JP4003414B2 - 永久磁石式発電機を用いた発電装置 - Google Patents

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    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式発電機を用いた発電装置に関し、特に電力変換器の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象とする永久磁石式発電機を用いた発電装置は、ガスタービン，水力，波力などを動力源として永久磁石式発電機を回転させ、永久磁石式発電機から発電される交流電力を第１の変換器で直流電力に変換し、第１の変換器から送電される直流電力を第２の変換器で再び交流電力に変換して電力を供給するシステムである。
【０００３】
永久磁石式発電機を用いた発電装置の制御方法としては、特開２０００−
３４５９５２号公報「風力多極発電機及び風力発電方法」に、多極発電機の回転数に基づいて有効電力指令値を決定し、可変速インバータの出力電力を制御する方法が記載されている。また、特開平５−２２９３８号公報「電力変換システムの制御回路」には、永久磁石式発電機の端子電圧が一定となるように電力変換器を制御する方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石式発電機を用いた発電装置では、動力源から得られるエネルギーを有効に活用するために、高い効率でロバストな特性を持たせることが望ましい。
【０００５】
従来技術では、発電機の回転数に基づいて有効電力指令値を決定し、有効電力制御を行うので、発電機の力率を調整する手段を備えておらず、発電システムとして、効率を考慮した運転となっているとは限らない。また、端子電圧を一定とする場合には、特に発電機の回転数が低い領域で端子電圧を上昇させるために大きな無効電流を流し、発電機内部の誘起電圧と端子電圧の電位差が大きくなり、端子電圧と電流の位相差が開き、結果として発電効率が下がる。
【０００６】
本発明の目的は、永久磁石式発電機を有する発電装置に関し、第１の変換器の無効電力制御、または電圧制御によって、変換器容量内で広い可変速範囲に対して、高効率でロバストな特性を持つ該発電装置、またはこれを用いた発電システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石式発電機を用いた発電装置は、交流電力を発電するための永久磁石式発電機と、該発電機から発電される交流電力を直流電力に変換するための第１の変換器と、第１の変換器から送電される直流電力を交流電力に変換するための第２の変換器とを備えていて、第１の変換器には有効電力を制御する手段と無効電力を制御する手段、第２の変換器には第１の有効電力を出力する手段を備える。
【０００８】
本発明の永久磁石式発電機を用いた発電装置は、前記第１の変換器には有効電力指令値と該発電機の回転数から無効電力指令値を求める手段を備え、第１の変換器で有効電力指令値と該発電機の回転数に基づいて無効電力を制御する。
【０００９】
本発明の永久磁石式発電機を用いた発電装置は、前記第１の変換器には有効電力を制御する手段と電圧を制御する手段、有効電力指令値と該発電機の回転数から電圧指令値を求める手段を備え、第１の変換器で有効電力指令値と該発電機の回転数に基づいて該発電機の端子電圧を制御する。
【００１０】
本発明の永久磁石式発電機を用いた発電装置の設定方法は、有効電力指令値と該発電機の回転数から無効電力指令値を求める手段、有効電力指令値と該発電機の回転数から電圧指令値を求める手段の設定方法であって、該発電機の端子電圧が定格に達する回転数までは該無効電力指令値、または該電圧指令値を有効電力指令値に応じて発電機出力電流と発電機内部誘起電圧の位相差が零となるように設定し、さらに回転数が高くなる領域では該無効電力指令値、または該電圧指令値を有効電力指令値に応じて端子電圧が一定となるように設定する。
【００１３】
以上により、変換器容量を有効に活用した高効率でロバストな特性を持つ永久磁石式発電機を有する発電装置が提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下図を用いて説明する。
【００１５】
（実施例1）
