JP2014023286A - Dc smoothing apparatus for ac generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は交流発電機の直流平滑化装置に関し、特に風力等の自然エネルギーにより駆動される交流発電機に対して好適に適用できる交流発電機の直流平滑化装置に関する。 The present invention relates to a DC smoothing device for an AC generator, and more particularly to a DC smoothing device for an AC generator that can be suitably applied to an AC generator driven by natural energy such as wind power.
交流発電機の出力（発生電力）の最大値を得る方法としては、山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）により制御を行う方法が知られている。（特許文献１）
しかしながら、風力発電装置の交流発電機に対してＭＰＰＴ法を適用した場合、風速の変化が急激であるため、十分な追従性が得られないという問題がある。
As a method of obtaining the maximum value of the output (generated power) of the AC generator, a method of performing control by maximum power point tracking (MPPT) by a hill climbing method is known. (Patent Document 1)
However, when the MPPT method is applied to an AC generator of a wind power generator, there is a problem that sufficient followability cannot be obtained because the wind speed changes rapidly.
また、風力発電装置の交流発電機は発生電力が不安定であるため、最大電力値の電力を平滑化することが、充電器への充電や商用電源化装置への電力供給のために必要である。
交流発電機の電力平滑化の方法としては、整流ブリッジと電解コンデンサによる整流平滑回路を用いる方法が一般的である。
しかしながら、コンデンサインプットの平滑回路は大きなリプル電流が発生し、発電機に騒音（唸り音）や共振音が発生し易いという問題がある。特に、風力発電装置における交流発電機の場合、高層ビルの屋上に設置されることがあり、発生した騒音や共振音が広範囲に伝播するという問題がある。この対策として、大型のリアクトルとコンデンサを組み合わせたアクティブフィルターの方式が知られているが、この方式では十分な効果が得られないのが実状である。
In addition, since the generated power of the AC generator of the wind turbine generator is unstable, it is necessary to smooth the power of the maximum power value for charging the charger and supplying power to the commercial power supply device. is there.
As a method for smoothing the power of the AC generator, a method using a rectifying and smoothing circuit including a rectifying bridge and an electrolytic capacitor is generally used.
However, the capacitor input smoothing circuit has a problem that a large ripple current is generated, and noise (ringing noise) and resonance noise are easily generated in the generator. In particular, in the case of an AC generator in a wind power generator, it may be installed on the roof of a high-rise building, and there is a problem that generated noise and resonance sound propagate in a wide range. As a countermeasure, an active filter method combining a large reactor and a capacitor is known. However, this method does not provide a sufficient effect.
更に、風力発電装置の場合、発生電力は風速の３乗に比例することから、風速の変化に伴う発生電力の変動が非常に大きい。例えば、風速１ｍの時の発生電力に対して、風速１０ｍの時の発生電力は１０００倍にもなる。従って、電力変換を高効率に行うためには、広いダイナミックレンジをもつ電力制御が必要である。 Furthermore, in the case of a wind turbine generator, the generated power is proportional to the third power of the wind speed, and therefore the fluctuation of the generated power accompanying the change in the wind speed is very large. For example, the generated power at a wind speed of 10 m is 1000 times that generated at a wind speed of 1 m. Therefore, in order to perform power conversion with high efficiency, power control having a wide dynamic range is necessary.
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、応答速度が速い制御が可能であって高い追従性が得られ、大きな騒音や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことができ、広いダイナミックレンジをもつ電力制御を行うことが可能であって、発生電力が不安定である風力発電装置等の自然エネルギーによる発電装置の交流発電機に対して好適に適用できる交流発電機の直流平滑化装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, can be controlled with a fast response speed, and can provide high tracking performance, and can be generated without generating loud noise or resonance. It is possible to perform power smoothing, power control with a wide dynamic range, and to the AC generator of a power generation device using natural energy such as a wind power generation device where generated power is unstable The present invention provides a DC smoothing device for an AC generator that can be suitably applied.
請求項１に係る発明は、交流発電機の各相それぞれの巻線のコイルの一部又は全てを電力変換コイルとして利用する整流装置付きの電力制御コンバータからなる回路と、前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有し、
前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、
前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力を計算する
ことを特徴とする交流発電機の直流平滑化装置に関する。
The invention according to claim 1 is a circuit comprising a power control converter with a rectifier that uses a part or all of a coil of each phase winding of an AC generator as a power conversion coil, and an output current of the circuit. The output power detection means for detecting, the output voltage detection means for detecting the output voltage of the circuit, and the ON time of the power control converter is fixed, the target power and the actual output power are obtained, and the output power becomes the target power. Control means for increasing or decreasing the OFF time of the power control converter,
The circuit has detection means for detecting a power generation frequency or a power generation voltage of the AC generator,
The control means relates to a DC smoothing device for an AC generator, wherein the target power is calculated based on the detected power generation frequency or power generation voltage.
請求項２に係る発明は、前記制御手段は、前記目標電力（Ｗｏｂｊ）を、下記式（１）又は式（２）により算出することを特徴とする請求項１記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
Ｗｏｂｊ＝Ｋ１×ＦＫ２・・・（１）
Ｗｏｂｊ＝Ｋ１×ＶＫ２・・・（２）
但し、Ｋ１＝Ｗｍａｘ／Ｆｍａｘ Ｋ２
Ｆ：交流発電機の発電周波数
Ｆｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数
Ｗｍａｘ：交流発電機の最大定格電力
Ｖ：交流発電機の発電電圧
Ｋ２：べき乗定数（水力発電の場合はＫ２＝１、風力発電の場合はＫ２＝３）
The invention according to claim 2 is characterized in that the control means calculates the target power (W obj ) by the following formula (1) or formula (2). The present invention relates to a smoothing device.
W obj = K1 × F K2 (1)
W obj = K1 × V K2 (2)
However, K1 = W max / F max K2
F: power generation frequency of the alternator F max : maximum rated frequency of the alternator W max : maximum rated power of the AC generator V: power generation voltage of the AC generator K2: exponentiation constant (K2 = 1 in the case of hydroelectric power generation, In the case of wind power generation, K2 = 3)
請求項３に係る発明は、前記電力制御コンバータからなる回路が、昇圧コンバータからなる力率改善回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
請求項４に係る発明は、前記電力制御コンバータが降圧コンバータであることを特徴とする請求項１又は２記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
The invention according to claim 3 relates to a DC smoothing device for an AC generator according to claim 1 or 2, wherein the circuit comprising the power control converter is a power factor correction circuit comprising a boost converter.
The invention according to claim 4 relates to a DC smoothing device for an AC generator according to claim 1 or 2, wherein the power control converter is a step-down converter.
