JP4231683B2

JP4231683B2 - 発電装置及び発電方法

Info

Publication number: JP4231683B2
Application number: JP2002358836A
Authority: JP
Inventors: 智文大久保; 正浩佐野; 義行田口
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: JP2004194417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機を用いる発電の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発電システムとして、回転運動の変換器と発電機に間に増速機を設置し、発電機の回転数を上げて発電電圧を昇圧し、必要な電圧を確保する装置が広く使われている。
【０００３】
エネルギー源のエネルギーが弱い場合などは発電機端で発電に最低限必要な電圧が出ない。そこで、発電可能なエネルギー量変動幅を広げるため、増速機により発電機の回転数を上げ、必要な電圧まで昇圧している。
【０００４】
ただし、増速機により発電可能なエネルギー量の変動幅は広がるが、発電機端で出力後の電圧はエネルギー量や負荷の変動に依存して変化することは避けられず、商用電力系統に電力を戻す場合はパワーコンディショナーがこの変動を吸収し、直流電圧のまま利用する場合は直流/直流インターフェースがこの変動を吸収するしかない。
【０００５】
本願発明の参考となる技術としては、特許文献１があげられる。
【０００６】
特許文献１は、自動車の蓄電池を充電する誘導機発電機の制御に関する発明である。従って、蓄電池の電圧は零であることを想定していない。ちなみに誘導機発電機の場合は、蓄電池に相当する電圧が零であると当該誘導機発電機を起動することすら出来ないものである。このことから、特許文献１は蓄電池を必要としないシステムが想定されていないものである。
【０００７】
また、特許文献１は、自動車を前提としており、発電機を駆動する回転数は、自動車のエンジンの回転数に関係した回転数で使用されることを前提とするものである。従って、発電機の駆動力が風力、水力等で与えられる場合の様に、例えば発電機を回す回転数が零に近い場合においての発電による電力の取出しについては、特許文献１には開示のないものである。
【０００８】
また、本願発明の参考となる技術としては、特許文献２があげられる。特許文献２は風車を駆動するエネルギーに対して、エネルギーの最大有効取得を可能とするものである。その為に、風力に対応して、取出し得る最大のエネルギーが得られる回転数指示を行うものである。
【０００９】
また、逆潮流を行う系統連系装置を前提とするシステムであるので、逆潮流が無い場合の負荷変動には対処できないものである。従って特許文献２の発明は、負荷変動に応じて発電機の発電量の制御は考慮していない。さらにその他の参考となる技術としては次のものがある。
【００１０】
特許文献３は発電機の出力電力を一定とする制御であり、トルク制御する為のすべり制御によって発電量を変えるものであるが負荷変動に応じて、発電量を制御するものではない。
【００１１】
特許文献４は、発電効率を高くしようとする制御であり同様に負荷変動に対する考慮がない。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−２５５２００号公報
【特許文献２】
特公平７−３６７１８号公報
【特許文献３】
特開平１１−９８８９６号公報
【特許文献４】
特開２００２-８４７９７公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電の元になるエネルギー量変動による影響や、
または、前記発電機によって電力が供給される負荷の負荷量の変動による影響を小さくして、発電機からの電力の供給をさせる技術を提供することである。
【００１４】
または、発電機出力を整流した平滑コンデンサ(または、平滑用蓄電器)の電圧を目標値に追従させる制御法を提供することである。
【００１５】
また、本発明の目的は、負荷の変動に対しても対応できるシステムであり、水力、風力等のエネルギーから負荷に見合った電力を発電できるようにするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、発電機と、エネルギー源から発電機に回転運動を与える変換器、若しくは、発電機を駆動する駆動力を発電機に伝える変換器と、発電機に回転数指令を与える発電制御装置を有するシステムを構成する。
