JP2004147423A - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した発電電力の供給を安価に、且つ高効率で行う。
【解決手段】電力変換装置10は、永久磁石型交流発電機3によって発電される交流電力を直流電力に変換するとともに、3相ブリッジ接続された6つのダイオードで構成するコンバータ101と、コンバータ101から供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータ102とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】電力変換装置10は、永久磁石型交流発電機3によって発電される交流電力を直流電力に変換するとともに、3相ブリッジ接続された6つのダイオードで構成するコンバータ101と、コンバータ101から供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータ102とを備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型発電機による発電電力を電力系統へ供給するための電力変換装置及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
風力発電システムでは、例えば、特開2001−190096号公報に示されているように、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を電力変換装置を介して制御することにより、風の瞬時的な変動に起因する発電電力の変動、及びプロペラの羽がプロペラを指示するポールと重なることに起因する発電電力の変動などを適切に制御し、電力系統への安定した電力供給を可能としている。
【0003】
上述した電力変換装置は、風力発電によって発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換して、電力系統へ供給するインバータとを備えている。
従来、上記コンバータやインバータは、IGBT、GTO、パワートランジスタ、MOS−FETなどのスイッチング素子が3相ブリッジ接続されて構成されており、これらのスイッチング素子のオンオフ制御を行うことにより、安定した発電電力を電力系統へ供給している(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−206133号公報
【特許文献2】
特開平11−136059号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したIGBTなどのスイッチング素子はいずれも高額であり、また、ブリッジ接続されていることから素子数が非常に多いため、電力変換装置が非常に高額になってしまうという欠点があった。また、常に、これらのスイッチング素子を作動させているため、スイッチング損失が大きいといった問題もあった。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安定した発電電力の供給を安価に、且つ高効率で行うことが可能な電力変換装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータとを具備する電力変換装置であって、前記コンバータは、3相ブリッジ接続された6つのダイオードを備えることを特徴とする電力変換装置を提供する。
【0008】
本発明によれば、スイッチング素子に代わって、ダイオードを3相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【0009】
また、上記記載の電力変換装置は、前記コンバータから供給される直流電力を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を具備することを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができるので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0011】
また、本発明は、請求項1に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【0012】
この発明によれば、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【0013】
また、本発明は、請求項2に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うとともに、前記永久磁石型交流発電機の発電電力を電力系統へ供給できない場合には、前記昇圧手段を作動させることを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【0014】
この発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されない場合には、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くするので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図1に本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合のシステム全体の構成を示す。
同図に示すように、風力発電システムにおいて、プロペラ2は永久磁石型交流発電機3の回転子に結合され、回転子を回転駆動する。回転子の周囲には円筒形状の固定子が配置されている。なお、永久磁石型交流発電機3については、周知であるので説明を省略する。
永久磁石型交流発電機3の回転子には、回転角センサ4が直結接続されており、回転に応じたパルスを制御装置5へ出力する。なお、回転角センサ4は、例えばシャフトエンコーダである。
また、プロペラ2によって永久磁石型交流発電機3の回転子が回転されると、固定子のコイルに3相交流電力が誘起され、この発電電力が電力変換装置10へ供給される。
【0016】
ここで、電力変換装置10は、3相ブリッジ接続された6つのダイオード11〜16により構成されるコンバータ101、同様に、3相ブリッジ接続されたスイッチング素子21〜26により構成されるインバータ102、コンバータ101とインバータ102との間に介挿されるコンデンサ103とから構成される。
【0017】
電力変換装置10へ供給された3相交流電力は、コンバータ101によって直流電力に変換され、コンデンサ103により平滑されてインバータ102へ供給される。
そして、インバータ102内のスイッチング素子21〜26が制御装置5のスイッチング指令に基づいてスイッチング制御されることにより、インバータ102へ供給された直流電力は、電力系統と同一周波数の交流電力へ変換され、電力系統へ供給される。
なお、上記スイッチング素子21〜26としては、例えば、MOS−FET、GTO、トランジスタ、IGBT、サイリスタなどが挙げられる。
