JP4155196B2 - 回転電機制御装置および発電システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機制御装置および発電システムに関し、特に交流励磁同期機の制御装置及び発電システムに関するものである。

従来、風力発電システム用発電機として例えば、固定子と回転子にそれぞれ等間隔に刻まれたスロットに、３相巻線が各々配置されている二次励磁発電電動機の特に二次側から可変周波数の交流電力を印加して可変速運転する発電電動機すなわち交流励磁同期機が用いられてきた。前記交流励磁同期機は、例えば特開平５−２８４７９８号（以下、特許文献１と称す。）に示されるように回転位置検出用のレゾルバをもちいて、１次側周波数と２次側周波数の差分であるすべり周波数を算出し、電力変換装置にて出力調整を行っている。

特開平５−２８４７９８号公報

上記従来技術による、回転位置検出用レゾルバを用いることにより、レゾルバの価格および、回転位置信号線のノイズ対策が必要となるため発電機のコスト上昇が避けられない。また、故障機会が増えるため信頼性が低下する。そこで、本発明は交流励磁同期機においてレゾルバ等の回転子位置センサを用いることなく制御することにより、交流励磁同期機においてレゾルバ等の回転子位置センサを用いることによるコスト上昇を防ぐことができる。

本発明の一つの特徴は、固定子巻線の電圧，固定子巻線の電流及び回転子巻線の電流に基づいて回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出する点にある。

さらに、本発明の特徴の他の特徴は、固定子巻線の電圧，固定子巻線の電流及び回転子巻線の電流に基づいて前記回転子の位置に関する情報を算出する点にある。

本発明のその他の特徴は、以下の記載で詳細に説明する。

本発明によれば、交流励磁同期機においてレゾルバ等の回転子位置センサを用いることによるコスト上昇を防ぐことができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる交流励磁同期機駆動システムの全体構成図である。

図１に示すように、動力源２と機械的に接続された交流励磁同期機４すなわち固定子と回転子にそれぞれ等間隔に刻まれたスロットに、３相巻線が各々配置されている二次励磁発電電動機の特に二次側から可変周波数の交流電力を印加して可変速運転する発電電動機、つまり一次側電圧を交流電圧制御４４にて制御値と比較を行って、二次側電圧を調整して制御を行う発電電動機の固定子巻線５は、開閉器１０１を介して電力系統１に接続される。

交流励磁同期機４の回転子巻線６は励磁装置７に電気的に接続され、回転子巻線６は励磁装置７により交流励磁される。この励磁装置７は、交流電力を一度直流電力に変換し、この直流電力をさらに所望の周波数の交流電力に変換する間接交流変換器、つまり順変換器８及び逆変換器９から構成される。

順変換器８は、系統電圧検出器２１により検出される電力系統電圧Ｖ₁ と、電流検出器２６により検出される順変換器８の出力電流および、励磁装置７の直流電圧Ｖ_dcを基にゲート信号を生成するコンバータ制御装置３０により制御される。

逆変換器９は、ＰＷＭ変調器５０より生成されるゲート信号により駆動される。このゲート信号は以下の回路で生成される。励磁電流検出器２５によって検出される交流励磁同期機４の二次側電流（ここでは、回転子巻線に流れる電流）Ｉ₂を３相２相変換器４１によりＩ_α，Ｉ_βとし、回転位置演算装置２０から得られる回転子位置θ_Sを回転座標変換器４２で用いて座標変換することにより、ｄｑ軸の回転座標上に表されるｄ軸電流Ｉ_d，ｑ軸電流Ｉ_qとする。回転子位置θ_Sが、すべりによる誘導起電力と同位相であれば、ｄ軸電流Ｉ_dは励磁成分を、ｑ軸電流Ｉ_qはトルク成分を表すことになる。

具体的な方法としては、三相二次側電流Ｉ₂(Ｉ_2u，Ｉ_2v，Ｉ_2w) を同じ回転子上の二相巻線（α，β，０）に数１を用いて変換し(Ｉ_α，Ｉ_β，Ｉ₀）とする。

次に回転子位置θ_Sを用いて、数２により（Ｉ_α，Ｉ_β，Ｉ₀）を回転座標（Ｉ_d，Ｉ_q，
Ｉ₀）に変換する。これは一般的なｄｑ変換の定義と変わらない。

また、系統電圧検出器２１により検出される電力系統電圧Ｖ₁ をシステム電圧検出器
４３を用いることによりスカラ量Ｖとし、電圧制御指令値Ｖ^* との偏差を交流電圧制御器４４に入力することによりｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を得る。ここで交流電圧制御器４４は、一般的なＰＩ制御器を用いることが望ましい。

