橡 誘導発電機を利用した風力発電機の起動特性と電圧変動の抑制技術

誘導発電機を利用した風力発電機の起動特性と電圧変動の抑制技術について
北海道電力㈱総合研究所配電技術Ｇ 松野 直也
これまでほとんど利用されることのなかった誘導発電機が、設備費の安さやメンテナンスの容
易さなどから風力発電設備に導入されている。
誘導発電機は系統連系時に大きな突入電流が流れるため、現在大型の誘導発電機では起動電流
を抑制するため、サイリスタによるソフトスタートが行われているが、それでも配電系統に連係
される場合などは電圧変動の問題が起こる。
これまで、誘導発電機の研究が他の機器に比べ非常に少なく、起動時の特性がメーカーから公
表されていないことが多く、計算により電圧変動を予測することが困難であった。
このため、起動時の有効・無効電力の変化の測定を中心に行い、ソフトスタートを行った場合
の誘導発電機の起動特性を解明した。
その結果、風が弱まり４極の大容量発電機から６極の小容量発電機に切り替わるとき回生制動
が大きな無効電力を持続して流し、系統に与える電圧動揺が一番大きいことを確認した。
また、それらを抑制するためにＳＶＧや起動補償コンデンサにより無効電力を制御し、電圧変
動を抑制する技術についても検証を行った。
１．はじめに
炭酸ガスの排出削減など環境問題への関心の高まりなどを背景に化石燃料を使わない風力発
電の導入が盛んに進められる用になってきた。
風力発電設備は設備費の安さとメンテナンスの容易性等から誘導発電機が多く用いられてい
る。
この誘導発電機の特性として、系統からの励磁電流を得て起電力を発生するため、起動時には
発電機が無電圧状態で系統に連系するため大きな無効電力を必要とする。
風力発電設備に用いられている誘導発電機は連系時の突入電流を抑制するため、連系時の発電
機回転数を同期速度近くすると共に、連系時にサイリスタを用い電流を抑制するソフトスタート
を実施している。
しかしながら、風力発電機の連系地点が配電線路末端である場合、これらの制御によっても大
きな電圧動揺を与え問題が発生している。
誘導発電機はこれまではほとんど利用されず、また、ソフトスタート機構による位相制御方法
がブラックボックスであるため、起動時の電力変化を計算で求めることが困難であり、連系時の
電圧動揺の予測を難しくしている。
このため、起動時の有効・無効電力変化を中心にその特性を実測し、誘導発電機の起動特性を
解明すると共に、無効電力制御による電圧変動抑制効果について検証したため、その測定結果を
報告する。
２．風力発電設備と測定システムの概要
今回調査した発電機はデーマークのミーコン社のもので、50Hz 用で発電出力が 400kW ／
100kW が２台設置されている。この発電機には二つのコイルがあり風速により切り替え、定格
出力 400kW のものは４極で同期速度 1500rpm、定格出力 100kW のものは６極で同期速度
1000rpm となっている。
起動時にはサイリスタによる位相制御を行い、起動時の電圧降下を抑制している。図−１に風
力発電機の起動回路の概略を示す。
M
G
風速にあわせて、SW1 か SW2 どちらかのスイッ
チが投入された後、サイリスタのゲートをコントロ
ールしてソフトスタートによる起動が行われる。
起動が完了すると SW3 が閉じ、サイリスタがバイ
100kW
6600V
400kW
SW1
SW2
パスされる。また、発電機の運転状況によりコンデ
6600/480V
ンサの開閉が行われる。
SW3
今回の測定では、波形記録計により起動時の電
圧・電流波形を記録し、そのデータをパソコンによ
SCR
SW4
480V
り解析し、電圧、電流、有効・無効電力および高調
波等を求め、起動特性を観測した。 図−１
３．風力発電機の起動特性
発電機の系統連系パターンは３パターンがあり、次に示す有効・無効電力変化と線路インピー
ダンスにより、系統に与える影響を求めることができる。
(1) 100kW 発電機の起動
風速が低い場合の起動で、風車を風に向けると、回転速度が徐々に上昇し、950rpm まで上
昇したときにサイリスタを介して連系し、電流が減少したところでバイパスされる。
このため同期速度に至るまでの 0.5 秒程度無効電力と共に有効電力が消費されるが、その後
有効電力が発電側へ変化する。
kW･kvar
250
発電機有効・無効電力
発電機P(kW)
発電機Q(kVar)
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-50
-100
Sec
図−２ 100kW 起動時の電力量変化
電流歪み率
18%
16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Sec
図−３ 100kW 起動時の高調波電流変化
この起動は、無効電力の発生が比較的少なく、時間も短いため大きな問題は発生しない。
また、ソフトスタート機能の動作状況を把握するための第５次高調波含有率を図−３に示す。
ソフトスタート機能が動作しているときに大きな無効電力が発生していることが判る。
(2) 400kW 発電機の起動
100kW の発電機を運転中出力が増加してくると一旦発電機を解列し、回転速度上げ 400kW
を連系する。この時の回転数は同期速度の 95%程度で、100kW 起動時同様サイリスタを介し
て連系し、電流が減少した時点でバイパスされる。
また、400kW 運転中に風が強まりオーバーパワーで解列した場合も、風がある程度弱まっ
た時点で風車の運転を再開し、同様に 400kW 発電機を連系する。この時、オーバースピード
