JP2009033798A - Starting system for induction generator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、風力や火力またはエンジン等により誘導発電機を駆動することで、電力系統に電力を供給する分散型電源において、特に誘導発電機を電力系統に連系する場合に発生する突入電流を抑制し得る誘導発電機の起動方式に関する。 The present invention relates to a distributed power source that supplies power to an electric power system by driving the induction generator by wind power, thermal power, an engine, or the like, and in particular, an inrush current that occurs when the induction generator is connected to the electric power system. The present invention relates to an induction generator starting method that can be suppressed.
図8に、例えば特許文献1に開示された従来例を示す。
すなわち、図8の誘導発電機2は、電力系統1に連系した後、誘導発電機2の回転速度を制御することで発電している。誘導発電機2の回転速度を定格速度(電力系統電圧の周波数相当)より高めにすると、有効電力を電力系統1に供給することができる。これとは逆に、定格回転速度より低めにすると、電力系統1から誘導発電機2へ有効電力を供給することになる。
FIG. 8 shows a conventional example disclosed in
That is, the
図8のようなシステムでは、誘導発電機2を起動するために、電力系統1と誘導発電機2との間に遮断器4と、可変無効電力発生器3とを設けている。なお、可変無効電力発生器3としては、一般的にコンデンサとリアクトルを用いたものか、またはインバータが用いられる。
In the system as shown in FIG. 8, a
そして、誘導発電機2を起動するときは遮断器4を開放したまま、図示されないエンジン等の外部手段を用いて、誘導発電機2を同期速度まで回転数を上げ、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と等しくなるように、可変無効電力発生器3が発生する無効電力を調整し、誘導発電機2の位相角と電力系統1の電圧の位相角がほぼ一致したとき、遮断器4を投入することで突入電流の抑制を図るようにしている。
図8の例では、誘導発電機の突入電流を抑制するためには、電力系統に連系する前に電力系統の電圧と同一の周波数,大きさの電圧を発生させておく必要があり、周波数はエンジン等の外部手段で調整し、大きさは可変無効電力発生器からの無効電力によって調整している。可変無効電力発生器3としては、インバータまたはコンデンサとリアクトルを使用しているので、その無効電力を制御することは容易であるが、エンジン等の外部手段で電力系統電圧と同一の周波数にする制御は困難であり、速度実際値が定格速度に対し、図9ように変化する可能性がある。また、無効電力のみを供給していることから、電力系統の電圧との位相差を零にすることは困難である。
In the example of FIG. 8, in order to suppress the inrush current of the induction generator, it is necessary to generate a voltage having the same frequency and magnitude as the voltage of the power system before connecting to the power system. Is adjusted by external means such as an engine, and the magnitude is adjusted by reactive power from a variable reactive power generator. Since the variable
このため、従来は誘導発電機の電圧と電力系統の電圧の位相角がほぼ一致したときに、遮断器4を投入するようにしている。その結果、遮断器に投入指令を与えてから、実際に遮断器が投入されるまでの遅れ時間によって位相角がずれ、誘導発電機電圧と電力系統電圧との差から過大な電流が流れてしまい、機器の損傷を引き起こす可能性がある。また、位相角がほぼ一致するまで遮断器を投入することができないことから、運転指令が入力されてから、誘導発電機が電力系統と連系するまでに長大な時間が必要となる場合があり得る。
For this reason, conventionally, the