また、一次電流検出器２２により検出される交流励磁同期機４の一次側電流（ここでは、固定子巻線に流れる電流）Ｉ₁と電力系統電圧Ｖ₁より有効電力検出器４５を介してスカラ電力量Ｐとし、電力制御指令値とＰ^* との偏差を有効電力制御器４６に入力することによりｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を得る。ここで有効電力制御器４６は一般的なＰＩ制御器を用いることが望ましい。

ｄ軸電流Ｉ_dとｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を、ｑ軸電流Ｉ_qとｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*はそれぞれの偏差を電流制御器４７に入力することによりｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*とｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を得る。ここで電流制御器４７は一般的なＰＩ制御器を用いることが望ましい。

これらの電圧指令値と回転位置演算装置２０より得られる回転子位置θ_S 用いて逆回転座標変換器４８により二相の電圧指令値Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*が各々得られ、さらに２相／３相変換器４９を用いることにより三相の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*が各々得られる。具体的には数１，数２の逆変換を行いｄｑ逆変換を行う。

また、系統電圧検出器２１により検出される電力系統電圧Ｖ₁ をシステム電圧検出器
４３を用いることによりスカラ量Ｖとし、電圧制御指令値Ｖ^* との偏差を交流電圧制御器４４に入力することによりｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を得る。電力系統電圧Ｖ₁ は開閉器が閉の状態では、固定子巻線５の電圧Ｖ_gと等しくなる。

この三相の電圧指令値をＰＷＭ変調器５０により生成されるゲート信号により逆変換器９を制御する。

回転位置演算装置２０を図２，図３，図４を用いて説明する。これらの図において図１と同じ物は同じ記号を使用している。図２は交流励磁同期機４の等価回路である。この等価回路の電圧方程式は数３，数４，数５，数６のように表される。

ここで、記号の上に「・」がついているものをベクトルとし、ダッシュ「′」がついているものは一次側換算値を表している。また、Ｌ₁は一次側漏れインダクタンス、Ｒ₁は一次抵抗、Ｌ₂は二次側漏れインダクタンス、Ｒ₂は二次抵抗、Ｒ_Mは無負荷損抵抗、Ｌ_Mは励磁インダクタンス、ｅ₀は誘導起電力、Ｉ₀は励磁電流、ωは出力周波数、ω_s はすべり周波数である。図３に図２の等価回路のベクトル図を示す。すべり周波数ω_s を求めることにより、回転子位置を推定することが可能となる。すべり周波数ω_s は数３から数６を用いて数７のように表される。

［数７］は、具体的には、

と表すことができ、大きさと位相を示したベクトル量になる。その結果、ω _s はベクトルとして位置情報を含む。［００２３］に記載したように

は［００２１］の回転子位置θ _s の情報を用いて制御される。図４及び［００３２］に示すようにω _s を用いてθ _s の初期位相を決定し、決定したθ _s で

を決定することにより、［数７］中の

をω _s が実数になるように、即ち虚数ｊの項が０となるように、θ _s を調整することで位置情報が補正できる。

よって、回転位置演算装置２０に電力系統電圧Ｖ₁，一次側電流Ｉ₁，二次側励磁電圧
Ｖ₂，二次側電流Ｉ₂，系統側周波数ωの検出値を入力することによりすべり周波数ω_s を求めることができる。また、数３から数７においてＲ≪Ｌの場合、一次抵抗、二次抵抗は無視しても良い。またここでは、二次側励磁電圧Ｖ₂を用いてすべり周波数ω_sを求める方法について説明したが、二次側励磁電圧Ｖ₂ のかわりに電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を用いても良い。

開閉器１０１が開の状態ですべり周波数ω_sの回転子位置θ_sの初期値を決めるために図４の変換を行う。すべり周波数ω_s を時間乗算器２０１により位置情報θ_s0とする。次に電力系統電圧Ｖ₁ から位相検出器２０２により電圧位相θ₁が得られる。この電圧位相θ₁と、発電機電圧Ｖ_g を３相／２相変換器２０３により変換したＶ_α，Ｖ_βを用いて、回転座標変換器２０４によりｄ軸電圧Ｖ_dとｑ軸電圧Ｖ_qを得る。このｑ軸電圧Ｖ_q は電力系統電圧Ｖ₁と発電機電圧Ｖ_gの位相が等しければ０となることから０と比較を行いこの誤差分を位相調整器２０５に入力してその出力を位置情報θ_s0に加減算すると、回転子位置θ_s の位相が調整されて、遮断器１０１の電力系統電圧Ｖ₁と発電機電圧Ｖ_gが一致し位置情報
θ_s0の初期位相が決まる。その後、開閉器１０１が閉となると、Ｖ₁＝Ｖ_gのため前記位相調整器の出力はゼロとなり、通常の発電モードでは初期位相を決めるルーチンは動作しなくなる。このようにθ_sを決定する。

