JP2018148639A - Energy recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、都市ガス等の圧縮気体を減圧する際に発生する圧力差による圧力エネルギを利用して、発電するエネルギ回収装置に関する。 The present invention relates to an energy recovery device that generates power using pressure energy generated by a pressure difference generated when decompressing compressed gas such as city gas.
都市ガスは、製造所から需要家まで導管を通じて供給される。供給の途中で高圧の都市ガスが減圧される。減圧する際の圧力差により圧力エネルギが発生する。この圧力エネルギを有効に利用するために、圧力エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ回収装置が設けられる。エネルギ回収装置は、ガスの有する圧力エネルギを運動エネルギに変換する原動機と、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機とを備えている。 City gas is supplied from the factory to the consumer through a conduit. During the supply, the high-pressure city gas is depressurized. Pressure energy is generated due to the pressure difference during decompression. In order to effectively use the pressure energy, an energy recovery device that converts the pressure energy into electric energy is provided. The energy recovery apparatus includes a prime mover that converts pressure energy of gas into kinetic energy, and a generator that converts kinetic energy into electrical energy.
例えば、特許文献1では、高圧ガスを減圧するために原動機として、ガスタービンが使用される。高圧ガスがガスタービンに導入されると、減圧に伴う膨張によりガスタービンが駆動され、ガスタービンに同軸で連結された発電機が動作して発電が行われる。
For example, in
ところで、ガスタービンに連結された発電機において、発電機の出力にハンチングが発生することがある。このハンチングを抑制するために、例えば特許文献2には、ハンチングが検出されたとき、ガスタービンへの燃料投入量をガスタービン回転速度に応答する制御から発電機出力に応答する制御に切り替えることが記載されている。
By the way, in the generator connected to the gas turbine, hunting may occur in the output of the generator. In order to suppress this hunting, for example, in
上記のように、高圧のガスを減圧する場合、ガスタービンが使用されるが、中圧のガスを減圧する場合には、特許文献3に記載されているように、原動機としてエアモータが使用される。ここで、エアモータには、ガバナを備えたものがあり、エアモータの回転速度が一定速度になるように制御される。このようなエアモータでも回転速度がハンチングすることがある。エアモータの回転速度のハンチングに伴って、発電機の出力もハンチングする。発電機の出力が安定せず、しかもエアモータを通過して減圧されたガスの圧力が変動して、安定したガスの供給が行えなくなる。
As described above, when a high pressure gas is decompressed, a gas turbine is used. When an intermediate pressure gas is decompressed, an air motor is used as a prime mover as described in
しかし、エアモータの制御はガスタービンの制御とは異なる。そのため、定速度制御されるエアモータを使用したエネルギ回収装置において、エアモータの速度制御が不安定になり、発電機の出力にハンチングが発生したとき、ハンチングを抑制するには、エアモータの速度制御の安定化を図る必要があるが、容易に対応できないのが実状である。 However, the control of the air motor is different from the control of the gas turbine. Therefore, in an energy recovery device using an air motor that is controlled at a constant speed, the speed control of the air motor becomes unstable to suppress hunting when the speed control of the air motor becomes unstable and hunting occurs in the output of the generator. However, the reality is that it cannot be easily handled.
そこで、本発明は、上記に鑑み、エアモータ等の原動機の回転速度のハンチングを抑制して、安定した発電およびガス等の圧縮気体の供給を行えるエネルギ回収装置の提供を目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an energy recovery device that can suppress the hunting of the rotational speed of a prime mover such as an air motor and can stably generate power and supply compressed gas such as gas.
