JP2012139072A - ターボチャージャ発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の負荷変動に対して良好な追従性を有し、効率的且つ安定的に電力を発電可能なターボチャージャ発電装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ発電装置（１）は、内燃機関（２）の排気ガスでガスタービン（３）及びコンプレッサ（６）を駆動することにより、発電機（７）で発電する。発電された交流電力は電力変換手段（８）を介して電力系統（１２）に供給される。電力変換手段（８）は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１３）と、ロータ磁束に基づいてロータ回転角θを推定する手段（１８）と、ロータ回転角θを基準として交流電流を直流電流に座標変換し、該直流電流の大きさが目標直流電流値に保たれるようにコンバータ（１３）の出力直流電力を制御する制御手段（１５）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスでガスタービン及びコンプレッサを駆動することにより、前記内燃機関に吸気を圧縮供給すると共に、前記コンプレッサの軸端に連結された発電機を駆動して発電した交流電力を、電力変換手段を介して電力系統に供給するターボチャージャ発電装置の技術分野に関する。
例えば内燃機関から排出される排気ガスを利用してガスタービン及びコンプレッサを駆動することにより、内燃機関に吸気を圧縮供給して内燃機関の出力向上を図ると共に、コンプレッサの駆動で余剰したエネルギーを用いて発電機で発電するターボチャージャ発電装置が知られている。発電機からの出力電力は内燃機関の動作状態（排気ガスのエネルギー）に応じて変動するため、発電機で発電された電力はインバータなどからなる電力変換手段にて適切な周波数及び電圧値に変換されて、電力系統に供給される。
例えば特許文献１に開示されたターボチャージャ発電装置では、検出値に基づいて発電機の回転速度をフィードバック制御することによって、回転速度を適切な値に維持し、ターボチャージャによる吸気圧の向上を図りつつ、余剰エネルギーを利用して発電機で効率的な発電ができるとされている。
特開２００８−２８６０１６号公報
上記特許文献１では発電機の回転速度を所定値に維持することによって、出力電力の制御を図っている。しかしながら、内燃機関では、負荷が変動すると内燃機関が効率的に動作可能な回転数（最適回転数）が変動するため、特許文献１のように回転数を所定値に維持するように制御すると、最適回転数からズレ、エネルギーの利用効率が悪化してしまう。つまり、特許文献１では出力電力を回転数に基づいて制御しているため、負荷変動時に良好な追従性が得られないという問題点がある。
また、船舶などのように複数の発電機を備えており、その中の発電機にターボチャージャ発電装置を適用する場合には、ターボチャージャ発電装置と他の発電機との協調を図ることにより、電力系統への供給電力を調整する必要がある。特許文献１では、このような協調制御下における制御について何ら考慮されていない。特に、上述したように負荷変動時における追従性が良好でないために、電力系統への供給電力が過大になった場合に作動させる保護回路を設ける必要が生じ、全体構成が複雑化してしまうという問題点がある。
また、特許文献１では電動機の出力電圧波形に基づいて回転速度の検知を行っているが、発電機が低速回転時には電圧振幅は微小であり、検知が困難である。そのため、電力系統への同期投入時など、発電機の低速回転時における制御精度の確保が難しいという問題点がある。
