JP6071074B2 - 発電機に接続されている内燃機関の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機に接続されている電源ネットワーク（電力供給網）でのネットワーク障害（故障）中、特に電気的短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）の発生中の、発電機、特に同期発電機に接続されている内燃機関の作動方法に関する。この場合、その内燃機関によって伝送される機械的動力は発電機内に導入され、その発電機内で電力に変換され、その電力は電源ネットワークに伝送される。

電源ネットワークでのネットワーク障害中、特に電気短絡の発生中、および同時発生的な電源ネットワークでのネットワーク電圧の降下中に、電源ネットワークに接続されている発電機、特に同期発電機の作動パラメータの不所望な変動、例えば、発電機の回転速度または負荷角の不所望な変動が発電機において発生し得る。この負荷角とは、知られているように、発電機のステータ（固定子）の回転磁界のベクトルと発電機のロータ（回転子）の回転磁界のベクトルとの間の角度を意味する。

ネットワーク電圧の降下（ドロップ）は、発電機から電源ネットワークへ伝送される電力の大きな減少を導く。発電機のロータが、ロータを駆動する内燃機関（例：ガスエンジン）のエンジンシャフトに接続されている通常の形態では、電力の降下は、内燃機関の回転速度と、それに伴うロータの回転速度の対応的増加を導き得る。その結果、電源ネットワークとの発電機の同期関係が喪失するか、発電機へのダメージ（損傷）さえも発生しかねない。

電源ネットワークにおけるネットワーク障害の検出は、例えば、電源ネットワークのネットワーク電圧、及び／又は発電機によって電源ネットワークに供給される電流、及び／又は発電機あるいは内燃機関の回転速度、及び／又は内燃機関のエンジンシャフトまたは発電機のロータシャフトに作用するトルクのモニターによって実行できる。この場合には、ネットワーク障害は、それらモニターされている作動パラメータのうちの少なくとも１つが予め設定可能である閾値を超える変動の発生によって検出される。この点で、発生する変動は、複数のそれら作動パラメータに予め設定可能な閾値を超えた対応する変動が関与するときのみ、すなわち、例えば、ネットワーク電圧とネットワーク電流の両方、および、それに加えて回転速度に対応する変動変数が関与するならばネットワーク障害として検出される。ネットワーク障害中にも発電機は電源ネットワークと接続状態に残ることができる。

そのようなネットワーク障害に対する従来の取り組みは、発電機のそのような回転速度の増加および関連する負荷角の増加に対処するために適した方策を採用することである。よって通常は回転速度と負荷角を減少させる方策がとられている。例えば、そのような方策は、対応的にスロットリング（絞り処理）されている発電機に接続されている内燃機関によって加速モーメントを減少させることである。

しかし、そのような従来の方策は状況によってはネットワーク障害において不利であることが知られている。ネットワーク障害の発生によって発電機の回転速度は増加せず、当初に降下する可能性がある。専門家に英語的技術表現である「バックスイング」として知られるこの現象は、場合によっては発電機のポールスリップ（磁極滑動）現象を引き起こす。一方、ポールスリップは発電機の不安定化を招き、エンジンシャフトを介して内燃機関によってロータに導入される機械的動力は、発電機によって所望通りには電力に変換できなくなる。

本発明の目的は、上述の弱点を回避し、電源ネットワークのネットワーク障害中に発電機、特に同期式発電機に接続されている内燃機関を作動することができる従来に勝る方法を提供することである。

本発明によれば、その目的は請求項１の特徴によって達成される。本発明の有利な形態は従属請求項において記載されている。本発明は初期過渡現象に関係する。
すなわち、ネットワーク障害後の数十ミリ秒（ｍｓ）の時間幅において発生する現象に関係する。
好適には、本発明は、内燃機関によってネットワークに供給される電力が、電源ネットワークの全電力よりも相当程度低い（例：１０％未満、好適には１％未満である）電源ネットワークで適用される。

本発明によれば、内燃機関によって伝送される機械的動力は、ネットワーク障害前、及び／又はネットワーク障害中の、発電機及び／又は内燃機関のうちの少なくとも１つの作用パラメータの値に応じて、好適には内燃機関内に導入される燃料量の増加によって少なくとも一時的に増加される。

このように、特にバックスイング（ｂａｃｋ−ｓｗｉｎｇ）中に発生し、最も不具合な場合には発電機のポールスリップ現象をも引き起こしかねない回転速度の降下に対抗することが可能である。

