JP6257895B2

JP6257895B2 - 洋上発電施設及びその運転方法

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Publication number: JP6257895B2
Application number: JP2012284851A
Authority: JP
Inventors: 強志若狭
Original assignee: エムエイチアイヴェスタスオフショアウィンドエー／エス
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014128160A

Description

本開示は、洋上発電施設及びその運転方法に関する。

近年、地球環境保全の観点から、風況に優れた洋上に設けられる風力発電施設（洋上風力発電施設）が脚光を浴びている。

洋上風力発電施設に代表される洋上発電施設は、一般的に、海底ケーブルを介して電力系統（グリッド）に連系される。例えば、発電装置からの電力を海底ケーブルによって洋上サブステーションに送り、洋上サブステーションにおいて昇圧された電力を海底ケーブルで構成される送電路によってグリッドに送る技術が知られている。

また、洋上風力発電プラントで一般的に用いられる送電設備として、高圧直流（ＨＶＤＣ；ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）システムを介してグリッドに連系されたものがある（特許文献１参照）。
ＨＶＤＣシステムは、発電装置側に設けられる交直変換器（送り出し変換器；ＳＥＣ；ＳｅｎｄｉｎｇＥｎｄＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、グリッド側に設けられる直交変換器（受け取り変換器；ＲＥＣ；ＲｅｃｅｉｖｉｎｇＥｎｄＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）とを有している。交直変換器と直交変換器の間には、直流送電路が設けられる。交直変換器は、発電装置からの交流電力を直流電力に変換し、直流送電路を介して直交変換器に直流電力を供給する。直交変換器は、直流送電路を介して交直変換器から受け取った直流電力を交流電力に変換し、グリッドにこれを供給する。

米国特許第６４７９９０７号明細書

ところで、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下でも、例えば洋上発電施設の保守作業のために電源が必要になる場合がある。そのため、洋上発電施設には非常用電源設備（ディーゼル発電機）を設置することがある。

ところが、洋上発電施設は過酷な環境下に晒されるため、非常用電源設備を含む構成機器の故障の可能性が低いとは言い難い。例えば、非常用電源設備を洋上サブステーションに設置することがあるが、洋上サブステーション自体が雷雨、台風、ハリケーン、塩害等に曝されるため、そのような場所に設置される非常用電源設備の故障のリスクは少なからず存在する。
一方、洋上発電施設は、陸上発電施設とは異なりアクセスが大幅に制限される。すなわち、洋上発電施設へのアクセスはヘリコプターや船によって行われるが、荒天時には洋上発電施設にアクセスすることは困難である。よって、洋上発電施設は、非常用電源設備の構成機器が故障しても容易に修理することができない。

このような事情から、洋上発電施設では、信頼性向上のために非常用電源設備を含む構成機器に冗長性（Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）を持たせるのが一般的である。しかし、構成機器の冗長化によって洋上発電施設の運用コストを低減できるものの、予備の非常用電源設備を設置するために設備コストが嵩んでしまう。
よって、非常用電源設備の容量や個数を低減して設備コストを削減する観点から、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下においても利用可能な電源を非常用電源設備以外にも確保することが望まれる。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下においても非常用電源設備以外の電源を確保可能である洋上発電施設及びその運転方法を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る洋上発電施設は、
海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、
各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設であって、
各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動可能に構成される。

上記洋上発電施設では、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているため、発電機の自己励磁現象が起きる。すなわち、たとえ発電機の界磁が無励磁であっても、界磁が電機子に対して相対的に回転すると、界磁の残留磁気に起因した自己励磁現象によって、発電機端子電圧が上昇する。
したがって、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても自己励磁現象によって発電機を起動できるので、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。

幾つかの実施形態では、上記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機である。
この場合においても、上述の理由により、グリッドからの電力供給が途絶えた状況下であっても、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動できる。

