JP6453107B2 - 発電システム - Google Patents

Description

この発明は発電システムに関し、特に、河川、水路などに流れる水のエネルギーを用いて電力を発生する発電システムに関する。

特許文献１には、超低落差水位エネルギーなどを用いて電力を発生する発電システムが開示されている。この発電システムでは、超低落差水位回収機の回転軸の回転速度が増速装置によって増速されて直流発電機の回転軸に伝達される。直流発電機から出力される直流電圧と、太陽電池から出力される直流電圧とが、直流電圧バランス部を介してインバータに供給され、インバータによって交流電圧に変換されて負荷および商用電力系統に供給される。

特開２００２−２６２４６２号公報

しかし、従来の発電システムでは、超低落差水位回収機の回転軸の回転速度を増速して直流発電機の回転軸に伝達する増速装置が設けられていたので、システムが大型化し、コスト高になるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低コストの発電システムを提供することである。

この発明に係る発電システムは、流水によって回転駆動される水車と、水車の回転軸に結合されて水車と同じ回転速度で回転する回転子を含み、水車の回転速度に応じた周波数の第１の交流電圧を出力する交流発電機と、第１の交流電圧を第１の直流電圧に変換するコンバータと、第１の直流電圧を昇圧して予め定められた値の第２の直流電圧を生成する第１の昇圧チョッパと、第２の直流電圧を第２の交流電圧に変換するインバータとを備えたものである。

この発明に係る発電システムでは、増速装置を設けることなく、交流発電機の回転子を水車の回転軸と同じ回転速度で回転させる。したがって、増速装置を設けていた従来と比べ、システムの小型化、低コスト化を図ることができる。さらに、コンバータとインバータの間に第１の昇圧チョッパを設けたので、交流発電機の出力電圧が変動する場合でも、インバータの入力電圧を所定値に維持することができる。

この発明の実施の形態１による小水力発電システムの構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した昇圧チョッパの構成を示す回路図である。 実施の形態１の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態１の他の変更例を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態２による発電システムの構成を示す回路ブロック図である。

[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による小水力発電システムの構成を示す回路ブロック図である。この小水力発電システムは、河川、水路などに流れる水のエネルギーを用いて三相交流電力を生成し、その三相交流電力を商用電力系統３１および負荷３２に供給するものである。図１では、図面および説明の簡単化のため、一相分の回路のみが示されている。

図１において、この小水力発電システムは、遮断器１，１９，２０、絶縁変圧器２，１８、電流検出器３、電圧検出器４、電磁コンタクタ５、励磁装置６、交流発電機７、連結器１０、水車１１、リアクトル１２、コンバータ１３、昇圧チョッパ１４、電解コンデンサ１５、インバータ１６、出力フィルタ１７、および制御装置２１を備える。

遮断器１の一方端子は商用電力系統３１からの商用周波数の交流電圧を受け、その他方端子は絶縁変圧器２の１次側端子に接続される。絶縁変圧器２の２次側端子は電磁コンタクタ５を介して励磁装置６に接続される。遮断器１は、通常時はオンされ、過電流が流れた場合にオフされて小水力発電システムを保護する。絶縁変圧器２は、１次側端子に与えられた交流電圧に応じた電圧値の交流電圧を２次側端子に出力する。

電流検出器３は、絶縁変圧器２の出力電圧の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２１に与える。電圧検出器４は、絶縁変圧器２の出力電流の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２１に与える。電磁コンタクタ５は、制御装置２１によって制御され、小水力発電を行なう場合にオンされ、小水力発電を停止する場合にオフされる。

交流発電機７は、同期発電機であり、励磁巻線（固定子巻線）８および回転子９を含む。励磁装置６は、制御装置２１によって制御され、絶縁変圧器２から電磁コンタクタ５を介して供給される交流電力によって駆動され、励磁巻線８に励磁電流を流す。回転子９は、連結器１０を介して水車１１の回転軸に結合されている。