本発明のエネルギ回収装置は、圧縮気体が減圧される過程で圧縮気体により回転駆動され、回転速度が一定に制御される原動機と、原動機に連結され、電気エネルギを出力する同期発電機と、同期発電機の出力によって得られる入力電圧を一定に制御するパワーコンディショナと、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるように原動機の出力を制御するために同期発電機の出力を調整する制御装置と、原動機の回転速度にハンチングが発生したとき、同期発電機の出力の変動の位相が回転速度の変動の位相と同じになるようにするための抑制信号を制御装置に出力するハンチング防止装置とを備えたものである。制御装置は、減圧後の圧縮気体の圧力に基づいて決められた同期発電機への出力指令信号を抑制信号に基づいて修正する。修正された出力指令信号によって同期発電機が動作すると、同期発電機の出力が変化するので、原動機の負荷トルクが変化し、原動機の回転速度の変化を抑制しようとして、回転速度のハンチングが収束する。 The energy recovery device of the present invention includes a prime mover that is rotationally driven by a compressed gas in a process in which the compressed gas is depressurized and whose rotation speed is controlled to be constant, a synchronous generator that is connected to the prime mover and outputs electrical energy, A power conditioner that controls the input voltage obtained by the output of the generator to be constant, and a control device that adjusts the output of the synchronous generator to control the output of the prime mover so that the pressure of the compressed gas after decompression is constant And an anti-hunting device that outputs to the control device a suppression signal for causing the phase of the fluctuation of the output of the synchronous generator to be the same as the phase of the fluctuation of the rotational speed when hunting occurs in the rotational speed of the prime mover. It is equipped with. The control device corrects the output command signal to the synchronous generator determined based on the pressure of the compressed gas after decompression based on the suppression signal. When the synchronous generator is operated by the corrected output command signal, the output of the synchronous generator changes. Therefore, the load torque of the prime mover changes, and the hunting of the rotational speed converges in an attempt to suppress the change of the rotational speed of the prime mover. .
ハンチング防止装置は、回転速度の変動成分を抽出して、この変動成分を移相して生成した抑制信号を制御装置に出力し、制御装置は、抑制信号を出力指令信号に重畳して、出力指令信号を修正する。すなわち、ハンチング防止装置は、原動機の回転速度のハンチングに応じて変動する同期発電機の出力電圧の周波数の変動成分を抽出する抽出部と、この変動成分を移相する移相部とを備え、移相された変動成分に基づく信号を抑制信号として出力する。 The anti-hunting device extracts the fluctuation component of the rotational speed and outputs the suppression signal generated by shifting the fluctuation component to the control device. The control device superimposes the suppression signal on the output command signal and outputs it. Correct the command signal. That is, the hunting prevention device includes an extraction unit that extracts a fluctuation component of the frequency of the output voltage of the synchronous generator that fluctuates according to hunting of the rotation speed of the prime mover, and a phase shift unit that shifts the phase of the fluctuation component. A signal based on the phase-shifted fluctuation component is output as a suppression signal.
出力指令信号は、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるように圧縮気体の圧力に応じて決められ、減圧後の圧縮気体の圧力が変化したとき、制御装置は、同期発電機に供給する界磁電流を出力指令信号に基づいて生成し、同期発電機の出力が界磁電流に応じて調整されて、同期発電機の出力の変化に応じて原動機の回転速度が変化しようとしたとき、原動機は定速度制御されているので、原動機を通過する圧縮気体の流量が調整され、回転速度が一定になる。 The output command signal is determined according to the pressure of the compressed gas so that the pressure of the compressed gas after depressurization becomes constant. When the pressure of the compressed gas after depressurization changes, the control device supplies the synchronous generator to the synchronous generator. When the field current is generated based on the output command signal, the output of the synchronous generator is adjusted according to the field current, and the rotational speed of the prime mover changes according to the change of the output of the synchronous generator, Since the prime mover is controlled at a constant speed, the flow rate of the compressed gas passing through the prime mover is adjusted, and the rotational speed becomes constant.
本発明によると、同期発電機の出力の変動と原動機の回転速度の変動が同位相になるように同期発電機を制御することにより、原動機の回転速度のハンチングを抑制することができる。 According to the present invention, by controlling the synchronous generator so that the fluctuation of the output of the synchronous generator and the fluctuation of the rotational speed of the prime mover are in phase, hunting of the rotational speed of the prime mover can be suppressed.
