JP3982232B2 - 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 - Google Patents
同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3982232B2 JP3982232B2 JP2001327090A JP2001327090A JP3982232B2 JP 3982232 B2 JP3982232 B2 JP 3982232B2 JP 2001327090 A JP2001327090 A JP 2001327090A JP 2001327090 A JP2001327090 A JP 2001327090A JP 3982232 B2 JP3982232 B2 JP 3982232B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- synchronous generator
- rotor position
- output
- power
- terminal voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 title claims description 149
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 36
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
- H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
- H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
- H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
- H02P9/305—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
- H02P21/18—Estimation of position or speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
- H02P21/26—Rotor flux based control
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P2201/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the converter used
- H02P2201/03—AC-DC converter stage controlled to provide a defined DC link voltage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機の制御装置と制御方法とに係り、同期発電機の回転子位置検出センサを用いない制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期機を駆動するためには従来回転子位置検出センサが必要である。一方、回転子位置検出センサを用いない同期機の駆動制御方法もいくつか提案されている。例えば、特開平９−１９１６９８号公報では同期機の誘起電圧を推定し、その誘起電圧推定値から同期機の回転子位置と回転子位置推定値との間のずれ角を推定し、回転子位置推定値を補正する方法が示されている。
【０００３】
また、同期機を駆動する変換器の制御系は一般に速度制御系と電流制御系により構成される。速度制御系は速度検出値と速度指令の偏差を入力とし、速度指令に従うように電流指令を作成する。電流制御系は電流検出値と電流指令の偏差を入力とし、電流指令に従うように変換器への電圧指令を作成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転子位置検出センサを用いるとその分だけコストは増加する。また回転子位置検出センサ及びその信号線の配線等も必要となるため、装置の大型化につながる。更に、その信号線が長い場合には信号にノイズが乗りやすくなるためにノイズ対策も必要となる。一方、回転子位置検出センサを用いない場合でも、上記従来技術における回転子位置推定方法では回転子位置と回転子位置推定値との間のずれ角を推定する必要がある。このため、回転子位置推定ブロックの構成が複雑なものとなり、回転子位置推定に掛かる演算時間も長くなる。また、上記従来技術における変換器制御系においては、温度等の変化に起因する抵抗値の変化により誤差を生じ、こうした要因により回転子位置推定値に誤差がある場合には変換器の制御の精度が落ちることになる。これは、推定した回転子位置に従って電流指令を決めるためであり、このような場合には安定した同期機の出力が得られなくなる。
【０００５】
本発明は回転子位置検出センサを用いることなく、演算時間の短い簡易なセンサレス制御により同期発電機を駆動することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、同期発電機の固定子に接続する順変換機と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換機とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御装置において、前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧を検出する電圧検出器と前記同期発電機の固定子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電圧検出器の電圧検出値と前記電流検出器の電流検出値とから前記同期発電機の回転子位置を推定する回転子位置推定手段とを備え、該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、前記回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、前記同期発電機の出力する有効電力を検出する有効電力検出器と、前記同期発電機の出力する無効電力を検出する無効電力検出器あるいは前記同期発電機の固定子の端子電圧実効値を検出する端子電圧検出器とを備え、前記有効電力検出器が検出する有効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する有効電力を制御する有効電力制御器と、前記無効電力検出器が検出する無効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する無効電力を制御する無効電力制御器あるいは前記端子電圧検出器が検出する端子電圧検出値を用いて前記同期発電機の端子電圧を制御する端子電圧制御器とを備え、前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とするものである。
また、本発明は上記目的を達成するために、同期発電機の固定子に接続する順変換器と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換機とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御方法において、前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧に電圧検出値と、前記同期発電機の固定子に流れる電流の電流検出値とから回転子位置推定手段が前記同期発電機の回転子位置を推定し、該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、該回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、前記同期発電機出力の有効電力検出値を有効電力制御器で制御し、前記同期発電機出力の無効電力検出値あるいは前記同期発電機の端子電圧検出値を無効電力制御器あるいは端子電圧制御器で制御し、前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明実施例の全体構成を示す。図１において、同期発電機１の固定子には順変換器２が接続されており、順変換器２は直流コンデンサ３を介し、逆変換器４に直流で接続されている。逆変換器４は系統連系用変圧器５を介して電力系統に接続される。
【０００８】
同期発電機１と順変換器２の間には電圧検出器６と電流検出器７が設置されており、電圧検出器６は同期発電機１の端子電圧を、電流検出器７は同期発電機１の固定子に流れる電流を検出する。検出された電圧，電流値は３相／２相変換器８によってｄ軸成分とｑ軸成分の２軸成分に変換される。
【０００９】
有効電力検出器９は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の出力する有効電力を検出し、無効電力検出器１０は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の出力する無効電力を検出する。
【００１０】
