KR20200097745A

KR20200097745A - 수력 발전 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20200097745A
Application number: KR1020207019005A
Authority: KR
Inventors: 다카시 이토
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-08-19
Also published as: WO2019117114A1; KR102639064B1; JP6978161B2; JP2019106801A

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.

Description

수력 발전 시스템 및 제어 방법

본 출원은, 2017년 12월 13일자 일본 특허출원 제2017―238255의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

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.

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.

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.

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.

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).

일본 공개특허 제2016―185006호 공보 일본 공개특허 제2010―200533호 공보

그러나, 수차의 회전수가 저하하여 발전 전력도 저하되는 실속 상태에 빠지는 경우가 있으므로, MPPT 제어를 수력 발전 제어 장치에 적용하는 것은 곤란하다.

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.

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.

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.

이하, 편의 상 이해를 용이하게 하기 위해, 실시형태의 부호를 참조하여 설명한다.

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,

상기 제어 장치(4)는,

상기 발전기(3)의 출력 전력값을 검출하는 출력 전력 검출 수단(16)과,

검출된 상기 출력 전력값을 기억하는 출력 전력 기억 수단(17)과,

상기 발전기(3)의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단(18)과,

검출된 상기 회전수를 기억하는 회전수 기억 수단(19)과,

기억된 상기 출력 전력값 및 상기 회전수를 사용하여 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 기본 제어 수단(13)과,

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,

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.

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.

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.

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.

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(R_Duty1)를 부여하고, 상기 발전 전력 제한 제어 수단(20)은, 상기 MPPT 제어 수단(13)으로부터 주어지는 듀티비(R_Duty1)로부터 소정의 듀티비(R_duty2)만큼 감산한 듀티비(R_Duty1―R_duty2)로 상기 PWM 제어 수단(15)을 동작시킴으로써, 상기 출력 전력을 제한해도 된다.

이 구성의 경우, 실속이라고 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 상기 발전기(3)의 출력 전력을 제한하는 것을 간단한 제어로 행할 수 있다.

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,

상기 발전기(3)의 출력 전력값 및 상기 수차(1)의 회전수값에 대한 실속 경계 조건 D을 설정하고,

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,

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),

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 R_Duty1을 연산한다.

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.

PWM 제어 과정(S8)은, 기본적으로는 MPPT 제어 수단(13)으로부터 지령된 듀티비 R_Duty1로, 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 R_Duty는, PWM 제어의 현재의 듀티비 R_Duty1로부터, 감산용의 듀티비 R_duty2만큼 감산한 듀티비 R_Duty1―R_duty2로 한다. 감산용의 듀티비 R_duty2는, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프와 대조하여 산출한다. 예를 들면, 감산용의 듀티비 R_duty2는, 도 4의 실속 임계값 제어 그래프의 판정 곡선 a 및/또는 b에서의 상기 회전수 N에서의 전력값과, 상기 출력 전력값을 비교하여 구한다.

발전 전력 제한 제어 과정의, 실속 임계값 제어 그래프의 사용법을 설명한다.

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, R_duty2를 결정한다.

(1) Ppv(전력 계측값)>Pa(임계값 상한) 시

R_Duty= R_Duty1―R_duty2

단, R_duty2는, 3% 등의 미리 설정한 제어 상수값(constant value)이다.

(2) Ppv(전력 계측값)=Pa(임계값 상한) 시

R_Duty= R_Duty1―R_duty2

단, R_duty2는, 2% 등의 미리 설정한 제어 상수값이다.

(3) Pa(임계값 상한)>Ppv(전력 계측값)>Pb(임계값 하한) 시,

R_Duty= R_Duty1―R_duty2

단, R_duty2는, 1% 등의 미리 설정한 제어 상수값이다.

(4) Ppv(전력 계측값)≤Pb(임계값 하한) 시,

R_Duty= R_Duty1―R_duty2

단, R_duty2는, 0%로 미리 설정한 제어 상수값이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 조건

Claims

수력으로 회전하는 수차(水車);
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 상기 회전수값에 대한 실속(失速) 경계 조건으로서, 미리 설정된 실속 경계 조건에 기초하여, 상기 수차가 실속 상태인 것으로 판정되지 않는 범위에서의 최대 전력으로 되도록, 필요에 따라 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.
제1항에 있어서,
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 수차(1)의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 필요에 따라 상기 발전기의 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템.
제2항에 있어서,
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(R_Duty1)를 부여하고, 상기 발전 전력 제한 제어 수단은, 상기 MPPT 제어 수단으로부터 주어지는 듀티비(R_Duty1)로부터 소정의 듀티비(R_duty2)만큼 감산한 듀티비(R_Duty1―R_duty2)로 상기 PWM 제어 수단을 동작시킴으로써, 상기 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템.
수력으로 회전하는 수차;
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, 필요에 따라 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.
제4항에 있어서,
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, 필요에 따라 상기 발전기의 출력 전력을 제한하는, 수력 발전 시스템의 제어 방법.