【００１７】
前記発電制御装置が前記発電機に回生状態を発生させて前記発電制御装置の前記平滑コンデンサ(または、平滑用蓄電器)の電圧を昇圧する。
【００１８】
また、前記発電制御装置の前記平滑コンデンサ(または、平滑用蓄電器)の電圧を検出して、目標値より前記電圧が低い場合は指令回転数を下げて回生状態を強くすることにより前記電圧を上げ、目標値より前記電圧が高い場合は指令回転数を上げて回生状態を弱くすることにより前記電圧を下げることによって、前記電圧を目標値へ追従させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図９により説明する。
【００２０】
図１は、本発明第１の実施例の構成図を示す。２は発電機、３は、発電する為のエネルギーによって発電機２を回転駆動する際の回転運動への変換器であり、発電機を駆動する駆動力を発電機に伝える働きをするもので、例えば水車や風車などである。発電制御装置１は、発電機２の回転数を制御する指令である回転数指令を変えることによる制御を行うことにより発電量を調節するものである。
【００２１】
発電制御装置１内の電力変換器５は、直流出力を得る為に、発電機からの交流出力を直流に変換して、平滑化する為に次段の平滑コンデンサに与える還流ダイオードと、または、平滑コンデンサの直流電圧を交流に変換して、発電機の電機子へ与え、発電機を駆動する為の回転磁界を発生させる為の半導体スイッチと環流ダイオードで構成されるモジュールである。
【００２２】
また、負荷７は、発電制御装置１の直流電圧部分６に接続される。
【００２３】
図１の直流部分６の電圧が上昇する場合の動作を図２により説明する。
【００２４】
図１の発電制御装置１が制御開始時の発電機２の回転数をＮ０とする（ステップ２０００）。回転数Ｎ０の出力を図１の発電制御装置１が発電機２に与えることによって発電制御が開始される（ステップ２１００）。発電制御装置１が発電機２の回転数を０＜Ｎｒ＜Ｎ０であるＮｒまで減速させる（ステップ２２００）。
【００２５】
電気的な制動であるため発電機２の回転数がＮ０より下がったことによる差分のエネルギーは電気的エネルギーとして発電制御装置へ移動する（ステップ２３００）。
【００２６】
発電制御装置１へ移動した電気的エネルギーはコンデンサ６に蓄えられる。ここで、コンデンサ６の電気容量をＣ、電圧をＶとすると（ＣＶ^２）/２のエネルギーが蓄えられる。従って、電気的エネルギーが蓄えられるにつれてコンデンサ６の電圧は上昇する（ステップ２４００）。この現象を利用して、発電制御装置が出力する回転数指令を適宜上下させ、コンデンサ６の電圧を目標値へ追従させる。
【００２７】
コンデンサ６の直流電圧を目標値に安定に追従させる制御方法を図３の制御ブロック図によって説明する。
【００２８】
８は発電制御装置のコンデンサ６の直流電圧の検出器(図３では、ＰＮ電圧検出器８として図示。または、蓄電器電圧値検出器とも称するものとする。)で、Vpn*はコンデンサ６の直流電圧の目標値電圧である。回転数検出器１２は、発電制御装置から発電機に対して発電制御開始時に出力する回転数の値を検出する。
【００２９】
発電制御装置１は起動するとエネルギー源４と回転運動への変換器３が非拘束状態の発電機２を回す回転数Ｎ０で回転数指令を出力する。起動後はコンデンサ６の直流電圧検出値と目標値Vpn*との誤差evpnを比較器９にて求める。比較器９からの出力の誤差evpnに、例えばＰＩＤ１０にてＰＩＤ補償を行い、誤差evpnに応じた指令回転数補正の加減速レートΔＮ/Δtを計算する。回転数指令生成器１１に入力し、このレートでＮ０から加減速を行う。例えば、コンデンサ６の直流電圧検出値が目標値Vpn*より低い場合、ΔＮ/Δtは負の値となり回転数指令生成器１１はＮ０からこのレートで減速して回生状態を発生させ、コンデンサ６の直流電圧を上昇させる。コンデンサ６の直流電圧がVpn*に一致したら、ΔＮ/Δtは０となり回転数指令生成器１１によって減速は止まり一定速を保つ。コンデンサ６の直流電圧検出値が目標値Vpn*より高い場合、ΔＮ/Δtは正の値となり回転数指令生成器１１によってこのレートで加速し回生の度合いを緩めてコンデンサ６の直流電圧を下げる。Vpn*に一致したら、ΔＮ/Δtは０となり加速は止まり一定速を保つ。これを繰り返し、コンデンサ６の直流電圧を目標値Vpn*に追従させる。