【0018】
次に、制御装置5の動作について図2を参照して説明する。
図2は、制御装置5の制御ロジックを示した図である。
同図に示すように、制御装置5の減算器51は、回転角センサ4から出力されるパルスに基づき得られる実回転数ωと目標回転数ω*とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御部52へ出力する。
なお、上記目標回転数ω*とは、目標発電電力から導出される情報である。
【0019】
制御器52は、減算器51の算出結果に基づき、PID制御を行うことにより、直流電圧指令Vdc*を算出し、この直流電圧指令Vdc*を減算器53へ出力する。
続いて、減算器53は、制御器52から供給される直流電圧指令Vdc*と、実直流電圧Vdcとを比較し、指令に対する実測値の差を算出し、算出結果を制御器54へ供給する。ここで、実直流電圧Vdcは、コンデンサ103の両端の電圧である。
【0020】
制御器54は、減算器53の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより、有効電流指令Id*を算出し、減算器55へ出力する。
減算器55は、制御器54から供給された有効電流指令Id*と実有効電流Idとを比較し、有効電流指令Id*に対する実有効電流Idの差を算出し、算出結果を制御器56へ出力する。
制御器56は、減算器55の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより、電力系統側の有効電圧指令Vd*を算出し、制御器59へ出力する。
【0021】
一方、減算器57は、無効電流指令Iq*と実無効電流Iqとを比較し、その差を算出して制御器58へ出力する。なお、このときの無効電流指令Iq*は、電力系統からの力率要求に基づいて決定するが、ここでは、基本的に「0」とする。制御器58は、減算器57の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより電力系統側の無効電圧指令Vq*を算出し、制御器59へ出力する。
【0022】
制御器59は、有効電圧指令Vd*と無効電圧指令Vq*とに基づいて、インバータ102のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、インバータ102を構成するスイッチング素子21〜26をPWM制御(Pulse Width Modulation:パルス幅制御)する。
【0023】
なお、上記説明において、実直流電圧Vdc、実有効電流Id、実無効電流Iqは、それぞれ風力発電システム内に設置された図示しない電流センサ及び電圧センサにより検出され、制御装置5へ通知された値、若しくは、該値に基づいて制御装置5が演算した値である。
【0024】
また、図2に示したロジックにおいて、制御器52及び減算器53とを省略することも可能である。この場合、減算器51の算出結果に基づいてPID制御を行うことにより、有効電流指令Id*を算出することとなる。
また、各制御器は、PID制御に代わって、PI制御により各指令を算出するような構成としても良い。
【0025】
上述したように、本実施形態に係る電力変換装置10によれば、コンバータ101をダイオードを3相ブリッジ接続して構成したので、スイッチング素子数を半減させることが可能となる。これにより、電力変換装置10を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
更に、発電機側をダイオードブリッジとして構成することにより、コンバータを制御する必要がなくなり、電力系統連系インバータがDCリンク電圧を上下させる制御を行うことにより、発電機の電流を制御することができ、制御系のシステムを簡素化することが可能となる。
【0026】
次に、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
上述した第1の実施形態に係る電力変換装置10は、永久磁石型交流発電機3による発電電圧が実直流電圧Vdc以上でないと発電することができないため、永久磁石型交流発電機3の高電圧化や、可変速範囲の減少を招くおそれがある。
そこで、本実施形態においては、上述した第1の実施形態に係る電力変換装置10のコンバータと、インバータとの間に、更に、昇圧装置104を付加し、上述のような欠点を回避する。
【0027】
図3は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30を上述した風力発電システムに適用した場合の全体構成を示す図である。
なお、同図において、図1に示した電力変換装置10と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【0028】
同図に示すように、本実施形態に係る電力変換装置30は、コンバータ101とインバータ102との間に、昇圧装置104を備え、この昇圧装置104によりコンバータ101から供給される発電電圧を昇圧して、インバータ102へ供給する。
図3では、昇圧装置104の一例として昇圧チョッパを示している。
昇圧装置104の制御は、制御装置6の昇圧装置制御ロジックにおいて行われる。ここで、制御装置6は、制御装置5が備える制御ロジック(図2参照)と、昇圧装置104の制御ロジックとを備える。
【0029】
図4に昇圧装置104の制御ロジックを示す。
同図に示すように、制御装置6の減算器151は、回転角センサ4から出力されるパルスに基づいて得られる実回転数ωと目標回転数ω*とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御器152へ出力する。
制御器152は、減算器51の算出結果に基づき、PID制御を行うことにより、昇圧装置104のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、昇圧装置104のスイッチング素子31をPWM制御する。これにより、コンバータ101から供給される発電電圧が昇圧され、コンデンサ103によって平滑されてインバータ102へ供給される。
【0030】
なお、制御装置6は、永久磁石型交流発電機3の発電相電圧実行値Vgが条件(1)を満たす場合に、上記図4に示した制御ロジックを作動させて、昇圧装置104のスイッチング素子31を制御し、条件(1)を満たさない場合には、図4に示した制御ロジックは作動しないため、電力変換装置30は、図1に示した第1の実施形態に係る電力変換装置10と同様の作動状態となる。
Vg≦(1/√6)Vdc (1)
【0031】
このように、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30によれば、永久磁石型交流発電機3の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧装置104を作動させて、コンバータ101から供給される実直流電圧Vdcを昇圧させて、インバータ102へ供給することが可能となるため、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0032】
