JP2004080980A

JP2004080980A - 系統連系インバータ装置

Info

Publication number: JP2004080980A
Application number: JP2002242142A
Authority: JP
Inventors: Yojiro Miyahara; 宮原　養治侶; Satoru Otsuki; 大槻　悟; Yuichi Nagayama; 永山　祐一; Shuji Sato; 佐藤　修二
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】複数台の交流発電機が接続されている場合に、交流発電機及びインバータ装置を含む全体の総合効率が最大となるように運転の制御を行う。
【解決手段】本発明が適用される発電システムは、複数台の水車１と、各水車に連結された複数台の発電機２と、各発電機２にスイッチＳＷを介して接続された系統連系インバータ装置１０とを備える。インバータ装置１０は、整流器３と、直流出力電圧を安定した一定電圧に制御する電圧調整器４と、逆流防止用のダイオード５と、直流電力を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路６と、電圧調整器の使用／不使用を選択する切替信号ＳＵＰを出力する最大電力制御回路７とにより構成されている。前述の構成により、系統への出力電力に応じて交流発電機の台数制御及び最大電力追従制御を併用した制御を行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統連系インバータ装置に係り、特に、低落差小水力発電システム等における複数台の交流発電機からの出力を入力とし、発電効率が最大となるように制御を行う系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数台の低落差小電力の水力交流発電機を接続した発電システムは、水位、流量の変動による水車及び交流発電機の出力電圧特性が変動し一様ではない。このため、この種の発電システムは、発電機に対する負荷が出力電圧の大きい発電機に集中し、その発電機の負荷が１台に集中し過負荷になり、一方で、出力電圧が低い発電機から出力を取り出すことができなくなり、負荷分担のアンバランスが発生するという問題を有している。
【０００３】
前述したような問題を解決することの従来技術として、例えば、特開平０８−４６２３１号公報、特開平０８−７０５３３号公報等に記載された技術が知られている。この従来技術は、系統連系インバータ装置に関するもので、複数の発電機対応に個別に電圧調整器を設けるというものである。そして、この従来技術による系統連系インバータ装置によれば、複数の交流発電機から得られる出力電圧が一様でない場合であっても、個別に電圧調整器を設けているので各交流発電機から出力を得ることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来技術による系統連系インバータ装置は、系統に対する出力電力に対して、接続されている複数台の交流発電機が出力分担しているため、各発電機の出力として、発電機効率の高い状態で運転されているとは限らず、総合的な効率が悪くなるという問題点を有している。
【０００５】
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、複数台の交流発電機が接続されている場合に、交流発電機及びインバータ装置を含む全体の総合効率が最大となるように運転の制御を行う系統連系インバータ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、複数台の交流発電機からの電力を系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記複数台の交流発電機のそれぞれのからの交流電圧を直流電圧に変換する交流発電機対応の複数の整流回路と、複数の整流回路のそれぞれからの直流電圧を調整して出力する複数の電圧調整器と、複数の電圧調整器からの直流電力を交流電力に変換して系統に送出するインバータ回路と、系統に送出する出力電力に応じて、前記複数の交流発電機の稼働台数の制御を行う制御手段とを備えたことにより、また、制御手段が、出力電力に応じて最大電力追従制御をも行うことにより達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による系統連系インバータ装置の実施形態を図面により詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の一実施形態による系統連系インバータ装置を適用した低落差小水力発電システムの構成を示すブロック図である。図１において、１は水車、２は交流発電機、３は整流器、４は電圧調整器、５は逆流防止用のダイオード、６はインバータ回路、７は最大電力制御回路、８は電流検出回路、１０は系統連系インバータ装置、ＳＷはスイッチである。
【０００９】
