JP5537309B2 - Power generation system activation method and activation device - Google Patents
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Description
本発明は、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、回転子を駆動する動力源と、交流側が一次巻線に接続された第一電力変換機と、交流側が二次巻線に接続された第二電力変換機と、第一電力変換機の直流側と第二電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備えた発電システムの起動方法及びその起動装置に関する。 The present invention provides a secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, and an AC side connected to the primary winding. One power converter, a second power converter whose AC side is connected to the secondary winding, and a DC unit that connects the DC side of the first power converter and the DC side of the second power converter The present invention relates to a method for starting a power generation system including a power storage device, a changeover switch that selectively connects a primary winding and a power load, and the starter.
二次励磁誘導発電機は、従来風力発電や揚水式発電に用いられているが、内燃機関等を原動機とする定置式にも用いることができれば原動機の回転数を自由に選択できるため運転範囲の拡大や商用周波数の異なる地域での原動機共通化が可能となる。ただし、定置式では非常用電源としての機能も要求されるため、自立運転が可能である必要があり、安価な制御装置を付加するだけで自立運転が可能な設備を構築できることが好ましい。 Secondary excitation induction generators are conventionally used for wind power generation and pumped-storage power generation, but if they can also be used for stationary systems that use an internal combustion engine or the like as a prime mover, the number of revolutions of the prime mover can be freely selected. Expansion and common use of prime movers in regions with different commercial frequencies are possible. However, since the function as an emergency power source is also required in the stationary type, it is necessary to be able to perform independent operation, and it is preferable that a facility capable of independent operation can be constructed simply by adding an inexpensive control device.
例えば、下記の特許文献1には、二次励磁誘導発電機を用いた風力発電システムが開示されている。具体的には、特許文献1に記載の発電システムでは、固定子が備える一次巻線に接続された第一電力変換機(第2の電力変換器23)と、回転子が備える二次巻線に接続された第二電力変換機(第1の電力変換器21)と、を備えるとともに、これらの電力変換機の間に形成される直流部(DCバス22)に、蓄電装置(電力蓄積装置30)が接続されている。これにより、二次励磁誘導発電機(二重給電巻線型誘導発電機13)を電力系統から切り離した状態でも、自立起動が可能とされている(段落0018参照)。
For example,
自立起動の手順は、特許文献1の段落0041に記載されている。要約すると、まず、第二電力変換機のスイッチング動作を開始し、固定子の相電圧の周波数、電圧の大きさを予め設定された系統相電圧と合わせる。そして、固定子の相電圧の位相、周波数、電圧を電圧センサで検知して、第一電力変換機のスイッチング動作を開始し、系統連係動作を行う、と記載されている。
The self-starting procedure is described in paragraph 0041 of
しかしながら、上記特許文献1には、第一電力変換機の制御(スイッチング動作)を開始してから系統連係動作を行うまでの具体的な手順が示されていない。そして、本発明者らは、鋭意研究の結果、第一電力変換機を適切に動作させないと、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になるおそれがあることを知見した。そして、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になると、それに耐えられるような性能の素子を用いて第二電力変換機やそれに付随する部分を構成する必要性が生じ、コストの増大や装置の大型化を招来してしまう。なお、特許文献1には、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になることに言及した記載はなく、当然ながら、この問題を解決する手段について何ら示されていない。
However, the
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次励磁誘導発電機を備えた発電システムにおいて、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になるのを抑制することができる起動方法及び起動装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is that in a power generation system including a secondary excitation induction generator, the power supplied from the second power converter to the secondary winding is excessive. It is an object of the present invention to provide an activation method and an activation device that can suppress the occurrence of the problem.
上記目的を達成するための、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する動力源と、交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換機と、前記第一電力変換機の直流側と前記第二電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備えた発電システムの起動方法の特徴構成は、前記第一電力変換機により前記一次巻線を励磁する一次側励磁工程と、前記第二電力変換機により前記二次巻線を励磁する二次側励磁工程と、に関し、前記動力源により前記回転子が駆動されるとともに前記切替スイッチが開状態とされる無負荷状態で、前記一次側励磁工程と前記二次側励磁工程との双方を実行して、前記二次励磁誘導発電機の一次側に発生する一次側電圧を目標電圧値とする一次側電圧確立工程を実行し、前記一次側電圧確立工程では、前記一次側励磁工程として、前記第一電力変換機から前記一次巻線に無効電力を供給する点にある。 To achieve the above object, a secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, and an alternating current side of the primary winding A first power converter connected to the line, a second power converter whose AC side is connected to the secondary winding, a DC side of the first power converter, and a DC side of the second power converter The first power converter includes a power storage device connected to a DC unit that connects the power source, and a changeover switch that selectively connects the primary winding and a power load. The rotor is driven by the power source with respect to a primary side excitation step for exciting the primary winding by the second power step and a secondary side excitation step for exciting the secondary winding by the second power converter. In the no-load state where the changeover switch is open, the one switch Performing both a side excitation step and the secondary side excitation step, and executing a primary side voltage establishment step using a primary side voltage generated on the primary side of the secondary excitation induction generator as a target voltage value, In the primary side voltage establishing step, the reactive power is supplied from the first power converter to the primary winding as the primary side excitation step.
また、上記目的を達成するための、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する動力源と、交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換機と、前記第一電力変換機の直流側と前記第二電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備えた発電システムの起動装置の特徴構成は、前記動力源により前記回転子が駆動されるとともに前記切替スイッチが開状態とされる無負荷状態で、前記二次励磁誘導発電機の一次側に発生する一次側電圧を目標電圧値とする一次側電圧確立処理を実行する一次側電圧確立部を備え、前記一次側電圧確立部は、前記第一電力変換機及び前記第二電力変換機の双方を作動させるとともに、前記第一電力変換機に無効電力を発生させて、前記一次側電圧確立処理を実行する点にある。 In order to achieve the above object, a secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, A first power converter connected to the primary winding; a second power converter whose AC side is connected to the secondary winding; a DC side of the first power converter; and a DC of the second power converter A power storage device connected to a DC unit that connects to the power source, and a changeover switch that selectively connects the primary winding and a power load. A primary side voltage establishment process in which the primary side voltage generated on the primary side of the secondary excitation induction generator is a target voltage value in a no-load state where the rotor is driven and the changeover switch is opened. A primary voltage establishing unit for executing the primary side voltage Department also actuates both of the first power converter and the second power converter, by generating reactive power to the first power converter, it lies in executing the primary-side voltage establishment process.
本発明者らは、鋭意研究の結果、上記のような発電システムの起動時に、二次励磁型誘導発電機を運転するのに必要な電力を第二電力変換機のみから供給している状態で、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になり得ることを見出した。本発明は、この知見に基づきなされたものであり、発電システムの起動時において、二次励磁型誘導発電機を運転するのに必要な電力を、第二電力変換機だけでなく第一電力変換機からも無効電力として供給する構成とする。これにより、第一電力変換機から一次巻線に供給する無効電力の大きさに応じて、第二電力変換機から二次巻線に供給する電力を低減することができ、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になるのを抑制することができる。 As a result of earnest research, the present inventors have supplied power necessary for operating the secondary excitation induction generator only from the second power converter when starting the power generation system as described above. It has been found that the power supplied from the second power converter to the secondary winding can be excessive. The present invention has been made on the basis of this knowledge, and at the time of starting the power generation system, the power required for operating the secondary excitation type induction generator is not limited to the second power converter but the first power conversion. The machine is configured to supply reactive power as reactive power. Thereby, according to the magnitude | size of the reactive power supplied to a primary winding from a 1st power converter, the electric power supplied to a secondary winding from a 2nd power converter can be reduced, and a 2nd power converter From this, it is possible to prevent the power supplied to the secondary winding from becoming excessive.
ここで、前記一次側電圧確立工程では、前記一次側励磁工程として、前記第一電力変換機から前記一次巻線に正の遅れ無効電力を供給する構成とすると好適である。 Here, in the primary side voltage establishment step, it is preferable that positive primary reactive power is supplied from the first power converter to the primary winding as the primary side excitation step.
また、この方法を実施する起動装置では、前記一次側電圧確立部は、前記第一電力変換機に正の遅れ無効電力を発生させて、前記一次側電圧確立処理を実行する構成とすると好適である。 Further, in the starting device that implements this method, it is preferable that the primary side voltage establishing unit is configured to execute the primary side voltage establishing process by generating positive delay reactive power in the first power converter. is there.
なお、本願では、「正の遅れ無効電力」は、電流が電圧に対して位相が進んでいる場合(抵抗成分が無視できる場合には90度進んでいる場合)を意味する。 In the present application, “positive delayed reactive power” means a case where the phase of the current is advanced with respect to the voltage (a case where the current is advanced 90 degrees when the resistance component can be ignored).
この構成によれば、第二電力変換機から二次巻線に供給する電力をより確実に低減することができ、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になるのをより確実に抑制することができる。 According to this configuration, the power supplied from the second power converter to the secondary winding can be more reliably reduced, and the power supplied from the second power converter to the secondary winding becomes excessive. Can be more reliably suppressed.
