KR20210003771A

KR20210003771A - 수력 발전 계통 연계 시스템

Info

Publication number: KR20210003771A
Application number: KR1020207031328A
Authority: KR
Inventors: 마사토시 미즈타니; 다카시 이토; 간타 기무라
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2021-01-12
Also published as: CN112020808A; WO2019208728A1

Abstract

계통 연계를 위한 기능부에 범용품을 사용할 수 있어, 품질을 확보하면서, 비용 저하가 도모되는 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공한다. 수차(1)와, 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 발전 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(15)와, 이 정류기(15)와 정류한 직류 전력을 계통(9)에 연계 가능한 교류 전력으로 변환하는 파워 컨디셔너(8)와, 발전기(3)의 부하를 조정하여 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비한다. 파워 컨디셔너(8)는, 일체의 범용품이며, 예를 들면, 태양광 발전용의 파워 컨디셔너이다.

Description

수력 발전 계통 연계 시스템

본 출원은, 2018년 4월 27일자 일본 특허출원 제2018―086833 및 특허출원 제2018―086834의 우선권을 주장하는 것이며, 이들의 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 소수력 발전 장치 등의 수력 발전 장치를 교류 상용(商用) 전력의 계통에 연계하는 수력 발전 계통 연계(連系) 시스템에 관한 것이다.

수력 발전 장치는 유수(流水)가 가지는 운동 에너지를 발전에 이용하는 시스템이다. 주된 구성은, 물의 흐름을 받아 회전하는 수차(水車; water turbine), 수차와 연결되어 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기, 발전기의 출력 및 수차를 제어하는 제어 장치로 구성된다. 발전기로부터 인출하는 최적의 전력은, 유속(流速; flow rate)에 의해 변화되므로, 제어 장치는, 유속 또는 수차의 회전 속도 또는 발전기의 발전 전압을 계측하고, 발전기로부터 인출하는 최적의 전력을 결정하고, 발전기의 전력량과 최적값이 일치하도록 제어한다.

수력 발전한 전력을 교류 상용 전력의 계통(이하 단지 「계통」이라고 하는 경우가 있음)에 연계 해 매전하는 계통 연계 시스템은, 발전기의 출력이 최대로 되는 모양, 최대 효율 토크, 회전 속도 제어를 하기 위해, 동기(同期) 발전기와, 동기 발전기 전용(專用)의 발전기 제어 수단(발전기 제어 드라이버) 및 출력 전압 제어 수단(계통 연계 인버터)로 구성되어 있고, 동기 발전기에 맞춘 전용 설계의 기기로 되어 있다.

예를 들면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 수력 발전 장치의 발전기(51)의 3상 교류의 출력을 직류로 변환하는 전력 변환 회로(52), 그 제어 수단인 발전기 제어 수단(53)과, 직류를 계통(54)에 따른 교류 전력으로 변환하는 인버터(55) 및 그 출력 전압 제어 수단(56)로 이루어지는 계통 연계 인버터로 계통 연계 시스템이 구성되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).

일본 공개특허 제2007―6553호 공보

종래의 계통 연계 수력 발전 시스템의 구성은, 동기 발전기, 동기 발전기 전용의 발전기 제어 수단(발전기 제어 드라이버) 및 출력 전압 제어 수단(계통 연계 인버터)로 구성되어 있고, 발전기에 맞춘 전용 설계의 기기(機器)이기 때문에, 기기가 고액로 된다. 그러므로, 농업용수나 공업용수 등의 용수로(用水路) 등에 설치되는 소발전 전력의 발전 장치, 이른바 소수력 발전 장치에서는, 시스템 전체에서의 계통 연계를 위한 전기 계의 기기가 차지하는 비용의 비율이 많아지게 되어, 비경제적이다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위한 것이며, 그 목적은, 계통 연계를 위한 수단에 범용품을 사용할 수 있어, 품질을 확보하면서, 비용 저하가 도모되는 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공하는 것이다.

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

본 발명의 수력 발전 계통 연계 시스템은, 수차(1)와, 수차(1)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 발전 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(整流器)(15)와, 이 정류기(15)와 정류한 직류 전력을 계통(9)에 연계 가능한 교류 전력으로 변환하는 파워 컨디셔너(power conditioner)(8)와, 상기 발전기(3)의 부하를 조정하여 상기 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비하고,

상기 파워 컨디셔너(8)가, 일체의 범용품이다.

