JP2015070633A - 制御装置、制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体機械を用いた発電システムにおいて、自立運転から系統連系運転にスムーズに発電機の制御を変更する。【解決手段】トルク上限値決定部が、現行回転数を、流体機械の回転数とこの回転数でコンバータが発電機に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、トルク上限値を決定する。出力部が、上記制御トルク値がこのトルク上限値以下の場合、上記制御トルク値をトルク指令値に決定し、上記制御トルク値がこのトルク上限値を超える場合、このトルク上限値をトルク指令値に決定し、上記コンバータへこの決定したトルク指令値を出力する。そして、上記直流目標電圧は、上記パワーコンディショナが上記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧より小さく、上記対応関係は、流体機械の回転数とこの流体機械が前記発電機に生じさせるトルクの関係に基づいて決められている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、制御装置、制御システム及び制御方法に関する。

近年、再生可能エネルギーを用いた発電システムが注目を集めている。再生可能エネルギー発電システムには、流体と機械の間でエネルギー変換をする装置である流体機械を用いた発電システムがある。ここで流体機械には、例えば、水車または風車などがある。水車を用いた水力発電システムまたは風車を用いた風力発電システムは、系統と連系せず自立して運転する自立運転と、系統と連系して運転する系統連系運転の二つの運転が可能である。

特開２００７−６５５３号公報

しかしながら、このような流体機械を用いた発電システムにおいて、自立運転から系統連系運転に移行する際にスムーズに発電機の制御モードを変更することが可能な制御方式が存在しなかった。

そこで本発明の一態様は、上記問題に鑑みてなされたものであり、流体機械を用いた発電システムにおいて、自立運転から系統連系運転に移行する際にスムーズに発電機の制御モードを変更することを可能とする制御装置、制御システム及び制御方法を提供することを課題とする。

本発明の実施形態に係る制御装置によれば、直流リンク電圧取得部が、コンバータの第１出力とパワーコンディショナの第１入力とを電気的に接続する第１伝送線と前記コンバータの第２出力と前記パワーコンディショナの第２入力とを電気的に接続する第２伝送線との間の電位差である直流リンク電圧の検出値を前記コンバータから取得する。制御トルク値決定部が、この直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値と、前記コンバータが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である直流目標電圧と、に基づいて、制御トルク値を決定する。回転数取得部が、コンバータへ電流を出力する発電機の現行回転数をこのコンバータから取得する。トルク上限値決定部が、この回転数取得部が取得した現行回転数を、上記発電機が接続された流体機械の回転数とこの回転数で上記コンバータが上記発電機に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、上記発電機を制御する際のトルク上限値を決定する。出力部が、上記制御トルク値がこのトルク上限値以下の場合、上記制御トルク値をトルク指令値に決定し、上記制御トルク値がこのトルク上限値を超える場合、このトルク上限値をトルク指令値に決定し、前記発電機のトルクがこのトルク指令値になるように上記発電機が出力する電流を制御する上記コンバータへこの決定したトルク指令値を出力する。上記直流目標電圧は、上記パワーコンディショナが上記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧より小さく、上記対応関係は、上記流体機械の回転数とこの流体機械が上記発電機に生じさせるトルクの関係に基づいて決められている。

第１の実施形態における発電システム１００の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態における発電システム１００の運転モード、ＰＣＳ３の状態及びコンバータ２とＰＣＳ３の制御モードとの関係を示す表である。 水車６の回転で発電機１に生じるトルクと水車６の回転数との関係の一例を示すグラフである。 第１の実施形態における制御装置４の構成を示す概略ブロック図である。 系統連系モード時の発電システム１００の動作シーケンスの一例である。 発電システムが自立運転中、自立運転負荷が急激に減少した場合の直流リンク電圧Ｖｄｃの挙動の一例である。 発電システム１００の系統連系モード時の起動シーケンスの一例である。 第２の実施形態における発電システム２００の構成を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態におけるマスター制御装置４ｍの構成を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態におけるスレーブ制御装置４ｓの構成を示す概略ブロック図である。 第３の実施形態における発電システム３００の構成を示す概略ブロック図である。 第３の実施形態における制御装置４ｃの構成を示す概略ブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。各実施形態における発電システムでは、流体と機械の間でエネルギー変換をする装置である流体機械を用いる。流体機械には、例えば、水車または風車などがある。各実施形態では、流体機械の一例として、水車を用いて説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態における発電システム１００の構成を示す概略ブロック図である。
発電システム１００は、水車６、水車６と物理的に接続された発電機１を備える。

更に、発電システム１００は、制御システム９を備える。ここで、制御システム９は、三つの入力がそれぞれ発電機１の三つの出力と三つの電気配線を介して接続されたコンバータ２、及び通信入力が第１通信ラインＣＬ１を介してコンバータ２の通信出力と電気的に接続され、通信出力が第２通信ラインＣＬ２を介してコンバータ２の通信入力と電気的に接続された制御装置４を備える。

更に、発電システム１００は、一端がコンバータ２の第１出力と電気的に接続され、他端がコンバータ２の第２出力と電気的に接続されたコンデンサ７を備える。
更に、発電システム１００は、第１入力がコンバータ２の第１出力及びコンデンサ７の一端に電気的に接続され、第２入力がコンバータ２の第２出力及びコンデンサ７の他端に電気的に接続されたＰＣＳ（パワーコンディショナ）３を備える。

直流リンク電圧Ｖｄｃは、コンバータ２の第１出力とＰＣＳ３の第１入力とを電気的に接続する第１伝送線Ｌ１とコンバータ２の第２出力とＰＣＳ３の第２入力とを電気的に接続する第２伝送線Ｌ２との間の電位差である。

更に、発電システム１００は、第１入力が第１伝送線Ｌ１と電気的に接続され、第２入力が第２伝送線Ｌ２と電気的に接続され、第１出力が制御装置４の第１電源入力に電気的に接続され、第２出力が制御装置４の第２電源入力に電気的に接続されたＤＣ電源５を備える。制御電圧Ｖｃｏｎは、ＤＣ電源５の第１出力とＤＣ電源５の第２出力の電位差であり、この制御電圧Ｖｃｏｎが制御装置４へ供給される。

更に、発電システム１００は、出力が制御装置４のモード入力に電気的に接続された切替スイッチ８を備える。

水車６は、水のエネルギーを機械エネルギーに変換する。水車６は、水の流れによって回転する。この回転により発電機１にトルクが生じる。

発電機１は、機械エネルギーを電気エネルギー（交流電力）に変換する。
発電機１では、水車６の回転により第１トルクが生じる。また、コンバータ２による制御で上記第１トルクの方向とは逆方向の第２トルクが生じる。第１トルクと第２トルクが同じとなることで、水車６は、一定の速度で回転する。

コンバータ２は、発電機１が発生した交流電力を直流電力に変換する。
制御装置４は、発電機１の発電電力を制御するためにトルク指令値を演算し、このトルク指令値をコンバータ２へ送信する。これにより、コンバータ２は、発電機１のトルクがこのトルク指令値ＴＣになるように発電機１が出力する電流を制御する。

これにより、トルク指令値ＴＣが大きいほど、発電機１が出力する電流が大きくなる。これにより、ＰＣＳ３が系統に接続されていない場合、コンバータ２は、直流リンク電圧Ｖｄｃを大きくすることができる。ＰＣＳ３が系統に接続されている場合、ＰＣＳ３による電圧制御が強いため、直流リンク電圧Ｖｄｃは、ＰＣＳ３が直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓに固定される。

ＰＣＳ３は、コンバータ２が出力した直流電力を交流電力に変換し、変換して得た交流電力を系統または負荷に直接出力する。

運転モードの切替は、発電システム１００に設置した切替スイッチ８を管理者が操作することで行う。ここで本実施形態の発電システム１００において、運転モードは、系統連系モードと自立運転モードの二つがある。系統連系モードは、ＰＣＳ３が系統に電気的に接続され発電した電力を系統へ出力するモードである。自立運転モードは、ＰＣＳ３が負荷に電気的に接続され、この負荷に対して直接電力を供給するモードである。

