JP4595398B2 - 発電機制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電や水力発電において原動機入力が過大となった場合に、発電装置や原動機を保護する発電機制御装置とその制御方法に関する。

従来の制御方法について説明する。
図６は原動機にある一定の力が入力された時の発電機への入力トルクおよび出力と速度との関係を示す。速度制御を行う場合、速度制御手段の積分器により図６の入力トルクの符号を反転したトルク指令を出力して入力と出力がバランスするようにする。発電機の加速トルクはトルク指令と発電機への入力トルクの和となるので、速度指令と速度検出値との差分を基にトルク指令を演算し、加速時はトルク指令が増加する方向に調整する。入力トルクとトルク指令との和が正の場合、発電機は加速し、負の場合は減速する。図７は原動機の入力に対する速度−出力特性および速度−トルク特性を示す。図７の速度−出力特性を見るとわかるように各入力により最大出力となる速度が存在する。出力の最大ポイントを結んだ曲線上で運転することにより最大の効率とすることができる。最大の出力時の速度−トルクの関係を予め求めておき、検出した速度からトルク指令を求めて発電機のトルクを制御することにより、常に最大の効率での運転が可能となる。
図８は従来の制御方法を示すブロック図である。発電機３の速度を速度検出手段４より検出し、トルク指令演算手段１１により検出した速度から原動機の出力特性データ１６を用いてトルク指令を求め、電流検出手段７により検出した発電機の電流から電流変換手段１４によりトルク演算に必要な電流に変換して電流制御手段１２によりトルク指令と比較して電圧指令を計算し、電圧変換手段１３により適切な電圧に変換して第1の電力変換装置１に対する指令を求め、第1の電力変換装置１より発電機３の端子電圧を制御することにより発電機のトルクを制御する。また、最大出力追従手段１５は出力特性データ１６と実際の原動機の特性とに誤差がある場合を想定し、出力特性データ１６から得られたトルクを変化させ、この時の発電量から最大の効率で発電する補正量を求めトルク指令を補正する。
しかし、一般的に発電機や電力変換装置には容量の制限があり、定格トルク以上のトルクを連続的に発生すると発熱のために発電機や電力変換装置が焼損する場合があるため、トルクを制限している。
従来の可変速の発電機制御方法による発電制御では、原動機へ過大な入力が入った場合、トルクを制限しているために、その超過量に応じて発電機の回転速度が自然に上昇し発電量が減少するため、積極的な発電制御は行っていなかった。あるいは、第1の電力変換装置の出力に設置したコンデンサの電圧の上昇を抑える制御を行うことによって発電機速度を上昇させるようにしていた。また、発電量の調整方法として、水力発電では過大な入力となる場合には原動機に入力される水量を調整する弁を設けて原動機の発生出力を抑えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、風力発電においては風力が大きくなった場合にブレーキやクラッチなどを利用して機械的に原動機の出力を制御するようにしているものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２５０２７０号公報（第１図） 特開２００１−１６９５０８号公報（第１図）

従来の発電量の調整方法では、トルクを制限する場合は、原動機の回転数が異常に上昇し機械的な強度を超えて壊れるのを防止するため、電気的あるいは機械的な制動手段が必要であるため、装置のサイズの増大やコストがかかるという問題があった。また、水力発電の場合でも水量の調整を行うための弁と弁を制御する手段が必要であった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、過大な入力を検出して発電機を減速して発電量を調整することにより、余分な回路や機械を設けなくても原動機、発電機、および電力変換装置を保護できる発電機制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。

請求項１に記載の発明は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第2の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の制御方法において、
前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンと、
前記発電機の発生電力から前記原動機の出力を演算する原動機出力演算手段と、
前記原動機の特性と前記原動機出力とから前記原動機への入力量を推定する入力量推定手段と、
前記入力量に従って前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正する補正手段と、前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ったトルク指令を計算するトルク指令演算手段と、
前記発電機速度検出手段か得られた速度とある設定された速度指令とを比較して前記発電機の速度が前記速度指令と一致するように速度制御トルク指令を演算する速度制御手段と、
前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令および前記速度制御トルク指令を制限するトルク指令制限手段と、前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令または前記速度制御トルク指令と一致したトルクを前記発電機に発生させるトルク制御手段とを備え、
前記入力量が規定値以下であれば、トルク指令として前記トルク指令演算手段により得られるトルク指令を使用し、前記入力量が規定値を超えた場合には、定格速度よりも低い速度指令を用いて速度制御するという手順をとったのである。