이 구성에 의하면, 발전기(3)의 부하의 조정에 의해 수차(1)의 회전수를 바꾸는 제어는, 파워 컨디셔너(8)는 별개로 설치한 전단(前段)의 제어 장치(4) 및 파워 컨디셔너(8)의 최대 전력점 제어(MPPT 제어) 등으로 행하여, 제어 장치(4)에 의해 교류/직류 변환 제어를 행함으로써 직류로 변환한 발전 전력을 파워 컨디셔너(8)에 공급하도록 했기 때문에, 범용의 파워 컨디셔너(8)를 사용하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 발전 전력을 계통(9)에 연계하는 기기에, 일체의 범용품의 파워 컨디셔너(8)를 그대로 이용하므로, 품질을 확보하면서, 전용 설계의 기기를 사용하는 경우와 비교하여 저렴한 수력 발전 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

그리고, 이 명세서에서 말하는 「범용품」은, 특정한 기종의 발전 장치에 전용에 설계된 것이 아니고, 입력이 처리 가능한 전력, 전압의 범위이며, 또한 연계하는 계통(9)의 전압 및 주파수가 적합하면, 적용할 수 있는 기기인 것을 말한다. 또한, 「일체의 범용품」은, 모든 구성 부품이 공통의 하우징(housing)에 내장되며, 1개의 물품으로서 취급 가능한 범용품을 말한다.

상기 파워 컨디셔너(8)는, 상기 파워 컨디셔너(8)가, 태양광 발전의 계통(9)에 대한 연계를 위한 범용품이라도 된다. 즉, 태양 전지 셀이 조합된 태양 전지 패널을 계통(9)에 연계하는 파워 컨디셔너(8)라도 된다. 태양광 발전은 보급이 진행되고 있어, 계통 연계용의 파워 컨디셔너(8)에 대하여, 양산 효과에 의해 염가로 품질이 양호한 것이 많고 시판되고 있다. 이와 같은 시판 중인 파워 컨디셔너(8)를 사용함으로써, 더 한층 염가로 고품질의 수력 발전 계통 연계 시스템을 구축할 수 있다.

상기 정류기(15)가, 정류(整流)를 행하는 정류 기능부(15a)와, 상기 발전기(3)의 발전 전력의 상기 정류 기능부(15a)에 대한 입력을 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치 기능부(14)를 가지는 것이라도 된다. 발전 전력을 정류하는 정류기(15)에 온 또는 오프하는 스위치 기능을 가지고 있으면, 발전기(3)와 계통(9)을 절리(切離; disconnect)할 수 있어, 수차(1)의 고속 회전이나 계통(9)의 정전 등에 의해 생기는 과전압(過電壓) 전력에의 대응이 용이해진다.

상기 발전기(3)와 상기 파워 컨디셔너(8)와의 사이에 접속되고 과전압 전력을 저항에 의해 흡수하는 소비 저항 장치와, 상기 발전기(3)의 발전 전력이 설정 전압 이상의 과전압으로 되었을 때 상기 발전기(3)의 발전 전력에 발생하는 과전압 전력을 상기 소비 저항 장치에 흡수시키는 소비 저항 제어 수단을 구비하고 있어도 된다. 이와 같이, 소비 저항 장치 및 그 소비 저항 제어 수단을 구비하고 있으면, 수차(1)의 고속 회전이나 계통(9)의 정전 등에 의해 생기는 과전압 전력을 흡수할 수 있어, 이 수력 발전 계통 연계 시스템을 구성하는 기기의 과전압에 의한 열화(劣化)나 손상을 방지할 수 있다.

상기 제어 장치는, 상기 정류 기능부가 오프일 때 발전 전력을 저항에 의해 소비시키는 수단을 가지지 않아도 된다.

상기 정류기(15)가, 상기 발전기(3)의 발전 전력의 상기 정류 기능부(15a)에 대한 입력을 온 또는 오프시키는 스위치 기능부(14)를 가지므로, 수차(1)의 고속 회전 등에 의한 전압 전력에 대하여 제어 장치(4)나 파워 컨디셔너(8)의 보호가 도모된다. 상기 제어 장치(4)는, 상기 정류 기능부(15a)가 오프일 때 발전 전력을 저항에 의해 소비시키는 수단을 구비하지 않으므로, 소비 저항 수단에 의한 비용 증가를 억제할 수 있다. 수차(1)의 고속 회전은, 브레이크 수단 등을 설치함으로써 대처 가능하다.

