JP2001258294A - フライホイール発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フライホイール発電機の電力入出力の制御が
適切に行えるフライホイール発電機の制御装置を提供す
ることである。 【解決手段】 電力系統の受電端母線３に接続された負
荷７が要求する消費電力パターンを満たすようにパター
ン設定手段１０は負荷電力パターンを出力する。電力制
御手段１１は、その負荷電力パターンに基づいて励磁装
置８の交流励磁用の周波数基準値を算出し、基準値出力
手段１２を介して励磁装置８に出力する。励磁装置８
は、その周波数基準値に基づいてフライホイール発電機
１に交流励磁を与え、フライホイール発電機１の入出力
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力を回転運動エ
ネルギーとして保存し、その保存エネルギーを電力とし
て放出するフライホイール発電機を制御するフライホイ
ール発電機の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、フライホイール発電機は、発電
機の回転子が備えるフライホイールに電力を運動エネル
ギーとして蓄えて、その運動エネルギーを電力として放
出するものであり、パルス的な大電力を必要とする負荷
に電力を供給する場合に活用されている。

【０００３】たとえば、磁場によるプラズマ閉じ込めを
行う核融合装置においては、数秒という短時間で数十万
ｋＷという電力を供給する場合もあり、電力系統から直
接このようなパルス電力をとることは電力系統に与える
動揺が大きすぎて好ましくない。そこで、このような分
野にフライホイール発電機が適用される。フライホイー
ル発電機は、数分間の時間をかけて発電機の回転数を上
昇させ、フライホイールに運動エネルギーを蓄え、負荷
への供給電力を得る際に回転子の運動エネルギーを放出
して回転数を低下させるというサイクルで運転される。

【０００４】従来のフライホイール発電機においては、
駆動のための電動機を発電機に直結している。また、発
電機の出力は電力系統から独立しており、電力の負荷へ
の供給に伴って回転数を変化させるため周波数も回転数
に同期して変化する。

【０００５】図１４は、このような従来のフライホイー
ル発電機装置の制御装置の構成図である。フライホイー
ル発電機１は、駆動用の電動機２により駆動されて運動
エネルギーがフライホイール発電機１に蓄積される。電
動機２は電力系統の受電端母線３から遮断器４ａを介し
て接続され、セリビウス装置５により回転数検出手段６
からの回転数に基づいて制御される。セリビウス装置５
は電動機２を二次励磁制御を行うものであり、二次側で
発生する二次電力の一部を遮断器４ｂを介して受電端母
線３に回生する。

【０００６】フライホイール発電機１から負荷７への電
力供給に当たって、フライホイール発電機１は励磁装置
８により励磁されて発電し、負荷７に電力供給して回転
数を低下する。励磁装置８には受電端母線３から遮断器
４ｃを介して励磁電源が供給される。

【０００７】ここで、フライホイール発電機の制御装置
としては、負荷７の周波数が変化することを前提とした
特別の設計を行う必要があり、また、運転サイクルを短
くして負荷の要求に速やかに対応できるようにすること
が要求される。そのためには、電動機２の出力を大きく
し、速い回転数制御が必要となる。

【０００８】電動機２の出力が大きいものとして、近
年、揚水式発電所で採用されている大型の発電電動機
（同期機）がある。この発電電動機は可変周波数変換器
により駆動され、界磁を交流励磁する方式が採用されて
いる。

【０００９】この交流励磁の同期機では、同期機の電機
子は系統側に直結され、界磁回転子は３相巻線となって
おり、これを３相交流で励磁することにより、界磁にお
いて回転磁界を発生させている。この回転子の交流励磁
による回転磁界と回転とが加え合わされて作られる回転
子磁界が固定子（電機子）の相回転との間で同期を保つ
仕組みとなっている。つまり、同期を保つために回転数
制御を行っている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、フライホイ
ール発電機においては、電力の入出力制御が一次的であ
り、回転数制御は二次的なものである。従って、揚水発
電所で用いられる交流可変速の制御装置をフライホイー
ル発電機に、そのまま適用することはできない。

【００１１】交流励磁同期機においては、回転子により
励磁されて作られる磁界は電機子側と同期を保ち、回転
子磁界が電機子に誘起する電圧と、系統電圧と、電機子
リアクタンスとにより決定される電機子電流との間で回
転力を生ずる。従って、回転子側は、励磁のみであり電
力の流れに直接関与せず、エネルギーの変換は、電機子
側のみで行われる。

【００１２】フライホイール発電機に適用した交流励磁
発電機の制御装置としては、例えば、特開平５−１５３
７３２号公報や特公平６−５９９９号公報に示されるも
のがある。これは、回転子の回転速度を検出してその回
転速度に対して、位相の遅れや進みを与えるように交流
励磁装置の変換器の位相制御を行うものである。

