KR102639064B1 - Hydroelectric power system and control method - Google Patents
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Abstract
사전 측정을 행하지 않고 적절한 출력 전력의 제어가 행해지고, 또한 실속 상태로 되어도, 실속 상태로부터 정상인 발전 상태로 복귀시킬 수 있어, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해지고, 또한 전력 제어의 온 또는 오프의 반복 상태로 되는 헌팅이 방지되도록 하는 수력 발전 시스템을 제공한다. 수력 발전 시스템은, 수차(1), 발전기(3), 및 제어 장치(4)를 구비한다. 제어 장치(4)는, MPPT 제어 등을 행하는 기본 제어 수단에 의해 기본적인 제어를 행한다. 출력 전력값 및 회전수값에 의해 규정된 실속 경계 조건 D에 기초하여, 수차(3)가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 발전기(3)의 출력 전력을 제한한다. 실속 경계 조건 D으로는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역이 구성되어 있다. Appropriate output power control is performed without prior measurement, and even in a stalled state, it is possible to return to a normal power generation state from the stalled state, making it possible to obtain large generated power, and also in a repetitive state of power control being turned on or off. Provides a hydroelectric power generation system that prevents hunting. The hydroelectric power system includes a water wheel (1), a generator (3), and a control device (4). The control device 4 performs basic control using basic control means that performs MPPT control and the like. Based on the stall boundary condition D defined by the output power value and the rotation speed value, the output power of the generator 3 is limited as necessary so as to be the maximum power within the range in which the aberration 3 is not determined to be in a stall state. do. The stall boundary condition D consists of a stall boundary area as a hysteresis area.
Description
본 출원은, 2017년 12월 13일자 일본 특허출원 제2017―238255의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다. This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2017-238255, dated December 13, 2017, and is hereby incorporated by reference in its entirety.
본 발명은, 수력 발전 장치를 실속(失速; stall) 상태에 빠지지 않도록 하여, 큰 발전 전력을 얻을 수력 발전 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydroelectric power generation system and control method that prevents a hydroelectric power generation device from falling into a stall state and thereby obtains large generated power.
수력 발전 장치는, 유수(流水)가 가지는 운동 에너지를 발전에 이용하는 시스템이다. 수력 발전 장치는, 물의 흐름을 받아 회전하는 수차(水車; water wheel)와, 수차와 연결되고 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 발전기의 출력 및 수차를 제어하는 제어 장치를, 주된 구성 요소로서 구비한다. A hydroelectric power generation device is a system that uses the kinetic energy of running water for power generation. The main components of a hydroelectric power generation device include a water wheel that rotates under the flow of water, a generator connected to the water wheel and converting rotational energy into electrical energy, and a control device that controls the output of the generator and the water wheel. It is provided as.
발전기로부터 인출하는 전력은 유속(流速; flow rate)에 따라 변화되므로, 상기 제어 장치는, 유속, 수차의 회전 속도, 또는 발전기의 발전 전압을 계측하여, 발전기로부터 인출하는 최적의 전력을 결정하여, 발전기의 발전 전력과 최적값이 일치하도록 제어한다. Since the power drawn from the generator changes depending on the flow rate, the control device measures the flow rate, the rotation speed of the water wheel, or the generated voltage of the generator to determine the optimal power drawn from the generator, It is controlled so that the generator's generated power matches the optimal value.
이를 위해서는, 사전에 수로(水路; waterway)에 수력 발전기를 설치하여, 유속, 발전 전력, 및 발전 특성을 계측하여 최적값을 설정하고, 제어 맵 등에 의해 테이블 특성을 작성할 필요가 있다. 그러므로, 수력 발전 시스템의 가동(稼動)까지, 계측 작업 등의 비용 상승의 요인이 생긴다. To achieve this, it is necessary to install a hydroelectric generator in a waterway in advance, measure the flow rate, generated power, and generated characteristics to set the optimal values, and create table characteristics using a control map, etc. Therefore, factors such as measurement work and other cost increases arise until the hydroelectric power generation system is operated.
사전의 계측, 및 최적값의 설정 작업을 없애기 위해, 탐색 알고리듬에 의한 MPPT 제어라는 최대 전력점 추종 제어로 수력 발전을 제어하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1). MPPT 제어는, 풍력 발전에서도 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 2). In order to eliminate the work of prior measurement and setting of optimal values, a method of controlling hydroelectric power generation by maximum power point tracking control called MPPT control using a search algorithm has been proposed (for example, patent document 1). MPPT control is also used in wind power generation (for example, patent document 2).
그러나, 수차의 회전수가 저하하여 발전 전력도 저하되는 실속 상태에 빠지는 경우가 있으므로, MPPT 제어를 수력 발전 제어 장치에 적용하는 것은 곤란하다. However, it is difficult to apply MPPT control to a hydroelectric power generation control device because there are cases where the rotation speed of the water turbine decreases and the power generation power decreases, resulting in a stall state.
상기 특허문헌 2에서는, 풍력 발전에서의 MPPT 제어이지만, 실속에 대처하는 제어가 제안되어 있다. 즉, MPPT 제어에 의해 발전기의 최적인 동작점을 찾으러 갈 때마다, 출력 전압의 시간 미분(微分) 또는 출력 전류의 시간 미분을 산출하여, 상기 동작점에서의 출력 전력과 산출한 출력 전력의 시간 미분과의 관계가 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라 실속을 판정한다. 실속인 것으로 판정되었을 때는, 발전기의 부하(負荷)를 개방 또는 경감한다. In Patent Document 2, although it is MPPT control in wind power generation, control to cope with stalling is proposed. In other words, each time you go to find the optimal operating point of the generator by MPPT control, the time derivative of the output voltage or the time derivative of the output current is calculated, and the time between the output power at the operating point and the calculated output power is calculated. Stall is determined depending on whether the relationship with the derivative satisfies the stall boundary condition. When it is determined to be stalled, the load on the generator is opened or reduced.
그러나, 발전기의 부하를 개방 또는 경감시킴으로써, 상기 실속 경계 조건을 만족시키지 못하게 되었을 때, 부하를 원래의 값으로 되돌리면, 또한 곧바로 실속 경계 조건을 만족시킴으로써, 전력 제한의 온(on) 또는 오프(off)의 반복 상태로 되는 헌팅(hunting)이 생기는 경우가 있다. However, when the stall boundary condition is no longer satisfied by opening or reducing the load on the generator, returning the load to its original value immediately satisfies the stall boundary condition, thereby turning the power limit on or off ( There are cases where hunting, which is a repetitive state of “off”, occurs.
본 발명은, 상기 문제점을 해소하기 위한 것이며, 그 목적은, 사전 측정을 행하지 않고 적절한 출력 전력의 제어가 행해지고, 또한 실속 상태로 되어도, 실속 상태로부터 정상(正常)인 발전 상태로 복귀시킬 수 있어, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해지고, 또한 전력 제어의 헌팅을 방지할 수 있는 수력 발전 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것이다. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to control the output power appropriately without performing prior measurement, and to restore the normal power generation state from the stalled state even if it is in a stalled state. , to provide a hydroelectric power generation system and control method that makes it possible to obtain large generated power and also prevent hunting in power control.
