JP2007252099A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コントローラを備えた発電装置と、コントローラを備えた電力変換装置とからなる電力供給装置において、全体としての安全監視機能について高い信頼性を維持しつつ、コントローラ数の削減を図ることができる電力供給装置を提供する。
【解決手段】コントローラ２０を備えた発電装置１０と、コントローラ４０を備えた電力変換装置３０とからなる電力供給装置１において、前記電力変換装置のコントローラ４０に、前記発電装置１０の安全監視機能を持たせた。さらに、発電装置１０のコントローラ２０に、前記電力変換装置３０の安全監視機能を持たせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス等を燃料とする発電装置と、前記発電装置により発電された電力を負荷へ供給するインバータ装置などの電力変換装置とからなる電力供給装置に係り、特にその安全監視機能と安全保護装置に関する。

従来から、例えば、マイコンにより燃料供給を制御する燃焼制御装置においては、マイコンによる燃料供給制御の他に、別途の制御装置を設け、マイコンからの所定の信号が一定時間来ない場合には、電磁弁を遮断して燃料の供給を停止し、マイコンの故障による爆発等の事故を未然防止することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

系統負荷に電力を供給する系統連系発電システムなどの電力供給装置においても、ガス、液体燃料等を燃料とする発電設備（ガスタービン発電機、燃料電池など）においては、安全に関する保護に対して高い信頼性を要求されている。その為、発電装置の保護を二重化し、安全保護の高信頼性を確保している。
特開昭６２−６６０２１号公報

従来の上記電力供給装置の構成では、発電装置には発電機のコントローラと、電力変換装置にはインバータ装置や遮断器などのコントローラとを備えるが、上記発電装置の保護を二重化するため、安全監視専用のコントローラを付加することが必要となっている。しかしながら、発電装置のコントローラと、電力変換装置のコントローラとに加え、さらに安全監視専用のコントローラを付加することは、制御装置のスペース面においても、コスト面においても、無駄が多く、非効率的であるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、コントローラを備えた発電装置と、コントローラを備えた電力変換装置とからなる電力供給装置において、全体としての安全監視機能について高い信頼性を維持しつつ、コントローラ数の削減を図ることができる電力供給装置を提供することを目的とする。

本発明の電力供給装置は、コントローラを備えた発電装置と、コントローラを備えた電力変換装置とからなる電力供給装置において、前記電力変換装置のコントローラに、前記発電装置の安全監視機能を持たせたことを特徴とするものである。

さらに、前記発電装置のコントローラに、前記電力変換装置の安全監視機能を持たせるようにしてもよい。

電力変換装置のコントローラに、発電装置の安全監視機能を持たせることにより、従来の安全監視のための専用のコントローラを不要とすることができる。従って、電力供給装置全体としての高い信頼性を維持しつつ、コントローラ数の削減を図り、電力供給装置全体としての小型化および低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の電力供給装置を示す。この電力供給装置１は、ガスタービン発電機、燃料電池などの発電装置１０と、その発電電力を商用交流電源系統などに連系可能な交流電力に変換するインバータ装置などの電力変換装置３０とから構成され、発電電力を負荷（商用交流電源系統）２に供給する。発電装置１０は、発電機１１とそのコントローラ２０とを備えている。

発電機１１は、ガスタービン発電機においては、燃料ガスを燃焼させることでタービンを回転させ、タービンと直結された発電機が回転することにより、発電を行う。燃料ガスをタービンへ供給する配管１３には、遮断弁（開と閉の状態のみ、開度の調整不可）１４，１５とコントロール弁（開度を調節できる）１６を備えている。発電停止時は、遮断弁１４，１５とコントロール弁１６は閉の状態である。

発電機１１には、各種センサを備え、センサ信号が入力インタフェース２３を介してＣＰＵ２１およびメモリ２２に取り込まれる。センサ信号の例としては、回転速度センサ信号、排ガス温度センサ信号、ガス漏れセンサ信号などがある。ＣＰＵ２１およびメモリ２２は各種センサ信号に応答して演算処理を行い、出力インタフェース２４を介して発電機１１および弁１４，１６などに指令信号を送出し、発電機１１を運転制御する。

