(57)【要約】【課題】  誘導発電機を系統連系する際に発生する突入電流及び瞬時電圧低下を簡単な機構で抑制する誘導発電機の系統並列装置を提供する。【解決手段】  磁化飽和特性との関係に基づいて発電機端子電圧が系統電圧と等しくなるように選択される容量のコンデンサバンク１２を誘導発電機２の出力端子２４に並列に接続して自己励磁現象を積極的に利用するもので、系統３に対して第１スイッチ１１を介して接続する誘導発電機２１に対して、第２スイッチ１３を直列に接続したコンデンサバンク１２を並列に接続し、初めに第２スイッチ１３を投入して誘導発電機２１を単独運転させて回転子回転速度を所定の速度に調整し、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに第１スイッチ１１を投入して系統並列させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導発電機と系統の間に直列に接続される第１のスイッチと、磁化飽和特性との関係に基づいて発電機端子電圧が系統電圧と等しくなるように選択された容量を有するコンデンサバンクと、該コンデンサバンクと直列に接続された第２のスイッチと、前記第１と第２のスイッチを制御するスイッチ制御装置とで構成された誘導発電機の系統並列装置であって、前記コンデンサバンクと前記第２スイッチの直列接続が前記第１スイッチの誘導発電機側の端子と接地の間に介装され、前記スイッチ制御装置が誘導発電機を系統並列する時に初めに第２スイッチを投入して、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに第１スイッチを投入して系統並列させることを特徴とする誘導発電機の系統並列装置。
【請求項２】
前記誘導発電機が風車により駆動される風力発電装置に使用されたものであって、該誘導発電機が回転制御装置を備えて、該回転制御装置が前記風車のピッチ角を調整することにより前記誘導発電機の回転速度を調整することを特徴とする請求項１記載の誘導発電機の系統並列装置。
【請求項３】
磁化飽和特性との関係に基づいて発電機端子電圧が系統電圧と等しくなるように選択された容量を有するコンデンサバンクを誘導発電機側の端子と接地の間に断続可能に介装して、誘導発電機を系統並列する時に初めに前記コンデンサバンクを前記発電機端子に接続して該誘導発電機を単独運転させ、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに前記誘導発電機を前記系統に系統並列させることを特徴とする誘導発電機の系統並列方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導発電機を系列に対して並列接続する装置に関し、特に風力発電設備に使用されている誘導発電機の系統並列装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対する意識の高揚により二酸化炭素の排出が少ない風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーの有効利用が推進されている。風力エネルギーはエネルギー密度は希薄であるが、純国産エネルギーであることからエネルギー資源の大半を海外に依存している日本ではエネルギーセキュリティーの観点からも重要で、良風地域では将来有望なエネルギーとして期待されている。
【０００３】
風力発電システムにおいては、メンテナンスやコスト面で有利なことから誘導発電機が多数採用されている。しかし、誘導発電機は励磁源を持たないため、系統に並列接続する時には発電機定格電流の６〜７倍の突入電流が流れることが知られている。系統並列時の突入電流は瞬間的に系統電圧を大きく低下させ、電圧低下に鋭敏な機器に悪影響を及ぼす。風力発電機は風況によっては頻繁に起動停止が行われるため、突入電流による瞬時電圧低下が適正値を逸脱するおそれのあるときは対策が必要である。
【０００４】
従来、限流リアクトルの設置、電力用半導体素子を用いたソフトスタート装置、静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）などが用いられてきた。非特許文献１には、これら装置の性能等について報告がある。
しかし、ソフトスタート装置やＳＶＣは、大きな抑制効果をもたらすが、これら装置に使用されるサイリスターは一般に高価であり、点弧角を位相制御する複雑な装置を必要とするほか、高調波を発生するなどの欠点がある。
【０００５】
誘導発電機を系統並列する場合、誘導発電機は励磁源を持たないため系統および誘導発電機には突入電流が流れる。突入電流の大きさは、系統電圧、電圧投入位相角、回転速度、残留磁気、残留電荷などにより影響され、特に電圧投入位相角と大きな関係を有する。
【０００６】
