JP2004320874A

JP2004320874A - 発電システム

Info

Publication number: JP2004320874A
Application number: JP2003110052A
Authority: JP
Inventors: Hideki Uchiyama; 英樹内山
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】しゃ断器投入時の周波数低下を回避でき、機器に対して安全制御を行なうことができる発電システムを提供すること。
【解決手段】発電機２２の発生する電力をしゃ断器２３を介して負荷に供給する際、投入時制御手段３７によってしゃ断器２３の投入タイミングをとらえ、電流調整装置２６により発電機２２に対するダミーロード２４の負荷量が、一時的に最低値となるようダミーロード制御手段３２を動作させる。その後は、周波数検出手段２８により検出された発電機周波数３０と予め設定された周波数基準３３との偏差を求め、この偏差に応じてダミーロード２４の負荷量が変化するように電流調整装置２６を制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ水力発電などに適用され、負荷への送電時における周波数の安定化を図った発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境に配慮したエネルギー源として、さまざまな新エネルギーが研究開発されており、小規模分散エネルギーの一つとしてマイクロ水力発電が考えられ、それに関する提案もなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
マイクロ水力発電とは、比較的小さな河川などの低落差にも対応できる小型高性能で小容量の水力発電設備で、無電化地区への電力供給などの需要を持ち、系統への並列を行なわない単独運転での使用が可能である。
【０００４】
単独運転では、送電周波数の制御が焦点となる。マイクロ水力では、通常の水車発電機のように調速制御機構を持っていない。この調速制御機構とは、発電機周波数に応じガイドベーンと呼ばれる水量調節弁を自動制御して、水車への水の供給量を変化させ、発電周波数を一定に保つ機構で、一般に、油圧や電動によるガイドベーン制御が行なわれる。
【０００５】
このような調速制御機構を持たないマイクロ水力発電では、水の流量調整には手動バルブが用いられ、有人操作が行なわれる。このため、急激な周波数変動に対する対応が困難であり、発電機の速度制御を電気的に行なうダミーロード制御方式が採用されている。
【０００６】
ダミーロード制御は、発電機の負荷を調整し、発電機自体の制動効果を利用することで周波数調整を行なう制御システムである。例えば、図２で示すように、水車１１によって駆動される発電機１２の発電電力が、送電用のしゃ断器１３を介して図示しない負荷に供給されているものとする。
【０００７】
このような状態で、水車１１に対する図示しないガイドベーンを、例えば、１００％負荷に対応する開度に手動で調整したとする。この状態で、１００％の負荷がかかっていれば水車発電機１２は定格周波数で運転できる。しかし、実際の負荷が５０％に減少した場合、水車１１に与えられたエネルギーは、５０％が負荷供給へ、残りの５０％は回転上昇へと割り振られ、この結果、発電機１２の出力周波数は上昇してしまう。
【０００８】
ダミーロード制御は、この周波数上昇（実際には基準周波数との偏差）に応動し、発電機１２の出力端子に接続されたダミーロード１４に電流を流し、前述した残りの５０％のエネルギー分の負荷を発電機１２に与えている。この結果、発電機１２は１００％の負荷を負うことになり、周波数は定格に保たれる。
【０００９】
すなわち、結果的に、水車出力＝発電機出力＝実負荷＋ダミーロード負荷、の関係となるように、常に制御することで周波数調整を行なう。
【００１０】
このようなダミーロード制御を行なうためには、ダミーロード１４の入力側に、図示していないが電流調整装置を設ける。また、発電機１２の発生電圧から発電機周波数信号を取り出し、予め設定した周波数基準（低格周波数設定）と比較し、偏差を求める。そして、この偏差を比例演算及び積分演算し、その合成信号を、電流調整装置（例えばＧＰＩＢとする）のゲート信号として出力する。この結果、ＧＰＩＢは、ゲート信号によってパルス幅変調方式により制御され、前記偏差に応じた電流をダミーロード１４に流すことになる。
【００１１】
従来のダミーロード制御方式では、送電用しゃ断器１３を投入する前に、事前に実負荷以上の負荷量をダミーロード１４によってかけていた。すなわち、ダミーロード１４によって実負荷の変動分を吸収する制御であるため、ダミーロード１４は実負荷以上の負荷を持たなければならない。もし、ダミーロード１４に実負荷以上の負荷量がない場合、送電用しゃ断器投入後にダミーロードをゼロに制御しても絶対的な負荷量が不足し、回転数の低下を招くためである。
【００１２】
このように、実負荷以上の負荷量をダミーロード１４によってかけた状態で、送電用しゃ断器１３を投入し、実負荷をかけた場合、次の順序で回転（周波数）制御が行なわれる。
【００１３】
１．しゃ断器１３の投入前は、ダミーロード１４のみで水車１１のパワーを吸収し安定運転されている。
【００１４】
２．しゃ断器１３の投入と同時に「ダミーロード負荷」＋「実負荷」となり、発電機１２は過負荷状態となって回転数（周波数）は低下する。
【００１５】
３．周波数の低下を検出し、電流調整装置によりダミーロード１４に流れる電流を減少させ、ダミーロード負荷を減少させる。
【００１６】
４．ダミーロード負荷を減少させると、発電機周波数は上昇し、閉ループ制御により基準周波数へと制御される。
【００１７】
このような制御方式によると、しゃ断器投入時に、発電機１２は一時的に過負荷となり、周波数は低下する。例えば、実負荷が発電機１２の定格の１００％負荷の場合、これがダミーロード１４による１００％負荷に加わるため、発電機１２には一時的に２００％の負荷をかけることになる。このように極端ではなくても、しゃ断器１３の投入時には、必ず周波数は低下することになる。発電機１２として同期発電機を使用した場合、周波数低下は低周波過励磁による機器へのダメージが懸念される。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００３−１７０８３号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来方式では、ダミーロード１４により１００％の負荷をかけた状態でしゃ断器１３を投入するため、一時的に周波数低下が生じ、機器にダメージを与えることが懸念される。
【００２０】
本発明の目的は、しゃ断器投入時の周波数低下を回避でき、機器に対して安全制御を行なうことができる発電システムを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による発電システムは、発電機の発生する電力をしゃ断器を介して負荷に供給する発電システムであって、前記発電機の出力端に電流調整装置を介して接続されたダミーロードと、前記発電機の出力電圧から発電機周波数を検出する周波数検出手段と、この周波数検出手段により検出された発電機周波数と予め設定された周波数基準との偏差を求め、この偏差に応じて前記ダミーロードの負荷量が変化するように前記電流調整装置を制御するダミーロード制御手段と、前記しゃ断器の投入タイミングをとらえ、前記ダミーロードの負荷量が一時的に最低値となるように前記ダミーロード制御手段を動作させる投入時制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明では、ダミーロード制御手段は、偏差を比例演算すると共に積分演算して、それらの和に基づいて電流調整装置を制御し、投入時制御手段は、しゃ断器への投入指令に基づき一時的に前記積分演算出力をゼロにするように構成するとよい。
【００２３】
これらの発明では、発電機の発生する電力をしゃ断器を介して負荷に供給する際、投入時制御手段によってしゃ断器の投入タイミングをとらえ、電流調整装置により発電機に対するダミーロードの負荷量が、一時的に最低値となるようダミーロード制御手段を動作させる。その後は、周波数検出手段により検出された発電機周波数と予め設定された周波数基準との偏差を求め、この偏差に応じてダミーロードの負荷量が変化するように電流調整装置を制御する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による発電システムの一実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１において、２２は発電機で、図示しないマイクロ水車などによって回転駆動される。この発電機２２の出力端子は、送電用のしゃ断器２３を介して図示しない負荷に接続されており、発電機２２より発電された三相電力は、しゃ断器２３の投入動作により負荷（以下、実負荷として説明する）に供給される。
【００２６】
この発電機２２の出力端子から導出された三相電路は三相整流器２５にも接続しており、発電機２２により発電された三相電力は全波整流され、出力側電路に直流として出力される。この三相整流器２５の出力側直流電路には、ダミーロード２４が、電流調整装置２６を直列に介して接続している。この電流調整装置２６としては、例えば、ＧＰＩＢが用いられ、そのゲートへの信号に基づき、ダミーロード２４に流れる電流値をパルス幅変調方式により制御し、ダミーロード２４による発電機２２に対する負荷量を調整する。
【００２７】
２８は周波数検出手段で、発電機２２の出力端子に接続された周波数変換器２９を有し、発電機２２の出力電圧から発電機周波数３０を検出する。
【００２８】
３２はダミーロード制御手段で、周波数検出手段２８により検出された発電機周波数３０と予め設定された周波数基準３３との偏差を求め、この偏差に応じてダミーロード２４の負荷量が変化するように電流調整装置２６を制御する。すなわち、ダミーロード制御手段３２は、発電機周波数３０と周波数基準３３との偏差を、比例演算手段３４により比例演算し、かつ積分演算手段３５により積分演算し、それらを合成してＧＰＩＢゲート制御手段３６に出力する。ＧＰＩＢゲート制御手段３６は、偏差を比例・積分演算した合成信号に基づき、パルス状のゲート信号をＧＰＩＢ２６のゲートに出力する。ＧＰＩＢ２６はこのゲート信号に応じてオン・オフを繰り返しダミーロード２４に流れる電流をパルス幅変調方式により制御する。
【００２９】
ここで、ダミーロード２４に流れる電流は、発電機２２で発生した三相交流を、三相整流器２５で直流変換した電源によるものであり、このダミーロード２４に流れる電流値をＧＰＩＢ２６によって調整することは、発電機２２の負荷電流を調整することを意味する。このように、発電機２２の負荷電流が調整されれば発電機２２の回転数（周波数）が制御される。また、周波数が制御されれば、その信号が発電機周波数３０へと反映される閉ループ制御回路であり、最終的に周波数基準３３で設定した値に制御される。
【００３０】
３７は投入時制御手段で、しゃ断器２３の投入タイミングをとらえ、ダミーロード２４の負荷量が一時的に最低値となるようダミーロード制御手段３２を動作させる。すなわち、しゃ断器２３に対する投入指令３８によりワンショット回路３９を動作させ、そのパルス幅の間、積分強制ゼロ回路４０を動作させ、一時的に積分演算手段３５の出力をゼロにする。
【００３１】
上記構成において、いま、発電機２２は、図示しないガイドベーンが１００％負荷の開度に手動調整された水車により駆動されているものとする。また、送電用しゃ断器２３は、開状態であり、発電機２２によって発電された電力は、三相整流器２５で整流され、直流電源となった後、電流調整装置であるＧＰＩＢ２６を介してダミーロード２４に負荷電流を流している。
【００３２】
すなわち、発電機２２により発生した電圧は周波数検出手段２８により検出され、ダミーロード制御手段３２において周波数基準３３との偏差が求められる。そして、この偏差に基づいて比例・積分演算を行い、その結果に応じてＧＰＩＢゲート制御信号が得られ、ＧＰＩＢ２６を制御してダミーロード２４に流れる負荷電流を調整している。
【００３３】
このとき、前述のように、送電用しゃ断器２３が開状態であるため、実負荷はゼロであり、発電機２２の出力はすべてダミーロード２４で吸収され、発電機２２の周波数は定格で安定した状態を保っている。この状態では、ダミーロード制御手段３２において比例演算手段３４の出力はほぼゼロであり、ダミーロード２４に対する負荷制御信号はすべて積分演算手段３５の出力で保たれている。
【００３４】
次に、実負荷に電力を供給すべく、送電用しゃ断器２３を投入する。このために、送電用しゃ断器２３に対する投入指令３８をオン操作すると、ワンショット回路３９が動作し、積分強制ゼロ回路４０を動作させる。この積分強制ゼロ回路４０が動作することにより、ダミーロード制御手段３２における積分演算手段３５の出力を瞬時にゼロとする。
【００３５】
積分演算手段３５の出力がゼロとなることにより、ＧＰＩＢ２６により調整されている負荷電流はほぼゼロとなり、ダミーロード２４により発電機２２の負荷量は一時的に最低値（ほぼゼロ）となる。すなわちダミーロード２４の負荷量をゼロクリアしたことになる。このゼロクリアは、ワンショット回路３９の出力時間のみで一瞬に完了し、その後は発電機周波数３０と周波数基準３３との偏差に応じた通常制御に戻る。
【００３６】
このゼロクリア動作と並行して送電用しゃ断器２３の投入が行なわれ、発電機２２の出力は実負荷に供給される。すなわち、実負荷とダミーロード２４との入換が行なわれ、しかも、ダミーロード２４による周波数制御機能が直ちに開始される。このため、発電機周波数は、水車のガイドベーンを制御することなく、定格に安定制御される。
【００３７】