一好適実施形態によれば、燃料は内燃機関内に、好適には少なくとも１つの燃料計測装置を介して内燃機関の導入管内に導入される。この場合、好適には、内燃機関のそれぞれのシリンダのためにそれぞれ燃料計測装置が提供されている。その点に関して、内燃機関内に導入される燃料の量は、少なくとも１つの燃料計測装置の開位置及び／又は開時間を変動させることによって増加される。その少なくとも１つの燃料計測装置はポート噴射弁の形態であってもよい。

特に、動力レベルが、例えば３ＭＷを超える大型ガスエンジンの場合には、混合気形成は吸入弁の直前でのみ実行可能とすることができる。それら一般的に吸気エンジンと称されるエンジンでは、燃料は、それぞれのシリンダのそれぞれの燃料計測装置によって個別に計測できる。混合気形成から燃焼チャンバへと続く長い距離のため、混合気形成をコンプレッサ装置の上流のガス混合器内で中央的に実行する混合気吸気エンジンは、燃料計測またはガス計測における仲介に対して単に鈍く反応し、燃料計測装置（例えばポート噴射弁形態）を備えた吸気エンジンでは反応時間は実質的にさらに短い。よって、燃料計測装置によって導入される燃料の量の変動は、内燃機関によって伝送される機械的動力に対して１０ｍｓ以内に作用可能である。

バックスイング現象は低慣性定数の発電機に対してさらに強力に作用するので、本発明の方法は、特に慣性定数が１．５Ｗｓ／ＶＡ未満、好適には１Ｗｓ／ＶＡ未満の発電機のために有利である。

一好適実施形態では、発電機は連結装置によって内燃機関に連結される。内燃機関は、例えば、オットーサイクルに従って運転されるレシプロピストンガスエンジン用でよい。

ネットワーク障害中の発電機の作動パラメータの変動は、内燃機関によって発電機内に導かれる機械的動力と、発電機よって電源ネットワーク内に供給される電力との間で不均衡が生じるという理由によって頻繁に発生する。ネットワーク障害の結果として発生するバックスイング現象の場合には、その不均衡は機械的動力よりも大きな電力によって引き起こされ得る。

本発明の一好適実施形態によれば、ネットワーク障害に先立って発電機によって電源ネットワークに伝送される電力は作動パラメータとして検出される。ここで内燃機関内に導入される燃料の量は、ネットワーク障害前に発電機によって電源ネットワークに伝送される電力に応じて増加される。その点に関して、内燃機関内に供給される燃料の量は、ネットワーク障害の前に伝送される電力と、予め設定可能な基準値、好適には定格電力との差に実質的に比例して増加されることができる。

一好適実施形態では、発電機及び／又は連結装置及び／又は内燃機関の回転速度はネットワーク障害に先立って作動パラメータとして検出され、内燃機関内に導入される燃料の量は、ネットワーク障害の前の回転速度に応じて増加される。

好適には、発電機、及び／又は連結装置、及び／又は内燃機関の過渡的回転速度はネットワーク障害中に作動パラメータとして検知される。内燃機関内に導入される燃料の量は、ネットワーク障害前の回転速度との過渡的回転速度の差に実質的に比例して増加される。

例示として、
式Ｆ１：Ｓ７ｓ＝１００％＋（Ｓ１_ref−Ｓ１）^＊Ｐ_speed
に従って１００％である予め設定可能な名目開位置または名目開時間に対する燃料計測装置の開位置または開時間の百分率を確定するによって内燃機関内に導入される燃料の量の増加を実行することが可能である。式中、Ｓ７ｓは、１００％である名目開位置または名目開時間に対する燃料計測装置の開位置または開時間の百分率であり、Ｓ１_refは、１００％である名目回転速度に対するネットワーク障害前の発電機または連結装置または内燃機関の回転速度の百分率であり、Ｓ１は１００％である名目回転速度に対するネットワーク障害中の発電機または連結装置または内燃機関の過渡回転速度の百分率であり、Ｐ_speedは、燃料計測装置の開位置または開時間の変動程度に影響を及ぼすことができる正の比例定数である。

さらなる実施形態では、発電機及び／又は連結装置及び／又は内燃機関の回転速度の変動はネットワーク障害中に作動パラメータとして検出される。ここで内燃機関内に導入される燃料の量は回転速度の変化の大きさに応じて増加される。

