JP5693337B2 - 発電機の制御装置 - Google Patents
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Description
電力系統に事故が発生しても風力発電機を解列せずに継続運転を追求する風力発電システムとして、例えば、特許文献1や特許文献2が挙げられる。
また、上述の特許文献2に記載の構成においては、異常検出装置が、回転速度あるいは電圧の異常を検出した際に、該誘導機型風力発電機に無効電力を注入して誘導機型風力発電機の回転速度および電圧の安定化制御を行うが、永久磁石を用いた大容量の風力発電システムでは、すべての電力が電力変換器に入力されるため、常に十分な効果が得られるというものではなかった。
発電機の電流を検出して検出電流を出力する電流検出回路、制御量指令と検出電力と一次周波数指令とを入力し制御量指令と検出制御量との制御量偏差を演算し当該制御量偏差に基づき周波数指令を演算する周波数指令演算回路、周波数指令と検出電流とを入力し周波数指令に必要な補正演算を施して一次周波数指令として出力する周波数指令補正回路、一次周波数指令と検出電流とに基づき電圧指令と検出電力とを演算する電圧指令演算回路、および電圧指令に基づき発電機の発電電力を変換して電力系統に出力する電力変換回路を備えた発電機の制御装置において、
電力系統の事故発生を検出したとき、制御量指令を抑制するとともに、所定時間、周波数指令演算回路または周波数指令補正回路を、周波数指令の一次周波数指令への追従性を高める高追従回路に切り替える制御回路切替手段を備えたものである。
本発明の実施の形態1は、風力発電システムにおいて、電力系統における地絡事故、あるいは電圧、周波数などの異常を検出する機器を備え、異常検出時には発電機の出力電力を速やかに抑制し、風力発電機を解列させることなく安定に継続運転できるよう構成したものである。
この意味で、本願発明は、風力発電システムに適用すると特にその有用性が高いと言えるが、この発明は、風力発電システム以外の発電システムにも適用可能なことは言うまでもない。
図1は、本発明の実施の形態1における発電機の制御装置を、発電機等の主回路機器を含めて示すブロック図である。
図1において、周波数指令演算回路2は、入力端子1を介して入力された、制御量指令としての電力指令P*に基づき周波数指令ωsを演算する。周波数指令補正回路3は、周波数指令ωsや負荷の急変による脱調を防止する等、動作安定化等の目的で周波数指令ωsに必要な補正演算を施して一次周波数指令ω1を出力する。電圧指令演算回路4は、一次周波数指令ω1から3相交流の電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を演算して出力する。積分回路5は、一次周波数指令ω1を積分演算して制御位相θを出力する。座標変換回路6は、電流検出回路10、11、12で検出した3相交流電流iu,iv,iwを回転座標系の電流値id,iqに変換する。以上の、周波数指令演算回路2、周波数指令補正回路3、電圧指令演算回路4および積分回路5により、図中波線で囲んで示す制御ブロック14を構成する。
入力端子1には、上位システムより電力指令P*が入力される。周波数指令演算回路2は、電力指令P*、電圧指令演算回路4から入力される検出電力Pおよび周波数指令補正回路3から入力される一次周波数指令ω1を用いて周波数指令ωsを演算する。
以上の演算は、以下の(1)式で表され、除算器19からは、トルク偏差ΔTが出力される。
電力系統で電圧低下などの事故が起こった場合、風力発電システムの出力する電力を早急に抑制する必要がある。もっとも、一般的に風力発電システムの制御応答は、制御の安定化を重視する観点からそれほど速く設定されていないため、短時間で出力電力を制御することができない。
そこで、本発明においては、系統事故検出時に積分器20の出力を直接的に制御する制御ブロック22を備え、周波数指令ωsを一次周波数指令ω1に速やかに追従させる。
異常検出信号が入力されると、マイコン等での演算の1周期の期間、セレクタ51は、それまで積分器20に送出していた、除算器19からのトルク指令ΔTに替わって周波数指令補正回路3からの一次周波数指令ω1に切り替える。セレクタ52は、それまでの積分器20からの出力に替わって周波数指令補正回路3からの一次周波数指令ω1を周波数指令ωsとして出力する。即ち、電力指令が急変するときに一次周波数指令ω1に基づいて動作する上述の高追従回路が形成される。演算の1周期が過ぎると、セレクタ51、52は、その切替位置を元の位置に戻す。
従って、制御回路切替手段の他の変形例として、この周波数指令演算回路2の制御時定数を切り替えることで、周波数指令ωsを一次周波数指令ω1に速やかに追従させる方式が考えられる。即ち、特に図示はしないが、電力系統7の事故を検出したときに、積分器20を含む周波数指令演算回路2の第1の制御時定数を、この第1の制御時定数より小さい第2の制御時定数の高追従回路に切り替えて、出力電力を抑制する期間だけ応答が速くなるように設定する。
図5は、本発明の実施の形態2における発電機の制御装置を示すブロック図である。実施の形態1との違いは、交流側スイッチ回路35と負荷回路36とを発電機側変換器9と風力発電機13との間に配置している点であり、本実施の形態では、系統事故発生時に負荷回路36に電流を流すように制御して電力を消費するように構成している。図5において、図1と同じ動作を行うものについては同じ番号を付しており、それらの説明は省略してそれ以外の部分について説明する。
図6は、本発明の実施の形態3における発電機の制御装置を示すブロック図である。実施の形態1との違いは、直流側スイッチ回路37と負荷回路38とが系統側変換器8と発電機側変換器9との間の直流リンクに配置されている点であり、本実施の形態では、系統事故発生時に直流リンクから負荷回路38に電流を流すように制御して電力を消費するように構成している。図6において、図1と同じ動作を行うものについては同じ番号を付しており、それらの説明は省略してそれ以外の部分について説明する。