이하, 편의 상 이해를 용이하게 하기 위해, 실시형태의 부호를 참조하여 설명한다. Hereinafter, for convenience and ease of understanding, description will be made with reference to the symbols of the embodiments.
본 발명의 수력 발전 시스템은, 수력으로 회전하는 수차(1)와, 이 수차(1)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 출력 전력을 조정하여 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비한 수력 발전 시스템으로서, The hydroelectric power generation system of the present invention includes a water turbine (1) rotating by hydraulic power, a generator (3) that converts the rotational energy of the water wheel (1) into electrical energy, and an output power of the generator (3) to adjust the water turbine (1). A hydroelectric power generation system equipped with a control device (4) that controls the number of rotations (1),
상기 제어 장치(4)는, The control device 4 is,
상기 발전기(3)의 출력 전력값을 검출하는 출력 전력 검출 수단(16)과, Output power detection means (16) for detecting the output power value of the generator (3),
검출된 상기 출력 전력값을 기억하는 출력 전력 기억 수단(17)과, Output power storage means (17) for storing the detected output power value,
상기 발전기(3)의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단(18)과, Rotation speed detection means (18) for detecting the rotation speed of the generator (3),
검출된 상기 회전수를 기억하는 회전수 기억 수단(19)과, Rotation speed storage means (19) for storing the detected rotation speed,
기억된 상기 출력 전력값 및 상기 회전수를 사용하여 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 기본 제어 수단(13)과, Basic control means (13) for controlling the output power of the generator using the stored output power value and the number of rotations,
상기 출력 전력값 및 상기 회전수값에 대한 실속 경계 조건 D으로서, 미리 설정된 실속 경계 조건 D에 기초하여, 상기 수차(1)가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한하는 발전 전력 제한 제어 수단(20)을 구비하고, As a stall boundary condition D for the output power value and the rotation speed value, based on a preset stall boundary condition D, the aberration 1 is set to the maximum power in a range in which it is not determined to be in a stall state, as necessary. Provided with generated power limitation control means (20) for limiting the output power of the generator (3),
상기 실속 경계 조건 D는, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역 A과 비실속(非失速) 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역 B가, 상기 출력 전력값 및 상기 회전수값의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선 a, b는, 상기 기본 제어 수단(13)에 의해 사용되는 상기 출력 전력값이 상승했을 때 및/또는 상기 회전수값이 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하기 위한 실속 판정 곡선 a와, 상기 기본 제어 수단(13)에 의해 사용되는 상기 출력 전력값이 저하되었을 때 및/또는 상기 회전수값이 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하기 위한 복귀 판정 곡선 b를 포함하고, 이들 곡선 a, b 사이에는 히스테리시스(hysteresis) 영역으로서 실속 경계 영역 C가 구성되어 있다. The stall boundary condition D is a judgment curve in which stall determination area A, which is determined to be in a stall state, and non-stall determination area B, which is determined to be in a non-stall state, represent the relationship between the output power value and the rotation speed value. It is divided into a and b, and the determination curves a and b determine that the stall state is present when the output power value used by the basic control means 13 increases and/or the rotation speed value decreases. a stall determination curve a for determining a stall determination curve a, and a recovery determination curve b for determining a non-stall state when the output power value used by the basic control means 13 decreases and/or the rotation speed value increases. Included, and between these curves a and b, a stall boundary area C is formed as a hysteresis area.
이 구성에 의하면, 상기 제어 장치(4)는, 기본적으로는 발전 전력 등을 감시하고, 정해진 제어 규칙에 따라 출력 전력을 제어함으로써 수차(1)의 회전수를 제어한다. 이 동안, 상기 발전 전력 제한 제어 수단(20)에 의해, 실속 경계 조건 D에 비추어 상기 수차(1)가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 발전기(3)의 출력 전력을 제한한다. 상기 실속 경계 조건 D으로, 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C을 설정하였으므로, 발전 전력 제한 제어 수단(20)에 의한 실속 판정의 온 또는 오프의 반복 상태로 되는 헌팅이 방지되어, 안정적으로 전력 제한이 행해진다. According to this configuration, the control device 4 basically monitors the generated power, etc. and controls the rotation speed of the water turbine 1 by controlling the output power according to a set control rule. During this time, the power generation power limit control means 20 controls the power of the generator 3 as necessary to achieve maximum power within a range in which the turbine 1 is not determined to be in a stall state in light of the stall boundary condition D. Limit output power. Since the stall boundary area C is set as the hysteresis area with the stall boundary condition D, hunting in which the stall determination is repeatedly turned on or off by the generated power limit control means 20 is prevented, and power limit is stably achieved. all.
상기 기본 제어 수단(13)이, 상기 발전기(3)의 출력 변동에 대하여, 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단(13)이며, 상기 발전 전력 제한 제어 수단(20)은, 상기 MPPT 제어 수단(13)의 제어 사이클마다 상기 수차(1)의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 필요에 따라 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한해도 된다. The basic control means 13 is an MPPT control means 13 that tracks and controls the maximum power operating point with respect to output fluctuations of the generator 3, and the generated power limit control means 20 controls the MPPT. The stalled state or non-stall state of the water turbine 1 may be determined for each control cycle of the means 13, and the output power of the generator 3 may be limited as necessary.
최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어에 의하면, 수차(1)가 설치되는 현지에서의 유속(flow rate)이나 수차 회전수의 사전 계측 작업을 생략해도 양호한 효율의 발전이 행해진다. 그러나, 수력 발전 시스템에 MPPT 제어를 적용하면, 그 제어만으로는, 수차(1)의 회전수가 저하되고, 발전 전력도 저하되는 실속 상태로 되어, 정상 상태로 복귀시킬 수 없는 경우가 있다. 이에 대하여, 본 구성에 의하면, 발전 전력 제한 제어 수단(20)에 의해 실속 판정을 행하여, 실속 시는 출력 전력의 제한을 행하므로, 실속 상태의 복귀가 행해지고, 실속에 의한 발전 전력 저감을 크고 생기게 하지 않아, MPPT 제어에 의한 효율적인 제어가 행해진다. According to MPPT control that follows the maximum power operating point, power generation is achieved with good efficiency even if preliminary measurement work of the flow rate or rotation speed of the water turbine 1 is omitted at the site where the water turbine 1 is installed. However, when MPPT control is applied to a hydroelectric power generation system, the rotational speed of the water turbine 1 decreases and the generated power also decreases, resulting in a stalled state, which may not be able to return to the normal state through that control alone. In contrast, according to this configuration, stall determination is made by the generated power limitation control means 20, and output power is limited at the time of stall, so that the stalled state is restored and the generated power reduction due to stall is greatly reduced. Therefore, efficient control is performed using MPPT control.
