JP6641802B2 - 発電システムの系統連系運転装置と制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電システムの系統連系運転装置と制御方法に係わり、特に発電機の最高出力点での運転装置と制御方法に関するものである。

水力発電システムにおける系統連系装置とは異なるが、発電効率を最も高く得られる風力発電、太陽光発電の制御方法として特許文献１，２などが公知となっている。特許文献１では、発電機速度を制御することにより発電機を最大出力点で運転させている。発電機の最大出力点を直流電圧を操作しながら見つけ出し、あらかじめ、これを直流電圧値と風車速度による出力電力のデータとして不揮発性メモリに記憶する。そして、今回の出力データと記憶データに基づいて最大出力点が取り出せるように制御している。また、特許文献２では、電力変換装置を用いて発電機速度を制御することにより、発電機を最大出力点で運転している。発電機の最大出力点は、原動機の設計データから得られる出力が最大となる速度−トルクパターンを使用している。

特開２００５−２６９８４３ 特許第４５９５３９８

特許文献１，２は、共に原動機の設計データをメモリに記憶する必要があるため、次の問題が生じる。
（１）設計データを記憶するための記憶領域の確保が必要になる。
（２）実際の原動機特性が設計データと異なる場合、最大出力点の位置が設計値とずれてしまう。そのために、誤った最大出力点で発電機が運転される。
（３）原動機の経年劣化などによる設計データとの誤差が生じた場合、最大出力点もずれてしまう。そのために、誤った最大出力点で発電機が運転される。

本発明が目的とするところは、発電機を介して検出される原動機（水車）の速度またはトルクを指令値として変動させ、常に原動機に最大出力を発生させる速度で運転させる発電システムの系統連系運転装置と制御方法を提供することにある。

本発明は、原動機と連結された発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷および系統電源に供給するよう構成された発電システムであって、電力変換装置により発電機の最高出力点で運転するものにおいて、
前記コンバータを制御するコンバータ制御部は、
前記発電機の回転速度を検出し、その回転速度と速度指令との偏差を演算する速度制御手段と、
インバータ出力側から検出された電圧、電流を基に前記発電機の出力電力を演算する出力電力演算手段と、
前記速度制御手段により検出された回転速度と前記出力電力演算手段により算出された出力電力を入力し、前回算出された発電機の出力電力と今回算出された発電機の出力電力を比較して増減の有無を判定し、発電機の出力電力の増減情報を加減速方向決定手段に出力する電力増減判定手段とを備え、
前記加減速方向決定手段は、入力された増減情報を基に発電機の出力電圧を上昇または減少させるための速度の加減方向を決定して制御指令生成部に出力し、
前記発電機の回転速度が所定速度になったとき加減方向を決定のための時間ステップ幅を小さくした加減速方向指令を制御指令生成部に出力するよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の加減速方向決定手段は、速度の加減方向決定時に、次回の速度移動方向を今回の速度移動方向と同じ方向に設定する機能と、次回の速度移動方向を今回の速度移動方向とは反対方向に設定する機能と、前記発電機の回転速度が最大出力点を超えたことを判断する機能を備えたことを特徴とするものである。

本発明は、原動機と連結された発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷および系統電源に供給するよう構成された発電システムであって、電力変換装置のコンバータ制御部により発電機の最高出力点で運転する方法において、
前記コンバータ制御部は、発電機の速度制御を開始した後、当該発電機から検出された速度ｎ１と当該発電機の速度指令との偏差が所定値α未満になった場合に、当該速度ｎ１が安定速度に達したものとみなし、
前記安定速度に達した速度ｎ1での発電機の出力電力を測定し、速度ｎ1に対応する速度指令値に速度変化分△ｎを加えたｎ1＋△ｎ時の速度指令値で安定した速度に達した後の出力電力を測定し、今回測定した出力電力と前回測定した出力電力を比較し、電力増加の場合には前回と同一速度方向に増加させるｎ1＋2△ｎの速度指令とし、減少の場合には前回測定の速度方向とは反対方向の速度変化分を加え、加える速度変化分を△ｎ0（ただし、△ｎ＞△ｎ0）として速度制御することを特徴とするものである。

