JP2017051038A - Power conversion device, power generation system, and power generation control method - Google Patents

Power conversion device, power generation system, and power generation control method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device, a power generation system, and a power generation control method, capable of appropriately suppressing output power.SOLUTION: A power conversion device according to an embodiment comprises a control unit for controlling output power to a power system by controlling rotation speed of a power generator depending on the amount of water flowing into a water turbine connected to the power generator. The control unit, when maximum power capable of being output to the power system exceeds set power, controls the power generator so that the rotation speed is higher than rotation speed at which the maximum power can be obtained to limit the output power to the power system to power equal to or lower than the set power.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

開示の実施形態は、電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法に関する。   Embodiments disclosed herein relate to a power conversion device, a power generation system, and a power generation control method.

従来、水車に接続された発電機を制御し、水車から発電機を介して得られる発電電力を電力系統へ出力する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。かかる電力変換装置は、水車効率が高くなるように水車へ流入する水量に応じて水車の回転を制御することで発電効率を上げている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a power conversion device that controls a power generator connected to a water turbine and outputs generated power obtained from the water turbine via the power generator to a power system (see, for example, Patent Document 1). Such a power converter increases the power generation efficiency by controlling the rotation of the water turbine according to the amount of water flowing into the water turbine so that the water turbine efficiency is high.

特開2015−002645号公報JP2015-002645A

しかしながら、水車へ流入する水量が増えて発電可能な電力が出力電力の上限値を超えてしまうような場合、抵抗などのように電力を消費させる部材を接続して出力電力を抑制することになるが、かかる部材の配置やコストが問題になる。   However, when the amount of water flowing into the water turbine increases and the power that can be generated exceeds the upper limit of the output power, a member that consumes power, such as a resistor, is connected to suppress the output power. However, the arrangement and cost of such members are problematic.

そこで、発電機の回転速度を抑制して出力電力が増加しないようにすることが考えられるが、このように発電機の回転速度を抑制すると、過電流が発生するおそれがある。   Therefore, it is conceivable to suppress the rotation speed of the generator so that the output power does not increase. However, if the rotation speed of the generator is suppressed in this way, an overcurrent may occur.

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、出力電力を適切に抑制することができる電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法を提供することを目的とする。   One aspect of the embodiments has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a power conversion device, a power generation system, and a power generation control method capable of appropriately suppressing output power.

実施形態の一態様に係る電力変換装置は、発電機に接続された水車へ流入する水量に応じて前記発電機の回転速度を制御して電力系統への出力電力を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記電力系統への出力電力を前記設定電力以下に制限する。   The power converter device which concerns on 1 aspect of embodiment is provided with the control part which controls the rotational speed of the said generator according to the amount of water which flows into the water turbine connected to the generator, and controls the output electric power to an electric power grid | system. When the maximum power that can be output to the power system exceeds a set power, the control unit controls the generator at a rotational speed faster than the rotational speed at which the maximum power is obtained, and outputs power to the power system. The power is limited to the set power or less.

実施形態の一態様によれば、出力電力を適切に抑制することができる電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法を提供することができる。   According to one aspect of the embodiment, it is possible to provide a power conversion device, a power generation system, and a power generation control method that can appropriately suppress output power.

図1Aは、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。FIG. 1A is a diagram illustrating an example of a configuration of a power generation system according to an embodiment. 図1Bは、発電機の回転速度と発電電力との関係の一例を示す図である。FIG. 1B is a diagram illustrating an example of the relationship between the rotational speed of the generator and the generated power. 図2は、実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of the power conversion device according to the embodiment. 図3は、水車の軸トルク−回転速度の特性の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the characteristics of the shaft torque-rotation speed of the water turbine. 図4は、発電機の発電電力と回転速度との関係の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the relationship between the generated power of the generator and the rotation speed. 図5は、指令生成部の他の構成の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of another configuration of the command generation unit. 図6は、指令生成部のさらに他の構成の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of still another configuration of the command generation unit. 図7は、指令生成部のさらに別の構成の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of still another configuration of the command generation unit. 図8は、電力変換装置による発電制御処理の一例を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of the power generation control process by the power converter.

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of a power conversion device, a power generation system, and a power generation control method disclosed in the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.

図1Aは、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。図1Aに示す発電システム1は、水車2と電力系統3との間に設けられ、水車2の回転力を電力に変換して電力系統3へ出力する。かかる発電システム1は、例えば、小水力発電システムであるが、小水力発電システム以外の発電システムに対しても適用することができる。   FIG. 1A is a diagram illustrating an example of a configuration of a power generation system according to an embodiment. A power generation system 1 shown in FIG. 1A is provided between a water turbine 2 and an electric power system 3, and converts the rotational force of the water wheel 2 into electric power and outputs the electric power to the electric power system 3. The power generation system 1 is, for example, a small hydropower generation system, but can be applied to power generation systems other than the small hydropower generation system.

水車2は、開放型上掛水車や開放型下掛水車などの開放周流形水車(開放流水型水車とも呼ばれる)であるが、例えば、ペルトン水車、クロスフロー水車、フランシス水車などの他の種類の水車であってもよい。   The water turbine 2 is an open circumferential water turbine (also referred to as an open water turbine) such as an open top water turbine or an open bottom water turbine. For example, other types such as a Pelton turbine, a cross-flow turbine, a Francis turbine, etc. It may be a water wheel.

発電システム1は、発電機10と、電力変換装置20とを備える。発電機10は、回転電機であり、例えば、永久磁石同期機などの3相交流発電機である。かかる発電機10は、水車2に接続される。例えば、発電機10の回転軸は水車2の回転軸に直接またはギア等を介して連動連結される。なお、水車2の回転力を電力に変換することができれば、発電機10は、3相交流発電機以外の発電機であってもよい。   The power generation system 1 includes a generator 10 and a power conversion device 20. The generator 10 is a rotating electrical machine, for example, a three-phase AC generator such as a permanent magnet synchronous machine. Such a generator 10 is connected to the water turbine 2. For example, the rotating shaft of the generator 10 is linked to the rotating shaft of the water turbine 2 directly or via a gear or the like. The generator 10 may be a generator other than the three-phase AC generator as long as the rotational force of the water turbine 2 can be converted into electric power.

電力変換装置20は、電力変換部21と制御部22とを備える。電力変換部21は、AC/DC変換部23とDC/AC変換部24とを備える。AC/DC変換部23は、制御部22によって制御され、発電機10から出力される交流電力を直流電力へ変換する。また、DC/AC変換部24は、制御部22によって制御され、AC/DC変換部23から出力される直流電力を交流電力へ変換し、電力系統3へ出力する。   The power conversion device 20 includes a power conversion unit 21 and a control unit 22. The power conversion unit 21 includes an AC / DC conversion unit 23 and a DC / AC conversion unit 24. The AC / DC converter 23 is controlled by the controller 22 and converts AC power output from the generator 10 into DC power. The DC / AC conversion unit 24 is controlled by the control unit 22, converts the DC power output from the AC / DC conversion unit 23 into AC power, and outputs the AC power to the power system 3.

制御部22は、例えば、水量検出装置4によって検出された水車2への流入水量の値(以下、流入水量Qwと記載する)の情報を取得し、かかる流入水量Qwに応じて発電機10の回転速度ωiを制御して発電機10の発電電力Piを制御する。   For example, the control unit 22 acquires information on the value of the inflow water amount to the water turbine 2 detected by the water amount detection device 4 (hereinafter referred to as the inflow water amount Qw), and the generator 10 determines the amount of the inflow water Qw. The generated power Pi of the generator 10 is controlled by controlling the rotational speed ωi.

図1Bは、発電機10の回転速度ωiと発電電力Piとの関係の一例を示す図である。図1Bに示すように、同じ流入水量でも発電機10の回転速度ωiに応じて発電機10の発電電力Piが変わる。   FIG. 1B is a diagram illustrating an example of the relationship between the rotational speed ωi of the generator 10 and the generated power Pi. As shown in FIG. 1B, the generated power Pi of the generator 10 changes according to the rotational speed ωi of the generator 10 even with the same amount of inflowing water.

