JP5721828B2 - 異種発電装置間の並列運転制御方法および制御システム - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２０１１年６月２２日出願の特願２０１１−１３８７５６の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、垂下特性の異なる異種発電装置間を安定的に並列運転するための制御方法および制御システムに関する。

一般に、電気推進式の船舶においては、２台の原動機駆動発電機を設けて、通常（低速）航行時は１台の原動機を用いて経済的な航行を行い、急加速時や高速航行時には２台の原動機を並列に運転することが知られている（例えば、特許文献１）。これにより、船舶の航続距離性能と加速/速度性能の両立が図られる。より効率的な航行を行うためには、異機種の原動機、例えば、ディーゼルエンジンとガスタービンエンジンを併用することも考えられる。

また、各種電源設備では、常用運用される発電装置と非常時や緊急時に運用される発電装置を、構成するエンジンや機関の種類により区別し、種類や特性の異なるもの同士の並列運用は一般には行われていない。しかし、常用運用されている装置の一部に不具合が発生したり、負荷変動が大きく、スタンバイ機によるピークカット運用等が望まれる場合には、スタンバイ機も含め同一発電装置で同一垂下特性を持つよう、事前に調整を行った発電装置による運用構成が一般的であった。

さらに、電源系統を構成する各種発電装置の任意な運転停止や、時間帯や周囲環境等で大きく変わる自然エネルギー回収型の電源設備の場合には、電源系統側の回転数（周波数）垂下特性も系統電源側のインピーダンスにも常に変化が現れてくる。このような電源設備に対し、構成する発電装置の系統側電源（系統を構成する運転中の発電設備）の変化に応じ、系統側と並列運用する発電装置の垂下特性を自由に変化させ、構成される発電装置間の特性に合わせて、最適に切換えを行う制御方法と制御システムが必要とされてきている。

特開２００５−３５４８６１号公報

このように、複数の発電装置間で並列運転を行う場合、発電機容量に応じ軽負荷から全負荷まで発電装置間の負荷配分を均等に行うためには、両発電装置の回転（周波数）垂下特性（負荷の増大に応じて回転数（周波数）が低下する特性）を一致させる必要があることから、従来、異種の原動機を搭載する発電装置の場合には、優れた垂下特性を有する方、つまり負荷の増大による回転数の低下が少ない方の原動機の垂下特性を、独立運転時か並列運転時かにかかわらず、常時垂下特性の劣る側の特性に調整した状態で運転し、垂下特性を変更することなく発電装置同士の並列または解除を行っていた。このため、単独運転時に、原動機が本来有する性能を発揮させることができず、船舶の場合には効率的な航行の妨げとなっていた。また、一般の電源設備の場合にも、並列運転運用での制約事項ともなっていた。なお、以下の説明において、回転速度を示す指標として回転数（周波数）を用いる。

さらに、上述のような多様な発電装置で構成される電源設備では、負荷変動や発電装置の運用状況に応じて変化する電源構成に、予め適合したもののみの運転に制限を持たせていた。つまり、同一種類の発電装置に限定した組合せや、自立運転時の特性を犠牲にした、発電装置の中でも、常に特性の劣る側に合わせた発電装置に統一した運用を基本としていた。

そこで、本発明の目的は、垂下特性の異なる異種の発電装置を、それぞれの単独運転時の性能を損なうことなく、安定的かつ高効率に並列運転するための制御方法および制御システムを提供することにある。さらに、変動する系統側発電装置の特性に応じた並列運転を開始したり、並列運転中に構成する発電装置の組合せの変化による回転（周波数）垂下特性変化にも、自由に対応した制御方法および制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る異種発電装置の並列運転制御方法または並列運転制御システムは、負荷の増大に応じて定格回転数が低下する特性である垂下特性が互いに異なる複数の異種発電装置を、それぞれの最適な垂下特性で単独運転しているときに、同一の駆動対象を駆動する並列運転に移行させる際の運転制御方法であって、所要負荷から一方の機種の発電装置の負荷を減算した負荷となるように他方の機種の発電装置の負荷を決定し、前記他方の機種の発電装置の垂下特性を、前記一方の機種の発電装置の垂下特性に合致するよう変更し、前記垂下特性の移行時に、前記他方の機種の発電装置を、その回転数が維持されるように制御する。

この構成によれば、各発電装置がそれぞれの最適な垂下特性において単独で運転されている状態からでも、負荷のアンバランスの発生を抑制しながら並列運転へ移行することが可能となる。したがって、各発電装置の性能を損なうことなく、かつ安定的に、異種発電装置の並列運転を行うことができる。

