JP4285895B2 - 補助発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は補助発電装置に関し、特に常時運転していて独立した２系統の異電圧の電源を供給できる補助発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電源システムは、一般に電力会社からの商用電源をもとに各種負荷に供給する構成にしている。負荷には、大まかに分類すると、一般負荷、重要負荷および最重要負荷の３つの負荷種別がある。一般負荷は、電力系統の事故による停電や瞬時電圧低下を許容する負荷であり、重要負荷は、瞬時電圧低下を許容する負荷であり、最重要負荷は、停電も瞬時電圧低下も許容しない負荷である。
【０００３】
一般負荷には、一般用途の負荷、保安負荷などが含まれ、停電発生から非常用発電機を立ち上げて、たとえば４０秒以内に電力供給をバックアップすればよい。重要負荷には、病院内のたとえば人工透析室や救急処置室などの電源負荷、計算センタの電源負荷、インテリジェントビルの電源負荷、学校や研究施設の電源負荷などが含まれ、停電後短時間で常用発電機からの電源供給に切り換えられる。最重要負荷には、病院内のたとえば外科手術室や集中治療室などの電源負荷、半導体製造工場、金属熱処理工場などの電源負荷などが含まれ、無停電で電圧変動の少ない高い電源信頼度を要求される負荷である。
【０００４】
重要負荷および最重要負荷に対応する電源には、商用電源の電源品質を高めるため、ＣＶＣＦ（Constant Voltage Constant Frequency）装置や無停電電源装置を用いている。特に、最重要負荷に対応する電源系統には、商用電源との間に無停電電源装置が設けられている。この無停電電源装置は、バッテリを備え、通常運転時はバッテリに充電しながらバッテリの電力を負荷に供給するようにすることで、商用電源に瞬時電圧低下または停電が発生しても、バッテリが吸収する方式がとられている。長期停電が発生した場合には、非常用発電装置のバックアップ電源へ切り換え接続するまでの間、バッテリによって電力を負荷に供給するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電源システムでは、最重要負荷に対応するには、バッテリを用いた無停電電源装置が必要であり、バッテリを収納する部屋が必要であったり、バッテリの定期交換などのメンテナンスが必要であるという問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、最重要負荷に対して無停電電源装置を必要としない高品質の無停電電源が供給可能な補助発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、商用電源系統と連系する第１発電機と、前記第１発電機を回転駆動する駆動機と、前記第１発電機の軸に連結されて前記第１発電機と同一回転速度で回転され、前記第１発電機による負荷系統とは独立した負荷系統に給電する無停電電源を構成する第２発電機とからなる発電装置を２組以上備えて並列運転を可能にし、それぞれの前記第２発電機には互いに位相が合うように調節する移相装置を備えていることを特徴とする補助発電装置が提供される。
【０００８】
このような補助発電装置によれば、各発電装置の駆動機によって常時駆動されて発電する第１発電機は、重要負荷や一般負荷に給電する電源として使用し、第１発電機とは電気的に独立した第２発電機は、最重要負荷に給電する電源として使用され、かつ、商用電源系統と連系しない第２発電機は、移相装置で互いに位相が合うように構成されている。これにより、商用電源系統と連系した第１発電機による電源は、商用電源系統に停電や瞬時電圧低下が生じた場合にその影響を受けるが、第２発電機は、商用電源の影響をほとんど受けずに負荷に電源を供給することができる。したがって、第２発電機は、無停電電源装置を必要とすることなく、負荷に最も高い信頼度の電源を供給することができる。
