JP2022126477A - 発電装置、制御装置、始動方法、コンピュータプログラム及び記録媒体 - Google Patents

発電装置、制御装置、始動方法、コンピュータプログラム及び記録媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】ランキンサイクル装置における膨張機の始動の信頼性を向上させることに適した技術を提供する。【解決手段】始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行される。第１回転運転では、発電機６が力行駆動することによってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。第２回転運転では、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との圧力差によってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、発電装置、制御装置、始動方法、コンピュータプログラム及び記録媒体に関する。
特許文献１は、ランキンサイクル装置を制御する制御器を開示する。制御器は、第１の制御、第２の制御及び第３の制御をこの順に実行する。第１の制御は、コンバータを用いて発電機に直流電流を流してロータを拘束して、膨張機が作動流体を膨張することを禁止する。第２の制御は、コンバータを用いて発電機の端子間電圧をゼロにする又は発電機を流れる電流をゼロにして、膨張機が作動流体を膨張させることを許可する。第３の制御は、発電機の回転数を調整するように、コンバータを用いて発電機を制御する。
特開２０１５－８３８２９号公報
本開示は、ランキンサイクル装置における膨張機の始動の信頼性を向上させることに適した技術を提供する。
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置と、を備え、
前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
発電装置を提供する。
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置であって、
前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
制御装置を提供する。
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置の始動方法であって、
第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
始動方法を提供する。
本開示は、
コンピュータによる実行時において、ランキンサイクル装置の始動方法をコンピュータに実行させる指示を備えた、コンピュータプログラムであって、
前記ランキンサイクル装置は、膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れる装置であり、
前記始動方法は、第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
コンピュータプログラムを提供する。
本開示に係る技術は、ランキンサイクル装置における膨張機の始動の信頼性を向上させることに適している。
実施の形態に係る発電装置の構成図 実施の形態に係るコンバータの構成図 実施の形態に係るコンバータ制御部の構成図 ｄｑ座標系及びγδ座標系の説明図 実施の形態に係るコンバータ制御部の動作シーケンス図 実施の形態に係る膨張機の構成図 実施の形態に係る膨張機の構成部品の位置関係を説明する上面視図 実施の形態に係る発電機の電流波形を示す図 実施の形態に係るポンプ用駆動回路の構成図 実施の形態に係る系統連系用電力変換器の構成図
（本開示の基礎となった知見等）
発明者が本開示に想到するに至った当時、膨張機を始動する技術について検討されていた。膨張機を始動する際には、例えば、膨張機の入口における作動流体の圧力と膨張機の出口における作動流体の圧力との圧力差を利用することが考えられる。
膨張機を始動する際に必要なトルクは、常に一定であるとは限らない。例えば、膨張機が、シャフトを回転させながら膨張動作を行うものであるとする。第１静止状態では、シャフトが第１の回転位置で静止しているとする。第２静止状態では、シャフトが第２の回転位置で静止しているとする。第１静止状態にある膨張機を始動する際に必要なトルクと、第２静止状態にある膨張機を始動する際に必要なトルクとは、異なる場合がある。このため、第１静止状態から膨張機を始動する場合と第２静止状態から膨張機を始動する場合とでは、上記圧力差とが同一であったとしても、シャフトの回転加速度に差が生じることがある。回転加速度が過度に大きいと、駆動機構部のストレスが増加しうる。また、回転加速度が過度に大きいと、回転機制御系が十分な応答性で制御に追従できず、脱調判定がなされ、起動の失敗に至ることがある。本発明者の検討によれば、例えばレシプロ式の膨張機において、このような事態が生じうる。
また、膨張機の容量が大きい場合には、上記圧力差が不足することによって、膨張機が始動しないという事態が生じることがある。本発明者の検討によれば、レシプロ式、スクロール式、ロータリ式等の様々な種類の膨張機において、このような事態が生じうる。
そこで、本開示は、ランキンサイクル装置における膨張機の始動の信頼性を向上させることに適した技術を提供する。
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態）
以下、図１から図１０を用いて、実施の形態を説明する。
［１－１．構成］
［１－１－１．発電装置の構成］
図１は、本実施の形態に係る発電装置１の構成図である。図１に示すように、発電装置１は、ランキンサイクル装置２及び発電制御装置３を備える。発電装置１は、外部の電力系統４に接続されうる。電力系統４は、ランキンサイクル装置２に電力を供給することができる。電力系統４には、ランキンサイクル装置２から電力が供給されることもある。電力系統４は、例えば、商用の交流電源である。
ランキンサイクル装置２は、流体回路５、発電機６及び電動機７を有する。流体回路５では、作動流体が流れる。流体回路５は、ランキンサイクルを構成している。
流体回路５は、ポンプ８、蒸発器９、膨張機１０及び凝縮器１１を有する。これらは複数の配管によってこの順で環状に接続されている。流体回路５における蒸発器９の出口と膨張機１０の入口との間の部分には、温度センサ１２が設けられている。流体回路５は、さらに、バイパス路１３を有する。バイパス路１３は、膨張機１０をバイパスしている。バイパス路１３の上流端は、流体回路５における蒸発器９の出口と膨張機１０の入口との間の部分に接続されている。バイパス路１３の下流端は、流体回路５における膨張機１０の出口と凝縮器１１の入口との間の部分に接続されている。バイパス路１３は、開閉装置１４を有する。本実施の形態では、開閉装置１４は、バイパス弁である。以下、バイパス弁１４という表記を用いる。ただし、以下の説明において、「バイパス弁１４」を「開閉装置１４」と読み替えてもよい。
温度センサ１２で検出された蒸発器９を通過した作動流体の温度に基づき、蒸発器９の出口の作動流体に液体成分が含まれているか否かが判断される。
発電機６は、膨張機１０に連結されている。電動機７は、ポンプ８に連結されている。発電機６は、膨張機１０によって駆動される。電動機７は、ポンプ８を駆動する。
ポンプ８は、電動式のポンプである。ポンプ８は、液体の作動流体を循環させることができる。本実施の形態では、ポンプ８は、容積型のポンプである。具体的には、ポンプ８はギヤポンプである。本実施の形態では、ポンプ８は、膨張機１０とは連結されていないため、膨張機１０から独立して動作できる。
本実施の形態では、ランキンサイクル装置２の熱源は、工場、焼却炉等の施設である。つまり、ランキンサイクル装置２は、排熱エネルギーを利用して発電を行う。蒸発器９は、そのような施設から排出された排熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器９は、フィンチューブ熱交換器である。施設からの排気ガスとランキンサイクル装置２の作動流体とが蒸発器９において熱交換する。これにより、作動流体が加熱され、蒸発する。
膨張機１０は、作動流体を膨張させることによって作動流体の熱エネルギーを回転動力に変換する。膨張機１０及び発電機６は、シャフト４５を共有している。膨張機１０によって発電機６が駆動される。本実施の形態では、膨張機１０は、容積型の膨張機である。具体的には、膨張機１０は、レシプロ膨張機である。
凝縮器１１は、膨張機１０から吐出された作動流体を、図示を省略する熱媒体回路の中の熱媒体等と熱交換させる。これにより、作動流体が冷却される。熱媒体は、例えば、冷却水、冷却空気等である。本実施の形態では、凝縮器１１は、フィンチューブ熱交換器である。
