JP5647503B2 - 発電設備 - Google Patents
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つまり、負荷投入量が小さい場合には、内燃機関13の負荷も小さいため、内燃機関13の回転速度が上昇に転じるまでの回転速度の低下幅も小さく、内燃機関13の失速には至らないが、負荷投入量が大きくなると、図8に示したように失速に至る可能性が高い。
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、及び、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する点にある。
内燃機関が有する回転エネルギは回転速度の2乗に比例するため、内燃機関の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度よりも高ければ、そのときの回転エネルギは、定格出力で運転されている場合の内燃機関が有する回転エネルギよりも、回転速度の2乗の差の分だけ大きい状態になっている。このように、予め内燃機関に対して大きい回転エネルギを持たせておくことで、負荷投入によって内燃機関の負荷が大きくなったとしても、回転速度の低下幅を小さくできる。更に、負荷投入前の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度に比べて元々高いレベルにあるため、負荷投入によって内燃機関の回転速度が低下するとしても、低下後の回転速度を高く保つことができる。また、設定回転速度を高くするのは内燃機関の出力が定格出力よりも低いときであり、内燃機関の出力がそれよりも大きい定格出力であるときには内燃機関の回転速度は相対的に低く抑えられるので、内燃機関に対する機械的なストレスが大きくなり過ぎることはない。
また、本特徴構成では、内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が決定されるので、低負荷状態になるほど負荷投入量を大きくできる。
加えて、内燃機関の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて(即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態であるにも関わらず、更に大きな出力を要求されるにつれて)、内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が高く決定される。従って、負荷投入時に突入電流が流れる等の過負荷が発生したとしても、内燃機関の回転速度の上昇によってその過負荷に応じた出力上昇を実施できる。
従って、内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供できる。
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、
前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える点にある。
内燃機関が有する回転エネルギは回転速度の2乗に比例するため、内燃機関の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度よりも高ければ、そのときの回転エネルギは、定格出力で運転されている場合の内燃機関が有する回転エネルギよりも、回転速度の2乗の差の分だけ大きい状態になっている。このように、予め内燃機関に対して大きい回転エネルギを持たせておくことで、負荷投入によって内燃機関の負荷が大きくなったとしても、回転速度の低下幅を小さくできる。更に、負荷投入前の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度に比べて元々高いレベルにあるため、負荷投入によって内燃機関の回転速度が低下するとしても、低下後の回転速度を高く保つことができる。また、設定回転速度を高くするのは内燃機関の出力が定格出力よりも低いときであり、内燃機関の出力がそれよりも大きい定格出力であるときには内燃機関の回転速度は相対的に低く抑えられるので、内燃機関に対する機械的なストレスが大きくなり過ぎることはない。
また、本特徴構成では、内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が決定されるので、低負荷状態になるほど負荷投入量を大きくできる。
加えて、双方向電力変換器が回転子の出力無効電力を一定とするように制御することで、電流耐量の小さい半導体素子を用いて構成される双方向電力変換器を使用できる。
従って、内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供できる。
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、及び、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、
前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える点にある。
内燃機関が有する回転エネルギは回転速度の2乗に比例するため、内燃機関の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度よりも高ければ、そのときの回転エネルギは、定格出力で運転されている場合の内燃機関が有する回転エネルギよりも、回転速度の2乗の差の分だけ大きい状態になっている。このように、予め内燃機関に対して大きい回転エネルギを持たせておくことで、負荷投入によって内燃機関の負荷が大きくなったとしても、回転速度の低下幅を小さくできる。更に、負荷投入前の回転速度が、定格出力で運転されている場合の内燃機関の回転速度に比べて元々高いレベルにあるため、負荷投入によって内燃機関の回転速度が低下するとしても、低下後の回転速度を高く保つことができる。また、設定回転速度を高くするのは内燃機関の出力が定格出力よりも低いときであり、内燃機関の出力がそれよりも大きい定格出力であるときには内燃機関の回転速度は相対的に低く抑えられるので、内燃機関に対する機械的なストレスが大きくなり過ぎることはない。