誘起電圧推定器１１は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号及び角速度推定器１２の出力する角速度推定値に基づいて同期発電機１の誘起電圧を推定する。同期発電機１の誘起電圧は同期発電機１の端子電圧から同期発電機１の抵抗分及び同期リアクタンスによる電圧降下分を補正することで求めることができる。なお、誘起電圧推定器１１は推定した誘起電圧のｄ軸成分を出力する。
【００１１】
角速度推定器１２の入力は誘起電圧推定器１１の出力する推定した誘起電圧のｄ軸成分と零の偏差であり、出力は角速度推定値となる。角速度推定器１２は比例積分制御系により構成される。また、角速度推定器１２の出力はリミッタにより制限され、そのリミッタの上限値及び下限値は同期発電機１の運転速度範囲により決定する。このリミッタを設けることで角速度推定器１２の出力する角速度推定値が運転速度範囲外になるのを防ぐことができる。
【００１２】
回転子位置推定器１３の入力は角速度推定器１２の出力する角速度推定値であり、出力は回転子位置推定値となる。回転子位置推定器は積分器により構成される。また、３相／２相変換器８及び２相／３相変換器１４は回転子位置推定器
１３の出力する回転子位置推定値に基づいて変換を行う。
【００１３】
ここで誘起電圧推定器１１及び角速度推定器１２及び回転子位置推定器１３の動作について詳細に説明する。簡単のために円筒型の同期発電機について述べるが、突極型の同期発電機についても同様である。円筒型同期発電機の等価回路は図２で与えられる。図２より、（数１）式が成り立つ。Ｅは誘起電圧、Ｖは発電機端子電圧、ωは角速度、Ｌは同期インダクタンス、Ｉは発電機電流である。
【００１４】
Ｅ＝Ｖ＋（Ｒ＋ｊωＬ）・Ｉ …（数１）
ここで、数式１をｄ−ｑ軸座標系上に展開する。誘起電圧Ｅのｄ軸成分をＥｄ、ｑ軸成分をＥｑ、発電機端子電圧Ｖのｄ軸成分をＶｄ、ｑ軸成分をＶｑ、発電機電流Ｉのｄ軸成分をＩｄ、ｑ軸成分をＩｑとすると、（数２）式と（数３）式とが成り立つ。
【００１５】
Ｅｄ＝Ｖｄ＋Ｒ・Ｉｄ−ωＬ・Ｉｑ …（数２）
Ｅｑ＝Ｖｑ＋Ｒ・Ｉｑ＋ωＬ・Ｉｄ …（数３）
誘起電圧推定器１１は誘起電圧のｄ軸成分を出力するので、（数２）式におけるＥｄを演算すればよい。図３に誘起電圧推定器１１の詳細図を示す。
【００１６】
ここで、Ｅｄ＞０の場合を考える。Ｅｄ＞０の場合は同期発電機のベクトル図は図４で与えられる。なお、図４では簡単のために同期発電機の巻線抵抗は無視している。
【００１７】
図４に示すようにこの場合は実際の回転子位置よりも回転子位置推定値が位相的に進んだ状態にある。Ｅｄ＞０のために角速度推定器１２への入力は負の値となり、角速度推定器１２は比例積分制御系により構成されるので、その出力である角速度推定値は減少する。回転子位置推定器１３は積分器により構成されるので、その入力である角速度推定値が減少すると、その出力である回転子位置推定値はその増加速度が下がる。その結果、実際のｄ−ｑ軸と推定したｄ−ｑ軸の位相差が減少し、その位相が一致することになる。
【００１８】
逆にＥｄ＜０の場合は同期発電機のベクトル図は図５で与えられ、この場合は実際の回転子位置よりも回転子位置推定値が位相的に遅れた状態にある。Ｅｄ＜０のために角速度推定器１２への入力は正の値となり、角速度推定器１２は比例積分制御系により構成されるので、その出力である角速度推定値は増加する。回転子位置推定器１３は積分器により構成されるので、その入力である角速度推定値が増加すると、その出力である回転子位置推定値はその増加速度が上がる。その結果、実際のｄ−ｑ軸と推定したｄ−ｑ軸の位相差が減少し、その位相が一致することになる。
【００１９】
以上のように、同期発電機１の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで同期発電機１の回転子位置の推定が行える。本発明によれば、回転子位置推定値のずれ角を演算する必要がなく、簡易な構成で回転子位置の推定が行える。
【００２０】
回転速度制御器１５の入力は角速度推定器１２の出力する角速度推定値と角速度指令の偏差であり、出力は順変換器２への有効電力指令となる。回転速度制御器１５は例えば比例積分制御系により構成され、同期発電機１の角速度が角速度指令よりも大きい場合には回転速度制御器１５の出力が大きくなり、同期発電機１の出力する有効電力が大きくなる。
【００２１】
この結果、同期発電機１へ外部より与えられる機械的入力よりも同期発電機１の出力する有効電力が大きくなると入力が不足することになるが、入力の不足分は同期発電機１の回転エネルギーから補われるため、同期発電機１の回転速度が下がり、角速度指令に追従する。逆に、同期発電機１の角速度が角速度指令よりも小さい場合には回転速度制御器１５の出力が小さくなり、同期発電機１の出力する有効電力が小さくなる。このため、外部から同期発電機１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機１の出力する有効電力が小さくなると入力が余剰になるが、入力の余剰分は同期発電機１の回転エネルギーとして蓄えられるため、同期発電機１の回転速度が上がり、角速度指令に追従する。
【００２２】
有効電力制御器１６の入力は回転速度制御器１５の出力する有効電力指令と有効電力検出器９の検出する有効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の有効分となる。無効電力制御器１７の入力は外部より与えられる無効電力指令と無効電力検出器１０の出力する無効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の無効分となる。有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７はいずれも例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令と有効電力検出値の偏差及び無効電力指令と無効電力検出値の偏差が零になるように順変換器２への電流指令を決定する。
【００２３】
電流制御器１８への入力は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の電流検出値と有効電力制御器１６の出力する順変換器２への電流指令の有効分及び無効電力制御器１７の出力する順変換器２への電流指令の無効分であり、出力は順変換器２への出力電圧指令となる。電流制御器１８は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器２への出力電圧指令を決定する。電流制御器１８の出力する順変換器２への出力電圧指令は２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器１４によって３相の電圧指令に変換される。
【００２４】
パルス発生器１９は、２相／３相変換器１４の出力する順変換器２への３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)により順変換器２へのゲートパルス信号を出力する。順変換器２はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子が高速にスイッチングを行うことで、順変換器２は指令に応じた電圧を出力する。
【００２５】
以上のような制御系の構成により、同期発電機１の回転速度の制御や同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力の制御が可能となる。同期発電機１の出力する有効電力を制御すれば安定した発電機出力を得ることができる。
【００２６】
ところが、一般に回転子位置推定値に誤差がある場合には変換器を精度良く制御することが困難になる。これは、回転子位置推定値により定められるｄ−ｑ軸座標系上で変換器への電流指令を決めるためである。しかし、本発明のように有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７を組み込むことで、回転子位置推定値に誤差がある場合にも変換器を精度良く制御できる。以下、回転子位置推定値に誤差がある場合の本発明における制御系の動作を説明する。
【００２７】
有効電力検出器９及び無効電力検出器１０は（数４）式，（数５）式に示す演算を行う。Ｐ及びＱは同期発電機１の出力する有効電力検出値及び無効電力検出値を、Ｖｄ及びＶｑは同期発電機１の端子電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分を、Ｉｄ及びＩｑは同期発電機１の固定子に流れる電流のｄ軸成分及びｑ軸成分を表す。
【００２８】
Ｐ＝３／２・（Ｖｄ・Ｉｄ＋Ｖｑ・Ｉｑ） …（数４）
Ｑ＝３／２・（Ｖｑ・Ｉｄ−Ｖｄ・Ｉｑ） …（数５）
また、３相／２相変換器８は（数６）式から（数１３）式に示す演算を行う。ここで、θは回転子位置推定器１３の出力する回転子位置推定値を、ＶＵ及びＶＶ及びＶＷは同期発電機１の端子電圧の３相成分を、ＩＵ及びＩＶ及びＩＷは同期発電機１の固定子に流れる電流の３相成分を、Ｖα及びＶβは同期発電機１の端子電圧のα軸成分及びβ軸成分を、Ｉα及びＩβは同期発電機１の固定子に流れる電流のα軸成分及びβ軸成分を表す。α−β軸座標系は同期発電機１の固定子に固定された２軸の座標系であり、３相／２相変換器８は３相検出値から（数６）式から（数９）式を用いてα−β軸座標系に変換し、さらに（数１０）式から（数１３）式を用いてｄ−ｑ軸座標系に変換する演算を行う。
【００２９】
Ｖα＝２／３・（ＶＵ−ＶＶ／２−ＶＷ／２） …（数６）