したがって、この発明の課題は、誘導発電機の電力系統連系時に過大な突入電流が流れないようにするとともに、連系に至るまでの時間を短縮することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to prevent an excessive inrush current from flowing when the induction generator is connected to the power system, and to shorten the time required to reach the connection.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力系統に接続されている負荷に電力を供給する誘導発電機に対し、前記電力系統と前記誘導発電機との間の遮断器と並列に、電力系統側の交流電力を直流電力に変換する整流器と、その直流電力を誘導発電機側の交流電力に変換するインバータとを設け、誘導発電機を電力系統に連系する場合、誘導発電機を回転させた状態で、整流器からインバータと誘導発電機の損失を供給し、誘導発電機電圧を電力系統電圧と同一にするための電流を演算し、この電流を前記インバータから誘導発電機に流した後に、電力系統と連系することを特徴とする。
In order to solve such a problem, in the invention of
請求項2の発明では、電力系統に接続されている負荷に電力を供給する誘導発電機に対し、前記電力系統と前記誘導発電機との間の遮断器と並列に、電力系統側の交流電力を直流電力に変換する整流器と、その直流電力を誘導発電機側の交流電力に変換するインバータとを設け、誘導発電機を電力系統に連系する場合、誘導発電機を回転させた状態で、整流器からインバータと誘導発電機の損失を供給し、誘導発電機電圧を電力系統電圧と同一にするための電流を演算するとともに、インバータの直流電圧に応じて電流の周波数を演算し、この演算された周波数の電流を前記インバータから誘導発電機に流した後に、電力系統と連系することを特徴とする。
In the invention of
請求項3の発明では、電力系統に接続されている負荷に電力を供給する誘導発電機を遮断器を介して電力系統に接続し、この遮断器と前記誘導発電機との間に、直流側に電力貯蔵設備が接続されたインバータを設け、誘導発電機を系統に連系する場合、誘導発電機を定格回転数付近で回転させた状態で、インバータから誘導発電機に対し、誘導発電機電圧が電力系統電圧と同一となる電流を流した後に、電力系統と連系することを特徴とする。
In the invention of
請求項4の発明では、電力系統に接続されている負荷に電力を供給する誘導発電機を遮断器を介して電力系統に接続し、この遮断器と前記誘導発電機との間に、直流側に電力貯蔵設備が接続されたインバータと、このインバータの出力側に誘導発電機と電力系統に接続する別の遮断器を設け、誘導発電機を系統に連系する場合、誘導発電機の回転数を定格回転数以下または以上で回転させた状態で、インバータを電力系統に連系させて電力貯蔵設備を充電または放電させた後、インバータを誘導発電機に接続し、誘導発電機に対し誘導発電機電圧が電力系統電圧と同一となる電流を流した後に、電力系統と連系することを特徴とする。
In the invention of
請求項5の発明では、電力系統に接続されている負荷に電力を供給する誘導発電機を遮断器を介して電力系統に接続し、この遮断器と前記誘導発電機との間に、直流側に電力貯蔵設備が接続されたインバータを設け、誘導発電機を系統に連系する場合、インバータの出力周波数を、電力貯蔵設備の充放電容量以上では誘導発電機と同一の周波数、また、電力貯蔵設備の充放電容量以下では電力系統と同一の周波数に制御しながら、インバータから誘導発電機に対して誘導発電機電圧が電力系統電圧と同一となる電流を流した後で、電力系統と連系することを特徴とする。
In the invention of
請求項1〜5の発明によれば、過大な突入電流を流すことなく、安定に誘導発電機を電力系統に連系させることができる。 According to the first to fifth aspects of the present invention, it is possible to stably link the induction generator to the power system without flowing an excessive inrush current.
図1はこの発明の実施の形態を示すブロック図である。図1において、5,6,18は電圧検出器、7,8,11は座標変換器、9,10,19は電圧調節器、12は電流調節器、13はランプ関数発生器、14は発振器、15は乗算器、16は整流器、17はコンデンサ、20は設定器、21は下限リミッタ、22は減算器で、その他は図8と同じである。以下、相違点を主に説明する。
すなわち、電力系統1と誘導発電機2との間に挿入された遮断器4と並列に、インバータ3と整流器16を接続している。整流器16はダイオードまたはサイリスタで構成することで、IGBT等を用いたインバータを設けるよりも安価にすることができる。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 5, 6 and 18 are voltage detectors, 7, 8 and 11 are coordinate converters, 9, 10 and 19 are voltage regulators, 12 is a current regulator, 13 is a ramp function generator, and 14 is an oscillator. , 15 is a multiplier, 16 is a rectifier, 17 is a capacitor, 20 is a setter, 21 is a lower limiter, 22 is a subtractor, and the others are the same as in FIG. Hereinafter, differences will be mainly described.
