(57)【要約】【課題】風車などのようにトルクが変動する場合であっても、発電機出力をほぼ一定に制御できるようにする。【解決手段】回転子コイルを有して外部トルクによって回転駆動される回転子と、スリップリングおよびブラシ３を介して回転子に電気的に接続された二次抵抗制御部とを有する巻線形誘導発電機システムである。誘導発電機３の二次電流を測定する手段を有し、二次抵抗制御部は、外部二次抵抗５と、スイッチング素子７を含んで外部二次抵抗７に並列に接続されたスイッチング回路６とを有する。スイッチング素子７のオン・オフ時間を制御することによって、外部二次抵抗５とスイッチング回路６の合成抵抗値を変化させ、それによって二次電流が目標値に近づくように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子コイルを有して外部トルクによって回転駆動される回転子と、スリップリングおよびブラシを介して前記回転子コイルに電気的に接続された二次抵抗制御部とを有する巻線形誘導発電機システムであって、
誘導発電機の二次電流を測定する手段を有し、
前記二次抵抗制御部は、外部二次抵抗と、スイッチング素子を含んで前記外部二次抵抗に並列に接続されたスイッチング回路とを有し、
前記スイッチング素子のオン・オフ時間を制御することによって、前記外部二次抵抗とスイッチング回路の合成抵抗値を変化させ、それによって前記二次電流が目標値に近づくように制御するものであること、
を特徴とする巻線形誘導発電機システム。
【請求項２】
前記外部トルクが風車による外部トルクであることを特徴とする請求項１に記載の巻線形誘導発電機システム。
【請求項３】
回転子コイルを有して外部トルクによって回転駆動される回転子を含む巻線形誘導発電機を制御する巻線形誘導発電機システム制御装置において、
スリップリングおよびブラシを介して前記回転子コイルに電気的に接続された外部二次抵抗と、前記外部二次抵抗に並列に接続されたスイッチング素子を含むスイッチング回路とを有し、
前記スイッチング素子のオン・オフ時間を制御することによって、前記外部二次抵抗とスイッチング回路の合成抵抗値を変化させ、それによって誘導発電機の二次電流が目標値に近づくように制御すること、
を特徴とする巻線形誘導発電機システム制御装置。
【請求項４】
負荷機械と機械的に接続した巻線形三相誘導電動機の回転子と電気的に接続した外部二次抵抗と、
前記外部二次抵抗に電気的に並列に接続された二次抵抗制御部によりスイッチング素子をオン・オフ制御することによりパルス幅を可変させて、外部二次抵抗値を無段階に可変させることができ、加速したければ二次抵抗値を減少させる方向へ、逆に減速したければ二次抵抗値を増加させる方向へ制御させるために、電動機二次側電流を直流に整流する三相全波整流回路と、その直流電流をオン・オフさせるスイッチング素子と、
を備えた巻線形誘導電動機システム制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に風車発電機システムに好適な巻線形誘導発電機システムおよびその制御装置ならびに巻線形誘導電動機システム制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に数百ｋＷの風車発電機の場合、かご形誘導発電機（非特許文献１参照）が使用される。この誘導発電機は、トルク特性が固定であり、風車の風速が変化すると、電流が変化し、出力も電流と同じように変化する。これにより電源系統に対して好ましくない脈動電流を発生させる。従って、風力が変動しても極力電流を一定にするような制御が要求される。
【非特許文献１】野中作太郎著「電気機器［II］」，森北出版（１９９４）
【非特許文献２】誘導機の過渡現象シミュレーション技術調査専門委員会著「誘導機の過渡現象解析技術」，電気学会技術報告  第８９１号（２００２−７）
【非特許文献３】井上彬著「風力発電機の定常運転時の総合効率算定」，回転機研究会資料，ＲＭ−０４−９９，ｐｐ７〜１２（２００４）
【非特許文献４】K. Ohyama,S. Arinaga, T. Shigemizu” Sensorless Vector Controlled Converter for Variable Speed Wind Generation System Using Induction Generator”, IEEJ, Vol.125-D, No.4, pp. 386-396 (2005-4). 大山，有永，重水著「誘導機可変速風力発電システムのためのセンサレスレベクトル制御コンバータ」，電学論誌D, Vol.125, No.4, pp. 386-396 (2005-4)