本発明の速度変化分は、速度指令値による速度移動後で測定した出力電力と当該速度移動前の出力電力との差が大きいほど、大きいことを特徴とするものである。

以上のとおり、本発明によれば、現時点での原動機の出力特性による最大出力点近傍で運転されるため、従来のように原動機の設計データを必要とすることなく、また、原動機が経年劣化していても影響を受けることなく原動機の最大出力点近傍で発電機を制御することが可能なる。また、原動機の設計データを保存するための記憶領域を必要としないものである。

本発明の実施形態を示す電力変換装置の構成図。 水力発電システムの運転フローチャート。 水車（原動機）の出力特性図。 速度可変動作時の説明図で、（ａ）は発電機速度、（ｂ）は出力電力。 本発明の動作フローチャート。 本発明の他の動作フローチャート。

図１は水力発電システムにおける系統連系装置の構成図を示したものである。１は原動機となる水車で、水車１の回転軸に連結された発電機２を回転させて発電し、発電した電力は電力変換装置３を介して負荷及び系統電源７に供給される。電力変換装置３は、コンバータ４とインバータ５を備えており、コンバータ４は発電機２の出力電力を直流に変換する。インバータ５は、系統電源７と連系するために直流を交流に変換する。

電力変換装置３の制御部はコンバータ制御部１０とインバータ制御部２０から構成される。コンバータ制御部１０における１１は速度制御手段で、発電機２の回転速度を検出し、その検出した回転速度と速度指令値との偏差を演算する。１２は発電機の出力電力を演算する出力電力演算手段で、インバータ５の出力側に設置された検出手段６により検出された電圧と電流を入力して出力電力を演算する。

１３は電力増減判定手段で、速度制御手段１１により生成された発電機の回転速度と出力電力演算手段１２によって算出された発電機の出力電力をもとに、発電機の回転速度が変化したとき出力電力の増減を判定する。１４は加減速方向決定手段で、電力増減判定手段１３により判定した出力電力の増減をもとに発電機の出力電力を上昇または減少させるための速度の加減方向を決定し、制御指令生成部１５に出力する。制御指令生成部１５は、入力された制御指令に基づいてコンバータ４のスイッチング素子の制御信号を生成し、発電機２の回転速度を制御する。

インバータ制御部２０では、電力変換装置３の直流回路に設置された直流電圧検出手段２１により検出された直流電圧を、系統連系を行うための電圧・力率制御手段２２に出力する。電圧・力率制御手段２２は、コンバータ４とインバータ５を接続する直流回路の電圧が一定となるよう制御する直流電圧一定制御手段２３と、インバータ５の出力電力が系統と連系できるような力率を生成する系統連系制御手段２４を有している。

水力発電システムでは、上位の制御手段としてシステム制御用のコントローラ３０を備え、コントローラ３０は、電力変換装置３に対しての運転指令情報や系統電源側の開閉器に対する開閉情報、および電力変換装置３からのステータス情報等の信号の授受を行うと共に、ガイドベーンを介して水車の流量を調節している。

図２は水力発電システムが発電を開始するまでのフローを示し、また、図３は水車（原動機）、例えばガイドベーンの開度１００％時の特性図で、コンバータ制御部１０による発電機速度の可変指令出力時を説明するもので、速度の移動ステップ数をｎ0〜ｎ6とした場合である。

図２において、Ｓ１でコントローラ３０からの水力発電システムの運転開始により、水路のガイドベーンを開放して水車へのエネルギー注入を開始すると、水車と機械的に連結された発電機２も回転を開始（Ｓ２）する。また、インバータ制御部２０では、直流電圧一定制御と指定力率で系統電源７と連系運転するための制御が開始される。

発電機２の速度がゼロから次第に増速して所定の速度ｎ0となったとき（Ｓ３）、インバータ制御部２０による直流電圧一定制御と指定力率での系統電源７との連系運転を開始する。発電機速度が電力変換装置による発電運転可能な速度ｎ1を超えたとき（Ｓ４）、コンバータ４による発電機の最高出力点での運転実現の速度制御が開始される（Ｓ５）。Ｓ６，７では後述の本発明による発電機の速度制御が実行され、発電機の出力が最大となる回転速度で運転され、Ｓ８でコントローラ３０から運転停止指令が出力するまで最高出力点での運転が継続される。