請求項２に記載の発明では、請求項１における前記速度指令として、前記原動機の特性から前記入力量が最大となるときに前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度を設定するようにしたのである。

請求項３に記載の発明では、請求項１における前記速度指令として、前記原動機の特性から前記入力量に対して前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度をパターン化しておき、前記入力量の大きさに従った速度指令を設定するようにしたのである。

請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記速度制御手段により前記速度指令と前記速度検出手段により検出された速度が一致した時の前記速度制御トルク指令が、前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクを超える場合に、前記トルク以下となるまで前記速度指令を下げるようにしたのである。

請求項５に記載の発明では、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第2の電力変換装置とを備えた発電装置における発電機の制御方法において、
前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンと、
前記発電機の発生電力演算し、前記原動機の出力を推定する原動機出力演算手段と、
前記原動機の特性と前記原動機の出力とから前記原動機への入力量を推定する入力量推定手段と、
前記入力量を基に速度−トルクパターンを補正する補正手段と、
前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ってトルク指令を計算するトルク指令演算手段と、前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令を制限するトルク指令制限手段と、前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令通りのトルクを前記発電機に発生させるトルク制御手段とを備え、
前記補正手段は、前記入力量が規定値以下であれば、前記入力量に対して前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正して常に最大出力が得られるようにし、前記入力量が規定値を超えた場合には、発電機を減速させて前記トルク指令が前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続的に発生可能なトルク以下となるように前記速度−トルクパターンを補正するようにしたのである

請求項６に記載の発明では請求項１乃至５のいずれか一項記載の発明において、減速による回生電力を抵抗器とスイッチング素子により構成される制動回路により消費させるようにしたのである。
また、請求項７に記載の発明では回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第2の電力変換装置と、前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンとを備えた発電機の制御方法において、
原動機出力演算手段で前記発電機の発生電力から前記原動機の出力を演算し、
入力量推定手段で前記原動機の特性と前記原動機出力に基づいて前記原動機への入力量を推定し、
補正手段により前記入力量に従って前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正し、
トルク指令演算手段で前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ったトルク指令を計算し、
速度制御手段により前記発電機速度検出手段か得られた速度とある設定された速度指令とを比較して前記発電機の速度が前記速度指令と一致するように速度制御トルク指令を演算し、
トルク指令制限手段により前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令および前記速度制御トルク指令を制限し、
トルク制御手段により前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令または前記速度制御トルク指令と一致したトルクを前記発電機に発生させ、
前記入力量が規定値以下であれば、トルク指令として前記トルク指令演算手段により得られるトルク指令を使用し、前記入力量が前記規定値を超えた場合には、前記速度制御手段により得られる速度制御トルク指令を使い、前記速度指令は定格速度よりも低い速度にするようにしたものである。

請求項１に記載の発明によると、入力が過大となった場合に定格速度よりも低い速度で運転するために発電量を抑制することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、速度指令を最大の入力量の時でも発電機や電力変換装置の容量を越えないようにするため、確実に発電量を抑制することができる。
請求項３に記載の発明によると、原動機の特性に従って、発電機や電力変換装置の容量を越えない範囲で最大の電力を得ることができ、過大な入力でも極端に発電量を下げることなく保護をすることができる。
請求項４に記載の発明によると、演算に使用する原動機の特性が実際の原動機と異なる場合でも確実に保護を行えるようにできる。
請求項５に記載の発明によると、発電方式を切り替えることなく減速することができ、切替によるショックなどを考慮する必要がなく発電量を抑制することができる。
請求項６に記載の発明によると、請求項１から請求項５において、減速による回生電力を消費するための制動回路により、電力変換装置を保護しながら減速動作を確実に実行できる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて詳しく説明する。

