JP4299650B2

JP4299650B2 - 籠形誘導発電機水力発電システム

Info

Publication number: JP4299650B2
Application number: JP2003413129A
Authority: JP
Inventors: 雄司田中; 幸央藤田; 英治高山; 幸一佐藤; 修松本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2005176498A

Description

本発明は、籠形誘導発電機水力発電システムであり、水力発電設備に係わり、特に変落差が大きい場合に有効な可変速発電システムに関するものである。

従来の水力発電設備においては、非特許文献１に記載されているように、発電機は一般に同期発電機が用いられ、系統周波数による規定回転速度で定速運転される。水車出力の制御は機械式ガバナにより水車の流量を調節することで行っている。このような水力発電設備は、構造が複雑で大きな設備となるため、設置場所が限られていた。

近年、自然エネルギーの有効活用が求められ、小水力発電、さらに小さなマイクロ水力発電が注目されている。マイクロ水力発電においては発電コストを低減することが最重要課題であり、機械式ガバナを省略するとともに誘導発電機を用いた発電設備が一般的である。
特開平７−２１３０９８号公報機械工学便覧Ｂ５−４５（昭和６２年２月発行）

流量調節機構を持たないマイクロ水力発電設備は設備コストが安価であるものの、流量、落差が変化するとキャビテーションや振動が発生するため限られた運転範囲しか適用できない。これを解決するためには流量、落差の変化に対応して水車の回転速度を加減速させる可変速発電システムが必要である。この方法として、特許文献１では可変速発電システムが提案されている。しかしながら、この制御方式は巻線型誘導発電機を用いた制御方法になっているため、巻線型誘導発電機に比べはるかに安価な籠形誘導発電機にはそのまま適用できない。即ち、籠形誘導発電機は回転子にコイルを持たないため、回転子を励磁することができず発電できない。また、システムの起動時等に、無拘束速度での運転を行うと発電エネルギーを回収できず、また、発電好適速度での運転を行うと、発電機の立ち上がりの不安定さ等による悪影響の発生が生ずる。

本発明の目的は、籠形誘導発電機を用いた水力発電システムを提供することであり、発電コストを大幅に低減できるので、マイクロ水力発電設備の導入を促し、自然エネルギーの活用による温暖化防止に役立てるものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る籠形誘導発電機可変速水力発電システムは、水車と、前記水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、前記籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されているダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、前記整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーと並列に接続されるダイオード整流回路と、前記籠形誘導発電機の制御装置を備え、前記圧力センサーの出力信号と前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の特性データ（水車入口側圧力又は出口側圧力における無拘束速度及び発電好適速度範囲）とから前記水車の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる運転速度指令を前記籠形誘導発電機に与え、指令運転速度と前記無拘束速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力するように構成したものである。

また、水車と、前記水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、前記籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されているダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、前記整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーと並列に接続される開閉器回路と、前記開閉器回路に接続される蓄電池と、前記籠形誘導発電機の制御装置を備え、前記蓄電池から起動時の電力を供給し、前記圧力センサーの出力信号と前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の特性データから前記水車の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる速度指令を前記籠形誘導発電機に与え、指令運転速度と前記無拘束速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力するとともに、蓄電池の電圧が所定値を超えたときに前記開閉器回路を開列するように構成したものである。

そして、上記平滑コンデンサーと並列に接続される系統連系装置を備え、発電電力を交流電力として出力するものである。

更に、上記平滑コンデンサーと並列に接続される負荷駆動インバータを備え、発電電力を直流電力で負荷駆動インバータに出力するものである。

また、上記ダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、上記籠形誘導発電機の制御装置が一体で構成されたインバータである籠形誘導発電機水力発電システムである。