【００３０】
コンデンサ６の直流電圧Vpnは、エネルギー源４のエネルギー量の変動や負荷の変動に影響を受けて値が上下する。従って、このコンデンサ直流電圧値Vpnの変動分を上記の作用により目標値Vpn*に追従させる。
【００３１】
目標値Vpn*は、例えば負荷の要求する電圧に設定すると、負荷に必要十分な発電を行うことができる。この目標値Vpn*の設定は、操作者が入力装置を介して入力するものであっても良いし、電力の供給される負荷の状態を装置が取得して、設定するものであっても良い。
【００３２】
なお、図３において、回転数指令生成器１１から電力変換器５に出力されているＮ*は、電力変換器５を介して発電機２を回転させるように制御する際の回転数の指令値を示すものである。
【００３３】
動作の一例として、図４の１００のように負荷変動があった場合、ステップ２００のようにコンデンサの直流電圧値Vpnが変動する。直流電圧Vpnを検出し目標値Vpn*と比較することで（ステップ３００）電圧誤差を検出する。さらに、この誤差の正負を判定し（ステップ４００）、正の場合はＰＩＤ補償（ステップ５００）のあと減速指令を作成し（ステップ６００）、回転数指令を作成する（ステップ７００）。その結果としてステップ８００のように回生電力が増加しＰＮ電圧目標値へ追従させる（ステップ１３００）。
【００３４】
ステップ３００で電圧誤差が負の場合はＰＩＤ補償（ステップ９００）のあと加速指令を作成し（ステップ１０００）回転数指令を作成する（ステップ１１００）。その結果回生電力が減少し（ステップ１２００）、ＰＮ電圧目標値へ追従させる（ステップ１３００）。
【００３５】
なお、図４のステップ１００〜ステップ１３００の処理の内の任意処理を適宜繰返すことによって、ＰＮ電圧(または、直流電圧値Vpn)をＰＮ電圧目標値(または、目標値Vpn*)へ追従させるようにするものであっても良い。従って、ある一定時間毎にＰＮ電圧を検出して、ＰＮ電圧目標値と比較して、ＰＮ電圧がＰＮ電圧目標値となっていない場合は、図４に記載の処理に基づき、回生電力を増加、または回生電力を減少させることを適宜繰返すことによって、ＰＮ電圧をＰＮ電圧目標値へ追従させるようにするものであっても良い。
【００３６】
例えば、ある時点で検出されたＰＮ電圧がＰＮ電圧目標値よりも小さい場合に、図４の処理に基づいて回生電力を増加させることで、ＰＮ電圧を上げる。そして、次に検出したＰＮ電圧が、未だＰＮ電圧目標値に達していない場合は、引続き、回生電力を増加させて、検出されるＰＮ電圧が、ＰＮ電圧目標値に達する迄、回生電力を増加させる処理を繰返し、徐々に検出されるＰＮ電圧をＰＮ電圧目標値に近づけて行く。もし、検出されたＰＮ電圧が、ＰＮ電圧目標値を超えていた場合は、回生電力を減少させる処理を行うことで、検出されるＰＮ電圧を下げ、ＰＮ電圧目標値に近づけるようにする(即ち、前者のＰＮ電圧目標値に達していない場合とは、逆の側からＰＮ電圧目標値に近づける処理である)。これらの回生電力を増加／減少させる処理を適宜実施するように制御することで、ＰＮ電圧をＰＮ電圧目標値に追従させることが可能となる。
【００３７】
また、安定に応答よく追従させるために図５のＰＮ電圧変動率演算１３でVpnの検出値からVpnの変動率（ΔVpn/Δt）を計算し、これを基に例えば５０のＰＩＤ補償ゲインを可変させる。
【００３８】
さらに、安定に応答よく追従させる方法の１つとして図６のようにエネルギー源のエネルギー量の検出器１４や負荷量の検出器１５の情報を基に、例えば５１のＰＩＤ補償ゲインを可変させる。エネルギー量の検出器２５とは、例えば風力計や流量計・圧力センサなどである。負荷量の検出器とは、例えば負荷側の電力計や接続されている負荷のうち稼働中の負荷を認識する装置である。
【００３９】
次に、エネルギー源が複数ある場合を図７で一例を説明する。エネルギー源それぞれに発電機を２、１８、１９のように接続し、それら発電機にそれぞれ発電制御装置を１、１６、１７と接続する。各発電制御装置は負荷７の要求する直流電圧目標値を持ち、例えば図３の方式で発電制御を行う。蒸気エネルギー２３，２４、２５は例えば化学プラント内の廃熱を利用した水蒸気等である。
なお、蒸気エネルギー２３、２４，２５は同じエネルギー源である場合も否定するものではない。