とならないよう風車は風向きから少し反らして起動し、連系後風向きに合わせる。
この起動は 100kW 起動時に比べ無効電力が大きく、起動にかかる時間も１∼２秒と長い。
kW･kvar
800
発電機有効・無効電力
発電機P(kW)
発電機Q(kVar)
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-200
-400
-600
Sec
図−４ 400kW 起動時の電力量変化
この起動時の高調波電流の変化を図−５に示すが、この起動においてもソフトスタートが動
作しているときに大きな無効電力が発生していることが判る。
60%
電流歪み率
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
1
2
3
4
5
Sec
6
7
8
9
図−５ 400kW 起動時の高調波電流変化
(3) 400kW→100kW への切替
400kW 発電機を運転中に出力が低下した場合には 100kW 発電機に切り替える。
この時 400kW 発電機を解列して、直後に 100kW 発電機を連系し、発電制動により 1500rpm
から 1000rpm まで一挙に回転速度を落とす。(図では初めから 2.8 秒までが 400kW、3 秒か
らは 100kW 発電機に切り替わっている)
kW･kvar
900
発電機有効・無効電力
発電機P(kW)
発電機Q(kVar)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100 0
1
2
3
4
5
6
7
8
-200
9
Sec
図−６ 400kW→100kW への切替時の電力量変化
図−７に示す高調波電流の含有率から、起動の間、サイリスタにより電流を抑制して、徐々
にゲート角を小さくし、電流値を一定範囲に留めようとしていることがわかる。
しかしながらこの間の無効電力はほとんど変化せず、継続時間も４秒程度と最も長く続き、
系統に与える影響が最も大きい。
電流歪み率
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Sec
図−７ 400kW→100kW への切替時の高調波電流変化
このようにゲート角を変化させても無効電力が大きいままなのは、減速時の発電機特性によ
るものである。
このような誘導発電機の特性は次の方法で求めることができる。
誘導機のＴ形等価回路は図−８で表されることから、１次入力の有効・無効電力は次の式で
表される。
Ｐ１ ＝ I12r1 + IM 2rM + I1'2r2 ／s
Ｑ１ ＝ I12x1 + IM 2xM + I1'2x2
機械的出力は２次入力から２次抵抗損分だけ差し引いた残りとなり、次の式で表される。
Ｐｏ ＝ Ｐ2− I1'2r2 ＝ I1'2r2 ／s − I1'2r2 ＝ I1'2r2 ((1-s)／s)
x1
r1
I1
x2
r2/s
rM
IM
I1'
V1
xM
V1
r1
x1
r2
x2
XM
出力
480
0.1073
0.269
0.0256
0.818
9.007
100
480
0.0102
0.143
0.0073
0.208
4.685
400
発電機定格
図−８
発電機のインピーダンスからすべり(s)に対する入出力の有効・無効電力および機械的エネ
ルギーを発電機インピーダンスから計算すると図−９、図−10 のような特性が得られる。
ただし、この発電機はＹ結線の 600V で設計されていたが、△結線の 480V に変更されたた
め、各定数は△結線時の一相分のインピーダンスを表している。
図−９は 100kW 発電機の特性で、この発電機では、すべりが 2%の時に最大出力となるが、
それ以上の場合は発電機出力は減少し無効電力のみが大きくなるオーバースピード状態とな
る。このため、同期速度の 50%近くの回転数(図−６では 3∼6.5 秒付近)で発電制動を掛けて
も、機械的入力Ｐo が小さいため回転数はなかなかが落ちず、同期速度近くに落ちた時点(図
−６では 6.5 秒付近)で出力Ｐ(有効電力)と機械的入力Ｐo の急増し、その後定常運転領域には
いり、起動が終了するものと考えられる。
400kW 発電機では、同期速度から大きく外れて運転することがないため、すべりと出力の
特性を運用出力領域に絞って図−10 に示した。
定格出力(kW･kVar)
風力発電機特性
800
600
400
Ｐｏ
Ｐ1
Ｑ1
200
0
50%
40%
30%
20%
10%
0%
-10%
-20%
-30%
-40%
-50%
-200
-400
すべり
図−９ 100kW 発電機のすべりと発電機出力特性
有効発電領域特性
800
定格出力(kW･kVar)
600
400
200
0
1.0%
0.8%
0.6%
0.4%
0.2%
0.0%
-0.2%
-200
-0.4%
-0.6%
-0.8%
-1.0%
-400
Ｐｏ
Ｐ1
Ｑ1
-600
-800
すべり
図−10 400kW 発電機のすべりと発電機出力特性
４．発電機特性と運転時電圧変動
風力発電では、風の変化と共に発電機出力が変化し、その影響が系統電圧に動揺を与えること
が懸念される。
しかし、実際の配電線路で電圧を測定すると、発電機の出力電流が大きく変化しているのに対
し、受電電圧がほとんど変化していないことに気づく。
これは図−10 に示すように、運用出力領域での誘導発電機の特性は、発電出力(有効電力)の
増加と共に無効電力が増加する。このため、到達電圧に与える影響が、それぞれので相反するた
