JP4258779B2

JP4258779B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP4258779B2
Application number: JP2005357487A
Authority: JP
Inventors: 丈之矢葺; 良馬名倉
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: JP2007166727A

Description

本発明は、複数台の同期発電機またはブラシレス同期発電機によって負荷へ給電する発電装置に関する。

複数台の同期発電機を並列接続して同一の負荷へ給電する発電装置が用いられている。このような発電装置の従来例を図４を参照して説明する。
図４の発電装置では３台の同期発電機が用いられた例である。すなわち、同期発電機１００，１０１，１０２はそれぞれ原動機１０３，１０４，１０５によって駆動され、各原動機１０３，１０４，１０５の回転速度はそれぞれガバナ１０６，１０７，１０８によって制御される。自動電圧調整器１０９，１１０，１１１は同期発電機１００，１０１，１０２の電圧をそれぞれ変圧器１１２，１１３，１１４を介して検出すると共に同期発電機１００，１０１，１０２の電流をそれぞれ変流器１１５，１１６，１１７を介して検出し、各同期発電機の出力電圧を横流補償を行いながら所望の電圧に一定に制御するように発電機の励磁量を調整している。

また、同期投入装置１１８は、母線の電圧を変圧器１２０を介して検出し、同期発電機１０１の電圧を変圧器１２２を介して検出し、同期投入開始信号ａが入力されると、自動電圧調整器１１０へ電圧指令調整信号を出力して同期発電機１０１の電圧を母線電圧に一致させる。またガバナ１０７へ回転速度指令調整信号を出力して同期発電機１０１の電圧の周波数と位相を母線電圧のそれらと一致させた後に、遮断器１２５を閉じて同期発電機１０１を母線に接続する。同様の動作により、同期投入装置１１９も同期発電機１０２を母線に接続する。

図４の発電装置において、負荷１２８への給電を開始するには、例えば、遮断器１２４，１２５，１２６，１２７を開いた状態で原動機１０３，１０４，１０５を始動して定格回転速度とし、自動電圧調整器１０９，１１０，１１１の電圧制御を開始して同期発電機の電圧を起動する。その後、遮断器１２４を閉じた後に同期投入装置１２２へ同期投入開始信号ａを送り、同期発電機１００と同期発電機１０１を並列運転する。続いて同期投入装置１１９へ同期投入開始信号ｂを送り、同期発電機１００および１０１および１０２を並列運転する。その後、遮断器１２７を閉じて負荷１２８へ給電する。

防災用非常用電源装置として設置される発電装置は、停電時には消防法で定められた法定時間である40秒以内に防災負荷へ給電する責務があるため、複数の同期発電機の同期投入を短時間で完了させ、所定の台数を並列運転させる必要があるが、同期発電機の同期投入は同期発電機同士の電圧と周波数と位相を一致させる操作を要するため、１回の同期投入に数十秒程度の時間が必要であり、同期発電機の台数が多い場合は40秒以内での防災負荷への電力供給は困難なものとなる。従って、通常、同期発電機台数を１台にするか、同期投入が比較的短時間で行える２台程度の少ない同期発電機台数で発電装置は構成されている。

しかしながら、同期発電機台数が少ない場合、負荷の容量によって同期発電機容量が決定されてしまうため、発電機容量を自由に選定できなくなる。例えば標準的な容量で大量生産したコストメリットの高い同期発電機を採用することができないという問題がある。

一方、複数台の同期発電機の同期投入を短時間で行うための方法として、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。特許文献１においては、各同期発電機の同期投入装置へ一斉に同期投入開始信号を送り、同期投入条件の整った同期発電機から順に投入する複数発電機の自動同期投入システムが示されている。また、特許文献２においては、同期投入条件、すなわち電圧の大きさ、周波数、位相の差の許容値を緩和することにより、短時間に同期投入が行えるようにした同期発電機の同期投入装置が示されている。

しかしながら、特に都市部においては排気ガスによる大気汚染を低減するため、発電装置の動力としてガスエンジンが採用されることが多いが、ガスエンジンは一般的に速度安定性に劣る傾向があり、無負荷運転状態において発電機電圧の周波数が不安定な傾向になることから、同期投入に時間がかかる場合があり、特許文献１に記載されているように各同期発電機一斉に同期投入を開始し、同期投入条件の整った発電機から順に投入したとしても、法定時間内に同期投入を完了させ、防災負荷へ給電することは難しい。

