CN102893509B - 涡轮增压发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的涡轮增压发电装置(1)通过以内燃机(2)的排出气体来驱动燃气轮机(3)以及压缩机(6)，从而由发电机(7)发电。发电得到的交流电通过电力变换单元(8)供给到电力系统(12)。电力变换单元(8)具有：变换器(13)，其将交流电变换为直流电；估计单元(18)，其基于转子磁通来估计转子旋转角θ；以及控制单元(15)，其以转子旋转角θ为基准，将交流电流坐标变换为直流电流，并按照该直流电流的大小保持为目标直流电流值的方式控制变换器(13)的输出直流电。

Description

涡轮增压发电装置
技术领域
本发明涉及涡轮增压发电装置的技术领域，该涡轮增压发电装置通过从内燃机排出的排出气体来驱动燃气轮机及压缩机，从而对所述内燃机压缩地供给吸气的同时，将通过驱动与所述压缩机的轴端连接的发电机而发电得到的交流电经由电力变换单元提供给电力系统。
背景技术
公知如下的涡轮增压发电装置：通过利用诸如从内燃机排出的排出气体来驱动燃气轮机及压缩机，从而向内燃机压缩地供给吸气来实现内燃机的输出提高，并且利用压缩机的驱动来利用剩余的能量，在发电机进行发电。为了使来自发电机的输出电力按照内燃机的操作状态(排出气体的能量)而变动，由发电机发电而得到的电力被逆变器等构成的电力变换单元变换为适当的频率以及电压值，并提供给电力系统。
例如专利文献1所公开的涡轮增压发电装置中，通过基于检测值对发电机的转动速度进行反馈控制，从而将旋转速度维持为适当的值，实现涡轮增压器所致的吸气压的提高，并且，利用剩余能量，通过发电机高效地发电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-286016号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1中，通过将发电机的旋转速度维持为规定值，来实现输出电力的控制。可是，在内燃机中，因为在负载变动时内燃机能有效地动作的转速(最佳转速)也变动，所以，如专利文献1那样，以将转速维持为规定值的方式来进行控制时，将从最佳转速发生偏离，能量的利用效率将发生恶化。即，因为在专利文献1中基于转速来控制输出电力，所以，存在当负载变化时无法得到良好的追随性这样的问题。
另外，如船舶等具备多个发电机，在其中的发电机应用涡轮增压发电装置时，通过谋求涡轮增压发电装置和其他的发电机的协调(以避免全部发电量存在问题而实现发电设备相互间的电力控制的意思)，从而需要调整对电力系统的供电。在专利文献1中，完全没有考虑在这样协调控制下的控制。特别是，如上所述，因为在负载变化时的追随性不佳，需要设置在向电力系统的供给电力成为过大的情况下进行工作的保护电路，从而存在使整体结构复杂化这样的问题。
另外，在专利文献1中，基于电动机的输出电压波形进行旋转速度的检测，但发电机在低速旋转时电压振幅微小，检测困难。因此，存在难以确保向电力系统的同步接入时等的、发电机的低速旋转时的控制精度这样的问题。
另外，在专利文献1中，为了检测发电机的旋转速度，需要设置速度检测器、频率检测单元。因此，存在检测设备、控制电路复杂化，且不能容易实施这样的问题。
本发明鉴于上述课题而完成的，其目的是提供对于内燃机的负载变化具有良好的追随性、可高效且稳定地进行发电的涡轮增压发电装置。
用于解决技术问题的手段
为了解决上述课题，本发明涉及的涡轮增压发电装置的特征在于，该涡轮增压发电装置通过从内燃机排出的排出气体来驱动燃气轮机及压缩机，从而对所述内燃机压缩地供给吸气的同时，将通过驱动与所述压缩机的轴端连接的发电机而发电得到的交流电经由电力变换单元提供给电力系统，其中，所述电力变换单元具有：变换器，其将由所述发电机发电得到的交流电变换为直流电，并输出；转子旋转角估计单元，其基于所述发电机的转子磁通来估计所述发电机的转子旋转角；以及控制单元，其以所述估计的转子旋转角为基准，将从所述发电机输出的交流电流坐标变换为直流电流，并按照使该直流电流的大小保持在基于所述变换器的输出直流电压值而设定的目标直流电流值的方式来控制所述变换器的输出直流电。