請求項５に係る発明は、前記べき乗定数を設定するべき乗定数設定手段と、交流発電機の定格周波数を設定する定格周波数設定手段と、交流発電機の定格電力を設定する定格電力設定手段と、を有し、前記制御手段は、前記べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、前記べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出することを特徴とする請求項２記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
請求項６に係る発明は、前記制御手段は、前記べき乗定数（Ｋ２）を０として、前記出力電力の制御を山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御へと切り替える切り換え手段を有していることを特徴とする請求項２又は５記載の交流発電機の直流平滑化装置に関する。
The invention according to claim 5 is a power constant setting means for setting the power constant, a rated frequency setting means for setting a rated frequency of the AC generator, a rated power setting means for setting the rated power of the AC generator, The control means calculates the power constant, maximum rated frequency, and maximum rated power based on settings of the power constant setting means, rated frequency setting means, and rated power setting means. The present invention relates to a DC smoothing device for an AC generator according to Item 2.
According to a sixth aspect of the present invention, the control means includes switching means for setting the power constant (K2) to 0 and switching the output power control to maximum power point tracking (MPPT) control by a hill-climbing method. The present invention relates to a DC smoothing device for an AC generator according to claim 2 or 5.
本発明によれば、発電装置の特性から計算で目標電力を求めて、出力電力が目標電力となるように出力電力を制御することから、応答速度が速い制御が可能であり、高い追従性が得られるため、特に風力発電装置等の自然エネルギーによる発電装置の交流発電機に対する適用に非常に適している。 According to the present invention, the target power is obtained by calculation from the characteristics of the power generation device, and the output power is controlled so that the output power becomes the target power. Therefore, control with a fast response speed is possible, and high followability is achieved. Since it is obtained, it is particularly suitable for application to an AC generator of a power generator using natural energy such as a wind power generator.
また、電力制御コンバータからなる回路として昇圧コンバータを用いる力率改善回路を使用することによって、交流発電機の力率が１になり、交流発電機のリプル電流が減少し、大きな騒音（唸り音）や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことができる。そのため、風力発電装置を高層ビルの屋上に設置した場合においても、騒音や共振音が広範囲に伝播することが大幅に抑制される。
更に、昇圧コンバータのＯＮ時間を一定として、力率改善回路を使用した制御を行うことにより、瞬時電圧も瞬時電流も同時に比例して変化して、電力としては２乗に比例制御したこととなるため、ＯＦＦ時間で残りの１乗分に対しての制御を行えばよいこととなり、簡単な方法で数千倍（３乗分）の広いダイナミックレンジを得ることが可能となる。
In addition, by using a power factor correction circuit using a boost converter as a circuit comprising a power control converter, the power factor of the AC generator becomes 1, the ripple current of the AC generator is reduced, and a loud noise (sounding noise). The generated power can be smoothed without generating resonance noise. Therefore, even when the wind power generator is installed on the roof of a high-rise building, it is greatly suppressed that noise and resonance sound propagate over a wide range.
Furthermore, by performing control using the power factor correction circuit with the ON time of the boost converter constant, the instantaneous voltage and the instantaneous current change in proportion at the same time, and the power is proportionally controlled to the square. Therefore, it is only necessary to control the remaining 1st power in the OFF time, and it is possible to obtain a wide dynamic range several thousand times (3rd power) by a simple method.
また、制御手段が、べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出することにより、様々な種類の広範囲な発電装置とのマッチングが可能となる。
更に、制御手段が、べき乗定数を０として、出力電力の制御を山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御へと切り替える切り換え手段を有していることにより、発電装置の種類（特性）に応じて制御方式を最適な方式へと変更することができる。例えば、風力発電装置に適用する場合は、上述した如く山登り法による最大電力点追従制御では良好な追従性が得られないためにべき乗定数を３として制御を行い、水力発電装置に適用する場合には、状況に応じて山登り法による最大電力点追従制御を行うという切り換えが可能となる。
In addition, the control means calculates the power constant, the maximum rated frequency, and the maximum rated power based on the settings of the power constant setting means, the rated frequency setting means, and the rated power setting means. Can be matched.
Furthermore, the control means has a switching means for setting the power constant to 0 and switching the output power control to the maximum power point tracking (MPPT) control by the hill-climbing method. The control method can be changed to an optimal method. For example, when applied to a wind power generator, when the maximum power point tracking control by the hill-climbing method cannot obtain good tracking performance as described above, the power constant is set to 3 and applied to the hydroelectric generator. Can be switched to perform maximum power point tracking control by the hill-climbing method according to the situation.
以下、本発明に係る交流発電機の直流平滑化装置の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る装置の回路構成を示す図である。
本発明に係る装置は、交流発電機の各相それぞれの巻線のコイルの一部又は全てを電力変換コイルとして利用する整流装置付きの電力制御コンバータからなる回路と、前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有しており、前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力を計算するように構成されている。
Hereinafter, a preferred embodiment of a DC smoothing device for an AC generator according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of an apparatus according to the present invention.
An apparatus according to the present invention detects a circuit comprising a power control converter with a rectifier that uses part or all of a coil of each phase winding of an AC generator as a power conversion coil, and an output current of the circuit Output current detection means, output voltage detection means for detecting the output voltage of the circuit, and the target power and the actual output power are determined with the ON time of the power control converter constant, so that the output power becomes the target power. Control means for increasing or decreasing the OFF time of the power control converter, and the circuit has detection means for detecting a power generation frequency or a power generation voltage of the AC generator, The target power is calculated based on the detected power generation frequency or power generation voltage.
図１及び後ほど説明する図４では、電力制御コンバータからなる回路が昇圧コンバータからなる力率改善回路（ＰＦＣ）である場合を示しているが、電力制御コンバータとして降圧コンバータを使用してもよい。 Although FIG. 1 and FIG. 4 to be described later show a case where the circuit made up of the power control converter is a power factor correction circuit (PFC) made up of a boost converter, a step-down converter may be used as the power control converter.
また、図１では、交流発電機の各相のうちの１つの相の巻線のコイルを交流発電機（ＧＥＮ１１）として示している（即ち、単相の交流発電機として示している）が、実際には後述する図４に示すように、交流発電機（ＧＥＮ１１）の各相（３相）のそれぞれに対して図１に示す回路が接続される。 Moreover, in FIG. 1, the coil | winding coil of one phase of each phase of an alternating current generator is shown as an alternating current generator (GEN11) (namely, it shows as a single phase alternating current generator), Actually, as shown in FIG. 4 described later, the circuit shown in FIG. 1 is connected to each phase (three phases) of the AC generator (GEN11).
力率改善回路は、単相整流ブリッジ（Ｄ１１）からなる整流装置付きの昇圧コンバータを用いた力率改善回路であり、整流後の平滑コンデンサを用いない。つまり、整流ブリッジと電解コンデンサによる整流平滑回路を用いる従来の方法とはこの点で明確に異なる。このように整流後の平滑コンデンサを排除した力率改善回路を用いることにより、交流発電機のリプル電流が減少し、大きな騒音（唸り音）や共鳴音を発生させることなく発生電力の平滑化を行うことが可能となる。 The power factor correction circuit is a power factor correction circuit using a step-up converter with a rectifier composed of a single-phase rectifier bridge (D11), and does not use a rectified smoothing capacitor. That is, this method is clearly different from the conventional method using a rectifying and smoothing circuit including a rectifying bridge and an electrolytic capacitor. By using a power factor correction circuit that eliminates the smoothing capacitor after rectification in this way, the ripple current of the AC generator is reduced, and the generated power is smoothed without generating loud noise (sounding noise) or resonance. Can be done.