本発明のエネルギ回収装置は、圧縮気体である都市ガスを減圧して供給するガス供給システムに用いられ、都市ガスを減圧する過程で都市ガスの有する圧力エネルギを電気エネルギに変換し、発生した電力を商用電源に連系させて、商用電源との連系運転を行う。エネルギ回収装置は、図1に示すように、ガスが減圧される過程でガスにより回転駆動され、回転速度が一定に制御されるエアモータ1と、エアモータ1に連結され、電気エネルギを出力する同期発電機2と、同期発電機2の出力によって得られる入力電圧を一定に制御するパワーコンディショナ3と、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるようにエアモータ1の出力を制御するために同期発電機2の出力を調整する制御装置4とを備えている。そして、エネルギ回収装置は、エアモータ1の回転速度にハンチングが発生したとき、このハンチングを抑制するためのハンチング防止装置5を備えている。
The energy recovery device of the present invention is used in a gas supply system that supplies a compressed city gas with a reduced pressure, converts the pressure energy of the city gas into electrical energy in the process of reducing the city gas, and generates electric power. Is connected to the commercial power supply and connected to the commercial power supply. As shown in FIG. 1, the energy recovery apparatus is driven by gas in the process of depressurizing the gas, and is coupled to the
エアモータ1からなる原動機は、都市ガスが流れるメイン導管6に介装される。エアモータ1の上流側に開閉バルブ7が配置されている。メイン導管6に、バイパス導管8がエアモータ1と並列に接続される。バイパス導管8に、中圧ガバナ9が配置されている。エアモータ1は、回転速度を一定値に保つガバナを有している。ガバナは、回転速度に基づいてエアモータ1に流入するガス流量を調整し、回転速度が一定になるようにエアモータ1の回転速度を制御する。これにより、エアモータ1の回転速度が一定に制御される。
The prime mover comprising the
同期発電機2は、3相交流同期発電機2とされ、エアモータ1の出力軸と同期発電機2の駆動軸10とが電磁式カップリングで連結され、エアモータ1の動作に連動して同期発電機2が動作する。同期発電機2の出力端子は3相の給電線を通じて整流器11に接続され、整流器11は平滑回路12を介してパワーコンディショナ3に接続されている。パワーコンディショナ3は、商用電源に接続される。パワーコンディショナ3は、太陽光発電に用いられる汎用品であり、同期発電機2からの入力電圧が一定になるように入力電流を調整する。
The
都市ガスを減圧する過程において、中圧A、ここでは0.7MPaのガスがエアモータ1に流入すると、エアモータ1によりガスは減圧されて送出され、規定の中圧B、例えば0.15MPaのガスが供給される。減圧されたガス圧力が規定圧力Bになるようにするためには、エアモータ1を通過するガス流量をガス使用量に応じて制御する必要がある。
In the process of depressurizing the city gas, if a medium pressure A, here 0.7 MPa gas flows into the
すなわち、本ガス供給システムでの流量・圧力を下記とすると、
1 エアモータ1を通過するガス流量をQ1[kg/Sec]
2 減圧後のガス流量(ガス使用量)をQ2[kg/Sec]
3 Q1とQ2の流量差をΔQ=Q1−Q2
4 減圧前のガス圧力をP1
5 減圧後のガス圧力をP2
6 減圧時の圧力差をP=P1−P2
7 ΔPはPの変動量
減圧後のガス圧力P2の変化量ΔP2は次式となる。
ΔP2≒K1×ΔQ×ΔP (1)
K1は比例定数
(1)式より安定した状態では、ΔQ、ΔPはゼロで運転しているが、ΔQ、ΔPが変化すると、外乱要因になり、P2が変化する。Q1=Q2になるが、ガス使用量は通常、ガス使用者の都合で変化する。
That is, if the flow rate and pressure in this gas supply system are as follows:
1 Q1 [kg / Sec] is the gas flow rate that passes through the
2 The gas flow rate (gas consumption) after depressurization is Q2 [kg / Sec]
3 The flow rate difference between Q1 and Q2 is ΔQ = Q1-Q2.
4 Gas pressure before depressurization is P1
5 Gas pressure after depressurization is P2.
6 The pressure difference during decompression is P = P1-P2.
7 ΔP is a change amount ΔP2 of the gas pressure P2 after the fluctuation amount P is reduced.
ΔP2≈K1 × ΔQ × ΔP (1)
K1 is operated with ΔQ and ΔP being zero in a stable state from the proportionality constant (1), but when ΔQ and ΔP change, it becomes a disturbance factor and P2 changes. Although Q1 = Q2, the amount of gas used usually changes for the convenience of the gas user.
