JP4473630B2

JP4473630B2 - 発電装置

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Publication number: JP4473630B2
Application number: JP2004120809A
Authority: JP
Inventors: 雅幸福西
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005304266A

Description

本発明は、電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンの駆動を制御する発電機盤と、前記発電機の駆動を制御する発電機盤と、を備える発電装置の技術に関する。

従来より、電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置は、公知となっている。このような発電装置の一例としては、特許文献１に開示される技術がある。特許文献１に開示される発電装置は、エンジンの駆動力を利用して発電機で発電を行うだけでなく、エンジンの廃熱をも熱源として活用するコージェネレーションシステムに構成されている。加えて、特許文献１の発電装置は、商用電力と、自己に備える発電機の発電電力とを必要に応じて切換えて、電力負荷に供給可能な電源切換え式の発電装置で構成されている。

このような発電装置は、設備の設置や搬入の便宜のため、パッケージ化されるものとなっている。すなわち、単一の筐体内に、エンジンや発電機、その他各種の電装品等の全ての機器が内装されるものである。そして、このように限られたパッケージ内に各種電装品を搭載する場合には、各機器に対するケーブルが肥大化して、パッケージ内容積が圧迫されることになる。このような不具合を防止するため、パッケージ内の各電装品間の通信には、多重通信技術が適用されるものとなっている。特許文献２には、限られたパッケージとして例えば自動車に適用された多重通信技術が開示されている。

特開２００２−２４２７５９号公報特開平６−３０４７８号公報

前記制御部では、エンジンの回転数制御における目標回転数の設定や、発電装置の出力制御における出力電圧値（または電流値）の設定が行われる。特に、エンジンの目標回転数の設定や、発電機の出力電圧値（または電流値）の設定は、発電装置の効率を高める上では、微細に行われる方が望ましい。ここで、前記多重通信技術が発電装置に適用される場合は、エンジンや発電機と制御部とが、多重通信が可能なデジタル通信線で接続されることになる。デジタル通信は１と０とのデジタル信号の組み合わせなので、離散的であり、エンジンや発電機の駆動制御において、目標回転数や出力電圧値の設定といった制御目標値の設定を、連続的に設定することが不可能である。

つまり、解決しようとする問題点は、エンジンや発電機の制御目標値を、多重通信技術の通信を利用して設定する場合は、制御目標値の設定を連続的に設定することが不可能な点である。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置であって、前記制御部は、エンジンおよび発電機に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定し、前記発電装置より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御において、前記制御部は、自己周波数の目標値を、同期投入制御開始時における自己周波数よりも、同期対象周波数から遠ざかる方向に所定周波数差だけ離れた離間時周波数に一旦設定し、その後に、所定の同期投入許容周波数帯の内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定するものでる。

請求項２においては、前記制御部は、前記同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、前記自己周波数が前記同期投入許容周波数帯内に収まらない場合は、前記同期投入制御を再度実行するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置であって、前記制御部は、エンジンおよび発電機に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定するので、デジタル信号の通信を介して制御部にエンジンおよび発電機が制御される場合に比して、細かな制御が可能になり、発電機の制御追従性の高さや出力電力（発電電力）の安定性が得られるものとなる。

また、前記発電装置より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御において、前記制御部は、自己周波数の目標値を、同期投入制御開始時における自己周波数よりも、同期対象周波数から遠ざかる方向に所定周波数差だけ離れた離間時周波数に一旦設定し、その後に、所定の同期投入許容周波数帯の内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定するので、同期投入の高速化が実現されている。

請求項２においては、前記制御部は、前記同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、前記自己周波数が前記同期投入許容周波数帯内に収まらない場合は、前記同期投入制御を再度実行するので、外部電力の同期対象周波数と自己電力の自己周波数との同期が、確実に行われるものとなる。

本発明の一実施の形態である発電装置１を、図面を用いて説明する。

本発明における「発電装置」は、エンジンと発電機とを具備し、エンジンにより発電機を駆動して電力（発電電力）を発生し、該電力を外部負荷に供給可能な発電装置を意味している。したがって、以上の構成を備える発電装置であれば、本実施の形態である発電装置１に限定されない。例えば、エンジンから発生する排熱を利用して温水を供給可能としたコージェネレーション装置も、エンジンにより発電機を駆動する発電装置であるので、本発明における発電装置に含まれるものである。