一実施形態では、上記洋上発電施設は、前記同期発電機の端子電圧を検出するための端子電圧検出器と、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器と、前記グリッドから切り離された状態での前記同期発電機の起動時、前記自己励磁によって前記端子電圧が閾値まで上昇したときに前記界磁遮断器を閉じるように構成された遮断器制御部とをさらに備える。
これにより、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動する際、発電機端子電圧が閾値に達したときに界磁遮断器を閉じることで、発電機端子電圧の過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機の絶縁破壊を回避できる。
なお、界磁遮断器が閉じられる時点では既に十分な発電機端子電圧が確保されているから、それ以降は同期発電機から供給される電力によって界磁制御ユニットを作動させて、励磁機からの界磁電流を界磁に供給できる。

幾つかの実施形態では、各々の前記発電機は、前記海底ケーブルを介して前記グリッドから励磁電流の供給を受ける前記電機子としての固定子と、前記固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された前記界磁としての回転子を含む誘導発電機である。
これにより、グリッドからの電力供給が途絶えた状況下においても、回転子の残留磁気を利用した自己励磁現象によって誘導発電機を起動できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法は、
海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設の運転方法であって、
各々の前記発電機の前記グリッドから切り離された状態で前記界磁を前記電機子に対して相対回転させて、前記発電機を自己励磁によって起動する起動ステップを備える。

上記運転方法によれば、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても、界磁の電機子に対する相対的回転を作り出すことで、界磁の残留磁気を利用した自己励磁現象によって発電機を起動できる。よって、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。
なお、発電機の自己励磁現象が起きるのは、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているためである。

幾つかの実施形態では、前記洋上発電施設は、前記発電機に負荷遮断器を介して接続される少なくとも一つの負荷をさらに備え、上記洋上発電施設の運転方法は、前記起動ステップの後、前記負荷遮断器を閉じて前記発電機からの電力を前記少なくとも一つの負荷に供給する電力供給ステップをさらに備える。
これにより、グリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても、発電機から負荷に電力を供給できる。

幾つかの実施形態では、前記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機である。この場合において、上記運転方法は、前記起動ステップの後、前記同期発電機の端子電圧が前記自己励磁によって閾値まで上昇したときに、前記電機子巻線からの電力が前記界磁制御ユニットに供給されるように、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器を操作する遮断器操作ステップをさらに備えてもよい。
このように、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動する際、発電機端子電圧が閾値に達したときに界磁遮断器を閉じることで、発電機端子電圧の過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機の絶縁破壊を回避できる。

本発明の少なくとも一実施形態では、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているため、発電機の自己励磁現象によって発電機端子電圧を上昇させることができる。
したがって、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても自己励磁現象によって発電機を起動でき、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。

一実施形態に係る洋上発電施設の全体構成を示す図である。一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。一実施形態に係る洋上発電施設の等価回路図である。図３に示す等価回路図を簡略化した図である。一実施形態における同期発電機の無負荷飽和曲線を示すグラフである。一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法を示すフローチャートである。一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係る洋上発電施設の全体構成を示す図である。図２は、一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。

図１に示すように、洋上発電施設１は、少なくとも一つの発電装置１０と、各々の発電装置１０が接続されるローカルグリッド２と、ローカルグリッド２とグリッド１００との間に設けられるＨＶＤＣ２０とを備える。

図１に示す例示的な実施形態では、ローカルグリッド２は、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の発電装置１０にそれぞれ接続されるＮ本の海底ケーブル２Ａと、バス４を介してＮ本の海底ケーブル２Ａに接続される１本の海底ケーブル２Ｂとを含んでいる。各々の海底ケーブル２Ａは、昇圧トランス３及び遮断器１３を介して発電装置１０（発電機１２）に接続されてもよい。また、海底ケーブル２Ｂは、洋上サブステーションに設置される遮断器５や変圧器６を介してＨＶＤＣ２０に接続されてもよい。さらに、ローカルグリッド２には、高調波フィルタ７Ａや、インターコネクティング・リアクトル８Ａが設けられていてもよい。

