JP2012125077A

JP2012125077A - 発電設備

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Publication number: JP2012125077A
Application number: JP2010274779A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kuki; 正憲九鬼; Nagatomo Tsuji; 長知辻
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: JP5647503B2

Abstract

【課題】内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供する。
【解決手段】一次巻線を備える固定子１１ｂと二次巻線を備える回転子１１ａとを有する二次励磁誘導発電機１１と、回転子１１ｂを駆動する内燃機関１３と、内燃機関１３を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段１６、１７と、固定子１１ｂと回転子１１ａとの間に電気的に接続される双方向電力変換器１２とを備え、電力系統４とは独立した状態で、一次巻線に接続される電力負荷装置３に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備１０であって、回転速度制御手段１６、１７は、内燃機関１３の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係で内燃機関１３の設定回転速度を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、回転子を駆動する内燃機関と、内燃機関が設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、固定子と回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、電力系統とは独立した状態で、一次巻線に接続される電力負荷装置に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備に関する。

従来から、風力発電や揚水式発電のような、発電機に入力される軸入力回転速度が変化する駆動源を、軸入力回転速度に対し出力電力の周波数を変化させることができる二次励磁誘導発電機とともに用いることで、出力電力の周波数を基準周波数（例えば６０Ｈｚ）に制御できる発電設備が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。具体的には、特許文献１では、風力発電や揚水式発電において二次励磁誘導発電機を用いる発電設備が開示されている。尚、二次励磁誘導発電機の回転子を駆動する駆動源として内燃機関を用いた発電設備も想定できる。その場合、内燃機関の回転速度の高低に関わらず出力電力の周波数を基準周波数に調節するような周波数制御を実施することも可能である。

特開２００９−２７７６６号公報

図１は、内燃機関１３を駆動源とした場合の二次励磁誘導発電機１１を備える発電設備１０の構成例である。二次励磁誘導発電機１１は、商用電源１に接続される電力系統４と同じ周波数（例えば、６０Ｈｚ等）の交流電力を発電し、その電力を電力負荷装置３及び商用電源１側に供給可能に構成されている。二次励磁誘導発電機１１は、一次巻線（図示せず）を備える固定子（ステータ）１１ｂと、二次巻線（図示せず）を備える回転子（ロータ）１１ａとを有する。固定子１１ｂが備える一次巻線は電力系統４に接続される。回転子１１ａが備える二次巻線は、双方向電力変換器１２を介して電力系統４に接続される。内燃機関１３は、二次励磁誘導発電機１１の回転子１１ａに機械的に連結されており、回転子１１ａを駆動（回転駆動）する。内燃機関１３の動作は、調速装置としてのガバナ（ＧＯＶ）１６が制御する。例えば、ガバナ１６は、内燃機関１３への燃料供給量を調節して、内燃機関１３の回転速度を制御する。ガバナ１６に対する内燃機関１３への燃料供給量の指令は、速度設定器１７で決定される設定回転速度と、速度検出器１５で検出される内燃機関１３の現在の実回転速度とに基づいて行われる。

図８は、発電設備１０において、自立運転時に負荷電力が投入される前後での、内燃機関１３の実際の回転速度、設定回転速度、発電機の固定子出力周波数、並びに、負荷電力の推移を示すグラフである。特に、図８に示す例では、内燃機関１３の定格出力（即ち、発電設備１０の定格出力）に対して８０％の負荷電力を時刻５秒の時点で投入した場合を示している。以下、この例について説明する。

負荷投入される時刻５秒以前では、電力負荷装置３は電力系統４に接続されておらず、且つ、発電設備１０が自立運転を行っている、いわゆる無負荷状態にある。図８では、設定回転速度が１００％（例えば、発電設備１０が定格出力電力を発生するときの内燃機関１３の回転速度）として示されている。従って、時刻５秒以前では、速度検出器１５で検出される内燃機関１３の実回転速度も１００％となっている。また、上述した周波数制御が行われることで、周波数検出器１９で検出される実際の固定子出力周波数も基準周波数の１００％の値（例えば、６０Ｈｚ）に制御できている。

次に、時刻５秒において、内燃機関の定格出力（即ち、発電設備の定格出力）の８０％の負荷電力を消費する電力負荷装置が電力系統に投入される。この負荷投入によって、固定子出力周波数は瞬間的に低下するものの、上述した周波数制御が行われることで、その後、１００％の値に復帰できている。

