JP4629562B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発電機と発電制御装置からなる発電装置を提供する技術に関する。
発電装置における最大電力追従制御については、各種様々な方法が取られている。例えば特許文献１に風力発電装置の最大電力取得制御について述べられているが、これは風速計により風速を測定し、最大効率回転速度を該風速と理論式により計算して風車の回転速度をチョッパー回路にて該最大効率回転速度へ調整する方法である。このような駆動力測定器を用いる場合、風車では風速計、水車の例を言えば水量計が必要となり高価なものになる。
特開２００３−７０２９６号公報
本発明の目的は、発電機の回転速度を発電機へ周波数指令を与えることにより変更して発電する発電装置において、発電に寄与する駆動力（例えば水車の場合は水量）が変動しても、その駆動力を測定する測定器を用いないで、現在の該駆動力に対して発電効率の最大化に向って回転速度を制御することである。
上記目的を達成するために、発電機と、発電機に与える周波数を計算する周波数指令器と、周波数指令器からの周波数指令に基づき周波数を生成して発電機回転速度を制御する周波数生成器とからなる発電装置において、該発電機の電流値を測定する電流測定器を設け、該電流測定器からの電流値を周波数指令器へフィードバックして、予め記憶された発電機電流に対する発電効率が最大となる周波数算出手段を用いて発電効率が最大となるように制御を行う周波数指令器を備えた発電装置を構築する。
すなわち、本発明は、発電に寄与する駆動力によって回転して発電する発電機と、該発電機の回転速度を制御して発電させる発電制御装置とからなる発電装置において、前記発電制御装置は、前記発電機の電流を測定する電流測定器と、発電機の電流値に対して発電効率が最大となる周波数を算出できる周波数算出手段と、該周波数算出手段を用いて前記発電機の測定電流から該発電機に与える周波数を決定する周波数指令器と、該周波数指令器からの周波数指令値により周波数を生成して前記発電機の回転速度を変更する周波数生成器とを備えており、発電効率が最大値付近となる回転速度の回転速度制御方式で制御する発電装置である。
また、本発明は、発電に寄与する駆動力によって回転して発電する発電機と、該発電機の回転速度を制御して発電させる発電制御装置とからなる発電装置において、前記発電制御装置は、前記発電機の電流を測定する電流測定器と、発電機の電流値に対して発電出力が最大となる周波数を算出できる周波数算出手段と、該周波数算出手段を用いて前記発電機の測定電流から該発電機に与える周波数を決定する周波数指令器と、該周波数指令器からの周波数指令値により周波数を生成して前記発電機の回転速度を変更する周波数生成器とを備えており、発電出力が最大値付近となる回転速度の回転速度制御方式で制御する発電装置である。
そして、本発明は、発電に寄与する駆動力によって回転して発電する発電機と、該発電機の回転速度を制御して発電させる発電制御装置とからなる発電装置において、前記発電制御装置は、自装置の直流出力電圧を測定する電圧測定器と、自装置の測定電圧以下の電圧となる前記発電機の周波数を任意に決定する周波数指令器と、該周波数指令器からの周波数指令値により周波数を生成して前記発電機の回転速度を変更する周波数生成器とを備えており、負荷の消費電力の変化に応じた発電出力値以下となる回転速度で前記発電機を制御することにより、負荷が所望する電力に見合った発電となる回転速度制御方式で制御する発電装置である。
更に、本発明は、上記の回転速度制御方式のうちの複数種類の回転速度制御方式での制御が可能で、かつ、そのうちのいずれかを、スイッチ等で切換えて選択することが出来る発電装置である。
また、本発明は、前記複数種類の回転速度制御方式を、スイッチ等の代わりに、駆動力の時間的変化や負荷状態に合わせて、自動的に切替えるようにプログラム化した発電装置である。
そして、本発明は、発電機へ周波数指令を与えることにより発電機の回転速度を制御して発電する発電装置において、発電に寄与する駆動力が変動しても、その駆動力を測定する測定器を用いないで、現在の駆動力に対して発電効率が最大となる発電機の回転速度を制御する発電装置を得ることができる。
本発明を用いれば、従来よりも、信頼性、経済性を向上させた発電装置が提供可能となる。
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明は、発電機と、ソフト改造した汎用インバータを用いることにより、該発電制御装置は駆動力に対して発電効率が最大となるように発電機に出力する周波数を制御する。また、汎用インバータを用いることにより安価なシステムとなる。
以下、本発明の第１の実施例を図１〜図３により説明する。図１に、本実施例の構成図を示す。エネルギー源１からのエネルギーは、例えば風車や水車などの変換器２で回転運動へ変換され、発電機３で電気エネルギーに変換される。発電制御装置４は、発電機３の回転速度を制御することにより回生度合いの強弱を制御して発電力を調整する。