また、特許文献１では、発電機の回転速度を検出するために速度検出器や周波数検出手段を設ける必要がある。そのため、検出機器や制御回路が複雑化し、容易に実施できないという問題点もある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、内燃機関の負荷変動に対して良好な追従性を有し、効率的且つ安定的に電力を発電可能なターボチャージャ発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係るターボチャージャ発電装置は上記課題を解決するために、内燃機関から排出される排気ガスでガスタービン及びコンプレッサを駆動することにより、前記内燃機関に吸気を圧縮供給すると共に、前記コンプレッサの軸端に連結された発電機を駆動して発電した交流電力を、電力変換手段を介して電力系統に供給するターボチャージャ発電装置において、前記電力変換手段は、前記発電機で発電された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、前記発電機のロータ磁束に基づいて前記発電機のロータ回転角を推定するロータ回転角推定手段と、前記推定されたロータ回転角を基準として、前記発電機から出力された交流電流を直流電流に座標変換し、該直流電流の大きさが前記コンバータの出力直流電圧値に基づいて設定された目標直流電流値に保たれるように前記コンバータの出力直流電力を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、発電機のロータ磁束に基づいて推定されたロータ回転角を基準として、発電機から出力された交流電流を直流電流に座標変換することにより、時間的に刻々と変動する交流電流に対して実質的にフィードバック制御を行うことができる。このような制御は、座標変換された直流電流の大きさがコンバータの出力直流電圧値に基づいて設定された目標直流電流値に保たれるように行われる。これにより、コンバータの出力電力の安定化を図ることができ、負荷変動が生じた場合でも良好な追従性を得ることができる。
特に前記目標直流電流値は、前記コンバータの出力直流電圧値が予め設定された目標直流電圧値に保たれるように設定されているとよい。この場合、電力系統および連系インバータに適した直流電圧値に、コンバータの出力直流電圧値が維持されるように出力電力を制御できる。
好ましくは、前記ロータ回転角推定手段は、前記発電機の出力交流電流に基づいて前記ロータ磁束を算出するとよい。この場合、電動機の出力交流電流の回路定数（インダクタンスや抵抗値など）に基づいてロータ回転角を精度よく算出することができる。
また、前記コンバータは前記発電機の出力端子を短絡させるためのスイッチング手段を含んでおり、前記制御手段は、前記発電機を同期投入する場合に、前記スイッチング手段を駆動することによって前記発電機の出力端子を所定期間短絡させるとよい。コンバータによる発電機の同期投入前には発電機電流が流れておらず、ロータ磁束の算出はできないが、発電機の出力端子を短絡させたことによって流れた電流によって、ロータ回転角を精度よく算出することができる。
本発明によれば、発電機のロータ磁束に基づいて推定されたロータ回転角を基準として、発電機から出力された交流電流を直流電流に座標変換することにより、時間的に刻々と変動する交流電流に対して実質的にフィードバック制御を行うことができる。このような制御は、座標変換された直流電流の大きさがコンバータの出力直流電圧値に基づいて設定された目標直流電流値に保たれるように行われる。これにより、コンバータの出力電力の安定化を図ることができ、負荷変動が生じた場合でも良好な追従性を得ることができる。
第１実施例に係るターボチャージャ発電装置を搭載した船舶の全体構成を示すブロック図である。 第１実施例に係るターボチャージャ発電装置が備える電力変換器の内部構造を示すブロック図である。 電力変換器の制御部の動作フローを回路ブロック毎に示すブロックフロー図である。 第２実施例に係るターボチャージャ発電装置が備える電力変換器の内部構造を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例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に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
［第１実施例］
本実施例では本発明に係るターボチャージャ発電装置１を搭載した船舶１００を例に説明する。図１は、第１実施例に係るターボチャージャ発電装置１を搭載した船舶１００の全体構成を示すブロック図である。ターボチャージャ発電装置１は、船舶１００の動力源として内燃機関２を有しており、内燃機関２は例えばディーゼルエンジンである。内燃機関２から排出される排気ガスはガスタービン３が設置された排気通路４を通って外部に放出される。ガスタービン３は排気ガスによって回転駆動され、排気ガスが有するエネルギーがガスタービン３の出力軸の回転エネルギーに変換される。ガスタービン３の出力軸には、内燃機関２に外気を取り込むための吸気通路５に設置されたコンプレッサ６の入力軸が連結されており、ガスタービン３の出力軸から伝達された回転エネルギーによって回転駆動される。これにより、コンプレッサ６は吸気通路５から取り込まれた外気を内燃機関２に圧縮供給する。