水車１１は、河川、水路などに流れる水のエネルギーによって回転駆動される。水車１１の回転速度は、水の流速、水量などに応じて変化する。水車１１が回転駆動されると、水車１１の回転軸の回転速度（ｒｐｍ）が連結器１０を介して回転子９に伝達される。回転子９は、水車１１と同じ回転速度（ｒｐｍ）で回転する。

励磁巻線８に励磁電流が流されているときに回転子９が回転駆動されると、回転子９に含まれる回転子巻線に交流電圧ＶＡＣ１が発生する。励磁電流を増大させると、交流電圧ＶＡＣ１の振幅値が増大する。交流電圧ＶＡＣ１は、水車１１の回転速度（ｒｐｍ）に応じた値の周波数を有する。制御装置２１は、交流電圧ＶＡＣ１の瞬時値を検出し、その検出結果に基づいて励磁装置６を制御し、励磁巻線８に流れる励磁電流を調整する。

交流発電機７の回転子９から出力される交流電圧ＶＡＣ１は、リアクトル１２を介してコンバータ１３に与えられる。リアクトル１２は、低域通過フィルタを構成し、交流電圧ＶＡＣ１を通過させ、コンバータ１３で発生するスイッチング周波数の信号が交流発電機７側に通過することを防止する。

コンバータ１３は、複数のスイッチング素子および複数のダイオードを含む。スイッチング素子としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。制御装置２１は、交流電圧ＶＡＣ１に同期してコンバータ１３を制御する。コンバータ１３は、制御装置２１によって制御され、交流電圧ＶＡＣを直流電圧ＶＤＣ１に変換する。

昇圧チョッパ１４は、制御装置２１によって制御され、直流電圧ＶＤＣ１を昇圧して予め定められた値の直流電圧ＶＤＣ２を生成する。昇圧チョッパ１４は、図２に示すように、入力端子Ｔ１，Ｔ２、出力端子Ｔ３，Ｔ４、リアクトルＬ１、ダイオードＤ１、およびＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１を含む。

直流電圧ＶＤＣ１は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に与えられる。リアクトルＬ１の一方端子は入力端子Ｔ１に接続される。ダイオードＤ１のアノードはリアクトルＬ１の他方端子に接続され、そのカソードは出力端子Ｔ３に接続される。トランジスタＱ１のドレインはダイオードＤ１のアノードに接続され、そのソースは端子Ｔ２，Ｔ４に接続される。トランジスタＱ１のゲートは、制御装置２１からのＰＷＭ（pulse width modulation）信号φ１を受ける。電解コンデンサ１５は、出力端子Ｔ３，Ｔ４間に接続される。直流電圧ＶＤＣ２は、出力端子Ｔ３，Ｔ４間に出力される。

ＰＷＭ信号φ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタＱ１がオンし、入力端子Ｔ１からリアクトルＬ１およびトランジスタＱ１を介して入力端子Ｔ２に電流が流れ、リアクトルＬ１に電磁エネルギーが蓄えられる。ＰＷＭ信号φ１が「Ｌ」レベルにされると、トランジスタＱ１がオフし、リアクトルＬ１の電磁エネルギーが放出され、入力端子Ｔ１からリアクトルＬ１、ダイオードＤ１、および電解コンデンサ１５を介して入力端子Ｔ２に電流が流れ、電解コンデンサ１５が充電される。ＶＤＣ２はＶＤＣ１にリアクトルＬ１の端子間電圧を加算した電圧となり、ＶＤＣ２＞ＶＤＣ１となる。

ＰＷＭ信号φ１は、所定周波数を有する。ＰＷＭ信号φ１が「Ｈ」レベルにされる時間と１周期の時間との比はデューティ比と呼ばれる。デューティ比を大きくするほど直流電圧ＶＤＣ２の値が増大する。デューティ比を調整することにより、直流電圧ＶＤＣ２を所望の電圧値にすることが可能となっている。制御装置２１は、直流電圧ＶＤＣ２が所定値になるように、ＰＷＭ信号φ１のデューティ比を制御する。

