JP6424639B2 - Stand-alone operation device of small hydropower variable speed power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、小水力可変速発電システムの自立運転装置に係わり、特に自立運転時の負荷変動に対応できる自立運転装置に関するものである。 BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a self-sustaining device for a small hydro-power variable-speed power generation system, and more particularly to a self-sustaining device capable of coping with load fluctuations during self-sustaining operation.
図5は、永久磁石同期発電機を用いた小水力可変速発電システムの単結線図を示したもので、この小水力可変速発電システムは連系変圧器14を介して電力系統に連系される。図5において、1は水車、2はフライホイール、3は永久磁石同期発電機で、これらは図示省略された軸受けを介して連結されている。なお、フライホイール2は必須の構成要件ではなく、むしろフライホイール2を有していないシステムが一般的である。
FIG. 5 shows a single connection diagram of a small hydraulic variable speed power generation system using a permanent magnet synchronous generator, and the small hydraulic power variable speed generation system is connected to the electric power system through an
4はコンバータ装置で、このコンバータ装置4には発電機制御インバータ5、系統連系制御インバータ6および各インバータ5,6間の直流回路に接続された直流コンデンサ7と、チョッパ部8と制動抵抗器9からなる制動ユニットを有している。また、10はフィルタで、リアクトルL,コンデンサC,抵抗Rより構成されている。11は発電機側に接続された電磁開閉器、12は系統側に接続された電磁開閉器、13は負荷、15は上位の制御部で、この制御部15はコンバータ装置4に対して運転指令を出力する等の信号の授受を行うと共に、流量調節手段16を介して水車の流量を調節する。なお、流量調節手段16として、以下はガバナを例とする。
A converter 4 includes a
コンバータ装置4は、通常、電力系統と連系運転を行っている。この連系運転時では発電機制御インバータ5は、永久磁石同期発電機3の速度又はトルクを制御する発電機速度(トルク)制御ASRと交流電流制御ACRを行う。系統連系制御インバータ6は直流電圧(直流コンデンサ7の電圧)制御AVRと交流電流制御ACRを行う。
Converter device 4 usually performs an interconnection operation with a power system. During the linked operation, the
図6は、図5に示す小水力可変速発電システムの自立運転時の状態を示したものである。連系運転中、系統連系に異常が発生すると連系変圧器14と負荷13間に設置される電磁開閉器を開放して電力系統と負荷を解列すると共に、系統連系故障検出でコンバータ装置4は上位の制御部15に故障情報を送出してコンバータ装置4は運転を停止する。このとき、チョッパ部8のスイッチング素子をオンすることで、制動抵抗器9に電流を流して永久磁石同期発電機3が出力するエネルギーを消費する。
FIG. 6 shows a state of the small hydro-power variable-speed power generation system shown in FIG. During an interconnection operation, when an abnormality occurs in the interconnection, the electromagnetic switch installed between the
上位の制御部15は、コンバータ装置4からの故障情報を受信すると、コンバータ装置4に対して自立運転指令を送信し、コンバータ装置4はこの指令に基づいて自立運転への切替操作を行う。すなわち、発電機制御インバータ5は連系運転時の発電機ASRと交流電流制御ACR制御から直流電圧一定制御AVRに、また、系統連系制御インバータ6は直流電圧一定制御AVRと交流電流制御ACRから交流電圧一定制御AVRへと各制御モードを切替える。これにより、負荷13に所望の交流出力電圧を供給し、自立運転を実現する。
なお、発電システムの自立運転方法としては、特許文献1や特許文献2が公知となっている。
When the host control unit 15 receives the failure information from the converter device 4, the control device 15 transmits a self-sustaining operation command to the converter device 4, and the converter device 4 performs a switching operation to the self-sustaining operation based on this command. That is, from the generator ASR and AC current control ACR control to DC voltage constant control AVR at the time of grid connection operation, and the grid
In addition, patent document 1 and patent document 2 are known as a self sustaining method of a power generation system.
