JP2011239553A - 電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電力系統に影響を与えることなく、フライホイール、発電機などの構成要素を小型化、あるは、負荷に電力をより長い時間、供給できる電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、電力系統からの電力を変換する電力変換回路と、電力変換回路により変換された電力により回転する電動機と、電動機の回転により回転するフライホイールと、負荷が接続されているときに、フライホイールの回転により電力を発生し、負荷に電力を供給する発電機とを含み、発電機が負荷に接続され、発電機から負荷に電力が供給されているときに、電力変換回路から電動機に電力を供給し、電動機を回転させて、フライホイール及び発電機の回転をアシストする構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システムに係り、特に、電力系統から供給される電力を回転エネルギーとして蓄積し、蓄積した回転エネルギーを電力に変換して、負荷に供給する電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システムに関する。

例えば、核融合実験炉のプラズマ発生装置は、プラズマ発生時に非常に大きな電力を必要とする。このため、核融合実験炉のプラズマ発生装置に電力を供給するための電力供給システムは、商用電力系統、あるいは構内配電線とは電気的に隔離した状態で設置することが望ましい。例えば、核融合実験炉のプラズマ発生装置を商用電力系統、あるいは構内配電線に直接的に接続した状態で、核融合実験炉のプラズマ発生装置に電力を供給すると、商用電力系統、あるいは構内配電線に周波数変動あるいは電圧変動などの悪影響を及ぼすことになる。

このため、核融合実験炉のプラズマ発生装置に電力を供給する電力供給システムは、商用電力系統からの電力をフライホイールに回転エネルギーとして蓄積して、フライホイールに蓄積された回転エネルギーを核融合実験炉のプラズマ発生装置に供給する構成とされていた。

なおフライホイールを用いて負荷に電力を供給する電力供給システムとして、電源の異常時などの非常用電源として、定常時に、電源からの電力によりモータ兼発電機部を回転駆動することにより、フライホイールを回転させ、停電などの電源異常時に、フライホイール１１３に蓄積された回転エネルギーを、モータ兼発電機部を用いて電気エネルギーに変換して負荷に供給するフライホイール電源装置が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

また、コンピュータなどの電源として使用され、商用電源により回転駆動される電動機、電動機により回転駆動されて回転エネルギーを蓄積するフライホイール、電源異常時などにフライホイールに蓄積された回転エネルギーで発電を行い負荷に電力を供給する同期発電機を有する構成とした無停電電源装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

さらに、電力系統から供給される電力を変換してフライホイール発電機に供給する第１の電力変換回路と、電力系統から供給される電力を変換して負荷に供給する第２の電力変換回路とを並列に接続した構成とした電力供給装置が提案されている（例えば、特許文献５参照）。

また、大電力を供給する電力供給システムとしては、核融合試験装置におけるトロイダル磁場コイルに電力を供給する電力供給装置として、複数のフライホイール発電機を設け、複数のフライホイール発電機の一つを選択的に駆動加速し、複数のフライホイール発電機の一つから選択的に負荷に電力を供給する構成が提案されている（例えば、特許文献６参照）。

また、電力蓄積時には電動機として運転され、電力発生時には発電機として運転される発電電動機と、発電電動機の回転により回転され、回転エネルギーを蓄積するフライホイールとを含む電力供給システムが提案されている（例えば、特許文献７参照）。

通常は、電源からコンピュータなどの負荷に電力を供給するとともに、フライホイールを回転させる誘導機に電力を供給し、フライホイールに回転エネルギーを蓄積し、電源異常時にフライホイールにより誘導機を回転させて、コンピュータに電源を供給するフライホイール式無停電電源装置が提案されている（例えば、特許文献８参照）。

商用電源を電力変換装置で電力変換し、電力変換装置で変換された電力により交流発電電動機を回転駆動し、交流発電電動機の回転によりフライホイールを回転させ、商用電源からの電力の供給の停止を検出して、フライホイールに蓄積された回転エネルギーを交流発電電動機により電力に変換して、負荷に供給するエネルギー蓄積装置が提案されている（例えば、特許文献９参照）。