本実施の形態では、バイパス弁１４は、開度を変更可能である。バイパス弁１４の開度を変更することによって、膨張機１０をバイパスする作動媒体の流量を調節できる。バイパス弁１４として、電磁式の開閉弁を用いてもよい。
本実施の形態では、発電機６は、同期発電機である。具体的には、発電機６は、永久磁石同期発電機である。また、本実施の形態では、発電機６は、４極の発電機である。
本実施の形態では、電動機７は、同期電動機である。具体的には、電動機７は、永久磁石同期電動機である。
本実施の形態では、ランキンサイクル装置２の作動流体は、有機作動流体である。有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素が例示される。
ランキンサイクル装置２の動作の概要は以下の通りである。ポンプ８は、作動流体を圧送し、循環させる。蒸発器９は、熱源からの熱を用いて作動流体を加熱する。これにより、作動流体が過熱蒸気の状態となる。膨張機１０には、過熱蒸気の作動流体が流入する。流入した作動流体は、膨張機１０内で断熱膨張する。これにより、膨張機１０に駆動力が生じ、膨張機１０が動作する。つまり、膨張機１０によって、熱エネルギーが機械エネルギーへと変換される。膨張機１０の動作に伴い、発電機６が発電する。つまり、発電機６によって、機械エネルギーが電気エネルギーへと変換される。凝縮器１１は、冷却水、冷却空気等を用いて、膨張機１０から吐出された作動流体を冷却する。これにより、作動流体が凝縮して液体の状態となる。液体の作動流体は、ポンプ８に吸い込まれる。温度センサ１２は、蒸発器９を通過した作動流体の温度を検出する。この温度を表す検出信号等に基づいて、図示しないバイパス弁制御回路は、バイパス弁１４の開度を制御する。これにより、バイパス路１３を流れる作動流体の流量が調整される。
発電制御装置３は、ランキンサイクル装置２を制御する。発電制御装置３は、コンバータ１５、ポンプ用駆動回路１６、系統連系用電力変換器１７及び制御器１８を備える。コンバータ１５は、３相配線１９を介して発電機６に接続されている。ポンプ用駆動回路１６は、３相配線２０を介して電動機７に接続されている。系統連系用電力変換器１７は、電力系統４に接続されうる。コンバータ１５と系統連系用電力変換器１７とは、直流配線２１によって接続されている。
制御器１８は、ランキンサイクル装置２の始動運転において、ポンプ８が動作中で、蒸発器９の出口の作動流体に液体成分が含まれているとき、膨張機１０が作動流体を膨張させることを禁止するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する禁止運転を実行する。制御器１８は、図示しない演算処理部及び記憶部を備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部は、制御プログラムを記憶する。記憶部としては、メモリが例示される。
系統連系用電力変換器１７は、電力系統４から得た交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ用駆動回路１６に供給される。得られた直流電力は、コンバータ１５にも供給される。発電機６が発電しているときには、コンバータ１５は、発電機６で発電された交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ用駆動回路１６に供給される。得られた直流電力がポンプ用駆動回路１６に供給するべき直流電力よりも大きい場合には、得られた直流電力の一部である余剰電力は系統連系用電力変換器１７によって交流電力へと変換される。この交流電力は、電力系統４へと逆潮流される。発電制御装置３のこのような構成により、コンバータ１５は、発電機６を介して膨張機１０に制動トルク又は駆動トルクを与えることができる。また、ポンプ用駆動回路１６は、別途の電源回路を要さずとも、電動機７を介してポンプ８を駆動することができる。
図２は、本実施の形態に係るコンバータ１５の構成図である。図２に示すように、コンバータ１５は、発電機６を制御する。コンバータ１５は、コンバータ回路部２２、コンバータ制御部２３及び電流センサ２４を備える。
コンバータ回路部２２は、直流配線２１により、系統連系用電力変換器１７に結線されている。直流配線２１は、プラス側配線２５及びマイナス側配線２６を有する。コンバータ回路部２２は、３相配線１９により、発電機６に結線されている。３相配線１９は、Ｕ相配線２７、Ｖ相配線２８及びＷ相配線２９を有する。Ｕ相配線２７にはＵ相電流ｉuが流れる。Ｖ相配線２８にはＶ相電流ｉvが流れる。Ｗ相配線２９にはＷ相電流ｉwが流れる。コンバータ回路部２２は、コンバータ制御部２３から出力された制御信号３０に基づいて駆動する。これにより、コンバータ回路部２２において、３相交流電力が直流電力へと変換される。また、コンバータ回路部２２において、直流電力が３相交流電力へと変換される。本実施形態では、制御信号３０は、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。また、コンバータ回路部２２は、パルス幅変調を行うためのスイッチング素子を有している。
コンバータ制御部２３は、発電機６の目標回転数ω*、Ｕ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvに基づいて、制御信号３０を出力する。Ｕ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvは、電流センサ２４により検出される。
図３は、本実施の形態に係るコンバータ制御部２３の構成図である。図３に示すように、コンバータ制御部２３は、電流指令生成部３１、電圧指令生成部３２、座標変換部３３Ａ、ＰＷＭ信号生成部３４、位置・回転数推定部３５及び座標変換部３３Ｂを備える。
［１－２．動作］
［１－２－１．コンバータ制御部２３の動作］
図４は、ｄｑ座標系及びγδ座標系の説明図である。コンバータ制御部２３の構成要素の動作は、γδ座標系を用いて説明される。γδ座標系について、ｄｑ座標系を参照しつつ、図４を用いて説明する。
ｄｑ座標系は、回転座標系である。ｄ軸及びｑ軸は、永久磁石６Ａが作る磁束の回転数と同じ回転数で回転する。図面の見易さを考慮して、図４ではｑ軸を省略している。反時計回り方向が、位相の進み方向である。永久磁石６Ａは、発電機６のロータ６Ｘにおける永久磁石を表す。ｄ軸は、永久磁石６Ａが作る磁束の方向に延びる軸として設定されている。ｑ軸は、ｄ軸を進み方向に９０度回転させた軸として設定されている。Ｕ軸はＵ相巻線、Ｖ軸はＶ相巻線、Ｗ軸はＷ相巻線にそれぞれ対応する。Ｕ軸、Ｖ軸及びＷ軸は、ロータ６Ｘが回転しても、回転しない。つまり、Ｕ軸、Ｖ軸及びＷ軸は、固定軸である。実ロータ位置θは、Ｕ軸からみたｄ軸の進み角である。回転数ωは、ロータ６Ｘの回転数を表す。この文脈において、角度は電気角を意味する。
γδ座標系は、回転座標系である。γ軸は、ｄ軸に対応する推定軸又は制御軸として設定されている。δ軸は、γ軸を進み方向に９０度回転させた軸として設定されている。図面の見易さを考慮して、図４ではδ軸を省略している。推定位置θeは、Ｕ軸からみたγ軸の進み角である。推定回転数ωeは、γ軸の回転数である。
軸誤差Δθは、γ軸から見たｄ軸の進み角である。軸誤差Δθは、Δθ＝θ－θeで与えられる。
図３に戻って、コンバータ制御部２３の各要素について説明する。以下では、説明の便宜上、コンバータ制御部２３にＵ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvが入力されてから、コンバータ制御部２３から制御信号３０が出力されるまでが、同一の制御周期内に行われることとする。
座標変換部３３Ａは、Ｕ相電流ｉu、Ｖ相電流ｉv及び推定位置θeに基づいて、γ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδを算出し、出力する。Ｕ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvは、電流センサ２４によって検出された電流の値である。座標変換部３３Ａが用いる推定位置θeは、過去の制御周期において位置・回転数推定部３５によって算出された位置である。過去の制御周期は、例えば１制御周期前である。
位置・回転数推定部３５は、γ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδ、γ軸目標電圧ｖγ *及びδ軸目標電圧ｖδ *に基づいて、推定位置θe及び推定回転数ωeを算出し、出力する。位置・回転数推定部３５が用いるγ軸目標電圧ｖγ *及びδ軸目標電圧ｖδ *は、過去の制御周期において電圧指令生成部３２によって算出された電圧値である。過去の制御周期は、例えば１制御周期前である。
電流指令生成部３１は、目標回転数ω*と推定回転数ωeとに基づいて、γ軸目標電流ｉγ *及びδ軸目標電流ｉδ *を算出し、出力する。目標回転数ω*は、図示を省略する上位制御装置で生成されうる。