非特許文献４には、誘導発電機を直入れ系統並列した場合に生じるａ相突入電流ｉaが（１）式で表すことができることが記載されている。ただし、誘導発電機の機械的入力トルクおよび回転子回転速度は一定、残留電圧はゼロとする。
ｉa＝Ｖm／ＺGs×cos（ωｔ＋θis）
−Ｖm／ｘs×[sinθv−sin（ωrｔ＋θv）] ε-αt        （１）
ここで、Ｖm：系統電源電圧、ＺGs、ｘs：発電機定数、ω：系統電源角速度、ωr：回転子角速度、θv：系統電圧投入位相角、α：過渡時定数、ｔ：時間、を表す。
【０００７】
（１）式によれば、ａ相突入電流には右辺第２項で表される過渡直流成分が存在し、これは系統電源電圧位相角θvが９０°で最大となる。この条件で突入電流が最大になることが知られている。図１４はこのときの突入電流の変化を示す波形図である。また、電圧位相角θvが０°で過渡直流成分がゼロとなり、この条件で突入電流は最小となる。図１５はこのときの突入電流の変化を示す波形図である。
【０００８】
図１５に示されるように、系統電圧位相角θvを突入電流が最小になるように制御することで、突入電流が最大となる電圧投入位相角の場合と比較して、約半分に抑制することができる。しかし、ａ相に関して突入電流が最小になるように制御しても、他の２相については突入電流が大きくなってしまう。したがって、直入れ系統並列する場合には、位相制御を行っても突入電流を抑制することができず、また瞬時電圧低下を防ぐこともできない。
【０００９】
なお、誘導発電機の固定子端子側にコンデンサが並列接続されると、自己励磁現象により誘導発電機に過電圧が発生する危険がある。しかし、非特許文献２や非特許文献３などに示されるように、誘導発電機の回転速度やコンデンサ容量などが所定の条件を満たす場合は、誘導発電機が自己励磁現象を生じて所定の端子電圧を呈する単独運転を達成できることが分かっている。
【非特許文献１】佐々木祐治他：「風力発電システムの系統並列時の瞬時電圧低下とその対策について」，電学論Ｂ,120, No.2, pp.180-186 (2000-2)
【非特許文献２】足立良夫：「コンデンサ自励誘導発電機の自励過渡現象」，電気学会雑誌, 81, No.4, pp.580-586 (1961-4)
【非特許文献３】竹内保徳：「誘導発電機の自己励磁に関する研究」，中国電力株式会社技研時報, 第８８号, pp.35-50 (1997)
【非特許文献４】千住智信他：「風力発電システムにおける誘導発電機の故障電流解析」，電学論Ｂ,123, No.5, pp.608-615 (2003-5)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、誘導発電機を系統連系する際に発生する突入電流及び瞬時電圧低下を簡単な機構で抑制する誘導発電機の系統並列装置を提供することである。特に、誘導発電機を用いる風力発電システムにおいて有効な、自己励磁現象を利用して系統連系時の突入電流等を抑制する系統並列装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の誘導発電機の系統並列装置は、適切な容量のコンデンサバンクを並列に接続することにより発生する誘導発電機の自己励磁現象を積極的に利用するもので、系統に対して第１の断続スイッチを介して接続する誘導発電機に対して、第２の断続スイッチを直列に接続したコンデンサバンクを並列に接続し、さらにスイッチ制御装置を備えて、このスイッチ制御装置が初めに第２断続スイッチを投入して誘導発電機を単独運転させて回転子回転速度を所定の速度に調整し、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに第１断続スイッチを投入して系統並列させるようにしたものであり、コンデンサバンクの容量は磁化飽和特性との関係に基づいて発電機端子電圧が系統電圧と等しくなるように選択されていることを特徴とする。
【００１２】
不適切なコンデンサバンクを接続すると、誘導発電機は自己励磁により過電圧が発生して障害を受ける危険がある。しかし、本発明の系統並列装置は、自己励磁現象を積極的に利用して、誘導発電機の単独運転により誘導発電機の固定子端子に系統電圧と同等の電圧を発生させて同相時に系統に投入することにより、突入電流や瞬時電圧低下を抑制している。
【００１３】
誘導発電機の磁化飽和曲線にコンデンサの特性曲線を重ねると、発電機の端子電圧はその交点における電圧で安定することが分かっている。したがって、コンデンサバンクの容量を端子電圧が系統電圧と等しくなるような値に選ぶと、系統投入時に発生する突入電流などを抑制することができる。
【００１４】
特に、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに系統に投入すれば、突入電流や瞬時電圧低下が小さくなる。また、このためには、誘導発電機は速度制御装置を備えて、発電機の回転速度を系統周波数と同期するように回転子回転速度を調整することが好ましい。