図１に示すように、発電装置１には、主要構成要素として、電子制御式のエンジン３、エンジン３の出力を受けて電力を出力する発電機４、エンジン３の駆動を制御するエンジン盤６、発電機４の駆動を制御する発電機盤５、が備えられている。詳しくは後述するが、発電機盤５は発電装置１内の各装置を統括制御する制御手段である。また、エンジン３や発電機４とは異なる補助アクチュエータ（後述）の駆動を制御する補機盤７、各種センサからの出力信号をアナログ／デジタル変換して発電機盤５に送信する端末盤８、発電装置１内の各電子機器に直流電力を供給する直流電源盤９等も、発電装置１には備えられている。また、以上の各装置は、発電装置１の収容用容器としてのパッケージ２に収容されて、パッケージ化されている。なお、発電機盤５等の「盤」は、前記パッケージ２内に収容される小パッケージとしての装置ユニットを指しており、各「盤」内にユニット化された装置が内蔵されている。例えば、発電機盤５には、エンジン３や発電機４の制御に関わる電子機器が内蔵されている。

パッケージ２は略直方体形状の筐体であり、この内部に発電装置１に備える、各装置が収容される。また、パッケージ２は、屋外設置時に風雨から発電装置１内の各装置を保護する機能と、内部に設けられたエンジン３の作動音を遮断する機能（防音機能）とを、兼ね備えるものである。エンジン３は発電機４を駆動するための駆動源であり、具体的にはガスエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンからなる。エンジン３には燃料を供給するための配管および燃料の供給および停止を行うバルブ群が接続される。

発電機４は、本実施の形態においては、三相交流電力を出力する同期発電機である。
また、発電機４を備える発電装置１は、他の発電装置１からの発電電力系統や、商用電力系統との間で、系統連系可能な装置に構成されている。そして、外部の電力負荷に対して、自らの発電装置１からの発電電力のみを供給することも、他の発電装置１の発電電力や商用電力と合わせた電力を供給することも、可能である。

発電機盤５は、本実施の形態では、発電機４の制御を行うだけでなく、発電装置１に備える各装置の統括制御装置として機能する。つまり、発電機盤５は、エンジン盤６、補機盤７、端末盤８と連携して、発電装置１全体の運転制御を行うものである。発電機盤５には、コントロールユニット１２、集合形保護継電器１３、電気通信ユニット１４、タッチパネル１５、受電遮断器１６等が備えられている。

コントロールユニット１２は、具体的にはＣＰＵやメモリ等の電子部品を備えてなる基板を具備すると共に、そのメモリ内に、発電機４および発電装置１の運転に係るプログラム群およびデータ群が格納されている。また、コントロールユニット１２には、発電装置１の各仕様に対応できるように、予め他の仕様で用いられるプログラム群やデータ群等も、一緒に格納されている。ここで、仕様の違いとは、例えば、ディーゼルエンジンとガスエンジンとの違いのようなエンジンの種類の違いや、同種のエンジンであっても異なる製造メーカーによる規格の違い、等を意味する。発電機に関しても同様の違いがある場合、異なる仕様の発電装置となる。そして、発電装置１を運転制御する際には、その仕様に対応するプログラム群やデータ群を利用して、発電装置１の制御が行われるものとしている。このように構成することにより、仕様毎に異なる発電機盤を用意する必要がなく、組み立て時の作業性に優れるとともに、部品の共通化によるコスト削減を図ることが可能である。

集合形保護継電器１３は、過速度継電器、定格速度継電器、不足速度継電器等の機能を兼ねるものである。そして、集合型保護継電器１３は、発電機４の残留磁気電圧から発電機４から出力される交流電力の周波数（言い換えれば、発電機の回転数）を検出可能である。また、コントロールユニット１２と集合形保護継電器１３とは配線により接続されており、集合形保護継電器１３により検出された交流電力の周波数に係るデータはコントロールユニット１２に送信される。そして、この検出情報を元に、エンジン３や発電機４の制御が、前述したようにコントロールユニット１２により行われる。

