JP2007028697A - 誘導発電機発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導発電機発電装置において、発電起動時に励磁電流を徐々に増加させて、過電流が系統に影響を与えないようにする。
【解決手段】 誘導発電機発電装置は、タービンに駆動される誘導発電機と誘導発電機に接続された電力変換部と制御部を具備するインバータを有し、初期励磁期間に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧の励磁電流で発電起動し、周波数と電圧を徐々に増加させ、励磁電流が許容電流と一致したときに、インバータから誘導発電機へ励磁電流を流すことを止め、周波数検出期間に残留電圧と周波数を検出し、再励磁期間に残留電圧を検出してその周波数に合わせてインバータから誘導発電機へ再び励磁電流を流し、誘導発電機を徐々に最適周波数と一致させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、誘導発電機を用いた発電装置に関し、特に小形水力発電設備、小形風力発電設備に好適な発電装置に関する。

小形水力発電設備や小形風力発電設備は、自然エネルギーによる発電設備であることから、循環型社会の発電装置として注目されている。さらに、二酸化炭素を発生しないクリーンエネルギーであることから、いっそうの普及が求められている。このような小形水力発電装置として上水設備の余剰水力エネルギーを回収する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の動力回収用水力発電装置は、浄水池の水を給水ポンプによって昇圧して上水道配管系に圧送し、配水地へ供給する系の上水道配管系の途中のバイパスに設けた水車によって駆動される同期発電機を設け、該発電機の出力を順変換装置および平滑コンデンサならびに逆変換装置からなる電力変換装置を介して電源トランスへ供給するものである。
特開２００２−１５５８４６号公報

従来、このような小形水力発電装置には、同期発電機が用いられている。同期発電機は、二次巻線に励磁電流を流すための電圧調整器が必要であるため、構造が複雑となり設備も大きく高価なものとなっている。そのため、自然エネルギーはいたるところに存在するものの小形水力発電設備や小形風力発電設備が普及しない原因の１つとなっている。

本発明の目的は、構造が簡易で安価な誘導発電機を用いる発電設備を提供することにより、小形水力発電設備や小形風力発電設備の普及を促進し、環境負荷の少ない循環型社会の構築に貢献するものである。

ここで、誘導発電機を用いる場合は、単に水車や風車で発電機を回転させても励磁電流がないため発電することができない。そこで、誘導発電機を用いる場合は、発電機を系統電源に接続して系統連系することにより発電する装置となっている。誘導発電機を用いて系統連系する従来の例を、図３を用いて説明する。

配管に設けた水車３に連結された誘導発電機１は、連系遮断器６１を介して構内配線６に接続され、負荷７に電力を供給する。誘導発電機１の起動時には、系統電源５から区分開閉器６２、高圧遮断器６３、主変圧機６４、連系遮断器６１を介して励磁電圧が供給される。このような発電システムでは、誘導発電機の回転周波数と系統電源の周波数が違うため、発電機を系統電源へ接続するとき、瞬時に発電機周波数が系統電源周波数に一致するよう制御される。このとき瞬間的に、過電流が系統に流れ、系統電圧変動が生ずるとともに系統周波数が変調するため問題となる。

本発明は、誘導発電機を用いた発電装置においても、このような問題を引き起こさない発電設備を提供することを目的とする。

本発明は、水車（タービン）によって駆動される誘導発電機と、該誘導発電機に接続されたインバータで構成され、該インバータには周波数検出器と電圧検出器と電流検出器と比較演算器とデータ記憶手段と最適周波数演算器が具備されており、発電起動時に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を該誘導発電機へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、該電流検出器で励磁電流を検出し、該励磁電流と予め該データ記憶手段に記録してある許容電流とを該比較演算器で判定し、該励磁電流が該許容電流と一致したときに、該インバータから該誘導発電機へ励磁電流を流すことを止め、該電圧検出器により該誘導発電機の残留電圧を検出し、該周波数検出器により該残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせて該インバータから該誘導発電機へ再び励磁電流を流し、該データ記憶手段に予め記録された最適発電データから該最適周波数演算器により該誘導発電機を制御する最適周波数を求め、該再励磁電流の周波数を徐々に制御し該最適周波数と一致させるものである。

