JP4789030B2 - 可変リアクトルを用いた誘導発電機の電圧制御方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、たとえば風力発電に用いられる自励式誘導発電機の電圧制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電力は、重油、石炭等の化石燃料を燃焼させてその熱エネルギを電気エネルギに変換する方法、核分裂による熱エネルギを電気エネルギに変換する方法、或いは水力を電気エネルギに変換する方法によって供給されている。わけても、その大きな割合が、前記化石燃料の燃焼による熱エネルギに依っている。化石燃料の燃焼による熱エネルギからの電力供給システムによるときは、CO2の漸増による地球環境問題を招来するほか、化石燃料供給能力の有限性の問題もある。
【0003】
従って、太陽光、太陽熱、風力、潮力等のクリーンなエネルギの利用技術の開発が強く望まれている。わけても、無尽蔵である風力を電気エネルギに変換する技術は有望であり、風力発電プラントの設置が世界的な規模で進められている。風力エネルギを電気エネルギに変換するには、誘導発電機が適している。誘導機は、構造が簡単で耐久性に富みしかも安価である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
処が、誘導発電機には、低速回転時の自励の問題、高速回転時の過励磁の問題がある。この問題を解決する方法として、コンデンサバンクを切り換えて対応する方法があるけれども、コンデンサ容量を誘導発電機の回転速度に対応させて連続的に変化させることは、きわめて困難である。従来、誘導発電機は、低速回転域では自励しない。逆に、高速回転域では過励磁となり、コンデンサ電流によって固定子巻線が過熱する問題があった。このように、誘導発電機の運転可能速度域は狭隘であった。
【0005】
本発明は、上記従来技術における問題を解決し、自励式誘導発電機における運転可能速度域の上限を、従来技術の3倍以上に拡大できる電圧制御方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法であって、外付けコンデンサCと並列に、磁心M M に施した一次巻線N 1 を接続し、トロイダル状の制御磁心M C で磁心M M の一部を挟み、制御磁心M C に施した制御巻線N C に印加する制御電流(直流)I CON によって生じる制御磁界H C を磁心M M の一部に印加して磁心M M の等価透磁率μ eq を変化させることによって、磁心M M に施した一次巻線N 1 のインダクタンスを連続的に変化させ、風力発電用自励式誘導発電機の回転数が変化する場合でも発電機の所期の一定電圧を出力するようにし風力発電用自励式誘導発電機の許容回転数変動域を拡大するようにしたことを特徴とする可変リアクトルを用いた誘導発電機の電圧制御方法である。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。
【0008】
誘導発電機の回転速度に対する自励範囲は、誘導機定数と外付けコンデンサの容量によって定まる。即ち、回転数が小さい時には、自励しない。逆に、回転数が大き過ぎると過励磁となり、コンデンサ電流による固定子巻線のジュール熱による過熱を招く。従って、誘導発電機の運転可能速度の上限nG,maxは、コンデンサ電流による固定子巻線のジュール熱による過熱を招かない範囲内に制限された。誘導機は構造が簡単で耐久性に富みしかも安価で、風力発電に適しているけれども、誘導発電機を風力発電等に実用するには、前記自励範囲の問題を解決しなければならない。
【0009】
発明者らは、下記に示す定数のかご形誘導電動機を発電機として運転した。このときの回転速度nGに対する自励電圧VGとコンデンサ電流ICとの関係を図1に示す。
3相 0.75(kW) 4極
200(V) 60(Hz) 50(Hz)
Irate 3.2(A) 3.5(A)
1710(rpm) 1430(rpm)
R1=3.1(Ω)
L1+L2’=12.8(mH)
M=195(mH)
R2’=2.33(Ω)
【0010】
図1に示すのは、誘導発電機を1800(rpm)の一定速度で運転したときのコンデンサ容量Cに対する自励電圧VGとコンデンサ電流ICの実測値である。ここに、CO(=33μF)は、定格電圧VO(=200V)を与えるコンデンサ容量である。図1から明らかなように、自励電圧VGはコンデンサ容量に大きく依存している。コンデンサ容量が0.94CO以下では、自励しない。
【0011】