상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)에 의해 정류된 전압을 계측하는 전압 검출 수단(18)과,

상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)에 의해 정류된 전류를 계측하는 전류 검출 수단(17)과,

상기 전류 검출 수단(17)에 의해 검출한 전류를 연산하는 전류 연산 수단과,

상기 발전기(3)의 발전 전력의 주파수로부터 상기 발전기(3)의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단(19)과,

상기 전압 검출 수단(18), 상기 전류 검출 수단(17), 및 상기 회전수 검출 수단(19)이 검출한 전압, 전류, 및 회전수, 및 상기 파워 컨디셔너(8)가 출력하는 기동, 정지(停止), 및 이상(異常) 신호로부터, 정해진 보호 작동 조건을 충족하는 경우에, 상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)에 대한 입력 차단 및 상기 발전기(3)에 구비된 제동 수단(10)의 제동 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 행하게 하는 페일 세이프(fail safe) 제어 수단(23)을 가져도 된다.

이와 같은 페일 세이프 제어 수단(23)을 가짐으로써, 이 수력 발전 계통 연계 시스템을 구성하는 기기의 상기 과전압에 의한 열화나 손상을 더 한층 양호하게 방지할 수 있다.

대신하는 실시형태에 있어서, 상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)에 의해 정류된 전압을 계측하는 전압 검출 수단(18)과,

상기 전압 검출 수단(18), 상기 전류 검출 수단(17), 및 상기 회전수 검출 수단(19)이 검출한 전압, 전류, 및 회전수, 및 상기 파워 컨디셔너(8)가 출력하는 기동, 정지, 및 이상 신호로부터, 정해진 보호 작동 조건을 충족하는 경우에, 상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)의 상기 스위치 기능부(14)에 대한 오프의 지령 및 상기 발전기(3)에 구비된 제동 수단(10)의 제동 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 행하게 하는 페일 세이프 제어 수단(23)을 가져도 된다.

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 한 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 제1 실시형태에 관한 수력 발전 계통 연계 시스템의 개념 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 수력 발전 계통 연계 시스템의 구체예의 블록도이다.
도 3는 도 1의 수력 발전 계통 연계 시스템에 사용한 태양광 발전용의 파워 컨디셔너의 개념 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 수력 발전 계통 연계 시스템의 개념 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 도 4의 수력 발전 계통 연계 시스템의 구체예의 블록도이다.
도 6은 도 4의 수력 발전 계통 연계 시스템에서의 정류기의 설명도이다.
도 7은 종래예의 전기 회로도이다.

본 발명의 제1 실시형태를 도 1 내지 도 3과 함께 설명한다. 도 1에 나타낸 수력 발전기는, 수차(1)가 수평축형(프로펠러형)의 수력 발전기의 예이다. 수차(1)는, 농업용수, 공업용 물 등의 수로(水路;waterway), 또는 상하수도 등에 설치되는 비교적 소형의 수차다. 물의 운동 에너지에 의해 수차(1)가 회전하고, 수차(1)의 주축(主軸; main spindle)(1a)이 발전기(3)를 회전시킨다. 수차(1)와 발전기(3)에 의해 수력 발전 장치(2)가 구성된다. 수력 발전 장치(2)에는, 수차(1) 또는 발전기(3)를 제동하는 전자(電磁) 브레이크(10) 등의 제동 수단이 설치되어 있다.

발전기(3)는, 제어 장치(4) 및 파워 컨디셔너(8)를 통해 계통(9)에 접속된다. 계통(9)은, 교류 상용 전력 계통이며, 예를 들면, 100V 또는 200V에서 50 또는 60 Hz의 저전압 배선이다.

상기 수차(1),발전기(3), 제어 장치(4), 및 파워 컨디셔너(8)에 의해 수력 발전 계통 연계 시스템이 구성된다.

