(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法であって、外付けコンデンサＣと並列に、磁心ＭMに施した一次巻線Ｎ1を接続し、トロイダル状の制御磁心ＭCで磁心ＭMの一部を挟み、制御磁心ＭCに施した制御巻線ＮCに印加する制御電流（直流）ＩCONによって生じる制御磁界ＨCを磁心ＭMの一部に印加して磁心ＭMの等価透磁率μeqを変化させることによって、磁心ＭMに施した一次巻線Ｎ1のインダクタンスを連続的に変化させ、風力発電用自励式誘導発電機の回転数が変化する場合も発電機の所期の一定電圧を出力するようにし風力発電用自励式誘導発電機の許容回転数変動域を拡大するようにしたことを特徴とする可変リアクトルを用いた誘導発電機の電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、たとえば風力発電に用いられる自励式誘導発電機の電圧制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力は、重油、石炭等の化石燃料を燃焼させてその熱エネルギを電気エネルギに変換する方法、核分裂による熱エネルギを電気エネルギに変換する方法、或いは水力を電気エネルギに変換する方法によって供給されている。わけても、その大きな割合が、前記化石燃料の燃焼による熱エネルギに依っている。化石燃料の燃焼による熱エネルギからの電力供給システムによるときは、ＣＯ2の漸増による地球環境問題を招来するほか、化石燃料供給能力の有限性の問題もある。
【０００３】
従って、太陽光、太陽熱、風力、潮力等のクリーンなエネルギの利用技術の開発が強く望まれている。わけても、無尽蔵である風力を電気エネルギに変換する技術は有望であり、風力発電プラントの設置が世界的な規模で進められている。風力エネルギを電気エネルギに変換するには、誘導発電機が適している。誘導機は、構造が簡単で耐久性に富みしかも安価である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
処が、誘導発電機には、低速回転時の自励の問題、高速回転時の過励磁の問題がある。この問題を解決する方法として、コンデンサバンクを切り換えて対応する方法があるけれども、コンデンサ容量を誘導発電機の回転速度に対応させて連続的に変化させることは、きわめて困難である。従来、誘導発電機は、低速回転域では自励しない。逆に、高速回転域では過励磁となり、コンデンサ電流によって固定子巻線が過熱する問題があった。このように、誘導発電機の運転可能速度域は狭隘であった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術における問題を解決し、自励式誘導発電機における運転可能速度域の上限を、従来技術の３倍以上に拡大できる電圧制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法であって、外付けコンデンサＣと並列に、磁心ＭMに施した一次巻線Ｎ1を接続し、トロイダル状の制御磁心ＭCで磁心ＭMの一部を挟み、制御磁心ＭCに施した制御巻線ＮCに印加する制御電流（直流）ＩCONによって生じる制御磁界ＨCを磁心ＭMの一部に印加して磁心ＭMの等価透磁率μeqを変化させることによって、磁心ＭMに施した一次巻線Ｎ1のインダクタンスを連続的に変化させ、風力発電用自励式誘導発電機の回転数が変化する場合でも発電機の所期の一定電圧を出力するようにし風力発電用自励式誘導発電機の許容回転数変動域を拡大するようにしたことを特徴とする可変リアクトルを用いた誘導発電機の電圧制御方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。
【０００８】
誘導発電機の回転速度に対する自励範囲は、誘導機定数と外付けコンデンサの容量によって定まる。即ち、回転数が小さい時には、自励しない。逆に、回転数が大き過ぎると過励磁となり、コンデンサ電流による固定子巻線のジュール熱による過熱を招く。従って、誘導発電機の運転可能速度の上限ｎG，maxは、コンデンサ電流による固定子巻線のジュール熱による過熱を招かない範囲内に制限された。誘導機は構造が簡単で耐久性に富みしかも安価で、風力発電に適しているけれども、誘導発電機を風力発電等に実用するには、前記自励範囲の問題を解決しなければならない。
【０００９】
発明者らは、下記に示す定数のかご形誘導電動機を発電機として運転した。このときの回転速度ｎGに対する自励電圧ＶGとコンデンサ電流ＩCとの関係を図１に示す。