対象とする誘導発電機が、風車を使った風力発電装置に用いられる誘導発電機である場合には、風車のピッチ各制御により回転子回転速度を目標とする値に調整することができる。
【００１５】
また、上記課題を解決するため、本発明の誘導発電機の系統並列方法は、誘導発電機の磁化飽和特性との関係に基づいて発電機端子電圧が系統電圧と等しくなるように選択された容量を有するコンデンサバンクを誘導発電機側の端子と接地の間に断続可能に介装して、誘導発電機を系統並列する時に初めに前記コンデンサバンクを前記発電機端子に接続して該誘導発電機を単独運転させ、系統電圧と発電機端子電圧の位相が一致したときに前記誘導発電機を前記系統に系統並列させることを特徴とする。
このような系統並列方法によれば、系統並列するときには系統電圧と発電機端子電圧における差異が小さいので、突入電流や瞬時電圧低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明の系統並列装置を用いれば、自己励磁現象を利用して誘導発電機を端子電圧が系統電圧とほぼ等しい電圧の単独運転状態にした後に、位相を合わせて系統連系するため、連系時における突入電流や瞬時電圧低下を抑制することができる。
特に、風力発電システムにおいては、発電機の起動停止が頻繁なため突入電流等の影響が大きいので、本発明の系統並列装置を使って突入電流等の抑制をする効果が大きい。
また、本発明の誘導発電機の系統並列装置は、コンデンサバンクと断続スイッチ、および制御装置を備えれば済み、従来装置と比較して十分に簡単かつ安価に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本実施例に係る誘導発電機の系統並列装置のブロック図、図２はコンデンサバンクの容量を決定する根拠を説明する線図、図３は誘導発電機に付属する回転制御装置のブロック図、図４−８は本発明の系統並列装置による系統投入時の諸元の変化を示す波形図、図９−１３は本実施例に対する比較例における諸元の変化を示す波形図、図１４と図１５は通常の誘導発電機の系統並列時における突入電流の状態を示す波形図である。
【実施例】
【００１８】
図１に示す本実施例の誘導発電機の系統並列装置１は、誘導発電機２と系統３の端子３６の間に介装され、系統３に発電機２を系統連系する際に発生する突入電流及び瞬時電圧低下を抑制する機能を有する装置である。
【００１９】
本実施例において、誘導発電機２は風力発電装置に使用された風力発電機２１で、風車２２により駆動される。風力発電機２１の回転子回転速度は回転制御装置２３によって制御することができる。
風力発電機２１は、４００Ｖ配電線の端末３６に設置されており、６．６ｋＶ／４００Ｖ変電器３２を介した６．６ｋＶ上位系統は無限大母線３１に接続されていると見なすことができる。インダクタンス３３，３４やリアクタンス３５は送電線のものを含めて表している。
【００２０】
系統並列装置１は、誘導発電機２と系統３の間に設けた第１スイッチ１１と、誘導発電機２の端子２４と接地端子の間に設けた、第２スイッチ１３とコンデンサバンク１２の直列回路、およびこれらスイッチ１１，１３の開閉制御をするスイッチ制御装置１４とから構成される。
コンデンサバンク１２は、誘導発電機２１に自己励磁現象を発生させることにより、誘導発電機の単独運転を起こさせ、固定子端子に系統電圧と同じ電圧を生じさせるために設けられるものである。
【００２１】
図２に示すように、自己励磁現象によって単独運転状態になった誘導発電機の端子電圧は、誘導発電機の磁化飽和曲線（実線）とコンデンサの特性曲線（点線）の交点で安定する。そこで、系統電圧と端子電圧の実効値が等しくなるようにコンデンサバンク１２の容量を決定する。
【００２２】
本実施例の系統並列装置１は、誘導発電機２を系統並列する前に、機械的入力トルクを制御することで誘導発電機回転速度を同期速度付近に維持し、コンデンサバンク１２を並列接続することにより生じさせた自己励磁現象によって誘導発電機２１を単独運転状態とし、系統電圧の位相と誘導発電機２の端子電圧の位相を合わせて系統並列する。
【００２３】
すなわち、系統並列するときは、スイッチ制御装置１４が、初めに第２スイッチ１３を投入してコンデンサバンク１２を接続する。並列接続されたコンデンサバンク１２の容量と誘導発電機２１の回転速度などが自己励磁条件を満たしていると、誘導発電機２１は単独運転状態になる。
風力発電機は、不規則な風によって駆動され、容易に誘導発電機の回転速度を一定に維持することができない。そこで、単独運転状態の誘導発電機２１に対して、設置された回転制御装置２３により回転子回転速度を系統周波数と一致させる。
【００２４】
