JP2006246552A

JP2006246552A - 力率調整装置及び発電装置

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Publication number: JP2006246552A
Application number: JP2005054422A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Matsushita; 崇俊松下; Yoshinori Teramoto; 嘉則寺本; Tsuyoshi Wakasa; 強志若狭
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】同期速度が不安定な誘導発電機に対しても適用可能であるとともに、簡素な構成により、誘導発電機の一次側の力率を容易に調整することができる力率調整装置及び発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】誘導発電機の力率を調整する力率調整装置であって、誘導発電機の二次側に、第１のスイッチング素子を介して接続されるコンデンサと、誘導発電機の二次側に、第２のスイッチング素子を介して接続されるとともに、コンデンサと並列に接続されるリアクトルと、誘導発電機の一次側の出力に応じて、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子をそれぞれ制御する制御部とを具備する力率調整装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導発電機の発電電力の力率を調整する力率調整装置に関するものである。

従来、例えば、水力発電装置、風力発電装置などの発電装置には、小型、軽量などの利便性から誘導発電機が多く採用されている。一般的に、上述のような自然エネルギーを利用した発電装置における誘導発電機の力率は、０．９前後と低い。このため、発電装置には、力率を調整するための力率調整装置が別途設けられている。
例えば、特開平７−２１３０９８号公報（特許文献１）には、誘導発電機の二次側の電流を制御して誘導発電機の発電電力を制御する力率調整装置が開示されている。
特開平７−２１３０９８号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、上記特許文献１に開示されている発明では、同期速度以上で運転される誘導発電機を前提に力率調整が行われている。従って、水力発電などのように、自然エネルギーの中でも人為的に水量を調整できる発電システムに対しては適用可能であるが、風力発電などのように、自然エネルギーが人為的に制御できず、そのために、必ずしも同期速度以上で誘導発電機を運転することができない発電システムに対しては、適用することができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、入力機械エネルギー（入力トルク）が不安定な誘導発電機に対しても適用可能であるとともに、簡素な構成により、誘導発電機の一次側の力率を容易に調整することができる力率調整装置及び発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、誘導発電機の力率を調整する力率調整装置であって、前記誘導発電機の二次側に、第１のスイッチング素子を介して接続されるコンデンサと、前記誘導発電機の二次側に、第２のスイッチング素子を介して接続されるとともに、前記コンデンサと並列に接続されるリアクトルと、前記誘導発電機の一次側の出力に応じて、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ制御する制御部とを具備する力率調整装置を提供する。

本発明によれば、誘導発電機の二次側に第１のスイッチング素子を介してコンデンサを接続するとともに、第２のスイッチング素子を介してリアクトルを接続する。このとき、コンデンサ及びリアクトルは、並列に接続される。そして、制御部は、誘導発電機の一次側の出力に応じて、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との開閉（オンオフ）をそれぞれ制御することにより、コンデンサやリアクトルを二次側に接続又は非接続の状態とする。これにより、二次側のインピーダンスを一次側の出力（例えば、力率や電力量など）に応じて変化させることが可能となるので、二次側の電流の位相、無効電力などを調整することが可能となる。この結果、ロータの見かけ上のインピーダンスを調整することが可能となるので、一次側の有効電力並びに無効電力の制御が可能となり、一次側の力率を改善させることができる。
上記誘導発電機は、例えば、ステータとロータとを備え、ロータ側である二次側に自然エネルギーを動力とする原動機が接続され、ステータ側である一次側に電力系統が接続されている。自然エネルギーとしては、例えば、風力、太陽光、水力などが挙げられる。特に、人為的にエネルギー量を調節することのできない発電装置に好適である。

上記記載の力率調整装置において、前記制御部は、前記一次側の力率が進んでいる場合には、前記第２のスイッチング素子のオン時間を長くするとともに、前記第１のスイッチング素子のオン時間を短くし、前記一次側の力率が遅れている場合には、前記第２のスイッチング素子のオン時間を短くするとともに、前記第１のスイッチング素子のオン時間を長くすることが好ましい。

このように、一次側の力率が進んでいる場合には、第２のスイッチング素子のオン時間を長くするとともに、第１のスイッチング素子のオン時間を短くすることにより、電流の位相を遅らせる。他方、一次側の力率が遅れている場合には、第２のスイッチング素子のオン時間を短くするとともに、第１のスイッチング素子のオン時間を長くすることにより、二次側の電流の位相を進ませる。これにより、誘導発電機の二次側であるロータに流れる電流の位相を適切に変化させることが可能となり、一次側の力率を一定に保つことができる。

また、本発明の力率調整装置は、発電装置に好適なものであり、この力率調整装置を採用することにより、誘導発電機により発電された電力を有効に利用することが可能となる。

本発明の力率調整装置によれば、入力機械エネルギー（入力トルク）が不安定な誘導発電機に対しても適用可能であるとともに、簡素な構成により、誘導発電機の一次側の力率を容易に調整することができる。

