JP5374489B2

JP5374489B2 - 発電設備

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Publication number: JP5374489B2
Application number: JP2010289840A
Authority: JP
Inventors: 幸生山下; 啓一白石; 嘉久小野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012137017A

Description

本発明は、複数の過給機に連結された複数の発電機による発電を制御する発電設備に関するものである。

例えば、船舶は、推進用として複数のディーゼルエンジンが搭載されており、このディーゼルエンジンは、過給機（ターボチャージャー）を有している。そして、省エネルギ化の観点から複数台の過給機のうちの少なくとも１台に、排気ガスのエネルギを電力として回収する発電機を連結した発電設備が考えられている。

例えば、下記特許文献１に記載された過給装置では、エンジン運転中に排気タービン過給機と並列運転状態とされるハイブリッド排気タービン過給機を設け、ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と排気タービン過給機の回転数とが一致するように発電機の発電量を制御している。また、下記特許文献２に記載された電力変換装置では、複数台の発電機を昇圧回路と逆流防止ダイオードを介して直流で接続し、インバータ１台で電力系統に電力を供給するように構成している。

特開２００９−２５７０９８号公報特開２００３−００９５３７号公報

上述した各特許文献には、ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と排気タービン過給機の回転数とが一致するように発電機の発電量を制御すること、複数台の発電機を昇圧回路と逆流防止ダイオードを介して直流で接続して１台のインバータで制御することが記載されている。ところが、複数のディーゼルエンジンは、その回転数がばらつくことから安定した発電量を確保することが困難となる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、安定した電力を発電可能な発電設備を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の発電設備は、複数の排ガス発生源と、該複数の排ガス発生源からの排ガスにより駆動する複数の過給機と、該複数の過給機に接続される複数の発電機と、該複数の発電機により発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータと、該複数のコンバータから出力された直流電力を交流電力に変換する一つのインバータと、該インバータからの交流電力に応じて前記複数の排ガス発生源または前記複数の過給機を制御する制御装置と、を備えることを特徴とするものである。

従って、インバータからの交流電力が所望の電力となるように複数の排ガス発生源または複数の過給機を制御することで、安定した電力を発電することができる。

本発明の発電設備では、前記複数の排ガス発生源はエンジンであり、前記制御装置は、前記インバータからの交流電力が一定となるように前記エンジンを制御することを特徴としている。

従って、エンジンの吸入空気量、燃料供給量、点火時期、回転数などを制御することで、安定した電力を発電することができる。

本発明の発電設備では、前記複数の過給機は可変容量式の過給機であり、前記制御装置は、前記インバータからの交流電力が一定となるように前記過給機における過給圧を制御することを特徴としている。

従って、可変容量式の過給機における排ガス量や流速などを調整して過給圧を制御することで、安定した電力を発電することができる。

本発明の発電設備によれば、複数の排ガス発生源からの排ガスにより駆動する複数の過給機を設けると共にこの各過給機に複数の発電機を接続し、複数の発電機により発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータと、この直流電力を交流電力に変換する一つのインバータと、インバータからの交流電力に応じて複数の排ガス発生源または複数の過給機を制御する制御装置とを設けるので、安定した電力を発電することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る発電設備の概略構成図である。図２は、本発明の実施例２に係る発電設備の概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電設備の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の実施例１に係る発電設備の概略構成図である。

実施例１の発電設備は、図示しない船舶に搭載されるものである。図１に示すように、２台のディーゼルエンジン（排ガス発生源）１１，３１は、重油を燃料として駆動するものであり、船舶を航行させるための推進用として機能する。即ち、各ディーゼルエンジン１１，３１は、図示しないクランク軸にプロペラ軸１２，３２が連結され、プロペラ軸１２，３２にスクリュープロペラ１３，３３が取付けられている。

