JP4691561B2 - 可変速電動機に給電する誘導発電機からの高品質電力 - Google Patents

Description

本発明は誘導発電機から送電網に電力を供給することに関し、この誘導発電機はこれに対応する熱・電力複合システムなどの可変速電動機駆動にも電力を供給し、望ましくない高調波および力率が補完および補償されるように電力を能動的に制御することによって、送電網インタフェースにおける電力の力率および高調波成分（形状）が、外部に供給される電力に対する要求の範囲内にあるように制御する。

電力会社以外の事業体が電力を発電してこれを送電網に供給し、これによって収入を得たり、需要者の電力料金を相殺することが一般化してきている。有用な作用の副産物として廃棄されていたエネルギ（熱など）を、回収して利用することが普及しつつある。

一部の発電システムにおいて、発電機を動作させるエネルギを制御するための方法によっては、ポンプやファンなどの補助機器が必要になる。一例は、米国特許公開第２００４／００８８９８５Ａ１号に開示されるような系統的ランキンサイクルシステムを利用して、食品加工工場やごみ処理場からの廃熱を回収する熱・電力複合システムである。このようなシステムにおいては、周知のように、圧縮可能の流体が一定圧力の下に熱を受容および放出するとともに等方性の膨張および圧縮を行う。このプロセスは、作動流体が状態変化する動的なプロセスでもよく、作動流体が状態変化をしないプロセスがあってもよい。

経済効率のためには、コストの低い発電機がすべての補助機器に電力を供給すると同時に、送電網とのインタフェースにとって形状（高調波歪みのない）、力率、および周波数がいずれも適当な電力を提供することが望ましい。同期発電機は高価であり、誘導発電機などの安価な発電機と比較して追加の制御装置を必要とする。誘導発電機においてはロータは端部において短絡された単純な導電性バーからなり、これは同期発電機と比べて相当に安価である。しかし、誘導発電機は本質的に力率が低く、送電網には使用できない。

高調波歪みの具体例として、図１に示される発電機８を考慮すれば、この発電機は２７０ｋＷを発生し、ブレーカ１０によって送電網９に接続され、かつ合計７０ｋＷを消費する補助可変速電動機１１、１２に接続されている。送電網９に供給できる正味電力は２００ｋＷである。図１に示されるように、可変速電動機１１、１２は、スイッチング制御装置１４を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチドブリッジコンバータ（ＳＢＣ）１３によって給電され、このＩＧＢＴ ＳＢＣはスイッチング制御装置１４を有し、直流入力１５は三相ダイオード整流器１６によって供給される。

補助機器１１〜１６による送電網９での電流の高調波歪みは、最良の場合でも３２％くらいある。これは効用インタフェースで発生する２００ｋＷに対して約８％の歪みに当たる。送電には高調波歪みが５％以下に含まれていることが要求される。電力バス１７に高調波フィルタトラップ１８が取り付けられているが、これはこの特定の回路に適用されるもので、各場合−すなわち各回路設計−に応じて変えることが必要である。送電網９上の装置がフィルタトラップ１８と相互作用する可能性があり、その場合はフィルタトラップが送電網からの高調波を吸収して、部品に定格値以上の負荷をかける。フィルタトラップは力率の位相差を大きくする原因になりうる。高調波フィルタトラップもコストを増やし、かつ取り付けに必要とされるスペースを増やす。

誘導発電機によって駆動される可変速電動機１１、１２を用いることによって力率の位相差が非常に大きくなり、実用に要求される力率（０．８５ないし０．９５）よりも低くなる。これを大型の力率修正キャパシタ２０によって修正してもよいが、これはシステムのコストを増やし、スペースを必要とし、自励振動源となる恐れがあり、これらは多くの設備において不適当であるかもしれない。これらのキャパシタは、キャパシタへの高調波電流を制限するために、スペースをとる直列インダクタを追加する必要があるかもしれない。

発電した電力を送電網に供給するために、「アイランディング防止」と言われていることも必要とされ、電圧、周波数、または力率が制限値を越えたときに、直ちに発電機を送電網から接続解除することが要求される。これは力率を監視することによって対処できる。発生した電力の電圧または位相と送電網のそれとの差は、検出できるほど充分に力率を変化させ、接続ブレーカをトリッピングさせるからである。