Ｖβ＝２／３・（√３／２・ＶＶ−√３／２・ＶＷ） …（数７）
Ｉα＝２／３・（ＩＵ−ＩＶ／２−ＩＷ／２） …（数８）
Ｉβ＝２／３・（√３／２・ＩＶ−√３／２・ＩＷ） …（数９）
Ｖｄ＝cosθ・Ｖα＋sinθ・Ｖβ …（数１０）
Ｖｑ＝−sinθ・Ｖα＋cosθ・Ｖβ …（数１１）
Ｉｄ＝cosθ・Ｉα＋sinθ・Ｉβ …（数１２）
Ｉｑ＝−sinθ・Ｉα＋cosθ・Ｉβ …（数１３）
（数１０）式から（数１３）式を（数４）式，（数５）式に代入すると（数１４）式と（数１５）式が成り立つ。
【００３０】
Ｐ＝３／２・（Ｖα・Ｉα＋Ｖβ・Ｉβ） …（数１４）
Ｑ＝３／２・（Ｖβ・Ｉα−Ｖα・Ｉβ） …（数１５）
（数１４）式と（数１５）式より、Ｐ及びＱはＶα及びＶβ及びＩα及びＩβから求まることが分かる。また、（数６）式から（数９）式よりＶα及びＶβ及びＩα及びＩβはθに依存しないことから、Ｐ及びＱはθに依存しないことが分かる。このことから、回転子位置推定値に誤差が含まれていても、有効電力検出器９及び無効電力検出器１０は同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力を正しく検出できることが分かる。同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力を正しく検出できれば、有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７は有効電力及び無効電力を指令に近づけるように制御するので、仮に回転子位置推定値に誤差が含まれていても、その誤差分を補正するように有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７が電流指令を決定する。そのため、回転子位置推定値に誤差が含まれている場合にも順変換器２を精度良く制御できる。
【００３１】
次に、同期発電機１の力率制御を行う場合の実施例を図６に示す。同期発電機１の出力する無効電力を制御すると、同期発電機１の力率制御が可能となる。同期発電機１の力率は同期発電機１の出力する有効電力と無効電力の比を調節することで制御できるので、無効電力指令は、有効電力指令にゲインを掛けることで与える。
【００３２】
ゲイン設定器２０の入力は回転速度制御器１５の出力する有効電力指令と角速度推定器１２の出力する角速度推定値であり、出力は順変換器２への無効電力指令となる。ゲイン設定器２０は角速度推定値に従って有効電力指令に掛けるゲインを調節し、その調節したゲインと有効電力指令を掛けた値を無効電力指令として出力する。
【００３３】
角速度推定値が低い場合には同期発電機１の誘起電圧と発電機電流の位相が一致するようにゲイン設定器２０はゲインを調節する。このようにゲインを調節することで、同期発電機１の回転速度が低い領域では、発電機電流を小さくして同期発電機１を高い効率で運転できる。
【００３４】
一方、角速度推定値が高い場合には同期発電機１の誘起電圧が高くなるので、同期発電機１の端子電圧も一般に高くなる。同期発電機１の端子電圧が高くなると、過電圧により発電装置が運転できない場合がある。そこで、角速度推定値が高い場合には同期発電機１の誘起電圧より発電機電流の位相が遅れるようにゲイン設定器２０はゲインを調節する。このようにゲインを調節することで、同期発電機１の端子電圧が低下し、同期発電機１の回転速度が高い領域では同期発電機１の端子電圧の上昇を抑制した運転をできる。
【００３５】
以上のように、同期発電機１の力率制御を行うことで、同期発電機１を高い効率で運転したり、同期発電機１の端子電圧上昇を抑制できる。
【００３６】
また、同期発電機１の端子電圧を直接制御することも可能である。同期発電機１の端子電圧制御を行う場合の実施例を図７に示す。図７では、図１に示した無効電力検出器１０を端子電圧検出器２１に、無効電力制御器１７を端子電圧制御器２２に変更する以外は基本的に同じである。
【００３７】
端子電圧検出器２１は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の端子電圧実効値を検出する。端子電圧制御器２２の入力は外部より与えられる端子電圧指令と端子電圧検出器２１の出力する端子電圧検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の無効分となる。端子電圧制御器２２は例えば比例積分制御系により構成され、端子電圧指令と端子電圧検出値の偏差が零になるように順変換器２への電流指令の無効分を決定する。順変換器２への電流指令の無効分を調整することで、同期発電機１の力率が調整されて同期発電機１の端子電圧制御が可能となる。
【００３８】
端子電圧検出器２１は（数１６）式に示す演算を行う。Ｖｔは同期発電機１の端子電圧検出値を、Ｖｄ及びＶｑは同期発電機１の端子電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分を表す。
【００３９】
Ｖｔ＝√（３／２）・√（Ｖｄ・Ｖｄ＋Ｖｑ・Ｖｑ） …（数１６）
（数１０）式と（数１１）式を（数１６）式に代入すると（数１７）式が成り立つ。
【００４０】
Ｖｔ＝√（３／２）・√（Ｖα・Ｖα＋Ｖβ・Ｖβ） …（数１７）
（数１７）式より、ＶｔはＶα及びＶβから求まることが分かる。また、（数６）式と（数７）式よりＶα及びＶβはθに依存しないことから、Ｖｔはθに依存しないことが分かる。このことから、回転子位置推定値に誤差が含まれていても、端子電圧検出器２１は同期発電機１の端子電圧実効値を正しく検出できることが分かる。同期発電機１の端子電圧実効値を正しく検出できれば、端子電圧制御器２２は端子電圧を指令に近づけるように制御するので、仮に回転子位置推定値に誤差が含まれていても、その誤差分を補正するように端子電圧制御器が電流指令の無効分を決定する。そのため、回転子位置推定値に誤差が含まれている場合にも順変換器２を精度よく制御できる。
【００４１】
【発明の効果】
回転位置検出センサを用いることなく、簡易なセンサレス制御により同期発電機を駆動することで装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した発電システムの構成図。
【図２】同期発電機の等価回路。
【図３】誘起電圧推定器の詳細図。
【図４】同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＞０）。
【図５】同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＜０）。
【図６】本発明を適用した発電システムにおいて、力率制御を行う場合の構成図。
【図７】本発明を適用した発電システムにおいて、端子電圧制御を行う場合の構成図。
【符号の説明】
１…同期発電機、２…順変換器、３…直流コンデンサ、４…逆変換器、５…系統連系用変圧器、６…電圧検出器、７…電流検出器、８…３相／２相変換器、９…有効電力検出器、１０…無効電力検出器、１１…誘起電圧推定器、１２…角速度推定器、１３…回転子位置推定器、１４…２相／３相変換器、１５…回転速度制御器、１６…有効電力制御器、１７…無効電力制御器、１８…電流制御器、１９…パルス発生器、２０…ゲイン設定器、２１…端子電圧検出器、２２…端子電圧制御器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機の制御装置と制御方法とに係り、同期発電機の回転子位置検出センサを用いない制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期機を駆動するためには従来回転子位置検出センサが必要である。一方、回転子位置検出センサを用いない同期機の駆動制御方法もいくつか提案されている。例えば、特開平９−１９１６９８号公報では同期機の誘起電圧を推定し、その誘起電圧推定値から同期機の回転子位置と回転子位置推定値との間のずれ角を推定し、回転子位置推定値を補正する方法が示されている。
【０００３】
また、同期機を駆動する変換器の制御系は一般に速度制御系と電流制御系により構成される。速度制御系は速度検出値と速度指令の偏差を入力とし、速度指令に従うように電流指令を作成する。電流制御系は電流検出値と電流指令の偏差を入力とし、電流指令に従うように変換器への電圧指令を作成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転子位置検出センサを用いるとその分だけコストは増加する。また回転子位置検出センサ及びその信号線の配線等も必要となるため、装置の大型化につながる。更に、その信号線が長い場合には信号にノイズが乗りやすくなるためにノイズ対策も必要となる。一方、回転子位置検出センサを用いない場合でも、上記従来技術における回転子位置推定方法では回転子位置と回転子位置推定値との間のずれ角を推定する必要がある。このため、回転子位置推定ブロックの構成が複雑なものとなり、回転子位置推定に掛かる演算時間も長くなる。また、上記従来技術における変換器制御系においては、温度等の変化に起因する抵抗値の変化により誤差を生じ、こうした要因により回転子位置推定値に誤差がある場合には変換器の制御の精度が落ちることになる。これは、推定した回転子位置に従って電流指令を決めるためであり、このような場合には安定した同期機の出力が得られなくなる。
【０００５】
