JP2003088190A

JP2003088190A - 発電設備

Info

Publication number: JP2003088190A
Application number: JP2001277522A
Authority: JP
Inventors: Michio Nishino; 民智夫西野; Isamu Inoue; 勇井上
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2003-03-20

Abstract

(57)【要約】【課題】固定羽根プロペラの風車発電設備のように、
運転条件によって速度が変化する動力源機器で発電機を
運転するのでは、発電効率が悪くなる。【解決手段】動力変化に対して、動力源機器１をその
最適回転速度近傍で運転し、発電機２の発電電圧を昇圧
回路３で一定電圧まで昇圧し、この出力を周波数変換器
４で一定周波数に変換して出力する。昇圧回路は、タッ
プ付き変圧器、整流器と昇圧チョッパ構成とする。ま
た、昇圧回路は、昇圧が不要のときに昇圧チョッパまた
は整流器と昇圧チョッパおよび周波数変換器をバイパス
させるスイッチを設ける。また、昇圧回路は、発電機の
巻線のインダクタンスを利用して直流チョッパ構成とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力変化を伴う動
力源機器により発電機を運転し、該発電機を電源として
負荷に一定電圧及び一定周波数の電力を供給するための
発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電機は一般に、一定の回転速度で運転
される。これは発電電圧と周波数の、２つの制約によ
る。このため、発電に用いられる動力源機器（エンジン
など）も一定の回転速度で運転される。

【０００３】水力発電機、風力発電機、およびガスター
ビン発電機の一部には、変速機あるいはインバーターを
用いて、動力源機器の回転速度を変えられる様にしたも
のもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】小規模な水力発電設
備、潮汐発電、風力発電等では、落差あるいは風速の変
化が避けられず、動力源機器のエネルギー変換効率の低
下と回転速度変動を伴い、発電機の定速運転も維持でき
なくなる。この様な動力源機器の場合、水車や風車を可
動羽根プロペラとし、定速運転の維持とエネルギー変換
効率を高めることがなされるが、整備性の悪化や価格の
上昇は避けられない。

【０００５】風力発電では地上数十ｍの塔の上に発電機
器が設置されるため、重量等が制限され、信頼性にも問
題がある。そのため、あえて固定羽根プロペラが採用さ
れる場合も多いが、低風速時等の効率低下は避けられな
い。

【０００６】水力発電機の一部に変速機を、風力発電機
の一部にインバーターを具え、水車や風車の回転速度を
変えられるようにしたものがある。これらは、固定羽根
プロペラの水車や風車は、最適回転速度が、落差や風速
など、運転条件によって変化するためである。しかし、
変速機は機械装置であるため、定期的な点検整備が必要
である。インバーターを具えた風力発電機等は、低回転
速度における出力電圧を確保するため、発電機は太い鉄
心を用いて磁束を増すか、コイルの巻数を増やす必要が
ある。周波数を上げるために極数を増やす必要もあり、
発電容量に比べて大型となる。

【０００７】本発明の目的は、動力源機器及び発電機を
複雑、大型にすることなく、発電効率を高めた発電設備
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】固定羽根プロペラのよう
に、運転条件によって最適回転速度（エネルギー変換効
率が最も高い速度）が変化する動力源機器は多い。図５
は、固定羽根水車の最適回転速度特性を示し、動力水の
落差Ｈの変化によって最適回転速度ωが大きく変動す
る。

【０００９】この様な機器を用いて発電を行うにおい
て、本発明は、発電機の出力側に、昇圧回路と周波数変
換器を用いる事で、機械部品を増やさず、発電機も大き
くせずに、動力源機器を最適回転速度で運転するもので
ある。

【００１０】すなわち、動力源機器の回転速度をω_t、
発電設備としての供給電圧をｅ_sとすると、発電機軸の
回転速度ω_gと発電機出力電圧ｅ_gの間にはω_g＝ｋｅ_gの
関係がある。よって、３者の関係は

【００１１】

【数１】（ω_t／ｊｋ）＝ｅ_g＝（ｅ_s／ｌ）となる。ただし、ｊは動力源機器と発電機の間に設けた
変速機器の減速比、ｋは発電機の磁束、巻数、極数等で
異なる数値、ｌは発電機の出力側に設けた変圧機器の変
圧比である。

【００１２】水車、風車等の動力源機器は、運転条件に
より最適回転速度が変化するが、発電設備の供給電圧ｅ
_sは通常一定である。このときｊ，ｋ，ｌのうち１つ以
上を調整すれば、供給電圧ｅ_sを一定に保ったまま、動
力源機器の回転速度ω_tを変えることができる。しか
し、ｊの調整では変速機器を必要とする。また、ｋの調
整では発電機に極数切換機構等を必要とする。

【００１３】そこで、本発明では、昇圧回路により変圧
比ｌを調整することにより、機械部品を増やす必要がな
く、発電機を大型化する必要もなく、高い発電効率を得
るものである。なお、周波数については周波数変換器で
調整する。