通常時は、電源から負荷に電力を供給するとともに、誘導電動機を回転駆動し、フライホイールを回転させ、フライホイールに回転エネルギーを蓄積し、停電時に、フライホイールの回転により誘導電動機を回転させて、負荷に電力を供給するフライホイール式無停電電源装置が記載されている（例えば、特許文献１０参照）。

通常時は、電力系統から負荷側に電力を供給するとともに、誘導電動機兼用誘導発電機を回転駆動し、誘導電動機兼用誘導発電機によりフライホイールを回転して、フライホイールに回転エネルギーを蓄積し、停電時に、フライホイールに蓄積された回転エネルギーを誘導電動機兼用誘導発電機から負荷側に供給するフライホイール型無停電電源装置が提案されている（例えば、特許文献１１参照）。

特開昭６０−１９７１９６号公報 特開昭６０−１９７１９７号公報 特開昭６０−１９７１９８号公報 特開昭６２−１９６０２７号公報 特開平２−７９７２９号公報 特開平２−２６９４１７号公報 特開平４−１２６２８号公報 特開２００１−１７８０２３号公報 特開２００４−２２２４５１号公報 特開２００９−１３６０６０号公報 特開２００９−３０３２８４号公報

しかし、特許文献１〜１１に記載の電力供給システムは、いずれも電力系統と負荷とが接続された構成とされている。このため、核融合実験炉のプラズマ発生装置などに大電力を供給するための電力供給システムとして用いると、電力系統に周波数変動、電圧変動などの悪影響を与えることになる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、負荷に適切に電力を供給できる電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システムを提供することを目的とする。

本発明は、電力系統からの電力を変換する電力変換回路と、電力変換回路により変換された電力により回転する電動機と、電動機の回転により回転するフライホイールと、負荷が接続されているときに、フライホイールの回転により電力を発生し、負荷に電力を供給する発電機とを含み、発電機が負荷に接続され、発電機から負荷に電力が供給されているときに、電力変換回路から電動機に電力を供給し、電動機を回転させて、フライホイール及び発電機の回転をアシストする構成としたものである。

本発明によれば、負荷に適切に電力を供給できる電力供給システムの電力供給方法、及び、電力供給システムを提供することができる。

本発明に係る電力供給システムの一実施例のシステム構成図である。 本発明に係る電力供給システムの一実施例の電力変換装置１１１のブロック構成図である。 本発明に係る電力供給システムの一実施例の動作説明図である。

図１は、本発明に係る電力供給システムの一実施例のシステム構成図を示す。
本実施例の電力供給システム１００は、図１に示すように、例えば、受電設備１１０から電力を受電し、負荷１２０である核融合実験炉のプラズマ発生装置に大電力を供給する電力供給システムである。

電力供給システム１００は、例えば、電力変換装置１１１、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４、遮断器１１５、回転検出器１１６などを含む構成とされている。受電設備１１０は、商用電力系統１３０から電力を受電し、構内配電線１４０に供給する。なお、本実施例の電力供給システム１００は、電力変換装置１１１、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４、遮断器１１５を、構内配電線１４０と負荷１２０との間に直列的に配置した構成とされおり、負荷１２０には、発電機１１４から電力が供給され、商用電力系統１３０、あるいは構内配電線１４０から直接的に負荷１２０に電力は供給されない構成とされている。

負荷１２０は、発電機１１４から電力を受け、商用電力系統１３０、構内配電線１４０から直接電力を受けることはない。よって、負荷１２０で大電力を消費しても、商用電力系統１３０、構内配電線１４０などの受電設備１１０側の設備に悪影響を与えることを防止できる。受電設備１１０は、変圧器、遮断器などを含み、商用電力系統１３０から電力の供給を受けて、変圧して、構内配電線１４０に供給する。

図２は、本発明に係る電力供給システムの一実施例の電力変換装置１１１のブロック構成図を示す。
電力変換装置１１１は、構内配電線１４０に接続されており、構内配電線１４０から電力を受電し、電動機１１２を回転駆動する装置であり、電力変換回路１２１、速度制御回路１２２、速度指令部１２３、駆動回路１２４、電流制限回路１２５などを含む構成とされている。
電力変換回路１２１は、いわゆる、コンバータから構成されており、構内配電線１４０からの交流電力を直流電力に変換して、駆動回路１２４に供給する。