なお、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置10の制御装置5、また、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30の制御装置6は、それぞれ、これら制御装置の制御ロジックを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種の処理を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【0033】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【0034】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。更に、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
【0035】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【0036】
例えば、上述した実施形態では、風力発電を例に挙げて説明したが、これに限らず、本発明の電力変換装置は発電電力が変動するようなシステムに適用可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、ダイオードを3相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【0038】
また、本発明の電力変換装置によれば、前記コンバータから供給される直流電圧を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を備えるので、永久磁石型交流発電機の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができる。これにより、発電電圧の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0039】
また、本発明の電力変換装置の制御方法によれば、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うので、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【符号の説明】
3 永久磁石型交流発電機
4 回転角センサ
5,6 制御装置
10,30 電力変換装置
11〜16 ダイオード
21〜26,31 スイッチング素子
51,53,55,57,151 減算器
52,54,56,58,59,152 制御器
101 コンバータ
102 インバータ
103 コンデンサ
104 昇圧装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型発電機による発電電力を電力系統へ供給するための電力変換装置及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
風力発電システムでは、例えば、特開2001−190096号公報に示されているように、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を電力変換装置を介して制御することにより、風の瞬時的な変動に起因する発電電力の変動、及びプロペラの羽がプロペラを指示するポールと重なることに起因する発電電力の変動などを適切に制御し、電力系統への安定した電力供給を可能としている。
【0003】
上述した電力変換装置は、風力発電によって発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換して、電力系統へ供給するインバータとを備えている。
従来、上記コンバータやインバータは、IGBT、GTO、パワートランジスタ、MOS−FETなどのスイッチング素子が3相ブリッジ接続されて構成されており、これらのスイッチング素子のオンオフ制御を行うことにより、安定した発電電力を電力系統へ供給している(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−206133号公報
【特許文献2】
特開平11−136059号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したIGBTなどのスイッチング素子はいずれも高額であり、また、ブリッジ接続されていることから素子数が非常に多いため、電力変換装置が非常に高額になってしまうという欠点があった。また、常に、これらのスイッチング素子を作動させているため、スイッチング損失が大きいといった問題もあった。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安定した発電電力の供給を安価に、且つ高効率で行うことが可能な電力変換装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータとを具備する電力変換装置であって、前記コンバータは、3相ブリッジ接続された6つのダイオードを備えることを特徴とする電力変換装置を提供する。
【0008】
本発明によれば、スイッチング素子に代わって、ダイオードを3相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【0009】
また、上記記載の電力変換装置は、前記コンバータから供給される直流電力を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を具備することを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができるので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0011】
また、本発明は、請求項1に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【0012】
この発明によれば、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【0013】
また、本発明は、請求項2に記載の電力変換装置の制御方法であって、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うとともに、前記永久磁石型交流発電機の発電電力を電力系統へ供給できない場合には、前記昇圧手段を作動させることを特徴とする電力変換装置の制御方法を提供する。
【0014】