交流発電機（ＧＥＮ１１）の各相のコイルから出力される交流電流は、ローパスフィルターを介して整流装置（Ｄ１１）へと送られて整流される。
ローパスフィルターは、コイル（Ｌ１１）、コンデンサ（Ｃ１１）（Ｃ１２）から構成されており、交流発電機（ＧＥＮ１１）にスイッチング電流が逆流することを防ぐ役割を果たす。
The alternating current output from the coils of each phase of the alternating current generator (GEN11) is sent to the rectifier (D11) through the low-pass filter and rectified.
The low-pass filter includes a coil (L11) and capacitors (C11) and (C12), and plays a role of preventing a switching current from flowing back to the AC generator (GEN11).
出力電流検出手段は、電流センサ（ＣＴ１１）及び電流検出回路（Ｕ１２）から構成されており、電流センサ（ＣＴ１１）により出力電流の瞬時値が検出され、この検出値が電流検出回路（Ｕ１２）へと送られる。
出力電圧検出手段は、電圧検出回路（Ｕ１４）から構成されている。
発電周波数検出手段は、発電周波数検出回路（Ｕ１３）から構成されている。
電流検出回路（Ｕ１２）、電圧検出回路（Ｕ１４）、発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、コンピュータ（マイコン）からなる制御装置（Ｕ１５）と接続されている。
制御装置（Ｕ１５）はメモリに記録された所定のプログラムに基づいて装置の動作をＣＰＵにより制御するものであり、各回路（Ｕ１２）、（Ｕ１３），（Ｕ１４）からの出力は制御装置（Ｕ１５）へと送られ、制御装置（Ｕ１５）は出力値に基づいて装置全体を制御する。
The output current detection means includes a current sensor (CT11) and a current detection circuit (U12). An instantaneous value of the output current is detected by the current sensor (CT11), and this detected value is sent to the current detection circuit (U12). Sent.
The output voltage detection means includes a voltage detection circuit (U14).
The power generation frequency detection means includes a power generation frequency detection circuit (U13).
The current detection circuit (U12), the voltage detection circuit (U14), and the power generation frequency detection circuit (U13) are connected to a control device (U15) including a computer (microcomputer).
The control device (U15) controls the operation of the device based on a predetermined program recorded in the memory, and outputs from the respective circuits (U12), (U13), (U14) are controlled by the control device (U15). The control device (U15) controls the entire device based on the output value.
図５は発電周波数検出回路（Ｕ１３）の周波数検出原理の説明図であり、図６は発電周波数検出回路（Ｕ１３）の回路図である。
発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、交流トランス（Ｔ５１）と、ローパスフィルタ（Ｕ５１）と、波形整形用飽和増幅器（Ｕ５２）と、Ｆ／Ｖ変換装置（Ｕ５３）を備えている。ローパスフィルタ（Ｕ５１）は、抵抗（Ｒ６１）とコンデンサ（Ｃ６１）、抵抗（Ｒ６２）とコンデンサ（Ｃ６２）の２段ローパスフィルターとして構成されている。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the frequency detection principle of the power generation frequency detection circuit (U13), and FIG. 6 is a circuit diagram of the power generation frequency detection circuit (U13).
The power generation frequency detection circuit (U13) includes an AC transformer (T51), a low-pass filter (U51), a waveform shaping saturation amplifier (U52), and an F / V converter (U53). The low-pass filter (U51) is configured as a two-stage low-pass filter including a resistor (R61) and a capacitor (C61), and a resistor (R62) and a capacitor (C62).
発電周波数検出回路（Ｕ１３）に入力された交流電圧は、交流トランス（Ｔ５１）により降圧され、交流トランス（Ｔ５１）の出力波形（図７のＧ６１参照）はローパスフィルタ（Ｕ５１）により高周波成分が除去された波形（図７のＧ６２参照）となり、この波形（Ｇ６２）が波形整形用飽和増幅器（Ｕ５２）により発電周波数に同期したパルス波形（図７のＧ６３参照）に整形され、Ｆ／Ｖ変換装置（Ｕ５３）により周波数に応じた直流電圧（発電電圧）に変換される（図７のＧ６４参照）。制御装置（Ｕ１５）は、この直流電圧（発電電圧）の値から発電周波数を求める。つまり、発電周波数検出回路（Ｕ１３）は、交流発電機（ＧＥN１１）の発電周波数を検出する発電周波数検出手段としての機能と、交流発電機（ＧＥN１１）の発電電圧を検出する発電電圧検出手段としての機能を有している。 The AC voltage input to the power generation frequency detection circuit (U13) is stepped down by the AC transformer (T51), and the output waveform of the AC transformer (T51) (see G61 in FIG. 7) is removed of high-frequency components by the low-pass filter (U51). The waveform (see G62 in FIG. 7) is shaped into a pulse waveform (see G63 in FIG. 7) synchronized with the power generation frequency by the waveform shaping saturation amplifier (U52), and the F / V converter (U53) is converted into a DC voltage (generated voltage) corresponding to the frequency (see G64 in FIG. 7). The control device (U15) obtains the power generation frequency from the value of the DC voltage (power generation voltage). That is, the power generation frequency detection circuit (U13) functions as a power generation frequency detection means for detecting the power generation frequency of the AC generator (GEN 11) and a power generation voltage detection means for detecting the power generation voltage of the AC generator (GEN 11). It has a function.
尚、交流発電機の発電周波数は発電電圧と比例関係であるから、発電周波数検出手段は、発電周波数を、制御装置（Ｕ１５）により、検出された発電電圧と、交流発電機の周波数に対する定数（予め求められた既知の値）から計算して求めてもよい。 Since the power generation frequency of the alternator is proportional to the power generation voltage, the power generation frequency detecting means determines the power generation frequency as a constant (with respect to the power generation voltage detected by the control device (U15) and the frequency of the AC generator ( It may be calculated from a known value obtained in advance).
回路のオンオフ制御を行うスイッチング素子（ＦＥＴ１１）には、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートドライブ用のローサイドドライバ（Ｕ１１）が接続されており、ローサイドドライバ（Ｕ１１）の駆動は制御装置（Ｕ１５）により制御される。 A low-side driver (U11) for gate drive of the switching element (FET11) is connected to the switching element (FET11) that performs on / off control of the circuit, and driving of the low-side driver (U11) is controlled by the control device (U15). Is done.
制御手段を構成する制御装置（Ｕ１５）は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電力（Ｗｏｂｊ）と実際の出力電力（ＷＯＵＴ）を求め、目標電力（Ｗｏｂｊ）＝出力電力（ＷＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させる（通電角を制御する）ことにより電力制御を行う。回路のオンオフ制御は、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のオンオフにより行う。 The control device (U15) constituting the control means has a target power (W obj ) and an actual output power (W) in multiple states in which the ON time of the power factor improvement circuit using the boost converter is constant (power factor improvement circuit). OUT ) is obtained, and power control is performed by increasing / decreasing the OFF time (controlling the energization angle) so that the target power (W obj ) = output power (W OUT ). The on / off control of the circuit is performed by turning on / off the switching element (FET 11).