電圧指令生成部３２は、γ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδ、γ軸目標電流ｉγ *及びδ軸目標電流ｉδ *に基づいて、γ軸目標電圧ｖγ *及びδ軸目標電圧ｖδ *を算出し、出力する。
座標変換部３３Ｂは、推定位置θe、γ軸目標電圧ｖγ *及びδ軸目標電圧ｖδ *に基づいて、３相目標電圧ｖu *、ｖv *、ｖw *を算出し、出力する。３相目標電圧ｖu *、ｖv *、ｖw *は、Ｕ相目標電圧ｖu *、Ｖ相目標電圧ｖv *及びＷ相目標電圧ｖw *をまとめて記載したものである。
ＰＷＭ信号生成部３４は、３相目標電圧ｖu *、ｖv *、ｖw *に基づいて、制御信号３０を生成し、出力する。制御信号３０は、コンバータ回路部２２に入力される。コンバータ回路部２２は、３相目標電圧ｖu *、ｖv *、ｖw *に対応する３相電圧が発電機６に印加されるように動作する。
［始動運転］
次に、始動運転時のコンバータ制御部２３の動作シーケンスについて説明する。図５は、本実施の形態に係るコンバータ制御部２３の動作シーケンス図である。
始動運転は、ランキンサイクル装置２の運転を開始すべき旨の指令が外部から発電制御装置３の制御器１８に入力されたときに開始される。指令は、典型的には信号である。
ステップＳ１００は、系統連系を開始するステップである。ステップＳ１００では、まず、系統連系用電力変換器１７の運転を開始する。これにより、電力系統４から系統連系用電力変換器１７へと交流電力が供給される。この交流電力は、系統連系用電力変換器１７によって、直流電力へと変換される。これにより、プラス側配線２５とマイナス側配線２６との間に直流電圧がかかる。系統連系用電力変換器１７は、この直流電圧の大きさが所定の大きさとなるように、電力系統４から系統連系用電力変換器１７へと供給される電力の大きさを調整する。
次に、ステップＳ１１０では、バイパス弁１４を開く。ステップＳ１１０において、バイパス弁１４の開度をゼロから全開にする。また、バイパス弁１４を一気に開く。
次に、ステップＳ１２０では、制御器１８がコンバータ１５を用いて発電機６を制御することにより、膨張機１０が作動流体を膨張させることを禁止する禁止運転を実行する。本実施形態では、制御器１８がコンバータ１５を用いて発電機６に直流電流を流すことにより、膨張機１０が作動流体を膨張させることを禁止する。膨張機１０及び発電機６がシャフト４５を共有しているので、発電機６に電流を流すと、膨張機１０に制動力が働く。膨張機１０の入口と出口との間に圧力差が生じても膨張機１０は動かない。
次に、ステップＳ１３０は、ポンプ８の運転を開始するステップである。ポンプ８は流体回路５の内部で作動流体を循環させる。また、ポンプ８の動作を開始したときは、作動流体の温度が低く作動流体に液体成分が含まれている可能性が高い。しかし、ステップＳ１２０により膨張機１０に作動流体が膨張させることが禁止されているめ、作動流体が膨張機１０に流れ込むことはない。従って、全ての作動流体が、ポンプ８、蒸発器９、バイパス路１３及び凝縮器１１を、この順に流れる。
次に、ステップＳ１４０では、膨張機１０の入口の作動流体の温度が閾値温度よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１４０において、作動流体の温度が閾値温度を上回ったと判断されると、ステップＳ１５０に進む。本実施形態では、膨張機１０の入口の作動流体の温度として、温度センサ１２による検出値が使用される。このステップの閾値温度は、膨張機１０の入口の作動流体に液体成分が含まれない作動流体の温度に設定される。
ここで、ステップＳ１５０以降の説明をする前に、膨張機１０の構成及び動作について説明する。図６は、本実施の形態に係る膨張機１０の構成図である。図７は、本実施の形態に係る膨張機１０の構成部品の位置関係を説明する上面視図である。
図６に示すように、膨張機１０及び発電機６は、筐体１０ｈ内に収容されている。シャフト４５は、膨張機１０の回転軸及び発電機６の回転軸を兼ねている。
図６に示す膨張機１０はレシプロ式の膨張機である。膨張機１０は、吸入口３６、バルブ３７、第１ピストン３８Ａ、第２ピストン３８Ｂ、第３ピストン３８Ｃ、第４ピストン３８Ｄ、第５ピストン３８Ｅ、第６ピストン３８Ｆ、吐出口３９、シリンダブロック４２及び斜板４３を有する。図６において、シリンダブロック４２は、シャフト４５を取り囲むように拡がる側壁部と、側壁部に接続された上壁部と、を有する。この例では、上壁部は、環状かつ板状の部材である。上壁部は、ピストン３８Ａから３８Ｆの上方において拡がっている。上壁部は、ヘッドと称されうる。バルブ３７において、吸入溝４０及び吐出溝４１が、互いに対向する位置に設けられている。
シリンダブロック４２とピストン３８Ａから３８Ｆとの間には、作動室が形成されうる。以下、シリンダブロック４２と第１ピストン３８Ａとの間に形成される作動室を、第１作動室３８ＡＳと称する。シリンダブロック４２と第２ピストン３８Ｂとの間に形成される作動室を、第２作動室３８ＢＳと称する。シリンダブロック４２と第３ピストン３８Ｃとの間に形成される作動室を、第３作動室３８ＣＳと称する。シリンダブロック４２と第４ピストン３８Ｄとの間に形成される作動室を、第４作動室３８ＤＳと称する。シリンダブロック４２と第１ピストン３８Ｅとの間に形成される作動室を、第５作動室３８ＥＳと称する。シリンダブロック４２と第１ピストン３８Ｆとの間に形成される作動室を、第６作動室３８ＦＳと称する。
吸入口３６は、筐体１０ｈの外部から筐体１０ｈの内部へと作動流体を導く吸入管に設けられている。作動流体は、吸入口３６からバルブ３７に流れ、次に作動室３８ＡＳから３８ＦＳに流れ、次に吐出口３９に流れる。その後、作動流体は、吐出管４４により筐体１０ｈの外に流出する。吸入口３６は、上述の説明における膨張機１０の入口に対応する。吐出口３９は、上述の説明における膨張機１０の出口に対応する。
筐体１０ｈの最下部には、オイル室４６が設けられている。オイル室４６からシャフト４５の内部を経由して可動部へと、オイルが供給される。可動部は、ピストン３８Ａから３８Ｆ、斜板４３、バルブ３７等である。
バルブ３７が回転すると、膨張機１０内の連通状態が変化する。また、バルブ３７が回転すると、斜板４３も回転し、これにより作動室３８ＡＳから３８ＦＳの容積が変化する。以下、これらについて説明する。なお、膨張機１０の入口と出口との間の圧力差により膨張機１０が駆動されるとき、バルブ３７は、図７の時計回りに回転する。発電機６の力行駆動により膨張機１０が駆動されるときについても同様である。
バルブ３７の回転位置に応じて、吸入口３６及び吸入溝４０に作動室３８ＡＳから３８ＦＳのいずれが連通するのかが定まる。バルブ３７の回転位置に応じて、作動室３８ＡＳから３８ＦＳのいずれが吐出溝４１に連通するのかが定まる。バルブ３７の回転位置に応じて、ピストン３８Ａから３８Ｆのいずれが吸入口３６にも吐出溝４１にも連通しないのかが定まる。
ある回転位置にバルブ３７があるときに、高温高圧の作動流体が、作動室３８ＡＳから３８ＦＳのうち吸入口３６及び吸入溝４０に連通したものに流入する。バルブ３７の回転に伴い、その作動室が吸入口３６にも吐出溝４１にも連通しない状態となる。この非連通状態でバルブ３７が回転することにより、斜板４３も回転し、作動室の容積が増大し、これにより作動流体が膨張する。バルブ３７の回転により作動室が吐出溝４１に連通したときに、非連通状態が解除され、膨張した作動流体が吐出溝４１から吐出される。吐出された作動流体は、吐出口３９から筐体１０ｈの外部へと流出する。
図７に示す状態において、吸入口３６及び吸入溝４０は、第１作動室３８ＡＳと連通している。このため、作動流体は、吸入口３６から吸入溝４０を介して第１作動室３８ＡＳに流入する。作動室３８ＢＳ及び３８ＣＳは、吸入口３６にも吐出溝４１にも連通していない。このため、作動室３８ＢＳ及び３８ＣＳにおける作動流体は、バルブ３７の回転に伴い膨張する。作動室３８ＤＳから３８ＦＳは、吐出溝４１と連通している。このため、作動室３８ＤＳから３８ＦＳの作動流体は、吐出溝４１から吐出される。作動室３８ＤＳから３８ＦＳの作動流体は、低圧状態にある。
膨張機１０及び発電機６による発電は、連通状態が順次切り替わることにより行われる。具体的には、図７のピストン３８Ａのような、高温高圧の作動流体が流入する期間にある作動室を区画するピストンが、斜板４３を押し下げる。この押し下げにより、斜板４３とともにシャフト４５及びバルブ３７が回転する。バルブ３７の回転により、作動室は、吸入口３６にも吐出溝４１にも連通しない非連通状態となり、作動室における作動流体は膨張する。作動室はやがて吐出溝４１と連通し、その作動室の膨張期間は終了する。この連通状態において、膨張期間を経た作動流体が、作動室から吐出溝４１及び吐出空間をこの順に経由して吐出管４４へと流れ、吐出管４４から吐出される。これにより、残圧が解放される。このように、作動室及びそこに位置する作動流体の状態が順次切り替わりながら、斜板４３とともにシャフト４５及び発電機６のロータ６Ｘが回転する。こうして、発電機６が発電する。