電気通信ユニット１４は、発電装置１の内部と外部との間で通信するための送受信装置である。コントロールユニット１２には、発電装置１の運転状況に係る種々のデータ（発電装置１内部のデータ）が送信されているが、これらのデータを電気通信ユニット１４は、電気通信回線１４ａを通じて外部（例えば、遠隔地に設けた監視用のパソコン等）に送信することが可能である。また、外部からの指令が、電気通信ユニット１４を介して、コントロールユニット１２に送信される。ここで、電気通信回線としては、電話回線（およびこれを利用したインターネット回線）であっても、専用の通信線であっても良い。

タッチパネル１５は、発電装置１の運転状況に係るデータの表示手段であるとともに、発電装置１の運転操作を行う操作手段である。そして、表示手段と操作手段とが兼用されることで、発電装置１全体の省スペース化に繋がっている。

受電遮断器１６は、発電機４の出力側と、発電装置１外部の電力線２５（図２に図示）との接続部に設けられており、該電力線２５と発電機４との接続・遮断を切換えるための装置である。受電遮断器１６については、詳しくは後述する。

エンジン盤６には、前記コントロールユニット１２と同様に、ＣＰＵやメモリ等の電子部品を備えた基板が備えられると共に、そのメモリ内に、エンジン３の運転に係るプログラム群およびデータ群が格納されている。そして、エンジン盤６は、発電機盤５からの指令に基づいて、エンジン３の運転制御を行う。

発電機盤５およびエンジン盤６の集合は、エンジン３および発電機４の駆動を制御する制御部１０を構成している。ここで、本実施の形態では、発電機盤５とエンジン盤６とを別体としているが、単一の制御盤内に、発電機４の運転制御に関わる基板およびプログラムと、エンジン３の運転制御に関わる基板およびプログラムとを備えるものとしてもよい。この場合は、制御部１０が一つの「盤」に収容されることになる。

制御部１０は、発電機４およびエンジン３の駆動を次のように制御する。同期発電機では、出力電力の周波数はエンジンの回転数に比例する。このため、発電装置１の発電電力の周波数を一定に保つには、制御部１０が、電力負荷における消費電力の変動に拠らず、エンジン３の回転数を一定に制御する必要がある。具体的には、発電機盤５が、発電機４の発電電力の検出値に基づいて、該検出値が発電電力の目標値に一致するように、エンジン盤６に指令してエンジン３の駆動を制御し、発電機４の発電電力の周波数が一定に維持されるように制御する。なお、発電機４からの出力電力を検出する手段については、後述する。また、同期発電機では、出力電力（電圧）の大きさは発電機４の界磁の大きさに比例する。このため、制御部１０は、電力負荷での消費電力の変動に対応して出力を変化させる際は、発電機４の界磁電流の大きさが変化するように、発電機４を制御する。

発電機盤５（コントロールユニット１２）は、通信線束４１を介して発電機４に接続されており、この通信線束４１を構成する各通信線が、発電機４内の電子制御対象の設定部に接続されている。発電機４内で発電機盤５に制御される対象（電子制御対象）には、例えば、発電電力の大きさに関わる界磁電流がある。つまり、発電機４に備える電子制御対象毎に一つの通信線が用意されており、各電子制御対象と発電機盤５との通信が独立して行われるため、これらの各通信が、他の通信と干渉する恐れがない。このため、発電機盤５は、発電機４に備える電子制御対象の制御目標値を、連続信号（アナログ信号）で設定することが可能である。

同様に、エンジン盤６は、通信線束４２を介してエンジン３に接続されており、この通信線束４２を構成する各通信線が、電子制御式エンジン３内の電子制御対象の設定部（つまり電子制御式ガバナ）に接続されている。エンジン３内でエンジン盤６に制御される対象（電子制御対象）には、例えば、エンジン３の回転数や、燃料噴射量がある。このため、エンジン盤６も、エンジン３に備える電子制御対象の制御目標値を、連続信号（アナログ信号）で設定することが可能である。

つまり、エンジン３および発電機４の駆動を制御する制御部１０（発電機盤５およびエンジン盤６）は、エンジン３および発電機４に備える電子制御対象（界磁電流、燃料噴射量、等）の制御目標値を、連続信号（アナログ信号）で設定可能である。ここで、制御部１０は、全ての電子制御対象を連続信号で設定することも可能であれば、特定の電子制御対象のみを連続信号で設定しても良い。あるいは、連続信号で設定する必要のある電子制御対象にのみ、個別の通信線を用意して、その電子制御対象のみ、制御部１０が連続信号で制御目標値を設定可能としてもよい。つまり、制御部１０は、前記電子制御対象の内、少なくとも一つの電子制御対象の制御目標値を、連続信号の通信により設定可能である。