本発明の態様は以下のものを含む。すなわち、発電機で高品質電力を発生すること；発電機に対応し発電機によって給電される補助可変速電動機を有するシステムにおいて、電力の品質を劣化させることなく送電網に供給できるような高品質電力を発電すること；力率修正キャパシタを用いることなく力率を修正すること；補助可変速電動機と対応する安価な誘導発電機を用いるシステムにおいて、高調波歪みが低い、良形の電力を発電すること；改良された熱の回収；系統的ランキンサイクル熱回収システムにおける改良された発電； 補助機器として可変速誘導電動機を含む系統的ランキンサイクルシステムにおいて、低い高調波歪み、高い力率、および適切なアイランディング防止を有しつつ発電すること；および、低い高調波歪み、高い力率、およびアイランディング防止機能を有する改良された発電；である。

本発明によれば、少なくとも１つの対応する補助可変速電動機に電力を供給するとともに送電網に電力を供給する発電機が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチドブリッジコンバータ（ＳＢＣ）を用いて、可変速電動機を駆動する少なくとも１つのＩＧＢＴ ＳＢＣに入力される直流電力を供給する。

本発明のその他の目的、特徴、および利点は以下における、添付の図面に図示される例示的な実施例の詳細な説明に照らしてさらに明らかとなる。

図１に、ある公知のシステムが、三相ダイオード整流器１６を用いてＩＧＢＴコンバータ１３の入力に直流電圧１５を供給することを示す。コンバータ制御装置１４がシステムプロセス制御装置２３からの信号２１、２２に応答する。制御装置２３は、発電機８によって発電された電力の大きさおよび力率の大きさを含めて示す電流信号２６および電圧信号２７に応答する。また制御装置２３は、どの原動機２８からの信号２９にも応答し、かつ原動機に制御信号３０を送る。この原動機は、系統的ランキンサイクル熱回収装置などの熱回収装置でもよい。

ダイオード整流器は、バス１７から、かなり歪んだ正弦波に相当する逆位相離散パルスの電流を導入する。インダクタ１９が、整流器１６によって導入された電流を正弦波に近づけるが、送電網９に供給する電力として受け入れられるような波形をバス１７に提供するのには十分ではない。

図２に、本発明がＩＧＢＴスイッチドブリッジコンバータ（ＳＢＣ）１３ａを用いることにより、高調波歪み、力率、およびアイランディング防止に関する前述の問題点すべてに対処し、ＩＧＢＴのスイッチングは、ＳＢＣ制御装置１４ａによって制御されることを示す。ＳＢＣ１３ａはラインインダクタ３５を有する。このラインインダクタは、電流を制御するために必要であり、直流リンク１５ａにかかる電圧を上げる作用をする。図２において、システムプロセス制御装置２３ａは、バス１７での電流を示す信号２７およびバス１７での電圧を指示する信号２６に応答する。本発明は、発電機８の駆動に適するどの原動機でも使用することができる。

このアルゴリズムの概略は、広く開示された公知のものである。本発明に従って、これらのアルゴリズムは、本発明を使用して特定に求められる結果を出すために、公知の方法で調整することができる。

システムプロセス制御装置２３ａは、特定の設備の性質および／または使用者などの要因に従って、電力目標値(power setpoint)の命令を出す。システムプロセス制御装置はさらに、バス１７での電力の電圧および電流によって示される力率に対して、送電網９に適用する電力に必要とされる力率となるように、力率修正の命令を出す。ただし、この力率修正の命令は、送電網に適用される実際の力率が、約０．９０から約０．９５までの間になるようなディザ(dither)を含んでよい。信号２６、２７によって示される電圧、周波数、および力率が、設定された上限あるいは下限を超えた場合、発電システムがアイランディングを起こしている徴候であり、従来と同じようにブレーカ１０がトリップする原因となる。

アイランディングを防止する他の方法は、寄生（内部）負荷によって消費される有効電力を変化させることである。例えば、システム内の負荷の１つ（電動機１１、１２など）は、制御装置から給電される２０個のファンをもつ下位システムの下位(sub sub-system)であることがある。ファンによって消費される有効電力は、１秒未満から数秒（好ましくは２秒）までの間隔で、一度に５ＫＷだけ動的変化してもよい。その場合、システムからの有効電力および無効電力が、どの外部負荷とも調和しないので、誘導発電機に基づくシステムが外部負荷に同調しなくなる。従って、送電網が停電した場合にも、システムは「アイランド」しない。

制御装置２３ａから配線３７への命令は、送電網９と同位相の適当な良形の正弦波をバス１７に供給しつつ、直流電圧１５ａを発生させるように出される。システムプロセス制御装置が、ＳＢＣ制御装置にどのような電力および力率で動作すべきかを命令し、このＳＢＣ制御装置が複数のＳＢＣを実行させる。システム内に不具合があるとき、あるいは力率のディザに起因して、電圧、周波数、または力率のいずれかが、ある範囲を外れたとき、ブレーカ１０が開く。誘導発電機のステータの励振には、送電網、または図２のシステム内のボルト／アンペア無効電力源からのボルト／アンペア無効電力の支援が必要である。