内燃機関のエンジンシャフト及び／又は発電機のロータシャフトでのトルクはネットワーク障害中に作動パラメータとして検出されてもよい。ここで内燃機関内に導入される燃料の量はトルクに応じて増加される。

さらなる好適な実施形態では、ネットワーク障害中に作動パラメータとして発電機の負荷角が検出される。ここで内燃機関内に導入される燃料の量は検出された負荷角の大きさに実質的に間接的に比例して増加される。

例えば、内燃機関内に導入される燃料の量の増加は、負の負荷角の場合には以下の式Ｆ２に従って予め設定できる１００％の名目開位置または名目開時間に対して燃料計測装置の開位置または開時間の百分率を確定することで実施できる。
Ｆ２：Ｓ７ｓ＝１００％−（Ｓ２／１８０）^＊１００％^＊Ｐ_{load_angle}
ここで、Ｓ７は１００％の名目開位置または名目開時間に対する燃料計測装置の開位置または開時間の百分率であり、Ｓ２は計測された負の負荷角（°）であり、Ｐ_{load_angle}は燃料計測装置の開位置または開時間の変更の程度に影響を与えることができる正の比例定数である。

好適には、内燃機関内に導入される燃料の量は最大で、予め設定できる最大量にまで増加される。よって、例えば、上記の式Ｆ１とＦ２のパラメータＳ７ｓのそれぞれのために最大値を予め設定することが可能である。それを超えるようには燃料計測装置の開位置と開時間の百分率は増加されるべきではない。その安全方策は内燃機関の危機的な作動状況の回避を可能にする。

特に好適な実施形態によれば、ネットワーク障害中の発電機の作動パラメータの振動（オシレーション）が検出され、そこで内燃機関内に導入される燃料の量は、その振動が予め設定された強度（振幅）を超えると増加される。この点において、発電機の負荷角の振動が検出され、そこで振動の大きさ（振幅）が２°、好適には１０°を超えるなら内燃機関内に導入される燃料の量は増加される。

本発明のさらなる詳細と利点は以下で図面を利用して詳しく説明する。

図１は、電気的に電源ネットワークに接続されており、内燃機関によって駆動される発電機の概略ブロック回路図である。 図２は、電源ネットワークでのネットワーク障害中の時間に対する発電機の負荷角の変動を例示する。 図３は、電源ネットワークでのネットワーク障害中の時間に対する負荷角、回転速度、トルクおよびガス量の変動を例示する。

図１は、概略ブロック回路図において三相形態の電源ネットワーク１に電気的に接続されている発電機２を概略的に図示する。発電機２は同期発電機の形態であり、ステータ６と、ステータ６内に回転可能に配置されたロータ７を有する。電源ネットワーク１の三相は従来の様式で発電機２のステータ６の巻線に接続されている。電源ネットワーク１は、ネットワーク周波数を予め設定する共用電源ネットワークであるか、または、例えば、ネットワーク周波数が発電機２によって予め設定されているアイランドモードの運転方式の地域電源ネットワークでよい。発電機２のロータ７またはロータ部材は、連結装置３を介して内燃機関４のエンジンシャフト８に実質的に非回転式に接続される。内燃機関４は、例えば、オットーサイクルで運転されるスパーク点火レシプロピストンエンジンの形態でも可能な定置ガスエンジンでよい。

内燃機関４によって伝送される機械的動力Ｐmechはエンジンシャフト８を介して発電機２内に導入され、発電機２で電力Ｐelに変換され、続いて電力Ｐelは電源ネットワーク１に伝送される。

図示の例では、従来から知られている回転速度センサー９が発電機２、連結装置３および内燃機関４に取り付けられ、それらによってエンジンシャフト８またはロータ７の回転速度ｎが検知でき、適した信号線１０を介して制御装置１１に信号される。加えて、エンジンシャフト８とロータ７のロータシャフト７’には、連結装置３の上流のエンジンシャフト８および連結装置３の下流のロータシャフト７’における機械的トルクＭ_Ｌを検出するトルクセンサー１２も設置される。続いて制御装置１１は、ロータ７の支配的な負荷角５を従来の方法、例えば、回転速度ｎ（図２参照）から確定できる。負荷角５は、発電機リアクタンスおよび計測された電気パラメータ（例：電圧、電流、電力係数）の計算によっても確定できる。