制御部22は、現在の流入水量Qwで発電機10の発電電力Piが最大になるように、流入水量Qwに応じて発電機10の回転速度ωiを最適な回転速度に制御する。これにより、電力系統3への出力電力Poを可及的に大きくすることができる。以下、任意の流入水量Qwで得ることができる最大の電力を最大電力Pimaxと記載する。   The control unit 22 controls the rotational speed ωi of the generator 10 to an optimum rotational speed according to the inflow water amount Qw so that the generated power Pi of the generator 10 becomes the maximum at the current inflow water amount Qw. Thereby, the output electric power Po to the electric power grid | system 3 can be enlarged as much as possible. Hereinafter, the maximum power that can be obtained with an arbitrary inflow water amount Qw is referred to as maximum power Pimax.

制御部22は、流入水量Qwが定格流入水量Qwxである場合、図1Bに示すように、発電機10の回転速度ωiを定格回転速度ωixに制御することで、発電電力Piを定格発電電力Pixにすることができる。定格発電電力Pixは、定格流入水量Qwxにおける最大電力Pimaxであり、電力系統3への出力電力Poが設定電力Pox(以下、設定出力電力Poxと記載する)になる場合の発電電力Piである。   When the inflow water amount Qw is the rated inflow water amount Qwx, the control unit 22 controls the rotation speed ωi of the generator 10 to the rated rotation speed ωix as shown in FIG. Can be. The rated generated power Pix is the maximum power Pimax at the rated inflow water amount Qwx, and is the generated power Pi when the output power Po to the power system 3 becomes the set power Pox (hereinafter referred to as the set output power Pox).

設定出力電力Pox(設定電力の一例)は、例えば、電力系統3を運営する電力会社との契約などによって設定される出力電力Poであり、発電システム1から電力系統3への出力電力Poは、設定出力電力Pox以下に制限される。設定出力電力Poxが10[kW]で、電力変換部21の電力変換効率ηcが90[%]である場合、Pix=10÷0.9=11.1[kW]である。   The set output power Pox (an example of set power) is, for example, the output power Po set by a contract with an electric power company that operates the power system 3, and the output power Po from the power generation system 1 to the power system 3 is It is limited to the set output power Pox or less. When the set output power Pox is 10 [kW] and the power conversion efficiency ηc of the power converter 21 is 90 [%], Pix = 10 ÷ 0.9 = 11.1 [kW].

ところで、流入水量Qwが定格流入水量Qwxを超えて過剰水量になった場合、電力系統3への出力電力Poが最大になるように回転速度ωiを制御すると、電力系統3への出力電力Poが設定出力電力Poxを超えてしまう。   By the way, when the inflow water amount Qw exceeds the rated inflow water amount Qwx and becomes an excess water amount, if the rotational speed ωi is controlled so that the output power Po to the power system 3 is maximized, the output power Po to the power system 3 is The set output power Pox will be exceeded.

このように流入水量Qwが過剰水量の場合、最大電力Pimaxが得られる回転速度ωizよりも低い回転速度ωiz2(図1B参照)になるように回転速度ωiを制御することで、発電電力Piを定格発電電力Pixに抑制することができる。しかし、回転速度ωizよりも低い回転速度ωiz2で発電機10が制御されるため、発電機10の軸トルクが大きくなり、発電機10と電力変換装置20との間に流れる電流が大きくなる。そのため、例えば、発電機10や電力変換部21で流せる電流の上限値を超えてしまう過電流になるおそれがある。   In this way, when the inflow water amount Qw is an excess water amount, the generated power Pi is rated by controlling the rotational speed ωi so that the rotational speed ωiz2 (see FIG. 1B) is lower than the rotational speed ωiz from which the maximum power Pimax is obtained. The generated power Pix can be suppressed. However, since the generator 10 is controlled at the rotational speed ωiz2 lower than the rotational speed ωiz, the shaft torque of the generator 10 increases, and the current flowing between the generator 10 and the power converter 20 increases. For this reason, for example, there is a risk of an overcurrent exceeding the upper limit value of the current that can be passed through the generator 10 or the power conversion unit 21.

そこで、制御部22は、流入水量Qwが過剰水量の場合、最大電力Pimaxが得られる回転速度ωizよりも速い回転速度ωiz1(図1B参照)になるように回転速度ωiを制御することで、発電電力Piを定格発電電力Pix以下にし、出力電力Poを設定出力電力Pox以下に制限する。これにより、発電機10の軸トルクを抑えることができ、発電機10と電力変換装置20との間に流れる電流を抑えることができるため、発電機10や電力変換部21を過電流から保護することができる。以下、電力変換装置20の構成についてさらに説明する。   Therefore, the control unit 22 controls the rotational speed ωi so that the rotational speed ωiz1 (see FIG. 1B) is higher than the rotational speed ωiz at which the maximum electric power Pimax is obtained when the inflowing water amount Qw is an excess water amount. The power Pi is set to be equal to or lower than the rated generated power Pix, and the output power Po is limited to be equal to or lower than the set output power Pox. Thereby, since the axial torque of the generator 10 can be suppressed and the current flowing between the generator 10 and the power converter 20 can be suppressed, the generator 10 and the power converter 21 are protected from overcurrent. be able to. Hereinafter, the configuration of the power conversion device 20 will be further described.

なお、最大電力Pimaxが得られる回転速度ωizよりも速い回転速度ωiz1になるように回転速度ωiを制御した場合、回転速度ωiが定格回転速度ωixの場合よりも発電機10や電力変換部21に加わる電圧がさらに大きくなる。   When the rotational speed ωi is controlled so that the rotational speed ωiz1 is higher than the rotational speed ωiz from which the maximum power Pimax can be obtained, the generator 10 and the power conversion unit 21 are more affected than when the rotational speed ωi is the rated rotational speed ωix. The applied voltage is further increased.

したがって、例えば、定格流入水量Qwx且つ無拘束状態(Pi=0の場合)の場合において発電機10に加わる電圧以上の定格電圧を有する発電機10を選定することが望ましい。また、電力変換部21の耐圧についても同様であり、定格流入水量Qwx且つ無拘束状態において発電機10に加わる電圧以上の耐圧を有する電力変換部21とすることが望ましい。   Therefore, for example, it is desirable to select the generator 10 having a rated voltage equal to or higher than the voltage applied to the generator 10 in the case of the rated inflow water amount Qwx and the unconstrained state (when Pi = 0). The same applies to the withstand voltage of the power converter 21. It is desirable that the power converter 21 has a rated inflow water amount Qwx and a withstand voltage equal to or higher than the voltage applied to the generator 10 in an unconstrained state.

また、発電機10に生じる電圧が発電機10の定格電圧や電力変換部21の耐圧よりも大きくなるような場合、発電機10の発電電力の一部を抵抗などによって消費させることによって、発電機10に生じる電圧を抑えることもできる。   Further, when the voltage generated in the generator 10 is larger than the rated voltage of the generator 10 or the withstand voltage of the power conversion unit 21, a part of the generated power of the generator 10 is consumed by resistance or the like, thereby generating the generator. The voltage generated at 10 can also be suppressed.

例えば、電力変換部21において、AC/DC変換部23とDC/AC変換部24とを接続する直流母線間にスイッチと抵抗との直列接続回路を設ける。そして、発電機10に生じる電圧が発電機10の定格電圧や電力変換部21の耐圧よりも大きくなるような場合、制御部22は、スイッチをオン/オフ制御して抵抗に電力を消費させ、発電機10に生じる電圧を抑える。   For example, in the power converter 21, a series connection circuit of a switch and a resistor is provided between the DC buses connecting the AC / DC converter 23 and the DC / AC converter 24. And when the voltage which arises in the generator 10 becomes larger than the rated voltage of the generator 10, and the proof pressure of the power conversion part 21, the control part 22 controls on / off of a switch, and makes a resistor consume electric power, The voltage generated in the generator 10 is suppressed.

