JP6207427B2 - 好適回転速度の決定方法、発電システムの制御方法及びその制御方法を使用する発電システム - Google Patents
好適回転速度の決定方法、発電システムの制御方法及びその制御方法を使用する発電システム Download PDFInfo
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Description
ここで、エンジンコージェネレーションシステムを電力負荷に接続する場合、エンジンへの負荷が増大することから、一時的にエンジンの回転速度が低下する。そして、このような回転速度の低下に伴い、出力電力の周波数が低下する。
即ち、現状では、ガスエンジンの効率が高い回転速度で使用する、例えば、エンジンを、本来その効率が高い定格状態で運転する程度の技術しか確立されていない。
従って、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駆動源としてのエンジンとを備えた発電システムにおいて、電力負荷との関係で、その効率が高い好適運転速度で運転する動作点に関して、改良の余地がある。
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駆動源と、
交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換器と、
交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換器と、
前記第一電力変換器の直流側と前記第二電力変換器の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、
前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備え、
前記駆動源として、回転速度を調整自在なエンジンを備えた発電システムにおける前記電力負荷に所定の電力負荷量Ploadを供給する場合の前記エンジンの好適回転速度の決定方法であって、
任意の回転速度ω及び任意の電力負荷量Ploadに対する二次励磁誘導発電機の損失である発電機損失Plossの関係を示す発電機損失指標を使用して、前記所定の電力負荷量Pload及び仮回転速度ωで、発電システムを運転した場合の発電機損失Plossを求める発電機損失導出工程と、
前記発電機損失導出工程で導出された発電機損失Plossに基づいて、発電機効率ηd及び前記エンジンから前記二次励磁誘導発電機に入力される駆動用の機械入力Pmを導出する発電機効率・機械入力導出工程と、
前記発電機効率・機械入力導出工程で導出される機械入力Pmと前記仮回転速度ωから二次励磁発電機にかかるトルクTを導出するトルク導出工程と、
前記トルク導出工程で導出されるトルクTと前記仮回転速度ωから、エンジン効率ηeを求めるエンジン効率導出工程とを実行し、
前記発電機効率・機械入力導出工程で導出された発電機効率ηdと、前記エンジン効率導出工程で導出されたエンジン効率ηeから、その積値ηd×ηeとしての発電システム総合効率ηを導出する総合効率導出工程とを、前記所定の電力負荷量Pload、異なった仮回転速度ωで順次実行し、
順次導出される前記仮回転速度ωに対する前記発電システム総合効率ηが最大となる仮回転速度ωを、前記所定の電力負荷量を電力負荷に供給する場合の好適回転速度ωとする点にある。
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駆動源と、
交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換器と、
交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換器と、
前記第一電力変換器の直流側と前記第二電力変換器の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、
前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備え、
前記駆動源として、回転速度を調整自在なエンジンを備えた発電システムであって、
任意の回転速度ω及び任意の電力負荷量Ploadに対する二次励磁誘導発電機の損失である発電機損失Plossの関係を示す発電機損失指標と、前記エンジンの回転速度とトルクとに対するエンジン効率の関係を示すエンジン効率指標とを記憶した記憶部と、
前記記憶部に記憶された発電機損失指標を使用して、前記所定の電力負荷量Pload及び仮回転速度ωで運転した場合の発電機損失Plossを求める発電機損失導出部と、
前記発電機損失導出部で導出された発電機損失Plossに基づいて、発電機効率ηd及び前記エンジンから前記二次励磁誘導発電機に入力される駆動用の機械入力Pmを導出する発電機効率・機械入力導出部と、