め、電流の変動は大きいものの到達電圧の変動が少なく作用している。
５．起動時の電圧変動抑制技術
先に述べたように、誘導発電機を利用した風力発電設備では連系時の電圧動揺は大きいものの、
運転時は比較的電圧変動が少なく良好な結果が得られている。このため、起動時の電圧変動対策
について、次の二つを実施し改善を行った。
(1) 400kW→100kW 切替時の制御パターンの変更
400kW→100kW 切替時は最も大きな電圧動揺を与えるが、この原因は発電制動により速度
を落としているためであり、次の運転方法によりこれを回避した。
①解列前に、風車の向きを風方向から反らし、400kW 発電機がモータリングとなった時点で
解列する。
②風車の向きをさらに反らし、風方向と直角になる位置にセットする。
③発電機回転数が 700rpm 程度まで落ちるのを待ち、風車の向きを風向きに合わせていく。
④発電機回転数が 950rpm になった時点で、100kW 発電機を連系する。
(2) 起動補償コンデンサによる電圧変動抑制
発電機起動に合わせ起動補償コンデンサを投入し、系統電圧の変動を抑制した。
図−11 は起動補償を行う前の 400kW 発電機起動時の系統電圧変化で、10%以上の電圧変動
が発生した。起動補償後は図−12 に示すよう電圧変動は、3%程度までに抑制できた。
Ｖ
受電電圧
7000
6800
6600
6400
6200
Vuv
Vvw
Vuw
6000
5800
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
秒
図−11 起動補償を行わなかった場合の 400kW 発電機による電圧変動
Ｖ
受電電圧
7000
6800
6600
6400
6200
6000
5800
0
1
2
3
4
5
6
7
8
図−12 起動補償を行った場合の 400kW 発電機による電圧変動
9
Vuv
Vvw
Vuw
秒
この起動補償では図−13 に示すように、起動時に 400kval のコンデンサを投入し、起動時の
無効電力の大半を吸収させている。
起動の完了の検出は、逆電力の検出と、無効電力の減少を監視し、そのどちらかを検出した時
点でコンデンサを開放する制御とした。
なお、ソフトスタート回路による高調波電流を抑制するため、起動補償コンデンサには、ＬＣ
フィルタを採用し、高調波電流の流出も防ぎ、良好な結果が得られている。
発電機有効・無効電力
kW･kvar
800
発電機有効(kW)
受電無効(kVar)
発電機無効(kVar)
600
400
200
0
-200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-400
-600
Sec
図−13 起動補償時の 400kW 発電機出力と系統への無効電力出力変化
６．まとめ
誘導発電機の特性として連系時の突入電流が大きいことはこれまでも知られてきたが、ソフト
スタート(サイリスタによる位相制御)後も大きな無効電力を発生するとが判った。
ソフトスタートによる電流を小さくできないのは、誘導発電機の特性として、同期速度を大き
く超えた場合、有効電力の出力が減少し、速度をコントロールできなくなりオーバースピードと
なる。
このため、ソフトスタートで電流を抑制する場合でも、短時間で起動を終了させ、オーバース
ピードとならない範囲で電流をコントロールする必要があり、連系時の電流をあまり小さくでき
ず、それに伴い無効電力が大きくなっている。
(ソフトスタート制御装置の設定は電流値で行い、設定電流を超えないよう位相を制御する)
しかし、連系時に必要な負荷の大半が、遅れの無効電力であることから、起動補償コンデンサ
により比較的簡単に抑制できることが確認できた。
今回の研究に当たり、測定および設備の改修に御協力いただいたエコロジーコーポレーション
の方々にお礼を申し上げます。
参考文献
・電気機器Ⅰ 電気学会
・電気工学ハンドブック 電気学会
ＩＨＩ発電機起動特性
測定日時 1999/2/19 14:23:40 125k起動
最大電流
45 [A]
実効値(A)
高調波(A)
電流実効値と高調波電流
50.0
電流
40.0
30.0
20.0
時間(s)
10.0
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
電圧
6900
6800
6700
(V)
6600
6500
6400
6300
6200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
有効・無効電力
600
500
有効・無効電力
P1(kW)
Q1(kVar)
400
300
200
100
0
-100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
時間(s)
回転数
回転数(rpm)
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3.50（％）
3.00
2.50
2.00
1.50
10
11
電圧歪率
1.00
0.50
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
測定日時 1999/2/12 18:26:00 600k起動
最大電流
276 [A]
I1(A)
高調波(A)
電流実効値と高調波電流
300.0
250.0
電流
200.0
150.0
100.0
時間(s)
50.0
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