また、本発明は、タービンに駆動される誘導発電機と該誘導発電機に接続されたインバータで構成され、該インバータには周波数検出器と電圧検出器と電流検出器と比較演算器とデータ記憶手段と最適周波数演算器が具備されており、発電起動時に該電圧検出器により該誘導発電機の残留電圧を測定し該残留電圧が検出された場合は、該周波数検出器により該残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせて該インバータから該誘導発電機へ励磁電流を流し、該データ記憶手段に予め記録された最適発電データから該最適周波数演算器により該誘導発電機を制御する最適周波数を求め、該再励磁電流の周波数を徐々に制御し該最適周波数と一致させるものである。

本発明によれば、構造が簡易で安価な誘導発電機を用いた発電設備を供給できるので、自然エネルギーによる発電を普及させることができ、循環型社会の構築に貢献できる。

さらに、誘導発電機の回転周波数とインバータの励磁電流の周波数が一致するので、一般の誘導発電機を用いた発電設備で生ずる、発電機の周波数と系統電源の周波数が違うため、発電機を系統電源へ接続するとき、瞬間的に過電流が系統に流れ、系統電圧変動が生ずるとともに系統周波数が変調する問題が発生しない。また、起動周波数から最適周波数まで徐々に制御するので、安定した発電を行うことができる。

本発明の実施の形態を説明する。本発明にかかるタービンに駆動される誘導発電機と、該誘導発電機に接続されたインバータとで構成される誘導発電機発電装置は、
前記インバータが、順変換器と平滑コンデンサと逆変換器とを有する電力変換部と、電力変換部の動作を制御する制御部を有しており、前記制御部が、前記発電機の励磁周波数を検出する周波数検出手段と、発電機の励磁電圧を検出する電圧検出手段と、発電機の励磁電流を検出する電流検出手段と、励磁電流と許容電流を比較する比較演算手段と、許容電流などのデータを記憶するデータ記憶手段と、最適発電データから誘導発電機を制御する最適周波数を演算する最適周波数演算手段と、インバータの動作を制御する制御手段を具備しており、前記制御手段が、発電起動時に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を該誘導発電機へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、前記電流検出手段で励磁電流を検出し、該励磁電流と予め前記データ記憶手段に記録してある許容電流とを前記比較演算手段で判定し、前記励磁電流が前記許容電流と一致したときに、インバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流すことを止め、前記電圧検出手段により誘導発電機の残留電圧を検出し、前記周波数検出手段により前記残留電圧の周波数を検出し、該残留電圧の周波数に合わせてインバータから誘導発電機へ再び励磁電流を流し、前記データ記憶手段に予め記録された最適発電データから前期最適周波数演算手段により前記誘導発電機を制御する最適周波数を求め、再励磁電流の周波数を徐々に制御して前記最適周波数と一致させるようにした。

さらに、本発明にかかる、タービンに駆動される誘導発電機と、該誘導発電機に接続されたインバータとで構成さる誘導発電機発電装置は、前記インバータが、順変換器と平滑コンデンサと逆変換器とを有する電力変換部と、電力変換部の動作を制御する制御部を有しており、前記制御部が、前記発電機の励磁周波数を検出する周波数検出手段と、発電機の励磁電圧を検出する電圧検出手段と、発電機の励磁電流を検出する電流検出手段と、励磁電流と許容電流を比較する比較演算手段と、許容電流などのデータを記憶するデータ記憶手段と、最適発電データから誘導発電機を制御する最適周波数を演算する最適周波数演算手段と、インバータの動作を制御する制御手段とを具備しており、前記制御手段が、発電起動時に前記電圧検出手段により前記誘導発電機の残留電圧を測定し、該残留電圧が検出された場合は、前記周波数検出手段により前記残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせてインバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流し、前記データ記憶手段に予め記録された最適発電データから前記最適周波数演算手段により前記誘導発電機を制御する最適周波数を求め、前記再励磁電流の周波数を徐々に制御し前記最適周波数と一致させるようにした。

さらに、本発明は、上記誘導発電機発電装置において、発電起動時に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を前記誘導発電機へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、前記電流検出手段で励磁電流を検出し、該励磁電流と予め前記データ記憶手段に記録してある許容電流とを前記比較演算手段で判定し、前記励磁電流が前記許容電流と一致したときに、インバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流すことを止めた時点から、前記電圧検出手段により前記誘導発電機の残留電圧を検出し、前記周波数検出手段により該残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせてインバータから前記誘導発電機へ再び励磁電流を流すまでの時間が、０．３秒から２．０秒までの間にあるようにした。

以下、本発明の実施例を図１、図２を用いて説明する。

図１は、本発明にかかる誘導発電機発電装置の構成を説明するブロック図である。この誘導発電機発電装置は、誘導発電機１と、該誘導発電機に接続されたインバータ２とから構成される。誘導発電機１は、例えば、上水の配管途中に設けたタービン（水車）３に結合されるとともに、インバータ２に接続される。