상기 제어 장치(4)가, 상기 발전기(3)의 출력 전력을 PWM 제어하는 PWM 제어 수단(15)을 구비하고, 상기 MPPT 제어 수단(13)은, 상기 발전기(3)가 상기 최대 전력 동작점의 출력 전력으로 되도록 상기 PWM 제어 수단(15)에 듀티비(RDuty1)를 부여하고, 상기 발전 전력 제한 제어 수단(20)은, 상기 MPPT 제어 수단(13)으로부터 주어지는 듀티비(RDuty1)로부터 소정의 듀티비(Rduty2)만큼 감산한 듀티비(RDuty1―Rduty2)로 상기 PWM 제어 수단(15)을 동작시킴으로써, 상기 출력 전력을 제한해도 된다. The control device (4) is provided with a PWM control means (15) for PWM controlling the output power of the generator (3), and the MPPT control means (13) is configured to set the generator (3) to the maximum power operating point. A duty ratio (R Duty1 ) is given to the PWM control means (15) so that the output power of The output power may be limited by operating the PWM control means 15 with a duty ratio (R Duty1 - R duty2 ) subtracted by a predetermined duty ratio (R duty2 ).
이 구성의 경우, 실속이라고 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한하는 것을 간단한 제어로 행할 수 있다. In the case of this configuration, it is possible to limit the output power of the generator 3 to the maximum power within a range that is not determined to be stall by simple control.
본 발명의 수력 발전 시스템의 제어 방법은, 수력으로 회전하는 수차(1)와, 이 수차(1)의 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 출력 전력을 조정하여 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비한 수력 발전 시스템을 제어하는 방법으로서, The control method of the hydroelectric power generation system of the present invention includes a water wheel (1) rotating by hydraulic power, a generator (3) that converts the rotational energy of the water wheel (1) into electrical energy, and adjusting the output power of the generator (3). As a method of controlling a hydroelectric power generation system equipped with a control device (4) for controlling the number of rotations of the water turbine (1),
상기 발전기(3)의 출력 전력값 및 상기 수차(1)의 회전수값에 대한 실속 경계 조건 D을 설정하고, Set a stall boundary condition D for the output power value of the generator (3) and the rotation speed value of the water turbine (1),
상기 제어 장치(4)에 의한 기본의 제어로서, 상기 발전기(3)의 출력 전력값 및 상기 수차(1)의 회전수를 사용하여, 정해진 규칙에 따라 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제어하고, As basic control by the control device 4, the output power of the generator 3 is controlled according to a set rule using the output power value of the generator 3 and the rotation speed of the water turbine 1, and ,
상기 제어 장치(4)의 상기 기본의 제어의 제어 사이클마다, 상기 발전기(3)의 출력 전력값 및 상기 수차(1)의 회전수값으로부터, 상기 실속 경계 조건 D에 기초하여, 상기 수차(1)가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한하고(S7), For each control cycle of the basic control of the control device 4, from the output power value of the generator 3 and the rotation speed value of the water turbine 1, based on the stall boundary condition D, the water turbine 1 Limiting the output power of the generator 3 as necessary so that it reaches the maximum power within a range in which it is not determined to be in a stall state (S7),
상기 실속 경계 조건 D는, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역 A과 비실속 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역 B가, 상기 출력 전력값 및 상기 회전수값의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선 a, b는, 상기 출력 전력값이 상승했을 때 및/또는 상기 회전수값이 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 곡선 a와, 상기 출력 전력값이 저하되었을 때 및/또는 상기 회전수값이 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정되는 복귀 판정 곡선 b를 포함하고, 이들 곡선 a, b 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C가 구성되어 있다. The stall boundary condition D is such that the stall determination area A, which is determined to be in a stall state, and the non-stall determination area B, which is determined to be in a non-stall state, are determined by the judgment curves a and b showing the relationship between the output power value and the rotation speed value. and the determination curves a and b are a stall determination curve a, which is determined to be in a stall state when the output power value increases and/or the rotation speed value decreases, and a stall determination curve a which is determined to be in a stall state when the output power value decreases. and/or a return determination curve b that is determined to be in a non-stall state when the rotation speed value increases, and a stall boundary area C is configured as a hysteresis area between these curves a and b.
이 구성에 의하면, 상기 수력 발전 시스템에 대하여 전술한 바와 마찬가지로, 실속 상태가 생겨도 정상인 발전 상태로 복귀시킬 수 있어, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 히스테리시스 영역의 실속 경계 영역 C을 설정하므로, 실속 판정에 의한 전력 제어의 헌팅이 방지된다. According to this configuration, as described above with respect to the hydroelectric power generation system, even if a stall occurs, it can be restored to a normal power generation state, making it possible to obtain large generated power. Additionally, since the stall boundary area C of the hysteresis area is set, hunting of power control due to stall determination is prevented.
상기 제어 장치(4)는, 상기 기본의 제어로서, 상기 발전기(3)의 출력 변동에 대하여, 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어를 행하여, MPPT 제어의 제어 사이클마다, 상기 발전기(3)의 출력 전력값 및 상기 수차(1)의 회전수값으로부터, 상기 실속 경계 조건에 기초하여, 상기 수차(1)가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한해도 된다. As the basic control, the control device 4 performs MPPT control to track the maximum power operating point with respect to output fluctuations of the generator 3, and performs MPPT control to control the generator 3 for each control cycle of the MPPT control. From the output power value and the rotation speed value of the water turbine 1, based on the stall boundary condition, the generator ( 3) You may limit the output power.
MPPT 제어에 의하면, 현지에서의 유속(flow rate)이나 수차 회전수의 사전 계측 작업을 생략해도 양호한 효율의 발전이 행하게 되지만, 그 제어만으로는, 실속 상태로 되었던 경우에 정상 상태로 복귀시킬 수 없는 경우가 있다. 이에 대하여, 이 구성에 의하면, 실속 경계 조건에 따라 실속이라고 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한하므로, 실속에 의한 발전 전력 저감이 크게 생기게 하지 않아, MPPT 제어에 의한 효율적인 제어가 행해진다. According to MPPT control, high efficiency power generation can be achieved even if pre-measurement work of local flow rate or water turbine rotation speed is omitted, but in case of stalled state, it cannot be restored to normal state only with that control. There is. In contrast, according to this configuration, the output power of the generator 3 is limited to the maximum power within the range in which stall is not determined according to the stall boundary condition, so a significant reduction in generated power due to stall does not occur, and MPPT control Efficient control is performed by.
특허청구범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 2개 이상의 구성의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. Any combination of two or more elements disclosed in the claims and/or specification and/or drawings is encompassed by the present invention. In particular, any combination of two or more of each claim in the claims is included in the present invention.
본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 수력 발전 시스템의 개략을 나타내는 설명도이다.
도 2는 도 1의 수력 발전 시스템의 개념 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3는 실속 판정 영역과 비실속 판정 영역의 참고예로 되는 실속 임계값 제어 그래프이다.
도 4는 도 1의 수력 발전 시스템에 의해 사용되는 실속 판정 영역, 비실속 판정 영역, 및 실속 경계 영역을 나타내는 실속 임계값 제어 그래프이다.
도 5는 도 1의 수력 발전 시스템이 실행하는 제어 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 1의 수력 발전 시스템에 의해 사용하는 수력 발전기의 다른 예의 개략 설명도이다. The present invention will be more clearly understood from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments and drawings are for simple illustration and description and are not used to define the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims. In the accompanying drawings, the same symbols in a plurality of drawings indicate the same or equivalent parts.