발전기(3)는, 영구 자석을 사용한 3상 동기 발전기이며, 주축(1a)에 커플링(도시하지 않음) 등으로 체결되어 있다. 필요에 따라 주축(1a)과 발전기(3)의 사이에 증속기(도시하지 않음)가 설치된다. 발전기(3)에 부하를 접속하여 출력을 취하면, 수차(1)에 발전기(3)로부터 토크가 걸리고, 수차(1)의 회전이 제동된다. 부하를 무겁게 하면 수차(1)의 회전 속도는 늦어지게 되고, 부하를 가볍게 하면 수차(1)의 회전 속도는 빨라진다. 발전기(3)의 부하로서 제어 장치(4) 및 파워 컨디셔너(8), 계통(9)이 접속되어 있다.

제어 장치(4) 및 파워 컨디셔너(8)는, 수로의 유속에 따라서 발전기(3)의 토크를 증감시켜 수차(1)가 최적의 회전수로 회전하도록 제어한다. 수로의 유속은, 유속계(25)에 의해 검출한다. 유속 대신에, 또는 유속과 병용하여, 수차(1)의 회전수, 또는 발전기(3)의 회전수에 따라서 발전기(3)의 토크를 증감시키도록 해도 된다. 발전기(3)의 회전수는 발전 전력의 주파수로부터 검출해도 된다. 수차(1)의 회전수와 발전기(3)의 회전수는 정해진 관계에 있고, 어느 한쪽을 검출할 수 있으면 다른 쪽은 연산으로 알 수 있다.

제어 장치(4)는, 주회로부(6)와, 이 주회로부(6)를 제어하는 제어 회로부(5)와, 소비 저항 장치(7)를 구비한다. 주회로부(6)에, 발전기(3)의 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류기(15)와, 그 정류한 직류를 승압(昇壓)하는 DC/DC 컨버터(16)가 설치되어 있다. DC/DC 컨버터(16)는, 예를 들면, 승압 측으로 되는 2차 측의 전압이 제어 입력에 의해 제어될 수 있는 것을 사용하고 있다.

상기 파워 컨디셔너(8)는, 계통(9)에 병렬 접속하여 연계하는 장치이며, 입력된 직류 전력을 계통(9)과 동등한 전압(약간 높은 전압), 주파수, 및 위상의 교류 전력으로 변환한다. 이 파워 컨디셔너(8)로서, 일체의 범용품이 사용되고 있다. 즉, 하우징 내에 구성 부품(모두 도시하지 않음)이 수용되어 일체의 기기로서 취급 가능한 범용품이 사용되고 있다. 이 실시형태에서는, 파워 컨디셔너(8)로서, 태양광 발전의 발전 전력을 계통(9)에 연계 가능한 교류 전력으로 변환하는 태양광 발전 방향으로 양산되고 있는 파워 컨디셔너를 사용하고 있다.

도 3는, 이 실시형태에 사용하는 태양광 발전용의 파워 컨디셔너(8)의 일례를 나타낸다. 이 파워 컨디셔너(8)는, DC/DC 컨버터(31)와, DC/AC 인버터(32)와, 제어 수단(33)을 구비한다. DC/DC 컨버터(31)는, 입력된 직류 전력을 계통(9)의 전압에 대응하는 전압으로 승압시키는 수단이며, 출력 전압이 가변(可變)이다. DC/DC 컨버터(31)의 입력 전압은, 이 파워 컨디셔너(8)의 본래의 용도에 있는 태양 전지 모듈(36)의 출력 전압이며, 일반적인 태양광 발전으로 계통 연계를 위해 출력시키는 전압 중 어느 하나의 전압[예를 들면, 단상(單相) 100/200V 또는 3상(200V)]로 되어 있다. DC/AC 인버터(32)는, DC/DC 컨버터(31)로부터 출력된 직류 전력을, 계통(9)에 연계 가능한 주파수 및 위상의 교류 전력으로 변환한다.

상기 제어 수단(33)은, 전력 제어부(34)와 최대 전력점 제어부(35)를 구비한다. 전력 제어부(34)는, DC/DC 컨버터(31) 및 DC/AC 인버터(32)에 대하여 기본적인 제어를 행한다. 최대 전력점 제어부(35)는, 탐색 알고리듬에 따르는 최대 전력점 추적 제어(MPPT 제어)를 행하도록, 상기 전력 제어부(34)에 지령을 부여한다.

