JP2014214710A

JP2014214710A - 流体装置

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Publication number: JP2014214710A
Application number: JP2013094389A
Authority: JP
Inventors: 淳須原; Atsushi Suhara; 知己阪本; Tomoki Sakamoto
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP6127693B2

Abstract

【課題】起動時に流体装置に与えるストレスを低減できるようにする。【解決手段】流体の流れを受けて回転する流体機械（8）と、流体機械（8）に回転駆動される回転電気機械（発電機（G））と、発電機（G）に接続される電力変換装置（13）と、発電機（G）の運転点を制御する制御装置（20）とを設ける。制御装置（20）によって、電力変換装置（13）を介して発電機（G）に所定のトルク（T）を発生させることによって、発電機（G）の回転速度（N）が無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、発電機（G）の起動制御を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、流体で駆動される流体装置に関し、特に発電機を駆動する流体装置の制御技術に関するものである。

従来、この種の流体装置として、特許文献１に示す発電装置がある。この発電装置では、水車などの流体機械を流体で駆動して回転電気機械を発電機として発電させるに際し、該発電機を電気的に制御する制御装置により該発電機の回転数を逐次変更し、その変更毎の発電電力を測定して、それ等の発電電力が増大するように前記発電機の回転数を制御することにより、発電機の最大発電電力点を探索しながら運転する技術が知られている。

この文献の例では、運転開始時に、発電機を、無拘束状態で回転速度が最大回転速度となるまで加速させ、その後、前記探索が行われている（例えば同文献の段落０００９等を参照）。

特開２００５−１７６４９６号公報

しかしながら、前記の文献の例のように、発電機を起動時に最大回転速度で運転させると、流体装置に不要なストレスが加わる可能性がある。そして、発停が頻繁に行われる用途ではこの問題がより顕著になると考えられる。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、起動時に流体装置に与えるストレスを低減できるようにすること目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
流体の流れを受けて回転する流体機械（8）と、前記流体機械（8）に回転駆動される回転電気機械（G）と、前記回転電気機械（G）に接続される電力変換装置（13）と、前記電力変換装置（13）を制御することによって前記回転電気機械（G）の運転点を制御する制御装置（20）とを備えた流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記電力変換装置（13）を介して前記回転電気機械（G）に所定のトルク（T）を発生させることによって、前記回転電気機械（G）の回転速度（N）が無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、前記回転電気機械（G）の起動制御を行うことを特徴とする。

この構成では、起動時に無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、回転電気機械（G）にトルク（T）を発生させる。

また、第２の発明は、
第１の発明の流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記起動制御の際に、前記運転点が、前記回転電気機械（G）の出力電力が最大、又は効率が最大となる運転点（Pmax）に移動するように、前記トルク（T）を徐々に変動させることを特徴とする。

この構成では、トルク（T）が徐々に変動させられて、出力電力が最大、又は効率が最大となる運転点（Pmax）が探索される。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明の流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記トルク（T）を所定の上限値以下に制限することを特徴とする。