前記発電機効率・機械入力導出部で導出される機械入力Pmと前記仮回転速度ωから二次励磁発電機にかかるトルクTを導出するトルク導出部と、
前記トルク導出部で導出されるトルクTと前記仮回転速度ωから、前記記憶部に記憶されたエンジン効率指標を使用してエンジン効率ηeを求めるエンジン効率導出部と、
前記発電機効率・機械入力導出部で導出された発電機効率ηdと、前記エンジン効率導出部で導出されたエンジン効率ηeから、その積値ηd×ηeとしての発電システム総合効率ηを導出する総合効率導出部とを備え、
前記所定の電力負荷量Pload、異なった仮回転速度ωで前記発電システム総合効率を求めるとともに、
順次導出される前記仮回転速度ωに対する前記発電システム総合効率ηが最大となる仮回転速度ωを、前記所定の電力負荷量を電力負荷に供給する場合の好適回転速度ωとする好適回転速度決定部を備える点にある。
結果、電力負荷量の電力を最も高い効率で発電できる回転速度を得て、発電システムを良好に運転できる。
請求項1の好適回転速度決定方法で決定される好適回転速度を目標回転速度とし、
前記エンジンを前記目標回転速度で駆動するとともに、外部の電力系統からの電力の供給を受けることなく、前記蓄電装置からの電力供給により、前記電力負荷に所望の目標周波数の出力電力を供給する自立運転に関して、
前記切替スイッチが開状態とされ前記一次巻線が前記電力負荷に接続されていない無負荷状態で、前記エンジンを前記目標回転速度よりも速い無負荷時回転速度で駆動するとともに、前記一次巻線の出力電力を前記目標周波数の出力電力に制御する待機運転工程を実行し、
その後、前記切替スイッチを閉状態として前記一次巻線を前記電力負荷に接続する負荷接続工程を実行する点にある。
請求項3の好適回転速度決定部で決定される好適回転速度を目標回転速度とし、
前記エンジンを前記目標回転速度で駆動するとともに、外部の電力系統からの電力の供給を受けることなく、前記蓄電装置からの電力供給により、前記電力負荷に所望の目標周波数の出力電力を供給する自立運転を行う自立運転制御部が、
前記切替スイッチが開状態とされ前記一次巻線が前記電力負荷に接続されていない無負荷状態で、前記エンジンを前記目標回転速度よりも速い無負荷時回転速度で駆動するとともに、前記一次巻線の出力電力を前記目標周波数の出力電力に制御する待機運転工程を実行する待機運転制御部と、
その後、前記切替スイッチを閉状態として前記一次巻線を前記電力負荷に接続する負荷接続工程を実行する負荷接続制御部とを備える点にある。
すなわち、上記特徴構成によれば、二次励磁誘導発電機の特性を活用しながら、自立運転時において、電力負荷に接続する際の出力電力の周波数の低下を抑制できる。そして、この周波数の低下の抑制は、出力電力の周波数を短時間で目標周波数を収束させることに寄与する。その結果、発電効率の低下を防止しながら出力電力の周波数の低下を防止することが可能となるため、より大きな電力負荷に接続することが可能となり、非常用電源としての価値が向上する。
図1は、制御装置100(図2参照)の制御対象となる発電システム1を示す。この発電システム1は、二次励磁誘導発電機(二重給電巻線型誘導発電機)2と、ガスエンジン3と、第一電力変換器11と、第二電力変換器12と、蓄電装置5と、第一スイッチ21と、第二スイッチ22と、第三スイッチ23とを備えている。そして、二次励磁誘導発電機2は、電力系統(商用電力系統)4と同じ周波数(例えば、50[Hz]や60[Hz])の電力(三相の交流電力)を発電し、当該電力を、電力を消費する負荷7や電力系統4に供給することが可能に構成されている。ガスエンジン3は回転速度制御部103から目標回転速度ω*(目標回転速度指令)を受けて駆動される。なお、負荷7としては、例えば、冷暖房設備が備える室内機や室外機、或いは電灯等がある。本実施形態では、第三スイッチ23及び負荷7が、それぞれ、本発明における「切替スイッチ」及び「電力負荷」に相当する。
ここで、回転子2aの回転周波数f0は、回転子2aの回転速度をm[rpm]とし、二次励磁誘導発電機2の磁極数をnとして、「f0=m×n/120」から求まる。
次に、制御装置100の構成について、図2に基づいて詳細に説明する。ここで、図2に示すように、二次励磁誘導発電機2の一次側に発生する有効電力及び無効電力を、それぞれ、第一有効電力P1及び第一無効電力Q1とする。また、二次励磁誘導発電機2の二次側に供給される有効電力及び無効電力を、それぞれ、第二有効電力P2及び第二無効電力Q2とする。さらに、二次励磁誘導発電機2の一次側から第一電力変換器11側に供給される有効電力及び無効電力を、それぞれ、第三有効電力P3及び第三無効電力Q3とする。そして、図2におけるこれらの電力の流れを示す矢印は、当該電力の値が正の場合の流れ方向を示している。なお、本例では、無効電力の正負に関して、遅れ無効電力(遅れ位相の無効電力)が正の場合を正とし、遅れ無効電力が負の場合を負としている。ここで、「遅れ無効電力が正」とは、電流が電圧に対して位相が進んでいる場合を意味し、「遅れ無効電力が負」とは、電流が電圧に対して位相が遅れている場合を意味する。なお、抵抗成分が無視できる場合には、電流と電圧の位相差は90度となる。