本発明の一実施形態において、各発電装置の回転数（周波数）が一定となるようにフィードバック制御する際に、回転数（周波数）の時間微分値に基づいた微分制御を行うとともに、回転（周波数）慣性力が大きい他方の機種の発電装置に対して、負荷急変時に前記微分制御を抑制ないし停止することが好ましい。この構成によれば、並列運転移行時および並列運転解除時の大きな負荷変動に対しても、発電装置間の負荷のアンバランスを一層効果的に抑えることができる。例えば、前記一方の発電装置はディーゼルエンジンであり、他方の発電装置は慣性力が大きいガスタービンエンジンである。
ここでは、発電装置として機関特性に大きく異なるディーゼルエンジンとガスタービンエンジンの例を挙げたが、回転（周波数）操作が行える風車、水車、さらには静止型の燃料電池発電装置、太陽光発電装置等にも適用される。さらに、自立運転が可能なあらゆる発電装置への適用が対象となる。

本発明の一実施形態において、並列運転を解除して単独運転に移行する際に、前記他方の発電装置の垂下特性を、変更前の垂下特性に復帰させることが好ましい。これにより、並列運転が必要な場合のみ垂下特性を変更した状態で運転し、並列運転が不要となり単独運転を行う場合に、単独運転を行う発電装置を最適な条件で運転することができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る方法を実行する制御システムが搭載される機器の駆動系統の概略構成を示すブロック図である。 異種発電装置間で垂下特性が不一致の場合の状態を示すグラフである。 異種発電装置間で垂下特性の基点が不一致の場合の状態を示すグラフである。 異種発電装置間で垂下特性およびその基点が一致の場合の状態を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る並列運転手順を示すフロー図である。 本発明の一実施形態における垂下特性変更の原理を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態における垂下特性変更の原理を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態における比例ゲインの制御方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における比例ゲインの制御方法を示すブロック図である。 異種発電装置間の動的特性の相違を模式的に示すグラフである。 本発明の一実施形態における微分ゲイン制御方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における微分ゲイン制御方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における制御システムを示すブロック図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、異種発電装置の並列運転を制御する、本発明の一実施形態に係る方法を実行する制御システム１が搭載される船舶などの機器の駆動系統ＤＳや複数の異種発電装置の概略構成を示す。この制御方法は、負荷の増大に応じて定格回転数（周波数）が低下する特性である垂下特性が互いに異なる複数の異種発電装置を、それぞれの最適な垂下特性で単独運転しているときに、同一の駆動対象を駆動する並列運転に移行させる際の制御方法であり、本実施形態では、制御システム１が制御する異種発電装置として、ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥを使用している。

なお、発電装置としては、ガスタービンエンジンやディーゼルエンジンに限らず、回転数（周波数）操作が行える回転機を有する装置として風車、水車等を使用することができる。さらには、回転機を有しない静止型の発電装置、例えば燃料電池発電装置、太陽光発電装置（太陽電池）等にも同様に適用される。さらには、自立運転が可能なあらゆる種類の発電装置への適用が対象となる。

なお、本実施形態において、垂下特性が小さい（回転数（周波数）特性の優れる）方のエンジンの例としてガスタービンエンジンＧＴを、垂下特性が大きい（回転数（周波数）特性の劣る）方のエンジンの例としてディーゼルエンジンＤＥを用いて説明するが、垂下特性の異なる複数の異種発電装置であれば、例えばガスエンジン、オットーサイクルエンジンなどの他、回転数（周波数）操作が行える風車、水車、さらには静止型の燃料電池発電、太陽光発電等にも同様に適用可能であり、さらに、自立運転が可能なあらゆる発電装置について、本実施形態の例に限らず適用することが可能である。

異種発電装置の構成例として、ガスタービンエンジンＧＴの発電機３は、ガスタービンエンジン遮断器５を介して駆動対象の負荷Ｌに接続されている。一方、ディーゼルエンジンＤＥの発電機１３は、ディーゼルエンジン遮断器１５およびエンジン（発電装置）間連絡遮断器１７を介して負荷Ｌに接続されている。

本実施形態に係る制御方法では、ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥとを並列運転に移行させる際に、所要負荷から一方の機種の発電機関（ここでは、例えばディーゼルエンジンＤＥ）の負荷を減算した負荷となるように他方の機種の発電機関（ここでは、例えばガスタービンエンジンＧＴ）の負荷を決定し、ガスタービンエンジンＧＴの垂下特性を、ディーゼルエンジンＤＥの垂下特性に合致するよう変更し、この垂下特性変更時に、ガスタービンエンジンＧＴを、その回転数（周波数）が維持されるように制御する。

図２は、発電機負荷に対する両発電装置（ここでは、例えばエンジンＧＴ，ＤＥ）の負荷分担の様子を示す。ガスタービンエンジンＧＴの垂下基点Ｇ０、つまり無負荷時の回転数（周波数）と、ディーゼルエンジンＤＥの垂下基点Ｄ０は相異なっており、それぞれ、全負荷時の回転数（周波数）に対して、例えば１０３％と１０４％である。したがって、ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥの、無負荷時に対する全負荷時の回転（周波数）低下率である垂下特性は、それぞれ３％、４％となり、互いに異なる。したがって、発電機１３の全負荷時に各エンジンＧＴ，ＤＥが１００％負荷（定格）となるように設定すると、軽負荷時は回転数（周波数）の高いディーゼルエンジンＤＥのみが実線Ｌ１で示すように負荷を負担し、ガスタービンエンジンＧＴはモータリング（無負荷回転）してしまい、両エンジンが負担する負荷のバランスを欠く。このとき、ガスタービンエンジンＧＴはディーゼルエンジンＤＥにより駆動されて同一回転数（周波数）で回転することとなるから、本来ディーゼルエンジンＤＥが負担すべき負荷である実線Ｌ２に対して、実際のディーゼルエンジンＤＥの負荷は、実線Ｌ２に、ガスタービンエンジンＧＴを駆動する負荷である破線Ｌ３分を合わせたものとなる。