本実施例の発電装置の構成を図１を用いて説明する。本実施例の永久磁石式発電機（Permanent-Magnet Generator、以下、ＰＭＧと略す）を用いた発電装置は、ガスタービン，水力，波力などの動力源１を使って永久磁石式発電機２を回転させ、永久磁石式発電機２が発電する交流電力を第１の変換器３で直流電力に変換し、第１の変換器３から送電される直流電力を第２の変換器４で再び交流電力に変換して電力系統５へ電力を供給する。第１の変換器３、及び第２の変換器４の各々には、例えば、自励式変換器を構成する自己消弧型半導体素子とダイオードとを３相分ブリッジ回路としてそれぞれ６個ずつを配置する。各自己消弧型半導体素子には、制御パルスを入力するための制御装置１００と２００とが接続される。
【００１６】
制御装置１００では、有効電力制御回路１０１と無効電力制御回路１０２との出力に基づいて変換器制御部１０３で制御パルスを作り、永久磁石式発電機２から発電される有効電力と無効電力とを制御する。一方、制御装置２００では、例えば、直流電圧制御回路２０１と無効電力制御回路、または交流電圧制御回路２０２の出力に基づいて変換器制御部２０３で制御パルスを作り、直流系統の電圧と電力系統５の無効電力または交流電圧を制御する。
【００１７】
本実施例の第１の変換器の制御装置１００について、図２を用いて詳細に説明する。制御装置１００は、回転数検出回路２１によって検出されるＰＭＧ回転数Ｎ，電圧検出回路２２によって検出される３相のＰＭＧ端子電圧Ｖｔａ，Ｖｔｂ，Ｖｔｃ、電流検出回路２３によって検出される３相のＰＭＧ出力電流Ｉａ，Ｉｂ、Ｉｃを取り込み、（数１）式，（数２）式，（数３）式から有効電力Ｐｆ，無効電力Ｑｆを求める。なお、有効電力は、ＰＭＧの発電方向を正、無効電力は、進み方向を正、遅れ方向を負と定義する。
【００１８】
【数１】
Figure 0004003414
【００１９】
【数２】
Figure 0004003414
【００２０】
【数３】
Figure 0004003414
【００２１】
有効電力制御回路１０１は、有効電力Ｐｆが有効電力指令値Ｐｒとなるように制御する。一方、無効電力指令値設定回路１０４では、有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎとに基づいて無効電力指令値Ｑｒを設定し、無効電力制御回路１０２で無効電力Ｑｆが指令値Ｑｒとなるように制御する。なお、有効電力制御回路１０１と無効電力制御回路１０２には、ＰＩ(比例積分)型制御などを用いる。変換器制御部１０３では、有効電力制御回路１０１と無効電力制御回路１０２との出力に基づいて制御パルスを作り、前記の第１の変換器３へ各自己消弧型半導体素子のスイッチングを行うためのオン／オフ信号が送られる。
【００２２】
次に、本発明の無効電力指令値設定回路１０４の設定方法を説明する。図３は、無効電力指令値ゲインＫｑとＰＭＧ回転数Ｎとの関係を示す。端子電圧が定格に達するＰＭＧ回転数をＮ１とすると、回転数Ｎ１までは、無効電力指令値ゲインＫｑを正の値とし、回転数Ｎ１から遅れ無効電力の最大出力となる回転数Ｎ２までは、無効電力指令値ゲインＫｑを正から負へ変化させる。回転数Ｎ２以降は、負の値一定とする。±Ｋｑ１は、最大で指令値Ｑｒが無効電力の最大出力点を超えないように、動力源１や永久磁石式発電機２などの特性に合わせて任意に設定し、ＰＭＧ回転数Ｎに応じて無効電力指令値ゲインＫｑを決定する。
【００２３】
図４は、有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の例を示す。有効電力指令値Ｐｒは、定格をＰｒ１とすると、回転数に応じてハッチングした範囲を取ることができる。無効電力指令値Ｑｒは、前記の無効電力指令値ゲインＫｑと有効電力指令値Ｐｒとから次式で表される。
【００２４】
【数４】
Ｑｒ＝Ｑｏ＋Ｋｑ・Ｐｒ
図５は、無効電力指令値ＱｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の例を示す。無効電力指令値Ｑｒは、有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎから決まる無効電力指令値ゲインＫｑに基づいて図５のハッチングの範囲を取ることができ、無効電力制御回路１０２の指令値となる。±Ｑｒ１は、例えば、±Ｋｑ１＝±１.０ ，Ｐｒ１＝１.０ＰＵとすると、＋(進み）１.０ＰＵ，−(遅れ）１.０ＰＵ となる。なお、無効電力指令初期値Ｑｏは、ここでは零に設定しているが、動力源１や永久磁石式発電機２などの条件に合わせて無効電力指令値ゲインＫｑ同様、任意に設定できる。無効電力指令値設定回路１０４は、図３の特性と（数５）式とを用いて、無効電力指令値Ｑｒを決定する。