また、特許文献２に記載されているように同期投入条件を緩和した場合、並列運転を行う台数が多いほど同期発電機に損傷等の影響を与える可能性が大きく、また、周波数、電圧差の大きい状態で同期投入することから、各同期発電機相互に有効電力、無効電力が流れ、同期発電機の逆電力等が発生し、同期発電機の並列運転が継続できなくなる可能性がある。
特開平６−１２１４６２号公報特開２００２−２７１９９６号公報

本発明は、上記課題を解決するために、複数台の同期発電機からなる発電装置においても短時間で負荷へ給電を開始することができる発電装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の請求項１に記載の発電装置の発明は、原動機によって駆動される同期発電機またはブラシレス同期発電機（以下、発電機と略す）と、入力される回転速度指令調整信号に基づいて回転速度指令を決定し、前記原動機を所望の回転速度に制御するガバナと、前記発電機の電圧と電流を検出し、横流補償を行いながら入力された電圧指令信号に基づいて前記発電機の電圧が所望の電圧となるように前記発電機の界磁量を調節する自動電圧調整器と、前記発電機の出力を外部へ接続する発電機遮断器から成る発電装置と、前記発電装置の複数がすべて並列接続された後に負荷遮断器を介して接続される負荷と、入力される原動機始動信号が真となると同時に計測を開始し、予め設定した時間が経過した後に真の発電開始信号を出力するタイマと、発電開始信号が真となると同時に各発電装置の自動電圧調整器へ電圧指令信号を出力する電圧指令出力器とを備え、前記発電機遮断器および前記負荷遮断器が開である場合、外部からの原動機始動信号が真となることにより前記原動機を始動し、その後、発電開始信号が真となることによりすべての発電機遮断器が閉じると共に前記発電機の電圧を起動し、電圧の起動が完了した後の任意の時点で外部より前記負荷遮断器を閉じることにより負荷への給電を開始することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発電装置において、前記タイマに予め設定されている時間は原動機始動開始からすべての原動機が定格回転速度となるまでの時間であることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発電装置において、原動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する回転速度検出器が各原動機に設置され、前記原動機始動信号およびすべての回転速度検出器からの回転速度検出信号を入力し、原動機始動信号が真となった後、すべての原動機の回転速度が定格回転速度となった時点で真の信号を出力する回転速度判定器を前記タイマの代りに備え、回転速度判定器の出力信号を前記発電開始信号とすることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発電装置において、前記電圧指令出力器が発電開始信号が真となると同時に各発電装置の自動電圧調整器へゼロから定格電圧指令値まで徐々に増加する電圧指令信号を出力することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電装置において、前記発電機の電力を検出し、電力検出信号を出力する電力検出器と、前記電力検出信号に基づいて前記発電機の入出力電力が予め設定した上限値と下限値内の電力値となるよう回転速度指令調整信号を前記ガバナへ出力する回転速度指令調整器と、前記回転速度指令調整器から前記ガバナへの回転速度指令調整信号の伝達を開閉する開閉器とを備え、前記負荷遮断器が開いている場合は前記開閉器を閉じ、前記負荷遮断器が閉じている場合は前記開閉器を開くことを特徴とする。

本発明によれば、同期発電機の台数に関わらず短時間で全発電機を同期投入することができるため、負荷容量の制限を受けず自由な容量の発電機が選定でき、発電装置の構成の自由度を増すことが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である発電装置の回路構成図であり、３台の発電機を使用する発電装置を示している。

図１に示すように、本実施形態では、同期発電機またはブラシレス同期発電機（以下、発電機と略す）１，２，３はそれぞれ原動機４，５，６によって駆動され、原動機４，５，６はそれぞれガバナ７，８，９によって回転速度を制御される。自動電圧調整器１０，１１，１２は発電機１，２，３の電圧をそれぞれ変圧器１３，１４，１５を介して検出すると共に発電機１，２，３の電流をそれぞれ変流器１６，１７，１８を介して検出し、各発電機の出力電圧を横流補償を行いながら入力された電圧指令信号ｅで示される電圧に一定に制御するよう発電機の励磁量を調整する。原動機始動器１９は、外部から入力される原動機始動信号ｓが真となると原動機４，５，６を始動する。タイマ２０は入力される原動機始動信号ｓが真となると同時に時間の計測を開始し、予め設定した時間が経過した後に真の発電開始信号ｄを出力する。電圧指令出力器２１は入力される発電開始信号ｄが真となると自動電圧調整器１０，１１，１２へ電圧指令信号ｅを出力する。遮断器２２，２３，２４は発電開始信号ｄが真となると同時に閉じられる。