【非特許文献５】片山仁八郎編「誘導機」、電力機器講座３、日刊工業新聞社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の誘導発電機の二次抵抗制御では、抵抗として金属抵抗又は液体抵抗を使用している。金属抵抗の場合はコンタクタのオン・オフにより抵抗を制御し、液体抵抗の場合は電極を移動することで抵抗値を可変にしている（非特許文献５参照）。しかしながら金属抵抗は抵抗値の切替は瞬時にできるが、抵抗値の変化がステップ状であり、スムースに無段階に制御することは困難である。また、液体抵抗の場合は、電極の調整により無段階に抵抗を制御することは可能であるが、タイムラグが大きく、風速変動の制御用には不向きである。
【０００４】
本発明は、風車などのようにトルクが変動する場合であっても誘導発電機出力をほぼ一定に制御できるようにすること、および、誘導電動機で、負荷トルクが変動しても回転数の変動を抑制できるようにすること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は上記目的を達成するものであって、本発明に係る巻線形誘導発電機システムは、回転子コイルを有して外部トルクによって回転駆動される回転子と、スリップリングおよびブラシを介して前記回転子コイルに電気的に接続された二次抵抗制御部とを有する巻線形誘導発電機システムであって、誘導発電機の二次電流を測定する手段を有し、前記二次抵抗制御部は、外部二次抵抗と、スイッチング素子を含んで前記外部二次抵抗に並列に接続されたスイッチング回路とを有し、前記スイッチング素子のオン・オフ時間を制御することによって、前記外部二次抵抗とスイッチング回路の合成抵抗値を変化させ、それによって前記二次電流が目標値に近づくように制御するものであること、を特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る巻線形誘導発電機システム制御装置は、回転子コイルを有して外部トルクによって回転駆動される回転子を含む巻線形誘導発電機を制御する巻線形誘導発電機システム制御装置において、スリップリングおよびブラシを介して前記回転子コイルに電気的に接続された外部二次抵抗と、前記外部二次抵抗に並列に接続されたスイッチング素子を含むスイッチング回路とを有し、前記スイッチング素子のオン・オフ時間を制御することによって、前記外部二次抵抗とスイッチング回路の合成抵抗値を変化させ、それによって誘導発電機の二次電流が目標値に近づくように制御すること、を特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る巻線形誘導電動機システム制御装置は、負荷機械と機械的に接続した巻線形三相誘導電動機の回転子と電気的に接続した外部二次抵抗と、前記外部二次抵抗に電気的に並列に接続された二次抵抗制御部によりスイッチング素子をオン・オフ制御することによりパルス幅を可変させて、外部二次抵抗値を無段階に可変させることができ、加速したければ二次抵抗値を減少させる方向へ、逆に減速したければ二次抵抗値を増加させる方向へ制御させるために、電動機二次側電流を直流に整流する三相全波整流回路と、その直流電流をオン・オフさせるスイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、巻線形誘導発電機システムにおいて、瞬時に無段階の抵抗制御が可能であり、風車などのようにトルクが変動する場合であっても、誘導発電機出力をほぼ一定に制御することができる。また、巻線形誘導電動機システム制御装置において、負荷トルクが変動しても、回転数の変動を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態を、図１および図２を参照して説明する。ここに、図１は本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態の単線結線図であり、図２は本発明に係る誘導発電機システムの可変二次抵抗制御装置を示す構成図である。
【００１０】
風によって回転駆動される風車１が増速ギア２を介して誘導発電機３に結合されている。誘導発電機３の固定子側は商用電源に接続されている。誘導発電機３の回転子コイルはスリップリング／ブラシ４を介して外部二次抵抗５に、電気的に接続されている。外部二次抵抗５に並列にスイッチング回路６が接続されている。スイッチング回路６はスイッチング素子（たとえばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子）７を含み、スイッチング素子７のオン・オフ時間を制御することにより、外部二次抵抗５とスイッチング回路６の並列回路の合成抵抗値を可変にするものである。
【００１１】
図２において、風車１により誘導発電機３は駆動され発電する。この時に、回転子コイルにスリップリングとブラシ４で電気的に接続された誘導発電機の外部に設置の二次抵抗制御システムが動作して、誘導電動機３の二次出力をほぼ一定に保つことが可能である。
【００１２】
次に、本発明の実施形態についての動作確認試験について説明する。図３に示す動作確認用の試験回路を試作した。電源は２０ｋＶＡのトランスで、Ｒ１（１５Ω）が発電機の回転子コイルの抵抗、Ｒ２（５０Ω）が外部抵抗を模擬している。スイッチング回路をキャリア周波数３００〜３ｋＨｚでスイッチングして、図３の電流Ｉは（１）式で示す通電時間比率により変化させた。
