JP2013225972A - 自然エネルギー発電設備、及びその起動方法 - Google Patents

自然エネルギー発電設備、及びその起動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】自然エネルギー発電設備の設備コストを抑える。
【解決手段】電動機としても機能する発電機５０と系統電力線１とを接続する発電回路部８０は、電動機として機能させるときの発電機の動作を制御する一方向インバータ装置８１を備えている。インバータ制御部１０３は、タービン起動指令を受けると、一方向インバータ装置８１を動作させて一方向インバータ装置８１から発電機へ電力を供給させ始め、発電機の回転数が定格回転数になると、発電機の電圧位相が系統電力の位相に同期するよう、一方向インバータ装置に同期制御を実行させる。インバータ制御部１０３は、発電機の電圧位相が系統電力の位相に同期すると、一方向インバータ装置８１を停止させる。また、遮断器制御部１０２は、発電機の電圧位相が系統電力の位相に同期すると、発電機遮断器９４を閉状態して、発電機５０と系統電力線１とを直接電気的に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然エネルギーにより駆動するタービンと、このタービンの駆動で発電すると電動機とを備えている自然エネルギー発電設備、及びその起動方法に関する。
近年、環境にやさしいクリーンなエネルギーとして、自然エネルギーを利用した設備が盛んに開発されている。
このような設備の一例として、例えば、以下の特許文献１に記載されている太陽熱発電設備がある。この太陽熱発電設備は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、太陽光を受けて圧縮空気を加熱する受熱器と、受熱器に太陽光を照射するヘリオスタットと、受熱器で加熱された圧縮空気で駆動するタービンと、タービンの駆動で発電する発電機と、系統電力線と発電機とを接続する発電回路部と、を備えている。発電回路部は、双方インバータ装置と、双方向インバータ装置を介して系統電力線と発電機とを接続するインバータ経由回路と、双方向インバータ装置を介さずに系統電力線と発電機とを接続する直結回路と、を有している。
この太陽熱発電設備では、タービン起動時に、発電機を電動機として機能させて、タービンを駆動させている。この際、電動機としての発電機は、系統周波数に対応した定格回転数になるまで、双方インバータ装置から電力を受けて、発電機の回転数が一定の変化率で増加する一定昇速制御される。そして、発電機が定格回転数になると、発電機は、発電機の電力（電圧）位相が系統電力（位相）と一致するよう同期制御される。
特開２０１１−３２９０１号公報
双方向インタータ装置は、系統側からの電力を発電機に送ることのみならず、発電機からの電力を系統側に送ることが可能である。このため、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統側の電圧位相／周波数／振幅と一致した以降であれば、基本的に、いつでも双方向インバータ装置を停止させることができる。そこで、特許文献１では、発電機が系統側に電力を供給し始めた以降でも、この双方向インバータ装置を動作させている例が開示されている。
以上のように、特許文献１に記載の技術では、双方向インバータ装置を用いているため、系統側への併入時における発電回路部の制御の自由度が高くなる。しかしながら、双方向インバータ装置は高価であり、特に、発電回路部に用いられる双方向インバータ装置は必要容量が大きいことから極めて高価であるため、特許文献１に記載の技術では、設備コストが高まるという問題点がある。
そこで、本発明は、系統側への併入を確実に実行しつつも、設備コストを抑えることができる自然エネルギー発電設備、及びその起動方法を提供することを目的とする。
上記問題点を達成するための発明に係る自然エネルギー発電設備は、
自然エネルギーにより駆動するタービンと、該タービンの駆動で発電すると共に電動機としても機能する発電機と、系統電力線と該発電機とを接続する発電回路部と、該発電回路部を制御する制御装置と、を備え、前記発電回路部は、前記系統電力線からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの前記発電機の動作を制御する一方向インバータ装置と、該一方向インバータ装置を介して前記系統電力線と前記発電機とを接続するインバータ経由回路と、発電機遮断器を有し、該一方向インバータ装置を介さずに前記系統電力線と前記発電機とを接続する直結回路と、を備え、前記制御装置は、前記一方向インバータ装置を制御するインバータ制御部と、前記発電機遮断器を制御する遮断器制御部と、を備え、前記インバータ制御部は、タービン起動指令を受けると、前記一方向インバータ装置を動作させて該一方向インバータ装置から前記発電機へ電力を供給させ始め、前記発電機の回転数が系統周波数に対応した定格回転数であると認められる定格許容回転数になると、該発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記系統電力線の電圧位相／周波数／振幅に対して、同期したと許容される予め定められた同期許容範囲内に収まるよう、前記一方向インバータ装置に同期制御を実行させ、前記発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、該一方向インバータ装置を停止させ、前記遮断器制御部は、前記タービン起動指令を受けたときには前記発電機遮断器を予め開状態にしておく、又は該起動指令を受けたときに該発電機遮断器を開状態にし、前記併入条件を満たすと、前記発電機遮断器を閉状態することを特徴とする。