MPPT 제어에 대하여 설명한다. 태양 전지 모듈(36) 등의 발전기기의 발전량은, 전압과 전류의 곱으로 정해지지만, 발전하는 전압과 전류는 변동된다. 이 변동에 대하여, 최대 전력점 추적 제어부(35)에 의한 MPPT 제어에서는, 최대의 출력이 발생하도록 전압과 전류의 조합으로 되는 동작점을 항상 찾아 구한다. 상기 전력 제어부(34)는, 상기한 바와 같이 최대 전력점 제어부(35)에서 구해진 동작점에서 작용하도록, DC/DC 컨버터(31) 및 DC/AC 인버터(32)를 제어한다.

이 실시형태의 경우, 발전기(3)의 발전 전력의 변동에 의해, 정류되어 파워 컨디셔너(8)에 입력되는 전력의 전류, 전압의 변동이 생기지만, 이 변동에 대하여, 최대 전력점 제어부(35)가 상기한 기능을 행한다.

그리고, 제어 수단(33)은, 최대 전력점 제어부(35)를 설치하지 않고, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식으로 제어를 DC/DC 컨버터(31) 및 DC/AC 인버터(32)를 제어하는 구성이라도 된다.

도 2는, 발전기(3)와 파워 컨디셔너(8)와의 사이에 설치되는 상기 제어 장치(4)의 구체적 구성예를 나타내는 주회로부(6)는, 상기 정류기(15) 및 DC/DC 컨버터(16) 외에, AC/DC 제어 전원(13), 전류 검출 수단인 전류계(17), 회전수 검출 수단(19), 및 전압 검출 수단인 전압계(18)를 구비한다.

상기 정류기(15)는, 발전기(3)의 3상 교류의 발전 전력을 직류로 변환하는 수단이며, 이 변환을 행하는 정류 기능부(15a)와, 스위치 기능부(14)를 구비한다. 정류 기능부(15a)는, 각 상마다 출력의 정전위(正電位) 측과 마이너스 전위 측에 위치하는 2개의 반도체 스위칭 소자(도시하지 않음)가 설치된 하프 브리지 회로로 이루어진다.

스위치 기능부(14)는, 발전기(3)로부터 정류 기능부(15a)에 입력되는 회로를 개폐하는 각 상의 스위칭 소자(도시하지 않음)로 구성된다. 스위치 기능부(14)의 각각의 스위칭 소자는, 제어 입력에 의해 개폐 가능한 소자이다.

AC/DC 제어 전원(13)은, 제어 장치(4)를 동작시키는 전원이며, 발전기(3)가 발전하는 교류 전력의 일부를 직류 전력으로 변환하여, 제어 회로부(5) 및 소비 저항 장치(7)에 공급한다. AC/DC 제어 전원(13) 대신에, 전지 등의 다른 전원을 사용해도 된다. 전류계(17)는, DC/DC 컨버터(16)에 의해 승압된 전류의 전류값을 검출한다. 전압계(18)는, 동일하게 승압된 전류의 전압값을 검출한다. 즉, 전류계(17) 및 전압계(18)는, 파워 컨디셔너(8)에 입력되는 전류 및 전압을 검출한다. 회전수 검출 수단(19)은, 발전 전류의 주파수로부터 발전기(3)의 회전수를 검출한다. 이 검출은, 정류기(15)의 정류 전방의 전력에 대하여 행하고 있다.

소비 저항 장치(7)는, 수차(1)의 회전 제어나 회로 보호 등을 위해, 발전기(3)에 의해 발전한 전력을 소비하는 수단이다. 소비 저항 장치(7)는, 이 실시형태에서는, DC/DC 컨버터(16)와 파워 컨디셔너(8)와의 사이에서, 정전위 측 배선과 마이너스 전위 측을 단락시켜 전력 소비하는 소비 저항(7a)와, 이 소비 저항(7a)에 직렬 접속된 스위치(7b)와, 이 스위치(7b)를 개폐시키는 소비 저항 제어 수단(22)으로 구성된다.