２台の過給機１４，３４は、各ディーゼルエンジン１１，３１に装着されるものであり、タービン１５，３５とコンプレッサ１６，３６が回転軸１７，３７により連結されて構成されている。従って、各過給機１４，３４にて、各ディーゼルエンジン１１，３１の排気通路１８，３８から排出される排ガスにより各タービン１５，３５が回転すると、回転軸１７，３７により連結された各コンプレッサ１６，３６が回転することで過給し、各ディーゼルエンジン１１，３１の吸気通路１９，３９に送り込むことができる。

そして、各過給機１４，３４は、同軸上に発電機２０，４０が接続されている。この発電機２０，４０は、回転軸２１，４１が各過給機１４，３４の回転軸１７，３７に直結している。従って、各過給機１４，３４が駆動すると、各発電機２０，４０が交流電力を出力することができる。

電力変換器５１は、各発電機２０，４０が発電した電力を整流して出力するものであり、コンバータ２２，４２、ＤＣリンク２３、インバータ２４を有している。即ち、コンバータ２２，４２は、発電機２０，４０に接続されており、この発電機２０，４０が出力した交流電力を整流して直流電力に変換する。また、コンバータ２２，４２は、ＤＣリンク２３を介してインバータ２４に接続されており、ＤＣリンク２３にコンデンサ２５が設けられている。ＤＣリンク２３は、コンバータ２２，４２が変換した直流電力を充電することができ、このコンデンサ２５に蓄えた直流電力をインバータ２４に出力する。インバータ２４は、コンバータ２２，４２が変換した直流電力を所定の（例えば、６０Ｈｚ、４５０Ｖ）交流電力に変換するものである。

この場合、電力変換器５１は、２つの発電機２０，４０が発電した電力を整流して出力するものであり、２つのコンバータ２２，４２がＤＣリンク２３を介して１つのインバータ２４に接続されている。そして、インバータ２４は、出力系統２６に接続されており、この出力系統２６には複数の補機２７，２８，２９・・・が接続されている。

コンバータコントローラ５２は、各コンバータ２２，４２を制御可能であり、インバータコントローラ５３は、インバータ２４を制御可能である。メインコントローラ５４は、コンバータコントローラ５２及びインバータコントローラ５３を制御可能である。

従って、メインコントローラ５４は、コンバータコントローラ５２に対して直流バス電圧指令を出力し、インバータコントローラ５３に対して発電出力指令を出力する。ここで、インバータコントローラ５３は、メインコントローラ５４からの発電出力指令に基づいてインバータ２４により出力される電力の制御を行うが、インバータ２４には２つのコンバータ２２，４２からの電力が供給されることから、コンバータコントローラ５２は、直流バス電圧が一定となるように各コンバータ２２，４２を制御する。

コンバータコントローラ５２は、各コンバータ２２，４２に対して発電出力制御、出力トルク制御、回転数制御を行うことができる。ここで、コンバータコントローラ５２は、例えば、発電機２０，４０の回転数が高い方に対して、発電出力が大きくなるよう各コンバータ２２，４２を制御する。即ち、コンバータコントローラ５２は、回転数の高い発電機側のコンバータに対して指令回転数を下げたり、指令トルクを上げたりする。また、コンバータコントローラ５２は、例えば、発電機２０，４０の出力トルクが小さい方に対して、発電出力が大きくなるよう各コンバータ２２，４２を制御する。即ち、コンバータコントローラ５２は、トルクが小さい発電機側のコンバータに対して指令回転数を下げたり、指令トルクを上げたりする。

この場合、各コンバータ２２，４２は、電圧ＰＷＭ形式であって、直流バスの間に逆流防止ダイオードが配置されており、並列されているコンバータ２２，４２間の横流を防止することができる。但し、コンバータコントローラ５２が各コンバータ２２，４２を高精度に制御可能であれば、この逆流防止ダイオードは不要となる。

即ち、本実施例では、メインコントローラ５４は、インバータ２４から出力される交流電力に応じてコンバータ２２，４２を制御している。つまり、メインコントローラ５４は、インバータ２４から出力される交流電力がほぼ一定となるようにコンバータ２２，４２を制御している。