以下に、本発明にかかる力率調整装置を適用した風力発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る力率調整装置を適用した風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。
図１において、誘導発電機１は、ロータ軸２１により、原動機としての風車２に連結されている。この誘導発電機１は、ステータ１１とロータ１２とを備えて構成されている。ステータ側である一次側には、電力変換機を介して３相の電力系統４が接続されている。他方、ロータ側である二次側には、本実施形態に係る力率調整装置３が接続されている。
上記風車２のロータ軸２１には、誘導発電機１の回転数を検出する回転数検出器４０が設けられている。回転数検出器４０は、誘導発電機１のロータ１２の回転数（以下「発電機回転数」という。）を検出し、この発電機回転数を後述の制御器３４に出力する。
誘導発電機１の一次側には、電圧・電流計４１が設けられている。この電圧・電流計４１は、誘導発電機１の一次側の電圧及び電流を検出し、検出した電圧値及び電流値を制御器３４に出力する。

上記力率調整装置３は、コンデンサ３１とリアクトル３２と制御器３４とを備えて構成されている。コンデンサ３１は、誘導発電機１の二次側に、第１のサイリスタ（第１のスイッチング素子）ＳＣＲ１を介して接続されている。リアクトル３２は、誘導発電機の二次側に、第２のサイリスタ（第２のスイッチング素子）ＳＣＲ２を介して接続されるとともに、コンデンサ３１と並列に接続されている。
誘導発電機１と上記力率調整装置３との間には、スリップリング３３が接続されている。

制御器３４は、回転数検出器４０により検出された発電機回転数、並びに、電圧・電流計４１により検出された電圧値及び電流値に基づいて、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２、並びにスリップリング３３を制御する。
この制御器３４は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random
Access Memory）等から構成されている。後述の各種制御機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種制御機能が実現される。

上述の構成からなる風力発電装置において、風車２が風を受けて回転し、ロータ軸を介して誘導発電機１のロータ１２が回転されると、この回転量が電力に変換され、ステータ１１の一次巻線によって、電力系統４に電力が出力される。また、回転数検出器４０により定期的に発電機回転数が検出されて、この発電機回転数が制御器３４に出力されるとともに、電圧・電流計４１により一次側の電圧値及び電流値が定期的に検出されて、これらが力率調整装置３の制御器３４に出力される。

制御器３４は、これらの検出値に基づいて、以下のような力率調整制御を実現する。
まず、回転数検出器４０及び電圧・電流計４１から取得した発電機回転数並びに、一次側電圧値及び電流値に基づいて、有効電力、無効電力、力率、電力量などを算出する（図２のステップＳＡ１）。

次に、ステップＳＡ１において算出した力率（以下「実力率」という。）が、予め設定されている目標力率に対して進んでいるか、遅れているかを判断する（ステップＳＡ２）。
この結果、実力率が目標力率よりも進んでいる場合には、サイリスタＳＣＲ２のゲート角α_２を所定量Δα_２増加させるゲート角指令を生成し（ステップＳＡ３）、続いて、サイリスタＳＣＲ１のゲート角α_１を所定量Δα_１減少させるゲート角指令を生成する（ステップＳＡ４）。
一方、実力率が目標力率に対して遅れている場合には、サイリスタＳＣＲ１のゲート角α_２を所定量Δα_２減少させるゲート角指令を生成し（ステップＳＡ５）、続いて、サイリスタＳＣＲ１のゲート角α_１を所定量Δα_１増加させるゲート角指令を生成する（ステップＳＡ６）。
なお、上記ゲート角の増減量Δα_１、α_２は、実力率と目標力率との差分に応じて決定される。例えば、差分が大きいほど、増減量Δα_１、α_２は、大きく設定される。

このようにして、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２のゲート角指令値が生成されると、このゲート角指令値に基づいて、各サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２をオン／オフさせる。これにより、実力率が目標力率に対して進んでいる場合には、サイリスタＳＣＲ２の導通時間が通常よりも長くなり、サイリスタＳＣＲ１の導通時間は、通常よりも短くなる。この結果、リアクトル３２の接続時間は、通常よりも延長され、コンデンサ３１の接続時間は、通常よりも短縮される。
同様に、実力率が目標力率に対して遅れている場合には、リアクトル３２の接続時間は、通常よりも短縮され、コンデンサ３１の接続時間は、通常よりも延長される。

このように、コンデンサ３１及びリアクトル３２の接続時間を変化させることにより、誘導発電機１のロータ１２の見かけ上のインピーダンスを制御することが可能となる。これにより、一次側の無効電力を二次側から制御することが可能となる。このとき、制御器３４は、実力率が目標力率に一致するように、コンデンサ３１及びリアクトル３２の接続時間を調整するので、誘導発電機１から電力系統４へ供給される電力の力率を目標力率とすることができる。
なお、制御器３４は、上述のように、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２にゲート角指令を出すだけではなく、スリップリング３３に対してもゲート角指令を出力する。なお、このスリップリング３３の制御に関しては、周知技術と同様であるため、詳細な説明は省略する。

