JP2005176498A - Water-power generation system using squirrel-cage induction generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、籠形誘導発電機水力発電システムであり、水力発電設備に係わり、特に変落差が大きい場合に有効な可変速発電システムに関するものである。 The present invention relates to a vertical induction generator hydroelectric power generation system, and relates to a hydroelectric power generation facility, and more particularly to a variable speed power generation system that is effective when a change in head is large.
従来の水力発電設備においては、非特許文献1に記載されているように、発電機は一般に同期発電機が用いられ、系統周波数による規定回転速度で定速運転される。水車出力の制御は機械式ガバナにより水車の流量を調節することで行っている。このような水力発電設備は、構造が複雑で大きな設備となるため、設置場所が限られていた。 In the conventional hydroelectric power generation equipment, as described in Non-Patent Document 1, a synchronous generator is generally used as the generator, and the generator is operated at a constant speed at a specified rotational speed based on the system frequency. The turbine output is controlled by adjusting the turbine flow rate with a mechanical governor. Since such a hydroelectric power generation facility has a complicated structure and becomes a large facility, the installation location is limited.
近年、自然エネルギーの有効活用が求められ、小水力発電、さらに小さなマイクロ水力発電が注目されている。マイクロ水力発電においては発電コストを低減することが最重要課題であり、機械式ガバナを省略するとともに誘導発電機を用いた発電設備が一般的である。
流量調節機構を持たないマイクロ水力発電設備は設備コストが安価であるものの、流量、落差が変化するとキャビテーションや振動が発生するため限られた運転範囲しか適用できない。これを解決するためには流量、落差の変化に対応して水車の回転速度を加減速させる可変速発電システムが必要である。この方法として、特許文献1では可変速発電システムが提案されている。しかしながら、この制御方式は巻線型誘導発電機を用いた制御方法になっているため、巻線型誘導発電機に比べはるかに安価な籠形誘導発電機にはそのまま適用できない。即ち、籠形誘導発電機は回転子にコイルを持たないため、回転子を励磁することができず発電できない。また、システムの起動時等に、無拘束速度での運転を行うと発電エネルギーを回収できず、また、発電好適速度での運転を行うと、発電機の立ち上がりの不安定さ等による悪影響の発生が生ずる。 Although the micro hydroelectric power generation equipment without a flow rate adjusting mechanism is low in equipment cost, cavitation and vibration are generated when the flow rate and the head change, so that only a limited operating range can be applied. In order to solve this, a variable speed power generation system that accelerates or decelerates the rotational speed of the water turbine in response to changes in flow rate and head is required. As this method, Patent Document 1 proposes a variable speed power generation system. However, since this control method is a control method using a wound induction generator, it cannot be directly applied to a saddle induction generator that is much cheaper than a wound induction generator. That is, since the saddle type induction generator does not have a coil in the rotor, the rotor cannot be excited and power cannot be generated. In addition, when operating at an unconstrained speed, such as when the system is started up, the generated energy cannot be recovered, and when operating at the preferred power generation speed, adverse effects due to instability of the generator startup, etc. Will occur.
本発明の目的は、籠形誘導発電機を用いた水力発電システムを提供することであり、発電コストを大幅に低減できるので、マイクロ水力発電設備の導入を促し、自然エネルギーの活用による温暖化防止に役立てるものである。 The object of the present invention is to provide a hydroelectric power generation system using a vertical induction generator, which can greatly reduce the power generation cost, so that the introduction of micro hydroelectric power generation facilities is promoted and the prevention of global warming by utilizing natural energy It is useful for.