ガスタービン３の出力軸にはコンプレッサ６に加えて発電機７の入力軸が連結されている。電動機７はガスタービン３の出力軸から伝達された回転エネルギーによって回転駆動され発電を行う。これにより、内燃機関２の排気ガスの有する余剰エネルギーを電力として回収し、ターボチャージャ発電装置１のエネルギー効率の向上が図られている。
本実施例では、発電機７は永久磁石式同期発電機であるが、巻線界磁式同期発電機を用いてもよい。
発電機７で発電された交流電力は、ガスタービン３の回転数に対応する所定周波数を有するため、排気ガスのエネルギーが変動すると交流電力の周波数もまた変動する。そのため、発電機７で発電された交流電力は電力変換器８に入力されることによって適切な周波数に変換された後、電力系統１２に供給される。電力系統１２には例えば船内の照明などの電装系である船内負荷９が接続されており、発電電力が消費される。
また、電力系統１２には前記発電機７に加えて他の船内発電機１０が少なくとも一つ接続されており、発電機７及び船内発電機１０のそれぞれの出力電力を制御するための電力マネジメントコントローラ１１が設けられている。電力マネジメントコントローラ１１は発電機７及び船内発電機１０に対して指令を送信することによって、それぞれの出力電力を制御する。
続いて図２を参照して、第１実施例に係るターボチャージャ発電装置１が備える電力変換器８の内部構造について具体的に説明する。図２は第１実施例に係るターボチャージャ発電装置１が備える電力変換器８の内部構造を示すブロック図である。
電力変換器８はＰＷＭ整流器であるコンバータ１３、ＰＷＭインバータである系統連系インバータ１４、コンバータ１３の出力直流電圧ＶｄｃをＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６を供給することによって制御する制御部１５を含んでなる。本実施例では特に、発電機７で発電された交流電力は三相の交流電力であり、電力変換器８に入力された三相の交流電力は、まずコンバータ１３において直流電力に一旦変換された後、系統連系インバータ１４に入力されることにより再度交流化される。これにより、内燃機関の駆動状態に応じて発電機７からの交流電力が変動した場合であっても、電力変換器８で適切な電力値に変換されることにより、船内電力負荷９に適した電力を得ることができるように構成されている。
図３は電力変換器８の制御部１５の動作フローを回路ブロック毎に示すブロックフロー図である。制御部１５は発電機７から出力される三相の交流電流値ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを取得し、三相／二相変換器１６に入力する。ここで、電力変換器８は、発電機７から出力される三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電力のうち、二相分の交流電流値ＩＲ、ＩＳを検出し、残りの一相分の交流電流値ＩＴをＩＲ、ＩＳから演算により算出してもよい。
三相／二相変換器１６は、入力された交流電流値ＩＲ、ＩＳ、ＩＴのいずれか一相を基準に座標変換することによって三相の交流電流値ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを二相（α相とβ相）の交流電流値Ｉα、Ｉβに変換し、回転／固定変換器１７に入力する。ここでは、ＩＲを基準に二相変換したものとして説明を進めることとする。
回転／固定変換器１７は、入力された交流電流値Ｉα、Ｉβを、発電機７のロータ回転角θを基準として更に座標変換することによって、ｄ軸及びｑ軸に対応する直流電流値Ｉｄ、Ｉｑに変換する。ここで、発電機７のロータ角θは磁束推定器１８において算出されるロータ磁束に基づいて推定される。磁束推定器１８では、交流電流値Ｉα、Ｉβ、回路定数（インダクタンス、抵抗）及びコンバータの出力電圧Ｖα、Ｖβから次の２式に示すように、磁束Φの余弦関数及び正弦関数である変数がそれぞれ求められる。