しかし、この負荷投入によって内燃機関１３の負荷が増大するため、図８に示すように時刻５秒以後から内燃機関１３の回転速度は低下し始め、時刻ｔ１０において内燃機関１３が失速している。従って、これ以降、実回転速度は現れない。この内燃機関１３の失速の原因は、内燃機関１３の回転速度低下を検知してからガバナ１６が回転速度上昇のために燃料供給量の増加を決定するまでの制御遅れや、内燃機関１３における燃料投入遅れなどの要因により、内燃機関１３の回転速度が上昇に転じるまでの間に回転速度が大幅に低下したことが挙げられる。
つまり、負荷投入量が小さい場合には、内燃機関１３の負荷も小さいため、内燃機関１３の回転速度が上昇に転じるまでの回転速度の低下幅も小さく、内燃機関１３の失速には至らないが、負荷投入量が大きくなると、図８に示したように失速に至る可能性が高い。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、自立運転を行う場合において内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る発電設備の特徴構成は、一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する内燃機関と、前記内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、前記固定子と前記回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、電力系統とは独立した状態で発電電力を電力負荷装置に供給する自立運転を行う発電設備であって、
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する点にある。

上記特徴構成によれば、内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて（即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態から、出力の上昇余裕が大きくなる低出力側へ離れるにつれて）、内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が決定される。つまり、出力の上昇余裕があり、その余裕に見合った新たな負荷投入を待っている間、内燃機関の回転速度は、内燃機関が定格出力で運転されている場合の回転速度に比べて高い回転速度となる。
内燃機関が有する回転エネルギは回転速度の２乗に比例するため、内燃機関の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度よりも高ければ、そのときの回転エネルギは、定格出力で運転されている場合の内燃機関が有する回転エネルギよりも、回転速度の２乗の差の分だけ大きい状態になっている。このように、予め内燃機関に対して大きい回転エネルギを持たせておくことで、負荷投入によって内燃機関の負荷が大きくなったとしても、回転速度の低下幅を小さくできる。更に、負荷投入前の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度に比べて元々高いレベルにあるため、負荷投入によって内燃機関の回転速度が低下するとしても、低下後の回転速度を高く保つことができる。また、設定回転速度を高くするのは内燃機関の出力が定格出力よりも低いときであり、内燃機関の出力がそれよりも大きい定格出力であるときには内燃機関の回転速度は相対的に低く抑えられるので、内燃機関に対する機械的なストレスが大きくなり過ぎることはない。
また、本特徴構成では、内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が決定されるので、低負荷状態になるほど負荷投入量を大きくできる。
従って、内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供できる。

本発明に係る発電設備の別の特徴構成は、前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する点にある。

上記特徴構成によれば、内燃機関の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて（即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態であるにも関わらず、更に大きな出力を要求されるにつれて）、内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が高く決定される。従って、負荷投入時に突入電流が流れる等の過負荷が発生したとしても、内燃機関の回転速度の上昇によってその過負荷に応じた出力上昇を実施できる。

本発明に係る発電設備の更に別の特徴構成は、前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える点にある。

上記特徴構成によれば、双方向電力変換器が回転子の出力無効電力を一定とするように制御することで、電流耐量の小さい半導体素子を用いて構成される双方向電力変換器を使用できる。

発電設備の構成を示す図である。内燃機関の出力と内燃機関の設定回転速度及びスリップ率との関係を示すグラフである。本発明に係る発電設備において、自立運転時に負荷電力が投入される前後での、内燃機関の回転速度、設定回転速度、発電機の固定子出力周波数、並びに、負荷電力の推移を示すグラフである。電動モータの負荷特性を示すグラフである。図４に例示した負荷特性を有する電動モータを電力負荷装置として負荷投入したときの結果を示すグラフである。負荷有効電力を固定子出力及び回転子出力で分担している状態を説明するグラフである。負荷無効電力を固定子出力及び回転子出力で分担している状態を説明するグラフである。従来の発電設備において、自立運転時に負荷電力が投入される前後での、内燃機関の実際の回転速度、設定回転速度、発電機の固定子出力周波数、並びに、負荷電力の推移を示すグラフである。