以上のように本発明によれば、回転子にコイルを持たない籠形誘導発電機を用いても、籠形誘導発電機に直結された水車の無拘束速度及び発電好適速度を算出する装置を備えているので、無拘束速度より小さい運転速度で籠形誘導発電機を制御することができ、これにより無拘束速度と指令運転速度の差から回生電力を発電電力として取り出すことができる籠形誘導発電機水力発電システムを提供できる。また、システムの起動時に生じる悪影響の発生等を防ぐことができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの実施例について、図面にもとづいて説明する。図１は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第一実施例の構成図である。図２は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第二実施例の構成図である。図３は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第三実施例の構成図である。図４は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第四実施例の構成図である。図５は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第五実施例の構成図である。

図１は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第１実施例である。水車１は配管に接続されており、所定の流量の水流２１が水車を通過し羽根車を回転させている。水車１の上流には入口側圧力を計測する圧力センサー２ａが設置されている。また、水車１の下流には出口側圧力を計測する圧力センサー２ｂが設置されている。水車１には羽根車の回転力で駆動される籠形誘導発電機３が直結されて水車発電機を構成している。籠形誘導発電機３の固定子巻線にはダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路４が接続されている。整流昇圧回路４には並列に平滑コンデンサー５が接続されている。また、平滑コンデンサー５にはダイオード整流回路６が並列に接続され、系統７から制御電力を整流昇圧回路４に供給している。さらに、籠形誘導発電機３の回転速度を制御する回転速度制御装置８を備えている。

このように構成された籠形誘導発電機水力発電システムを、例えば起動させて発電を開始するとき、回転速度制御装置８は、水車の圧力毎の無拘束速度と発電好適速度の各特性データを記録した内部記憶装置を有しており、そして、圧力センサー２ａ、２ｂの出力信号と内部記憶装置に記録された水車の特性データから水車１の無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度（無拘束速度よりも小さい運転速度）となる指令をセンサレスベクトル制御で籠形誘導発電機３に与える。このように制御することによって、指令運転速度と無拘束速度の差によって回生電力が生じ、平滑コンデンサー５の電圧を昇圧する。

回転速度制御装置８は、平滑コンデンサー５の端子電圧を監視しており、端子電圧が所定値を超えた場合は、籠形誘導発電機３の回転速度を上昇させて出力を抑えるように制御する。

本実施例によれば、システムの起動時等に、無拘束速度での運転（発電によるエネルギーの回収不可）は行わず、また、発電好適速度での運転（急激な運転による悪影響の発生）を直ぐに実行しないため、過渡時の影響を緩和することができるとともに、発電電力を直流電力として出力することができる。

図２は、本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第２実施例である。水車１は配管に接続されており所定の流量の水流２１が水車１を通過し羽根車を回転させている。水車１の上流には入口側圧力を計測する圧力センサー２ａが設置されている。また、水車１の下流には出口側圧力を計測する圧力センサー２ｂが設置されている。水車１には羽根車の回転力で駆動される籠形誘導発電機３が直結されて水車発電機を構成している。籠形誘導発電機３の固定子巻線にはダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路４が接続されている。整流昇圧回路４には並列に平滑コンデンサー５が接続されている。また、平滑コンデンサー５には開閉器回路９が接続されている。開閉器回路９には蓄電池１０が設置されている。さらに、籠形誘導発電機３の回転速度を制御するための回転速度制御装置８を備えている。

このように構成された籠形誘導発電機水力発電システムにおいて、蓄電池１０は起動時に放電し、制御電力を整流昇圧回路４と回転速度制御装置８に供給する。したがって、系統電源７を供給することが困難な離島や山間部などでも本実施例の籠形誘導発電機水力発電システムを起動することができる。

発電運転開始後は籠形誘導発電機３から発電電力が供給されるので、平滑コンデンサー５の端子電圧が上昇し、蓄電池１０の端子電圧よりも高くなる。したがって、蓄電池１０は起動時に放電して低下した端子電圧が所定の電圧になるまで充電される。そして、開閉器回路９は蓄電池１０の電圧が所定値を超えたときに回路を開列する。