この構成では、回転電気機械（G）のトルク（T）が制限される。

また、第４の発明は、
第３の発明の流体装置において、
前記上限値は、前記回転電気機械（G）の回転速度（N）がゼロとなるトルク値であることを特徴とする。

この構成では、回転電気機械（G）の運転点が、後述の水車領域内に維持され、流体機械（8）は水流を受けて回転する。

第１の発明によれば、起動時に流体装置に与えるストレスを低減できる。

また、第２の発明によれば、回転電気機械の出力電力又は効率が最も良い状態で運転が行われる。

また、第３の発明によれば、不要な負荷が回転電気機械に加わらないようにできる。

また、第４の発明によれば、回転電気機械の逆転（流体機械が供給された水流を押し返す状態）が防止される。

図１は、流体装置を含む管路系の全体概略構成を示す。図２は、回転電気機械（発電機）の制御系及び電源連系を示す。図３は、制御装置に記憶する特性マップを示す。図４は、制御装置の最適運転制御装置の内部構成を示す。図５は、起動制御を示すフローチャートである。図６は、有効落差に基づいてトルクを制御した場合の運転点の変更を例示する。図７は、有効落差に基づくトルク値の演算を説明する図である。図８は、流量に基づくトルク値の演算を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態》
図１は、実施形態に係る流体装置（A）（発電システム）を含む管路系の全体概略構成を示す。同図において、管路系（1）の上流端には水（流体）の貯留槽（2）が配置され、下流端には受水槽（3）が配置される。管路系（1）の途中には、流体装置（A）の水車（流体機械（8））が配置され、この水車（8）の回転軸（9）には回転電気機械（G）（発電機）が接続されている。回転電気機械（G）には、例えば永久磁石埋め込み型のロータを有する発電機を採用する。また、管路系（1）の水車（8）の上流側及び下流側には、各々、流量調整弁（5,6）が配置される。なお、図１では、これ等の流量調整弁（5,6）でもって管路系（1）全体の水流に対する管路抵抗（配管ロス）をも表現することとする。

図１の管路系（1）では、貯留槽（2）の水面から受水槽（3）の水面までの落差が総落差（Ho）であり、貯留槽（2）の水が管路系（1）を経て受水槽（3）に至るまでの管路抵抗に相当する落差を総落差（Ho）から減じた落差が水車（8）での有効落差（H）である。

図２は、回転電気機械（G）の制御系及び電源連系を示す。電源連系は、系統連系装置（11）、平滑回路（12）、及びコンバータ部（13）を備えている。発電機（G）の出力は、コンバータ部(13)により直流に変換された後、平滑回路(12)により平滑され、系統連系装置(11)に出力される。コンバータ部（13）は、本発明の電力変換装置の一例である。

制御系には、制御装置（20）が設けられている。制御装置（20）は、例えば、マイクロコンピュータとそれを動作させるプログラムで構成する。制御装置（20）の内部には、予め、図３に示す特性マップ（M）が記憶されている。この特性マップ（M）は、縦軸を水流の有効落差（H）、横軸を水車（8）に供給される流量（Q）としている。この特性マップ（M）において、回転電気機械（G）は、その負荷をかけずトルク零値(T=0)とした場合の無拘束速度曲線と回転数零値(N=0)の等速度曲線との間の領域を水車（8）が水流により回転する水車領域として、この水車領域において、回転電気機械（G）が水車（8）により回転駆動されて発電機として運転されるのを基本とする。前記無拘束速度曲線のマップ左側の領域は、回転電気機械（G）が電動機として水車（8）を回転駆動する力行領域である。

前記水車領域において、複数の等トルク曲線は前記無拘束速度曲線(T=0)に沿い、マップ上、流量（Q）の増大に応じてトルク値も増大する。また、複数の等速度曲線は回転数零値(N=0)の等速度曲線に沿い、有効落差（H）が大きくなるほど回転数も上昇する。更に、破線で示した等発電力曲線は下に凸な二次曲線であって、有効落差（H）及び流量（Q）の増大に応じて発電力も増大する。この複数の等発電力曲線の頂点を結ぶ曲線（最大電力曲線（E））は、回転電気機械（G）が発電機として最高発電力又は最大効率を得る最大発電力・効率曲線である。このＨ−Ｑマップ上に回転電気機械（G）のトルク（T）、回転速度（N）、発電力（P）を記録した特性マップ（M）は、流体装置（A）に接続される管路系（1）とは無関係であり、流体装置（A）に固有の特性マップである。

そして、特性マップ（M）には、予め測定し作成した総落差−管路抵抗曲線(システムロスカーブ（S））が流動抵抗曲線として記録されている。このシステムロスカーブ（S）は、図１に示した管路系（1）に固有の曲線であって、流量（Q）=０のとき有効落差（H）が総落差（Ho）であり、流量（Q）の増大に応じて有効落差（H）が二次曲線的に減少する特性を持ち、その曲率は図１の管路系（1）固有の値を持つ。