この発明によれば、永久磁石型交流発電機の発電電力が低く、発電電力が電力系統へ供給されない場合には、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くするので、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図1に本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合のシステム全体の構成を示す。
同図に示すように、風力発電システムにおいて、プロペラ2は永久磁石型交流発電機3の回転子に結合され、回転子を回転駆動する。回転子の周囲には円筒形状の固定子が配置されている。なお、永久磁石型交流発電機3については、周知であるので説明を省略する。
永久磁石型交流発電機3の回転子には、回転角センサ4が直結接続されており、回転に応じたパルスを制御装置5へ出力する。なお、回転角センサ4は、例えばシャフトエンコーダである。
また、プロペラ2によって永久磁石型交流発電機3の回転子が回転されると、固定子のコイルに3相交流電力が誘起され、この発電電力が電力変換装置10へ供給される。
【0016】
ここで、電力変換装置10は、3相ブリッジ接続された6つのダイオード11〜16により構成されるコンバータ101、同様に、3相ブリッジ接続されたスイッチング素子21〜26により構成されるインバータ102、コンバータ101とインバータ102との間に介挿されるコンデンサ103とから構成される。
【0017】
電力変換装置10へ供給された3相交流電力は、コンバータ101によって直流電力に変換され、コンデンサ103により平滑されてインバータ102へ供給される。
そして、インバータ102内のスイッチング素子21〜26が制御装置5のスイッチング指令に基づいてスイッチング制御されることにより、インバータ102へ供給された直流電力は、電力系統と同一周波数の交流電力へ変換され、電力系統へ供給される。
なお、上記スイッチング素子21〜26としては、例えば、MOS−FET、GTO、トランジスタ、IGBT、サイリスタなどが挙げられる。
【0018】
次に、制御装置5の動作について図2を参照して説明する。
図2は、制御装置5の制御ロジックを示した図である。
同図に示すように、制御装置5の減算器51は、回転角センサ4から出力されるパルスに基づき得られる実回転数ωと目標回転数ω*とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御部52へ出力する。
なお、上記目標回転数ω*とは、目標発電電力から導出される情報である。
【0019】
制御器52は、減算器51の算出結果に基づき、PID制御を行うことにより、直流電圧指令Vdc*を算出し、この直流電圧指令Vdc*を減算器53へ出力する。
続いて、減算器53は、制御器52から供給される直流電圧指令Vdc*と、実直流電圧Vdcとを比較し、指令に対する実測値の差を算出し、算出結果を制御器54へ供給する。ここで、実直流電圧Vdcは、コンデンサ103の両端の電圧である。
【0020】
制御器54は、減算器53の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより、有効電流指令Id*を算出し、減算器55へ出力する。
減算器55は、制御器54から供給された有効電流指令Id*と実有効電流Idとを比較し、有効電流指令Id*に対する実有効電流Idの差を算出し、算出結果を制御器56へ出力する。
制御器56は、減算器55の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより、電力系統側の有効電圧指令Vd*を算出し、制御器59へ出力する。
【0021】
一方、減算器57は、無効電流指令Iq*と実無効電流Iqとを比較し、その差を算出して制御器58へ出力する。なお、このときの無効電流指令Iq*は、電力系統からの力率要求に基づいて決定するが、ここでは、基本的に「0」とする。制御器58は、減算器57の算出結果に基づいて、PID制御を行うことにより電力系統側の無効電圧指令Vq*を算出し、制御器59へ出力する。
【0022】
制御器59は、有効電圧指令Vd*と無効電圧指令Vq*とに基づいて、インバータ102のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、インバータ102を構成するスイッチング素子21〜26をPWM制御(Pulse Width Modulation:パルス幅制御)する。
【0023】
なお、上記説明において、実直流電圧Vdc、実有効電流Id、実無効電流Iqは、それぞれ風力発電システム内に設置された図示しない電流センサ及び電圧センサにより検出され、制御装置5へ通知された値、若しくは、該値に基づいて制御装置5が演算した値である。
【0024】
また、図2に示したロジックにおいて、制御器52及び減算器53とを省略することも可能である。この場合、減算器51の算出結果に基づいてPID制御を行うことにより、有効電流指令Id*を算出することとなる。
また、各制御器は、PID制御に代わって、PI制御により各指令を算出するような構成としても良い。
【0025】
上述したように、本実施形態に係る電力変換装置10によれば、コンバータ101をダイオードを3相ブリッジ接続して構成したので、スイッチング素子数を半減させることが可能となる。これにより、電力変換装置10を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
更に、発電機側をダイオードブリッジとして構成することにより、コンバータを制御する必要がなくなり、電力系統連系インバータがDCリンク電圧を上下させる制御を行うことにより、発電機の電流を制御することができ、制御系のシステムを簡素化することが可能となる。
【0026】
次に、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
上述した第1の実施形態に係る電力変換装置10は、永久磁石型交流発電機3による発電電圧が実直流電圧Vdc以上でないと発電することができないため、永久磁石型交流発電機3の高電圧化や、可変速範囲の減少を招くおそれがある。
そこで、本実施形態においては、上述した第1の実施形態に係る電力変換装置10のコンバータと、インバータとの間に、更に、昇圧装置104を付加し、上述のような欠点を回避する。
【0027】
図3は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30を上述した風力発電システムに適用した場合の全体構成を示す図である。
なお、同図において、図1に示した電力変換装置10と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【0028】
同図に示すように、本実施形態に係る電力変換装置30は、コンバータ101とインバータ102との間に、昇圧装置104を備え、この昇圧装置104によりコンバータ101から供給される発電電圧を昇圧して、インバータ102へ供給する。
図3では、昇圧装置104の一例として昇圧チョッパを示している。
