特開 2022-40461 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022040461

(43)【公開日】2022-03-11

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20220304BHJP

   H02P 103/10 20150101ALN20220304BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 C

H02P103:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020145198

(22)【出願日】2020-08-31

(71)【出願人】

【識別番号】000116666

【氏名又は名称】愛知電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】吉野 真

(72)【発明者】

【氏名】加藤 雅大

【テーマコード（参考）】

5H590

【Ｆターム（参考）】

5H590AA12

5H590AB02

5H590CC09

5H590CC18

5H590CC24

5H590CD01

5H590CD03

5H590CE01

5H590EA01

5H590FB02

5H590FC12

5H590FC22

5H590FC25

5H590JA19

(57)【要約】

【課題】誘導発電機を用いたときに生じる突入電流を抑制する。また、誘導発電機の運転開始時に必要とされる電源を、電力系統の力率を低下させることなく確保する。
【解決手段】誘導発電機１の回転速度が定格付近になってから開閉器ＭＣ１を閉じ、電力系統４と接続する際、順変換装置２の出力電圧を当初は零にしておき、その後、誘導発電機１の出力電圧を定格電圧まで徐々に上昇させていく。また、システム制御盤より供給される制御電源を昇圧して全波整流し、その直流電力を電解コンデンサＣに充電することで、誘導発電機１の運転開始時に必要な直流電圧を用意する。さらに、誘導発電機１の軸電圧をコモンモードフィルタによって抑制することで、軸受が放電によって損傷することを防止する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導発電機を用いて順変換装置と逆変換装置を介して電力系統に接続する発電システムにおいて、前記誘導発電機の回転速度が定格付近になってから開閉器を閉じ、電力系統と接続する際、前記順変換装置の出力電圧を当初は零にしておき、その後、前記誘導発電機の出力電圧を定格電圧まで徐々に上昇させていくように構成したことを特徴とする発電システム。

【請求項2】

前記誘導発電機は、制御電源を昇圧して全波整流し、その直流電力を電解コンデンサに充電することにより、運転開始時に必要な直流電圧を用意することを特徴とする請求項１記載の発電システム。

【請求項3】

前記誘導発電機は、軸電圧をコモンモードフィルタによって抑制することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力系統に接続する、誘導発電機を用いた発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化対策として再生可能エネルギーを利用した発電事業が重要視されている。これらの発電事業は、２０１２年に固定価格買取制度（ＦＩＴ）が施行されたことにより、急激に需要が伸びた。

【0003】

風力、水力、バイオマス発電などの再生可能エネルギーを利用した発電システムには発電機が用いられる。最も簡単な構成としては、図３に示すように、交流発電機を電力系統へ直接連系する方式が考えられる。この方式は、６．６ｋＶの高圧連系設備において広く用いられている。

【0004】

一方、比較的小規模な売電事業者の発電システムは低圧連系が選択される。低圧連系では２００Ｖといった低い電圧を扱い、高圧連系に対してイニシャルコストが低く、また、各種手続きやメンテナンスの簡易さの面で多くの利点がある。

【0005】

しかし我が国は、低圧連系をする場合、交流発電機からの出力を電力系統へ直接連系することを禁止している。これは、一般的に交流発電機の応答が遅いためで、系統故障時などの高速な停止や遮断が求められる場合の対応が難しいためである。

【0006】

そこで、図４のように、インバータ（逆変換装置）と交流発電機を組み合わせて系統連系する方式が採用されている。

【0007】

インバータは半導体バルブデバイスを使用することで、高速に停止や遮断が可能である。なお、インバータの機能に系統連系に必要な解列開閉器や保護リレーなどの種々の機能を加えたものをパワーコンディショナと呼ぶ。

【0008】

図４に示す発電システムでは、交流発電機で発電した交流電力を、一旦、コンバータにより直流電力に変換し、パワーコンディショナで再び交流電力に戻し、連系している電力系統へ逆潮流させる。

【0009】

交流発電機は同期式と誘導式の２種類に大別される。同期発電機の一般的な機器構成を図５に示す。同期発電機は、外部から出力電圧の制御が可能であるため、系統連系時に力率調整ができることや、系統と連系せずに自立運転ができるといった特長がある。

【0010】

一方で、このように出力電圧を制御するためには、回転子の界磁巻線に、外部から直流電流を制御して供給する必要がある。そのため、界磁用に直流電源装置とＡＶＲ（自動電圧調整器）が必要となる。

【0011】

加えてスリップリングとブラシを使用しているタイプの発電機では定期的な部品交換が必要である。さらに、部品点数が多いためシステムが複雑になる。

【0012】

誘導発電機は、同期発電機と比べて構造が簡単であり、小型、堅牢といった特長がある。また、同期発電機のような界磁用の装置が不要のため、システムを簡素化できる利点もある。