このため、デジタル信号の通信を介して、制御部１０による各電子制御対象の制御目標値が設定される場合に比して、制御目標値を連続的に設定することが可能となる。したがって、デジタル信号の通信を介して制御部１０にエンジン３および発電機４が制御される場合に比して、細かな制御が可能になり、発電機４の制御追従性の高さや出力電力（発電電力）の安定性が得られるものとなる。

なお、制御部１０は、連続信号の通信により前記電子制御対象（エンジン回転数等）の制御目標値を設定するが、制御部１０側での設定内容、つまり通信元での設定内容としては、制御対象の目標値自体（例．エンジン回転数××や、燃料噴射量△△等）に限定されるものではない。通信元である制御部１０では、目標値の偏差量を設定するものでも良い。

そして、制御部１０よりガバナ等の電子制御対象の設定部に、目標値の偏差を情報として送信して、制御目標値の設定を行うようにすることで、より精密な制御も可能となる。例えば、前記通信線での通信において、ＤＣ４〜２０ｍＡの電流出力幅を、制御目標値を設定するための信号幅として利用する場合に、エンジン回転数を制御対象とするのに当たって、許容最小回転数〜許容最大回転数までの目標値自体を信号幅に割付けるよりも、負側の最大偏差量〜正側の最大偏差量までの偏差量を信号幅に割付ける方が、単位目標値当たりの信号量を増加できるので、制御精度が向上するためである。具体的には、ＤＣ４〜２０ｍＡの幅に、１０００（許容最小回転数）〜３６００（許容最大回転数）ｒｐｍを割付ければ、２６００ｒｐｍを１６ｍＡで設定することとなり、単位目標値当たりの信号量が、約０．００６１ｍＡ／ｒｐｍとなるのに比して、―１００（負側の最大偏差量）〜＋１００（正側の最大偏差量）ｒｐｍを割付けるときは、４００ｒｐｍを１６ｍＡで設定するので、単位目標値当たりの信号が、０．０４ｍＡ／ｒｐｍとなる。従って、単位目標値（この場合、一回転数）当たりの信号量を増加でき、ノイズや誤信号等の影響が相対的に低減されるので、制御精度が向上する。

補機盤７は、発電装置１に設けられている動力負荷としての種々の補助アクチュエータの駆動を制御する。ここで、補助アクチュエータとしては、エンジン３のラジエータを冷却するためのファンや、エンジン３の冷却水を循環させるためのポンプがある。また、補機盤７にはインバータが設けられており、コントロールユニット１２は補機盤７を介して、各補助アクチュエータをインバータ制御により制御する。このため、定電圧源である前記直流電源盤からの出力電力を適宜電力変換して、各種のアクチュエータに駆動用電力を供給することができる。なお、補機盤７と発電機盤５（およびエンジン盤６）とは、本実施の形態では別体であるが、共に電子機器の制御手段であり、一体的に構成することも可能である。

本実施の形態では、パッケージ２内で補機盤７は発電機盤５の周辺に配置され、補機盤７に備える基板と発電機盤５に備える基板（コントロールユニット１２）とが、信号線を介して直接接続されている。なお、後述の内部ＣＡＮ通信ケーブル２０を用いて、補機盤７と発電機盤５とを接続し、ＣＡＮ通信用のポートを介して補機盤７と発電機盤５とが相互に通信するように設定することも可能である。

端末盤８は、発電装置１に備える各機器の状態監視用端末（センサ）に通信線を介して接続されている。状態監視用端末からは、検出された電流値等の生データがアナログ信号により出力されるが、端末盤８では、これらのアナログ信号がデジタル信号に変換されて、多重通信方式のネットワークを形成する内部ＣＡＮ通信ケーブル２０に出力される。ＣＡＮ通信の詳細については後述する。状態監視用端末は複数あり、その具体例としては、エンジン３の冷却水温度を監視する温度センサ３１、エンジン３の回転数を検出する回転数センサ３２、発電機４の残留磁気電圧を検出する磁気電圧検出センサ３３、燃料の流量を検知する流量センサ（図示せず）等がある。特に、発電装置１がコージェネレーション装置である場合には、エンジン３の廃熱により加温される温水タンクの水温を計測する温度センサ（図示せず）や、温水の流量を検知する流量センサ（図示せず）等も設けられる。