インバータ２は、電力変換部２１と、制御部２２と、直流出力端子２３を有している。

インバータ２の電力変換部２１は、順変換部２１１と、平滑コンデンサ２１２と、逆変換部２１３を有している。

インバータ２の制御部２２は、電流検出手段２２１と、電圧検出手段２２２と、周波数検出手段２２３と、データ記憶手段２２４と、比較演算手段２２５と、最適周波数演算手段２２６と、制御手段２２７とを有している。

インバータ２の直流出力端子２３は、系統連系装置４を介して系統電源５に接続される。また、インバータ２の電力変換部２１の順変換器２１１は、系統電源５に接続されるとともに、制御部２２へ動作電力を供給する。

水車３の前後には、圧力検出手段３１−１，３１−２が接続されており、それぞれの圧力検出信号を出力する。

誘導発電機１は、水車３に駆動されている。誘導発電機１にはインバータ２が接続されている。インバータ２には、電流検出器２２１と、電圧検出器２２２と、周波数検出器２２３と、データ記憶手段２２４と、比較演算器２２５と、最適周波数演算手段２２６が具備されており、インバータ２の直流出力端子２３には、逆変換装置からなる系統連系装置４が接続されている。インバータ２は、系統電源５に接続されており、制御電力を得るとともに誘導発電機１を励磁するための駆動電力も入力する。

インバータ２のデータ記憶手段２２４には、発電起動時の励磁電流の許容電流値、本実施例ではインバータ２の定格電流値が記録されている。また、データ記憶手段２２４には水車３が最適に運転されるための運転データ、本実施例では水車３の有効落差と回転速度の関数が記録されている。

図２に示すように、流入した水の水力により水車３が回転すると、水車３に直結された誘導発電機１は水車３に駆動されて回転する。この状態では、誘導発電機１は励磁されていないので、発電機出力端子に電圧は生じない。この状態で発電開始スイッチを投入して発電開始指令が入力されると、インバータ２の制御手段２２７は、０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を流すよう制御し、この励磁電流を誘導発電機１へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、電流検出手段２２１で励磁電流を検出し、励磁電流と予めデータ記憶手段２２４に記録してある許容電流とを比較演算手段２２５で判定し、励磁電流が許容電流と一致したときに、インバータ２から誘導発電機１へ励磁電流を流すことを止める。この期間を本明細書では、初期励磁期間という。初期励磁期間では、励磁電流が徐々に大きくなり、許容電流に達したところで励磁を止める。このとき励磁電圧も０になるが、発電機には残留磁束があるため残留電圧が生じる。

残留電圧が０にならないうちに電圧検出２２２で検出し、周波数検出手段２２３で周波数を測定する。そして、直ぐに電圧検出手段２２２により誘導発電機１の残留電圧を検出し、周波数検出手段２２３により残留電圧の周波数、すなわち、発電機１の回転速度を検出する。この期間を本明細書では、周波数検出期間という。

次に、検出した周波数に合わせてインバータ２から誘導発電機１へ再び励磁電流を流し、データ記憶手段８に予め記録された最適発電データから最適周波数演算器９により誘導発電機１を制御する最適周波数を求め、再励磁電流の周波数を徐々に制御し最適周波数と一致させる。この期間を本明細書では、再励磁期間という。発電機１の周波数に合わせてインバータ２で再励磁することにより、過電流を生じることなく起動できる。

ここで、最初の励磁を止めてから、残留電圧を検出し再励磁するまでの時間（周波数検出期間）は、誘導発電機の構造により最適時間が異なるが、数種の発電機で試験した結果、０．３〜２．０秒が適当である。本実施例では４極誘導発電機を用いており、再励磁するまでの時間は０．３秒である。

起動後は、水車３の前後に取り付けられた圧力変換器３１−１．３１−２の出力信号と、データ記憶手段２２４に予め記録された水車の有効落差と回転速度の関数から最適周波数演算手段２２６で最適周波数、すなわち、水車３の回転速度に対応するインバータ２の周波数を求め、起動周波数から最適周波数へインバータ２により発電機１を制御することで、発電機から回生電力を得ることができる。この回生電力は、インバータ２の直流出力端子２３から系統連系装置４へ出力される。系統連系装置４は、発電電力の直流を系統電源の電圧と周波数に合う交流電力に変換し、系統電源へ出力する。

