JP2010119248A

JP2010119248A - 発電システム

Info

Publication number: JP2010119248A
Application number: JP2008291708A
Authority: JP
Inventors: Akio Toba; 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-27

Abstract

【課題】発電機の回転速度に関わらず安定で応答性の良い直流電圧制御系を備えた発電システムを提供する。
【解決手段】発電機１と、発電機１の発電電力を所定の直流電力に変換する電力変換器２と、この電力変換器２の直流電圧を指令値に一致させるように動作するＰＩ調節器８Ｂと、このＰＩ調節器８Ｂから出力される発電機１の電流指令値に応じて発電機１の電流を制御する電流制御部９と、を備えた発電システムにおいて、前記ＰＩ調節器８Ｂの比例ゲインを、発電機１の回転速度に反比例させて変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電機の電力を所定の直流電力に変換する発電システムにおいて、安定性及び応答性を向上させるための直流電圧制御技術に関するものである。

図４は、従来の発電システムを示すブロック図であり、例えば特許文献１に記載されているものとほぼ同一の構成である。
図４において、同期機または誘導機からなる発電機１の交流出力端子は、電力変換器２に接続されている。この電力変換器２は、環流ダイオードを有する半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電圧形の変換器であり、図示例ではいわゆる三相フルブリッジの構成となっている。

発電機１の出力電圧は、電力変換器２の交流−直流変換動作により所定の大きさの直流電圧に変換され、電力変換器２の出力側に接続された直流電圧部３のコンデンサ３ａを充電する。この直流電圧部３の直流電力は、図示されていない直流負荷に給電したり、別電源を充電する等の用途に利用される。なお、Ｉ_ｄｃは直流電圧部３の入力電流、Ｅ_ｄｃはコンデンサ３ａの直流電圧である。
また、５は制御装置であり、直流電圧Ｅ_ｄｃと電流検出器４により検出した発電機１の出力電流とに基づいて電力変換器２の半導体スイッチング素子の制御信号を生成し、直流電圧Ｅ_ｄｃをその指令値に一致させるように制御している。

次に、図５は、前記直流電圧Ｅ_ｄｃを指令値に制御するための従来の直流電圧制御系の一例を示すブロック図である。
図５において、直流電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊とローパスフィルタ６を経た直流電圧検出値Ｅ_ｄｃとの偏差が減算器７により求められ、この偏差は電圧調節器としてのＰＩ調節器８に入力される。ＰＩ調節器８は、上記偏差がゼロになるように動作してトルク電流指令を出力する。なお、ＰＩ調節器８の比例ゲイン、積分時間等の定数は、システムが安定で応答性ができるだけ高くなるように調整されている。

上記トルク電流指令は電流制御部９に入力され、発電機１には指令通りのトルク電流が通流すると共に、このトルク電流に応じたトルクと発電機１の回転角速度ω_ｍ及び効率ξ_Ｇから、所定の発電電力が生成される。
この発電電力が効率ξ_ｃの電力変換器２に供給され、その出力電流である直流入力電流Ｉ_ｄｃと負荷電流との差分が、容量値Ｃを有する前記コンデンサ３ａに充電電流として流入する。
そして、コンデンサ３ａの直流電圧検出値Ｅ_ｄｃが前記ローパスフィルタ６を介して直流電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊にフィードバックされるものである。

ここで、図６は、図５におけるＰＩ調節器８の調整方法を説明するための周波数特性図である。
図５における直流電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊から直流電圧検出値Ｅ_ｄｃまでの開ループ伝達関数の周波数特性（折れ線近似）は、図６のようになる。この特性は、低周波側及び高周波側では−４０［ｄＢ／ｄｅｃ］の傾き（周波数が１０倍になると、ゲインが４０［ｄＢ］低下する）であり、その中間において−２０［ｄＢ／ｄｅｃ］の傾きとなる。

図６において、開ループ伝達関数の低周波側の折れ点周波数ω_ａは、ＰＩ調節器８の開ループ伝達関数の周波数特性の折れ点周波数によって決まり、高周波側の折れ点周波数ω_ｂは、ループ内の遅れ時間（開ループ伝達関数の総遅れ時間を一時遅れ近似した場合の遮断周波数）によって決まる。そして、開ループ伝達関数の縦軸の位置は、制御対象の総ゲインとＰＩ調節器８のゲインとによって決まる。
この場合、システムを安定に動作させるためには、開ループ伝達関数の−２０［ｄＢ／ｄｅｃ］の傾きの部分において０［ｄＢ］ラインと交差し、かつ、２つの折れ点が、前記交差する周波数ω_ｃに対して所定周波数だけ（例えば２倍以上）離れることが必要である。
これは、積分要素が１つ（図５の例ではコンデンサ３ａ）、遅れ要素が全体として１つである制御系にＰＩ調節器を適用した場合の一般的事項である。