根据本发明，通过以基于发电机的转子磁通而估计出的转子旋转角为基准，将从发电机输出的交流电流坐标变换为直流电流，从而可对在时间上每时每刻变动的交流电流进行实质的反馈控制。以坐标变换了的直流电流的大小保持在基于变换器的输出直流电压值而设定的目标直流电流值的方式来进行像这样的控制。由此，可实现变换器的输出功率的稳定化，并且即使在产生负载变动的情况下也能够得到良好的追随性。
尤其所述目标直流电流值也能够以所述变换器的输出直流电压值被保持在预先设定的目标直流电压值的方式来进行设定。这个情况下，按照变换器的输出直流电压值被维持在适于电力系统及并网逆变器的直流电压值的方式来控制该输出电力。
优选的是：所述转子旋转角估计单元可基于所述发电机的输出交流电流来计算所述转子磁通。这种情况下，可基于电动机的输出交流电的电路常数(电感、阻抗等)，高精度地计算出转子旋转角。
另外，所述变换器包含用于使所述发电机的输出端子短路的开关单元，所述控制单元在同步接入所述发电机的情况下，可通过驱动所述开关单元而使所述发电机的输出端子在规定期间短路。由于变换器的发电机的同步接入前没有发电机电流流过而无法计算转子磁通，但通过由使发电机的输出端子短路而流过的电流，能够高精度地算出转子旋转角。
发明的效果
根据本发明，通过以基于发电机的转子磁通而估计出的转子旋转角为基准，将从发电机输出的交流电流坐标变换为直流电流，从而可对在时间上每时每刻变动的交流电流进行实质的反馈控制。以坐标变换了的直流电流的大小保持在基于变换器的输出直流电压值而设定的目标直流电流值的方式来进行像这样的控制。由此，可实现变换器的输出功率的稳定化，并且即使在产生负载变动的情况下也能够得到良好的追随性。
附图说明
图1是示出搭载第一实施例涉及的涡轮增压发电装置的船舶的整体结构的框图。
图2是示出第一实施例涉及的涡轮增压发电装置所具备的电力变换器的内部结构的框图。
图3是按照每一电路块示出电力变换器的控制部的动作的流程的框流程图。
图4是示出第二实施例涉及的涡轮增压发电装置所具备的电力变换器的内部结构的框图。
具体实施方式
以下，参照附图，例示地对本发明适宜的实施例进行详细说明。但这些实施例所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、以及其相对的配置等不限于特定的记载，发明主旨不是将该发明的范围限定于此，而仅不过是说明例。
[第一实施例]
在本实施例中，以搭载了本发明涉及的涡轮增压发电装置1的船舶100为例进行说明。图1是示出搭载第一实施例涉及的涡轮增压发电装置1的船舶100的整体结构的框图。涡轮增压发电装置1，作为船舶100动力源而具有内燃机2，内燃机2例如是柴油机。从内燃机2排出的排出气体通过设有燃气轮机3的排气通路4而被放出到外部。燃气轮机3通过排出气体而被转动驱动，排出气体所具有的能量被转换为燃气轮机3的输出轴的转动能量。燃气轮机3的输出轴与设置在用于向内燃机2取得外部空气的吸气通路5的压缩机6的输入轴相连接，通过燃气轮机3的输出轴传达的转动能量来进行转动驱动。由此，压缩机6将从吸气通路5取得的外部空气压缩地供给到内燃机2。
在燃气轮机3的输出轴除了压缩机6之外还与发电机7的输入轴连接。发电机7根据由燃气轮机3的输出轴所传递的转动能量而转动驱动来进行发电。由此，将内燃机2的排出气体所具有的剩余能量回收为电力，实现涡轮增压发电装置1的能量效率的提高。
在本实施例中，发电机7是永磁式同步发电机，但也可以利用绕组磁场式同步发电机。
通过发电机7所发电得到的交流电因为具有与燃气轮机3的转速对应的规定频率，所以在排出气体的能量变动时，交流电的频率也再次变动。因此，通过发电机7所发电得到的交流电被输入到电力变换器8而变换为适当的频率之后，提供给电力系统12。在电力系统12例如连接有作为船内的照明等的电气关联系统的船内负载9，并消费发电电力。
另外，电力系统12除了所述发电机7之外还至少连接有一个其他的船内发电机10，并设置有用于控制发电机7及船内发电机10各自的输出功率的电力管理控制器11。电力管理控制器11通过对发电机7以及船内发电机10发送指令，来控制各自的输出功率。
