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(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】P2024083081
(43)【公開日】2024-06-20
(54)【発明の名称】発電システムおよび制御装置
(51)【国際特許分類】
H02P 9/14 20060101AFI20240613BHJP
H02M 7/487 20070101ALI20240613BHJP
H02P 9/30 20060101ALI20240613BHJP
【ＦＩ】
H02P9/14 B
H02M7/487
H02P9/30 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022197389
(22)【出願日】2022-12-09
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100124372
【弁理士】
【氏名又は名称】山ノ井 傑
(74)【代理人】
【識別番号】100217940
【弁理士】
【氏名又は名称】三並 大悟
(72)【発明者】
【氏名】児山 裕史
(72)【発明者】
【氏名】金田 大成
(72)【発明者】
【氏名】石月 照之
(72)【発明者】
【氏名】森 淳二
【テーマコード（参考）】
5H590
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H590AB01
5H590CA12
5H590CA14
5H590CC10
5H590CD01
5H590CD03
5H590CE01
5H590FA08
5H590FC12
5H590FC26
5H590GA07
5H590HA02
5H590HA27
5H770CA02
5H770CA03
5H770CA08
5H770DA32
5H770JA17Z
(57)【要約】
【課題】中性点の電位変動の影響を排除して安定に運転することが可能な発電システムを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る発電システムは、電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を有する中性点クランプ型の電力変換器と、インバータに接続される誘導発電機と、電力系統の系統電圧および誘導発電機から電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、誘導発電機のすべりとの関係に応じて、すべりの絶対値を低下させるように電力変換器を制御する制御装置と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】一実施形態に係る発電システムは、電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を有する中性点クランプ型の電力変換器と、インバータに接続される誘導発電機と、電力系統の系統電圧および誘導発電機から電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、誘導発電機のすべりとの関係に応じて、すべりの絶対値を低下させるように電力変換器を制御する制御装置と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を有する中性点クランプ型の電力変換器と、
前記インバータに接続される誘導発電機と、
前記電力系統の系統電圧および前記誘導発電機から前記電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、前記誘導発電機のすべりとの関係に応じて、前記すべりの絶対値を低下させるように前記電力変換器を制御する制御装置と、
を備える、発電システム。
前記インバータに接続される誘導発電機と、
前記電力系統の系統電圧および前記誘導発電機から前記電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、前記誘導発電機のすべりとの関係に応じて、前記すべりの絶対値を低下させるように前記電力変換器を制御する制御装置と、
を備える、発電システム。
【請求項2】
前記系統電圧および前記すべりが許容範囲外である場合に、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を前記許容範囲内に低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項3】
前記系統電圧に対応する前記誘導発電機の固定子電圧および前記すべりが許容範囲外である場合に、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を前記許容範囲内に低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項２に記載の発電システム。
【請求項4】
前記無効電力および前記すべりが許容範囲外である場合に、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を前記許容範囲内に低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項5】
前記制御装置は、前記系統電圧および前記すべりが第１許容範囲内であるか否か判定し、かつ、前記無効電力および前記すべりが第２許容範囲外であるか否かを判定し、