異種発電装置ＧＴ，ＤＥ間の並列運転を、負荷のバランスを保ちながら安定的に行うためには、垂下特性（静的特性）が一致しており、かつ垂下基点が一致していることが必要である。垂下特性が一致していれば、異種発電装置ＧＴ，ＤＥ間での負荷調整量が少なく、しかも負荷分担率が均一になるが、垂下特性が一致していなければ、前述のとおり、低負荷時に異種発電装置ＧＴ，ＤＥ間の負荷配分に著しいアンバランスが生じる。また、負荷が瞬時に減少した場合、垂下特性の小さいエンジン側（図２の例ではガスタービンエンジンＧＴ側）にモータリングが発生し、垂下特性の大きいディーゼルエンジンＤＥ側がこの分も負担することとなる。

さらに、図３に示すように、無負荷時と全負荷時の垂下特性が一致していても、垂下基点Ｇ０，Ｄ０が一致していなければ、異種発電装置のエンジンＧＴ，ＤＥ間で負荷にアンバランスが発生する。しかし、図４に示すように、垂下特性およびその基点が一致していれば、負荷分担も均等に行われ、静的な負荷の分担バランスは崩れない。

図５に、垂下特性の変更を自動で行う場合の並列運転移行の手順を示す。まず、並列運転時の負荷分担が決定された状態で、異種発電装置のガスタービンエンジンＧＴおよびディーゼルエンジンＤＥが、起動指令によって起動され、各エンジンの単独運転が開始される。次いで、ガスタービンエンジンＧＴ側の遮断器５が閉じられて、ガスタービンエンジンＧＴ側の発電機３が負荷Ｌに接続される。

次いで、並列運転のための同期検定が行われる。異種発電装置のエンジンＧＴ，ＤＥ間で並列運転を行うためには、通常の並列運転同様に（ａ）発電機電圧、（ｂ）周波数、（ｃ）発電機電圧の位相、の３点の同期条件が満たされていることが必要である。これらの同期検定条件が全て満たされていることが確認された後に、発電装置であるディーゼルエンジンＤＥ側の遮断器１５およびエンジン（発電装置）間連絡遮断器１７が閉じられる。

エンジン間連絡遮断器１７が閉じられて、それぞれ独立に運転されていた発電装置ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥを並列運転に切り替える並列運転開始指令が出された場合に、以下に詳述する手順によって、異種発電装置であるガスタービンエンジンＧＴの垂下特性を変更して、他方の発電装置のディーゼルエンジンＤＥの垂下特性に合致させる。その後負荷平衡装置を作動させて、負荷平衡状態に移行する。

垂下特性の変更時において、具体的な例として、ガスタービンエンジンＧＴの単独運転時の最適な運転条件から、垂下特性と回転数（周波数）指令値を同時に変更する。この垂下特性変更の原理を、図６のチャートを参照しながら説明する。ガスタービンエンジンＧＴが全負荷を負担する場合を示す同図のチャート（ａ）において、直線（１）で示される状態（垂下特性３％，無負荷時回転数（周波数）１０３％）が、ガスタービンエンジンＧＴ単独運転時の状態である。直線（１）から、仮に垂下特性の基点Ｇ０を変えずに垂下特性のみを４％に変更した場合の状態を直線（２）で示す。また、直線（１）で示される状態から、仮に回転数（周波数）指令値のみを変更した場合の状態を直線（３）で示す。直線（１）から（２）への変更操作と直線（１）から（３）への変更操作を併せて実行することにより、ガスタービンエンジンＧＴの単独運転状態である直線（１）から、ガスタービンエンジンＧＴの回転数（周波数）に変更がなく、垂下特性のみが変更された状態である直線（４）へ移行される。

同様に、ガスタービンエンジンＧＴが部分負荷（例えば５０％）を負担する場合も、同図のチャート（ｂ）に示すように、直線（５）で示される単独運転の状態（垂下特性３％，無負荷時回転数（周波数）１０１．５％）から、垂下特性の基点Ｇ０を変えずに垂下特性を４％に変更する操作（直線（６））、および、回転数（周波数）指令値を変更する操作（直線（７））を併せて実行することにより、ガスタービンエンジンＧＴの回転数（周波数）に変更がなく、垂下特性のみが変更された状態である直線（８）へ移行される。前述のとおり、垂下特性の数値は無負荷時に対する１００％負荷時の回転数（周波数）の低下率を示し、無負荷時回転数（周波数）は１００％全負荷時の回転数（周波数）に対する無負荷時の回転数（周波数）の比率を示す。