ここで、端末盤８を状態監視用端末が配置されている場所の近傍に適宜配置し、端末盤８と状態監視用端末との間の距離を極力小さくすることが望ましい。これは、外乱の影響を受けやすく信号の減衰を招きやすいアナログ通信の通信距離を極力短くして、外乱の影響を受けにくいデジタル通信の通信距離を伸ばすことを意味する。従って、図１においては端末盤８を一個だけ表しているが、状態監視用端末による監視対象がパッケージ内の離れた位置に配置される場合には、複数の状態監視用端末が互いに離れた位置に配置されることとなるため、対応する端末盤８も複数個設ける場合がある。

直流電源盤９には、充電器およびバッテリーが具備されている。該バッテリーには、発電機４にて発電された電力の一部が充電されるものであり、この充電により直流電源盤９は電力源として再生される。そして、直流電源盤９は、発電機盤５、エンジン盤６、補機盤７、端末盤８等の電力機器に、作動用電力を供給する。なお、発電機４の起動用の電源装置は、発電装置１内に別設されており、この電源装置にも発電機４の発電電力の一部が供給されて、電力源として再生される。

次に、発電装置１の内部の各装置間や、発電装置１とその外部機器との間での通信に適用されているＣＡＮ通信について説明する。ＣＡＮ通信（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）は多重通信技術の一つである。より詳しくは、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）はＩＳＯで国際的に標準化された通信プロトコルの一種であり、（１）通信ケーブル（ＣＡＮ通信ケーブル）としてシリアルバスを用いるため、大量のデータを少ない配線で送信することが可能であること（省配線、重量削減およびコスト削減が可能）、（２）配線が簡単（シンプル）でデータ伝送の信頼性が高いこと、（３）リアルタイムで大量のデータ伝送が可能であり、システム間で大量のデータをやりとりしつつ連係作業を行う用途に適していること、（４）データ信号を増幅する必要が無く、長距離のデータ転送に適していること、といった特徴を有する。

図１に示すように、発電装置１の内部に設けられる各装置間は、例えば発電機盤５、エンジン盤６、端末盤８の間は、内部ＣＡＮ通信ケーブル２０により接続されてネットワークが形成されている。また、発電装置１と、該発電装置１の外部にある機器とは、外部ＣＡＮ通信ケーブル２１により接続されてネットワークが形成されている。ここで、「外部にある機器」とは、発電装置１が設置されている建物内において、該発電装置１から離れた位置（例えば、監視モニター室等）に設置されたパソコン１７や、複数台の発電装置１が並設される場合（発電電力系統の連系時）の他の発電装置１、を意味する。

以上のように、発電装置１内部の各装置間や、発電装置１とその外部にある機器とを、ＣＡＮ通信で接続することにより、各装置や機器間の通信に要するケーブルの肥大化を防止して、パッケージ内容積の有効活用が図られている。

以上で説明した発電装置１に備える制御機構の特徴点をまとめる。発電装置１には、発電装置１内の各制御や信号変換に関わる機器がユニット化されて設けられると共に、これらのユニット間がＣＡＮ通信により接続されている。つまり、発電機４の電力制御を行う発電機盤５、発電機４を駆動するエンジン３の機関制御を行うエンジン盤６、エンジン３や発電機４を除く補助アクチュエータ（補機）の制御（つまり補機制御）を行う補機盤７、は制御に関わる機器がユニット化されたものであり、各種センサ出力をアナログ／デジタル変換する端末盤８、は信号変換に関わる機器がユニット化されたものである。また、動力負荷である補助アクチュエータの駆動は、インバータ制御により行われる構成である。

このため、まず、機器のユニット化とＣＡＮ通信による接続により、各装置や機器間の通信に要するケーブルの肥大化が防止される。また、補助アクチュエータがインバータ制御されることにより、補助アクチュエータの駆動用電力が電力変換されて補助アクチュエータに供給される。したがって、発電装置１内の省スペース化が実現されると共に、特にＣＡＮ通信により信号伝達の信頼性が向上する。また、補助アクチュエータのインバータ制御により、定電圧源（前記直流電源盤９）を電源としても電圧降下のロスが少なく省電力化に繋がると共に、補助アクチュエータの出力を連続的に変化させることができ、駆動制御の高度化が実現される。