【００４０】
図８は、エネルギー源として風力エネルギー２７を利用し、回転運動の変換器として風車２６を使用したものである。発電制御装置は例えば図３の制御を行う。負荷は直流負荷３０を直接接続するもの、直流/交流変換器２８を使い交流負荷２９を接続するもの等が考えられる。
【００４１】
図９は、エネルギー源として水力エネルギー３２を利用し、回転運動の変換器として水車３１を使用したものである。動作は図８と同様に例えば図３の制御を行う。
【００４２】
上記実施例は、上述した特許文献１のような蓄電池を構成として設けないシステムである。従って、コンデンサが放電している等で、コンデンサの電圧(例えば、ＰＮ間電圧に相当)が零の場合もあるが、上記実施例では、発電機からの誘起電圧をコンデンサに与え、徐々にコンデンサの電圧を上げてゆくことが可能となる。そして、コンデンサの電圧を規定電圧に持上げた後は、発電機からの電力を負荷に供給するように出来るという特徴がある。この場合、発電機からの誘起電圧が非常に小さな値の場合であっても、徐々にコンデンサの電圧を上げてゆくことができるという特徴もある。
【００４３】
なお、特許文献１とは異なり、上記実施例では、同期発電機を用いることで、コンデンサの電圧が零の場合であっても、同期発電機を駆動することを可能とするものである。
【００４４】
但し、上記実施例に対して、蓄電池を発電制御装置１の直流部分の電圧に接続して電力を蓄えるようにする構成を上述の説明では否定するものではない。従って、上記実施例の利便性を向上するために、適宜構成要件を追加するようにしても良い。
【００４５】
また、上記実施例は、上述した特許文献２のような逆潮流を行う系統連系装置を前提としないシステムである。
【００４６】
その為に、上記実施例では負荷変動によって生ずるＰＮ電圧値変動を検出し、検出されたＰＮ電圧値が目標値とは異なる場合は発電機の回転数を変えるように制御する。この制御によって、負荷変動にかかわらず、ＰＮ電圧値は目標値となる様に制御されるものである。
【００４７】
但し、系統連系装置を有するパワーコンディショナーを上記発電制御装置１と商用電力系統との間に設け、上記実施例と商用電力系統との間で電力の授受を行うようにしても良い。
【００４８】
この場合は、風力等から得られるエネルギーに基づく電力が負荷の必要とする電力よりも小さい時は、系統連携装置(但し、逆潮流が出来ないものであっても良い)からの電力の供給を受けることが出来る。
【００４９】
または、予め設けられた蓄電池から電力の供給を受ける様にもできる。
逆に負荷の必要とする電力が小さい時は、その必要とする電力量に相当する電力を発電出来るように発電機の回転数を制御することで、余剰電力を逆潮流する必要の無いものとする事が可能となり、システム構成を簡単にする事が出来る。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、発電機を用いて発電をさせる際の元になるエネルギー源のエネルギー量の変動や、または、前記発電機によって電力が供給される負荷の負荷量の変動の影響を小さくして、発電機からの電力の供給をされることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した発電装置の第１実施例の構成図である。
【図２】図１の装置での回生状態の説明図である。
【図３】図１の装置で発電した直流電圧を目標値に追従させる制御回路第１構成図である。
【図４】図３の制御回路第１構成図の動作例のフローチャートである。
【図５】図１の装置で発電した直流電圧を目標値に追従させる制御回路第２構成図である。
【図６】図１の装置で発電した直流電圧を目標値に追従させる制御回路第３構成図である。
【図７】本発明を適用した発電装置の第２実施例の構成図である。
【図８】本発明を適用した発電装置の第３実施例の構成図である。
【図９】本発明を適用した発電装置の第４実施例の構成図である。
【符号の説明】
１、１６、１７…発電制御装置、２、１８、１９…発電機、３…回転運動変換器（風車、水車など）、４…エネルギー源（風力、水力など）、５…電力変換器、６…蓄電器（コンデンサ）、７…負荷、８…直流（ＰＮ）電圧検出器、９…直流（ＰＮ）電圧の目標値との誤差計算、１０…ＰＩＤ補償器、５０、５１…ＰＩＤ補償器（ゲイン可変型）１１…回転数指令生成器、１２…回転数検出器、１３…直流（ＰＮ）電圧変動率演算器、１４…エネルギー量検出器、１５…負荷量検出器、２０、２１、２２…タービン、２３、２４、２５…蒸気エネルギー、２６…風車、２７…風力エネルギー、２８…直流/交流変換器、２９…交流負荷、３０…直流負荷、３１…水車、３２…水力エネルギー。