【００１４】以上のことから、本発明は、以下の構成を
特徴とする。

【００１５】（１）動力変化を伴う動力源機器で発電機
を運転し、該発電機を電源として負荷に一定電圧および
一定周波数の電力を供給する発電設備であって、動力変
化に対して前記動力源機器をその最適回転速度近傍で運
転したときの前記発電機の発電電圧を前記一定電圧まで
昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を前記一定周
波数に変換して負荷に供給する周波数変換器とを備えた
ことを特徴とする。

【００１６】（２）前記昇圧回路は、タップの切換えで
昇圧比を切換えるタップ付き変圧器で構成したことを特
徴とする。

【００１７】（３）前記昇圧回路は、電力用半導体素子
で主回路を構成する整流器と昇圧チョッパとし、該昇圧
チョッパで昇圧比を無段階で調節する直流コンバータ構
成としたことを特徴とする。

【００１８】（４）前記昇圧回路は、昇圧が不要のとき
に前記昇圧チョッパをバイパスさせるスイッチ、または
前記整流器と昇圧チョッパおよび周波数変換器をバイパ
スさせるスイッチを設けたことを特徴とする。

【００１９】（５）前記昇圧回路は、発電機の巻線のイ
ンダクタンスを利用して直流チョッパで昇圧する構成と
したことを特徴とする。

【００２０】（６）前記動力源機器と発電機は、水力発
電機、風力発電機、潮汐発電機、蒸気タービン発電機、
ガスタービン発電機、エンジン発電機のいずれかにした
ことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は、本発明の
実施形態を示す発電設備の要部構成図である。固定羽根
プロペラを持つ動力源機器１は、発電機２に、直接ある
いは減速機等を介して結合する。発電機２の発電出力端
には昇圧回路３を接続し、昇圧回路３で発電電圧を調整
する。昇圧回路３の出力は、周波数変換器４によって周
波数変換して出力する。

【００２２】昇圧回路３は、タップ付き変圧器で構成
し、発電機２の発電電圧の変動に対して、タップの切換
えによって昇圧出力電圧（発電設備の出力電圧）を一定
にする。

【００２３】周波数変換器４は、順変換部と逆変換部で
構成し、逆変換部の制御周波数（発電設備の出力周波
数）を一定にする。なお、順変換部は整流器構成とする
こと、逆変換部はＰＷＭ制御方式とするなど、負荷の要
求する電力品質や設備コストの要求に応じて適宜設計変
更される。また、主回路構成は制御極付きの電力用半導
体素子（トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＧＴＯ等）
を使用することができる。また、周波数変換器４は、図
６および図７に例を示すサイクロコンバータを使用する
ことができる。

【００２４】この構成により、動力源機器の回転速度は
負荷への供給電圧や周波数と独立して制御する事が出来
るため、最適回転速度付近でのエネルギー変換効率の良
い運転が可能となる。また、昇圧回路を使用しているた
め、低速回転時に発電機の出力電圧が供給電圧を下回っ
ても問題なく、発電機の大型化を避けることができる。

【００２５】（実施形態２）図２は、昇圧型の直流コン
バータを使用した実施形態を示す。発電機２の発電出力
端には整流器５を接続し、整流器５で全波整流した直流
出力を得る。昇圧回路６は、昇圧チョッパとそのバイパ
ススイッチ８で構成し、発電電圧が定格範囲よりも低い
ときは昇圧チョッパで昇圧し、定格範囲にあるときはス
イッチ８を投入制御してチョッパをバイパスした出力を
得る。周波数変換器７は、逆変換器で構成し、一定周波
数の出力を得る。

【００２６】昇圧チョッパは、図中のＩＧＢＴ素子の開
閉（チョッピング動作）でコイルＬに起電力を発生さ
せ、これをダイオードＤで整流して昇圧出力を得る。な
お、ＩＧＢＴはトランジスタ、ＦＥＴ，ＧＴＯ等、信号
による入り切りが可能な他の素子への置き換えが可能で
ある。また、整流器５および周波数変換器７には、ほと
んどの電力用半導体素子が使用できる。

【００２７】本実施形態では、図１の構成に比べて、昇
圧回路６からタップ切り替え等の機械的に動作する部分
が排除されているため、メンテナンスフリー化が容易と
なる。また、昇圧チョッパは、その導通比制御で昇圧比
を無段階で変えることができ、動力源機器１を常に最適
回転数で運転しながら出力電圧精度を高めることができ
る。

【００２８】また、バイパススイッチ８は、電磁接触器
構成とし、昇圧回路６をバイパスすることで、コイルＬ
とダイオードＤおよびＩＧＢＴによる電力損失を回避す
ることができる。このバイパススイッチを使用するに
は、発電電圧と出力電圧が、ほぼ一致している必要があ
る。最高出力時、あるいは最も使用頻度が高い運転状態
等における使用が有効である。

【００２９】なお、昇圧型直流コンバータでなく、降圧
型直流コンバータによる構成も可能であるが、発電機の
低回転時にも充分な発電電圧を得るため、大型の発電機
を使用する必要が生じる。また、昇降圧型直流コンバー
タによる構成も可能である。