当該自然エネルギー発電設備では、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電力との同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、起動時におけるタービン及び発電機の動力管理を行う一方向インバータ装置を停止させ、発電機遮断器を閉状態にするので、系統側への併入を確実に実行することができる。しかも、当該自然エネルギー発電設備では、起動時におけるタービン及び発電機の動力管理を行うために一方向インバータ装置を用いているため、高価な双方向ンバータ装置を用いるよりも、設備コストを抑えることができる。
ここで、前記自然エネルギー発電設備において、前記併入条件は、前記一方向インバータ装置からの出力電力が予め定めた最小電力以下になることを含んでもよい。
一方向インバータ装置では、系統への併入過程において、タービン動力が定格回転必要動力より多くなった場合、発電機からの電力を一方向インバータ装置を介して系統側に供給することができず、定格回転数を維持することができない。なお、ここでのタービン動力とは、発電機がタービンから受ける動力のことである。また、定格回転必要動力とは、発電機がその定格回転数を維持するために必要な動力である。
そこで、ここでは、タービン動力が定格回転必要動力より多くなる以前に、言い換えると、一方向インバータ装置から発電機に電力を供給している段階で、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電圧位相／周波数／振幅との同期許容範囲内になれば、一方向インバータ装置を停止すると共に、発電機遮断器を閉状態にして、直結回路を介して発電機からの電力を系統側に供給できるようにしている。
ところで、仮に、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電圧位相／周波数／振幅との同期許容範囲内で、そのときのインバータ動力が比較的大きいときに一方向インバータ装置を停止すると、発電機を駆動させる動力中で、比較的大きなインバータ動力が突然断たれ、定格回転必要動力が比較的大幅に且つ突然少なくなる。このため、発電機は、系統側から電力が得られたとしても定格回転数を維持できなくなるおそれがある。そこで、ここでは、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電圧位相／周波数／振幅との同期許容範囲内で、且つ一方向インバータ装置からの出力電力が予め定めた最小電力以下になることを併入条件としている。この結果、発電機を駆動させる動力中で、インバータ動力が突然断たれたとしても、断たれたインバータ動力が小さいために、発電機は定格回転数を維持することができる。
また、前記自然エネルギー発電設備において、前記インバータ制御部は、前記発電機の回転数が前記定格許容回転数になる前に、前記発電機のトルクで前記一方向インバータ装置からの電力によるトルク成分が一定になるよう、前記一方向インバータ装置に一定トルク制御を実行させてもよい。
当該自然エネルギー発電設備では、天候の変化等の外乱でタービン動力が変動しても、一方向インバータ装置にて一定トルク制御を実行させることにより、一方向インバータ装置から発電機に供給される供給電流がほぼ一定になる。このため、当該自然エネルギー発電設備では、一方向インバータ装置の供給電流量に関する容量を抑えることができ、この点からも設備コストを抑えることができる。
また、前記自然エネルギー発電設備において、前記インバータ経由回路は、前記一方向インバータ装置に対する系統電力線側と発電機側とのうちの少なくとも一方側にインバータ遮断器を有し、前記遮断器制御部は、前記タービン起動指令を受けると前記インバータ遮断器を閉状態にし、前記併入条件を満たすと、該インバータ遮断器を開状態にしてもよい。
また、前記自然エネルギー発電設備において、前記インバータ制御部は、前記発電機の回転数が前記定格回転数よりも低い予め定めた初期設定回転数になるまで、該発電機の回転数の単位時間当たりの変化率が一定で、該発電機の回転数が増加するよう、一定昇速制御を実行してもよい。
また、前記自然エネルギー発電設備において、前記タービンは、太陽熱で加熱された媒体により駆動するタービンであってもよい。
また、上記問題点を達成するための発明に係る自然エネルギー発電設備の起動方法は、
自然エネルギーにより駆動するタービンと、該タービンの駆動で発電すると共に電動機としても機能する発電機と、系統電力線と該発電機とを接続する発電回路部と、を備えている自然エネルギー発電設備の起動方法において、前記発電回路部は、前記系統電力線からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの前記発電機の動作を制御する一方向インバータ装置と、該一方向インバータ装置を介して前記系統電力線と前記発電機とを接続するインバータ経由回路と、発電機遮断器を有し、該一方向インバータ装置を介さずに前記系統電力線と前記発電機とを接続する直結回路と、を備えており、前記一方向インバータ装置を制御するインバータ制御処理と、前記発電機遮断器を制御する遮断器制御処理とを実行し、前記インバータ制御処理では、タービン起動指令を受けると、前記一方向インバータ装置を動作させて該一方向インバータ装置から前記発電機へ電力を供給させ始め、前記発電機の回転数が系統周波数に対応した定格回転数であると認められる定格許容回転数になると、該発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記系統電力線の電圧位相／周波数／振幅に対して、同期したと許容される予め定められた同期許容範囲内に収まるよう、前記一方向インバータ装置に同期制御を実行させ、前記発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、該一方向インバータ装置を停止させ、前記遮断器制御処理では、前記タービン起動指令を受けたときには前記発電機遮断器を予め開状態にしておく、又は該起動指令を受けたときに該発電機遮断器を開状態にし、前記併入条件を満たすと、前記発電機遮断器を閉状態することを特徴とする。