本発明の動力源に風車５０１に適用した例を図５に示す。本発明の動力源の例としては風力，水力，エンジン，タービンなどが考えられるが、特に回転数の変動が大きい風力の場合に本発明の効果が大きい。

上記本発明の実施例によれば、交流励磁同期機においてレゾルバ等の回転子位置センサを用いることなく制御することにより、交流励磁同期機においてレゾルバ等の回転子位置センサを用いずに効率よく発電機を制御することが可能になり、回転機のコスト上昇を防ぐことができる。また、回転子位置センサのノイズ対策が不要となる。

本発明の実施例の概略を示す図。 交流励磁同期機の等価回路を示す図。 図２に基づくベクトル図を示す図。 回転位置検出装置の一部を示す図。 本発明の実施例の発電システムを示す図。

符号の説明

１…電力系統、２…動力源、４…交流励磁同期機、７…励磁装置、８…順変換器、９…逆変換器、２０…回転位置演算装置、２１…系統電圧検出器、２２…一次電流検出器、
２３…発電機端子電圧検出器、２４…二次電圧検出器、２５…二次電流検出器。

Claims (11)

1. 固定子と、前記固定子に配置された固定子巻線と、回転子と、前記回転子に配置された回転子巻線を備えた回転電機を制御する回転電機の制御装置において、前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出する電圧指令値演算手段とを備え、前記電圧指令値演算手段は前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段により検出された固定子巻線の電圧、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された固定子巻線の電流及び前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された回転子巻線の電流に基づいて、回転数に関するベクトル量を算出し、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする回転電機制御装置。
2. 固定子と、前記固定子に配置された固定子巻線と、回転子と、前記回転子に配置された回転子巻線を備えた回転電機を制御する回転電機制御装置において、前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記回転子巻線の電流値を検出する電流検出手段と、前記回転子の位置に関する情報を算出する回転子位置演算手段とを備え、前記回転子位置演算手段は前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段により検出された固定子巻線の電圧、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された固定子巻線の電流及び前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された回転子巻線の電流に基づいて、[数７]で表す演算式を用いて、前記回転子の位置に関する情報を算出することを特徴とする回転電機制御装置。
   

   
3. 固定子と、前記固定子に配置された固定子巻線と、回転子と、前記回転子に配置された回転子巻線を備えた回転電機と前記回転電機を制御する制御装置と、前記回転子を駆動する動力源とを備える発電システムにおいて、前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出する電圧指令値演算手段を備え、前記電圧指令値演算手段は前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段により検出された固定子巻線の電圧、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された固定子巻線の電流及び前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された回転子巻線の電流に基づいて、回転数に関するベクトル量を算出し、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする発電システム。
4. 請求項１において、前記固定子巻線の電圧の周波数を検出する周波数検出手段を備え、前記演算手段は前記周波数検出手段により検出された固定子巻線の電圧の周波数に基づいて、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする回転電機制御装置。
5. 請求項２において、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出する電圧指令値演算手段を備え、前記電圧指令値演算手段は前記回転子位置演算手段により算出された回転子の位置に関する情報に基づいて、回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする回転電機制御装置。
6. 請求項３において、前記回転子の位置に関する情報を算出する回転子位置演算手段を備え、前記回転子位置演算手段は前記固定子巻線の電圧を検出する電圧検出手段により検出された固定子巻線の電圧、前記固定子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された固定子巻線の電流及び前記回転子巻線の電流を検出する電流検出手段により検出された回転子巻線の電流に基づいて、回転子の位置に関する情報を算出することを特徴とする発電システム。
7. 請求項３において、前記固定子巻線の電圧の周波数を検出する周波数検出手段を備え、前記電圧指令値演算手段は前記周波数検出手段により検出された固定子巻線の電圧の周波数に基づいて、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする発電システム。
8. 請求項７において、前記電圧指令値演算手段は前記回転子位置演算手段により算出された回転子の位置に関する情報に基づいて、回転子巻線に印加する電圧の指令値を演算することを特徴とする発電システム。
9. 請求項３において、前記動力源は風力としたことを特徴とする発電システム。
10. 請求項６において、前記動力源は風力としたことを特徴とする発電システム。
11. 請求項２において、[数５]で表す演算式を用いて、前記回転子巻線に印加する電圧の指令値を算出することを特徴とする回転電機制御装置。
    

    

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