図１に戻って、昇圧チョッパ１４によって生成された直流電圧ＶＤＣ２は、直流母線Ｌｄｃを介してインバータ１６に供給される。電解コンデンサ１５は、直流母線Ｌｄｃの直流電圧ＶＤＣ２を平滑化および安定化させる。

インバータ１６は、複数のスイッチング素子および複数のダイオードを含む。スイッチング素子としては、たとえばＩＧＢＴが用いられる。制御装置２１は、電圧検出器４によって検出される交流電圧に同期してインバータ１６を制御する。インバータ１６は、制御装置２１によって制御され、直流電圧ＶＤＣ２を商用周波数の交流電圧に変換する。インバータ１６で生成された交流電圧は、出力フィルタ１７を介して絶縁変圧器１８の１次側端子に与えられる。

出力フィルタ１７は、コンデンサおよび複数のリアクトルを含む。出力フィルタ１７は、低域通過フィルタであり、インバータ１６の出力電圧のうちの商用周波数成分を通過させ、インバータ１６で発生するスイッチング周波数の信号が絶縁変圧器１８側に通過することを防止する。換言すると、出力フィルタ１７は、インバータ１６によって生成された交流電圧を正弦波状の交流電圧ＶＡＣ２に変換する。

絶縁変圧器１８は、１次側端子に与えられた交流電圧ＶＡＣ２に応じた電圧値の交流電圧を２次側端子に出力する。絶縁変圧器１８の２次側端子から出力される交流電圧の位相および電圧値は、商用電力系統３１から供給される交流電圧の位相および電圧値と一致している。

遮断器１９は絶縁変圧器１８の２次側端子と負荷３２との間に接続され、遮断器２０は商用電力系統３１と負荷３２の間に接続される。小水力発電システムによって生成された交流電力のみによって負荷３２を駆動させる場合は、遮断器１９がオンされるとともに遮断器２０がオフされる。

小水力発電システムのメンテナンス時などにおいて商用電力系統３１から供給される交流電力のみによって負荷３２を駆動させる場合は、遮断器１９がオフされるとともに遮断器２０がオンされる。小水力発電システムによって生成される交流電力が負荷３２の消費電力よりも大きい場合は、遮断器１９，２０がともにオンされ、小水力発電システムの余剰電力が商用電力系統３１に供給される。

次に、この実施の形態１の動作について説明する。遮断器１，１９，２０はともにオンされているものとする。水車１１は流水によって回転駆動され、水車１１の回転軸の回転速度が連結器１０によって交流発電機７の回転子９に伝達され、回転子９は水車１１と同じ回転速度で回転している。

電磁コンタクタ５がオンされると、商用電力系統３１からの交流電力が遮断器１、絶縁変圧器２、および電磁コンタクタ５を介して励磁装置６に供給され、励磁装置６によって励磁巻線８に励磁電流が流され、回転子９において交流電力が発生する。回転子９から出力される交流電圧ＶＡＣ１は、リアクトル１２を介してコンバータ１３に供給され、コンバータ１３によって直流電圧ＶＤＣ１に変換される。

直流電圧ＶＤＣ１は昇圧チョッパ１４によって所定値の直流電圧ＶＤＣ２に変換され、インバータ１６によって商用周波数の交流電圧に変換される。インバータ１６で生成された交流電圧は、出力フィルタ１７によって正弦波状の交流電圧ＶＡＣ２に変換される。交流電圧ＶＡＣ２は、絶縁変圧器１８および遮断器１９を介して負荷３２に供給される。負荷３２は、小水力発電システムから供給される交流電力によって駆動される。小水力発電システムの余剰電力は、遮断器２０を介して商用電力系統３１に供給される。