切替スイッチ８は、発電システム１００を管理する管理者から、運転モードの選択を受け付け、受け付けた運転モードを示す運転モード切替信号ＭＳＷを制御装置４へ出力する。これにより、制御装置４は、運転モード切替信号ＭＳＷに応じてＰＩ制御におけるゲインを変更する。

選択されたシステム動作モードが、系統連系モードの場合、運転モード切替信号ＭＳＷは一例として１である。一方、選択されたシステム動作モードが、自立運転モードの場合、運転モード切替信号ＭＳＷは一例として０である。

図２は、第１の実施形態における発電システム１００の運転モード、ＰＣＳ３の状態及びコンバータ２とＰＣＳ３の制御モードとの関係を示す表である。
図２に示すように、コンバータ２は、発電システム１００の運転モード及びＰＣＳ３の状態によって制御モードが変化する。具体的には例えば、運転モードが系統連系運転で、かつＰＣＳの状態が系統に連系しているときには、コンバータの制御モードが最適トルク制御モードである。それ以外の場合、コンバータの制御モードが直流電圧制御モードである。

ここで、最適トルク制御モードは、水車６の回転数と発電機１のトルクの対応関係に応じて、最適トルクとなるように、コンバータ２が発電機１に生じさせるトルクを制御するモードである。ここで、水車６の回転数は、例えば、センサレス制御によって、発電機１の電流と電圧から、コンバータ２によって算出される。これによって、水車６の特性にあった最適なトルクに設定することができる。

直流電圧制御モードは直流リンク電圧を制御するモードである。コンバータが直流電圧制御モードの場合、制御装置４は、コンバータ２が出力する直流リンク電圧が直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖになるように、コンバータ２を制御する。

運転モードが系統連系運転で、かつＰＣＳ３の状態が系統に連系しているときには、ＰＣＳ３が直流電圧制御モードである。このように、運転モードが系統連系運転で、かつＰＣＳの状態が系統に連系しているときには、ＰＣＳ３が直流電圧制御モードであり、ＰＣＳ３が直流リンク電圧Ｖｄｃを系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓに制御する。一方、それ以外の場合、コンバータ２が直流電圧制御モードであり、コンバータ２が直流リンク電圧を直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖに制御する。

図３は、水車６の回転で発電機１に生じるトルクと水車６の回転数との関係の一例を示すグラフである。縦軸は、水車６の回転で発電機１に生じるトルクであり、横軸は水車６の回転数（すなわち発電機の回転数）である。同図において、水の流速Ｖ１、流速Ｖ２、流速Ｖ３のときのトルクと水車６の回転数との関係を示す曲線が示されている。

ここで、各流速における曲線の極大点におけるトルクは、その流速でコンバータ２が発電機１にかけることができる最大のトルクを表す。
各流速の極大点について直線近似すると、各流速でより大きな電力を得られる最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔ［Ｎ・ｍ］は、水車６の現行回転数をｎ［ｒｐｍ］とすると、Ｔｑ＿ｏｐｔ＝Ｋ＿Ａｏｐｔ×ｎ−Ｋ＿Ｂｏｐｔという水車６の現行回転数ｎの一次関数で表される。ここで、係数Ｋ＿Ｂｏｐｔは、トルクが０になる回転数［ｒｐｍ］で、係数Ｋ＿Ａｏｐｔは直線の傾きである。最適トルク値（Ｔｑ＿ｏｐｔ）は、この一次関数に検出した水車６の現行回転数ｎ［ｒｐｍ］を代入することにより算出できる。この一次関数は、発電機１が接続された流体機械（ここでは一例として水車６）の回転数とこの回転数でコンバータ２が発電機１に生じさせる最適トルク値との対応関係の一例である。この対応関係は、流体機械（ここでは一例として水車６）の回転数とこの流体機械（ここでは一例として水車６）が発電機１に生じさせるトルクの関係に基づいて決められている。

図４は、第１の実施形態における制御装置４の構成を示す概略ブロック図である。制御装置４は、直流リンク電圧取得部４１、制御トルク値決定部４２、回転数取得部４３、トルク上限値決定部４４、出力部４５、及び発電電力値取得部４６を備える。

直流リンク電圧取得部４１は、直流リンク電圧Ｖｄｃを示す直流リンク電圧の検出値をコンバータ２から取得し、取得した直流リンク電圧の検出値を制御トルク値決定部４２の後述する減算器４２３へ出力する。

制御トルク値決定部４２は、直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値と、コンバータ２が上記直流リンク電圧Ｖｄｃを制御する際の目標電圧である直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖと、に基づいて、制御トルク値を決定する。具体的には例えば、制御トルク値決定部４２は、直流リンク電圧値と直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖとの差分を用いてＰＩ制御を行い、制御トルク値Ｔｑ＿ｃを決定する。制御トルク値決定部４２は、決定した制御トルク値Ｔｑ＿ｃを出力部４５へ出力する。

回転数取得部４３は、コンバータ２へ電流を出力する発電機１に接続された流体機械（ここでは一例として水車６）の現行回転数ｎをコンバータ２から取得し、取得した現行回転数ｎをトルク上限値決定部４４へ出力する。

トルク上限値決定部４４は、回転数取得部４３が取得した現行回転数ｎを、この流体機械（ここでは一例として水車６）の回転数とこの回転数でコンバータ２が発電機１に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔに少なくとも基づいて、発電機１を制御する際のトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍを決定する。

具体的には、発電電力や出力トルクが過大になる領域では、トルク上限値決定部４４は例えば、トルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍを、発電機１の特性によるトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍとシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍのうち小さい値に設定する。ここで、システム最大トルク値Ｔｑ＿ｍは、システム最大電力をＰｍａｘ、水車６の回転数をｎとすると、Ｐｍａｘ／（２π／６０）／ｎで表される。このシステム最大電力Ｐｍａｘは、コンバータ２の定格電力とＰＣＳ３の定格電力のうち小さい方の電力である。

上述したことを換言するとトルク上限値決定部４４は例えば、最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔと、発電機の最大電流１により規定される定格トルク値Ｔｑ＿ｌｉｍと、システム最大電力Ｐｍａｘを回転数取得部４１が取得した回転数で除算して得られるシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍと、のうち最小の値をトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍとして決定する。
これにより、トルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍが、発電機１の特性によるトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍ及びシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍに収まるようにすることができる。

トルク上限値決定部４４は、決定したトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍを出力部４５へ出力する。

出力部４５は、制御トルク値Ｔｑ＿ｃとトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍのうち小さい方の値をトルク指令値ＴＣに決定し、発電機１のトルクがこのトルク指令値ＴＣになるように発電機１が出力する電流を制御するコンバータ２へこの決定したトルク指令値ＴＣを出力する。

発電電力値取得部４６は、発電機１が発電する発電電力値を取得する。発電電力値取得部４６は例えば、出力部４５が出力したトルク指令値ＴＣと回転数取得部４３が取得した現行回転数ｎとに基づいて、発電機１が発電する発電電力値を算出する。より詳細には、具体的には、例えば、出力部４５が出力するトルク指令値ＴＣにトルク上限値決定部４４から入力される（２π／６０）×ｎを乗じることで、この発電電力値を算出する。

なお、発電電力値取得部４６は、コンバータ２が検出した直流リンク電圧Ｖｄｃとコンバータ２が検出した直流電流を乗算することで得られた発電電力値をコンバータ２から取得してもよい。より詳細には、発電電力値取得部４６は、コンバータ２内の直流電圧センサ及び直流電流センサが検出した値を乗算することで得られた発電電力値を、コンバータ２との通信にて取得してもよい。

