JP2016131442A - 小水力可変速発電システムの自立運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小水力可変速発電システムの自立運転時に負荷が変動すると永久磁石同期発電機の出力電力と負荷への供給すべき電力との間にアンバランスが生じる。
【解決手段】コンバータ装置に、自立運転に作用する流量調整用の制御ブロックを設ける。制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、生成された流量指令値と水車の流量検出値の差分を入力して流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備える。コンバータ装置は、生成された操作量指令値を上位の制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき流量調節手段を介して水車の流量を調節する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小水力可変速発電システムの自立運転装置に係わり、特に自立運転時の負荷変動に対応できる自立運転装置に関するものである。

図５は、永久磁石同期発電機を用いた小水力可変速発電システムの単結線図を示したもので、この小水力可変速発電システムは連系変圧器１４を介して電力系統に連系される。図５において、１は水車、２はフライホイール、３は永久磁石同期発電機で、これらは図示省略された軸受けを介して連結されている。なお、フライホイール２は必須の構成要件ではなく、むしろフライホイール２を有していないシステムが一般的である。

４はコンバータ装置で、このコンバータ装置４には発電機制御インバータ５、系統連系制御インバータ６および各インバータ５，６間の直流回路に接続された直流コンデンサ７と、チョッパ部８と制動抵抗器９からなる制動ユニットを有している。また、１０はフィルタで、リアクトルＬ，コンデンサＣ，抵抗Ｒより構成されている。１１は発電機側に接続された電磁開閉器、１２は系統側に接続された電磁開閉器、１３は負荷、１５は上位の制御部で、この制御部１５はコンバータ装置４に対して運転指令を出力する等の信号の授受を行うと共に、流量調節手段１６を介して水車の流量を調節する。なお、流量調節手段１６として、以下はガバナを例とする。

コンバータ装置４は、通常、電力系統と連系運転を行っている。この連系運転時では発電機制御インバータ５は、永久磁石同期発電機３の速度又はトルクを制御する発電機速度（トルク）制御ＡＳＲと交流電流制御ＡＣＲを行う。系統連系制御インバータ６は直流電圧（直流コンデンサ７の電圧）制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲを行う。

図６は、図５に示す小水力可変速発電システムの自立運転時の状態を示したものである。連系運転中、系統連系に異常が発生すると連系変圧器１４と負荷１３間に設置される電磁開閉器を開放して電力系統と負荷を解列すると共に、系統連系故障検出でコンバータ装置４は上位の制御部１５に故障情報を送出してコンバータ装置４は運転を停止する。このとき、チョッパ部８のスイッチング素子をオンすることで、制動抵抗器９に電流を流して永久磁石同期発電機３が出力するエネルギーを消費する。

上位の制御部１５は、コンバータ装置４からの故障情報を受信すると、コンバータ装置４に対して自立運転指令を送信し、コンバータ装置４はこの指令に基づいて自立運転への切替操作を行う。すなわち、発電機制御インバータ５は連系運転時の発電機ＡＳＲと交流電流制御ＡＣＲ制御から直流電圧一定制御ＡＶＲに、また、系統連系制御インバータ６は直流電圧一定制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲから交流電圧一定制御ＡＶＲへと各制御モードを切替える。これにより、負荷１３に所望の交流出力電圧を供給し、自立運転を実現する。
なお、発電システムの自立運転方法としては、特許文献１や特許文献２が公知となっている。

特開２０１４−１５８３７１ 特開２００２−１３５９７９

水車１の出力は流量にほぼ比例する。また、永久磁石同期発電機３の出力電力は、水車１の軸出力にほぼ比例する。さらに、自立運転時には、コンバータ装置４の出力電力電流は負荷１３の消費状態に依存する。このことから、負荷変動時には流量の調整が適正でないと、永久磁石同期発電機３の出力電力と負荷１３へ供給すべき電力との間にアンバランスが生じる。これが原因で、負荷への供給電圧の低下、すなわち、コンバータ装置４の出力電力の低下や、発電機速度が不安定となる問題がある。

本発明が目的とするところは、システムの安定運転を可能とする小水力可変速発電システムの自立運転装置を提供することにある。

本発明は、水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置を介して電力系統に接続し、
コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する小水力可変速発電システムであって、この小水力可変速発電システムで自立運転機能を備えたものにおいて、
前記コンバータ装置に、自立運転に作用する流量調整用の制御ブロックを設け、
制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分に基づいて前記流量調節手段の操作量指令値を生成し、
前記コンバータ装置は、生成された操作量指令値を前記制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき前記流量調節手段を介して水車の流量を調節するよう構成しことを特徴とする小水力可変速発電システムの自立運転装置。