図１に示すように、ＨＶＤＣ２０は、大部分が海底ケーブルで構成される直流送電路２２と、直流送電路２２の両側に設けられる一対のＶＳＣ（ＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）２４，２６とを含む。ローカルグリッド２側のＶＳＣ２４は、ローカルグリッド２からの交流電力を直流電力に変換する交直変換器（送り出し変換器；ＳＥＣ）である。一方、グリッド１００側のＶＳＣ２６は、ＳＥＣ２４側から受け取った直流電力を交流電力に変換してグリッド１００に供給する直交変換器（受け取り変換器；ＲＥＣ）である。ＲＥＣ２６とグリッド１００との間には、高調波フィルタ７Ｂや、インターコネクティング・リアクトル８Ｂが設けられていてもよい。

なお、図１に示す例示的な実施形態では、Ｎ個の発電装置１０にそれぞれ接続されるＮ本の海底ケーブル２Ａをバス４によって１本に集約した海底ケーブル２Ｂが１個のＳＥＣ（交直変換器）２４に接続される。
他の実施形態では、ローカルグリッド２は、Ｎ個の発電装置１０にそれぞれ接続されるＮ本の海底ケーブルであり、各海底ケーブルが交直変換器２４を介して直流送電路２２に接続される。すなわち、ローカルグリッド２のＮ本の海底ケーブルが、バスによって１本に集約されることなく、Ｎ本の海底ケーブルに対してそれぞれ設けられたＮ個の交直変換器２４を介して直流送電路２２に接続される。

各々の発電装置１０は、発電機１２を駆動するための原動機１１を含む。
幾つかの実施形態では、原動機１１は、風エネルギーや河流エネルギー又は潮流エネルギーを受けて回転するロータと、ロータに接続されるドライブトレインとを含む。この場合、発電機１２には、ロータの回転エネルギーがドライブトレインを介して伝達され、該回転エネルギーは発電機１２において電力エネルギーに変換される。一実施形態では、各々の発電装置１０は洋上風力発電装置であり、幾つかの洋上風力発電装置１０が集合した一つのウィンドファームがローカルグリッド２に接続されている。
他の実施形態では、原動機１１は、燃料の燃焼エネルギーを出力軸の回転エネルギーに変換するディーゼルエンジン等の内燃機関である。

幾つかの実施形態では、図２に示すように、発電機１２は、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル２Ａに接続される電機子１２Ａと、グリッド１００を電源として利用して励磁されるように構成された界磁１２Ｂとを含む。

図２に示す例示的な実施形態では、発電機１２は、回転界磁型の同期発電機である。すなわち、発電機１２は、固定子側の電機子巻線（電機子）１２Ａと、回転子側の界磁巻線（界磁）１２Ｂとを含む。電機子巻線１２Ａは静止したままであるのに対し、界磁巻線１２Ｂは原動機１１から入力される機械的トルクによって回転するようになっている。
なお、他の実施形態では、発電機１２は、回転電機子型の同期発電機であってもよい。

電機子巻線１２Ａは、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル２Ａに直接的に接続される。なお、電機子巻線１２Ａと海底ケーブル２Ａとを電気的に隔てることがない機器（例えば、昇圧トランス３）を介して、電機子巻線１２Ａを海底ケーブル２Ａに接続してもよい。

界磁巻線１２Ｂは、励磁機３０から界磁電流の供給を受けて励磁される。図２に示す例示的な実施形態では、励磁機３０は原動機１１の出力軸に直結された交流励磁機であり、励磁機３０からの交流電流が整流器３２によって直流電流に変換され、該直流電流が界磁電流として界磁巻線１２Ｂに供給される。
なお、励磁機３０の電機子及び整流器３２は、同期発電機１２の界磁巻線１２Ｂとともに、原動機１１の出力軸に直結されており、原動機１１の出力軸に従動して回転する回転部を構成していてもよい。このように、交流励磁機３０の回転電機子からの交流電流を整流器（回転整流器）３２で整流して、回転子である界磁巻線２１に供給すれば、ブラシを省略できる。