図５に戻って、ステップＳ１５０では、第１回転運転を実行する。本実施の形態の第１回転運転では、制御器１８は、発電機６が力行駆動するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。これにより、発電機６のロータ６Ｘが回転する。
具体的には、本実施の形態では、発電機６のステータ６Ｙは、周方向に並んだ複数の巻線を有する。第１回転運転では、複数の巻線への励磁電流の通電状態が順次切り替わることによって、回転磁界が形成される。これにより、発電機６のロータ６Ｘが回転する。ロータ６Ｘの回転に伴い、シャフト４５及び斜板４３が回転する。このように、本実施の形態では、発電機６のロータ６Ｘが強制的に回転させられることにより、シャフト４５及び斜板４３が強制的に回転させられる。
ステップＳ１５０の第１回転運転の作用について説明する。図７に示す作動室３８ＢＳ及び３８ＣＳのような、膨張期間にある作動室は、吸入溝４０と連通していないため、高温高圧の作動流体は供給されない。膨張期間では、斜板４３の回転により、作動室の容積が増大し、作動室における作動流体の圧力は低下する。作動室における作動流体の圧力は、やがて吐出口３９の圧力よりも低くなる。
ランキンサイクル装置２の始動時において、図７に示すピストン３８Ｂ及び３８Ｃのような、低い圧力の作動流体を収容する作動室を区画するピストンは、斜板４３を静止させるように作用する。しかし、ステップＳ１５０の第１回転運転により、この静止力に打ち勝つ回転力が、膨張機１０に与えられる。このようにして斜板４３を強制的に回転させる。
図７に示す作動室３８ＢＳ及び３８ＣＳは、吸入口３６にも吐出溝４１にも連通していない作動室である。ステップＳ１５０の第１回転運転の一例では、第１回転運転開始時にそのような非連通状態にある作動室が少なくとも吐出溝４１に連通するまでは、発電機６のロータ６Ｘが回転させられる。別例では、ステップＳ１５０の第１回転運転により、発電機６のロータ６Ｘは、機械角で１回転する。
本実施の形態では、ステップＳ１５０の第１回転運転中に、発電機６のロータ６Ｘの回転位置の指令に追従してロータ６Ｘが回転する。第１回転運転で用いたロータ６Ｘの回転位置の指令は、後述のステップＳ１６０における推定位置θeの初期値として利用される。第１回転運転では発電機６の力行駆動がなされるため、ロータ６Ｘの実際の回転位置は、高い精度で指令に追従する。このため、第１回転運転で用いられたロータ６Ｘの回転位置の指令は、第１回転運転におけるロータ６Ａの回転位置を高い精度で表す情報として、第２回転運転に好適に利用されうる。なお、本実施の形態では、回転位置は、磁極位置とも称されうる。この文脈において、ロータ６Ｘの回転位置、推定位置θe及び磁極位置は、電気角に基づいた位置である。
次に、ステップＳ１６０では、制御器１８は、コンバータ１５を用いてゼロ電圧制御を実行する。ゼロ電圧制御は、発電機６の端子間電圧をゼロにする制御である。これにより、膨張機１０が作動流体を膨張させることが許可される。この許可により、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との差に基づいて、膨張機１０が動作する。つまり、作動流体が、バイパス路１３のみならず、膨張機１０にも流れる。
ゼロ電圧制御中に、コンバータ制御部２３は、発電機６のロータ６Ｘの位置及び回転数を推定する。つまり、発電機６の推定位置θe及び推定回転数ωeを算出する。この文脈において、推定位置θe及び推定回転数ωeは、電気角に基づいた位置である。
次に、ステップＳ１７０では、コンバータ制御部２３が、推定回転数ωeが切替回転数ＢＣよりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１７０において、推定回転数ωeが切替回転数ＢＣよりも大きいと判断されると、ステップＳ１８０に進む。
次に、ステップＳ１８０では、制御器１８は、コンバータ１５を用いた発電機６の回転数の調整により、発電機６の回転数を制御する。この制御では、発電機６の回転数をさらに増加させる。本実施の形態では、コンバータ制御部２３は、発電機６の推定回転数ωeが、制御器１８から指令された目標回転数になるよう、発電機６の回転数を制御する。
次に、ステップＳ１９０では、推定回転数ωeが切替回転数ＣＮよりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１９０において、推定回転数ωeが切替回転数ＣＮよりも大きいと判断されると、ステップＳ２００に進む。
次に、ステップＳ２００では、バイパス弁１４を閉じる。バイパス弁１４を閉じると、膨張機１０を流れる作動流体の流量が増える。ステップＳ２００では、バイパス弁１４の開度を全開からゼロにする。また、バイパス弁１４を、一気に閉じる。
その後、ステップＳ２１０では、通常運転に移行する。これにより、始動運転は終了する。通常制御では、位置センサレス制御が行われる。位置センサレス制御は、エンコーダ、レゾルバ等の位置センサを用いずに行われる制御である。
通常運転では、公知の制御を行うことができる。膨張機１０の出入口の状態量の差に基づき膨張機１０の回転数が制御される。状態量としては、圧力、温度等が例示される。例えば、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との差が所定の大きさとなるように、発電機６の回転数を制御する。これらの圧力は、図示しない圧力センサにより検出されうる。また例えば、蒸発器９の出口における作動流体の圧力すなわちいわゆる高圧側圧力の推定値に基づいて、発電機６の回転数を制御する。高圧側圧力の推定値は、発電機６を流れる電流と、蒸発器９の出口における作動流体の温度とから得ることができる。高圧側圧力の推定値を用いた制御によれば、圧力センサを省略できる。これらの技術については、例えば特開２００８－１０６９４６号公報を参照されたい。
図８は、本実施の形態に係る発電機６の電流波形を示す図である。具体的には、図８は、ステップＳ１２０からステップＳ２１０における発電機６の電流波形を示す。図８において、横軸は、時間である。縦軸は、電流である。
期間Ａは、ステップＳ１２０に対応する。期間Ａでは、発電機６に直流電流が印加されている。直流電流の印加により、膨張機１０の膨張動作が禁止されうる。
期間Ｂは、ステップＳ１５０に対応する。期間Ｂでは、複数の巻線への励磁電流の通電状態が順次切り替えられている。これにより、疑似的な交流電流が形成され、回転磁界が形成される。回転磁界の形成により、発電機６のロータ６Ｘと、膨張機１０のシャフト４５及び斜板４３等と、が強制的に回転させられる。図示の例では、期間Ｂにおける疑似的な交流電流の振幅は、期間Ａにおける直流電流の大きさよりも大きい。
なお、期間Ｂにおける３相電流波形は、励磁電流が２周期にわたり印加されていることを示している。上述のとおり、本実施の形態では、発電機６は、極数は４極の発電機である。このため、期間Ｂにおける３相電流波形は、発電機６のロータ６Ｘが機械角で１回転することを意味している。
期間Ｃは、ステップＳ１６０からステップＳ２００に対応する。期間Ｃでは、疑似的な交流電流の周波数が上昇することにより、回転磁界の回転速度が上昇し、ロータ６Ｘ、シャフト４５及び斜板４３等の回転数が上昇する。図示の例では、期間Ｃにおける疑似的な交流電流の振幅は、期間Ｂにおける疑似的な交流電流の振幅と同じである。
期間Ｄは、ステップＳ２１０に対応する。期間Ｄでは、位置センサレス制御が行われる。図示の例では、期間Ｄにおける疑似的な交流電流の振幅は、期間Ｃにおける疑似的な交流電流の振幅よりも小さい。
［１－２－２．ポンプ用駆動回路１６の詳細な構成と動作］
図９は、本実施の形態に係るポンプ用駆動回路１６の構成図である。上述のとおり、電動機７は、ポンプ８を駆動する。ポンプ用駆動回路１６は、その電動機７を制御する。
ポンプ用駆動回路１６は、駆動回路部４７、駆動回路制御部４８及び電流センサ４９を備える。駆動回路部４７は、直流配線２１のプラス側配線２５及びマイナス側配線２６により、系統連系用電力変換器１７に結線されている。駆動回路部４７は、３相配線２０により、電動機７に結線されている。３相配線２０の各相の配線は、電動機７の対応する相に接続されており、これにより該対応する相に電流が流れる。駆動回路部４７は、駆動回路制御部４８から出力された制御信号５０に基づいて駆動する。これにより、駆動回路部４７において、直流電力が３相交流電力へと変換される。本実施形態では、制御信号５０は、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。また、駆動回路部４７は、パルス幅変調を行うためのスイッチング素子を有している。
［１－２－３．系統連系用電力変換器１７の構成と動作］
図１０は、本実施の形態に係る系統連系用電力変換器１７の構成図である。系統連系用電力変換器１７は、電力系統４に接続されうる。