このように実施例１の発電設備にあっては、複数のディーゼルエンジン１１，３１と、この複数のディーゼルエンジン１１，３１の排ガスにより駆動する複数の過給機１４，３４と、この複数の過給機１４，３４に接続される複数の発電機２０，４０と、複数の発電機２０，４０により発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータ２２，４２と、この複数のコンバータ２２，４２から出力された直流電力を交流電力に変換する一つのインバータ２４と、インバータ２４からの交流電力に応じてコンバータ２２，４２を制御するメインコントローラ５４とを設けている。

従って、電力変換器５１として１つのインバータ２４だけでよく、構成の簡素化、省スペース化、低コスト化を可能とすることができる。また、インバータ２４からの交流電力に応じてコンバータ２２，４２を制御することで、安定した電力を発電することができる。

図２は、本発明の実施例２に係る発電設備の概略構成図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２の発電設備は、図２に示すように、２台のディーゼルエンジン１１，３１と、２台の過給機６１，７１と、発電機２０，４０と、電力変換器５１とを有している。

ここで、本実施例の過給機６１，７１は、各ディーゼルエンジン１１，３１に装着されるものであり、タービン１５，３５とコンプレッサ１６，３６が回転軸１７，３７により連結されて構成されている。また、この過給機６１，７１は、可変容量式の過給機であって、タービン１５，３５に導入される排ガスの容量が制御可能な可変ノズル機構（ノズルベーン）６２，７２が設けられている。この可変ノズル機構６２，７２は、図示しないが、アクチュエータを駆動することによりドライブリングを回転させることで、レバープレートが揺動してノズルベーンの翼角を変化させ、タービン１５，３５に導入される排ガスの容量を調整することができる。

従って、各過給機６１，７１にて、各ディーゼルエンジン１１，３１の排気通路１８，３８から排出される排ガスにより各タービン１５，３５が回転すると、回転軸１７，３７により連結された各コンプレッサ１６，３６が回転することで過給し、各ディーゼルエンジン１１，３１の吸気通路１９，３９に送り込むことができる。このとき、可変ノズル機構６２，７２によりタービン１５，３５に導入される排ガスの容量を調整し、各ディーゼルエンジン１１，３１へ送り込む吸気量、つまり、過給圧を調整することができる。

そして、各過給機６１，７１は、同軸上に発電機２０，４０が接続されている。この発電機２０，４０は、回転軸２１，４１が各過給機６１，７１の回転軸１７，３７に直結している。従って、各過給機６１，７１が駆動すると、各発電機２０，４０が交流電力を出力することができる。

電力変換器５１は、各発電機２０，４０が発電した電力を整流して出力するものであり、コンバータ２２，４２、ＤＣリンク２３、インバータ２４を有している。そして、インバータ２４は、出力系統２６に接続されており、この出力系統２６には複数の補機２７，２８，２９・・・が接続されている。

コンバータコントローラ５２は、各コンバータ２２，４２を制御可能であり、インバータコントローラ５３は、インバータ２４を制御可能である。メインコントローラ５４は、コンバータコントローラ５２及びインバータコントローラ５３を制御可能であると共に、各ディーゼルエンジン１１，３１、各過給機６１，７１（可変ノズル機構６２，７２）を制御可能である。

また、本実施例では、メインコントローラ５４は、インバータ２４から出力される交流電力に応じてディーゼルエンジン１１，３１や過給機６１，７１（可変ノズル機構６２，７２）を制御している。つまり、メインコントローラ５４は、インバータ２４から出力される交流電力がほぼ一定となるようにディーゼルエンジン１１，３１や過給機６１，７１の可変ノズル機構６２，７２を制御している。

即ち、メインコントローラ５４は、インバータ２４から出力される交流電力がほぼ一定となるようにインバータコントローラ５３及びコンバータコントローラ５２を制御している。しかし、ディーゼルエンジン１１，３１の駆動力は、船舶の推進力にも用いられていることから、その駆動力が変動し、発電機２０，４０の回転数、つまり、発電量が変動する。