以下に図面を参照して、本発明に係る発電設備について説明する。
図１は、本発明の発電設備１０の構成を示す図である。発電設備１０は、一次巻線を備える固定子（ステータ）１１ｂと二次巻線を備える回転子（ロータ）１１ａとを有する二次励磁誘導発電機１１と、回転子１１ａを駆動する内燃機関１３と、内燃機関１３を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段としてのガバナ１６及び速度設定器１７と、固定子１１ｂと回転子１１ａとの間に電気的に接続される双方向電力変換器１２とを備える。
二次励磁誘導発電機１１は、商用電源１に接続される電力系統４と同じ周波数（例えば、６０Ｈｚ等）の交流電力を発電し、その電力を電力負荷装置３及び商用電源１側に供給可能に構成されている。二次励磁誘導発電機１１は、一次巻線（図示せず）を備える固定子１１ｂと、二次巻線（図示せず）を備える回転子１１ａとを有する。固定子１１ｂが備える一次巻線は電力系統４に接続される。回転子１１ａが備える二次巻線は、双方向電力変換器１２を介して電力系統４に接続される。電力系統４には電力負荷装置３が接続される。図１では、複数の電力負荷装置３が各別に遮断器５を介して電力系統４に接続されている構成を例示している。
以下の説明では、固定子１１ｂが備える一次巻線側を「二次励磁誘導発電機１１の一次側」と見なし、回転子１１ａが備える二次巻線側を「二次励磁誘導発電機１１の二次側」と見なしている。よって、二次励磁誘導発電機１１の一次側（固定子１１ｂ側）に発生する電力（電圧、電流）の周波数が、電力負荷装置３に供給される電力の周波数となる。

内燃機関１３は、二次励磁誘導発電機１１の回転子１１ａに機械的に連結されており、回転子１１ａを駆動（回転駆動）する。本実施形態において、内燃機関１３の出力軸は回転子１１ａと一体回転するようにカップリング６を介して連結可能であり、連結されていれば内燃機関１３の回転速度と回転子１１ａの回転速度とは等しくなる。内燃機関１３は、例えば都市ガス等を燃料とするガスエンジンであり、電力に加えて別途需要のある熱を併せて供給できるコジェネレーションシステムの一部として機能できる。尚、内燃機関１３として、上記ガスエンジンの他に、ガソリン、軽油、重油等を燃料とするエンジンを採用してもよい。

二次励磁誘導発電機１１を始動するには、例えば蓄電池（図示せず）からの電力などを用いて回転子１１ａの二次巻線に初期励磁電力を供給する。そして、二次励磁誘導発電機１１の始動が完了した後は、固定子１１ｂの一次巻線から得られる発電電力を双方向電力変換器１２を介して回転子１１ａの二次巻線に励磁電力として供給する自励運転を行う。

双方向電力変換器１２は、ある電圧、周波数、位相の交流電力を、所望の電圧、周波数、位相の交流電力に変換して出力する機器である。例えば、双方向電力変換器１２は、ある電圧、周波数、位相の交流電力を直流電力に変換（順変換）するための変換器と、その直流電力を所望の電圧、周波数、位相の交流電力に変換（逆変換）するための変換器という２つの変換器で構成できる。或いは、双方向電力変換器１２は、直流部を介さずに、ある電圧、周波数、位相の交流電力を、所望の電圧、周波数、位相の交流電力に直接変換する１つの変換器（所謂、マトリクスコンバータ）で構成できる。このような双方向電力変換器１２は、複数のスイッチング素子を組み合わせて構成される。スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）等の種々の構造のパワートランジスタを採用できる。

本実施形態において、発電設備１０は、発電電力の周波数（電圧、電流の周波数）を自在に制御可能な装置構成となっている。詳細な説明は省略するが、二次励磁誘導発電機１１の発電電力の周波数（二次励磁誘導発電機１１の一次側に誘起される一次側電圧の周波数）をｆｓとし、回転子１１ａの回転周波数をｆωとし、回転子１１ａの二次巻線を励磁するためにその二次巻線に供給される交流電流（交流電圧）の周波数をｆｒとすると、「ｆｓ＝ｆω＋ｆｒ」となる。ここで、回転子１１ａの回転周波数ｆωは、回転子１１ａの回転速度をｍ（ｒｐｍ）とし、二次励磁誘導発電機１１の磁極数をｎとして、「ｆω＝ｍ×ｎ／１２０」から求まる。

