JP2006141112A - 水車発電システム及びインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機設置時の誤配線等による羽根車の逆回転が発生しても、永久磁石の減磁を防ぐ保護手段を有する水力発電システム及びインバータを提供する。
【解決手段】 水車２と、水車２で駆動される永久磁石同期発電機３と、発電機３の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータ４を有する水力発電システムにおいて、インバータ４は、発電機３の出力を基に発電機３の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、発電制御を中止７する、又は、設定回転方向と逆方向となる回転制御１８を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ水力発電の中の永久磁石同期発電機を有する水力発電システムに関する。

近年、新エネルギーとして発電量が１００ｋＷｈ以下程度のマイクロ水力発電が注目されている。従来の水車はガバナ機構でガイドベーンを操作し水車の運転制御を行っているが、この構造は複雑で高価であるためマイクロ水車には適用できない。言い換えるとガバナ機構を持たない、小形、安価なことがマイクロ水車の特徴となっている。しかしながら、速度制御機能をもっていないため、マイクロ水車は一つの仕様点でのみの稼動となるため、流量変化がある水資源には適用できないという欠点があった。これを改善する技術として、特許文献１（水車発電機の自動運転制御装置）がある。この技術は水車と水車で駆動される永久磁石同期発電機と、この発電機の回転速度を制御するインバータで構成されている。このインバータは水車の流量の変化に対応して発電機の回転速度を制御するので、水車は常に最適な運転状態が維持できるとともに、運転領域が広がるという特長がある。この運転方法は最適運転制御可変速発電システムと呼ばれている。
特開２００４−１８３６１８号公報

最適運転制御可変速発電システムの永久磁石同期発電機は、一般に三相交流式が用いられる。発電機設置時に三相を取り違えて配線すると、インバータからの速度指令は逆回転方向となり、水車の羽根車を逆転させる。このとき水車の作動流体である水の密度は、風車の作動流体である空気の密度の１０００倍であるため、羽根車に大きな慣性力が作用する。その結果、インバータの過電流トリップ機能でも対応できない速度で過大な電流が発電機のステータに流れて、その電流により発生する反磁界により永久磁石の磁束は失われる。反磁界を取り除くと磁束は部分的にしか回復することがなく、この現象は減磁と呼ばれている。一旦減磁すると、発電効率が大幅に低下し問題となるだけでなく、その減磁レベルによっては制御不能な状態に陥ってしまう。なお、水車の羽根車が何らかの理由で逆回転しても同様である。

本発明の目的は、発電機設置時の誤配線等による羽根車の逆回転が発生しても、永久磁石の減磁を防ぐ保護手段を有する水力発電システム及びインバータを提供することである。

本発明は、水車と、該水車で駆動される永久磁石同期発電機と、該発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータを有する水力発電システムにおいて、前記インバータは、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、発電制御を中止する水力発電システムである。

また、本発明は、水車と、該水車で駆動される永久磁石同期発電機と、該発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータを有する水力発電システムにおいて、前記インバータは、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、前記設定回転方向と逆方向となる回転制御を行う水力発電システムである。

そして、本発明は、発電電力を電源に帰還させる系統連系装置を有する水力発電システムである。

更に、本発明は、水車で駆動される永久磁石同期発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータにおいて、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、発電制御を中止するインバータである。

また、本発明は、水車で駆動される永久磁石同期発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータにおいて、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、前記設定回転方向と逆方向となる回転制御を行うインバータである。

本発明によれば、発電機設置時の誤配線等による羽根車の逆回転が発生しても、永久磁石の減磁を防ぐ保護手段を有する水力発電システム及びインバータを得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の水車発電システム及びインバータの実施例について、図１〜図６により説明する。最良の形態は実施例１である。