図４は、図３で示す速度可変動作時の発電機速度（図４（ａ））と演算した発電機の出力電力（図４（ｂ））を時間軸上で表したものである。図４（ａ）の速度変化点数字の２〜５は図３の速度変化点数字と対応するもので、この変化点数字はコンバータ制御部１０による指令速度での運転中の発電機速度の加減点の速度指令出力点を動作として示している。すなわち、発電機の回転速度がｎ1では速度指令出力点による動作１の運転中において、回転速度がｎ2となった時刻ｔ1では動作２で運転する。同様に、速度ｎ4となった時刻ｔ4では動作３で運転するが、その際、電力増減判定手段１３は、判定時間Ｔにおいて指令値の加減速方向を判断してその情報を加減速方向決定手段１４に出力する。加減速方向決定手段１４は、動作３が発電機の出力増加方向であることから動作２から速度を増加方向に移行する。

一方、回転速度がｎ6では動作３による速度指令値で運転中において、時刻ｔ6では水車の出力がｎ4時の出力より小さくなっていることから、電力増減判定手段１３は加減速方向の判断時に、次回の移動方向を今回とは逆となる方向に設定する。この設定に基づき動作５，６は動作２，３とは逆向きに移動する。なお、動作５，６は通常の増加方向のステップ幅より小さいステップ幅で判定しながら、加減速方向決定手段１４は発電機に対する出力電力の増減方向の指令値を制御指令生成部１５に出力する。

図５は第１の実施例による具体的な動作フローを示したものである。
Ｓ１１で発電機速度がｎ1となったときから、制御指令生成部１５による発電機２の運転が開始される。その際、速度指令が加速方向であることから、加速方向へ刻み幅△ｎで速度変化させｎ1＋△ｎの指令が出力される（図３の動作１）。速度制御手段１１で演算される発電機の速度検出ｎsと発電機への速度指令ｎとの偏差が、設定した偏差α以下となり、速度が定常状態（｜ｎs−ｎ｜＜αのとき）となったとき、判定するための安定判定時間を経過した後の時間Ｔで、発電機の速度が安定状態となったと判定する（Ｓ１２）。なお、この判定で、速度が移動する前の定常状態（速度）の出力電力値は保管されていることから、出力電力の偏差（定常電力を演算しているので、最新の演算値と前回の演算値との偏差）が所定値以下という条件を加味してもよい。

定常状態となったＳ１３では、速度指令を変化させる前の演算された出力電力演算手段１２による出力電力と、速度指令を変化させた後の今回の発電機の出力電力を比較する。Ｓ１４では、今回の演算値が前回演算した出力電力値を超えたか否かが判断され、超えていた場合にはＳ１５に移る。Ｓ１５では、前回の発電機に対する速度指令を変化させたときに、その指令が加速方向への指令であった場合には、再度、速度指令を加速方向へ変化させる。この状態が、図３における動作１→２、動作２→３である。また、前回の発電機の速度指令が減速方向への指令であった場合には、再度、速度指令を減速方向へ変化させる。この状態が、図３における動作４→５、動作５→６である。

Ｓ１４において、今回の演算値が前回演算した出力電力以下であったと判断された場合には、Ｓ１７に移って次回の速度移動方向を今回とは逆方向に設定する（この状態が動作３→４）と共に、Ｓ１８で発電機速度が最大出力点（回転速度ｎ4点）を超えたと判断し、これまでよりも動作ステップ幅の小さい刻み幅△ｎ₀を使用する。動作４→５，動作５→６などはこの刻み幅△ｎ₀が使用される。

Ｓ１６で速度指令に基づく速度移動を開始してＳ１９に移動する。Ｓ１９はＳ１２と同じ条件判断を行い、移動が未完了の場合にはＳ２０で移動動作を継続するが、移動動作が完了していればＳ１２に移って次回への移動動作に移行し、この移動動作を繰り返すことで最大出力点近傍の動作７→９の速度で運転が行われる。すなわち、Ｓ１９，Ｓ２０では、図４で示す時刻ｔ1〜ｔ2またはｔ4〜ｔ5などの動作判断を行っている。