当該起動方法では、発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電力との同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、起動時におけるタービン及び発電機の動力管理を行う一方向インバータ装置を停止させ、発電機遮断器を閉状態にするので、系統側への併入を確実に実行することができる。しかも、当該起動方法では、起動時におけるタービン及び発電機の動力管理を行うために一方向インバータ装置を用いているため、高価な双方向ンバータ装置を用いるよりも、設備コストを抑えることができる。
ここで、前記自然エネルギー発電設備の起動方法において、前記併入条件は、前記一方向インバータ装置からの出力電力が予め定めた最小出力以下になることを含んでもよい。
また、前記自然エネルギー発電設備の起動方法において、前記インバータ制御部は、前記発電機の回転数が前記定格許容回転数になる前に、前記発電機のトルクで前記一方向インバータ装置からの電力によるトルク成分が一定になるよう、前記一方向インバータ装置に一定トルク制御を実行させてもよい。
また、前記自然エネルギー発電設備の起動方法において、前記タービンが太陽熱で加熱された媒体により駆動するタービンであってもよい。
また、前記問題点を解決するための発明に係る自然エネルギー発電設備は、
自然エネルギーにより駆動するタービンと、該タービンの駆動で発電すると共に電動機としても機能する発電機と、系統電力線と該発電機とを接続する発電回路部と、該発電回路部を制御する制御装置と、を備え、前記発電回路部は、前記系統電力線からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの前記発電機の動作を制御するインバータ装置を備え、前記制御装置は、タービン起動指令を受けると、前記インバータ装置を動作させて該インバータ装置から前記発電機へ電力を供給させ始め、前記発電機の回転数が系統周波数に対応した定格回転数であると認められる定格許容回転数になる前に、前記発電機のトルクで前記インバータ装置からの電力によるトルク成分が一定になるよう、前記インバータ装置に一定トルク制御を実行させてもよい。
本発明によれば、系統側への併入を確実に実行しつつも、設備コストを抑えることができる。
本発明に係る一実施形態における太陽熱発電設備の構成を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態における太陽熱発電設備の動作を示すシーケンス図である。 本発明に係る一実施形態における太陽熱発電設備の動作及び各種状態量の変化を示すタイムチャートである。
以下、本発明に係る自然エネルギー発電設備の一実施形態、及びその各種変形例について、図面を参照して詳細に説明する。
「実施形態」
まず、本発明に係る自然エネルギー発電設備の実施形態について説明する。
本実施形態の自然エネルギー発電設備は太陽熱発電設備である。この太陽熱発電設備は、図１に示すように、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１０と、太陽光を受けて圧縮空気を加熱する受熱器２０と、受熱器２０に太陽光を照射する複数のヘリオスタット３０と、受熱器２０で加熱された圧縮空気で駆動するタービン４０と、タービン４０の駆動で発電する同期発電機５０と、同期発電機５０の発電電圧を調整するための励磁機７０と、同期発電機５０及び励磁機７０と系統電力線１とを接続する発電回路部８０と、これらを制御する制御装置１００と、を備えている。
受熱器２０は、太陽光が照射される受熱部２１と、この受熱部２１を覆うケーシング２２と、を有している。ケーシング２２の下部には、内部の受熱部２１にヘリオスタット３０からの太陽光を導くための開口２３が形成されている。この受熱器２０は、太陽熱発電設備の設置領域内に建てられたタワー（不図示）上に設けられる。
ヘリオスタット３０は、太陽光を反射する反射鏡３１と、反射鏡３１を支持する支持脚３２と、反射鏡３１を目的の方向に向ける駆動制御器３３と、を有している。このヘリオスタット３０は、受熱器２０が設けられているタワーの周囲に配置される。
同期発電機５０は、電動機としても機能するものである。この同期発電機５０（以下、単に発電機５０とする）は、発電機ロータ５１と、この発電機ロータ５１を回転可能に覆う発電機ケーシング５２と、この発電機ロータ５１に励磁電力を供給するためのブラシ（不図示）と、を有している。圧縮機１０は、圧縮機ロータ１１と、この圧縮機ロータ１１を回転可能に覆う圧縮機ケーシング１２と、有している。タービン４０は、タービンロータ４１と、このタービンロータ４１を回転可能に覆うタービンケーシング４２と、を有している。このタービンロータ４１は、圧縮機ロータ１１に接続されている。また、この圧縮機ロータ１１は、発電機ロータ５１に接続されている。よって、発電機ロータ５１が回転すると、圧縮機ロータ１１及びタービンロータ４１も回転する。
タービン４０の排気側には、タービン４０から排気された高温の圧縮空気である排気空気を利用して、圧縮機１０からの圧縮空気を加熱する再熱器５５が設けられている。さらに、この再熱器５５には、圧縮空気を加熱した後の排気空気を排気する排気ダクト５９が設けられている。