発電装置のコントローラ２０は、ＨＭＩ（ヒューマン・マシン・インターフェース）から入力される起動指令により、運転を開始する。運転開始後、ガス遮断弁１４，１５を開にし、ガスコントロール弁１６の開度を調整して、タービンの回転数を定格回転速度で回転するように制御する。運転中に、ＨＭＩから停止指令が入力された場合は、ガス遮断弁１４，１５とコントロール弁１６を閉にして、発電を停止させる。また運転中に、過速度、排ガス温度異常（燃焼温度が高過ぎる）、失火、ガス漏れなどの異常が発生した際は、ガス遮断弁１４，１５とコントロール弁１６を閉状態にして、燃料の供給を遮断し、発電を停止させる。起動前に、前述の異常状態が発生している場合は、運転状態へ移行しない。

電力変換装置３０は、整流回路３１、直流回路３２、昇圧回路３３ａおよびＤＣ／ＡＣ変換（インバータ）回路３３ｂなどからなるインバータ装置３３、出力フィルタ回路３４、接続器３５、およびコントローラ４０で構成される。整流回路３１は、発電装置１０から供給された交流電力を整流し、直流へ変換する。そして、昇圧回路３３ａが、その整流後の直流電圧を所定の電圧レベルへ昇圧する。昇圧回路３３ａにより昇圧された電圧が、インバータ回路３３ｂへ入力され、インバータ回路３３ｂにて系統の電圧、周波数と一致した交流電圧を出力し、ＬとＣからなる出力フィルタ３４と接続器３５を介して系統と接続され、負荷２に電力を供給する。

電力変換装置３０には、電圧検出器、電流検出器などのセンサが配置され、電圧、電流などのセンサ信号が入力インタフェース４１を介してＣＰＵ４２およびメモリ４３に取り込まれる。同様に、インバータ回路３３ｂには温度センサを備え、温度信号が入力インタフェース４１を介してＣＰＵ４２およびメモリ４３に取り込まれる。ＣＰＵ４２およびメモリ４３は各種センサ信号に応答して演算処理を行い、インバータ回路３３ｂを駆動するＰＷＭ信号や接続器３５の投入および遮断信号等を、出力インタフェース４４を介して送出する。

さらに、このコントローラ４０には、発電機１１の各種センサ信号をＣＰＵ４２およびメモリ４３に取り込む入力インタフェース４５、および、発電機１１の運転を停止する制御信号をＣＰＵ４２およびメモリ４３から出力する出力インタフェース４６を備えている。すなわち、発電装置１０の各種センサ信号線が電力変換装置コントローラ４０の入力インタフェース４５に接続され、出力インタフェース４６から遮断弁１４に制御信号線が接続されている。また、発電装置に備えたコントローラ２０の通信インタフェース２５と通信接続することで、双方のＣＰＵ２１，４２を相互接続する通信インタフェース４７を備えている。

電力変換装置のコントローラ４０は、発電装置からの起動指令により、運転が開始される。運転は、昇圧回路３３ａが停止、インバータ回路３３ｂが停止、接続器３５が開の状態で開始される。起動指令受信後、コントローラ４０は、昇圧回路３３ａによりインバータ回路３３ｂの入力電圧を所定の電圧へ昇圧させる。インバータ回路３３ｂの入力電圧が所定の電圧に達したら、インバータ回路３３ｂが動作を開始し、系統の電圧と周波数と一致した電圧波形を出力するように制御される。この状態で、インバータの出力電圧と周波数とが、系統の電圧と周波数とに一致したら、接続器３５が閉とされ、系統（負荷）への電力の供給が開始される。

運転中に、発電装置１０からの停止指令があった場合には、接続器３５を開、インバータ回路３３ｂを停止させ、昇圧回路３３ａを停止させ、電力変換装置３０の運転を停止させる。また、運転中に、系統電圧異常、周波数異常、インバータ回路異常、昇圧装置異常、過電流異常などが発生した場合には、接続器３５を開き、インバータ回路３３ｂを停止させ、昇圧回路３３ａを停止させ、電力変換装置の運転を停止させる。起動前に、上述の異常状態が発生している場合は、運転状態へ移行しない。なお、発電装置１０から供給された電圧を整流した後の電圧が、所定レベル以上の場合は、昇圧回路３３ａを使用しなくても運転は可能である。

図２は、上記実施形態における安全監視機能の配置例を示す。通常、ガスタービン発電機、燃料電池などの発電装置は、発電装置で発電された電力を商用系統、あるいは商用系統とは切り離された負荷へ供給する為に、電力変換装置と組み合わされて利用されているが、発電装置と電力変換装置は制御が独立している為、それぞれに専用の制御コントローラ２０，４０が組み込まれている。