発電装置１が始動する際には、電力系統４から系統連系用電力変換器１７に電力が給電される。一方、膨張機１０及び発電機６からの回生電力によってポンプ８等の補機の消費電力を上回る発電電力が得られた際には、余剰電力が系統連系用電力変換器１７を介して電力系統４へ逆潮流される。
系統連系用電力変換器１７は、系統連系回路部５１、系統連系制御部５２、出力フィルタ５３、電圧センサ５４、出力電流センサ５５、系統電圧センサ５６、出力回路５７を備える。電圧センサ５４は、直流配線２１の電圧を検出する。直流配線２１の電圧は、詳細には、プラス側配線２５とマイナス側配線２６との間の電圧である。出力電流センサ５５は、電力系統４への出力電流を検出する。系統電圧センサ５６は、電力系統４の電圧を検出する。出力回路５７は、高周波フィルタ及び連系リレーを有する。
以下、逆潮流時における、系統連系用電力変換器１７の制御動作を説明する。系統連系制御部５２は、制御信号５８を出力する。制御信号５８は、系統連系回路部５１の半導体スイッチをオンオフ制御する。これにより、余剰電力が、直流配線２１、系統連系回路部５１、出力フィルタ５３及び出力回路５７をこの順に介して電力系統４へと出力される。
具体的には、以下のようにして、指令電流が生成される。指令電流は、出力フィルタ５３を流れる電流の指令である。すなわち、系統電圧センサ５６が、電力系統４の電圧を検出する。電圧センサ５４は、直流配線２１の電圧を検出する。出力電流センサ５５は、電力系統４への出力電流を検出する。系統連系制御部５２は、センサ５６、５４及び５５の検出値に基づいて、指令電流を生成する。系統連系制御部５２は、指令電流に相当する電流を出力フィルタ５３に流すための、系統連系回路部５１の変調率を演算する。系統連系制御部５２は、この変調率を実現するための制御信号５８を生成する。制御信号５８は、系統連系回路部５１の複数の半導体スイッチのスイッチング信号である。これらの半導体スイッチは、スイッチング信号に基づいてオンオフ動作する。
本実施の形態では、電力系統４との保護協調の観点から、電圧に関する保護継電器、周波数に関する保護継電器、単独運転に関する保護継電器、出力電力に関する保護継電器等が設けられている。これらは一般的な保護継電器であるため、説明は省略する。
［１－３．実施の形態に適用可能な特徴］
上記の実施の形態では、温度センサ１２は、蒸発器９の出口から膨張機１０の入口に至るまでの流体回路５に設けられている。ただし、温度センサは、蒸発器９を通過した作動流体の温度を検出可能であるなら、いずれの箇所に設けられてもよい。ここで、蒸発器９を通過した作動流体の温度とは、蒸発器９の出口から凝縮器１１の入口に至るまでの流体回路５を流れる作動流体の温度を意味する。蒸発器９を通過した作動流体の温度として、バイパス路１３に設けられた温度センサでバイパス路１３を流れる作動流体の温度を検出してもよい。また、バイパス路１３の下流端から凝縮器１１に至るまでの流体回路５に設けられた温度センサで、この流体回路５を流れる作動流体の温度を検出してもよい。バイパス路１３を作動流体が流れているときに、これらの位置に設けられた温度センサの検出温度に基づき蒸発器９の出口の作動流体に液体成分が含まれているか否かを判断できる。
膨張機１０の出口から凝縮器１１の入口に至るまでの流体回路５に設けられた温度センサでこの流体回路５を流れる作動流体の温度を検出してもよい。膨張機１０を作動流体が流れているときに、この位置に設けられた温度センサの検出温度と推定される膨張機１０での作動流体の温度低下量に基づき蒸発器９の出口の作動流体に液体成分が含まれているか否かを判断できる。
上記の実施の形態では、ポンプ８として、容積型のポンプを例示した。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプ等が例示される。ポンプ８は、ターボ型のポンプであってもよい。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等が例示される。
上記の実施の形態では、ランキンサイクル装置２は、排熱エネルギーを利用して発電を行う。蒸発器９は、そのような施設から排出された排熱エネルギーを吸収する熱交換器である。ただし、ランキンサイクル装置２は、ボイラーの熱を利用して発電を行うものであってもよい。
上記の実施の形態では、膨張機１０はレシプロ膨張機である。ただし、膨張機１０は、スクロール膨張機、ロータリ膨張機等の他の種類の容積型膨張機であってもよい。
上記の実施の形態では、凝縮器１１は、フィンチューブ熱交換器である。ただし、凝縮器１１は、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器等の他の種類の熱交換器であってもよい。具体的には、凝縮器１１の種類は、熱媒体回路における熱媒体の種類に応じて適宜選択されうる。熱媒体回路における熱媒体が空気等の気体である場合、凝縮器１１としてフィンチューブ熱交換器が採用されうる。熱媒体回路における熱媒体が水等の液体である場合、凝縮器１１としてプレート式熱交換器又は二重管式熱交換器が採用されうる。
上記の実施の形態では、作動流体は、ハロゲン化炭化水素等の有機作動流体である。ハロゲン化炭化水素としては、Ｒ－１２３、Ｒ－２４５ｆａ、Ｒ－１２３４ｚｅ等が例示される。作動流体は、炭化水素であってもよい。炭化水素として、アルカンが例示される。アルカンとして、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタン等が例示される。作動流体は、アルコールであってもよい。アルコールとして、エタノール等が例示される。作動流体は、単一の有機作動流体であってもよく、２種類以上の有機作動流体の混合物であってもよい。作動流体は、無機作動流体であってもよい。無機作動流体として、水、二酸化炭素、アンモニア等が例示される。
上記の実施の形態では、ステータ６Ｙが複数の巻線を有し、ロータ６Ｘが永久磁石６Ａを有する。ただし、ステータ６Ｙが永久磁石を有し、ロータ６Ｘが複数の巻線を有していてもよい。
制御器１８は、集中制御を行う単独の制御器であってもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。また、制御器１８には、コンバータ制御部２３、駆動回路制御部４８、系統連系制御部５２の制御機能の一部又は全部が組み込まれていてもよい。
上記の実施の形態では、ステップＳ１１０において、バイパス弁１４の開度をゼロから全開にする。また、ステップＳ１１０において、バイパス弁１４を一気に開く。ただし、バイパス弁１４の開度が全開にならない程度に、バイパス弁１４の開度を大きくしてもよい。また、バイパス弁１４を徐々に開いてもよい。要するに、ステップＳ１１０は、バイパス弁１４の開度を大きくするステップである。
上記の実施の形態では、ステップＳ１２０の後にステップＳ１３０を実行する。ただし、ステップＳ１２０を、ステップＳ１３０と同時に実行してもよい。始動運転において、ポンプ８の動作開始前又は動作開始時に膨張機１０により作動流体が膨張されることを禁止すれば、液体成分を含む作動流体が膨張機１０に流れ込む可能性が低くなる。
ステップＳ１２０の前にステップＳ１３０を実行してもよい。ポンプ８の動作期間と、膨張機１０による作動流体の膨張が禁止される期間とが少なくとも部分的に重複していてば、膨張機１０への作動流体の液体成分の流入が抑制されうる。
上記の実施の形態では、膨張機１０の入口の作動流体の温度として、温度センサ１２による検出値を使用する。ただし、膨張機１０の入口の作動流体の圧力を圧力センサにより検出し、検出された圧力から膨張機１０の入口の作動流体の温度を推定してもよい。
上記の実施の形態では、膨張機１０の入口の作動流体の温度を検出する。ただし、蒸発器９の出口の温度を検出してもよい。
上記の実施の形態では、ステップＳ１６０において、制御器１８がコンバータ１５を用いてゼロ電圧制御を行うことによって、膨張機１０が作動流体を膨張することを許可する。ただし、ステップＳ１６０において、制御器１８がコンバータ１５を用いてゼロ電流制御を行うことによって、膨張機１０が作動流体を膨張することを許可してもよい。ゼロ電流制御は、発電機６に流れる電流をゼロにする制御である。ゼロ電圧制御及びゼロ電流制御の詳細については、特許文献１を参照されたい。また、ステップＳ１６０は必須ではない。
以下、第２回転運転という表現を用いることがある。第２回転運転は、第１回転運転の後に実行される制御である。第２回転運転は、ステップＳ１６０のゼロ電圧制御に対応していてもよい。第２回転運転は、ステップＳ１６０のゼロ電流制御に対応していてもよい。第２回転運転は、ステップＳ１８０の制御に対応していてもよい。より一般的には、第２回転運転は、ステップＳ１６０のゼロ電圧制御、ステップＳ１６０のゼロ電流制御及びステップＳ１８０の制御から選択される少なくとも１つを含みうる。図５の例では、第２回転運転は、ステップＳ１６０のゼロ電圧制御及びステップＳ１８０の制御を含む。