実施例２によれば、実施例１と同様に、システムの起動時等に、無拘束速度での運転（発電によるエネルギーの回収不可）は行わず、また、発電好適速度での運転（急激な悪影響の発生）を直ぐに実行しないため、過渡時の影響を緩和することができるとともに、発電電力を直流電力として出力することができる。

図３は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第３実施例である。籠形誘導発電機水力発電システムは系統連系装置１１を備えているので、系統電源１２と同じ交流電力を供給できる。他の構成は実施例１と同様であり、その説明は省略する。

図４は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第４実施例である。籠形誘導発電機水力発電システムはインバータ１３を備えているので、負荷１４を直接稼働することができる。他の構成は実施例１と同様であり、その説明は省略する。

図５は、本発明による籠形誘導発電機水力発電システムの第５実施例である。
籠形誘導発電機水力発電システムは、ダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、上記籠形誘導発電機の制御装置が一体で構成されている。したがって、システム全体の大きさを小形化することができる。他の構成は実施例１と同様であり、その説明は省略する。
籠形誘導発電機水力発電システムはインバータ１３を備えているので、負荷１４を直接稼働することができる。他の構成は実施例１と同様であり、その説明は省略する。

本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第一実施例の構成図。本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第二実施例の構成図。本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第三実施例の構成図。本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第四実施例の構成図。本発明の籠形誘導発電機水力発電システムの第五実施例の構成図。

符号の説明

１水車
２ａ、２ｂ圧力センサー
３籠形誘導発電機
４整流昇圧回路
５平滑コンデンサー
６ダイオード整流回路
７系統電源
８回転速度制御装置
９開閉器回路
１０蓄電池
１１系統連系装置
１２系統電源
１３インバータ
２１水流

Claims

水車と、該水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、該籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されたダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、前記籠形誘導発電機の制御装置とを備え、前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の圧力毎の無拘束速度と発電好適速度の各特性データを用いて、前記圧力センサーが計測した水車の圧力値における無拘束運転速度と発電好適運転速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる運転指令を前記籠形誘導発電機に与え、前記中間の運転速度と無拘束運転速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力することを特徴とする籠形誘導発電機水力発電システム。
水車と、該水車の入口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車の出口側圧力を計測する圧力センサーと、前記水車により駆動される籠形誘導発電機と、該籠形誘導発電機の固定子巻線に接続されたダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続された開閉器回路と、該開閉器回路に接続された蓄電池と、前記籠形誘導発電機の制御装置とを備え、前記蓄電池から起動時の電力を供給し、前記制御装置の内部記憶装置に記録された前記水車の圧力毎の無拘束速度と発電好適速度の各特性データを用いて、前記圧力センサーが計測した水車の圧力値における無拘束速度と発電好適速度の中間の速度を算出し、算出した中間の速度となる運転指令を前記籠形誘導発電機に与え、前記中間の速度と無拘束速度の差によって生ずる回生電力が前記発電好適速度で運転速度指令を与えた場合よりも小さい状態で起動し、その後前記好適運転速度に移行して回生電力を大きく出力するとともに、蓄電池の電圧が所定値を超えたときに前記開閉器回路を開列することを特徴とする籠形誘導発電機水力発電システム。
上記平滑コンデンサーと並列に接続される系統連系装置を備え、発電電力を交流電力として出力する請求項１又は２に記載の籠形誘導発電機水力発電システム。
上記平滑コンデンサーと並列に接続される負荷駆動インバータを備え、発電電力を直流電力で前記負荷駆動インバータに出力する請求項１又は２に記載の籠形誘導発電機水力発電システム。
上記ダイオードとスイッチング素子からなる整流昇圧回路と、該整流昇圧回路に並列に接続された平滑コンデンサーと、該平滑コンデンサーと並列に接続されたダイオード整流回路と、上記籠形誘導発電機の制御装置が一体で構成されたインバータであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の籠形誘導発電機水力発電システム。