Figure 2012139072
このように算出された変数Φｃｏｓθ及びΦｓｉｎθの変化周波数はロータ回転周波数の極対数倍となるため、位相同期ループを利用してロータ回転角θを精度よく推定することができる。
ここで、コンバータ１３の出力直流電圧Ｖｄｃには、その目標値としてＶｄｃ ＊が予め設定されている。目標値Ｖｄｃ ＊は、例えば連系インバータが出力電圧を系統電圧に適合させるのに適した値に設定される。直流電圧ＰＩ制御器１９は、実測値Ｖｄｃと目標値Ｖｄｃ ＊とに基づいて、回転／固定変換器１７の出力直流電流値Ｉｑの目標値Ｉｑ ＊を出力する。直流電圧ＰＩ制御器１９の具体的な回路構成としては、例えば、実測値Ｖｄｃと目標値Ｖｄｃ ＊とを減算器で減算して制御偏差εを求め、制御偏差εを乗算器にて比例ゲインＫPと乗算した項と、制御偏差εを積分器と比例ゲインＫIで乗算した項を加算することによって、目標値Ｉｑ ＊が得られるように構成するとよい。
一方、回転／固定変換器１７の出力直流電流値Ｉｄの目標値Ｉｄ ＊は回転子発生磁束の弱め磁束制御を実施する場合には所定の定数が設定される。尚、目標値Ｉｄ ＊は通常ゼロに設定されることが多い。
電流ＰＩ制御器２０は、回転／固定変換器１７の出力直流電流値Ｉｑと、直流電圧ＰＩ制御器１９から出力された目標値Ｉｑ ＊とに基づいて、コンバータの出力直流電圧Ｖｄｃのｑ軸に対応する目標値Ｖｑ ＊を出力する。また、電流ＰＩ制御器２０は、回転／固定変換器１７の出力直流電流値Ｉｄと、その目標値Ｉｄ ＊とに基づいて、コンバータ１３の出力直流電圧Ｖｄｃのｄ軸に対応する目標値Ｖｄ ＊を出力する。電流ＰＩ制御器２０の具体的な構成回路としては、上述の直流電圧ＰＩ制御器１９と同様である。
電流ＰＩ制御器２０から出力された目標値Ｖｑ ＊及びＶｄ ＊は、固定／回転変換器２１に入力される。固定／回転変換器２１は、回転／固定変換器１７とは逆に、入力された直流の目標値Ｖｑ ＊及びＶｄ ＊を磁束推定器１８から取得したロータ角θを基準として座標変換することによって、交流の目標値Ｖα ＊及びＶβ ＊に変換し、二相／三相変換器２２に出力する。
二相／三相変換器２２は、三相／二相変換器１６とは逆に、入力された二相交流の目標値Ｖα ＊及びＶβ ＊を三相交流の目標値ＶＲ ＊及びＶＳ ＊及びＶT ＊に変換し、ＰＷＭ信号発生器２３に入力する。ＰＷＭ信号発生器２３では、入力された三相交流の目標値ＶＲ ＊及びＶＳ ＊及びＶT ＊に基づいて、パルス幅変調（ＰＷＭ）を施し、制御信号Ｓ１〜Ｓ６を発生させ、コンバータ１３に供給する。
コンバータ１３は制御信号Ｓ１〜Ｓ６に基づいて制御されることにより、出力直流電圧Ｖｄｃがその目標値Ｖｄｃ ＊となるように制御される。これにより、電力系統１２への供給電力が適切な値に維持することができる。そのため、仮に内燃機関２の負荷が変動した場合であっても、電力値を維持するようにコンバータ１３が制御されるため、良好な追従性を得ることができる。
尚、本実施例ではこのように発電機７の出力電力を制御することに特徴があるが、磁束推定器１８において推定されたロータ回転角θからロータ回転数が算出可能であるので、当該ロータ回転数と出力電力とから発電機７のトルクを算出することにより、トルク制御も行うこともできる。この場合、船内負荷９側のトルク変動があった場合でもターボチャージャ発電装置１側でトルクを安定的に維持するように制御することが可能である。
［第２実施例］
続いて図４を参照して、第２実施例に係るターボチャージャ発電装置１について説明する。尚、以下の説明では、第１実施例と共通部分に関しては同様の符号で示すこととし、適宜説明を省略することとする。
図４は第２実施例に係るターボチャージャ発電装置１が備える電力変換器８の内部構造を示すブロック図である。前記制御信号Ｓ１〜Ｓ６で駆動される半導体電力スイッチ３０（ＩＧＢＴやＦＥＴなど）は、通常、発電機出力端子を短絡することがないよう制御されるが、発電機の同期投入を試みる場合には、電流が流れておらず、ロータ磁束の推定ができないため、電流が過大とならない範囲内の所定時間において、故意に発電機出力端子を短絡するよう制御信号Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