【００１３】この制御装置は、交流可変速制御の技術を
そのまま応用したものであり、回転数制御に重要な意味
を持つ場合は有効であるが、フライホイール発電機の本
来の電力入出力の制御に適用するには、制御装置として
複雑すぎるという欠点がある。

【００１４】本発明の目的は、フライホイール発電機の
電力入出力の制御が適切に行えるフライホイール発電機
の制御装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するため手段】請求項１の発明に係わるフ
ライホイール発電機の制御装置は、電力系統の受電端母
線に接続された負荷が要求する消費電力パターンを満た
すように、励磁装置からフライホイール発電機に交流励
磁を与えて前記フライホイール発電機の入出力を制御す
るフライホイール発電機の制御装置において、前記負荷
の消費電力パターンと前記受電端母線の平均受電電力と
の差分を負荷電力パターンとして出力するパターン設定
手段と、前記負荷電力パターンに基づいて前記励磁装置
の交流励磁用の周波数基準値を算出する電力制御手段
と、前起電力制御手段で算出された周波数基準値を前記
励磁装置に出力する基準値出力手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１６】請求項１の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、電力系統の受電端母線に接
続された負荷が要求する消費電力パターンを満たすよう
にパターン設定手段は負荷電力パターンを出力する。電
力制御手段は、その負荷電力パターンに基づいて励磁装
置の交流励磁用の周波数基準値を算出し、基準値出力手
段を介して励磁装置に出力する。励磁装置は、その周波
数基準値に基づいてフライホイール発電機に交流励磁を
与え、フライホイール発電機の入出力を制御する。

【００１７】請求項２の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項１の発明において、前記パタ
ーン設定手段は、負荷が要求する消費電力パターンに対
する負荷電力パターンを有効電力パターンと無効電力パ
ターンとに分けて出力し、前記電力制御手段は、前記有
効電力パターンに基づいて前記励磁装置の交流励磁用の
周波数基準値を算出し、前記有効電力パターンおよび前
記無効電力パターンに基づいて前記励磁装置の交流励磁
用の電流基準値を算出することを特徴とする。

【００１８】請求項２の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項１の発明の作用に加
え、パターン設定手段は、負荷電力パターンとして有効
電力パターンと無効電力パターンとを出力する。電力制
御手段は、有効電力パターンに基づいて励磁装置の交流
励磁用の周波数基準値を算出し、無効電力パターンに基
づいて励磁装置の交流励磁用の電流基準値を算出し、基
準値出力手段を介して励磁装置に出力する。励磁装置
は、その周波数基準値および電流基準値に基づいてフラ
イホイール発電機に交流励磁を与え、フライホイール発
電機の入出力を制御する。これにより、与えられた負荷
電力パターンに合致するよう励磁周波数と励磁電流値と
を制御する。

【００１９】請求項３の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項１の発明において、前記受電
端母線の受電電力を検出する電力検出手段を設け、前記
電力制御手段は、前記電力検出手段で検出された受電電
力に基づいて脈動分を算出し、その脈動分を前記負荷電
力パターンに加味することを特徴とする。

【００２０】請求項３の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項１の発明の作用に加
え、電力制御手段は、電力検出手段で検出された受電電
力に基づいて脈動分を算出し、その脈動分を負荷電力パ
ターンに加味する。これにより、受電電力変動を抑制す
るようにフライホイール発電機は交流励磁される。

【００２１】請求項４の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項２の発明において、前記受電
端母線の受電電力の有効分および無効分を検出する電力
検出手段を設け、前記電力制御手段は、前記電力検出手
段で検出された受電電力の有効分および無効分の脈動分
を算出し、有効分の脈動分を前記有効電力パターンに加
味し、無効分の脈動分を前記無効電力パターンに加味す
ることを特徴とする。

【００２２】請求項４の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項２の発明の作用に加
え、電力制御手段は、電力検出手段で検出された受電電
力の有効分および無効分の脈動分を算出し、有効分の脈
動分を前記有効電力パターンに加味し、無効分の脈動分
を前記無効電力パターンに加味する。これにより、受電
電力変動を抑制するよう励磁周波数および励磁電流値は
制御される。

【００２３】請求項５の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項２の発明において、前記受電
端母線の受電電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記
電力制御手段は、前記電圧検出手段で検出された受電電
圧の変動分を算出し、その変動分を前記有効電力パター
ンに加味することを特徴とする。

