JP6398273B2 - 発電機の運転停止方法および発電機システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置により制御される発電機の停止方式に関する。

電力変換装置（以下、インバータと称する）により電動機や発電機を駆動するシステムにおいてインバータの運転を停止する際の停止方法として、以下の「フリーラン停止方式」と「減速停止方式」とが従来から知られている。

「フリーラン停止方式」
インバータに停止指令が入力されると、インバータのインバータ内のスイッチング素子へのゲート信号をＯＦＦしてインバータの運転を停止する。電動機または発電機は慣性で回転を継続した後停止する。

「減速停止方式」
インバータに停止指令が入力されると、インバータの出力周波数を低下させることにより電動機または発電機を減速させてから、インバータ内のスイッチング素子へのゲート信号をＯＦＦしてインバータの運転を停止する。

図９に両方式の動作、図１０に両方式の制御構成の例を示す。「フリーラン停止方式」、「減速停止方式」、図１０の制御構成の技術は、特許文献１〜３に示されているため、ここでの説明は省略する。

特開平１０−４２５９１号公報 特開２０１０−１６１８７５号公報 特開平７−１２３８００号公報

図１１に両システムの構成例を、図１２に両システム停止時の動作の例を示す。

フリーラン停止方式の場合、発電機１は原動機２（図１１ではタービン）からの軸入力により回転しているため、発電機１を制御しているインバータ３を停止させると、軸入力により発電機１が回転してしまう。これにより、場合によっては定格速度以上の速度まで回転してしまい、ベアリングなどの機械系にダメージを与えてしまう可能性がある。これは寿命の劣化につながる。

減速停止方式の場合においても、設定した減速停止時間に応じて減速させて発電機１を停止させるが、減速停止した時点で、まだ原動機２からの軸入力が継続していれば、停止後に発電機１は加速してしまう。そのため、減速停止させる時間は、原動機２からの軸入力が完全になくなるまでの時間以上に設定する必要があるが、システムの仕様（弁開閉時間や入力弁（軸入力可変手段）４〜原動機２間の水管５の高度差など）により時間は変わってしまうため、適切な時間に設定することは難しい。

例として、図１１の水力発電の場合のシステムで説明する。発電機１にはタービン２が接続されており、入口弁４を開くと水が水管５を通って、タービン２ヘと流れ込み、タービン２が回転する。インバータ３では発電機１の速度やトルクを制御し、発電した電力はコンバータ６を介して電源７に回生する。発電機１を停止させる際、コントローラ８は入口弁４を閉じるように指令を出し、インバータ３には停止指令を出す。そのため、入口弁４が閉じてタービン２ヘの水の流入がなくなる前にインバータ３を停止させてしまう場合がある。

流量を計測する手段を設け、水の流入がなくなりタービン２からの軸入力がなくなってからコントローラ８によりインバータ３を停止させるシステムであれば、この発電機１が定格速度以上となる問題は回避可能である。しかし、このシステムでは流量センサなどの流量を計測する手段を必要とするため、コストがかかるという問題を有する。

以上示したようなことから、発電機システムにおいて、発電機の運転を停止させる際に、発電機が軸入力により回転することを抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、入力軸を備えた発電機と、発電機を制御するインバータと、発電機の軸入力を可変制御する軸入力可変手段と、インバータと軸入力可変手段を制御するコントローラと、を備えた発電機システムにおいて、前記インバータは、コントローラからの停止指令時に、軸入力可変手段によって軸入力が減少した後、インバータ運転を停止することを特徴とする。

また、その一態様として、前記インバータは、コントローラからの停止指令後も速度指令値に従って発電機速度を制御し、発電機の速度指令値と速度検出値を用いる演算より得られるインバータのトルク指令値もしくは発電機のトルク検出値もしくは制御演算より得られるトルク電流成分指令値もしくはトルク電流成分検出値もしくは発電機出力検出値が予め設定された停止判定値以下となった時に、インバータ運転を停止することを特徴とする。

また、その他の態様として、前記インバータは、コントローラからの停止指令後も、トルク指令値に従って発電機のトルクを制御し、発電機の速度検出値もしくは発電機出力検出値が停止判定値以下となった時に、インバータ運転を停止することを特徴とする。

