 181–187、 doi： 10.1109/PSC49016.2019.9081565。
  3. ^ M. Niraula、L. Maharjan、「ダイオード整流出力を備えたスタンドアロンDFIGの可変ステータ周波数制御」、第5回環境に優しいエネルギーとアプリケーションに関する国際シンポジウム（EFEA）、2018年。
  4. ^ S. MÜLLER; S.; et al. (2002). 「風力タービン用二重給電誘導発電機システム」(PDF) . IEEE Industry Applications Magazine . 8 (3). IEEE: 26– 33. doi : 10.1109/2943.999610 .
  5. ^ L. Wei、RJ Kerkman、RA Lukaszewski、H. Lu、Z. Yuan、「二重給電誘導発電機風力発電システムで使用されるIGBT電力サイクリング機能の分析」、2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition、アトランタ、ジョージア州、2010年、pp. 3076-3083、 doi： 10.1109/ECCE.2010.5618396。
  6. ^ 「パワーエレクトロニクス - 工学と技術の歴史Wiki」 . ethw.org .
  7. ^レオンハルト、W.：電気駆動の制御。第2版。シュプリンガー、1996年、420ページ。ISBN 3-540-59380-2。
  8. ^ Shively, EK; Whitlow, Geo. S. (1932). 「可変比周波数コンバータの自動制御」.アメリカ電気学会誌. 51 : 121–127 . doi : 10.1109/T-AIEE.1932.5056029 . S2CID 51636516 . 
  9. ^ Liwschitz, MM; Kilgore, LA (1942). 「改良Kramerまたは非同期同期カスケード可変速駆動装置に関する研究」.米国電気学会論文集. 61 (5): 255– 260. doi : 10.1109/T-AIEE.1942.5058524 . S2CID 51642497 . 
  10. ^ Pfeiffer, A.; Scheidl, W.; Eitzmann, M.; Larsen, E. (1997). 「鉄道用途向け最新ロータリーコンバータ」. 1997 IEEE/ASME Joint Railroad Conference Proceedings . pp.  29– 33. doi : 10.1109/RRCON.1997.581349 . ISBN 0-7803-3854-5. S2CID  110505314 .
  11. ^ A. Bocquel, J. Janning: 揚水発電プラント向け4*300MW可変速駆動装置。EPEカンファレンス2003、トゥールーズ。
  12. ^「ブラシレス二重給電機システムの研究開発状況の概要」『中国電気工程誌』第2巻第2号。中国電気工程協会。2016年12月。
  13. ^米国特許6,448,735
  14. ^ Niiranen, Jouko (2008). 「非対称電圧低下ライドスルー試験における有効電力と無効電力の測定について」.風力エネルギー. 11 (1): 121– 131. Bibcode : 2008WiEn...11..121N . doi : 10.1002/we.254 .
  15. ^ a b M. J. Harandi、S. Ghaseminejad Liasi、E. Nikravesh、MT Bina、「最適消磁法を使用したDFIG低電圧ライドスルーの改善された制御戦略」、2019年10回国際パワーエレクトロニクス、ドライブシステムおよびテクノロジー会議（PEDSTC）、イラン、シラーズ、2019年、pp.464-469、doi：10.1109/PEDSTC.2019.8697267。
  16. ^アクティブバール：例えば米国特許7,164,562
  17. ^ Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008). 「2MW DFIG風力タービンの低電圧ライドスルー解析 - グリッドコードコンプライアンス検証」. 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting - 21世紀における電気エネルギーの変換と供給. pp.  1– 6. doi : 10.1109/PES.2008.4596687 . ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID  41973249 .
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