圧縮機１０の吐出口１３と再熱器５５の圧縮空気入口５６とは圧縮空気ライン６１で接続されている。再熱器５５の圧縮空気出口５７と受熱器２０の受熱部２１とは再熱空気ライン６２で接続されている。受熱器２０の受熱部２１とタービン４０の吸気口４３とは加熱空気ライン６３で接続されている。
加熱空気ライン６３には、受熱器２０で加熱された圧縮空気の温度を測定する受熱器出口温度計６５が設けられている。また、発電機ロータ５１と圧縮機ロータ１１とタービンロータ４１とのうち、いずれかには、これらの回転数であるロータ回転数を測定する回転数計６６が設けられている。これら受熱器出口温度計６５及び回転数計６６で測定された値は、いずれも、制御装置１００に送られる。
発電回路部８０は、系統電力線１からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの発電機５０の動作を制御する一方向インバータ装置８１と、一方向インバータ装置８１を介して系統電力線１と発電機５０とを電気的に接続するインバータ経由回路９１と、一方向インバータ装置８１を介さずに系統電力線１と発電機５０とを電気的に接続する直結回路９３と、系統電力線１と励磁機７０とを電気的に接続する励磁機回路９５と、を備えている。
一方向インバータ装置８１は、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路８２と、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ回路８４とを有している。コンバータ回路８２は、各相毎の整流器８３を有している。また、インバータ回路８４は、各相毎のスイッチング素子８５を有している。スイッチング素子８５としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。なお、双方向インバータ装置のコンバータ回路では、インバータ回路と同様の高価なスイッチング素子が用いられている。このため、双方向インバータ装置は、一方向インバータ装置８１と比べて高価になる。特に、発電用に用いるために容量の大きな双方向インタータ装置は、極めて高価になる。
直結回路９３は、系統電力線１と発電機５０との電気的な接続を遮断する発電機遮断器９４を有している。インバータ経由回路９１は、系統電力線１と一方向インバータ装置８１（以下、単にインバータ装置８１とする）との電気的な接続を遮断するインバータ遮断器９２ａと、インバータ装置８１と発電機５０との電気的な接続を遮断するインバータ遮断器９２ｂとを有している。すなわち、このインバータ経由回路９１には、インバータ装置８１の系統電力線１側及び発電機５０側のそれぞれに遮断器９２ａ，９２ｂが設けられている。また、励磁機回路９５は、系統電力線１と励磁機７０との電気的な接続を遮断する励磁機遮断器９６を有している。
インバータ経由回路９１の系統電力線１側には、系統電力線１を流れる電力の位相を検知する位相検知器９９が設けられている。
制御装置１００は、機能的に、複数のヘリオスタット３０の動作を制御するヘリオスタット制御部１０１と、各遮断器９２ａ，９２ｂ，９４，９６の開閉動作を制御する遮断器制御部１０２と、インバータ装置８１の動作を制御するインバータ制御部１０３と、励磁機７０を制御する励磁制御部１０４と、これらの制御部１０１〜１０４を制御する統合制御部１０５と、を有している。
この制御装置１００は、ハードウェアー的には、コンピュータと、温度計６５や位相検知器９９等の各種センサや制御対象との間で信号を受送信するためのインタフェース回路とを有している。コンピュータは、各種演算を実行するＣＰＵと、ＣＰＵのワークエリアとなるメモリと、ＣＰＵが実行するプログラムや各種データが記憶されている外部記憶装置と、各種データの入出力インタフェースとを備えている。制御装置１００の上記機能構成は、いずれも、外部記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで機能する。なお、ここでは。一台のコンピュータと、それに対するインタフェース回路とで制御装置１００を構成しているが、上記機能部毎のコンピュータ及びインタフェース回路で制御装置１００を構成してもよい。
次に、図２に示すシーケンス図及び図３に示すタイムチャートを用いて、本実施形態の太陽熱発電設備の動作について説明する。
制御装置１００の統合制御部１０５が外部から起動指令を受け付けると（Ｓ１）、ヘリオスタット制御部１０１に対してヘリオスタット起動指令を出力する（Ｓ２）。統合制御部１０５は、例えば、その日における日の出直後に起動指令を受け付ける。ヘリオスタット制御部１０１は、ヘリオスタット起動指令を受け付けると、複数のヘリオスタット３０に対して、オン指令を出力する。このオン指令を受けたヘリオスタット３０の駆動制御器３３は、反射鏡３１で反射した太陽光が受熱器２０に向うよう、反射鏡３１の向きを調節する、つまり、このヘリオスタット３０はオン状態になる（図３中のｔ１）。
ヘイオスタット制御部１０１は、以降、ヘイオスタット停止指令を受け付けるまで、例えば、受熱器出口温度計６５で測定された温度Ｔが予め定められた温度範囲内に収まるよう、オン状態にする複数のヘイオスタット３０を定める。そして、このヘリオスタット制御部は、定めたヘリオスタット３０をオン状態にする一方で、残りのヘリオスタット３０をオフ状態（反射鏡で反射した太陽光が受熱器に向かわない状態）にする。
受熱器２０の受熱部２１にヘリオスタット３０からの太陽光が照射されると、受熱部２１と共に受熱部２１内の空気が加熱され、これらの温度が次第に上昇する。
統合制御部１０５は、例えば、受熱器出口温度計６５で測定された温度Ｔが予め定められた温度Ｔmin（例えば、200〜300℃）になると（Ｓ３）、遮断器制御部１０２、インバータ制御部１０３及び励磁制御部１０４に対してタービン起動指令を出力する（Ｓ４）。遮断器制御部１０２は、タービン起動指令を受け付ける前、例えば、先にタービン停止指令を受けたときに発電機遮断器９４を開状態にする。さらに、遮断器制御部１０２は、インバータ遮断器９２ａ，９２ｂ及び励磁機遮断器９６を閉状態にする（Ｓ５、ｔ２）。なお、遮断器制御部１０２は、タービン起動指令を受けたときに発電機遮断器９４を開状態にしてもよい。