図３は、回転制御系のブロック図である。この回転制御系は、誘導発電機２１の回転速度ωrを測定して回転速度指令値ωr*との偏差ｅを算出し、制御器２５によりこの偏差ｅに対して比例積分制御演算を施し、演算結果に基づいて風車翼のピッチ角を操作して機械的入力トルクを調整し、回転子回転速度を制御する。制御の結果、回転子回転速度ωrは系統周波数に対応して設定される回転速度指令値ωr*と一致するようになる。
【００２５】
回転子速度が系統周波数と対応するようになったら、系統電圧と発電機端子電圧を比較して、位相が一致するタイミングで第１スイッチ１１を投入して系統に接続する。このような手順により、投入時における端子電圧と系統電圧を波形的に一致させるので、余分な突入電流や瞬時電圧低下が生じない。
また、同期発電機の並列運転とは異なるので、誘導発電機２１の端子電圧が系統周波数と完全に一致する必要はない。
【００２６】
なお、自己励磁現象によって誘導発電機端子に系統電圧と同じ電圧が確立するまでの時間Ｔと誘導発電機としての励磁電流の最終値Ｉm∞の間には、近似的に次式が成立するとしてよい。
Ｉm∞＝Ｉm0εγ1mωrT/2                                      （２）
したがって、誘導発電機端子の電圧確立に要する時間Ｔは、次式で求めることができ、通常、数秒から１０数秒になる。
Ｔ＝（４．６０／γ1mωr）log10（Ｉm∞／Ｉm0）              （３）
ここで、Ｉm0：誘導発電機の励磁電流の初期値、γ1m：誘導発電機定数およびコンデンサの関数、である。
【００２７】
本実施例の誘導発電機の系統並列装置１の性能を確認するため、コンピュータシミュレーションプログラム（ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ）を使用して、自己励磁現象を用いた誘導発電機の系統並列についてシミュレーションを行った。なお、比較のため、直入れによる系統並列についてもシミュレーションを行っている。
シミュレーションに使用した誘導発電機の主なパラメータは、定格出力２７５ｋＶＡ、定格線間電圧４００Ｖ、定格電流４５０Ａ、定格周波数６０Ｈｚ、ステーター抵抗０．００３９７Ω、ローター抵抗０．００４４３Ω、ステーター漏れリアクタンス０．０３７６Ω、ローター漏れリアクタンス０．０５３４Ω、励磁インダクタンス１．４３６Ω、慣性係数１００ｋｇ・ｍ2などである。
【００２８】
非特許文献４によれば、自己励磁現象を用いた誘導発電機を系統並列した場合に生ずるａ相突入電流ｉａは、（４）式で表すことができる。なお、（４）式の導出においても、（１）式の場合と同様に、誘導発電機の機械的入力トルクおよび回転子回転速度は一定とした。
ｉa＝Ｖm／ＺGs×cos（ωｔ＋θis）
+[Ｖm／ｘs{sin（ωrｔ＋θv）−sinθv } 
−ＶG／ｘs{sin（ωrｔ＋θG）−sinθG }]ε-αt       （４）
ここで、ＶG：発電機端子電圧、θG：発電機端子電圧投入位相角、である。
【００２９】
この突入電流には、右辺第２項で表される過渡直流成分と過渡交流成分に加えて、第３項に表された過渡直流成分と過渡交流成分が存在するため、条件に従って、過渡成分が互いに打ち消しあったり、増大したりする。
（４）式から分かるように、系統電圧Ｖｍと発電機端子電圧ＶGが等しく、系統電圧投入位相角θvと発電機端子電圧投入位相角θGが一致した場合に、（４）式の過渡成分はゼロになる。
【００３０】
一方、θv＝θG＋πである場合は、（４）式は下の（５）式に書き換えることができる。
ｉa＝Ｖm／ＺGs×cos（ωｔ＋θis）
−（Ｖm＋ＶG）／ｘs×{sin（ωrｔ＋θG）−sinθG }ε-αt  （５）
すなわち、系統並列時の位相によっては、直入れ系統並列における最大突入電流の約２倍の極めて大きな過渡電流が流れることが分かる。さらに瞬時電圧低下も極めて大きくなることが予想される。
【００３１】
このように、自己励磁現象を用いた誘導発電機の系統並列では、過渡交流成分をゼロにすることができるが、過渡成分をゼロにするためには、系統側と発電機側の電圧の大きさと電圧の位相を互いに一致させることが重要であることが分かる。
自己励磁現象発生条件および過渡成分がゼロになる系統並列条件を満足させるためには、誘導発電機の回転速度を同期速度付近に維持しておくことが望ましい。しかし、風力発電機は不規則な風によって駆動される。これに対して、本実施例の系統並列ではピッチ角制御による速度制御システムを採用して、風車からの機械的入力トルクを制御し、誘導発電機の回転速度を制御する。
【００３２】
図４−８は、自己励磁現象を用いた系統並列についてのシミュレーション結果を示す波形図である。図の時間軸は、誘導発電機端子に系統電圧と同じ電圧が確立するまでの時間７．８秒の少し前から約１秒間について表示している。