この実施の形態１では、水車１１の回転軸の回転速度を増速して回転子９に伝達する増速装置は設けられていない。したがって、増速装置が設けられていた従来と比べ、システムの小型化、低コスト化を図ることができる。

また、交流発電機７から出力される交流電圧ＶＡＣ１をコンバータ１３および昇圧チョッパ１４によって直流電圧ＶＤＣ２に変換した後、その直流電圧ＶＤＣ２をインバータ１６および出力フィルタ１７によって商用周波数の交流電圧ＶＡＣ２に変換するので、水車１１の回転速度に関係なく商用周波数の交流電圧ＶＡＣ２を生成することができる。

さらに、コンバータ１３とインバータ１６の間に昇圧チョッパ１４を設けたので、水車１１の回転速度が低下してコンバータ１３の出力電圧ＶＤＣ１が低下した場合でも、インバータ１６の入力電圧ＶＤＣ２を所定値に維持することができる。

なお、本実施の形態１では、本願発明が三相交流電力を発生する小水力発電システムに適用された場合について説明したが、本願発明は単相交流電力を発生する小水力発電システムにも適用可能である。

図３は、実施の形態１の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図３を参照して、この小水力発電システムは、図１の小水力発電システムに蓄電池２２および電磁コンタクタ２３を追加したものである。蓄電池２２は、電磁コンタクタ２３を介して直流母線Ｌｄｃに接続される。電磁コンタクタ２３は、通常はオンされ、蓄電池２２のメンテナンス時などにオフされる。

商用電力系統３１から交流電力が供給されている通常時には、昇圧チョッパ１４から出力される直流電力の一部が蓄電池２２に供給され、蓄電池２２は所定値の直流電圧ＶＤＣ２に充電される。商用電力系統３１からの交流電力の供給が停止された停電時には、蓄電池２２の直流電力が電磁コンタクタ２３および直流母線Ｌｄｃを介してインバータ１６に供給され、インバータ１６によって交流電力に変換される。停電時には、遮断器２０がオフされる。したがって、停電が発生した場合でも、蓄電池２２に直流電力が蓄えられている期間は負荷３２の運転を継続することができる。

図４は、実施の形態１の他の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図４を参照して、この小水力発電システムは、図１の小水力発電システムに電気二重層コンデンサ２４を追加したものである。電気二重層コンデンサ２４は、直流母線Ｌｄｃに接続される。商用電力系統３１から交流電力が供給されている通常時には、昇圧チョッパ１４から出力される直流電力の一部が電気二重層コンデンサ２４に供給され、電気二重層コンデンサ２４は所定値の直流電圧ＶＤＣ２に充電される。商用電力系統３１から供給される交流電圧が瞬間的に低下した場合（いわゆる瞬停時）には、電気二重層コンデンサ２４の直流電力が直流母線Ｌｄｃを介してインバータ１６に供給され、インバータ１６によって交流電力に変換される。したがって、瞬停が発生した場合でも、負荷３２の運転を継続することができる。

[実施の形態２]
図５は、この発明の実施の形態２による発電システムの構成を示す回路ブロック図であって、図３と対比される図である。図５を参照して、この発電システムが図３の小水力発電システムと異なる点は、商用電力系統３１と切り離され、遮断器１が除去され、複数組（図５では３組）の太陽電池パネル２５および昇圧チョッパ２６と、電磁コンタクタ２７とが追加されている点である。太陽電池パネル２５および昇圧チョッパ２６は１組でも構わない。

負荷３２は、遮断器１９を介して絶縁変圧器１８の２次側端子に接続されるとともに、遮断器２０を介して絶縁変圧器２の１次側端子に接続される。遮断器２０は、通常はオンされ、過電流が流れた場合にオフされる。各太陽電池パネル２５は、対応する昇圧チョッパ２６と電磁コンタクタ２７を介して直流母線Ｌｄｃに接続される。電磁コンタクタ２３は、通常はオンされ、太陽電池パネル２５のメンテナンス時などにオフされる。