水車1の出力は流量にほぼ比例する。また、永久磁石同期発電機3の出力電力は、水車1の軸出力にほぼ比例する。さらに、自立運転時には、コンバータ装置4の出力電力電流は負荷13の消費状態に依存する。このことから、負荷変動時には流量の調整が適正でないと、永久磁石同期発電機3の出力電力と負荷13へ供給すべき電力との間にアンバランスが生じる。これが原因で、負荷への供給電圧の低下、すなわち、コンバータ装置4の出力電力の低下や、発電機速度が不安定となる問題がある。 The output of the water turbine 1 is approximately proportional to the flow rate. Further, the output power of the permanent magnet synchronous generator 3 is substantially proportional to the axial output of the water turbine 1. Furthermore, the output power current of the converter device 4 depends on the consumption state of the load 13 during the independent operation. From this, if the flow rate adjustment is not appropriate when the load changes, an imbalance occurs between the output power of the permanent magnet synchronous generator 3 and the power to be supplied to the load 13. Due to this, there is a problem that the supply voltage to the load decreases, that is, the output power of the converter 4 decreases, and the generator speed becomes unstable.
本発明が目的とするところは、システムの安定運転を可能とする小水力可変速発電システムの自立運転装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a self-sustaining device for a small hydro-power variable-speed power generation system that enables stable operation of the system.
本発明は、水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置を介して電力系統に接続し、
コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する小水力可変速発電システムであって、この小水力可変速発電システムで自立運転機能を備えたものにおいて、
前記コンバータ装置に、自立運転に作用する流量調整用の制御ブロックを設け、
制御ブロックは、直流電圧指令値Vdc*と直流電圧検出値Vdcdetの差分に基づいて前記流量調節手段の操作量指令値を生成し、
前記コンバータ装置は、生成された操作量指令値を前記制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき前記流量調節手段を介して水車の流量を調節するよう構成しことを特徴とする小水力可変速発電システムの自立運転装置。
The present invention connects a permanent magnet synchronous generator connected with a water turbine to a power system via a converter device having a generator control inverter and a grid connection control inverter,
Small hydraulic power variable speed power generation equipped with a control unit as a superordinate control system of the converter device to exchange information between the converter device and the control unit, and adjust the flow rate adjusting means by the control unit to adjust the flow rate to the water wheel In this small hydro-power variable-speed power generation system having a self-sustaining operation function,
The converter device is provided with a control block for adjusting the flow rate acting on the independent operation;
The control block generates an operation amount command value of the flow rate adjusting means based on the difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet,
The converter device transmits the generated operation amount command value to the control unit, and the control unit is configured to adjust the flow rate of the water wheel via the flow rate adjusting means based on the operation amount command value. Stand-alone operation device of small hydropower variable speed power generation system.
本発明の制御ブロックは、直流電圧指令値Vdc*と直流電圧検出値Vdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第1のPI制御器と、
第1のPI制御器で生成された流量指令値と前記水車の流量検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第2のPI制御器を備えたことを特徴とする請求項1記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。
The control block of the present invention is a first PI controller that generates a flow rate command value by inputting the difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet;
A second PI controller is provided to generate an operation amount command value of the flow rate adjusting means by inputting the difference between the flow rate command value generated by the first PI controller and the flow rate detection value of the water wheel A self-sustaining device for a small hydro-power variable-speed power generation system according to claim 1, wherein
また、本発明の制御ブロックは、直流電圧指令値Vdc*と直流電圧検出値Vdcdetの差分を入力して発電機出力電力指令値を生成する第1のPI制御器と、
第1のPI制御器で生成された発電機出力電力指令値と前記永久磁石同期発電機の発電機出力電力検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第2のPI制御器を備えたことを特徴とするものである。
Further, the control block of the present invention is a first PI controller which generates a generator output power command value by inputting the difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet;
The difference between the generator output power command value generated by the first PI controller and the generator output power detection value of the permanent magnet synchronous generator is input to generate the operation amount command value of the flow rate adjusting unit And a PI controller.
本発明は、水車と永久磁石同期発電機間にフライホイールを連結したことを特徴とするものである。 The present invention is characterized in that a flywheel is connected between a water turbine and a permanent magnet synchronous generator.
また、 本発明のフライホイールは、前記水車の効率特性曲線上で最大発電出力速度n0以上の速度範囲で、負荷の増減に対応できる慣性を有することを特徴とするものである。 Moreover, the flywheel of the present invention, the maximum power output speed n 0 or more speed ranges on efficiency characteristic curve of the water wheel, it is characterized in that it has a inertia to respond to an increase or decrease of the load.
