JP2005287095A - 発電機の速度制御方法および出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全ての領域で安定な速度制御、出力制御が可能な発電機の速度制御方法を提供する。
【解決手段】回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の電力を直流に変換する第１の電力変換装置１と、第１の電力変換装置に電圧指令を出力し発電機を制御する発電機制御手段５と、第１の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置２とを備えた発電装置における発電機の速度制御方法において、発電機３に接続される原動機のトルク−速度特性から得られる速度に対するトルクの傾きを基にして速度制御ゲインを変化させることにより、あらゆる速度領域で安定した速度制御特性を得るようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発電機の安定した回転速度制御を行う発電機の速度制御方法、および出力電力に従って発電機の発生電力を制御する発電機の出力制御方法に関する。

従来の可変速の発電機制御方法では、速度制御ゲインの修正は行っていなかったため、速度制御の応答特性は原動機の速度−トルク特性に従って変化していた。
また、出力制御については、従来の発電装置では出力電力が発電量よりも少なくなった場合、その偏差に応じて発電機の回転速度が自然に上昇するため、積極的な速度制御は行っていなかった。あるいは、速度制御を行う場合は、出力電力が発電量よりも小さくなった場合に、第１の電力変換装置の出力に設置したコンデンサの電圧の上昇を抑える制御を行うことによって発電機速度を上昇させるようにしていた。また、発電量の調整方法として、水力発電では出力電力が下がった時に原動機に入力される水量を調整する弁を設けて原動機の発生出力を抑えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
図８はその「水力発電所の自動負荷調整装置」のブロック図であり、負荷検出器１０３より検出した発電機１０２出力の電力値と、負荷指令電力値とは比較器１０４で比較されて、その偏差電力が負荷制御演算部１０５でゼロになるように演算してガイドベーン１１６の開度制御信号を算出する。偏差電力が小さい場合は調速機制御部１０７によりガイドベーン１１６の開度調整をモータ１１１を駆動して行い。偏差電力が大きくなったら負荷制限器１０８によりガイドベーン１１６の開度を広くして水車１０１の回転速度を増加させる。
また、風力発電においては、風力が大きくなった場合にブレーキやクラッチなどを利用して機械的に原動機の出力を制御するようにしているものもある（例えば、特許文献２参照）。図９はその「発電機駆動装置」の構成図であり、ガスタービン等による原動機Ｔの出力は、歯車減速装置の入力軸２１１と一体の小歯車２１２を介して、減速装置側の出力軸２１３と一体に形成された大歯車２１４に伝達される。この出力軸２１３の一端には摩擦クラッチ２１５のクラッチドラム２１６が装着されていて、クラッチドラム２１６の内周には摩擦材からなる入力側クラッチ板２１７が嵌合している。
また、中空状の出力軸２１３を貫通して発電機Ｇと結合している発電機側入力軸２１８には出力側クラッチ板２２０が嵌合されていて、摩擦クラッチ２１５のクラッチ板２１７、２２０に対する押圧力が油圧ポンプ２２３からの圧油によって一定に保持されるので、発電機Ｇ側に過負荷が掛かるとクラッチ板がスリップすることによって過大トルクの伝達を避けることができる。