図１は、本発明の方法を実施する発電装置の構成図である。図において第１の電力変換回路１および第２の電力変換回路２はスイッチング素子と整流素子から構成される。水車や風車などの原動機をギアなどの機構を介して発電機３に接続することにより回転エネルギーを発電機３に与え、発電機３は入力した回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機３により発生した交流電力は、順変換装置である第１の電力変換手段１を通して直流に変換されコンデンサ２８により平滑化され、この平滑化した直流電圧は逆変換装置である第２の電力変換装置２により可変周波数・可変電圧の適切な出力波形に整形して出力される。出力電圧制御手段６は出力に対して適切な電圧周波数になるように制御を行う。発電機制御手段５は、速度検出手段４により発電機３の速度信号を取り込み、電流検出手段７により発電機３から第１の電力変換手段１へ出力される電流を取り込み、発電機３の速度およびトルクの制御演算を行い、第１の電力変換手段１に対して電圧指令を与えることにより発電機の速度・トルク制御を行う。
図２は本発明の実施例１における制御ブロック図である。図２において従来技術である図８と異なるのは、入力量演算手段２１と速度制御手段２２、速度指令演算手段２３と制御切替手段２４を設けた点である。入力量演算手段２１には速度とトルク指令が入力されている。入力量演算手段２１は、原動機の入力量を推定し、制御切替手段への切替指令および速度制御手段に入力する速度指令を求める。
発電機電力P_genは、発電機速度W_genと発電機トルクT_genを用いて（4）式に示すように表することができる。
P_gen＝W_gen×T_gen ・・・（１）
或いは発電機の静止ｄ-q軸座標の2相電圧と電流から、

から求めることが出来る。
原動機の出力は発電機電力から損失分を加算して求める。損失分Plossは電気損失と機械損失で構成さ、電気損失は発電機の等価抵抗と発電機を制御しているインバータの電力半導体のスイチィング周波数によって決まる電気損失定数 に発電機電力 を掛けてを求める。機械損失は機械摩擦定数 に発電機速度の２乗を掛けて求める。風車システムの損失分Plossは電気損失に機械損失を足して（2）式に示すように求める。

原動機の出力は発電機電力P_genに損失分Plossを足して（3）式に示すように求める。

原動機への入力は原動機出力と原動機の特性により求めることができる。風車を例に説明すると、風車の出力は以下のように表せる。

ここで、k_sysは風車係数であり風車の羽の面積と空気密度によって決まる定数、V_windは風速、c_Pは動力係数であり風車の入力と風車の回転数の比（周速比λ）によって変化する変数である。周速比λは発電機と風車のギア比k_c、風車の半径R_vを用いて次のように表せる。

ここで入力である風速V_windを求めるには次のようにする。
一般的に風車のトルクT_turは（6）式のように表すことが出来る。

発電機の軸速度指令に発電機の軸速度が追従するように速度制御する機能を有する構成において、軸速度指令が一定の場合、トルクの時間に関する微分値は（7）式のように表すことが出来る。

（7）式でρは空気の密度である速度制御器の制御周期t_sが短い時は速度制御器の出力であるトルク変換量ΔT_turを用いて、（7）式を（8）式のように表すことが出来る。

一般的に風車の出力係数C_Pはλに関するｍ次の多項式であり、（9）式のように表すことが出来る。

（9）式のc₀からc_nまでは風車の設計によって決まる既知の定数である。（9）式のC_P（λ）を（8）式に代入して整理すると

λ^-1をχに置換して（10）式を整理すると（11）式のように表すことが出来る。

（11）式の解をχ＾とすると風速を推定することができる。

原動機の特性に従って(11)式および(12)式の各パラメータを設定することにより、原動機入力（風速）を推定することができる。また、これらの式を用いて、原動機トルクと発電機速度と入力量の関係を予め計算しておき、データを演算部に持たせることにより、演算を簡略化することができる。
求めた入力量がある規定量よりも大きい場合は、制御切替手段を用いて速度制御に切替え、適切な速度となるように発電機速度を調整することにより過大な発電を防止することができる。過大な発電を防止するための速度指令は、定格よりも低い速度である必要があり、図７の速度−トルク特性データから、想定される最大の入力時に発電機あるいは電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度を求めておき、速度指令としてこれを使うことにより、過大な発電を確実に防止することができる。
また、図７の速度−トルク特性から各入力で発電機あるいは電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度を求めてパターン化しておき、入力量に従って速度指令を変化させることにより、過大な発電を防止しながら発電量を大きくとることが可能となる。