＜処理の概要＞
図５は、系統連系モード時の発電システム１００の動作シーケンスの一例である。まず、発電システムが待機状態の場合、水車６が回転すると発電機１が交流電圧を発生し、コンバータ２を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子のボディダイオードを通して直流側に電流が流れコンデンサ７を充電し、直流リンク電圧Ｖｄｃが上昇する。直流リンク電圧Ｖｄｃがコンバータ２の回生開始電圧（コンバータ２の制御回路が動作できる下限電圧）に到達した場合、コンバータ２は制御装置４のトルク指令値ＴＣを基に回生運転を開始する。回生運転とは、水車６が回転方向とは逆方向のトルクで大きさがトルク指令値のトルクを発電機１に与える運転である。

それと並行して、直流リンク電圧Ｖｄｃがコンバータ２の回生開始電圧に到達した場合、コンバータ２が直流電圧制御モードでの直流リンク電圧の制御を開始する。ＰＣＳ３が系統連系を開始するまでは、コンバータ２が直流リンク電圧を制御する必要があり、制御トルク値決定部４２は、直流リンク電圧Ｖｄｃが直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖとなるように制御トルク値を決定する。そして、出力部４５は、制御トルク値とトルク上限値のうち小さい方の値をトルク指令値として、このトルク指令値をコンバータ２へ出力する。これにより、コンバータ２は、発電機１のトルクがこのトルク指令値になるように発電機１が出力する電流を制御する。

次に、ＰＣＳ３が系統連系を開始すると、ＰＣＳ３が直流リンク電圧Ｖｄｃを系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓに制御する。安定した系統に連系しているＰＣＳ３の電圧制御が強いため、直流リンク電圧は系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓとなる。

ここで、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖは、ＰＣＳ（パワーコンディショナ）３が直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓより小さくなるように設定されている。これにより、制御装置４は直流リンク電圧Ｖｄｃを直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖにするため、トルク指令値ＴＣを大きくして、コンバータ２が発電機１にかけるトルクを増加させる。そして、最終的に、コンバータ２が発電機１にかけるトルクは、水車６の現行回転数ｎに応じて変化するトルク上限値（Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍ）になる。

これにより、ＰＣＳ３が待機状態から系統連系モードへ移行した際に、コンバータ２は直流電圧制御モードから最適トルク制御モードへ連続的にスムーズに移行することができる。

＜制御トルク値決定部４２の構成の詳細＞
図４に戻って、制御トルク値決定部４２の構成の詳細について説明する。
制御トルク値決定部４２は、割算器４２１、出力調整部４２２、減算器４２３、乗算器４２４、第１係数決定部４２５、乗算器４２６、乗算器４２７、乗算器４２８、第２係数決定部４２９、第３係数決定部４３０、乗算器４３１、加算器４３２、乗算器４３３、及び加算器４３４を備える。

割算器４２１は、予め制御トルク値決定部４２が保持するシステム定格回転数ＳＲＳを回転数取得部４３から入力された現行回転数ｎで割り算し、割り算結果を出力調整部４２２へ出力する。ここで、システム定格回転数ＳＲＳは、発電機１の定格回転数である。

出力調整部４２２は、割算器４２１から入力された割り算結果が１を超えた場合、１を乗算器４２７へ出力し、割り算結果が１を超えない場合、割り算結果をそのまま乗算器４２７へ出力する。

減算器４２３は、予め制御トルク値決定部４２が保持する直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖから直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧Ｖｄｃを減算する。減算器４２３は、減算して得た値を乗算器４２４、第１係数決定部４２５、乗算器４２８及び第２係数決定部４２９へ出力する。

水車６の特性より算出した最適トルク値が発電機１の最大トルクであるＴｑ＿ｌｉｍに到達するまでは、トルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍは、水車６の回転数ｎに対して比例する。このため、発電電力は水車６の回転数ｎの二乗に比例する。このため、水車６の回転数ｎが大きくなるほど、直流リンク電圧Ｖｄｃの変化率ｄｖ／ｄｔが大きくなり、電圧脈動が増大する可能性がある。この脈動を抑制するため、システム定格回転数ＳＲＳにて直流リンク電圧Ｖｄｃが安定する比例ゲインＫｐが決定されている。

乗算器４２４は、減算器４２３が出力した値に、ＰＩ制御の比例ゲインＫｐを乗算し、乗算して得た値を乗算器４２６へ出力する。

発電システムに使用するコンバータによっては、トルク指令に対する、立ち上り時間（ｔｕ）、立ち下り時間（ｔｄ）が異なる場合がある。本実施形態では、（１／ｔｕ）×Ｋ１＝（１／ｔｄ）×Ｋ２となる関係を有する係数Ｋ１と係数Ｋ２が設定されている。

第１係数決定部４２５は、減算器４２３が出力した値が０より大きい場合すなわち直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖが直流リンク電圧の検出値より大きい場合（トルク指令に対する立上りの場合）、係数Ｋ１を乗算器４２６へ出力する。一方、第１係数決定部４２５は、減算器４２３が出力した値が０以下の場合すなわち直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖが直流リンク電圧の検出値以下の場合（トルク指令に対する立下がりの場合）、係数Ｋ２を乗算器４２６へ出力する。

乗算器４２６は、乗算器４２４が出力した値と第１係数決定部４２５が出力した値を乗算し、乗算して得た値を乗算器４２７へ出力する。

このように、コンバータ２におけるトルク立ち上がりにおける単位時間当たりのトルク変化量と、コンバータ２におけるトルク立ち下りにおける単位時間当たりのトルク変化量が異なる場合、制御トルク値決定部４２、トルク立ち上がりにおける単位時間当たりのトルク変化量とトルク立下りにおける単位時間当たりのトルク変化量とが同一になるように比例ゲインＫｐに対して係数を乗じる。

これにより、制御トルク値決定部４２は、比例ゲインＫｐに対して、トルク指令に対して立ち上がるとき、係数Ｋ１を乗算する。一方、制御トルク値決定部４２は、比例ゲインＫｐに対して、トルク指令に対して立ち下りるとき、係数Ｋ２を乗算する。これにより、トルク指令に対する立ち上りのときと、立ち下りのときで、トルクの時間変化量を同じにすることができる。

乗算器４２７は、出力調整部４２２が出力した値と乗算器４２６が出力した値を乗算し、乗算して得た値を加算器４３４へ出力する。これにより、比例ゲインＫｐに対し係数（＝システム定格回転数ＳＲＳ／現行回転数ｎ）が乗算されたときと同じ結果が得られる。

例えば、定格回転数が１５００ｒｐｍで、現行回転数が３０００ｒｐｍの場合、この係数（＝システム定格回転数ＳＲＳ／現行回転数ｎ）は０．５である。その結果、制御トルク値Ｔｑ＿ｃを、現行回転数ｎがシステム定格回転数ＳＲＳの場合の制御トルク値Ｔｑ＿ｃの半分にすることができる。

このように、制御トルク値決定部４２は、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖと直流リンク電圧の検出値との差分に、比例ゲインＫｐと発電機１の定格回転数を回転数取得部４３が取得した現行回転数ｎで除した値とを乗算した比例成分に基づいて、制御トルク値Ｔｑ＿ｃを決定する。

これにより、定格回転数より回転数が上がるほど、この係数（＝システム定格回転数ＳＲＳ／現行回転数ｎ）が小さくなり、制御トルク値Ｔｑ＿ｃが小さくなる。これにより、直流リンク電圧Ｖｄｃの脈動による制御トルク値の時間変動を抑えることができる。制御トルク値Ｔｑ＿ｃの時間変動を抑えることで、発電機１の発電電力の時間変動が抑えられ、直流リンク電圧Ｖｄｃの時間変動を抑えることができる。