【００３３】
図４は、系統電圧の変動を示すもので、系統連系時に瞬時電圧低下が生じていないことが確認できる。
図５は、誘導発電機のａ相電流の変化を示すもので、自己励磁現象により系統並列前に誘導発電機端子に電圧が発生していることが示され、さらに系統並列時においても系統側からの突入電流が殆ど発生していないことが確認できる。
図６は有効電力の変化を示す波形図、図７は無効電力の変化を示す波形図である。図６と図７から、連系線に生じる電力動揺は、直入れによる系統並列における２０００ｋＷに及ぶ変動と比較すると５ｋＷ程度と微々たるもので、電力系統には誘導発電機並列時でも殆ど影響を与えないことが確認できる。
図８は、誘導発電機回転速度の変動を示す図面で、系統並列時においても殆ど変動がないことが分かる。
【比較例】
【００３４】
実施例の系統並列装置の過渡成分に対する抑制効果を確認するため、誘導発電機端子に電圧が誘起していない状態で直入れにより系統並列した場合についてシミュレーションを行った。
誘導発電機は無負荷状態で、回転子回転速度を系統の周波数に対応するように制御して、７．８秒の時点でａ相の突入電流が最大となるような電圧位相角で系統並列する場合についてシミュレーションした。
【００３５】
図９−１３はシミュレーションの結果を示す波形図である。
図９は系統電圧の変動を示すもので、系統連系時に瞬時電圧低下が発生しており、発電機設置点の受電用変圧器低圧側電圧は定格電圧４００Ｖに対して３２０Ｖまで、約２０％低下する。
図１０は誘導発電機のａ相電流の変化を示すもので、系統並列時に３７００〜３８００Ａの突入電流が流れる。
【００３６】
図１１は有効電力の変化を示す波形図、図１２は無効電力の変化を示す波形図である。図１１と図１２の縦軸は図６、図７と目盛り幅が大きく異なることに注意すると、系統並列時に連系線に大きな電力動揺が発生することが分かる。
また、図１３は誘導発電機回転速度の変動を示す図面で、系統並列時に多少変動が生じている。
なお、ａ相の突入電流が最小となるような電圧位相角で系統並列する場合についてもシミュレーションを行ったが、その場合でも、瞬時電圧低下と電力動揺はほぼ同様に出現していた。
【００３７】
本願実施例の誘導発電機の系統並列装置は、誘導発電機の自己励磁現象を利用することにより、系列並列時における突入電流と瞬時電圧低下を効果的に抑制することができる。
また、適当な容量を有するコンデンサとスイッチ回路を導入するだけなので、ソフトスタート方式やＳＶＣなどと比較して低コストで簡単な装置で目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の１実施例に係る誘導発電機の系統並列装置のブロック図である。
【図２】本実施例に使用するコンデンサバンクの容量を決定する根拠を説明する線図である。
【図３】本実施例の誘導発電機に付属する回転制御装置のブロック図である。
【図４】本実施例の系統並列装置についてシミュレーションで得られた系統電圧の変動を示す波形図である。
【図５】本実施例のシミュレーションで得られた誘導発電機のａ相電流の変化を示す波形図である。
【図６】本実施例のシミュレーションで得られた有効電力の変化を示す波形図である。
【図７】本実施例のシミュレーションで得られた無効電力の変化を示す波形図である。
【図８】本実施例のシミュレーションで得られた誘導発電機回転速度の変動を示す波形図である。
【図９】本実施例に対する比較例についてシミュレーションで得られた系統電圧の変動を示す波形図である。
【図１０】本比較例のシミュレーションで得られた誘導発電機のａ相電流の変化を示す波形図である。
【図１１】本比較例のシミュレーションで得られた有効電力の変化を示す波形図である。
【図１２】本比較例のシミュレーションで得られた無効電力の変化を示す波形図である。
【図１３】本比較例のシミュレーションで得られた誘導発電機回転速度の変動を示す波形図である。
【図１４】通常の誘導発電機の系統並列時における突入電流の状態を示す波形図である。
【図１５】通常の誘導発電機の系統並列時における突入電流の別の状態を示す波形図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  系統並列装置
１１  第１スイッチ
１２  コンデンサバンク
１３  第２スイッチ
１４  スイッチ制御装置
２  誘導発電機
２１  風力発電機
２２  風車
２３  回転制御装置
２４  誘導発電機端子
３  系統
３１  母線
３２  変電器
３３、３４  インダクタンス
３５  抵抗
３６  配電線端末端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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