このように、抵抗などのような電力消費部材を設けた場合であっても、回転速度ωizよりも速い回転速度ωiz1になるように回転速度ωiを制御することから、回転速度ωiを回転速度ωizとする場合に比べ、電力消費部材のサイズを抑えることができる。そのため、電力消費部材の配置やコストの問題を低減できる。   In this way, even when a power consuming member such as a resistor is provided, the rotational speed ωi is controlled so that the rotational speed ωiz1 is higher than the rotational speed ωiz, so that the rotational speed ωi is changed to the rotational speed ωiz. The size of the power consuming member can be reduced compared to Therefore, the problem of arrangement and cost of the power consuming member can be reduced.

図2は、実施形態に係る電力変換装置20の構成の一例を示す図である。図2に示すように、電力変換装置20は、電力変換部21と、制御部22とを備える。電力変換部21は、AC/DC変換部23と、DC/AC変換部24と、電流検出部25、27と、電圧検出部26、28とを備える。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of the power conversion device 20 according to the embodiment. As shown in FIG. 2, the power conversion device 20 includes a power conversion unit 21 and a control unit 22. The power conversion unit 21 includes an AC / DC conversion unit 23, a DC / AC conversion unit 24, current detection units 25 and 27, and voltage detection units 26 and 28.

AC/DC変換部23は、複数のスイッチング素子が3相ブリッジ接続されたブリッジ回路やコンデンサを備え、DC/AC変換部24は、複数のスイッチング素子が3相ブリッジ接続されたブリッジ回路やコンデンサを備える。なお、スイッチング素子は、例えば、MOS−FETやIGBTであり、また、AC/DC変換部23やDC/AC変換部24は、図2に示す構成に限定されない。   The AC / DC converter 23 includes a bridge circuit and a capacitor in which a plurality of switching elements are connected in a three-phase bridge. The DC / AC converter 24 includes a bridge circuit and a capacitor in which a plurality of switching elements are connected in a three-phase bridge. Prepare. Note that the switching element is, for example, a MOS-FET or an IGBT, and the AC / DC converter 23 and the DC / AC converter 24 are not limited to the configuration shown in FIG.

電流検出部25は、発電機10のU相、V相およびW相から電力変換部21へそれぞれ流れる電流の瞬時値Iu、Iv、Iw(以下、電流Iidと記載する)を検出する。また、電流検出部27は、電力変換部21から電力系統3のR相、S相およびT相へ流れる電流の瞬時値Ir、Is、It(以下、電流Iodと記載する)を検出する。   The current detection unit 25 detects instantaneous values Iu, Iv, and Iw (hereinafter referred to as current Iid) of currents flowing from the U phase, V phase, and W phase of the generator 10 to the power conversion unit 21, respectively. Current detector 27 detects instantaneous values Ir, Is, It (hereinafter referred to as current Iod) of current flowing from power converter 21 to the R phase, S phase, and T phase of power system 3.

電圧検出部26は、AC/DC変換部23から出力される直流電圧の瞬時値Vpn(以下、直流電圧Vpnと記載する)を検出する。電圧検出部28は、電力系統3のR相、S相およびT相の電圧瞬時値Vr、Vs、Vt(以下、電圧Vodと記載する)を検出する。   The voltage detection unit 26 detects an instantaneous value Vpn (hereinafter referred to as DC voltage Vpn) of the DC voltage output from the AC / DC conversion unit 23. The voltage detector 28 detects R phase, S phase, and T phase instantaneous voltage values Vr, Vs, and Vt (hereinafter referred to as voltage Vod) of the power system 3.

制御部22は、AC/DC変換制御部30と、DC/AC変換制御部31と、遮断制御部32とを備える。AC/DC変換制御部30は、水量検出装置4によって検出された流入水量Qwに基づいて、駆動信号S1〜S6を生成し、AC/DC変換部23へ出力する。駆動信号S1〜S6によってAC/DC変換部23を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれがオン/オフ制御される。流入水量Qwは、例えば、単位時間当たりに水車2へ流入する水量である。   The control unit 22 includes an AC / DC conversion control unit 30, a DC / AC conversion control unit 31, and a cutoff control unit 32. The AC / DC conversion control unit 30 generates drive signals S1 to S6 based on the inflow water amount Qw detected by the water amount detection device 4 and outputs the drive signals S1 to S6 to the AC / DC conversion unit 23. Each of the plurality of switching elements constituting the AC / DC converter 23 is on / off controlled by the drive signals S1 to S6. The inflow water amount Qw is, for example, the amount of water that flows into the water turbine 2 per unit time.

DC/AC変換制御部31は、直流電圧Vpnが所定の一定電圧になるように、駆動信号S7〜S12を生成し、DC/AC変換部24へ出力する。かかる駆動信号S7〜S12によってDC/AC変換部24を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれがオン/オフ制御され、AC/DC変換部23から出力される直流電力が交流電力へ変換されDC/AC変換部24から電力系統3へ出力される。   The DC / AC conversion control unit 31 generates drive signals S7 to S12 so that the DC voltage Vpn becomes a predetermined constant voltage, and outputs the drive signals S7 to S12 to the DC / AC conversion unit 24. Each of the plurality of switching elements constituting the DC / AC converter 24 is controlled to be turned on / off by the drive signals S7 to S12, and the DC power output from the AC / DC converter 23 is converted into AC power to be DC / AC. The signal is output from the converter 24 to the power system 3.

DC/AC変換制御部31は、例えば、電圧検出部28によって検出した電圧Vodに同期し、かつ、直流電圧Vpnが所定の直流電圧指令Vpnrと一致するように指令を生成し、かかる指令に応じた駆動信号S7〜S12を生成する。これにより、発電機10の発電電力Piに応じた出力電力Poが電力変換装置20から電力系統3へ出力される。   For example, the DC / AC conversion control unit 31 generates a command in synchronization with the voltage Vod detected by the voltage detection unit 28 and the DC voltage Vpn matches a predetermined DC voltage command Vpnr, and responds to the command. Drive signals S7 to S12 are generated. Thereby, the output power Po corresponding to the generated power Pi of the generator 10 is output from the power converter 20 to the power system 3.

遮断制御部32は、直流電圧Vpnが上限電圧Vmaxを超えると、連結遮断機5へ遮断要求SHを出力し、かかる遮断要求SHに基づき、連結遮断機5は、水車2と発電機10との連結を遮断して水車2と発電機10とを切り離す。これにより、発電電力Piが定格発電電力Pixを超える状態が継続した場合、水車2と発電機10との接続が開放されることから、発電機10から電力変換装置20へ過剰な電力供給が行われることを抑制することができる。   When the DC voltage Vpn exceeds the upper limit voltage Vmax, the cutoff control unit 32 outputs a cutoff request SH to the connection breaker 5, and based on the cutoff request SH, the connection breaker 5 connects the turbine 2 and the generator 10. The water turbine 2 and the generator 10 are disconnected by disconnecting the connection. Thereby, when the state where the generated power Pi exceeds the rated generated power Pix continues, the connection between the water turbine 2 and the generator 10 is released, so that excessive power supply from the generator 10 to the power converter 20 is performed. Can be suppressed.

AC/DC変換制御部30は、指令生成部41と、減算部42と、速度制御部43と、電流制御部44と、スイッチ駆動部45とを備える。指令生成部41は、水量検出装置4によって検出された流入水量Qwに基づき、速度指令ωirを生成する。速度指令ωirは、発電機10の回転速度ωiを規定する指令である。   The AC / DC conversion control unit 30 includes a command generation unit 41, a subtraction unit 42, a speed control unit 43, a current control unit 44, and a switch drive unit 45. The command generator 41 generates a speed command ωir based on the inflow water amount Qw detected by the water amount detection device 4. The speed command ωir is a command that defines the rotational speed ωi of the generator 10.

減算部42は、指令生成部41により生成された速度指令ωirから発電機10の回転速度ωiの値(以下、回転速度ωidと記載する)を減算する。回転速度ωodは、例えば、発電機10に取り付けられたエンコーダ6によって検出され、減算部42は、エンコーダ6から回転速度ωodを取得する。   The subtracting unit 42 subtracts the value of the rotational speed ωi of the generator 10 (hereinafter referred to as rotational speed ωid) from the speed command ωir generated by the command generating unit 41. The rotational speed ωod is detected by, for example, the encoder 6 attached to the generator 10, and the subtraction unit 42 acquires the rotational speed ωod from the encoder 6.