【０００９】
また、本発明では、第１発電機の電源系統と商用電源系統との間に配置され、商用電源系統が停電または瞬時電圧低下したときに第１発電機の電源系統を商用電源系統から遮断することによって第１発電機の電源系統が無瞬断電源を構成するようにした高速遮断器を備えるようにした。
【００１０】
これにより、商用電源系統に瞬時電圧低下または停電が発生した場合に、高速遮断器を遮断することで、重要負荷に無瞬断で電力を供給することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は補助発電装置の一部を成す１組の発電装置および負荷系統を示す図である。
【００１２】
本発明による補助発電装置は、駆動機１と、この駆動機１によって回転駆動される第１発電機２および第２発電機３とから構成される発電装置を有し、実際には、このような発電装置を複数組備えている。駆動機１と第１発電機２との間、および第１発電機２と第２発電機３との間はリジッドに連結されており、したがって駆動機１、第１発電機２および第２発電機３は、同一回転速度で回転されることになる。駆動機としては、ディーゼル型、ガスエンジン型、ガスタービン型などのエンジンを使用することができる。
【００１３】
ここで、第１発電機２の発電出力は、遮断器４，５を介して重要負荷の系統に接続され、これら遮断器４，５の接続部は高速遮断器６を介して商用電源系統に接続され、その商用電源系統は遮断器７を介して一般負荷の系統に接続されている。また、第２発電機３の発電出力は、遮断器８を介して最重要負荷の系統に接続されている。この最重要負荷の系統は、一般負荷および重要負荷の系統と電気的に完全に独立している。
【００１４】
この構成の補助発電機において、第１発電機２は商用電源と連系する構成をとっているので、第１発電機２による電源は、商用電源が停電や瞬時電圧低下を生じた場合にその影響を受けるが、第２発電機３は、商用電源の影響をほとんど受けずに最重要負荷に電源を供給することができる。したがって、第２発電機３は、無停電電源装置の機能を兼ねた発電機とすることができ、最重要負荷に最も高い信頼度の電源を供給することができる。
【００１５】
また、第１発電機２と商用電源系統との間に高速遮断器６が設けられているので、商用電源系統に瞬時電圧低下または停電が発生した場合には、この高速遮断器６を遮断するようにしている。これにより、第１発電機２の発電出力系統は、商用電源系統から遮断することができ、重要負荷に対して、無瞬断で電力を供給することができる。
【００１６】
図２は電源種別の違いによる電源品質を説明する図である。
商用電源は、電力系統の事故による停電および瞬時電圧低下などの外乱があるため、電源の品質および信頼性は最も低く、したがって、この商用電源から給電される一般負荷は、停電および瞬時電圧低下の影響を直接受けることになる。
【００１７】
高速遮断器６を介して商用電源系統と連系され、第１発電機２によって構成されている無瞬断電源は、商用電源の周波数がたとえば５０Ｈｚであり、高速遮断器６がたとえば１サイクル（１Ｈｚ）を越える瞬時電圧低下を検出して遮断するような遮断器として、商用電源に０．０２秒以上持続する瞬時電圧低下または停電が発生した場合、高速遮断器６が商用電源系統との連系を断つまでの０．０２秒間の瞬時電圧低下がある。しかし、この第１発電機２は、商用電源の状態に拘らず発電を継続しているので、第１発電機２による電源は、瞬時電圧低下があるだけで、瞬断することはない。したがって、この第１発電機２は、重要負荷に無瞬断で電力を供給することができる。
【００１８】
第２発電機３によって構成されている無停電電源は、第１発電機２の電源系統と電気的に隔離されているため、商用電源の電圧変動の影響は受けず、瞬時電圧低下も停電もしない最も電源の品質および信頼性の高い電源である。ただし、商用電源が停電した場合には、高速遮断器６が遮断することにより駆動機１の負荷が減って、それが外乱となるが、実際には、周波数の若干の変動は見られるものの電圧の変動はほとんど見られず、実質的には、商用電源の電圧変動の影響はまったくないといえる。
