JP3539248B2

JP3539248B2 - Power generation system

Info

Publication number: JP3539248B2
Application number: JP34133298A
Authority: JP
Inventors: 基生二見; 譲久保田; 雅哉一瀬; 光幸本部; 滋広粥川; 幹祐樋口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: JP2000166096A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電システムに関し、特に二次励磁回転機を備える発電システムに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では、例えば特開平9−189285 号公報記載のように発電機の交流側を直流に変換する変換器を設け、直流の他の一方にはさらに直流を交流に変換する変換器を有し、直流部に蓄電池等の電力を蓄える要素を有するものもある。
【０００３】
また、例えば特開平1−163472 号公報記載のように、二次側巻き線に可変周波数の交流励磁電流を流して可変速運転する二次励磁方式の交流発電機を利用し、二次側の励磁電流を制御することにより有効電力や交流電圧を制御するものがある。これによれば変換器容量は発電機容量に運転可能なすべり範囲を乗じた程度の容量で運転が可能で、さらに二次側の励磁電流制御で発電機の有効電力および無効電力の制御が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では機械負荷として風力や潮流などの変動するエネルギー源を用いる場合には、この変動により発電機の出力電力が変動し、電力系統の電圧変動や周波数変動が発生する場合があり、これらを抑制するために交流を安定化する機器を併設する必要がある。
【０００５】
例えば発電機が発生する有効電力の変動を蓄電池の電力の吸放出により補償しようとする場合、有効電力変動の大きさと同一の容量を持つ変換器を必要とし、最も悪い場合を考えると発電機が出力する最大の電力分を補償する必要があり非常に大きな電力変換器を必要とする場合もある。
【０００６】
また、二次励磁方式の発電電動機を用いた場合には、運転条件により二次側から供給する電力に変動が発生するので可変周波数の交流を直流に変換する変換器と直流を交流に変換する変換器の２組を用いて交流系統と電力を授受する必要があり、変換器容量や設置スペースが大きくなってしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による発電システムは、固定子巻き線及び回転子巻き線の内の一方の巻き線が交流系統に接続され、機械的動力源によって回転子が回転される回転機と、入力及び出力の内の交流側に、固定子巻き線及び回転子巻き線の内の他方の巻き線が接続される電力変換器と、電力変換器の入力及び出力の内の直流側に接続される直流電力貯蔵装置と、を備えている。さらに、本発明による発電システムにおいては、電力貯蔵装置から放出される直流電力が電力変換器によって交流電力に変換され、他方の巻き線が交流電力によって励磁される。
【０００８】
上記の手段によれば、電力貯蔵装置から放出される直流電力が回転機を介して交流系統へ供給される。従って、機械的動力源から回転機へ入力されるエネルギーが変動したとき、機械的動力源または回転機の持っている慣性エネルギーと電力貯蔵装置の電力を併用して出力電圧の変動を補償できるので、安定した電力供給を確保しながらも、電力変換器の容量を低減することができる。
【０００９】
また、上記手段は、回転機の二次側を励磁して可変速運転する発電システムにおける励磁装置を電力貯蔵装置を電源として動作させるものである。従って、比較的簡単な構成により出力電力を安定化できるので、発電システムのサイズを低減できる。
【００１０】
回転機としては、発電機、発電機及び電動機として動作する発電電動機など、固定子巻き線及び回転子巻き線を有し、これら巻き線の一方が励磁されるものがある。機械的動力源としては、風力，潮流，水力などのいずれかによって駆動されるものがある。電力貯蔵装置としては二次電池が好ましいが、直流電力を蓄積できる他の電力貯蔵装置でも良い。また、電力変換器としては、半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより電力変換を行う自励式変換器が好ましいが、直流電力を交流電力に変換する他の電力変換器でも良い。
【００１１】
上記の手段に、さらに、次に記すＡ〜Ｆいずれかのような構成を付加することが好ましい。
【００１２】
Ａ．他方の巻き線から出力される交流電力が電力変換器によって直流電力に変換され、直流電力が前記電力貯蔵装置に貯蔵される。この場合、電力変換装置は、双方向の電力変換、すなわち直流電力から交流電力への変換と、交流電力から直流電力への変換が共に可能な、自励式電力変換器が好ましい。
【００１３】
Ｂ．回転機が前記交流系統へ出力する有効電力を検出する有効電力検出手段と、検出した有効電力が指令値に一致するように電力変換器の交流側の電流を制御する有効電力制御手段と、を備える。
【００１４】
Ｃ．回転機が交流系統へ出力する電圧を検出する電圧検出手段と、検出した電圧が指令値に一致するように電力変換器の交流側の電流を制御する電圧制御手段と、を備える。
【００１５】
Ｄ．回転機が交流系統へ出力する無効電力を検出する無効電力検出手段と、検出した無効電力が指令値に一致するように前記電力変換器の前記交流側の電流を制御する無効電力制御手段と、を備える。
【００１６】
Ｅ．回転機の回転速度を検出する手段と、検出した回転速度が指令値に一致するように電力変換器の交流側の電流を制御する速度制御手段と、を備え、指令値は、電力貯蔵装置に電力を貯蔵する場合は回転機のすべりが負になるように設定され、電力貯蔵装置から電力を放出する場合は回転機のすべりが正になるように設定される。
【００１７】
Ｆ．電力変換器の交流側と回転機の他方の巻き線とを切り離して、電力変換器の交流側を交流系統へ接続するためのスイッチ手段を備える。
【００１８】
本発明の他の特徴及び上記Ａ〜Ｆの具体的構成などについては以下の記載にて明らかになるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
以下図１から図３を用いて本発明の実施例について説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施例における二次励磁発電システムの構成図である。
【００２１】
本実施例では、巻き線型発電電動機１の固定子巻き線を交流電力系統に接続している。一方、回転子巻き線は直流を交流に変換する電力変換器２を介して直流電力貯蔵装置である電池３に接続している。すなわち、回転子巻き線は電力変換器２の交流側に接続され、電池３は電力変換器２の直流側に接続されている。電力変換器２は電池３の直流電圧を利用して可変周波数の交流励磁電流を作成し、すなわち直流電力を交流電力に変換して、回転子巻き線に供給して励磁することによって発電機を可変速運転する。発電電動機の機械的動力源としては風車９を接続し風力を電力に変換して系統に供給する発電システムとして動作する。風力は一定に吹くわけでなく変動しているため、機械入力は一定せず常に変動している。制御装置３０は機械入力が変動した場合にも一定の電力を系統に供給するように電力変換器２を制御する。また、制御装置３０では発電電動機電圧も制御する。
【００２２】
以下に制御装置３０の詳細について説明する。
【００２３】
電圧検出器４は発電電動機電圧ＶＧを検出して電圧検出値ＶＬａとして出力する。発電電動機電圧指令Ｖｃは外部から与えられ、これと電圧検出値ＶＬａの差を電圧制御装置５に入力する。電圧制御装置５は例えば比例積分制御により構成した制御装置で、入力した電圧の誤差成分が零となるように、すばわち電圧検出値ＶＬａが電圧指令Ｖｃに一致するように発電電動機の電圧を決定づける回転子電流の励磁成分指令であるＩｄｃを決定する。
【００２４】
有効電力検出器６は発電電動機電圧ＶＧと発電電動機電流Ｉ１を用いてシステムの有効電力Ｐｓｙｓを検出する。システム有効電力指令Ｐｃは外部から与えられ、これとシステムの有効電力Ｐｓｙｓの差を有効電力制御装置７に入力する。有効電力制御装置７は例えば比例積分制御により構成した制御装置で、入力した有効電力の誤差成分が零となるように、すなわち有効電力Ｐｓｙｓが有効電力指令Ｐｃに一致するように、システムの有効電力を決定づける回転子電流すなわち電力変換器２の交流側の電流のトルク成分指令であるＩｑｃを決定する。
【００２５】
位相検出器３１は発電電動機電圧ＶＧの電圧位相と回転子位置検出装置１０から得られる回転子位置信号ＲＰを用いて励磁位相を検出する。電流制御装置８は位相検出器３１から得られる位相信号を基準として回転子電流Ｉ２を励磁成分とトルク成分に分解し、それぞれが指令に一致するように電力変換器２を制御する。
【００２６】
このように構成したシステムでは風車から入力される機械入力が変動した場合にも有効電力を一定にしようと制御し、発電電動機の回転数を加減速することにより慣性エネルギーを放出又は吸収する。この時加速又は減速に必要なエネルギーの一部は電池から電力変換器を介して供給され、残りは慣性エネルギーでまかなわれる。
【００２７】
図２に二次励磁発電機のすべりが変化した場合の励磁装置からの入力エネルギーの変化について一例を示す。図３は動作概念図で、図２における電力の方向を示す図である。システム有効電力Ｐｓｙｓは発電側を正、電池出力Ｐｂａｔｔは放電側を正とした。
【００２８】
図２において、横軸にはすべりを示し、縦軸には電池出力即ち励磁装置からの入力電力を示した。図中には発電機の出力、図１の有効電力指令Ｐｃを変化させた場合について併せて示している。すべりは回転数の低い方を正にとってあり、負に大きいほど回転数が高くなる。
【００２９】
Ｐｃ＝１００％で運転している場合に有効電力指令Ｐｃを一定にするように運転している場合、すなわち図２中のＰｓｙｓが発電１.００ｐｕの場合には図中太い実線に沿って状態が変化する。例えばすべり０％で運転しているときに、風が弱くなって機械入力Ｐｍｅｃが減少した場合、電力を一定にするために発電機の回転エネルギーを放出するために回転数が下がりすべりが正の側に移行する。これとともに電池出力が増大して電池出力と慣性エネルギー放出分を機械入力の不足分として補って動作する。逆に風が強くなって機械入力が増大した場合には、電力を一定にするために発電機は慣性エネルギーを吸収し加速するとともに、すべりが負方向に増大し電池出力が負、即ち電池も電力を吸収し増大した機械入力を発電電動機の回転エネルギーと電池で吸収し電力系統への出力を一定に保つことができる。このように、本実施例によれば、発電機または風車の慣性エネルギーと電池の電力を併用して電力変動が補償される。従って、電力変換器の容量を低減できる。
【００３０】
また、本実施例の構成によれば発電電動機一つと電力変換器一つ、及び電池一つの最小限の比較的簡単な構成で有効電力変動の少ない発電システムを構成することができる。従って発電システムのサイズを低減できる。また電力変換器の容量は発電電動機の運転すべり範囲で決定され、発電電動機容量に比べて小さな容量の電力変換器を用いることができる。更に電力変換器の直流部に電池を備えているので長時間の電力吸収や放出を実現でき、電力負荷の平準化を実現できる。なお、本実施例においては、回転子巻き線を交流系統に接続し、かつ固定子巻き線を励磁しても同様の作用，効果がある。
【００３１】
＜実施例２＞
次に図４を用いて本発明の他の実施例について説明する。図４は制御装置３０の他の構成例で図１と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００３２】
本実施例では発電電動機の電圧を制御する代わりに無効電力を指令に合わせてに制御するものである。無効電力検出器２１は発電電動機電圧ＶＧと発電電動機電流Ｉ１を用いてシステムの無効電力ＱＬａを検出する。システム無効電力指令Ｑｃは外部から与えられ、これとシステムの無効電力ＱＬａの差を無効電力制御装置２２に入力する。無効電力制御装置２２は例えば比例積分制御により構成した制御装置で、入力した無効電力の誤差成分が零となるように、すなわち無効電力ＱＬａを無効電力指令Ｑｃに一致するようにシステムの無効電力を決定づける回転子電流の励磁成分指令であるＩｄｃを決定する。
【００３３】
本実施例では、システムの無効電力を一定に制御するので電力系統の負荷条件等により電力系統の電圧が変動した場合にもシステム出力を所定の範囲内に抑えることができる。
【００３４】
＜実施例３＞
次に図５を用いて本発明の他の実施例について説明する。図５は本発明の一実施例における二次励磁発電システム構成図である。本実施例において図１と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００３５】