前記系統電圧および前記すべりが前記第１許容範囲外である場合、または前記無効電力および前記すべりが前記第２許容範囲外である場合に、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を前記第１許容範囲内および前記第２許容範囲内に低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項１に記載の発電システム。
前記系統電圧および前記すべりが前記第１許容範囲外である場合、または前記無効電力および前記すべりが前記第２許容範囲外である場合に、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を前記第１許容範囲内および前記第２許容範囲内に低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項6】
前記発電システムの運転モードが、前記無効電力を前記電力系統に出力する調相運転であるときに、前記制御装置は、前記すべりの絶対値を低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項7】
前記制御装置は、前記発電システムの運転モードが前記調相運転であるか否かを判定する処理を省略して、前記すべりの絶対値を低下させるように前記電力変換器を制御する、請求項６に記載の発電システム。
【請求項8】
前記制御装置は、前記すべりの絶対値を予め定められた値に低下させる、請求項１に記載の発電システム。
【請求項9】
電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を有する中性点クランプ型の電力変換器と、前記インバータに接続される誘導発電機と、を備える発電システムに設けられる制御装置であって、
前記電力系統の系統電圧および前記誘導発電機から前記電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、前記誘導発電機のすべりとの関係に応じて、前記すべりの絶対値を低下させるすべり設定部と、
前記すべりが、前記すべり設定部で設定された値となるように前記電力変換器を制御する駆動制御部と、
を備える制御装置。
前記電力系統の系統電圧および前記誘導発電機から前記電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、前記誘導発電機のすべりとの関係に応じて、前記すべりの絶対値を低下させるすべり設定部と、
前記すべりが、前記すべり設定部で設定された値となるように前記電力変換器を制御する駆動制御部と、
を備える制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、発電システムおよび制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
高速な出力制御で電力系統の安定化に寄与する可変速揚水発電システムが、世界的に開発されて導入されている。可変速揚水発電システムには、誘導発電機の二次（回転子）巻線に二次励磁変換器を接続する二次励磁変換器方式が知られている。
【0003】
二次励磁変換器には、インバータおよびコンバータ等の電力変換器が設けられている。インバータは、誘導発電機の固定子巻線に励磁電流を供給する。一方、コンバータは、インバータの直流電圧を維持するよう動作する。
【0004】
電力変換器の回路構成として中性点クランプ型（ＮＰＣ：Neutral Point Clamped）が採用される場合がある。中性点クランプ型では、誘導発電機３０の相毎に６つの半導体スイッチング素子が設けられるとともに、電源電圧を分圧する２つのコンデンサが設けられる。中性点クランプ型の電力変換器では、２つのコンデンサ間における中性点の電位が変動する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第７０６８０１５号公報
【特許文献2】特許第７００５４１７号公報
【特許文献3】特許第７００２９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
中性点の電位変動が大きいと、電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に定格を超える電圧が印加される場合がある。この場合、半導体スイッチング素子に定格よりも大きな電圧が印加されて素子が破壊する恐れがあることに加えて、出力電圧が歪む、運転が不安定なるといった技術的課題が生じ得る。
【0007】
本発明が解決しようとする課題は、中性点の電位変動の影響を排除して安定に運転することが可能な発電システムおよび制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一実施形態に係る発電システムは、電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を有する中性点クランプ型の電力変換器と、インバータに接続される誘導発電機と、電力系統の系統電圧および誘導発電機から電力系統へ出力される無効電力の少なくとも一方と、誘導発電機のすべりとの関係に応じて、すべりの絶対値を低下させるように電力変換器を制御する制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【0009】
本実施形態によれば、中性点の電位変動の影響を排除して安定に運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図2】二次励磁変換器の回路構成の一例を示す図である。