速度制御部43は、例えば、速度指令ωirと回転速度ωodとの偏差がゼロになるように、速度指令ωirと回転速度ωodとの差をPI(比例積分)制御して電流指令Iirを生成する。電流指令Iirは、例えば、U相、V相およびW相の電流指令Iur、Ivr、Iwrを含む。   For example, the speed control unit 43 generates a current command Iir by PI (proportional integration) control of the difference between the speed command ωir and the rotational speed ωod so that the deviation between the speed command ωir and the rotational speed ωod becomes zero. . The current command Iir includes, for example, U-phase, V-phase, and W-phase current commands Iur, Ivr, and Iwr.

電流制御部44は、例えば、電流Iidが電流指令Iirと一致するように、電流Iidと電流指令Iirとの偏差をPI制御して電圧指令Virを生成する。電圧指令Virは、例えば、U相、V相およびW相の電圧指令Vur、Vvr、Vwrを含む。   For example, the current control unit 44 generates a voltage command Vir by performing PI control on a deviation between the current Iid and the current command Iir so that the current Iid matches the current command Iir. The voltage command Vir includes, for example, U-phase, V-phase, and W-phase voltage commands Vur, Vvr, and Vwr.

スイッチ駆動部45は、U相、V相およびW相の電圧が電圧指令Vur、Vvr、Vwrに応じた電圧になるように駆動信号S1〜S6を生成する。これにより、発電機10の回転速度ωiを速度指令ωirに応じた回転速度にすることができる。   The switch drive unit 45 generates the drive signals S1 to S6 so that the U-phase, V-phase, and W-phase voltages become voltages according to the voltage commands Vur, Vvr, and Vwr. Thereby, the rotational speed ωi of the generator 10 can be set to a rotational speed corresponding to the speed command ωir.

指令生成部41は、電力変換部21から電力系統3へ出力可能な最大電力(以下、最大出力電力Pomaxと記載する)が設定出力電力Pox以下の場合、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度ωiで発電機10が回転するように、速度指令ωirを生成する。   When the maximum power that can be output from the power conversion unit 21 to the power system 3 (hereinafter referred to as the maximum output power Pomax) is equal to or less than the set output power Pox, the command generation unit 41 can obtain the rotation speed ωi that provides the maximum output power Pomax. The speed command ωir is generated so that the generator 10 rotates.

一方、指令生成部41は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、電力系統3への出力電力Poを設定出力電力Pox以下に制限する。この場合、指令生成部41は、出力電力Poを設定出力電力Pox以下に制限する回転速度ωiであって、かつ、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度よりも速い回転速度ωiで発電機10が回転するように、速度指令ωirを生成する。   On the other hand, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the command generation unit 41 limits the output power Po to the power system 3 to be equal to or less than the set output power Pox. In this case, the command generation unit 41 causes the generator 10 to rotate at the rotational speed ωi that limits the output power Po to the set output power Pox or less and at a rotational speed ωi that is faster than the rotational speed at which the maximum output power Pomax is obtained. A speed command ωir is generated so as to rotate.

ここで、水車2の特性について説明する。図3は、水車2の軸トルクTrq−回転速度ωiの特性の一例を示す図である。図3に示す例では、流入水量Qwが異なる3つの流入水量Qw1、Qw2、Qw3での軸トルクTrqと回転速度ωiとの関係の概略を示す図である。   Here, the characteristics of the water turbine 2 will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a characteristic of the axial torque Trq-rotational speed ωi of the water turbine 2. In the example shown in FIG. 3, it is a figure which shows the outline of the relationship between axial torque Trq and rotational speed (omega) i in three inflow water quantity Qw1, Qw2, Qw3 from which inflow water quantity Qw differs.

図3に示すように、軸トルクTrqと回転速度ωiとは、概ね一次関数の関係であり、オフセットを有する負の比例の関係を有する。ここで、回転速度ωiが0である場合における軸トルクTrqをTIであるとし、軸トルクTrqが0である場合における回転速度ωiをωinであるとすると、軸トルクTrqと回転速度ωiとの関係を示す演算式は、例えば、下記式(1)のように表すことができる。
Trq=TI−TI×(ωi/ωin) ・・・(1)
As shown in FIG. 3, the shaft torque Trq and the rotational speed ωi are approximately linear functions, and have a negative proportional relationship with an offset. Here, assuming that the shaft torque Trq when the rotational speed ωi is 0 is TI, and the rotational speed ωi when the shaft torque Trq is 0 is ωin, the relationship between the shaft torque Trq and the rotational speed ωi. Can be expressed as, for example, the following expression (1).
Trq = TI−TI × (ωi / ωin) (1)

発電機10の損失が小さく無視できると仮定すると、流入水量Qwで得ることができる最大電力Pimaxは、軸トルクTrqと回転速度ωiとを乗算した値のうち最も大きな値である。軸トルクTrqと回転速度ωiとの乗算結果が最も大きくなるのは、軸トルクTrqと回転速度ωiとが図3に示す関係にある場合、ωi=ωin/2のときである。   Assuming that the loss of the generator 10 is small and can be ignored, the maximum power Pimax that can be obtained with the inflow water amount Qw is the largest value among the values obtained by multiplying the shaft torque Trq and the rotational speed ωi. The multiplication result of the shaft torque Trq and the rotation speed ωi is the largest when the shaft torque Trq and the rotation speed ωi are in the relationship shown in FIG. 3 when ωi = ωin / 2.

したがって、最大電力Pimaxは、下記式(2)によって求めることができる。
Pimax=Trq×ωin/2=TI×ωin/4 ・・・(2)
Therefore, the maximum power Pimax can be obtained by the following equation (2).
Pimax = Trq × ωin / 2 = TI × ωin / 4 (2)

小水力発電では、ダム、堰および水路によって落差等が決まり、越流水位の変動程度では有効落差に大きな変化はなく、水力はほぼ水量によって決定される。そして、水力が水量のみで決定されると考えた場合、定格発電電力を1とし、ωi/ωix=1とすると、発電電力Piと回転速度ωiとの関係は、図4に示すように表すことができる。図4は、発電電力Piと回転速度ωiとの関係の一例を示す図である。   In small hydropower generation, heads are determined by dams, weirs, and waterways, and there is no significant change in effective heads depending on the fluctuation of the overflow water level, and hydropower is determined by the amount of water. Then, assuming that the hydropower is determined only by the amount of water, assuming that the rated generated power is 1 and ωi / ωix = 1, the relationship between the generated power Pi and the rotational speed ωi is expressed as shown in FIG. Can do. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the relationship between the generated power Pi and the rotation speed ωi.

したがって、この場合、発電電力Pi、出力電力Po、流入水量Qwおよび回転速度ωiの関係は、以下の式(3)のように一般化して表すことができる。指令生成部41は、下記式(3)の関係に基づいて速度指令ωirを演算することができる。なお、α=Qwx/Qwであり、n=ωi/ωixである。
Pi=Po/ηc=−αn+2n ・・・(3)
Therefore, in this case, the relationship among the generated power Pi, the output power Po, the inflow water amount Qw, and the rotational speed ωi can be generalized as shown in the following equation (3). The command generation unit 41 can calculate the speed command ωir based on the relationship of the following formula (3). Note that α = Qwx / Qw and n = ωi / ωix.
Pi = Po / ηc = −αn 2 + 2n (3)

指令生成部41は、水量情報取得部51と、記憶部52と、速度指令生成部54とを備える。水量情報取得部51は、水量検出装置4から流入水量Qwを取得する。記憶部52は、流入水量Qw毎の発電電力Piを記憶している。また、記憶部52は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxになる流入水量Qw、回転速度ωiおよび発電電力Piを定格流入水量Qwx、定格回転速度ωixおよび定格発電電力Pixとして記憶している。   The command generation unit 41 includes a water amount information acquisition unit 51, a storage unit 52, and a speed command generation unit 54. The water amount information acquisition unit 51 acquires the inflow water amount Qw from the water amount detection device 4. The storage unit 52 stores the generated power Pi for each inflow water amount Qw. In addition, the storage unit 52 stores the inflow water amount Qw, the rotation speed ωi, and the generated power Pi at which the maximum output power Pomax becomes the set output power Pox as the rated inflow water amount Qwx, the rated rotation speed ωix, and the rated generation power Pix.