また、前記一次側電圧確立工程は、前記二次側励磁工程により前記一次側電圧を前記目標電圧値まで昇圧させる昇圧工程を実行した後、前記一次側励磁工程を開始する、遅延型一次側電圧確立工程であり、前記遅延型一次側電圧確立工程では、前記昇圧工程の後、前記一次側電圧を前記目標電圧値に維持した状態で、前記第一電力変換機から前記一次巻線に供給される無効電力を増加させるとともに、前記第二電力変換機から前記二次巻線に供給される電力を減少させる構成とすると好適である。 In addition, the primary side voltage establishing step starts the primary side excitation step after executing the step of boosting the primary side voltage to the target voltage value in the secondary side excitation step, and then starts the primary side excitation step. The delay type primary side voltage establishing step, after the boosting step, the primary side voltage is maintained at the target voltage value and supplied from the first power converter to the primary winding. It is preferable to increase the reactive power and reduce the power supplied from the second power converter to the secondary winding.
また、この方法を実施する起動装置では、前記一次側電圧確立部は、前記第一電力変換機及び前記第二電力変換機の内の前記第二電力変換機のみを作動させることにより前記一次側電圧を前記目標電圧値まで昇圧させる昇圧処理を実行した後、前記第一電力変換機の作動を開始する、遅延型一次側電圧確立処理を実行し、前記遅延型一次側電圧確立処理では、前記昇圧処理の実行後に、前記一次側電圧を前記目標電圧値に維持した状態で、前記第一電力変換機が発生する無効電力を増加させるとともに、前記第二電力変換機が発生する電力を減少させる構成とする。 Moreover, in the starting device that implements this method, the primary side voltage establishing unit operates the primary side by operating only the second power converter of the first power converter and the second power converter. After executing the boosting process for boosting the voltage to the target voltage value, start the operation of the first power converter, execute the delay type primary side voltage establishment process, in the delay type primary side voltage establishment process, After the boosting process is performed, the reactive power generated by the first power converter is increased and the power generated by the second power converter is decreased while the primary side voltage is maintained at the target voltage value. The configuration.
この構成によれば、一次側電圧が目標電圧値に達した後に第一電力変換機による一次巻線の励磁が開始されるため、一次側電圧確立工程(一次側電圧確立処理)に要する時間の短縮を図ることができる。なお、一次側電圧が目標電圧値に達してから第一電力変換機による一次巻線の励磁が開始されるまでの間に、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になる可能性がある。しかし、たとえ当該電力が過大になったとしても、第一電力変換機による一次巻線の励磁が開始されると、第一電力変換機から一次巻線に供給される無効電力の増加とともに第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が減少されるため、そのような状態が長く続くことは回避される。よって、この構成においても、第二電力変換機から二次巻線に供給される電力が過大になるのを抑制することができる。 According to this configuration, since the excitation of the primary winding by the first power converter is started after the primary side voltage reaches the target voltage value, the time required for the primary side voltage establishment process (primary side voltage establishment process) is reduced. Shortening can be achieved. Note that the power supplied to the secondary winding from the second power converter is excessive between the time when the primary voltage reaches the target voltage value and the time when the first power converter starts exciting the primary winding. There is a possibility. However, even if the power becomes excessive, when the excitation of the primary winding by the first power converter is started, the reactive power supplied from the first power converter to the primary winding is increased and the second power is increased. Since the power supplied to the secondary winding from the power converter is reduced, it is avoided that such a state lasts for a long time. Therefore, also in this structure, it can suppress that the electric power supplied to a secondary winding from a 2nd power converter becomes excessive.
また、前記遅延型一次側電圧確立工程では、前記第二電力変換機から前記二次巻線に供給される電力を減少させるに際し、前記二次巻線に流れる電流を減少させる構成とすると好適である。 In the delay type primary side voltage establishing step, it is preferable that the current flowing through the secondary winding is reduced when the power supplied from the second power converter to the secondary winding is reduced. is there.
この構成によれば、二次巻線に流れる電流が過大になるのを確実に抑制することができ、過度な発熱をより確実に抑制することができる。 According to this structure, it can suppress reliably that the electric current which flows into a secondary winding becomes excessive, and can suppress excessive heat_generation | fever more reliably.
また、前記一次側励磁工程では、前記第一電力変換機の交流側に流れる電流に基づき電流フィードバック制御を行い、前記二次側励磁工程では、前記一次側電圧に基づき電圧フィードバック制御を行う構成とすると好適である。 In the primary side excitation step, current feedback control is performed based on the current flowing on the alternating current side of the first power converter, and in the secondary side excitation step, voltage feedback control is performed based on the primary side voltage. It is preferable.
この構成によれば、第一電力変換機の交流側に流れる電流の指令値と、一次側電圧の指令値とを適切に設定するだけで、一次側電圧確立工程を適切に実行することができる。また、外乱による影響を適切に抑制することができ、制御の安定化を図ることができる。なお、このような構成において、第一電力変換機の制御と第二電力変換機の制御とを、同時或いはほぼ同時に開始する構成としても好適である。 According to this configuration, it is possible to appropriately execute the primary-side voltage establishment process by appropriately setting the command value of the current flowing on the AC side of the first power converter and the command value of the primary voltage. . Moreover, the influence by disturbance can be suppressed appropriately and the control can be stabilized. In addition, in such a structure, it is suitable also as a structure which starts control of a 1st power converter and control of a 2nd power converter simultaneously or substantially simultaneously.
また、前記一次側電圧確立工程により前記一次側電圧が確立された後に、前記切替スイッチを閉状態とする負荷接続工程を更に備える構成とすると好適である。 Further, it is preferable to further include a load connection step for closing the changeover switch after the primary side voltage is established by the primary side voltage establishment step.
この構成によれば、例えば停電等で商用の電力系統から電力の供給が受けられない場合でも、電力負荷に電力を供給することができ、発電システムの利用者の利便性を高めることができる。 According to this configuration, even when power cannot be supplied from a commercial power system due to, for example, a power failure, power can be supplied to the power load, and convenience for the user of the power generation system can be improved.
本発明に係る発電システムの起動装置(起動方法)の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏する構成であれば種々の改変が可能である。 An embodiment of a starter (startup method) for a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the structure described in embodiment and drawing demonstrated below, A various modification | change is possible if it is a structure with the same effect.