上記目的を達成するために、本発明に係る籠形誘導発電機可変速水力発電システムは、水車と、前記水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、前記籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されているダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、前記整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーと並列に接続されるダイオード整流回路と、前記籠形誘導発電機の制御装置を備え、前記圧力センサーの出力信号と前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の特性データ(水車入口側圧力又は出口側圧力における無拘束速度及び発電好適速度範囲)とから前記水車の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる運転速度指令を前記籠形誘導発電機に与え、指令運転速度と前記無拘束速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力するように構成したものである。 In order to achieve the above object, a vertical induction generator variable speed hydroelectric power generation system according to the present invention includes a water turbine, a pressure sensor for measuring an inlet side pressure of the water wheel, and a pressure sensor for measuring an outlet pressure of the water wheel. A vertical induction generator driven by the water turbine, a rectifier booster circuit composed of a diode and a switching element connected to a stator winding of the vertical induction generator, and a parallel connection to the rectifier booster circuit A smoothing capacitor, a diode rectifier circuit connected in parallel with the smoothing capacitor, and a control device for the saddle-type induction generator, and recorded in an output signal of the pressure sensor and an internal storage device of the control device Based on the characteristic data of the turbine (the unconstrained speed and the preferred power generation speed range at the inlet pressure or the outlet pressure), the unconstrained speed and the preferred power generation speed of the turbine are determined. The operation speed command that gives the calculated intermediate speed is given to the vertical induction generator, and the regenerative power generated by the difference between the command operation speed and the unconstrained speed is the operation power speed command at the power generation preferred speed. The system is configured to start in a state smaller than the given case, and then shift to the preferred operating speed to output a large amount of regenerative power.
また、水車と、前記水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、前記籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されているダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、前記整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーと並列に接続される開閉器回路と、前記開閉器回路に接続される蓄電池と、前記籠形誘導発電機の制御装置を備え、前記蓄電池から起動時の電力を供給し、前記圧力センサーの出力信号と前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の特性データから前記水車の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる速度指令を前記籠形誘導発電機に与え、指令運転速度と前記無拘束速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力するとともに、蓄電池の電圧が所定値を超えたときに前記開閉器回路を開列するように構成したものである。 A turbine, a pressure sensor for measuring the inlet pressure of the turbine, a pressure sensor for measuring an outlet pressure of the turbine, a saddle induction generator driven by the turbine, and the saddle induction generator A rectifier booster circuit comprising a diode and a switching element connected to the stator winding; a smoothing capacitor connected in parallel to the rectifier booster circuit; a switch circuit connected in parallel to the smoothing capacitor; A storage battery connected to a storage circuit, and a control device for the saddle-type induction generator, supplying power at the time of startup from the storage battery, and recorded in the output signal of the pressure sensor and the internal storage device of the control device An intermediate speed between the unconstrained speed of the turbine and the preferred power generation speed is calculated from the characteristic data of the turbine, and a speed command for the calculated intermediate speed is given to the saddle induction generator. The regenerative power generated by the difference between the operation speed and the unconstrained speed is started in a state smaller than the case where the operation speed command is given at the power generation preferred speed, and then the operation proceeds to the suitable operation speed to output a large amount of regenerative power The switch circuit is configured to open when the voltage of the storage battery exceeds a predetermined value.
そして、上記平滑コンデンサーと並列に接続される系統連系装置を備え、発電電力を交流電力として出力するものである。 And the grid connection apparatus connected in parallel with the said smoothing capacitor is provided, and generated electric power is output as alternating current power.
更に、上記平滑コンデンサーと並列に接続される負荷駆動インバータを備え、発電電力を直流電力で負荷駆動インバータに出力するものである。 Furthermore, a load drive inverter connected in parallel with the smoothing capacitor is provided, and the generated power is output to the load drive inverter as DC power.
また、上記ダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、上記籠形誘導発電機の制御装置が一体で構成されたインバータである籠形誘導発電機水力発電システムである。 Further, a rectifier booster circuit comprising the diode and a switching element, a smoothing capacitor connected in parallel to the rectifier booster circuit, a diode rectifier circuit connected in parallel to the smoothing capacitor, and control of the saddle type induction generator It is a vertical induction generator hydroelectric power generation system that is an inverter in which the apparatus is integrally formed.