【図3】第１実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図4】中性点ＮＰの電位変動を説明するための図である。
【図5】系統電圧およびすべりの許容範囲の一例を示す図である。
【図6】第２実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図7】無効電力およびすべりの許容範囲の一例を示す図である。
【図8】第３実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図9】第４実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図10】第４実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。
【0012】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す発電システム１は、二次励磁変換器１０と、制御装置２０と、誘導発電機３０と、水車４０と、変圧器５０と、遮断器６０と、を備える。この発電システム１は、水車４０の回転で発電する可変速揚水発電システムである。ただし、本発明に係る発電システムは、可変速揚水発電システムを含む水力発電システムだけでなく、例えば風力発電システム等の他の発電システムにも適用できる。発電システム１が、風力発電システムである場合、風車が水車４０の代わりに設置される。以下、発電システム１の構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す発電システム１は、二次励磁変換器１０と、制御装置２０と、誘導発電機３０と、水車４０と、変圧器５０と、遮断器６０と、を備える。この発電システム１は、水車４０の回転で発電する可変速揚水発電システムである。ただし、本発明に係る発電システムは、可変速揚水発電システムを含む水力発電システムだけでなく、例えば風力発電システム等の他の発電システムにも適用できる。発電システム１が、風力発電システムである場合、風車が水車４０の代わりに設置される。以下、発電システム１の構成について説明する。
【0013】
二次励磁変換器１０は、中性点クランプ型の電力変換器の一例であり、インバータ１１、コンバータ１２、第１コンデンサ１３ａ、第２コンデンサ１３ｂ、および変圧器１４を有する。ここで、図２を参照して二次励磁変換器１０の回路構成について説明する。
【0014】
図２は、二次励磁変換器１０の回路構成の一例を示す図である。図１２に示すインバータ１１およびコンバータ１２の回路構成は、中性点クランプ型である。具体的には、インバータ１１は、誘導発電機３０の各相に対応する３つの交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１ごとに、６つ半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６を有する。各半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。また、各半導体素子には、ダイオードが逆並列に接続されている。
【0015】
半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１４は、高電位点Ｐと低電位点Ｎとの間で直列に接続されている。そのため、半導体スイッチング素子Ｓ１１のコレクタ端子が直流端子として高電位点Ｐに接続され、半導体スイッチング素子Ｓ１４のエミッタ端子が直流端子として低電位点Ｎに接続される。
【0016】
また、半導体スイッチング素子Ｓ１５および半導体スイッチング素子Ｓ１６は、直列に接続されている。このとき、半導体スイッチング素子Ｓ１５と半導体スイッチング素子Ｓ１６の接続点は、高電位点Ｐと低電位点Ｎとの中間に位置する中性点ＮＰに接続される。さらに、半導体スイッチング素子Ｓ１５および半導体スイッチング素子Ｓ１６は、半導体スイッチング素子Ｓ１２および半導体スイッチング素子Ｓ１３に対して並列に接続されている。
【0017】
半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６の各々は、制御装置２０から各素子のゲートに入力される信号に基づいてオンおよびオフする。これにより、直流端子に入力された直流電力が、交流電力に変換される。この交流電力は、交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１から誘導発電機３０に供給される。なお、半導体スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６は、図２では１つの半導体スイッチング素子として表記されているが、複数の半導体スイッチング素子を直列接続し、同一のゲート信号で駆動することで事実上１つの素子として動作させてもよい。また、インバータ１１は、同じ回路が複数並列接続されて構成されていてもよい。
【0018】