1.発電システムの全体構成
図1は、本実施形態に係る制御装置100(図2参照)の制御対象となる発電システム1を示す。この発電システム1は、二次励磁誘導発電機(二重給電巻線型誘導発電機)2と、ガスエンジン3と、第一電力変換機11と、第二電力変換機12と、蓄電装置5と、第一スイッチ21と、第二スイッチ22と、第三スイッチ23とを備えている。そして、二次励磁誘導発電機2は、電力系統(商用電力系統)4と同じ周波数(例えば、50[Hz]や60[Hz])の電力(三相の交流電力)を発電し、当該電力を、電力を消費する負荷7や電力系統4に供給することが可能に構成されている。なお、負荷7としては、例えば、冷暖房設備が備える室内機や室外機、或いは電灯等がある。本実施形態では、ガスエンジン3、第三スイッチ23、負荷7、及び制御装置100が、それぞれ、本発明における「動力源」、「切替スイッチ」、「電力負荷」、及び「起動装置」に相当する。
1. Overall Configuration of Power Generation System FIG. 1 shows a
発電システム1は、電力系統4から電力の供給を受けた状態でシステムを起動することが可能であるとともに、電力系統4から電力の供給を受けていない状態(第二スイッチ22が開状態とされる状態)においても、蓄電装置5から供給される電力によりシステムを起動(自立起動)することが可能に構成されている。本実施形態に係る制御装置100は、この自立起動時の制御に特徴を有しており、その特徴により、コストの増大や装置の大型化を抑制することが可能となっている。なお、自立起動時の制御については、後に詳細に説明する。
The
二次励磁誘導発電機2は、一次巻線(図示せず)を備える固定子2b(ステータ)と、二次巻線(図示せず)を備える回転子2a(ロータ)と、を有している。固定子2bが備える一次巻線は、第一スイッチ21及び第二スイッチ22を介して電力系統4に接続されている。また、固定子2bが備える一次巻線は、第一スイッチ21及び第三スイッチ23を介して負荷7にも接続されている。一方、回転子2aが備える二次巻線は、フィルタ回路10、第二電力変換機12、直流部13、第一電力変換機11、フィルタ回路10、変圧器6、及び第二スイッチ22を介して電力系統4に接続されている。また、回転子2aが備える二次巻線は、フィルタ回路10、第二電力変換機12、直流部13、第一電力変換機11、フィルタ回路10、変圧器6、及び第三スイッチ23を介して負荷7にも接続されている。
The secondary
以下の説明では、固定子2bが備える一次巻線側を「二次励磁誘導発電機の一次側」とし、回転子2aが備える二次巻線側を「二次励磁誘導発電機の二次側」とする。よって、二次励磁誘導発電機2の一次側に発生する電力(電圧、電流)の周波数が、負荷7や電力系統4に供給される電力の周波数となる。
In the following description, the primary winding side included in the
ガスエンジン3は、二次励磁誘導発電機2の回転子2aに機械的に連結されており、当該回転子2aを駆動(回転駆動)する。ガスエンジン3の出力軸は、本例では、回転子2aと一体回転するように連結(直結)されており、ガスエンジン3の回転数(回転速度、以下同様)と回転子2aの回転数とは等しくなる。なお、ガスエンジン3の出力軸と回転子2aとの間に、歯車機構を設ける構成とすることもできる。ガスエンジン3は、本例では、都市ガスを燃料とするエンジンであり、電力に加えて別途需要のある熱を並行して供給することができるコジェネレーション設備の一角を担っている。本発明では、このようなガスエンジン3として、例えば、定格出力が1[kW]、数十[kW]、或いは数[MW]等のものを採用することができる。なお、ガスエンジン3に代えて、ガソリン、軽油、重油等を燃料とするエンジンやタービン(例えばガスタービン)等により、本発明に係る「動力源」を構成することも可能である。
The
第一電力変換機11は、交流側(図1における右側)が第一スイッチ21を介して二次励磁誘導発電機2の固定子2b(一次巻線)に接続されているとともに、第二スイッチ22を介して電力系統4に接続されており、更に第三スイッチ23を介して負荷7に接続されている。また、第一電力変換機11は、直流側(図1における左側)が直流部13に接続されている。第二電力変換機12は、交流側(図1における左側)が二次励磁誘導発電機2の回転子2a(二次巻線)に接続されている。また、第二電力変換機12は、直流側(図1における右側)が直流部13に接続されている。そして、これらの第一電力変換機11及び第二電力変換機12のそれぞれは、直流側の直流電力を交流電力に変換(逆変換)して交流側に供給するインバータとしての機能と、交流側の交流電力を直流電力に変換(順変換)して直流側に供給するコンバータとしての機能と、の双方を果たすことが可能に構成されている。
The
このような第一電力変換機11や第二電力変換機12は、複数(例えば6個)のスイッチング素子を備えて構成される。スイッチング素子としては、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)やIGBT(insulated gate bipolar transistor)等の種々の構造のパワートランジスタを採用することができる。そして、第一電力変換機11や第二電力変換機12にはPWM(pulse width modulation:パルス幅変調)信号が入力され、当該PWM信号に基づきスイッチング素子がスイッチング動作(オンオフ動作)を行う。なお、第一電力変換機11や第二電力変換機12を作動させるためのPWM信号は、制御装置100により生成される(図2参照)。
The
図1に示すように、第一電力変換機11の交流側及び第二電力変換機12の交流側の双方には、インダクタンスとコンデンサとからなるフィルタ回路10が設けられている。このフィルタ回路10は、スイッチング素子のスイッチングにより発生した高周波成分を除去するフィルタであり、このフィルタ回路10により、第一電力変換機11や第二電力変換機12からの出力電圧波形が正弦波状に変換される。
As shown in FIG. 1, a
また、図1に示すように、第一電力変換機11の交流側に設けられたフィルタ回路10より二次励磁誘導発電機2側(電力系統4側)には、変圧器6が設けられている。以下の説明では、「変圧器の一次側」は、変圧器6の第一電力変換機11側(図2における符号「#1」を付した側)を指し、「変圧器の二次側」は、変圧器6の二次励磁誘導発電機2側(電力系統4側、図2における符号「#2」を付した側)を指す。
Moreover, as shown in FIG. 1, the
直流部13は、第一電力変換機11の直流側と第二電力変換機12の直流側とを接続する部分である。直流部13にはキャパシタ8が備えられているとともに、蓄電装置5が接続されている。蓄電装置5は、発電システム1の自立起動時に必要となる電力を供給する。また、蓄電装置5を利用して、負荷7や電力系統4に供給される電力の変動を抑えることも可能である。蓄電装置5は、例えば、蓄電池や電気二重層キャパシタ等で構成され、直流部13に対して電力を供給して放電すること、及び直流部13から電力の供給を受けて充電することが可能に構成される。なお、蓄電装置5と直流部13との間にスイッチを介在させることもできる。
The
第一スイッチ21は、二次励磁誘導発電機2の固定子2b(一次巻線)と第一電力変換機11とを選択的に接続する。第二スイッチ22は、電力系統4と第一電力変換機11とを選択的に接続する。第一スイッチ21は、第二スイッチ22と協働して、二次励磁誘導発電機2の固定子2b(一次巻線)と電力系統4とを選択的に接続するとともに、第三スイッチ23と協働して、二次励磁誘導発電機2の固定子2b(一次巻線)と負荷7とを選択的に接続する。また、第二スイッチ22は、第三スイッチ23と協働して、電力系統4と負荷7とを選択的に接続する。
The
第一スイッチ21、第二スイッチ22、及び第三スイッチ23のそれぞれは、制御装置100のスイッチ制御部(不図示)が生成する開閉信号に基づき開閉制御される。これらのスイッチは、例えば、電磁石の動作によって開閉する電磁接触型のスイッチ等とすることができる。
Each of the
以上のような構成を備えた発電システム1は、発電電力の周波数(電圧、電流の周波数)に関して自由度の高いシステムとなっている。詳細な説明は省略するが(詳細については、例えば上記特許文献1参照)、発電システム1の発電電力の周波数(二次励磁誘導発電機2の一次側に誘起される一次側電圧v1(図2参照)の周波数)をf1とし、回転子2aの回転周波数をf0とし、回転子2aの二次巻線を励磁するために当該二次巻線に供給される交流電流(交流電圧)の周波数をf2とすると、「f1=f0+f2」となる。ここで、回転子2aの回転周波数f0は、回転子2aの回転数をm[rpm]とし、二次励磁誘導発電機2の磁極数をnとして、「f0=m×n/120」から求まる。
The
例えば、回転子2aの回転数が1100[rpm]であり、二次励磁誘導発電機2の磁極数が「6」の場合には、回転子2aの回転周波数f0は55[Hz]となる。よって、この場合に、第二電力変換機12を制御して二次巻線に周波数が5[Hz]の交流電流(交流電圧)を供給すれば(f2=5[Hz])、周波数が60[Hz]の交流電力を得ることができる。また、逆に、第二電力変換機12を制御して二次巻線から周波数が5[Hz]の交流電流(交流電圧)を取り出せば(f2=−5[Hz])、周波数が50[Hz]の交流電力を得ることができる。なお、回転子2aの回転数(すなわち、ガスエンジン3の回転数)は、同期回転数以外の任意の回転数を選択することができる。なお、同期回転数は、電力系統4の周波数が60[Hz]であり、二次励磁誘導発電機2の磁極数が「6」である場合には、1200[rpm]となる。
For example, when the rotational speed of the
このように、回転子2aの回転数(すなわち、ガスエンジン3の回転数)が同一であっても、回転子2の二次巻線に供給する交流電流の周波数f2(上記のように、当該二次巻線から交流電流を取り出す場合には負の値となる。)を変えることで発電電力の周波数f1を変化させることができる。よって、例えば、交流電源の周波数が50[Hz]のエリアと60[Hz]のエリアとで同一の仕様の動力源(本例ではガスエンジン3)を用いることができるという利点がある。また、動力源の回転数を負荷に応じて適切に選択することで、当該動力源の部分負荷効率の向上を図ったり、動力源の回転数を増加させることで、発電システム1全体としての出力(定格出力)の増大を図ったりすることができる。
Thus, even if the rotation speed of the
2.制御装置の構成