【0013】

また、回転子にかご形を採用した場合、スリップリングやブラシが無いため、構造が単純かつ安価となるだけでなく、定期的な部品交換が不要となる。

【0014】

誘導発電機を用いた発電システムの公知文献としては、例えば、下記特許文献１が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開２００６－８７２２１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

発電システムに誘導発電機を用いた場合、発電機の出力端子に接続した電源（電力系統）から励磁電流を供給する必要がある。そのため、電源（電力系統）の力率が低下することや、自立運転ができないといった問題がある。

【0017】

また、発電機と電源（電力系統）を接続したときに、発電機と順変換装置との間に定格電流の数倍の突入電流が発生してしまう問題もある。

【0018】

突入電流の抑制対策としては、順変換装置と誘導発電機との間に限流リアクトルを挿入する方法や、順変換装置の皮相容量を大きくする方法が考えられるが、いずれも装置の大型化やコストアップの要因となる。

【0019】

そこで、本発明では、誘導発電機の運転開始時の電源を電力系統の力率を低下させることなく確保するとともに、装置の大型化やコストアップを招くことなく、誘導発電機の電源投入時に流れる突入電流を確実に抑制することのできる発電システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0020】

請求項１記載の発明は、誘導発電機を用いて順変換装置と逆変換装置を介して電力系統に接続する発電システムにおいて、前記誘導発電機の回転速度が定格付近になってから開閉器を閉じ、電力系統と接続する際、前記順変換装置の出力電圧を当初は零にしておき、その後、前記誘導発電機の出力電圧を定格電圧まで徐々に上昇させていくように構成したことに特徴を有する。

【0021】

請求項２記載の発明は、制御電源を昇圧して全波整流し、その直流電力を電解コンデンサに充電することにより、請求項1記載の誘導発電機の運転開始時に必要な直流電圧を用意することに特徴を有する。

【0022】

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の誘導発電機の軸電圧をコモンモードフィルタによって抑制することに特徴を有する。

【発明の効果】

【0023】

請求項１記載の発明によれば、誘導発電機への交流電圧印加時の電流を定格電流以内に抑制することができる。

【0024】

請求項２記載の発明によれば、誘導発電機に供給する必要のある直流電圧を制御電源から供給することにより、電源（電力系統）の力率低下を防止できる。

【0025】

請求項３記載の発明によれば、誘導発電機の軸電圧が過大になることを防ぎ、誘導発電機の軸受が放電によって損傷することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の発電システムのシステム構成図である。

【図2】本発明に係る誘導発電機の軸電圧に対する等価回路である。

【図3】交流発電機を電力系統に直接連系する場合の発電システムの構成図である。

【図4】交流発電機を電力系統にインバータで連系する場合の発電システムの構成図である。

【図5】同期発電機の一般的な機器構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施の形態を図１および図２により説明する。図１は本発明の発電システムＡの構成図であり、図１において、１は例えば、三相ＡＣ２００Ｖ，５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの誘導発電機である。

【0028】

２は誘導発電機１を交流入力端子に接続した誘導発電機用の順変換装置（コンバータ）であり、誘導発電機１で発電した交流電力を直流電力に変換して出力する。３はコンバータ２の直流出力端子に接続された逆変換装置（パワーコンディショナ）であり、コンバータ２が出力する直流電力を再び交流電力に戻し、連系している電力系統４へ逆潮流させる。

【0029】

つづいて、本発明の特徴的部分であるコンバータ２の構成について説明する。本発明に係るコンバータ２は、遮断器ＭＣＣＢ１，ＭＣＣＢ２、開閉器ＭＣ１、リアクトルＬ、半導体バルブデバイス５、電解コンデンサＣと、これらを駆動する制御部６、および、初期充電回路７から概略構成されている。

【0030】

遮断器ＭＣＣＢ１，ＭＣＣＢ２は、過負荷や短絡などの要因で二次側の回路に異常な過電流が流れたときに電路を開放し、一次側からの電源供給を遮断して二次側の回路や電線を損傷から保護する。

【0031】

開閉器ＭＣ１は、電流を制御部６によって開閉することで、誘導発電機１を始動／停止させる制御機器であり、リアクトルＬは、誘導発電機１に加わるサージ電圧などの電気的ストレスを抑制する。

【0032】

半導体デバイス５を構成するパワー半導体としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いる。電解コンデンサＣは、初期充電回路７によって誘導発電機１起動用の直流電圧を充電する。