次に、図２、図３を用いて、発電装置１の発電電力系統と、外部電力の電力系統との連系について説明する。図２は、電力負荷２６・２６・・・と、これらの電力負荷２６・２６・・・に電力を供給する電力源と、からなる電力供給システム３０を示すものである。ここで、前記電力源には、発電装置１・１・・・や、発電所の商用電力源２３が相当する。まず、発電装置１・１・・・同士は、各発電装置１に備える前記受電遮断器１６を介して電力線２５に接続されている。そして、これらの発電装置１の群からの発電電力が集中する電力線２５が、遮断器を有する連系盤２４を介して電力負荷２６・２６・・・に接続されている。また、商用電源２３と電力負荷２６・２６・・・とは、遮断器を有する商用電力受電盤２７を介して接続される。加えて、前記連系盤２４を介して、発電装置１の群からの発電電力と、商用電源２３からの商用電力とを合わせて（発電電力系統と商用電力系統とを連系して）、電力負荷２６・２６・・・に供給することも可能である。

前記複数の電力源からの電力系統の連系において、ある特定の発電装置１の発電電力を基準とした場合、その発電装置１に対して、他の発電装置１からの発電電力や、商用電力源２３からの商用電力は、外部電力となる。そして、ある発電装置１の発電電力系統を、外部の電力系統に連系させる際には、自ら（前記の、ある発電装置１）の出力する発電電力の周波数を、外部電力の周波数に同期させる必要がある。

図３を用いて、発電装置１の同期投入制御について説明する。発電装置１の同期投入制御とは、特定の発電装置１が、自らに対する外部電力の周波数に、自らの発電電力の周波数を同期させる制御、のことである。ここで、自らの発電装置１に対する外部電力が同期の対象であるので、その外部電力の周波数を同期対象周波数とし、外部電力に同期させる元である発電装置１の発電電力を自らの発電電力とし、その周波数を自己周波数とする。

図３に示すように、電力供給システム３０においては、同期対象周波数（外部電力の周波数）ｆを中心に、同期投入許容周波数帯Ｂ（図３中の斜線領域）が、設定されている。ここで、同期投入許容周波数とは、外部電力の同期対象周波数ｆと、自己電力の自己周波数との同期が実現される際に、許容される自己周波数のことを指している。同期対象周波数ｆは固定としているので、同期投入許容周波数帯Ｂは、自己周波数の許容される周波数領域を意味している。なお、同期投入許容周波数帯Ｂは、電力供給先となる電力負荷２６・２６・・・・や同期発電機である発電機４の諸元等に基づいて、定められる周波数帯である。また、同期投入許容周波数帯Ｂの上限値を同期投入上限周波数ｆｕとし、同期投入許容周波数帯Ｂの下限値を同期投入下限周波数ｆｄとする。なお、同期投入上限周波数ｆｕと同期対象周波数ｆとの周波数差と、同期投入下限周波数ｆｄと同期対象周波数ｆとの周波数差とは、同値である。

自己周波数が同期投入許容周波数帯Ｂの内にある場合、同期投入は完了している。したがって、自己周波数が同期投入許容周波数帯Ｂの外側にある場合に、同期投入制御が必要とされるものである。

この同期投入制御においては、自己周波数の目標値を一旦、同期対象周波数ｆに対する差（周波数差）が増大するように設定し、その後に、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数（同期投入上限周波数ｆｕまたは同期投入下限周波数ｆｄ）に設定する。このように自己周波数を一旦、同期投入許容周波数帯Ｂに対する差を大きくしてから、同期投入許容周波数帯Ｂに向けて制御することで、目標値設定に対する検出値（実際の自らの発電電力の周波数）の追従性が向上する。つまり、同期投入制御の当初から、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数を目標値に設定する場合よりも、一旦落差をつけてから同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数を目標値に設定した場合の方が、アクチュエータの稼動領域が大きいためそのハンチングを抑えて、より早く同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数に自己周波数が到達するのである。このようにして、同期投入の高速化を実現するものとしている。なお、同期投入とは、自己周波数が同期投入許容周波数帯Ｂ内に収まるように制御されたこと、を意味する。