本実施例では電池のエネルギー貯蔵量をより積極的に制御するために電池エネルギーに関連する検出量を用いてエネルギー貯蔵量を検出し、これを制御するために発電機の回転数の平均値を所望の回転数に制御するものである。
【００３６】
貯蔵エネルギー検出器３３は電池３の電圧を検出し、これに基づいて電池に蓄積されたエネルギー量を検出する。ここでは単に電池の電圧とエネルギー貯蔵量のテーブルを用いた検出器等を用いることができる。貯蔵電力指令装置３６は一日の電池充電パターンを内部に持っており時間に応じて貯蔵量を変動させるものでも良いし、外部からエネルギー量や充電電圧を指令として受け取るものでも良い。貯蔵電力制御装置３４は電力貯蔵量が所定の値（Ｐｂ）になるように速度指令Ｎｓｔｒを作成する。貯蔵電力制御装置３４では電力貯蔵量が指令より少ない場合は速度指令値を高くし、貯蔵量が指令より多い場合は速度指令値を低くする。速度制御装置３５は回転子位置信号ＲＰから発電電動機回転速度を検出し、これが速度指令値Ｎｓｔｒに一致するように電力指令補正値ＤＰを出力する。電力指令補正値ＤＰは有効電力指令値Ｐｃに加算する。電池への電力の貯蔵，放出は緩やかなので、風力の変動による有効電力変動を抑制するために、この電力指令補正値ＤＰは非常に緩やかに動く必要がある。例えば速度制御の制御応答速度を１０秒程度に設定すれば電池への平均電力吸収又は放出は１０秒以上の長い周期で行われ、これより短い周期の風力変動に依存するような有効電力変動は有効電力制御により抑制され電力系統へ影響を与えるような速い周期の変動は抑制できる。
【００３７】
図２を用いて本実施例の動作について説明する。例えば発電電力１００％で運転している場合、すべり０％では電池出力がほぼ零になっている。また、すべりが正方向に増加した場合、即ち回転数が低くなった場合はすべりの大きさにほぼ比例して電池出力が増大していく。従って例えばすべり２０％を平均すべりとして運転している場合には、電池から約２０％の電力を放出することができる。逆にすべりが負方向に増大した場合には電池出力も負方向に増大する。従ってすべり−２０％に対応する速度を平均として運転している場合には約２０％の電力を電池に蓄電することができる。従って、電池の蓄積エネルギー量が所定の値より少ない場合にはすべり負の領域となるように、すなわち同期速度より大きな値に速度指令Ｎｓｔｒを設定して電池に電力を貯蔵し、電池の蓄積エネルギーが所定の値より大きい場合にはすべり正の領域となるように、すなわち同期速度より小さな値に速度指令Ｎｓｔｒを設定して電池の電力を放出すれば、電池の蓄積エネルギーの充放電制御が可能である。
【００３８】
このように、電池の蓄積エネルギーを検出して所望のエネルギー量になるように速度を調節することにより、夜間の電力需要が少ない時間帯に電池にエネルギーを貯蔵し、昼間の電力需要が多い時間帯に電池のエネルギーを放出するようにして本システムを電力負荷の平準化に利用することができる。
【００３９】
＜実施例４＞
次に図６及び図７を用いて本発明の他の実施例について説明する。図６は本発明の一実施例における二次励磁発電システム構成図である。本実施例において図１と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００４０】
本実施例では電池のエネルギー貯蔵量をより積極的に制御するために電池エネルギーに関連する検出量を用いてエネルギー貯蔵量を検出し、これを制御するために発電機の回転数の平均値を所望の回転数に制御するとともに風力に応じて自動的にシステムの出力電力量を調整するものである。
【００４１】
貯蔵エネルギー検出器９３は電池３の電圧及び電流を検出し、これらに基づいて電池に蓄積されたエネルギー量を検出する。電流と電圧を用いているので電池への流入エネルギーを計算でき、流入エネルギーの積算値から貯蔵エネルギーを検出することができる。本実施例では貯蔵エネルギー量指令Ｐｂを外部から指令として与えており、貯蔵エネルギー指令と貯蔵エネルギー量検出値の差を貯蔵電力制御装置９４に入力する。ここでは外部から貯蔵エネルギー量指令Ｐｂを与える構成としたが、先に示した実施例のように内部に電池の充放電スケジュールを持ち、これに従って貯蔵エネルギー量指令Ｐｂを作成しても良い。
【００４２】
貯蔵電力制御装置９４は電力貯蔵量が所定の値になるように速度指令Ｎｓｔｒを作成する。速度指令Ｎｓｔｒは先に示した実施例と同様に作成する。貯蔵電力制御装置９４ではこれと同時に有効電力指令Ｐｃを作成する。
【００４３】
次に図７を用いて有効電力指令Ｐｃの作成方法について説明する。図７は本実施例における動作説明図である。図には横軸にすべり、縦軸に風車入力即ち風力に対応して発生する機械入力を示している。図中には発電電力即ちシステム出力Ｐｓｙｓについて４種類の値を設定した場合について合わせて示している。また図中に示した横線はそれぞれのＰｓｙｓに対応したシステム出力を示している。風車入力が７５％の場合にシステム出力７５％として運転している場合すべり０％では風車入力と電気出力がＡ点でバランスしており電池出力は零である。風力が増加して風車入力が約１００％になるとシステム出力７５％では有効電力制御により風車が加速しすべり−３０％でバランスする（Ｂ点）。この時電池への充電電力は約２５％になり電池の貯蔵エネルギーが増加する。ここでシステム出力を１００％とすればすべり−３０％で機械入力と電気出力がバランスするので電池への充電量は０となる。逆に風力が減少して風車入力が６０％になると有効電力制御により風車が減速しすべり２０％でバランスする（Ｃ点）。この時、電池は約１５％の電力を放電する状態となる。この時はシステム出力６０％に設定すれば機械入力と電気出力がバランスして電池の電力授受は零となり、更にシステム出力を小さくして４０％とすれば逆に電池に１０％の電力を充電することができる。
【００４４】
このように連続的にシステム出力を調整することによって任意の風力において電池は任意の量の充放電が可能になる。前記の実施例と同様に貯蔵電力制御装置９４の応答速度が有効電力制御装置７の応答速度に比べて遅く設定することにより電力系統に影響の大きい短い周期の電力変動は吸収し、電力系統に影響の少ない長い周期の電力変動を抑制しながら電池の貯蔵エネルギー量を所定の値に保つことができる。
【００４５】
＜実施例５＞
次に図８を用いて本発明の他の実施例について説明する。図８は本発明の一実施例における二次励磁発電システム構成図である。本実施例において図１と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００４６】
本実施例ではほぼ図１と同一の構成になっているが発電電動機１を切り離すためのスイッチ５３及び５４を設けるとともに、電力変換器２を直接電力系統に接続するためのスイッチ５２を設けている。スイッチ５３及び５４を閉じている場合はスイッチ５２を解放し、スイッチ５２が閉じている場合はスイッチ５３及び５４を解放する。
【００４７】
位相検出器５１はスイッチ５３及び５４が閉じている場合には発電電動機電圧ＶＧと回転子位置信号ＲＰを用いてすべり位相を検出し、スイッチ５２が閉じている場合には回転子位置信号ＲＰを使わずに発電電動機電圧ＶＧ即ち系統電圧のみ用いて系統電圧位相を検出する。このように位相検出器においては電源電圧の位相と回転子位置の減算によりすべり位相を検出しているので、回転子位置検出値が固定となるようにすれば電源電圧位相を検出することができる。
【００４８】
本実施例では電力変換器を直接電力系統に接続しているが、出力電圧の関係によってはトランスを用いて接続することもできる。
【００４９】
このように構成したシステムでは、風が全くない場合や風が非常に弱く風力による発電量が確保できない場合には風車発電機を切り離して電池単独で運転できるので、このような状況でも負荷の平準化やピークカットが実現できる。
【００５０】
また、風車発電機からの入力がない場合にスイッチ５２を閉じてスイッチ５３及びスイッチ５４を解放することにより電池３を充電することができるので別に初充電装置を設ける必要がない。
【００５１】
なお上記の各スイッチとしては、各種の開閉器及び半導体スイッチング素子を用いることができる。
【００５２】
＜実施例６＞
次に図９を用いて本発明の他の実施例について説明する。図９は本発明の一実施例における二次励磁発電システム構成図である。本実施例において図６と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００５３】
本実施例では、風の力を利用して回転する風車のかわりに、水路９１内に置かれた水車９０により水の運動エネルギーを利用して回転させている。このような構成にすることにより潮の流れを利用した潮流発電機やダムに水を蓄える揚水発電機として本発明のシステムを用いることができる。
【００５４】
本実施例のように潮流発電機に本発明を利用すると、潮の流れが変動した場合にも、一定の有効電力で発電することができ安定した電力供給が実現できる。さらに、電池への電力貯蔵を併用することにより電力の貯蔵が実現でき、電力需要が少ない時間帯は電力を貯蔵して、電力需要が多い時間帯に電力を放電することができるので自然エネルギーを有効に利用して負荷の平準化を図ることができる。
【００５５】
また、揚水発電機に適用すれば電力を水の位置エネルギーとして貯蔵するだけでなく、電池の電気エネルギーとしても貯蔵し、電力の需要がそれほど多くない場合には、水車発電機を経由せずに電池のエネルギーのみ放電することができるので効率的にエネルギーの調整ができる。
【００５６】
＜実施例７＞
次に図１０を用いて本発明の他の実施例について説明する。図１０は本発明の一実施例における二次励磁発電システム構成図である。本実施例において図１と同一符号は同一の要素を表しており説明は省略する。
【００５７】
本実施例は二次電池の初充電装置を別途設けた場合の実施例であり、システムを電力系統に設置したままで電池の初充電を行うための構成例である。
【００５８】
初充電装置１００は変圧器１０２を介して交流系統に接続しておりスイッチ１０１及びスイッチ１０３を閉じることにより初充電装置１０３が電池３に接続される。初充電装置１００は定電流または定電圧などの充電モードで電池を充電するもので、電池充電は十分に時間をかけて行えば良く、電力変換器に比べて小容量，小型の充電装置が利用できる。
【００５９】
前記の実施例のように電力変換器を発電電動機をバイパスして直接交流系統に接続して初充電を実施すれば、初充電装置を省略できるが、本実施例では発電電動機の運転と独立して初充電を実施することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、電力変換器の容量または発電システムのサイズを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【図２】本発明の一実施例における動作説明図。
【図３】本発明の一実施例における動作概念図。
【図４】本発明の他の実施例における制御装置構成図。
【図５】本発明の他の実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【図６】本発明の他の実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【図７】本発明の他の実施例における動作説明図。
【図８】本発明の他の実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【図９】本発明の他の実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【図１０】本発明の他の実施例における二次励磁発電システムの構成図。
【符号の説明】
１…巻き線型発電電動機、２…電力変換器、３…電池（二次電池）、４…電圧検出器、５…電圧制御装置、６…有効電力検出器、７…有効電力制御装置、８…電流制御装置、９…風車、１０…回転子位置検出装置、２１…無効電力検出器、２２…無効電力制御装置、３０…制御装置、３１，５１…位相検出器、３３，９３…貯蔵エネルギー検出器、３４…貯蔵電力制御装置、３５…速度制御装置、３６…貯蔵電力指令装置、５２，５３，５４…スイッチ、９４…貯蔵電力制御装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation system, and particularly to a power generation system including a secondary excitation rotating machine.
[0002]
[Prior art]
In the prior art, for example, a converter for converting the AC side of the generator into DC is provided as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-189285, and a converter for further converting DC into AC is provided on the other side of DC. Some of the DC units have an element for storing electric power such as a storage battery.