以上のとおり、本発明によれば、自立運転時での負荷変動に際しても、負荷に対して安定した電力を供給することができる。また、水車や永久磁石同期発電機の速度を安定させることができ、小水力可変速発電システムの安定運転が可能となるものである。 As described above, according to the present invention, stable power can be supplied to the load even when the load fluctuates at the time of the independent operation. In addition, the speed of the water turbine and the permanent magnet synchronous generator can be stabilized, and stable operation of the small hydraulic power variable speed power generation system becomes possible.
本発明は、自立運転時に作用する流量調整用の制御ブロックをコンバータ装置に設ける。制御ブロックは、直流電圧指令値Vdc*と直流電圧検出値Vdcdetの差分を入力して流量指令値を生成する第1のPI制御器と、生成された流量指令値と水車の流量検出値の差分を入力して流量調節手段の操作量指令値を生成する第2のPI制御器を備える。コンバータ装置は、生成された操作量指令値を上位の制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき流量調節手段を介して水車の流量を調節するもので、以下図に基づいて説明する。 According to the present invention, a converter block is provided with a control block for flow rate adjustment that acts during a self-sustaining operation. The control block inputs the difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet to generate a flow rate command value, and the difference between the generated flow rate command value and the flow rate detection value of the water turbine And a second PI controller which generates an operation amount command value of the flow rate adjusting means. The converter device transmits the generated operation amount command value to the upper control unit, and the control unit adjusts the flow rate of the water wheel through the flow rate adjusting means based on the operation amount command value, and the description will be made based on the following figures. Do.
図1は、本発明による流量調整の制御ブロックを示したもので、この流量調整の制御ブロックは、コンバータ装置4内に設置される。前述のように、小水力可変速発電システムの自立運転時に、発電機制御インバータ5は直流電圧一定制御AVRの制御モードで運転される。減算部20で、その時の直流電圧指令値Vdc*と、直流電圧検出値Vdcdetとの差分を得て第1のPI制御器21に入力し、PI制御器21で比例積分演算する。ここで、直流電圧指令値Vdc*は、系統連系制御インバータ6からの交流出力電圧が所望値に出力できる値に設定される。
この場合の所望の交流出力電圧は、電力系統の電圧と同値とするのが一般的である。直流電圧指令値Vdc*=直流電圧検出値Vdcdetに制御ができれば、図示省略されたインバータの制御回路を介して系統連系制御インバータ6を制御し、所望の交流出力電圧を負荷13へ給電することが可能となる。
FIG. 1 shows the control block of the flow regulation according to the invention, which control block of the flow regulation is installed in the converter device 4. As described above, during the independent operation of the small hydraulic power variable speed power generation system, the
The desired AC output voltage in this case is generally equal to the voltage of the power system. If control can be made to the DC voltage command value Vdc * = DC voltage detection value Vdcdet, the grid
一方、PI制御器21による比例積分値は流量指令値となって減算部22に入力され、流量検出値との差分が得られる。流量検出値は、水車1の流路に設置された流量計により検出され、その検出値が流量検出値として減算部22に入力さて流量指令値との差分が演算される。差分は第2のPI制御器23に入力されてガバナ操作量指令値が演算される。このガバナ操作量指令値は、コンバータ装置4から上位の制御部15に送信される。制御部15は、ガバナ操作量指令値に応じてガバナ16の開度を制御して水車1の流量を調節する。
On the other hand, the proportional integral value by the
図1で示す流量調整の制御ブロックにおいて、自立運転中に負荷13が急増すると、永久磁石同期発電機3の出力電力<(負荷が必要とする電力)となり、直流電圧検出値Vdcdetが直流電圧指令値Vdc*未満に低減する。この場合、減算部20の差分に応じて第1のPI制御器21は流量指令値を上昇させる。流量指令値の上昇により、さらに、第2のPI制御器23の動作によりガバナ16の開度を大きくする方向にガバナ操作量指令値を出力することで流量が増加し、水車1の出力及び永久磁石同期発電機3の出力電力を上昇させることができる。
In the control block of flow rate adjustment shown in FIG. 1, when the load 13 increases rapidly during the stand-alone operation, the output power of the permanent magnet synchronous generator 3 becomes <(power required by the load), and the DC voltage detection value Vdcdet is the DC voltage command Reduce to less than the value Vdc * . In this case, the
したがって、この実施例によれば、負荷が必要とする電力を永久磁石同期発電機3より供給することができ、発電機速度も安定するため、システムの安定運転が可能となるものである。 Therefore, according to this embodiment, the power required by the load can be supplied from the permanent magnet synchronous generator 3, and the generator speed is also stabilized, so that stable operation of the system is possible.