図２に戻って、制御装置（20）の内部には、速度検出器（21）、最適運転制御装置（22）、トルク制御器（24）、及び電流制御器（25）が備えられる。

最適運転制御装置（22）は、発電機（G）の起動時には、電力変換装置（13）を介して発電機（G）に所定のトルク（T）を発生させることによって、発電機（G）の回転速度（N）が無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、発電機（G）の起動制御を行う。また、最適運転制御装置（22）は、速度検出器（21）で検出した回転速度（N）と、トルク制御器（24）からのトルク値（T*）とに基づいて、これ等の回転速度（N）及びトルク値（T*）に対応する特性マップ（M）上の現在の運転点（ここでは有効落差（H）及び流量（Q））を演算し、その運転点から、発電機（G）の出力電力が最大又は最大効率となるシステムロスカーブ（S）上の運転点（以下、運転点（Pmax）という）に、運転点が順次移動するように、トルク値（T*）を徐々に変動させる。トルク値（T*）の生成については後に詳述する。

トルク制御器（24）は、発電機（G）のトルク（T）が、最適運転制御装置（22）で演算されたトルク値（T*）になるようにトルク制御を行う。これにより、発電機（G）には所定の負荷がかかることになる。

図４は、制御装置（20）の最適運転制御装置（22）の内部構成を示す。最適運転制御装置（22）は、流量演算部（30）、有効落差演算部（31）、及び最適運転指令演算器（32）を有する。流量演算部（30）は、図２の速度検出器（21）からの回転速度（N）と、トルク制御器（24）からのトルク値（T*）とを受けて、図３の特性マップ（M）上のこれ等の回転速度（N）及びトルク値（T*）で決まる運転点での流量（Q）を演算する。また、有効落差演算部（31）は、流量演算部（30）の内部演算値と速度検出器（21）からの回転速度（N）とを受け、この流量（Q）及び回転速度（N）で決まる特性マップ（M）上の運転点での有効落差（H）を演算する。更に、最適運転指令演算器（32）は、流量演算部（30）で演算された流量（Q）と有効落差演算部（31）で演算された有効落差（H）とに基づいて、無拘束速度曲線上の過大な速度領域で運転しないように、より具体的には、発電機（G）の回転速度（N）が無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、発電機（G）の起動時に所定のトルク（T）を発生させるとともに、その後の運転点を、運転点（Pmax）に移動（収束）させるためのトルク値（T*）を繰り返して演算する。

〈運転動作〉
図５は、本実施形態における起動制御を示すフローチャートである。発電システム（A）を起動させるには、制御装置（20）から、発電機（G）のトルク（T）がゼロとなるようにトルク値（T*）を生成し、コンバータ部（13）を制御するとともに、流量調整弁（5,6）を開状態にする（ステップ（S01,S02））。流量調整弁（5,6）を開状態にすると、水車（8）の羽根車（図示は省略）が回転を開始し、それにより発電機（G）も回転する。このときの発電機（G）のトルク（T）は、ゼロに制御されているので、無拘束速度曲線上に運転点（運転点（Pt0）とする）がある。ただし、起動開始直後なので、発電機（G）の回転速度（N）は、無拘束速度曲線上の低速領域である。すなわち、回転速度（N）は、無拘束状態における最大回転速度（Nmax）には達していない。

そして、制御装置（20）は、発電機（G）の回転速度（N）が過大に増速する前に、発電機（G）に所定のトルク（T）を発生させる。それには、まず、制御装置（20）は、現在のトルク（T）と、速度検出器（21）で検出した発電機（G）の回転速度（N）を取得する（ステップ（S03））。次に制御装置（20）は、取得したトルク（T）と回転速度（N）とを用いて、流量演算部（30）によって現在の流量（Q）を求めるともに、有効落差演算部（31）によって有効落差（H）を求める（ステップ（S04））。

流量（Q）あるいは有効落差（H）が求まると、制御装置（20）は、トルク値（T*）を生成し（後述）、コンバータ部（13）を制御する（ステップ（S05））。そして、制御装置（20）は、運転点が運転点（Pmax）の所定の誤差範囲内に収束したかどうかを判定する（ステップ（S06））。