３相      ０．７５（ｋＷ）      ４極
２００（Ｖ）      ６０（Ｈｚ）    ５０（Ｈｚ）
Ｉrate          ３．２（Ａ）    ３．５（Ａ）
１７１０（ｒｐｍ）  １４３０（ｒｐｍ）
Ｒ1＝３．１（Ω）
Ｌ1＋Ｌ2’＝１２．８（ｍＨ）
Ｍ＝１９５（ｍＨ）
Ｒ2’＝２．３３（Ω）
【００１０】
図１に示すのは、誘導発電機を１８００（ｒｐｍ）の一定速度で運転したときのコンデンサ容量Ｃに対する自励電圧ＶGとコンデンサ電流ＩCの実測値である。ここに、ＣO（＝３３μＦ）は、定格電圧ＶO（＝２００Ｖ）を与えるコンデンサ容量である。図１から明らかなように、自励電圧ＶGはコンデンサ容量に大きく依存している。コンデンサ容量が０．９４ＣO以下では、自励しない。
【００１１】
図２に、誘導発電機の回転速度ｎGと自励電圧ＶGの関係を、コンデンサ容量Ｃをパラメータとして示す。ここで、低速域でも発電できるようにすべく、コンデンサ容量を定格電圧ＶO（＝２００Ｖ）を与えるコンデンサ容量ＣOの２倍としたときの誘導発電機の運転範囲について見てみる。図２から、定格電圧ＶO（＝２００Ｖ）を与える回転数ｎG，Oは１３８７ｒｐｍである。一方、自励する運転可能下限速度ｎG，minは１３００ｒｐｍであり、運転可能上限速度ｎG，maxは、誘導機の５０Ｈｚにおける定格電流Ｉrate（＝３．５Ａ）と等しくなるコンデンサ電流の大きさで定めると、１６００ｒｐｍである。
【００１２】
これらから明らかなように、定格電圧ＶＯ（＝２００Ｖ）を与える回転数ｎＧ，Ｏに対する上限ｎ△＋と下限ｎ△-の割合は、
ｎ△＋＝｛（ｎG，max−ｎG，O）／ｎG，O｝×１００＝１５．４（％）
ｎ△−＝｛（ｎG，min−ｎG，O）／ｎG，O｝×１００＝  ６．３（％）
と狭い範囲となっている。
さらに、自励電圧ＶGは、ｎG，minとｎG，maxの間で、１６０Ｖ〜２７０Ｖと大きく変化しており、誘導発電機を風力発電に適用するには、電圧制御を実現することの必要性が分かる。
【００１３】
誘導電動機における自励電圧ＶＧを制御するには、等価進相電流Ｉlead，eqの大きさを、回転数の変化に対応して変化させればよい。
従来、等価進相電流Ｉlead，eqの大きさを、誘導機の回転数に対応して変化させるために、遅相分を注入すべくリアクトルの点弧角を制御することが行われてきた。しかしながら、この方法によってインダクタンスを低歪で広範囲に亘って変化させることは困難であった。
【００１４】
【実施例】
図３に、発明者らが開発した磁束制御型可変リアクトルＬｖａｒの基本構成を示す。この可変リアクトルは、磁心の等価透磁率を変化させる方式である。この可変リアクトルにあっては、磁路の一部を飽和させるようにしている。そのために、外部から磁心ＭＭの一部に制御磁界を印加する。図３においてＭM：磁心、Ｎ1：ＭMに施した一次巻線、Ｉ1：Ｎ1に流れる一次電流（直流）、Ｈ1：Ｎ1Ｉ1で生じる磁界、Ｈ1＝Ｎ1Ｉ1／ｌMM［Ａ／ｍ］、ここに、ｌMMはＭMの磁路長［ｍ］、ＭC：制御磁心、ＮC：ＭCに施した制御巻線、ＩCON：制御電流（直流）、ＨC：ＮCＩCONで生じる磁界、ＨC＝ＮCＩCON／ｌMC［Ａ／ｍ］、ここに、ｌMCはＭCの磁路長［ｍ］、である。図３に示すように、本発明の風力発電用自励式誘導発電機の電圧制御方法に用いられるトロイダル状の制御磁心ＭCは、磁心ＭMの一部を挟む如く構成されている。
【００１５】
而して、制御磁心ＭCに施した制御巻線ＮCに印加する制御電流ＩCONを操作パラメータとしてＭMの一部にＨＣを印加してＭMの等価透磁率μeqを変化させることによって、ＭMに施した一次巻線Ｎ1のインダクタンスを連続的に変化させる。この可変リアクトルを図５に示す回路の要素として組み込み、風速の変化にかかわらず、風力発電用自励式誘導発電機ＩＧの出力電圧をその目標値であるＶGrに一致させる。
【００１６】
図４に、本発明において用いる可変リアクトルにおける制御電流に対するインダクタンスの変化の模様を示す。制御電流Ｉconによってインダクタンスが３０倍以上変化している。
【００１７】
図５に、本発明の、可変リアクトルを用いた誘導電動機の電圧制御方法を実施するときの制御回路を示す。図５において、
ＶG，r：自励電圧ＶＧの目標値
ＫV  ：自励電圧ＶＧの検出回路におけるゲイン
εV  ：自励電圧の目標値ＶＧ，ｒと検出された自励電圧ＶＧとの偏差
ＧV（ｓ）：偏差εＶから制御電流の目標値Ｉcon，rを出力する電圧
誤差増幅回路
εI  ：制御電流の目標値Ｉcon，rと、制御磁界ＭCの制御電流
Ｉconとの偏差