That is, the
誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、整流器16はインバータ3に直流電力を供給し、インバータ3はその直流電力を交流電力に変換する。電圧検出器6は電力系統電圧Vsa,Vsb,Vscを検出する一方、電圧検出器5は誘導発電機電圧Vga,Vgb,Vgcを検出する。系統電圧Vsa,Vsb,Vscは乗算器15において関数発生器13からのランプ関数と乗算され、図2に示すような出力Vsa’,Vsb’,Vsc’となる。これは、インバータ3の出力電圧を急激に変化させないよう、電力系統電圧検出値を零電圧から定格電圧までゆっくりと変化させるためである。
When the
座標変換器7は、乗算器15の出力Vsa’,Vsb’,Vsc’を数1で示す下記(1)式により3相−2相変換する。
次いで、得られた2相量から、数2で示す下記(2)式により座標軸変換をしてVsd,Vsqを求める。
座標変換器8も同様に、検出器5の出力電圧検出値Vga,Vgb,Vgcを3相−2相変換し、得られた2相量から数2で示す上記(2)式により座標軸変換をしてVgd,Vgqを求める。
その後、VsdとVgdとの差、およびVsqとVgqとの差をそれぞれ求め、これをゲインおよび積分要素などからなる電圧調節器9,10にそれぞれ入力することで、インバータ3の電流指令Id,Iqを得る。
Similarly, the
Thereafter, the difference between Vsd and Vgd and the difference between Vsq and Vgq are respectively obtained and input to
座標変換器11は、数3で示す下記(3)式の座標変換を行なう。
次に、座標変換器11は数4で示す下記(4)式によって2相−3相変換し、3相電流指令値Ia,Ib,Icを得る。
そして、別途変流器を介して検出される3相電流検出値を、座標変換器11からの出力である3相電流指令値に一致させるよう、電流調節器12で調節演算することにより、インバータ3の出力すべき電圧を求め、誘導発電機2に3相電流指令値通りの電流を流すようにする。なお、上記(2),(3)式のcosθ,sinθは、発振器14で電力系統電圧を基準として演算される位相角で、cosθは電力系統電圧と同位相の成分、sinθは電力系統電圧から90°位相が遅れた成分をそれぞれ示している。
Then, the
電力系統電圧検出器6と座標変換器7との間に設けられた関数発生器13は、インバータ3が急激な電圧を出力しないよう、乗算器15にて検出器6の出力である電力系統電圧検出値にランプ関数を乗じることで、例えば図2に示すような、0から100%までを一定のレートで上昇する電圧を得るために設けられる。
以上のような構成で、誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、遮断器4を「開」の状態で、図示されないエンジン等の外部手段によって、誘導発電機2の回転速度を電力系統1の周波数となるように制御する。
A
When the
誘導発電機2の回転速度は、例えば先の図9に示すように、定格速度を目標に制御されるが、エンジン等の外部手段は高速な制御ができないため、速度変動が生じる。ここで、定格速度以上になり誘導発電機2からインバータ3に有効電力が流入すると、整流器16は電力系統1へ有効電力を回生することができないため、インバータ3の直流電圧が上昇することになる。このため、インバータ3の直流コンデンサ17の電圧を、電圧検出器18で検出し、この検出された直流電圧から、設定器20で設定された電圧を減算器22で減算し、零を下限とする下限リミッタ21に入力する。
For example, as shown in FIG. 9, the rotational speed of the
下限リミッタ21の出力が零以上、つまり設定電圧より検出電圧が高くなった場合に、電圧調節器19を動作させ、その出力を発振器14の周波数設定部に加算することで、周波数を変えたcosθ’,sinθ’を演算する。このcosθ’,sinθ’を基準にインバータ3の出力周波数を演算することで、誘導発電機2の回転数とほぼ同一にし、誘導発電機2からの有効電力の流入を抑制できるようにする。
When the output of the lower limiter 21 is greater than or equal to zero, that is, when the detection voltage becomes higher than the set voltage, the
次に、インバータ3を運転させると、上記のように電力系統電圧と誘導発電機電圧との差が零となるよう、インバータ3は誘導発電機2に対して電流を出力する。そして、乗算器15から電力系統電圧が100%出力されると、誘導発電機電圧は電力系統電圧と同一となる。その後、遮断器4を「閉」にすることで、電力系統1に連系できることになる。
Next, when the
ここで、誘導発電機の回転速度が電力系統電圧周波数より低いと、整流器16を介してインバータ3から誘導発電機2へ有効電力を供給することになる。また、誘導発電機の回転速度が電力系統電圧周波数より高いと、誘導発電機2からインバータ3へ有効電力が流入することで、直流電圧が上昇するが、この場合は、電圧調節器19の動作により、インバータ3の出力電流の周波数を誘導発電機2の回転周波数に合わせることで、直流電圧の上昇を抑制することが可能となる。
以上のようにすることで、インバータの直流電圧を上昇させることなく、誘導発電機の電圧の大きさ,周波数とも電力系統電圧と同一になるように制御することができ、その後に、遮断機4を投入することで、突入電流を抑制することが可能となる。
Here, when the rotational speed of the induction generator is lower than the power system voltage frequency, the active power is supplied from the
By doing so, the magnitude and frequency of the voltage of the induction generator can be controlled to be the same as the power system voltage without increasing the DC voltage of the inverter. It is possible to suppress the inrush current by supplying.