特開平０１−１６４３００号公報（第２頁左下欄第３行〜第９行、第１図等）

図５に示したシステムにおいて特徴的な点は、制御系として見た場合の発電機１のゲインが、回転速度に応じて変化することである。すなわち、発電機１の発電電力は、発電機１を流れる電流が一定の場合には回転速度に比例するからであり、図５ではＰＩ調節器８の出力が電流指令値（トルク電流指令）となっているため、この電流指令値に対応した発電電力は回転速度に比例することになる。

すなわち、図６に示した開ループ伝達関数は、発電機１の回転速度に応じて矢印の如く上下に移動するため、そのように移動した場合でも安定になるように、つまり−２０［ｄＢ／ｄｅｃ］の傾きの部分において０［ｄＢ］ラインと交差するように、低周波側の折れ点周波数ω_ａを低周波側に移動させる必要がある。これを実現するためには、ＰＩ調節器８のゲインを下げなくてはならない。なお、高周波側の折れ点周波数ω_ｂは、開ループ伝達関数の総遅れ時間によって決まるため、発電機１の回転速度とは理論的に無関係である。

次いで、図７は、従来の発電システムにおいて、上記のようにＰＩ調節器８のゲインを調整した場合の、回転速度によるシステムの外乱応答の違いを示している。図７（ａ）は発電機１の高速回転時、図７（ｂ）は低速回転時であり、横軸、縦軸のスケールは何れも同一である。
図示するように、負荷が急減した場合の直流電圧Ｅ_ｄｃの跳ね上がりは、発電機１が低速で回転している場合に大きくなることが分かる。これは、回転速度が低いことによって発電機１の発電量／電流値が下がるため、ループのゲインが下がり、外乱を抑制する能力が低下することによるものである。

このような発電システムでは、発電機１の回転速度が低い場合に過電圧になり易く、この過電圧によりシステムの保護回路が作動してシステムの動作が停止したり、最悪の場合には故障の原因ともなる。
そこで、本発明の解決課題は、発電機の回転速度に関わらず安定で応答性の良い直流電圧制御系を備えた発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、発電機と、前記発電機の発電電力を所定の直流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器の直流電圧を指令値に一致させるように動作する電圧調節手段と、前記電圧調節手段から出力される前記発電機の電流指令値に応じて前記発電機の電流を制御する電流制御手段と、を備えた発電システムにおいて、
前記電圧調節手段のゲインを、前記発電機の回転速度に応じて変化させるものである。

請求項２に係る発明は、発電機と、前記発電機の発電電力を所定の直流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器の直流電圧を指令値に一致させるように動作する電圧調節手段と、前記電圧調節手段から出力される前記発電機の発電量指令値に応じて前記発電機の発電量を制御する電流調節手段と、を備えた発電システムにおいて、
前記電圧調節手段のゲインを、前記発電機の回転速度に応じて変化させるものである。

なお、請求項３に記載するように、前記電圧調節手段をＰＩ調節器により構成し、このＰＩ調節器の比例ゲインを、前記発電機の回転速度に反比例させて変化させることが望ましい。

本発明によれば、発電機の回転速度に反比例させてＰＩ調節器等の電圧調節手段のゲインを変化させることにより、直流電圧制御系の開ループ伝達関数のゲインの低下を防ぎ、低速回転時の負荷急減等に伴う発電量の低下を抑制して直流電圧の上昇を防止することが可能である。
これにより、発電機の回転速度に関わらず安定で応答性の良い直流電圧制御系を備えた発電システムを提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示すもので、前述した図４のような発電システムにおいて、直流電圧部３の直流電圧検出値Ｅ_ｄｃが指令値Ｅ_ｄｃ ^＊に一致するように制御するための直流電圧制御系のブロック図である。
図１において、図５と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、直流電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊と直流電圧検出値Ｅ_ｄｃとの偏差が減算器７により算出され、この偏差は、比例ゲインＫ_ＰＩを発電機１の回転速度（出力周波数）に応じて可変とした電圧調節手段としてのＰＩ調節器８Ａに入力されている。このＰＩ調節器８Ａにおいて、Ｔは積分時間、ｓはラプラス演算子である。
ＰＩ調節器８Ａから出力されるトルク電流指令は、図５と同様に電流制御部９に入力されており、発電機１に指令通りのトルク電流を通流させるように構成されている。