速度指令生成部54は、電力系統3へ出力可能な最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下であるか否かを判定する。かかる速度指令生成部54は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下であるか否かを、水量情報取得部51で取得された流入水量Qwが定格流入水量Qwx以下であるか否かによって判定する。   The speed command generator 54 determines whether or not the maximum output power Pomax that can be output to the power system 3 is equal to or less than the set output power Pox. The speed command generation unit 54 determines whether or not the maximum output power Pomax is less than or equal to the set output power Pox based on whether or not the inflow water amount Qw acquired by the water amount information acquisition unit 51 is less than or equal to the rated inflow water amount Qwx. To do.

次に、速度指令生成部54は、水量情報取得部51で取得された流入水量Qwと、記憶部52に記憶された情報とに基づいて、速度指令ωirを求める。例えば、速度指令生成部54は、下記式(4)を演算することによって速度指令ωirを求める。
Pi/Pix=−(Qwx/Qw)×(ωir/ωix)+2(ωir/ωix)
・・・(4)
Next, the speed command generation unit 54 determines the speed command ωir based on the inflow water amount Qw acquired by the water amount information acquisition unit 51 and the information stored in the storage unit 52. For example, the speed command generation unit 54 calculates the speed command ωir by calculating the following equation (4).
Pi / Pix = − (Qwx / Qw) × (ωir / ωix) 2 +2 (ωir / ωix)
... (4)

速度指令生成部54は、流入水量Qwが定格流入水量Qwx以下である場合、すなわち、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下である場合、Pi=Pimaxとして、上記式(4)の演算を行う。これにより、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下である場合、電力系統3へ最大出力電力Pomaxを出力することができる。   When the inflow water amount Qw is less than or equal to the rated inflow water amount Qwx, that is, when the maximum output power Pomax is less than or equal to the set output power Pox, the speed command generation unit 54 performs the calculation of Equation (4) above as Pi = Pimax. . Thus, when the maximum output power Pomax is equal to or less than the set output power Pox, the maximum output power Pomax can be output to the power system 3.

一方、速度指令生成部54は、流入水量Qwが定格流入水量Qwxを超える場合、すなわち、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、Pi/Pix=1として、上記式(4)の演算を行う。これにより、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、電力系統3へ設定出力電力Poxを出力することができる。   On the other hand, when the inflow water amount Qw exceeds the rated inflow water amount Qwx, that is, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the speed command generation unit 54 sets Pi / Pix = 1 and calculates the above equation (4). I do. Thereby, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the set output power Pox can be output to the power system 3.

例えば、Qw/Qwx=1.3である場合、ωi/ωix=1.92であり、速度指令生成部54は、ωir=ωix×1.92として、速度指令ωirを出力する。なお、速度指令生成部54は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、電力系統3へ設定出力電力Poxよりも低い電力を出力することもできる。   For example, when Qw / Qwx = 1.3, ωi / ωix = 1.92, and the speed command generator 54 outputs the speed command ωir as ωir = ωix × 1.92. The speed command generator 54 can also output power lower than the set output power Pox to the power system 3 when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox.

なお、上述においては、速度指令生成部54は、上記式(4)に基づいて速度指令ωirを生成する例を説明したが、上記式(4)は、水車2の特性、発電機10の損失特性や電力変換部21の電力変換効率ηcの特性に基づいて適宜変更することができる。これにより、より精度よく速度指令ωirを決定することができる。   In the above description, the example in which the speed command generation unit 54 generates the speed command ωir based on the above formula (4) has been described. However, the above formula (4) represents the characteristics of the turbine 2 and the loss of the generator 10. It can be appropriately changed based on the characteristics and the characteristics of the power conversion efficiency ηc of the power converter 21. Thereby, the speed command ωir can be determined with higher accuracy.

また、流入水量Qwが定格流入水量Qwxを超える場合に、最大電力Pimaxが得られる回転速度よりも速い回転速度になるように回転速度ωiを制御することができればよく、速度指令生成部54は、適宜変更可能である。   In addition, when the inflow water amount Qw exceeds the rated inflow water amount Qwx, it is only necessary to control the rotation speed ωi so that the rotation speed is higher than the rotation speed at which the maximum power Pimax is obtained. It can be changed as appropriate.

例えば、速度指令生成部54は、定格流入水量Qwxと流入水量Qwとの比率γ(=Qw/Qwx)と速度指令ωirとを関連付けたテーブルを内部の記憶部に記憶し、かかるテーブルに基づいて、水量情報取得部51によって取得された流入水量Qwに基づく比率γから速度指令ωirを選択して出力する構成であってもよい。   For example, the speed command generation unit 54 stores a table in which the ratio γ (= Qw / Qwx) between the rated inflow water amount Qwx and the inflow water amount Qw and the speed command ωir is stored in the internal storage unit, and based on the table The speed command ωir may be selected and output from the ratio γ based on the inflow water amount Qw acquired by the water amount information acquisition unit 51.

また、速度指令生成部54は、流入水量Qwと速度指令ωirとを関連付けたテーブルを内部の記憶部に記憶し、かかるテーブルに基づいて、水量情報取得部51によって取得された流入水量Qwから速度指令ωirを選択して出力する構成であってもよい。   Further, the speed command generation unit 54 stores a table in which the inflow water amount Qw and the speed command ωir are associated with each other in an internal storage unit, and based on the table, the speed command generation unit 54 calculates the speed from the inflow water amount Qw acquired by the water amount information acquisition unit 51. The configuration may be such that the command ωir is selected and output.

指令生成部41は、図2に示す構成に限定されるものではなく、例えば、図5〜図7に示す構成であってもよい。以下、指令生成部41の構成例についてさらに説明する。図5は、指令生成部41の他の構成の一例を示す図である。図5において、図2に示す指令生成部41と同一の構成については同一符号を付し、また、電力変換部21や制御部22における構成を一部省略している。   The command generation unit 41 is not limited to the configuration illustrated in FIG. 2, and may have the configuration illustrated in FIGS. 5 to 7, for example. Hereinafter, a configuration example of the command generation unit 41 will be further described. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of another configuration of the command generation unit 41. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the same components as those of the command generator 41 shown in FIG. 2, and the configurations of the power converter 21 and the controller 22 are partially omitted.

図5に示す指令生成部41は、水量情報取得部51と、記憶部52と、速度指令生成部54Aと、電力検出部55とを備える。電力検出部55は、例えば、電流Iodと電圧Vodとに基づき、出力電力Poを検出する。   The command generation unit 41 illustrated in FIG. 5 includes a water amount information acquisition unit 51, a storage unit 52, a speed command generation unit 54A, and a power detection unit 55. For example, the power detector 55 detects the output power Po based on the current Iod and the voltage Vod.

速度指令生成部54Aは、出力電力Poに基づき、水流比α(=Qwx/Qw)を補正して上記式(4)の演算を行うことができる。例えば、Po/Pox=βとすると、β<1の場合、速度指令生成部54Aは、α’=α/βとし、補正後の流水比α’を用いて上記式(4)の演算を行う。これにより、電力変換装置20は、速度指令ωirを最適に調整することができる。なお、出力電力Poに基づいて速度指令ωirを調整することができればよく、上述した処理に限定されるものではない。   The speed command generation unit 54A can perform the calculation of the above formula (4) by correcting the water flow ratio α (= Qwx / Qw) based on the output power Po. For example, when Po / Pox = β, when β <1, the speed command generation unit 54A sets α ′ = α / β and performs the calculation of the above equation (4) using the corrected running water ratio α ′. . Thereby, the power converter device 20 can optimally adjust the speed command ωir. Note that it is only necessary that the speed command ωir can be adjusted based on the output power Po, and the present invention is not limited to the above-described processing.