本発明は回転子位置検出センサを用いることなく、演算時間の短い簡易なセンサレス制御により同期発電機を駆動することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、同期発電機の固定子に接続する順変換機と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換機とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御装置において、前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧を検出する電圧検出器と前記同期発電機の固定子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電圧検出器の電圧検出値と前記電流検出器の電流検出値とから前記同期発電機の回転子位置を推定する回転子位置推定手段とを備え、該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、前記回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、前記同期発電機の出力する有効電力を検出する有効電力検出器と、前記同期発電機の出力する無効電力を検出する無効電力検出器あるいは前記同期発電機の固定子の端子電圧実効値を検出する端子電圧検出器とを備え、前記有効電力検出器が検出する有効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する有効電力を制御する有効電力制御器と、前記無効電力検出器が検出する無効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する無効電力を制御する無効電力制御器あるいは前記端子電圧検出器が検出する端子電圧検出値を用いて前記同期発電機の端子電圧を制御する端子電圧制御器とを備え、前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とするものである。
また、本発明は上記目的を達成するために、同期発電機の固定子に接続する順変換器と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換機とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御方法において、前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧に電圧検出値と、前記同期発電機の固定子に流れる電流の電流検出値とから回転子位置推定手段が前記同期発電機の回転子位置を推定し、該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、該回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、前記同期発電機出力の有効電力検出値を有効電力制御器で制御し、前記同期発電機出力の無効電力検出値あるいは前記同期発電機の端子電圧検出値を無効電力制御器あるいは端子電圧制御器で制御し、前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明実施例の全体構成を示す。図１において、同期発電機１の固定子には順変換器２が接続されており、順変換器２は直流コンデンサ３を介し、逆変換器４に直流で接続されている。逆変換器４は系統連系用変圧器５を介して電力系統に接続される。
【０００８】
同期発電機１と順変換器２の間には電圧検出器６と電流検出器７が設置されており、電圧検出器６は同期発電機１の端子電圧を、電流検出器７は同期発電機１の固定子に流れる電流を検出する。検出された電圧，電流値は３相／２相変換器８によってｄ軸成分とｑ軸成分の２軸成分に変換される。
【０００９】
有効電力検出器９は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の出力する有効電力を検出し、無効電力検出器１０は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の出力する無効電力を検出する。
【００１０】
誘起電圧推定器１１は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号及び角速度推定器１２の出力する角速度推定値に基づいて同期発電機１の誘起電圧を推定する。同期発電機１の誘起電圧は同期発電機１の端子電圧から同期発電機１の抵抗分及び同期リアクタンスによる電圧降下分を補正することで求めることができる。なお、誘起電圧推定器１１は推定した誘起電圧のｄ軸成分を出力する。
【００１１】
角速度推定器１２の入力は誘起電圧推定器１１の出力する推定した誘起電圧のｄ軸成分と零の偏差であり、出力は角速度推定値となる。角速度推定器１２は比例積分制御系により構成される。また、角速度推定器１２の出力はリミッタにより制限され、そのリミッタの上限値及び下限値は同期発電機１の運転速度範囲により決定する。このリミッタを設けることで角速度推定器１２の出力する角速度推定値が運転速度範囲外になるのを防ぐことができる。
【００１２】
回転子位置推定器１３の入力は角速度推定器１２の出力する角速度推定値であり、出力は回転子位置推定値となる。回転子位置推定器は積分器により構成される。また、３相／２相変換器８及び２相／３相変換器１４は回転子位置推定器
１３の出力する回転子位置推定値に基づいて変換を行う。
【００１３】
ここで誘起電圧推定器１１及び角速度推定器１２及び回転子位置推定器１３の動作について詳細に説明する。簡単のために円筒型の同期発電機について述べるが、突極型の同期発電機についても同様である。円筒型同期発電機の等価回路は図２で与えられる。図２より、（数１）式が成り立つ。Ｅは誘起電圧、Ｖは発電機端子電圧、ωは角速度、Ｌは同期インダクタンス、Ｉは発電機電流である。
【００１４】
Ｅ＝Ｖ＋（Ｒ＋ｊωＬ）・Ｉ …（数１）
ここで、数式１をｄ−ｑ軸座標系上に展開する。誘起電圧Ｅのｄ軸成分をＥｄ、ｑ軸成分をＥｑ、発電機端子電圧Ｖのｄ軸成分をＶｄ、ｑ軸成分をＶｑ、発電機電流Ｉのｄ軸成分をＩｄ、ｑ軸成分をＩｑとすると、（数２）式と（数３）式とが成り立つ。
【００１５】
Ｅｄ＝Ｖｄ＋Ｒ・Ｉｄ−ωＬ・Ｉｑ …（数２）
Ｅｑ＝Ｖｑ＋Ｒ・Ｉｑ＋ωＬ・Ｉｄ …（数３）
誘起電圧推定器１１は誘起電圧のｄ軸成分を出力するので、（数２）式におけるＥｄを演算すればよい。図３に誘起電圧推定器１１の詳細図を示す。
【００１６】
ここで、Ｅｄ＞０の場合を考える。Ｅｄ＞０の場合は同期発電機のベクトル図は図４で与えられる。なお、図４では簡単のために同期発電機の巻線抵抗は無視している。
【００１７】
図４に示すようにこの場合は実際の回転子位置よりも回転子位置推定値が位相的に進んだ状態にある。Ｅｄ＞０のために角速度推定器１２への入力は負の値となり、角速度推定器１２は比例積分制御系により構成されるので、その出力である角速度推定値は減少する。回転子位置推定器１３は積分器により構成されるので、その入力である角速度推定値が減少すると、その出力である回転子位置推定値はその増加速度が下がる。その結果、実際のｄ−ｑ軸と推定したｄ−ｑ軸の位相差が減少し、その位相が一致することになる。
【００１８】
逆にＥｄ＜０の場合は同期発電機のベクトル図は図５で与えられ、この場合は実際の回転子位置よりも回転子位置推定値が位相的に遅れた状態にある。Ｅｄ＜０のために角速度推定器１２への入力は正の値となり、角速度推定器１２は比例積分制御系により構成されるので、その出力である角速度推定値は増加する。回転子位置推定器１３は積分器により構成されるので、その入力である角速度推定値が増加すると、その出力である回転子位置推定値はその増加速度が上がる。その結果、実際のｄ−ｑ軸と推定したｄ−ｑ軸の位相差が減少し、その位相が一致することになる。
【００１９】
以上のように、同期発電機１の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで同期発電機１の回転子位置の推定が行える。本発明によれば、回転子位置推定値のずれ角を演算する必要がなく、簡易な構成で回転子位置の推定が行える。
【００２０】
回転速度制御器１５の入力は角速度推定器１２の出力する角速度推定値と角速度指令の偏差であり、出力は順変換器２への有効電力指令となる。回転速度制御器１５は例えば比例積分制御系により構成され、同期発電機１の角速度が角速度指令よりも大きい場合には回転速度制御器１５の出力が大きくなり、同期発電機１の出力する有効電力が大きくなる。
【００２１】
この結果、同期発電機１へ外部より与えられる機械的入力よりも同期発電機１の出力する有効電力が大きくなると入力が不足することになるが、入力の不足分は同期発電機１の回転エネルギーから補われるため、同期発電機１の回転速度が下がり、角速度指令に追従する。逆に、同期発電機１の角速度が角速度指令よりも小さい場合には回転速度制御器１５の出力が小さくなり、同期発電機１の出力する有効電力が小さくなる。このため、外部から同期発電機１へ与えられる機械的入力よりも同期発電機１の出力する有効電力が小さくなると入力が余剰になるが、入力の余剰分は同期発電機１の回転エネルギーとして蓄えられるため、同期発電機１の回転速度が上がり、角速度指令に追従する。
【００２２】