次に、制御装置100の構成について、図2に基づいて詳細に説明する。ここで、図2に示すように、二次励磁誘導発電機2の一次側に発生する有効電力及び無効電力を、それぞれ、第一有効電力P1及び第一無効電力Q1とする。また、二次励磁誘導発電機2の二次側に供給される有効電力及び無効電力を、それぞれ、第二有効電力P2及び第二無効電力Q2とする。さらに、二次励磁誘導発電機2の一次側から第一電力変換機11側に供給される有効電力及び無効電力を、それぞれ、第三有効電力P3及び第三無効電力Q3とする。そして、図2におけるこれらの電力の流れを示す矢印は、当該電力の値が正の場合の流れ方向を示している。なお、本例では、無効電力の正負に関して、遅れ無効電力(遅れ位相の無効電力)が正の場合を正とし、遅れ無効電力が負の場合を負としている。ここで、「遅れ無効電力が正」とは、電流が電圧に対して位相が進んでいる場合を意味し、「遅れ無効電力が負」とは、電流が電圧に対して位相が遅れている場合を意味する。なお、抵抗成分が無視できる場合には、電流と電圧の位相差は90度となる。
2. Configuration of Control Device Next, the configuration of the
図2に示すように、制御装置100は、第一電力変換機11の動作を制御する第一制御部101と、第二電力変換機12の動作を制御する第二制御部102と、第一スイッチ21、第二スイッチ22、及び第三スイッチ23の開閉状態を制御するスイッチ制御部(不図示)と、を備えている。これらの機能部は、互いに共通の或いはそれぞれ独立のCPU等の演算処理装置を中核部材として、入力されたデータに対して種々の処理を行うための機能部がハードウェア又はソフトウェア(プログラム)或いはその両方により実装されて構成されている。また、これらの機能部は、デジタル転送バス等の通信線を介して互いに情報の受け渡しを行うことができるように構成されている。ここで、これらの機能部がソフトウェア(プログラム)により構成される場合には、当該ソフトウェアは、演算処理装置が参照可能なRAMやROM等の記憶手段に記憶される。本実施形態では、第一制御部101及び第二制御部102が、本発明における「一次側電圧確立部」を構成している。
As shown in FIG. 2, the
制御装置100は、第一制御部101及び第二制御部102を作動させて、電力系統4から電力の供給を受けていない状態(第二スイッチ22(図1参照)が開状態とされる状態)で、蓄電装置5から供給される電力によりシステムを起動(自立起動)することが可能に構成されている。以下、第二制御部102及び第一制御部101の構成について順に説明する。
The
2−1.第二制御部の構成
第二制御部102は、第二電力変換機12の動作(具体的には、第二電力変換機12が備えるスイッチング素子のスイッチング動作)を制御する機能部である。第二制御部102は、第二電力変換機12の動作を制御し、第二電力変換機12が発生した交流電力を回転子2aが備える二次巻線に供給することが可能に構成されている。すなわち、第二制御部102は、第二電力変換機12により回転子2aの二次巻線を励磁する工程(以下、「二次側励磁工程」という。)を実行する二次側励磁手段として機能する。
2-1. Configuration of Second Control Unit The
本実施形態では、第二制御部102は、二次側励磁工程として、一次側電圧v1に基づく電圧フィードバック制御を行う。そのため、発電システム1は、一次側電圧v1を検出する電圧センサ(図示せず)を備えている。そして、第二制御部102は、後述するように、発電システム1の自立起動時に、この電圧フィードバック制御を実行する。
In the present embodiment, the
具体的には、第二制御部102は、図2に示すような機能部を備えており、一次側電圧v1をフィードバック値とし、一次側電圧指令値V1*を指令値として、電圧フィードバック制御を実行する。なお、第二制御部102にて実行される電圧フィードバック制御処理の流れについては、図2に示すブロック図より明らかであるため、ここでは、その流れについて簡単に説明する。なお、以下の制御処理の説明においては、図2における各機能部に記載された文字を鉤括弧(「」)で囲んだもので、当該文字に対応する機能部を表す。本実施形態では、一次側電圧指令値V1*が、本発明における「目標電圧値」に相当する。
Specifically, the
電圧センサにて検出された一次側電圧v1は、「PLL」に入力される。「PLL」は、PLL(Phase Locked Loop)処理を行うことで一次側電圧v1の角速度(角周波数)ω0を検出し、その情報を「1/s」に出力する。「1/s」は、「PLL」から送られてきた角速度を積分する積分処理を行い、三相二相変換の基準となる第一基準位相θ1を導出する。 The primary voltage v1 detected by the voltage sensor is input to “PLL”. “PLL” detects the angular velocity (angular frequency) ω0 of the primary voltage v1 by performing PLL (Phase Locked Loop) processing, and outputs the information to “1 / s”. “1 / s” performs an integration process for integrating the angular velocity sent from “PLL”, and derives a first reference phase θ1 as a reference for three-phase to two-phase conversion.
電圧センサにて検出された一次側電圧v1は、「dq←abc」にも入力される。「dq←abc」では、第一基準位相θ1に基づき、一次側電圧v1を、三相(a相、b相、c相)の交流座標系(abc座標系)から二相の回転座標系(dq座標系)に変換して、一次側電圧v1のd軸成分v1d及びq軸成分v1qを導出する。なお、本例では、一次側電圧v1のq軸成分v1qがゼロとなるように第一基準位相θ1が設定されている。 The primary side voltage v1 detected by the voltage sensor is also input to “dq ← abc”. In “dq ← abc”, based on the first reference phase θ1, the primary side voltage v1 is changed from a three-phase (a-phase, b-phase, c-phase) AC coordinate system (abc coordinate system) to a two-phase rotational coordinate system ( dq coordinate system) to derive the d-axis component v1d and the q-axis component v1q of the primary voltage v1. In this example, the first reference phase θ1 is set so that the q-axis component v1q of the primary side voltage v1 is zero.
そして、「dq←abc」にて求められた一次側電圧v1のd軸成分v1d及びq軸成分v1qが「v1dq=√(v1d2+v1q2)」に送られ、一次側電圧v1の振幅値v1dqが算出される。そして、この振幅値v1dqと、二次励磁誘導発電機2の出力電圧の指令値(目標値)であるV1*とが比較され、その差がゼロになるように「PI」にて比例積分制御演算(PI制御演算)が行われる。なお、一次側電圧指令値V1*は、必要に応じて(巻線の結線方法等に応じて)係数が乗算された後、振幅値v1dqとの比較が行われる。例えば、一次側電圧指令値V1*が線間電圧の実効値で表される場合に、当該係数を「√(2/3)」とすることができる。
Then, the d-axis component v1d and the q-axis component v1q of the primary voltage v1 obtained by “dq ← abc” are sent to “v1dq = √ (v1d 2 + v1q 2 )”, and the amplitude value v1dq of the primary voltage v1 Is calculated. Then, the amplitude value v1dq is compared with V1 * which is the command value (target value) of the output voltage of the secondary
「PI」は、PI制御演算を行い、電圧指令値のd軸成分urd及びq軸成分urqを導出する。そして、電圧指令値のd軸成分urd及びq軸成分urqは「dq→abc」に送られ、dq座標系からabc座標系への二相三相変換が実行される。なお、上記のように、本例では、一次側電圧v1のq軸成分v1qがゼロとなるように第一基準位相θ1が設定されているため、電圧指令値のq軸成分urqはゼロとなる。よって、本例では、「PI」は電圧指令値のd軸成分urdのみを求め、当該d軸成分urdが「dq→abc」に入力されるとともに、「dq→abc」には電圧指令値のq軸成分urqとして「0」が入力される。 “PI” performs a PI control calculation and derives a d-axis component urd and a q-axis component urq of the voltage command value. Then, the d-axis component urd and the q-axis component urq of the voltage command value are sent to “dq → abc”, and two-phase three-phase conversion from the dq coordinate system to the abc coordinate system is executed. As described above, in this example, since the first reference phase θ1 is set so that the q-axis component v1q of the primary side voltage v1 becomes zero, the q-axis component urq of the voltage command value becomes zero. . Therefore, in this example, “PI” obtains only the d-axis component urd of the voltage command value, the d-axis component urd is input to “dq → abc”, and the voltage command value of “dq → abc” “0” is input as the q-axis component urq.