目標電力（Ｗｏｂｊ）は、
Ｆ：発電周波数
Ｋ１：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数と比例する定数
Ｋ２：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数
Ｆｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数
Ｗｍａｘ：交流発電機の最大定格電力
とすると、
Ｋ１＝Ｗｍａｘ／（Ｆｍａｘ Ｋ２）であり、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×ＦＫ２（Ｗ）で求められる。
The target power (W obj ) is
F: power generation frequency K1: constant proportional to power constant of power generation frequency (F) K2: power constant of power generation frequency (F) F max : maximum rated frequency of AC generator W max : maximum rated power of AC generator ,
K1 = W is a max / (F max K2),
Target power (W obj ) = K1 × F K2 (W)
べき乗定数（Ｋ２）は、べき乗定数設定手段として設けられた、図１に示すべき乗定数設定用ボリューム（ＶＲ１３）により設定される。
最大定格周波数（Ｆｍａｘ）は、定格周波数設定手段として設けられた、図１に示す定格周波数設定用ボリューム（ＶＲ１１）により設定される。
最大定格電力（Ｗｍａｘ）は、定格電力設定手段として設けられた、図１に示す定格電力設定用ボリューム（ＶＲ１２）により設定される。
ここで、べき乗定数（Ｋ２）は、使用される発電装置の構造によって決まる値であり、例えば風力発電装置の場合は３、水力発電装置の場合は１に設定される。最大定格周波数（Ｆｍａｘ）及び最大定格電力（Ｗｍａｘ）は、使用する交流発電機により決まる値である。
The power constant (K2) is set by a power constant setting volume (VR13) shown in FIG. 1 provided as a power constant setting means.
The maximum rated frequency (F max ) is set by a rated frequency setting volume (VR11) shown in FIG. 1 provided as a rated frequency setting means.
The maximum rated power (W max ) is set by a rated power setting volume (VR12) shown in FIG. 1 provided as a rated power setting means.
Here, the power constant (K2) is a value determined by the structure of the power generation device used. For example, the power constant (K2) is set to 3 for a wind power generation device and 1 for a hydropower generation device. The maximum rated frequency (F max ) and the maximum rated power (W max ) are values determined by the AC generator used.
実際の出力電力（ＷＯＵＴ）は、
ＶＯＵＴ：出力電圧
ＩＯＵＴ：出力電流
とすると、
ＷＯＵＴ＝ＶＯＵＴ×ＩＯＵＴ（Ｗ）で求められる。
The actual output power (W OUT ) is
V OUT : Output voltage I OUT : Output current
W OUT = V OUT × I OUT (W)
本発明に係る装置において、負荷が蓄電池や発光ダイオード等の定電圧特性を持つ負荷の場合の電力制御は上記方法で行えばよいが、負荷が抵抗負荷等の場合は負荷が少ないと出力電圧が高くなって部品の耐圧破壊が生じるおそれがある。そのため、本発明に係る装置は、変換電力を減少させて耐圧破壊を防止するために出力電圧制御を行うことが可能である。 In the device according to the present invention, the power control when the load is a load having a constant voltage characteristic such as a storage battery or a light emitting diode may be performed by the above method. There is a risk that the breakdown voltage of the parts may increase. Therefore, the device according to the present invention can perform the output voltage control in order to reduce the converted power and prevent the breakdown voltage.
すなわち、制御手段は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電圧（Ｖｏｂｊ）と実際の出力電圧（ＶＯＵＴ）を求め、目標電圧（Ｖｏｂｊ）＝出力電圧（ＶＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電圧制御をおこなう。
目標電圧（Ｖｏｂｊ）は、制御装置（Ｕ１５）のプログラムで設定することができる。
ここで、目標電圧（Ｖｏｂｊ）とは回路に接続される負荷（機器）へのリンク電圧を意味しており、制御装置（Ｕ１５）のプログラムは、接続される負荷の大きさや種類に応じて負荷へのリンク電圧を決定する。一般的に、昇圧コンバータを使用した場合、例えばアクティブフィルターとして力率改善回路を構成する場合は、目標電圧（リンク電圧）は入力電圧以上になる。一方、降圧コンバータを使用した場合、例えば蓄電池への充電を目的とする場合は、目標電圧（リンク電圧）は入力電圧以下になる。
That is, the control means obtains the target voltage (V obj ) and the actual output voltage (V OUT ) in multiple states where the ON time of the power factor improvement circuit using the boost converter is constant (power factor improvement circuit). Voltage control is performed by increasing / decreasing the OFF time so that voltage (V obj ) = output voltage (V OUT ).
The target voltage (V obj ) can be set by a program of the control device (U15).
Here, the target voltage (V obj ) means a link voltage to the load (equipment) connected to the circuit, and the program of the control device (U15) depends on the size and type of the connected load. Determine the link voltage to the load. Generally, when a boost converter is used, for example, when a power factor correction circuit is configured as an active filter, the target voltage (link voltage) is equal to or higher than the input voltage. On the other hand, when the step-down converter is used, for example, when charging the storage battery is intended, the target voltage (link voltage) is equal to or lower than the input voltage.
図１のＦＥＴ１１は、昇圧コンバータのスイッチング素子であり、スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートをＯＮにすると、コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に電力が蓄積される。
すなわち、
ＩＬ：スイッチング素子ＯＮ時のコイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に流れる電流の瞬時値
ＴＯＮ：スイッチング素子のＯＮ時間
Ｌ１１：発電機の巻き線のコイル（Ｌ１１）のインダクタンス
Ｌ１２：直列に接続されるコイル（Ｌ１２）のインダクタンス
Ｖ１１：交流発電機の瞬時電圧
とすると、
ＩＬ＝（Ｖ１１×ＴＯＮ）／（Ｌ１１＋Ｌ１２）（Ａ）で
コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）に電力が蓄積される。
The FET 11 in FIG. 1 is a switching element of the boost converter. When the gate of the switching element (FET 11) is turned on, power is accumulated in the coils (L11, L12).
That is,
IL: instantaneous value T ON of current flowing in coils (L11, L12) when switching element is ON T ON : ON time of switching element L11: inductance of winding coil (L11) of generator L12: coil connected in series ( L12) Inductance V11: Assuming the instantaneous voltage of the AC generator,
Electric power is accumulated in the coils (L11, L12) by IL = (V11 × T ON ) / (L11 + L12) (A).