[0003]
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-163472, for example, a secondary excitation type AC generator that operates at a variable speed by supplying an AC excitation current of a variable frequency to a secondary winding is used, and a secondary side winding is used. Some control the active power and the AC voltage by controlling the excitation current. According to this, the converter capacity can be operated with a capacity equivalent to the generator capacity multiplied by the operable slip range, and the active power and reactive power of the generator can be controlled by exciting current control on the secondary side. It is.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional technique, when using a fluctuating energy source such as wind power or tidal current as a mechanical load, the output power of the generator fluctuates due to the fluctuation, and voltage fluctuation or frequency fluctuation of the power system may occur. In order to suppress these, it is necessary to provide a device for stabilizing the alternating current.
[0005]
For example, when compensating for fluctuations in the active power generated by the generator by absorbing and discharging the power of the storage battery, a converter having the same capacity as the magnitude of the active power fluctuation is required. It is necessary to compensate for the maximum power to be output, and a very large power converter may be required in some cases.
[0006]
In addition, when a secondary excitation type generator motor is used, the power supplied from the secondary side fluctuates depending on operating conditions, so that a converter that converts variable-frequency AC to DC and DC to AC are used. It is necessary to exchange power with the AC system using two sets of converters, which increases the capacity of the converter and the installation space.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The power generation system according to the present invention includes a rotating machine in which one of the stator winding and the rotor winding is connected to an AC system, and the rotor is rotated by a mechanical power source, and A power converter to which the other of the stator winding and the rotor winding is connected to the AC side, and a DC power storage device connected to the DC side of the input and output of the power converter. And Further, in the power generation system according to the present invention, the DC power emitted from the power storage device is converted into AC power by the power converter, and the other winding is excited by the AC power.
[0008]
According to the above means, the DC power released from the power storage device is supplied to the AC system via the rotating machine. Therefore, when the energy input from the mechanical power source to the rotating machine fluctuates, the fluctuation of the output voltage can be compensated by using both the inertial energy of the mechanical power source or the rotating machine and the power of the power storage device. The capacity of the power converter can be reduced while ensuring stable power supply.
[0009]
Further, the above-mentioned means operates the exciting device in the power generation system that performs variable speed operation by exciting the secondary side of the rotating machine using the power storage device as a power supply. Therefore, the output power can be stabilized with a relatively simple configuration, and the size of the power generation system can be reduced.
[0010]
Some rotary machines have a stator winding and a rotor winding, and one of these windings is excited, such as a generator, a generator motor operating as a generator and a motor. Some mechanical power sources are driven by wind power, tidal current, hydraulic power, or the like. The power storage device is preferably a secondary battery, but may be another power storage device capable of storing DC power. Further, as the power converter, a self-excited converter that performs power conversion by turning on / off a semiconductor switching element is preferable, but another power converter that converts DC power into AC power may be used.
[0011]
It is preferable to add a configuration such as any of the following A to F to the above means.
[0012]
A. The AC power output from the other winding is converted into DC power by the power converter, and the DC power is stored in the power storage device. In this case, the power converter is preferably a self-excited power converter capable of performing bidirectional power conversion, that is, conversion from DC power to AC power and conversion from AC power to DC power.
[0013]
B. Active power detection means for detecting the active power that the rotating machine outputs to the AC system, and active power control means for controlling the current on the AC side of the power converter so that the detected active power matches the command value, Prepare.
[0014]
C. The power converter includes voltage detection means for detecting a voltage output from the rotating machine to the AC system, and voltage control means for controlling a current on the AC side of the power converter so that the detected voltage matches a command value.
[0015]
D. Reactive power detection means for detecting the reactive power that the rotating machine outputs to the AC system, and reactive power control means for controlling the current on the AC side of the power converter so that the detected reactive power matches the command value, Is provided.
[0016]