1 is an explanatory diagram schematically showing a hydroelectric power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing the conceptual configuration of the hydroelectric power generation system of FIG. 1.
Figure 3 is a stall threshold control graph serving as a reference example of the stall determination area and the non-stall determination area.
FIG. 4 is a stall threshold control graph showing stall determination areas, non-stall determination areas, and stall boundary areas used by the hydroelectric power system of FIG. 1;
FIG. 5 is a flowchart showing the control method performed by the hydroelectric power generation system of FIG. 1.
FIG. 6 is a schematic diagram of another example of a hydroelectric power generator used by the hydroelectric power generation system of FIG. 1.
본 발명의 일 실시 형태를 도면과 함께 설명한다. 이 수력 발전 시스템은, 수평축형(프로펠러형) 수력 발전기의 예이다. 수로(waterway)(도시하지 않음)를 흐르는 물의 운동 에너지에 의해 수차(1)가 회전하고, 수차(1)의 주축(主軸; main spindle)(2)이 발전기(3)를 회전시킨다. 발전기(3)는, 예를 들면, 영구 자석을 사용한 3상 동기(同期) 발전기이며, 주축(2)에 커플링(도시하지 않음) 등으로 연결되어 있다. 주축(2)과 발전기(3)의 사이에, 도 6의 예와 같이 증속기(25)가 설치되어 있어도 된다. One embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This hydroelectric power generation system is an example of a horizontal shaft type (propeller type) hydroelectric generator. The water wheel (1) rotates due to the kinetic energy of water flowing in a waterway (not shown), and the main spindle (2) of the water wheel (1) rotates the generator (3). The generator 3 is, for example, a three-phase synchronous generator using permanent magnets, and is connected to the main shaft 2 by a coupling (not shown) or the like. Between the main shaft 2 and the generator 3, a speed increaser 25 may be installed as in the example of FIG. 6.
발전기(2)에 부하를 접속하여 출력을 소비시키면, 수차(1)에 발전기(3)로부터 토크가 걸려, 수차(1)의 회전이 제동된다. 부하 전력을 무겁게 하면 수차(3)의 회전 속도는 늦어지게 되고, 부하 전력을 가볍게 하면 수차(3)의 회전 속도는 빨라진다. 발전기(3)의 부하로서, 제어 장치(4)를 통해 부하 회로(5)가 접속된다. 제어 장치(4)는, 유속에 따라, 발전기(3)의 토크를 증감시키고, 수차(1)가 최적의 회전수로 회전하도록 제어하고 있다. 제어 장치(4)에는, DC/DC 컨버터나 인버터 등이 사용된다. 부하 회로(5)는 전기 기기(機器)나 부하 계통이다. When a load is connected to the generator 2 to consume output, torque is applied to the water turbine 1 from the generator 3, thereby braking the rotation of the water wheel 1. When the load power is increased, the rotation speed of the water turbine 3 becomes slower, and when the load power is light, the rotation speed of the water turbine 3 becomes faster. As a load on the generator 3, a load circuit 5 is connected via the control device 4. The control device 4 increases or decreases the torque of the generator 3 according to the flow rate and controls the water turbine 1 to rotate at an optimal rotation speed. A DC/DC converter, an inverter, etc. are used in the control device 4. The load circuit 5 is an electrical device or load system.
도 2는, 제어 장치(4)의 구체예를 나타낸다. 제어 장치(4)는, 발전기(3)의 발전 전력을 부하 회로(5)에 공급하는 주회로부(6)와, 이 주회로부(6)를 제어하는 제어 회로부(7)를 구비하고, 또한 발전 전력을 저장하는 배터리(8)를 구비하고 있다. 주회로부(6)는, 배터리(8)와 발전기(3)와의 사이에 순차로 개재된, 정류기(整流器)(9), 컨버터(10), 전류계(11),전압계(21) 및 스위칭 수단(12)을 구비한다. Figure 2 shows a specific example of the control device 4. The control device 4 has a main circuit section 6 that supplies the generated power of the generator 3 to the load circuit 5, and a control circuit section 7 that controls the main circuit section 6, and further generates power. It is equipped with a battery (8) that stores power. The main circuit unit 6 includes a rectifier 9, a converter 10, an ammeter 11, a voltmeter 21, and a switching means ( 12) is provided.
정류기(9)는, 발전기(3)의 발전한 3상 교류의 전력을 직류에 정류(整流)하는 기기이며, 반도체 스위칭 소자의 하프 브리지 회로로 구성되어 있다. 컨버터(10)는, 예를 들면, 승압(昇壓) 초퍼로 이루어진다. 대신에, 컨버터(10)는 강압(降壓) 초퍼로 해도 된다. 스위칭 수단(12)은, 상기 정류가 행해진 직류 전력을 온 또는 오프하여 배터리(8)에 공급하는 출력 전력을 전환하는 수단이다. 스위칭 수단(12)은, 반도체 스위칭 소자라도, 유접점 스위치라도 된다. 스위칭 수단(12)은, PWM 제어 수단(15)이 출력하는 제어 신호에 의해 온 또는 오프의 전환이 가능하다. The rectifier 9 is a device that rectifies the three-phase alternating current power generated by the generator 3 into direct current, and is composed of a half-bridge circuit of semiconductor switching elements. The converter 10 is made of, for example, a step-up chopper. Instead, the converter 10 may be a step-down chopper. The switching means 12 is a means for switching the output power supplied to the battery 8 by turning the rectified direct current power on or off. The switching means 12 may be a semiconductor switching element or a contact switch. The switching means 12 can be switched on or off by a control signal output from the PWM control means 15.
배터리(8)와 부하 회로(5)는 병렬이며, 발전기(3)의 발전 전력을 배터리(8)에 충전하면서, 부하 회로(5)에 급전(給電)할 수 있다. 상기 주회로부(6)는, 발전기(3)의 출력측에 배터리(8)와 부하 회로(5)를 병렬로 접속하고 있으므로, 출력 전압은 대략 일정하게 된다. 따라서, 스위칭 수단(12)의 개폐로 컨버터(10)의 출력 전류의 듀티비를 조정함으로써, 발전기(3)의 출력 전력을 조정할 수 있다. The battery 8 and the load circuit 5 are in parallel, and power generated by the generator 3 can be supplied to the load circuit 5 while charging the battery 8. Since the main circuit section 6 connects the battery 8 and the load circuit 5 in parallel to the output side of the generator 3, the output voltage becomes approximately constant. Therefore, the output power of the generator 3 can be adjusted by adjusting the duty ratio of the output current of the converter 10 by opening and closing the switching means 12.