原動機によって駆動され、ダイオードブリッジコンバータからの直流電力を可変速電動機に給電するとともに、送電網に電力を供給する、先行技術に公知の例示的な発電システムの概略的ブロック線図。 ダイオードブリッジコンバータに代わるＩＧＢＴスイッチドブリッジコンバータからの直流電力を電動機のＩＧＢＴスイッチドブリッジコンバータに供給する、本発明の一実施例の概略的ブロック線図。

Claims (6)

1. 電力を発生させて利用するシステムであって、該システムは、
   原動機（２８）と、
   前記原動機によって回転して三相バス（１７）に電力を供給する三相誘導発電機（８）と、を有し、
   前記三相バスは、負荷（３５、１３ａ、１４ａ、１１〜１４）を有し、かつ三相回路ブレーカ（１０）によって三相送電網（９）に接続可能であり、
   前記負荷は、少なくとも１つの誘導電動機（１１、１２）を含み、
   少なくとも１つの第一の絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチドブリッジコンバータ（１３、１４）が前記少なくとも１つの誘導電動機に三相電力を供給するシステムにおいて、
   少なくとも１つの第二の絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチドブリッジコンバータ（１３ａ、１４ａ）が前記バスに接続（３５）され、かつ前記少なくとも１つの第一のスイッチドブリッジコンバータに直流電力（１５ａ）を供給するように制御され、
   前記バスでの電圧（２６）および電流（２７）に応答する制御装置（２３ａ）が、前記バスでの電力の力率を大きくし、かつ前記バスでの電力波形を歪ませないようにしつつ、前記少なくとも１つの第二のスイッチドブリッジコンバータを制御して、前記直流電圧を前記少なくとも１つの第一のスイッチドブリッジコンバータに供給させることを特徴とする、電力を発生させて利用するシステム。
2. 前記バスでの前記電圧（２６）および電流（２７）に応答して実際の力率を確定することによって、また、確定された電圧、周波数、または力率が、前記力率によって測られる前記制限値内にない場合には、前記回路ブレーカ（１０）をトリップさせることによって、前記制御装置（２３ａ）が、前記バス（１７）での電力の力率を制限値内でディザさせるように、前記少なくとも１つの第二のスイッチドブリッジコンバータ（１３ａ、１４ａ）を制御することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記負荷が、１秒未満から数秒までの間隔で、前記有効電力を一度に数キロワットずつ消費して変化させるように、前記負荷（３５、１３ａ、１４ａ、１１〜１４）が制御されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. システムにおいて電力を発生させて利用する方法であって、前記システムは、原動機（２８）と前記原動機によって回転して三相バス（１７）に電力を供給する三相誘導発電機（８）とを有し、 前記三相バスは、負荷（３５、１３ａ、１４ａ、１１〜１４）を有し、かつ三相回路ブレーカ（１０）によって三相送電網（９）に接続可能であり、前記負荷は少なくとも１つの誘導電動機（１１、１２）を含み、少なくとも１つの第一の絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチドブリッジコンバータ（１３、１４）が三相電力を前記少なくとも１つの誘導電動機に供給する前記方法において、
   前記バスに接続（３５）された少なくとも１つの第二の絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチドブリッジコンバータ（１３ａ、１４ａ）から、前記少なくとも１つの第一のスイッチドブリッジコンバータに直流電力（１５ａ）を供給すること、および、
   前記少なくとも１つの第二のスイッチドブリッジコンバータを、前記バスでの電圧（２６）および電流（２７）に応答させて、前記バスでの電力の前記力率を大きくし、かつ前記バスでの電力波形を歪ませないようにしつつ、前記直流電圧が前記少なくとも１つの第一のスイッチドブリッジコンバータに供給されるように前記少なくとも１つの第二のスイッチドブリッジコンバータを制御すること、を特徴とする方法。
5. 前記バスでの前記電圧（２６）および電流（２７）に応答して実際の力率を確定することによって、また、確定された電圧、周波数、または力率が、前記力率によって測られる前記制限値内にない場合には、前記回路ブレーカ（１０）をトリップさせることによって、前記バス（１７）での電力の力率を制限値内でディザさせるように前記少なくとも１つの第二のスイッチドブリッジコンバータ（１３ａ、１４ａ）を制御することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記負荷が、１秒未満から数秒までの間隔で、前記有効電力を一度に数キロワットずつ消費して変化させるように、前記負荷（１３ａ、１４ａ、１１〜１４）を制御することをさらに含む、請求項４に記載の方法。

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