E. FIG. Means for detecting the rotation speed of the rotating machine, and speed control means for controlling the current on the AC side of the power converter so that the detected rotation speed matches the command value, and the command value is transmitted to the power storage device. When the electric power is stored, the slip of the rotating machine is set to be negative, and when the electric power is discharged from the power storage device, the slip of the rotating machine is set to be positive.
[0017]
F. Switch means for disconnecting the AC side of the power converter from the other winding of the rotating machine and connecting the AC side of the power converter to an AC system is provided.
[0018]
Other features of the present invention and specific configurations of the above A to F will be apparent from the following description.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<Example 1>
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to one embodiment of the present invention.
[0021]
In the present embodiment, the stator winding of the winding type generator motor 1 is connected to an AC power system. On the other hand, the rotor winding is connected to a battery 3 as a DC power storage device via a power converter 2 for converting DC to AC. That is, the rotor winding is connected to the AC side of the power converter 2, and the battery 3 is connected to the DC side of the power converter 2. The power converter 2 uses the DC voltage of the battery 3 to generate an AC exciting current of a variable frequency, that is, converts DC power into AC power, and supplies the AC power to the rotor windings to excite the generator. Operate at variable speed. As a mechanical power source of the generator motor, the wind turbine 9 is connected, and operates as a power generation system that converts wind power to electric power and supplies the electric power to the system. Since the wind does not blow constantly but fluctuates, the mechanical input fluctuates constantly and fluctuates. The control device 30 controls the power converter 2 so as to supply constant power to the system even when the mechanical input fluctuates. The control device 30 also controls the generator motor voltage.
[0022]
Hereinafter, details of the control device 30 will be described.
[0023]
The voltage detector 4 detects the generator motor voltage VG and outputs it as a detected voltage value VLa. The generator motor voltage command Vc is given from the outside, and the difference between this and the voltage detection value VLa is input to the voltage controller 5. The voltage control device 5 is a control device configured by, for example, proportional integral control. The voltage control device 5 controls the voltage of the generator motor so that the error component of the input voltage becomes zero, that is, the voltage detection value VLa matches the voltage command Vc. Is determined as the rotor component excitation component command that determines
[0024]
The active power detector 6 detects the active power Psys of the system using the generator motor voltage VG and the generator motor current I1. The system active power command Pc is given from the outside, and the difference between the active power command Pc and the system active power Psys is input to the active power control device 7. The active power control device 7 is a control device configured by, for example, proportional integral control. The active power of the system is set so that the error component of the input active power becomes zero, that is, the active power Psys matches the active power command Pc. Is determined, i.e., the torque component command of the rotor current that determines the current, i.e., the current on the AC side of the power converter 2.
[0025]
The phase detector 31 detects the excitation phase using the voltage phase of the generator motor voltage VG and the rotor position signal RP obtained from the rotor position detection device 10. The current control device 8 decomposes the rotor current I2 into an excitation component and a torque component on the basis of the phase signal obtained from the phase detector 31, and controls the power converter 2 so that each of them matches the command.
[0026]
In the system configured as described above, even when the mechanical input input from the wind turbine fluctuates, control is performed so as to keep the active power constant, and the rotational speed of the generator motor is accelerated or decelerated to release or absorb the inertial energy. At this time, part of the energy required for acceleration or deceleration is supplied from the battery via the power converter, and the rest is covered by inertial energy.
[0027]
FIG. 2 shows an example of a change in input energy from the excitation device when the slip of the secondary excitation generator changes. FIG. 3 is a conceptual diagram of the operation and shows the direction of the electric power in FIG. The system active power Psys was positive on the power generation side, and the battery output Pbatt was positive on the discharge side.
[0028]
In FIG. 2, the horizontal axis indicates slip, and the vertical axis indicates battery output, that is, input power from the exciter. The figure also shows the case where the output of the generator and the active power command Pc in FIG. 1 are changed. The slip is positive for the lower rotational speed, and the higher the negative, the higher the rotational speed.
[0029]