また、インバータ制御部１０３は、タービン起動指令を受け付けると、インバータ装置８１をオン状態にして、発電機５０の回転数の単位時間当たりの変化率である回転数変化率が一定で、この発電機５０の回転数が増加するよう、インバータ装置８１に一定昇速制御を実行させる（Ｓ６、ｔ３）。この一定昇速制御では、インバータ制御部１０３がインバータ回路８４のスイッチング素子８５へのパルス信号を調整することで実行される。
また、励磁制御部１０４は、タービン起動指令を受け付けると、励磁機７０から発電機５０の励磁コイル５３に所定の電力を供給して、発電機５０を所定の強さで励磁する。
インバータ装置８１がオン状態になり、一定昇速制御が実行され始めると（ｔ３）、図３に示すように、発電機５０は、電動機として駆動し始め、一定の回転数変化率で回転数Nが増加する。この際、インバータ装置８１から発電機５０に供給される供給電流Iは、インバータ装置８１がオン状態になったとき（ｔ３）から急激に増加し、次第にその増加率が下がってくる。また、発電機５０を駆動させる動力Ｐは回転数Nの増加に伴って増加する。
発電機ロータ５１が回転し始めると、この発電機ロータ５１に機械的に接続されている圧縮機ロータ１１及びタービン４０タービンロータ４１も回転し始める。
圧縮機１０は、圧縮機ロータ１１が回転し始めると、空気を吸引して圧縮空気を生成し、これを圧縮機ケーシング１２の吐出口１３から吐出する。この圧縮空気は、圧縮空気ライン６１、再熱器５５、再熱空気ライン６２を経て、受熱器２０の受熱部２１に送られ、ここで加熱される。受熱器２０で加熱された圧縮空気は、加熱空気ライン６３を経て、タービン４０に送られ、タービンロータ４１を回転させる。タービンロータ４１を回転させた圧縮空気は排気空気として、再熱器５５を経て、排気ダクト５９から大気に排気される。この過程で、再熱器５５において、排気空気と圧縮空気ライン６１を通ってきた圧縮空気との熱交換により、この圧縮空気が加熱される。
タービンロータ４１が回転し始めると、発電機５０を駆動させる動力Ｐは、インバータ装置８１から供給される電力による動力（以下、インバータ動力Ｐｉとする）の他に、タービン４０から受ける動力（以下、タービン動力Ｐｔとする）も加わる（ｔ４）。
インバータ制御部１０３は、回転数計６６で検知された回転数Nが、タービン動力Ｐｔが増加し始める予め定めた初期設定回転数Ｎａになると（Ｓ７、ｔ５）、発電機５０のトルクでインバータ装置８１からの電力によるトルク成分が一定になるよう、インバータ装置８１に一定トルク制御を実行させる（Ｓ８）。こここで、初期設定回転数Ｎａは、例えば、発電機５０及びタービン４０の定格回転数Ｎｄの２０％程度の回転数である。なお、発電機５０及びタービン４０の定格回転数Ｎｄとは、系統周波数に対応した回転数のことである。また、ここでは、発電機５０及びタービン４０の回転数を回転数計６６で検知しているが、発電機５０は同期発電機であり、インバータ制御部１０３で発電機５０の回転数を正確に把握できるため、回転数計６６で検知された回転数を用いず、この替わりに、自らが把握している回転数を用いてもよい。
この一定トルク制御では、図３に示すように、インバータ装置８１から発電機５０に供給される供給電流Iはほぼ一定になる。但し、出力（電力）Eは、回転数とトルクとの積に比例するため、トルクが一定でも、回転数Nが増加すれば出力（電力）Eも増加する。
ところで、太陽が昇り始め、次第に太陽の高度が高くなると、ヘリオスタット３０から受熱器２０が受ける単位時間当たりの太陽熱量も増加する。このため、受熱器２０からタービン４０に供給される圧縮空気の温度が次第に高まって、タービン出力が増加し、発電機５０がタービン４０から受ける動力、つまりタービン動力Ｐｔも次第に増加する。
このように、タービン動力Ｐｔは、太陽の高度が高くなると次第に増加するものの、一時的な雲の通過等により、その増加率が一定ではない。このため、一定トルク制御を行っても、発電機５０を駆動させる動力Ｐは、タービン動力Ｐｔの変化に伴って変化する。
インバータ制御部１０３は、回転数計６６で検知された回転数Nが定格回転数Ｎｄであると認められる定格許容回転数になると（Ｓ９、ｔ６）、発電機５０の回転数Nが定格回転数Ｎｄで一定になるよう、インバータ装置８１に一定回転数制御を実行させる。さらに、インバータ制御部１０３は、この一定回転数制御下で、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが系統電力の電圧位相／周波数／振幅に対して、同期したと許容される予め定められた同期許容範囲内に収まるよう、インバータ装置８１に同期制御を実行させる（Ｓ１０）。
次に、インバータ制御部１０３は、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが同期許容範囲内になったかを判断する。具体的に、発電機５０の電圧と系統電圧との位相差Ｄが予め定めた許容位相差Ｄａ以内になったか、発電機５０の電圧周波数と系統電圧周波数の周波数差Ｆが予め定めた許容周波数差Ｆａ以内になったか、発電機５０の電圧と系統電圧との電圧差Ｖが予め定めた許容電圧差Ｖａ以内になったか、を判断する。さらに、インバータ制御部１０３は、インバータ出力電力Ｅｉが予め定められた最小電力Ｅmin以下になったか否かを判断する（Ｓ１１）。
インバータ装置８１は、各回転数（周波数）毎に制御可能な最小出力電力の値が決まっている。このため、ここでは、予め定められた最小電力Ｅminの値として、定格回転数Ｎｄのときに制御可能な最小出力電力の値、又はこの最小出力電力よりやや大きい電力の値を採用している。