例えば、回転子１１ａの回転速度が１１００ｒｐｍであり、二次励磁誘導発電機１１の磁極数が「６」の場合には、回転子１１ａの回転周波数ｆωは５５Ｈｚとなる。よって、この場合に、双方向電力変換器１２を制御して二次巻線に周波数が５Ｈｚの交流電流（交流電圧）を供給すれば（即ち、ｆｒ＝＋５Ｈｚとすれば）、周波数が６０Ｈｚの交流電力を得ることができる。また、逆に、双方向電力変換器１２を制御して二次巻線から周波数が５Ｈｚの交流電流（交流電圧）を取り出せば（即ち、ｆｒ＝−５Ｈｚとすれば）、周波数が５０Ｈｚの交流電力を得ることができる。このように、回転子１１ａの回転速度（すなわち、内燃機関１３の回転速度）が同一であっても、回転子１１ａの二次巻線に供給する交流電流の周波数ｆｒを変えることで発電電力の周波数ｆｓを変化させることができる。

次に、内燃機関１３に対する制御、及び、双方向電力変換器１２に対する制御の詳細について説明する。
〔内燃機関に対する制御〕
内燃機関１３の動作は、調速装置としてのガバナ（ＧＯＶ）１６が制御する。例えば、ガバナ１６は、内燃機関１３への燃料供給量を調節して、内燃機関１３の回転速度を制御する。ガバナ１６に対する内燃機関１３への燃料供給量の指令は、速度設定器１７で決定される設定回転速度と、速度検出器１５で検出される内燃機関１３の現在の実回転速度とに基づいて行われる。具体的には、速度設定器１７は、内燃機関１３の出力に応じて内燃機関１３の設定回転速度を決定する。そして、速度設定器１７で決定された設定回転速度と、速度検出器１５で検出される内燃機関１３の実回転速度との差が、内燃機関１３への燃料供給量の指令としてガバナ１６に伝えられる。
以上のように、ガバナ１６及び速度設定器１７は、「内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段」として機能する。

図２は、速度設定器１７が記憶している、内燃機関１３の出力と内燃機関１３の設定回転速度との関係を示すグラフである。また、図２には、内燃機関１３の出力と二次励磁誘導発電機１１のスリップ率との関係も示す。尚、図２において横軸に示す内燃機関１３の出力は、発電設備１０の出力（即ち、電力検出器１８が検出する、発電設備１０から電力系統４へ供給される有効電力）に対応する。本実施形態では、発電設備１０が定格出力電力を発生するときの内燃機関１３の回転速度を、設定回転速度が１００％である状態としている。本実施形態では、図２に示すように、縦軸に示す内燃機関１３の設定回転速度は、横軸に示す内燃機関１３の出力が定格出力（１００％）から低出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係で決定される。加えて、図２に示すように、縦軸に示す内燃機関１３の設定回転速度は、横軸に示す内燃機関１３の出力が定格出力（１００％）から高出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係で決定される。図２に示す例では、内燃機関１３の出力をＸと表記し、内燃機関１３の設定回転速度をＹと表記すると、内燃機関１３の出力：Ｘと内燃機関１３の設定回転速度：Ｙの関係を以下の式１、式２で表すことができる。
Ｙ＝−０．２×Ｘ＋１２０（０≦Ｘ≦１００）（式１）
Ｙ＝Ｘ（１００＜Ｘ）（式２）

上述したように、内燃機関１３の出力は、発電設備１０が電力系統４へ供給する有効電力（即ち、電力検出器１８が検出する有効電力）に対応するので、図２は、電力検出器１８が検出する有効電力（横軸）と内燃機関１３の設定回転速度（縦軸）との関係と見ることができる。そして、速度設定器１７は、電力検出器１８の検出結果に応じて内燃機関１３の設定回転速度を決定し、決定した設定回転速度を減算器に出力する。減算器は、速度設定器１７の出力（設定回転速度）から、速度検出器１５が検出する内燃機関１３の実回転速度を減算し、導出されるその差分の回転速度をガバナ１６に出力する。ガバナ１６は、差分の回転速度に応じて、内燃機関１３への燃料供給量を変化させる。例えば、速度設定器１７が決定した内燃機関１３の設定回転速度が、速度検出器１５が検出する内燃機関１３の実回転速度よりも速い場合、減算器からガバナ１６へは正の回転速度が出力される。その結果、ガバナ１６は、内燃機関１３の回転速度を正の方向へ変化（即ち、増加）させるように、内燃機関１３への燃料供給量を増加させる。或いは、速度設定器１７が決定した内燃機関１３の設定回転速度が、速度検出器１５が検出する内燃機関１３の実回転速度よりも遅い場合、減算器からガバナ１６へは負の回転速度が出力される。その結果、ガバナ１６は、内燃機関１３の回転速度を負の方向へ変化（即ち、低下）させるように、内燃機関１３への燃料供給量を減少させる。