Claims

発電に寄与する駆動力によって、電力を発電する同期発電機と、
前記同期発電機に駆動力を伝える変換器と、
前記同期発電機へ直交変換後の出力を与え、また、前記同期発電機からの出力を交直変換する電力変換器、及び、前記電力変換器からの交直変換された出力を平滑化する蓄電器を有する発電制御装置と
を備えた発電装置であって、
前記発電制御装置には、少なくとも前記同期発電機に回転数指令値を与える制御部を有しており、
前記発電制御装置の制御に基づいて、
前記蓄電器の電圧値が目標値より小さい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える前記同期発電機に生ずる回転磁界の回転数指令値の値を小さくし、
前記蓄電器の電圧値が目標値より大きい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える前記同期発電機に生ずる回転磁界の回転数指令値の値を大きくすることによって、
前記蓄電器の電圧値が目標値となるように制御されることを特徴とする発電装置。
発電に寄与する駆動力によって、電力を発電する同期発電機と、
前記同期発電機に駆動力を伝える変換器と、
前記同期発電機へ直交変換後の出力を与え、また、前記同期発電機からの出力を交直変換する電力変換器、及び、前記電力変換器からの交直変換された出力を平滑化する蓄電器を有する発電制御装置と
を備えた発電装置であって、
前記発電制御装置は、
前記蓄電器の電圧値を検出電圧値として検出する蓄電器電圧値検出器と、
前記検出電圧値と目標値とを比較する比較器と、
前記比較器からの比較結果に基づいて、前記同期発電機に生ずる回転磁界の回転数指令値を前記電力変換器に出力する回転数指令生成器と、
少なくとも前記目標値を記憶する記憶手段と、
少なくとも前記発電制御装置を制御する制御部と、
を有しており、
前記制御部の制御に基づき、
前記蓄電器の電圧値が目標値より小さい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える回転数指令値の値を小さくし、
前記蓄電器の電圧値が目標値より大きい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える回転数指令値の値を大きくすることによって、
前記蓄電器の電圧値が目標値となるように制御されることを特徴とする発電装置。
請求項１、２記載の発電装置であって、
前記発電制御装置は、半導体スイッチと環流ダイオードを有する電力変換器を備えることを特徴とする発電装置。
請求項１、２記載の発電装置であって、
前記発電制御装置の直流部分から直流負荷の直流電圧を供給することを特徴とする発電装置。
請求項１〜４記載の発電装置であって、
前記同期発電機と前記発電制御装置を接続した装置を複数台使用することを特徴とする発電装置。
請求項１〜５記載の発電装置であって、
前記発電に寄与する駆動力として、蒸気エネルギー、風力エネルギー又は水力エネルギーを用いることを特徴とする発電装置。
与えられた駆動力によって、電力を発電する同期発電機と、
前記同期発電機に駆動力を伝える変換器と、
蓄電器と前記同期発電機への直交変換後の出力を与える電力変換器とを備え、前記同期発電機に回転数指令値を与える発電制御装置と、
を有する発電装置の発電方法において、
前記蓄電器の直流電圧が目標値より小さい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える前記同期発電機に生ずる回転磁界の回転数指令値の値を小さくし、
前記蓄電器の直流電圧が目標値より大きい場合、
前記同期発電機に前記発電制御装置が前記電力変換器を介して与える前記同期発電機に生ずる回転磁界の回転数指令値の値を大きくすることによって、
前記蓄電器の電圧が目標値となるように制御することを特徴とする発電方法。
請求項７記載の発電方法であって、
前記発電制御装置の直流部分から直流負荷の直流電圧を供給することを特徴とする発電方法。
請求項７〜８記載の発電方法であって、
前記駆動力として、蒸気エネルギー、風力エネルギー又は水力エネルギーを用いることを特徴とする発電方法。