インバータ制御部１０３は、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅と系統電圧位相／周波数／振幅との差が予め定めた許容差以内になり、且つインバータ出力電力Ｅｉが予め定められた最小電力Ｅmin以下になったと判断すると（Ｓ１１でＹＥＳの場合、ｔ７）、その旨を統合制御部１０５に通知する。
統合制御部１０５は、この通知を受けると、インバータ制御部１０３に対してインバータ停止指令を出力すると共に、励磁制御部１０４及び遮断器制御部１０２に対して併入動作指令を出力する（Ｓ１２）。インバータ制御部１０３は、このインバータ停止指令を受けると、インバータ装置８１を停止する（Ｓ１３、ｔ８）。この結果、発電機５０には、インバータ装置８１から電力が供給されなくなる。また、励磁制御部１０４は、励磁機７０の制御を一定励磁制御からＡＶＲ（Automatic voltage regulator）制御に移行する。また、遮断器制御部１０２は、この併入動作指令を受けると、発電機遮断器９４を開状態から閉状態にすると共に、インバータ遮断器９２ａ，９２ｂを閉状態から開状態にする（Ｓ１４、ｔ８）。この結果、系統電力線１と発電機５０とが直接電気的に接続される一方で、系統電力線１とインバータ装置８１との電気的接続及びインバータ装置８１と発電機５０との電気的接続が断たれる。すなわち、統合制御部１０５からインバータ制御部１０３に対してインバータ停止指令が出力され、励磁制御部１０４及び遮断器制御部１０２に対して併入動作指令が出力されると、インバータ制御部１０３、励磁制御部１０４及び遮断器制御部１０２は併入動作制御を行う。
発電機５０は、定格回転数Ｎｄを維持するために必要な動力（以下、定格回転必要動力Ｐｒとする）を確保するためにインバータ動力Ｐｉを得ている状態から、インバータ動力Ｐｉが断たれると、定格回転必要動力Ｐｒが不足することになる。このため、発電機５０は、この不足分の動力Ｐｇを系統電力線１からの電力Ｅｇｏで補って、定格回転数Ｎｄを維持する。
このため、本実施形態では、系統への併入後も、発電機５０は、一時的に系統電力線１から電力Ｅｇｏを受けることになり、電動機として動作することになる。
そして、タービン動力Ｐｔが次第に増加し、このタービン動力Ｐｔが定格回転必要動力Ｐｒ以上になると（ｔ９）、発電機５０から系統側へ動力Ｐ、言い換えると発電電力Ｅｇｉを供給できるようになる。
以降、タービン動力Ｐｔの増加に伴って、発電電力Ｅｇｉも増加する。
ヘリオスタット３０で集熱する太陽熱は、天候に左右されるため、天候の変動に伴ってタービン動力Ｐｔも変動する。このため、タービン動力Ｐｔをなんらかの方法で制御する必要がある。このタービン動力を制御する方法としては、受熱器２０に太陽光を照射するヘリオスタット３０の台数を変更する方法がある。しかしながら、この方法では、受熱器２０の熱容量が大きいため、受熱器２０に太陽光を照射するヘリオスタット３０の台数を変えても、受熱器２０に太陽光を照射するヘリオスタット３０の台数変化がタービン動力の変化に反映されるまでに数分かかってしまい、起動時における微妙なタービン動力Ｐｔの制御にあまりむかないと考えられる。すなわち、起動時に、ヘリオスタット３０の台数変更でタービン動力を制御しても、発電機５０を駆動させる動力Ｐを適切に管理することができない。
そこで、本実施形態では、タービン起動時には、インバータ装置８１から発電機５０に電力Ｅｉを供給し、発電機５０を駆動させる動力Ｐとして、変動するタービン動力Ｐｔの他に、インバータ装置８１からの電力による動力Ｐｉを加え、この動力Ｐｉを制御している。このインバータ装置８１は、発電機５０に供給する電力を極めて微妙且つ正確に制御できる。このため、本実施形態では、起動時に、発電機５０を駆動させる動力Ｐを適切に管理することができる。
また、本実施形態では、起動時におけるタービン４０の駆動、及び発電機５０を駆動させる動力管理を一方向インバータ装置８１で行っている。このため、本実施形態では、高価な双方向インバータ装置を用いるよりも、設備コストを抑えることができる。
また、本実施形態では、発電機５０の回転数Ｎが初期設定回転数Ｎａから定格回転数Ｎｄになるまでの間、インバータ装置８１により一定トルク制御が実行されるので、天候の変化等でタービン動力Ｐｔが変動しても、インバータ装置８１から発電機５０に供給される供給電流Ｉがほぼ一定になる。このため、本実施形態では、インバータ装置８１の供給電流量に関する容量を抑えることができ、この点からも設備コストを抑えることができる。
ところで、双方向インバータ装置を用いる場合、系統への併入過程において、この双方向インバータ装置を動作させておくことで、発電機５０を定格回転数Ｎｄに維持することができる。これは、タービン動力Ｐｔが定格回転必要動力Ｐｒより少ないときには双方向インバータ装置を介して発電機５０に系統電力が供給され、タービン動力Ｐｔが定格回転必要動力Ｐｒより多いときには発電機５０からの電力が双方向インバータ装置を介して系統側に供給されるからである。
しかしながら、本実施形態では、設備コストを抑える目的で一方向インバータ装置８１を用いている。このように、一方向インバータ装置８１を用いる場合、系統への併入過程において、タービン動力Ｐｔが定格回転必要動力Ｐｒより多くなっても、発電機５０からの電力を一方向インバータ装置８１を介して系統側に供給することができず、定格回転数Ｎｄを維持することができない。