また、一次側電圧v1の角速度ω0と回転子2aの角速度ωr(上記の回転周波数f0×2π)との差(ω0−ωr)に基づき「1/s」が第二基準位相θ2を導出する。なお、回転子2aの角速度ωrは、図示しない磁極位置センサ(レゾルバ等)により検出する構成とすることができる。そして、「dq→abc」は、この第二基準位相θ2に基づき、電圧指令値のd軸成分urd及びq軸成分urqに対して二相三相変換を実行し、実行結果を「PWM」に出力する。そして、「PWM」は、「dq→abc」から送られてきた三相の電圧指令値に基づき、第二電力変換部12が備えるスイッチング素子をスイッチング制御するためのPWM信号(ゲート駆動信号)を生成する。
Further, “1 / s” derives the second reference phase θ2 based on the difference (ω0−ωr) between the angular velocity ω0 of the primary side voltage v1 and the angular velocity ωr of the
以上が、第二制御部102が実行する電圧フィードバック制御の流れである。なお、詳細な説明は省略するが、発電システム1の通常運転時において、第二制御部102を、二次励磁誘導発電機2の一次側に発生する有効電力P1や無効電力Q1をフィードバック値としてフィードバック制御(電力フィードバック制御)を行うように構成することができる。このような構成では、抵抗成分が無視できる定常状態において、第一有効電力P1を、二次励磁誘導発電機2の二次側を流れる電流である二次側電流i2のd軸成分(二次側d軸電流)によって制御でき、第一無効電力Q1を、二次側電流i2のq軸成分(二次側q軸電流)によって制御できる。すなわち、第一有効電力P1及び第一無効電力Q1を互いに独立に制御することができる。
The above is the flow of voltage feedback control executed by the
2−2.第一制御部の構成
第一制御部101は、第一電力変換機11の動作(具体的には、第一電力変換機11が備えるスイッチング素子のスイッチング動作)を制御する機能部である。第一制御部101は、第一電力変換機11の動作を制御し、第一電力変換機11が発生した交流電力を、固定子2bが備える一次巻線に供給することが可能に構成されている。すなわち、第一制御部101は、第一電力変換機11により固定子2bの一次巻線を励磁する工程(以下、「一次側励磁工程」という。)を実行する一次側励磁手段として機能する。
2-2. Configuration of First Control Unit The
本実施形態では、第一制御部101は、一次側励磁工程として、第一電力変換機11の交流側に流れる電流(本例では、変圧器二次側電流ig)に基づく電流フィードバック制御を行う。そのため、発電システム1は、変圧器二次側電流igを検出する電流センサ30を備えている。そして、第一制御部101は、後述するように、発電システム1の自立起動時に、この電流フィードバック制御を実行する。
In this embodiment, the
具体的には、第一制御部101は、図2に示すような機能部を備えており、変圧器二次側電流igをフィードバック値とし、電流指令値Ig*を指令値として、電流フィードバック制御を実行する。なお、第一制御部101にて実行される電流フィードバック制御処理の流れについては、図2に示すブロック図より明らかであるため、ここでは、その流れについて簡単に説明する。なお、以下の制御処理の説明においては、上記第二制御部102の説明と同様、図2における各機能部に記載された文字を鉤括弧で囲んだもので、当該文字に対応する機能部を表す。
Specifically, the
電流センサ30にて検出された変圧器二次側電流igは、「dq←abc」に入力される。「dq←abc」には、上記の第一基準位相θ1も入力される。そして、「dq←abc」は、当該第一基準位相θ1に基づき、変圧器二次側電流igに対して三相二相変換を実行し、変圧器二次側電流igのd軸成分igd及びq軸成分igqを導出する。
The transformer secondary current ig detected by the
そして、変圧器二次側電流igのd軸成分igdと、電流指令値Ig*のd軸成分Igd*とが比較され、その差がゼロになるように「PI」にてPI制御演算が実行され、その結果に対して制御性向上のための非干渉制御が実行される。具体的には、「PI」の出力に(−1)を乗じたものとω0×Lg×igqとの和を導出する。そして、この導出結果に対して一次側電圧v1のd軸成分v1dを加算し、電圧指令値のd軸成分ugdが導出される。ここで、Lgは、変圧器6の正相リアクタンスを二次側換算して求めたインダクタンスである。
Then, the d-axis component “igd” of the transformer secondary current “igd” is compared with the d-axis component “Igd *” of the current command value Ig *, and the PI control calculation is executed at “PI” so that the difference becomes zero. Then, non-interference control for improving controllability is executed on the result. Specifically, the sum of the output of “PI” multiplied by (−1) and ω0 × Lg × igq is derived. Then, the d-axis component v1d of the primary side voltage v1 is added to the derivation result to derive the d-axis component ugd of the voltage command value. Here, Lg is an inductance obtained by converting the positive phase reactance of the
同様に、変圧器二次側電流igのq軸成分igqと、電流指令値Ig*のq軸成分Igq*とが比較され、その差がゼロになるように「PI」にてPI制御演算が実行され、その結果に対して制御性向上のための非干渉制御が実行される。具体的には、「PI」の出力に(−1)を乗じたものからω0×Lg×igdを減算したものを導出する。そして、この導出結果に対して一次側電圧v1のq軸成分v1q(本例では「0」)を加算し、電圧指令値のq軸成分ugqが導出される。 Similarly, the q-axis component igq of the transformer secondary current ig and the q-axis component Igq * of the current command value Ig * are compared, and the PI control calculation is performed at “PI” so that the difference becomes zero. The non-interference control for improving the controllability is executed on the result. Specifically, a value obtained by subtracting ω0 × Lg × igd from the output of “PI” multiplied by (−1) is derived. Then, the q-axis component v1q (“0” in this example) of the primary side voltage v1 is added to the derivation result, and the q-axis component ugq of the voltage command value is derived.
「abc←dq」は、第一基準位相θ1に基づき、電圧指令値のd軸成分ugd及びq軸成分ugqに対して二相三相変換を実行し、実行結果を「PWM」に出力する。そして、「PWM」は、「abc←dq」から送られてきた三相の電圧指令値に基づき、第一電力変換部11が備えるスイッチング素子をスイッチング制御するためのPWM信号(ゲート駆動信号)を生成する。
“Abc ← dq” performs two-phase three-phase conversion on the d-axis component ugd and the q-axis component ugq of the voltage command value based on the first reference phase θ1, and outputs the execution result to “PWM”. “PWM” is a PWM signal (gate drive signal) for switching control of the switching element included in the
以上が、第一制御部101が実行する電流フィードバック制御の流れである。なお、後述するように、発電システム1の自立起動時には、第一制御部101は、第三無効電力Q3を制御する。そして、本例では、上記のように、一次側電圧v1のq軸成分v1qはゼロとなる。よって、第三無効電力Q3は、変圧器二次側電流igのq軸成分igqにより制御することができる。この場合、電流指令値Ig*は、少なくともそのq軸成分Igq*を有する。一方、第三有効電力P3は、変圧器二次側電流igのd軸成分igdにより制御することができるため、第三有効電力P3を積極的に制御する場合には、電流指令値Ig*は、d軸成分Igd*を有する。
The above is the flow of current feedback control executed by the
また、詳細な説明は省略するが、発電システム1の通常運転時において、第一制御部101を、直流部13の電圧Vdcをフィードバック値として、当該電圧Vdcが一定になるようにフィードバック制御を行うように構成することができる。
Although not described in detail, during the normal operation of the
3.自立起動の手順
次に、図3のフローチャートを参照して、本実施形態に係る制御装置100において実行される自立起動処理の手順(自立起動方法)について説明する。以下に説明する自立起動処理の手順は、制御装置100の各機能部(本例では、第一制御部101、第二制御部102、及び図示しないスイッチ制御部)を構成するハードウェア又はソフトウェア(プログラム)或いはその両方により実行される。これらの各機能部がプログラムにより構成される場合には、制御装置100が有する演算処理装置が、各機能部を構成するプログラムを実行するコンピュータとして動作する。
3. Procedure for Independent Start Next, a procedure for an independent start process (independent start method) executed in the
なお、図3は、ガスエンジン3により回転子2aが駆動されているとともに第三スイッチ23が開状態とされる状態(以下、「無負荷状態」という。)であって、第一スイッチ21が閉状態とされるとともに第二スイッチ22が開状態とされる状態から、発電システム1(二次励磁誘導発電機2)を起動(自立起動)し、負荷7に電力を供給するまでの処理の流れを示している。なお、第二スイッチ22が開状態ではなく閉状態とされているが、電力系統4から電力が供給できない状態にある場合も、ここで説明する処理を同様に行うことができる。ガスエンジン3は、例えばセルモータで起動された後に、負荷(回転子2aを回転するのに必要なエネルギを除く)がない状態で所定回転数(例えば、ガスエンジン3の効率が高い回転数、定格回転数等)まで加速され、無負荷状態では、当該所定回転数で安定しているとする。また、発電システム1の自立起動時には、蓄電装置5は直流部13に電力を供給可能な状態とされ、自立起動のための電力を、必要に応じて、回転子2aが備える二次巻線や固定子2bが備える一次巻線に供給する。
3 shows a state where the
図3に示すように、制御装置100は、第一電力変換機11及び第二電力変換機12の内の第二電力変換機12のみを第二制御部102により作動させ、昇圧工程を実行する(ステップ#1)。ここで、「昇圧工程」とは、二次側励磁工程により一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*まで昇圧させる昇圧処理を行う工程である。すなわち、「昇圧工程」の実行後に、一次側電圧v1と一次側電圧指令値V1*とが等しくなる。この昇圧工程において、第二制御部102は、上述した電圧フィードバック制御を実行する。
As shown in FIG. 3, the
ここで、一次側電圧指令値V1*は、上記のように、二次励磁誘導発電機2の出力電圧(一次側電圧v1)を定める電圧であり、線間電圧の実効値換算で、例えば、200[V]、3300[V]、6600[V]等に設定することができる。なお、一次側電圧指令値V1*は、後に参照する図5に示すように、設定値に向ってスロープ状に上昇させる(ソフトスタート)構成とし、一次側電圧v1の振幅をスロープ状に増加させるのが、安定性の観点から好適である。例えば、線間電圧の実効値換算で、400[V/sec]の割合で一次側電圧指令値V1*を設定値まで上昇させることができる。
Here, the primary-side voltage command value V1 * is a voltage that determines the output voltage (primary-side voltage v1) of the secondary
なお、一次側電圧v1を相電圧(例えばa相の相電圧)で表した場合の振幅の最大値(ピーク値)をv1am(単位[V])とし、一次側電圧指令値V1*が線間電圧の実効値(単位[V])であるとすると、本実施形態では、v1am=V1*×√(2/3)となった状態が、一次側電圧v1と一次側電圧指令値V1*とが等しくなった状態である。このように、「一次側電圧v1が一次側電圧指令値V1*まで昇圧した状態」及び「一次側電圧v1と一次側電圧指令値V1*とが等しい状態」、並びにこれらと同義の文言は、必要に応じて(巻線の結線方法等に応じて)係数を乗じるなどした後に、v1の値とV1*の値とが互いに等しくなった状態を意味する。 Note that the maximum value (peak value) of the amplitude when the primary side voltage v1 is expressed by a phase voltage (for example, a phase voltage of the a phase) is v1am (unit [V]), and the primary side voltage command value V1 * is between the lines. Assuming that the voltage is an effective value (unit [V]), in this embodiment, the state of v1am = V1 * × √ (2/3) is the primary voltage v1 and the primary voltage command value V1 *. Are equal. Thus, “the state where the primary side voltage v1 is boosted to the primary side voltage command value V1 *” and “the state where the primary side voltage v1 and the primary side voltage command value V1 * are equal”, and the same meaning as these, This means a state in which the value of v1 and the value of V1 * are equal to each other after being multiplied by a coefficient if necessary (according to a method for connecting windings or the like).