図3に、この発明の別の実施の形態を示す。
これは、誘導発電機2と遮断器4との間に設けられるインバータ3の直流側に、電力貯蔵設備26を接続した点が特徴である。電力貯蔵設備26は鉛蓄電池,フライホイールまたは電気二重層キャパシタのような設備であり、必要に応じて、直流電圧を昇降圧させるチョッパのような変換器が接続される場合もある。また、インバータ3としては、たとえば図4に示すような半導体スイッチ素子Ta〜Tf、ダイオードDa〜DfおよびコンデンサC等からなる、一般に良く知られている構成とする。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention.
This is characterized in that a
上記の構成で、誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、遮断器4を「開」の状態で、図示されないエンジン等の外部手段によって、誘導発電機2の回転速度を電力系統1の周波数近辺となるように制御する。誘導発電機2の回転速度は先の図9のように、定格速度を目標に制御されるが、エンジン等の外部手段は高速に制御することができないことから、速度変動が生じる。このため、電力貯蔵設備26がない場合は、この速度変動に応じて直流電圧が上昇または低下することになる。
When the
つまり、誘導発電機2の回転速度が定格周波数以上になると、誘導発電機2からインバータ3に有効電力が流れることで、インバータ3の直流電圧が上昇し、装置損傷を引き起こす可能性がある。また、誘導発電機2の回転速度が定格周波数以下になると、インバータ3から速度誘導発電機2へ有効電力が流れることで、インバータ3に接続されているコンデンサCの電圧が低下し、インバータ動作ができなくなるという問題が生じる。
That is, when the rotational speed of the
このため、インバータ3の直流側に電力貯蔵設備26を接続することで、誘導発電機2の回転速度が変動しても、有効電力を電力貯蔵設備26に充放電させることで、直流電圧の上昇により装置損傷を引き起こすことがなく、また直流電圧低下によるインバータの動作不可状態も回避できることになる。
For this reason, by connecting the
インバータ3を制御する制御装置27では、電力系統1の電圧を電圧検出器6で検出するとともに、誘導発電機2の電圧を電圧検出器5で検出し、かつ、インバータ3の出力電流を電流検出器25で検出する。そして、電力系統1の電圧と誘導発電機2の電圧が同一となるような電流を出力するように、インバータ3を制御する。その後、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になったとき、遮断器4を「閉」にすることで電力系統1に連系させる。このとき、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になっていることから、過大な電流が流入するおそれはない。
In the
図5に図3の変形例を示す。
図3と比較すれば明らかなように、インバータ3の出力に2つの遮断器28a,28bを接続した点が特徴である。これは、電力貯蔵設備26の充電量や誘導発電機2の回転数変動によっては、誘導発電機2の回転数が定格回転数より高い状態で、電力貯蔵設備26が誘導発電機2からの電力を完全に充電できない場合や、誘導発電機2の回転数が定格回転数より低い状態で、電力貯蔵設備26が誘導発電機2へ電力を完全に放電できない場合に対処できるようにするものである。
FIG. 5 shows a modification of FIG.