図2に、誘導発電機の回転速度nGと自励電圧VGの関係を、コンデンサ容量Cをパラメータとして示す。ここで、低速域でも発電できるようにすべく、コンデンサ容量を定格電圧VO(=200V)を与えるコンデンサ容量COの2倍としたときの誘導発電機の運転範囲について見てみる。図2から、定格電圧VO(=200V)を与える回転数nG,Oは1387rpmである。一方、自励する運転可能下限速度nG,minは1300rpmであり、運転可能上限速度nG,maxは、誘導機の50Hzにおける定格電流Irate(=3.5A)と等しくなるコンデンサ電流の大きさで定めると、1600rpmである。
【0012】
これらから明らかなように、定格電圧VO(=200V)を与える回転数nG,Oに対する上限n△+と下限n△-の割合は、
n△+={(nG,max−nG,O)/nG,O}×100=15.4(%)
n△−={(nG,min−nG,O)/nG,O}×100= 6.3(%)
と狭い範囲となっている。
さらに、自励電圧VGは、nG,minとnG,maxの間で、160V〜270Vと大きく変化しており、誘導発電機を風力発電に適用するには、電圧制御を実現することの必要性が分かる。
【0013】
誘導電動機における自励電圧VGを制御するには、等価進相電流Ilead,eqの大きさを、回転数の変化に対応して変化させればよい。
従来、等価進相電流Ilead,eqの大きさを、誘導機の回転数に対応して変化させるために、遅相分を注入すべくリアクトルの点弧角を制御することが行われてきた。しかしながら、この方法によってインダクタンスを低歪で広範囲に亘って変化させることは困難であった。
【0014】
【実施例】
図3に、発明者らが開発した磁束制御型可変リアクトルLvarの基本構成を示す。この可変リアクトルは、磁心の等価透磁率を変化させる方式である。この可変リアクトルにあっては、磁路の一部を飽和させるようにしている。そのために、外部から磁心MMの一部に制御磁界を印加する。図3においてM M :磁心、N 1 :M M に施した一次巻線、I 1 :N 1 に流れる一次電流(直流)、H 1 :N 1 I 1 で生じる磁界、H 1 =N 1 I 1 /l MM [A/m]、ここに、l MM はM M の磁路長[m]、M C :制御磁心、N C :M C に施した制御巻線、I CON :制御電流(直流)、H C :N C I CON で生じる磁界、H C =N C I CON /l MC [A/m]、ここに、l MC はM C の磁路長[m]、である。図3に示すように、本発明の風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法に用いられるトロイダル状の制御磁心M C は、磁心M M の一部を挟む如く構成されている。
【0015】
而して、制御磁心M C に施した制御巻線N C に印加する制御電流I CON を操作パラメータとしてM M の一部にH C を印加してM M の等価透磁率μ eq を変化させることによって、M M に施した一次巻線N 1 のインダクタンスを連続的に変化させる。この可変リアクトルを図5に示す回路の要素として組み込み、風速の変化にかかわらず、風力発電用自励式誘導発電機IGの出力電圧をその目標値であるV Gr に一致させる。
【0016】
図4に、本発明において用いる可変リアクトルにおける制御電流に対するインダクタンスの変化の模様を示す。制御電流Iconによってインダクタンスが30倍以上変化している。
【0017】
図5に、本発明の、可変リアクトルを用いた誘導電動機の電圧制御方法を実施するときの制御回路を示す。図5において、
VG,r:自励電圧VGの目標値
KV :自励電圧VGの検出回路におけるゲイン
εV :自励電圧の目標値VG,rと検出された自励電圧VGとの偏差
GV(s):偏差εVから制御電流の目標値Icon,rを出力する電圧
誤差増幅回路
εI :制御電流の目標値Icon,rと、制御磁界MCの制御電流
Iconとの偏差
GI(s):偏差εIから制御電流Iconを出力する電流誤差増幅回
路
KA :電流増幅器におけるゲイン
である。図5に示すように、風速に応じて変化する誘導発電機I.G.の出力電圧を電圧検出回路で検出し、この検出値と自励電圧の目標値VG,rとの偏差εVを出力し、電圧誤差増幅回路G V (s)によって、偏差εVから制御電流の目標値Icon,rを出力する。この制御電流の目標値Icon,rとその時の制御磁界の制御電流Iconとを対比しその偏差εIを出力し、電流誤差増幅器GI(s)と電流増幅器KAによって増幅して制御電流のIconを制御して可変リアクトルのインダクタンスを変化させ、これによって誘導発電機I.G.の出力電圧をその目標値であるVG,rに一致させる。ここで、図5におけるGV(s)を下記式に示すPI増幅器で構成すると、定常状態では、電圧偏差εVは零となり、自励電圧VGはVG,r/KVに一致する。
