JPWO2016017559A1 - 発電装置の自立運転方法 - Google Patents

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Abstract

発電装置が電力系統に連系運転出来ないときに、エネルギー源の効率特性曲線による定格速度から最高速度の速度範囲において、効率特性曲線に沿って発電装置の負荷の接続・離脱の自立運転を行う。自立運転時には、制御部による運転準備指令の出力時に水車の入口弁に開度指令を出力し、第１の変換器をコンバータ機能として運転し、直流リンク部の電圧確立時に第２の変換器をインバータ機能として運転し、運転準備完了時に負荷を接続する。

Description

本発明は、発電装置の自立運転方法に係わり、特に永久磁石発電機を用いた発電装置による自立運転方法に関するものである。
中小の発電装置として永久磁石発電機を用い、そのエネルギー源として風車や水車を用いた発電装置が注目されている。図７は永久磁石発電機を用いた水車発電装置の単結線図を示したもので、この水車発電装置は連系変圧器５を介して電力系統６に連系される。図７で、１は水車、２はフライホイール、３は永久磁石発電機で、これらは軸受け４を介して連結されている。
１０はコンバータ盤を示し、このコンバータ盤には第１の変換器（インバータ）１１、第２の変換器（コンバータ）１２、回生制動用のブレーキ回路１３、平滑コンデンサ１４、フィルタ部１５、電磁開閉器１６，１７および遮断器１８などの各部品が装備されている。２０は発電機盤を示し、電力系統６との連系制御を行う遮断器２１を有している。３０はダミー抵抗装置を示し、抵抗値の異なる複数の抵抗３３がそれぞれ遮断器３１、電磁開閉器３２を介して接続されている。
４０は上位の制御部を示し、この制御部４０はエンコーダにより検出された永久磁石発電機３の回転信号をコンバータ盤１０を介して入力する。また、コンバータ盤１０に対しては速度指令を出力し、水車の入口弁１ａに対して開度指令を出力し、ダミー抵抗装置３０に対しては投入指令を出力するなどの制御指令を発する。なお、図１に示すような永久磁石発電機を用いた発電装置は、例えば、特許文献１などによって公知となっている。
図７に示す発電装置を電力系統６に連系する場合、発電機盤２０から連系・運転指令を出力することで遮断器２１が投入され、次いでコンバータ盤１０において遮断器１８、電磁開閉器１７を投入することで電力系統６からの交流は、コンバータ１２により直流に変換されて平滑コンデンサ１４を充電する。平滑コンデンサ１４が初期充電されて運転準備が完了した時点で電磁開閉器１６に対する投入指令を出力する。また、制御部４０はインバータ１１に対し速度指令、力率指令を出力してインバータ１１を動作させ、永久磁石発電機３を図８で示す点線を付した連系運転範囲で制御する。
図８は縦軸に永久磁石発電機の軸入力、横軸に回転数を採ったもので、定格容量ｆ0としたとき、定格速度ｎ0を中心としたその前後ｎ1，ｎ2が永久磁石発電機の運転範囲となって連系運転されている。
連系運転中に、系統連系に異常が発生した場合、コンバータ１２の運転を中止し、回生制御用のブレーキ回路１３のスイッチング素子１９をオンすることで回生用抵抗１９’に電流を流してエネルギーを消費する。
中小規模の発電装置を電力系統に連系運用する場合、連系先である電力系統に何等かの異常が発生したときには系統連系ができない場合が生じる。風力発電の場合には十分な風量があり、また、水力発電の場合には十分な水量があり、両者とも発電可能なエネルギーが十分あっても、自立運転機能が備わっていない場合には連系する発電装置も停止せざるを得ない。勿論、発電装置にダミー抵抗装置や、電動サーボらよる高速ガイドベーン制御装置を別途付加すれば自立運転は可能となるが、その際は、固有の運転機能を追加する必要があり、設置場所やコスト面で不利になる。
特許第４００３４１４