接着参照图2，对第一实施例涉及的涡轮增压发电装置1所具有的电力变换器8的内部结构进行具体说明。图2是示出第一实施例涉及的涡轮增压发电装置1所具有的电力变换器8的内部结构的框图。
电力变换器8具有：作为脉冲宽度调制(PWM)整流器的变换器13、作为脉冲宽度调制逆变器的系统并网逆变器14、以及通过供给脉冲宽度调制信号S1～S6来控制变换器13的输出直流电压Vdc的控制部15。在本实施例中，通过发电机7所发电得到的交流电是三相的交流电，被输入到电力变换器8的三相的交流电首先在变换器13中暂时变换为直流电之后，通过被输入到系统并网逆变器14而再次交流化。由此，从而构成为：即使在来自发电机7的交流电根据内燃机的驱动状态而发生变动的情况下，通过由电力变换器8变换为适当的电力值，从而能得到适合船内电力负载9的电力。
图3是按照每一电路块示出电力变换器8的控制部15的动作流程的块流程图。控制部15取得发电机7所输出的三相的交流电流值IR、IS、以及IT，并输入到三相/两相变换器16。在这里，电力变换器8也可以从发电机7所输出的三相(R相、S相、T相)的交流电中，检测两相的交流电流值IR、IS，并根据IR、IS通过运算来计算出剩余一相的交流电流值IT。
三相/两相变换器16通过以所输入的交流电流值IR、IS、IT的任意一相做为基准进行坐标变换，从而将三相的交流电流值IR、IS、IT变换为两相(α相和β相)的交流电流值Iα、Iβ，并输入到转动/固定变换器17。在这里，对以IR为基准的两相变换进行说明。
转动/固定变换器17通过以发电机7的转子旋转角θ为基准，对输入的交流电流值Iα、Iβ进一步进行坐标变换，从而变换为与d轴及q轴对应的直流电流值Id、Iq。在这里，在磁通估计器18中基于算出的转子磁通来估计发电机7的转子旋转角θ。磁通估计器18如下面的2式所示，根据交流电流值Iα、Iβ、电路常数(电感、电阻)以及变换器的输出电压Vα、Vβ，分别求出作为磁通Φ的余弦函数和正弦函数的变量。
Φcosθ＝∫(Vα-IαR)dt-LIα(1)
Φsinθ＝∫(Vβ-IβR)dt-LIβ(2)
像这样所计算出的变量Φcosθ及Φsinθ的变化频率因为成为与转子转动频率的极对数倍，所以，利用相位同步环路能准确度很好地估计转子旋转角θ。
在这里，在变换器13的输出直流电压Vdc，作为其目标值被预先设定为Vdc *。目标值Vdc *被设定为例如适于并网逆变器系统为了使输出电压适应系统电压的值。直流电压PI控制器19基于实测值Vdc和目标值Vdc *，将转动/固定传感器17的输出直流电流值Iq的目标值Iq *进行输出。作为直流电压PI控制器19的具体电路结构，可构成为：例如由减法器对实测值Vdc和目标值Vdc *进行减法运算来求出控制偏差ε，通过将由乘法器使控制偏差ε与比例增益KP相乘得到的项、与在积分器使控制偏差ε与比例增益KI相乘得到的项进行加法运算，得到目标值Iq *。
另一方面，转动/固定变换器17的输出直流电流值Id的目标值Id *在实施转子发生磁通的弱磁通控制的情况下，设定规定的常数。另外，目标值Id *通常被设定为零。
电流PI控制器20基于转动/固定变换器17的输出直流电流值Iq、以及从直流电压PI控制器19输出的目标值Iq *，输出与变换器的输出直流电压Vdc的q轴对应的目标值Vq *。另外，电流PI控制器20基于转动/固定变换器17的输出直流电流值Id、和其目标值Id *，来输出与变换器13的输出直流电压Vdc的d轴对应的目标值Vd *。作为电流PI控制器20的具体组成电路，与上述的直流电压PI控制器19相同。
从电流PI控制器20输出的目标值Vq *及Vd *被输入到固定/转动变换器21。固定/转动变换器21与转动/固定变换器17相反，通过以从磁通估计器18取得的转子旋转角θ为基准，对所输入的直流的目标值Vq *及Vd *进行坐标变换，变换为交流的目标值Vα *及Vβ *，并输出到两相/三相变换器22。
