JP4535082B2 - 同期発電機のセンサレス制御装置と制御方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

特開平９−１９１６９８号公報

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。

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し、装置の小型化と制御を簡易化することを目的とする。

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の端子電圧を検出する電圧検出器と、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、電圧検出器の電圧検出値と電流検出器の電流検出値とから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、回転子位置推定手段は、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、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、同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、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誘起電圧推定器の出力する誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、回転子位置推定手段により推定された回転子位置推定値に基づいて順変換器を制御するものである。

または、回転子位置推定手段が、同期発電機の固定子の端子電圧の電圧検出値と、同期発電機の固定子に流れる電流の電流検出値とから同期発電機の回転子位置を推定し、回転子位置推定手段は、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、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、同期発電機の誘起電圧ｄ軸成分を演算し、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誘起電圧推定器の出力する誘起電圧ｄ軸成分を零に制御することで回転子位置を推定し、回転子位置推定手段により推定された回転子位置推定値に基づいて順変換器を制御するものである。

回転子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できる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明を適用した発電システムの構成図。 同期発電機の等価回路。 誘起電圧推定器の詳細図。 同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＞０）。 同期発電機のベクトル図（Ｅｄ＜０）。 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。 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)

1. 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装置において、
   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、
   前記回転子位置推定手段により推定された回転子位置推定値に基づいて前記順変換器を制御することを特徴とする同期発電機の制御装置。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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、
   回転子位置推定手段が、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、
   前記回転子位置推定手段により推定された回転子位置推定値に基づいて前記順変換器を制御することを特徴とする同期発電機の制御方法。

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