JP7191543B2 - 水力発電系統連系システム - Google Patents

Description

この発明は、小水力発電装置等の水力発電装置を交流商用電力の系統に連系する水力発電系統連系システムに関する。

水力発電装置は流水が持つ運動エネルギーを発電に利用するシステムである。主な構成は、水の流れを受け回転する水車、水車と連結され回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、発電機の出力及び水車を制御する制御装置から構成される。発電機より取り出す最適な電力は、流速により変化するため、制御装置は、流速あるいは水車の回転速度あるいは発電機の発電電圧を計測し、発電機より取り出す最適な電力を決定し、発電機の電力量と最適値が一致するように制御する。

水力発電した電力を交流商用電力の系統（以下単に「系統」と称する場合がある）に連系して売電する系統連系システムは、発電機の出力が最大になる様、最大効率トルク、回転速度制御をする為、同期発電機と、同期発電機専用の発電機制御手段（発電機制御ドライバ）及び出力電圧制御手段（系統連系インバータ）で構成されており、同期発電機に合わせた専用設計の機器とされている。

例えば図６に示すように、水力発電装置の発電機５１の３相交流の出力を直流に変換する電力変換回路５２、その制御手段である発電機制御手段５３と、直流を系統５４に応じた交流電力に変換するインバータ５５およびその出力電圧制御手段５６からなる系統連系インバータとで系統連系システムが構成されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７－６５５３号公報

従来の系統連系水力発電システムの構成は、同期発電機、同期発電機専用の発電機制御手段（発電機制御ドライバ）及び出力電圧制御手段（系統連系インバータ）で構成されており、発電機に合わせた専用設計の機器である為、機器が高額となる。
そのため、農業用水や工業用水等の用水路等に設置される小発電電力の発電装置、いわゆる小水力発電装置では、システム全体における系統連系のための電気系の機器が占めるコストの割合が多くなり、不経済である。

そこで、図５の提案例に示すように、太陽光発電の系統連系用の汎用品であるパワーコンディショナ８を用いることを考えた。水車１の高速回転等による過電圧からの保護には、消費抵抗装置７を用いることで対応する。消費抵抗装置７は、風車１の回転制御や回路保護等のために、発電機３で発電した電力を消費する手段である。消費抵抗装置７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とパワーコンディショナ８との間で、正電位側配線と負電位側とを短絡させて電力消費する消費抵抗ｂと、この消費抵抗７ａに直列接続されたスイッチ７ｂと、このスイッチ７ｂを開閉させる消費抵抗制御手段２２とで構成される。

前記消費抵抗装置７およびその消費抵抗制御手段２２を備えていると、水車１の高速回転や系統９の停電等により生じる過電圧電力を吸収することができ、この水力発電系統連系システムを構成する機器の過電圧による劣化や損傷を防止することができる。
しかし、消費抵抗装置７を設けると、その分、制御装置が煩雑化し、コスト低下の面で今一つ不十分である。なお、同図における消費抵抗装置７に関係する構成部分の他は、図２に示す実施形態と同様であり、対応部分に同一符号を付して説明を省略する。

この発明は上記課題を解消するものであり、その目的は、系統連系のための手段に汎用品が使用できて、品質を確保しながら、コスト低下が図れ、かつ水車の高速回転等による過電圧電力からの保護も簡易な手段の追加で対処できる水力発電系統連系システムを提供することである。

この発明の水力発電系統連系システムは、水車１と、水車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３と、この発電機３の発電電力を直流電力に変換する整流器１５と、この整流器１５で整流した直流電力を系統９に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナ８と、前記発電機３の負荷を調整して前記水車１の回転数を制御する制御装置とを備え、
前記パワーコンディショナ８が、一体の汎用品であり、前記整流器が、整流を行う整流機能部と、前記発電機の発電電力の前記整流機能部への入力をオンオフしオフさせるスイッチ機能部とを有し、前記制御装置は前記整流機能部がオフであるときに発電電力を抵抗によって消費させる手段を有しないことを特徴とする。