スイッチング素子（ＦＥＴ１１）のゲートをＯＦＦにすることにより、コイル（Ｌ１１、Ｌ１２）に蓄積されたエネルギーは出力コンデンサ（Ｃ１１）に放出されて出力コンデンサ（Ｃ１１）を充電し、出力コンデンサ（Ｃ１１）に接続された出力端子（ＴＰ１１、ＴＰ１２）から負荷に電力を供給する。その結果、図２に示すように、交流発電機の瞬時電圧（発電電圧）の波形（ＶＧ）に対して電流波形（ＩＳ）が得られ、力率改善した多状態が得られる。 By turning off the gate of the switching element (FET11), the energy accumulated in the coils (L11, L12) is released to the output capacitor (C11) to charge the output capacitor (C11) and to the output capacitor (C11). Power is supplied to the load from the connected output terminals (TP11, TP12). As a result, as shown in FIG. 2, a current waveform (IS) is obtained with respect to the waveform (VG) of the instantaneous voltage (generated voltage) of the AC generator, and a multi-state with improved power factor is obtained.
図３の波形（Ｇ５１）は電流センサ（ＣＴ１１）で検出した波形であり、この波形を電流検出回路（Ｕ１２）の積分回路で平均化することによって出力電流（Ｇ５３）を得ることができる。 The waveform (G51) in FIG. 3 is a waveform detected by the current sensor (CT11), and the output current (G53) can be obtained by averaging this waveform by the integration circuit of the current detection circuit (U12).
本発明に係る装置は、自然エネルギーにより発電する発電装置の交流発電機から発生する交流電力を直流平滑化するために好適に利用される。自然エネルギーにより発電する発電装置としては、例えば、風力発電装置、水力発電装置が挙げられるが、これらに限定はされない。 The device according to the present invention is suitably used for direct current smoothing of alternating current power generated from an alternating current generator of a power generation device that generates power using natural energy. Examples of the power generation device that generates power using natural energy include, but are not limited to, a wind power generation device and a hydroelectric power generation device.
風力発電装置の場合、風により風車に発生するエネルギーは、
Ｗｗｉｎ：風のエネルギー
ρ：空気密度
Ａ：受風面積
Ｖ：風速
とすると、
Ｗｗｉｎ＝０．５×ρ×Ａ×Ｖ３（Ｗ）
である。
In the case of a wind turbine generator, the energy generated in the windmill by the wind is
W win : Wind energy ρ: Air density A: Wind receiving area V: Wind speed
W win = 0.5 × ρ × A × V 3 (W)
It is.
このエネルギーを風車と発電機で発電するため、
Ｗａｌｌ：総合電力
ηＷ：風車効率
ηｇ：発電機効率
とすると、
Ｗａｌｌ＝Ｗｗｉｎ×ηＷ×ηｇ（Ｗ）
である。
In order to generate this energy with a windmill and a generator,
W all : Total power η W : Wind turbine efficiency η g : Generator efficiency
W all = W win × η W × η g (W)
It is.
発電周波数は回転数に比例し風速に比例する定数であるため、発電周波数（発電電圧に比例する）の３乗に比例した電力が最大電力となる。
従って、本発明に係る装置を、風力発電装置に使用される交流発電機の電力制御を行う直流平滑化装置として使用する場合は、周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を３に設定する。
そうすると、目標電力（Ｗｏｂｊ）は、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ３（Ｗ）で求めることが可能となる。
Ｋ１は、Ｋ１＝Ｗｍａｘ／（Ｆｍａｘ Ｋ２）であり、制御装置（Ｕ１５）のプログラムにより算出する。
Since the power generation frequency is a constant proportional to the rotation speed and proportional to the wind speed, the power proportional to the cube of the power generation frequency (proportional to the power generation voltage) is the maximum power.
Therefore, when the apparatus according to the present invention is used as a DC smoothing apparatus that performs power control of an AC generator used in a wind turbine generator, the value of the frequency power constant setting volume (VR13) is set to 3.
Then, the target power (W obj ) is
It is possible to obtain the target power (W obj ) = K1 × F 3 (W).
K1 is K1 = W max / (F max K2), is calculated by the program of the control unit (U15).
水力発電装置の場合、水流により水車に発生するエネルギーは、
Ｗｗａｔ：水のエネルギー
Ｑ：流量
Ｈ：水圧
とすると、
Ｗｗａｔ＝Ｋ１×Ｑ×Ｈ（Ｗ）である。
In the case of a hydroelectric generator, the energy generated in the turbine by the water flow is
W wat : Water energy Q: Flow rate H: Water pressure
W wat = K1 × Q × H (W).
このエネルギーを水車と発電機で発電するため、
Ｗａｌｌ：総合電力
ηＷ：水車効率
ηｇ：発電機効率
とすると、
Ｗａｌｌ＝Ｗｗａｔ×ηＷ×ηｇ（Ｗ）
である。
In order to generate this energy with a turbine and generator,
W all : Total power η W : Turbine efficiency η g : Generator efficiency
W all = W wat × η W × η g (W)
It is.
発電周波数は回転数に比例する定数であるため、発電周波数（発電電圧に比例する）の１乗に比例した電力が最大電力となる。
従って、本発明に係る装置を、水力発電装置に使用される交流発電機の電力制御を行う直流平滑化装置として使用する場合は、周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を１に設定する。
そうすると、目標電力（Ｗｏｂｊ）は、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ１（Ｗ）で求めることが可能となる。
Ｋ１は、Ｋ１＝Ｗｍａｘ／（Ｆｍａｘ Ｋ２）であり、制御装置（Ｕ１５）のプログラムにより算出する。
Since the power generation frequency is a constant proportional to the rotation speed, the power proportional to the first power of the power generation frequency (proportional to the power generation voltage) is the maximum power.
Therefore, when the apparatus according to the present invention is used as a DC smoothing apparatus that performs power control of an AC generator used in a hydroelectric generator, the value of the frequency power constant setting volume (VR13) is set to 1.
Then, the target power (W obj ) is
The target power (W obj ) = K1 × F 1 (W) can be obtained.
K1 is K1 = W max / (F max K2), is calculated by the program of the control unit (U15).
制御手段を構成する制御装置（Ｕ１５）は、Ｋ２＝０の場合はべき乗定数０の制御ではなく、最大電力点追従方式（ＭＰＰＴ）に制御を切り替えるプログラム（切替え手段）を内蔵（記憶）している。
すなわち、制御装置（Ｕ１５）は、風力発電装置に使用する場合であっても水力発電装置に使用する場合であっても、図１の周波数べき乗定数設定ボリューム（ＶＲ１３）の値を０の位置に設定することによって、Ｋ１や周波数を無視して山登り法による最大電力点追従方式（ＭＰＰＴ）に制御を切り替えるプログラムを内蔵している。
The control device (U15) constituting the control means incorporates (stores) a program (switching means) for switching the control to the maximum power point tracking method (MPPT) instead of controlling the
That is, the control device (U15) sets the value of the frequency power constant setting volume (VR13) in FIG. 1 to the 0 position regardless of whether the control device (U15) is used for a wind turbine generator or a hydroelectric generator. By setting, a program for ignoring K1 and frequency and switching control to the maximum power point tracking method (MPPT) by the hill-climbing method is incorporated.
図１では交流発電機の１つの相に対して接続した回路のみを示したが、本発明に係る装置は、交流発電機の各相についてそれぞれ図１に示す回路を接続し、相ごとに電力を出力して出力端で合成して全体の出力を得る構成とされる。 Although only the circuit connected to one phase of the AC generator is shown in FIG. 1, the apparatus according to the present invention connects the circuit shown in FIG. 1 for each phase of the AC generator, and power is supplied to each phase. Are combined at the output end to obtain the entire output.