제어 회로부(7)는, 컴퓨터 등으로 이루어지고, 이 예에서는, 기본 제어 수단인 MPPT 제어 수단(13)과 통상의 제어를 행하여, 수차(1)의 실속에 대한 제어를 실속 대응 제어 수단(14)에 의해 행한다. MPPT 제어 수단(13) 및 실속 대응 제어 수단(14)은 모두 PWM 제어 수단(15)에 의한 펄스폭 제어에 의해 상기 스위칭 수단(12)을 개폐 제어한다. 즉, 개방 시간과 폐쇄 시간의 합에 대한 폐쇄 시간의 비율인 듀티비를 제어한다. 이로써, 출력 전력을 조정한다. 그리고, 제어 회로부(7)는, MPPT 제어 수단(13)은 다른 제어 방법을 채용하는 기본 제어 수단에 의해 통상의 제어를 행하도록 해도 된다. The control circuit section 7 is made of a computer, etc., and in this example, normal control is performed with the MPPT control means 13, which is the basic control means, and control of the stall of the water turbine 1 is controlled by the stall response control means 14. ) is carried out by. The MPPT control means 13 and the stall response control means 14 both control the opening and closing of the switching means 12 by pulse width control by the PWM control means 15. In other words, the duty ratio, which is the ratio of the closed time to the sum of the open time and the closed time, is controlled. Thereby, the output power is adjusted. In addition, the control circuit section 7 may perform normal control by using the MPPT control means 13 as a basic control means employing another control method.
MPPT 제어 수단(13)은, 발전기(3)의 출력 전력의 변동에 대하여, 발전기(3)의 동작점이 항상 제어 상의 최대 출력 동작점을 추종하도록 변화시킴으로써, 발전기(3)로부터 최대의 출력을 인출하는 제어를 행하는 수단이다. 상기 최대 출력 동작점은, MPPT 제어 수단(13)과 샘플링마다 얻어지는 동작점 중, 부하 회로(5)에 대한 출력 최대가 되는 동작점이다. 동작점의 전력은, 전류계(11) 및 전압계(21)의 측정값으로부터 검출된다. The MPPT control means 13 extracts maximum output from the generator 3 by changing the operating point of the generator 3 to always follow the maximum output operating point under control in response to changes in the output power of the generator 3. It is a means of performing control. The maximum output operating point is an operating point at which the output to the load circuit 5 is maximum among the operating points obtained by the MPPT control means 13 and each sampling. The power at the operating point is detected from the measured values of the ammeter 11 and voltmeter 21.
실속 대응 제어 수단(14)은, 출력 전력 검출 수단(16), 출력 전력 기억 수단(17), 회전수 검출 수단(18), 회전수 기억 수단(19), 및 발전 전력 제한 제어 수단(20)을 구비한다. 실속 대응 제어 수단(14)은, MPPT 제어 수단(13)에 의해 상기 동작점을 찾으러 갈 때마다, 발전 전력 제한 제어 수단(20)에 의해 실속 경계 조건 D과 대조하여, 실속인 것으로 판정되는 경우에는 출력 전력의 제한을 행한다. The stall response control means 14 includes output power detection means 16, output power storage means 17, rotation speed detection means 18, rotation speed storage means 19, and generated power limitation control means 20. Equipped with Whenever the stall response control means 14 searches for the operating point by the MPPT control means 13, the generated power limit control means 20 compares it with the stall boundary condition D, and determines that the stall is present. The output power is limited.
출력 전력 검출 수단(16)은, 발전기(3)의 출력 전력값을 검출하는 수단이다. 출력 전력 검출 수단(16)은, 예를 들면, 상기 전류계(11)에 의해 검출된 전류값, 및 전압계(21)에 의해 검출된 전압값을 입수하고, 전류값에 전압값을 곱한 값을 연산하여 출력 전력값으로 한다. 전압값은, 배터리(8)의 전압값으로 된다. 전력 합계(도시하지 않음)를 설치하여 검출해도 된다. 출력 전력 기억 수단(17)은, 출력 전력 검출 수단(16)에 의해 검출된 출력 전력을 기억한다. 기억하는 출력 전력값은, 출력 전력 검출 수단(16)과 전력 검출을 행할 때마다 갱신한다. The output power detection means 16 is a means for detecting the output power value of the generator 3. The output power detection means 16 obtains, for example, the current value detected by the ammeter 11 and the voltage value detected by the voltmeter 21, and calculates a value obtained by multiplying the current value by the voltage value. This is used as the output power value. The voltage value becomes the voltage value of the battery 8. It may be detected by installing a power total (not shown). The output power storage means 17 stores the output power detected by the output power detection means 16. The stored output power value is updated each time power detection is performed with the output power detection means 16.
회전수 검출 수단(18)은, 발전기(3)에 구비된 회전 검출기(도시하지 않음)의 펄스 등에 의한 검출 출력을 입수하고, 발전기(3)의 회전수를 연산하는 것 등으로, 발전기(3)의 회전수를 검출한다. 이 회전수는, 단위 시간당의 회전수이며, 환언하면 회전 속도이다. 상기 회전 검출기는, 발전기(3)의 회전수로 환산할 수 있는 검출값을 출력할 수 있는 개소이면, 어디에 설치되어 있어도 된다. 회전수 기억 수단(19)은, 회전수 검출 수단(18)에 의해 검출한 회전수를 기억한다. 기억하는 회전수는, 회전수 검출 수단(18)에 의해 회전수를 검출할 때마다 갱신한다. The rotation speed detection means 18 obtains the detection output by a pulse or the like from a rotation detector (not shown) provided in the generator 3, calculates the rotation speed of the generator 3, etc. ) detects the number of rotations. This number of rotations is the number of rotations per unit time, in other words, it is the rotation speed. The rotation detector may be installed anywhere as long as it can output a detection value that can be converted to the rotation speed of the generator 3. The rotation speed storage means 19 stores the rotation speed detected by the rotation speed detection means 18. The stored rotation speed is updated each time the rotation speed is detected by the rotation speed detection means 18.
출력 전력값 및 회전수값에 대한 실속 경계 조건 D이 미리 설정되어 있다. 발전 전력 제한 제어 수단(20)은, 출력 전력 기억 수단(17)에 기억되어 있는 출력 전력 및 회전수 기억 수단(19)에 기억되어 있는 회전수를 실속 경계 조건 D과 대조한다. 즉, 기억되어 있는 출력 전력 및 회전수를 실속 경계 조건 D에 맞춘다. 발전 전력 제한 제어 수단(20)은, 상기 실속 경계 조건 D에 기초하여, 실속이라고 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한한다. 출력 전력의 제한은, 상기 PWM 제어 수단(15)에 의해 스위칭 수단(12)을 개폐시켜 제어하는 듀티비를 저하시킴으로써 행한다. The stall boundary condition D for the output power value and rotation speed value is set in advance. The generated power limitation control means 20 compares the output power stored in the output power storage means 17 and the rotation speed stored in the rotation speed storage means 19 with the stall boundary condition D. In other words, the stored output power and rotation speed are adjusted to the stall boundary condition D. Based on the stall boundary condition D, the generated power limit control means 20 limits the output power of the generator 3 to the maximum power within a range that is not determined to be stall. The output power is limited by lowering the duty ratio controlled by opening and closing the switching means 12 by the PWM control means 15.