一実施形態では、励磁機３０は動作可能な界磁制御ユニット３４によって制御され、界磁巻線１２Ｂに供給される界磁電流が調節されるようになっている。界磁制御ユニット３４は、励磁機３０の界磁巻線３１に流れる界磁電流の大きさを変化させることで、同期発電機１２の界磁巻線１２Ｂに供給される界磁電流の大きさを調節する。
界磁制御ユニット３４は、同期発電機１２の電機子巻線１２Ａと並列に海底ケーブル２Ａに接続される。すなわち、界磁制御ユニット３４は、電機子巻線１２Ａと海底ケーブル２Ａとの間の電線１４上の接続点３５において電線１４に接続される。また、海底ケーブル２Ａと界磁制御ユニット３４との間（具体的には界磁制御ユニット３４と接続点３５との間）には、界磁遮断器３６が設けられる。

界磁遮断器３６は、遮断器制御部４０によって開閉制御される。発電装置１０の通常運転時、遮断器制御部４０の制御によって界磁遮断器３６は閉じられており、電線１４を介した電力供給を受けて界磁制御ユニット３４が作動可能になっている。
なお、遮断器制御部４０は、界磁遮断器３６に加えて、同期発電機１２と負荷５０との間に設けられる負荷遮断器５２を開閉制御するようになっていてもよい。

上記構成の洋上発電施設１における何らかの異常発生時、グリッド１００からの電力供給が途絶えることがある。例えば、洋上サブステーションにおいて交直変換器２４が停止してしまった場合、遮断器５が開かれて発電装置１０及びローカルグリッド２はグリッド１００から切り離される。

このようにグリッド１００からの電力供給が途絶えた状況下であっても、本発明の幾つかの実施形態では、同期発電機１２の自己励磁現象を利用して同期発電機１２を起動可能とする。

ここで、図３〜５を用いて同期発電機１２の自己励磁現象について説明する。図３は、一実施形態に係る洋上発電施設１の等価回路図である。図４は、図３に示す等価回路図を簡略化した図である。図５は、一実施形態における同期発電機１２の無負荷飽和曲線を示すグラフである。

図３に示すように、洋上発電施設１には、同期発電機１２に接続された複数の容量性負荷Ｃ_{Ｃａｂｌｅ}が存在する。幾つかの容量性負荷Ｃ_{Ｃａｂｌｅ}は、海底ケーブル２Ａ及び海底ケーブル２Ｂの静電容量によるものである。洋上発電施設１では、海底ケーブル２Ａ，２Ｂの存在により容量性負荷Ｃ_{Ｃａｂｌｅ}が相対的に大きいため、洋上発電施設１は、同期発電機１２に対して並列に比較的大きな静電容量Ｃが接続されるとともに、同期発電機１２に対して直列に負荷５０が接続された回路とみなすことができる（図４参照）。

したがって、図５に示すように、発電施設１の送電経路の充電特性線（Ｖ＝Ｉ／ωＣで表される直線）３００の傾きが小さいために、界磁電流が小さい領域における無負荷飽和曲線２００の勾配よりも充電特性線３００の方が勾配は緩い。ただし、Ｖは発電機端子電圧であり、Ｉは同期発電機１２から出力される交流電流の大きさであり、ωは同期発電機１２から出力される交流電流の周波数である。

そのため、同期発電機１２を無励磁にて運転すると、界磁１２Ｂの残留磁気に起因した自己励磁現象が起きる。
すなわち、原動機１１から入力される機械的トルクによって界磁１２Ｂが電機子１２Ａに対して相対的に回転すると、界磁１２Ｂの残留磁気によって残留端子電圧Ｖ_０が発生し、容量性負荷Ｃに対する充電電流Ｉ_０が流れる。この充電電流Ｉ_０は進み電流であるため、電機子反作用（増磁作用）により端子電圧はＶ_１まで高められ、これに伴って充電電流はＩ_１まで増大する。こうして、端子電圧によって進み電流が発生し、進み電流が電機子反作用（増磁作用）によって端子電圧を高めるというサイクルが繰り返され、同期発電機１２の端子電圧は無負荷飽和曲線２００と充電特性線３００との交点Ｓまで上昇する。これが、発電機の自己励磁現象である。