本実施形態は上記したような構成であるので、原動機始動信号により原動機４，５，６を始動し、その後、発電開始信号により遮断器２２，２３，２４を閉じると同時に電圧指令出力器２１により自動電圧調整器１０，１１，１２を介してそれぞれ発電機１，２，３の出力電圧を起動することができる。これにより、発電機は互いの同期化力により同期しながら電圧を起動するため、各発電機が定格電圧へ起動完了後は全発電機が同期しており、同期投入を行う必要がなく、短時間で複数台の発電機を同期投入することができる。電圧起動完了後、外部より送電開始指令ｇを受けると直ちに遮断器２５が閉じられ、負荷２６へ給電を開始する。

また、本実施形態において、タイマ２０に予め設定する時間として、原動機始動開始から全原動機が定格回転速度に達するまでの時間を設定することにより、電圧起動時に各発電機間に回転速度の差をなくすことができ、早期に各発電機を同期させることができる。

さらに、本実施形態において、電圧指令出力器２１が、発電開始信号が真となると同時に電圧指令信号ｅをゼロから定格電圧まで徐々に増加させることにより、電圧起動時に発電機間の電圧差を小さくすることができ、発電機間に流れる電流を抑制しながら複数の発電機を短時間で同期投入することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態である発電装置の回路構成図であり、本実施形態の発電装置が既に説明した図１の第１の実施形態の発電装置と相違する構成は、回転速度検出器２７，２８，２９と、タイマ２０の代りに回転速度判定器３０を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態では各回転速度検出器２７，２８，２９はそれぞれ原動機４，５，６の回転速度を検出し、それぞれ回転速度検出信号ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３を出力する。回転速度判定器３０は、原動機始動信号ｓと前記回転速度検出信号ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３を入力し、原動機始動信号ｓが真となった後、回転速度検出信号ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３がすべて予め定めた回転速度（例えば、原動機４，５，６の定格回転速度）に達すれば遮断器２２，２３，２４と電圧指令出力器へ真の発電開始信号ｄを出力する。これにより、全原動機が始動開始から始動完了するまでの時間が判明していなくても、確実に全原動機が同じ回転速度に達してから電圧起動が行われるため、電圧起動時に各発電機間に回転速度の差をなくすことができ、早期に各発電機を同期させることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態である発電装置の回路構成図であり、本実施形態の発電装置が既に説明した図１の第１の実施形態の発電装置と相違する構成は、電力検出器３１，３２，３３と、変流器３４，３５，３６と、回転速度指令調整器３７，３８，３９と、開閉器４０，４１，４２を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態では各電力検出器３１，３２，３３はそれぞれの変流器３４，３５，３６とそれぞれの変圧器１３，１４，１５によりそれぞれの発電機１，２，３の電流と電圧を入力して発電機の電力を検出し、電力検出信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を出力する。各回転速度指令調整器３７，３８，３９はそれぞれ電力検出信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を入力し、各発電機の入出力する有効電力が予め設定した上限値および下限値内となるように、発電機電力が大きい場合は減分を、小さい場合は増分となる回転速度指令増減分信号をガバナ７，８，９へそれぞれ出力する。各開閉器４０，４１，４２は、遮断器２５が閉じられると同時に開かれる。

本実施形態は上記したような構成であるので、各ガバナ７，８，９は動作中且つ遮断器２５が開かれている期間に各発電機に入出力する有効電力が制限され、各発電機の回転速度のアンバランスに起因する極端な発電機の逆電力状態を回避しながら同期化力により発電機同士が同期し、電圧起動完了後に同期投入操作することなく全発電機を並列運転させることができる。また、外部からの送電開始信号ｇにより遮断器２５が閉じると同時に各開閉器４０，４１，４２が開かれるため、負荷２６に給電中はそれぞれの回転速度指令調整器３７，３８，３９とそれぞれのガバナ７，８，９の接続は切られ、発電機の入出力電力の制限は解除されるため、正常に負荷２６へ電力が供給される。