そのため、メインコントローラ５４は、発電機２０，４０の回転数が変動しないように、船舶の推進力が変動しない範囲内でディーゼルエンジン１１，３１を制御する。このディーゼルエンジン１１，３１の制御内容としては、例えば、吸入空気量、燃料供給量、点火時期、回転数などである。

また、メインコントローラ５４は、発電機２０，４０の回転数が変動しないように、船舶の推進力が変動しない範囲内で過給機６１，７１における過給圧を制御する。即ち、メインコントローラ５４は、可変ノズル機構６２，７２によりタービン１５，３５に導入される排ガスの容量を調整することで、各ディーゼルエンジン１１，３１へ送り込む吸気量、つまり、過給圧を調整する。

このように実施例２の発電設備にあっては、複数のディーゼルエンジン１１，３１と、この複数のディーゼルエンジン１１，３１の排ガスにより駆動する複数の過給機６１，７１と、この複数の過給機６１，７１に接続される複数の発電機２０，４０と、複数の発電機２０，４０により発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータ２２，４２と、この複数のコンバータ２２，４２から出力された直流電力を交流電力に変換する一つのインバータ２４と、インバータ２４からの交流電力に応じてコンバータ２２，４２を制御するメインコントローラ５４とを設けている。

また、実施例２の発電設備では、メインコントローラ５４は、インバータ２４からの交流電力に応じて複数のディーゼルエンジン１１，３１や複数の過給機６１，７１を制御している。従って、インバータ２４からの交流電力が所望の電力となるようにディーゼルエンジン１１，３１や過給機６１，７１を制御することで、安定した電力を発電することができる。

この場合、メインコントローラ５４は、ディーゼルエンジン１１，３１の吸入空気量、燃料供給量、点火時期、回転数などを制御することで、安定した電力を発電することができる。また、過給機６１，７１は、可変容量式であることから、メインコントローラ５４は、過給機６１，７１における可変ノズル機構６２，７２を制御することで、過給圧を調整しており、排ガス量や流速などを調整して過給圧を制御することで、安定した電力を発電することができる。

なお、上述した各実施例にて、複数の排ガス発生源として２台のディーゼルエンジン１１，３１を適用し、２つの過給機１４，３４，６１，７１を設けたが、それぞれ２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。また、排ガス発生源はディーゼルエンジンに限るものではなく、このディーゼルエンジンにおける各気筒であってもよく、気筒ごとに過給機を配置してもよい。更に、排ガス発生源はディーゼルエンジンに限らず、排ガスを発生するものであればよく、ガスタービンなどであってもよい。

本発明に係る発電設備は、インバータからの交流電力に応じて複数の排ガス発生源を制御することで、安定した電力を発電可能とするものであり、いずれの発電設備にも適用することができる。

１１，３１ディーゼルエンジン（排ガス発生源）
１４，３４，６１，７１過給機
２０，４０発電機
２２，４２コンバータ
２３ＤＣリンク
２４インバータ
５１電力変換器
５２コンバータコントローラ
５３インバータコントローラ
５４メインコントローラ

Claims

複数の排ガス発生源と、
該複数の排ガス発生源からの排ガスにより駆動する複数の過給機と、
該複数の過給機に接続される複数の発電機と、
該複数の発電機により発電された交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータと、
該複数のコンバータから出力された直流電力を交流電力に変換する一つのインバータと、
該インバータからの交流電力に応じて前記複数の排ガス発生源または前記複数の過給機を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする発電設備。
前記複数の排ガス発生源はエンジンであり、前記制御装置は、前記インバータからの交流電力が一定となるように前記エンジンを制御することを特徴とする請求項１に記載の発電設備。
前記複数の過給機は可変容量式の過給機であり、前記制御装置は、前記インバータからの交流電力が一定となるように前記過給機における過給圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の発電設備。