【００２５】
図６は、電圧指令値ゲインＫｖとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の一例を示す。前記の回転数Ｎ１までは、電圧指令値ゲインＫｖをＫｖ１まで増加させる。回転数Ｎ１以降は、電圧指令値ゲインＫｖの値をＫｖ１一定とし、回転数Ｎに応じて電圧指令値ゲインＫｖを決定する。また、電圧指令値Ｖｒは、電圧指令値ゲインＫｖと前記の有効電力指令値Ｐｒから次式で表される。
【００２６】
【数５】
Ｖｒ＝Ｖｏ＋Ｋｖ・Ｐｒ
次に、本実施例の制御方法について、図８，図９のベクトル図、及び図１０を用いて説明する。図８は、低速回転領域における制御方法を示すベクトル図である。
【００２７】
即ち、前記のＰＭＧ回転数零からＮ１までの回転領域である。図８中、Ｅｏは発電機内部誘起電圧、Ｘは発電機漏れリアクタンス、Ｉは発電機出力電流、Ｖｔは発電機端子電圧を表す。発電機内部誘起電圧Ｅｏは、回転数に比例して高くなるため、第１の変換器３は、制御装置１００によって、発電機出力電流Ｉと発電機内部誘起電圧Ｅｏが一致するように無効電力指令値Ｑｒ、或いは電圧指令値Ｖｒを決定し、発電機端子電圧Ｖｔを制御する。これにより、発電機の力率が改善され、低速回転領域における発電装置の高効率化を図ることができる。
【００２８】
図９は、高速回転領域における制御方法を示すベクトル図である。
【００２９】
即ち、前記のＰＭＧ回転数Ｎ１以降の回転領域である。発電機端子電圧Ｖｔは、前述したように回転数Ｎ１において既に定格に達しているため、このまま回転数が上がると、過電圧となって発電装置自体が停止してしまう。このため、第１の変換器３は、制御装置１００によって、発電機出力電流Ｉが発電機内部誘起電圧Ｅｏより遅れるように無効電力指令値Ｑｒ、或いは電圧指令値Ｖｒを決定し、発電機端子電圧Ｖｔを制御する。これにより、高速回転領域における発電機の可変速範囲を広げることができる。
【００３０】
図１０にＰＭＧ端子電圧ＶｔとＰＭＧ回転数Ｎの関係を示す。Ｃ１は、前記の無効電力制御、または電圧制御を行わない場合で、Ｃ２は、本発明によるものである。低速回転領域、即ち、回転数零からＮ１までは、前記図８のベクトル図の関係を満たすために電圧がＣ１より高めに制御される。また、高速回転領域、即ち、Ｎ１からＮ２までは、例えば、端子電圧を定格Ｖｔ１に保つことにより発電機の可変速範囲が広がり、Ｎ２以降は、変換器の出力できる無効電力が最大となるために電圧が再び上昇する。
【００３１】
（実施例２）
本実施例では、図２の無効電力制御回路１０２を電圧制御回路、無効電力指令値設定回路１０４を電圧指令値設定回路とし、電圧指令値設定回路で有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎに基づいて電圧指令値Ｖｒを決定し、電圧制御回路１０２でＰＭＧ端子電圧Ｖｔが指令値Ｖｒとなるように制御し、ＰＭＧ端子電圧Ｖｔを、（数６）式で求めること以外は実施例１と同じである。
【００３２】
【数６】
Ｖｔ＝ＳＱＲＴ（Ｖｔα2＋Ｖｔβ2）
なお、電圧制御回路には、前述と同様にＰＩ（比例積分）型制御などを用いる。
【００３３】
図７は、電圧指令値ＶｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の例を示す。電圧指令値Ｖｒは、有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎから決まる電圧指令値ゲインＫｖとに基づいて図７のハッチングの範囲で設定され、電圧制御回路の指令値となる。Ｖｒ１は、例えば、Ｋｖ１＝１.０,Ｐｒ１＝１.０ＰＵとすると、１.０ＰＵとなる。なお、電圧指令初期値Ｖｏの設定方法、及び図６の特性と（数６）式の演算式による実現方法については、実施例１の無効電力指令値設定回路１０４と同様である。
【００３４】