したがって、発電機は、回転速度のｎ3〜ｎ5の出力特性のピーク付近の状態において、速度指令の変化分を通常よりも小さな刻み幅で速度の動作判定が行われるため、精度の高い最大出力点での制御が可能となる。

図６は第２の実施例を示す動作フローで、Ｓ３３において発電機出力の偏差が小さくなるほど速度指令の偏差分を小さくするもので、他は図５と同様である。図６の動作フローで発電機を制御することで、より最大出力点付近での制御が可能となるものである。図６において、△Ｐ1は電力の所定値、△ｎ1，△ｎ2は速度の所定値で、△ｎ1＞△ｎ2の関係を有し、出力偏差が△Ｐ1以下のときの速度移動量を△ｎ1とし、△Ｐ1以上のときの速度移動量を△ｎ2とする。
なお、上記説明では、回転速度の低い方の速度から運転を開始しているが、高い運転速度から運転を開始するときも同じである。

１… 水車（原動機）
２… 発電機
３… 電力変換装置
４… コンバータ
５… インバータ
１０… コンバータ制御部
１１… 速度制御手段
１２… 出力電力演算手段
１３… 電力増減判定手段
１４… 加減速方向決定手段
１５… 制御指令生成手段
２０… インバータ制御部

Claims (4)

1. 原動機と連結された発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷および系統電源に供給するよう構成された発電システムであって、電力変換装置により発電機の最高出力点で運転するものにおいて、
   前記コンバータを制御するコンバータ制御部は、
   前記発電機の回転速度を検出し、その回転速度と速度指令との偏差を演算する速度制御手段と、
   インバータ出力側から検出された電圧、電流を基に前記発電機の出力電力を演算する出力電力演算手段と、
   前記速度制御手段により検出された回転速度と前記出力電力演算手段により算出された出力電力を入力し、前回算出された発電機の出力電力と今回算出された発電機の出力電力を比較して増減の有無を判定し、発電機の出力電力の増減情報を加減速方向決定手段に出力する電力増減判定手段とを備え、
   前記加減速方向決定手段は、
   入力された増減情報を基に発電機の出力電圧を上昇または減少させるための速度の加減方向を決定して制御指令生成部に出力し、
   前記発電機の回転速度が所定速度になったとき加減方向を決定のための時間ステップ幅を小さくした加減速方向指令を制御指令生成部に出力するよう構成したことを特徴とする発電システムの系統連系運転装置。
2. 前記加減速方向決定手段は、速度の加減方向決定時に、次回の速度移動方向を今回の速度移動方向と同じ方向に設定する機能と、次回の速度移動方向を今回の速度移動方向とは反対方向に設定する機能と、前記発電機の回転速度が最大出力点を超えたことを判断する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の発電システムの系統連系運転装置。
3. 原動機と連結された発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷および系統電源に供給するよう構成された発電システムであって、電力変換装置のコンバータ制御部により発電機の最高出力点で運転する方法において、
   前記コンバータ制御部は、
   発電機の速度制御を開始した後、当該発電機から検出された速度ｎ１と当該発電機の速度指令との偏差が所定値α未満になった場合に、当該速度ｎ１が安定速度に達したものとみなし、
   前記安定速度に達した速度ｎ1での発電機の出力電力を測定し、速度ｎ1に対応する速度指令値に速度変化分△ｎを加えたｎ1＋△ｎ時の速度指令値で安定した速度に達した後の出力電力を測定し、今回測定した出力電力と前回測定した出力電力を比較し、電力増加の場合には前回と同一速度方向に増加させるｎ1＋2△ｎの速度指令とし、減少の場合には前回測定の速度方向とは反対方向の速度変化分を加え、加える速度変化分を△ｎ0（ただし、△ｎ＞△ｎ0）として速度制御することを特徴とした発電システムの系統連系運転装置の制御方法。
4. 前記速度変化分は、速度指令値による速度移動後で測定した出力電力と当該速度移動前の出力電力との差が大きいほど、大きいことを特徴とした請求項３記載の発電システムの系統連系運転装置の制御方法。

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