【0033】

制御部６は、図示しないシステム制御盤より運転許可信号を受信することにより、開閉器ＭＣ１を投入／開放したり、半導体バルブデバイス５のパワー半導体をＯＮ／ＯＦＦ操作する。また、初期充電回路７に投入指令を出力したり、前記システム制御盤にコンバータ２の状態を出力する機能を備える。

【0034】

初期充電回路７は、開閉器ＭＣ２、昇圧用のトランスＴｒ、整流器８、および、抵抗Ｒによって構成されており、遮断器ＭＣＣＢ２を介して図示しないシステム制御盤から制御電源（例えば、単相ＡＣ２００Ｖ）が供給される。

【0035】

以上のように構成した発電システムＡにおいて、発電システムＡを構成する誘導発電機１は、交流電圧を与えなければ電力を出力しない。そこで、本発明では、制御部６から初期充電回路７の開閉器ＭＣ２に投入指令を出力することにより、開閉器ＭＣ２を投入し、システム制御盤から制御電源を初期充電回路７のトランスＴｒによって昇圧し、整流器８によって全波整流することで、その直流電力を電解コンデンサＣに充電する。

【0036】

この充電によって得た直流電圧を半導体バルブデバイス５によって高周波ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）で変換して誘導発電機１に印加する。これにより、誘導発電機１は運転を開始することができる。

【0037】

つまり、本発明では、誘導発電機１の起動用に電力系統４から励磁電流を供給する必要がないので、電力系統４の力率が低下することがない。

【0038】

また、誘導発電機１へ前述のごとく交流電圧を印加する場合、本発明では、誘導発電機１とコンバータ２を接続する際に、当初はコンバータ２の出力電圧を零にしておき、接続後に出力電圧を定格電圧まで徐々に昇圧する方式を用いる。

【0039】

これにより、誘導発電機１の電源投入時（開閉器ＭＣ１投入時）に流れる突入電流を定格電流以内に抑制することができる。

【0040】

このように、ソフトウェアによって突入電流を抑制することができるので、ハードウェアで対策を行う場合と違い、部品点数の増加や回路の複雑化がなく、装置の大型化やコストアップを防ぐことができる。

【0041】

また、本発明では、半導体バルブデバイス５を構成するパワー半導体としてＩＧＢＴを三相フルブリッジ接続し、前述したとおり、直流電圧を高周波ＰＷＭで変換した電圧を誘導発電機１に印加する。この場合、誘導発電機１の固定子巻線にコモンモード電圧が印加される。

【0042】

ＰＷＭインバータは高周波でスイッチングするため、コモンモード電圧も高周波である。誘導発電機１の軸は、電気的に浮遊キャパシタンスを介して固定子巻線と結合しているため、大地に対し、軸に電圧（以下、軸－大地間電圧）が発生する。

【0043】

図２は前記軸電圧に対する等価回路である。軸電圧が過大となると軸受が電食し、誘導発電機１が故障に至る。軸－大地間電圧の大きさの指針としてはピーク値で１．０Ｖ以下となっている。軸―大地間電圧を低減するにはコモンモードフィルタが有効である。

【0044】

図２に示す等価回路から軸電圧は概略下記［数１］で求められる。

【0045】

【数1】

【0046】

ただし、Ｖｂ：軸電圧ピーク値、Ｖｃ：コモンモード電圧ピーク値、Ｘ１：固定子巻線－固定子鉄心間のリアクタンス、Ｘ２：固定子鉄心－軸間のリアクタンス、Ｘ３：軸－固定子間のリアクタンス、Ｒ１：固定子鉄心－大地間の抵抗、Ｘｃ：コンバータ－大地間のリアクタンスを示している。

【0047】

上記［数１］を用いてコモンモードフィルタの設計を行い、軸－大地間電圧のピーク値を１．０Ｖ以下とすることにより、誘導発電機１の軸受の電食を抑制することが可能となる。

【0048】

以上説明したように、本発明に係る発電システムによれば、誘導発電機を用いたときに生じる突入電流を抑制することができる。また、誘導発電機の運転開始時に必要とされる電源を、電力系統の力率を低下させることなく確保することができる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

再生可能エネルギーを利用した発電システムに適用可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 誘導発電機
２ 順変換装置（コンバータ）
３ 逆変換装置（パワーコンディショナ）
４ 電力系統
５ 半導体バルブデバイス
６ 制御部
７ 初期充電回路
８ 整流器
ＭＣＣＢ１，ＭＣＣＢ２ 遮断器
ＭＣ１，ＭＣ２ 開閉器
Ｌ リアクトル
Ｃ 電解コンデンサ
Ｒ 抵抗
Ａ 発電システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】