以上のように本発明によれば、回転子にコイルを持たない籠形誘導発電機を用いても、籠形誘導発電機に直結された水車の無拘束速度及び発電好適速度を算出する装置を備えているので、無拘束速度より小さい運転速度で籠形誘導発電機を制御することができ、これにより無拘束速度と指令運転速度の差から回生電力を発電電力として取り出すことができる籠形誘導発電機水力発電システムを提供できる。また、システムの起動時に生じる悪影響の発生等を防ぐことができる。 As described above, according to the present invention, there is provided an apparatus for calculating the unconstrained speed and the preferred power generation speed of a water turbine directly connected to a saddle type induction generator even when a saddle type induction generator having no coil is used for a rotor. Because it is equipped, the saddle type induction generator can be controlled at an operating speed smaller than the unconstrained speed, and this allows the regenerative power to be taken out as generated power from the difference between the unconstrained speed and the command operating speed. A generator hydropower generation system can be provided. In addition, it is possible to prevent an adverse effect that occurs when the system is started.
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの実施例について、図面にもとづいて説明する。図1は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第一実施例の構成図である。図2は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第二実施例の構成図である。図3は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第三実施例の構成図である。図4は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第四実施例の構成図である。図5は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第五実施例の構成図である。
The best mode for carrying out the present invention will be described.
Embodiments of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the vertical induction generator hydroelectric power generation system of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of a third embodiment of the vertical induction generator hydroelectric power generation system of the present invention. FIG. 4 is a block diagram of a fourth embodiment of the vertical induction generator hydroelectric power generation system of the present invention. FIG. 5 is a configuration diagram of a fifth embodiment of the vertical induction generator hydroelectric power generation system of the present invention.
図1は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第1実施例である。水車1は配管に接続されており、所定の流量の水流21が水車を通過し羽根車を回転させている。水車1の上流には入口側圧力を計測する圧力センサー2aが設置されている。また、水車1の下流には出口側圧力を計測する圧力センサー2bが設置されている。水車1には羽根車の回転力で駆動される籠形誘導発電機3が直結されて水車発電機を構成している。籠形誘導発電機3の固定子巻線にはダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路4が接続されている。整流昇圧回路4には並列に平滑コンデンサー5が接続されている。また、平滑コンデンサー5にはダイオード整流回路6が並列に接続され、系統7から制御電力を整流昇圧回路4に供給している。さらに、籠形誘導発電機3の回転速度を制御する回転速度制御装置8を備えている。
FIG. 1 is a first embodiment of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention. The water wheel 1 is connected to a pipe, and a
このように構成された籠形誘導発電機水力発電システムを、例えば起動させて発電を開始するとき、回転速度制御装置8は、水車の圧力毎の無拘束速度と発電好適速度の各特性データを記録した内部記憶装置を有しており、そして、圧力センサー2a、2bの出力信号と内部記憶装置に記録された水車の特性データから水車1の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度(無拘束速度よりも小さい運転速度)となる指令をセンサレスベクトル制御で籠形誘導発電機3に与える。このように制御することによって、指令運転速度と無拘束速度の差によって回生電力が生じ、平滑コンデンサー5の電圧を昇圧する。
When the vertical induction generator hydroelectric power generation system configured in this way is activated to start power generation, for example, the rotational
回転速度制御装置8は、平滑コンデンサー5の端子電圧を監視しており、端子電圧が所定値を超えた場合は、籠形誘導発電機3の回転速度を上昇させて出力を抑えるように制御する。
The rotational
本実施例によれば、システムの起動時等に、無拘束速度での運転(発電によるエネルギーの回収不可)は行わず、また、発電好適速度での運転(急激な運転による悪影響の発生)を直ぐに実行しないため、過渡時の影響を緩和することができるとともに、発電電力を直流電力として出力することができる。 According to the present embodiment, at the time of starting the system, etc., operation at an unconstrained speed (energy cannot be recovered by power generation) is not performed, and operation at a suitable power generation speed (occurrence of adverse effects due to sudden operation) Since it is not executed immediately, the influence at the time of transition can be reduced, and the generated power can be output as DC power.