図１に示す低落差小水力発電システムは、複数台の水車１と、各水車に連結された複数台の発電機２と、各発電機２にスイッチＳＷを介して接続された系統連系インバータ装置１０とにより構成される。系統連系インバータ装置１０は、各交流発電機２の出力を整流し直流電圧に変換する整流器３と、各整流器３からの直流出力電圧を安定した一定電圧に制御する電圧調整器４と、各電圧調整器４からの直流電圧をインバータ回路６に接続する逆流防止用のダイオード５と、入力された直流電力を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路６と、電圧調整器４の制御を行うと共に、各発電機２の出力の系統連系インバータ装置１０への接続をスイッチＳＷにより制御し電圧調整器の使用／不使用を選択する切替信号ＳＵＰを出力する最大電力制御回路７とにより構成されている。
【００１０】
図２は電圧調整器４の構成を示すブロック図である。図２において、１１はリアクトル、１２はスイッチング素子、１３はダイオード、１４はコンデンサ、１５、１７は電圧検出器、１６は電流検出器、２０は制御回路、２１は電圧指令、２２は出力電圧帰還、２３は加算器、２４は電圧制御回路、２５は電流帰還、２６は加算器、２７は電流制御回路、２８はＰＷＭ発生回路である。
【００１１】
電圧調整器４は、図２に示すように、整流器３からの直流電力線ラインに、入力側電圧を検出する電圧検出器１７、電流検出器１６、リアクトル１１、スイッチング素子１２、ダイオード１３、出力側電圧を検出する電圧検出器１５及びコンデンサ１４が設けられ、電流検出器１６の検出電流を電流帰還２５として受け、電圧検出器１５の検出電圧を出力電圧帰還として受け、また、最大電力制御回路７からの電圧指令２１及び切替信号ＳＵＰを受けてスイッチング素子１２を制御することにより、電圧調整器４からの出力電圧を一定に制御する制御回路２０を備えて構成される。
【００１２】
図３は交流発電機２の単体での出力電力と発電効率との関係を説明する図、図４は交流発電機の運転台数及び発電電力と発電効率との関係を説明する図、図５は最大電力制御回路７での最大電力追従制御機能について制御する図であり、次に、これらの図を参照して図１、図２により説明した本発明の実施形態における低落差小水力発電システム、及び、系統連系インバータ装置１０の動作について説明する。
【００１３】
図３に示す交流発電機２の単体での出力電力と発電効率との関係の特性から判るように、交流発電機単体の発電効率は、発電出力の増加と共に上昇するが、発電出力の低出力領域では発電効率が低下する。
【００１４】
一般に、交流発電機からなる小水力発電システムは、出力容量を確保するために複数台の交流発電機を設置して構成されるが、水位の変化で落差が減少、または、水車への流量が減少した場合、発電機出力は低下し、図３に示すように、発電機の発電出力が低下し、発電効率も低下する。また、図１に説明したように各交流発電機の出力電圧を整流器３により直流電圧に変換し、電圧調整を行った後、複数のダイオード５を介して並列接続した場合、直流出力電圧が同一で一定に制御されているので、複数の交流発電機の負荷はほぼ等しく分担される。このため、出力電力によっては、各交流発電機の負荷が高出力領域にならない場合があり、発電効率は低下することになる。
【００１５】
そこで、本発明の実施形態による系統連系インバータ装置は、発電電力を監視し、発電出力電力に応じて交流発電機の運転台数を切替えるようにしている。すなわち、図１に示す最大電力制御回路７は、電流検出回路８からの検出電流より算出できる発電出力電力が低下してきたとき、それに応じてＳＵＰ信号を出力して、電圧調整器４のＰＷＭ発生器２８の出力を停止させると共に、スイッチＳＷをオフに制御する。本発明の実施形態による系統連系インバータ装置１０は、ＳＵＰ信号を出力することにより、発電機の出力を遮断し、電圧調整器４からの出力がなくすことができるので、系統への電力の供給を他の発電機からとすることができ、発電機の台数制御を行うことができる。
【００１６】
前述では、発電機と系統連系インバータ装置１０との間に設けたスイッチＳＷをＳＵＰ信号によりオフとするとして説明したが、本発明は、スイッチＳＷを設けなくても、ＳＵＰ信号によりＰＷＭ発生器２８を制御して、電圧調整器４からの出力電圧が、他の発電機の電圧調整器４の出力電圧より小さい出力電圧となるように制御するようにしてもよい。この場合、電圧調整器４の出力電圧の低下により、ダイオード５から電力を出力することができなくなり、発電機の出力を停止することができ、台数制御をおこなうことができる。
【００１７】
交流発電機の運転台数及び発電電力と発電効率との関係を説明する図４において、特性曲線Ａは、交流発電機の台数が３台のときの発電効率を示しているが、出力電力の減少と共に発電効率が低下することが判る。そして、この場合の最大出力電力はＰ３であるとする。また、特性曲線Ｂ、Ｃは、交流発電機の台数が２台、１台のときの発電効率を示しているが、この場合も同様に、出力電力の減少と共に発電効率が低下することが判る。そして、これらの場合の最大出力電力はＰ２、Ｐ１であるとする。
【００１８】