一般的な風力発電装置又は水力発電装置は、風車又は水車と、風車又は水車の回転を電力に変換する交流発電機と、電力を蓄積するバッテリーと、交流発電機から出力される電力を直流電力に変換する電力変換装置を備えている。
交流発電機は、ロータ及びステータを備えており、ロータは風車又は水車の回転軸に接続されている。ロータには永久磁石が設けられ、ステータには、Ｙ結線されたＵ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイルが設けられている。
風車又は水車が回転すると、発電機のロータは風車又は水車の回転軸と共に回転し、電磁誘導により発電機の各相のステータコイルに電流が流れ、発電機から３相交流電力が出力される。発電機から出力される３相交流電力は、電力変換装置により直流電力に変換され、さらに所定の電圧に降圧され、バッテリーに充電される。
本発明に係る装置は、上記したような、風力発電装置や水力発電装置の電力変換装置として好適に利用されるものである。
A general wind power generator or hydroelectric power generator includes a wind turbine or a water turbine, an AC generator that converts the rotation of the wind turbine or the water turbine into electric power, a battery that stores electric power, and electric power output from the AC generator to direct current power. A power conversion device for converting to
The AC generator includes a rotor and a stator, and the rotor is connected to a rotating shaft of a wind turbine or a water turbine. The rotor is provided with permanent magnets, and the stator is provided with Y-connected U-phase, V-phase and W-phase stator coils.
When the wind turbine or the water turbine rotates, the rotor of the generator rotates with the rotating shaft of the wind turbine or the water turbine, current flows through the stator coil of each phase of the generator by electromagnetic induction, and three-phase AC power is output from the generator. The three-phase AC power output from the generator is converted to DC power by the power conversion device, further stepped down to a predetermined voltage, and charged to the battery.
The apparatus according to the present invention is suitably used as a power conversion apparatus for a wind power generator or a hydroelectric generator as described above.
図４は、本発明に係る装置の実施例であって、風力発電装置の三相交流発電機に対して本発明を適用した実施例である。尚、この図４に示す実施例の回路の基本構成及び基本作用は、図１の回路と共通しているため、共通する部分については説明の重複を避けるために省略する。 FIG. 4 shows an embodiment of the apparatus according to the present invention, which is an embodiment in which the present invention is applied to a three-phase AC generator of a wind power generator. Since the basic configuration and basic operation of the circuit of the embodiment shown in FIG. 4 are the same as those of the circuit of FIG. 1, common portions are omitted to avoid duplication of explanation.
図４のＷ相に接続された回路が図１に相当する回路であり、Ｕ相とＶ相にもＷ相と共通する回路が接続されている。他に、各相を一括平滑化するコンデンサ（Ｃ５０）、電流センサ（ＣＴ５１）、電流検出回路（Ｕ４１）、周波数検出回路（Ｕ４２）、電圧検出回路（Ｕ４３），制御装置（Ｕ４４）、ローサイドドライバ回路（Ｕ４５）等を備えており、負荷となる疑似負荷装置（Ｕ４６）が接続されている。 The circuit connected to the W phase in FIG. 4 is a circuit corresponding to FIG. 1, and a circuit common to the W phase is also connected to the U phase and the V phase. In addition, a capacitor (C50), a current sensor (CT51), a current detection circuit (U41), a frequency detection circuit (U42), a voltage detection circuit (U43), a control device (U44), a low-side driver that collectively smoothes each phase A circuit (U45) and the like are provided, and a pseudo load device (U46) serving as a load is connected.
制御装置（Ｕ４４）は制御装置（Ｕ１５）と同じくメモリに記録された所定のプログラムに基づいて装置全体の動作をＣＰＵにより制御するコンピュータであり、各回路（Ｕ４１）、（Ｕ４２），（Ｕ４３）からの出力は制御装置（Ｕ４４）へと送られ、制御装置（Ｕ４４）は出力値に基づいて装置全体を制御する。 Similarly to the control device (U15), the control device (U44) is a computer that controls the operation of the entire device based on a predetermined program recorded in the memory. Each circuit (U41), (U42), (U43) The output from is sent to the control device (U44), and the control device (U44) controls the entire device based on the output value.
定格周波数設定手段を構成する定格周波数設定用ボリューム（ＶＲ４１）、定格電力設定手段を構成する定格電力設定用ボリューム（ＶＲ４２）、べき乗定数設定手段を構成するべき乗定数設定用ボリューム（ＶＲ４３）は、制御装置（Ｕ４４）に接続されている。制御装置（Ｕ４４）は各ボリュームの電圧値から、定格周波数、定格電力、定格周波数を算出する。 The rated frequency setting volume (VR41) constituting the rated frequency setting means, the rated power setting volume (VR42) constituting the rated power setting means, and the power constant setting volume (VR43) constituting the power constant setting means are controlled. It is connected to the device (U44). The control device (U44) calculates the rated frequency, rated power, and rated frequency from the voltage value of each volume.
コンデンサ（Ｃ４１）はＵ相用、コンデンサ（Ｃ４２）はＶ相用、コンデンサ（Ｃ４３）はＷ相用のＥＭＣ対策コンデンサである。
単相整流器（Ｄ４１）はＵ相用、単相整流器（Ｄ４２）はＶ相用、単相整流器（Ｄ４３）はＷ相用である。
コイル（Ｌ４１）はＵ相用、コイル（Ｌ４２）はＶ相用、コイル（Ｌ４３）はＷ相用の昇圧コンバータの昇圧コイルである。実際の動作は、交流発電機の各相のコイルは、各相の整流器とからなる回路を含めると等価的に各コイルのインダクタンスは加算された値となり昇圧コンバータの昇圧コイルとして動作する。例えば、図４のコイル（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３）として１（ｍＨ）のものを使用する。
The capacitor (C41) is a U-phase capacitor, the capacitor (C42) is a V-phase capacitor, and the capacitor (C43) is a W-phase EMC countermeasure capacitor.
The single phase rectifier (D41) is for the U phase, the single phase rectifier (D42) is for the V phase, and the single phase rectifier (D43) is for the W phase.
The coil (L41) is for the U phase, the coil (L42) is for the V phase, and the coil (L43) is a boost coil for the W phase boost converter. In actual operation, each phase coil of the AC generator includes a circuit composed of each phase rectifier, and the inductance of each coil is equivalent to the added value and operates as a boost coil of the boost converter. For example, 1 (mH) coils are used as the coils (L41, L42, L43) in FIG.
スイッチングング素子（４１）はＵ相用、スイッチング素子（４２）はＶ相用、スイッチング素子（４３）はＷ相用であり、これらのスイッチング素子はコンピュータからなる制御装置（Ｕ４４）により制御される。（Ｕ４５）はスイッチング素子のゲートドライブ用のローサイドドライバである。
ダイオード（Ｄ４４）はＵ相用、ダイオード（Ｄ４５）はＶ相用、ダイオード（Ｄ４６）はＷ相用の昇圧コンバータの出力ダイオードであり、平滑出力コンデンサ（Ｃ５０）に接続される。
The switching element (41) is for the U phase, the switching element (42) is for the V phase, and the switching element (43) is for the W phase. These switching elements are controlled by a control device (U44) comprising a computer. . (U45) is a low side driver for the gate drive of the switching element.
