JPH1141990A

JPH1141990A - 発電プラントの力率制御装置

Info

Publication number: JPH1141990A
Application number: JP9192756A
Authority: JP
Inventors: Morio Seki; 盛男関
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】コストアップを招くことなく発電出力の力率
を一定に制御することのできる発電プラントの力率制御
装置を得る。【解決手段】誘導発電機１と、誘導発電機の出力ライ
ンに電磁開閉器３を介して接続された進相コンデンサ４
とを有する発電ユニット２０ａ〜２０ｎを、負荷系統ラ
インＬに複数個並設し、複数の発電ユニットからの発電
総合出力Ｐｔに基づいて総合力率ｐｆｔを検出する力率
計７と、総合力率に基づいて電磁開閉器に対する制御信
号Ｃｔを生成するプログラマブルロジックコントローラ
１４とを有する力率制御回路を、負荷系統ラインに設
け、プログラマブルロジックコントローラは、発電総合
出力の低下に応じて、出力ラインに接続される進相コン
デンサの個数を増大させ、所定範囲内の発電総合出力に
対して総合力率を一定に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、誘導発電機およ
び進相コンデンサを含む複数の発電ユニットを用いた発
電プラント（たとえば、風車を用いた風力発電プラント
など）の力率制御装置に関し、特にコストアップを招く
ことなく発電出力の力率の一定制御を可能にした発電プ
ラントの力率制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の発電プラントたとえば風力
発電プラント（風力発電設備）の一例を概略的に示す構
成図である。図において、１は風力により駆動される風
車に連動して電力Ｐを発生する誘導発電機、２は誘導発
電機１の出力端子（給電ライン）に挿入されて電力Ｐの
給電を選択的に行う電磁開閉器、３は電磁開閉器２の他
端に接続された電磁開閉器、４は電磁開閉器３を介して
給電ラインに選択的に接続される進相コンデンサであ
る。

【０００３】５は電力Ｐの給電ラインに挿入されて電流
値ｉを検出する計器用変流器、６は電力Ｐの給電ライン
に接続されて電圧値Ｖを検出する計器用変圧器、７は検
出された電流値ｉおよび電圧値Ｖに基づいて力率ｐｆ
（＝ｃｏｓφ）を検出する力率計、８は電力Ｐの給電ラ
インに挿入された変圧器、９は変圧器８の出力端子に接
続されて負荷（図示せず）への給電を選択的に行う負荷
開閉器である。

【０００４】１０ａは誘導発電機１〜負荷開閉器９によ
り構成される発電ユニットであり、負荷系統ラインＬに
接続されている。発電ユニット１０ａと同様の構成から
なる発電ユニット１０ｂ〜１０ｎは、図示したように所
要数（ｎ個）だけ並設され、それぞれ負荷系統ラインＬ
に接続されている。この場合、電磁開閉器２および３
は、負荷開閉器９に連動して投入されるものとする。

【０００５】次に、図７の特性図を参照しながら、図６
に示した従来の風力発電プラントにおける力率制御動作
について説明する。図７は誘導発電機１の発電出力（電
力Ｐ）の変化に対する発電効率（力率ｐｆ）の変化（特
性曲線）を示しており、実線は誘導発電機１の単体の力
率ｐｆ、一点鎖線は進相コンデンサ４を投入したときの
回路力率ｐｆを示している。

【０００６】図６において、電磁開閉器２および３は、
負荷開閉器９の投入時（発電ユニット１０ａが負荷系統
ラインＬに接続されたとき）に常に投入されるので、進
相コンデンサ４の容量が一定であることから、改善され
る無効電流も常に一定量となる。

【０００７】したがって、図７内の一点鎖線に示すよう
に、誘導発電機１の発電出力（電力Ｐ）が低下すると発
電機効率（回路力率ｐｆ）も大幅に低下するので、回路
力率ｐｆを発電出力Ｐの変動によらず力率を一定に制御
することはできない。

【０００８】そこで、上記欠点を補うために、従来よ
り、進相コンデンサおよび電磁接触器を複数の並列回路
に分割し、力率制御を可能にした風力発電プラントも提
案されている。

【０００９】図８は力率制御を可能にした第２の従来例
による風力発電プラントを示す構成図であり、図におい
て、３ａ〜３ｃおよび４ａ〜４ｃは電磁開閉器３および
進相コンデンサ４にそれぞれ対応しており、１、２、５
〜９、Ｌ、Ｐ、ｉおよびＶは前述と同様のものである。