図３には、各時刻における自己周波数の検出値も図示されている。前述したように、自己周波数、すなわち発電装置１の発電電力の周波数は、前記集合形保護継電器１３により検出されるものである。

図３において、時刻ｔ０は同期投入制御の開始時点であり、時刻ｔ０における自己周波数を、初期周波数ｆ０とする。ｆ０は同期投入上限周波数ｆｕより大きな値であり、同期投入許容周波数帯Ｂから外れており、発電装置１は同期投入制御が必要とされる状態にある。同期投入制御が開始されると、制御部１０（発電機盤５）は、一旦、自己周波数の目標値を、離間時周波数ｆ１に設定する。離間時周波数ｆ１は、初期周波数ｆ０よりも所定周波数差ｄだけ、同期対象周波数ｆから離れた周波数であり、初期周波数ｆ０よりも大きな値である。つまり、離間時周波数ｆ１は、自己周波数の目標値を一旦、同期対象周波数ｆに対して差が生じるように設定するための目標周波数である。なお、図３において、時刻ｔ１は、自己周波数の検出値が離間時周波数ｆ１に到達した時刻であり、発電機４で発電電力の目標値が離間時周波数ｆ１に設定された時刻は、時刻ｔ１に先立つものである。

次いで、制御部１０（発電機盤５）は、自己周波数が離間時周波数ｆ１に到達したことが検出されると、自己周波数の目標値を、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数に設定する。ここで、境界周波数とは、同期投入上限周波数ｆｕまたは同期投入下限周波数ｆｄのことであるが、自己周波数の目標値とされる境界周波数は、同期投入制御の開始時における自己周波数にもっとも近い周波数である。つまり、時刻ｔ０の初期周波数ｆ０のように、同期投入制御の開始時の自己周波数が同期対象周波数ｆより大きい場合は、同期投入制御における二回目の目標値設定において、同期投入上限周波数ｆｕが目標値とされる。なお、図３において、時刻ｔ２は、自己周波数の検出値が同期投入上限周波数ｆｕに到達した時刻であり、発電機４に出力電力の目標値が同期投入上限周波数ｆｕに設定された時刻は、時刻ｔ２に先立つものである。

逆に、同期投入制御の開始時点の自己周波数が、同期対象周波数ｆより小さい場合について説明する。時刻ｔ３も同期投入制御の開始時点であり、時刻ｔ３における自己周波数を、初期周波数ｆ３とする。ｆ３は同期投入下限周波数ｆｄより小さな値であり、同期投入許容周波数帯Ｂから外れており、発電装置１は同期投入制御が必要とされる状態にある。同期投入制御が開始されると、制御部１０（発電機盤５）は、一旦、自己周波数の目標値を、離間時周波数ｆ４に設定する。離間時周波数ｆ４は、初期周波数ｆ３よりも所定周波数差ｄだけ、同期対象周波数ｆから離れた周波数であり、初期周波数ｆ３よりも小さな値である。なお、時刻ｔ４は、自己周波数の検出値が離間時周波数ｆ４に到達した時刻である。次いで、制御部１０（発電機盤５）は、自己周波数が離間時周波数ｆ４に到達したことが検出されると、自己周波数の目標値を、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数に設定する。この場合、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数のうち、同期投入制御の開始時における自己周波数にもっとも近い周波数は、同期投入下限周波数ｆｄである。したがって、このとき、同期投入下限周波数ｆｄが自己周波数の目標値に設定される。なお、時刻ｔ５は、自己周波数の検出値が同期投入下限周波数ｆｄに到達した時刻である。

制御部１０内には、コントロールユニット１２等のハード構成と、コントロールユニット１２内に記憶されるプログラム等とを利用して、以上で説明した同期投入制御に関わる各手段が、構成されている。同期投入制御に関わる各手段としては、例えば、自己周波数の目標値の設定手段、自己周波数の検出値と目標値との一致の有無を特定する比較手段などがある。また、コントロールユニット１２内のメモリには、同期投入制御の制御ルーチン（プログラム）が記憶されている。