【００１９】
次に、このような補助発電装置の構成を有する発電装置を複数組備えて並列運転するように構成し、ある組の発電装置に障害が発生したとしても、残りの組の発電装置でバックアップして電源信頼度をさらに高めるようにした補助発電装置の実施の形態について説明する。
【００２０】
図３は２組の発電装置からなる補助発電装置の構成例を示す図である。
補助発電システムは、第１発電装置１０と第２発電装置２０とによって構成されている。第１発電装置１０は、ディーゼル機関１１と、高圧発電機１２と、低圧発電機１３とから構成され、ディーゼル機関１１のクランク軸、高圧発電機１２の軸および低圧発電機１３の軸はリジッドに結合され、同一の回転速度で回転する。同様に、第２発電装置２０は、ディーゼル機関２１と、高圧発電機２２と、低圧発電機２３とから構成され、ディーゼル機関２１のクランク軸、高圧発電機２２の軸および低圧発電機２３の軸はリジッドに結合され、同一の回転速度で回転する。したがって、第１発電装置１０において、ディーゼル機関１１の出力は、高圧発電機１２および低圧発電機１３の出力の合計になり、第２発電装置２０では、ディーゼル機関２１の出力は、高圧発電機２２および低圧発電機２３の出力の合計になる。
【００２１】
高圧発電機１２は、高圧側遮断器３１を介して高圧母線３２に接続され、高圧発電機２２は、高圧側遮断器３３を介して高圧母線３２に接続されている。高圧母線３２は、高速遮断器３４を介して商用電源系統に接続され、また、遮断器３５を介して無瞬断電源系統に接続されている。高速遮断器３４は、１Ｈｚ遮断器、半導体スイッチなどによって構成され、商用電源系統の瞬時電圧低下が０．０２秒以上継続するときに、重要負荷の無瞬断電源系統と商用負荷の一般負荷とを分離し、重要負荷に無瞬断で電力を供給する構成にしている。
【００２２】
さらに、低圧発電機１３は、低圧側遮断器３６を介して無停電電源系統に接続され、同じく、低圧発電機２３は、低圧側遮断器３７を介して無停電電源系統に接続されている。
【００２３】
ここで、高圧発電機１２，２２は、連系する商用電源の電圧に合わせてたとえば６６００ボルトの高圧を発電し、低圧発電機１３，２３は、たとえば４１５ボルトの低圧を発電する。
【００２４】
また、低圧発電機１３，２３の固定子には、図示はしないが、それぞれ固定子移相装置が設けられている。この固定子移相装置は、後述するように、低圧発電機１３，２３が並列運転する場合にお互いの位相調整および負荷分担の調整に使用される。
【００２５】
以上の構成の補助発電装置において、第１発電装置１０および第２発電装置２０を並列運転する場合の手順について説明する。
まず、第１発電装置１０のディーゼル機関１１を始動し、高圧発電機１２および低圧発電機１３ともに電圧を確立する。
【００２６】
次に、第１発電装置１０の高圧側遮断器３１を商用電源に同期投入し、第１発電装置１０に一定負荷をかける。
次に、第１発電装置１０の低圧側遮断器３６を投入し、無停電電源系統の最重要負荷に電力を供給する。
【００２７】
そして、第１発電装置１０の高圧発電機１２の側の負荷を増加し、高圧発電機１２の出力と低圧発電機１３の出力とが所定の電力になるようにする。
以上の操作により、高圧発電機１２および低圧発電機１３がそれぞれ所定の電力を供給するように運転を維持し、次に、この状態で第２発電装置２０を操作する。
【００２８】
まず、第２発電装置２０のディーゼル機関２１を始動し、高圧発電機２２および低圧発電機２３ともに電圧を確立する。
次に、第２発電装置２０の高圧側遮断器３３を商用電源に同期投入し、定負荷まで負荷を増加させる。
【００２９】
次に、低圧発電機１３および低圧発電機２３の固定子移相装置を制御してこれらの電気位相を同期投入可能な位相差まで調節した後、低圧側遮断器３７を同期投入する。
【００３０】
次に、低圧発電機１３および低圧発電機２３の固定子移相装置を制御してこれらの負荷分担が均等になるようにする。