図２は、前記ＰＩ調節器８Ａの具体例としてのＰＩ調節器８Ｂを備えた直流電圧制御系のブロック図であり、減算器７から出力される偏差に、比例ゲインＫ_ＰＩを発電機１の回転角速度ω_ｍにより除算した値を乗じるようにした（すなわち、ＰＩ調節器８Ｂの比例ゲインＫ_ＰＩを回転角速度ω_ｍに反比例させた）例である。
いま、発電機１自体の損失等を無視すれば、理想的には発電量は回転速度に比例する。よって、図２のようにＰＩ調節器８Ｂのゲインを回転速度に反比例させれば、図２に示した直流電圧制御系の開ループ伝達関数のゲインは回転速度に依存しなくなる。

ここで、図３（ａ），（ｂ）は、ＰＩ調節器のゲインが回転速度に反比例するように設定した場合の、高速回転時、低速回転時におけるシステムの外乱応答を示す図であり、横軸、縦軸のスケールは図７（ａ），（ｂ）と同一である。
本実施形態によれば、図３（ｂ）と図７（ｂ）との比較から明らかなように、発電機１の低速回転時に負荷が急減した場合でも、ＰＩ調節器８Ｂのゲインを回転速度に反比例させることにより、直流電圧Ｅ_ｄｃの跳ね上がりを小さく抑えることができ、回転速度に影響されずに直流電圧制御系の安定性及び応答性を良好に維持することができる。

なお、実際の発電機では、発電機自体の損失等に起因して、発電量は回転速度に対して厳密には比例しない。よって、回転速度に応じたＰＩ調節器のゲインの変化は、前述の要素の影響をも考慮して、直流電圧制御系の開ループ伝達関数のゲインが回転速度に応じて一定になるようにしてもよい。ただし、開ループ伝達関数のゲインが概略一定であれば、安定性や応答性への影響は現実的には問題とならないことも多いので、ＰＩ調節器のゲインの厳密な管理は通常不要である。

以上に述べた本発明の着想は、換言すれば、直流電圧Ｅ_ｄｃを指令値に制御するための調節器の出力に応じて、発電機１の発電量を直接制御することに対応する。
すなわち、発電機１の発電量が回転速度と発電機電流との積にほぼ比例することから、直流電圧Ｅ_ｄｃの調節器の出力を発電機電流の指令値として用いる場合に、回転速度による直流電圧制御系のゲインへの影響を相殺するために、回転速度に反比例させて調節器のゲインを調整することにより、制御系の安定化が可能になるというものである。
従って、直流電圧Ｅ_ｄｃの調節器の出力を発電機に対する発電量の指令値として用い、これを受けて発電機の発電量を直接的に制御する調節器を後段に接続しても、同様な効果を得ることができる。

ここで、他の先行技術文献としての特開平９−１２１５０９号公報には、図８に示す同期発電機の励磁装置が開示されている。
図８において、３０は同期発電機、３１は励磁機、３２は励磁機の伝達関数の比例項（Ｎ_Ｄは発電機３０の実際の回転速度、Ｎ_０は定格回転速度）、２０は励磁装置、２１は発電機３０の出力電圧を設定する電圧設定器、２２は発電機３０の出力電圧を検出する電圧検出器、２３は電圧制御アンプ（ＰＩアンプ）、２４は可変ゲイン、２５は界磁電流制御アンプ（ＰＩアンプ）、２６はサイリスタ変換部、２７は界磁電流検出器である。

この励磁装置２０において、電圧制御アンプ２３は発電機３０の電圧設定値と電圧検出値との偏差を増幅して界磁電流指令値を生成する。この界磁電流指令値は、可変ゲイン２４により、（Ｎ_Ｄ／Ｎ_０）^２に反比例する界磁電流設定値に変換される。そして、界磁電流制御アンプ２５は、界磁電流設定値と界磁電流検出値との偏差を増幅し、サイリスタ変換部２６を介して励磁機３１を制御するようになっている。
これにより、負荷の遮断等によって発電機３０の回転速度Ｎ_Ｄが増加すると、励磁系のゲインは可変ゲイン２４により（Ｎ_Ｄ／Ｎ_０）^２に反比例して減少する。従って、発電機３０のゲインが（Ｎ_Ｄ／Ｎ_０）^２に比例して大きくなっても、発電機３０の出力電圧を設定値通りに制御することが可能である。