As is clear from comparison with FIG. 3, the feature is that two
上記の各場合に対処する方法として、次のような方法1,2が考えられる。
方法1:誘導発電機2の回転数を定格回転数より平均的に下げた状態にし、電力貯蔵設備26から平均的に放電させていく方法
すなわち、誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、遮断器28aを「閉」の状態にしてインバータ3を電力系統1に連系させ、電力貯蔵設備26を充電した後、遮断器28bを「開」、遮断器28aを「閉」にし、誘導発電機2の回転数を図6(a)のように、定格速度より平均的に下げた状態で制御し、電力貯蔵設備26から誘導発電機2へ放電するようにしておく。
As methods for dealing with the above cases, the following
Method 1: A method in which the number of revolutions of the
インバータ3を制御する制御装置27では、電力系統1の電圧を電圧検出器6で検出するとともに、誘導発電機2の電圧を電圧検出器5で検出し、かつ、インバータ3の出力電流を電流検出器25で検出する。そして、電力系統1の電圧と誘導発電機2の電圧が同一となるような電流を出力するように、インバータ3を制御する。その後、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になったとき、遮断器4を「閉」にすることで電力系統1に連系させる。このとき、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になっていることから、過大な電流が流入するおそれはない。また、電力貯蔵設備26の充放電容量が不足することがないので、誘導発電機2を安定に起動することができる。
In the
方法2:誘導発電機2の回転数を定格回転数より平均的に上げた状態にし、電力貯蔵設備26から平均的に充電していく方法
すなわち、誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、遮断器28bを「閉」の状態にしてインバータ3を電力系統1に連系させ、電力貯蔵設備26を放電した後、遮断器28bを「開」、遮断器28aを「閉」にし、誘導発電機2の回転数を図6(b)のように、定格速度より平均的に上げた状態で制御し、電力貯蔵設備26から誘導発電機2へ充電するようにしておく。
Method 2: A method in which the number of revolutions of the
インバータ3を制御する制御装置27では、電力系統1の電圧を電圧検出器6で検出するとともに、誘導発電機2の電圧を電圧検出器5で検出し、かつ、インバータ3の出力電流を電流検出器25で検出する。電力系統1の電圧と誘導発電機2の電圧が同一となるような電流を出力するように、インバータ3を制御する。その後、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になったとき、遮断器4を「閉」にすることで電力系統1に連系させる。このとき、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になっていることから、過大な電流が流入するおそれはない。また、電力貯蔵設備26の充放電容量が不足することがないので、誘導発電機2を安定に起動することができる。
In the
図7に図3の別の変形例を示す。
これは、電力貯蔵設備26の充電量や誘導発電機2の回転数変動に対処するための、第3の方法とも言うべきもので、電力貯蔵設備26の充電量を検出する検出器29を付加した点が特徴である。すなわち、電力貯蔵設備26の充電量を検出し、容量以上の充電または放電が必要であると判断される場合は、インバータ3の出力周波数を変え、充電または放電をしないようにする方法である。
FIG. 7 shows another modification of FIG.
This is the third method for dealing with the charge amount of the
つまり、誘導発電機2を電力系統1に連系させる場合、インバータ3を制御する制御装置27では、電力系統1の電圧を電圧検出器6で検出するとともに、誘導発電機2の電圧を電圧検出器5で検出し、かつ、インバータ3の出力電流を電流検出器25で検出する。電力系統1の電圧と誘導発電機2の電圧が同一となるような電流を出力するように、インバータ3を制御する。また、電力貯蔵設備26の充電量を検出し、容量以上の充電または放電が必要であると判断される場合は、インバータ3の出力周波数を誘導発電機2の周波数に合わせるようにする。
That is, when the
これは、上述のように、誘導発電機2の電力は電力系統1との周波数差により、有効電力が入出力するのと同様、誘導発電機2とインバータ3との周波数差により、有効電力が入出力するので、インバータ3の周波数と誘導発電機2の周波数が一致していれば、有効電力の入出力はないことになる。要するに、インバータ3の出力周波数は、電力貯蔵設備26の充放電容量が有る場合には、電力系統1と同一の周波数を出力し、電力貯蔵設備26の充放電容量が無い場合には、誘導発電機2と同一の周波数を出力するようにする。
As described above, the electric power of the
そして、誘導発電機2の電圧が電力系統1の電圧と同一になったとき、遮断器4を「閉」にすることで電力系統1に連系させる。このとき、誘導発電機2の電圧は電力系統1の電圧と同一になっていることから、過大な電流が流入するおそれはない。また、電力貯蔵設備26の充放電容量が不足することがないので、誘導発電機2を安定に起動することができる。
When the voltage of the
1…電力系統、2…誘導発電機、3…インバータ、4,28a,28b…遮断器、5,6,18,29…電圧検出器、7,8,11…座標変換器、9,10,19…電圧調節器、12…電流調節器、13…ランプ関数発生器、14…発振器、15…乗算器、16…整流器、17…コンデンサ、20…設定器、21…下限リミッタ、22…減算器、25…電流検出器、26…電力貯蔵設備、27…制御装置。
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