図2は、本発明の第2の実施例による流量調整の制御ブロックを示したもので、図1と同一部分若しくは相当する部分に同一符合を付している。すなわち、図1との相違点は、第1のPI制御器21は発電機出力電力指令値となり、また、減算部22に入力される信号は発電機出力電力検出値となることである。発電機出力電力検出値は、永久磁石同期発電機3の出力に電力計を設置することなどによって求める。
FIG. 2 shows a control block of flow rate adjustment according to a second embodiment of the present invention, where the same or corresponding parts as in FIG. That is, the difference from FIG. 1 is that the
この実施例において、自立運転中に負荷13が急増することで、永久磁石同期発電機3の出力電力<(負荷が必要とする電力)となり、直流電圧検出値Vdcdetが直流電圧指令値Vdc*未満に低減した場合、減算部20の差分が大きくなり第1のPI制御器21は発電機出力電力指令値を上昇させる。さらに、第2のPI制御器23の動作によりガバナ16の開度を大きくする方向にガバナ操作量指令値を出力することで流量が増加し、水車1の出力及び永久磁石同期発電機3の出力電力を上昇させることができる。
In this embodiment, when the load 13 increases rapidly during the stand-alone operation, the output power of the permanent magnet synchronous generator 3 becomes <(power required by the load), and the DC voltage detection value Vdcdet is less than the DC voltage command value Vdc * The difference of the
したがって、第2の実施例も第1の実施例と同様に、負荷が必要とする電力を永久磁石同期発電機3より供給することができ、発電機速度も安定するため、システムの安定運転が可能となるものである。 Therefore, in the second embodiment as well as in the first embodiment, the power required by the load can be supplied from the permanent magnet synchronous generator 3, and the generator speed is also stabilized. It is possible.
第3の実施例は水車1と永久磁石同期発電機3との間に、フライホイール2を連結したものである。図3は自立運転負荷変動時のエネルギー状態の説明図で、(a)は負荷増加時、(b)は負荷減少時を示したものである。
小水力可変速発電システムの自立運転時には発電機速度の可変速制御は行わないので、永久磁石同期発電機3の速度は水車出力の発電エネルギーと負荷13の消費エネルギーとのバランスに応じて推移する。
In the third embodiment, a flywheel 2 is connected between a water turbine 1 and a permanent magnet synchronous generator 3. FIG. 3 is an explanatory view of an energy state at the time of a self-sustaining load change, where (a) shows an increase in load and (b) shows a decrease in load.
Since the variable speed control of the generator speed is not performed during the stand-alone operation of the small hydraulic power generation system, the speed of the permanent magnet synchronous generator 3 changes according to the balance between the generated energy of the water turbine output and the consumed energy of the load 13 .
図3で示すように、自立運転時にガバナ16の開閉による応答遅れが生じると、負荷増加時(a)及び負荷減少時(b)それぞれの現象で示すように、ガバナ16の応答時間中に発電出力と負荷消費電力とのバランスが崩れて発電機速度が不安定となることが懸念される。そこで、この実施例は、負荷変動分を補う慣性を有するフライホイール2を水車1と永久磁石同期発電機3との間に連結したものである。
As shown in FIG. 3, when a response delay occurs due to opening and closing of the
図4は、水車の効率特性曲線を示したもので、例えば開度100%時の効率特性曲線を用いて最大発電出力速度n0以上の点線で囲んだ速度範囲内で、負荷増加時及び負荷減少時に対応した自立運転ができるようフライホイール2の慣性で補填し、負荷変動時の永久磁石同期発電機3の速度不安定を防止する。 FIG. 4 shows the efficiency characteristic curve of the water turbine, for example, when the load is increased and the load is within the speed range surrounded by the dotted line above the maximum power generation output speed n 0 using the efficiency characteristic curve at 100% opening. The inertia of the flywheel 2 is compensated so that the self-sustaining operation corresponding to the decrease can be performed, and the speed instability of the permanent magnet synchronous generator 3 at the time of load change is prevented.
