JPH023399B2

JPH023399B2 -

Info

Publication number: JPH023399B2
Application number: JP55013623A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-02-08
Filing date: 1980-02-08
Publication date: 1990-01-23
Also published as: JPS56111922A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は発電能力が変動する発電機器と、その
発電電力を周波数変換して交流系統に送出する逆
変換装置とからなる発電システムに関する。

最近、石油価格の高騰が原因の１つとなつて、
風力発電や太陽光発電等が注目されるようになつ
た。これらに共通した点は、発電機器の発電能力
が時間的に変動することにある。

これらの発電システム実用に供するために、一
旦一定した電圧及び周波数の交流系統に発電電力
を供給し、その系統を介して負荷に電力を供給す
る方法が採用される。このために発電電力を一定
電圧、一定周波数の交流に変換するための逆変換
装置が必要であるが、その変換装置は、 (1) 変動する発電能力の限界まで電力を取り出す
ことができ、発電電力を能率よく系統の交流に
変換できること。

(2) 交流系統に対し高調波や不必要な無効電力を
送出しないこと。

(3) 交流系統や電力を要求しない場合は、速やか
に電力の送出が止められること。

等が要求される。

本発明の目的は、上述の要求に応じられる発電
システムを提供することにある。

本発明の特徴とするところは、発電機器の発電
能力に応じて、逆変換装置から交流系統に送出す
る有効電力と無効電力をそれぞれ独立に制御する
ようにしたことにある。

第１図に本発明の一実施例を示す発電システム
の構成図を示す。１は図示しない風車等により駆
動される同期発電機、２はその交流出力を整流す
る整流器、３はその整流出力を平滑にするための
コンデンサ、４はGTO素子（Gate Turn off
Thyristor）を用いた電圧型パルス幅変調方式逆
変換器（以下PWM逆変換器と記す）、５はリア
クトル、６は同期発電機１の端子電圧を検出する
電圧検出器、７は前記端子電圧の上限値を指令す
る電圧指令回路、８は電圧偏差増幅器、９は界磁
巻線Ｆの電流を検出する電流検出器、１０は電流
偏差増幅器、１１は増幅器１０の出力信号に応じ
て界磁電流制御用変換器１２の点弧位相を制御す
る自動パルス移相器、１３はPWM逆変換器４が
交流系統に送出する有効電流を発電機の端子電圧
に応じて指令する有効電流指令回路、１４は指令
回路１３の指令信号電圧を後述する関数発生器１
９の信号に応じて制限する有効電流制限器、１５
は交流系統の電圧を指令する電圧指令回路、１６
は指令回路１５と電圧検出器１８の出力信号の偏
差を増幅し無効電流指令を出力する電圧偏差増幅
器で、これには出力信号を関数発生器１９の信号
に応じて制限する無効電流制限器１６１が備えら
れている。１７は交流系統の電圧を絶縁して取り
出す電圧検出用変圧器、１８は同電圧の大きさを
検出する電圧検出器、１９は交流系統の電圧が上
限設定値より上昇する場合、および下限設定値よ
り低下する場合に信号を発する関数発生器、２０
はPWM逆変換器４の交流出力電流を検出する変
流器、２１は変圧器１７、変流器２０、有効電流
制限器１４及び電圧偏差増幅器１６の信号に基づ
き、PWM逆変換器４の交流出力電圧の基本波分
（瞬時値）の指令信号を出力する演算回路である。
第２図にその詳細構成図を示す。２１１は変圧器
１７と変流器２０の出力信号に基づいてPWM逆
変換器４の出力電流の有効分に比例した信号を検
出する有効電流検出器、２１２は同様にPWM逆
変換器４の出力電流の無効分に比例した信号を検
出する無効電流検出器、２１３は制限器１４と検
出器２１１の出力信号の偏差を増幅する有効電流
偏差増幅器、２１４は交流系統の相電圧に対して
90度の位相差を有する電圧信号と増幅器２１３の
出力信号を掛算する乗算器、２１５は電圧偏差増
幅器１６と検出器２１２の出力信号の偏差を増幅
する無効電流偏差増幅器、２１６は交流系統の相
電圧と同位相の電圧信号と増幅器２１５の出力信
号を掛算する乗算器、２１７は乗算器２１４と２
１６および交流系統の相電圧の各信号の加算を行
う加算器である。２２はPWM逆変換器４のサイ
リスタのオン・オフ周期を定める３角波の搬送波
信号を発生する発振器、２３は前記搬送波信号と
演算回路２１の出力信号を比較し、パルス幅変調
信号を出力する比較器、２４はPWM逆変換器４
のサイリスタをオン・オフ制御するためのゲート
信号を出力するゲートアンプである。なお、２１
４，２１６，２１７，２３等の回路は逆変換器４
のＲ，Ｓ，Ｔ相に対応して３組あるが、ここでは
その内のＲ相分のみを示し他は省略してある。