また、他の態様として、前記インバータは、コントローラからの停止指令後も速度指令値に従って発電機速度を制御し、その際、トルク指令値を一定値以下とならないように制限するトルクリミットを備え、発電機速度が停止判定値以下となった時に、インバータ運転を停止することを特徴とする。

また、前記インバータは、コントローラからの停止指令後もトルク指令値に従って発電機のトルクを制御し、その際、停止判定値よりも高い速度のトルク指令減少開始速度を設定し、速度検出値がトルク指令減少開始速度よりも低くなった場合、インバータのトルク指令値を減少させることを特徴とする。

本発明によれば、発電機システムにおいて、発電機の運転停止時に、発電機が軸入力により回転することを抑制することが可能となる。

実施形態１における発電機の運転停止方法の動作を示すタイムチャート。 実施形態１における発電機の運転停止方法を示す制御ブロック図。 実施形態２における発電機の運転停止方法の動作を示すタイムチャート。 実施形態２における発電機の運転停止方法を示す制御ブロック図。 実施形態３における発電機の運転停止方法の動作を示すタイムチャート。 実施形態３における発電機の運転停止方法を示す制御ブロック図。 実施形態４における発電機の運転停止方法の動作を示すタイムチャート。 実施形態４における発電機の運転停止方法を示す制御ブロック図。 フリーラン停止方式、減速停止方式の動作を示すタイムチャート。 フリーラン停止方式、減速停止方式の制御ブロック図。 フリーラン停止方式、減速停止方式の構成図。 フリーラン停止方式、減速停止方式の動作を示すタイムチャート。

以下、本発明に係る発電機の停止方法の実施形態１〜４を図１〜図８に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１のシステムの動作、図２に本実施形態１のシステムの制御構成を示す。

本実施形態１は、速度指令に従って速度制御を行うシステムである。図２に基づいて本実施形態１における電力変換装置により制御される発電機の停止方式を説明する。

まず、速度制御部１１において、速度指令と速度検出値とを比較し、その偏差に基づいてトルク指令に変換する。次に、電流制御部１２において、トルク指令をｄ軸電流指令，ｑ軸電流指令値に変換する。電流制御部１３では、ｄ軸電流指令，ｑ軸電流指令と、ｄ軸電流検出，ｑ軸電流検出とを比較し、その偏差に基づいてｄ軸電圧指令，ｑ軸電圧指令を算出する。二相−三相変換部１４では、ｄ軸電圧指令，ｑ軸電圧指令を三相電圧指令に変換する。ＰＷＭ変換部１５では、三相電圧指令と三角波キャリア信号とを比較し、ゲート指令としてＡＮＤ回路１８に出力する。

停止判定部１６では、トルク指令と停止判定値とを比較し、トルク指令値が停止判定値以下となった場合、スイッチ１７にＯＦＦ信号を出力する。換言すると、トルク指令が停止判定値よりも大きい場合はスイッチ１７にＯＮ信号を出力する。スイッチ１７では、運転指令がＯＮの場合、運転指令ＯＮを出力し、運転指令がＯＦＦで、かつ、停止判定部１６からＯＦＦ信号が入力されている場合、ＯＦＦ信号を出力する。ＡＮＤ回路１８は、スイッチ１７から入力された信号がＯＮ信号の場合、ゲート指令をゲート信号としてインバータの半導体スイッチング素子に出力し、スイッチ１７から入力された信号がＯＦＦ信号の場合、ゲート信号を出力しないものとする。

次に、図１に基づいて、本実施形態１のシステム動作を説明する。運転指令がＯＦＦ（すなわち停止指令がＯＮ）された後、入口弁開度を低下させて発電機１の軸入力を減少させる。

一方、インバータは運転指令がＯＦＦした後も速度指令（図１では１００％としている）に従って発電機速度を制御し続け、運転を継続する。発電機１の軸入力が低下するに従い、速度を制御するために必要なトルク指令も小さくなる。

そして、速度制御部１１の出力するトルク指令がある所定の値（図１の停止判定値）を下回った時点で、ゲート信号をオフしてインバータ運転を停止させる。なお、図１では入力弁開度が０％になる前に発電機１の軸入力が０％となっているが、これは水力発電タービンの特性によるものである。