【００２４】請求項５の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項２の発明の作用に加
え、電力制御手段は、電圧検出手段で検出された受電電
圧の変動分を算出し、その変動分を有効電力パターンに
加味する。これにより、受電端の電圧変動を抑制するよ
う励磁周波数および励磁電流値は制御される。

【００２５】請求項６の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項１の発明において、前記負荷
の運転との同期を行う負荷運転同期手段を設け、前記パ
ターン設定手段は前記負荷運転同期手段からの同期指令
に基づいて前記負荷電力パターンを出力することを特徴
とする。

【００２６】請求項６の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、負荷運転同期手段からの同
期指令に基づいて、パターン設定手段は負荷電力パター
ンを出力する。これにより、負荷運転との同期をとりな
がら与えられた負荷電力パターンに合致するようフライ
ホイール発電機は交流励磁される。

【００２７】請求項７の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項１の発明において、前記パタ
ーン設定手段に代えて、前記負荷の運転状態に基づいて
前記負荷電力パターンを算出するパターン算出手段を設
けたことを特徴とする。

【００２８】請求項７の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項１の発明の作用に加
え、パターン算出手段は、負荷の運転状態に基づいて負
荷電力パターンを算出する。これにより、負荷より与え
られた負荷電力パターンに合致するようフライホイール
発電機は交流励磁される。

【００２９】請求項８の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置は、請求項３の発明において、前記電力
検出手段で検出された受電電力に基づいて前記フライホ
ール発電機が同期を維持できるか否かを監視する同期維
持監視手段を設けたことを特徴とする。

【００３０】請求項８の発明に係わるフライホイール発
電機の制御装置においては、請求項３の発明の作用に加
え、同期維持監視手段は、電力検出手段で検出された受
電電力に基づいてフライホール発電機が同期を維持でき
るか否かを監視する。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるフライ
ホイール発電機の制御装置の構成図である。

【００３２】図１において、フライホイール発電機１
は、電力系統の受電端母線３に遮断器４ａを介して接続
されており、運動エネルギーを蓄積するときは電動機と
して運転され、負荷７に受電端母線３および遮断器４ｄ
を介してエネルギーを供給するときは発電機として運転
される。フライホイール発電機１は励磁装置８により交
流励磁され、この場合の交流励磁に必要な励磁周波数や
励磁電流値を調整することにより、エネルギーの入出力
が制御される。

【００３３】なお、励磁装置８は、電力用半導体スイッ
チング素子を用いた周波数変換器で構成され、例えば、
インバータ、サイクロコンバータなどが採用される。励
磁装置８の励磁電源は受電端母線３から遮断器４ｃを介
して入力される。

【００３４】フライホイール発電機１の交流励磁に必要
な励磁周波数や励磁電流値は、制御装置９からの指令に
より調整される。制御装置９のパターン設定手段１０
は、電力系統の受電端母線３に接続された負荷７が要求
する消費電力パターンを満たすように負荷電力パターン
を出力するものであり、電力制御手段１１は、その負荷
電力パターンに基づいて励磁装置８の交流励磁用の周波
数基準値や電流基準値を算出し、基準値出力手段１２を
介して励磁装置８に出力する。励磁装置８は、その周波
数基準値や電流基準値に基づいてフライホイール発電機
１に交流励磁を与え、フライホイール発電機の入出力を
制御する。

【００３５】図２は、負荷７の消費電力パターンの説明
図である。図２では、間欠的に大電力を消費する負荷７
の消費電力パターンを示している。図２に示すように、
この負荷７は時点１〜時点ｔ８までのパターンを繰り返
す。時点ｔ１〜時点ｔ２の間および時点ｔ５〜時点ｔ６
の間は、負荷７は電力を消費するが受電端母線３の平均
受電電力Ｐａより小さい状態であるので、フライホイー
ル発電機１はエネルギーを蓄えることになる。また、時
点ｔ６〜時点ｔ８の間は負荷７は電力を放出し、時点ｔ
８〜時点ｔ９の間は電力消費はないので、この間にも、
フライホイール発電機１はエネルギーを蓄えることにな
る。

【００３６】一方、時点ｔ２〜時点ｔ５の間は、負荷７
の消費電力は、受電端母線３の平均受電電力Ｐａより大
きいので、フライホイール発電機１はエネルギーを放出
することになる。

【００３７】受電端母線３においては、できる限り電力
が平準化されていることが望ましい。そこで、フライホ
イール発電機１は、負荷電力の少ない範囲（時点ｔ１〜
時点ｔ２の間、時点ｔ５〜時点ｔ９の間）でフライホイ
ール発電機１の回転子の回転数を上昇させて、受電端母
線３から得た電力を運動エネルギーとして蓄積する。一
方、負荷電力の大きい範囲（時点ｔ２〜時点ｔ５）でそ
の蓄積エネルギーを電力として放出することにより受電
端母線３での電力の平準化を図るようにする。