なお、並列運転を解除してガスタービンエンジンＧＴの単独運転に戻す際には、並列運転開始時の垂下特性変更手順と逆の手順によって、ガスタービンエンジンＧＴの回転数（周波数）を変化させることなく、垂下特性のみを単独運転時の値に復帰させる。つまり、図７に示すように、ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥをいずれも４％の垂下特性で、それぞれ５０％の負荷分担で並列運転している直線（１）の状態から、ディーゼルエンジンＤＥの負荷をガスタービンエンジンＧＴ側へ移行させるとともに、ガスタービンエンジンＧＴ側の垂下特性を４％から３％へ戻し、同時に回転数（周波数）指令値を元の値に戻すことにより、ガスタービンエンジンＧＴの回転数（周波数）を変化させることなく、ガスタービンエンジンＧＴを垂下特性３％で単独運転する直線（５）の状態に戻る。

ここで、発電装置３台以上で系統電源を構成している状態から、特性の異なる発電装置のみが解列された場合、残った発電装置間では、本来の垂下特性に切り替えることもできる。例えば、４％の回転（周波数）垂下特性で、ガスタービンエンジンＧＴ２台とディーゼルエンジンＤＥ１台の合計３台で並列運転中、ディーゼルエンジンＤＥのみが解列された場合、解列と同時に４％垂下特性からガスタービンエンジンＧＴとして適している垂下特性３％への切り替えを、ガスタービンエンジンＧＴ２台の負荷バランスを損なうことなく同時に行うことができる。

図８Ａ，８Ｂに、垂下特性を変更するための具体的な制御方法の例を示す。この例では、回転数（周波数）指令値設定手段２１によって設定された回転数（周波数）指令値と、ガスタービンエンジンＧＴの回転数（周波数）検出器２３によって測定された回転（周波数）検出値とを比較し、これらの偏差に基づいて、比例ゲイン設定手段２５が比例ゲインを決定し、この比例ゲインに基づいて燃料供給制御弁２７を調整することにより燃料流量を制御するというフィードバック比例制御を行う。

図８Ａは、３％の垂下特性を有するガスタービンエンジンＧＴに対する燃料流量比例制御方法の一例を示している。この例における、ガスタービンエンジンＧＴの燃焼器への燃料供給量は、無負荷時で２００Ｌ／ｈｒ、全負荷時で５００Ｌ／ｈｒであり、回転数指令値が、全負荷時の定格回転数（周波数）に対して１０５％に設定されている。したがって、無負荷時の回転（周波数）検出値に対する偏差ε３ｎは２％、全負荷時の回転（周波数）検出値に対する偏差ε３ｆは５％となるので、比例ゲインを１００Ｌ／ｈｒ（／１％）に設定することにより、無負荷時の燃料流量が２００Ｌ／ｈｒ、全負荷時の燃料流量が５００Ｌ／ｈｒとなるように燃料供給制御弁２７が制御される。

垂下特性が３％である図８Ａの状態から、垂下特性が４％に変更された状態の制御例を図８Ｂに示す。ここでは、回転数（周波数）指令値が１０６．６６％に設定されており、無負荷時の回転（周波数）検出値に対する偏差ε４ｎは２．６６％、全負荷時の回転（周波数）検出値に対する偏差ε４ｆは６．６６％となる。したがって、比例ゲインを１００Ｌ／ｈｒ（／１．３３％）、すなわち７５．１９Ｌ／ｈｒ（／１％）に変更して設定することにより、無負荷時の燃料流量が２００Ｌ／ｈｒ、全負荷時の燃料流量が５００Ｌ／ｈｒとなるように燃料供給制御弁２７が制御される。このように制御することにより、回転数を変更することなく、垂下特性を変更することができる。

本実施形態では、垂下特性を３％から４％に変更する場合を例として挙げているが、このように、燃料制御系の比例制御の比例ゲインを変更することにより、垂下特性の値を任意に変更することができる。さらに、垂下特性とともに回転数（周波数）指令値を併せて変更することにより、エンジンの回転数（周波数）を保ちながら垂下特性の値のみを変更することが可能となる。そして、いかなる部分負荷運転の場合でも、回転数（周波数）指令値を変更することにより、負荷の大小に応じて変化する回転数（周波数）を定格回転（定格周波数）に合わせた運転ができる。

なお、水車型発電では、機関での燃料流量の代わりに水量弁操作による流量制御パラメータにより、垂下特性を変更することができる。静止型発電装置の例である燃料電池発電装置や太陽光発電装置のような、発電出力を自由に変えることのできる発電装置では、負荷の変動に対して出力周波数が変動するので、上記発電機関での燃料量に対し、電流値の大小出力制御（蓄電池を発電装置構成に持つ太陽光発電では蓄電池の電流出力）パラメータにより、周波数垂下特性を変更することができる。もちろん、自立運転可能なあらゆる種類の発電装置において、垂下特性のパラメータ変更による回転数（周波数）変更が可能なものは本件での対象となる。