第二制御部102は、第二電力変換器12の動作(具体的には、第二電力変換器12が備えるスイッチング素子のスイッチング動作)を制御する機能部である。第二制御部102は、第二電力変換器12の動作を制御し、第二電力変換器12が発生した交流電力を回転子2aが備える二次巻線に供給することが可能に構成されている。すなわち、第二制御部102は、第二電力変換器12により回転子2aの二次巻線を励磁する工程(以下、「二次側励磁工程」という。)を実行する二次側励磁手段として機能する。
第一制御部101は、第一電力変換器11の動作(具体的には、第一電力変換器11が備えるスイッチング素子のスイッチング動作)を制御する機能部である。第一制御部101は、第一電力変換器11の動作を制御し、第一電力変換器11が発生した交流電力を、固定子2bが備える一次巻線に供給することが可能に構成されている。すなわち、第一制御部101は、第一電力変換器11により固定子2bの一次巻線を励磁する工程(以下、「一次側励磁工程」という。)を実行する一次側励磁手段として機能する。
自立運転とは、ガスエンジン3を目標回転速度で駆動するとともに、電力系統4からの電力の供給を受けることなく、蓄電装置5からの電力供給により、負荷7に目標周波数(50〔Hz〕又は60〔Hz〕)の出力電力を供給するための運転である。この自立運転については、自立運転制御部としての制御装置100が行うように構成されている。
以下では、図4を参照して、電力供給の対象となる負荷7に対応して、発電システム1を、その好適な効率(ほぼ最高の効率)で運転するため、本願独特の回転速度の決定方法に関して述べるとともに、図7を参照して、制御装置100において実行される発電システム1の自立起動から負荷7に接続するまでの制御(自立運転の制御)について説明する。ここでは、自立起動において接続される負荷7の電力負荷量は予め判明しているとして説明する。この種の電力負荷量としては、所謂「重要負荷」の電力負荷量が例示される。
以下、所定の電力負荷量に対応して、発電システム1を最も総合発電効率の高い状態で運転するために、本願発電システム1が備える構成に関して説明する。
この好適回転速度決定部150により決定される好適回転速度ω*が、回転速度制御部103からガスエンジン3に指令される「目標回転速度ω*」となる。
この記憶部151に記憶された発電機損失指標M1を使用して、前記所定の電力負荷量Pload及び仮回転速度ωで発電システムを運転した場合の発電機損失Plossを求める発電機損失導出部152と、
発電機損失導出部153で導出された発電機損失Plossに基づいて、発電機効率ηd及びエンジンから二次励磁誘導発電機に入力される駆動用の機械入力Pmを導出する発電機効率・機械入力導出部154と、
発電機効率・機械入力導出部154で導出される機械入力Pmと前記仮回転速度ωから二次励磁発電機にかかるトルクTを導出するトルク導出部155と、
トルク導出部155で導出されるトルクTと前記仮回転速度ωから、記憶部151に記憶されたエンジン効率指標M2を使用してエンジン効率ηeを求めるエンジン効率導出部156と、
発電機効率・機械入力導出部154で導出された発電機効率ηdと、前記エンジン効率導出部156で導出されたエンジン効率ηeから、その積値ηd×ηeとしての発電システム総合効率ηを導出する総合効率導出部157とが備えられている。
以下の表1に、この発電機損失指標M1の一例を示した。
同表において、列は回転速度〔rpm〕を、行は電力負荷量〔W〕を示している。内部の各要素が発電機損失〔W〕を示している。
また、シミュレーションソフトとしては「PSCAD/EMTDC」(Manitoba HVDC Research Centre Inc.製)を用いて計算した。
エンジン効率指標M2の例は、図5(b)、図6(b)に示す図のような指標であり、横軸が回転速度〔rpm〕を示し、縦軸がトルク〔N・m〕に対応している。そしてエンジン効率ηe(ηe<ηeb<ηec<ηd・)は、同図に概略楕円内の領域として示されており、アルファベットが進むに従って、エンジン効率が高くなる領域を示している。
図4は、決定に際して実行される処理フローを示す。
先ず、決定の対象とする電力負荷量Ploadを取り込む(ステップ#1)。
この電力負荷量Ploadとしては、例えば、停電時に給電することが必要となる重要負荷のみに対する給電量、或いは、所定の時間帯ごとに給電することが必要とされると予想される予想給電量が該当する。
判定条件を満たしていると判定した場合(ステップ#8:yes)は、その判断段階の仮回転速度ωを、前記所定の電力負荷量を負荷7に供給する場合の好適回転速度ω*とする(ステップ#10)。