ＧI（ｓ）：偏差εＩから制御電流Ｉｃｏｎを出力する電流誤差増幅回
路
ＫA  ：電流増幅器におけるゲイン
である。図５に示すように、風速に応じて変化する誘導発電機Ｉ．Ｇ．の出力電圧を電圧検出回路で検出し、この検出値と自励電圧の目標値ＶG，rとの偏差εVを出力し、電圧誤差増幅回路ＧV（ｓ）によって、偏差εVから制御電流の目標値Ｉcon，rを出力する。この制御電流の目標値Ｉcon，rとその時の制御磁界の制御電流Ｉconとを対比しその偏差εIを出力し、電流誤差増幅器ＧI（ｓ）と電流増幅器ＫAによって増幅して制御電流のＩconを制御して可変リアクトルのインダクタンスを変化させ、これによって誘導発電機Ｉ．Ｇ．の出力電圧をその目標値であるＶG，rに一致させる。ここで、図５におけるＧV（ｓ）を下記式に示すＰＩ増幅器で構成すると、定常状態では、電圧偏差εVは零となり、自励電圧ＶGはＶG，r／ＫVに一致する。
ＧV（ｓ）＝ＫP｛１＋１／（ｓτI）｝           （１）
εV＝ＶG，r−ＫVＶG＝０                      （２）
【００１８】
図６に、ＶG，r／ＫVを１８０Ｖ、２００Ｖ、２２０Ｖとしたときの誘導発電機Ｉ．Ｇ．の回転数ｎGの変化に対する自励電圧ＶＧの振舞いを示す。ここで、ＧV（ｓ）を（１）式に示すＰＩ増幅器（ＫP＝０．７５、τI＝６．６×１０-3）で構成しているため、定常状態における電圧偏差は０．２５％以下と微小である。
電圧制御時の誘導発電機の運転可能領域を、図２に示す無制御時と同様に、コンデンサ容量を２ＣOとした場合で比較すると、定格電圧ＶO（＝２００Ｖ）を与える回転数ｎG，Oに対する上限比率ｎ△＋は３倍以上に拡大している。また、ｎG，Oに対する下限比率ｎ△-は、図６に示すように、大きなコンデンサを繋げば低速回転領域でも電圧制御が可能である。
【００１９】
図７に、電圧制御時の端子電圧ｖG、コンデンサ電流ｉCとインダクタンス電流ｉL波形を示す。ｉL波形の歪の小さいことが確認できる。
【００２０】
図８に、図５に示す抵抗負荷ＲLを繋がない無負荷状態で、誘導発電機の回転数を変化させたときの自励電圧ＶGの過渡特性を示す。無制御時には、１８０４ｒｐｍから２０００ｒｐｍの回転数変化に対し、自励電圧ＶGは２０５．３Ｖから２９６．８Ｖへと９１．５Ｖも変化している。
これに対し、制御時には１秒間程度の僅かな過渡応答は認められるものの定常偏差は、０．２５％以下の定電圧に制御されている。
【００２１】
誘導発電機の電圧を制御しない場合の上限回転数は、コンデンサ容量Ｃ＝２ＣOとした場合、図２から１６００ｒｐｍである。これに対し、制御した場合は、図６に示すように、２０００ｒｐｍ以上となる。風力エネルギは風速の３乗に比例するから、電圧を制御することによって、（２０００／１６００）3＝１．９５倍の電力を採取できる。また、得られた電力をたとえば、電力系統に送電することを考えると、無制御時には端子電圧が１６０Ｖから２７０Ｖ程度に変化しているのに対し、制御時には目標値に一致した電圧となるから、電力系統への送電が容易になる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、従来、困難であった誘導発電機における電圧制御を容易にするとともに、誘導発電機の運転可能回転速度範囲を従来の３倍以上に拡大し、誘導発電機の風力発電への適用を実用化できる。また、電流歪がきわめて小さく、インダクタンスを３０倍以上に広範囲に可変とすることができる。さらに、可変リアクトルをきわめてコンパクトでシンプルな構造とすることができ安価であるとともに、操作性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】定速度運転時の外付けコンデンサに対する発電電圧を示すグラフ
【図２】無制御時の誘導発電機の回転速度に対する自励電圧ＶGとコンデンサ電流ＩCの関係を示すグラフ
【図３】等価透磁率を変化させる本発明における可変リアクトルの構成を示す模式図
【図４】可変リアクトルにおける制御電流に対するインダクタンスの変化を示すグラフ
【図５】本発明の誘導電動機の電圧制御回路を示す回路図
【図６】本発明の電圧制御時の誘導発電機の回転速度に対する自励範囲を示すグラフ
【図７】本発明の電圧制御時の動作波形を示すグラフ
【図８】誘導発電機における電圧制御の有無における過渡特性を示すグラフ
【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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