そして、第１発電装置１０および第２発電装置２０の高圧側の負荷を増加し、高圧発電機１２の出力と低圧発電機１３の出力との和および高圧発電機２２の出力と低圧発電機２３の出力との和がそれぞれ所定の電力になるようにディーゼル機関１１およびディーゼル機関２１の自動揃速機能によりガバナ調節する。
【００３１】
次に、以上の各操作の詳細について説明する。ただし、ディーゼル機関１１，２１による高圧発電機１２，２２の位相および周波数（回転数）制御、電圧制御や同期投入制御については、従来の技術によって構成されるため、ここでは、本発明の装置に特有の構成およびその動作について説明する。
【００３２】
図４は固定子移相装置の構成を示す図である。
第１発電装置１０の低圧発電機１３は、その固定子１３ａが軸の回りに回動可能に設けられ、固定子１３ａには、歯車１３ｂが設けられて、制御用モータ１３ｃの出力軸に設けられた歯車１３ｄと噛合されていることにより、固定子移相装置を構成している。第２発電装置２０の低圧発電機２３も同様に、その固定子２３ａが軸の回りに回動可能に設けられていて、固定子２３ａには、歯車２３ｂが設けられ、制御用モータ２３ｃの出力軸に設けられた歯車２３ｄと噛合されていることにより、固定子移相装置を構成している。これにより、低圧発電機１３，２３の固定子移相装置は、それぞれ制御用モータ１３ｃ，２３ｃによって固定子１３ａ，２３ａを正逆方向に回転させることで、電機子磁極中心と回転子１３ｅ，２３ｅの界磁磁極中心との位置、すなわち位相を変えることができるようにしている。
【００３３】
その低圧発電機１３，２３の固定子移相装置の制御は、低圧発電機１３の端子電圧Ｖ１および低圧発電機２３の端子電圧Ｖ２を入力してそれらの位相差を検出する電圧位相差検出部４１と、その検出した位相差をもとに位相差がゼロになるように制御用モータ１３ｃ，２３ｃを制御する位相差・負荷分担制御部４２とによって行われる。
【００３４】
ここで、高圧発電機１２，２２が商用電源と連系していて、低圧発電機１３が負荷に給電しているときに、低圧発電機２３を同期投入する場合、電圧位相差検出部４１が低圧発電機１３，２３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２を比較し、それら端子電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差を検出する。この位相差の信号は位相差・負荷分担制御部４２に入力され、位相差・負荷分担制御部４２が、端子電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差がゼロになるよう低圧発電機２３側の制御用モータ２３ｃを制御する。制御用モータ２３ｃを制御し、固定子２３ａを回転させることにより端子電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差がゼロに、もしくはあらかじめ設定した許容範囲、たとえば±８〜１０電気角度以内になると、低圧側遮断器３７を同期投入する。
【００３５】
図５は同期投入時の固定子移相装置の動作を説明する図であって、（Ａ）は移相動作前の状態を表し、（Ｂ）は移相動作後の状態を表している。
第１および第２発電装置１０，２０の低圧発電機１３，２３において、系統の電圧位相に一致している端子電圧Ｖ１，Ｖ２と、この端子電圧Ｖ１，Ｖ２に対して発電機の界磁起磁力による誘導起電力である内部同期リアクタンス電圧との位相の関係は、電機子に発生している回転磁界の磁束と界磁磁束との位相関係と同一であり、また、これら２つの磁束の相互関係は各々の磁極中心の相互関係により示される。
【００３６】
第１および第２発電装置１０，２０の高圧発電機１２，２２が商用電源と連系していて、第１発電装置１０の低圧発電機１３が全負荷運転状態にあるとき、内部同期リアクタンス電圧は端子電圧Ｖ１よりも内部相差角δ１だけ位相が進んだ状態にあり、したがって、（Ａ）に示したように、回転子が図の時計回りの方向に回転するとして、電機子の磁極中心５１に対して界磁磁極中心５２が時計回りの方向に電気角δ１だけずれている。一方、第２発電装置２０の低圧発電機２３は、無負荷運転であるため、内部相差角はゼロであるが、電機子の磁極中心５１と界磁磁極中心５２とがδ１だけずれた状態で運転している。