一方、コンバータ１２は、３つの交流端子ｕ２、ｖ２、ｗ２ごとに、６つ半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６を有する。各半導体素子は、インバータ１１と同様に、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。また、半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の各々にもダイオードが逆並列に接続されている。半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の接続形態は、インバータ１１と同じである。半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の各々も、制御装置２０から各素子のゲートに入力される信号に基づいてオンおよびオフする。これにより、電力系統９０から変圧器５０を介して交流端子ｕ２、ｖ２、ｗ２に入力された交流電力が、インバータ１１の運転に必要な直流電力に変換される。なお、半導体スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６は、図２では１つの半導体スイッチング素子として表記されているが、複数の半導体スイッチング素子を直列接続し、同一のゲート信号で駆動することで事実上１つの素子として動作させてもよい。また、コンバータ１２は、同じ回路が複数並列接続されて構成されていてもよい。
【0019】
第１コンデンサ１３ａは、高電位点Ｐと中性点ＮＰとの間に接続される。第２コンデンサ１３ｂは、中性点ＮＰと低電位点Ｎとの間に接続される。第１コンデンサ１３ａおよび第２コンデンサ１３ｂは、高電位点Ｐと中性点ＮＰとの間における電源電圧ＶＰＮを、電圧Ｖｐと電圧ＶＮとに分圧する。
【0020】
図１に戻って、変圧器１４はコンバータ１２の入力側に接続される。変圧器１４は、入力電圧を所定の電圧に変圧する。変圧された電圧が、コンバータ１２に入力される。
【0021】
続いて、制御装置２０について説明する。制御装置２０は、運転モード判定部２１、すべり設定部２２、および駆動制御部２３を有する。運転モード判定部２１は、二次励磁変換器１０の運転モードが、調相運転モードか否かを判定する。すべり設定部２２は、電力系統９０の系統電圧および誘導発電機３０のすべりに基づいて、誘導発電機３０のすべり値を、第１すべり値または第２すべり値に設定する。第１すべり値または第２すべり値については後述する。駆動制御部２３は、誘導発電機３０がすべり設定部２２で設定されたすべり値で回転するように、インバータ１１の半導体スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６およびコンバータ１２の半導体スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６のスイッチング動作をそれぞれ制御する。
【0022】
誘導発電機３０は、巻線型の三相誘導発電機である。誘導発電機３０の二次励磁巻線は、インバータ１１の交流端子ｕ、ｖ、ｗに接続される。誘導発電機３０の固定子巻線は、遮断器６０を介して変圧器５０に接続される。
【0023】
水車４０は、誘導発電機３０の回転軸に接続される。水車４０は、ダムの放流によって生成される水流で回転する。水車４０の回転力は、誘導発電機３０に伝達されて電力に変換される。
【0024】
変圧器５０は、誘導発電機３０の出力電圧を変圧する。変圧された電圧は、遮断器７０を介して送電線８０で電力系統９０に送電される。また、変圧器５０は、電力系統９０から送電線８０を介して供給された交流電圧を変圧する。変圧された交流電圧は、コンバータ１２に供給される。
【0025】
遮断器６０は、誘導発電機３０と変圧器５０との間に接続される。遮断器６０は、発電システム１内で異常が発生した場合に誘導発電機３０と変圧器５０との接続を遮断する。
【0026】
遮断器７０は、変圧器５０と送電線８０との間に接続される。遮断器７０は、電力系統９０で異常が発生した場合に変圧器５０と送電線８０との接続を遮断する。なお、本実施形態では、変圧器１４、変圧器５０、遮断器６０、および遮断器７０は、設置されていなくてもよい。
【0027】
次に、上記のように構成された本実施形態に係る発電システム１の動作について説明する。
【0028】
図３は、第１実施形態に係る発電システム１の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、制御装置２０の動作を中心に説明する。
【0029】
まず、制御装置２０の運転モード判定部２１が、発電システム１が調相運転モードであるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１では、運転モード判定部２１によって、発電システム１の運転モードが、調相運転モードまたは調相運転モード以外の運転モードに切り分けられる。調相運転モードは、二次励磁変換器１０の制御によって誘導発電機３０から無効電力のみを電力系統９０に出力する運転モードである。調相運転モード以外の運転モードには、例えば、水車４０の回転力を誘導発電機３０で電力に変換する発電運転モードがある。
【0030】
発電システム１の運転モードは、オペレータの操作によって外部の中央制御指令装置（不図示）から出力される運転指令１００によって決定される。この運転指令１００は、制御装置２０に入力される。そのため、ステップＳ１０１では、運転モード判定部２１は、運転指令１００の内容に基づいて、調相運転モードであるか否かを判定する。
【0031】
図４は、中性点ＮＰの電位変動を説明するための図である。図４には、第１コンデンサ１３ａ両端の電圧ＶＰ、第２コンデンサ１３ｂ両端の電圧ＶＮ、電源電圧ＶＰＮの波形が示されている。図４に示すように、電源電圧ＶＰＮは、一定であるのに対して、電圧ＶＰ、電圧ＶＮは各コンデンサの充放電に伴って変動する。これにより、中性点ＮＰの電位も変動する。中性点ＮＰの電位変動は、調相運転モードで大きくなる。そのため、本実施形態では、まず、運転モード判定部２１が、発電システム１が調相運転モードであるか否かを判定する。