この構成によると、発電電力を系統９に連系する機器に、一体の汎用品のパワーコンディショナ８をそのまま利用するため、品質を確保しながら、専用設計の機器を用いる場合に比べて安価な水力発電システムを提供する事が可能となる。
発電機３の負荷の調整により水車１の回転数を変える制御は、パワーコンディショナ８のＭＰＰＴ制御等による制御およびパワーコンディショナ８とは別に設けた前段の制御装置４で行い、制御装置４によりフェールセーフ制御、交流/直流変換制御を行う事で直流発電電力をパワーコンディショナ８に供給するようにしたため、汎用のパワーコンディショナ８を用いることが可能となる。
また、前記整流器１５が、前記発電機３の発電電力の前記整流機能部１５ａへの入力をオンオフさせるスイッチ機能部１４を有するため、水車１の高速回転等よる過電圧電力に対して制御装置４やパワーコンディショナ８の保護が図れる。前記制御装置４は前記整流機能部１５ａがオフであるときに発電電力を抵抗によって消費させる手段を有しないため、消費抵抗手段によるコスト増を抑えることができる。水車１の高速回転は、ブレーキ手段等を設けることで対処可能である。
なお、この明細書で言う「汎用品」は、特定の機種の発電装置に専用に設計されたものではなく、入力が処理可能な電力、電圧の範囲であり、かつ連系する系統９の電圧および周波数が適合すれば、適用できる機器であることを言う。また、「一体の汎用品」は、全ての構成部品が共通の筐体に組み込まれ、一つの物として取扱可能な汎用品を言う。

前記パワーコンディショナ８は、前記パワーコンディショナ８が、太陽光発電の系統９への連系向けの汎用品であってもよい。すなわち、太陽電池セルが組み合わせられた太陽電池パネルを系統９に連系するパワーコンディショナ８であってもよい。
太陽光発電は普及が進んでおり、系統連系用のパワーコンディショナ８につき、量産効果によって安価で品質の良いものが多く市販されている。このような市販のパワーコンディショナ８を用いることで、より一層安価で高品質の水力発電系統連系システムを構築することができる。

この発明において、前記発電機３の前記整流器１５で整流された電圧を計測する電圧検出手段１８と、
前記発電機３の前記整流器１５で整流された電流を計測する電流検出手段１７と、
前記発電機３の発電電力の周波数から前記発電機３の回転数を検出する回転数検出手段１９と、
前記電圧検出手段１８、前記電流検出手段１７、および前記回転数検出手段１９が検出した電圧、電流、および回転数、並びに前記パワーコンディショナ８が出力する起動、停止、および異常信号から、定められた保護作動条件を充足する場合に、前記発電機３の前記整流器１５の前記スイッチ機能部１４へのオフの指令および前記発電機３に備えられた制動手段１０の制動のいずれか一方または両方を行わせるフェールセーフ制御手段２３を有する構成であってもよい。
このようなフェールセーフ制御手段２３を有することで、この水力発電系統連系システムを構成する機器の前記過電圧による劣化や損傷をより一層良好に防止することができる。

この発明の水力発電系統連系システムは、水車と、水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、この発電機の発電電力を直流電力に変換する整流器と、この整流器で整流した直流電力を系統に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナと、前記発電機の負荷を調整して前記水車の回転数を制御する制御装置とを備え、前記パワーコンディショナが、一体の汎用品であり、前記整流器が、整流を行う整流機能部と、前記発電機の発電電力の前記整流機能部への入力をオンオフさせるスイッチ機能部とを有し、前記制御装置は前記整流機能部がオフであるときに発電電力を抵抗によって消費させる手段を有しないため、系統連系のための手段に汎用品が使用できて、品質を確保しながら、コスト低下が図れ、かつ水車の高速回転等による過電圧電力からの保護も簡易な手段の追加で対処することができる。

この発明の一実施形態に係る水力発電系統連系システムの概念構成を示すブロック図である。 同水力発電系統連系システムの具体例のブロック図である。 同水力発電系統連系システムに用いた太陽光発電用のパワーコンディショナの概念構成を示すブロック図である。 同水力発電系統連系システムにおける整流器の説明図である。 参考提案例に係る水力発電系統連系システムの概念構成を示すブロック図である。 従来例の電気回路図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１に示す水力発電機は、水車１が水平軸型（プロペラ型）の水力発電機の例である。水車１は、農業用水、工業用水等の水路、または上下水道等に設置される比較的に小型の水車である。水の運動エネルギーにより水車１が回転し、水車１の主軸１ａが発電機３を回転させる。水車１と発電機３とで水力発電装置２が構成される。水力発電装置２には、水車１または発電機３を制動する電磁ブレーキ１０等の制動手段が設けられている。
発電機３は、制御装置４およびパワーコンディショナ８を介して系統９に接続される。系統９は、交流商用電力系統であり、例えば１００Ｖまたは２００Ｖで５０または６０Ｈｚの低電圧配線である。
前記水車１、発電機３、制御装置４、およびパワーコンディショナ８により水力発電系統連系システムが構成される。