そして、制御装置（20）は、運転点が運転点（Pmax）に収束していなかった場合には、運転点が運転点（Pmax）に更に近づくように、ステップ（S03）からステップ（S05）を繰り返す。すなわち、制御装置（20）は、運転点が運転点（Pmax）に徐々に移動するように、発電機（G）のトルク（T）を徐々に変動させるのである。なお、収束したと判断された運転点は、厳密には運転点（Pmax）に近似の運転点であって、運転点（Pmax）そのものではない場合もあるが、以下では、この近似の運転点も含めて運転点（Pmax）と呼ぶ。

〈トルク値の生成〉
トルク値（T*）の生成には種々の方法が考えられるが、一例として、有効落差（H）に基づくトルク値（T*）の演算を説明する。図６は、求めた有効落差（H）に基づいてトルク（T）を制御した場合の運転点の変更を例示する。また、図７は、有効落差（H）に基づくトルク値（T*）の演算を説明する図である。

例えば、水流を供給開始した直後の運転点（Pt0）の次の運転点（Pt1）を求めるには、運転点（Pt0）における有効落差（H）のライン（特性マップ（M）の横軸に平行なライン）と最大電力曲線（E）との交点（C）を求め、当該交点（C）を通る等トルク曲線（図７（Ａ）において破線で表示した曲線）から定まるトルク値を次の目標値としてトルク値（T*）を生成する（図７（Ａ）参照）。これにより、発電機（G）には所定の負荷がかかり、発電機（G）の回転速度（N）は、過大な速度にならないように制御される。すなわち、回転速度（N）は、最大回転速度（Nmax）よりも小さく制御される。

この例では、制御装置（20）は、運転点（Pt1）が運転点（Pmax）に収束していないと判断し、引き続き、運転点（Pt1）よりも運転点（Pmax）に更に近い運転点（Pt2）を求める。運転点（Pt2）を求めるには、図７（Ｂ）に示すように、運転点（Pt1）における有効落差（H）のライン（特性マップ（M）の横軸に平行なライン）と最大電力曲線（E）との交点（C）を求め、当該交点（C）を通る等トルク曲線（図７（Ｂ）において破線で表示した曲線）から定まるトルク値を次の目標値としてトルク値（T*）を生成する。以下同様にして、制御装置（20）は、図７（Ｃ）に示す運転点（Pt3）を求める。そして、この例では、運転点（Pt3）の次の運転点を求めた段階で、運転点が運転点（Pmax）の所定の誤差範囲内に収束し、ステップ（S03）〜ステップ（S05）のループを抜けている（ステップ（S06）、図７（Ｄ）参照）。

以上のように、発電システム（A）では、トルク（T）が徐々に変動させられて、運転点（Pmax）が探索され、発電機（G）が運転点（Pmax）で運転される。そして、発電システム（A）では、運転点（Pmax）に達するまでの間に、発電機（G）の回転速度（N）は、無拘束速度曲線上の高速領域に入ることはない。すなわち、回転速度（N）が最大回転速度（Nmax）になることはない（図６参照）。

〈本実施形態における効果〉
以上のように本実施形態では、発電機（G）の起動時には、発電機（G）に所定のトルクを発生させることによって、無拘束速度曲線上の高速領域に達しないようにできる。そのため、本実施形態によれば、起動時に流体装置（発電システム（A））に与えるストレスを低減できる。これは、発停が頻繁に行われる流体装置では、特に有用である。

《実施形態の変形例》
運転点を運転点（Pmax）に収束させるためのアルゴリズムは、前記実施形態で説明した方法には限定されない。例えば、トルク値（T*）は、流量（Q）に基づいて生成することも可能である。図８は、流量（Q）に基づくトルク値（T*）の演算を説明する図である。

例えば、演算した流量（Q）に基づいて、水流を供給開始した直後の運転点（Pt0）の次の運転点（Pt1）を求めるには、運転点（Pt0）における流量（Q）のライン（特性マップ（M）の縦軸に平行なライン）と最大電力曲線（E）との交点（C）を求め、当該交点（C）を通る等トルク曲線（図８（Ａ）において破線で表示した曲線）から定まるトルク値を次の目標値としてトルク値（T*）を生成する（図８（Ａ）参照）。これにより、発電機（G）には所定の負荷がかかり、発電機（G）の回転速度（N）は、前記実施形態と同様に、過大な速度にならないように制御される。