乗算器４２８は、減算器４２３が出力した値に積分ゲインＫｉを乗算し、乗算して得た値を乗算器４３３へ出力する。このように、制御トルク値決定部４２は、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖと直流リンク電圧の検出値との差分に積分ゲインＫｉを乗算した値と、上記比例成分とに基づいて、制御トルクＴｑ＿ｃを決定する。

図６は、発電システムが自立運転中、自立運転負荷が急激に減少した場合の直流リンク電圧Ｖｄｃの挙動の一例である。先述のとおり、自立運転時はコンバータ２が常に直流リンク電圧Ｖｄｃを制御する。また、上記積分ゲインＫｉは先述のとおり、システム起動時の直流リンク電圧Ｖｄｃを安定化するため、低くする必要がある。

一方、自立運転時に負荷が急変した場合、直流リンク電圧を直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖに保つよう、トルク指令値ＴＣを急激に小さくする必要があるが、前述の積分ゲインＫｉでは応答が遅く、制御が間に合わず、直流リンク電圧Ｖｄｃが過電圧トリップレベルまで達するおそれがある。

それに対し、本実施形態によれば、図４に示すように第２係数決定部４２９は、減算器４２３が出力した値が−ａ（ａは正の数）より大きい場合、係数Ｋ３（Ｋ３は正の数）を加算器４３２へ出力する。一方、第２係数決定部４２９は、減算器４２３が出力した値が−ａ（ａは正の数）以下の場合、係数Ｋ３より大きい係数Ｋ４（Ｋ４は正の数）を加算器４３２へ出力する。その場合、加算器４３２は、この係数Ｋ４に乗算器４３１が出力した値を加算し、加算後の値を乗算器４３３へ出力する。そして乗算器４３３は、乗算器４２８が出力した値に加算器４３２が出力した値を乗算する。このようにして、制御トルク値決定部４２は、直流リンク電圧Ｖｄｃが直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖから所定値ａ以上大きくなった場合、積分ゲインＫｉを増加させる。

このように、第２係数決定部４２９は、直流リンク電圧ＶｄｃがＶｒｅｆ＿ｃｏｎｖ＋ａ以上となった場合、積分ゲインＫｉに対してより大きな係数を乗算することで、トルク指令値の応答性を高めることができる。自立運転時に負荷が急変した場合、直流リンク電圧Ｖｄｃを直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖに保つよう、トルク指令値を急激に小さくすることができ、直流リンク電圧が過電圧トリップレベルまで達するのを回避する可能性を向上させることができる。

図７は、発電システム１００の系統連系モード時の起動シーケンスの一例である。系統連系モードでは、発電システム１００が発電開始し、系統連系を行うまでの間（これを発電システム１００の待機モードとする）は、コンバータ２が直流リンク電圧Ｖｄｃを制御する必要がある。

ここで、時間ｔ１０は、回生運転の開始時刻から系統連系時の目標電力に到達する時刻までの時間である。時間ｔ１は、図２に示す時間ｔ１と同じである。
発電電力が系統連系開始の検出に用いられる系統連系開始検出電力Ｐａに到達した時刻から時間ｔ１の間、系統連系開始検出電力Ｐａ以上の場合に、図４に示す第３係数決定部４３０は係数Ｋ６（Ｋ６は正の数）より大きい係数Ｋ５（Ｋ５は正の数）を出力することで、積分ゲインＫｉに乗算する値を大きくする。その結果、図７に示す時間ｔ１を経過した時から、単位時間あたりのトルク指令値の上昇量が大きくなり、単位時間あたりの発電電力上昇量が大きくなる。

制御トルク決定部４２は例えば、前述のように、直流リンク電圧の検出値と直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖとの差分に基づいてＰＩ制御を行う。システム起動時、この差分は大きく、それに合わせて積分ゲインＫｉを設計する必要がある。システムコストやサイズを考えた場合、直流リンク部分のコンデンサ７は小さい方が好ましい。この場合、より直流リンク電圧Ｖｄｃの上昇は急激になる。

また、発電システムの性質上、一度直流リンク電圧Ｖｄｃが直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを越えてしまうと、下げ方向の制御は行えない。直流リンク電圧Ｖｄｃは、発電システムの制御系電源の消費電力に応じて下がるのみである。したがって、積分ゲインＫｉは低く設計する必要がある。

一方、発電システムが系統連系を開始すると、ＰＣＳ３が直流リンク電圧Ｖｄｃを系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓに制御する。前述のとおり、直流リンク電圧は系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓとなるが、コンバータ２は直流リンク電圧Ｖｄｃを直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖに保つために、ＰＩ制御の出力である電圧制御トルク指令を増加させる。

最終的なトルク指令値はトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍを上限とするが、安定したシステム起動のためにＰＩ制御のゲインを低くしている。また、系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ＰＣＳと直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖの差分が、システム起動時の当該差分に比べて非常に小さいため、制御トルク値Ｔｑ＿ｃがトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍに到達するまでに非常に時間がかかってしまう。

本実施形態における第３係数決定部４３０は、発電電力値取得部４６が出力する発電電力値が規定値Ｐａ以上である期間が第１所定時間ｔ１継続した場合、係数Ｋ６より大きい係数Ｋ５を乗算器４３１へ出力する。このように、制御トルク値決定部４２は、第１所定時間ｔ１継続してコンバータ２が出力する発電電力値が閾値以上である場合、ＰＣＳ３が系統連系運転を開始したとみなし、積分ゲインＫｉを大きくする。これにより、制御トルク値Ｔｑ＿ｃがトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍに到達するまでの時間を短縮することができる。
なお、発電システムの特性によっては、比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉの両方に係数Ｋ５または係数Ｋ６をかけてもよい。

一方、発電電力値取得部４６が出力する発電電力値が規定値Ｐａ未満である期間が第２所定時間ｔ２の場合、第３係数決定部４３０は、係数Ｋ６（Ｋ６＜Ｋ５）を乗算器４３１へ出力する。これにより、系統連系開始前に、係数Ｋ５より小さい係数Ｋ６（０＜Ｋ６＜Ｋ５）を乗じることとなり、系統連系開始前には、制御トルク値Ｔｑ＿ｃの時間変化を系統連系開始後よりも小さくすることができる。

なお、ＰＣＳ３が系統連系運転を開始したことを制御装置４が検出する方法としては、上述したように、発電電力値が第１所定期間ｔ１、規定値Ｐａ以上となったことで検出する方法に限ったものではない。制御装置４は、直流リンク電圧Ｖｄｃの値が第１所定期間ｔ１、系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ＰＣＳとなったことで検出してもよい。これにより、制御トルク値決定部４２は、第１所定期間ｔ１継続して直流リンク電圧Ｖｄｃが系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ＰＣＳである場合、積分ゲインＫｉを大きくしてもよい。

ここで、検出条件に第１所定期間ｔ１を含めたのは、例えばシステム起動時、直流リンクのコンデンサを充電するために、一時的には発電電力Ｐａ以上となる場合が想定され、ここでの誤検出を防ぐためである。

乗算器４３１は、切替スイッチ８から入力された運転モード信号ＭＳＷと第３係数決定部４３０が出力した値を乗算し、乗算後の値を加算器４３２へ出力する。これにより、運転モード信号ＭＳＷが１の場合、すなわち系統連系モードの場合、乗算器４３１は、第３係数決定部４３０が出力した値をそのまま出力し、運転モード信号ＭＳＷが０の場合、すなわち自立運転モードの場合、０を加算器４３２へ出力する。

加算器４３２は、第２係数決定部４２９が出力した値と乗算器４３１が出力した値を加算し、加算後の値を乗算器４３３へ出力する。
乗算器４３３は、乗算器４２８が出力した値と加算器４３２が出力した値を乗算し、乗算後の値を加算器４３４へ出力する。これにより、系統連系モードの場合、制御トルク値決定部４２は、積分ゲインＫｉを増加させる。