【００３８】ここで、回転体の持つ運動エネルギーＵ
は、回転子の慣性モーメントをＪ、回転角速度をωとす
ると、（１）式で表現することができる。

【００３９】Ｕ＝Ｊ・（ω²／２） …（１）

【００４０】フライホイール発電機１は、この運動エネ
ルギーを蓄えている。このフライホイール発電機１が蓄
えている運動エネルギーを電力Ｐとして引出すには、エ
ネルギーの時間的変化が電力であるから、（１）式を微
分したものが電力Ｐとして与えられる。電力Ｐを与えて
運動エネルギーＵを蓄えることはその逆である。

【００４１】 Ｐ＝±ｄＵ／ｄｔ ＝±（Ｊ／２）・ｄ（ω）²／ｄｔ …（２）

【００４２】ここで、（２）式における符号は、発電機
としての動作（電力放出）を＋、電動機としての動作
（電力吸収）を−としている。なお、以下の説明では、
フライホイール発電機１でのエネルギー損失等を無視し
て説明する。

【００４３】電力Ｐに対応するフライホイール発電機１
の回転数ωは、（２）式より（３）式が導かれ、回転数
の初期値をω₀として（４）式で示される。

【００４４】 ω²＝（２／Ｊ）・∫Ｐｄｔ …（３） ω＝ω₀±［｛（２／Ｊ）・∫Ｐｄｔ｝^1/2］ …（４）

【００４５】一方、系統周波数ωｓ、周波数基準値ω
ｅ、電気角回転速度ωｒの間には、同期が維持されてい
る条件の下に、下記（５）式が成り立つ。

【００４６】 ωｓ＝ωｒ＋ωｅ ＝ｋ・ω＋ωｅ …（５）

【００４７】ここで、回転角速度ωに極対数ｋを乗じて
電気角速度ωｒを得ている。（４）式および（５）式よ
り励磁周波数はωｅは（６）式で示される。

【００４８】 ωｅ＝ωｓ−ｋ・［ω₀ ±｛（２／Ｊ）・∫Ｐｄｔ｝^1/2］ …（６）

【００４９】この（６）式において、フライホイール発
電機１の回転数が現在値から減少する方向で発電機とし
て作用し、増加する方向で電動機として作用する。

【００５０】制御装置９のパターン設定手段１０は、図
２で与えられる消費電力パターンと平均受電電力との差
を負荷電力パターンの有効電力パターンＰｒとして出力
する。また、パターン設定手段１０は、有効電力パター
ンＰｒに加えて無効電力パターンＱｒも同様に保持して
いる。

【００５１】図３は、第１の実施の形態における電力制
御手段１１の構成図である。交流励磁の周波数基準値ω
ｅは、有効電力パターンＰｒに基づいて周波数計算手段
１３で求められる。一方、交流励磁の電流基準値Ｉｅ
は、有効電力パターンＰｒと無効電力パターンＱｒとに
基づいて電流値珪酸手段１４で求められ、無効電力分を
補償するような電流基準値Ｉｅが算出される。この電流
基準値Ｉｅおよび周波数基準値ωｅは、基準値出力手段
１２を介して励磁装置８に与えられ、有効電力の制御お
よび無効電力の補償を行う。

【００５２】ここで、負荷７の運転とフライホイール発
電機１の制御とは、連動させる必要があるので運転開始
の操作は当然に同期させる。また、系統周波数ωｓは一
定値とみなしても実用上は支障はないので一定値として
いる。

【００５３】以上の説明では、電流基準値Ｉｅを有効電
力パターンＰｒおよび無効電力パターンに基づいて算出
するようにしているが、無効電力の変動が小さく無視で
きる場合や、同期調相機により無効電力を調整する場合
には、フライホイール発電機１の設計条件を基にした定
格値を電流基準値Ｉｅとして励磁装置８に与えるように
しても良い。

【００５４】このように、第１の実施の形態によれば、
フライホイール発電機１は負荷７の変動に連動して電力
の発生と蓄積を行うことができるので、受電端母線３で
の受電電力の変動を抑制することが可能となる。

【００５５】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図４は本発明の第２の実施の形態に係わるフライホ
イール発電機の制御装置の構成図である。この第２の実
施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、受
電端母線３の受電電力を検出する電力検出手段１５を追
加して設け、電力制御手段１１は、電力検出手段１５で
検出された受電電力に基づいて脈動分を算出し、その脈
動分をパターン設定手段１０からの負荷電力パターンに
加味するようにしたものである。その他の構成は、図１
に示した第１の実施の形態とと同一であるので、同一要
素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