本発明にかかる誘導発電機発電装置の構成の概要を説明する図。 本発明にかかる誘導発電機発電装置の起動特性を説明する図。 従来技術の誘導発電機発電装置の構成の概要を説明する図。

符号の説明

１：誘導発電機
２：インバータ
２１：電力変換部
２１１：順変換器
２１２：平滑コンデンサ
２１３：逆変換器
２２：制御部
２２１：電流検出手段
２２２：電圧検出手段
２２３：周波数検出手段
２２４：データ記憶手段
２２５：比較演算手段
２２６：最適周波数演算手段
２２７：制御手段
２３： 直流出力端子
３：水車
３１：圧力変換手段
４：系統連系装置（逆変換装置）
５：系統電源
６：構内配線
６１：連系遮断器
６２：区分開閉器
６３：高圧遮断器
６４：主変圧器
７：負荷

Claims (3)

1. タービンに駆動される誘導発電機と、該誘導発電機に接続されたインバータとで構成される誘導発電機発電装置において、
   前記インバータは、順変換器と平滑コンデンサと逆変換器とを有する電力変換部と、電力変換部の動作を制御する制御部を有しており、
   前記制御部は、前記発電機の励磁周波数を検出する周波数検出手段と、発電機の励磁電圧を検出する電圧検出手段と、発電機の励磁電流を検出する電流検出手段と、励磁電流と許容電流を比較する比較演算手段と、許容電流などのデータを記憶するデータ記憶手段と、最適発電データから誘導発電機を制御する最適周波数を演算する最適周波数演算手段と、インバータの動作を制御する制御手段を具備しており、
   前記制御手段は、
   発電起動時に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を該誘導発電機へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、前記電流検出手段で励磁電流を検出し、該励磁電流と予め前記データ記憶手段に記録してある許容電流とを前記比較演算手段で判定し、前記励磁電流が前記許容電流と一致したときに、インバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流すことを止め、
   前記電圧検出手段により誘導発電機の残留電圧を検出し、前記周波数検出手段により前記残留電圧の周波数を検出し、該残留電圧の周波数に合わせてインバータから誘導発電機へ再び励磁電流を流し、前記データ記憶手段に予め記録された最適発電データから前期最適周波数演算手段により前記誘導発電機を制御する最適周波数を求め、再励磁電流の周波数を徐々に制御して前記最適周波数と一致させる
   ことを特徴とする誘導発電機発電装置。
2. タービンに駆動される誘導発電機と、該誘導発電機に接続されたインバータとで構成さる誘導発電機発電装置において、
   前記インバータは、順変換器と平滑コンデンサと逆変換器とを有する電力変換部と、電力変換部の動作を制御する制御部を有しており、
   前記制御部は、前記発電機の励磁周波数を検出する周波数検出手段と、発電機の励磁電圧を検出する電圧検出手段と、発電機の励磁電流を検出する電流検出手段と、励磁電流と許容電流を比較する比較演算手段と、許容電流などのデータを記憶するデータ記憶手段と、最適発電データから誘導発電機を制御する最適周波数を演算する最適周波数演算手段と、インバータの動作を制御する制御手段とを具備しており、
   前記制御手段は、
   発電起動時に前記電圧検出手段により前記誘導発電機の残留電圧を測定し、該残留電圧が検出された場合は、前記周波数検出手段により前記残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせてインバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流し、前記データ記憶手段に予め記録された最適発電データから前記最適周波数演算手段により前記誘導発電機を制御する最適周波数を求め、前記再励磁電流の周波数を徐々に制御し前記最適周波数と一致させる
   ことを特徴とする誘導発電機発電装置。
3. 発電起動時に０［Ｈｚ］付近の低い周波数と０［Ｖ］付近の低い電圧で励磁電流を前記誘導発電機へ流し、周波数と電圧を徐々に増加させ、前記電流検出手段で励磁電流を検出し、該励磁電流と予め前記データ記憶手段に記録してある許容電流とを前記比較演算手段で判定し、前記励磁電流が前記許容電流と一致したときに、インバータから前記誘導発電機へ励磁電流を流すことを止めた時点から、前記電圧検出手段により前記誘導発電機の残留電圧を検出し、前記周波数検出手段により該残留電圧の周波数を検出し、該周波数に合わせてインバータから前記誘導発電機へ再び励磁電流を流すまでの時間が、０．３秒から２．０秒までの間にある
   ことを特徴とする請求項１記載の誘導発電機発電装置。

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