加算器４３４は、乗算器４２７が出力した値と乗算器４３３が出力した値を加算し、加算して得た制御トルク値Ｔｑ＿ｃを出力部４５へ出力する。

＜トルク上限値決定部４４の構成の詳細＞
続いて、トルク上限値決定部４４の構成の詳細について説明する。
トルク上限値決定部４４は、フィルタ部４４１、減算器４４２、乗算器４４３、乗算器４４４、割算器４４５、出力調整部４４６、及び出力調整部４４７を備える。

フィルタ部４４１は、回転数取得部４３が出力した現行回転数ｎに対して、所定の周波数よりも高周波数の信号を低減するフィルタを施し、フィルタ後の値を減算器４４２へ出力する。
具体的には、例えば、フィルタ部４４１は、回転数取得部４３から出力された現行回転数ｎをラプラス変換し、伝達関数Ｇ（ｓ）＝１／（１＋Ｔｓ）を乗算し、乗算後の値をラプラス逆変換し、ラプラス逆変換後の値を減算器４４２へ出力する（Ｔは時定数、ｓは複素数）。これにより、フィルタ部４４１は、現行回転数ｎに含まれる高周波ノイズを低減することができる。

減算器４４２は、フィルタ部４４１が出力した値から係数Ｋ＿Ｂｏｐｔを減算し、減算後の値を乗算器４４３へ出力する。
乗算器４４３は、減算器４４２が出力した値に対して係数Ｋ＿Ａｏｐｔを乗算し、乗算後の最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔを出力調整部４４７へ出力する。これにより、トルク上限値決定部４４は、最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔを算出する。

乗算器４４４は、回転数取得部４３が出力した現行回転数ｎに対して、２π／６０を乗算し、乗算後の値を割算器４４５へ出力する。
割算器４４５は、システム最大電力Ｐｍａｘを乗算器４４４が出力した値で割り算し、割り算して得たシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍを出力調整部４４６へ出力する。

出力調整部４４６は、割算器４４５が出力したシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍが発電機１の特性によるトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍ以下の場合、そのままシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍを出力値Ａとして出力調整部４４７へ出力する。
一方、出力調整部４４６は、割算器４４５が出力したシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍが発電機１の特性によるトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍを超える場合、このトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍを出力値Ａとして出力調整部４４７へ出力する。これにより、この出力値Ａは、トルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍ以下に抑えられる。

出力調整部４４７は、最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔが出力調整部４４６の出力値Ａ以下の場合、最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔをトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍとして出力部４５へ出力する。一方、出力調整部４４７は、最適トルク値Ｔｑ＿ｏｐｔが出力調整部４４６の出力値Ａを超える場合、出力値Ａをトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍとして出力部４５へ出力する。

これにより、このトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍは、出力値Ａ以下に抑えられる。そのため、このトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍが、発電機１の特性によるトルク上限値Ｔｑ＿ｌｉｍ及びシステム最大トルク値Ｔｑ＿ｍに収まるようにすることができる。

＜第１の実施形態の効果＞
以上、第１の実施形態における制御装置４において、直流リンク電圧取得部４１は、コンバータ２の第１出力とＰＣＳ３の第１入力とを電気的に接続する第１伝送線Ｌ１とコンバータ２の第２出力とＰＣＳ３の第２入力とを電気的に接続する第２伝送線Ｌ２との間の電位差である直流リンク電圧の検出値をコンバータ２から取得する。
そして、制御トルク値決定部４２は、直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値と、コンバータ２がこの直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である直流目標電圧と、に基づいて、制御トルク値を決定する。

また、回転数取得部４３は、コンバータ２へ電流を出力する発電機の現行回転数を前記コンバータ２から取得する。
そして、トルク上限値決定部４４は、回転数取得部４３が取得した現行回転数を、発電機１が接続された流体機械（一例として、水車６）の回転数とこの回転数でコンバータ２が発電機１に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、発電機１を制御する際のトルク上限値を決定する。

出力部４５は、制御トルク値がトルク上限値以下の場合、この制御トルク値をトルク指令値に決定し、制御トルク値がトルク上限値を超える場合、このトルク上限値をトルク指令値に決定する。そして、出力部４５は、発電機１のトルクがこのトルク指令値になるように発電機１が出力する電流を制御するコンバータ２へこの決定したトルク指令値を出力する。この直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖは、ＰＣＳ３が直流リンク電圧Ｖｄｃを制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓより小さい。

これにより、ＰＣＳ３が系統連系しない自立運転の場合、制御装置４は、直流リンク電圧Ｖｄｃを直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖになるように制御することができる。一方、ＰＣＳ３が系統連系する場合、直流リンク電圧Ｖｄｃは系統連系時目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｐｃｓとなり、制御装置４は、直流リンク電圧Ｖｄｃを直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖへ上昇させようとして、発電機１のトルク出力を増加させる。このトルク出力は水車６の現行回転数ｎに応じて変化するトルク上限値（Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍ）が上限であるため、制御装置４が出力するトルク指令値は、トルク上限値（Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍ）に張り付く。このトルク上限値（Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍ）は、流体機械（一例として、水車６）の回転数とこの流体機械が回転で発電機１に生じるトルクとの対応関係に適用することで得られたものである。このため、このトルク指令値がこのトルク上限値（Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍ）に張り付くことで、発電機１は、より大きな電力をコンバータ２へ供給することができる。

このように、自立運転から系統連系運転に移行する際にスムーズに発電機１の制御モードを変更することができる。

＜第２の実施形態＞
続いて、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、ＰＣＳに一つのコンバータが電気的に接続されていた。それに対して、第２の実施形態では、ＰＣＳに複数のコンバータが電気的に並列に接続されており、そのうち一台のコンバータに通信線を介して一台のマスター制御装置が接続され、他のコンバータに通信線を介して一台以上のスレーブ制御装置が接続されている。

図８は、第２の実施形態における発電システム２００の構成を示す概略ブロック図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。なお、図８では、ＤＣ電源が省略されている。

発電システム２００は、水車６ｍ、水車６ｍと物理的に接続された発電機１ｍ、三つの入力が発電機１ｍの三つの出力それぞれと電気的に接続されたコンバータ（以下、マスター側コンバータともいう）２ｍを備える。
更に、発電システム２００は、一端がコンバータ２ｍの第１出力に電気的に接続され、他端がコンバータ２ｍの第２出力に電気的に接続されたコンデンサ７を備える。
更に、発電システム２００は、第１入力が第１伝送線Ｌ１を介してコンバータ２ｍの第１出力に電気的に接続され、第２入力が第２伝送線Ｌ２を介してコンバータ２ｍの第２出力に電気的に接続されたＰＣＳ（パワーコンディショナ）３を備える。

更に、発電システム２００は、通信入力がコンバータ２の通信出力と電気的に接続され、通信出力がコンバータ２の通信入力と電気的に接続されたマスター制御装置４ｍを備える。

更に、発電システム２００は、水車６ｓ−１、…、６ｓ−Ｎ（Ｎは２以上の整数）までのＮ個の水車６ｓ−ｉ（ｉは１からＮまでの整数）を備える。
更に、発電システム２００には、水車６ｓ−ｉに物理的に接続されたＮ個の発電機１ｓ−ｉを備える。
更に、発電システム２００には、三つの入力が発電機１ｓ−ｉの三つの出力それぞれと電気的に接続され、第１出力がＰＣＳ３の第１入力に電気的に接続され第２出力がＰＣＳ３の第２入力に電気的に接続されコンバータ２ｓ−ｉがＮ個、含まれる。

更に、発電システム２００には、通信入力がコンバータ２ｓ−ｉの通信出力と電気的に接続され、通信出力がコンバータ２ｓ−ｉの通信入力と電気的に接続されたマスター制御装置４ｓ−ｉがＮ個、含まれる。
更に、発電システム２００は、出力がマスター制御装置４ｍのモード入力に電気的に接続され、出力がスレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎに電気的に接続された切替スイッチ８を備える。これにより、切替スイッチ８は、運転モード切替信号ＭＳＷをマスター制御装置４ｍ、スレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎへ出力可能である。

