JP2006223047A

JP2006223047A - 可変速電源装置

Info

Publication number: JP2006223047A
Application number: JP2005033813A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Miyazaki; 勝利宮崎
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】原動機で誘導発電機を回転し、発電した電力を系統に供給する電源装置において、小型化のために調速機を付けない場合、誘導発電機の速度が系統の周波数より低下すると、誘導発電機は発電せずに駆動負荷となってしまう。
誘導発電機に交直変換器と直交変換器を接続し、交直変換器の周波数設定値を原動機の最低回転数に設定すれば、誘導発電機は駆動負荷とならずに発電する。しかし、原動機の回転数が上昇すると、周波数設定値との差が大きくなり、交直変換器に過大な電流が流れてしまう。
【解決手段】原動機，誘導発電機，交直変換器，直交変換器で構成し、系統に電力を供給する電源装置において、
原動機又は誘導発電機の速度を検出する速度検出器と、速度から誘導発電機の周波数設定値ＦとＶ／Ｆ設定値で交直変換器を制御する速度演算装置を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、調速機が無く速度変化が大きい水車や風車などの原動機により誘導発電機を回転し、発電した電力を電力系統に連系して発電した電力を供給する電源装置に関する。

風力発電機を可変速制御する電源装置として、特許文献１がある。これは、発電機出力と風車の速度を比較して変換器が誘導発電機をすべり周波数制御し、風車の速度からＶ／Ｆ設定により変換器を制御するとともに、出力電圧の位相制御や風車のブレードのピッチ角制御等のフィードバック制御も行うものである。
特開昭６２−１２３９９７

水車や風車などの原動機により誘導発電機を回転し、発電した電力を電力系統に連系して発電した電力を供給する電源装置において、調速機が無い場合、誘導発電機の速度は原動機の駆動トルクと負荷側容量に大きく影響される。この速度が電力系統の電源周波数より低下した場合、誘導発電機は発電せずに駆動負荷となり、系統電力を消費してしまう。

上記の原動機に調速機を取り付ける場合、設置スペースが必要となり、小型の装置では設置スペースを確保できないこともあり、さらに装置の駆動力伝達機構も複雑となり、故障頻度が高まり、保守費も増大する。

前記の電源装置において、誘導発電機と電力系統との間に交直変換器と直交変換器を有する電力変換器を接続し、交直変換器の周波数設定値を原動機の最低回転数程度に設定すれば、誘導発電機は駆動負荷とならずに発電する。しかし、運転中に原動機の回転数が上昇すると、設定した周波数との差が大きくなり、過大な電流が流れてしまうことや、原動機が誘導発電機からの制動トルクが無くなるため、無拘束速度まで上昇してしまう。これらの対策として、電力変換器の大容量化と機械強度の強化が必要となり、高コストとなってしまう。
また、上記の電力変換器を接続する電源装置においては、誘導発電機が駆動負荷とならないようにフィードバック制御を行う方式が一般的である。この方式の場合、装置内の直流電流や系統電力など種々の検出値から周波数設定値を決定するため、原動機に外乱が発生して急峻に速度や駆動トルクが変化した時には制御が追従できない問題を有している。

本発明の目的は、調速機を使わず、通常の機械強度の原動機と誘導発電機、および通常の過負荷耐量の電力変換器で構成し、原動機の速度または駆動トルクが急峻に変化した場合でも、常に電力系統に連系して電力供給する手段を提供することにある。

本発明の第一は、原動機，誘導発電機，交直変換器及び，直交変換器の順に接続し、直交変換器を電力系統に連系して発電した電力を供給する電源装置において、
前記交直変換器をスイッチング素子で構成すると共に、前記原動機または誘導発電機の速度を検出する速度検出器と、検出した速度から同期周波数より低い周波数となる周波数設定値を演算する速度演算装置を設け、前記周波数設定値を速度演算装置の出力信号で前記交直変換器のスイッチング素子を制御するよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の第二は、前記周波数設定値は、同期周波数より３〜５％低い周波数であることを特徴とするものである。

本発明の第三は、前記速度検出器は、前記周波数設定値が可変する際、任意の周波数以下で電圧設定値と周波数設定値との比（以下、Ｖ／Ｆ設定値）が一定となるよう前記交直変換器の入力電圧を制御することを特徴とするものである。

本発明の第四は、前記原動機は流体（水力，風力等）駆動で、前記速度検出器は原動機からの流体流路に接続し、原動機を回転させる流体の流量を検出する流量検出器であることを特徴とするものである。

本発明の第五は、前記原動機は流体（水力，風力等）駆動で、前記速度検出器は原動機からの流体流路に接続し、原動機を回転させる流体の圧力を検出する圧力検出器であることを特徴とするものである。

以上のとおり、本発明によれば、原動機の速度が大幅に低下する場合でも、誘導発電機は交直変換器の周波数設定値より高い速度で回転するため、常に発電し、電力系統の駆動負荷となり電力を消費することはない。