第二制御部102による昇圧工程の実行後、すなわち、一次側電圧v1が一次側電圧指令値V1*まで昇圧された後、制御装置100の第一制御部101は、第一電力変換機11を作動させ、一次側励磁工程を実行する(ステップ#2)。なお、第一制御部101は、一次側励磁工程として、上述した電流フィードバック制御を実行する。具体的には、第一制御部101は、第一電力変換機11を、第一電力変換機11が無効電力(本例では、正の遅れ無効電力)を発生するように制御する。この場合、第三無効電力Q3は負の値となり、第三スイッチ23が開状態とされているため、第一無効電力Q1も負の値(第三無効電力Q3とほぼ等しい値)となる。これにより、第一電力変換機11から二次励磁誘導発電機2の固定子2bが備える一次巻線に、正の遅れ無効電力が供給される。すなわち、第一制御部101は、一次側励磁工程として、第一電力変換機11から一次巻線に無効電力(本例では、正の遅れ無効電力)を供給する制御を行う。
After execution of the boosting step by the
第一制御部101は、一次側励磁工程を行うに際し、所望の遅れ無効電力(第三無効電力Q3)の大きさに応じた電流指令値Ig*を設定する。なお、上記のように、本例では、第三無効電力Q3は、変圧器二次側電流igのq軸成分igqにより制御することができる。よって、第一制御部101は、電流指令値Ig*として、少なくともq軸成分Igq*がゼロ以外の値を持つものを設定する。なお、第一電力変換機11に、正の遅れ無効電力とともに有効電力も積極的に発生させる場合には、電流指令値Ig*として、d軸成分Igd*もゼロ以外の値を持つものを設定する。
When performing the primary side excitation process, the
なお、電流指令値Ig*は、後に参照する図11に示すように、設定値に向ってスロープ状に上昇させる(ソフトスタート)構成とし、変圧器二次側電流igの振幅をスロープ状に増加させるのが、安定性の観点から好適である。例えば、電流指令値Ig*が、変圧器二次側電流igのある相(例えばa相)の線電流igaの振幅の最大値(単位[V])に、√(3/2)を乗じたものである場合に、電流指令値Ig*を、6[V/sec]の割合で設定値まで上昇させることができる。 In addition, as shown in FIG. 11 referred later, the current command value Ig * is configured to increase in a slope shape (soft start) toward the set value, and the amplitude of the transformer secondary side current Ig is increased in a slope shape. It is preferable from the viewpoint of stability. For example, the current command value Ig * is obtained by multiplying the maximum value (unit [V]) of the line current iga of a phase (for example, a phase) of the transformer secondary current ig by √ (3/2). If it is, the current command value Ig * can be raised to the set value at a rate of 6 [V / sec].
なお、第二制御部102は、一次側電圧v1が一次側電圧指令値V1*まで昇圧された後も二次側励磁工程を実行し、一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*に維持するように第二電力変換機12を制御する。すなわち、ステップ#2においては、第一制御部101が電流フィードバック制御を実行しているとともに、第二制御部102が電圧フィードバック制御を実行している。そして、この状態では、二次励磁誘導発電機2が必要とする電力の一部が第一電力変換機11から無効電力として供給されるため、一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*に維持するために二次巻線に供給する必要がある電力(少なくとも第二無効電力Q2)は、昇圧工程(ステップ#1)の完了時よりも少なくなる。よって、第一電力変換機11から一次巻線に供給される正の遅れ無効電力の増加に合わせて、第二電力変換機12が発生する電力(第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力)が減少するように、第二制御部102が第二電力変換機12を制御する。このような構成とすることで、第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力が過大になるのを抑制することが可能となっている。
Note that the
なお、本例では、第一電力変換機11から一次巻線に供給される正の遅れ無効電力の増加に合わせて第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力を減少させるに際し、二次巻線に流れる電流(二次側電流i2)を減少させるように構成されている。なお、二次側電流i2の減少とともに、二次励磁誘導発電機2の二次側に誘起される電圧である二次側電圧v2も減少させる構成とすることもできる。
In this example, when the positive delay reactive power supplied from the
一次側励磁工程(ステップ#2)の実行後においては、一次側電圧v1が一次側電圧指令値V1*とされているとともに、二次励磁誘導発電機2の一次巻線に供給される無効電力や、二次励磁誘導発電機2の二次巻線に供給される電力が、所望の値となっている。この状態が、負荷7との接続が可能になった一次側電圧確立状態である。
After execution of the primary side excitation step (step # 2), the primary side voltage v1 is set to the primary side voltage command value V1 * and the reactive power supplied to the primary winding of the secondary
以上のように、制御装置100(第一制御部101及び第二制御部102)は、無負荷状態で、一次側励磁工程と二次側励磁工程との双方を実行して、言い換えれば、第一電力変換機11及び第二電力変換機12の双方を作動させて、二次励磁誘導発電機2の一次側に発生する一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*とする一次側電圧確立工程(一次側電圧確立処理)を実行する。そして、本例では、上記のように、昇圧工程の後、一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*に維持した状態で、第一電力変換機11から一次巻線に供給される正の遅れ無効電力を増加させるとともに、第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力を減少させるように構成されている。すなわち、本例では、一次側電圧確立工程は、昇圧工程を実行した後に一次側励磁工程を開始する、遅延型一次側電圧確立工程(遅延型一次側電圧確立処理)とされている。
As described above, the control device 100 (the
そして、遅延型一次側電圧確立工程(ステップ#1及びステップ#2)の実行によって一次側電圧v1が確立された後に、第三スイッチ23を閉状態とする負荷接続工程を実行する(ステップ#3)。これにより、二次励磁誘導発電機2にて発電した電力が、電力を必要とする負荷7に供給される。このような自立起動運転が実行可能とされることで、電力系統4から切り離された状態でも重要負荷に給電することが可能となり、停電時の非常用発電装置としての役割を担うことが可能となっている。
Then, after the primary side voltage v1 is established by executing the delay type primary side voltage establishing step (
4.起動例
次に、図3のフローチャートに基づく発電システム1の起動例について説明する。ここでは、図4に示すタイムチャートに従い、発電システム1を自立起動して200[V](発電電圧の一例)の交流電圧を発生させ、発電した電力を負荷7へ供給する場合の動作について、図5から図18に示す各波形を参照して説明する。なお、本起動例では、一次側電圧指令値V1*と電流指令値Ig*との双方をソフトスタートさせている(図5、図11参照)。
4). Startup Example Next, a startup example of the
まず初めに、図3と図4との対応を説明すると、図4の時刻t0が図3のステップ#1を開始する時刻であり、図4の時刻t1が図3のステップ#1が完了する時刻であり、図4の時刻t2が図3のステップ#2を開始する時刻であり、図4の時刻t3が図3のステップ#2が完了する時刻である。そして、本起動例では、一次側電圧v1の確立後に2つの負荷7(例えば、300[W]の負荷と200[W]の負荷)を順に接続するが、それぞれの負荷7に対応する負荷接続工程(図3のステップ#3)の開始時刻が、図4における時刻t4及び時刻t5となっている。一例として、図4における時刻t0を0[sec]とすると、時刻t1、時刻t2、時刻t3、時刻t4、及び時刻t5を、それぞれ、0.5[sec]、1.0[sec]、1.5[sec]、2.0[sec]、及び3.5[sec]とすることができる。
First, the correspondence between FIG. 3 and FIG. 4 will be described. Time t0 in FIG. 4 is a time at which
時刻t0で、図3のステップ#1の実行が開始されることで第二電力変換機12の制御が開始すると、図5に示すように、一次側電圧指令値V1*が設定値(本例では、線間電圧の実効値が200[V]となる値)に向かって一定の割合で増加し、時刻t1で設定値となる。この時、第二制御部102は、一次側電圧v1をフィードバック値とし、一次側電圧指令値V1*を指令値として、電圧フィードバック制御を実行するため、一次側相電圧v1aは、図6に示すように、一次側電圧指令値V1*の変化に合わせて増加する。ここで、一次側相電圧v1aは、一次側電圧v1のある相(例えばa相)の相電圧である。
When the control of the
図6に示すような一次側相電圧v1aの変化は、二次励磁誘導発電機2の回転子2aが備える二次巻線に供給される電力を増加させることで実現されるため、図7〜図10に示すように、二次側線電流i2aの振幅、二次側相電圧v2aの振幅、第二有効電力P2、及び第二無効電力Q2も、一次側電圧指令値V1*の変化に合わせて増加する。ここで、二次側線電流i2aは、二次側電流i2のある相(例えばa相)の線電流であり、二次側相電圧v2aは、二次側電圧v2のある相(例えばa相)の相電圧である。
Since the change of the primary side phase voltage v1a as shown in FIG. 6 is realized by increasing the power supplied to the secondary winding included in the
時刻t1で一次側電圧指令値V1*が設定値に到達すると、一次側電圧指令値V1*はその後、当該設定値に維持される。そして、一次側電圧v1が一次側電圧指令値V1*となり安定すると(時刻t2)、第一電力変換機11の制御が開始する。具体的には、第一制御部101が、変圧器二次側電流igをフィードバック値とし、電流指令値Ig*を指令値として、電流フィードバック制御を実行する。本起動例では、図11に示すように、電流指令値Ig*のq軸成分Igq*が、時刻t2から設定値に向かって一定の割合で増加し、時刻t3で設定値となる。このIgq*の変化に合わせて、図12に示すように変圧器二次側線電流igaが、時刻t2と時刻t3との間で増加する。ここで、変圧器二次側線電流igaは、変圧器二次側電流igのある相(例えばa相)の線電流である。
When primary voltage command value V1 * reaches the set value at time t1, primary voltage command value V1 * is thereafter maintained at the set value. When the primary side voltage v1 becomes the primary side voltage command value V1 * and becomes stable (time t2), the control of the