【００１０】各進相コンデンサ４ａ〜４ｃは、各電磁開
閉器３ａ〜３ｃに個別に接続されて並列回路を構成して
おり、各電磁開閉器３ａ〜３ｃを介して誘導発電機１の
給電ラインに選択的に接続されるようになっている。こ
こでは、３段の進相コンデンサ４ａ〜４ｃを構成してい
るが、任意の複数段だけ設置することができる。

【００１１】１３は力率計７で検出された力率ｐｆを周
波数信号に変換する変換器（たとえば、発信器）、１４
は変換器１３を介した力率ｐｆに基づいて電磁開閉器３
ａ〜３ｃに対する制御信号Ｃを出力するプログラマブル
ロジックコントローラ（以下、「ＰＬＣ」と略称する）
である。

【００１２】ＰＬＣ１４は、回路力率ｐｆに応じて必要
な進相コンデンサの個数（容量）を決定し、制御信号Ｃ
により電磁接触器３ａ〜３ｃを段階的にオンオフ制御
し、電磁接触器３ａ〜３ｃおよび進相コンデンサ４ａ〜
４ｃからなる並列回路を選択的に投入する。

【００１３】１１ａは誘導発電機１〜負荷開閉器９、変
換器１３およびＰＬＣ１４により構成される発電ユニッ
トであり、この場合も、同様の構成からなる発電ユニッ
ト１１ｂ〜１１ｎが任意のｎ個だけ並設されている。

【００１４】図９は発電出力Ｐの変化に対する発電機効
率（力率ｐｆ）の変化を示す特性図であり、前述と同様
に、一点鎖線は進相コンデンサ４ａ〜４ｃを投入したと
きの回路力率ｐｆの特性曲線を示している。

【００１５】この場合、誘導発電機１の給電ラインに接
続される進相コンデンサ４ａ〜４ｃの個数（容量）に応
じて、回路力率ｐｆはほぼ一定に制御される。しかしな
がら、図８の回路構成では、電磁接触器３ａ〜３ｃおよ
び進相コンデンサ４ａ〜４ｃの分割により、個々の発電
ユニット１１ａ〜１１ｎ内の部品点数が増えるので、電
気設備のコストが増大してしまう。

【００１６】また、従来より、風力発電プラントと外部
系統との接続端（送電端）側で一括して力率制御を行う
ことにより、部品点数を削減した風力発電プラントも提
案されている。

【００１７】図１０は部品点数を削減した第３の従来例
による風力発電プラントを示す構成図であり、図におい
て、３Ａ〜３Ｃおよび４Ａ〜４Ｃは電磁開閉器３ａ〜３
ｃおよび進相コンデンサ４ａ〜４ｃにそれぞれ対応して
おり、１、２、５〜９、１３、１４、Ｌ、Ｐ、ｉ、Ｖ、
ｐｆおよびＣは前述と同様のものである。

【００１８】１２ａ〜１２ｎは同様の構成からなるｎ個
の発電ユニットであり、それぞれ、誘導発電機１、電磁
開閉器２、変圧器８および負荷開閉器９により構成され
ている。この場合、負荷系統ラインＬには、電磁接触器
３Ａ〜３Ｃおよび進相コンデンサ４Ａ〜４Ｃからなる並
列回路と、計器用変流器５、計器用変圧器６、力率計
７、変換器１３およびＰＬＣ１４からなる力率制御回路
とが接続されている。

【００１９】図１０の構成によれば、外部系統との接続
端（送電端）において、一括して力率制御が行われるの
で、電磁接触器３Ａ〜３Ｃおよび進相コンデンサ４Ａ〜
４Ｃの部品点数は、図８の場合よりも削減される。

【００２０】しかしながら、負荷系統ラインＬ（高圧系
統）側において、高耐圧で高価な電磁接触器３Ａ〜３Ｃ
および進相コンデンサ４Ａ〜４Ｃを複数個接続する必要
があるので、やはり電気設備のコストが大幅に増大して
しまうことになる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】従来の発電プラントの
力率制御装置は以上のように、図６の回路構成によれ
ば、発電ユニット１０ａ〜１０ｎの負荷系統ラインＬへ
の接続時に一定容量の進相コンデンサ４が接続されるの
で、発電出力Ｐの低下時に力率ｐｆも大幅に低下してし
まい、発電出力Ｐの変動によらず力率ｐｆを一定に制御
することができないという問題点があった。