(1)式より、減圧後のガス圧力P2を制御するには、ΔQまたはΔPを変えればよい。すなわち、エアモータ1を通過するガス流量Q1を制御すればよい。そこで、制御装置4は、減圧後のガス圧力P2を規定圧力に維持するために、エアモータ1により駆動される同期発電機2の出力を制御し、エアモータ1を通過するガス流量Q1を調整する。ここで、同期発電機2の出力は、パワーコンディショナ3を負荷とするとき、同期発電機2の界磁電流Ifeを調整することで行える。制御装置4は、減圧後のガス圧力P2を一定に制御するため、同期発電機2への出力指令信号Scにより同期発電機2の出力を調整し、エアモータ1を通過するガス流量Q1を調整する。
From the equation (1), ΔQ or ΔP may be changed to control the gas pressure P2 after depressurization. That is, the gas flow rate Q1 passing through the
このような制御装置4は、減圧後のガスの圧力を一定にするために、検出されたガスの圧力に応じて同期発電機2に対する出力指令信号Scを決める出力指令演算回路15と、出力指令信号Scに基づいて同期発電機2の出力を調整するための界磁電流Ifeを出力する自動電圧調整器16とを有している。
Such a
メイン導管6に、減圧前のガス圧力を検出する圧力センサと、減圧後のガス圧力を検出する圧力センサと、減圧後のガス流量を検出する流量センサとが設けられる。出力指令演算回路15は、各センサにより検出されたデータに基づいてガス流量Q1を演算するとともに、検出されたガス圧力P2が圧力設定器17により設定された規定圧力になるように、すなわち減圧時の圧力P2が圧力設定器17の設定値に等しくなるように同期発電機2の出力を調整するための出力指令信号Scをガス圧力P2に基づいて生成する。出力指令信号Scは、同期発電機2の出力に対応する指令である。ここでは、パワーコンディショナ3の入力電圧が一定であるので、出力指令信号Scは、同期発電機2の出力電流に対する指令値を有する。
The main conduit 6 is provided with a pressure sensor that detects a gas pressure before pressure reduction, a pressure sensor that detects a gas pressure after pressure reduction, and a flow rate sensor that detects a gas flow rate after pressure reduction. The output
同期発電機2の出力は界磁電流Ifeによって制御される。自動電圧調整器16は、出力指令信号Scに基づいて生成した界磁電流Ifeを同期発電機2に供給して、同期発電機2の出力を調整する公知の機器である。自動電圧調整器16は、同期発電機2の出力電流を検出する電流検出回路20、同期発電機2の出力電圧を検出する電圧検出回路21、同期発電機2の出力から制御装置4を動作させるための電源を生成する制御電源回路22、界磁電流Ifeを励磁電源より生成する界磁電圧調整部23を有する。
The output of the
減圧後のガス圧力が変動したとき、出力指令演算回路15は、規定圧力と検出されたガス圧力とに基づいて出力指令信号Scを生成し、出力指令信号Scを自動電圧調整器16に出力する。このとき、自動電圧調整器16では、出力電圧に基づく電圧検出器21からの電圧信号Sgと電圧設定器24により設定された基準電圧信号Svと出力指令信号Scとから誤差信号S3が生成される。誤差信号S3は、誤差増幅器25により増幅され、界磁電圧調整部23に入力される。界磁電圧調整部23は、同期発電機2の出力から供給される励磁電源に基づいて誤差信号S3に応じた界磁電流Ifeを生成する。界磁電流Ifeが同期発電機2に供給される。
When the gas pressure after depressurization fluctuates, the output
このように、制御装置4が界磁電流Ifeを制御することにより、同期発電機2の出力電流(負荷電流)Igが変化し、同期発電機2の出力が等価的に出力指令信号Scになるように調整される。ここで、同期発電機2の界磁電流Ifeを制御することによって同期発電機2の出力を調整できる原理を説明する。
Thus, when the
界磁電流Ifeを制御すると、同期発電機2の内部誘起電圧Veが変化する。
Ve≒K2×N×Ife (2)
K2:比例定数、N:同期発電機2の回転速度
同期発電機2の出力電圧Vgは次式となる。
Vg≒Ve−Ig×Zg (3)
Ig:同期発電機2の負荷電流、Zg:同期発電機2の等価内部インピーダンス
パワーコンディショナ3の入力電流Idは次式となる。
Id≒K3×Ig (4)
K3:比例定数(3相整流器の電流変換係数)
パワーコンディショナ3の入力電圧Vd1は次式となる。
Vd1≒K4×Vg (5)
K4:比例定数(3相整流器の電圧変換係数)
(2)、(3)、(5)式より、
Vd1≒K4×(K2×N×Ife−Ig×Zg) (6)
When the field current Ife is controlled, the internal induced voltage Ve of the
Ve≈K2 × N × If (2)
K2: proportional constant, N: rotation speed of the
Vg≈Ve−Ig × Zg (3)