このように、図5に示す指令生成部41は、出力電力Poに基づいた補正を行って速度指令ωirを求めることから、速度指令ωirをより最適に生成することができ、発電システム1における発電効率をより向上させることができる。   As described above, the command generation unit 41 shown in FIG. 5 performs the correction based on the output power Po to obtain the speed command ωir, so that the speed command ωir can be generated more optimally. Efficiency can be further improved.

図6は、指令生成部41のさらに他の構成の一例を示す図である。図6において、図2に示す指令生成部41と同一の構成については同一符号を付し、また、電力変換部21における構成を一部省略している。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of still another configuration of the command generation unit 41. In FIG. 6, the same reference numerals are given to the same components as those of the command generation unit 41 shown in FIG. 2, and the configuration of the power conversion unit 21 is partially omitted.

図6に示す指令生成部41は、記憶部52と、速度指令生成部54と、水量推定部56とを備える。記憶部52および速度指令生成部54は、図2に示す指令生成部41と同様の構成および動作である。   The command generation unit 41 illustrated in FIG. 6 includes a storage unit 52, a speed command generation unit 54, and a water amount estimation unit 56. The memory | storage part 52 and the speed command generation part 54 are the structure and operation | movement similar to the command generation part 41 shown in FIG.

水量推定部56は、発電機10のU相、V相およびW相の電圧の瞬時値(以下、電圧Vu、Vv、Vwと記載する)と電流Iu、Iv、Iwとを取得し、かかる電圧Vu、Vv、Vwおよび電流Iu、Iv、Iwに基づき、発電電力Piを検出(または推定)する。電圧Vu、Vv、Vwは、電力変換部21の電圧検出部29によって検出される。   The water amount estimation unit 56 obtains instantaneous values (hereinafter referred to as voltages Vu, Vv, and Vw) and currents Iu, Iv, and Iw of the U-phase, V-phase, and W-phase of the generator 10 and applies the voltages. Based on Vu, Vv, Vw and currents Iu, Iv, Iw, the generated power Pi is detected (or estimated). The voltages Vu, Vv, and Vw are detected by the voltage detection unit 29 of the power conversion unit 21.

水量推定部56は、電流Iu、Iv、Iwと電圧Vu、Vv、Vwとに基づいて検出した発電電力Piに基づいて流入水量Qwを推定することができる。例えば、水量推定部56は、速度指令生成部54へ通知する流入水量Qwを増減したときに検出される発電電力Piのうち最も大きな発電電力Piを最大電力Pimaxとして判定し、かかる最大電力Pimaxに対応する流入水量Qwが現在の流入水量Qwであると推定する。   The water amount estimation unit 56 can estimate the inflow water amount Qw based on the generated power Pi detected based on the currents Iu, Iv, Iw and the voltages Vu, Vv, Vw. For example, the water amount estimation unit 56 determines the largest generated power Pi among the generated power Pi detected when the inflow water amount Qw notified to the speed command generating unit 54 is increased or decreased as the maximum power Pimax, and sets the maximum power Pimax. It is estimated that the corresponding inflow water amount Qw is the current inflow water amount Qw.

また、水量推定部56が速度指令生成部54へ通知する流入水量Qwは、定格流入水量Qwx以下に制限される。水量推定部56は、流入水量Qwの増減によって検出される発電電力Piのうち、流入水量Qwが定格流入水量Qwxである場合に検出される発電電力Piが最大であれば、流入水量Qwの増減率に対する発電電力Piの増減率との関係に基づいて、現在の流入水量Qwを推定する。   Further, the inflow water amount Qw that the water amount estimation unit 56 notifies to the speed command generation unit 54 is limited to the rated inflow water amount Qwx or less. The water amount estimation unit 56 increases or decreases the inflow water amount Qw if the generated power Pi detected when the inflow water amount Qw is the rated inflow water amount Qwx among the generated power Pi detected by the increase or decrease in the inflow water amount Qw. The current inflow water amount Qw is estimated based on the relationship between the rate of change in the generated power Pi with respect to the rate.

速度指令生成部54は、上述したように、例えば、上記式(4)に基づき、水量推定部56で推定された流入水量Qwと記憶部52に記憶された情報とをパラメータとして、速度指令ωirを求める。なお、発電電力Piと出力電力Poとは、上記式(3)に示す関係にあることから、水量推定部56は、発電電力Piに代えて出力電力Poを用いることができ、また、出力電力Poから発電電力Piを求めることもできる。例えば、水量推定部56は、発電電力Piの場合と同様の処理によって、流入水量Qwの増減によって発電機10の回転速度ωiを増減させた場合の出力電力Poに基づいて、流入水量Qwや最大電力Pimaxを推定することもできる。この場合、水量推定部56は、電流Iodと電圧Vodとに基づき、出力電力Poを検出することができる。   As described above, for example, the speed command generation unit 54 uses the inflow water amount Qw estimated by the water amount estimation unit 56 and the information stored in the storage unit 52 as parameters based on the above equation (4), as a speed command ωir. Ask for. Since the generated power Pi and the output power Po are in the relationship shown in the above equation (3), the water amount estimation unit 56 can use the output power Po instead of the generated power Pi, and the output power The generated power Pi can also be obtained from Po. For example, the water amount estimation unit 56 performs the same process as in the case of the generated power Pi, based on the output power Po when the rotational speed ωi of the generator 10 is increased or decreased by increasing or decreasing the inflow water amount Qw, The power Pimax can also be estimated. In this case, the water amount estimation unit 56 can detect the output power Po based on the current Iod and the voltage Vod.

このように、図6に示す指令生成部41は、図2に示す水量検出装置4を用いることなく、流入水量Qwを推定できることから、システム全体のコストを抑えることができる。なお、図5に示す指令生成部41において、水量情報取得部51を水量推定部56に置き換える構成であってもよい。   As described above, the command generation unit 41 illustrated in FIG. 6 can estimate the inflow water amount Qw without using the water amount detection device 4 illustrated in FIG. 2, and thus the cost of the entire system can be suppressed. In the command generation unit 41 illustrated in FIG. 5, the water amount information acquisition unit 51 may be replaced with a water amount estimation unit 56.

図7は、指令生成部41のさらに別の構成の一例を示す図である。図7において、図2に示す指令生成部41と同一の構成については同一符号を付している。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of still another configuration of the command generation unit 41. In FIG. 7, the same components as those of the command generation unit 41 shown in FIG.

図7に示す指令生成部41は、水量情報取得部51と、記憶部52Bと、最大電力演算部53と、速度指令生成部54Bとを備える。記憶部52Bは、水車2の特性を記憶する。例えば、記憶部52Bは、流入水量Qw毎に、軸トルクTrqと回転速度ωiとを対応付けたテーブルや演算式または演算式のパラメータ(例えば、TIやωin)を記憶している。   The command generation unit 41 illustrated in FIG. 7 includes a water amount information acquisition unit 51, a storage unit 52B, a maximum power calculation unit 53, and a speed command generation unit 54B. The storage unit 52B stores the characteristics of the water wheel 2. For example, the storage unit 52B stores a table in which the shaft torque Trq and the rotational speed ωi are associated with each other for each inflow water amount Qw, an arithmetic expression, or parameters of the arithmetic expression (for example, TI and ωin).

軸トルクTrqと回転速度ωiとの関係を示す演算式は、例えば、上記式(1)に示すように表すことができる。なお、上記式(1)は、一例であり、水車2における軸トルクTrqと回転速度ωiとの関係に応じた演算式にすることで精度を向上させることができる。   An arithmetic expression indicating the relationship between the shaft torque Trq and the rotational speed ωi can be expressed as shown in the above expression (1), for example. The above formula (1) is an example, and the accuracy can be improved by using an arithmetic expression according to the relationship between the shaft torque Trq and the rotational speed ωi in the water turbine 2.

