JP6783101B2 - 発電機コントローラおよびそれを用いた発電機システム - Google Patents

Description

本発明は発電機を制御する発電機コントローラおよびそれを用いた発電機システムに関する。

自然エネルギーや工場等の廃エネルギーを利用した発電制御においては、自然エネルギーや廃エネルギーはエネルギーの供給量が一定せず不安定であり、常に同じ発電量を確保できない場合も多い。よって、自然エネルギーや廃エネルギーの供給変動による出力変動を極力抑える必要がある。本技術分野の背景技術として、特開平１１−６２８１４号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、供給エネルギーの変動に対応するため、例えば風車発電においては風力計の測定値を使用して回転数制御をしており、さらに瞬時の風速変動に対する風速計の計測遅れに対応するためにトルク指令値を変化させて過回転や停止を防止して継続運転させる点が記載されている。

特開平１１−６２８１４号公報

特許文献１は、供給エネルギーの瞬時的な変動に対して発電機の回転数制御を行ない発電量を維持する点について記載しているが、回転数に応じて発電指令に見合った回生制御を行う点については記載されていない。

本発明は、上記課題を解決するために、その一例を挙げるならば、同期発電機を制御する発電機コントローラであって、同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、演算処理部は、同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、直流部の電圧が所定の値になるよう回生トルクを制御し、エネルギー供給量に応じた発電量の最大値の制限を行なうように構成する。

本発明によれば、エネルギー供給量の増減に応じて発電開始と停止を行い、さらにエネルギー供給量に見合った適切な発電量を制御して発電運転を継続することができる。

実施例１における発電機システムの構成例である。 実施例１における発電量制限方法の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

本実施例は、発電中の電動機において、自然エネルギー、例えば水路の水流が増減する場合に発電量制限を直線的に制限する方法である。

図１は本実施例における発電機システムの構成例である。図１において、６は水路の水流等で駆動される水車または風車、５は水車または風車６の軸に結合された発電機であって同期電動機を同期発電機として使用する。４は発電機５の電機子に駆動電流を供給する発電機コントローラであって、発電機５で発電された交流電力を直流電力に変換し、さらに発電機５の回転数と回生トルクを制御して出力の直流電圧を一定の電圧V1に昇圧する周波数変換機Ａである。なお、周波数変換機Ａ４は、発電機５の回転数を決定する図示しない演算処理部と、演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する図示しない記憶部を有している。３は直流電圧を保持する直流部、２は回生コンバータであって、周波数変換器Ａ４が昇圧した直流部電圧V1が、商用電源１の電源電圧を整流して得られる直流電圧V2より一定以上に高くなったときに、商用電源１に電力として供給するための直流を交流に変換する周波数変換機Ｂである。

以下、図１の発電機システムの概略動作について６が水車の場合を想定して説明する。水路の水流によって水車６のランナーが回転し、その軸に結合されている発電機５が回転する。その回転数を周波数変換装置Ａ４で検出し、周波数変換装置Ａ４は発電機５の極数に合わせた周波数の電圧を出力して起動する。発電機５の回転数に合わせて起動するため、起動直後は負荷のほぼ無い状態で起動する。その後、周波数変換装置Ａ４が周波数を減少させ始め回生状態を発生させる。回生状態では、発電機５からのエネルギーが周波数変換装置Ａ４に戻るため、直流部３の直流電圧が上昇する。さらに上昇した直流電圧を周波数変換装置Ｂ２で交流に変換し商用電源１に発電電力を供給する。

水路の水流が十分にあるときは、発電機５の容量に見合った定格100%の発電を継続できる。しかし、水路の水流が減少してきた場合、定格100%の発電制御を続けた場合、回生制御で回転を止めようとする制御を行うので水車のランナーは停止し、発電機５の容量分の発電は行えず発電も停止してしまう。この状態を避けるため、本実施例では発電量の最大値を制限する。