一方、判定条件を満たしていないと判定した場合(ステップ#8:no)は、仮回転速度ωの補正を行い(ω=ω+Δω)、再度、ステップ#3〜ステップ#8を、山登り法に
従って繰り返す。
結果、山登り法により、総合効率ηを最大とする回転速度ω*を得ることができる。この回転速度ω*は、ガスエンジン3に対する回転速度の指令値ω*となる。
さらに、探索幅を0.5倍ずつ狭めていきながら探索を繰り返し、決められた回数(例えば:20回)または前回の符号が反転するまでの探索での最高効率点とする。この収束条件としては、現在の効率を比較して、効率向上幅がΔηがある値未満(例:Δη<+1
.0%)の場合に収束したと判断できる。
結果、山登り法による、好適回転速度の探測(収束)を良好に行なえる。
以下、目標回転速度とする前の待機運転工程、負荷接続工程に関して、図7〜図10を使用して説明する。
図7に示すように、制御装置100は、第一電力変換器11及び第二電力変換器12の内の第二電力変換器12のみを第二制御部102により作動させ、昇圧工程を実行する(ステップ#1)。ここで、「昇圧工程」とは、二次側励磁工程により一次側電圧v1を一次側電圧指令値V1*まで昇圧させる昇圧処理を行う工程である。すなわち、「昇圧工程」の実行後に、一次側電圧v1と一次側電圧指令値V1*とが等しくなる。この昇圧工程において、第二制御部102は、上述した電圧フィードバック制御を実行する。
制御装置100は、遅延型一次側電圧確立工程(ステップ#1及びステップ#2)の実行によって一次側電圧v1が確立され、自立運転状態になると、第三スイッチ23が開状態で負荷7に接続されていない無負荷状態で、ガスエンジン3を目標回転速度よりも速い無負荷時回転速度で駆動するとともに、二次励磁誘導発電機2の一次巻線の出力電力を目標周波数の出力電力に制御する待機運転工程を実行する(ステップ#3)。制御装置100の回転速度制御部103、第一制御部101、及び、第二制御部102を備えた制御装置100により、待機運転工程を実行するように構成されている。制御装置100内に備えられる待機運転工程を実行させる制御機能部位を「待機運転制御部110」と呼ぶ。
図10を用いて、待機運転工程における好適な無負荷時回転速度の設定について説明する。図10は、電力負荷接続時の発電システム1の出力電力の周波数f1の低下を5%以内に収めることを目標とした場合の、好適なガスエンジン3の無負荷時回転速度を示すグラフ図である。なお、図10に係る発電システム1において、ガスエンジン3の最大回転速度は1500[rpm]である。
図10において、機械的な制約により回転速度が制限される図10(iii)の範囲では、電力負荷接続時の発電システム1の出力電力の周波数f1は、負荷率の増加に伴って、目標の範囲(5%)を超えて低下する。
そして、負荷率が60%となる図10(iv)において、電力負荷接続時の発電システム1の出力電力の周波数f1の低下は、許容限界である15%に達する。このため、発電システム1では、負荷率が60%を超える電力負荷の接続は認めない。従って、図10(iv)を超える範囲では、回転速度は記されておらず(図10(v))、境界となる図10(iv)が、発電システム1に接続できる電力負荷の限界を示す負荷率となる。
最後に、本発明に係るその他の実施形態を説明する。なお、以下の各々の実施形態で開示される特徴は、その実施形態でのみ利用できるものではなく、矛盾が生じない限り、別の実施形態にも適用可能である。
2 二次励磁誘導発電機
2a 回転子
2b 固定子
3 ガスエンジン
4 電力系統
5 蓄電装置
7 負荷(電力負荷)
11 第一電力変換器
12 第二電力変換器
13 直流部23 第三スイッチ(切替スイッチ)
100 制御装置
f1 出力電力の周波数
v1 一次側電圧
v2 二次側電圧
Claims (4)
- 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駆動源と、
交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換器と、
交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換器と、
前記第一電力変換器の直流側と前記第二電力変換器の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、
前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備え、
前記駆動源として、回転速度を調整自在なエンジンを備えた発電システムにおける前記電力負荷に所定の電力負荷量Ploadを供給する場合の前記エンジンの好適回転速度の決定方法であって、
任意の回転速度ω及び任意の電力負荷量Ploadに対する二次励磁誘導発電機の損失である発電機損失Plossの関係を示す発電機損失指標を使用して、前記所定の電力負荷量Pload及び仮回転速度ωで発電システムを運転した場合の発電機損失Plossを求める発電機損失導出工程と、