상기 실속 경계 조건 D는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실속인 것으로 판정하는 실속 판정 영역 A과 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가, 상기 출력 전력값 및 회전수값의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 구분되어 있다. 상기 판정 곡선 a, b에는, 출력 전력값이 상승했을 때 및/또는 회전수값이 저하되었을 때 실속인 것으로 판정하기 위해 정해진 실속 판정 곡선 a와, 출력 전력값이 저하되었을 때 및/또는 회전수값이 상승했을 때 비실속인 것으로 판정하기 위해 정해진 복귀 판정 곡선 b를 포함한다. 양 곡선 a, b 사이가 히스테리시스 영역의 실속 경계 영역 C로 된다. As shown in FIG. 4, the stall boundary condition D is a judgment curve in which the stall judgment area A, which determines that the stall is stalled, and the non-stall judgment area B, which determines that the stall is non-stall, represent the relationship between the output power value and the rotation speed value. It is divided into a and b. The above judgment curves a and b include a stall judgment curve a determined to determine stalling when the output power value increases and/or the rotation speed value decreases, and a stall judgment curve a determined when the output power value decreases and/or the rotation speed value. It includes a return judgment curve b determined to determine that it is non-stall when ascended. The area between both curves a and b becomes the stall boundary area C of the hysteresis area.
도 5를 참조하여, 도 2의 제어 회로부(7)의 제어 동작을 설명한다. 동 도면의 제어 처리는, MPPT 제어 수단(13)이 동작점을 찾으러 갈 때마다 반복된다. Referring to FIG. 5, the control operation of the control circuit portion 7 in FIG. 2 will be described. The control processing in the same figure is repeated each time the MPPT control means 13 searches for the operating point.
회전수 연산 과정(S1)에서는, 회전수 검출 수단(18)에 의해 발전기(3)의 회전수 N를 연산하고, 이것을 회전수의 검출값으로 한다. 전력 연산 과정(S2)에서는, 출력 전력 검출 수단(16)에 의해 발전기(3)의 출력 전력값 P를 연산하고, 이것을 출력 전력의 검출값으로 한다. 회전수 기억 과정(S3) 및 전력 기억 과정(S4)의 각각에 의해서는, 전술한 검출된 회전수 N 및 출력 전력값 P를, 회전수 기억 수단(19) 및 출력 전력 기억 수단(17)에 각각 기억한다. 회전수와 전력의 연산(S1,S2)은, 어느 것을 먼저 행해도 된다. In the rotation speed calculation process (S1), the rotation speed N of the generator 3 is calculated by the rotation speed detection means 18, and this is used as the detection value of the rotation speed. In the power calculation process (S2), the output power value P of the generator 3 is calculated by the output power detection means 16, and this is used as the detected value of the output power. By each of the rotation speed storage process S3 and the power storage process S4, the above-mentioned detected rotation speed N and output power value P are stored in the rotation speed storage means 19 and the output power storage means 17. I remember each one. The calculations (S1, S2) of rotation speed and power may be performed whichever comes first.
이 후, MPPT 제어 수단(13)은, MPPT 제어 과정(S5)에서, 전술한 기억된 회전수 N 및 출력 전력값 P으로부터 MPPT 제어의 연산을 행하여, 최적 전력인 최대 전력 Pmax를 구하고, PWM 제어 과정(S6)에서, 상기 최대 전력 Pmax로 되는 듀티비 RDuty1을 연산한다. After this, in the MPPT control process (S5), the MPPT control means 13 performs MPPT control calculation from the above-mentioned stored rotation speed N and output power value P, obtains the maximum power Pmax, which is the optimal power, and performs PWM control. In step S6, the duty ratio R Duty1 , which becomes the maximum power Pmax, is calculated.
발전 전력 제한 제어 과정(S7)에서는, 발전 전력 제한 제어 수단(20)에 의해, 검출되고 기억된 상기 회전수 N 및 상기 출력 전력값 P를, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프에 의해 규정된 실속 경계 조건 D과 대조하여, 실속 상태에 있는지의 여부를 판정하고, 실속 상태에 있는 경우에는 출력 전력을 제한하는 지령을 출력한다. In the generated power limit control process (S7), the rotation speed N and the output power value P detected and stored by the generated power limit control means 20 are adjusted to the stall defined by the stall threshold control graph in FIG. 4. By comparing with the boundary condition D, it is determined whether the device is in a stall state, and if it is in a stall state, a command to limit the output power is output.
PWM 제어 과정(S8)은, 기본적으로는 MPPT 제어 수단(13)으로부터 지령된 듀티비 RDuty1로, PWM 제어 수단(15)에 의한 PWM 제어로 출력 전력의 제어를 행한다. 발전 전력 제한 제어 과정(S7)에서 실속 상태에 있으므로 판정된 경우에는, PWM 제어의 듀티비를 저하시킨다. 구체적으로는, PWM 제어 과정(S8)에서 사용하는 듀티비 RDuty는, PWM 제어의 현재의 듀티비 RDuty1로부터, 감산용의 듀티비 Rduty2만큼 감산한 듀티비 RDuty1―Rduty2로 한다. 감산용의 듀티비 Rduty2는, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프와 대조하여 산출한다. 예를 들면, 감산용의 듀티비 Rduty2는, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프의 판정 곡선 a 및/또는 b에서의 상기 회전수 N에서의 전력값과, 상기 출력 전력값을 비교하여 구한다. The PWM control process (S8) basically controls the output power by PWM control by the PWM control means 15 with the duty ratio R Duty1 commanded from the MPPT control means 13. If it is determined in the generated power limit control process (S7) that the device is in a stalled state, the duty ratio of the PWM control is lowered. Specifically, the duty ratio R Duty used in the PWM control process (S8) is set to the duty ratio R Duty1 - R duty2, which is subtracted from the current duty ratio R Duty1 of PWM control by the duty ratio R duty2 for subtraction. The duty ratio R duty2 for subtraction is calculated by comparing with the stall threshold control graph in FIG. 4. For example, the duty ratio R duty2 for subtraction is obtained by comparing the power value at the rotation speed N and the output power value in the judgment curve a and/or b of the stall threshold control graph in FIG. 4.
발전 전력 제한 제어 과정의, 실속 임계값 제어 그래프의 사용법을 설명한다. Explains how to use the stall threshold control graph in the generated power limit control process.
계측한 출력 전력 현재값 Ppv[W] 및 회전수 Npv[rpm]와, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프의 회전수 현재값 Npv에 대응한, 전력 임계값 상한 Pa, 및 전력 임계값 하한 Pb와, 상기한 출력 전력 Ppv를 비교하여, Rduty2를 결정한다. The measured output power current value Ppv [W] and rotation speed Npv [rpm], the power threshold upper limit Pa, and the power threshold lower limit Pb corresponding to the rotation speed current value Npv in the stall threshold control graph in FIG. 4, and , by comparing the output power Ppv described above, R duty2 is determined.
(1) Ppv(전력 계측값)>Pa(임계값 상한) 시(1) When Ppv (power measurement value) > Pa (upper threshold)
RDuty= RDuty1―Rduty2 R Duty = R Duty1 ―R duty2
단, Rduty2는, 3% 등의 미리 설정한 제어 상수값(constant value)이다. However, R duty2 is a preset control constant value such as 3%.