発電機３は、永久磁石を使用した三相同期発電機であり、主軸１ａにカップリング（図示せず）等で締結されている。必要に応じて主軸１ａと発電機３の間に増速機（図示せず）が設けられる。発電機３に負荷を接続して出力をとると、水車１に発電機３からトルクがかかり、水車１の回転が制動される。負荷を重くすると水車１の回転速度は遅くなり、負荷を軽くすると水車１の回転速度は速くなる。発電機３の負荷として制御装置４が接続されている。

制御装置４は、水路の流速に応じて発電機３のトルクを増減させ水車１が最適な回転数で回転するように制御する。水路の流速は、流速計２５で検出する。流速に代え、または流速と併用して、水車１の回転数、または発電機３の回転数に応じて発電機３のトルクを増減させるようにしてもよい。発電機３の回転数は発電電力の周波数から検出してもよい。水車１の回転数と発電機３の回転数とは定まった関係にあり、いずれか一方が検出できれば他方は演算で分かる。

制御装置４は、主回路部６と、この主回路部６を制御する制御回路部５とを備える。主回路部６に、発電機３の３相交流電力を直流に変換する整流器１５と、その整流した直流を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１６が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、例えば、昇圧側となる２次側の電圧が制御入力によって制御可能なものを用いている。

前記パワーコンディショナ８は、系統９に並列接続して連系する装置であり、入力された直流電力を系統９と同等の電圧( 少し高い電圧) 、周波数、および位相の交流電力に変換する。
このパワーコンディショナ８として、一体の汎用品が用いられている。すなわち、筐体内に構成部品（いずれも図示せず）が収められ一体の機器として取扱可能な汎用品が用いられている。この実施形態では、パワーコンディショナ８として、太陽光発電の発電電力を系統９に連系な交流電力に変換する太陽光発電向けに量産されているパワーコンディショナを用いている。

図３は、この実施形態に用いる太陽光発電用のパワーコンディショナ８の一例を示す。このパワーコンディショナ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、ＤＣ／ＡＣインバータ３２と、制御手段３３とを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、入力された直流電力を系統９の電圧に対応する電圧に昇圧させる手段であり、出力電圧が可変である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の入力電圧は、このパワーコンディショナ８の本来の用途である太陽電池モジュール３６の出力電圧であり、一般的な太陽光発電で系統連結のために出力させる電圧のうちのいずれかの電圧（例えば単相１００Ｖ、２００Ｖまたは３相２００Ｖ）とされている。ＤＣ／ＡＣインバータ３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１から出力された直流電力を、系統９に連系可能な周波数および位相の交流電力に変換する。

前記制御手段３３は、電力制御部３４と最大電力点制御部３５とを有する。電力制御部３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１およびＤＣ／ＡＣインバータ３２に対して基本的な制御を行う。最大電力点制御部３５は、山登り法による最大電力点追尾制御（ＭＰＰＴ制御）を行うように、前記電力制御部３４に指令を与える。

ＭＰＰＴ制御につき説明する。太陽電池モジュール３６等の発電機器の発電量は、電圧と電流の積で決まるが、発電する電圧と電流は変動する。この変動に対して、最大電力点追尾制御部３５によるＭＰＰＴ制御では、最大の出力が発生するように電圧と電流の組み合わせとなる動作点を常に探し求める。前記電力制御部３４は、上記のように最大電力点制御部３５で求められた動作点で働くように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１およびＤＣ／ＡＣインバータ３２を制御する。
この実施形態の場合、発電機３の発電電力の変動により、整流されてパワーコンディショナ８に入力される電力の電流、電圧の変動が生じるが、この変動に対して、最大電力点制御部３５が上記の機能を果たす。
なお、制御手段３３は、最大電力点制御部３５を設けずに、例えばパルス幅変調方式で制御をＤＣ／ＤＣコンバータ３１およびＤＣ／ＡＣインバータ３２を制御する構成であってもよい。