【００３０】（実施形態３）図３は昇圧型の直流コンバ
ータを使用した実施形態を示す。同図が図２と異なる部
分は、バイパススイッチ８によるバイパスを、昇圧回路
６だけでなく、整流器５や周波数変換器７もバイパス
し、発電機と出力端子を直結可能にしたてんにある。

【００３１】このバイパススイッチ８は、発電機の出力
電圧と周波数の両方が出力と合っている場合に使用可能
である。なお、バイパス時に整流器５を作動させ、コン
デンサＣ１を充電しておく事により、バイパス終了時
に、直ちに電力を供給する事が出来る。

【００３２】（実施形態４）図４は、発電機のインダク
タンスを利用して、昇圧回路を構成した実施形態を示
す。昇圧回路９は、発電機２の各相巻線と中性点間にス
イッチング素子とダイオードを配し、昇圧回路を構成す
る。例えば、Ｕ相巻線の端子電圧が正の期間では、素子
ＳＷのオンでダイオードＤ１→素子ＳＷ→ダイオードＤ
２の経路で短絡し、その後の素子ＳＷのオフでＵ相巻線
に昇圧した起電力を得る。

【００３３】周波数変換器１０は、双方向導通可能なス
イッチング素子を使用し、発電機出力を順変換部で整流
し、逆変換部で周波数制御した出力を得る。

【００３４】本実施形態では、昇圧回路のために昇圧コ
イルを設ける必要がなく、力率の改善も可能である。ま
た、昇圧の不要な場合には、図３の場合と同様に、昇圧
回路による損失が生じるのを防止できる。

【００３５】また、周波数変換器１０は、双方向導通可
能なスイッチング素子を使用するため、連系する配電系
統からの受電電力で、発電機２をモーターとして可変速
駆動する事も可能である。この様な周波数変換器を使用
することにより、揚水式発電設備等を構成する事が可能
となる。

【００３６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、動力変
化に対して動力源機器をその最適回転速度近傍で運転
し、このときの発電機の発電電圧を一定電圧まで昇圧す
る昇圧回路と、昇圧回路の出力を一定周波数に変換して
負荷に供給する周波数変換器とを設けたため、以下の効
果がある。

【００３７】（１）動力源機器の運転条件の変化に対し
て、その条件での最適回転速度で運転することにより、
効率の高い発電を行う事ができる。

【００３８】（２）機械的な変速機器が不要であり、発
電機の大型化も回避出来る。

【００３９】（３）水力発電、風力発電、潮汐発電等に
適しており、蒸気タービン、ガスタービン、エンジン等
を用いた発電設備にも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す発電設備の要部構成
図。

【図２】本発明の実施形態２を示す発電設備の要部構成
図。

【図３】本発明の実施形態３を示す発電設備の要部構成
図。

【図４】本発明の実施形態４を示す発電設備の要部構成
図。

【図５】固定羽根水車の最適回転速度の特性例。

【図６】サイクロコンバータの例。

【図７】サイクロコンバータの例。

【符号の説明】

１…動力源機器２…発電機３、６、９…昇圧回路４、７、１０…周波数変換器５…整流器８…バイパススイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H078 AA26 BB11 BB18 CC22 CC73 5H590 AA02 CA01 CA08 CA09 CA11 CA14 CC01 CD01 CD03 CD10 CE01 EA14 EB02 EB07 EB14 EB21 FA08 FB01 FB02 FC12 GA02 GA06 GA09 HA02 HA06 HA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動力変化を伴う動力源機器で発電機を運
転し、該発電機を電源として負荷に一定電圧および一定
周波数の電力を供給する発電設備であって、動力変化に対して前記動力源機器をその最適回転速度近
傍で運転したときの前記発電機の発電電圧を前記一定電
圧まで昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を前記一定周波数に変換して負荷に
供給する周波数変換器とを備えたことを特徴とする発電
設備。
【請求項２】前記昇圧回路は、タップの切換えで昇圧
比を切換えるタップ付き変圧器で構成したことを特徴と
する請求項１に記載の発電設備。
【請求項３】前記昇圧回路は、電力用半導体素子で主
回路を構成する整流器と昇圧チョッパとし、該昇圧チョ
ッパで昇圧比を無段階で調節する直流コンバータ構成と
したことを特徴とする請求項１に記載の発電設備。
【請求項４】前記昇圧回路は、昇圧が不要のときに前
記昇圧チョッパをバイパスさせるスイッチ、または前記
整流器と昇圧チョッパおよび周波数変換器をバイパスさ
せるスイッチを設けたことを特徴とする請求項１または
請求項３に記載の発電設備。
【請求項５】前記昇圧回路は、発電機の巻線のインダ
クタンスを利用して直流チョッパで昇圧する構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の発電設備。
【請求項６】前記動力源機器と発電機は、水力発電
機、風力発電機、潮汐発電機、蒸気タービン発電機、ガ
スタービン発電機、エンジン発電機のいずれかにしたこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発
電設備。