この実施例では、負荷不足・余剰分の電気エネルギーと負荷変動時の速度偏差から生じる運動エネルギーが釣り合うときに実施できる。そのために必要なフライホイール2の慣性は、基準速度から上昇・下降制限速度(図3(a),(b))を設定し、その速度偏差とガバナ応答時間から運動エネルギーを求め、この慣性を持つフライホイール2を水車1と永久磁石同期発電機3に連結する。 In this embodiment, it can be carried out when the load shortage / excess electric energy and the kinetic energy generated from the speed deviation at the time of load fluctuation are balanced. The inertia of the flywheel 2 required for that purpose sets the rising / falling limiting speed (Fig. 3 (a), (b)) from the reference speed, obtains kinetic energy from the speed deviation and governor response time, The flywheel 2 is connected to the water turbine 1 and the permanent magnet synchronous generator 3.
したがって、この実施例によれば、実施例1,2と比較して、さらに良好なシステムの安定運転が可能となるものである。 Therefore, according to this embodiment, stable operation of the system can be further improved as compared with Embodiments 1 and 2.
1… 水車
2… フライホイール
3… 永久磁石同期発電機
4… コンバータ装置
5… 発電機制御インバータ
6… 系統連系制御インバータ
15… 制御部
16… 流量調節手段
20,22… 減算部
21,23… PI演算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water wheel 2 ... Flywheel 3 ... Permanent magnet synchronous generator 4 ...
Claims (5)
コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する小水力可変速発電システムであって、この小水力可変速発電システムで自立運転機能を備えたものにおいて、
前記コンバータ装置に、自立運転に作用する流量調整用の制御ブロックを設け、
制御ブロックは、直流電圧指令値Vdc*と直流電圧検出値Vdcdetの差分に基づいて前記流量調節手段の操作量指令値を生成し、
前記コンバータ装置は、生成された操作量指令値を前記制御部に送信し、制御部は操作量指令値に基づき前記流量調節手段を介して水車の流量を調節するよう構成しことを特徴とする小水力可変速発電システムの自立運転装置。 Connecting a permanent magnet synchronous generator connected to the water turbine to the electric power system via a converter device having a generator control inverter and a grid connection control inverter,
Small hydraulic power variable speed power generation equipped with a control unit as a superordinate control system of the converter device to exchange information between the converter device and the control unit, and adjust the flow rate adjusting means by the control unit to adjust the flow rate to the water wheel In this small hydro-power variable-speed power generation system having a self-sustaining operation function,
The converter device is provided with a control block for adjusting the flow rate acting on the independent operation;
The control block generates an operation amount command value of the flow rate adjusting means based on the difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet,
The converter device transmits the generated operation amount command value to the control unit, and the control unit is configured to adjust the flow rate of the water wheel via the flow rate adjusting means based on the operation amount command value. Stand-alone operation device of small hydropower variable speed power generation system.
第1のPI制御器で生成された流量指令値と前記水車の流量検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第2のPI制御器を備えたことを特徴とする請求項1記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。 The control block is configured to generate a flow rate command value by inputting a difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet;
A second PI controller is provided to generate an operation amount command value of the flow rate adjusting means by inputting the difference between the flow rate command value generated by the first PI controller and the flow rate detection value of the water wheel 2. A self-sustaining device for a small hydro-power variable-speed power generation system according to claim 1.
第1のPI制御器で生成された発電機出力電力指令値と前記永久磁石同期発電機の発電機出力電力検出値の差分を入力して前記流量調節手段の操作量指令値を生成する第2のPI制御器を備えたことを特徴とする請求項1記載の小水力可変速発電システムの自立運転装置。 The control block is a first PI controller that generates a generator output power command value by inputting a difference between the DC voltage command value Vdc * and the DC voltage detection value Vdcdet;
The difference between the generator output power command value generated by the first PI controller and the generator output power detection value of the permanent magnet synchronous generator is input to generate the operation amount command value of the flow rate adjusting unit The self-operated apparatus according to claim 1, further comprising a PI controller.
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