소비 저항 장치(7)의 목적은, 수력 발전 시스템이 발전 중에, 전력 계통의 정전시 등으로 계통 연계가 정지되었을 때, 계통 부하가 무부하로 되고 발전기(3)가 고회전, 발전 전압이 과전압으로 된 것을 소비 저항 제어 수단(22)에 의해 판정하여 스위치(7b)를 ON하여 소비 저항(7a)으로 과전압 전력을 소비시킴으로써, 태양광 파워 컨디셔너(8)를 보호하는 것이다. 통상 상태는, 스위치(b)가 OFF 상태이다.

상기 제어 회로부(5)는, 발전 제어 수단(12)과, 상기 전자 브레이크(10)를 제어하는 브레이크 제어 수단(11)과, 페일 세이프 제어 수단(23)을 구비한다. 발전 제어 수단(12)은, 전술한 유속에 따라서, 발전기(3)의 토크를 증감시키고 수차(1)가 최적인 회전수로 회전하도록 제어하는 수단이다. 발전 제어 수단(12)은, 상기 유속계(25)로부터 얻어진 수로의 유속, 또는 상기 회전수 검출 수단(19)에 의해 검출된 발전기(3)의 회전수로부터, 정해진 제어 규칙에 따라 발전기 토크의 증감을 위한 제어 신호를 생성하고, DC/DC 컨버터의 출력 전압을 제어한다. 또는, 상기 제어 신호에 의해, 상기 파워 컨디셔너(8)에서의 상기 전력 제어부(34)에 제어시킨다.

이 경우에, 범용/태양광 발전용의 파워 컨디셔너(8)의 MPPT 제어를 그대로 개조하지 않고 이용하여, 유속에서의 최대 전력이 취해지도록 제어한다. 동시에, 제어 장치(4)에 의해, 페일 세이프, 운전/정지 제어 등의 시스템 제어를 실시하여 파워 컨디셔너(8)에서의 MPPT 제어를 이외의 제어를 실시한다. 그리고, 범용/태양광 발전용의 파워 컨디셔너(8)의 MPPT 제어를 정지시켜, 제어 장치(4)에 의해 MPPT 제어를 실시함으로써 해도 된다.

페일 세이프 제어 수단(23)은, 상기 전압계(18), 상기 전류계(17), 및 상기 회전수 검출 수단(19)이 검출한 전압, 전류, 및 회전수, 및 상기 파워 컨디셔너(8)가 출력하는 기동, 정지, 및 이상 신호로부터, 정해진 보호 작동 조건을 충족하는 경우에, 상기 발전기(3)의 상기 정류기(15)에 대한 입력 차단, 및 상기 발전기(3)에 구비된 제동 수단인 전자 브레이크(10)의 제동 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 행하게 한다. 상기 보호 작동 조건은, 예를 들면, 상기 전압, 전류, 및 회전수 중 어느 하나가, 각각에 대하여 정해진 임계값을 넘는 경우, 및 상기 파워 컨디셔너(8)로부터 정지 또는 이상 신호가 입력되었을 때로 된다.

상기 제어 장치(4)와 파워 컨디셔너(8)는, 시리얼 통신의 LAN 통신 등에 의한 통신 수단에 의해 접속되어 있다. 또한, 상기 제어 장치(4)는, 외부의 기기와 시리얼 통신의 LAN 통신 등을 행하는 외부 I/O 수단(21)을 가지고 있다.

이 구성에 의하면, 발전 전력을 계통(9)에 연계하는 기기에, 일체의 범용품의 파워 컨디셔너(8)를 그대로 이용하므로, 품질을 확보하면서, 전용 설계의 기기를 사용하는 경우와 비교하여 저렴한 수력 발전 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

상기 파워 컨디셔너(8)가 태양광 발전용의 파워 컨디셔너(8)인 경우에는, 더 한층 염가로 고품질의 수력 발전 계통 연계 시스템을 구축할 수 있다. 즉, 태양광 발전은 보급이 진행되고 있고, 계통 연계용의 파워 컨디셔너에 대하여, 양산 효과에 의해 고기능으로 내구성(耐久性), 신뢰성이 우수한 염가로 품질이 양호한 것이 많고 시판되고 있다. 이와 같은 시판 중인 파워 컨디셔너를 사용함으로써, 더 한층 염가로 고품질의 수력 발전 계통 연계 시스템을 구축할 수 있다.

또한, 이 수력 발전 계통 연계 시스템은, 다음의 각각의 장점을 얻을 수 있다.