上記の実施の形態では、ステップＳ２００において、バイパス弁１４の開度を全開からゼロにする。また、バイパス弁１４を一気に閉じる。ただし、バイパス弁１４の開度がゼロにならない程度に、バイパス弁１４の開度を小さくしてもよい。また、バイパス弁１４を、徐々に閉じてもよい。要するに、ステップＳ２００は、バイパス弁１４の開度を小さくするステップである。
一具体例では、ステップＳ２００でバイパス弁１４を閉じてから所定時間経過後に始動運転が終了する。ただし、実際の制御では、バイパス弁１４を閉じた時点を始動運転の終了時点としてもよい。
上記の実施の形態で説明した例では、ステップＳ１５０の第１回転運転により、発電機６のロータ６Ｘは、機械角で１回転する。ただし、発電機６のロータ６Ｘを、機械角で１回転に満たない範囲で回転させてもよい。例えば、発電機６のロータ６Ｘを、機械角で３分の１回転させてもよい。
［１－４．本開示から導かれうる技術及び効果等］
以下、本開示から導かれうる技術及び効果等を説明する。
発電装置１は、ランキンサイクル装置２及び制御装置３を備える。ランキンサイクル装置２は、ポンプ８、蒸発器９、膨張機１０、発電機６及びコンバータ１５を有する。ポンプ８は、作動流体を送出する。蒸発器９は、作動流体を蒸発させる。発電機６は、シャフト４５によって膨張機１０に連結されている。発電機６は、ロータ６Ｘを有する。コンバータ１５は、発電機６を制御する。ランキンサイクル装置２では、作動流体が流れる。具体的には、ランキンサイクル装置２では、ポンプ８、蒸発器９及び膨張機１０をこの順に作動流体が流れる流体回路５が構成されている。制御装置３は、ランキンサイクル装置２の始動運転を実行する。
始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行される。第１回転運転では、発電機６が力行駆動することによってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。第２回転運転では、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との圧力差によってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。この構成によれば、第１回転運転により、膨張機１０の始動をアシストできる。このため、この構成は、ランキンサイクル装置２における膨張機１０の始動の信頼性を向上させることに適している。
膨張機１０は、レシプロ式膨張機である。この構成によれば、第１回転運転により膨張機１０の始動の信頼性が向上するという効果を享受し易い。
以下、膨張機１０がレシプロ式膨張機である場合に奏される効果について、詳細に説明する。膨張機１０を始動する際に必要なトルクは、常に一定であるとは限らない。例えば、図７の例では、上述のとおり、ピストン３８Ｂ及び３８Ｃは、斜板４３を静止させるように作用する。より一般的には、吸入口３６にも吐出溝４１にも連通していない作動室を区画するピストンは、斜板４３を静止させるように作用する。斜板４３を静止させる力の大きさは、バルブ３７の回転位置に応じて脈動しうる。例えばこのようなメカニズムで、膨張機１０を始動する際に必要なトルクに、ばらつきが生じうる。必要なトルクのばらつきは、膨張機１０の始動を不安定にしうる。この不安定性は、始動時に膨張機１０の膨張機構が過大な回転加速度で回転する原因となりうる。しかし、第２回転運転の前に第１回転運転が実行される構成では、第１回転運転により膨張機１０における膨張機構内の圧力の均一性を高めることができる。このことは、膨張機１０を始動する際に必要なトルクのばらつきを抑制し、膨張機１０の始動の不安定を緩和しうる。このため、この構成は、ランキンサイクル装置２における膨張機１０の始動の信頼性を向上させることに適している。
第１回転運転により生じうる圧力の均一化作用について、さらに説明する。ランキンサイクル装置２の始動運転を実行する前において、膨張機１０内に、大きな負圧を有する領域が偏在することがある。例えば、図７の例では、作動室３８ＢＳ及び３８ＣＳが、そのような領域に該当する。しかし、第１回転運転によれば、この偏在が緩和され、膨張機１０内の圧力が全体として均一化されうる。
始動運転では、第１回転運転を実行する前に、禁止運転が実行される。禁止運転では、膨張機１０が作動流体を膨張させることを禁止するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。この構成によれば、禁止運転により、作動流体の液体成分が膨張機１０に流入することを防止できる。このことは、膨張機１０の信頼性を向上させる観点から有利である。具体的には、仮に、液体成分を含む作動流体が膨張機１０に吸い込まれるとする。この場合、液体成分は、膨張機１０から潤滑オイルを吐出させ、膨張機１０における潤滑オイルの不足を招く。潤滑オイルの不足は、膨張機１０の摩耗を早めたり、膨張機１０における損失を大きくしたりする。また、膨張機１０がターボ型膨張機のような潤滑オイルを使用しない膨張機である場合、液体の作動流体は、膨張機１０の物理的な腐食を招く。しかし、この構成によれば、このような事態を回避できる。
ここで、流体回路５における蒸発器９よりも下流側かつ膨張機１０よりも上流側における部分を、特定流路５ｘと定義する。禁止運転が行われる期間は、ポンプ８が動作しており、かつ、特定流路５ｘにおける作動流体に液体成分が含まれている期間を含みうる。第１回転運転が行われる期間では、禁止運転が行われる期間に比べ、特定流路５ｘにおける作動流体の温度が高い。第１回転運転が行われる期間では、禁止運転が行われる期間に比べ、特定流路５ｘにおける作動流体に含まれる液体成分は少ない。第１回転運転が行われる期間において、特定流路５ｘにおける作動流体が液体成分を含んでいなくてもよい。
禁止運転では、コンバータ１５を用いて発電機６に直流電流を流すことによって、ロータ６Ｘを拘束し、これによりシャフト４５を拘束する。この構成によれば、ロータ６Ｘ及びシャフト４５を拘束するための拘束力を確保し易い。
発電機６の回転数がゼロであるときに、第１回転運転が開始される。この構成によれば、第１回転運転により膨張機１０の始動の信頼性が向上するという効果を享受し易い。
第１回転運転では、回転磁界が形成されることによってロータ６Ｘが回転し、これによりシャフト４５が回転する。この構成の具体例は、以下のとおりである、すなわち、発電機６は、周方向に並んだ複数の巻線を有する。第１回転運転では、複数の巻線への通電状態が切り替わり回転磁界が形成されることによって、ロータ６Ｘが回転する。典型的には、ロータ６Ｘの回転は、回転磁界の回転に追従する。具体的には、ロータ６Ｘは、回転磁界の回転に同期して回転しうる。
第１回転運転では、予め定められた回転を行う回転磁界が形成されることによってロータ６Ｘが回転し、これによりシャフト４５が回転する。この構成は、第１回転運転の制御構成の簡易化に寄与しうる。この構成の具体例は、以下のとおりである、すなわち、発電機６は、周方向に並んだ複数の巻線を有する。第１回転運転では、複数の巻線への通電状態が予め定められたタイミングで切り替わり回転磁界が形成されることによって、ロータ６Ｘが回転する。
第１回転運転では、一定の速度で回転する回転磁界が形成されることによってロータ６Ｘが回転し、これによりシャフト４５が回転する。この構成によれば、第１回転運転においてシャフト４５の回転を安定させ易い。このことは、膨張機１０の始動の信頼性を向上させうる。具体的には、第２回転運転のみならず、第１回転運転にも、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力の圧力差は存在しうる。この構成によれば、第１回転運転において回転磁界が一定の速度で回転するため、第１回転運転由来のトルクを安定させ易い。このため、第１回転運転由来のトルクと上記の圧力差に基づくトルクとの合計トルクも安定し易い。このことは、膨張機１０の膨張機構が過大な回転加速度で回転することを回避し、高い信頼性で膨張機１０を始動させる観点から有利である。この構成の具体例は、以下のとおりである、すなわち、発電機６は、周方向に並んだ複数の巻線を有する。第１回転運転では、複数の巻線への通電状態が一定の期間毎に切り替わり回転磁界が形成されることによって、ロータ６Ｘが回転する。
第１回転運転における発電機６の回転数は、第２回転運転における発電機６の回転数よりも低い。この構成によれば、回転磁界の回転にロータ６Ｘの回転を追従させ易い。このため、第１回転運転により膨張機１０の始動の信頼性が向上するという効果を享受し易い。
発電機６は、同期発電機である。この構成によれば、回転磁界の回転にロータ６Ｘの回転を追従させ易い。このため、第１回転運転により膨張機１０の始動の信頼性が向上するという効果を享受し易い。