次に本装置の動作について説明する。整流器２
の出力電圧は、同期発電機１の端子電圧に比例す
るが、発電機の回転速度と出力電圧の関係を第３
図に示す。図示１の範囲は界磁電流一定、２の範
囲は界磁制御により電圧一定制御を行う範囲であ
る。以下では先づ同図ａに示すように、発電範囲
に界磁電流一定（電圧変化）の範囲を含む場合の
例について述べる。

界磁電流の制御は６〜１２から構成される界磁
制御回路により行われるが、その動作は同期発電
機における自動電圧制御として周知であるため説
明は省略する。

ところで、発電機１を駆動するための原動機が
例えば風車のような機械では、原動機から取り出
しうる機械力（仕事量）は風力等によつて変化を
し、回転速度の３乗に比例する。したがつて、発
電能力を有効に活用するためには、逆変換器４か
ら交流系統に送出する有効電力を回転速度に応じ
て変化させることが必要である。その制御法につ
いて以下に述べる。

周知のように、逆変換器４に用いられているよ
うなPWM逆変換装置は、それを構成するサイリ
スタのオン・オフ周期を変化させることにより、
逆変換器の出力電圧を可変にできるもので、演算
回路２１からの電圧指令信号（正弦波）と発振器
２２からの搬送波信号（３角波）を比較器２３に
おいて比較し、その出力信号であるPWM信号に
応じて逆変換器４のGTOサイリスタをオン・オ
フ制御することにより、その出力電圧（基本波
分）を前記指令信号に比例するように制御できる
ものである。さらにこの出力電圧の大きさと位相
を制御することにより、逆変換器４から交流系統
に送出する電圧を制御することができるが、次に
それについて説明する。

演算回路２１の検出器２１１において以下の演
算が行なわれ、PWM逆変換器４の出力電流の有
効分に比例した信号i_pが検出される。

i_P＝e_R・i_R＋e_s・i_s＋e_T・i_T αI cos ……(1) ここに、 e_R，e_S，e_T：交流系統Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電圧
の検出信号 i_R，i_S，i_T：逆変換器のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電
流の検出信号Ｉ：逆変換器出力電流の大きさ：電圧に対する電流の位相信号i_Pは増幅器２１３において制限器１４から
有効電流指令と突き合わされ、その偏差に応じた
信号が乗算器２１４に加えられる。乗算器２１４
の一方の入力には信号e_Rに対して位相が90度進み
の信号e_R′が加えられているため、乗算器２１４
からは信号e_R′に同位相で大きさが前記偏差に比
例する信号が取り出される。

一方、検出器２１２において次式の演算が行わ
れ逆変換器４の出力電流の無効分に比例した信号
i_Qが検出される。

i_Q＝e_R′・i_R＋e_S′・i_S＋e_T′＋i_T α Ｉ sin ……(2) ここに、 e_R′，e_S′，e_T′：交流系統のＲ相、Ｓ相、Ｔ相
の電圧に対してそれぞれ90度進みの信号信号i_Qは増幅器２１５において電圧偏差増幅器
１６からの無効電流指令と突き合わされ、その偏
差に応じた信号が乗算器２１６に加えられる。乗
算器２１６の一方の入力には信号e_Rが加えられて
いるため、それからは信号e_Rに同位相で大きさが
前記偏差に比例した信号が取り出される。

加算器２１７は乗算器２１４，２１６及び信号
e_Rを加算し、逆変換器４の出力電圧（Ｒ相）の指
令信号を発生する。信号e_Rの加算は、各乗算器の
出力が零の場合においてＲ相出力電圧が交流系統
の電圧と一致し、Ｒ相電流i_Rがほぼ零と保つよう
にするためにある。