発電制御装置４内の電力変換器９は、直流出力を得るために、発電機３からの交流出力を直流に変換して平滑コンデンサ１０に与える還流ダイオードと、平滑コンデンサ１０の直流電圧を交流に変換して発電機の電気子に与え、発電機３を駆動するための回転磁界を発生させる半導体スイッチで構成されるモジュールである。発生した電力は、電力変換器９により直流出力に変換された後、平滑コンデンサ１０により平滑され、系統連系装置またはインバータ等の負荷５へ出力される。
発電機３の回転速度（ｆ＊）は、周波数指令器７により決定される。決定された回転速度ｆ＊に基づいて、周波数生成器８がＰＷＭ波形を電力変換器９の半導体スイッチに出力して発電機３の回転速度を決定された値ｆ＊に制御する。
電力変換器９と発電機３の間に電流測定器６を接続し、発電機３から流れてくる電流値Ｉを測定し、周波数指令器７に出力する。平滑コンデンサ１０の出力電圧を測定する電圧測定器１１を設けて直流電圧Ｖｐｎを測定し、測定結果は周波数指令器７に出力する。周波数指令器７は、測定した電流値Ｉをもとに指令周波数ｆ＊を決定する。
図２に示した周波数指令器のアルゴリズムを用いて説明する。制御を開始する（ステップ２０００）。次に、現在電流値Ｉを電流測定器６より取得し（ステップ２０１０）、前回電流値Ｉｐｒｅとの差分ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ−Ｉｐｒｅ）を計算し（ステップ２０２０）、得られた差分ΔＩの値がある規定値以上であるか判断する。規定値以上で更新する必要があれば、周波数を更新する（ステップ２０４０〜２０５０）。図３は発電機に流れる電流Ｉに対して発電効率ηが最大となる周波数ｆｂの関係である最適周波数関数の例を示しており、周波数の更新は該周波数関数を用いて現在電流値Ｉに対して発電効率ηが最大となる周波数ｆｂを計算し（ステップ２０４０）、指令周波数ｆ＊をｆｂに更新する（ステップ２０５０）。ここで、周波数算出手段として周波数関数を用いたが、電流Ｉに対して発電効率ηが最大となる周波数ｆｂの関係のテーブルを用いて周波数を算出することも出来る。なお、発電効率ηは、風車や水車などの動力変換器の効率ηｔと発電機の効率ηｇの総合効率である（η＝ηｔ×ηｇ）。周波数指令後は、周波数生成器８から出力する実周波数ｆがｆ＊になるまで待機し、さらに周波数の変更が電流に応答されるまでの時間だけ待機し（ステップ２０６０）、Ｉｐｒｅを現在電流値Ｉに更新し（ステップ２０７０）、始め（ステップ２０００）に戻る。ステップ２０３０において規定値未満で更新する必要がなければ、始め（ステップ２０００）に戻る。上記、ステップ２０００からステップ２０８０までを常時繰り返すことにより発電効率ηが最大又はほぼ最大となるように常に制御を行うことができる。
なお、上記実施例で発電効率が最大値付近となる回転速度制御方式の制御で説明したが、図３における最適周波数関数の代わりとして、発電機の電流値に対して発電出力が最大となる周波数関数を使用して、同様な周波数指令制御を行う発電出力が最大値付近となる回転速度制御方式とすることにより、常に発電出力が最大又はほぼ最大となる制御が行える。ここでも周波数算出手段として周波数関数を用いたが、テーブルを用いて周波数を算出することも可能である。
一方、直流電圧Ｖｐｎが一定になるように発電機の回転速度を制御して発電出力が所定値又はそれ以下となるよう調整する回転速度制御方式とすることにより、発電電力が余ることにより直流電圧が上昇し保護機能が働き発電を停止することなく、常に負荷が所望する電力を供給することが可能となる。
上記３種類の回転速度制御方式を説明したが、この制御方式を図１の制御方式切替えスイッチ１２を切替える、又は自動的に制御方式を切替えるようにプログラム化することで、自然エネルギー・未利用エネルギー等のエネルギー源の変化や系統連系装置等の負荷に合わせた発電制御方式を自由に選択することができる。
以上実施例で説明したように、豊富な自然エネルギーから発電する風力発電や水力発電では最大出力制御を行うことで最良の効果が得られる。また、工場の水循環システムにおける未利用エネルギーを回収する場合では最大効率制御を行うことで、システム全体が最良の効果を得る。さらに自然エネルギー、未利用エネルギーの大きさが変化した場合は、消費電力に合わせて運転制御方法をプログラム化して運用することにより、今後ますます重要となる分散電源の安定化に寄与する。また、実施例で用いている回路は、汎用インバータの回路と全く同一のもので構成されており、汎用インバータの回路をそのまま利用することにより発電制御装置が安価になる。
実施例の発電装置の構成図。 実施例の発電制御装置の周波数指令器のアルゴリズムの説明図。 発電機の電流に対する発電効率が最大となる周波数関数の説明図。
符号の説明
１ 水力、風力などのエネルギー源
２ 水車、風車などのエネルギー源を回転運動に変換する変換器