電圧
6900
6800
6700
(V)
6600
6500
6400
6300
6200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
有効・無効電力
2000
有効・無効電力
1500
P1(kW)
Q1(kVar)
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
-500
-1000
時間(s)
回転数
1600
回転数(rpm)
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8.00（％）
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
0
1
10
11
電圧歪率
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
測定日時 1999/2/12 23:01:20 600→125kW 最大電流
62 [A]
I1(A)
高調波(A)
電流実効値と高調波電流
70.0
60.0
電流
50.0
40.0
30.0
20.0
時間(s)
10.0
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
電圧
6900
6800
6700
(V)
6600
6500
6400
6300
6200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
有効・無効電力
800
有効・無効電力
600
P1(kW)
Q1(kVar)
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
-200
-400
時間(s)
回転数
1600
回転数(rpm)
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2.50（％）
10
11
電圧歪率
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
浜中風力 600kW 起動特性 可変ピッチ
SVCQ(kVar)
600
500
発電機P(kW)
400
発電機
6640
6620
6600
300
6580
200
100
6560
0
-100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
6540
6520
-200
6500
-300
-400
6480
600
6640
500
6620
400
6600
300
200
6580
100
6560
0
-100
10
12
14
16
18
20
22
24
6520
-200
SVCQ(kVar)
発電機P(kW)
発電機Q(kVar
V(V)
-300
-400
6500
6480
5次電流歪率
総合電流歪み率
5次電圧歪率
総合電圧歪み率
300
6
5
電圧歪み率(%)
250
電流歪み率(%)
6540
200
4
150
3
100
2
50
1
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
浜中風力 600kW ⊿Ｖ10=0.125% ⊿P10=6.19
SVCQ(kVar)
400
6550
発電機P(kW)
6540
200
発電機
6530
0
0
5
10
15
20
25
30
35
-200
40
6520
6510
6500
-400
6490
-600
6480
-800
6470
400
6550
6540
200
6530
0
35
35.5
36
36.5
37
37.5
38
38.5
39
-200
39.5
40 6520
6510
6500
-400
6490
-600
6480
SVCQ(kVar)
発電機P(kW)
発電機Q(kVar
V(V)
-800
6470
35
受電⊿Ｐ
受電⊿Ｑ
30
25
20
15
10
5
0
100.00
Hz
10.00
0.4
1.00
0.10
0.01
⊿Ｖ(%)
⊿Ｖ10
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
100.00
Hz
10.00
1.00
0.10
0.01
えりも 400kW×2 ⊿Ｖ10=0.153%
⊿P10=4.937%
SVCQ(kVar)
800
6900
発電機P(kW)
600
6880
発電機
400
6860
200
6840
0
6820
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-200
6800
-400
6780
-600
6760
-800
6740
800
6
600
6880
400
6860
200
6840
0
-200
6820
10
12
14
16
18
20
22
-400
24
6800
6780
SVCQ(kVar)
発電機P(kW)
発電機Q(kVar
V(V)
-600
-800
6760
6740
90
受電⊿Ｐ
受電⊿Ｑ
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100.00
Hz
10.00
1
1.00
0.10
0.01
1.00
0.10
0.01
⊿Ｖ(%)
⊿Ｖ10
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
100.00
Hz
10.00