【0032】
運転モード判定部２１が、発電システム１の運転モードを調相運転モードであると判定した場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御装置２０のすべり設定部２２が、電力系統９０の系統電圧および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、系統電圧およびすべりの値は、運転指令１００に示されている。なお、すべり設定部２２は、例えば、電力系統９０に設置された電圧センサの計測値から系統電圧の値を取得してもよい。さらに、すべり設定部２２は、例えば、誘導発電機３０に設置された速度センサの計測値からすべりの値を取得してもよいし、インバータ１１の制御に使用する周波数情報からすべりの値を取得してもよい。
【0033】
図５は、系統電圧およびすべりの許容範囲の一例を示す図である。図５では、横軸は、誘導発電機３０のすべり、換言すると誘導発電機３０の回転速度を示す。すべり０は系統との同期速度であることを表す。一方、縦軸は、系統電圧、すなわち、電力系統９０の出力電圧を示す。図５に示す領域Ｒ１１が第１許容範囲に相当する。また、領域Ｒ１１の外側の領域Ｒ１２が、第１許容範囲外になる。
【0034】
本実施形態に係る発電システム１では、誘導発電機３０のすべりの絶対値が大きくなるにつれて、中性点ＮＰの電位変動は大きくなってしまう。また、発電システム１では、変圧器５０を介して電力系統９０と誘導発電機３０が接続されている。そのため、電力系統９０の系統電圧が高くなるにつれて、誘導発電機３０の固定子電圧が高くなる。その結果、中性点ＮＰの電位変動は大きくなってしまう。つまり、系統電圧およびすべりで特定される運転点が、図５に示す領域Ｒ１１内に存在すれば、中性点ＮＰの電位変動が発電システム１の運転に及ぼす影響は小さい。しかし、上記運転点が領域Ｒ１２に存在すれば、中性点ＮＰの電位変動が、発電システム１の運転に支障をきたすおそれがある。
【0035】
そこで、ステップＳ１０２では、図５に示す座標系の中で電力系統９０の系統電圧の値と、誘導発電機３０のすべりの値とで特定される運転点が、領域Ｒ１１に存在する場合、すべり設定部２２は、系統電圧およびすべりが許容範囲内であると判定する。反対に、この運転点が領域Ｒ１２に存在する場合、すべり設定部２２は、系統電圧およびすべりが許容範囲外であると判定する。なお、すべり設定部２２は、すべりと系統電圧の値をパラメータとする関数式に基づいて判定してもよい。または、すべり設定部２２は、すべりと系統電圧の許容値を互いに対応付けたデータテーブルを用いて判定してもよい。なお、ステップＳ１０２では、すべり設定部２２は、系統電圧の代わりに誘導発電機３０の固定子の電圧に基づいて判定してもよい。
【0036】
図３に戻って、ステップＳ１０１で発電システム１の運転モードが調相運転モードでない（ステップＳ１０１：ＮＯ）、すなわち発電運転モードである場合、またはステップＳ１０２で系統電圧およびすべりが許容範囲内である場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第１すべり値に設定する（ステップＳ１０３）。第１すべり値は、運転指令１００で初期設定されるすべりの指令値であり、図５に示す領域Ｒ１１内に存在する。
【0037】
一方、系統電圧およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第２すべり値に設定する（ステップＳ１０４）。例えば、図５に示すように、現状のすべり値が、上限値よりも大きなすべり値ｓＡである場合、すべり設定部２２は、このすべり値ｓＡを、領域Ｒ１１に存在するすべり値ｓＢに変更する。このすべり値ｓＢが第２すべり値である。すべり値ｓＢの絶対値は、すべり値ｓＡの絶対値よりも小さい。この場合、駆動制御部２３は、誘導発電機３０の回転速度を減速させるようにインバータ１１およびコンバータ１２を制御する。例えば、駆動制御部２３は、インバータ１１の出力電圧値が減少するように半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６のゲートに入力される電圧指令値を調整する。
【0038】
また、図５に示すように、現状のすべり値が、下限値よりも小さなすべり値ｓｃである場合、すべり設定部２２は、このすべり値ｓｃを、領域Ｒ１１に存在するすべり値ｓＤに変更する。このすべり値ｓＤも第２すべり値に該当する。すべり値ｓＤの絶対値は、すべり値ｓＣの絶対値よりも小さい。この場合、駆動制御部２３は、誘導発電機３０の回転速度を加速させるようにインバータ１１およびコンバータ１２を制御する。例えば、駆動制御部２３は、インバータ１１の出力電圧値が増加するように半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６のゲートに入力される電圧指令値を調整する。
【0039】
上述したすべり値ｓＢおよびすべり値ｓＤ等の第２すべり値は、事前の計算や解析による検討によって予め定められ、すべり設定部２２内に数値として記憶されている。または、すべり設定部２２は、第２すべり値を求める数式を保持していてもよい。この場合、すべり設定部２２は、この数式に基づいて第２すべり値を算出する。
【0040】