本発明の制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、
第１のＰＩ制御器で生成された流量指令値と前記水車の流量検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備えたことを特徴とする請求項１記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。

また、本発明の制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して発電機出力電力指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、
第１のＰＩ制御器で生成された発電機出力電力指令値と前記永久磁石同期発電機の発電機出力電力検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備えたことを特徴とするものである。

本発明は、水車と永久磁石同期発電機間にフライホイールを連結したことを特徴とするものである。

また、 本発明のフライホイールは、前記水車の効率特性曲線上で最大発電出力速度ｎ₀以上の速度範囲で、負荷の増減に対応できる慣性を有することを特徴とするものである。

以上のとおり、本発明によれば、自立運転時での負荷変動に際しても、負荷に対して安定した電力を供給することができる。また、水車や永久磁石同期発電機の速度を安定させることができ、小水力可変速発電システムの安定運転が可能となるものである。

本発明の実施形態を示す流量調整用の制御ブロック図。 本発明の他の実施形態を示す流量調整用の制御ブロック図。 自立運転負荷変動時のエネルギー状態の説明図。 水車の効率特性曲線図。 小水力可変速発電システムの構成図。 小水力可変速発電システムの自立運転時の説明図。

本発明は、自立運転時に作用する流量調整用の制御ブロックをコンバータ装置に設ける。制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、生成された流量指令値と水車の流量検出値の差分を入力して流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備える。コンバータ装置は、生成された操作量指令値を上位の制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき流量調節手段を介して水車の流量を調節するもので、以下図に基づいて説明する。

図１は、本発明による流量調整の制御ブロックを示したもので、この流量調整の制御ブロックは、コンバータ装置４内に設置される。前述のように、小水力可変速発電システムの自立運転時に、発電機制御インバータ５は直流電圧一定制御ＡＶＲの制御モードで運転される。減算部２０で、その時の直流電圧指令値Ｖdc^*と、直流電圧検出値Ｖdcdetとの差分を得て第１のＰＩ制御器２１に入力し、ＰＩ制御器２１で比例積分演算する。ここで、直流電圧指令値Ｖdc^*は、系統連系制御インバータ６からの交流出力電圧が所望値に出力できる値に設定される。
この場合の所望の交流出力電圧は、電力系統の電圧と同値とするのが一般的である。直流電圧指令値Ｖdc^*＝直流電圧検出値Ｖdcdetに制御ができれば、図示省略されたインバータの制御回路を介して系統連系制御インバータ６を制御し、所望の交流出力電圧を負荷１３へ給電することが可能となる。

一方、ＰＩ制御器２１による比例積分値は流量指令値となって減算部２２に入力され、流量検出値との差分が得られる。流量検出値は、水車１の流路に設置された流量計により検出され、その検出値が流量検出値として減算部２２に入力さて流量指令値との差分が演算される。差分は第２のＰＩ制御器２３に入力されてガバナ操作量指令値が演算される。このガバナ操作量指令値は、コンバータ装置４から上位の制御部１５に送信される。制御部１５は、ガバナ操作量指令値に応じてガバナ１６の開度を制御して水車１の流量を調節する。

図１で示す流量調整の制御ブロックにおいて、自立運転中に負荷１３が急増すると、永久磁石同期発電機３の出力電力＜（負荷が必要とする電力）となり、直流電圧検出値Ｖdcdetが直流電圧指令値Ｖdc^*未満に低減する。この場合、減算部２０の差分に応じて第１のＰＩ制御器２１は流量指令値を上昇させる。流量指令値の上昇により、さらに、第２のＰＩ制御器２３の動作によりガバナ１６の開度を大きくする方向にガバナ操作量指令値を出力することで流量が増加し、水車１の出力及び永久磁石同期発電機３の出力電力を上昇させることができる。

したがって、この実施例によれば、負荷が必要とする電力を永久磁石同期発電機３より供給することができ、発電機速度も安定するため、システムの安定運転が可能となるものである。

図２は、本発明の第２の実施例による流量調整の制御ブロックを示したもので、図１と同一部分若しくは相当する部分に同一符合を付している。すなわち、図１との相違点は、第１のＰＩ制御器２１は発電機出力電力指令値となり、また、減算部２２に入力される信号は発電機出力電力検出値となることである。発電機出力電力検出値は、永久磁石同期発電機３の出力に電力計を設置することなどによって求める。