本発明の第１の実施形態の回路構成図。本発明の第２の実施形態の回路構成図。本発明の第３の実施形態の回路構成図。従来の発電装置の回路構成図。

符号の説明

１，２，３…同期発電機またはブラシレス同期発電機、４，５，６…原動機、７，８，９…ガバナ、１０，１１，１２…自動電圧調整器、１３，１４，１５…変圧器、１６，１７，１８…変流器、１９…原動機始動器、２０…タイマ、２１…電圧指令出力器、２２，２３，２４，２５…遮断器、２６…負荷、２７，２８，２９…回転速度検出器、３０…回転速度判定器、３１，３２，３３…電力検出器、３４，３５，３６…変流器、３７，３８，３９…回転速度指令調整器、４０，４１，４２…開閉器、１００，１０１，１０２…同期発電機またはブラシレス同期発電機、１０３，１０４，１０５…原動機、１０６，１０７，１０８…ガバナ、１０９，１１０，１１１…自動電圧調整器、１１２，１１３，１１４…変圧器、１１５，１１６，１１７…変流器、１１８，１１９…同期投入装置、１２０，１２１，１２２，１２３…変圧器、１２４，１２５，１２６，１２７…遮断器、１２８…負荷。

Claims

原動機によって駆動される同期発電機またはブラシレス同期発電機（以下、発電機と略す）と、入力される回転速度指令調整信号に基づいて回転速度指令を決定し、前記原動機を所望の回転速度に制御するガバナと、前記発電機の電圧と電流を検出し、横流補償を行いながら入力された電圧指令信号に基づいて前記発電機の電圧が所望の電圧となるように前記発電機の界磁量を調節する自動電圧調整器と、前記発電機の出力を外部へ接続する発電機遮断器から成る発電装置と、前記発電装置の複数がすべて並列接続された後に負荷遮断器を介して接続される負荷と、入力される原動機始動信号が真となると同時に計測を開始し、予め設定した時間が経過した後に真の発電開始信号を出力するタイマと、発電開始信号が真となると同時に各発電装置の自動電圧調整器へ電圧指令信号を出力する電圧指令出力器とを備え、前記発電機遮断器および前記負荷遮断器が開である場合、外部からの原動機始動信号が真となることにより前記原動機を始動し、その後、発電開始信号が真となることによりすべての発電機遮断器が閉じると共に前記発電機の電圧を起動し、電圧の起動が完了した後の任意の時点で外部より前記負荷遮断器を閉じることにより負荷への給電を開始することを特徴とする発電装置。
請求項１記載の発電装置において、前記タイマに予め設定されている時間は原動機始動開始からすべての原動機が定格回転速度となるまでの時間であることを特徴とする発電装置。
請求項１記載の発電装置において、原動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する回転速度検出器が各原動機に設置され、前記原動機始動信号およびすべての回転速度検出器からの回転速度検出信号を入力し、原動機始動信号が真となった後、すべての原動機の回転速度が定格回転速度となった時点で真の信号を出力する回転速度判定器を前記タイマの代りに備え、回転速度判定器の出力信号を前記発電開始信号とすることを特徴とする発電装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発電装置において、前記電圧指令出力器が発電開始信号が真となると同時に各発電装置の自動電圧調整器へゼロから定格電圧指令値まで徐々に増加する電圧指令信号を出力することを特徴とする発電装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電装置において、前記発電機の電力を検出し、電力検出信号を出力する電力検出器と、前記電力検出信号に基づいて前記発電機の入出力電力が予め設定した上限値と下限値内の電力値となるよう回転速度指令調整信号を前記ガバナへ出力する回転速度指令調整器と、前記回転速度指令調整器から前記ガバナへの回転速度指令調整信号の伝達を開閉する開閉器とを備え、前記負荷遮断器が開いている場合は前記開閉器を閉じ、前記負荷遮断器が閉じている場合は前記開閉器を開くことを特徴とする発電装置。