図２は本実施例における発電量制限方法を説明するための説明図である。図２において、横軸は、発電機５の周波数であって、発電機５の回転数に比例し、周波数変換器Ａ４へのエネルギー供給量と相関する。縦軸は、発電量指令である。図２において、周波数が120Hz以上の領域では、水流が定格の発電量に対して十分であるため、周波数変換器Ａ４の演算処理部は、100%の発電量指令で運転して直流部３の電圧をV1に保つように回生トルクを自動で制御する。このとき周波数変換器Ｂ２は直流部３がV2より一定以上に高いV1に昇圧されたのを感知して運転を開始し、商用電源１に電力を供給し始める。周波数変換器Ｂ２が電力を商用電源１に供給を始めると直流部３の電圧が降下するため、周波数変換器Ａ４の演算処理部は、直流部３をV1に保持するように回生トルクを自動で制御する。次に、図２において、周波数が120Hz未満70Hz以上の領域では、水流が減少し100%の発電量が維持できなくなるため、そのときの水流に見合った発電量かつ直流部３の電圧がV1を維持できるように、周波数変換器Ａ４の演算処理部は、発電量の最大値を発電機５の回転数の減少に比例して直線的に制限し、水流で水車のランナーが動き続けるようにして発電を継続する。なお、ブレーキがかかりランナーが停止する場合もあり得る。

水路の水流がさらに減少した場合は、発電を行うことが不可能になるため、図２において、周波数が70Hz未満では、周波数変換器Ａ４の演算処理部は、発電量の最大値の制限の程度を大きくし、60Hz未満では発電を自動停止させる。60Hz未満で発電が自動停止したときは直流部３の電圧もV1からV2に降下するため、周波数変換器B２の商用電源１への電力供給も自動停止する。また、発電の自動停止後に水流が増加して水車の回転数が上がり発電機５の周波数が60Hzより大きくなった場合は、周波数変換器Ａ４の演算処理部は自動で発電運転を開始し、直流部３の電圧をV1に昇圧させる。

図２の直線仕様を実際に定めるにあたっては、実際に適用する水車を利用して特性を把握する必要がある。図２は必ずしもその周波数における水流と水車の組合せによる最大効率を引き出すものではないが、実用にあたって周波数を数点設定するだけでよく実装が容易であり、発電運転の領域を広げ、さらに自然エネルギー等の増減に合わせて自動で発電の開始と停止を行うことができる。

以上のように本実施例は、同期発電機を制御する発電機コントローラであって、同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、演算処理部は、同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、直流部の電圧が所定の値になるよう回生トルクを制御し、エネルギー供給量に応じた発電量の最大値の制限を行なうように構成する。

よって、自然エネルギーや廃エネルギー等のエネルギー供給量が一定でなく比較的変動の大きいエネルギー供給元を利用して発電を行う際に、エネルギー供給量の増減に応じて、自動で発電開始と停止を行い、さらにエネルギー供給量に見合った適切な発電量を制御して発電運転を継続することができる。

本実施例は、水車の設置環境の有効落差、流量、管路抵抗等、水車効率が既知の状態でより最適化した発電量制限を行うものである。

水車が水の流れによって発生する仕事率Prは、流量Q[m³/s]、有効落差 H[m]、水車効率η、重力加速度gとして以下の式（１）で与えられる。
Pr = g × Q × H × η [W] …（１）

また、発電機が回転数N[min-¹]のときにトルクT[Nm]のとき発生する仕事率Pgは以下の式（２）で与えられる。
Pg = (2π/60) × T × N [W] …（２）

また、Q ∝ N、H ∝ N²であり、ηはQに依存して決まることから、ηはNの関数と考えることができる。従って、PrはNの関数と考えることができる。設置場所の有効落差、管路抵抗等、水車効率の仕様が既知であれば、発電機コントローラでNの検出値により水車が発生する Prが一意に定まる。Prが求まれば Pr = Pgとすることで失速することなく指令可能な最大回生トルクTmを下記式（３）で求めることができる。
Tm(N) = Pr(N)/N …（３）