A diode (D44) is an output diode for a U-phase, a diode (D45) is for a V-phase, and a diode (D46) is an output diode for a W-phase boost converter, and is connected to a smoothing output capacitor (C50).
スイッチング素子（ＦＥＴ４１、ＦＥＴ４２、ＦＥＴ４３）のゲートをＯＮにすると、コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に電力が蓄積される。
すなわち、
Ｌ：コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に等価なコイルのインダクタンス
ＩＬ：スイッチング素子ＯＮ時のコイルに流れる電流の瞬時値
ＴＯＮ：スイッチング素子のＯＮ時間
ＶＬ：交流発電機の瞬時電圧（内部発電電圧の瞬時値）
とすると、
ＩＬ＝（ＶＬ×ＴＯＮ）／Ｌ（Ａ）で
コイル（Ｌ４１〜Ｌ４６）に電力が蓄積される。
When the gates of the switching elements (FET41, FET42, FET43) are turned on, power is accumulated in the coils (L41 to L46).
That is,
L: Inductance of coil equivalent to coils (L41 to L46) IL: Instantaneous value of current flowing through coil when switching element is ON T ON : Switching element ON time VL: Instantaneous voltage of AC generator (instantaneous of internal generated voltage) value)
Then,
Electric power is accumulated in the coils (L41 to L46) at IL = (VL × T ON ) / L (A).
ＴＯＮは、発電機の最大定格電力（Ｗｍａｘ）とＬの値によって決まる一定の時間であり、最大定格電力（Ｗｍａｘ）は図４の定格電力設定用ボリューム（ＶＲ４２）により設定される。制御手段は、このように計算されたＯＮ時間（ＴＯＮ）で昇圧コンバータのＯＮ時間を一定として力率改善回路により電力制御を行う。 T ON the generator is the maximum rated power (W max) and a constant time determined by the value of L, the maximum rated power (W max) is set by the volume for the rated power setting of FIG. 4 (VR42). The control means performs power control by the power factor correction circuit while keeping the ON time of the boost converter constant at the ON time (T ON ) calculated in this way.
すなわち、制御手段を構成する制御装置（Ｕ４４）は、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電力（Ｗｏｂｊ）と実際の出力電力（ＷＯＵＴ）を求め、目標電力（Ｗｏｂｊ）＝出力電力（ＷＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電力制御を行う。回路のオンオフ制御は、スイッチング素子（ＦＥＴ４１〜４３）のオンオフにより行う。 That is, the control device (U44) constituting the control means has the target power (W obj ) and the actual output power in multiple states in which the ON time of the power factor improvement circuit using the boost converter is constant (power factor improvement circuit). (W OUT ) is obtained, and power control is performed by increasing or decreasing the OFF time so that target power (W obj ) = output power (W OUT ). The on / off control of the circuit is performed by turning on / off the switching elements (FETs 41 to 43).
目標電力（Ｗｏｂｊ）は、
Ｆ：発電周波数
Ｋ１：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数と比例する定数
Ｋ２：発電周波数（Ｆ）のべき乗定数（図４のＶＲ４３により設定される）
Ｆｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数（図４のＶＲ４１により設定される）
Ｗｍａｘ：交流発電機の最大定格電力（図４のＶＲ４２により設定される）
とすると、
Ｋ１＝Ｗｍａｘ／（Ｆｍａｘ Ｋ２）であり、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×ＦＫ２（Ｗ）で求められる。
風力発電装置に使用する場合は、Ｋ２＝３に設定されるから、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ３（Ｗ）で制御装置（Ｕ４４）により求められる。
水力発電装置に使用する場合は、Ｋ２＝１に設定されるから、
目標電力（Ｗｏｂｊ）＝Ｋ１×Ｆ１（Ｗ）で制御装置（Ｕ４４）により求められる。
The target power (W obj ) is
F: power generation frequency K1: constant proportional to power constant of power generation frequency (F) K2: power constant of power generation frequency (F) (set by VR43 in FIG. 4)
F max : Maximum rated frequency of the AC generator (set by VR 41 in FIG. 4)
W max : Maximum rated power of the AC generator (set by
Then,
K1 = W is a max / (F max K2),
Target power (W obj ) = K1 × F K2 (W)
When used for wind power generators, K2 = 3 is set.
Target power (W obj ) = K1 × F 3 (W) is obtained by the control device (U44).
When used for a hydroelectric generator, K2 = 1 is set.
The target power (W obj ) = K1 × F 1 (W) is obtained by the control device (U44).
実際の出力電力（ＷＯＵＴ）は、
ＶＯＵＴ：出力電圧
ＩＯＵＴ：出力電流
とすると、
ＷＯＵＴ＝ＶＯＵＴ×ＩＯＵＴ（Ｗ）で求められる。
The actual output power (W OUT ) is
V OUT : Output voltage I OUT : Output current
W OUT = V OUT × I OUT (W)
また、制御手段は、上述したように、昇圧コンバータを使用した力率改善回路のＯＮ時間を一定（力率改善回路）とした多状態で目標電圧（Ｖｏｂｊ）と実際の出力電圧（ＶＯＵＴ）を求め、目標電圧（Ｖｏｂｊ）＝出力電圧（ＶＯＵＴ）となるようにＯＦＦ時間を増減させることにより電圧制御を行うこともできる。 Further, as described above, the control means is configured to set the target voltage (V obj ) and the actual output voltage (V OUT ) in a multi-state where the ON time of the power factor improvement circuit using the boost converter is constant (power factor improvement circuit). ) And the voltage control can be performed by increasing or decreasing the OFF time so that the target voltage (V obj ) = the output voltage (V OUT ).
上述の通り、本発明に係る装置は、整流後の平滑コンデンサを排除した昇圧コンバータを使用した力率改善回路（ＰＦＣ）を利用するものであり、昇圧コンバータは力率改善回路の動作と出力電力制御動作を同時に行うことができる。
また、目標電力を得るための出力電流を検出する手段と、出力電圧を検出する手段と、発電機の発電定数である発電周波数（又は発電電圧）を求める手段を有しており、目標の出力電力を求めるために発電周波数のべき乗定数を求め、発電周波数（又は発電電圧）のべき乗値を比例制御することにより目標最大電力を得て電力制御を行うことができる。加えて、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）の制御を行うことも可能である。
そのため、発電電力特性が異なる発電装置（風力発電装置、水力発電装置など）から簡単に最大電力を取り出すことが可能であるとともに、広範囲な交流発電機の電力平滑化に利用することができる。
As described above, the apparatus according to the present invention uses a power factor correction circuit (PFC) that uses a boost converter that eliminates a smoothing capacitor after rectification, and the boost converter operates and outputs power of the power factor correction circuit. Control operations can be performed simultaneously.