有効電力制御器１６の入力は回転速度制御器１５の出力する有効電力指令と有効電力検出器９の検出する有効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の有効分となる。無効電力制御器１７の入力は外部より与えられる無効電力指令と無効電力検出器１０の出力する無効電力検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の無効分となる。有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７はいずれも例えば比例積分制御系により構成され、有効電力指令と有効電力検出値の偏差及び無効電力指令と無効電力検出値の偏差が零になるように順変換器２への電流指令を決定する。
【００２３】
電流制御器１８への入力は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の電流検出値と有効電力制御器１６の出力する順変換器２への電流指令の有効分及び無効電力制御器１７の出力する順変換器２への電流指令の無効分であり、出力は順変換器２への出力電圧指令となる。電流制御器１８は例えば比例積分制御系により構成され、電流検出値と電流指令の偏差が零になるように順変換器２への出力電圧指令を決定する。電流制御器１８の出力する順変換器２への出力電圧指令は２軸成分の電圧指令であるので、２相／３相変換器１４によって３相の電圧指令に変換される。
【００２４】
パルス発生器１９は、２相／３相変換器１４の出力する順変換器２への３相出力電圧指令に基づいて、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)により順変換器２へのゲートパルス信号を出力する。順変換器２はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子が高速にスイッチングを行うことで、順変換器２は指令に応じた電圧を出力する。
【００２５】
以上のような制御系の構成により、同期発電機１の回転速度の制御や同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力の制御が可能となる。同期発電機１の出力する有効電力を制御すれば安定した発電機出力を得ることができる。
【００２６】
ところが、一般に回転子位置推定値に誤差がある場合には変換器を精度良く制御することが困難になる。これは、回転子位置推定値により定められるｄ−ｑ軸座標系上で変換器への電流指令を決めるためである。しかし、本発明のように有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７を組み込むことで、回転子位置推定値に誤差がある場合にも変換器を精度良く制御できる。以下、回転子位置推定値に誤差がある場合の本発明における制御系の動作を説明する。
【００２７】
有効電力検出器９及び無効電力検出器１０は（数４）式，（数５）式に示す演算を行う。Ｐ及びＱは同期発電機１の出力する有効電力検出値及び無効電力検出値を、Ｖｄ及びＶｑは同期発電機１の端子電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分を、Ｉｄ及びＩｑは同期発電機１の固定子に流れる電流のｄ軸成分及びｑ軸成分を表す。
【００２８】
Ｐ＝３／２・（Ｖｄ・Ｉｄ＋Ｖｑ・Ｉｑ） …（数４）
Ｑ＝３／２・（Ｖｑ・Ｉｄ−Ｖｄ・Ｉｑ） …（数５）
また、３相／２相変換器８は（数６）式から（数１３）式に示す演算を行う。ここで、θは回転子位置推定器１３の出力する回転子位置推定値を、ＶＵ及びＶＶ及びＶＷは同期発電機１の端子電圧の３相成分を、ＩＵ及びＩＶ及びＩＷは同期発電機１の固定子に流れる電流の３相成分を、Ｖα及びＶβは同期発電機１の端子電圧のα軸成分及びβ軸成分を、Ｉα及びＩβは同期発電機１の固定子に流れる電流のα軸成分及びβ軸成分を表す。α−β軸座標系は同期発電機１の固定子に固定された２軸の座標系であり、３相／２相変換器８は３相検出値から（数６）式から（数９）式を用いてα−β軸座標系に変換し、さらに（数１０）式から（数１３）式を用いてｄ−ｑ軸座標系に変換する演算を行う。
【００２９】
Ｖα＝２／３・（ＶＵ−ＶＶ／２−ＶＷ／２） …（数６）
Ｖβ＝２／３・（√３／２・ＶＶ−√３／２・ＶＷ） …（数７）
Ｉα＝２／３・（ＩＵ−ＩＶ／２−ＩＷ／２） …（数８）
Ｉβ＝２／３・（√３／２・ＩＶ−√３／２・ＩＷ） …（数９）
Ｖｄ＝cosθ・Ｖα＋sinθ・Ｖβ …（数１０）
Ｖｑ＝−sinθ・Ｖα＋cosθ・Ｖβ …（数１１）
Ｉｄ＝cosθ・Ｉα＋sinθ・Ｉβ …（数１２）
Ｉｑ＝−sinθ・Ｉα＋cosθ・Ｉβ …（数１３）
（数１０）式から（数１３）式を（数４）式，（数５）式に代入すると（数１４）式と（数１５）式が成り立つ。
【００３０】
Ｐ＝３／２・（Ｖα・Ｉα＋Ｖβ・Ｉβ） …（数１４）
Ｑ＝３／２・（Ｖβ・Ｉα−Ｖα・Ｉβ） …（数１５）
（数１４）式と（数１５）式より、Ｐ及びＱはＶα及びＶβ及びＩα及びＩβから求まることが分かる。また、（数６）式から（数９）式よりＶα及びＶβ及びＩα及びＩβはθに依存しないことから、Ｐ及びＱはθに依存しないことが分かる。このことから、回転子位置推定値に誤差が含まれていても、有効電力検出器９及び無効電力検出器１０は同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力を正しく検出できることが分かる。同期発電機１の出力する有効電力及び無効電力を正しく検出できれば、有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７は有効電力及び無効電力を指令に近づけるように制御するので、仮に回転子位置推定値に誤差が含まれていても、その誤差分を補正するように有効電力制御器１６及び無効電力制御器１７が電流指令を決定する。そのため、回転子位置推定値に誤差が含まれている場合にも順変換器２を精度良く制御できる。
【００３１】
次に、同期発電機１の力率制御を行う場合の実施例を図６に示す。同期発電機１の出力する無効電力を制御すると、同期発電機１の力率制御が可能となる。同期発電機１の力率は同期発電機１の出力する有効電力と無効電力の比を調節することで制御できるので、無効電力指令は、有効電力指令にゲインを掛けることで与える。
【００３２】
ゲイン設定器２０の入力は回転速度制御器１５の出力する有効電力指令と角速度推定器１２の出力する角速度推定値であり、出力は順変換器２への無効電力指令となる。ゲイン設定器２０は角速度推定値に従って有効電力指令に掛けるゲインを調節し、その調節したゲインと有効電力指令を掛けた値を無効電力指令として出力する。
【００３３】
角速度推定値が低い場合には同期発電機１の誘起電圧と発電機電流の位相が一致するようにゲイン設定器２０はゲインを調節する。このようにゲインを調節することで、同期発電機１の回転速度が低い領域では、発電機電流を小さくして同期発電機１を高い効率で運転できる。
【００３４】
一方、角速度推定値が高い場合には同期発電機１の誘起電圧が高くなるので、同期発電機１の端子電圧も一般に高くなる。同期発電機１の端子電圧が高くなると、過電圧により発電装置が運転できない場合がある。そこで、角速度推定値が高い場合には同期発電機１の誘起電圧より発電機電流の位相が遅れるようにゲイン設定器２０はゲインを調節する。このようにゲインを調節することで、同期発電機１の端子電圧が低下し、同期発電機１の回転速度が高い領域では同期発電機１の端子電圧の上昇を抑制した運転をできる。
【００３５】
以上のように、同期発電機１の力率制御を行うことで、同期発電機１を高い効率で運転したり、同期発電機１の端子電圧上昇を抑制できる。
【００３６】
また、同期発電機１の端子電圧を直接制御することも可能である。同期発電機１の端子電圧制御を行う場合の実施例を図７に示す。図７では、図１に示した無効電力検出器１０を端子電圧検出器２１に、無効電力制御器１７を端子電圧制御器２２に変更する以外は基本的に同じである。
【００３７】
端子電圧検出器２１は３相／２相変換器８の出力する２軸成分の信号に基づいて同期発電機１の端子電圧実効値を検出する。端子電圧制御器２２の入力は外部より与えられる端子電圧指令と端子電圧検出器２１の出力する端子電圧検出値の偏差であり、出力は順変換器２への電流指令の無効分となる。端子電圧制御器２２は例えば比例積分制御系により構成され、端子電圧指令と端子電圧検出値の偏差が零になるように順変換器２への電流指令の無効分を決定する。順変換器２への電流指令の無効分を調整することで、同期発電機１の力率が調整されて同期発電機１の端子電圧制御が可能となる。
【００３８】
端子電圧検出器２１は（数１６）式に示す演算を行う。Ｖｔは同期発電機１の端子電圧検出値を、Ｖｄ及びＶｑは同期発電機１の端子電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分を表す。
【００３９】
Ｖｔ＝√（３／２）・√（Ｖｄ・Ｖｄ＋Ｖｑ・Ｖｑ） …（数１６）
（数１０）式と（数１１）式を（数１６）式に代入すると（数１７）式が成り立つ。
【００４０】
Ｖｔ＝√（３／２）・√（Ｖα・Ｖα＋Ｖβ・Ｖβ） …（数１７）