速度制御回路１２２は、いわゆる、ＡＳＲ（Automatic Speed Regulator）と呼ばれる回路から構成され、電動機１１２を、いわゆる、ベクトル制御する回路である。速度指令部１２３は、指令速度に応じた速度指令信号を速度制御回路１２２に供給する。なお、速度指令信号は、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度を指示するための信号に相当する。

なお、ベクトル制御とは、電動機１１２のコイルに供給する電流を、供給される電圧に対して大きさと方向を持つベクトルの瞬時値として検知し、ベクトルの瞬時値を制御することにより、コイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に供給する電流のタイミング、大きさなどを制御する制御であり、通常は、瞬時出力トルク、鎖交磁束が制御対象となる。なお、ベクトル制御を行うことにより、負荷１２０に電力を供給するときに、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度が低下しても、電動機１１２に逆起電力が発生することはない。よって、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸を回転しつつ、電動機１１２を回転駆動しても電動機１１２に逆起電力が発生し、構内配電線１４０に悪影響を及ぼすことはない。

速度制御回路１２２は、速度指令部１２３から供給される速度指令信号と回転検出器１１６から供給される実速度信号とから指令速度と実速度の差分に応じた駆動制御信号を発生し、電流制限回路１２５を介して駆動回路１２４に供給される。
駆動回路１２４は、３相分のＩＧＢＴインバータ回路などから構成され、速度制御回路１２２から供給される駆動制御信号に基づいて３相駆動電流を生成する。駆動回路１２４で生成される３相駆動電流は、電動機１１２のコイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に供給される。

電流制限回路１２５は、速度制御回路１２２と駆動回路１２４との間に設けられ、電動機１１２のコイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に所定電流、例えば、電動機１１２の定格電流以上の電流が流れないように、駆動回路１２４から電動機１１２のコイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に供給される駆動電流を所定の上限値と所定の下限値に制限する。このため、コイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に流れる駆動電流は、所定の上限値以上、また、所定の下限値以下とはならない。

電動機１１２は、例えば、かご型３相誘導電動機などから構成されており、駆動回路１２４から供給される駆動電流がコイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に供給され、コイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3により回転磁界が発生し、かご形ロータが回転駆動される。
電動機１１２のかご型ロータは、その回転軸がフライホイール１１３の回転軸に接続されており、フライホイール１１３に回転駆動力を伝達する。

フライホイール１１３は、例えば、略円盤状、あるいは、円環状の重量物から構成されており、その回転軸は、電動機１１２の出力回転軸及び発電機１１４の回転軸に接続されている。フライホイール１１３は、電動機１１２の回転駆動力により回転し、回転エネルギーを蓄積する。なお、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸は、同じ軸であっても、別々の軸を接続した構成であってもよい。

発電機１１４は、例えば、交流同期発電機などから構成され、いわゆる、短絡発電機として作用する。発電機１１４は、コイルが遮断器１１５を介して負荷１２０に接続されている。発電機１１４は、遮断器１１５がオフしているときには、負荷１２０と電気的に切断され、開放状態となる。発電機１１４は、コイルが開放状態のときには、ロータが回転してもコイルに誘導電流は流れず、発電は行われない。
発電機１１４は、遮断器１１５がオンすると、コイルが負荷１２０に電気的に接続され、コイルに電流が発生し、負荷１２０に電力を供給する。

回転検出器１１６は、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸に設けられ、回転軸の回転速度に応じた回転検出信号を出力する。回転検出器１１６で検出した回転検出信号は、電力変換装置１１１の速度制御回路１２２に供給される。

回転検出器１１６は、例えば、磁気式、光電式など電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度を検出できる構成のものであればよい。例えば、マグネットを電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸に固定し、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転とともに回転するように構成する。