第１回転運転における発電機６に印加される交流電流の振幅は、禁止運転において発電機６に印加される直流電流の大きさ以上である。この構成によれば、回転磁界の回転にロータ６Ｘの回転を追従させ易い。このため、第１回転運転により膨張機１０の始動の信頼性が向上するという効果を享受し易い。具体的には、第１回転運転における発電機６に印加される交流電流の振幅は、禁止運転において発電機６に印加される直流電流の大きさよりも大きい。なお、発電機６に印加される交流電流は、図８を参照して説明した疑似的な交流電流を包含する概念である。
第１回転運転では、シャフト４５は、予め定められた角度回転する。この構成は、第１回転運転の制御構成の簡易化に寄与しうる。この文脈において、角度は、機械角である。
第１回転運転では、シャフト４５は、機械角にして０度よりも大きく３６０度以下の範囲で回転する。この構成によれば、第２回転運転に素早く移行し易い。第１回転運転では、シャフト４５は、機械角にして０度よりも大きく１８０度以下の範囲で回転してもよい。第１回転運転では、シャフト４５は、機械角にして０度よりも大きく１２０度以下の範囲で回転してもよい。
ランキンサイクル装置２は、さらに、オイル室４６を有する。シャフト４５が回転することによって、オイル室４６から膨張機１０にオイルが供給される。現実的には、ランキンサイクル装置２では、発電機６を力行駆動させる場合、発電機６の消費電力が過大になるような運転条件は採用され難い。その場合、発電機６のロータ６Ｘの回転を制御に追従させつつロータ６Ｘの回転数を十分に高めるのは、必ずしも容易ではない。しかし、このオイル供給構成を、第１回転運転におけるシャフト４５の回転量を制限するという上記構成と組み合わせることが可能である。このようにすれば、第２回転運転に素早く移行し、第２回転運転においてシャフト４５を十分に高い回転数で回転させることによって、オイル室４６から膨張機１０にオイルを供給できる。これにより、膨張機１０における潤滑が必要な箇所にオイルを素早く行き渡らせることができる。なお、上記オイル供給構成と、第１回転運転におけるシャフト４５の回転量を制限するという上記構成と、の両方が採用されていても一方のみが採用されていてもよい。
シャフト４５がとりうる回転位置は、膨張機１０を始動するのに必要なトルクを極大にする極大位置を有する。第１回転運転では、シャフト４５は、少なくとも極大位置を超えて回転する。この構成によれば、第１回転運転により膨張機１０における膨張機構内の圧力の均一性を高めるという効果が好適に発揮され易い。なお、図７では、ピストンの数が６つの６気筒の構成が採用されている。図７例では、機械角にして３６０°÷６＝６０°毎に極大位置が現れる。例えば、第２回転運転開始時におけるバルブ３７の回転位置を、図７の状態から時計回りにずらしていくことを考える。時計回りにずらしていくと、膨張機１０を動かすのに必要なトルクは増大していく。そして、吐出溝４１が作動室３８ＣＳに連通する直前に、シャフト４５の位置は極大位置となる。極大位置を超え、吐出溝４１が作動室３８ＣＳに連通すると、膨張機１０を動かすのに必要なトルクは低下する。
第１回転運転では、ロータ６Ｘの回転位置の指令にロータ６Ｘの回転位置が追従するようにロータ６Ｘを回転させることによってシャフト４５を回転させる。第２回転運転が実行される期間は、第１回転運転で用いたロータ６Ｘの回転位置の指令を用いてロータ６Ｘの回転を制御する期間を含む。この構成によれば、第２回転運転をスムーズに開始し易い。
発電機６の端子間電圧をゼロにする制御を、ゼロ電圧制御と定義する。発電機６に流れる電流をゼロにする制御を、ゼロ電流制御と定義する。このとき、第２回転運転が実行される期間は、制御装置３がゼロ電圧制御及びゼロ電流制御から選択される少なくとも１つを実行する期間を含む。ゼロ電圧制御及びゼロ電流制御は、第２回転運転を実現しうる。
発電機６の力行駆動から発電機６のゼロ電圧制御又はゼロ電流制御に直接的に切り替えられうる。ただし、発電機６の力行駆動から図５のステップＳ１８０の制御に直接的に切り替えてもよい。
典型的には、第２回転運転が実行される期間は、膨張機１０の入口の圧力と膨張機１０の出口の圧力の差によって膨張機１０の回転数が上昇する期間を含む。
制御装置３が実行する始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行される。第１回転運転では、発電機６が力行駆動することによってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。第２回転運転では、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに圧力差によってシャフト４５が回転することが許可されるように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。
ランキンサイクル装置２の始動方法は、第１回転運転を実行することと、第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含む。第１回転運転では、発電機６が力行駆動することによってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。第２回転運転では、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との圧力差によってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。
ランキンサイクル装置２の始動方法は、以下のようにも説明されうる。すなわち、ランキンサイクル装置２の始動方法は、第１回転運転を実行することと、第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含む。第１回転運転では、発電機６が力行駆動することによってシャフト４５が回転するように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。第２回転運転では、膨張機１０の入口における作動流体の圧力と膨張機１０の出口における作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに圧力差によってシャフト４５が回転することが許可されるように、コンバータ１５を用いて発電機６を制御する。
コンピュータによる実行時において、ランキンサイクル装置２の上記始動方法をコンピュータに実行させる指示を備えた、コンピュータプログラムを実現可能である。上記コンピュータプログラムが記録された、コンピュータ読出可能な非一過性の記録媒体を実現可能である。記録媒体は、オフラインの記録媒体であってもよく、オンライン上の記録媒体であってもよい。オフラインの記録媒体は、例えば、ＨＤＤ、ＳＤカード、ＵＳＢメモリ等の半導体記録媒体、フレキシブルディスク等の磁気記録媒体、ＭＯ等の光磁気記録媒体、ＣＤ、ＤＶＤ等の光学記録媒体、等である。オンライン上の記録媒体は、例えば、クラウドサーバー、ＦＴＰサーバー、ネットワークストレージ等である。
本開示は、膨張機を用いた熱発電装置に適用可能である。
１ 発電装置
２ ランキンサイクル装置
３ 発電制御装置
４ 電力系統
５ 流体回路
５ｘ 特定流路
６ 発電機
６Ａ 永久磁石
６Ｘ ロータ
６Ｙ ステータ
７ 電動機
８ ポンプ
９ 蒸発器
１０ 膨張機
１０ｈ 筐体
１１ 凝縮器
１２ 温度センサ
１３ バイパス路
１４ バイパス弁（開閉装置）
１５ コンバータ
１６ ポンプ用駆動回路
１７ 系統連系用電力変換器
１８ 制御器
１９、２０ ３相配線
２１ 直流配線
２２ コンバータ回路部
２３ コンバータ制御部
２４ 電流センサ
２５ プラス側配線
２６ マイナス側配線
２７ Ｕ相配線
２８ Ｖ相配線
２９ Ｗ相配線
３０ 制御信号
３１ 電流指令生成部
３２ 電圧指令生成部
３３Ａ、３８Ｂ 座標変換部
３４ ＰＷＭ信号生成部
３５ 位置・回転数推定部
３６ 吸入口
３７ バルブ
３８Ａ～３８Ｆ ピストン
３８ＡＳ～３８ＦＳ 作動室
３９ 吐出口
４０ 吸入溝
４１ 吐出溝
４２ シリンダブロック
４３ 斜板
４４ 吐出管
４５ シャフト
４６ オイル室
４７ 駆動回路部
４８ 駆動回路制御部
４９ 電流センサ
５０ 制御信号
５１ 系統連系回路部
５２ 系統連系制御部
５３ 出力フィルタ
５４ 電圧センサ
５５ 出力電流センサ
５６ 系統電圧センサ
５７ 出力回路
５８ 制御信号
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置と、
前記発電機を制御するコンバータを有し、前記ランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置と、を備え、
前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
発電装置を提供する。
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置であって、
前記発電機を制御するコンバータを有し、
前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