第４図は交流系統の電圧E_p、逆変換器４の交流
出力電圧（基本波分）E_t及び出力電流Ｉの関係を
示すベクトル図である。同図ａはＩがE_pに対し
だけ遅れている場合を示し、E_tはE_pに対しリアク
タンス降下XI（Ｘ：リアクトル５のリアクタン
ス）だけ電圧が上昇する。また同図ｂはＩがE_pと
同位相、すなわち、系統に対する力率が1.0の場
合、同図ｃはＩがE_pに対しだけ進みの場合を示
す。

これらの関係から同図ａに示すように、E_tのE_p
に同相な成分を変化させることにより、出力電流
Ｉの無効分I_Qを、またE_tのE_pに対し90度進みの成
分を変化させることにより出力電流Ｉの有効分I_P
をそれぞれ独立に制御することができる。

次に、有効電流I_Pと無効電流I_Qの制御法につい
て述べる。発電能力は原動機の回転速度に応じて
変化するため、前述した理由から、逆変換器４か
ら系統に送り出す有効電流（電力）を制御する必
要がある。発電機１の発電電圧は第３図ａに示し
たように変化するので、有効電流指令回路１３に
おいて発電電圧に応じて変化する有効電流指令を
取り出すことができる。有効電流指令と発電電圧
の関係は発電機自体及び逆変換器の容量等を考慮
して最適な関数関係に選ばれる。逆変換器の出力
有効電流I_Pは、１３，１４，２１１，２１３，２
１４等の回路部品の動作に従い、この指令信号に
比例するように制御される。なぜなら、有効電流
の偏差に応じた信号である増幅器２１３の出力信
号に基づいて、前述したようにして逆変換器出力
電圧E_tの、系統電圧E_pに対し90度進み位相の電圧
成分が制御される結果、有効電流I_Pが指令信号に
比例する如く制御されるからである。

以上のようにして変動する発電能力に応じて発
電電力を有効に系統に送出することができる。

一方、交流系統の線路のインピーダンスにより
電圧降下が生じるため、系統が弱い場合では、変
動する発電電力を交流系統に送出すると系統の電
圧が変動することがある。このような場合、逆変
換器４に電圧調整機能をもたせ電圧変動を抑制す
ることができる。すなわち、普通の場合、Ｉが遅
れ位相のときは系統の電圧は線路のリアクタンス
降下により上昇し、逆にＩが進み位相のとき低下
する。したがつて、I_Qの極性及び大きさを変える
ことにより、系統の電圧を所定値に制御すること
ができる。

この制御は１５，１８，１６，２１２，２１
５，２１６等の回路部品の動作に従い行われる。
すなわち、系統の電圧が電圧指令回路１５で指令
される電圧値より低下した場合は、電圧偏差増幅
器１６から正極性の信号が出力される。次に無効
分偏差増幅器２１５において該信号に無効分検出
器２１２からのIsinに比例した信号が突き合わ
されるが、系統の電圧が低い間はやはり増幅器２
１５の出力信号は正極性である。このとき乗算器
２１６からは系統の電圧に同位相が同位相な信号
が取り出され、これに従いE_tが制御される結果、
第４図ａに示すようにＩは遅れ位相となる。この
とき系統の電圧は前述した理由から上昇方向に変
化し最終的には系統の電圧は指令値に等しく制御
される。なお、系統の電圧が指令値より上昇した
場合は以上とは逆に、Ｉの位相はそれまでより進
み側に制御され、やはり電圧は指令値に制御され
る。

以上のようにして、系統の電圧を所定値に制御
することができる。なお、交流系統に接続された
負荷の端子電圧を所定値に制御するには、逆変換
器４と負荷の間のインピーダンス降下を考慮する
必要があるが、(1)負荷の端子電圧を演算するなど
して求め、その信号を電圧帰還信号として電圧検
出器１８の出力信号の代りに増幅器１６の入力に
加えるようにするか、あるいは(2)負荷の端子電圧
を一定とするに必要な無効電流を有効電流指令に
基づいて演算し、そのようにして得た無効電流指
令を増幅器１６の出力信号の代りに増幅器２１５
の入力に加えるようにする。などにより上記制御
を実現することができる。