発電装置コントローラ２０は、発電制御機能と発電装置自体についての安全監視機能を備え、電力変換装置コントローラ４０は、電力変換制御機能４０ａと、電力変換装置自体および発電装置についての安全監視機能４０ｂを備えている。すなわち、上記本発明の実施形態においては、上述の電力変換装置３０に組み込まれているコントローラ４０に、発電装置１０の安全監視機能を持たせている。このため、発電機１１の各種センサ信号を入力する信号線５１が電力変換装置のコントローラ４０に接続され、発電機１１の燃料遮断弁１４に制御信号を出力する信号線５２が電力変換装置のコントローラ４０の出力インタフェースから接続され、電力変換装置の安全監視機能４０ｂにより発電装置１０の安全監視を行えるようになっている。

これにより、電力変換装置のコントローラ４０の安全監視機能４０ｂにて、発電装置１０の安全を監視し、異常発生時には電力変換装置のコントローラ４０にて、電力変換装置を停止させるともに、燃料ガスの遮断弁を遮断するなどして発電機１１の運転を停止させる。電力変換装置のコントローラ４０は発電装置１０のコントローラ２０とは独立しているので、従来の安全制御コントローラを使用した場合と同等の高い信頼性を維持できる。

ここで、コントローラ４０の安全監視機能４０ｂは、発電装置１０の発電中の運転状態を監視し、例えば、過速度、排ガス温度異常（排ガス温度が高過ぎる）、失火、ガス漏れなどの異常が発生した際は、燃料ガス遮断弁１４を閉にする制御信号を出力する。燃料ガスの遮断弁の制御は、図４に示すように、発電装置コントローラ２０から制御できる遮断弁１５と電力変換装置コントローラ４０から制御できる遮断弁１４を備えている。あるいは、遮断弁１４，１５自体は共用とし、遮断弁を駆動する回路を２つ設け、どちらのコントローラ１０，３０からでも閉状態にすることができるように構成してもよい。これにより、発電装置のコントローラ２０の制御に関わらず、電力変換装置コントローラ４０からの制御により遮断弁１４を閉状態へ制御して燃料ガスの供給を遮断し、発電機１１の運転を緊急停止できる。

図５は、発電装置として燃料電池を用いた場合の燃料遮断弁の配置例を示す。この場合にも、発電装置である燃料電池ユニット１１には燃料ガスの供給配管１３が接続され、２つの燃料遮断弁１４，１５が配置されている。ここで、燃料遮断弁１４は電力変換装置コントローラの信号により動作するものであり、燃料遮断弁１５は発電装置コントローラ２０からの信号により動作するものであり、安全装置が二重化されている点は、図４と同様である。

図３は、本発明の他の実施形態における安全監視機能の配置例を示す。この実施形態においては、さらに、発電装置のコントローラ２０に、電力変換装置３０の安全監視機能２０ｂを持たせている。これにより、発電装置のコントローラ２０にて、電力変換装置３０の安全を監視し、異常発生時には、発電装置のコントローラ２０にて、発電機１１を停止させるともに、負荷２と電力変換部３８を接続する接続器３５を遮断するなどして、電力変換部３８と負荷２とを切断することができ、系統から電力供給装置１を切り離すことができ、さらに装置全体の安全に対する信頼性が向上する。

すなわち、この実施形態においては、図６に示すように、接続器３５の遮断／投入を制御する接点３６，３７を備え、接点３６は発電装置コントローラ２０からの信号により動作し、接点３７は電力変換装置コントローラ４０からの信号により動作する。従って、発電装置コントローラ２０に電力変換装置３０の各種センサからの入力インタフェースを備え、安全監視を行うことで、電力変換装置コントローラ４０による安全監視に加え、電力変換装置３０の安全監視を二重化することができる。

また、電力変換装置コントローラ４０と発電装置コントローラ２０は通信手段を有しているので、コントローラ自体の異常が発生し制御不能状態になった状態を、各々のコントローラが通信によって監視することができる。この検出機能によりコントローラが異常を検出した場合、異常を検出したコントローラが自身の制御対象の運転を停止させるとともに、もう一方の制御対象の運転を停止させる。なお、一方のコントローラが他方の制御対象の異常、あるいは他方のコントローラの異常を検出した際に、他方の制御対象を停止させる際は、制御対象全体を停止させても良いし、制御対象を安全状態へと移行させる最低限の制御でも良い。