また、本特徴構成では、内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が決定されるので、低負荷状態になるほど負荷投入量を大きくできる。
加えて、内燃機関の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて(即ち、出力の上昇余裕がほとんど無い定格出力の状態であるにも関わらず、更に大きな出力を要求されるにつれて)、内燃機関の回転速度を高くさせる関係で内燃機関の設定回転速度が高く決定される。従って、負荷投入時に突入電流が流れる等の過負荷が発生したとしても、内燃機関の回転速度の上昇によってその過負荷に応じた出力上昇を実施できる。
更に、双方向電力変換器が回転子の出力無効電力を一定とするように制御することで、電流耐量の小さい半導体素子を用いて構成される双方向電力変換器を使用できる。
従って、内燃機関の失速を回避し且つ負荷投入量を大きく取ることができる発電設備を提供できる。
図1は、本発明の発電設備10の構成を示す図である。発電設備10は、一次巻線を備える固定子(ステータ)11bと二次巻線を備える回転子(ロータ)11aとを有する二次励磁誘導発電機11と、回転子11aを駆動する内燃機関13と、内燃機関13を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段としてのガバナ16及び速度設定器17と、固定子11bと回転子11aとの間に電気的に接続される双方向電力変換器12とを備える。
二次励磁誘導発電機11は、商用電源1に接続される電力系統4と同じ周波数(例えば、60Hz等)の交流電力を発電し、その電力を電力負荷装置3及び商用電源1側に供給可能に構成されている。二次励磁誘導発電機11は、一次巻線(図示せず)を備える固定子11bと、二次巻線(図示せず)を備える回転子11aとを有する。固定子11bが備える一次巻線は電力系統4に接続される。回転子11aが備える二次巻線は、双方向電力変換器12を介して電力系統4に接続される。電力系統4には電力負荷装置3が接続される。図1では、複数の電力負荷装置3が各別に遮断器5を介して電力系統4に接続されている構成を例示している。
以下の説明では、固定子11bが備える一次巻線側を「二次励磁誘導発電機11の一次側」と見なし、回転子11aが備える二次巻線側を「二次励磁誘導発電機11の二次側」と見なしている。よって、二次励磁誘導発電機11の一次側(固定子11b側)に発生する電力(電圧、電流)の周波数が、電力負荷装置3に供給される電力の周波数となる。
〔内燃機関に対する制御〕
内燃機関13の動作は、調速装置としてのガバナ(GOV)16が制御する。例えば、ガバナ16は、内燃機関13への燃料供給量を調節して、内燃機関13の回転速度を制御する。ガバナ16に対する内燃機関13への燃料供給量の指令は、速度設定器17で決定される設定回転速度と、速度検出器15で検出される内燃機関13の現在の実回転速度とに基づいて行われる。具体的には、速度設定器17は、内燃機関13の出力に応じて内燃機関13の設定回転速度を決定する。そして、速度設定器17で決定された設定回転速度と、速度検出器15で検出される内燃機関13の実回転速度との差が、内燃機関13への燃料供給量の指令としてガバナ16に伝えられる。
以上のように、ガバナ16及び速度設定器17は、「内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段」として機能する。
Y=−0.2×X+120 (0≦X≦100) (式1)
Y=X (100<X) (式2)
双方向電力変換器12の動作は、AQR(自動無効電力調整器)22で生成された制御値(無効電力制御値)、AVR(自動電圧調整器)23で生成された制御値(電圧制御値)、及び、AFR(自動周波数調整器)24で生成された制御値(周波数制御値)を、FOC(フィールド・オリエンテッド・コントローラ)25が座標変換した上で双方向電力変換器12に入力することで制御される。例えば、FOC25は、二次励磁誘導発電機11の3相の各回転子11aの巻線に流す電流(制御値)を、回転子11aにおける磁界の方向であるd軸と、そのd軸に直交するq軸とのベクトル成分に座標変換した上で双方向電力変換器12に入力する。そして、この制御において二次励磁誘導発電機11の回転状態を知る必要があるため、回転子11aの回転速度(即ち、内燃機関13の回転速度に対応)を検出するための速度検出器15と、回転子11aの電気角(即ち、内燃機関13の出力軸の回転角に対応)を検出するための位相検出器14とが、発電設備10に設けられている。
以上のように、AQR22、AVR23、AFR24及びFOC25は、「双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段」として機能する。
図4は、電動モータの負荷特性を示すグラフである。具体的には、図4は、定格負荷電力が内燃機関13の定格出力(即ち、発電設備10の定格出力)の40%の値である電動モータの負荷有効電力、負荷無効電力、負荷皮相電力の時間的な推移を示すグラフである。図示するように、時刻5秒で負荷投入された直後から突入電流が一時的に大きく現れ、時刻10秒以降になってから負荷電力が一定となるような負荷特性を示す。図示するように、負荷電力が一定となった状態では、負荷有効電力は内燃機関13の定格出力の約40%、負荷無効電力は内燃機関13の定格出力の約20%、負荷皮相電力は内燃機関13の定格出力の約45%となっている。これに対して、突入電流が最大となった状態では、負荷有効電力は内燃機関13の定格出力の約120%、負荷無効電力は内燃機関13の定格出力の約190%、負荷皮相電力は内燃機関13の定格出力の約225%となっている。
但し、本実施形態において、AQR22は、回転子11aの出力無効電力が、電力負荷装置3の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように双方向電力変換器12の動作を制御している。その結果、図7に示すように、回転子11aの出力無効電力はほぼ一定値となるように収束している。そして、電力負荷装置3の消費無効電力のほとんどを固定子から供給させるので、固定子出力電圧が一時的に低下するものの、無効電力が充分に供給されるとともに上昇に転じ、その後、100%の値に収束する。
