Superconducting machines have been proposed to solve the problem of upscaling wind turbine generators. In order to design such machines, since prototyping would be very expensive, it is crucial to be able to simulate the interactions between them and the external mechanical and electrical systems. Within this framework, we address in this thesis the problem of modeling and simulating grid-connected superconducting wind turbine generators.

The adopted model is a multiscale simulation constituted by three sub-models with unidirectional couplings: the wind energy conversion system model, the machine model and the HTS tape model. The multiscale simulation allows us to obtain the desired level accuracy, while the unidirectional couplings bring high efficiency. The sub-models are implemented in a flexible way using only commercially available softwares (Matlab/Simulink and Comsol Multiphysics), a key to bringing development of superconducting machines from the laboratory scale to the industrial level.

In order to simulate the wind energy conversion systems, we use Matlab/Simulink/SimPowerSystem to model the wind turbine generator, the blades, the machine shaft, the power converter, the exciter, and the associated control strategies. First, we investigate the adapted configuration for the correct operation and optimal grid integration of superconducting wind turbine generators. We summarize special characteristics of superconducting machines, particular needs of offshore wind farms and grid regulations. From this, we adopt a full-scale 3-level NPC back-to-back converter and discuss its control strategy. Secondly, considering the need for a simple and systematic design method, we develop a step-by-step procedure for the systematic design and control of a back-to-back converter for direct-drive electrically-excited synchronous generator-based WECS. We use it to build a reference 2 MW wind energy conversion system model and to evaluate its performances for three worst case scenarios: startup, sudden wind variations and low-voltage ride-through.

To model the superconducting machine in the time domain transients simulation, we use a nonlinear coupled finite element phase-domain model. On the one hand, the machine parameters are obtained from static nonlinear finite element analysis (Comsol Multiphysics). On the other hand, the machine is represented by a lumped-parameter phase-domain model (Matlab/Simulink/SimPowerSystem). This approach offers two main advantages. First, as opposed to the classical dq model, the phase-domain model can naturally include space harmonics and saturation, two important features of multi-MW superconducting wind turbine generators. Secondly, it provides a reasonable simulation speed with the same accuracy as a full finite element model. Previous implementations of the phase-domain model being rather complex because of the use of the inductance concept, we propose a novel general nonlinear phase-domain model using N-dimensional lookup tables. The lookup tables describe the winding currents as function of the rotor angle and the winding flux linkages. They are constructed by N-dimensional interpolation from the lookup tables which describe the winding flux linkages as function of the rotor angle and the winding currents. The flux linkage is calculated using the vector potential. We use another lookup table for the electromagnetic torque. It is directly calculated using the Maxwell stress tensor. We present a flexible implementation of this model. And we validate it through comparison with the dq model and the finite element model.

The HTS tape model is a finite element model with H-formulation and edge elements implemented with Comsol Multiphysics PDE mode application. It takes into consideration the properties and the real thickness of the tape.

Finally, we demonstrate the versatility of the adopted method by simulating a grid-connected superconducting 10 MW class wind turbine generator. The analysis focuses on estimating critical parameters for the design of the machine such as current margins, resulting torque, and steady-state AC losses. We show that the current variations in the superconducting coil can be kept very low with the adopted power electronics, and therefore that it can be protected from quench and thermal run away. We underline that the shaft of the machine can endure high resulting torque during transients, and therefore needs to be designed adequately. We calculate the steady-state AC losses in the superconducting windings, including effects linked to the exciter, the AC/DC/AC converter PWM and the control strategy. To solve the problem linked with the high number of tapes in the superconducting coil cross section, we consider that the AC losses calculated for several tapes only can be interpolated to the others. Finally, we discuss the other possible applications of such a method: damper design, advanced controller design, etc.

本論文は「Modeling and Simulation of Grid-connected Superconducting Wind Turbine Generators(電力系統に連系された超電導風力発電機のモデリングとシミュレーション)」と題し、電力変換器によって制御され、電力システムに連系された大型超電導風力発電機の様々な条件でも振る舞いや特性が解析可能となるシミュレーションモデルと手法を構築するため、有限要素法ベースの非線形の発電機解析モデルとMATLAB/Simulinkベースのシステム解析モデルを結合し、さらに超電導テープ線材内の電磁現象の解析を含むマルチスケールの解析法を研究したものである。論文は5章から構成される。

第1章は「Introduction」であり、風力発電の現状と発電機システム構成、コスト構造などについて説明した後、超電導風力発電機システムの設計とシミュレーションに関わる課題について整理し、その上で本研究の目的と論文の構成について述べている。

第2章は「Superconducting WECS design and modeling」と題し、まず洋上風力発電のための超電導同期発電機システムの設計において十分に検討しなければならない事項、例えば、極低温部損失、超電導コイルのクエンチ、同期リアクタンス、出力周波数、冷却電力、重量、系統連系要件等について整理している。その上で、発電機と電力システムを連系する電力変換器構成とその制御について議論し、MATLAB/Simulinkベースのシミュレーションモデルを構築している。設計した従来型の2MW風力発電機システムにより、発電機立ち上げ、風速変化、LVRT (Low Voltage Ride Through) シミュレーション条件でシステムの振る舞いを評価した。

第3章は「Superconducting machine modeling」と題し、風車、発電機、変換器、電力システムなどから構成される、MATLAB/Simulinkベースの超電導発電機システムの発電機部のモデルとして、空間高調波や磁性材料の非線形性(飽和)の影響なども考慮した数値解析モデルを構築している。有限要素法に基づく非線形電磁界数値解析の結果から、超電導風力発電機の各コイルの鎖交磁束と回転子回転角および各コイル電流値との関係をN次の参照テーブルとして記述し、そのテーブルを系統連系発電機システム解析ツールに読み込むという、フレキシビリティの高いシミュレーションツールとなっている。

第4章は「Grid-connected superconducting wind turbine generator simulation and analysis」と題し、系統連系された超電導発電機システムのマルチスケールシミュレーション法とそれを使った解析結果について記述している。μmオーダの厚さの多数の超電導テープ線材で構成される数十cmオーダの断面をもつ超電導コイル、そしてそのようなコイルが複数含まれるメートルオーダの発電機、およびさらに規模の大きな電力システムがモデルとして組み込まれ、相互に結合したシミュレーションモデルとなっている。まず、10MWの界磁超電導風力発電機システムについて、発電機立ち上げ、風速変化、LVRT (Low Voltage Ride Through) シミュレーション条件でシステムの振る舞いを解析し、さらにマルチスケールシミュレーションの具体的適用例として、超電導コイルでのヒステリシス損失を評価している。空間高調波やPWM制御のコンバータによる時間高調波が原因となるヒステリシス損失成分が解析結果として得られている。

第5章は「Conclusions」であり、本研究の成果を総括している。

以上これを要するに、本論文は、洋上ウィンドファームなどへの導入を目指して研究開発が進む大型超電導風力発電機について、電力変換器によって制御された現実の運転条件での振る舞いを詳細に解析するために、超電導テープ線材から発電機、さらに風車や連系用電力変換器などを含むマルチスケールシミュレーションモデルを構築し、それによってPWM制御電力変換器による高調波磁界等が原因となるヒステリシス損失の評価が可能となり、超電導風力発電機システムシミュレーションモデルと手法の有効性を示したものであり、先端エネルギー工学、特に超電導工学に貢献するところが少なくない。

なお、本論文第2章から第4章は、大崎博之、関野正樹との共同研究であるが、論文提出者が主体となって解析と実験および考察を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

よって本論文は博士(科学)の学位請求論文として合格と認められる。