JP2005253257A - 誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導発電機において電力系統に併入する際、同期化のためのパルスにより発生する高調波電圧による突入電流を低減する目的で、同期パルス幅を可能な限り狭くする。
【解決手段】誘導発電機１の主端子と電力系統４の間に接続され、この誘導発電機１の主端子を電力系統４に併入するとき、この誘導発電機１を負の任意のすべりに原動機２で運転しておき、そのすべりの値に対応した誘導発電機１の主端子の有効電力と無効電力の値を有効電力設定機１２と無効電力設定機１１で設定する。また、可能な限り狭いパルス幅で動作する半導体同期スイッチング回路８により電力系統４に同期化された高調波電圧の少ない自己励磁電圧を発生させると共に、誘導発電機１の主端子と電力系統４の間の主開閉器３と補助開閉器７の開閉操作を自動的に行う開閉器制御回路１０からなるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は誘導発電機の出力を電力系統などに併入するときに誘導発電機の主端子電圧を電力系統の電圧に同期化させるための同期化装置に関する。

電力系統に接続されている小型発電機は、同期化の必要がない誘導発電機が用いられる。この誘導発電機の主端子を電力系統に併入するとき、突入電流による電力系統の電圧動揺を軽減する目的で投入用リアクトルが使用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、電圧動揺を更に軽減するためにソフトスタート・システムが使用されるようになった（例えば、特許文献２参照。）。しかし、電力系統の状態によってはさらに突入電流の軽減を必要とする場合があり、自己励磁された誘導発電機が使用されている。このシステムでは同期検定器により同期化を行うために自動化が困難である。（例えば、特許文献３参照。）。

図４は誘導発電機３１の主端子と電力系統３５の両電圧の同期化を自動的に行うために、自己励磁された誘導発電機を用いた従来の例を示す系統図である（例えば、特許文献４第１図参照。）。このシステムは同期速度よりわずかに速い速度で原動機３２により運転されている誘導発電機３１の主端子は主開閉器３３を介して電力系統３５に接続されている。誘導発電機３１の主端子と電力系統３５の両電圧の同期化を自動的に行うために、電力系統電圧に同期した半導体同期スイッチング回路３９により自己励磁された誘導発電機３１の主端子を駆動して、電圧設定を励磁コンデンサ３４で行う。同期化を確認して開閉器制御回路３７により主開閉器３３を閉じた後に補助開閉器３６を開いて併入操作を終了する。しかし、この操作において誘導発電機３１の主端子を半導体同期スイッチング回路３９により１５０゜前後の広い幅のパルスでトリガするために、前記主端子に大きな高調波電圧を発生する。この高調波電圧は併入時の突入電流となるために誘導発電機３１の主端子と電力系統３５の両電圧が自動的に同期化されても併入装置の突入電流の低減量は少ない。

特開平６−９８４７０号公報 （第３頁、第１図） 特開平５−１９９８００号公報 （第４頁、第２図） 特開昭６２−６８０２４号公報 （第１２０頁、第１図） 特開２００２−２３３１９２号公報 （第４頁、第１図、 第２図）

前記誘導発電機においてこの誘導発電機を電力系統に併入する際特許文献４の方法によると誘導発電機の主端子と電力系統の両電圧の同期化の自動化は楽に出来るが、半導体同期スイッチング回路の発生する高調波電圧による突入電圧の軽減が必要になった。この突入電流を軽減するためには、半導体同期スイッチング回路のスイッチング幅を同期化の可能な範囲で小さくして、高調波電圧の発生を最小限にする必要がある。
本発明の目的は誘導発電機の主端子と電力系統間の電圧の同期化を自動的に行い、同期のためのスイッチングにともなう高調波電圧の発生を最小限にとどめることで突入電流を可及的に低減する誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明の誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置は、前記誘導発電機の主端子と電力系統間に接続されて、前記誘導発電機の主端子を電力系統に投入するとき、前記誘導発電機を同期速度より早い速度で回転させて、あらかじめ有効電力設定用可変抵抗器と無効電力設定用可変コンデンサを誘導発電機のすべりにより決まる値に有効電力設定機と無効電力設定機を使って設定した後に、補助開閉器を閉じて低電圧で充電された電源用コンデンサを持つ半導体同期スイッチング回路により、同期可能な最小のパルス幅でトリガして電力系統と同期した自己励磁電圧を発生させる。
ここで設定する有効電力と無効電力の値は誘導発電機を定格電圧の電源に接続して、任意のすべりで運転したときの発電機に流れる有効電力と無効電力の値を使用する。
また、前記半導体同期スイッチング回路の動作を始動停止するための補助開閉器と誘導発電機の主端子と電力系統を接続するための主開閉器を自動的に開閉する開閉器制御回路と、すべりの値に対する有効電力の値を設定するための有効電力設定用抵抗器とこれを操作するための有効電力設定機と無効電力の値を設定するための無効電力設定用コンデンサとこれを操作するための無効電力設定機と、前記誘導発電機の自己励磁始動のための補助電源とこの補助電源を開閉するための補助電源用開閉器とからなり、誘導発電機の主端子電圧と電力系統電圧の同期化と電力系統併入を自動的に、かつ小さい突入電流で行うようにする。