なお、第一制御部101は、第一電力変換機11が正の遅れ無効電力を発生するように制御する。よって、図14に示すように、時刻t2と時刻t3との間で、第三無効電力Q3は、変圧器二次側電流igの増加とともに、マイナス側に大きくなる。すなわち、時刻t2と時刻t3との間で、二次励磁誘導発電機2の固定子2bが備える一次巻線に供給される正の遅れ無効電力が増加している。そして、この正の遅れ無効電力の増加に合わせて、第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力が減少する。本起動例では、図7から図10に示すように、時刻t2から時刻t3の間で、二次側線電流i2aの振幅と、二次側相電圧v2aの振幅との双方が減少し、それにより、第二有効電力P2と第二無効電力Q2とが減少している。このように、本起動例では、時刻t2と時刻t3との間で二次側電流i2、二次側電圧v2、第二有効電力P2、及び第二無効電力Q2を減少させることができ、これらが過大な状態が長く続くことが回避されている。すなわち、第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力が過大になるのを抑制することが可能となっている。
The
なお、図13に示すように、本起動例では、時刻t2と時刻t3との間で線路の抵抗成分や励磁部分の鉄損のため第三有効電力P3もマイナス側に大きくなる(第一電力変換機11が発生する有効電力が大きくなる)。また、負荷が投入される(第三スイッチ23が閉状態とされる)時刻t4までの状態では、第三スイッチ23が開状態とされているため、図14及び図16に示すように、第一無効電力Q1は第三無効電力Q3とほぼ一致する。
As shown in FIG. 13, in this activation example, the third active power P3 also increases to the negative side between the time t2 and the time t3 due to the resistance component of the line and the iron loss of the excitation portion (the first power). The effective power generated by the
そして、時刻t3で電流指令値Ig*のq軸成分Igq*が設定値となることで無負荷定常運転状態に到達し、変圧器二次側電流igや第三無効電力Q3等が安定すると(時刻t4)、一次側電圧v1が確立した状態となる。すなわち、本起動例では、時刻t0に一次側電圧確立工程(遅延型一次側電圧確立工程)が実行され、時刻t4に当該工程が終了する。そして、時刻t4や時刻t5で投入される負荷の消費電力に応じて、負荷に供給される負荷電力Ploadや二次励磁誘導発電機2の電気的出力(有効電力)Peが増大する(図17、図18参照)。
Then, at time t3, when the q-axis component Igq * of the current command value Ig * becomes a set value, a no-load steady operation state is reached, and the transformer secondary current ig, the third reactive power Q3, and the like are stabilized ( At time t4), the primary side voltage v1 is established. That is, in this activation example, the primary voltage establishment process (delayed primary voltage establishment process) is executed at time t0, and the process ends at time t4. Then, the load power Pload supplied to the load and the electrical output (active power) Pe of the secondary
なお、図18より明らかなように、本起動例では、時刻t2と時刻t3との間で線路の抵抗成分や励磁部分の鉄損のため二次励磁誘導発電機2の電気的出力Peはマイナス側に大きくなる。
As is clear from FIG. 18, in this startup example, the electrical output Pe of the secondary
5.その他の実施形態
最後に、本発明に係るその他の実施形態を説明する。なお、以下の各々の実施形態で開示される特徴は、その実施形態でのみ利用できるものではなく、矛盾が生じない限り、別の実施形態にも適用可能である。
5. Other Embodiments Finally, other embodiments according to the present invention will be described. Note that the features disclosed in each of the following embodiments can be used only in that embodiment, and can be applied to other embodiments as long as no contradiction arises.
(1)上記の実施形態では、一次側電圧確立工程が、遅延型一次側電圧確立工程である構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、二次側励磁工程による昇圧工程が終了する前に、一次側励磁工程を開始する構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。すなわち、一次側励磁工程と二次側励磁工程とを同時に並行して実行しながら、一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*まで昇圧させ、一次側電圧v1の確立を行う構成とすることができる。この場合において、一次側励磁工程と二次側励磁工程とを同時或いはほぼ同時に開始する構成とすることができる。このように一次側励磁工程と二次側励磁工程とを並行して実行して一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*まで昇圧させる構成では、上記実施形態に比べ、二次側電流i2の最大値をより低く抑えたり、二次側電流i2が過大な状態とされる時間をより短く抑えたりすることが可能となる。 (1) In the above-described embodiment, the configuration in which the primary side voltage establishing step is the delayed primary side voltage establishing step has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this, and a configuration in which the primary-side excitation process is started before the boosting process by the secondary-side excitation process is completed is also preferable implementation of the present invention. One of the forms. That is, the primary side voltage v1 is boosted to the primary side voltage command value V1 * and the primary side voltage v1 is established while simultaneously executing the primary side excitation step and the secondary side excitation step in parallel. Can do. In this case, the primary side excitation process and the secondary side excitation process can be started simultaneously or substantially simultaneously. As described above, in the configuration in which the primary side excitation step and the secondary side excitation step are executed in parallel to boost the primary side voltage v1 to the primary side voltage command value V1 *, the secondary side current i2 is compared to the above embodiment. It is possible to keep the maximum value of the lower value lower and to keep the time during which the secondary current i2 is in an excessive state shorter.
(2)上記の実施形態では、一次側励磁工程では、変圧器二次側電流igに基づき電流フィードバック制御を実行する構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、一次側励磁工程で、変圧器6の一次側の電流や図2における電流センサ30よりも固定子2b側における電流に基づき電流フィードバック制御を実行する構成とすることもできる。
(2) In the above embodiment, the configuration in which the current feedback control is performed based on the transformer secondary current ig in the primary side excitation process has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. In the primary side excitation process, current feedback is based on the current on the primary side of the
(3)上記の実施形態では、第一制御部101による電流フィードバック制御、及び第二制御部102による電圧フィードバック制御の双方が、比例積分制御演算(PI制御演算)に基づくものである構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、比例積分制御演算に代えて比例積分微分制御演算(PID制御演算)を実行する構成とすることもできる。
(3) In the above embodiment, a configuration in which both the current feedback control by the
(4)上記の実施形態では、一次側励磁工程では、第一電力変換機11の交流側に流れる電流(変圧器二次側電流ig)に基づき電流フィードバック制御を行い、二次側励磁工程では、一次側電圧v1に基づき電圧フィードバック制御を行う構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、一次側励磁工程及び二次側励磁工程の少なくとも何れかを、フィードバック制御以外の制御方法(例えば、フィードフォワード制御等)にて巻線の励磁を行う工程とすることも可能である。 (4) In the above embodiment, in the primary side excitation process, current feedback control is performed based on the current flowing through the AC side of the first power converter 11 (transformer secondary side current ig), and in the secondary side excitation process, The configuration for performing voltage feedback control based on the primary side voltage v1 has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this, and at least one of the primary side excitation step and the secondary side excitation step is wound by a control method other than feedback control (for example, feedforward control). It is also possible to set it as the process of exciting a line.