実施例１を説明する。図１は実施例１のシステム系統及び回路図である。２は、水の位置エネルギーによって運転する配管１に設けられた水車、３は該水車の発生するトルクで運転し発電する永久磁石同期発電機である。入口圧力センサ１２の出力信号１４と出口圧力センサ１３の出力信号１５をインバータ４の圧力演算器５に入力し、圧力演算器５で水車入口及び出口の圧力差を求める。インバータ４は、圧力演算器５、運転指令器（回転中止指令有り）７、回転速度指令生成器８、電力変換器９、回転方向・回転速度検出器１１、コンデンサ１７等を備えており、発電機３の端子Ｕ，Ｖ，Ｗと接続しており、発電機３の回転速度を、水車１の発生するトルクによる回転速度より小さい回転速度になるよう回転制御して発電制御を行う。発電電力は、インバータ４の回生制御によりフライホイルダイオード１６を通して取り込まれ、Ｐ，Ｎ間に直流電力１０として蓄えられる（コンデンサ１７に溜まる。例えば発電機の発生電圧がＡＣ２００Ｖであれば、インバータＰ，Ｎ間電圧（直流電圧）は２８０Ｖとなる。）。発電機３で発生した電力は、インバータ４の直流端子Ｐ，Ｎより、負荷（インバータ）６に直流送電される。

発電機３の回転方向と回転速度は、回転方向・回転速度検出器１１により検出される。検出方法としては、発電機３の出力電圧の波形等を基に行われる。ここで検出した回転方向と回転速度の情報は、運転指令器７に渡され、運転指令器７で運転可否の判断を行なった後に、目標回転速度又は回転中止等の運転指令が回転速度指令生成器８に入力される。回転速度指令生成器８は、目標回転速度又は回転中止等の運転指令を受け、現在の回転速度から目標の回転速度となるよう一連の回転速度指令又は回転中止指令等を生成し、電力変換器９に出力する。電力変換器９は、受取った回転速度指令又は回転中止指令により発電機３の回転速度を制御する。なお、発電機３の回転方向をインバータ４の外部で検出し、検出した回転方向の情報に基づいて、インバータ４が発電機３の回転速度の制御等を行うことは可能である。

本実施例の水車発電システムにおける運転制御方法の一例をフローチャートで図２に示す。発電運転を開始する際に、まず回転方向・回転速度検出器１１で発電機３の回転方向と回転速度を検出し（Ｓ１０１）、回転方向が正方向（回転制御における設定回転方向）であるか判断する（Ｓ１０２）。検出した回転方向が正回転の場合には、運転指令器７が正回転の運転指令を回転速度指令生成器８に出力し（Ｓ１２１）、現在の回転速度から目標の回転速度まで発電機の回転速度を制御するように電力変換器９で周波数制御を行い（Ｓ１２２）、以後、発電制御を行う（Ｓ１２３）。一方、検出した回転方向が逆回転（回転制御における設定回転方向と逆方向）の場合には、運転指令器７が回転中止指令を回転速度指令生成器８に対して出力し（Ｓ１１１）、警報信号を出力し（Ｓ１１２）、発電運転は行わない。

実施例１の水車発電システムにより、発電制御開始時等に発電機の回転方向の正逆の判断が可能となり、発電機が配線逆接続等による逆回転時には発電制御を行わないようにすることができ、発電機に使用している永久磁石の減磁を回避することができる。

実施例２を説明する。図３は実施例２のシステム系統及び回路図である。構成機器の動作は実施例１と同様であり、相違する点を主に説明する。本実施例では、検出した回転方向が逆回転（回転制御における設定回転方向と逆方向）の場合には、運転指令器（逆回転指令有り）１８が逆回転指令（設定回転方向と逆方向となる回転制御）を回転速度指令生成器８に対して出力し、電力変換器９が逆回転の周波数制御を行うものである。

実施例２における運転制御フローチャートの一例を図４に示す。発電運転を開始する際に、まず回転方向・回転速度検出器１１で発電機３の回転方向と回転速度を検出し（Ｓ２０１）、回転方向が正方向（回転制御における設定回転方向）であるか判断する（Ｓ２０２）。検出した回転方向が正回転の場合には、運転指令器７が正回転の運転指令を回転速度指令生成器８に出力し（Ｓ２２１）、現在の回転速度から目標の回転速度まで発電機の回転速度を制御するように電力変換器９で周波数制御を行い（Ｓ２２２）、以後、発電制御を行う（Ｓ２２３）。一方、検出した回転方向が逆回転（回転制御における設定回転方向と逆方向）の場合には、運転指令器７が逆回転指令を回転速度指令生成器８に対して出力し（Ｓ２１１）、次にステップＳ２２２に進んで正回転時と同様に目標の回転速度までの回転速度制御を行い、以後、発電運転を行う（Ｓ２２３）。