図２に示したように、内燃機関１３の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて（即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態から、出力の上昇余裕が大きくなる低出力側へ離れるにつれて）、内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係で内燃機関１３の設定回転速度が決定される。つまり、出力の上昇余裕があり、その余裕に見合った新たな負荷投入を待っている間、内燃機関１３の回転速度は、内燃機関１３が定格出力で運転されている場合の回転速度に比べて高い回転速度となる。

また、図２に示すように、内燃機関１３の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて（即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態であるにも関わらず、更に大きな出力を要求されるにつれて）、内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係で内燃機関１３の設定回転速度が高く決定される。従って、負荷投入時に突入電流が流れる等の過負荷が発生したとしても、内燃機関１３の回転速度の上昇によってその過負荷に応じた出力上昇を実施できる。尚、この過負荷に応じた出力上昇には時間的な制約（出力上昇期間の上限）を設けることが好ましい。例えば、この例では１５秒を上限とすることが好ましい。

〔双方向電力変換器に対する制御〕
双方向電力変換器１２の動作は、ＡＱＲ（自動無効電力調整器）２２で生成された制御値（無効電力制御値）、ＡＶＲ（自動電圧調整器）２３で生成された制御値（電圧制御値）、及び、ＡＦＲ（自動周波数調整器）２４で生成された制御値（周波数制御値）を、ＦＯＣ（フィールド・オリエンテッド・コントローラ）２５が座標変換した上で双方向電力変換器１２に入力することで制御される。例えば、ＦＯＣ２５は、二次励磁誘導発電機１１の３相の各回転子１１ａの巻線に流す電流（制御値）を、回転子１１ａにおける磁界の方向であるｄ軸と、そのｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル成分に座標変換した上で双方向電力変換器１２に入力する。そして、この制御において二次励磁誘導発電機１１の回転状態を知る必要があるため、回転子１１ａの回転速度（即ち、内燃機関１３の回転速度に対応）を検出するための速度検出器１５と、回転子１１ａの電気角（即ち、内燃機関１３の出力軸の回転角に対応）を検出するための位相検出器１４とが、発電設備１０に設けられている。
以上のように、ＡＱＲ２２、ＡＶＲ２３、ＡＦＲ２４及びＦＯＣ２５は、「双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段」として機能する。

ＡＦＲ２４は、周波数検出器１９で検出される固定子出力周波数が基準周波数となるように、回転子励磁周波数の調節を双方向電力変換器１２に行わせる制御を行う。この周波数制御では、周波数検出器１９は、固定子１１ｂから出力される電力の周波数（固定子出力周波数）を検出する。周波数検出器１９が検出した固定子出力周波数は、基準周波数Ｆｒｅｆ（即ち、６０Ｈｚ等の周波数）と比較される。固定子出力周波数の、基準周波数Ｆｒｅｆからの偏差はＡＦＲ２４に入力される。ＡＦＲ２４は、その偏差を０（ゼロ）にするような制御値を生成する。ＡＦＲ２４が生成した制御値は、ＦＯＣ２５において座標変換された後、双方向電力変換器１２に入力される。その結果、双方向電力変換器１２が上述したように回転子励磁周波数ｆｒを調節して、固定子出力周波数が基準周波数へと近づくことになる。

ＡＶＲ２３は、電圧検出器２０で検出される固定子出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆとなるように、固定子出力電圧の調節を双方向電力変換器１２に行わせる制御を行う。この電圧制御では、電圧検出器２０は、固定子１１ｂから出力される電力の電圧（固定子出力電圧）を検出する。電圧検出器２０が検出した固定子出力電圧は、基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。固定子出力電圧の、基準電圧Ｖｒｅｆからの偏差はＡＶＲ２３に入力される。ＡＶＲ２３は、その偏差を０（ゼロ）にするような制御値を生成する。ＡＶＲ２３が生成した制御値は、ＦＯＣ２５において座標変換された後、双方向電力変換器１２に入力される。