幾つかの実施形態は、上述した同期発電機１２の自己励磁現象を意図的に利用するために、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに同期発電機１２の電機子１２Ａを海底ケーブル２Ａに直接的に接続している。これにより、少なくとも海底ケーブル２Ａに対する充電電流（進み電流）が生じることなり、自己励磁現象が起きやすい。
これに対し、電機子１２Ａが電力変換装置を介して海底ケーブル２Ａに接続されている場合、電機子巻線１２Ａと海底ケーブル２Ａとは電力変換装置によって電気的に縁が切れているため、何らかの対策を施さない限り、海底ケーブル２Ａに対する充電電流（進み電流）が生じることはない。よって、海底ケーブル２Ａの容量性負荷は、同期発電機１２の自己励磁現象を引き起こす要因とはなりにくい。

幾つかの実施形態では、グリッド１００から切り離された状態で同期発電機１２を起動させる際、界磁遮断器３６は、遮断器制御部４０による制御下で、自己励磁現象により発電機端子電圧が閾値Ｖ_ｔｈ（図５参照）まで上昇したときに閉じられる。なお、閾値Ｖ_ｔｈは、同期発電機１２の定格電圧であってもよい。
これにより、界磁巻線１２Ｂの残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機１２を起動する際、発電機端子電圧が閾値Ｖ_ｔｈに達したときに界磁遮断器３６を閉じることで、発電機端子電圧Ｖの過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機１２の絶縁破壊を回避できる。

一実施形態では、遮断器制御部４０は、同期発電機１２の端子電圧Ｖの検出値を電圧検出器１６から受け取り、該検出値と閾値Ｖ_ｔｈとの比較結果に基づいて界磁遮断器３６の開閉制御を行う。すなわち、遮断器制御部４０は、電圧検出器１６で検出された端子電圧Ｖが閾値Ｖ_ｔｈに到達したときに界磁遮断器３６を閉じる。

なお、界磁遮断器３６が閉じられる時点では既に十分な発電機端子電圧（Ｖ_ｔｈ以上の電圧）が確保されているから、それ以降は同期発電機１２（具体的には電機子巻線１２Ａ）から供給される電力によって界磁制御ユニット３４を作動させて、励磁機３０からの界磁電流を界磁巻線１２Ｂに供給できる。

また、幾つかの実施形態では、負荷遮断器５２は、遮断器制御部４０による制御下で、グリッド１００から切り離された状態での同期発電機１２の起動開始時に開かれ、界磁遮断器３６の閉操作後であって且つ同期発電機１２の端子電圧が安定したときに閉じられる。
電力供給を受けて作動する負荷５０は一般にインダクタンス成分が大きいので、界磁遮断器３６が閉じた状態では、負荷５０のインダクタンス成分によって同期発電機１２の自己励磁現象は抑制される。そこで、同期発電機１２の起動開始時に負荷遮断器５２を遮断器制御部４０による制御下で開くことで、グリッド１００から切り離された状態での自己励磁現象を利用した同期発電機１２の起動を確実に行うことができる。また、同期発電機１２の端子電圧が安定した後に負荷遮断器５２を遮断器制御部４０による制御下で閉じることで、同期発電機１２で生成された電力によって負荷５０を作動させることができる。