【００２２】また、図８の回路構成によれば、複数の電
磁接触器３ａ〜３ｃおよび進相コンデンサ４ａ〜４ｃか
らなる並列回路を段階的にオンオフ制御することによ
り、回路に接続される進相コンデンサ４ａ〜４ｃの個数
（容量）を力率ｐｆに応じて制御することができるもの
の、部品点数の増大により電気設備のコストアップを招
くという問題点があった。

【００２３】また、図１０の回路構成によれば、外部系
統との接続端（送電端）において一括して力率ｐｆを制
御できるものの、高価な電磁接触器３Ａ〜３Ｃおよび進
相コンデンサ４Ａ〜４Ｃが複数個必要となるので、やは
り電気設備のコストアップを招くという問題点があっ
た。

【００２４】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、コストアップを招くことなく発
電出力の力率を一定に制御することのできる発電プラン
トの力率制御装置を得ることを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る発電プラントの力率制御装置は、誘導発電機と、誘導
発電機の出力ラインに電磁開閉器を介して接続された進
相コンデンサとを有する発電ユニットを、負荷系統ライ
ンに複数個並設し、複数の発電ユニットからの発電総合
出力に基づいて総合力率を検出する力率計と、総合力率
に基づいて電磁開閉器に対する制御信号を生成するプロ
グラマブルロジックコントローラとを有する力率制御回
路を、負荷系統ラインに設け、プログラマブルロジック
コントローラは、発電総合出力の低下に応じて、出力ラ
インに接続される進相コンデンサの個数を増大させ、所
定範囲内の発電総合出力に対して総合力率を一定に制御
するものである。

【００２６】また、この発明の請求項２に係る発電プラ
ントの力率制御装置は、請求項１において、進相コンデ
ンサは、発電ユニット毎に１個ずつ設けられたものであ
る。

【００２７】また、この発明の請求項３に係る発電プラ
ントの力率制御装置は、請求項１または請求項２におい
て、発電総合出力の所定範囲は、２５％〜１２５％に設
定されたものである。

【００２８】また、この発明の請求項４に係る発電プラ
ントの力率制御装置は、請求項１から請求項３までのい
ずれかにおいて、誘導発電機は、風力により駆動される
風車に連動して電力を出力するものである。

【００２９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の実施の形態１を図につ
いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示す構
成図であり、図において、１〜９、１３、１４、Ｌ、
Ｐ、ｉおよびＶは前述と同様のものである。２０ａ〜２
０ｎは同様の構成からなるｎ個の発電ユニットであり、
それぞれ、誘導発電機１、電磁開閉器２、電磁開閉器
３、進相コンデンサ４、変圧器８および負荷開閉器９に
より構成されている。

【００３０】Ｐｔは複数の発電ユニット２０ａ〜２０ｎ
から負荷系統ラインＬ上に供給される総合電力（発電総
合出力）、ｐｆｔは発電総合出力Ｐｔの総合力率、Ｃｔ
は各発電ユニット２０ａ〜２０ｎ内の電磁開閉器３を個
別に開閉制御するための制御信号である。この場合、進
相コンデンサ４は各発電ユニット２０ａ〜２０ｎ側（低
圧側）に設けられており、進相コンデンサ４の数量は各
発電ユニット２０ａ〜２０ｎ毎に１個のみである。

【００３１】また、計器用変流器５、計器用変圧器６、
力率計７、変換器１３およびＰＬＣ１４からなる力率制
御回路は、外部系統との接続端（送電端）、すなわち、
負荷系統ラインＬ上に設けられている。これにより、力
率制御回路は、負荷系統ラインＬにおける総合力率ｐｆ
ｔの変動に応じて制御信号Ｃｔを生成し、進相コンデン
サ４の総投入数量を制御するようになっている。

【００３２】次に、図２の特性図を参照しながら、図１
に示したこの発明の実施の形態１の動作について説明す
る。図２は発電総合出力Ｐｔの変化に対する発電総合効
率（総合力率ｐｆｔ）の変化を示し、進相コンデンサ４
の投入個数を切り換えたときの総合力率ｐｆｔの特性曲
線を示している。

【００３３】図１において、負荷系統ラインＬ（送電
端）に設けられた力率計１３は、総合力率ｐｆｔを常時
監視し、発信器からなる変換器１３は、総合力率ｐｆｔ
を周波数信号からなる力率値に変換してＰＬＣ１４に入
力する。

【００３４】ＰＬＣ１４は、総合力率ｐｆｔを参照しな
がら、あらかじめ設定されたプログラムにしたがって進
相コンデンサ４の総投入数量を決定し、各発電ユニット
２０ａ〜２０ｎ内の進相コンデンサ４を開閉制御するた
めの制御信号Ｃｔを電磁接触器３に印加する。