特開２００２−２５０２７０号公報（第１図） 特開２００１−１６９５０８号公報（第１図）

また、図１０は従来の発電機で速度制御を行う場合の速度制御ブロック図である。発電機３の速度を速度検出手段４より検出し、検出した速度と速度指令の差分をとり速度制御手段１１によりＰＩ演算を行ってトルク指令を求め、電流検出手段７により検出した発電機の電流から電流変換手段１４によりトルク演算に必要な電流に変換してトルク制御手段１２によりトルク指令と比較して電圧指令を計算し、電圧変換手段１３により第１の電力変換装置１に対する指令を求め、第１の電力変換装置１より発電機３の端子電圧を制御することにより発電機の速度制御を行う。
図３は原動機にある一定の力が入力された時の発電機への入力トルクおよび出力と速度との関係を示す。速度制御を行う場合、速度制御手段の積分器により図３の入力トルクの符号を反転したトルク指令を出力して入力と出力がバランスするようにする。発電機の加速トルクはトルク指令と発電機への入力トルクの和となるので、速度指令と速度検出値との差分を基にトルク指令を演算し、加速時はトルク指令が増加する方向に調整する。入力トルクとトルク指令との和が正の場合、発電機は加速し、負の場合は減速する。
ところが、図３のトルクが最大となる点よりも低い速度では、従来の速度制御方法では前記発電機への入力トルクが速度の変化に従って増減するため、速度制御の応答特性が減速し易く加速し難くなり、制御としては不安定になる。図３のトルクが最大となる点よりも高い速度では、加速しやすく減速し難いが安定的な制御は可能である。
発電装置から出力される電力が変化した場合に発電機の発生電力を制御するためには速度制御が必要になる。このため速度制御が安定する領域で発電機の発生電力を制御するように通常は図３の出力が最大となる点以上の速度で制御を行うようにしていて、図３の出力が最大となる点以下で制御する場合、出力の最大点における速度はトルクの最大点における速度よりも大きいため、速度応答特性がトルクの最大値付近で大きく変わり安定的に制御するのは難しかった。

しかしながら、従来の発電機の速度制御方法では、発電装置からの出力が少ない場合に発電機の発生トルクを減少させるために回転数を上げるため、原動機に対して過度のストレスを与えてしまうとともに、永久磁石形内蔵の発電機では回転数の上昇に従って誘起電圧が高くなるため、電力変換装置を破壊する恐れがあるという問題点があった。そのため高速回転における原動機の強度を十分に強くするか、発電機への入力を調整する装置を設ける必要があった。水力発電装置においては入力量の調整のための制御弁、風力発電機置では風力が大きい時に回転数が異常に上がるのを防止するためのブレーキ機構などを設ける必要があった。
本発明は、このような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、発電機の全速度領域で安定した速度制御を可能とし、出力変化時に発電機出力が最大となる点よりも低い速度で調整することにより、原動機へのストレスや電力変換装置の破壊を防止し、原動機への入力を調整する装置をも省略することができる発電機の速度制御方法および電力制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の電力を直流に変換する第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第１の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の速度制御方法において、前記発電機に接続される原動機のトルク−速度特性から得られる速度に対するトルクの傾きを基にして速度制御ゲインを変化させることにより、あらゆる速度領域で安定した速度制御特性を得るようにしたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記原動機のトルク−速度特性の前記発電機の速度ωにおける接線の傾きＫｔと速度制御ゲインＫｖと速度指令ωrefとから
ωref ＞ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ− Ｋｔ
ωref ＜ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ＋ Ｋｔ
により修正した速度制御ゲインＫｖ´を求め、前記Ｋｖ´を用いて速度制御を行うことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の電力を直流に変換する第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記電力変換手段により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の出力制御方法において、前記発電機により発電する電力が前記第２の電力変換装置から出力される電力を上回った時、前記発電機の速度指令を下げることにより前記発電機により発電する電力が前記第２の電力変換装置から出力する電力と一致するように制御することを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記第１の電力変換装置と前記第２の電力変換装置の間に、スイッチング素子と抵抗器からなる制動回路を設け、減速によって生じる余分なエネルギーを前記制動回路により消費するように制御することを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記制動回路は、制動開始レベルと制動停止レベルの設定値を備え、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧が前記制動開始レベルを超えたときに動作を開始し、前記直流電圧が前記制動停止レベルよりも小さくなった時に動作を停止することを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記第２の電力変換装置の出力電力を前記電力変換装置の出力電流と出力電圧との積により求め、前記出力電力と原動機の速度−出力特性から前記発電機の発生電力が前記出力電力に一致する速度のうち低い速度を選択することを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、前記発電機により発電する電力を前記第１の電力変換装置から出力される電流と電圧の積または前記発電機の速度とトルク指令の積により計算し、前記第２の電力変換装置から出力される電力を前記電力変換装置の出力電流と出力電圧との積により求めて、電力の差から速度指令の修正量を求めることを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記発電機により発生する電力と前記第２の電力変換装置から出力される電力との差を、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧の変化により算出して速度指令の修正量を演算することを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記発電機により発生する電力と前記第２の電力変換装置から出力される電力との差を、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧の変化と、前記制動回路で消費された電力とから算出して速度指令の修正量を演算することを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、前記発電機の回転速度検出値と原動機の速度−トルク特性により速度制御ゲインを変更することを特徴としている。