Ig: load current of the
Id≈K3 × Ig (4)
K3: Proportional constant (3-phase rectifier current conversion coefficient)
The input voltage Vd1 of the
Vd1≈K4 × Vg (5)
K4: Proportional constant (3-phase rectifier voltage conversion coefficient)
From formulas (2), (3), and (5),
Vd1≈K4 × (K2 × N × If-Ig × Zg) (6)
パワーコンディショナ3は、入力電圧Vd1を一定になるように制御する。そのため、(6)式の右辺は一定となり、(7)式が成立する。
K2×N×Ife−Ig×Zg=一定 (7)
界磁電流Ifeが制御されると、同期発電機2の出力電流Igが変化せざるを得ない。すなわち、同期発電機2の出力が制御される。一方、(4)式よりパワーコンディショナ3の入力電流Idが変化し、パワーコンディショナ3の入力が変化する。パワーコンディショナ3の電力変換効率が一定とすると、パワーコンディショナ3の交流出力、すなわち商用電源への供給電力が変化する。
The
K2 * N * If-Ig * Zg = constant (7)
When the field current Ife is controlled, the output current Ig of the
そして、同期発電機2の出力が出力指令信号Scに等価な電力に制御されているとき、出力指令信号Scの変化により同期発電機2の出力電流Igが変化するので、同期発電機2のトルクが変化する。この変化に伴ってエアモータ1の負荷トルクが変化するので、エアモータ1の回転速度が変化しようとする。しかし、エアモータ1の回転速度は一定速度に制御されているので、エアモータ1に流入するガス流量Q1が調整される。(1)式より、ガス圧力P2が変化する。これにより、減圧後のガス圧力P2が規定圧力になり、減圧後のガス圧力P2が一定に制御される。
When the output of the
ところで、エアモータ1は種々の要因で回転速度が変動(ハンチング)する。例えば、
エアモータ1の定速度制御の安定性の問題、
軸系の慣性モーメントの問題、
電磁カップリングの使用により、ばね定数および軸系の慣性モーメントによっては固有振動数が低くなり、エアモータ1の定速度制御の安定性に影響を与える、
エアモータ1の入口までの導管が細いことにより、入口でのガス圧力が変動しやすくなり、エアモータ1の安定性が悪くなる、
といった要因がある。エアモータ1の回転が変動すると、回転速度がハンチングする。これに伴って、同期発電機2の出力がハンチングする。
Incidentally, the rotational speed of the
Problem of stability of constant speed control of
Problem of moment of inertia of the shaft system,
By using the electromagnetic coupling, the natural frequency is lowered depending on the spring constant and the moment of inertia of the shaft system, which affects the stability of the constant speed control of the
Since the conduit to the inlet of the
There are factors such as. When the rotation of the
エアモータ1の回転速度にハンチングが発生したとき、図2に示すように、エアモータ1の回転速度に比例する同期発電機2の周波数Fとパワーコンディショナ3の入力電流Idとは同じ周期で変動している。なお、出力指令信号Scおよびパワーコンディショナ3の入力電圧Vd1は一定である。
When hunting occurs in the rotational speed of the
エアモータ1の回転速度のハンチングを解消するには、回転速度の変動の位相と同期発電機2の負荷の変動の位相が同じになるようにすればよい。同期発電機2の負荷は、エアモータ1の負荷トルクに対応するものであって、同期発電機2の負荷は、界磁電流Ifeを調整することにより制御できる。したがって、ハンチングが発生したときのハンチング防止方法として、同期発電機2の負荷がハンチングを抑制する位相、すなわち回転速度の変動の位相と同位相になるように、界磁電流Ifeを制御することにより、ハンチングを抑制することができる。
In order to eliminate the hunting of the rotational speed of the
そこで、エネルギ回収装置において、エアモータ1の負荷を変化させることによってハンチングを抑制して、エアモータ1の回転速度および同期発電機2の出力を安定させるハンチング防止装置5が設けられる。ハンチング防止装置5は、エアモータ1の回転速度のハンチングに応じて変動する同期発電機2の出力電圧の周波数の変動成分を抽出する抽出部30と、この変動成分を移相する移相部31とを備えている。そして、ハンチング防止装置5は、移相された変動成分に基づく信号の大きさをゲイン設定器32により調整して、同期発電機2の出力の変動の位相が回転速度の変動の位相と同じになるようにするための抑制信号S1を制御装置4に出力する。