上述したようにすべり値ｓＢの絶対値は、すべり値ｓＡの絶対値よりも小さい。また、すべり値ｓＤの絶対値は、すべり値ｓＣの絶対値よりも小さい。このようにすべりの絶対値が小さくなると、インバータ１１の出力電圧の振幅が小さくなる。これにより、中性点ＮＰの電位変動を抑制するための零相電圧の重畳に余裕が生まれる。そのため、中性点ＮＰの電位変動を抑制しやすくなる。
【0041】
以上説明した本実施形態では、誘導発電機３０のすべり（回転速度）が、二次励磁変換器１０の中性点ＮＰの電位変動を引き起こしやすい条件に設定されていると、すべり設定部２２が、すべり値を是正する。よって、本実施形態によれば、中性点の電位変動の影響を排除して発電システム１を安定に運転することが可能となる。
【0042】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
【0043】
図６は、第２実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートのうち、ステップＳ２０２を除くステップＳ２０１、Ｓ２０３、およびＳ２０４の動作内容については、上述した第１実施形態のステップＳ１０１、Ｓ１０３、およびＳ１０４とそれぞれ同じであるため説明を省略する。以下、本実施形態に係るステップＳ２０２の動作について説明する。
【0044】
ステップＳ２０２では、制御装置２０のすべり設定部２２が、発電システムから電力系統９０へ出力する無効電力および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する。無効電力の値は、すべり値とともに運転指令１００に示されている。
【0045】
図７は、無効電力およびすべりの許容範囲の一例を示す図である。図７では、横軸は、誘導発電機３０のすべり、換言すると誘導発電機３０の回転速度を示す。一方、縦軸は、誘導発電機３０およびインバータ１１から電力系統９０へ出力される無効電力を示す。図７に示す領域Ｒ２１が第２許容範囲に相当する。また、領域Ｒ２１の外側の領域Ｒ２２が、第２許容範囲外になる。
【0046】
駆動制御部２３からインバータ１１に与えられる無効電力指令値が大きいと、インバータ１１から誘導発電機３０に供給される無効電流が大きくなる。そのため、中性点ＮＰの電位変動が大きくなってしまう。つまり、無効電力およびすべりで特定される運転点が、図７に示す領域Ｒ２１内に存在すれば、中性点ＮＰの電位変動が発電システムの運転に及ぼす影響は小さい。しかし、上記運転点が領域Ｒ２２に存在すれば、中性点ＮＰの電位変動が、発電システムの運転に支障をきたすおそれがある。
【0047】
そこで、ステップＳ２０２では、図７に示す座標系の中で無効電力の値と、誘導発電機３０のすべりの値とで特定される運転点が、領域Ｒ２１に存在する場合、すべり設定部２２は、無効電力およびすべりが許容範囲内であると判定する。反対に、この運転点が領域Ｒ２２に存在する場合、すべり設定部２２は、無効電力およびすべりが許容範囲外であると判定する。なお、すべり設定部２２は、すべりと無効電力の値をパラメータとする関数式に基づいて判定してもよい。または、すべり設定部２２は、すべりと無効電力の許容値を互いに対応付けたデータテーブルを用いて判定してもよい。
【0048】
ステップＳ２０２で無効電力およびすべりが許容範囲内である場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第１すべり値に設定する（ステップＳ２０３）。
【0049】
一方、ステップＳ２０２で無効電力およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第２すべり値に設定する（ステップＳ２０４）。例えば、図７に示すように、現状のすべり値が、上限値よりも大きなすべり値ｓＥである場合、すべり設定部２２は、このすべり値ｓＥを、領域Ｒ２１に存在するすべり値ｓＦに変更する。このすべり値ｓＦが第２すべり値である。すべり値ｓＦの絶対値は、すべり値ｓＥの絶対値よりも小さい。この場合、駆動制御部２３は、誘導発電機３０の回転速度を減速させるようにインバータ１１およびコンバータ１２を制御する。例えば、駆動制御部２３は、インバータ１１の出力電圧値が減少するように半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６のゲートに入力される電圧指令値を調整する。
【0050】
また、図７に示すように、現状のすべり値が、下限値よりも小さなすべり値ｓＧである場合、すべり設定部２２は、このすべり値ｓＧを、領域Ｒ１１に存在するすべり値ｓＨに変更する。このすべり値ｓＨも第２すべり値に該当する。すべり値ｓＨの絶対値は、すべり値ｓＧの絶対値よりも小さい。この場合、駆動制御部２３は、誘導発電機３０の回転速度を加速させるようにインバータ１１およびコンバータ１２を制御する。例えば、駆動制御部２３は、インバータ１１の出力電圧値が増加するように半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６のゲートに入力される電圧指令値を調整する。
【0051】
上述したすべり値ｓＢおよびすべり値ｓＤ等の第２すべり値は、事前の計算や解析による検討によって予め定められ、すべり設定部２２内に数値として記憶されている。または、すべり設定部２２は、第２すべり値を求める数式を保持していてもよい。この場合、すべり設定部２２は、この数式に基づいて第２すべり値を算出する。
【0052】