【００５６】図４において、電力検出手段１５は、受電
端母線３における有効電力および無効電力を検出し電力
制御手段１１に出力する。電力制御手段１１は、電力検
出手段１５で検出された受電電力の有効分および無効分
の脈動分を算出する。そして、有効分の脈動分をパター
ン設定手段１０からの有効電力パターンに加味し、無効
分の脈動分をパターン設定手段１０からの無効電力パタ
ーンに加味する。これにより、受電電力変動を抑制する
ような励磁周波数および励磁電流値を算出し基準値出力
手段１２に出力する。

【００５７】図５は、第２の実施の形態における電力制
御手段１１の構成図である。電力検出手段１５で検出さ
れた有効電力検出値Ｐｄは、ローパスフィルタ１６に入
力され、このローパスフィルタ１６より平滑されて平均
受電電力Ｐａを出力する。比較手段１７ａでは、平均受
電電力Ｐａと有効電力検出値Ｐｄとの差を求めて脈動分
ｅを得る。脈動分ｅに対して帰還制御手段１８ａは比例
積分演算を加えて脈動分補償値Ｐｆを得る。

【００５８】そして、加算手段１９ａにおいて、パター
ン設定手段１０からの出力である有効電力パターンＰｒ
に脈動分補償値Ｐｆが加え合わされて有効電力基準値Ｐ
が求められる。この有効電力基準値Ｐを基に、周波数計
算手段１４では、（６）式の演算を行って周波数基準値
ωｅを得る。

【００５９】一方、電力検出手段１５で検出された無効
電力検出値ｑｄは、本来０が望ましいので、比較手段１
７ｂにおいて０との差を求めて、その差に対して帰還制
御手段１８ｂにおいて帰還制御演算を行い、その結果を
脈動分補償値Ｑｆとする。

【００６０】この脈動分補償値Ｑｆは、加算手段１９ｂ
において無効電力パターンＱｒと加え合わされて無効電
力基準値Ｑとなる。電流値計算手段１３において、有効
電力基準値Ｐと無効電力基準値Ｑとを用いてこれらを実
現する電流基準値Ｉｅが計算される。ここで、脈動分補
償値Ｑｆと無効電力パターンＱｒの符号は電流値計算手
段１３における電流基準値Ｉｅの計算式により決定す
る。電流基準値Ｉｅは周波数基準値ωｅと共に基準値出
力手段１２より励磁装置８に与えられる。

【００６１】このように、第２の実施の形態によれば、
有効電力や無効電力の脈動分を一定値になるように負帰
還制御を行うので、受電端母線３における有効電力や無
効電力の平準化を適切に精度良く行うことができる。

【００６２】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。図６は本発明の第３の実施の形態に係わるフライホ
イール発電機の制御装置の構成図である。この第３の実
施の形態は、図４に示した第２の実施の形態に対し、電
力検出器１５に代えて電圧検出手段２０を設け、この電
圧検出手段２０で検出された受電電圧の変動分を算出
し、その変動分をパターン設定手段１０からの有効電力
パターンＰｒに加味するようにしたものである。その他
の構成は、図４に示した第２の実施の形態と同一である
ので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略
する。

【００６３】図６において、電圧検出手段２０は受電端
母線３の電圧を検出し、電力制御手段１１に出力する。
受電端母線３の電圧は、本来は一定値であるが、変圧器
などの受電設備の関係で負荷の大小に応じて電圧の変動
を生ずる。負荷電力の小さい時間帯では電圧は高めに、
大きい時間帯では低めになる。そこで、電力制御手段１
１では電圧変動の大小により負荷電力の大小を求め、そ
の変動分をパターン設定手段１０からの有効電力パター
ンＰｒに加味する。

【００６４】図７は、第３の実施の形態における電力制
御手段１１の構成図である。電圧検出手段２０で検出さ
れた受電端母線３の電圧Ｖは、比較手段１７ｃに入力さ
れ、予め定められた一定電圧値Ｖ０との変動分ｅが算出
される。その結果に対して帰還制御手段１８ｃにより負
帰還演算を行い、帰還電力Ｐｆを得る。このとき、符号
は電圧低下に対して発電電力を増大させるように決定す
る。