図３に実施例２の制御ブロック図を示す。図３は実施例１に対し、速度偏差量とトルク指令を参照して速度指令を補正する速度補正手段２５を速度指令演算手段２３と速度制御手段２２との間に追加している。
実施例１において、図７の速度−トルク特性や入力量演算に使用する原動機の設計値と実際の原動機の特性には誤差が含まれる場合があるため保護動作として十分でない場合がある。このため、速度指令と発電機の検出速度が一致した時のトルク指令を元にして速度指令を補正する機能を加えている。

図４に実施例３の制御ブロック図を示す。図４は図８の従来の制御ブロック図と比較して入力量演算手段２１と入力量に応じてトルク指令を修正するトルク指令修正量演算手段２６を追加している。
入力量が規定値よりも少ない場合は、最大出力追従手段による特性の修正を行い、入力量が規定値よりも大きい場合は、図７に示したトルク制限直線と原動機トルク特性曲線との交点を通るようにトルク指令を修正する。

また、実施例１から実施例３で説明したように過大な入力量に対して減速する制御を行う場合、減速によって発生する回生エネルギーが生じるため、電力変換装置のコンデンサ容量が十分でない場合は電圧が異常に上昇し回路を破壊する場合がある。これを防止するため図５に示すようなスイッチング素子と抵抗器との直列接続回路から構成される制動回路２７を平滑用のコンデンサと並列接続となるように付加し、このコンデンサ電圧の上昇を検知し、検知した電圧が事前に設定した値を超えた場合は、制動回路２７のスイッチング素子を導通し、抵抗で電力を消費するようにする。これにより回路の破壊を防止しながら確実に減速制御することを可能とし、より安定した過大発電保護を行うことができる。また、回生エネルギーは減速時の一時的なものであるため、抵抗器の容量としては連続消費を前提にしたものよりも小さな容量とすることが可能である。

このように、過大な入力を検知して発電機を減速させて発電量を調整することにより、原動機、発電機および電力変換装置を保護することができる。

本発明によれば、風力発電や水力発電などの流体を利用した発電装置において、過大な入力があっても制御により発電量を調整することができ、原動機、発電機、電力変換装置を保護しながら運転が継続でき、外部の保護回路を最小限に抑えることが可能となるため、発電装置システムの小形化、低コスト化にも貢献できる。

本発明の方法を適用する発電装置の構成を示す図 本発明の実施例１を示すブロック図 本発明の実施例２を示すブロック図 本発明の実施例３を示すブロック図 本発明の制動手段を搭載した発電装置の構成を示す図 本発明を適用する原動機の特性例を示す図 本発明を適用する原動機の入力変化に対応した特性例を示す図 従来の制御方法を示すブロック図

符号の説明

１ 第1の電力変換回路
２ 第2の電力変換回路
３ 発電機
４ 速度検出手段
５ 発電機制御手段
６ 出力電圧制御手段
７ 電流検出手段
１１ トルク指令演算手段
１２ 電流制御手段
１３ 電圧変換手段
１４ 電流変換手段
１５ 最大出力追従手段
１６ 原動機の出力特性データ
２１ 入力量演算手段
２２ 速度制御手段
２３ 速度指令演算手段
２４ 制御切替手段
２５ 速度補正手段
２６ トルク指令修正手段
２７ 制動回路
２８ コンデンサ

Claims (7)