（数１７）式より、ＶｔはＶα及びＶβから求まることが分かる。また、（数６）式と（数７）式よりＶα及びＶβはθに依存しないことから、Ｖｔはθに依存しないことが分かる。このことから、回転子位置推定値に誤差が含まれていても、端子電圧検出器２１は同期発電機１の端子電圧実効値を正しく検出できることが分かる。同期発電機１の端子電圧実効値を正しく検出できれば、端子電圧制御器２２は端子電圧を指令に近づけるように制御するので、仮に回転子位置推定値に誤差が含まれていても、その誤差分を補正するように端子電圧制御器が電流指令の無効分を決定する。そのため、回転子位置推定値に誤差が含まれている場合にも順変換器２を精度よく制御できる。
【００４１】
【発明の効果】
回転位置検出センサを用いることなく、簡易なセンサレス制御により同期発電機を駆動することで装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した発電システムの構成図。
【図２】同期発電機の等価回路。
【図３】誘起電圧推定器の詳細図。
【図４】同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＞０）。
【図５】同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＜０）。
【図６】本発明を適用した発電システムにおいて、力率制御を行う場合の構成図。
【図７】本発明を適用した発電システムにおいて、端子電圧制御を行う場合の構成図。
【符号の説明】
１…同期発電機、２…順変換器、３…直流コンデンサ、４…逆変換器、５…系統連系用変圧器、６…電圧検出器、７…電流検出器、８…３相／２相変換器、９…有効電力検出器、１０…無効電力検出器、１１…誘起電圧推定器、１２…角速度推定器、１３…回転子位置推定器、１４…２相／３相変換器、１５…回転速度制御器、１６…有効電力制御器、１７…無効電力制御器、１８…電流制御器、１９…パルス発生器、２０…ゲイン設定器、２１…端子電圧検出器、２２…端子電圧制御器。
Claims (5)
- 同期発電機の固定子に接続する順変換機と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換機とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御装置において、
前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧を検出する電圧検出器と前記同期発電機の固定子に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電圧検出器の電圧検出値と前記電流検出器の電流検出値とから前記同期発電機の回転子位置を推定する回転子位置推定手段とを備え、
該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、前記回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、
前記同期発電機の出力する有効電力を検出する有効電力検出器と、前記同期発電機の出力する無効電力を検出する無効電力検出器あるいは前記同期発電機の固定子の端子電圧実効値を検出する端子電圧検出器とを備え、
前記有効電力検出器が検出する有効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する有効電力を制御する有効電力制御器と、前記無効電力検出器が検出する無効電力検出値を用いて前記同期発電機の出力する無効電力を制御する無効電力制御器あるいは前記端子電圧検出器が検出する端子電圧検出値を用いて前記同期発電機の端子電圧を制御する端子電圧制御器とを備え、
前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ―ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、
前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とする同期発電機の制御装置。 - 請求項１の同期発電機の制御装置において、前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上の前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分と零の偏差とを入力とする角速度推定器を備え、該角速度推定器が比例積分制御系で構成されることを特徴とする同期発電機の制御装置。
- 請求項２の同期発電機の制御装置において、前記角速度推定器の出力はリミッタにより制限され、前記リミッタの上限値及び下限値は前記同期発電機の運転速度範囲により決定されることを特徴とする同期発電機の制御装置。
- 請求項３の同期発電機の制御装置において、前記角速度推定器が出力する角速度推定値を入力とする回転子位置推定器を備え、該回転子位置推定器は積分器により構成されることを特徴とする同期発電機の制御装置。
- 同期発電機の固定子に接続する順変換器と、該順変換器に接続しかつ電力系統に接続する逆変換器とを備え、前記同期発電機の可変周波数の発電電力を前記順変換器で直流電力に変換し、前記逆変換器で前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換する同期発電機の制御方法において、
前記順変換器が、前記同期発電機の固定子の端子電圧の電圧検出値と、前記同期発電機の固定子に流れる電流の電流検出値とから回転子位置推定手段が前記同期発電機の回転子位置を推定し、
該回転子位置推定手段は前記同期発電機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器を備え、 該誘起電圧推定器は推定中の回転子位置で定まるｄ−ｑ軸座標系上で、前記同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、該回転子位置推定手段は出力する回転子位置推定値を調整して前記誘起電圧推定器の出力する前記誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、
前記同期発電機出力の有効電力検出値を有効電力制御器で制御し、前記同期発電機出力の無効電力検出値あるいは前記同期発電機の端子電圧検出値を無効電力制御器あるいは端子電圧制御器で制御し、
前記有効電力制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｑ軸電流指令を調整して前記同期発電機の有効電力を制御し、
前記無効電力制御器あるいは前記端子電圧制御器は前記回転子位置推定手段により定められるｄ−ｑ軸座標系上のｄ軸電流指令を調整して前記同期発電機の無効電力あるいは端子電圧を制御することを特徴とする同期発電機の制御方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001327090A JP3982232B2 (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 |
| US10/100,065 US6567282B1 (en) | 2001-10-25 | 2002-03-19 | Apparatus and method of sensorless control for synchronous generator |
| US10/191,282 US6720753B2 (en) | 2001-10-25 | 2002-07-10 | Power generation system using synchronous generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001327090A JP3982232B2 (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007096988A Division JP4535082B2 (ja) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003134898A JP2003134898A (ja) | 2003-05-09 |
| JP3982232B2 true JP3982232B2 (ja) | 2007-09-26 |
Family
ID=19143361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001327090A Expired - Lifetime JP3982232B2 (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6567282B1 (ja) |
| JP (1) | JP3982232B2 (ja) |
Families Citing this family (36)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4003414B2 (ja) * | 2001-06-29 | 2007-11-07 | 株式会社日立製作所 | 永久磁石式発電機を用いた発電装置 |
| US6910389B2 (en) * | 2001-11-12 | 2005-06-28 | International Rectifier Corporation | Rotor angle estimation for permanent magnet synchronous motor drive |