【００６５】帰還電力Ｐｆと有効電力パターンＰｒとは
加算手段１９ｃにおいて加算されて有効電力基準値Ｐを
得る。そして、周波数計算手段１４により有効電力基準
値Ｐによる周波数基準値ωｅが演算される。一方、電流
値計算手段１４において、有効電力基準値Ｐと無効電力
基準値Ｑｒとを用いて有効電力の発生と無効電力の補償
を実現する電流基準値Ｉｅを計算する。電流基準値Ｉｅ
は周波数基準値ωｅと共に基準値出力手段１２より励磁
装置８に与えられる。

【００６６】このように、第３の実施の形態によれば、
受電端母線３の電圧変動を抑制するように負帰還制御を
行い、これにより受電端母線３における電力の変動分を
抑制するので、より適切な電力の制御が可能となる。

【００６７】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図８は本発明の第４の実施の形態に係わるフライホ
イール発電機の制御装置の構成図である。この第４の実
施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、負
荷７の運転との同期を行う負荷運転同期手段２１を設
け、パターン設定手段１０は負荷運転同期手段２１から
の同期指令に基づいて負荷電力パターンを出力するよう
にしたものである。これにより、負荷運転との同期をと
りながら与えられた負荷電力パターンに合致するように
フライホイール発電機１が交流励磁されるようにしてい
る。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と
同一であるので、同一要素には同一符号を付し、重複す
る説明は省略する。

【００６８】図８において、負荷運転同期手段２１は負
荷７の動作信号を入力し、その動作信号の同期信号を判
定し、パターン設定手段１０に同期信号を出力する。

【００６９】図９は、負荷運転同期手段２１の動作を示
すフローチャートである。図９に示すように、まず、フ
ライホイール発電機１の状態を判定し（Ｓ１）、フライ
ホイール発電機１が運転可能状態となっていれるかどう
かを判定する。フライホール発電機１が運転可能状態で
あるときは、負荷７に対して準備完了信号を出力する
（Ｓ２）。

【００７０】この状態で、負荷７からスタート信号が来
たかどうかを判定する（Ｓ３）。すなわち、負荷７側で
は、この準備完了信号により負荷７が運転可能かどうか
を判断して、負荷７が運転可能であるときはスタート信
号を負荷運転同期手段２１に出力する。負荷運転同期手
段２１では、負荷７からスタート信号を受信したとき
は、負荷７からのスタート信号を受けたことをトリガと
して、パターン設定手段１０の負荷電力パターンのスタ
ート位置が先頭になるようリセットし、負荷電力パター
ンの出力を開始する（Ｓ４）。

【００７１】パターン設定手段１０は、図２で説明した
消費電力パターンの１サイクル分を記録しており、それ
と平均受電電力との差を所定のタイミング周期で先頭か
ら順次出力する。そして、１サイクル分の出力が完了し
たところで、ステップＳ１に戻り同じ動作を繰返す。

【００７２】このように、第４の実施の形態によれば、
負荷運転同期手段２１により、負荷７の運転との同期を
正確に行うことができるので、フライホイール発電機１
の電力の平準化のための制御をより適切に行うことがで
きる。

【００７３】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図１０は本発明の第５の実施の形態に係わるフライ
ホイール発電機の制御装置の構成図である。この第５の
実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、
パターン設定手段１０に代えて、負荷７の運転状態に基
づいて負荷電力パターンを算出するパターン算出手段２
２を設けたものである。その他の構成は、図１に示した
第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一
符号を付し、重複する説明は省略する。

【００７４】図１０において、負荷７の運転状態は、負
荷７を制御する負荷制御装置２３からの制御情報として
パターン算出手段２２に入力される。パターン算出手段
２２では、負荷７の運転状態に基づいて負荷電力パター
ンを算出する。これにより、負荷７より与えられた負荷
電力パターンに合致するようにフライホイール発電機の
交流励磁は制御される。

【００７５】すなわち、第１の実施の形態では、パター
ン設定手段１０により負荷７が要求されるフライホイー
ル発電機１の負荷電力パターンを与えていたが、この第
５の実施の形態では、パターン設定手段１０を用いるこ
となく、負荷７を制御する負荷制御装置２３からの負荷
電力信号（制御情報）により、パターン算出手段２２は
負荷電力パターンを算出するようにしている。

【００７６】負荷７からの負荷電力信号は、数値として
のディジタル信号、あるいはレベルとしてアナログ信号
でやりとりを行うことができ、その信号方式によりパタ
ーン算出手段２２は設計される。

【００７７】図１１は、パターン算出手段２２の動作を
示すフローチャートである。まず、フライホイール発電
機１の運転が可能かを判定し（Ｓ１）、フライホイール
発電機１の運転が可能な場合は、負荷７に対して準備完
了信号を出力し（Ｓ２）、負荷７からの負荷電力信号の
パターン信号を待ち（Ｓ３）、このパターン信号を受け
取ると、受け取ったパターン信号を電力制御手段１１に
与え、以下同様の動作を繰り返す。

【００７８】このように負荷７からの負荷電力信号によ
り負荷電力パターンを算出し、フライホイール発電機１
の交流励磁を制御するので、リアルタイムに負荷７とフ
ライホイール発電機１とを連動して動作させることが可
能となる。従って、負荷７の電力変化に精度く追随する
電力の制御が可能となる。

【００７９】次に、本発明の第６の実施の形態を説明す
る。図１２は本発明の第６の実施の形態に係わるフライ
ホイール発電機の制御装置の構成図である。この第６の
実施の形態は、図４に示した第２の実施の形態に対し、
電力検出手段２０で検出された受電電力に基づいてフラ
イホール発電機１が同期を維持できるか否かを監視する
同期維持監視手段２４を設けたものである。その他の構
成は、図１に示した第１の実施の形態と同一であるの
で、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略
する。

【００８０】図１１において、同期維持監視手段２４
は、電力制御手段１１から励磁電流および負荷電力パタ
ーン（負荷７が要求する電力）を入力し、フライホイー
ル発電機１が負荷７の要求する電力を供給できるか否か
を判定する。すなわち、フライホイール発電機１が受電
端母線３と同期して運転が可能か否かを判定し、フライ
ホイール発電機１が同期を維持できない場合には、フラ
イホール発電機１の出力を制限したり警報を発したりす
る。

【００８１】一般に、同期機の発生する電力（パワー）
Ｐは、相数をｍ、電機子電圧をＶ、励磁により発生する
内部電圧をＥ、電機子リアクタンスをＸｄ、Ｘｑ、内部
相差角（電力角）をδとすると、以下の（７）式で与え
られる。

【００８２】 Ｐ＝m・V・E・sin(δ)/Xd+ m・V²・(Xd-Xq)・sin(2δ)/(2Xd・Xq) …（７）

【００８３】この（７）式から明らかなように、パワー
Ｐが０のときにδ＝０であり、パワーが増加するとδが
増加する。これにより、要求されるパワーと発生するパ
ワーとが釣り合い、回転子と電機子との同期が保たれる
わけであるが、通常の突極型同期機ではδ＝６０゜付近
で（７）式の右辺（パワーＰ）が最大値となる。

【００８４】この最大値を超えるパワーでは同期は維持
できず、「同期はずれ」を生ずる。最大値は（７）式の
数学的処理により導くことができ、内部電圧Ｅ以外は一
定値とみなせるので、内部電圧Ｅを励磁電流値により求
めることにより決定できる。これはフライホイール発電
機１の設計条件による。

【００８５】図１３は、同期維持監視手段２４の動作を
示すフローチャートである。同期維持監視手段２４は、
まず、電力制御手段１１からフライホイール発電機１の
励磁電流値および電力基準値（負荷の要求する電力）を
取り込む（Ｓ１）。次に、フライホイール発電機１の同
期可能な最大電力を計算し（Ｓ２）、要求される電力が
同期可能な最大電力を超える危険性があるか否かの判定
を行う（Ｓ３）。ここで、同期を維持することが困難と
判定したときは、電力制御手段１１において算出した電
力を強制的に制限する（上限値に書き換える）と共に警
報信号を負荷７に対して発する（Ｓ４）。そして、電力
基準値が更新される度にステップＳ１〜ステップＳ４の
処理を繰り返し行う。

【００８６】この第６の実施の形態によれば、同期維持
監視手段２４を備えるので、負荷７の何らかの異常に伴
う過大な電力の要求に対して「同期はずれ」を生ずるこ
とを防止できる。また、負荷に対して警告を発し適切な
処置を促すことができる。

【００８７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、間
欠的に大電力を必要とする負荷に対して所要電力の低い
時間帯ではフライホイール発電機に電力を回転エネルギ
ーとし蓄え、所要電力の大きい時間帯ではその回転エネ
ルギーを電力として適切に放出できる。このため、受電
端母線での電力を平準化することが可能となる。これに
より、受電設備の容量の削減を図ることができるほか、
電力系統への動揺を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるフライホイ
ール発電機の制御装置の構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態における負荷の消費
電力パターンの説明図。

【図３】本発明の第１の実施の形態における電力制御手
段の構成図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係わるフライホイ
ール発電機の制御装置の構成図。

【図５】本発明の第２の実施の形態における電力制御手
段の構成図。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係わるフライホイ
ール発電機の制御装置の構成図。