【００３７】
ここで、低圧発電機１３，２３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２より検出した位相差δ１がゼロになるように第１発電装置１０の低圧発電機１３の固定子１３ａを回転する。すなわち、（Ｂ）に示したように、第２発電装置２０の低圧発電機２３の固定子２３ａを時計回りの方向に回転して電機子の磁極中心５１と界磁磁極中心５２とを一致させる。これにより、端子電圧Ｖ１，Ｖ２の位相が一致し、低圧発電機２３の同期投入が可能になる。
【００３８】
第２発電装置２０の低圧発電機２３の同期投入後は、第１発電装置１０の低圧発電機１３および第２発電装置２０の低圧発電機２３の負荷分担を調節するが、次に、その負荷分担のための構成について説明する。
【００３９】
図６は負荷分担制御部分の構成を示す図である。
第１発電装置１０の低圧発電機１３の出力には、電圧および電流を検出する電力変換器４３が接続され、第２発電装置２０の低圧発電機２３の出力には、電圧および電流を検出する電力変換器４４が接続され、これら電力変換器４３，４４の出力は位相差・負荷分担制御部４２に接続されている。
【００４０】
位相差・負荷分担制御部４２は、電力変換器４３，４４から低圧発電機１３，２３の出力電力を受け、それらの電力が同じになるよう低圧発電機１３，２３の制御用モータ１３ｃ，２３ｃを制御して固定子１３ａ，２３ａを回転駆動することにより、負荷分担する。
【００４１】
図７は負荷分担時の固定子移相装置の動作を説明する図であって、（Ａ）は移相動作前の状態を表し、（Ｂ）は移相動作後の状態を表している。
第２発電装置２０の低圧発電機２３が同期投入した後は、低圧発電機１３，２３の電機子の磁極中心５１と界磁磁極中心５２との関係は、（Ａ）に示したようになっている。
【００４２】
ここで、負荷分担を均等にするには、低圧発電機１３，２３がそれぞれ５０％負荷で運転するような内部相差角になるように固定子を回転制御することになる。すなわち、位相差・負荷分担制御部４２が、低圧発電機１３に対しては、制御用モータ１３ｃを制御して、（Ｂ）に示したように、固定子１３ａを図の時計回りの方向に回転して、５０％負荷に対応する内部相差角δ２になるようにし、低圧発電機２３に対しては、制御用モータ２３ｃを制御して、固定子２３ａを図の反時計回りの方向に回転して、同じく５０％負荷に対応する内部相差角δ２になるようにする。
【００４３】
以上、本発明をその好適な実施の形態について詳述したが、本発明はこの特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内での変更が可能である。たとえば、上記の実施の形態では、２組の発電装置を並列運転する場合を例に示したが、３組以上の発電装置を並列運転するように構成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、商用電源系統と連系する第１発電機と駆動機とからなる発電装置に第２発電機を追加したものを２組以上備えて並列運転を可能にし、これらの第２発電機は、それぞれ第１発電機の軸に連結されてこの第１発電機と同一回転速度で回転されるとともに移相装置により互いに位相が合わせられており、かつ第１発電機による負荷系統とは独立した負荷系統に給電する構成にした。これにより、１つの駆動機で、２種類の異電圧を同時に電源供給可能であり、電圧種別や用途の違う負荷に対して、用途ごとの電源供給が可能であるため、系統がシンプルに構成され、配電計画が明確になる。
【００４５】
また、第２発電機は、商用電源系統と連系する第１発電機とは独立した電源供給が可能なため、商用電源系統側の停電、瞬時電圧低下、事故などの事象に左右されず、また、雷サージなどの外部ノイズや、インバータ機器からの高調波に対して影響を受けない高品位の電源を提供することが可能である。