| US20030210007A1 (en) * | 2002-05-08 | 2003-11-13 | Chia-Chang Hsu | Input power control device |
| US7164590B2 (en) * | 2002-07-29 | 2007-01-16 | International Rectifier Corporation | Power transfer system with reduced component ratings |
| US7292012B2 (en) * | 2002-10-11 | 2007-11-06 | Mitsuba Corporation | Control method of generator |
| US7015597B2 (en) * | 2003-09-11 | 2006-03-21 | Square D Company | Power regulator for power inverter |
| JP3971741B2 (ja) * | 2003-11-18 | 2007-09-05 | ファナック株式会社 | 磁極位置検出装置 |
| PT1630948E (pt) * | 2004-08-27 | 2009-03-20 | Woodward Seg Gmbh & Co Kg | Regulação da potência em máquinas de indução |
| US7375934B2 (en) | 2004-09-20 | 2008-05-20 | Honeywell International Inc. | Power converter controlling apparatus and method applying a fault protection scheme in a motor drive system |
| US7211984B2 (en) * | 2004-11-09 | 2007-05-01 | General Motors Corporation | Start-up and restart of interior permanent magnet machines |
| JP4568111B2 (ja) * | 2004-12-28 | 2010-10-27 | 株式会社東芝 | 電力変換制御装置 |
| US7208895B2 (en) | 2005-06-24 | 2007-04-24 | Emerson Electric Co. | Control systems and methods for permanent magnet rotating machines |
| US7342379B2 (en) | 2005-06-24 | 2008-03-11 | Emerson Electric Co. | Sensorless control systems and methods for permanent magnet rotating machines |
| JP4561518B2 (ja) * | 2005-07-27 | 2010-10-13 | 株式会社日立製作所 | 交流励磁同期発電機を用いた発電装置とその制御方法。 |
| US7495404B2 (en) * | 2005-08-17 | 2009-02-24 | Honeywell International Inc. | Power factor control for floating frame controller for sensorless control of synchronous machines |
| JP4631627B2 (ja) * | 2005-09-12 | 2011-02-16 | パナソニック株式会社 | 冷凍サイクル装置 |
| US7508086B2 (en) * | 2006-03-24 | 2009-03-24 | General Electric Company | Aircraft engine starter/generator and controller |
| DE102006027465A1 (de) * | 2006-06-12 | 2007-12-13 | Woodward Seg Gmbh & Co. Kg | Strombegrenzung für eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine |
| JP5259077B2 (ja) * | 2006-12-04 | 2013-08-07 | 株式会社京三製作所 | 瞬時電圧低下補償回路、電力変換装置、瞬時電圧低下補償方法及び瞬時電圧低下補償プログラム |
| JP4486654B2 (ja) | 2007-01-29 | 2010-06-23 | 株式会社日立製作所 | 電動機制御システム、シリーズハイブリッド車両、電動機制御装置、及び電動機制御方法 |
| GB2465379A (en) * | 2008-11-17 | 2010-05-19 | Technelec Ltd | Controller for electrical machines |
| US8395347B2 (en) * | 2009-03-30 | 2013-03-12 | Ryuichi Shimada | Induction motor control device and induction motor group control system |
| US8106618B2 (en) * | 2009-04-02 | 2012-01-31 | Daimler Ag | Method and device for calibrating a position sensor placed on a shaft of a permanent magnet synchronous motor |
| US8264192B2 (en) | 2009-08-10 | 2012-09-11 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Controller and method for transitioning between control angles |
| DK2534751T3 (da) | 2010-02-08 | 2014-01-27 | Abb As | Fremgangsmåde til regulering af en maskine eller en elektrisk belastning, som forsynes med elektrisk energi over et langt kabel |
| US8659923B2 (en) | 2011-02-15 | 2014-02-25 | Drs Test & Energy Management, Llc | System and method for converting AC power to DC power using sensorless field oriented control |
| US8897954B2 (en) * | 2011-05-05 | 2014-11-25 | Deere & Company | Method for calibrating position sensor on electric motor |
| FR2977094B1 (fr) | 2011-06-23 | 2013-07-12 | Alstom Hydro France | Methode de regulation de la puissance d'une installation de conversion d'energie et installation de conversion d'energie pilotee par une telle methode |
| US8860342B2 (en) | 2011-09-15 | 2014-10-14 | Curtiss-Wright Electro-Mechanical Corporation | System and method for controlling a permanent magnet motor |
| US9634593B2 (en) | 2012-04-26 | 2017-04-25 | Emerson Climate Technologies, Inc. | System and method for permanent magnet motor control |
| CN104167969A (zh) * | 2014-05-28 | 2014-11-26 | 东南大学 | 一种用于海浪发电系统的无位置传感控制方法 |
| CN105048920B (zh) * | 2015-05-29 | 2017-09-22 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种考虑励磁系统调节作用的改进同步发电机抛载试验参数辨识方法 |
| CN105610281B (zh) * | 2016-02-26 | 2018-03-09 | 北京精密机电控制设备研究所 | 开放式绕组变结构电机系统 |
| CN109496178B (zh) * | 2017-06-01 | 2022-05-27 | 深圳配天智能技术研究院有限公司 | 多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人 |