本発明によれば、速度制御ゲインを原動機の特性に従って変化させることにより、発電機のあらゆる速度領域における速度応答特性を調整し、すべての領域で安定的な速度制御が可能になるという効果がある。
また、出力変化時に発電機出力が最大となる点よりも低い速度で調整することで、原動機へのストレスや電力変換装置の破壊を防止できる安全な出力制御が可能になると共に、原動機への入力を調整する装置も省略できるという効果がある。

以下、本発明の発電機の制御方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の発電機の速度・電力制御方法を実施する発電装置の構成図である。
図１において、第１の電力変換回路（コンバータ部）１および第２の電力変換回路（インバータ部）２はスイッチング素子と整流素子から構成される。水車や風車などの原動機をギアなどの機構を介して発電機３に接続することにより回転エネルギーを発電機３に与え、発電機３は入力した回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機３により発生した電力は、第１の電力変換手段（コンバータ部）１を通してコンバータの位相制御等によるスイッチングにより直流に変換されてコンデンサ１ｃにより平滑化し、第２の電力変換装置（インバータ部）２により適切な出力波形に整形して出力する。出力電圧制御手段６はＰＷＭインバータ制御等によるスイッチングにより出力に対して適切な電圧周波数になるように制御を行う。
発電機制御手段５は、速度検出手段４により発電機３の速度を取り込み、電流検出手段７により発電機３の電流を取り込み、発電機３の速度制御およびトルク制御演算を行い、第１の電力変換手段１に対して電圧指令を与えることにより発電機３の速度・トルク制御を行う。
なお、こうした発電機３に対する速度・トルク制御データは、例えば、永久磁石型発電機等においては発電機３の補助巻線にフィードバックされて、励磁、位相制御等が行われる。

図２は、本発明における速度制御ブロック図である。図１０に示した従来の速度制御に対して、例えば、図３のような原動機の出力特性データ１６と速度検出値とトルク指令から原動機の出力特性データ１６に基づいて速度制御手段の制御ゲインを演算し、速度制御ゲインを変更する速度制御ゲイン修正手段１５を追加している。速度制御ゲイン修正手段では、前記原動機の出力特性データ１６から発電機３の速度検出手段４の検出値ωにおけるトルク変化量から、図４に示す、トルク／速度の関係Ｋｔを求め、速度制御ゲインＫｖと速度指令ωrefとから
ωref ＞ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ− Ｋｔ
ωref ＜ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ＋ Ｋｔ
により速度制御ゲインを修正する。
ここでＫｔは原動機の出力特性が、トルクをＴ，速度をωとした時に
Ｔ＝ｆ(ω)
で表される場合、その速度による微分、
Ｋｔ＝ｄＴ／ｄω ＝ ｄｆ(ω)／ｄω
からあらかじめ計算して、加速度制御の概念を導入して安定制御を行うこともできる。
図４に図３の特性の原動機のＫｔの変化を示す。

このＫｖ´を用いて速度制御を行うことによって全速度領域で一定の速度応答特性として安定化させることができる。全ての速度領域での安定した速度制御が可能となれば、出力を低い回転数で調整することが可能となるため、発電機３により発電する電力が第２の電力変換装置（インバータ部）２から出力される電力を上回った時、発電機３の速度指令を下げることにより発電機３により発電する電力が第２の電力変換装置（インバータ部）２から出力する電力と一致するように制御し、速度を上昇させることなく発電機の出力制御を行うことができる。
また、この時、減速によって発生する回生エネルギーが第１の電力変換装置（コンバータ）１の出力に設置されているコンデンサ１ｃの電圧が高く、コンデンサ１ｃの容量が十分大きくない場合に、過度に電圧が上昇してコンデンサ１ｃを破壊する場合がある。
これを防止するため、後で詳述する図７に示すようなスイッチング素子と抵抗器によって構成される制動回路２５を設け、回生エネルギーを消費するように考慮する。スイッチング素子は、直流電圧の大きさに従って制御し、直流電圧がある設定した範囲内に入るように制御する。その速度指令は第２の電力変換装置（インバータ部）２からの出力電力を演算し、原動機の速度−出力特性から得られる２点の速度の内の低い方を速度指令とすることで速度を上昇させることなく、電力のバランスを制御することができる。