以上のように、電力負荷装置3が要求する無効電力のほとんどが、双方向電力変換器12を介さずに固定子11b側から供給されるので、電流耐量の小さい半導体素子を用いて構成される双方向電力変換器12を使用できる。
<1>
上記実施形態では、図2において、内燃機関13の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関13の回転速度を高くさせる関係を示しているが、内燃機関13の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて段階的に内燃機関13の回転速度を高くさせる関係であってもよい。同様に、図2において、内燃機関13の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に内燃機関13の回転速度を高くさせる関係を示しているが、内燃機関13の出力が定格出力から高出力側へ離れるにつれて段階的に内燃機関13の回転速度を高くさせる関係であってもよい。
上記実施形態では、内燃機関13の出力(X)と内燃機関13の設定回転速度(Y)の関係の一例として図2並びに式1、式2を示した。但し、式1に例示した〔−0.2〕というXの係数及び〔120〕というY切片や、式2に例示した〔+1〕というXの係数及び〔0〕というY切片は適宜変更してもよい。
4 電力系統
10 発電設備
11 二次励磁誘導発電機
11a 回転子
11b 固定子
12 双方向電力変換器
13 内燃機関
16 ガバナ(回転速度制御手段)
17 速度設定器(回転速度制御手段)
22 AQR(変換器制御手段)
23 AVR(変換器制御手段)
24 AFR(変換器制御手段)
25 FOC(変換器制御手段)
Claims (3)
- 一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する内燃機関と、前記内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、前記固定子と前記回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、商用電源は遮断器を介して電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記一次巻線は前記電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記二次巻線は前記双方向電力変換器を介して前記電力系統に接続され、電力負荷装置は遮断器を介して前記電力系統に接続され、前記商用電源とは独立した状態で前記電力系統を介して前記電力負荷装置に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備であって、
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、及び、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定する発電設備。 - 一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する内燃機関と、前記内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、前記固定子と前記回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、商用電源は遮断器を介して電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記一次巻線は前記電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記二次巻線は前記双方向電力変換器を介して前記電力系統に接続され、電力負荷装置は遮断器を介して前記電力系統に接続され、前記商用電源とは独立した状態で前記電力系統を介して前記電力負荷装置に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備であって、
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、
前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える発電設備。 - 一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有する二次励磁誘導発電機と、前記回転子を駆動する内燃機関と、前記内燃機関を設定回転速度で動作するように制御する回転速度制御手段と、前記固定子と前記回転子との間に電気的に接続される双方向電力変換器とを備え、商用電源は遮断器を介して電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記一次巻線は前記電力系統に接続され、前記二次励磁誘導発電機の前記二次巻線は前記双方向電力変換器を介して前記電力系統に接続され、電力負荷装置は遮断器を介して前記電力系統に接続され、前記商用電源とは独立した状態で前記電力系統を介して前記電力負荷装置に発電電力を供給する自立運転を行う発電設備であって、
前記回転速度制御手段は、前記内燃機関の出力が定格出力から低出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、及び、前記内燃機関の出力が前記定格出力から高出力側へ離れるにつれて連続的に又は段階的に前記内燃機関の回転速度を高くさせる関係で前記内燃機関の前記設定回転速度を決定し、
前記回転子の出力無効電力が、前記電力負荷装置の消費無効電力の変動に関わらず一定となるように前記双方向電力変換器の動作を制御する変換器制御手段を備える発電設備。
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