【００１３】
Ｄｕｔｙ＝  ｔｏｎ／Ｔ    （％）      （１）
ここで、Ｄｕｔｙは通電時間比率、ｔｏｎはキャリア周波数１周期でのスイッチング素子通電時間、Ｔはキャリア周波数１周期である。
【００１４】
図４に試験結果を示す。図４より、Ｄｕｔｙを変化することにより、等価二次抵抗を可変にすることが可能であることがわかる。
【００１５】
次に、本発明の実施形態について、風力システム構築とシミュレ−ションについて説明する。誘導発電機のモデルはｄ−ｑ変換（非特許文献２参照）による電圧電流方程式で表わしている。発電機の二次回路はスリップリングとブラシで発電機の外部に設置した二次抵抗制御装置に電気的に接続される。誘導発電機の電圧電流方程式を（２）式に示す。
【数１】
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【００１６】
ここで、ｖｄｓ，ｖｄｒは電源電圧、ｖｄｒ，ｖｑｒは二次電圧、ｉｄｓ，ｉｑｓは一次電流、ｉｄｒ，ｉｑｒは二次電流、Ｒｓ，Ｒｒはそれぞれ一次、二次抵抗、Ｌｓ，Ｌｒはそれぞれ一次、二次インダクタンス、Ｍは励磁インダクタンスである。
【００１７】
誘導発電機の吸収トルクＴＧは（３）式で表わされる。
【００１８】
ＴＧ＝ｑＭ（ｉｑｓｉｄｒ−ｉｄｓｉｑｒ）      （３）
ここで、ｑは極対数を表わす。
【００１９】
外部抵抗とスイッチング素子を回転子コイルに対し並列に接続し、前述のようにスイッチング素子をキャリア周波数でスイッチングし、通電時間比率を変化させることにより、回転子コイル側から見た抵抗値を可変にする。
【００２０】
つぎに風車モデルについて説明する（非特許文献３，４参照）。風により風車がトルクを得て、そのトルクで発電機を駆動するシステムである。風車のトルクをＴｔと風速Ｖを（４）式で表わす。
【００２１】
Ｔｔ（Ｖ）＝Ａ・Ｖ２＋Ｂ・Ｖ
Ｖ（ｔ）＝Ｃsinωｔ＋Ｄcosωｔ＋Ｅ      （４）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは定数である。
【００２２】
つぎに、誘導発電機と風車の運動方程式を（５）式のようにモデル化する。
【数２】
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【００２３】
ここで、Ｊｇは発電機慣性、Ｊｔは風車慣性、θｇは発電機回転子位置、θｔは風車回転子位置、軸の回転角、τｇは発電機トルク、τｔは風車トルク、Ｃｓｈａｆｔは軸の減衰定数、Ｋｓｈａｆｔは軸ねじり剛性である。
【００２４】
今回のシミュレーションにはＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋを使用した。図５にシミュレーションモデルのブロック図を示す。ＩＧモデルは（２）式の誘導発電機の電圧・電流方程式と（３）式の発電機吸収トルクの式で構成され、機械系モデルは（５）式の運転方程式で構成されている。図５で、Ｒ’は外部二次抵抗を含めた全二次抵抗指令値、Ｒ２はＲ’の前回演算値、ｎ０は前回演算時の速度、Δｎは速度偏差（今回演算値と前回演算値の差）、ｎｓは同期速度、ＶＴは１次電圧、ｎは実速度を表している。
【００２５】
今回のシミュレーションに使用した１４００ｋＷ、６Ｐの巻線形誘導発電機の仕様を図６に示す。
【００２６】
「二次抵抗制御有り」のシミュレーション結果を図７から図１１に示し、「制御なし」の場合を図１２から図１４に示す。図７で、横軸は時間（ｓｅｃ）、縦軸は風車トルク（Ｎｍ）を示す。このシミュレーションでは、正弦波状に変動するトルクについて検討している。
【００２７】
図８はこのシステムにおける二次抵抗指令（Ｙ１次換算）である。ここで、発電機の回転子コイルの抵抗値は、０．００１８（Ω）であり、二次抵抗制御装置で制御可能な抵抗値は０．０１２（Ω）にセットしてある。従って、図８を見ると、二次抵抗指令値は。瞬間的に制御不能領域に達することがわかる。
【００２８】
図９は、二次抵抗を制御した時の発電機電流である。電源投入時の過渡現象を無視すれば、一箇所を除いてほぼ電流値を一定に制御していることが分かる。制御できていない部分は回転子の抵抗０．００１８（Ω）より小さな抵抗にするように指令が来ているが、実際に二次抵抗制御装置では対応できないことを示している。
【００２９】
図１０は、発電機出力を示すが、電流値と同じ波形となっている。
【００３０】
図１１は、発電機の回転数を示す。この回転数変動により風車トルクの変動エネルギーを吸収したり放出したりして、電流値がほぼ一定になるようにこのシステムは制御されている。
【００３１】
次に、二次抵抗制御を行っていない場合について検討する。この時は、図１２に示すように二次抵抗指令は時間に関係なく一定値となる。
【００３２】