また、原動機の速度―出力特性のデータが実際と異なる場合は正常な電力の制御が出来ないという問題があるため、発電機３の発生する電力と第２の電力変換装置（インバータ部）２からの出力電力との差から速度指令を修正する方法により解決を図る。発電機３により発電する電力は第１の電力変換装置（コンバータ部）１から出力される電流と電圧の積または発電機３の速度とトルク指令の積により計算し、第２の電力変換装置（インバータ部）２からの出力電力は電力変換装置２の出力電流Ｉ０と出力電Ｖ０圧との積により求め、この出力電力と発電機３により発電する電力との差を求める。
あるいは、電力のバランスが崩れた場合は、直流母線にあるコンデンサ１ｃに充電されるため、発電機３により発生する電力と第２の電力変換装置（インバータ部）２から出力される電力との差を、第１の電力変換装置（コンバータ部）１により変換された直流電圧の変化から算出することもできる。この場合に、制動回路２５を設けた場合は、直流電圧の変化と同時にその制動回路２５で消費される電力を計算することによって算出する。

次に、以上述べたような速度制御を適用した発電機制御手段５と出力電圧制御手段６による電力制御について、具体的に図５に示す出力制御方法を説明する制御ブロック図を用いて説明する。
出力電力演算手段２１は出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとから出力電力を演算し、電力バランス制御手段２２は前記出力電力と原動機３の出力特性データ１６とから速度指令ω^*を演算する。
電力バランス制御手段２２では、出力電力量に一致する２点の速度の内、速度が低い方を選択して速度指令とする。原動機３の出力特性データ１６と実際の原動機との誤差がない場合はこの方法で制御が可能である。原動機３の出力特性データに誤差があったり回路による損失などの外乱がある場合、原動機３の特性データ１６と実際の特性とは異なり、その誤差が大きいと正常に電力制御が出来ない場合がある。これに対応するため、第２の電力変換回路（インバータ部）からの出力電力と発電機３が発生する電力との差分から速度の修正量を求めて速度指令を修正することにより、安定的に電力制御を行うことが可能となる。
図６に電力偏差による電力制御の制御ブロック図を示す。
出力電力演算手段出２１により第２の電力変換手段（インバータ部）２からの出力電力は図５と同様にして出力電流Ｉ₀と出力電圧Ｖ₀とから計算し、発電機発生電力演算手段２３により発電機の発生する電力を発電機のトルクと発電機速度から演算し、速度指令修正量演算手段２４により求めた出力電力と発電機発生電力の差分から速度の修正量Δω*を求め、これを前回の速度指令に加算して今回の速度指令ω^*を求める。発電機３の発生電力は、発電機の電流と電圧から求めても同様の結果が得られる。

また電力の偏差は第１の電力変換回路（コンバータ部）１の出力電圧の変化量からも計算できる。第１の電力変換回路（コンバータ部）１の出力に取り付けられたコンデンサの容量と電圧の変化から電力の変化量を算出し、図６の速度指令修正量演算手段２４に入力することで、同様な結果を得ることができる。
第２電力変換回路（インバータ部）２からの出力電力が急激に減少した場合、速度制御の応答遅れによりコンデンサ１ｃの電圧が大きくなりコンデンサ１ｃを破壊する恐れがある。また、原動機のイナーシャが大きい場合にも減速時の回生電力が大きくなるため、同様にコンデンサ１ｃの電圧が大きくなる場合がある。これを防止するため、一時的に電力を逃がすための抵抗器を接続する。図７に抵抗器を接続したブロック図を示す。制動回路２５はスイッチング素子と抵抗器から構成され、直流電圧が上昇した時にスイッチング素子を動作させ抵抗器に電流を流して電力を消費させ、過度に直流電圧が上昇するのを防止することができる。ただし、制動回路２５を入れた場合、電力の変化量はコンデンサ１ｃの容量と電圧の変化に加え、制動回路２５で消費される電力を加算した値を電力偏差として使用する。