また、ホール素子を、マグネットに対向する位置に固定して配置し、ホール素子に電圧を印加し、マグネット上を通過するときにホール素子の抵抗が変化し、素子に流れる電流が変化する。この電流の変化を検出することにより回転軸の回転に応じた回転検出信号を検出する。回転検出器１１６で検出された回転検出信号は、パルス状に波形成形されて、速度制御回路１２２に供給される。
速度制御回路１２２は、回転検出器１１６からのパルスの周波数、周期などにより電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度を検出する。速度制御回路１２２は、前述したように回転検出器１１６で検出された回転速度と速度指令部１２３から供給される指令回転速度との差分に応じた電流が電動機１１２のコイルＬ1、Ｌ2、Ｌ3に流れるようにベクトル制御を行い、駆動回路１２４を構成する各ＩＧＢＴを制御する。

次に、本実施例の電力供給システム１００の動作について説明する。
図３は、本発明に係る電力供給システムの一実施例の動作説明図を示す。図３において横軸は、時間、縦軸は、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度を示す。

まず、図３に示すように時刻ｔ0で遮断器１１５をオフした状態で、電力変換装置１１１により電動機１１２を回転駆動する。このとき、フライホイール１１３及び発電機１１４は、慣性が大きいので、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度は、徐々に増加し、フライホイール１１３、及び発電機１１４に回転エネルギーが蓄積される。このとき、電動機１１２で消費される電力は、負荷１２０で消費される電力に比べて十分に小さいので、電動機１１２の回転駆動が構内配電線１４０に悪影響を与えることはない。

時刻ｔ1で、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度が必要とする電力を発生するのに十分な回転速度Ｒ1に達する。なお、回転速度Ｒ1は、速度指令部１２３により指令されている回転速度であり、例えば、５００ｒｐｍである。

時刻ｔ2で、遮断器１１５をオンすると、発電機１１４が発電を開始し、負荷１２０に電力を供給する。このとき、負荷１２０は、大電力を短時間で一気に消費するので、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸は、一気に低下する。
このとき、本実施例では、時刻ｔ2以降においても電力変換装置１１１で変換される電力を電動機１１２に供給し、電動機１１２を回転駆動続ける。これにより、電動機１１２の回転駆動力により、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸が回転駆動され、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度の低下を遅延させることが可能となる。

本実施例のように時刻ｔ2で電力変換装置１１１から電動機１１２への電力の供給を切断し、電動機１１２のロータを自由回転状態にすると、図３に一点鎖線で示すように電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度は、一気に低下することになる。

これに対して、本実施例によれば、電力変換装置１１１から電動機１１２に電力を供給し、電動機１１２を回転速度Ｒ1で、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸を回転させるように、回転制御することにより、図３に実線で示すように、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度の低下を遅延させることができる。

ここで、本実施例の電力供給システム１００の適用例について説明する。
本実施例の電力供給システム１００は、例えば、実験用核融合炉で用いられるプラズマ発生装置に電力を供給するシステムとして適用可能である。実験用核融合炉で用いられるプラズマ発生装置は、必要な電力が、例えば、数百ＭＶＡ、必要なエネルギーが、数ＧＪであり、運転時間は、数十秒〜数百秒である。

数百ＭＶＡの電力量を商用電力系統１３０から直接引き込むことはできない。このため、本実施例の電力供給システム１００により必要なエネルギーを回転エネルギーとして蓄積する。本実施例の電力供給システム１００に必要なエネルギーを回転エネルギーとして蓄積した後、一気に負荷１２０に電力を供給する。このとき、フライホイール１１３及び発電機１１４に必要となる慣性モーメントＧＤ²は、数千〜１万数千ｔ・ｍ²程度であり、回転速度は、５００ｒｐｍ程度となる。なお、ＧＤ²は、重力単位系における慣性モーメントの表現形式の一つであり、Ｇは重量、Ｄは回転直径を示している。

このとき、本実施例の電力供給方法を適用することにより、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸の回転速度の低下を遅延させることができる。よって、同等の電力を同等の期間、提供する場合には、フライホイール、及び発電機の慣性を小さくできる。同じ慣性であれば、同等の電力を長い期間、供給することができる。