各太陽電池パネル２５は、太陽光を受けて太陽光エネルギーを直流電力に変換する。各昇圧チョッパ２６は、対応する太陽電池パネル２５から出力される直流電圧を所定値の直流電圧ＶＤＣ２に変換する。各昇圧チョッパ２６から出力される直流電力は、蓄電池２２に蓄えられるとともに、インバータ１６によって交流電力に変換されて負荷３２および励磁装置６に供給される。

発電システムを起動させるときに必要となる直流電力は、太陽電池パネル２５で生成される。すなわち、発電システムを設置して交流発電機７を起動させる場合は、太陽電池パネル２５および昇圧チョッパ２６によって蓄電池２２を所定値の直流電圧ＶＤＣ２に充電した後、蓄電池２２の直流電力をインバータ１６によって交流電力に変換し、その交流電力によって励磁装置６を起動させ、励磁巻線８に励磁電流を流す。

これにより、交流発電機７によって交流電力が生成され、その交流電力がコンバータ１３、昇圧チョッパ１４、およびインバータ１６によって商用周波数の交流電力に変換され、その交流電力が励磁装置６に供給されて発電システムが起動される。発電システムが起動された後に負荷３２の電源スイッチをオンすれば、負荷３２を駆動することができる。

この実施の形態２では、蓄電池２２を充電するための太陽電池パネル２５および昇圧チョッパ２６を設けたので、商用電力系統から交流電力が供給されていない地域においても商用周波数の交流電力を生成して負荷３２を駆動させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１９，２０ 遮断器、２，１８ 絶縁変圧器、３ 電流検出器、４ 電圧検出器、５，２３，２７ 電磁コンタクタ、６ 励磁装置、７ 交流発電機、１０ 連結器、１１ 水車、１２ リアクトル、１３ コンバータ、１４，２６ 昇圧チョッパ、Ｌｄｃ 直流母線、１５ 電解コンデンサ、１６ インバータ、１７ 出力フィルタ、２１ 制御装置、Ｔ１，Ｔ２ 入力端子、Ｔ３，Ｔ４ 出力端子、Ｌ１ リアクトル、Ｄ１ ダイオード、Ｑ１ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、２２ 蓄電池、２４ 電気二重層コンデンサ、２５ 太陽電池パネル。

Claims (4)

1. 流水によって回転駆動される水車と、
   前記水車の回転軸に結合されて前記水車と同じ回転速度で回転する回転子を含み、前記水車の回転速度に応じた周波数の第１の交流電圧を出力する交流発電機と、
   前記第１の交流電圧を第１の直流電圧に変換するコンバータと、
   前記第１の直流電圧を昇圧して予め定められた値の第２の直流電圧を生成する第１の昇圧チョッパと、
   前記第２の直流電圧を第２の交流電圧に変換するインバータとを備え、
   前記交流発電機は前記回転子および励磁巻線を含む同期発電機であり、
   さらに、商用電力系統から供給される交流電力によって駆動され、前記励磁巻線に励磁電流を供給する励磁装置を備え、
   前記インバータは、前記励磁装置に供給される交流電圧に同期して制御され、商用周波数の前記第２の交流電圧を生成する、発電システム。
2. さらに、前記第１の昇圧チョッパで生成された前記第２の直流電圧を前記インバータに供給するための直流母線と、
   前記直流母線に接続され、前記第２の直流電圧に充電される電力貯蔵装置とを備え、
   前記インバータで使用される直流電力が不足する場合は不足分の直流電力が前記電力貯蔵装置から前記インバータに供給される、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記電力貯蔵装置は蓄電池である、請求項２に記載の発電システム。
4. 前記電力貯蔵装置は電気二重層コンデンサである、請求項２に記載の発電システム。

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