GV(s)=KP{1+1/(sτI)} (1)
εV=VG,r−KVVG=0 (2)
【0018】
図6に、VG,r/KVを180V、200V、220Vとしたときの誘導発電機I.G.の回転数nGの変化に対する自励電圧VGの振舞いを示す。ここで、GV(s)を(1)式に示すPI増幅器(KP=0.75、τI=6.6×10-3)で構成しているため、定常状態における電圧偏差は0.25%以下と微小である。
電圧制御時の誘導発電機の運転可能領域を、図2に示す無制御時と同様に、コンデンサ容量を2COとした場合で比較すると、定格電圧VO(=200V)を与える回転数nG,Oに対する上限比率n△+は3倍以上に拡大している。また、nG,Oに対する下限比率n△-は、図6に示すように、大きなコンデンサを繋げば低速回転領域でも電圧制御が可能である。
【0019】
図7に、電圧制御時の端子電圧v G 、コンデンサ電流i C とインダクタンス電流i L 波形を示す。iL波形の歪の小さいことが確認できる。
【0020】
図8に、図5に示す抵抗負荷RLを繋がない無負荷状態で、誘導発電機の回転数を変化させたときの自励電圧VGの過渡特性を示す。無制御時には、1804rpmから2000rpmの回転数変化に対し、自励電圧VGは205.3Vから296.8Vへと91.5Vも変化している。
これに対し、制御時には1秒間程度の僅かな過渡応答は認められるものの定常偏差は、0.25%以下の定電圧に制御されている。
【0021】
誘導発電機の電圧を制御しない場合の上限回転数は、コンデンサ容量C=2COとした場合、図2から1600rpmである。これに対し、制御した場合は、図6に示すように、2000rpm以上となる。風力エネルギは風速の3乗に比例するから、電圧を制御することによって、(2000/1600)3=1.95倍の電力を採取できる。また、得られた電力をたとえば、電力系統に送電することを考えると、無制御時には端子電圧が160Vから270V程度に変化しているのに対し、制御時には目標値に一致した電圧となるから、電力系統への送電が容易になる。
【0022】
【発明の効果】
本発明によれば、従来、困難であった誘導発電機における電圧制御を容易にするとともに、誘導発電機の運転可能回転速度範囲を従来の3倍以上に拡大し、誘導発電機の風力発電への適用を実用化できる。また、電流歪がきわめて小さく、インダクタンスを30倍以上に広範囲に可変とすることができる。さらに、可変リアクトルをきわめてコンパクトでシンプルな構造とすることができ安価であるとともに、操作性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】定速度運転時の外付けコンデンサに対する発電電圧を示すグラフ
【図2】無制御時の誘導発電機の回転速度に対する自励電圧VGとコンデンサ電流ICの関係を示すグラフ
【図3】等価透磁率を変化させる本発明における可変リアクトルの構成を示す模式図
【図4】可変リアクトルにおける制御電流に対するインダクタンスの変化を示すグラフ
【図5】本発明の誘導電動機の電圧制御回路を示す回路図
【図6】本発明の電圧制御時の誘導発電機の回転速度に対する自励範囲を示すグラフ
【図7】本発明の電圧制御時の動作波形を示すグラフ
【図8】誘導発電機における電圧制御の有無における過渡特性を示すグラフ
Claims (1)
- 風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法であって、外付けコンデンサCと並列に、磁心M M に施した一次巻線N 1 を接続し、トロイダル状の制御磁心M C で磁心M M の一部を挟み、制御磁心M C に施した制御巻線N C に印加する制御電流(直流)I CON によって生じる制御磁界H C を磁心M M の一部に印加して磁心M M の等価透磁率μ eq を変化させることによって、磁心M M に施した一次巻線N 1 のインダクタンスを連続的に変化させ、風力発電用自励式誘導発電機の回転数が変化する場合も発電機の所期の一定電圧を出力するようにし風力発電用自励式誘導発電機の許容回転数変動域を拡大するようにしたことを特徴とする可変リアクトルを用いた誘導発電機の電圧制御方法。
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