水車６ｍ、６ｓ−１、…、６ｓ−Ｎは、第１の実施形態の水車６と同様であるので、その説明を省略する。
発電機１ｍ、１ｓ−１、…、１ｓ−Ｎは、第１の実施形態の発電機１と同様であるので、その説明を省略する。
コンバータ２ｍ、２ｓ−１、…、２ｓ−Ｎは、第１の実施形態のコンバータ２と同様であるので、その説明を省略する。

発電システム２が系統連系モードで動作する場合、前述のとおり直流リンク電圧Ｖｄｃの制御はＰＣＳ３が行うため、マスター制御装置４ｍ及びスレーブ制御装置４ｓは、第１の実施形態と同様に、発電機１の現行回転数ｎ＿ｍまたはｎ＿ｓより算出したトルク上限値Ｔｑ＿ｕｐｌｉｍをトルク指令値として、対応するコンバータ２ｍ、２ｓ−１、…、２ｓ−Ｎに出力すればよい。

一方、発電システムが自立運転モードの場合、直流リンク電圧はコンバータが制御する。このとき、複数のコンバータの電圧制御した出力を並列接続するため、ハードウｘエアのばらつきで、各コンバータ２ｍ、２ｓ−１、…、２ｓ−Ｎの発電電力がアンバランスになる可能性がある。

それに対し、第２の実施形態におけるマスター制御装置４ｍは、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを一定として制御する。更に、マスター制御装置４ｍは、マスター制御装置４ｍに電気的に接続されたコンバータ２ｍがＰＣＳ３へ出力する発電電力値を取得し、この発電電力値をマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍとしてスレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎへ送信する。

スレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎは、マスター制御装置４ｍからマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍを通信にて取得し、取得したマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍに基づいて、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正する。以下、スレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎを総称して、スレーブ制御装置４ｓという。

ここで、Ｖｄｃ＿ｍは、コンバータ２ｍが検出した直流リンク電圧で、ｎ＿ｍは、水車６ｍの現行回転数で、ＴＣ＿ｍはトルク指令値である。
また、Ｖｄｃ＿ｓは、コンバータ２ｓ−１、…、２ｓ−Ｎそれぞれが検出した直流リンク電圧で、ｎ＿ｓは、水車６ｓ−１〜６ｓ−Ｎそれぞれの現行回転数で、ＴＣ＿ｓはコンバータ２ｓ−１〜２ｓ−Ｎそれぞれが発電機１ｓ−１〜１ｓ−Ｎに対して与えるトルクの指令値（以下、トルク指令値という）である。

図９は、第２の実施形態におけるマスター制御装置４ｍの構成を示す概略ブロック図である。なお、図４と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第２の実施形態におけるマスター制御装置４ｍの構成は、第１の実施形態における制御装置４の構成に対して、発電電力値取得部４６が発電電力値取得部４６ｍに変更になっている。

発電電力値取得部４６ｍは、第１の実施形態における発電電力値取得部４６と同様の機能を有するが、更に、取得した発電電力値をマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍとしてスレーブ制御装置４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎへ送信する。

図１０は、第２の実施形態におけるスレーブ制御装置４ｓの構成を示す概略ブロック図である。なお、図４と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第２の実施形態におけるスレーブ制御装置４ｓの構成は、第１の実施形態における制御装置４の構成に対して、補正値取得部４７が追加され、制御トルク値決定部４２が制御トルク値決定部４２ｂに、発電電力値取得部４６が発電電力値取得部４６ｓに変更になっている。

発電電力値取得部４６ｓは、第１の実施形態における発電電力値取得部４６と同様の機能を有するが、更に、取得した発電電力値をスレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓとして補正値取得部４７へ出力する。

補正値取得部４７は、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正する補正値を取得する。ここで、補正値取得部４７は、減算器４７１及びＰＩ制御部４７２を備える。
減算器４７１は、マスター制御装置４ｍが送信したマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍから発電電力値取得部４６ｓが出力したスレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓを減算し、減算後の値をＰＩ制御部４７２へ出力する。

ＰＩ制御部４７２は、減算器４７１が出力した値に対してＰＩ制御を施し、ＰＩ制御により得た、補正値ＣＶを制御トルク値決定部４２ｂへ出力する。この補正値ＣＶは、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖの補正値ＣＶである。このように、補正値取得部４７は、マスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍと自身の発電電力であるスレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓの差分がなくなるようＰＩ制御し、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖの補正値を算出する。

制御トルク値決定部４２ｂは、ＰＣＳ３が自立運転する場合、補正値取得部４７が取得した補正値で直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正し、補正後の値と直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値の差分に基づいて、制御トルク値Ｔｑ＿ｃを決定する。

ここで、制御トルク値決定部４２ｂは、第１の実施形態における制御トルク値決定部４２に対して、加算器４３５が追加されたものになっている。
加算器４３５は、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖにＰＩ制御部４７２が出力した補正値ＣＶを加算し、加算後の値を減算器４２３へ出力する。

これにより、例えばスレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓがマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍより大きい（Ｐｃｏｎｖ＿ｓ＞Ｐｃｏｎｖ＿ｍ）場合、減算器４７１の出力が負になり、補正値ＣＶも負となる。このため、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖと補正値ＣＶの和が直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖよりも小さくなり、減算器４３５の出力が直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖより小さくなるので、スレーブのトルク指令値ＴＣ＿ｓが低減する。

これにより、スレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓが低下するので、スレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓとマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍの差が小さくなる。このように全てのスレーブについて、スレーブ発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｓとマスター発電電力値Ｐｃｏｎｖ＿ｍの差が小さくなる結果、複数コンバータの発電電力の差を小さくなる。

このように、マスター制御装置４ｍ、スレーブ制御装置４ｓ−１〜４ｓ−Ｎとの間で、発電電力値の差が小さくなるので、マスター制御装置４ｍ、スレーブ制御装置４ｓ−１〜４ｓ−Ｎは定格出力まで出力できるようになり、発電システム２００全体で系統から要求された出力を確実に系統へ出力することができる。

＜第２の実施形態の効果＞
以上、第２の実施形態におけるスレーブ制御装置４ｓにおいて、補正値取得部４７は、ＰＣＳ３に対してコンバータ２ｓとともに電気的に並列に接続されたマスター側コンバータ２ｍを制御するマスター制御装置４ｍから、このマスター側コンバータ２ｍがこのＰＣＳ３へ出力する発電電力値を通信により取得し、取得したマスター発電電力値に基づいて、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正する補正値ＣＶを取得する。そして、制御トルク値決定部４２ｂは、ＰＣＳ３が自立運転する場合、補正値取得部４７が取得した補正値ＣＶで直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正し、補正後の値と直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値の差分に基づいて、制御トルク値を決定する。

これにより、マスター制御装置４ｍ、スレーブ制御装置４ｓ−１〜４ｓ−Ｎとの間で、発電電力値の差が小さくなるので、マスター制御装置４ｍ、スレーブ制御装置４ｓ−１〜４ｓ−Ｎは定格出力まで出力できるようになり、発電システム２００全体で系統から要求された出力を確実に系統へ出力することができる。

なお、スレーブ制御装置４ｓそれぞれが発電電力値をマスター制御装置４ｍに送信してもよい。その場合、スレーブ制御装置４ｓは補正値取得部４７を備えず、マスター制御装置４ｍが、スレーブ制御装置４ｓの数だけ、補正値取得部４７を備えてもよい。その場合、マスター制御装置４ｍの複数の補正値取得部４７はそれぞれ、対応するスレーブ制御装置４ｓについて、当該スレーブ制御装置４ｓの発電電力値からマスター制御装置４ｍの発電電力値を減算し、減算した値をＰＩ制御して補正値ＣＶを算出し、算出した補正値ＣＶを当該スレーブ制御装置４ｓへ送信してもよい。その場合、各スレーブ制御装置４ｓの減算器４３５は、マスターが送信した補正値ＣＶと直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを加算し、加算後の値を減算器４２３へ出力してもよい。