Therefore, in the energy recovery device, a
抽出部30は、同期発電機2の出力電圧Vgから得られた同期発電機周波数を直流電圧に変換する変換回路33と、同期発電機周波数の変動成分ΔVgfを抽出する微分回路34とを有する。変換回路33は、F/Vコンバータとされ、出力電圧Vgから得られた同期発電機周波数信号を直流電圧Vgfに変換する。微分回路34は、変換された直流電圧Vgfの直流分をカットして変動成分ΔVgfを抽出する。移相部31は、一般的な移相回路からなり、同期発電機2の出力電圧の周波数の変動成分ΔVgfを360deg移相可能とする。なお、移相量は、同期発電機2による遅れおよび出力電圧Vgに基づいて実機にて調整される、あるいは実験的に決められる。決められた移相量が移相部31に入力されると、抑制信号S1が生成される。
The
ハンチング防止装置5が回転速度の変動成分を抽出し、この変動成分を移相して生成した抑制信号S1を制御装置4の自動電圧調整器16に出力すると、自動電圧調整器16は、減圧後のガス圧力P2に基づいて決められた出力指令信号Scを抑制信号S1に基づいて修正する。すなわち、自動電圧調整器16が抑制信号S1を出力指令信号Scに重畳して、出力指令信号Scが修正され、電流指令信号S2が生成される。自動電圧調整器16は、電流指令信号S2、出力電圧Sgおよび設定電圧Svに基づいて界磁電流Ifeを生成して、同期発電機2に界磁電流Ifeを供給する。同期発電機2の出力電流Igが変化するのに伴って、エアモータ1の回転速度の変動が小さくなって、ハンチングが収束する。
When the
ここで、エアモータ1の回転速度がハンチングしているときの変動の基本波の変化分のベクトル図を図3に示す。
ベクトルΔNは、回転速度Nの変動成分である。これを基本ベクトルとする。
ΔN=K5×sinωt (8)
K5:比例定数、ω:Nの変動成分の角速度
ベクトルΔVgfは、同期発電機周波数の変動成分、すなわち変換回路33の出力信号Vgfの変動成分である。ベクトルΔVgfは、変換回路33による遅れにより、ベクトルΔNに対して位相差φ2だけ遅れる。
ベクトルΔIdは、パワーコンディショナ3の入力電流Idの変動成分である。ベクトルΔIdは、同期発電機2および自動電圧調整器16の動作遅れ等の影響でベクトルΔNに対して位相角φ1だけ遅れる。
Here, FIG. 3 shows a vector diagram of the change of the fundamental wave of fluctuation when the rotation speed of the
The vector ΔN is a fluctuation component of the rotation speed N. This is a basic vector.
ΔN = K5 × sin ωt (8)
The angular velocity vector ΔVgf of the fluctuation component of K5: proportional constant and ω: N is a fluctuation component of the synchronous generator frequency, that is, a fluctuation component of the output signal Vgf of the
The vector ΔId is a fluctuation component of the input current Id of the
図4に示すように、入力電流Idの変動成分ΔIdと回転速度Nの変動成分ΔNの位相が同じとき、ΔIdとΔNは同位相で変化する。同相であることにより、エアモータ1の回転速度Nが増加すると、入力電流Idも増加する。入力電流Idの増加に応じて同期発電機2の出力電流Igが増加し、同期発電機2のトルクが増加する。エアモータ1の回転速度Nが上昇しようとしたとき、同期発電機2のトルクの増加に伴ってエアモータ1の負荷が増加するので、エアモータ1の回転速度の上昇が抑制される。したがって、エアモータ1の回転速度Nが変動するとき、回転速度Nの変動の位相と同期発電機2の負荷の変動の位相が同位相になるようにすることにより、エアモータ1の回転速度Nのハンチングを抑制することができる。
As shown in FIG. 4, when the phase of the fluctuation component ΔId of the input current Id and the fluctuation component ΔN of the rotational speed N are the same, ΔId and ΔN change in the same phase. By being in phase, when the rotational speed N of the
なお、エネルギ回収装置では、同期発電機2の負荷にパワーコンディショナ3が設けられている。このパワーコンディショナ3は、入力電流Idを調整することにより入力電圧Vdを一定にする。すなわち、同期発電機2の負荷としては非線形負荷になる。非線形負荷と線形負荷を比べたとき、非線形負荷の場合、上記の抑制効果が大きくなる。したがって、パワーコンディショナ3が入力電圧Vdを一定に制御することにより、ハンチング抑制の効果を高めている。
In the energy recovery device, a