並列運転のために垂下特性を一致させる場合、垂下特性（静的特性）に加えて、負荷変動時の動的特性も異機種エンジンＧＴ，ＤＥ間で一致させることが好ましい。並列運転開始時および並列運転解除時の、回転数（周波数）の変化と負荷量分担の時系列変化を図９に模式的に示す。並列運転時および並列運転解除時のいずれにおいても、ガスタービンエンジンＧＴ側の垂下特性を変更するとともに、回転数（周波数）指示値の変更も行っている。なお、同図の電力整定には発電機の電圧特性は考慮していない。また、並列時、両エンジンＧＴ，ＤＥの回転数（周波数）は同一となるが、同図では負荷分担を説明するため、分離して表示している。

通常、異種発電装置の例である異機種エンジンＧＴ，ＤＥ間では、慣性モーメントが大きく異なるため、同図に示すように、動的特性も異なる。垂下特性が一致していても、動的特性に大きな差がある場合、負荷が大きく変動すると、エンジン側での整定完了まで一方のエンジンに過度の負担がかかる。すなわち、例えば負荷が急増した場合は、回転（周波数）慣性力の大きい方のエンジン（この例ではガスタービンエンジンＧＴ）において回転数（周波数）がすぐには低下しないので、その分ガスタービンエンジンＧＴ側が過負荷となる。

並列運転開始時において、回転（周波数）慣性力が大きい方のエンジンに過度の負担がかかることを回避するために、本実施形態では、図１０Ａ，１０Ｂに示すように、並列運転移行時に、垂下特性変更と並行して、フィードバック微分制御における微分制御ゲインを同機種エンジンの並列運転時や単独運転時における最適微分ゲインから変更する。ガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥの並列運転においては、回転慣性力が大きいガスタービンエンジンＧＴ側の微分ゲインを減少させて、動的特性の劣るディーゼルエンジンＤＥ側の特性に近づけることにより、過渡状態における負荷アンバランスの発生を抑制している。

同図に示す制御システムは、図８Ａ，８Ｂに示した垂下特性を変更するための制御システムに追加で設けることが可能であるが、図１０Ａ，１０Ｂには、動的特性の制御に関係する部分のみを示している。図１０Ａは垂下特性が３％（回転数（周波数）指令値１０５％）の場合を示しており、図１０Ｂは垂下特性が４％の場合を示している。垂下特性が３％の場合において、例えば、負荷急増時の微分偏差δ３ｄが＋ｎ％、負荷急減時の微分偏差δ３Ｉが−ｎ％であり、微分ゲイン設定手段３１により微分ゲインがｎ％に設定されているとする。この状態から並列運転を開始して、垂下特性が４％に変更され（つまり、回転数（周波数）指令値が１０６．６６％に変更され）、ガスタービンエンジンＧＴの負荷が急増した場合、例えば、微分偏差δ４ｄが＋１．３３ｎ％であるとすると、微分ゲインを、垂下特性の増加分に反比例させてｎ％／１．３３に変更することにより、負荷の増加が緩和される。並列状態を解除する解列時にガスタービンエンジンＧＴ側の負荷が急減する場合も同様である。なお、この微分ゲインの変更は、静的特性である垂下特性には影響しない。

一般的に、動的特性の異なる異種発電装置の例での異機種エンジンＧＴ，ＤＥ間での並列運転中における負荷変動では、優れた動的特性を有するエンジン側に、過大負荷や過小負荷がかかり、一時的に負荷の大きなアンバランスが発生する。しかし、上記のように垂下特性の変更に合わせて最適な微分ゲインに変更することにより、過渡状態におけるエンジンＧＴ，ＤＥ間の負荷アンバランスを一層効果的に抑制することができる。なお、図１０Ａ，１０Ｂの例では、ガスタービンエンジンＧＴ側の微分ゲインを減少させたが、ガスタービンエンジンＧＴ側の微分制御自体を停止してもよい。

なお、水車型発電では、機関での燃料流量の代わりに水量弁操作による流量制御パラメータにより、微分制御の動特性を任意に変更することができる。静止型発電装置の例である燃料電池発電装置や太陽光発電装置などの発電出力を自由に変えることのできる発電装置では、上記発電機関での燃料流量に対し、電流値の大小出力制御（蓄電池を構成に持つ太陽光発電では蓄電池の電流出力）により、微分制御の動特性を任意に変更することができる。もちろん、自立運転が可能なあらゆる種類の発電装置において、微分特性のパラメータ変更による動特性変更が可能なものは制御の対象となる。