また、図２に示す例示的な実施形態では発電機１２は同期発電機であるが、発電機１２は誘導発電機であってもよい。
図６は、一実施形態に係る洋上発電施設１の発電機周辺の構成を示す図である。同図に示すように、発電装置１０の誘導発電機１２は、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル２Ａに接続される電機子１１２Ａと、グリッド１００を電源として利用して励磁されるように構成された界磁１１２Ｂとを含む。図６に示す例示的な実施形態では、誘導発電機１２は、海底ケーブル２Ａ，２Ｂを介してグリッド１００から励磁電流の供給を受ける電機子１１２Ａとしての固定子と、該固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された界磁１１２Ｂとしての回転子とを含む。誘導発電機１２の通常運転時、電機子１１２（固定子）Ａにはグリッド１００側から励磁電流（無効電流）が供給され、電機子１１２Ａからの電磁誘導によって界磁１１２（回転子）Ｂが励磁されるようになっている。
なお、誘導発電機１１２の界磁（回転子）１１２Ｂは、かご形回転子で構成されてもよいし、巻線形回転子で構成されてもよい。界磁（回転子）１１２Ｂが巻線形回転子で構成される場合、回転子巻線１１２Ｂに接続される可変抵抗を設け、該可変抵抗を制御することで回転子巻線１１２Ｂを流れる電流を調節可能としてもよい。

図６に示すように発電機１２が誘導発電機である場合にも、自己励磁現象を利用した発電機１２の起動が可能である。すなわち、発電装置１０がグリッド１００から切り離された状態で、遮断器１３を閉じて誘導発電機１２を無励磁で運転すると、回転子１１２Ｂの残留磁気によって発電機端子電圧Ｖ_０が生じ、海底ケーブル２Ａ，２Ｂに起因する容量性負荷Ｃに充電電流Ｉ_０が流れる。この充電電流Ｉ_０は進み電流であるため、電機子反作用（増磁作用）により発電機端子電圧はＶ_１まで高められ、これに伴って充電電流はＩ_１まで増大する。こうして、端子電圧によって進み電流が発生し、進み電流が電機子反作用（増磁作用）によって端子電圧を高めるというサイクルが繰り返され、誘導発電機１２の端子電圧は無負荷飽和曲線２００と充電特性線３００との交点Ｓまで上昇する。こうして、グリッド１００から切り離された状況下であっても、自己励磁現象を利用して誘導発電機１２を起動できる。

次に、洋上発電施設１の運転方法について説明する。図７は、発電機１２が同期発電機である場合における、一実施形態に係る洋上発電施設１の運転方法を示すフローチャートである。図８は、発電機１２が誘導発電機である場合における、一実施形態に係る洋上発電施設１の運転方法を示すフローチャートである。

発電機１２が同期発電機である場合、図７に示すように、最初に、グリッド１００から発電装置１０を切り離し（ステップＳ２）、界磁遮断器３６及び負荷遮断器５２を開く（ステップＳ４）。この状態で、原動機１１から機械的トルクを入力して、界磁１２Ｂを電機子１２Ａに対して相対的に回転させる（ステップＳ６）。これにより、界磁１２Ｂの残留磁気に起因した同期発電機１２の自己励磁現象が起き、発電機端子電圧Ｖが上昇する。
そして、ステップＳ８において、発電機端子電圧Ｖが閾値Ｖ_ｔｈ以上になったか否かを判定する。発電機端子電圧Ｖが閾値Ｖ_ｔｈ未満であれば、発電機端子電圧Ｖが閾値Ｖ_ｔｈに到達するまでステップＳ８を繰り返す。発電機端子電圧Ｖが閾値Ｖ_ｔｈ以上になったら、発電機端子電圧Ｖの過度な上昇に起因した同期発電機１２の絶縁破壊を回避するため、界磁遮断器３６を閉じる（ステップＳ１０）。なお、ステップＳ１０以降は、同期発電機１２から供給される電力によって界磁制御ユニット３４が作動し、界磁制御ユニット３４による制御下で励磁機３０からの界磁電流が界磁１２Ｂに供給される。
この後、発電機端子電圧Ｖが安定したか否かを判定する（ステップＳ１２）。発電機端子電圧Ｖが安定したら、ステップＳ１４に進んで、負荷遮断器５２を閉じる。これにより、同期発電機１２で生成された電力によって負荷５０を作動させることができる。