本実施形態１の運転指令ＯＮ→ＯＦＦからゲート信号ＯＦＦまでの期間中は、発電機軸入力≒発電機速度×トルクの関係があるため、発電機１の軸入力の値とトルク指令はほぼ比例する。したがって、トルク指令がある所定の値（図１の停止判定値）を下回った時点でインバータ運転を停止させる本方式によれば、確実に発電機１の軸入力が所定の値以下の時にインバータを停止できる。

したがって、インバータ停止時に発電機１の軸入力を考慮しない従来方式のフリーラン停止方式や減速停止方式と比較して、インバータ停止後の発電機速度の上昇を抑制することができる。なお、図１のゲート信号ＯＦＦ直後の速度検出値のわずかな増加は、停止判定値のトルク指令値を零としていないためゲート信号ＯＦＦ時に発電機１の軸入力がわずかに残っていることから発生するものである。

本実施形態１では、運転を停止させるための停止判定値をトルク指令において設定したが、この停止判定値はトルク指令の代わりにトルク検出値Ｔやインバータ内の制御演算より得られるトルク電流成分指令値、トルク電流成分検出値、発電機出力検出値等の有効電力成分に関係するものに置き換えても良い。

また、本実施形態１は速度指令値が１００％で一定となっているが、これに限らなくともよい。入口弁開度も同様であり、当然弁開度と発電機１の軸入力の関係もシステムにより変わる。なお、この点については、後述する実施形態２〜４についても同様である。

以上示したように、本実施形態１によれば、インバータ運転を停止した時点で発電機１の軸入力は小さくなっているため、運転を停止しても軸入力により発電機が回転することを抑制できる。また、システムの仕様や発電状況などに関わらず確実に発電機１の入力が低下してから停止することが可能になる。その結果、発電機１の劣化を抑制し、システムの長寿命化を図ることが可能となる。さらに、本実施形態１によれば、流量センサが不要となるため、低コスト化を実現できる。

［実施形態２］
図３に本実施形態２のシステムの動作、図４に本実施形態２のシステムの制御構成を示す。実施形態１と同様の点については説明を省略し、実施形態１と異なる点のみ説明する。

本実施形態２は、トルク指令に従ってトルクを制御するシステムである。そのため、実施形態１における速度制御部１１は省略されている。また、停止判定部１６の入力は、速度検出値となる。その他は、実施形態１と同様である。

次に、図３に基づいて、本実施形態２のシステム動作を説明する。運転指令がＯＦＦ（すなわち停止指令がＯＮ）された後、入口弁開度を低下させて発電機１の軸入力を減少させる。

一方、インバータは、トルク指令（図３では１００％としている）に従って発電機１のトルクを制御し続け、運転を継続する。発電機１の軸入力が低下してきてもトルクを掛け続けると発電機１の速度が低下していく。そして、速度検出値が停止判定値より低下した時点で、ゲート信号をＯＦＦしてインバータを停止する。

本実施形態２の運転指令ＯＮ→ＯＦＦからゲート信号ＯＦＦまでの期間中は、発電機軸入力≒発電速度×トルクの関係があるため、発電機１の軸入力の値と速度検出値はほぼ比例する。したがって、速度検出値がある所定の値（図３の停止判定値）を下回った時点で、インバータ運転を停止させる本方式によって、確実に発電機１の軸入力が所定の値以下の時にインバータを停止できる。したがって、インバータ停止時に発電機１の軸入力を考慮しない従来方式のフリーラン停止方式や減速停止方式と比較して、インバータ停止後の発電機１の速度の上昇を抑制することができる。なお、図３のゲート信号ＯＦＦ直後の速度検出値ωの増加は、停止判定値速度を零としていないためゲート信号ＯＦＦ時に発電機１の軸入力が残っていることから発生するものである。

運転を停止させるためのパラメータは、速度検出値の代わりに発電機出力検出値に置き換えても良い。

また、本実施形態２ではトルク指令値を１００％一定としているが、これに限らなくともよい。入力弁開度、発電機軸入力についても同様である。

［実施形態３］
図５に本実施形態３のシステムの動作、図６に本実施形態３のシステムの制御構成を示す。

実施形態１において、運転指令がＯＦＦした後、外乱があり一時的に軸入力が減少すると速度制御部１１が速度を制御しようとしてトルク指令を低下させる場合や、速度制御部１１の制御応答が高く設定されている場合では負荷急変時に過剰にトルク指令が変動するため、トルク指令が停止判定値以下になる場合が考えられる。