ＡＱＲ２２は、電力検出器２１で検出される回転子無効電力が基準回転子無効電力Ｑｒｅｆとなるように、回転子無効電力の調節を双方向電力変換器１２に行わせる制御を行う。この無効電力制御では、電力検出器２１は、回転子１１ａから出力される回転子無効電力を検出する。電力検出器２１が検出した回転子無効電力は、基準回転子無効電力Ｑｒｅｆと比較される。回転子無効電力の、基準回転子無効電力Ｑｒｅｆからの偏差はＡＱＲ２２に入力される。ＡＱＲ２２、その偏差を０（ゼロ）にするような制御値を生成する。ＡＱＲ２２が生成した制御値は、ＦＯＣ２５において座標変換された後、双方向電力変換器１２に入力される。

次に、発電設備１０の自立運転時に負荷投入を行ったときの結果を説明する。自立運転では、遮断器２が開放状態に切り替えられているため電力系統４から電力の供給を受けることはできず、発電設備１０から電力負荷装置３に対して所定の基準周波数の交流電力が供給される。そのために、内燃機関１３を所定の回転速度で駆動させた後、所定の遮断器５を接続状態に切り替えて電力負荷装置３を電力系統４に接続し（即ち、負荷投入を行って）、電力負荷装置３に基準周波数の交流電力を供給する。

図３は、本発明に係る発電設備１０において、自立運転時に負荷電力が投入される前後での、内燃機関１３の回転速度、設定回転速度、二次励磁誘導発電機１１の固定子出力周波数、並びに、負荷電力の推移を示すグラフである。特に、図３に示す例では、内燃機関１３の定格出力（即ち、発電設備１０の定格出力）に対して９０％の負荷電力を時刻５秒の時点で投入した場合を説明する。

負荷投入される時刻５秒以前では、電力負荷装置３は電力系統４に接続されておらず、且つ、発電設備１０が自立運転を行っている、いわゆる無負荷状態にある。従って、発電設備１０の出力（即ち、内燃機関１３の出力）は０％である。図２を参照して説明したように、速度設定器１７は、電力検出器１８の検出結果（発電設備１０の出力が０％）、及び、図２に例示したような関係を参照して、内燃機関１３の設定回転速度を１２０％の回転速度に決定する。尚、上述したように、発電設備１０が定格出力電力を発生するときの内燃機関１３の回転速度を１００％の回転速度としている。従って、時刻５秒以前では、速度検出器１５で検出される内燃機関１３の実回転速度も１２０％となっている。また、上述した周波数制御が行われることで、周波数検出器１９で検出される固定子出力周波数も１００％の値（例えば、６０Ｈｚ）に制御できている。

内燃機関１３が有する回転エネルギは回転速度の２乗に比例するため、予め内燃機関１３の回転速度を１２０％の状態で運転するということは、内燃機関１３が有する回転エネルギが、回転速度を１００％の状態で運転する場合に比べて４４％増しの状態になっていることを意味する。

次に、時刻５秒において、所定の遮断器５が接続状態に切り替えられて、内燃機関１３の定格出力の９０％の負荷電力を消費する電力負荷装置３が電力系統４に投入される。この負荷投入によって、固定子出力周波数は瞬間的に低下するものの、上述した周波数制御が行われることで、その後、短時間のうちに１００％の値に復帰できている。また、この負荷投入によって内燃機関１３の負荷が増大するため、内燃機関１３の回転速度は低下し始める。しかし、上述したガバナ１６による内燃機関１３の回転速度制御によって、内燃機関１３が失速するまでの回転速度低下は発生しない。本実施形態では、内燃機関１３の設定回転速度は、負荷投入前の１２０％から低下して、図２に示したように、内燃機関１３の出力に応じた１０２％の値に収束して行く。そして、内燃機関１３の実回転速度も１０２％の値に収束して行き、その後も内燃機関１３の運転を継続できる。

このように、予め内燃機関１３に対して大きい回転エネルギを持たせておくことで、負荷投入によって内燃機関１３の負荷が大きくなったとしても、回転速度の低下幅を小さくできる。更に、負荷投入前の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関１３の回転速度に比べて元々高いレベルにあるため、負荷投入によって内燃機関１３の回転速度が低下するとしても、低下後の回転速度を高く保つことができる。

