JP6631311B2

JP6631311B2 - 発電システム

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Publication number: JP6631311B2
Application number: JP2016033694A
Authority: JP
Inventors: 淳也矢野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: JP2017153252A

Description

本発明は可変速方式の発電システムに係り、特に、無瞬断で自立運転から連系運転に切り換る際におけるＰＬＬ制御方式に関する。

図１は、永久磁石同期発電機を用いた水力可変速発電システムの単結線図を示したものである。

交流系統１９の正常時は、コンバータ装置６が発電装置１に対してＭＰＰＴ制御（最大出力追従制御）を行い、交流系統１９と連系運転で動作している。

連系運転中に交流系統１９に系統異常が発生すると、母線側開閉器２０を開とし、系統連系制御インバータ８の運転を停止し、故障情報を受けた制御部１８からの指令により水車２を停止させる。水車２が停止するまでの発電エネルギーは、制動ユニット９のスイッチングデバイス１０ａの動作によって制動抵抗器１０ｂで消費される。

制御部１８は、発電装置１およびコンバータ装置６が連系運転から自立運転に移行するために、発電装置１およびコンバータ装置６に運転方式切換指令を出力する。この運転方式切換指令により、発電機制御インバータ７は発電機速度一定制御またはトルク一定制御から直流電圧一定制御に、系統連系制御インバータ８は直流電圧一定制御から交流電圧一定制御に、それぞれ制御モードが切り換わる。

これにより、特定負荷１６に所望の交流電圧を供給し、自立運転を実現することができる。このとき発電装置１と特定負荷１６との負荷条件の関係は、発電装置１の発電電力≧特定負荷１６の消費電力となる。

特開２０１４−２７７６２号公報特開２０１０−２２６８７１号公報特開２００５−２０８７０号公報特開２０００−１８４６０２号公報

自立運転中に交流系統１９が正常復帰した場合、特定負荷１６に対する電力供給の信頼性を確保・向上させるため、交流系統１９と同期した連系運転動作を無瞬断で行う必要がある。

以上示したようなことから、発電システムにおいて、自立運転から連系運転に素早く移行させ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、エネルギー源に連結された発電機と、前記発電機と交流系統との間に接続された発電機制御インバータおよび系統連系インバータを有するコンバータ装置と、前記発電機制御インバータおよび前記系統連系インバータに指令を出力する制御部と、を備えた発電システムであって、前記制御部は、前記交流系統が復電し、自立運転から連系運転に移行時に、系統位相に対し、自立位相が遅れか進みかを判断し、前記自立位相が前記系統位相よりも遅れ位相の場合は、サンプリング周期毎に基準位相進み角に補正量を加算した値を前記自立位相に加算し、前記自立位相が前記系統位相よりも進み位相の場合は、サンプリング周期毎に基準位相進み角に補正量を減算した値を前記自立位相に加算し、前記自立位相と前記系統位相との位相差が閾値以下となった時点からサンプリング周期毎に基準位相進み角を前記自立位相に加算することを特徴とする。

また、その一態様として、前記補正量は３°〜１０°であることを特徴とする。

また、その一態様として、前記コンバータ装置に接続された連系変圧器と、前記連系変圧器と前記交流系統との間に接続された母線開閉器と、前記連系変圧器と前記母線開閉器との間に接続された特定負荷と、を備え、前記交流系統の異常時に、前記特定負荷に対して電力を供給する自立運転機能を有することを特徴とする。

また、その一態様として、前記交流系統が復電した場合、前記発電機制御インバータは、自立運転モードの直流電圧一定制御から連系運転モードの速度一定制御またはトルク一定制御に切り換えることを特徴とする。

また、その一態様として、前記エネルギー源は水車であることを特徴とする。

本発明によれば、発電システムにおいて、自立運転から連系運転に素早く移行させることが可能となる。

実施形態１における発電システムを示す単結線図。連系運転と自立運転の切換動作を示すタイミングチャート。自立位相ＰＬＬ制御処理の位相演算処理を示すタイミングチャート。自立位相のフローチャート。自立位相ＰＬＬ制御処理のフローチャート。遅れ位相の場合の図４の拡大図。進み位相の場合の図４の拡大図。

以下、本発明に係る発電システムの実施形態１〜２を図１〜図７に基づいて詳述する。

［実施形態１］
まず、図１に基づいて、本実施形態１における発電システムを説明する。本実施形態１では、水力発電システムについて説明するが、水力発電システムに限らず、他の発電システムであっても良い。図１は、永久磁石同期発電機を用いた水力可変速発電システムの単結線図を示したものである。この水力発電システムは、連系変圧器１７，特定負荷１６，母線側開閉器２０を介して交流系統１９に連系される。