最大電力演算部53は、水量情報取得部51で取得された流入水量Qwと記憶部52Bに記憶された水車2の特性とに基づき、現在の流入水量Qwによって発電機10から取り出し可能な最大電力Pimaxを演算する。最大電力演算部53は、例えば、記憶部52Bからパラメータ(例えば、TIやωix)を取得し、上記(2)により最大電力Pimaxを演算する。   The maximum power calculation unit 53 is based on the inflow water amount Qw acquired by the water amount information acquisition unit 51 and the characteristics of the water turbine 2 stored in the storage unit 52B, and the maximum power that can be extracted from the generator 10 by the current inflow water amount Qw. Pimax is calculated. For example, the maximum power calculation unit 53 acquires parameters (for example, TI and ωix) from the storage unit 52B, and calculates the maximum power Pimax according to (2) above.

速度指令生成部54Bは、電力系統3へ出力可能な最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下であるか否かを判定する。例えば、速度指令生成部54Bは、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下であるか否かを、最大電力Pimaxに電力変換部21の電力変換効率ηcを乗算することによって、最大出力電力Pomaxを演算する。   The speed command generation unit 54B determines whether or not the maximum output power Pomax that can be output to the power system 3 is equal to or less than the set output power Pox. For example, the speed command generation unit 54B multiplies the maximum output power Pomax by the power conversion efficiency ηc of the power conversion unit 21 by multiplying the maximum power Pimax by whether or not the maximum output power Pomax is equal to or less than the set output power Pox. Calculate.

速度指令生成部54Bは、最大出力電力Pomaxと設定出力電力Poxとを比較し、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下の場合、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度ωi(例えば、ωi=ωix/2)で発電機10が回転するように、速度指令ωirを生成する。これにより、発電機10の回転速度ωiが速度指令ωirと一致するように発電機10が制御され、電力系統3への出力電力Poが最大出力電力Pomaxになる。   The speed command generation unit 54B compares the maximum output power Pomax and the set output power Pox. When the maximum output power Pomax is equal to or less than the set output power Pox, the rotational speed ωi (for example, ωi = ωix) at which the maximum output power Pomax is obtained. / 2), the speed command ωir is generated so that the generator 10 rotates. Thereby, the generator 10 is controlled so that the rotational speed ωi of the generator 10 coincides with the speed command ωir, and the output power Po to the power system 3 becomes the maximum output power Pomax.

一方、速度指令生成部54Bは、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度よりも速い回転速度ωiで発電機10が回転するように、速度指令ωirを生成する。これにより、発電機10の回転速度ωiが速度指令ωirと一致するように発電機10が制御され、電力系統3への出力電力Poが設定出力電力Pox以下に制限される。   On the other hand, the speed command generator 54B, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the speed command ωir so that the generator 10 rotates at a rotational speed ωi faster than the rotational speed at which the maximum output power Pomax is obtained. Is generated. Thereby, the generator 10 is controlled so that the rotational speed ωi of the generator 10 coincides with the speed command ωir, and the output power Po to the power system 3 is limited to the set output power Pox or less.

ここで、設定出力電力Poxは、上記式(1)が成り立つ場合、下記式(5)のように表すことができる。
Pox=Pi×ηc
=(Trq×ωir)/ηc
={TI−TI×(ωir/ωin)}×ωir×ηc ・・・(5)
Here, the set output power Pox can be expressed as the following equation (5) when the above equation (1) holds.
Pox = Pi × ηc
= (Trq × ωir) / ηc
= {TI-TI × (ωir / ωin)} × ωir × ηc (5)

したがって、この場合、速度指令生成部54Bは、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、下記式(6)が成立する速度指令ωirを演算することで、速度指令ωirを生成することができる。
ωir/ωin−ωir+Pox/(TI×ηc)=0 ・・・(6)
Therefore, in this case, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the speed command generation unit 54B can generate the speed command ωir by calculating the speed command ωir that satisfies the following expression (6). it can.
ωir 2 / ωin−ωir + Pox / (TI × ηc) = 0 (6)

なお、上記式(6)は、水車2における軸トルクTrqと回転速度ωiとの関係に応じた演算式にすることで、速度指令生成部54Bは、速度指令ωirの精度を向上させることができる。   In addition, the said speed | rate command production | generation part 54B can improve the precision of speed command (omega) ir by making said Formula (6) into the arithmetic expression according to the relationship between the axial torque Trq and the rotational speed (omega) i in the water turbine 2. FIG. .

また、上述した指令生成部41は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度よりも速い回転速度ωiで発電機10が回転するように速度指令ωirを生成するが、かかる処理に限定されない。   Further, the command generation unit 41 described above, when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the speed command ωir so that the generator 10 rotates at a rotational speed ωi that is faster than the rotational speed at which the maximum output power Pomax is obtained. However, the present invention is not limited to such a process.

例えば、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超える場合であっても、指令生成部41は、例えば、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxのn(例えば、1.2)倍までであれば、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度よりも遅い回転速度ωiで発電機10が回転するように速度指令ωirを生成する。なお、このように生成される速度指令ωirに応じた回転速度ωiで発電機10が回転した場合でも、設定出力電力Poxのn倍までであれば、過電流にならないものとする。   For example, even when the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox, the command generation unit 41, for example, if the maximum output power Pomax is up to n (for example, 1.2) times the set output power Pox, for example. The speed command ωir is generated so that the generator 10 rotates at a rotational speed ωi that is slower than the rotational speed at which the maximum output power Pomax is obtained. Even when the generator 10 rotates at a rotational speed ωi corresponding to the speed command ωir generated in this way, an overcurrent does not occur as long as it is up to n times the set output power Pox.

そして、指令生成部41は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxのn倍を超える場合に、最大出力電力Pomaxが得られる回転速度よりも速い回転速度ωiで発電機10が回転するように速度指令ωirを生成する。このようにすることによっても、出力電力Poを抑制することができ、また、出力電力Poを抑制しつつも発電機10と電力変換装置20との間に流れる電流を抑えることができ、発電機10や電力変換部21を過電流から保護することができる。   Then, the command generator 41 speeds the generator 10 to rotate at a rotational speed ωi that is faster than the rotational speed at which the maximum output power Pomax is obtained when the maximum output power Pomax exceeds n times the set output power Pox. A command ωir is generated. In this way, the output power Po can be suppressed, and the current flowing between the generator 10 and the power conversion device 20 can be suppressed while the output power Po is suppressed. 10 and the power converter 21 can be protected from overcurrent.

図8は、電力変換装置20による発電制御処理の一例を示す図である。制御部22は、図8に示す発電制御処理を繰り返し実行する。図8に示すように、制御部22は、水車2への流入水量Qwを取得し(ステップS10)、流入水量Qwに応じた最大出力電力Pomaxと設定出力電力Poxとを比較する(ステップS11)。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the power generation control process performed by the power conversion device 20. The control unit 22 repeatedly executes the power generation control process shown in FIG. As shown in FIG. 8, the control unit 22 acquires the inflow water amount Qw to the water turbine 2 (step S10), and compares the maximum output power Pomax and the set output power Pox according to the inflow water amount Qw (step S11). .

なお、Pomax/Pox=Qw/Qwx=Pimax/Poxが成り立つことから、制御部22は、出力電力Poに代えて、発電電力Piと定格発電電力Pixとの比較や、流入水量Qwと定格流入水量Qwxとの比較に基づいてステップS11の比較を行うこともできる。   Since Pomax / Pox = Qw / Qwx = Pimax / Pox holds, the control unit 22 compares the generated power Pi with the rated generated power Pix instead of the output power Po, and the inflow water amount Qw and the rated inflow water amount. The comparison in step S11 can also be performed based on the comparison with Qwx.

制御部22は、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超えるか否かを判定する(ステップS12)。最大出力電力Pomaxが設定出力電力Poxを超えると判定すると(ステップS12;Yes)、制御部22は、設定出力電力Poxを出力するための発電電力Piに対応する回転速度ωiであって、かつ、発電電力Piが最大電力Pimaxの場合の回転速度よりも速い回転速度ωiで発電機10を回転させるための速度指令ωirを生成する(ステップS13)。   The control unit 22 determines whether or not the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox (step S12). When it is determined that the maximum output power Pomax exceeds the set output power Pox (step S12; Yes), the control unit 22 has a rotational speed ωi corresponding to the generated power Pi for outputting the set output power Pox, and A speed command ωir for rotating the generator 10 at a rotational speed ωi faster than the rotational speed when the generated power Pi is the maximum power Pimax is generated (step S13).