本発明が目的とするところは、従来必要であった自立運転のための装置を付加することなく風力や水車効率特性を利用した発電装置の自立運転方法を提供することにある。
本発明は、エネルギー源に連結された永久磁石発電機と、順・逆変換機能を有する第１、第２の変換器と、第１、第２の変換器間の直流リンク部に接続された平滑コンデンサと、第１、第２の変換器に対して制御指令を出力する制御部と、を備えた発電装置の自立運転方法であって、前記発電装置の自立運転時に、前記エネルギー源の効率特性曲線による定格速度から最高速度の速度範囲で、効率特性曲線に沿って前記発電装置を運転することを特徴とする。
また、その一態様として、発電装置に接続された負荷の接続・離脱を行うことを特徴とする。
また、その一態様として、前記エネルギー源を水車とし、自立運転時における前記制御部による運転準備指令の出力時に水車の入口弁に開度指令を出力し、前記第１の変換器をコンバータ機能として運転し、前記直流リンク部の電圧確立時に前記第２の変換器をインバータ機能として運転し、運転準備完了時に負荷を接続することを特徴とする。
また、その一態様として、水車の入口弁開度に応じた前記効率特性曲線を用いることを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、発電装置が電力系統から解列した場合でも、効率特性曲線の定格速度以上の速度範囲で、負荷に見合ったエネルギーバランスで発電装置を自立運転するものである。これによって、発電装置が系統連系できないときでも、ダミー抵抗装置や電動サーボによる高速ガイドベーン制御装置などの単独運転用の機器を別途用意することなく、自立制御が可能となるものである。
本発明の実施形態を示す発電装置の電力系統への連系状態図。 説明のための発電装置の自立運転範囲図。 自立運転時の状態説明図。 自立運転時の運転手順概要図。 自立運転時の運転手順概要図。 自立運転時の運転手順概要図。 従来の発電装置の電力系統への連系状態図。 永久磁石発電機の電力系統連系時の運転範囲図。
図１は、本実施形態１における発電装置を示す概略図である。従来の発電装置を示す図７とは、ダミーロード装置を省略している点が異なっている。その他の点は図７と同様であるため説明を省略する。
図２は、水車の効率特性曲線（以下Ｃp特性曲線という）を示したものである。永久磁石発電機の定格容量ｆ0、定格速度ｎ0としたとき、水車１の入口弁１ａの開度に応じて軸入力が線Ｄ〜線Ａへと上昇し、系統連系時には定格速度ｎ0付近で運転されている。
本発明は、系統連系できない場合、永久磁石発電機の定格容量よりも小さい負荷容量に対して自立運転を行うもので、自立運転時には図３で示すように例えば線Ａの開度１００％のＣp特性曲線を使用し、且つ定格速度ｎ0以上の範囲を可変速範囲として使用する。以下、図４〜６に基づいて自立運転方法について説明する。なお、図４〜６では動作状態となった部品に対し斜線を付して表示する。
図４（１）〜図６（３）が、図１の発電装置による自立運転時の運転手順を示す概要である。図４（１）において、発電装置の初期状態時にコンバータ盤１０に直流の制御電源を接続する。この時点では水車１の入口弁１ａは閉じられた状態となっている。図４（２）で、上位の制御部４０から入口弁１ａに対する開度指令と電磁開閉器１６の投入、及び第１の変換器（インバータ）１１の運転準備指令が出力される。これにより水車１は回転を開始して永久磁石発電機３は発電を開始し電圧を発生する。また、第１の変換器（インバータ）１１により平滑コンデンサ１４への初期充電が開始される。
図４（３）では、更に入口弁１ａの開度が進行することで流量が増加し、水車１は無拘束速度（定格速度ｎ0以上）へ加速される。これに伴い平滑コンデンサ１４への充電も進み直流リンク部の電圧が確立した時点で電磁開閉器１７、遮断器１８が投入さる。