さらに、発電機２には、発電機２によって電源ネットワーク１に供給される電力Ｐelを確定し、制御装置１１と電圧調整器１５に別信号線１０を介して信号する従来の電力計測手段１３が設置される。この点で、電力計測手段１３は電圧と電流の測定値から電力Ｐelを従来の方法で確定できる。

ここで、発電機のロータ７は、励磁器電流Ｉ_Ｅで同期機の形態の励磁装置１４が作用する励磁器巻線（詳細には図示せず）を有する。励磁装置１４には励磁器電圧Ｓ３で電圧調整器１５が作用し、励磁器電圧Ｓ３に対応する励磁器電流Ｉ_Ｅが発電機２のロータ７の励磁器巻線のために設定される。

エンジン制御線１７を活用することで内燃機関４の制御部材を作動させ、内燃機関４によって伝送される機械的動力を変更することが可能である。この制御部材は、例えば、燃料線１９を介して供給された燃料を内燃機関４内に導入する燃料計測装置１８である。

特に、内燃機関４は、制御装置１１によってそれぞれ確立された燃料の量をシリンダのそれぞれの導入管内に、それぞれのシリンダに対して個別に導入するため、燃料計測装置１８がガスエンジンのそれぞれのシリンダに提供されている吸気ガスエンジンであってもよい。その場合、燃料のそれぞれの量は、燃料計測装置１８の開位置及び／又は開時間によって設定できる。

電源ネットワーク１のネットワーク障害中に、特に、バックスイング現象を引き起こすネットワーク障害中に、制御装置１１は、ネットワーク障害前及び／又はネットワーク障害中の発電機２及び／又は内燃機関４の少なくとも１つの作動パラメータの値に応じて、内燃機関内に導入される燃料の量を増加させるため、対応して変動する内燃機関４の燃料計測装置１８の開位置及び／又は開時間Ｓ７ｓを確定する。

変更された開位置及び／又は開時間Ｓ７ｓは、１００％である名目開位置または名目開時間に対する燃料計測装置１８の開位置または開時間の百分率でよい。この点で、燃料計測装置１８の変更された開位置及び／又は開時間Ｓ７ｓは前記の式Ｆ１および式Ｆ２に従ってそれぞれ確定できる。

図２は、バックスイング現象を発生させるネットワーク傷害中の時間ｔ（秒）に対する発電機２のロータ７の負荷角（°）の例示としての変形例を図示する。図２から理解されるであろうが、負荷角５の振動はネットワーク障害中に発生する。破線の形状はネットワーク障害に関して従来の制御方策を採用したときの負荷角５の振動を示しており、実線は本発明の方法を採用したときの負荷角５の形状を図示する。本発明の方法を採用したとき、明確に図示されているように負荷角５の振動の大きさは減少する。よって、これはネットワーク障害中に発電機２に全体的にさらに向上した安定性を提供する。この図に関して、±１８０°の負荷角はスリップの限界を表わし、従って、図示のごとく、本発明の方法を利用せずとも発電機２は既にスリップの限界に非常に接近していることは注目に値する。

図３は、負荷角５、回転速度ｎ、トルクＭ_Ｌ、および内燃機関４内に導入される燃料の量ｍの例における電源ネットワーク１のネットワーク障害中の時間に関する別例を示す。

この点に関して、グラフＡは、内燃機関４に接続されている発電機２（図１参照）の時間ｔに関する負荷角５の別例を示す。グラフＢは、内燃機関４の回転速度ｎの時間ｔに関する別例を示す。グラフＣは、内燃機関４のエンジンシャフト８における機械的トルクＭ_Ｌの時間ｔに関する別例を示す。グラフＤは、内燃機関４内に導入される燃料の量ｍの時間ｔに関する別例を示す。

時間ｔ_１にて、発電機２が接続されている電源ネットワーク１でネットワーク障害が発生している。本例のネットワーク障害は、ネットワーク障害の直後の内燃機関４の当初に降下する回転速度ｎで示されるようなバックスイング現象を引き起こす。それはまた、対応的に増加する負荷角５と、内燃機関４のエンジンシャフト８における増加する機械的トルクＭ_Ｌを発生させる。内燃機関４内に導入される燃料の量ｍは、時間ｔ_２における回転速度の変動の検出によって増加される。

内燃機関４内に導入される燃料の量ｍの一時的な増加による回転速度の降下またはトルクの増加に対抗することは可能である。その結果、時間ｔ_３において、回転速度ｎとトルクＭ_Ｌはネットワーク障害の発生前に支配的であった値を再び取り戻し、内燃機関４内に導入される燃料の量もネットワーク障害の発生前に支配的であった値に再設定される。