並列運転を解除する場合は、上記で説明した並列開始時の逆の手順で操作を行う。すなわち、事例としてのガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥの並列運転の状態から、必要に応じて負荷を移行させた後、図１のエンジン間連絡遮断器１７が開放されることにより、垂下特性復帰変更指令が出され、ガスタービンエンジンＧＴの垂下特性が４％から元の３％へ復帰変更される。また、この解列タイミングに合わせて微分ゲインも単独運転時の最適値に復帰変更される。このように、解列時にもガスタービンエンジンＧＴの垂下特性を変更して、発電装置運転として元の最適な状態に復帰させることが可能であるので、並列運転が必要な場合のみ垂下特性を変更した状態で運転し、並列運転が不要となり単独運転を行う場合に、単独運転を行う発電装置を最適な条件で運転することができる。

また、特性の異なる発電装置が解列され、並列運転が行われている電源系統での発電機構成が変更された場合で、発電系統としての回転数（周波数）垂下特性や動特性としての変更が現れた場合に、連系運用のままで自由に変更を行うことが可能であり、最適な発電装置としての運転へと自由に変えることができる。

なお、以上で説明したのは、主として垂下特性の変更を自動的に開始する場合の制御方法であるが、垂下特性の変更を手動で開始してもよい。垂下特性の変更を手動で開始する場合は、垂下変更開始の指令を手動で与えて垂下特性変更を行い、その後に並列運転開始操作を行えばよく、それ以外の手順については自動変更の場合と同様である。

以下に、垂下特性変更を行うための制御フローを、図１１に示す制御ブロック図を参照しながら詳述する。なお、以下の説明では、垂下特性を変更する場合の比例ゲインの変更フローについて説明するが、微分ゲインの変更も同様の手順で行うことができる。

並列運転の開始時には、まず、発電装置の始動信号を受けて、制御ロジック内の初期化を行う。具体的には、制御定数初期化手段４１からの初期化指令信号により、比例動作初期値ＰＢを比例ゲイン設定手段２５に設定するとともに、回転数（周波数）設定初期値ＮＢを回転数（周波数）指令値設定手段２１に設定する。垂下特性の変更指令がある毎に、比例ゲインが変更される。また、回転数（周波数）指令値設定手段２１での回転数（周波数）変更は常時可能であり、回転数（周波数）の定格運転条件をインターロックとして持つ場合もある。

垂下特性変更動作は、垂下特性変更可能信号および垂下特性変更指令信号を受けることにより開始される。垂下特性変更可能信号として、通常は発電装置の定格回転数（定格周波数）信号（定格回転数の±５％回転条件）が用いられる。

垂下特性変更指令信号は、自動変更の垂下特性変更指令または手動変更の垂下特性変更指令のいずれか一方が発せられた場合に送られる。自動変更の場合と手動変更の場合の垂下特性変更指令信号は、それぞれ以下のように与えられる。

自動変更の場合、通常、自号発電装置遮断器（この例では、ガスタービンエンジン遮断器）５、異種発電装置遮断器（この例では、ディーゼルエンジン遮断器）１５およびエンジン間連絡遮断器１７のすべての投入信号が揃うことにより、自動変更の垂下特性変更指令信号となる。手動変更の場合、垂下特性手動変更指令手段４３から手動で垂下特性変更指令の信号が送られる。垂下特性手動変更指令手段からの手動信号が入る前に、自号機遮断器５、異機種遮断器１５およびエンジン間連絡遮断器１７のすべてが遮断された場合は、垂下特性変更が自動的に開始される。

変更時間設定手段４５は、垂下特性の変更を行う漸変的な変更時間の設定を行う。０設定では瞬時に、０以外の設定では指定された時間をかけて漸変的に垂下特性を変更するよう設定される。

また、垂下特性変更開始の条件が満たされたときに、比例ゲイン変更量初期値設定手段４７により、垂下特性の変更による比例ゲインの変更量初期値を設定する。比例ゲイン変更量の全量が加算されることにより、比例ゲインの変更が完了する。

比例ゲイン変更量計算手段４９は、垂下特性の変更時間と比例ゲイン変更量から、一定サイクル毎（通常は制御系のサンプリングタイム）の比例ゲイン変化率を計算し、この変化率に従って、比例ゲイン動作値から減算する。垂下特性の変更時間が０設定の場合には比例ゲイン変更量＝比例ゲイン変化率となり、瞬時に（すなわちサンプリングタイムの１サイクルで）比例ゲイン変更量の全量が減算され、垂下特性変更が完了する。一方、垂下特性を漸変的に変更する設定がなされた場合、比例ゲイン変更量の初期値から一定サイクル毎に比例ゲイン変化率を減算していく。

垂下特性変更判定手段５１により、比例ゲイン変更量分の変更が完了したかを判定し、完了と判定した場合に比例ゲインの減算を終了する。

また、垂下特性変更開始の条件が満たされたときには、回転数（周波数）変更量初期値設定手段５３により、垂下特性変更時の回転指令（周波数指令）数の変更量初期値を設定する。回転指令（周波数指令）数変更量の全量が加算されることにより、回転指令（周波数指令）数の変更が完了する。