そこで、本実施形態では、タービン動力Ｐｔが定格回転必要動力Ｐｒより多くなる以前に、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅と系統電圧位相／周波数／振幅との差が許容差以内になれば、一方向インバータ装置８１を停止すると共に、発電機遮断器９４を閉状態にして、直結回路９３を介して発電機５０からの電力を系統側に供給できるようにしている。但し、本実施形態では、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅と系統電圧位相／周波数／振幅との差Ｄが許容差以内になっただけでは、一方向インバータ装置８１を停止し、発電機遮断器９４の閉状態にしない。
仮に、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅と系統電圧位相／周波数／振幅との差が許容差以内で、そのときのインバータ動力Ｐｉが比較的大きいときに一方向インバータ装置８１を停止すると、発電機５０を駆動させる動力Ｐ中で、比較的大きなインバータ動力Ｐｉが突然断たれ、発電機５０にとって定格回転数Ｎｄを維持するための動力が比較的大幅に且つ突然少なくなる。このため、発電機５０は、系統電力が得られたとしても定格回転数Ｎｄを維持できなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、発電機５０の電圧位相／周波数／振幅と系統電圧位相／周波数／振幅との差が許容差以内で、且つインバータ動力Ｐｉがこの一方向インバータ装置８１の最小電力Ｅminに対応したし最小動力以下になることを併入条件とし、この併入条件を満たすと、一方向インバータ装置８１を停止し、発電機遮断器９４の閉状態にしている。
「変形例」
以上の実施形態では、タービンロータ４１及び発電機ロータ５１の回転開始直後、インバータ装置８１により一定昇速制御を行っている。しかしながら、タービンロータ４１及び発電機ロータ５１の回転開始直後からこれらが定格回転数Ｎｄになるまでの間、インバータ装置８１により一定トルク制御を行うようにしてもよい。
また、以上の実施形態では、タービン４０及び発電機５０の起動開始時からこれらが定格回転数Ｎｄになるまでの間中、インバータ装置８１を動作させて、このインバータ装置８１から発電機５０に電力を供給し続けている。しかしながら、例えば、タービン４０が単独で駆動できる自立回転数Ｎｂ（図３）になった以降で定格回転数Ｎｄになる前までの間は、一時的に、インバータ装置８１を停止し、タービン動力Ｐｔのみで発電機５０を駆動させてもよい。
また、以上の実施形態では、起動時におけるタービン４０及び発電機５０の昇速過程で、インバータ装置８１による一定トルク制御を行っているが、この替わりに、タービン４０及び発電機５０が定格回転数Ｎｄになるまで、インバータ装置８１による一定昇速制御を行ってもよい。但し、この一定昇速制御では、前述したように、天候の変化等でタービン動力Ｐｔが減少した場合でも、タービン４０及び発電機５０の回転数Ｎを一定の回転数変化率で増加させるため、タービン動力Ｐｔの減少分をインバータ装置８１からの電力で補うことになる。このため、インバータ装置８１としては、天候の変化等によるタービン動力Ｐｔの減少分を補えるよう、大容量のインバータ装置である必要があり、設備コストの増加につながることは否めない。
また、以上では、一方向インバータ装置８１による一定トルク制御について説明したが、双方向インバータ装置を用いる場合でも、この一定トルク制御を行うことで、その容量を小さくすることができ、設備コストを抑えることができること言うまでもない。
また、以上の実施形態では、発電機５０として同期発電機を用いているが、この替わりに誘導発電機を用いてもよい。
また、以上の太陽熱発電設備は、空気を受熱器２０で加熱し、これを作動媒体としてタービン４０を駆動させるものである。しかしながら、太陽熱発電設備はこれに限定されるものではなく、水を受熱器で加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を作動媒体としてタービンを駆動させるものであってもよい。また、本発明は太陽熱発電設備に限定されるものではなく、例えば、風力、波力、地熱等、太陽熱以外の他の自然エネルギーでタービンを駆動し、このタービンの駆動で発電する発電設備にも適用できる。
１：系統電力線、１０：圧縮機、２０：受熱器、３０：ヘリオスタット、４０：タービン、５０：同期発電機、７０：励磁機、８０：発電回路部、８１：一方向インバータ装置、９１：インバータ経由回路、９２ａ，９２ｂ：インバータ遮断器、９３：直結回路、９４：発電機遮断器、９５：励磁機回路、９６：励磁機遮断器、１００：制御装置、１０１：ヘリオスタット制御部、１０２：遮断器制御部、１０３：インバータ制御部、１０４：励磁制御部、１０５：励磁制御部

Claims (10)

  1. 自然エネルギーにより駆動するタービンと、該タービンの駆動で発電すると共に電動機としても機能する発電機と、系統電力線と該発電機とを接続する発電回路部と、該発電回路部を制御する制御装置と、を備え、
    前記発電回路部は、前記系統電力線からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの前記発電機の動作を制御する一方向インバータ装置と、該一方向インバータ装置を介して前記系統電力線と前記発電機とを接続するインバータ経由回路と、発電機遮断器を有し、該一方向インバータ装置を介さずに前記系統電力線と前記発電機とを接続する直結回路と、を備え、
    前記制御装置は、前記一方向インバータ装置を制御するインバータ制御部と、前記発電機遮断器を制御する遮断器制御部と、を備え、