総体的に、本発明の方法は、ネットワーク障害によって促され、バックスイング現象が発生する状況において、発電機、または内燃機関で作動される少なくとも１つの発電機を備えた発電設備の安定性を増加させることができる。そのようなバックスイング現象が伴う障害状況中に、従来の制御方策はバックスイング現象を考慮せず、例えば、スロットリングの代わりに内燃機関内に導入される燃料の量を増加させるので逆効果を生じさせる。

好適には、本発明の方法は、バックスイング現象の発生中にネットワーク障害に関して利用でき、従来の制御方策はバックスイング現象が鎮まった後に再び採用できる。

Claims (17)

1. 発電機（２）、特に同期発電機に接続されている内燃機関（４）を、該発電機（２）に接続されている電源ネットワーク（１）のネットワーク障害中、特に電気的短絡中に作動させる方法であって、
   前記内燃機関（４）によって伝送される機械的動力（Ｐ_mech）が前記発電機（２）内に導入され、該発電機（２）内で電力（Ｐ_el）に変換され、該電力（Ｐ_el）が前記電源ネットワーク（１）に伝送されており、
   バックスイング中に発生する回転速度の降下に対抗するために、ネットワーク障害前又はネットワーク障害中の、前記発電機（２）又は前記内燃機関（４）の少なくとも１つの作動パラメータの値に応じて、前記内燃機関（４）に伝送された前記機械的動力（Ｐ_mech）が、一時的に増加されることを特徴とする方法。
2. 該内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）によって、前記内燃機関（４）に伝送された前記機械的動力（Ｐ _mech ）が、一時的に増加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記燃料は少なくとも１つの燃料計測装置を介して前記内燃機関（４）内に導入され、好適には、該内燃機関（４）の導入管内に導入され、好適には、該内燃機関の各シリンダのために各々の燃料計測装置が提供されていることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記内燃機関（４）に導入される燃料の量（ｍ）は、前記少なくとも１つの燃料計測装置の変動する開位置及び／又は開時間によって増加されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの燃料計測装置はポート噴射弁の形態であることを特徴とする請求項３または４記載の方法。
6. 前記発電機（２）は１．５Ｗｓ／ＶＡ以下の慣性定数、好適には１Ｗｓ／ＶＡ以下の慣性定数を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記発電機（２）は連結装置（３）によって前記内燃機関（４）に連結されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ネットワーク障害前に前記発電機（２）によって前記電源ネットワーク（１）に伝送された電力（Ｐ_el）が作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が、前記ネットワーク障害前に前記発電機によって前記電源ネットワーク（１）に伝送された前記電力（Ｐ_el）に応じて増加されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）は、予め設定可能な基準値、好適には定格電力、に対する前記ネットワーク障害前の前記伝送された電力（Ｐ_el）の差に実質的に比例することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記発電機（２）及び／又は前記連結装置（３）及び／又は前記内燃機関（４）の前記ネットワーク障害前の回転速度が作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が前記ネットワーク障害前の回転速度に応じて増加されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記発電機（２）及び／又は前記連結装置（３）及び／又は前記内燃機関（４）の過渡回転速度が前記ネットワーク障害中に作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が前記ネットワーク障害前の回転速度に対する前記過渡回転速度の差に実質的に比例して増加されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記発電機（２）及び／又は前記連結装置（３）及び／又は前記内燃機関（４）の回転速度の変動が前記ネットワーク障害中に作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が前記回転速度の変動の大きさに応じて増加されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記内燃機関（４）のエンジンシャフト（８）及び／又は前記発電機（２）のロータシャフト（７）でのトルク（Ｍ_Ｌ）が前記ネットワーク障害中に作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が前記トルク（Ｍ_Ｌ）に応じて増加されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記発電機（２）の負荷角（５）が前記ネットワーク障害中に作動パラメータとして検出され、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が前記検出された負荷角（５）の大きさに実質的および間接的に比例して増加されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が最大で予め設定された最大量にまで増加されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記発電機（２）の前記ネットワーク障害中の作動パラメータの振動が検出され、該振動が予め設定された強度を超えると、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が増加されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記発電機（２）の負荷角（５）の振動が検出され、該振動の大きさが２°を超えると、好適には１０°を超えると、前記内燃機関（４）内に導入される燃料の量（ｍ）が増加されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。