발전 전력을 정류하는 정류기(15)에 스위치 기능부(14)를 가지고 있으므로, 발전기(3)와 계통(9)을 절리(disconnect)할 수 있어, 수차(1)의 고속 회전이나 계통(9)의 정전 등에 의해 생기는 과전압 전력에의 대응이 용이해진다.

상기 소비 저항 장치(7) 및 그 소비 저항 제어 수단(22)을 구비하고 있으므로, 수차(1)의 고속 회전이나 계통(9)의 정전 등에 의해 생기는 과전압 전력을 흡수 할 수 있고, 이 수력 발전 계통 연계 시스템을 구성하는 기기의 과전압에 의한 열화이나 손상을 방지할 수 있다. 상기 페일 세이프 제어 수단(23)을 가지므로, 이 수력 발전 계통 연계 시스템을 구성하는 기기의 과전압에 의한 열화이나 손상을 더 한층 양호하게 방지할 수 있다.

본 발명의 제2 실시형태를 도 4 내지 도 6과 함께 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 제1 실시형태로 선행하여 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특별히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 형태와 마찬가지로 한다.

본 실시형태에서는, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)는, 주회로부(6)와, 이 주회로부(6)를 제어하는 제어 회로부(5)를 구비한다. 즉, 제어 장치(4)는, 소비 저항 장치(7)를 구비하고 있지 않다.

본 실시형태에서는, 또한 제1 실시형태와 마찬가지로, 스위치 기능부(14)는, 발전기(3)로부터 정류 기능부(15a)에 입력되는 회로를 개폐하는 각 상의 스위칭 소자로 구성된다. 스위치 기능부(14)의 각각의 스위칭 소자는, 제어 입력에 의해 개폐 가능한 소자이다.

도 6은, 스위치 기능부(14)의 구체예를 나타낸다. 동 도면의 예에서는, 스위치 기능부(14)는 각 상마다 사이리스터(14a)와 다이오드(14b)를 가지고, 스위치 기능부(14)에 입력되는 전압으로 설정 전압 이상의 전압이 작용하면 상기 각 상의 사이리스터(14a)를 오프시키는 과전압 시 오프 지령 수단(14c)이 설치되어 있다. 과전압 시 오프 지령 수단(14c)은, 상기 스위치 기능부(14)에 입력되는 전압이 설정 전압 이하로 되면, 사이리스터(14a)를 온으로 복귀시킨다. 오프시키는 전압과 온에시키는 전압에는 차이를 두어 히스테리시스(hysteresis)를 주고, 설정 전압 부근에서의 빈번한 온 또는 오프의 전환을 회피하도록 해도 된다.

동 도면의 예는, 정류기(15)가 상기 과전압 시 오프 지령 수단(14c)을 가지도록 했지만, 상기 과전압 시 오프 지령 수단(14c)은, 상기 제어 회로부(5)에 설치되어 있어도 된다.

이 구성에 의하면, 발전기(3)의 부하의 조정에 의해 수차(1)의 회전수를 바꾸는 제어는, 파워 컨디셔너(8)의 MPPT 제어 및 파워 컨디셔너(8)는 별개로 설치한 전단의 제어 장치(4)에 의해 행하고, 제어 장치(4)에 의해 페일 세이프 제어, 교류/직류 변환 제어를 행함으로써 직류 발전 전력을 파워 컨디셔너(8)에 공급하도록 했기 때문에, 범용의 파워 컨디셔너(8)를 사용하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 발전 전력을 계통(9)에 연계하는 기기에, 시판되고 있는 일체의 범용품의 파워 컨디셔너(8)를 그대로 개조하지 않고 이용하고, 그 파워 컨디셔너(8)가 가지는 MPPT 제어 기능도 그대로 이용하고, 수차(1)의 회전수를 제어하므로, 품질을 확보하면서, 전용 설계의 기기를 사용하는 경우와 비교하여 저렴한 수력 발전 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

발전 전력을 정류하는 정류기(15)에 스위치 기능부(14)를 가지고 있으므로, 스위치 기능부(14)를 오프로 하여 발전기(3)와 계통(9)을 절리할 수 있어, 수차(1)의 고속 회전이나 계통(9)의 정전 등에 의해 생기는 과전압 전력에의 대응이 용이해진다. 스위치 기능부(14)를 오프로 한 경우, 수차(1)의 부하가 가벼워져, 수차(1)의 회전이 빨라지지만, 전자 브레이크(10)와 수차(1)에 제동력을 주어, 수차(1)의 회전수를 저하시켜 수차(1)를 보호하도록 해도 된다.