1. 回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第2の電力変換装置とを備えた発電機制御装置において、
   前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンと、
   前記発電機の発生電力から前記原動機の出力を演算する原動機出力演算手段と、
   前記原動機の特性と前記原動機出力とから前記原動機への入力量を推定する入力量推定手段と、
   前記入力量に従って前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正する補正手段と、前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ったトルク指令を計算するトルク指令演算手段と、
   前記発電機速度検出手段か得られた速度とある設定された速度指令とを比較して前記発電機の速度が前記速度指令と一致するように速度制御トルク指令を演算する速度制御手段と、
   前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令および前記速度制御トルク指令を制限するトルク指令制限手段と、前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令または前記速度制御トルク指令と一致したトルクを前記発電機に発生させるトルク制御手段とを備え、
   前記入力量が規定値以下であれば、トルク指令として前記トルク指令演算手段により得られるトルク指令を使用し、前記入力量が規定値を超えた場合には、前記速度制御手段により得られる速度制御トルク指令を使い、前記速度指令は定格速度よりも低い速度にすることを特徴とする発電機制御装置。
2. 前記速度指令は前記原動機の特性から前記入力量が最大となるときに前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度を設定することを特徴とする請求項1記載の発電機制御装置。
3. 前記速度指令は前記原動機の特性から前記入力量に対して前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクとなる速度をパターン化しておき、前記入力量の大きさに従った速度指令を設定することを特徴とする請求項1記載の発電機制御装置。
4. 前記速度制御手段により前記速度指令と前記速度検出手段により検出された速度が一致した時の前記速度制御トルク指令が、前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続出力可能なトルクを超える場合に、前記トルク以下となるまで前記速度指令を下げることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一項に記載の発電機制御装置。
5. 回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第２の電力変換装置とを備えた発電機制御装置において、
   前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンと、
   前記発電機の発生電力演算し、前記原動機の出力を推定する原動機出力演算手段と、
   前記原動機の特性と前記原動機の出力とから前記原動機への入力量を推定する入力量推定手段と、
   前記入力量を基に速度−トルクパターンを補正する補正手段と、
   前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ってトルク指令を計算するトルク指令演算手段と、前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令を制限するトルク指令制限手段と、前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令通りのトルクを前記発電機に発生させるトルク制御手段とを備え、
   前記補正手段は、前記入力量が規定値以下であれば、前記入力量に対して前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正して常に最大出力が得られるようにし、前記入力量が規定値を超えた場合には、発電機を減速させて前記トルク指令が前記発電機または前記第1の電力変換装置が連続的に発生可能なトルク以下となるように前記速度−トルクパターンを補正することを特徴とする発電機制御装置。
6. 減速による回生電力を抵抗器とスイッチング素子により構成される制動回路により消費させることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか一項に記載の発電機制御装置。
7. 回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の速度を検出または推定する発電機速度検出手段と、発電機の電力を直流に変換する第1の電力変換装置と、前記第1の電力変換装置に電圧指令を出力し前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第1の電力変換装置により変換された電圧を適切な電圧波形に変換して出力する第2の電力変換装置と、前記発電機に接続される原動機の設計データから得られる入力に対する出力量が最大となる速度−トルクパターンとを備えた発電機の制御方法において、
   原動機出力演算手段で前記発電機の発生電力から前記原動機の出力を演算し、
   入力量推定手段で前記原動機の特性と前記原動機出力に基づいて前記原動機への入力量を推定し、
   補正手段により前記入力量に従って前記原動機出力が最大となるように速度−トルクパターンを補正し、
   トルク指令演算手段で前記発電機速度検出手段から得られた速度から前記補正手段により補正された速度―トルクパターンに従ったトルク指令を計算し、
   速度制御手段により前記発電機速度検出手段か得られた速度とある設定された速度指令とを比較して前記発電機の速度が前記速度指令と一致するように速度制御トルク指令を演算し、
   トルク指令制限手段により前記第1の電力変換装置または前記発電機の容量に従って前記トルク指令および前記速度制御トルク指令を制限し、
   トルク制御手段により前記第1の電力変換装置を制御して前記制限されたトルク指令または前記速度制御トルク指令と一致したトルクを前記発電機に発生させ、
   前記入力量が規定値以下であれば、トルク指令として前記トルク指令演算手段により得られるトルク指令を使用し、前記入力量が前記規定値を超えた場合には、前記速度制御手段により得られる速度制御トルク指令を使い、前記速度指令は定格速度よりも低い速度にすることを特徴とする発電機の制御方法。

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