図１において、１は発電装置、６はコンバータ装置、１８は制御部を示している。

発電装置１は、エネルギー源としての水車２，フライホイール４，永久磁石同期発電機（以下、発電機と称する）３を有し、これらは図示省略された軸受を介して連結されている。なお、フライホイール４は必須の構成要素ではなく、むしろフライホイール４を有していないシステムが一般的である。また、発電装置１は、水車２の流量を調節する流量調節手段（例えば、ガバナ）５を有している。

コンバータ装置６は、発電機制御インバータ７、系統連系制御インバータ８および各インバータ間の直流リンク部に接続された直流コンデンサ１３と、スイッチングデバイス１０ａと制動抵抗器１０ｂとを有する制動ユニット９と、を備えている。

また、コンバータ装置６は、リアクトルＬ，コンデンサＣ，抵抗Ｒより構成さたＬＣＲフィルタ１４と、発電機３側に接続された発電機側開閉器１１と、交流系統１９側に接続された系統側開閉器１２と、連系用電圧検出トランス１５と、同期用電圧検出トランス２１と、を備えている。

制御部１８は、コンバータ装置６に対して運転指令を出力する等の信号の授受を行うと共に、流量調節手段５を介して水車２の流量を調節する。

図２に連系運転から自立運転，自立運転から連系運転への切換動作のタイミングチャートを示す。

まず、連系運転から自立運転への切換動作について説明する。交流系統１９に停電が起こった際、系統故障を検出して系統連系制御インバータ８は連系運転を停止する。系統故障情報を受信した制御部１８は、母線側開閉器２０を開放する。母線側開閉器２０が開放されたことを制御部１８を介してコンバータ装置６が確認すると、発電機制御インバータ７と系統連系制御インバータ８は制御モードを切り換えて自立運転に移行する。発電機制御インバータ７は発電機速度一定制御またはトルク一定制御から直流電圧一定制御に制御モードが切り換わり、系統連系制御インバータ８は直流電圧一定制御から交流電圧一定制御に制御モードが切り換わる。なお、図２に示すように、系統停電からクッション出力期間開始まで時間Δｔｏｆｆがある。この切換えについては無瞬断切換ではない。

次に、自立運転から連系運転への切換動作について説明する。交流系統１９の系統復電をコンバータ装置６が確認すると、コンバータ装置６は自立運転を継続しながら系統電圧位相とのＰＬＬ制御を開始する。

本実施形態１は、この自立運転時の系統連系制御インバータ８の出力電圧位相（以下、自立位相と称する）と系統電圧の位相（以下、系統位相と称する）のＰＬＬ制御に関するものである。自立位相と系統位相の位相同期が完了すると、発電機制御インバータ７と系統連系制御インバータ８は制御モードを切り換えて、制御部１８からの指令により母線側開閉器２０を投入して連系運転に移行する。発電機制御インバータ７は直流電圧一定制御から発電機速度一定制御またはトルク一定制御に、系統連系制御インバータ８は交流電圧一定制御から直流電圧一定制御に、それぞれ制御モードが切り換わる。この切り換えについては無瞬断切換である。

以下の図３〜図７では、５０Ｈｚ（周期２０ｍｓ）を基準として考える。位相の波形は図３に示すように０°から３６０°に直線的に増加し、３６０°を頂点として０°に戻る。サンプリング周期Δｔを１μｓとすれば、基準位相進み角Δθｒｅｆは０．１８°／μｓとなる。位相の生成は基準位相進み角Δθｒｅｆを積分して生成するが、実際はサンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆを加算することにより、２０ｍｓ毎に０°〜３６０°の位相波形を生成する。

図４は自立位相の生成処理を示すフローチャートである。図４に基づいて、自立位相の生成処理を説明する。自立位相は自走発振の自立位相指令値で生成される。

Ｓ１１：交流系統１９が停電していることを確認した場合、自立運転をスタートさせる。

Ｓ１２：自立位相φの生成を開始する。φを初期値としてゼロにする。サンプリング周期Δｔに所定の値を設定し、基準位相進み角Δθｒｅｆに所定の値を設定する。

Ｓ１３：サンプリング周期Δｔ毎に、φ＝φ＋Δθｒｅｆを演算する。

Ｓ１４：自立位相φが３６０°か否かを判定する。自立位相φが３６０でない場合はサンプリング周期Δｔ毎にＳ１３の演算を行う。すなわち、サンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆを加算する。