この実施例において、自立運転中に負荷１３が急増することで、永久磁石同期発電機３の出力電力＜（負荷が必要とする電力）となり、直流電圧検出値Ｖdcdetが直流電圧指令値Ｖdc^*未満に低減した場合、減算部２０の差分が大きくなり第１のＰＩ制御器２１は発電機出力電力指令値を上昇させる。さらに、第２のＰＩ制御器２３の動作によりガバナ１６の開度を大きくする方向にガバナ操作量指令値を出力することで流量が増加し、水車１の出力及び永久磁石同期発電機３の出力電力を上昇させることができる。

したがって、第２の実施例も第１の実施例と同様に、負荷が必要とする電力を永久磁石同期発電機３より供給することができ、発電機速度も安定するため、システムの安定運転が可能となるものである。

第３の実施例は水車１と永久磁石同期発電機３との間に、フライホイール２を連結したものである。図３は自立運転負荷変動時のエネルギー状態の説明図で、（ａ）は負荷増加時、（ｂ）は負荷減少時を示したものである。
小水力可変速発電システムの自立運転時には発電機速度の可変速制御は行わないので、永久磁石同期発電機３の速度は水車出力の発電エネルギーと負荷１３の消費エネルギーとのバランスに応じて推移する。

図３で示すように、自立運転時にガバナ１６の開閉による応答遅れが生じると、負荷増加時（ａ）及び負荷減少時（ｂ）それぞれの現象で示すように、ガバナ１６の応答時間中に発電出力と負荷消費電力とのバランスが崩れて発電機速度が不安定となることが懸念される。そこで、この実施例は、負荷変動分を補う慣性を有するフライホイール２を水車１と永久磁石同期発電機３との間に連結したものである。

図４は、水車の効率特性曲線を示したもので、例えば開度１００％時の効率特性曲線を用いて最大発電出力速度ｎ₀以上の点線で囲んだ速度範囲内で、負荷増加時及び負荷減少時に対応した自立運転ができるようフライホイール２の慣性で補填し、負荷変動時の永久磁石同期発電機３の速度不安定を防止する。

この実施例では、負荷不足・余剰分の電気エネルギーと負荷変動時の速度偏差から生じる運動エネルギーが釣り合うときに実施できる。そのために必要なフライホイール２の慣性は、基準速度から上昇・下降制限速度（図３（ａ），（ｂ））を設定し、その速度偏差とガバナ応答時間から運動エネルギーを求め、この慣性を持つフライホイール２を水車１と永久磁石同期発電機３に連結する。

したがって、この実施例によれば、実施例１，２と比較して、さらに良好なシステムの安定運転が可能となるものである。

１… 水車
２… フライホイール
３… 永久磁石同期発電機
４… コンバータ装置
５… 発電機制御インバータ
６… 系統連系制御インバータ
１５… 制御部
１６… 流量調節手段
２０，２２… 減算部
２１，２３… ＰＩ演算器

Claims (5)

1. 水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置を介して電力系統に接続し、
   コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する小水力可変速発電システムであって、この小水力可変速発電システムで自立運転機能を備えたものにおいて、
   前記コンバータ装置に、自立運転に作用する流量調整用の制御ブロックを設け、
   制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分に基づいて前記流量調節手段の操作量指令値を生成し、
   前記コンバータ装置は、生成された操作量指令値を前記制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき前記流量調節手段を介して水車の流量を調節するよう構成しことを特徴とする小水力可変速発電システムの自立運転装置。
2. 前記制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、
   第１のＰＩ制御器で生成された流量指令値と前記水車の流量検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備えたことを特徴とする請求項１記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。
3. 前記制御ブロックは、直流電圧指令値Ｖdc^*と直流電圧検出値Ｖdcdetの差分を入力して発電機出力電力指令値を生成する第１のＰＩ制御器と、
   第１のＰＩ制御器で生成された発電機出力電力指令値と前記永久磁石同期発電機の発電機出力電力検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第２のＰＩ制御器を備えたことを特徴とする請求項１記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。
4. 前記水車と永久磁石同期発電機間にフライホイールを連結したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載された小水力可変速発電システムの自立運転装置。
5. 前記フライホイールは、前記水車の効率特性曲線上で最大発電出力速度ｎ₀以上の速度範囲で、負荷の増減に対応できる慣性を有することを特徴とする請求項４記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。

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