以上のように本実施例は、同期発電機を制御する発電機コントローラであって、同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、演算処理部は、同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、エネルギー供給量に応じた最大回生トルクを同期発電機の回転数により求め、最大回生トルク以下に回生トルクを制限するように構成する。

これにより、発電時の各回転数において最大回生トルク以下に回生トルクを制限することで、設置場所における水車の発生するトルクを最大限利用し、不要な発電停止を防ぎつつ連続運転を継続することができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１：商用電源、２：回生コンバータ（周波数変換器Ｂ）、３：直流部、４：発電機コントローラ（周波数変換器Ａ）、５：発電機、６：水車または風車

Claims (6)

1. 同期発電機を制御する発電機コントローラであって、
   前記同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、
   該演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、
   前記演算処理部は、前記同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて前記同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、直流部の電圧が所定の値になるよう回生トルクを制御し、前記エネルギー供給量が第１の値以下に減少した場合、前記同期発電機の回転数の減少に比例して直線的に発電量の最大値を第１の係数で減少させ制限し、前記エネルギー供給量が前記第１の値より小さい第２の値以下に減少した場合、前記同期発電機の回転数の減少に比例して直線的に発電量の最大値を前記第１の係数よりも大きい第２の係数で減少させ制限することを特徴とする発電機コントローラ。
2. 同期発電機と、該同期発電機を制御する発電機コントローラを有する発電機システムであって、
   前記発電機コントローラは、前記同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、該演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と有し、
   前記演算処理部において前記同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて前記同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、直流部の電圧が所定の値になるよう回生トルクを制御し、前記エネルギー供給量が第１の値以下に減少した場合、前記同期発電機の回転数の減少に比例して直線的に発電量の最大値を第１の係数で減少させ制限し、前記エネルギー供給量が前記第１の値より小さい第２の値以下に減少した場合、前記同期発電機の回転数の減少に比例して直線的に発電量の最大値を前記第１の係数よりも大きい第２の係数で減少させ制限することを特徴とする発電機システム。
3. 請求項２に記載の発電機システムであって、
   前記発電機コントローラは、前記同期発電機で発電された交流電力を直流電力に変換し、前記同期発電機の回転数と回生トルクを制御して直流電圧を出力し、
   該直流電圧を保持する直流部と、
   前記直流部の前記直流電圧が所定の直流電圧より高くなったときに商用電源に電力として供給するための直流を交流に変換する回生コンバータと、を有することを特徴とする発電機システム。
4. 水車の軸に結合された同期発電機を制御する発電機コントローラであって、
   前記同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、
   該演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、
   前記演算処理部は、前記同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて前記同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、前記エネルギー供給量に応じた最大回生トルクを前記同期発電機の回転数と前記水車が水の流れによって発生する仕事率により求め、該最大回生トルク以下に回生トルクを制限することを特徴とする発電機コントローラ。
5. 水車の軸に結合された同期発電機と、該同期発電機を制御する発電機コントローラを有する発電機システムであって、
   前記発電機コントローラは、前記同期発電機の回転数を決定する演算処理部と、該演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、を有し、
   前記演算処理部において前記同期発電機のエネルギー供給量の増減に応じて前記同期発電機の発電運転を開始/停止させる制御を行ない、前記エネルギー供給量に応じた最大回生トルクを前記同期発電機の回転数と前記水車が水の流れによって発生する仕事率により求め、該最大回生トルク以下に回生トルクを制限することを特徴とする発電機システム。
6. 請求項５に記載の発電機システムであって、
   前記発電機コントローラは、前記同期発電機で発電された交流電力を直流電力に変換し、前記同期発電機の回転数と回生トルクを制御して直流電圧を出力し、
   該直流電圧を保持する直流部と、
   前記直流部の前記直流電圧が所定の直流電圧より高くなったときに商用電源に電力として供給するための直流を交流に変換する回生コンバータと、を有することを特徴とする発電機システム。

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