本発明の誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置では前記誘導発電機を電力系統に併入するとき、自己励磁された前記誘導発電機の主端子電圧を電力系統電圧に幅の狭いパルスで同期化させるので、突入電流として働く高調波電圧の発生が少なく、かつ同期化操作は自動的に行うので、頻繁な併入を繰り返しても突入電流は低減して電力系統に与える電気的衝撃を減らして、誘導発電機の運転の信頼性を著しく向上できる。

自己励磁された誘導発電機の主端子と電力系統の両電圧の同期化のために誘導発電機の主端子を電力系統電圧から得たパルスでトリガすると誘導発電機の発電周波数と位相角を電力系統電圧に同期できるが、そのパルス幅を大きくすると大きな高調波電圧が誘導発電機の主端子に発生して、この電圧が新たな突入電流となり、結果的に突入電流の軽減が出来なくなる。また、前期パルスの幅を小さくすると高調波電圧の発生は小さくなるが、同期化が不安定になり電力系統併入が出来なくなる。
そこで、前記パルス幅を小さくして高調波電圧の発生を押さえると同時に、誘導発電機の主端子電圧の位相と振幅を安定化するために前記誘導発電機の主端子の有効電力と無効電力を前記誘導発電機を定格電圧で駆動した時の有効電力と無効電力特性の値に一致させれば突入電流の可及的に小さい電力系統併入を行える。

図１は本発明の誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置の一実施例を示す系統図である。図１に示す本発明の誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置が図４の従来の誘導発電機の電力系統併入方法と異なるところは、誘導発電機３１の主端子と電力系統３５の間の周波数比較と電圧比較器３８、開閉器制御回路３７、励磁コンデンサ３４、励磁コンデンサ容量制御器４１に代わって、図１に示す開閉器制御回路１０、すべり検出器１５、有効電力設定機１２、無効電力設定機１１、有効電力設定用可変抵抗器６、無効電力設定用可変コンデンサ５を接続して前記誘導発電機の主端子の位相と振幅を安定に制御すると共に、誘導発電機１の主端子に発生する高調波電圧を減らすために半導体同期スイッチング回路を図２に示すように小パルス幅で動作可能な回路とした点にある。

図２は半導体同期スイッチング回路８を示す回路の一例であり、半導体同期スイッチング回路８は誘導発電機１の主端子に補助開閉器７を介して逆極性並列に接続された、例えばトランジスタからなる半導体スイッチング素子２１ａ、２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆを備えた半導体スイッチ２１と、ダイオードからなる半導体整流素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆを備えた半導体整流器２２と、コンデンサ２３ａと２３ｂからなる電源用コンデンサ２３と、スイッチングサージ軽減のための抵抗器２４と変圧器２５からなっている。

図２の回路はスイッチングによる高調波電圧の発生を減らすためにパルス幅を可能な限り０°に近い値で使用する。また、半導体同期スイッチング回路８は図２に示す三相Ｙ結線された変圧器２５の中性点と図２のコンデンサ２３を２分割したコンデンサ２３ａと２３ｂの中点を中性線で結ぶ必要がある。さらに、特許文献４第２図のスイッチングサージ軽減のためのコイルの代わりに図２に示したスイッチングサージ軽減のための抵抗器２４を挿入する。ここで、半導体同期スイッチング回路８のスイッチング幅は誘導発電機１の主端子電圧が電力系統電圧に安定に同期化操作でき、かつ高調波電圧の発生が最小になる任意の値を選んで使用する。

前記誘導発電機１の主端子を電力系統に併入する手順について図１を参照して説明する。半導体同期スイッチング回路８のコンデンサ２３ａと２３ｂをあらかじめ補助電源用開閉器１３を閉じ補助電源１４により充電した後に補助電源用開閉器１３を開くと共に、誘導発電機１のすべりを任意の負の値に原動機２により保ち、無効電力設定用可変コンデンサ５と有効電力設定用可変抵抗器６をすべり検出器１５のすべりに対応した値に設定する。この設定の内、始動時のみ有効電力設定用可変抵抗器６を最大値に設定した後に、発電が開始されると有効電力設定用可変抵抗器６を設定値に戻すようにすると安定な始動が出来る。
続いて補助開閉器７を閉じると誘導発電機１の主端子電圧は自己励磁により電力系統４に同期化した電圧を発生する。