図２は、発電機３とパワーコンディショナ８との間に設けられる前記制御装置４の具体的構成例を示す。主回路部６は、前記整流器１５およびＤＣ／ＤＣコンバータ１６の他に、ＡＣ／ＤＣ制御電源１３、電流検出手段である電流計１７、回転数検出手段１９、および電圧検出手段である電圧計１８を有する。
前記整流器１５は、発電機３の３相交流の発電電力を直流に変換する手段であり、この変換を行う整流機機能部１５ａと、スイッチ機能部１４とを有する。整流機機能部１５ａは、各相毎に出力の正電位側と負電位側とに位置する２つの半導体スイッチング素子（図示せず）が設けられたハーフブリッジ回路からなる。

スイッチ機能部１４は、発電機３から整流機機能部１５ａに入力される回路を開閉する各相のスイッチング素子で構成される。スイッチ機能部１４の各スイッチング素子は、制御入力によって開閉可能な素子である。
図４は、スイッチ機能部１４の具体例を示す。同図の例では、スイッチ機能部１４は各相毎にサイリスタ１４ａとダイオード１４ｂとを有し、スイッチ機能部１４に入力される電圧に設定電圧以上の電圧が作用すると前記各相のサイリスタ１４ａをオフさせる過電圧時オフ指令手段１４ｃが設けられている。過電圧時オフ指令手段１４ｃは、前記スイッチ機能部１４に入力される電圧が設定電圧以下になると、サイリスタ１４ａをオンに復帰させる。オフさせる電圧とオンにさせる電圧には差を設けてヒステリシスを与え、設定電圧付近での頻繁なオンオフの繰替えしを回避するようにしてもよい。
同図の例は、整流器１５が前記過電圧時オフ指令手段１４ｃを有するようにしたが、前記過電圧時オフ指令手段１４ｃは、前記制御回路部５に設けられていてもよい。

ＡＣ／ＤＣ制御電源１３は、制御装置４を動作させる電源であり、発電機３の発電する交流電力の一部を直流電力に変換し、制御回路部５および消費抵抗装置７に供給する。ＡＣ／ＤＣ制御電源１３の代わりに、電池等の別の電源を用いてもよい。
電流計１７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６により昇圧された電流の電流値を検出する。電圧計１８は、同じく昇圧された電流の電圧値を検出する。つまり、電流計１７および電圧計１８は、パワーコンディショナ８に入力される電流および電圧を検出する。
回転数検出手段１９は、発電電流の周波数から発電機３の回転数を検出する。この検出は、整流器１５の整流前の電力に対して行っている。

前記制御回路部５は、発電制御手段１２と、前記電磁ブレーキ１０を制御するブレーキ制御手段１１と、フェールセーフ制御手段２３とを有する。
発電制御手段１２は、前記の流速に応じて発電機３のトルクを増減させ水車１が最適な回転数で回転するように制御する手段である。発電制御手段１２は、前記流速計２５から得られた水路の流速、または前記回転数検出手段１９で検出された発電機３の回転数から、定められた制御規則に従って発電機トルクの増減のための制御信号を生成し、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する。あるいは、前記制御信号により、前記パワーコンディショナ８における前記電力制御部３４に制御させる。

フェールセーフ制御手段２３は、前記電圧計１８、前記電流計１７、および前記回転数検出手段１９が検出した電圧、電流、および回転数、並びに前記パワーコンディショナ８が出力する起動、停止、および異常信号から、定められた保護作動条件を充足する場合に、前記発電機３の前記整流器１５への入力遮断、および前記発電機１に備えられた制動手段である電磁ブレーキ１０の制動のいずれか一方または両方を行わせる。前記保護作動条件は、例えば、前記電圧、電流、および回転数のいずれかが、それぞれにつき定められた閾値を超える場合、および前記パワーコンディショナ８から停止または異常信号が入力されたときとされる。

前記制御装置４とパワーコンディショナ８とは、シリアル通信のＬＡＮ通信等による通信手段で接続されている。また、前記制御装置４は、外部の機器とシリアル通信のＬＡＮ通信等を行う外部Ｉ／Ｏ手段２１を有している。