また、フライホイール、及び発電機の慣性を小さくすることにより、フライホイール、及び発電機を収容する建物を小型化することができる。さらに、軸受けや支持構造物に対する負荷を低減でき、また、フライホイールへの蓄積エネルギーの維持に必要な電力を少なくできる。

なお、本実施例では、電動機１１２、フライホイール１１３、発電機１１４の回転軸を同じ軸としたが、クラッチなどを介して接続した構成であってもよく、要は、発電機１１４から負荷１２０に電力を供給するときに、電動機１１２がフライホイール１１３及び発電機１１４に接続されており、電動機１１２によりフライホイール１１３及び発電機１１４が回転駆動される構成であればよい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲で種々の実施例に適用可能であることは言うまでもない。

１００ 電力供給システム
１１０ 受電設備
１２０ 負荷
１３０ 商用電力系統
１４０ 構内配電線
１１１ 電力変換装置
１１２ 電動機
１１３ フライホイール
１１４ 発電機
１１５ 遮断器
１１６ 回転検出器
１２１ 電力変換器
１２２ 速度制御回路
１２３ 速度指令部
１２４ 駆動回路
１２５ 電流制限回路

Claims (6)

1. 電力系統から供給される電力を変換する電力変換回路と、前記電力変換回路により変換された電力により回転する電動機と、前記電動機の回転により回転するフライホイールと、前記負荷が接続されたときに、前記フライホイールの回転により回転して、電力を発生し、前記負荷に電力を供給する発電機とを含む電力システムの電力供給方法であって、
   前記発電機を前記負荷から切断した状態で、前記電力系統からの電力を前記電力変換回路に供給し、前記電力変換回路により変換された電力により前記電動機を回転させ、前記フライホイール、及び前記発電機を回転させ、前記フライホイール、及び前記発電機の回転エネルギーとして電力を蓄積する電力蓄積ステップと、
   前記発電機を前記負荷に接続することにより前記フライホイール、及び前記発電機の回転エネルギーを前記発電機により電力に変換し、前記負荷に電力を供給する電力供給ステップとを含み、
   前記電力供給ステップは、前記電力系統からの電力を前記電力変換回路に供給し、前記電力変換回路により変換された電力により前記電動機を回転させることにより前記フライホイール、及び前記発電機の回転の低下を遅延させつつ、前記負荷に電力を供給することを特徴とする電力供給システムの電力供給方法。
2. 前記電力供給ステップは、前記電動機、又は前記フライホイール、又は前記発電機の回転速度を検出する回転検出ステップと、
   前記回転検出ステップで検出された前記電動機、又は前記フライホイール、又は前記発電機の回転速度に応じて前記電動機の回転速度を制御する回転制御ステップとを含むことを特徴とする請求項１記載の電力供給システムの電力供給方法。
3. 前記電力供給ステップは、前記電力変換回路から前記電動機に供給する電流を所定の電流に制限する電流制限ステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の電力供給システムの電力供給方法。
4. 電力系統から供給される電力を回転エネルギーとして蓄積し、蓄積した回転エネルギーを電力に変換して、負荷に供給する電力供給システムであって、
   前記電力系統からの電力を変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路により変換された電力により回転する電動機と、
   前記電動機の回転により回転するフライホイールと、
   前記負荷に接続されているときに、前記フライホイールの回転により電力を発生し、前記負荷に電力を供給する発電機とを含み、
   前記発電機を前記負荷に接続し、前記発電機から前記負荷に電力を供給するときに、前記電力系統からの電力を前記電力変換回路に供給し、前記電力変換回路により変換された電力により前記電動機を回転させることにより前記フライホイール、及び前記発電機の回転の低下を遅延させつつ、前記負荷に電力を供給することを特徴とする電力供給システム。
5. 前記電動機、又は前記フライホイール、又は前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段を含み、
   前記電力変換回路は、前記回転速度検出手段により検出された回転速度に基づいて前記電動機の回転速度制御を行う速度制御回路を含むことを特徴とする請求項４記載の電力供給システム。
6. 前記電力変換回路は、前記電動機に供給する電流を所定の電流に制限する電流制限回路を含むことを特徴とする請求項４又は５記載の電力供給システム。

Images