【００３５】ここで、図３〜図５を参照しながら、各発
電ユニット２０ａ〜２０ｎ内の進相コンデンサ４の開閉
制御により回路の総合力率ｐｆｔを改善する原理につい
て説明する。

【００３６】図３は誘導発電機１と進相コンデンサ４と
の関係を簡略化して示す回路図であり、図において、Ｅ
は誘導発電機１の出力電圧、ｉｇは誘導発電機１に流れ
る電流、ｉｃは進相コンデンサ４に流れる電流、ｉ１は
誘導発電機１および進相コンデンサ４に流れる合成電流
である。図４は誘導発電機１の特性により決定する力率
をベクトルで示す説明図、図５は合成電流ｉ１をベクト
ルで示す説明図である。

【００３７】まず、図３のように誘導発電機１および進
相コンデンサ４が接続された場合、誘導発電機１の力率
は、誘導発電機１の特性により定まる遅れ力率となり、
図４のように、誘導発電機１の出力電圧Ｅと電流ｉｇと
の成す角度θとした場合に、ＣＯＳθで表わされる。

【００３８】一方、進相コンデンサ４に流れる電流ｉｃ
は進み電流となるので、電流ｉｃと誘導発電機１の電流
ｉｇとの合成電流ｉ１は、図５のように、誘導発電機１
の出力電圧Ｅと合成電流ｉ１との成す角度θ１とした場
合に、ＣＯＳθ１で表わされる。このとき、θ＞θ１の
関係が成り立つので、図５の合成電流ｉ１の数値（ＣＯ
Ｓθ１）は、図４の力率値（ＣＯＳθ）よりも大きくな
る（改善される）。

【００３９】誘導発電機１の力率ｐｆ（＝ＣＯＳθ）
は、図７内の実線で示すように、誘導発電機１の出力電
力Ｐの低下につれて低下するので、所定範囲内の発電総
合出力Ｐｔの変動範囲内で総合力率ｐｆｔを一定にしよ
うとすれば、出力電力Ｐｔの低下に応じて、進相コンデ
ンサ４の接続個数（容量）を増やす必要がある。

【００４０】したがって、図２のように、発電総合出力
Ｐｔの低下につれて、進相コンデンサ４の接続数を増大
させている。ここでは、進相コンデンサ４の接続数を、
最大１０個まで増大させ、２５％〜１２５％の範囲内の
発電総合出力Ｐｔの変動に対して、総合力率ｐｆｔを一
定に制御している。

【００４１】このように、発電総合出力Ｐｔの変動に応
じて、負荷系統ラインＬに接続される進相コンデンサ４
の個数（容量）をキメ細かく可変設定することにより、
総合力率ｐｆｔをほぼ一定に制御することができる。

【００４２】上記回路構成による総合力率ｐｆｔの制御
においては、進相コンデンサ４が発電ユニット２０ａ〜
２０ｎ側（低圧回路側）に設けられているので、高圧回
路に設けた場合（図１０参照）よりも電気設備の費用が
安くなる。

【００４３】また、進相コンデンサ４の数量が各発電ユ
ニット２０ａ〜２０ｎ毎に１個のみで済むので、分割し
た場合（図８参照）と比べて電気設備の費用が安くな
る。また、発電ユニット２０ａ〜２０ｎ側の電気設備仕
様が全て統一されるので、発電プラント全体のコスト低
減にもつながる。

【００４４】また、総合力率ｐｆｔの管理および制御が
負荷系統ラインＬ側（高圧側）の１カ所のみで行われる
ので、各発電ユニット毎に制御を行う場合（図８参照）
よりも電気設備の費用が安くなる。

【００４５】また、各進相コンデンサ４の投入制御が制
御信号Ｃｔにより一元的に行われるので、発電ユニット
２０ａ〜２０ｎの数量に応じた進相コンデンサ４の個数
（容量）の組み合わせが可能となる。したがって、誘導
発電機１の出力電力Ｐの変動に応じて、回路に接続され
る進相コンデンサ４の総容量を制御することができ、こ
れにより、ある出力範囲内でキメの細かい総合力率ｐｆ
ｔの定量制御が可能となる。

【００４６】さらに、進相コンデンサ４の１個当たりの
容量は、図１０の回路構成の場合と比べて十分小さく、
誘導発電機１による自己励磁現象を回避することができ
る。なお、自己励磁現象とは、誘導発電機１にその励磁
容量よりも大きなコンデンサを挿入した場合に、開放後
も自励電圧で回転し続ける現象を言う。