このような場合、入口弁の開度調整により発電機１の軸入力が低下していない状態でインバータを停止させてしまうことになるため、インバータ停止後に発電機１が加速してしまうことになる。

そこで、図６に示すようにトルクリミッタ１９を設け、トルク指令が所定の値（図６のリミット値）以下とならないようにリミット処理する。その後、速度が低下してきて速度が所定の値（図５の停止判定値）以下になった時点でゲート信号をＯＦＦしてインバータを停止させる。上記トルク指令のリミット値は零もしくはそれに近い値が望ましい。

本実施形態３では、上記の外乱の発生時にありうる軸入力の一時的な低下や速度制御部１１の応答によりトルク指令が停止判定値を下回ってインバータを停止させてしまうという問題を解決できる。

したがって、実施形態１と比較して、より確実に発電機１を加速させずに停止させることが可能となる。

［実施形態４］
図７に本実施形態４のシステムの動作、図８に本実施形態４のシステムの制御構成を示す。

実施形態２において、速度検出値が所定の値（停止判定値）を下回った時点でインバータの運転を停止させる時、発電機１の速度が完全に零になってから停止させなかった場合には、多少発電機１は加速されてしまう。その加速の度合いは、インバータ停止時の発電機１の軸入力もしくはトルク指令が高いほど大きくなる。

そこで、停止判定値よりも高い速度でトルク指令を減少させる所定の速度（図７のトルク指令減少開始速度）を設定する。速度検出値がトルク指令値減少開始速度より低くなった時点で、停止判定値の速度と現在の速度検出値に応じてトルク指令を減少させていく。また、図７のトルク指令減少期間中のトルク指令（補正後）は、図８に示す制御ブロック２０によって演算補正させる。

ここで、図８に基づいて、制御ブロック２０について説明する。まず、減算部２１によりトルク指令減少開始速度から速度検出値ωを減算する。リミッタ２３により、減算部２１の出力が負の値の時、零を出力する。入力が零以上の値の時は、その値をそのまま出力する。また、減算部２２では、トルク指令減少開始速度から停止判定値を減算する。除算部２４では、リミッタ２３の出力を減算部２２の出力で除算し、乗算部２５では、トルク指令と除算部２４の出力を乗算する。

スイッチ２６では、運転指令がＯＮ信号の場合０を出力し、運転信号がＯＦＦ信号の場合、乗算部２５の出力を出力する。減算部２７では、トルク指令からスイッチ２６の出力を減算し、トルク指令（補正後）を出力する。

本実施形態４では、速度検出値が所定の値（トルク指令減少開始速度）以下でインバータのトルク指令を減少させ、速度検出値が所定の値（停止判定値）以下になった時点でインバータを停止させる。

これにより、インバータ停止時の発電機１の軸入力の低下がより確実になる。したがって、実施形態２と比較して、より確実に発電機１を加速させずに停止させることができる。

本実施形態４では図８のようなトルク指令の補正演算を行ったが、インバータ停止までにトルク指令を減少させるようにトルク指令を補正するのであれば、どのような演算方式をとっても良い。

以上の実施形態１〜実施形態４では、入口弁の開閉により水の流量を制御する水力発電システムを例として説明した。実施形態１〜４の入口弁に相当する発電機軸入力を制御できる機能を有するシステムであれば、他の発電システムにも本発明は適用できる。

１…発電機
２…原動機（タービン）
３…インバータ
４…入力弁（軸入力可変手段）
８…コントローラ
１６…停止判定部
１７…スイッチ
１９…トルクリミッタ
２０…制御ブロック

Claims (2)

1. 入力軸を備えた発電機と、
   発電機を制御するインバータと、
   発電機の軸入力を可変制御する軸入力可変手段と、
   インバータと軸入力可変手段を制御するコントローラと、
   を備えた発電機システムにおいて、
   前記インバータは、
   コントローラからの停止指令後もトルク指令値に従って発電機のトルクを制御し、停止判定値よりも高い速度のトルク指令減少開始速度を設定し、
   速度検出値がトルク指令減少開始速度よりも低くなった場合、インバータのトルク指令値を減少させ、発電機の速度検出値もしくは発電機出力検出値が停止判定値以下となった時に、インバータ運転を停止することを特徴とする発電機の運転停止方法。
2. 請求項１の運転停止方法により、発電機を停止させることを特徴とする発電機システム。

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