(5)上記の実施形態では、一次側電圧確立工程において、第二電力変換機12から二次巻線に供給される電力を減少させるに際し、二次巻線に流れる電流(二次側電流i2)を減少させる構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、二次巻線に流れる電流(二次側電流i2)を減少させずに二次側電圧v2のみを減少させる構成とすることも可能である。
(5) In the above embodiment, when the power supplied from the
(6)上記の実施形態では、一次側電圧確立工程により一次側電圧v1が確立された後に、負荷接続工程を実行する構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、一次側電圧v1が確立された後に、負荷7に加えて電力系統4にも接続する構成や、電力系統4のみに接続する構成とすることもできる。
(6) In the above embodiment, the configuration in which the load connection process is executed after the primary voltage v1 is established by the primary voltage establishment process has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this, and after the primary side voltage v1 is established, a configuration that connects to the
(7)上記の実施形態では、第一制御部101が第一電力変換機11の制御に用いる基準位相が、第二制御部102が導出する第一基準位相θ1とされる構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、第一制御部101がPLL機能部を備え、第一電力変換機11の制御に用いる基準位相を、例えば、変圧器6の二次側の電圧に基づきPLL処理で求める構成とすることができる。この場合、第一制御部101は、変圧器二次側電圧を基準としたdq座標系で制御を行う構成となる。
(7) In the above embodiment, a configuration in which the reference phase used by the
(8)上記の実施形態で説明した起動方法は、第二スイッチ22が閉状態とされ、電力系統4との間で電力の授受がある状態での発電システム1の起動にも適用することが可能である。すなわち、本発明の発電システム1の起動方法は、自立起動に限定されるものではない。この場合、発電システム1の起動時に必要となる電力の少なくとも一部を、電力系統4から得ることができる。
(8) The activation method described in the above embodiment may be applied to activation of the
(9)上記の実施形態では、一次側励磁工程において、第一電力変換機11に正の遅れ無効電力を発生させ、第一電力変換機11から一次巻線に正の遅れ無効電力を供給する構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、二次励磁誘導発電機2や発電システム1全体の構成によっては、一次側励磁工程において、第一電力変換機11に負の遅れ無効電力を発生させ、第一電力変換機11から一次巻線に負の遅れ無効電力を供給する構成とすることも可能である。
(9) In the above embodiment, in the primary side excitation step, positive delay reactive power is generated in the
(10)その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、本願の特許請求の範囲に記載された構成及びこれと均等な構成を備えている限り、特許請求の範囲に記載されていない構成の一部を適宜改変した構成も、当然に本発明の技術的範囲に属する。 (10) Regarding other configurations as well, the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects, and embodiments of the present invention are not limited thereto. That is, as long as the configuration described in the claims of the present application and a configuration equivalent thereto are provided, a configuration obtained by appropriately modifying a part of the configuration not described in the claims is naturally also included in the present invention. Belongs to the technical scope.
本発明は、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、回転子を駆動する動力源と、交流側が一次巻線に接続された第一電力変換機と、交流側が二次巻線に接続された第二電力変換機と、第一電力変換機の直流側と第二電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備えた発電システムの起動に好適に利用することができる。 The present invention provides a secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, and an AC side connected to the primary winding. One power converter, a second power converter whose AC side is connected to the secondary winding, and a DC unit that connects the DC side of the first power converter and the DC side of the second power converter The power storage device and a changeover switch that selectively connects the primary winding and the power load can be suitably used for starting a power generation system.
1:発電システム
2:二次励磁誘導発電機
2a:回転子
2b:固定子
3:ガスエンジン(動力源)
5:蓄電装置
7:負荷(電力負荷)
11:第一電力変換機
12:第二電力変換機
13:直流部
23:第三スイッチ(切替スイッチ)
100:制御装置(起動装置)
101:第一制御部(一次側電圧確立部)
102:第二制御部(一次側電圧確立部)
V1*:一次側電圧指令値(目標電圧値)
i2:二次側電流(二次巻線に流れる電流)
v1:一次側電圧
1: Power generation system 2: Secondary
5: Power storage device 7: Load (electric power load)
11: 1st power converter 12: 2nd power converter 13: DC part 23: 3rd switch (changeover switch)
100: Control device (starting device)
101: 1st control part (primary side voltage establishment part)
102: Second control unit (primary side voltage establishment unit)
V1 *: Primary voltage command value (target voltage value)
i2: Secondary current (current flowing in the secondary winding)
v1: Primary side voltage
Claims (9)
前記第一電力変換機により前記一次巻線を励磁する一次側励磁工程と、前記第二電力変換機により前記二次巻線を励磁する二次側励磁工程と、に関し、
前記動力源により前記回転子が駆動されるとともに前記切替スイッチが開状態とされる無負荷状態で、前記一次側励磁工程と前記二次側励磁工程との双方を実行して、前記二次励磁誘導発電機の一次側に発生する一次側電圧を目標電圧値とする一次側電圧確立工程を実行し、
前記一次側電圧確立工程では、前記一次側励磁工程として、前記第一電力変換機から前記一次巻線に無効電力を供給する発電システムの起動方法。 A secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, and a first power having an AC side connected to the primary winding A converter, a second power converter having an AC side connected to the secondary winding, and a DC unit connecting the DC side of the first power converter and the DC side of the second power converter. A power generation system comprising: a power storage device; and a changeover switch that selectively connects the primary winding and the power load,
Regarding a primary side excitation step of exciting the primary winding by the first power converter, and a secondary side excitation step of exciting the secondary winding by the second power converter,
The secondary excitation is performed by executing both the primary side excitation step and the secondary side excitation step in a no-load state in which the rotor is driven by the power source and the changeover switch is opened. Performing a primary side voltage establishing step using a primary side voltage generated on the primary side of the induction generator as a target voltage value;
In the primary side voltage establishing step, as the primary side excitation step, a power generation system starting method for supplying reactive power from the first power converter to the primary winding.
前記遅延型一次側電圧確立工程では、前記昇圧工程の後、前記一次側電圧を前記目標電圧値に維持した状態で、前記第一電力変換機から前記一次巻線に供給される無効電力を増加させるとともに、前記第二電力変換機から前記二次巻線に供給される電力を減少させる請求項1又は2記載の発電システムの起動方法。 The primary side voltage establishing step includes a delay type primary side voltage establishing step of starting the primary side excitation step after executing a step of boosting the primary side voltage to the target voltage value by the secondary side excitation step. And
In the delay type primary side voltage establishing step, after the boosting step, the reactive power supplied from the first power converter to the primary winding is increased in a state where the primary side voltage is maintained at the target voltage value. The method for starting the power generation system according to claim 1, wherein the power supplied from the second power converter to the secondary winding is reduced.
前記二次側励磁工程では、前記一次側電圧に基づき電圧フィードバック制御を行う請求項1から4の何れか一項記載の発電システムの起動方法。 In the primary side excitation step, current feedback control is performed based on the current flowing on the AC side of the first power converter,
5. The power generation system start-up method according to claim 1, wherein in the secondary side excitation step, voltage feedback control is performed based on the primary side voltage.
前記動力源により前記回転子が駆動されるとともに前記切替スイッチが開状態とされる無負荷状態で、前記二次励磁誘導発電機の一次側に発生する一次側電圧を目標電圧値とする一次側電圧確立処理を実行する一次側電圧確立部を備え、
前記一次側電圧確立部は、前記第一電力変換機及び前記第二電力変換機の双方を作動させるとともに、前記第一電力変換機に無効電力を発生させて、前記一次側電圧確立処理を実行する発電システムの起動装置。 A secondary excitation induction generator having a stator having a primary winding and a rotor having a secondary winding, a power source for driving the rotor, and a first power having an AC side connected to the primary winding A converter, a second power converter having an AC side connected to the secondary winding, and a DC unit connecting the DC side of the first power converter and the DC side of the second power converter. A starter for a power generation system comprising: a power storage device; and a changeover switch that selectively connects the primary winding and the power load,
A primary side having a primary voltage generated on a primary side of the secondary excitation induction generator as a target voltage value in a no-load state where the rotor is driven by the power source and the changeover switch is opened. A primary-side voltage establishing unit for performing voltage establishing processing;
The primary side voltage establishing unit operates both the first power converter and the second power converter and generates reactive power in the first power converter to execute the primary side voltage establishing process. The starting device of the power generation system.
前記遅延型一次側電圧確立処理では、前記昇圧処理の実行後に、前記一次側電圧を前記目標電圧値に維持した状態で、前記第一電力変換機が発生する無効電力を増加させるとともに、前記第二電力変換機が発生する電力を減少させる請求項7又は8記載の発電システムの起動装置。 The primary side voltage establishing unit boosts the primary side voltage to the target voltage value by operating only the second power converter of the first power converter and the second power converter. After executing, the delay type primary side voltage establishment processing to start the operation of the first power converter,
In the delayed primary side voltage establishment process, after the boosting process is performed, the reactive power generated by the first power converter is increased in a state where the primary side voltage is maintained at the target voltage value, and the first The starter for a power generation system according to claim 7 or 8, wherein the power generated by the two power converters is reduced.
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