一方、最大出力電力Pomaxが設定出力電力Pox以下であると判定すると(ステップS12;No)、制御部22は、発電電力Piが最大電力Pimaxの場合の回転速度ωiで発電機10を回転させるための速度指令ωirを生成する(ステップS14)。   On the other hand, when it is determined that the maximum output power Pomax is equal to or less than the set output power Pox (step S12; No), the control unit 22 rotates the generator 10 at the rotational speed ωi when the generated power Pi is the maximum power Pimax. Is generated (step S14).

ステップS13、S14の処理を終了すると、制御部22は、生成した速度指令ωirに応じた駆動信号S1〜S6を生成し、電力変換部21へ出力する(ステップS15)。これにより、出力電力Poを抑制することができ、また、出力電力Poを抑制しつつも過電流を抑制することができる。   When the processes of steps S13 and S14 are completed, the control unit 22 generates drive signals S1 to S6 corresponding to the generated speed command ωir, and outputs them to the power conversion unit 21 (step S15). Thereby, the output power Po can be suppressed, and overcurrent can be suppressed while suppressing the output power Po.

上述したように、小水力発電では、ダム、堰および水路によって落差等が決まり、越流水位の変動程度では有効落差に大きな変化はなく、水力はほぼ水量によって決定される。そのため、上述の実施形態では、流入水量Qwに応じて最大電力Pimaxを推定したが、例えば、落差や水路などが変わるなど、水量以外に水力への影響がある場合、指令生成部41は、水量に加え落差や水路などの変化を補正値として最大電力Pimaxを推定することもできる。   As described above, in small hydroelectric power generation, a head or the like is determined by a dam, a weir, and a water channel, and there is no significant change in the effective head when the overflow level changes, and the hydropower is determined by the amount of water. Therefore, in the above-described embodiment, the maximum power Pimax is estimated according to the inflow water amount Qw. However, for example, when there is an influence on hydraulic power other than the water amount, such as a change in head or water channel, the command generation unit 41 In addition, the maximum power Pimax can be estimated using a change such as a head or a water channel as a correction value.

また、制御部22は、U相、V相およびW相の固定座標系を発電機10の回転に同期するdq軸座標系の成分へ変換して各指令を処理することもできる。なお、d軸は、発電機10の磁束に平行な軸であり、q軸は、d軸に直交する軸である。   The control unit 22 can also process each command by converting the U-phase, V-phase, and W-phase fixed coordinate systems into components of the dq-axis coordinate system synchronized with the rotation of the generator 10. The d axis is an axis parallel to the magnetic flux of the generator 10, and the q axis is an axis orthogonal to the d axis.

制御部22は、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等の集積回路により実現される。なお、制御部22は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含むこともできる。この場合、マイクロコンピュータのCPUは、ROMに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、上述した制御を実現することができる。   The control unit 22 is realized by an integrated circuit such as an application specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA). The control unit 22 may include, for example, a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), an input / output port, and various circuits. In this case, the CPU of the microcomputer can realize the above-described control by reading and executing the program stored in the ROM.

なお、上述した実施形態では、電力変換装置20が速度制御によって発電機10を制御する例を説明したが、電力変換装置20は、トルク制御によって発電機10を制御することもできる。   In addition, although embodiment mentioned above demonstrated the example in which the power converter device 20 controls the generator 10 by speed control, the power converter device 20 can also control the generator 10 by torque control.

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。   Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the present invention are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Accordingly, various modifications can be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.

1 発電システム
2 水車
3 電力系統
4 水量検出装置
5 連結遮断機
10 発電機
20 電力変換装置
21 電力変換部
22 制御部
32 遮断制御部
41 指令生成部
51 水量情報取得部
52、52B 記憶部
54、54A、54B 速度指令生成部
55 電力検出部
56 水量推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation system 2 Water wheel 3 Electric power system 4 Water quantity detection apparatus 5 Connection interruption machine 10 Generator 20 Power converter 21 Power conversion part 22 Control part 32 Shutdown control part 41 Command generation part 51 Water quantity information acquisition part 52, 52B Storage part 54 54A, 54B Speed command generation unit 55 Power detection unit 56 Water amount estimation unit

Claims (8)

発電機に接続された水車へ流入する水量に応じて前記発電機の回転速度を制御して電力系統への出力電力を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記出力電力を前記設定電力以下に制限する
ことを特徴とする電力変換装置。
A controller for controlling the output power to the power system by controlling the rotational speed of the generator according to the amount of water flowing into the water turbine connected to the generator;
The controller is
When the maximum power that can be output to the power system exceeds set power, the generator is controlled at a rotational speed faster than the rotational speed at which the maximum power is obtained, and the output power is limited to the set power or less. A power conversion device.
前記制御部は、
前記最大電力が設定電力以下の場合、前記最大電力が得られる回転速度で前記発電機を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
The controller is
The power converter according to claim 1, wherein when the maximum power is equal to or less than a set power, the generator is controlled at a rotation speed at which the maximum power is obtained.
前記水車と前記発電機とは遮断機を介して接続され、
前記制御部は、
前記発電機の発電電力が前記設定電力を出力するための電力を超える場合に、前記遮断機を制御して前記水車と前記発電機とを切り離す遮断制御部を備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
The water turbine and the generator are connected via a circuit breaker,
The controller is
2. A cut-off control unit that controls the breaker and separates the turbine and the generator when the generated power of the generator exceeds the power for outputting the set power. Or the power converter device of 2.
前記制御部は、
前記発電機の回転速度を増減させた場合に前記電力系統へ出力される電力に基づいて、前記水量または前記最大電力を推定する推定部を備える
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
The controller is
The estimation part which estimates the said amount of water or the said maximum electric power based on the electric power output to the said electric power grid when increasing / decreasing the rotational speed of the said generator is provided. The power converter as described in one.
前記制御部は、
前記水車へ流入する水量の情報を取得する水量情報取得部と、
前記設定電力に対応する前記最大電力が得られる前記水量の情報を記憶する記憶部と、
前記水量情報取得部によって取得された前記水量の情報と、前記記憶部に記憶された前記水量の情報との比率に基づき、前記発電機の回転速度を規定する速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
The controller is
A water amount information acquisition unit for acquiring information on the amount of water flowing into the water wheel;
A storage unit for storing information on the amount of water from which the maximum power corresponding to the set power is obtained;
A speed command generating unit that generates a speed command that defines a rotational speed of the generator based on a ratio between the water amount information acquired by the water amount information acquiring unit and the water amount information stored in the storage unit. The power converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the power converter is provided.
前記出力電力を検出する電力検出部を備え、
前記制御部は、
前記水車へ流入する水量に基づいて回転速度を規定する速度指令を生成する速度指令生成部を備え、
前記速度指令生成部は、
前記電力検出部によって検出された前記出力電力に基づいて前記速度指令を調整する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力変換装置。
A power detection unit for detecting the output power;
The controller is
A speed command generating unit that generates a speed command that defines a rotational speed based on the amount of water flowing into the water wheel;
The speed command generator is
The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the speed command is adjusted based on the output power detected by the power detection unit.
請求項1〜6のいずれか1つに記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置に接続される前記発電機と、を備える
ことを特徴とする発電システム。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 6,
The power generation system comprising: the power generator connected to the power conversion device.
水車に接続された発電機の回転速度を前記水車へ流入する水量に応じて制御して電力系統への出力電力を制御する制御ステップを含み、
前記制御ステップは、
前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記電力系統への出力電力を前記設定電力以下に制限するステップを含む
ことを特徴とする発電制御方法。
A control step of controlling the output power to the power system by controlling the rotational speed of the generator connected to the turbine according to the amount of water flowing into the turbine,
The control step includes
When the maximum power that can be output to the power system exceeds the set power, the generator is controlled at a rotational speed that is faster than the rotational speed at which the maximum power is obtained, and the output power to the power system is less than or equal to the set power A power generation control method comprising the step of limiting.
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