二次抵抗制御なしの時の発電機電流を図１３に示す。このときは風車トルクの変動に対応して電流値も変動している。
【００３３】
二次抵抗制御なしの時の回転数変化を図１４に示す。制御ありに比べ回転エネルギーの変動が少ないことが図１１との比較でわかる。
【００３４】
以上説明したように、二次抵抗制御方式により瞬時に無段階で二次抵抗値を可変できることを実験により確かめた。提案するシステムにおいて風車トルクが変動する時、発電機出力を一定制御することが可能であることもＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋによるシミュレーションにより確かめた。これにより、提案するシステムは風車トルク変動時に電流脈動が小さい風車発電機として構築できることが確認できた。
【００３５】
以上の説明では、誘導発電機システムについて説明したが、同様の原理を用いた誘導電動機システムを構成することもできる。
【００３６】
すなわち、負荷機械と機械的に接続した巻線形三相誘導電動機の回転子と電気的に接続した外部二次抵抗器と、前記外部二次抵抗器に電気的に並列に接続された二次抵抗制御装置によりスイッチング素子をＰＷＭ制御によりパルス幅を可変させる。これにより、外部二次抵抗値を無段階に可変させることができ、加速したければ二次抵抗値を減少させる方向へ、逆に減速したければ二次抵抗値を増加させる方向へ制御させる。この制御は、電動機二次側電流を直流に整流する三相全波整流回路と、その直流電流をオン・オフさせるスイッチング素子と、によって実現できる。
【００３７】
このような構成によれば、誘導電動機において、負荷機械のトルクが変動する場合の電動機の一次電流を同様な原理により平滑することが可能である。通常は一次電流の脈動が大きい場合は機械系に慣性モーメント（ＧＤ２）の大きなフライホイ−ルを用いて回転数変動を押えることにより電流脈動を押えているが、本発明の原理によりそれらの装置が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態の単線結線図である。
【図２】本発明に係る誘導発電機システムの二次抵抗制御装置を示す構成図である。
【図３】本発明に係る誘導発電機システムの動作確認試験装置の一実施形態を示す回路図である。
【図４】図３の動作確認試験装置による試験結果の例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る誘導発電機システムのシミュレーションモデルの一実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態の仕様例を示す表である。
【図７】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態における風車トルクの時間変動例を示すグラフである。
【図８】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態において、図７の風車トルク変動に対応する二次抵抗指令の時間変動例を示すグラフである。
【図９】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態において、図７の風車変動トルクに対応する一次電流（実効値）の時間変動例を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態において、図７の風車変動トルクに対応する発電機出力の時間変動例を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る誘導発電機システムの一実施形態において、図７の風車変動トルクに対応する回転数の時間変動例を示すグラフである。
【図１２】二次抵抗制御なし時の誘導発電機システムにおいて、図７の風車変動トルクに対応する二次抵抗指令の時間変動例を示すグラフである。
【図１３】二次抵抗制御なし時の誘導発電機システムにおいて、図７の風車変動トルクに対応する一次電流（実効値）の時間変動例を示すグラフである。
【図１４】二次抵抗制御なし時の誘導発電機システムにおいて、図７の風車変動トルクに対応する回転数の時間変動例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…風車
２…増速ギア
３…誘導発電機
４…スリップリング／ブラシ
５…外部二次抵抗
６…スイッチング回路
７…スイッチング素子
【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】
2007116793.tif 000013
【図１０】
2007116793.tif 000014
【図１１】
2007116793.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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