この構成によると、発電機３の負荷の調整により水車１の回転数を変える制御は、パワーコンディショナ８のＭＰＰＴ制御およびパワーコンディショナ８とは別に設けた前段の制御装置４で行い、制御装置４によりフェールセーフ制御、交流/直流変換制御を行う事で直流発電電力をパワーコンディショナ８に供給するようにしたため、汎用のパワーコンディショナ８を用いることが可能となる。
このように、発電電力を系統９に連系する機器に、市販されている一体の汎用品のパワーコンディショナ８をそのまま改造することなく利用し、そのパワーコンディショナ８が有するＭＰＰＴ制御機能もそのまま利用し、水車１の回転数を制御するため、品質を確保しながら、専用設計の機器を用いる場合に比べて安価な水力発電システムを提供する事が可能となる

前記パワーコンディショナ８が太陽光発電用のパワーコンディショナ８である場合は、より一層安価で高品質の水力発電系統連系システムを構築することができる。すなわち、太陽光発電は普及が進んでおり、系統連系用のパワーコンディショナにつき、量産効果によって高機能で耐久性、信頼性に優れた安価で品質の良いものが多く市販されている。このような市販のパワーコンディショナを用いることで、より一層安価で高品質の水力発電系統連系システムを構築することができる。

また、この水力発電系統連系システムは、次の各利点が得られる。
発電電力を整流する整流器１５にスイッチ機能部１４を有しているため、スイッチ機能部１４をオフとして発電機３と系統９とを切り離すことができて、水車１の高速回転や系統９の停電等により生じる過電圧電力への対応が容易となる。スイッチ機能部１４をオフとした場合、水車１の負荷が軽くなり、水車１の回転が速くなるが、電磁ブレーキ１０で水車１に制動力を与え、水車１の回転数を低下させて水車１を保護するようにしてもよい。図５の提案例と異なり、消費抵抗装置７はおよびその消費抵抗制御手段２２を備えているため、水車１の高速回転や系統９の停電等により生じる過電圧電力を吸収することができ、この水力発電系統連系システムを構成する機器の過電圧による劣化や損傷を防止することができる。
前記フェールセーフ制御手段２３を有するため、この水力発電系統連系システムを構成する機器の過電圧による劣化や損傷をより一層良好に防止することができる。

以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示し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。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…水車
２…水力発電装置
３…発電機
４…制御装置
５…制御回路部
６…主回路部
８…パワーコンディショナ
９…系統
１０…電磁ブレーキ
１４…スイッチ機能部
１４ｃ…過電圧時オフ指令手段
１５…整流器
１５ａ…整流機機能部
１６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７…電流計（電流検出手段）
１８…電圧計（電圧検出手段）
１９…回転数検出手段
２３…フェールセーフ制御手段
３５…最大電力点制御部

Claims (2)

1. 水車と、水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、この発電機の発電電力を直流電力に変換する整流器と、この整流器で整流した直流電力を系統に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナと、前記発電機の負荷を調整して前記水車の回転数を制御する制御装置とを備え、
   前記パワーコンディショナが、一体の汎用品であり、前記整流器が、整流を行う整流機能部と、前記発電機の発電電力の前記整流機能部への入力をオンオフさせるスイッチ機能部とを有し、前記制御装置は前記整流機能部がオフであるときに発電電力を抵抗によって消費させる手段を有しないものであり、
   前記発電機の前記整流器で整流された電圧を計測する電圧検出手段と、
   前記発電機の前記整流器で整流された電流を計測する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出した電流を演算する電流演算手段と、
   前記発電機の発電電力の周波数から前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記電圧検出手段、前記電流検出手段、および前記回転数検出手段が検出した電圧、電流、および回転数、並びに前記パワーコンディショナが出力する起動、停止、および異常信号から、定められた保護作動条件を充足する場合に、前記発電機の前記整流器の前記スイッチ機能部へのオフの指令および前記発電機に備えられた電磁ブレーキの制動の両方を行わせるフェールセーフ制御手段とを有する、
   水力発電系統連系システム。
2. 請求項１に記載の水力発電系統連系システムにおいて、前記パワーコンディショナが、太陽光発電の発電電力の系統への連系向けの汎用品である水力発電系統連系システム。

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