When the operation is performed so that the active power command Pc is constant when the operation is performed at Pc = 100%, that is, when Psys in FIG. 2 is 1.00 pu of power generation, the state is along the thick solid line in the figure. Changes. For example, when the wind is weakened and the mechanical input Pmec is reduced during operation at 0% slip, the rotational speed of the generator is reduced to release the rotational energy of the generator in order to keep the power constant, and the slip is positive. Move to the side. At the same time, the battery output increases, and the battery output and inertia energy release are compensated for as a shortage of mechanical input, and the operation is performed. Conversely, when the wind becomes strong and the mechanical input increases, the generator absorbs inertia energy and accelerates to keep the power constant, and the slip increases in the negative direction and the battery output is negative, that is, the battery Electric power is absorbed, and the increased mechanical input is absorbed by the rotating energy of the generator motor and the battery, so that the output to the power system can be kept constant. As described above, according to the present embodiment, the power fluctuation is compensated for by using both the inertial energy of the generator or the windmill and the power of the battery. Therefore, the capacity of the power converter can be reduced.
[0030]
Further, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to configure a power generation system with a small amount of active power fluctuation with a relatively simple configuration including one generator motor, one power converter, and one battery. Therefore, the size of the power generation system can be reduced. Further, the capacity of the power converter is determined by the operation slip range of the generator motor, and a power converter having a smaller capacity than the generator motor capacity can be used. Furthermore, since a battery is provided in the DC section of the power converter, power absorption and emission for a long time can be realized, and power load leveling can be realized. In this embodiment, the same operation and effect can be obtained by connecting the rotor winding to the AC system and exciting the stator winding.
[0031]
<Example 2>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows another configuration example of the control device 30, and the same reference numerals as those in FIG.
[0032]
In this embodiment, instead of controlling the voltage of the generator motor, the reactive power is controlled in accordance with the command. The reactive power detector 21 detects the reactive power QLa of the system using the generator motor voltage VG and the generator motor current I1. The system reactive power command Qc is given from the outside, and the difference between the command and the system reactive power QLa is input to the reactive power control device 22. The reactive power control device 22 is a control device configured by, for example, proportional integral control. The reactive power control device 22 controls the reactive power of the system such that the error component of the input reactive power becomes zero, that is, the reactive power QLa matches the reactive power command Qc. Idc, which is the excitation component command of the rotor current to be determined, is determined.
[0033]
In this embodiment, since the reactive power of the system is controlled to be constant, the system output can be kept within a predetermined range even when the voltage of the power system fluctuates due to the load condition of the power system.
[0034]
<Example 3>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram of the secondary excitation power generation system in one embodiment of the present invention. In this embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same elements, and a description thereof will be omitted.
[0035]
In the present embodiment, the energy storage amount is detected using the detection amount related to the battery energy in order to more positively control the energy storage amount of the battery, and the average value of the number of revolutions of the generator is controlled to control the energy storage amount. This is to control to a desired rotation speed.
[0036]
The stored energy detector 33 detects the voltage of the battery 3 and detects the amount of energy stored in the battery based on the voltage. Here, a detector using a table of the voltage of the battery and the amount of stored energy can be used. The storage power command device 36 may have a battery charging pattern for one day therein and vary the storage amount according to time, or may receive an energy amount or a charging voltage as a command from the outside. The storage power control device 34 creates the speed command Nstr so that the power storage amount becomes a predetermined value (Pb). The stored power control device 34 increases the speed command value when the amount of stored power is smaller than the command, and decreases the speed command value when the stored amount is larger than the command. The speed control device 35 detects the generator motor rotation speed from the rotor position signal RP, and outputs a power command correction value DP so that the rotation speed matches the speed command value Nstr. The power command correction value DP is added to the active power command value Pc. Since the storage and release of power to and from the battery is slow, the power command correction value DP needs to move very slowly in order to suppress the active power fluctuation due to the wind fluctuation. For example, if the control response speed of the speed control is set to about 10 seconds, the average power absorption or release to the battery is performed in a long cycle of 10 seconds or more, and the active power fluctuation depending on the wind fluctuation in a shorter cycle is Fast cycle fluctuations that are suppressed by the active power control and affect the power system can be suppressed.
[0037]