上述したようにすべり値ｓＦの絶対値は、すべり値ｓＥの絶対値よりも小さい。また、すべり値ｓＨの絶対値は、すべり値ｓＧの絶対値よりも小さい。このようにすべりの絶対値が小さくなると、インバータ１１の出力電圧の振幅が小さくなる。これにより、中性点ＮＰの電位変動を抑制するための零相電圧の重畳に余裕が生まれる。そのため、中性点ＮＰの電位変動を抑制しやすくなる。
【0053】
以上説明した本実施形態でも、第１実施形態と同様に、誘導発電機３０のすべり（回転速度）が、二次励磁変換器１０の中性点ＮＰの電位変動を引き起こしやすい条件に設定されていると、すべり設定部２２が、すべり値を是正する。よって、本実施形態においても、中性点の電位変動の影響を排除して発電システムを安定に運転することが可能となる。
【0054】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
以下、第３実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
【0055】
図８は、第３実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。このフローチャートでは、まず、制御装置２０の運転モード判定部２１が、発電システムが調相運転モードであるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。ステップＳ３０１の内容は、第１実施形態で説明したステップＳ１０１と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【0056】
運転モード判定部２１が、発電システムの運転モードを調相運転モードであると判定した場合（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、制御装置２０のすべり設定部２２が、電力系統９０の系統電圧および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ３０２）。ステップＳ３０２の内容は、第１実施形態で説明したステップＳ１０２と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【0057】
系統電圧およびすべりが許容範囲内である場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、すべり設定部２２は、発電システムから電力系統９０へ出力する無効電力および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。ステップＳ３０３の内容は、第２実施形態で説明したステップＳ２０２と同じであるため、詳細な説明を省略する。なお、すべり設定部２２は、ステップＳ３０３の動作をステップＳ３０２の動作よりも先に行ってもよい。すなわち、すべり設定部２２は、無効電力およびすべりに基づく判定動作を、系統電圧およびすべりに基づく判定動作よりも先に行ってもよい。
【0058】
発電システムの運転モードが調相運転モードでない（ステップＳ３０１：ＮＯ）、すなわち発電運転モードである場合、または、系統電圧およびすべりが許容範囲内であり（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、かつ無効電力およびすべりが許容範囲内である（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）場合、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第１すべり値に設定する（ステップＳ３０４）。第１すべり値は、運転指令１００で初期設定されるすべりの指令値であり、図５に示す領域Ｒ１１かつ図７に示す領域Ｒ２１内に存在する。
【0059】
一方、系統電圧およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、または無効電力およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ３０３：ＮＯ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第２すべり値に設定する（ステップＳ３０５）。ステップＳ３０５では、すべり設定部２２は、誘導発電機３０の現状のすべり値を、図５に示す領域Ｒ１１かつ図７に示す領域Ｒ２１内に存在するすべり値に変更する。このとき、すべり設定部２２は、例えば第１実施形態または第２実施形態で説明したようにインバータ１１の各半導体スイッチング素子のゲートに入力される電圧指令値を調整して第２すべり値を設定する。
【0060】
以上説明した本実施形態では、すべり設定部２２は、電力系統９０の系統電圧、発電システムから電力系統へ出力する無効電力、および誘導発電機３０のすべりという３つの運転条件に基づいて判定することによって、すべり値を設定する。二次励磁変換器１０の中性点ＮＰの電位変動には、これら３つの運転条件の全てが影響する。したがって、本実施形態によれば、第１実施形態よび第２実施形態に比べて、中性点ＮＰの電位変動が発生する運転条件であるか否かをより的確に判定することが可能となる。
【0061】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図９では、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係る発電システム４では、制御装置２０の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、図９に示す制御装置２０は、運転モード判定部２１を有していない。