| JP6796029B2 (ja) * | 2017-06-13 | 2020-12-02 | 株式会社日立製作所 | 新エネルギー源統合電力変換装置 |
| US11817811B2 (en) * | 2019-03-12 | 2023-11-14 | Allegro Microsystems, Llc | Motor controller with power feedback loop |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4855652A (en) * | 1987-01-28 | 1989-08-08 | Hitachi, Ltd. | Speed control apparatus for a brushless direct current motor |
| US5384527A (en) * | 1993-05-12 | 1995-01-24 | Sundstrand Corporation | Rotor position detector with back EMF voltage estimation |
| US5495163A (en) * | 1993-05-12 | 1996-02-27 | Sundstrand Corporation | Control for a brushless generator operable in generating and starting modes |
| SE503106C2 (sv) * | 1994-07-01 | 1996-03-25 | Asea Brown Boveri | Lastkommuterad synkronmotordrift |
| JP3253004B2 (ja) | 1996-01-12 | 2002-02-04 | 株式会社安川電機 | 永久磁石形同期電動機の速度推定方法及びその回転子ずれ角推定方法並びに回転子位置修正方法 |
| US5994881A (en) * | 1997-10-07 | 1999-11-30 | Hitachi, Ltd. | Control apparatus for a synchronous generator system and a hybrid-type electric vehicle using it |
| US6172498B1 (en) * | 1998-09-29 | 2001-01-09 | Rockwell Technologies, Llc | Method and apparatus for rotor angle detection |
| JP3547355B2 (ja) * | 1999-12-28 | 2004-07-28 | 株式会社日立製作所 | 電力変換システム |
| JP2001197793A (ja) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Mitsubishi Electric Corp | 同期発電機の励磁制御装置 |
-
2001
- 2001-10-25 JP JP2001327090A patent/JP3982232B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2002
- 2002-03-19 US US10/100,065 patent/US6567282B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-07-10 US US10/191,282 patent/US6720753B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20030081434A1 (en) | 2003-05-01 |
| US6567282B1 (en) | 2003-05-20 |
| US20030080701A1 (en) | 2003-05-01 |
| JP2003134898A (ja) | 2003-05-09 |
| US6720753B2 (en) | 2004-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3982232B2 (ja) | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 | |
| US6462491B1 (en) | Position sensorless motor control apparatus | |
| JP3972124B2 (ja) | 同期電動機の速度制御装置 | |
| US6700343B2 (en) | Motor controller | |
| KR101376389B1 (ko) | 유도전동기용 자속 제어장치 | |
| JP3661642B2 (ja) | モータの制御装置及びその制御方法 | |
| JP3419725B2 (ja) | 位置センサレスモータ制御装置 | |
| JP5595835B2 (ja) | 電動機の駆動装置 | |
| US10763769B2 (en) | Controller for power convertor and motor driving system | |
| JP3397013B2 (ja) | 同期モータの制御装置 | |
| KR20090045189A (ko) | 교류 회전기의 제어 장치 | |
| JP4535082B2 (ja) | 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 | |
| JP2000175483A (ja) | 同期電動機のセンサレス制御方法及びその装置 | |
| JP7053955B2 (ja) | 回転機の制御装置 | |
| JP5363129B2 (ja) | インバータ制御装置 | |
| JP2004289898A (ja) | ステッピングモータの駆動装置 | |
| JP2020014266A (ja) | 電動機の制御装置 | |
| KR102409792B1 (ko) | 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치, 마이크로 컴퓨터, 전동기 시스템 및 영구 자석 동기 전동기의 운전 방법 | |
| JP2002281795A (ja) | 同期モータの再給電制御方法及び同期モータの制御装置 | |
| JP5376218B2 (ja) | モータ制御装置 | |
| JP2017221001A (ja) | 同期電動機の制御装置 | |
| JP4411742B2 (ja) | モータ制御装置 | |
| KR101694167B1 (ko) | 동기 전동기의 위치 추정 방법 및 이를 이용한 전동기 구동장치 | |
| JP5456873B1 (ja) | 同期機制御装置 | |
| JP7226211B2 (ja) | インバータ装置及びインバータ装置の制御方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060217 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060307 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060508 |
|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20060508 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070206 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070403 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070612 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070625 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100713 Year of fee payment: 3 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 3982232 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100713 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100713 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110713 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110713 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120713 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130713 Year of fee payment: 6 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |