JP2005304266A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電子制御式エンジン3と、該エンジン3の出力を受けて電力を出力する発電機4と、エンジン3および発電機4の駆動を制御する制御部10と、を備える発電装置1であって、前記制御部10は、エンジン3および発電機4に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定する。
【選択図】図1
Description
このような発電装置の一例としては、特許文献1に開示される技術がある。特許文献1に開示される発電装置は、エンジンの駆動力を利用して発電機で発電を行うだけでなく、エンジンの廃熱をも熱源として活用するコージェネレーションシステムに構成されている。加えて、特許文献1の発電装置は、商用電力と、自己に備える発電機の発電電力とを必要に応じて切換えて、電力負荷に供給可能な電源切換え式の発電装置で構成されている。
そして、このように限られたパッケージ内に各種電装品を搭載する場合には、各機器に対するケーブルが肥大化して、パッケージ内容積が圧迫されることになる。このような不具合を防止するため、パッケージ内の各電装品間の通信には、多重通信技術が適用されるものとなっている。特許文献2には、限られたパッケージとして例えば自動車に適用された多重通信技術が開示されている。
ここで、前記多重通信技術が発電装置に適用される場合は、エンジンや発電機と制御部とが、多重通信が可能なデジタル通信線で接続されることになる。デジタル通信は1と0とのデジタル信号の組み合わせなので、離散的であり、エンジンや発電機の駆動制御において、目標回転数や出力電圧値の設定といった制御目標値の設定を、連続的に設定することが不可能である。
電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置であって、
前記制御部は、エンジンおよび発電機に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定する、ものである。
前記発電装置より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御において、
前記制御部は、自己周波数の目標値を、
同期投入制御開始時における自己周波数よりも同期対象周波数から遠ざかる方向に所定周波数差だけ離れた離間時周波数に一旦設定し、
その後に、所定の同期投入許容周波数帯の内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定する、ものである。
前記制御部は、
前記同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、前記自己周波数が前記同期投入許容周波数帯内に収まらない場合は、
前記同期投入制御を再度実行する、ものである。
本発明における「発電装置」は、エンジンと発電機とを具備し、エンジンにより発電機を駆動して電力(発電電力)を発生し、該電力を外部負荷に供給可能な発電装置を意味している。したがって、以上の構成を備える発電装置であれば、本実施の形態である発電装置1に限定されない。
例えば、エンジンから発生する排熱を利用して温水を供給可能としたコージェネレーション装置も、エンジンにより発電機を駆動する発電装置であるので、本発明における発電装置に含まれるものである。
また、エンジン3や発電機4とは異なる補助アクチュエータ(後述)の駆動を制御する補機盤7、各種センサからの出力信号をアナログ/デジタル変換して発電機盤5に送信する端末盤8、発電装置1内の各電子機器に直流電力を供給する直流電源盤9等も、発電装置1には備えられている。
また、以上の各装置は、発電装置1の収容用容器としてのパッケージ2に収容されて、パッケージ化されている。
なお、発電機盤5等の「盤」は、前記パッケージ2内に収容される小パッケージとしての装置ユニットを指しており、各「盤」内にユニット化された装置が内蔵されている。例えば、発電機盤5には、エンジン3や発電機4の制御に関わる電子機器が内蔵されている。
エンジン3は発電機4を駆動するための駆動源であり、具体的にはガスエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンからなる。エンジン3には燃料を供給するための配管および燃料の供給および停止を行うバルブ群が接続される。
また、発電機4を備える発電装置1は、他の発電装置1からの発電電力系統や、商用電力系統との間で、系統連系可能な装置に構成されている。そして、外部の電力負荷に対して、自らの発電装置1からの発電電力のみを供給することも、他の発電装置1の発電電力や商用電力と合わせた電力を供給することも、可能である。
発電機盤5には、コントロールユニット12、集合形保護継電器13、電気通信ユニット14、タッチパネル15、受電遮断器16等が備えられている。
また、コントロールユニット12には、発電装置1の各仕様に対応できるように、予め他の仕様で用いられるプログラム群やデータ群等も、一緒に格納されている。
ここで、仕様の違いとは、例えば、ディーゼルエンジンとガスエンジンとの違いのようなエンジンの種類の違いや、同種のエンジンであっても異なる製造メーカーによる規格の違い、等を意味する。発電機に関しても同様の違いがある場合、異なる仕様の発電装置となる。
そして、発電装置1を運転制御する際には、その仕様に対応するプログラム群やデータ群を利用して、発電装置1の制御が行われるものとしている。
このように構成することにより、仕様毎に異なる発電機盤を用意する必要がなく、組み立て時の作業性に優れるとともに、部品の共通化によるコスト削減を図ることが可能である。
また、コントロールユニット12と集合形保護継電器13とは配線により接続されており、集合形保護継電器13により検出された交流電力の周波数に係るデータはコントロールユニット12に送信される。そして、この検出情報を元に、エンジン3や発電機4の制御が、前述したようにコントロールユニット12により行われる。
コントロールユニット12には、発電装置1の運転状況に係る種々のデータ(発電装置1内部のデータ)が送信されているが、これらのデータを電気通信ユニット14は、電気通信回線14aを通じて外部(例えば、遠隔地に設けた監視用のパソコン等)に送信することが可能である。また、外部からの指令が、電気通信ユニット14を介して、コントロールユニット12に送信される。
ここで、電気通信回線としては、電話回線(およびこれを利用したインターネット回線)であっても、専用の通信線であっても良い。
ここで、本実施の形態では、発電機盤5とエンジン盤6とを別体としているが、単一の制御盤内に、発電機4の運転制御に関わる基板およびプログラムと、エンジン3の運転制御に関わる基板およびプログラムとを備えるものとしてもよい。この場合は、制御部10が一つの「盤」に収容されることになる。
同期発電機では、出力電力の周波数はエンジンの回転数に比例する。
このため、発電装置1の発電電力の周波数を一定に保つには、制御部10が、電力負荷における消費電力の変動に拠らず、エンジン3の回転数を一定に制御する必要がある。
具体的には、発電機盤5が、発電機4の発電電力の検出値に基づいて、該検出値が発電電力の目標値に一致するように、エンジン盤6に指令してエンジン3の駆動を制御し、発電機4の発電電力の周波数が一定に維持されるように制御する。なお、発電機4からの出力電力を検出する手段については、後述する。
また、同期発電機では、出力電力(電圧)の大きさは発電機4の界磁の大きさに比例する。このため、制御部10は、電力負荷での消費電力の変動に対応して出力を変化させる際は、発電機4の界磁電流の大きさが変化するように、発電機4を制御する。
つまり、発電機4に備える電子制御対象毎に一つの通信線が用意されており、各電子制御対象と発電機盤5との通信が独立して行われるため、これらの各通信が、他の通信と干渉する恐れがない。このため、発電機盤5は、発電機4に備える電子制御対象の制御目標値を、連続信号(アナログ信号)で設定することが可能である。
このため、エンジン盤6も、エンジン3に備える電子制御対象の制御目標値を、連続信号(アナログ信号)で設定することが可能である。
ここで、制御部10は、全ての電子制御対象を連続信号で設定することも可能であれば、特定の電子制御対象のみを連続信号で設定しても良い。あるいは、連続信号で設定する必要のある電子制御対象にのみ、個別の通信線を用意して、その電子制御対象のみ、制御部10が連続信号で制御目標値を設定可能としてもよい。つまり、制御部10は、前記電子制御対象の内、少なくとも一つの電子制御対象の制御目標値を、連続信号の通信により設定可能である。
したがって、デジタル信号の通信を介して制御部10にエンジン3および発電機4が制御される場合に比して、細かな制御が可能になり、発電機4の制御追従性の高さや出力電力(発電電力)の安定性が得られるものとなる。
具体的には、DC4〜20mAの幅に、1000(許容最小回転数)〜3600(許容最大回転数)rpmを割付ければ、2600rpmを16mAで設定することとなり、単位目標値当たりの信号量が、約0.0061mA/rpmとなるのに比して、―100(負側の最大偏差量)〜+100(正側の最大偏差量)rpmを割付けるときは、400rpmを16mAで設定するので、単位目標値当たりの信号が、0.04mA/rpmとなる。従って、単位目標値(この場合、一回転数)当たりの信号量を増加でき、ノイズや誤信号等の影響が相対的に低減されるので、制御精度が向上する。
また、補機盤7にはインバータが設けられており、コントロールユニット12は補機盤7を介して、各補助アクチュエータをインバータ制御により制御する。このため、定電圧源である前記直流電源盤からの出力電力を適宜電力変換して、各種のアクチュエータに駆動用電力を供給することができる。
なお、補機盤7と発電機盤5(およびエンジン盤6)とは、本実施の形態では別体であるが、共に電子機器の制御手段であり、一体的に構成することも可能である。
状態監視用端末からは、検出された電流値等の生データがアナログ信号により出力されるが、端末盤8では、これらのアナログ信号がデジタル信号に変換されて、多重通信方式のネットワークを形成する内部CAN通信ケーブル20に出力される。CAN通信の詳細については後述する。
状態監視用端末は複数あり、その具体例としては、エンジン3の冷却水温度を監視する温度センサ31、エンジン3の回転数を検出する回転数センサ32、発電機4の残留磁気電圧を検出する磁気電圧検出センサ33、燃料の流量を検知する流量センサ(図示せず)等がある。
特に、発電装置1がコージェネレーション装置である場合には、エンジン3の廃熱により加温される温水タンクの水温を計測する温度センサ(図示せず)や、温水の流量を検知する流量センサ(図示せず)等も設けられる。
従って、図1においては端末盤8を一個だけ表しているが、状態監視用端末による監視対象がパッケージ内の離れた位置に配置される場合には、複数の状態監視用端末が互いに離れた位置に配置されることとなるため、対応する端末盤8も複数個設ける場合がある。
そして、直流電源盤9は、発電機盤5、エンジン盤6、補機盤7、端末盤8等の電力機器に、作動用電力を供給する。
なお、発電機4の起動用の電源装置は、発電装置1内に別設されており、この電源装置にも発電機4の発電電力の一部が供給されて、電力源として再生される。
CAN通信(Controller Area Network)は多重通信技術の一つである。
より詳しくは、CAN(Controller Area Network)はISOで国際的に標準化された通信プロトコルの一種であり、(1)通信ケーブル(CAN通信ケーブル)としてシリアルバスを用いるため、大量のデータを少ない配線で送信することが可能であること(省配線、重量削減およびコスト削減が可能)、(2)配線が簡単(シンプル)でデータ伝送の信頼性が高いこと、(3)リアルタイムで大量のデータ伝送が可能であり、システム間で大量のデータをやりとりしつつ連係作業を行う用途に適していること、(4)データ信号を増幅する必要が無く、長距離のデータ転送に適していること、といった特徴を有する。
また、発電装置1と、該発電装置1の外部にある機器とは、外部CAN通信ケーブル21により接続されてネットワークが形成されている。
ここで、「外部にある機器」とは、発電装置1が設置されている建物内において、該発電装置1から離れた位置(例えば、監視モニター室等)に設置されたパソコン17や、複数台の発電装置1が並設される場合(発電電力系統の連系時)の他の発電装置1、を意味する。
発電装置1には、発電装置1内の各制御や信号変換に関わる機器がユニット化されて設けられると共に、これらのユニット間がCAN通信により接続されている。つまり、発電機4の電力制御を行う発電機盤5、発電機4を駆動するエンジン3の機関制御を行うエンジン盤6、エンジン3や発電機4を除く補助アクチュエータ(補機)の制御(つまり補機制御)を行う補機盤7、は制御に関わる機器がユニット化されたものであり、各種センサ出力をアナログ/デジタル変換する端末盤8、は信号変換に関わる機器がユニット化されたものである。
また、動力負荷である補助アクチュエータの駆動は、インバータ制御により行われる構成である。
したがって、発電装置1内の省スペース化が実現されると共に、特にCAN通信により信号伝達の信頼性が向上する。また、補助アクチュエータのインバータ制御により、定電圧源(前記直流電源盤9)を電源としても電圧降下のロスが少なく省電力化に繋がると共に、補助アクチュエータの出力を連続的に変化させることができ、駆動制御の高度化が実現される。
図2は、電力負荷26・26・・・と、これらの電力負荷26・26・・・に電力を供給する電力源と、からなる電力供給システム30を示すものである。ここで、前記電力源には、発電装置1・1・・・や、発電所の商用電力源23が相当する。
まず、発電装置1・1・・・同士は、各発電装置1に備える前記受電遮断器16を介して電力線25に接続されている。そして、これらの発電装置1の群からの発電電力が集中する電力線25が、遮断器を有する連系盤24を介して電力負荷26・26・・・に接続されている。
また、商用電源23と電力負荷26・26・・・とは、遮断器を有する商用電力受電盤27を介して接続される。
加えて、前記連系盤24を介して、発電装置1の群からの発電電力と、商用電源23からの商用電力とを合わせて(発電電力系統と商用電力系統とを連系して)、電力負荷26・26・・・に供給することも可能である。
そして、ある発電装置1の発電電力系統を、外部の電力系統に連系させる際には、自ら(前記の、ある発電装置1)の出力する発電電力の周波数を、外部電力の周波数に同期させる必要がある。
発電装置1の同期投入制御とは、特定の発電装置1が、自らに対する外部電力の周波数に、自らの発電電力の周波数を同期させる制御、のことである。
ここで、自らの発電装置1に対する外部電力が同期の対象であるので、その外部電力の周波数を同期対象周波数とし、外部電力に同期させる元である発電装置1の発電電力を自らの発電電力とし、その周波数を自己周波数とする。
ここで、同期投入許容周波数とは、外部電力の同期対象周波数fと、自己電力の自己周波数との同期が実現される際に、許容される自己周波数のことを指している。同期対象周波数fは固定としているので、同期投入許容周波数帯Bは、自己周波数の許容される周波数領域を意味している。
なお、同期投入許容周波数帯Bは、電力供給先となる電力負荷26・26・・・・や同期発電機である発電機4の諸元等に基づいて、定められる周波数帯である。
また、同期投入許容周波数帯Bの上限値を同期投入上限周波数fuとし、同期投入許容周波数帯Bの下限値を同期投入下限周波数fdとする。
なお、同期投入上限周波数fuと同期対象周波数fとの周波数差と、同期投入下限周波数fdと同期対象周波数fとの周波数差とは、同値である。
このように自己周波数を一旦、同期投入許容周波数帯Bに対する差を大きくしてから、同期投入許容周波数帯Bに向けて制御することで、目標値設定に対する検出値(実際の自らの発電電力の周波数)の追従性が向上する。つまり、同期投入制御の当初から、同期投入許容周波数帯Bの境界周波数を目標値に設定する場合よりも、一旦落差をつけてから同期投入許容周波数帯Bの境界周波数を目標値に設定した場合の方が、アクチュエータの稼動領域が大きいためそのハンチングを抑えて、より早く同期投入許容周波数帯Bの境界周波数に自己周波数が到達するのである。このようにして、同期投入の高速化を実現するものとしている。
なお、同期投入とは、自己周波数が同期投入許容周波数帯B内に収まるように制御されたこと、を意味する。
同期投入制御が開始されると、制御部10(発電機盤5)は、一旦、自己周波数の目標値を、離間時周波数f1に設定する。離間時周波数f1は、初期周波数f0よりも所定周波数差dだけ、同期対象周波数fから離れた周波数であり、初期周波数f0よりも大きな値である。
つまり、離間時周波数f1は、自己周波数の目標値を一旦、同期対象周波数fに対して差が生じるように設定するための目標周波数である。
なお、図3において、時刻t1は、自己周波数の検出値が離間時周波数f1に到達した時刻であり、発電機4で発電電力の目標値が離間時周波数f1に設定された時刻は、時刻t1に先立つものである。
ここで、境界周波数とは、同期投入上限周波数fuまたは同期投入下限周波数fdのことであるが、自己周波数の目標値とされる境界周波数は、同期投入制御の開始時における自己周波数にもっとも近い周波数である。
つまり、時刻t0の初期周波数f0のように、同期投入制御の開始時の自己周波数が同期対象周波数fより大きい場合は、同期投入制御における二回目の目標値設定において、同期投入上限周波数fuが目標値とされる。
なお、図3において、時刻t2は、自己周波数の検出値が同期投入上限周波数fuに到達した時刻であり、発電機4に出力電力の目標値が同期投入上限周波数fuに設定された時刻は、時刻t2に先立つものである。
時刻t3も同期投入制御の開始時点であり、時刻t3における自己周波数を、初期周波数f3とする。f3は同期投入下限周波数fdより小さな値であり、同期投入許容周波数帯Bから外れており、発電装置1は同期投入制御が必要とされる状態にある。
同期投入制御が開始されると、制御部10(発電機盤5)は、一旦、自己周波数の目標値を、離間時周波数f4に設定する。離間時周波数f4は、初期周波数f3よりも所定周波数差dだけ、同期対象周波数fから離れた周波数であり、初期周波数f3よりも小さな値である。なお、時刻t4は、自己周波数の検出値が離間時周波数f4に到達した時刻である。
次いで、制御部10(発電機盤5)は、自己周波数が離間時周波数f4に到達したことが検出されると、自己周波数の目標値を、同期投入許容周波数帯Bの境界周波数に設定する。この場合、同期投入許容周波数帯Bの境界周波数のうち、同期投入制御の開始時における自己周波数にもっとも近い周波数は、同期投入下限周波数fdである。したがって、このとき、同期投入下限周波数fdが自己周波数の目標値に設定される。なお、時刻t5は、自己周波数の検出値が同期投入下限周波数fdに到達した時刻である。
また、コントロールユニット12内のメモリには、同期投入制御の制御ルーチン(プログラム)が記憶されている。
まず、制御部10(発電機盤5)は、自己周波数の目標値を、同期投入制御開始時における自己周波数よりも同期対象周波数fから遠ざかる方向に所定周波数差dだけ離れた離間時周波数に、一旦設定する。
その後に、制御部10(発電機盤5)は、所定の同期投入許容周波数帯Bの内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定する。
したがって、同期投入の高速化が実現されている。
図3には、同期投入が時刻t0から時刻t2までの時間幅で成功した例と、時刻t3から時刻t5までの時間幅で成功した例とを、図示している。これらの時間幅が、同期制御の観点からして徒に長くなった状態が、前記一定時間を過ぎた状態である。
このため、発電装置1においては、この不具合を防止すべく、次のような制御が行われるものとしている。
したがって、外部電力の同期対象周波数fと自己電力の自己周波数との同期が、確実に行われるものとなる。
3 エンジン
4 発電機
5 発電機盤
6 エンジン盤
10 制御部
f 同期対象周波数
f1・f4 離間時周波数
D 同期投入許容周波数帯
Claims (3)
- 電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置であって、
前記制御部は、エンジンおよび発電機に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定する、
ことを特徴とする発電装置。 - 前記発電装置より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御において、
前記制御部は、自己周波数の目標値を、
同期投入制御開始時における自己周波数よりも同期対象周波数から遠ざかる方向に所定周波数差だけ離れた離間時周波数に一旦設定し、
その後に、所定の同期投入許容周波数帯の内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。 - 前記制御部は、
前記同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、前記自己周波数が前記同期投入許容周波数帯内に収まらない場合は、
前記同期投入制御を再度実行する、
ことを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
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