In addition, it has means for detecting an output current for obtaining the target power, means for detecting the output voltage, and means for obtaining a power generation frequency (or power generation voltage) that is a power generation constant of the generator. In order to obtain power, a power constant of a power generation frequency is obtained, and power control can be performed by obtaining a target maximum power by proportionally controlling a power value of the power generation frequency (or power generation voltage). In addition, maximum power point tracking (MPPT) can be controlled.
Therefore, it is possible to easily extract the maximum power from power generators (wind power generators, hydroelectric power generators, etc.) having different generated power characteristics, and it can be used for power smoothing of a wide range of AC generators.
電力制御コンバータとして降圧コンバータを使用する場合も、昇圧コンバータを使用する場合と同様の制御を行う。
すなわち、制御手段は、降圧コンバータのＯＮ時間を一定として、検出された出力電流と出力電圧から出力電力を算出し、該出力電力が目標電力となるように或いは出力電圧が目標電圧となるように、降圧コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御を行う。
この場合、力率改善回路が構成できないため、昇圧コンバータを使用した場合のような騒音（唸り音）や共振音の削減効果は得られないが、その他の電力制御は昇圧コンバータの場合と同様に動作するため、応答速度の速い電力制御が可能となる。
When the step-down converter is used as the power control converter, the same control as that when the step-up converter is used is performed.
That is, the control means calculates the output power from the detected output current and output voltage with the ON time of the step-down converter constant, so that the output power becomes the target power or the output voltage becomes the target voltage. Then, control is performed to increase or decrease the OFF time of the step-down converter.
In this case, since the power factor correction circuit cannot be configured, the effect of reducing noise (buzzing noise) and resonance noise as in the case of using the boost converter cannot be obtained, but other power control is the same as in the case of the boost converter. Since it operates, power control with a fast response speed is possible.
風力発電装置の三相交流発電機（株式会社スカイ電子製、ＳＫＹ−２５０）に対して図４に示す回路を適用して発電効率を測定した。表１に交流発電機の主な特性及び測定結果を示す。 The power generation efficiency was measured by applying the circuit shown in FIG. 4 to a three-phase AC generator (SKY-250, manufactured by Sky Electronics Co., Ltd.) of a wind power generator. Table 1 shows the main characteristics and measurement results of the AC generator.
本発明は、風力や水力等の自然エネルギーを利用した発電装置における交流発電機の直流平滑化装置として好適に利用される。 The present invention is suitably used as a direct current smoothing device for an alternating current generator in a power generation device using natural energy such as wind power or hydraulic power.
ＧＥＮ１１ 交流発電機
Ｄ１１、Ｄ４１、Ｄ４２，Ｄ４３ 単相整流ブリッジ（整流装置）
ＣＴ１１、ＣＴ５１ 電流センサ
Ｕ１２、Ｕ４１ 電流検出回路（電流検出手段）
Ｕ１３、Ｕ４２ 発電周波数検出回路（発電周波数検出手段又は発電電圧検出手段）
Ｕ１４、Ｕ４３ 電圧検出回路（出力電圧検出手段）
Ｕ１５、Ｕ４４ 制御装置（制御手段）
ＶＲ１１、ＶＲ４１ 定格周波数設定用ボリューム（定格周波数設定手段）
ＶＲ１２、ＶＲ４２ 定格電力設定用ボリューム（定格電力設定手段）
ＶＲ１３、ＶＲ４３ べき乗定数設定用ボリューム（べき乗定数設定手段）
GEN11 AC generator D11, D41, D42, D43 Single-phase rectifier bridge (rectifier)
CT11, CT51 Current sensors U12, U41 Current detection circuit (current detection means)
U13, U42 Power generation frequency detection circuit (power generation frequency detection means or power generation voltage detection means)
U14, U43 Voltage detection circuit (output voltage detection means)
U15, U44 Control device (control means)
VR11, VR41 Rated frequency setting volume (rated frequency setting means)
VR12, VR42 Volume for setting rated power (rated power setting means)
VR13, VR43 Power constant setting volume (power constant setting means)
Claims (6)
前記回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
前記電力制御コンバータのＯＮ時間を一定として、目標電力と実際の出力電力を求め、出力電力が目標電力となるように、前記電力制御コンバータのＯＦＦ時間を増減させる制御手段と、を有し、
前記回路は、前記交流発電機の発電周波数又は発電電圧を検出する検出手段を有し、
前記制御手段は、前記検出された発電周波数又は発電電圧に基づいて前記目標電力を計算する
ことを特徴とする交流発電機の直流平滑化装置。 A circuit comprising a power control converter with a rectifier that uses part or all of the coils of the windings of each phase of the AC generator as a power conversion coil;
Output current detecting means for detecting the output current of the circuit;
Output voltage detecting means for detecting the output voltage of the circuit;
Control means for increasing and decreasing the OFF time of the power control converter such that the ON time of the power control converter is constant, the target power and the actual output power are obtained, and the output power becomes the target power,
The circuit has detection means for detecting a power generation frequency or a power generation voltage of the AC generator,
The said control means calculates the said target electric power based on the detected electric power generation frequency or electric power generation voltage, The direct current smoothing apparatus of the alternating current generator characterized by the above-mentioned.
Ｗｏｂｊ＝Ｋ１×ＦＫ２・・・（１）
Ｗｏｂｊ＝Ｋ１×ＶＫ２・・・（２）
但し、Ｋ１＝Ｗｍａｘ／Ｆｍａｘ Ｋ２
Ｆ：交流発電機の発電周波数
Ｆｍａｘ：交流発電機の最大定格周波数
Ｗｍａｘ：交流発電機の最大定格電力
Ｖ：交流発電機の発電電圧
Ｋ２：べき乗定数（水力発電の場合はＫ２＝１、風力発電の場合はＫ２＝３） 2. The DC smoothing device for an AC generator according to claim 1, wherein the control unit calculates the target power (W obj ) by the following formula (1) or formula (2).
W obj = K1 × F K2 (1)
W obj = K1 × V K2 (2)
However, K1 = W max / F max K2
F: power generation frequency of the alternator F max : maximum rated frequency of the alternator W max : maximum rated power of the AC generator V: power generation voltage of the AC generator K2: exponentiation constant (K2 = 1 in the case of hydroelectric power generation, In the case of wind power generation, K2 = 3)
交流発電機の定格周波数を設定する定格周波数設定手段と、
交流発電機の定格電力を設定する定格電力設定手段と、を有し、
前記制御手段は、前記べき乗定数設定手段、定格周波数設定手段及び定格電力設定手段の設定に基づいて、前記べき乗定数、最大定格周波数及び最大定格電力を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の交流発電機の直流平滑化装置。 Power constant setting means for setting the power constant;
Rated frequency setting means for setting the rated frequency of the AC generator,
A rated power setting means for setting the rated power of the AC generator,
3. The control unit according to claim 2, wherein the control unit calculates the power constant, maximum rated frequency, and maximum rated power based on settings of the power constant setting unit, rated frequency setting unit, and rated power setting unit. DC smoothing device for AC generator.
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