また、例えば、ガスタービンなどのように動力源のエネルギーが安定してPMGに伝えられる発電装置の場合には、ＰＭＧ回転数にほぼ比例した有効電力が得られるため、電圧指令値設定回路の入力として、有効電力指令値Ｐｒ、またはPMG回転数Ｎの何れかでよい。即ち、この場合は、電圧指令値Ｖｒを有効電力指令値Ｐｒ、またはＰＭＧ回転数Ｎの何れかに基づいて決定すれば、前述の有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎの両方を用いた場合と同等の効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、電力変換器の無効電力制御、または電圧制御によって永久磁石式発電機の効率を高め、かつ可変速範囲を広げることができ、変換器容量を有効に活用した高効率でロバストな特性を持つ発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１の第１の変換器の制御装置のブロック図である。
【図３】無効電力指令値ゲインＫｑとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【図４】有効電力指令値ＰｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【図５】無効電力指令値ＱｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【図６】電圧指令値ゲインＫｖとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【図７】電圧指令値ＶｒとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【図８】定常回転領域における制御方法を説明するベクトル図である。
【図９】高回転領域における制御方法を説明するベクトル図である。
【図１０】ＰＭＧ端子電圧ＶｔとＰＭＧ回転数Ｎとの関係の説明図である。
【符号の説明】
１…動力源、２…永久磁石式発電機(ＰＭＧ)、３…第１の変換器、４…第２の変換器、５…電力系統、２１…回転数検出回路、２２…電圧検出回路、２３…電流検出回路、１００…制御装置、１０１…有効電力制御回路、１０２…無効電力制御回路、１０３…変換器制御部、１０４…無効電力指令値設定回路、２００…第２の変換器の制御装置、２０１…直流電圧制御回路、２０２…無効電力制御回路、２０３…変換器制御部。

Claims (5)

  1. 交流電力を発電する永久磁石式発電機と、該発電機から発電される交流電力を直流系統の直流電力に変換する第１の変換器と、該第１の変換器から送電される直流電力を交流電力に変換する第２の変換器を具備した発電装置において、
    前記第１の変換器が有効電力を制御する手段と無効電力を制御する手段とを備え、前記第２の変換器が前記直流系統の電圧を制御する手段を備えることを特徴とする発電装置。
  2. 請求項１において、前記第１の変換器が有効電力指令値と該発電機の回転数から無効電力指令値を求める手段を備えていて、前記第１の変換器で有効電力指令値と該発電機の回転数に基づいて無効電力を制御することを特徴とする発電装置。
  3. 交流電力を発電する永久磁石式発電機と、該発電機から発電される交流電力を直流電力に変換する第１の変換器と、該第１の変換器から送電される直流電力を交流電力に変換する第２の変換器を具備した発電装置において、
    前記第１の変換器が有効電力を制御する手段と電圧を制御する手段と、
    有効電力指令値と該発電機の回転数から電圧指令値を求める手段を備え、
    前記第２の変換器が前記直流系統の電圧を制御する手段を備え、
    前記第１の変換器が有効電力指令値と該発電機の回転数に基づいて該発電機の端子電圧を制御することを特徴とする発電装置。
  4. 請求項２に記載の発電装置において、前記第１の変換器で有効電力指令値と前記発電機の回転数に基づいて無効電力指令値を求める際に、前記発電機の低速回転領域では、該無効電力指令値と有効電力指令値を前記発電機の回転数に応じて発電機出力電流と発電機内部誘起電圧の位相が一致するように設定し、高速回転領域では該無効電力指令値と有効電力指令値を前記発電機の回転数に応じて発電機出力電流が発電機内部誘起電圧より遅れるように設定することを特徴とする発電装置。
  5. 請求項３に記載の発電装置において、前記第１の変換器で有効電力指令値と前記発電機の回転数とに基づいて電圧指令値を求める際に、前記発電機の低速回転領域では、電圧指令値と有効電力指令値を前記発電機の回転数に応じて発電機出力電流と発電機内部誘起電圧の位相が一致するように設定し、高速回転領域では電圧指令値と有効電力指令値を前記発電機の回転数に応じて発電機出力電流が発電機内部誘起電圧より遅れるように設定することを特徴とする発電装置。
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