図2は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第2実施例である。水車1は配管に接続されており所定の流量の水流21が水車1を通過し羽根車を回転させている。水車1の上流には入口側圧力を計測する圧力センサー2aが設置されている。また、水車1の下流には出口側圧力を計測する圧力センサー2bが設置されている。水車1には羽根車の回転力で駆動される籠形誘導発電機3が直結されて水車発電機を構成している。籠形誘導発電機3の固定子巻線にはダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路4が接続されている。整流昇圧回路4には並列に平滑コンデンサー5が接続されている。また、平滑コンデンサー5には開閉器回路9が接続されている。開閉器回路9には蓄電池10が設置されている。さらに、籠形誘導発電機3の回転速度を制御するための回転速度制御装置8を備えている。
FIG. 2 shows a second embodiment of the vertical induction generator hydroelectric power generation system of the present invention. The water wheel 1 is connected to a pipe, and a
このように構成された籠形誘導発電機水力発電システムにおいて、蓄電池10は起動時に放電し、制御電力を整流昇圧回路4と回転速度制御装置8に供給する。したがって、系統電源7を供給することが困難な離島や山間部などでも本実施例の籠形誘導発電機水力発電システムを起動することができる。
In the vertical induction generator hydroelectric power generation system configured as described above, the
発電運転開始後は籠形誘導発電機3から発電電力が供給されるので、平滑コンデンサー5の端子電圧が上昇し、蓄電池10の端子電圧よりも高くなる。したがって、蓄電池10は起動時に放電して低下した端子電圧が所定の電圧になるまで充電される。そして、開閉器回路9は蓄電池10の電圧が所定値を超えたときに回路を開列する。
Since the generated power is supplied from the saddle-
実施例2によれば、実施例1と同様に、システムの起動時等に、無拘束速度での運転(発電によるエネルギーの回収不可)は行わず、また、発電好適速度での運転(急激な悪影響の発生)を直ぐに実行しないため、過渡時の影響を緩和することができるとともに、発電電力を直流電力として出力することができる。 According to the second embodiment, as in the first embodiment, when the system is started, the operation at an unconstrained speed (energy cannot be recovered by power generation) is not performed, and the operation at a power generation preferable speed (rapid The occurrence of an adverse effect) is not immediately executed, so that the influence during the transition can be mitigated and the generated power can be output as DC power.
図3は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第3実施例である。籠形誘導発電機水力発電システムは系統連系装置11を備えているので、系統電源12と同じ交流電力を供給できる。他の構成は実施例1と同様であり、その説明は省略する。
FIG. 3 is a third embodiment of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention. Since the saddle type induction generator hydroelectric power generation system includes the grid interconnection device 11, it can supply the same AC power as the
図4は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第4実施例である。籠形誘導発電機水力発電システムはインバータ13を備えているので、負荷14を直接稼働することができる。他の構成は実施例1と同様であり、その説明は省略する。
FIG. 4 is a fourth embodiment of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention. Since the vertical induction generator hydroelectric power generation system includes the
図5は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第5実施例である。
籠形誘導発電機水力発電システムは、ダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、上記籠形誘導発電機の制御装置が一体で構成されている。したがって、システム全体の大きさを小形化することができる。他の構成は実施例1と同様であり、その説明は省略する。
籠形誘導発電機水力発電システムはインバータ13を備えているので、負荷14を直接稼働することができる。他の構成は実施例1と同様であり、その説明は省略する。
FIG. 5 is a fifth embodiment of a vertical induction generator hydroelectric power generation system according to the present invention.
A vertical induction generator hydroelectric power generation system includes a rectifier booster circuit composed of a diode and a switching element, a smoothing capacitor connected in parallel to the rectifier booster circuit, a diode rectifier circuit connected in parallel to the smoothing capacitor, A control device for the saddle type induction generator is integrally formed. Therefore, the size of the entire system can be reduced. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the description thereof is omitted.
Since the vertical induction generator hydroelectric power generation system includes the
1 水車
2a、2b 圧力センサー
3 籠形誘導発電機
4 整流昇圧回路
5 平滑コンデンサー
6 ダイオード整流回路
7 系統電源
8 回転速度制御装置
9 開閉器回路
10 蓄電池
11 系統連系装置
12 系統電源
13 インバータ
21 水流
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