이상, 실시형태에 기초하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명하였으나, 여기서 개시한 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니라 특허 청구의 범위에 의해 표시되고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 수차
2: 수력 발전 장치
3: 발전기
4: 제어 장치
8: 파워 컨디셔너
9: 계통
10: 전자 브레이크(제동 수단)
14: 스위치 기능부
15: 정류기
17: 전류계(전류 검출 수단)
18: 전압계(전압 검출 수단)
19: 회전수 검출 수단
23: 페일 세이프 제어 수단

Claims

수차(水車; water turbine);
상기 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기;
상기 발전기의 발전 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(整流器);
상기 정류기에 의해 정류한 직류 전력을 계통에 연계(連系) 가능한 교류 전력으로 변환하는 파워 컨디셔너(power conditioner); 및
상기 발전기의 부하를 조정하여 상기 수차의 회전수를 제어하는 제어 장치;
를 포함하고,
상기 파워 컨디셔너가, 일체의 범용품인,
수력 발전 계통 연계 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파워 컨디셔너가, 태양광 발전의 발전 전력의 계통으로의 연계를 위한 범용품인, 수력 발전 계통 연계 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 정류기가, 정류를 행하는 정류 기능부; 및
상기 발전기의 발전 전력의 상기 정류 기능부로의 입력을 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치 기능부;를 구비하는, 수력 발전 계통 연계 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기와 상기 파워 컨디셔너 사이에 접속되고 과전압(過電壓) 전력을 저항에 의해 흡수하는 소비 저항 장치; 및
상기 발전기의 발전 전력이 설정 전압 이상의 과전압으로 되었을 때 상기 발전기의 발전 전력에 발생하는 과전압 전력을 상기 소비 저항 장치에 흡수시키는 소비 저항 제어 수단;을 더 포함하는, 수력 발전 계통 연계 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 정류 기능부가 오프일 때 발전 전력을 저항에 의해 소비시키는 수단을 구비하지 않는, 수력 발전 계통 연계 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기의 상기 정류기에 의해 정류된 전압을 계측하는 전압 검출 수단;
상기 발전기의 상기 정류기에 의해 정류된 전류를 계측하는 전류 검출 수단;
상기 전류 검출 수단에 의해 검출한 전류를 연산하는 전류 연산 수단;
상기 발전기의 발전 전력의 주파수로부터 상기 발전기의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단; 및
상기 전압 검출 수단, 상기 전류 검출 수단, 및 상기 회전수 검출 수단이 검출한 전압, 전류, 및 회전수, 및 상기 파워 컨디셔너가 출력하는 기동, 정지(停止), 및 이상(異常) 신호로부터, 정해진 보호 작동 조건을 충족하는 경우에, 상기 발전기의 상기 정류기에의 입력 차단 및 상기 발전기에 구비된 제동 수단의 제동 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 행하게 하는 페일 세이프(fail safe) 제어 수단;
을 더 포함하는, 수력 발전 계통 연계 시스템.
제5항에 있어서,
상기 발전기의 상기 정류기에 의해 정류된 전압을 계측하는 전압 검출 수단;
상기 발전기의 상기 정류기에 의해 정류된 전류를 계측하는 전류 검출 수단;
상기 전류 검출 수단에 의해 검출한 전류를 연산하는 전류 연산 수단;
상기 발전기의 발전 전력의 주파수로부터 상기 발전기의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단; 및
상기 전압 검출 수단, 상기 전류 검출 수단, 및 상기 회전수 검출 수단이 검출한 전압, 전류, 및 회전수, 및 상기 파워 컨디셔너가 출력하는 기동, 정지, 및 이상 신호로부터, 정해진 보호 작동 조건을 충족하는 경우에, 상기 발전기의 상기 정류기의 상기 스위치 기능부로의 오프의 지령 및 상기 발전기에 구비된 제동 수단의 제동 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 행하게 하는 페일 세이프 제어 수단;
을 더 포함하는, 수력 발전 계통 연계 시스템.