一方、発電機１２が誘導発電機である場合、図８に示すように、最初に、グリッド１００から発電装置１０を切り離し（ステップＳ１０２）、負荷遮断器５２を開く（ステップＳ１０４）。この状態で、原動機１１から機械的トルクを入力して、界磁１１２Ｂを電機子１２Ａに対して相対的に回転させる（ステップＳ１０６）。これにより、界磁１２Ｂの残留磁気に起因した誘導発電機１２の自己励磁現象が起き、発電機端子電圧Ｖが上昇する。
そして、ステップＳ１０８において、発電機端子電圧Ｖが安定したか否かを判定する。発電機端子電圧Ｖが安定したら、ステップＳ１１０に進んで、負荷遮断器５２を閉じる。これにより、誘導発電機１２で生成された電力によって負荷５０を作動させることができる。

以上説明したように、上述の実施形態では、発電装置１０の発電機１２の電機子１２Ａが比較的高い静電容量を有する海底ケーブル２Ａに電力変換装置を介さずに接続されている。そのため、たとえ発電機１２の界磁１２Ｂが無励磁であっても、界磁１２Ｂが電機子１２Ａに対して相対的に回転することで、界磁１２Ｂの残留磁気に起因した自己励磁現象によって発電機端子電圧が上昇する。
よって、発電機１２がグリッド１００から切り離されてグリッド１００からの電力供給が途絶えた状況下であっても発電機１２を起動できるので、非常用電源設備以外の電源として発電機１２を利用できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよく、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。

なお、本明細書において、洋上発電施設とは、海洋上に設置される発電施設のみならず、湖、フィヨルド、港湾等の海洋に類似した場所に設置される発電施設をも包含する。また、本明細書において、海底ケーブルとは、海の底に敷設されるケーブルのみならず、湖、フィヨルド、港湾等の海に類似した場所の底に敷設されるケーブルをも包含する。

１発電施設
２ローカルグリッド
３昇圧トランス
４バス
６サブステーション変圧器
１０発電装置
１１原動機
１２発電機
１２Ａ電機子
１２Ｂ界磁
１６電圧検出器
２０ＨＶＤＣ（高圧直流システム）
２２直流送電路
２４ＳＥＣ（交直変換器）
２６ＲＥＣ（直交変換器）
３０励磁機
３１界磁巻線
３２整流器
３４界磁制御ユニット
３６界磁遮断器
４０遮断器制御部
５０負荷
５２負荷遮断器
１１２Ａ電機子
１１２Ｂ界磁

Claims

海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、
各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機と、
前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、
前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットと、
前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器と、
を備える洋上発電施設であって、
各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機であり、
各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、かつ、前記界磁遮断器が開いた状態における前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動することで前記グリッドからの電力供給遮断時においても電源として利用可能に構成されたことを特徴とする洋上発電施設。
前記同期発電機の端子電圧を検出するための端子電圧検出器と、
前記グリッドから切り離された状態での前記同期発電機の起動時、前記自己励磁によって前記端子電圧が閾値まで上昇したときに前記界磁遮断器を閉じるように構成された遮断器制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の洋上発電施設。
海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設の運転方法であって、
前記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、
各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機であり、
各々の前記発電機の前記グリッドから切り離された状態、かつ、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられた界磁遮断器が開いた状態で前記界磁を前記電機子に対して相対回転させて、前記発電機を自己励磁によって起動する起動ステップを備え、
前記グリッドからの電力供給遮断時において、前記起動ステップにて起動した前記発電機を電源として利用することを特徴とする洋上発電施設の運転方法。
前記洋上発電施設は、前記発電機に負荷遮断器を介して接続される少なくとも一つの負荷をさらに備え、
前記起動ステップの後、前記負荷遮断器を閉じて前記発電機からの電力を前記少なくとも一つの負荷に供給する電力供給ステップをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の洋上発電施設の運転方法。
前記起動ステップの後、前記同期発電機の端子電圧が前記自己励磁によって閾値まで上昇したときに、前記電機子巻線からの電力が前記界磁制御ユニットに供給されるように、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる前記界磁遮断器を操作する遮断器操作ステップをさらに備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の洋上発電施設の運転方法。