このように、送電用しゃ断器２３の投入指令３８により、ダミーロード２４の負荷量をゼロに制御し、発電機２２を一時的に無負荷にし、同時に送電用しゃ断器２３を投入させて実負荷を接続している。この場合、ダミーロード２４が一度無負荷となるため、発電機２２の負荷が開放され、発電機２２の回転数（周波数）は上昇する。しかし、瞬時に実負荷が接続されるため、ダミーロード２４の負荷量と実負荷の負荷量とが同じであれば、単に負荷を入換えた状態となり、発電機２２の回転数はほとんど上昇しない。
【００３８】
また、送電用しゃ断器２３投入前のダミーロード２４の負荷量より、投入後の実負荷量のほうが小さい場合（ほとんどがこのケースとなる）、しゃ断器２３の投入により実負荷が接続された後も発電機２２の周波数は上昇する。しかし、ダミーロード２４に対する制御は、一旦ゼロ制御された後、瞬時に通常制御に戻るため、発電機２２の回転上昇に応じてダミーロード２４への負荷電流が制御され、発電機２２は定格回転（定格周波数）に制御される。
【００３９】
ここで、従来技術では、前述のように、送電用しゃ断器の投入時、周波数が低下するが、本発明では周波数は上昇方向となる。この場合、ダミーロード制御手段３２の応答速度を、回転上昇速度より早く調整しておけば、回転上昇は充分補償値内に収めることが可能であり、従来の周波数低下方向より安全方向である。
【００４０】
図３は送電用しゃ断器２３投入時の発電機電圧と周波数とを実際に測定したオシロデータを示している。すなわち、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）のオシロデータは、６０Ｈｚ定格のマイクロ水力発電にて実証試験を実施した結果であり、発電機２２の定格負荷の２５％、５０％、７５％、１００％の送電模擬負荷を実負荷に見立てて接続し、しゃ断器２３の投入時における発電機２２の電圧及び周波数の挙動を測定したものである。
【００４１】
図から明らかなように、実負荷に見立てた送電線模擬負荷が少ないほど、しゃ断器２３を投入する前のダミーロード２４の負荷量（定格負荷相当）との差が大きいため、しゃ断器２３を投入したときの周波数上昇は大きくなる。しかし、しゃ断器２３投入後は、ダミーロード制御手段３２がゼロ制御状態から直ちに通常制御状態に移行するため、発電機周波数も直ちに定格周波数の６０Ｈｚに安定する。したがって、発電システムとしては安全方向に制御されることとなる。
【００４２】
このように、マイクロ発電では、周波数変動に応じてガイドベーン開度を調整することが困難であるため、周波数変動への対応が難しかったが、ダミーロードにより発電機を電気的に速度制御することにより、周波数を安定に保つことができ、さらに、ダミーロード制御を行なう場合の問題点であった、送電しゃ断器投入時の周波数低下を回避できるので、発電システムを安全方向に制御することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、発電機出力を負荷に供給する送電用しゃ断器投入時の周波数低下を回避でき、機器に対して安全制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の本発明による発電システムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】一般的なダミーロード制御を説明するための回路図である。
【図３】上記一実施の形態により実証試験を実施した結果を示すオシロデータである。
【符号の説明】
２２発電機
２３送電用のしゃ断器
２４ダミーロード
２６電流調整装置
２８周波数検出手段
３０発電機周波数
３２ダミーロード制御手段
３３周波数基準
３４比例演算手段
３５積分演算手段
３７投入時制御手段
３８投入指令
４０積分強制ゼロ回路

Claims

発電機の発生する電力をしゃ断器を介して負荷に供給する発電システムであって、
前記発電機の出力端に電流調整装置を介して接続されたダミーロードと、
前記発電機の出力電圧から発電機周波数を検出する周波数検出手段と、
この周波数検出手段により検出された発電機周波数と予め設定された周波数基準との偏差を求め、この偏差に応じて前記ダミーロードの負荷量が変化するように前記電流調整装置を制御するダミーロード制御手段と、
前記しゃ断器の投入タイミングをとらえ、前記ダミーロードの負荷量が一時的に最低値となるように前記ダミーロード制御手段を動作させる投入時制御手段と、
を備えたことを特徴とする発電システム。
ダミーロード制御手段は、偏差を比例演算すると共に積分演算して、それらの和に基づいて電流調整装置を制御し、
投入時制御手段は、しゃ断器への投入指令に基づき一時的に前記積分演算出力をゼロにする
ことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。