この例では、制御装置（20）は、運転点（Pt1）が運転点（Pmax）に収束していないと判断し、引き続き、運転点（Pt1）よりも運転点（Pmax）に更に近い運転点（Pt2）を求める。運転点（Pt2）を求めるには、図８（Ｂ）に示すように、運転点（Pt1）における流量（Q）のライン（特性マップ（M）の縦軸に平行なライン）と最大電力曲線（E）との交点（C）を求め、当該交点（C）を通る等トルク曲線から定まるトルク値を次の目標値としてトルク値（T*）を生成する。同様にして運転点（Pt3）を求めた段階で、この例では運転点がシステムロスカーブ（S）上に移動している（図８（Ｃ）を参照）。運転点がシステムロスカーブ（S）上に移動したら、その後は、制御装置（20）は、システムロスカーブ（S）に沿って運転点を順次移動させ（図８（Ｄ）を参照）、最終的に運転点（Pmax）に収束したら、ステップ（S03）〜ステップ（S05）のループを抜ける（ステップ（S06））。

以上の制御によって、本変形例においても、発電システム（A）（流体装置）では、発電機（G）は、最大発電力又は最大効率となる運転点（Pmax）で運転される。そして、発電システム（A）では、発電機（G）の回転速度（N）は、運転点（Pmax）に達するまでの間に、無拘束速度曲線上の高速領域で運転されることはない。そのため、本変形例でも、起動時に流体装置に与えるストレスを低減できる。

《その他の実施形態》
〈１〉なお、発電機（G）が発生するトルク（T）は、所定の上限値以下に制限するのが望ましい。これにより、不要な負荷が発電機（G）（回転電気機械）に加わらないようにできる。また、例えば、発電機（G）のトルク（T）の上限値は、発電機（G）の回転速度（N）がゼロとなるトルク値とすることが考えられる。こうすることで、発電機（G）の運転点が前記水車領域内に維持され、水車（8）（流体機械）は水流を受けて回転する。すなわち、発電機（G）の逆転（すなわち流体機械（8）が供給された水流を押し返す状態）が防止される。このようなトルク（T）の制限は、制御装置（20）によってトルク値（T*）を制御することで実現できる。

〈２〉また、制御系や電源連系の構成も例示である。要は発電機（G）を可変速制御できる構成であればよい。

〈３〉また、発電機（G）や水車（8）の種類も限定されない。

本発明は、発電機を駆動する流体装置の制御技術として有用である。

８水車（流体機械）
１３コンバータ部（電力変換装置）
２０制御装置
Ａ発電システム（流体装置）
Ｇ発電機（回転電気機械）

Claims

流体の流れを受けて回転する流体機械（8）と、前記流体機械（8）に回転駆動される回転電気機械（G）と、前記回転電気機械（G）に接続される電力変換装置（13）と、前記電力変換装置（13）を制御することによって前記回転電気機械（G）の運転点を制御する制御装置（20）とを備えた流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記電力変換装置（13）を介して前記回転電気機械（G）に所定のトルク（T）を発生させることによって、前記回転電気機械（G）の回転速度（N）が無拘束時の最大回転速度（Nmax）に達しないように、前記回転電気機械（G）の起動制御を行うことを特徴とする流体装置。
請求項１の流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記起動制御の際に、前記運転点が、前記回転電気機械（G）の出力電力が最大、又は効率が最大となる運転点（Pmax）に移動するように、前記トルク（T）を徐々に変動させることを特徴とする流体装置。
請求項１又は請求項２の流体装置において、
前記制御装置（20）は、前記トルク（T）を所定の上限値以下に制限することを特徴とする流体装置。
請求項３の流体装置において、
前記上限値は、前記回転電気機械（G）の回転速度（N）がゼロとなるトルク値であることを特徴とする流体装置。