【００４６】
しかも、第２発電機による電源は、無停電電源装置と同等の安定電源としての品質を保つため、無停電電源の代替電源として利用可能であるため、この第２発電機の電源を最重要負荷に供給するようにすることで、本質的に無停電電源装置の必要性がなくなり、したがって、バッテリの定期交換および収容室が不要になり、低コストで省スペースの補助発電装置を提供することができる。
【００４７】
さらに、第１発電機の出力系統と商用電源系統との間に高速遮断器を配置したことにより、商用電源系統に停電などの事故が発生した場合に、高速遮断器が重要負荷と一般負荷とを分離し、重要負荷に無瞬断で電力を供給し続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 補助発電装置の一部を成す１組の発電装置および負荷系統を示す図である。
【図２】電源種別の違いによる電源品質を説明する図である。
【図３】２組の発電装置からなる補助発電装置の構成を示す図である。
【図４】固定子移相装置の構成を示す図である。
【図５】同期投入時の固定子移相装置の動作を説明する図であって、（Ａ）は移相動作前の状態を表し、（Ｂ）は移相動作後の状態を表している。
【図６】負荷分担制御部分の構成を示す図である。
【図７】負荷分担時の固定子移相装置の動作を説明する図であって、（Ａ）は移相動作前の状態を表し、（Ｂ）は移相動作後の状態を表している。
【符号の説明】
１ 駆動機
２ 第１発電機
３ 第２発電機
４，５ 遮断器
６ 高速遮断器
７，８ 遮断器
１０ 第１発電装置
１１ ディーゼル機関
１２ 高圧発電機
１３ 低圧発電機
１３ａ 固定子
１３ｂ 歯車
１３ｃ 制御用モータ
１３ｄ 歯車
１３ｅ 回転子
２０ 第２発電装置
２１ ディーゼル機関
２２ 高圧発電機
２３ 低圧発電機
２３ａ 固定子
２３ｂ 歯車
２３ｃ 制御用モータ
２３ｄ 歯車
２３ｅ 回転子
３１ 高圧側遮断器
３２ 高圧母線
３３ 高圧側遮断器
３４ 高速遮断器
３５ 遮断器
３６，３７ 低圧側遮断器
４１ 電圧位相差検出部
４２ 位相差・負荷分担制御部
４３，４４ 電力変換器
５１ 電機子の磁極中心
５２ 界磁磁極中心

Claims (4)

1. 商用電源系統と連系する第１発電機と、前記第１発電機を回転駆動する駆動機と、前記第１発電機の軸に連結されて前記第１発電機と同一回転速度で回転され、前記第１発電機による負荷系統とは独立した負荷系統に給電する無停電電源を構成する第２発電機とからなる発電装置を２組以上備えて並列運転を可能にし、それぞれの前記第２発電機には互いに位相が合うように調節する移相装置を備えていることを特徴とする補助発電装置。
2. 前記移相装置は、並列運転しようとする側の前記第２発電機を同期投入する前に、既に運転している側と並列運転しようとする側との前記第２発電機の出力電圧の位相を比較して位相差がなくなるように並列運転しようとする側の前記第２発電機の固定子を軸の回りに回転させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の補助発電装置。
3. 前記移相装置は、前記第２発電機の並列運転時にそれぞれの前記第２発電機の出力電力を比較し、前記出力電力が同じになるようにそれぞれの前記第２発電機の固定子を軸の回りに回転させて負荷が均等になるように制御することを特徴とする請求項２記載の補助発電装置。
4. 前記第１発電機の電源系統と前記商用電源系統との間に配置され、前記商用電源系統が停電または瞬時電圧低下したときに前記第１発電機の電源系統を前記商用電源系統から分離することによって前記第１発電機の電源系統が無瞬断電源を構成するようにした高速遮断器を備えていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項記載の補助発電装置。

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