前記発電機損失導出工程で導出された発電機損失Plossに基づいて、発電機効率ηd及び前記エンジンから前記二次励磁誘導発電機に入力される駆動用の機械入力Pmを導出する発電機効率・機械入力導出工程と、
前記発電機効率・機械入力導出工程で導出される機械入力Pmと前記仮回転速度ωから二次励磁発電機にかかるトルクTを導出するトルク導出工程と、
前記トルク導出工程で導出されるトルクTと前記仮回転速度ωから、エンジン効率ηeを求めるエンジン効率導出工程とを実行し、
前記発電機効率・機械入力導出工程で導出された発電機効率ηdと、前記エンジン効率導出工程で導出されたエンジン効率ηeから、その積値ηd×ηeとしての発電システム総合効率ηを導出する総合効率導出工程とを、前記所定の電力負荷量Pload、異なった仮回転速度ωで順次実行し、
順次導出される前記仮回転速度ωに対する前記発電システム総合効率ηが最大となる仮回転速度ωを、前記所定の電力負荷量を電力負荷に供給する場合の好適回転速度ωとする好適回転速度の決定方法。 - 請求項1の好適回転速度決定方法で決定される好適回転速度を目標回転速度とし、
前記エンジンを前記目標回転速度で駆動するとともに、外部の電力系統からの電力の供給を受けることなく、前記蓄電装置からの電力供給により、前記電力負荷に所望の目標周波数の出力電力を供給する自立運転に関して、
前記切替スイッチが開状態とされ前記一次巻線が前記電力負荷に接続されていない無負荷状態で、前記エンジンを前記目標回転速度よりも速い無負荷時回転速度で駆動するとともに、前記一次巻線の出力電力を前記目標周波数の出力電力に制御する待機運転工程を実行し、
その後、前記切替スイッチを閉状態として前記一次巻線を前記電力負荷に接続する負荷接続工程を実行する発電システムの制御方法。 - 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駆動源と、
交流側が前記一次巻線に接続された第一電力変換器と、
交流側が前記二次巻線に接続された第二電力変換器と、
前記第一電力変換器の直流側と前記第二電力変換器の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、
前記一次巻線と電力負荷とを選択的に接続する切替スイッチと、を備え、
前記駆動源として、回転速度を調整自在なエンジンを備えた発電システムであって、
任意の回転速度ω及び任意の電力負荷量Ploadに対する二次励磁誘導発電機の損失である発電機損失Plossの関係を示す発電機損失指標と、前記エンジンの回転速度とトルクとに対するエンジン効率の関係を示すエンジン効率指標とを記憶した記憶部と、
前記記憶部に記憶された発電機損失指標を使用して、前記所定の電力負荷量Pload及び仮回転速度ωで運転した場合の発電機損失Plossを求める発電機損失導出部と、
前記発電機損失導出部で導出された発電機損失Plossに基づいて、発電機効率ηd及び前記エンジンから前記二次励磁誘導発電機に入力される駆動用の機械入力Pmを導出する発電機効率・機械入力導出部と、
前記発電機効率・機械入力導出部で導出される機械入力Pmと前記仮回転速度ωから二次励磁発電機にかかるトルクTを導出するトルク導出部と、
前記トルク導出部で導出されるトルクTと前記仮回転速度ωから、前記記憶部に記憶されたエンジン効率指標を使用してエンジン効率ηeを求めるエンジン効率導出部と、
前記発電機効率・機械入力導出部で導出された発電機効率ηdと、前記エンジン効率導出部で導出されたエンジン効率ηeから、その積値ηd×ηeとしての発電システム総合効率ηを導出する総合効率導出部とを備え、 前記所定の電力負荷量Pload、異なった仮回転速度ωで前記発電システム総合効率ηを求めるとともに、
順次導出される前記仮回転速度ωに対する前記発電システム総合効率ηが最大となる仮回転速度ωを、前記所定の電力負荷量を電力負荷に供給する場合の好適回転速度ωとする好適回転速度決定部を備えた発電システム。 - 請求項3の好適回転速度決定部で決定される好適回転速度を目標回転速度とし、
前記エンジンを前記目標回転速度で駆動するとともに、外部の電力系統からの電力の供給を受けることなく、前記蓄電装置からの電力供給により、前記電力負荷に所望の目標周波数の出力電力を供給する自立運転を行う自立運転制御部が、
前記切替スイッチが開状態とされ前記一次巻線が前記電力負荷に接続されていない無負荷状態で、前記エンジンを前記目標回転速度よりも速い無負荷時回転速度で駆動するとともに、前記一次巻線の出力電力を前記目標周波数の出力電力に制御する待機運転工程を実行する待機運転制御部と、
その後、前記切替スイッチを閉状態として前記一次巻線を前記電力負荷に接続する負荷接続工程を実行する負荷接続制御部とを備える発電システム。
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