以上のようにして出力電流の有効分I_P及び無効
分I_Qが制御されるが、次の場合は以上の制御を停
止させる必要があり、以下の制御を行う。

第１は同期発電機１の回転速度が低くその出力
電圧が低い場合である。すなわち、逆変換器４の
直流入力電圧がある限度以下に下ると、もはや逆
変換器の出力電圧を電圧指令に比例する如く制御
することはできず、正規の運転を行わせることが
不可能である。ところで前記有効電流I_Pと逆変換
器４の直流入力電流は比例関係にあるので、直流
電圧が限度値まで低下した場合はI_Pを零に制御
し、それ以上の直流電圧の低下を防止することは
可能である。そこで、直流電圧が限度値まで低下
した場合は、有効電流指令が零となるように有効
電流指令回路１３の関数関係を設定しておき、前
述した不具合が起らないようにしてある。なお限
度値は厳密には直流電圧と逆変換器４の出力電圧
の比で定まるため、前者の検出信号を後者の検出
信号で割算して得た信号に基づき、この値が所定
値以下となる場合において有効電流指令を零にす
るようにしても同様の効果が得られる。

第２は交流系統に線路の断線などの異常が生じ
た場合である。このような場合、逆変換器４から
みた交流系統のインピーダンスは上昇し、またそ
のインピーダンスは誘導性から容量性に変化する
ことがある。このとき逆変換器４から前述のよう
に交流系統に有効電流及び無効電流を流せば、交
流系統の電圧は異常に上昇する。これを防ぐため
関数発生器１９にて交流系統の電圧がある限度値
以上に上昇したことを検出し、制限器１６１及び
１４を動作させ電流を零にする。なお、系統の電
圧が異常に低下した場合にも動作を停止させる必
要があるため、関数発生器１９にてその異常低下
を検出し、同様に電流を零にするようにしてい
る。

以上の実施例では、発電範囲において発電機１
の端子電圧が回転速度に応じて変化するため、端
子電圧に基づいて可変の有効電流指令を取り出す
ことが可能であつた。しかし第３図ｂに示すよう
に発電範囲において電圧一定制御が行われ、端子
電圧が一定に保たれる場合では前述した動作は行
えない。この場合では発電機１に速度検出器を取
り付け、その出力信号に基づいて同様に有効電流
指令を作り出すことができ、前述と同様の動作を
行わせることができる。

また先の実施例では、発電機器が同期発電機で
ある場合について述べたが、発電機器の出力特性
が類似であれば同様に本発明を適用し同様の効果
が得られる。

したがつて本発明によれば、発電機器の発電能
力が変動する場合において能率よく発電を行わせ
ることができ、また発電時における交流系統の電
圧変動をなくすることができる発電システムを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置の回路構
成図、第２図は第１図に示す回路部品の詳細回路
図、第３，４図は本装置の動作を説明するための
図である。１……同期発電機、２……整流器、３……コン
デンサ、４……PWM逆変換器、５……リアクト
ル、６……電圧検出器、７……電圧指令回路、８
……電圧備差増幅器、９……電流検出器、１０…
…電流偏差増幅器、１１……自動パルス移相器、
１２……界磁電流制御用変換器、１３……有効電
流指令回路、１４……有効電流制限器、１５……
電圧指令回路、１６……電圧偏差増幅器、１７…
…電圧検出用変圧器、１８……電圧検出器、１９
……関数発生器、２０……変流器、２１……演算
回路、２２……発振器、２３……比較器、２４…
…ゲートアンプ、２５……関数発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

１回転速度の変動する原動機により駆動される
同期発電機と、前記同期発電機の出力電流を交流
系統へ送出する整流器とインバータよりなる逆変
換器と、前記交流系統へ送出する有効電流成分を
前記同期発電機の回転速度に応じて制御するため
に前記逆変換器の制御指令を決定する有効電流制
御回路と、前記交流系統へ送出する無効電流成分
を前記交流系統の電圧変化に応じて制御するため
に前記逆変換器の制御指令を決定する無効電力制
御回路と、前記同期発電機の出力電圧を前記逆変
換器の耐圧以下に制御する界磁制御回路を備えた
ことを特徴とする発電システム。