Ｓ１５：自立位相φが３６０°の場合は、自立位相φを０°とし、Ｓ１３へ戻る。

以上が自立位相φの生成方法である。波形としては図３の下段左図における系統位相φｇのような波形で、３６０°まで到達すると０°に戻り、繰り返しの波形を生成する。

図５は、自立位相ＰＬＬ制御処理を示すフローチャートである。図５に基づいて自立位相ＰＬＬ制御処理を説明する。交流系統１９が復電してから自立位相と同期させるまでが本実施形態１の特徴である。

Ｓ１：同期用電圧検出トランス２１によって、系統母線の電圧を検出することにより、交流系統１９が復電しているか否かを判定する。交流系統１９が復電している場合はＳ２へ移行し、交流系統１９が復電していない場合はＳ１３（図４）へ移行する。復電した系統位相φｇを同期用電圧検出トランス２１で検出する。

Ｓ２：系統位相φｇと自立位相φとの位相関係を確認する。基準は系統位相φｇである。

Ｓ３：系統位相φｇと自立位相φとの位相偏差が予め設定した閾値の範囲内か否かを判定する。すなわち、位相偏差＝｜自立位相φ−系統位相φｇ｜が閾値以下か否かを判定する。位相偏差が閾値よりも大きい場合にはＳ４へ移行し、位相偏差が閾値以下の場合はＳ７へ移行する。

Ｓ４：自立位相φと系統位相φｇとの大小比較する。自立位相φ≦系統位相φｇである場合Ｓ５へ移行し、自立位相φ＞系統位相φｇである場合Ｓ６へ移行する。

Ｓ５：自立位相φが遅れている場合、図６に示すように、位相差がΔφあったとして、時刻ｔ０では系統位相φｇ１、自立位相φ１で系統位相φｇ１＞自立位相φ１の関係にあり、この差を減らす動作（位相を進める動作）が必要となる。

サンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆに補正量θｃｏｍを加算した自立位相進み角Δθ２を増加することで系統位相φｇと自立位相φの差を減らす。時刻ｔ０以降サンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆ＋補正量Δθｃｏｍ＝自立位相進み角Δθ２が加算されるので、これにより、時刻ｔ０から傾きが大きくなり、系統位相φｇと自立位相φの位相差を縮めていく。時刻ｔ１で系統位相φｇと自立位相φの位相差が所定の閾値以下になった時点で同期合わせが完了する。

この時刻ｔ１以降は補正量Δθｃｏｍの加算を止め、基準位相進み角Δθｒｅｆのみを加算することにより、自立位相φが系統位相φｇと同一の傾きとなり、系統位相波形≒自立位相波形となる。

Ｓ６：自立位相φが進んでいる場合、図７に示すように、位相差がΔφあったとして、時刻ｔ０では系統位相φｇ１、自立位相φ１で系統位相φｇ１＜自立位相φ１の関係にあり、この差を減らす動作（位相を遅らせる動作）が必要となる。

サンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆに補正量Δθｃｏｍを減算した自立位相進み角Δθ２を加算することで系統位相φｇと自立位相φの差を減らす。時刻ｔ０以降サンプリング周期Δｔ毎に基準位相進み角Δθｒｅｆ−補正量Δθｃｏｍ＝自立位相進み角Δθ２が加算されるので、これにより時刻ｔ０から傾きが小さくなり、系統位相φｇと自立位相φの位相差を縮めていく。時刻ｔ１で系統位相φｇと自立位相φの位相差が所定の閾値以下になった時点で同期合わせが完了する。

この時刻ｔ１以降は補正量Δθｃｏｍの減算を止め、基準位相進み角Δθｒｅｆのみを加算することにより、自立位相φが系統位相φｇと同一の傾きとなり、系統位相波形≒自立位相波形となる。

Ｓ７：位相偏差が閾値以下の場合は、自立位相ＰＬＬ制御を完了し、同期合わせが完了する。

Ｓ８：補正量Δθｃｏｍの加算または減算をやめ、自立位相φ＝φ＋Δθｒｅｆとする。

Ｓ９：自立位相φが３６０°か否かを判定する。自立位相φが３６０°でない場合はサンプリング周期Δｔ毎にＳ８へ戻る。

Ｓ１０：自立位相φが３６０°の場合は自立位相φを０に戻し、Ｓ８へ移行する。

以上示したように、本実施形態１における発電システムによれば、自立運転中に交流系統１９の復電を確認することによって、手動操作を必要とせずに無瞬断で自立運転から連系運転に切換る自立位相ＰＬＬ制御方式を提供することが可能となる。