図7は、本発明の実施の形態4における発電機の制御装置を示すブロック図である。実施の形態1との違いは、トルク指令によって制御する点であり、本実施の形態では、上位からトルク指令T*を与えられて運転している状況においても、実施の形態1で説明したと同様の効果が得られる。図7において、図1と同じ動作を行うものについては同じ番号を付しており、それらの説明は省略してそれ以外の部分について説明する。
除算器43は、入力端子16を介して入力される検出電力Pを一次周波数指令ω1で除算することにより、検出制御量としての検出トルクを演算する。減算器44は、トルク指令T*から除算器43の出力を減算する。
以上の演算は、以下の(11)式で表され、減算器44からは、制御量偏差としてのトルク偏差ΔTが出力される。
5 積分回路、6 座標変換回路、7 電力系統、8 系統側変換器、
9 発電機側変換器、10,11,12 電流検出回路、13 永久磁石型同期発電機、20,45 積分器、22,47 制御ブロック。
Claims (11)
- 制御量指令に検出制御量が追随するよう発電機を制御して電力系統に電力を供給するものであって、
前記発電機の電流を検出して検出電流を出力する電流検出回路、前記制御量指令と検出電力と一次周波数指令とを入力し前記制御量指令と前記検出制御量との制御量偏差を演算し当該制御量偏差に基づき周波数指令を演算する周波数指令演算回路、前記周波数指令と前記検出電流とを入力し前記周波数指令に必要な補正演算を施して一次周波数指令として出力する周波数指令補正回路、前記一次周波数指令と前記検出電流とに基づき電圧指令と前記検出電力とを演算する電圧指令演算回路、および前記電圧指令に基づき前記発電機の発電電力を変換して前記電力系統に出力する電力変換回路を備えた発電機の制御装置において、
前記電力系統の事故発生を検出したとき、前記制御量指令を抑制するとともに、所定時間、前記周波数指令演算回路または前記周波数指令補正回路を、前記周波数指令の前記一次周波数指令への追従性を高める高追従回路に切り替える制御回路切替手段を備えたことを特徴とする発電機の制御装置。 - 前記周波数指令演算回路は、前記制御量偏差をトルク偏差に変換し、前記トルク偏差を入力として動作する積分器の出力を前記周波数指令とするものであり、
前記制御回路切替手段は、前記所定時間として演算の1周期の期間、前記積分器の入力を前記トルク偏差から前記一次周波数指令に切り替え、前記周波数指令演算回路の出力を前記積分器の出力から前記一次周波数指令に切り替えることにより前記周波数指令演算回路を前記高追従回路に切り替えるものであることを特徴とする請求項1記載の発電機の制御装置。 - 前記制御回路切替手段は、前記所定時間前記周波数指令演算回路の制御時定数を前記電力系統が正常なときに設定している第1の制御時定数から、前記第1の制御時定数より小さい第2の制御時定数に切り替えることにより前記周波数指令演算回路を前記高追従回路に切り替えるものであることを特徴とする請求項1記載の発電機の制御装置。
- 前記制御回路切替手段は、前記所定時間前記周波数指令補正回路の制御時定数を前記電力系統が正常なときに設定している第3の制御時定数から、前記第3の制御時定数より小さい第4の制御時定数に切り替える制御時定数切替手段を備えることにより前記周波数指令補正回路を前記高追従回路に切り替えるものであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
- 前記電力変換回路は、前記電圧指令に基づき前記発電機の端子電圧を制御するとともに前記発電機から出力される可変周波数の発電電力を直流電力に変換する発電機側変換器と前記直流電力を固定周波数の交流電力に変換して前記電力系統に出力する系統側変換器とを備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
- 交流側スイッチ回路を介して前記発電機と前記発電機側変換器との接続部に接続可能な交流側負荷回路を備え、
前記電力系統の事故発生を検出したとき、前記交流側スイッチ回路を開から閉に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項5記載の発電機の制御装置。 - 直流側スイッチ回路を介して前記発電機側変換器と前記系統側変換器との接続部に接続可能な直流側負荷回路を備え、
前記電力系統の事故発生を検出したとき、前記直流側スイッチ回路を開から閉に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項5記載の発電機の制御装置。 - 前記制御量指令は、電力指令であり、前記周波数指令演算回路は、前記電力指令と前記検出制御量となる前記検出電力と前記一次周波数指令とを入力し前記制御量偏差である前記電力指令と前記検出電力との電力偏差を演算し当該電力偏差に基づき前記周波数指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
- 前記制御量指令は、トルク指令であり、前記周波数指令演算回路は、前記トルク指令と前記検出電力と前記一次周波数指令とを入力し前記検出電力と前記一次周波数指令とから前記検出制御量としての検出トルクを演算し、前記制御量偏差である前記トルク指令と前記検出トルクとのトルク偏差を演算し当該トルク偏差に基づき前記周波数指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
- 前記発電機は、回転子に永久磁石を用いた可変速同期発電機であることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
- 前記発電機は、風力を動力源とする風力発電機であることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の発電機の制御装置。
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