本発明の発電機の速度制御方法、電力制御方法を適用する発電装置の構成を示す図である。 本発明の速度制御方法を示すブロック図である。 本発明を適用する原動機の特性例を示す図である。 本発明を適用する原動機の特性例の速度―トルク変化量を示す図である。 本発明の電力制御方法を示す制御ブロック図である。 本発明の電力偏差による電力制御方法を示す制御ブロック図である。 本発明の過電圧保護を搭載し発電装置の構成を示す図である。 従来の水力発電所の自動負荷調整装置のブロック図である。 従来の発電機駆動装置の構成図である。 従来の速度制御方法を示すブロック図である。

符号の説明

１ 第１の電力変換回路
１ｃ コンデンサ
２ 第２の電力変換回路
３ 発電機
４ 速度検出手段
５ 発電機制御手段
６ 出力電圧制御手段
７ 電流検出手段
１１ 速度制御手段
１２ トルク制御手段
１３ 電圧変換手段
１４ 電流変換手段
１５ 速度制御ゲイン修正手段
１６ 原動機の出力特性データ
２１ 出力電力演算手段
２２ 電力バランス制御手段
２３ 発電機発生出力演算手段
２４ 速度指令修正量演算手段
２５ 制動回路

Claims (10)

1. 回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の電力を直流に変換する第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第１の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の速度制御方法において、
   前記発電機に接続される原動機のトルク-速度特性から得られる速度に対するトルクの傾きを基にして速度制御ゲインを変化させることにより、あらゆる速度領域で安定した速度制御特性を得るようにしたことを特徴とする発電機の速度制御方法。
2. 前記原動機のトルク−速度特性の前記発電機の速度ωにおける接線の傾きＫｔと速度制御ゲインＫｖと速度指令ωrefとから
   ωref ＞ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ− Ｋｔ
   ωref ＜ ω の時 Ｋｖ´＝ Ｋｖ＋ Ｋｔ
   により修正した速度制御ゲインＫｖ´を求め、前記Ｋｖ´を用いて速度制御を行うことを特徴とする請求項１記載の発電機の速度制御方法。
3. 回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の電力を直流に変換する第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記電力変換手段により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の出力制御方法において、
   前記発電機により発電する電力が前記第２の電力変換装置から出力される電力を上回った時、前記発電機の速度指令を下げることにより前記発電機により発電する電力が前記第２の電力変換装置から出力する電力と一致するように制御することを特徴とする発電機の出力制御方法。
4. 前記第１の電力変換装置と前記第２の電力変換装置の間に、スイッチング素子と抵抗器からなる制動回路を設け、減速によって生じる余分なエネルギーを前記制動回路により消費するように制御することを特徴とする請求項３記載の発電機の出力制御方法。
5. 前記制動回路は、制動開始レベルと制動停止レベルの設定値を備え、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧が前記制動開始レベルを超えたときに動作を開始し、前記直流電圧が前記制動停止レベルよりも小さくなった時に動作を停止することを特徴とする請求項４記載の発電機の出力制御方法。
6. 前記第２の電力変換装置の出力電力を前記電力変換装置の出力電流と出力電圧との積により求め、前記出力電力と原動機の速度−出力特性から前記発電機の発生電力が前記出力電力に一致する速度のうち低い速度を選択することを特徴とする請求項３または請求項４記載の発電機の出力制御方法。
7. 前記発電機により発電する電力を前記第１の電力変換装置から出力される電流と電圧の積または前記発電機の速度とトルク指令の積により計算し、前記第２の電力変換装置から出力される電力を前記電力変換装置の出力電流と出力電圧との積により求めて、電力の差から速度指令の修正量を求めることを特徴とする請求項３または請求項４記載の発電機の出力制御方法。
8. 前記発電機により発生する電力と前記第２の電力変換装置から出力される電力との差を、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧の変化により算出して速度指令の修正量を演算することを特徴とする請求項３記載の発電機の出力制御方法。
9. 前記発電機により発生する電力と前記第２の電力変換装置から出力される電力との差を、前記第１の電力変換装置により変換された直流電圧の変化と、前記制動回路で消費された電力とから算出して速度指令の修正量を演算することを特徴とする請求項４記載の発電機の出力制御方法。
10. 前記発電機の回転速度検出値と原動機の速度−トルク特性により速度制御ゲインを変更することを特徴とする請求項３記載の発電機の出力制御方法。

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