回転指令（周波数指令）数変更量計算手段５５は、回転指令（周波数指令）数変更量と、変更時間設定手段４５により設定された垂下特性の変更時間とから、一定サイクル毎（通常は制御系のサンプリングタイム）の回転指令数変化率を計算し、この変化率に従って、回転数指令（周波数指令）値設定手段２１の動作値から減算する。垂下特性の変更時間が０設定の場合には回転数指令（周波数指令）値変更量＝回転数指令（周波数指令）値変化率となり、瞬時に（すなわちサンプリングタイムの１サイクルで）回転数指令（周波数指令）値変更量の全量が減算され、回転数指令（周波数指令）値の変更が完了する。一方、垂下特性を漸変的に変更する設定がなされた場合、回転数指令（周波数指令）値変更量の初期値から一定サイクル毎に回転数指令（周波数指令）値変化率を減算していく。

回転数指令（周波数指令）値変更判定手段５７により、回転数指令（周波数指令）値変更量分の変更が完了したかを判定し、完了と判定した場合に回転数指令（周波数指令）値の減算を終了する。

次に、並列運転の解除（解列）時の制御方法について説明する。なお、以下の説明において、解列時に、垂下特性を、並列運転時の値（本実施形態では４％）から単独運転時の値（本実施形態では３％）に戻す変更を「復帰変更」と呼ぶ。解列時には、垂下特性復帰変更可能信号および垂下特性復帰変更指令信号を受けて、垂下特性復帰変更動作が開始される。垂下特性復帰変更可能信号として、通常は発電装置の定格回転数（定格周波数）信号（定格回転数（定格周波数）の±５％回転（周波数）条件）が用いられる。

垂下特性復帰変更指令信号は、自動変更の垂下特性復帰変更指令または手動変更の垂下特性復帰変更指令のいずれか一方が発せられた場合に送られる。自動変更の場合と手動変更の場合の垂下特性復帰変更指令信号は、それぞれ以下のように与えられる。

自動変更の場合、通常、自号発電装置遮断器５、エンジン間連絡用遮断器１７および異種発電装置遮断器１５の少なくともいずれか１つが開放されることにより、垂下特性復帰変更指令信号となる。手動変更の場合、垂下特性手動復帰変更指令手段１４３から手動で垂下特性復帰変更指令の信号が送られる。垂下特性手動復帰変更指令手段１４３からの手動信号が入る前に、自号発電装置遮断器５、エンジン間連絡用遮断器１７および異機種遮断器１５の少なくともいずれか１つが開放された場合は、垂下特性復帰変更が自動的に行われる。

復帰変更時間設定手段１４５により、垂下特性の復帰変更を行う漸変的な変更時間の設定が行なわれる。０設定では瞬時に、０以外の設定では指定された時間をかけて漸変的に垂下特性を復帰変更するよう設定される。

また、垂下特性復帰変更開始の条件が満たされたときに、比例ゲイン復帰変更量初期値設定手段１４７により、垂下特性の復帰変更による比例ゲインの復帰変更量初期値を設定する。比例ゲイン復帰変更量の全量が加算されることにより、比例ゲインの復帰変更が完了する。

比例ゲイン復帰変更量計算手段１４９は、垂下特性の変更時間と比例ゲイン復帰変更量から、一定サイクル毎（通常は制御系のサンプリングタイム）の比例ゲイン変化率を計算し、この変化率に従って、比例ゲイン動作値から減算する。垂下特性の復帰変更時間が０設定の場合には比例ゲイン復帰変更量＝比例ゲイン変化率となり、瞬時に（すなわちサンプリングタイムの１サイクルで）比例ゲイン復帰変更量の全量が減算され、垂下特性復帰変更が完了する。一方、垂下特性を漸変的に復帰変更する設定がなされた場合、比例ゲイン復帰変更量の初期値から一定サイクル毎に比例ゲイン変化率を減算していく。

垂下特性復帰変更判定手段１５１により、比例ゲイン復帰変更量分の変更が完了したかを判定し、完了と判定した場合に比例ゲインの減算を終了する。

また、垂下特性復帰変更開始の条件が満たされたときには、回転数（周波数）復帰変更量初期値設定手段１５３により、垂下特性復帰変更時の回転指令（周波数指令）数の復帰変更量初期値を設定する。回転指令（周波数指令）数復帰変更量の全量が加算されることにより、回転指令（周波数指令）数の復帰変更が完了する。

回転指令（周波数指令）数復帰変更量計算手段１５５は、回転指令（周波数指令）数復帰変更量と、復帰変更時間設定手段により設定された垂下特性の復帰変更時間とから、一定サイクル毎（通常は制御系のサンプリングタイム）の回転指令（周波数指令）数変化率を計算し、この変化率に従って、回転数指令（周波数指令）値設定手段２１の動作値から減算する。垂下特性の復帰変更時間が０設定の場合には回転数指令（周波数指令）値復帰変更量＝回転数指令（周波数指令）値変化率となり、瞬時に（すなわちサンプリングタイムの１サイクルで）回転数指令（周波数指令）値復帰変更量の全量が減算され、回転数指令（周波数指令）値の復帰変更が完了する。一方、垂下特性を漸変的に復帰変更する設定がなされた場合、回転数指令（周波数指令）値復帰変更量の初期値から一定サイクル毎に回転数指令（周波数指令）値変化率を減算していく。