以上述べてきたように、本実施形態に係る力率調整装置によれば、誘導発電機の二次側に、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２を介して、コンデンサ３１及びリアクトル３２をそれぞれ並列に接続し、誘導発電機１の力率が目標力率に一致するように、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２のオン／オフ時間を変更する。これにより、ロータ１２の見かけ上のインピーダンスを調整し、一次側（ロータ側）、つまり電力系統４へ供給される有効電力、無効電力の制御を可能とし、力率を最適な値に保持することができる。
なお、上述した実施形態においては、力率調整装置において、コンデンサ３１とリアクトル３２とを誘導発電機の二次側に接続する構成としていたが、コンデンサ３１に並列に接続される抵抗を更に設けるようにしてもよい。これにより、無効電力だけでなく、有効電力についても制御することが可能となる。
また、上述のように、ロータ１２の見かけ上のインピーダンスを変化させることが可能であるため、風力発電装置の始動時において、インピーダンスを高くすることにより、始動時における突入電流を抑制することも可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る力率調整装置について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る力率調整装置を適用した風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。
図３において、図１に示した第１の実施形態に係る風力発電装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、この詳細な説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態に係る風力発電装置において、誘導発電機１の一次側と二次側とは、インバータ６１を介して接続されている。インバータ６１と誘電発電機１のロータ１２との間には、リアクトル６２が直列に接続されている。リアクトル６２とロータ１２との間には、スリップリング３３が介挿されている。インバータ６１には、コンデンサ６３が並列に接続されている。インバータ６１と一次側との間には、コンデンサ６３を充電させるためのダイオード６４が直列に接続されている。また、回転数検出器４０により検出された発電機回転数、及び、電圧・電流計４１により検出された電力系統４の電圧値及び電流値は、制御器６５に入力される。
ここで、本実施形態に係る力率調整装置６は、上記インバータ６１、リアクトル６２、コンデンサ６３、ダイオード６４、及び制御器６５を備えて構成されている。

上記構成からなる風力発電装置において、回転数検出器４０や電圧・電流計４１からそれぞれの検出値が制御器６５に入力されると、制御器６５は、これらの検出値に基づいてインバータ６１を制御する。
具体的には、まず、上記検出値に基づいて、電力系統４に供給される電力量（以下「実電力量」という。）、力率（以下「実力率」という。）などを算出する。そして、予め設定されている目標電力量と実電力量とを比較するとともに、予め設定されている目標力率と実力率とを比較し、これらの比較結果に応じて、インバータ６１の制御を行う。
より具体的には、図４に示すように、ロータ１２の電圧をＶｒ、インバータ６１の電圧をＶｉ、リアクトル６２に流れる電流をＩと定義した場合、リアクトル６２に流れる電流Ｉは、インバータ６１の電圧の振幅と位相にて変化し、インバータ６１の電圧Ｖｉを適切に制御することにより、リアクトル６２に流れる電流Ｉを調整することができる。また、二次側の無効電力は、電流Ｉの二乗に比例することから、二次側の無効電力を制御することができる。これにより、一次側の無効電力をも制御することが可能となる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る力率調整装置によれば、一次側の出力に応じて、二次側の有効電力だけでなく、無効電力をも調整することが可能であるので、一次側の電力量や力率を所望の値に近づけることが可能となり、安定した電力供給を実現させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上記第１の実施形態では、スイッチング素子としてサイリスタを採用していたが、この例に限られず、設計に応じて、トランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を用いることが可能である。
第２に、制御器３４は、プログラムによる情報処理により種々の制御内容を実現していたが、これに限られず、例えば、同一の処理を実現できるようなアナログ電子回路などにより構成されていてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る力率調整装置を適用した風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。図１の制御器により実現される処理内容を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る力率調整装置を適用した風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。図３に示したインバータの制御について説明するための説明図である。

符号の説明

１誘導発電機
２風車
３力率調整装置
４電力系統
１１ロータ
１２ステータ
２１ロータ軸
３１コンデンサ
３２リアクトル
３３スリップリング
３４制御器
４０回転数検出器
４１電圧・電流計
６１インバータ
６２リアクトル
６３コンデンサ
６４ダイオード
６５制御器

Claims

誘導発電機の力率を調整する力率調整装置であって、
前記誘導発電機の二次側に、第１のスイッチング素子を介して接続されるコンデンサと、
前記誘導発電機の二次側に、第２のスイッチング素子を介して接続されるとともに、前記コンデンサと並列に接続されるリアクトルと、
前記誘導発電機の一次側の出力に応じて、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ制御する制御部と
を具備する力率調整装置。
前記制御部は、前記一次側の力率が進んでいる場合には、前記第２のスイッチング素子のオン時間を長くするとともに、前記第１のスイッチング素子のオン時間を短くし、前記一次側の力率が遅れている場合には、前記第２のスイッチング素子のオン時間を短くするとともに、前記第１のスイッチング素子のオン時間を長くする請求項１に記載の力率調整装置。
誘導発電機と、
請求項１又は請求項２に記載の力率調整装置と
を具備する発電装置。