    前記インバータ制御部は、タービン起動指令を受けると、前記一方向インバータ装置を動作させて該一方向インバータ装置から前記発電機へ電力を供給させ始め、前記発電機の回転数が系統周波数に対応した定格回転数であると認められる定格許容回転数になると、該発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記系統電力線の電圧位相／周波数／振幅に対して、同期したと許容される予め定められた同期許容範囲内に収まるよう、前記一方向インバータ装置に同期制御を実行させ、前記発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、該一方向インバータ装置を停止させ、
    前記遮断器制御部は、前記タービン起動指令を受けたときには前記発電機遮断器を予め開状態にしておく、又は該起動指令を受けたときに該発電機遮断器を開状態にし、前記併入条件を満たすと、前記発電機遮断器を閉状態する、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  2. 請求項１に記載の自然エネルギー発電設備において、
    前記併入条件は、前記一方向インバータ装置からの出力電力が予め定めた最小電力以下になることを含む、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  3. 請求項１又は２に記載の自然エネルギー発電設備において、
    前記インバータ制御部は、前記発電機の回転数が前記定格許容回転数になる前に、前記発電機のトルクで前記一方向インバータ装置からの電力によるトルク成分が一定になるよう、前記一方向インバータ装置に一定トルク制御を実行させる、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の自然エネルギー発電設備において、
    前記インバータ経由回路は、前記一方向インバータ装置に対する系統電力線側と発電機側とのうちの少なくとも一方側にインバータ遮断器を有し、
    前記遮断器制御部は、前記タービン起動指令を受けると前記インバータ遮断器を閉状態にし、前記併入条件を満たすと、該インバータ遮断器を開状態にする、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の自然エネルギー発電設備において、
    前記インバータ制御部は、前記発電機の回転数が前記定格回転数よりも低い予め定めた初期設定回転数になるまで、該発電機の回転数の単位時間当たりの変化率が一定で、該発電機の回転数が増加するよう、一定昇速制御を実行する、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の自然エネルギー発電設備において、
    前記タービンは、太陽熱で加熱された媒体により駆動するタービンである、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備。
  7. 自然エネルギーにより駆動するタービンと、該タービンの駆動で発電すると共に電動機としても機能する発電機と、系統電力線と該発電機とを接続する発電回路部と、を備えている自然エネルギー発電設備の起動方法において、
    前記発電回路部は、前記系統電力線からの電力を調節することで、電動機として機能させるときの前記発電機の動作を制御する一方向インバータ装置と、該一方向インバータ装置を介して前記系統電力線と前記発電機とを接続するインバータ経由回路と、発電機遮断器を有し、該一方向インバータ装置を介さずに前記系統電力線と前記発電機とを接続する直結回路と、を備えており、
    前記一方向インバータ装置を制御するインバータ制御処理と、前記発電機遮断器を制御する遮断器制御処理とを実行し、
    前記インバータ制御処理では、タービン起動指令を受けると、前記一方向インバータ装置を動作させて該一方向インバータ装置から前記発電機へ電力を供給させ始め、前記発電機の回転数が系統周波数に対応した定格回転数であると認められる定格許容回転数になると、該発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記系統電力線の電圧位相／周波数／振幅に対して、同期したと許容される予め定められた同期許容範囲内に収まるよう、前記一方向インバータ装置に同期制御を実行させ、前記発電機の電圧位相／周波数／振幅のそれぞれが前記同期許容範囲内になることを含む併入条件を満たすと、該一方向インバータ装置を停止させ、
    前記遮断器制御処理では、前記タービン起動指令を受けたときには前記発電機遮断器を予め開状態にしておく、又は該起動指令を受けたときに該発電機遮断器を開状態にし、前記併入条件を満たすと、前記発電機遮断器を閉状態する、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備の起動方法。
  8. 請求項７に記載の自然エネルギー発電設備の起動方法において、
    前記併入条件は、前記一方向インバータ装置からの出力電力が予め定めた最小出力以下になることを含む、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備の起動方法。
  9. 請求項７又は８に記載の自然エネルギー発電設備の起動方法において、
    前記インバータ制御処理では、前記発電機の回転数が前記定格許容回転数になる前に、前記発電機のトルクで前記一方向インバータ装置からの電力によるトルク成分が一定になるよう、前記一方向インバータ装置に一定トルク制御を実行させる、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備の起動方法。
  10. 請求項７から９のいずれか一項に記載の自然エネルギー発電設備の起動方法において、
    前記タービンが太陽熱で加熱された媒体により駆動するタービンである、
    ことを特徴とする自然エネルギー発電設備の起動方法。
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