従って、図３に示す電力供給装置によれば、下記の機能を備えている。
電力変換装置コントローラによる発電装置の安全監視機能
電力変換装置コントローラによる発電装置コントローラの状態監視機能
発電装置コントローラによる電力変換装置の安全監視機能
発電装置コントローラによる電力変換装置コントローラの状態監視機能
上記監視機能により安全の確認を行い、異常を検出した場合に、次の四つの動作の全て、あるいはその一部を実行する。
電力変換装置コントローラによる電力変換装置の停止
電力変換装置コントローラによる発電装置の停止
発電装置コントローラによる発電装置の停止
発電装置コントローラによる電力変換装置の停止

例えば、電力供給装置１が、発電装置がガスタービン発電機、電力変換装置が系統連系インバータで構成される場合、電力変換装置のコントローラ４０が、排気ガス温度、回転数信号等により発電装置の異常、あるいは通信手段により発電装置コントローラ２０の異常を検出した場合、電力変換装置のコントローラ４０は、発電装置の燃料供給弁を遮断することにより、発電装置を安全状態へ移行することができる。また、発電装置のコントローラ２０が、インバータ装置の温度、電流信号等により電力変換装置の異常、あるいは通信手段により電力変換装置コントローラの異常を検出した場合、発電装置コントローラ２０は、電力変換装置の系統との接続器３５を遮断させることにより、外部への電力供給を停止させることができ、安全状態へ移行させることができる。

通信手段は、通信の時間間隔が一定時間以上空いた場合に、コントローラ異常と判断する。あるいは、互いに共通するセンサのデータ確認を行い、値に不一致が生じた際に、コントローラ異常と判断する。

なお、上述の実施形態は、発電装置がタービン発電機と燃料電池の場合について主として説明したが、その他の形式の発電装置についても同様に本発明の趣旨を適用できることは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の一実施形態の電力供給装置を示すブロック図である。 上記実施形態における安全監視機能の配置例を示すブロック図である。 図２の他の実施形態を示すブロック図である。 発電装置としてタービン発電機を用いた場合の燃料遮断弁の配置例を示す図である。 発電装置として燃料電池を用いた場合の燃料遮断弁の配置例を示す図である。 接続器の遮断／投入を制御する接点の配置例を示す図である。

符号の説明

１ 電力供給装置
２ 負荷
１０ 発電装置
１１ 発電機（燃料電池ユニット）
１３ 配管
１４，１５ 燃料ガス遮断弁
１６ 燃料ガスコントロール弁
２０ 発電装置コントローラ
２０ａ 発電制御機能
２０ｂ 安全監視機能
２１,４２ ＣＰＵ
２２,４３ メモリ
２３,４１,４５ 入力インタフェース
２４,４４,４６ 出力インタフェース
２５,４７ 通信インタフェース
３０ 電力変換装置
３１ 整流回路
３２ 直流回路
３３ インバータ装置
３３ａ 昇圧回路
３３ｂ インバータ回路
３４ 出力フィルタ回路
３５ 接続器
３６，３７ 接点
３８ 電力変換部
４０ 電力変換装置コントローラ
４０ａ 電力変換制御機能
４０ｂ 安全監視機能
５１，５２ 信号線

Claims (7)

1. コントローラを備えた発電装置と、コントローラを備えた電力変換装置とからなる電力供給装置において、
   前記電力変換装置のコントローラに、前記発電装置の安全監視機能を持たせたことを特徴とする電力供給装置。
2. さらに、前記発電装置のコントローラに、前記電力変換装置の安全監視機能を持たせたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
3. 前記電力変換装置のコントローラからの信号に基づいて、前記発電装置に燃料を供給する遮断弁を閉じ、その運転を停止させることを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
4. 前記発電装置のセンサ信号を、前記電力変換装置のコントローラに入力する信号線を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
5. 前記発電装置のコントローラからの信号に基づいて、前記電力変換装置の遮断器を開き、外部への電力の供給を停止させることを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
6. 前記電力変換装置のセンサ信号を、前記発電装置のコントローラに入力する信号線を備えたことを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
7. 発電装置の発電出力を交流電力に変換し、負荷に供給する電力変換装置であって、
   発電装置の発電出力を交流電力に変換する電力変換部と、
   前記交流電力を負荷に接続する接続器と、
   前記電力変換部および前記接続器に備えたセンサの信号を入力し、ＣＰＵおよびメモリにより演算処理し、制御信号を出力する電力変換装置コントローラとを備え、
   前記電力変換装置コントローラは、前記発電装置のセンサの信号を入力する入力インタフェースと、前記発電装置の運転を制御する制御信号を出力する出力インタフェースと、前記発電装置のセンサの信号を監視し、異常を検出した場合に前記発電装置の運転を停止する制御信号を出力する前記発電装置の安全監視機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。