(2) Ppv(전력 계측값)=Pa(임계값 상한) 시(2) When Ppv (power measurement value) = Pa (upper threshold limit)
RDuty= RDuty1―Rduty2 R Duty = R Duty1 ―R duty2
단, Rduty2는, 2% 등의 미리 설정한 제어 상수값이다. However, R duty2 is a preset control constant value such as 2%.
(3) Pa(임계값 상한)>Ppv(전력 계측값)>Pb(임계값 하한) 시, (3) When Pa (upper threshold limit) > Ppv (power measurement value) > Pb (lower threshold limit),
RDuty= RDuty1―Rduty2 R Duty = R Duty1 ―R duty2
단, Rduty2는, 1% 등의 미리 설정한 제어 상수값이다. However, R duty2 is a preset control constant value such as 1%.
(4) Ppv(전력 계측값)≤Pb(임계값 하한) 시, (4) When Ppv (power measurement value) ≤ Pb (lower threshold),
RDuty= RDuty1―Rduty2 R Duty = R Duty1 ―R duty2
단, Rduty2는, 0%로 미리 설정한 제어 상수값이다. However, R duty2 is a control constant value preset to 0%.
수력 발전 시스템에 의해 제어 장치(4)에 의한 MPPT 제어로 최대 전력점에 추종하고 있으면, 수차(1)가 실속 상태에 빠지는 경우가 있어, 발전 전력의 대폭적인 저하를 초래하게 된다. 이에 대하여, 상기한 바와 같이, 실속 상태를 발전 전력 제한 제어 수단(20)인 것으로 판정하고, 듀티비를 작게 하여 발전 전력을 저하시킴으로써, 정상인 발전 상태로 할 수 있다. 이로써, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해진다. If the hydroelectric power generation system follows the maximum power point through MPPT control by the control device 4, the water turbine 1 may fall into a stall state, resulting in a significant decrease in generated power. In contrast, as described above, a normal power generation state can be achieved by determining that the stalled state is the generated power limitation control means 20 and reducing the generated power by reducing the duty ratio. This makes it possible to obtain large generated power.
상기한 바와 같이 실속 상태를 판정하는 경우에, 도 3와 같이 실속 판정 영역 A과 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가 1개의 판정 곡선 d로 구분되어 있으면, 실속인 것으로 판정하여 부하 전력을 저감 또는 개방하고, 비실속 상태로 된 후, 수류(水流)의 유속 등은 큰 변화가 없기 때문에, 다시 실속하여, 실속 판정의 온 또는 오프의 반복 상태로 되는 헌팅이 생기는 경우가 있다. In the case of determining the stall state as described above, if the stall determination area A and the non-stall determination area B, which is determined to be non-stall, are separated by one decision curve d, as shown in FIG. 3, it is determined to be stall and the load power After reducing or opening and entering a non-stall state, there is no significant change in the water flow velocity, etc., so stalling again may occur, resulting in hunting in which the stall determination is repeatedly turned on or off.
이에 대하여, 이 실시형태에서는, 상기 실속 경계 조건으로 하여, 도 4와 같이, 실속인 것으로 판정하는 실속 판정 영역 A과 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가, 2개의 판정 곡선 a, b에 의해 구분되어 있다. 즉, 상기 판정 곡선은, 출력 전력값이 상승했을 때 및/또는 회전수값이 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 곡선 a와, 출력 전력값이 저하되었을 때 및/또는 회전수값이 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하는 복귀 판정 곡선 b를 포함한다. 이들 곡선 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C가 구성되어 있다. In contrast, in this embodiment, with the stall boundary condition as shown in FIG. 4, the stall determination area A, which determines that the stall is stalled, and the non-stall determination area B, which determines that the stall is non-stall, are two determination curves a and b. It is separated by . In other words, the above judgment curve includes a stall judgment curve a that determines that the stall state is present when the output power value increases and/or the rotation speed value decreases, and a stall judgment curve a that determines that the stall state is present when the output power value decreases and/or the rotation speed value increases. It includes a return judgment curve b that determines that it is in a non-stall state. Between these curves, a stall boundary area C is formed as a hysteresis area.
실속 판정 곡선 a로 판정할 것인지, 복귀 판정 곡선 b로 판정할 것인지는, 전회의 판정(전회의 제어 사이클)에 있어서, 비실속 상태와 실속 상태 중 어느 하나에 있었는지를 플래그(flag) 등을 사용하여 기억해 두고, 전회가 비실속 상태였던 때는 실속 판정 곡선 a을 사용하여 판정하고, 전회가 실속 상태였던 때는 복귀 판정 곡선 b를 사용하여 판정한다. To determine whether to determine using the stall determination curve a or the recovery determination curve b, a flag, etc. is used to determine whether either the non-stall state or the stall state was in the previous judgment (previous control cycle). Remember, if the previous time was in a non-stall state, the decision is made using the stall judgment curve a, and if the previous time was in a stall state, the decision is made using the return judgment curve b.
전회의 제어 사이클로 실속 상태인 것으로 판정된 경우, 상기 출력 전력의 실속 판정 곡선 a을 초과해도, 실속 상태를 유지하고, 복귀 판정 곡선 b를 넘으면, 비실속 상태인 것으로 판정한다. 그러므로, 실속 판정의 온 또는 오프의 반복 상태로 되는 헌팅이 방지되어, 제어가 안정된다. If it is determined to be in a stall state in the previous control cycle, the stall state is maintained even if the output power exceeds the stall determination curve a, and if it exceeds the return determination curve b, it is determined to be in a non-stall state. Therefore, hunting, which causes the stall determination to be repeatedly turned on or off, is prevented, and control is stabilized.
전술한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서, 각종 추가, 변경 또는 삭제가 가능하다. 따라서, 그와 같은 것도 본 발명의 범위 내에 포함된다. As described above, preferred embodiments have been described with reference to the drawings, but various additions, changes, or deletions can be made without departing from the spirit of the present invention. Accordingly, such is also included within the scope of the present invention.