The operation of this embodiment will be described with reference to FIG. For example, when operating at 100% generated power, the battery output is almost zero at 0% slip. Also, when the slip increases in the positive direction, that is, when the rotational speed decreases, the battery output increases almost in proportion to the magnitude of the slip. Therefore, for example, when the operation is performed with a slip of 20% as an average slip, about 20% of power can be discharged from the battery. Conversely, when the slip increases in the negative direction, the battery output also increases in the negative direction. Therefore, when the vehicle is operated with the speed corresponding to the slip of -20% as an average, about 20% of the power can be stored in the battery. Therefore, when the stored energy amount of the battery is smaller than the predetermined value, the speed is set to a negative slip region, that is, the speed command Nstr is set to a value larger than the synchronous speed, and the power is stored in the battery. Is larger than a predetermined value, the battery can be charged / discharged by setting the speed command Nstr to a value smaller than the synchronous speed so as to be in a positive slip region, and discharging the battery power. It is.
[0038]
As described above, by detecting the stored energy of the battery and adjusting the speed so as to obtain a desired amount of energy, the energy is stored in the battery during a time period during which the nighttime power demand is low, and the time during the daytime when the power demand is high. The system can be used to level the power load by discharging the energy of the battery to the belt.
[0039]
<Example 4>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same elements, and a description thereof will be omitted.
[0040]
In the present embodiment, the energy storage amount is detected using the detection amount related to the battery energy in order to more positively control the energy storage amount of the battery, and the average value of the number of revolutions of the generator is controlled to control the energy storage amount. It controls the desired rotation speed and automatically adjusts the output power of the system according to the wind power.
[0041]
The stored energy detector 93 detects the voltage and current of the battery 3 and detects the amount of energy stored in the battery based on these. Since the current and the voltage are used, the inflow energy to the battery can be calculated, and the stored energy can be detected from the integrated value of the inflow energy. In this embodiment, the stored energy command Pb is given as a command from the outside, and the difference between the stored energy command and the detected value of the stored energy is input to the storage power controller 94. Here, the configuration is such that the stored energy command Pb is externally provided. However, as in the above-described embodiment, a battery charge / discharge schedule may be provided internally, and the stored energy command Pb may be created in accordance with the schedule.
[0042]
The storage power control device 94 creates the speed command Nstr so that the power storage amount becomes a predetermined value. The speed command Nstr is created in the same manner as in the above-described embodiment. At the same time, the stored power control device 94 creates an active power command Pc.
[0043]
Next, a method of creating the active power command Pc will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an operation explanatory diagram in the present embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the slip, and the vertical axis indicates the windmill input, that is, the mechanical input generated in response to the wind power. The figure also shows the case where four values are set for the generated power, that is, the system output Psys. The horizontal lines shown in the figure indicate system outputs corresponding to the respective Psys. In the case where the system output is operated at 75% when the wind turbine input is 75%, when the slip is 0%, the wind turbine input and the electric output are balanced at the point A, and the battery output is zero. When the wind power increases and the windmill input becomes about 100%, the windmill accelerates due to the active power control at 75% of the system output and balances at -30% slip (point B). At this time, the charging power to the battery becomes about 25%, and the stored energy of the battery increases. Here, assuming that the system output is 100%, the mechanical input and the electrical output are balanced by a slip of -30%, so that the charge amount to the battery becomes zero. Conversely, when the wind power decreases and the windmill input becomes 60%, the windmill is decelerated by active power control and balances at a slippage of 20% (point C). At this time, the battery discharges about 15% of the power. At this time, if the system output is set to 60%, the mechanical input and the electric output are balanced and the power transfer of the battery becomes zero, and if the system output is further reduced to 40%, the battery is charged with 10% of the power. can do.
[0044]
By continuously adjusting the system output in this manner, the battery can be charged and discharged in an arbitrary amount at an arbitrary wind power. By setting the response speed of the storage power control device 94 to be slower than the response speed of the active power control device 7 in the same manner as in the above-described embodiment, power fluctuations in a short cycle that greatly affects the power system are absorbed, and The stored energy amount of the battery can be kept at a predetermined value while suppressing power fluctuation in a long cycle with little influence.