そこで、本発明の実施形態では、発電出力電力ＰがＰ２＜Ｐ＜Ｐ３のとき、交流発電機の台数を３台とし、発電出力電力ＰがＰ１＜Ｐ＜Ｐ２のとき、交流発電機の台数を３台から２台に減らすようにし、発電電力Ｐが０＜Ｐ＜Ｐ１のとき交流発電機の台数を２台から１台に減らすようにしたものである。本発明の実施形態は、このような制御を行うことにより、発電機単体の出力が増加し、全体の発電効率を増加させることができる。
【００１９】
また、発電出力電力を増加させる場合、例えば、２台の交流発電機では容量不足で３台が必要で３台の発電機を使用する場合、３台の発電機単体それぞれの出力が減少し、全体の発電効率は低下する。しかし、この場合、図１に示す最大電力制御回路７は、図５に示す最大電力追従制御機能を用いることによりインバータ側で最大電力となるよう制御することができる。この最大電力追従制御機能は、公知の技術であり、発電機が１台〜３台の場合のそれぞれについて、その時々で出力可能な最大出力電力Ｐｍａｘ３〜Ｐｍａｘ１がどの程度であるかを、各発電機の電圧調整器４を制御することにより検出して制御する機能である。
【００２０】
前述した本発明の実施形態によれば、発電出力電力に応じた交流発電機の台数の制御と最大電力追従制御とを併用することにより、システムとしての全体の発電効率を高効率としてで運転を継続させることが可能である。
【００２１】
図６は本発明の一実施形態による系統連系インバータ装置を適用した低落差小水力発電システムと太陽光発電システムとからなるハイブリッド発電システムの構成を示すブロック図である。図５において、９は太陽電池であり、他の符号は図１の場合と同一である。また、この例においても、最大電力制御回路７は、図２により説明したものと同一に構成される。
【００２２】
図６に示すハイブリッド発電システムは、太陽電池９、電圧調整器４及びダイオード５を持つ太陽光発電システムを図１により説明した発電システムに並列接続して構成したものである。このようなハイブリッド発電システムにおいても、交流発電機２及び太陽電池９からの異なった出力電圧を、系統連系インバータの入力側に一定電圧に制御する電圧調整器４をそれぞれに設け、最大電力制御回路７により制御することにより、発電効率の高い状態で運転を行うことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数台の交流発電機を接続して、台数制御及び最大電力制御を行うようにしているので交流発電機、インバータ含む総合発電効率を最大にして運転を行うことができる。また、発電機が過負荷にならないように負荷分担を行うことがができるので、システムの安定な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による系統連系インバータ装置を適用した低落差小水力発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】電圧調整器の構成を示すブロック図である。
【図３】交流発電機の単体での出力電力と発電効率との関係を説明する図である。
【図４】交流発電機の運転台数及び発電電力と発電効率との関係を説明する図である。
【図５】最大電力制御回路での最大電力追従制御機能について制御する図である。
【図６】本発明の一実施形態による系統連系インバータ装置を適用した低落差小水力発電システムと太陽光発電システムとからなるハイブリッド発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　水車
２　交流発電機
３　整流器
４　電圧調整器
５　ダイオード
６　インバータ回路
７　最大電力制御回路
８　電流検出器
９　太陽電池
１０　系統連系インバータ装置
１１　リアクトル
１２　スイッチング素子
１３　ダイオード
１４コンデンサ
１５、１７　電圧検出器
１６　電流検出器
２０　電圧制御回路
２３　加算器
２４　電圧制御回路
２６　加算器
２７　電流制御回路
２８　ＰＷＭ発生回路
ＳＷ　スイッチ

Claims

複数台の交流発電機からの電力を系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記複数台の交流発電機のそれぞれのからの交流電圧を直流電圧に変換する交流発電機対応の複数の整流回路と、複数の整流回路のそれぞれからの直流電圧を調整して出力する複数の電圧調整器と、複数の電圧調整器からの直流電力を交流電力に変換して系統に送出するインバータ回路と、系統に送出する出力電力に応じて、前記複数の交流発電機の稼働台数の制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記制御手段は、複数の交流発電機の稼働台数の制御を行うと共に、出力電力に応じて最大電力追従制御を行うことを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
前記制御手段による交流発電機の稼働台数の制御は、前記電圧調整器から出力される直流電圧の大きさを制御することにより、または、交流発電機の出力を遮断するスイッチの制御により行われることを特徴とする請求項１または２記載の系統連系インバータ装置。