図８に示した先行技術は、発電機３０の回転速度に応じて励磁系のゲインを可変とするものであるが、負荷が遮断された際の発電機電圧のハンチングを防止するために、界磁電流を調整して発電機電圧を制御するという動作原理に基づいている。すなわち、この先行技術は、本発明のように、発電機１の回転速度に応じて電流指令値を変化させ、電力変換器２により発電機電流が前記電流指令値に一致するように制御することで、電力変換器２の直流電圧を負荷遮断時等に限らず常に安定して制御可能とした直流電圧制御技術とは基本的に異なっている。
また、本発明においては、発電機１の低速回転時にも直流電圧Ｅ_ｄｃが高速回転時とほぼ同等になるので、直流電圧Ｅ_ｄｃの跳ね上がりを見込んで直流電圧部３のコンデンサ３ａの容量を大きくする必要がなく、コンデンサ３ａの小形化、装置全体のコストの低減が可能である。

なお、本発明を実現するためには、発電機１の回転速度情報が必要であるが、この情報としては、実際に回転速度を検出してもよいし、理論的に演算してもよい。例えば、発電機１をいわゆる位置・速度センサレス運転する場合には、回転速度を直接検出しないため、その制御系が有する速度推定値を用いればよい。また、回転速度の検出や演算を必要とせず、例えば、発電機１の動力源の速度の検出値や指令値が存在する場合には、それらの値から発電機１の回転速度情報を得ることもできる。
ここで、回転速度情報として位置・速度センサレス運転における速度推定値を用いる場合には、速度推定系と電圧制御系との干渉を避けるため、例えば速度推定値を時定数が大きめのローパスフィルタに通して電圧制御系のＰＩ調節器のゲイン変更に用いる等の手段が必要になる場合がある。

上記の実施形態では、発電機１として交流発電機を用いた場合について説明したが、発電機として直流機を用い、この直流器から出力される直流電力を電力変換器により所定の大きさの直流電力に変換する発電システムにおいても、同様な制御系を構成可能である。要は、発電機の発電電力が、その通流電流が一定の場合に回転速度にほぼ比例するということは、通常用いられる発電機一般に成り立っており、その限りにおいて、電圧調節手段のゲインを可変とすること、具体的には、ＰＩ調節器の比例ゲインを発電機の回転速度に反比例させることにより、システムの応答性を高く維持することができる。

本発明の実施形態を示す直流電圧制御系のブロック図である。図１におけるＰＩ調節器の具体例を示すブロック図である。図２におけるシステムの外乱応答を示す図である。従来の発電システムの構成図である。従来の直流電圧制御系のブロック図である。図５におけるＰＩ調節器の調整方法を説明するための周波数特性図である。従来技術におけるシステムの外乱応答を示す図である。他の従来技術を示すブロック図である。

符号の説明

１：発電機
２：電力変換器
３：直流電圧部
３ａ：コンデンサ
４：電流検出器
５：制御装置
６：ローパスフィルタ
７，１０：減算器
８，８Ａ，８Ｂ：ＰＩ調節器
９：電流制御部

Claims

発電機と、
前記発電機の発電電力を所定の直流電力に変換する電力変換器と、
前記電力変換器の直流電圧を指令値に一致させるように動作する電圧調節手段と、
前記電圧調節手段から出力される前記発電機の電流指令値に応じて前記発電機の電流を制御する電流制御手段と、
を備えた発電システムにおいて、
前記電圧調節手段のゲインを、前記発電機の回転速度に応じて変化させることを特徴とする発電システム。
発電機と、
前記発電機の発電電力を所定の直流電力に変換する電力変換器と、
前記電力変換器の直流電圧を指令値に一致させるように動作する電圧調節手段と、
前記電圧調節手段から出力される前記発電機の発電量指令値に応じて前記発電機の発電量を制御する電流調節手段と、
を備えた発電システムにおいて、
前記電圧調節手段のゲインを、前記発電機の回転速度に応じて変化させることを特徴とする発電システム。
請求項１または２に記載した発電システムにおいて、
前記電圧調節手段をＰＩ調節器により構成し、
このＰＩ調節器の比例ゲインを、前記発電機の回転速度に反比例させて変化させることを特徴とする発電システム。