また、交直変換器は、常に誘導発電機の周波数より僅かに低い周波数設定値であるため、過大な電流は流れず大容量化は不要となる。また、誘導発電機の制動トルクによって、原動機が無拘束速度まで上昇することはなく、機械強度の強化も不要となる。

さらに、調速機が不要となるため、装置の駆動力伝達機構が単純・小型となり、保守も容易となる。その他に装置の小型化により設置空間も小さくなり、設置の自由度が増す。

また、複雑なフィードバック制御を行わないため、原動機の回転数が外乱によって急峻に変化した時でも即座に追従するので、可変速する原動機が発電した電力を電力系統に連系して常に電力供給することが出来る。

図１は本発明の構成図である。原動機１は誘導発電機２に機械的に接続し、トルク伝達による駆動力で交流電力を発電する。誘導発電機２は、交流を直流に変換する交直変換器３と、変換された直流を系統周波数の交流に変換する直交変換器４を電気的に接続して電力系統５に連係し、発電した電力を電力系統に供給する。電力変換器を構成する交直変換器３と直交変換器４は、それぞれＩＧＢＴ等のスイッチング素子等で構成されている。速度検出器７は、原動機１または誘導発電機２の速度（回転数）を検出して速度演算装置８に出力する。速度演算装置８は、交直変換器３への指令信号を発生するもので、入力した速度から周波数設定値Ｆ＝回転数ｎ−[回転数ｎ×３〜５％]と任意の周波数以下ではＶ／Ｆ設定値が一定となる電圧Ｖを演算し、前記指令信号を交直変換器３に出力する。したがって、交直変換器３は、誘導発電機２の回転数より常に３〜５％程度低い周波数となるよう制御される。

上記のように構成された電源装置において、原動機１は誘導発電機２を回転させ、誘導発電機２は交流電力を発生し、交直変換器３で一旦、直流に変換し、直交変換器４で再度、商用周波数の交流に変換して発電した電力を電力系統５に連系して供給する。その際、速度検出器７は、原動機１または誘導発電機２の速度を検出して速度演算装置８に入力する。速度演算装置８は、入力した速度から同期周波数より３〜５％低くなるような周波数設定値Ｆを決定して、Ｖ／Ｆ設定値により交直変換器３の入力電圧を制御する。これにより、原動機１の回転数の変動が大きくても、誘導発電機２は常に追従するので駆動負荷とならず発電することができる。

図２は、本発明の第二の実施例である。図１との相違は、速度検出器７が流量検出器７ａに置き替わり、流体駆動する原動機１からの流体通路９に接続して流量を検出する点である。流量検出器７ａは検出した原動機１からの流体の流量を速度演算器８に入力し、速度演算器８は入力した原動機１の流体流量から誘導発電機２の速度を導出し、第一の実施例と同様に周波数値とＶ／Ｆ設定値で交直変換器３を制御する。

図３は、本発明の第三の実施例である。図１との相違は、速度検出器７が圧力検出器７ｂに置き替わり、流体駆動する原動機１からの流体通路９に接続して圧力を検出する点である。圧力検出器７ｂは検出した原動機１からの流体の圧力を速度演算器８に入力し、速度演算器８は入力した原動機１の流体圧力から誘導発電機２の速度を導出し、第一の実施例と同様に周波数値とＶ／Ｆ設定値で交直変換器３を制御する。

本発明の実施形態を示す構成図。（第一の実施例）本発明の他の実施形態を示す構成図。（第二の実施例）本発明の他の実施形態を示す構成図。（第三の実施例）

符号の説明

１… 原動機
２… 誘導発電機
３… 交直変換器
４… 直交変換器
５… 電力系統
６… 系統電源
７… 速度検出器
７ａ… 流量検出器
７ｂ… 圧力検出器
８… 速度演算装置
９… 流体通路

Claims

原動機，誘導発電機，交直変換器及び，直交変換器の順に接続し、直交変換器を電力系統に連系して発電した電力を供給する電源装置において、
前記交直変換器をスイッチング素子で構成すると共に、前記原動機または誘導発電機の速度を検出する速度検出器と、検出した速度から同期周波数より低い周波数となる周波数設定値を演算する速度演算装置を設け、前記周波数設定値を速度演算装置の出力信号で前記交直変換器のスイッチング素子を制御するよう構成したことを特徴とする可変速電源装置。
前記周波数設定値は、同期周波数より３〜５％低い周波数であることを特徴とする請求項１記載の可変速電源装置。
前記速度検出器は、前記周波数設定値が可変する際、任意の周波数以下で電圧設定値と周波数設定値との比が一定となるよう前記交直変換器の入力電圧を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の可変速電源装置。
前記原動機は流体駆動で、前記速度検出器は原動機からの流路に接続し、原動機を回転させる流体の流量を検出する流量検出器であることを特徴とする請求項１乃至３記載の可変速電源装置。
前記原動機は流体駆動で、前記速度検出器は原動機からの流路に接続し、原動機を回転させる流体の圧力を検出する圧力検出器であることを特徴とする請求項１乃至３記載の可変速電源装置。