３ 発電機
４ 発電制御装置
５ 発電した電力を商用に返す系統連系装置または消費させる負荷
６ 発電制御装置と発電機間の電流を測定する電流測定器
７ 発電機に与える周波数を決定する周波数指令器
８ 周波数指令に基づき周波数を生成する周波数生成器
９ 周波数を生成するスイッチング素子と発電機からの交流電力を直流に変換する電力変換器
１０ 発電機からの交流出力を平滑するための平滑コンデンサ
１１ 直流電圧を測定する電圧測定器
１２ 発電制御制御方式を切替える切替えスイッチ
Ｉ 発電機と発電制御装置間の電流値
ｆ＊ 周波数指令値
ｆ 周波数生成器の現在出力周波数
ｆｂ 発電機の電流値に対して発電効率が最大となる周波数
Ｖｐｎ 直流電圧値

Claims (7)

  1. 発電に寄与する駆動力によって回転して発電する発電機と、該発電機の回転速度を制御して発電させる発電制御装置とからなる発電装置において、
    前記発電制御装置は、前記発電機の電流を測定する電流測定器と、
    前記発電機の電流と、該電流に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数との関係を予め記憶し、
    該記憶した関係に基づいて、前記電流測定器により測定した電流値に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数を算出する周波数算出手段と、
    該周波数算出手段により算出した周波数になるように前記発電機の回転速度を制御する電力変換器とを備えたことを特徴とする発電装置。
  2. 発電に寄与する駆動力によって回転して発電する発電機と、該発電機の回転速度を制御して発電させる発電制御装置とからなる発電装置において、
    前記発電制御装置は、前記発電機の電流を測定する電流測定器と、
    前記発電機の電流と、該電流に対して前記発電機の発電出力が最大値付近となる周波数との関係を予め記憶し、
    該記憶した関係に基づいて、前記電流測定器により測定した電流値に対して前記発電機の発電出力が最大値付近となる周波数を算出する周波数算出手段と、
    該周波数算出手段により算出した周波数になるように前記発電機の回転速度を制御する電力変換器とを備えたことを特徴とする発電装置。
  3. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
    前記関係は関数又はテーブルとして記憶することを特徴とする発電装置。
  4. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
    前記発電機の出力電圧を測定する電圧測定器をさらに備え、
    前記電力変換器は、前記電圧測定器により測定された出力電圧が設定値以下になるように前記発電機の回転速度を制御することを特徴とする発電装置。
  5. 請求項２に記載の発電装置において、
    前記記憶した関係に加え、前記発電機の電流と、該電流に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数との関係を予め記憶し、
    前記発電機の電流に対して前記発電機の発電出力が最大値付近となる周波数との関係に基づいて前記周波数算出手段が算出した周波数になるように前記電力変換器が前記発電機の回転速度を制御するか、前記発電機の電流に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数との関係に基づいて前記周波数算出手段が算出した周波数になるように前記電力変換器が前記発電機の回転速度を制御するか、選択する選択手段とを備えたことを特徴とする発電装置。
  6. 請求項２に記載の発電装置において、
    前記発電機の出力電圧を測定する電圧測定器をさらに備え、
    前記記憶した関係に加え、前記発電機の電流と、該電流に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数との関係を予め記憶し、
    前記発電機の電流に対して前記発電機の発電出力が最大値付近となる周波数との関係に基づいて前記周波数算出手段が算出した周波数になるように前記電力変換器が前記発電機の回転速度を制御するか、前記発電機の電流に対して前記発電機の発電効率が最大値付近となる周波数との関係に基づいて前記周波数算出手段が算出した周波数になるように前記電力変換器が前記発電機の回転速度を制御するか、あるいは、前記電圧測定器により測定された出力電圧が設定値以下になるように前記電力変換器が前記発電機の回転速度を制御するか、を選択する選択手段を備えたことを特徴とする発電装置。
  7. 請求項５又は６に記載の発電装置において、
    前記選択手段による選択を自動的に行うようにプログラム化したことを特徴とする発電装置。
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