次に、図４〜図７を参照して、電力負荷装置３としての電動モータが負荷投入される場合の例を説明する。
図４は、電動モータの負荷特性を示すグラフである。具体的には、図４は、定格負荷電力が内燃機関１３の定格出力（即ち、発電設備１０の定格出力）の４０％の値である電動モータの負荷有効電力、負荷無効電力、負荷皮相電力の時間的な推移を示すグラフである。図示するように、時刻５秒で負荷投入された直後から突入電流が一時的に大きく現れ、時刻１０秒以降になってから負荷電力が一定となるような負荷特性を示す。図示するように、負荷電力が一定となった状態では、負荷有効電力は内燃機関１３の定格出力の約４０％、負荷無効電力は内燃機関１３の定格出力の約２０％、負荷皮相電力は内燃機関１３の定格出力の約４５％となっている。これに対して、突入電流が最大となった状態では、負荷有効電力は内燃機関１３の定格出力の約１２０％、負荷無効電力は内燃機関１３の定格出力の約１９０％、負荷皮相電力は内燃機関１３の定格出力の約２２５％となっている。

図５は、図４に例示した負荷特性を有する電動モータを電力負荷装置３として負荷投入したときの結果を示すグラフである。図示するように、負荷投入と同時に瞬間的に１２０％の電力負荷装置３が投入されたのと同様の状態となっている。しかし、内燃機関１３の回転速度の低下は抑制され、失速することもない。また、固定子出力周波数は、負荷投入と同時に瞬間的に低下するが、その後、上述した周波数制御によって基準周波数（１００％）へと制御されている。このように、本発明に係る発電設備１０は、突入電流のような瞬間的な負荷に対しても対応可能な構成であると言える。

図６は、負荷有効電力を固定子出力及び回転子出力で分担している状態を説明するグラフである。図７は、負荷無効電力を固定子出力及び回転子出力で分担している状態を説明するグラフである。図６及び図７に示すように、負荷投入が時刻５秒に実施されるのに引き続いて突入電流が流れ、負荷有効電力及び負荷無効電力が上昇すると共に、固定子有効出力及び回転子有効出力、並びに、固定子無効電力及び回転子無効電力が上昇する。また、負荷投入された直後は二次励磁誘導発電機１１の固定子出力電圧も低下するが、固定子側及び回転子側から無効電力が充分供給されると、出力電圧の値もほぼ１００％に復帰する。
但し、本実施形態において、ＡＱＲ２２は、回転子１１ａの出力無効電力が、電力負荷装置３の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように双方向電力変換器１２の動作を制御している。その結果、図７に示すように、回転子１１ａの出力無効電力はほぼ一定値となるように収束している。そして、電力負荷装置３の消費無効電力のほとんどを固定子から供給させるので、固定子出力電圧が一時的に低下するものの、無効電力が充分に供給されるとともに上昇に転じ、その後、１００％の値に収束する。
以上のように、電力負荷装置３が要求する無効電力のほとんどが、双方向電力変換器１２を介さずに固定子１１ｂ側から供給されるので、電流耐量の小さい半導体素子を用いて構成される双方向電力変換器１２を使用できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、図２において、内燃機関１３の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係を示しているが、内燃機関１３の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて段階的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係であってもよい。同様に、図２において、内燃機関１３の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係を示しているが、内燃機関１３の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて段階的に内燃機関１３の回転速度を高くさせる関係であってもよい。

＜２＞
上記実施形態では、内燃機関１３の出力（Ｘ）と内燃機関１３の設定回転速度（Ｙ）の関係の一例として図２並びに式１、式２を示した。但し、式１に例示した〔−０．２〕というＸの係数及び〔１２０〕というＹ切片や、式２に例示した〔＋１〕というＸの係数及び〔０〕というＹ切片は適宜変更してもよい。

本発明は、自立運転を行う場合において負荷投入量を大きく取ることができる発電設備に利用可能である。

３電力負荷装置
４電力系統
１０発電設備
１１二次励磁誘導発電機
１１ａ回転子
１１ｂ固定子
１２双方向電力変換器
１３内燃機関
１６ガバナ（回転速度制御手段）
１７速度設定器（回転速度制御手段）
２２ＡＱＲ（変換器制御手段）
２３ＡＶＲ（変換器制御手段）
２４ＡＦＲ（変換器制御手段）
２５ＦＯＣ（変換器制御手段）

Claims

一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する内燃機関と、前記内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、前記固定子と前記回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、電力系統とは独立した状態で、前記一次巻線に接続される電力負荷装置に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備であって、
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する発電設備。
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する請求項１に記載の発電設備。
前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える請求項１又は２に記載の発電設備。