[0045]
<Example 5>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a configuration diagram of the secondary excitation power generation system in one embodiment of the present invention. In this embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same elements, and a description thereof will be omitted.
[0046]
In this embodiment, the configuration is almost the same as that of FIG. 1, but switches 53 and 54 for disconnecting the generator motor 1 are provided, and a switch 52 for connecting the power converter 2 directly to the power system is provided. . When the switches 53 and 54 are closed, the switch 52 is released, and when the switches 52 are closed, the switches 53 and 54 are released.
[0047]
The phase detector 51 detects the slip phase using the generator motor voltage VG and the rotor position signal RP when the switches 53 and 54 are closed, and detects the rotor position signal RP when the switch 52 is closed. Instead, the system voltage phase is detected using only the generator motor voltage VG, that is, the system voltage. As described above, in the phase detector, the slip phase is detected by subtracting the phase of the power supply voltage and the rotor position, so that the power supply voltage phase can be detected if the rotor position detection value is fixed. .
[0048]
In this embodiment, the power converter is directly connected to the power system, but it may be connected using a transformer depending on the relationship of the output voltage.
[0049]
In a system configured in this way, when there is no wind or when the wind is very weak and the amount of power generated by wind cannot be secured, the wind turbine generator can be disconnected and the battery can be operated alone. And peak cut can be realized.
[0050]
In addition, when there is no input from the wind turbine generator, the battery 3 can be charged by closing the switch 52 and releasing the switches 53 and 54, so that there is no need to provide a separate initial charging device.
[0051]
Various switches and semiconductor switching elements can be used as the switches.
[0052]
<Example 6>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 6 represent the same elements, and a description thereof will be omitted.
[0053]
In the present embodiment, instead of a windmill that rotates using the force of the wind, a waterwheel 90 placed in a waterway 91 rotates the waterwheel using kinetic energy of water. With such a configuration, the system of the present invention can be used as a tidal current generator utilizing a tidal flow or a pumped generator that stores water in a dam.
[0054]
When the present invention is applied to a tidal current generator as in the present embodiment, even when the tide flow fluctuates, it is possible to generate electric power with constant active power and to realize stable power supply. In addition, power storage can be realized by using power storage in the battery together, and power can be stored during times when power demand is low, and can be discharged during times when power demand is high. The load can be leveled by effective use.
[0055]
In addition, when applied to pumped-storage generators, power is stored not only as potential energy of water but also as electric energy of batteries. Since only the energy of the battery can be discharged, the energy can be adjusted efficiently.
[0056]
<Example 7>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same elements, and a description thereof will be omitted.
[0057]
This embodiment is an embodiment in which an initial charging device for a secondary battery is separately provided, and is a configuration example for performing initial charging of a battery while the system is installed in a power system.
[0058]
The first charging device 100 is connected to an AC system via a transformer 102, and the first charging device 103 is connected to the battery 3 by closing the switches 101 and 103. The first charging device 100 charges a battery in a charging mode such as a constant current or a constant voltage. The charging of the battery may be performed with sufficient time, and a small-capacity and small-sized charging device is used as compared with the power converter. it can.
[0059]
If the power converter is directly connected to the AC system by bypassing the generator motor and the initial charging is performed as in the above-described embodiment, the initial charging device can be omitted, but in this embodiment, the operation is independent of the operation of the generator motor. The first charge can be carried out.
[0060]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to reduce the capacity of the power converter or the size of the power generation system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an operation conceptual diagram in one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a control device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an operation explanatory view in another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a secondary excitation power generation system according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Winding type generator motor, 2 ... Power converter, 3 ... Battery (secondary battery), 4 ... Voltage detector, 5 ... Voltage controller, 6 ... Active power detector, 7 ... Active power controller, 8 ... Current control device, 9 wind turbine, 10 rotor position detection device, 21 reactive power detector, 22 reactive power control device, 30 control device, 31, 51 phase detector, 33, 93 storage energy detection , Storage power control device, 35 speed control device, 36 storage power command device, 52, 53, 54 switch, 94 storage power control device.