図９は、第４実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図９では、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係る発電システム４では、制御装置２０の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、図９に示す制御装置２０は、運転モード判定部２１を有していない。
【0062】
図１０は、第４実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。上記のように、本実施形態に係る制御装置２０は、運転モード判定部２１を有していないので、発電システム４が調相運転であるか否かの判定動作は行われない。そのため、このフローチャートでは、まず、制御装置２０のすべり設定部２２が、電力系統９０の系統電圧および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。ステップＳ４０１の内容は、第１実施形態で説明したステップＳ１０２と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【0063】
系統電圧およびすべりが許容範囲内である場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、すべり設定部２２は、発電システム４から電力系統９０へ出力する無効電力および誘導発電機３０のすべりが許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。ステップＳ４０２の内容は、第２実施形態で説明したステップＳ２０２と同じであるため、詳細な説明を省略する。なお、本実施形態では、すべり設定部２２は、ステップＳ４０２の動作をステップＳ４０１の動作よりも先に行ってもよい。すなわち、すべり設定部２２は、無効電力およびすべりに基づく判定動作を、系統電圧およびすべりに基づく判定動作よりも先に行ってもよい。
【0064】
系統電圧およびすべりが許容範囲内であり（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、かつ無効電力およびすべりが許容範囲内である（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）場合、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第１すべり値に設定する（ステップＳ４０３）。第１すべり値は、第３実施形態と同様に、運転指令１００で初期設定されるすべりの指令値であり、図５に示す領域Ｒ１１かつ図７に示す領域Ｒ２１内に存在する。
【0065】
一方、系統電圧およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）、または無効電力およびすべりが許容範囲外である場合（ステップＳ４０２：ＮＯ）、すべり設定部２２は、誘導発電機３０のすべりの値を第２すべり値に設定する（ステップＳ４０４）。ステップＳ４０４では、第３実施形態と同様に、すべり設定部２２は、誘導発電機３０の現状のすべり値を、図５に示す領域Ｒ１１かつ図７に示す領域Ｒ２１内に存在するすべり値に変更する。このとき、すべり設定部２２は、例えば第１実施形態または第２実施形態で説明したようにインバータ１１の各半導体スイッチング素子のゲートに入力される電圧指令値を調整して第２すべり値を設定する。
【0066】
以上説明した本実施形態では、すべり設定部２２は、電力系統９０の系統電圧、発電システムから電力系統へ出力する無効電力、および誘導発電機３０のすべりという３つの運転条件に基づいて判定することによって、すべり値を設定する。二次励磁変換器１０の中性点ＮＰの電位変動には、これら３つの運転条件の全てが影響する。したがって、本実施形態によれば、第１実施形態よび第２実施形態に比べて、中性点ＮＰの電位変動が発生する運転条件であるか否かをより的確に判定することが可能となる。
【0067】
また、本実施形態では、発電システム４の運転モードを判定する処理が不要になる。そのため、すべり値を設定するまでの処理時間が短縮される。これにより、より迅速に発電システム４の運転を安定させることが可能となる。なお、本実施形態では、すべり設定部２２は、系統電圧または無効電力のいずれか一方と、すべりに基づいてすべり値を設定してもよい。すなわち、上述した第１実施形態においてステップＳ１０１の処理を省略してもよいし、上述した第２実施形態においてステップＳ２０１の動作を省略してもよい。この場合も、制御装置２０の処理時間を短縮して、発電システムの運転を迅速に安定させることが可能となる。
【0068】
以上、実施形態を幾つか説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【0069】
１：発電システム
１０：二次励磁変換器（中性点クランプ型の電力変換器）
１１：インバータ
１２：コンバータ
２０：制御装置
２２：すべり設定部
２３：駆動制御部
３０：誘導発電機
１０：二次励磁変換器（中性点クランプ型の電力変換器）
１１：インバータ
１２：コンバータ
２０：制御装置
２２：すべり設定部
２３：駆動制御部
３０：誘導発電機
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