上記のように、エアモータ1の回転速度Nのハンチングを抑制するには、回転速度の変動の位相とパワーコンディショナ3の入力電流Idの変動の位相を同位相にすればよい。しかし、同期発電機2の動作の遅れ等により、入力電流Idの変動成分ΔIdと回転速度Nの変動成分ΔNとは同位相にはならない。ハンチングを抑制するには、入力電流Idの変動成分ΔIdの位相と回転速度Nの変動成分ΔNの位相を同位相に近づけるようにすればよい。
As described above, in order to suppress the hunting of the rotation speed N of the
エアモータ1の回転速度がハンチングし出すと、ハンチング防止装置5は、入力電流Idの変動成分ΔIdの位相と回転速度Nの変動成分ΔNの位相を同位相に近づけるようにするための抑制信号S1を自動電圧調整器16に出力する。制御装置4は、出力指令信号Scと電流検出信号Vidから同期発電機2の電流指令信号S2を生成し、この信号に抑制信号S1を重畳して、電流指令信号S2を修正する。電流指令信号S2と同期発電機2の出力電圧Vg(検出電圧Sg)および設定電圧Svに基づいて誤差信号S3が生成される。増幅された誤差信号S3が界磁電圧調整部23に入力されると、界磁電圧調整部23は、誤差信号S3に応じて調整した界磁電流Ifeを同期発電機2に供給する。
When the rotation speed of the
図5に示す抑制信号S1を加えたときの変化分のベクトル図において、
ベクトルΔIfeは、界磁電流Ifeの変動成分である。電流指令信号S2が変動することにより、ベクトルΔIfeも変動する。
ベクトルΔVidは、同期発電機2の出力電流Igから得られた電流信号の変動成分であり、電流指令信号S2の変動要因の一成分である。
ベクトルΔS1は、抑制信号S1の変動成分である。なお、この図中のベクトルΔS1は移相したものではない。
ベクトルΔS2は、ベクトルΔVidとベクトルΔS1とのベクトル和であり、電流指令信号S2の変動成分である。
ベクトルΔIdnは、エアモータ1の回転速度が変動することによるパワーコンディショナ3の入力電流Idの変動成分である。ベクトルΔIdnはベクトルΔNと同位相であるので、回転速度Nが変動すると、同期発電機2の内部誘起電圧Veが変化し、同期発電機2の出力電流Igが変動することにより、パワーコンディショナ3の入力電流Idも変動する。
ベクトルΔIdeは、電流指令信号S2の変動成分によるパワーコンディショナ3の入力電流Idの変動成分である。
ベクトルΔIdは、ベクトルΔIdnとベクトルΔIdeとのベクトル和である。
φ1は、ベクトルΔNとベクトルΔIdの位相差
φ2は、ベクトルΔNとベクトルΔVgfの位相差(検出器による遅れ)
φ3は、ベクトルΔS2とベクトルΔIfeの位相差(自動電圧調整器16による遅れ)
φ4は、ベクトルΔS2とベクトルΔIdeの位相差(同期発電機2による遅れ)
である。
In the vector diagram of the change when the suppression signal S1 shown in FIG. 5 is added,
The vector ΔIf is a fluctuation component of the field current Ife. As the current command signal S2 varies, the vector ΔIf also varies.
The vector ΔVid is a fluctuation component of the current signal obtained from the output current Ig of the
The vector ΔS1 is a fluctuation component of the suppression signal S1. It should be noted that the vector ΔS1 in this figure is not a phase shift.
The vector ΔS2 is a vector sum of the vector ΔVid and the vector ΔS1, and is a fluctuation component of the current command signal S2.
The vector ΔIdn is a fluctuation component of the input current Id of the
The vector ΔIde is a fluctuation component of the input current Id of the
The vector ΔId is a vector sum of the vector ΔIdn and the vector ΔIde.
φ1 is the phase difference between vector ΔN and vector ΔId φ2 is the phase difference between vector ΔN and vector ΔVgf (delay by detector)
φ3 is the phase difference between the vector ΔS2 and the vector ΔIfe (delay by the automatic voltage regulator 16)
φ4 is the phase difference between the vector ΔS2 and the vector ΔIde (delay by the synchronous generator 2)
It is.