Claims

A rotating machine in which one of the stator winding and the rotor winding is connected to an AC system, and the rotor is rotated by a mechanical power source;
A power converter to which the other winding of the stator winding and the rotor winding is connected to an AC side of an input and an output,
A power storage device connected to the DC side of the input and the output of the power converter,
With
A power generation system, wherein DC power emitted from the power storage device is converted into AC power by the power converter, and the other winding is excited by the AC power.

The power generation system according to claim 1, wherein the AC power output from the other winding is converted into DC power by the power converter, and the DC power is stored in the power storage device.

3. The power converter according to claim 1, further comprising: active power detection means for detecting active power output from the rotating machine to the AC system; and A power generation system comprising: active power control means for controlling a current on an AC side.

In Claim 1 or Claim 2, furthermore, a voltage detecting means for detecting a voltage output from the rotating machine to the AC system, and a voltage detector on the AC side of the power converter such that the detected voltage matches a command value. A power generation system, comprising: voltage control means for controlling current.

The reactive power detection means for detecting reactive power output from the rotating machine to the AC system according to claim 1 or 2, and the power converter, wherein the detected reactive power matches a command value. And a reactive power control means for controlling a current on the AC side.

In claim 1 or claim 2,
Further, means for detecting the rotation speed of the rotating machine, and speed control means for controlling the current on the AC side of the power converter so that the detected rotation speed matches the command value,
The command value is set so that the slip of the rotating machine is negative when storing power in the power storage device, and the slip of the rotating machine is positive when discharging power from the power storage device. Power generation system characterized by being set as follows.

3. The switch according to claim 1, further comprising: disconnecting an AC side of the power converter and the other winding of the rotating machine to connect the AC side of the power converter to an AC system. 4. A power generation system comprising:

A rotating machine in which one of the stator winding and the rotor winding is connected to an AC system, and the rotor is rotated by a mechanical power source;
A power converter to which the other winding of the stator winding and the rotor winding is connected to an AC side of an input and an output,
A DC power storage device connected to the DC side of the input and the output of the power converter,
With
A power generation system, wherein DC power released from the power storage device is supplied to the AC system via the rotating machine.

The power generation system according to claim 1 or 8, wherein the mechanical power source is a power source driven by wind power.

9. The power generation system according to claim 1, wherein the mechanical power source is driven by a tidal current.

9. The power generation system according to claim 1, wherein the mechanical power source is driven by hydraulic power.