また、本実施形態１は自立位相の周期と位相を同時に系統位相に一致させるものであるため、周波数補正と位相補正を別々行うものと比べて単時間で同期合わせを行うことが可能となる。

さらに、サンプリング周期Δｔ毎に補正量Δθｃｏｍを加算するため連系時の動揺を抑制することが可能となる。

［実施形態２］
図３に本実施形態２における自立位相ＰＬＬ制御処理の位相演算処理を示す。系統位相φｇは基準位相進み角Δθｒｅｆをサンプリング周期Δｔ毎に積算することで生成される。基準位相進み角Δθｒｅｆは同期用電圧検出トランス２１の検出値から演算する。また、自立位相φは自立位相進み角Δθ２をサンプリング周期毎に積算することで生成される。

自立運転時、自立位相進み角Δθ２は出力周波数（５０／６０Ｈｚ）の基準位相進み角Δθｒｅｆであり、サンプリング周期Δｔ毎に積算された自立位相φによって、所望の周波数を出力する。

交流系統１９が復電して自立位相ＰＬＬ制御が開始した場合、自立位相進み角θ２は基準位相進み角Δθｒｅｆに対して補正量Δθｃｏｍを加算または減算することでサンプリング周期Δｔ毎の積算値を補正して、自立位相φと系統位相φｇと同期させる。補正量Δθｃｏｍを加算するか減算するかは実施形態１における図５のＳ４（すなわち、系統位相φｇと自立位相φとの大小）によって決定される。

自立位相ＰＬＬ制御を行う際、特定負荷１６にはコンバータ装置６から所望の電圧・周波数が供給されている状態であり、急激な位相跳躍をさせると特定負荷１６に悪影響を及ぼす恐れがある。

そこで、補正量Δθｃｏｍを受動的単独運転検出の電圧位相跳躍検出方式の整定値範囲である３°〜１０°で制限する。これにより、自立位相ＰＬＬ制御時においても特定負荷１６に安定した電力供給を行うことが可能となる。

例えば、系統位相φｇと自立位相φとが３０°ずれていた場合、３０÷３〜１０＝１０〜３のサンプリング周期で同期させることとなる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

２…エネルギー源（水車）
３…発電機（永久磁石同期発電機）
６…コンバータ装置
７…発電機制御インバータ
８…系統連系制御インバータ
１３…直流コンデンサ
１８…制御部
１９…交流系統
φ…自立位相
φｇ…系統位相
Δθｒｅｆ…基準位相進み角
Δθｃｏｍ…補正量
Δｔ…サンプリング周期

Claims

エネルギー源に連結された発電機と、
前記発電機と交流系統との間に接続された発電機制御インバータおよび系統連系インバータを有するコンバータ装置と、
前記発電機制御インバータおよび前記系統連系インバータに指令を出力する制御部と、
を備えた発電システムであって、
前記制御部は、前記交流系統が復電し、自立運転から連系運転に移行時に、
系統位相に対し、自立位相が遅れか進みかを判断し、
前記自立位相が前記系統位相よりも遅れ位相の場合は、サンプリング周期毎に基準位相進み角に補正量を加算した値を前記自立位相に加算し、
前記自立位相が前記系統位相よりも進み位相の場合は、サンプリング周期毎に基準位相進み角に補正量を減算した値を前記自立位相に加算し、
前記自立位相と前記系統位相との位相差が閾値以下となった時点からサンプリング周期毎に基準位相進み角を前記自立位相に加算することを特徴とする発電システム。
前記補正量は３°〜１０°であることを特徴とする請求項１記載の発電システム。
前記コンバータ装置に接続された連系変圧器と、
前記連系変圧器と前記交流系統との間に接続された母線開閉器と、
前記連系変圧器と前記母線開閉器との間に接続された特定負荷と、を備え、
前記交流系統の異常時に、前記特定負荷に対して電力を供給する自立運転機能を有することを特徴とする請求項１または２記載の発電システム。
前記交流系統が復電した場合、
前記発電機制御インバータは、自立運転モードの直流電圧一定制御から連系運転モードの速度一定制御またはトルク一定制御に切り換えることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の発電システム。
前記エネルギー源は水車であることを特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項に記載の発電システム。