図５（１）では、入口弁１ａの開度１００％で水車は無拘束速度となり、第２の変換器（コンバータ）１２に対して出力電圧の設定、出力周波数の設定を行い、この第２の変換器１２をインバータ動作である自動電圧・自動周波数制御機能にすることで運転準備完了となる。この運転準備完了時点では無負荷状態であることから、水車速度は図３で示す最高回転数ｎmで回転している。なお、図３で四角枠内の数字は、図４〜６の図番号と対応させている。
図５（２）では上位の制御部４０から遮断器ＣＢ１に対し、発電所構内の負荷投入指令が出されて自立運転が開始される。負荷が投入されると負荷電流が流れ、直流リンク部の電圧が低下するが、第１の変換器（インバータ）１１が直流リンク部の電圧を一定に制御（ＡＶＲ）することで、不足するエネルギーは回転体である水車１−フライホイール２−永久磁石発電機３の回転エネルギーで補充され、永久磁石発電機３および水車速度が減速する。これにより、回転数はＣｐ特性曲線に沿って減少して最高回転数ｎmから負荷に見合ったｎm-1の回転数で運転される。
図５（３）で、負荷の追加投入指令が出されて遮断器ＣＢ２がオンになると、水車速度は投入された負荷量に応じて更に回転数は低下し、ｎm-2の回転数で運転される。負荷量の投入可能範囲は、定格速度ｎ0から最高速度ｎmの速度範囲内で行われる。
なお、自立運転時における水車１の回転速度は定格速度ｎ0以上でなければならない。理由としては定格速度ｎ0以下で運転すると、過負荷により回転速度が低下してしまい最終的に停止してしまうからである。
次に、図６に基づいて発電装置の停止手順を説明する。回転速度ｎm-2で負荷の一部を開放する場合には、図６（１）で示すように遮断器ＣＢ２をオフにすることで回転数はＣp特性曲線に沿って上昇する。そして、ｎm-1の回転数で負荷と発電量のエネルギーバランスが成立して回転速度の上昇がとまり、ｎm-1の回転速度で運転が継続される。
更に、全部の負荷を開放する図６（２）の状態では無負荷状態となってｎmの回転数となる。図６（３）で第２の変換器１２に対し停止命令が出力されて運転を停止する。その後、発電装置の停止命令が出されて第１の変換器１１も停止し、水車の入口弁１ａに対して減速指令が出されて入口弁１ａは全閉となり水車は停止する。
以上本発明によれば、発電装置が電力系統から解列した場合でも、Ｃp特性曲線の定格速度以上の速度範囲で、負荷に見合ったエネルギーバランスが成立する速度で運転することにより発電装置を自立運転するものである。これによって、発電装置が系統連系できないとき、ダミー抵抗装置や電動サーボによる高速ガイドベーン制御装置などの単独運転用の機器を別途用意することなく、連系運転用の機器でソフト的に自立機能を持たせるだけで自立運転制御が可能となるものである。

Claims (4)

  1. エネルギー源に連結された永久磁石発電機と、
    順・逆変換機能を有する第１、第２の変換器と、
    第１、第２の変換器間の直流リンク部に接続された平滑コンデンサと、
    第１、第２の変換器に対して制御指令を出力する制御部と、を備えた発電装置の自立運転方法であって、
    前記発電装置の自立運転時に、
    前記エネルギー源の効率特性曲線による定格速度から最高速度の速度範囲で、効率特性曲線に沿って前記発電装置を運転することを特徴とした発電装置の自立運転方法。
  2. 発電装置に接続された負荷の接続・離脱を行うことを特徴とする請求項１記載の発電装置の自立運転方法。
  3. 前記エネルギー源を水車とし、
    自立運転時における前記制御部による運転準備指令の出力時に水車の入口弁に開度指令を出力し、前記第１の変換器をコンバータ機能として運転し、
    前記直流リンク部の電圧確立時に前記第２の変換器をインバータ機能として運転し、運転準備完了時に負荷を接続することを特徴とした請求項２記載の発電装置の自立運転方法。
  4. 水車の入口弁開度に応じた前記効率特性曲線を用いることを特徴とした請求項３項に記載の発電装置の自立運転方法。
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