これにより、発電機７の同期投入前など回転数が低い場合においても、交流電流値に基づいてロータ磁束を精度よく算出することができる。
このように本実施例によれば、同期投入前の定常的な電流が流れていない場合であっても、制御信号Ｓ１〜Ｓ６によって半導体電力スイッチ３０で発電機７の出力端を短絡させることによって、ロータ回転角の算出精度を向上させることができる。そのため、他の船内発電機１０との同期時など、発電機７の低速回転時における制御精度が確保できないという問題点を効果的に解消することができる。
以上説明したように、本発明によれば、発電機７のロータ磁束に基づいて推定されたロータ回転角θを基準として、発電機７から出力された交流電流を直流電流に座標変換することにより、時間的に刻々と変動する交流電流に対して実質的にフィードバック制御を行うことができる。このような制御は、座標変換された直流電流の大きさがコンバータ１３の出力直流電圧値に基づいて設定された目標直流電流値に保たれるように行われる。これにより、コンバータ１３の出力電力の安定化を図ることができ、負荷変動が生じた場合でも良好な追従性を得ることができる。
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスでガスタービン及びコンプレッサを駆動することにより、前記内燃機関に吸気を圧縮供給すると共に、前記コンプレッサの軸端に連結された発電機を駆動して発電した交流電力を、電力変換手段を介して電力系統に供給するターボチャージャ発電装置に利用可能である。
１ ターボチャージャ発電装置
２ 内燃機関
３ ガスタービン
４ 排気通路
５ 吸気通路
６ コンプレッサ
７ 発電機
８ 電力変換器
９ 船内負荷
１０ 船内発電機
１１ 電力マネジメントコントローラ
１２ 電力系統
１３ コンバータ
１４ 系統連系インバータ
１５ 制御部
１６ 三相／二相変換器
１７ 回転／固定変換器
１８ 磁束推定器
１９ 直流電圧ＰＩ制御器
２０ 電流ＰＩ制御器
２１ 固定／回転変換器
２２ 二相／三相変換器
２３ ＰＷＭ信号発生器
３０ 半導体電力スイッチ
１００ ターボチャージャ発電装置

Claims (4)

  1. 内燃機関から排出される排気ガスでガスタービン及びコンプレッサを駆動することにより、前記内燃機関に吸気を圧縮供給すると共に、前記コンプレッサの軸端に連結された発電機を駆動して発電した交流電力を、電力変換手段を介して電力系統に供給するターボチャージャ発電装置において、
    前記電力変換手段は、
    前記発電機で発電された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、
    前記発電機のロータ磁束に基づいて前記発電機のロータ回転角を推定するロータ回転角推定手段と、
    前記推定されたロータ回転角を基準として、前記発電機から出力された交流電流を直流電流に座標変換し、該直流電流の大きさが前記コンバータの出力直流電圧値に基づいて設定された目標直流電流値に保たれるように前記コンバータの出力直流電力を制御する制御手段と
    を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
  2. 前記目標直流電流値は、前記コンバータの出力直流電圧値が予め設定された目標直流電圧値に保たれるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ発電装置。
  3. 前記ロータ回転角推定手段は、前記電動機の出力交流電流に基づいて前記ロータ磁束を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ発電装置。
  4. 前記コンバータは前記発電機の出力端子を短絡させるためのスイッチング手段を含んでおり、
    前記制御手段は、前記発電機を同期投入する場合に、前記スイッチング手段を駆動することによって前記発電機の出力端子を所定期間短絡させることを特徴とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のターボチャージャ発電装置。
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