昇圧装置104の制御は、制御装置6の昇圧装置制御ロジックにおいて行われる。ここで、制御装置6は、制御装置5が備える制御ロジック(図2参照)と、昇圧装置104の制御ロジックとを備える。
【0029】
図4に昇圧装置104の制御ロジックを示す。
同図に示すように、制御装置6の減算器151は、回転角センサ4から出力されるパルスに基づいて得られる実回転数ωと目標回転数ω*とをそれぞれ比較し、回転数の差を算出し、算出結果を制御器152へ出力する。
制御器152は、減算器51の算出結果に基づき、PID制御を行うことにより、昇圧装置104のスイッチング指令を算出する。そして、算出したスイッチング指令に基づいて、昇圧装置104のスイッチング素子31をPWM制御する。これにより、コンバータ101から供給される発電電圧が昇圧され、コンデンサ103によって平滑されてインバータ102へ供給される。
【0030】
なお、制御装置6は、永久磁石型交流発電機3の発電相電圧実行値Vgが条件(1)を満たす場合に、上記図4に示した制御ロジックを作動させて、昇圧装置104のスイッチング素子31を制御し、条件(1)を満たさない場合には、図4に示した制御ロジックは作動しないため、電力変換装置30は、図1に示した第1の実施形態に係る電力変換装置10と同様の作動状態となる。
Vg≦(1/√6)Vdc (1)
【0031】
このように、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30によれば、永久磁石型交流発電機3の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧装置104を作動させて、コンバータ101から供給される実直流電圧Vdcを昇圧させて、インバータ102へ供給することが可能となるため、発電電力の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0032】
なお、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置10の制御装置5、また、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置30の制御装置6は、それぞれ、これら制御装置の制御ロジックを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種の処理を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【0033】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【0034】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。更に、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
【0035】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【0036】
例えば、上述した実施形態では、風力発電を例に挙げて説明したが、これに限らず、本発明の電力変換装置は発電電力が変動するようなシステムに適用可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、ダイオードを3相ブリッジ接続してコンバータを構成するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子数を減らすことができる。これにより、電力変換装置を安価に実現することが可能となるとともに、スイッチングによる損失を低減させることができ、発電電力を高効率で電力系統へ供給することができる。
【0038】
また、本発明の電力変換装置によれば、前記コンバータから供給される直流電圧を昇圧し、前記インバータへ供給する昇圧手段を備えるので、永久磁石型交流発電機の発電電圧が低く、発電電力が電力系統へ供給されないような状況においても、昇圧手段を作動させることにより、発電電圧を高くすることができる。これにより、発電電圧の大小に拘わらず、常に発電電力を電力系統へ供給することが可能となる。
【0039】
また、本発明の電力変換装置の制御方法によれば、永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うので、コンバータを一切制御することなく、インバータのスイッチング制御のみで、発電電力を電力系統へ供給することができる。これにより、制御を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置を風力発電システムに適用した場合の全体構成図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の制御ロジックを示す図である。
【符号の説明】
3 永久磁石型交流発電機
4 回転角センサ
5,6 制御装置
10,30 電力変換装置
11〜16 ダイオード
21〜26,31 スイッチング素子
51,53,55,57,151 減算器
52,54,56,58,59,152 制御器
101 コンバータ
102 インバータ
103 コンデンサ
104 昇圧装置
Claims (4)
- 永久磁石型交流発電機によって発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
コンバータから供給された電力を電力系統の周波数と同一の周波数を有する交流電力に再変換し、該電力系統へ供給するインバータと、
を具備する電力変換装置であって、
前記コンバータは、3相ブリッジ接続された6つのダイオードを備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記コンバータから供給される直流電力を昇圧して、前記インバータへ供給する昇圧手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 請求項1に記載の電力変換装置の制御方法であって、
永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項2に記載の電力変換装置の制御方法であって、
永久磁石型交流発電機の実回転角と、前記インバータへ供給される直流電圧と、目標発電電力とに基づいて、前記インバータを構成する各種スイッチング素子のスイッチング制御を行うとともに、前記永久磁石型交流発電機の発電電力を電力系統へ供給できない場合には、前記昇圧手段を作動させることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2002
- 2002-10-24 JP JP2002309522A patent/JP2004147423A/ja not_active Withdrawn
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