なお、図８ではマスター制御装置４ｍとスレーブ制御装置４ｓを通信線にて接続したが、無線で通信してもよい。

＜第３の実施形態＞
続いて、第３の実施形態について説明する。第２の実施形態では、ＰＣＳに複数のコンバータが電気的に並列に接続されており、一つ以上のスレーブ制御装置は、マスター制御装置から通信によりマスター発電電力値を取得し、取得したマスター発電電力値で直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正した。

それに対して、第３の実施形態では、各コンバータに通信線を介して接続された制御装置にはマスターとスレーブの区別がない。
更に、制御装置同士で通信せずに、制御装置それぞれが自らと接続されたコンバータがＰＣＳへ出力する発電電力値を取得し、取得した発電電力値で直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖを補正する。

図１１は、第３の実施形態における発電システム３００の構成を示す概略ブロック図である。なお、図１及び図８と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。なお、図１１では、ＤＣ電源が省略されている。

発電システム３００は、水車６−１〜６−ＮのＮ個（Ｎは２以上の整数）の水車６−ｉ（ｉは１からＮまでの整数）を備える。発電システム３００には、水車６−ｉと物理的に接続された発電機１−ｉがＮ個、三つの入力が発電機１−ｉの三つの出力それぞれと電気的に接続されたコンバータ２−ｉがＮ個、含まれる。
更に、発電システム３００は、一端がコンバータ２−ｉそれぞれの第１出力に電気的に接続され、他端がコンバータ２−ｉそれぞれの第２出力に電気的に接続されたコンデンサ７を備える。
更に、発電システム２００は、第１入力が第１伝送線Ｌ１を介してコンバータ２−ｉそれぞれの第１出力に電気的に接続され、第２入力が第２伝送線Ｌ２を介してコンバータ２−ｉそれぞれの第２出力に電気的に接続されたＰＣＳ（パワーコンディショナ）３を備える。

更に、発電システム３００には、通信入力がコンバータ２−ｉの通信出力と電気的に接続され、通信出力がコンバータ２−ｉの通信入力と電気的に接続された制御装置４ｃ−ｉがＮ個、含まれる。以下、制御装置４ｃ−１〜４ｃ−Ｎを総称して、制御装置４ｃという。

更に、発電システム３００は、出力が制御装置４ｃ−ｉのモード入力に電気的に接続された切替スイッチ８を備える。これにより、切替スイッチ８は、運転モード切替信号ＭＳＷを制御装置４−ｉそれぞれへ出力可能である。

図１２は、第３の実施形態における制御装置４ｃの構成を示す概略ブロック図である。なお、図４と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第３の実施形態における制御装置４ｃの構成は、第１の実施形態における制御装置４の構成に対して、補正値取得部４７ｃが追加され、制御トルク値決定部４２が制御トルク値決定部４２ｂに、発電電力値取得部４６が発電電力値取得部４６ｃに変更になっている。

発電電力値取得部４６ｃは、第１の実施形態における発電電力値取得部４６と同様の機能を有するが、更に、取得した発電電力値を補正値取得部４７ｃへ出力する。

補正値取得部４７ｃは、発電電力値取得部４６ｃが取得した発電電力値に対して予め決められた係数を乗算し、乗算して得た値を補正値として取得する。ここで、補正値取得部４７ｃは乗算器４７３を備える。
乗算器４７３は、この発電電力値に係数αを乗算し、乗算後の補正値ＣＶを減算器４３５へ出力する。

制御トルク値決定部４２ｂは、ＰＣＳが自立運転する場合、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖから前記補正値取得部４７ｃが取得した補正値ＣＶを減算し、減算して得た値と直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値との差分に基づいて、制御トルク値を決定する。

これにより、制御装置４ｃは、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖから係数αと現在の発電電力Ｐｃｏｎｖの積を減算し、新直流電圧目標値（＝Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖ−α×Ｐｃｏｎｖ）を算出し、この新直流電圧目標値を用いて制御トルク値を決定する。
ここで、直流目標電圧Ｖｒｅｆ＿ｃｏｎｖは固定値で、係数αと現在の発電電力Ｐｃｏｎｖの積は補正項である。これにより、現在の発電電力値Ｐｃｏｎｖが大きいほど、新直流電圧目標値が小さくなる。

コンバータ２−１、２−２の発電電力をそれぞれＰ１、Ｐ２とするとき、補正値ＣＶはそれぞれα×Ｐ１、α×Ｐ２となる。仮に、発電電力Ｐ１が発電電力Ｐ２より大きい（すなわちＰ１＞Ｐ２）とすると、係数αと発電電力Ｐ１の積（α×Ｐ１）は係数αと発電電力Ｐ２の積より大きく（すなわちα×Ｐ１＞α×Ｐ２）となり、その結果、コンバータ２−１の新直流電圧目標値よりコンバータ２−２の新直流電圧目標値が大きくなる。ＰＣＳ３に並列に電気的に接続されたコンバータのうち、新直流電圧目標値の高い方から、よりパワーが出力されるため、目標電圧が低下することにより、発電電力Ｐ１が低下し発電電力Ｐ２に近づく。これにより、発電電力Ｐ１と発電電力Ｐ２の差がなくなるよう制御できる。

＜第３の実施形態の効果＞
以上、第３の実施形態における制御装置４ｃによれば、コンバータは、前記パワーコンディショナに対して他のコンバータとともに電気的に並列に接続されている。発電電力値取得部４６ｃは、コンバータが出力する発電電力値を取得する。補正値取得部４７ｃは、発電電力値取得部４６ｃが取得した発電電力値に対して予め決められた係数を乗算し、乗算して得た値を補正値として取得する。そして、制御トルク値決定部４２ｂは、ＰＣＳ３が自立運転する場合、直流目標電圧から補正値取得部４７ｃが取得した補正値を減算し、減算して得た値と直流リンク電圧取得部４１が取得した直流リンク電圧の検出値との差分に基づいて、制御トルク値を決定する。

これにより、制御装置４ｃ−１〜４ｃ−Ｎ間で、発電電力値の差が小さくなるので、制御装置４ｃ−１〜４ｃ−Ｎは定格出力まで出力できるようになり、発電システム３００全体で系統から要求された出力を確実に系統へ出力することができる。

なお、複数の装置を備えるシステムが、各実施形態の制御装置の各処理を、それらの複数の装置で分散して処理してもよい。
また、各実施形態の制御装置の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、プロセッサが実行することにより、各実施形態の制御装置に係る上述した種々の処理を行ってもよい。

なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００、２００、３００ 発電システム
１、１ｍ、１ｓ−１、…、１ｓ−Ｎ、１−１、…、１−Ｎ 発電機
２、２ｍ、２ｓ−１、…、２ｓ−Ｎ、２−１、…、２−Ｎ コンバータ
３ ＰＣＳ（パワーコンディショナ）
４、４ｃ、４−１…、４−Ｎ 制御装置
４ｓ マスター制御装置
４ｓ−１、…、４ｓ−Ｎ スレーブ制御装置
５ ＤＣ電源
６、６ｍ、６ｓ−１、…、６ｓ−Ｎ、６−１…、６−Ｎ 水車
７ コンデンサ
８ 切替スイッチ
９ 制御システム
Ｌ１ 第１伝送線
Ｌ２ 第２伝送線
ＣＬ１ 第１通信ライン
ＣＬ２ 第２通信ライン
４１ 直流リンク電圧取得部
４２、４２ｂ 制御トルク値決定部
４３ 回転数取得部
４４ トルク上限値決定部
４５ 出力部
４６、４６ｍ、４６ｓ、４６ｃ 発電電力値取得部
４７、４７ｃ 補正値取得部
４２１ 割算器
４２２ 出力調整部
４２３ 減算器
４２４ 乗算器
４２５ 第１係数決定部
４２６ 乗算器
４２７ 乗算器
４２８ 乗算器
４３３ 乗算器
４２９ 第２係数決定部
４３０ 第３係数決定部
４３１ 乗算器
４３２ 加算器
４３３ 乗算器
４３４ 加算器
４３５ 加算器
４４１ フィルタ部
４４２ 減算器
４４３ 乗算器
４４４ 乗算器
４４５ 割算器
４４６ 出力調整部
４４７ 出力調整部
４７１ 減算器
４７２ ＰＩ制御部
４７３ 乗算器