誘導発電機１の主端子に流れる有効電力と無効電力の値は前記誘導発電機１を定格電圧で駆動したときのすべりに対する有効電力と無効電力の特性曲線（図３参照）の値を使用する。これ等の値は図３に示すように予め測定しておき、その特性を有効電力設定機１２と無効電力設定機１１の中に組み込んでおく。前記有効電力と無効電力の両値が設定されると誘導発電機１の主端子電圧は定格電圧を発生して、電力系統４の電圧にほぼ一致する。
この状態を開閉器制御回路１０で確認した後に主開閉器３を自動的に閉じるので突入電流はほぼ零に低減される。最後に補助開閉器７を主開閉器３を閉じた後に開くと併入操作は終了する。また、併入後は無効電力設定用可変コンデンサ５の容量を減じて力率改善用コンデンサとして使用することも可能である。

本発明の誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置は、誘導発電機の主端子を流れる有効電力と無効電力の値を定格電圧で運転したときの値に設定することにより、誘導発電機の主端子には定格電圧を発生することが出来る。さらに、電力系統電圧に同期したゲート信号発生器より発生するパルス幅の小さいパルス信号により駆動される半導体同期スイッチング回路で誘導発電機の主端子電圧をトリガすれば、高調波電圧の発生は少なく、かつ電力系統電圧と自動的に同期化される。前記誘導発電機の主端子電圧が電力系統電圧に一致した時に開閉器制御回路により自動的に誘導発電機の主端子と電力系統間の主開閉器を閉じた後に補助開閉器を開いて電力系統併入を完了するために突入電流を軽減できるので、風力発電のように頻繁に電力系統併入を繰り返しても、突入電流の電力系統電圧への影響が小さく安定した電力系統併入が出来る。

誘導発電機の電力系統併入装置の一実施例 図１の半導体同期スイッチング回路の一実施例 定格電圧で運転される誘導発電機の電力特性曲線図 従来の同期併入操作法の一例を示す系統図

符号の説明

１ 誘導発電機
２ 原動機
３ 主開閉器
４ 電力系統
５ 無効電力設定用可変コンデンサ
６ 有効電力設定用可変抵抗器
７ 補助開閉器
８ 半導体同期スイッチング回路
９ 三相ゲート信号発生回路
１０ 開閉器制御回路
１１ 無効電力設定機
１２ 有効電力設定機
１３ 補助電源用開閉器
１４ 補助電源
１５ すべり検出回路
１６ 回転計発電機
２１ 半導体スイッチ
２１ａ 半導体スイッチング素子
２１ｂ 半導体スイッチング素子
２１ｃ 半導体スイッチング素子
２１ｄ 半導体スイッチング素子
２１ｅ 半導体スイッチング素子
２１ｆ 半導体スイッチング素子
２２ 半導体整流器
２２ａ 半導体整流素子
２２ｂ 半導体整流素子
２２ｃ 半導体整流素子
２２ｄ 半導体整流素子
２２ｅ 半導体整流素子
２２ｆ 半導体整流素子
２３ 電源用コンデンサ
２３ａ コンデンサ
２３ｂ コンデンサ
２４ スイッチングサージ軽減のための抵抗器
２５ 変圧器
３１ 誘導発電機
３２ 原動機
３３ 主開閉器
３４ 励磁コンデンサ
３５ 電力系統
３６ 開閉器
３７ 開閉器制御回路
３８ 周波数比較器と電圧比較器
３９ 半導体同期イッチング回路
４０ 三相ゲート信号発生回路
４１ 励磁コンデンサ容量制御機
４２ 開閉器
４３ 補助電源
４４ 回転計発電機

Claims (1)

1. 原動機に連結された誘導発電機とこの誘導発電機の主端子と電力系統間に接続され、この誘導発電機の主端子を電力系統に併入するとき、前記誘導発電機を自己励磁させると共に、その誘導発電機の主端子と電力系統の両電圧を自動的に同期させるための狭いパルス幅で動作する半導体同期スイッチング回路と、前記誘導発電機の主端子電圧の電圧制御をするためにすべり検出回路と有効電力設定機と無効電力設定機を備えた電力制御機構と、前記半導体同期スイッチング回路の補助開閉器と前記誘導発電機の主端子と電力系統間の主開閉器の両者を自動的に開閉するための開閉器制御回路からなることを特徴とする誘導発電機の電力系統併入のための同期化装置。
   

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