ベクトルΔS1の大きさを設定し、位相をずらすことにより、ベクトルΔVidとベクトルΔS1とのベクトル和であるベクトルΔS2の位相角および大きさを調整できる。ベクトルΔS2が変わると、ベクトルΔIdeが変わり、ベクトルΔIdnとベクトルΔIdeとのベクトル和であるベクトルΔIdの位相および大きさを調整できる。すなわち、ハンチング防止装置5からの抑制信号S1により、パワーコンディショナ3の入力電流Idの位相が調整され、入力電流Idの変動の基本波ΔIdの位相を回転速度Nの変動の基本波ΔNの位相に近づけることができる。図6に示すように、抑制信号S1により、同期発電機周波数の変動、すなわちエアモータ1の回転速度Nの変動が収束し、パワーコンディショナ3の入力電流Idが安定して、エアモータ1の安定運転を行える。
By setting the magnitude of the vector ΔS1 and shifting the phase, the phase angle and magnitude of the vector ΔS2, which is the vector sum of the vector ΔVid and the vector ΔS1, can be adjusted. When the vector ΔS2 changes, the vector ΔIde changes, and the phase and magnitude of the vector ΔId that is the vector sum of the vector ΔIdn and the vector ΔIde can be adjusted. That is, the phase of the input current Id of the
なお、ハンチング防止装置5は、常時出力電圧を監視する。そして、所定値以上の出力電圧の変動が所定時間連続して発生したとき、ハンチング防止装置5は、ハンチングの発生と判断して、抑制信号S1を制御装置4に出力する。抑制信号S1は、同期発電機2の出力電圧Vgの変動成分に応じた移相量に基づいて生成される。ここで、同期発電機2による遅れおよび出力電圧Vgに基づいて実験的に決められた移相量をメモリに記憶しておいてもよい。移相部31は、同期発電機2の出力電圧Vgの変動成分に基づいてメモリから移相量を自動的に選び出し、抑制信号S1を生成する。回転速度Nにハンチングが発生していないとき、抑制信号S1は出力されない。
The
また、自動電圧調整器16とハンチング防止装置5との間にスイッチを設けてもよい。スイッチがオンすると、自動電圧調整器16とハンチング防止装置5とが接続され、ハンチング防止装置5から抑制信号S1が自動電圧調整器16に入力される。ハンチングの発生が検出されたときに、スイッチがオンされる。
Further, a switch may be provided between the automatic voltage regulator 16 and the
また、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。圧縮気体は、都市ガスに限らずLPガス、炭酸ガス、窒素ガス、空気でもよい。同期発電機2は、単相同期発電機2であってもよい。また、原動機はタービンであってもよい。上記実施形態では、励磁電源は自励式であるが、他励式であってもよい。
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that many modifications and changes can be made to the above-described embodiment within the scope of the present invention. The compressed gas is not limited to city gas, but may be LP gas, carbon dioxide gas, nitrogen gas, or air. The
1 エアモータ
2 同期発電機
3 パワーコンディショナ
4 制御装置
5 ハンチング防止装置
15 出力指令演算回路
16 自動電圧調整器
30 抽出部
31 移相部
32 ゲイン設定器
33 F/Vコンバータ
34 微分回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
A prime mover that is rotationally driven by the compressed gas in the process of reducing the compressed gas and whose rotational speed is controlled to be constant, a synchronous generator that is connected to the prime mover and outputs electric energy, and an input obtained by the output of the synchronous generator A power conditioner that controls the voltage constantly, a controller that adjusts the output of the synchronous generator to control the rotation of the prime mover so that the pressure of the compressed gas after decompression is constant, and hunting the rotational speed of the prime mover In the energy recovery apparatus comprising the anti-hunting device that outputs a suppression signal to the control device for causing the phase of the fluctuation of the output of the synchronous generator to be the same as the phase of the fluctuation of the rotational speed when The controller determines an output command signal to the synchronous generator based on the pressure of the compressed gas after decompression, and when hunting occurs in the rotational speed of the prime mover, The suppression device generates a suppression signal according to the frequency fluctuation of the output voltage of the synchronous generator and outputs it to the control device, corrects the output command signal based on the suppression signal, adjusts the output of the synchronous generator, A method for preventing hunting in an energy recovery device, characterized by reducing fluctuations in the rotational speed of a prime mover.
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