Claims (9)

1. コンバータの第１出力とパワーコンディショナの第１入力とを電気的に接続する第１伝送線と前記コンバータの第２出力と前記パワーコンディショナの第２入力とを電気的に接続する第２伝送線との間の電位差である直流リンク電圧の検出値を前記コンバータから取得する直流リンク電圧取得部と、
   前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値と、前記コンバータが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である直流目標電圧と、に基づいて、制御トルク値を決定する制御トルク値決定部と、
   前記コンバータへ電流を出力する発電機に接続された流体機械の現行回転数を前記コンバータから取得する回転数取得部と、
   前記回転数取得部が取得した現行回転数を、前記流体機械の回転数と該回転数で前記コンバータが前記発電機に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、前記発電機を制御する際のトルク上限値を決定するトルク上限値決定部と、
   前記制御トルク値が前記トルク上限値以下の場合、前記制御トルク値をトルク指令値に決定し、前記制御トルク値が前記トルク上限値を超える場合、前記トルク上限値をトルク指令値に決定し、前記発電機のトルクがこのトルク指令値になるように前記発電機が出力する電流を制御する前記コンバータへ前記決定したトルク指令値を出力する出力部と、
   を備え、
   前記直流目標電圧は、前記パワーコンディショナが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧より小さく、
   前記対応関係は、前記流体機械の回転数と該流体機械が前記発電機に生じさせるトルクの関係に基づいて決められている制御装置。
2. 前記トルク上限値決定部は、前記最適トルク値と、発電機の最大電流により規定される定格トルク値と、システム最大電力と前記回転数取得部が取得した現行回転数とに基づいて得られるシステム最大トルク値と、のうち最小の値を前記トルク上限値として決定し、
   前記システム最大電力は、前記コンバータの定格電力と前記パワーコンディショナの定格電力のうち小さい方の電力である
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御トルク値決定部は、前記直流目標電圧と前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値との差分に、比例ゲインと前記発電機の定格回転数を前記回転数取得部が取得した回転数で除した値とを乗算した比例成分に基づいて、前記制御トルク値を決定する
   請求項２に記載の制御装置。
4. 前記直流目標電圧と前記直流リンク電圧の検出値との差分に積分ゲインを乗算した値と、前記比例成分とに基づいて、前記制御トルク値を決定する
   請求項３に記載の制御装置。
5. 前記コンバータにおけるトルク立ち上がりにおける単位時間当たりのトルク変化量と、前記コンバータにおけるトルク立ち下りにおける単位時間当たりのトルク変化量が異なる場合、
   前記制御トルク値決定部は、前記トルク立ち上がりにおける単位時間当たりのトルク変化量と前記トルク立下りにおける単位時間当たりのトルク変化量とが同一になるように前記比例ゲインに対して係数を乗じる
   請求項３または４に記載の制御装置。
6. 前記パワーコンディショナに対して前記コンバータとともに電気的に並列に接続されたマスター側コンバータを制御するマスター制御装置から、前記マスター側コンバータが前記パワーコンディショナへ出力する発電電力値を通信により取得し、取得した発電電力値に基づいて、前記直流目標電圧を補正する補正値を取得する補正値取得部を更に備え、
   前記制御トルク値決定部は、前記パワーコンディショナが自立運転する場合、前記補正値取得部が取得した補正値で前記直流目標電圧を補正し、補正後の値と前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値の差分に基づいて、前記制御トルク値を決定する
   請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 前記コンバータが出力する発電電力値を取得する発電電力値取得部と、
   前記発電電力値取得部が取得した発電電力値に対して予め決められた係数を乗算し、乗算して得た値を補正値として取得する補正値取得部と、
   を更に備え、
   前記コンバータは、前記パワーコンディショナに対して他のコンバータとともに電気的に並列に接続されており、
   前記制御トルク値決定部は、前記パワーコンディショナが自立運転する場合、前記直流目標電圧から前記補正値取得部が取得した補正値を減算し、減算して得た値と前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値との差分に基づいて、前記制御トルク値を決定する
   請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
8. コンバータと該コンバータを制御する制御装置とを具備する制御システムであって、
   前記制御装置は、
   前記コンバータの出力とパワーコンディショナの入力とを電気的に接続する第１伝送線と第２伝送線との間の電位差である直流リンク電圧の検出値を前記コンバータから取得する直流リンク電圧取得部と、
   前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値と、前記コンバータが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である直流目標電圧と、に基づいて、制御トルク値を決定する制御トルク値決定部と、
   前記コンバータに入力される電流を出力する発電機に接続された流体機械の回転数を前記コンバータから取得する回転数取得部と、
   前記回転数取得部が取得した回転数を前記流体機械の回転数と該回転数で前記コンバータが前記発電機に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、前記発電機を制御する際のトルク上限値を決定するトルク上限値決定部と、
   前記制御トルク値が前記トルク上限値以下の場合、制御トルク値をトルク指令値に決定し、前記制御トルク値が前記トルク上限値を超える場合、前記トルク上限値をトルク指令値に決定し、前記コンバータへ前記決定したトルク指令値を出力する出力部と、を備え、
   前記直流目標電圧は、前記パワーコンディショナが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧より小さく、
   前記対応関係は、前記流体機械の回転数と該流体機械が前記発電機に生じさせるトルクの関係に基づいて決められており、
   前記コンバータは、前記発電機のトルクが前記トルク指令値になるように前記発電機が出力する電流を制御する制御システム。
9. 直流リンク電圧取得部が、コンバータの出力とパワーコンディショナの入力とを電気的に接続する第１伝送線と第２伝送線との間の電位差である直流リンク電圧の検出値を前記コンバータから取得するステップと、
   制御トルク値決定部が、前記直流リンク電圧取得部が取得した直流リンク電圧の検出値と、前記コンバータが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である直流目標電圧と、に基づいて、制御トルク値を決定するステップと、
   回転数取得部が、前記コンバータに入力される電流を出力する発電機に接続された流体機械の回転数を前記コンバータから取得するステップと、
   トルク上限値決定部が、前記回転数取得部が取得した回転数を前記流体機械の回転数と該回転数で前記コンバータが前記発電機に生じさせる最適トルク値との対応関係に適用し、適用して得た最適トルク値に少なくとも基づいて、前記発電機を制御する際のトルク上限値を決定するステップと、
   出力部が、前記制御トルク値が前記トルク上限値以下の場合、制御トルク値をトルク指令値に決定し、前記制御トルク値が前記トルク上限値を超える場合、前記トルク上限値をトルク指令値に決定し、前記発電機のトルクがこのトルク指令値になるように前記発電機が出力する電流を制御する前記コンバータへ前記決定したトルク指令値を出力するステップと、
   を有し、
   前記直流目標電圧は、前記パワーコンディショナが前記直流リンク電圧を制御する際の目標電圧である系統連系時目標電圧より小さく、
   前記対応関係は、前記流体機械の回転数と該流体機械が前記発電機に生じさせるトルクの関係に基づいて決められている制御方法。

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