制御装置を提供する。
本開示は、
膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置を、前記発電機を制御するコンバータを用いて始動する始動方法であって、
第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
始動方法を提供する。
本開示は、
コンピュータによる実行時において、ランキンサイクル装置の始動方法をコンピュータに実行させる指示を備えた、コンピュータプログラムであって、
前記ランキンサイクル装置は、膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、を有し、作動流体が流れる装置であり、
前記始動方法では、前記発電機を制御するコンバータが用いられ、
前記始動方法は、第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
コンピュータプログラムを提供する。
発電装置１は、ランキンサイクル装置２及び制御装置３を備える。ランキンサイクル装置２は、ポンプ８、蒸発器９、膨張機１０及び発電機６を有する。ポンプ８は、作動流体を送出する。蒸発器９は、作動流体を蒸発させる。発電機６は、シャフト４５によって膨張機１０に連結されている。発電機６は、ロータ６Ｘを有する。コンバータ１５は、発電機６を制御する。ランキンサイクル装置２では、作動流体が流れる。具体的には、ランキンサイクル装置２では、ポンプ８、蒸発器９及び膨張機１０をこの順に作動流体が流れる流体回路５が構成されている。制御装置３は、コンバータ１５を有する。制御装置３は、ランキンサイクル装置２の始動運転を実行する。

Claims (17)

  1. 膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置と、
    前記ランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置と、を備え、
    前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
    前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
    前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
    発電装置。
  2. 前記始動運転では、前記第１回転運転を実行する前に、禁止運転が実行され、
    前記禁止運転では、前記膨張機が前記作動流体を膨張させることを禁止するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
    請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記発電機は、ロータを有し、
    前記禁止運転では、前記コンバータを用いて前記発電機に直流電流を流すことによって、前記ロータを拘束し、これにより前記シャフトを拘束する、
    請求項２に記載の発電装置。
  4. 前記発電機の回転数がゼロであるときに、前記第１回転運転が開始される、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の発電装置。
  5. 前記発電機は、ロータを有し、
    前記第１回転運転では、予め定められた回転を行う回転磁界が形成されることによって前記ロータが回転し、これにより前記シャフトが回転する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の発電装置。
  6. 前記発電機は、ロータを有し、
    前記第１回転運転では、一定の速度で回転する回転磁界が形成されることによって前記ロータが回転し、これにより前記シャフトが回転する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の発電装置。
  7. 前記第１回転運転では、前記シャフトは、予め定められた角度回転する、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の発電装置。
  8. 前記第１回転運転では、前記シャフトは、機械角にして０度よりも大きく３６０度以下の範囲で回転する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の発電装置。
  9. 前記ランキンサイクル装置は、オイル室をさらに有し、
    前記シャフトが回転することによって、前記オイル室から前記膨張機にオイルが供給される、
    請求項８に記載の発電装置。
  10. 前記シャフトがとりうる回転位置は、前記膨張機を始動するのに必要なトルクを極大にする極大位置を有し、
    前記第１回転運転では、前記シャフトは、少なくとも前記極大位置を超えて回転する、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の発電装置。
  11. 前記発電機は、ロータを有し、
    前記第１回転運転では、前記ロータの回転位置の指令に前記ロータの回転位置が追従するように前記ロータを回転させることによって前記シャフトを回転させ、
    前記第２回転運転が実行される期間は、前記第１回転運転で用いた前記ロータの回転位置の前記指令を用いて前記ロータの回転を制御する期間を含む、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の発電装置。
  12. 前記発電機の端子間電圧をゼロにする制御をゼロ電圧制御と定義し、
    前記発電機に流れる電流をゼロにする制御をゼロ電流制御と定義したとき、
    前記第２回転運転が実行される期間は、前記制御装置が前記ゼロ電圧制御及び前記ゼロ電流制御から選択される少なくとも１つを実行する期間を含む、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の発電装置。
  13. 前記膨張機は、レシプロ式膨張機である、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電装置。
  14. 膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置の始動運転を実行する制御装置であって、
    前記始動運転では、第１回転運転及び第２回転運転がこの順に実行され、
    前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
    前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
    制御装置。
  15. 膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れるランキンサイクル装置の始動方法であって、
    第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
    前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
    前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との圧力差によって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
    始動方法。
  16. コンピュータによる実行時において、ランキンサイクル装置の始動方法をコンピュータに実行させる指示を備えた、コンピュータプログラムであって、
    前記ランキンサイクル装置は、膨張機と、シャフトによって前記膨張機に連結された発電機と、前記発電機を制御するコンバータと、を有し、作動流体が流れる装置であり、
    前記始動方法は、第１回転運転を実行することと、前記第１回転運転を実行した後に第２回転運転を実行することと、を含み、
    前記第１回転運転では、前記発電機が力行駆動することによって前記シャフトが回転するように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御し、
    前記第２回転運転では、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との間に圧力差が生じたときに前記圧力差によって前記シャフトが回転することが許可されるように、前記コンバータを用いて前記発電機を制御する、
    コンピュータプログラム。
  17. 請求項１６に記載のコンピュータプログラムが記録された、コンピュータ読出可能な非一過性の記録媒体。
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