【図７】本発明の第３の実施の形態における電力制御手
段の構成図。

【図８】本発明の第４の実施の形態に係わるフライホイ
ール発電機の制御装置の構成図。

【図９】本発明の第４の実施の形態における負荷運転同
期手段の動作を示すフローチャート。

【図１０】本発明の第５の実施の形態に係わるフライホ
イール発電機の制御装置の構成図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態におけるパターン
算出手段の動作を示すフローチャート。

【図１２】本発明の第６の実施の形態に係わるフライホ
イール発電機の制御装置の構成図。

【図１３】本発明の第６の実施の形態における同期維持
監視手段の動作を示すフローチャート。

【図１４】従来のフライホイール発電機の制御装置の構
成図。

【符号の説明】

１…フライホイール発電機、２…電動機、３…受電端母
線、４…遮断器、５…セリビウス装置、６…回転数検出
手段、７…負荷、８…励磁装置、９…制御装置、１０…
パターン設定手段、１１…電力制御手段、１２…基準値
出力手段、１３…電流値計算手段、１４…周波数計算手
段、１５…電力検出手段、１６…ローパスフィルタ、１
７…比較手段、１８…帰還制御手段、１９…加算手段、
２０…電圧検出手段、２１…負荷運転同期手段、２２…
パターン算出手段、２３…負荷制御装置、２４…同期維
持監視手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H590 AA11 AA13 AA30 CA16 CA30 CC05 CC10 CE01 DD43 DD44 EA10 EB04 EB14 EB21 FA06 GA06 GB07 HA02 HA06 HA07 KK04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力系統の受電端母線に接続された負荷
   が要求する消費電力パターンを満たすように、励磁装置
   からフライホイール発電機に交流励磁を与えて前記フラ
   イホイール発電機の入出力を制御するフライホイール発
   電機の制御装置において、前記負荷の消費電力パターン
   と前記受電端母線の平均受電電力との差分を負荷電力パ
   ターンとして出力するパターン設定手段と、前記負荷電
   力パターンに基づいて前記励磁装置の交流励磁用の周波
   数基準値を算出する電力制御手段と、前起電力制御手段
   で算出された周波数基準値を前記励磁装置に出力する基
   準値出力手段とを備えたことを特徴とするフライホイー
   ル発電機の制御装置。
2. 【請求項２】 前記パターン設定手段は、負荷が要求す
   る消費電力パターンに対する負荷電力パターンを有効電
   力パターンと無効電力パターンとに分けて出力し、前記
   電力制御手段は、前記有効電力パターンに基づいて前記
   励磁装置の交流励磁用の周波数基準値を算出し、前記有
   効電力パターンおよび前記無効電力パターンに基づいて
   前記励磁装置の交流励磁用の電流基準値を算出すること
   を特徴とする請求項１に記載のフライホイール発電機の
   制御装置。
3. 【請求項３】 前記受電端母線の受電電力を検出する電
   力検出手段を設け、前記電力制御手段は、前記電力検出
   手段で検出された受電電力に基づいて脈動分を算出し、
   その脈動分を前記負荷電力パターンに加味することを特
   徴とする請求項１に記載のフライホイール発電機の制御
   装置。
4. 【請求項４】 前記受電端母線の受電電力の有効分およ
   び無効分を検出する電力検出手段を設け、前記電力制御
   手段は、前記電力検出手段で検出された受電電力の有効
   分および無効分の脈動分を算出し、有効分の脈動分を前
   記有効電力パターンに加味し、無効分の脈動分を前記無
   効電力パターンに加味することを特徴とする請求項２に
   記載のフライホイール発電機の制御装置。
5. 【請求項５】 前記受電端母線の受電電圧を検出する電
   圧検出手段を設け、前記電力制御手段は、前記電圧検出
   手段で検出された受電電圧の変動分を算出し、その変動
   分を前記有効電力パターンに加味することを特徴とする
   請求項２に記載のフライホイール発電機の制御装置。
6. 【請求項６】 前記負荷の運転との同期を行う負荷運転
   同期手段を設け、前記パターン設定手段は前記負荷運転
   同期手段からの同期指令に基づいて前記負荷電力パター
   ンを出力することを特徴とする請求項１に記載のフライ
   ホイール発電機の制御装置。
7. 【請求項７】 前記パターン設定手段に代えて、前記負
   荷の運転状態に基づいて前記負荷電力パターンを算出す
   るパターン算出手段を設けたことを特徴とする請求項１
   に記載のフライホイール発電機の制御装置。
8. 【請求項８】 前記電力検出手段で検出された受電電力
   に基づいて前記フライホール発電機が同期を維持できる
   か否かを監視する同期維持監視手段を設けたことを特徴
   とする請求項３に記載のフライホイール発電機の制御装
   置。