两相/三相变换器22与三相/两相的变换器16相反，将所输入的两相的交流的目标值Vα *及Vβ *变换为三相交流的目标值VR *及VS *及VT *，并输入到PWM(脉冲宽度调制)信号发生器23。在脉冲宽度调制信号发生器23中，基于所输入的三相交流的目标值VR *及VS *及VT *，实施脉冲宽度调制(PWM)，使之产生控制信号S1～S6，并提供给变换器13。
变换器13基于控制信号S1～S6而被进行控制，从而控制为输出直流电压Vdc成为其目标值Vdc *。由此，向电力系统12的供给电力可维持在适当的值。因此，即使内燃机2的负载发生变动的情况下，由于控制变换器13来维持电力值，所以可得到良好的追随性。
另外，在本实施例中，具有像这样地控制发电机7的输出功率的特征，但由于可根据磁通估计器18中所估计出的转子旋转角θ来算出转子转速，所以根据该转子转速和输出功率来计算出发电机7的转矩，也能够进行转矩控制。这种情况下，即使在船内负载9的转矩发生变动的情况下，也能够进行控制以使在涡轮增压发电装置1侧稳定地维持转矩。
[第二实施例]
接着参照图4，对在第二实施例涉及的涡轮增压发电装置1进行说明。
另外，在以下的叙述中，涉及与第一实施例相同的相同部分以相同的符号表示，并适宜地省略说明。
图4是示出第二实施例涉及的涡轮增压发电装置1所具有的电力变换器8的内部结构的框图。在由所述控制信号S1～S6所驱动的半导体电力转换开关30(IGBT、场效应晶体管等)通常被控制为以避免发电机输出端子短路，但在尝试发电机的同步接入的情况下，因为没有电流流过而无法估计转子磁通，所以，在电流未过大的范围内的规定时间内，以故意使发电机输出端子短路的方式对控制信号S1～S6进行控制。
由此，即使在发电机7的同步接入前等转速低的情况下，也可根据交流电流值，高精度地计算转子磁通。
像这样，根据本实施例，即使同步接入前的没有固定的电流流动的情况下，通过由控制信号S1～S6，在半导体电力开关30使发电机7的输出端短路，从而可使转子旋转角的计算精度提高。因此，能有效地消除下述的问题，即，无法确保与其他的船内发电机10同步时等的发电机7的低速转动时的控制精度。
如上说明，根据本发明，以基于发电机7的转子磁通而估计出的转子旋转角θ为基准，通过将由发电机7输出的交流电流坐标变换为直流电流，从而对在时间上每时每刻变动的交流电流进行实质的反馈控制。以将进行了坐标变换的直流电流的大小保持为基于变换器13的输出直流电压值而设定的目标直流电流值的方式来进行像这样的控制。由此，可实现变换器13的输出功率的稳定化，并且即使在产生负载变动的情况下也能够得到良好的追随性。
产业上的利用可能性
本发明可利用在涡轮增压发电装置，该涡轮增压发电装置通过从内燃机排出的排出气体来驱动燃气轮机及压缩机，从而对所述内燃机压缩地供给吸气的同时，将通过驱动与所述压缩机的轴端连接的发电机而发电得到的交流电，经由电力变换单元提供给电力系统。

Claims (3)

1.一种涡轮增压发电装置，通过从内燃机排出的排出气体来驱动燃气轮机及压缩机，从而对所述内燃机压缩地供给吸气，并且将通过驱动与所述压缩机的轴端连接的发电机而发电得到的交流电经由电力变换单元提供给电力系统，其特征在于，
所述电力变换单元具有：
变换器，其将由所述发电机发电得到的交流电变换为直流电，并输出；
转子旋转角估计单元，其基于所述发电机的转子磁通，估计所述发电机的转子旋转角；以及
控制单元，其以所估计出的所述转子旋转角为基准，将从所述发电机输出的交流电流坐标变换为直流电流，并且按照使该直流电流的大小保持在基于所述变换器的输出直流电压值而设定的目标直流电流值的方式来控制所述变换器的输出直流电，
所述变换器包含用于使所述发电机的输出端子短路的开关单元，
所述控制单元在同步接入所述发电机前的低速旋转时，通过驱动所述开关单元，使所述发电机的输出端子在电流不会过大的范围内的规定期间中短路来流动电流。
2.如权利要求1所述的涡轮增压发电装置，其特征在于，
按照所述变换器的输出直流电压值保持在预先设定的目标直流电压值的方式来设定所述目标直流电流值。
3.如权利要求1或2所述的涡轮增压发电装置，其特征在于，
所述转子旋转角估计单元基于所述电动机的输出交流电流来计算所述转子磁通。
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