1: 수차
3: 발전기
4: 제어 장치
13: MPPT 제어 수단(기본 제어 수단)
16: 출력 전력 검출 수단
17: 출력 전력 기억 수단
18: 회전수 검출 수단
19: 회전수 기억 수단
20: 발전 전력 제한 제어 수단
D: 실속 경계 조건1: Aberration
3: Generator
4: Control unit
13: MPPT control means (basic control means)
16: Output power detection means
17: Output power storage means
18: Rotation speed detection means
19: Rotation speed memory means
20: Generated power limitation control means
D: Stall boundary condition
Claims (5)
상기 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
상기 발전기의 출력 전력을 조정하여 상기 수차의 회전수를 제어하는 제어 장치;
를 포함하는 수력 발전 시스템으로서,
상기 제어 장치는,
상기 발전기의 출력 전력값을 검출하는 출력 전력 검출 수단;
검출된 상기 출력 전력값을 기억하는 출력 전력 기억 수단;
상기 발전기의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단;
검출된 상기 회전수를 기억하는 회전수 기억 수단;
기억된 상기 출력 전력값 및 상기 회전수를 사용하여 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 기본 제어 수단; 및
상기 출력 전력값 및 회전수값에 대한 실속(失速) 경계 조건으로서, 미리 설정된 실속 경계 조건에 기초하여, 상기 수차가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 상기 발전기의 출력 전력을 제한하는 발전 전력 제한 제어 수단;을 구비하고,
상기 실속 경계 조건은, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역과 비실속(非失速) 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역이, 상기 출력 전력값 및 상기 회전수값의 관계를 나타내는 판정 곡선에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선은, 상기 기본 제어 수단에 의해 사용되는 상기 출력 전력값이 상승했을 때 실속 상태인 것으로 판정하기 위한 실속 판정 곡선과, 상기 기본 제어 수단에 의해 사용되는 상기 출력 전력값이 저하되었을 때 비실속 상태인 것으로 판정하기 위한 복귀 판정 곡선을 포함하고, 이들 곡선 사이에는 히스테리시스(hysteresis) 영역으로서 실속 경계 영역이 구성되어 있는,
수력 발전 시스템. A water wheel that rotates by water power;
A generator that converts the rotational energy of the water wheel into electrical energy; and
a control device that controls the rotation speed of the water wheel by adjusting the output power of the generator;
A hydroelectric power generation system comprising:
The control device is,
Output power detection means for detecting an output power value of the generator;
output power storage means for storing the detected output power value;
Rotation speed detection means for detecting the rotation speed of the generator;
Rotation speed storage means for storing the detected rotation speed;
Basic control means for controlling the output power of the generator using the stored output power value and the rotation speed; and
As a stall boundary condition for the output power value and the rotation speed value, the output power of the generator is set to the maximum power within a range in which the aberration is not determined to be in a stall state, based on a preset stall boundary condition. Provided with a power generation power limitation control means for limiting,
The stall boundary condition is divided into a stall determination area determined to be in a stall state and a non-stall determination area determined to be in a non-stall state by a decision curve showing the relationship between the output power value and the rotation speed value. and the determination curve includes a stall determination curve for determining a stall condition when the output power value used by the basic control means increases, and a stall determination curve for determining that the output power value used by the basic control means decreases. It includes a return judgment curve for determining that it is in a non-stall state, and a stall boundary area is formed as a hysteresis area between these curves,
Hydroelectric power system.
상기 기본 제어 수단이, 상기 발전기의 출력 변동에 대하여, 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단이며, 상기 발전 전력 제한 제어 수단은, 상기 MPPT 제어 수단의 제어 사이클마다 상기 수차의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 상기 발전기의 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템. According to paragraph 1,
The basic control means is an MPPT control means that tracks and controls the maximum power operating point with respect to output fluctuations of the generator, and the generated power limit control means is a stall state or ratio of the aberration for each control cycle of the MPPT control means. A hydroelectric power generation system that determines a stall condition and limits output power of the generator.
상기 제어 장치가, 상기 발전기의 출력 전력을 PWM 제어하는 PWM 제어 수단을 구비하고, 상기 MPPT 제어 수단은, 상기 발전기가 상기 최대 전력 동작점의 출력 전력으로 되도록 상기 PWM 제어 수단에 듀티비(RDuty1)를 부여하고, 상기 발전 전력 제한 제어 수단은, 상기 MPPT 제어 수단으로부터 주어지는 듀티비(RDuty1)로부터 소정의 듀티비(Rduty2)만큼 감산한 듀티비(RDuty1―Rduty2)로 상기 PWM 제어 수단을 동작시킴으로써, 상기 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템. According to paragraph 2,
The control device includes a PWM control means for PWM controlling the output power of the generator, and the MPPT control means sets a duty ratio (R Duty1 ) is given, and the generated power limitation control means controls the PWM with a duty ratio (R Duty1 - R duty2 ) subtracted from the duty ratio (R Duty1 ) given by the MPPT control means by a predetermined duty ratio (R duty2 ). A hydroelectric power generation system for limiting said output power by operating means.
상기 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 발전기; 및
상기 발전기의 출력 전력을 조정하여 상기 수차의 회전수를 제어하는 제어 장치;
를 포함하는 수력 발전 시스템을 제어하는 방법으로서,
상기 발전기의 출력 전력값 및 상기 수차의 회전수값에 대한 실속 경계 조건을 설정하고,
상기 제어 장치에 의한 기본의 제어로서, 상기 발전기의 출력 전력값 및 상기 수차의 회전수를 사용하여, 정해진 규칙에 따라 상기 발전기의 출력 전력을 제어하고,
상기 제어 장치의 상기 기본의 제어의 제어 사이클마다, 상기 발전기의 출력 전력값 및 상기 수차의 회전수값으로부터, 상기 실속 경계 조건에 기초하여, 상기 수차가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 상기 발전기의 출력 전력을 제한하고,
상기 실속 경계 조건은, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역과 비실속 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역이, 상기 출력 전력값 및 상기 회전수값의 관계를 나타내는 판정 곡선에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선은, 상기 출력 전력값이 상승했을 때 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 곡선과, 상기 출력 전력값이 저하되었을 때 비실속 상태인 것으로 판정되는 복귀 판정 곡선을 포함하고, 이들 곡선 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역이 구성되어 있는,
수력 발전 시스템의 제어 방법. water-powered water wheel;
A generator that converts the rotational energy of the water wheel into electrical energy; and
a control device that controls the rotation speed of the water wheel by adjusting the output power of the generator;
As a method of controlling a hydroelectric power generation system comprising:
Setting a stall boundary condition for the output power value of the generator and the rotation speed value of the water wheel,
As basic control by the control device, the output power of the generator is controlled according to a set rule using the output power value of the generator and the rotation speed of the water turbine,
For each control cycle of the basic control of the control device, from the output power value of the generator and the rotation speed value of the water wheel, the maximum power in a range in which the water wheel is not determined to be in a stall state based on the stall boundary condition. Limiting the output power of the generator so that
The stall boundary condition is such that a stall determination area determined to be in a stall state and a non-stall determination area determined to be in a non-stall state are divided by a decision curve indicating the relationship between the output power value and the rotation speed value, and the determination The curve includes a stall determination curve that is determined to be in a stall state when the output power value rises, and a return determination curve that is determined to be in a non-stall state when the output power value falls, and a hysteresis region between these curves. The stall boundary area is composed of
Control method of hydroelectric power system.
상기 제어 장치는, 상기 기본의 제어로서, 상기 발전기의 출력 변동에 대하여, 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어를 행하여, MPPT 제어의 제어 사이클마다, 상기 발전기의 출력 전력값 및 상기 수차의 회전수값으로부터, 상기 실속 경계 조건에 기초하여, 상기 수차가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 상기 발전기의 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템의 제어 방법. According to clause 4,
As the basic control, the control device performs MPPT control to track the maximum power operating point with respect to output fluctuations of the generator, and for each control cycle of the MPPT control, the output power value of the generator and the rotation of the aberration are performed. A control method for a hydroelectric power generation system, wherein, based on the stall boundary condition, the output power of the generator is limited to a maximum power in a range in which the aberration is not determined to be stalled, from a numerical value.
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