本実施例の水車発電システムにより、発電機３とインバータ４間の配線接続が逆接続になっていたとしても、その接続に合わせた回転方向にインバータ４は周波数制御を行い、発電機３は正常に発電運転を行うことができ、発電機３に使用している永久磁石の減磁を回避することができる。

実施例３を説明する。図３は実施例３のシステム系統及び回路図である。本実施例では、実施例１と比較して、負荷（インバータ）６の代わりとして、系統連系装置１９としたもので、動作及び効果は実施例１と同じであり、その説明は省略する。

実施例４を説明する。図４は実施例４のシステム系統及び回路図である。本実施例では、実施例２と比較して、負荷（インバータ）６の代わりとして、系統連系装置１９としたもので、動作及び効果は実施例２と同じであり、その説明は省略する。

以上実施例で説明したように、本発明によれば、発電機とインバータとの間の配線を２相取り違えて接続した時や、水車の入口出口を逆に設置してしまい水車を流れる作動流体の向きが逆になり羽根車を逆回転させる場合等でも、誤配線、誤設置をした際に発生する逆回転の電圧波形を、発電制御を開始する前等に検出することができるので、永久磁石同期発電機に過大な電流が流れることがない。これにより、発電機の永久磁石は減磁することがなく、発電効率低下及び制御不能状態を防止できる。また、減磁した際に工場に持ち帰り修理という大掛かりな作業を回避することができる。それと同時にインバータやこれらを制御する制御装置に流れる過大な電流を防止でき、過電流による機器の損傷を防止することができる。なお、本発明は、風力発電システムにも利用可能である。

実施例１の水力発電システムのシステム系統及び回路図。 実施例１、３の水力発電システムにおける発電制御の一例のフローチャート図。 実施例２の水力発電システムのシステム系統及び回路図。 実施例２、４の水力発電システムにおける発電制御の一例のフローチャート図。 実施例３の水力発電システムのシステム系統及び回路図。 実施例４の水力発電システムのシステム系統及び回路図。

符号の説明

１…水配管
２…水車
３…発電機
４…インバータ
５…圧力演算器
６…負荷（インバータ）、
７…運転指令器（回転中止指令有り）
８…回転速度指令生成器
９…電力変換器
１０…直流電力
１１…回転方向・回転速度検出器
１２…入口圧力センサ
１３…出口圧力センサ
１４…入口圧力センサ出力信号
１５…出口圧力センサ出力信号
１６…フライホイルダイオード
１７…電解コンデンサ
１８…運転指令器（逆回転指令有り）
１９…系統連系装置

Claims (5)

1. 水車と、該水車で駆動される永久磁石同期発電機と、該発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータを有する水力発電システムにおいて、
   前記インバータは、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、発電制御を中止することを特徴とする水力発電システム。
2. 水車と、該水車で駆動される永久磁石同期発電機と、該発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータを有する水力発電システムにおいて、
   前記インバータは、前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、前記設定回転方向と逆方向となる回転制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
3. 発電電力を電源に帰還させる系統連系装置を有する請求項１又は２に記載の水力発電システム。
4. 水車で駆動される永久磁石同期発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータにおいて、
   前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、発電制御を中止することを特徴とするインバータ。
5. 水車で駆動される永久磁石同期発電機の回転速度を計測して回転制御し発電制御するインバータにおいて、
   前記発電機の出力を基に該発電機の回転方向を検出するとともに、検出した回転方向が回転制御における設定回転方向と逆方向であると、前記設定回転方向と逆方向となる回転制御を行うことを特徴とするインバータ。

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