以上で説明したように、発電装置１より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御は、次のように行われる。まず、制御部１０（発電機盤５）は、自己周波数の目標値を、同期投入制御開始時における自己周波数よりも同期対象周波数ｆから遠ざかる方向に所定周波数差ｄだけ離れた離間時周波数に、一旦設定する。その後に、制御部１０（発電機盤５）は、所定の同期投入許容周波数帯Ｂの内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定する。

このため、同期投入制御において、自己周波数の目標値設定に対する自己周波数の実際値（検出値）の追従性が良好となる。これは、同期発電機における周波数制御において、真の目標値に周波数を制御する際に、真の目標値に対して一旦差をつけた周波数に制御してから、真の目標値に制御することで、目標値設定に対する周波数の追従性が良好であることを利用したものである。したがって、同期投入の高速化が実現されている。

以上のようにして、同期投入が完了した場合には、受電遮断器１６が接続されて、その発電装置１の発電電力が前記電力線２５に供給される。そして、自らの発電装置１からの発電電力と、同期対象とした外部電力と合わせられて、電力負荷２６・２６・・・に供給される。

一方、前述した同期投入制御を実行した際に、一定時間以内には、自己周波数が同期投入許容周波数帯Ｂ内に収まらないこともある。つまり、前記同期投入制御の後半部で、同期投入許容周波数帯Ｂの境界周波数を目標値として自己周波数の追従制御が開始されたが、一定時間を経過してもついに、目標値に検出値が到達しなかった場合、である。図３には、同期投入が時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間幅で成功した例と、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間幅で成功した例とを、図示している。これらの時間幅が、同期制御の観点からして徒に長くなった状態が、前記一定時間を過ぎた状態である。このため、発電装置１においては、この不具合を防止すべく、次のような制御が行われるものとしている。

つまり、制御部１０（発電機盤５）は、同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、自己周波数が同期投入許容周波数帯Ｂ内に収まらない場合は、同期投入制御を再度実行するものである。

具体的には、前記コントロールユニット１２のハードおよびソフト（プログラム）を利用して、前記一定時間の経過を警告するタイマーや、該タイマーからの信号出力毎（一定時間の経過毎）に作動される比較手段（目標値と検出値の比較手段）や、該比較手段の判定結果に応じて制御ルーチンの再実行を指令する指令手段、などが構成されている。

このため、同期投入が完了するまで、同期投入制御が繰り返し実行される。したがって、外部電力の同期対象周波数ｆと自己電力の自己周波数との同期が、確実に行われるものとなる。

なお、前記一定時間は、同期投入が完了しない際に、同期投入制御の再度の実行の必要性を判定するタイミングに相当するが、これも、同期発電機である発電機４の諸元等に基づいて、最小時間（一つの同期投入制御が完了する平均時間）を求めることができる。この最小時間以上であれば、前記一定時間の長さを必要に応じて任意に設定してよい。

本発明の一実施例に係る発電装置の全体構成を示す模式図である。本実施の形態の発電装置が利用される電力供給システムの概略構成図である。同期投入制御の様子を示す時間と自己周波数の検出値との関係を示す図である。

１発電装置
３エンジン
４発電機
５発電機盤
６エンジン盤
１０制御部
ｆ同期対象周波数
ｆ１・ｆ４離間時周波数
Ｄ同期投入許容周波数帯

Claims

電子制御式エンジンと、該エンジンの出力を受けて電力を出力する発電機と、前記エンジンおよび発電機の駆動を制御する制御部と、を備える発電装置であって、前記制御部は、エンジンおよび発電機に備える電子制御対象の制御目標値の少なくとも一つを、連続信号の通信により設定し、前記発電装置より出力される自己電力の自己周波数を、同期対象たる外部電力の同期対象周波数に同期させる際の同期投入制御において、前記制御部は、自己周波数の目標値を、同期投入制御開始時における自己周波数よりも、同期対象周波数から遠ざかる方向に所定周波数差だけ離れた離間時周波数に一旦設定し、その後に、所定の同期投入許容周波数帯の内、もっとも同期投入制御開始時における自己周波数に近い周波数に設定することを特徴とする発電装置。
前記制御部は、前記同期投入制御の実行後、一定時間が経過しても、前記自己周波数が前記同期投入許容周波数帯内に収まらない場合は、前記同期投入制御を再度実行することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。