【００４７】実施の形態２．なお、上記実施の形態１で
は、発電プラントとして、発電出力変動の大きい風力発
電プラントの場合を例にとって説明したが、進相コンデ
ンサ４を含む他の発電プラントに適用することができ、
同等の作用効果が得られることは言うまでもない。

【００４８】

【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれ
ば、誘導発電機と、誘導発電機の出力ラインに電磁開閉
器を介して接続された進相コンデンサとを有する発電ユ
ニットを、負荷系統ラインに複数個並設し、複数の発電
ユニットからの発電総合出力に基づいて総合力率を検出
する力率計と、総合力率に基づいて電磁開閉器に対する
制御信号を生成するプログラマブルロジックコントロー
ラとを有する力率制御回路を、負荷系統ラインに設け、
プログラマブルロジックコントローラは、発電総合出力
の低下に応じて、出力ラインに接続される進相コンデン
サの個数を増大させ、所定範囲内の発電総合出力に対し
て総合力率を一定に制御するようにしたので、コストア
ップを招くことなく発電出力の力率を一定に制御するこ
とのできる発電プラントの力率制御装置が得られる効果
がある。

【００４９】また、この発明の請求項２によれば、請求
項１において、進相コンデンサは、発電ユニット毎に１
個ずつ設けられているので、最小部品点数且つ単一回路
仕様で構成することができ、さらにコストダウンを実現
した発電プラントの力率制御装置が得られる効果があ
る。

【００５０】また、この発明の請求項３によれば、請求
項１または請求項２において、発電総合出力の所定範囲
は、２５％〜１２５％に設定されているので、ほぼ全域
で効果的に発電出力の力率を一定に制御することのでき
る発電プラントの力率制御装置が得られる効果がある。

【００５１】また、この発明の請求項４によれば、請求
項１から請求項３までのいずれかにおいて、誘導発電機
を風力発電用の誘導発電機としたので、特に出力変動の
大きい風力発電プラントに適用した場合に有効な発電プ
ラントの力率制御装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を概略的に示す構成
図である。

【図２】この発明の実施の形態１の力率制御動作を説
明するための特性図である。

【図３】この発明の実施の形態１による誘導発電機に
対する進相コンデンサの接続関係を簡略化して示す回路
図である。

【図４】この発明の実施の形態１による誘導発電機の
力率を示す説明図である。

【図５】この発明の実施の形態１による進相コンデン
サの投入時の作用効果を示す説明図である。

【図６】従来の発電プラントの力率制御装置の第１の
例を概略的に示す構成図である。

【図７】図６の従来装置による力率の変動を示す特性
図である。

【図８】従来の発電プラントの力率制御装置の第２の
例を概略的に示す構成図である。

【図９】図８の従来装置による力率制御動作を示す特
性図である。従来の発電プラントの力率制御装置を示す
／／図である。

【図１０】従来の発電プラントの力率制御装置の第３
の例を概略的に示す構成図である。

【符号の説明】

１誘導発電機、３電磁開閉器、４進相コンデン
サ、７力率計、１４ＰＬＣ（プログラマブルロジック
コントローラ）、２０ａ〜２０ｎ発電ユニット、Ｃｔ
制御信号、Ｌ負荷系統ライン、Ｐｔ発電総合出
力、ｐｆｔ総合力率。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導発電機と、前記誘導発電機の出力ラ
インに電磁開閉器を介して接続された進相コンデンサと
を有する発電ユニットを、負荷系統ラインに複数個並設
し、前記複数の発電ユニットからの発電総合出力に基づいて
総合力率を検出する力率計と、前記総合力率に基づいて
前記電磁開閉器に対する制御信号を生成するプログラマ
ブルロジックコントローラとを有する力率制御回路を、
前記負荷系統ラインに設け、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記発電
総合出力の低下に応じて、前記出力ラインに接続される
前記進相コンデンサの個数を増大させ、所定範囲内の前
記発電総合出力に対して前記総合力率を一定に制御する
ことを特徴とする発電プラントの力率制御装置。
【請求項２】前記進相コンデンサは、前記発電ユニッ
ト毎に１個ずつ設けられたことを特徴とする請求項１に
記載の発電プラントの力率制御装置。
【請求項３】前記発電総合出力の所定範囲は、２５％
〜１２５％に設定されたことを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の発電プラントの力率制御装置。
【請求項４】前記誘導発電機は、風力により駆動され
る風車に連動して電力を出力することを特徴とする請求
項１から請求項３までのいずれかに記載の発電プラント
の力率制御装置。