回転数指令（周波数指令）値復帰変更判定手段１５７により、回転数指令（周波数指令）値復帰変更量分の復帰変更が完了したかを判定し、完了と判定した場合に回転数指令（周波数指令）値の減算を終了する。

なお、この制御システムにおいては、異種発電装置の組合せの例であるガスタービンエンジンＧＴとディーゼルエンジンＤＥの並列運転中に並列解除信号が出された場合のみならず、何らかの原因により突然並列運転が中止されても、この解除指令を取り込み、高垂下特性のガスタービンエンジンＧＴ側において、垂下特性を、並列運転時の４％から並列解除後の３％に、回転数を変化させることなく自動的に復帰変更することも可能である。

このように、本実施形態に係る異種発電装置の並列運転制御方法によれば、各発電装置がそれぞれの最適な垂下特性において単独で運転されている状態からでも、負荷のアンバランスの発生を抑制しながら並列運転へ移行することが可能となる。したがって、各発電装置の性能を損なうことなく、かつ安定的に、異種発電装置の並列運転を行うことができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 制御システム
５ ガスタービンエンジン遮断器
１５ ディーゼルエンジン遮断器
１７ エンジン間連絡遮断器
２１ 回転数指令値設定手段
２３ 回転数検出器
２５ 比例ゲイン設定手段
ＤＥ ディーゼルエンジン（発電装置）
ＧＴ ガスタービンエンジン（発電装置）

Claims (12)

1. 負荷の増大に応じて定格周波数が低下する特性である垂下特性が互いに異なる複数の異種発電装置を、それぞれの最適な垂下特性で単独運転しているときに、同一の駆動対象を駆動する並列運転に移行させる際の運転制御方法であって、
   一方の機種の発電装置の負荷と、他方の機種の発電装置の負荷とを決定し、
   フィードバック比例制御により出力制御される前記他方の機種の発電装置の垂下特性を、フィードバック比例制御の比例ゲインを変更することにより、前記一方の機種の発電装置の垂下特性に合致するよう変更し、
   前記垂下特性変更時に、前記他方の機種の発電装置を、その周波数が維持されるように制御する、
   異種発電装置の並列運転制御方法。
2. 請求項１において、各発電装置の周波数が一定となるようにフィードバック制御する際に、周波数の時間微分値に基づいた微分制御を行うとともに、周波数慣性力が大きい他方の機種の発電装置に対して、負荷急変時に前記微分制御を抑制ないし停止する異種発電装置の並列運転制御方法。
3. 請求項１において、並列運転を解除して単独運転に移行する際に、前記他方の発電装置の垂下特性を、変更前の垂下特性に復帰させる異種発電装置の並列運転制御方法。
4. 請求項１において、前記発電装置として、回転数の制御が可能な回転機を備える発電装置を使用する異種発電装置の並列運転制御方法。
5. 請求項４において、前記一方の発電装置がディーゼルエンジンであり、前記他方の発電装置がガスタービンエンジンである、異種発電装置の並列運転制御方法。
6. 請求項１において、前記発電装置として、回転機を有しない静止型発電装置を使用する異種発電装置の並列運転制御方法。
7. 負荷の増大に応じて定格回転数が低下する特性である垂下特性が互いに異なる複数の異種発電装置を、それぞれの最適な垂下特性で単独運転しているときに、同一の駆動対象を駆動する並列運転に移行させる際の運転制御システムであって、
   一方の機種の発電装置の負荷と、他方の機種の発電装置の負荷とを決定する手段と、
   フィードバック比例制御により出力制御される前記他方の機種の発電装置の垂下特性を、フィードバック比例制御の比例ゲインを変更することにより、前記一方の機種の発電装置の垂下特性に合致するよう変更する手段と、
   前記垂下特性変更時に、前記他方の機種の発電装置を、その回転数が維持されるように制御する手段と、
   を備える異種発電装置の並列運転制御システム。
8. 請求項７において、各発電装置の周波数が一定となるようにフィードバック制御する際に、周波数の時間微分値に基づいた微分制御を行う手段と、周波数慣性力が大きい方の機種の発電装置に対して、負荷急変時に前記微分制御を抑制ないし停止する手段とをさらに備える異種発電装置の並列運転制御システム。
9. 請求項７において、並列運転を解除して単独運転に移行する際に、前記他方の発電装置の垂下特性を、変更前の垂下特性に復帰させる手段をさらに備える異種発電装置の並列運転制御システム。
10. 請求項７において、前記発電装置が、回転数の制御が可能な回転機を備える発電装置である異種発電装置の並列運転制御システム。
11. 請求項１０において、前記一方の発電装置がディーゼルエンジンであり、前記他方の発電装置がガスタービンエンジンである、異種発電装置の並列運転制御システム。
12. 請求項７において、前記発電装置が、回転機を有しない静止型発電装置である異種発電装置の並列運転制御システム。

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